Luận văn thạc sỹ về xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Luận văn thạc sỹ xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Trần Thị Kim Thoa
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đăng Khải
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn

Nghiên cứu về đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn đang trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng trong ngành điện lực. Sự phát triển của công nghệ siêu dẫn hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện, từ việc giảm tổn thất điện năng đến khả năng truyền tải công suất lớn hơn. Các công ty điện lực trên toàn thế giới đang tìm kiếm giải pháp để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng, và công nghệ siêu dẫn có thể là chìa khóa cho tương lai bền vững.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của công nghệ siêu dẫn

Công nghệ siêu dẫn được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1911 bởi Heike Kamerlingh Onnes. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để ứng dụng công nghệ này vào truyền tải điện. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng công nghệ siêu dẫn trong thực tiễn.

1.2. Tầm quan trọng của đường dây truyền tải điện lạnh

Đường dây truyền tải điện lạnh không chỉ giúp giảm tổn thất điện năng mà còn tăng cường khả năng truyền tải công suất. Việc sử dụng công nghệ siêu dẫn trong truyền tải điện có thể giúp giảm thiểu diện tích cần thiết cho các đường dây, đồng thời bảo vệ môi trường.

II. Các thách thức trong việc xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư cao, yêu cầu về hệ thống làm lạnh và vật liệu siêu dẫn vẫn đang là những rào cản lớn. Để vượt qua những thách thức này, cần có những nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2.1. Chi phí xây dựng và vận hành

Chi phí xây dựng đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn thường cao hơn so với các công nghệ truyền tải truyền thống. Việc đầu tư vào công nghệ mới đòi hỏi các công ty điện lực phải cân nhắc kỹ lưỡng về lợi ích kinh tế.

2.2. Yêu cầu về hệ thống làm lạnh

Hệ thống làm lạnh là yếu tố quan trọng trong việc duy trì hoạt động của cáp siêu dẫn. Việc duy trì nhiệt độ thấp đòi hỏi một hệ thống làm lạnh hiệu quả và an toàn, điều này có thể gây khó khăn trong quá trình triển khai.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp cho đường dây truyền tải điện lạnh

Để phát triển đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại. Việc sử dụng các mô hình tính toán và phân tích kinh tế kỹ thuật sẽ giúp đánh giá hiệu quả của các giải pháp khác nhau.

3.1. Mô hình tính toán hiệu suất truyền tải

Mô hình tính toán hiệu suất truyền tải giúp xác định các thông số kỹ thuật của đường dây truyền tải điện lạnh. Các thông số này bao gồm khả năng tải, tổn thất điện năng và chi phí vận hành.

3.2. Phân tích kinh tế kỹ thuật

Phân tích kinh tế kỹ thuật là bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của công nghệ siêu dẫn. Việc so sánh chi phí và lợi ích sẽ giúp các nhà đầu tư đưa ra quyết định hợp lý.

IV. Ứng dụng thực tiễn của đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn

Các ứng dụng thực tiễn của đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn đang ngày càng được mở rộng. Từ việc cung cấp điện cho các khu vực đô thị đến việc hỗ trợ các dự án năng lượng tái tạo, công nghệ này đang chứng minh được giá trị của mình.

4.1. Cung cấp điện cho khu vực đô thị

Việc sử dụng cáp siêu dẫn trong các khu vực đô thị giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và tăng cường khả năng cung cấp điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng tăng.

4.2. Hỗ trợ năng lượng tái tạo

Công nghệ siêu dẫn có thể hỗ trợ việc truyền tải điện từ các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời. Việc này không chỉ giúp tăng cường tính bền vững mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

V. Kết luận và tương lai của đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn

Tương lai của đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, khả năng ứng dụng của công nghệ này sẽ ngày càng mở rộng. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cần tiếp tục nỗ lực để vượt qua các thách thức hiện tại và đưa công nghệ siêu dẫn vào thực tiễn.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ siêu dẫn

Công nghệ siêu dẫn đang trong quá trình phát triển mạnh mẽ. Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, mở ra cơ hội mới cho ngành điện lực.

