Đăng ký thành viên

Thiết kế cách điện cho các môi trường dịch vụ khắc nghiệt

30/07/2025 09:36 Số lượt xem: 13

---

Bài viết này đã giải thích cách lựa chọn vật cách điện phù hợp trong những trường hợp ô nhiễm là mối quan tâm chính. Phương pháp khuyến cáo dựa trên việc đánh giá mức độ ô nhiễm tại địa điểm cũng như các đặc điểm về độ bền cách điện. Sau đó, kết hợp chúng để đưa ra ước tính thống kê về tính năng của vật cách điện dự kiến. Điều đáng lưu ý là quy trình này đặc biệt quan trọng khi nói đến ứng dụng các vật cách điện composite. Thiết kế chưa thực sự tối ưu có thể dẫn đến phóng điện bề mặt đối với các vật cách điện gốm, nhưng nó có thể dẫn đến hư hại không thể phục hồi và hỏng vật cách điện composite. Vật cách điện composite hứa hẹn tính năng chống ô nhiễm vượt trội chỉ khi chỉ định đúng cho môi trường dịch vụ dự kiến ​​của chúng.

Kinh nghiệm thực tế

Thiết kế chống ô nhiễm của cách điện trong môi trường sa mạc theo truyền thống chủ yếu dựa trên các hướng dẫn của IEC, ví dụ, USCD (khoảng cách rò cụ thể thống nhất)  đã khuyến cáo là 53,7mm/kV cho các hệ thống AC ở những khu vực ô nhiễm cao. Tuy nhiên, qua nhiều năm, ngày càng rõ ràng rằng các hướng dẫn này không phải lúc nào cũng phù hợp với môi trường sa mạc cực đoan.

Muối và cát có thể tích tụ với tốc độ lên tới 2mg/cm² sau mỗi lần ô nhiễm (Ảnh st)

Các điều kiện khắc nghiệt cũng có thể xảy ra gần bờ biển, ngay cả khi không có sa mạc gần đó. Ví dụ, ước tính rằng khoảng 40% cơ sở hạ tầng điện ở Mexico nằm ở các khu vực ô nhiễm. Tình huống phổ biến nhất là sương mù muối ảnh hưởng đến các trạm biến áp và đường dây dọc theo bờ biển Vịnh Mexico. Mùa quan trọng là từ tháng 11 đến tháng 3, trong thời gian đó có thể có tới 60 cơn bão, dẫn đến tích tụ muối và cát trên các vật cách điện lên tới 2mg/cm² sau mỗi sự kiện. Việc rửa đường dây đang mang điện thường phải thực hiện sau mỗi 3 cơn bão (tức là lên đến 20 lần chỉ trong 5 tháng) để ngăn ngừa sự cố phóng điện bề mặt.

Hiện tượng ô nhiễm xuất hiện trên sứ cách điện sau khi lắp đặt tại trạm đấu nối cáp khu vực ven biển gặp sự cố (Ảnh st)

Nhìn chung, kinh nghiệm sau khi áp dụng vật cách điện composite trong những tình huống như thế này phần lớn đã chứng minh là có lợi. Ngược lại, kinh nghiệm với vật cách điện composite ở Peru không tốt với các báo cáo về nhiều sự cố chỉ sau vài năm dịch vụ gần bờ biển, nơi mà ESDD (mật độ lắng đọng muối tương đương) là 1,05mg/cm² và NSDD (mật độ lắng cặn không tan) là 4,1mg/cm² đo được trên một trụ điện cách biển 3km. Một lý do có thể là người ta thường chọn USCD 60mm/kV, dù đủ để ngăn ngừa phóng điện bề mặt nhưng không đủ để tránh lão hóa sớm. Điều này khẳng định rằng khi nói đến vật cách điện composite,  phải luôn lựa chọn USCD nhằm mục đích đạt được cả tính năng ngắn hạn và dài hạn.

