Cáp điện áp cao một chiều (HVDC) có cách điện bằng giấy ngâm tẩm hàng loạt (MI) đã được triển khai trong các dự án truyền tải điện đường dài dưới biển trong nhiều thập kỷ. Mặc dù một đối thủ cạnh tranh khác đã xuất hiện trong những năm gần đây dưới dạng cáp đùn XLPE, nhưng cáp MI vẫn là công nghệ được lựa chọn cho các dự án lớn như NordLink mới hoàn thành gần đây.
Cáp được ngâm tẩm hàng loạt (Mass-Impregnated cable) là sự lựa chọn hàng đầu khi nói đến các dự án kết nối HVDC dưới biển được yêu cầu để truyền tải điện ở điện áp trên 500 kV trong khoảng cách xa và ở độ sâu cực lớn.
Sự thành công của cáp MI dựa trên chuyên môn, kinh nghiệm, chất lượng và độ bền. Thiết kế của cáp ngầm MI dựa trên dữ liệu môi trường như độ sâu nước tối đa, nhiệt độ môi trường, độ sâu chôn lấp, đặc tính nhiệt, v.v., kết hợp với dữ liệu điện bao gồm mức điện áp và khả năng truyền tải điện.
Bởi vì mỗi dự án kết nối là duy nhất, thiết kế hệ thống cáp điện MI được thiết kế riêng để đảm bảo hiệu suất tốt nhất có thể trong thời gian sử dụng lâu dài.
Ruột dẫn được làm từ đồng hoặc nhôm và bao gồm một dây tròn ở giữa với các lớp dây đồng tâm hình thang, tạo ra ruột dẫn rất nhỏ gọn với bề mặt nhẵn.
Kết cấu cáp điện ngâm tẩm
Hệ thống cách điện bao gồm các băng giấy kraft được tẩm một hợp chất có độ nhớt cao. Một loại cáp được MI truyền tải điện 500 kV thường sẽ có khoảng 300 lớp giấy.
Phần đệm là một điểm mạnh đặc biệt của thiết kế MI. Điều này là do không chắc có bất kỳ chất ô nhiễm nhỏ nào xâm nhập vào quá trình sản xuất, chúng sẽ được chứa trong các lớp giấy.
Sau khi quấn giấy, quy trình tiếp theo là làm khô giấy và sau đó là tẩm vào hệ thống cách điện với khối lượng tẩm cáp.
Để làm khô giấy một cách hiệu quả, bình tẩm được đậy kín hoàn toàn và áp dụng chân không kết hợp với gia nhiệt. Sau quá trình làm khô, bình được làm đầy với khối lượng ngâm tẩm, và hệ thống cách điện sẽ được ngâm tẩm hoàn toàn.
Một màn chắn chống ẩm bằng hợp kim chì – bọc trên đầu của hệ thống cách điện để bảo vệ cơ học và ăn mòn, một vỏ bọc ngoài bằng polyetylen. Để đảm bảo độ bền cơ học, giáp sợi thép đôi khi được sử dụng.
Để đạt được thiết kế cân bằng lực xoắn, hai lớp giáp dạng sợi được xoắn bện ngược chiều nhau. Áo giáp được bảo vệ chống ăn mòn nhờ kết hợp hợp chất bitum và hai lớp sợi polypropylene.
Bước cuối cùng là kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy để xác minh tính toàn vẹn của hệ thống cách điện. Một trong những thử nghiệm là kiểm tra điện trở cách điện cáp, đặt cáp ở mức điện áp cao hơn nhiều so với điện áp được thiết kế. Ví dụ, cáp 500 kV được thử nghiệm ở 900 kV.
Cáp MI đã đủ tiêu chuẩn để hoạt động ở 600 kV, với định mức công suất 1.100 megawatt (MW), cho công suất truyền tải điện là 2.200MW ở cấu hình HVDC lưỡng cực.
Lịch sử của cáp MI
Cáp MI đầu tiên đã được giới thiệu từ những năm 1890. Nhưng trong khi nguyên tắc vẫn giữ nguyên, các quy trình thiết kế và sản xuất đã được nâng cấp và cải tiến liên tục.
Nexans lần đầu tiên triển khai cáp MI cho một liên kết HVDC vào năm 1977, đầu nối Skagerrak giữa Đan Mạch và Na Uy.
