CSDL Ngành điện

Công nghệ và thử nghiệm các thanh cách giữa các dây pha

14/11/2024 15:33 Số lượt xem: 61

Bài viết này xem xét những lợi thế và các ứng dụng của các thanh cách giữa các dây pha trên các đường dây trên không để chống lại rủi ro do đóng băng và gió.

(Ảnh trên) Băng tích tụ trên các dây dẫn có thể dẫn đến hiện tượng bật dây đột ngột và các phóng điện liên quan giữa các pha. Thiết kế các thanh cách lắp trên các đường dây truyền tải ở Québec (ảnh giữa) và Alberta, Canađa (ảnh dưới) (Ảnh st)

Thanh cách dây pha có chức năng ngăn chặn các dây pha của mạch điện trên không có điện áp cao tiến lại gần nhau khi có ống băng hoặc gió mạnh có thể làm tăng cao độ lệch của các dây dẫn do tải trọng cơ lớn hơn. Nhiều tình huống khác nhau có thể xảy ra trong quá trình tạo ra ống băng. Ví dụ, ống băng lắng đọng trên một dây pha thấp hơn có thể vỡ tan đột ngột, trong khi ống băng lắng đọng trên dây pha cao hơn vẫn giữ nguyên không thay đổi. Trong quá trình văng ra đột ngột như vậy sẽ kích hoạt một dao động hoặc va chạm mạnh trên dây pha thấp hơn, khiến nó trở nên nguy hiểm khi ở gần dây pha cao hơn vẫn giữ nguyên ống băng. Đây là hiện tượng văng bật, có thể gây ra phóng điện giữa các pha. Ống băng lắng đọng trên dây pha thấp hơn cũng có thể phân tán dần dần trong khi ống băng trên pha cao hơn vẫn không đổi. Một lần nữa, hai pha có nguy cơ bị đưa lại quá gần nhau.

Nếu gió và băng xảy ra đồng thời, chẳng hạn như trong một cơn 'bão băng', với gió thổi ngang theo hướng của một đường dây, chuyển động xoay của dây dẫn có thể xảy ra. Điều này có xu hướng làm tở các sợi, gây biến dạng vĩnh viễn các dây dẫn cùng với sự gia tăng đáng kể về trọng lượng ảnh hưởng đến cả vật cách điện và kết cấu (xem Hình 1). Trong trường hợp nghiêm trọng nhất, sự tích tụ tuyết về một bên của dây dẫn sẽ khiến các sợi quay do trọng lượng không đồng đều trên bề mặt ngoài của dây dẫn, dẫn đến khả năng làm đổ cột điện. Việc sử dụng các thanh cách dây pha trong những tình huống như vậy có thể giúp chống lại sự quay của dây và sự tách ra tương đối của dây dẫn do các kẹp tiếp xúc giữ các sợi tại chỗ (xem Hình 2).

Hình 1: Sự tách ra dần dần của các sợi khi có ống băng bao phủ (Ảnh st)

Hình 2: Kẹp thanh cách dây pha giữ chặt các sợi dây dẫn ở đúng vị trí (Ảnh st)

Thanh cách dây pha composite khác với vật cách điện composite điển hình do có chiều dài lớn hơn nhiều. Hơn nữa, các phụ kiện đầu nối của nó là các kẹp tiếp xúc phải định cỡ theo đường kính của các dây dẫn pha của đường dây, theo vị trí tương đối của chúng (dây dẫn đơn, dây dẫn đôi, bó, v.v.) và theo việc có lắp thanh bọc thép giữa dây dẫn và kẹp hay không. Thanh cách dây pha có thể điều chỉnh để ứng dụng trên các đường dây có khoảng cách khác nhau giữa các dây pha hoặc có chiều dài cách điện cố định, đối với các đường dây có khoảng cách không đổi giữa các pha.

