Nghiên cứu xây dựng quy trình thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung phục vụ khai thác phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về điện cao áp

Đặc biệt là trong lĩnh vựcvật liệu cách điện, vật liệu composit… Để đảm bảo môi trường nhằm thửnghiệm, tiếp thu và phát triển các công nghệ mới từ bên ngoài phù hợp với hoàncảnh cụ thể c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-CHU XUÂN KHOÁT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH

THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG VÀ DÒNG ĐIỆN XUNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiêncứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trungthực và chưa được ai công bố

Tác giả luận văn

Chu Xuân Khoát

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, kỹ thuật điện cao áp và siêu cao áp trên thế giới đã có nhữngnghiên cứu đặc sắc và có những bước tiến mạnh mẽ Đặc biệt là trong lĩnh vựcvật liệu cách điện, vật liệu composit… Để đảm bảo môi trường nhằm thửnghiệm, tiếp thu và phát triển các công nghệ mới từ bên ngoài phù hợp với hoàncảnh cụ thể của Việt Nam, rất cần thiết phải chủ động xây dựng một phòng thửnghiệm hiện đại về nghiên cứu và thử nghiệm trong lĩnh vực điện cao áp

Trong nước, chúng ta đã có phòng thí nghiệm của Công ty CP Chế tạoThiết bị điện Đông Anh, Tập đoàn Điện Lực Việt Nam với khuôn viên 5580 m2.Tuy nhiên, phòng thí nghiệm cũ đó chưa đủ hiện đại cả về cơ sở hạ tầng lẫn cơ

sở kỹ thuật Cụ thể là cấp điện áp xoay chiều lớn nhất mà phòng thí nghiệm cũđạt được là 600kV, cấp điện áp xung lớn nhất đạt được là 1200kV, chưa cóphòng nghiên cứu chuyên biệt, phòng hội thảo khoa học, phòng lưu trữ tài liệuquý hiếm và đặc biệt là chưa có mô hình cơ cấu tổ chức nhân lực khoa học đểtrở thành một phòng thí nghiệm mang tầm cỡ quốc gia

Dựa trên những tiền đề đó, Bộ trưởng Bộ Công nghiệp đã ra quyết định số

2827/QĐ-KHCN về việc phê duyệt dự án đầu tư xây dựng PTN trọng điểm điện

cao áp của Viện Năng lượng

Luận văn cao học với đề tài "Nghiên cứu xây dựng quy trình thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung phục vụ khai thác Phòng thử nghiệm trọng điểm quốc gia về điện cao áp" được thực hiện với mong muốn giúp cho

người vận hành hệ thống thử nghiệm tiếp cận và làm chủ thiết bị tốt hơn, phục

vụ cho việc khai thác phòng thử nghiệm hiệu quả hơn

Để đảm bảo tính thực tế, luận văn đi sâu vào một hệ thống thử nghiệm cụthể, với các số liệu hoàn toàn chân thực của các thiết bị đã và đang được lắp đặtcủa phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về điện cao áp

Mong rằng luận văn sẽ mang lại những nguồn thông tin hữu ích cho bạnđọc Tuy nhiên, do trình độ có hạn và những hạn chế khác, có thể có nhiều vấn

đề chưa được đề cập tới hoặc đề cập chưa đầy đủ Tác giả hết sức cảm ơn các ýkiến đóng góp của bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn TSKH.Trần Kỳ Phúc (Viện Năng lượng) đã tận

tình hướng dẫn để thực hiện luận văn này

Tác giả luận văn

Chu Xuân Khoát MỤC LỤC

Trang phụ bìa……… 1

Lời cam đoan ……… 2

Lời mở đầu ……… 3

Mục lục ……… … 4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ……… 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN PHÒNG THÍ NGHIỆM TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA VỀ ĐIỆN CAO ÁP 1.1 ĐÁNH GIÁ SƠ LƯỢC VỊ TRÍ CỦA VIỆT NAM TRÊN BẢN ĐỒ KỸ THUẬT THỬ NGHIỆM CAO ÁP THẾ GIỚI 8

1.2 TỔNG QUAN VỀ PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỆN CAO ÁP 13

1.2.1 Yêu cầu chung……… 13

1.2.2 Mục tiêu của phòng thử nghiệm ……… 13

1.2.3 Chức năng nhiệm vụ của PTN……….… 14

1.2.4 Địa điểm xây dựng và bố trí mặt bằng……… … 15

1.2.5 Các hệ thống thử nghiệm của PTN……… 15

1.3 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN… … 18

1.3.1 Cơ sở xây dựng và tính cấp thiết của đề tài……… 18

1.3.2 Nội dung đề tài, những vấn đề cần giải quyết, và phương pháp nghiên cứu……… 18

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG VÀ DÒNG ĐIỆN XUNG 2.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN……….…… 20

2.1.1 Khái niệm xung……….….… 20

2.1.2 Điện áp đánh thủng và điện áp thử nghiệm……… …… 20

2.1.3 Điện áp xung và thử nghiệm điện áp xung……… …… 22

2.1.4 Dòng điện xung và thử nghiệm dòng điện xung……… …… 27

2.1.5 Phân loại cách điện……….….…… 30

2.1.6 Xác định điện áp phóng điện thực nghiệm……… 30

2.2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG…….……… 39

2.2.1 Mô phỏng các loại mạch điện áp xung và nguyên lý làm việc……… 39

2.2.2 Kỹ thuật đo lường điện áp xung……… 47

2.3 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ THỬ NGHIỆM DÒNG ĐIỆN XUNG………… 49

2.3.1 Giới thiệu các kho năng lượng……… 49

2.3.2 Mô phỏng các loại mạch phát dòng điện xung và nguyên lý làm việc 50 2.3.3 Kỹ thuật đo lường dòng điện xung……… 54

CHƯƠNG III: ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG, DÒNG ĐIỆN XUNG 3.1 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ QT THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG … 56 3.1.1 Giới thiệu một số hệ thống thử nghiệm điện áp xung hiện đại……… 56

3.1.2 Mô tả hệ thống thử nghiệm điện áp xung của PTN quốc gia………… 57

3.1.3 Các thành phần chính trong hệ thống thử nghiệm điện áp xung…… 59

3.1.4 Quy định về thời gian lặp lại các xung……… 79

3.1.5 Đấu nối cấu hình thử nghiệm sử dụng 18 tầng……… 80

3.1.6 Đấu nối cấu hình thử nghiệm sử dụng ít tầng (< 18 tầng)……… 87

3.1.7 An toàn và nối đất trong thử nghiệm điện áp xung……… 88

3.2 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ QT THỬ NGHIỆM DÒNG ĐIỆN XUNG 92 3.2.1 Giới thiệu một số hệ thống thử nghiệm dòng điện xung hiện đại….… 92 3.2.2 Mô tả hệ thống thử nghiệm dòng điện xung của PTN quốc gia… … 95

3.2.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của các bộ phận chính………….…… 99

3.2.4 Các mô hình thử nghiệm với dòng điện xung phi chu kỳ……… …… 107

3.2.5 Các mô hình thử nghiệm với dòng điện xung hình chữ nhật…… … 121

3.2.6 Đo lường dòng i(t)……… 127

CHƯƠNG IV: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG 4.1 TÍNH CHỌN MÁY PHÁT ĐIỆN ÁP XUNG……… 128

4.1.1 Chọn máy phát điện áp xung……… 128

4.1.2 Năng lượng toàn phần lớn nhất của máy phát xung……… 129

4.1.3 Hiệu suất η của sơ đồ Marx và hệ số ảnh hưởng k……… 129

4.2 TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ THAY THẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ÁP XUNG…… 130

