CSDL Ngành điện

Điện trở biến thiên oxit kim loại: Vai trò, công nghệ và chế tạo

20/03/2025 14:09 Số lượt xem: 1596

Điện trở biến thiên oxit kim loại là xương sống của các thiết bị bảo vệ chống sét dùng cho ngành điện, là cốt lõi của thiết bị chống sét ngày nay (Ảnh st)

Mặc dù thiết bị chống sét là nền tảng của sự phối hợp cách điện và các thành phần quan trọng trong hệ thống điện, chúng không phải lúc nào cũng được đánh giá cao do sự tích hợp tiêu chuẩn hóa của chúng, độ phức tạp tương đối thấp (so với các thiết bị khác) và chi phí thấp hơn. Mặc dù vậy, các hệ thống điện hiện đại không thể hoạt động đáng tin cậy nếu không có thiết bị chống sét oxit kim loại (MO) chất lượng cao. Chúng đóng vai trò sống còn trong việc duy trì nhu cầu điện hiện tại cũng như tương lai, đặc biệt là khi lưới điện tiến hóa với các nguồn năng lượng tái tạo và các mạng lưới điện kết nối. Thiết bị chống sét giúp đảm bảo nguồn cung cấp điện không gián đoạn, ngay cả khi có quá điện áp do xung sét hoặc xung đóng cắt.

Bài báo này đã giải thích rằng cốt lõi của thiết bị chống sét ngày nay là điện trở biến thiên oxit kim loại (MOV). MOV đã trở thành xương sống của các thiết bị bảo vệ chống sét cho ngành điện. Công nghệ MOV, phổ biến vào những năm 1980, hiện đang chiếm ưu thế và sự phát triển của nó phản ánh những thách thức và cải tiến mới kể từ thời điểm đó. Ngày nay, hoạt động R&D (Nghiên cứu và Phát triển) đang diễn ra tập trung vào việc nâng cao tính năng, độ tin cậy và tính ổn định lâu dài, đồng thời cũng thích ứng với các ứng dụng mới.

Nhiều chủng loại và kích cỡ khác nhau của điện trở biến thiên oxit kim loại (MOV).

Thiết bị chống sét trong bối cảnh năng lượng đang thay đổi

Các công nghệ MOV đang thích ứng để xử lý tốt nhất sự tiến hóa của mạng lưới điện và các xu hướng công nghiệp khác và bằng cách đó vượt ra ngoài các chức năng ban đầu của chúng. Ví dụ như, các mạng lưới HVDC (Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều) yêu cầu khả năng tương thích với dòng điện một chiều và năng lực hấp thụ năng lượng cao. Sự chuyển dịch sang truyền tải HVDC để truyền dẫn điện qua khoảng cách lớn và các ứng dụng phức tạp như kết nối các mạng lưới không đồng bộ và các trang trại gió ngoài khơi đã dẫn đến nhu cầu về các máy cắt HVDC tiên tiến. Các ứng dụng MOV chuyên dụng đóng vai trò chính trong quá trình phát triển máy cắt HVDC, trong đó các hệ thống này cần cách ly các phân đoạn bị chạm chập một cách nhanh chóng mà không có dòng điện tự nhiên bằng không. Điều này ngăn ngừa các vụ mất điện quy mô lớn và hỗ trợ hoạt động đáng tin cậy của các mạng lưới DC (Dòng điện một chiều) nhiều gigawatt.

Tương tự như vậy, việc kết nối các mạng lưới điện đòi hỏi phải cân nhắc lại kiến trúc đường dây, thúc đẩy việc xây dựng các đường dây cao áp mới hoặc nâng cấp các đường dây hiện có để chuyển tải năng lượng đáng tin cậy hơn. Việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, nhiều khi nằm xa các trung tâm đô thị, đòi hỏi các cấu trúc truyền tải mới có độ nhạy cao và đáng tin cậy. Các phát triển này cũng đòi hỏi các nhà chế tạo thiết bị chống sét và MOV phải có các giải pháp riêng để đáp ứng các nhu cầu này.

