Triển vọng của cáp đùn XLPE cho điện cao thế (HDVC)

cáp-đùn-hvdc-cao-thế

Hệ thống truyền tải điện HVDC đã có những bước phát triển đáng chú ý do nhu cầu ngày càng tăng trong việc truyền tải điện lượng lớn ở điện áp cao hơn và trên khoảng cách xa hơn với việc giảm tổn thất điện năng, tốn ít đường đi nhất cũng như độ ổn định và kiểm soát tốt hơn trong hệ thống truyền tải.

HVDC là một công nghệ đã được chứng minh cho các dự án truyền dẫn kết nối các mạng không đồng bộ với nhau. Ngày nay, các công nghệ truyền tải trên mặt đất HVDC được sử dụng để truyền tải điện trên một khoảng cách xa bằng

  • Đường dây cáp điện trên không HVDC để mang công suất cao (> 1.000 MW) trên khoảng cách trên 200 km;
  • Cáp ngầm HVDC để mang điện trung bình và cao (100 MW – 1.000 MW) trên khoảng cách trên 50 km.

Các trạm chuyển đổi bắt buộc phải kết nối với hệ thống AC, điều này kéo theo chi phí đầu tư đáng kể. Thế hệ bộ chuyển đổi mới (VSC – Bộ chuyển đổi nguồn điện áp) sử dụng IGBT (Bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện) cho phép truyền công suất theo cả hai hướng mà không yêu cầu đảo cực. Điều này đã cho phép giới thiệu lại việc sử dụng cáp đùn trong truyền tải điện một chiều.

Hệ số chi phí cho cáp HVDC chỉ bằng 2 – 3 so với đường dây trên không HVDC có cùng công suất. Cho đến nay, cáp HVDC chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng dưới biển, hoặc kết nối các trang trại điện gió ngoài khơi với đất liền hoặc truyền tải điện trên khoảng cách xa qua biển mà các đường dây trên không không thể sử dụng. Hiện nay, cáp HVDC cũng đang được sử dụng cho các dự án truyền tải điện trên đất liền. Hệ thống ngầm hóa HVDC có thể vận chuyển một cách an toàn các tải công suất cao trên một khoảng cách xa với tổn thất tối thiểu. Trên toàn cầu, các dự án hệ thống cáp ngầm HVDC đường dài đã được thực hiện, một số đang trong quá trình thực hiện và nhiều dự án khác có thể được lên kế hoạch cho tương lai gần.

Triển vọng của công nghệ HVDC

Ưu điểm của Hệ thống HVDC là:

  • Có thể mang nhiều điện hơn cho một kích thước dây dẫn nhất định
  • Cả đường dây trên không và cáp ngầm đều có thể truyền tải điện năng mà không bị giới hạn khoảng cách.
  • Ổn định tốt hơn và kiểm soát rất nhanh công suất trong hệ thống truyền tải
  • Hướng của dòng điện có thể được thay đổi rất nhanh chóng (hai hướng).
  • Nhu cầu về ROW (Right Of Way) đối với HVDC nhỏ hơn nhiều so với HVAC, cho cùng một công suất truyền.
  • Tác động môi trường được giảm bớt với HVDC.
  • Công nghệ VSC cho phép điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách độc lập mà không cần đến thiết bị bù phụ.
  • Công nghệ VSC mang lại cơ hội tốt để các nguồn năng lượng thay thế có hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
  • Các đường truyền HVDC có độ sẵn sàng và độ tin cậy cao.

Công nghệ cáp đùn HVDC

Công nghệ cáp điện một chiều cao áp (HV DC) có các tính năng khiến nó trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với một số hệ thống truyền dẫn nhất định như khoảng cách xa, công suất lớn và cáp ngầm dài. Trong trường hợp truyền tải khoảng cách xa với Cáp xoay chiều HVAC, dòng điện dung tỷ lệ với chiều dài của cáp, điện dung của cáp và tần số nguồn cung cấp, lên tới 10 – 25 A / Km và trở nên lớn hơn so với dòng điện đó phải được truyền tải. Đối với độ dài dài trên 60-80 Kms, dòng điện dung trở nên bằng với dòng điện hoạt động mà cáp phải truyền tải và do đó tổn thất cao hơn rất nhiều và hơn nữa định mức hiện tại của cáp bị giảm đáng kể. Với Truyền dẫn một chiều, tần số của nguồn cung cấp bằng 0 và chỉ có điện trở của dây dẫn đóng vai trò chính.

