Giải pháp cho vấn đề trạm biến áp

Công nghệ tân tiến

Nhiều công nghệ tân tiến có thể bị coi là ý tưởng ngông cuồng, kỳ quặc hay thậm chí là trên mây. Công nghệ tân tiến có nhiều hình thức. Một số vốn là công nghệ cũ nhưng đi theo hướng mới, số khác là các công nghệ đỉnh cao và một số ít tuy còn nằm trên bàn vẽ nhưng có thể sẵn sàng đảo lộn mọi sự bất cứ lúc nào.

Bằng cách kết hợp máy cắt điện, dao cách ly, và máy biến dòng trong một thiết bị duy nhất, Siemens thu hẹp được mặt bằng cần thiết

Hãy xem xét một số tiến bộ về công nghệ năng lượng tái tạo nêu trong các bản tin gần đây. Trên thị trường có bán các tấm lợp mái nhà có các đặc tính quang điện (photovoltaic - PV), khiến chúng trở thành các tấm pin mặt trời cỡ nhỏ. Các hãng phát triển sản phẩm đang thử nghiệm trên thực địa loại quần áo có các đặc tính quang điện, để cấp điện cho các thiết bị mà nhiều người mang theo cả ngày. Nghiên cứu về lớp phun lớp PV đang được tiến hành, khiến bất kỳ bề mặt nào nếu quay đúng hướng cũng đều trở thành nguồn điện.

Chính quá trình trên đang phát huy tác dụng đối với sự phát triển công nghệ ngành điện, trong đó trạm biến áp là tâm điểm của sự phát triển này từ nhiều năm nay. Trước đây, nhưng chưa tới mức quá lâu, thiết kế chống sét oxit kim loại còn được xem là kỳ quặc, cực đoan và khó tin. Quan điểm cho rằng có thể giảm mức cách điện bằng việc sử dụng một thiết bị bên trong chứa các vật trông tựa như khoanh giò vào hồi đó là không thể tin nổi và đáng lo ngại, nhưng giờ đây chẳng còn ai nghi ngờ về tính thực tiễn của loại thiết bị này. Thay đổi để tiến lên là động lực để công nghệ phát triển , giúp trạm biến áp vận hành tốt hơn.

Vấn đề kích thước

Vật liệu cách điện tốt hơn cho phép đề xuất các mẫu thiết kế trạm biến áp nhỏ gọn, được thế giới chấp nhận ngày một nhiều hơn, khi mà các công ty điện lực đang đối mặt với thách thức phải cung cấp công suất trạm biến áp ở khu vực đô thị trong điều kiện mặt bằng bố trí hạn hẹp. Bằng cách kết hợp công nghệ tiên tiến với vật liệu có đặc tính tốt hơn, các nhà chế tạo hiện đang chào bán các thiết bị nhỏ gọn. Thiết kế trạm biến áp cách điện bằng không khí (air-insulated substation - AIS) nhờ đó được cải thiện, nhỏ gọn hơn bao giờ hết.

Các thiết kế AIS cải tiến này sử dụng một số công nghệ như: Máy biến dòng đo lường quang học (optical instrument transformer), dao cách ly thanh cái kiểu khung trượt (pantograph), giảm khoảng cách giữa các pha nhờ sử dụng chống sét oxit kim loại kiểu cải tiến giảm mức cách điện. Các thiết kế AIS cũng sử dụng các kiểu máy cắt điện SF6 cách tân. Máy cắt điện cách ly (kiêm chức năng của dao cách ly) của ABB và máy cắt điện Simobreaker của Siemens sử dụng công nghệ hỗn hợp bằng cách kết hợp các năng lực của dao cách ly và của máy cắt điện. Máy cắt Simover của Siemens - còn có tên gọi khác là máy cắt điện xoay - có máy biến dòng, dao cách ly kiểu xoay và máy cắt điện, tất cả được tích hợp làm một.

