Cuộc tranh tài giữa máy cắt SF6 và máy cắt chân không

  Máy cắt chân không được sử dụng điển hình ở cấp điện áp trung áp từ 1 kV đến hơn 40 kV, đóng cắt dòng điện từ  100 A đến hơn 4000 A, khả năng cắt dòng sự cố từ 6 kA đến 63 kA. Các máy cắt này thích hợp đối với tần số công   nghiệp trong dải từ 16,66 Hz đến 400 Hz.

Do không ngừng được cải tiến, kích thước của máy cắt chân không điển hình cấp điện áp 15 kV giảm liên tục, đường kính buồng dập hồ quang  từ 180 mm năm 1967 giờ đây chỉ còn là 50 mm. Việc sử dụng vật liệu hợp kim Cu-Cr để chế tạo các tiếp điểm từ năm 1980 đã tạo ra một sự tiến bộ vượt bậc về tính năng làm việc so với trước đây khi còn sử dụng vật liệu đồng nguyên chất và các hợp kim khác như là Cu-Bi.

Công nghệ chân không là một trong số bốn công nghệ được sử dụng rộng rãi cho cấp điện áp trung áp để cắt mạch điện. Các công nghệ khác là không khí, dầu và khí SF6. Việc sử dụng máy cắt dầu và máy cắt không khí đã sụt giảm đáng kể trong vòng 30 năm qua (xem hình vẽ), và chỉ còn lại những đối thủ thực sự là máy cắt chân không và máy cắt SF6. Mặc dầu công nghệ SF6 chiếm vị thế áp đảo ở cấp điện áp cao, tuy nhiên công nghệ chân không lại được ưa chọn hơn đối với dải điện áp 1 - 40 kV, ở góc độ kỹ thuật cũng như môi trường.

Những mặt hạn chế của SF6

Thậm chí ngay cả khi công nghệ chân không được sử dụng để cắt dòng điện thì vẫn còn nhiều nhà sản xuất sử dụng SF6 làm môi chất cách điện trong các thiết bị đóng cắt cách điện bằng chất khí (gas insulated switchgear - GIS), kể cả ở các trạm mạch vòng và trạm biến áp. Nhiều yếu tố về môi trường chống lại việc sử dụng SF6 để cắt dòng điện và trong trường hợp này, những yếu tố đó lại càng thể hiện rõ hơn bởi vì SF6 là khí nhà kính nguy hại (một trong sáu loại khí đã được nêu đích danh trong Nghị định thư Kyoto), và SF6 lại nặng hơn không khí vì thế nếu bị rò rỉ trong một không gian hạn chế sẽ có thể gây ngạt thở.

Mặc dầu nồng độ khí SF6 trong khí quyển thấp hơn nhiều so với các loại khí nhà kính khác như CO2 và mêtan (CH4), nhưng tiềm năng gây ấm toàn cầu (global warming potential - GWP) của SF6 lại cao gấp 24.000 lần so với CO2, thời gian tồn tại của nó trong khí quyển ước tính là khoảng 3.200 năm so với 50 - 200 năm đối với CO2. Các thiết bị đóng cắt cách điện bằng chất khí cần được theo dõi thường xuyên để đảm bảo không có rò rỉ khí và phải có những biện pháp đề phòng đặc biệt khi cho thiết bị thôi làm việc. Trái lại, các hệ thống cắt điện trong chân không, sử dụng cách điện rắn nên an toàn và không cần phải bảo dưỡng.

Một nhược điểm nữa của SF6, đó là việc dập hồ quang hoặc hồ quang bên trong sẽ tạo ra một số sản phẩm phân hủy nguy hiểm và độc hại, nên khi làm việc với các thiết bị chứa khí SF6 cần có những biện pháp dự phòng đặc biệt. Đương nhiên là sử dụng các thiết bị chứa khí SF6 ở khu vực đô thị hay thậm chí bên trong các tòa nhà sẽ gặp nhiều rủi ro. Nghiêm trọng hơn nữa là việc phải xử lý những thiết bị đã hết hạn sử dụng, một vấn đề rất phức tạp, có thể so sánh với việc xử lý chất PCB (polychlorinated biphenyl) trong máy biến áp.

Cắt điện trong chân không

Những lợi ích cơ bản của việc cắt điện trong chân không ở cấp điện áp trung áp là: Tuổi thọ dài, tính năng điện vượt trội, vận hành không cần bảo dưỡng, chấp nhận được về mặt môi trường.

Tuổi thọ dài. Cắt dòng điện trong chân không là công nghệ đã được triển khai đầy đủ với độ tin cậy đã được khẳng định. Độ kín chân không được đảm bảo nhờ áp dụng các kỹ thuật hàn hiện đại trong lò chân không, nhờ đó buồng hồ quang giữ được độ chân không trong vòng ít nhất là 20 năm, vượt xa tuổi thọ cơ khí của máy cắt. Kinh nghiệm cho thấy nếu có xảy ra rò rỉ gioăng chèn kín thì chúng thường phát sinh sớm vì vậy những thử nghiệm khắt khe trong quá trình sản xuất sẽ đảm bảo phát hiện ra những sai lỗi như vậy trước khi thiết bị được đưa đến nơi lắp đặt. Các buồng cắt chân không của hãng Eaton cũng thỏa mãn các yêu cầu cao về tuổi thọ thao tác ngắn mạch qui định trong tiêu chuẩn IEC phiên bản mới nhất.

Tính năng vượt trội. Buồng cắt chân không cũng thích hợp cho những ứng dụng rất đa dạng ở cấp điện áp trung áp, bao gồm bảo vệ thứ cấp máy biến áp, cắt dòng sự cố ngay đầu đoạn đường dây, đóng cắt tụ điện và đóng cắt động cơ. Điện áp chịu đựng dòng xoay chiều tần số công nghiệp thường gấp từ 2 đến 4 lần giá trị điện áp vận hành bình thường, còn điện áp chịu đựng xung sét gấp 4 - 12 lần điện áp vận hành bình thường.

Vận hành không cần phải bảo dưỡng. Không cần phải kiểm tra thường xuyên và cũng không cần đến thiết bị theo dõi tốn kém để kiểm tra xem có bị rò rỉ khí hay không, như đối với thiết bị đóng cắt SF6.

Thân thiện với môi trường. Buồng cắt chân không được chế tạo từ các vật liệu có thể thu hồi và tái chế khi đã hết hạn sử dụng. Không chứa khí nhà kính, ví dụ như SF6, không chứa đựng rủi ro tiềm tàng đối với sức khỏe con người bởi những sản phẩm phân hủy tạo ra do phóng điện hồ quang. Không cần phải có những biện pháp phòng ngừa đặc biệt để bảo vệ môi trường khi xảy ra rò rỉ hay trong quá trình xử lý thiết bị đã hết hạn sử dụng.

Cách điện khí hay cách điện rắn?

Buồng cắt chân không có khả năng chịu được những điện áp rất cao, điều đó có nghĩa là có thể thiết kế với kích thước rất nhỏ gọn, ví dụ như với khe hở tiếp điểm là 9 mm có thể chịu được điện áp 24 kV hiệu dụng trong 1 phút, tức là mức cách điện cơ bản (basic insulation level  BIL) là 185 kV. Tuy nhiên, nếu chỉ xét về mặt kích thước thì yếu tố giới hạn chính lại là độ bền cách điện điện môi bên ngoài, ví dụ như một buồng dập hồ quang có chiều dài sứ cách điện là 150 mm sẽ chỉ có mức cách điện cơ bản là 125 kV ở trong không khí.

Vì lý do đó, người ta thường bao bọc buồng cắt chân không trong môi chất điện môi - khí SF6 hoặc dầu - để có thể làm giảm chiều dài buồng cắt và thu hẹp hơn khoảng không gian giữa các cực. Mức cách điện cơ bản của buồng cắt dài 150 mm được tăng lên đến 170 kV. Dầu ngày càng ít được sử dụng do nguy cơ hỏa hoạn, tuy nhiên khí SF6 vẫn còn được sử dụng phổ biến cho dù gặp phải một số vấn đề về môi trường như đã đề cập ở trên. Hơn nữa, nếu như bị rò rỉ khí thì đặc tính cách điện sẽ bị giảm đi một cách đáng tiếc.

Một phương pháp tiếp cận thay thế khác mà Eaton đã sử dụng trong hơn 25 năm qua là bọc buồng cắt chân không trong một hợp chất cách điện như polyurethane và/hoặc epoxy để giảm hơn nữa kích thước. Sử dụng dạng profin tạo nên các xiêm giống như các cách điện đường dây trên không, có thể tăng chiều dài đường rò để sử dụng cho vùng đô thị và vùng công nghiệp, nơi có mức độ ô nhiễm không khí cao hoặc nhiều ngưng tụ. Có khi toàn bộ buồng cắt chân không và thanh cái gắn với nó được đúc trong cách điện rắn, cũng có khi buồng cắt chân không được đặt trong vỏ cách điện rắn, và khoảng không gian giữa buồng cắt và vỏ cách điện được đổ đầy một loại vật liệu, ví dụ như polyurethane.

