Nghiên cứu xây dựng một số quy trình thử nghiệm phuc vụ khai thác phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về điện cao áp

BỘ CÔNG THƯƠNG
TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
VIỆN NĂNG LƯỢNG


ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
NĂM 2009


BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
MỘT SỐ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM PHỤC VỤ
KHAI THÁC PHÒNG THÍ NGHIỆM TRỌNG ĐIỂM
ĐIỆN CAO ÁP

MÃ SỐ : I 158


Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Năng lượng
Chủ nghiệm đề tài : TSKH. Trần Kỳ Phúc




7909


Hà Nội – 2009

MỤC LỤC

Trang
Mở đầu 0
Chương 1 Một số cơ sở lý thuyết về thử nghiệm điện cao áp 1
1.1 Điện áp xung 1
1.1.1 Xung sét
1.1.2 Xung thao tác
1.2 Dòng điện xung 2
1.3 Mạch phát điện áp xung 8
1.4 Mạch phát dòng điện xung 16
1.5 Kỹ thuật đo điện áp xung 20
1.6 Kỹ thuật đo dòng điện xung 23
Chương 2. Đặc tính kỹ thuật các thiết bị thử nghiệm đ
iện áp xung
và dòng điện xung thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm Điện cao áp 25
2.1 Thiết bị thử nghiệm điện áp xung 25
2.1.1. Giới thiệu chung 26
2.1.2. Máy phát xung 28
2.1.3. Máy phát một chiều 37
2.1.4. Bộ điều khiển máy phát xung 39
2.1.5. Phần mềm New WinSDAC PXI 08A 44
2.1.6. Hệ thống cắt xung áp 45
2.1.7. Khe hở phóng điện cầu đo điện áp MSG 55
2.1.8. Hệ thống sấy không khí 55
2.1.9. Hệ thống nén không khí 56
2.2. Thiết bị thử nghi
ệm dòng điện xung 57
2.2.1.Giới thiệu chung về hệ thống 57
2.2.2. Mô tả hệ thống 57

Chương 3. Một số vấn đề về quy trình thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung 67
3.1. Về quy trình thử nghiệm điện áp xung 67
3.1.1 Mục đích của thử nghiệm xung áp 67
3.1.2 Các dạng xung thử nghiệm 67
3.1.3 Đặc tính với điện áp nạp 69
3.1.4 Các dạng cấu hình của máy phát xung 69

3.1.5 Phương pháp thử máy biến áp 76
3.1.6 Đo lường trong hệ thống thử xung 85
3.1.7 Dãy thử xung 85
3.1.8 Xử lý kết quả đo 85
3.1.9 Các lưu ý riêng về an toàn khi vận hành HT thử nghiệm xung áp 88
3.2 Về quy trình thử nghiệm dòng điện xung 89
3.2.1 Xung dòng với đầu sóng dốc đứng 1/<20µs 89
3.2.2 Xung dòng cao 4/10µs 95
3.2.3 Xung sét 8/20µs 106
3.2.4 Xung đóng cắt 40/100µs 116
3.2.5 Xung vuông 2000/2400µs 120
3.2.6. Đo điện áp tiêu chuẩn của đĩa điện trở phi tuyến 128
3.3. Quy định an toàn cho thử nghiệm điện áp xung và dòng
điện xung 130
3.3.1. Giới thiệu chung 130
3.3.2. Các từ ngữ và định nghĩa. 130
3.3.3. Lắp đặt các thiết bị an toàn 131
3.3.4. Thiết kế chi tiết 133
3.3.5. Đấu nối các thiết bị di động 134
3.3.6. Nguồn điện và các thiết bị hỗ trợ 134
3.3.7. Hệ thống nối đất 134
3.3.8. Vận hành hệ thống thử nghiệm cao áp 134
3.3.9. Các đặc trưng khi vận hành hệ thống thử nghiệm điện áp một chi

ều 138
Kết luận 140
Tài liệu tham khảo
Phụ lục



0
MỞ ĐẦU

Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điện cao áp đang được tiến hành xây
dựng và sẽ đưa vào hoạt động trong thời gian tới với các hệ thống thử nghiệm có cấp điện
áp, công suất, dải đối tượng thử nghiệm lần đầu tiên trang bị ở nước ta. Các quy trình thử
nghiệm hiện hữu trong và ngoài ngành điện không thể áp dụng trong khái thác các hệ
thống thử nghiệm này.
Đề tài I 158 do Bộ Công Thương giao nhiệm vụ và Viện Năng lượng triển khai
thực hiện này với mục tiêu ban đầu đặt ra là: Nghiên cứu lý luận và xây dựng quy trình
cơ bản thử nghiệm điện áp xoay chiều, điện áp xung đối với các thiết bị điện cao áp, làm
cơ sở biên soạn các quy trình chi tiết hơn phục vụ khai thác phòng thí nghiệm trọng điểm
Điện cao áp. Do đó, nội dung nghiên cứu ban đầu bao gồm:
1. Tổng quan lý luận về thử nghiệm điện cao áp.
2. Đặc tính kỹ thuật các thiết bị thử nghiệm điện áp xoay chiều, điện áp xung của
phòng thí nghiệm
3. Xây dựng quy trình thử nghiệm điện áp xoay chiều, điện áp xung.
4. Kết luận và kiến nghị.
Tuy nhiên, do khủng hoảng kinh tế Thế giới nên gói thầu cung cấp thiết bị cho hệ
thống thử nghiệm điện áp xoay chiều cho đến thời điểm này (tháng 12/2009) vẫn chưa về
đến Việt Nam (dự kiến là tháng 04/2010 mới về đến Việt Nam). Vì vậy, với mục tiêu như
đã nêu ở trên là làm cơ sở biên soạn các quy trình chi tiết hơn phục vụ khai thác phòng
thí nghiệm trọng điểm Điện cao áp.

Do đó, việc xây dựng quy trình thử nghiệm đối với hệ thống thử nghiệm điện áp
xoay chiều được thay thế bởi hệ thống dòng điện xung. Các nội dung còn lại vẫn giữ
nguyên như đã đăng ký trong đề cương được Bộ Công Thương phê duyệt.
Hệ thống thử nghiệm điện áp xung và dòng điện xung là các hệ thống phức tạp, từ
phần lực, điều khiển, đo lường đến cơ khí, kết cấu. Vì vậy, để vận hành khai thác và bảo
dưỡng các hệ thống này cần các cán bộ có kiến thức sâu cũng như kinh nghiệm nhất định
trong lĩnh vực thử nghiệm điện cao áp cũng như đo lường- điều khiển,… Kết quả đề tài
này là bước khởi đầu nhằm tạo cơ sở biên soạn các quy trình chi tiết hơn phục vụ khai
thác Phòng thí nghiệm trọng điểm Điện cao áp sắp tới.

