Báo cáo Thị trường Toàn cầu về Biến áp Trạng thái Rắn (SST) Trung áp – Bao phủ Toàn diện Điện áp Sơ cấp

1. Bối cảnh và Phạm vi

Báo cáo này cung cấp một đánh giá có hệ thống về các yêu cầu điện áp phía sơ cấp (phía lưới) đối với Máy biến áp trạng thái rắn (SSTs) — còn được gọi là Máy biến áp điện tử công suất (PETs) — tại các thị trường toàn cầu ngoài Trung Quốc.

Các Định nghĩa Cốt lõi:

• Điện áp Phía Sơ cấp / Phía Lưới: Mức phân phối điện áp trung áp mà SST được kết nối. Đây là cơ sở cơ bản cho thiết kế cách điện, số lượng mô-đun công suất mắc nối tiếp, lựa chọn chống sét van, tuân thủ EMC và chứng nhận kết nối lưới.

• Điện áp Định mức (U): Điện áp danh định của hệ thống (ví dụ: 11 kV, 13.8 kV).

• Điện áp Cao nhất cho Thiết bị (Um): Điện áp tham chiếu cho thiết kế cách điện, thường cao hơn điện áp định mức từ 10%–20%.

• Mức Xung Sét Cơ bản (BIL): Khả năng chịu đựng của cách điện đối với quá điện áp sét.

• Điện áp Chịu đựng Tần số Công nghiệp: Điện áp chịu đựng trong thời gian ngắn ở tần số công nghiệp, đặt lên cách điện và trên khoảng hở tiếp điểm (tiếp điểm mở).

Định nghĩa Tiêu chuẩn về Điện áp Trung áp:

• Hệ thống IEC (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271): Điện áp trung áp được định nghĩa từ 1 kV đến 35 kV. IEC 60038 Ấn bản 7.1 (2009 + AMD1:2021), Bảng 3, chia hệ thống ba pha 1 kV–35 kV thành Dòng I (đa dụng, 50/60 Hz) và Dòng II (Bắc Mỹ, dành riêng cho 60 Hz). Các giá trị trong ngoặc đơn (ví dụ: 15 kV, 17.5 kV) được chỉ định là "không ưu tiên" và không được khuyến nghị cho các hệ thống mới.

• Hệ thống IEEE/ANSI (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37): Điện áp trung áp thường được định nghĩa là >1 kV và <100 kV, với điện áp phân phối thường dao động từ 2.4 kV đến 34.5 kV. Thiết bị được phân loại theo Cấp Điện áp thay vì điện áp danh định cho mục đích cách điện.

Bối cảnh Tần số Lưới điện:

• Khoảng 70% các quốc gia/khu vực sử dụng 50 Hz (thống trị bởi IEC).

• Khoảng 30% sử dụng 60 Hz (thống trị bởi IEEE, bao gồm Bắc Mỹ, Mỹ Latinh và một phần châu Á).

• Một số quốc gia có hoạt động song song 50/60 Hz (Nhật Bản, một số quốc gia vùng Caribe).

Dòng RW Máy biến áp Trạng thái Rắn

2. Bối cảnh Điện áp Sơ cấp Toàn cầu – Phủ đầy đủ 13 Mức

Kết hợp các tiêu chuẩn IEC 60038 và ANSI C84.1/IEEE, các điện áp sơ cấp trung áp toàn cầu có thể được tóm tắt thành 13 mức chính sau đây. Để SST đạt được "phủ đầy đủ toàn cầu", mỗi nền tảng cách điện phải được giải quyết riêng lẻ.

Mức 1: 3.3 kV / 3.6 kV (IEC Phân khúc Thấp)

• Um = 3.6 kV, BIL ≈ 20–40 kV.

• Ứng dụng: Mạng phân phối công nghiệp ở một số quốc gia, khai thác mỏ, các nhà máy công nghiệp lớn. Được phân loại trong IEC 60038 là "không khuyến nghị cho các hệ thống phân phối công cộng mới".

• Khu vực: Các lắp đặt lịch sử ở Áo, Bỉ và các quốc gia châu Âu khác; một phần Đông Âu và các hệ thống chịu ảnh hưởng của Nga. Nhu cầu SST nhỏ; có thể được hấp thụ vào nền tảng 7.2 kV thông qua tương thích ngược.

Mức 2: 6.6 kV / 7.2 kV (Lớp 7.2 kV IEC)

• Um = 7.2 kV, BIL = 60 kV, Điện áp chịu đựng tần số công nghiệp = 20 kV.

