Nguyên nhân phổ biến của sự cố dây cáp sớm và cách ngăn ngừa chúng

Cáp điện dùng để phân phối điện công nghiệp, thương mại và đô thị được phân loại thành loại hạ thế (0,6/1 kV) và trung thế (3,6/6 kV, 6/10 kV, 8,7/15 kV). Do sự khác biệt về ứng suất điện, yêu cầu cách điện và tiêu chuẩn dung sai lắp đặt, cơ chế đằng sau các lỗi ở giai đoạn đầu của chúng khác nhau đáng kể:

• Cáp hạ thế (0,6/1 kV): Lỗi chủ yếu do hư hỏng cơ học, quá tải nhiệt, bịt kín tại chỗ kém và ăn mòn môi trường. Với ứng suất điện thấp hơn, sự cố cách điện tự phát hiếm khi xảy ra; hầu hết các lỗi đều xuất phát từ việc lắp đặt không đúng cách và vận hành kéo dài trong điều kiện quá tải nhẹ.
• Cáp trung thế (3,6 kV–15 kV): Sự cố chủ yếu do phóng điện cục bộ, suy giảm cách điện do đọng nước, chế tạo mối nối không đạt tiêu chuẩn và ứng suất điện quá mức. Ngay cả những lỗi lắp đặt nhỏ cũng có thể ngày càng trầm trọng hơn dưới tác động của điện trường cao áp kéo dài, cuối cùng dẫn đến sự cố và vấp ngã không thể khắc phục được.

Số liệu thống kê lắp đặt tại hiện trường chỉ ra rằng hơn 85% lỗi cáp giai đoạn đầu có thể phòng ngừa được và do yếu tố con người gây ra chứ không phải do lỗi nguyên liệu thô. Việc lắp đặt được tiêu chuẩn hóa, quy trình làm việc dựa trên tham số và các biện pháp bảo vệ môi trường có mục tiêu là những chiến lược chính để ngăn ngừa những lỗi như vậy.

Thiệt hại cơ học xảy ra trong quá trình vận chuyển, lắp đặt và san lấp chiếm 42% trong tổng số các sự cố cáp giai đoạn đầu. Nhiều nhóm lắp đặt bỏ qua các thông số kỹ thuật liên quan đến bán kính uốn, lực kéo và các biện pháp bảo vệ bên ngoài, dẫn đến hư hỏng tiềm ẩn bên trong; mặc dù những hư hỏng như vậy có thể không gây ra sự cố ngay lập tức nhưng nó thường dẫn đến đứt cáp sau một đến ba năm hoạt động.

Các hành vi không tuân thủ chính:

• Uốn quá mức: Vi phạm tiêu chuẩn về bán kính uốn tối thiểu sẽ gây ra hiện tượng nén lớp cách nhiệt và hình thành các vết nứt nhỏ bên trong. Cáp MV có các vết nứt nhỏ rất dễ bị phóng điện cục bộ và lão hóa cây nước trong môi trường ẩm ướt.
• Kéo quá mức: Lực kéo vượt quá giới hạn cho phép của dây dẫn dẫn đến biến dạng của dây dẫn bị mắc kẹt và bong tróc lớp cách điện.
• Bảo vệ chèn lấp không đúng cách: Đá cứng hoặc các hạt đất sắc nhọn nén trực tiếp vào vỏ bọc bên ngoài của cáp, gây đứt vỏ bọc và hơi ẩm xâm nhập.

Mỗi vật liệu cách điện cáp đều có nhiệt độ hoạt động dài hạn tối đa cụ thể. Nếu nhiệt độ vận hành liên tục vượt quá giới hạn tiêu chuẩn này, nó sẽ đẩy nhanh quá trình xuống cấp của chuỗi phân tử polymer, giảm điện trở cách điện và dẫn đến lão hóa cách điện và đánh thủng điện môi. Polyetylen liên kết ngang (XLPE) và polyvinyl clorua (PVC)—các vật liệu cách điện phổ biến nhất cho cáp hạ thế (LV) và trung thế (MV)—mỗi loại đều có giới hạn nhiệt độ được xác định rõ ràng.

Nhiệt độ môi trường xung quanh quá cao, xếp chồng khay cáp không đúng cách và hoạt động quá tải kéo dài đều có thể khiến cáp hoạt động trên nhiệt độ định mức. Ngay cả khi nhiệt độ vượt quá 10–15°C kéo dài cũng có thể làm giảm hơn 60% tuổi thọ của cáp.

