Thiết bị đóng cắt điện áp cao: Các công nghệ mới nhất cho hiện đại hóa lưới điện

Thiết bị đóng cắt điện áp cao không sử dụng SF6: Các giải pháp thay thế bền vững thúc đẩy việc tuân thủ quy định

Các yếu tố quy định và môi trường thúc đẩy việc loại bỏ dần SF6

Các quy định trên toàn thế giới đang thúc đẩy các doanh nghiệp từ bỏ việc sử dụng lưu huỳnh hexaflorua (SF6) trong hệ thống điện của họ, bởi vì loại khí này gây hại nghiêm trọng cho hành tinh. Chúng ta đang nói đến một chất làm ấm bầu khí quyển mạnh hơn tới 23.500 lần so với khí carbon dioxide thông thường. Liên minh Châu Âu vừa cập nhật quy định về khí F-Gas và yêu cầu tất cả thiết bị điện áp cao mới phải ngừng hoàn toàn việc sử dụng SF6 vào năm 2030. Và điều đáng chú ý là hơn mười lăm quốc gia khác cũng đang xây dựng các đạo luật tương tự. Động thái quản lý này phù hợp với cam kết xanh mà nhiều tập đoàn đã công bố. Khoảng tám trong số mười công ty cung cấp điện hiện đã bắt đầu nghiên cứu các giải pháp thay thế cho SF6 nhằm tránh những khoản phạt khổng lồ nếu vi phạm quy định (một số nguồn đưa ra con số lên tới 740.000 USD cho mỗi sự cố, theo nghiên cứu của Viện Ponemon thực hiện năm ngoái). Chỉ cần suy ngẫm dưới góc độ môi trường: một tấn SF6 bị rò rỉ sẽ tạo ra lượng ô nhiễm tương đương với lượng phát thải của năm mươi chiếc ô tô trong suốt cả năm. Điều đó khiến việc tìm kiếm các giải pháp thiết bị đóng cắt thân thiện với môi trường trở nên cực kỳ cấp thiết đối với bất kỳ đơn vị nào vận hành lưới điện và thực sự quan tâm đến việc giảm thiểu tác động của mình đối với biến đổi khí hậu.

Công nghệ cách điện bằng vật liệu rắn và công nghệ điện môi bằng không khí sạch trong thiết bị đóng cắt cao áp hiện đại

Hai công nghệ đã được kiểm chứng và triển khai thương mại loại bỏ hoàn toàn khí SF6 mà không làm giảm hiệu suất:

Trong các hệ thống cách điện rắn, dây dẫn được bao bọc hoàn toàn bằng vật liệu polymer đúc chân không. Thiết kế này loại bỏ hoàn toàn khả năng rò rỉ khí và có thể chịu được dòng ngắn mạch vượt quá 40 kiloampe. Đối với các giải pháp thay thế sử dụng không khí sạch, các nhà sản xuất pha trộn khí quyển thông thường với một loại hợp chất gọi là fluoroketon. Các hỗn hợp này tạo ra đặc tính cách điện mạnh mẽ cần thiết cho các ứng dụng điện áp cực cao, cho phép thiết bị vận hành ổn định ngay cả ở điện áp lên tới 420 kV. Khi các công ty chuyển sang các hệ thống không khí sạch này thay vì các hệ thống truyền thống dựa trên khí SF6, họ thường giảm được khoảng 200 tấn phát thải tương đương carbon mỗi năm. Lợi ích tài chính cũng rất đáng kể, bởi cả hai phương án đều cắt giảm chi phí bảo trì trong suốt vòng đời của thiết bị khoảng 30%. Điều này xảy ra do không còn cần thực hiện các công việc quản lý khí phức tạp như kiểm tra rò rỉ liên tục hoặc thu hồi khí SF6 đã qua sử dụng—giúp tiết kiệm thời gian và chi phí về lâu dài.

