trờn thế giới
a) HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil)
Cho đến thời điểm này, đõy là hệ thống truyền tải điện 1 chiều vận hành điện ỏp cao nhất thế giới (+/-600kV) nối thủy điện Itaipu 12600 MW (Paraguay) với thành phố Sao Paulo (Brazil) thụng qua 4 mạch DC (2 mạch kộp). Hệ thống này hiện thuộc quyền sở hữu của Furnas Centrais Elộtricas S.A. (Brazil). Pha 1 là đường dõy mạch kộp vận hành ở cấp 300kV năm 1984 và nõng lờn 600kV năm 1985. Pha 2 là đường dõy mạch kộp cũn lại vận hành năm 1987. Ban đầu, trạm chuyển đổi
được vận hành với cụng suất dạng bậc thang sao cho tương ứng với cỏc giai đoạn lắp mỏy của NM Thủy điện.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 26
Hỡnh : 10: Bản đồ vị trớ tuyến HVDC +/- 600kV Itaipu - Sao Paulo
Một số thụng số kỹ thuật: - Năm vận hành: 1984-1987.
- Cụng suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW. - Điện ỏp 1 chiều: +/- 600 kV.
- Chiều dài đường dõy trờn khụng: 785 km + 805 km.
- Lý do chớnh lựa chọn HVDC: Khoảng cỏch lớn, 2 hệ thống điện khỏc tần số
(mỏy phỏt tại Itaipu cú tần số 50Hz, nơi nhận Sao Paulo cú tần số 60Hz).
Lượng cụng suất cũn lại 6300 MW của TĐ Itaipu được truyền tải về Sao Paulo bằng 3 mạch đường dõy xoay chiều 750 kV.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 27
b) HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines
Hỡnh : 11: Bản đồ vị trớ tuyến HVDC 350kV Leyte - Luzon, Philipines
Dưới sự quản lý của tập đoàn điện lực quốc gia, đường dõy HVDC 350kV truyền tải cụng suất 440 MW từ nhà mỏy địa nhiệt trờn đảo Leyte tới phớa nam đảo Luzon liờn kết với hệ thống xoay chiều. Ngoài cung cấp cụng suất cho hệ thống
điện chớnh của Philipines, đường dõy HVDC cũn tăng cường ổn định hệ thống điện xoay chiều. Hệ thống HVDC này vận hành 10/08/1998.
Một số thụng số cơ bản: - Cụng suất truyền tải: 440 MW. - Điện ỏp 1 chiều: 350 kV.
- Chiều dài đường dõy trờn khụng: 430 km. - Chiều dài cỏp biển: 21 km.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 28
c) HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ
Hỡnh : 12: Bản đồ vị trớ tuyến HVDC +/- 500kV Riland - Delhi, Ấn Độ
Tập đoàn nhiệt điện quốc gia Ấn Độđó xõy dựng một nhà mỏy nhiệt điện chạy than cụng suất 3000 MW tại quận Sonebhadra thuộc bang Uttar Pradesh, gọi tờn là trung tõm nhiệt điện Rihand. Một phần cụng suất ở Rihand được truyền về Delhi bằng đường dõy một chiều lưỡng cực, cụng suất 1500 MW điện ỏp +/- 500kV. Phần cũn lại được phỏt lờn lưới xoay chiều 400kV.
Cú nhiều lý do để lựa chọn hệ thống HVDC +/-500kV thay vỡ AC400kV, nhưng những lý do chớnh là: lợi ớch kinh tế tốt nhất, mất ớt hành lang tuyến, tổn thất truyền tải thấp hơn, ổn định hệ thống điện và khả năng điều khiển tốt hơn.
Một số thụng số kỹ thuật: - Năm vận hành: 1990.
- Cụng suất truyền tải: 1500 MW. - Điện ỏp truyền tải: +/- 500 kV.
- Chiều dài đường dõy trờn khụng: 814 km.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 29
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 30
CHƯƠNG II. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến chi phớ đầu tư
hệ thống truyền tải điện.
2.1. + Ảnh hưởng của cụng suất và khoảng cỏch truyền tải.
Chi phớ đầu tư cho hệ thống truyền tải điện chịu sự ảnh hưởng chớnh của 2 khớa cạnh: điện và cơ khớ. Cả hai yếu tố này cú mối quan hệ mật thiết, quyết định
đến thiết kế hệ thống truyền tải.
Trong phần điện, cụng suất truyền tải sẽ quyết định đến sự lựa chọn điện ỏp, số mạch đường dõy, hay núi cỏch khỏc, ảnh hưởng rất lớn đến chi phớ đầu tư. Ngoài ra cũn cú cỏc yếu tố điện khỏc là cụng suất tải sự cố, bự cụng suất phản khỏng của
đường dõy xoay chiều.
Tổn thất cụng suất ảnh hưởng lớn đến chi phớ vận hành, do đú, thường được tối ưu húa khi lựa chọn tiết diện dõy dẫn trong một cấp điện ỏp truyền tải cho trước.
Thiết kế cỏch điện được xỏc định bởi cấp điện ỏp truyền tải, cỏc quy định về
khoảng cỏch an toàn, điều kiện mụi trường khớ hậu và chất lượng vật liệu cỏch điện. Cấp cỏch điện ảnh hưởng chớnh đến chi phớ đầu tư cho xõy dựng cột điện.
Hiện tượng phúng điện vầng quang ảnh hưởng chớnh đến cấu trỳc phõn pha của dõy dẫn, do đú liờn quan đến thiết kế chịu lực của cột (trọng lượng dõy dẫn, tải trọng giú, băng tuyết). Ngoài ra, bất kỳ những quy định, ràng buộc nào về cường độ điện trường tại mặt đất cũng ảnh hưởng đến thiết kế cột, vị trớ cỏc pha và chi phớ giải tỏa, đền bự cho hành lang tuyến.
Túm lại, đối với với phần cơ khớ, chi phớ đầu tư cho cột điện, cỏch điện và dõy dẫn phụ thuộc chủ yếu vào cấu trỳc phõn pha của dõy dẫn trong điều khiện mụi trường nhất định.
Cụng suất truyền tải:
Cụng suất truyền tải của đường dõy siờu cao ỏp xoay chiều bị giới hạn bởi sự
tiờu thụ cụng suất phản khỏng của điện cảm đường dõy. Khi cụng suất tải lớn hơn cụng suất tự nhiờn, cụng suất cảm khỏng của đường dõy sẽ vượt quỏ cụng suất dung khỏng phỏt ra bởi điện dung đường dõy. Người ta thường lắp thờm cỏc bộ tụ bự dọc
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 31
Cụng suất giới hạn về nhiệt thường khụng quyết định tới cụng suất tải cho cỏc
đường dõy dài siờu cao ỏp xoay chiều, mà chủ yếu là do giới hạn về sự tiờu thụ cụng suất phản khỏng. Cụng suất tải sự cố phụ thuộc vào nhiệt độ cho phộp của dõy dẫn và cỏc ràng buộc về cụng suất phản khỏng. Yờu cầu về cụng suất tải sự cố được quyết định bởi số mạch song song.
Trong khi đú, đối với đường dõy siờu cao ỏp 1 chiều, cụng suất truyền tải bị
giới hạn chủ yếu bởi nhiệt độ cho phộp dõy dẫn trong điều kiện vận hành bỡnh thường. Cụng suất tải sự cố cũng được quyết định bởi số mạch và nhiệt độ cho phộp của đường dõy trong trường hợp vận hành sự cố.
Như vậy, trờn quan điểm cụng suất truyền tải, khi so sỏnh giữa truyền tải siờu cao ỏp 1 chiều và xoay chiều, truyền tải 1 chiều chỉ bị giới hạn chớnh bởi cụng suất nhiệt do khụng cú cụng suất phản khỏng trờn đường dõy truyền tải.
Xỏc định số mạch đường dõy truyền tải:
Về cơ bản, số mạch đường dõy truyền tải được xỏc định bởi cụng suất và điện ỏp truyền tải. Bảng sau mụ tả yờu cầu về số mạch truyền tải đối với lượng cụng suất 8 GW và 12 GW: Hệ thống truyền tải Điện ỏp k/c phõn pha Giới hạn nhiệt đường dõy Giới hạn nhiệt của trạm Cụng suất
tự nhiờn 1.5*CS tnhiờn ự Số mạch yờu cầu
kV mm GW GW GW GW 8 GW 12 GW
EHVAC 800 5 x 35 7.5 5.5 2.5 3.8 4 5
1000 8 x 35 15 6.9 4.3 6.5 3 3
HVDC +/- 600 3 x 50 8 5.8 khụng cú khụng cú 2 3 +/- 800 5 x 50 17.7 5.8 khụng cú khụng cú 2 3
* Nguồn: Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G.- McGraw- Hill Pro. Publishing, 2006, page1048.
Số mạch đường dõy truyền tải phụ thuộc cỏc yếu tố sau:
- Vận hành sự cố: thường được xỏc định theo tiờu chớ N-1, khi một đường dõy siờu cao ỏp xoay chiều hoặc 1 chiều khụng làm việc.
- Giới hạn nhiệt: 1.5 A/mm2 đối với dõy dẫn.
- Giới hạn nhiệt 4 kA đối với cỏc thiết bị trong trạm của hệ thống EHVAC. Đối với hệ thống HVDC, ở cấp điện ỏp 420 kV phớa xoay chiều thỡ giới hạn nhiệt cho mỗi cực là 2.9 GW, ở cấp 500kV là 3.4 GW/cực.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 32
- Phụ tải của đường dõy EHVAC khụng vượt quỏ cụng suất tự nhiờn (SIL) trong
điều kiện bỡnh thường, và khụng quỏ 150 % SIL trong chếđộ sự cố. Tổn thất trờn đường dõy:
Sự lựa chọn thiết kế hệ thống truyền tải EHVAC và HVDC sẽđược tối ưu húa giữa chi phớ đầu tư cho đường dõy, trạm và tổn thất truyền tải.
Đối với đường dõy siờu cao ỏp xoay chiều, tổn thất cụng suất tỏc dụng được xỏc định bởi tiết diện ngang của dõy dẫn. Tổn thất vầng quang xoay chiều cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thiết kế cấu trỳc phõn pha của dõy. Trong điều kiện thời tiết bỡnh thường, tổn thất vầng quang chỉđạt vài kW/km, nhưng trong điều kiện trời mưa hoặc nhiều sương mự, tổn thất vầng quang cú thể đạt đến 10-100 kW/km. Ảnh hưởng của độ cao đến tổn thất vầng quang cũng rất lớn, ở cao độ 1800 m so với mặt nước biển, tổn thất vầng quang tăng lờn 4 lần.
Tổn thất cụng suất trong truyền tải cao ỏp 1 chiều cũng phụ thuộc vào tiết diện ngang của dõy dẫn, và được tớnh toỏn tương tự như truyền tải xoay chiều. Tuy nhiờn, tổn thất vầng quang của hệ thống HVDC khụng được tớnh toỏn kỹ như
EHVAC, do trong cỏc điều kiện thời tiết khỏc nhau (mưa, sương mự), tổn thất vầng quang chỉ tăng 2 – 3 lần. Hiệu ứng về độ cao đối với tổn thất vầng quang của HVDC cũng tương tự như EHVAC.
Tổn thất vầng quang được thể hiện trong hỡnh 10:
Hỡnh : 14: Tổn thất vầng quang theo độ cao và tổn thất truyền tải theo chiều dài
Khoảng cỏch truyền tải:
Truyền tải siờu cao ỏp 1 chiều cú lợi thế về hành lang tuyến và chi phớ xõy dựng đường dõy (xem phần 2.2) nhưng chi phớ cho trạm chuyển đổi cao hơn chi phớ
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 33
xõy dựng cỏc trạm biến ỏp xoay chiều. Do đú, khi đường dõy càng dài, truyền tải HVDC càng cú lợi thế.
Dưới đõy là biểu đồ so sỏnh chi phớ đầu tư khi truyền tải 10.000 MW và 3500 MW ở cỏc khoảng cỏch khỏc nhau: Hỡnh : 15: Chi phớ đầu tư khi P = 3500 MW Cụng suất truyền tải 3500 MW, truyền tải HVDC +/- 500 kV cú lợi từ 400 km trở lờn. (Nguồn ABB) Hỡnh : 16: Chi phớ đầu tư khi P = 10.000 MW Cụng suất truyền tải 10.000 MW, truyền tải 800 kV HVDC cú lợi thế từ 600 km trở lờn.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 34
2.2. + Ảnh hưởng của cỏc yếu tố khỏc
Điện trường và vầng quang điện
Điện trường tĩnh của đường dõy 1 chiều tại mộp hành lang tuyến sẽđược tớnh toỏn sao cho cú giỏ trị tương đương với cường độ điện trường trỏi đất. Hiện nay chưa cú nghiờn cứu nào chứng minh được điện trường sinh ra tại mộp hành lang tuyến cú thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Điện trường sinh ra từđường dõy xoay chiều thường được xem xột kỹ lưỡng hơn so với điện trường của đường dõy 1 chiều.
Thiết kế cỏch điện:
Thiết kế cỏch điện của đường dõy EHVAC và HVDC cú một chỳt khỏc biệt. Khoảng cỏch an toàn là thụng số quan trọng trong thiết kế cơ khớ cột điện. Đối với EHVAC, khoảng cỏch an toàn tăng nhanh cựng với cấp điện ỏp, cũn đối với HVDC, khoảng cỏch an toàn tăng chậm hơn.
Việc lựa chọn cỏch điện cho hệ thống EHVAC tương tự như cho cỏc hệ thống xoay chiều điện ỏp thụng thường. Cỏc loại cỏch điện thụng thường vẫn được sử
dụng cho EHVAC, vật liệu cỏch điện composit sẽ được cõn nhắc lựa chọn khi truyền tải trong mụi trường ụ nhiễm hoặc yờu cầu đường dõy gọn nhẹ. Đối với cỏch
điện của đường dõy siờu cao ỏp, thiết kế của vũng hồ quang (vũng corona) rất quan trọng cho sự làm việc lõu dài ổn định do ảnh hưởng của điện trường tới đặc tớnh khỏng nước của vật liệu cỏch điện.
Yờu cầu đối với cỏch điện của đường dõy HVDC cao hơn so với cỏch điện
đường dõy xoay chiều cựng cấp điện ỏp danh định, nguyờn nhõn do sức hỳt của
đường dõy đối với những hạt bụi tớch điện trỏi dấu trong khụng khớ và ảnh hưởng của điện trường xung quanh dõy dẫn. Khi sử dụng loại cỏch điện thụng thường, cấu tạo hỡnh học của cỏch điện cũng cần được tớnh toỏn kỹ hơn, đặc tớnh vật liệu cỏch
điện cũng được quan tõm nhiều hơn, vớ dụ như yờu cầu để ngăn sự di chuyển của cỏc ion trong cỏch điện thủy tinh.
Vật liệu cỏch điện composit cũng đang trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho cỏch
điện của đường dõy 1 chiều ngay cả khi mụi trường ớt ụ nhiễm. Tuy nhiờn, để đạt
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 35
khe hơn so với việc sử dụng trong đường dõy xoay chiều, điện trởăn mũn của vật liệu polymer cũng rất cần được quan tõm.
Cỏc vũng hồ quang của đường dõy 1 chiều nhỏ hơn đỏng kể so với đường dõy xoay chiều do khụng cú sự dàn đều điện trường dung tớnh của cỏch điện 1 chiều.
Hỡnh dưới đõy thể hiện chiều dài chuỗi cỏch điện đối với EHVAC và HVDC ở
cỏc cấp điện ỏp khỏc nhau (đơn vị dài : m). Khi tăng điện ỏp, chiều dài chuỗi sứđối với đường dõy xoay chiều sẽ tăng nhanh, cũn đường dõy 1 chiều tăng chậm hơn.
Hỡnh : 17: Chiều dài cỏch điện ở cỏc cấp điện ỏp khỏc nhau (Nguồn ABB)
Ảnh hưởng của độ cao:
Về cơ bản, ảnh hưởng của độ cao đối với đặc tớnh cỏch điện của HVDC và EHVAC là tương đồng, nhưng khỏc nhau về mức độ. Đối với EHVAC, đặc tớnh cỏch điện thể hiện qua khoảng cỏch khụng khớ của thiết bị đúng cắt. Ởđộ cao 2000 m, khoảng cỏch khụng khớ cần tăng 15% so với mặt nước biển. Đối với truyền tải 1 chiều, thụng số khoảng cỏch thể hiện qua sự chịu đựng súng sột. Ở độ cao 2000 m, khoảng cỏch khụng khớ cần tăng thờm 25%.
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 36
Hỡnh : 18: Mức tăng tương đối về yờu cầu cỏch điện ở cao độ khỏc nhau
Tải trọng đường dõy:
Do sự khỏc nhau về cấu trỳc phõn pha của dõy dẫn giữa HVDC và EHVAC mà thiết kế cột của 2 loại đường dõy truyền tải này cũng khỏc nhau. Hỡnh sau minh họa sự khỏc nhau về tải trọng dõy dẫn của 2 đường dõy truyền tải 1 chiều, xoay chiều quy mụ cụng suất tương đương:
Hỡnh : 19: Tải trọng dõy dẫn cho EHVAC và HVDC
Tải trọng đường dõy được chia làm 2 phần chớnh là tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang. Tải trọng đứng được xỏc định bởi trọng lượng của dõy dẫn và trọng
Phòng phát triển hệ thống điện – Viện năng l−ợng 37
lượng tuyết (đối với cỏc nước hàn đới). Tải trọng ngang chủ yếu là do lực đẩy ngang của giú lờn dõy dẫn (khi cú băng tuyết). Cỏc thụng số về bề dày băng tuyết, tốc độ giú và cỏc thụng số khỏc được lấy theo tiờu chuẩn IEC. Tổng tải trọng dõy dẫn tỏc động lờn cột tỷ lệ thuận với số mạch và số sợi trong 1 mạch.
Khi so sỏnh tổng thể về tải trọng dõy dẫn, tải trọng của đường dõy HVDC gần như bằng ẵ tải trọng dõy của EHVAC ởđiện ỏp và cụng suất tải tương đương, điều
đú dẫn tới việc giảm đỏng kể chi phớ xõy dựng đường dõy và giảm hành lang tuyến
đối với hệ thống truyền tải cao ỏp 1 chiều. Hành lang tuyến:
Hiện nay và trong tương lai, hành lang tuyến luụn là vấn đề khú khăn và tốn kộm khi xõy dựng cỏc đường dõy truyền tải dài. Sự phỏt triển cụng nghệ truyền tải
điện suy cho cựng là làm tăng cụng suất truyền tải, giảm giỏ thành xõy dựng và giảm hành lang tuyến. Khi truyền tải lượng cụng suất tương đương, đường dõy HVDC cú nhiều lợi thế về hành lang tuyến do thiết kế cột gọn nhẹ hơn, số dõy dẫn ớt hơn. Hành lang tuyến của cấp AC 800 kV là 75m và DC +/- 500 kV là 50m nhưng cú cựng quy mụ truyền tải 3000 MW