Những yếu tố ảnh hưởng tới việc bố trí các công trình truyền tải điện

Bài báo này trình bày sơ lược những yếu tố khác nhau ảnh hưởng tới các quyết định về bố trí các đường dây truyền tải và sử dụng phương án trên không hoặc chạy ngầm dưới đất.

Thông tin chung

Hệ thống truyền tải điện là xương sống của lưới chuyên tải điện. Thông thường, các đường dây điện từ 69 kV đến 765 kV được coi là thuộc cấp điện áp truyền tải. Để truyền tải điện ngầm cần phải sử dụng kỹ thuật bọc kín dây dẫn điện trong vật liệu cách điện trước khi chôn xuống đất.

Do các đặc tính điện khác nhau của kết cấu ngầm nên công suất điện thực tế mà đường dây ngầm tải được thấp hơn đáng kể so với đường dây trên không. Về mặt vật lý, đường dây ngầm có mức điện nạp tương đối cao, điều này có nghĩa là đòi hỏi tiết diện lớn hơn để tải cùng một dòng công suất. Và như vậy các đường dây truyền tải ngầm phải tương đối ngắn hoặc phải sử dụng các phương pháp đắt tiền, chẳng hạn như thiết bị bù, để cải thiện khả năng tải.

Nói chung, truyền tải điện ngầm được sử dụng trong các khu vực đô thị do không đủ hành lang tuyến cho đường dây truyền tải trên không. Việc xây dựng trong điều kiện như thế thường đòi hỏi lắp đặt dưới vỉa hè hoặc dưới lòng đường. Điều này làm tăng số lượng lao động cần thiết để cắt đường, đào rãnh, lấp lại rãnh và sửa chữa bề mặt.

Cho tới nay, 500 kV là cấp điện áp cao nhất của đường cáp truyền tải điện đã được lắp đặt ngầm thành công trên thế giới. Điện áp cao nhất của cáp ngầm ở Mỹ là 400 kV. Nguyên mẫu hệ thống cáp chứa chất lỏng ở áp lực cao (High Pressure Fluid Filled - HPFF) cách điện bằng PPP 765 kV đã hoàn tất tốt các thử nghiệm về chất lượng dài hạn tại cơ sở thử nghiệm Waltz Mill thuộc Viện nghiên cứu Điện lực Mỹ, nhưng đến nay vẫn chưa được triển khai thương mại hóa.

- Chú thích: một dặm bằng khoảng 1.609 m

Vấn đề chi phí

Chi phí cho hệ thống cáp ngầm phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế cụ thể và điều kiện lắp đặt. Không thể đơn giản đưa ra một tỉ lệ so sánh “chuẩn” giữa chi phí của hệ thống ngầm và hệ thống trên không. Tỷ lệ so sánh này có thể là từ 1/1 (do việc xây dựng hệ thống trên không khá đắt trong khu vực nội thành, với rất nhiều cột góc) cho tới hơn 20/1 (khu vực nông thôn, xây dựng hệ thống trên không rẻ hơn).

Cần lưu ý rằng tỷ lệ này thường phụ thuộc nhiều hơn vào mẫu số (chi phí trên không, chẳng hạn xây dựng đường dây) hơn là tử số. Đường cáp ngầm luôn đắt hơn vì mỗi mét tuyến đường cần phải đào lên và lấp lại. Trong một số trường hợp khi mà tỷ lệ này thấp, công ty điện lực phải đối mặt với việc phải mua hành lang tuyến đường dây với giá rất cao cho đường dây trên không sẽ lắp đặt.

Đánh giá những lý do tán thành và phản đối truyền tải điện ngầm

Ngoài giá trị thẩm mỹ của đường dây truyền tải điện ngầm, thì suất mất điện bắt buộc nói chung thấp hơn so với đường dây trên không. Điều này là do đường dây ngầm không trực tiếp chịu ảnh hưởng của bão và cây cối.

Tuy nhiên, cũng phải tính đến hệ quả kết hợp của suất mất điện bắt buộc và thời gian sửa chữa khi so sánh độ tin cậy hoặc độ sẵn sàng tổng thể của hai loại công nghệ truyền tải này. Điều này cho thấy độ sẵn sàng của đường dây trên không nói chung cao hơn đường dây ngầm dưới đất (xem bảng 1).

Mặc dù hệ thống truyền tải ngầm nói chung cần hành lang tuyến đường dây hẹp hơn, nhưng toàn bộ hành lang tuyến đường dây lại phải được giải phóng để có thể tiếp cận và quan sát. Các loại cây thấp đôi khi cũng được chấp nhận cho hàng lang tuyến đường dây trên không.