Triển khai thực tế trên lưới điện đô thị châu Âu

Trên khắp châu Âu, các thành phố lớn đang triển khai thiết bị đóng cắt không sử dụng SF6 trong các điều kiện thực tế, nơi không gian hạn chế và yêu cầu vận hành rất cao. Lấy ví dụ tại London: Thành phố này đã áp dụng công nghệ Blue GIS, kết hợp fluoroketone với không khí để vận hành các trạm biến áp then chốt trên toàn bộ lưới điện 132 kV thuộc khu vực trung tâm tài chính. Điều gì khiến giải pháp này trở nên đặc biệt? Đó là việc họ đã loại bỏ hoàn toàn phát thải SF6 mà không gây gián đoạn nào đối với dịch vụ cung cấp điện. Trong khi đó, tại Berlin, chính quyền địa phương đã lắp đặt các hệ thống AirPlus nhằm đáp ứng đầy đủ các quy định nghiêm ngặt của tiêu chuẩn TA Luft tại Đức. Các hệ thống này không chỉ tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường mà còn giảm gần một nửa diện tích cần thiết cho trạm biến áp. Cả hai dự án đều xử lý được mật độ tải ấn tượng, vượt quá 500 MW trên mỗi kilômét vuông. Nhìn tổng quan hơn, các đơn vị vận hành ước tính tổng mức tiết kiệm đạt khoảng 1,2 triệu đô la Mỹ trong vòng 20 năm chỉ riêng từ các địa điểm này. Con số này bắt nguồn từ nhiều yếu tố, bao gồm việc tránh được các khoản phạt do thuế carbon, chi phí bảo trì thấp hơn và kéo dài tuổi thọ thiết bị trước khi phải thay thế.

Thiết bị đóng cắt điện áp cao số hóa: Hỗ trợ bảo trì dự đoán và tăng cường độ bền vững của lưới điện

Chi phí của sự cố: Cách các sự cố ngừng hoạt động ngoài kế hoạch thúc đẩy việc áp dụng công nghệ số

Chi phí trung bình cho mỗi lần gián đoạn vận hành ngoài kế hoạch đối với các công ty cung cấp điện vào khoảng 740.000 USD, theo báo cáo của Viện Ponemon từ năm ngoái. Con số này bao gồm toàn bộ chi phí phát sinh — từ việc sửa chữa thiết bị hỏng hóc, đến việc thanh toán các khoản phạt, bồi thường cho khách hàng bị mất điện và xử lý các khoản doanh thu bị thất thoát trong suốt thời gian gián đoạn dịch vụ. Thiết bị cũ tiếp tục là một trong những nguyên nhân chính gây ra các chuỗi sự cố dây chuyền như vậy trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đe dọa cả hoạt động kinh doanh lẫn an toàn cộng đồng. Vì lý do này, nhiều công ty hiện không chỉ đang xem xét áp dụng các công nghệ dự báo nữa mà còn đầu tư mạnh mẽ vào chúng. Các hệ thống này có thể cắt giảm chi phí bảo trì khoảng 25–30% so với các phương pháp truyền thống — vốn chỉ khắc phục sự cố sau khi chúng đã xảy ra. Ngoài ra, chúng còn giúp giảm gần một nửa số lần ngừng hoạt động bất ngờ trong một số trường hợp. Trên toàn ngành, đã xuất hiện xu hướng rõ rệt chuyển sang lắp đặt các công tắc thông minh được tích hợp cảm biến để thu thập dữ liệu thời gian thực. Điều này góp phần đảm bảo tính ổn định của lưới điện đồng thời đáp ứng các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt hơn về độ bền vững của hệ thống do cơ quan quản lý quy định.

Cảm biến IoT, Phân tích biên và Bản sao kỹ thuật số trong Hệ thống thiết bị đóng cắt điện áp cao

Các thiết bị đóng cắt điện áp cao ngày nay được tích hợp sẵn cảm biến IoT để theo dõi liên tục nhiều thông số khác nhau, bao gồm biến đổi nhiệt độ, các sự kiện phóng điện cục bộ, các vị trí mài mòn cơ học, thậm chí cả mức độ mật độ khí trong trường hợp không sử dụng hệ thống khí SF6. Các phân tích biên (edge analytics) này xử lý số liệu ngay tại chính thiết bị, nhờ đó các bất thường được phát hiện gần như tức thì và các quyết định ngắt mạch thời gian thực được thực hiện mà không cần chờ xử lý chậm từ đám mây. Công nghệ song sinh số (digital twin) cũng là một yếu tố đột phá khác trong lĩnh vực này. Về bản chất, công nghệ này xây dựng các bản sao ảo của thiết bị thực tế dựa trên các nguyên lý vật lý thực. Đội ngũ bảo trì có thể chạy các mô phỏng để xem nhiệt độ tăng lên như thế nào, lỗi có thể lan rộng ở đâu hoặc tải sẽ phân bố lại ra sao trên toàn hệ thống — tất cả đều được thực hiện từ rất sớm, trước khi hệ thống đi vào vận hành. Sau đó, họ điều chỉnh kế hoạch bảo trì dựa trên những dự báo do các mô hình này đưa ra về mức độ hao mòn linh kiện theo thời gian. Kết quả đạt được? Tuổi thọ thiết bị kéo dài khoảng 40% trong hầu hết các trường hợp; thời gian khắc phục sự cố nhanh hơn khoảng 40% so với các phương pháp truyền thống; đồng thời lưới điện trở nên bền bỉ hơn đáng kể trước mọi mối đe dọa — từ hư hỏng vật lý cho đến các cuộc tấn công mạng.

