Làm thế nào để chọn thiết bị đóng cắt trung thế (MV) đáng tin cậy cho hệ thống điện công nghiệp?

Thiết bị đóng cắt trung thế (MV) là gì và tại sao nó quan trọng đối với hệ thống điện

Thiết bị đóng cắt trung thế (Medium Voltage – MV) điều khiển và bảo vệ các mạch điện trong dải điện áp từ 600 V đến 69 kV — một thành phần then chốt của cơ sở hạ tầng điện hiện đại. Thiết bị này cô lập sự cố trong vòng vài mili-giây, ngăn ngừa các sự cố lan rộng trên toàn lưới điện. Để hình dung rõ hơn: mỗi giờ ngừng hoạt động ngoài kế hoạch gây thiệt hại hơn 740.000 USD cho các cơ sở công nghiệp (Ponemon Institute, 2023), do đó khả năng ngắt sự cố nhanh chóng là yếu tố thiết yếu.

Thiết bị đóng cắt trung thế (MV) cho phép phân phối điện an toàn và đáng tin cậy trong các mạng lưới đô thị, nhà máy sản xuất và các dự án năng lượng tái tạo. Các chức năng bảo vệ của nó giúp bảo vệ máy biến áp, cáp và các thiết bị phía hạ lưu khỏi hư hỏng trong trường hợp quá áp hoặc ngắn mạch—giảm thiểu rủi ro cháy nổ, phá hủy thiết bị và thời gian ngừng hoạt động kéo dài.

Công nghệ này cũng hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo bằng cách ổn định các nguồn đầu vào biến đổi từ các trang trại điện mặt trời và điện gió trước khi đưa vào lưới điện. Khi nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng và quá trình khử carbon được đẩy mạnh, thiết bị đóng cắt trung thế (MV) bền vững trở thành yếu tố không thể thiếu nhằm cân bằng giữa độ tin cậy, an toàn và hiệu quả vận hành trên các mạng lưới điện đang không ngừng phát triển.

Các loại thiết bị đóng cắt trung thế (MV) chủ yếu: Cách điện bằng không khí so với cách điện bằng khí so với cách điện bằng vật liệu rắn

Thiết bị đóng cắt điện áp trung thế có ba cấu hình chính, mỗi loại sử dụng công nghệ cách điện và mang lại các ưu điểm vận hành khác nhau. Việc lựa chọn loại phù hợp nhất phụ thuộc vào các yếu tố như hạn chế về không gian lắp đặt, điều kiện môi trường và yêu cầu về độ tin cậy—từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn và khả năng phục hồi của hệ thống.

Đặc điểm và lĩnh vực ứng dụng của Thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí (AIS)

Bộ phân phối cách điện bằng không khí sử dụng không khí thường làm vật liệu cách điện chính, điều này có nghĩa là việc lắp đặt thường đơn giản hơn và chi phí ban đầu tương đối thấp so với các lựa chọn khác. Hệ thống yêu cầu khoảng cách lớn hơn giữa các bộ phận mang điện do nguyên lý hoạt động của nó, vì vậy giải pháp này phù hợp ở những nơi có sẵn nhiều không gian, chẳng hạn như trạm biến áp ngoài trời quy mô lớn hoặc các khu công nghiệp rộng lớn. Mặc dù việc tiếp cận các điểm bảo trì rất dễ dàng, nhưng người vận hành cần lưu ý rằng độ ẩm, bụi bám và tiếp xúc với các hóa chất ăn mòn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất theo thời gian. Vì vậy, việc lựa chọn vị trí lắp đặt phù hợp đóng vai trò rất quan trọng đối với độ tin cậy lâu dài.

Ưu điểm của Bộ phân phối cách điện bằng khí (GIS) trong các môi trường bị giới hạn về không gian

Bộ thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) sử dụng khí sulfur hexafluoride (SF6) làm môi chất cách điện, nhờ đó các hệ thống này chiếm diện tích khoảng ít hơn 70% so với bộ thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí truyền thống (AIS). Kích thước nhỏ gọn khiến GIS đặc biệt hữu ích tại những nơi hạn chế về không gian như trạm biến áp ở trung tâm thành phố, các tòa nhà cao tầng, hệ thống lắp đặt dưới lòng đất và thậm chí cả các mỏ khai thác sâu. Điều làm cho SF6 trở nên hiệu quả đến vậy là các đặc tính điện môi xuất sắc của nó, giúp ngăn ngừa hồ quang điện và duy trì độ ổn định của hệ thống khi tải nặng. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một vấn đề. Vì SF6 là một loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh, việc thao tác với khí này đòi hỏi đào tạo chuyên biệt và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định môi trường. Hiện nay, nhiều công ty đã thành lập các đội chuyên trách chỉ để vận hành an toàn loại thiết bị này.

