Thiết kế và ứng dụng cáp điện cao thế chứa đầy dầu khí

Cáp điện áp cao ngầm đã được sử dụng để truyền tải điện trong nhiều năm và một số công nghệ khác nhau đã được phát triển trong những năm qua.

Đường ống dẫn khí và dầu cách điện có các đặc tính kỹ thuật, môi trường và vận hành khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế rất tốt khi cần truyền tải điện áp cao trong một không gian hạn chế, chẳng hạn như khi không thể sử dụng đường dây điện cao thế.

Cáp cao thế ở Tây Ban Nha cho điện áp 400 kV

Cáp truyền dẫn cách điện bằng khí và dầu (cáp dầu và khí áp suất cao) là một giải pháp thay thế an toàn và linh hoạt cho đường dây trên không và chiếm ít không gian hơn trong khi cung cấp cùng một đường truyền điện năng.

Vì chúng có ít hoặc không có tác động đến cảnh quan và lượng phát xạ điện từ tối thiểu của chúng có nghĩa là chúng có thể được sử dụng gần hoặc ngay cả trong các tòa nhà, cáp điện áp cao chứa đầy dầu và khí đốt có thể được xem xét cho nhiều ứng dụng.

Chỉ báo từ tính B có thể đo được gần cấu trúc như vậy là rất thấp, thấp hơn nhiều so với đường dây trên không tương đương. Ở khoảng cách 5 mét từ các đường ống, nó nhỏ hơn 1 μT.

Chúng phù hợp để cung cấp sự tiếp tục của các đường dây trên không ngầm, kết nối các nhà máy điện với lưới điện hoặc như một cách nhỏ gọn để kết nối các nhà máy công nghiệp lớn với lưới điện chung.

Khi được sử dụng trong các loại cáp có áp suất tăng, độ bền điện môi của lớp cách điện cáp được tăng lên đáng kể, đồng thời độ dày của nó và theo đó, giảm chi phí. Áp suất tăng lên trong cáp chứa đầy dầu hoặc khí được tạo ra bên trong lớp cách điện thông qua lõi rỗng hoặc các ống dẫn khác dọc theo cáp và được áp dụng bên ngoài lớp cách điện nếu cáp được đặt trong ống thép.

Thi công tuyến cáp bằng cáp khí cao áp

Cáp chứa đầy khí sử dụng lớp cách điện được thực hiện bằng nước với lớp cạn kiệt, trong lớp có khí trơ dưới áp suất, có đặc tính điện tốt và độ dẫn nhiệt cao (khí nitơ, khí SF6, v.v.). Thay thế không khí bằng khí nitơ hoặc khí SF6 để tránh quá trình oxy hóa lớp cách điện.

Theo cường độ của áp suất, cáp được phân biệt với áp suất thấp (0,7 — 1,5 atm), trung bình (tối đa 3 atm) và cao (12 — 15 atm). Hai loại cáp đầu tiên chủ yếu được làm bằng ba pha cho 10 - 35 kV và cáp cao áp - một pha cho 110 - 330 kV.

Cáp một lõi chứa đầy dầu cho 110 kV được chế tạo với một kênh dẫn dầu ở trung tâm của lõi rỗng và cho điện áp 500 kV - với một kênh trung tâm trong lõi và các kênh dưới lớp vỏ bảo vệ.

Thiết kế đầy dầu ba pha

Việc tăng áp suất đòi hỏi phải tăng cường lớp vỏ bảo vệ bằng cách phủ lên trên nó các dải kim loại gia cố, được bảo vệ khỏi sự ăn mòn bằng các lớp phủ phù hợp, cũng như một lớp áo giáp bằng dây thép mạ kẽm.

Một nhược điểm lớn của đường dây cao thế hiện đại được làm bằng cáp dầu là cần có các thiết bị phụ trợ rất đắt tiền và phức tạp, chẳng hạn như: bình cung cấp, bình chịu áp lực, chặn, khớp nối và đầu nối cuối.

Việc bù đắp những thay đổi về thể tích của chế phẩm ngâm tẩm được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị cung cấp bao gồm bể cung cấp và bể áp lực. Các bình cấp liệu đảm bảo rằng một lượng lớn dầu được cấp vào hoặc cấp ra khỏi cáp với áp suất ít thay đổi và bình áp suất duy trì áp suất trong cáp với bất kỳ thay đổi nào về lượng dầu.

Dầu di chuyển dọc theo cáp dọc theo kênh trung tâm của dây mang dòng điện. Đường dây cáp được chia bằng cách giới hạn ống lót thành các bộ phận trang điểm riêng biệt.

Đối thủ cạnh tranh mạnh nhất của cáp dầu là cáp khí điều áp. So với cáp cao áp chứa đầy dầu, nó đòi hỏi chi phí xây dựng đường dây thấp hơn, không cần thiết bị phụ trợ phức tạp và rất đơn giản trong cả lắp đặt và vận hành.

