Phân tích về Đảm bảo An toàn và Độ tin cậy của Thiết bị Ngắt điện Trung áp

Là một chuyên gia trong lĩnh vực vận hành hệ thống điện, tôi nhận thấy rằng tủ phân phối điện trung áp (MV) đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối, đo lường và bảo vệ điện. Đảm bảo an toàn và độ tin cậy hoạt động của nó là rất quan trọng — bất kỳ sự cố nào cũng có thể làm gián đoạn nghiêm trọng toàn bộ hệ thống điện. Để tăng cường độ tin cậy, chúng ta phải ưu tiên tối ưu hóa ở cấp thiết kế, cho phép tủ phân phối điện trung áp thực hiện chức năng của mình và đảm bảo sự ổn định của lưới điện.

1. Định nghĩa về Tủ Phân Phối Điện Trung Áp

Trong thực tế của tôi, tủ phân phối điện trung áp đề cập đến tủ phân phối điện bọc kim loại theo định nghĩa trong GB 3906—2020 Tủ phân phối và điều khiển điện xoay chiều bọc kim loại với điện áp định mức từ 3.6 kV đến 40.5 kV: thiết bị được bao phủ hoàn toàn bởi vỏ kim loại ngoại trừ các dây dẫn vào/ra.

Trong hệ thống điện, tủ phân phối điện trung áp thực hiện các chức năng chính: chuyển mạch, đo lường, phân phối điện và bảo vệ qua các giai đoạn phát điện, truyền tải và phân phối. Trong quá trình hoạt động, tôi điều chỉnh cấu hình của nó dựa trên nhu cầu của lưới điện—kết nối hoặc ngắt kết nối thiết bị/tuyến để duy trì sự ổn định. Khi xảy ra sự cố trên thiết bị hoặc đường dây lưới, tôi sử dụng tủ phân phối điện trung áp để nhanh chóng cách ly phần bị lỗi, đảm bảo cung cấp điện không gián đoạn cho các khu vực không bị ảnh hưởng.

2. Ý Nghĩa Của Việc Đảm Bảo Độ Tin Cậy Của Tủ Phân Phối Điện Trung Áp

Tủ phân phối điện trung áp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Với sự mở rộng và phức tạp hóa của lưới điện Trung Quốc, lưới điện hiện đang chịu tải nặng hơn để đáp ứng nhu cầu xã hội. Từ kinh nghiệm của tôi, chỉ khi đảm bảo độ tin cậy của tủ phân phối điện trung áp, nó mới có thể quản lý hiệu quả phân phối, đo lường và bảo vệ, do đó duy trì sự ổn định tổng thể của lưới điện.

Bất kỳ sự cố an toàn hay hỏng hóc hoạt động nào của tủ phân phối điện trung áp sẽ làm mất ổn định hệ thống phân phối, gây tổn hại đến nguồn cung cấp điện. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể gây ra cúp điện diện rộng, dẫn đến tổn thất kinh tế lớn cho sản xuất xã hội. Do đó, tôi nhấn mạnh cần tăng cường độ tin cậy của tủ phân phối điện trung áp thông qua nhiều biện pháp, đảm bảo chức năng ổn định và hỗ trợ lưới điện.

3. Chiến Lược Để Tăng Cường Độ Tin Cậy Của Tủ Phân Phối Điện Trung Áp
3.1 Thiết Kế Hợp Lý Cấu Trúc Vỏ Bọc

Thiết kế vỏ bọc khoa học là nền tảng để đảm bảo độ tin cậy của tủ phân phối điện trung áp, điều mà tôi ưu tiên trong thực hành kỹ thuật. Ví dụ:

• Tối ưu hóa Phòng Busbar: Thiết kế phòng busbar truyền thống sử dụng cách điện trên busbar nhánh, nhưng bụi tích tụ trên cách điện theo thời gian tạo ra nguy cơ phóng điện. Tôi sử dụng busbar chính loại D thay thế—độ bền và sức kéo cao của chúng loại bỏ nhu cầu sử dụng cách điện, giải quyết vấn đề an toàn liên quan đến ô nhiễm.

• Thiết kế Đầu Ra: Triển khai thiết kế đầu ra ba pha tích hợp trong phòng busbar ngăn chặn hiệu ứng dòng xoáy, cải thiện đồng nhất điện trường và tăng khoảng cách bò, do đó tăng cường độ tin cậy cách điện.

Những tối ưu hóa thiết kế này phù hợp với các tiêu chuẩn tốt nhất trong ngành, đảm bảo tủ phân phối điện trung áp đáp ứng yêu cầu an toàn và hiệu suất trong hoạt động thực tế.

3.2 Thiết Kế Hợp Lý Cấu Trúc Cách Điện

Để tăng cường an toàn và độ tin cậy của tủ phân phối điện trung áp, việc tăng cường thiết kế cách điện là cần thiết. Trong thiết kế thực tế, bên cạnh việc đáp ứng yêu cầu cách điện, các yếu tố như chi phí thiết kế và bảo vệ môi trường cũng cần được xem xét.

3.2.1 Chọn Hợp Lý Khí Cách Điện

Trong tủ phân phối điện trung áp, khí SF₆ đã là chất cách điện chính. Tuy nhiên, nó không chỉ độc hại mà còn có GWP (Khả Năng Làm Ấm Toàn Cầu) cực kỳ cao. Mặc dù CO₂ là khí nhà kính có GWP cao, khí SF₆ có GWP cao gấp 23.900 lần so với CO₂, nhấn mạnh tác hại lớn đối với môi trường tự nhiên. Đối với tủ phân phối điện trung áp có yêu cầu ngắt không quan trọng, về mặt thiết kế, chúng ta có thể thử thay thế khí SF₆ bằng N₂ hoặc không khí khô. So với khí SF₆, khả năng cách điện của N₂ và không khí khô có thể đạt 30% so với khí SF₆. So sánh hiệu suất giữa N₂, không khí khô và khí SF₆ được hiển thị trong Bảng 1.

Như Bảng 1 cho thấy, N₂ và không khí khô không phải là khí nhà kính, không gây đe dọa đến môi trường sinh thái. Chúng cũng có điểm sôi thấp, không gây lo ngại về sự lỏng hóa trong sử dụng bình thường, ngay cả ở vùng lạnh cực. Đặc biệt, N₂, thành phần chính của không khí, có tính chất hóa học ổn định. Tuy nhiên, nồng độ N₂ quá cao có thể gây ngạt do thiếu oxy. Khi thiết kế với N₂ làm khí cách điện, cần phải bố trí hệ thống thông gió và thiết bị bảo vệ. Ngược lại, sử dụng không khí khô làm khí cách điện tránh được những vấn đề này. Qua so sánh toàn diện, không khí khô có thể được sử dụng thay thế khí SF₆ trong thiết kế cách điện tủ phân phối.

Khi sử dụng không khí khô làm khí cách điện, cần xem xét thiết kế khoảng cách không khí tối thiểu. Theo các tiêu chuẩn liên quan, với điện áp định mức 12 kV, khoảng cách không khí tối thiểu giữa pha và từ pha đến đất nên là 125 mm. Nếu vượt qua bài kiểm tra ngưng tụ, khoảng cách không khí tối thiểu có thể nhỏ hơn 125 mm. Sử dụng không khí khô làm khí cách điện cho phép giảm nhẹ khoảng cách không khí tối thiểu.

3.2.2 Tăng Cường Điện Áp Đứt Mạch Trong Khoảng Cách Khí

Trong quá trình thiết kế, để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của tủ phân phối điện trung áp, điện áp đứt mạch trong khoảng cách khí cũng cần được tăng cường, với các phương pháp cụ thể sau:

• Cải thiện phân bố điện trường trong tủ phân phối điện trung áp. Điều này có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa hình dạng điện cực dựa trên thực tế hoặc tận dụng tối đa điện tích không gian để tăng cường đồng nhất điện trường. Nếu đồng nhất điện trường cực kỳ kém, việc thêm rào chắn cũng là một lựa chọn.

• Kiềm chế quá trình ion hóa của không khí khô. Áp dụng áp suất cao trong tủ phân phối điện trung áp có thể làm yếu quá trình ion hóa của không khí khô. Hoặc sử dụng áp suất chân không cao trong tủ phân phối điện trung áp cũng có thể đạt được hiệu quả tương tự.

Khi sử dụng áp suất cao hoặc áp suất chân không, yêu cầu độ bền của bình chứa khí phải cực kỳ cao, và vấn đề rò rỉ dễ xảy ra trong thực tế, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Do đó, trong thiết kế thực tế, việc cải thiện hình dạng điện cực và thêm rào chắn trong điện trường không đồng nhất cực kỳ là các phương pháp khả thi hơn để tăng cường điện áp đứt mạch trong khoảng cách khí.

3.3 Chọn Hợp Lý Thành Phần

Các thành phần chính của tủ phân phối điện trung áp, bao gồm công tắc điện chân không, bộ ngắt chân không và tiếp điểm, trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn và độ tin cậy hoạt động của thiết bị, đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.

