Những ưu điểm cốt lõi của GIS trong hệ thống điện áp cao là gì?

Những ưu điểm cốt lõi của GIS trong hệ thống điện áp cao là gì?

Một trạm biến áp cách điện bằng không khí (AIS) thông thường ở cấp điện áp 220 kV chiếm diện tích khoảng 5.000–8.000 mét vuông. Trong khi đó, một trạm biến áp sử dụng thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) ở cùng cấp điện áp chỉ cần 500–1.200 mét vuông—giảm diện tích chiếm chỗ tới 85% hoặc hơn. Con số duy nhất này chính là động lực thúc đẩy việc áp dụng GIS tại các thành phố, giàn khoan ngoài khơi, hang động thủy điện và mọi nơi mà chi phí đất đai hoặc giới hạn không gian khiến AIS trở nên không khả thi. Tuy nhiên, diện tích chiếm chỗ chỉ là lợi thế dễ nhận thấy nhất.

Chất cách điện: Vì sao SF₆ thay đổi tất cả

Không khí ở áp suất khí quyển có độ bền điện môi khoảng 3 kV/mm. Khí sulfur hexafluoride (SF₆) ở áp suất dư 4–6 bar đạt độ bền điện môi 25–30 kV/mm—cao gấp khoảng 8–10 lần. Vì vậy, bộ ngắt mạch GIS 145 kV vừa khít trong một vỏ bọc có đường kính tương đương bình nước nóng dân dụng, trong khi bộ ngắt mạch AIS tương đương đòi hỏi khoảng cách giữa các pha là 1,5 mét và khoảng cách từ pha đến đất là 1,3 mét.

Phân tử SF₆ trơ về mặt hóa học, không độc hại và ổn định về mặt nhiệt độ lên đến 500°C. Khả năng dập hồ quang của SF₆ cao hơn khoảng 100 lần so với không khí vì SF₆ phân ly ở nhiệt độ hồ quang trên 2.000 K thành các loài phản ứng có khả năng hấp thụ electron và tái kết hợp nhanh chóng sau thời điểm dòng điện bằng không, cho phép cắt dòng sự cố vượt quá 63 kA trong vòng 2–3 chu kỳ. Khí này tự phục hồi sau mỗi lần cắt—khác với dầu, vốn bị cacbon hóa và cần thay thế sau một số lần cắt sự cố giới hạn.

Lo ngại về môi trường liên quan đến SF₆ là tiềm năng gây nóng lên toàn cầu của nó, cao gấp khoảng 23.500 lần so với CO₂ trong khung thời gian 100 năm. Các thiết kế GIS hiện đại giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các buồng khí kín vĩnh viễn với tỷ lệ rò rỉ thấp hơn 0,1% mỗi năm trên mỗi buồng—thấp hơn nhiều so với mức tối đa 0,5% được quy định trong tiêu chuẩn IEC 62271-203. Các bộ giám sát mật độ tích hợp báo cáo áp suất khí theo thời gian thực thông qua giao diện SCADA, cảnh báo nhân viên vận hành về mọi xu hướng rò rỉ trước khi giá trị đó tiến gần tới ngưỡng cảnh báo.

Khoảng thời gian bảo trì và chi phí vòng đời

AIS yêu cầu làm sạch định kỳ các bề mặt cách điện, đặc biệt trong các môi trường ven biển, công nghiệp hoặc sa mạc, nơi muối, bụi dẫn điện hoặc cát tích tụ làm giảm khoảng cách rò rỉ và làm tăng nguy cơ phóng điện trên bề mặt. Các thanh cái và bộ ngắt mạch GIS được bao kín hoàn toàn — chất gây nhiễm bẩn đơn giản là không thể tiếp cận được các bề mặt cách điện. Điều này kéo dài chu kỳ bảo trì từ việc kiểm tra AIS hàng năm lên thành kiểm tra GIS mỗi 5–10 năm, tùy thuộc vào số lần vận hành cơ học đã tích lũy bởi các bộ ngắt mạch và bộ tách mạch.

So sánh chi phí vòng đời giữa GIS và AIS thay đổi theo cấp điện áp và vị trí lắp đặt. Ở cấp điện áp từ 72,5 kV đến 145 kV trong môi trường đô thị, GIS đạt điểm hòa vốn về chi phí so với AIS trong vòng 8–12 năm khi tính cả chi phí đất, chi phí xây dựng công trình dân dụng và chi phí nhân công bảo trì. Ở cấp điện áp 245 kV trở lên, riêng khoản tiết kiệm diện tích đất thường đã đủ để khiến GIS trở thành phương án có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn trong các ứng dụng tại trung tâm thành phố, nơi giá đất vượt quá 500 USD mỗi mét vuông.

Xây dựng theo mô-đun và kiểm tra tại nhà máy

GIS được cung cấp dưới dạng các ngăn được lắp ráp và kiểm tra tại nhà máy. Một ngăn đầy đủ 145 kV, hai thanh cái – một bộ ngắt mạch—bao gồm bộ ngắt mạch, hai bộ cách ly, một cầu dao tiếp đất, biến dòng và biến áp điện áp, được vận chuyển trong 2–3 đơn vị vận chuyển và được lắp ráp tại hiện trường bằng cách nối các khoang khí SF₆ có mặt bích và các đầu nối cáp điều khiển kiểu cắm. Công tác xây dựng tại hiện trường chỉ bao gồm một nền bê tông phẳng và một hệ thống tiếp đất; không cần kết cấu thép đỡ, không cần sứ đỡ và không cần hệ thống thanh cái trên cao.

Kiểm tra nhà máy đối với một ngăn hoàn chỉnh—bao gồm thử nghiệm chịu điện áp cao, đo phóng điện cục bộ dưới 5 pC (picocoulomb) theo tiêu chuẩn IEC 62271-203 và thử nghiệm độ bền cơ học—loại bỏ các rủi ro hiệu chỉnh tại hiện trường, vốn chiếm 30–40% tổng thời gian chậm trễ hiệu chỉnh dự án trạm biến áp hở (AIS). Một ngăn GIS vượt qua thử nghiệm phóng điện cục bộ tại nhà máy với mức dưới 2 pC thường cho mức PD không thể phát hiện được sau khi lắp đặt, miễn là các quy trình xử lý khí tại hiện trường được thực hiện đúng.

Ví dụ: Trạm biến áp đô thị được bố trí bên dưới tòa nhà thương mại

Một công ty cung cấp dịch vụ tiện ích cho khu vực đô thị có mật độ dân cư 12.000 người trên mỗi kilômét vuông cần xây dựng một trạm biến áp mới 220/66 kV tại trung tâm thành phố. Địa điểm khả dụng duy nhất là tầng hầm của một tòa tháp thương mại hỗn hợp đang trong kế hoạch xây dựng. Một trạm biến áp cách điện không khí (AIS) thông thường sẽ đòi hỏi diện tích 6.000 mét vuông—gấp hơn ba lần diện tích tầng hầm khả dụng. Giải pháp trạm biến áp cách điện bằng khí (GIS) 220 kV, được cấu hình theo sơ đồ thanh cái kép với 8 ngăn xuất tuyến và 2 ngăn máy biến áp, vừa khít trong diện tích 800 mét vuông, bao gồm toàn bộ máy biến áp lực, phòng điều khiển và các hệ thống phụ trợ. Thiết bị GIS, do một nhà sản xuất thiết bị điện tích hợp cung cấp, đã được kiểm tra tại nhà máy theo từng cụm 6 ngăn và được lắp đặt trong vòng 14 tuần—một tiến độ không thể thực hiện được nếu dùng phương án xây dựng AIS.

Các câu hỏi thường gặp

GIS có phù hợp để lắp đặt ngoài trời không?

Có. Vỏ bọc GIS ngoài trời được thiết kế chống thời tiết bằng tủ điều khiển đạt chuẩn IP65 và vỏ bọc hợp kim nhôm chống ăn mòn. GIS ngoài trời loại bỏ nhu cầu về nhà máy, từ đó giảm thêm chi phí xây dựng công trình dân dụng và thường được sử dụng trong dải điện áp 72,5–145 kV.

Khí SF₆ được xử lý như thế nào trong quá trình bảo trì?

Bảo trì liên quan đến việc mở buồng khí sử dụng xe tái thu hồi khí để hút chân không khí SF₆ vào các bình chứa, lọc bỏ các sản phẩm phân hủy và trả lại khí vào buồng sau khi hoàn tất bảo trì. Trong một quy trình bảo trì được thực hiện đúng cách, khí SF₆ sẽ không bị xả ra môi trường.

Điều gì xảy ra nếu có rò rỉ khí SF₆?

Bộ giám sát mật độ tại ngăn sẽ kích hoạt cảnh báo áp suất thấp ở ngưỡng đầu tiên, thường là 90% mật độ nạp định mức. Ở mức 85%, hệ thống khóa (lockout) sẽ ngăn chặn thao tác của bộ ngắt mạch hoặc dao cách ly nhằm tránh vận hành trong điều kiện cách điện bị suy giảm. Nhân viên vận hành sẽ được điều động để xác định và khắc phục điểm rò rỉ trước khi đạt tới ngưỡng khóa.

Liệu GIS có thể được mở rộng sau khi lắp đặt ban đầu không?

Có. Thiết kế buồng mô-đun cho phép mở rộng bằng cách lắp thêm các cụm buồng mới kề bên thanh cái hiện hữu, với các đoạn thanh cái mở rộng được lắp đặt trong thời gian ngừng hoạt động đã lên kế hoạch. Các cổng mở rộng trong tương lai thường được xác định rõ ngay từ giai đoạn dự án ban đầu nhằm đơn giản hóa việc mở rộng sau này.

Hiệu suất chống động đất của GIS so với AIS như thế nào?

GIS có hiệu suất vượt trội đáng kể vì trọng tâm thấp—toàn bộ cụm cao dưới 3 mét—nên về bản chất ổn định hơn nhiều so với các trụ cách điện của AIS có thể cao tới 5–6 mét. GIS là tiêu chuẩn áp dụng tại các vùng có nguy cơ động đất, nơi mà AIS sẽ đòi hỏi hệ thống cách ly nền tốn kém.

Có thể mua toàn bộ trạm biến áp GIS ở đâu?

Các nhà sản xuất thiết bị điện tích hợp cung cấp gói trạm biến áp hoàn chỉnh—bao gồm máy biến áp, tủ đóng cắt, hệ thống bảo vệ và SCADA—cung cấp giải pháp GIS trọn gói. Các công ty như Liaoning Sinotech Group cung cấp GIS từ 72,5 kV đến 245 kV như một phần trong dòng sản phẩm trạm biến áp của họ.