Đăng ký thành viên

Đánh giá độ tin cậy của cách điện xuyên

Cách điện xuyên bằng giấy tẩm nhựa (RIP) là giải pháp đã qua kiểm chứng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Mặc dù các cách điện xuyên loại này thường có thể coi là “không cần bảo dưỡng”, vẫn phải theo dõi một số tham số của chúng trước khi đưa vào sử dụng và sau đó phải theo dõi định kỳ. Hơn nữa, việc đánh giá độ tin cậy của chúng đòi hỏi phải hiểu một số tham số vật lý nhất định vì không giống như cách điện xuyên bằng giấy tẩm dầu (OIP), lõi tụ điện là chất rắn. Bài viết trên tạp chí INMR trước đây đã thảo luận về các tham số có liên quan cho các đánh giá như vậy.

Công nghệ giấy tẩm nhựa (RIP) giờ đây có thể áp dụng cho hầu như tất cả các ứng dụng của cách điện xuyên trong ngành điện. Tuy nhiên, vì lõi tụ điện là chất rắn và không chứa dầu như trong cách điện xuyên OIP nên có những sự khác biệt lớn khi đánh giá độ tin cậy vận hành.

Máy biến áp RIP và cách điện xuyên tường tại Trạm biến áp Chuxiong ±800kV (Trung Quốc)

Ví dụ như, phân tích khí hòa tan (DGA) là một phương pháp luận quen thuộc để đánh giá tình trạng của cách điện xuyên OIP. Tuy nhiên, để chẩn đoán các cách điện xuyên này khó có thể sử dụng phóng điện cục bộ giữa các nấc san bằng. Đó là do cơ chế hỏng có thể xảy ra giữa hai phép đo ngoại tuyến liên tiếp. Do đó, có thể không phát hiện thấy điều gì bất thường trước khi sự cố hỏng hóc hoàn toàn xảy ra đột ngột và nhanh chóng. Ngược lại, trong trường hợp cách điện xuyên RIP, không có tương tác giữa phóng điện cục bộ tại một vị trí cụ thể và phần còn lại của lõi tụ điện. Do vật liệu này rắn, bất kỳ phóng điện cục bộ nào cũng chỉ giới hạn ở vị trí cụ thể của nó. Vì vậy, tuổi thọ còn lại của cách điện xuyên RIP sau lần phóng điện cục bộ đầu tiên thường dài hơn nhiều so với cách điện xuyên OIP. Điều này có nghĩa là việc phát hiện phóng điện cục bộ trong quá trình đo ngoại tuyến có thể là một tham số phù hợp để đánh giá độ tin cậy vận hành.

Ngoài điện dung, hệ số công suất của cách điện xuyên cũng là một tham số phù hợp để đánh giá chẩn đoán. Nhưng do thiết kế khác nhau của các lõi tụ điện, các tham số ảnh hưởng đến hệ số công suất là khác nhau đối với các cách điện xuyên OIP và RIP. Đối với mỗi đánh giá, phải tính đến ảnh hưởng của các điều kiện môi trường (ví dụ như điện dung ký sinh, nhiệt độ). Một số tham số bị ảnh hưởng theo cùng một cách với các cách điện xuyên OIP và RIP trong khi những tham số khác bị ảnh hưởng khác nhau. Hiểu biết những tham số ảnh hưởng này rất quan trọng đối với từng đánh giá.

Thiết kế cơ bản của cách điện xuyên

Thông thường nhất, người ta sử dụng vật cách điện sứ cho các cách điện xuyên OIP, trong khi các vật cách điện xuyên RIP có vỏ cách điện composite. Nhà sản xuất chế tạo lõi tụ điện bằng cách quấn giấy liên tục đồng thời chèn lá nhôm vào những vị trí chính xác để tạo thành nấc điện dung của trường điện. Sau khi quấn, nhà sản xuất tẩm lõi bằng nhựa epoxy (RIP) hoặc dầu (OIP) trong chân không và nhiệt.