1
CHƯƠNG 1
MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THỬ NGHIỆM ĐIỆN CAO ÁP

1.1 Điện áp xung
Khái niệm xung [1]
Xung là các dạng sóng (điện áp hoặc dòng điện) quá độ phi chu kỳ có biên độ tăng nhanh
từ trị số 0 tới trị số cực đại (đầu sóng) rồi giảm dần về trị số 0 (đuôi sóng). Trong các trường hợp
đặc biệt, xung có thể có đầu sóng gần tuyến tính, các quá độ có dạng dao động hoặc gần hình
chữ nhật.
Thuật ngữ "xung" phải được phân biệt với "quá
điện áp" là khái niệm dựa vào các hiện
tượng quá độ sản sinh trong những thiết bị điện hoặc các lưới điện đang làm việc.
Xung sét và xung thao tác
Xung sét và xung thao tác được phân biêt trên cơ sở khoảng thời gian đầu sóng. Các xung
với khoảng thời gian đầu sóng lên tới 20 µs được xem là các xung sét và các xung có khoảng
thời gian đầu sóng dài hơn là các xung thao tác.
Nói chung, xung thao tác cũng được đặc trưng bởi khoảng thời gian tổng cộng dài hơn
đáng kể
so với khoảng thời gian này của xung sét.

1.1.1 Xung sét
Xung sét toàn phần.
Xung sét toàn phần là một xung sét không bị gián đoạn bởi phóng điện đánh thủng.
t
U
0
0.3
0.5
1.0
0.9
B
T'
T
T
1
=1,67.T
T'=0,3.T
1
=0,5.T
O
1
u(t)
A
T
1
T
2

Hình 1.1: Xung sét toàn phần tiêu chuẩn
Xung sét bị cắt

Xung sét bị cắt là một xung sét trong đó phóng điện đánh thủng gây ra sụp đổ điện áp rất
nhanh, thực tế về giá trị zê rô. Sự sụp đổ này có thể xảy ra ở đầu sóng, ở đỉnh hoặc ở đuôi sóng.

2
Việc cắt xung sét có thể thực hiện nhờ khe hở phóng điện cắt bên ngoài hoặc có thể xảy
ra do phóng điện trong cách điện trong hoặc cách điện ngoài của đối tượng thử nghiệm.
Giá trị của điện áp thử nghiệm
Đối với một xung sét không dao động, giá trị của điện áp thử nghiệm là giá trị đỉnh của nó.
Thời gian đầu sóng T
1

Thời gian đầu sóng T
1
của một xung sét là tham số giả định được xác định bằng 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 O
1

Gốc toạ độ quy ước O
1
của một xung sét là thời điểm trước thời điểm tương ứng với điểm
A (xem hình trên) một thời gian là 0,3xT
1
. Đối với trường hợp thang đo tuyến tính, đó là giao
điểm giữa trục thời gian và đường thẳng vẽ qua các điểm A và B trên đầu sóng.
Thời gian tới nửa giá trị T
2
Thời gian tới nửa giá trị T
2
của một xung sét được xác định là khoảng thời gian giữa

điểm gốc toạ độ quy ước O
1
và thời điểm khi điện áp suy giảm đạt một nửa giá trị đỉnh
.

t
U
0
S=
U
Tc
u(t)
T
c
0,3
0,1
0,7
0,9
1,0
A
B
D
C
O1
Hình 1.2: Xung sét bị cắt đầu sóng
t
U
0
u(t)
T

c
0,3
0,9
1,0
A
B
0,7
O1
0,1
C
D
Hình 1.3: Xung sét bị cắt đuôi sóng
Các định nghĩa sau đây chỉ dành riêng cho xung sét bị cắt.
Thời điểm cắt.
Thời điểm cắt là thời điểm tại đó xảy ra sụp đổ điện áp nhanh đặc trưng cho khởi đầu của sự cắt.
Khoảng thời gian tới cắt T
c
:
Khoảng thời gian tới cắt T
c
là một tham số quy ước xác định như khoảng thời gian giữa
điểm gốc quy ước O
1
và thời điểm cắt.
Các đặc tính liên quan tới sụp đổ điện áp trong khi cắt
Các đặc tính quy ước của sụp đổ điện áp trong khi cắt được xác định bởi hai điểm C và D
nằm ở 70% và 10% điện áp ở lúc cắt (xem hình a, xung sét bị cắt đuôi sóng ở trên). Khoảng thời
gian sụt nhanh điện áp bằng 1,67 lần khoảng thời gian giữa hai điểm C và D. Độ dốc s
ụt nhanh
điện áp là tỷ số điện áp tại thời điểm cắt tới khoảng thời gian sụt nhanh điện áp.

3
Xung bị cắt có một đầu sóng tuyến tính.
Một điện áp tăng lên với độ dốc gần như không đổi cho tới khi điện áp đó bị cắt do phóng
điện đánh thủng, được gọi là một xung bị cắt có đầu sóng tuyến tính.
Để xác định một xung như vậy, ta vạch đường thẳng thích hợp nhất trong phần đầu sóng
của xung nằm giữa 30% và 90% của biên
độ đỉnh, các giao điểm của đường này với biên độ 30%
và 90% được chỉ định lần lượt bởi những điểm A và B.
Xung bị cắt được xác định bởi :
- Điện áp đỉnh U.
- Khoảng thời gian đầu sóng T
c
,
- Độ dốc quy ước S = U/T
c
Đây là độ dốc của đường thẳng chạy qua các điểm A và B, thường được biểu thị bằng
kV/µs.
Xung bị cắt này được xem như gần tuyến tính nếu đầu sóng, từ biên độ 30% tới thời điểm
cắt, hoàn toàn nằm giữa hai đường thẳng song song với đường AB, nhưng được dịch chuyển về
thời gian bằng ± 0,05 T
1
.
Về điện áp thử nghiệm. [1]
Xung sét tiêu chuẩn
Xung sét tiêu chuẩn là một xung sét tròn đầy có khoảng thời gian đầu sóng T
1
là 1,2µs và
một khoảng thời gian tới nửa giá trị T
2

là 50µs, được gọi là xung 1,2/50.
Các dung sai.
Giá trị đỉnh ± 3%
Thời gian đầu sóng ± 30%
Thời gian tới nửa giá trị ± 20%
Xung sét tiêu chuẩn bị cắt.
Một xung sét tiêu chuẩn bị cắt là một xung tiêu chuẩn bị cắt bởi một khe hở bên ngoài tại
thời điểm trong khoảng từ 2 tới 5µs
Các xung sét đặc biệt
Trong vài trường hợp có thể sử dụng các xung sét dao động. Từ đ
ó có thể tạo ra các xung
với các khoảng thời gian đầu sóng ngắn hơn hoặc với giá trị đỉnh tương ứng với hiệu suất của
máy phát xung lớn hơn 1.
Tạo điện áp xung sét
Máy phát điện áp xung để thử nghiệm bao gồm một số tụ điện được nạp song song từ
nguồn điện áp một chiều và sau đó phóng điện nối tiếp vào mạ
ch có đối tượng thử nghiệm (sẽ
được trình bày kỹ ở phần sau).

