Những sai lầm của các kỹ sư trong thiết kế rãnh giảm áp hồ quang

Giới thiệu

Thiết kế kênh xả hồ quang cho thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí là một trong những quyết định kỹ thuật quan trọng nhất trong xây dựng trạm biến áp cao áp — và cũng là một trong những quyết định thường xuyên được thực hiện dựa trên các giả định không được hỗ trợ bởi dữ liệu thử nghiệm phân loại hồ quang nội bộ theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 mà thiết kế được yêu cầu phải tuân thủ. Kênh xả hồ quang — ống xả áp suất dẫn khí nóng, plasma hồ quang và năng lượng sóng áp suất từ sự cố hồ quang bên trong ra xa nhân viên và hướng về khu vực xả an toàn — có vẻ đơn giản về mặt khái niệm: một ống dẫn từ đỉnh bảng tủ đến bên ngoài trạm biến áp, được thiết kế để xả năng lượng hồ quang trước khi áp suất bên trong vỏ tủ vượt quá giới hạn kết cấu. Trên thực tế, các quyết định kỹ thuật quyết định liệu kênh xả hồ quang có hoạt động đúng như thiết kế hay không — diện tích mặt cắt ngang của ống, chiều dài ống dẫn và hình học uốn cong, vị trí điểm xả, áp suất ngược tại lỗ xả, và tương tác giữa các kênh xả của các bảng điều khiển liền kề trong một dãy nhiều bảng — đều có khả năng khiến toàn bộ hệ thống bảo vệ hồ quang không hoạt động, trong khi bảng điều khiển vẫn có chứng chỉ thử nghiệm loại IEC 62271-200 hợp lệ được cấp dựa trên các điều kiện thử nghiệm không có điểm tương đồng nào với cấu hình lắp đặt. Điều mà các kỹ sư thường mắc sai lầm nhất trong thiết kế kênh thoát hồ quang là coi chứng chỉ thử nghiệm kiểu mẫu theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 như một sự chấp thuận ở cấp độ hệ thống, bao trùm cả cấu hình thoát hồ quang đã lắp đặt — trong khi trên thực tế, chứng chỉ thử nghiệm kiểu mẫu chỉ xác nhận hiệu suất của vỏ tủ điện trong các điều kiện thoát hồ quang cụ thể của thử nghiệm, và mọi sự sai lệch so với các điều kiện thử nghiệm đó trong cấu hình lắp đặt — ống dẫn dài hơn, thêm các đoạn uốn cong, tiết diện thu hẹp, điểm xả bị cản trở — đều làm mất hiệu lực của thử nghiệm kiểu mẫu như bằng chứng về hiệu suất hệ thống đã lắp đặt và tạo ra lỗ hổng bảo vệ hồ quang mà sẽ không được phát hiện cho đến khi xảy ra sự cố hồ quang bên trong. Đối với các kỹ sư thiết kế trạm biến áp, các chuyên gia lựa chọn thiết bị đóng cắt AIS và các kỹ sư an toàn chịu trách nhiệm về hệ thống bảo vệ chống hồ quang bên trong tại các trạm biến áp cao áp, tài liệu hướng dẫn này cung cấp khung kỹ thuật toàn diện về kênh thoát hồ quang — từ việc phân tích kết quả thử nghiệm loại theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 cho đến việc xác minh cấu hình lắp đặt — nhằm đảm bảo hệ thống thoát hồ quang hoạt động đúng như thiết kế khi sự cố hồ quang mà hệ thống được thiết kế để xử lý thực sự xảy ra.

Mục lục

• Tiêu chuẩn phân loại hồ quang bên trong IEC 62271-200 thực sự chứng nhận những gì — và những gì nó không bao gồm?
• Sáu thông số thiết kế quan trọng của kênh thoát nước hình cung mà các kỹ sư thường mắc sai lầm nhất là gì?
• Làm thế nào để lựa chọn và xác nhận cấu hình kênh giảm áp cho từng ứng dụng trạm biến áp AIS?
• Những lỗi lắp đặt và thay đổi sau khi đưa vào vận hành nào làm giảm hiệu suất của kênh xả hồ quang trong trạm biến áp cao áp?

Tiêu chuẩn phân loại hồ quang bên trong IEC 62271-200 thực sự chứng nhận những gì — và những gì nó không bao gồm?

Tiêu chuẩn phân loại hồ quang bên trong (IAC) IEC 62271-200 là văn bản cơ bản quy định các yêu cầu về hiệu suất của vỏ tủ thiết bị đóng cắt AIS trong trường hợp xảy ra hồ quang bên trong¹ — nhưng phạm vi áp dụng của nó được xác định một cách chính xác, trong khi những hạn chế của nó hiếm khi được thông báo cho các kỹ sư thiết kế trạm biến áp, những người lại dựa vào đó làm cơ sở cho các quyết định thiết kế hệ thống bảo vệ chống hồ quang.

Bài kiểm tra IAC thực sự đánh giá những gì

Thử nghiệm IAC đưa toàn bộ cụm tủ điện vào tình trạng hồ quang bên trong với cường độ dòng điện và thời gian quy định, đồng thời xác minh rằng vỏ tủ đáp ứng năm tiêu chí chấp nhận — các chỉ số — nhằm xác định liệu nhân viên trong các khu vực tiếp cận được quy định có được bảo vệ khỏi các hậu quả của sự cố hồ quang hay không:

Năm chỉ số chấp nhận IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200:

