Sử dụng cáp ngầm trong truyền tải điện cao áp

Ngày nay trên thế giới, chủ đầu tư các dự án điện mới, trong đó có các dự án về truyền tải điện, có thể bị chất vấn bởi các nhà lập pháp, các nhóm cộng đồng và công chúng không chỉ về sự cần thiết của dự án mà còn về cách thức thực thi dự án.

Ở hầu hết các nước, luật bảo vệ môi trường đã được ban hành quy định những thủ tục khắt khe cho việc đánh giá tác động đối với môi trướng. Các dự án truyền tải điện cao áp không phải là ngoại lệ, các đường dây truyền tải điện trên không (ĐDK) đã trở thành tiêu điểm cho sự phản đối của công chúng với một câu hỏi: “Tại sao không đặt các đường dây điện xuống dưới mặt đất?”

Các vấn đề cơ bản của một dự án sử dụng cáp ngầm

Lập quy hoạch và vận hành

Các lý do cho việc quyết định liệu một đường dây sẽ xây dựng có nên ngầm dưới đất hay không:

- Các luật của quốc gia

- Chính sách của công ty

- Các lý do kỹ thuật

- Các lý do địa hình, môi trường

- Các lý do kinh tế

- Ý kiến của công chúng

- Yếu tố thời gian

- Sức ép về môi trường

Ảnh hưởng tới môi trường của ĐDK và đường cáp ngầm bao gồm các khía cạnh như: sự chiếm đất, hạn chế việc sử dụng đất đai, ảnh hưởng về mỹ quan. Cũng có một xu hướng phổ biến trong một bộ phận công chúng và một số nhà bảo vệ môi trường là tìm kiếm giải pháp thay thế ĐDK bằng đường cáp ngầm. Nói chung công chúng không hiểu sâu sắc về vấn đề kinh tế, kỹ thuật và môi trường liên quan. Thực chất, sức ép về môi trường được xem xét, bao gồm các quy tắc và các tiêu chuẩn về tần số điện, từ trường và những tiếng ồn có thể nghe thấy được... trong quá trình xây dựng và vận hành.

- Vấn đề kỹ thuật

Tính tiện lợi

Ngay từ đầu, các ĐDK đã được sử dụng để truyền tải điện. Đó là do sự tương đối đơn giản về thiết kế, chế tạo và quản lý vận hành của ĐDK và do chưa có các công nghệ cần thiết để sản xuất cáp lực cao áp (đặc biệt ở cấp điện áp > 110 kV). Ngày nay, nhờ sự tiến bộ của khoa học chế tạo vật liệu người ta đã sản xuất được các loại cáp ở nhiều mức điện áp. Các đường cáp ngầm điện áp cao được xem là đắt hơn so với các ĐDK có cùng công suất truyền tải và có khả năng thi công lâu hơn ĐDK.

Các ĐDK thường được đỡ trên các cột thép cao từ 30 đến 60 m và khoảng cách giữa các cột từ 250 - 550m. Các đường cáp ngầm thường được chôn xuống độ sâu khoảng 1m, hoặc được đặt trong các ống bê tông, ống thép, hay các ống tuynen có cấu tạo đặc biệt. Trước đây, các đường cáp ngầm hoặc là cáp có áp lực dầu hoặc là cáp cách điện bằng giấy tẩm dầu. Ngày nay thường cách điện bằng polyêtylen liên kết chéo (XLPE).

Điện cảm và điện dung

Khoảng cách các pha của ĐDK lớn hơn khoảng cách pha của một đường dây dùng cáp ngầm, và vì vậy các thông số điện của ĐDK và đường cáp ngầm là khác nhau, cụ thể:

+ Điện cảm tỷ lệ thuận với khoảng cách pha và vì vậy điện cảm của một ĐDK lớn hơn đáng kể so với điện cảm của một đường cáp ngầm. Ngược lại, điện dung tỷ lệ nghịch với khoảng cách pha và cáp ngầm có điện đung lớn hơn ĐDL.

+ Các giá trị điển hình của điện dung rẽ mạch là 0,09 và 0,27 μF/km và điện cảm là 1,24 và 0,43 mH/km đối với ĐDK và cáp cách điện bằng điện môi lỏng tương ứng.