4.2.1 Tính toán các thông số cho cấu hình 18 nối tiếp x 1 song song……… 132

4.2.2 Tính toán các thông số cho cấu hình 9 nối tiếp x 2 song song……… 133

4.2.3 Công thức tổng quát cho cấu hình A nối tiếp x B song song………… 134

4.2.4 Tổng hợp kết quả tính toán……… 135

4.3 KHẢO SÁT & TÍNH TOÁN GIỚI HẠN CÁC THAM SỐ TRONG THỬ NGHIỆM XUNG SÉT……….…… 136

4.3.1 Bài toán 1: Giới hạn tải điện dung cho xung sét……….…… 136

4.3.2 Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của điện trở hãm R tới đối tượng thử nghiệm xung sét……….……… 140

4.4 KHẢO SÁT & TÍNH TOÁN GIỚI HẠN CÁC THAM SỐ TRONG THỬ NGHIỆM XUNG THAO TÁC……… ……….… 142

4.4.1 Bài toán 1: Giới hạn tải điện dung cho xung thao tác……… 142

4.4.2 Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của điện trở hãm R tới đối tượng thử nghiệm xung thao tác……… 145

CHƯƠNG V: THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG CHO MÁY BIẾN ÁP LỰC 5.1 KHÁI QUÁT CHUNG……… 148

5.2 DẠNG XUNG THỬ NGHIỆM……… 148

5.2.1 Xung sét……… 148

5.2.2 Xung sét có đuôi sóng bị cắt……… 150

5.2.3 Xung thao tác……… 151

5.2.4 Điều chỉnh dạng sóng xung sét trong những trường hợp đặt biệt…… 151

5.3 BIÊN ĐỘ ĐIỆN ÁP THỬ NGHIỆM……… 155

5.3.1 Một số khái niệm cơ bản……… 155

5.3.2 Tiêu chuẩn lựa chọn điện áp……… 155

5.4 TRÌNH TỰ THỬ NGHIỆM……… 158

5.4.1 Trình tự thử nghiệm xung sét……… 158

5.4.2 Trình tự thử nghiệm xung sét có đuôi sóng bị cắt……… 158

5.4.3 Trình tự thử nghiệm xung thao tác……… 158

5.5 MẠCH THỬ NGHIỆM & ĐẤU NỐI THỬ NGHIỆM……… 159

5.5.1 Mạch thử nghiệm……… 159

5.5.2 Đấu nối thử nghiệm xung sét……… 161

5.5.3 Đấu nối thử nghiệm xung thao tác……… 163

5.6 TIÊU CHUẨN THỬ NGHIỆM ……… ……… 165

5.6.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm đối với xung sét……….… 165

5.6.2 Tiêu chuẩn thử nghiệm đối với xung sét có đuôi sóng bị cắt…….…… 165

5.6.3 Tiêu chuẩn thử nghiệm đối với xung thao tác……….…… 165

5.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SỰ CỐ……… 166

5.7.1 Kiểm tra sự cố đối với thử nghiệm xung sét……….… 166

5.7.2 Kiểm tra sự cố đối với thử nghiệm xung thao tác……….…… 167

5.8 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THÔNG QUA CÁC BẢN GHI 168 5.8.1 Kết quả thử nghiệm điện áp xung sét……….……… 168

5.8.2 Kết quả thử nghiệm điện áp xung thao tác ……….……… 170

5.8.3 Yêu cầu của báo cáo thử nghiệm xung……….……… 171

5.9 ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM MBA TRẠM 500KV THƯỜNG TÍN-EVN 171

5.9.1 Thông số máy biến áp 500kV Thường Tín……… 171

5.9.2 Dạng xung yêu cầu……….…… 171

5.9.3 Sơ đồ đấu nối thử nghiệm……….… 172

5.9.4 Biên độ điện áp và trình tự thử nghiệm……….…… 174

PHỤ LỤC 1: ……… 176

Phân tích một số bản ghi sự cố điển hình khi thử nghiệm một MBA lực thực tế. PHỤ LỤC 2: ……… 189

Kết quả thử nghiệm MBA 500kV – 450 MVA trạm 500kV Thường Tín, Công ty Truyền tải điện 1, EVN. TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… ……….….190

TÓM TẮT LUẬN VĂN ……… ……….……191

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC Dòng xoay chiều (Alternative Current)

DC Dòng một chiều (Directive Current)

HV Cao áp (High Voltage)

LV Hạ áp (Low Voltage)

L.I Xung sét (Lighning Impulse)

L.I.C Xung sét có đuôi sóng bị cắt

MOA Chống sét loại Oxit kim loại (Metal Oxide Aresster) MBA Máy biến áp

MV Trung áp (Medium Voltage)

PTN Phòng thử nghiệm

S.I Xung thao tác (Switchning Impulse)

Y, D Cuộn dây máy biến áp đấu sao (Y), đấu tam giác (D) […] Ghi chú tài liệu tham khảo.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN PHÒNG THÍ NGHIỆM TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA VỀ ĐIỆN CAO ÁP 1.1 ĐÁNH GIÁ SƠ LƯỢC VỊ TRÍ CỦA VIỆT NAM TRÊN BẢN ĐỒ KỸ THUẬT THỬ NGHIỆM CAO ÁP THẾ GIỚI

Trên thế giới, hiện nay kỹ thuật điện cao áp và siêu cao áp đã có nhữngnghiên cứu đặc sắc và có những bước tiến mạnh mẽ Đặc biệt là trong lĩnh vựcvật liệu cách điện, vật liệu composit…

Trong nước, chúng ta đã có phòng thí nghiệm của Công ty CP Chế tạoThiết bị điện Đông Anh, Tập đoàn Điện Lực Việt Nam với khuôn viên 5580 m2.Tuy nhiên, phòng thí nghiệm cũ đó chưa đủ hiện đại cả về cơ sở hạ tầng lẫn cơ

sở kỹ thuật Cụ thể là cấp điện áp xoay chiều lớn nhất mà phòng thí nghiệm cũđạt được là 600kV, cấp điện áp xung lớn nhất đạt được là 1200kV, chưa cóphòng nghiên cứu chuyên biệt, phòng hội thảo khoa học, phòng lưu trữ tài liệuquý hiếm và đặc biệt là chưa có mô hình cơ cấu tổ chức nhân lực khoa học đểtrở thành một phòng thí nghiệm mang tầm cỡ quốc gia

Để có thể đánh giá sơ lược được thực trạng ngành thử nghiệm kỹ thuậtđiện cao áp và siêu cao áp và có cái nhìn tổng quan hơn về vị trí của Việt Nam

so với thế giới, sau đây sẽ khảo sát và so sánh một số tổ hợp phòng thử nghiệmđiển hình trên thế giới để (số liệu năm 2007)

Bảng 1.1: Số lượng phòng thử nghiệm ở một số quốc gia điển hình có ngành thử

nghiệm kỹ thuật điện cao áp và siêu cao áp phát triển mạnh

8 Hi Lạp 2 23 Nga 1

[Theo tạp chí HV/HP Laboraties 2007]

Giới thiệu một số phòng thử nghiệm trên thế giới:

1) ABB Power Technologies AB, High Power Laborator - SWEDEN

Smax MVA

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

8) Cesi – ITALY

Smax MVA

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

No Laborator

Smax MVA

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

W kJ

Umax kV

Imax kA

f Hz

- Sau khi xây dựng Phòng thử nghiệm cao áp của Việt Nam là một trongnhững phòng thử nghiệm hiện đại và ngang tầm với các phòng thí nghiệmhiện đại trên thế giới Phòng thử nghiệm cũng có hầu hết các chức năngthử nghiệm cao áp tương tự như các phòng thử nghiệm khác trên thế giới,với điện áp xung lớn nhất phòng thí nghiệm là 3600kV, Việt Nam hoàntoàn có thể thực hiện thử nghiệm, kiểm nghiệm các kỹ thuật cao áp mới,các công nghệ mới trên thế giới.

