Cầu chì SF₆ điện áp cao là thiết bị đóng cắt được sử dụng rộng rãi nhất trong các trạm biến áp. Việc kiểm tra và bảo trì định kỳ chúng là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện. Tuy nhiên, trong lĩnh vực bảo trì trạm biến áp, đặc biệt là khi bảo trì cầu chì SF₆ điện áp cao, có nhiều điểm nguy hiểm (như ngộ độc, điện giật, v.v.), gây đe dọa nghiêm trọng đến an toàn cá nhân của công nhân. Dựa trên điều này, bài viết này phân tích từ góc độ vị trí và công nghệ kiểm soát an toàn, nhằm mục đích cải thiện an toàn trong các hoạt động bảo trì trạm biến áp và giảm tỷ lệ tai nạn.
1 Phân tích Nguyên lý làm việc và Đặc điểm
1.1 Tính chất vật lý và hóa học của khí SF₆
Phân tử SF₆ bao gồm một nguyên tử lưu huỳnh và sáu nguyên tử flo, với khối lượng nguyên tử là 146,06, nặng gấp 5,135 lần so với không khí. Dưới 150°C, khí SF₆ thể hiện tính bất hoạt hóa học tốt và không phản ứng hóa học với các kim loại thông thường, nhựa và các vật liệu khác trong cầu chì. Do đó, nó được coi là một khí vô màu, không mùi, không độc, trong suốt và không cháy, thường khó phân hủy (không tan trong dầu biến thế và ít tan trong nước). Tuy nhiên, qua các hoạt động đóng mở của công tắc, khí SF₆ bị phân hủy một phần dưới tác dụng của phóng điện và hồ quang, tạo ra các sản phẩm phân hủy ở dạng khí hoặc bột, như florua kim loại, SOF₂, SO₂F₄, v.v., cực kỳ có hại cho cơ thể con người. Trong đó, khí SF₆ phân hủy và phân ly dưới tác dụng của hồ quang (các phân tử có cấu trúc đa nguyên tử phân giải thành các nguyên tử đơn lẻ hoặc khí hạt mang điện), và các thay đổi bên trong tăng cường khả năng dẫn nhiệt và điện.
1.2 Nguyên lý làm việc của Cầu chì SF₆ điện áp cao
Cầu chì SF₆ được tạo thành từ ba đơn vị sứ thẳng đứng, mỗi đơn vị có buồng dập hồ quang bằng khí. Thiết kế này làm cho cầu chì nhỏ gọn, đồng thời có tính cách điện và dập hồ quang tốt. Buồng dập hồ quang bằng khí là thành phần cốt lõi của cầu chì SF₆ điện áp cao, và nó được nạp khí SF₆ thông qua các ống nối với ba buồng dập hồ quang. Khi cầu chì được mở, tiếp điểm điều khiển tách khỏi tiếp điểm cố định, tạo ra hồ quang. Tại thời điểm này, khí SF₆ trong buồng dập hồ quang nhanh chóng thổi vào hồ quang thông qua các ống, sử dụng tính cách điện và dập hồ quang của khí để nhanh chóng dập tắt hồ quang. Ngoài ra, cơ cấu vận hành bằng lò xo và thiết bị điều khiển hộp đơn là các thành phần quan trọng để điều khiển và di chuyển các tiếp điểm của cầu chì SF₆ điện áp cao. Nó thường bao gồm lò xo, thanh nối, cơ cấu truyền động, bộ vi xử lý hoặc bộ điều khiển logic lập trình. Khi cầu chì cần được mở hoặc đóng, thiết bị điều khiển phát lệnh để cơ cấu vận hành bằng lò xo hoạt động và điều khiển tiếp điểm di chuyển theo.
1.3 Đặc điểm Hiệu suất của Cầu chì SF₆ điện áp cao
So với không khí và dầu biến thế, khí SF₆ có đặc điểm cường độ cách điện cao, hiệu suất dập hồ quang xuất sắc và kích thước nhỏ, và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện áp cao.
- Hiệu ứng chặn: Nó tận dụng hiệu ứng thổi hồ quang của dòng khí. Buồng dập hồ quang có kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản, dòng điện cắt lớn, thời gian hồ quang ngắn, không tái bắt lửa khi cắt dòng điện dung hoặc cảm, và điện áp quá mức thấp.
- Tuổi thọ điện lâu: Nó có thể liên tục cắt 19 lần ở công suất đầy đủ 50kA, với tổng dòng điện cắt là 4200kA, chu kỳ bảo dưỡng dài, và phù hợp với các kịch bản hoạt động thường xuyên.
- Cường độ cách điện cao: Khí SF₆ có thể vượt qua các thử nghiệm cách điện với biên độ lớn dưới 0,3MPa. Sau khi tổng dòng điện cắt đạt 3000kA, mỗi điểm cắt có thể chịu được điện áp tần số công nghiệp 250kV trong 1 phút dưới 0,3MPa, và vẫn có thể chịu được điện áp tần số công nghiệp 166,4kV khi áp suất khí SF₆ giảm xuống không.
- Hiệu suất kín tốt: Nước trong khí SF₆ tương đối thấp. Buồng dập hồ quang, điện trở, và giá đỡ có thể được chia thành các khoang khí độc lập để ngăn chặn bụi bẩn và độ ẩm xâm nhập vào bên trong cầu chì.
- Công suất hoạt động nhỏ và đệm mượt: Tỷ lệ truyền giữa xy-lanh làm việc của cơ cấu và tiếp điểm dập hồ quang là 1∶1, và cơ cấu có đặc tính ổn định. Độ ổn định của đặc tính cơ cấu có thể đạt 3000 lần (10000 lần trong môi trường thử nghiệm), và tiếng ồn hoạt động nhỏ hơn 90dB.
2 Phân tích Các điểm nguy hiểm tại hiện trường bảo trì trạm biến áp
2.1 Loại và Đặc điểm của các điểm nguy hiểm
Các điểm nguy hiểm tại hiện trường bảo trì trạm biến áp chủ yếu bao gồm bốn loại: nguy hiểm điện, nguy hiểm cơ khí, nguy hiểm hóa học, và yếu tố môi trường. Những điểm nguy hiểm này có thể trực tiếp hoặc gián tiếp đe dọa an toàn cá nhân của nhân viên bảo trì.
- Nguy hiểm điện: Gây ra do hỏng hóc cách điện thiết bị hoặc lỗi vận hành, chủ yếu biểu hiện dưới dạng điện áp cao và hồ quang. Do cầu chì mang điện áp cao trong quá trình hoạt động và có hiệu ứng dung và cảm, điện tích còn lại có thể vẫn tồn tại ngay cả khi nó ở trạng thái mạch mở, dẫn đến thương tích do điện giật. Hồ quang có thể tạo ra nhiệt độ cao và gây hỏa hoạn.
- Nguy hiểm cơ khí: Nguy hiểm chủ yếu đến từ các thành phần cơ khí của thiết bị. Nếu không vận hành và bảo dưỡng đúng cách, người ta có thể bị kẹp hoặc va chạm bởi các bộ phận xoay hoặc di chuyển.
- Nguy hiểm hóa học: Khí SF₆ ổn định ở nhiệt độ phòng, nhưng bắt đầu phân hủy dưới tác dụng của hồ quang, corona, v.v. Hít phải khí sinh ra có thể gây chóng mặt, phù phổi, thậm chí tử vong.
- Nguy hiểm môi trường: Thực hiện bảo trì trong thời tiết như sấm sét và gió mạnh không chỉ tăng độ khó của công việc bảo trì mà còn mang lại rủi ro không kiểm soát được cho nhân viên bảo trì. Ngoài ra, các vấn đề như thông gió kém và không gian nhỏ trong môi trường bảo trì cũng có thể tăng thêm nguy hiểm của bảo trì tại hiện trường.
2.2 Phân tích Nguyên nhân của các điểm nguy hiểm
Nguyên nhân của các điểm nguy hiểm tại hiện trường bảo trì trạm biến áp chủ yếu bao gồm các yếu tố liên quan đến thiết bị, con người, và môi trường. Với sự gia tăng số lượng hoạt động bảo trì, mức độ mòn của thiết bị tăng lên, dẫn đến suy giảm hiệu suất điện và nguy cơ xảy ra tai nạn cao hơn.
Do chất lượng của nhân viên bảo trì không đồng đều, một số trong số họ thiếu hiểu biết đầy đủ về cấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị, và có thể sơ suất trong thực tế. Ví dụ, do thiếu cảnh giác, nhân viên có thể vô tình chạm vào các phần dẫn điện hoặc sử dụng công cụ không đúng cách, điều này có thể trực tiếp kích hoạt tai nạn an toàn.
Đối với cầu chì SF₆, nguy hiểm chủ yếu xuất phát từ tính chất hóa học của chúng. Chất độc hại được tạo ra trong các điều kiện cụ thể dễ dàng tích tụ trong nhà do hạn chế về môi trường, làm tăng mức độ nguy hiểm.
3 Phương pháp Định vị và Công nghệ Kiểm soát An toàn các điểm nguy hiểm
3.1 Phương pháp Định vị các điểm nguy hiểm
- Công nghệ cảm biến quang: Công nghệ cảm biến quang có tính cách điện xuất sắc và khả năng chống nhiễu điện từ. Nó có thể giám sát hiệu quả sức khỏe kết cấu và các tham số điện của cầu chì SF₆, thu thập và phân tích dữ liệu theo thời gian thực, và phát hiện kịp thời các lỗi tiềm ẩn và nguy cơ an toàn.
- Mạng cảm biến không dây: Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến. Mục đích chính của nó là giám sát các tham số môi trường, trạng thái thiết bị, và thông tin vị trí của nhân viên bảo trì theo thời gian thực. Mạng có đặc điểm tự tổ chức, tự thích nghi, và chống nhiễu, và có thể thích ứng với các điều kiện môi trường phức tạp và thay đổi tại hiện trường, thực hiện giám sát và định vị các điểm nguy hiểm theo thời gian thực.
- Công nghệ thị giác máy và ảnh nhiệt hồng ngoại: Công nghệ thị giác máy có thể nhận diện và định vị các điểm nguy hiểm tiềm ẩn, như cáp祼露和机械部件损坏，通过捕捉和分析现场图像；而红外热成像技术可以实时监控设备的温度分布，并准确定位故障点和潜在风险点。
3.2 Mô hình Dự đoán Điểm nguy hiểm dựa trên Phân tích Dữ liệu
Hiện nay, sự thông minh, số hóa, tự động hóa và tích hợp là xu hướng chính của lưới điện Trung Quốc, và việc áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo và big data đã thúc đẩy quá trình phát triển này. Trong quá trình bảo trì cầu chì SF₆, một mô hình dự đoán điểm nguy hiểm dựa trên phân tích dữ liệu được xây dựng, chủ yếu bao gồm bốn bước: thu thập dữ liệu, tiền xử lý dữ liệu, kỹ thuật đặc trưng, và đào tạo mô hình.
- Thu thập dữ liệu: Được lấy thông qua các cảm biến khác nhau, ghi chép hoạt động của thiết bị giám sát, v.v. Để nâng cao độ chính xác của mô hình, nên thu thập càng nhiều dữ liệu toàn diện càng tốt.
- Tiền xử lý dữ liệu: Tiền xử lý dữ liệu gốc (phát hiện và xử lý ngoại lai, chuyển đổi dữ liệu, v.v.) để cải thiện chất lượng dữ liệu và đặt nền móng cho kỹ thuật đặc trưng và đào tạo mô hình sau này.
- Kỹ thuật đặc trưng: Sau khi hoàn thành tiền xử lý, cần chọn các đặc trưng hữu ích cho việc dự đoán điểm nguy hiểm từ một lượng lớn dữ liệu. Các đặc trưng này nên có khả năng phân biệt và dự đoán tốt để nâng cao độ chính xác của mô hình.
- Đào tạo mô hình: SVM (Support Vector Machine) là một phương pháp phân tích phân loại và hồi quy phổ biến. Nó phân chia dữ liệu thuộc các danh mục khác nhau bằng cách tìm siêu phẳng tối ưu, tối đa hóa khoảng cách phân loại giữa hai loại dữ liệu.
3.3 Chiến lược Công nghệ Kiểm soát An toàn
Để cải thiện độ chính xác và tính thực tiễn của các công nghệ định vị, nên sử dụng công nghệ big data và trí tuệ nhân tạo, và áp dụng các thuật toán học máy để nhận diện và dự đoán điểm nguy hiểm một cách thông minh tại hiện trường bảo trì trạm biến áp, cung cấp thông tin định vị chính xác hơn cho nhân viên bảo trì và giảm thiểu rủi ro tai nạn. Tại hiện trường bảo trì trạm biến áp, nên kết hợp dữ liệu từ các cảm biến khác nhau để cải thiện độ chính xác của việc định vị và độ chính xác của mô hình. Áp dụng công nghệ thực tế mở rộng (AR), tích hợp thông tin ảo với thế giới thực, có thể giúp nhân viên bảo trì hiểu rõ hơn về cấu trúc thiết bị và do đó giải quyết vấn đề lỗi vận hành. Các bên liên quan nên tăng cường quản lý công việc bảo trì tại hiện trường và tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình vận hành bảo trì (xem Hình 1). Đồng thời, phát triển các thiết bị đeo thông minh cho nhân viên bảo trì để thu được thông tin vị trí của họ theo thời gian thực và giám sát họ theo thời gian thực để đảm bảo an toàn.
4 Kết luận
Tại hiện trường bảo trì trạm biến áp, việc xác định và định vị chính xác các điểm nguy hiểm là chìa khóa để đảm bảo an toàn cho hiện trường bảo trì cầu chì SF₆. Qua nghiên cứu sâu về nguyên lý làm việc và đặc điểm của cầu chì SF₆, phát hiện rằng các yếu tố hóa học là các điểm nguy hiểm chính không thể bỏ qua trong quá trình bảo trì của chúng. Để đối phó hiệu quả với rủi ro, nên sử dụng các công nghệ, khái niệm và phương pháp mới để phòng ngừa trước, dự đoán rủi ro tiềm ẩn trước và cung cấp thông tin cảnh báo sớm cho nhân viên bảo trì để đảm bảo tiến trình bảo trì diễn ra suôn sẻ.
