Làm thế nào để thiết kế trạm biến áp phù hợp với lưới điện đô thị?

Các Ràng Buộc Chính trong Thiết Kế Trạm Biến Áp Đô Thị: Không Gian, An Toàn và Mỹ Quan

Vượt qua giới hạn không gian trong các khu vực có mật độ cao

Không gian luôn là yếu tố khan hiếm đối với các trạm biến áp đô thị, đặc biệt khi giá đất tại các thành phố lớn có thể lên tới hơn chín triệu đô la Mỹ mỗi mẫu Anh, theo số liệu gần đây từ Viện Đất đai Đô thị (Urban Land Institute). Thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) giúp giảm nhu cầu về diện tích mặt bằng khoảng hai phần ba so với các hệ thống cách điện bằng không khí truyền thống, do đó trở thành giải pháp gần như bắt buộc để lắp đặt cơ sở hạ tầng điện trong các khu vực đông đúc. Cách tiếp cận mô-đun cho phép kỹ sư xếp chồng các máy biến áp và thiết bị khác theo chiều dọc thay vì bố trí lan rộng theo chiều ngang. Các đơn vị trạm biến áp được chế tạo sẵn giúp đẩy nhanh đáng kể tiến độ thi công tại những vị trí chật hẹp như phòng kỹ thuật ngầm hoặc các con hẻm nhỏ nằm giữa các tòa nhà. Việc bố trí thông minh toàn bộ thiết bị đảm bảo vẫn còn đủ khoảng trống xung quanh mọi thiết bị để thực hiện bảo trì, đồng thời duy trì hoạt động vận hành ổn định ngày này qua ngày khác.

Đảm bảo an toàn thông qua tiếp địa tối ưu và kiểm soát điện áp bước / điện áp tiếp xúc

Các hệ thống nối đất phù hợp giới hạn điện áp bước/điện áp tiếp xúc dưới 5 V trong trường hợp sự cố, theo tiêu chuẩn IEEE 80-2013. Một cách tiếp cận theo lớp bao gồm:

• Các điện cực đóng sâu xuống các lớp đất có điện trở suất thấp
• Nối đẳng thế tất cả các kết cấu kim loại
• Lớp phủ sỏi nghiền (độ dày 0,15 m) nhằm tăng điện trở tiếp xúc

Giám sát liên tục tính toàn vẹn của mạng nối đất giúp ngăn ngừa hư hỏng do ăn mòn—nguyên nhân gây ra 17% số lần ngừng hoạt động của trạm biến áp (EPRI 2023). Các hệ thống bảo vệ tích hợp giảm rủi ro cháy hồ quang đến 92% tại các lắp đặt đô thị kín, như được xác nhận trong Báo cáo An toàn Điện năm 2024.

Đáp ứng các yêu cầu của chính quyền địa phương về tích hợp trực quan và giảm tiếng ồn

Các thành phố quy định mức độ ồn của trạm biến áp phải dưới 55 dB(A) tại đường ranh giới bất động sản, phù hợp với hướng dẫn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Điều này được thực hiện thông qua:

• Máy biến áp ít ồn (<65 dB) kèm vỏ bọc giảm âm
• Rào chắn âm thanh sử dụng vật liệu tổng hợp
• Thiết kế thông gió chiến lược nhằm ngăn ngừa cộng hưởng hoặc khuếch đại tiếng ồn

Tích hợp thẩm mỹ bao gồm tường xanh, lớp ốp kiến trúc phù hợp với các tòa nhà xung quanh và việc đi dây đường dây cao áp (HV) ngầm. Trạm biến áp Riverbank tại Chicago là minh chứng tiêu biểu cho việc giảm thiểu tác động thị giác thành công—các cấu trúc thông gió của trạm đồng thời đóng vai trò là các tác phẩm nghệ thuật công cộng, trong khi vẫn đảm bảo dự phòng N+1.