1.2 TỔNG QUAN VỀ PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỆN CAO ÁP.

1.2.1 Yêu cầu chung.

PTN mang tầm cỡ quốc gia nên đòi hỏi phải là một cơ sở tương đối hoànthiện Để đảm bảo tính đồng bộ của hệ thống, cần thiết phải thiết kế mới và cócác trang bị hiện đại, đáp ứng được yêu cầu nhiệm vụ và ngang tầm với côngnghệ tiên tiến của khu vực và thế giới

Vì vậy, yêu cầu đặt ra cho PTN điện cao áp là:

- Xuất phát từ điều kiện cụ thể của đất nước, PTN phải được xây dựngmang tính chất trọng điểm, đáp ứng được các yêu cầu khoa học và nghiêncứu ứng dụng, thử nghiệm thuộc lĩnh vực điện cao áp, phục vụ đắc lựccho phát triển kinh tế đất nước

- Xây dựng và thực hiện dự án là một quá trình chủ động nghiên cứu, thiết

kế, vận dụng sáng tạo mô hình và kinh nghiệm các PTN tiên tiến trên thếgiới

- Trang bị của PTN phải hiện đại, đồng bộ, mang tính kế thừa, mang tính

mở, có khả năng hợp tác tốt với các cơ sở NCKH trong và ngoài nước

- PTN phải làm tốt chức năng đào tạo, bồi dưỡng và xây dựng đội ngũ cán

bộ khoa học có trình độ cao trong lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp

1.2.2 Mục tiêu của phòng thử nghiệm.

- Tạo môi trường cho công tác thử nghiệm, kiểm định, đánh giá các chỉ tiêu

kỹ thuật cho các thành phần và thiết bị điện lực

- Tham gia với các cơ quan chức năng nhà nước nghiêm cứu phát triểnhoàn thiện các bộ tiêu chuẩn về thử nghiệm, thử nghiệm cách điện, vậnhành thiết bị…

- Tư vấn cho các cơ quan chức năng về các vấn đề kỹ thuật, công nghệ liênquan đến kỹ thuật điện cao áp và các hiệu ứng điện trường cao

- Nghiên cứu cơ bản các hiện tượng phóng điện trên khoảng cách dài, cáchiệu ứng điện trường cao, các vấn đề cơ bản về điện cao áp để xác lập căn

cứ khoa học cho các ứng dụng thực tế phục vụ ngành Điện và các ngànhkhoa học khác như khoa học vật liệu, vật liệu bán dẫn, siêu dẫn, plasma…

- Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ phục vụ sản xuất như thiết

kế, thử nghiệm và triển khai ứng dụng các thiết bị, vật liệu cách điệntrung cao áp và siêu cao áp với cấp điện áp tới 500kV

- Tổ chức các hướng nghiên cứu công nghệ mới liên quan đến kỹ thuật điệncao áp và điện trường mạnh như công nghệ lắng, lọc, công nghệ dập, ép,

in, plasma, siêu vật liệu, chẩn đoán trạng thái cách điện…

1.2.3 Chức năng và nhiệm vụ của PTN.

Phòng thí nghiệm điện cao áp là cơ sở nghiên cứu khoa học hàng đầu của

cả nước về nghiên cứu điện áp cao có các chức năng nhiệm vụ sau:

Các nghiên cứu cơ bản gồm có:

- Các mô hình thuật toán để nghiên cứu và tính toán về trường (điện và từtrường)

- Các hiện tượng phóng điện trong không khí trên khoảng cách dài vàtrung, tính toán xác suất phóng điện sét vào các thiết bị của hệ thốngđiện…

- Các hiện tượng tiền phóng điện (pre-breakdown) và phóng điện trong các

tổ hợp điện môi là cơ sở cho việc nghiên cứu cơ chế quá trình đánh thủngcách điện và chẩn đoán sự cố trong quá trình vận hành các thiết bị điệnnhư máy cắt, máy biến áp…

- Các đặc tính cách điện nhiễm bẩn và đánh thủng cách điện

- Nghiên cứu quá trình lão hóa của vật liệu điện

- Nghiên cứu và tối ưu hệ thống đo lường cao áp, cơ sở cho việc hoàn thiện

lý thuyết đo lường cao áp, phục vụ công tác nghiên cứu khoa học

- Nghiên cứu các hiện tượng dông sét

- Bảo vệ chống sét cho người và công trình

- Tiến hành các nghiên cứu cơ bản về hiệu ứng điện trường cao phục vụkhoa học vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn…

Các nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ gồm có:

- Các nghiên cứu về vật liệu cách điện tổng hợp và polimer phục vụ chocông nghệ chế tạo cách điện, sản phẩm hóa dầu

- Nghiên cứu về công nghệ sản xuất vật liệu điện nhằm nâng cao tính ổnđịnh của vật liệu cách điện trong môi trường Việt Nam

- Triển khai các nghiên cứu khoa học về chế tạo các loại thiết bị điện côngsuất lớn, điện áp cao…

- Triển khai các nghiên cứu khoa học về cấu trúc hợp lý của đường dây cao

và siêu cao áp

- Nghiên cứu các ứng dụng của điện cao áp và điện trường mạnh như sơn,

mạ, lắng, lọc, ép, dập, in…

- Tiến hành thử nghiệm, cấp chứng chỉ chất lượng cho thương mại quốc tế

1.2.4 Địa điểm xây dựng và bố trí mặt bằng.

PTN trọng điểm quốc gia được nâng cấp từ khuôn viên 5580 m2 của Công

ty CP Chế tạo Thiết bị điện Đông Anh, Tập đoàn Điện lực Việt Nam Bố trí mặtbằng tổng thể PTN được trình bày trên sơ đồ:

Hình 1.1 – Bố trí mặt bằng PTN trọng điểm quốc gia

1.2.5 Các hệ thống thử nghiệm của phòng thử nghiệm.

PTN có 6 hệ thống thử nghiệm lớn sau:

1) Hệ thống thử nghiệm điện áp xoay chiều

2) Hệ thống thử nghiệm điện áp xung

3) Hệ thống thử nghiệm dòng điện xung

4) Hệ thống đo lường điện môi và phóng điện cục bộ

5) Buồng thử nghiệm môi trường

6) Hệ thống thử nghiệm công suất ngắn mạch

1 Hệ thống thử nghiệm điện áp xoay chiều:

Được sử dụng vào mục đích nghiên cứu triển khai và công tác thử nghiệmnhằm xác định khả năng chịu đựng của điện áp xoay chiều tăng cao tần số côngnghiệp đối với các vật liệu cách điện, sản phẩm thiết bị điện của hệ thống tảiđiện cao áp và siêu cao áp tới 500kV, các máy biến áp, máy cắt, cáp điện lực…

Để có thể thử nghiệm các thiết bị điện lực tới cấp điện áp 500kV thì cần có điện

áp phát ra cực đại của hệ thống là 1200kV Hiện nay, cơ sở thí nghiệm cũ mớichỉ có một máy biến áp thử nghiệm 600kV của CHDC Đức (cũ) Hệ thống sẽđược trang bị lại một máy biến áp thử nghiệm mới với các thông số cơ bản sau:

- Điện áp xuất ra cực đại: 1200kV AC dòng 2A

- Công suất cực đại: 2400kVA

- Mức phóng điện cục bộ của hệ thống <10pC

Các thiết bị chính của toàn hệ thống thử nghiệm điện áp xoay chiều gồm:

