Điện áp cao cho phép truyền tải điện năng đi khoảng cách xa với dòng điện thấp hơn và tổn thất trên dây dẫn thấp hơn, đồng thời cũng làm tăng các yêu cầu về cách điện, khoảng cách an toàn, bảo vệ và an toàn. Hướng dẫn này giải thích mức điện áp nào được coi là điện áp cao, sự khác biệt giữa truyền tải xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều cao áp (HVDC), những thiết bị nào được sử dụng trong các trạm biến áp, và những dữ liệu kỹ thuật nào quan trọng khi định rõ thông số kỹ thuật cho một dự án điện áp cao.
Điện áp nào được coi là điện áp cao?
Không có một ranh giới chung duy nhất. Các định nghĩa khác nhau tùy theo quy định an toàn, tiêu chuẩn thiết bị và ngành công nghiệp. Thuật ngữ thiết bị của IEC thường phân loại điện áp trung thế từ trên 1 kV đến vài chục kilovolt, với cao thế nằm trên dải đó; các nhà quy hoạch hệ thống điện cũng có thể sử dụng các dải cao thế, siêu cao thế và cực cao thế. Các quy tắc an toàn lao động có thể gọi các mức điện áp thấp hơn nhiều là “điện áp cao” nhằm mục đích kiểm soát công việc.
Do đó, một thông số kỹ thuật nên nêu rõ điện áp danh định và điện áp cao nhất đối với thiết bị thay vì dựa vào cụm từ “cao áp” hay "điện áp cao". Một lưới điện 35 kV, một đường dây truyền tải 132 kV và một đường dây truyền tải điện một chiều điện áp cao (HVDC) ±500 kV đòi hỏi các thiết bị rất khác nhau.
Tại sao lại truyền tải điện năng ở điện áp cao?
Công suất biểu kiến ba pha xấp xỉ bằng $\sqrt{3}$ × điện áp × dòng điện. Đối với cùng một công suất truyền tải, việc tăng điện áp sẽ làm giảm dòng điện. Tổn hao điện trở của dây dẫn bằng bình phương dòng điện nhân với điện trở, do đó dòng điện thấp hơn sẽ làm giảm đáng kể tổn hao và sụt áp, đồng thời có thể làm giảm tiết diện dây dẫn yêu cầu.
Sự đánh đổi là chi phí cao hơn cho vật cách điện, cột điện, khoảng cách an toàn, sứ xuyên, máy biến áp, thiết bị đóng cắt và thiết bị chống sét. Thiết kế lưới điện cân bằng giữa khoảng cách truyền tải, mức công suất, hành lang tuyến, tổn thất, độ tin cậy và chi phí vòng đời.
Bảng so sánh và lựa chọn nhanh
Sử dụng bảng này như một phần tóm tắt nhanh về các quyết định kỹ thuật và mua sắm chính được giải thích trong bài viết.
| Khu vực quyết định | Ý nghĩa thực tiễn | Cần xác minh những gì |
|---|---|---|
| Điện áp nào được coi là điện áp cao? | Không có một ranh giới phổ quát duy nhất. | Các định nghĩa khác nhau tùy theo quy định an toàn, tiêu chuẩn thiết bị và ngành công nghiệp. |
| Tại sao lại truyền tải điện năng ở điện áp cao? | Công suất biểu kiến ba pha xấp xỉ bằng √3 × điện áp × dòng điện. | Với cùng công suất truyền tải, việc tăng điện áp sẽ làm giảm dòng điện. |
| Truyền tải điện xoay chiều cao áp | Hầu hết các lưới điện liên kết sử dụng dòng điện xoay chiều ba pha vì các máy biến áp có thể tăng giảm điện áp một cách hiệu quả giữa các cấp phát điện, truyền tải và phân phối. | Nhà máy phát điện tăng điện áp để truyền tải; các trạm biến áp nhận điện giảm điện áp thông qua các giai đoạn truyền tải phụ và phân phối. |
| Truyền tải điện áp một chiều cao | HVDC truyền tải điện năng dưới dạng dòng điện một chiều giữa các trạm chuyển đổi. | Nó có thể có lợi cho các đường dây trên không rất dài, cáp ngầm hoặc cáp ngầm dưới biển dài, truyền tải khối lượng lớn được kiểm soát và liên kết các hệ thống AC không đồng bộ. |
| Thiết bị cao thế thiết yếu | Máy biến áp ngâm dầu 35 kV của LBAJI hỗ trợ các dự án truyền tải phụ và phân phối. | Ở cấp độ thiết bị đóng cắt, tủ điện bọc kim loại KYN61-40.5 cung cấp nền tảng cấp 40,5 kV cho các hệ thống trong nhà. |
Truyền tải điện xoay chiều cao áp
Hầu hết các lưới điện liên kết đều sử dụng dòng điện xoay chiều ba pha vì các máy biến áp có thể thay đổi điện áp một cách hiệu quả giữa các cấp độ phát điện, truyền tải và phân phối. Một nhà máy phát điện tăng điện áp để truyền tải; các trạm biến áp tiếp nhận sẽ giảm điện áp này qua các giai đoạn truyền tải phụ và phân phối.
