Trái ngược với hệ thống cáp HVAC, năng lượng điện có thể được truyền đi với khoảng cách rất xa bằng cách sử dụng cáp HVDC. Ví dụ, các hệ thống cáp HVDC được lên kế hoạch cho Đức sẽ có chiều dài tương ứng khoảng 580 km (Liên kết Đông Nam) và khoảng 700 km (Liên kết Nam).
Tuy nhiên, do giới hạn vận chuyển về trọng lượng, chiều dài của một đoạn cáp bị giới hạn tối đa là khoảng 1km. Điều đó có nghĩa là cứ mỗi km cần có một hộp nối cáp. Do số lượng lớn các hộp nối này trong một đường dây nên độ tin cậy của nó là rất quan trọng. Dựa trên kinh nghiệm với hệ thống cáp HVAC, người ta cho rằng lỗi của phụ kiện này đóng vai trò chính trong việc khiến nguồn điện bị ngắt ngoài ý muốn với nguyên nhân chính là lỗi trong quá trình lắp đặt.
Lý do là những kiểu hư hỏng này thường có thể được phát hiện trong quá trình kiểm tra định kỳ theo yêu cầu của IEC 60840 và 62067 đối với cách điện chính của từng hộp nối (joints) cũng như đầu cuối (terminations). Câu hỏi đặt ra là liệu những kiểu hư hỏng tương tự này có được phát hiện trong quá trình kiểm tra định kỳ các hộp nối của cáp ở hệ thống HVDC hay không!
Lấy kinh nghiệm từ hộp nối cáp HVAC
Theo tiêu chuẩn IEC 60840 và 62067, mỗi hộp nối cáp cho ứng dụng điện áp cao AC phải được thử nghiệm định kỳ với điện áp AC 2.5U0 trong 30 phút và 2U0 trong 1 giờ. Ngoài ra, mỗi khớp phải vượt qua thử nghiệm phóng điện cục bộ ở 1.5U0.
Các thử nghiệm thông thường tương tự đối với các hộp nối AC cũng được yêu cầu bởi IEEE 404. Các thử nghiệm này nhằm đảm bảo rằng các hư hỏng trong lớp cách điện chính của các hộp nối do tạp chất, bọt khí hoặc lỗi trong quá trình sản xuất đã được phát hiện ngay trong nhà máy.
Tuy nhiên, ngay cả với các thử nghiệm định kỳ đối với các hộp nối và đầu cáp này, lỗi của các thành phần này vẫn là nguyên nhân chính dẫn đến việc mất nguồn điện trong hệ thống cáp AC. Ví dụ, kết quả điều tra của CIGRE về các hộp nối cáp AC giữa 220 kV và 500 kV cho thấy tỷ lệ hỏng hóc hàng năm là 0.048 hộp/ 100 hộp, tương đương 1/2000 hộp nối bị hỏng mỗi năm. Cũng theo cuộc điều tra này, thời gian để sửa chữa hệ thống cáp sau sự cố là khoảng 25 ngày.
Câu hỏi đặt ra là liệu người ta có thể ước tính tương tự tỷ lệ hư hỏng dự kiến của các hộp nối cáp HVDC hay không. Vì hầu hết các lỗi như vậy ở AC là do lỗi lắp đặt, nên có thể giả định rằng loại tỷ lệ lỗi này sẽ tương tự đối với DC. Tuy nhiên, có sự khác biệt trong các thử nghiệm thông thường cần thiết đối với các hộp nối cáp DC và những điều này có thể dẫn đến tỷ lệ hỏng hóc cao hơn nhiều so với hộp nối AC.
Điện trường trong hộp nối HVDC
Theo tiêu chuẩn IEC 62895, thử nghiệm điện áp DC ở nhiệt độ môi trường với mức điện áp 1.85U0 trong 1 giờ là bắt buộc đối với các hộp nối cáp HVDC. Thử nghiệm phóng điện cục bộ bổ sung là tùy chọn và các thông số cho thử nghiệm này phải được thỏa thuận giữa khách hàng và nhà sản xuất.
Nhưng trái ngược với điện AC, sự phân bố điện trường trong các hộp nối cáp HVDC rất nhạy cảm với nhiệt độ và có thể tăng cục bộ vài bậc nếu nhiệt độ của ruột dẫn tăng. Hình dưới là một ví dụ về sự thay đổi điện trường, cho thấy sự phân bố điện trường mô phỏng trong các hộp nối ở các nhiệt độ dây dẫn khác nhau.