Khả năng truyền tải

Tổn thất điện môi: Tổn thất điện môi tăng theo mức điện áp và phụ thuộc vào loại và độ dày của chất cách điện. Tại mức điện áp cao, tổn thất điện môi trong cáp là đáng kể, khoảng hơn 20% do toả nhiệt. Sự thất thoát này không phụ thuộc vào dòng điện tải và tổn tại ngay sau khi cáp đóng điện.

Dòng điện kháng nạp: Điện: Điện dung của một cáp lớn dẫn đến kết quả dòng điện nạp lớn đáng kể, có vuông hóc với dòng điện thực. Vì lý do này, khoảng cách tối đa một đường cáp có thể truyền tải điện mà không bù thấp hơn dây dẫn trên không tương đương. Ví dụ, một đường cáp có chất điện môi rắn ở mức điện áp 150kV có công suất truyền tải điện thực tế chỉ xấp xỉ 80% công suất thiết kế với khoảng cách lên đến 70km. Để bù cho dòng điện nạp, có thể sử dụng cuộn kháng nối ở một hoặc cả hai đầu đường cáp. ĐDK thì không bị hạn chế như trên bởi dòng điện nạp thấp hơn.

Việc phân tải: Trong một mạng phức tạp bao gồm nhiều đường khác nhau, khi đường cáp đặt song song với ĐDK thì cáp sẽ mang hầu hết tải vì đường cáp có trở kháng thấp hơn.

Khả năng sẵn sàng cung cấp điện

Sự cố mất điện trên các ĐDK căn bản là do một số nguyên nhân sau:

- Sự phóng điện mặt ngoài lớp cách điện.

- Chỗ tiếp xúc bị hỏng.

- Sự đánh thủng lớp cách điện do sứ cách điện bị hỏng.

Hầu hết sự cố mất điện là tạm thời và các đường dậy thường tự phục hồi làm việc bằng các thiết bị tự động đóng lại.

Sự cố mất điện của cáp ngầm: căn bản là do chất cách điện bị hỏng do sự đào bới tại các khu vực gần các đường cáp và thường đòi hỏi thời gian sửa chữa đáng kể trước khi khôi phục làm việc. Để so sánh ĐDK và đường cáp ngầm, cần phải xem xét không chỉ số lượng các yếu tố liên quan đến việc mất điện mà còn phải xem xét thời gian mất điện tổng thể hoặc khả năng sẵn sàng cung cấp điện.

Các giá trị định mức

Cả ĐDK và đường cáp ngầm phải có khả năng chịu được sự quá tải so với công suất thiết kế. ĐDK được để lộ thiên và phải chịu vô số các điều kiện môi trường, khả năng tải được căn cứ vào trường hợp xấu nhất. Đường cáp ngầm có các điều kiện môi trường rất ổn định. Chỉ có một sự thay đổi duy nhất là nhiệt độ đất xung quanh tại độ sâu chôn cáp, độ sâu này là luôn không đổi.

Yếu tố thứ hai được xem xét là thời gian toả nhiệt không đổi. Đây là thời gian cho một mạch điện đạt tới nhiệt độ hoạt động bình thường sau giai đoạn tăng tải lên. Đối với l ĐDK, thời gian này xấp xỉ 15 phút trong khi đối với đường cáp ngầm thời gian này có thể dài hơn mộ tuần do khối lượng toả nhiệt của đất xung quanh lớn. Hằng số thời gian toả nhiệt lâu của cáp ngầm cho phép nó đối phó được với sự quá tải trong thời gian ngắn hoặc trung bình rất hiệu quả. Với các điều kiện môi trường thuận lợi, ĐDK sẽ có khả năng chịu được sự quá tải lâu hơn và tốt hơn đường cáp ngầm.

Độ tin cậy

Các ĐDK có xu hướng phải chịu mất điện trong khoảng thời gian ngắn hơn nhưng thường xuyên hơn các đường cáp ngầm. Các đường cáp ngầm bị mất điện trong khoảng thời gian dài hơn nhưng ít xảy ra hơn. Độ tin cậy của các ĐDK và đường cáp ngầm có thể được so sánh trên cơ sở thới gian bị mất điện trung bình trong suốt một giai đoạn dài.

