Cáp HTS giúp tăng tốc độ truyền tải điện năng pptx

Cáp HTS giúp tăng tốc độ truyền tải
điện năng
Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao
(high- temperature
superconductor –
HTS) có kh
ả năng truyền
dẫn điện cao gấp 10 lần
so với các loại cáp điện
truyền thống. Cáp HTS giờ
đây đ
ã sẵn sàng để giúp
giảm tắc nghẽn hệ thống
điện, đồng thời giảm chi
phí
l
ắp đặt và vận hành.
Kh
ắp 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 ph
ải 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 c
ùng kích cỡ (Ảnh 1). Khi đặt vào trong cáp, sợi siêu dẫn này hoạt
động như một dây dẫn ho

àn 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 đ
òi 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
c
ũng 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 v
à phân phối của công ty American
Superconductor, là đơn vị đ
ã 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, v
à 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 y
êu 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 l
à 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 l
àm 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 y
êu 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 ch
ất 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 đ
ã 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 đ
ã lắp đặt và đóng điện hệ thống cáp truyền tải

điện HTS đầu ti
ên 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 v
à 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 h
ành lắp đặt một cáp HTS 4.000
A, điện áp 13,8 kV, hạn chế d
òng 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 v
ùng 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 l
à không cần thiết. Công ty điện lực sẽ cần phải cho phép nhà
cung c
ấp hệ thống làm lạnh sâu được thường xuyên vào trạm để bảo dưỡng
định kỳ. Nếu sử dụng cáp HTS hạn chế d
òng 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
l
ạnh.
Hệ thống cáp truyền tải điện HTS đầu tiên trên thế giới hoạt động trong hành
lang truy
ền 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
s
ản lượng dây HTS hiện nay còn tương đối nhỏ. Theo dự báo của ngành
công nghi
ệp 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 nhi
êu việc thi công trên đường phố, và không
c
ần 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, h

ệ 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, đ
òi 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 v
à 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
c
ầu cáp HTS đang gia tăng và ngành công nghiệp này ngày một phát triển.”