Cách Chọn Bộ Cách Điện Phù Hợp cho Đường Dây Điện Áp Cao?

Hiểu Rõ Các Loại Bộ Cách Điện Chính và Tùy Chọn Vật Liệu cho Ứng Dụng Điện Áp Cao

Bộ Cách Điện Treo, Cách Điện Cột, Cách Điện Thanh Dài và Cách Điện Chịu Lực: Chức Năng và Vai Trò Cấu Trúc trong Hệ Thống CA

Có bốn loại cách điện chính đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền tải điện áp cao. Cách điện treo hoạt động bằng cách nâng đỡ trọng lượng của các dây dẫn thông qua các chuỗi đĩa riêng lẻ. Cấu hình này cho phép kỹ sư xây dựng các tháp với nhiều hình dạng khác nhau và thuận tiện hơn khi đường dây cần đi theo địa hình phức tạp. Cách điện cột có cách tiếp cận khác, cung cấp giá đỡ vững chắc cho những thanh cái dày đặc được tìm thấy trong các trạm biến áp. Chúng được thiết kế đủ bền để chịu được điện áp lên tới hàng trăm kilovolt. Cách điện thanh dài nổi bật vì chúng được làm từ một khối liên tục bằng sứ hoặc vật liệu composite. Những loại này đặc biệt hiệu quả trong việc chống lại sự tích tụ bụi bẩn, đó là lý do tại sao chúng thường xuyên xuất hiện trong các ứng dụng EHV nơi bề mặt dài hơn giúp ngăn ngừa hiện tượng phóng điện nguy hiểm giữa các thành phần. Ngoài ra còn có cách điện kéo được đặt ở cuối các đường truyền để giữ mọi thứ cố định bất chấp các lực tác động như thay đổi độ cao, tuyết rơi dày đặc hoặc gió mạnh thổi qua khu vực. Mỗi loại đều được thiết kế đặc biệt để giải quyết các thách thức khác nhau bao gồm áp lực gió, băng tuyết tích tụ và thậm chí cả động đất. Đáng chú ý, nghiên cứu cho thấy cách điện thanh dài có thể kéo dài tuổi thọ khoảng 30 phần trăm so với các thiết kế chuỗi đĩa cũ dưới điều kiện chịu tải lặp lại, khiến chúng trở thành lựa chọn thông minh cho nhiều hệ thống hiện đại.

Sứ Cách Điện, Thủy Tinh Và Cách Điện Hợp Chất: Hiệu Suất, Độ Bền Và Phù Hợp Ứng Dụng

Vật liệu được sử dụng thực sự quan trọng khi nói đến hiệu suất và độ bền của thiết bị trong các tình huống điện áp cao. Gốm sứ đã được dùng từ lâu vì khả năng cách điện khá tốt, với độ bền điện môi trên 150 kV mỗi foot, đồng thời duy trì ổn định ngay cả khi nhiệt độ thay đổi. Vấn đề là gì? Nó dễ vỡ nếu bị va chạm, điều này rất đáng lo ngại ở những nơi việc bảo trì không phải lúc nào cũng dễ dàng hoặc an toàn. Các cách điện bằng kính cường lực tự làm sạch một cách tự nhiên và xuất hiện vết nứt trước khi hỏng hoàn toàn, điều này tốt về mặt an toàn. Tuy nhiên, các loại cách điện bằng kính này không chịu được tốt ở vùng ven biển nơi có nhiều muối trong không khí, khiến bề mặt chúng bị mài mòn theo thời gian. Các cách điện polymer tổng hợp gần đây trở nên phổ biến, đặc biệt trong môi trường bẩn hoặc ẩm ướt. Chúng được cấu tạo bên trong bằng sợi thủy tinh và bao phủ bên ngoài bằng cao su silicon, tính chất chống thấm nước giúp loại bỏ bụi bẩn nhanh hơn khoảng 40% so với các vật liệu thông thường. Một số báo cáo thực tế cho thấy các loại tổng hợp này có thể kéo dài tuổi thọ thêm khoảng 15 năm trong điều kiện khí hậu khô so với các lựa chọn gốm sứ truyền thống. Tuy nhiên, sau nhiều năm dưới ánh sáng cực tím từ mặt trời, cần phát triển các công thức đặc biệt để ngăn chúng xuống cấp quá nhanh. Nhìn vào xu hướng hiện nay trong các hệ thống điện áp siêu cao, chúng ta đang bắt đầu chứng kiến các phương pháp lai mới kết hợp những ưu điểm của lõi kính hoặc gốm sứ với các đặc tính chống chịu thời tiết của lớp bọc composite.

