Phân tích và Biện pháp khắc phục sự cố vận hành sai của công tắc cách ly 145kV

1. Giới thiệu

Trong lưới điện Indonesia, các công tắc cách ly điện áp cao 145kV (HVDs) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ tin cậy truyền tải trên địa hình quần đảo của nước này. Tuy nhiên, các sự cố vận hành không đúng có thể gây ra rủi ro đáng kể cho sự ổn định của lưới điện. Bài viết này điều tra một sự cố HVD 145kV tại một trạm biến áp ở Indonesia, phân tích nguyên nhân gốc rễ và đề xuất các biện pháp khắc phục đồng thời tham chiếu đến tiêu chuẩn bảo vệ IP66 và tuân thủ IEC 60068-3-3 để nâng cao an toàn vận hành.

2. Tổng quan về Sự cố ở Indonesia

Tháng 3 năm 2024, một công tắc cách ly 145kV tại một trạm biến áp trên Đảo Java bất ngờ mở khi đang thực hiện chuyển tải theo lịch trình, kích hoạt một chuỗi phản ứng của hệ thống rơ-le bảo vệ. Sự cố xảy ra tại một trạm biến áp ven biển gần Surabaya, nơi vỏ bọc của công tắc được thiết kế với tiêu chuẩn IP66, lý thuyết có thể chịu đựng được điều kiện nhiệt đới. Việc mở không dự kiến đã làm gián đoạn nguồn điện cho 120.000 hộ gia đình và gây mất tải 30MW, với chi phí sửa chữa vượt quá 800.000 đô la. Phân tích sau sự cố cho thấy sự kết hợp giữa sự suy giảm môi trường và lỗi hệ thống kiểm soát là nguyên nhân chính.

3. Phân tích Nguyên nhân Gốc rễ
3.1 Lỗ hổng Hệ thống Kiểm soát
3.1.1 Dẫn cảm mạch ký sinh

Mạch kiểm soát DC của công tắc chia sẻ cùng một điểm nối đất với hệ thống bảo vệ sét của trạm biến áp, một lỗi thiết kế được xác định ở 20% trạm biến áp 145kV ở Indonesia (báo cáo PLN 2023). Trong một cơn dông gần đó, các xung điện áp tạm thời gây ra các đỉnh 12V DC trong dây dẫn kiểm soát, kích hoạt nhầm rơ-le mở công tắc. Tương tự như một sự cố năm 2022 ở Bali, nơi các vòng tiếp đất gây ra sự cố HVD 145kV, trường hợp này nhấn mạnh sự tách biệt không đủ giữa các mạch kiểm soát và bảo vệ.

3.1.2 Lão hóa Rơ-le

Rơ-le điện từ của công tắc, được đánh giá cho 100.000 lần hoạt động, đã vượt quá 150.000 chu kỳ mà không được thay thế. Sự hỏng hóc cách điện trong cuộn dây rơ-le, phát hiện qua giải phẫu sau sự cố, cho phép tạo hồ quang nối các tiếp điểm thường mở. Các thử nghiệm nhiệt độ theo IEC 60068-3-3 sau đó xác nhận rằng cách điện epoxy của rơ-le bị xuống cấp ở >60°C, một nhiệt độ phổ biến trong các sân trạm không có điều hòa ở Indonesia.

3.2 Suy thoái Môi trường
3.2.1 Sự hỏng hóc Chứng chỉ IP66

Dù có chứng chỉ IP66, gioăng EPDM của công tắc vẫn xuất hiện các vết nứt 3mm, cho phép hơi muối xâm nhập. Không khí ven biển ở Đông Java chứa 0.05mg/m³ ion clorua, tăng tốc độ ăn mòn. Phân tích SEM của gioăng cho thấy hiện tượng nứt do ozon, kết quả của việc tiếp xúc kéo dài với bức xạ UV (chỉ số UV hàng năm >12) và độ ẩm >85%. Điều này làm giảm khả năng bảo vệ bụi/nước của vỏ bọc, với các bộ phận bên trong hiển thị lớp gỉ 0.2mm trên các tiếp điểm đồng.

3.2.2 Suy thoái Cách điện do Độ ẩm Cao

Độ ẩm cao (trung bình 90% RH) gây ra ngưng tụ trên cách điện tổng hợp của công tắc, làm giảm điện trở bề mặt từ 10¹²Ω xuống 10⁸Ω. Dữ liệu giám sát phóng điện cục bộ (PD) cho thấy hoạt động PD tăng từ 5pC lên 25pC trong sáu tháng, là dấu hiệu trước khi xảy ra phóng điện. Lớp phủ chống ẩm của cách điện, tuân thủ IEC 60068-3-3, mất tác dụng sau ba năm trong điều kiện nhiệt đới, không còn khả năng đẩy lùi màng nước.

3.3 Thiếu sót Bảo dưỡng
3.3.1 Bôi trơn Không đủ

Liên kết cơ học của công tắc thiếu dầu silicone (NLGI Grade 2), dẫn đến ma sát tăng 15% trong cơ chế vận hành. Các cảm biến nhiệt ghi nhận nhiệt độ tại các khớp xoay nóng hơn 40°C so với mức cơ bản, gây ra hiện tượng di chuyển giật cục, tạo ra các cú sốc cơ học, mô phỏng lệnh mở bình thường. Điều này phù hợp với báo cáo của PLN năm 2024 cho thấy 43% sự cố HVD 145kV liên quan đến việc bỏ quên bôi trơn.

