Tại sao các tủ phân phối vòng không có SF6 lại ưa chuộng "ngắt mạch chân không + cách điện bằng khí thân thiện với môi trường" hơn là đường dẫn cách điện toàn rắn?

Trong số các phương án kỹ thuật nhằm thay thế khí SF6 truyền thống trong các trạm phân phối vòng (ring main units) thân thiện với môi trường, hiện nay phương án chủ đạo là “cắt mạch chân không + cách điện bằng khí thân thiện với môi trường” (sử dụng không khí khô, nitơ hoặc hỗn hợp khí C4/C5). Mặc dù phương án “cách điện hoàn toàn bằng vật liệu rắn” xuất hiện sớm hơn, nhưng do những hạn chế vật lý vốn có và các thách thức trong sản xuất, nó chưa trở thành lựa chọn thống trị.

Các nguyên nhân kỹ thuật cốt lõi như sau:

1. Khả năng tự phục hồi của môi chất cách điện (một khác biệt vật lý then chốt)

• Phương án khí thân thiện với môi trường: Cách điện bằng khí có khả năng tự phục hồi. Nếu xảy ra hiện tượng đánh thủng thoáng qua bên trong thiết bị do sét đánh hoặc quá điện áp khi đóng/ngắt, cường độ điện môi của khí sẽ phục hồi ngay lập tức sau khi hồ quang tắt, cho phép thiết bị tiếp tục vận hành bình thường.

• Phương án hoàn toàn bằng vật liệu rắn: Hiện tượng đánh thủng trong các vật liệu cách điện rắn như nhựa epoxy là không thể phục hồi. Một khi xảy ra phóng điện dạng cây (treeing) hoặc đánh thủng bên trong, cấu trúc cách điện sẽ bị cacbon hóa vĩnh viễn, khiến toàn bộ module trở nên vô giá trị. Độ chịu lỗi cực kỳ thấp.

Rockwill Dòng sản phẩm RAR – Tủ cắt cách điện bằng khí không chứa SF6/dành cho trạm phân phối vòng (RMU), cấp điện áp 24 kV

2. Thách thức trong kiểm soát ứng suất nhiệt và phóng điện cục bộ (PD)

Đây là vấn đề nan giải nhất đối với giải pháp cách điện hoàn toàn bằng vật liệu rắn (đặc biệt liên quan đến nghiên cứu của quý vị về quy trình đóng gói mềm và kiểm soát ứng suất nhiệt).

• Phương án hoàn toàn bằng vật liệu rắn: Bộ cắt chân không, thanh cái đồng dẫn điện và công tắc cách ly phải được nhúng hoàn toàn trong nhựa epoxy. Do hệ số giãn nở tuyến tính chênh lệch lớn giữa đồng (16,5×10⁻⁶/°C), gốm sứ (vỏ bao ngoài bộ cắt chân không) và nhựa epoxy (khoảng 30–40×10⁻⁶/°C), chu kỳ nhiệt dài hạn dưới tải biến đổi sẽ gây ra ứng suất cơ nhiệt khổng lồ tại các bề mặt tiếp xúc được đúc kín. Ứng suất này dễ dẫn đến hiện tượng tách lớp vật liệu và hình thành các khe hở vi mô, từ đó kích hoạt mạnh hiện tượng phóng điện cục bộ và cuối cùng làm suy giảm cách điện.

• Phương án khí thân thiện với môi trường: Là một chất lưu, khí có khả năng hấp thụ sự giãn nở và co lại do nhiệt của các phần dẫn điện, loại bỏ hoàn toàn vấn đề ứng suất nhiệt tại các bề mặt tiếp xúc giữa các vật liệu khác nhau. Các thành phần cách điện chỉ cần đảm nhiệm chức năng nâng đỡ cơ học, còn việc biến dạng trường điện và rủi ro phóng điện cục bộ có thể được kiểm soát hiệu quả hơn nhờ các tấm chắn cân bằng điện trường bố trí bên trong bình chứa khí.

3. Nút thắt trong tản nhiệt giới hạn khả năng mở rộng công suất

• Phương án hoàn toàn bằng vật liệu rắn: Nhựa epoxy là chất dẫn nhiệt kém. Ở các mức dòng định mức cao (ví dụ: 1250 A trở lên) khi vận hành đầy tải, nhiệt sinh ra tại các tiếp điểm của bộ cắt chân không và thanh cái khó được tản đi, dễ gây tăng nhiệt độ nội bộ quá mức và đẩy nhanh quá trình lão hóa cách điện. Điều này hạn chế khả năng mở rộng công suất hoặc cấp điện áp cao hơn đối với tủ cắt cách điện bằng vật liệu rắn.

