Đầu nối và đầu nối cáp HV: Các vấn đề thường gặp và cách thực hành tốt nhất

Cáp cao áp có thể chạy hàng km mà không gặp sự cố. Các mối nối và điểm kết nối nó lại là một câu chuyện khác. Dữ liệu ngành luôn cho thấy rằng phần lớn các lỗi hệ thống cáp HV xảy ra không phải ở bản thân cáp mà tại các điểm kết nối này - nơi tay nghề của con người, khả năng tương thích vật liệu và sự tiếp xúc với môi trường đều hội tụ dưới áp lực điện cực lớn. Hiểu được điều gì sai và tại sao là bước đầu tiên để xây dựng hệ thống bền vững.

Tại sao các mối nối và đầu cuối là điểm dễ bị tổn thương nhất trong bất kỳ hệ thống cáp HV nào

Cáp nguồn XLPE hiện đại được thiết kế để hoạt động đáng tin cậy trong 30 đến 40 năm trong điều kiện định mức. Hệ thống cách nhiệt của họ được kiểm soát tại nhà máy, được thử nghiệm tại nhà máy và hầu như không bị ảnh hưởng bởi các biến động của nghiên cứu thực địa. Các khớp và đầu cuối thì không. Mọi thiết bị đều được lắp ráp bằng tay, tại chỗ, trong các điều kiện từ trạm biến áp được kiểm soát đến rãnh lầy lội trong thời tiết lạnh giá.

Thách thức là về điện cũng như về mặt vật lý. Ở điện áp cao, bất kỳ khoảng trống cực nhỏ, ô nhiễm bề mặt hoặc hình dạng không đều ở bề mặt tiếp xúc cáp-phụ kiện đều tạo ra điểm tập trung ứng suất. Sự phóng điện cục bộ bắt đầu tại những điểm này và nếu có đủ thời gian sẽ ăn mòn lớp cách điện cho đến khi xảy ra hư hỏng. Đây không phải là giả thuyết - đó là cơ chế sai sót tiêu chuẩn được quan sát thấy qua nhiều thập kỷ điều tra thực địa. Cáp chịu được; khớp hoặc chấm dứt nhường chỗ.

Thực tế này khiến cho việc lựa chọn tay nghề và vật liệu ở cấp độ phụ kiện cũng quan trọng như chính thông số kỹ thuật của cáp.

Các loại đầu nối và đầu cuối cáp HV

Việc chọn loại phụ kiện phù hợp bắt đầu bằng việc hiểu ứng dụng. Bảng dưới đây tóm tắt các loại chính được sử dụng phổ biến.

Đối với các dự án liên quan đến Cách điện XLPE so với các vật liệu cáp khác , việc lựa chọn loại phụ kiện phải tính đến tính chất hóa học cách điện - phụ kiện được thiết kế cho XLPE hoạt động khác nhau trên EPR hoặc PILC và việc trộn chúng mà không có các mối nối chuyển tiếp là nguyên nhân phổ biến dẫn đến hỏng hóc sớm.

Các chế độ lỗi phổ biến và nguyên nhân gốc rễ

Các cuộc điều tra sau sự cố trên các hệ thống HV liên tục xác định các cơ chế sự cố giống nhau. Không điều nào trong số đó là không thể tránh khỏi - tất cả đều có thể truy nguyên được từ các quyết định cụ thể, có thể phòng ngừa được được đưa ra trong quá trình thiết kế, mua sắm hoặc lắp đặt.

1. Loại bỏ màn hình bán dẫn không chính xác
Màn hình bán dẫn (dấu bán dẫn) trên cáp XLPE phải được tháo ra theo kích thước chính xác trước khi có thể lắp đặt khớp nối hoặc đầu cuối. Cắt quá sâu và dây dẫn bị đứt. Cắt sai góc và điện trường tập trung ở cạnh bậc thang, bắt đầu phóng điện một phần trong vòng vài giờ sau khi cấp điện. Đây là lỗi lắp đặt được trích dẫn thường xuyên nhất trong các lỗi phụ kiện co nhiệt và co nguội.

