Đăng ký thành viên

Sứ xuyên là những thành phần có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, nếu sứ xuyên hỏng, kết quả điển hình là máy biến áp điện lực sẽ ngừng hoạt động trong thời gian dài, điều này không chỉ gây thiệt hại nặng nề về tài chính mà còn gây ra những thách thức đối với người vận hành hệ thống. Bất kỳ sứ xuyên nào bị hỏng sớm là điều rất không mong muốn nên điều quan trọng là phải làm bất cứ điều gì có thể để ngăn chặn một kết cục như vậy. Bài báo này đề xuất các chiến lược để quản lý các sứ xuyên trong suốt vòng đời của nó nhằm giảm thiểu rủi ro sự cố và tránh kéo dài thời gian ngừng hoạt động của hệ thống.

Tổng quan về công nghệ sứ xuyên

Hầu hết các sứ xuyên cao áp ngày nay đều thuộc kiểu tụ điện. Chúng được thiết kế để giảm ứng suất trường tối đa và tối ưu hóa phân bố trường theo hướng dọc trục cũng như hướng tâm khi đi qua vỏ máy biến áp nối đất.

Các vấn đề về sứ xuyên gây ra chiếm khoảng 12% tất cả các sự cố máy biến áp điện lực (Ảnh st)

Ba công nghệ chính dùng cho sứ xuyên kiểu tụ đã tiến triển qua năm tháng. Kiểu giấy dán bằng nhựa (RBP) đã được sử dụng được hơn một thế kỷ cho đến nay. Tuy nhiên, quy trình cuốn áp dụng cho kiểu này thường không được thực hiện trong chân không và trong không khí nên tạo ra các khoảng trống sau khi lưu hóa. Một số sứ xuyên RBP cũng chứa dầu khoáng để cách điện, có thể gây ra các vấn đề về độ tin cậy khi các khối này sắp hết tuổi thọ dự kiến. Ngoài ra, vì các lõi RBP không kín khí nên chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến thiết bị SF₆. Do tất cả những điều trên nên công nghệ này đang bị loại bỏ dần.

Công nghệ OIP vẫn thống trị thị trường sứ xuyên kiểu tụ ngày nay vì chi phí mua sắm thấp hơn (Ảnh st)

Công nghệ sứ xuyên thứ hai đã được xác lập từ lâu là kiểu giấy tẩm dầu (OIP), do chi phí mua sắm tương đối thấp nên vẫn chiếm ưu thế trên thị trường ngày nay. Trong công nghệ này, lõi tụ điện được ngâm tẩm dầu khoáng cấp máy biến áp và được đặt bên trong vỏ làm bằng sứ hoặc vật cách điện composite để bịt kín chống lại sự xâm nhập của hơi ẩm. Sứ xuyên OIP chất lượng cao có thể được chế tạo để cung cấp tổn thất điện dung thấp và không bị phóng điện cục bộ. Tuy nhiên, lõi tụ điện vẫn ở trong môi trường lỏng trong suốt vòng đời và thỉnh thoảng có thể xảy ra các rò rỉ xung quanh các đệm kín. Ngoài ra, trong trường hợp phóng điện bên trong, áp suất cao bên trong có thể tích tụ nhanh chóng, nhiều khi dẫn đến nổ.

Công nghệ tiên tiến nhất đối với sứ xuyên kiểu tụ, theo hầu hết đánh giá trong ngành điện, vẫn là giấy tẩm nhựa (RIP). Sứ xuyên RIP bao gồm một lõi quấn được làm bằng  giấy crepe chưa qua xử lý, sau đó được ngâm tẩm bằng nhựa epoxy có thể lưu hóa. Đối với các ứng dụng ngoài trời thì sử dụng vỏ cách điện bằng sứ hoặc composite. Sứ xuyên RIP cung cấp một số lợi thế kỹ thuật như:

• Hoàn toàn khô ráo và không có áp lực;

• Cấp nhiệt độ cao hơn;

• Không có phóng điện cục bộ;

• Tổn thất điện môi thấp;

• Có khả năng chống cháy, và;

• Có đặc tính cơ học vượt trội.

