Dùng cáp nhôm, hay cáp đồng tốt hơn cho điện gió?

Năm 2020, ngành công nghiệp gió của Mỹ được xem là được mùa, bằng cách vận hành khoảng 16.913 MW. Với hơn 60.000 tua bin đang hoạt động trên 41 tiểu bang, các OEM (nhà sản xuất các thiết bị gốc), chủ sở hữu tài sản và các nhà cung cấp dịch vụ độc lập đều được lợi nhờ tiến bộ công nghệ, cho ra đời thế hệ tua bin mới, hiệu quả cao và tuổi thọ dài.

Đi trước đón đường, các nhà sản xuất tua bin gió đã tận dụng đối đa thành tựu công nghệ, cho ra đời nhiều tua bin có tuổi thọ từ 20 đến 30 năm, nhờ quan tâm đến từng chi tiết nhỏ. Ước tính, có hơn 8.000 chi tiết khác nhau trong một tua bin gió, phần lớn tiếp xúc với một số môi trường khắc nghiệt, nên việc chọn vật tư, thiết kế có ý nghĩa kéo dài tuổi thọ tua bin.

Tháng 5 năm 2016, Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) đã ban hành Tiêu chuẩn nhập khẩu tua bin gió (gọi tắt UL 6141) như một tiêu chuẩn chính thức. UL 6141 chú ý đến an toàn về điện và đưa ra một số hạn chế đối với các phương pháp thiết kế và lắp đặt cáp từng được chấp nhận trước đây. Nỗ lực này đã mở đường cho các phương pháp lắp đặt cáp tốt hơn và cải tiến thiết kế tổng thể.

Vận hành và bảo dưỡng cáp (Cable O&M) 

Để giúp tua bin vận hành hiệu quả và kéo dài tuổi thọ, ngành công nghiệp điện gió Mỹ rất quan tâm đến hệ thống giám sát tình trạng (CMS), các chương trình bảo dưỡng phòng ngừa khắc phục sự cố (PM) và thay thế chi tiết kịp thời khi hết hạn sử dụng.

Một ví dụ điển hình về cáp xuống cấp bên trong tua bin, đó là khu vực cáp nằm ở vòng dây đi xuống dưới (drip loop). Khi chạy dây điện, hoặc cáp, dây mạng, hay dây camera, trước khi dây đi vào trong tường, mái nhà, cần phải đi vòng dây xuống phía dưới, tạo thành một hình bán nguyệt, gọi là drip loop. Nơi cáp đi qua một thanh dẫn, được gọi là “yên ngựa” dẫn đến sợi dây ngay bên dưới boong ngàm. Bó cáp treo “ngoằn ngoèo” này cho phép trục xoay khi nó định vị trục và quay theo hướng gió. Khi xảy ra hiện tượng xoay thân, các dây cáp này bị xoắn, uốn liên tục và đôi khi đập vào tâm của boong ngàm. Nếu các dây cáp không được quản lý và lắp đặt đúng khoảng cách, hiện tượng lão hóa do nhiệt và mài mòn sẽ xuất hiện khiến cáp bị xoắn tạo ra ma sát và nhiệt, làm giảm tuổi thọ vỏ cáp và lớp cách điện. Việc quản lý cáp đối với thế hệ mới đã được quan tâm, nhưng thế hệ cáp cũ vẫn còn tồn tại những nhược điểm trên.

Nhiều loại cáp và dây dẫn được sử dụng trong các nhà máy điện gió, nhưng phổ biến nhất là nhựa nhiệt dẻo, cách điện PVC hoặc PUR, hay chất đàn hồi, như cáp cao su. Về nguyên tắc, tất cả các loại vật liệu đều phải chịu quá trình lão hóa hóa học và vật lý. Ngoài ra, sự lão hóa của nhựa còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên trong và bên ngoài khác. Cường độ, thời lượng và loại tải, cũng như phương tiện xung quanh và các điều kiện môi trường gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của cáp.

Điểm mặt yếu tố tác động đến quá trình lão hóa của cáp:

Một là lực xoắn: Lớp vỏ ngoài bảo vệ cáp thường bị hư hỏng do các sợi cáp cọ xát vào nhau.

Hai là: Theo nhà sản xuất tua bin gió, cáp xoắn phải được thử nghiệm chức năng trong khoảng từ 2.000 đến 10.000 chu kỳ xoắn trong vòng đời sử dụng khoảng 20 năm.

Ba là độ rung: Roto to quay gây ra rung động trong ống xoắn cũng như trong tháp; những điều này phải được xác định bởi nhà sản xuất tua bin gió để tiến hành các phép thử nghiệm tương ứng.

Bốn là độ mài mòn: Vật liệu được sử dụng trong sản xuất cáp chống xoắn phải có độ mài mòn thấp để mang lại kết quả cao nhất trong quá trình thử nghiệm ma sát và mài mòn trên các hợp chất vật liệu bọc cáp.