4
1.1.2 Xung thao tác
Xung thao tác
Xung thao tác (phân biệt với xung sét) được xác định có khoảng thời gian đầu sóng dài
hơn 20µs.
t
U
0
Tp
1,0
S

T2
0,5
0,9
Td
u(t)
To

Hình 1.4: Xung thao tác tiêu chuẩn
Giá trị của điện áp thử nghiệm
Giá trị của điện áp thử nghiệm là giá trị đỉnh giả định.
Thời gian đạt tới đỉnh (T
P
)
Thời gian tới đỉnh T
P
là khoảng thời gian giữa gốc tọa độ thực và thời điểm khi điện áp
đã đạt được giá trị đỉnh của nó.
Khoảng thời gian đạt tới nửa giá trị (T
2
)
Khoảng thời gian tới nửa giá trị T
2
đối với một xung thao tác là khoảng thời gian giữa
gốc thực và thời điểm khi điện áp lần đầu tiên giảm đến nửa giá trị đỉnh.
Khoảng thời gian đạt tới trên 90% (T
d
)
Khoảng thời gian trên 90% là khoảng thời gian điện áp xung vượt quá 90% giá trị đỉnh của nó.
Khoảng thời gian tới 0 (T
o

)
Khoảng thời gian tới 0 (T
o
) là khoảng thời gian từ điểm gốc thực đến thời điểm khi điện
áp lần đầu tiên qua 0.
Khoảng thời gian tới cắt T
C

Khoảng thời gian tới cắt T
c
của một xung thao tác là khoảng thời gian giữa gốc thực và
thời điểm cắt.
Xung có đầu sóng tuyến tính
Định nghĩa tương tự như xung sét.

5
Về điện áp thử nghiệm.
Xung thao tác tiêu chuẩn
Xung thao tác tiêu chuẩn là xung thao tác có khoảng thời gian tới đỉnh T
P
là 250µs và
thời gian tới nửa giá trị T
2
là 2500 µs. Nó được gọi tắt là xung 250/2500.
Các dung sai
Áp dụng cho tất cả các xung thao tác tiêu chuẩn và đặc biệt:
Giá trị đỉnh ± 3%
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, khi xung thao tác tiêu chuẩn không đủ hoặc không
thích hợp, người ta dùng các xung thao tác đặc biệt có dạng phi chu kỳ hoặc dao động.
Tạo đi
ện áp 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 áp của một máy biến áp thử nghiệm
(hoặc của máy biến áp được thử nghiệm). Các phương pháp khác tạo ra xung thao tác có thể là
cắt nhanh dòng điện trong một cuộn dây máy biến áp, v v…
Các phần tử của mạch tạo ra xung thao tác được lựa chọn để tránh biến dạng quá mức
củ
a dạng xung khi có các dòng phóng điện không đánh thủng trong đối tượng thử nghiệm. Các
dòng điện như vậy có thể đạt giá trị rất lớn, đặc biệt khi các thử nghiệm nhiễm bẩn lên cách điện
ngoài với điện áp cao. Trong các mạch thử nghiệm có trở kháng nội cao, chúng có thể làm méo
nghiêm trọng dạng xung cần tạo.
1.2 Dòng điện xung
Các loại dòng điện xung.
Dòng điện xung có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau, phụ thuộc vào ứng dụng và
cách tạo ra chúng.
Có một số kiểu dòng điện xung như sau:
1) Dòng điện xung hình sin hoặc exponent tắt dần.
Dòng điện xung kiểu này tăng từ zê-rô tới giá trị đỉnh trong một thời gian ngắn, và sau đó
giảm về zê- rô hoặc theo hàm exponent gần đúng hoặc theo đường cong hình sin tắt dần mạ
nh.
Kiểu này được xác định bằng thời gian đầu sóng T
1
và thời gian tới nửa giá trị T
2
.

6

Hình 1.5 Dòng điện xung được xác định bằng thời gian đầu sóng T
1
và thời gian nửa giá trị T
2

2) Dòng điện xung có dạng hình chữ nhật gần đúng.
Dòng điện xung kiểu này được xác định bằng khoảng thời gian đỉnh T
d
và khoảng thời
gian tổng T
t
.
t
i
1,0
0,9
0,1
Tt
Td

Hình 1.6: Dòng điện xung được xác định bằng
khoảng thời gian đỉnh T
d
và khoảng thời gian tổng T
t


3) Các dạng dòng điện xung khác.
I

t
I
t
a) b)

Hình 1.7: a) Dòng điện xung hình sin có thành phần d.c
b) Dòng điện xung hình sin không có thành phần d.c

7
Ngoài hai dạng dòng điện xung chính nói trên còn có dòng điện xung hình sin có và
không có thành phần một chiều (Hình 1.7).
Các thông số của dòng điện xung.
Khoảng thời gian đầu sóng T
1

Khoảng thời gian đầu sóng T
1
của một dòng điện xung là một thông số quy ước, được
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 1.1). Nếu có những dao động trên đầu sóng, những điểm tương ứng với
10% và 90% phải được lấy trên đường cong trung bình được vạch ra qua những dao động này
theo một cách tương tự với cách được dùng đối với các xung sét có các dao động trên đầu sóng.
Gốc quy ước O
1

Gốc quy ước O
1
của một dòng điện xung là thời điểm trước một khoảng thời gian bằng
0,1xT
1

so với thời điểm tại đó dòng điện đạt 10% giá trị đỉnh của nó. Đây là giao điểm với trục
thời gian của một đường thẳng đi qua các điểm tham chiếu 10% và 90% của đầu sóng.
Thời gian tới nửa giá trị T
2

Thời gian tới nửa giá trị T
2
của một dòng điện xung là một thông số quy ước, được xác
định bằng khoảng thời gian giữa gốc quy ước O
1
và thời điểm tại đó dòng điện đã giảm tới nửa
giá trị đỉnh.
Khoảng thời gian đỉnh của một dòng điện xung chữ nhật T
d

Khoảng thời gian đỉnh của một dòng điện xung chữ nhật T
d
là một thông số quy ước,
được xác định bằng khoảng thời gian mà dòng điện giữ giá trị lớn hơn 90% giá trị đỉnh của nó
(xem hình 1.6).
Khoảng thời gian tổng của một dòng điện xung chữ nhật T
t

Khoảng thời gian của một dòng điện xung chữ nhật T
t
là một thông số quy ước được xác
định bằng khoảng thời gian mà dòng điện giữ giá trị lớn hơn 10% giá trị đỉnh của nó. Nếu có các
dao động trên đầu sóng, nên vạch ra một đường cong trung bình để xác định thời gian tại đó
dòng điện đạt được 10% giá trị đỉnh.
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 cho trong bảng sau.






