Cáp HTS giúp tăng tốc độ truyền tải điện năng

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

200
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cáp (highHTS) dẫn so với truyền đây giảm điện, phí siêu dẫn nhiệt độ cao temperature superconductor – có khả năng truyền điện cao gấp 10 lần các loại cáp điện thống. Cáp HTS giờ đã sẵn sàng để giúp tắc nghẽn hệ thống đồng thời giảm chi lắp đặt và vận hành. Khắp nơi trên thế giới, các công ty điện lực đang phải đối phó với thách thức phải truyền tải được nhiều điện hơn qua các lưới điện đô thị để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày một gia tăng của các khách hàng trong thế kỷ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cáp HTS giúp tăng tốc độ truyền tải điện năng

Cáp HTS giúp tăng tốc độ truyền tải điện năng Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (high- temperature superconductor – HTS) có khả năng truyền dẫn điện cao gấp 10 lần so với các loại cáp điện truyền thống. Cáp HTS giờ đây đã sẵn sàng để giúp giảm tắc nghẽn hệ thống điện, đồng thời giảm chi phí lắp đặt và vận hành. Khắp nơi trên thế giới, các công ty điện lực đang phải đối phó với thách thức phải truyền tải được nhiều điện hơn qua các lưới điện đô thị để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày một gia tăng của các khách hàng trong thế kỷ 21. Ngoài ra, các công ty còn phải bảo vệ người sử dụng điện khỏi sự tác động của các quá dòng điện ngày càng lớn, tức là các dòng điện sự cố. Đột phá về công nghệ trong kỹ thuật cáp hứa hẹn giúp các công ty điện lực khắc phục được cả hai vấn đề này. Loại cáp mới này sử dụng sợi siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS), mỏng như sợi tóc, có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây đồng có cùng kích cỡ (Ảnh 1). Khi đặt vào trong cáp, sợi siêu dẫn này hoạt động như một dây dẫn hoàn hảo, có điều là phải đáp ứng một số điều kiện, trong đó đáng lưu ý nhất là phải duy trì nhiệt độ của cáp thấp hơn một nhiệt độ tới hạn nào đó. Điều này đòi hỏi hệ thống cáp được làm lạnh liên tục bằng nitơ lỏng, là chất không hề đắt và an toàn với môi trường. Điều này cũng giúp tránh được việc sử dụng dầu cách điện như đối với nhiều loại cáp công suất lớn thông dụng ở các thành phố của Mỹ. Tổng quan về công nghệ mới Tháng 11/2008, tạp chí POWER (Mỹ) đã phỏng vấn ông Jack McCall, giám đốc phát triển các hệ thống truyền tải và phân phối của công ty American Superconductor, là đơn vị đã phát triển cáp điện HTS.
Ông McCall cho biết: “Để bàn về các ứng dụng của cáp HTS, cũng nên hiểu một số khái niệm cơ bản về loại cáp này. Cáp HTS có bốn đặc tính chính tạo nên sự khác biệt với các cáp đồng truyền thống: Khả năng truyền dẫn điện cao hơn, trở kháng rất thấp, bố trí lắp đặt đơn giản, và có khả năng hạn chế dòng điện sự cố.” Theo ông McCall, ưu thế về mật độ công suất cho phép cáp HTS ở cấp điện áp bất kỳ, dẫn điện gấp 10 lần so với các cáp đồng truyền thống. Còn nếu cùng truyền tải một công suất nhất định thì cáp HTS có thể thực hiện ở cấp điện áp thấp hơn nhiều so với cấp điện áp thường được sử dụng. Ví dụ một cáp HTS 15 kV có thể truyền tải được 100 MVA, mà với mức công suất này, người ta thường sử dụng cáp đồng cấp điện áp 69 kV. Cáp HTS có trở kháng rất thấp nên tổn thất điện năng thấp hơn nhiều so với các loại cáp tương đương. Khi sử dụng trong mạng điện, trở kháng thấp hơn của cáp HTS hút dòng điện từ các mạch song song, nhờ đó cũng giảm được tổn thất điện năng trong các mạch này, mặc dầu hệ thống làm lạnh phục vụ cho hệ thống cáp HTS