Thiết kế Tủ Rời Cách Ly Khí Tối ưu cho Khu vực Cao Nguyên
Các thiết bị phân phối vòng có vỏ khí cách điện là thiết bị chuyển mạch nhỏ gọn và có thể mở rộng, phù hợp cho các hệ thống tự động hóa phân phối điện trung áp. Các thiết bị này được sử dụng cho nguồn điện mạng vòng từ 12~40.5 kV, hệ thống cấp điện song song và ứng dụng cấp điện cuối cùng, đóng vai trò là thiết bị điều khiển và bảo vệ năng lượng điện. Chúng cũng thích hợp để lắp đặt trong các trạm biến áp dạng đế.
Bằng cách phân phối và điều độ năng lượng điện, chúng đảm bảo sự vận hành ổn định của hệ thống điện. Các thành phần cốt lõi của các thiết bị này sử dụng cầu chì hoặc kết hợp giữa công tắc tải và cầu chì, mang lại những ưu điểm như cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, chi phí thấp, cải thiện các thông số và hiệu suất cung cấp điện, và tăng cường an toàn cung cấp điện. Chúng được sử dụng rộng rãi tại các trạm phân phối và trạm biến áp dạng đế ở các trung tâm tải như khu dân cư đô thị, tòa nhà cao tầng, cơ sở công cộng lớn, và doanh nghiệp công nghiệp. Các khí cách điện khác nhau được sử dụng làm môi trường cách điện, bao gồm SF₆, không khí khô, nitơ, hoặc khí hỗn hợp, cung cấp hiệu suất cách điện cao và lợi ích môi trường, dẫn đến việc áp dụng rộng rãi trong hệ thống điện.
Các thành phần chính của loại thiết bị phân phối vòng này được lắp đặt bên trong thùng hàn kín chứa khí cách điện (sau đây gọi là "phòng khí"). Phòng khí là thành phần cốt lõi của thiết bị phân phối vòng có vỏ khí cách điện. Chức năng chính của nó là đảm bảo các thành phần điện áp cao bên trong hoạt động không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường bên ngoài như ô nhiễm, độ ẩm, và ăn mòn. Nó đồng thời đảm bảo cả môi trường hoạt động của các thành phần và hiệu suất điện bình thường. Tất cả các thành phần bên trong đều được bảo vệ bởi phòng khí kín. Phòng khí được trang bị các thiết bị theo dõi áp suất hoặc mật độ khí, như đồng hồ áp suất hoặc đồng hồ đo mật độ, thường đo sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài phòng khí.
Bài viết này chủ yếu đề cập đến các vấn đề ảnh hưởng đến hiệu suất cơ khí và điện của thiết bị phân phối vòng trong môi trường cao nguyên.
1. Các Phương án Thiết kế Cao Nguyên Thường Gặp cho Thiết bị Phân phối Vòng Có Vỏ Khí Cách Điện và Các Vấn đề Hiện hữu
Thiết bị phân phối vòng có vỏ khí cách điện có thiết kế hoàn toàn cách điện, với các mạch dẫn chính được bao bọc bởi hệ thống cách điện hoàn toàn bao gồm phòng khí kín, đầu nối cách điện hoàn toàn cho đường vào/ra, và đầu cáp cách điện hoàn toàn. Do môi trường bên trong phòng khí không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bên ngoài, mật độ khí và độ ẩm vẫn giữ nguyên. Theo lý thuyết, hiệu suất cách điện không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như độ ẩm, ô nhiễm, hoặc khí ăn mòn. Tương tự, hiệu suất cách điện của đầu nối và đầu cáp—được thiết kế với vật liệu cách điện như nhựa epoxy và cao su silicone—không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài. Về mặt bề ngoài, thiết bị phân phối vòng có vỏ khí cách điện được thiết kế theo cách thông thường dường như thích nghi được với môi trường cao nguyên, khiến nhiều nhà sản xuất tin rằng chúng đáp ứng yêu cầu hoạt động ở độ cao và triển khai chúng trực tiếp ở những khu vực này.
