25 năm kinh nghiệm thử nghiệm các vật cách điện polyme

26/08/2024 05:53 Số lượt xem: 903

---

Một số mẫu thử có khiếm khuyết vẫn vượt qua các thử nghiệm lớp tiếp xúc (Ảnh st)

Trước khi lắp đặt trên các đường dây trên không, chất lượng của các vật cách điện polyme phải được chấp thuận thông qua thử nghiệm thiết kế đầy đủ và thử nghiệm điển hình. Sau đó, các nhà chế tạo chịu trách nhiệm thực hiện các thử nghiệm mẫu và thử nghiệm thường xuyên. Ngày nay, nhiều người dùng cũng yêu cầu các thử nghiệm nghiệm thu đặc biệt.

Bài viết này đã cân nhắc các bài học quan trọng dựa trên 25 năm thiết kế và thử nghiệm điển hình các vật cách điện này. Ví dụ, thử nghiệm dài hạn đã chỉ ra rằng hư hại của các vật cách điện polyme xảy ra chủ yếu trong quá trình thử nghiệm lớp tiếp xúc. Thật vậy, mặc dù tiêu chuẩn IEC 62217 hiện hành liên quan đến các vật cách điện polyme quy định các thử nghiệm trên các lớp tiếp xúc để xác minh chất lượng nhưng kinh nghiệm đã chỉ ra rằng các vật cách điện composite có độ bám vỏ kém đôi khi vẫn vượt qua thử nghiệm này. Vì lý do đó, tiêu chuẩn IEC 62217 đã sửa đổi với mục tiêu đưa ra các tiêu chí chặt chẽ hơn nhằm cải thiện khả năng phát hiện các vật cách điện bị khiếm khuyết thông qua thử nghiệm lớp tiếp xúc.

Năm 1995, trên cùng đường dây 110kV ở Cộng hòa Séc đã lắp đặt các vật cách điện polyme thanh dài của 6 nhà chế tạo khác nhau. Hình 1 cho thấy hình dáng bên ngoài của một trong những vật cách điện có vỏ bằng cao su silicon này trong các cuộc thanh tra tiến hành vào năm 2000 và 2006. Tất cả các vật cách điện được đánh giá trong các cuộc thanh tra này đều ở tình trạng tốt đến tuyệt vời về các đặc tính điện và cơ, mặc dù chúng có một sự thay đổi màu sắc nào đó, hiện tượng hóa phấn, nứt bề mặt nhỏ và giảm tính kỵ nước.

Hình 1: So sánh vật cách điện polyme thanh dài lắp đặt trên đường dây 110kV khi mới lắp đặt, sau 5 năm và sau 11 năm vận hành (Ảnh st)

Một trụ điện của đường dây 400kV đã lắp đặt vật cách điện polyme thanh dài với vỏ cao su EPDM (ethylene propylene diene monomer) vào đầu năm 1990. Hình 2 cho thấy kết quả kiểm tra trực quan thiết bị này vào năm 2002. Có hiện tượng hóa phấn trên vỏ và tất cả các mẫu vật cách điện đã trở thành hoàn toàn ưa nước. Mặc dù không có bằng chứng về phóng điện vết hoặc xói mòn, nhưng phần dưới của xiêm phía dưới có các vết nứt, rất có thể là do phơi nhiễm phóng điện vầng quang. Sau đó người ta đã tìm thấy một thiết kế vòng phân áp chống phóng điện hồ quang không phù hợp.

Hình 2: Vật cách điện polyme thanh dài 400kV sau hơn 10 năm sử dụng (Ảnh st)

Hỏng các vật cách điện polyme ở Cộng hòa Séc

Kể từ khi nhà điều hành hệ thống truyền tải (TSO) của Séc (CEPS) bắt đầu áp dụng các vật cách điện polyme, đã xảy ra hai sự cố đáng chú ý về hiện tượng gãy giòn. Trong một trường hợp, một vật cách điện polyme thanh dài căng lắp đặt trên đường dây 220kV bị hỏng về mặt cơ học 6 năm sau khi lắp đặt vào năm 2000. Hình 3 cho thấy một ví dụ về hiện tượng nứt giòn điển hình như vậy trong khi thử nghiệm trong phòng.