• Tần số: Sự cùng tồn tại của 50/60 Hz.

• Khu vực: Nhật Bản (sơ cấp Đông Nhật Bản), Hàn Quốc (công nghiệp), Úc, New Zealand, một phần Đông Âu (6 kV của Nga), Nam Phi (lịch sử).

• Lưu ý: Trong IEC 60038, 6.6 kV tương ứng với Um = 7.2 kV và là mức "đa dụng".

Mức 3: 10 kV / 11 kV (Lớp 12 kV IEC)

• Um = 12 kV, BIL = 75 kV, Điện áp chịu đựng tần số công nghiệp = 28 kV.

• Tần số: Chủ yếu là 50 Hz.

• Khu vực: Cốt lõi của Vương quốc Anh và các hệ thống thuộc Khối thịnh vượng chung/thuộc địa cũ của Anh; một trong những cấp điện áp được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu—Ấn Độ, Úc, New Zealand, Nam Phi, Ai Cập, Kenya, Nigeria, UAE (DEWA/ADDC), Qatar, Kuwait, Oman, Bangladesh, Nepal, Malaysia, Sri Lanka, v.v.

• Lưu ý: IEC 60038 liệt kê cả 10 kV (hệ thống Châu Âu lục địa cũ) và 11 kV (hệ thống Anh). Thiết bị được thiết kế đồng nhất cho nền tảng Um = 12 kV / BIL = 75 kV.

Cấp 4: 12.47 kV / 13.2 kV / 13.8 kV (Lớp IEEE 15 kV)

• Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV tùy chọn trong một số trường hợp), Khả năng chịu đựng tần số công nghiệp ≈ 36 kV.

• Tần số: 60 Hz.

• Khu vực: Xương sống tuyệt đối của Bắc Mỹ (Mỹ, Canada), bao phủ >60% phụ tải điện áp trung bình của Mỹ; Mỹ Latinh (Brazil, Mexico, Argentina, Chile); Philippines.

• Lưu ý: 12.47 / 13.2 / 13.8 kV đều thuộc cùng một "Lớp cách điện 15 kV" theo tiêu chuẩn ANSI C84.1. Cách điện, chống sét van và cáp được chọn theo Lớp, không phải theo điện áp danh định. Đây là quy tắc phổ biến trong phân phối điện ở Bắc Mỹ.

Cấp 5: 15 kV (Hệ thống IEC, Giá trị không ưu tiên) – [Bổ sung quan trọng]

• Um = 17.5 kV, BIL = 95 kV, Khả năng chịu đựng tần số công nghiệp = 38 kV (định mức cáp: 8.7/15 kV).

• Tần số: 50 Hz.

• Tài liệu tham khảo tiêu chuẩn: Trong IEC 60038 Dãy I, (17.5) — (15) được hiển thị trong ngoặc đơn là giá trị "không ưu tiên", nhưng nó vẫn là một điện áp được công nhận.

• Các khu vực ứng dụng cốt lõi – Đông Phi (Sừng châu Phi):

  • Ethiopia: Xương sống phân phối điện áp trung bình bao gồm hai cấp 15 kV và 33 kV. Mạng phân phối được cấp điện bởi các máy biến áp hạ áp 132/33 kV, 132/15 kV và 45/15 kV. Điện lực Ethiopia (EEP) đã khởi xướng việc thay thế hàng loạt thiết bị đóng cắt 15 kV và 33 kV tại nhiều trạm biến áp (ví dụ: Haramaya II, Chellenko II, Woliso, v.v., ở mức 132/33/15 kV). Phần lớn các tuyến đường dây feeder ở Addis Ababa hoạt động ở mức 15 kV.

  • Kenya: Các mạng lưới lịch sử bao gồm 15 kV song song với các hệ thống 11/33 kV.

  • Tanzania, Uganda và các thành viên khác của Cộng đồng Đông Phi: Một số ứng dụng 15 kV tồn tại do sự phối hợp lưới điện khu vực.

  • Thổ Nhĩ Kỳ: Điện áp trung bình bao gồm 15 kV (song song với 6.3 / 11 / 20 / 34.5 kV).

  • Bắc Phi / Trung Đông: Một số hệ thống cũ hơn ở các quốc gia riêng lẻ hoạt động ở mức 15 kV.