• Chỉ số 1 — Không có sự phân mảnh: Không có bộ phận nào của vỏ bọc nhô ra ngoài các ranh giới đã quy định đến mức có thể gây thương tích cho nhân viên trong khu vực tiếp cận
• Chỉ báo 2 — Cửa/nắp không mở: Các cửa, nắp và tấm che có thể tháo rời phải được đóng chặt và khóa lại trong suốt quá trình xảy ra hiện tượng hồ quang — không được để xảy ra tình trạng mở ra ngoài ý muốn khiến nhân viên tiếp xúc với plasma hồ quang
• Chỉ số 3 — Không có lỗ hổng ở các mặt tiếp cận: Không xảy ra hiện tượng cháy thủng các bức tường của buồng ở những mặt mà nhân viên có thể tiếp cận — plasma hồ quang không thể thoát ra ngoài qua bề mặt buồng vào khu vực của nhân viên
• Chỉ số 4 — Tia lửa không gây cháy các mẫu thử bằng bông: Các thiết bị báo hiệu bằng vải bông được đặt ở các khoảng cách xác định so với vỏ bảo vệ không bị bắt lửa — điều này khẳng định rằng bức xạ nhiệt và khí nóng phun ra từ lỗ xả áp không gây nguy cơ cháy tại các vị trí đặt thiết bị báo hiệu
• Chỉ số 5 — Kết nối nối đất vẫn hoạt động hiệu quả: Kết nối nối đất của vỏ thiết bị không bị gián đoạn do sự cố hồ quang — nhân viên chạm vào vỏ thiết bị sau sự cố hồ quang sẽ không bị phơi nhiễm với điện áp tiếp xúc

Điều kiện của rãnh thoát áp trong quá trình thử nghiệm IAC:
Thử nghiệm IAC được thực hiện với một cấu hình xả hồ quang cụ thể — bao gồm tiết diện ống dẫn, chiều dài ống dẫn và hình dạng điểm xả — do nhà sản xuất quy định và được ghi chép trong báo cáo thử nghiệm. Các tiêu chí chấp nhận được xác minh trong các điều kiện xả cụ thể này. Giấy chứng nhận thử nghiệm loại không xác nhận hiệu suất trong bất kỳ cấu hình giảm tải nào khác.

Giới hạn phạm vi quan trọng: Những nội dung không được bao gồm trong Chứng chỉ IAC

Tham số	Chứng chỉ IAC bao gồm những nội dung gì	Chứng chỉ IAC KHÔNG bao gồm những nội dung nào
Dòng điện cung	Giá trị thử nghiệm (ví dụ: 16 kA, 25 kA, 40 kA)	Dòng điện sự cố cao hơn tại nút lắp đặt
Thời gian duy trì cung	Thời gian thử nghiệm (ví dụ: 0,1 giây, 0,5 giây, 1,0 giây)	Thời gian xử lý kéo dài do các biện pháp bảo vệ ở thượng nguồn
Chiều dài ống dẫn có hình vòm	Chiều dài ống dẫn được sử dụng trong quá trình thử nghiệm	Ống dẫn dài hơn với các đoạn uốn cong bổ sung
Mặt cắt ngang ống dẫn có hình vòm	Mặt cắt ngang được sử dụng trong quá trình thử nghiệm	Giảm diện tích mặt cắt do các hạn chế về mặt địa điểm
Hình học điểm xả	Chấm dứt mở hoặc chấm dứt cụ thể được sử dụng trong quá trình thử nghiệm	Các điểm xả bị cản trở, chuyển hướng hoặc chia sẻ
Tương tác giữa các bảng liền kề	Cấu hình một tấm hoặc cấu hình nhiều tấm đã qua kiểm tra	Các cấu hình khác nhau của dòng sản phẩm nhiều màn hình
Nhiệt độ môi trường	Nhiệt độ môi trường thử nghiệm (thường là 20°C)	Trạm biến áp hoạt động trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao

Hậu quả về mặt kỹ thuật là rất rõ ràng: Một kỹ sư thiết kế trạm biến áp đã chỉ định sử dụng tủ thiết bị đóng cắt AIS có chứng chỉ IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 IAC hợp lệ ở mức 25 kA trong 0,5 giây, sau đó lắp đặt bảng điều khiển này với ống dẫn khí hồ quang dài hơn 3 mét so với ống dẫn thử nghiệm, có hai khúc uốn 90° và điểm xả bị cản trở một phần bởi giá đỡ cáp — sẽ không có bằng chứng được chứng nhận nào cho thấy hệ thống dẫn khí hồ quang đã lắp đặt sẽ đáp ứng bất kỳ chỉ số chấp nhận nào trong số năm chỉ số trong trường hợp xảy ra hồ quang. Chứng chỉ chỉ áp dụng cho cấu hình thử nghiệm. Cấu hình đã lắp đặt không được chứng nhận.

Động lực học áp suất trong kênh xả áp của hệ thống Arc: Yếu tố quyết định các yêu cầu thiết kế

Sự cố hồ quang bên trong tạo ra một sóng áp suất mà kênh xả áp phải giải phóng trước khi áp suất bên trong vỏ tủ vượt quá giới hạn chịu lực của kết cấu. Tốc độ tăng áp suất bên trong tủ là:

$\frac{dP}{dt} = \frac{(\gamma – 1) \times P_{arc}}{V_{panel}}$

Ở đâu $\gamma$ là tỷ số nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí hồ quang (khoảng 1,4 đối với không khí)², $P_{arc}$ là công suất vòng cung (W), và $V_{panel}$ là thể tích bên trong tủ (m³). Đối với hồ quang 25 kA ở điện áp hệ thống 20 kV trong tủ có thể tích 0,5 m³:

$P_{arc} = \sqrt{3} \times 20.000 \times 25.000 \times 0,85 = 736 MW$

$\frac{dP}{dt} = \frac{0,4 \times 736 \times 10^6}{0,5} = 589 \text{ MPa/s}$

589 MPa mỗi giây — Áp suất trong tủ tăng gần 600 atm mỗi giây trong quá trình hồ quang dòng sự cố toàn phần. Kênh xả áp hồ quang phải xả đủ thể tích khí để duy trì áp suất trong tủ dưới giới hạn chịu lực của vỏ tủ — thường là 50–100 kPa so với áp suất khí quyển — trong vòng 50–100 mili giây đầu tiên kể từ khi hồ quang bắt đầu. Mọi hạn chế trong kênh xả làm tăng áp suất ngược hoặc giảm tốc độ dòng chảy sẽ trực tiếp làm tăng áp suất đỉnh của bảng điều khiển và nguy cơ hỏng hóc cấu trúc vỏ bọc.