Hình 3: Vật cách điện polyme thanh dài 220kV bị nứt giòn (Ảnh st)

Ngoài ra, một vật cách điện lắp đặt trên đường dây 400kV trong một bộ hai vật cách điện căng đã bị hỏng năm 2017 (xem Hình 4), 10 năm sau khi đưa vào sử dụng. Hồ quang điện đã xảy ra do phóng điện bề mặt bên trong và ảnh hưởng đến 2/3 của một vật cách điện trong bộ vật cách điện này. Trong trường hợp này, người ta đã phát hiện ra mối liên kết bị hỏng giữa vỏ vật cách điện và thanh lõi (xem Hình 4). Nguyên nhân gốc rễ của sự cố đã được điều tra và xác định là do hơi ẩm xâm nhập và lan truyền dọc theo lớp giao diện vỏ-thanh bị hỏng.

Hình 4: Hỏng vật cách điện polyme thanh dài 400kV (Ảnh st)

Kinh nghiệm từ Thử nghiệm Độc lập

Phòng thí nghiệm cao áp EGU (Cộng hòa Séc) đã thử nghiệm một số lượng lớn các loại và kết cấu vật cách điện polyme khác nhau theo các tiêu chuẩn quốc tế liên quan. Điều quan trọng cần lưu ý là các thử nghiệm nêu trong các tiêu chuẩn này thể hiện các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để đảm bảo tính năng dịch vụ kỳ vọng. Một điều cũng quan trọng cần nhấn mạnh là một số vật cách điện bị hỏng trong quá trình thử nghiệm và một số chúng cũng bị hỏng trong quá trình sử dụng.

Đánh giá kết quả thử nghiệm

Dựa trên các đánh giá dài hạn thực hiện tại phòng thí nghiệm này, khoảng 10% trong số tất cả các vật cách điện polyme đã thử nghiệm thiết kế hoặc thử nghiệm điển hình là không đạt. Hình 5 phân loại các vật cách điện này theo loại thử nghiệm khi xảy ra hư hỏng. Từ những số liệu thống kê này, rõ ràng là các vật cách điện bị hỏng chủ yếu trong các thử nghiệm lớp tiếp xúc bằng thử nghiệm xung dốc đứng (41%) hoặc bằng thử nghiệm điện áp chịu thử AC khô liên tiếp (14%). Nói cách khác, khoảng 55% tất cả các loại hư hại vật cách điện xảy ra trong điều kiện phòng thí nghiệm đều liên quan đến thử nghiệm lớp tiếp xúc.

Hình 5: Hư hỏng vật cách điện polyme theo loại thử nghiệm: (mech) thử nghiệm cơ khí; (steep) thử nghiệm xung dốc đứng; (AC) thử nghiệm điện áp chịu thử AC khô (30 phút); (WDT) thử nghiệm khuếch tán nước; (DPT) thử nghiệm thâm nhập thuốc nhuộm; (erosion) thử nghiệm phóng điện vết và xói mòn (Ảnh st)

Thử nghiệm cơ khí

Tính năng cơ học của các vật cách điện là rất quan trọng vì sự cố cơ học thảm khốc có thể dẫn đến tụt đường dây, được coi là tình huống nghiêm trọng nhất có thể gặp phải trong quá trình sử dụng. Các đặc tính cơ học của các vật cách điện polyme đã xác minh thông qua thử nghiệm như đã nêu trong các tiêu chuẩn quốc tế liên quan. Hơn nữa, các nhà chế tạo có kinh nghiệm cũng đã triển khai nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau để đảm bảo các liên kết chất lượng cao giữa các phụ kiện đầu nối với lõi sợi thủy tinh, tức là tránh các vấn đề liên quan đến uốn nếp không đủ hoặc uốn nếp quá mức (xem Hình 6). Việc lựa chọn đúng vật liệu phụ kiện đầu nối liên quan đến công nghệ uốn nếp và quy trình sử dụng cũng rất quan trọng, giống như các khía cạnh thiết kế như các tham số thanh lõi, v.v. Mặc dù hầu hết các nhà chế tạo đã học những yếu tố này từ kinh nghiệm của chính họ hoặc từ các nguồn kỹ thuật có sẵn công khai, nhưng vẫn còn gặp phải các vấn đề bất thường, như thể hiện trên Hình 7, trong đó các linh kiện đầu nối bị hỏng gắn với nhau bằng một chốt đi thẳng qua lõi.

