Công nghệ VLF (Very low frequency) – Phần 2

Sự nguy hiểm khi thử cáp XLPE với điện áp một chiều tăng cao

1. Phương pháp thử điện áp một chiều tăng cao

Lâu nay, phương pháp thử cáp lực với điện áp một chiều tăng cao vẫn được sử dụng vì thiết bị thử cáp DC có ưu điểm là nhỏ gọn hơn so với thiết bị thử cao áp AC.

Như chúng ta đã biết, tại tần số xoay chiều công nghiệp cáp lực là một tụ điện có điện dung rất lớn khoảng 300nF trên một mét chiều dài ( với cáp 66kV). Vậy với 500m cáp và với điện áp thử xoay chiều khoảng 100kV tại tần số công nghiệp sẽ có dòng điện điện dung là 4,7A xuất hiện, tương đương với công suất thử của bộ thử AC lên đến 470kVA. Với công suất lớn như vậy đòi hỏi thiết bị có kích thước lớn và giá thành sản xuất cao. Ngoài ra, với đầu vào điện áp của thiết bị thử AC khoảng 400V thì dòng điện xuất hiện phía sơ cấp lên đến 1175A. Một phép thử cộng hưởng có thể được sử dụng để làm giảm dòng điện dung bằng kháng bù. Tuy nhiên hầu hết các thiết bị này có kích thước lớn, khối lượng nặng và rất đắt đỏ, vì vậy phương pháp thử cáp bằng điện áp xoay chiều tăng cao tần số công nghiệp tỏ ra không phù hợp khi thí nghiệm cáp ngoài hiện trường.

Tuy nhiên, có những sự hạn chế và nguy hiểm khi thử nghiệm cáp XLPE với điện áp một chiều tăng cao. Cách điện sẽ phải chịu ứng suất lớn không cần thiết bởi điện áp một chiều ở mức cao, dẫn đến việc giảm tuổi thọ hoặc gây ra hư hỏng cách điện. Đã có những trường hợp cách điện bị hư hỏng trong thời gian ngắn đưa vào vận hành sau khi thử cao áp bằng điện áp một chiều tăng cao.

Hình 1 – Cáp lực bị hư hỏng cách điện khi đưa vào vận hành

2. Đáp ứng của cách điện XLPE dưới tác dụng của điện áp một chiều tăng cao

 Đáp ứng của cáp dưới tác dụng của điện áp một chiều và xoay chiều về cơ bản là rất khác nhau.

Dưới tác dụng điện áp một chiều tăng cao, dòng rò qua cách điện sẽ giảm từ giá trị ban đầu đến một giá trị cố định trong khoảng thời gian 15 phút. Dòng rò trong cách điện khi thử cáp bằng điện áp một chiều tăng cao sẽ được chia làm ba thành phần: Thành phần dòng điện nạp, dòng phân cực và thành phần dòng điện dẫn ( Hình 2).

Thành phần dòng điện nạp (Ia) chính là dòng nạp vào tụ điện (cách điện) và giảm rất nhanh theo thời gian. Với cáp dài thì thời gian để dòng  điện nạp suy giảm và triệt tiêu càng lâu.

Thành phần dòng điện phân cực (Ib) là dòng điện gây ra bởi sự phân cực và sự tích tụ điện tích trong cách điện dưới tác dụng của điện áp một chiều tăng cao. Giá trị dòng điện phân cực rất nhỏ và có xu hướng giảm nhanh theo thời gian.

Thành phần dòng điện dẫn (Ic) phụ thuộc vào điện áp DC đặt vào nó và giá trị điện trở cách điện của cáp. Giá trị dòng điện rò hầu như chịu ảnh hưởng bởi giá trị dòng điện dẫn Ic của cách điện.

Hình 2 – Dòng điện rò trong cách điện dưới tác dụng của điện áp một chiều

3. Vấn đề gặp phải trên cách điện XLPE khi thí nghiệm bằng điện áp một chiều tăng cao.

Dưới tác dụng của điện áp DC sẽ tạo ra những điện tích không gian ( Space Charge) trong cách điện và tồn tại trong thời gian rất dài. Khi cáp được đưa vào vận hành với điện áp AC những điện tích không gian này sẽ gây ra ứng suất điện cục bộ và làm giảm tuổi thọ cách điện.

Điện áp một chiều thí nghiệm điển hình bằng khoảng 2 đến 3 lần điện áp phá hủy cách điện xoay chiều. Với điện áp cao như vậy là cần thiết cốt để phát hiện những khuyết tật tiềm ẩn trong cách điện. Tuy nhiên, việc sử dụng điện áp một chiều ở mức cao dễ gây ra hiện tượng quá ứng suất trong cách điện. Với cáp lực cũ có thể bị phá hủy cách điện sau khi thử cao áp DC mặc dù thực tế nó vẫn vận hành được dưới điện áp AC.

Ngược lại, sử dụng điện áp DC lại không mang lại hiệu quả trong việc tìm ra những khuyết tật thật sự trong cách điện. Với một sợi cáp có khuyết tật, điện áp phá hủy một chiều cao hơn nhiều so với điện áp phá hủy xoay chiều. Trong khi đó hầu hết các phép thử Acceptance ngoài hiện trường người ta đều giảm giá trị điện áp thí nghiệm DC xuống nhỏ hơn so với giá trị thí nghiệm xuất xưởng nên đôi khi vẫn không phát hiện ra khuyết tật trong cách điện mà vẫn kết luận cách điện đạt tiêu chuẩn vận hành. Vậy muốn phát hiện ra khuyết tật trong cách điện thì điện áp DC phải đủ cao. Rõ ràng điều này dấy lên lo ngại về sự bất cập của phép thử cao áp DC với cáp lực XLPE.

4. AC VLF Testing – Thử cao áp tần số thấp là một lựa chọn.

Với những vấn đề đã đề cập ở trên thì giải pháp thí nghiệm cáp lực bằng công nghệ VLF (Very Low Frequency) lần đầu tiên được giới thiệu năm 1986 đã mở ra cho chúng ta những thuận lợi và tiện ích nhất định. Điện áp thử AC với tần số 0,1Hz giúp công suất của thiết bị thử giảm đi 500 lần so với thử AC tại tần số 50Hz. Trong thời gian dài công nghệ này được dùng để thử nghiệm máy phát điện cỡ lớn.

Hình 3 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống VLF

VLF sử dụng một tín hiệu điện áp xoay chiều có tần số nhỏ hơn 1Hz. Tại Bắc Mỹ hầu hết người ta sử dụng tần số 0.1Hz  (hoặc nhỏ hơn như 0.05 Hz, 0.02 Hz, 0.01 Hz) để thí nghiệm cáp rất dài và có điện dung  rất lớn.

Phương pháp  thí nghiệm VLF cho cáp lực đã được đưa vào tiêu chuẩn Mỹ IEEE400.2 từ năm 2004 và tiêu chuẩn IEC 60502-2 năm 2014 và trở thành phương pháp thí nghiệm cho cáp lực tiên tiến nhất hiện nay.