Đánh giá tình trạng đầu cáp cao áp

Đánh giá tình trạng của các linh kiện truyền tải điện như các hệ thống cáp là thiết yếu để chúng vận hành đáng tin cậy (Ảnh st)

Đánh giá tình trạng của các linh kiện truyền tải điện như các hệ thống cáp là thiết yếu để chúng vận hành. Ví dụ, việc chẩn đoán các cáp ngâm dầu rất quan trọng đối với người vận hành hệ thống truyền tải để đưa ra chỉ báo về tuổi thọ còn lại. Khía cạnh này cũng liên quan đến các hệ thống cáp cách điện đùn. Có nhiều công nghệ hoàn thiện cho phép theo dõi liên tục và đánh giá định kỳ tình trạng của hệ thống cáp. Đo nhiệt độ trên bề mặt cáp và các cảm biến phóng điện cục bộ (PD) là ví dụ về các hệ thống theo dõi như vậy và các phép đo phóng điện cục bộ cũng là những công cụ đã được xác lập để đánh giá tình trạng của các phụ kiện cáp. Hầu hết các đầu cáp ngoài trời hiện nay đều ngâm trong chất lỏng cách điện, điển hình là dầu silicon, và do đó việc chẩn đoán chất lỏng này cung cấp một phương tiện đánh giá tổng thể khác, ngoài phép đo PD. Các tham số chính về mặt này là hàm lượng ẩm, các thuộc tính điện môi và khí hòa tan.

Bài viết này đã mô tả các phương pháp đánh giá các đầu nối được sử dụng trên cáp cách điện đùn và là các giao diện tiếp xúc với các thành phần khác của lưới điện. Chúng có thể được phân loại thành các đầu cáp trong nhà để kết nối với các máy biến áp và tủ đóng cắt cách điện khí hoặc các đầu cáp ngoài trời để kết nối với đường dây trên không hoặc sân phân phối.

Thiết kế các đầu cáp ngoài trời ngâm chất lỏng

Một đầu cáp ngoài trời ngâm chất lỏng điển hình được thể hiện trên Hình 1. Phần lớn thiết kế tương tự được sử dụng cho các điện áp từ U_n = 60kV đến 500kV. Thành phần chính của phụ kiện này là bộ phận kiểm soát ứng suất điện, sử dụng một điện cực bán dẫn làm bằng cao su silicon hoặc cao su EPDM (ethylene propylene diene monomer) để san bằng trường hình học. Lớp cách điện bên ngoài có thể là sứ hoặc lớp vỏ composite, tùy theo khách hàng ưa chọn.

Hình 1: Đầu cáp ngoài trời điển hình, ngâm dầu silicon (Ảnh st)

Như đã đề cập, dầu silicon là chất lỏng cách điện chính được sử dụng hiện nay. Các phân tử silicon cần có một độ dài chuỗi nhất định để tránh di chuyển vào cao su silicon của côn ứng suất. Hệ quả là độ nhớt tương đối cao nếu côn ứng suất được làm từ silicone. Nhưng cũng có những đầu cáp ngâm dầu khoáng vẫn đang hoạt động mặc dù thực tế là tác động môi trường do rò rỉ đã gây ra sự chuyển dịch công nghệ theo hướng dầu silicon, một loại dầu cũng không cháy.

Phân tích khí hòa tan

Phân tích khí hòa tan (DGA) là một công nghệ lâu đời để đánh giá tình trạng của máy biến áp điện lực và cũng được sử dụng rộng rãi để đánh giá cáp loại giấy tẩm dầu (LPOF) cũ. Trong cả hai trường hợp, chất lỏng cách điện thường là dầu khoáng, loại dầu trước đây cũng được sử dụng trong các đầu cáp ngoài trời dành cho cáp điện loại đùn cao áp. Mục đích của DGA là phát hiện các phóng điện cục bộ trong môi chất cách điện để ngăn ngừa hư hỏng đầu cáp. Các điểm phát nóng cục bộ đôi khi có thể xảy ra trong máy biến áp điện lực là rất bất thường trong đầu cáp vì mọi tổn thất nhiệt có thể dễ dàng được loại bỏ do diện tích bề mặt lớn so với thể tích dầu. Quy trình cơ bản trong phân tích khí hòa tan bao gồm:

