Đặc trưng Cơ chế Hư Hỏng và Biện Pháp Phòng Ngừa của tụ điện

1 Cơ chế Hư hỏng của tụ điện

Tụ điện chủ yếu bao gồm vỏ, lõi tụ, môi trường cách điện và cấu trúc đầu cuối. Vỏ thường được làm bằng thép mỏng hoặc thép không gỉ, với các cổ góp được hàn vào nắp. Lõi tụ được cuộn từ phim polypropylene và nhôm (điện cực), và bên trong vỏ được đầy chất lỏng cách điện để cách điện và tản nhiệt.

Là thiết bị hoàn toàn kín, các loại hư hỏng phổ biến của tụ điện bao gồm:

• Hư hỏng phần tử tụ bên trong;

• Hư hỏng cầu chì;

• Hư hỏng ngắn mạch bên trong;

• Hư hỏng phóng điện bên ngoài.

Các lỗi bên trong gây tổn hại nghiêm trọng cho thân tụ và một khi xảy ra, thường không thể sửa chữa tại chỗ, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất sử dụng thiết bị.

1.1 Hư hỏng Phần tử Tụ Bên Trong

Hư hỏng phần tử tụ chủ yếu do các yếu tố như lão hóa môi trường cách điện, thấm nước, lỗi sản xuất và điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Nếu phần tử không có cầu chì bên trong, một phần tử hỏng sẽ làm ngắn mạch các phần tử song song, loại bỏ chúng khỏi việc chia sẻ điện áp. Điều này tăng điện áp hoạt động trên các phần tử nối tiếp còn lại. Không cách ly kịp thời, điều này tạo ra rủi ro an toàn nghiêm trọng và có thể dẫn đến sự cố nghiêm trọng.Sử dụng cầu chì bên trong giúp cách ly hiệu quả và kịp thời các phần tử hỏng, nâng cao an toàn vận hành.

Hư hỏng tụ điện có thể được phân thành ba loại: hư hỏng điện, hư hỏng nhiệt và hư hỏng phóng điện cục bộ.

• Hư hỏng Điện: Do quá điện áp hoặc hài, dẫn đến cường độ điện trường quá cao qua môi trường cách điện, gây ra sự cố cách điện tại các điểm lỗi. Nó đặc trưng bởi thời gian ngắn và cường độ điện trường cao. Cường độ phá hủy liên quan chặt chẽ đến độ đồng đều của điện trường nhưng ít nhạy cảm với nhiệt độ và thời gian áp dụng điện áp.

• Hư hỏng Nhiệt: Xảy ra khi sinh nhiệt vượt quá tiêu tán, gây tăng nhiệt độ liên tục trong môi trường cách điện, dẫn đến suy giảm vật liệu và cuối cùng là sự cố cách điện. Điều này thường xảy ra trong quá trình hoạt động ổn định, với điện áp phá hủy tương đối thấp và thời gian áp dụng điện áp dài hơn so với hư hỏng điện.

• Hư hỏng Phóng Điện Cục Bộ: Kết quả từ điện trường cục bộ cao trong môi trường cách điện, vượt quá cường độ phá hủy của các vùng có hệ số dielectric thấp như chất lỏng, khí hoặc tạp chất. Điều này khởi phát các phóng điện cục bộ dần dần làm suy giảm hiệu suất cách điện, cuối cùng phát triển thành sự cố xuyên điện cực hoàn toàn. Quá trình này tiến triển, từ các phóng điện không xuyên qua đến sự cố cách điện hoàn toàn.

1.2 Hư hỏng Cầu Chì

Bảo vệ cầu chì là một trong những biện pháp bảo vệ phổ biến nhất cho tụ điện và đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành an toàn và ổn định của hệ thống bù. Nó được phân thành bảo vệ cầu chì bên ngoài và bên trong.

• Bảo vệ Cầu Chì Bên Ngoài: Khi phần tử tụ bên trong hỏng, dòng điện lỗi thông qua tụ và cầu chì bên ngoài tăng lên. Một khi dòng điện đạt đến ngưỡng nóng chảy định mức của cầu chì, cầu chì nóng lên, phá vỡ cân bằng nhiệt và nóng chảy, ngắt tụ hỏng để ngăn chặn sự cố lan rộng.