Hình 6: Tách lớp lõi thấp hơn tải trọng cơ học quy định (SML) (Ảnh st)

Hình 7: Ví dụ về kết nối phụ kiện đầu nối bị hỏng (Ảnh st)

Thử nghiệm điện

Các vật cách điện đang hoạt động phải chịu không chỉ điện áp vận hành bình thường mà còn phải đối phó với tình trạng quá áp tạm thời. Vì lý do này, cần thực hiện các thử nghiệm điện tiêu chuẩn như thử nghiệm tần số lưới hoặc thử nghiệm xung như một phần của thử nghiệm điển hình. Hơn nữa, thử nghiệm xung dốc đứng không chỉ được áp dụng như một phần của thử nghiệm lớp tiếp xúc mà còn như một thử nghiệm điện môi mô phỏng các quá độ thoáng qua nhanh. Ví dụ, thử nghiệm xung dốc đứng của mẫu trong Hình 8 không đạt trong khu vực có vòng phân áp tích hợp do một điểm yếu trong lớp tiếp xúc giữa vỏ silicon và phụ kiện đầu nối. Hình 9 cho thấy một mẫu vật bị hỏng ở giao diện điểm ba quan trọng giữa vỏ, thanh và phụ kiện đầu nối. Trong trường hợp này, thử nghiệm xung dốc đứng đã phát hiện ra khiếm khuyết cục bộ trong thanh sợi thủy tinh.

Hình 8: Đánh thủng vỏ (Ảnh st)

Hình 9: Đánh thủng tại khiếm khuyết thanh (Ảnh st)

Hình 10 minh họa một vết đánh thủng điển hình ở điểm ba do vật cách điện thiết kế kém. Ngày nay, nhiều vật cách điện polyme có thiết kế với vỏ đúc dày hơn nhằm cho phép chiều dài đường rò lớn hơn đối với một đoạn chiều dài đã cho. Nhưng trong những trường hợp như vậy, phải tính đến ứng suất điện cao hơn ở khu vực điểm ba và phải tính chiều dày vỏ thích hợp cho khu vực đó để tránh bị đánh thủng, không chỉ trong quá trình thử nghiệm xung dốc đứng mà còn cả trong các điều kiện vận hành. Hình 11 cho thấy kết cấu linh kiện đầu nối kém tạo ra cạnh sắc gây ra ứng suất điện cao tại điểm đó. Kết quả là bị đánh thủng điện.

Hình 10: Đánh thủng do thiết kế kém (Ảnh st)

Hình 11: Đánh thủng do linh kiện đầu nối không phù hợp (Ảnh st)

Đã có nhiều đề xuất loại trừ thử nghiệm xung dốc đứng khỏi trình tự thử nghiệm lớp tiếp xúc. Tuy nhiên, dựa trên kinh nghiệm đó, cần duy trì thử nghiệm xung dốc đứng trong tiêu chuẩn IEC 62217 sửa đổi. Nó không chỉ thể hiện một thành phần quan trọng của thử nghiệm lớp tiếp xúc mà còn là một thử nghiệm độ bền điện môi để đánh giá các đặc tính điện môi và kết cấu của các vật liệu sử dụng trong các vật cách điện composite.

Thử nghiệm lớp tiếp xúc

Thử nghiệm lớp tiếp xúc là một thử nghiệm phức tạp liên quan đến các đặc tính của lớp tiếp xúc với chất lượng của các vật cách điện composite. Thật vậy, theo kinh nghiệm tại Phòng thí nghiệm Cao áp EGU, lý do phổ biến nhất dẫn đến các vật cách điện polyme không đạt trong quá trình thử nghiệm thiết kế là do thử nghiệm lớp tiếp xúc không đạt. Tuy nhiên, trình tự thử nghiệm hiện tại và các tiêu chí đưa ra trong IEC 62217, như hiện nay, vẫn cho phép một số mẫu thử có vỏ bám dính kém vào thanh hoặc các phụ kiện đầu nối vượt qua thử nghiệm này. Hình 12 cho thấy một mẫu thử có vỏ không bám dính vào lõi và nó đã bị hỏng trong quá trình thử nghiệm xung dốc đứng. Tuy nhiên, mẫu thử thể hiện trong Hình 13 cũng phát hiện có độ bám kém hoặc tồi, đã vượt qua thử nghiệm lớp tiếp xúc.

