Trạm biến áp GIS được đánh giá là lựa chọn hàng đầu cho khu vực dân cư đông đúc, nội đô diện tích hạn chế hoặc các khu vực có điều kiện khắc nghiệt. Vậy trạm biến áp GIS là gì? Lý do gì khiến trạm GIS đang dần thay thế các trạm điện AIS truyền thống. Bạn có thể tìm hiểu trong bài viết sau của chúng tôi.
Trạm biến áp GIS là gì?
Trạm biến áp GIS (Gas Insulated Substations) là loại trạm biến áp sử dụng công nghệ khí trơ SF6 (Sulfur Hexafluoride) trong vỏ kim loại đúc kín để làm môi trường cách điện và dập hồ quang, thay vì công nghệ dầu hoặc không khí như các trạm điện truyền thống. Công nghệ này giúp tiết kiệm từ 80-90% diện tích lắp đặt so với trạm biến áp thông thường và nâng tuổi thọ trạm điện lên đến 50 năm vận hành.
Trạm GIS được nhận định là loại trạm biến áp có công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, thậm chí có khả năng thay thế các trạm điện truyền thống. Do đó, trạm GIS thích hợp để lắp đặt tại các thành phố lớn - nơi có nhu cầu cao về tiêu thụ điện nhưng lại bị hạn chế về diện tích xây lắp trạm.
Một số chức năng điển hình của trạm biến áp GIS:
- Chuyển đổi cấp điện áp: Trạm GIS thực hiện nhiệm vụ của tất cả các loại trạm điện là chuyển đổi điện áp đầu vào (nâng hoặc hạ áp) để phù hợp với lưới điện đầu ra.
- Phân phối điện năng: Trạm GIS chịu trách nhiệm nhận điện từ lưới và điều tiết nguồn điện đến các khu vực tiêu thụ.
- Bảo vệ hệ thống: GIS sở hữu nhiều thiết bị đóng cắt, có khả năng kết nối khi dòng điện vận hành bình thường hoặc ngắt dòng khi có sự cố quá tải, ngắn mạch trên lưới.
- Làm mát hệ thống: Trạm GIS được trang bị hệ thống làm mát hiện đại, đảm bảo nhiệt độ thích hợp cho máy biến áp và các thiết bị điện khác.
Khí SF6 - cốt lõi của công nghệ GIS trong trạm biến áp
Công nghệ khí SF6 chính là “linh hồn” giúp trạm biến áp GIS thu nhỏ được kích thước đến vài chục lần so với các trạm điện truyền thống.
Lý do là bởi, khí SF6 sở hữu nhiều đặc điểm ưu việt như:
- Khả năng cách điện siêu việt: Ở điều kiện thường, SF6 có độ bền điện môi gấp từ 2,5 - 3 lần so với không khí. Và khi được nén ở áp suất thích hợp, khả năng cách điện của khí này còn vượt cả dầu máy biến áp. Nhờ đó, khoảng cách pha - pha và hệ thống đóng cắt được thu gọn, góp phần thu nhỏ đáng kể diện tích tổng thể của trạm GIS mà vẫn đảm bảo hiệu suất truyền tải và tính an toàn điện.
- Khả năng dập hồ quang lập tức: Khi máy cắt thực hiện thao tác ngắt mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện. SF6 có tính chất âm điện, lập tức “bắt giữ” các electron tự do nên nhanh chóng hấp thụ năng lượng của hồ quang, khiến tia lửa điện bị dập “thần tốc”.
- Độ ổn định hóa học cao: SF6 là khí trơ, không màu, không mùi và không cháy nên trong điều kiện vận hành bình thường, SF6 sẽ không phản ứng với bất kỳ vật liệu nào bên trong trạm. Thậm chí, SF6 còn có khả năng tự tái tạo sau khi phân rã tạm thời để dập hồ quang. Điều này giúp SF6 có tuổi thọ sử dụng dài trong thiết bị kín, kéo theo tuổi thọ của trạm GIS cũng gấp 2-2,5 lần so với trạm điện loại thường.
- Hệ thống giám sát nghiêm ngặt: Công nghệ SF6 thường đi kèm với hệ thống cảm biến tiên tiến gồm rơ le mật độ và cảnh báo để theo dõi áp suất trong khoang và ngắt điện tự động nhằm hạn chế sự cố phóng điện xuyên thủng trong trường hợp khí bị rò rỉ.