Đánh Giá Yêu Cầu Về Hiệu Suất Điện Và Cơ Khí

Độ Bền Điện Môi Và Điện Áp Định Mức: Phối Hợp Cách Điện Với Các Hệ Thống 110 kV-UHV Và HVDC

Việc lựa chọn vật liệu cách điện phù hợp cần được xem xét cẩn thận dựa trên điện áp hệ thống và các ứng suất điện thực tế hiện có. Đối với các hệ thống xoay chiều (AC) từ 110kV đến 800kV, các sứ cách điện thông thường thường chịu được khoảng 10 đến 12 kV mỗi centimét. Tuy nhiên, khi chuyển sang các ứng dụng điện áp siêu cao (UHV) và dòng điện một chiều điện áp cao (HVDC), yêu cầu tăng lên đáng kể. Các hệ thống này cần những vật liệu có khả năng chịu ít nhất 15 kV mỗi cm vì trường điện trở nên mạnh hơn nhiều. Việc làm việc với HVDC cũng gây thêm khó khăn. Cách phân bố của trường điện phụ thuộc vào cực tính, và các hệ thống này có xu hướng thu gom chất bẩn trên bề mặt nhanh hơn so với các hệ thống khác. Vấn đề nhiễm bẩn này thực tế làm tăng tốc độ lão hóa và dẫn đến dòng rò rỉ cao hơn theo thời gian. Hầu hết các kỹ sư đều thiết kế dư khoảng 20 đến 30 phần trăm công suất so với mức bình thường mà hệ thống vận hành để đảm bảo an toàn trước các đỉnh quá áp đột ngột. Lấy ví dụ các sứ cách điện UHV, chúng thường phải trải qua thử nghiệm nghiêm ngặt ở mức 1800kV trong suốt một phút để kiểm tra khả năng chịu đựng dưới điều kiện áp lực cao. Hiện nay, nhiều công ty đang chuyển sang sử dụng các sứ cách điện polymer tổng hợp cho các ứng dụng HVDC. Loại này phân bố trường điện đều hơn trên bề mặt và chống lại hiện tượng phóng điện bề mặt do bụi bẩn và ô nhiễm tốt hơn so với các phương án truyền thống.

Khả Năng Chịu Tải Cơ Học: Chống Lại Gió, Băng, Lực Căng Và Thử Thách Địa Hình

Hiệu suất cơ học rất quan trọng để vận hành ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Các cách điện cao áp phải chịu được:

• Tải trọng gió và băng : Độ bền uốn ngang vượt quá 70 kN cho các đường dây 345 kV ở khu vực dễ tích tụ băng
• Lực căng dây dẫn : Độ bền kéo lớn hơn 120 kN để ngăn ngừa sự cố lan truyền trong sự cố đường dây hoặc thời tiết cực đoan
• Ứng suất động đất và địa hình : Sử dụng bộ giảm chấn rung động ở các khu vực hay xảy ra động đất và thiết kế chống bồng bềnh ở vùng núi hoặc địa hình trống trải
  Các cách điện composite cung cấp độ bền kéo vượt trội — trên 500 MPa so với khoảng 40 MPa đối với sứ — trong khi vỏ bọc bằng cao su silicone cải thiện hiệu suất tách băng. Ở các khu vực ven biển, các thiết bị cách điện yêu cầu khoảng cách rò điện từ 25-30 mm/kV và bề mặt kỵ nước để chống hiện tượng theo dõi do muối gây ra. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn IEC 61109 và ANSI C29.11 đảm bảo hiệu suất cơ học và điện trong điều kiện thực tế, hỗ trợ thời gian phục vụ đáng tin cậy kéo dài hàng thập kỷ.

Đánh Giá Khả Năng Chống Chịu Môi Trường Và Độ Tin Cậy Dài Hạn Trong Điều Kiện Khắc Nghiệt

Khoảng Cách Rò Điện Và Hiệu Suất Chống Ô Nhiễm Trong Các Khí Hậu Ven Biển, Công Nghiệp Và Khô Hạn

Hiệu suất và tuổi thọ của các vật liệu cách điện phụ thuộc rất nhiều vào môi trường xung quanh. Khi nói đến khoảng cách rò điện — tức là khoảng cách ngắn nhất thực tế dọc theo bề mặt vật cách điện giữa hai điện cực — thì cần phải điều chỉnh ở những nơi có mức độ ô nhiễm cao để tránh hiện tượng phóng điện trượt nguy hiểm. Các khu vực ven biển gây ra những vấn đề đặc biệt vì muối tích tụ theo thời gian, tạo thành các lớp dẫn điện trên bề mặt. Vì lý do này, nhiều nhà sản xuất hiện nay chuyển sang sử dụng các hợp chất silicon cao su có tính kỵ nước, vốn hoạt động rất hiệu quả trong việc giữ ẩm và bụi bẩn tránh xa các bộ phận quan trọng, từ đó giảm thiểu các dòng rò điện khó chịu mà ai cũng muốn hạn chế. Các khu vực công nghiệp đặt ra một loạt thách thức khác khi các vật cách điện bị tấn công bởi các chất ô nhiễm hóa học như hợp chất lưu huỳnh và bụi xi măng. Những chất này có xu hướng tạo thành các đường dẫn điện khi ẩm ướt, nhưng thiết kế bề mặt gân tăng cường kết hợp với việc vệ sinh định kỳ có thể giải quyết hiệu quả vấn đề này. Sa mạc cũng mang đến những khó khăn riêng biệt: cát mài mòn liên tục các vật liệu trong khi tia cực tím mạnh làm suy giảm chúng thêm. Các nghiên cứu cho thấy thủy tinh cường lực thực sự chịu đựng được những điều kiện khắc nghiệt này tốt hơn khoảng 30 phần trăm so với các lựa chọn sứ truyền thống. Để đảm bảo hoạt động đúng ở những môi trường ô nhiễm, các kỹ sư theo dõi sát sao dòng rò điện, nhằm giữ chúng dưới ngưỡng 50 mA để ngăn hiện tượng mất ổn định nhiệt trong điều kiện độ ẩm cao. Các quy trình thử nghiệm bao gồm mô phỏng lão hóa tăng tốc, tái tạo các dao động nhiệt độ khắc nghiệt trong vài thập kỷ, từ âm 40 độ Celsius đến dương 80 độ Celsius, giúp các nhà sản xuất tự tin hơn về độ bền vật liệu theo thời gian. Và đúng vậy, khoảng cách rò điện được khuyến nghị thực sự thay đổi tùy theo vị trí lắp đặt của các vật cách điện này.

Việc lựa chọn sứ cách điện có dạng bề mặt tối ưu theo khí hậu đảm bảo hoạt động tin cậy trong hơn 25 năm bằng cách cân bằng điện trở bề mặt, tính kỵ nước và khả năng tự làm sạch.

Áp dụng khung lựa chọn dựa trên điện áp và ứng dụng

Lựa chọn Cách điện cho 33 kV-345 kV AC so với UHV/HVDC: Cấu hình chuỗi, Số đơn vị trên mỗi kV, và Các tiêu chuẩn độ tin cậy

Việc lựa chọn cách điện phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào cấp điện áp mà chúng ta đang xử lý và cách thức sử dụng thực tế tại hiện trường. Khi làm việc với các hệ thống xoay chiều (AC) từ 33 kV đến 345 kV, cần có cấu hình chuỗi linh hoạt cùng khả năng chống bám bẩn tốt. Thông thường, khoảng 8 đến 10 đơn vị cách điện bằng sứ hoặc thủy tinh trên mỗi 100 kV là đủ hiệu quả ở những khu vực có điều kiện môi trường không quá khắc nghiệt. Tuy nhiên, tình hình thay đổi khi xét đến các hệ thống điện áp siêu cao (UHV) và điện áp cao một chiều (HVDC). Những hệ thống này đòi hỏi loại cách điện chắc chắn hơn, thường là cách điện polymer tổng hợp, có khoảng cách rò điện dài hơn 25 mm trên mỗi kV và khả năng bảo vệ tốt hơn chống lại sự tích tụ bụi bẩn. Chúng ta cũng thấy các hệ thống này cần khoảng 1,5 lần số lượng đơn vị cách điện so với các hệ thống AC tương tự để có thể xử lý đúng cách các điện trường cường độ cao. Các tiêu chuẩn độ tin cậy ở đây cũng rất khắt khe, với phần lớn các dự án UHV hướng tới tỷ lệ sự cố hàng năm dưới 0,05%. Và cũng đừng quên cả độ bền cơ học, đặc biệt quan trọng ở những khu vực dễ xảy ra tích tụ băng nặng hoặc gió mạnh, nơi mà các thiết bị cách điện có thể phải chịu lực căng tĩnh trên 50 kN. Các chuyên gia trong ngành thường tuân theo các hướng dẫn từ IEC 60383 về khoảng cách rò và tiêu chuẩn ANSI C29 về tải cơ học để đảm bảo mọi thứ vận hành ổn định theo thời gian và duy trì độ ổn định tổng thể cho lưới điện.

Các câu hỏi thường gặp