Mặc dù thường có chi phí ban đầu cao hơn so với các kiểu OIP, nhưng công nghệ RIP có thể cung cấp chi phí vòng đời thấp hơn nếu tính đến chi phí bảo trì giảm thấp và nhu cầu theo dõi hơn ít hơn.

Sứ xuyên máy biến áp kiểu RIP (Ảnh st)

Nhiều công nghệ mới hơn hiện đã được đưa vào áp dụng tương tự như RIP nhưng mang lại nhiều lợi thế hơn do giấy được thay thế bằng vật liệu tổng hợp. Các kiểu vật liệu tổng hợp tẩm nhựa (RIS) là một trong những công nghệ như vậy và các sứ xuyên này được đặc trưng bởi hệ số tổn thất điện môi (tang δ) rất thấp – điển hình dưới 0,35%. Thiết kế điện và quy trình ngâm tẩm không có khoảng trống, tương tự như quy trình của sứ xuyên RIP, cho phép vận hành không phóng điện cục bộ ngay cả ở điện áp vận hành pha-đất tối đa cao gấp đôi.

Các sứ xuyên RIS miễn nhiễm với rủi ro hơi ẩm xâm nhập vào vật liệu cách điện do bảo quản không đúng cách hoặc do dầu máy biến áp đã lão hóa (Ảnh st)

Mặc dù tính năng ban đầu của RIS có thể so sánh với tính năng của sứ xuyên RIP hiện đại, nhưng khác với các loại RIP dễ bị hơi ẩm xâm nhập và tăng hệ số tổn thất nếu được xử lý và bảo quản không đúng cách, các kiểu RIS không bị ảnh hưởng bởi rủi ro này. Do đó, chúng ít yêu cầu bảo trì hơn. Tương tự như vậy, không thể loại trừ khả năng hàm lượng nước cao trong dầu máy biến áp đã lão hóa có thể xâm nhập vào sứ xuyên RIP và ảnh hưởng đến tính năng của nó. Sứ xuyên RIS sẽ không gặp rủi ro này trong quá trình vận hành và đây là một trong những yếu tố khác góp phần vào tuổi thọ dự kiến ​​cao hơn so với các công nghệ khác. Do các sứ xuyên RIS có thể được bảo quản mà không cần các biện pháp tốn kém bổ sung để ngăn chặn ẩm ướt xâm nhập, chúng được cho là sẽ giúp giảm chi phí vòng đời thậm chí còn thấp hơn so với các loại RIP.

Vai trò của sứ xuyên trong sự cố máy biến áp

Sứ xuyên thuộc những thành phần quan trọng nhất của máy biến áp điện lực và có nhiều bằng chứng cho thấy chúng là một trong các nguyên nhân khởi phát chính gây ra hỏng hóc. Ví dụ, tính trung bình, rủi ro xảy ra sự cố máy biến áp công suất lớn được giả định lên tới 1% mỗi năm sử dụng. Hơn nữa, người ta ước tính rằng 10% sự cố máy biến áp dẫn đến hỏa hoạn nghiêm trọng, có nghĩa là rủi ro này cao tới 0,1% trong mỗi năm dịch vụ. Gần 50% tất cả các vụ cháy máy biến áp nghiêm trọng đều bắt nguồn từ sự cố của sứ xuyên OIP và do đó, chúng được phân loại chính xác là nguyên nhân hàng đầu duy nhất gây ra cháy máy biến áp.

Sự cố của sứ xuyên loại OIP là một nguyên nhân hàng đầu gây ra cháy máy biến áp (Ảnh st)

Đánh giá rủi ro

Khi thực hiện đánh giá đúng rủi ro, điều quan trọng là không chỉ cân nhắc xác suất xảy ra sự cố mà còn cả tác động của thiệt hại liên quan đến sự cố. Là phương pháp có hệ thống ban đầu, điều quan trọng là giảm xác suất của bản thân sự cố. Nếu xác suất sự cố không thể giảm xuống mức có thể chấp nhận được (ví dụ vì lý do lý do kinh tế hoặc kỹ thuật), thì tác động của sự cố cần được giảm xuống mức mong muốn.

