Trong quá trình lắp đặt, nghiệm thu và bảo trì hệ thống điện cao áp, các khuyết tật nhỏ bên trong lớp cách điện, đầu cáp, mối nối hoặc khoang GIS có thể không được phát hiện bằng phép đo điện trở cách điện thông thường. Vì vậy, thử nghiệm điện áp chịu đựng AC kết hợp đo phóng điện cục bộ – Partial Discharge, gọi tắt là PD – là giải pháp quan trọng để đánh giá chất lượng cách điện trước khi đưa thiết bị vào vận hành.

Đối với cáp lực dài, tủ GIS và các thiết bị có điện dung lớn, hệ thống thử cộng hưởng tần số biến đổi giúp tạo điện áp thử cao đến hàng trăm kilovolt nhưng chỉ cần nguồn đầu vào có công suất tương đối nhỏ.

Nguyên lý thử cộng hưởng tần số

Hệ thống thử gồm nguồn biến tần, máy biến áp kích thích, cuộn kháng cộng hưởng, bộ chia điện áp, thiết bị điều khiển và hệ thống đo PD.

Điện dung của đối tượng thử CCC được kết hợp với điện cảm của cuộn kháng LLL. Nguồn điều khiển thay đổi tần số cho đến khi mạch đạt trạng thái cộng hưởng:

f=12πLCf=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}f=2πLC​1​

Tại điểm cộng hưởng, điện áp trên đối tượng thử được khuếch đại lên mức yêu cầu, trong khi nguồn cấp chủ yếu chỉ phải bù phần tổn hao của mạch. Nhờ đó, hệ thống có thể thử các tải điện dung lớn như cáp ngầm dài hoặc GIS mà không cần một máy biến áp thử nghiệm 50 Hz có công suất rất lớn.

Tần số thử, số lượng cuộn kháng mắc nối tiếp hoặc song song và cấu hình hệ thống sẽ được lựa chọn theo điện dung của đối tượng, điện áp yêu cầu và công suất thiết bị thử.

Hai phép thử được thực hiện đồng thời

Thử điện áp chịu đựng AC

Điện áp được tăng dần theo trình tự đã phê duyệt và duy trì trong thời gian quy định nhằm kiểm tra khả năng chịu điện của toàn bộ hệ thống cách điện.

Phép thử giúp phát hiện các tình trạng nghiêm trọng như:

• Suy giảm hoặc hư hỏng cách điện;
• Sai sót trong quá trình lắp đặt đầu cáp và hộp nối;
• Khoảng cách cách điện không bảo đảm;
• Vật lạ, bụi bẩn hoặc độ ẩm trong thiết bị;
• Phóng điện bề mặt hoặc hiện tượng đánh thủng khi tăng điện áp.

Điện áp và thời gian thử không sử dụng một giá trị chung cho mọi thiết bị mà phải căn cứ vào cấp điện áp, điện áp lớn nhất của thiết bị UmU_mUm​, loại phép thử, tiêu chuẩn áp dụng, tài liệu nhà sản xuất và yêu cầu của dự án.

Đo phóng điện cục bộ PD

Phóng điện cục bộ là hiện tượng phóng điện chỉ xảy ra tại một phần của hệ thống cách điện và chưa tạo thành đường dẫn đánh thủng hoàn toàn giữa hai điện cực.

PD có thể xuất hiện tại:

• Bọt khí hoặc khe rỗng trong vật liệu cách điện;
• Vị trí bóc bán dẫn đầu cáp không đạt;
• Đầu cáp hoặc hộp nối lắp đặt sai kỹ thuật;
• Điểm nhọn, ba via kim loại trong GIS;
• Hạt kim loại chuyển động bên trong khoang GIS;
• Bề mặt cách điện bị nhiễm bẩn hoặc ẩm;
• Tiếp xúc điện không tốt gây tập trung điện trường.

IEC 60270:2025 quy định phương pháp đo PD dựa trên điện tích biểu kiến đối với thiết bị thử bằng điện áp AC đến 500 Hz hoặc điện áp DC. Đối với phương pháp điện từ và âm thanh như HF, VHF, UHF hoặc acoustic, có thể tham khảo IEC TS 62478:2016.

Kết quả PD cần được phân tích tổng hợp dựa trên biên độ, điện áp khởi phát PD, điện áp tắt PD, dạng phân bố theo pha PRPD, vị trí phát sinh, nhiễu nền và giới hạn của nhà sản xuất. Không nên chỉ dựa vào một giá trị pC đơn lẻ để kết luận tình trạng thiết bị.

Phạm vi ứng dụng đến cấp điện áp 220 kV

Cáp lực cao áp và siêu cao áp

Hệ thống cộng hưởng đặc biệt phù hợp với:

• Cáp XLPE trung áp và cao áp;
• Cáp ngầm 66 kV, 110 kV và 220 kV;
• Tuyến cáp mới lắp đặt;
• Cáp sau khi sửa chữa hoặc thay đầu cáp;
• Hệ thống có nhiều đầu nối, hộp nối trung gian;
• Cáp đấu nối máy biến áp, GIS và trạm điện.

IEC 60840 áp dụng cho hệ thống cáp cách điện đùn có điện áp danh định trên 30 kV đến 150 kV, tương ứng UmU_mUm​ đến 170 kV. Đối với hệ thống cáp 220 kV, IEC 62067:2022 là tiêu chuẩn quan trọng, áp dụng cho cáp và phụ kiện có điện áp danh định trên 150 kV đến 500 kV, tương ứng UmU_mUm​ từ 170 kV đến 550 kV.

Tủ GIS đến 220 kV

Đối với GIS, thử cao áp kết hợp PD có khả năng kiểm tra toàn bộ chuỗi cách điện sau khi thiết bị được vận chuyển, lắp ráp và đấu nối tại công trường.

Các vị trí cần quan tâm gồm:

• Khoang máy cắt;
• Dao cách ly và dao tiếp địa;
• Thanh cái GIS;
• Đầu cáp GIS;
• Sứ xuyên và đầu nối máy biến áp;
• Khoang đo lường CT, VT;
• Các mặt bích và vị trí lắp ghép tại công trường.

IEC 62271-203:2022 quy định các yêu cầu đối với thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí có điện áp danh định trên 52 kV, lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời, với tần số vận hành đến 60 Hz. Tiêu chuẩn này là cơ sở quan trọng khi xây dựng phương án thử nghiệm GIS 110–220 kV.

Ngoài phương pháp đo PD truyền thống, GIS thường được giám sát bằng cảm biến UHF tại các cửa sổ hoặc vị trí cảm biến chuyên dụng. Kết hợp nhiều cảm biến có thể hỗ trợ xác định khoang phát sinh tín hiệu và phân biệt PD nội bộ với nhiễu từ môi trường.

Quy trình thử nghiệm cơ bản

Trước khi thử, kỹ sư phải kiểm tra hồ sơ thiết bị, sơ đồ đấu nối, kết quả đo cách điện, tình trạng tiếp địa, áp suất khí GIS, đầu cáp, khoảng cách an toàn và khả năng cô lập đối tượng khỏi các thiết bị không tham gia thử.

Quy trình thực hiện thường gồm:

1. Khảo sát và tính toán điện dung của đối tượng thử.
2. Lựa chọn cấu hình cuộn kháng và dải tần số phù hợp.
3. Lắp đặt nguồn biến tần, máy biến áp kích thích, cuộn kháng và bộ chia điện áp.
4. Bố trí mạch đo PD, cảm biến UHF hoặc thiết bị ghép đo thích hợp.
5. Kiểm tra nối đất, liên động và vùng cấm cao áp.
6. Đo nhiễu nền và kiểm tra độ nhạy của hệ thống PD.
7. Tăng điện áp theo từng cấp, theo dõi dòng điện, điện áp và tín hiệu PD.
8. Duy trì điện áp thử trong thời gian quy định.
9. Giảm điện áp về 0, cắt nguồn, tiếp địa và xả điện hoàn toàn.
10. Phân tích dữ liệu, lập biên bản và phát hành báo cáo thử nghiệm.

Các yêu cầu chung về kỹ thuật thử cao áp được đề cập trong IEC 60060-1:2025; đối với thử nghiệm tại hiện trường có thể tham khảo IEC 60060-3:2006.

Giá trị của thử cao áp kết hợp PD

Thử điện áp chịu đựng cho biết hệ thống có chịu được mức điện áp quy định hay không, trong khi phép đo PD cung cấp thêm thông tin về các khuyết tật đang phát triển nhưng chưa gây đánh thủng ngay tại thời điểm thử.

Việc kết hợp hai phép thử giúp:

• Đánh giá chất lượng lắp đặt trước khi đóng điện;
• Phát hiện sớm sai sót tại đầu cáp và hộp nối;
• Hạn chế sự cố sau khi đưa thiết bị vào vận hành;
• Xác định vị trí bất thường để xử lý có mục tiêu;
• Lưu dữ liệu ban đầu phục vụ so sánh và theo dõi về sau;
• Nâng cao độ tin cậy cho hệ thống cáp và trạm GIS 110–220 kV.

An toàn là yêu cầu bắt buộc

Thử nghiệm có thể tạo ra điện áp đến hàng trăm kilovolt và năng lượng tích trữ lớn trên đối tượng thử. Khu vực thử phải được rào chắn, cảnh báo, kiểm soát người ra vào và thực hiện nối đất theo quy trình.

Sau khi kết thúc thử, cáp, GIS và toàn bộ phần tử điện dung phải được xả điện và tiếp địa chắc chắn trước khi tháo dây. Thiết bị đo điện áp, PD và các bộ phận bảo vệ phải còn hiệu lực hiệu chuẩn hoặc kiểm tra xác nhận phù hợp.

Hình ảnh thực tế: Hệ thống thử cộng hưởng tần số biến đổi gồm nguồn điều khiển cao áp, máy biến áp kích thích, cuộn kháng cộng hưởng ghép tầng, bộ chia điện áp và hệ thống đo – phân tích PD tại công trường.

An Khang Electric – Giải pháp thử nghiệm cao áp AC, chẩn đoán phóng điện cục bộ PD cho cáp lực, GIS và thiết bị điện đến cấp điện áp 220 kV.