Hiện nay, hai phương án kỹ thuật chính được sử dụng khi áp dụng thiết bị phân phối vòng có vỏ khí cách điện trong môi trường cao nguyên:
1.1 Triển khai Trực tiếp ở Khu vực Cao Nguyên
Nghĩa vụ Thiết kế: Phương pháp này dựa trên nguyên tắc rằng mạch dẫn chính được bao bọc hoàn toàn bởi hệ thống cách điện (phòng khí kín, đầu nối cách điện hoàn toàn, và đầu cáp), khiến hiệu suất cách điện không bị ảnh hưởng bởi điều kiện cao nguyên.
Vấn đề Hiện hữu: Trong thực tế, áp suất khí quyển bên ngoài giảm ở độ cao cao làm tăng chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài phòng khí. Điều này gây ra biến dạng phồng lên đáng kể của phòng khí, ảnh hưởng đến hiệu suất cơ khí của các thành phần điện như cầu chì và công tắc ngắt. Điều này có thể dẫn đến kẹt trong quá trình vận hành và thay đổi đặc tính cơ khí.
1.2 Giảm Áp suất Khí Nhà Máy
Nghĩa vụ Thiết kế: Để giải quyết sự gia tăng chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài phòng khí ở độ cao, phương án này giảm áp suất khí bên trong phòng khí tại nhà máy. Khi thiết bị đến các địa điểm cao nguyên, áp suất khí quyển giảm làm chênh lệch áp suất tăng lên đến giá trị yêu cầu theo tiêu chuẩn kỹ thuật, khiến đồng hồ áp suất hiển thị áp suất vận hành cần thiết.
Vấn đề Hiện hữu: Thiết kế này làm giảm mật độ khí cách điện bên trong phòng khí. Mặc dù đồng hồ áp suất hiển thị giá trị thiết kế ở độ cao, nhưng hiệu suất cách điện của khí có liên quan nội tại đến mật độ khí theo đường cong Paschen (xem Hình 1) do nhà vật lý người Đức Friedrich Paschen đưa ra. Đường cong Paschen vẽ hàm được suy ra từ Định luật Paschen. Ý nghĩa vật lý: Điện áp phá vỡ U (kV) là hàm của tích khoảng cách điện cực d (cm) và áp suất khí P (Torr), biểu diễn dưới dạng U = apd / [ln(Pd) + b] (xem Hình 1), trong đó a và b là hằng số.
Ý nghĩa chính của đường cong: Đối với một khoảng cách cách điện cố định, việc tăng áp suất hoặc giảm áp suất về chân không (ví dụ, 10⁻⁶ Torr) đều làm tăng điện áp phá vỡ khoảng cách. Ở áp suất gần chân không, mức độ chân không giảm (tức là mật độ không khí tăng) làm dễ xảy ra hiện tượng phá vỡ điện giữa các điện cực. Sau một ngưỡng áp suất nhất định, hiệu suất cách điện dần cải thiện khi áp suất tăng. Trong giai đoạn này (sau điểm a trong Hình 1), việc giảm áp suất—and thus gas density—lowers the breakdown voltage, meaning insulation performance deteriorates. The operational pressure range of gas-insulated ring main units falls entirely within this region (the section beyond point a in Fig. 1).
1.3 Tổng kết Các Vấn đề với Thiết kế Cao Nguyên Truyền thống
Chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài phòng khí tăng làm tăng biến dạng của phòng khí, ảnh hưởng đến hoạt động cơ khí và hiệu suất của công tắc.
Trong điều kiện chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài tăng, các thiết bị xả áp suất dễ bị kích hoạt hơn.
Các đồng hồ đo áp suất đo sự khác biệt về áp suất tương đối giữa bên trong và bên ngoài ngăn chứa khí. Đồng hồ đo mật độ khí bổ sung chức năng bù nhiệt độ cho đồng hồ đo áp suất. Cả hai đều không thể hiển thị chính xác mật độ khí thực tế bên trong ngăn ở độ cao lớn, tuy nhiên mật độ khí có liên quan trực tiếp đến hiệu suất cách điện.
