Hệ thống điện 24/7

[bkeps.com]Na Uy đã lập kỷ lục mới về cấp điện áp làm việc đối với đường cáp ngầm dưới đáy biển, cách điện bằng polyetylen liên kết ngang (cross - linked polyethylene - XLPE). Bài báo trình bày chi tiết về bối cảnh công trình đưa điện xoay chiều 420 kV từ đất liền tới một nhà máy trên đảo xử lý khí từ mỏ khí Ormen Lange.

Mỏ khí Ormen Lange thuộc số những công trình gặp nhiều thách thức nhất trên thế giới. Dự án mang tính tiên phong này khai thác khí từ bể khí dài 40 km rộng 8 km nằm ở độ sâu 3000 m, trong những điều kiện khí hậu và hải dương khắc nghiệt của biển Na Uy để cung cấp cho nhà máy Nyhamna trên đảo Gossen ở bờ biển phía tây Na Uy.

Ở đây có một nhà máy xử lý và nén khí tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ, hằng năm xuất khẩu 20 tỷ mét khối khí sang Anh, đáp ứng khoảng 20% nhu cầu của quốc gia này, qua đường ống dẫn khí dưới biển dài 1.200 km. Do gần đó còn có nhiều phụ tải công suất lớn khác và thiếu nguồn công suất trong vùng, công ty quốc doanh vận hành hệ thống truyền tải của Na Uy là Statnett đã quyết định xây dựng đường dây trên không 420 kV, dài 100 km, tới một trạm biến áp mới tại Fraena trên đất liền, để từ đó qua đường dây kéo dài, đưa điện tới nhà máy xử lý khí.

Đường dây kéo dài này bao gồm 6 km đường dây trên không, trạm chuyển tiếp, cáp 420 kV đi ngầm dưới biển, các đoạn ngắn cáp ngầm dưới đất và trạm biến áp Nyhamna xây mới trên đảo Gossen.

Statnett đã trao hợp đồng trị giá 15 triệu euro (tương đương 23,3 triệu USD) cho công ty Nexans để chế tạo và lắp đặt hệ thống cáp điện dưới biển. Công suất tải điện của mạch liên kết được qui định là 1.000 MW, đảm bảo đáp ứng nhu cầu phụ tải từ trạm Nyhamna, mà theo dự kiến, sẽ tăng lên mức khoảng 200 MW khi các máy nén công suất lớn được lắp đặt để bù lượng giảm áp suất khí sẽ xảy ra khi khai thác khí đốt trong mỏ, và để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp chung trong vùng.

Ban đầu Statnett đề nghị các nhà cung cấp chào thầu phương án lựa chọn chính là cáp dầu, còn cáp XLPE là phương án thay thế nhằm khuyến khích phát triển công nghệ này bởi vì theo dự kiến, hệ thống điện Na Uy sẽ phát triển, bao gồm nhiều đường cáp 420 kV đi ngầm dưới biển qua các vịnh hẹp.

Trong các cuộc thương thảo hợp đồng với Nexans, công ty Statnett đã quyết định chuyển sang chọn công nghệ XLPE làm phương án lựa chọn chính, còn cáp dầu sẽ là phương án dự phòng trong khi chờ đợi công nghệ này đạt được một số mốc nhất định trong chương trình thử nghiệm. Đây là bước nhảy vọt lớn trong kỷ lục thế giới về điện áp làm việc  đối với cáp XLPE dưới biển, trước đây là 170 kV, do Nexans lập năm 2002 ở trại gió Horns Rev của Đan Mạch.

Lựa chọn mạch liên kết

Việc lựa chọn công nghệ cho kiểu đường dây điện dưới biển này thực tế là sự lựa chọn giữa hai phương án: cáp dầu hoặc cáp cách điện XLPE. Cáp dầu đã được kiểm chứng trong thực tế từ cuối những năm 1930. Cáp cách điện giấy sử dụng cách điện đúc và đã được liên tục cải tiến để truyền được điện áp cao trong nhiều loại môi trường khác nhau như: chôn ngầm dưới đất, trong đường hầm, trong hầm lò và ở độ sâu dưới đại dương.

Cáp dầu sử dụng dây dẫn đồng hoặc nhôm bện xoắn, giống như chiếc ống để dẫn dầu dưới áp lực, thấm vào các lớp giấy xung quanh. Áp lực nén trong cách điện đảm bảo các khoảng trống và kẽ hở trong cách điện đều được điền đầy dầu trong mọi điều kiện vận hành. Đối với cáp dưới biển, vỏ chì là phương pháp phổ biến để chống thấm nước, cộng với một lớp băng bán dẫn hoặc áo bọc bằng polyetylen bán dẫn để ngăn ngừa vỏ chì bị đánh thủng do quá điện áp.