Mặc dù là cốt lõi của công nghệ GIS trong trạm biến áp nhưng SF6 lại là khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh nhất (gấp khoảng 23.500 lần so với khí CO2). Vì vậy, công nghệ SF6 yêu cầu quy trình thu hồi và tái chế phức tạp, tốn kém, trong đó tuyệt đối không được xả trực tiếp khí này ra môi trường.
Cấu tạo của trạm biến áp GIS
Trạm biến áp GIS có kết cấu nhỏ gọn, dạng module, mỗi module được gọi là một “ngăn lộ”. Điểm khác biệt lớn nhất của trạm biến áp loại này là tất cả thiết bị đóng cắt được đặt trong vỏ kim loại kín và nạp đầy khí SF6 áp suất cao.
Các thành phần chính trong trạm biến áp GIS gồm có:
- Máy biến áp: Bộ phận quan trọng nhất của trạm, chịu trách nhiệm chuyển đổi cấp điện áp phù hợp với lưới đầu ra.
- Máy cắt (CB): Có nhiệm vụ bảo vệ hệ thống khi có sự cố quá tải, ngắn mạch. Trong trạm GIS, buồng kín chứa máy cắt nằm hoàn toàn trong môi trường khí SF6. Công nghệ dập hồ quang thường dùng là kiểu Puffer (thổi khí) hoặc Self-blast (tự thổi).
- Dao cách ly và dao nối đất: Thường được tích hợp thành khối để tiết kiệm diện tích trong các trạm GIS hiện đại. Các loại dao này được trang bị thêm động cơ để điều khiển từ xa thông qua hệ thống SCADA, đồng thời có thể quan sát vị trí đóng cắt thông qua cửa sổ kính trên vỏ thiết bị.
- Máy biến dòng (CT) và biến điện áp (VT): Được thiết kế dạng đúc epoxy hoặc đặt trong môi trường khí, đảm nhận vai trò chuyển đổi dòng điện và điện áp lớn xuống giá trị tiêu chuẩn để cấp tín hiệu cho đồng hồ đếm và rơ le bảo vệ.
- Thanh cái: Đặt trong ống kim loại chứa khí SF6 và được bố trí chạy dọc theo chiều dài của ngăn lộ. Đây là xương sống truyền tải điện năng cho toàn trạm.
- Hệ thống giám sát khí SF6: Mỗi khoang khí SF6 đều được trang bị một đồng hồ kiểm soát mật độ khí. Nếu áp suất khí tụt dưới ngưỡng tiêu chuẩn, hệ thống sẽ phát cảnh báo hoặc khóa thao tác.
Ưu, nhược điểm của trạm biến áp GIS
Ưu điểm của trạm biến áp GIS
- Tiết kiệm diện tích: Trạm GIS chỉ chiếm từ 10-25% diện tích của trạm điện thông thường nên có thể lắp đặt trong nhà hoặc tại khu vực có không gian hạn chế như trung tâm thành phố.
- Độ tin cậy cao: Khả năng cách điện của trạm GIS gấp 2,5 - 3 lần so với trạm truyền thống. Hơn nữa, các thiết bị chính đều được bọc trong môi trường kín nên không bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài như thời tiết và tác động cơ học.
- Độ bền cao: Tuổi thọ trung bình của trạm GIS lên đến 50 năm và thông thường, tần suất bảo trì của trạm này cũng phải từ 8 - 10 năm.
- Vận hành êm ái: Sử dụng công nghệ khí kín nên trạm điện GIS giảm thiểu được tiếng ồn và không gây nhiễu vô tuyến trong quá trình vận hành.
- Thiết kế hiện đại: Các trạm GIS ngày nay đều được tích hợp hệ thống điều khiển, tự động hóa, cho khả năng quản lý, giám sát từ xa.
Nhược điểm
- Chi phí đầu tư rất cao: Sở hữu công nghệ chế tạo phức tạp nên trạm GIS cần chi phí đầu tư ban đầu cao hơn nhiều so với các trạm truyền thống.
- Khó khăn khi sửa chữa: Công nghệ khí SF6 có tính an toàn cao nhưng cũng gây khó khăn cho quá trình sửa chữa khi có sự cố xảy ra bên trong ống. Hơn nữa, việc vận hành, bảo trì, sửa chữa trạm điện này cũng yêu cầu kỹ thuật viên có trình độ chuyên môn cao.