Các cách điện xuyên bằng silicon lắp đặt gần tháp làm mát của nhà máy điện nhiệt có lớp phủ RTV để giảm bớt lo ngại về khả năng kích thước không đủ do mức độ ô nhiễm tăng cao (Ảnh st)

Nhiều nơi như Israel và Trung Quốc cũng đã báo cáo các rắc rối, ví dụ như hiện tượng phóng điện bề mặt tại các trạm biến áp, có thể là do kích thước của vật cách điện composite không đạt yêu cầu. Trong trường hợp trước, biện pháp phòng ngừa bổ sung là phủ vật liệu RTV lên các cách điện xuyên  GIS có vỏ bọc bằng silicon.

Điều thú vị cần lưu ý là, từ góc độ tổng chi phí vòng đời, một giải pháp composite có thể tỏ ra có lợi trong các môi trường khắc nghiệt ngay cả khi tuổi thọ dịch vụ của chúng ngắn hơn nhiều so với các vật cách điện sứ – giả định rằng chúng loại bỏ nhu cầu bảo trì tốn kém. Ví dụ, các tính toán trước đây từ Ả Rập Xê Út đã chỉ ra rằng chi phí vòng đời của các vật cách điện loại mù muối tiêu chuẩn, cần rửa hai tháng một lần, cao gấp khoảng 9 lần so với vật cách điện cao su silicon tương đương. Ngược lại, với cùng chi phí vòng đời như các vật cách điện loại mù muối tiêu chuẩn, có thể thay thế một cách kinh tế vật cách điện cao su silicon bằng sứ mới sau mỗi 2,8 năm. Các kết quả tương tự đã được báo cáo ở Ai Cập.

Giải pháp vật cách điện composite có thể có lợi thế trong các môi trường khắc nghiệt ngay cả khi tuổi thọ dịch vụ của chúng ngắn hơn nhiều so với các vật cách điện gốm tương đương (Ảnh st)

Nhìn từ góc độ khác, tuổi thọ dịch vụ tối thiểu cần thiết của một chuỗi cách điện composite 220kV là 75%, 50% hoặc 37,5% tuổi thọ của một chuỗi cách điện gốm trong điều kiện ô nhiễm trung bình (tức là cần rửa 3-4 lần mỗi năm), ô nhiễm nặng (tức là 5-6 lần rửa/năm) và ô nhiễm cực kỳ nặng (tức là hơn 6 lần rửa/năm) tương ứng. Tất cả kinh nghiệm này nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế cách điện chính xác trong sa mạc và các môi trường khắc nghiệt khác, dựa trên:

• Đánh giá các điều kiện nghiêm ngặt của địa điểm;
• Đánh giá các đặc điểm tính năng của các vật cách điện;

• Áp dụng phương pháp tiếp cận thống kê

Đánh giá mức độ nghiêm trọng của ô nhiễm

Mức độ ô nhiễm

Mặc dù đặc điểm chung của tất cả các môi trường sa mạc có thể giống nhau (tức là tăng cường tích tụ ô nhiễm liên tục do các cơn bão cát định kỳ), nhưng các điều kiện ô nhiễm thực tế có thể rất khác nhau giữa các địa điểm. Điều này là do tác động chính của cát lên cách điện phụ thuộc vào các đặc tính hóa học của nó, đặc biệt là hàm lượng muối hòa tan. Hơn nữa, khi môi trường sa mạc và biển gặp nhau, nghiên cứu đã chứng minh rằng ô nhiễm biển có thể lan rộng vào đất liền tới 100km trong trường hợp gió mạnh từ biển. Hơn nữa, môi trường biển có thể dẫn đến các điều kiện khắc nghiệt, với mức độ ô nhiễm cao hơn nhiều so với 1mg/cm². Trong trường hợp có bão, sự tích tụ ô nhiễm có thể diễn ra rất nhanh đến mức phóng điện bề mặt xảy ra chỉ trong vài phút.