Mật độ khí quyển giảm ở độ cao lớn cũng làm suy giảm hiệu suất cách điện tổng thể của các thành phần cách điện bên ngoài của ngăn chứa khí.
2. Phương án Thiết kế cho Máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí dùng ở Độ cao lớn
Dựa trên phân tích trên, mặc dù cấu trúc cách điện hoàn toàn của máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí (với mạch dẫn chính được bao kín hoàn toàn bởi ngăn chứa khí kín, đầu cắm cách điện hoàn toàn, và đầu kết nối cáp cách điện hoàn toàn) lý thuyết vẫn duy trì hiệu suất cách điện không bị ảnh hưởng, nhưng nó bị tác động bởi các yếu tố phát sinh ở độ cao lớn: chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài ngăn chứa khí tăng lên, không thể giảm mật độ khí cách điện bên trong ngăn, và yêu cầu chỉ báo mật độ khí chính xác. Do đó, điểm mấu chốt trong thiết kế máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí dùng ở độ cao lớn nằm ở thiết kế ngăn chứa khí và thiết bị giảm áp, đáp ứng yêu cầu môi trường độ cao lớn cho đồng hồ đo áp suất ngăn chứa khí, và giải quyết vấn đề giảm hiệu suất cách điện tổng thể của các thành phần cách điện bên ngoài ở độ cao lớn.
2.1 Thiết kế Ngăn chứa khí và Thiết bị giảm áp cho Ứng dụng ở Độ cao lớn
Để giải quyết các vấn đề kỹ thuật nêu trên, bài viết này đề xuất một khái niệm thiết kế mới cho máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí dùng ở độ cao lớn, khác biệt so với các đơn vị thông thường không có thiết kế chuyên biệt hoặc chỉ sử dụng phương pháp giảm áp đơn giản. Máy phân phối vòng tròn này có thiết kế nhắm mục tiêu ở các khía cạnh sau:
(1) Tăng cường Độ bền Cấu trúc của Ngăn chứa khí
Để chống lại sự tăng chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài do độ cao lớn, độ bền cấu trúc của ngăn chứa khí được tăng cường. Điều này đảm bảo rằng biến dạng của ngăn ở độ cao lớn vẫn nằm trong phạm vi kỹ thuật, đảm bảo hiệu suất cơ học của các bộ phận điện áp cao bên trong không bị ảnh hưởng.
Theo mô hình khí quyển chuẩn quốc tế, áp suất khí quyển chuẩn ở một độ cao nhất định có thể được tính toán bằng công thức:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
trong đó P là áp suất khí quyển ở độ cao nhất định; P₀ là áp suất khí quyển chuẩn ở mực nước biển; H là độ cao.
Lấy ví dụ độ cao 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Dùng ví dụ về máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí SF₆ điển hình 10 kV, áp suất thiết kế của ngăn chứa khí ở khu vực không phải độ cao lớn thường là 0.07 MPa. Xem xét áp suất khí quyển giảm ở độ cao lớn, áp suất thiết kế thực tế cho ngăn chứa khí ở độ cao 4000 m có thể được tính toán như sau:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Thiết kế Thiết bị giảm áp cho Ứng dụng ở Độ cao lớn
Theo tiêu chuẩn quốc gia mới nhất GB/T 3906—2020 "Thiết bị đóng cắt và điều khiển điện áp xoay chiều từ 3.6 kV trở lên và bao gồm 40.5 kV", Mục 7.103 quy định rằng ngăn chứa khí của máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí phải chịu được 1.3 lần áp suất thiết kế (P₁) trong 1 phút mà không kích hoạt thiết bị giảm áp. Nếu áp suất tiếp tục tăng từ 1.3 lần (P₁) đến 3 lần (P₂) áp suất thiết kế, thiết bị giảm áp có thể được kích hoạt. Điều này là chấp nhận được miễn là nó đáp ứng các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Sau khi kiểm tra, ngăn chứa khí có thể biến dạng nhưng không được nứt vỡ.