Hơn nữa, trong những năm gần đây, thiết bị chống sét, đặc biệt là các thiết bị chống sét có khe hở ngoài (EGLA), đã thu hút sự chú ý mới. Các EGLA bị bỏ qua trước đây hiện đang hồi sinh, dẫn đến việc đánh giá lại vai trò của các MOV. Không giống như các ứng dụng MOV truyền thống, vốn liên tục phải trải nghiệm điện áp trên các đầu nối của chúng, các ứng dụng mới hơn này đòi hỏi năng lực truyền điện tích lớn hơn để xử lý các phóng điện sét.

Thiết bị chống set HVDC có khe hở ngoài lắp đặt tại Trung Quốc (Ảnh st)

Công nghệ MOV

Cốt lõi của mọi thiết bị chống sét hiện đại là một cụm lắp ráp đơn giản các MOV. Các MOV này xếp chồng lên nhau một cách chiến lược để tạo ra một hoặc nhiều cột, người ta thiết kế mỗi cột theo các yêu cầu cụ thể về mức độ bảo vệ (điện áp dư), năng lực hấp thụ năng lượng, mức truyền điện tích danh định và mức điện áp danh định để xử lý quá điện áp thoảng qua.

Trong khi số lượng các MOV trong một cột đơn lẻ thường tương quan với điện áp danh định, một chồng đầy đủ các MOV có thể bao gồm nhiều cột song song để đạt mức năng lượng cụ thể hoặc mức điện tích danh định. Dòng điện hỗ trợ phụ thuộc vào việc có số lượng đúng các đường dẫn song song trong (các) MOV.

Kiểm soát mức danh định về năng lượng, điện tích hoặc mức bảo vệ dựa vào việc chọn đường kính MOV phù hợp hoặc tổng số các cột song song. Vì các lý do chế tạo, đường kính thường bị giới hạn ở khoảng 120mm cho mỗi cột MOV. Nhiều cột MOV có thể chứa trong một hoặc nhiều vỏ thiết bị chống sét, tùy thuộc vào ứng dụng. Đường kính MOV ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chuyển mật độ dòng điện cao từ các xung thoảng qua mà không bị hư hại.

Mức danh định điện áp là thiết yếu để đảm bảo tính ổn định lâu dài của chồng xếp MOV dưới điện áp hoạt động liên tục hoặc các điều kiện quá áp tạm thời cụ thể. Mặc dù các MOV không phải lúc nào cũng ở dưới điện áp liên tục, nhưng điều này vẫn đúng đối với hầu hết các ứng dụng hiện nay.

Điện áp đánh thủng của lớp ranh giới giữa hai hạt ZnO xấp xỉ 3V, tùy thuộc vào cấu trúc. Để đạt điện áp đánh thủng mong muốn cho một ứng dụng cụ thể, MOV phải chứa số lượng ranh giới hạt nối tiếp thích hợp. Tuy nhiên, do những hạn chế trong sản xuất và thử nghiệm, chiều cao MOV (không phụ thuộc vào nhà chế tạo) thường bị giới hạn ở khoảng 45mm. Do đó, trong thiết bị chống sét điện áp cao, người ta xếp chồng nhiều khối MOV theo chiều dọc để đáp ứng các yêu cầu về tính năng.

Nhiều khối MOV xếp chồng theo chiều dọc để đáp ứng các yêu cầu về tính năng (Ảnh st)

Quy trình chế tạo

Nhìn chung, có bảy bước chính liên quan đến sản xuất:

1. Cân và trộn

Thành phần chính của các MOV là kẽm oxit (ZnO), chiếm khoảng 90% tổng khối lượng. 10% còn lại bao gồm các chất phụ gia oxit, có nhiều chức năng, ví dụ chúng tinh chỉnh các đặc tính V-I phi tuyến tính, kiểm soát sự tăng trưởng của hạt, duy trì độ ổn định điện của MOV và tạo điều kiện cho chế tạo. Trong bước đầu tiên này, để đạt các chức năng khác nhau thì người ta trộn kẽm oxit với các chất phụ gia chuẩn bị từ trước, tùy thuộc vào quy định kỹ thuật và các yêu cầu của sản phẩm. Về vấn đề này, một MOV điển hình cho hệ thống phân phối AC (Dòng điện xoay chiều) sẽ không có cùng thành phần như một MOV cho máy cắt HVDC. Sau đó, kết hợp các dung môi hữu cơ và chất kết dính để thu được một hỗn hợp sệt.