Một trường hợp khách hàng minh họa hậu quả của việc thiếu chứng nhận: Một kỹ sư thiết kế trạm biến áp tại một nhà thầu EPC ở Ả Rập Xê Út đã liên hệ với Bepto sau khi một sự cố hồ quang bên trong tại trạm biến áp AIS 33 kV gây ra hiện tượng vỡ vỏ tủ điện, mặc dù các tủ này đã có chứng chỉ IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 với mức chịu tải 25 kA trong 0,5 giây. Cuộc điều tra sau sự cố cho thấy các ống thoát hồ quang được lắp đặt dài hơn 4,2 mét so với ống thử nghiệm 1,5 mét được ghi trong báo cáo thử nghiệm loại — chiều dài ống bổ sung đã làm tăng áp suất ngược tại lỗ thoát của tủ điện lên 3,8 lần, làm giảm tốc độ dòng thoát khí xuống dưới mức tối thiểu cần thiết để giữ áp suất trong tủ điện trong giới hạn kết cấu. Vỏ bọc bị vỡ ở 180 ms — trước khi hệ thống bảo vệ phía thượng lưu loại bỏ sự cố ở 350 ms. Hai nhân viên bảo trì có mặt tại trạm biến áp vào thời điểm sự cố xảy ra đã bị bỏng do vỏ bọc bị vỡ. Đội ngũ kỹ thuật của Bepto đã đề xuất thiết kế lại ống dẫn để khớp với thông số kỹ thuật của ống dẫn thử nghiệm — yêu cầu tăng tiết diện ống dẫn từ 400 mm × 400 mm lên 600 mm × 500 mm cho chiều dài lắp đặt 4,2 mét.

Sáu thông số thiết kế quan trọng của kênh thoát nước hình cung mà các kỹ sư thường mắc sai lầm nhất là gì?

Sáu thông số thiết kế của kênh thoát hồ quang là nguyên nhân chính dẫn đến phần lớn các sự cố của hệ thống bảo vệ chống hồ quang đã lắp đặt — mỗi thông số đều phản ánh một quyết định kỹ thuật được đưa ra trong quá trình thiết kế trạm biến áp nhưng chỉ được kiểm chứng khi xảy ra sự cố hồ quang.

Lỗi 1: Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn quá nhỏ

Ống dẫn xả hồ quang phải đảm bảo đáp ứng được lưu lượng khí cực đại phát sinh trong quá trình hồ quang — lưu lượng này được xác định bởi công suất hồ quang, thể tích tủ điện và áp suất tối đa cho phép của tủ điện. Diện tích mặt cắt ngang tối thiểu của ống dẫn là:

$A_{duct} = \frac{\dot{V}_{gas}}{v_{gas}}$

Ở đâu $\dot{V}{khí}$ là lưu lượng khí thể tích cực đại (m³/s) và $v{gas}$ là vận tốc khí trong ống dẫn (m/s). Đối với sự cố hồ quang 25 kA, lưu lượng khí cực đại từ một bảng điều khiển có thể tích 0,5 m³ là khoảng 15–25 m³/s — đòi hỏi diện tích mặt cắt ngang tối thiểu của ống dẫn là 0,15–0,25 m² (tối thiểu 390 mm × 390 mm) ở vận tốc khí 100 m/s.

Lỗi chọn kích thước quá nhỏ phổ biến nhất: Xác định diện tích mặt cắt ngang của ống thoát khí hình cung dựa trên kích thước lỗ thoát khí trên tấm chắn — chứ không dựa trên tính toán lưu lượng khí. Kích thước lỗ thoát khí trên tấm chắn được thiết kế phù hợp với chiều dài ống thử nghiệm. Các ống lắp đặt có chiều dài lớn hơn cần có diện tích mặt cắt ngang lớn hơn để duy trì mức kháng lực thủy lực tương đương.

Lỗi 2: Tích lũy hệ số tổn thất do uốn cong

Mỗi khúc cua trên ống dẫn khí hình cung đều gây ra tổn thất áp suất, làm giảm lưu lượng thông gió hiệu quả³. Mất áp suất qua một đoạn uốn cong 90°:

$\Delta P_{bend} = K_{bend} \times \frac{\rho_{gas} \times v_{gas}^2}{2}$

Ở đâu $K_{bend}$ là hệ số tổn thất do uốn cong (từ 0,3 đến 1,5 tùy thuộc vào tỷ lệ giữa bán kính uốn cong và đường kính ống) và $\rho_{khí}$ là mật độ của khí nóng (khoảng 0,3–0,5 kg/m³ ở nhiệt độ hồ quang). Đối với một đoạn uốn góc 90° ($K_{bend}$ = 1,5) ở vận tốc khí 100 m/s:

$\Delta P_{bend} = 1,5 \times \frac{0,4 \times 100^2}{2} = 3.000 \text{ Pa} = 3 \text{ kPa}$

Ba đoạn uốn cong 90° tạo ra áp suất ngược 9 kPa — tương đương với việc thêm khoảng 2,5 mét ống thẳng vào sức cản thủy lực. Một thiết kế ống có ba đoạn uốn góc 90° và 3 mét ống thẳng có sức cản thủy lực tương đương khoảng 5,5 mét ống thẳng — nhưng thường được quy định như thể nó có sức cản của 3 mét ống thẳng.

Thông số uốn chính xác: Sử dụng các đoạn uốn cong có tỷ lệ bán kính trên đường kính ≥ 1,5 ($K_{bend}$ = 0,3) thay vì các đoạn uốn góc vuông — giúp giảm tổn thất áp suất do uốn cong xuống còn 1/5 so với trước đây cho mỗi đoạn uốn trong hệ thống ống dẫn.