• Phương án khí thân thiện với môi trường: Khí bên trong bình tạo điều kiện cho quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên, đồng thời bề mặt lớn của bình thép không gỉ mang lại hiệu quả làm mát tốt, giúp kiểm soát tăng nhiệt vượt trội so với phương án đúc kín bằng vật liệu rắn.

Rockwill Dòng sản phẩm REC – Trạm phân phối vòng (RMU) không chứa SF6, cách điện bằng không khí tinh khiết/nitơ, cấp điện áp 24 kV

4. Tỷ lệ sản xuất đạt yêu cầu và khả năng mở rộng theo cấp điện áp

• Ở cấp điện áp 12 kV, tủ cắt cách điện bằng vật liệu rắn có thể duy trì tỷ lệ sản xuất đạt yêu cầu chấp nhận được khi sử dụng quy trình APG (đóng rắn tự động dưới áp suất). Tuy nhiên, khi cấp điện áp tăng lên 24 kV hoặc thậm chí 40,5 kV, độ dày cách điện yêu cầu tăng mạnh và các chi tiết đúc trở nên lớn hơn đáng kể. Các ứng suất co ngót, các lỗ rỗng bên trong và vết nứt vi mô trong quá trình đóng rắn gần như không thể tránh khỏi, dẫn đến tỷ lệ sản xuất đạt yêu cầu giảm mạnh và chi phí tăng theo cấp số nhân.

• Ngược lại, tủ cắt cách điện bằng khí thân thiện với môi trường chỉ cần tăng nhẹ khoảng cách pha hoặc áp suất khí nạp, trong khi độ phức tạp trong chế tạo bình kim loại bao kín không có sự thay đổi căn bản nào.

5. Dấu chân carbon suốt vòng đời (LCA) và thách thức tái chế

Trong bối cảnh thực hiện mục tiêu “hai lần carbon”, tính thân thiện với môi trường không chỉ bao gồm việc không phát thải khí nhà kính trong quá trình vận hành mà còn bao hàm cả xử lý cuối vòng đời.

• Phương án khí thân thiện với môi trường: Khi tháo dỡ, không khí khô hoặc nitơ có thể được xả trực tiếp ra môi trường (thậm chí các hỗn hợp khí C4/C5 cũng dễ dàng thu hồi). Vỏ bình thép không gỉ bên ngoài, thanh cái đồng bên trong và bộ cắt chân không có thể được tháo rời hoàn toàn và tái chế 100% dưới dạng phế liệu kim loại, mang lại hồ sơ LCA xuất sắc.

• Tuyến đường toàn rắn: Các thanh đồng và nhựa được bọc chặt chẽ lại với nhau, khiến việc tách rời và tái chế các cột đúc và thành phần cách điện sau khi ngừng hoạt động trở nên gần như không thể kinh tế. Chi phí tái chế vượt xa giá trị phế liệu của vật liệu, tạo ra xung đột rõ ràng giữa tính khả thi kinh tế và tính bền vững môi trường. Do đó, dấu chân carbon toàn chu kỳ của cách điện rắn khó có thể vượt trội hơn so với giải pháp cách điện khí hoàn toàn có thể tái chế dưới công nghệ hiện tại.

Tóm lại: Cách điện toàn rắn có những ưu điểm không thể thay thế trong các môi trường khắc nghiệt cực đoan và ứng dụng có diện tích nhỏ gọn. Tuy nhiên, đối với hầu hết các nút lưới điện trung áp tiêu chuẩn, phương pháp "ngắt bằng chân không + khí thân thiện với môi trường" cân bằng hoàn hảo giữa độ tin cậy cao, khả năng tản nhiệt tốt và tính bền vững môi trường toàn chu kỳ - làm cho nó trở thành con đường tiến hóa được ưa chuộng bởi các nhà sản xuất hàng đầu.

Sê-ri RAR của Rockwill là một minh chứng thực tế cho triết lý này. Sê-ri này sử dụng không khí khô (GWP = 0) làm chất cách điện, với công nghệ lõi gồm cơ chế giới hạn quay và thiết kế dập hồ quang hỗ trợ áp lực tuyến tính. Trong quá trình tách tiếp xúc, nó chủ động nén không khí để ép tắt hồ quang, đạt được hiệu suất ngắt tương đương SF₆ với chất cách điện có GWP bằng không, do đó cung cấp một lựa chọn thay thế đáng tin cậy, dễ dàng thay thế cho việc nâng cấp xanh lưới phân phối.
Chỉnh sửa từ:Garca