Thiết kế độ bền của ngăn chứa khí và thiết bị giảm áp theo các yêu cầu này đáp ứng tiêu chuẩn quốc gia. Các ngăn chứa khí và thiết bị giảm áp cho các độ cao khác nhau đều có thể được tính toán và thiết kế bằng phương pháp này:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Qua việc tăng cường cấu trúc của ngăn chứa khí—như sử dụng thép dày hơn hoặc thêm các thanh cứng—ngăn chứa khí đáp ứng đầy đủ yêu cầu về độ bền do sự tăng chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài ở độ cao lớn. Điều này tránh được ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học và điện của các công tắc điện áp cao bên trong ngăn do biến dạng, đảm bảo hoạt động ổn định ở áp suất khí định mức và cung cấp hiệu suất cơ học và điện tương đương ở môi trường độ cao lớn như ở vùng đồng bằng.
Qua các phép tính thiết kế và kiểm chứng thực nghiệm, việc tăng độ dày và độ bền của màng giảm áp giúp nâng cao khả năng chịu áp. Điều này đảm bảo phạm vi giảm áp của ngăn chứa khí tuân thủ yêu cầu về phạm vi áp suất quy định, ngăn chặn việc kích hoạt sớm thiết bị giảm áp do sự tăng chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài ở môi trường độ cao lớn. Điều này duy trì mức cách điện bên trong và đảm bảo hiệu suất điện của máy phân phối vòng tròn.
2.2 Thiết kế Thiết bị Chỉ báo Mật độ Khí cho Ứng dụng ở Độ cao lớn
Thiết bị chỉ báo mật độ khí cách điện sử dụng đồng hồ đo mật độ kín. Giá trị hiển thị của nó không bị ảnh hưởng bởi thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất khí quyển bên ngoài.
Đối với máy phân phối vòng tròn cách điện bằng khí dùng ở độ cao lớn, đồng hồ đo mật độ chọn cho ngăn chứa khí là đồng hồ đo mật độ kín toàn trạng thái, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ cao. Nguyên lý hoạt động của nó bao gồm phần bù nhiệt độ bên trong đồng hồ đo mật độ (không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ). Đồng thời, đầu đồng hồ có cấu trúc kín, trong đó buồng kín duy trì áp suất khí quyển chuẩn. Giá trị áp suất hiển thị của đồng hồ đo mật độ đại diện cho sự chênh lệch áp suất giữa bên trong ngăn chứa khí và áp suất khí quyển chuẩn.
Thiết kế này đảm bảo rằng mật độ của đồng hồ đo được lắp đặt trên ngăn chứa khí của thiết bị phân phối vòng luôn phản ánh chính xác mật độ khí thực tế bên trong ngăn. Giá trị hiển thị không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ cao, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu hoạt động cho các vùng có độ cao lớn.2.3 Thiết kế Cụm Cách Điện Toàn Phần cho Thiết Bị Phân Phối Vòng Có Cách Điện Khí ở Độ Cao Lớn
Ngoài việc ảnh hưởng đến ngăn chứa khí và các thiết bị đo, độ cao lớn cũng tác động đến các bộ phận cách điện toàn phần được gắn bên ngoài như cụm cách điện vào/ra và mối nối đầu cáp. Hiệu suất cách điện của các bộ phận cách điện toàn phần bên ngoài này bị ảnh hưởng bởi cả sức chịu đựng cách điện của vật liệu cách điện và sức chịu đựng cách điện bò so với mặt đất. Ở độ cao lớn, mật độ không khí giảm làm giảm sức chịu đựng cách điện bò so với mặt đất. Trong ứng dụng thực tế, các thiết bị phân phối vòng cách điện khí được thiết kế theo cách thông thường thường không vượt qua được kiểm tra chịu điện áp tần số công nghiệp cho các bộ phận cách điện bên ngoài (ví dụ: cụm cách điện hoặc thanh bus mở rộng phía trên) sau khi được triển khai ở độ cao lớn.