Bộ thiết bị đóng cắt cách điện bằng vật rắn (SIS) nhằm nâng cao độ an toàn và tính bền vững

Công nghệ SIS bao bọc các dây dẫn bằng nhựa epoxy hoặc cao su silicone, nhờ đó loại bỏ hoàn toàn các khí SF6 độc hại và các khí nhà kính fluor hóa khác. Về mặt thực tiễn, điều này có nghĩa là nước không thể xâm nhập vào bên trong, không xảy ra hiện tượng ăn mòn, và cũng không có bất kỳ chất gây nhiễm nào làm ô nhiễm hệ thống. Kết quả đạt được? Hoạt động ổn định và đáng tin cậy ngay cả khi lắp đặt gần khu vực ven biển, trong khí hậu nhiệt đới hoặc ở bất kỳ nơi nào có độ ẩm cao. Vì công nghệ này yêu cầu rất ít bảo trì và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn hay mảnh vụn bám vào, ngày càng nhiều công ty đang chuyển sang áp dụng giải pháp SIS cho các dự án trang trại điện mặt trời, trạm sạc xe điện và hầu như mọi cơ sở hạ tầng nào mà các tiêu chí thân thiện với môi trường hiện nay thực sự quan trọng.

Các tình huống ứng dụng chính của thiết bị đóng cắt điện áp trung thế trong các ngành công nghiệp

Thiết bị đóng cắt điện áp trung thế là trụ cột đảm bảo an toàn và độ tin cậy về điện trong các lĩnh vực cơ sở hạ tầng trọng yếu—được triển khai tại những nơi yêu cầu tính liên tục vận hành là bắt buộc.

Trạm biến áp phụ trợ của ngành điện và kết nối với lưới điện

Trong các mạng truyền tải và phân phối, thiết bị đóng cắt điện áp trung thế điều khiển luồng công suất, cách ly sự cố trong trường hợp mất điện và duy trì ổn định điện áp cho hàng triệu người tiêu dùng. Các đơn vị vòng khép kín (RMU) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống phân phối đô thị nhằm cho phép cấp điện theo từng đoạn với khả năng dự phòng tích hợp và chiếm diện tích tối thiểu.

Các cơ sở công nghiệp yêu cầu độ tin cậy cao và khả năng quản lý sự cố

Các nhà máy, nhà máy lọc dầu và trung tâm dữ liệu lớn đều phụ thuộc vào thiết bị đóng cắt điện áp trung thế để bảo vệ an toàn cho các thiết bị đắt tiền và đảm bảo an toàn cho người lao động. Các hệ thống này hoạt động như một lớp bảo vệ cho động cơ, bộ điều khiển công nghiệp và các bảng điều khiển kiểm soát quy trình quan trọng trước các đợt tăng điện áp đột ngột và các sự cố ngắn mạch nguy hiểm có thể làm hỏng thiết bị. Khi nguồn điện chính gặp sự cố, các Bộ chuyển đổi tự động (ATS) sẽ can thiệp nhằm đảm bảo hoạt động sản xuất không bị gián đoạn. Chúng cho phép cơ sở tự động chuyển sang máy phát điện dự phòng mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất, vì vậy nhiều quản lý nhà máy coi việc lắp đặt ATS là yếu tố thiết yếu trong kế hoạch đảm bảo tính liên tục của hoạt động kinh doanh.

Tích hợp năng lượng tái tạo (trang trại điện gió/điện mặt trời)

Cả các hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời và các trang trại điện gió đều phụ thuộc vào thiết bị đóng cắt điện áp trung thế để thực hiện các chức năng quan trọng như đồng bộ với lưới điện, giảm sóng hài và duy trì mức điện áp phù hợp. Đối với các dự án điện gió ngoài khơi, thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) đã trở thành lựa chọn hàng đầu vì những hệ thống này chiếm ít diện tích hơn, chống chịu tốt trước tác động của nước biển mặn và không yêu cầu bảo trì thường xuyên — một ưu điểm lớn khi kỹ thuật viên phải di chuyển ra ngoài khơi để sửa chữa. Đối với các trạm điện mặt trời trên đất liền, thiết bị đóng cắt cách điện bằng vật liệu rắn (SIS) đang ngày càng phổ biến nhờ các đặc tính thân thiện với môi trường, tuổi thọ kéo dài và khả năng vận hành mà không cần giám sát định kỳ. Nhiều nhà vận hành đặc biệt ưa chuộng giải pháp này vì các trạm điện mặt trời ở vùng xa thường thiếu đội ngũ bảo trì gần đó.

