Các công nghệ quét đường dây ngầm có thể giải quyết những lo ngại về mất điện trong tương lai

Nhiều công ty điện lực ở Bắc Mỹ đang ngầm hóa một cách chiến lược các đường dây trung áp như một giải pháp dẻo dai trước các sự kiện thời tiết cực đoan và cháy rừng. Các công ty phản đối việc ngầm hóa thường nêu ra chi phí và lo ngại về các vụ mất điện trong tương lai. Các công nghệ quét đường dây ngầm có thể giải quyết những lo ngại này bằng cách nào ?

Tổ chức Sáng kiến ​​thông minh về phân phối điện (PDI2.org, Mỹ) đã nỗ lực rất nhiều để giải quyết những lo ngại này và đưa ra các giải pháp trong một báo cáo gần đây: “Hướng dẫn tính toán chi phí vòng đời cho hệ thống điện ngầm của công ty điện lực”. Ví dụ, bạn có biết rằng bằng cách triển khai thông số kỹ thuật đưa cáp vào sử dụng do PDI2 khuyến nghị (thử nghiệm phóng điện cục bộ (PD) ngoại tuyến 50HZ hoặc 60Hz với độ nhạy 5pC) và đầu tư một vài phần trăm chi phí xây dựng, các công ty điện lực có thể tăng tuổi thọ cáp lên gấp ba lần, giảm đáng kể chi phí trả trước, cho phép đào tạo lực lượng lao động và giảm chi phí vận hành/doanh thu bị tổn thất trong tương lai và tăng độ tin cậy và an toàn lên 10 lần không? Bài viết này đề cập đến một số chiến lược thực tế để lựa chọn thông số kỹ thuật thử nghiệm cáp hiệu quả và đạt được các mục tiêu đã đề cập ở trên.

Ủy ban cáp giúp các công ty điện lực đạt được mục tiêu vòng đời

Quy định kỹ thuật nghiệm thu cáp điện của tài liệu Hướng dẫn tính toán chi phí vòng đời cho hệ thống điện ngầm của công ty điện lực dựa trên kinh nghiệm do những người ngang hàng trong ngành đánh giá bao gồm hàng nghìn lần mổ xẻ khiếm khuyết và hàng trăm nghìn lần quét hồ sơ tình trạng cáp trong phạm vi cấp điện áp từ 5kV đến 500kV trong vài thập kỷ qua. Quy định kỹ thuật về quét cáp cung cấp một giải pháp đã kiểm chứng để giảm chi phí lắp đặt ban đầu, kéo dài tuổi thọ cáp và đẩy nhanh quá trình đào tạo lực lượng lao động, đồng thời loại bỏ vai trò của xe tải trong tương lai, cải thiện an toàn, cắt giảm vận hành và bảo trì và tổn thất doanh thu.

Giảm chi phí lắp đặt ban đầu

Một số công ty điện lực có những qui định lỗi thời giới hạn chiều dài kéo, yêu cầu có mối nối sau mỗi vài trăm mét và không muốn thay đổi vì sợ làm hỏng các đoạn kéo dài hơn. Các giới hạn cực kỳ bảo thủ này có thể có ý nghĩa nào đó với cáp bọc chì cách điện giấy (PILC) kiểu cũ hoặc cáp không có vỏ bọc ở các khu vực đô thị đông đúc với nhiều điểm phụ tải và không có phương pháp quét đường dây để phát hiện hư hại sau khi kéo. Tuy nhiên, với ống dẫn và kỹ thuật kéo hiện đại, có chất bôi trơn, công ty điện lực có thể kéo hàng nghìn mét cáp tương đối dễ dàng. Một thử nghiệm nghiệm thu chính xác thường chỉ phát hiện ra khoảng 1% đoạn cáp (không tính các lỗi phụ kiện) bị hư hại và cần phải thay thế. Một mối nối bị lắp đặt sai kỹ thuật có khả năng xảy ra cao gấp 4 lần so với một đoạn cáp bị hỏng. Hãy hình dung khoản tiết kiệm và giảm thiểu rủi ro khi số lượng hầm kỹ thuật điện, hộp nối và mối nối cáp giảm xuống 3 lần.

Nếu một công ty điện lực muốn giảm hơn nữa chi phí và duy trì độ tin cậy, có thể lắp đặt cáp chôn trực tiếp với chi phí thấp hơn nhiều so với cáp trong ống dẫn. Với điều kiện là nghiệm thu hệ thống cáp bằng một kỹ thuật nghiệm thu hiệu quả, có thể tiết kiệm chi phí mà không làm gia tăng đáng kể rủi ro hư hại trong quá trình lắp đặt.

