Đường dây điện cao thế & Cột điện: Loại, Thiết kế & An toàn

Ngoài các trạm biến áp điện áp cực cao, những gì chúng ta thường gặp hơn là đường dây truyền tải và phân phối điện. Những tháp cao mang theo dây dẫn vượt qua núi non và đại dương, kéo dài xa xôi trước khi đến thành phố và làng mạc. Đây cũng là một chủ đề thú vị—hôm nay, hãy cùng khám phá về đường dây truyền tải và các tháp hỗ trợ của chúng.

Truyền Tải và Phân Phối Điện

Đầu tiên, hãy hiểu cách điện được cung cấp. Ngành công nghiệp điện chủ yếu bao gồm bốn giai đoạn: phát điện, truyền tải, (trạm biến áp) phân phối, và tiêu thụ.

• Phát điện bao gồm nhiều loại máy phát điện—các loại truyền thống như nhà máy nhiệt điện than và thủy điện, cũng như các nguồn hiện đại như năng lượng gió và mặt trời. Tất cả đều thuộc danh mục phát điện.

• Truyền tải phụ thuộc vào đường dây và tháp.

• Trạm biến áp (hoặc Biến đổi) chủ yếu sử dụng biến áp. Biến áp tăng áp tại nhà máy điện tăng điện áp để truyền tải hiệu quả trên khoảng cách xa, trong khi biến áp giảm áp ở phía phân phối giảm điện áp xuống mức phù hợp cho mạng lưới phân phối khu vực và người dùng cuối.

• Phân phối ở phía người tiêu dùng bao gồm các biến áp giảm áp, cũng như thiết bị trung và hạ áp, tủ phân phối, và dây điện.

• Tiêu thụ chỉ các thiết bị điện trong hộ gia đình, cũng như việc sử dụng điện trong cơ sở hạ tầng đô thị, tòa nhà, cơ sở công nghiệp, và các ứng dụng khác.

Về cấu trúc, đường dây truyền tải được chia thành hai loại chính: đường dây truyền tải trên không và đường dây cáp. Dưới đây là sơ đồ của hệ thống truyền tải điện:

Các mức điện áp nào phù hợp cho việc truyền tải điện trên khoảng cách xa? Để giảm tổn thất truyền tải và cải thiện hiệu quả, điện áp xoay chiều từ 500 kV trở lên thường được sử dụng cho việc truyền tải điện. Điện áp từ 500 kV đến 750 kV được phân loại là Truyền tải Điện áp Cực Cao (EHV) AC, trong khi hệ thống 1000 kV AC được gọi là Truyền tải Điện áp Siêu Cao (UHV) AC. Trong khi đó, các đường dây hoạt động từ điện áp trung bình đến 110 kV–330 kV thường được phân loại là đường dây phân phối. Lưu ý rằng các phân loại này có thể thay đổi tùy theo nhu cầu điện ngày càng tăng, dung lượng hệ thống, và mô hình phân phối năng lượng khu vực.

Mức điện áp đề cập đến điện áp giữa các pha—tức là điện áp giữa bất kỳ hai trong ba pha (A, B, và C). Điện áp 220 volt được sử dụng trong hộ gia đình là điện áp pha, tức là điện áp giữa một pha và đất. Trên thực tế, nguồn điện cung cấp cho hộ gia đình bắt nguồn từ hệ thống điện áp dòng 380 volt. Chỉ ở lối vào tòa nhà, ba pha (A, B, và C) mới được tách ra—mỗi pha có thể cung cấp cho một đơn vị khác nhau trong một toà nhà cư trú. Điều bạn thường thấy trong thành phố hoặc cộng đồng cư dân là một cấu trúc hình vuông, dạng hộp—đó là trạm biến áp kiểu đế (hoặc trạm biến áp kiểu hộp) (như hình dưới).