- Máy phát điện áp thử nghiệm kiểu ghép tầng

- Máy biến áp điều khiển

- Tụ liên kết và bộ lọc

- Bộ cáp đo lường và điều khiển, bộ chia điện áp

- Thiết bị điều khiển, xử lý

2 Hệ thống thử nghiệm điện áp xung:

Tạo các xung phóng điện trên khoảng cách trung bình và dài cho công tácnghiên cứu cơ bản về phóng điện sét, các hiệu ứng điện trường cao

Mô phỏng các xung sét toàn sóng trong nghiên cứu vật lý về sét

Thử nghiệm ở chế độ điện áp xung toàn sóng, xung cắt, các xung thao tác đốivới vật liệu cách điện, sản phẩm thiết bị điện trung, cao và siêu cap áp tới500kV

Hệ thống bao gồm các thiết bị chính sau:

- Máy phát xung

- Bộ nạp điện áp 1 chiều có khả năng thay đổi cực tính

- Bộ chia điện áp dạng xung

- Các điện trở tạo dạng xung

- Các thiết bị đo lường

- Hệ thống điều khiển và xử lý

Một số thông số chính của hệ thống:

- Điện áp nạp của hệ thống: 3600kV (hệ thống cũ là 1200kV)

- Năng lượng xung : 180kJ (hệ thống cũ là 60kJ)

- Số tầng của máy phát xung : 18 tầng (hệ thống cũ là 12 tầng)

3 Hệ thống thử nghiệm dòng điện xung:

Sử dụng tạo ra các dòng điện xung sét, dòng điện xung dốc, dòng điệnxung đóng cắt phục vụ cho công tác và triển khai công nghệ chế tạo chống sétvan, cầu dao, máy cắt

- Hệ thống được sử dụng tích hợp vào hệ thống thử nghiệm điện áp xungvới việc sử dụng máy phát xung để tạo các dòng điện xung thử nghiệmcần thiết.

- Các thiết bị khác bao gồm những phần tử tạo mạch phát xung và hệ thốngđiều khiển, xử lý số liệu

Một số thông số chính của hệ thống:

- Dòng điện xung cực đại: 100kA

- Điện áp dư: 50kV

- Năng lượng: 100kJ

4 Hệ thống đo lường điện môi và thử nghiệm phóng điện cục bộ.

Hệ thống hiện đang khai thác sử dụng Hệ thống sẽ được trang bị thêm bộcầu đo điện dung và góc tổn hao với tụ khí nén, hệ thống đo phóng điện cục bộ

5 Hệ thống thử nghiệm công suất ngắn mạch.

Phục vụ nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm công suất cắt đối với các thiết

bị đóng cắt trung và cao áp Hiện tại trong nước chưa có cơ sở sản xuất nàođược trang bị hệ thống này trong khi nhu cầu của các cơ sở sản xuất thiết bịđóng cắt là rất lớn Nếu được đầu tư, hệ thống thử nghiệm công suất ngắn mạch

sẽ có tác dụng tích cực đến ngành công nghiệp chế tạo thiết bị điện (các sảnphẩm đóng cắt có tải) và tạo cho ngành bước đi vững chắc

Hệ thống bao gồm các thiết bị chính sau:

- Máy phát đồng bộ

- Động cơ kéo 1 chiều

- Hệ thống thiết bị đóng cắt, bảo vệ, nâng áp

- Các thiết bị đo lường

- Hệ thống điều khiển và xử lý

Một số thông số chính của hệ thống:

- Máy phát điện tạo điện áp ra của bộ nguồn: 10,5kV

- Công suất máy phát điện: 20MVA

- Động cơ kéo một chiều đến: 5000kW

- Dòng ngắn mạch đến: 80kA

6.Buồng thử nghiệm môi trường.

Được sử dụng để nghiên cứu và thử nghiệm khả năng làm suy giảm tínhchất cách điện và độ lão hóa của vật liệu cách điện trong điều kiện tác động củamôi trường và khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Vật liệu hoặc nguyên mẫu cách điện

có thể được làm lão hóa kiểu tăng tốc trong buồng môi trường dưới các điềukiện khí hậu nhiệt độ và mức độ ô nhiễm khác nhau được mô phóng lại

1.3 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN.

1.3.1 Cơ sở xây dựng và tính cấp thiết của đề tài.

PTN trọng điểm quốc gia là phòng thí nghiệm hiện đại nhất của ViệtNam, là cơ sở nghiên cứu hàng đầu về lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp và siêu cao

áp Trước khi đưa vào vận hành, một trong những yêu cầu không thể thiếu là cầnthiết một quy trình thử nghiệm cho mỗi hệ thống thử nghiệm Vào thời điểmhiện tại, các thiết bị cơ bản của 2 hệ thống sau đã được đưa về Việt Nam và tiếnhành lắp đặt, đó là:

- Hệ thống thử nghiệm điện áp xung

- Hệ thống thử nghiệm dòng điện xung

Vì vậy, đây là cơ hội để tiếp cận thiết bị và thực hiện luận văn:

"Nghiên cứu xây dựng quy trình thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung phục vụ khai thác Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về điện cao áp"

1.3.2 Nội dung luận văn, những vấn đề cần giải quyết, và phương pháp nghiên cứu.

* Nội dung của luận văn, những vấn đề cần giải quyết.

- Tổng quan về thử nghiệm điện cao áp và phòng thí nghiệm trọng điểmquốc gia về điện cao áp

- Cơ sở lý luận về thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung

- Đặc tính kỹ thuật các thiết bị thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung

- Xây dựng quy trình thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung

* Mô tả phương pháp nghiên cứu.

- Tập hợp và nghiên cứu các tài liệu về quy trình, tiêu chuẩn kiểm tra thửnghiệm và bảo dưỡng, các phương pháp đo đạc, thử nghiệm, các thông tin

về thời tiết, khí hậu, ảnh hưởng của môi trường nhiệt đới đối với các thiết

bị điện cao áp

- Khảo sát, thu thập và phân tích các tài liệu về kỹ thuật liên quan đến quytrình thử nghiệm điện áp xoay chiều, điện áp xung đối với các thiết bịđiện cao áp của các nước tiên tiến trên thế giới

- Các quy trình thử nghiệm về điện áp xung, dòng điện xung gắn liền vớicác thiết bị thử nghiệm được trang bị theo Phòng thử nghiệm trọng điểmđiện cao áp

* Một số khó khăn khi xây dựng đề tài.

- Hiện nay, hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới đều đã có phòng thínghiệm điện cao áp và siêu cao áp Tuy nhiên, trong phạm vi khu vực(Đông Nam Á) thì chưa có phòng thí nghiệm điện cao áp hiện đại nào cóthể sánh ngang tầm thế giới và tương ứng với sự phát triển công nghệ điệncao áp Phòng thí nghiệm cao áp cũ của Đông Anh cũng chỉ phát đượcđiện áp xung lớn nhất là 1200kV, trong khi đó trên thế giới đã xuất hiện

và nghiên cứu thử nghiệm với điện áp xung lên tới hàng chục nghìn kV

Do đó, việc tiếp cận một phòng thử nghiệm hiện đại là hoàn toàn mới mẻ.Điều đó cũng đồng nghĩa với việc thiếu kinh nghiệm và tài liệu thực hành

về kỹ thuật điện cao áp

- Trong nước, hầu như chưa có một ấn phẩm tiếng Việt nào nghiên cứu vàviết về kỹ thuật điện cao áp (đặc biệt về điện áp xung, dòng điện xung)

Đó là một lỗ hổng trong lĩnh vực nghiên cứu điện cao áp

- Các thiết bị hiện đại của phòng thử nghiệm đã được vận chuyển về ViệtNam nhưng chưa thực sự đưa vào hoạt động, do đó, có những vấn đề kỹthuật chi tiết mang tính chất kinh nghiệm và kỹ năng phát sinh trong quátrình vận hành là không thể lường trước được (Ví dụ như bù ảnh hưởngcủa môi trường, điều kiện khí quyển, điều kiện nhiệt đới, ảnh hưởng của

hệ thống nối đất, ảnh hưởng của các công trình xây dựng trong khu vực,ảnh hưởng của chính phòng thử nghiệm tạo ra các tụ ký sinh giữa tường,trần nhà với hệ thống thử nghiệm khi thử nghiệm với điện áp lên tới hàngnghìn kV….)