8
Bảng 1.1: Các thông số dòng điện xung theo IEC 60060-1
Xung dòng chuẩn hàm mũ (exponential) theo IEC 60060-1
Dạng sóng Thời gian đầu sóng
T
1
Thời gian tới nửa giá
trị T
2
Giá trị đỉnh Sự phân
cực
1/20 1 µs ± 10% 20 µs ± 10% ± 10% = 20%
4/10 4 µs ± 10% 10 µs ± 10% ± 10% = 20%
8/20 8 µs ± 10% 20 µs ± 10% ± 10% = 20%
30/80 30 µs ± 10% 80 µs ± 10% ± 10% = 20%
Xung dòng chuẩn hình chữ nhật theo IEC 60060-1
Khoảng thời gian của
đỉnh T
d
Khoảng thời gian
tổng T
t

Giá trị đỉnh Sự phân
cực
500 µs ± 20%; -0% = 1,5xT
t
+20%; -0% = 10%
1000 µs ± 20%; -0% = 1,5xT
t
+20%; -0% = 10%
2000 µs ± 20%; -0% = 1,5xT
t
+20%; -0% = 10%
2000 µs ± 20%; -0% = 1,5xT
t
+20%; -0% = 10%
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 sóng T1 ± 10%
Thời gian tới nửa giá trị T2 ± 10%
Việc vượt quá (overshoot) với đại lượng nhỏ hoặc tồn tại 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 l
ớn hơn 20% của giá trị đỉnh.
Đối với các xung chữ nhật:
Giá trị đỉnh + 20% ; -0%
Khoảng thời gian đỉnh + 20% ; -0%
Việc vượt quá (overshoot) nhỏ hoặc các dao động là được phép miễn là biên độ đỉnh đơn
của chúng không lớn hơn 10% của giá trị đỉnh. Khoảng thời gian tổng của một xung chữ nhật
không được lớn hơn 1,5 lần khoảng thời gian đỉnh và đảo ngược cực tính nên được h
ạn chế về

10% giá trị đỉnh.
1.3 Mạch phát điện áp xung
Sơ đồ mạch phát điện áp xung cơ bản và nguyên lý làm việc [5]
Hình 1.8 biểu diễn 2 sơ đồ mạch phát điện áp xung cơ bản và quan trọng nhất.

9
U
0
t=0
Cs
F
Rd
Re
Cb
u(t)
a)

U
0
t=0
Cs
F
Rd
Re
Cb
i
e
i
d
b)

u(t)

Hình 1.8: Sơ đồ mô phỏng mạch điện áp xung cơ bản
Uo - Điện áp nạp của tụ xung Cs tại t=0
F - Khe hở phóng điện (switching gap)
Rd - Điện trở hãm (Damping resistor)
Re - Điện trở phóng (Discharge resistor)
Cb - Tụ tải (load capacitor)
Tụ xung Cs được nạp thông qua một điện trở nạp tới điện áp một chiều U
o
, sau đó được
phóng nhờ khe hở F. Điện áp xung u(t) xuất hiện trên tụ tải Cb. Mạch (a) và (b) khác nhau ở chỗ
trong mạch (a), điện trở hãm Rd ở phía trước điện trở phóng Re còn trong mạch (b) thì ngược lại,
điện trở hãm Rd ở sau điện trở phóng Re.
Giá trị các thành phần mạch phụ thuộc vào dạng sóng điện áp xung yêu cầu. Tuy nhiên,
nguyên tắc chung là thời gian để tụ Cb đạt được giá trị
đỉnh Uo phải ngắn và thời gian để tụ Cb
phóng điện là dài hơn. Điều đó đạt được bằng cách chọn Re >>Rd. Ngay lập tức sau khi xảy ra
phóng điện tại khe hở F, tại t = 0, toàn bộ điện áp nạp Uo sẽ xuất hiện trên Rd và Cb trong cả hai
mạch. Giá trị Rd*Cb càng nhỏ thì u(t) đạt tới đỉnh của nó càng nhanh.
Giá trị đỉnh Upeak không thể lớn hơn sự phân phối của đ
iện áp nạp ban đầu Uo.Cs trên tổ
hợp Cs + Cb tức là ta có hiệu suất:
bS
Sdinh
CC
C
U
U
+

≤=
0
η
(1.1)
Do đó, để U
đỉnh
(Upeak) lớn nhất có thể, người ta chọn Cs  Cb.
Năng lượng xung trong một quá trình phóng là:
2
0
.
2
1
. UC
S
W ≈
(1.2)
Sơ đồ (b) thường được sử dụng hơn vì tránh được suy giảm điện áp trên điện trở hãm Rd.
Sơ đồ mạch tạo điện áp xung kiểu Marx. ( E. Marx – 1923)

10
Để tạo các điện áp xung có biên độ lớn người ta dùng máy phát điện áp xung kiểu Marx.
Nguyên lý làm việc của máy phát xung này là các tụ nạp song song và phóng nối tiếp.
U'
0
Cs'
Re'
R
Lo
Rd'

F
R
L
'
Cb
A1
A2
R
o
Cs'
Re'
Rd'
F
R
L
'
B1
B2
Cs'
Re'
Rd'
F
R
L
'
Cs'
Re'
Rd'
F
N1

N2
C1

Hình 1.9: Sơ đồ máy phát xung Marx ghép n tầng
R
Lo
– Điện trở nạp cho tầng đầu tiên
Uo' – Điện áp nạp cho mỗi tầng
RL' – Điện trở nạp cho mỗi tầng trừ tầng đầu
F – Khe hở phóng điện
Re' – Điện trở phóng cho mỗi tầng
Rd' – Điện trở hãm cho mỗi tầng
Cs' – Tụ xung cho mỗi tầng
Cb' – Tụ tải
Giai đoạn nạp
: Các tụ điện Cs’ ở các tầng được nạp tới điện áp U’o thông qua các điện
trở nạp R
L’
và khi quá trình nạp kết thúc thì các điểm A2, B2 N2 có điện thế U’o, còn các điểm
A1, B1 N1 có điện thế 0 (nối đất)
Giai đoạn phóng
: Khi tất cả các khe hở phóng điện,
Tầng 1: U
A2
= U
Cs’
= U’o
Tụ Cs’ phóng qua khe hở F làm điện thế tại B1 tăng vọt lên: U
B1
= U