Thiết kế đường dây trên không tính đến định mức nhiệt của dây dẫn, độ võng, hiện tượng vầng quang, điện trường và từ trường, hiệu suất chống sét, phối hợp cách ly, tải trọng gió và băng, hình học cột điện và khoảng cách tĩnh không. Cáp ngầm tránh được cột điện nhưng có điện dung cao hơn, bị giới hạn về nhiệt và độ phức tạp khi sửa chữa.
Truyền tải điện áp một chiều cao
HVDC truyền tải điện năng dưới dạng dòng điện một chiều giữa các trạm chuyển đổi. Công nghệ này có thể mang lại lợi ích cho các tuyến đường dây trên không rất dài, cáp ngầm dưới biển hoặc dưới đất dài, truyền tải công suất lớn có điều khiển và liên kết các hệ thống điện xoay chiều không đồng bộ. Tổn thất và chi phí tại trạm chuyển đổi đồng nghĩa với việc phương pháp này không mặc nhiên là tốt hơn cho mọi dự án.
Hệ thống bộ biến đổi chuyển mạch bằng dòng điện đã được thiết lập cho việc truyền tải công suất lớn rất cao và đòi hỏi các hệ thống AC mạnh mẽ cũng như hỗ trợ công suất phản kháng. Các bộ biến đổi nguồn áp cung cấp khả năng điều khiển linh hoạt và có thể phục vụ các lưới điện yếu hơn cũng như các kết nối ngoài khơi, nhưng tính kinh tế của dự án và các thông số định mức sẽ quyết định sự lựa chọn.
Thiết bị cao thế thiết yếu
- Máy biến áp lực: thay đổi điện áp và cung cấp kết nối hệ thống cùng cách ly.
- Cầu dao điện: cắt dòng tải và dòng sự cố ở điện áp định mức.
- Dao cách ly và dao tiếp địa: Cung cấp cách ly và nối đất hữu hình sau khi ngắt dòng điện.
- Máy biến dòng và máy biến áp điện áp: quy đổi các đại lượng sơ cấp cho công bộ điện và rơ-le.
- Thiết bị chống sét: hạn chế quá điện áp do sét đánh và quá điện áp đóng cắt.
- Thanh cái và dây dẫn: các khoang liên kết và mang dòng điện liên tục và dòng điện sự cố.
- Bảo vệ và điều khiển: phát hiện sự cố, ngắt các cầu dao phù hợp và truyền đạt trạng thái hệ thống.
Của LBAJI Máy biến áp ngâm dầu 35 kV hỗ trợ các dự án truyền tải điện áp phụ và phân phối. Ở cấp độ thiết bị đóng cắt, Tủ điện bọc kim loại KYN61-40.5 cung cấp nền tảng cấp điện áp 40,5 kV cho các hệ thống trong nhà.
Phối hợp cách điện
Phối hợp cách điện tương thích mức chịu đựng của thiết bị với các quá điện áp tần số nguồn, quá điện áp do sét và đóng cắt dự kiến. Các kỹ sư lựa chọn khoảng cách đánh thủng, khoảng cách rò bề mặt, sứ xuyên, thiết bị chống sét van và khiên che dựa trên điện áp hệ thống, nối đất, độ cao, ô nhiễm và các nghiên cứu về quá điện áp. Định mức xung kích của thiết bị không thể được chọn một cách độc lập với mức bảo vệ của thiết bị chống sét van và bố trí vật lý.
Mật độ không khí giảm theo độ cao và có thể làm giảm khả năng cách điện bên ngoài cũng như khả năng làm mát. Muối biển, ô nhiễm công nghiệp, bụi và hiện tượng ngưng tụ làm tăng nguy cơ rò rỉ bề mặt. Do đó, dữ liệu môi trường của dự án phải đi kèm với các thông số định mức về điện áp và dòng điện.
Sơ đồ trạm biến áp cao thế
Trạm biến áp có thể sử dụng sơ đồ thanh góp đơn, thanh góp phân đoạn, thanh góp kép, thanh góp vòng hoặc sơ đồ một rưỡi máy cắt. Các sơ đồ phức tạp hơn cải thiện tính linh hoạt trong vận hành và khả năng cô lập sự cố nhưng đòi hỏi nhiều thiết bị và logic bảo vệ hơn. Trạm biến áp cách điện bằng không khí cần nhiều diện tích đất hơn; trạm biến áp cách điện bằng khí giúp giảm diện tích chiếm đất và tác động môi trường nhưng sử dụng các mô-đun kín và quy trình dịch vụ chuyênspecial.
Ở cấp độ phân phối, một Trạm biến áp kiểu hộp năng lượng mới 35 kV tích hợp trạm biến áp và thiết bị đóng cắt cho các dự án năng lượng tái tạo. Trạm biến áp lắp ghép sẵn YBM-12 cung cấp một giải pháp nhỏ gọn cho phân phối cấp điện áp 12 kV.
