Đăng ký thành viên

Triển vọng từ công nghệ vật cách điện dạng thanh nạp đầy bọt

20/11/2024 16:25 Số lượt xem: 40

---

Các vật cách điện dạng thanh trong trạm là vật liệu không thể thiếu đối với trạm biến áp cũng như thiết bị điện áp cao (HV). Các công nghệ cổ điển là các thiết kế gốm (tức là thủy tinh và sứ) đã áp dụng trong hơn 100 năm nay. Quá trình thử nghiệm và lựa chọn đã xác lập và tiêu chuẩn hóa tốt các sản phẩm như vậy. Tuy nhiên, kể từ những năm 1980, việc áp dụng các vật cách điện composite dạng thanh trong trạm biến áp đã tăng trưởng đều đặn.

Bài viết này đánh giá công nghệ cách điện dạng thanh trong trạm biến áp hiện đại, các tiêu chuẩn và các ứng dụng liên quan cho các vật cách điện dạng thanh trong trạm biến áp nói chung cũng như các vật cách điện composite rỗng dạng thanh nạp đầy bọt trong trạm. Bài viết cũng cung cấp triển vọng từ việc sử dụng vật cách điện composite nạp đầy bọt.

Các vật cách điện dạng cột trong trạm

Có một số loại vật cách điện dạng thanh khác nhau trong trạm biến áp (gọi tắt là trạm), tùy thuộc vào ứng dụng:

1. Các thanh sứ trong trạm

Người ta đã áp dụng vật cách điện sứ dạng thanh trong trạm trong phạm vi từ 1 đến 765kV (800kV) từ hơn một thế kỷ nay. Các lớp đo độ bền côngxôn tối đa nằm trong phạm vi từ 20 đến 30kN. Người ta có thể chế tạo các đơn vị riêng lẻ với chiều dài lên đến 3.000mm. Đối với các điện áp vượt quá 245kV, các khối xếp chồng bao gồm tối thiểu hai đơn vị riêng lẻ kết nối với nhau bằng mặt bích kim loại.

Các công nghệ sản xuất hiện đại cho phép tối ưu hóa các thiết kế có độ bền cao về hình dạng, trọng lượng và biên dạng xiêm. Đối với các ứng dụng trong điều kiện ô nhiễm nghiêm trọng, có thể đặt lớp phủ silicon RTV (lưu hóa ở nhiệt độ phòng) để tăng cường tính năng điện.

2. Các thanh bằng thủy tinh trong trạm

Các thanh thủy tinh cách điện trong trạm điển hình là các đơn vị riêng lẻ lắp ghép bằng xi măng. Điều này cho phép tạo ra các biên dạng vỏ phức tạp. Mặc dù việc áp dụng các vật cách điện thanh thủy tinh xếp chồng nhiều đơn vị tại các trạm biến áp hiện đại là rất hiếm, nhưng nhiều hệ thống lắp đặt như vậy vẫn tồn tại từ những năm 1950 và 1960. Đối với các ứng dụng trong điều kiện ô nhiễm nghiêm trọng, các lớp phủ silicon RTV cũng có thể giúp nâng cao tính năng điện.

3. Thanh hydrid trong trạm (HSP)

Các thanh hybrid trong trạm là sự kết hợp giữa công nghệ sứ (gốm) và polyme. Lõi này thường chế tạo bằng vật liệu sứ đặc có độ bền cao (tức là thân bằng C130) trong khi lớp vỏ bao gồm một elastomer ví dụ như cao su silicon lỏng (LSR) hoặc vật liệu silicon lưu hóa nhiệt độ cao (HTV) đã phủ trên sứ bằng cách đúc phun hoặc đùn. Ưu điểm của HSP là nâng cao các thuộc tính điện trong các điều kiện ô nhiễm nhờ độ uốn thấp của lõi sứ cứng với mođun E cao dưới tải trọng công xôn kết hợp với vỏ silicon kỵ nước. Các ứng dụng bao gồm các hệ thống lắp đặt thanh HVDC lớn cũng như các thanh dùng cho dao cách ly yêu cầu độ uốn thấp.