Tuy nhiên, phân bố trường điện ở Điện áp một chiều khác rất nhiều so với phân bố điện áp xoay chiều, trong khi trong cáp xoay chiều, phân bố trường bên trong cách điện cáp được phân bố điện dung phù hợp với khả năng cho phép của cách điện cáp. Sự phân bố trường tại DC được xác định bởi độ dẫn điện của vật liệu cách điện, không phải là hằng số và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và điện trường.

Điện tích bề mặt và điện tích không gian cũng đóng một vai trò quan trọng. Do đó, các trường trong Cáp DC phụ thuộc không gian, nhiệt độ và thời gian. Điều này làm cho việc xác định trường ở điện áp một chiều phức tạp hơn so với trường hợp tương đương với điện áp xoay chiều.

Lịch sử phát triển cáp HVDC

Hoạt động truyền tải điện HVDC đầu tiên trên thế giới bắt đầu vào năm 1954 nối đất liền Thụy Điển và Đảo ‘Gotland’. Trong thời kỳ này, cáp được ngâm tẩm khối lượng lớn (MI) (giấy cách điện được tẩm dầu cách điện có độ nhớt cao) được sử dụng cho điện áp trung bình trong khi cáp chứa dầu (OF) (sử dụng giấy cách điện được tẩm dầu cách điện có độ nhớt thấp và được giữ trong điều kiện có áp suất) được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao hơn và công suất lớn hơn. Kể từ đó, cáp MI và OF đã trở thành xu hướng chủ đạo của cáp truyền tải điện DC.

Vào năm 1999, cáp đùn XLPE được thiết kế để hoạt động ở 80 kV đã được sử dụng ở Gotland. Ở đây, Bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) đã được sử dụng như một bộ chuyển đổi ACDC. Vì vậy, các loại cáp cách điện bằng polyme nhẹ hơn, dễ xử lý hơn và cũng có khả năng nối dễ dàng hơn so với Cáp cách điện bằng giấy.

Với cáp cách điện XLPE, nhiệt độ ruột dẫn cao hơn có thể được sử dụng và điều này cho phép sử dụng kích thước cáp nhỏ hơn với kết cấu nhỏ gọn hơn. Các chất phụ gia thường được sử dụng cho Cáp HV AC như chất chống oxy hóa, chất liên kết ngang, phụ gia bôi trơn, những phụ gia được sử dụng để tăng mật độ liên kết ngang và phụ gia chống cháy xém có thể được sử dụng chọn lọc trong nhiều cách kết hợp khác nhau để sản xuất Cách điện XLPE cho Cáp HV DC.

Hiện tại, cáp đùn HVDC dựa trên cách điện XLPE được thiết kế để hoạt động ở 320 kV và khoảng 1000 MW. Một dây dẫn bằng nhôm hoặc đồng được phủ một lớp bán dẫn mỏng để có bề mặt nhẵn với lớp cách điện sau. Một lớp bán dẫn thứ hai bao phủ lớp cách điện. Tùy thuộc vào ứng dụng và thiết kế các lớp khác được thêm vào cáp. Để bọc ngoài trong trường hợp cáp bị hư hỏng, băng trương nở sẽ hút nước và nở ra, chặn nước di chuyển dọc theo trục của cáp. Các dây màn hình được nối đất. Nhôm laminate cung cấp một chất phân tán khuếch tán chống lại các chất lạ, đặc biệt là độ ẩm. Và cuối cùng là áo khoác sheath che phủ tất cả các lớp. Một vỏ bọc chì ép đùn làm màng chắn nước và các dây dẫn cung cấp khả năng bảo vệ cơ học cho cáp.

Một số nhà sản xuất cáp HVDC hàng đầu là ABB- Thụy Điển; Prysmian Cables- Nexans, Pháp, Đức, Na Uy; J-Power- Nhật Bản; LS Cable- Hàn Quốc; Cáp Europa- Brussels; Brugg Cables- Thụy Sĩ và nhiều nhà sản xuất khác.

Sự phát triển của hệ thống cáp DC-XLPE điện áp cao

Lịch sử phát triển của cáp

  • 1984 ~ 1989: Nghiên cứu cơ bản về vật liệu cách điện DC;
  • 2007 ~ 2010: Thành lập công nghệ sản xuất cáp DC-XLPE thực tế;
  • 2005 ~ 2006: Xác minh về độ dài đùn DC-XLPE….
  • 1988 ~ 1995: Phát triển cáp DC 250kV và liên doanh nhà máy;
  • 1993 ~ 2001: Phát triển cáp DC 500kV và liên doanh nhà máy.