Lắp đặt đường dây ba pha bằng cáp khí

Ưu điểm chính của cáp chứa đầy khí so với cáp chứa dầu là sự đơn giản trong việc cung cấp khí cho đường cáp, khả năng đặt cáp trên các tuyến đường dốc và nghiêng.

Cáp đầy khí được sử dụng rộng rãi nhất cho điện áp 10 - 35 kV.Ở điện áp từ 110 kV trở lên, cáp nạp khí so với cáp nạp dầu có cường độ xung thấp hơn và khả năng chịu nhiệt cao hơn. Vì vậy, loại cáp này ít được sử dụng ở nước ta ở cấp điện áp từ 110 kV trở lên.

Ngược lại, ở các nước châu Âu, cáp chứa dầu (Oil Filled Cable) ít được sử dụng hơn so với cáp chứa khí (gas-insulated Transmission lines, GIL).

Công nghệ này bắt đầu được áp dụng ở châu Âu vào khoảng những năm 70. Nó được thiết kế đặc biệt để cung cấp khả năng chôn các mạng điện áp cao trong môi trường đô thị. Hiện nay có rất nhiều dự án đã hoàn thành sử dụng cáp nạp khí cấp điện áp đến 500 kV.

Ưu điểm của cáp chứa đầy khí là biên độ an toàn tương đối lớn trong trường hợp áp suất giảm khẩn cấp, cho phép chúng không bị ngắt kết nối ngay lập tức khi áp suất giảm.

Thiết kế cáp đầy khí

Cáp trong đường ống thép chịu áp lực dầu là ba loại cáp một lõi có lớp cách điện bằng giấy tẩm dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp (không có vỏ chì), được đặt trong đường ống thép chịu áp lực dầu lên đến 15 atm.

Thông thường, nhiều dầu nhớt hơn được sử dụng để tẩm lớp cách nhiệt và các loại dầu ít nhớt hơn được sử dụng để lấp đầy đường ống. Các tuyến cáp như vậy trong đường ống thép có áp suất dầu được sử dụng cho điện áp 110 - 220 kV.

Lớp cách điện được bao phủ bởi một màn hình làm bằng giấy kim loại hoặc các dải đồng đục lỗ, trên đó phủ một lớp niêm phong - một lớp vỏ bọc bằng polyetylen để ngăn hơi ẩm xâm nhập vào cáp trong quá trình vận chuyển.

Hai hoặc ba dây đồng hoặc đồng hình bán nguyệt được đặt theo hình xoắn ốc trên lớp phủ niêm phong, được thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi cho việc kéo cáp vào ống dẫn, ngoài ra, chúng giữ cho các pha ở một khoảng cách nhất định với nhau, giúp cải thiện tuần hoàn dầu và đảm bảo tiếp xúc điện của màn chắn cáp với đường ống.

Ống thép duy trì áp suất trong cáp, là lớp bảo vệ đáng tin cậy chống lại hư hỏng cơ học. Áp suất dầu lên lớp cách nhiệt được truyền qua vỏ bọc polyetylen.

Overhead để chuyển đổi cáp

Điểm yếu của cáp cao thế thường là các đầu nối. Một trong những nhiệm vụ chính trong việc phát triển các tuyến cáp cao thế là tạo ra một đầu nối thuận tiện cho việc lắp đặt và có độ bền điện không thấp hơn cáp.

Các đầu nối cuối được lắp đặt ở các đầu của đường cáp và các đầu nối bán dừng được lắp đặt cứ sau 1 — 1,5 km của đường dây (chúng ngăn cản sự trao đổi dầu tự do giữa các phần liền kề của đường ống).

Áp suất dầu định sẵn trong đường ống được duy trì bởi một bộ phận vận hành tự động cung cấp dầu cho đường ống khi áp suất giảm và loại bỏ dầu thừa khi áp suất tăng.

Trong các đầu nối của cáp chứa dầu, kết nối điện của dây dẫn mang dòng điện và kết nối của các kênh dầu của cáp diễn ra.

Các lõi được ép lại với nhau và tính liên tục của kênh dẫn dầu được đảm bảo bằng một ống thép rỗng (không được phép hàn hoặc hàn đồng do có dầu).

Một tấm chắn đất (bện đồng đóng hộp) được áp dụng dọc theo toàn bộ chiều dài của ống lót và bên ngoài ống lót được bao bọc trong vỏ kim loại.

Ống lót cáp của cáp điện áp cao đầy dầu

Cáp trong đường ống dẫn khí bằng thép chịu áp suất chỉ khác với thiết kế trước đó ở chỗ thay vì dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp, đường ống này chứa đầy khí trơ nén, thường là nitơ ở áp suất khoảng 12-15 atm. Ưu điểm của các loại cáp như vậy là đơn giản hóa đáng kể và giảm chi phí của hệ thống cung cấp đường dây.