• Bảo vệ Cầu Chì Bên Trong: Khi phần tử hỏng, các phần tử song song xả vào phần tử hỏng, tạo ra dòng điện tạm thời có biên độ lớn và giảm nhanh. Năng lượng từ dòng điện này làm nóng chảy cầu chì nối tiếp bên trong, cách ly phần tử hỏng và cho phép phần còn lại của tụ tiếp tục hoạt động.

Trong thực tế, việc chọn cầu chì không phù hợp hoặc tiếp xúc đầu cuối kém có thể gây ra sự cố cầu chì nóng chảy bất thường trong quá trình hoạt động bình thường, vô tình loại bỏ tụ khỏe mạnh và giảm công suất phản kháng.

Nếu cầu chì bên trong được chọn không phù hợp và không cách ly kịp thời, sự cố có thể trở nên tồi tệ hơn, có thể dẫn đến nổ hoặc cháy tụ.

1.3 Hư hỏng Ngắn Mạch Bên Trong

Hư hỏng ngắn mạch bên trong của tụ điện chủ yếu bao gồm ngắn mạch giữa điện cực sống và vỏ và ngắn mạch giữa các điện cực. Chúng chủ yếu do lão hóa môi trường cách điện lâu dài, thấm nước bên trong, căng thẳng quá điện áp hoặc khuyết tật cách điện từ quy trình thiết kế hoặc sản xuất, tất cả đều có thể dẫn đến sự cố cách điện kiểu đục lỗ và ngắn mạch bên trong.

1.4 Hư hỏng Phóng Điện Bên Ngoài

Hư hỏng phóng điện bên ngoài đề cập đến các sự cố xảy ra bên ngoài thân tụ, do các yếu tố bên ngoài như phóng điện bề mặt cổ góp, đục lỗ cổ góp, ngắn mạch pha-phased hoặc pha-đất, hoặc nứt cổ góp sứ do ứng suất cơ học. Các sự cố này có nhiều nguyên nhân nhưng xảy ra trong mạch bên ngoài. Chúng có thể được phát hiện và giảm thiểu kịp thời thông qua các hành động bảo vệ rơle, kiểm tra định kỳ hoặc kiểm tra ngoại tuyến. Tần suất và mức độ nghiêm trọng của chúng thấp hơn so với các sự cố bên trong, nhưng vẫn cần được chú ý đủ.

2 Đặc tính và Nguyên Nhân Thường Gặp của Sự cố Tụ Điện
2.1 Rò Rỉ Dầu từ Thân Tụ

Là thiết bị kín hoàn toàn, cường độ điện trường cao, dòng điện lớn, rò rỉ dầu trong tụ điện không chỉ giảm mức cách điện do mức dầu giảm mà còn cho phép thấm nước do áp suất nội bộ giảm. Điều này dẫn đến ẩm cách điện, giảm điện trở cách điện và cuối cùng là hư hỏng phần tử bên trong hoặc thậm chí nổ.

Nguyên nhân chính của rò rỉ dầu bao gồm: hàn kém dẫn đến niêm phong không đủ; gioăng lão hóa hoặc chịu lực không đồng đều; hư hỏng cơ học trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt; bảo dưỡng không đủ gây ăn mòn vỏ; và ứng suất cơ học làm hỏng niêm phong cổ góp.

2.2 Biến dạng Vỏ Tụ

Trong điều kiện hoạt động bình thường, sự mở rộng hoặc co lại nhỏ của vỏ tụ do biến đổi nhiệt độ và điện áp là chấp nhận được. Tuy nhiên, khi cường độ điện trường bên trong quá cao, gây ra phóng điện cục bộ hoặc ngắn mạch, môi trường cách điện phân hủy và tạo ra lượng lớn khí. Điều này tăng áp suất nội bộ trong buồng kín, dẫn đến phồng hoặc biến dạng vỏ.

