An toàn đã trở thành một yếu tố quan trọng trong ngành điện do những rủi ro liên quan đến các sự cố thảm khốc của thiết bị điện. Ví dụ, chạm chập bên trong kèm theo dòng điện chạm chập lớn và hồ quang nhiệt độ cao có thể dẫn đến nổ và cháy lan sang các thiết bị xung quanh. Do đó, những rủi ro như vậy phải là mối quan tâm trong toàn ngành điện, đặc biệt là đối với các công ty điện lực phải chịu chi phí và hậu quả của sự cố.
Với việc lắp đặt tuyến tính theo sơ đồ bố trí dọc và ngang, cáp ngầm có nguy cơ cháy cao hơn. Hơn nữa, ảnh hưởng thường có thể là thảm khốc do ngọn lửa tương đối dễ lan truyền. Ngoài ra còn có thêm rủi ro về các vấn đề môi trường trong trường hợp nhiều chất cháy bị phân tán. Việc sử dụng các biện pháp đối phó cụ thể như dải aramid và máng cáp FRP chống cháy có thể giúp hạn chế các ảnh hưởng không mong muốn và cũng hạn chế cháy lan
Cáp và phụ kiện là một phần không thể thiếu của mạng lưới điện. Ví dụ như, bất cứ khi nào có sự chuyển tiếp với chúng từ các đường dây trên không hoặc thanh cái, các đầu nối cáp được bịt kín bằng cách sử dụng các đầu nối cáp với kết cấu khác nhau, tùy thuộc vào ứng dụng đó là trung áp hay cao áp. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, phải đặc biệt chú ý đến khả năng chịu ô nhiễm vì các đầu nối cáp tiếp xúc với môi trường. Thật vậy, các phụ kiện cáp ví dụ như các mối nối và các đầu nối cáp đã được chứng minh thường là khâu “yếu nhất” trong hệ thống. Các phụ kiện phải chịu được những ứng suất điện cao trong cách điện của cáp và cũng phải chịu được các lực nhiệt cơ cáp tác dụng vào.
Những năm gần đây, ngày càng có nhiều các hệ thống cáp XLPE đã được đưa vào mạng lưới điện cao áp và nhiều mạng lưới điện khác đã được lên kế hoạch triển khai. Vì vậy, số lượng các phụ kiện cáp liên quan cũng ngày càng tăng. Trên thị trường cáp và phụ kiện có tính cạnh tranh cao này, các nhà chế tạo đã nỗ lực rất nhiều để tạo ra những thiết kế gọn gàng hơn đồng thời đảm bảo tính năng nâng cao. Tuy nhiên, bất chấp những cải tiến liên tục về vật liệu cũng như phương pháp sản xuất, tỷ lệ sự cố vẫn không giảm. Thay vào đó, các cuộc khảo sát cho thấy rằng từ 20 đến 50% tất cả các thử nghiệm điển hình trên phụ kiện cáp đều dẫn đến sự cố. Do đó, một gợi ý là chỉ nên chọn các thành phần được thử nghiệm và xác nhận tại các phòng thí nghiệm độc lập để đảm bảo về mức chất lượng cụ thể. Hơn nữa, an toàn càng trở nên quan trọng hơn khi nói về các công trình cao áp và siêu cao áp cũng như các bộ phận liên quan do các kết nối có một không hai. Về vấn đề này, các thử nghiệm đặc biệt đã được các công ty điện lực đưa vào áp dụng để xác minh tính an toàn của chúng ngay cả trong những điều kiện cực đoan.
Việc lựa chọn đúng các thông số danh định và đặc tính của các bộ phận trung áp và cao áp, cùng với mức chất lượng cao, là quan trọng trong việc giảm nguy cơ sự cố. Do đó, thử nghiệm trong phòng để mô phỏng chạm chập bên trong là một công cụ hữu ích nhằm đảm bảo các thành phần được chọn có tính năng an toàn trong trường hợp sự cố và giảm thiểu nguy cơ nổ hoặc mồi cháy dữ dội.