Bảo vệ các hệ thống điện cao áp
Hệ thống bảo vệ phải loại bỏ các sự cố một cách nhanh chóng và có chọn lọc, đồng thời vẫn duy trì tính an toàn trong điều kiện mang tải, dòng điện khởi công, dao động công suất và sự cố ngoài vùng. Các sơ đồ tiêu biểu bao gồm bảo vệ khoảng cách hoặc bảo vệ so lệch đường dây, bảo vệ so lệch máy biến áp và bảo vệ chạm đất hạn chế, bảo vệ so lệch thanh cái, bảo vệ chống hỏng máy cắt và bảo vệ quá dòng dự phòng. Rơ-le dự phòng, nguồn điện một chiều và cuộn dây cắt có thể được yêu cầu đối với các tài sản truyền tải quan trọng.
Thời gian loại bỏ sự cố ảnh hưởng đến mức độ hư hỏng thiết bị, độ ổn định và năng lượng hồ quang. Các cài đặt phải được rút ra từ các nghiên cứu về ngắn mạch và phối hợp, đồng thời được xác minh thông qua các thử nghiệm chạy thử bao gồm toàn bộ chuỗi từ máy biến dòng đến rơ-le và máy cắt.
Sống hoặc Xây dựng Gần Đường dây Cao thế
Các khoảng lùi cho phép, chiều cao công trình, khoảng vượt đường và khoảng cách an toàn thi công được kiểm soát bởi các cơ quan và công ích địa phương. Bản đồ công cộng là không đủ để xác định quyền sử dụng đất hợp pháp hoặc khoảng cách thi công an toàn. Các nhà phát triển nên lấy dữ liệu tuyến đã khảo sát và các yêu cầu bằng văn bản từ chủ sở hữu tuyến trước khi thiết kế hoặc đào đất.
Đối với các câu hỏi về phơi nhiễm công cộng, hãy sử dụng hướng dẫn từ các cơ quan y tế và quản lý có thẩm quyền. Không bao giờ được bước vào hành lang quyền sử dụng đất đường dây truyền tải hoặc đến gần các dây dẫn để đo đạc khi chưa có sự cho phép.
Danh mục kiểm tra thông số kỹ thuật dự án điện cao thế
- Điện áp định mức, điện áp cao nhất của thiết bị và tần số.
- Độ bám hệ thống và xử lý trung lập.
- Dòng điện liên tục, dòng công suất và sự mở rộng trong tương lai.
- Dòng sự cố lớn nhất, nhỏ nhất và thời gian cắt.
- Mức cách điện tần số nguồn và xung điện.
- Sơ đồ một sợi, bố trí thanh cái và nguyên lý vận hành.
- Yêu cầu về bảo vệ, điều khiển, đo lường và truyền thông.
- Độ cao, nhiệt độ, ô nhiễm, điều kiện địa chấn và ăn mòn.
- Các tiêu chuẩn áp dụng, thử nghiệm điển hình, thử nghiệm tại nhà máy và thử nghiệm tại hiện trường.
Phân loại điện áp cao phụ thuộc vào tiêu chuẩn
Ranh giới giữa điện áp thấp, trung bình và cao không phải là phổ quát. Các cấp thiết bị của IEC, thực tiễn của IEEE, thuật ngữ ngành điện và quyقة tắc nơi làm việc có thể sử dụng các ngưỡng khác nhau danh định và tối đa của hệ thống, cấp cách điện, tần số và phương pháp nối đất thay vì chỉ dựa vào các từ “cao áp” đơn thuần.
Phối hợp cách điện và an toàn điện áp cao
Khoảng cách pha-pha và pha-đất, chiều dài đường rò, khả năng chịu điện áp xung và bảo vệ bằng thiết bị chống sét phải được phối hợp với độ cao, mức độ ô nhiễm và chế độ đóng cắt. An toàn lao động cũng đòi hỏi phải cách ly được kiểm chứng, phóng điện, nối đất, giới hạn khoảng cách tiếp cận và kiểm soát quyền ra vào. Một mạch điện đã được ngắt chưa được coi là an toàn cho đến khi thử nghiệm không có điện và năng lượng tích trữ hoặc cảm ứng đã được xử lý.
Tài liệu kỹ thuật và đọc thêm
Các nguồn độc lập sau đây hỗ trợ các tiêu chuẩn, thuật ngữ, phép tính và bối cảnh an toàn được thảo luận trong hướng dẫn này:
- Các đơn vị SI của NIST đối với dòng điện điện tử — Các định nghĩa có thẩm quyền và mối quan hệ giữa ampe, vôn, oát và ôm.
- Hướng dẫn của NIST về các hệ số chuyển đổi điện SI — Hệ số chuyển đổi chính thức cho điện, từ tính, năng lượng và các đại lượng liên quan.
- Yêu cầu về an toàn điện của OSHA — Bối cảnh an toàn khi áp dụng các tính toán điện vào công việc truyền tải và phân phối điện.
