Đăng ký thành viên

Các phép đo phóng điện cục bộ dùng cho các dự án cáp HVDC

Bài viết đề cập đến các dự án tuyến HVDC đang xây dựng tại Đức và rà soát thử nghiệm sau khi lắp đặt theo các tiêu chuẩn có liên quan. Trong trường hợp này, các nhà điều hành hệ thống truyền tải của Đức đang có kế hoạch thực hiện không chỉ thử nghiệm điện áp DC (một chiều) mà còn thử nghiệm điện áp AC (xoay chiều) kết hợp với các phép đo phóng điện cục bộ tại hiện trường.

Quá trình chuyển dịch sang năng lượng tái tạo của Đức khiến tỷ lệ năng lượng tái tạo ngày càng tăng nhưng giá năng lượng tái tạo không ổn định sẽ đòi hỏi phải củng cố lưới điện xoay chiều 380kV hiện có. Nguồn điện gió trên bờ và ngoài khơi chủ yếu nằm ở phía bắc trong khi năng lượng mặt trời chủ yếu nằm ở phía nam. Các trung tâm phụ tải chính nằm ở phía tây nam và các địa điểm của các nhà máy điện hạt nhân đã ngừng hoạt động tạo ra các điểm truy cập lưới điện mạnh. Do đó, ba dự án hành lang tuyến điện một chiều cao cáp (HVDC) đang xây dựng sẽ cải thiện việc cân bằng điện từ năng lượng tái tạo đồng thời đảm bảo cấp điện sau khi ba nhà máy điện hạt nhân cuối cùng đóng cửa.

Năm 2015, chính phủ liên bang đã ưu tiên cáp trên không, quá trình này chấp nhận chi phí liên quan cao hơn cũng như nhu cầu phải lập lại toàn bộ kế hoạch cho các dự án hành lang tuyến đường dây. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, chỉ có cáp đùn HVDC 320kV có sẵn trên thị trường. Hơn nữa, kinh nghiệm vận hành đối với các loại cáp như vậy lại bị hạn chế, chủ yếu từ ứng dụng làm cáp xuất khẩu cho các trang trại gió ngoài khơi và trong một số dự án trên đất liền.

May mắn thay, năm 2017 đã chứng kiến ​​sự ra mắt phiên bản đầu tiên của tài liệu Cáp truyền tải điện một chiều điện áp cao (HVDC) theo tiêu chuẩn IEC 62895⁽¹⁾ có lớp cách điện đùn và các phụ kiện dùng cho điện áp danh định lên đến 320kV đối với các ứng dụng trên đất liền – Phương pháp và yêu cầu thử nghiệm.

Hình 1: Các dự án hành lang tuyến cáp HVDC 525kV của Đức (Ultranet: đường dây trên không 400kV HVDC)

Vào năm 2018 và 2019, một số thử nghiệm tiền thẩm định (PQ) trên hệ thống cáp đùn HVDC 525kV (cáp, đầu nối cáp ngoài trời và mối nối) đã thông qua thành công. Các thử nghiệm này còn chưa bao gồm các giao diện trạm đóng cắt cách điện khí vì chưa có chứng chỉ thử nghiệm điển hình nào có sẵn cho loại phụ kiện này. Sau nhiều cuộc thảo luận, người ta đã công bố DIN IEC 62895 (bao gồm Phụ lục tiếng Đức) vào năm 2019, đặc biệt là để mở rộng phạm vi từ 320kV lên 525kV. Dựa trên các thử nghiệm PQ thành công, cuối năm 2019, các TSO của Đức đã đưa ra quyết định sử dụng cáp đùn HVDC 525kV cho các dự án hành lang tuyến đường dây. Tháng 8 năm 2020, thử nghiệm giao diện tủ đóng cắt cách điện khí HVDC 525kV lần đầu tiên trên thế giới đã thành công.

Với hệ thống cáp SuedLink dài nhất khoảng 700km, dự kiến các dự án hành lang tuyến cáp HVDC ​​vận hành sớm nhất vào năm 2025 và chậm nhất vào năm 2028.

Hệ thống cáp HVDC 525kV

Các hệ thống cáp của dự án hành lang tuyến này sẽ bao gồm các cáp đùn HVDC, các mối nối và đầu nối cáp ngoài trời. Thiết kế cáp HVDC 525kV sẽ tương tự như các thiết kế cáp điện cao áp xoay chiều (HVAC) thông thường, với sự khác biệt chính là ở dây dẫn, không yêu cầu tối ưu hóa tổn thất AC ngay cả đối với các mặt cắt ngang cao nhất (xem Hình 2).

Hình 2: Thiết kế cáp đùn HVDC 525kV

Chỉ có XLPE độn mới phù hợp để vận hành trong các hệ thống HVDC “cổ điển” với các bộ chuyển đổi LCC (bộ chuyển đổi dòng điện), trong đó hướng dòng phụ tải thay đổi theo cực tính của điện áp DC. Với các bộ chuyển đổi SVC (bộ bù VAR tĩnh), không cần đảo ngược cực tính của điện áp.

Không giống như trường hợp các hệ thống AC dài, các hệ thống cáp HVDC không yêu cầu liên kết chéo. Do vậy, các hệ thống cáp HVDC này chỉ cần các mối nối thẳng.

Thiết kế của các mối nối này tương tự hoặc thậm chí giống hệt với các mối nối liên kết chéo AC, do đó cho phép nối đất màn chắn cáp và, nếu cần, có thể tiếp cận để thử nghiệm vỏ bọc cáp và định vị chạm chập. Điều này cũng cho phép phát hiện phóng điện cục bộ (PD) phân tán. Các cảm biến PD cảm ứng tại điểm kết nối tiếp địa của các mối nối thẳng với tiếp địa bổ sung cung cấp độ nhạy PD rất thấp.

Do chiều dài đặc biệt của các hệ thống cáp trong các dự án hành lang tuyến này, mỗi hệ thống sẽ bao gồm các phân đoạn do các nhà chế tạo khác nhau cung cấp. Do hạn chế trong thử nghiệm sau khi lắp đặt, chiều dài của mỗi đoạn cáp sẽ dài khoảng 100km. Do lựa chọn rõ ràng để kết nối hai cáp là một mối nối nên yêu cầu cần có các mối nối chuyển tiếp đặc biệt để kết nối các cáp HVDC từ hai nhà chế tạo khác nhau. Vì những lý do này, mỗi đoạn cáp sẽ trang bị các đầu nối cáp ngoài trời có thể dễ dàng kết nối với đầu nối cáp của đoạn cáp tiếp theo. Điều này cũng sẽ cho phép thử nghiệm riêng từng đoạn cáp, và là thiết yếu vì cả lý do kỹ thuật và thương mại. Cơ sở để kết nối hai đoạn cáp gọi là "trạm chuyển tiếp cáp". Mỗi trạm chuyển tiếp cáp HVDC ngoài trời 525kV như vậy sẽ có kích thước khoảng một trạm phân phối nhỏ.

Đo PD tại chỗ

Theo tiêu chuẩn IEC 60270⁽²⁾, phép đo và hiệu chuẩn PD bị giới hạn trong mạch điện có thể biểu diễn bằng các điện dung tập trung. Phát hiện PD tại (các) đầu cáp theo IEC 60885-3⁽³⁾ thường chỉ áp dụng cho các thử nghiệm tại nhà máy. Tại hiện trường, nhiễu và các đoạn cáp dài hơn yêu cầu các phép đo PD phân tán để đảm bảo đủ độ nhạy cho phép đo. Các phép đo PD phân tán trên các hệ thống cáp yêu cầu các cảm biến PD phù hợp tại các phụ kiện cáp cũng như phát hiện và truyền dữ liệu PD phân tán (tức là truyền dữ liệu PD). Đối với các thử nghiệm sau khi lắp đặt có thời gian ngắn, ví dụ 1 giờ, pin đủ để cung cấp điện cho các thiết bị thu thập PD phi tập trung.

Nếu mỗi mối nối trang bị cảm biến PD và tần số đo PD đủ cao, thì chỉ tập trung vào các mối nối. Nhiễu rất thấp và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) sẽ cao tương ứng. Khái niệm này đảm bảo tính chọn lọc cho PD bên trong mối nối.

Các điểm yếu riêng lẻ trong các hệ thống cáp đùn, ví dụ như lỗi lắp đặt, có thể phát hiện tốt nhất bằng cách kết hợp thử nghiệm điện áp AC và phép đo PD phân tán đi kèm. Theo kiến ​​thức hiện tại, điều này cũng đúng đối với các hệ thống cách điện DC. Tuy nhiên, không thể loại trừ khả năng phát hiện các loại hư hại chưa biết tốt hơn bằng DC so với phép đo PD AC, mặc dù hiện tại không có bằng chứng nào cho điều này. Với tình trạng kinh nghiệm hiện tại và để giảm thiểu rủi ro bỏ sót các khuyết tật liên quan đến DC, người ta khuyến cáo các phép đo PD DC ngoài các phép đo PD AC trong quá trình thử nghiệm AC sau khi lắp đặt. Nếu thực hiện các phép đo PD trong quá trình thử nghiệm điện áp AC sau khi lắp đặt, thì nỗ lực bổ sung cho các phép đo PD DC trong quá trình thử nghiệm điện áp DC sẽ là tối thiểu. Tất nhiên, vì những lý do đã nêu ở trên, người ta sẽ quan tâm đến việc theo dõi DC để có thêm kinh nghiệm.

Đo lường AC PD tại chỗ

Các phép đo PD phân tán trên các phụ kiện cáp AC-EHV như một phần của thử nghiệm điện áp AC sau khi thực hiện lắp đặt trong thời gian dài và vẫn có thể gọi là tiên tiến.

Tuy nhiên, đối với các phân đoạn cáp HVDC dài 100km trở lên, sẽ không thực tế cũng như không hợp lý về mặt kinh tế khi trang bị cho mỗi mối nối một cảm biến PD riêng. Thay vào đó, chỉ các mối nối gián đoạn bề mặt mới dự kiến sẽ trang bị cảm biến PD.

Kết quả là, có một số mối nối thẳng không có cảm biến PD giữa hai mối nối gián đoạn bề mặt có các cảm biến PD. Do đó, khái niệm chọn lọc, cụ thể là mỗi mối nối trang bị cảm biến PD, đã được chứng minh là thành công trong các hệ thống cáp AC EHV, do đó phải bị loại bỏ. Các cảm biến PD hiện phải đặt ở tần số đo thấp hơn để 'nhìn xa hơn' và do đó có độ nhạy PD chấp nhận được cho các mối nối thẳng không có cảm biến PD. Khái niệm chọn lọc trước đây được thay thế bằng định vị sử dụng phát hiện PD hai mặt đồng bộ để ước tính thời gian xung đến.

Đo DC PD tại chỗ

Về nguyên tắc, phép đo DC chỉ khác phép đo AC ở một vài điểm sau:

• Cảm biến PD cảm ứng phải phù hợp với dòng điện DC tối đa, phải tránh bão hòa lõi. Cảm biến điện dung hoặc cảm biến trường (ăng-ten) sẽ hoạt động với DC giống như với AC;

• Tùy thuộc vào nguồn DC, nhiễu có thể lớn hơn, ví dụ như các hệ thống thử nghiệm cộng hưởng AC. Trong quá trình vận hành, các nhiễu do hoạt động của bộ chuyển đổi là chủ yếu;

• Với các điện áp DC, không có tương quan pha AC và do đó không có các mẫu PD phân giải pha (PRPD). Tuy nhiên, đôi khi điện áp gợn sóng có thể đủ để đồng bộ pha AC, điều này có thể hữu ích trong việc phân biệt lỗi bộ biến đổi với PD;

• Phát hiện PD băng thông rộng kết hợp với máy ghi xung tạm thời cho phép phân tích dạng sóng xung PD. Phân tích dạng sóng xung dòng điện (CPWA) lần đầu tiên đề cập trong các phép đo PD AC trên GIS. Dạng sóng có thể sử dụng để phân biệt xung PD với các xung nhiễu và, trong một số trường hợp, để tái tạo đường truyền xung từ nguồn PD đến phát hiện PD. Điều này đã được thực hiện với các xung PD do AC tạo ra. Đối với các xung PD DC hiếm hơn, việc phân tích dạng sóng xung có tầm quan trọng mới đối với việc khử nhiễu và phân loại xung PD;

• Trong các hệ thống cách điện rắn, tần suất xảy ra PD theo ứng suất DC thường rất thấp và có thể bao gồm các khoảng thời gian kéo dài mà không có bất kỳ hoạt động PD nào. Tuy nhiên, các đợt PD đột ngột có thể xảy ra, sau đó đòi hỏi phải xử lý dữ liệu tốc độ cao ngay lập tức bằng thiết bị đo PD.

Theo dõi DC PD

Nhìn chung, theo dõi PD có hai lợi thế chính so với thử nghiệm PD trong thời gian ngắn:

• Theo dõi tất cả các điều kiện vận hành. Đối với các cáp HVDC đùn, nhiệt độ là yếu tố rất quan trọng vì độ dẫn điện DC của lớp cách điện chính tăng cấp số nhân theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ dây dẫn tối đa, điều này có thể làm đảo ngược trường, dẫn đến ứng suất trường cao nhất ở lớp bán dẫn bên ngoài. Ở phụ tải tối đa, giao diện giữa cáp và các phụ kiện phải chịu ứng suất cao hơn so với nhiệt độ môi trường. Vì các thử nghiệm điện áp sau khi thực hiện lắp đặt ở nhiệt độ môi trường, nên trường hợp quan trọng hơn về mặt điện môi chỉ được theo dõi PD hoàn toàn.

• Tần suất rất thấp thường thấy của PD trong lớp cách điện polyme rắn không phải là mối quan tâm đối với việc đánh giá thống kê các xung DC PD, xét đến thời gian thực tế vô hạn để theo dõi. Tất nhiên, số lượng các xung nhiễu cũng tăng theo khoảng thời gian thu thập.

Kết luận

Lỗi do lắp đặt xảy ra đối với bất kể loại cáp và loại ứng suất điện áp (AC hay DC) nào. Trong tương lai gần có thể lường trước, phép đo PD là phương pháp hiệu quả duy nhất để phát hiện và định vị các điểm yếu riêng lẻ. Các điểm yếu riêng lẻ như vậy trong hệ thống cáp, ví dụ như từ lỗi do lắp đặt, có thể phát hiện tốt nhất bằng cách kết hợp thử nghiệm điện áp AC với phép đo PD phân tán đi kèm. Theo kiến ​​thức hiện tại, phương pháp này cũng hiệu quả đối với các hệ thống cách điện DC.

Cả bốn TSO của Đức đều có kế hoạch thử nghiệm AC với phép đo PD cho các dự án tuyến cáp HVDC 525kV sắp tới. Do đó, một số mối nối cáp HVDC phải trang bị cảm biến PD phù hợp để có thể phát hiện PD và do đó phân phối và đồng bộ các phép đo PD.

Cũng nên đo PD trong quá trình thử nghiệm điện áp DC sau khi lắp đặt. Việc theo dõi DC PD nên cân nhắc trên một phần chiều dài (phân đoạn) – ít nhất là trong giai đoạn đầu – để có kinh nghiệm về hành vi vận hành của các hệ thống cáp đùn HVDC 525kV đầu tiên trên thế giới có chiều dài đặc biệt.

IEC 62895 (1): Chỉ định các phương pháp thử nghiệm và yêu cầu đối với hệ thống cáp truyền tải điện, cáp có lớp cách điện đùn

 IEC 60270 (2): Kỹ thuật kiểm tra điện áp cao - Đo phóng điện cục bộ

IEC 60885-3 (3): Các phương pháp thử nghiệm để đo phóng điện cục bộ (PD) trên chiều dài cáp điện đùn

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “INMR”, số tháng 1/2025