Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối 22kV đóng vai trò huyết mạch trong việc bảo đảm an ninh năng lượng và phát triển kinh tế xã hội đô thị. Tại Công ty Điện lực An Phú Đông, đơn vị chịu trách nhiệm cung cấp điện trực tiếp cho 184.261 khách hàng trên địa bàn Quận 12 thuộc Thành phố Hồ Chí Minh, hệ thống vận hành thông qua 36 phát tuyến từ 06 trạm biến áp 110-220/22kV với quy mô quản lý gồm 226,76 km dây trung thế nổi và 148,90 km cáp ngầm 22kV. Khối lượng quản lý kỹ thuật còn bao gồm 1.414 đầu cáp ngầm, hơn 100 hộp nối cáp, 37 tủ RMU, 17 tủ máy cắt trung thế cùng hàng trăm thiết bị phân đoạn đóng cắt trên lưới.

Theo báo cáo thống kê của đơn vị, các sự cố bắt nguồn từ hư hỏng đầu cáp ngầm, hộp nối và phóng điện bề mặt sứ cách điện chiếm tỷ trọng xấp xỉ 35% tổng số vụ sự cố lưới điện phân phối. Thực trạng này đặt ra thách thức lớn đối với độ tin cậy cung cấp điện theo tiêu chuẩn N-1 và các chỉ số gián đoạn cung cấp điện. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự suy giảm chất lượng cách điện không thể quan sát toàn diện bằng mắt thường hoặc các phương pháp kiểm tra định kỳ truyền thống khi thiết bị đang vận hành.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát, phân tích cơ chế và ứng dụng kỹ thuật đo phóng điện cục bộ để chẩn đoán chính xác tình trạng lão hóa của cáp ngầm cùng khí cụ điện 22kV. Nghiên cứu tập trung thu thập và đánh giá dữ liệu thực nghiệm tại lưới điện Quận 12 trong giai đoạn từ tháng 3 năm 2019 đến tháng 8 năm 2019. Kết quả đề tài mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở khoa học để chuyển đổi phương thức bảo dưỡng thụ động sang bảo dưỡng theo tình trạng kỹ thuật, giúp giảm thiểu nguy cơ nổ vỡ thiết bị, kéo dài tuổi thọ vận hành trên 15 năm cho tài sản lưới điện và nâng cao độ an toàn cho toàn bộ hệ thống phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết suy giảm điện môi và cơ chế phóng điện cục bộ trong vật liệu cách điện rắn, lỏng và khí. Phóng điện cục bộ là hiện tượng đánh thủng điện môi cục bộ tại một phần nhỏ của hệ thống cách điện dưới tác dụng của điện áp làm việc cao mà không tạo ra cầu nối phóng điện hoàn toàn giữa các điện cực. Độ bền điện môi của các môi trường có sự chênh lệch rõ rệt, cụ thể không khí có độ bền điện môi khoảng 3 kV/mm, trong khi vật liệu polyme XLPE đạt trên 20 kV/mm và khí SF6 đạt từ 15 kV/mm trở lên. Khi xuất hiện các bọt khí hoặc tạp chất bên trong lớp cách điện, điện trường sẽ phân bố không đồng đều và tập trung cao độ tại các lỗ rỗng có hằng số điện môi thấp hơn, dẫn đến sự ion hóa chất khí khi vượt quá ngưỡng điện áp khởi đầu vầng quang.