Một khi biến dạng nghiêm trọng xảy ra, việc sửa chữa tại chỗ thường không thể và cần thay thế. Biến dạng vỏ không chỉ làm trầm trọng thêm sự suy giảm cách điện bên trong mà còn có thể làm hỏng cấu trúc điện, thay đổi khoảng cách cách điện ban đầu. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể gây nứt cổ góp (xem Hình 1), có thể dẫn đến nổ hoặc cháy.

Biến dạng vỏ chủ yếu do vấn đề về chất lượng sản phẩm, chẳng hạn như: chất lượng vật liệu điện cực hoặc môi trường cách điện kém; sử dụng dầu cách điện không hấp thụ khí; môi trường sản xuất hoặc quy trình sản xuất không đạt chuẩn; tạp chất tồn dư trong quá trình sản xuất; theo đuổi quá mức các chỉ số hiệu suất cụ thể; hoặc vật liệu vỏ quá mỏng.

2.3 Tăng Nhiệt Bất Thường của Tụ Điện

Tăng nhiệt bất thường của tụ điện dẫn đến nhiệt độ thân quá cao, làm tăng tốc độ lão hóa nhiệt của môi trường cách điện bên trong, giảm sức chịu đựng cách điện và có thể kích hoạt phóng điện cục bộ. Tuổi thọ của tụ điện nói chung tuân theo "quy tắc 8°C": cho mỗi 8°C tăng trên nhiệt độ hoạt động cho phép, tuổi thọ dự kiến ​​khoảng một nửa.

Tăng nhiệt bất thường chủ yếu do thông gió kém hoặc điều kiện quá dòng kéo dài. Ví dụ: bố trí không gian phòng tụ không hợp lý hoặc vị trí đặt thiết bị thông gió không đúng cách dẫn đến tản nhiệt không đủ; tăng nhiệt do hoạt động quá điện áp gây quá dòng; và dòng điện harmonics do các đơn vị chỉnh lưu cũng góp phần làm tăng nhiệt tụ. Ngoài ra, lão hóa môi trường cách điện, thấm nước hoặc lỗi thành phần bên trong có thể tăng tổn thất điện năng, làm trầm trọng thêm tăng nhiệt.

2.4 Phóng Điện Bề Mặt trên Cổ Góp Tụ

Các thành phần trong lắp đặt tụ điện thường được sắp xếp chặt chẽ. Trong quá trình hoạt động, môi trường xung quanh có nhiệt độ và cường độ điện trường cao, dễ dàng hấp thụ các hạt điện tích bay lơ lửng. Điều này dẫn đến tích tụ ô nhiễm trên bề mặt cổ góp, tăng dòng rò bề mặt. Dưới sự kết hợp của harmonics hệ thống và điện áp, có thể xảy ra hồ quang cục bộ trên sứ cổ góp. Khi ô nhiễm tích tụ đến mức giới hạn, có thể dẫn đến phóng điện bề mặt, đi kèm với tiếng ồn bất thường. Trong trường hợp nghiêm trọng, điều này có thể dẫn đến ngắn mạch pha-đất bên ngoài.

2.5 Tiếng Ồn Bất Thường từ Tụ Điện

Tụ điện là thiết bị bù phản kháng tĩnh, không có bộ phận di chuyển hoặc thành phần kích thích điện từ. Trong quá trình hoạt động bình thường, chúng không nên phát ra âm thanh nào. Nếu có tiếng ồn bất thường trong quá trình hoạt động, có thể chỉ ra phóng điện cục bộ năng lượng cao bên trong tụ, và thiết bị cần được ngắt điện ngay lập tức để kiểm tra.

2.6 Nổ Tụ

Nổ tụ là sự cố nghiêm trọng với hậu quả nghiêm trọng. Nó thường xảy ra khi phần tử tụ bên trong gặp phải sự cố cách điện giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và vỏ, dẫn đến ngắn mạch xuyên qua. Các tụ khác hoạt động song song sẽ nhanh chóng sạc và xả vào phần tử hỏng. Nếu năng lượng đưa vào vượt quá sức chịu đựng cơ học của vỏ, tụ có thể nổ và phun dầu, có thể gây cháy, đe dọa an toàn của toàn bộ trạm biến áp, thậm chí gây thương tích hoặc tử vong cho người lao động.