Chi phí đầu tư cho dự án cáp ngầm

Mục tiêu

Việc nghiên cứu các loại chi phí của đường dây điện trên không và đường cáp ngầm thường tập trung vào chi phí cố định hoặc chi phí đầu tư mua sắm và lắp đặt các đường dây cụ thể, và chi phí cho các máy móc thiết bị dùng cho truyền tải điện.

Tuy nhiên, người ta cũng nhận thấy rằng ngoài đầu tư tài chính trực tiếp còn có các chi phí khác phát sinh trong suốt quá trình lắp đặt ĐDK và đường cáp ngầm như các chí phí vận hành, các chi phí bảo dưỡng, và các chi phí tổn thất. Chi phí tổn thất có thể phụ thuộc đáng kể hơn vào điện năng truyền tải trong suốt thời gian tuổi thọ của dự án đường dây hoặc cáp.

Chí phí đầu tư

Người ta nhận thấy rằng chi phí mua sắm và lắp đặt cả ĐDK và đường cáp ngầm chỉ có thể được xác định chính xác số lượng trên sơ đồ cơ sở, bởi vì có rất nhiều yếu tố cụ thể của tự nhiên ảnh hưởng đến.

Điều kiện thời tiết ở từng nước hoặc từng vùng cụ thể đòi hỏi phải thiết kế và lắp đặt các ĐDK có yêu cầu cao hơn những nơi khác. Đối với việc lắp đặt các đường cáp ngầm có thêm những rắc rối kỹ thuật khác như bù điện kháng cần thiết trong các tình huống cụ thể phụ thuộc vào các điều kiện của hệ thống.

Các dữ liệu

+ Số liệu:

Theo thống kê của tổ chức CIGRE năm 1996, trong toàn bộ 860.410 km đường dây hiện có chỉ có 15.977km hay 1,86% là đường cáp ngầm thuộc 3 dãy điện áp, cụ thể:

Dãy 1: 110 – 220 kV: 416.291 km có 0,66% đường cáp ngầm.

Dãy 2: 220 – 363 kV: 264.727 km có 0,94% đường cáp ngầm.

Dãy 3: 363 – 764 kV: 179.392 km có 0,62% đường cáp ngầm.

Xu hướng hiện nay ngày càng tăng các đường cáp ngầm thuộc cả 3 dãy điện áp trên, mặc dù xu hướng này dựa trên độ dài đường dây ngắn hơn.

+ Các chi phí: Mặc dầu đã được công nhận, bảng này tóm lược một số các nguyên tắc kinh tế quan trọng của việc truyền tải điện và phân biệt sự khác nhau giữa đường dây trên không và đường cáp ngầm. Trường hợp của đường dây trên không, chi phí cố định trên mỗi MVA công suất được truyền tải giảm về cơ bản theo sự tăng lên về mức điện áp (từ 820$/MVA xuống còn 390$/MVA và 185$/MVA). Chi phí gia tăng của các cột điện bê tông cao hơn và các sứ cách điện dài hơn là khoản chi phí tương đối nhỏ, khi công suất truyền tải tăng được đưa vào xem xét, tính toán kết quả là có sự giảm về chi phí khi thể hiện bằng $/MVA.

Trường hợp của cáp cách điện thì lại khác bởi vì sự tổn thất điện môi sinh ra nhiệt trong chất cách điện. Điện áp càng cao nhiệt sản sinh càng lớn và chất cách điện càng dày thì nhiệt càng khó toả ra đất xung quanh. Khả năng truyền tải của cáp giảm bởi các hệ quả trên và dây dẫn điện phải được thiết kế lớn hơn để bù lại. Khi cáp lực cao áp thư vậy được chôn xuống đất, chúng phải được đặt cách khá xa nhau để tránh ảnh hưởng sức nóng với nhau và điều này có nghĩa phải đào các rãnh lớn hơn. Kết quả là chi phí lắp đặt các đường cáp ngầm tăng lên theo mức điện áp và chi phí có giảm một chút khi được tính bằng $/MVA (từ 6100$/MVA xuống còn 4900$/MVA và 3700$/MVA).