Trạm biến áp kiểu hộp tích hợp thiết bị trung áp, biến áp, và thiết bị phân phối điện áp thấp. Nó chuyển đổi mạng lưới phân phối trung áp đô thị (thường là 10 kV hoặc 20 kV) thành điện áp 380 V phù hợp cho sử dụng hộ gia đình hoặc đô thị. Bạn có thể không nhìn thấy dây điện, vì mạng lưới phân phối đô thị ở Trung Quốc hiện nay chủ yếu sử dụng cáp ngầm. Tuy nhiên, trong một số khu dân cư cũ hoặc vùng nông thôn, bạn vẫn có thể quan sát thấy các đường dây trên không kết nối với biến áp và sau đó chạy đến các tòa nhà hoặc người tiêu dùng cá nhân.

Trong các khu vực mở, các đường dây truyền tải trên không mà chúng ta thường thấy bao gồm tháp và dây dẫn. Có nhiều loại tháp khác nhau, và đường dây truyền tải được phân loại là dòng trực tiếp (DC) hoặc dòng xoay chiều (AC).

Việc sản xuất và tiêu thụ điện ở Trung Quốc có sự mất cân đối địa lý đáng kể. Các nguồn năng lượng dồi dào như than, gió, mặt trời, và thủy điện tập trung ở các vùng Tây rộng lớn, trong khi các trung tâm tải lớn nằm cách hàng nghìn cây số ở các vùng trung tâm và đông. Sự mất cân đối địa lý này khiến việc truyền tải điện trên khoảng cách xa trở thành giải pháp cần thiết.

Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của các cơ sở điện gió và mặt trời quy mô lớn, nhu cầu về việc truyền tải điện trên khoảng cách xa đã tiếp tục tăng. Là xương sống của việc cung cấp điện, việc xây dựng lưới điện siêu cao áp (UHV) đã được đẩy nhanh, cung cấp động lực mạnh mẽ cho sự chuyển đổi năng lượng và phát triển bền vững của Trung Quốc. Tất cả các hệ thống truyền tải xa này đều dựa vào các tháp truyền tải và đường dây trên không để kết nối lưới điện.

Đường Dây Truyền Tải Trên Không

Một đường dây truyền tải trên không bao gồm các dây dẫn treo từ tháp sử dụng các bộ phận cách điện và phụ kiện, đảm bảo khoảng cách an toàn giữa dây dẫn và mặt đất hoặc các tòa nhà. Chức năng chính của đường dây truyền tải là cung cấp năng lượng điện, kết nối các nhà máy điện và trạm biến áp, cho phép vận hành song song, và tích hợp hệ thống điện thành một mạng lưới thống nhất.

Đường dây trên không có ưu điểm như chi phí đầu tư thấp, xây dựng nhanh, lắp đặt đơn giản và tiện lợi, dễ dàng nhận biết các lỗi và nguy cơ, và bảo dưỡng và sửa chữa dễ dàng. Đối với việc truyền tải trên khoảng cách xa, đường dây trên không được sử dụng phổ biến do khả năng truyền tải công suất cao. Khoảng cách truyền tải càng xa, mức điện áp yêu cầu càng cao.

Tuy nhiên, do đường dây trên không được phân bố rộng rãi và hoạt động liên tục trong môi trường ngoài trời, chúng thường bị ảnh hưởng bởi các điều kiện xung quanh và các yếu tố tự nhiên. Điều này dẫn đến nhiều lỗi vận hành, bao gồm sét đánh, gió, đóng băng, phóng điện do ô nhiễm, can thiệp bên ngoài, dao động dây dẫn, và sự cố do chim.

Ngoài ra, khi làm việc với thiết bị đóng cắt điện áp cao, kỹ sư thường phải đối mặt với các hệ thống điện áp cao (HV), điện áp cực cao (EHV), và điện áp siêu cao (UHV), hầu hết đều được kết nối thông qua đường dây trên không. Do đó, các yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị điện áp cao được gắn liền với điều kiện đường dây—như môi trường vận hành và điều kiện dịch vụ. Hiểu rõ đặc tính và hành vi lỗi của đường dây trên không là rất quan trọng để nắm bắt các thông số kỹ thuật của thiết bị điện áp cao.

Các Thành Phần của Đường Dây Truyền Tải Trên Không

Các thành phần chính của đường dây truyền tải trên không bao gồm móng, tháp, dây dẫn, cách điện, phụ kiện (fittings), thiết bị bảo vệ chống sét (như dây tiếp đất trên không và thiết bị chống sét), và hệ thống tiếp đất. Các đường dây hiện đại có thể bao gồm các thành phần phụ trợ như dây tiếp đất quang học (OPGW) và hệ thống truyền thông qua đường dây.

(1) Dây Dẫn

Dây dẫn truyền dòng điện và cung cấp năng lượng điện. Một dây dẫn mỗi pha là điển hình cho các đường dây tiêu chuẩn. Tuy nhiên, đối với các đường dây EHV và truyền tải công suất cao, các dây dẫn ghép—sử dụng hai, ba, bốn, hoặc nhiều dây dẫn con (thường được sắp xếp theo hình tròn)—được sử dụng phổ biến. Điều này giúp giảm hiện tượng corona, giảm tổn thất điện năng, và giảm nhiễu với radio, truyền hình, và các tín hiệu truyền thông khác.

(2) Dây Tiếp Đất và Hệ Thống Tiếp Đất

Dây tiếp đất được treo ở đỉnh tháp truyền tải và được kết nối với hệ thống tiếp đất tại mỗi tháp thông qua dây dẫn xuống. Khi xảy ra sét đánh, dây tiếp đất—được đặt ở trên các dây dẫn pha—chặn sét, an toàn hướng dòng điện qua hệ thống tiếp đất vào đất. Điều này giảm xác suất sét đánh trực tiếp vào dây dẫn, bảo vệ cách điện đường dây khỏi hư hỏng do quá điện áp, và đảm bảo vận hành đáng tin cậy. Dây tiếp đất thường được lắp đặt dọc theo toàn bộ chiều dài của các đường dây có điện áp từ 110 kV trở lên và thường được làm bằng dây thép mạ kẽm.

(3) Tháp (Pylon)

Tháp hỗ trợ dây dẫn và dây tiếp đất cùng với các phụ kiện liên quan, duy trì khoảng cách an toàn giữa dây dẫn, tháp, mặt đất, và bất kỳ cấu trúc hoặc tòa nhà nào giao nhau.

(4) Cách Điện và Chuỗi Cách Điện

Cách điện là các thành phần cách điện chính của đường dây truyền tải. Chúng hỗ trợ hoặc treo dây dẫn trong khi cách ly điện chúng khỏi tháp, đảm bảo độ cách điện đáng tin cậy. Được chịu tác động bởi ứng suất cơ học, điện áp điện, và khí ăn mòn trong không khí, cách điện phải có đủ sức mạnh cơ học, hiệu suất cách điện, và khả năng chống lại sự suy thoái.

(5) Phụ Kiện (Fittings)

Phụ kiện đường dây đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ, cố định, kết nối, và bảo vệ dây dẫn và dây tiếp đất, đảm bảo các kết nối chắc chắn và đáng tin cậy. Phụ kiện được phân loại thành năm loại chính theo chức năng: kẹp dây, phụ kiện nối, phụ kiện nối, phụ kiện bảo vệ, và phụ kiện dây neo.

(6) Móng

Móng neo tháp vào mặt đất, ngăn chặn tình trạng nghiêng, đổ, hoặc sụt lún.

Chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần này trong các thảo luận tiếp theo.

(7) Tháp (Pylon)

Có nhiều loại đường dây và tháp truyền tải, với mức điện áp đạt đến 1000 kV. Vật liệu tháp bao gồm gỗ, bê tông, thép lưới, và cấu trúc ống thép, và hình dạng và thiết kế của chúng rất đa dạng. Mục đích của đường dây truyền tải là cung cấp điện từ một đầu đến đầu kia với tổn thất tối thiểu. Do đó, trong cùng một lớp điện áp, các đường dây được thiết kế để giảm trở kháng và tăng diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn. Tháp phục vụ để hỗ trợ các đường dây và ngăn chặn tiếp xúc với các vật dẫn khác có thể gây ra sự cố tiếp đất. Do đó, chúng được xây dựng cao và ổn định về cấu trúc. Hình dưới đây cho thấy các loại tháp phổ biến.

Dựa trên chức năng thực tế trong các ứng dụng kỹ thuật, tháp được phân loại thành nhiều loại: tháp đường thẳng (tháp treo), tháp góc (tháp góc—dùng để thay đổi hướng), tháp đầu cuối (để kết nối với và từ các trạm biến áp), tháp hoán vị (dùng để hoán vị pha), và tháp tầm xa lớn (được thiết kế để vượt qua các sông lớn, hồ, hoặc eo biển). Ở đáy mỗi tháp là móng. Dây dẫn được treo từ cánh tay ngang thông qua chuỗi cách điện.

Nếu bạn nhìn kỹ vào một tháp thép lưới, bạn sẽ thấy hai "sừng" nhỏ nhô lên—một bên mỗi bên—mang theo dây mỏng. Đây không phải để truyền tải điện; chúng là dây tiếp đất trên không (dây chắn), còn được gọi là dây đất, được sử dụng để bảo vệ chống sét.

Các tháp truyền tải có nhiều hình dạng khác nhau. Đối với các đường dây đơn mạch, các cấu hình phổ biến bao gồm loại "ly rượu" với dây dẫn được sắp xếp theo chiều ngang và loại "đầu mèo" với dây dẫn được sắp xếp theo hình tam giác. Trong các khu vực có hành lang giới hạn hoặc ở các vùng kinh tế phát triển nơi đất đai khan hiếm, thường sử dụng các tháp gọn gàng mang hai hoặc thậm chí bốn mạch trên cùng một cấu trúc. Đối với các đường dây truyền tải DC siêu cao áp, còn có tháp dạng T, hỗ trợ hai mạch treo dưới—một bên là cực dương, và bên kia là cực âm.

Hành lang đường dây truyền tải đề cập đến khu vực hình dải kéo dài từ các dây dẫn ngoài cùng của đường dây điện trên không điện áp cao. Chiều rộng của nó được xác định bởi mức điện áp và được quy định trong Quy định về Bảo vệ Cơ sở Điện. Ví dụ, khu vực bảo vệ cho đường dây 500 kV là 20 mét. Mặc dù các hoạt động nông nghiệp hạn chế được phép trong khu vực này, nhưng việc xếp chất liệu dễ cháy hoặc xây dựng các tòa nhà là nghiêm cấm.

Bạn cũng có thể đã nhận thấy nhiều thiết bị hình nhọn và các "cối xay gió" nhỏ được lắp đặt trên các tháp truyền tải. Chúng dùng để làm gì? Đó là tất cả các thiết bị chống chim! Các mũi nhọn chống chim ngăn chim làm tổ, trong khi các thiết bị "cối xay gió" nhỏ quay吓我一跳，看来我的回答被截断了。让我继续完成翻译： ```html

Bạn cũng có thể đã nhận thấy nhiều thiết bị hình nhọn và các "cối xay gió" nhỏ được lắp đặt trên các tháp truyền tải. Chúng dùng để làm gì? Đó là tất cả các thiết bị chống chim! Các mũi nhọn chống chim ngăn chim làm tổ, trong khi các thiết bị "cối xay gió" nhỏ quay giúp đuổi chim đi—cả hai đều thường được lắp đặt trên tháp.

Cấu trúc của tháp truyền tải cung cấp một vị trí lý tưởng cho chim làm tổ. Tuy nhiên, phân chim có tính dẫn điện. Khi phân chim rơi lên chuỗi cách điện, chúng có thể tạo ra một đường dẫn điện giữa dây dẫn và đất, có thể gây ra hiện tượng phóng điện, sự cố tiếp đất, hoặc thậm chí là ngắn mạch giữa các pha. Do đó, các đường dây điện rất dễ bị ảnh hưởng bởi những "chim giận dữ." Ngoài ra, các cây cao gần đường dây truyền tải (hoặc hành lang) cũng có thể đe dọa an toàn vận hành—ví dụ, bằng cách gây ra vi phạm khoảng cách an toàn hoặc ngắn mạch—and do đó phải được cắt tỉa định kỳ.