Trong vận hành lưới điện trung áp, nhiều người vẫn quen đánh giá tuổi thọ máy cắt dựa trên số năm đưa vào sử dụng hoặc số lần đóng cắt ghi trong catalogue. Cách nhìn này thuận tiện nhưng chưa phản ánh đúng thực trạng làm việc của thiết bị.
Thực tế, có những máy cắt đã vận hành hơn hai mươi năm nhưng vẫn làm việc ổn định, trong khi có những máy mới vài năm đã bộc lộ dấu hiệu suy giảm. Sự khác biệt này không nằm ở “tuổi đời”, mà nằm ở những gì máy cắt đã phải chịu đựng trong quá trình vận hành.
Nếu quan sát kỹ các sự cố và kết quả kiểm tra sau vận hành, có thể rút gọn các nguyên nhân làm máy cắt nhanh “già” về hai yếu tố vật lý cơ bản: nhiệt và lực điện từ. Mọi cơ chế hư hỏng, dù phức tạp đến đâu, cuối cùng đều quay về hai yếu tố này.
Xem thêm:
Công suất ngắn mạch là gì, nó quan trọng khi tính ngắn mạch như thế nào?
Các hư hỏng phổ biến trên LA và cơ chế kỹ thuật gây ra chúng
Khuyên nghị: Nâng cấp cách điện lưới 22 kV ở môi trường cực đoan
Ảnh hưởng của nhiệt đến tuổi thọ máy cắt
Nhiệt xuất hiện trong máy cắt ngay cả khi làm việc bình thường. Dòng điện đi qua tiếp điểm và thanh dẫn luôn tạo ra tổn hao, và nhiệt này được thiết kế để nằm trong giới hạn cho phép. Vấn đề bắt đầu phát sinh khi máy cắt phải làm việc trong các chế độ bất thường, đặc biệt là khi mang dòng lớn trong thời gian ngắn hoặc chịu dòng ngắn mạch.
Trong những tình huống này, năng lượng nhiệt không còn phụ thuộc tuyến tính vào dòng điện mà tăng rất nhanh theo bình phương dòng điện và thời gian tồn tại của dòng đó. Đây là lý do trong kỹ thuật thường dùng tích để mô tả mức độ “chịu nhiệt” của thiết bị trong các chế độ ngắn hạn.
Nhiệt không gây hư hỏng tức thời như lực cơ học, nhưng lại là yếu tố quyết định quá trình lão hóa dài hạn. Khi nhiệt độ tăng cao, bề mặt tiếp điểm bị oxy hóa nhanh hơn, vật liệu dẫn điện mất dần độ bền cơ học, và quan trọng hơn là hệ thống cách điện bị suy giảm theo thời gian.
Một đặc điểm dễ bị bỏ qua là cách điện có thể vẫn đo được giá trị tốt ở thời điểm kiểm tra, nhưng cấu trúc bên trong đã bị lão hóa do nhiều chu kỳ nhiệt lặp lại. Khi đó, máy cắt vẫn vận hành bình thường cho đến khi gặp một điều kiện khắc nghiệt hơn, và sự cố xảy ra bất ngờ.
Trong thực tế, một sự cố có dòng lớn nhưng thời gian rất ngắn thường không gây tổn hại nhiệt đáng kể. Tuy nhiên, nếu những sự kiện như vậy lặp lại nhiều lần, nhiệt tích lũy sẽ dần làm giảm tuổi thọ của máy cắt. Điều này lý giải vì sao các máy cắt ở vị trí mang tải nặng, dù ít khi cắt sự cố, vẫn có thể “già” nhanh nếu điều kiện tản nhiệt và môi trường không thuận lợi.
Ảnh hưởng của lực điện từ đến tuổi thọ máy cắt
Khi dòng điện tăng cao đột ngột trong sự cố ngắn mạch, máy cắt không chỉ phải đối mặt với vấn đề nhiệt, mà còn chịu tác động của lực điện từ rất lớn. Lực này xuất hiện do tương tác giữa dòng điện và từ trường sinh ra xung quanh các phần tử dẫn điện như tiếp điểm, thanh dẫn và các nhánh liên kết cơ khí. Điều quan trọng là lực điện từ không tăng tuyến tính theo dòng, mà tăng theo bình phương dòng điện, nên chỉ cần dòng tăng lên một mức nhất định, lực tác động đã tăng rất mạnh.
Trong thực tế, lực điện từ đạt giá trị lớn nhất ngay trong những chu kỳ đầu của sự cố, khi dòng điện chưa ổn định. Đây chính là thời điểm máy cắt chịu ứng suất cơ học cao nhất, dù sự cố có thể chỉ kéo dài trong thời gian rất ngắn.
Vai trò của tỉ số X/R trong việc làm tăng lực
Một điểm then chốt nhưng thường bị đánh giá thấp là ảnh hưởng của tỉ số X/R của hệ thống. Khi X/R cao, thành phần một chiều của dòng ngắn mạch suy giảm chậm, làm cho dòng điện trong các chu kỳ đầu bị lệch mạnh về một phía. Hệ quả là dòng đỉnh tăng cao, và trạng thái bất đối xứng này tồn tại lâu hơn.
Về mặt cơ học, điều này đồng nghĩa với việc máy cắt phải chịu lực điện từ lớn hơn và kéo dài hơn, ngay cả khi giá trị dòng ngắn mạch đối xứng rms vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Nói cách khác, hai hệ thống có cùng dòng ngắn mạch tính toán, nhưng hệ thống có X/R cao sẽ “nặng” hơn đối với máy cắt về phương diện lực.
Khác với nhiệt gây lão hóa tích lũy, lực điện từ gây tổn thương mang tính sự kiện. Chỉ một lần ngắn mạch “nặng” cũng có thể tạo ra biến dạng vi mô ở tiếp điểm, làm lệch nhẹ các chi tiết dẫn động, hoặc làm suy giảm độ chính xác của cơ cấu đóng cắt. Những tổn thương này thường không thể quan sát ngay bằng mắt thường, nhưng sẽ biểu hiện dần thông qua việc tăng thời gian cắt, tăng độ rung, hoặc tăng điện trở tiếp điểm.
Mức độ ảnh hưởng của lực càng nghiêm trọng khi máy cắt phải mở tiếp điểm trong lúc dòng điện vẫn còn lớn, tức là thực hiện nhiệm vụ ngắt sự cố. Trong tình huống này, lực điện từ không chỉ tác động lên các phần tử dẫn điện mà còn dồn lên toàn bộ cơ cấu truyền động đúng vào thời điểm chuyển động cơ khí xảy ra, khiến ứng suất đạt cực đại.
Trong vận hành lưới điện, các máy cắt ở vị trí bảo vệ chính thường phải trực tiếp ngắt dòng sự cố nhiều hơn các máy cắt khác. Dù các dòng sự cố này có thể vẫn nằm trong định mức cho phép, tuổi thọ của máy cắt vẫn suy giảm nhanh hơn rõ rệt. Nguyên nhân không nằm ở việc “dòng ngắn mạch đi qua”, mà nằm ở những lần máy cắt phải chịu lực điện từ lớn trong quá trình interrupt dòng sự cố.
Điều này giải thích vì sao hai máy cắt cùng loại, cùng tuổi đời, nhưng đặt ở hai vị trí khác nhau trong lưới lại có tình trạng hoàn toàn khác nhau. Máy cắt ít phải ngắt sự cố có thể vận hành ổn định trong thời gian rất dài, trong khi máy cắt thường xuyên làm nhiệm vụ bảo vệ chính lại “già” nhanh dù thông số thiết kế không bị vượt quá.
Nguồn: IEEE Short-Circuit Current Calculation Practice