Lựa chọn chuỗi cách điện cho các đường dây truyền tải điện trên không - Những nguyên tắc cần hiểu rõ

Từ dữ liệu vận hành đến Net Zero - ESEC xây dựng hạ tầng số ngành năng lượng Trong lộ trình hướng tới phát triển bền vững, ngành năng lượng Việt Nam không thể tách rời quá trình chuyển đổi số toàn diện. Bên cạnh việc nâng cao hiệu quả vận hành và giảm phát thải, việc xây dựng hạ tầng dữ liệu vận hành thời gian thực trở thành nền tảng thiết yếu để doanh nghiệp từng bước hiện thực hóa các mục tiêu như Net Zero, thị trường điện cạnh tranh, hay tối ưu bảo trì - vận hành.

Theo thống kê, lưới truyền tải điện của Việt Nam vào năm 2020 có tổng chiều dài 28.000 km, đến năm 2025 đạt 32.000 km và theo Điều chỉnh Quy hoạch điện VIII đặt mục tiêu lưới điện đạt 60.300 km vào năm 2030. Ngoài ra, nhu cầu cải tạo mở rộng 6.900 km đường dây truyền tải hiện tại.

Trong bài viết dưới đây sẽ trình bày các yêu cầu kỹ thuật về việc lựa chọn chuỗi cách điện kết cấu từ các bát cách điện được chế tạo bằng gốm, hoặc thủy tinh (cách điện truyền thống). Cách điện bằng composite không được đề cập trong bài viết này.

Như chúng ta đã biết, cách điện truyền thống (CĐTT) được sử dụng rộng rãi, phổ biến và rất lâu đời trên các đường dây dẫn điện trên không (ĐDK) trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Việc tính toán lựa chọn chuỗi cách điện cho các ĐDK đã được chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn và quy phạm trang bị điện của Việt Nam, cũng như phù hợp với tiêu chuẩn quy phạm của Liên Xô (trước đây) và các nước Tây Âu. Tuy nhiên, thực tế hiện nay tại Việt Nam, một số đơn vị tư vấn thiết kế và cơ quan quản lý vận hành lưới điện truyền tải áp dụng các quy định về việc lựa chọn chuỗi CĐTT có những bất cập trong cách hiểu và áp dụng, dẫn đến chưa chuẩn xác các quy định trong quy phạm trang bị điện.

Để tránh xảy ra các bất cập nêu trên, chúng tôi sẽ trình bày khái quát nguyên tắc về các yêu cầu kỹ thuật, cũng như hiểu đúng bản chất về những quy định lựa chọn chuỗi CĐTT trong Quy phạm trang bị điện.

Cách hiểu theo tiêu chuẩn, quy phạm trang bị điện:

Chuỗi CĐTT khi lắp đặt trên các ĐDK phải đảm bảo các yêu cầu về cơ - điện tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật được quy định trong Quy phạm trang bị điện.

Yêu cầu về cơ học, chuỗi cách điện phải đảm bảo không bị phá hủy trong các chế độ tải trọng tính toán với các hệ số an toàn được quy định trong Quy phạm trang bị điện. Trên ĐDK có các cấp điện áp và năng lực truyền tải khác nhau, nên tiết diện tổng của dây dẫn/pha cho các đường dây rất khác nhau, điều này dẫn đến tải trọng tính toán trên các ĐDK cũng rất khác nhau. Do đó, đã có rất nhiều loại bát cách điện được sản xuất chuẩn có kích thước và tải trọng phá hủy khác nhau để phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của các ĐDK. Các bát cách điện có tải trọng phá hủy lớn (được sử dụng cho các chuỗi cách điện néo dây dẫn) sẽ có kích thước và chiều dài đường rò lớn so với hơn so với các bát cách điện có tải trọng phá hủy nhỏ, mà loại cách điện tải trọng nhỏ này thường dùng cho các chuỗi đỡ dây dẫn.

Yêu cầu về điện, chuỗi cách điện phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong chế độ làm việc bình thường và chế độ quá điện áp nội bộ khi độ đóng cắt mạch điện.

