Đăng ký thành viên

Các giải pháp thay thế cho cách điện trong các cách điện xuyên EHV & UHV

Hiện một số giải pháp thay thế liên quan đến cách điện ngoài của cách điện xuyên EHV (Điện áp cực cao) và UHV (Điện áp siêu cao) đã có sẵn. Chúng bao gồm: một vỏ sứ, cũng có thể phủ RTV để cải thiện tính năng chịu ô nhiễm; một vỏ hybrid bao gồm một lõi sứ đỡ với một vỏ HTM (vật liệu chuyển kỵ nước); hoặc một vỏ hoàn toàn bằng composite.

Bài viết này phân tích và so sánh các giải pháp thay thế cách điện dựa trên yêu cầu thiết kế và kết quả thử nghiệm tại nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới.

Tính năng điện

Liên quan đến tính năng điện, người ta có thể phân loại các tùy chọn cách điện sứ xuyên EHV & UHV khác nhau thành hai loại chính:

• Các vật cách điện HTM (vật liệu chuyển kỵ nước) như sứ phủ silicon RTV, các giải pháp hybrid và các giải pháp composite;

• Các giải pháp không phải HTM, cụ thể là vật cách điện sứ không tráng phủ.

Tính năng quá áp

Điều kiện quan trọng nhất đối với cách điện sứ xuyên ngoài theo quan điểm quá điện áp, mặc dù không phổ biến, thể hiện bằng các thử nghiệm với các Xung đóng cắt (SI) có cực dương khi trời mưa. Hình 1 thể hiện các bố trí thử nghiệm như vậy.

Hình 1: Ví dụ về bố trí thử nghiệm quá điện áp

Phóng điện bề mặt dưới tác dụng của xung đóng cắt phát triển chủ yếu trong không khí, trừ khi khoảng cách giữa các xiêm của vật cách điện đang sử dụng quá nhỏ. Hình 2 tóm tắt một số kết quả thử nghiệm thu được qua các năm. Do hồ quang xảy ra chủ yếu trong không khí nên thử nghiệm không tìm thấy sự khác biệt đáng kể giữa cách điện HTM và cách điện không phải HTM. Từ kinh nghiệm thử nghiệm rộng rãi, nhóm tác giả đã rút ra các chỉ dẫn thiết kế nhằm tiêu chuẩn hóa sản phẩm nội bộ, đặc biệt là về tính năng đóng cắt, qua đó tiêu chuẩn hóa các khoảng cách hồ quang của sứ xuyên dựa trên mức SI.

Hình 2: Điện áp chịu thử thành công so với khoảng cách hồ quang của sứ xuyên

Tính năng chịu ô nhiễm

Tính năng dưới điện áp xoay chiều (AC)

Tiêu chuẩn IEC 60815^(*) TS, Phần 2 & 3 đưa ra các hướng dẫn lựa chọn vật cách điện theo quan điểm ô nhiễm trong điện xoay chiều. Về cơ bản, tiêu chuẩn chỉ ra Khoảng cách đường rò riêng thống nhất (USCD) giống nhau cho các vật cách điện không phải HTM (ví dụ như gốm) và HTM (ví dụ như composite), do đó, những người viết các quy định kỹ thuật sẽ phải chịu trách nhiệm về bất kỳ sai lệch nào. Ngoài ra, các quy định kỹ thuật thường giả định rằng cùng một USCD áp dụng cho các vật cách dạng mũ và chốt hoặc các vật cách điện trong trạm có đường kính trung bình bằng hoặc nhỏ hơn 300mm và chỉ ra một sự hiệu chỉnh của USCD đối với các đường kính vật cách điện lớn trong trạm.

Hình 3: USCD tham khảo là hàm của các mức ô nhiễm đối với vật cách điện HTM và không phải HTM

Tính năng theo điện áp một chiều (DC)

Tiêu chuẩn IEC 60815 TS Phần 4 đề xuất hướng dẫn lựa chọn vật cách điện theo quan điểm ô nhiễm ở DC. Tiêu chuẩn này đưa ra các đường cong thiết kế cho cả vật cách điện không phải HTM và HTM có tham chiếu đến các tham số lớp rắn và sương muối (thể hiện trên Hình 7). Đối với trường hợp AC, các đường cong này một lần nữa giả định là có thể áp dụng cho các vật cách điện dạng mũ và chốt và cho các vật cách điện trong trạm có đường kính trung bình bằng hoặc nhỏ hơn 300mm, với các hệ số hiệu chỉnh chỉ áp dụng cho các vật cách điện có đường kính lớn hơn.

Chỉ dẫn thiết kế

Những phát hiện trên chỉ ra rằng, nếu chỉ nhìn vào yêu cầu chịu thử theo điều kiện ô nhiễm, các vật cách điện HTM (và cả các vật cách điện hybrid) có thể có khả năng sử dụng với các USCD thấp hơn nhiều so với thông thường áp dụng cho sứ, ngay cả khi USCD cuối cùng đã chọn cho thiết kế phải tính đến yêu cầu tuân thủ các yêu cầu về tính năng dài hạn (tức là một giới hạn về tuổi thọ). Các ưu điểm của các giải pháp HTM về tính năng chịu ô nhiễm, đặc biệt đối với các vật cách điện có đường kính lớn yêu cầu đối với phạm vi trên của EHV và UHV, và khả năng đối với các vật cách điện composite sử dụng hệ số rò rỉ hiệu quả cao hơn so với các vật cách điện tương đương bằng gốm, khiến giải pháp HTM (tức là các vật cách điện composite và hybrid) là ứng viên tốt nhất cho các ứng dụng AC trong môi trường khắc nghiệt. Điều này cũng áp dụng chung cho các ứng dụng DC (tức là các trường hợp khi mà tính năng trong các điều kiện ô nhiễm chiếm ưu thế trong thiết kế). Hơn nữa, trong các ứng dụng DC, các kỹ sư thường không lựa chọn giải pháp vật cách điện hybrid vì người ta thường lắp đặt sứ xuyên thường gần phương ngang, trong khi lõi sứ lại quá nặng, gây khó khăn cho việc triển khai.

Tính năng chịu đóng băng

Đối với một số môi trường, thiết kế vật cách điện phải phù hợp với tính năng dự kiến ​​trong điều kiện đóng băng và đôi khi trong điều kiện băng dày, tức là với vật cách điện gần như bị ngắn mạch do băng (tức là trường hợp nghiêm trọng nhất). Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm trên vật cách điện HTM và không phải HTM tại ba phòng thí nghiệm, với các cách bố trí như thể hiện trong Hình 4. Tính năng của cách điện HTM và không phải HTM là tương tự nhau mặc dù có thể có một số lợi thế ban đầu đối với các vật cách điện không phải HTM trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành băng. Tuy nhiên, khi lớp phủ băng đã hình thành, băng sẽ chiếm ưu thế về tính năng cách điện và che lấp hoàn toàn các đặc tính của vật cách điện. Từ kinh nghiệm thực tiễn, các kỹ sư đã phát triển một công cụ phần mềm nhằm hỗ trợ thiết kế thống kê vật cách điện trong điều kiện băng tuyết dày. Ví dụ như, Hình 5 phác thảo các ứng suất tối đa cho phép đối với các vật cách điện thẳng đứng trên một mét khoảng cách hồ quang trong điều kiện chịu đựng so với chiều dày lớp băng.

Hình 4: Thử nghiệm vật cách điện trong điều kiện đóng băng nặng

Hình 5: Cách điện thẳng đứng. Ứng suất cho phép tối đa trên mét là hàm của độ dày băng (độ dẫn của nước là 30 µS/cm). Điện áp DC. So sánh các phép tính với kết quả thực nghiệm

Khả năng chịu động đất

Động đất có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến tính toàn vẹn của lưới điện nên các nhà nghiên cứu đã và đang thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm giảm thiểu các hậu quả tiềm tàng. Sứ xuyên lắp trên các khung (tức là các máy biến áp, các cuộn kháng, GIS, tường) khuếch đại chuyển động của đất và thành mỏng, cao và nặng, phải chịu các ứng suất cơ còn lớn hơn so với các thành phần lưới điện khác, đặc biệt là trong dải điện áp EHV (420-550kV) và UHV (≥800kV). Như vậy, các thành phần quan trọng của sứ xuyên là lõi tụ điện và vật cách điện phía không khí. Thành phần thứ nhất có quan hệ chủ yếu với công nghệ cách điện. Cách điện bằng giấy tẩm dầu (OIP) với lõi tụ điện làm bằng giấy tẩm một chất lỏng và tất cả các thành phần kín khí có chứa dầu trở nên quan trọng hơn so với các công nghệ giấy tẩm nhựa rắn (RIP) hoặc các công nghệ tổng hợp tẩm nhựa (RIS), trong đó không có mặt chất lỏng nào. Thứ hai, vì người ta phát triển công nghệ OIP đầu tiên nên nó thường gắn liền với việc sử dụng các vật cách điện bằng sứ. Ngược lại, các công nghệ mới hơn thường gắn liền với việc sử dụng vật cách điện composite HTM. Sứ thì nặng, cứng và dễ vỡ – tất cả các đặc tính đều không tốt về khả năng chịu địa chấn. Tuy nhiên, các sứ xuyên EHV và UHV vẫn thường sử dụng cách điện OIP kết hợp với vật cách điện bằng sứ, chủ yếu vì các công ty điện lực vẫn ưu tiên lựa chọn loại sứ truyền thống này. Điều này một phần xuất phát từ việc phát triển sớm công nghệ OIP, nên công nghệ này thường gắn liền với vật liệu sứ trong các ứng dụng thực tế. Do đó, người ta phải tối ưu hóa những sứ này cẩn thận cho khả năng chịu động đất bằng cách chỉ sử dụng các vật liệu chất lượng cao nhất (ví dụ: Loại sứ này có độ bền cơ học cao, gia cố mặt bích chắc chắn và tối ưu hóa lớp xi măng liên kết giữa sứ và mặt bích để nâng cao độ tin cậy trong vận hành) cũng như sử dụng rộng rãi các phân tích FEM (phần tử hữu hạn) cùng với thử nghiệm địa chấn tiếp theo để xác minh kết quả mô phỏng.

May mắn thay, người ta thường lắp đặt sứ xuyên UHV theo chiều dọc – một điều kiện giúp chống chịu địa chấn so với vị trí nghiêng, trong đó tải trọng tĩnh liên quan đóng vai trò quan trọng trong việc làm tăng đáng kể ứng suất địa chấn. Việc tối ưu hóa sứ xuyên OIP UHV về mặt cơ học (800-1.100kV) thường có thể chịu được gia tốc địa chấn lên tới 0,3g, tương ứng với mức trung bình trong tiêu chuẩn địa chấn của IEC trong đó mức thấp nhất là 0,2g và cao nhất là 0,5g (g là gia tốc trọng trường trái đất = 9,81m/s²). Sứ xuyên EHV OIP có thể chịu được lực lên tới 0,5g nếu đặt thẳng đứng. Để tăng khả năng chịu địa chấn, lý tưởng nhất là sứ xuyên UHV cũng như EHV đều phải trang bị vật cách điện bằng composite.

Các khía cạnh an toàn

Từ quan điểm an toàn, vật cách điện bằng sứ, ngay cả khi vẫn là loại sử dụng chính trên toàn thế giới, vẫn rất quan trọng do có nguy cơ nổ trong trường hợp phóng điện bên trong tiếp xúc với cơ thể. Sốc nhiệt từ hồ quang tạo ra một vụ nổ nguy hiểm với các mảnh sứ sắc nhọn bắn ra xung quanh và có thể gây thương tích nghiêm trọng cho người và làm hư hại các thiết bị gần đó. Đây là một trong những lý do khiến người ta thay thế dần vật cách điện sứ bằng vật cách điện composite vốn không phải chịu hiện tượng nguy hiểm này. Trong trường hợp có hồ quang bên trong, vật cách điện composite có thể nứt vỡ nhưng không phát nổ. Đây là một đặc tính tích cực khác của vật liệu cách điện như vậy, bên cạnh những lợi thế về tính năng chống ô nhiễm và địa chấn đã nêu ở trên. Người ta không sử dụng giải pháp vật cách điện hybrid khi tập trung vào khía cạnh an toàn vì nhược điểm của sứ về nguy cơ cháy nổ không thay đổi.

Một trong những phát triển mới nhất về sứ xuyên OIP, vốn thường chỉ trang bị bằng sứ, là cung cấp chúng trong dải EHV thay vì các vật cách điện composite. Điều này tránh được những nhược điểm có thể có của sứ trong khi vẫn duy trì công nghệ OIP đã biết và đáng tin cậy - một sự thỏa hiệp mà nhiều công ty điện lực đang ngày càng cân nhắc trong những năm gần đây. Chẳng hạn, để chứng minh khả năng chống cháy nổ của loại sứ xuyên này, Nhà điều hành hệ thống truyền tải Terna của Italia đã áp dụng thử nghiệm hồ quang bên trong - một phương pháp đã sử dụng từ nhiều năm nay trong kiểm tra máy biến dòng. Mục đích là để xác minh rằng khi sứ xuyên 420kV hoạt động với dòng điện 63kA trong nửa giây thì không có phần nhô ra của các bộ phận rắn bên ngoài bán kính 2m tính từ trục không khí của sứ xuyên. Terna đã thực hiện thành công thử nghiệm này trên sứ xuyên loại máy biến áp 420kV, sử dụng cả hai công nghệ cách điện OIP và RIP (xem Hình 6).

Một khía cạnh an toàn quan trọng khác liên quan đến khả năng giảm nguy cơ cháy không chỉ của sứ xuyên trong trường hợp phóng điện bề mặt mà còn của chính máy biến áp. Sứ xuyên OIP chứa chất lỏng dễ cháy có thể cháy trong trường hợp có hồ quang bên trong. Do cấu trúc của nó, nếu một bộ phận như một vật cách điện bị vỡ sau khi phóng điện bề mặt, nó sẽ không còn kín hoàn toàn nữa và có thể khiến dầu máy biến áp thoát ra ngoài, dẫn đến trường hợp xấu nhất có thể là gây cháy máy biến áp. Việc sử dụng sứ xuyên loại khô sẽ giảm thiểu rủi ro như vậy vì sứ xuyên là một khối duy nhất, hành động như một cái nắp trên máy biến áp. Ngay cả trong trường hợp hư hại bên trong, việc rò rỉ dầu máy biến áp vẫn tránh được, nhờ đó giảm nguy cơ hỏa hoạn.

Hình 6: Thử nghiệm hồ quang bên trong trên sứ xuyên RIP có điện áp danh định 420kV. Vận hành sứ xuyên với dòng điện 63kA trong 500ms

Kết luận

Người ta phân tích hành vi của vật cách điện không phải là HTM (sứ) và HTM (composite và hybrid) từ nhiều quan điểm khác nhau. Về tính năng xung đóng cắt ướt, không có sự khác biệt đáng kể vì phóng điện bề mặt xảy ra chủ yếu trong không khí sau dòng nước. Tiêu chuẩn IEC qui định cùng một USCD cho các vật cách điện HTM và không phải HTM, các vật cách điện kiểu mũ và chốt và kiểu trong trạm, chỉ đưa ra hệ số hiệu chỉnh đối với đường kính trung bình lớn hơn 300mm. Các phòng thí nghiệm đã tiến hành thử nghiệm ở điện áp AC, sử dụng cả phương pháp lớp rắn và phun sương mù muối.

Điều này chứng minh ngược lại rằng tính năng của vật cách điện HTM tốt hơn đáng kể so với các vật cách điện bằng sứ và vật cách điện đường dây điện yêu cầu USCD thấp hơn mức cần thiết đối với các vật cách điện dùng trong trạm. Người ta cần xem xét điều này cần trong bất kỳ bản sửa đổi Tiêu chuẩn IEC nào.

Đối với các điện áp DC, Tiêu chuẩn IEC xác nhận khái niệm tương tự. Một lần nữa, kết quả thực nghiệm sử dụng các phương pháp mù muối và lớp rắn chứng minh rằng hành vi của các vật cách điện HTM tốt hơn đáng kể so với các vật cách điện không phải là HTM. Hiện tượng này trở nên rõ nét hơn với các đường kính lớn hơn và trong trường hợp này, các loại vật cách điện dạng mũ và chốt là tốt hơn so với các vật cách điện trong trạm.

Trong điều kiện đóng băng, đặc biệt là khi lớp băng trở nên dày, hành vi ở AC và DC của các vật cách điện HTM và không phải HTM về cơ bản là như nhau vì hiện tượng dẫn điện bị băng chi phối, bằng cách đó che khuất hoàn toàn bề mặt vật cách điện.

Khả năng chịu động đất là rất quan trọng đối với tất cả các sứ xuyên, đặc biệt là trong phạm vi UHV. Vật liệu cách điện và sứ OIP thường là vật liệu sử dụng chính và tất cả các thành phần phải tối ưu hóa để thực hiện một sứ xuyên có khả năng chịu được động đất. Sứ xuyên khô trang bị vật cách điện composite có hành vi tốt hơn dưới các ứng suất địa chấn cũng như về mặt an toàn. Vật cách điện composite không phát nổ trong trường hợp phóng điện bề mặt bên trong trong khi các vật cách điện không phải HTM, sứ cũng như hybrid, đều có rủi ro nổ. Hơn nữa, sứ xuyên khô giúp chứa dầu máy biến áp và do đó giúp giảm nguy cơ cháy nổ so với sứ xuyên OIP.

Tiêu chuẩn IEC 60815 (*): Lựa chọn và định cỡ các vật cách điện cao áp dùng trong điều kiện ô nhiễm

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “Waterpowermagazine”, số tháng 12/2024