Kéo dài tuổi thọ hệ thống cáp

Hầu hết các sự cố trong tương lai là do các bất thường tồn tại trong quá trình lắp đặt hoặc do chu kỳ hoạt động cực đoan trong quá trình bảo trì gây ra. Với các quy định kỹ thuật và các quy trình vận hành phù hợp, các công ty điện lực có thể kiểm soát những rủi ro này. Các nghiên cứu cho thấy rằng gần 40% các phân đoạn hệ thống cáp mới (cáp và phụ kiện) đều có ít nhất một khiếm khuyết. Khiếm khuyết cáp đầu tiên thường là do một khiếm khuyết lắp đặt gây ra. Quá trình ăn mòn không liên tục liên quan đến hư hại cách điện điện môi rắn hiện đại có thể mất nhiều năm và đôi khi là nhiều thập kỷ mới hỏng. Tuy nhiên, một khi một cáp đã lão hóa bị hỏng, các nghiên cứu cho thấy khả năng hỏng lại cao gấp 10 lần so với các quá độ điện áp cực đoan do chạm chập, định vị chạm chập và đóng điện trở lại gây ra, và cuối cùng là các nhầm lẫn phát sinh trong quá trình sửa chữa khẩn cấp. Các nghiên cứu cho thấy rằng rủi ro sự cố trong vài năm đầu tiên sử dụng có thể giảm 100 lần với việc đưa vào vận hành và sửa chữa các bất thường. Bằng cách loại bỏ rủi ro lớn nhất, các hư hại do lắp đặt và bảo vệ hệ thống cáp khỏi điện áp cực đoan bằng thiết bị chống sét thích hợp (tiêu chuẩn IEEE C62.22.1-2024⁽¹⁾) và phụ tải cực đại bằng bảo vệ quá dòng thích hợp, độ tin cậy có thể được cải thiện gấp 100 lần. Lợi nhuận kinh tế của phương pháp này vượt quá 500% và có thể hoàn vốn chỉ sau vài năm khi so sánh chi phí đưa vào vận hành ban đầu và chi phí hỏng hóc trong tương lai phải gánh chịu hoàn toàn.

Tăng tốc đào tạo lực lượng lao động

Theo một nghiên cứu năm 2023 của Trung tâm Phát triển Lực lượng Lao động Năng lượng (CEWD), hơn 60% công nhân đường dây có ít hơn 10 năm kinh nghiệm. Các chuyên gia đào tạo thợ nối cáp thường thấy rằng họ không thể nhận dạng được các khiếm khuyết thông thường. Không thể đổ lỗi hoàn toàn cho người lắp đặt vì việc đào tạo thường không nhất quán và các sai sót (khiếm khuyết mới phát sinh) có thể dễ dàng vượt qua các thử nghiệm đưa vào vận hành cũ, ví dụ như các thử nghiệm chịu đựng bằng phương pháp DC HIPOT⁽²⁾ và VLF⁽³⁾. Các thử nghiệm này phát hiện ra ít hơn 1% các khiếm khuyết, và các công ty điện lực sử dụng các thử nghiệm đưa vào vận hành này đã vô tình mang lại cho người lao động cảm giác an toàn sai lầm và củng cố sự tự tin của những người có tay nghề kém. Thực hành Khuyến cáo của tài liệu Hướng dẫn Chi phí Vòng đời Ngầm của Công ty Điện lực đã khuyến cáo thực hành thử nghiệm phóng điện cục bộ ngoại tuyến 50Hz hoặc 60Hz với độ nhạy 5pC giải quyết vấn đề đào tạo một cách khách quan. Phương pháp tiếp cận này định vị được hơn 99% các khiếm khuyết cách điện và cung cấp phản hồi ngay lập tức cho người lắp đặt tại công trường để họ có thể hiểu được "một hư hại trông nó như thế nào" và phát triển các kỹ thuật sửa chữa chức năng. Các công ty điện lực giờ đây có thể yên tâm sử dụng những nhân viên ít kinh nghiệm hơn, nhờ các thử nghiệm nghiệm thu hiệu quả sẽ cấp cho họ phản hồi mà họ cần và bảo vệ khoản đầu tư vào cáp ngầm khỏi các tổn thất vận hành và bảo trì và tổn thất doanh thu trong tương lai.

Tại sao lại sử dụng quy định kỹ thuật thử nghiệm phóng điện cục bộ ngoại tuyến 50 hoặc 60Hz?

Hướng dẫn tính toán chi phí vòng đời cho hệ thống điện ngầm của công ty điện lực khuyến cáo một thử nghiệm PD ngoại tuyến 50Hz hoặc 60Hz với độ nhạy 5pC do hiệu quả đã được chứng minh trong hai thập kỷ qua trong các nghiên cứu quy mô lớn của ngành theo quan điểm về độ tin cậy và lợi tức đầu tư. Có những tùy chọn quy định kỹ thuật khác đã được cân nhắc nhưng hầu hết chúng đều là giải pháp ít hơn 10% so với các tiêu chuẩn của các nhà chế tạo cáp và chế tạo phụ kiện và do đó không được khuyến nghị. Tuy nhiên, đôi khi có sự nhầm lẫn về lý do tại sao cần có quy định kỹ thuật nghiêm ngặt, khiến một số chủ sở hữu cáp cân nhắc sử dụng các nguồn điện xoay chiều tắt dần chi phí thấp hơn hoặc các nguồn điện áp tần số rất thấp (VLF), hoặc một thử nghiệm với độ nhạy phát hiện trong phạm vi 100pC mà không hiểu được ý nghĩa của chúng.

Ý nghĩa của tần số điện áp thử nghiệm

PD là hiện tượng “vi hồ quang” không xuyên thủng cách điện. Hành vi của nó nhạy cảm với tần số của nguồn điện áp thử nghiệm. Tất cả các tiêu chuẩn của các nhà chế tạo đều yêu cầu phải cấp điện cho cáp bằng một điện áp xoay chiều 50Hz hoặc 60Hz liên tục và thường trong thời gian dài hơn 10 giây nhưng ngắn hơn một phút. Thử nghiệm ở tần số lưới điện cho phép chủ sở hữu cáp quan sát các hệ thống trong các điều kiện tần số vận hành điển hình. Tần số của nguồn điện áp thử nghiệm là một yếu tố trực tiếp trong một vòng khiếm khuyết về điện áp hoặc điện áp khởi tạo PD (PDIV) hoặc điện áp tắt PD (PDEV). Tính năng PDIV, PDEV và các giá trị đo được là cơ sở của tất cả các thử nghiệm kiểm soát chất lượng thiết kế và sản xuất đối với các thành phần hệ thống cáp điện lực hiện đại. Các giải pháp VLF thử nghiệm ở các tần số rất thấp (0,1Hz đến 1Hz) hoạt động giống như DC hơn là tần số điện và ít có khả năng kích thích PD trong nhiều trường hợp. Điện áp AC tắt dần và các nguồn điện áp hình chữ nhật Cosine, với một sự thay đổi độ dốc đảo cực có kiểm soát, dựa vào việc sạc hệ thống cáp trước tiên bằng DC, sau đó là một xung ngắn chỉ bằng một phần nhỏ của một chu kỳ 50/60Hz. DC liên quan đến các nguồn điện áp này đưa vào "các điện tích không gian" trong cách điện gây ra một sự phân bố trường điện khác biệt đáng kể tại vị trí hư hại. Ngoài ra, xung điện tạo ra nhỏ hơn một trường điện khác đáng kể nhỏ hơn một chu kỳ 50/60Hz toàn phần, và nội dung tần số thường ở mức vài trăm Hz. Tóm lại, thực hiện một thử nghiệm PD với tần số nhỏ hơn 1Hz, nạp bằng DC trước tiên, ở mức hàng mấy trăm Hz, hoặc một thời lượng ngắn hơn thời lượng tiêu chuẩn thông thường (10 đến 60 giây), tạo ra các điều kiện có thể thay đổi PDIV trong phạm vi từ 150 đến 200% và khiến các kết quả thử nghiệm bị sai và không thể so sánh với các tiêu chuẩn của ngành.

Các nghiên cứu cho thấy rủi ro sự cố trong vài năm đầu vận hành có thể thấp hơn 100 lần nếu đưa vào vận hành và sửa chữa hiệu quả các dị thường.

Loại bỏ nhiễu trước khi phát hiện

Khi các nhà chế tạo thực hiện các thử nghiệm PD, các tiêu chuẩn này yêu cầu phải đặt mỗi thành phần trong một phòng được che chắn điện (thường là vách thép) vốn cung cấp một môi trường không có tần số rađio (RF) trước khi kiểm tra PD, về cơ bản là "loại bỏ hiệu quả nhiễu trước khi phát hiện." Tại hiện trường, thử nghiệm tương đương các tiêu chuẩn của nhà chế tạo mô phỏng phòng được che chắn bằng cách loại bỏ nhiễu RF nền thông qua một tập hợp các kỹ thuật và quy trình. Điều này bắt đầu bằng một phương pháp kết nối đo tần số cao với cáp điện trung áp, tất nhiên là thiết kế cho một ứng dụng tần số điện (50/60Hz). Tiếp theo là bộ ghép tín hiệu băng thông rộng có khả năng tách các tín hiệu tần số cao trong khi đang hoạt động ở tần số lưới điện trong quá trình thử nghiệm. Hệ thống này số hóa dữ liệu ở tốc độ đủ lớn để xác định phép đo điện tích PD, và cuối cùng xử lý dữ liệu kỹ thuật số đã thu thập thông qua xử lý tín hiệu số lặp lại tiên tiến (DSP). Tất cả các yếu tố trên đều sao chép hiệu quả "loại bỏ nhiễu phát hiện trước", đồng thời bảo toàn tính toàn vẹn của tín hiệu để phát hiện PD. Hầu hết các thử nghiệm PD tại hiện trường đều sử dụng các kỹ thuật kết nối và bộ ghép chung với cáp. Thiết bị này thường là cùng một model sử dụng phổ biến trong môi trường phòng thí nghiệm có nhiễu thấp. Ngoài hiện trường, phương pháp này cố gắng phát hiện PD trước khi sử dụng DSP để giúp loại bỏ nhiễu còn lại, hiệu quả là loại bỏ nhiễu sau khi phát hiện. Thực hành này cung cấp độ nhạy thấp hơn đáng kể và thường mang lại kết quả chỉ đạt độ nhạy 100 đến 200pC, bỏ qua hơn 90% các khiếm khuyết của cáp so với yêu cầu 5pC của tiêu chuẩn nhà chế tạo cáp và phụ kiện.

Kết quả ròng của các thử nghiệm VLF hoặc DAC PD mà kết hợp nguồn điện áp không chuẩn hóa với bộ phát hiện tín hiệu chung thường là giải pháp nhỏ hơn 10% và do đó tạo ra ít hơn 10% giá trị tính năng độ tin cậy và lợi tức đầu tư.

Ví dụ về các khiếm khuyết bị bỏ sót bởi thử nghiệm PD không chuẩn hóa. Khiếm khuyết cáp (trên), khiếm khuyết mối nối (dưới) (Ảnh st)

Theo thông lệ tốt nhất, khi một hệ thống cáp đáp ứng quy định kỹ thuật này, có thể kỳ vọng tính năng vận hành ổn định trong 40 năm, miễn là không xảy ra các sự kiện vận hành vật lý cực đoan hoặc gây biến dạng vật lý làm hư hại hệ thống (Ảnh st)

Kết luận

Các công ty điện lực lắp đặt các đường dây trung áp ngầm đang thực hiện các khoản đầu tư rất lớn. Để giảm chi phí và bảo vệ các khoản đầu tư này trước tình trạng tổn thất doanh thu và vận hành và bảo trì trong tương lai, khuyến cáo tiến hành thử nghiệm quét cáp hiệu quả. Báo cáo của Tổ chức PDI2.org có tên là “Hướng dẫn tính toán chi phí vòng đời cho hệ thống điện ngầm của công ty điện lực” khuyến cáo công ty điện lực nên tiến hành thử nghiệm phóng điện cục bộ ngoại tuyến 50 hoặc 60Hz với độ nhạy 5pC. Thực hành tốt nhất chỉ ra rằng khi hệ thống cáp vượt qua quy định kỹ thuật này, dự kiến ​​cáp sẽ có tính năng tin cậy trong 40 năm, với điều kiện không có sự kiện vận hành cực đoan/thay đổi vật lý nào làm hư hại hệ thống cáp. Nếu một sự kiện như vậy xảy ra, công ty điện lực khuyến cáo tiến hành quét đường cơ sở một lần nữa. Triển khai quy định kỹ thuật này với chi phí xây dựng chưa tới một vài phần trăm, các công ty điện lực có thể tăng gấp ba tuổi thọ cáp, giảm đáng kể chi phí trả trước, cho phép đào tạo lực lượng lao động và giảm chi phí vận hành/tổn thất doanh thu trong tương lai cũng như tăng độ tin cậy và an toàn lên hơn 10 lần.

(1): IEEE C62.22.1-2024: Hướng dẫn của IEEE về Kết nối Thiết bị Chống sét để Bảo vệ Hệ thống Cáp Điện lực có Cách điện và Che chắn, Điện áp đến 46kV

(2) DC HIPOT (High Potential Test): Thử nghiệm điện áp cao một chiều - dùng để kiểm tra độ bền cách điện của cáp, thiết bị điện bằng điện áp một chiều cao hơn mức vận hành bình thường.

(3) VLF (Very Low Frequency) withstand test: Thử nghiệm chịu điện áp ở tần số rất thấp (thường 0,1–0,01Hz) - thay thế thử AC truyền thống để kiểm tra cách điện của cáp trung/cao áp.