5.2. Tác động đến ngành điện lực

Việc áp dụng công nghệ siêu dẫn sẽ có tác động lớn đến ngành điện lực, từ việc cải thiện hiệu suất truyền tải đến việc giảm thiểu tác động đến môi trường. Điều này sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN LẠNH VÀ SIÊU DẪN 1.1 Tổng quan Khắp nơi trên thế giới, các công ty điện lực đang phải đối phó với thách thức phải truyền tải được nhiều điện hơn qua các lưới điện đô thị để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày một gia tăng của các khách hàng trong thế kỷ 21. Ngoài ra, các công ty còn phải bảo vệ người sử dụng điện khỏi sự tác động của các quá dòng điện ngày càng lớn, tức là các dòng điện sự cố. Đột phá về công nghệ trong kỹ thuật cáp hứa hẹn giúp các công ty điện lực khắc phục được cả hai vấn đề này. Loại cáp mới này sử dụng sợi siêu dẫn nhiệt độ có độ dẫn điện cao gấp 150 lần dây đồng có cùng kích cỡ.

Khi đặt vào trong cáp, sợi siêu dẫn này hoạt động như một dây dẫn hoàn hảo, có điều là phải đáp ứng một số điều kiện, trong đó đáng lưu ý nhất là phải duy trì nhiệt độ của cáp thấp hơn một nhiệt độ tới hạn nào đó. Điều này đòi hỏi hệ thống cáp được làm lạnh liên tục bằng nitơ lỏng, là chất không hề đắt và an toàn với môi trường. Điều này cũng giúp tránh được việc sử dụng dầu cách điện như đối với nhiều loại cáp công suất lớn thông dụng ở các thành phố của Mỹ. Cáp siêu dẫn có bốn đặc tính chính tạo nên sự khác biệt với các cáp đồng truyền thống: Khả năng truyền dẫn điện cao hơn, trở kháng rất thấp, bố trí lắp đặt đơn giản, và có khả năng hạn chế dòng điện sự cố.” Ưu thế về mật độ công suất cho phép cáp siêu dẫn ở cấp điện áp bất kỳ, dẫn điện gấp 10 lần so với các cáp đồng truyền thống.

Còn nếu cùng truyền tải một công suất nhất định thì cáp HTS có thể thực hiện ở cấp điện áp thấp hơn nhiều so với cấp điện áp thường được sử dụng. Ví dụ một cáp siêu dẫn 15 kV có thể truyền tải được 100 MVA, mà với mức công suất này, người ta thường sử dụng cáp đồng cấp điện áp 69 kV. Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 10 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Cáp siêu dẫn có trở kháng rất thấp nên tổn thất điện năng thấp hơn nhiều so với các loại cáp tương đương. Khi sử dụng trong mạng điện, trở kháng thấp hơn của cáp siêu dẫn hút dòng điện từ các mạch song song, nhờ đó cũng giảm được tổn thất điện năng trong các mạch này, mặc dầu hệ thống làm lạnh phục vụ cho hệ thống cáp siêu dẫn cũng làm giảm phần nào hiệu quả đem lại.

Cáp siêu dẫn có hai đặc tính khiến cho các yêu cầu về chọn tuyến trở nên đơn giản. Thứ nhất là cáp siêu dẫn gần như không phát ra từ trường, nhờ đó một mặt iảm yêu cầu về hành lang tuyến, mặt khác không cần phải giảm công suất cáp khi chúng được bố trí gần các đường cáp khác hay là các cơ sở hạ tầng ngầm. Các lợi ích về môi trường và về quan hệ cộng đồng do việc không phát ra từ trường cũng rất rõ ràng (không có cả điện trường, nhưng điều này là đúng đối với tất cả các loại cáp). Thứ hai là vì cáp siêu dẫn nằm trong vỏ bọc nhiệt độc lập do có hệ thống làm lạnh, nên không cần tính đến việc giảm công suất cáp tùy theo phương pháp chôn cáp, độ sâu hoặc loại đất.