Vật liệu cho cách điện cáp đùn HVDC

Vào đầu kỷ nguyên cách điện HVDC đùn, các vật liệu như LDPE, XLPE – được sử dụng cho các ứng dụng HVAC đã được thử với các phương pháp xử lý nhiệt hóa học khác nhau như liên kết ngang và hoặc trộn với các chất phụ gia thích hợp. Ngay cả hiện tại, vật liệu được sử dụng cho cáp HVDC dựa trên PE cũng được sử dụng. Hơn nữa, sự phát triển của cáp DC đùn đã được chú ý từ những năm 1990 với việc sử dụng các vật liệu cách điện và bán dẫn được cải tiến để giảm thiểu điện tích không gian trong trường HVDC. Hệ thống polyme liên kết chéo peroxide dựa trên nhựa polyetylen áp suất cao hoặc các hợp chất polyetylen mật độ thấp với chất độn nano đang được khám phá.

Cách điện của cáp HVDC phải có các đặc tính sau:

  • Điện trở suất cách điện ổn định: tức là không nhạy cảm với các biến đổi của nhiệt độ, ứng suất điện, đảo cực và giá trị không đổi trong thời gian nhiễm điện.
  • Điện trở suất nhiệt thấp.
  • Thuộc tính duy trì phí không gian thấp.
  • Cường độ đánh thủng DC cao, đặc biệt là các điều kiện xung chồng chất và không nhạy cảm với nhiệt độ và đảo cực.

Đặc điểm của polyethylene & XLPE

Polyethylene là hydrocacbon đơn giản nhất trong polyme và là một ví dụ điển hình của polyme tổng hợp. Nó thu được từ phản ứng trùng hợp etylen. Polyetylen được phân loại là các polyme mạch thẳng, phân nhánh và liên kết chéo. Polyethylene mạch thẳng được cấu tạo thành các chuỗi dài, liên kết với nhau thông qua các tương tác yếu (liên kết van der wall) và có mức độ kết tinh cao nhất.

Polyethylen phân nhánh là các chuỗi mới phát triển từ các điểm trung gian của chuỗi gốc và các tương tác thành van der yếu được thiết lập vì các chuỗi được đóng gói ít hơn; mức độ kết tinh bây giờ thấp hơn các polyme mạch thẳng. Polyethylene liên kết chéo là cấu trúc ba chiều với các liên kết chính theo mọi hướng. Những vật liệu này cứng, bền cơ học, không nóng chảy và không hòa tan trong tất cả các thuốc thử và được gọi là chất nhiệt rắn.

Liên kết ngang, còn được gọi là lưu hóa, thường được thực hiện hóa học thông qua peroxit. Các peroxit như vậy được kích hoạt ở nhiệt độ cao, làm phát sinh các phản ứng giữa các nhóm chức còn lại của các phân tử khác nhau, với sự hình thành các phân tử phức tạp hơn và tạo ra sản phẩm cứng nhất định.

Ngược lại, Polyetylen mạch thẳng và phân nhánh có thể được hình thành ở nhiệt độ cao để khai thác độ dẻo cao hơn của chúng ở nhiệt độ đó mà không liên quan đến việc sửa đổi thêm cấu trúc phân tử của chúng. Nhiệt độ cao làm suy yếu các liên kết Van Der Walls, do đó vật liệu giống như bột nhão và có thể được định hình. Do đó, Polyethyleneare mạch thẳng và phân nhánh được biểu thị là nhựa nhiệt dẻo và trái ngược với nhựa nhiệt rắn.

Polyethylene khác nhau về trọng lượng phân tử và mức độ phân nhánh, với sự phân nhánh cao nhất xảy ra trong LDPE. Các họ PE khác là PE không phân nhánh hoặc mật độ cao (HDPE) và PE mật độ thấp tuyến tính phân nhánh ngắn (LLDPE). Polyetylen thường được sử dụng trong quá trình cách nhiệt HV là XLPE, là loại LDPE được liên kết chéo với một peroxit hữu cơ, điển hình là dicumyl peroxit. Trong quá trình sản xuất XLPE, mêtan, acetophenone và cumyl alcohol là một trong những sản phẩm phụ của quá trình phân hủy dicumyl peroxide.

Cáp đùn HVDC: thách thức gì?

Việc thiết kế cách điện cho cáp đùn HVDC là một trong những vấn đề khó khăn nhất, chủ yếu là do sự phụ thuộc của các đặc tính điện môi của nó vào nhiệt độ, biến dạng điện trường do tích tụ điện tích trong lớp cách điện. Điện tích không gian xảy ra bất cứ khi nào tốc độ tích tụ điện tích khác với tốc độ loại bỏ điện tích, và có thể phát sinh do các điện tử và ion. Điện tích không gian xuất hiện do các hạt mang điện tích được bơm vào tại các điện cực, cho dù là điện tích di động hay điện tích bị giữ lại (đã có trong phần lớn lớp cách điện của cáp) do ba quá trình trong chất điện môi dưới điện trường, đó là: a) sự thay đổi độ dẫn điện, b) sự ion hóa của các loài trong chất điện môi và c) sự tiêm điện từ các điện cực được điều khiển bởi trường một chiều không nhỏ hơn xấp xỉ 10 kV / mm và phân cực trong các cấu trúc như cây nước.

Các điện tích không gian cũng được hình thành do sự hiện diện của các chất phụ gia phân ly ion, các tạp chất, sai lệch và các khuyết tật hóa học hoặc vật lý. Do đó, việc phát triển một loại vật liệu cách điện không tích điện có đặc tính điện môi tốt đã trở thành một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới.

Vấn đề với phí không gian

Rõ ràng rằng sự phân bố điện trường trên lớp cách điện của cáp đùn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi điện tích không gian, điều này có thể kiểm soát hành vi của hệ thống cáp, đặc biệt là độ tin cậy và tuổi thọ lâu dài của nó. Khi đặt điện áp một chiều qua chất điện môi của cáp, điện tích không gian tích tụ trong nó với tốc độ chủ yếu phụ thuộc vào mức điện áp và các đặc tính của cách điện cáp và của ruột dẫn.

Nếu mật độ điện tích không gian trở nên đủ cao, cường độ trường cục bộ có thể vượt quá cường độ đánh thủng của cách điện ép đùn, dẫn đến hỏng cách điện. Điều này bao gồm sự biến dạng của sự phân bố ứng suất điện do sự hình thành và tích tụ điện tích không gian, bắt đầu tạo cây điện, sự cố cũng như lão hóa cách điện.

Nghiên cứu về hành vi của các điện tích không gian trong vật liệu cáp rắn ép đùn đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm trong suốt ba thập kỷ qua. Các vật liệu mới và môi trường ứng dụng đặt ra những thách thức để cải thiện độ tin cậy của vật liệu cách nhiệt đùn và hiểu rõ hơn về các đặc tính của vật liệu cách nhiệt là rất cần thiết để đạt được mục tiêu này.

Cơ chế hình thành điện tích không gian

Sự hình thành điện tích không gian trong cáp đùn gắn liền với việc tiêm điện từ các điện cực tham gia vào quá trình chuyển các điện tử (và lỗ trống) qua giao diện điện cực-polyme. Quá trình này phụ thuộc nhiều vào các điều kiện của bề mặt, bao gồm vật liệu điện cực, bề mặt khuyết tật và các tạp chất và mức độ ôxy hóa. Sự hình thành các điện tích không gian trong cáp đùn có liên quan đến sự ion hóa của một số chất hóa học. Các loài này có thể được đưa vào trong quá trình sản xuất vật liệu, chẳng hạn như chất chống oxy hóa, hoặc liên kết chéo bởi các sản phẩm, hoặc các tạp chất khác.

Để sự tích tụ điện tích không gian diễn ra, các điện tích được bơm vào và / hoặc các điện tích đã có trong polyme phải được giữ lại trong vật liệu; do đó hiện tượng phụ thuộc vào sự sẵn có và bản chất của bẫy. Thời gian cư trú của vật mang điện tích trong bẫy phụ thuộc vào độ sâu bẫy, năng lượng cần thiết để tách vật mang điện, nhiệt độ và điện trường đặt vào. Polyme thể hiện cả ‘bẫy nông’ và ‘bẫy sâu.’ Trong polyetylen, người ta đã tìm thấy độ sâu bẫy dao động từ 0,1 đến 1,4 eV. Các đặc tính của vật liệu có ảnh hưởng đến quá trình bẫy, ví dụ, mức độ kết tinh, quá trình oxy hóa, tạp chất, khuyết tật cấu trúc mạng (cả hóa học và vật lý) và bởi các sản phẩm từ các phản ứng liên kết chéo.

PE bán sẵn trên thị trường có chứa các tạp chất phân cực như phananthrene, axit benzoic và benzophenone, có thể được định hướng bởi trường bên ngoài để tạo ra sự phân cực anet lưỡng cực. Sự hiện diện của điện tích không gian tại các vị trí mắc kẹt như giao diện tinh thể-vô định hình, có thể tạo ra các vùng có ứng suất điện cao, dẫn đến phá vỡ lớp cách điện PE được sử dụng trong các ứng dụng HV.

