Các nhà máy phát điện ngoài khơi ngoài điện gió ra đã được thảo luận và đang trong các giai đoạn phát triển, thậm chí dự án thí điểm và vận hành bán thương mại. Chúng bao gồm:
- Tua-bin chuyển hóa động năng của dòng nước (thủy triều);
- Tua-bin gió nổi;
- Bộ chuyển đổi năng lượng sóng…
Các nhà máy phát điện dạng nổi yêu cầu cap dien có độ linh hoạt cơ học cao để có thể duy trì mức độ chuyển động trong phạm vi do tác động của sóng biển trong suốt thời gian sử dụng, đặc biệt chú ý đến các bộ phận cáp và thiết kế chống rão/ căng cáp.
Chẳng hạn nếu vỏ bọc kim loại là cần thiết với cáp điện ngoài khơi thì vỏ bọc chì dù là kim loại nhưng vẫn không phù hợp do không có khả năng chống rão; vỏ bọc bằng đồng hoặc kim loại khác có hiệu quả tốt hơn nhiều. Bài viết này đề cập đến một số hướng dẫn cơ bản để thiết kế hệ thống cáp trung thế và cao thế để sử dụng cho các máy phát điện nổi ngoài khơi tải điện về đất liền.
Cáp động lực là gì?
Dynamic cable (cáp động lực) được hiểu là cáp điện được ứng dụng cho các hệ thống điện cần độ linh hoạt cao, sử dụng ở các môi trường không ổn định. Cáp động lực phải có kết cấu linh hoạt khi chuyển động, độ đàn hồi tốt và vẫn đảm bảo các đặc tính điện, đặc tính cơ học trong suốt thời gian sử dụng.
1. Ràng buộc cơ học
Các dây cáp động lực cho nhà máy điện ngoài khơi, nổi bật nhất là điện gió nổi được yêu cầu phải chịu các điều kiện môi trường khắc nghiệt và có khoảng cách treo cáp tự do:
Thiết kế của cáp cần xử lý được các áp lực dòng chảy kết hợp dẫn đến các tình huống bất lợi nhất về ứng suất cơ học tổng thể trong quá trình sử dụng cáp. Áp lực và tác động lên cáp có thể được tạo ra bởi:
a. Sóng biển
Ở vùng nước nông, tác động của sóng biển là rõ ràng nhất. Do đó, thiết kế cáp phải tính đến dữ liệu sóng thống kê cho từng địa điểm cụ thể như: chiều cao sóng, chu kỳ sóng và hướng sóng đáng kể.
b. Dòng chảy
Một mô hình vận tốc dòng chảy theo cường độ và hướng sẽ được sử dụng để phân tích tác động lên cáp điện. Đối với vùng nước sâu, Áp lực tác động sóng sẽ ảnh hưởng chủ yếu đến phần trên của nhịp cáp trong khi dòng chảy nước chi phối áp lực tác động trên hầu hết chiều dài còn lại của nhịp cáp tới tận điểm chạm cuối.
c. Gió
Áp lực tác động của gió tác động trực tiếp lên các bệ nổi và do đó tác dụng lên điểm neo của cáp động lực.
d. Rung động do xoáy
“Sải nhịp tự do” của cáp động lực có thể được mô hình hóa như một lò xo với tần số rung động tự nhiên. Dòng chảy nước qua bề mặt cáp theo một góc vuông sẽ tạo ra các dòng xoáy. Nếu tần số của dòng xoáy phù hợp với tần số dao động điều hòa của nhịp tự do, năng lượng của dòng nước tác động đến cáp. Cáp sẽ rung lên với biên độ nhất định được giới hạn bởi giảm chấn thủy lực.
e. Thủy triều
Sự thay đổi độ sâu của nước cần được tính đến đối với các dự án ở vùng nước nông.
f. Trường hợp khẩn cấp
Các điều kiện khắc nghiệt và tình huống khẩn cấp (ví dụ như đứt neo) cũng phải được xử lý cẩn thận và cần được đưa vào đánh giá. Cấu trúc cho phần cáp giữa đáy biển và máy phát điện/ bệ đỡ nổi được xác định bởi độ lớn của các chuyển động, tổng hợp thành một số cấu trúc cơ bản như sau:
- A (dây xích): Cáp là một điểm treo đơn giản từ trình tạo/nền tảng nổi mô tả hình dạng dây xích.
- B (Sóng lười): Khoảng tự do hình chữ U giữa máy phát/bệ nổi (điểm neo) và bộ nổi cung cấp đủ độ chùng để hấp thụ chuyển động của cái trước.
- C (Sóng dốc): Tương tự như sóng lười nhưng có cấu hình dốc hơn ở gần đáy biển.
- D (Sóng dẻo): Về cơ bản, một làn sóng lười biếng với một dây buộc hạn chế điểm chạm xuống.
- E (Lười S): Một chiếc phao có dây buộc giữ phần dưới của cấu hình sóng và điểm chạm xuống gần như vị trí tĩnh.
- F(Đèn Lồng Trung Quốc): Cáp chùng hình chữ U giữ cho dây buộc thẳng hàng với lối vào cáp trong thiết bị nổi trình tạo/nền tảng.
