Các thiết bị điện vận hành trên lưới phân phối 22 kV thường sử dụng nhiều loại vật liệu cách điện khác nhau, chủ yếu gồm sứ (gốm), thủy tinh, polymer (cao su silicone, EPDM) và vật liệu composite (thanh sợi thủy tinh bọc polymer). Theo thời gian, dưới tác động của môi trường vận hành khắc nghiệt, các vật liệu cách điện này sẽ lão hóa và suy giảm tính năng cách điện, làm tăng rủi ro sự cố.
Đặc biệt ở các khu vực có độ ẩm cao, nhiều bụi bẩn công nghiệp, ô nhiễm muối biển, khí thải hóa chất (axit) và bức xạ tia UV, quá trình lão hóa diễn ra nhanh hơn. Điều này gây lo ngại cho các kỹ sư vận hành về việc giảm độ tin cậy cách điện, dẫn đến sự cố phóng điện, chạm đất hoặc đánh thủng trên lưới điện 22 kV.
Bài viết này sẽ phân tích các cơ chế lão hóa chính của cách điện (như tracking – tạo đường dẫn rò điện, erosion – xói mòn bề mặt, phóng điện corona, nứt vỡ vật liệu, v.v.), cũng như ảnh hưởng của các tác nhân môi trường khắc nghiệt đến quá trình suy giảm cách điện.
Từ đó, chúng ta đánh giá rủi ro vận hành (tăng khả năng phóng điện bề mặt, sự cố chạm đất…) và khuyến nghị giải pháp kỹ thuật nâng cấp cách điện lưới 22 kV nhằm tăng dự phòng cách điện và độ tin cậy, đặc biệt tại các khu vực có điều kiện môi trường xấu.
Vật Liệu Cách Điện Và Điều Kiện Vận Hành
Trên lưới 22 kV, các chủng loại cách điện chính gồm:
Cách điện sứ/thủy tinh: Làm từ gốm hoặc thủy tinh, có độ bền nhiệt và UV cao, bề mặt tráng men nhẵn. Sứ truyền thống nặng và giòn, nhưng ít bị ảnh hưởng bởi UV hay nhiệt. Tuy nhiên, bề mặt sứ dễ bị nhiễm bẩn (bụi, muối) và khi ướt sẽ hình thành lớp dẫn điện mỏng gây rò điện. Sứ cần được thiết kế đủ chiều dài rò (creepage) hoặc rửa định kỳ để tránh phóng điện bề mặt trong môi trường bẩn. Nếu bị quá áp hoặc tổn thương cơ học, sứ có thể nứt vỡ hoặc bị đánh thủng xuyên qua vật liệu.
Cách điện polymer/composite: Sử dụng vỏ bằng cao su silicone hoặc EPDM bọc trên lõi sợi thủy tinh. Ưu điểm nhẹ, chống bám nước nhờ bề mặt kỵ nước (hydrophobic), hạn chế dòng rò khi bề mặt ướt. Polymer chịu rung động và va đập tốt hơn sứ (không vỡ vụn). Tuy nhiên, vật liệu polymer nhạy cảm với tia UV, ozone, nhiệt độ và ô nhiễm.
Lão hóa polymer thể hiện qua mất dần tính kỵ nước, bề mặt chalking (phấn hóa, bạc màu), tracking và xói mòn do phóng điện cục bộ, thậm chí nứt nẻ hoặc giòn gãy do lão hóa hóa học. Các sự cố của cách điện polymer thường khác biệt sứ: ví dụ brittle fracture (gãy giòn lõi sợi thủy tinh) chiếm ~51% các trường hợp hỏng hóc theo thống kê của EPRI
Trong vận hành thực tế, các cách điện 22 kV thường được thiết kế với dự phòng cách điện để chống lại môi trường. Chẳng hạn, lưới điện 22 kV tại Việt Nam thường dùng 2 bát sứ cho chuỗi đỡ và 3 bát cho chuỗi néo, dù tính toán lý thuyết có thể chỉ cần ~1-2 bát. Điều này cho thấy yêu cầu tăng cường cách điện ở khu vực nhiều bụi bẩn, gần biển hoặc độ ẩm cao.
