Nguyên lý hoạt động tủ trung thế cách điện rắn

Tủ trung thế là hệ thống điện kín, được thiết kế để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển và phân phối điện năng trong dải điện áp từ 1kV đến 35kV. Với khả năng đo lường, giám sát và tự động ngắt mạch khi xảy ra sự cố quá tải hay ngắn mạch, tủ trung thế giúp đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu quả cho hệ thống điện công nghiệp, dân dụng và các trạm biến áp. Để hiểu rõ hơn về tủ trung thế, đặc điểm, nguyên lý hoạt động. Hãy cùng VN Đại Phong tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây bạn nhé!

Tủ trung thế cách điện là gì? Tại sao lại quan trọng?

Trước khi đi sâu vào việc tủ trung thế cách điện rắn hoạt động ra sao, chúng ta cần hiểu rõ khái niệm cơ bản. Tủ trung thế cách điện rắn là một loại thiết bị đóng cắt trung thế mà các bộ phận mang điện chính như thanh cái, máy cắt, dao cách ly được cách điện hoàn toàn bằng vật liệu rắn, phổ biến nhất là nhựa epoxy. Điều này tạo ra một cuộc cách mạng so với các loại tủ truyền thống sử dụng không khí hoặc khí SF6 làm môi trường cách điện.

Tầm quan trọng của tủ SIS nằm ở những lợi ích vượt trội mà nó mang lại:

• An toàn Vượt Trội: Do các bộ phận mang điện được bao bọc hoàn toàn trong vật liệu cách điện rắn, nguy cơ phóng điện bề mặt, hồ quang nội bộ và ảnh hưởng từ môi trường bên ngoài (độ ẩm, bụi bẩn, động vật gặm nhấm) được giảm thiểu tối đa.
• Kích Thước Nhỏ Gọn: Vật liệu cách điện rắn có độ bền điện môi cao hơn không khí, cho phép thiết kế tủ với kích thước nhỏ gọn hơn đáng kể, tiết kiệm không gian lắp đặt – một yếu tố cực kỳ quan trọng trong các đô thị hiện đại hoặc các trạm biến áp container.
• Thân Thiện Với Môi Trường: Việc loại bỏ hoàn toàn khí SF6 (một loại khí nhà kính mạnh) giúp tủ SIS trở thành lựa chọn “xanh”, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.
• Bảo Trì Tối Thiểu: Thiết kế kín và bảo vệ khỏi các yếu tố môi trường giúp giảm thiểu nhu cầu bảo trì, tiết kiệm chi phí vận hành.
• Độ Tin Cậy Cao: Khả năng chống chịu tốt với các điều kiện khắc nghiệt như rung động, nhiệt độ thay đổi, môi trường ô nhiễm giúp tủ hoạt động ổn định và bền bỉ.

Theo Kỹ sư Nguyễn Văn An, một chuyên gia với hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết bị điện trung thế tại Việt Nam: “Sự ra đời của tủ trung thế cách điện rắn đã giải quyết được nhiều bài toán khó về an toàn và không gian cho các dự án điện. Đây thực sự là một bước tiến công nghệ đáng ghi nhận, đặc biệt trong bối cảnh chúng ta ngày càng chú trọng đến yếu tố môi trường.”

Cấu tạo bên trong của tủ trung thế rắn

Để hiểu Tủ Trung Thế Cách điện Rắn Hoạt động Ra Sao, việc nắm rõ cấu tạo của nó là điều cần thiết. Một tủ SIS điển hình bao gồm các bộ phận chính sau:

Vỏ tủ và vật liệu cách điện chính

Vỏ tủ thường được làm bằng kim loại, có chức năng bảo vệ các thiết bị bên trong và đảm bảo an toàn cho người vận hành. Tuy nhiên, “trái tim” của hệ thống cách điện chính là nhựa epoxy (epoxy resin). Các bộ phận mang điện như thanh cái, các cực của máy cắt, dao cách ly được đúc trực tiếp hoặc bao bọc trong các khối epoxy rắn. Vật liệu này có các đặc tính nổi bật:

• Độ bền điện môi cao.
• Khả năng chịu nhiệt tốt.
• Chống ẩm, chống bụi và kháng hóa chất.
• Độ bền cơ học cao.

Máy cắt chân không

Đây là thiết bị đóng cắt chính, thực hiện nhiệm vụ ngắt dòng điện sự cố (như ngắn mạch) hoặc đóng/cắt dòng phụ tải. Môi trường dập hồ quang là chân không, được chứa trong một buồng cắt kín. Buồng cắt chân không này cũng thường được đúc trong epoxy để tăng cường khả năng cách điện và bảo vệ cơ học.

Dao cách ly và dao tiếp địa

• Dao cách ly (Disconnector Switch): Dùng để tạo khoảng hở cách điện rõ ràng, đảm bảo an toàn khi cần sửa chữa hoặc bảo trì các thiết bị phía sau nó. Dao cách ly thường được thao tác khi mạch đã được cắt điện bởi máy cắt.
• Dao tiếp địa (Earthing Switch): Dùng để nối các bộ phận của mạch điện đã được cắt ly với đất, nhằm xả hết điện tích dư và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho nhân viên vận hành trước khi làm việc.
  Cả dao cách ly và dao tiếp địa trong tủ SIS cũng được thiết kế với các bộ phận dẫn điện bọc trong epoxy.

Thanh cái (Busbar)

Là các thanh dẫn điện chính, dùng để phân phối điện năng đến các ngăn lộ khác nhau trong tủ. Trong tủ SIS, hệ thống thanh cái được đúc hoàn toàn trong nhựa epoxy, tạo thành một khối đồng nhất, cách điện an toàn.

Các thiết bị bảo vệ và điều khiển

Bao gồm các rơ le bảo vệ, thiết bị đo lường (biến dòng, biến điện áp), bộ chỉ thị trạng thái, và các mạch điều khiển. Những thiết bị này thường được đặt trong một ngăn riêng, cách ly với phần điện áp cao, để đảm bảo an toàn và dễ dàng cho việc kiểm tra, cài đặt.

Nguyên lý hoạt động tủ trung thế cách điện rắn

Sau khi đã nắm được cấu tạo, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu tủ trung thế cách điện rắn hoạt động ra sao trong các tình huống vận hành khác nhau. Nguyên lý hoạt động chung dựa trên sự phối hợp của các thiết bị đóng cắt, được cách điện và bảo vệ bởi hệ thống vật liệu rắn.

Trạng thái hoạt động bình thường

Ở trạng thái này, máy cắt và dao cách ly đang ở vị trí đóng. Dòng điện đi từ thanh cái chính, qua dao cách ly (nếu có trong lộ trình), qua máy cắt, rồi đến phụ tải (ví dụ như máy biến áp). Toàn bộ các phần tử mang điện được bao bọc an toàn trong lớp cách điện epoxy, ngăn chặn mọi nguy cơ tiếp xúc hoặc phóng điện ra môi trường.

Quá trình đóng/cắt mạch (phụ tải hoặc không tải)

• Cắt mạch: Khi có lệnh cắt (từ người vận hành hoặc tín hiệu tự động), cơ cấu truyền động của máy cắt chân không sẽ tác động, tách rời các tiếp điểm trong buồng cắt chân không. Hồ quang phát sinh giữa các tiếp điểm sẽ được dập tắt nhanh chóng trong môi trường chân không.
• Đóng mạch: Ngược lại, khi có lệnh đóng, cơ cấu truyền động sẽ đưa các tiếp điểm trong buồng cắt chân không tiếp xúc lại với nhau, khép kín mạch điện.

Quá trình này diễn ra hoàn toàn bên trong các buồng cắt chân không được bảo vệ và cách điện bởi epoxy, đảm bảo an toàn tối đa.

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch

Đây là tình huống nguy hiểm nhất, đòi hỏi thiết bị phải phản ứng nhanh và chính xác.

• Phát hiện sự cố: Các rơ le bảo vệ (kết hợp với tín hiệu từ biến dòng, biến điện áp) sẽ liên tục giám sát dòng điện và điện áp trong mạch. Khi phát hiện dòng điện tăng đột biến do ngắn mạch, rơ le sẽ gửi tín hiệu tác động đến máy cắt.
• Máy cắt tác động: Nhận được tín hiệu, máy cắt chân không sẽ mở ra cực nhanh, cách ly điểm sự cố ra khỏi phần còn lại của lưới điện. Quá trình dập hồ quang trong chân không diễn ra hiệu quả, ngay cả với dòng ngắn mạch lớn.
• Cách điện an toàn: Trong suốt quá trình này, lớp cách điện epoxy rắn xung quanh các bộ phận mang điện đảm bảo không có sự cố phóng điện lan truyền sang các bộ phận khác của tủ hoặc ra bên ngoài.

Vai trò của vật liệu cách điện rắn

Xuyên suốt các quá trình hoạt động, vật liệu cách điện rắn (chủ yếu là epoxy) đóng vai trò then chốt:

• Cách ly pha-pha và pha-đất: Ngăn chặn phóng điện giữa các pha hoặc từ pha xuống vỏ tủ (đã nối đất).
• Bảo vệ cơ học: Chịu được các lực điện động lớn phát sinh khi có dòng ngắn mạch.
• Chống chịu môi trường: Duy trì đặc tính cách điện ổn định bất chấp sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm hay ô nhiễm.

Kỹ sư Nguyễn Văn An chia sẻ thêm: “Điểm mấu chốt trong việc tủ trung thế cách điện rắn hoạt động hiệu quả chính là chất lượng của vật liệu epoxy và công nghệ đúc. Một khi các phần tử mang điện được “niêm phong” hoàn hảo, độ an toàn và tin cậy của tủ sẽ được đảm bảo ở mức rất cao. Các thương hiệu lớn như Schneider, ABB, Siemens đã đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu và phát triển công nghệ này.”

Ưu điểm vượt trội giúp tủ trung thế cách điện rắn được ưa chuộng

Những ưu điểm sau đây giải thích tại sao tủ SIS ngày càng trở nên phổ biến:

• An toàn vận hành cao: Giảm thiểu rủi ro do hồ quang, tiếp xúc ngẫu nhiên.
• Kích thước nhỏ gọn: Tiết kiệm diện tích lắp đặt, phù hợp với không gian hạn chế.
• Thân thiện môi trường: Không sử dụng khí SF6, giảm phát thải khí nhà kính.
• Độ tin cậy cao: Hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường khắc nghiệt.
• Chi phí bảo trì thấp: Thiết kế kín, ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài.
• Dễ dàng lắp đặt và mở rộng: Thiết kế module hóa.
• Tuổi thọ cao: Vật liệu bền bỉ, ít bị lão hóa.

Ứng dụng thực tế của tủ cách điện rắn trong nghành điện

Với những ưu điểm vượt trội, tủ trung thế cách điện rắn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Trạm biến áp phân phối: Đặc biệt là các trạm kios, trạm trong nhà ở các khu đô thị, tòa nhà cao tầng.
• Nhà máy công nghiệp: Nơi đòi hỏi độ tin cậy và an toàn cao.
• Các dự án năng lượng tái tạo: Trang trại điện gió, điện mặt trời.
• Trung tâm dữ liệu (Data Center): Yêu cầu cung cấp điện liên tục và an toàn.
• Hạ tầng giao thông: Hệ thống tàu điện ngầm, sân bay.
• Các công trình ngoài khơi hoặc môi trường khắc nghiệt: Do khả năng chống chịu tốt.

So sánh nhanh: Tủ trung thế cách điện rắn (SIS) và tủ GIS (SF6)

Đặc Điểm	Tủ Trung Thế Cách Điện Rắn (SIS)	Tủ Trung Thế Cách Điện Khí SF6 (GIS)
Môi trường cách điện	Vật liệu rắn (chủ yếu Epoxy)	Khí SF6
Tác động môi trường	Thấp, không dùng khí nhà kính	Cao (SF6 là khí nhà kính mạnh)
Kích thước	Rất nhỏ gọn	Nhỏ gọn (nhưng thường lớn hơn SIS)
An toàn	Rất cao, không rò rỉ khí	Cao, nhưng có nguy cơ rò rỉ SF6
Bảo trì	Rất thấp	Thấp, cần theo dõi áp suất khí SF6
Chi phí ban đầu	Trung bình đến cao	Cao
Sửa chữa	Khó khăn, thường thay thế module	Phức tạp, cần thiết bị chuyên dụng

Tóm lại, hiểu rõ tủ trung thế cách điện rắn hoạt động ra sao và những lợi ích mà nó mang lại là rất quan trọng. Đây là một công nghệ tiên tiến, đáp ứng tốt các yêu cầu ngày càng khắt khe về an toàn, độ tin cậy và bảo vệ môi trường trong ngành điện. Với sự phát triển không ngừng, tủ SIS hứa hẹn sẽ ngày càng chiếm lĩnh thị phần và trở thành lựa chọn hàng đầu cho các hệ thống phân phối điện trung thế hiện đại.

Nếu bạn cần tư vấn chi tiết hơn về các giải pháp tủ trung thế cách điện rắn từ các thương hiệu uy tín như Schneider, ABB, SEL, ….Đừng ngần ngại liên hệ với VN Đại Phong thông qua số Hotline 0935 650 918. Chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ!

Xem thêm: