Chi phí đầu tư cho hệ thống truyền tải điện chịu sự ảnh hưởng chính của 2 khía cạnh: điện và cơ khí. Cả hai yếu tố này có mối quan hệ mật thiết, quyết định đến thiết kế hệ thống truyền tải.
Trong phần điện, công suất truyền tải sẽ quyết định đến sự lựa chọn điện áp, số mạch đường dây, hay nói cách khác, ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư. Ngoài ra còn có các yếu tố điện khác là công suất tải sự cố, bù công suất phản kháng của đường dây xoay chiều.
Tổn thất công suất ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành, do đó, thường được tối ưu hóa khi lựa chọn tiết diện dây dẫn trong một cấp điện áp truyền tải cho trước. Thiết kế cách điện được xác định bởi cấp điện áp truyền tải, các quy định về khoảng cách an toàn, điều kiện môi trường khí hậu và chất lượng vật liệu cách điện. Cấp cách điện ảnh hưởng chính đến chi phí đầu tư cho xây dựng cột điện.
105
Hiện tượng phóng điện vầng quang ảnh hưởng chính đến cấu trúc phân pha của dây dẫn, do đó liên quan đến thiết kế chịu lực của cột (trọng lượng dây dẫn, tải trọng gió, 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 trí các pha và chi phí giải tỏa, đền bù cho hành lang tuyến.
Tóm lại, đối với với phần cơ khí, chi phí đầu tư cho cột điện, cách điện và dây dẫn phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc phân pha của dây dẫn trong điều khiện môi trường nhất định.
Công suất truyền tải:
Công suất truyền tải của đường dây siêu cao áp xoay chiều bị giới hạn bởi sự tiêu thụ công suất phản kháng của điện cảm đường dây. Khi công suất tải lớn hơn công suất tự nhiên, công suất cảm kháng của đường dây sẽ vượt quá công suất dung kháng phát ra bởi điện dung đường dây. Người ta thường lắp thêm các bộ tụ bù dọc đường dây để tăng khả năng tải lên tới 150-200% công suất tự nhiên của đường dây.Trong khi đó, đối với đường dây siêu cao áp 1 chiều, công suất truyền tải bị giới hạn chủ yếu bởi nhiệt độ cho phép dây dẫn trong điều kiện vận hành bình thường.
Công suất giới hạn về nhiệt thường không quyết định tới công suất tải cho các đường dây dài siêu cao áp xoay chiều, mà chủ yếu là do giới hạn về sự tiêu thụcông suất phản kháng. Công suất tải sự cố phụ thuộc vào nhiệt độ cho phép của dây dẫn và các ràng buộc về công suất phản kháng. Yêu cầu về công suất tải sự cố được quyết định bởi số mạch song song.
Trong khi đó, đối với đường dây siêu cao áp 1 chiều, công suất truyền tải bị giới hạn chủ yếu bởi nhiệt độ cho phép dây dẫn trong điều kiện vận hành bình thường. Công suất tải sự cố cũng được quyết định bởi số mạch và nhiệt độ cho phép của đường dây trong trường hợp vận hành sự cố.
Như vậy, trên quan điểm công suất truyền tải, khi so sánh giữa truyền tải siêu cao áp 1 chiều và xoay chiều, truyền tải 1 chiều chỉ bị giới hạn chính bởi công suất nhiệt do không có công suất phản kháng trên đường dây truyền tải [3].
106 Xác định số mạch đường dây truyền tải:
Về cơ bản, số mạch đường dây truyền tải được xác định bởi công suất và điện áp truyền tải. Bảng 5.1 mô tả yêu cầu về số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8 GW và 12 GW:
Bảng 5.1: So sánh về số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8 GW và 12 GW
* Nguồn: Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G.- McGrawHill Pro. Publishing, 2006, page1048.
Số mạch đường dây truyền tải phụ thuộc các yếu tố sau:
- Vận hành sự cố: thường được xác định theo tiêu chí N-1, khi một đường dây siêu cao áp xoay chiều hoặc 1 chiều không làm việc.
- Giới hạn nhiệt: 1,5 A/mm2 đối với dây dẫn.
- Giới hạn nhiệt 4 kA đối với các thiết bị trong trạm của hệ thống HVAC. Đối với hệ thống HVDC, ở cấp điện áp 420 kV phía xoay chiều thì giới hạn nhiệt cho mỗi cực là 2.9 GW, ở cấp 500kV là 3.4 GW/cực.
- Phụ tải của đường dây HVAC không vượt quá công suất tự nhiên (SIL) trong điều kiện bình thường và không quá 150 % SIL trong chế độ sự cố.
Tổn thất trên đường dây:
Sự lựa chọn thiết kế hệ thống truyền tải HVAC và HVDC sẽ được tối ưu hóa giữa chi phí đầu tư cho đường dây, trạm và tổn thất truyền tải.
Đối với đường dây siêu cao áp xoay chiều, tổn thất công suất tác dụng được xác định bởi tiết diện ngang của dây dẫn. Tổn thất vầng quang xoay chiều cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thiết kế cấu trúc phân pha của dây. Trong điều kiện thời tiết bình thường, tổn thất vầng quang chỉ đạt vài kW/km, nhưng trong điều kiện trời
107
mưa hoặc nhiều sương mù, tổn thất vầng quang có 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 lên 4 lần.
Tổn thất công suất trong truyền tải cao áp 1 chiều cũng phụ thuộc vào tiết diện của dây dẫn, và được tính toán tương tự như truyền tải xoay chiều. Tuy nhiên, tổn thất vầng quang của hệ thống HVDC không được tính toán kỹ như HVAC, do trong các điều kiện thời tiết khác nhau (mưa, sương mù), 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 HVAC. Tổn thất vầng quang được thể hiện trong hình 5.2:
Hình 5.2: Tổn thất vầng quang theo độ cao và tổn thất truyền tải theo chiều dài
Khoảng cách truyền tải:
Truyền tải siêu cao áp 1 chiều có lợi thế về hành lang tuyến và chi phí xây dựng đường dây nhưng chi phí cho trạm chuyển đổi cao hơn chi phí xây dựng các TBA xoay chiều. Do đó, khi đường dây càng dài, truyền tải HVDC càng có lợi thế.
Hình 5.3, 5.4 là biểu đồ so sánh chi phí đầu tư khi truyền tải 10.000 MW và 3500 MW ở các khoảng cách khác nhau:
108
Hình 5.3: Chi phí đầu tư khi P = 3500 MW
Công suất truyền tải 3500 MW, truyền tải HVDC +/- 500 kV có lợi từ 400 km trở lên. (Nguồn ABB).
Hình 5.4: Chi phí đầu tư khi P = 10.000 MW
Công suất truyền tải 10.000 MW, truyền tải 800 kV HVDC có lợi thế từ 600 km trở lên.