2. Khử ẩm hoặc sấy phun

Tiếp theo, một quá trình khử ẩm (còn gọi là sấy phun) chuẩn bị vật liệu bằng cách loại bỏ hơi ẩm. Người ta phun bùn thu được trong quá trình trộn vào các máy sấy phun để loại bỏ thành phần chất lỏng và tạo ra bột cuối cùng. Việc sản xuất bột tạo hạt bị oxy hóa sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính điện của MOV. Các yếu tố như kích cỡ hạt của bột tạo hạt, nhiệt độ bên trong của tháp tạo hạt và tính đồng nhất của các hàm lượng thành phần khác nhau có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính năng của MOV.

3. Ép hoặc Tạo hình

Trong bước quan trọng về mặt thị giác này, bột đã khử ẩm được ép thành hình dạng ban đầu của khối. Quá trình gia công ép khô này là nơi mà MOV bắt đầu hình thành. Ở giai đoạn này, phải cân và kiểm soát tỉ mỉ mỗi khối để đảm bảo độ chính xác và chất lượng.

Quá trình tạo hình các MOV bằng áp suất cao (Ảnh st)

4. Nhiệt phân và thiêu kết

Một khi MOV có hình dạng ban đầu, nó trải qua quá trình nhiệt phân và thiêu kết trong lò hầm ở nhiệt độ cao. Quá trình nhiệt phân loại bỏ các dung môi hữu cơ và chất kết dính khỏi khối, tạo ra một 'khối màu lục', do màu sắc tự nhiên của các MOV. Trong quá trình thiêu kết tiếp theo, nhiệt độ đạt tới 1.050°C, khiến các khối chuyển sang màu đen bên ngoài, mặc dù phần bên trong vẫn giữ nguyên màu lục. Bước thiêu kết này tạo thành các hạt và ranh giới hạt để đáp ứng các yêu cầu về tính năng điện mong muốn. Các quá trình này loại bỏ một số hợp chất nhất định, khiến MOV mất khoảng 17% thể tích ban đầu.

Các khối màu lục sau quá trình nhiệt phân (Ảnh st)

5. Thụ động hóa tức là bọc lớp phủ

Trong bước này, một lớp thụ động hóa chuyên dụng được áp dụng cho bề mặt bên của MOV. Lớp này rất quan trọng để bảo vệ MOV khỏi các yếu tố môi trường và tăng cường khả năng chống phóng điện bề mặt. Đây là một quy trình cực kỳ nhạy cảm, đòi hỏi chuyên môn để sản xuất các MOV chất lượng cao. Mặc dù có thể sử dụng các vật liệu và quy trình khác nhau, nhưng lớp phủ thủy tinh đại diện cho công nghệ MOV tiên tiến.

6. Chuẩn bị bề mặt và ứng dụng điện cực

Sau khi phủ, người ta làm nhẵn các bề mặt phía trước để tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng điện cực. Các bề mặt này có thể không hoàn toàn phẳng, vì vật liệu phủ còn sót lại có thể vẫn còn. Một máy mài, kết hợp với nước, tạo ra một bề mặt hoàn toàn phẳng, cần thiết cho quá trình xếp chồng. Khi đã có một bề mặt sạch và phẳng, các điện cực kim loại, thường làm bằng nhôm, được ép vào. Lớp nhôm, thường dày khoảng 0,1mm, đảm bảo độ dẫn điện thích hợp giữa các khối MOV, cho phép phân bổ đều năng lượng hoặc xung dòng điện trên các bề mặt của MOV.

Chuẩn bị bề mặt MOV (Ảnh st)

7. Xác minh và thử nghiệm cuối cùng

Người ta tiến hành các thử nghiệm điện để xác minh rằng MOV đáp ứng các đặc điểm chỉ định về tính năng điện và khả năng truyền tải điện tích. Giống như trường hợp của thiết bị chống sét hoàn chỉnh, từng MOV phải trải qua các thử nghiệm điện thông thường, chẳng hạn như điện áp tham chiếu và điện áp dư. Đối với các nhà chế tạo MOV, một thử nghiệm thường xuyên bổ sung, thử nghiệm xung dòng điện kéo dài là rất quan trọng để đảm bảo các đặc điểm thích hợp của khối, bao gồm các đặc tính của các hạt và ranh giới. Tỷ lệ loại bỏ được theo dõi chặt chẽ ở giai đoạn này.

