Thiết kế thiết bị cách điện không khí và khí có độ tin cậy 24kV

Hiện nay, các mạng phân phối trung áp ở Trung Quốc chủ yếu hoạt động ở mức 10kV. Với sự phát triển kinh tế nhanh chóng, tải điện đã tăng vọt, ngày càng phơi bày những hạn chế của phương pháp cung cấp điện hiện tại. Do ưu điểm vượt trội của thiết bị đóng cắt cao áp 24kV trong việc đáp ứng nhu cầu công suất tải lớn hơn, nó đã dần trở nên phổ biến trong ngành. Sau khi Tập đoàn Điện lực Quốc gia ban hành "Thông báo về việc thúc đẩy mức điện áp 20kV", mức điện áp 20kV đã được áp dụng một cách nhanh chóng.

Là sản phẩm quan trọng cho mức điện áp này, cấu trúc và thiết kế cách điện của thiết bị đóng cắt cao áp 24kV đã trở thành điểm nhấn trong ngành. Theo tiêu chuẩn ngành điện "Yêu cầu kỹ thuật chung cho thiết bị đóng cắt và thiết bị điều khiển cao áp" (DL/T 593-2006), yêu cầu cách điện cụ thể cho thiết bị đóng cắt được quy định rõ ràng. Yêu cầu cách điện cho sản phẩm 24kV như sau:

Khoảng cách không khí tối thiểu (giữa pha, giữa pha và đất): 180mm; Điện áp chịu đựng tần số công nghiệp (giữa pha, giữa pha và đất): 50/65 kV/phút, (trên khớp cách ly): 64/79 kV/phút; Điện áp chịu đựng xung sét (giữa pha, giữa pha và đất): 95/125 kV/phút, (trên khớp cách ly): 115/145 kV/phút.

Lưu ý: Dữ liệu bên trái dấu gạch chéo áp dụng cho hệ thống trung tính tiếp đất chắc chắn, trong khi dữ liệu bên phải áp dụng cho hệ thống trung tính tiếp đất qua cuộn dây triệt hoặc không tiếp đất.

Thiết bị đóng cắt cao áp 24kV có thể được phân loại theo phương pháp cách điện thành thiết bị đóng cắt kim loại kín cách điện bằng không khí và tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí. Thiết bị đóng cắt kim loại kín cách điện bằng không khí 24kV, đặc biệt là loại rút ra giữa (sau đây gọi là thiết bị đóng cắt giữa 24kV), đã trở thành trọng tâm thiết kế. Bài viết này đề cập đến một số khuyến nghị về cấu trúc và thiết kế cách điện của thiết bị đóng cắt giữa 24kV và tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí, để tham khảo và bình luận.

1. Thiết kế của thiết bị đóng cắt giữa 24kV

Công nghệ cho thiết bị đóng cắt giữa 24kV chủ yếu đến từ ba nguồn: Thứ nhất, nâng cấp từ sản phẩm KYN28-12 12kV bằng cách thay thế trực tiếp các thành phần liên quan đến cách điện. Thứ hai, các sản phẩm giữa nhập khẩu từ nước ngoài vào thị trường nội địa, như ABB và Eaton Senyuan. Thứ ba, thiết bị đóng cắt giữa 24kV phát triển độc lập trong nước. Loại thứ ba, được thiết kế đặc biệt cho các điều kiện và yêu cầu kỹ thuật hiện tại của Trung Quốc, là cạnh tranh nhất trên thị trường. Do đó, trong quá trình thiết kế, cấu trúc tổng thể và thiết kế cách điện của sản phẩm phải được xem xét đầy đủ, chi tiết như sau:

1.1 Cấu trúc tủ cùng chiều cao và bố trí thanh bus tam giác

Hầu hết thiết bị đóng cắt giữa 12kV sử dụng cấu trúc cao phía trước và thấp phía sau, với ba thanh bus được bố trí theo hình tam giác (delta), và ngăn đo lường là một cấu trúc riêng biệt có thể tháo rời. Nếu phương pháp này được sử dụng cho thiết bị đóng cắt giữa 24kV, rõ ràng không thể đáp ứng yêu cầu khoảng cách không khí tối thiểu 180mm. Do đó, thiết bị đóng cắt giữa 24kV nên sử dụng thiết kế tủ cùng chiều cao, với ngăn đo lường được tích hợp vào tủ chính.