Nhận xét và đánh giá

Lập quy hoạch hệ thống và vận hành

Lập quy hoạch hệ thống và vận hành, mục đích là để phát triển mạng lưới truyền tải với công suất vừa đủ, khả năng sẵn sàng đưa vào sử dụng và độ tin cậy cao với chi phí thấp nhất. Một yêu cầu đối với đường cáp ngầm hoặc một phần của đường cáp ngầm là một mạch điện phải có quy hoạch hệ thống và các hướng dẫn vận hành.

Trong nhiều trường hợp, tiêu chuẩn (n-1) có nghĩa là bất kỳ một mạch điện hoặc thanh dẫn có thể không được nối do hỏng hóc mà không có bất kỳ sự ngắt điện và sự quá tải một bộ phận nào đó của mạng xảy ra. Người ta giả định rằng thới gian thì ngắn đến mức không có hỏng hóc nào xảy ra trong mạng trước khi các thiết bị bị sự cố được đưa vào vận hành trở lại. Nói chung, đây là trường hợp xảy ra với các ĐDK nhưng không áp dụng cho cáp ngầm vì là loại thiết bị có thời gian sửa chữa lâu hơn đáng kể. Tuy nhiên, một cột bê tông của ĐDK bị đổ cũng phải có thời gian sửa chữa lâu và tình trạng này cũng phải được xem xét.

Ảnh hưởng của các đường cáp điện bị sự cố đối với hoạt động của lưới tryền tải có thể được giảm tối thiểu bằng cách:

- Lắp đặt một sợi dự trữ.

- Lắp đặt một cáp mạch đôi.

- Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế (n-2).

Việc thay thế các ĐDK hiện có bằng đường cáp ngầm trong lưới truyền tải phải được phân tích không chỉ từ các cáp mà còn từ quan điểm quy hoạch hệ thống. Ảnh hưởng của việc đặt thêm cáp vào mạng xung quanh phải được đánh giá cẩn thận cho cả quá trình vận hành bình thường và sự cố.

Nếu ĐDK được thay thế bằng đường cáp ngầm, cường độ dòng điện sự cố trong lưới sẽ tăng lên do cáp ngầm có trở kháng thấp hơn. Kết quả của dòng điện sự cố phải được tính toán và khả năng chịu dòng điện sự cố đối với mỗi bộ phận trong lưới truyền tải và cần lắp đặt thiết bị bảo vệ, giám sát, kiểm tra.

Vấn đề về môi trường

Trong quá trình thiết kế, lập quy hoạch, xây dựng và vận hành, các sức ép lớn thất có thể là từ trường, điện trường ở mức độ nhỏ hơn, với các hạn chế có liên quan như: sự chiếm dụng và làm giảm giá trị đất đai, và sự hạn chế đất sử dụng. Các ảnh hưởng có thể thấy được thì quan trọng đối với các ĐDK và một số ảnh hưởng có thể được tạo ra do những lắp đặt bên ngoài của cáp ngầm, như các trạm đầu cáp và các thiết bị bù công suất phản kháng.

Những giới hạn về mặt kỹ thuật

Các giới hạn kỹ thuật có ảnh hưởng quan trọng đến tính khả thi của phương án.

Các giới hạn kỹ thuật có thể đôi khi làm một số phương án không thể thực hiện được.

Thời gian trung bình cho sửa chữa hỏng hóc phải cắt điện các đường cáp ngầm lâu hơn các ĐDK. Ảnh hưởng về độ an toàn cung cấp điện tương đối nhỏ bởi vì giới hạn độ dài của các đường cáp ngầm cao áp trong các hệ thống điện ngày nay. Tình huống này có thể thay đổi nếu như có tỷ lệ lắp đặt các đường cáp ngầm nhiều hơn và yêu cầu có các đường dây dự phòng lắp đặt để đảm bảo độ tin cậy cho việc cung cấp điện.

Cáp ngầm cao áp bị hạn chế hơn nhiều về khả năng cải tạo nâng cấp. Công suất truyền tải của ĐDK có thể được tăng lên bằng cách thay dây dẫn có tiết diện lớn hơn. Điều này không hề đơn giản đối với các đường cáp ngầm vì các tuyến cáp ngầm phải đào lại để đặt các cáp lớn hơn và hoặc nâng cao sự toả nhiệt của các cáp. Vì vậy, các đường cáp cao áp hầu như cố định công suất của mạch và để tăng công suất trong tương lai đòi hỏi phải có chi phí đáng kể.