• ⚠️ Cảnh báo thiết kế quan trọng (Lỗi phổ biến đối với các nhà xuất khẩu SST):

  • IEC 15 kV có Um = 17.5 kV, trong khi "Lớp 15 kV" IEEE 13.8 kV có Um ≈ 15 kV. Mặc dù cả hai đều có BIL = 95 kV, nhưng điện áp cao nhất đối với thiết bị lại khác nhau.

  • Điện áp dư của chống sét van, khoảng cách rò, cân bằng điện áp mô-đun công suất và cách điện cáp bắt buộc phải được tính toán cho 17.5 kV.

  • Không sử dụng nền tảng phần cứng IEEE 15 kV cho các ứng dụng IEC 15 kV—biên độ cách điện sẽ không đủ, dẫn đến nguy cơ đánh thủng trong dài hạn. Ngược lại, việc sử dụng nền tảng IEC 17.5 kV ở Bắc Mỹ sẽ dẫn đến chi phí quá cao.

  • Do đó, IEC 15 kV (Um = 17.5 kV) và Lớp IEEE 15 kV (Um ≈ 15 kV) phải được coi là hai nền tảng cách điện hoàn toàn độc lập.

Cấp 6: 20 kV / 24 kV (Lớp IEC 24 kV)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Khả năng chịu đựng tần số công nghiệp = 50 kV.

• Tần số: Chủ yếu là 50 Hz.

• Khu vực: Phân phối tiêu chuẩn Châu Âu lục địa—Đức, Pháp, Hà Lan, Bỉ, Áo, Thụy Sĩ, Đan Mạch, Na Uy, Thụy Điển, Phần Lan, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Ý; cũng như một phần của Mỹ Latinh (Brazil có phân phối 20 kV hỗn hợp).

• Lưu ý: IEC 60038 liệt kê cả 20 kV và 24 kV (20 kV là điện áp định mức, 24 kV là Um). Thiết bị được thiết kế đồng nhất cho Um = 24 kV / BIL = 125 kV. Pháp sử dụng cả 20 kV và 33 kV.

Cấp 7: 22 kV (Tiêu chuẩn thực tế khu vực)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Khả năng chịu đựng tần số công nghiệp = 50 kV.

• Tần số: 50 Hz.

• Khu vực: Indonesia, Thái Lan, Việt Nam (các quốc gia hệ thống IEC Đông Nam Á); Hàn Quốc cũng bao gồm 22 kV (điện áp phân phối tiêu chuẩn của KEPCO là 22.900 V, tức là 22.9 kV, 60 Hz); miền Tây Nhật Bản sử dụng 22 kV.

• ⚠️ Lời nhắc nhở quan trọng: 22 kV không nằm trong dãy ưu tiên của IEC 60038; đây là điện áp trôi vận hành khu vực. Tuy nhiên, thiết bị phải được thiết kế cho Um = 24 kV, BIL = 125 kV. Sự không phù hợp sẽ gây ra lỗi trong các thử nghiệm sét/xung tại hiện trường ở Đông Nam Á. IEC 60038 lưu ý rằng 22,9 kV (với Um = 24,2 hoặc 25,8 kV) được sử dụng ở "một số quốc gia" — cụ thể là tham chiếu đến Hàn Quốc.

Dòng RW Máy biến áp trạng thái rắn AC-DC lai

Cấp 8: 24,94 kV / 26,4 kV (Lớp IEEE 25 kV)

• Um = 27 kV, BIL = 125 kV (tùy chọn 150 kV), chịu đựng tần số công nghiệp ≈ 50 kV.

• Tần số: 60 Hz.

• Khu vực: Bắc Mỹ (vùng ngoại ô Hoa Kỳ, đường dây tải dài nông thôn phụ tải nhẹ, tương ứng với 24,94 kV GrdY/14,4 kV); một phần của Mỹ Latinh.

• Lưu ý: Được phân loại là "Lớp 25 kV" theo ANSI C84.1. Mức cách điện gần với IEC 24 kV, nhưng dung sai điện áp hệ thống khác nhau.

Cấp 9: 30 kV / 33 kV (Lớp IEC 36 kV)

• Um = 36 kV, BIL = 170 kV, chịu đựng tần số công nghiệp = 70 kV.

• Tần số: 50 Hz.

• Khu vực: Vương quốc Anh (phân phối sơ cấp 33 kV), Ấn Độ (33 kV HT), Nam Phi (Eskom), Ai Cập, Kenya, Nigeria và các quốc gia châu Phi khác, Úc, New Zealand (33 kV), Vùng Vịnh Trung Đông (UAE, Ả Rập Xê Út, Qatar, v.v.), Ethiopia (33 kV song song với 15 kV làm xương sống).

