Phân tích kỹ thuật khả năng chịu đựng sự cố hồ quang bên trong và tối ưu hóa thiết bị phân phối vòng tròn hoàn toàn cách điện bằng khí SF6 (RMUs)

Các đơn vị phân phối vòng SF6 hoàn toàn cách điện (sau đây gọi là RMUs) chủ yếu bao gồm các đơn vị công tắc tải và thiết bị kết hợp công tắc tải AC điện áp cao - cầu chì (sau đây gọi là thiết bị kết hợp). Tùy theo yêu cầu của người dùng, chúng có thể được cấu hình dưới dạng cấu trúc bình chung hoặc cấu trúc đơn vị.

Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, các kết nối điện thường được thiết lập bằng cách sử dụng thanh bus cách điện rắn gắn trên đỉnh hoặc thanh bus cắm vào bên hông. Trong số các thông số kỹ thuật khác nhau, dòng chuyển đổi của đơn vị thiết bị kết hợp và khả năng đóng của đơn vị công tắc tải đại diện cho những thách thức chính trong việc phát triển. Ngoài ra, do sự quan tâm ngày càng tăng về an toàn, các lỗi hồ quang nội bộ đã thu hút sự chú ý của người dùng trong những năm gần đây.

1. Phân tích các vấn đề kỹ thuật

Trong quá trình phát triển và sản xuất RMUs, các khía cạnh sau cần được xem xét cẩn thận:

1.1 Dòng chuyển đổi

Dòng chuyển đổi của thiết bị kết hợp đề cập đến dòng điện ba pha đối xứng mà tại đó chức năng ngắt chuyển từ cầu chì sang công tắc tải. Đối với dòng điện vượt quá giá trị này, việc ngắt chỉ được thực hiện bởi cầu chì. Trong phạm vi dòng điện ngắn mạch nhỏ hơn, thời gian chảy của cầu chì ba pha có sự biến đổi tự nhiên. Cầu chì có thời gian chảy ngắn nhất sẽ ngắt trước, và tác nhân kích hoạt của nó sẽ kích hoạt cơ chế ngắt để mở công tắc tải.

Việc ngắt hai pha còn lại phụ thuộc vào so sánh giữa đặc tính thực tế thời gian-dòng điện của các cầu chì tương ứng (trong đó dòng điện ở hai pha còn lại khoảng 87% dòng điện ba pha) và thời gian mở của công tắc tải được khởi động bởi tác nhân kích hoạt của cầu chì ngắt đầu tiên. Nếu thời gian chảy của cầu chì bị chậm, hai pha còn lại sẽ được ngắt bởi công tắc tải. Do đó, việc ngắt dòng điện ngắn mạch trong phạm vi này được chia sẻ giữa cầu chì và công tắc tải.

Dòng chuyển đổi của thiết bị kết hợp được xác định bởi hai yếu tố chính: thời gian ngắt của công tắc tải được khởi động bởi tác nhân kích hoạt của cầu chì và đặc tính thực tế thời gian-dòng điện của cầu chì. Dòng chuyển đổi định mức là một thông số kỹ thuật quan trọng, đại diện cho dòng điện lớn nhất mà công tắc tải có thể ngắt an toàn. Khi chọn cầu chì hạn chế dòng, đặc tính thời gian-dòng của chúng phải được đánh giá để đảm bảo dòng chuyển đổi kết quả thấp hơn dòng chuyển đổi định mức của thiết bị kết hợp. Điều này đảm bảo sự phối hợp đáng tin cậy và an toàn giữa công tắc tải và cầu chì, cho phép bảo vệ hiệu quả các biến áp.

1.2 Khả năng đóng

Trong quá trình thử nghiệm công tắc tải, đôi khi xảy ra các hoạt động đóng không thành công, thường rơi vào hai loại: không đáp ứng số lần đóng yêu cầu hoặc không thể đóng ở dòng ngắn mạch định mức. Phân tích kết quả thử nghiệm cho thấy rằng các lỗi này chủ yếu do mài mòn quá mức của các tiếp điểm chính, làm giảm khả năng dẫn dòng ngắn mạch định mức của chúng.

Do đó, việc giảm thiểu hoặc ngăn chặn mài mòn của các tiếp điểm chính là rất quan trọng để đạt được kết quả thử nghiệm thành công. Nghiên cứu và thử nghiệm rộng rãi đã chứng minh rằng việc thêm các tiếp điểm phụ làm từ hợp kim đồng-chromium có nhiệt độ nóng chảy cao vào các tiếp điểm chính ban đầu có thể bảo vệ gián tiếp các tiếp điểm chính đồng có nhiệt độ nóng chảy thấp. Phương pháp thiết kế cụ thể có thể được điều chỉnh linh hoạt dựa trên cấu trúc tiếp điểm được sử dụng—cho dù là kiểu chuyển động tuyến tính hay kiểu lưỡi dao xoay.

2. Chịu đựng các lỗi hồ quang nội bộ

Một hồ quang điện phản ứng mạnh mẽ với không khí xung quanh, gây ra sự gia tăng nhanh chóng về nhiệt độ và áp suất. Nếu không được chứa đúng cách, nó có thể gây ra rủi ro nghiêm trọng cho con người và thiết bị. Các thử nghiệm lỗi hồ quang nội bộ nên được tiến hành riêng biệt cho khoang khí (khoang công tắc) và khoang cáp của RMU. Để vượt qua thử nghiệm, các tiêu chí sau phải được đáp ứng:

• Các bảng và cửa của tủ điện phải được đóng; sự biến dạng giới hạn là chấp nhận được.