Bộ thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí dạng nhỏ gọn (GIS) cho lưới điện đô thị và các công nghệ nâng cao lưới điện

Xu hướng áp dụng GIS tiết kiệm không gian tại các thành phố hạn chế về đất đai

GIS như một yếu tố thúc đẩy việc định mức dòng điện động và các sơ đồ bảo vệ thích ứng

Các nền tảng GIS ngày nay làm được nhiều hơn rất nhiều so với việc chỉ quản lý không gian một cách hiệu quả: chúng thực sự tạo thành nền tảng cho công nghệ nâng cấp lưới điện, còn được gọi là GETs (Công nghệ Nâng cấp Lưới điện). Những hệ thống này được trang bị các buồng kín sẵn sàng để lắp đặt cảm biến, nhờ đó việc lắp đặt những thiết bị IoT nhỏ gọn thu thập dữ liệu vận hành chi tiết – cần thiết cho các hệ thống định mức tải động (DLR) – trở nên vô cùng dễ dàng. Khi các hệ thống DLR này kết hợp nhiệt độ dây dẫn thực tế với điều kiện thời tiết và tốc độ gió hiện tại, chúng có thể tăng dung lượng truyền tải lên từ 15% đến thậm chí tới 30%, mà không cần mở rộng quyền sử dụng đất hay bổ sung thêm thiết bị nào. Một lợi thế lớn khác là khả năng hỗ trợ các cơ chế bảo vệ thông minh của GIS. Các rơ-le tự điều chỉnh một cách tự động mỗi khi có thay đổi trong cấu trúc mạng lưới, ví dụ như khi các đường dây cấp điện được cấu hình lại hoặc khi các đảo nguồn phân tán (DER) bất ngờ xuất hiện ở đâu đó. Nhờ đó, thời gian loại bỏ sự cố được rút ngắn đáng kể so với các hệ thống tĩnh cũ – khoảng 40%, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể. Điều ta đang chứng kiến ở đây là sự chuyển mình của GIS: từ một hệ thống đơn thuần chứa đựng thiết bị, GIS đã trở thành một ‘con ngựa thồ’ thực thụ, vừa góp phần duy trì ổn định lưới điện, vừa mở ra cánh cửa để các nguồn năng lượng tái tạo tích hợp một cách trơn tru.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao khí SF6 đang bị loại bỏ dần khỏi các hệ thống điện?

Khí SF6 đang bị loại bỏ dần do tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cực kỳ cao của nó, lớn gấp 23.500 lần so với carbon dioxide. Các quy định đang thúc đẩy việc sử dụng các giải pháp thay thế bền vững hơn nhằm ngăn ngừa tác hại đến môi trường.

Những công nghệ nào đang thay thế SF6 trong thiết bị đóng cắt điện áp cao?

Hai công nghệ chủ chốt đang thay thế SF6 là hệ thống cách điện bằng vật liệu rắn và hệ thống điện môi sử dụng không khí sạch, cả hai đều có tác động môi trường thấp hơn đáng kể.

Các hệ thống bảo trì dự đoán mang lại lợi ích gì cho các công ty cung cấp điện?

Các hệ thống bảo trì dự đoán giúp giảm chi phí bảo trì từ 25 đến 30 phần trăm và góp phần tránh được các lần ngừng hoạt động bất ngờ, từ đó nâng cao độ tin cậy của lưới điện cũng như hiệu quả vận hành.

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) đóng vai trò gì trong các lưới điện hiện đại?

GIS giúp quản lý không gian một cách hiệu quả, hỗ trợ đánh giá định mức dòng điện động và cho phép triển khai các sơ đồ bảo vệ thông minh, từ đó nâng cao tính ổn định và khả năng thích ứng của lưới điện, đặc biệt trong các khu vực đô thị.