cũng làm giảm phần nào hiệu quả đem lại. Cáp HTS có hai đặc tính khiến cho các yêu cầu về chọn tuyến trở nên đơn giản. Thứ nhất là cáp HTS gần như không phát ra từ trường, nhờ đó một mặt giảm yêu cầu về hành lang tuyến, mặt khác không cần phải giảm công suất cáp khi chúng được bố trí gần các đường cáp khác hay là các cơ sở hạ tầng ngầm. Các lợi ích về môi trường và về quan hệ cộng đồng do việc không phát ra từ trường cũng rất rõ ràng (không có cả điện trường, nhưng điều này là đúng đối với tất cả các loại cáp). Thứ hai là vì cáp HTS nằm trong vỏ bọc nhiệt độc lập do có hệ thống làm lạnh, nên không cần tính đến việc giảm công suất cáp tùy theo phương pháp chôn cáp, độ sâu hoặc loại đất. Do đó, cáp HTS là lý tưởng để lắp đặt ở các vị trí có hành lang tuyến bị hạn chế, đặc biệt là khi cần phải truyền tải một lượng công suất lớn. Một cải tiến quan trọng nữa trong thiết kế cáp HTS của công ty American Superconductor là khả năng hạn chế dòng sự cố bên trong cáp. Cáp HTS sẽ hoạt động như một dây dẫn có trở kháng cực thấp, dẫn dòng điện cường độ lớn trong điều kiện vận hành bình thường và sau đó trở thành có điện trở cao khi xảy ra sự cố, hạn chế dòng sự cố cường độ lớn. Yêu cầu làm lạnh sâu Một trong các đặc điểm khác thường nhất của cáp HTS là lõi của nó phải
được duy trì ở nhiệt độ lạnh sâu. Do đó, cáp HTS phải được thiết kế đặc biệt để bao gồm cả một hệ thống làm lạnh sâu. Tất cả các vật liệu siêu dẫn được biết tới hiện nay đều tồn tại ở một trong hai trạng thái: Siêu dẫn hoặc không siêu dẫn. Để có khả năng siêu dẫn, các vật liệu này phải hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn nào đó, ở dòng điện nhỏ hơn một dòng điện tới hạn nào đó, ở từ trường yếu hơn một từ trường tới hạn nào đó. Từ trường không phải là vấn đề trong các ứng dụng cáp. Thiết kế cáp thông thường đủ để đáp ứng tiêu chí dòng điện. Để đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ, phải có hệ thống làm lạnh sâu. Chất làm lạnh là nitơ lỏng chảy giữa các lớp dây HTS trong cáp để làm lạnh chúng tới khoảng -200oC và để tạo ra cách điện điện môi giữa lớp dây dẫn ở trung tâm và các lớp bên ngoài của cáp. Cáp HTS gồm có các lớp dây HTS đồng tâm và vật liệu điện môi tạo nên môi chất cách điện chịu được nhiệt độ lạnh sâu. Đây là kiểu thiết kế “điện môi lạnh” đồng trục. Hệ thống cáp này do Nexans, công ty hàng đầu thế giới trong ngành công nghiệp cáp, thiết kế, chế tạo, và lắp đặt. Thiết kế cáp HTS của Nexans được Điện lực Long Island (LIPA) sử dụng (xem hình 2). Từ phòng thí nghiệm tới thực tế Các hệ thống điện thương mại ở Mỹ đang bắt đầu sử dụng hệ thống cáp truyền tải điện HTS mới. Cáp HTS đã được trình diễn có kết quả tại các công ty điện lực và giờ đang được triển khai trong lưới điện. Trong vòng hai năm qua, ba cáp HTS đã được đóng điện ở Mỹ. Hiện nay cáp HTS của công ty Southwire đã mang được dòng điện tới 3.000 A ở điện áp 13,2 kV trong lưới điện do Công ty điện lực Mỹ (American Electric Power) quản lý ở Columbus (bang Ohio). Mùa hè năm 2006, hệ thống điện Quốc gia Mỹ đã đóng điện hệ thống cáp HTS điện áp phân phối do Sumitomo Electric (Albany, bang New York) thực hiện. Nhiều cáp khác đã được đóng điện, các nhà chế tạo là LS Cable and KEPRI ở Hàn Quốc và Innopower and Changtong Cable ở Trung Quốc. Tháng 4 năm 2008, LIPA đã lắp đặt và đóng điện hệ thống cáp truyền tải điện HTS đầu tiên trên thế giới trong một lưới điện thương mại. Hệ thống cáp 138 kV của Nexans này dài gần nửa dặm (800 m) và là hệ thống cáp HTS dài nhất và công suất lớn nhất hiện nay (Ảnh 3).