Cáp và phụ kiện là một phần không thể thiếu của mạng lưới điện (Ảnh st)
Trải nghiệm thử nghiệm mạng lưới điện trung áp
Tại Italia, mạng lưới điện trung áp của Công ty phân phối Điện và Khí ENEL (Italia) có chiều dài khoảng 300.000km, trong đó khoảng 35% là cáp ngầm. Các cáp ngầm này chủ yếu là cáp cách điện XLPE nhưng cũng có cáp EPR (cao su ethylen-propylen) và cáp giấy tẩm dầu có vỏ bọc chì từ 15 đến 20kV. Các loại mối nối khác nhau được sử dụng, bao gồm cả các mối nối chuyển tiếp. Trong hầu hết các trường hợp, các mạng lưới cáp như vậy được chôn và bảo vệ khỏi hư hại bằng cách sử dụng gạch xi măng uốn cong hoặc các tấm PVC tái chế. Tuy nhiên, cáp cũng có thể được lắp đặt ở đường hầm và lối đi ngầm, đặc biệt là ở các thị trấn lớn. Trong những môi trường như vậy, việc bùng phát và lan truyền lửa là một rủi ro do để không khí lưu thông. Do đó, các thử nghiệm trước đây đã được thực hiện trên các hệ thống cáp điện áp 12/20kV 240mm2 để tích lũy kinh nghiệm với các giải pháp bảo vệ khác nhau cũng như để nêu bật ảnh hưởng của hồ quang bên trong và sự phát triển của các hiện tượng như cháy và nổ.
Trong nhiều năm nay, Công ty Điều hành Hệ thống Truyền tải Italia đã quan tâm đến việc đánh giá hành vi của hệ thống cáp cao áp trong các công trình lắp đặt ngầm. Mục tiêu chính là xác minh khả năng gây hư hại cho các đường cáp liền kề, phát sinh cháy và phát thải khí. Ví dụ, các thử nghiệm đã được thực hiện trên các cáp 400kV 1600mm2 quy mô đầy đủ được đặt trong một mô hình đường hầm trong đó sự cố được tạo ra bằng cách khoan một lỗ xuyên qua lớp cách điện và luồn một dây kim loại để nối dây dẫn bên trong với vỏ kim loại. Dòng điện ngắn mạch sau sự cố nhân tạo này đã khiến dây nối bốc hơi và tạo ra plasma đủ để duy trì hồ quang điện trong suốt thời gian ngắn mạch. Kết quả quan trọng của thử nghiệm là, với dòng điện ngắn mạch 63kA, khoảng cách an toàn 350mm là cần thiết để đảm bảo lửa không lan sang các đường cáp gần đó. Với dòng điện ngắn mạch 40kA, khoảng cách an toàn này giảm xuống còn 300mm. Hơn nữa, đối với cáp được chôn trong lớp cát phù hợp ở độ sâu 1,65m và được bảo vệ bằng tấm bê tông, dòng điện ngắn mạch 63kA cho thấy không có tác động cơ học đáng kể nào lên bề mặt.
Ngày nay, ngày càng có nhiều Công ty Vận hành Hệ thống Truyền tải (TSO) đang tìm kiếm các giải pháp sáng tạo để phát triển lưới điện và điều này không chỉ thúc đẩy nhu cầu về các bộ phận và thiết bị mới mà còn cần đảm bảo những giải pháp này mang lại chất lượng cao nhất. Chứng nhận khách quan dựa trên thử nghiệm do các phòng thí nghiệm bên thứ ba thực hiện bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn liên quan là cách tốt nhất để các nhà chế tạo cung cấp cho khách hàng sự đảm bảo như vậy. Hơn nữa, một số khách hàng hiện đang yêu cầu các thành phần cụ thể phải trải qua các phiên bản tiêu chuẩn thử nghiệm nghiêm ngặt hơn hoặc vượt qua các thử nghiệm chuyên ngành .
Dựa trên các thử nghiệm trong phòng được thực hiện theo các quy định kỹ thuật và tiêu chuẩn của Châu Âu, gần đây các TSO đã có kinh nghiệm về các thử nghiệm hồ quang bên trong của các đầu nối cáp cao áp và cách điện xuyên cao áp. Các phần sau đây đề cập đến việc mô phỏng sơ đồ bố trí trong phòng thí nghiệm nhằm giải quyết mối lo ngại của các công ty điện lực về hậu quả có thể xảy ra của vụ nổ và cháy lan trong các đường hầm đô thị.
Một sự kiện chạm chập hồ quang điện ngoài dự kiến trong hệ thống truyền tải có thể dẫn đến hư hại nghiêm trọng các thiết bị được lắp đặt cũng như môi trường và trong một số trường hợp nhất định có thể dẫn đến thương tích nghiêm trọng. Ở các khu vực đô thị có các hệ thống truyền tải hoặc phân phối ngầm, các sự cố không mong muốn như vậy có thể liên quan đến những công nhân có kinh nghiệm vận hành hệ thống hoặc người dân tình cờ đi ngang qua gần nguồn điện bị hư hại, nằm cách mặt đất vài mét. Việc sử dụng vật liệu tính năng cao, thiết bị thông minh, tiêu chí thiết kế đúng và lắp đặt phù hợp là không đủ để vô hiệu hóa rủi ro sự cố do các sự kiện không lường trước được. Do đó, kịch bản mới nổi này cần được nghiên cứu và đánh giá để xác minh độ tin cậy của các phương pháp truyền tải và phân phối (T&D) đó, đặc biệt đối với các đường hầm dưới lòng đất nơi các dịch vụ công cộng thường nằm cạnh nhau.
Hồ quang điện trong cáp ngầm HV bị sự cố gây nổ miệng hố đường kính 3m ở Vancouver, Canađa (05/01/2021)
Do đó, thử nghiệm được thực hiện trên các sơ đồ bố trí và khối lắp ráp cụ thể để hiểu rõ hơn về tất cả các hiện tượng và hậu quả liên quan đến chạm chập. Hơn nữa, cách tiếp cận này là phương pháp thực tế duy nhất để đánh giá và chứng minh liệu giải pháp được chỉ định có thể chịu đựng được các sự kiện quan trọng hay không. Đồng thời, các yêu cầu gần đây của thị trường đang tạo ra những thách thức kỹ thuật cho nhà cung cấp dịch vụ thử nghiệm cũng như nhà chế tạo, ví dụ như:
1. Vẫn cần có một Tiêu chuẩn hoặc Quy định quốc tế hiện hành (ví dụ như Tài liệu kỹ thuật) cho các sơ đồ bố trí cụ thể này. Do đó, việc thiếu các phương pháp thử nghiệm tổng quát đã yêu cầu các TSO và các công ty điện lực phải xây dựng các quy trình tùy chỉnh dựa trên kiến thức và định nghĩa của chính họ về các yêu cầu mà nhà chế tạo phải đáp ứng;
2. Dựa trên Điểm 1, việc hoàn thành bất kỳ kết quả thử nghiệm cuối cùng nào, như được trích dẫn trong quy định kỹ thuật đặc biệt, là một thách thức đối với nhà chế tạo, vốn chịu trách nhiệm cuối cùng trong việc đạt được các kết quả tích cực. Một tiêu chuẩn quốc tế sẽ điều chỉnh tính năng yêu cầu của nhà chế tạo đồng thời cũng đảm bảo đủ chất lượng và độ tin cậy cho người dùng cuối. Đồng thời, tiêu chuẩn sẽ giúp cân bằng các kết quả đạt được với năng lực thực tế của các phòng thử nghiệm của bên thứ ba, bằng cách đó tránh được các yêu cầu thử nghiệm phức tạp không cần thiết;
3. Các nhà chế tạo và các phòng thí nghiệm tham gia vào một quy trình khắt khe và tốn thời gian, đòi hỏi nguồn lực để chuẩn bị và lập kế hoạch cho tất cả các chi tiết thử nghiệm, ví dụ như:
• Các phòng thí nghiệm của bên thứ ba phải đánh giá, trên cơ sở từng trường hợp cụ thể, tất cả các yêu cầu và thường áp dụng các giải pháp tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu của khách hàng: ví dụ như sơ đồ bố trí cụ thể cần thực hiện, đo lường các hệ thống cần phát triển, bao gồm cả tiềm năng tiết kiệm chi phí cũng như khả năng đáp ứng các sai lệch vào phút cuối cùng do các sự cố ngoài dự kiến xảy ra trong quá trình thử nghiệm;
• Cần có một số camera tốc độ cao (HSC) để có nhiều góc nhìn hơn và ghi lại sự kiện từ các hướng khác nhau, đồng thời cân nhắc đến sự có mặt của đường hầm và diễn biến của lửa và khói. Việc ghi bằng HSC luôn được khuyến cáo để cho phép xem lại ở chế độ chuyển động chậm và để làm rõ hơn sự kiện đang được ghi lại, ví dụ như để nhận dạng hành vi của các bộ phận kim loại, hồ quang, vụ nổ và để hiểu rõ hơn về các hiện tượng liên quan.
• Sự phối hợp tốt giữa phòng thí nghiệm và khách hàng cũng như việc hiệu chỉnh chương trình cũng rất cần thiết. Sự phối hợp là chìa khóa để giảm số lượng mẫu cần thử nghiệm và nâng cao kết quả của quy trình thử nghiệm.
Dưới đây là một trường hợp đã xảy ra minh họa các yếu tố thị trường nói trên đã tác động như thế nào đến việc thử nghiệm cụ thể một hệ thống cáp cao áp đang hoạt động trong môi trường đô thị:
Mục đích của các thử nghiệm này là để đánh giá ảnh hưởng của năng lượng do hồ quang tạo ra trong một số cách bố trí lắp đặt đại diện cho một hệ thống cáp XLPE 400kV (một pha) đặt trong đường hầm đô thị. Mối nối cáp, là một phần của hệ thống, đã được đưa vào nhưng chỉ một số cấu hình được thực hiện. Việc khởi tạo hồ quang được thực hiện bằng cách đặt một chiếc đinh cầu chảy được lắp sẵn trên các mẫu vật đang được đánh giá (xem Hình 1). Theo các điều kiện sử dụng giả định, toàn bộ mẫu đã được đi dây bằng dải aramid (loại sợi tổng hợp chịu cháy và rất bền dùng để dệt vải may quần áo lính cứu hỏa) có chiều dày và phương pháp ứng dụng khác nhau trên các mẫu.
Theo yêu cầu của khách hàng, toàn bộ khối lắp ráp cần được thử nghiệm được đặt trong một đoạn đường hầm đại diện có chiều dài 8m và có lỗ thủng rộng 4m2 (xem Hình 2). Các sơ đồ bố trí khác nhau đã được mô phỏng. Ví dụ, trong một trường hợp, toàn bộ khối lắp ráp được đặt bên trong máng cáp bằng nhựa gia cố bằng sợi chống cháy (FRP). Sự khác biệt chính giữa sáu cách bố trí là: Sự có mặt của một mối nối, biện pháp phòng chống cháy nổ và phương pháp áp dụng chúng xung quanh mẫu. Bằng cách này, dựa trên kết quả thử nghiệm, có thể so sánh và đánh giá giữa các giải pháp khác nhau được áp dụng. Cả hai bên của đường hầm đều được để hở để cho phép ghi lại bằng camera tốc độ cao cũng như để dập tắt đám cháy khi kết thúc cuộc thử nghiệm.
Hình 1: Đóng đinh vào mẫu vật
Hình 2: Thử nghiệm hồ quang điện. Bố trí thử nghiệm trong đường hầm dài 8m
Các thử nghiệm hồ quang điện đã được thực hiện trên một số cấu hình và cách bố trí hệ thống cáp. Mục đích là để xác minh ảnh hưởng của năng lượng hồ quang được giải phóng trong một giây bởi dòng điện 63 kArms thông qua cách bố trí đã chọn và so sánh điều này với tính năng thiết kế dự kiến. Mỗi cấu hình thử nghiệm phải được thực hiện trước một cách chính xác.
Cuối cùng, để kết thúc giai đoạn trước thử nghiệm, các cảm biến đã được đặt bên trong đường hầm để theo dõi ảnh hưởng năng lượng giải phóng từ hồ quang. Điều quan trọng là phải duy trì cùng một vị trí cho các cảm biến này trong các thử nghiệm khác nhau để cho phép so sánh chính xác giữa các cấu hình và phương pháp được áp dụng nhằm ngăn chặn hư hại.
Một số tham số vật lý đã được ghi lại trong các lần thử nghiệm bằng cách sử dụng các thiết bị và cảm biến chuyên dụng. Các phép đo chính về cường độ dòng điện và năng lượng hồ quang được giải phóng được tích hợp cùng với việc theo dõi độ tăng áp suất và độ tăng nhiệt độ do mồi lửa hồ quang và cháy lan dọc theo đường hầm.
Trong trường hợp đo nhiệt độ, cần có thời gian lấy mẫu riêng. Điều này cho phép có nhiều chi tiết hơn không chỉ trong giây đầu tiên của hồ quang mà còn trong những phút phát triển lửa tiếp theo. Cách tiếp cận này được coi là quan trọng không chỉ để theo dõi nhiệt độ đạt được bên trong đường hầm mà còn cả sự phân bố nhiệt độ xung quanh điểm chạm chập. Hơn nữa, một cảm biến sóng xung kích cũng đã được sử dụng trong quá trình thử nghiệm.
Trong giây đầu tiên phát triển của hồ quang, nhiệt độ và áp suất tăng nhanh và đạt tới những giá trị mà chúng phải được tính đến một cách nghiêm túc. Đáng chú ý là các giá trị nhiệt độ, đo được ở cùng các vị trí cảm biến dọc theo đường hầm, có thể khác nhau và phụ thuộc vào khả năng hạn chế hư hại được thực hiện trong từng cấu hình cụ thể đang được thử nghiệm. Ví dụ, khi không áp dụng giải pháp phòng cháy và trong trường hợp cấu hình sơ đồ bố trí không có mối nối được lắp đặt, nhiệt độ trong đường hầm tăng nhanh chóng tới trên 650°C. Hồ quang trong trường hợp này dẫn đến giải phóng năng lượng khoảng 90MJ cùng với sự xuất hiện của lửa sau khi hồ quang bị dập tắt. Điều này đủ để gây ra hư hại nghiêm trọng hơn nữa cho hệ thống và truyền lửa sang các hệ thống lắp đặt đường ống khác, bằng cách đó làm tình hình vốn đã nghiêm trọng trở nên tồi tệ hơn. Hơn nữa, một đợt sóng áp suất tăng cao đã phát triển trong đường hầm do vụ nổ và các giá trị vượt quá 10 bar đã được ghi lại. Cùng với nhau, các hiệu ứng hình ảnh và âm học kết hợp của vụ nổ xác nhận tầm quan trọng của việc thử nghiệm như vậy để TSO/công ty điện lực nhận ra những hậu quả và tác động tiềm ẩn nghiêm trọng lên cáp trong bất kỳ tình huống chạm chập bên trong nào (xem các Hình 3 và 4).
Hình 3: Sau thử nghiệm thể hiện kết quả của sự kiện hồ quang bên trong
Hình 4: Ví dụ về điểm chạm chập gây ra sự kiện hồ quang bên trong
Một cấu hình hệ thống cáp khác, cũng không có mối nối lắp đặt, cũng đã được thử nghiệm nhưng lần này được trang bị biện pháp đối phó phòng cháy. Biên pháp này bao gồm việc áp dụng dải aramid xung quanh cáp và được phân phối qua máng cáp. Giải pháp này cho thấy sự giảm đáng kể các giá trị nhiệt độ đo được dọc theo đường hầm xuống còn khoảng 380°C mặc dù áp suất có cùng độ lớn như trong cấu hình thử nghiệm trước đó. Một thử nghiệm tiếp theo có cùng sơ đồ bố trí và cách sắp xếp nhưng khi khoảng thời gian áp dụng dải aramid giảm cho thấy nhiệt độ bên trong đường hầm tiếp tục giảm xuống dưới 300°C nhưng máng cáp đã bị hư hại gần điểm chạm chập (xem các Hình 6 và 7).
Hình 5: Máng cáp bị hư hại (Ảnh st)
Hình 6: Cáp bị hư hại (Ảnh st)
Ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của chạm chập lên hệ thống cáp là đối với khối lắp ráp thử nghiệm có mối nối được lắp đặt. Thật vậy, khi phần bị chạm chập nằm trong mối nối (xem Hình 8 trong đó đinh cầu chảy được lắp đặt bên trong mối nối), năng lượng giải phóng cao hơn đáng kể so với các kịch bản thử nghiệm khác và được đo là cao hơn 120MJ. Do các mối nối thường là thành phần yếu nhất trong hệ thống cáp nên việc thử nghiệm cấu hình sơ đồ bố trí này được coi là nhất thiết phải thực hiện. Trong các trường hợp như vậy, hồ quang tạo ra thường có đường giãn nở dài hơn và năng lượng được giải phóng cao hơn rất nhiều so với các mô phỏng thử nghiệm khác.