Trong chế độ quá điện áp nội bộ, khi chọn loại bát cách điện treo cho mỗi chuỗi có chiều dài đường rò điện lớn hơn 2,3 lần chiều dài cấu tạo của chuỗi cách điện theo điều kiện điện áp làm việc, phải kiểm tra lại theo điều kiện quá điện áp đóng cắt. Trị số tính toán của quá điện áp đóng cắt theo Quy phạm trang bị điện được lấy bằng 312 kVmax đối với đường dây 110 kV và 620 kVmax đối với đường dây 220 kV, 1175 kV max với ĐDK 500 kV.

Trong chế độ làm việc bình thường, các chuỗi cách điện sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện trên bề mặt điện dẫn đến làm tổn thất điện năng, nhiễu cao tần và gây tiếng ồn. Theo yêu cầu kỹ thuật, trong chế độ làm việc bình thường, số bát cách điện trong một chuỗi cách điện phải được tính đủ để tổng chiều dài đường rò đảm bảo theo yêu cầu quy định. Như vậy, việc lựa chọn số lượng bát cách điện trong các chuỗi đỡ dây dẫn và số lượng bát cách điện trong chuỗi néo theo yêu cầu về chiều dài đường rò để đảm các bảo yêu cầu kỹ thuật nêu trên là hoàn toàn độc lập, không phụ thuộc, hay có bất kỳ quan hệ tương tác gì với nhau.

Như chúng ta đều biết, các bát cách điện trong các chuỗi néo dây dẫn điện trên cùng một ĐDK thông thường sẽ có kích thước lớn hơn (do yêu cầu cơ học về tải trọng tính toán), chiều dài đường rò của các bát cách điện trong chuỗi cách điên néo dây dẫn theo đó cũng lớn hơn so với các bát cách điện trong các chuỗi đỡ dây dẫn điện. Do đó, khi tính toán số bát cách điện theo yêu cầu về chiều dài đường rò của chuỗi cách điện néo dây dẫn thông thường sẽ nhỏ hơn so với số lượng bát cách điện trong các chuỗi cách điện đỡ dây dẫn trên cùng một ĐDK và ngược lại.

Dưới đây sẽ trích đoạn trong về quy đinh lựa chọn số bát các cách điện trong chuỗi trên các ĐDK có điện áp định mức khác nhau theo Quy phạm trang bị điện -11 TCN - 19 - 2006 theo các điều II.5.50 và II.5.51.

“II.5.50. Số bát cách điện treo (có chiều dài đường rò điện của mỗi bát không nhỏ hơn 250 mm) trong một chuỗi của ĐDK 6 - 35 kV yêu cầu lấy như sau: đến 10 kV - 1 bát; 15 và 22 kV - 2 bát; 35 kV - 3 bát.

Số bát cách điện treo trong một chuỗi và loại cách điện đứng đối với ĐDK điện áp đến 35 kV được lựa chọn không phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển.

Yêu cầu về cách điện của ĐDK 15 kV trong hệ thống trung tính nối đất trực tiếp được chọn như đối với ĐDK 10 kV hệ thống trung tính cách ly.

Số bát cách điện treo trong một chuỗi cho ĐDK 110 - 500 kV có độ cao đến 1000 m so với mực nước biển được chọn theo công thức:

II.5.51. Khi chọn số bát cách điện trong một chuỗi còn phải tuân theo các yêu cầu sau đây:

a. Số bát (tất cả các loại cách điện) trong một chuỗi néo của ĐDK điện áp đến 110 kV phải tăng thêm một bát so với chuỗi đỡ. Với ĐDK điện áp 220 kV, số bát trong một chuỗi đỡ và néo lấy giống nhau. Riêng đối với đường dây 500 kV tăng thêm một bát trên toàn tuyến”.