- Các sản phẩm thử nghiệm được cung cấp đồng bộ của các hãng sản xuấtứng dụng nhiều kỹ thuật nghiên cứu mới, mang tính độc quyền kinhdoanh và bí mật về công nghệ, do đó cũng khó khăn trong việc tiếp cận vàtìm hiểu chi tiết

Khi đưa PTN vào vận hành, tùy theo những yêu cầu cụ thể đối với từng hạngmục và mục đích thử nghiệm khác nhau, kết hợp với quy trình kỹ thuật an toànđiện (đã ban hành của Bộ Công Thương) hoặc các ấn phẩm bổ sung khác, sẽ cótừng quy trình (hoặc quy định, thủ tục) riêng lẻ áp dụng cho các trường hợp khácnhau Do đó, đề tài này tập trung xây dựng quy trình có tích chất khái quát và hệthống Là cơ sở để triển khai xây dựng các quy trình đặc thù có liên quan

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ LUẬN

VỀ THỬ NGHIỆM ĐIỆN ÁP XUNG VÀ DÒNG ĐIỆN XUNG

2.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN [IEC60060-1]

2.1.1 Khái niệm xung.

Thuật ngữ "xung" phải được phân biệt với thuật ngữ "quá điện áp", quá điện áp

là hiện tượng quá độ sản sinh trong những thiết bị điện hoặc các lưới điện đanglàm việc

2.1.1.2 Các xung sét và xung thao tác.

Phân biệt các xung sét và xung thao tác trên cơ sở khoảng thời gian đầusóng Các xung với khoảng thời gian đầu sóng lên tới 20 s được xác định nhưcác xung sét và những xung có khoảng thời gian đầu sóng dài hơn như là xungthao tác

Nói chung, những xung thao tác được đặc trưng bởi những khoảng thờigian tổng cộng dài hơn đáng kể với khoảng thời gian xung sét

2.1.2 Điện áp đánh thủng và điện áp thử nghiệm.

2.1.2.1 Phóng điện đánh thủng:

Thuật ngữ "phóng điện đánh thủng" (hay còn gọi là "chọc thủng điện")liên quan đến hiện tượng sự cố cách điện dưới ứng suất điện, trong đó có sựđánh thủng bắc cầu hoàn toàn cách điện trong thử nghiệm, giảm nhỏ điện ápgiữa những điện cực thực tế về 0

Phóng điện đánh thủng có thể xảy ra trong các điện môi khí, lỏng, rắn, và

tổ hợp của các điện môi đó

Phóng điện đánh thủng không duy trì, trong đó đối tượng thử nghiệmđược bắc cầu tức thời bởi một tia lửa hoặc hồ quang, có thể được sinh ra Điện

áp ở các đầu cực đối tượng đang thử nghiệm khi đó được giảm tức thời về 0hoặc về một giá trị rất nhỏ Tuỳ thuộc vào những đặc tính của mạch thử nghiệm

và của đối tượng, sự phục hồi cường độ điện môi có thể xảy ra ngay cả khi chophép điện áp thử nghiệm đạt đến một giá trị cao hơn

Các phóng điện không đánh thủng như các phóng điện giữa những điệncực hoặc của các dây dẫn trung gian cũng có thể xảy ra mà điện áp thử nghiệmkhông giảm về 0

Phóng điện không đánh thủng được gọi là "các phóng điện từng phần"

[IEC 270].

Thuật ngữ “phóng điện” có ý nghĩa như là thuật ngữ “phóng điện đánhthủng” trong chất khí hoặc chất lỏng.

Thuật ngữ "phóng điện vòng" được dùng khi phóng điện đánh thủng xảy

ra trên bề mặt của một điện môi chất khí hoặc lỏng

Thuật ngữ "đánh thủng" được dùng khi phóng điện đánh thủng xảy ra quamột điện môi cứng Phóng điện đánh thủng trong một điện môi rắn sinh ra mộttổn thất cường độ điện môi vĩnh cửu, trong điện môi lỏng hoặc khí tổn thất cóthể chỉ là tạm thời

2.1.2.2 Đặc tính của điện áp thử nghiệm:

Các đặc tính giả định của điện áp thử nghiệm:

Những đặc tính giả định của điện áp thử nghiệm gây ra phóng điện đánhthủng là những đặc tính có thể nhận được nếu không có phóng điện đánh thủngnào xảy ra

Đặc tính thực của điện áp thử nghiệm:

Đặc tính thực của một điện áp thử nghiệm là đặc tính xảy ra trong thửnghiệm ở đầu cực của đối tượng đang thử nghiệm

2.1.2.3 Điện áp phóng điện đánh thủng của đối tượng thử nghiệm:

Điện áp phóng điện đánh thủng của đối tượng thử nghiệm là giá trị củađiện áp thử nghiệm gây ra phóng điện đánh thủng

2.1.2.4 Đặc tính thống kê của điện áp phóng điện đánh thủng:

Các điện áp phóng điện đánh thủng lệ thuộc vào những biến đổi ngẫunhiên, nói chung người ta phải tiến hành một số quan sát để được một giá trị có

ý nghĩa về mặt thống kê của điện áp

Xác suất phóng điện đánh thủng của đối tượng thử nghiệm:

Xác suất phóng điện của đối tượng thử nghiệm là xác suất mà đặt một giátrị điện áp giả định nào đó của dạng điện áp đã cho sẽ gây ra một phóng điện

đánh thủng trong đối tượng thử nghiệm Tham số p có thể được biểu thị theo

phần trăm hoặc theo dạng phân số

Xác suất chịu đựng q của đối tượng thử nghiệm:

Xác suất chịu đựng q của đối tượng thử nghiệm là xác suất mà đặt một giátrị điện áp giả định nào đó của dạng điện áp đã cho không gây ra một phóng điệnđánh thủng trên đối tượng thử nghiệm Nếu xác suất phóng điện đánh thủng là p,xác suất chịu đựng q = (1-p)

Điện áp phóng điện đánh thủng 50% (U50) của đối tượng thử nghiệm:

Đó là giá trị của điện áp giả định có xác suất 50% tạo ra điện áp đánhthủng trên đối tượng thử nghiệm

Điện áp phóng điện đánh thủng Up của đối tượng thử nghiệm (p%)

Điện áp phóng điện đánh thủng p% của đối tượng thử nghiệm là giá trịđiện áp giả định có xác suất p% sinh ra một phóng điện đánh thủng trên đốitượng thử nghiệm

Độ lệch quy ước z của điện áp phóng điện đánh thủng của đối tượng thử nghiệm

Độ lệch quy ước z của điện áp phóng điện đánh thủng của đối tượng thửnghiệm là hiệu số giữa điện áp phóng điện đánh thủng 50% và 16% của nó Nóthường được biểu thị theo đơn vị hoặc phần trăm, dựa vào điện áp phóng điệnđánh thủng 50%.

Ghi chú - Nếu hàm xác suất phóng điện đánh thủng gần với hàm GAUSS, ztương ứng gần với độ lệch tiêu chuẩn của nó

2.1.2.5 Điện áp chịu đựng của đối tượng thử nghiệm.