Với cách điện polymer, thường chế tạo theo cấp điện áp danh định của đường dây (ví dụ polymer 24 kV cho lưới 22 kV). Tuy nhiên, ở vùng ô nhiễm nặng, cấp cách điện này có thể chưa đủ dư địa, dẫn đến khuyến cáo sử dụng cách điện cấp cao hơn (như 35 kV) để đảm bảo khoảng cách rò lớn hơn và điện áp phóng bề mặt cao hơn.
Cơ Chế Lão Hóa Và Hư Hỏng Cách Điện
Các cơ chế lão hóa chính làm suy giảm hiệu suất cách điện 22 kV bao gồm:
Tracking (tạo đường dẫn rò điện trên bề mặt): Xảy ra khi bề mặt cách điện hình thành các vệt dẫn điện carbon do phóng điện cục bộ lặp lại. Bụi bẩn, muối, hoặc axit bám trên bề mặt kết hợp với độ ẩm tạo các dòng rò nhỏ trên cách điện. Dòng rò này làm nóng cục bộ, carbon hóa vật liệu xung quanh và để lại vệt đen dẫn điện cố định. Một khi các “đường dẫn” carbon này hình thành, dòng điện rò sẽ tăng mạnh, có thể dẫn đến phóng điện hoàn toàn qua bề mặt cách điện (flashover) và gây sự cố mất điện.
Xói mòn bề mặt (erosion): Là quá trình mài mòn hoặc mất vật liệu cách điện do hồ quang điện nhỏ tác động lặp đi lặp lại. Thường xảy ra cùng với tracking – ví dụ các vòng cung khô (dry-band arcing) xuất hiện tại vùng bề mặt khô cục bộ trên cách điện ướt. Hồ quang làm cháy và ăn mòn dần lớp polymer, tạo rãnh sâu, vết nứt và bề mặt thô ráp. Xói mòn lâu ngày có thể xuyên thủng lớp vỏ polymer, lộ lõi dẫn điện bên trong, gây nguy cơ hỏng cách điện hoàn toàn.
Phóng điện vầng (corona): Xảy ra ở điện trường cao (thường tại các mép kim loại hoặc bề mặt nhọn) khi không khí bị ion hóa nhẹ phát sáng. Corona liên tục sẽ tạo ra ozon (O₃) và các hợp chất nitơ oxit trong không khí ẩm. Những chất này có tính oxy hóa và kết hợp với hơi ẩm tạo thành axit nitric trên bề mặt cách điện. Đối với polymer, các ion mang năng lượng từ corona đập vỡ mạch polymer, làm polymer mất dẻo và lão hóa nhanh.
Lớp silicone bị suy yếu và kém kỵ nước, thúc đẩy thêm dòng rò. Corona kéo dài ở đầu cực cũng gây ăn mòn phụ kiện kim loại và lớp mạ, đồng thời có thể làm sứ bị nứt vỡ ở bề mặt men (do vi phóng điện). Trong môi trường ẩm và bẩn, corona gia tốc quá trình lão hóa – nghiên cứu cho thấy polymer lão hóa nặng nhất khi có corona trong điều kiện độ ẩm cao, đặc biệt ở môi trường muối, axit và bức xạ mạnh
Nứt vỡ, suy giảm cơ tính: Cách điện có thể xuất hiện vết nứt do ứng suất nhiệt, lực cơ học hoặc do lão hóa vật liệu. Với sứ, sự cố thường do nứt vỡ cơ học (gió bão làm gãy sứ, hoặc nứt do chênh nhiệt độ đột ngột). Với polymer, lão hóa hóa học làm vật liệu giòn hơn, dễ nứt. Đặc biệt, hiện tượng brittle fracture ở cách điện composite là do ăn mòn ứng suất (stress corrosion) tại lõi sợi thủy tinh: axit (như HNO₃ từ corona hoặc H₂SO₄ từ mưa axit) thấm qua vỏ polymer đã bị xói mòn, tấn công lõi kính epoxy gây nứt gãy giòn.
Hậu quả là cách điện đứt rời hoàn toàn dù điện áp chưa phóng bề mặt. Thống kê EPRI cho thấy hơn một nửa sự cố polymer là do brittle fracture của lõi. Ngoài ra, liên kết giữa các phần tử (như xi măng gắn giữa sứ và phần tử kim loại) cũng có thể suy yếu theo thời gian, gây lỏng mối nối hoặc nứt vỡ.