Do đó, cáp siêu dẫn là lý tưởng để lắp đặt ở các vị trí có hành lang tuyến bị hạn chế, đặc biệt là khi cần phải truyền tải một lượng công suất lớn. Một ưu điểm nữa là khả năng hạn chế dòng sự cố bên trong cáp. Cáp siêu dẫn sẽ hoạt động như một dây dẫn có trở kháng cực thấp, dẫn dòng điện cường ộlớn trong điều kiện vận hành bình thường và sau đó trở thành có điện trở cao khi xảy ra sự cố, hạn chế dòng sự cố cường độ lớn.2 Các đường dây truyền tải siêu dẫn Các đường dây truyền tải siêu dẫn phân loại theo dòng điện có thể chia thành đường dây xoay chiều hoặc một chiều. Vật liệu cách nhiệt có thể dùng cách nhiệt chân không, cách nhiệt bột chân không, vật liệu siêu cách nhiệt.

Chất làm lạnh chủ yếu là Hêli, đôi khi có thể sử dụng Hydro lỏng. Các cáp siêu dẫn không có màng cách nhiệt trung gian mà chỉ có một vài màn chắn trung gian. Hydro và Nitơ được dùng làm chất làm lạnh cho các lớp màn chắn trung gian này. Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 11 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Theo cấu trúc chung, cáp siêu dẫn được chia thành: loại cứng có phần dẫn dòng và ống bao lạnh được làm từ các ống cứng; loại bán cứng gồm phần dẫn dòng dẻo và vỏ bao lạnh cứng trong đó cả hai đầu có thể uốn được.

Các cáp siêu dẫn có thể là loại một pha, ba pha và nhiều pha (có số pha ở vỏ bao lạnh nhiều hơn 3). Theo quan điểm làm việc của đường dây siêu dẫn dòng xoay chiều trong hệ thống điện, quan trọng nhất phải xét tới kết cấu pha, sự sắp xếp các pha và loại cách điện được sử dụng. Các dây pha thường thấy gồm dây dẫn có dạng tròn đơn, đặt đồng trục gồm hai hay nhiều ống tròn hơn. Nếu mỗi pha của đường dây được làm bằng một ống dẫn điện thì 3 pha của 1 mạch hoặc 6 pha của 2 mạch có thể đặt trong 1 vỏ bọc chung được bảo vệ bằng màn chắn điện từ.

Biết rằng cấu trúc đồng trục của đường dây 3 pha trong đó cả 3 pha được làm bằng các ống dẫn điện được đặt đồng tâm đối với nhau. Trong tất cả các dạng cấu trúc hiện nay người ta thiên về cấu trúc có dạng các ống dẫn điện được đặt đồng trục. Ở đây chúng ta chỉ quan tâm xem xét cấu trúc loại này.1 Các phương án kết cấu cáp siêu dẫn dòng điện xoay chiều a – Cáp 3 pha; b – Cáp 6 pha 1 – Dây siêu dẫn có vỏ đệm; 2 – Cách điện (Vật liệu); 3 – Chất làm lạnh; 4 – Vật liệu cách nhiệt; 5 – Chất làm lạnh trung gian Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 12 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Dạng ống dẫn điện cho phép sử dụng chính chúng để lưu thông chất làm lạnh nên đảm bảo quá trình làm lạnh một cách thuận tiện, đảm bảo được tính compact của kết cấu cáp. Do các cáp siêu dẫn cho phép tăng dòng làm việc một cách đáng kể, vấn đề quan trọng hơn là san bằng được từ trường do các dòng điện này phát sinh.