Cần lưu ý rằng, các điều II.5.50. và II.5.51. của Quy phạm trang bị điện đều được dich và biên soạn theo Quy phạm của Liên Xô (trước đây), có thể đã xảy ra những bất cập đáng tiếc cho người áp dụng. Cụ thể là:

Sử dụng dụng công thức (*) để tính số bát cách điện cho ĐDK 110 kV, do chiều dài đường rò của một bát cách điện trong chuỗi néo lớn hơn so với một bát bát cách điện của chuỗi đỡ, nên thông thường sẽ tính được là 7 bát cho néo và 8 bát cho chuỗi đỡ. Nếu áp dụng “máy móc” câu chữ (Số bát (tất cả các loại cách điện) trong một chuỗi néo của ĐDK điện áp đến 110 kV phải tăng thêm một bát so với chuỗi đỡ), thì sẽ phải cộng thêm 2 bát vào chuỗi néo thành 9 bát để số bát cách trong chuỗi néo nhiều hơn chuỗi đỡ một bát. Nếu hiểu đúng yêu cầu quy chuẩn, thì trong trường hợp này, số bát cách điện trong chuỗi néo chỉ phải tăng lên 1 bát là 8 bát.

Cũng tương tự khi tính toán lựa chọn số bát cách điện cho các ĐDK 220 kV theo công thức (*), do các bát cách điện của chuỗi néo có chiều dài đường rò lớn hơn trong chuỗi đỡ nên số bát cách điện trong chuỗi néo sau tính toán sẽ ít hơn. Nếu hiểu “máy móc” Theo điểm a của điều II.5.51. (Với ĐDK điện áp 220 kV, số bát trong một chuỗi đỡ và néo lấy giống nhau) về số lượng thì phải tăng số bát cách điện lên 2 đến 3 bát (tùy trường hợp cụ thể).

Về mặt logic ta cũng thấy cách áp dụng theo câu chữ không tường minh trong Quy phạm trang bị điện là không hợp lý. Như đã nêu ở trên, số lượng cách tính toán đảm bảo chiều dài đường rò của các chuỗi cách điện néo dây dẫn và đỡ dây dẫn là hoàn toàn độc lập, không có liên hệ và phụ thuộc lẫn nhau. Giả sử có một đoạn ĐDK 110 kV sử dụng toàn bộ cột néo, thì số bát cách điện trong chuỗi néo của đoạn ĐDK 110 kV này sẽ được tính theo công thức (*) và cộng thêm 1 bát theo quy định của quy pham. Sau này nếu có cần phải thêm một cột đỡ vào giữa một khoảng cột nào đó trong đoạn đường dây này để tăng chiều cao vượt, thì việc tính toán lựa chọn số lượng bát cách điện trong các chuỗi đỡ của cột đỡ này cũng chỉ cần áp dụng công thức (*) mà không cần phải quan tâm xem các cột néo hiện có (đã vận hành nhiều năm) có bao nhiêu bát cách điện trong chuỗi néo. Đối với các ĐDK 220 kV cũng tương tự như vậy, việc tính toán số bát cách điện trong các chuỗi đỡ và néo theo công thức (*) là hoàn toàn độc lập.

Để minh chứng kết luận trên, dưới đây xin trích “nguyên văn” quy định các điều về cách tính và lựa chọn số bát cách điện theo Quy phạm trang bị điện của Nga ở phần dưới đây:

1.9.12 Số lượng đĩa cách điện trong chuỗi cách điện treo, hoặc trong chuỗi cách điện đặc biệt (chuỗi chữ V, chữ L, chuỗi ghép v.v...), lắp đặt trên cột kim loại và bê tông cốt thép, phải được xác định theo công thức:

1.9.13 Đối với đường dây trên không (ВЛ) điện áp 6-20 kV đặt trên cột kim loại, hoặc bê tông cốt thép, số lượng đĩa cách điện trong chuỗi treo và chuỗi néo phải được xác định theo 1.9.12, nhưng trong mọi trường hợp không được ít hơn hai đĩa, bất kể vật liệu cột.

Đối với ВЛ điện áp 35-110 kV đặt trên cột kim loại, bê tông cốt thép, hoặc gỗ có chuỗi cách điện được nối đất, trong vùng có cấp độ ô nhiễm 1-2, số lượng đĩa trong chuỗi néo phải tăng thêm một đĩa so với số lượng tính toán theo 1.9.12.

Đối với ВЛ điện áp 150-750 kV trên cột kim loại và bê tông cốt thép, số lượng đĩa trong chuỗi néo phải được xác định theo công thức 1.9.12.

Nhận xét: Các quy định về việc tính toán và lựa chọn số lượng bát cách điện trong các chuỗi cách điện trên các ĐDK của Quy phạm trang bị điện của Việt Nam được biên dịch theo Quy phạm của Liên Xô (trước đây), do cách biên dịch không tường minh dẫn đến việc áp dụng câu chữ một cách máy móc làm sai lệch kết quả.

Dưới đây, xin nêu 2 ví dụ mẫu về phương pháp và kết quả tính toán lựa chọn chuỗi cách điện trên đường dây 110 kV và 220 kV:

Ví dụ 1: ĐDK 110 kV sử dụng dây dẫn điện ACSR 330/43, việc tính toán cách điện như sau:

Tiết diện tổng 375,1 mm2; Lực kéo đứt 10378 daN; Ứng suất kéo đứt Ϭđ = 10378/ 375,1 = 27,67 daN/mm2 ; Ứng suất cho phép trong chế độ nhiệt độ trung bình năm 25% Ứng suất đứt là Ϭtb =27,67 x 0,25 = 6,92 daN/mm2; Tải trọng cho phép của chuỗi cách điện néo dây dẫn trong chế độ nhiệt độ trung bình năm theo yêu cầu Quy phạm: Ttb = 5 x 375,1 x 6,92 = 12978 daN; Để đảm bảo theo yêu cầu về tải trọng phá hủy, cách điện cho chuỗi néo sử dụng loại U160 BS có chiều dài đường rò λ = 380 mm, tải trọng phá hủy 16000daN. Cách điện cho chuỗi đỡ dây dẫn sử dụng loại U70 BS có chiều dài đường rò λ = 320 mm.

- Số lượng bát cách điện theo yêu cầu Quy phạm trong vùng nhiễm bẩn 25 mm/kV:

Chuỗi đỡ Nđ = (110x1,1x25)/ 320 = 9,45 làm tròn là 10 bát.

Chuỗi néo Nn = (110x1,1x25)/ 380 = 7,96 làm tròn là 8 bát.

- Nếu lựa chọn “máy móc” theo câu chữ không tường minh trong Quy phạm trang bị điện của Việt Nam, thì chuỗi néo phải chọn là Nn =10+1 =11 bát.

- Nếu chọn đúng bản chất kỹ thuật và theo Quy phạm Nga, thì chuỗi néo phải chọn là Nn = 8 + 1 = 9 bát.

Như vậy, số bát cách điện (cho một chuỗi) chọn không đúng sẽ tăng lên là n = 11- 9 = 2 bát; mỗi phía của cột néo một mạch sẽ tăng là 2 x 3 = 6 bát cách điện.

Ví dụ 2: ĐDK 220 kV sử dụng dây dẫn điện ACSR 500/64:

Tiết diện tổng 564,8 mm2; Lực kéo đứt 15380 daN; Ứng suất kéo đứt Ϭđ = 15380/ 564,8 = 27,23 daN/mm2; Ứng suất cho phép trong chế độ nhiệt độ trung bình năm 25% Ứng suất đứt là Ϭtb =27,23 x 0,25 = 6,81 daN/mm2; Tải trọng cho phép của chuỗi cách điện néo dây dẫn trong chế độ nhiệt độ trung bình năm theo yêu cầu Quy phạm là Ttb = 5 x 564,8 x 6,81 = 19231 daN.

- Để đảm bảo theo yêu cầu về tải trọng phá hủy, cách điện cho chuỗi néo sử dụng loại U210 BS có chiều dài đường rò λ = 380 mm, tải trọng phá hủy 21000 daN. Cách điện cho chuỗi đỡ dây dẫn sử dụng loại U70 BS có chiều dài đường rò λ = 320 mm.

- Số lượng bát cách điện theo yêu cầu Quy phạm trong vùng nhiễm bẩn 25 mm/kV là:

Chuỗi đỡ Nđ = (220 x 1,1 x 25)/ 320 = 18,9; làm tròn là 19 bát.

Chuỗi néo Nn = (220 x 1,1 x 25)/ 380 = 15,9; làm tròn là 16 bát.

- Nếu lựa chọn “máy móc” theo câu chữ không tường minh trong Quy phạm trang bị điện của Việt Nam, thì chuỗi néo phải chọn là 19 bát (giống như chuỗi đỡ).

- Nếu chọn đúng bản chất kỹ thuật và theo Quy phạm Nga, thì chuỗi néo phải chọn vẫn chỉ là 16 bát (theo yêu cầu về chiều dài đường rò).

Như vậy, số bát cách điện chọn không đúng sẽ tăng lên là n = 19-16 = 3 bát; mỗi phía của cột néo một mạch sẽ tăng 3 x 3 = 9 bát; cột néo 2 mạch là 9 x 2 =18 bát.

Đánh giá về các yếu tố kinh tế - kỹ thuật:

Đánh giá về việc lựa chọn không chuẩn xác số lượng bát cách điện theo điều kiện chiều dài đường rò về mặt kinh tế - kỹ thuật như sau:

Về mặt kinh tế, với cách hiểu cứng nhắc, đối với các ĐDK 110 kV, khi sử dụng dây dẫn có tiết diện lớn hơn loại AC 150 số cách điện sẽ tăng thêm từ 1-2 bát, ĐDK 220 kV số bát cách điện sẽ tăng thêm 2-3 bát so với yêu cầu tùy theo tiết diên dây dẫn. Điều này sẽ gây lãng phí, tăng chi phí đầu tư xây dựng công trình.

Về mặt kỹ thuật, yêu cầu mức cách điện của đường dây đấu nối vào trạm không được lớn hơn mức cách điện của trạm biến áp. Vì vậy, với các cột néo thường được sử cho các đoạn đường dây vào các trạm biến áp, khi tăng số bát cách điện cho các cột néo ở các đoạn đường dây đấu nối vào các trạm biến áp sẽ làm tăng mức cách điện của đường dây lớn hơn mức cách điện của các trạm biến áp dẫn đến hiện tượng quá điện áp khí quyển sẽ lan từ đường dây vào, ảnh hưởng nguy hiểm đến các thiết bị đắt tiền của trạm biến áp.

Tạm kết và khuyến nghị:

Với các trích dẫn tiêu chuẩn, quy phạm và hiểu đúng bản chất của kỹ thuật, việc một số cơ quan quản lý và cơ quan thiết kế đang áp dụng một cách “máy móc” câu chữ trong quy phạm, vô tình đã làm sai lệch kết quả tính toán và không phù hợp với bản chất kỹ thuật quy định của quy phạm trang bị điện. Việc này không những làm tăng chi phí đầu tư cách điện trên đường dây dẫn điện trên không, mà còn ảnh hưởng đến độ bền vận hành của các thiết bị trạm biến áp. Vì vậy, thiết nghĩ các cơ quan quản lý và người thiết kế cần nhanh chóng chỉnh sửa việc áp dụng đúng bản chất của quy định quy phạm khi lựa chọn chuỗi cách điện cho đường dây dẫn điện trên không./.

TÁC GIẢ: THS. KIỀU XUÂN PHÚC - CHUYÊN GIA NĂNG LƯỢNG (NGUYÊN PHÓ TRƯỞNG BAN ĐẦU TƯ - TỔNG CÔNG TY TRUYỀN TẢI ĐIỆN QUỐC GIA)

CHỈNH LÝ VÀ BỔ SUNG: NGUYỄN THÁI SƠN - HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

- ПРАВИЛА УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Шестое и седьмое издания (все действующие разделы), Утверждено Министерством энергетики Российской Федерации Приказ от 8 июля 2002 г. № 204, Вводится в действие с 1 января 2003 г

QUY PHẠM LẮP ĐẶT THIẾT BỊ ĐIỆN Ấn phẩm thứ 6 và thứ 7 (đang có hiệu lực thi hành) đã được Bộ Năng lượng liên bang Nga phê duyệt tai quyết định số 204 ngày 8 tháng 7 năm 2002, có hiệu lực thi hành ngày 1 tháng 1 năm 2003.

- QUY PHẠM TRANG BỊ ĐIỆN VIỆT NAM: 11TCN-19-2006.