Việc bịt kín đầu cuối kém, chất lượng không đạt tiêu chuẩn của các mối nối trung gian và hư hỏng lớp vỏ bên ngoài đều có thể tạo điều kiện cho hơi ẩm xâm nhập vào lớp cách nhiệt. Dưới tác động của điện trường trong cáp MV, các phân tử nước hình thành nên các đường dẫn điện dạng đuôi gai được gọi là “cây nước”; những con đường này lan truyền dần dần, cuối cùng dẫn đến đánh thủng lớp cách điện. Trong khi cường độ điện trường trong cáp hạ thế thấp hơn—làm cho hiện tượng lão hóa của cây nước ít rõ rệt hơn—sự xâm nhập của hơi ẩm trong môi trường ẩm ướt vẫn có thể làm giảm điện trở cách điện và gây ra sự cố đoản mạch.

Các mối nối và đầu cuối cáp là những điểm yếu trong mạch phân phối điện, chiếm 35% số vụ hỏng cáp trung thế (MV) sớm. Các vấn đề thường gặp bao gồm độ sâu tước không nhất quán, bề mặt cách nhiệt chưa được làm sạch hoàn toàn, độ uốn không đạt tiêu chuẩn và độ kín không đủ. Những khiếm khuyết này có thể gây ra biến dạng điện trường cục bộ, phóng điện một phần và tích tụ nhiệt, cuối cùng dẫn đến cháy nổ và đánh thủng điện môi.

Vỏ cáp bị lão hóa nhanh chóng khi phơi ngoài trời, chôn trong các cơ sở xử lý hóa chất hoặc lắp đặt ở các khu vực ven biển bị phun muối. Việc tiếp xúc với tia cực tím trong thời gian dài gây ra vết nứt ở vỏ bọc PVC/PE tiêu chuẩn, trong khi đất có tính axit hoặc kiềm và bụi phun muối ăn mòn áo giáp và dây dẫn kim loại, dẫn đến quá nhiệt cục bộ và đứt dây dẫn.

Bảng này tóm tắt các thông số lắp đặt và vận hành được tiêu chuẩn hóa cho cáp hạ thế (LV) 0,6/1 kV và cáp trung thế (MV) 8,7/15 kV thông thường. Nó tuân thủ các tiêu chuẩn IEC 60502 và GB/T 12706 và đóng vai trò là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư và nhà thầu tiến hành kiểm tra lắp đặt tại chỗ.

Bối cảnh dự án: Một khu sản xuất sử dụng cáp hạ thế cách điện PVC 0,6/1 kV trong hệ thống phân phối điện của nhà xưởng. Mặc dù cáp được thiết kế để có tuổi thọ sử dụng 25 năm nhưng nhiều mạch đã gặp phải lỗi—bao gồm lão hóa cách điện, ngắt mạch ngắn mạch và nứt vỏ bọc—trong vòng chưa đầy 5 năm hoạt động.

Phân tích nguyên nhân gốc rễ:

• Nhiệt độ môi trường xung quanh xưởng luôn dao động từ 42°C đến 48°C, nhưng không áp dụng mức giảm công suất mang dòng trong quá trình lắp đặt; do đó, cáp PVC hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ định mức vượt quá 70°C.
• Cáp được xếp chồng sâu tới ba lớp trong khay cáp, dẫn đến khả năng tản nhiệt kém và nhiệt độ cục bộ lên tới 85°C.
• Vỏ bọc PVC tiêu chuẩn được sử dụng cho các đoạn cáp ngoài trời; thiếu khả năng chống tia cực tím, dây cáp nhanh chóng bị lão hóa và nứt.

Giải pháp và biện pháp phòng ngừa:

• Thay thế cáp PVC ở vùng nhiệt độ cao bằng cáp polyetylen (XLPE) liên kết ngang định mức 90°C và áp dụng hệ số suy giảm 0,93 để tính đến môi trường nhiệt độ cao.
• Tối ưu hóa cách bố trí khay cáp bằng cách giới hạn chiều cao xếp chồng ở hai lớp trở xuống và đảm bảo khoảng cách thích hợp để tản nhiệt.
• Sử dụng vỏ bọc PE chống tia cực tím cho tất cả các loại cáp ngoài trời, giải quyết hiệu quả các vấn đề lão hóa do các yếu tố môi trường bên ngoài gây ra.

Bối cảnh dự án: Một dự án cáp ngầm đô thị 10kV (8,7/15kV) đã xảy ra sự cố cách điện đột ngột và mất điện sau bốn năm vận hành. Phân tích lỗi cho thấy hiện tượng lão hóa cây nước điển hình ở lớp cách điện cáp.

Phân tích nguyên nhân gốc rễ:

• Các đầu cáp không được bịt kín bằng nắp co nhiệt trong quá trình vận chuyển và bảo quản tại chỗ, khiến nước mưa và không khí ẩm xâm nhập.
• Tay nghề của các mối nối trung gian không đạt tiêu chuẩn, khả năng chống thấm và bịt kín không đầy đủ, tạo đường cho hơi ẩm xâm nhập.
• Bán kính uốn khi lắp đặt chỉ là 10D—thấp hơn nhiều so với yêu cầu tiêu chuẩn là 20D đối với cáp trung áp bọc thép—gây ra các vết nứt nhỏ bên trong lớp cách điện.

Giải pháp và biện pháp phòng ngừa:

• Thực hiện quản lý niêm phong toàn diện: Các đầu cáp phải được niêm phong ngay sau khi cắt cáp trong quá trình lắp đặt.
• Phân công các kỹ thuật viên có trình độ để lắp đặt các mối nối cáp trung thế, đảm bảo toàn bộ quá trình được ghi lại bằng video và sau đó là thử nghiệm phóng điện cục bộ sau khi hoàn thành.
• Tuân thủ nghiêm ngặt yêu cầu bán kính uốn tối thiểu là 20D đối với việc đặt cáp trung thế bọc thép để ngăn ngừa hư hỏng vi mô bên trong.

Khớp thông số kỹ thuật của cáp với định mức điện áp và môi trường hoạt động để tránh thông số kỹ thuật dưới mức:

• Các xưởng và mạch điện có nhiệt độ cao chịu tình trạng quá tải kéo dài: Ưu tiên cáp cách điện XLPE (polyethylene liên kết ngang) (được định mức cho hoạt động liên tục ở 90°C) so với cáp PVC tiêu chuẩn.
• Các dự án ngoài trời, chôn trực tiếp và ven biển: Chỉ định các loại cáp có khả năng chống tia cực tím, chống ăn mòn và vỏ bọc thép.
• Mạch phân phối trung áp: Lựa chọn nghiêm ngặt cáp XLPE đạt tiêu chuẩn quốc gia hoặc quốc tế; cấm sử dụng cáp làm từ vật liệu tái chế có đặc tính cách điện không ổn định.

Tập trung vào việc cài đặt dựa trên tham số để loại bỏ thiệt hại do lỗi của con người:

• Kiểm soát chặt chẽ bán kính uốn và lực kéo theo quy cách; cấm kéo mạnh hoặc uốn cong.
• Đối với việc lắp đặt chôn trực tiếp, hãy lót rãnh bằng cát mịn, lắp đặt lớp phủ bảo vệ và lấp lại bằng đất mịn để tránh hư hỏng do nghiền cơ học.
• Tiêu chuẩn hóa bộ phận nối và đầu cuối: Đảm bảo bề mặt cách nhiệt sạch sẽ, kích thước tước chính xác, uốn chắc chắn và bịt kín chống thấm nước.

• Thực hiện giảm công suất dựa trên nhiệt độ trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao để tránh hiện tượng quá nhiệt do quá tải kéo dài.
• Thường xuyên kiểm tra các máng cáp, hầm cáp và các phần chôn trực tiếp để đảm bảo đường tản nhiệt không bị cản trở.
• Lắp đặt các thiết bị giám sát tải theo thời gian thực trên các mạch trung thế (MV) quan trọng để ngăn ngừa hư hỏng do căng thẳng điện do tăng tải đột ngột.

• Cáp hạ thế (LV): Tiến hành kiểm tra điện trở cách điện hàng quý và kiểm tra tính toàn vẹn của vỏ bọc cũng như nhiệt độ của mối nối.
• Cáp trung thế (MV): Thực hiện các thử nghiệm phát hiện phóng điện cục bộ và điện trở cách điện hàng năm để xác định và khắc phục các khuyết tật tiềm ẩn như cây nước và phóng điện vi mô ở giai đoạn đầu.
• Sử dụng phương pháp đo nhiệt độ hồng ngoại để theo dõi nhiệt độ định kỳ nhằm phát hiện hiện tượng quá nhiệt cục bộ ở các khớp và cáp.

Những sự cố ở giai đoạn đầu của cáp điện hạ thế và trung thế hầu như hoàn toàn có thể dự đoán và phòng ngừa được. Đối với cáp điện áp thấp, việc phòng ngừa tập trung vào các biện pháp lắp đặt được tiêu chuẩn hóa và kiểm soát môi trường nhiệt; đối với cáp trung thế, độ tin cậy phụ thuộc vào kỹ thuật bịt kín chính xác, lắp ráp mối nối được tiêu chuẩn hóa và kiểm soát chặt chẽ các thông số điện. Đối với các nhà thầu điện và kỹ sư hiện trường, việc tránh xa các phương pháp dựa trên kinh nghiệm—và thay vào đó áp dụng các quy trình lắp đặt và bảo trì cáp được tham số hóa, tiêu chuẩn hóa và kiểm soát hoàn toàn—là chìa khóa để tránh các sự cố ở giai đoạn đầu, giảm chi phí bảo trì dự án và đảm bảo hệ thống phân phối điện hoạt động ổn định, lâu dài.