Hệ thống cáp gốc vẫn đang hoạt động, chứng tỏ độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống cáp HVDC MI. Một phần của cáp đã phải được sửa chữa gần đây do hư hỏng bên ngoài. Phần được thay thế đã được đưa trở lại phòng thí nghiệm để đánh giá.
Người ta thấy rằng ngay cả sau hơn 40 năm dưới đáy biển, nó vẫn ở trong tình trạng tốt.
Cáp XLPE – giải pháp thay thế cho cáp MI
Kể từ cuối những năm 1990, một công nghệ cáp HVDC mới đã xuất hiện sử dụng polymer dạng đùn ép (extrude) làm lớp cách điện chính, thay vì băng giấy ngâm tẩm. Nói chung, vật liệu cách điện được sử dụng là polyethylene liên kết ngang (XLPE).
Có một số yếu tố có lợi cho cáp XLPE. Ví dụ, chúng rất chắc chắn về mặt cơ học và lắp đặt đơn giản, nhanh chóng nhờ quy trình nối ít phức tạp hơn, điều này đặc biệt quan trọng đối với cáp đất nơi bạn cần một số lượng lớn các mối nối (thường là một mối nối cứ sau 1-2 km).
Cáp HVDC đùn ép đã được sử dụng rộng rãi trong các dự án HVDC ở công suất lên đến 320 kV và 1.000MW trong hơn 10 năm qua. Gần đây, cáp XLPE đã được thử nghiệm và chứng minh khả năng hoạt động ở 525 kV với định mức công suất lên đến 2.600MW.
Có vẻ như, với những ưu điểm khác nhau của nó, XLPE giờ đây sẽ trở thành công nghệ cáp ngầm cao thế chính của thế giới. Tuy nhiên, các tổ chức xây dựng và các nhà đầu tư vẫn coi XLPE vẫn là một cái gì đó còn mới và chưa được chứng minh. Ngược lại, cáp MI có thể chỉ ra một hồ sơ tin cậy được tích lũy trong nhiều thập kỷ qua đối với hệ thống HVDC.
Dự án NordLink hoạt động
Như đã đề cập, một dự án gần đây để trang bị cáp MI là NordLink của Na Uy / Đức , bắt đầu hoạt động thử nghiệm vào cuối năm 2020.
Dự án là sự hợp tác giữa Statnett, nhà điều hành hệ thống truyền dẫn của Na Uy (TSO) và TenneT, TSO cho các khu vực của Đức, cùng với ngân hàng khuyến mại của Đức KfW.
Với công suất 1.400MW, dự án có thể xuất điện gió được tạo ra bởi ~466 tuabin gió công suất 3MW mỗi tuabin.
Khi có sản lượng dư thừa từ các nguồn năng lượng tái tạo ở Đức, NordLink cho phép xuất khẩu sang Na Uy, trong khi các hồ chứa nước của Na Uy hoạt động hiệu quả như “pin” tự nhiên.
Khi tình hình đảo ngược, Đức có thể nhập khẩu năng lượng tái tạo từ các loại pin đó. Trong mùa khô và lạnh ở Na Uy, khi mực nước trong các hồ chứa thấp hơn, việc kết nối với Đức sẽ tăng cường an ninh nguồn cung cấp.
Xây dựng NordLink yêu cầu đặt một kết nối cáp dưới biển với khoảng cách 623 km, khiến nó hiện là kết nối HVDC dài nhất Châu Âu và cũng là đường dây cáp ngầm HVDC dài nhất thế giới.
Tương lai cho cáp MI là gì?
Cáp cách điện bằng giấy tẩm (MI) có thể có một tương lai tươi sáng hơn bao giờ hết. Quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu sẽ dựa vào ngày càng nhiều cáp điện áp cao, đường giao cắt dài hơn dưới biển và cáp cho vùng nước sâu hơn.
Cũng cần có các liên kết truyền tải điện cao thế trên đất liền. Ngày càng có nhiều động lực để đặt các liên kết này dưới lòng đất, thay vì trên các tháp truyền dẫn.
Do đó, cáp MI rất thích hợp cho sự phát triển trong tương lai của các mạng lưới truyền tải điện liên kết trên thế giới.