Khả năng chịu đựng điện áp cao

Thông thường, buồng cắt chân không phải chịu điện áp xoay chiều danh định tần số điện công nghiệp (quá điện áp xuất hiện khi thao tác đóng cắt trong hệ thống điện) bằng 2 - 4 lần điện áp danh định của hệ thống và điện áp xung sét danh định bằng từ 4 - 12 lần điện áp danh định của hệ thống.

Trong vận hành, máy cắt thường ở vị trí đóng vì thế mà các quá điện áp, ví như do sét, hầu như chỉ ảnh hưởng đến các cách điện giữa dây và đất hoặc giữa các dây với nhau. Khi có xung sét xuất hiện trên các tiếp điểm mở của buồng cắt chân không, điều này hiếm xảy ra, nó sẽ đánh thủng khe hở giữa các tiếp điểm đó, thì dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp chỉ chạy qua trong một nửa chu kỳ để rồi khi chạy qua giá trị 0, dòng điện sẽ bị cắt bởi các tiếp điểm đã mở. Đặc điểm này lại không có được ở các máy cắt kiểu thổi khí SF6, không khí hay máy cắt ít dầu vì rất có thể chúng đã bị nổ.

Đặc tính vốn có nữa của máy cắt chân không là các tiếp điểm được sửa một cách tự động. Các chỗ sần sùi có thể phát sinh trên các bề mặt tiếp xúc do các tiếp điểm va chạm nhau sẽ được mài nhẵn đi do hiện tượng phóng điện xảy ra khi mở các tiếp điểm khi máy cắt đang mang tải. Eaton đã lợi dụng đặc điểm này trong quá trình chế tạo máy cắt: sửa các tiếp điểm bằng cách đặt điện áp cao lấy từ nguồn có tổng trở lớn lên các tiếp điểm đang mở.

Buồng cắt chân không có tính năng rất cao khi vận hành đóng cắt dòng tải, vượt xa tuổi thọ cơ khí của tất cả các loại máy cắt và máy cắt đóng lặp lại (recloser) có lắp buồng cắt chân không. Do vậy, chúng được sử dụng để đóng cắt dòng điện trong ngành đường sắt, với yêu cầu về tuổi thọ điện và cơ khí là trên 250.000 lần thao tác, đóng cắt động cơ với trên 1 triệu lần thao tác, đóng cắt lò hồ quang và đóng cắt tụ điện.

Buồng cắt chân không luôn cắt được dòng điện hồ quang khi dòng điện đi qua giá trị 0 đầu tiên, một khi khe hở tiếp điểm đủ lớn để chịu được điện áp phục hồi. Hiện tượng mòn tiếp điểm chỉ xảy ra ở cực âm, thế nhưng do có rất nhiều vết chuyển động ngẫu nhiên quanh cực âm, kết quả là ăn mòn đồng đều. Vật liệu bị ăn mòn sẽ đọng đồng đều trên bề mặt cực dương. Tuy nhiên, cực tính của các tiếp điểm lại thay đổi một cách ngẫu nhiên, lúc thì là cực âm, lúc lại là cực dương. Vì thế mà hiệu ứng ăn mòn triệt tiêu nhau do vật liệu di chuyển qua lại giữa hai cực.

Sự ăn mòn chậm và đồng đều này cùng với việc ngắt hồ quang được thực hiện trong môi trường chân không do vậy điện trở tiếp xúc (Rc) luôn giữ ở mức thấp trong suốt thời gian tuổi thọ của buồng cắt chân không. Trái lại, điện trở tiếp xúc của máy cắt SF6 tăng lên trong trong thời gian tuổi thọ của máy do ảnh hưởng của các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt tiếp điểm trong khi và sau khi phát sinh hồ quang. Hơn nữa, bột florua kim loại do hồ quang tạo ra có thể tác động xấu tới sự hoạt động của máy cắt bởi đó là loại vật liệu cách điện.

Cắt ngắn mạch

Buồng cắt chân không cũng có tính năng vượt trội về cắt dòng ngắn mạch trong dải 2 - 63 kA hiệu dụng. Các buồng cắt chân không của hãng Eaton được thiết kế để cắt được dòng ngắn mạch toàn phần ít nhất là 100 lần. Trong thực tế, dòng sự cố bằng 80% dòng điện ngắn mạch danh định đã là chuyện hãn hữu còn hầu hết các sự cố đều có dòng thấp hơn nhiều.

Đối với dòng điện sự cố trên 5 kA thì nhất thiết phải khống chế hồ quang bởi vì nó có xu hướng co chặt lại ở dạng cột. Hai kỹ thuật được sử dụng, đó là từ trường ngang trục (transverse magnetic field - TMF) khiến cho hồ quang phải quay xung quanh các bề mặt tiếp điểm và từ trường dọc trục (axial magnetic field - AMF) làm khuyếch tán hồ quang. Hãng Eaton thiên về kỹ thuật AMF bởi vì có thể định dạng từ trường này sao cho đạt được tính năng cao áp tốt nhất có thể và duy trì được dạng này sau khi cắt ngắn mạch.

Điện áp phục hồi quá độ

Buồng cắt chân không với các tiếp điểm được chế tạo từ hợp kim Cu-Cr có khả năng chịu đựng tuyệt vời các điện áp phục hồi quá độ tăng nhanh, xuất hiện khi có sự cố thứ cấp ở máy biến áp, máy phát và các sự cố đầu đường dây trên không.

Sự cố thứ cấp ở máy biến áp. Khi buồng cắt chân không được đặt gần một máy biến áp công suất lớn thì tần số riêng rất cao của máy biến áp kết hợp với điện dung thấp tại các liên kết có thể gây ra một điện áp phục hồi quá độ rất nhanh, dưới 10 ms đối với sự cố thứ cấp, trong khi đó hằng số thời gian danh định (T3) đối với máy cắt trong nhà là 60 ms. Người ta đã chứng minh được rằng các buồng cắt chân không, tiếp điểm được làm bằng Cu-Cr sẽ cắt tin cậy được trên 99,9% số các sự cố thứ cấp ở máy biến áp.

Sự cố đầu đường dây trên không. Các đường dây trên không tạo ra điện áp phục hồi quá độ dạng răng cưa có sườn trước rất dốc khi có sự cố xảy ra ngay gần máy cắt. Đối với các buồng cắt SF6, tốc độ suy giảm nhiệt độ khí là cùng bậc với tốc độ gia tăng của điện áp phục hồi (rate of rise of recovery voltage - RRRV) khiến cho buồng cắt khó có thể chịu được RRRV này. Tuy nhiên đối với buồng cắt chân không, tốc độ suy giảm nhiệt độ plasma và nhiệt độ tức thời của cực âm lại cao hơn nên buồng cắt chân không sẽ chịu đựng dễ dàng điện áp phục hồi quá độ xuất hiện ở đầu đường dây trên không.

Cần tính đến sự tương tác giữa buồng cắt chân không và các thành phần điện cảm trong mạch điện phân phối (động cơ, máy biến áp và kháng bù ngang) khi xuất hiện các xung điện áp tại các đầu nối. Các xung này có thể là do sét gây ra hoặc do đóng hoặc cắt mạch điện. Áp dụng trên lưới điện phân phối các kỹ thuật triệt xung thông thường cũng có thể giải quyết được xung sét, vì thế cái mà ta cần quan tâm xem xét là vấn đề xung đóng cắt.

Nói chung, tất cả các công nghệ, dù là chân không, SF6, dầu hay không khí, cũng đều vấp phải những khó khăn rắc rối như nhau phát sinh khi đóng và mở mạch điện. Khi một thiết bị đóng cắt đóng mạch, có thể sẽ xảy ra phóng điện trước giữa các tiếp điểm đang khép vào, kết quả là có thể xuất hiện một sóng chạy tại thành phần cảm ứng và tại đó nó sẽ được phản xạ trở lại buồng cắt. Các sóng đó có thể chạy qua chạy lại nhiều lần và có thể gây phóng điện trở lại trong buồng cắt. Hiện nay đã có nhiều kỹ thuật triệt xung để bảo vệ động cơ, máy biến áp và cuộn kháng bù ngang khỏi ảnh hưởng của các xung này.

Đóng cắt tụ điện. Buồng cắt chân không loại tiếp điểm bằng hợp kim Cu-Cr tỏ ra rất hiệu quả trong việc đóng cắt các dàn tụ điện cho dù phải đóng cắt thường xuyên theo yêu cầu của hệ thống hiệu chỉnh hệ số công suất.

Máy cắt chân không và máy cắt đóng lặp lại (recloser) cùng loại có độ tin cậy cao đã được kiểm chứng, tính năng vượt trội đối với các ứng dụng ở các cấp điện áp trung áp khác nhau, đến 40 kV. Hơn nữa, cách điện rắn lại tương thích về kỹ thuật nhưng tốt hơn về mặt môi trường so với cách điện bằng khí SF6.