Chiều cao tủ nên được tăng lên một cách thích hợp đến 2400mm, cung cấp nhiều không gian hơn cho ngăn thanh bus và ngăn cầu dao. Các bộ phận nhô ra của thanh bus nên được bố trí theo hình tam giác. Phương pháp này không chỉ đáp ứng yêu cầu khoảng cách không khí mà còn hiệu quả trong việc kìm hãm và chịu đựng lực điện từ, cải thiện khả năng tản nhiệt của thanh bus, và tăng cường độ tin cậy cách điện.

1.2 Thiết kế hợp lý chiều rộng của thiết bị đóng cắt

Từ góc độ độ tin cậy cách điện, cách điện bằng không khí là phương pháp đáng tin cậy nhất; miễn là đảm bảo khoảng cách cách điện tối thiểu, cách điện có thể được đảm bảo hoàn toàn. Xét về thiết kế cách điện bằng không khí hoàn toàn, chiều rộng lý thuyết của thiết bị đóng cắt 24kV nên là 1020mm. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, hầu hết các nhà sản xuất chọn chiều rộng tủ là 1000mm, đòi hỏi phải sử dụng cách điện phức hợp. Thông thường, ống co nhiệt được áp dụng cho thanh bus, và các rào cản cách điện SMC (Sheet Molding Compound) được lắp đặt giữa các pha và giữa pha và đất để tăng cường cách điện.

1.3 Thiết kế phân bố điện trường đồng đều

Kiểm nghiệm chứng minh rằng mức điện áp càng cao, cường độ điện trường cục bộ trong các thử nghiệm chịu điện áp tần số công nghiệp càng cao, đôi khi đi kèm với tiếng xì hơi do phóng điện. Theo quy định, miễn là không xảy ra phóng điện gây nhiễu, thử nghiệm được coi là đạt. Tuy nhiên, cường độ điện trường cục bộ cao có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu điện áp quá mức của sản phẩm trong quá trình vận hành bình thường.

Do đó, thiết kế sản phẩm nên ưu tiên đạt được phân bố điện trường đồng đều nhất có thể, tránh tập trung điện trường cục bộ. Từ kinh nghiệm thực tế, tạo hình dẫn điện để đạt được điện trường đồng đều là hiệu quả. Đối với các đầu cắt của thanh bus, sử dụng máy tiện định hình để làm các đầu thành góc tròn. Đối với các đầu thanh bus bên trong hộp tiếp xúc, trước tiên tạo hình bán tròn, sau đó tiện thành góc tròn. Khi điều kiện cho phép, lắp đặt vỏ che kim loại bên ngoài các tiếp điểm Plum Blossom của cầu dao, hoặc nhúng lưới che kim loại trong quá trình đúc hộp tiếp xúc. Những biện pháp này có thể hiệu quả trong việc đồng đều hóa phân bố điện trường, kìm hãm đỉnh điện trường, và cải thiện mức cách điện.

1.4 Sử dụng vật liệu cách điện có chiều dài bò dài

Các vật liệu cách điện như bộ phận nhô ra của thanh bus, hộp tiếp xúc, và sứ đỡ phải có các cánh mở rộng và chiều dài bò dài đủ để đáp ứng yêu cầu cách điện 24kV. Đặc biệt, trong thiết kế hộp tiếp xúc, phải thêm lưới che kim loại, và khoang bên trong nên sử dụng cấu trúc lưỡi để tránh các vấn đề cố hữu của cấu trúc vòng, không thể hiệu quả kìm hãm ngưng tụ và tích tụ ô nhiễm trong quá trình vận hành.