A2
= U’o
Tầng 2: U
B2
= U
B1
+U
Cs’
= 2U’o
Tụ Cs’ phóng qua khe hở F làm điện thế tại C1 tăng vọt lên: U
C1
= U
B2
=2U’o
………
Tầng n: U
N2
=U
N1
+U
Cs
=n.U’o, điện áp cuối cùng đạt được là n.U’o.
Như vậy, các tụ Cs' sẽ được nối tiếp để Cb được nạp thông qua tất cả các điện trở Rd’ nối
tiếp. Cuối cùng, tất cả các tụ Cs' và Cb được phóng điện lại thông qua các điện trở Re' và Rd'.
Thường chọn R
L’
 Re'. Mạch n tầng được quy đổi về một tầng như sau:

11
U

0
t=0
Cs
F
Rd
Re
Cb
i
e
i
d
b)
u(t)

Uo = nUo'
Rd = nRd'
hoặc Rd = nRd'+Ro
Cs = Cs'/n
Re = n.Re'
Hình 1.10: Sơ đồ thay thế rút gọn của mạch Marx và công thức quy đổi

Vấn đề quan trọng khi phát một điện áp xung là tất cả các khe hở phải được điều chỉnh để
phóng điện đồng thời. Yêu cầu đối với các điện áp xung thử nghiệm là phải có cùng giá trị đỉnh
và dạng sóng. Để đạt được yêu cầu này, có 2 phương pháp điề
u khiển máy phát, sử dụng các
điện cực hình cầu như một khóa thao tác.
Phương pháp 1:
[6] Tăng dần khoảng cách giữa các điện cực cầu để không có phóng điện
xảy ra trong quá trình nạp. Sau khi đạt được điện áp nạp yêu cầu, các điện cực cầu được di
chuyển lại gần nhau cho đến khi phóng điện xảy ra với khe hở nhỏ nhất. Điều này thường xảy ra

với tầng đầu tiên, khi có phóng điện, tất cả các khe hở cầ
u khác cũng sẽ phóng điện theo.
Phương pháp 2:
[6] Khoảng cách giữa các khe hở cầu cần đủ lớn để chịu được điện áp
nạp. Khi điện áp nạp tăng tới giá trị đặt trước và là hằng số đối với các tầng của máy phát, một
điện áp xung mồi kích thích sẽ gây ra phóng điện tại tầng đầu tiên và các khe hở khác cũng sẽ
phóng điện theo. Phương pháp 2 có độ tin cậy cao hơn và rất cần thi
ết cho một số thử nghiệm.
Như vậy, cả hai phương pháp đều cần kích thích khe hở của tầng đầu tiên phóng điện.
Trong phương pháp 1, có thể điều chỉnh khe hở nhỏ hơn một chút. Phương pháp 2 đòi hỏi khe hở
được kích thích bởi một xung phóng phụ, hay gọi là xung kích thích hoặc xung mồi.
Điện áp quá độ gây ra bởi sự phóng điện ở tầng thấp nhất sẽ làm cho tấ
t cả các tầng trên
cùng phóng điện.
Điện áp xung phụ thuộc vào cấu trúc lắp đặt của máy phát xung (các điện dung tản mạn
giữa đất và các tầng, hỗ cảm giữa các tầng), các thành phần mạch (điện trở hãm Rd', điện trở
phóng Re') và số tầng.
Các máy phát xung hiện đại đã đạt tới điện áp 10MV với năng lượng xung lên tới hàng
trăm kW, điệ
n áp mỗi tầng từ 100 300kV. Hệ số hiệu suất η phụ thuộc vào dạng điện áp xung
phát ra và thường dao động trong khoảng 0,7 đến 0,9. Sơ đồ (b) cũng được sử dụng nhiều hơn sơ
đồ (a), đặc biệt đối với điện áp xung có thời gian đuôi sóng ngắn và tụ tải nhỏ.
Tùy theo điều kiện vận hành, khi cần giảm hỗ cảm, tăng đi
ện dung xung thì có thể kết nối
song song hoặc nối tiếp các tầng với nhau. [5]
Tính toán mạch phát điện áp xung một tầng.

12
Thông thường, sơ đồ phát xung (b) được sử dụng trong thực tế bởi hiệu suất cao. Xét một
sơ đồ phát điện áp xung (hình 1.11) như sau:

U
0
t=0
Cs
F
Rd
Re
Cb
i
e
i
d
b)
u(t)

Hình 1.11: Sơ đồ phát điện áp xung
Điện áp xung phát ra trên tụ Cb và có dạng như sau: [5]
()
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
≈
2/1/

.
12
21
0
.
ττ
ττ
τ
τ
t
e
t
etu
bd
CR
U
(1.3)
Có nghĩa là điện áp xung được tạo thành từ 2 thành phần hàm mũ với các hằng số thời
gian là τ
1
và τ
2
(hình 1.12)
t
0
u
Upeak
Tp
e
u(t)

-t/
1
e
-t/
2
1
2

Hình 1.12: Điện áp xung u(t) được tạo từ 2 thành phần hàm mũ
Thời gian đầu sóng được quyết định bởi điện trở Rd và tụ Cb.
Thời gian nửa giá trị được quyết định bởi điện trở Re và tụ Cb, Cs.
Thông thường: Re  Rd và Cs Cb do đó Re.Cs  Rd.Cb.
Hằng số thời gian sẽ được tính theo các công thức sau: [6]

13
Đối với mạch loại (b) ở trên:
()
()
CbCs
CbCsR
d
+
≈

1
τ
(1.4)
()
CbCs +.Re~
2

τ
(1.5)
Đối với mạch loại (a) công thức được tính như sau:
()
(
)
()()
CbCsRd
CbCsRd
++
≈
Re
Re.
1
τ
(1.6)
()
(
)
CbCsRd
+
+ .Re~
2
τ
(1.7)
Mối quan hệ giữa các hằng số thời gian và các thông số thời gian của điện áp xung: [6]
* Đối với xung sét tiêu chuẩn 1,2/50 µs, mối quan hệ τ1, τ2 và T1, T2 như sau:
(
)
()

CbCs
CbCsRd
+
≈=
Τ

1
.96,2
1
τ
(1.8)
(
)
CbCs+
≈
=
Τ
Re
2
.73,0
2
τ
(1.9)
τ
1
và τ
2
: Các hằng số thời gian
T1, T2: Thời gian đầu sóng và thời gian tới nửa giá trị.
* Đối với xung thao tác tiêu chuẩn 250/2500 µs, mối quan hệ τ1, τ2 và T

1
, T
2
như sau
(đối với xung T
1
≥ 10.T
2
) :
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
=
Τ
1
2
ln
12
21
τ
τ
ττ
ττ
p

(1.10)
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
Τ
η
τ
2
ln
2
2
(1.11)
Tính toán hiệu suất của mạch phát điện áp xung: [6]
Giá trị của tụ xung và tụ tải ảnh hưởng quan trọng tới hệ số hiệu suất của một máy phát
xung.
Đối với mạch (b):
k
bS
Sdinh
CC
C
U
U
.

0
+
≈=
η
(1.12)
Đối với mạch (a):
k
ed
e
bS
Sdinh
RR
R
CC
C
U
U

0
++
≈=
η
(1.13)
Hệ số k xuất phát từ ảnh hưởng của các điện trở. Đối với các xung sét k xấp xỉ 0,95. Đối
với xung thao tác, sự ảnh hưởng đó lớn hơn và hệ số này có thể nhỏ, xấp xỉ 0,50.
Khảo sát sự ảnh hưởng của tụ tải tới dạng xung. [6]

14
Hầu hết hiện nay máy phát điện áp xung sử dụng 1 tụ tải Cb để phát xung sét hoặc xung
thao tác. Thực tế trong thử nghiệm công nghiệp, đã có những máy phát lên tới 2MV, 400kW và

còn tăng cao hơn nữa. Vấn đề đặt ra là lựa chọn các thành phần mạch như thế nào để có thể phát
ra các điện áp xung tiêu chuẩn.
Nguyên tắc chung để đạt được dạng xung với T
2
T
1
là thời gian để tụ Cb đạt được giá
trị đỉnh Uo phải ngắn và thời gian để tụ Cb phóng điện là dài hơn. Điều đó đạt được bằng cách
chọn: Re Rd.
Ngay lập tức sau khi phóng điện tại khe hở F, t = 0, toàn bộ điện áp nạp Uo sẽ xuất hiện
trên Rd và Cb. Giá trị Rd*Cb càng nhỏ thì u(t) đạt tới đỉnh của nó càng nhanh.
Thời gian đầu sóng T
1
được quyết định bởi điện trở Rd và tụ Cb. Thời gian tới nửa giá trị
T
2
được quyết định bởi điện trở Re và tụ Cb, Cs.
Như vậy phải chọn các giá trị như sau:
Re >> Rd và Cs >> Cb => Re.Cs >> Rd.Cb => τ
1
>> τ
2
hay T
2
>>T
1

Hình sau mô tả vùng dung sai của xung sét tiêu chuẩn và quan hệ của nó với giá trị thành
phần mạch phát xung.
Cb (nF)

500
600
700
800
Re
T2 = 60
µs
T2 = 40
µs
Cbo
10510,5
Rd (Ôm)
Cbo
10510,5
1000
100
200
500
T1 = 1,56
µs
T1=0,84
µs
L=40
µH
Up<5%
Rd1
Rd2
Rd3
a)
Cb (nF)

b)
Re (Ôm)

Hình 1.13 Vùng dung sai của xung sét và quan hệ với tụ tải Cb
a) Vùng dung sai của thời gian đầu sóng
b) Vùng dung sai của thời gian nửa giá trị

15
Theo nhiều nghiên cứu và tính toán, ta có thể rút ra các kết luận cơ bản sau cho xung sét:
- Có thể phát các xung sét tiêu chuẩn với giá trị tụ tải lên đến 5nF = 5000pF với chỉ một
giá trị của điện trở Re.
- Tuy nhiên, để phát các xung sét tiêu chuẩn với giá trị tụ tải lên đến 5nF = 5000pF như
trên thì phải cần nhiều giá trị của điện trở Rd. Nếu Rd quá nhỏ hoặc Cb quá lớn thì rõ ràng T1
vượt quá dung sai cho phép, dạng sóng không đạt tiêu chuẩn.
-
Điện cảm Lg’ của máy phát nhiều tầng có thể lên tới 3µH/1 tầng. Điện cảm tổng L là
điện cảm của máy phát Lg=nLg’ và hỗ cảm của mạch ngoại vi, nó có thể đạt xấp xỉ 1µH/m.
Đối với xung thao tác, cũng xét ảnh hưởng tương tự, như vậy người ta cần 2 điện trở
phóng Re (cho 50 µs và 2500 µs) và một số giá trị điện trở hãm Rd. Các điện trở này có thể l
ắp
đặt trong bản thân máy phát hoặc bên ngoài. Điện trở lắp đặt bên ngoài thì đơn giản cho việc
kích thích máy phát xung nhưng cần không gian rộng lớn, vì vậy, điện trở lắp đặt bên trong kèm
theo máy phát thường dùng nhiều hơn.
Các dao động và đường cong trung bình của xung sét thử nghiệm [6].
Cần lưu ý các dao động ở phía trước hoặc gần đỉnh điện áp xung, các dao động này xảy
ra chỉ đối với xung sét, khi điện tr
ở của toàn bộ mạch thử nghiệm là nhỏ. Hình sau mô tả một vài
ví dụ về xung sét, giải thích khái niệm về đường cong trung bình, đường cong cực đại và giá trị
đỉnh đối với thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 60060.
12340

f > 0.5 MHz
t (µs)
12340
t < 1µs
t (µs)
12340
f < 0.5 MHz
t (µs)
12340
t (µs)
t > 1µs

Hình 1.14: Xung sét điển hình với dao động và đường cong trung bình
Có thể giảm các dao động bằng cách tăng điện trở, nhưng điều đó làm tăng thời gian đầu
sóng. Phụ thuộc vào điện cảm toàn mạch thử nghiệm, giá trị nhỏ nhất của một mạch hãm phi chu
kỳ được cho bởi công thức sau:

16
()
2/1
.
2
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
≥

CbCs
CbCsL
Rd
(1.14)
Đối với các mạch thử nghiệm lớn hoặc các tổ hợp thử nghiệm với điện cảm cao, không
thể tạo ra được xung sét tiêu chuẩn. Hình sau biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và toàn bộ tụ
tải đối với xung sét tiêu chuẩn 1,2/50 với dung sai ± 30% thời gian đầu sóng và 5% cho
overshoot.
Rd (Ôm)
Cbo
10510,5
1000
100
200
500
T1 = 1,56
µs
T1=0,84
µs
L=40
µH
Up<5%
Rd1
Rd2
Rd3
Cb (nF)