Vụ nổ dây chuyền liên quan đến toàn bộ ngân hàng tụ được hiển thị trong Hình 2, được kích hoạt bởi sự cố cách điện phần tử tụ bên trong; tình trạng chi tiết của phần tử hỏng được minh họa trong Hình 3.

2.7 Quá Nhiệt ở Đầu Cuối Ngân Hàng Tụ

Khi được cấp điện, ngân hàng tụ điện hoạt động dưới tải đầy đủ với dòng điện mạch cao. Nếu các kết nối bên trong có tiếp xúc kém, thiết kế hoặc lắp đặt không đủ, hoặc bảo dưỡng không đủ, có thể xảy ra quá nhiệt cục bộ tại các điểm kết nối. Quá nhiệt kéo dài có thể dẫn đến tích tụ năng lượng nhiệt quá mức, có thể làm tan chảy các dây dẫn kết nối. Sự cố quá nhiệt ở đầu cuối ngân hàng tụ khá phổ biến; tình trạng của một kết nối đã tan chảy được hiển thị trong Hình 4.

3 Biện Pháp Phòng Ngừa Sự cố

3.1 Đảm bảo Chất lượng trong Sản xuất Thiết bị và Khởi chạy Lắp đặt

Việc vận hành an toàn của tụ điện phụ thuộc vào chất lượng sản xuất thiết bị và khởi chạy lắp đặt. Trong quá trình sản xuất, cần tuân theo nghiêm ngặt các quy trình, sử dụng nguyên liệu và thiết bị sản xuất đạt chuẩn, và tăng cường giám sát chất lượng trong suốt quá trình. Kiểm tra kỹ lưỡng tại nhà máy đảm bảo chất lượng sản phẩm. Lắp đặt tại chỗ nên được "phân đoạn và nhóm" một cách hợp lý để đảm bảo cân bằng dung lượng giữa các pha và phần. Ngoài ra, cần nhấn mạnh vào bàn giao và nghiệm thu sau lắp đặt để đảm bảo chất lượng lắp đặt và giảm thiểu sự cố trong quá trình hoạt động.

3.2 Cải thiện Phương pháp Hoạt động và Chạy

• Khi thực hiện các hoạt động cấp điện và cắt điện cho tải đường dây, ngân hàng tụ phải tuân theo nguyên tắc "ngắt trước, rồi mới kết nối," trong khi các đường tải nên theo thứ tự "kết nối trước, rồi mới ngắt." Thứ tự này không được thay đổi tùy tiện.

• Trước khi khôi phục hoạt động của ngân hàng tụ, phải đảm bảo thời gian xả điện đủ. Cần giảm thiểu việc chuyển đổi ngân hàng tụ thường xuyên; chỉ sau khi xả điện hoàn toàn mới được đóng lại. Nếu sự cố khiến thiết bị bảo vệ ngắt nguồn ngân hàng tụ, không được kết nối lại trước khi xác định nguyên nhân để tránh sự cố trở nên nghiêm trọng hơn.

• Để tránh harmonics bậc cao ảnh hưởng đến ngân hàng tụ, hãy chọn tỷ lệ cuộn cảm phù hợp dựa trên các kịch bản ứng dụng cụ thể. Điều này giúp ức chế hiệu quả harmonics bậc cao, giảm dòng điện xung và quá điện áp khi đóng, đảm bảo an toàn vận hành của toàn hệ thống.

