Phân tích và Xử lý Sự cố phóng điện trong máy ngắt GIS 550 kV

1.Mô tả hiện tượng sự cố

Sự cố xảy ra trên thiết bị ngắt điện GIS 550 kV vào lúc 13:25 ngày 15 tháng 8 năm 2024, khi thiết bị đang hoạt động dưới tải đầy với dòng điện tải là 2500 A. Khi xảy ra sự cố, các thiết bị bảo vệ liên quan đã phản ứng nhanh chóng, đóng mạch cầu và cách ly đường dây có lỗi. Các thông số vận hành hệ thống thay đổi đáng kể: dòng điện đường dây giảm đột ngột từ 2500 A xuống 0 A, và điện áp bus giảm tức thì từ 550 kV xuống 530 kV, dao động trong khoảng 3 giây trước khi dần hồi phục lên 548 kV và ổn định. Kiểm tra tại chỗ bởi nhân viên bảo trì cho thấy thiệt hại rõ ràng trên thiết bị ngắt điện. Một vết cháy dài khoảng 5 cm được tìm thấy trên bề mặt của ống cách điện. Một điểm cháy phóng điện đường kính khoảng 3 cm xuất hiện tại kết nối giữa tiếp điểm di động và cố định, bao quanh bởi bột màu đen, và một số bộ phận kim loại có dấu hiệu tan chảy, cho thấy sự phát sinh hồ quang mạnh trong quá trình sự cố.

2.Phân tích nguyên nhân sự cố

2.1 Phân tích các thông số cơ bản và điều kiện vận hành của thiết bị
Thiết bị ngắt điện có điện áp định mức 550 kV, dòng điện định mức 3150 A, và dòng điện cắt 50 kA. Những thông số này đáp ứng yêu cầu vận hành của hệ thống 550 kV tại trạm biến áp này, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy dưới điều kiện bình thường theo lý thuyết. Thiết bị ngắt điện đã hoạt động trong 8 năm với 350 lần vận hành. Bảo dưỡng gần đây nhất được thực hiện vào tháng 6 năm 2023, bao gồm đánh bóng tiếp điểm, bôi trơn, điều chỉnh cơ chế, và kiểm tra điện trở cách điện—tất cả các kết quả đều đạt tiêu chuẩn vào thời điểm đó. Mặc dù số lần vận hành nằm trong phạm vi bình thường, việc vận hành lâu dài có thể gây ra rủi ro lão hóa, dẫn đến các khuyết tật tiềm ẩn trong quá trình sử dụng sau này.

2.2 Phân tích thử nghiệm hiệu suất điện

Kết quả kiểm tra điện trở cách điện của thiết bị ngắt điện cho thấy điện trở cách điện giữa tiếp điểm là 1500 MΩ (giá trị lịch sử: 2500 MΩ; yêu cầu tiêu chuẩn: ≥2000 MΩ). Điện trở cách điện đất là 2000 MΩ (giá trị lịch sử: 3000 MΩ; yêu cầu tiêu chuẩn: ≥2500 MΩ). Cả hai giá trị đều thấp hơn đáng kể so với dữ liệu lịch sử và tiêu chuẩn, chỉ ra hiệu suất cách điện suy giảm.
Kết quả thử nghiệm hệ số hao hụt dielectric (tanδ) ở 10 kV cho giá trị đo được là 0.8% (giá trị lịch sử: 0.5%; yêu cầu tiêu chuẩn: ≤0.6%). Giá trị tanδ tăng cao cho thấy khả năng có nước xâm nhập hoặc lão hóa của môi trường cách điện, làm giảm sức chịu đựng cách điện và tăng nguy cơ phóng điện.

2.3 Phân tích thử nghiệm hiệu suất cơ khí
Kết quả đo áp lực tiếp điểm:

• Pha A: 150 N (giá trị thiết kế: 200 N, sai lệch: –25%)

• Pha B: 160 N (sai lệch: –20%)

• Pha C: 140 N (sai lệch: –30%)
  Tất cả các giá trị áp lực tiếp điểm đo được đều thấp hơn giá trị thiết kế với sai lệch lớn, có thể gây tăng điện trở tiếp điểm, nóng cục bộ và phát sinh hồ quang.