• Lưu ý: IEC 60038 liệt kê 30 kV và 33 kV song song; cả hai đều được thiết kế cho Um = 36 kV / BIL = 170 kV. Một số quốc gia châu Phi phân loại 33 kV là "điện áp cao" cho mục đích tính giá.

Cấp 10: 34,5 kV (Lớp IEEE 35 kV)

• Um = 38 kV (hoặc lớp 36 kV), BIL = 200 kV (tùy chọn 150 kV), chịu đựng tần số công nghiệp = 80 kV.

• Tần số: 60 Hz.

• Khu vực: Bắc Mỹ (Hoa Kỳ, Canada – đường dây tải dài nông thôn, kết nối năng lượng tái tạo), Brazil, Mexico, các nước Mỹ Latinh khác (phân phối thứ cấp/truyền tải phụ), Philippines (34,5 kV).

• Lưu ý: Được phân loại là "Lớp 35 kV" theo ANSI C84.1. Đây là điện áp phổ biến cho kết nối nhà máy điện tái tạo ở Bắc Mỹ.

Cấp 11: 35 kV (IEC, Một số quốc gia)

• Um = 40,5 kV, BIL = 200 kV (145 kV hạng thấp hơn trong một số trường hợp).

• Tần số: 50 Hz.

• Khu vực: Pháp, một phần Bắc Âu, Đông Âu, các hệ thống chịu ảnh hưởng của Nga, Việt Nam (35 kV), một phần Nam Mỹ.

• Lưu ý: Đây là đầu trên của Dãy I IEC 60038. Mặc dù gần về mặt số học với IEEE 34,5 kV, nhưng cách điện (Um = 40,5 so với 38 kV) và tần số (50 so với 60 Hz) khác nhau. SST phải được điều chỉnh riêng biệt.

Cấp 12: 45 kV / 66 kV (Chuyển tiếp Phân phối – Truyền tải)

• Um = 52 kV / 72,5 kV, BIL ≈ 250 kV / 325 kV tương ứng.

• Khu vực: Ethiopia (45 kV, 66 kV truyền tải phụ), Vương quốc Anh (66 kV), Nam Phi (66 kV), New Zealand (66 kV), Bắc Mỹ (69 kV).

• Lưu ý: Các mức này tiếp cận ranh giới MV/HV. Nếu SST được áp dụng ở đây, thiết kế phải tuân theo lớp 72,5 kV. Báo cáo này tập trung chủ yếu vào các điện áp lên đến 38 kV.

Cấp 13: Dây đơn nối đất (SWER) – Trường hợp đặc biệt

• IEC 60038 Bảng 7: Um = 24 kV tương ứng với điện áp hệ thống 13,9 kV / định mức 12,7 kV; Um = 36 kV tương ứng với 20,8 kV / 19,1 kV. Chủ yếu được sử dụng ở các khu vực hẻo lánh của Úc và New Zealand (12,7 kV / 19,1 kV SWER).

• Ứng dụng SST bị hạn chế, nhưng cách điện vẫn bám sát các lớp 24 kV / 36 kV.

3. Phân tích theo Hệ thống Tiêu chuẩn

3.1 Hệ thống Tiêu chuẩn IEC (Dãy I, Chủ yếu 50 Hz)

Dãy điện áp định mức ưu tiên Dãy I IEC 60038 (1–35 kV):

3.3 — 6.6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) kV

Dãy Um tương ứng:

3.6 — 7.2 — 12 — (17.5) — 24 — 36 — (40.5) kV

Phân nhóm theo khu vực:

• Châu Âu lục địa (hệ thống 20/24 kV): Đức, Pháp, Hà Lan, các nước Bắc Âu, v.v. Cách điện: Um = 24 kV / BIL = 125 kV.

• Hệ thống Vương quốc Anh & Khối thịnh vượng chung (dãy 11/33 kV): Vương quốc Anh, Ấn Độ, Úc/New Zealand, Nam Phi, Trung Đông, hầu hết Đông Nam Á. Tương ứng với Um = 12 kV (BIL 75) và Um = 36 kV (BIL 170).

• Đông Nam Á hỗn hợp 22 kV: Indonesia, Thái Lan, Việt Nam – neo trên nền tảng Um = 24 kV.