2. Thiết kế của tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí 24kV

Tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí 24kV của nước ngoài bắt đầu sớm; các công ty như Siemens và ABB đã giới thiệu chúng vào đầu những năm 1980. Điều này là do nhiều quốc gia sử dụng 24kV làm mức điện áp phân phối trung áp chính. Các sản phẩm của họ có công nghệ tiên tiến, hiệu suất cao, và độ tin cậy cao. Tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí 24kV trong nước chỉ phát triển trong những năm gần đây. Do hạn chế bởi các điều kiện, sản phẩm vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển, và thử nghiệm.

Do tính tiên tiến của công nghệ tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí 24kV, cấu trúc và thiết kế cách điện của chúng phải dựa trên kinh nghiệm chín muồi từ nước ngoài. Dưới đây là một số khuyến nghị về cấu trúc và thiết kế cách điện của sản phẩm:

2.1 Tập trung vào tính hợp lý của cấu trúc

Vì tất cả các bộ phận có điện và các công tắc trong tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí 24kV đều được niêm phong trong một vỏ thép không gỉ chứa khí SF6, chúng rất nhỏ gọn. Trong thiết kế cấu trúc, sức mạnh cách điện và độ ẩm của khí cách điện phải được xem xét đầy đủ để thiết kế kích thước tủ một cách hợp lý. Đơn vị phải có chức năng hoàn chỉnh, dễ vận hành, và có cấu trúc đơn giản.

2.2 Khả năng mở rộng của cấu hình

Thiết kế cấu hình phải có khả năng mở rộng. Đến một mức độ nào đó, chất lượng sản phẩm và tiềm năng được sử dụng rộng rãi phụ thuộc vào tính linh hoạt của cấu hình. Thiết kế chuẩn hóa, mô-đun cho phép mở rộng linh hoạt sang trái và phải.

2.3 Độ tin cậy của thiết kế cách điện

Nguy cơ chính đối với tủ phân phối vòng SF6 cách điện bằng khí 24kV là suy giảm hiệu suất cách điện. Các yếu tố gây suy giảm cách điện bao gồm: rò rỉ khí SF6; vật liệu cách điện hoặc vật liệu niêm phong polymer có tính thấm đối với các khí khác (như hơi nước), dẫn đến ngưng tụ không chấp nhận được trên thành bên trong của vỏ; kiểm soát hàm lượng hơi nước trong khí SF6; và các vết nứt trong các thành phần cách điện.

Để ngăn ngừa suy giảm cách điện, các biện pháp tương ứng phải được thực hiện, chẳng hạn như: chế tạo vỏ khí từ thép không gỉ bằng hàn toàn bộ, không để lại bất kỳ lỗ hở niêm phong nào; chế tạo các bộ phận kết nối cáp từ nhựa epoxy đúc và hàn nguyên khối với vỏ; tăng cường độ kín của vỏ khí để giảm thiểu sự thấm qua hơi nước; đo hàm lượng hơi nước định kỳ bằng máy đo độ ẩm SF6, đặt một lượng thích hợp chất hút ẩm trong vỏ niêm phong, và nướng khô tất cả các thành phần theo nhiệt độ và thời gian quy định; khi hút chân không và nạp khí cho thiết bị đóng cắt SF6, làm sạch các đường nạp bằng khí N2 hoặc SF6 tinh khiết; và giảm thiểu ứng suất cơ học bên trong các thành phần cách điện để ngăn chặn lão hóa và nứt. Những biện pháp này sẽ hiệu quả trong việc cải thiện độ tin cậy cách điện.

3. Kết luận

Mặc dù cấu trúc và thiết kế cách điện của thiết bị đóng cắt cao áp 24kV dựa trên thiết bị đóng cắt 12kV, nhưng yêu cầu cao hơn nhiều. Hơn nữa, do kinh nghiệm vận hành thực tế chưa đủ, tất cả các yếu tố ảnh hưởng phải được xem xét đầy đủ trong quá trình thiết kế để đáp ứng tiêu chuẩn sản phẩm.