Điện áp chịu đựng của đối tượng thử nghiệm là giá trị điện áp giả địnhđặc trưng cách điện của đối tượng đối với một thử nghiệm chịu đựng (được quyđổi các điều kiện khí quyển khác nhau)

2.1.2.6 Điện áp phóng điện đánh thủng đảm bảo của đối tượng thử nghiệm.

Điện áp phóng điện đánh thủng của đối tượng thử nghiệm là giá trị điện

áp giả định đặc trưng tính năng của nó đối với một thử nghiệm phóng điện đánhthủng

2.1.3 Điện áp xung và thử nghiệm điện áp xung.

2.1.3.1 Các khái niệm về xung sét

1) Các khái niệm chung về xung sét

ra ở đầu sóng, ở đỉnh hoặc ở đuôi sóng

Việc cắt xung có thể hoàn thành bởi khe hở phóng điện cắt bên ngoàihoặc có thể xẩy ra do phóng điện trong cách điện bên trong hoặc bên ngoài củađối tượng thử nghiệm

U

0

S= UTc

u(t)

T c

0,3 0,1

0,7 0,9 1,0

A

B

D C

O1

Hình 2.2: Xung sét bị cắt

Giá trị của điện áp thử nghiệm

Đối với một xung sét không dao động, giá trị của điện áp thử nghiệm làgiá trị đỉnh của nó

Thời gian đầu sóng T1

Thời gian đầu sóng T1 của một xung sét là tham số giả định được xác địnhbằng 1,67 lần khoảng thời gian T giữa hai thời điểm khi xung đạt 30% (điểm A)

và 90% (điểm B) giá trị đỉnh

Gốc toạ độ quy ước O1

Gốc toạ độ quy ước O1 của một xung sét là thời điểm trước điểm A mộtkhoảng thời gian T' = 0,3.T1 (xem hình trên) Đó là giao điểm với trục thời gianvới đường thẳng vẽ qua các điểm A và B phía đầu sóng

Thời gian nửa giá trị T2

Thời gian nửa giá trị T2 của một xung sét là khoảng thời gian giữa điểmgốc toạ độ quy ước O1 và thời điểm khi điện áp suy giảm đi về một nửa giá trịđỉnh

2) Các khái niệm riêng cho xung sét bị cắt

Thời điểm cắt là thời điểm tại đó xảy ra sụp đổ điện áp nhanh, đặc trưng

sự cắt xảy ra đầu tiên

Khoảng thời gian tới cắt Tc:

Khoảng thời gian tới cắt Tc là khoảng thời gian giữa điểm gốc quy ước O1

và thời điểm cắt

Đặc tính liên quan tới sụp đổ điện áp trong khi cắt

Đặc tính quy ước của sự sụp đổ điện áp trong khi cắt được xác định bởihai điểm C và D nằm ở 70% và 10% điện áp ở lúc cắt (xem hình b xung sét bịcắt đuôi sóng ở trên) Khoảng thời gian sụt nhanh điện áp bằng 1,67 lần khoảngthời gian giữa hai điểm C và D Độ dốc sụt nhanh điện áp là tỷ số điện áp tạithời điểm cắt tới khoảng thời gian sụt nhanh điện áp

Xung bị cắt có một đầu sóng tuyến tính

Một xung điện áp tăng lên với độ dốc gần như không đổi cho tới khi xungđiện áp đó bị cắt do phóng điện đánh thủng, được gọi là một xung bị cắt có đầusóng tuyến tính

Để xác định một xung như vậy, ta vạch đường thẳng thích hợp nhất trongphần đầu sóng của xung nằm giữa 30% và 90% của biên độ đỉnh, giao điểm củađường này với biên độ 30% và 90% là 2 điểm A và B

0,7 0,9 1,0

A

B

D C

O1

Hình 2.4: Xung sét bị cắt có đầu sóng tuyến tính

Xung bị cắt được xác định bởi :

- Điện áp đỉnh U

- Khoảng thời gian đầu sóng Tc,

- Độ dốc quy ước S = U/Tc

Đây là độ dốc của đường thẳng chạy qua 2 điểm A và B, thường được biểu thịbằng kV/μs

Xung bị cắt này được xem như gần tuyến tính nếu đầu sóng, từ biên độ30% tới thời điểm cắt, hoàn toàn nằm giữa hai đường thẳng song song vớiđường AB, nhưng được dịch chuyển về thời gian bằng  0,05 T1

3) Các khái niệm về điện áp thử nghiệm xung sét

Xung sét tiêu chuẩn

Xung sét tiêu chuẩn là một xung sét tròn đầy có khoảng thời gian đầusóng T1 = 1,2s và khoảng thời gian tới nửa giá trị T2 = 50s, được gọi là xung1,2/50

Các dung sai.

Thời gian đầu sóng  30%

Thời gian tới nửa giá trị  20%

Xung sét tiêu chuẩn bị cắt

Xung sét tiêu chuẩn bị cắt là xung sét tiêu chuẩn bị cắt bởi một khe hởbên ngoài có thời gian cắt từ 2 tới 5s

Các xung sét đặc biệt

Một số trường hợp có thể sử dụng các xung sét dao động Điều này đưa rakhả năng sản sinh ra các xung với khoảng thời gian đầu sóng ngắn hơn hoặc vớigiá trị đỉnh tương ứng với hiệu suất của máy phát xung lớn hơn 1

Máy phát xung

Máy phát xung bao gồm một số tụ điện được nạp song song từ nguồn điện

áp một chiều và sau đó được phóng điện nối tiếp vào mạch có đối tượng thửnghiệm

2.1.3.2 Các khái niệm về xung thao tác.

1) Các khái niệm về thử nghiệm xung thao tác

Hình 2.5: Xung thao tác tiêu chuẩn

Giá trị của điện áp thử nghiệm

Giá trị của điện áp thử nghiệm là giá trị đỉnh của xung

Thời gian đạt tới đỉnh (TP)

Thời gian tới đỉnh TP là khoảng thời gian giữa gốc tọa độ thực và thờiđiểm khi điện áp đã đạt được giá trị đỉnh của nó

Khoảng thời gian đạt tới nửa giá trị (T2)

Khoảng thời gian tới nửa giá trị T2 của xung thao tác là khoảng thời giangiữa gốc thực và thời điểm khi điện áp lần đầu tiên giảm đến nửa giá trị đỉnh.Khoảng thời gian đạt tới trên 90% (Td)

Khoảng thời gian trên 90% là khoảng thời gian điện áp xung vượt quá90% giá trị đỉnh của nó

Khoảng thời gian tới 0 (To)

Khoảng thời gian tới 0 (To) là khoảng thời gian từ điểm gốc thực đến thờiđiểm khi điện áp đầu tiên qua 0

Khoảng thời gian tới cắt TC

Khoảng thời gian tới cắt Tc của một xung thao tác là khoảng thời giangiữa gốc thực và thời điểm cắt

Xung có đầu sóng tuyến tính

Định nghĩa tương tự như xung sét

2) Các khái niệm về điện áp thử nghiệm xung thao tác.

Xung thao tác tiêu chuẩn

Xung thao tác tiêu chuẩn là xung có khoảng thời gian tới đỉnh TP là 250

s và thời gian tới nửa giá trị T2 là 2500 s Nó được gọi là như xung 250 /2500

s

Các dung sai

Áp dụng cho tất cả các xung thao tác tiêu chuẩn và đặc biệt:

Khoảng thời gian tới đỉnh  20%

Khoảng thời gian tới nửa giá trị  60%

Các xung thao tác đặc biệt

Trong một số trường hợp đặc biệt, người ta có thể dùng các xung thao tácđặc biệt có dạng phi chu kỳ hoặc dao động

Máy phát xung thao tác

Các xung thao tác nói chung được tạo ra bởi máy phát xung tiêu chuẩn.Chúng cũng có thể được tạo ra bằng cách đưa xung điện áp vào cuộn dây hạ ápcủa một máy biến áp thử nghiệm (hoặc của máy biến áp được thử nghiệm) Cácphương pháp khác tạo ra xung thao tác có thể là: ví dụ: cắt nhanh dòng điệntrong một cuộn dây máy biến áp

Các phần tử của mạch tạo ra xung thao tác được lựa chọn để tránh biếndạng quá mức của xung khi có các dòng phóng điện không đánh thủng trong đốitượng thử nghiệm Các dòng điện như vậy có thể đạt giá trị rất lớn, đặc biệt khicác thử nghiệm nhiễm bẩn lên cách điện ngoài với điện áp cao Trong các mạchthử nghiệm có trở kháng trong cao, chúng có thể làm méo xung nghiêm trọng

2.1.4 Dòng điện xung và thử nghiệm dòng điện xung.

2.1.4.1 Các loại dòng điện xung.

Dòng điện xung có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau, phụ thuộc vàoứng dụng của chúng và sự phát sinh ra chúng Thường thì dòng điện xung xuấthiện là phi chu kỳ hoặc dao động tắt dần và chỉ tồn tại trong một vài nửa chu kỳ

Có một số kiểu dòng điện xung như sau:

1) Dòng điện xung hình sin tắt dần

Dòng điện xung kiểu này tăng từ 0 tới giá trị đỉnh trong một thời gianngắn, và sau đó giảm về 0 hoặc xấp xỉ theo số mũ hoặc theo đường cong hìnhsin tắt dần nhanh Kiểu này được xác định bằng thời gian đầu sóng T1 và thờigian tới nửa giá trị T2

T 1

T 2 -0.2

Vp

Vmin <20%

I.100%

t 0

Hình 2.6: Dòng điện xung được xác định bằng thời gian đầu sóng T1

và thời gian nửa giá trị T2

Hình 2.7: Dòng điện xung được xác định bằng khoảng thời gian đỉnh Td và khoảng thời gian tổng Tt

Hình 2.8 a) Dòng điện xung hình sin có thành phần d.c Hình 2.8 b) Dòng điện xung hình sin không có thành phần d.c

2.1.4.2 Các định nghĩa và thông số của dòng điện xung.

Khoảng thời gian đầu sóng T1

Khoảng thời gian đầu sóng T1 của dòng điện xung là tham số quy ướcđược xác định bằng 1.25 lần khoảng thời gian T, giữa những thời điểm khi xung

là 10% và 90% của giá trị đỉnh (xem hình trên) Nếu có những dao động trênđầu sóng, những điểm tương ứng với 10% và 90% phải được lấy trên đườngcong trung bình được vạch ra qua những dao động này theo một cách tương tựnhư đối với các xung sét với các dao động trên đầu sóng

Gốc quy ước O1

Gốc quy ước O1 của một dòng điện xung là thời điểm trước 0,1.T1 so vớithời điểm mà tại đó dòng điện đạt 10% giá trị đỉnh của nó Đây là giao điểm vớitrục thời gian của đường thẳng đi qua các điểm tham khảo 10% và 90% của đầusóng

Thời gian tới nửa giá trị T2

Thời gian tới nửa giá trị T2 của một dòng điện xung là tham số quy ướcđược xác định bằng khoảng thời gian giữa gốc quy ước O1 và thời điểm tại đódòng điện đã giảm tới nửa giá trị đỉnh

Khoảng thời gian của dòng điện xung chữ nhật Td

Khoảng thời gian đỉnh của dòng điện xung chữ nhật Td là tham số đượcxác định là khoảng thời gian mà dòng điện lớn hơn 90% giá trị đỉnh của nó.Khoảng thời gian tổng của dòng điện xung chữ nhật Tt

Khoảng thời gian tổng của dòng điện xung chữ nhật Tt là tham số đượcxác định bằng thời gian mà khi đó dòng điện lớn hơn 10% giá trị đỉnh của nó.Nếu có các dao động trên đầu sóng, một đường cong trung bình nên được vạch

ra nhằm để xác định thời gian tại đó dòng điện đạt được giá trị là 10%

Các dòng điện xung tiêu chuẩn

Có 4 dòng điện xung tiêu chuẩn tương ứng với kiểu xung hình sin tắt dần

và một số dòng điện xung tiêu chuẩn tương ứng với kiểu xung hình chữ nhật chotrong bảng sau

Bảng 2.1: Dòng điện xung hình sin tắt dần tiêu chuẩn theo IEC 60060-1

Dạng

sóng

Thời gianđầu sóng T1 Thời gian nửagiá trị T2

Giá trịđỉnh

Cực tínhngược

Giá trịđỉnh

Cực tínhngược

1000 μs + 20%; - 0% = 1,5 x Td + 20%; - 0% 10%

2000 μs + 20%; - 0% = 1,5 x Td + 20%; - 0% 10%

2000 μs<Td<3200 μs = 1,5 x Td + 20%; - 0% 10% Các dung sai

Đối với các xung hình sin tắt dần 1.20, 4/10 , 8/20 và 30/80

Giá trị đỉnh  10%

Thời gian đầu T1  10%

Thời gian tới nửa giá trị T2  10%

Một vượt quá nhỏ hoặc các dao động được bỏ qua miễn là biên độ đỉnh đơn của

nó trong vùng lân cận của đỉnh xung không lớn hơn 5% giá trị đỉnh Bất kỳ đảo ngược cực tính nào sau khi dòng điện qua zê rô không được lớn hơn 20% của giá trị đỉnh

Đối với các xung chữ nhật:

Khoảng thời gian đỉnh + 20% ; -0%

Một vượt quá hoặc các dao động là được phép miễn là biên độ đỉnh đơn củachúng không lớn hơn 10% của giá trị đỉnh Khoảng thời gian tổng của một xungchữ nhật không được lớn hơn 1.5 lần khoảng thời gian đỉnh và đảo ngược cựctính nên được hạn chế về 10% giá trị đỉnh

2.1.5 Phân loại cách điện.

Hệ thống cách điện của thiết bị và các cấu trúc cao áp về cơ bản phảiđược phân loại thành cách điện tự hồi phục và không tự hồi phục hay phân loạithành cách điện bên ngoài và cách điện bên trong

Cách điện bên ngoài:

Cách điện bên ngoài là cách điện không khí và những mặt bị phơi bày racủa cách điện cứng của thiết bị, những mặt này chịu đựng cả hai vào ứng suấtđiện môi và vào những hậu quả của các điều kiện khí quyển và bên ngoài khácnhư ô nhiễm, độ ẩm và côn trùng

Cách điện bên trong

Cách điện bên trong bao gồm những phần tử cách điện rắn, lỏng hoặc khícủa thiết bị bảo vệ chống với những hậu quả của các điều kiện khí quyển và bênngoài khác như độ nhiễm bẩn, độ ẩm và côn trùng

Cách điện tự hồi phục

Cách điện từ hồi phục là cách điện khôi phục hoàn toàn tính chất cáchđiện sau một phóng điện đánh thủng gây ra bởi sự áp đặt của một điện áp thửnghiệm

Cách điện không tự hồi phục

Cách điện không tự hồi phục là cách điện mất tính chất cách điện của nó,hoặc không khôi phục tính chất cách điện hoàn toàn, sau một phóng điện đánhthủng gây ra bởi sự áp đặt điện áp thử nghiệm

2.1.6 Xác định điện áp phóng điện thực nghiệm.

Quá trình phóng điện rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố kháchquan Do đó, chỉ có các định luật mang tích chất định tính còn các số liệu cụ thểthường được xác định bằng thực nghiệm

Trị số điện áp phóng điện phụ thuộc vào từng loại chất khí (tài liệu nàychỉ xét cho không khí), tính đồng nhất của trường, loại điện áp và cực tính, điềukiện khí hậu môi trường…Mục này sẽ xét đến một số yếu tố nói trên

2.1.6.1 Điện áp phóng điện trong các điện trường khác nhau [2-ch.5]

1) Điện trường đồng nhất.

Trong trường đồng nhất, trị số điện áp phóng điện khi điện áp một chiều

va xoay chiều là như nhau và xác định theo công thức thực nghiệm

Uo = 6,66 + 24,55.δ.s kV, cm

Trong đó:

Uo : Điện áp phóng điện chọc thủng, là AC thì tính theo biên độ (kV)

s : Khoảng cách giữa các điện cực (cm)

δ : Mật độ tương đối của không khí, xác định theo (2.6)

Công thức này phù hợp với lý thuyết (định luật pasen) vì nó chứa tích số δ.s

Tuy vậy thực nghiệm còn cho thấy nhịp độ tăng của điện áp phóng điệntheo áp suất có chậm hơn so với khoảng cách s (hình vẽ dưới)

Hình 2.9: Quan hệ của trị số điện áp phóng điện theo áp suất

và khoảng cách trong trường đồng nhất.

Hình trên cho thấy quan hệ Uo = f(p) ứng với các trị số khác nhau củakhoảng cách s: Khi s = 1,06mm , p =40ata (nghĩa là p.s = 32000cm.mmHg) điện

áp phóng điện là Uo=75kV nhưng khi s = 2,16mm, p=20ata (nghĩa là có cùng trị

số p.s) thì điện áp tăng tới 100kV

2) Điện trường gần đồng nhất.

Ở đây chủ yếu xét tới trường giữa 2 quả cầu vì chúng là dạng thông dụngnhất và đã được công nhận làm dụng cụ đo lường điện áp cao Để đạt được yêucầu về mức độ đồng nhất, đảm bảo kết quả đo chính xác cần thiết phải tuân theocác quy định về cách bố trí và kích thước Kích thước cụ thể khi cầu bố trí thẳngđứng (thường dùng đo các trị số lớn) và cầu bố trí nằm ngang (thường dùng đocác trị số bé) cho trong bảng sau:

Bảng2.3 : Khoảng cách từ cầu đo lường tới mặt đất và tới các vật xung quanh.

Đường kính cầu D

(cm)

Trị số bé nhấtcủa A Trị số lớn nhấtcủa A Trị số bé nhấtcủa B

Khoảng cáchgiữa cácđiện cực

Hình 2.10: Kết cấu vào bố trí cầu phóng điện nằm ngang

Hình 2.11: Kết cấu và bố trí cầu phóng điện thẳng đứng

Các vậtxung quanh

Các vậtxung quanh

Khoảng cực s được giới hạn trong phạm vi s/D < 0,5 vì với s lớn hơntrường sẽ trở thành không đồng nhất Trị số điện áp phóng điện trong trường gầnđồng nhất giữa 2 quả cầu được xác định theo công thức:

Kết quả thực nghiệm này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, trị số điện ápphóng điện phụ thuộc vào tích số δ.r (hoặc δ.s) và các tỉ lệ hình học có liên quanđến kích thước điện cực (tỉ lệ s/r)

3) Điện trường không đồng nhất.

Để thống nhất kết quả thu được ở các phòng thí nghiệm, điện cực mũinhọn (trong điện trường không đồng nhất) được dùng là thanh tiêu chuẩn có tiếtdiện vuông, cạnh 1,27cm, đầu thanh được cắt thẳng góc với trục của thanh.Hình sau cho quan hệ của điện áp chọc thủng của khe hở “thanh – thanh” và

“thanh – cực bản” với khoảng cực khi điện áp tác dụng là xoay chiều (tần sốcông nghiệp)

0 200 400 600 800

Hình 2.12: Điện áp chọc thủng xoay chiều (tần số công nghiệp)

1) Điện cực thanh – thanh 2) Điện cực thanh – cực bản

Hình sau cho điện áp chọc thủng xung kích U50% ứng với dạng sóng tiêu chuẩncủa 2 cực tính

50 150 250 350

Uo, kV

s (cm) 0

1 2 3

Hình 2.13: Điện áp phóng điện bé nhất khi dùng sóng tiêu chuẩn

có cực tính dương (hình a) và cực tính âm (hình b)

1 Thanh – cực bản; 2.Thanh – thanh; 3.Dây dẫn - cực bản

Các quan hệ này gần như đường thẳng nên có thể biểu thị theo công thức thựcnghiệm cho ở bảng sau:

Bảng 2.4: Điện áp chọc thủng của khe hở “thanh – thanh” và “thanh – cực bản” ở điều kiện khí hậu tiêu chuẩn (t=20 0C, p=760mmHg) khi khoảng cực s >40cm

Công thức tính

S (cm); Uo(kV max)

Thanh – thanh

Tần số công nghiệpXung kích +1,5/40Xung kích -1,5/40

Uo = 40+5,0s

Uo = 40+5,0s

Uo = 215+6,7s

2.1.6.2 Điện áp phóng điện ở tần số cao.

Kỹ thuật cao tần vào siêu cao tần ngày càng dùng nhiều đến điện áp caonên đã tiến hành nghiên cứu nhiều về phóng điện ở tần số cao Từ kết quả đo

điện áp phóng điện trong dải tần số rộng lớn cho thấy có 5 dải tần số mà trong

đó quan hệ của điện áp với tần số có đặc tính khác nhau [2,ch.5] (hình sau):

f

Uo

Hình 2.14: Quan hệ giữa điện áp phóng điện với tần số

Khi tần số biến đổi từ 0 đến fth thì điện áp phóng điện thực tế không phụthuộc vào tần số

Khi tần số lớn hơn f > fth, từ fth – f1 sẽ có tình trạng là một số ion trong nửachu kỳ đầu không bay về các điện cực khi điện áp đổi dấu (các ion thường là cácion dương, cũng có thể là một số ion âm nhưng số lượng ít hơn nhiều vì khôngphải tất cả các điện tử đều bám vào phân tử khí) Số ion này tăng dần từ nửa chu

kỳ này sang nửa chu kỳ khác và tạo nên điện tích khối làm giảm điện áp phóngđiện

Nếu tiếp tục tăng tần số f1 – f2 thì điện áp phóng điện không giảm mà giữtrị số không đổi do có sự cân bằng giữa tốc độ hình thành và khuyếch tán cácđiện tích khối

Nếu còn tăng tần số f2 – f3 lại có khả năng giảm điện áp phóng điện vì thờigian nửa chu kỳ quá ngắn, bé hơn cả khoảng thời gian cần thiết để điện tử baytới điện cực đối diện, do đó điện tử sẽ hình thành một loại điện tích khối kháctồn tại trong khe hở và làm giảm điện áp phóng điện

Khi tần số rất cao f > f3 điện áp phóng điện lại tăng và có thể vượt xa điện

áp phóng điện ở tần số công nghiệp Thời gian của nửa chu kỳ giảm tới mức độ

mà điện tử không kịp tích lũy năng lượng để gây ion hóa và muốn có phóng điệnphải có điện áp cao hơn để tăng cường độ trường, rút ngắn đoạn đường tự do cầnthiết

2.1.6.3 Ảnh hưởng điều kiện khí quyển (mật độ δ và độ ẩm h) tới điện áp thử nghiệm [2,4, 5]

1)Điều kiện khí quyển tham chiếu tiêu chuẩn:

Nhiệt độ t0 = 200C (hay 2930K)

Áp suất khí quyển p0= 101,3 kPa = 1013mbar = 760torr

Độ ẩm tuyệt đối h0= 11 g/m3