3.3.2 Calib lại Cảm biến Trễ

Cảm biến điện trở tiếp xúc của công tắc, được hiệu chỉnh ±10μΩ, đã không được kiểm tra trong 18 tháng. Độ chính xác thực tế đã dao động đến ±35μΩ, che giấu sự suy giảm 120μΩ của tiếp xúc (ngưỡng giới hạn: 150μΩ). Những sự chậm trễ trong việc hiệu chỉnh là phổ biến ở các trạm biến áp xa xôi ở Indonesia, nơi 37% HVD 145kV thiếu bảo dưỡng theo lịch do khó khăn về hậu cần.

4. Biện pháp Khắc phục Toàn diện
4.1 Thiết kế Lại Hệ thống Kiểm soát
4.1.1 Kiến trúc Nối đất Riêng biệt

Thực hiện hệ thống nối đất sao cho các mạch kiểm soát HVD 145kV, tách chúng khỏi hệ thống nối đất bảo vệ sét bằng 5m. Cài đặt biến áp cách ly 1000V trên nguồn điện kiểm soát, như được chứng minh trong nghiên cứu điển hình năm 2023 ở Medan đã giảm 92% sự cố do xung điện tạm thời gây ra.

4.1.2 Cập nhật Rơ-le bán dẫn

Thay thế rơ-le điện từ bằng rơ-le bán dẫn (SSR) tuân thủ IEC 60950, được đánh giá cho 10⁷ lần hoạt động. SSR trong dự án thí điểm ở Semarang không có xung điện áp và thời gian chuyển mạch nhanh hơn 50%, loại bỏ rủi ro hồ quang trong môi trường ẩm ướt.

4.2 Tăng cường Khả năng Chịu đựng Môi trường
4.2.1 Cải tạo Hệ thống Chứng chỉ IP66

• Thay thế Gioăng: Sử dụng gioăng fluoroelastomer (FKM) có khả năng chịu nhiệt 200°C, độ giãn 300% và chất ổn định UV, đáp ứng phụ lục khí hậu nhiệt đới theo IEC 60068-3-3.

• Sửa đổi Hệ thống Thoát nước: Thêm các lỗ thoát nước 12mm với màn chắn chống côn trùng vào vỏ bọc công tắc, giảm sự tích tụ nước. Một thử nghiệm ở Jakarta cho thấy điều này đã giảm độ ẩm bên trong từ 85% xuống 55% trong vòng 24 giờ.

4.2.2 Giải pháp Cách điện Tiên tiến

• Lớp phủ SiO₂ siêu chống ẩm: Áp dụng lớp phủ aerosol - based SiO₂ (góc tiếp xúc >150°) lên cách điện, kéo dài khả năng chống ẩm từ 3 đến 7 năm. Thử nghiệm thực tế ở Bali đã giảm hoạt động PD 80%.

• Tích hợp Máy hút ẩm: Cài đặt máy hút ẩm Peltier - effect (khả năng 3L/ngày) trong vỏ bọc, duy trì độ ẩm <40%. Một trạm biến áp ở Sulawesi đã cải thiện độ ổn định điện trở tiếp xúc 65% sau khi lắp đặt.

4.3 Tối ưu hóa Bảo dưỡng Dự đoán
4.3.1 Giám sát Kích thích IoT

Triển khai mạng cảm biến 4G - enabled đo:

• Điện trở tiếp xúc (độ phân giải 0.1μΩ)

• Rung động cơ chế (dải băng thông 100Hz - 10kHz)

• Độ ẩm/ nhiệt độ vỏ bọc (±1% RH, ±0.5°C)

Dữ liệu được phân tích qua nền tảng AI dựa trên đám mây (độ chính xác 94%) dự đoán sự cố 72 giờ trước, như được chứng minh trong dự án thí điểm ở Papua đã giảm 85% sự cố ngoài kế hoạch.

4.3.2 Lịch trình Bảo dưỡng theo Vùng

Phát triển kế hoạch bảo dưỡng dựa trên khí hậu:

5. Tác động Kỹ thuật và Kinh tế
5.1 Cải thiện Chỉ số Độ tin cậy

• Tăng MTBF: Từ 12.000 giờ lên 45.000 giờ sau can thiệp, vượt mục tiêu của IEC 62271-102.

• Thời gian Phát hiện Sự cố: Giảm từ 4 giờ xuống 15 phút thông qua giám sát IoT thời gian thực.

5.2 Phân tích Chi phí - Lợi ích

• Đầu tư ban đầu: $500.000 cho một trạm biến áp 10 công tắc ở Indonesia

• Tiết kiệm 5 năm: $2.3 triệu từ:

• Giảm 75% lao động bảo dưỡng

• Giảm 90% chi phí thay thế thiết bị

• Giảm 88% tổn thất do ngừng hoạt động

6. Kết luận

Sự cố công tắc cách ly 145kV ở Indonesia nhấn mạnh nhu cầu về các giải pháp tích hợp nhằm giải quyết các lỗ hổng hệ thống kiểm soát, sự suy thoái môi trường và thiếu sót bảo dưỡng. Bằng cách triển khai vỏ bọc được cải thiện IP66, các thành phần tuân thủ IEC 60068-3-3, và bảo dưỡng dự đoán dựa trên IoT, lưới điện 145kV của Indonesia có thể đạt được các chỉ số độ tin cậy tương đương với các tiêu chuẩn toàn cầu. Phương pháp tiếp cận này không chỉ giảm thiểu rủi ro vận hành không đúng mà còn hỗ trợ mục tiêu của quốc gia về một cơ sở hạ tầng điện thông minh và linh hoạt, có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong điều kiện nhiệt đới.