• Hệ thống 15 kV Đông Phi (Trọng tâm chính): Ethiopia (xương sống 15+33 kV), Kenya, Tanzania, v.v. 15 kV hoạt động như một nền tảng độc lập ở Um = 17.5 kV / BIL = 95 kV. Đây là ứng dụng thực tế quan trọng nhất của giá trị 15 kV không ưu tiên theo IEC trên toàn cầu.

Dòng RW Máy biến áp trạng thái rắn SST 40.5kV

3.2 Hệ thống tiêu chuẩn IEEE/ANSI (Dòng II / C84.1, 60 Hz)

Điện áp Bắc Mỹ bắt nguồn từ cấp số nhân 120 V × √3 (2.4 → 4.16 → 12.47 → 13.8 → 24.94 → 34.5 kV), khác biệt cơ bản so với mức cơ sở 220 V của châu Âu (3.3/6.6/11 kV).

Cấp cách điện (Cấp điện áp) theo ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00:

• Cấp 5 kV: Bao phủ 4.16 kV, Um ≈ 4.76 kV, BIL = 60 kV.

• Cấp 15 kV: Bao phủ 12.47 / 13.2 / 13.8 kV, Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (tùy chọn 110 kV).

• Cấp 25 kV: Bao phủ 24.94 kV, Um = 27 kV, BIL = 125 kV (tùy chọn 150 kV).

• Cấp 35 kV: Bao phủ 34.5 kV, Um = 38 kV, BIL = 200 kV (tùy chọn 150 kV).

Các khu vực chính:

• Lõi Bắc Mỹ (13.8 kV + 34.5 kV): Mỹ, Canada.

• Châu Mỹ Latinh (13.8/34.5 kV): Brazil, Mexico, Argentina, Chile, v.v.

• Châu Á - Thái Bình Dương 60 Hz (Hệ thống IEEE): Philippines (13.8/23/34.5 kV), Hàn Quốc (22.9/34.5 kV, 60 Hz), Ả Rập Xê Út (một phần ở 13.8 kV, 60 Hz cho dầu khí/đô thị).

⚠️ Lưu ý quan trọng: "Cấp 15 kV" của Bắc Mỹ là một khái niệm cấp cách điện, trong đó 12.47/13.2/13.8 kV dùng chung một nền tảng cách điện. Điều này không được nhầm lẫn với IEC 15 kV (Um = 17.5 kV).

3.3 Các trường hợp hỗn hợp và đặc biệt

• Nhật Bản (Sự cùng tồn tại 50/60 Hz – sự phân chia tần số Đông-Tây duy nhất trên thế giới):

  • Đông Nhật Bản (Tokyo, Hokkaido, v.v., 50 Hz): sơ cấp 6.6 kV, với 22 kV ở trung tâm Tokyo và cho các người dùng lớn (SST yêu cầu nền tảng 22 kV).

  • Tây Nhật Bản (Kansai, Kyushu, v.v., 60 Hz): sơ cấp 22 kV.

  • Dải điện áp trung thế: 6.6 kV đến 66 kV; xương sống phân phối khoảng 740.000 km. Kết nối thông qua 4 trạm biến đổi tần số HVDC.

  • Chiến lược SST: Yêu cầu nền tảng 7.2 kV và 24 kV + chuyển đổi phần sụn tần số kép 50/60 Hz.

• Hàn Quốc (60 Hz, Lai điện áp IEC + tần số IEEE):

  • Điện áp phân phối tiêu chuẩn: 22.900 V (22.9 kV); cũng có 6.6 kV và 34.5 kV.

  • 22.9 kV được phân loại theo IEC là gần với cấp 24 kV (Um = 24.2/25.8 kV), BIL = 125 kV.

  • Chiến lược SST: Nền tảng 24 kV + 60 Hz; phải tuân thủ các thông số kỹ thuật kết nối lưới điện của KEPCO (đặc biệt là chống hòa đảo, sóng hài, dòng điện một chiều đưa vào <0.5%, hệ số công suất >90%).

• Nam Phi, Úc: Về danh nghĩa là IEC, nhưng có nhiều điện áp cùng tồn tại (11/22/33 kV), và Úc có SWER 12.7/19.1 kV.

4. Cách điện sơ cấp SST và ánh xạ thông số chính

SST sử dụng chuyển đổi điện tử công suất (AC-DC-AC + biến áp cách ly tần số cao). Phối hợp cách điện chính phải đáp ứng cả hai: (a) tiêu chuẩn chịu điện áp phía lưới, và (b) quá điện áp khi tắt và cân bằng điện áp của mô-đun IGBT/MOSFET/SiC bên trong.

Ánh xạ cách điện chính: