Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn vật liệu cách nhiệt cho tủ

Giới thiệu

Việc lựa chọn các bộ phận cách điện cho tủ thiết bị đóng cắt cao áp nghe có vẻ đơn giản — cho đến khi trạm biến áp bị ngắt kết nối sáu tháng sau khi đưa vào vận hành. Nguyên nhân gốc rễ hầu như không bao giờ nằm ở thiết bị chính; mà hầu như luôn là các phụ kiện cách điện mà không ai kiểm tra kỹ lưỡng trong quá trình mua sắm.

Các phụ kiện của thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí — bao gồm cách điện đỡ thanh dẫn, rào cản pha, tấm chắn hồ quang và các bộ phận bịt kín cáp — đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo an toàn điện cho mỗi tủ thiết bị. Tuy nhiên, các đội ngũ mua sắm thường xuyên áp dụng các tiêu chí lựa chọn không phù hợp, bỏ qua các chứng nhận IEC quan trọng hoặc đánh giá thấp các yêu cầu về điều kiện môi trường tại trạm biến áp mục tiêu.

Việc lựa chọn đúng thông số kỹ thuật của các thành phần cách điện không phải là điều tùy ý — đó là nền tảng đảm bảo an toàn và độ tin cậy lâu dài cho tủ điện. Hướng dẫn lựa chọn này sẽ phân tích bốn sai lầm nghiêm trọng nhất mà các kỹ sư thường mắc phải, cùng với cách khắc phục từng sai lầm đó.

Mục lục

• Chúng ta đang nói đến những thành phần cách điện nào trong tủ điện cách điện bằng không khí?
• Những lỗi kỹ thuật nào thường gây ra sự cố điện áp cao nhất?
• Môi trường trạm biến áp ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn các bộ phận cách điện?
• Làm thế nào để các kỹ sư xây dựng một quy trình lựa chọn vật liệu cách nhiệt an toàn hơn?
• Câu hỏi thường gặp

Chúng ta đang nói đến những thành phần cách điện nào trong tủ điện cách điện bằng không khí?

Trước khi xác định các sai sót trong thông số kỹ thuật, việc xác định phạm vi là điều cần thiết. Trong các tủ thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí, các phụ kiện cách điện là các bộ phận làm từ polymer và vật liệu composite có chức năng tách biệt về mặt vật lý, đỡ và bảo vệ các dây dẫn mang điện khỏi các bộ phận kim loại nối đất và các pha lân cận.

Các phụ kiện cách điện chính trong tủ điện cao áp bao gồm:

• Cầu cách điện đỡ thanh dẫn — giữ các thanh dẫn ở khoảng cách cố định, đảm bảo khoảng cách cách điện giữa các pha và giữa pha với đất
• Rào cản pha và tấm chắn hồ quang — ngăn chặn hiện tượng phóng điện giữa các pha và hạn chế năng lượng hồ quang trong các tình huống sự cố
• Vỏ bọc và ống bảo vệ đầu cáp — cách điện các đầu dây dẫn hở tại các điểm đi vào của cáp
• Các giá đỡ cách điện cho biến áp đo lường — cách ly các cực đầu vào của biến áp dòng (CT) và biến áp điện áp (VT) khỏi kết cấu tủ
• Tấm cách nhiệt cửa chớp — đảm bảo cách ly an toàn khi đơn vị có thể rút ra được được kéo ra khỏi giá đỡ

Mỗi bộ phận đều đảm nhận một chức năng điện và cơ khí riêng biệt. IEC 62271-200¹ quy định các giới hạn kỹ thuật đối với các phụ kiện này trong tủ điện đóng kín bằng kim loại AC, bao gồm các yêu cầu về khả năng chịu điện môi, độ bền cơ học khi ngắn mạch và khả năng chịu nhiệt.

Điều quan trọng là, trong thiết kế cách điện bằng không khí, không có khí hoặc chất lỏng cách điện nào để bù đắp cho những thiếu sót của các bộ phận phụ trợ. Mỗi milimet khoảng cách dọc và khoảng cách ngang² hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng và độ bền vật liệu của các bộ phận này.

