Frédéric Lesur, kỹ sư cao cấp về Hệ thống cáp điện cao thế và lưới điện tại Nexans, giải thích rằng cáp điện ngầm ngày càng đóng vai trò quan trọng trong quá trình điện khí hóa thế giới. Độ dẫn điện tuyệt vời của đồng khiến nó trở thành sự lựa chọn tự nhiên cho vật liệu dẫn điện cho dây cáp.
Nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Kinh nghiệm với lưới điện truyền tải của Pháp cho thấy nhôm đôi khi có thể được chứng minh là lựa chọn ưu việt hơn khi thực hiện đánh giá vòng đời toàn diện (LCA).
Có rất nhiều tiêu chí phải được xem xét khi lựa chọn dây dẫn cho hệ thống cáp ngầm. Chúng bao gồm các cân nhắc về điện, thiết kế nhiệt, kỹ thuật lắp đặt, ứng suất cơ học, v.v. Và tất nhiên, chi phí là một yếu tố quan trọng, không chỉ là chi phí mua mà là tổng chi phí vận hành cáp trong suốt vòng đời của nó. Tác động môi trường cũng là một yếu tố ngày càng quan trọng ở giai đoạn đầu của thiết kế cáp.
So sánh cáp đồng và cáp nhôm
1. Điện trở
Đối với cáp ngầm, chỉ có hai kim loại được sử dụng: đồng (Cu) và nhôm (Al), do tính dẫn điện cực tốt của chúng. Kim loại tốt nhất để dẫn điện thực sự là bạc. Thật bất ngờ, vàng đứng ở vị trí thứ ba – sau đồng, trong khi nhôm đứng thứ tư. Đồng có độ dẫn điện tốt hơn nhiều so với nhôm – theo hệ số 1,64 nhưng nó nặng hơn gấp 3 lần và đắt hơn nhiều. Giá đồng có thể dao động đáng kể, có lúc gấp 5 lần nhôm.
Điều này nghĩa là cần cáp nhôm có tiết diện lớn hơn để mang cùng một dòng điện như dây đồng, nhưng cáp nhôm có thể tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với đồng.
Hình dưới đây minh họa xếp hạng cáp được tính toán theo tiêu chuẩn IEC 60287 cho các loại và kích thước ruột dẫn khác nhau. Cáp được đặt trong các ống PVC được nhúng trong bê tông với hình dạng hình trefoil.
2. Tổn thất do dây dẫn
Tổn thất trong dây dẫn chiếm phần lớn năng lượng bị thất thoát trong cáp ngầm. Hình dưới đây cho thấy tổng tổn hao điển hình của các loại cáp được lắp đặt ở Pháp dưới dạng hàm đánh giá hiện tại của chúng. Các đường cong kết thúc ở định mức dòng điện cho phép ở trạng thái ổn định, liên quan đến nhiệt độ tối đa của vật liệu cách điện (90 ° C đối với XLPE = polyetylen liên kết ngang). Thứ tự cường độ là 30 W/m trên mỗi cáp.
Réseau de Transport d’Electricité (RTE), nhà điều hành hệ thống tải điện của Pháp (TSO) đã đưa ra số liệu thống kê cho thấy hệ thống cáp ngầm hoạt động hơn 95% thời gian ở mức đánh giá hiện tại thấp hơn 60% mức đánh giá tối đa của chúng. Điều này có nghĩa là các khoản lỗ thường thấp hơn giá trị tối đa.
5% thời gian hoạt động còn lại phù hợp với các giá trị cao nhất và các điều kiện hạn chế nhất, chẳng hạn như trong thời kỳ mùa đông khắc nghiệt với việc sử dụng nhiều hệ thống sưởi bằng điện.
Kết luận là, một cáp ngầm thường được vận hành trong các điều kiện dẫn đến tổn thất “có thể chấp nhận được”.
3. Thiết kế kinh tế của dây cáp
Cáp được thiết kế để không vượt quá nhiệt độ tối đa của lớp cách điện trong bất kỳ tình huống nào. Hầu hết thời gian, kỹ sư thiết kế sẽ chọn kích thước dây dẫn cho phép nhiệt độ hoạt động cần thiết trong khi vẫn đảm bảo an toàn.
Cho đến gần đây, phương pháp này được coi như giải pháp cung cấp chi phí đầu tư thấp nhất. Tuy nhiên, chi phí toàn bộ của mạng lưới điện cũng phụ thuộc vào chi phí thực tế của tổn thất năng lượng. Một dây dẫn lớn hơn, mặc dù đắt hơn khi đầu tư sản xuất có thể lại bị tổn thất ít hơn so với dây dẫn được thiết kế ưu tiên nhiệt. Trong hàng thập kỷ sau đó, rõ ràng nó có lợi hơn nhiều.
Hình dưới đây xem xét trường hợp của hệ thống dây cáp tải điện 700 A. Dữ liệu được vẽ trên biểu đồ dưới dạng hàm số của kích thước dây dẫn (hai màu được sử dụng cho dây dẫn Al và Cu) và chi phí đầu tư của hệ thống đã lắp đặt.
Chi phí đầu tư tăng theo tiết diện dây dẫn, trong khi chi phí tổn thất giảm do có ít điện trở hơn. Sự kết hợp của cả hai chi phí này tạo thành các đường cong hình chữ U với kích thước dây dẫn tối ưu.
Trong ví dụ, 1600 Al là dây dẫn tiết kiệm chi phí nhất để truyền 700 A trong vòng đời dự án là 50 năm. Tuy nhiên, 630 Al sẽ được lựa chọn theo quan điểm thiết kế ưu tiên về nhiệt/.
Tổn thất thấp hơn cũng đóng một vai trò nhất định về tác động môi trường. Các lợi ích có thể bao gồm ít nguy cơ lão hóa nhiệt hơn, giảm nguy cơ thoát nhiệt do làm khô đất không được kiểm soát, biên độ an toàn lớn hơn để xử lý các đỉnh tải trọng hoặc các điểm nóng bất ngờ, biên độ quá tải…
4. Triển vọng cho cáp nhôm rất lớn
Trong khi tiết diện tiêu chuẩn tối đa của dây dẫn đã chuyển từ 1600 lên 2500 mm² trong những năm gần đây, một số nhà sản xuất hiện đang cung cấp các dòng cáp nhôm 3000 hoặc 4000 mm², đẩy giới hạn hiện tại của cáp đồng lên một mức mới.
Các nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá sự quan tâm đến các thành phần khổng lồ này về hiệu suất, cách lắp đặt, tính kinh tế và tác động môi trường. Họ chỉ ra rằng, đối với định mức dòng điện nhất định, cáp nhôm rất lớn tạo ra ít tổn thất năng lượng hơn cáp đồng.
Có lẽ rào cản lớn nhất là hiện tại chưa có kinh nghiệm và trình độ về hệ thống cáp điện mà có tiết diện lớn như vậy. Tuy nhiên, ở các tiết diện dây dẫn được sử dụng ngày nay, có kinh nghiệm thực tế đáng kể cho thấy rõ ràng rằng nhôm là đại diện cho một sự thay thế quan trọng cho đồng trong những năm tới.