Cách điện của cáp không chỉ tiếp xúc liên tục với điện áp tần số công nghiệp mà còn với điện áp xung, do cáp được kết nối trực tiếp với đường dây trên không hoặc với thiết bị điện của các trạm biến áp và thiết bị đóng cắt mở để nhận biết các tác động. sóng khí quyển. 

Cường độ xung của cáp chứa dầu cao hơn cáp chứa khí, bất kể giá trị áp suất dầu hoặc khí trong chúng. Đối với bất kỳ loại cáp nào, điện áp đánh thủng xung có thể tăng lên bằng cách giảm độ dày của dải giấy, tức là. bằng cách giảm khoảng cách giữa chúng. Cáp chứa đầy dầu hoặc cáp chịu áp suất khí bên ngoài, trong đó các khoảng trống trong lớp cách điện được lấp đầy bằng hợp chất ngâm tẩm, có điện áp đánh thủng cao nhất.

Cáp điện áp cao chứa đầy khí trong ống dẫn ngầm (đường hầm) có thể dễ dàng di chuyển giữa các cáp, nhưng kiểu lắp đặt này hầu như không cần bảo trì

Các đường ống dẫn cáp cách điện bằng dầu và khí áp suất cao đã chứng minh độ tin cậy kỹ thuật của chúng trong nhiều thập kỷ, vì chúng mang lại sự an toàn đặc biệt khi vận hành và ngay cả trong trường hợp sự cố, bên cạnh các đặc tính truyền tải rất tốt.

Tình trạng cách điện của các đường dây cáp trong quá trình vận hành được kiểm tra thông qua các thử nghiệm phòng ngừa, giúp xác định các vi phạm nghiêm trọng về tính toàn vẹn của cách điện và các khuyết tật trong đó (nối đất pha, đứt dây, v.v.), cũng như đo điện trở cách điện, dòng rò, góc tổn thất điện môi, v.v.

Cần lưu ý rằng đối với cách điện của đường dây cáp, thử nghiệm phòng ngừa là phương pháp duy nhất để phát hiện các điểm khiếm khuyết trong cách điện, do không thể tiếp cận đường dây cáp để kiểm tra và sửa chữa phòng ngừa. Do đó, thử nghiệm phòng ngừa cách điện của các đường dây cáp sẽ nhanh chóng xác định các khuyết tật trong cách điện của cáp và do đó làm giảm tình trạng khẩn cấp của mạng.

Ngoài bài báo — Siemens đang phát triển một đường dây tải khí

Đường dây mới được thiết kế để truyền tải công suất lên đến năm gigawatt (GW) cho mỗi hệ thống. Bộ Kinh tế và Năng lượng Liên bang Đức đang cấp 3,78 triệu euro cho dự án phát triển này.

Dây dẫn điện một chiều sẽ dựa trên công nghệ của đường dây truyền tải cách nhiệt bằng khí (TL) hiện có, bao gồm hai ống nhôm đồng tâm. Một hỗn hợp khí được sử dụng làm môi trường cách điện, cho đến nay, các đường dây cáp cách điện bằng khí chỉ có sẵn cho dòng điện xoay chiều.

Việc mở rộng mạng lưới truyền tải là cần thiết nếu 80% nhu cầu điện của Đức được đáp ứng bởi các nguồn năng lượng tái tạo vào năm 2050.

điện được tạo ra tua bin gió ở phía bắc của đất nước và dọc theo bờ biển của Đức, sẽ phải được vận chuyển hiệu quả nhất có thể đến các trung tâm vận chuyển hàng hóa ở phía nam của Đức.Truyền DC phù hợp nhất cho việc này vì tổn thất điện năng thấp so với truyền AC.

Có thể thực hiện phát triển mạng lưới sử dụng dòng điện một chiều điện áp cao (HVDC) sử dụng đường dây truyền tải trên cao và đường dây truyền tải dòng điện một chiều cách điện bằng khí đặt ngầm ở một số khu vực nhất định bằng cách sử dụng ít tài nguyên hơn đáng kể so với công nghệ ba pha .

"Truyền tải dòng điện trực tiếp ngầm là điều cần thiết cho quá trình chuyển đổi của Đức sang cơ cấu điện mới, vì sự phát triển của nó ban đầu sẽ diễn ra ở Đức. Sau đó, các yêu cầu từ các quốc gia EU khác hoặc các quốc gia khác trên thế giới sẽ hoàn toàn có thể xảy ra. Trong mọi trường hợp, với sự phát triển của đường dây truyền tải khí đốt trực tiếp, Đức sẽ đóng vai trò hàng đầu trong việc thiết kế các hệ thống truyền tải trong tương lai," Denis Imamovic, chịu trách nhiệm về hệ thống truyền tải khí đốt tại Siemens Energy Management cho biết.