Quấn giấy cách điện và lá nhôm quanh lõi dẫn điện (Ảnh st)

Lão hóa

Trong các điều kiện hoạt động bình thường, lão hóa cách điện xuyên là do ứng suất điện liên quan đến điện áp danh định của nó so với bất kỳ quá điện áp nào, ví dụ như do sét đánh hoặc thao tác đóng cắt. Lão hóa tăng nhanh là do quá điện áp cao quá mức cũng như do ứng suất nhiệt và độ ẩm xâm nhập. Các hệ thống cách điện OIP đặc biệt nhạy cảm với hiện tượng quá nhiệt. Hơn nữa, sự xâm nhập của độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến tuổi thọ dịch vụ. Thực vậy, trong trường hợp cách điện đã quá lão hóa, toàn bộ hệ thống có thể bị hỏng sau đó do bất kỳ phóng điện cục bộ nào. Điều này có thể dẫn đến sự cố thảm khốc nếu cách điện xuyên bắt lửa và liên quan đến cả máy biến áp.

Các tham số liên quan để đánh giá các cách điện xuyên OIP & RIP

Chúng ta đều biết rằng hệ số công suất và DGA đều là những tham số phù hợp để đánh giá độ tin cậy hoạt động của cách điện xuyên OIP. Tuy nhiên, như đã thảo luận trước đó, các tham số liên quan đối với cách điện xuyên RIP là khác nhau, khiến việc hiểu các tham số này và ảnh hưởng có thể có của chúng trở nên quan trọng. Một phóng điện cục bộ dẫn đến tăng điện dung chính C1, với phạm vi tăng phụ thuộc vào số lượng ngắn mạch so với tổng số lớp san bằng. Mức điện áp của cách điện xuyên càng cao, thì mức tăng của C1 trong trường hợp xảy ra phóng điện cục bộ duy nhất sẽ càng thấp. Do đó, phải tính đến các tham số ảnh hưởng đến điện dung C1 trong bất kỳ quá trình đánh giá nào, đặc biệt là ở những điện áp cao hơn.

Ngay cả khi tầm quan trọng tương đối của bất kỳ sự gia tăng C1 nào là khác nhau khi đánh giá cách điện xuyên OIP so với cách điện xuyên RIP, thì các tham số ảnh hưởng là như nhau đối với cả hai công nghệ này. Giá trị của C1 bị ảnh hưởng bởi điện dung ký sinh và nhiệt độ. Vì điện dung ký sinh là một tham số hình học, nên việc giữ nguyên thiết lập cũng sẽ giữ nguyên điện dung đó. Do đó, phép đo “dấu vân tay” sau khi lắp đặt một cách điện xuyên vào vị trí cuối cùng của nó là tham chiếu tốt nhất cho các phép đo tiếp theo. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của C1 đối với các cách điện xuyên OIP và RIP lần lượt là 0,025%/K và 0,04%/K và điều này thường chỉ liên quan trong trường hợp chênh lệch nhiệt độ là rất lớn. Đối với các phép đo ngoại tuyến, độ lệch thu được chủ yếu là nhỏ và có thể bỏ qua.

Đồ thị 1. Sự phụ thuộc của C1 vào nhiệt độ của cách điện xuyên OIP

Các trường hợp lịch sử sau đây cung cấp một cái nhìn tổng quan về những tình huống điển hình có thể gặp phải trong quá trình đánh giá cách điện xuyên RIP:

Trường hợp Lịch sử 1: Tăng điện dung C1→Phóng điện cục bộ

Vào năm 2008, nhà chế tạo cách điện xuyên nhận thông báo rằng trong một lần cắt điện theo kế hoạch, phép đo trên một cách điện xuyên RIP cho thấy điện dung C1 đã tăng 53%. Cách điện xuyên này đã hoạt động trong 10 năm và đây là phép đo đầu tiên như vậy sau khi lắp đặt. Dựa trên kết quả đo, người ta đã kết luận rằng đã xảy ra nhiều phóng điện cục bộ.