Xem trước bài viết “Mistake #1”: Nhiều kỹ sư thường quy định các phụ kiện cách điện thành một danh mục chung duy nhất, mà không phân biệt giữa các bộ phận phải chịu áp lực điện áp liên tục với những bộ phận chỉ hoạt động trong các sự cố hoặc khi chuyển mạch.

Những lỗi kỹ thuật nào thường gây ra sự cố điện áp cao nhất?

Các lỗi về thông số kỹ thuật là nguyên nhân chính dẫn đến sự cố hỏng hóc sớm của lớp cách điện trong tủ điện cao áp. Những sai sót này mang tính hệ thống — chúng lặp lại trong các dự án khác nhau vì đã được tích hợp sẵn trong các mẫu hồ sơ mua sắm có sai sót.

Lỗi #1 — Chỉ dựa vào mức điện áp định mức để lựa chọn

Điện áp định mức là yếu tố cần thiết nhưng chưa đủ. Một cách điện đỡ thanh cái có điện áp định mức 12 kV có thể hoàn toàn không phù hợp với trạm biến áp 12 kV trong khu công nghiệp ven biển nếu khoảng cách rò điện của nó không tính đến điều kiện mức ô nhiễm 3 hoặc 4.

IEC 60664-1³ quy định bốn mức độ ô nhiễm. Khoảng cách rò rỉ tối thiểu bắt buộc thay đổi đáng kể:

Loại điện áp	Mức độ ô nhiễm 2	Mức độ ô nhiễm 3	Mức độ ô nhiễm 4
12 kV	80 mm	125 mm	200 mm
24 kV	160 mm	250 mm	400 mm
40,5 kV	270 mm	420 mm	670 mm

Việc lựa chọn một cách điện 12 kV có khoảng cách rò điện 85 mm cho trạm biến áp thuộc Cấp độ ô nhiễm 3 sẽ dẫn đến thiếu hụt 40 mm — điều này không thể nhận thấy trên bảng thông số kỹ thuật, nhưng lại gây hậu quả nghiêm trọng khi vận hành thực tế.

Lỗi #2 — Bỏ qua phân loại vật liệu CTI

Cái Chỉ số theo dõi so sánh⁴ (CTI) xác định mức độ chống chịu của vật liệu cách điện đối với hiện tượng dẫn điện bề mặt khi bị ô nhiễm. Tiêu chuẩn IEC 60112 phân loại các vật liệu thành bốn nhóm:

• Nhóm I: CTI ≥ 600 — độ bền cao nhất, phù hợp với các môi trường khắc nghiệt
• Nhóm II: CTI 400–599 — tiêu chuẩn cho trạm biến áp trung áp
• Nhóm IIIa: CTI 175–399 — ở mức tối thiểu; chỉ chấp nhận được trong môi trường sạch sẽ, khô ráo
• Nhóm IIIb: CTI 100–174 — không phù hợp cho các phụ kiện tủ điện cao áp

Nhiều phụ kiện cách nhiệt giá rẻ được sản xuất từ các hỗn hợp polymer chưa được phân loại với giá trị CTI dưới 200. Nếu không có báo cáo thử nghiệm được chứng nhận theo tiêu chuẩn IEC 60112, sẽ không thể xác minh tính tuân thủ tại thời điểm mua sắm.

Lỗi #3 — Không có yêu cầu về khả năng chịu đựng cơ học trong trường hợp ngắn mạch

Các cách điện đỡ thanh cái phải chịu được lực điện từ⁵ phát sinh trong trường hợp ngắn mạch. Đối với một tủ điện có định mức 40 kA, các lực này có thể vượt quá 8 kN trên mỗi điểm đỡ. Các cách điện được chỉ định mà không kèm theo báo cáo thử nghiệm chịu lực cơ học có thể bị gãy ngay từ sự cố đầu tiên — biến một sự cố có thể khắc phục thành sự sập đổ thảm khốc của thanh cái.

Một trường hợp thực tế: Một nhà thầu EPC tại Trung Đông đã lựa chọn các giá đỡ thanh dẫn bằng polymer thông dụng cho một trạm biến áp 33 kV chỉ dựa trên sự phù hợp về kích thước. Trong một sự cố ở phía hạ lưu, hai giá đỡ đã bị gãy, dẫn đến hiện tượng chạm điện giữa các pha trên thanh dẫn. Hậu quả là phải thay thế toàn bộ bảng điều khiển, với chi phí vượt quá ngân sách mua sắm tủ điện ban đầu.

Môi trường trạm biến áp ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn các bộ phận cách điện?

Môi trường trạm biến áp là yếu tố thường bị xem nhẹ nhất trong quá trình lựa chọn phụ kiện cách điện. Cùng một tủ điện 24 kV khi được lắp đặt tại ba môi trường trạm biến áp khác nhau sẽ đòi hỏi các thông số kỹ thuật của phụ kiện phải có sự khác biệt đáng kể.

Trạm biến áp đô thị trong nhà

Các trạm biến áp trong nhà ở các vùng khí hậu ôn đới là môi trường có điều kiện thuận lợi nhất. Các yêu cầu chính:

• Giá trị CTI tối thiểu nhóm II (≥ 400)
• Khoảng cách cách điện theo Mức độ ô nhiễm 2
• Chống thấm IP4X trên các phụ kiện đầu cáp
• Cấp độ chịu nhiệt tối thiểu: Cấp E (120°C)

Trạm biến áp ven biển và ở khu vực có độ ẩm cao

Không khí chứa nhiều muối và độ ẩm cao làm gia tăng đáng kể hiện tượng bám bẩn trên bề mặt các phụ kiện cách nhiệt. Do đó, các yêu cầu ngày càng khắt khe hơn:

• Nhóm CTI I (≥ 600) được khuyến nghị mạnh mẽ
• Khoảng cách rò rỉ theo Cấp độ ô nhiễm 3 hoặc 4
• Xử lý bề mặt kỵ nước trên các bộ cách điện lộ ra ngoài
• Công thức polymer được ổn định bằng tia UV dành cho các phụ kiện đặt gần lỗ thông gió

Trạm biến áp công nghiệp nặng

Các nhà máy thép, nhà máy xi măng và cơ sở hóa chất tạo ra bụi dẫn điện và hơi hóa chất. Những môi trường này đòi hỏi:

• Các rào cản pha kín, không có bề mặt polymer nào tiếp xúc trực tiếp với khoang cáp
• Lớp phủ chống theo dõi trên các cách điện đỡ thanh dẫn
• Các bộ phận cố định cơ khí chịu rung động trên tất cả các giá đỡ cách nhiệt
• Thời gian giữa các lần kiểm tra được rút ngắn xuống tối đa 12 tháng

Sai lầm #4: Áp dụng một mẫu quy cách phụ kiện cách điện duy nhất cho tất cả các loại trạm biến áp mà không có bước phân loại môi trường trong quy trình lựa chọn.

Những tác động về an toàn do sự không phù hợp với môi trường

Khi các phụ kiện cách điện không đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật cho môi trường hoạt động, chuỗi sự cố sẽ diễn ra theo trình tự có thể dự đoán được: ô nhiễm bề mặt → dòng rò → hiện tượng theo vệt → sự gia tăng của phóng điện cục bộ → phóng điện qua khe hở. Mỗi giai đoạn đều làm giảm biên độ an toàn và gia tăng rủi ro đối với nhân viên trạm biến áp cũng như cơ sở hạ tầng kết nối.

Làm thế nào để các kỹ sư xây dựng một quy trình lựa chọn vật liệu cách nhiệt an toàn hơn?

Một quy trình lựa chọn có hệ thống giúp loại bỏ những phỏng đoán có thể dẫn đến sai sót trong thông số kỹ thuật. Các bước sau đây tạo thành một hướng dẫn lựa chọn đáng tin cậy cho các phụ kiện cách điện trong tủ điện cách điện bằng không khí cao áp.

1. Xác định cấp điện áp và mức cách điện — Xác nhận điện áp định mức (Ur), điện áp chịu đựng tần số công nghiệp (Ud) và điện áp chịu đựng xung sét (Up) theo tiêu chuẩn IEC 62271-1.

2. Phân loại mức độ ô nhiễm của trạm biến áp — Sử dụng các tiêu chí theo tiêu chuẩn IEC 60664-1 để xác định mức độ ô nhiễm từ 1 đến 4 dựa trên dữ liệu khảo sát thực địa, không dựa trên giả định.

3. Tính toán khoảng cách dọc và khoảng cách ngang cần thiết — Áp dụng các bảng trong Phụ lục A của tiêu chuẩn IEC 62271-200 dựa trên cấp điện áp và mức độ ô nhiễm đã xác định. Ghi chép các giá trị tối thiểu làm các thông số kỹ thuật bắt buộc.

4. Yêu cầu chỉ định nhóm CTI trong các điều kiện đấu thầu — Nêu rõ nhóm CTI tối thiểu (khuyến nghị: Nhóm II trở lên) và yêu cầu tất cả các nhà cung cấp phải cung cấp báo cáo thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 60112.

5. Yêu cầu chứng nhận khả năng chịu lực cơ học — Đối với các loại cách điện đỡ thanh cái, cần quy định tải trọng đứt gãy tối thiểu của phần nhô ra và yêu cầu báo cáo thử nghiệm phù hợp với dòng điện ngắn mạch định mức của tủ điện.

6. Kiểm tra chỉ số chống tia UV và khả năng chịu nhiệt của môi trường lắp đặt — Các phụ kiện lắp đặt ngoài trời hoặc trong nhà có hệ thống thông gió phải có chứng nhận chống tia UV và xếp hạng lớp chịu nhiệt phù hợp với nhiệt độ môi trường tối đa.

7. Kiểm tra tài liệu thử nghiệm kiểu mẫu của nhà cung cấp trước khi đặt hàng — Hồ sơ đệ trình đầy đủ về phụ kiện phải bao gồm: báo cáo thử nghiệm kiểu mẫu theo tiêu chuẩn IEC 62271-200, chứng chỉ CTI, báo cáo kiểm tra kích thước và bảng dữ liệu an toàn vật liệu.

Việc tuân thủ hướng dẫn lựa chọn gồm bảy bước này sẽ biến việc mua sắm phụ kiện cách nhiệt từ một công việc phụ thuộc vào chi phí thành một quyết định kỹ thuật mang tính quyết định đối với an toàn — và đó chính xác là bản chất của nó.

Kết luận

Các phụ kiện cách điện trong tủ điện cao áp cách điện bằng không khí chính là những “người bảo vệ thầm lặng” cho sự an toàn của trạm biến áp. Bốn sai sót về tiêu chuẩn kỹ thuật được nêu trong hướng dẫn này — bỏ qua mức độ ô nhiễm, không tuân thủ các yêu cầu về chỉ số CTI, bỏ sót các tiêu chí chịu lực cơ học, và áp dụng các tiêu chuẩn đồng nhất cho các môi trường khác nhau — hoàn toàn có thể phòng ngừa được. Bằng cách coi việc lựa chọn các thành phần cách điện như một quy trình kỹ thuật có hệ thống và dựa trên bằng chứng, các đội ngũ mua sắm có thể loại bỏ những rủi ro hỏng hóc tiềm ẩn có thể làm suy giảm tính toàn vẹn của tủ điện từ rất lâu trước khi sự cố xảy ra.

Tại Bepto Electric, mọi phụ kiện AIS mà chúng tôi cung cấp đều được hỗ trợ bởi bộ tài liệu thử nghiệm kiểu IEC đầy đủ, các thông số kỹ thuật được CTI chứng nhận và báo cáo tuân thủ kích thước — mang lại cho các kỹ sư sự tin tưởng vào thông số kỹ thuật mà trạm biến áp của họ yêu cầu.

Câu hỏi thường gặp về thông số kỹ thuật của vật liệu cách nhiệt cho tủ

1. Quy định các yêu cầu về hiệu suất và an toàn quốc tế đối với thiết bị đóng cắt và điều khiển điện một chiều có vỏ kim loại. ↩

2. Giải thích về các phép đo khoảng cách an toàn cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng phóng điện và duy trì tính toàn vẹn của lớp cách điện. ↩

3. Trình bày các loại ô nhiễm môi trường được sử dụng để xác định các thông số cách điện phù hợp cho thiết bị điện. ↩

4. Trình bày chi tiết phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn được sử dụng để đo lường mức độ nhạy cảm của vật liệu cách điện rắn đối với hiện tượng dẫn điện bề mặt. ↩

5. Mô tả các ứng suất cơ học nghiêm trọng do dòng điện ngắn mạch gây ra mà các giá đỡ thanh cái phải chịu đựng. ↩