Sứ xuyên OIP có nhiều khả năng gây cháy máy biến áp hơn (Ảnh st)

Giả sử tỷ lệ sự cố máy biến áp tuân theo “đường cong bồn tắm”^(*) như chúng ta đã biết rõ, thì tỷ lệ sự cố ở giai đoạn đầu và cuối tuổi thọ của máy biến áp sẽ tăng lên. Bằng cách thực hiện thử nghiệm nghiệm thu kỹ lưỡng tại nhà máy, xác suất xảy ra sự cố sớm có xu hướng giảm xuống đáng kể do vật liệu sẽ được “tăng ứng suất ban đầu”. Cũng đã chứng minh được rằng, vào cuối tuổi thọ dự kiến, xác suất sự cố máy biến áp tăng lên nhanh chóng.

Xác suất xảy ra hỏa hoạn nghiêm trọng do sự cố máy biến áp phụ thuộc vào công nghệ sứ xuyên liên quan. Về vấn đề này, sứ xuyên OIP có nhiều khả năng gây cháy máy biến áp nghiêm trọng cao hơn đáng kể so với sứ xuyên RIP. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu cách điện ngoài trời ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của bất kỳ sự cố nào.

Cơ chế lão hóa & sự cố của sứ xuyên máy biến áp

Dựa trên kinh nghiệm hiện trường lâu năm với các công nghệ sứ xuyên đã biết, dưới đây là phân bố gần đúng của các nguyên nhân gốc rễ có thể xác định được yêu cầu đại tu hoặc thay thế sứ xuyên:

• 80% rò rỉ (chỉ đối với sứ xuyên chứa dầu trong cách điện)

• 13% hư hỏng cách điện

• 7% hư hỏng cơ học (chủ yếu đối với sứ cách điện)

Lão hóa sứ xuyên máy biến áp chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm các chu kỳ nhiệt độ và phụ tải (Ảnh st)

Hơn nữa, sự lão hóa của sứ xuyên máy biến áp chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi các yếu tố sau:

• Nhiệt độ xung quanh cao và thay đổi nhiệt độ

• Chu kỳ phụ tải cao và thường xuyên (ví dụ như nhà máy thủy điện tích năng)

• Quá điện áp/quá độ (đóng cắt, sét, sóng hài)

• Rò rỉ và hơi ẩm xâm nhập

• Rò rỉ dầu (chỉ đối với OIP) và mất các thuộc tính chất cách điện/điện môi

• Chất gây ô nhiễm ăn mòn trong dầu (chỉ đối với OIP)

• Phóng điện cục bộ

Phương pháp quản lý các sứ xuyên máy biến áp

Ưu tiên hiệu quả về chi phí trong chiến lược thay thế toàn bộ các sứ xuyên đòi hỏi phải cân nhắc nhiều yếu tố khác nhau, ví dụ như không chỉ tình trạng của từng sứ xuyên riêng lẻ mà còn cả tác động đến hệ thống và hư hại tài sản thế chấp tiềm ẩn đối với thiết bị và người trong trường hợp sự cố máy biến áp. Dưới đây là một phương pháp đơn giản có thể đóng vai trò hướng dẫn về cách xây dựng chiến lược quản lý các sứ xuyên, với trọng tâm chính là giảm các rủi ro nêu trên.