Hình trên cho thấy điện trường bên dưới làm lệch hướng ở nhiệt độ dây dẫn 70°C cao hơn nhiều so với ở 20°C.
So sánh điện trường thử nghiệm
Hình dưới đây so sánh sự phân bố điện trường trong hộp nối cáp 320 kV DC trong quá trình thử nghiệm định kỳ (592 kV ở nhiệt độ dây dẫn 20°C) và trong khi vận hành (320 kV ở nhiệt độ dây dẫn 90°C). Trong quá trình vận hành ở nhiệt độ dây dẫn cao, điện trường phía trên điện cực giữa của hộp nối thấp hơn so với trong quá trình kiểm tra thông thường, nhưng điện trường phía dưới cao hơn nhiều.
Do đó trong quá trình vận hành ở nhiệt độ dây dẫn cao, điện trường bên dưới bộ làm lệch hướng cao hơn so với trong quá trình thử nghiệm thông thường.
Thực tế là điện trường bên dưới bộ chuyển hướng trong hộp nối cao hơn trong quá trình vận hành so với trong các thử nghiệm thông thường đặt ra câu hỏi liệu các khuyết tật như phần nhô ra ở bộ chuyển hướng hoặc tạp chất trong vật liệu cách điện có thể được phát hiện trong quá trình thử nghiệm thường xuyên hay không.
Tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của các khuyết tật như vậy, có thể chúng sẽ không dẫn đến điện áp đánh thủng trong quá trình thử nghiệm thông thường. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành ở nhiệt độ cao hơn và ở điện trường cao hơn cục bộ, những khiếm khuyết như vậy có thể dẫn đến hư hỏng. Kết luận là không phải tất cả các lỗi nghiêm trọng trong quá trình vận hành đều có thể được phát hiện trong quá trình kiểm tra định kỳ theo IEC 62895 và điều này sẽ dẫn đến tỷ lệ lỗi ở hộp nối tăng lên so với các hộp nối cáp AC.
Thông thường, các thử nghiệm định kỳ không được thực hiện trên cáp mà thực hiện trên các bộ mô phỏng. Tại DC, sự phân bố điện trường trong hộp nối phụ thuộc vào điện trở suất của lớp cách điện cáp và điều này cũng phải được xem xét trong thiết kế vật liệu cách điện của bộ chuyển đổi trong các thử nghiệm định kỳ.
Khuyến nghị kiểm tra định kỳ hộp nối cáp HVDC
Sự phân bố điện trường trong hộp nối cáp HVDC rất nhạy cảm với nhiệt độ và trong quá trình vận hành có thể cao hơn ở một số bộ phận của hộp nối so với trong các thử nghiệm thông thường. Do đó, nên thực hiện thử nghiệm thường xuyên không chỉ ở nhiệt độ phòng mà còn ở nhiệt độ cao hơn.
Điều này sẽ đảm bảo rằng điện trường trong tất cả các phần của khớp trong hai lần kiểm tra định kỳ cao hơn so với trong quá trình vận hành. Mặc dù thử nghiệm này ở nhiệt độ dây dẫn cao hơn là không bắt buộc theo IEC 62895, nhưng từ quan điểm độ tin cậy, nên tiến hành các thử nghiệm bổ sung như vậy. Ngoài ra, để đảm bảo rằng sự phân bố điện trường trong các hộp nối trong các thử nghiệm định kỳ tương ứng với sự phân bố đó trong quá trình vận hành.
Kết luận
Mô phỏng đã chỉ ra rằng điện trường trong một số bộ phận của hộp nối HVDC có thể cao hơn trong quá trình vận hành so với trong quá trình kiểm tra định kỳ DC theo tiêu chuẩn IEC 62895. Điều này có nghĩa là không phải tất cả các lỗi nghiêm trọng trong hộp nối đều có thể được phát hiện. Do đó, nên thực hiện kiểm tra định kỳ DC bổ sung với nhiệt độ cao hơn nữa.
Nếu không có thử nghiệm bổ sung như vậy trong quá trình kiểm tra định kỳ, sẽ có nguy cơ tỷ lệ hỏng hóc đối với các hộp nối cáp ở hệ thống HVDC khi đưa vào vận hành sẽ cao hơn so với hộp nối cáp HVAC..