Kết hợp công nghệ cách điện bằng khí (GIS) với công nghệ cách điện bằng không khí (AIS) cho phép thu hẹp rất nhiều mặt bằng cần thiết cho trạm biến áp

Cũng có một số thiết kế trạm biến áp kiểu hỗn hợp (hybrid), kết hợp công nghệ GIS (trạm biến áp cách điện bằng khí) với công nghệ AIS, nhờ đó thu hẹp hơn nữa mặt bằng chiếm chỗ của trạm biến áp. Các thiết kế này là sự kết hợp của các loại thiết bị đặt trong không khí ngoài trời và các thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí SF6 đặt trong vỏ bọc. Trạm hỗn hợp này là phương án thay thế kinh tế hơn so với trạm GIS thuần túy, áp dụng cho những mặt bằng có phần nhỏ hẹp so với yêu cầu của trạm cách điện bằng không khí (AIS) nhưng đủ rộng đối với trạm biến áp kết hợp. Người thiết kế trạm biến áp ngày nay có nhiều lựa chọn và nhiều công cụ hơn nhiều so với trước đây.

Trạm biến áp siêu dẫn

Một sức mạnh khác có tiềm năng thay đổi cấu hình trạm biến áp là công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconducting - HTS). HTS đã được sử dụng từ nhiều năm nay, nhưng mới chỉ giới hạn ở các dự án thí điểm, để thử nghiệm các ứng dụng trên lưới điện. Các ứng dụng này bao gồm: Tích trữ năng lượng trường từ siêu dẫn (superconducting magnetic energy storage - SMES), cáp HTS và thiết bị hạn chế dòng sự cố HTS, hiện đã được lắp đặt trên hệ thống điện của nhiều công ty điện lực.

Một trong số các dự án thí điểm gần đây nhất của Bộ Năng lượng Mỹ được áp dụng trên lưới điện của công ty điện lực Southern California Edison– (SCE). SCE sẽ lắp đặt một máy biến áp trung áp HTS tại trạm biến áp Irvine, bang California (Mỹ). Máy biến áp HTS có thông số danh định 69/12,47 kV, 28 MVA và sẽ tích hợp khả năng giới hạn dòng sự cố. Đây là dự án hợp tác giữa Bộ Năng lượng Mỹ và ngành công nghiệp. Bộ Năng lượng đang tài trợ cho dự án. Phía ngành công nghiệp bao gồm Waukesha Electrical Systems, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và SuperPower Inc.

Các ý tưởng thiết kế HTS đã được thử nghiệm và chứng minh là đáng tin cậy, nhưng một trong số các vướng mắc trong việc triển khai là vấn đề giá thành. Cho đến nay, mỗi công trình lắp đặt luôn phải có hệ thống hỗ trợ kỹ thuật nhiệt độ siêu thấp (cryogenic), nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu hợp nhất nhiều hệ thống làm lạnh ở nhiệt độ siêu thấp? Có nhiều đề xuất xây dựng một trạm biến áp siêu dẫn sử dụng đủ các loại thiết bị HTS khác nhau nhưng với một hệ thống duy nhất làm lạnh ở nhiệt độ siêu thấp phục vụ toàn bộ trạm biến áp.

Các nhà nghiên cứu cho rằng trạm biến áp siêu dẫn sẽ hiệu quả hơn vì nó hầu như không có tổn hao. Trạm biến áp HTS sẽ tin cậy hơn, ít yêu cầu bảo trì với kiểu thiết kế đặt trong vỏ bọc. Trạm cũng yêu cầu mặt bằng ít hơn - giảm tới 70 % - và độ an toàn cũng cao hơn. Điều này chắc chắn phù hợp với định nghĩa của ý tưởng sáng tạo được xây dựng với công nghệ tân tiến, nhưng sẽ còn phải mất thời gian thuyết phục những người hoài nghi.

Trạm biến áp với giao thức Internet

Không chỉ có các công trình ngoài trời rơi vào tầm ngắm công nghệ. Cách đây vài năm, công ty điện lực Seattle City Light (SCL - bang Washington) xây dựng lại hệ thống điều khiển trạm biến áp theo phương pháp tiếp cận mới. SCL thay thế hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA) kiểu tập trung dựa trên các thiết bị đầu cuối từ xa (remote terminal unit - RTU) bằng hệ thống truyền thông dựa trên giao thức Internet (Internet protocol - IP). Hệ thống mới này thu thập được nhiều thông tin hơn và linh hoạt hơn các hệ thống SCADA truyền thống.