Năm là dầu: Dầu là yếu tố gây lão hóa rất tiềm ẩn, làm giảm tuổi thọ của cáp và dây điện. Kiểm tra độ bền của các loại dầu công nghiệp thông thường. Đối với tua bin gió nên sử dụng các loại dầu đặc biệt. Không nên bỏ qua sự tích tụ hơi dầu từ các bộ phận quay như bánh răng, động cơ và trục rotor.

Sáu là nhiệt độ: Lão hóa nhiệt thường được dựa trên đường cong Arrhenius thực. Tốc độ lão hóa phụ thuộc rất nhiều vào chất tải nhiệt, đặc biệt là nhiệt độ ruột dẫn. Nếu nhiệt độ cho phép bị quá tải vĩnh viễn, sự lão hóa cách điện sẽ tăng nhanh, hậu quả tuổi thọ của cáp giảm theo “quy tắc Van’t Hoff”. Theo quy tắc Van’t Hoff thì nhiệt độ cứ tăng thêm 10 độ thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên γ lần, γ có giá trị từ 2 ÷ 4 lần. Trong đó: γ là hệ số nhiệt độ cho biết tốc độ của phản ứng tăng lên bao nhiêu lần khi nhiệt độ của phản ứng tăng 10 độ C. Nhiệt độ môi trường cũng như động lực nhiệt độ (nhiệt độ thấp nhất đến cao nhất) cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ.

Các yếu tố tiềm ẩn khác:

– Nồng độ oxy trong không khí xung quanh.

– Môi trường xung quanh (sương muối).

– Tạp chất (cát, dung môi, v.v…).

– Tiếp xúc với tia cực tím.

– Cường độ và bước sóng tiếp xúc bức xạ.

– Ô nhiễm ôzôn (bức xạ năng lượng, trường điện từ).

– Độ ẩm và ngưng tụ nước…

Tóm lại, tuổi thọ cáp và dây dẫn chỉ có thể được xác định gần đúng bằng cách sử dụng các thử nghiệm chức năng và thử nghiệm đặc tính. Lão hóa nhân tạo chỉ là một thành phần trong chuỗi lão hóa. Tuy nhiên, khi cáp được sử dụng trong thực tế có thể phát sinh các sự cố gây lão hóa rất khó xác định hoặc loại trừ. Về cơ bản, sự ổn định của vật liệu tổ hợp thường được thiết lập hoặc thử nghiệm lão hóa để giúp cáp duy trì được khoảng 20.000 giờ ở nhiệt độ quy định.

Dùng cáp nhôm thay cho cáp đồng:

Theo nghiên cứu, phép thử HELUKABEL và qua thực tế vận hành cho thấy đồng trở thành ứng viên tiêu chuẩn dùng trong cáp và dây điện vì tính dẫn điện và tính uốn tuyệt vời. Tuy nhiên, so với nhôm, đồng đắt hơn nhiều. Vì vậy, giải pháp tình thế là chuyển sang nhôm. Để sử dụng nhôm thành công cần hiểu rõ khả năng cũng như nhược điểm của nó. Giá đồng trung bình tại Mỹ trong ba tháng gần đây (tính đến tháng 8 năm 2021) là 4.417 USD/tấn, đắt gần gấp 4 lần so với nhôm, 1.138 USD. Sự khác biệt đáng kể về giá này là do nhôm thô có sẵn so với đồng.

Với chi phí giá ngày càng tăng, nhiều khách hàng công nghiệp đang tính đến chuyện cắt giảm chi phí và trọng lượng bằng cách sử dụng cáp nhôm dây dẫn B cho các ứng dụng tĩnh và cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống xoắn, chẳng hạn như trong ống thép. Là một nguyên liệu thô, nhôm có trọng lượng nhẹ hơn đồng khoảng 70%. Điều này rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Ví dụ, khi được sử dụng trong cáp điện, trọng lượng nhôm nhẹ hơn nên dễ lắp đặt và bảo dưỡng.

Cáp cao thế từ lâu đã được làm từ nhôm do trọng lượng nhẹ nên làm giảm đáng kể lực kéo đặt lên dây và cột. Hiện tại, các ngành công nghiệp khác như sản xuất ô tô và công nghiệp hàng không cũng đang chuyển sang sử dụng dây nhôm. Tất cả các dây cáp trên máy bay Airbus A380 đều được làm bằng nhôm. Dây nhôm nhẹ hơn dây đồng đến 60% với khả năng mang dòng điện tương đương. Ngay cả đối với các ứng dụng yêu cầu kết nối cáp linh hoạt, đồng không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất, nhất là trong bối cảnh giá tăng đột biến như hiện nay./.

IPC E&C (Theo: Tạp chí năng lượng Việt Nam)