Lỗi 3: Tắc nghẽn tại điểm xả và áp suất ngược

Điểm xả của ống dẫn khí hồ quang phải không bị cản trở và phải xả vào một không gian có thể tích đủ lớn để hấp thụ khí hồ quang mà không gây ra áp suất ngược đáng kể tại đầu ra của ống dẫn. Các lỗi thường gặp tại điểm xả:

• Lưới thoát khí dạng lam: Các tấm chắn có diện tích hở 40–60% làm giảm tiết diện xả hiệu dụng xuống 40–60% — từ đó làm tăng tốc độ dòng chảy và áp suất ngược tương ứng
• Xả vào khoang kín: Việc dẫn nhiều ống thoát khí của các tấm panel vào một khoang phân phối chung mà không có thể tích khoang phân phối đủ lớn sẽ tạo ra áp suất ngược, và áp suất này sẽ tăng lên khi có thêm mỗi tấm panel được thông gió đồng thời
• Điểm xả cách tường tòa nhà không quá 2 mét: Sóng áp suất phản xạ từ tường tòa nhà quay trở lại cửa ra của ống dẫn và làm tăng áp suất ngược hiệu dụng lên 20–40%
• Điểm xả bị cản trở bởi giá đỡ cáp hoặc ống dẫn: Việc bố trí hệ thống quản lý cáp sau khi lắp đặt tại điểm xả sẽ làm giảm diện tích xả hiệu quả mà không cần phải tiến hành rà soát thiết kế

Lỗi 4: Tương tác giữa các dãy tấm — Vấn đề thoát khí đồng thời

Trong một hệ thống tủ điện AIS nhiều ngăn, hiện tượng hồ quang bên trong một ngăn có thể lan truyền sang các ngăn liền kề thông qua các kết nối thanh cái — gây ra các sự cố hồ quang đồng thời tại nhiều ngăn, và tất cả đều được xả khí qua cùng một hệ thống ống xả đồng thời. Lưu lượng khí tổng hợp từ quá trình xả khí đồng thời tại nhiều ngăn:

$\dot{V}{total} = n{tấm} \times \dot{V}_{single_panel}$

Đối với ba tấm thông gió hoạt động đồng thời, mỗi tấm có lưu lượng 15 m³/s:

$\dot{V}_{total} = 3 × 15 = 45 m³/s$

Một ống thoát khí chung có kích thước phù hợp cho hệ thống thông gió một tấm (0,15 m²) ở lưu lượng này sẽ tạo ra vận tốc khí là:

$v_{gas} = \frac{45}{0,15} = 300 \text{ m/s}$

300 m/s — gần đạt tốc độ âm thanh trong hỗn hợp khí nóng — gây ra hiện tượng hình thành sóng xung trong ống dẫn và áp suất ngược cực lớn, khiến toàn bộ hệ thống xả áp bị vô hiệu hóa. Các ống dẫn xả áp chung cho các dãy nhiều tấm phải được thiết kế với kích thước phù hợp với kịch bản xả áp đồng thời có khả năng xảy ra cao nhất — chứ không phải cho trường hợp xả áp của một tấm duy nhất.

Lỗi 5: Thời gian duy trì hồ quang không khớp với thời gian ngắt mạch của hệ thống bảo vệ

Thử nghiệm IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 được thực hiện với thời gian hồ quang cụ thể — thường là 0,1 giây, 0,5 giây hoặc 1,0 giây. Hệ thống bảo vệ trạm biến áp đã lắp đặt phải có khả năng loại bỏ sự cố hồ quang trong khoảng thời gian thử nghiệm để chứng chỉ IAC có hiệu lực⁴. Sự không phù hợp nguy hiểm nhất: Chỉ định các tấm panel có chứng nhận IAC với thời gian hồ quang 0,1 giây tại trạm biến áp, nơi hệ thống bảo vệ phía thượng nguồn áp dụng sơ đồ phối hợp theo thời gian với thời gian ngắt mạch là 0,5 giây ở cấp thanh cái của tủ điện.

Xác minh thời gian thanh toán bù trừ bảo hiểm:
$t_{clear} ≤ t_{IAC_test}$

Bất đẳng thức này phải được kiểm tra đối với mọi nghiên cứu phối hợp rơle bảo vệ — không được giả định dựa trên cài đặt danh định của rơle. Thời gian ngắt mạch thực tế bao gồm thời gian hoạt động của rơle, thời gian hoạt động của cầu dao và bất kỳ biên độ thời gian nào:

$t_{clear} = t_{relay} + t_{CB_operate} + t_{margin}$

Đối với sơ đồ phân cấp theo thời gian có thời gian cài đặt rơle là 0,3 giây, thời gian hoạt động của CB là 0,08 giây và biên độ phân cấp là 0,1 giây:

$t_{clear} = 0,3 + 0,08 + 0,1 = 0,48 giây$

Một tủ điện có chứng nhận IAC với thời gian hồ quang 0,1 giây không được chứng nhận cho thời gian ngắt mạch 0,48 giây này — năng lượng hồ quang tích tụ trong tủ điện trong khoảng thời gian thêm 0,38 giây vượt quá khả năng chịu lực kết cấu đã được thử nghiệm của vỏ tủ.

Lỗi 6: Thiếu sót trong tính toán vùng bức xạ nhiệt

Thử nghiệm chỉ thị bằng vải bông theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 nhằm xác minh rằng bức xạ nhiệt và khí nóng phun ra từ điểm xả của ống xả áp không làm cháy vải bông ở các khoảng cách quy định — tuy nhiên, vị trí của các chỉ thị này được xác định dựa trên cấu hình thử nghiệm. Đối với các cấu hình lắp đặt có điểm xả được điều chỉnh hướng, vùng bức xạ nhiệt phải được tính toán lại:

$r_{thermal} = \sqrt{\frac{P_{arc} \times t_{arc}}{4\pi \times E_{ignition}}}$

Ở đâu $E_{đốt cháy}$ là mật độ năng lượng đánh lửa của vật liệu tại điểm phóng điện (khoảng 10 kJ/m² đối với vải bông, 25 kJ/m² đối với lớp cách điện tiêu chuẩn của cáp). Phải xác định các khu vực cấm nhân viên tiếp cận và khoảng cách an toàn đối với vật liệu dễ cháy xung quanh điểm phóng điện dựa trên tính toán này — chứ không được suy ra từ vị trí của các chỉ báo cấu hình thử nghiệm.

Làm thế nào để lựa chọn và xác nhận cấu hình kênh giảm áp cho từng ứng dụng trạm biến áp AIS?

Bước 1: Xác định các thông số sự cố ngắn mạch vòng cung tại nút lắp đặt

Trước khi xác định kênh xả hồ quang, cần xác định các thông số điện quyết định năng lượng hồ quang mà hệ thống xả phải xử lý:

• Dòng điện sự cố dự kiến tại thanh cái của tủ điện: Tính toán dựa trên trở kháng mạng — so sánh với dòng điện thử nghiệm IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200; nếu dòng điện sự cố trong hệ thống lắp đặt vượt quá dòng điện thử nghiệm, chứng chỉ IAC sẽ không có giá trị
• Thời gian xử lý yêu cầu bảo vệ: Thu thập từ nghiên cứu phối hợp bảo vệ — xác minh $t_{clear} ≤ t_{IAC_test}$ đối với mọi cấu hình của chương trình bảo vệ, bao gồm cả bảo vệ sao lưu
• Điện áp hệ thống: Xác nhận điện áp định mức phù hợp với điện áp thử nghiệm IAC — không được phép giảm công suất định mức khi điện áp cao hơn

Bước 2: Tính toán tổng kháng lực thủy lực cần thiết của ống dẫn

Kháng lực thủy lực của ống xả hồ quang đã lắp đặt không được vượt quá kháng lực thủy lực của ống thử nghiệm được ghi nhận trong báo cáo thử nghiệm kiểu IAC. Tính toán kháng lực thủy lực của ống thử nghiệm:

$R_{thử_thủy_lực} = \frac{f \times L_{thử_thí_nghiệm}}{D_{h_thử_thí_nghiệm}} + \sum K_{đoạn_cong_thử_thí_nghiệm}$

Ở đâu $f$ là Hệ số ma sát Darcy (thường là 0,02 đối với ống thép nhẵn)⁵, $L_{thử nghiệm}$ là chiều dài ống thử (m), $D_{h_test}$ là đường kính thủy lực của ống thử (m), và $\sum K_{kiểm_tra_độ_cong}$ là tổng các hệ số tổn thất do uốn cong trong ống thử. Ống lắp đặt phải đáp ứng:

$\frac{f \times L_{đã_lắp_đặt}}{D_{h_đã_lắp_đặt}} + \sum K_{đoạn_cong_đã_lắp_đặt} \leq R_{thử_thí_thủy_lực}$

Nếu chiều dài ống dẫn đã lắp đặt hoặc số lượng đoạn uốn cong vượt quá thông số kỹ thuật thử nghiệm, hãy tăng diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn để duy trì mức kháng lực thủy lực tương đương.

Bước 3: Kiểm tra cấu hình điểm xả

Tham số điểm xả	Yêu cầu	Lỗi thường gặp
Diện tích trống tối thiểu tại điểm xả	≥ 100% diện tích mặt cắt ngang ống dẫn	Lưới chắn có khe hở giảm diện tích thông thoáng xuống còn 50%
Khoảng cách tối thiểu đến tường tòa nhà	≥ 2 m	Điểm xả nằm sát tường
Khoảng cách tối thiểu đến vật liệu dễ cháy	Theo tính toán vùng bức xạ nhiệt	Các giá đỡ cáp nằm trong bán kính cháy tính toán
Khu vực cấm nhân viên vào	Khoảng cách tương đương chỉ số bông	Không có khu vực cấm được đánh dấu hoặc thực thi
Thể tích khoang phân phối chung (nếu có)	≥ 10 lần thể tích lỗ thông gió của một tấm	Khoang phân phối không đủ kích thước gây ra áp suất ngược
Hướng xả	Tránh xa các lối đi dành cho nhân viên	Dòng điện xả hướng về phía lối vào trạm biến áp

Bước 4: Kiểm tra tình huống thông gió đồng thời trên nhiều tấm

Đối với các dòng tủ điện AIS có các tủ được kết nối qua thanh cái, cần xác định số lượng tối đa các tủ có thể xả khí đồng thời dựa trên phân tích lan truyền hồ quang — thông thường là số lượng các tủ được kết nối với một đoạn thanh cái chung nằm giữa các công tắc phân đoạn thanh cái. Cần thiết kế hệ thống ống xả khí phù hợp cho tình huống xả khí đồng thời này.

Phần phụ: Các phương án bố trí trạm biến áp

• Trạm biến áp trong nhà có hệ thống thoát nước trên mái: Đưa ống dẫn từ đỉnh bảng điều khiển xuyên qua mái nhà — kiểm tra chiều dài ống dẫn so với cấu hình thử nghiệm; lắp đặt nắp thoát khí chống thời tiết có diện tích thông thoáng ≥ 100%; thiết lập vùng cấm trên mái nhà trong trường hợp xảy ra hồ quang
• Trạm biến áp trong nhà có đầu ra gắn tường: Ống dẫn ngang nối với tường ngoài — mỗi đoạn uốn cong 90° từ phương thẳng đứng sang phương ngang phải tuân theo tiêu chuẩn uốn cong có độ nghiêng; điểm xả phải tránh các góc lồi vào trong của tòa nhà
• Trạm biến áp tầng hầm: Ống dẫn thẳng đứng đi lên qua các tầng — chiều dài thực tế tối đa của ống dẫn thường vượt quá chiều dài ống dẫn dùng để thử nghiệm; bắt buộc phải tăng diện tích mặt cắt ngang; kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu để đảm bảo chịu được trọng lượng của ống dẫn
• Trạm biến áp ngoài trời có vỏ bọc: Ống xả áp suất gắn trên tủ phân phối khí bên trong vỏ bảo vệ ngoài trời — cần kiểm tra xem thể tích của vỏ bảo vệ có đủ để hấp thụ khí hồ quang mà không gây tích tụ áp suất, từ đó khí này không tràn ngược vào tủ qua lỗ xả áp suất

Một trường hợp khách hàng khác: Một yêu cầu đánh giá hướng dẫn lựa chọn đã được gửi đến từ một giám đốc mua sắm tại một công ty điện lực ở Nigeria, trong đó yêu cầu sử dụng thiết bị đóng cắt AIS cho mười hai trạm biến áp phân phối 33 kV. Thông số kỹ thuật ban đầu yêu cầu phân loại IAC ở mức 25 kA trong 0,5 giây với các ống thoát hồ quang có kích thước theo cấu hình tiêu chuẩn trong danh mục của nhà sản xuất — ống kích thước 400 mm × 400 mm và dài 1,5 m. Các cuộc khảo sát hiện trường cho thấy 11 trong số 12 trạm biến áp yêu cầu chiều dài ống thoát hồ quang từ 2,8 m đến 5,1 m do hạn chế về chiều cao trần và kết cấu mái. Đội ngũ kỹ thuật ứng dụng của Bepto đã thực hiện các tính toán kháng lực thủy lực cho từng địa điểm — xác định rằng cần có tiết diện ống thoát hồ quang từ 500 mm × 500 mm đến 650 mm × 550 mm cho các chiều dài lắp đặt để duy trì kháng lực thủy lực tương đương với cấu hình thử nghiệm. Các thông số kỹ thuật ống dẫn được sửa đổi đã được đưa vào tài liệu mua sắm trước khi đấu thầu — giúp ngăn chặn khoảng cách tuân thủ sau lắp đặt mà thông số kỹ thuật ban đầu trong danh mục sản phẩm có thể gây ra tại tất cả mười một địa điểm không tiêu chuẩn.

Những lỗi lắp đặt và thay đổi sau khi đưa vào vận hành nào làm giảm hiệu suất của kênh xả hồ quang trong trạm biến áp cao áp?

Các lỗi cài đặt làm giảm hiệu quả của cơ chế giảm áp

Thiết kế kênh thoát hồ quang có thể được quy định chính xác nhưng vẫn không hoạt động như dự kiến nếu trong quá trình thi công xuất hiện những sai lệch so với thiết kế mà không được coi là những thay đổi đối với hệ thống bảo vệ hồ quang.

Lỗi lắp đặt 1 — Mối nối ống dẫn không thẳng hàng gây cản trở bên trong:
Các đoạn ống thông gió có hình vòm bị lệch tâm tại các mối nối sẽ tạo ra các gờ bên trong, gây cản trở dòng chảy — làm tăng sức cản thủy lực vượt quá giá trị thiết kế. Một gờ bên trong có chiều cao 20 mm tại mối nối của ống thông gió kích thước 400 mm × 400 mm sẽ làm giảm diện tích mặt cắt hiệu dụng xuống 10% và làm tăng sức cản thủy lực lên khoảng 21% tại vị trí mối nối.

Yêu cầu xác minh: Kiểm tra tất cả các mối nối ống dẫn bằng đèn pin và gương trước khi cấp điện cho bảng điều khiển — đảm bảo độ chính xác của sự căn chỉnh bên trong trong phạm vi ±5 mm tại tất cả các mối nối.

Lỗi lắp đặt số 2 — Các giá đỡ ống dẫn được lắp đặt làm thanh ngang bên trong:
Đôi khi, các đội thi công lắp đặt các giá đỡ ống dẫn dưới dạng các thanh ngang bên trong, chạy dọc theo chiều rộng của ống dẫn — một giải pháp cấu trúc tạm bợ gây ra sự cản trở lưu lượng vĩnh viễn. Các thanh ngang bên trong ống dẫn có kích thước 400 mm × 400 mm làm giảm diện tích mặt cắt hiệu dụng từ 15–25% tùy thuộc vào kích thước của giá đỡ.

Yêu cầu xác minh: Hãy đảm bảo rằng tất cả các giá đỡ ống dẫn đều được lắp đặt bên ngoài — không được phép sử dụng các thanh ngang bên trong trên các đoạn ống dẫn có đường cong.

Lỗi lắp đặt số 3 — Nắp xả áp được lắp ngược chiều:
Các van xả áp lực ống dẫn điện hồ quang — là các van hoạt động bằng lò xo hoặc trọng lực, đóng kín ống dẫn trong điều kiện bình thường và mở ra khi có áp lực hồ quang — phải được lắp đặt sao cho hướng mở của van trùng khớp với hướng dòng khí. Việc lắp đặt ngược sẽ khiến van mở ngược chiều dòng khí, đòi hỏi áp lực cao hơn để mở và làm giảm diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng của ống dẫn khi van mở.

Yêu cầu xác minh: Kiểm tra xem hướng mở của van xả áp có trùng khớp với hướng dòng khí hay không — đánh dấu hướng dòng khí trên ống dẫn trong quá trình lắp đặt.

Những thay đổi sau khi đưa vào vận hành làm mất hiệu lực của tính năng giảm áp điện

Các thay đổi đối với trạm biến áp sau khi đưa vào vận hành có ảnh hưởng đến kênh thoát hồ quang là nguyên nhân nguy hiểm nhất dẫn đến việc hệ thống bảo vệ chống hồ quang bị vô hiệu hóa — bởi vì những thay đổi này xảy ra sau khi quá trình kiểm tra nghiệm thu đã hoàn tất và thường không được nhận diện là những điều chỉnh đối với hệ thống bảo vệ chống hồ quang.

