Trạm Điện Hợp Bộ Ngoài Trời Dùng Máy Cắt Tích Hợp Dao Cách Ly 

Tóm Tắt

Một máy cắt tích hợp dao cách ly bao gồm chức năng đóng cắt của máy cắt,với chức năng cách ly của dao cách ly được tích hợp vào trong cùng một thiết bị. Sự kết hợp làm cho việc xây dựng trạm điện hợp ngoài trời trở nên dễ dàng hơn mà không cần đến bất kỳ một dao cách ly đóng mở ngoài không khí nào. Có tất cả tiếp điển chính được bao bọc trong khí SF6 và được bảo vệ khỏi ô nhiễm không khí và công nghiệp, sẽ giảm được công việc bảo trì một cách đáng kể và tăng độ tin cậy của hệ thống nhất thứ. Sự tích hợp giữa chức năng đóng cắt và cách ly cũng góp phần tiết kiệm khoảng trống, cho phép xây dựng các trạm hợp bộ và đồng thời giảm thiểu tác động lên mội trường. Lượng tiêu thụ sắt thép, số lượng nền móng, v.v sẽ được giảm nhiều so với một trạm điện sử dụng máy cắt và dao cách ly truyền thống.

1. GIỚI THIỆU

Sự biến đổi của ngành công nghiệp điện đang diễn ra trong suốt thập kỷ gần đây nhất đã tác động đáng kể lên công việc thiết kế trạm. Có sự chú tâm mạnh mẽ, cho cả những thiết bị mới và tuổi thọ của sản phẩm, cũng như sự tiện dụng và tác động đến môi trường. Đây là sự thật diễn ra cho cả trạm mới, mở rộng hoặc cải tạo. Thị trường thay đổi mang đến cơ hội để thay đổi những hình thức truyền thống, và giới thiệu những giải pháp mới. Nhiều thiết bị chuyển mạch mới đã được phát triển dựa trên công nghệ hoặc là thiết bị chuyển mạch cách điện bằng không khí (AIS) hoặc là cách điện bằng khí SF6 (GIS), hoặc kết hợp cả hai. Những thiết bị như vậy được sử dụng để cải tạo hoặc nâng cấp những trạm hiện hữu cũng như những trạm mới.

Những thiết bị mới này chuyển mạch một cách điển hình dẫn đến việc tiết kiệm không gian đáng kể so với giải pháp trạm truyền thống, và cũng làm gia tăng độ tiện dụng của trạm. Chúng thường yêu cầu ít nền móng hơn thiết bị truyền thống, và có quy trình lắp đặt, gíam sát đơn giản và ngắn hơn. Tổng chi phí cho tưới thô và tác động môi trường cũng thấp hơn.

Bằng cách sử dụng cấu trúc trạm AIS với chức năng tích hợp, số lượng thiết bị hoạt động trong trạm sẽ giảm xuống. Máy Cắt Tích Hợp Dao Cách Ly, DCB, được phát triển để sử dụng mà không cần dao cách ly đặt bên cạnh. Điểm nổi bật là thiết bị này đã đơn giản hóa việc xây dựng một thiết bị chuyển mạch Cao thế. Vì vậy, trong hầu hết các trường hợp một hệ thống thanh cái đôi có thể được thay thế bằng hệ thống thanh cái đơn. Tuy nhiên nếu một hệ thống thanh cái đôi được yêu cầu, thiết bị này vẫn thỏa mãn với những đặc tính lợi ích tuyệt vời.

Hình. 1 DCB 145 kV với biến dòng điện và dao tiếp địa gắn cùng

Hình. 2 DCB 145 kV với dao tiếp địa đang đóng

2. MÁY CẮT TÍCH HỢP DAO CÁCH LY

Chức năng chính của dao cách ly truyền thống là cách điện cho máy cắt trong trạm khi thực hiện công việc bảo dưỡng. Trong lịch sử, máy cắt, loại dầu hoặc loại không khí, đều yêu cầu bảo dưỡng định kỳ thường xuyên. Khi chuyển qua máy cắt hiện đại cách điện bằng khí SF6 đã giảm đi đáng kể công việc bảo dưỡng (cắt điện bảo dưỡng chỉ yêu cầu khoảng thời gian 15 năm). Hiện tại có một xu hướng rất rõ là dao cách ly truyền thống cách điện không khí phải yêu cầu bảo dưỡng nhiều hơn máy cắt. Điều đó khích lệ đáng kể việc xem xét từ bỏ những dao cách ly truyền thống hiện tại. Bằng cách này, công việc bảo dưỡng sẽ giảm xuống, và kết quả là hiệu quả của trạm điện được tăng lên.

Khái niệm máy cắt tích hợp dao cách ly, DCB cho những trạm cách điện không khí đã được đề cập đến từ những năm giữa thập niên 1990, [WAHLSTRÖM et al, 1996, NORBERG et al, 1998, SÖLVER et al, 2000]. Nguồn gốc của đề xuất này đến từ phía những người sử dụng, và do đó những sản phẩm được phát triển dựa trên những yêu cầu của khách hàng.

Trong một DCB, những tiếp điểm cùng cung cấp những chức năng của máy cắt (dòng chịu và dòng cắt) cũng như chức năng của dao cách ly (cách ly những phần của lưới ra khỏi nhau). DCB thay thế sự kết hợp truyền thống của một máy cắt và những dao cách ly truyền thống liên quan đến nó.

Về nguyên lý, DCB đã thỏa mãn ứng dụng tiêu chuẩn của máy cắt và dao cách ly. Một tiêu chuẩn cụ thể cho máy cắt tích hợp dao cách ly đã được phát hành bởi IEC năm 2005 [IEC62271-108, 2005]. Sư khác biệt chính trong yêu cầu của tiêu chuẩn này giữa DCB so với một máy cắt truyền thống là thử nghiệm điện môi được lặp lại theo sau những thử nghiệm ngắn mạch và thử nghiệm cơ khí. Mục đích của việc lặp lại thử nghiệm điện môi (với yêu cầu theo tiêu chuẩn dao cách ly) là để chứng minh rằng đặc tính cách ly của DCB được thỏa mãn trong suốt thời gian hoạt động, dù cho tiếp điểm bị mài mòn và sự phá hủy gây ra bởi dập hồ quang.

Một ưu điểm chính của DCB so với dao cách ly truyền thống là những tiếp điểm điện nằm trong khí SF6, và do đó được bảo vệ khỏi những tác động của môi trường, bao gồm những ảnh hưởng của ô nhiễm. Môi trường được bảo vệ làm tăng độ tin cậy và kéo dài thời gian giữa các lần cắt điện để bảo dưỡng. DCB còn được trang bị vỏ cách điện bằng chất cao su tổng hợp (silicone). Vỏ cách điện này còn có đặc tính không thấm nước (hydrophobic) – nước trên bề mặt đọng thành giọt – có khả năng hoạt động tốt trong môi trường ô nhiễm. Bất kỳ dòng rò nào đi qua các cực đều được tối thiểu hóa.

Hình. 3 DCB 145 kV. Tiếp điểm máy cắt thông thường được cung cấp thêm chức năng của dao cách ly khi ở vị trí mở. Một dao tiếp địa cũng được tích hợp trên giá đỡ.

Hình. 4 DCB 420 kV trong một trạm truyền tải

Khi một phần của trạm được bảo dưỡng hay sửa chữa, một hay nhiều dao cách ly được mở ra để cách ly khỏi phần còn lại của hệ thống và thiết bị cách ly được nối đất để đảm bảo an toàn cho con người. Điều này có thể thực hiện bằng các cách khác nhau:
– Với dao cách ly truyền thống, khoảng cách tiếp điểm mở có thể thấy được thỏa mãn rằng một phần của hệ thống đó đã được cách ly khỏi lưới điện và hệ thống đó đã được nối đất.
– DCBs được khóa lại ở vị trí mở để bảo đảm an toàn cho dù có bị lỗi. Việc khóa lại bao gồm khóa điện của tủ truyền động và khóa cơ khí của hệ thống nối tiếp điểm chính. Tiếp theo đó, tiếp địa liền kề được đóng lại. Dao tiếp địa đóng lại có thể nhìn thấy được thỏa mãn rằng một phần của hệ thống đã được cắt điện và an toàn để làm việc, xem hình 2.

3. LỢI ÍCH CỦA NĂNG LƯỢNG

Một hệ thống điện được thiết kế tốt sẽ tạo được hiệu quả về chi phí và cung cấp nguồn điện được liên tục. Lơi ích hay không lợi ích, vì thế đã trở thành từ khóa khi lên kế hoạch và điều hành hệ thống phân phối và truyền tải. Không lợi ích có thể được định nghĩa là khả năng nguồn điện không được sẵn sàng trong một thời điểm nhất định của hệ thống. Những lý do cho sự bất lợi đó có thể là việc bảo dưỡng hoặc là lỗi của những thiết bị bên cạnh hoặc của một phần hệ thống.

Sự bất lợi theo lý thuyết của một trạm hoàn chỉnh, hoặc của một trạm, có thể được tính nếu tỷ lệ lỗi, thời gian sửa chữa, và thời gian bảo trì cần thiết của thiết bị được tính đến. Trong những tính toán như vậy, tỷ lệ lỗi được lấy từ những thống kê đang có, như ấn phẩm xuất bản cho Máy Cắt bởi Cigré [JANSSEN et al, 1994]. Thời gian và chu kỳ bảo dưỡng thường được lấy theo tư vấn của nhà sản xuất.

Hình. 5 DCB 145 kV gắn cùng với Chống sét van cho bộ chuyển mạch phân phối, đầu cáp với biến dòng điện loại cáp.

4. SƠ ĐỒ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN MẠCH

Để đạt được độ tin cậy cao, các trạm điện truyền thống thường được thiết kế với nhiều thanh cái và được nối song song nhau. Nguyên lý là nếu hệ thống có nhiều thanh cái thì một cách tất nhiên sẽ dẫn đến độ tin cậy cao. Tuy nhiên nhiều thanh cái kết nối song song nhau cũng có nghĩa là sẽ có nhiều thiết bị, đặc biệt là dao cách ly. Điều này dẫn đến yêu cầu sự bảo dưỡng cao và có thể thật sự giảm độ tin cậy.

Máy cắt tích hợp dao cách ly có thể được áp dụng trong tất cả các thiết kế của trạm điện truyền thống, và thay thế trực tiếp hệ thống máy cắt và dao cách ly truyền thống. Nó tiết kiệm không gian và thiết bị, đồng thời cũng tăng độ tin cậy.

Máy cắt tích hợp dao cách ly DCB thay thế sự kết hợp giữa máy cắt truyền thống và một hoặc hai bộ dao cách ly đặt bên cạnh. Việc yêu cầu bảo dưỡng được duy trì ở mức thấp như một máy cắt thông thường. Một sự thay đổi cải tiến cho trạm điện truyền thống chính là sử dụng DCBs với yêu cầu bảo dưỡng tối thiểu, và đơn giản hóa cấu hình trạm. Cách này đạt được độ tin cậy cao hơn so với trạm truyền thống. Đồng thời có những ưu thế nhất định liên quan đến yêu cầu về không gian và tiết kiệm chi phí.

Trong hình 6, là sự so sánh hai giải pháp khác nhau cho một trạm điện 132kV điển hình với bốn đường dây trên không, hai máy biến áp lực và một ngăn phân đoạn hay một máy cắt phân đoạn. Sơ đồ một sợi và yêu cầu không gian tương ứng đã cho thấy giải pháp thanh cái đôi truyền thống với các máy cắt và dao cách ly bình thường. Nó được so sánh với một giảp pháp đơn giản hơn với thanh cái đơn phân đoạn sử dụng DCBs. Bằng việc sử dụng DCBs phần sân trạm ngoài trời được giảm từ 4200 m2 xuống 2500 m2, giảm được hơn 40%. Nó cũng cho thấy rằng giải pháp thanh cái đơn có thể cung cấp thêm hai ngăn lộ mà không tăng thêm diện tích. Trong trường hợp này nó sẽ giảm thêm kích thước tương ứng nếu so với thanh cái đôi.

Hình. 6 Sơ đồ một sợi và bản vẽ bố trí thiết bị cho giải pháp thay thế một trạm điện 132kV điển hình.

Chức năng cách ly (Disconnecting facility) [ANDERSSON et al, 2004] được thể hiện trong Hình 6 cho thấy khả năng cô lập DCB, trong điều kiện cắt điện, khỏi những phần khác của hệ thống chuyển mạch. Khu vực được cách ly rõ ràng, và khu vực xung quanh bộ chuyển mạch đó vẫn được đóng điện trong suốt quá trình bảo dưỡng hoặc sửa chữa DCB.

Hình 7 minh họa lợi ích so sánh giữa hai giải pháp. Thông số chỉ ra thời gian ngừng làm việc để bảo dưỡng của một ngăn đường dây lộ ra. Cho giải pháp được đon giản hóa, với thanh cái đơn phân đoạn và DCBs, thời gian ngưng làm việc trung bình để bảo dưỡng giảm đi được khoảng 60%.

Hình.7. Thời gian ngừng làm việc trung bình trong lúc bảo dưỡng cho giải pháp thay thế một trạm điện 132kV điển hình.

5. TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG THẤP

Một trạm điện dùng DCBs chiếm ít diện tích hơn một trạm truyền thống. Bởi vì không có kiểu dao cách ly truyền thống, và thường có hệ thống thanh cái được đơn giản hóa, nên sẽ có ít nền móng và kết cấu thép hơn. Việc đấu nối cáp cho hệ thống nhị thứ cũng đơn giản và ngắn hơn. Tất cả những yếu tố này góp phần làm tối thiểu hóa những tác động của trạm lên môi trường, và cũng làm cho nó dễ dàng gắn kết hơn vào quan cảnh xung quanh.

DCB tự nó giúp cho việc giảm tác động lên môi trường. Nó được thiết kế theo kiểu “live-tank”, sử dụng một lượng nhỏ khí SF6, so với các giải pháp thay thế khác. Ví dụ, một DCB 145 kV chứa ít hơn 10 kg SF6, thấp hơn nhiều lần so với lượng khí được sử dụng trong các thiết bị tương ứng dựa trên công nghệ GIS. Bất kỳ sự rò rỉ khí SF6 nào ra môi trường, góp phần gây nên hiệu ứng nhà kính, đều đươc tối thiểu hóa.

6. CÁC ỨNG DỤNG

Ứng dụng thương mại đầu tiên của một DCB đã được thực hiện ở Thuy Điển vào năm 2000. Từ đó đến nay, hơn 800 thiết bị đã được lắp đặt trên hơn 20 quốc gia. Đối với một số khách hàng, DCB trờ thành lưa chọn tiêu chuẩn cho máy cắt cao thế.

DCB có thể được áp dụng cho những trạm mới, cũng như là cải tạo các trạm cũ. Với lợi ích vốn có, những trạm sử dụng DCB góp phần cung cấp điện ổn định cho khách hàng. Chúng cung cấp những giải pháp với chi phí hiệu quả và hấp dẫn cho các công ty truyền tải và phân phối, trong việc tiếp tục nâng cao mạng lưới điện. Chúng cũng góp phần giảm thiểu tác động môi trường.

7. KẾT LUẬN

Máy cắt tích hợp dao cách ly, DCB, được ứng dụng để xây dựng những trạm ngoài trời tích hợp, đơn giản hơn là với máy cắt và dao cách ly truyền thống. Nhờ độ tin cậy cao và yêu cầu bảo dưỡng thấp của DCB, lợi ích toàn diện của trạm sẽ tăng cao. Hơn nữa nó còn có những lợi thế khác, như là yêu cầu không gian nhỏ hơn và ít sử dụng giá đỡ thép, nền móng, v.v.