Lấy ví dụ về tủ phân phối ABB. Các bộ ngắt chân không của nó trải qua các cuộc kiểm tra trước khi xuất xưởng nghiêm ngặt: các bài kiểm tra điện áp cao tự động xác minh sức chịu đựng cách điện, trong khi các thiết bị magnetron xoắn ốc đo áp suất nội bộ trong buồng chứa khí trơ. Sau một khoảng thời gian cách ly quy định, bài kiểm tra áp suất thứ hai được tiến hành, và kết quả được so sánh để đảm bảo hiệu suất niêm phong đạt tiêu chuẩn.

Trong quá trình sản xuất, các bộ ngắt chân không ABB yêu cầu kiểm soát môi trường và quy trình nghiêm ngặt. Được sản xuất tại nhà máy của CalorEmag ở Đức, chúng được lắp ráp chuyên nghiệp bởi các doanh nghiệp tủ phân phối điện trung áp khu vực trước khi cung cấp tập trung. Các hợp kim hiệu suất cao như Cu-Cr và W-C-Ag được ưu tiên làm vật liệu thành phần để đảm bảo độ bền.Quá trình lắp ráp diễn ra trong các phòng sạch chuyên dụng sử dụng quy trình "niêm phong và hút chân không một lần": dưới nhiệt độ 800°C, áp suất chân không cao được đạt được, sau đó hàn và niêm phong đồng thời để đảm bảo độ tin cậy của quy trình.

Sự phát triển R&D của các bộ ngắt chân không phản ánh sự tối ưu hóa hiệu suất liên tục: các bộ lắp ráp ban đầu tiếp xúc với không khí chỉ dựa vào các vách cách điện để cách ly. Các cải tiến sau đó bao gồm các ống cách điện trên bộ ngắt và tiếp điểm để cân bằng điện trường, sau đó là đúc nguyên khối cho bộ ngắt và tiếp điểm để tăng cường cách điện giữa pha và khả năng chịu lực, đồng thời sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường để tích hợp hiệu suất và xem xét môi trường.

3.4 Lập Kế Hoạch Hợp Lý Cho Các Bài Kiểm Tra Xác Minh Thiết Kế

Sau khi hoàn thành thiết kế tủ phân phối điện trung áp, việc xác minh thực nghiệm trở thành giai đoạn quan trọng. Việc xác minh thực tế phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn liên quan, chẳng hạn như GB 3906—2020 Tủ phân phối và điều khiển điện xoay chiều bọc kim loại với điện áp định mức từ 3.6 kV đến 40.5 kV, GB/T 11022—2020 Các Yêu Cầu Kỹ Thuật Chung cho Tiêu Chuẩn Tủ Phân Phối và Điều Khiển Điện Xoay Chiều Cao Áp, và GB/T 1984—2014 Công Tắc Điện Xoay Chiều Cao Áp.

Điểm Chính cho Các Bài Kiểm Tra Loại

Phải tiến hành xác minh hiệu suất toàn diện cho các thành phần điện và phụ kiện của tủ phân phối điện trung áp để đảm bảo các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu. Khi các quy trình thiết kế hoặc điều kiện sản xuất thay đổi, các bài kiểm tra loại phải được thực hiện lại để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của thiết bị. Đối với thiết bị sản xuất bình thường, bài kiểm tra nhiệt độ tăng thường được yêu cầu mỗi 8 năm; các bài kiểm tra hoạt động cơ học được thực hiện để kiểm tra hiệu suất hoạt động; đồng thời, các mục kiểm tra an toàn như kiểm tra dòng điện chịu đựng ngắn hạn và dòng điện đỉnh chịu đựng cũng là cần thiết.

Lấy ví dụ về tủ phân phối điện trung áp ABB, nó đã vượt qua các xác minh thực nghiệm ở nhiều quốc gia theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhất đến nay, chứng tỏ độ an toàn và độ tin cậy tuyệt vời. Lấy thí nghiệm hồ quang nội bộ làm ví dụ, nó xác minh:

• Các phương pháp cố định và trạng thái đóng của cửa, nắp và các thành phần khác của tủ phân phối;

• Độ chắc chắn của việc cố định các thành phần nguy hiểm;

• Độ ổn định cấu trúc của vỏ thiết bị trong các tình huống cháy hoặc nguy hiểm khác;

• Các chỉ báo được bố trí theo đúng quy định sản xuất;

• Độ hoàn thiện của các biện pháp bảo vệ và xếp hạng khả năng cháy của thiết bị.
  Chỉ khi đảm bảo thiết bị không cháy, an toàn hoạt động mới có thể được đảm bảo cơ bản.

4 Kết Luận

Là một thành phần cốt lõi của hệ thống điện, độ tin cậy hoạt động của tủ phân phối điện trung áp直接影响电网的安全。因此，必须加强设备的安全可靠性设计，严格按照标准优化技术参数，并通过系统验证测试建立坚实的安全防线，确保中压开关柜在电力系统中稳定地执行配电、保护和控制功能。