Hình 12: Mẫu thử nghiệm lớp tiếp xúc bị hỏng (Ảnh st)

Hình 13: Mẫu thử vượt qua thử nghiệm lớp tiếp xúc (Ảnh st)

Do đó, người ta đã tiến hành khảo sát bao gồm một vật cách điện có liên kết rất kém với thanh lõi cũng như một vật cách điện có liên kết này tốt. Ba khoảng trống xuyên qua thân lớp vỏ và chạm tới thanh lõi có diện tích 1cm² phân bố đều dọc theo chiều dài của mẫu vật cách điện có độ bám dính kém. Sau đó, người ta đã tiến hành thử nghiệm bề mặt tiếp xúc sửa đổi cho cả hai, bằng cách đun sôi các mẫu vật trong 42 giờ và tiến hành thử nghiệm chịu thử tần số công nghiệp trong 30 phút. Người ta đã sử dụng một camera hồng ngoại để theo dõi nhiệt độ của các mẫu thử trong quá trình thử nghiệm. Các hình 14 và 15 cho thấy sự phân bố nhiệt độ của hai mẫu này.

Hình 14: Liên kết kém, nhiệt độ thân tăng (Ảnh st)

Hình 15: Liên kết tốt, nhiệt độ thân không tăng (Ảnh st)

Mẫu có liên kết vỏ kém cho thấy độ tăng nhiệt lên tới 19°C trong quá trình thử nghiệm chịu thử tần số lưới. Nước xâm nhập qua các khoảng trống và phân bố dọc theo thanh lõi tới giao diện lớp vỏ do thiếu liên kết và dẫn đến dòng điện điện trở, tạo ra nhiệt. Mặt khác, mẫu vật có lớp giao diện tốt cho thấy nhiệt độ chỉ tăng 1,3°C. Theo tiêu chuẩn IEC 62217 hiện hành, mức tăng nhiệt độ ở thân vỏ lên tới 10K là có thể chấp nhận trong quá trình thử nghiệm chịu thử tần số lưới. Tuy nhiên, dựa trên kinh nghiệm thử nghiệm, giá trị này là quá cao vì dòng điện điện trở cũng có thể tạo ra nhiệt lượng như vậy. Các vật cách điện không có vấn đề về liên kết vẫn có thể gây ra độ tăng nhiệt độ lên tới 2°C. Hơn nữa, độ không đảm bảo trong phép đo nhiệt độ và các điều kiện thử nghiệm khác cũng phải tính đến.

Thử nghiệm khuếch tán nước

Thử nghiệm khuếch tán nước (WDT) lại là một yếu tố khác trong thử nghiệm thiết kế các vật cách điện polyme và bao gồm việc thử nghiệm thanh lõi, tập trung vào khả năng chống thủy phân của nó. Nếu cân nhắc các mẫu vật cắt từ các vật cách điện hoàn chỉnh, WDT cũng có thể đóng vai trò là một thử nghiệm giao diện hữu ích từ vỏ đến lõi, tức là thử nghiệm chất lượng liên kết của vỏ. Một số lượng lớn các thử nghiệm khuếch tán nước đã thực hiện trên các mẫu loại vật cách điện khác nhau có và không có vỏ nhưng chủ yếu liên quan đến các mẫu cắt từ các vật cách điện hoàn chỉnh. Dữ liệu từ các thử nghiệm điện áp được thu thập như một phần của các WDT này. Ví dụ, các mẫu có đường kính từ 13mm đến 89mm được thử nghiệm với hai cặp điện cực có đường kính khác nhau. Vì đường kính điện cực không đóng vai trò quan trọng trong dải đường kính thanh đã cho nên các kết quả thử nghiệm có thể nhóm lại. Hình 16 thể hiện dòng rò đo được trên chu vi (tức là π x d). Rõ ràng, các kết quả thử nghiệm liên quan đến dòng điện rò thấp cũng như cao đối với các giá trị chu vi giống nhau hoặc tương tự.

Trước tiên, các kết quả cần tách biệt để phân biệt giữa dòng rò điện trở và dòng rò điện dung vì dòng rò điện dung phụ thuộc vào diện tích bề mặt của mẫu thử nghiệm. Như vậy, các mẫu thử nghiệm có diện tích bề mặt lớn hơn sẽ cho thấy dòng rò điện điện dung lớn hơn. Mật độ dòng rò sau đó tính toán trên mỗi diện tích mẫu, như thể hiện trên Hình 17 (mật độ dòng điện theo thang logarit).