Tác Nhân Môi Trường Thúc Đẩy Lão Hóa Cách Điện
Độ ẩm cao, mưa và sương mù: Ẩm ướt tạo điều kiện hình thành màng dẫn điện mỏng trên bề mặt cách điện, đặc biệt khi có bụi bẩn hoặc muối. Nước làm tăng dòng rò bề mặt và gây phóng điện vạch (tracking) trên vật liệu polymer nếu mất tính kỵ nước. Trong sương muối hoặc mưa phùn kéo dài, lớp ẩm không khô được, sinh ra phóng điện hồ quang nhỏ (dry-band arcing) liên tục, gây xói mòn.
Độ ẩm cao cũng làm giảm sức bền phóng điện của không khí, hạ thấp điện áp đánh thủng bề mặt. Theo một nghiên cứu, polymer dễ lão hóa nhất dưới tác động corona khi độ ẩm cao– ví dụ trong phòng thử nghiệm muối sương (salt-fog), mẫu cách điện silicone nhanh chóng giảm đặc tính cách điện sau khi ngâm sương muối kết hợp điện áp.
Bụi bẩn công nghiệp: Bao gồm bụi than, xi măng, khói bụi giàu carbon hoặc kim loại từ các nhà máy. Những chất bẩn này bám lên cách điện, khi ẩm ướt sẽ tạo dung dịch dẫn điện trên bề mặt. Bụi công nghiệp thường chứa các ion kim loại hoặc hóa chất làm giảm điện trở bề mặt.
Kết quả là tăng dòng rò và nguy cơ tạo dòng điện vòng cung đốt cháy bề mặt polymer. Nếu không được rửa, lớp bụi dày sẽ dẫn đến sự cố phóng điện sớm hơn dự kiến. Thống kê từ công ty điện lực cho thấy phóng điện do ô nhiễm là một trong các nguyên nhân hàng đầu gây sự cố trên lưới phân phối 22 kV
Ô nhiễm muối biển: Muối NaCl từ hơi nước biển có tính hygroscopic (hút ẩm) và hình thành lớp dẫn điện mạnh khi hòa tan. Ở vùng ven biển, cách điện dễ phủ một lớp muối mỏng; chỉ cần độ ẩm không khí cao hoặc sương muối là đủ tạo dòng rò lớn. Thử nghiệm sương muối cho thấy điện áp phóng bề mặt của cách điện có thể giảm chỉ còn ~65% so với điều kiện ướt sạch khi độ nhiễm muối ESDD khoảng 0,5 mg/cm².
Nghĩa là cách điện mất một phần ba khả năng cách điện do muối biển. Muối cũng thúc đẩy quá trình tracking/erosion: nghiên cứu chỉ ra mẫu silicone sau khi phơi sương muối trở nên thô ráp, xốp, giảm khả năng chống hồ quang do chất độn bị tiêu hao và chuỗi polymer bị cắt mạch. Vùng biển còn có gió mang hơi ẩm muối thổi mạnh, dễ gây phóng điện vầng quang liên tục trên cách điện nếu khoảng cách rò không đủ dài.
Khí thải hóa chất và môi trường axit: Gần các nhà máy hóa chất, phân bón hoặc khu đô thị, không khí có thể chứa SO₂, NOₓ và hoá chất ăn mòn. Các khí này hòa tan vào hơi nước tạo thành mưa axit (H₂SO₄, HNO₃ loãng). Mưa axit làm mòn lớp men tráng sứ, khiến sứ mất độ bóng, dễ bám bẩn hơn. Với polymer, axit gây phản ứng hóa học làm đứt liên kết polymer (phản ứng thủy phân, oxy hóa).
Lớp silicone có thể bị trương nở, mềm hoặc nứt khi tiếp xúc axit mạnh lâu ngày. Thêm vào đó, axit xâm nhập vào bên trong qua khe nứt sẽ tấn công lõi sợi thủy tinh, gây giảm độ bền cơ học (như hiện tượng brittle fracture đã nêu). Một nghiên cứu sự cố cho thấy kết hợp corona và môi trường ẩm axit đã sinh ra HNO₃ đậm đặc trên bề mặt insulator, ăn mòn gần hết lớp polymer chỉ trong 14 năm vận hành. Do đó, ở môi trường công nghiệp nặng, tuổi thọ cách điện bị rút ngắn rõ rệt nếu không có biện pháp bảo vệ (như phủ lớp chống axit, sơn RTV…).
Bức xạ tử ngoại (tia UV): Tia UV mặt trời cường độ cao (nhất là vùng nhiệt đới hoặc cao nguyên) gây lão hóa vật liệu hữu cơ. Cao su silicone khi phơi ngoài trời sẽ dần bị phân hủy quang hóa: bề mặt bị phấn hóa (chalking) chuyển màu trắng xám, mất độ bóng. UV cũng làm giảm trọng lượng phân tử polymer do cắt mạch, đồng thời tạo các nhóm oxy hóa trên bề mặt. Hậu quả là mất tính kỵ nước: nước mưa không còn tụ thành giọt lăn đi mà dàn thành màng ướt trên bề mặt, tạo điều kiện cho dòng rò phát triển.
Thí nghiệm cho thấy tia UV mạnh còn cản trở quá trình phục hồi kỵ nước của silicone (các phân tử silicone thấp phân tử khó thấm ra bề mặt hơn). Ngoài ra, UV làm suy yếu màu sơn và chất trám kín ở các mối nối trên cách điện. Đối với sứ, tia UV không ảnh hưởng nhiều đến bản thân sứ, nhưng có thể làm lão hóa gioăng cao su, vòng đệm hoặc các phần bằng polymer (nếu có) trên chuỗi cách điện.
Như vậy, sự kết hợp các tác nhân trên (ví dụ: không khí biển vừa mặn vừa ẩm và nhiều nắng) sẽ hiệp đồng gây lão hóa nhanh cho cách điện. Thật vậy, nghiên cứu tổng quan năm 2022 kết luận rằng cách điện polymer dễ bị lão hóa nhất khi làm việc trong môi trường độ ẩm cao có phóng điện corona, đặc biệt dưới sương muối, môi trường axit và bức xạ mạnh. Do đó, ở các khu vực khắc nghiệt này cần đặc biệt chú ý theo dõi tình trạng cách điện và có biện pháp tăng cường chống lão hóa.
Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Cách Điện Và Rủi Ro Sự Cố
Khi cách điện của lưới điện bị lão hóa và nhiễm bẩn, hiệu suất bảo vệ sẽ giảm đi rõ rệt so với ban đầu. Đầu tiên, điện áp phóng bề mặt của cách điện sẽ hạ thấp, khiến nó dễ bị phóng điện ngay cả khi vận hành ở điện áp bình thường, nhất là trong điều kiện ẩm ướt hoặc nhiễm muối. Điều này dẫn tới hiện tượng nhấp nháy điện áp, làm các thiết bị bảo vệ như relay hoặc recloser thường xuyên tác động, từ đó làm giảm độ ổn định và tin cậy cung cấp điện.
Ngoài ra, bề mặt cách điện xuống cấp sẽ phát sinh dòng rò liên tục, gây tổn thất điện năng và tạo nhiễu điện từ trên lưới. Dòng rò cao lâu ngày cũng làm nóng và đẩy nhanh quá trình xuống cấp của vật liệu cách điện, đặc biệt là khi gặp mưa, sương muối hoặc môi trường ô nhiễm.
Một nguy cơ nghiêm trọng khác là đánh thủng cách điện, tức phóng điện xuyên qua thân cách điện, thường xảy ra khi xuất hiện vết nứt nhỏ hoặc khi vật liệu bị suy yếu do lão hóa. Khi đó, sự cố có thể dẫn đến ngắn mạch, mất điện diện rộng và hỏng hoàn toàn thiết bị.
Lão hóa không chỉ ảnh hưởng đến tính năng điện mà còn làm vật liệu trở nên giòn, dễ gãy hoặc đứt do tác động cơ học, dẫn đến rủi ro dây dẫn bị tuột khỏi trụ hoặc cách điện rơi vỡ bất ngờ. Tất cả các yếu tố trên làm giảm tuổi thọ của cách điện, tăng chi phí bảo trì và thay thế, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số độ tin cậy của lưới điện và sự hài lòng của khách hàng.
Nâng Cấp Cách Điện được Khuyến Nghi
Tăng khoảng cách rò bề mặt: Cách điện cấp 35 kV thường được thiết kế với chiều dài đường rò lớn hơn so với 24 kV. Theo hướng dẫn IEC 60815 về cách điện ngoài trời trong môi trường ô nhiễm, ở mức ô nhiễm nặng đến rất nặng có thể cần 43,3 – 53,7 mm/kV (tính theo điện áp pha-đất) chiều dài bề mặt cách điện. Đối với lưới 22 kV (pha-đất ~12,7 kV), nghĩa là cần khoảng 550–680 mm đường rò mỗi pha.
Cách điện 24 kV tiêu chuẩn (thường ~25 mm/kV) có thể không đạt được các giá trị này, trong khi cách điện 35 kV (thường ~31 mm/kV hoặc hơn) sẽ đáp ứng yêu cầu. Đường rò dài hơn giúp giảm mật độ dòng rò, khó xảy ra phóng điện hơn khi bẩn ướt.
Biên cách điện lớn hơn đối với quá điện áp: Cách điện 35 kV có điện áp chịu đựng (BIL) cao hơn khoảng 15-30% so với 24 kV. Cụ thể, điện áp xung sét chịu đựng và điện áp tần số công nghiệp chịu đựng của cách điện 35 kV cao hơn, tạo dự phòng trước các quá điện áp do sét hoặc đóng cắt.
Trong môi trường ô nhiễm, cách điện suy giảm điện áp chịu đựng nhưng nhờ dư địa này, cách điện 35 kV có thể vẫn đủ an toàn ở 22 kV. Nói cách khác, dùng cách điện quá cấp sẽ giảm xác suất flashover trong thực tế. Một nghiên cứu về độ tin cậy lưới phân phối cũng gợi ý rằng yêu cầu cách điện cho lưới tin cậy cao nên xét đến các yếu tố sét đánh và ô nhiễm, thay vì chỉ dựa vào điện áp định mức 50 Hz.
Hiệu quả thực tiễn đã được kiểm chứng: Nhiều đơn vị điện lực đã áp dụng nguyên tắc “cách điện một cấp trên” tại vùng ô nhiễm. Thực tế ở Việt Nam, như ví dụ tính toán ở trên, ngay cả vùng bình thường lưới 22 kV cũng dùng 2-3 bát sứ (tương đương tăng cấp cách điện). Tại vùng ven biển, EVN đã có tiêu chuẩn sử dụng cách điện phù hợp cho môi trường muối, có thể là loại sứ 35 kV lắp cho lưới 22 kV.
Các cách điện polymer 35 kV với nhiều gân hơn, bề mặt chất lượng cao hơn cũng được nhiều nơi lắp đặt để giảm sự cố phóng điện. Đặc biệt, khi thay thế sứ cũ bằng polymer mới, việc chọn polymer cấp 35 kV cho lưới 22 kV vùng ô nhiễm đang là xu hướng nhằm tận dụng độ kỵ nước và dự phòng độ dài rò.
Giảm tần suất bảo trì và sự cố: Với cách điện dư cấp, biên an toàn cao, việc phóng điện sẽ hiếm xảy ra hơn ngay cả khi bẩn. Nhờ đó, giảm nhu cầu rửa cách điện thường xuyên (tiết kiệm chi phí vệ sinh, đặc biệt ở vùng núi cao hay đường dây khó tiếp cận). Đồng thời, lưới điện ít bị cắt do sự cố cách điện, cải thiện chỉ số tin cậy. Tuy đầu tư ban đầu cho cách điện 35 kV cao hơn loại 24 kV một chút, nhưng lợi ích lâu dài về giảm sự cố và bảo trì là đáng kể.
Về mặt kỹ thuật tiêu chuẩn, không có trở ngại gì khi sử dụng cách điện có cấp điện áp cao hơn cho cấp điện áp thấp hơn – miễn là khoảng cách pha-đất, pha-pha vẫn đáp ứng. Thậm chí IEC và IEEE khuyến nghị thiết kế dư cách điện ở vùng nhiễm bẩn nặng bằng cách tăng creepage hoặc dùng vật liệu chống bẩn (ví dụ phủ RTV).
Việc nâng cấp cách điện cũng cần đồng bộ: ví dụ chuỗi cách điện, đầu cột, chuỗi néo đều dùng loại cách điện mới để tránh “mắt xích yếu”. Ngoài ra, có thể kết hợp lắp vòng chống corona tại đầu cực cách điện nếu vận hành ở nơi cao hoặc gần trạm 35 kV, nhằm triệt tiêu các vùng điện trường cao cục bộ, tránh lão hóa polymer sớm.