Để giải quyết vấn đề này, bài viết đề xuất một phương án thiết kế mới cho cụm cách điện toàn phần trong thiết bị phân phối vòng cách điện khí ở độ cao lớn: thêm một lớp chắn nối đất lên bề mặt bên ngoài của các bộ phận cách điện này. Thiết kế này cải thiện sự đồng nhất của trường điện và ngăn chặn hiện tượng phóng điện từ thanh bus mạch chính xuống đất.
Trong dự án trạm chuyển mạch ngoài trời 10 kV tại Nagqu, Tây Tạng, một công ty đã gặp tình huống trong quá trình kiểm tra nghiệm thu, thiết bị chỉ có thể vượt qua kiểm tra chịu điện áp tần số công nghiệp 29 kV/1 phút so với mặt đất. Sau khi thêm một lớp chắn nối đất lên bề mặt cách điện bên ngoài của cụm cách điện vào/ra và thanh bus bên ngoài của ngăn chứa khí, thiết bị đã đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn quốc gia về chịu điện áp tần số công nghiệp 42 kV/1 phút so với mặt đất.
2.4 Tóm tắt các Điểm Kỹ Thuật Chính
Các khía cạnh thiết kế quan trọng cho thiết bị phân phối vòng cách điện khí ở độ cao lớn là như sau:
Tăng cường sức mạnh cấu trúc của ngăn chứa khí bằng cách tăng độ dày thép hoặc thêm các gân cứng để đáp ứng yêu cầu về phạm vi chịu áp lực và giới hạn biến dạng do chênh lệch áp lực nội-ngoại tăng ở độ cao lớn.
Cải thiện thiết kế sức mạnh của màng xả áp trong thiết bị xả áp của ngăn chứa khí. Sau khi được tăng cường, nó đáp ứng yêu cầu về phạm vi chịu áp lực cho thiết bị xả áp dưới chênh lệch áp lực nội-ngoại tăng ở độ cao lớn.
Sử dụng đồng hồ đo mật độ kín cho thiết bị chỉ báo áp lực. Các giá trị hiển thị không bị ảnh hưởng bởi thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất khí quyển bên ngoài, phù hợp cho môi trường độ cao lớn.
Thiết kế một lớp chắn nối đất trên bề mặt bên ngoài của các bộ phận cách điện bên ngoài của ngăn chứa khí để cải thiện sự đồng nhất của trường điện và ngăn chặn hiện tượng phóng điện từ thanh bus mạch chính.
3. Ý Nghĩa của Thiết Kế Thiết Bị Phân Phối Vòng Cách Điện Khí ở Độ Cao Lớn
Phương án thiết kế này nhằm cung cấp các thiết bị phân phối vòng cách điện khí thực sự đáp ứng yêu cầu hoạt động ở độ cao lớn. Bằng cách đồng thời tăng cường sức mạnh của ngăn chứa khí, cải thiện khả năng chịu áp lực của thiết bị xả áp, cho phép đo lường chính xác mật độ khí bên trong, và thiết kế hợp lý các bộ phận cách điện liên quan, thiết bị phân phối vòng đạt được khả năng kỹ thuật đầy đủ để thích nghi với môi trường độ cao lớn. Điều này đảm bảo hiệu suất cơ học và điện của thiết bị phân phối vòng và cho phép hoạt động bình thường của thiết bị phân phối vòng cách điện khí ở môi trường độ cao lớn.
Các vùng có độ cao lớn của Trung Quốc rất rộng lớn, tạo ra nhu cầu lớn đối với thiết bị điện thích nghi với điều kiện độ cao. Việc chuẩn hóa và hợp lý hóa thiết kế sản phẩm cần được cải thiện gấp. Các biến đổi môi trường thực tế ở các vùng có độ cao lớn đặt ra yêu cầu mới đối với thiết kế sản phẩm. Phương án kỹ thuật này cung cấp một lý thuyết và phương pháp thiết kế mới, đại diện cho một cuộc thăm dò ý nghĩa.