Hệ thống cáp công suất 574 MW này của LIPA có khả năng phục vụ 300.000 người dân và hộ kinh doanh ở các hạt Nassau và Suffolk thuộc bang New York. Hệ thống truyền tải 138 kV này bao gồm ba pha cáp điện HTS riêng rẽ chạy song song, được đưa vào hoạt động từ tháng 4/2008 và đang hoạt động thành công trong hành lang tuyến Holbrook của LIPA (Ảnh 4). Công ty Con Ed (New York City) đang tiến hành lắp đặt một cáp HTS 4.000 A, điện áp 13,8 kV, hạn chế dòng điện sự cố ở khu trung tâm Manhattan. Công ty Entergy đang trong giai đoạn thiết kế lắp đặt một cáp điện 2.000 A, điện áp 13,8 kV ở vùng New Orleans. Yêu cầu đặc biệt trong vận hành Cáp HTS đòi hỏi phải cân nhắc một số vấn đề về vận hành mà đối với cáp thông thường là không cần thiết. Công ty điện lực sẽ cần phải cho phép nhà cung cấp hệ thống làm lạnh sâu được thường xuyên vào trạm để bảo dưỡng định kỳ. Nếu sử dụng cáp HTS hạn chế dòng sự cố, thì có thể phải chú ý hơn tới sự thay đổi các đặc tính trở kháng thấp/trở kháng cao của cáp khi thiết lập sơ đồ rơle bảo vệ. Ngược lại, cáp HTS lại không đòi hỏi phải giảm công suất theo mức phụ tải, nơi lắp đặt hay nhiệt độ xung quanh. Theo ông McCall, cáp HTS có thể được sử dụng ở mọi chỗ trong hệ thống truyền tải điện. Hệ thống cáp HTS bao gồm cáp, đầu cáp, hệ thống làm lạnh sâu và các thiết bị khống chế đi kèm. Nói chung, các cáp nên kết thúc ở trong các trạm biến áp, bởi vì các đầu cáp HTS lớn hơn so với các đầu cáp thông thường. Trong trạm biến áp cũng cần dành mặt bằng cho thiết bị làm lạnh. Hệ thống cáp truyền tải điện HTS đầu tiên trên thế giới hoạt động trong hành lang truyền tải điện Holbrook của LIPA. Hệ thống bao gồm ba cáp chạy song song trong một hành lang truyền tải ngầm rộng 4 foot (1,2 m), có dung lượng truyền tải 574 MW. Khả năng mang tải của ba đường cáp đang đi xuống đất này bằng tất cả các đường dây trên không ở phía xa bên trái cộng lại. Vấn đề giá thành Giá thành sản xuất dây HTS hiện nay cao hơn so với dây đồng, cơ bản là do sản lượng dây HTS hiện nay còn tương đối nhỏ. Theo dự báo của ngành công nghiệp chế tạo, công nghệ dây HTS mới nhất, còn gọi là cáp 2G (thế hệ
2), sẽ không còn đắt nữa, và cuối cùng thì sẽ không đắt hơn đồng tính theo chi phí cho một kilôampe-mét (tỉ suất giá/hiệu quả), một khi được sản xuất trên qui mô lớn. Giá thành của hệ thống cáp HTS phải được xem xét theo góc độ giải pháp tổng thể mà nó đem lại. Ví dụ, nếu một cáp duy nhất có thể thay thế một bộ 8 cáp thông thường, đỡ đi bao nhiêu việc thi công trên đường phố, và không cần nâng cấp hàng tá máy cắt, khi đó phải tính tới lợi ích tổng thể. Một khi có nhiều cáp HTS được lắp đặt hơn và năng lực sản xuất được đẩy lên cao, giá thành dây HTS, hệ thống làm lạnh, v.v., do đó cũng giảm xuống, làm tăng giá trị kinh tế của hệ thống này. Các ứng dụng đầu tiên của cáp HTS sẽ là những công trình có giá trị rất cao. Ban đầu, cáp HTS sẽ có sức cạnh tranh cao nhất về chi phí đối với các ứng dụng ở khu vực