Phân tích Sự cố của cầu chì thanh cái trung tính trong quá trình chặn các van chuyển đổi siêu cao áp

1.Nguyên lý Chặn của Van Chuyển đổi Siêu Cao Áp
1.1 Nguyên lý Hoạt động của Van Chuyển đổi
Van chuyển đổi siêu cao áp (UHV) thường sử dụng van thyristor hoặc van transistor lưỡng cực cách điện (IGBT) để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) và ngược lại. Lấy van thyristor làm ví dụ, nó bao gồm nhiều thyristor được kết nối theo chuỗi và song song. Bằng cách kiểm soát việc kích hoạt (bật) và tắt thyristors, van điều chỉnh và chuyển đổi dòng điện. Trong quá trình hoạt động bình thường, van chuyển đổi chuyển AC thành DC hoặc DC thành AC theo trình tự và thời gian kích hoạt đã định trước [1].

1.2 Nguyên Nhân và Quá trình Chặn Van Chuyển đổi
Chặn van chuyển đổi có thể được kích hoạt bởi nhiều yếu tố, bao gồm quá áp, quá dòng, sự cố của các thành phần bên trong, và bất thường trong hệ thống điều khiển và bảo vệ. Khi phát hiện những bất thường này, hệ thống điều khiển và bảo vệ nhanh chóng đưa ra lệnh chặn, ngừng kích hoạt tất cả các thyristor hoặc van IGBT, do đó chặn van chuyển đổi.

Trong quá trình chặn, các tham số điện của hệ thống thay đổi đáng kể. Ví dụ, ở phía chỉnh lưu, sau khi van chuyển đổi bị chặn, dòng điện phía AC giảm nhanh chóng. Tuy nhiên, do độ cảm của đường dây, dòng điện phía DC không ngay lập tức giảm xuống zero mà tiếp tục chảy qua các đường dẫn như thanh bus trung tính, tạo thành dòng điện tự do. Tại thời điểm này, cầu chì thanh bus trung tính phải hoạt động nhanh chóng để ngắt dòng điện DC và bảo vệ thiết bị hệ thống khỏi hư hại do dòng điện quá mức [2].

2.Điều kiện Hoạt động của Cầu Chì Thanh Bus Trung Tính Khi Van Chuyển đổi Bị Chặn
2.1 Thay Đổi Các Tham Số Điện
Khi van chuyển đổi bị chặn, điện áp và dòng điện trên cầu chì thanh bus trung tính trải qua những thay đổi đột ngột. Trên phía DC, do van chuyển đổi bị chặn ngăn cản dòng điện bình thường, xảy ra quá dòng trên thanh bus trung tính và thiết bị liên quan. Đồng thời, do quá trình tạm thời điện từ trong hệ thống, có thể xuất hiện quá áp trên cầu chì thanh bus trung tính.

Ví dụ, trong một dự án truyền tải DC siêu cao áp cụ thể, sau khi van chuyển đổi bị chặn, dòng điện thanh bus trung tính tăng ngay lập tức lên 2-3 lần dòng điện định mức, và điện áp trên cầu chì thanh bus trung tính biến động đáng kể, đạt đỉnh 1,5 lần điện áp hoạt động bình thường. Bảng 1 minh họa trực quan sự thay đổi các tham số điện trong quá trình van chuyển đổi bị chặn.

Bảng 1: Sự Thay Đổi Các Tham Số Điện Trong Quá Trình Van Chuyển đổi Bị Chặn Trong Một Dự Án Truyền Tải DC Siêu Cao Áp Cụ Thể

2.2 Biến đổi Căng thẳng
Khi van chuyển đổi bị chặn, cầu chì thanh cái trung tính phải chịu không chỉ căng thẳng điện mà còn căng thẳng cơ học. Căng thẳng điện chủ yếu xuất phát từ quá áp và quá dòng, làm tăng sự ăn mòn điện của các tiếp điểm của cầu chì và rút ngắn tuổi thọ sử dụng của chúng. Căng thẳng cơ học chủ yếu do lực va đập sinh ra bởi cơ chế hoạt động trong quá trình mở và đóng nhanh, cũng như lực điện từ do sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện. Ví dụ, trong các sự kiện chặn van chuyển đổi thường xuyên, các bộ phận của cơ chế hoạt động của cầu chì thanh cái trung tính có thể trở nên lỏng lẻo hoặc mòn, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất mở và đóng bình thường [3].