GIS so với AIS: Lựa chọn công nghệ trạm biến áp tối ưu cho các vị trí đô thị

Tại sao thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) chiếm ưu thế trong thiết kế trạm biến áp có không gian hạn chế

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) thực sự phát huy hiệu quả vượt trội tại những khu vực đô thị chật chội, nơi giá bất động sản tăng vọt lên trên chín triệu đô la Mỹ mỗi mẫu Anh. Thiết kế nhỏ gọn với các buồng khí SF6 kín chiếm diện tích ít hơn khoảng bảy mươi phần trăm so với thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí (AIS), điều này đặc biệt quan trọng khi các trạm biến áp cần được bố trí trong không gian chỉ bằng ba mươi phần trăm kích thước tiêu chuẩn trước đây. Một ưu điểm lớn khác? GIS không bị ảnh hưởng bởi bụi trong không khí hay muối từ các khu vực ven biển lân cận, do đó tỷ lệ sự cố giảm khoảng bốn mươi phần trăm tại những địa điểm gần nhà máy hoặc dọc theo bờ biển. Về bảo trì, các hệ thống này có thể vận hành hơn mười năm giữa hai lần kiểm tra định kỳ — dài gấp ba lần so với thiết bị AIS thông thường. Điều này tương đương với việc tiết kiệm khoảng hai triệu một trăm nghìn đô la Mỹ về lâu dài, dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn từ hai mươi đến ba mươi phần trăm. Chính vì những lý do trên, đa số kỹ sư ưu tiên lựa chọn GIS ngay từ giai đoạn thiết kế hệ thống điện cho các thành phố lớn, các trung tâm vận tải đường sắt đô thị (tàu điện ngầm) và bệnh viện — những nơi mà độ tin cậy không thể bị hy sinh.

Khi thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí (AIS) vẫn còn khả thi cho việc nâng cấp đô thị

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí vẫn còn ứng dụng thực tế trong các lưới điện đô thị cũ, nơi cấu hình hiện có giúp việc kết nối trở nên dễ dàng hơn. Khi xem xét mở rộng các trạm biến áp cũ đã tồn tại hơn 100 năm — đặc biệt ở dải điện áp 11–33 kV — việc lắp đặt thiết bị AIS thực tế tốn kém ít hơn khoảng 40% so với nâng cấp hệ thống GIS, theo các nghiên cứu gần đây về hiện đại hóa lưới điện năm ngoái. Việc AIS được bố trí bên ngoài cho phép kỹ sư nâng cấp từng phần một cách từng bước mà không cần ngừng hoạt động hoàn toàn, điều này đặc biệt quan trọng tại những khu vực mà các công ty điện lực chỉ được phép cắt điện trong thời gian ngắn — có thể chỉ tối đa bốn giờ mỗi lần. Dĩ nhiên, GIS hoạt động tốt hơn trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, nhưng AIS vẫn vận hành ổn định tại những nơi bụi và bẩn không phải là vấn đề thường xuyên, miễn là bảo trì định kỳ được thực hiện đầy đủ để giữ cho thiết bị luôn sạch sẽ. Hơn nữa, khi triển khai giải pháp cung cấp điện tạm thời trong quá trình chuyển tiếp giữa các giai đoạn thi công khác nhau, thiết kế đơn giản hơn của các thành phần AIS giúp đội thi công đưa toàn bộ hệ thống trở lại hoạt động nhanh hơn khoảng hai phần ba so với các lựa chọn GIS.

Tối ưu hóa bố trí điện và nhiệt cho trạm biến áp đô thị

Tích hợp cáp ngầm, giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) và nối đất đồng bộ

Ngày nay, ngày càng nhiều trạm biến áp đô thị đang chuyển sang sử dụng cáp ngầm vì hiện không còn đủ chỗ cho đường dây trên không nữa, đồng thời chẳng ai muốn những cột điện xấu xí làm mất mỹ quan đô thị. Tuy nhiên, vấn đề ở đây là việc lắp đặt toàn bộ số cáp này dưới lòng đất có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng về nhiễu điện từ, làm ảnh hưởng đến các hệ thống điều khiển nhạy cảm và thiết bị viễn thông. Để khắc phục vấn đề này, kỹ sư cần lắp đặt các loại cáp được bọc chắn đặc biệt, đảm bảo cân bằng đúng pha điện khi bố trí cáp, đồng thời tách biệt vật lý cáp dữ liệu khỏi cáp điện. Một khía cạnh khác cực kỳ quan trọng là việc nối đất phải được thực hiện một cách chính xác. Toàn bộ các bộ phận kim loại trong trạm biến áp — ví dụ như lớp vỏ bọc cáp, mạng lưới ống dẫn, thậm chí cả khung thép của công trình — đều phải được nối với nhau thành một mạng nối đất thống nhất. Hệ thống này giúp dẫn an toàn dòng sự cố điện nguy hiểm ra ngoài và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 80-2013 liên quan đến điện áp tiếp xúc và điện áp bước.

Các chiến lược quản lý nhiệt cho các trạm biến áp được bố trí trong nhà hoặc lắp đặt dưới tầng hầm

Kiểm soát nhiệt là yếu tố bắt buộc đối với các trạm biến áp có không gian hạn chế, được bố trí trong nhà hoặc lắp đặt dưới mặt đất—nơi mà sự tích tụ nhiệt làm gia tốc quá trình suy giảm cách điện và rút ngắn tuổi thọ thiết bị. Các chiến lược hiệu quả bao gồm:

• Giải pháp thụ động: lớp lót tường hấp thụ nhiệt, tích hợp khối lượng nhiệt và tối ưu hóa luồng không khí thông qua mô hình hóa động lực học chất lỏng bằng máy tính (CFD)
• Làm mát chủ động: hệ thống thông gió cưỡng bức cho thiết bị trung thế; máy biến áp làm mát bằng chất lỏng cho các khu vực tải cao
  Giám sát nhiệt chủ động—sử dụng cảm biến IoT nhúng và phát hiện bất thường dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI)—giúp ngăn ngừa các điểm nóng và kéo dài tuổi thọ tài sản lên đến 50% so với môi trường không được quản lý.

Tương lai hóa các trạm biến áp đô thị: Khả năng mở rộng, độ thông minh và sẵn sàng tích hợp năng lượng tái tạo

Các mạng lưới điện đô thị cần bắt kịp với nhu cầu ngày càng tăng từ xe điện, sản xuất năng lượng tại chỗ và những thách thức liên quan đến biến đổi khí hậu. Hiện nay, các thiết kế trạm biến áp hiện đại đều tích hợp các thành phần mô-đun, cho phép các đơn vị cung cấp điện mở rộng công suất từng bước thay vì xây dựng toàn bộ cùng một lúc. Điều này giúp việc kết nối các trạm sạc xe điện, các mạng lưới điện nhỏ tại địa phương hoặc các khu dân cư mới phát triển trở nên dễ dàng hơn mà không gây gián đoạn lớn. Công nghệ thông minh cũng đang được tích hợp ngày càng sâu rộng, trong đó trí tuệ nhân tạo và các cảm biến kết nối internet hỗ trợ dự báo thời điểm thiết bị có thể gặp sự cố, cân bằng tải điện theo thời gian thực và cách ly sự cố nhanh chóng nhằm rút ngắn thời gian mất điện. Đối với các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời, các cấu hình đặc biệt giúp xử lý tính chất không ổn định vốn có của chúng, đồng thời duy trì điện áp ổn định ngay cả khi dòng công suất luân chuyển hai chiều trên lưới điện. Những điều chỉnh này đảm bảo chúng ta lãng phí ít năng lượng sạch hơn khi xảy ra tình trạng dư thừa cung ứng. Khi nhìn về tương lai, các thành phố đầu tư vào cơ sở hạ tầng có khả năng mở rộng, hệ thống giám sát thông minh và tính linh hoạt để tích hợp năng lượng xanh sẽ xây dựng nền tảng vững chắc hơn cho mạng lưới điện của mình.

Câu hỏi thường gặp

Lợi thế chính của việc sử dụng thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) trong trạm biến áp đô thị là gì?

GIS chiếm diện tích ít hơn tới 70% so với thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí (AIS), do đó rất phù hợp cho các môi trường đô thị chật chội.

Các trạm biến áp đô thị đảm bảo an toàn như thế nào?

Bằng hệ thống nối đất được tối ưu hóa, nối đẳng thế và giám sát liên tục nhằm ngăn ngừa sự cố, đồng thời sử dụng các hệ thống bảo vệ tích hợp để giảm thiểu rủi ro phóng hồ quang.

Các chiến lược nào được áp dụng để quản lý nhiệt trong trạm biến áp?

Các chiến lược bao gồm các giải pháp thụ động như tích hợp khối lượng nhiệt và các hệ thống làm mát chủ động, cùng với việc giám sát nhiệt chủ động bằng cảm biến IoT.