4. Các thanh trong trạm bằng composite lõi đặc (CSP)

Các CSP đầu tiên áp dụng vào đầu những năm 1980 bao gồm một lõi gia cố sợi bền chắc (FRP) và một vỏ bằng elastomer. Đường kính lõi FRP điển hình dạng cột trong loại thanh này nằm trong khoảng từ 45 đến 100mm và đường kính tối đa hiếm khi vượt quá 130mm.

Ứng dụng tại các trạm biến áp ban đầu bắt nguồn từ việc sử dụng các vật cách điện thanh đường dây composite (CLP), chủ yếu ở Mỹ. Các CSP có lõi đặc thường áp dụng lên đến 245kV (420)kV. Đối với các cấp điện áp cao hơn, độ uốn cơ học tương đối cao của chúng đã giới hạn việc ứng dụng rộng rãi hơn.

5. Các thanh lõi rỗng bằng composite trong trạm (CHSP) nạp đầy bọt/khí

Đối với các cấp điện áp lớn hơn 245kV, chiều cao cũng như mômen uốn của thanh trong trạm đều tăng. Do đó, cần phải nỗ lực hơn nữa để hiện thực hóa các yêu cầu này bằng cách sử dụng các thiết kế CSP lõi đặc (tức là có đường kính lõi >170mm) và điều này thường dẫn đến các thiết kế kém kinh tế hơn so với sứ.

Các thanh cách điện lõi rỗng composite (CHSP) và các thanh cách điện hybrid (HSP) có xu hướng chiếm lĩnh phân khúc này của danh mục ứng dụng. Các CHSP phát triển cho các ứng dụng HVDC 800kV và UHV 1.100kV với chiều dài kết nối hơn 10m và đường kính ống từ 500 đến 1.000mm. Khi đó, các mômen uốn lớn hơn 1.000kNm trở nên khả thi. Để đảm bảo không có hơi ẩm hoặc nhiễm bẩn dẫn điện nào có thể xâm nhập vào thể tích rỗng bên trong các cột trong suốt tuổi thọ dịch vụ của chúng, phải nạp đầy chúng bằng một môi chất trơ ​​về điện như bọt hoặc khí cách điện.

Việc nạp đầy thể tích bên trong của một CHSP bằng bọt tạo ra một thanh trong trạm chứa đầy bọt (FFSP). Các vật cách điện dạng thanh loại FFSP làm bằng các ống polyme gia cố sợi thủy tinh (GRFP) độ bền cao, các mặt bích chịu ăn mòn và các vỏ silicon chống truy vết/xói mòn để có tính năng chống ô nhiễm vượt trội và đáp ứng mọi yêu cầu về chất lượng của lưới điện hiện nay. Thông thường, bọt này bao gồm polyurethane kết hợp với khí cách điện để bịt kín bên trong vật cách điện.

Trái ngược với các CHSP nạp đầy bọt, các loại nạp đầy khí cần có một hệ thống theo dõi áp suất bổ sung để xác minh rằng vật cách điện vẫn bịt kín đúng cách. Khí cách điện chính sử dụng trong CHSP chứa khí vẫn là SF₆, mặc dù SO₂ là khí nhà kính có hệ số CO₂ tương đương rất cao. Ngày nay, người ta đang nỗ lực thay thế SF₆ bằng một khí cách điện thân thiện với môi trường hơn.

Kiểu thiết kế thanh nạp đầy này cho phép trọng lượng nhẹ kết hợp với độ bền công xôn cao khiến chúng đặc biệt phù hợp để ứng dụng trong các khu vực có địa chấn.

Các ứng dụng

Vật cách điện thanh bằng composite có nhiều ưu điểm hơn sứ do trọng lượng nhẹ hơn cũng như tính năng địa chấn, khả năng chống ô nhiễm và tính dẻo dai tốt hơn. Các vật cách điện loại CSP có thể sử dụng lên đến 245kV trong khi đối với các cấp điện áp cao hơn ưu tiên loại CHSP, đặc biệt là vì hầu như không có giới hạn nào về chiều dài và đường kính của một đơn vị riêng lẻ. Thật vậy, người ta đã đưa vào áp dụng đường kính ống FRP lớn hơn 1.000mm. Các vật cách điện CHSP chứa môi chất rắn (ví dụ như bọt) có xu hướng áp dụng trong phân khúc điện áp trung bình trong khi đầu trên (tức là >550kV) thường chứa khí cách điện để giảm trọng lượng và chi phí vật liệu.