Sa mạc phải đối mặt với tình trạng khai thác nguồn lực ngày càng tăng, góp phần gây ra những thách thức ô nhiễm phức tạp hơn cho cơ sở hạ tầng điện (Ảnh st)

Để hướng tới việc tối ưu hóa thiết kế cách điện cho môi trường ô nhiễm, cần cân nhắc các điểm sau khi xây dựng mới hoặc chỉnh sửa các bản đồ ô nhiễm hiện có:

• Cần cân nhắc không chỉ giá trị ESDD mà còn cả giá trị NSDD bởi vì tham số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ ô nhiễm thực tế;

• Triển khai lập bản đồ dựa trên một số chiến dịch đo lường ô nhiễm có thời gian đủ dài và tại các địa điểm đại diện để tính đến tính chất ngẫu nhiên của hiện tượng ô nhiễm. Dữ liệu từ một số quốc gia cho thấy cần có thời gian ghi chép ít nhất là hai năm để nhận được các chỉ báo đủ chính xác về mức độ ô nhiễm tối đa (xem Hình 2);

Các địa điểm sa mạc mục tiêu để thu thập dữ liệu về sự tích tụ ô nhiễm trên các vật cách điện (bên trái là Tunisia, bên phải là biên giới giữa Nam Phi và Namibia) (Ảnh st)

• Thực hiện các phép đo mục tiêu tại các khu vực quan tâm cụ thể (ví dụ nơi sẽ xây dựng các đường dây hoặc trạm biến áp mới) hoặc nơi có tương tác phức tạp do hỗn hợp các chất gây ô nhiễm kiểu sa mạc và công nghiệp;

• Cuối cùng, tiến hành đo lường tại các trạm thử nghiệm với các vật cách điện điện áp DC để thu thập dữ liệu cho phép ngoại suy bản đồ ô nhiễm từ các ứng dụng AC sang DC.

Đánh giá các sự kiện ô nhiễm

Ô nhiễm trên vật cách điện phải do quá trình làm ẩm hiệu quả (ví dụ như sương mù, mưa phùn, mưa hoặc ngưng tụ) “kích hoạt” thì mới có thể dẫn đến hiện tượng phóng điện bề mặt do ô nhiễm. Do đó, đánh giá các sự kiện ô nhiễm gây ra hiện tượng phóng điện bề mặt là một phần thiết yếu của quá trình tối ưu hóa thiết kế cách điện.

Mặc dù khí hậu ở các vùng sa mạc có vẻ tương đồng, nhưng các kiểu thời tiết theo ngày và theo mùa có thể rất đa dạng. Ví dụ, như ban ngày, thời tiết thường nóng và ẩm ở các vùng ven biển. Ngược lại, các vùng sâu trong đất liền thì nóng, nhiều bụi và khô. Điểm sương thường đạt tới vào ban đêm và sương mù cũng xuất hiện vào một số thời điểm nhất định trong năm. Cuối cùng, mưa sau thời kỳ khô hạn kéo dài có thể dẫn đến các vấn đề tiềm ẩn trên diện rộng đối với các đường dây điện và tại các trạm biến áp.

Mưa sau mùa khô kéo dài đã gây ra hiện tượng phóng điện tại trạm biến áp 90kV của trang trại điện gió ven biển ở Tunisia (Ảnh st)

Tần suất của “sự kiện ô nhiễm” có thể thay đổi rất nhiều, ngay cả trong cùng một quốc gia. Ví dụ, người ta phát hiện số ngày trong năm có lớp độ ẩm dày tại 10 địa điểm khác nhau ở Ả Rập Xê Út thay đổi rất nhiều:

• Ngày sương mù: từ 0 đến 64

• Ngày mưa: từ 5 đến 31

• Ngày có độ ẩm cao: từ 40 đến 88

Người ta cần đánh giá cẩn thận số lượng các sự kiện ô nhiễm như vậy cho từng khu vực dịch vụ nơi quyết định thiết kế cách điện, cộng tất cả các ngày có mù, mưa và độ ẩm cao. Điều này có thể thực hiện tốt nhất bằng cách phân tích dữ liệu khí tượng trong quá khứ từ khu vực này.