Sau đó, người ta đã tháo rời cách điện xuyên (sau khi thực hiện xác nhận phép đo tại chỗ bằng phép đo điện) và phát hiện ra một lỗ bên trong lõi tụ điện. Bề mặt bên trong của lỗ thủng này đã bị cháy thành than và do đó các lớp san bằng liên quan đã bị ngắn mạch. Số lượng các lớp bị ngắn mạch tương ứng với mức tăng điện dung C1 đo được. Phân tích nguyên nhân gốc rễ đã chỉ ra rằng một khiếm khuyết nhỏ rõ ràng đã có ngay từ đầu. Khiếm khuyết này đã gây ra phóng điện cục bộ và dẫn đến xói mòn nhựa ở khu vực bị ảnh hưởng. Theo thời gian, sự xói mòn đã tăng lên và cuối cùng dẫn đến lỗ thủng. Thông thường, quá trình thử nghiệm thường xuyên sẽ phát hiện những khiếm khuyết như vậy trong lõi tụ điện. Tuy nhiên, có thể sẽ không phát hiện ra khiếm khuyết nhỏ vì bất kỳ phóng điện cục bộ nào cũng là một sự kiện thống kê. Sau đó, dưới tác động của ứng suất điện liên tục trong một khung thời gian vài năm, hiện tượng phóng điện cục bộ bắt đầu xuất hiện và cơ chế hỏng hóc này bắt đầu.

Trường hợp Lịch sử 2: Sai lệch của C1→Điện dung ký sinh

Nếu có thể nhận dạng bất kỳ sai lệch nhỏ nào về điện dung C1 thì việc đánh giá sẽ hiệu quả hơn nếu như không chỉ một, mà nhiều cách điện xuyên đều đo theo cùng một cách.

Sau khi nhận các phép đo này từ khách hàng, người ta đã so sánh thiết lập của chúng với thiết lập cho thử nghiệm thường xuyên tiến hành tại nhà chế tạo. Khách hàng đã lắp đặt các cách điện xuyên trong một bình chứa dầu lớn và phía SF₆ vẫn ở trong không khí vì chỉ thực hiện một phép đo 10kV. Ngược lại, đối với thử nghiệm thường xuyên tại nhà chế tạo, các cách điện xuyên đã lắp đặt trong một bình chứa dầu nhỏ hơn. Vì các cách điện xuyên đang thử nghiệm lên đến điện áp thử nghiệm, nên phía SF₆ cũng phải cách điện bằng cách sử dụng một bình chứa bổ sung chứa đầy SF₆. Do các cấu hình thiết lập khác nhau, điện dung ký sinh cũng thay đổi — mặc dù đối với phép thử định kỳ và phép đo của khách hàng, các giá trị này là giống nhau đối với tất cả các cách điện xuyên. Do đó, việc này dẫn đến một sai lệch có hệ thống không đổi đối với tất cả các cách điện xuyên sao cho sau khi đã nhận dạng được tình huống, có thể thực hiện bù cho độ lệch này.

Ví dụ 3: Sai lệch của C1→ Điện dung ký sinh

Với mức điện áp tăng dần của một cách điện xuyên, số lớp san bằng điện áp cũng tăng theo. Do đó, độ lệch của điện dung C1 trong trường hợp phóng điện cục bộ đơn lẻ sẽ giảm khi điện áp tăng. Việc đánh giá trở nên khó khăn hơn nếu độ lệch này nằm trong cùng phạm vi độ lệch do điện dung ký sinh gây ra. Ảnh bên dưới cho thấy một thiết lập điển hình cho một phép đo kiểm tra một cách điện xuyên (trong trường hợp này là cách điện xuyên tường 800kV) so với thiết lập để thử nghiệm thường xuyên. Do số lượng lớn các lá kim loại san bằng, nên chỉ có thể phát hiện bất kỳ phóng điện cục bộ nào với thiết lập đo lường kiểm tra (phép đo dùng để đo % PF).

Thiết lập điển hình cho phép đo kiểm soát (bên trái) so với thiết lập cho thử nghiệm thường xuyên (Ảnh st)