Lưu kho sứ xuyên OIP dự phòng ở Nam Phi và New Zealand (Ảnh st)

Bước 1: Nhận dạng & Phân cụm các sứ xuyên đã lắp đặt

Theo truyền thống, các công ty điện lực không phải lúc nào cũng tập trung quá nhiều vào thông số kỹ thuật của sứ xuyên máy biến áp. Điều này đã dẫn đến tình huống có thể tìm thấy nhiều loại sứ xuyên từ các nhà chế tạo khác nhau trong một các máy biến áp duy nhất. Vì không phải tất cả các sứ xuyên đều có rủi ro sự cố như nhau, rất nên bắt đầu bằng cách thiết lập các 'cụm' các loại sứ xuyên tương tự. Các tiêu chí cụm thường được áp dụng cho sứ xuyên bao gồm:

• Cấp điện áp

• Cấp dòng điện

• Công nghệ

• Tuổi đời

• Kiểu máy biến áp

• Tầm quan trọng của trạm biến áp nơi lắp đặt sứ xuyên

Bước 2: Đánh giá rủi ro của các sứ xuyên đã lắp đặt

Nói chung, có hai cách để thực hiện đánh giá rủi ro đối với các sứ xuyên đã lắp đặt:

1. Dựa trên độ tuổi

Giả sử rằng máy biến áp có tuổi thọ kỳ vọng từ 40 đến 60 năm và tuổi thọ một sứ xuyên là trên 25 năm, thì nên thay sứ xuyên sau nửa tuổi thọ của máy biến áp. Trong trường hợp như vậy, việc đánh giá chi tiết tình trạng của sứ xuyên là không thực sự cần thiết.

2. Dựa trên các phép đo vật lý

Các phép đo sau đây là phương pháp được thiết lập để đánh giá tình trạng của sứ xuyên:

• Hệ số tổn hao
• Hệ số tổn hao – Phụ thuộc vào điện áp
• Điện dung
• Phân tích khí hòa tan
• Phóng điện cục bộ
• Kiểm tra trực quan

Bước 3: Định nghĩa kiểu sứ xuyên để thay thế các sứ xuyên đã lắp đặt

Các công ty điện lực đã cho phép nhiều kiểu sứ xuyên khác nhau từ các nhà chế tạo khác nhau bao gồm các các sứ xuyên mà yêu cầu số lượng phụ tùng tăng cao cần được duy trì trong trường hợp khẩn cấp. Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến vốn lưu động ròng và dẫn đến tăng chi phí lưu kho cũng như lưu kho lại. Do đó, bất kỳ chiến lược thay thế nào cho các sứ xuyên lý tưởng cũng nên bao gồm việc giảm sự khác biệt của nhiều kiểu sứ xuyên khác nhau để giải quyết vấn đề này. Một nhóm sứ xuyên khác trong cụm sẽ giúp giảm sự khác biệt các kiểu sứ xuyên. Cũng cần lưu ý rằng việc lưu kho quá nhiều không chỉ làm phát sinh thêm chi phí mà còn làm tăng rủi ro do việc bảo quản không đúng cách sẽ làm hỏng hoặc thậm chí phá hủy sứ xuyên. Công nghệ sứ xuyên RIS mới dễ bảo quản hơn và do đó có thể giúp giảm các chi phí này.

 Bước 4: Thiết lập lịch trình thay thế dựa trên rủi ro

Lịch trình thay sứ xuyên cần dựa trên mức độ quan trọng của trạm biến áp trong toàn bộ hệ thống. Để lượng hóa rủi ro đúng cách, việc chỉ đánh giá khả năng xảy ra hỏng hóc sứ xuyên là không đủ mà còn ảnh hưởng tiềm ẩn đến thời gian ngừng hoạt động. Các phép đo được thực hiện trong Bước 2 làm cơ sở để tiên đoán khả năng xảy ra sự cố. Để đánh giá ảnh hưởng hệ thống, có thể xem xét các tiêu chí sau:

• Tầm quan trọng của trạm biến áp/nhà máy điện đối với lưới điện;

• Có thể xảy ra hư hại thứ cấp trong trường hợp hỏng hóc/cháy máy biến áp;

• Rủi ro đối với người trong và ngoài nhà máy điện;

• Loại nhà máy điện/trạm biến áp (ví dụ nhà máy thủy điện tích năng → nhiều thay đổi phụ tải).