Tính năng vật cách điện trong các điều kiện khắc nghiệt

Việc lựa chọn giữa các phương án cách điện khác nhau luôn cần tính đến các điều kiện ứng dụng cụ thể. Do đó, bất cứ khi nào có thể, các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cần thực hiện trên các vật cách điện được chọn cho ứng dụng trong khi mô phỏng các điều kiện ô nhiễm dự kiến, bao gồm cả ô nhiễm không chuẩn. Đối với công việc thiết kế sơ bộ, có thể tham khảo kinh nghiệm phòng thí nghiệm có sẵn, có tính đến tính đặc thù của môi trường dịch vụ sa mạc trong từng trường hợp. Điều này được tóm tắt dưới đây, có tham chiếu các phương pháp thử nghiệm mù muối và lớp rắn.

Người ta đề xuất sử dụng các công thức sau để có được khoảng cách rò rỉ riêng thống nhất tham chiếu RUSCD cho các vật cách điện kiểu mũ và kiểu chốt có cấu hình tiêu chuẩn đối với các điện áp AC và DC (xem Hình 3 và 4):

Đối với mù muối:

RUSCD = 16,5*Sa^0,22 (mm/kV, kg/m³) đối với AC

RUSCD = 15*Sa^0,33 (mm/kV, kg/m³) đối với DC

với Sa là độ mặn của sương mù thử nghiệm

Đối với lớp rắn:

RUSCD = 50*SDD^0,22 (mm/kV, mg/cm²) đối với AC

RUSCD = 100*SDD^0,33 (mm/kV, mg/cm²) đối với DC

với SDD là mức độ ô nhiễm thử nghiệm chuẩn hóa (thu được bằng cách làm nhiễm bẩn vật cách điện bằng bùn chứa lượng muối cần thiết và 40g/l kaolin tương ứng với NSDD khoảng 0,1mg/cm²).

USCD, khoảng cách rò rỉ riêng thống nhất dùng cho các loại vật cách điện khác có thể thu được bắt đầu từ RUSCD bằng cách áp dụng các hệ số sau:

Đối với mù muối:

USCD = K_CF*K_D*K_W1*16,5*SES^0,22*Kw2 (mm/kV, kg/m³) đối với AC

USCD = K_CF*K_D*K_W1*15*SES^0,33*Kw2    (mm/kV, kg/m³) đối với DC

Đối với lớp rắn:

USCD = K_CF*K_D*K_W1*50*SDD ^0,22*Kw2 (mm/kV, mg/cm²) đối với AC

USCD = K_CF*K_D*K_W1*100*SDD^0,33*Kw2 (mm/kV, mg/cm²) đối với DC

Trong đó

K_W1eK_w2 = ảnh hưởng của mức độ kỵ nước của cách điện (theo mức độ thấm ướt thay đổi từ 1 đến 7).

K_CF = hiệu chỉnh để tính đến “hệ số đường rò” (tỷ lệ giữa tổng khoảng cách đường rò và khoảng cách hồ quang)

K_D = ảnh hưởng của đường kính

Cuối cùng, vì SDD là giá trị áp dụng trong các thử nghiệm tiêu chuẩn (tương ứng với mật độ cặn không hòa tan NSDD là 0,1mg/cm²), các giá trị ESDD-NSDD ước tính tại hiện trường sẽ chuyển đổi thành SDD. Tất cả công thức trên đều có trong phần mềm chuyên dụng nhằm thiết kế chính xác vật cách điện theo quan điểm thống kê.