Kiểm soát chất lượng

Đảm bảo và kiểm soát chất lượng là rất quan trọng trong suốt quá trình chế tạo MOV, với một số bước chính nhằm đảm bảo tính năng và độ tin cậy nhất quán.

Trọng tâm chính là thanh tra nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là oxit kẽm và nhiều chất phụ gia khác nhau. Người ta áp dụng thử nghiệm nghiêm ngặt để xác minh rằng tất cả các nhà cung cấp phụ đều đáp ứng các kỳ vọng chất lượng nghiêm ngặt, bảo vệ tính toàn vẹn cơ bản của các MOV ngay từ đầu.

Một điểm kiểm soát quan trọng khác là kiểm tra bột cuối cùng ngay trước khi ép và tạo hình các khối MOV. Dự kiến, mỗi lô sẽ ép đều trải qua thử nghiệm mở rộng để xác nhận việc tuân thủ các quy trình sản xuất chính xác và bột tạo hạt oxy hóa thể hiện các đặc tính điện cần thiết. Điều này là thiết yếu để duy trì tính năng mong muốn và ngăn ngừa bất kỳ sự phương hại nào về độ tin cậy.

Ngoài các biện pháp kiểm soát ban đầu này, thử nghiệm trong quá trình đóng vai trò sống còn trong việc xác nhận tính nhất quán của sản phẩm. Các mẫu được chọn từ mỗi lô đều phải trải qua các thử nghiệm chuyên biệt, chẳng hạn như xung dòng điện lớn và xung dòng điện dài hạn để đảm bảo độ dẻo dai dưới nhiều ứng suất vận hành khác nhau. Ngoài ra, tiến hành một thử nghiệm lão hóa tăng tốc, thường gọi là thử nghiệm độ ổn định dài hạn, để mô phỏng tính năng mở rộng và xác minh rằng các khối MOV giữ nguyên các đặc tính của chúng theo thời gian.

Các biện pháp đảm bảo chất lượng toàn diện này cùng nhau duy trì độ tin cậy của MOV, đảm bảo rằng mỗi thiết bị đều sẵn sàng cho các ứng dụng khắt khe trong hệ thống điện.

Máy phát xung dòng điện lớn đạt 200kA (Ảnh st)

Kết luận: Những anh hùng thầm lặng của lưới điện

Thiết bị chống sét và điện trở biến thiên oxide kim loại (MOV) là những thành phần thiết yếu, nền tảng duy trì độ tin cậy và độ dẻo dai của các hệ thống điện hiện đại. Khi lưới điện tiến hóa để đáp ứng các nhu cầu về năng lượng tái tạo, mạng lưới kết nối và các công nghệ tiên tiến như truyền tải HVDC, các MOV đang được điều chỉnh để đáp ứng những thách thức này, làm nổi bật cả tính linh hoạt và tầm quan trọng của chúng.

Hiểu được 'hành trình' của MOV - từ việc pha trộn tỉ mỉ các nguyên liệu thô đến thử nghiệm cuối cùng chính xác làm nổi bật chuyên môn và cam kết gắn chặt vào từng thành phần bảo vệ. Các quy trình này đảm bảo rằng các MOV có thể chịu được các điều kiện cực đoan và thực hiện chức năng quan trọng của chúng, tức là bảo vệ hệ thống điện khỏi các xung gây gián đoạn.

Công nghệ MOV vẫn là người bảo vệ thầm lặng, nhưng nếu không có nó, tính ổn định của lưới điện sẽ bị ảnh hưởng. Với mỗi bước tiến mới, các MOV tiếp tục củng cố cơ sở hạ tầng năng lượng. Trong khía cạnh này, thật đúng khi coi chúng là những anh hùng thầm lặng nhưng không thể thiếu trong bối cảnh năng lượng hiện đại.