Về mô hình nghiên cứu, tác giả ứng dụng mô hình mạch tương đương ba tụ điện để mô phỏng quá trình tích tụ và phóng thích điện tích tại vị trí khuyết tật. Lượng điện tích phóng điện được xác định bằng tích phân dòng điện phóng theo thời gian. Ba khái niệm then chốt được phân tích sâu bao gồm: điện áp khởi đầu phóng điện cục bộ, điện áp tắt phóng điện cục bộ và lượng điện tích suy giảm tính bằng đơn vị picocoulomb hoặc cường độ decibel. Hiện tượng này phát sinh đồng thời bức xạ sóng điện từ tần số cao và sóng âm thanh lan truyền ra môi trường xung quanh, hình thành cơ sở cho việc đo đạc chẩn đoán.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khảo sát toàn bộ cỡ mẫu thực tế gồm 1.414 đầu cáp ngầm trung thế, 148,90 km tuyến cáp ngầm 22kV và 54 tủ hợp bộ trung thế bao gồm 17 tủ máy cắt và 37 tủ RMU phân bố trên 36 phát tuyến thuộc 6 trạm nguồn 110-220kV. Phương pháp chọn mẫu được tiến hành theo nguyên tắc phân tầng rủi ro và khảo sát toàn diện, ưu tiên các khu vực phụ tải trọng điểm như Công viên Phần mềm Quang Trung, các tuyến giao chéo đường dây cao thế 110-500kV và các phân đoạn đầu tuyến phát xuất từ trạm biến áp trung gian.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa đo lường tại chỗ khi thiết bị đang mang điện và kiểm tra chuyên sâu khi tách thiết bị khỏi lưới điện. Phương pháp đo trực tiếp online sử dụng công nghệ điện áp nối đất tức thời trên dải tần số từ 3 MHz đến 80 MHz để phát hiện phóng điện bên trong tủ kim loại, kết hợp cảm biến sóng siêu âm ở tần số chuẩn 40 kHz phát hiện phóng điện bề mặt bằng thiết bị UltraTEV Plus 2. Phương pháp đo offline sử dụng nguồn điện áp xoay chiều tần số công nghiệp 50 Hz và tần số siêu thấp 0,1 Hz với cấp điện áp thử nghiệm lên đến 22 kV, tương đương 1,7 lần điện áp pha làm việc danh định. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là nhằm tối ưu hóa việc phát hiện sớm khuyết tật mà không làm gián đoạn cung cấp điện trong vận hành hàng ngày, đồng thời tận dụng phép đo có cắt điện để định vị chính xác tọa độ hư hỏng theo chiều dài cáp. Toàn bộ timeline thu thập dữ liệu và xử lý số liệu thực nghiệm được triển khai đồng bộ từ ngày 06 tháng 3 năm 2019 đến ngày 15 tháng 8 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc và phân tích thực nghiệm trên hệ thống thiết bị phân phối 22kV đã mang lại các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, việc nhận dạng bản chất khuyết tật cách điện phụ thuộc trực tiếp vào mật độ xung tín hiệu ghi nhận trên mỗi chu kỳ sóng sin 50 Hz. Nghiên cứu xác định tín hiệu từ 1 đến 6 xung trong một chu kỳ đại diện cho hiện tượng phóng điện bên trong cấu trúc cách điện; từ 7 đến 30 xung biểu thị phóng điện bề mặt; trong khi mật độ vượt quá 30 xung chủ yếu xuất phát từ các nguồn nhiễu ngoại vi như sóng viễn thông hoặc rung động cơ học của vỏ tủ.

Thứ hai, kết quả đo thực tế cho thấy sự tích tụ khuyết tật đặc biệt nghiêm trọng tại các đầu cáp ngầm vận hành trên 10 năm chưa được vệ sinh bảo dưỡng định kỳ. Tại một số trạm phòng nội bộ, mức phóng điện bề mặt ghi nhận lên tới 52 dB, vượt xa ngưỡng an toàn thông thường. Các điểm phóng điện cục bộ nguy hiểm có giá trị từ 40 dB đến 52 dB xuất hiện tập trung tại vị trí cách cổ cáp từ 20 cm đến 30 cm, tương ứng với điện áp xung nối đất tức thời tăng vọt từ 100 mV đến trên 350 mV.

Thứ ba, nghiên cứu làm rõ các lỗi kỹ thuật trong quá trình thi công cơ khí là nguyên nhân hàng đầu gây phóng điện bề mặt sớm. Điển hình tại các điểm đấu nối vào biến dòng đo lường trung thế, việc uốn cong cáp sai quy chuẩn khiến thân cáp chạm vào vách ngăn nhựa cách điện đã gây ra mức phóng điện 42 dB ngay trong điều kiện vận hành bình thường.

Thứ tư, mối tương quan giữa điện áp nối đất tức thời và mức độ phóng điện cục bộ được lượng hóa rõ rệt: mức tín hiệu 0 dB tương ứng điện áp 1,0 mV, 20 dB tương ứng 10,0 mV, 40 dB tương ứng 100,0 mV và đạt tới 63 dB khi điện áp xung chạm ngưỡng 1.410,0 mV.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự suy thoái cách điện nhanh chóng là sự kết hợp giữa phóng điện cục bộ và các tác nhân môi trường nhiệt đới ẩm. Dưới tác dụng của điện trường cao, hiện tượng ion hóa không khí tạo ra khí ozone, chất này phản ứng với nitơ và độ ẩm không khí hình thành axit nitric ăn mòn bề mặt polyme, tạo ra các vết rạn chân chim và lắng đọng bột trắng. Quá trình phóng điện kéo dài phá hủy liên kết hóa học, sinh ra các cây điện dẫn điện làm giảm độ bền cách điện từ mức trên 20 kV/mm xuống dưới ngưỡng điện áp làm việc, dẫn đến đánh thủng toàn phần.

So sánh với các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 400.3-2006 và các nghiên cứu ngành điện lực tại Việt Nam, kết quả của luận văn hoàn toàn tương thích về đặc tính đáp ứng tần số và cơ chế lan truyền sóng điện từ. Tuy nhiên, nghiên cứu này bổ sung đóng góp thực tiễn sâu sắc thông qua việc phân loại ngưỡng rủi ro theo điều kiện vận hành cụ thể tại Thành phố Hồ Chí Minh. Toàn bộ dữ liệu đánh giá có thể được trực quan hóa hiệu quả qua bảng phân loại 3 cấp độ: mức bình thường dưới 20 dB, mức theo dõi định kỳ từ 20 dB đến 30 dB và mức nguy hiểm cần xử lý gấp trên 30 dB. Đồng thời, biểu đồ dạng sóng điện áp kết hợp giản đồ xung theo pha sóng sin 50 Hz cho phép các kỹ sư phân biệt trực quan giữa xung phóng điện thực và xung nhiễu ngẫu nhiên với độ tin cậy phân tích đạt trên 90%.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao chất lượng quản lý vận hành và loại trừ nguy cơ sự cố lưới điện trung thế, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, chuẩn hóa và áp dụng quy trình kiểm tra phóng điện cục bộ phân tầng cho toàn bộ tài sản lưới điện. Đội Quản lý Vận hành cần thực hiện đo online với tần suất 1 lần/tháng đối với các đầu cáp ngầm xuất tuyến tại trạm trung gian và khu vực trọng điểm như Công viên Phần mềm Quang Trung; 2 tháng/lần đối với các điểm giao chéo đường dây cao thế 110-500kV; và 3 tháng/lần đối với toàn bộ đầu cáp, tủ RMU, sứ đỡ còn lại. Mục tiêu giảm thiểu 100% các sự cố bất ngờ do suy giảm cách điện trong lộ trình 12 tháng.

Thứ hai, triển khai phần mềm chuyên dụng quản lý và theo dõi diễn biến cách điện theo thời gian thực. Phòng Kỹ thuật chịu trách nhiệm số hóa dữ liệu đo từ thiết bị UltraTEV Plus 2, tự động gửi cảnh báo khi tín hiệu vượt ngưỡng 30 dB hoặc tốc độ tăng trưởng biên độ phóng điện vượt quá 5 dB sau mỗi chu kỳ kiểm tra, hoàn thành đưa vào ứng dụng trong vòng 6 tháng.

Thứ ba, hoàn thiện quy trình giám sát chất lượng thi công lắp đặt đầu cáp và tủ hợp bộ. Đội Thi công Xây lắp và Đội Thí nghiệm phải kiểm soát nghiêm ngặt khoảng cách giữa các pha cáp, xử lý dứt điểm tình trạng thân cáp tì đè vào vách ngăn vật liệu bakelit hoặc ống nhựa bảo vệ, bảo đảm bán kính uốn cong đúng tiêu chuẩn nhằm duy trì độ bền điện môi trên 20 kV/mm.

Thứ tư, đẩy mạnh công tác bảo dưỡng theo tình trạng kỹ thuật kết hợp vệ sinh cách điện bằng công nghệ hotline. Lãnh đạo Công ty Điện lực An Phú Đông cần chỉ đạo ưu tiên phân bổ ngân sách thay thế ngay các đầu cáp có mức phóng điện trên 40 dB và lập kế hoạch bảo trì định kỳ 6 tháng một lần cho các thiết bị vận hành trên 10 năm tại môi trường ẩm thấp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư quản lý vận hành lưới điện phân phối tại các công ty điện lực trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Tài liệu cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách thiết lập chu kỳ kiểm tra, phương pháp nhận diện sớm khuyết tật trên 148,90 km cáp ngầm và 54 tủ hợp bộ mà không cần cắt điện, giúp giảm chỉ số gián đoạn cung cấp điện bình quân của khách hàng.

Nhóm thứ hai là các chuyên viên thí nghiệm và chẩn đoán tại các trung tâm kiểm định thiết bị điện cao thế. Luận văn cung cấp quy trình phân tích tín hiệu xung điện áp nối đất tức thời kết hợp sóng siêu âm 40 kHz, giúp phân biệt chính xác giữa phóng điện bề mặt, phóng điện bên trong và xung nhiễu môi trường.

Nhóm thứ ba là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện và Hệ thống điện. Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo với số liệu thực nghiệm đầy đủ về cơ chế suy giảm điện môi và mô hình mạch tương đương trong điều kiện vận hành thực tế.

Nhóm thứ tư là các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu cơ điện công trình công nghiệp. Nghiên cứu chỉ rõ các sai sót cơ học thường gặp trong quá trình lắp đặt đầu cáp ngầm 22kV, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa rủi ro hư hỏng ngay từ giai đoạn nghiệm thu đóng điện.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng phóng điện cục bộ là gì và tại sao cần đo lường trên lưới 22kV? Phóng điện cục bộ là hiện tượng đánh thủng điện môi cục bộ trong lớp cách điện khi điện trường vượt quá độ bền cho phép của bọt khí hoặc tạp chất. Trên lưới 22kV, hiện tượng này phá hủy dần cấu trúc polyme XLPE, sinh ra axit nitric ăn mòn và tạo cây điện. Việc đo lường giúp phát hiện sớm khuyết tật, ngăn ngừa khoảng 35% nguy cơ sự cố nổ cáp và phóng điện bề mặt gây mất điện diện rộng.

Phương pháp đo điện áp nối đất tức thời và phương pháp siêu âm khác nhau như thế nào? Phương pháp điện áp nối đất tức thời thu nhận sóng điện từ tần số cao từ 3 MHz đến 80 MHz sinh ra từ các phóng điện bên trong vỏ tủ kim loại, truyền qua cảm biến với biên độ từ vài millivolt đến hàng vôn. Ngược lại, phương pháp siêu âm phát hiện sóng áp suất cơ học ở tần số 40 kHz sinh ra từ phóng điện bề mặt tiếp xúc trực tiếp với không khí.

Mức phóng điện cục bộ bao nhiêu decibel được coi là nguy hiểm cần xử lý ngay? Thiết bị vận hành ở mức bình thường khi tín hiệu đo dưới 20 dB. Mức từ 20 dB đến 30 dB nằm trong diện theo dõi định kỳ từ 1 đến 3 tháng. Khi biên độ đạt từ 30 dB trở lên, đặc biệt các trường hợp từ 40 dB đến 52 dB với điện áp xung trên 100 mV, thiết bị rơi vào trạng thái cực kỳ nguy hiểm, có nguy cơ đánh thủng cách điện và bắt buộc phải cô lập để xử lý hoặc thay thế ngay.

Tại sao số lượng xung trên mỗi chu kỳ sóng sin lại giúp nhận diện bản chất sự cố? Mật độ xung phản ánh trực tiếp cơ chế tích tụ điện tích trong điện môi. Sự cố phóng điện bên trong lỗ rỗng điện môi có thời gian phục hồi điện áp chậm, tạo ra từ 1 đến 6 xung mỗi chu kỳ. Phóng điện bề mặt có tốc độ ion hóa nhanh hơn, sinh ra từ 7 đến 30 xung. Nếu số xung vượt quá 30 xung mỗi chu kỳ, tín hiệu phản ánh nhiễu điện từ không gian hoặc rung động cơ học chứ không phải khuyết tật cách điện.

Làm thế nào để loại bỏ nhiễu môi trường khi đo phóng điện cục bộ khi thiết bị đang mang điện? Kỹ sư sử dụng bộ lọc thông dải chuyên dụng kết hợp phân tích tương quan giữa số lượng xung, dạng giản đồ pha và âm thanh giải điều chế. Tín hiệu phóng điện thực tế luôn có tính chất ngắt quãng, bám theo góc pha của chu kỳ điện áp 50 Hz và có số xung dưới 30 xung mỗi chu kỳ, trong khi nhiễu sóng viễn thông hoặc truyền hình thường xuất hiện liên tục với biên độ đồng đều và tần số xung rất cao.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra với những đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật:

  • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cơ chế phóng điện cục bộ và lượng hóa sự suy giảm độ bền điện môi của cáp ngầm, đầu cáp và khí cụ điện 22kV.
  • Khảo sát và đánh giá toàn diện hiện trạng kỹ thuật trên 148,90 km cáp ngầm cùng 1.414 đầu cáp, giải quyết nguyên nhân của 35% các vụ sự cố lưới điện tại Công ty Điện lực An Phú Đông.
  • Xây dựng bộ tiêu chuẩn phân loại khuyết tật dựa trên số lượng xung trên chu kỳ và thang đo biên độ từ dưới 20 dB đến trên 40 dB cho phương pháp đo trực tiếp.
  • Xác định các điểm nguy hiểm cục bộ do lỗi lắp đặt và tuổi thọ thiết bị, ngăn ngừa kịp thời các nguy cơ nổ vỡ thiết bị trung thế.
  • Đề xuất mô hình chương trình số hóa quản lý tình trạng cách điện phục vụ chuyển đổi phương thức bảo dưỡng theo tình trạng kỹ thuật.

Lộ trình tiếp theo đòi hỏi đơn vị mở rộng ứng dụng đo phóng điện định kỳ trên toàn bộ các trạm biến áp phân phối và tích hợp thuật toán phân tích tự động trong vòng 24 tháng tới. Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện cần chủ động trang bị thiết bị chẩn đoán tiên tiến, áp dụng đồng bộ các giải pháp kỹ thuật nhằm xây dựng hệ thống lưới điện phân phối thông minh, an toàn và tin cậy vững chắc.