3.3 Kiểm soát Nhiệt Độ Môi Trường Hoạt động

Nhiệt độ hoạt động của tụ điện直接影响电容器的性能和寿命。高温会加速绝缘老化，缩短使用寿命。因此，控制运行环境温度至关重要。室内安装的电容器组应保持良好的通风，并在必要时安装自动温控系统。室外装置应避免直接日晒，并确保适当的通风和散热。定期对电容器组及相关设备进行带电红外热成像检查，及时采取措施，确保内部介质温度和环境温度符合规定。 **3.4 实施设备运行状态在线监测** 在电容器组上安装在线监测装置，可以实时监测运行状态，有助于及时发现和处理潜在故障。这包括监测实际运行电压、局部放电、介质损耗、电容、泄漏电流等特征信号。这不仅有助于诊断和隔离故障，还能分析潜在缺陷，实现故障预警。 **3.5 加强设备例行检查** 加强例行检查是确保电容器组正常运行的关键。重点应放在检查外壳变形、漏油、瓷绝缘子污染程度、放电迹象、电气距离及环境温度等方面。辅助方法如红外热成像可以检测连接点过热情况，及时进行维护，确保电力电容器组件的安全运行。 **结论** 通过分析电容器的失效机理、特性和原因，本文从五个方面提出了预防措施：设备和安装调试质量、操作方法、运行环境温度控制、运行状态在线监测和例行检查。这些建议为有效应用电力电容器提供了实用指导。 我将按照要求翻译成越南语，保持原文结构完整有序：

3 Biện Pháp Phòng Ngừa Sự cố

3.3 Kiểm soát Nhiệt Độ Môi Trường Hoạt động

Nhiệt độ hoạt động của tụ điện trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ lão hóa cách điện, rút ngắn tuổi thọ. Do đó, kiểm soát nhiệt độ môi trường hoạt động là rất quan trọng. Các ngân hàng tụ điện lắp đặt trong nhà phải duy trì thông gió tốt và, nếu cần, cài đặt hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động. Các đơn vị ngoài trời phải tránh ánh nắng trực tiếp và đảm bảo thông gió và tản nhiệt tốt. Thực hiện kiểm tra nhiệt hồng ngoại trực tiếp định kỳ trên các ngân hàng tụ điện và thiết bị liên quan để kịp thời thực hiện các biện pháp, đảm bảo nhiệt độ môi trường và nhiệt độ môi trường nội bộ tuân thủ quy định.

3.4 Triển khai Giám sát Trực tuyến Tình trạng Hoạt động của Thiết bị

Cài đặt các thiết bị giám sát trực tuyến trên các ngân hàng tụ điện giúp theo dõi tình trạng hoạt động theo thời gian thực, hỗ trợ phát hiện và xử lý kịp thời các lỗi tiềm ẩn. Điều này bao gồm theo dõi điện áp hoạt động thực tế, phóng điện cục bộ, tổn thất môi trường cách điện, điện dung, dòng rò và các tín hiệu đặc trưng khác. Không chỉ giúp chẩn đoán và cô lập lỗi, mà còn phân tích các khuyết tật tiềm ẩn, đạt được cảnh báo lỗi dự đoán.

3.5 Tăng cường Kiểm tra Định kỳ Thiết bị

Tăng cường kiểm tra định kỳ là chìa khóa để đảm bảo hoạt động bình thường của các ngân hàng tụ điện. Nên tập trung vào việc kiểm tra biến dạng vỏ, rò rỉ dầu, mức độ ô nhiễm của sứ cách điện, dấu hiệu phóng điện, khoảng cách điện và nhiệt độ môi trường. Các phương pháp hỗ trợ như chụp ảnh nhiệt hồng ngoại có thể phát hiện quá nhiệt tại các điểm kết nối, cho phép bảo trì kịp thời và đảm bảo hoạt động an toàn của các bộ phận tụ điện.

Kết luận

Bằng cách phân tích cơ chế, đặc điểm và nguyên nhân gây hỏng của tụ điện, bài viết này đề xuất các biện pháp phòng ngừa từ năm khía cạnh: chất lượng sản xuất và lắp đặt, phương pháp vận hành, kiểm soát nhiệt độ môi trường hoạt động, giám sát trực tuyến tình trạng hoạt động và kiểm tra định kỳ. Những khuyến nghị này cung cấp hướng dẫn thực tế cho việc áp dụng hiệu quả các tụ điện.