Các kết cấu compozite đang tạo ra sự khác biệt trong thiết kế trạm biến áp

Hệ thống của SCL này sử dụng một máy chủ trạm biến áp bao gồm một máy tính trạm biến áp SEL 3354 của công ty Schweitzer Engineering Laboratories (bang Washington) chạy trên phần mềm ứng dụng Substation và Substation Explorer của công ty SUBNET Solutions (Canađa). Hệ thống này cũng sử dụng các khóa chuyển đổi (switch) của công ty GarrettCom (bang California) được kết nối với các thiết bị điện tử thông minh (intelligent electronic devices - IED) bằng cách giao tiếp với các thiết bị trạm biến áp.

Công nghệ điều khiển trạm biến áp dựa trên IP tích hợp sẽ đứng vững và tăng trưởng về số lượng ứng dụng. Gần đây, Cisco (bang California, Mỹ) và Alstom (Pháp) công bố thành lập nhóm cộng tác với nhiệm vụ tích hợp mạng IP này với các thiết bị trạm biến áp và các hệ thống điều khiển. Nhóm của họ kết hợp các bộ định tuyến (router) và khóa chuyển đổi (switch) chịu được các quá điện áp lưới điện của công ty Cisco với các thiết bị điện của công ty Alstom như dao cách ly, rơle bảo vệ, tụ điện và hệ thống điều khiển số đảm bảo sự hoạt động của tất cả các thiết bị này. Alstom hiện đang tích hợp nền tương thích với IPv6 của Cisco vào các thiết bị trạm biến áp của họ nhằm tạo điều kiện dễ dàng cho việc chuyển đổi từ các giao thức truyền thông SCADA nối tiếp sang truyền thông lưới điện thông minh đích thực bằng IP.

Với việc chuyển đổi này, điều gì sẽ xảy ra khi đường truyền Internet trên mặt đất bị mất? Tất nhiên là dịch vụ này không còn tồn tại, mọi việc có thể bị gián đoạn, nhưng một công nghệ khác của thế kỷ 21 lại đang vào cuộc. Kết nối Internet qua vệ tinh nhân tạo độc lập với các đường truyền trên mặt đất. Vệ tinh nhân tạo cho phép các công ty điện lực bao quát toàn bộ hệ thống của họ trong một mạng duy nhất, đây là một lợi thế rất lớn khi tiến hành rà soát, sửa đổi và nâng cấp.

Tiến thêm một bước nữa, vệ tinh nhân tạo có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ khác như camera an ninh, dịch vụ điện thoại sử dụng tiếng nói qua IP và truyền fax. Tất cả đều có thể thực hiện cùng lúc, hiệu quả hơn.

Hàng rào điện ngăn không cho động vật lại gần các thiết bị mang điện

Thiết bị bán dẫn

Các linh kiện điện tử công suất đã được sử dụng rộng rãi trong ngành điện từ nhiều năm nay. Các hệ thống điện cao áp một chiều (high voltage direct current - HVDC) và các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (flexible ac transmission systems - FACTS) không còn mới lạ nữa. Nhiều nghiên cứu đang được tiến hành nhằm áp dụng công nghệ bán dẫn công suất cho máy cắt điện và máy biến áp bán dẫn.

Nhiều người cho rằng tính năng của các linh kiện bán dẫn hiện nay còn quá thấp, chưa đủ để chế tạo máy cắt điện và máy biến áp bán dẫn, thế nhưng điều này đang xảy ra. Việc phát triển máy cắt điện một chiều loại bán dẫn đang có nhiều tiến triển. ABB đang nghiên cứu thiết kế loại máy cắt tác động kép (hybrid) sử dụng linh kiện bán dẫn cùng với dao cách ly cơ khí, dùng cho lưới điện HVDC đang được đề xuất ở châu Âu.

Máy biến áp bán dẫn cũng đang được nghiên cứu khắp nơi trên thế giới. Máy biến áp bán dẫn không phải là máy biến áp kiểu khô có lõi từ; nó là bộ biến đổi điện áp không có sắt, thép hay đồng như vẫn thấy trong các thiết bị truyền thống loại này. Theo ý kiến của nhiều người tham gia nghiên cứu máy biến áp bán dẫn thì đây là thiết bị định tuyến (router) kỹ thuật số dùng cho lưới điện. Nghe có vẻ khá xa vời, nhưng ý tưởng lại hợp lý.

Ở Nhật Bản, tổ chức phi lợi nhuận Digital Grid Consortium đã được thành lập để phát triển máy biến áp bán dẫn này. Nhóm này bao gồm ORIX Corp, NEC Corp. và National Instruments. Có tin đồn một số nhà sản xuất thiết bị điện Nhật Bản có kế hoạch sẽ tham gia nhóm này.