Hình 16: Dòng điện rò trên chu vi (Ảnh st)

Hình 17: Mật độ dòng rò trên diện tích (Ảnh st)

Dòng rò điện dung thuần túy sẽ có mật độ dòng điện dưới 0,1µA/mm² trong khi các dòng điện rò cao hơn có thành phần điện trở sẽ thể hiện mật độ dòng điện trên 0,5µA/mm². Do đó, các giá trị trên 0,5µA/mm² đã được loại bỏ khỏi kết quả thử nghiệm để xác định rõ hơn mối quan hệ giữa chu vi mẫu và giá trị dòng điện rò khi nó hoàn toàn là điện dung. Nói cách khác, nếu các mẫu thử nghiệm có độ cách điện tốt thì chỉ đo dòng rò thuần điện dung.

Việc loại bỏ các dòng điện rò bậc thang với các phần điện trở sao cho chỉ hiển thị dòng rò điện dung và đưa ra phương trình tuyến tính thể hiện một đường cong gần đúng. Sau đó, người ta lấy độ lệch tiêu chuẩn từ các mật độ dòng điện tính toán, chọn hệ số bao phủ ba sigma và tính toán một hàm xấp xỉ tuyến tính. Cuối cùng, di chuyển đường cong gần đúng để thể hiện một đường bao phía trên (xem Hình 18). Đường cong đó sẽ biểu thị dòng điện rò tối đa có thể chấp nhận được trên chu vi/đường kính mẫu thử nghiệm đã cho.

Hình 18: Dòng rò điện dung trên chu vi với đường cong giới hạn (Ảnh st)

Tiêu chí chấp nhận đưa ra trong phiên bản hiện tại của IEC 62217 chỉ rõ rằng dòng điện rò đối với bất kỳ đường kính mẫu nào trong quá trình thử nghiệm điện áp không vượt quá mức tối đa là 1mA. Nhưng như đã trình bày ở trên, giá trị đó quá cao và hiện cũng đang được IEC TC 36/MT 19 soát xét lại. Vẫn có những trường hợp WDT không thể phát hiện các mẫu có liên kết kém hoặc thậm chí không có liên kết (xem Hình 19). Hình 20 tóm tắt dòng điện rò đo được trong quá trình thử nghiệm điện áp có đường kính 31mm và đánh dấu bằng hình ôvan màu đỏ. Một số mẫu có đường kính đã cho có liên kết kém tới không có liên kết có thể cho thấy dòng điện rò thấp từ 0,15mA – 0,3mA. Dòng rò tối đa có thể chấp nhận được đối với các mẫu có chu vi từ 100mm trở xuống cần phải ở mức thấp hơn hẳn 0,1mA, như thể hiện trên Hình 18.

Hình 19: Mẫu thử có độ bám kém (Ảnh st)

Hình 20: Dòng điện rò của mẫu có liên kết kém (Ảnh st)

Kết luận

Người ta đã sử dụng các vật cách điện polyme trên lưới điện truyền tải của Séc trong hơn 25 năm và kinh nghiệm dịch vụ là tích cực. Tuy nhiên, có hai trường hợp xảy ra sự cố trên các đường dây 400kV đã được báo cáo. Các vấn đề khác liên quan đến các vật cách điện polyme thanh dài có liên quan đến các vụ mất điện ngoài dự kiến do chim gây ra và khoảng cách điện môi (hồ quang khô) ngắn hơn đang được sử dụng. Những vấn đề như vậy có thể giải quyết bằng các biện pháp như lắp đặt các thiết bị ngăn chặn chim hiệu quả.

Dựa trên kinh nghiệm thử nghiệm lâu dài các vật cách điện polyme, khoảng 10% các vật cách điện như vậy không đạt khi đưa vào thử nghiệm thiết kế và thử nghiệm điển hình và có tới khoảng 55% các cách điện như vậy bị hỏng trong quá trình thử nghiệm lớp tiếp xúc. Một vấn đề lớn mà người ta phát hiện ở một số các vật cách điện polyme nhất định là chất lượng lớp tiếp xúc, tức là chất lượng của vỏ đến lõi hoặc chất lượng của vỏ đến liên kết phụ kiện đầu nối. Kinh nghiệm và kết quả như vậy với thử nghiệm lớp tiếp xúc và khuếch tán nước đã được chuyển đến IEC TC 36/MT 19, chịu trách nhiệm sửa đổi IEC 62217.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 5/2024