Các đặc tính điện và cơ

Đặc tính điện của thanh cách dây pha khác với đặc tính của vật cách điện tương ứng vì nó lắp giữa hai pha và do đó chịu điện áp pha-pha của hệ thống chứ không phải là pha-đất. Các đặc tính điện mà một thanh cách dây pha phải tuân thủ thường không phải là gây ra thách thức vì chiều dài mà nó phải có để kết nối hai pha thường lớn hơn nhiều so với sự cần thiết trong việc đảm bảo các giá trị điện.

Các thanh cách dây pha ở miền Hoa Trung (Trung Quốc) (Ảnh st)

Kích thước cơ học của một thanh cách dây pha phải luôn bao gồm một tải trọng kéo đảm bảo như tải trọng kéo quy định (STL) hoặc tải trọng cơ khí danh định (SML) cũng như một tải trọng nén cơ học (SCoL). Các ứng suất cơ trên thiết bị này vừa là lực kéo vừa là lực nén với mức độ bằng nhau. Hơn nữa, để đảm bảo thanh cách dây pha không bị biến dạng, bởi vì chiều dài của nó liên quan đến khoảng cách giữa các pha, cần phải định cỡ thanh FRP (thanh nhựa epoxy) bên trong sao cho thanh cách không bị uốn cong quá mức dưới trọng lượng của chính nó hoặc dưới tác dụng của lực nén cơ học. Do đó, đường kính thanh lõi của thanh cách thường lớn hơn so với vật cách điện composite tương ứng. Khi tính đến các cân nhắc này, định cỡ điện và cơ học của thanh cách dây pha không giống với vật cách điện đường dây composite, mặc dù tương tự nhau. Nhìn chung, cần chú ý nhiều hơn đến đường kính của thanh FRP và chiều dài tương đối của nó để thanh cách có thể chịu được lực kéo cũng như lực nén và không bị biến dạng quá mức dưới tác dụng của các tải trọng này.

Nguyên liệu thô chế tạo các thanh cách dây pha về cơ bản giống như đối với hầu hết các vật cách điện composite, tức là thanh lõi FRP, phụ kiện đầu nối bằng thép mạ kẽm nóng và silicon HTV cho vỏ ngoài. Vì kích thước rất quan trọng nên rất khó để đúc vỏ silicon vào thanh trong một bước duy nhất và thường cần hai hoặc nhiều chu kỳ đúc. Ngoài ra, phải hết sức cẩn thận khi đóng gói các thanh cách để vận chuyển, cho dù trong thùng gỗ hay trong ống chống thấm nước.

Đóng gói các thanh cách giữa các pha để vận chuyển (Ảnh st)

Hình 3 thể hiện kích thước và đặc tính của thiết kế thanh cách dây pha của EB Rebosio

Hình 3: Thiết kế và đặc tính của thanh cách dây pha của EB Rebosio (Ảnh st)

Lắp đặt

Có hai loại cấu hình lắp đặt thanh cách chính, Sơ đồ A và B. Sơ đồ A phù hợp hơn với các đường dây có điện áp danh định là 150kV, 220kV hoặc 400kV và có khoảng cách tối đa giữa các kết cấu là 500m. Ngược lại, Sơ đồ B áp dụng nhiều hơn cho các đường dây có điện áp danh nghĩa là 400kV và khoảng cách giữa các kết cấu lớn hơn 500m.

Các thanh cách dây pha lắp vào dây dẫn của các pha bên dưới bằng một thiết kế phụ kiện đầu nối phù hợp. Phụ kiện đầu nối cũng có thể trang bị các thanh bọc thép để giúp làm giảm chấn các dao động phát sinh trên dây dẫn khi có gió mạnh hoặc ống băng tích tụ rơi đột ngột (Ảnh st)

Đường dây 400kV ở dãy núi Lombard Alps của Italia lắp đặt thanh cách dây pha (Ảnh st)

Thanh cách dây pha lắp trên đường dây 400kV của Terna (Ảnh st)

Mục đích chung của việc sử dụng các loại kẹp khác nhau trong thiết kế thanh cách dây pha là giữ các dây dẫn pha ở mỗi bên. Về vấn đề này, các phụ kiện đầu nối và các kẹp kết nối cụ thể luôn giống nhau và đối xứng ở mọi điện áp cao. Dưới đây là các ví dụ về các kẹp khác nhau để kết nối các dây dẫn pha bằng cách sử dụng các thanh cách dây pha composite.