Trường hợp Lịch sử 4: Sai lệch của C2→Điện dung ký sinh

Độ lệch điện dung C2 chịu ảnh hưởng mạnh hơn bởi điện dung rò so với C1 và do đó có thể chấp nhận việc thay đổi độ lệch lớn hơn. Trong trường hợp cách điện xuyên máy biến áp, độ lệch này chủ yếu là do kích thước khác nhau của bình thử nghiệm sử dụng cho thử nghiệm thường xuyên so với đỉnh máy biến áp. Thông thường, có thể bổ sung nhiều cách điện xuyên vào bất kỳ lắp đặt mới nào và do đó, có thể thấy rõ nếu bất kỳ độ lệch nào là do điện dung rò. Như mong đợi, độ lệch C1 rất nhỏ nhưng không đổi. Có thể hiệu chỉnh các giá trị để loại bỏ hoàn toàn độ lệch này. Độ lệch C2 lần lượt là 16,8%, 27,6% và 31,2%. Cũng có thể thực hiện hiệu chỉnh, nhưng do độ lệch riêng lẻ quá lớn nên điều này không hữu ích. Thay vào đó, điều hợp lý hơn là xác định phạm vi dự kiến ​​cho phép đo C2. Theo khuyến nghị của nhà chế tạo, phạm vi này là ±50%. Đối với các phép đo tiếp theo, cũng nên dùng các giá trị từ phép đo “dấu vân tay” để so sánh.

Trường hợp Lịch sử 5: Tăng % PF của C1→Độ ẩm xâm nhập

Do lõi tụ điện RIP rắn chắc nên không cần bổ sung vỏ bọc cho đầu dầu hoặc cho phía SF_6. Trong quá trình vận hành, dầu của máy biến áp hoặc khí SF₆ của GIS bảo vệ các bộ phận này. Tuy nhiên, đối với vận chuyển và lưu trữ, cần bảo vệ các bộ phận này vì RIP nhạy cảm với độ ẩm xâm nhập. Thông thường, một túi lưu trữ cho toàn bộ cách điện xuyên có túi sấy bên trong là đủ nếu dự kiến lắp đặt cách điện xuyên này trong thời gian ngắn. Đối với việc lưu trữ lâu dài, giải pháp khuyến nghị là sử dụng thùng bảo vệ cho phần cuối của dầu. 

Túi đựng toàn bộ cách điện xuyên (bên trái) và thùng bảo vệ cho đầu bộ phận dầu (Ảnh st)

Nếu lõi tụ điện RIP tiếp xúc với độ ẩm, nó sẽ hấp thụ một lượng ẩm nhất định và điều này sẽ ảnh hưởng đến hệ số công suất. Ảnh hưởng của độ ẩm phụ thuộc rất nhiều vào thể tích của nó cũng như thời gian cách điện xuyên tiếp xúc với độ ẩm. Đồ thị 2 cho thấy kết quả đo của một số cách điện xuyên máy biến áp tiếp xúc với điều kiện thời tiết bình thường trong nhiều tuần nhưng có túi lưu trữ bị hư hỏng một phần. So sánh với kết quả của thử nghiệm thường xuyên, do nhiệt độ khác nhau và độ lệch bổ sung đối với một số cách điện xuyên, đã cho thấy độ lệch có hệ thống (tăng) đối với tất cả các cách điện xuyên.

Hình 4: Độ ẩm xâm nhập trong quá trình bảo quản trong các điều kiện không rõ ràng (tăng % PF của C1)

Trường hợp 6: Tăng % PF của C1→Nhiệt độ

Một tham số khác ảnh hưởng đến hệ số công suất là nhiệt độ. Vì độ lệch do nhiệt độ gây ra có thể đảo ngược nên có thể thực hiện hiệu chỉnh bằng cách tính hệ số công suất tương ứng ở nhiệt độ 20°C. Vì cách điện xuyên tường có vỏ bọc hoàn chỉnh đối với lõi tụ điện của chúng nên có thể loại trừ mọi ảnh hưởng từ độ ẩm xâm nhập. Tuy nhiên, so với kết quả từ thử nghiệm thường xuyên vẫn nhận dạng mức tăng từ 11,8% đến 21,2%.