2. Hành vi kết cấu
Hành vi kết cấu của cáp động nên được đánh giá bằng cách tính toán đến các yếu tố sau:
- Lực uốn liên tục và biến dạng tương đối giữa các bộ phận cáp;
- Độ cứng uốn của cáp;
- Biến dạng dọc và xoắn.
Vì hầu hết các bộ phận cáp đều được được sản xuất theo quy trình xoắn bện – lõi điện, chất độn, cáp quang và sợi giáp kim loại – ứng suất dọc trục tương ứng có thể tích tụ trong quá trình uốn cáp sẽ được giải phóng thông qua các bộ phận này.
Thiết kế cáp động lực
1. Màn chắn kim loại (metallic screen) và vỏ bọc kim loại (metallic sheath)
Lớp kim loại này được ép đùn trên màn chắn cách điện (insulation screen) và hoạt động trong điều kiện hoạt động bình thường như một đường dẫn trở lại cho cả dòng sạc điện dung và dòng điện cảm ứng. Trong trường hợp xảy ra sự cố về điện, màn chắn kim loại này cũng có thể mang dòng điện ngắn mạch.
Lớp vỏ bọc kim loại (ép đùn lên lớp màn chắn kim loại) bằng chì không được khuyến nghị sử dụng cho cáp động lực vì nó rất dễ bị rão, nứt và lão hóa.
2. Bọc bổ sung (core sheath)
Tùy thuộc vào loại vật liệu cách điện, một lớp vật liệu nhiệt dẻo có thể được ép đùn lên lớp màn chắn kim loại để bảo vệ thêm. Vỏ bọc này có thể được làm bằng polyetylen mật độ trung bình (MDPE) màu đen. Các pha điện phải được xác định bằng cách đánh dấu màu sắc hoặc số phân loại trên mỗi pha.
3. Lớp đệm (bedding layer)
Các lõi được đặt cùng nhau và các kẽ hở được lấp đầy bằng chất độn thích hợp để mặt cắt ngang của cáp có dạng hình tròn. Một vật liệu nhựa nhiệt dẻo ép đùn liên tục có thể được áp dụng trên lõi này. Vật liệu nhựa nhiệt dẻo phải kết hợp bảo vệ chống lại bức xạ UV nếu khoảng cách tự do giữa đầu nối treo và lối vào tuabin gió không được bảo vệ khỏi bức xạ mặt trời trực tiếp. Vật liệu cũng phải phù hợp với nước biển.
Độ dày của vỏ bọc này phải đủ để đảm bảo phân bổ lực nén hướng tâm bởi lớp giáp kim loại bên ngoài tác động lên. Để giải phóng ứng suất dọc trục trong quá trình uốn, hệ số ma sát giữa vỏ bọc và vỏ bọc của lõi điện và các bộ phận khác (cáp quang, chất độn, v.v.) cũng phải được giảm thiểu.
4. Giáp kim loại (armour)
Thông thường, thiết kế lớp áo giáp cho cáp ngầm phổ thông được điều chỉnh bởi độ sâu lắp đặt và các vấn đề lắp đặt khác cụ thể cho từng dự án.
Nhưng đối với cáp động lực ngầm dưới biển, khái niệm này thay đổi hoàn toàn. Thiết kế áo giáp phải xử lý các vấn đề lắp đặt giống như đối với cáp tĩnh, đồng thời đáp ứng tất cả các áp lực tác động lên nhịp cáp giữa máy phát điện/ bệ nổi và điểm tiếp đất (TD).
Hai hoặc nhiều lớp áo giáp bện xoắn ngược chiều nhau thường được sử dụng để chống lại tác động xoắn. Trên cơ sở các yêu cầu về độ bền kéo và chống xoắn, cáp động lực treo trên máy phát điện/ bệ nổi phải có ít nhất 1 lớp giáp hai lớp và hướng xoắn của mỗi lớp giáp phải ngược nhau.
5. Vỏ bọc ngoài (outer sheath)
Một lớp vật liệu nhựa nhiệt dẻo có thể được ép đùn liên tục trên lớp áo giáp. Lớp này có thể cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho lớp áo giáp, chống ngập nước…
Thử nghiệm cáp động lực
Ngoài các thử nghiệm cơ bản ở cáp điện, các hệ thống cáp điện động lực cần thêm một số thử nghiệm bổ sung và được điều khiển bởi phần mềm mô phỏng dựa trên các đặc tính vật lý của nhiều bộ phận cáp. Các thử nghiệm dưới đây chỉ là hướng dẫn cho mục đích đánh giá chất lượng hoặc xác minh, cac thử nghiệm cuối cùng phải được thỏa thuận giữa nhà sản xuất và khách hàng:
- Kiểm tra độ cứng uốn (Bend stiffness test);
- Kiểm tra độ rão động (Dynamic fatigue test);
- Thử nghiệm cụ thể cho các mô-đun nổi:
- Xác minh mật độ (Density verification);
- Hấp thụ nước (Water absorption);
- Xác minh mất sức nổi (Buoyancy loss verification);
- Kiểm tra áp lực thủy tĩnh (Hydrostatic crush pressure test);
- Kiểm tra độ trượt dọc trục (Axial slippage test);
- Kiểm tra độ nổi toàn diện (Full scale buoyancy test);
- Kiểm tra thủy tĩnh quy mô đầy đủ (Full scale hydrostatic test);
- Kiểm tra lắp ráp (Fit-up and assembly test).
tham khảo Cigre TB160