Phân tích cơ chế vận hành:

• Thời gian đóng: 80 ms (khoảng thiết kế: 60–70 ms); sai lệch đồng bộ: 10 ms (giới hạn thiết kế: ≤5 ms)

• Thời gian mở: 75 ms (khoảng thiết kế: 55–65 ms); sai lệch đồng bộ: 12 ms (giới hạn thiết kế: ≤5 ms)
  Cả thời gian đóng/mở đều vượt quá giới hạn thiết kế, và sai lệch đồng bộ quá lớn, chỉ ra sự cố cơ chế có thể gây ra tiếp xúc không đồng bộ, dẫn đến tái phát sinh hồ quang và phóng điện.

2.4 Phân tích tổng hợp nguyên nhân sự cố
Tổng hợp tất cả các kết quả:

• Điện: điện trở cách điện giảm và tanδ tăng cho thấy cách điện suy giảm, tạo điều kiện cho sự cố phóng điện.

• Cơ khí: áp lực tiếp điểm không đủ gây ra tiếp xúc kém và nóng cục bộ, trong khi hiệu suất cơ chế bất thường dẫn đến vận hành không đồng bộ và tái phát sinh hồ quang, làm gia tăng thiệt hại cách điện.
  Mặc dù được bảo dưỡng định kỳ, việc sử dụng lâu dài khiến thiết bị bị lão hóa, và các yếu tố môi trường như biến đổi nhiệt độ và độ ẩm làm giảm hiệu suất. Sự cố phóng điện trên thiết bị ngắt điện là kết quả của sự kết hợp giữa suy giảm cách điện, bất thường cơ khí, và lão hóa thiết bị.

3.Các biện pháp xử lý sự cố
3.1 Phản ứng khẩn cấp tại hiện trường
Ngay sau khi xảy ra sự cố phóng điện, quy trình phản ứng khẩn cấp được kích hoạt để đảm bảo an toàn lưới điện. Thiết bị ngắt điện có lỗi được cách ly bằng cách đóng các mạch cầu liên quan, ngăn chặn sự cố lan rộng. Các thiết bị bảo vệ liên kết với thiết bị ngắt điện được kiểm tra và điều chỉnh để tránh hoạt động sai hoặc hỏng. Chế độ vận hành hệ thống được tái cấu hình khẩn cấp: tải trước đây do đường dây có lỗi mang được chuyển mượt mà sang các đường dây khỏe mạnh để duy trì cung cấp điện cho người dùng quan trọng. Trong quá trình này, các thông số hệ thống (điện áp, dòng điện, tần số) được theo dõi chặt chẽ để đảm bảo vận hành ổn định. Nhân viên được phân công bảo vệ hiện trường sự cố và ngăn chặn việc tiếp cận trái phép, tránh sự cố thứ cấp.

3.2 Kế hoạch sửa chữa thiết bị
Dựa trên phân tích nguyên nhân gốc, một kế hoạch sửa chữa chi tiết đã được phát triển:

• Đối với cách điện suy giảm: thay thế và phục hồi môi trường cách điện. Loại bỏ các vật liệu cách điện bị hỏng, ẩm ướt hoặc lão hóa và lắp đặt vật liệu mới, phù hợp để khôi phục hiệu suất cách điện.

• Đối với áp lực tiếp điểm không đủ: kiểm tra và thay thế lò xo tiếp điểm, điều chỉnh áp lực tiếp điểm về giá trị thiết kế để giảm điện trở tiếp điểm và ngăn ngừa nóng cục bộ/phóng điện.

• Đối với sự cố cơ chế: thay thế các bộ phận bị hỏng và hiệu chỉnh lại cơ chế hoàn toàn để đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế về thời gian và đồng bộ.

3.3 Quy trình sửa chữa và các điểm kỹ thuật chính
Việc sửa chữa được thực hiện theo kế hoạch. Bộ ngắt đã được tháo rời hoàn toàn để kiểm tra kỹ lưỡng nhằm xác định mức độ hư hỏng. Trong quá trình thay thế cách điện, độ ẩm và nhiệt độ môi trường được kiểm soát để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn hoặc hấp thụ hơi nước của vật liệu mới. Việc lắp đặt đảm bảo vị trí chính xác và kết dính chặt chẽ của cách điện để tránh các khoảng trống hoặc lỏng lẻo. Điều chỉnh áp lực tiếp xúc sử dụng công cụ đã được hiệu chuẩn để đảm bảo lực đồng đều trên tất cả các pha. Việc lắp ráp lại cơ cấu và hiệu chuẩn tuân thủ quy trình để đảm bảo hoạt động mượt mà, đáng tin cậy. Sau khi sửa chữa, các bài kiểm tra toàn diện đã được tiến hành—điện trở cách điện, tanδ, áp lực tiếp xúc và hiệu suất cơ cấu—đều đạt tiêu chuẩn trước khi tái cấp điện.

