Khái niệm cáp siêu dẫn đang thu hút sự chú ý đặc biệt trong ngành điện hiện đại. Đây là loại cáp được chế tạo từ vật liệu siêu dẫn, vốn có khả năng truyền tải dòng điện mà gần như không phát sinh tổn hao khi được làm lạnh đến nhiệt độ tới hạn. Sự xuất hiện của cáp siêu dẫn được xem là một bước ngoặt cho lưới điện thông minh, nơi mà yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và khả năng kiểm soát sự cố ngày càng khắt khe.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng cáp siêu dẫn có thể mang dòng điện cao gấp 5 đến 8 lần so với cáp đồng hoặc nhôm truyền thống, đồng thời chiếm ít không gian hơn, tạo tiền đề cho ứng dụng ở cả các thành phố đông đúc và các hệ thống điện cao áp.
Xem thêm:
Nhiệm vụ của lớp bán dẫn trong cáp trung áp
Ý nghĩa của việc nối đất đầu cáp trong hệ thống điện lực
Cáp điện: Ba yếu tố quyết định sự sống còn của cáp
Hiện tượng siêu dẫn và cơ chế trong cáp điện
Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện từ thế kỷ trước, nhưng phải đến khi các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) ra đời thì ứng dụng trong truyền tải điện mới thực sự khả thi. Về nguyên lý, khi dòng điện đi qua vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn giá trị tới hạn T_c, điện trở suất của nó gần như bằng 0.
Điều này cho phép dòng điện truyền đi mà không gây tổn thất dưới dạng nhiệt, trái ngược với quy luật Joule–Lenz thường thấy trong kim loại. Ở cáp siêu dẫn nhiệt độ cao, quá trình làm lạnh thường được duy trì bằng nitơ lỏng (LN2) hoặc trong tương lai có thể là hydro lỏng (LH2) để phù hợp với xu hướng điện hóa lạnh trong hàng không và vận tải.
Đối với hệ thống điện là rất lớn. Nếu cáp truyền thống phải bù công suất phản kháng, lắp thêm các trạm trung gian hoặc tăng tiết diện dây dẫn để giảm tổn thất, thì cáp siêu dẫn có thể loại bỏ phần lớn những giới hạn đó. Nhờ vậy, nó mang lại cả lợi ích kinh tế lẫn kỹ thuật, đồng thời mở ra triển vọng giảm phát thải khí nhà kính nhờ tiết kiệm năng lượng truyền tải.
Vai trò trong lưới điện thông minh
Lưới điện thông minh được xây dựng trên nền tảng công nghệ số, tự động hóa và khả năng tích hợp đa dạng nguồn năng lượng tái tạo. Trong bối cảnh này, cáp siêu dẫn đóng vai trò như một phần tử then chốt. Với mật độ dòng tải lớn, nó cho phép truyền công suất cao qua hành lang hẹp, giảm áp lực về mặt bằng lưới điện ở đô thị. Đồng thời, nhờ tổn thất truyền tải cực thấp, cáp siêu dẫn giúp cải thiện hiệu suất hệ thống, giảm chi phí vận hành và tối ưu cân bằng công suất.
Một ưu điểm đáng kể khác là khả năng hạn chế dòng ngắn mạch tự nhiên. Khi dòng điện vượt quá giá trị tới hạn I_c, cáp siêu dẫn chuyển từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái điện trở, khiến điện trở đột ngột tăng lên và giới hạn biên độ dòng sự cố. Hiện tượng này tương đương với việc cáp vừa là phần tử truyền tải vừa đóng vai trò của một thiết bị hạn dòng siêu dẫn (SFCL). Sự kết hợp chức năng này giúp hệ thống điện thông minh vận hành an toàn hơn, giảm áp lực lên rơle và máy cắt truyền thống.
Các nghiên cứu và kết quả thử nghiệm
Trong hai thập kỷ qua, hàng loạt dự án thử nghiệm đã triển khai cáp siêu dẫn ở cả chế độ xoay chiều (AC) và một chiều (DC). Tại Mỹ, dự án Long Island đã đưa vào vận hành tuyến cáp dài 600 mét ở mức điện áp 138 kV, với khả năng truyền tải đến 574 MVA. Ở Đức, dự án Ampacity đã vận hành thành công cáp siêu dẫn 10 kV dài 1 km, thay thế trực tiếp cáp ngầm 110 kV truyền thống. Gần đây hơn, dự án SuperLink tại Munich đã thử nghiệm tuyến cáp 110 kV dài tới 12 km, được xem là cáp siêu dẫn dài nhất châu Âu.
Kết quả của các thử nghiệm này cho thấy cáp siêu dẫn vận hành ổn định, tổn thất gần như bằng không và có khả năng đáp ứng nhanh khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Các nghiên cứu cũng ghi nhận rằng, trong trường hợp dòng ngắn mạch kéo dài vài giây, nhiệt độ đỉnh của lớp siêu dẫn có thể tăng từ 70 K lên 350–500 K tùy theo vật liệu. Do đó, thiết kế cấu trúc cáp, lựa chọn lớp bảo vệ và hệ thống làm mát phải được tính toán cẩn thận để tránh hỏng hóc không thể phục hồi.
Bên cạnh ưu điểm, cáp siêu dẫn vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Thứ nhất là chi phí sản xuất và lắp đặt cao do cần đến vật liệu đặc biệt và hệ thống cryostat làm lạnh. Thứ hai là thời gian phục hồi dài sau sự cố; có trường hợp cần vài giây đến vài phút để trở về trạng thái siêu dẫn, điều này có thể gây gián đoạn cung cấp điện. Thứ ba là vấn đề tích hợp vào lưới điện hiện hữu, bởi đặc tính thay đổi điện trở nhanh của cáp có thể làm sai lệch phối hợp bảo vệ rơle.
Một số giải pháp đã được đề xuất, bao gồm song song hóa với cáp XLPE để chia sẻ dòng sự cố, bổ sung lớp bảo vệ nhiệt nhằm hạn chế lan truyền nhiệt vào lớp cryostat, hoặc tích hợp cơ chế hạn dòng ngay trong cấu trúc cáp (FCL-HTS, FTCL-HTS). Ngoài ra, việc áp dụng các chất làm mát mới như hydro lỏng hoặc neon lỏng hứa hẹn cải thiện hiệu quả làm mát và giảm khối lượng hệ thống, đặc biệt hữu ích cho ứng dụng hàng không.
Theo nhiều dự báo, cáp siêu dẫn sẽ được thương mại hóa rộng rãi vào khoảng năm 2030. Khi giá thành vật liệu giảm và công nghệ làm mát trở nên phổ biến, chúng sẽ trở thành lựa chọn hấp dẫn cho cả lưới điện đô thị và các hệ thống truyền tải công suất lớn. Trong lĩnh vực giao thông, cáp siêu dẫn DC được xem là nền tảng cho máy bay điện sử dụng nhiên liệu hydro và tàu thủy điện hóa lạnh. Trong ngành công nghiệp quốc phòng, chúng có thể cung cấp giải pháp truyền tải năng lượng nhẹ, mạnh và tin cậy cho hệ thống radar hay vũ khí điện từ.