Sưu tầm-Phát hiện rò khí SF6 bằng máy ảnh hồng ngoại

Từ nhiều năm nay, các chuyên gia chụp ảnh nhiệt độ của các đơn vị truyền tải điện lực luôn mong muốn có được chiếc máy ảnh có khả năng phát hiện những điểm rò rỉ SF6. Là một loại khí cách điện, SF6 được ngành điện sử dụng rộng rãi trong các máy cắt điện cao thế để ngăn ngừa phóng điện hồ quang. Ban đầu, người ta sử dụng máy chụp, việc này đòi hỏi phải chủ động quét tia laser hồng ngoại mà kết quả đạt được lại rất hạn chế. Những hệ thống này có phần cồng kềnh lại đòi hỏi những điều kiện đặc biệt nên tác dụng của nó chỉ ở mức độ nào đó.

Hiện nay có loại máy ảnh hồng ngoại có thể phát hiện những lượng rất nhỏ SF6, lại là một hệ thống hoàn toàn thụ động, không đòi hỏi phải có tia laser hồng ngoại ngay cả đối với cả những rò rỉ nhỏ nhất. Bài viết này nêu ngắn gọn lịch sử của SF6 như một loại khí cách điện, những vấn đề mà rò rỉ SF6 có thể gây ra, nguyên lý của máy ảnh hồng ngoại, và vì sao máy này làm việc hiệu quả như vậy. Ngoài ra, chúng tôi cũng giới thiệu một số phát hiện tiêu biểu trong phòng thí nghiệm cũng như ở các máy cắt SF6 vận hành thực tế trong hệ thống điện cao thế.

Giới thiệu

Năm 1933, ngay sau khi nhận được bằng cử nhân, Ray Herb đã cùng với Glen G.Havens ở Trường đại học Madison bang Wisconsin nghiên cứu về máy phát tĩnh điện cách điện chân không do Van de Graaff thiết kế, nhưng không thể đưa thiết bị này lên quá 300 kV. Hồi đó người ta chưa hiểu về hiện tượng phóng điện đã giới hạn điện thế có thể đạt được. Bởi vậy Ray đã quyết định thử sử dụng cách điện ở áp suất cao. Hai nghiên cứu sinh nữa là D.B. Parkinson và D. W. Kerst cùng tham gia với Ray trong nỗ lực này. Ray tình cờ phát hiện ra rằng có thể tăng độ bền điện môi của không khí lên rất nhiều nếu như bổ sung cacbon tetraclorua, một loại khí điện âm. Theo như ông kể, Ray đã thử nhiều hóa chất khác. Khi ông ta ném miếng giẻ thấm đẫm axêton vào bình chứa, thì tia lửa đầu tiên đã khởi đầu cho cả một đám cháy. Ông dễ dàng đạt được điện áp 1 MV trong bình áp lực có đường kính 1m, dài 2 m chứa đầy không khí và cacbon tetraclorua (CCl4).

Đặc trưng cơ bản trong thiết kế của Ray, mà sau này đã được áp dụng trong tất cả các máy gia tốc tĩnh điện hiện đại, đó là các mạch vòng bằng nhôm bao quanh ống gia tốc, một građien điện áp được khống chế bởi các điểm vầng quang hoặc các điện trở, một vônmet nguồn kiểu quay, cách điện áp suất cao (ban đầu là không khí và CCl4, nhưng sau này là nitơ và freon hoặc SF6).