• Lấy mẫu từ đầu cáp;

• Chiết xuất khí từ dầu này;

• Phân tích mẫu khí này bằng chụp cắt lớp vi tính;

• Diễn giải các kết quả theo hướng dẫn của nhà chế tạo.

Dòng đối lưu gây ra hỗn hợp dầu đồng nhất trong quá trình vận hành và do đó mẫu được lấy từ tấm đế phía dưới của đầu cáp có thể được coi là mang tính đại diện. Về mặt lý thuyết, việc lấy mẫu bằng đầu dò có thể thực hiện được trong quá trình sử dụng nhưng thường phải thực hiện ngoại tuyến vì lý do an toàn. Điều quan trọng hiển nhiên là tránh bất kỳ sự nhiễm bẩn nào của mẫu. Có một số quy trình khả thi để chiết xuất khí ra khỏi dầu và mỗi quy trình có thể mang lại kết quả hơi khác nhau. Do đó, khuyến cáo luôn sử dụng cùng một phòng thí nghiệm. Hơn nữa, điều cũng quan trọng trong đánh giá như vậy, ngoài giá trị tuyệt đối, đó là xu hướng.

Vì chưa có tiêu chuẩn nào có thể được sử dụng để diễn giải kết quả nên cần có kinh nghiệm của nhà chế tạo phụ kiện để đánh giá đúng tình trạng chất lỏng dựa trên hàm lượng khí. Các giới hạn nêu trong Bảng 1 dựa trên kinh nghiệm đó và được phân loại thành A, B và C. Chừng nào hàm lượng khí vẫn thấp hơn giá trị trong A thì không cần thực hiện thêm hành động bảo trì nào. Các phát hiện trong dải B gợi ý rằng khuyến cáo thực hiện các thử nghiệm tiếp theo hoặc lặp lại thử nghiệm sau khoảng thời gian ngắn hơn bình thường. Việc đạt đến các giới hạn được cho trong phần C thường có nghĩa là phải thực hiện hành động ngay lập tức.

Các khí chính để đánh giá như vậy là hydro (H₂) và axetylen ethyne (C₂H₂). H₂ chỉ ra rằng các phóng điện cục bộ năng lượng thấp đang xảy ra bên trong đầu cáp. Nếu C₂H₂ cũng được phát hiện, có thể kết luận rằng đã có phóng điện cục bộ năng lượng cao hơn hoặc thậm chí một số hiện tượng phóng điện hồ quang diễn ra bên trong chất lỏng. Sự hiện diện của metan và propan là những chỉ báo khác cho thấy hoạt động điện bên trong chất lỏng cách điện, chủ yếu liên quan đến dầu khoáng trong cáp ngâm dầu hoặc máy biến áp ngâm dầu. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể đánh giá tình trạng đầu cáp trên cáp XLPE polyme do thực tế là cả hai loại khí này đều được sinh ra trong quá trình sản xuất cáp dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình liên kết ngang. Do đó, các khí này có thể vẫn còn trong cách điện nếu cáp không được khử khí đúng cách sau khi đùn và di chuyển vào chất lỏng cách điện của đầu cáp trong quá trình vận hành.

Bảng 1: Ví dụ về các giới hạn khí hòa tan do nhà chế tạo xác định (Ảnh st)

Trong khi phép đo phóng điện cục bộ chỉ cung cấp cái nhìn nhất thời về hoạt động điện của đầu cáp, DGA là sự thể hiện lịch sử dịch vụ trước đó của đầu cáp. Do đó, phép đo như vậy cung cấp một chỉ báo cho biết hoạt động điện có xảy ra hay không và ở mức độ nào bên trong đầu cáp. Trong mọi trường hợp, việc phân tích khí hòa tan không xác định được vị trí hư hỏng bên trong đầu cáp. Chừng nào chỉ xảy ra phóng điện thì đầu cáp sẽ không hư hỏng trong khoảng thời gian ngắn tiếp theo.

