Dòng điện một chiều (DC) mang lại hiệu quả tốt hơn cho các nguồn năng lượng tái tạo và trung tâm dữ liệu, nhưng các máy cắt lỗi thời lại hạn chế việc sử dụng nó. Các máy cắt cơ học truyền thống thường không thể xử lý dòng điện một chiều đủ nhanh để ngăn ngừa rủi ro.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) Hoa Kỳ, đang nỗ lực để thay đổi điều đó. Máy cắt trung thế dựa trên chất bán dẫn mới của họ, được thiết kế để bảo vệ hệ thống DC một cách nhanh chóng, an toàn, giá cả phải chăng.
Sự phát triển này có thể giúp giảm chi phí điện, tăng công suất lưới điện mà không cần phải đại tu cơ sở hạ tầng tốn kém. Công trình được công bố tại Hội nghị và triển lãm chuyển đổi năng lượng IEEE (ECCE) năm 2024.
Khác với dòng điện xoay chiều (AC), DC không đổi hướng, do đó không có “điểm 0” trong dòng điện để giúp máy cắt cơ học dừng dòng điện. Sự chậm trễ đó khiến nhiệt tích tụ, làm tăng nguy cơ hỏa hoạn. Máy cắt dựa trên chất bán dẫn khắc phục điều này bằng cách phản ứng nhanh hơn gấp trăm lần.
Nhóm nghiên cứu thiết kế dựa trên thyristor, loại chất bán dẫn cũ nhưng giá thành rẻ, được biết đến có độ tin cậy cao. Mặc dù thyristor không thể ngắt trực tiếp, nhưng các nhà nghiên cứu chế tạo một mạch bên ngoài để buộc dòng điện giảm xuống.
Kết quả cho thấy, một nguyên mẫu máy cắt dựa trên chất bán dẫn có thể ngắt dòng điện 1.400 vôn trong vòng chưa đầy 50 micro giây. Tốc độ này nhanh hơn từ bốn đến sáu lần so với các hệ thống dựa trên thyristor trước đây.
Để mở rộng quy mô máy cắt cho mục đích sử dụng thực tế, nhóm nghiên cứu kết nối nhiều thiết bị nối tiếp. Phương pháp này gặp phải một số rào cản kỹ thuật. Hệ thống phải phân phối điện áp đều trên tất cả máy cắt và vẫn phản ứng tức thời khi có sự cố.
Các kỹ sư giải quyết cả hai thách thức này và thử nghiệm thành công máy cắt lên đến 1.800 vôn. Công việc hiện đang được tiến hành để đạt đến 10.000 vôn, một chuẩn mực cho lưới điện DC có nhu cầu cao.
Cho đến nay, chưa có máy cắt thương mại nào có thể xử lý an toàn dòng điện một chiều trên 2.000 vôn. Hầu hết đều không đạt được một nửa con số đó, khiến bước đột phá của ORNL trở thành một bước tiến quan trọng.
Máy cắt DC trung thế rất cần thiết cho các hệ thống năng lượng trong tương lai, đặc biệt trong các lĩnh vực như trung tâm dữ liệu AI và sản xuất tiên tiến. Các ngành công nghiệp này thường dựa vào thiết bị điện tử công suất DC, vốn sẽ mất hiệu suất khi buộc phải chuyển đổi sang AC.
Chất bán dẫn như thyristor loại bỏ nguy cơ hồ quang điện thường gặp ở máy cắt DC cơ học. Các nhà nghiên cứu cho biết, một khi bạn chuyển sang DC, khoảnh khắc “dòng điện bằng 0” sẽ biến mất, nếu không có máy cắt trung thế, máy cắt cơ học sẽ không đủ nhanh để ngăn chặn sự cố trước khi nhiệt tích tụ và gây ra hỏa hoạn.