Hình 1.15 Mối quan hệ giữa điện trở và tụ tải
đối với thời gian T
1

của xung sét tiêu chuẩn 1,2± 30% µs
Một thí dụ điển hình khi đối tượng thử nghiệm có thể ảnh hưởng tới dạng sóng là các thử
nghiệm điện áp xung trên các sợi cáp lớn. Do điện dung cao, xung sét tiêu chuẩn không thể được
tạo ra mà không có các dao động rất lớn. Vì vậy, tiêu chuẩn IEC cho phép thời gian đầu sóng dài
hơn, lên tới 5 µs, để có thể có được dạng sóng hợp lý. Mặt khác, sự thay đổi thời gian đầu sóng
cũ
ng không ảnh hưởng tới kết quả thử nghiệm điện môi trên cáp bằng điện áp xung sét.
1.4 Mạch phát dòng điện xung
Giới thiệu các thiết bị trữ năng lượng [5]
Để phát các dòng điện xung lớn thì nguồn được lấy từ lưới điện thông thường có thể
không đủ để đạt được những dòng điện xung có hình dáng và biên độ yêu cầu. Vì thế, cần phải
có một hệ thống tích trữ năng lượng để có thể phóng ra một năng lượng lớn hơn nhiều so với yêu
cầu để nạp chúng. Về nguyên tắc, tụ điện, cuộn cảm, các thiết bị lưu trữ dạng đường dây truyền
tải, máy điện quay, pin acquy và thậm chí là chất nổ cũng có thể được xem là thiết bị lưu trữ
năng lượng. Sử dụng bình điện (pin, acquy) và chất nổ chỉ hạn chế trong những trường hợp đặc
biệt, vì vậy không đề cậ
p sau đây.
Kho năng lượng kiểu tụ điện
Năng lượng được tích trữ trong 1 tụ điện có điện dung C ở điện áp Uo là:
2
.
2
1
UoCW =
(1.15)
Mật độ năng lượng trong điện môi tại điện trường E là:

17
2
.

0
.
2
1
'
E
r
W
εε
=
(1.16)
Nếu έ= 4 , E = 1000kV/cm, giấy tẩm dầu thì giá trị W' = 0,2W/cm
3

Tụ điện là thiết bị tích trữ năng lượng chất lượng cao và rất thích hợp cho việc khuếch đại
nguồn. Chúng có khả năng tích trữ năng lượng trong thời gian dài. Hằng số thời gian phóng qua
điện trở riêng của nó có thể hàng giờ. Thường tụ điện được nạp bởi nguồn công suất nhỏ.
Hệ thống tích trữ năng lượng lớn nhất củ
a loại này được xây dựng bằng vật liệu thạch
anh có thể tích trữ năng lượng lên tới vài MW và điện áp nạp chỉ khoảng vài kV. Khi phóng, có
thể đạt được dòng hàng chục MA. Các lĩnh vực ứng dụng cho thử nghiệm chống sét, dòng sét và
điện luyện.
Kho năng lượng kiểu cảm kháng
Năng lượng được tích trữ trong 1 cuộn dây có điện cảm L ở điện áp Io là:
2
0
.
2
1
ILW =

(1.17)
Mật độ năng lượng trong từ thông B là:
r
B
W
µµ
.
0
2
2
1
'
=
(1.18)
Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu cảm ứng này được thiết kế với những cuộn dây lõi
không khí, bởi vì giá trị của B bị hạn chế khoảng 2T trong các vật liệu từ do nhiễu. Mật độ năng
lượng bị giới hạn bởi khả năng phát nóng.
Một hạn chế lớn trong việc ứng dụng các kho năng lượng kiểu cảm ứng trong các đi
ều
kiện dẫn điện bình thường là hằng số thời gian tự phóng (self-discharge) L/R. Hằng số này chỉ
đạt vài giây và rất thấp so với hệ thống kiểu tụ. Vì vậy, hệ thống tích trữ năng lượng kiểu cảm
ứng phải được nạp với nguồn công suất lớn và chỉ dùng tích trữ trong giai đoạn ngắn. Để có thể
dùng trong những chu kỳ dài hơn phải dùng cuộn dây vớ
i vật liệu siêu dẫn.
Kho năng lượng kiểu cơ khí
Trong thiết bị tích trữ năng lượng kiểu cơ khí, năng lượng được tích trữ trong các vật có
khối lượng lớn chuyển động và có thể được giải phóng bởi sự giảm tốc đột ngột. Động năng tích
trữ trong vật có khối lượng m và vận tốc v là:
2
.

2
1
vmW =
(1.19)
Với vật chuyển động tròn, mật độ năng lượng thậm chí rất lớn. Giá trị lớn nhất của mật độ năng
lượng giới hạn bởi trục ly tâm. Đối với một bánh xe thép tốc độ vành ngoài là 150m/s, giá trị W'
= 100W/cm
3
.

18
Theo quy luật đó, rotor của máy phát là một vật tích trữ năng lượng quay lớn, động năng
được chuyển thành điện năng bằng cách hãm tốc
Hệ thống kho năng lượng kiểu cơ khí có thể thiết kế với dung lượng lên đến 1000MW và
có hằng số thời gian tự phóng rất lớn, chỉ cần thiết bị nạp công suất nhỏ.
Mô phỏng các loại mạch phát dòng điệ
n xung và nguyên lý làm việc.
Mục đích của mạch phát dòng điện xung là phát ra dòng có quá trình quá độ rất nhanh
với dạng sóng và biên độ theo yêu cầu. Điều này cần thiết cho việc thử nghiệm khả năng chịu
đựng của các thiết bị vận hành đối với ứng suất của một dòng điện xung, hoặc các hiệu ứng vật
lý được kích hoạt liên tục như kích thích của cuộn dây từ trường. Tươ
ng tự như mạch điện áp
xung, các yêu cầu đối với một dòng điện xung phát ra phù hợp với đối tượng thử nghiệm.
L
C
t
LC
LC
2
0

i
b)
U
0
C
FR
1
a)
KS
L
1
R
2
L
2
i(t)
P
R
=0
R=
L
C
R=2.

Hình 1.16 Mạch phát dòng điện xung với bộ tích trữ năng lượng kiểu tụ điện
a) Mạch mô phỏng; b) Đồ thị dòng
L1 và R1 là điện cảm và điện trở của mạch dòng điện xung.
Nếu đối tượng thử nghiệm P gồm điện trở R2 và điện cảm L2 nối tiếp và nếu L1+L2=L,
R1+R2=R thì đường cong dòng điện được vẽ trên hình b) và thay đổi phụ
thuộc vào điện trở R.

