Cáp ngầm cao thế dưới biển có yêu cầu như thế nào?

Để truyền tải điện đi khoảng cách xa vượt qua sông, hồ, eo biển hoặc đại dương, người ta thường sử dụng cáp điện cao thế dạng ngầm chôn dưới nước. Một ví dụ về loại cáp như vậy là cáp cao áp DC của dự án North Sea Link, được đưa vào sử dụng vào tháng 10 năm 2021, chiều dài tuyến cáp là 720 km với công suất truyền tải 1.400 MW ở điện áp không đổi ±515 kV từ Na Uy đến Anh qua vùng biển của Biển Bắc. Đây là dự án cáp biển dài nhất trên thế giới tính tới 2024.

Chính vì thế cáp ngầm chất lượng cao là yếu tố then chốt trong việc tạo thuận lợi cho thương mại điện quốc tế và kết nối các vùng sâu vùng xa với mạng lưới năng lượng chung. Về cơ bản, chức năng chính của cáp ngầm cao thế bao gồm:

• Truyền tải điện từ các trạm phát điện đến các khu vực tiêu thụ điện.
• Tích hợp vào các hệ thống năng lượng của nhiều quốc gia và khu vực khác nhau, đảm bảo sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng và giảm chi phí truyền tải điện cho các nước thành viên.
• Loại bỏ các hạn chế về cơ sở hạ tầng vì cáp ngầm có thể vượt qua các rào cản địa lý như sông, núi hoặc đại dương, cho phép tăng khả năng tiếp cận điện ở các vùng xa xôi và biệt lập.
• Giảm tổn thất truyền tải so với đường dây điện trên cao.
• An toàn và đáng tin cậy vì vị trí của cáp ngầm dưới nước đảm bảo khả năng bảo vệ chúng khỏi điều kiện thời tiết, sự phá hoại và các yếu tố bên ngoài khác, giúp tăng độ tin cậy và an toàn khi vận hành.

Yêu cầu về cáp ngầm cao thế dưới biển

Đầu tiên là dây dẫn của cáp ngầm cao áp nên là cụm đồng tâm nhiều thành phần bao gồm dây dẫn, chất cách điện, các lớp bảo vệ bên trong và bên ngoài.

1. Cáp được thiết kế để truyền năng lượng từ tuabin gió thường không chỉ chứa lõi dẫn điện mà còn có các sợi quang chèn vào, mục đích của nó là truyền dẫn thông tin về điều kiện thời tiết hiện tại.
2. Các dây dẫn điện chính của cáp ngầm dưới nước thường được làm bằng đồng và ít khi bằng nhôm. Mặt cắt ngang thông thường của chúng không vượt quá 1200mm2, tuy nhiên có những mẫu riêng lẻ có mặt cắt ngang > 2400 mm2.
3. Khi điện áp truyền tải của cáp từ 12 kV trở lên, dây dẫn phải có hình tròn để đảm bảo ứng suất điện trường đồng đều trên toàn bộ lớp cách điện.
4. Nói về cách điện của cáp, điều đáng chú ý là hiệu suất của nó phụ thuộc vào loại điện áp đường dây. Do đó, ở điện áp hoạt động lên đến 420 kV, XLPE liên kết ngang với vật liệu cách nhiệt dày 3cm được sử dụng làm vật liệu cách điện cho lõi dẫn, trong khi lớp cách điện của cáp được thiết kế cho 36 kV chỉ dày tối đa 8 mm. Đối với đường dây HVDC, thành phần cách điện được lựa chọn đặc biệt và có thể khác nhau.
5. Có loại cáp áp suất thấp chứa dầu trong đó lớp cách điện bằng giấy được chồng lên nhau. Trong trường hợp này, lõi được ngâm tẩm bằng dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp.
6. Đôi khi, một kênh dầu có thể được cung cấp ở giữa lõi cáp cho điện áp lên tới 525 kV để dầu có thể di chuyển dễ dàng hơn khi cáp nóng lên. Nhưng giải pháp này hiếm khi được sử dụng vì nếu dây cáp bị hỏng sẽ gây ô nhiễm nguồn nước.

Tất nhiên, cáp ngầm cũng cần được bảo vệ cơ học bên ngoài. Vì vậy, để bảo vệ cáp có cấp điện áp 52 kV khỏi sự xâm nhập của nước vào bên trong, người ta sử dụng vỏ bọc chì ép đùn. Những đoạn chì dài hàng chục km được ép vào lớp cách điện polymer của dây dẫn tạo ra một lớp bảo vệ, sau đó mới được bọc thép.

Nếu cáp là lõi đơn thì lớp giáp đồng tâm, nhưng thường thì cáp luôn nhiều nhiều lõi nên các lõi được đặt theo hình xoắn ốc (concentric). Lõi cáp được gia cố bằng dây thép tẩm bitum. Bitum bảo vệ thép bọc thép khỏi bị ăn mòn.

Cáp AC yêu cầu một cách tiếp cận đặc biệt đối với lớp giáp bảo vệ vì từ trường xen kẽ có thể tạo ra tổn thất dòng điện xoay chiều, do đó áo giáp trong trường hợp này phải là loại không có từ tính (đồng thau, đồng đỏ hoặc thép không gỉ).

Khi truyền tải điện dưới nước với khoảng cách xa, sử dụng dòng điện một chiều DC sẽ có lợi hơn vì khi đó tổn thất sẽ ít hơn. Thực tế là các dây dẫn của cáp tạo thành các bản tụ điện với nhau và điện dung của cáp đòi hỏi phải tiêu thụ thêm năng lượng không cần thiết khi truyền trên dòng điện xoay chiều. Đường dây DC không gặp phải vấn đề này.