Thử nghiệm đầu tiên các đầu cáp có thể được thực hiện từ 12 đến 24 tháng sau khi đóng điện hệ thống nhưng việc đánh giá trong quá trình vận hành có thể được coi là cần thiết nếu có bất kỳ quan ngại nào do một số sự kiện nhất định, chẳng hạn như sự cố của đầu cáp ở một pha lân cận trong hệ thống. Các sự kiện bên ngoài như mức độ ô nhiễm cao tích tụ trên bề mặt của đầu cáp là một lý do khác để đánh giá tình trạng ngay lập tức nhanh hơn. Các nhà chế tạo thường khuyến cáo lặp lại DGA từ 2 đến 5 năm một lần, với khoảng thời gian cụ thể được chọn tùy thuộc vào môi trường dịch vụ. Tất nhiên, khung thời gian ngắn hơn giữa các lần thử nghiệm liên tiếp sẽ cho phép hiểu rõ hơn về mọi xu hướng có thể xảy ra. Điều cũng quan trọng là xác định trước những hành động khắc phục nào sẽ được thực hiện nếu đạt đến giới hạn nhất định.

Đánh giá mức độ ẩm bên trong đầu cáp

Bất kỳ hơi ẩm nào có trong dầu silicon sẽ làm giảm độ bền điện môi của dầu. Ví dụ, Hình 2 cho thấy sự phụ thuộc này đối với hai loại dầu silicon khác nhau.

Hình 2: Độ bền đánh thủng của hai loại dầu silicon là hàm của hơi ẩm (Ảnh st)

Từ biểu đồ này, rõ ràng là độ bền điện môi giảm đáng kể khi nồng độ cao hơn 100ppm. Dựa trên các kết quả này cũng như kinh nghiệm bảo dưỡng, các nhà chế tạo đã xác định giới hạn là 90ppm, cao hơn đáng kể so với dầu mới.

Hơi ẩm xâm nhập thường là do chèn kín không đúng cách. Rò rỉ cũng có thể do các thành phần bị hư hại hoặc do lỗi trong quá trình lắp đặt và là một trong những lý do chính cần can thiệp bảo trì đầu nối cáp. Phép đo hàm lượng ẩm trong dầu cách điện của đầu cáp là một công cụ chẩn đoán tương đối dễ dàng vì chỉ cần những mẫu nhỏ. Việc đánh giá sau đó cũng nhanh hơn khi đánh giá điện áp đánh thủng của mẫu.

Lịch sử trường hợp từ dịch vụ

Hai trường hợp lịch sử được trình bày ở đây để minh họa kinh nghiệm của nhà chế tạo trong việc chẩn đoán các đầu cáp ngâm chất lỏng. Trong cả hai trường hợp đều xác định được hàm lượng ẩm và thực hiện DGA. Trường hợp đầu tiên liên quan đến đầu cáp 420kV được lắp đặt trong tủ đóng cắt cách điện khí (GIS), như thể hiện trong Hình 3. Các loại đầu cáp này thường chứa đầy dầu silicon và cũng được trang bị một bình chứa để bù cho sự giãn nở của dầu silicon.

Hình 3: Đầu cáp quan trọng trong lắp đặt GIS (Ảnh st)

Việc đánh giá dầu silicon được thực hiện do đầu cáp được gắn cờ trong quá trình thử nghiệm PD và kết quả phân tích được đưa ra trong Bảng 2.