Thiết kế cho môi trường khắc nghiệt

Một chương trình phần mềm chung đã thiết lập có thể bao phủ các vật cách điện gốm và sứ tổng hợp AC/DC với lớp rắn và ô nhiễm kiểu mù muối. Để minh họa ảnh hưởng của các tham số khác nhau, các phép tính trình bày trong ví dụ sau đây đối với vật cách điện thủy tinh dạng mũ và chốt chống sương mù và vật cách điện tổng hợp có tỷ lệ chiều dài đường rò trên khoảng cách hồ quang là 3,2 và liên quan đến ứng dụng AC. Tham chiếu đến lớp rắn và trường hợp cực đoan ESDD = 1mg/cm².

Trường hợp đầu tiên, liên quan đến một đường dây trang bị vật cách điện gốm dạng mũ và chốt với 10 sự kiện ô nhiễm/năm và 100 vật cách điện bị ô nhiễm, cho thấy ảnh hưởng của NSDD. Đối với tính năng cách điện mục tiêu chỉ có một lần phóng điện bề mặt sau mỗi 10 năm, đường dây liên tục tương ứng với điều kiện phòng thí nghiệm (NSDD = 0,1) sẽ chấp nhận giá trị 53,7mm/kV. Nhưng trong trường hợp NSDD = 1 (đường cong màu đỏ), cần ít nhất 67mm/kV. Khi NSDD=10, cần có 80mm/kV (đường cong màu tím).

Hình 5: Vật cách điện dạng mũ và chốt. 10 sự kiện ô nhiễm, 100 vật cách điện bị nhiễm bẩn. ESDD=1 mg/cm ², NSDD = 0,1-1 và 10mg/cm ² (Ảnh st) 

Rõ ràng, cần phải có USCD cao hơn nhiều nếu dự kiến ​​có nhiều sự kiện ô nhiễm hơn, ví dụ ở một số vùng sa mạc nơi ESDD=1mg/cm ² và NSDD=10mg/cm ² và số sự kiện ô nhiễm thay đổi từ 1 (đường cong màu đen) đến 10 (đường cong màu đỏ) và 100 (đường cong màu tím). Trong trường hợp cuối cùng, để đạt mục tiêu chỉ 0,1 lần phóng điện bề mặt/năm (tức là 1 lần phóng điện sau mỗi 10 năm), cần phải có 90mm/kV (xem Hình 6).

Hình 6: Vật cách điện dạng mũ và chốt. 100 vật cách điện bị nhiễm bẩn. ESDD=1mg/cm ², NSDD=10mg/cm², số lần ô nhiễm: 1-10 và 100 (Ảnh st)

Tóm tắt

1. Kinh nghiệm dịch vụ đã xác nhận rằng các chỉ dẫn chung của IEC không phải lúc nào cũng phù hợp với môi trường sa mạc cũng như môi trường sa mạc ven biển.

2. Mức độ ô nhiễm có thể đạt đến các giá trị cực đại ở những khu vực này nhưng cũng có thể thay đổi rất nhiều tùy theo từng địa điểm. Ngoài ra, số lượng các sự kiện ô nhiễm có thể thay đổi rất nhiều. Do đó, cần phải lập bản đồ ô nhiễm chính xác để hiện thực hóa thiết kế cách điện tối ưu.

3. Loại cách điện nên lựa chọn cụ thể khi xem xét các đặc điểm của môi trường dịch vụ và có thể tiến hành các thử nghiệm để đánh giá tính năng của các vật cách điện này, mô phỏng các điều kiện ứng dụng thực tế.

4. Đánh giá thiết kế sơ bộ có thể thực hiện bằng cách ngoại suy thông tin có sẵn về tính năng cách điện.

5. Để đạt được thiết kế tối ưu cuối cùng, phải sử dụng phương pháp thống kê, như thể hiện trong các ví dụ đã thảo luận. 

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “INMR”, số tháng 3/2025