Đường dây 110kV sử dụng kẹp trên thanh cách dây pha (Ảnh st)

Kẹp dùng cho thanh cách dây pha trên đường dây 400kV (Ảnh st)

Kẹp dùng cho thanh cách dây pha trên đường dây 400kV trang bị thanh bọc thép chống rung (Ảnh st)

Mặc dù các phụ kiện đầu nối trên các thanh cách dây pha có thể chế tạo theo nhiều cách khác nhau nhưng tất cả đều phải nối các kẹp kết nối một cách an toàn và chắc chắn với thân thanh cách dây pha trong khi vẫn chịu được mọi lực kéo hoặc nén đặt vào. Các giải pháp áp dụng trong vấn đề này bao gồm các phụ kiện đầu nối loại chốt và lá kẹp nhưng cũng có thể sử dụng các phụ kiện đầu nối loại ổ cắm và bi. Trong trường hợp sau, cần phải sử dụng các kẹp kết nối bổ sung để có thể lắp ghép kẹp giữ dây dẫn vào thanh cách dây pha composite. Dưới đây là các ví dụ về các phụ kiện đầu nối lắp trên các thanh cách dây pha 132kV/150 kV/220kV và 400kV.

Phụ kiện đầu cuối lá kẹp vật cách điện dùng cho thanh cách dây pha (Ảnh st)

Phụ kiện đầu nối chốt vật cách điện dùng cho thanh cách dây pha (Ảnh st)

Kết nối phụ kiện đầu nối ổ cắm với kẹp giữ dây dẫn đường dây (Ảnh st)

Các tiêu chuẩn quốc tế để định cỡ phụ kiện đầu nối cho thanh cách dây pha giống với tiêu chuẩn để định cỡ phụ kiện đầu nối của các vật cách điện composite, bao gồm IEC 61466-1 (Tiêu chuẩn áp dụng cho các vật cách điện chuỗi composite cho đường dây trên không AC có điện áp danh định lớn hơn 1.000V và tần số không lớn hơn 100Hz) và IEC 61466-2 (Tiêu chuẩn áp dụng cho các vật cách điện chuỗi hỗn hợp dùng cho đường dây trên không có điện áp danh định lớn hơn 1.000V). Đối với tính năng điện của các thanh cách dây pha, về cơ bản giống như yêu cầu của vật cách điện composite, ngoại trừ các giá trị thử nghiệm cao hơn (tức là giá trị thử nghiệm của vật cách điện nhân với √3). Do đó, phải luôn thử nghiệm thanh cách ở điện áp mô phỏng các tác động dài hạn của ứng dụng ở điện áp pha-pha. Điều này cũng áp dụng cho tính toán chiều dài đường rò tối thiểu yêu cầu phải dựa trên điện áp pha-pha thực tế. Các thử nghiệm điện mà thanh cách dây pha phải chịu giống như đối với các vật cách điện đường dây, cụ thể là:

• Thử nghiệm điện áp chịu xung sét khô hoặc thử nghiệm điện áp phóng điện bề mặt;
• Thử nghiệm điện áp chịu thử tần số nguồn ướt hoặc thử nghiệm điện áp phóng điện bề mặt;

• Thử nghiệm điện áp chịu xung đóng cắt ướt hoặc điện áp phóng điện bề mặt.

Trong trường hợp này, các giá trị điện trên nhãn máy quy định theo các tiêu chuẩn như IEC 60071-1 (Tiêu chuẩn về phối hợp cách điện) phải nhân với √3.