đô thị, công suất lớn, bị hạn chế về hành lang tuyến. Một khi giá thành sản xuất giảm, tính cạnh tranh về tài chính của cáp HTS trong lĩnh vực ứng dụng đa dạng hơn nhiều cũng sẽ tăng, bao gồm các ứng dụng truyền tải điện trên khoảng cách ngắn và trung bình là những lĩnh vực mà cáp ngầm có điện áp cao hơn đang được triển khai hiện nay. Hệ thống làm lạnh sâu cho cáp HTS. Nhìn vào thực tế Trong vài thập niên tới, lưới điện của Mỹ sẽ trải qua một giai đoạn đầu tư và
thiết kế lại quan trọng. Nhu cầu mở rộng thêm hệ thống truyền tải điện để kết nối các nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào hệ thống điện là quá rõ ràng. Dù đơn giản là do tăng dân số, hay do các sự kiện thay đổi trong công nghiệp như việc sử dụng trên qui mô lớn các loại xe lai - nạp điện từ điện lưới (hybrid-plug in vehicle), phụ tải sẽ tiếp tục tăng trưởng đáng kể tại các khu đô thị có mật độ dân số cao, đòi hỏi cũng phải tăng khả năng truyền tải lên rất nhiều cho phía phụ tải của mạng điện. Theo ông McCall, thách thức lớn nhất hiện nay đối với việc mở rộng sử dụng hệ thống cáp HTS là vấn đề giáo dục và nhận thức trong ngành. Tại các công ty điện lực, phần lớn nhân viên liên quan tới việc lên kế hoạch hằng ngày và thiết kế kỹ thuật dự án không hề biết đến các đặc tính có một không hai của cáp HTS hay sự có tồn tại của loại cáp này. Có thể khẳng định là ở phần lớn các công ty điện lực, ít nhất là có một dự án hoặc một vấn đề mà HTS có thể được coi là giải pháp khả thi, nếu không nói là nên chọn. Việc ứng dụng rộng rãi chỉ có thể xảy ra một khi cáp HTS trở thành một phần thực sự trong tập hợp các công nghệ mà công ty điện lực cần cân nhắc trong các hoạt động giải quyết các vấn đề hằng ngày và lên kế hoạch. Theo dự đoán của ông McCall, cáp HTS có nhiều khả năng sẽ được lựa chọn trước tiên để củng cố các mạng điện đô thị, nâng cao độ tin cậy và tăng khả năng cung cấp điện của các công ty điện lực khi phụ tải tăng lên mà không cần xây dựng mới các trạm biến áp. Tiếp sau đó, có lẽ sẽ là những ứng dụng mà ở đó cáp HTS được sử dụng để bơm lượng công suất lớn từ các lưới truyền tải điện vùng lân cận vào các trung tâm phụ tải. Bước logic tiếp theo sẽ là giải quyết vấn đề tắc nghẽn hệ thống điện hoặc chọn tuyến đường dây cho các lưới điện vùng này. Ngoài ra, Viện Nghiên cứu Điện lực (EPRI) đang nghiên cứu vấn đề phát triển và sử dụng các đường cáp HTS cao áp một chiều liên vùng với chiều dài rất lớn, có khả năng truyền tải 10 GW vượt qua khoảng cách tới 600 mile (9.600 km). Ông McCall nói: “Ngành công nghiệp cáp sẽ tiếp tục cải tiến phương pháp sản xuất dây dẫn, cũng như nâng cao dòng điện mà một sợi dây dẫn HTS duy nhất có thể mang. Công tác phát triển các hệ thống làm lạnh sâu hiệu quả hơn về chi phí, được tối ưu hoá cho các ứng dụng cáp HTS, cũng đang tiếp tục. Những cải tiến và phát triển này sẽ còn tiếp tục diễn ra bởi vì nhu cầu cáp HTS đang gia tăng và ngành công nghiệp này ngày một phát triển.”