Theo báo cáo của nhóm, thiết bị này sẽ thay thế các thiết kế sử dụng các cuộn dây hiện nay bằng các bộ biến đổi bán dẫn điện xoay chiều-sang-điện một chiều-sang-điện xoay chiều (AC-to-DC-to-AC). Máy này hoàn toàn chế tạo được với công nghệ hiện nay, nhưng do giới hạn về chi phí nên mới chỉ dừng ở giai đoạn nghiên cứu, chưa sang giai đoạn dự án thí điểm, trong khi chờ đợi các đột phá về công nghệ bán dẫn cải thiện được tính kinh tế của thiết bị.

Các đề xuất mới

Ai cũng biết chim, rắn, sóc không biết đọc. Nên cho dù có trương lên bao nhiêu biển báo “Điện áp cao nguy hiểm” thì những loài vật này vẫn cứ tiếp tục làm chạm chập thanh cái và các thiết bị mang điện, gây ra sự cố mất điện. Một số ứng dụng công nghệ cao giờ đã có sẵn trên thị trường giúp giải quyết vấn đề này.

Cột và cấu trúc bằng vật liệu compozite đang tìm đường tiến vào trạm biến áp. Đành rằng chậm chạp, nhưng sự thực là có. Công ty Shakespeare Composite Structures (bang South Carolina, Mỹ) phát triển các trụ đỡ thanh cái và đỡ dao cách ly trong trạm biến áp. Theo công ty Shakespeare Composite Structures, các động vật gây phiền toái này có thể nhảy lên các trụ đỡ bằng sợi thủy tinh, nhưng khả năng gây ngắn mạch chạm đất và sự cố thấp hơn nhiều. Công nghệ sợi thủy tinh và compozite đã xuất hiện cách đây 50 năm nhưng vẫn được coi là tân tiến, có điều là thời gian để các công nghệ này tiến vào được trạm biến áp lại quá dài.

Công ty TransGard (bang Pennsylvania, Mỹ) đưa ra giải pháp sáng tạo cho vấn đề này. TransGard đã phát triển một phương pháp rất thú vị để ngăn chặn các động vật bò, trườn, len lỏi vào trạm bằng cách vây quanh bằng hàng rào mang điện làm từ các tấm bảng chuyên dụng. Các tấm bảng được lắp đặt xung quanh các thiết bị mà công ty điện lực muốn bảo vệ. Công ty Rochester Gas & Electric lắp đặt hệ thống này ở tất cả các trạm biến áp của họ, kết quả là trong nhiều năm nay, chỉ xảy ra một sự cố mất điện do động vật gây ra (xem trên T&D World, chuyên mục Electric Utility Operations, số tháng 8 năm 2012).

Đối với loài chim, vấn đề có phức tạp hơn một chút nhưng đã có nhiều sản phẩm bán trên thị trường. Cụ thể như công ty Bird-B-Gone (bang California, Mỹ) chào bán các hệ thống phun sương hóa chất đuổi chim và giàn chông nhựa ngăn chim đậu. Nhưng có một sản phẩm công nghệ tuyệt vời: Đó là hệ thống sử dụng công nghệ âm thanh, phát ra tiếng chim kêu báo hiệu nguy cấp và tiếng chim săn mồi của trên 22 loài khác nhau vào những thời điểm và trong các khoảng thời gian được lựa chọn ngẫu nhiên. Với sự đa dạng này, chim không cảm thấy nghe đi nghe lại cùng một thứ. Ngược lại, âm thanh khiến chúng lo ngại và tìm đến nơi chúng cảm thấy an toàn hơn.

Kết nối trạm biến áp

Các thiết bị điện tử thông minh (IED), các bộ vi xử lý đủ loại và các thiết bị công nghệ cao khác đã được chế tạo để hoạt động với các công nghệ quang học, không dây và Ethernet trong trạm biến áp ngày nay. Các thiết bị này có khả năng dồn các dữ liệu từ rất nhiều cảm biến vào các liên kết truyền thông kỹ thuật số và sử dụng các dữ liệu này ở cấp trạm biến áp.