Trong mạch phóng này, dòng điện xung bị ảnh hưởng quan trọng bởi đối tượng thử
nghiệm. Giá trị đỉnh của dòng điện xung tăng cao cho trường hợp R giảm thấp.
Ví dụ: Với là điện áp nạp Uo, khi
C
L
R 2<<
thì
L
C
U
peak
I .
0
≅

Độ dốc lớn nhất khi t ~ 0 là:
L
U
dt
di
0
max
≈
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
(1.20)

Để tăng giá trị đỉnh Ipeak và cực đại hoá độ dốc dòng điện xung cần giữ L nhỏ. Nếu cần
thiết có thể kết nối song song các tụ. Để các dao động dòng đầu tiên không vượt quá thời gian
yêu cầu, ngoài việc giảm L thì các giá trị của C và W phải tăng lên đồng thời sao cho tần số
phóng f không quá cao.
LC
f
π
2
1
=
(1.21)

19
Trong mạch phóng với điện trở R nhỏ, một dòng tắt dần có thể xuất hiện như là khi đóng
khóa KS trên hình vẽ.
Mạch phát dòng điện xung với bộ tích trữ năng lượng kiểu điện cảm.
is
Ls
Rs
a)
SK
R
2
L
2
i(t)
P
ik
t
0

i
Io
is
Ipeak
i(t)
ik
b)

Hình 1.17 Mạch phát dòng điện xung với bộ tích trữ năng lượng kiểu cuộn cảm
a) Mạch mô phỏng; b) Đồ thị dòng
Hình trên mô phỏng mạch phát dòng điện xung với thiết bị tích trữ năng lượng là 1 cuộn
cảm và các đường cong dòng điện quan trọng nhất. Ở đây, đối tượng thử nghiệm cũng gồm một
điện cảm L2 và một điện trở R2 n
ối tiếp.
Khi khóa SK đóng lại, cuộn cảm tích trữ năng lượng Ls được nạp tới dòng Io (từ một
nguồn không mô phỏng trên hình) thông qua điện trở tổn hao Rs của toàn bộ mạch nạp. Tại t =0
khóa SK mở ra, sự chuyển mạch xảy ra đối với thiết bị thử nghiệm khi khóa SK đặt một điện áp
đủ lớn phù hợp vào đối tượng thử nghiệm.
Bỏ qua đ
iện trở Rs và R2, từ điều kiện cân bằng từ thông trước và sau khi chuyển mạch,
ta có phương trình.
Io.Ls = Ipeak(Ls+L2) (1.22)
Vì Ls >> L2 nên phần lớn dòng được đặt vào tải Ipeak ≈ Io.
Việc thiết kế thiết bị đóng cắt SK là một vấn đề kỹ thuật phức tạp trong mạch phát dòng
điện xung có điện cảm. Ngoài ra, vấn đề hồ quang, dây dẫn cũng vẫn được tiếp tục nghiên cứu.
G
S
2
S
3

S
1
T
R
2
L
2
P
R
1
L
1
Timing
control

Hình 1.18: Mạch phát dòng điện xung với bộ tích trữ năng lượng kiểu cơ khí.
Dòng điện xung với bộ tích trữ năng lượng kiểu cơ khí được sử dụng khi yêu cầu một
năng lượng lớn cho thời gian lên tới 1s. Năng lượng được biến đổi từ động năng, đó là năng
lượng sinh ra từ hệ thống chuyển động cơ khí.

20
Đó là 1 tổ hợp hệ thống phức tạp, thường bao gồm:
- Máy phát ngắn mạch để sinh ra các dòng điện xung.
- Máy biến thế xung T nối với hệ thống ở phía sơ cấp thông qua dao nối đất S1.
- Máy cắt an toàn S2 nối tiếp với máy cắt dưới tải S3. Ban đầu đóng S1, S2. Không lâu sau
khi S3 nhận lệnh "on", S2 có thể nhận lệnh "off" để cả 2 khóa này sẽ chỉ "on" đồng thờ
i
trong một thời gian ngắn. Bằng cách này, có thể tạo ra những nửa chu kỳ điện áp riêng lẻ
với máy cắt công nghiệp.
- Phía thứ cấp của máy biến thế nối với đổi tượng thử nghiệm P thông qua cuộn cảm L1.

a)
C'
Uo
L'
C'C'
L'
C'C'
L'
C'
L'
FR
1
R
2
L
2
P
t
b)
i
n=8

Hình 1.19: Mạch phát dòng điện xung với bộ tích trữ năng lượng kiểu đường dây truyền tải
a) Mạch mô phỏng; b) Dạng dòng điện xung
Một đường dây truyền tải, thay vì các tụ và kháng tập trung, có thể được dùng như một
kho tích trữ năng lượng và có thể sinh ra các dòng điện xung hình chữ nhật. Các dòng điện xung
được sinh ra khi có phóng điện, ví dụ như trường hợp ngắn mạch đường dây.
Trong th
ực tế, một sơ đồ lưới như hình trên được mô phỏng thay cho đường dây truyền
tải, thời gian của dòng điện xung hình chữ nhật có thể được tính toán như sau [Modrusan 1977]:

LC
n
n
d
T .
1
.2
−
≈
(1.23)
với L = nL' và C = n.C'
Số mắt lưới n nên lớn hơn 8 để có thể đạt được mẫu xung xấp xỉ với xung hình chữ nhật.
Biên độ lớn nhất của xung là:
C
L
Ra
U
dinh
I
+
=
0
(1.24)
Trong đó: Ra = R1+R2. Để dòng nghịch cực tính nhỏ nhất có thể, R1 phải được chọn như sau:

21
C
L
RRRa =+= 21

(1.25)
Để các dao động không vượt quá xa, có thể bỏ qua, thì phải chọn C’≠L’
1.5 Kỹ thuật đo điện áp xung
Đo lường giá trị đỉnh với khe hở cầu.
Từ những nghiên cứu phóng điện chọc thủng trong không khí, chúng ta biết được rằng sự
phát triển của một phóng điện chọc thủng hoàn toàn của một hệ thống khe hở với các điện cực
cầu diễn ra hầu hết trong vài µs, nếu cung cấp cho nó một điện áp vượt quá giá trị đỉnh của điệ
n
áp chọc thủng. Điều đó chỉ ra rằng, có thể sử dụng khe hở cầu để đo lường giá trị đỉnh của điện
áp xung mà thời gian cần thiết là không quá ngắn. Giới hạn này thường xấp xỉ T2 ≥ 40 µs. [3-
page62]
Có 2 cách bố trí cơ bản của hệ thống đo lường giá trị đỉnh với khe hở cầu. [3-page13]

Hình 1.20: Kết cấu và bố trí cầu phóng điện nằm ngang

Các vật
xung quanh
Các vật
xung quanh