Hiểu và Quản lý Sự cố trong Đơn vị Mạch Nhánh Chạy Kín được Cách điện bằng Nitơ
1. Lỗi Hệ Thống Khí
Loại lỗi quan trọng nhất trong các đơn vị vòng chính được cách điện bằng khí thân thiện với môi trường liên quan đến hệ thống khí, chủ yếu bao gồm rò rỉ khí và bất thường về áp suất. Rò rỉ khí trong các đơn vị vòng chính được cách điện bằng nitơ chủ yếu bắt nguồn từ việc lão hóa vật liệu niêm phong và khuyết tật trong quá trình hàn. Thống kê cho thấy khoảng 65% lỗi rò rỉ khí liên quan đến sự lão hóa của gioăng O, trong khi 30% là do hàn không đủ. Rò rỉ khí không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất cách điện mà còn có thể dẫn đến vấn đề an toàn trong điều kiện cực đoan. Khi nồng độ nitơ tăng, làm giảm nồng độ oxy trong môi trường xuống dưới 19.5%, có thể xảy ra tình trạng ngạt thở, đe dọa an toàn của nhân viên.
Bất thường về áp suất là một loại lỗi phổ biến khác, chủ yếu do sự cố điều chỉnh van điện từ hoặc sự thất bại của gioăng. Áp suất hoạt động của các đơn vị vòng chính được cách điện bằng nitơ thường được duy trì giữa 0.12 và 0.13 MPa, với áp suất tuyệt đối định mức không vượt quá 0.2 MPa. Khi áp suất giảm xuống dưới 90% giá trị định mức (khoảng 0.11 MPa), hiệu suất cách điện của hệ thống giảm đáng kể, đòi hỏi phải nạp lại khí hoặc bảo dưỡng ngay lập tức. Trong điều kiện xung điện áp cao, sức chịu điện của nitơ thể hiện "hiện tượng gù", mối quan hệ giữa áp suất và sức chịu điện chỉ tuyến tính trong trường điện đồng đều hoặc hơi không đồng đều, làm cho việc kiểm soát áp suất phức tạp hơn.
Để giải quyết lỗi hệ thống khí, các đơn vị vòng chính thân thiện với môi trường hiện đại thường được trang bị hệ thống giám sát khí tiên tiến, bao gồm cảm biến áp suất, thiết bị phát hiện rò rỉ khí và mô-đun giám sát độ ẩm. Ví dụ, công nghệ cảm biến không dây cho phép giám sát đa chiều thời gian thực về nhiệt độ, áp suất, rò rỉ và hàm lượng độ ẩm trong buồng khí, nâng cao đáng kể khả năng cảnh báo lỗi. Các ứng dụng thực tế cho thấy việc lắp đặt các hệ thống giám sát như vậy có thể giảm tỷ lệ lỗi rò rỉ khí hơn 75% và kéo dài chu kỳ bảo dưỡng thiết bị lên 3-5 năm.
2. Lỗi Liên Quan Đến Trường Điện
Phát thải cục bộ và hỏng hóc do phân bố trường điện không đồng đều là danh mục thứ hai của lỗi trong các đơn vị vòng chính được cách điện bằng khí thân thiện với môi trường. Điều này chủ yếu là do sức chịu điện của nitơ chỉ khoảng một phần ba so với khí SF₆. Trong trường điện không đồng đều, hiệu suất cách điện của nitơ giảm đáng kể, khiến nó dễ bị hiện tượng phát thải.
Các biểu hiện cụ thể của lỗi liên quan đến trường điện bao gồm phát thải tại vít nối đầu cáp, biến dạng trường điện xung quanh flăng, và chập bề mặt trên vật liệu cách điện. Nghiên cứu cho thấy cường độ trường điện tối đa tại các điểm lỗi này có thể đạt 5.4 kV/mm, vượt xa ngưỡng an toàn. Ví dụ, việc lắp đặt vỏ che chắn trên đầu vít có thể giảm cường độ trường điện xuống 2.3 kV/mm, giảm đáng kể nguy cơ phát thải.
Nguyên nhân của lỗi liên quan đến trường điện chủ yếu bao gồm ba yếu tố: Thứ nhất, sức chịu điện thấp của nitơ (khoảng một phần ba so với SF₆), đòi hỏi thiết kế trường điện chính xác hơn; thứ hai, cấu trúc nội bộ phức tạp của buồng khí, dễ tạo ra điểm tập trung trường điện; và thứ ba, thiết kế nhỏ gọn của các đơn vị vòng chính thân thiện với môi trường, thường có khoảng cách giữa pha nhỏ hơn so với thiết bị truyền thống, làm tăng sự không đồng đều của trường điện. Trong các đơn vị vòng chính thân thiện với môi trường, khoảng cách không khí giữa các dây dẫn và pha hoặc đất thường không vượt quá 125 mm, nhỏ hơn nhiều so với 350 mm trong các đơn vị cách điện bằng SF₆, làm cho việc kiểm soát trường điện đặc biệt quan trọng.
Giải quyết các vấn đề về trường điện yêu cầu tối ưu hóa thiết kế. Sử dụng ống cách điện đẳng điện thế và tối ưu hóa hình dạng đầu cáp và thiết kế flăng thông qua mô phỏng trường điện có thể giảm nguy cơ phát thải cục bộ. Ngoài ra, tăng bán kính góc của điện cực (R góc) và sử dụng thanh bus tròn để giảm hệ số không đồng đều của trường điện cũng là các phương pháp hiệu quả. Trong quá trình sản xuất, cần đảm bảo rằng cường độ trường điện bề mặt của các bộ phận có điện và vật liệu cách điện đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn, đặc biệt là kiểm soát phát thải cục bộ của các thành phần nhựa epoxy.
3. Lỗi Do Vấn Đề Tản Nhiệt
Danh mục lỗi thứ ba mà các đơn vị vòng chính được cách điện bằng khí thân thiện với môi trường phải đối mặt là quá nhiệt do tản nhiệt không đủ. Hiệu suất tản nhiệt của nitơ kém hơn đáng kể so với khí SF₆, đặc điểm này đặc biệt rõ ràng trong điều kiện hoạt động tải cao. Khi dòng điện vượt quá 2100 A, khả năng tản nhiệt của các đơn vị vòng chính được cách điện bằng nitơ trở nên không đủ, dễ dẫn đến lão hóa vật liệu cách điện và sự cố kết nối.
Các biểu hiện cụ thể của tản nhiệt không đủ bao gồm quá nhiệt ở khớp cáp, tăng nhiệt độ tại các kết nối thanh bus, và carbon hóa vật liệu cách điện. Ví dụ, một tai nạn nghiêm trọng liên quan đến cháy khớp cáp đã được phân tích và tìm thấy nguyên nhân là do kết hợp của việc lắp đặt kém và tản nhiệt không đủ. Trong quá trình hoạt động lâu dài, quá nhiệt dẫn đến suy giảm hiệu suất vật liệu cách điện, tạo ra một vòng luẩn quẩn cuối cùng dẫn đến ngắn mạch hoặc nổ.
Nguyên nhân của vấn đề tản nhiệt chủ yếu bao gồm ba khía cạnh: Thứ nhất, độ dẫn nhiệt của nitơ chỉ bằng một phần tư so với SF₆, dẫn đến độ dẫn nhiệt kém; thứ hai, thiết kế nhỏ gọn của các đơn vị vòng chính thân thiện với môi trường hạn chế không gian buồng khí, hạn chế tản nhiệt bằng đối lưu tự nhiên; và thứ ba, nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động tải cao khó tản nhiệt hiệu quả, dẫn đến tăng nhiệt cục bộ.
Trong những năm gần đây, đã xuất hiện nhiều giải pháp sáng tạo để giải quyết vấn đề tản nhiệt. Các lớp phủ làm mát bức xạ có thể giảm nhiệt độ bề mặt của các đơn vị vòng chính 30.9°C vào ban ngày, cung cấp các tính chất cơ học tốt, chống lão hóa và ăn mòn. Các thiết bị làm mát và hút ẩm thông minh, thông qua sự phối hợp hoạt động của quạt và máy hút ẩm, có thể giảm nhiệt độ của các đơn vị vòng chính 40% và độ ẩm 58%, giải quyết hiệu quả vấn đề tản nhiệt không đủ. Ngoài ra, tối ưu hóa thiết kế thông gió buồng khí và sử dụng vật liệu cách điện có độ dẫn nhiệt cao là các phương pháp cải tiến phổ biến.
4. Lỗi Thành Phần Cơ Khí
Danh mục lỗi thứ tư phổ biến trong các đơn vị vòng chính được cách điện bằng khí thân thiện với môi trường là sự cố thành phần cơ khí, chủ yếu bao gồm kẹt cơ chế vận hành, mài mòn bộ phận truyền động, và lão hóa thành phần niêm phong. Mặc dù thiết kế buồng khí kín giảm tác động của môi trường ẩm ướt lên các thành phần cơ khí, nhưng việc kín lâu dài cũng có thể dẫn đến tích tụ độ ẩm bên trong, ảnh hưởng đến độ tin cậy của cơ chế vận hành.
Các biểu hiện cụ thể của lỗi cơ khí bao gồm không mở hoặc đóng được, kẹt lò xo, và mài mòn trục truyền động. Ví dụ, đã có nhiều trường hợp kẹt cơ chế vận hành do lão hóa thành phần cơ khí, thường liên quan đến thời gian không hoạt động dài hoặc bảo dưỡng không đủ. Trong thiết bị thân thiện với môi trường, lỗi cơ khí cũng có thể liên quan đến không gian nội bộ nhỏ gọn của buồng khí và bố trí thành phần phức tạp.
Nguyên nhân của lỗi cơ khí chủ yếu bao gồm: Thứ nhất, việc kín lâu dài có thể ảnh hưởng đến trạng thái bôi trơn của cơ chế vận hành; thứ hai, thiết kế nhỏ gọn tăng độ khó lắp đặt và bảo dưỡng thành phần cơ khí; và thứ ba, thiết bị thân thiện với môi trường có yêu cầu cao hơn về độ bền cơ khí để chịu được rủi ro biến dạng buồng khí.
Tối ưu hóa chiến lược bôi trơn là chìa khóa để giải quyết lỗi thành phần cơ khí. Đề nghị sử dụng mỡ gốc polyurea (như mỡ Kl), mang lại khả năng thích nghi tốt với nhiệt độ cao và thấp (-40°C đến +120°C), chống hồ quang, và tuổi thọ dài (trên 10 năm). Ngoài ra, bảo dưỡng định kỳ (ví dụ, thay mỡ mỗi 3 năm) và tránh sử dụng các loại mỡ không tương thích (như mỡ canxi hoặc natri) cũng là các biện pháp quan trọng để ngăn ngừa lỗi cơ khí.
