An toàn là một yếu tố quan trọng trong lĩnh vực cung cấp điện do mọi rủi ro liên quan có ảnh hưởng khá nghiêm trọng đến thiết bị điện. Ví dụ, một sự cố bên trong cáp có thể dẫn đến hồ quang điện và nhiệt độ cao có thể dẫn đến cháy nổ. An toàn trở thành một vấn đề thậm chí còn quan trọng hơn khi nói về các cơ sở và thiết bị điện cao thế.
Tại Ý, mạng điện trung thế của ENEL có chiều dài khoảng 300.000 km. Khoảng 35% trong số này bao gồm cáp ngầm và chủ yếu là XLPE, EPR và một số là cáp PILC ở cấp điện áp 15 đến 20 kV. Trong hầu hết các trường hợp, các mạng cáp này được chôn và bảo vệ chống hư hại bằng gạch xi măng uốn cong hoặc tấm nhựa PVC tái chế. Lớp phủ chống cháy bao gồm vải silica, nhựa tự giãn nở, vật liệu phồng, ống co ngót nhiệt, thảm sợi gốm liên kết kỹ với tấm nhôm, cát, v.v.
Tuy nhiên, cáp điện cũng có thể được đặt ngầm trong đường hầm ở các khu đô thị. Trong những môi trường như vậy, ngọn lửa có thể lan rộng do không khí được lưu thông.
Nhà điều hành hệ thống Ý (TSO) Terna trong những năm gần đây cũng bắt đầu quan tâm đến hoạt động của hệ thống cáp ngầm cao thế với mục tiêu xác minh thiệt hại đối với các cáp liền kề, khả năng ngọn lửa cháy lan và cả khí thải. Về vấn đề này, các thử nghiệm đã được thực hiện trên cáp 400 kV 1600mm2 được đặt trong đường hầm thử nghiệm, trong đó sự cố được chủ động tạo ra bằng cách khoan một lỗ xuyên qua lớp cách điện và luồn dây kim loại để nối dây dẫn bên trong với vỏ bọc kim loại.
Dòng điện ngắn mạch sau sự cố gây ra sự hóa hơi của dây kết nối này và plasma được tạo ra đủ để duy trì hồ quang điện trong thời gian ngắn mạch. Kết quả chính là với dòng điện ngắn mạch là 63 kA, cần có khoảng cách 350mm ra xung quanh cáp để ngăn không cho ngọn lửa cháy lan sang các dây cáp khác. Với dòng điện ngắn mạch 40 kA, khoảng cách an toàn là 300 mm. Ngoài ra với dòng điện ngắn mạch 63 kV, cáp nên được chôn trong lớp trong cát ở độ sâu 1m.
Kiểm tra sự cố chớp hồ quang
Lỗi hồ quang điện đột ngột trong hệ thống điện có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị được lắp đặt và môi trường cũng như gây rủi ro cho an toàn nơi công cộng. Ở các khu đô thị có hệ thống phân phối hoặc truyền tải điện ngầm dưới đất, những sự cố như vậy cũng có thể ảnh hưởng đến nhân viên làm việc trên hệ thống hoặc thậm chí là những người dân ở gần khu vực cách mặt đất vài mét.
Việc sử dụng vật liệu hiệu suất cao, thiết bị thông minh, phương pháp lắp đặt phù hợp và tiêu chí thiết kế cũng không thể loại bỏ hoàn toàn rủi ro lỗi. Do đó, kịch bản này phải được thử nghiệm và đánh giá để xác minh độ tin cậy của các phương pháp tải điện này, đặc biệt là các đường day dẫn ngầm ở khu đô thị.
1. Bố trí thử nghiệm & lắp đặt
Mục đích của các thử nghiệm này là để đánh giá các tác động do hồ quang tạo ra theo các cách lắp đặt khác nhau, điển hình trên hệ thống cáp điện 400 kV XLPE (1 pha) được đặt trong đường hầm dưới đất ở khu đô thị. Việc tạo hồ quang đạt bằng phương pháp điển hình là dùng đinh cầu chì được lắp sẵn trên các mẫu.