Kiểm tra, Thử nghiệm và Thanh tra

Các yêu cầu và kiểm tra tương tự yêu cầu đối với các thanh cách dây pha composite như áp dụng cho các vật cách điện làm bằng vật liệu composite. Các tiêu chuẩn cụ thể cần áp dụng cho các thử nghiệm thiết kế, điển hình, nghiệm thu và các thử nghiệm thường xuyên riêng lẻ là IEC 60815-3 (Tiêu chuẩn về lựa chọn và định cỡ sứ cách điện cao áp dùng trong điều kiện ô nhiễm), IEC 62217 (Tiêu chuẩn về Chất cách điện polyme dùng trong nhà và ngoài trời với điện áp danh định lớn hơn 1000V), IEC 61109 (Tiêu chuẩn Cách điện cho đường dây trên không) và IEC 60437 (Tiêu chuẩn về Thử nghiệm nhiễm nhiễu tần số rađiô trên cách điện cao áp). Việc sử dụng IEC 60815-3 cho phép thu được các tham số kích thước, khoảng cách và hình dạng của vỏ silicon bên ngoài như một hàm của mức độ ô nhiễm dọc theo đường đi của đường dây trên không (với khoảng cách đường rò cụ thể thể hiện bằng mm/kV nhưng tính toán bằng cách sử dụng điện áp nối tiếp). IEC 62217 và 61109 làm tài liệu tham khảo khi thực hiện tất cả các thử nghiệm thiết kế, chẳng hạn như thử nghiệm các giao diện và kết nối, thử nghiệm trên vỏ và trên thanh FRP bên trong cũng như các thử nghiệm truy vết và xói mòn và kiểm tra cơ học dài hạn.

Thanh cách dây pha trong quá trình thử nghiệm điện áp chịu thử tần số nguồn ướt (tham khảo IEC 61109 CL.11.1) (Ảnh st)

Vật cách điện composite thanh cách giữa các pha trong quá trình thử nghiệm cơ học dài hạn (tham khảo IEC 61109 CL. 11.2) (Ảnh st)

Thanh cách dây pha hoàn chỉnh trong quá trình thử nghiệm cơ học để xác minh tải trọng cơ SML đã chỉ định (tham khảo IEC 61109 CL. 12.4 B) (Ảnh st).

IEC 60437 là tiêu chuẩn tham chiếu nếu cần xác minh mức điện áp ảnh hưởng tần số rađio (tức là thử nghiệm RIV) hoặc điện áp đánh lửa và dập tắt liên quan đến phóng điện vầng quang và nói chung là để tính đến sự phân bố của trường điện dọc theo thanh cách dây pha . Các thử nghiệm loại như xác minh độ mặn của lớp đệm (tham khảo IEC 60507 – Tiêu chuẩn Thử nghiệm nhiễm bẩn nhân tạo trên cách điện cao áp sử dụng trong hệ thống xoay chiều) hoặc thử nghiệm hồ quang điện (tham khảo IEC 61467 – Tiêu chuẩn Bộ cách điện cho đường dây trên không) thường không cần thiết để xác minh hành vi của thanh cách dây pha. Các thử nghiệm này liên quan nhiều hơn đến hành vi của vật cách điện treo và vật cách điện căng sau khi kết nối với các phụ kiện đầu nối kim loại kết nối với giá đỡ cột và dây dẫn pha.

Một thử nghiệm điển hình đáng kể để xác minh hành vi của các vật cách điện composite trong các thanh cách dây pha liên quan đến ứng suất kéo cơ học. Ví dụ, Italia thực hiện thử nghiệm này trên các vật cách điện composite sử dụng trên tất cả các đường dây điện cao thế và bao gồm việc đặt một lực kéo dọc trục vào vật cách điện. Lực (F) bao gồm một thành phần có mẫu hình sin xoay chiều chồng lên một thành phần không đổi bằng 22% tải trọng cơ học chỉ định của vật cách điện đang thử nghiệm (tức là SML theo IEC 61109). Thành phần xoay chiều phải luôn có giá trị đỉnh bằng 8% SML của vật cách điện. Hơn nữa, tần số của thành phần xoay chiều phải nằm trong khoảng từ 0,5 đến 5Hz và số chu kỳ thử nghiệm phải bằng 1 triệu. Thử nghiệm thành công nếu khi kết thúc các chu kỳ này thanh tra trực quan không phát hiện thấy bằng chứng hư hại của vỏ hoặc các phụ kiện đầu nối. Do đó, thử nghiệm này mô phỏng, càng sát càng tốt, các ứng suất cơ học mà một thanh cách sẽ phải chịu trong suốt thời gian dịch vụ của nó.