2. Độ ẩm xâm nhập và độ kín không đủ
Nước tại bề mặt tiếp xúc của cáp-phụ kiện có tính phá hủy theo hai cách: làm giảm điện trở bề mặt và dưới tác dụng của điện áp, nước tạo ra hiện tượng hình thành cây điện hóa xuyên qua ranh giới cách điện. Lỗi bịt kín thường diễn ra từ từ - việc kết thúc có thể hoạt động ở mức chấp nhận được trong nhiều năm trước khi chu kỳ nhiệt độ theo mùa mở ra một khe hở trong vật liệu co ngót đủ rộng để hơi ẩm xâm nhập. Việc lắp đặt ngoài trời và các mối nối chôn trực tiếp đặc biệt có nguy cơ gặp rủi ro này.

3. Ô nhiễm giao diện
Độ sạch của bề mặt cách nhiệt ở bề mặt tiếp xúc là rất quan trọng. Bụi, mảnh cáp do cắt hoặc chất bôi trơn silicon không đúng loại có thể tạo ra các đường dẫn điện hoặc hình thành khoảng trống bên dưới các phụ kiện đúc sẵn. Ngay cả dầu lấy dấu vân tay cũng đưa vào các chất gây ô nhiễm làm tăng tốc độ theo dõi bề mặt dưới áp lực điện áp. Kỷ luật phòng sạch không phải lúc nào cũng có thể đạt được tại chỗ, nhưng các quy trình được kiểm soát - khăn lau sạch, khu vực làm việc có mái che, bề mặt được kiểm tra - tạo ra sự khác biệt có thể đo lường được.

4. Quá tải nhiệt tại mối nối
Mối nối có kích thước hơi nhỏ so với tiết diện dây dẫn hoặc được uốn với lực không đủ sẽ có điện trở cao hơn bản thân cáp. Trong chu kỳ tải, điện trở chênh lệch này tạo ra nhiệt - làm tăng tốc độ lão hóa cách điện, làm tăng thêm điện trở. Vòng phản hồi này có thể gây ra lỗi ở mức tải thấp hơn công suất định mức của cáp. Dụng cụ nén phải được hiệu chỉnh theo tổ hợp ống nối và dây dẫn do nhà sản xuất phụ kiện chỉ định.

5. Lỗi nối đất và liên kết màn chắn
Liên kết màn hình không chính xác tại các khớp sẽ tạo ra dòng điện tuần hoàn làm nóng hệ thống cáp và, trong một số cấu hình, tạo ra điện áp tiếp xúc nguy hiểm trên vỏ bọc kim loại. Cả sơ đồ liên kết rắn và liên kết điểm đơn đều có các yêu cầu cụ thể phụ thuộc vào độ dài tuyến đường, điện áp hệ thống và đặc tính tải. Các sai sót ở đây không thể nhìn thấy được khi kiểm tra thường xuyên nhưng có thể đo lường được thông qua việc theo dõi dòng điện vỏ bọc. Để biết hướng dẫn chi tiết về cách bố trí nối đất, hãy tham khảo nối đất và thực hành nối đất thích hợp cho hệ thống cáp .

Các phương pháp cài đặt tốt nhất thực sự ngăn ngừa được lỗi

Các phương pháp thực hành sau đây trực tiếp giải quyết các nguyên nhân gốc rễ ở trên. Chúng được áp dụng bất kể loại phụ kiện là co nhiệt, co nguội hay đúc sẵn.

• Sử dụng các công cụ cắt đã được hiệu chỉnh với các điểm dừng độ sâu. Các công cụ loại bỏ dấu chấm phẩy có thanh dẫn hướng độ sâu có thể điều chỉnh giúp loại bỏ sự biến đổi khi cắt bằng tay. Khoản đầu tư này là tối thiểu so với chi phí cho việc nối lại hoạt động sau khi thất bại.
• Kiểm tra đường kính ngoài của cáp trước khi đặt hàng phụ kiện. Đường kính ngoài của cáp XLPE thay đổi tùy theo nhà sản xuất ngay cả trong cùng mức điện áp. Nhiều phụ kiện chỉ định phạm vi dung sai — cáp ở rìa phạm vi đó yêu cầu phải lựa chọn bộ sản phẩm đã được xác minh chứ không phải giả định.
• Tiến hành chuẩn bị bề mặt cách nhiệt đúng theo quy định. Điều này có nghĩa là làm sạch bằng chất mài mòn theo đúng hướng (thường không dùng bước dấu chấm phẩy), sau đó lau bằng dung môi bằng chất tẩy rửa đúng loại, theo đúng trình tự. Đảo ngược trật tự sẽ tái nhiễm bẩn bề mặt.
• Kiểm soát môi trường cài đặt. Nếu có thể, hãy dựng một nơi trú ẩn tạm thời cho các hoạt động nối ngoài trời. Độ ẩm trên 70% và bụi trong không khí là những nguyên nhân chính gây ra các giao diện bị ô nhiễm trong quá trình lắp đặt. Nếu thời tiết cản trở các điều kiện tuân thủ, công việc nên được hoãn lại.
• Thực hiện theo quá trình thu hồi co nhiệt trong một lần duy nhất, được kiểm soát. Truyền nhiệt không đều - di chuyển quá nhanh hoặc sử dụng ngọn lửa quá tập trung - để lại những khoảng trống bên dưới vật liệu bị co lại. Ngọn đuốc phải di chuyển chậm, ổn định cho đến khi vật liệu phục hồi hoàn toàn và có thể nhìn thấy chất kết dính chảy ra từ các đầu.
• Siết chặt mô-men xoắn tất cả các kết nối cơ khí theo thông số kỹ thuật. Các kết nối bắt vít với GIS hoặc ống lót máy biến áp phải được vặn bằng công cụ đã hiệu chỉnh - không bao giờ được ước tính bằng cảm giác. Ghi lại giá trị mô-men xoắn vào nhật ký cài đặt.
• Xác nhận sơ đồ liên kết trên bản vẽ trước khi bắt đầu công việc. Các quyết định liên kết màn chắn được thực hiện tại chỗ mà không tham khảo thiết kế mạng sẽ tạo ra các lỗi nối đất được mô tả ở trên. Người ghép không nên đưa ra các quyết định về kế hoạch liên kết một cách độc lập.

Giao thức kiểm tra và kiểm tra

Việc hoàn tất quá trình cài đặt không giống như việc xác minh nó. Ba giai đoạn thử nghiệm áp dụng cho các phụ kiện cáp HV: thử nghiệm sau khi lắp đặt, thử nghiệm bảo trì định kỳ và giám sát trong quá trình sử dụng.

Kiểm tra khả năng chịu điện áp xoay chiều sau khi lắp đặt
Thử nghiệm tiêu chuẩn sau khi lắp đặt yêu cầu hệ thống cáp hoàn chỉnh — bao gồm tất cả các mối nối và đầu cuối — chịu điện áp xoay chiều tăng cao trong một khoảng thời gian xác định. Đối với hệ thống trên 30 kV, IEC 60840, tiêu chuẩn quốc tế quản lý các phương pháp thử nghiệm dành cho hệ thống cáp HV từ 30 kV đến 150 kV , chỉ định cả mức điện áp và thời gian thử nghiệm. Cáp vượt qua thử nghiệm này chứng tỏ rằng không có lỗi lắp đặt tổng thể nào — mặc dù thử nghiệm phóng điện một phần cung cấp khả năng kiểm tra nhạy hơn đối với các lỗi tiềm ẩn.

Đo lường phóng điện cục bộ (PD)
Thử nghiệm PD phát hiện sự phóng điện ở phạm vi pico-coulomb xảy ra bên trong các khoảng trống hoặc tại các bề mặt bị ô nhiễm trước khi chúng gây ra hư hỏng nhìn thấy được. Đặc biệt đối với các mối nối điện áp truyền tải, phép đo PD sau khi lắp đặt được IEC 60840 khuyến nghị mạnh mẽ và đã trở thành thông lệ tiêu chuẩn cho các dự án cơ sở hạ tầng quan trọng. Mối nối có hoạt động PD trên mức nền cần được kiểm tra trước khi hệ thống được đưa vào vận hành dưới tải.

Nhiệt kế hồng ngoại
Sau khi hệ thống được cấp điện, các cuộc khảo sát nhiệt độ định kỳ về các đầu cuối có thể tiếp cận sẽ phát hiện những bất thường về nhiệt cho thấy các kết nối điện trở, các điểm uốn không đủ hoặc sự suy giảm lớp cách điện đang phát triển. Các đầu cuối của thiết bị đóng cắt ngoài trời đặc biệt dễ tiếp cận đối với kỹ thuật này. Các cuộc khảo sát được thực hiện trong điều kiện tải trọng đại diện — không phải tải nhẹ — mang lại giá trị chẩn đoán cao nhất.

Kiểm tra tính toàn vẹn của vỏ bọc
Vỏ bọc bên ngoài của hệ thống cáp có khớp nối phải được kiểm tra sau khi lắp đặt bằng cách đặt điện áp DC giữa màn chắn kim loại và đất. Điện trở vỏ bọc thấp cho thấy hư hỏng vật lý đối với lớp vỏ ngoài — từ hoạt động lắp đặt, nén chặt hoặc sự can thiệp của bên thứ ba — và xác định các vị trí cần sửa chữa trước khi chôn lấp hoặc lắp đặt cố định.

Chọn đúng loại cáp để hỗ trợ các mối nối đáng tin cậy

Hiệu suất của phụ kiện không thể tách rời khỏi chất lượng kết cấu cáp. Đầu cuối được lắp đặt tốt trên cáp có kích thước không nhất quán hoặc bề mặt không hoàn hảo vẫn sẽ hoạt động kém. Điều này làm cho việc lựa chọn cáp trở thành nền tảng của việc lắp đặt phụ kiện đáng tin cậy.

Đối với các ứng dụng truyền tải điện áp cao, Cáp điện cao áp XLPE dùng cho hệ thống truyền tải danh định 66–500 kV được thiết kế để duy trì hình dạng bên ngoài và độ hoàn thiện bề mặt nhất quán — điều kiện tiên quyết cho các đầu cuối đúc sẵn và GIS dựa vào áp suất bề mặt được kiểm soát. Đối với các dự án ở cấp độ phân phối, Cáp XLPE trung thế định mức 6–35kV mang lại sự ổn định về kích thước và kết cấu dây dẫn mà các phụ kiện co nhiệt và co nguội yêu cầu để bịt kín lâu dài một cách đáng tin cậy.

Đối với các mạng điện áp thấp hơn áp dụng cả hai loại cáp, Cáp điện cách điện XLPE và PVC cho ứng dụng 6–1kV có sẵn trong các cấu hình phù hợp với yêu cầu chấm dứt cả trong nhà và ngoài trời.

Bất kể cấp điện áp, cáp và phụ kiện phải được chỉ định cùng nhau - xác nhận tính tương thích của loại cách điện, phạm vi mặt cắt dây dẫn và dung sai đường kính ngoài. Các nhà sản xuất phụ kiện công bố dữ liệu về khả năng tương thích của cáp; xác minh dữ liệu này trước khi mua sắm là một bước đơn giản giúp loại bỏ một trong những nguồn phổ biến nhất khiến việc lắp đặt không khớp tại chỗ.