- Nguy cơ rò rỉ khí SF6: Đây là loại khí nhà kính mạnh nên chỉ cần một lượng nhỏ khí bị rò rỉ cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Vì vậy, việc quản lý và tái chế khí SF6 yêu cầu quy trình và công nghệ phức tạp.
Phân biệt trạm biến áp GIS với AIS
Trạm biến áp AIS (Air Insulated Substation) là loại trạm điện sử dụng không khí làm môi trường cách điện chính để cách ly các phần tử mang điện với đất và giữa các pha. Trong trạm này, các thiết bị chủ yếu được lắp đặt ngoài trời với chi phí đầu tư thấp, dễ bảo trì.
Trạm biến áp AIS
Chi tiết sự khác biệt giữa trạm GIS với trạm AIS có trong bảng sau:
| Tiêu chí | Trạm biến áp GIS | Trạm biến AIS |
| Diện tích xây lắp | Siêu nhỏ gọn, chỉ chiếm 10-20% diện tích của trạm AIS | Yêu cầu diện tích xây dựng lớn, tương tự mô hình trạm biến áp truyền thống ngoài trời |
| Môi trường cách điện | Khí SF6 | Không khí |
| Độ tin cậy | Thiết kế kín nên hạn chế sự cố hồ quang điện, giảm nguy cơ phóng điện | Thấp hơn, dễ bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, sương muối và động vật do các phần tử dẫn điện được đặt lộ thiên trên khung kim loại hoặc bê tông |
| Khả năng mở rộng | Cấu trúc kín nên khó khăn trong việc mở rộng và tốn chi phí hơn | Dễ dàng do sở hữu cấu trúc mở. Có thể bổ sung thêm các ngăn lộ, máy biến áp, thanh cái mà ít ảnh hưởng đến vận hành |
| Tác động đến môi trường | SF6 trong trạm GIS là khí nhà kính cực mạnh nên nếu bị rò rỉ sẽ rất nguy hiểm | Trạm AIS cách điện bằng không khí nên thân thiện với môi trường hơn. Tuy nhiên, diện tích lắp đặt lớn có thể ảnh hưởng đến sinh thái khu vực |
| Chi phí đầu tư | Gấp từ 1,5 - 2 lần so với trạm AIS | Chi phí thấp hơn |
| Chi phí vận hành | Yêu cầu bảo trì thấp, chu kỳ bảo dưỡng dài, không cần vệ sinh sứ thường xuyên | Chu kỳ bảo dưỡng thấp hơn, cần vệ sinh sứ thường xuyên |
| Tuổi thọ | Lên đến 50 năm | Từ 25 - 30 năm (bị lão hoá do môi trường) |
Câu hỏi thường gặp về trạm biến áp GIS là gì?
Câu hỏi 1: Khí SF6 trong trạm biến áp GIS có độc không?
Trả lời: Ở dạng nguyên chất, khí SF6 không màu, không mùi, không độc, không cháy nổ nhưng ở nồng độ cao, SF6 có thể gây ngạt thở. Ngoài ra, đây là khí nhà kính cực mạnh nên có nguy cơ gây nóng toàn cầu cực cao nếu bị rò rỉ.
Câu hỏi 2: Tại sao trạm biến áp GIS lại có giá thành cao?
Trả lời: Trạm GIS sử dụng vật liệu đắt tiền (khí SF6 làm môi trường cách điện và vỏ kim loại để bao bọc các thiết bị dẫn điện), đi kèm là công nghệ sản xuất phức tạp, quy trình lắp đặt và bảo trì nghiêm ngặt nên tất yếu, chi phí đầu tư cho trạm GIS cũng sẽ cao hơn các trạm biến áp thông thường nhiều lần.
Câu hỏi 3: Tại sao trạm GIS được coi là công nghệ của tương lai?
Trả lời: Trạm GIS chỉ yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo hiệu suất và tính an toàn vận hành nên đáp ứng được nhu cầu đô thị hoá cao và xu hướng tự động hoá trạm biến áp.
Các kiến thức về trạm biến áp, mời bạn theo dõi tại: https://etinco.vn/tin-tuc/kien-thuc/kien-thuc-tram-bien-ap/