Bảng 2: Kết quả DGA trên đầu cáp GIS được nhận dạng có rủi ro bằng phép đo PD (Ảnh st)

Hàm lượng ẩm được xác định là cao hơn dự kiến ​​đối với đầu cáp mới được lắp đặt, ngay cả khi thấp hơn mức giới hạn. Tỷ lệ metan và etan được hình thành trong quá trình liên kết ngang của vật liệu cách điện XLPE là khoảng 10 đến 100 nhưng trong trường hợp này tỷ lệ này lại khác. Điều này gợi ý rằng hàm lượng etan tương đối cao trong kết hợp với hydro là do phóng điện trong dầu silicon. Việc đánh giá cuối cùng dẫn đến kết luận rằng đầu cáp phải được thanh tra bằng mắt và rằng linh kiện này đã được tháo bỏ vật cách điện, được thể hiện trong Hình 4. Một chất giống như thạch màu vàng đã được nhìn thấy ở phần trên của đầu cáp và cặn dầu silicon lão hóa này là do sự phóng điện trong dầu. Vì lõi cáp chỉ bị ảnh hưởng trên bề mặt nên có thể chỉ cần làm sạch nó như một biện pháp khắc phục cần thiết. Kết quả này cho phép lắp ráp lại đầu cáp ban đầu và do đó tránh được tình trạng ngừng hoạt động của đầu cáp chỉ với thử nghiệm tối thiểu.

Hình 4: Đầu cáp GIS sau khi tháo bỏ vật cách điện. Dầu silicon bị bạc màu cho thấy sự hiện diện của phóng điện cục bộ (Ảnh st)

Trong ví dụ thứ hai, một đầu cáp bị hỏng trong khi đang làm việc. Do đó, môi chất cách điện của hai đầu cáp còn lại (Pha L1 và Pha L3) đã được đánh giá để phát hiện xem có xảy ra phóng điện cục bộ hay không. Vì lý do này, các khí hòa tan và hàm lượng ẩm của dầu silicon đã được đánh giá, với kết quả được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3: Kết quả DGS trên các đầu cáp còn lại của hệ thống khi pha L2 bị sự cố

Các kết quả này cho thấy có một ít hơi ẩm nhưng thấp hơn giới hạn quy định trong Bảng 1. Mặc dù đã phát hiện có khí metan và etan, nhưng nồng độ của hai chỉ số chẩn đoán chính là hydro và axetylen lại thấp hơn giới hạn trên của chúng. Do đó, cả hai đầu cáp đều có thể được coi là không có phóng điện cục bộ bên trong dầu.

Kết luận

Việc đánh giá định kỳ tình trạng của các đầu cáp ngâm chất lỏng cần là một phần thiết yếu của bất kỳ chiến lược bảo trì phòng ngừa nào đối với các hệ thống cáp. Khoảng thời gian hợp lý cho việc này sẽ phụ thuộc rất lớn vào điều kiện môi trường của đầu cáp. Có những công cụ chẩn đoán đã được chứng minh cho phép nhà chế tạo cũng như người sử dụng các phụ kiện điện áp cao thực hiện các đánh giá đáng tin cậy về các đầu cáp. Xác định hàm lượng ẩm là yếu tố chính trong việc đánh giá tình trạng của đầu cáp ngâm chất lỏng trong khi công cụ chẩn đoán bổ sung là phân tích các khí hòa tan.

Người ta đã chứng minh rằng có hai loại khí chính cho phép đánh giá đáng tin cậy về điều kiện vận hành của đầu cáp ngoài trời. Hydro (H₂) chứng tỏ có phóng điện cục bộ năng lượng thấp nhưng nếu axetylen (C₂H₂) cũng được tìm thấy trong dầu thì có thể kết luận rằng phóng điện năng lượng cao đang xảy ra. Trong trường hợp như vậy, khuyến cáo cần thanh tra trực quan. Việc đánh giá các đầu cáp được thực hiện tại hiện trường đã xác nhận rằng việc phân tích khí hòa tan mang lại kết quả đáng tin cậy.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 12/2023