Thiết bị FACTS cỡ nhỏ (tụ bù) lắp đặt trong trạm biến áp giúp cải thiện chất lượng điện năng

Nhiều công ty điện lực cảm thấy khó khăn trong việc kết nối các thiết bị trong và ngoài trạm biến áp chỉ vì các phương pháp kết nối. Trước đây, chủ yếu sử dụng công nghệ nối cứng (hardwiring), nhưng cáp sợi quang đang làm thay đổi các quan niệm truyền thống. Cáp sợi quang cũng là phương pháp hiệu quả hơn về chi phí để kết nối các thiết bị điện tử thông minh, cảm biến và thiết bị giám sát, so với cáp đồng điều khiển.

Nối cứng mạch điều khiển tốn rất nhiều sức lao động, đòi hỏi kỹ thuật viên phải đấu nối từng sợi dây điều khiển một với hệ thống. Phải mất nhiều trăm giờ để lập sơ đồ kết nối, lắp đặt cáp, đi dây các thiết bị, thử nghiệm các mạch điện và ghi nhận các sửa đổi trên bản vẽ hoàn công. Cách làm này phù hợp với điều kiện trước đây khi lao động còn dồi dào, nhưng trong môi trường ngày nay, nguồn lực hạn hẹp và cần được sử dụng một cách khôn ngoan.

Khóa chuyển đổi (switch) Ethernet hoạt động như cổng liên kết ngược (up link) cho phép truyền với tốc độ cao, tăng tốc độ truyền dữ liệu cần thiết cho việc liên kết các cơ cấu điều khiển, bảo vệ và thiết bị với nhau. Đường dẫn dữ liệu có thể có nhiều loại khác nhau – chẳng hạn như các đường dẫn điều khiển và kiểm tra, đường giám sát dữ liệu và truyền dữ liệu chung – có thể lưu trữ hay dọn dẹp khi cần thiết, do hệ thống thực hiện.

Các thiết bị bảo vệ và điều khiển đa chức năng sử dụng logic mềm, kết hợp với cáp sợi quang cho phép đơn giản hóa và tăng tốc toàn bộ quá trình, và đòi hỏi ít nhân công hơn nhiều. Ngoài ra, sử dụng cáp sợi quang còn có nhiều lợi ích vốn có của nó. Sợi quang miễn nhiễm với nhiễu điện từ, nhờ vậy có thể bố trí các thiết bị điện tử thông minh (IED) và các cảm biến ở khoảng cách rất xa, kết hợp nhiều cảm biến qua một sợi quang học duy nhất và việc lắp đặt cũng dễ dàng hơn.

Cùng thay đổi

Trong thế giới công nghệ cao hiện nay, chắc chắn mọi sự đều thay đổi và ngành điện buộc phải thay đổi theo, nếu không muốn trở nên lỗi thời và bị bỏ lại phía sau. Các kỹ sư luôn chịu áp lực, phải tiết kiệm tiền, cải tiến các thiết kế và xây dựng các hệ thống hiệu quả hơn. Một mặt phải nỗ lực hết mình, nhưng điều quan trọng là ngành điện phải biết tận dụng mọi lợi thế mà công nghệ đem lại, thậm chí cả những công nghệ tân kỳ nhất.

Công nghệ liên tục được định hình, phát triển và tiến lên, dẫn đến tính năng và chất lượng của thiết bị ngày một cải thiện. Các nhà chế tạo liên tục đưa vào áp dụng các ứng dụng mới về điều khiển số và các hệ thống truyền thông. Trạm biến áp hiện giờ được coi là hiện đại, nhưng rồi sẽ đến lúc các kỹ sư và kỹ thuật viên của tương lai sẽ ngạc nhiên tự hỏi làm thế nào mà ngành điện hồi đó lại có thể để đáp ứng nhu cầu điện năng với các thiết bị lỗi thời như vậy.

Các tiến bộ công nghệ đang tạo cảm hứng tư duy sáng tạo các trạm biến áp thế hệ tiếp theo. Trước đây, cái hạn chế các kỹ sư trạm biến áp là thiếu công cụ, nhưng giờ đây tình hình đã khác. Cái hạn chế chúng ta nhiều hơn hiện nay là liệu chúng ta có sẵn sàng chấp nhận hay không. Ngành điện giờ đây không phải chỉ có một túi công cụ mà là cả một tủ công cụ để tùy ý sử dụng.

Nguồn: KHCNĐ