3. Các Loại Sự Cố Thường Gặp và Phân Tích Nguyên Nhân của Cầu Chì Thanh Cái Trung Tính Trong Quá Trình Chặn Van Chuyển Đổi Siêu Cao Áp
3.1 Sự Cố Cách Điện
3.1.1 Triệu Chứng Sự Cố
Sự cố cách điện là một trong những loại sự cố phổ biến hơn đối với cầu chì thanh cái trung tính trong quá trình chặn van chuyển đổi. Nó chủ yếu biểu hiện qua việc lão hóa hoặc hư hỏng của vật liệu cách điện bên trong, dẫn đến giảm hiệu suất cách điện và gây ra hiện tượng phóng điện hoặc vỡ. Ví dụ, trong một số dự án truyền tải DC siêu cao áp hoạt động lâu dài, đã xuất hiện hiện tượng ô nhiễm bề mặt và nứt trên các sứ cách điện bên trong cầu chì thanh cái trung tính, nghiêm trọng làm suy giảm hiệu suất cách điện.

3.1.2 Phân Tích Nguyên Nhân
Các nguyên nhân gây ra sự cố cách điện bao gồm nhiều khía cạnh. Thứ nhất, hoạt động kéo dài dưới điện áp cao và dòng điện lớn dần dần làm lão hóa vật liệu cách điện, giảm khả năng cách điện theo thời gian. Thứ hai, quá áp và quá dòng sinh ra trong quá trình chặn van chuyển đổi gây sức ép nghiêm trọng lên vật liệu cách điện, làm tăng tốc quá trình lão hóa. Ngoài ra, môi trường vận hành khắc nghiệt—như độ ẩm cao và ô nhiễm nặng—gây cho bề mặt cách điện tích tụ chất ô nhiễm, làm suy giảm hiệu suất cách điện. Ví dụ, trong một dự án truyền tải DC siêu cao áp ven biển có độ ẩm cao và không khí chứa muối, một lớp phim dẫn điện dễ dàng hình thành trên bề mặt sứ cách điện của cầu chì thanh cái trung tính, làm giảm đáng kể cường độ cách điện và gây ra các sự cố phóng điện thường xuyên.

3.2 Sự Cố Cơ Chế Hoạt Động
3.2.1 Triệu Chứng Sự Cố
Sự cố cơ chế hoạt động chủ yếu biểu hiện qua thời gian mở/đóng bất thường hoặc không mở/đóng (từ chối hoạt động). Ví dụ, trong quá trình chặn van chuyển đổi, cầu chì thanh cái trung tính có thể có thời gian mở quá dài, không ngắt dòng điện DC kịp thời, hoặc không đóng đúng cách, dẫn đến tiếp xúc kém.

3.2.2 Phân Tích Nguyên Nhân
Các nguyên nhân gây ra sự cố cơ chế hoạt động rất phức tạp. Một mặt, các bộ phận cơ khí bị suy thoái theo thời gian do hoạt động thường xuyên, bị mòn hoặc biến dạng, làm giảm hiệu suất. Ví dụ, các lò xo trong cơ chế có thể mất độ đàn hồi do mệt mỏi, dẫn đến lực mở/đóng không đủ. Mặt khác, các lỗi trong mạch điều khiển—như hỏng rơle hoặc cáp điều khiển bị đứt—có thể ngăn cơ chế nhận hoặc thực hiện lệnh chính xác. Hơn nữa, nhiễu điện từ trong quá trình chặn van chuyển đổi có thể làm gián đoạn tín hiệu điều khiển, gây ra sự cố hoặc từ chối hoạt động. Ví dụ, trong một dự án truyền tải DC siêu cao áp, các cáp điều khiển được bố trí gần thanh cái có dòng điện lớn đã gặp nhiễu từ mạnh trong quá trình chặn van, dẫn đến cầu chì từ chối mở.