Từng theo học và tốt nghiệp khoa vật lý Trường đại học Wisconsin, TS Madding may mắn được tham dự hội thảo chuyên đề thảo luận về phát hiện của giáo sư Herb tìm ra CCl­4 như một loại khí cách điện. Câu chuyện mà ông còn nhớ là 30 năm trước đây, khi còn là nghiên cứu sinh, Ray đang làm việc trong nhiều giờ liền và hoàn toàn thất vọng khi không đạt được đủ độ chân không để giữ máy phát Van de Graaff không phóng điện hồ quang. Khám phá tình cờ được đề cập ở trên đây xảy ra khi ông đang kiểm tra rò rỉ chân không của hệ thống. Thời đó, người ta thường xịt axêton vào những chỗ nghi ngờ và theo dõi đồng hồ đo chân không. Nếu ban đầu áp suất giảm do axêton lỏng tạm thời bịt kín chỗ rò rỉ, sau đó tăng nhanh khi axêton lỏng bay hơi tạo ra áp suất cao thì tức là bạn đã tìm ra chỗ rò rỉ. Hiển nhiên là khi định làm như vậy, Ray đã vô tình cầm chiếc bình xịt CCl4. Không chỉ áp suất giảm và sau đó tăng, chứng tỏ có chỗ rò rỉ, mà hệ thống đã bắt đầu làm việc ở điện áp cao hơn mà không phóng điện hồ quang. Kinh ngạc trước hiện tượng này, Ray bắt đầu thử nghiệm với các loại khí khác làm vật liệu cách điện. Cuối cùng người ta đã tìm ra SF6 là chất khí cách điện tốt nhất, hiện đang được sử dụng rộng rãi để cách ly và ngăn ngừa phóng điện hồ quang trong cầu dao và máy cắt điện cao thế.

Ngoài tác dụng cách điện, SF6 còn được bơm vào các bóng khí trong giầy điền kinh, bóng tennis, cửa sổ cách âm và lốp xe. Trong lĩnh vực y tế, SF6 cũng được sử dụng để siêu âm kích thước khối u, cũng như chữa võng mạc mắt. Hải quân Mỹ cũng đã sử dụng SF6 làm thành phần đẩy trong ngư lôi Mark 50. SF6 cũng được sử dụng như một loại khí bao phủ khuôn đúc để magiê không bị oxi hóa, và để sản xuất chíp trong công nghiệp điện tử. Theo các số liệu được công bố năm 2000, các công ty điện lực ở Mỹ đã sử dụng trên 1,5 triệu pao (680 nghìn tấn) SF6 để bổ sung cho lượng rò rỉ. Với giá hiện hành là 10 USD/pao thì tổng số tiền các công ty điện lực phải chi hằng năm, chỉ riêng cho việc bù lại lượng SF6 rò rỉ, đã lên tới 15 triệu USD. Đó là chưa kể đến các phí tổn về độ tin cậy liên quan tới khả năng phải cho ngừng vận hành, cắt điện và các sửa chữa rất tốn kém.

Ở góc độ khí nhà kính, SF6 tác động mạnh hơn CO2 tới 22.200 lần. Theo Hội thảo liên chính phủ về thay đổi khí hậu, SF6 là khí nhà kính mạnh nhất mà tổ chức này đã từng thử nghiệm. Không nghi ngờ gì nữa, từ góc độ chi phí cũng như môi trường, cần phải phát hiện và xử lý các chỗ rò rỉ SF6 rò rỉ, không chỉ vì lợi ích của riêng nước Mỹ mà còn của cả thế giới.

Nhận thức được chi phí cho SF6, những mối quan tâm về môi trường và rủi ro về độ tin cậy do rò rỉ SF6 trong thiết bị cao thế, các công ty điện lực và các công ty độc lập đã bỏ ra nhiều năm và đầu tư nhiều nghìn USD cho phát triển những công nghệ có khả năng phát hiện rò rỉ SF6 một cách nhanh chóng, tin cậy và an toàn. Các công ty điện lực biết rằng khi áp suất giảm nghĩa là có rò rỉ, và đối với một hệ thống có áp suất 80 psi thì chỉ cần giảm 1 hoặc 2 psi là hệ thống có thể phát tín hiệu báo động, mặc định đưa hệ thống sang trạng thái mở. Điều này gây ra những vấn đề phiền phức về độ tin cậy, đòi hỏi phải dẫn dòng điện theo tuyến khác, thậm chí có thể phải cắt điện.

Các loại đầu dò (máy ngửi) xem ra ít tác dụng bởi vì phải đặt đầu dò sát gần với chỗ rò rỉ mới phát hiện được. Với thiết bị đóng cắt 500 kV, điều này có thể là khó thực hiện. Ngăn hạ thế của máy nén khí là mục tiêu hàng đầu của máy ngửi, bởi vì chúng an toàn và dễ tiếp cận. Nhưng có một vấn đề lớn là thường thì khí tràn ngập ngăn này, nên khi nhân viên vận hành mở ngăn ra thì máy ngửi sẽ bị sặc khí. Có thể mất khá nhiều thời gian làm sạch ngăn tủ và “ngửi” từng bộ phận để tìm chỗ rò rỉ.

Công nghệ máy ảnh hồng ngoại sử dụng công nghệ scan chủ động đã được thực hiện nhưng đến nay mức độ thành công còn hạn chế. Ở đây, hệ thống máy ảnh hồng ngoại phát ra một chùm tia laser có cùng bước sóng với dải hấp thụ của SF6 là 10,6 mm. Máy ảnh được thiết kế để nhận chùm tia phản xạ và hiển thị hình ảnh hồng ngoại. Khi chùm tia laser gặp đám mây SF6, thường thì nó bị suy giảm hai lần, một trên đường đi và một trên đường trở về.

Vấn đề đối với một hệ thống như vậy là phải có cái gì đó để phản xạ chùm tia. Nếu hướng lên trời thì sẽ không có tia quay trở về và bạn không thể phát hiện ra đám mây SF6. Hệ thống này cũng rất lớn, không đơn giản trong vận hành và dễ hỏng.

Gần đây, một máy ảnh hồng ngoại loại mới, dựa trên thiết kế vững chắc dùng trong quân đội, đã được chứng minh hoàn toàn thích hợp cho việc tìm ra những rò rỉ SF6. Máy có kích thước nhỏ, có thể di chuyển và cực nhạy với SF6. Máy ảnh này hoàn toàn thụ động và có thể tìm được những chỗ rò rỉ, gần là khoảng 1 m và xa tới hàng vài chục mét. Với chiếc máy ảnh này, nếu có gì xảy ra cũng khó có thể lọt qua con mắt nhân viên vận hành giỏi trong trạm biến áp hoặc bãi phân phối cao thế.

Một vài ví dụ về ứng dụng trong trạm cao thế

Ảnh 1 là ảnh chụp chiếc máy ảnh SF6 đang làm việc ở một trạm 500 kV. Chiếc máy ảnh này, tên chính thức là GasFindIR LW, do công ty FLIR Systems chế tạo, đang tìm khí có dải hấp thụ trong phần sóng dài của phổ hồng ngoại. Cũng có máy ảnh giống như vậy mang tên GasFindIR làm việc ở dải sóng trung của phổ hồng ngoại và rất hữu ích trong việc phát hiện các loại khí hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds – VOC).

Đo bằng têlêmét laser có thể xác định các đĩa thuỷ tinh phòng nổ (sẽ vỡ ra trước khi áp lực bên trong vượt quá mức cho phép, để bảo vệ) ở cách máy ảnh hồng ngoại 37 ft (11,3 m). Trên ảnh 1, có thể thấy bốn trong số các đĩa đường kính 5 insơ (12,7 cm) này, mỗi trụ có hai chiếc. Ảnh 2 là ảnh cận cảnh của một trong số các các đĩa phòng nổ cùng với ảnh hồng ngoại kết hợp của GasFindIR. Trong bức ảnh tĩnh, khó có thể nhìn thấy chỗ rò rỉ, bởi vậy trong bài này, chúng tôi làm nổi bật những chỗ rò rỉ trong các bức ảnh đen trắng. Điều này giúp bù lại phối cảnh hình ảnh tĩnh cần thiết trong tài liệu văn bản. Với máy camera hồng ngoại hoặc băng video ghi lại, làn khí rò rỉ, cho dù rất nhỏ, vẫn dễ dàng tìm ra do chúng chuyển động.

Tài liệu cùng với máy ảnh số thông thường sẽ bổ sung rất nhiều cho máy video GasFindIR. Có nhiều máy ảnh số tốt có thể mua trên thị trường. Chúng tôi sử dụng máy ảnh số Nikon S10 Coolpix có độ phân giải 6 megapixel, độ phóng đại 10X và giảm rung. Nó có thể đặt vừa trong chiếc túi lớn. Ảnh chụp được rất rõ. Chúng tôi sử dụng máy ghi hình kỹ thuật số Archos để thu hình ảnh chuẩn ở đầu ra của GasFindIR.

Khi chúng tôi tìm thấy chỗ rò rỉ này, gió đang thổi nhẹ với tốc độ khoảng 5-10 dặm/giờ (8 – 16 km/h). Hướng gió hơi ngược và ngang qua chỗ rò rỉ, gần với hướng mũi tên trong ảnh hình 2. Làn gió này không cản trở việc chúng tôi nhìn thấy rò rỉ. Tuy nhiên nó cũng khiến SF6 tản đi nhanh hơn, và việc tìm kiếm một khuôn hình tĩnh đặc trưng của rò rỉ cũng khó khăn hơn. Có nhiều khí hơn so với những hình ảnh nhìn thấy bằng mắt thường trên ảnh 2.

Tìm kiếm rò rỉ trong những khu vực như vậy sẽ là rất khó và mất nhiều thời gian với các máy ngửi cầm tay, bởi vì khó tiếp cận và phải cắt điện để đảm bảo an toàn. Với thiết bị GasFindIR LW, chúng tôi có thể khảo sát và lấy tư liệu một cách an toàn trên toàn bộ trạm trong không đầy hai tiếng đồng hồ, mọi thiết bị vẫn vận hành bình thường.

Những vùng trong trạm biến áp có các bình SF6 dự phòng gắn vào kết cấu là những nơi dễ xác định rò rỉ nhất. Các công ty điện lực thường biết thiết bị của họ có bị rò rỉ hay không bởi vì họ theo dõi áp suất rất chặt chẽ. Để đảm bảo độ tin cậy, họ luôn sẵn sàng bổ sung cho khí rò rỉ. Ngoài các đĩa phòng nổ, các ngăn máy nén khí là những nơi cần kiểm tra rò rỉ.

Ảnh 4 cho thấy một chỗ rò rỉ gần rơle áp suất. Mặc dù chúng tôi không có thẩm quyền thực hiện công việc sửa chữa, nhưng chúng tôi tin rằng chỉ cần siết chặt phụ kiện là có thể khắc phục được rò rỉ này. Khí SF6 đến từ một trong những ống nối vào phụ kiện hình chữ T, ngay trước rơle áp suất. Cửa dẫn tới ngăn này xuôi theo chiều gió thổi với tốc độ khoảng 15 tới 20 dặm một giờ (24 – 36 km/h). Thậm chí ở phía khuất gió, gió tạo ra nhiều xoáy bên trong ngăn tủ. Tuy nhiên, vẫn nhìn thấy được khá rõ trên video chỗ rò rỉ. Chúng tôi cũng nhận thấy rò rỉ mang tính chu kỳ, không đến mức như luồng hơi phụt ra, nhưng đôi khi có vẻ như rò rỉ mạnh hơn vào những lúc khác. Đây chính là khu vực mà GasFindIR đang quan sát trên ảnh 3.

Những cơ hội khác ở ngăn máy nén được giới thiệu ở ảnh 5 và 6. Ngăn này có hai chỗ rò rỉ, chỗ rò lớn hơn là ở ống đèn xếp bị nứt. Chỗ rò rỉ ở ống đèn xếp bị nứt khá lớn nên có thể thấy được ở chế độ bình thường. Những chỗ rò rỉ khác được phát hiện dễ dàng ở chế độ độ nhạy cao, ban đầu không thấy được chế độ bình thường. Chế độ độ nhạy cao (high sensitivity mode – HSM), là một đặc trưng mới được phát triển trong thời gian gần đây, được thiết kế để tìm ra những chỗ rò khí nhỏ trong GasFindIR LW. Nó sử dụng bộ lọc động có khả năng thích ứng giúp nhìn rõ khí rò rỉ và nhận ra chỗ rò rỉ dễ dàng hơn nhiều. Sau khi tìm thấy chúng, chúng tôi đã thử để ở chế độ hình ảnh bình thường và thỉnh thoảng có thể nhìn thấy chúng, mặc dù đã biết chúng ở đó.

Khi đến gần rơle đang rò rỉ để chụp ảnh kỹ thuật số, chúng tôi nhận thấy nhân viên của công ty điện lực đã tìm ra rò rỉ và đánh dấu nó. Người của đơn vị muốn biết chúng tôi mất bao lâu để phát hiện ra chỗ đó bằng GasFindIR.

Chúng tôi mất chưa tới hai phút tính từ khi khi các cửa ngăn tủ máy nén đã mở. Rò rỉ nhỏ hơn trên màng ngăn trên ảnh 6 đòi hỏi thời gian dài hơn một chút để xác định vị trí. Trong số những rò rỉ nêu trong bài báo này, công ty điện lực chỉ xác định được hai chỗ.

Vì khi phát hiện các rò rỉ này, phải tìm ra sự chuyển động, nên cố định máy ảnh hồng ngoại là yêu cầu bắt buộc. Chúng tôi sử dụng chân máy của nhà nhiếp ảnh chuyên nghiệp. Bên trên chân máy lắp chiếc máy ảnh bình thường. Đối với công việc sau này, một chiếc máy quay video sẽ làm công việc đó tốt hơn.

Chúng tôi đã có nhiều năm kinh nghiệm sử dụng phương pháp ghi nhiệt độ bằng hồng ngoại trong các trạm biến áp để tìm những vấn đề bất thường về nhiệt, thường là những điểm phát nóng cục bộ tại các mối nối điện. Cách tiếp cận GasFindIR hoàn toàn khác. Bạn không thể làm nhanh. Bạn cần đặt chiếc máy ảnh trên chân máy, hướng vào một vùng, thu một hình ảnh tốt và nhìn kỹ vào đó trong một thời gian. Ở đây, nhiệt không phải là chủ yếu. Sự tương phản về nhiệt độ của khí SF6 đang di chuyển so với nền nhiệt độ không đổi mới là cái mà bạn tìm kiếm.

Tóm tắt

Chiếc máy ảnh GasFindIR kiểu mới rất hiệu quả trong việc tìm rò rỉ khí SF6 trong các trạm biến áp 500 kV và 230 kV. Công nghệ này cuối cùng đã phát triển tới mức có thể dễ dàng đưa một chiếc máy ảnh chạy bằng pin, bền, nhỏ và nhẹ vào trong trạm biến áp và nhanh chóng tìm ra những chỗ rò rỉ.

Chúng tôi đã tìm ra một số thủ thuật vận hành và điều kiện môi trường giúp tối ưu hoá công việc phát hiện rò rỉ khí SF6 trong trạm biến áp:

  • · Sự chuyển động của khí là vấn đề then chốt. Cố định máy ảnh hồng ngoại trên một chiếc chân máy tốt, ổn định và theo dõi sự chuyển động. Sử dụng đặc tính HSM sẽ làm nổi bật khí này so với nền xung quanh.
  • · Độ tương phản nhiệt giữa làn khí SF6 và nền xung quanh là quan trọng. Chúng tôi có gắng làm một số công việc trước bình minh và kết quả tìm ra những rò rỉ mà chúng tôi đã phát hiện ngày hôm trước là hạn chế. Sức nóng mặt trời là có lợi cho việc phát hiện SF6. Ngăn tủ, sứ cách điện ấm, v.v., tạo một nền tốt so với khí lạnh hơn. Trên nền trời trong, lạnh thì khí SF6 có vẻ như ấm hơn.
  • · Gió có thể là vấn đề khó. Chúng tôi không gặp nhiều khó khăn với tốc độ gió thổi 5 tới 10 dặm/giờ (8 – 16 km/h) nhưng gió ở tốc độ 15 – 20 dặm/giờ (24 – 32 km/h) đặt ra một số khó khăn. Chút ít gió xoáy thì được. Nhưng khi gió thổi đủ mạnh để “quét sạch” SF6 ra khỏi điểm rò rỉ thì nhiều khả năng bạn sẽ bỏ sót một số chỗ.

Theo KHCN Điện số 4/2008