 |
|
Thử nghiệm ngoài trời trên qui mô thực, thực hiện từ sàn thao tác trên máy nâng tại phòng thí nghiệm của Viện EPRI, thành phố Lenox, bang Massachusetts, Hoa Kỳ. |
Yêu cầu thiết yếu đảm bảo an toàn cho công nhân làm việc với cách điện thanh composit (còn gọi là cách điện thanh polime hoặc cách điện thanh không phải là sứ - non ceramic insulator) đường dây truyền tải mà không cần cắt điện là khẳng định được tính nguyên vẹn cả về điện cũng như về cơ khí của cách điện thanh polime đã lắp đặt và của từng cách điện thanh dùng để thay thế.
Không như đối với cách điện sứ hoặc cách điện thủy tinh, khó có thể nhận diện cách điện composit kém chất lượng vì chưa có qui trình nào được mọi người chấp nhận đồng thời lại dễ áp dụng để thực hiện việc này, và vì hiện chưa có dụng cụ kiểm tra cách điện composit trước khi làm việc trực tiếp với điện. Kết quả là, một số công ty điện lực không muốn sử dụng cách điện thanh composit, còn các công ty điện lực có sử dụng cách điện thanh composit, có một số công ty tránh làm việc trực tiếp với điện trên các cấu trúc có sử dụng loại cách điện này.
Trước đây, chưa có dụng cụ xách tay nào để công nhân đường dây sử dụng nhằm phát hiện các cách điện thanh composit kém chất lượng. Tuy nhiên vào năm 2003, Viện EPRI đã khởi động dự án nghiên cứu chế tạo thử một thiết bị dò đơn giản dùng để đánh giá tính nguyên vẹn của cách điện thanh composit đã lắp đặt ở vị trí làm việc.
Hợp tác nghiên cứu chế tạo thử
Dự án ban đầu của Viện EPRI tập trung chủ yếu vào các cấu trúc thép thanh giàn 230 kV mạch kép, tuy nhiên các cấu trúc 230 kV kiểu khác cũng đã được xem xét. Đối với các cấu hình cách điện thanh được thử nghiệm, dự án đã xác định tỉ lệ phần trăm các cách điện composit có thể đã có tính dẫn điện trước khi làm giảm mức phóng điện bề mặt quá điện áp đóng cắt xuống dưới mức chấp nhận được. Thử nghiệm này cũng khẳng định việc sử dụng dụng cụ đo kiểu thang vạch (ladder meter) không phải là một lựa chọn khả thi để đánh giá tình trạng điện của cách điện thanh composit đang vận hành.
Một trong những đóng góp đáng kể mà dự án đã đem lại là xác định được độ dài tới hạn của khuyết tật mà dụng cụ kiểm tra phải nhận diện khi làm việc với các cấu hình cách điện thanh cụ thể được thử nghiệm. Dựa trên các thử nghiệm xung đóng cắt, khuyết tật tới hạn được định nghĩa là khuyết tật làm nối tắt, tức là làm ngắn mạch khoảng 18% chiều dài cách điện thanh. Đây là bước đầu tiên trong nỗ lực nghiên cứu chế tạo thử.
Từ kết quả của nỗ lực ban đầu, đã nhận diện được ý tưởng ban đầu về công nghệ giải quyết vấn đề và bắt đầu phát triển phần cứng. Song song với nỗ lực này, trong một dự án riêng, Viện EPRI đã thu thập thông tin chi tiết về các sự cố cách điện thanh composit tại hiện trường và đánh giá các cách điện thanh đã làm việc trong thời gian dài trên công trình. Các sự cố ở Bắc Mỹ (Mỹ và Canađa) đã được phân loại theo kiểu sự cố và lưu giữ trong cơ sở dữ liệu. Một số cách điện thanh đã làm việc trong thời gian dài và bị loại bỏ khỏi lưới điện cũng đã được mổ xẻ ra để phân tích.
Đặc điểm thích hợp
Trong quá trình triển khai dự án, đã xác định các đặc tính của thiết bị dò khuyết tật trong cách điện thanh. Máy dò này phải: Cho chỉ thị rõ ràng khi có khuyết tật nghiêm trọng hoặc khuyết tật tệ hơn và không nhạy với các khuyết tật ít nghiêm trọng.
- Phát hiện được các khuyết tật lớn trong cách điện thanh composit đang mang điện và bỏ qua những khuyết tật nhỏ;
- Sử dụng phương pháp hiện đã quen thuộc với thợ đường dây;
- Bền chắc để làm việc tại hiện trường và đơn giản trong sử dụng.
- Nhỏ và nhẹ để dễ xử lý;
- Biến dạng phân bố điện áp trên cách điện thanh phải ở mức thấp nhất.
Giải pháp
Nhóm nghiên cứu của Viện EPRI phát triển dụng cụ lắp trên sào thao tác có hai điện cực có lò xo đặt cách nhau khoảng 6 inch (152 mm). Đẩy các điện cực tì vào vỏ của cách điện thanh. Điện cao áp cao tần được đặt vào giữa các điện cực. Bộ dò nhận biết nhờ phản lực tác động thông qua các điện cực lò xo, đặt điện áp và bắt đầu thực hiện phép đo.
Cảm biến lắp sẵn trong điện cực nối đất nhận được tín hiệu trong quá trình đo. Bộ dò phân tích tín hiệu nhận được và thông báo cho người sử dụng biết phần được thử nghiệm có tính dẫn điện hay tính bán dẫn. Điều này giúp xác định cách điện thanh có bị tổn hại về điện hay không. Người sử dụng biết được kết quả dựa vào âm thanh phát ra và đèn màu đỏ hoặc xanh lá cây bật sáng. Thông tin chi tiết hơn cũng có thể đọc được, và được lưu trữ qua đường vô tuyến theo thời gian thực vào iPad hoặc thiết bị tương tự.
Người thực hiện tiến hành các thử nghiệm trên cách điện thanh theo từng nấc cách nhau 6 inch (152 mm), bắt đầu từ phía đầu nối có điện. Nếu nhận diện đoạn bị tổn hại về điện dài hơn chiều dài qui định trước, thì người thực hiện thử nghiệm ngừng đo và đánh giá liệu có nên làm việc trong điều kiện có điện tại vị trí làm việc này hay không.
Các thách thức trong quá trình triển khai
Nhóm nghiên cứu của Viện EPRI đã phải vượt qua nhiều thách thức khi lên kế hoạch phát triển máy dò khuyết tật trong cách điện thanh.
Để thực hiện được tốt các phép đo, máy dò cần được nối với phụ kiện đầu nối của cách điện khi đánh giá phần liền kề của cách điện. Thách thức là nếu dụng cụ có điện thế thả nổi ở gần phụ kiện đầu nối của cách điện thanh đang mang điện, hồ quang sẽ hình thành từ dụng cụ này sang phụ kiện đầu nối của cách điện thanh. Cần có đường nối điện đến phụ kiện đầu nối cách điện thanh để ngăn ngừa hồ quang phát sinh trong khi đánh giá phần liền kề của cách điện thanh. Nhưng với công nghệ đang được triển khai, đường nối điện tới phụ kiện đầu nối của cách điện có thể dẫn đến kết quả đo sai lệch.
Để giải quyết điều này, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một giải pháp liên quan đến việc tạo ra một điện cực bảo vệ có điện thế thả nổi, cụ thể là lồng Faraday, bao quanh các đầu dò và hộp thiết bị điện tử và có thể nối một cách an toàn vào các phần mang điện hoặc nối đất. Sau một vài lần thử đi thử lại, thiết kế bảo vệ điện thế thả nổi dùng cho máy dò đã thành công trong việc thực hiện các phép đo khi nối vào một phụ kiện đầu nối của cách điện thanh. Các thử nghiệm cũng cho thấy máy dò làm việc bền chắc hơn trong trường điện áp cao và khi nối vào phụ kiện đầu nối của cách điện thanh.
Một thách thức khác là vấn đề trọng lượng. Điều này rất quan trọng bởi vì nhân viên tại hiện trường phải vận hành dụng cụ này lắp ở đầu sào thao tác. Năm 2010, nhóm nghiên cứu đã giảm trọng lượng của bộ dò xuống còn 4,7 pao (2,13 kg), và đến năm 2011, đã giảm được trọng lượng xuống thấp hơn nữa.
 |
|
Xả dọc cách điện thanh composit loại bỏ khỏi lưới điện để quan sát hoạt động phóng điện bề mặt bên trong. Lưu ý thanh lõi đã được rút ra khỏi bao cách điện bằng cao su để thấy rõ hiện tượng phóng điện bề mặt trên mặt tiếp xúc giữa thanh lõi và cao su. |
Sau nhiều năm nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ở qui mô nhỏ, nhân viên đường dây của các công ty điện lực đã hoàn thành việc thử nghiệm ngoài trời trong điều kiện thực ở điện áp 345 kV lần đầu tiên vào tháng 6 năm 2010 tại phòng thí nghiệm của Viện EPRI ở Lenox, bang Massachusetts, Mỹ. Một số kết luận rút ra từ các thử nghiệm này:
• Dụng cụ thử nghiệm có thể thực hiện các phép đo có tính lặp lại được và nhất quán trên các cách điện thanh tốt cũng như các cách điện thanh có khuyết tật trên một dải điện áp, từ sàn thao tác trên máy nâng.
• Dụng cụ này có độ nhạy tốt với khuyết tật, cao hơn từ 50% đến 350% so với các phép đo gốc, tùy thuộc vào kiểu khuyết tật.
• Dụng cụ có thể sử dụng bộ nguồn bên trong nhỏ hơn so với yêu cầu, nhờ đó có thể giảm hơn nữa trọng lượng.
Một thách thức nữa được xác định là độ tin cậy của kết quả khi phép đo được thực hiện trong lúc hồ quang điện đang tắt trên các điện cực của thiết bị thử nghiệm. Ban đầu, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng các điện cực nối sử dụng để đảm bảo nối điện bộ dò tới phụ kiện đầu nối kim loại của cách điện thanh sẽ khắc phục được điều này, nhưng thực tế cho thấy phóng điện hồ quang ngoài ý muốn có thể xuất hiện trong lúc đo do sào thao tác chuyển dịch và do có khuyết tật. Cần phải tiếp tục nghiên cứu giải quyết các vấn đề này.
Các giai đoạn phát triển sau đó
Vẫn còn một số câu hỏi về quy trình thử ghiệm này. Về vấn đề tính lặp lại được, câu hỏi đặt ra là liệu một người sử dụng máy tiến hành nhiều phép thử trên cùng một đối tượng có thu được kết quả như nhau hay không? Liệu nhiều người khác nhau sử dụng máy thực hiện cùng một thử nghiệm có đạt được kết quả như nhau hay không? Để khẳng định câu trả lời cho các câu hỏi này, các thử nghiệm sau này phải được thực hiện theo kiểu không biết trước kết quả: Người tham gia không được biết tình trạng của cách điện thanh, như vậy mới đảm bảo kết quả không bị chỉnh sửa theo ý đồ chủ quan.
Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển thiết bị. Sau những nỗ lực đáng kể, đã giảm trọng lượng xuống còn 4 pao (1,8 kg) vào năm 2011. Có thể vẫn còn có nhiều cách khác để giảm trọng lượng và kích thước xuống nữa. Ngoài ra, phương pháp đo, các thuật toán và mạch điện tử đã được chỉnh sửa để đảm bảo thiết bị chịu đựng tốt hơn hoạt động phóng điện hồ quang kết thúc trên các điện cực. Nhóm nghiên cứu cũng cải thiện giao diện của thiết bị thử nghiệm dựa trên phản hồi từ nhân viên công ty điện lực tham gia vào thử nghiệm.
 |
|
Mẫu trình diễn công nghệ về máy dò cách điện thanh composit làm việc không cắt điện. |
Nhân viên của bảy công ty điện lực đã tiến hành một loạt thử nghiệm khác ở điện áp 138 kV vào tháng 6 năm 2011 tại phòng thí nghiệm của Viện EPRI tại Charlotte, bang Bắc Carolina, Mỹ. Các thử nghiệm này cho thấy tính lặp lại được thể hiện khi những người khác nhau sử dụng thiết bị này để thử nghiệm. Trong số 185 phép đo được thực hiện trong các lần thử nghiệm này, có 2 phép đo cho kết quả dương tính sai. Phân tích kết quả cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh các thuật toán để khắc phục vấn đề này.
Sau các thử nghiệm thành công ở phòng thí nghiệm ở Charlotte là các thử nghiệm trên qui mô thực làm việc không cắt điện tại phòng thí nghiệm cao áp của Viện EPRI tại Lenox vào tháng 9 năm 2011. Một nhóm nhân viên đường dây của các công ty điện lực và các chuyên gia đã đến hiện trường tham gia các thử nghiệm này. Trọng tâm của các thử nghiệm này là thực hiện thử nghiệm trên qui mô thực ở điện áp 345 kV với nhiều công nhân đường dây sử dụng các cấu hình giống hệt những gì mà công nhân tại hiện trường của công ty điện lực trải qua. Thử nghiệm đã được thực hiện trên chuỗi hình chữ I, chữ V và chuỗi néo.
Gần hoàn hảo
Các bộ dò quy mô thực đã được sử dụng cho thử nghiệm không đóng điện. Thiết bị thử nghiệm này đã nhận diện thành công các khuyết tật khi bộ dò được nối vào và không được nối vào các phụ kiện đầu nối của cách điện thanh. Dụng cụ cũng đã truyền kết quả một cách hiệu quả cho người làm thử nghiệm. Dụng cụ này dễ sử dụng khi lắp trên các sào thao tác điện áp 138 kV và 230 kV. Sử dụng với sào thao tác điện áp 345 kV tuy rất khó khăn nhưng không phải không làm được. Mặc dù chịu đựng tốt phóng điện hồ quang nhưng bộ thử chưa thể gọi là hoàn hảo. Theo dõi hoạt động của những người làm thử nghiệm và xem xét lại các kết quả, nhóm nghiên cứu nhận ra nhiều khu vực cần cải tiến để có thể điều khiển dụng cụ này dễ dàng hơn.
 |
|
Mẫu trình diễn của Viện EPRI về robot leo trên cách điện thanh. Dụng cụ dò cách điện thanh composit được đưa vào vị trí bằng sào thao tác, nhưng sau đó tự nó tiến hành thử nghiệm. |
Các thay đổi đã được thực hiện và nhân viên công ty điện lực cùng nhóm nghiên cứu Viện EPRI đã trở lại phòng thí nghiệm của Viện EPRI tại Lenox vào tháng 11 năm 2011 để đánh giá. Thử nghiệm được thực hiện không có bất cứ sai lỗi nào, tất cả các sửa đổi trước đó đều đem lại hiệu quả đúng như dự kiến. Bộ dò chịu đựng được phóng điện hồ quang, cho phép thực hiện các phép đo trong khi một hồ quang khá mạnh kết thúc ở phụ kiện đầu nối của cách điện thanh. Thử nghiệm này cũng đồng thời kiểm tra việc sử dụng dụng cụ có lắp vòng phân áp.
Để thương mại hóa sản phẩm, Viện EPRI hiện đang làm việc với một đơn vị sẽ sản xuất, cung cấp và hỗ trợ dụng cụ để làm việc không cắt điện trên sứ composit cho thị trường điện lực. Mười bộ dò hiện đang được chế tạo và sẽ cung cấp cho các công ty điện lực để đánh giá tại hiện trường và thông tin phản hồi sẽ được cung cấp cho nhóm nghiên cứu phát triển. Các bộ dò sẵn sàng để triển khai vào quí năm 2012. Vẫn còn cần phải tiến hành thêm một số nghiên cứu và thử nghiệm, cụ thể như hiệu chỉnh bộ dò để phù hợp với cách điện đứng, hoàn chỉnh các thuật toán và các qui trình thử nghiệm nhằm đảm bảo độ tin cậy.
Tiến tới sử dụng robot
Một kết luận rút ra từ thử nghiệm trên qui mô thực là sử dụng bộ dò lắp ở đầu sào thao tác 500 kV mà không cần sự hỗ trợ sẽ là rất khó khăn. Đã có các qui trình làm việc có thể xử lý vấn đề này, nhưng vào năm 2010, các nhà nghiên cứu của Viện EPRI đã nhận diện đây là một ứng dụng thích hợp cho kỹ thuật robot. Viện EPRI đã khởi động triển khai chiếc máy leo trên các vật cách điện, tải của máy leo là thiết bị dò khuyết tật.
Năm 2010, hoàn thành nghiên cứu khả thi và thiết kế chi tiết máy leo trên các vật cách điện. Năm 2011, chế tạo và thử nghiệm thành công thiết bị trình diễn công nghệ trên các chuỗi cách điện hình chữ I, chữ V và cách điện néo không mang điện. Sau đó, dụng cụ thử nghiệm cách điện thanh composit lắp ở đầu sào thao tác đã được tích hợp vào máy leo trên các vật cách điện và được thử nghiệm. Kết quả tỏ ra rất hứa hẹn: tính lặp lại được cao hơn so với các phép đo do người sử dụng sào thao tác thực hiện. Mặc dù việc thiết kế chế tạo thử là đầy thách thức và còn phải trải qua chặng đường dài, dự án cho thấy việc sử dụng robot trong tương lai có những lợi thế đáng kể, cụ thể là phép đo có tính lặp lại được cao hơn, giải quyết các vấn đề về công thái học, và loại bỏ nhu cầu con người làm việc trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp với điện.