3.3 Sự Cố Tiếp Xúc
3.3.1 Triệu Chứng Sự Cố
Sự cố tiếp xúc chủ yếu bao gồm sự ăn mòn tiếp xúc, tăng trở kháng tiếp xúc và hàn tiếp xúc. Trong quá trình chặn van chuyển đổi, khi cầu chì thanh cái trung tính ngắt dòng điện lớn, các cung điện nhiệt độ cao hình thành, gây ra sự ăn mòn bề mặt tiếp xúc. Sự ăn mòn kéo dài dẫn đến bề mặt tiếp xúc không đều và trở kháng cao hơn, làm suy giảm hoạt động bình thường. Trong trường hợp nghiêm trọng, các tiếp xúc có thể hàn lại, ngăn cầu chì mở.

3.3.2 Phân Tích Nguyên Nhân
Nguyên nhân chính của sự cố tiếp xúc là dòng điện lớn và cung điện nhiệt độ cao sinh ra trong quá trình chặn van chuyển đổi. Dòng điện lớn tạo ra nhiệt Joule, làm tăng nhiệt độ tiếp xúc, trong khi nhiệt độ cao của cung điện làm tăng tốc độ ăn mòn. Ngoài ra, đặc tính và chất lượng sản xuất của vật liệu tiếp xúc cũng ảnh hưởng đến khả năng chống cung điện. Các tiếp xúc làm bằng vật liệu có khả năng chịu nhiệt độ cao hoặc chống cung điện kém, hoặc được sản xuất bằng quy trình kém, dễ bị ăn mòn hơn. Ví dụ, trong một dự án DC siêu cao áp, cầu chì thanh cái trung tính sử dụng các tiếp xúc có khả năng chống cung điện không đủ; sau nhiều lần chặn, đã xảy ra sự ăn mòn nghiêm trọng, làm tăng đáng kể trở kháng tiếp xúc và làm gián đoạn hoạt động bình thường.

3.4 Sự Cố Biến áp Đo Dòng
3.4.1 Triệu Chứng Sự Cố
Sự cố biến áp đo dòng chủ yếu bao gồm mạch thứ cấp mở, hư hỏng cách điện cuộn dây và bão hòa lõi. Trong quá trình chặn van chuyển đổi, sự thay đổi đột ngột của dòng điện DC khiến biến áp đo dòng chịu sức ép lớn, dễ dẫn đến sự cố. Ví dụ, mạch thứ cấp mở có thể tạo ra điện áp nguy hiểm, đe dọa thiết bị và nhân viên; hư hỏng cách điện cuộn dây có thể gây ra các đường chéo nội bộ, làm giảm độ chính xác đo; và bão hòa lõi làm tăng sai số đo, có thể kích hoạt các hành động bảo vệ sai.

3.4.2 Phân Tích Nguyên Nhân
Các nguyên nhân gây ra sự cố biến áp đo dòng bao gồm: Thứ nhất, quá dòng trong quá trình chặn van chuyển đổi khiến cuộn dây chịu sức ép nhiệt và điện từ cao, có thể gây hư hỏng cách điện. Thứ hai, hiệu suất cách điện tự nhiên suy giảm theo thời gian, khiến biến áp dễ bị hỏng dưới các điều kiện bất thường như chặn van. Ngoài ra, thiết kế hoặc lựa chọn không phù hợp—như dòng định mức hoặc lớp chính xác không chính xác—có thể dẫn đến bão hòa lõi trong các sự kiện chặn. Ví dụ, trong một dự án DC siêu cao áp, dòng định mức của biến áp đo dòng quá thấp; trong quá trình chặn van, lõi nhanh chóng bão hòa, không đo dòng chính xác và gây ra sự cố hoạt động của rơle bảo vệ.

Để hiểu rõ hơn về tỷ lệ của mỗi loại lỗi trong các sự cố đóng cắt thanh cái trung tính trong quá trình chặn van chuyển đổi, bài viết này đã tiến hành phân tích thống kê dữ liệu lỗi từ nhiều dự án truyền tải điện DC UHV, với kết quả được thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2: Tỷ lệ các Loại Lỗi Đóng Cắt Thanh Cái Trung Tính Trong Quá Trình Chặn Van Chuyển Đổi UHV

4.Các biện pháp phòng ngừa và xử lý sự cố cho cầu chì thanh trung tính trong quá trình chặn van chuyển đổi UHV
4.1 Các biện pháp phòng ngừa sự cố
4.1.1 Tối ưu hóa việc lựa chọn và thiết kế thiết bị
Trong giai đoạn xây dựng các dự án truyền tải điện DC UHV, cần phải xem xét đầy đủ tác động của các điều kiện bất thường như chặn van chuyển đổi đối với cầu chì thanh trung tính, và tối ưu hóa việc lựa chọn và thiết kế thiết bị theo đó. Cần lựa chọn các thành phần chính như cầu chì có hiệu suất cách điện cao, tiếp điểm chống hồ quang tốt, cơ cấu hoạt động đáng tin cậy, và biến dòng định mức phù hợp. Ví dụ, bộ sứ cách điện được làm từ vật liệu cách điện tiên tiến và quy trình sản xuất có thể tăng cường độ tin cậy cách điện; vật liệu tiếp điểm có khả năng chống hồ quang mạnh giúp kéo dài tuổi thọ tiếp điểm; và cơ cấu hoạt động được thiết kế tốt đảm bảo mở/đóng chính xác và đáng tin cậy trong các điều kiện vận hành khác nhau.

4.1.2 Tăng cường giám sát và bảo dưỡng thiết bị
Cần thiết lập hệ thống giám sát thiết bị toàn diện để liên tục theo dõi các thông số vận hành của cầu chì thanh trung tính, bao gồm các thông số điện, nhiệt độ, áp suất, rung động và các chỉ số trạng thái khác. Thông qua phân tích dữ liệu, có thể phát hiện sớm các rủi ro sự cố tiềm ẩn. Ví dụ, sử dụng nhiệt ảnh hồng ngoại để theo dõi nhiệt độ tại các tiếp điểm và điểm kết nối; sự tăng nhiệt độ bất thường sẽ kích hoạt kiểm tra và hành động khắc phục kịp thời. Giám sát trực tuyến về điện trở cách điện và phóng điện cục bộ giúp đánh giá tình trạng cách điện. Ngoài ra, cần tăng cường bảo dưỡng định kỳ, bao gồm vệ sinh, bôi trơn và xiết chặt, để đảm bảo thiết bị luôn ở trong tình trạng vận hành tối ưu.

4.1.3 Cải thiện chất lượng môi trường vận hành
Cần cải thiện môi trường vận hành của cầu chì thanh trung tính để giảm thiểu tác động tiêu cực của môi trường. Ví dụ, có thể lắp đặt hệ thống lọc không khí tại các trạm biến áp để giảm các chất ô nhiễm và khí ăn mòn trong không khí; các biện pháp kiểm soát độ ẩm hiệu quả, như máy hút ẩm, có thể duy trì điều kiện khô ráo xung quanh thiết bị. Trong các khu vực ven biển hoặc bị ô nhiễm công nghiệp nặng, có thể áp dụng các biện pháp bảo vệ đặc biệt, như lớp phủ chống ăn mòn, để tăng cường khả năng chịu đựng của thiết bị trước sự suy giảm do môi trường.

4.2 Các biện pháp xử lý sự cố
4.2.1 Áp dụng công nghệ chẩn đoán sự cố nhanh chóng
Khi phát hiện sự cố ở cầu chì thanh trung tính, cần sử dụng công nghệ chẩn đoán sự cố nhanh chóng để xác định chính xác loại sự cố và nguyên nhân gốc rễ. Hệ thống chẩn đoán thông minh, kết hợp với dữ liệu vận hành thực tế và đặc trưng sự cố, cho phép xác định vị trí sự cố nhanh chóng thông qua phân tích dữ liệu và tính toán dựa trên mô hình. Ví dụ, theo dõi và phân tích thực tế các thông số dòng điện và điện áp có thể giúp xác định liệu có xảy ra sự cố cách điện, hỏng tiếp điểm, hoặc lỗi biến dòng; phân tích rung động có thể tiết lộ các vấn đề cơ khí trong cơ cấu hoạt động.

4.2.2 Xây dựng quy trình xử lý sự cố hợp lý
Cần phát triển các quy trình xử lý sự cố chi tiết và hợp lý để đảm bảo phản ứng nhanh chóng và hiệu quả khi xảy ra sự cố. Các quy trình này nên bao gồm báo cáo sự cố, kiểm tra tại hiện trường, chẩn đoán sự cố, lập kế hoạch sửa chữa, thực hiện sửa chữa, kiểm tra thiết bị, và kiểm tra chấp nhận. Trong suốt quá trình, tuân thủ nghiêm ngặt các giao thức an toàn là rất quan trọng để bảo vệ người lao động và thiết bị. Ví dụ, khi giải quyết sự cố cách điện, cần ngắt nguồn điện và xả năng lượng lưu trữ trước khi kiểm tra và sửa chữa; sau khi thay thế linh kiện, cần thực hiện kiểm tra kỹ lưỡng và kiểm tra chấp nhận để xác nhận rằng hiệu suất đạt tiêu chuẩn yêu cầu.

4.2.3 Thiết bị dự phòng khẩn cấp và kế hoạch ứng phó
Để giảm thiểu tác động của sự cố cầu chì thanh trung tính lên hoạt động của hệ thống, cần có sẵn thiết bị dự phòng khẩn cấp và xây dựng kế hoạch ứng phó toàn diện. Trong trường hợp xảy ra sự cố nghiêm trọng không thể sửa chữa kịp thời, thiết bị dự phòng có thể được triển khai nhanh chóng để khôi phục hoạt động bình thường của hệ thống. Cần bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ thiết bị dự phòng để đảm bảo nó luôn ở trong tình trạng sẵn sàng tốt. Kế hoạch ứng phó cần quy định các quy trình phản ứng khẩn cấp, trách nhiệm của nhân viên, giao thức liên lạc, và các yếu tố khác để đảm bảo xử lý khẩn cấp có trật tự và hiệu quả.

5.Kết luận
Trong quá trình chặn van chuyển đổi UHV, cầu chì thanh trung tính đối mặt với nhiều rủi ro sự cố, bao gồm hỏng cách điện, hỏng cơ cấu hoạt động, hỏng tiếp điểm, và lỗi biến dòng, tất cả đều có thể ảnh hưởng đáng kể đến an toàn và ổn định của hệ thống truyền tải điện DC UHV. Bằng cách phân tích kỹ lưỡng cơ chế chặn van chuyển đổi và tình trạng vận hành của cầu chì thanh trung tính trong những điều kiện như vậy, các loại sự cố phổ biến và nguyên nhân của chúng đã được xác định rõ ràng, được hỗ trợ bởi các nghiên cứu điển hình chi tiết. Để phòng ngừa và xử lý hiệu quả các sự cố này, cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa trong việc lựa chọn và thiết kế thiết bị, giám sát và bảo dưỡng vận hành, và cải thiện môi trường. Đồng thời, các chiến lược xử lý sự cố, bao gồm công nghệ chẩn đoán nhanh chóng, quy trình sửa chữa chuẩn hóa, và hệ thống dự phòng khẩn cấp, cần được áp dụng để nâng cao thêm độ tin cậy vận hành của hệ thống truyền tải điện DC UHV.