Hình 17: Cấu hình dùng cho thử nghiệm mỏi kéo cơ học (Ảnh st)

Vật cách điện composite trong quá trình thử nghiệm mỏi kéo cơ học (Ảnh st)

Bộ đếm số chu kỳ thử nghiệm độ mỏi kéo cơ học (Ảnh st)

Về thử nghiệm và kiểm thử chấp nhận trước khi giao một lô thanh cách cho khách hàng cuối, tiêu chuẩn tham chiếu áp dụng là đoạn 12 của IEC 61109. Số lượng mẫu cần thử nghiệm dựa trên số lượng thanh cách trong lô vận chuyển và các thử nghiệm cần thực hiện trên các mẫu này, được định nghĩa chi tiết, bao gồm: kiểm tra kích thước, kiểm tra cơ học và xác minh các thông số khác cần thiết để có tính năng dịch vụ dài hạn thỏa đáng. Mô tả của từng thử nghiệm bao gồm quy trình cũng như tiêu chí chấp nhận tương đối theo kết quả thu được.

Các loại thanh cách khác

Ngoài việc ứng dụng trên các dây dẫn của các đường dây trên không bị đóng băng, các thanh cách dây pha cũng có thể lắp đặt ở các khu vực dịch vụ tiếp xúc với gió mạnh đột ngột, chẳng hạn như sa mạc. Trong trường hợp này, việc lắp đặt các thanh cách giữa các pha của đường dây giúp hạn chế hiện tượng sóng chạy dây dẫn, ví dụ như do gió mạnh trong bão cát.

Đường dây phân phối trên không ở Ả Rập Xê Út sử dụng thanh cách dây pha (Ảnh st)

Các thanh cách dây pha dùng trong ứng dụng này thường sử dụng các phụ kiện đầu nối bằng nhôm để lắp vào các dây dẫn pha vì tải trọng cơ học liên quan, cả kéo và lực nén, đều thấp hơn so với các tải trọng yêu cầu cho các vật cách điện đường dây composite có cùng đặc tính điện. Sử dụng các phụ kiện đầu nối bằng nhôm giúp giảm trọng lượng của thanh cách lên đường dây và cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt.

Phụ kiện đầu cuối nhôm (Ảnh st)

Thanh cách có ống nhôm ở giữa và hai vật cách điện composite (Ảnh st)

Kết luận

Các thanh cách dây pha duy trì khoảng cách không đổi giữa các pha của đường dây trên không. Các tình huống thường gặp nhất mà ở đó sử dụng chúng là khi đường dây phơi nhiễm gió mạnh và bão tuyết có thể tạo ra các ống băng trên các dây dẫn. Các thanh cách giúp tránh hiện tượng bật dây và cũng có khả năng làm giảm hiệu ứng sóng chạy của các dây dẫn dưới tốc độ gió cao.

Thiết kế các thanh cách dây pha cần phải tính đến các điều kiện cụ thể khi áp dụng:

• thanh cách làm việc chịu cả lực kéo và lực nén;

• tải trọng cơ nén và kéo mà thanh cách phải chịu thấp hơn so với các tải trọng điển hình mà các vật cách điện đường dây composite thông thường phải chịu;

• đường kính của thanh sợi thủy tinh bên trong thanh cách phải lớn hơn đường kính của vật cách điện đường dây tương ứng vì nó dài hơn nhiều. Do đó, cần đặc biệt cẩn thận để tránh hư hại hoặc biến dạng trong quá trình vận chuyển, nâng chuyển và lắp đặt.

Về các thử nghiệm và kiểm tra trên thanh cách, thử nghiệm điện đóng vai trò ít quan trọng hơn nhiều so với thử nghiệm cơ học. Một thử nghiệm kéo với tải cơ học có hành vi dài hạn hình sin cũng phải thực hiện.