Tải trọng cơ học chính của các thanh trong trạm phụ thuộc vào ứng dụng và có thể là uốn, xoắn, kéo hoặc nén. Trong trường hợp giá đỡ cuộn dây, tải trọng chính là nén. Ứng dụng này ưa chuộng các CHSP vì thiết kế thiết bị cơ học vượt trội cùng với tính năng cách điện tuyệt vời của silicon kỵ nước dưới tác động của ô nhiễm và ứng suất điện áp DC.

Một động lực khác hướng đến ứng dụng lớn hơn của các CSP và CHSP đến từ khả năng chống chịu động đất cao hơn của chúng. Phải thực hiện các mô phỏng phần tử hữu hạn cân nhắc các đặc tính giảm chấn tĩnh và động để đánh giá tính năng chống động đất lý thuyết. Khi đó, quá trình thiết kế chạy tương tác với nhau có tính đến trọng lượng, độ bền và khả năng giảm chấn của toàn bộ cụm lắp ráp. Để đạt tới giải pháp thiết kế cuối cùng, hầu hết khách hàng cũng yêu cầu thử nghiệm bàn rung để mô phỏng các điều kiện thực tế. Mặc dù các nỗ lực thử nghiệm như vậy có thể rất căng thẳng, nhưng quá trình này có thể thực hiện dễ dàng hơn đáng kể nếu sử dụng các thanh composite trong trạm vì chúng không giòn, thể hiện các đặc tính tự giảm chấn cao và có thể thiết kế với độ bền cao ở trọng lượng thấp.

Các thanh trong trạm chứa đầy bọt

1. Các yêu cầu

Các thanh trong trạm chứa đầy bọt phải đáp ứng một số yêu cầu, trong đó quan trọng nhất bao gồm:

• Độ bền cơ học cao;

• Thiết kế đơn vị duy nhất cho HVDC và EHV (500kV trở lên);

• Bảo vệ hơi ẩm lâu dài trong thể tích rỗng bên trong, không cần theo dõi;

• Không lão hóa môi chất nạp đầy bên trong;

• Sản phẩm và công nghệ thi công chắc chắn và bền vững;

• Thích ứng với các hệ số rò rỉ cao;

• Khả năng chống chịu địa chấn và phá hoại;

• Không sử dụng các khí nhà kính như SF₆.

2. Công nghệ sản xuất

Người ta chế tạo ống GFRP của các vật cách điện FFSP chủ yếu bằng quy trình quấn sợi ướt.

Có hai công nghệ sản xuất công nghiệp khác nhau để áp dụng vỏ silicon, tức là ép phun LSR/HTV và đùn HTV (xem Hình 1).

Hình 1: Các công nghệ sản xuất thanh cách điện composite trong trạm – Công nghệ ép đúc LSR/HTV (trên), công nghệ đùn HTV (dưới) (Ảnh st)

Người ta ưa chuộng sử dụng công nghệ ép đúc dựa trên khuôn cho việc sản xuất khối lượng lớn một loại vật cách điện duy nhất. Chiều dài của từng viên thường nằm trong phạm vi lên đến 3.000mm nhưng tính linh hoạt trong thiết kế kém hơn so với công nghệ đùn cung cấp các hình dạng khác nhau có thể (ví dụ hình nón) và các biên dạng xiêm với ít công cụ và nỗ lực thiết lập hơn (xem Hình 2). Công nghệ “mođun” liên quan đến việc lắp ráp các xiêm riêng lẻ cũng được sử dụng, nhưng chủ yếu cho sản xuất lượng thấp (ví dụ như các vật cách điện chuyên dụng).