Trường hợp Lịch sử 7: Tăng % PF của C2→Độ ​​ẩm xâm nhập

Như đã thảo luận trước đó, độ ẩm xâm nhập đều có ảnh hưởng đến cả hai hệ số công suất, hệ số công suất của C1 và hệ số công suất của C2. Trong trường hợp hệ số công suất của C2, cần lưu ý rằng giá trị này không chỉ bao gồm bản thân cách điện xuyên mà còn bao gồm cả dầu máy biến áp bên đỉnh máy biến áp. Nếu độ ẩm xâm nhập chủ yếu ảnh hưởng đến phần lõi tụ điện gần mặt bích, thì hệ số công suất của C2 có thể tăng đáng kể trong khi hệ số công suất của C1 chỉ tăng một chút. Ảnh bên dưới cho thấy lõi tụ điện của cách điện xuyên đã trả lại cho nhà chế tạo để đánh giá sau khi bảo quản bên ngoài không đúng cách, tiếp xúc với mưa. Đầu bộ phận dầu đã phủ nhựa, tuy nhiên lớp bọc chỉ đến mặt bích, không có bất kỳ lớp bịt kín nào.

Lõi tụ điện RIP sau khi bảo quản dưới trời mưa mà không có biện pháp bảo vệ thích hợp

Kết quả là, độ ẩm đi vào lõi tụ điện gần mặt bích. Lớp tiếp địa ở khu vực này bảo vệ phần bên trong của lõi tụ điện và do đó hệ số công suất của C1 không tăng nhiều. Nhưng hệ số công suất của C2 tăng đáng kể, lên đến gần gấp ba lần giá trị thử nghiệm thông thường. Sau đó, người ta thực hiện quy trình sấy khô. Hầu như tất cả các cách điện xuyên đều trở về giá trị ban đầu từ thử nghiệm thông thường.

Kết luận

Thiết kế cơ bản của cách điện xuyên OIP và cách điện xuyên RIP là giống nhau, nhưng có một số khác biệt cụ thể dẫn đến các tham số lão hóa khác nhau.

Đối với một cách điện xuyên OIP, sự gia tăng hệ số công suất là một tham số lão hóa được biết đến rộng rãi. Ngoài ra, DGA cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích về độ tin cậy hoạt động. Bất kỳ sự gia tăng nào của điện dung C1 cũng đều cho thấy có thể đã xảy ra phóng điện cục bộ. Tuy nhiên, phóng điện cục bộ đầu tiên có thể theo sau trực tiếp là phóng điện hoàn toàn của lớp cách điện, dẫn đến sự cố thảm khốc. Do đó, C1 không thực sự là một tham số lão hóa thỏa đáng. Đối với cách điện xuyên RIP, bất kỳ phóng điện cục bộ nào đều chỉ giới hạn ở vị trí cụ thể của nó mà không tương tác với phần còn lại của lõi tụ điện. Đó là do lõi tụ điện là chất rắn so với cách điện xuyên OIP, nơi khí tạo ra và dầu bị ô nhiễm có thể phân phối đến toàn bộ lõi tụ điện. Ngoài ra, cách điện xuyên RIP không chứa bất kỳ loại dầu nào và do đó không thể xảy ra sự lão hóa của dầu. Thay vào đó, bất kỳ sự gia tăng nào của hệ số công suất không phải do lão hóa trực tiếp mà do độ ẩm xâm nhập có thể làm suy yếu lớp cách điện. Điều này thường không liên quan đến các cách điện xuyên đã lắp đặt nhưng có thể xảy ra trong điều kiện bảo quản không phù hợp trước khi lắp đặt. Một quy trình sấy khô thích hợp có thể loại bỏ độ ẩm xâm nhập vào lõi tụ điện.

Đối với cả cách điện xuyên loại OIP và RIP, cần tính đến ảnh hưởng của điện dung rò nếu so sánh các giá trị đo với các giá trị thử nghiệm thông thường. Phép đo “dấu vân tay”, thực hiện sau khi lắp cách điện xuyên vào vị trí cuối cùng, là tham chiếu tốt nhất cho tất cả các phép đo tiếp theo. Cả hệ số công suất và điện dung đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Bất kỳ độ lệch nào của hệ số công suất đều có thể bù bằng cách sử dụng hệ số hiệu chỉnh. Đối với điện dung, cũng có thể thực hiện bù, tuy nhiên, điều này thường không cần thiết vì sự khác biệt do nhiệt độ gây ra chỉ là nhỏ. Có thể thực hiện đánh giá tốt nhất nếu đo nhiều cách điện xuyên chứ không chỉ một cách điện xuyên. Trong trường hợp này, các kết quả đo cũng có thể so sánh với nhau.
 

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “EC&M”, số tháng 03/2025