Các lỗi trong vỏ cáp: Nguyên nhân, nguy hiểm, phương pháp phát hiện và giải pháp

Các lỗi trong vỏ cáp: Nguyên nhân, nguy hiểm, phương pháp phát hiện và giải pháp

Lời giới thiệu

Trong các hệ thống điện hiện đại, dây cáp điện đóng vai trò là xương sống của truyền tải năng lượng.các ứng dụng cáp tiếp tục mở rộng trên các kịch bản khác nhauTheo thống kê của Tập đoàn lưới điện nhà nước, tổng chiều dài của các đường dây cáp điện được đánh giá là 10kV và cao hơn ở Trung Quốc đã vượt quá 1,5 triệu km vào cuối năm 2025.như cáp tuổi và môi trường hoạt động ngày càng trở nên phức tạp, các lỗi vỏ cáp đã xuất hiện như một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy của nguồn cung cấp điện.

Một thực tế thường bị bỏ qua là phần lớn các lỗi cách điện chính của cáp có thể được truy xuất trở lại do tổn thương lớp vỏ.Một khi vi phạm, độ ẩm, hóa chất và vi sinh vật xâm nhập bên trong cáp, dần dần xói mòn tấm chắn kim loại và lớp cách điện chính,cuối cùng dẫn đến lỗi mặt đất hoặc mạch ngắn giai đoạn đến giai đoạnTheo dữ liệu của Viện Nghiên cứu Điện lực Trung Quốc, khoảng 42% các lỗi cáp phân phối 10kV-35kV có liên quan trực tiếp đến thiệt hại vỏ.

Bài viết này cung cấp một phân tích kỹ thuật có hệ thống về nguyên nhân lỗi vỏ cáp, rủi ro, phương pháp phát hiện và chiến lược phòng ngừa,trang bị cho nhân viên bảo trì hệ thống điện một khuôn khổ kiến thức toàn diện về quản lý sức khỏe vỏ.

Phần I: Hiểu về vỏ cáp

1.1 Xây dựng cáp cơ bản

Lấy cáp điện YJV22 10kV XLPE cách điện thông thường làm ví dụ, cấu trúc từ bên trong đến bên ngoài bao gồm:

• Hướng dẫn viên: lõi đồng hoặc nhôm, chịu trách nhiệm truyền dòng
• Vệ chắn dẫn: Lớp bán dẫn làm đồng đều sự phân bố trường điện
• Khép kín chính: Polyethylene liên kết chéo (XLPE), chịu được điện áp hoạt động
• Vệ chắn cách nhiệt: Lớp bán dẫn hoạt động kết hợp với tấm chắn kim loại
• Vàng kim loại: băng đồng hoặc dây đai, mang dòng điện mạch ngắn và tạo thành mạch nối đất
• Vỏ bên trong: Bảo vệ lớp chắn kim loại
• Lớp giáp: băng thép hoặc dây thép, cung cấp bảo vệ cơ học
• Vỏ bên ngoài: Lớp ngoài nhất, bảo vệ toàn bộ dây cáp khỏi các mối nguy hiểm môi trường bên ngoài

1.2 Chức năng cơ bản của vỏ bên ngoài

Vỏ bên ngoài đóng vai trò là lớp bảo vệ của cáp, hoàn thành ba chức năng thiết yếu:

Bảo vệ cơ khí: Bảo vệ chống mài mòn trong quá trình lắp đặt, nén từ đá lưng và căng thẳng đất trong quá trình vận hành.Một dây cáp không có vỏ nguyên vẹn sẽ tiếp xúc trực tiếp với lớp chắn kim loại và lớp giáp của nó với môi trường ăn mòn dưới lòng đất.

Ống chống nước và rào cản độ ẩm: Ngăn chặn nước và độ ẩm xâm nhập vào bên trong cáp. Trong khi vật liệu cách nhiệt XLPE vốn có thể hiển thị sự hấp thụ nước rất thấp, một khi độ ẩm xâm nhập vào cáp qua một lớp vỏ bị hư hại, nó có thể làm giảm độ ẩm.nó có thể hình thành cây nước trong lớp cách nhiệt, giảm dần độ bền dielectric.

Cách hóa học: Ngăn chặn các chất axit, kiềm và muối trong đất tiếp xúc trực tiếp với lớp khiên kim loại và lớp giáp.Chức năng này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có mực nước ngầm cao hoặc ô nhiễm đất đáng kể.

1.3 Vật liệu vỏ chung

Phần II: Nguyên nhân chính của lỗi vỏ cáp

Các lỗi lớp vỏ hiếm khi là kết quả của một yếu tố duy nhất. Chúng thường phát sinh từ sự tương tác tích lũy của nhiều cơ chế trong thời gian dài. Dựa trên phân tích thống kê các trường hợp lỗi,Các nguyên nhân chính có thể được phân loại như sau::

2.1 Thiệt hại cơ học (khoảng 35% các trường hợp)

Thiệt hại cơ học vẫn là nguyên nhân chính gây ra lỗi vỏ.

Thiệt hại trong quá trình lắp đặt: Căng thẳng kéo quá mức, bán kính uốn cong dưới các thông số kỹ thuật tối thiểu, hoặc ma sát với các lỗ ống dẫn và các cạnh hỗ trợ có thể gây ra vết rạch hoặc rách vỏ.Trong một dự án tàu điện ngầm ở một thủ đô tỉnh, một đoạn cáp điện 110kV dài 2,3km đã trải qua thử nghiệm cách nhiệt lớp vỏ sau khi đặt và phát hiện ba điểm hư hỏng,tất cả đều liên quan đến các cạnh sắc của các hỗ trợ cáp trong quá trình kéo.

Thiệt hại xây dựng của bên thứ ba: Khu vực khai quật đường phố, sửa đổi đường ống dẫn khí đốt, lắp đặt đường dây viễn thông,và các hoạt động xây dựng của bên thứ ba khác là nguyên nhân chính gây thiệt hại cho vỏ cáp phân phối đô thịLực va chạm từ một thùng thợ khoan vượt xa khả năng dung nạp cơ học của lớp vỏ.

Áp lực đất và sự lắng đọng: Trong đất mềm hoặc các khu vực lấp đầy, sự lắng đọng đất không đồng đều tạo ra căng thẳng uốn cong tại địa phương trên cáp, có thể gây nứt vỏ dưới tải dài hạn.Hiệu ứng nồng độ căng thẳng đặc biệt rõ rệt ở các vị trí mà dây cáp đi qua các giao diện địa chất khác nhau, chẳng hạn như chuyển từ đất mềm sang tầng đá.

2.2 Các yếu tố môi trường (khoảng 28% các trường hợp)

Phân hủy tia cực tím: Đối với các phần cáp tiếp xúc trên mặt đất ở các đầu ngoài trời, bức xạ cực tím tăng tốc độ lão hóa lớp phủ PVC, gây ra sự mỏng manh và nứt.Tiếp xúc tia UV kéo dài là đủ để gây ra các vết nứt nhỏ trên bề mặt.

Chu trình nhiệt: Sự thay đổi nhiệt độ ban ngày và theo mùa gây ra sự mở rộng nhiệt và co lại liên tục của vật liệu vỏ.tại thời điểm nào một số vật liệu PVC gần đến điểm mong manh của chúng và trở nên dễ bị nứt do căng thẳng cơ học.

Sự thấm nước và hình thành cây nước: Khi mực nước ngầm dao động, áp suất khác nhau đẩy độ ẩm qua các khiếm khuyết lớp vỏ vi mô hướng vào bên trong cáp.Cây nước ∆dendritic micro-channels ∆ dần hình thành dưới ảnh hưởng của trường điện, nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức mạnh điện áp.

2.3 Sự ăn mòn hóa học (khoảng 20% các trường hợp)

Môi trường hóa học đất: Đất có axit (pH < 5), vùng muối và kiềm và đất bị ô nhiễm công nghiệp có nồng độ ion ăn mòn cao (Cl, SO),tăng tốc độ lão hóa và phân hủy vật liệu PE/PVC.

Sự ăn mòn bởi dòng chảy lạc: Gần hệ thống tàu điện ngầm và đường truyền DC, dòng chảy lạc chảy vào tấm chắn kim loại của cáp ngầm và thoát ra tại các khiếm khuyết vỏ, tạo ra ăn mòn điện hóa tại các điểm thoát.Cơ chế ăn mòn này tiến hành nhanh hơn đáng kể so với ăn mòn tự nhiên, đôi khi gây ra sự suy giảm nghiêm trọng của tấm chắn kim loại trong vài tuần.

2.4 Các yếu tố lắp đặt và hoạt động (khoảng 17% các trường hợp)

Chất lượng đầy không tốt: Vật liệu lấp đầy chứa đá sắc nhọn hoặc mảnh vỡ xây dựng, hoặc không lắp đặt lớp bảo vệ cát mịn được chỉ định xung quanh cáp.Trong một cuộc điều tra lỗi tại một khu công nghiệp ở Thượng Hải, lớp vỏ ở điểm sai được tìm thấy đã bị đâm bởi một mảnh vỡ bê tông có cạnh sắc,mà đã được trộn vào backfill và dần dần làm sâu sắc hơn thiệt hại trong ba năm hoạt động.

Sự lão hóa hoạt động lâu dài: Trong khi đời sống thiết kế cáp thường kéo dài 30 năm, tốc độ lão hóa thực tế của lớp phủ phụ thuộc vào môi trường hoạt động.và phun muối cao, tuổi thọ hiệu quả của lớp phủ có thể được giảm xuống 15-20 năm.

Phần III: Nguy cơ của các lỗi vỏ cáp

Hư hỏng vỏ có vẻ bề ngoài, nhưng nó gây ra một phản ứng chuỗi đe dọa toàn bộ hệ thống cáp:

Sự thấm nước dẫn đến giảm cách điện chínhMột khi lớp phủ bị phá vỡ, ẩm đầu tiên tiếp xúc với tấm chắn kim loại, sau đó lan truyền theo chiều dọc dọc theo cáp.Cây nước hình thành dưới trường điện, làm cho sức đề kháng cách nhiệt giảm.Dữ liệu thử nghiệm cho thấy một cáp XLPE có chứa cây thông qua nước có thể giảm điện áp ngắt tần số điện từ bốn lần giá trị định số xuống dưới 1.5 lần.

Sự ăn mòn của tấm chắn kim loại dẫn đến sự cố hệ thống nối đất: Bọc đồng chịu ăn mòn điện hóa học trong môi trường ẩm ướt và ăn mòn. Khi tấm chắn ăn mòn và mỏng, khả năng chịu điện mạch ngắn của nó giảm đi.Các trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến vỡ khiên.Trong những điều kiện như vậy, một lỗi đất đơn pha không thể được giải quyết kịp thời.

Phân tích một phần dẫn đến sự cố cách điện: Các sản phẩm ăn mòn đồng (verdigris, oxit đồng) ở các điểm hư hỏng lớp vỏ tạo thành các lớp bán dẫn làm biến dạng sự phân phối trường điện địa phương và gây ra xả bề mặt.Sự thoát nước một phần liên tục dần dần làm xói mòn hệ thống cách điện chính, cuối cùng gây ra sự cố điện đệm.

Giảm tuổi thọ sử dụng cáp: Một cáp với vỏ nguyên vẹn có thể đạt được tuổi thọ thiết kế 30 năm. Tuy nhiên, nếu không khắc phục thiệt hại vỏ, tuổi thọ hiệu quả có thể giảm xuống còn 8-12 năm.Từ quan điểm quản lý tài sản, điều này đại diện cho sự gia tăng gấp đôi các yêu cầu đầu tư.

Phần IV: Làm thế nào để phát hiện lỗi vỏ cáp?

4.1 Phương pháp phát hiện truyền thống

Kiểm tra trực quan: Chỉ áp dụng cho các khu vực có thể truy cập như đầu cáp và các khớp nối. Đối với các cáp chôn trực tiếp, cần đào để kiểm tra trực quan.và dễ bị bỏ lỡ phát hiện.

Kiểm tra sức đề kháng cách nhiệt: Một megohmmeter được sử dụng để đo sức đề kháng cách nhiệt giữa tấm chắn kim loại và mặt đất.Theo DL/T 596-2021 "Định luật kiểm tra phòng ngừa cho thiết bị điện," kháng cách nhiệt lớp vỏ cáp không nên giảm xuống dưới 0,5M / km. Mặc dù phương pháp này có thể xác định liệu có hư hỏng lớp vỏ không, nó không thể xác định vị trí hư hỏng.

Kiểm tra trên mặt đất: đo sức đề kháng nối đất của tấm chắn kim loại cáp để đánh giá tính toàn vẹn của hệ thống nối đất. Tuy nhiên, phương pháp này cũng không thể xác định vị trí lỗi.

4.2 Phương pháp phát hiện chuyên nghiệp

DC chịu được thử nghiệm điện áp: Áp dụng điện áp cao DC (thường là 5-10kV) cho lớp phủ cáp trong khi theo dõi dòng chảy rò rỉ.nó cho thấy sự hiện diện của các điểm yếu cách nhiệt lớp phủPhương pháp này có thể được kết hợp với một máy dò lỗi vỏ để đạt được phát hiện và vị trí tích hợp.

Phương pháp điện áp bước: Một tín hiệu thử nghiệm được tiêm vào mặt đất phía trên đường cáp. Tại điểm vỡ, dòng chảy chảy vào mặt đất, tạo thành một gradient tiềm năng tập trung vào vị trí vỡ.Sử dụng một khung A và máy thu để phát hiện dọc theo đường dẫn cáp, dấu hiệu khác biệt tiềm năng đảo ngược cực khi người vận hành băng qua ngay trên điểm lỗi. Phương pháp điện áp bước thường đạt được độ chính xác định vị trong vòng 0,5m.

Phương pháp định vị tín hiệu âm thanh: Một tín hiệu âm thanh có tần số cụ thể được bơm vào giữa vỏ cáp và mặt đất. Tại điểm lỗi, tín hiệu hiện tại rò rỉ từ cáp vào mặt đất.Một đầu dò độ nhạy cao phát hiện ra sức mạnh và thay đổi hướng của tín hiệu ở mức độ mặt đấtVị trí có tín hiệu mạnh nhất cho thấy điểm lỗi.

4.3 Định vị chính xác so với đánh giá thô

Một thử nghiệm chống cách nhiệt đơn giản chỉ có thể chỉ ra rằng sự tổn thương lớp phủ tồn tại, không phải nơi bị tổn thương nằm. blind excavation to locate the fault is not only prohibitively expensive—urban road excavation costs can reach tens of thousands of RMB per occurrence—but may also cause traffic disruption and damage to adjacent municipal utilities.

Giá trị của vị trí chính xác nằm trong việc thu hẹp phạm vi khai quật từ hàng trăm mét xuống dưới 0,5m, giảm thời gian sửa chữa từ vài ngày xuống vài giờ và giảm chi phí sửa chữa hơn 80%.

Phần V: Nguyên tắc hoạt động của thiết bị định vị lỗi vỏ cáp

Lấy ví dụ về các hệ thống vị trí lỗi vỏ dựa trên điện áp bước hiện tại, quá trình hoạt động có thể được chia thành bốn giai đoạn:

5.1 Sản xuất tín hiệu

Máy phát tín hiệu (thường được tích hợp vào nguồn điện xung cao áp) phun tín hiệu điện áp xung tần số thấp giữa tấm chắn kim loại cáp và mặt đất.Tần số tín hiệu thường dao động từ 0.1-10Hz, với cường độ điện áp có thể điều chỉnh từ 0-15kV tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của tổn thương vỏ.Chọn tín hiệu tần số thấp đảm bảo thâm nhập qua các lớp đất dày hơn trong khi tránh căng thẳng điện không cần thiết trên hệ thống cách điện chính của cáp.

5.2 Đường dẫn dòng lỗi

Các dòng tín hiệu được tiêm chảy dọc theo tấm chắn kim loại cáp.làm cho tín hiệu hầu như không thể phát hiện được ở mặt đấtKhi dòng chảy đạt đến một điểm phá vỡ vỏ, một phần của dòng chảy thoát qua thiệt hại vào đất xung quanh, tạo thành một lĩnh vực dòng chảy phát ra bên ngoài từ điểm lỗi.

5.3 Sự thay đổi tiềm năng bề mặt

Dòng chảy ra khỏi điểm đứt gãy tạo ra một gradient điện áp trong trái đất.Đặc điểm vật lý này tạo thành cơ sở cốt lõi của phương pháp định vị điện áp bước bằng cách đo sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm trên bề mặt mặt đất, hướng của điểm lỗi có thể được xác định.

5.4 Quá trình nhận và định vị

Người vận hành mang máy thu và khung A dọc theo đường cáp. Hai đầu dò của khung A được chèn vào mặt đất (khoảng 1m cách nhau),và máy thu hiển thị kích thước và hướng của sự khác biệt tiềm năng trong thời gian thực.

Một quy trình định vị điển hình diễn ra như sau: người vận hành bắt đầu phát hiện khoảng 15m từ điểm lỗi, ở giai đoạn đó máy thu hiển thị một sự khác biệt tiềm năng dương tính yếu.Khi người vận hành tiếp cận điểm lỗi, giá trị chênh lệch tiềm năng tăng dần. Khi khung A vượt qua ngay trên điểm lỗi, hướng chênh lệch tiềm năng đảo ngược, với giá trị thay đổi đột ngột.Bằng cách liên tục di chuyển khung A về phía trước và phía sau, người vận hành có thể xác định vị trí lỗi trong vòng 0,5m.

Nghiên cứu trường hợp kỹ thuật: Năm 2024, một công ty điện tỉnh đang điều tra một lỗi vỏ trên một cáp phân phối đô thị 35kV (YJV32-26/35kV, dài 3,8km).Kháng cách nhiệt lớp phủ chỉ được đo bằng 0.02M, thấp hơn nhiều so với yêu cầu quy định.7km từ đầu cuối cáp trong khoảng 2.5 giờ. xác minh khai quật cho thấy một miếng thép được để lại trong quá trình xây dựng đã xuyên qua lớp vỏ, với sự ăn mòn có thể nhìn thấy tại chỗ đã có mặt trên tấm chắn kim loại.Toàn bộ quá trìnhNếu sử dụng phương pháp khai quật cắt ngang thông thường, ước tính sẽ mất 2-3 ngày.

Phần VI: Làm thế nào để ngăn ngừa lỗi vỏ cáp?

Phương pháp lắp đặt tiêu chuẩn: Đặt cáp và lắp đặt là tuyến phòng thủ đầu tiên để bảo vệ lớp phủ.Năng lực kéo không được vượt quá giá trị định số của cáp, bán kính uốn cong phải đáp ứng hoặc vượt quá các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn, các lỗ ống dẫn phải được trang bị lớp phủ bảo vệ, lưng phải không có đá sắc,và một lớp bảo vệ cát mịn 10cm phải được cài đặt xung quanh cáp.

Kiểm tra sau khi lắp đặt: Sau khi đặt cáp nhưng trước khi đổ lại, phải thực hiện thử nghiệm điện áp đồng và đo điện trở cách nhiệt của lớp phủ.Đây là cơ hội cuối cùng để phát hiện thiệt hại liên quan đến thiết bị.

Kiểm tra định kỳ và đánh giá tình trạng: Đối với các cáp đang hoạt động, việc kiểm tra cách nhiệt lớp vỏ được khuyến cáo mỗi 3-5 năm.khoảng thời gian thử nghiệm nên được rút ngắn xuống còn 1-2 năm.

Thiết lập hồ sơ sức khỏe cáp: Thực hiện tài liệu quản lý vòng đời đầy đủ cho mỗi cáp, ghi lại ngày lắp đặt, đường dẫn, dữ liệu thử nghiệm lịch sử và hồ sơ sửa chữa.Phân tích dữ liệu có thể xác định xu hướng lão hóa vỏ, cho phép lập kế hoạch thay thế hoặc sửa chữa chủ động.

Phần VII: Thiết bị phát hiện chuyên nghiệp trong quản lý sức khỏe lớp vỏ

Định vị chính xác các lỗi lớp phủ cáp phụ thuộc về cơ bản vào các thiết bị phát hiện chuyên biệt.các công cụ này đề cập đến các yêu cầu cốt lõi sau::

Các kịch bản ứng dụng: Thích hợp cho vị trí lỗi cách nhiệt lớp phủ trên cáp điện 10kV-220kV, bao gồm chôn trực tiếp, ngân hàng ống dẫn, hầm cáp, đường hầm và các cấu hình lắp đặt khác.

Chức năng cốt lõi: Kết hợp các phương pháp điện áp bước và tín hiệu âm thanh, các thiết bị này có thể xác định xem có hư hỏng vỏ không và chỉ ra chính xác vị trí địa lý của sự vi phạm.Một số mô hình cũng có khả năng theo dõi tuyến đường, cho phép lập bản đồ tuyến đường cáp đồng thời.

Ưu điểm kỹ thuật: Độ chính xác định vị thông thường trong vòng 0,5m, giảm thiểu khai quật không cần thiết.Hoạt động của một nhà điều hành có khả năng hoàn thành một cuộc khảo sát toàn tuyến của một cáp phân phối đô thị điển hình trong vòng 2-4 giờHoạt động màn hình cảm ứng với lưu trữ hình sóng tạo điều kiện cho tài liệu tại chỗ và sau phân tích.

Cải thiện hiệu quả: Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, việc sử dụng các máy tìm lỗi lớp vỏ có thể giảm thời gian tìm lỗi hơn 70%.Thống kê từ một công ty lưới điện cho thấy rằng sau khi giới thiệu thiết bị định vị chính xác, số lượng khai quật trung bình cho mỗi sửa chữa lỗi vỏ đã giảm từ 3,2 xuống còn 1.1, và thời gian sửa chữa trung bình đã được giảm từ 14 giờ xuống còn 4,5 giờ, giảm đáng kể thời gian gián đoạn và chi phí hoạt động.

Kết luận

Vỏ dây cáp có vẻ là lớp không đáng chú ý nhất trong xây dựng dây cáp, nhưng nó có trách nhiệm quan trọng bảo vệ toàn bộ dây cáp khỏi những mối nguy hiểm bên ngoài.Sự toàn vẹn của lớp phủ trực tiếp quyết định tuổi thọ hoạt động của cáp và độ tin cậy của nguồn cung cấp điệnKhi các hệ thống điện tiến tới chuyển đổi thông minh và kỹ thuật số, triết lý bảo trì phòng ngừa phải được chấp nhận một cách vững chắcvà sửa chữa kịp thời là liên tục tiết kiệm hơn, hiệu quả và an toàn hơn phản ứng khẩn cấp sau khi xảy ra lỗi.

Đối với mỗi kỹ sư bảo trì cáp, làm chủ công nghệ phát hiện lỗi vỏ, sử dụng thiết bị thử nghiệm chuyên nghiệp hiệu quả,và thiết lập một hệ thống quản lý sức khỏe dây cáp khoa học tạo thành nền tảng vững chắc để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của lưới điện.

Bài viết này dành cho các chuyên gia trong ngành công nghiệp điện và nhằm mục đích phổ biến kiến thức kỹ thuật và kỹ thuật trong lĩnh vực thử nghiệm và bảo trì cáp.Các thông số kỹ thuật và các trường hợp kỹ thuật được trích dẫn ở đây bắt nguồn từ các tiêu chuẩn công nghiệp điện có sẵn công khai và kinh nghiệm hoạt động thực tế.