Phương pháp đo điện tích không gian

Các phương pháp đo điện tích không gian đã được phát triển và sử dụng rộng rãi để điều tra trong phòng thí nghiệm trên các mẫu như tấm và cáp có chiều dài nhỏ, giúp tăng cường hiểu biết về hành vi bên trong của các chất điện môi. Tuy nhiên, chúng không cho phép hoàn toàn xem xét các hiệu ứng tổng hợp như điện trường, sản phẩm phụ, gradient nhiệt độ và giao diện bán dẫn / điện môi đối với sự phát triển điện tích không gian trong lớp cách điện của hệ thống cáp. Hơn nữa, sử dụng phương pháp bước nhiệt, một cơ sở công nghiệp để xem xét các hiệu ứng tổng hợp đối với sự phân bố điện tích không gian trong lớp cách điện của cáp được báo cáo.

Các phép đo điện tích không gian được phân thành hai loại, đó là phương pháp nhiệt và phương pháp áp suất.
Phương pháp nhiệt:  Phương pháp xung nhiệt, Phương pháp điều chế cường độ laser {LIMM} và Phương pháp bước nhiệt (TSM),
Phương pháp xung áp suất:  Một số phương pháp áp suất là a) Phương pháp truyền sóng áp suất (PWP), b) Phương pháp xung áp suất cảm ứng bằng laser ( LIPP) và c) Phương pháp điện âm xung (PEA).

Kiểm tra chất lượng trên cáp HVDC

Hệ thống cáp HVDC đùn đạt tiêu chuẩn theo các tiêu chuẩn và khuyến nghị quốc tế. Tài liệu mới nhất quản lý chất lượng của cáp HVDC đùn là Tài liệu kỹ thuật CIGRE (TB) số 496, được phát hành vào tháng 4 năm 2012. Thử nghiệm cơ học và các thử nghiệm khác không dành riêng cho cáp HVDC dựa trên tiêu chuẩn IEC – trong khi thử nghiệm điện là trong TB 496.

Viện Nghiên cứu Điện Trung ương (CPRI) là một tổ chức của chính phủ Ấn Độ, được thành lập vào năm 1960 và là cơ quan cấp điện của ngành điện Ấn Độ. Nó có đầy đủ cơ sở vật chất trong lĩnh vực thử nghiệm và đánh giá cáp điện đến 400 kV (AC) bao gồm các loại cách điện cáp khác nhau.

Gần đây, phòng thí nghiệm đã được tăng cường thêm các cơ sở vật chất như hệ thống thử nghiệm xoay chiều 600 kV, 4200 kVA, bộ phân áp 600 kV, máy phát xung 2400 kV, 240 kJ, máy phát hiện phóng điện cục bộ, hệ số tiêu tán, tụ điện tiêu chuẩn 600 kV, v.v. để tiến hành lão hóa lâu dài. kiểm tra ‘Kiểm tra sơ tuyển’ trên cáp EHV. Một số phương tiện thử nghiệm hiện có cho cáp EHV tại CPRI, Bangalore được thể hiện trong hình 5, 7 và 8.

Kết luận

Tóm lại, có một tiềm năng lớn để phát triển cáp HVDC đùn trên toàn cầu. Việc thiết kế cách điện cho cáp đùn HVDC là một trong những vấn đề khó khăn nhất, chủ yếu là do sự phụ thuộc của các đặc tính điện môi của nó vào nhiệt độ, biến dạng điện trường do tích tụ điện tích trong lớp cách điện. Ngay cả khi chất cách điện chính là XLPE, cần phải nhớ rằng lịch sử của cách điện từ nóng chảy đến ép đùn và lượng peroxide và chất chống ôxy hóa có thể thay đổi cấu trúc vi mô và các đặc tính của polymer.

Do sự phức tạp của các hiện tượng liên quan (bẫy phun / khai thác, v.v.), không dễ dự đoán sự phân bố điện tích không gian trong cáp và những khía cạnh này là thách thức lớn đối với các nhà sản xuất cáp. Ngành công nghiệp cáp Ấn Độ nên tiến tới và kết nối với các tổ chức nghiên cứu trong việc phát triển công nghệ bản địa để thiết kế, phát triển và sản xuất cáp HVDC. Các vấn đề về phí không gian nên được giải quyết bằng cách tìm vật liệu nono và chất độn thay thế.

Các cơ sở thử nghiệm có sẵn tại CPRI sẽ được sử dụng rộng rãi cho các nhà sản xuất cáp Ấn Độ và các tiện ích để phát triển cáp HVDC. Sự tham gia tích cực của các nhà sản xuất Ấn Độ sẽ rất có lợi cho Ngành Điện Ấn Độ.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *