Đường dây điện cao thế xoay chiều (HVAC) là gì?

Những đường dây điện cao thế chằng chịt trên các cột tháp sắt khổng lồ mà chúng ta thường thấy dọc các tuyến đường quốc lộ hay băng qua những cánh đồng chính là một phần của hệ thống truyền tải điện xoay chiều cao thế (HVAC). Đây là công nghệ nền tảng và phổ biến nhất của ngành điện lực trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam.

HVAC là viết tắt của cụm từ tiếng Anh High Voltage Alternating Current, có nghĩa là truyền tải dòng điện Xoay Chiều (AC) ở mức Điện Áp Cao (HV). Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc, ưu và nhược điểm của hệ thống quan trọng này.

I. Tại sao lại là “Điện xoay chiều cao thế”?

Cái tên HVAC đã nói lên hai đặc tính cốt lõi của hệ thống này, mỗi đặc tính đều có một lý do tồn tại riêng.

1. Vì sao là “xoay xhiều” (Alternating Current)?

Hầu hết các nhà máy điện trên thế giới (nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân…) đều sử dụng các máy phát điện xoay chiều để sản xuất ra điện năng. Do đó, để đồng bộ với nguồn phát, toàn bộ hệ thống truyền tải và phân phối cũng sử dụng dòng điện xoay chiều. Việc sử dụng điện AC cũng giúp cho việc tăng và hạ điện áp trở nên cực kỳ đơn giản thông qua máy biến áp.

2. Vì sao là “cao thế” (High Voltage)?

Các nhà máy điện thường được đặt ở rất xa các trung tâm phụ tải (thành phố, khu công nghiệp). Để truyền tải điện năng đi xa hàng trăm, hàng nghìn km một cách hiệu quả, điện áp phải được đẩy lên mức rất cao.

Điện năng sản xuất tại nhà máy thường có mức điện áp khoảng 11kV – 22kV. Trước khi đưa lên lưới truyền tải, nó sẽ được máy biến áp tăng lên các cấp siêu cao thế như 220kV, 500kV (ở Việt Nam) hoặc thậm chí cao hơn.

II. Ưu và nhược điểm của hệ thống HVAC

1. Ưu điểm

• Hiệu quả kinh tế: Đây là ưu điểm lớn nhất. Khi truyền tải cùng một mức công suất (P), việc tăng điện áp (U) lên cao sẽ làm giảm cường độ dòng điện (I) chạy trên dây dẫn (vì P = U × I). Dòng điện thấp hơn cho phép sử dụng dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn, giúp tiết kiệm một khoản chi phí vật liệu khổng lồ.
• Tăng hiệu quả truyền tải: Tổn thất năng lượng trên đường dây chủ yếu là do nhiệt, được tính bằng công thức I²R. Vì dòng điện (I) đã được giảm xuống rất thấp, nên lượng tổn thất điện năng sẽ giảm đi đáng kể theo hàm số mũ 2, giúp đưa được nhiều điện hơn đến nơi tiêu thụ.
• Dễ dàng chuyển đổi điện áp: Máy biến áp có thể tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều một cách dễ dàng và hiệu quả, điều này rất linh hoạt cho cả việc truyền tải (tăng áp) và phân phối đến người dùng cuối (hạ áp).

2. Nhược điểm và thách thức

Mặc dù rất phổ biến, hệ thống HVAC cũng bộc lộ nhiều nhược điểm, đặc biệt là khi truyền tải trên khoảng cách rất xa:

2.1. Tổn thất năng lượng do hiệu ứng vật lý

• Tổn thất Corona: Điện áp quá cao làm ion hóa lớp không khí xung quanh dây dẫn, gây ra hiện tượng phóng điện vầng quang (phát ra ánh sáng tím và tiếng kêu rè rè). Đây là một dạng tổn thất năng lượng trực tiếp và còn gây nhiễu cho các đường dây thông tin liên lạc gần đó.
• Hiệu ứng bề mặt (Skin Effect): Dòng điện xoay chiều có xu hướng chỉ chạy trên bề mặt dây dẫn, không đi vào sâu trong lõi. Điều này làm tăng điện trở hiệu dụng của dây và tăng tổn thất nhiệt.
• Vấn đề về ổn định: Sự ổn định của hệ thống điện xoay chiều phụ thuộc vào góc pha giữa nguồn và tải. Khi chiều dài đường dây tăng lên (thường trên 500 km), việc duy trì sự ổn định này trở nên rất khó khăn và phức tạp.
• Hiệu ứng Ferranti: Trên các đường dây dài và ít tải, điện dung của đường dây có thể gây ra hiện tượng điện áp ở cuối đường dây cao hơn điện áp ở đầu đường dây. Tình trạng quá áp này có thể gây hỏng hóc các thiết bị trong hệ thống.

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều cao thế (HVAC) là một công nghệ nền tảng, hiệu quả và kinh tế cho việc truyền tải điện năng trên các khoảng cách ngắn và trung bình. Tuy nhiên, với các đường dây siêu dài, các nhược điểm của nó trở nên rõ rệt hơn.

Chính những hạn chế này đã thúc đẩy sự ra đời và phát triển của một công nghệ ưu việt hơn cho truyền tải điện đi xa, đó là HVDC (Truyền tải điện một chiều cao thế), vốn không bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng như bề mặt, công suất phản kháng hay các vấn đề về ổn định đồng bộ.