Thông thường cáp ngầm dưới biển có vỏ bọc bảo vệ bằng dây thép, cộng với lớp nhựa bitum phủ bên ngoài và các lớp sợi polypropylen để chống ăn mòn. Đối với các ứng dụng ở sâu dưới nước, vỏ bọc bảo vệ gồm có hai lớp dây quấn chéo nhau để tạo ra độ cân bằng lực xoắn.

Cáp ngầm dưới biển kiểu thông thường phải được coi như được gắn kín cả hai đầu, do đó có tổn hao đáng kể trong vỏ bọc kim loại. Đối với các công trình công suất lớn, có thể phải qui định lớp vỏ bọc bằng đồng hoặc nhôm trong trường hợp cần đáp ứng các yêu cầu về thiết kế cơ khí. Vỏ bảo vệ phải được thiết kế theo ứng dụng cụ thể.

Các đặc tính đã được khẳng định của cáp dầu là: độ tin cậy cao ở điện áp rất cao, hệ thống cách điện đồng nhất do giấy đã được ngâm tẩm dầu và có thể thiết kế theo yêu cầu cụ thể đối với các môi trường khắc nghiệt.

Phát triển cáp XLPE

Cáp XLPE điện áp cao được phát triển từ những năm 1960. Cáp gồm lõi dẫn bằng đồng hoặc nhôm bện xoắn cùng với một hệ thống cách điện đúc và các màn chắn, vỏ bọc và vỏ bảo vệ khác nhau. Giống như cáp dầu, trong ứng dụng thông thường, cáp XPLE có vỏ bọc bằng chì và có  cùng chuẩn lựa chọn vật liệu vỏ bảo vệ.

Giống như cáp dầu, cáp XLPE có thể được trang bị cáp quang được tích hợp bên trong kết cấu/vỏ bảo vệ cáp để cho phép các công ty điện lực theo dõi nhiệt độ hoặc thậm chí tối ưu hóa mức tải dòng điện thực tế.

Công nghệ XLPE có một số ưu điểm rõ nét so với cáp cách điện giấy tẩm dầu truyền thống, cụ thể là không cần hệ thống phụ trợ tạo áp lực dầu, ít cần bảo dưỡng, các phụ kiện chế tạo sẵn dùng cho các ứng dụng trên đất liền, cũng như các mối nối sửa chữa dùng cho vùng nước nông và ít cần điện kháng bù đặt tại các đầu cáp trong hệ thống điện.

Việc sử dụng cáp XLPE đã được khẳng định đối với các ứng dụng trên mặt đất, đi ngầm, và điện áp làm việc tối đa vượt xa 500 kV. Mặc dù có nhiều ưu điểm kỹ thuật, nhưng việc chấp nhận công nghệ này cho các ứng dụng ngầm dưới biển vẫn còn chậm chạp, chủ yếu là do chi phí cho việc can thiệp và sửa chữa có thể xảy ra cao hơn nhiều, chưa kể rủi ro sự cố mất điện kéo dài, nếu chẳng may nảy sinh vấn đề gì đối với cáp ngầm dưới biển so với cáp ngầm dưới đất. Điều quan trọng đối với khách hàng tiềm năng của các dự án cáp ngầm dưới biển là phải hiểu được kịch bản rủi ro kỹ thuật liên quan đến công nghệ mới cũng như việc nâng cấp công nghệ hiện có. Do đó, nhiều khi họ yêu cầu có một chương trình kiểm tra chất lượng tổng thể trong đó bao gồm việc thử nghiệm dài hạn.

Cơ hội vàng

Đối với cả Statnett và Nexans, dự án Ormen Lange là cơ hội vàng để tích tũy kinh nghiệm về cáp XLPE 420 kV. Thông thường, trở ngại chính cho việc áp dụng cáp XLPE điện áp cực cao là khả năng tạo ra các mối nối đàn hồi. Tuy nhiên, đối với dự án này, cáp lại tương đối ngắn. Nhà máy Nexans ở Halden (Na Uy) có thể sản xuất cáp biển XLPE có chiều dài mỗi đoạn lên tới hơn 20 km, tuỳ thuộc vào điện áp và mặt cắt. Trong công trình lắp đặt này, không cần thực hiện mối nối tại nhà máy hoặc ngoài hiện trường. Nhưng để có được chiến lược sửa chữa, người ta đã thiết kế một mối nối cứng sửa chữa và chấp nhận đó là một phần của dự án.