Các so sánh về chí phí

Các so sánh về chi phí là quan trọng xuất phát từ việc truyền tải điện sao cho tiết kiệm. Tỷ lệ chi phí của đường cáp ngầm so với các ĐDK có thể rất khác nhau từ dự án này sang dự án khác, bởi vì độ dài của các đường dây cho mỗi dự án là khác nhau và bởi các chi phí phát sinh cho việc sau: lập quy hoạch và thiết kế thêm, quá trình làm thủ tục cấp phép, những đánh giá về việc ảnh hưởng đến môi trường, và công việc hỗ trợ. Các chi phí cố định của những tổn thất cũng đặc thù cho từng dự án và nên được tính đến để làm rõ các so sánh.

Việc truyền tải điện ở mức điện áp cao bằng đường cáp ngầm tốn kém hơn nhiều so với truyền tải bằng ĐDK. Sự chênh lệch về chi phí tăng lên theo điện áp và trong dãy điện áp cao truyền tải điện bằng đường cáp ngầm thì đắt hơn trung bình khoảng 20 lần so với truyền tải bằng ĐDK. Tỷ lệ này giảm một chút một khi chi phí tổn thất được tính vào.

Vì vậy, không thể tránh khỏi, về sử dụng sẽ có kế hoạch liên kết các đường dây truyền tải mới sử dụng các ĐDK và đường cáp ngầm được dùng để phòng trừ cho các tình huống mà việc lắp đặt các ĐDK là không khả thi hoặc những nơi mà việc phải lắp đặt các đường cáp ngầm là thiết yếu. Trong cả hai trường hợp, kinh nghiệm cho thấy, vì lý do kinh tế các đường cáp ngầm bị hạn chế, có độ dài tương đối ngắn.

Người ta dự đoán rằng lượng đất dành cho các dự án truyền tải sẽ giảm do mật độ dân số và giá đất ngày càng tăng. Vì khoảng không gian mà một ĐDK chiếm dụng thì nhiều hơn một đường cáp tương đương. Vì vậy, trong tương lai, người ta có xu hướng dùng các ĐDK cột định hình nhiều mạch, các đường cáp ngầm mới, và trong một số trường hợp thực hiện liên thông các đường dây hiện có.

Trong tương lai sự phản đối của công chúng đối với việc xây dựng các ĐDK sẽ tăng. Ở nhiều nước việc xây dựng ĐDK dưới 220kV ngày càng trở nên khó khăn.

Các yếu tố thuộc về môi trường sẽ tiếp tục là yếu tố quan trọng trong việc so sánh ĐDK và đường cáp ngầm.

Các công nghệ mới có thể vừa giúp làm giảm sự phức tạp trong các quan điểm về tài chính, vừa giúp tạo ra các loại cáp hấp dẫn hơn. Hiện nay, các cáp cách điện bằng chất điện môi rắn được dùng để truyền tải điện có điện áp từ 400kV trở lên. Nói chung, khi sử dụng loại cáp này, các chi phí bảo dưỡng giảm và các bất lợi về kỹ thuật như điện dung được tối thiểu hoá. Việc sử dụng các vật liệu làm ổn định nhiệt đặc biệt làm tăng khả năng truyền tải điện và làm giảm chi phí chu kỳ dự án. Khả năng truyền tải điện cao hơn khi sử dụng khí SF6 và các hệ thống cáp được làm lạnh, và các cáp siêu dẫn có triển vọng trong tương lai.

Chi phí tương đối cao là trở ngại chính cho việc sử dụng cáp ngầm cao áp. Tuy nhiên do việc áp dụng các kỹ thuật chôn cáp hiện đại như khoan trực tiếp, và ngày càng có nhiều cáp rẻ hơn và các phụ kiện được làm sẵn lên các chi phí sử dụng cáp ngầm sẽ giảm.

Tỷ lệ chi phí của đường cáp ngầm so với ĐDK sẽ giảm mặc dù sự giảm này không đủ khắc phục được sự khác nhau đáng kể giữa chúng, cụ thể là tại các mức điện áp cao.

(Theo Tổng công ty Điện lực Việt Nam)