Hình 7: Chi tiết mối nối bên trong hệ thống cáp đang được thử nghiệm. Mũi tên đỏ biểu thị điểm lắp đinh cầu chảy (Ảnh st)
Các cân nhắc khác áp dụng cho cấu trúc phức tạp của chính mối nối đó, bao gồm những lượng đáng kể các vật liệu khác nhau liên kết với nhau. Kết quả là hồ quang tạo ra hiệu ứng vỡ vụn rất mạnh và một lượng lớn hơn vật liệu dễ cháy bị mồi cháy, từ đó góp phần lan truyền lửa. Do đó, bất kỳ biện pháp đối phó nào được sử dụng để hạn chế hư hại cũng đều bị phơi nhiễm kịch bản nghiêm trọng nhất là hư hại kèm theo của hệ thống lắp ráp cáp. Ví dụ, trong trường hợp này, nhiệt độ trong đường hầm tăng lên trên 430°C và tăng nhanh hơn so với các cấu hình khác được thử nghiệm, ngay cả khi có các biện pháp đối phó giảm thiểu tương tự. Đó là do máng cáp nơi đặt hệ thống bị hư hại. Hình 8 đưa ra bằng chứng về kết quả tai hại có thể xảy ra trong cấu hình thử nghiệm này.
Hình 8: Ảnh hưởng đến hệ thống cáp được trang bị mối nối ngay sau khi thử nghiệm hồ quang điện
Do sự phát triển của thị trường năng lượng, những số lượng lớn các đường dây T&D và trạm biến áp mới sẽ phải được lắp đặt và công suất hiện tại sẽ phải được nâng cấp. Đồng thời, việc tiếp tục xảy ra các vụ mất điện lớn yêu cầu phải thực hiện các quy định về an toàn và độ tin cậy nghiêm ngặt hơn. Hơn nữa, việc xây dựng nhiều trạm biến áp đô thị mới trong các thành phố lớn cũng là một vấn đề và nhu cầu ngày càng tăng để giảm mặt bằng chiếm chỗ của chúng.
Gần đây, kinh nghiệm đã được rút ra từ các thử nghiệm hồ quang bên trong trên các đầu cáp và sứ xuyên cáp cao áp, dựa trên các thử nghiệm trong phòng được thực hiện theo các quy định kỹ thuật và tiêu chuẩn kỹ thuật của Châu Âu. Nguy cơ chấn thương nghiêm trọng và gián đoạn dịch vụ lâu dài trong những điều kiện quan trọng như vậy cần phải được cân nhắc cẩn thận và phải áp dụng các giải pháp thích hợp.
Hình 9: Thử nghiệm hồ quang bên trong trên đầu nối cáp HV (Ảnh st)
Đặc biệt đối với các hệ thống cáp truyền tải ngầm, thử nghiệm rộng rãi đã xác nhận khả năng ngăn chặn các ảnh hưởng từ sự cố hồ quang bên trong. Ví dụ, khả năng giảm đáng kể về phân bố nhiệt độ bên trong đường hầm đã được xác định, thậm chí với cùng mức năng lượng hồ quang. Trong trường hợp chạm chập xảy ra bên trong mối nối, thường là loại sự cố thường gặp nhất trong mạng lưới điện như vậy, năng lượng giải phóng tăng khoảng 40%. Việc sử dụng các biện pháp đối phó cụ thể như dải aramid và máng cáp FRP chống cháy có thể giúp hạn chế các ảnh hưởng không mong muốn và cũng hạn chế cháy lan. Ngày nay, thử nghiệm thích hợp trong phòng thí nghiệm cho phép mô phỏng ảnh hưởng của các vụ tai nạn trong các mạng lưới T&D ngầm và thực hiện các biện pháp đối phó thích hợp để giảm thiểu rủi ro liên quan.
Biên dịch: Chu Thanh Hải
Theo INMR”, số tháng 09/2023