Bằng cách loại bỏ các công tắc cơ học và thay thế bằng thyristor, một loại chất bán dẫn, bộ ngắt mạch mới này đã loại bỏ đáng kể rủi ro phóng điện hồ quang và tạo tiền đề cho các lưới điện thế hệ tiếp theo.

Hiện tại, lưới điện Hoa Kỳ đang chịu áp lực lớn từ nhu cầu năng lượng tăng cao và sự xuất hiện của các nguồn năng lượng hiện đại. Dòng điện một chiều (DC) mang lại hiệu quả cao hơn cho các hệ thống năng lượng tái tạo và trung tâm dữ liệu, nhưng việc sử dụng nó lại bị hạn chế bởi các bộ ngắt mạch lỗi thời. Các bộ ngắt cơ học truyền thống không thể xử lý dòng điện DC một chiều đủ nhanh để đảm bảo an toàn.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) đã phát triển một loại bộ ngắt mạch điện áp trung bình mới dựa trên chất bán dẫn, được thiết kế để bảo vệ các hệ thống DC một cách nhanh chóng, an toàn và hiệu quả về chi phí. Sự phát triển này không chỉ giúp giảm chi phí điện năng mà còn tăng dung lượng lưới điện mà không cần đến các cuộc đại tu cơ sở hạ tầng tốn kém.

Thiết kế bán dẫn mở khóa tốc độ

“Việc thiếu các bộ ngắt mạch điện áp trung bình cho dòng điện một chiều DC là một trở ngại lớn đối với tính linh hoạt trong việc cung cấp điện”, Prasad Kandula, trưởng nhóm dự án tại ORNL, cho biết. “Việc phát triển công nghệ này giúp lưới điện hoạt động an toàn và đáng tin cậy hơn, đồng thời đảm bảo cung cấp đủ năng lượng để hỗ trợ dân số và nền kinh tế đang phát triển”.

Điểm khác biệt chính là dòng điện DC không đổi chiều như dòng điện xoay chiều (AC), do đó không có “điểm không” để các bộ ngắt cơ học có thể dễ dàng ngắt dòng. Sự chậm trễ này khiến nhiệt tích tụ trong các sự cố, làm tăng nguy cơ hỏa hoạn. Bộ ngắt mạch bán dẫn khắc phục hoàn toàn vấn đề này bằng cách phản ứng nhanh hơn tới hàng trăm lần.

Nhóm nghiên cứu của Kandula đã dựa trên thiết kế bằng thyristor, một loại bán dẫn cũ nhưng có chi phí thấp và độ tin cậy cao. Mặc dù thyristor không thể tự ngắt, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mạch ngoài để buộc dòng điện giảm xuống. Kết quả là một mẫu thử nghiệm có thể ngắt dòng 1.400 volt chỉ trong vòng 50 micro giây - nhanh hơn từ 4 đến 6 lần so với các hệ thống thyristor trước đây.

Thiết kế có thể mở rộng đạt tới 10.000 volt

Để đưa bộ ngắt mạch vào ứng dụng thực tế, nhóm đã kết nối nhiều đơn vị nối tiếp với nhau. Phương pháp này đặt ra một số thách thức kỹ thuật, chẳng hạn như hệ thống phải phân phối điện áp đồng đều và vẫn phản ứng tức thì trong trường hợp xảy ra sự cố.

Các kỹ sư đã giải quyết thành công cả hai vấn đề và thử nghiệm bộ ngắt mạch lên tới 1.800 volt. Hiện tại, họ đang tiếp tục nghiên cứu để đạt mốc 10.000 volt - một tiêu chuẩn quan trọng cho các lưới điện DC có nhu cầu cao. Cho đến nay, chưa có bộ ngắt mạch thương mại nào có thể xử lý an toàn dòng DC trên 2.000 volt, khiến phát minh của ORNL trở thành một bước đột phá đáng kể.

Bộ ngắt mạch DC điện áp trung bình đóng vai trò thiết yếu cho các hệ thống năng lượng tương lai, đặc biệt là trong các lĩnh vực như trung tâm dữ liệu AI và sản xuất tiên tiến. Các ngành công nghiệp này thường sử dụng các thiết bị điện tử công suất dựa trên DC, vốn sẽ mất hiệu suất nếu phải chuyển đổi sang AC.

Dòng DC còn mang lại nhiều lợi ích khác như: tổn thất đường dây ít hơn, chi phí truyền tải rẻ hơn và hỗ trợ dòng năng lượng đa hướng - tất cả đều cực kỳ quan trọng đối với một lưới điện linh hoạt hơn.

Đây là một phần trong kế hoạch lớn của ORNL nhằm phát triển phần cứng mô-đun, điện áp trung bình cho nhu cầu lưới điện trong tương lai của Hoa Kỳ, bao gồm vận tải, sản xuất và điện toán quy mô lớn.

P.T.T. (NASATI), theo https://interestingengineering.com, 9/2025