Cáp điện ngầm đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong quá trình điện khí hóa thế giới. Độ dẫn điện tuyệt vời của đồng làm cho nó trở thành sự lựa chọn tự nhiên cho vật liệu dây dẫn. Nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Kinh nghiệm với lưới truyền tải của Pháp đã chỉ ra rằng nhôm đôi khi có thể là lựa chọn ưu việt khi thực hiện đánh giá vòng đời toàn diện (LCA).

Có nhiều tiêu chí phải được xem xét khi lựa chọn dây dẫn cho hệ thống cáp ngầm. Chúng bao gồm mức điện áp, dòng điện, thiết kế nhiệt, kỹ thuật lắp đặt, ứng suất cơ học, v.v. Và tất nhiên, chi phí là một yếu tố quan trọng, không chỉ là chi phí mua vào mà còn là chi phí vận hành chung của cáp trong suốt vòng đời của nó. Tác động môi trường cũng là một yếu tố ngày càng quan trọng để cân nhắc khi lựa chọn cáp.

Điện trở

Đối với cáp ngầm, chỉ có hai kim loại được sử dụng: đồng (Cu) và nhôm (Al), do tính dẫn điện tuyệt vời của chúng. Kim loại tốt nhất để dẫn điện thực sự là bạc. Thật bất ngờ, vàng đứng ở vị trí thứ ba – sau đồng, trong khi nhôm đứng thứ tư. Đồng có tính dẫn điện tốt hơn nhiều so với nhôm – với hệ số 1,64. Nhưng nó nặng hơn gấp ba lần và đắt hơn nhiều. Giá đồng có thể dao động đáng kể, nhưng đã có những thời điểm trong thế kỷ này khi giá đồng cao gấp năm lần giá nhôm.

Hình 1: Cáp ngầm với ruột dẫn bằng nhôm và đồng

Ý nghĩa của những yếu tố này là mặc dù dây dẫn nhôm phải có tiết diện lớn hơn để mang cùng dòng điện như dây dẫn đồng, nhưng cáp nhôm vẫn có thể tiết kiệm chi phí hơn khi mua và dễ xử lý hơn.

Có một vài biến thể như dây đồng tráng men (CUE) hoặc dây nhôm oxy hóa.

Dòng điện định mức

Như một ví dụ cụ thể, Hình 2 minh họa thông số kỹ thuật cáp được tính toán theo tiêu chuẩn IEC 60287 cho các loại và kích cỡ ruột dẫn khác nhau. Điều này dựa trên một công trình lắp đặt điển hình của Pháp ở một khu vực bán đô thị, với các dây cáp được đặt trong các ống nhựa PVC nhúng trong bê tông có dạng hình tam giác.

Đồ thị cho thấy, cáp 2500 Al có xếp hạng hiệu suất gần bằng với cáp 2000 Cu.

Hình 2: Đồ thị Dòng điện định mức của cáp điện được lắp đặt tại Pháp.

Các số liệu trên trục x biểu thị tiết diện dây dẫn, ví dụ: 2000 mm2

Tổn hao do dây dẫn

Tổn thất trong dây dẫn chiếm phần lớn năng lượng bị mất trong cáp ngầm. Hình 3 cho thấy tổng tổn thất điển hình đối với cáp được lắp đặt ở Pháp như là một chức năng của dòng điện định mức. Các đường cong kết thúc ở định mức dòng điện cho phép ở trạng thái ổn định, liên quan đến nhiệt độ tối đa của vật liệu cách nhiệt (90°C đối với XLPE = polyetylen liên kết ngang). Thứ tự cường độ là 30 W/m trên mỗi cáp.

Hình 3: Tổng tổn hao trên mỗi loại và kích cỡ cáp (W/m)

Réseau de Transport d’Electricité (RTE), nhà điều hành hệ thống truyền tải của Pháp (TSO) đã đưa ra số liệu thống kê cho thấy các hệ thống cáp ngầm hoạt động hơn 95% thời gian ở dòng điện định mức cho phép – thấp hơn 60% của giới hạn định mức của cáp. Điều này có nghĩa là các tổn thất thường nằm dưới giá trị tối đa của chúng. 5% thời gian hoạt động còn lại, cáp hoạt động ở công suất cao nhất và trong điều kiện bắt buộc, chẳng hạn như trong thời kỳ mùa đông khắc nghiệt với việc sử dụng rộng rãi hệ thống sưởi điện.

Kết luận: cáp ngầm thường được vận hành trong các điều kiện dẫn đến tổn thất “có thể chấp nhận được”. Điểm này rất cần thiết, vì tổn thất điện năng chi phối tác động môi trường của cáp. Cáp được vận hành càng gần điểm cực đại thì dấu chân môi trường càng lớn và chi phí vận hành càng cao.

Tính kinh tế khi thiết kế hệ thống cáp ngầm

Trong thiết kế hệ thống cáp, mục tiêu là đảm bảo duy trì dòng điện định mức, điều này phụ thuộc vào tính chất nhiệt của ruột dẫn. Thực tế, cáp được thiết kế để không vượt quá nhiệt độ tối đa của lớp cách điện trong bất kỳ chế độ hoạt động nào. Thông thường, kỹ sư thiết kế sẽ lựa chọn kích thước của ruột dẫn sao cho nhiệt độ hoạt động yêu cầu vẫn đảm bảo an toàn giữa một loạt các lựa chọn về kích thước ruột dẫn đã được tiêu chuẩn hóa.

Cho đến gần đây, phương pháp này được coi là cung cấp chi phí đầu tư thấp nhất. Tuy nhiên, chi phí toàn diện của một liên kết điện cũng phụ thuộc vào chi phí thực tế gây ra bởi tổn thất năng lượng. Một dây với ruột dẫn lớn hơn, mặc dù đắt hơn khi mua ban đầu, có thể tạo ra tổn thất thấp hơn so với dây với ruột dẫn được thiết kế nhiệt (có khả năng chịu nhiệt tốt và tản nhiệt hiệu quả trong quá trình vận hành. Do đó, nó có thể tiết kiệm chi phí hơn đáng kể sau một vài thập kỷ.

Cách tiếp cận này được mô tả trong đồ thị Hình 4, về một trường hợp hệ thống cáp mang 700 A. Dữ liệu được vẽ trên biểu đồ dưới dạng hàm của kích thước dây dẫn (hai màu được sử dụng cho dây dẫn Al và Cu) và chi phí đầu tư của hệ thống cài đặt. Chi phí đầu tư được tạo thành từ chi phí thực tế của tổn thất ở dòng điện định mức được quy định và tổng chi phí.

Hình 4: Chi phí đầu tư + chi phí tổn thất thực tế = tổng chi phí trong suốt tuổi thọ kinh tế của cáp

Chi phí đầu tư tăng theo kích thước dây dẫn, trong khi chi phí tổn thất giảm khi có ít điện trở hơn. Sự kết hợp của cả hai xu hướng dẫn đến các đường cong hình chữ U với kích thước dây dẫn tối ưu.

Trong ví dụ này, 1600 Al là dây dẫn tiết kiệm chi phí nhất để truyền 700 A trong vòng đời dự án 50 năm. Tuy nhiên, 630 Al sẽ được chọn từ quan điểm thiết kế nhiệt nghiêm ngặt.

Sự tối ưu hóa này không chỉ mang tính chất kinh tế. Tổn thất thấp hơn cũng đóng một vai trò thuận lợi về tác động môi trường. Các lợi ích có thể bao gồm ít nguy cơ lão hóa do nhiệt hơn, giảm nguy cơ thoát nhiệt do làm khô đất không được kiểm soát, biên độ an toàn lớn hơn để xử lý các đỉnh tải hoặc điểm nóng bất ngờ, biên độ quá tải, v.v. Hơn nữa, tổn thất thấp hơn giúp hạn chế sự nóng lên toàn cầu.

Triển vọng cho dây dẫn nhôm rất lớn

Mặc dù tiết diện tiêu chuẩn hóa tối đa của dây dẫn đã tăng từ 1600 lên 2500 mm² trong những năm gần đây, một số nhà sản xuất hiện đang cung cấp giải pháp mới với dây dẫn nhôm 3000 hoặc 4000 mm², đẩy giới hạn hiện tại của dây dẫn đồng. Các nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá những vật liệu ruột dẫn này về mặt hiệu suất, lắp đặt, kinh tế và tác động môi trường. Họ chỉ ra rằng, đối với một định mức dòng điện nhất định, cáp có ruột dẫn bằng nhôm với tiết diện rất lớn sẽ tạo ra ít tổn thất năng lượng hơn so với cáp có ruột dẫn bằng đồng với tiết diện ruột dẫn nhỏ hơn một đến hai mức.

Chi phí đầu tư thấp hơn của cáp nhôm thu được có thể mang lại khoản tiết kiệm đáng kể, mặc dù chi phí lắp đặt (đào, đặt cáp, lắp ráp khớp nối, v.v.) tăng lên. Các kỹ sư thiết kế sau đó phải cân bằng chi phí toàn diện tiết kiệm với một số hạn chế bổ sung. Chúng bao gồm các công trình dân dụng gia tăng, dây dẫn cứng hơn và độ bền thấp hơn để chống lại sự kéo căng trong quá trình lắp đặt, tăng kích thước lô cáp hoặc giảm độ dài lô cáp để phù hợp yêu cầu giao hàng, có nghĩa là các đoạn ngắn hơn và nhiều mối nối hơn. Đường kính dây dẫn lớn hơn cũng bao gồm các phụ kiện có kích thước lớn hơn.

Tác giả: Frédéric Lesur

Theo Wire and cable India

Dây và cáp điện Vạn Xuân – Nhà sản xuất dây và cáp điện uy tín hàng đầu

Liên hệ với chúng tôi để nhận được tư vấn và hỗ trợ tốt nhất về các sản phẩm dây và cáp điện. Bạn sẽ hoàn toàn yên tâm và hài lòng với dịch vụ của chúng tôi.

CÔNG TY TNHH DÂY VÀ CÁP ĐIỆN VẠN XUÂN
Văn phòng: 41 Hàng Cháo, Đống Đa, Hà Nội

KD miền Bắc: 0972 592 222

KD miền Trung: 0904 596 188

KD miền Nam: 0919 161 289

CSKH: 0242 263 5656 – 0902110756

Hỗ trợ Kỹ thuật: 0963 065 726