Toàn bộ mẫu được nối dây với Aramid có độ dày và phương pháp ứng dụng khác nhau tùy theo điều kiện sử dụng. Dựa trên yêu cầu của khách hàng, toàn bộ cụm lắp ráp được đặt trong một đường hầm mẫu có chiều dài 8m và có diện tích 4m2. Ngoài ra, các cách lắp đặt khác nhau đã được mô phỏng ở hình dưới. Bằng cách này, kết quả thử nghiệm cho phép so sánh và đánh giá tốt hơn giữa các cách lắp đặt đang được sử dụng trong thực tế.
2. Đánh giá hiệu ứng hồ quang
Thử nghiệm hồ quang điện nhằm xác minh tác động của năng lượng hồ quang được giải phóng trong khoảng thời gian 1 giây ở dòng điện 63 kA (rms) thông qua các cách lắp đặt trên và so sánh với hiệu suất thiết kế dự kiến bằng cảm biến bên trong đường hầm để theo dõi các tác động chính của năng lượng từ hồ quang.
Các thiết bị và cảm biến chuyên dụng đã ghi lại một số đại lượng vật lý trong các phiên kiểm tra khác nhau. Các phép đo cường độ dòng điện và năng lượng hồ quang giải phóng được tích hợp với việc theo dõi mức tăng áp suất và nhiệt độ do hồ quang và sự lan truyền lửa dọc theo đường hầm.
Trong giây đầu tiên của hồ quang, nhiệt độ và áp suất tăng lên nhanh chóng. Khi không áp dụng giải pháp phòng cháy chữa cháy và trong trường hợp mẫu không lắp mối nối, nhiệt độ bên trong đường hầm tăng nhanh lên trên 650°C. Do hồ quang, hệ quả là năng lượng giải phóng ~90MJ cùng với lửa, sau khi dập tắt hồ quang tiếp tục gây hư hại nghiêm trọng cho hệ thống và lan truyền ngọn lửa sang các hệ thống lắp đặt đường ống khác.
Sóng áp suất tăng cao phát triển bên trong đường hầm do vụ nổ và các giá trị đo được là trên 10 bar. Hiệu ứng hình ảnh và âm thanh của vụ nổ đưa ra bằng chứng về tầm quan trọng của thử nghiệm như vậy để làm nổi bật những hậu quả có thể xảy ra mà đơn vị điện lực có thể phải quản lý trong tình huống thực tế.
Trong một mẫu thử nghiệm khác cũng không có mối nối nhưng lần này, hệ thống có trang bị phòng chống hỏa hoạn như dải Aramid xung quanh cáp và trong máng cáp. Kết quả lf nhiệt độ được đo dọc theo đường hầm xuống khoảng 380°C. Tuy nhiên, áp suất vãn có độ lớn như thử nghiệm trước đó.
Với mẫu cáp có mối nối đã cho thấy kết quả rất tệ, khi phần bị lỗi nằm trong mối nối và năng lượng giải phóng cao hơn đáng kể so với các thử nghiệm trước đó, trên 120 MJ, hồ quang cũng có chiều dài phóng điện lớn hơn.
Kết luận
Do sự phát triển của thị trường, một lượng lớn đường dây tải điện và trạm biến áp mới sẽ cần được lắp đặt và công suất hiện có sẽ phải đối mặt với việc nâng cấp. Đồng thời, các ví dụ về sự cố mất điện lớn gần đây đòi hỏi phải thực hiện các quy định nghiêm ngặt hơn ở nhiều quốc gia. Những tình huống này đang thúc đẩy các đơn vị điện lực cần thử nghiệm nhiều hơn như một cách để chứng minh rằng họ vãn cẩn thận khi lựa chọn thiết bị và công nghệ cho hệ thống điện.
Liên quan đến các giải pháp truyền tải điện ngầm, việc thử nghiệm các cách bố trí hệ thống cáp khác nhau tại CESI đã chứng minh khả năng ngăn chặn tác động từ hồ quang điện bên trong. Đặc biệt, sự phân bố nhiệt độ bên trong đường hầm đã giảm đáng kể, thậm chí với cùng mức năng lượng hồ quang.
Trong trường hợp lỗi xảy ra bên trong mối nối cáp, thường là lỗi thường gặp nhất trong mạng cáp điện ngầm, mức tăng năng lượng khoảng 40%. Việc áp dụng các biện pháp đối phó có liên quan như dùng dải băng chống cháy Aramid và máng cáp FRP chống cháy có thể giúp hạn chế các hư hại không mong muốn.
Tham khảo INMR