Sử dụng cáp XLPE trong các ứng dụng dưới biển gặp nhiều thách thức. Cáp phải kín nước và chống chịu được hiện tượng ăn mòn và mài mòn do các dòng hải lưu và sóng biển. Ở vùng nước sâu, chúng cũng phải chịu được áp suất cao. Cáp ở Ormen Lange được triển khai ở độ sâu tối đa là 210 m, nơi chúng phải chịu áp suất tới 2.000 kPa. Trái lại, nếu sử dụng cáp dầu, cách điện giấy thì áp suất dầu sẽ gần như cân bằng với áp suất nước. Việc đặt cáp ở độ sâu như vậy cũng khiến cho dây cáp phải chịu sức căng cơ khí lớn do trọng lượng của cả đoạn cáp dài không được chống đỡ.

Kỷ lục thế giới trước đây về điện áp của công trình cáp XLPE là 170 kV, được thiết lập với cáp ba ruột ở vùng nước nông hơn nhiều. Thử thách công nghệ chính đối với Nexans trong dự án Ormen Lange là triển khai loại cáp có khả năng vận hành ở điện áp cao hơn nhiều và lại ở sâu hơn. Điều này đòi hỏi phải quan tâm đặc biệt tới việc lựa chọn đúng các vật liệu làm vỏ bọc và vật liệu cách điện, kết hợp thật hợp lý giữa độ bền và các hệ số giãn nở để chống thấm nước cho cáp, trong khi cũng phải chịu được tỷ số uốn theo yêu cầu trong quá trình lắp đặt.

Giải pháp kỹ thuật

Cáp ở Ormen Lange có một số đặc trưng sau: một lõi đồng mặt cắt 1.200 mm2 và vỏ bảo vệ kép bằng dây đồng dẹt mặt cắt khoảng 1.930 mm2. Lõi dẫn thực hiện theo thiết kế truyền thống cho cáp XLPE dưới biển. Các sợi dây được bện thành nhiều lớp, các khe hở được điền đầy hợp chất bán dẫn chặn nước.

Hệ thống cách điện gồm có một màn chắn dẫn điện siêu nhẵn, lớp cách điện làm bằng XLPE siêu sạch và một lớp vỏ bọc cách điện. Hệ thống này đã được thực hiện trên máy quấn bốn đầu chéo nhau đặt trong dây chuyền đúc thẳng đứng. Công đoạn lưu hoá và làm mát đều được thực hiện trong môi trường nitơ khô. Băng nở chống nước được bố trí giữa hệ thống cách điện và vỏ chì bảo vệ để ngăn ngừa nước thâm nhập nếu chẳng may vỏ chì bị chọc thủng.

Đoạn dốc dựng đứng cần vượt qua tại vị trí đường dây cáp đi lên đất liền ở Nyhamna

Vỏ bọc chì làm bằng hợp kim F3 được thực hiện bằng máy ép không liên tục. Vỏ bọc bằng polyethylen bán dẫn được đặt bên trên lớp vỏ bọc chì. Vỏ bảo vệ gồm hai lớp dây đồng đúc trong nhựa bitum.

Bước xoắn của hai lớp được lựa chọn để tạo ra được một kiểu cáp cân bằng xoắn. Hai lớp sợi polypropylen được quấn bên ngoài vỏ bọc để bảo vệ chống ăn mòn.

Thiết kế cáp và các mối nối chuyển tiếp

Thiết kế của cáp ngầm dưới đất giống hệt như là cáp ngầm dưới biển, kể cả vỏ bọc chì. Vỏ bọc bán dẫn polyethylen được thay thế bằng vỏ bọc cách điện có độ dày danh định là 4,7 mm. Vỏ bọc cách điện này có một lớp bán dẫn mỏng đúc ở bên ngoài, nhờ đó có thể thử nghiệm điện áp để kiểm tra đặc tính gắn kết từ một điểm duy nhất.

Các mối nối chuyển tiếp được lắp đặt gần mỗi đoạn đi vào đất liền. Ở Nyhamna, độ dốc cao có nghĩa là hố đấu nối chỉ cách chỗ đi vào đất liền khoảng 70 m, gần sát với đỉnh dốc. Mối nối chuyển tiếp gồm có thân làm bằng cao su EPDM được đúc sẵn, có vỏ bảo vệ dày bên ngoài chứa phần ngắt đoạn màn chắn được lắp sẵn.

Cách điện chỗ ngắt đoạn màn chắn được thiết kế chịu được điện áp xung 125 kV vì khoảng cách giữa các mối nối chuyển tiếp là lớn hơn 3 m. Ở Nyhamna, cáp có các đầu nối cáp ngâm dầu trong trạm thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (gas insulated switchgear - GIS). Trong trạm chuyển tiếp ở Hamneset, các cáp được nối với đường dây trên không.