Thời gian chuẩn bị trước vật liệu, đặc biệt cáp ngầm và các chỗ nối, cũng khá dài. Thường đó là do lượng nhu cầu thấp và khả năng của nhà sản xuất khi làm các loại cáp đặc biệt. Điều này khiến công ty điện lực phải dự phòng một lượng đáng kể cho trường hợp khẩn cấp hoặc rủi ro mất điện trong nhiều tháng. Do thực tế này, người ta thường xây dựng các mạch dư thừa bằng cách lắp đặt các mạch song song cho trường hợp khẩn cấp, do đó làm tăng chi phí.

Vấn đề về độ tin cậy

Việc mất điện trên cáp truyền tải ngầm chủ yếu là do đào bới gây ra (tức là cáp bị hỏng do đào bới gần đường dây ngầm). Hậu quả là những đường cáp bị hỏng cần phải được xác định vị trí, và sau đó và hoàn tất việc sửa chữa mất rất nhiều thời gian trước khi có thể đưa cáp vào hoạt động trở lại. Thời gian điển hình cho công việc sửa chữa đối với trường hợp mất điện hệ thống truyền tải ngầm là từ 1 tới 3 tuần hoặc lâu hơn, trong nhiều tháng, đối với một số trường hợp.

Đường ống cáp điện ngầm

Ngoài những hư hại vật lý do việc đào bới, sự cố ở chỗ nối đường cáp ngầm là nguyên nhân hàng đầu gây ra sự cố cáp ngầm truyền tải. Nối cáp là công việc tốn nhiều nhân công và thực hiện bằng tay để nối các đoạn cáp ngầm truyền tải. Ngoài việc gây ra điện trở, các chỗ nối này cũng làm tăng nguy cơ hơi ẩm thâm nhập vào lõi cáp dẫn đến ngắn mạch.

Bảo vệ hệ thống ngầm cũng là một thách thức. Bởi vì phần lớn các sự cố cáp đều là ngắn mạch trực tiếp (không do quá điện áp, tức là sét), nên đóng điện trở lại đường cáp hiếm khi được thực hiện tự động. Điều này nghĩa là nếu có bất kỳ thiết bị bảo vệ nào tác động cũng sẽ dẫn tới mất điện duy trì trong mạch cáp cho tới khi tiến hành kiểm tra toàn bộ các bộ phận dễ thấy hoặc thực hiện thử nghiệm không phá hủy trên cáp rồi mới có thể đóng điện trở lại.

Do thời gian sửa chữa kéo dài hơn nhiều đối với đường dây truyền tải ngầm, nên việc thiết kế mạch cáp với độ dư thừa 100% là điều khá quen thuộc. Nghĩa là, nhiều khi người ta lắp đặt hai mạch cáp song song, mỗi cáp có đủ công suất để mang được dòng tải danh định của mạch trong khoảng thời gian dự phòng (thường là thời gian sửa chữa trung bình). Điều này rõ ràng làm tăng chi phí cho việc xây dựng hệ thống truyền tải mới.

Cách điện cho cáp ngầm

Tất cả loại cáp đều điện lực đều phải được cách điện với đất để đạt được dòng điện mong muốn.

Điều này có thể làm được bằng cách bọc lõi cáp nhôm/ đồng của đường dây bằng vật liệu cách điện.

Vật liệu cách điện này có thể có nhiều dạng; dạng lỏng (thông thường là dầu cách điện), dạng rắn (polyme điện môi không dẫn điện) cho tới dạng khí (SF6). Mỗi dạng có ưu điểm và nhược điểm riêng.

Có sự khác biệt đáng kể về khả năng tải dòng lớn nhất và công suất truyền tải danh định giữa các loại cáp truyền tải khác nhau này.

Cáp dầu/làm mát bằng chất khí dùng cho các công trình ngầm

Các hệ thống truyền tải ngầm chứa chất lỏng ở áp lực cao (cáp HPFF), điện áp hệ thống từ 69 kV tới 345 kV đã được đưa vào vận hành thương mại từ hơn 70 năm nay. Hệ thống cáp HPFF với điện áp danh định của hệ thống đến và bằng 765 kV đã có mặt trên thị trường và đã qua được các cuộc thử nghiệm chất lượng dài hạn.

Hệ thống cáp chứa khí ở áp lực cao (High Pressure Gas Filled - HPGF) cũng có kết cấu tương tự nhưng chất lỏng điện môi được thay thế bằng nitơ ở áp suất 200 psig (1 psig » 0,070 bar). Hệ thống cáp HPGF chưa có trên thị trường cho mức điện áp hệ thống trên 138 kV.

Đường dây truyền tải cách điện khí (Gas Insulated transmission Lines - GIL) được áp dụng khi cần tới khả năng truyền tải điện lớn, chẳng hạn như các khoảng cách ngắn trên đường dây trên không hoặc những đoạn đấu nối ngắn từ trạm biến áp tới đường dây trên không. Thông thường, GIL sử dụng khí SF6 làm môi chất cách điện.

Cáp truyền tải chứa khí nén (Compressed-Gas) có mức tải dòng cao hơn đáng kể (5 kA và cao hơn) so với các loại hệ thống cáp khác vì:

1. Do độ bền cách điện thấp của khí (so với cách điện rắn và cách điện nhiều lớp chứa chất lỏng) nghĩa là đường kính của lõi cáp cao áp và lớp vỏ bọc nhôm cần phải lớn. Do đó, dòng điện danh định cũng lớn vì tiết diện lõi cáp và lớp vỏ nhôm lớn.

2. Tổn thất điện môi, tức là tổn thất năng lượng làm tăng nhiệt độ của khí (nitơ và SF6), là cực kỳ thấp so với phần lớn các vật liệu cách điện rắn và nhiều lớp. Kết quả là cáp khí nén có mức tải dòng tăng cao.

Hệ thống cáp truyền tải HPFF và HPGF tự làm mát với lõi cáp rất lớn (3.500 kcmil » 1.773 mm²) có khả năng truyền tải không cao hơn 1.200 A, thấp hơn đáng kể so với hệ thống cáp điện chứa chất lỏng khép kín (self-contained, fluid-filled - SCFF) vì những lý do sau đây:

1. Tổn thất từ trong ống thép, như dòng điện quẩn và từ trễ, tương đương với tổn thất do nhiệt trong dây dẫn cao áp. Tổn thất trên các ống làm giảm đáng kể mức tải dòng của cáp bên trong ống.

2. Tổn thất năng lượng, dẫn tới độ tăng nhiệt của cách điện nhiều lớp, tẩm chất lỏng dịch cao hơn đáng kể so với cách điện điên môi đúc XLPE.

Polymer điện môi (không dẫn điện)

Các hệ thống truyền tải điện lớn trong nước, điện áp 345kV, sử dụng điện môi rắn đầu tiên được lắp đặt tại Connecticut, Long Island và Chicago trong vài năm trước đây. Ngoài ra, hàng mấy trăm dặm (một dặm bằng khoảng 1.609 m) hệ thống cáp điện môi rắn 230 kV đã được lắp đặt ở rất nhiều nước trên thế giới và có tới hàng mấy chục dặm cáp điện môi rắn 400 kV đã được lắp đặt tại Châu Âu. Nhật Bản cũng hoàn tất việc lắp đặt hệ thống cáp truyền tải XLPE 500 kV lớn đầu tiên (hai mạch, dài 25 dặm) vào cuối năm 2000.

Cáp cách điện XLPE có khả năng truyền điện cao hơn đáng kể so với hệ thống cách điện ống vì tổn thất điện môi thấp hơn, không có tổn thất ống, và các pha đặt cách nhau xa hơn. Cáp có kích thước lõi lớn có thể có dòng điện danh định trên 2.000 A.

Khả năng tải dòng của cáp truyền tải XLPE cao hơn so với hệ thống cáp SCFF cùng kích cỡ lõi bởi vì mức tổn thất điện môi và dòng điện nạp của cáp XLPE nhỏ hơn.

Kết luận

· Chi phí xây dựng hệ thống truyền tải ngầm cao hơn ít nhất là gấp 2 - 3 lần so với trên không. Trong một số trường hợp, sự khác nhau về chi phí có thể lên tới gấp 10 lần.

· Các ủy ban dịch vụ công ích thường chỉ cho phép các công ty điện lực đưa vào biểu giá điện áp dụng chung cho tất cả các khách hàng của họ những chi phí hợp lý cần thiết cho việc đảm bảo cung cấp dịch vụ an toàn và tin cậy. Trong hầu hết các trường hợp, đó là chi phí cho đường dây trên không. Do dó, trừ khi do tình huống bắt buộc phải sử dụng hệ thống ngầm thay vì hệ thống trên không, AEP sẽ không thể thu hồi lại được các chi phí cho việc lắp đặt hệ thống ngầm.

· Thời gian và chi phí cần thiết để cách ly và sửa chữa sự cố đường dây truyền tải ngầm thường lớn hơn nhiều so với đường dây trên không. Thời gian cắt điện cũng vậy sẽ hầu như luôn luôn dài hơn, và do đó tăng rủi ro độ tin cậy, hệ thống vận hành mà không có tất cả các đường dây hoạt động, và tăng khả năng khách hàng không hài lòng với sự cố mất điện kéo dài.

· Đường dây truyền tải ngầm gây ra nguy hiểm đáng kể về an toàn đối với công nhân xây dựng không thuộc ngành điện, những người không tuân thủ các quy định, luật pháp, qui tắc và vô tình đào xới vào những đường dây này.