Hình 2: Công nghệ đùn HTV cho phép có nhiều lựa chọn biên dạng xiêm khác nhau cho các ứng dụng cụ thể (ví dụ như HVDC, mưa lớn, chống phân chim, v.v.) (Ảnh st)

Vỏ cao su silicon vượt trội do tính kỵ nước bề mặt và khả năng truyền tính chất này sang lớp ô nhiễm thông qua cơ chế truyền tính kỵ nước (HTM). Các thanh composite và hybrid trong trạm (và cả các vật cách điện dạng thanh sứ phủ silicon RTV) có khả năng chống chịu phóng điện bề mặt ô nhiễm tốt hơn, đặc biệt là dưới ứng suất điện áp DC. Ngoài việc cung cấp HTM, khả năng chống truy vết và chống xói mòn là một đặc tính quan trọng khác của vỏ silicon. Vật liệu vỏ HTV cung cấp tính năng vượt trội ở AC và đặc biệt là dưới ứng suất điện áp DC.

3. Nạp đầy bọt

Giữ không để hơi ẩm lọt vào thể tích bên trong một thanh rỗng composite trong trạm là ưu tiên hàng đầu trong thiết kế để đảm bảo các tính năng điện tốt và các thuộc tính cách điện đáng tin cậy. Thành phần cốt lõi của một vật cách điện rỗng composite là ống GFRP có tỷ lệ truyền hơi ẩm (MVTR) lớn hơn 0. Như trong bất kỳ hệ thống vật lý nào không cân bằng, hướng truyền hơi ẩm tuân theo građient bão hòa của bên trong và bên ngoài vật cách điện (xem Hình 3).

Hình 3: Nguyên lý truyền hơi ẩm (Ảnh st)

Các ứng dụng vật cách điện có dây dẫn điện bên trong (ví dụ như sứ xuyên, đầu cáp, v.v.) hưởng lợi từ hiệu ứng làm nóng bên trong giúp giảm hoặc thậm chí đảo ngược gradient truyền hơi ẩm. Hơn nữa, các công nghệ sấy tích hợp trong các ứng dụng có các vật cách điện nạp đầy khí giúp kiểm soát hơi ẩm xâm nhập. Tuy nhiên, các vật cách điện dạng thanh trong trạm là các ứng dụng thụ động không có “sưởi ấm bên trong” khiến việc xử lý bất kỳ hơi ẩm nào bên trong vật cách điện trở nên thiết yếu.

Trong hầu hết các ứng dụng, các vật cách điện thanh trong trạm lắp đặt ngoài trời và thường phải hoạt động dưới những ảnh hưởng khắc nghiệt của môi trường, bao gồm biến động nhiệt độ, bức xạ UV, ô nhiễm, gió, hơi ẩm, v.v.). Đặc biệt, phải khảo sát ảnh hưởng của hơi ẩm đến hoạt động của vật cách điện vì không thể tránh khỏi điều này trong các ứng dụng ngoài trời. Trong trường hợp các vật cách điện nạp khí, có nguy cơ xảy ra hiện tượng ngưng tụ do nhiệt độ thay đổi khi đạt đến điểm sương. Điều này có thể dẫn đến mất điện toàn bộ hệ thống cách điện. Bất kể sử dụng công nghệ nạp nào, phải xem xét ảnh hưởng của hơi ẩm xâm nhập vì nó có thể ảnh hưởng đến các đặc tính thiết kế HV .

Những điểm chính cần cân nhắc:

• Không nạp đầy

• Nạp đầy chất rắn

• Nạp đầy chất lỏng

• Nạp đầy khí (có áp suất)

• Nạp đầy bọt polyurethane (PU)

• Vi cầu làm đầy bọt Syntactic khô (DSF); cải tiến về mật độ thấp (0,1 g/cm³); không có công nghệ hóa học; độ bền điện môi cao; nhưng trải nghiệm dịch vụ hạn chế.

Bọt polyurethane là chủ đề nghiên cứu trong ngành HV trong nhiều năm nay. Ví dụ, các thử nghiệm đánh giá chất lượng đối với bọt PU là vật liệu làm đầy đã dẫn đến kết quả độ bền đánh thủng là 3 - 4kV/mm (AC RMS) đối với các cấu hình tấm tròn có bề dày mẫu từ 6,5 đến 10mm. Việc sử dụng bọt có công thức đặc biệt có thể giúp nâng cao tính năng này.