• Vỏ bọc không được vỡ, và không có mảnh vỡ nặng hơn 60 g được phóng ra.

• Không được tạo lỗ trên các bề mặt có thể tiếp cận của tủ điện lên tới độ cao 2 m.

• Các chỉ báo ngang và dọc được sử dụng trong quá trình thử nghiệm không được cháy do khí nóng.

• Vỏ bọc phải giữ được kết nối với điểm nối đất trong suốt quá trình thử nghiệm.

2.1 Dòng ngắn mạch định mức

Dòng ngắn mạch định mức của thiết bị kết hợp được xác định bởi cầu chì được chọn. Các cân nhắc sau đây được áp dụng:

• Dòng ngắn mạch định mức của cầu chì phải lớn hơn hoặc bằng dòng ngắn mạch tiềm năng tối đa tại điểm lắp đặt trong hệ thống phân phối.

• Dòng ngắn mạch định mức của cầu chì phải được phối hợp hợp lý với dòng ngắn mạch chịu đựng định mức của công tắc tải trong thiết bị kết hợp.

• Ba cầu chì cùng loại và cùng quy cách phải được lắp đặt; nếu không, hiệu suất ngắt có thể bị ảnh hưởng xấu.

• Cầu chì phải được lắp đặt chính xác và đầy đủ để đảm bảo tác nhân kích hoạt hoạt động đúng thời điểm và kích hoạt đáng tin cậy cơ chế ngắt của công tắc tải.

• Sau khi một hoặc hai cầu chì hoạt động, tất cả ba cầu chì nên được thay thế, trừ khi chắc chắn rằng các cầu chì chưa hoạt động không dẫn dòng.

2.2 Hoạt động ở độ cao cao

Thiết kế các khoang khí kín trong RMUs thường dựa trên hoạt động ở độ cao dưới 1.000 m. Ở độ cao cao hơn, không khí trở nên mỏng hơn và áp suất khí quyển giảm. Do mật độ khí bên trong vẫn giữ nguyên, áp suất tương đối bên trong khoang kín tăng lên. Điều này có thể dẫn đến tăng áp lực cơ học lên vỏ bọc, gây biến dạng và tăng nguy cơ rò rỉ khí. Trong trường hợp này, sức mạnh của vỏ bọc nên được tăng cường và kiểm tra. Việc giảm áp suất nạp khí (hoặc mật độ) không phải là giải pháp khoa học hoặc được khuyến nghị.

2.3 Kiểm soát hàm lượng độ ẩm

Điều 6.5.1 của DL/T 791-2001, "Hướng dẫn lựa chọn thiết bị phân phối điện AC khí cách điện trong nhà", quy định hàm lượng độ ẩm trong các khoang khí: "Khi áp suất nạp định mức không vượt quá 0,05 MPa, hàm lượng độ ẩm không được vượt quá 2.000 μL/L (theo thể tích)." Các tiêu chuẩn khác không cung cấp hướng dẫn cụ thể. Trong sản xuất RMU, việc kiểm soát hàm lượng độ ẩm ở 1.000 μL/L (ở 20°C) được coi là hợp lý, dựa trên các lý do sau:

• Công tắc tải ngắt dòng điện tương đối nhỏ (630 A), với dòng chuyển đổi tối đa (khoảng 1.500-2.200 A).

• Áp suất nạp thấp (định mức 0,03-0,05 MPa), thấp hơn nhiều so với GIS điện áp cao (khoảng 0,5 MPa).

• Hiệu suất kín tốt, dẫn đến tốc độ thẩm thấu độ ẩm từ môi trường bên ngoài rất chậm.

• Kết quả thử nghiệm cho thấy ít sản phẩm phân hủy SF6 sau khi ngắt.

• Trong quá trình thử nghiệm, mẫu không được kiểm soát độ ẩm cố ý, nhưng không có lỗi do độ ẩm quá mức được quan sát.

Do đó, việc bỏ qua hoàn toàn kiểm soát độ ẩm trong sản xuất là không hợp lý, cũng như việc tuân thủ nghiêm ngặt các giới hạn cách điện mà không xem xét yêu cầu dập hồ quang. Dựa trên nhiều năm kinh nghiệm sản xuất và vận hành thực tế, việc duy trì hàm lượng độ ẩm ở 1.000 μL/L (ở 20°C) trong quá trình sản xuất là hợp lý và kỹ thuật.

3. Kết luận

RMUs đã được sản xuất và vận hành ở Trung Quốc trong nhiều năm, chứng tỏ công nghệ chín muồi, hiệu suất ổn định và được thị trường chấp nhận mạnh mẽ. Mong rằng nhiều nhà sản xuất hơn sẽ tham gia vào lĩnh vực này và tiếp tục khám phá, thảo luận và chia sẻ hiểu biết về các thách thức kỹ thuật gặp phải trong nghiên cứu, sản xuất và vận hành, từ đó cùng thúc đẩy công nghệ RMU và thúc đẩy cải tiến liên tục.