Thay đổi 1 — Lắp đặt máng cáp qua điểm xả:
Việc lắp đặt hệ thống quản lý cáp thứ cấp sau khi đưa tủ điện vào vận hành thường dẫn các giá đỡ cáp đi qua hoặc sát các điểm xả của ống thoát hồ quang — làm giảm diện tích xả hiệu quả mà không cần phải tiến hành đánh giá thay đổi thiết kế chính thức. Một giá đỡ cáp làm giảm diện tích trống tại điểm xả xuống 30% sẽ làm tăng áp suất ngược tại điểm xả lên khoảng 100% — khiến áp suất đỉnh trong tủ điện tăng gấp đôi trong trường hợp xảy ra hồ quang.

Thay đổi 2 — Bổ sung các tấm pin vào dòng sản phẩm hiện có:
Việc mở rộng dòng sản phẩm tủ điện AIS bằng cách bổ sung các tủ điện vào một đoạn thanh cái hiện có sẽ làm tăng quy mô tối đa của tình huống xả khí đồng thời — có khả năng vượt quá công suất của hệ thống ống xả chung hiện có. Mỗi lần bổ sung một tủ điện vào một đoạn thanh cái đều phải dẫn đến việc đánh giá lại kích thước của hệ thống ống xả chung.

Thay đổi 3 — Thay đổi mục đích sử dụng phòng trạm biến áp:
Việc chuyển đổi một phòng liền kề từ hầm cáp thành khu vực làm việc cho nhân viên sẽ khiến mọi người ở gần khu vực xả của ống dẫn giải phóng hồ quang — mà không thay đổi vị trí điểm xả hoặc thiết lập vùng cấm nhân viên cần thiết cho mục đích sử dụng mới.

Thay đổi 4 — Điều chỉnh cài đặt rơle bảo vệ:
Việc tăng biên độ phân cấp thời gian của rơle bảo vệ nhằm cải thiện sự phối hợp với các thiết bị bảo vệ ở phía hạ lưu sẽ làm tăng thời gian dập tắt hồ quang — có thể vượt quá thời gian thử nghiệm IAC. Mọi thay đổi về cài đặt rơle bảo vệ đều phải được đánh giá dựa trên thời gian thử nghiệm IAC để xác nhận việc vẫn tuân thủ các yêu cầu.

Danh sách kiểm tra sau khi đưa vào vận hành

Mục kiểm tra	Tần số	Phương pháp	Tiêu chí chấp nhận
Đo diện tích vùng không có điểm xả	Hàng năm	Đo lường vật lý	Diện tích mặt cắt ngang ống ≥ 100% — không có vật cản mới
Kiểm tra bên trong ống dẫn	Cứ 3 năm một lần	Đèn pin và gương hoặc ống nội soi	Không có vật cản bên trong, không bị ăn mòn hoặc sai lệch vị trí các mối nối
Thử nghiệm hoạt động của van xả áp	Cứ 3 năm một lần	Thử nghiệm vận hành thủ công	Hoạt động trơn tru ở áp suất thiết kế — không bị kẹt hay ăn mòn
Kiểm tra khu vực cấm nhân viên	Hàng năm	Khảo sát hiện trường so với tính toán vùng bức xạ nhiệt	Không được cư trú lâu dài trong khu vực cấm đã được xác định
Xác minh thời gian xử lý yêu cầu bảo vệ	Sau mỗi lần thay đổi cài đặt rơle	Đánh giá nghiên cứu về phối hợp công tác bảo vệ	$t_{clear} ≤ t_{IAC_test}$ đã được xác nhận
Đánh giá kịch bản xả khí đồng thời	Sau mỗi lần lắp thêm tấm	Tính toán lại sức cản thủy lực	Công suất ống dẫn chung ≥ yêu cầu thông gió đồng thời

Quy trình quản lý thay đổi cho các hệ thống giảm áp Arc

Mọi thay đổi đối với trạm biến áp có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của kênh thoát hồ quang đều phải trải qua quy trình xem xét chính thức về Quản lý Thay đổi (MOC), bao gồm:

1. Đánh giá tác động của hệ thống bảo vệ chống hồ quang: Sự thay đổi này có ảnh hưởng đến diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn, chiều dài ống dẫn, số lượng đoạn uốn cong, diện tích thông thoáng tại điểm xả, tình huống thông gió đồng thời hay thời gian giải phóng khu vực bảo vệ không?
2. Tính toán lại lực cản thủy lực: Nếu bất kỳ thông số giảm áp nào thay đổi, hãy tính toán lại điện trở thủy lực của ống dẫn đã lắp đặt và kiểm tra xem nó có vẫn nằm trong giới hạn cho phép của cấu hình thử nghiệm hay không
3. Xác minh lại việc tuân thủ IAC: Xác nhận rằng cấu hình đã điều chỉnh vẫn nằm trong phạm vi của chứng chỉ thử nghiệm kiểu IAC — hoặc xác định xem có cần thực hiện các thử nghiệm bổ sung hay không
4. Cập nhật về khu vực cấm nhân viên: Tính toán lại vùng bức xạ nhiệt khi có bất kỳ thay đổi nào về hình dạng điểm xả, đồng thời cập nhật các dấu hiệu vùng cấm và các hạn chế tiếp cận