Bước 5: Thực hiện Chiến lược thay thế các sứ xuyên

Để thay sứ xuyên, máy biến áp cần được cho ngừng vận hành. Việc ngừng máy như vậy thường được kết hợp với việc tân trang lại máy biến áp để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Việc tân trang máy biến áp điển hình bao gồm các biện pháp kéo dài tuổi thọ như thay mới lớp bảo vệ chống ăn mòn, làm kín lại máy biến áp, xử lý dầu máy biến áp, v.v. Sứ xuyên dự phòng cũng cần được thay thế đồng thời để loại trừ rủi ro không có sứ xuyên dự phòng mới trong trường hợp khẩn cấp.

Kết luận

Phương pháp có cấu trúc và toàn diện để thay thế các sứ xuyên cũ sẽ giảm rủi ro sự cố và thời gian ngừng hoạt động của máy biến áp. Do sứ xuyên bị hỏng (chủ yếu là các sứ xuyên OIP) là một trong những nguyên nhân chính gây cháy máy biến áp, nên cần có biện pháp phòng ngừa đặc biệt trong trường hợp sứ xuyên cũ thuộc loại này. Một số chuyên gia đề xuất sử dụng sứ xuyên RIP với các vật cách điện silicon để không chỉ giảm rủi ro sự cố mà còn giảm thiểu bất kỳ hư hại thứ cấp nào trong trường hợp  ít có khả năng xảy ra sự cố. Hơn nữa, với thiết kế thông minh cho sứ xuyên thay thế, chi phí dự trữ và bổ sung có thể giảm xuống đáng kể.

Phương pháp thay thế có cấu trúc và toàn diện để thay thế các sứ xuyên đã lão hóa giúp giảm rủi ro sự cố và thời gian ngừng hoạt động của máy biến áp (Ảnh st)

Các khuyến cáo chính:

•Các phép đo cần được thực hiện trên dải tần lớn hơn, ví dụ với phương pháp DFR (ghi tần số gấp đôi) ở nhiệt độ được xác định rõ và được ghi lại;

• Thực hiện các phép đo điện định kỳ (tùy thuộc vào công nghệ sứ xuyên) để theo dõi sự lão hóa của sứ xuyên;

• Cần tích cực quản lý các sứ xuyên, tuân theo một chiến lược tổng thể và toàn diện để giảm rủi ro sự cố, chi phí lưu kho và bổ sung;

• Tiêu chuẩn hóa các sứ xuyên để chiến lược ưu tiên không chỉ bao gồm các kiểu sứ xuyên khác nhau;

• Cần thiết lập cơ sở hạ tầng dữ liệu quản lý các sứ xuyên với tất cả dữ liệu liên quan của các sứ xuyên đã lắp đặt;

• Sau 25 đến 30 năm sử dụng, nên cân nhắc thay thế các sứ xuyên;

• Sử dụng các vật cách điện ngoài trời bằng silicon làm giảm khả năng xảy ra cũng như ảnh hưởng của sự cố;

• Các sứ xuyên kiểu OIP, RIP và RIS không nên có phóng điện cục bộ trong quá trình thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy để đảm bảo quá trình lão hóa chậm hơn của cách điện lõi tụ điện. Khuyến cáo điện áp dập tắt PD cao hơn gấp đôi điện áp cấp điện pha-đất tối đa đối với sứ xuyên kiểu khô

• Nên dùng sứ xuyên kiểu RIP và RIS bất cứ khi nào xảy ra hư hại tài sản thế chấp trong trường hợp sự cố sứ xuyên, là mối quan tâm đặc biệt;

• Khuyến cáo sử dụng công nghệ RIS bất cứ khi nào việc lưu kho và vận hành sứ xuyên ở vùng khí hậu có độ ẩm cao là một vấn đề.

(*) Đường cong bồn tắm là một dạng cụ thể của biểu đồ tỷ lệ hỏng hóc (hình chữ U có đáy bằng thể hiện tỉ lệ hỏng hóc rất thấp trong hầu hết thời gian tuổi thọ, và hai thành gần như dựng đứng, thể hiện tỉ lệ hỏng hóc rất cao vào thời gian đưa vào sử dụng và khi hết thời gian sử dụng).