Ngoài bọt PU hóa học, bọt Syntactic khô (DSF) là một lựa chọn để làm đầy rỗng nhẹ với một môi chất cách điện có độ bền chống đánh thủng cao.

Các thuộc tính điện và điện môi của DSF phụ thuộc rất nhiều vào mật độ và một số dự án nghiên cứu đã nghiên cứu rộng rãi các thuộc tính này (xem Hình 4).

 Hình 4: Đặc tính điện của DSF (Ảnh st)

Quá trình nạp đầy DSF có thể thực hiện bằng một quy trình gia nhiệt nếu áp dụng hỗn hợp các vi cầu giãn nở nhiệt và không giãn nở nhiệt. Mật độ mục tiêu có thể kiểm soát bằng tỷ lệ các cấp vi cầu khác nhau cũng như biên dạng nhiệt độ trong quá trình này.

Công nghệ DSF có vẻ đầy hứa hẹn nhưng cần phải giải quyết những thách thức như truyền nhiệt/dòng nhiệt trong quá trình này, đặc biệt là đối với các vật cách điện rỗng có đường kính lớn.

4. Các ứng dụng

Hình 5 cho thấy các thiết bị mới sử dụng công nghệ quang học để đo điện áp và dòng điện (CT/VT quang). Công nghệ cơ bản là thiết bị quang điện tử, thường bố trí trong đầu hoặc bên trong một vật cách điện thanh rỗng. Ở đây, vật cách điện thanh rỗng composite trong trạm hoạt động như một giá đỡ cơ khí mang thiết bị đo với dây dẫn kết nối và hoạt động như vật cách điện xuyên cho sợi quang dẫn qua lõi rỗng. Thông thường, thể tích rỗng bên trong nạp đầy bằng bọt hoặc vật liệu dạng thạch cách điện hoặc trong một số trường hợp hiếm hoi, bằng khí. Vật cách điện composite chiếm ưu thế trên thị trường này do các đặc tính vượt trội đã đề cập ở trên.

Hình 5: CHSP nạp đầy bọt: 145kV cho CT quang học với tích hợp sợi quang (trên), hình nón 362kV cho thế hệ dao cắt ngắt kết nối mới (dưới) (Ảnh st)

Hình 5 (phía dưới) thể hiện một thiết kế cải tiến cho máy ngắt kết nối 3 pha 362kV để ứng dụng trong môi trường địa chấn và ô nhiễm cao. Tính khả dụng của CHSP là yếu tố chính cho phép thiết kế thiết bị mới như vậy. Người ta chọn một vật cách điện hình nón vì trọng lượng nhẹ cũng như tính năng cơ học và ô nhiễm vượt trội. Trong những trường hợp như vậy, tổng chi phí sở hữu (TCO), xem xét LCC, bảo trì, nhu cầu rửa, khả năng chống khủng bố, phá hoại, địa chấn, ngày càng trở thành yếu tố quyết định đằng sau việc lựa chọn sản phẩm.

Hình 6: Một trong ba bản trình diễn về cột điện composite 400kV của Châu Âu (Ảnh st)

Một lĩnh vực tiềm năng mới cho các vật cách điện lõi rỗng composite nạp đầy bọt là các cột điện nhỏ gọn. Sự thay đổi sang năng lượng tái tạo cũng như mức tiêu thụ điện ngày càng tăng đang đặt ra những yêu cầu lớn hơn đối với lưới điện. Tuy nhiên, các quy trình phê duyệt kéo dài và sự phản đối của công chúng thường làm phức tạp việc mở rộng lưới điện cần thiết. Do đó, người ta đã thực hiện một dự án do EU tài trợ trong khoảng thời gian từ năm 2019 đến năm 2022 nhằm phát triển một cột điện nhỏ gọn có tác động thấp đến môi trường.

Ý tưởng chính của Cột điện Composite Châu Âu là các xà ngang mang các dây dẫn làm bằng các vật cách điện lõi rỗng composite. Do đó, không cần vật cách điện thanh dài và điều này dẫn đến việc giảm đáng kể chiều cao của cột điện, tức là chỉ còn 30m so với 64m của cột giằng 2 x 400kV thông thường. Việc sử dụng cột chắc chắn cũng làm giảm diện tích sử dụng của kết cấu từ 64 xuống chỉ còn 1,5m². Hơn nữa, thiết kế dễ dàng cho phép lắp ráp ít nhất 2 cột điện một ngày trong khi cột giằng thông thường phải mất một tuần để lắp ráp một cột điện. Là một phần của dự án này, người ta đã sản xuất và lắp ráp ba cột điện trình diễn 2 x 400kV quy mô thực tế tại Đan Mạch (xem Hình 6).

Tuy nhiên, các xà ngang cách điện của cột điện Composite Châu Âu phải bịt kín vì những lý do tương tự như đã thảo luận ở trên đối với hầu hết các vật cách điện trạm biến áp. Để tránh nhu cầu theo dõi áp suất, sẽ có lợi khi nạp đầy các vật cách điện lõi rỗng này bằng bọt. Trong một cột điện 400kV, mỗi xà ngang có chiều dài 16m, dẫn đến thể tích nạp đầy bên trong khá lớn. Do đó, ứng dụng này đã nghiên cứu việc sử dụng bọt Syntactic khô để giảm chi phí vật liệu và trọng lượng.

Xu hướng, Thách thức & Kết luận

Công nghệ vật cách điện sứ và composite cho vật cách điện dạng cột trong trạm hiện đã hoàn thiện. Những ưu điểm chính của vật cách điện dạng cột trong trạm composite bao gồm:
• Thiết kế nhẹ;

• Độ bền cao;

• Khả năng chống ô nhiễm vượt trội (bề mặt kỵ nước);

• Tự do thiết kế và chế tạo lớn;

• Áp dụng cho các cấp điện áp vượt trên 420kV, 800kV HVDC và 1200kV UHV.

Vật cách điện dạng cột trong trạm rỗng cho phép thiết kế sứ xuyên sợi quang mới và các ứng dụng CT/VT quang. Ngoài ra, các mặt bích cách điện mới đặc biệt đang thâm nhập thị trường, đặc biệt là đối với các bộ phận ghép nối chống từ. Người ta đã giải quyết những quan ngại liên quan đến kỳ vọng về tuổi thọ nhờ kinh nghiệm dịch vụ lâu dài hơn 35 năm. Nhưng một thách thức còn lại là xác định các thử nghiệm đảm bảo các thiết kế ổn định, đã được chứng minh về dịch vụ và phân biệt chúng với các giải pháp “giá rẻ” tối ưu hóa về chi phí có thể ảnh hưởng đến kỳ vọng về tuổi thọ và chất lượng. Giải pháp sau có thể khiến công nghệ này mang tiếng xấu.

So với các CHSP nạp đầy khí, các thiết bị nạp đầy bọt có lợi thế là không cần theo dõi áp suất và sử dụng khí nhà kính trong suốt vòng đời của chúng. Nhưng vẫn còn những thách thức đối với các kích thước lớn hơn với thể tích bên trong lớn do chi phí vật liệu và trọng lượng cao hơn. Tuy nhiên, có tiềm năng về phương tiện kinh tế và sinh thái để nạp đầy các thể tích lớn. Hiện nay, người ta đang tiến hành công việc R&D (nghiên cứu và phát triển) liên quan.

Trong 20 năm tới, các vật cách điện FFSP nhiều khả năng sẽ thay thế hầu hết các vật cách điện thông thường nếu không muốn nói là tất cả các giải pháp công nghiệp. Chúng cũng có thể mở ra những lĩnh vực mới (như cột điện nhỏ gọn) do những lợi thế về kinh tế và kỹ thuật khi xem xét mô hình TCO bao gồm chi phí ban đầu, chuỗi cung ứng, ảnh hưởng đến môi trường, bảo trì, tuổi thọ và các giả định về rủi ro.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Inmr”, tháng 7/2024