Các cáp kết thúc bằng các đầu cáp ngoài trời composit chứa SF6 được lắp đặt trong hầm bê tông. Vì tuyến đường cáp ngầm dưới biển chỉ dài khoảng 2,5 km, nên có thể chế tạo các đoạn cáp mà không cần có các mối nối thực hiện tại xưởng. Tuy nhiên người ta cũng đã đưa vào các mối nối sửa chữa để có thể tiến hành sửa chữa hệ thống cáp ngầm dưới biển nếu chẳng may hệ thống bị hư hại vào lúc nào đó trong khoảng thời gian tuổi thọ của hệ thống.

Thử nghiệm sơ bộ, lắp đặt và bảo vệ

Một chương trình thử nghiệm toàn diện đã được thiết lập vào giai đoạn đấu thầu để đánh giá hệ thống cáp XLPE 420 kV có đủ điều kiện đáp ứng dự án này hay không. Chương trình bao gồm thử nghiệm cơ và điện theo các tiêu chuẩn thích hợp. Các thử nghiệm cũng đã được thực hiện để kiểm tra tuổi thọ mỏi của vỏ bọc chì ứng với tuổi thọ thiết kế là 40 năm.

Các thành phần sau đây đã được thử nghiệm điển hình: cáp chôn dưới đất, cáp dưới biển, mối nối chuyển tiếp, đầu cáp GIS, đầu cáp ngoài trời và mối nối sửa chữa dưới biển.

Có tổng cộng bốn mối nối sửa chữa dưới biển và hai mối nối chuyển tiếp đã được thử nghiệm điển hình để kiểm tra khả năng lặp lại. Sau khi hoàn thành thành công chương trình thử nghiệm điển hình này, một chương trình thử nghiệm dài hạn trên các thành phần tương tự trong mạch vòng thử nghiệm đã được bắt đầu tại xưởng thử nghiệm ngoài trời tại Calais (Pháp).

Tàu rải cáp Skagerrak thuộc sở hữu của công ty Nexans đã thực hiện việc lắp đặt cáp dưới biển. Con tàu này có sức chứa 7.000 tấn cáp và được trang bị hệ thống định vị động. Máy lặn điều khiển từ xa được sử dụng để theo dõi cáp chạm đất trong quá trình rải cáp.

Các cáp ngầm dưới biển được kéo qua các ống dài 200 m trên đoạn sườn dốc chịu tác động của sóng gió tại Hamneset trên đất liền. Do có sườn dốc dựng đứng ở độ sâu từ 30 m đến 200 m về phía Nyhamna, nên các cáp đã được cố định vào đỉnh của con dốc bằng cơ cấu bố trí trên đáy biển. Cáp được bảo vệ bằng cách chôn dưới đáy biển ở độ sâu tới 1 m, tuỳ thuộc vào các điều kiện nền đất dưới đáy biển. Thiết bị sử dụng là hệ thống Capjet.

Hệ thống cáp gồm có bốn cáp, có chiều dài tổng cộng là 13,2 km, với độ dài mỗi đoạn khoảng 2,1 km phân bố ở độ sâu tới 210 m dưới mực nước biển. Nexans cũng cung cấp một sợi cáp quang dùng cho điều khiển và liên lạc viễn thông. Cáp quang này đã được cột vào một trong các cáp điện trong quá trình lắp đặt.

Để xác minh việc lắp đặt cáp và phụ kiện đã thành công chưa, toàn bộ hệ thống cáp đã được thử nghiệm điện áp xoay chiều bằng cách sử dụng thiết bị thử nghiệm biến tần. KEMA đã cung cấp thiết bị và thực hiện thử nghiệm này. Các vỏ bọc cáp ngầm dưới đất cũng đã được thử nghiệm điện áp một chiều 10 kV. Đường dây liên kết đã được đóng điện vào tháng 12 năm 2006.

Đáp ứng nhu cầu của Na Uy

Hệ thống cáp ngầm dưới biển XLPE 420 kV đầu tiên trên thế giới đã được thử nghiệm sơ bộ, chế tạo, lắp đặt và nghiệm thu thành công, liên kết Na Uy và đảo Gossen. Các mối nối sửa chữa cho hệ thống cáp ngầm dưới biển cũng đã được thiết kế và đánh giá đạt tiêu chuẩn. Công suất định mức 1.000 MW của đường dây liên kết sẽ đảm bảo nhu cầu của nhà máy xử lý trên bờ biển Ormen Lange, cũng như cho sự phát triển trong tương lai trong vùng. Đường dây này cũng được thiết kế để trở thành một bộ phận của hệ thống điện chính 420 kV trong tương lai.


Theo KHCN Điện số 4/2008