4. Kiểm tra hiệu quả sửa chữa
4.1 Kiểm tra sau sửa chữa
Các bài kiểm tra toàn diện đã xác nhận hiệu suất được khôi phục (xem Bảng 1):

• Điện trở cách điện: giữa các tiếp điểm tăng từ 1500 MΩ lên 2400 MΩ; điện trở đất tăng từ 2000 MΩ lên 2800 MΩ—cả hai đều đạt tiêu chuẩn.

• tanδ giảm từ 0.8% xuống 0.4%, nằm trong giới hạn chấp nhận, xác nhận việc giải quyết vấn đề về độ ẩm/lão hóa.

• Bài kiểm tra chịu điện áp: trước khi sửa chữa, sự cố xảy ra ở 480 kV (< tiêu chuẩn); sau khi sửa chữa, không có sự cố ở 600 kV—xác nhận việc khôi phục cách điện.

4.2 Giám sát và Đánh giá Hoạt động

Công tắc cách ly đã được sửa chữa đã trải qua 3 tháng giám sát hoạt động. Nhiệt độ tiếp điểm vẫn ở mức bình thường, xác nhận việc điều chỉnh áp lực tiếp điểm hiệu quả và kiểm soát điện trở tiếp điểm. Các hoạt động chuyển mạch ổn định: thời gian đóng là 65 ms, thời gian mở là 58 ms, với sai số đồng bộ ≤3 ms. Không có hiện tượng tái phát hồ quang hoặc phóng điện xảy ra. Kết quả thử nghiệm và giám sát kết hợp xác nhận việc giải quyết sự cố thành công và hoạt động ổn định.

5. Biện pháp Phòng ngừa và Đề xuất
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của GIS và giảm thiểu rủi ro sự cố, các chiến lược bảo dưỡng nghiêm ngặt phải được thực hiện:

• Kiểm tra định kỳ: Thực hiện kiểm tra trực quan hàng tuần và kiểm tra chức năng hàng tháng bởi các đội ngũ có trình độ để phát hiện sớm hư hỏng hoặc bất thường.

• Giám sát trạng thái tiên tiến: Triển khai hệ thống giám sát trực tuyến để theo dõi thời gian thực xả cục bộ, nhiệt độ và thành phần khí nhằm xác định các vấn đề tiềm ẩn chủ động.

• Thử nghiệm phòng ngừa: Thực hiện các phép đo điện trở cách điện và tanδ định kỳ để đánh giá sức khỏe điện/điện cách và ngăn chặn sự lão hóa hoặc hỏng do ẩm.

• Lựa chọn và lắp đặt thiết bị: Chọn thiết bị GIS đã được chứng minh, chín muỗm đáp ứng nhu cầu hoạt động. Tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế và xây dựng trong quá trình lắp đặt để đảm bảo căn chỉnh chính xác và kết nối an toàn.

• Khởi chạy: Kiểm tra kỹ lưỡng tất cả các thông số hiệu suất trong quá trình khởi chạy, ghi chép tất cả dữ liệu để tham khảo cho việc bảo dưỡng trong tương lai.

• Đào tạo nhân viên: Thường xuyên tổ chức đào tạo kỹ thuật và diễn tập tình huống khẩn cấp để nâng cao trình độ chuyên môn của nhân viên trong vận hành và xử lý sự cố, đảm bảo phản ứng nhanh chóng, hiệu quả đối với các sự cố và bảo vệ sự ổn định của lưới điện.

6. Kết luận
Bài viết này trình bày một phân tích và giải quyết thành công sự cố phóng hồ quang trong công tắc cách ly GIS 550 kV. Tài liệu chi tiết về sự cố và các bài kiểm tra đa chiều đã xác định chính xác nguyên nhân gốc rễ. Các biện pháp ứng phó khẩn cấp và sửa chữa đã được triển khai hiệu quả, được xác nhận bằng các bài kiểm tra sau sửa chữa và giám sát hoạt động. Các biện pháp phòng ngừa được đề xuất cụ thể và thực tế, cung cấp hướng dẫn quý giá cho việc bảo dưỡng GIS. Công việc trong tương lai nên sâu hơn vào nghiên cứu cơ chế sự cố GIS để tăng cường thêm an ninh và độ tin cậy của hệ thống điện.