Kết luận

Các lỗi thiết kế kênh giải phóng hồ quang trong các trạm biến áp AIS thường không được phát hiện trong quá trình rà soát thiết kế, kiểm tra vận hành thử hay các đợt bảo trì định kỳ — mà chỉ được phát hiện khi xảy ra sự cố hồ quang nội bộ, khi kênh giải phóng vốn được cho là hoạt động đúng theo thiết kế lại không thể giải phóng năng lượng hồ quang trong giới hạn kết cấu của tủ điện, hoặc lại hướng dòng plasma hồ quang và bức xạ nhiệt về phía nhân viên — những người được cho là đã được bảo vệ nhờ chứng nhận IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 ghi trên nhãn hiệu tủ điện. Sáu lỗi thiết kế nghiêm trọng — kích thước ống dẫn quá nhỏ, tích tụ tổn thất do uốn cong, cản trở điểm xả, xả đồng thời nhiều bảng điều khiển, thời gian hồ quang không phù hợp và bỏ sót vùng bức xạ nhiệt — mỗi lỗi riêng lẻ đều có thể làm cho hệ thống bảo vệ hồ quang không hoạt động, và chúng sẽ cộng dồn khi có nhiều lỗi cùng xuất hiện trong cùng một hệ thống lắp đặt. Hãy coi chứng chỉ thử nghiệm loại IAC theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 là điểm khởi đầu cho thiết kế kênh thoát hồ quang — chứ không phải là điểm kết thúc: tính toán sức cản thủy lực của ống dẫn đã lắp đặt so với thông số kỹ thuật của ống dẫn thử nghiệm cho từng địa điểm, xác nhận diện tích trống tại điểm xả và vùng cấm nhân viên so với tính toán vùng bức xạ nhiệt, xác minh thời gian giải phóng bảo vệ so với thời gian thử nghiệm IAC cho từng cấu hình sơ đồ bảo vệ, thực hiện quy trình Quản lý Thay đổi chính thức để ghi lại mọi sửa đổi sau khi vận hành ảnh hưởng đến hiệu suất giải phóng hồ quang, và đánh giá lại kịch bản thông gió đồng thời mỗi khi một bảng điều khiển được thêm vào một phần thanh cái hiện có — bởi vì kênh giải phóng hồ quang hoạt động chính xác khi sự cố hồ quang xảy ra là kênh được thiết kế, lắp đặt và bảo trì như một hệ thống kỹ thuật chứ không phải là một phụ kiện trong danh mục.

Câu hỏi thường gặp về thiết kế kênh thoát hồ quang cho tủ điện AIS

1. “Giải thích về phân loại hồ quang bên trong (IAC AFLR, Kiến thức cơ bản về 16/25/31,5 kA)”, https://www.nuventura.com/news/internal-arc-classification-explained-iac-aflr-16-25-31-5-ka-basics. Tài liệu ngành này trình bày các hạng mục hiệu suất an toàn của thiết bị đóng cắt trung áp trong trường hợp xảy ra sự cố hồ quang bên trong. Vai trò của tài liệu: hỗ trợ chung; Loại nguồn: ngành. Hỗ trợ: Xác nhận mục đích và phạm vi của tiêu chuẩn IEC 62271-200 về phân loại hồ quang bên trong trong các tủ thiết bị đóng cắt. ↩

2. “Nhiệt dung riêng – Khí không hoàn hảo về mặt nhiệt lượng”, https://www.grc.nasa.gov/www/BGH/realspec.html. Tài liệu tham khảo của NASA này xác định các thông số về nhiệt dung riêng của không khí trong các điều kiện khí động học khác nhau. Vai trò của bằng chứng: thống kê; Loại nguồn: chính phủ. Hỗ trợ: Xác nhận hằng số nhiệt động lực học được sử dụng để tính toán tốc độ tăng áp suất nhanh bên trong tủ điện. Ghi chú về phạm vi áp dụng: Áp dụng cho không khí ở tốc độ thấp và nhiệt độ tiêu chuẩn trước khi xảy ra hiện tượng kích thích siêu âm. ↩

3. “Tốc độ dòng khí và hệ số áp suất xung quanh ống dẫn hình chữ nhật góc 90 độ”, https://www.scribd.com/document/627960174/Air-Flow-Velocity-and-Pressure-Coefficient-Around-the-90o-Rectangular-Duct-Fluid-Exp-5. Phân tích động lực học chất lỏng mang tính thử nghiệm này mô tả chi tiết cách các đoạn uốn cong và góc cong của đường ống gây ra hiện tượng tiêu tán năng lượng cục bộ. Vai trò của bằng chứng: cơ chế; Loại nguồn: nghiên cứu. Hỗ trợ: Giải thích nguyên lý động lực học chất lỏng cho thấy các đoạn uốn cong của ống dẫn làm tăng sức cản thủy lực và hạn chế nghiêm trọng khả năng thoát khí hiệu quả. ↩

4. “Đánh giá và ứng dụng của hiện tượng tia lửa điện áp cao — Phần 2”, https://netaworldjournal.org/2019/09/marroquinrehmanmadani/features/high-voltage-arc-flash-assessment-and-applications-part-2/. Tạp chí kỹ thuật này phân tích cách các thông số cài đặt của rơle bảo vệ ảnh hưởng đến thời gian ngắt mạch khi sự cố xảy ra và mức độ phơi nhiễm năng lượng hồ quang tích lũy. Vai trò của bằng chứng: cơ chế; Loại nguồn: ngành công nghiệp. Hỗ trợ: Xác nhận mối quan hệ nhân quả giữa thời gian ngắt mạch của hệ thống bảo vệ phía thượng nguồn và thời gian hồ quang tối đa mà tủ điện phải chịu đựng về mặt vật lý. ↩

5. “Các mô hình ma sát trong ống – Bơm và lưu lượng”, https://www.pumpandflow.com.au/pipe-friction-models/. Tài liệu tham khảo kỹ thuật này trình bày các mô hình ma sát Darcy-Weisbach và các giá trị độ nhám theo biểu đồ Moody cho các loại vật liệu ống khác nhau. Vai trò của dữ liệu: số liệu thống kê; Loại nguồn: ngành công nghiệp. Tính năng hỗ trợ: Cung cấp giá trị hệ số ma sát thực nghiệm cần thiết để tính toán tổng sức cản thủy lực của đoạn ống xả. ↩