Cách lựa chọn thiết bị đóng cắt điện áp trung thế phù hợp: Các yếu tố kỹ thuật và vận hành then chốt

Định mức điện áp, khả năng chịu ngắn mạch và yêu cầu về nhiệm vụ đóng/ngắt

Khi lựa chọn thiết bị đóng cắt điện áp trung thế, hãy bắt đầu bằng việc đối sánh các thông số kỹ thuật với nhu cầu thực tế tại hiện trường. Kiểm tra xem định mức điện áp có đáp ứng được cả điều kiện vận hành bình thường lẫn điều kiện đỉnh điểm hay không. Hiện nay, phần lớn các hệ thống công nghiệp hoạt động trong dải điện áp từ 3,3 kV đến khoảng 36 kV. Thiết bị cũng cần có khả năng chịu đựng được dòng ngắn mạch. Nếu thiết bị không thể chịu đựng được dòng sự cố tại vị trí cụ thể đó, thì về lâu dài sẽ phát sinh những vấn đề nghiêm trọng cả về mặt an toàn lẫn chi phí. Hãy xem xét tần suất vận hành đóng/ngắt. Bộ ngắt chân không thường phù hợp hơn khi thiết bị phải đóng/ngắt thường xuyên — ví dụ như các tụ bù. Tuy nhiên, các thiết bị sử dụng khí SF6 vẫn giữ vai trò quan trọng trong những ứng dụng ít đóng/ngắt nhưng đòi hỏi khả năng dập hồ quang mạnh mẽ. Các hệ thống quan trọng như bộ chuyển đổi tự động (ATS) hoặc đường dây cung cấp điện khẩn cấp cần được quan tâm đặc biệt. Đảm bảo rằng các định mức dập hồ quang thực tế đáp ứng đầy đủ yêu cầu về dòng sự cố xấu nhất theo tiêu chuẩn IEC 62271-100.

Phân tích Điều kiện Môi trường, Yêu cầu Bảo trì và Chi phí Vòng đời

Độ bền của thiết bị trước các điều kiện môi trường ảnh hưởng thực tế đến tuổi thọ của thiết bị, mức độ an toàn khi vận hành và chi phí phát sinh theo thời gian. Khi xem xét các môi trường khác nhau, các yếu tố như nhiệt độ cực đoan, độ ẩm, không khí mặn gần khu vực ven biển, bụi bám và hóa chất đều có ý nghĩa quan trọng. Tiêu chuẩn IEC 62271 giúp phân loại những rủi ro này. Hầu hết các hệ thống lắp đặt trong nhà cần ít nhất cấp bảo vệ IP2X, nhưng yêu cầu sẽ thay đổi khi thiết bị được lắp đặt ngoài trời hoặc gần khu vực nước mặn, nơi cấp bảo vệ IP54 hoặc cao hơn trở nên bắt buộc. Yêu cầu bảo trì cũng khác biệt đáng kể giữa các loại hệ thống. Hệ thống AIS thường yêu cầu kiểm tra ba tháng một lần kèm theo các phiên làm sạch định kỳ. Hệ thống GIS đòi hỏi nhân sự chuyên biệt có kiến thức về xử lý khí và phát hiện rò rỉ. Hệ thống SIS nổi bật nhờ nhu cầu chăm sóc tổng thể thấp hơn nhiều, giảm khoảng 40% khối lượng công việc bảo trì kế hoạch so với các giải pháp AIS tương đương.

Thực hiện phân tích chi phí vòng đời toàn diện nhằm đánh giá:

Ưu tiên các thiết kế mô-đun và mở rộng quy mô được để hỗ trợ nhu cầu tải tăng trong tương lai hoặc nâng cấp công nghệ—tránh thay thế toàn bộ khi mở rộng công suất hoặc tích hợp khả năng giám sát kỹ thuật số.

Câu hỏi thường gặp

Chức năng chính của tủ đóng cắt trung thế (MV switchgear) là gì?

Tủ đóng cắt trung thế (MV switchgear) điều khiển và bảo vệ các mạch điện, cách ly sự cố trong vòng vài mili giây nhằm ngăn ngừa hư hỏng và đảm bảo việc phân phối điện an toàn, tin cậy.

Tủ đóng cắt trung thế (MV switchgear) tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như thế nào?

Tủ đóng cắt trung thế (MV switchgear) ổn định các tín hiệu đầu vào biến đổi từ các trang trại điện mặt trời và điện gió trước khi đưa vào lưới điện, hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo đồng thời đảm bảo hiệu quả vận hành.

Những yếu tố nào cần xem xét khi lựa chọn tủ đóng cắt trung thế (MV switchgear)?

Cân nhắc điện áp định mức, khả năng chịu đựng ngắn mạch, điều kiện môi trường, nhu cầu bảo trì và chi phí vòng đời khi lựa chọn thiết bị đóng cắt trung thế.

Lợi ích của việc sử dụng thiết bị đóng cắt cách điện rắn là gì?

Thiết bị đóng cắt cách điện rắn mang lại độ an toàn và tính bền vững cao hơn nhờ loại bỏ khí SF6, có khả năng chống chịu thời tiết và yêu cầu bảo trì thấp.