Khi bố trí các ống dẫn pha đồng trục và có chiều dòng điện ngược nhau trong chúng vấn đề này được giải quyết bằng biện pháp tốt nhất là: trong cấu trúc này từ trường chỉ nằm giữa các dây dẫn đồng trục. Khả năng tăng cao dòng điện làm việc cho phép đạt được ngay cả trong các đường dây siêu dẫn điện áp không lớn lắm, tuy nhiên trường hợp này có sự hạn chế mức độ ổn định tĩnh. Việc phân bố các dây pha kiểu đồng trục có chiều dòng điện ngược nhau cho phép nâng cao giới hạn công suất truyền tải do điện kháng giảm một cách đáng kể. Các đường dây dẫn dòng một chiều có các dạng khác nhau sau: loại có dây dẫn phân bố tập trung được nối với các cực khác nhau, loại có các dây dẫn hình ống có các cực khác nhau có màn chắn chung và màn chắn riêng cho mỗi cực (trong các cáp khác nhau).

Cách điện trong các cáp siêu dẫn sử dụng chân không, chất làm lạnh chủ đạo, vật liệu cách điện tổng hợp cứng được tẩm chất làm lạnh, giấy cách điện. Độ bền điện của cách điện và tổn hao điện môi trong vật liệu cách điện có ảnh hưởng mạnh tới các thông số về điện và chế độ làm việc của các đường dây siêu dẫn trong hệ thống. Vật liệu siêu dẫn có ảnh hưởng quyết định tới khả năng tải và các chỉ số kinh tế kỹ thuật của các đường dây truyền tải điện. Hiện nay vật liệu siêu dẫn được dùng với các đường dây truyền tải siêu dẫn là: các kim loại Nb (Ni-ô-bi), chì, hợp chất Nb-thiếc, Nb-Germany, hợp kim Nb-Titan, Nb-Zr (Ziriconi).

Phương pháp tính toán và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các đường dây truyền tải siêu dẫn đã được nghiên cứu trong nhiều công trình. Kết quả đã đưa ra được quy luật tổng quát đặc trưng cho việc thực hiện trong các cấu trúc Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 13 - Cao học KTĐ 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội cáp khác nhau. Tổng chi phí ít phụ thuộc vào chế độ nhiệt của chất làm lạnh trong toàn bộ dải thay đổi nhiệt độ có thể có. Các phương án khác nhau về kết cấu nhiều lớp của lớp vỏ bao lạnh: 1.

Hai lớp chân không được phân cách bởi khoang chứa đầy chất làm lạnh trung gian. Tương tự nhưng có thân lớp vỏ bọc cách nhiệt bên ngoài cùng làm từ vật liệu siêu cách nhiệt. Cả 2 phương án trên nhưng vùng chất làm lạnh trung gian được làm dưới dạng các ống được hàn ghép với nhau thành các ống định hình và chứa chất làm lạnh trung gian. Các tính toán cho thấy độ dày tối ưu của lớp chân không giữa màn chắn trung gian và vùng chứa Heeli đối với cấu trúc 3 pha là 0,6 – 1,4 cm và 0,6 – 2,6 cm đối với cấu trúc 6 pha.

Trị số tối ưu của bề dày lớp cách nhiệt bên ngoài được giới hạn trong khoảng tương ứng: 0,7 – 1,7 cm và 0,7 – 2,5 cm; trong trường hợp là cách nhiệt chân không còn 0,4 – 0,7 cm; còn khi dùng vật liệu siêu cách nhiệt không phụ thuộc vào số lượng pha. Trong trường hợp này độ bền vững của các tổn hao trong vùng nhỏ nhất đối với mọi công suất và điện áp danh định. Phân tích so sánh cho thấy giữa vỏ bao dùng cách nhiệt chân không và vật liệu siêu cách nhiệt thì vật liệu siêu cách nhiệt cao cấp là kinh tế hơn cả. Bề dày của lớp màn cách nhiệt Nitơ là 1 – 2 cm cho cấu trúc 3 pha, 1 – 3 cm cho cấu trúc 6 pha không phụ thuộc vào trị số công suất tính toán cũng như điện áp danh định của đường dây.

Ngoài ra vỏ bao cách nhiệt có thể được chế tạo không có màn chắn trung gian dưới dạng vỏ bọc vật liệu siêu cách nhiệt suốt dọc vỏ bao vùng lạnh.