Bài thí nghiệm Kỹ thuật điện cao áp

QUY TẮC AN TOÀN KHI LÀM VIỆC
Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐIỆN ÁP CAO
A. VỀ TỔ CHỨC
1. Chỉ những sinh viên đã đƣợc nghe báo cáo về kỹ thuật an toàn và nắm vững quy tắc
này mới đƣợc làm việc ở phòng thí nghiệm.
2. Với mỗi nhóm sinh viên, ngƣời hƣớng dẫn chỉ định sinh viên làm nhóm trƣởng theo
dõi việc thực hiện quy tắc an toàn, chỉ nhóm trƣởng mới đƣợc đóng cắt mạch điện khi
tiến hành thí nghiệm.
3. Trƣớc khi đóng nguồn lần thứ nhất, phải đƣợc ngƣời hƣớng dẫn kiểm tra các mạch.
Trong các lần sau thì làm theo chỉ dẫn của ngƣời hƣớng dẫn.
4. Trong thời gian làm thí nghiệm, sinh viên không đƣợc gây mất trật tự trong phòng thí
nghiệm, chỉ hoạt động trong khu vực thí nghiệm của nhóm mình.
B. VỀ KỸ THUẬT
1. Trƣớc khi đóng mạch. nhóm trƣởng cần kiểm tra lại sơ đồ, lấy tất cả các dụng cụ
không cần thiết cho thí nghiệm ra ngoài, tháo dây nối đất an toàn và yêu cầu mọi sinh
viên ra khỏi khu vực nguy hiểm, đóng cửa khu vực thí nghiệm và đóng mạch thí
nghiệm – khi đóng mạch, nhóm trƣởng phải nói to “đóng mạch”.
2. Thiết bị chỉ đƣợc mang điện áp trong thời gian tiến hành thí nghiệm và đo lƣờng. Sau
đó phải giảm ngay điện áp xuống. Khi có điều gì nghi ngờ trong quá trình làm thí
nghiệm hoặc tiến hành không đúng theo quy tắc thì phải cắt ngay nguồn điện áp.
Sau khi cắt mạch xong thì trƣởng nhóm phải nói to là “đã cắt mạch”.
3. Sau khi cắt mạch, trong trƣờng hợp cần thiết phải vào khu vực nguy hiểm để tiến hành
một việc gì thì trƣởng nhóm mở cửa khu vực nguy hiểm và làm các biện pháp an toàn
(cho tụ phóng điện, đặt dây nối đất an toàn). Chỉ sau khi thực hiện các biện pháp đó
mới đƣợc tiến hành các công việc cần thiết, trong thời gian sinh viên ở khu vực nguy
hiểm thì nhóm trƣởng phải giữ không cho cửa ra vào khu vực nguy hiểm đóng lại để
tránh khả năng có điện áp đƣa vào thiết bị.
4. Sau khi tiến hành các công việc cần thiết ở khu vực nguy hiểm thì tất cả các sinh viên
phải ra khỏi khu vựcnguy hiểm, mang tất cả các dụng cụ không cần thiết ra ngoài và
chỉ ngƣới ra cuối cùng mới tháo dây nối đất an toàn. trƣởng nhóm phải quan sát khu

vực nguy hiểm, kiểm tra việc thực hiện các biện pháp nói trên rồi sau đó mới đƣợc
tiếp tục thí nghiệm.
5. Mỗi khi cho điện áp tác dụng lên thiết bị thì cấm không đƣợc ai đi vào khu vực nguy
hiểm, di chuyển lƣới bảo vệ, tỳ tay lên lƣới bảo vệ hay cho tay chuyển qua lƣới bảo
vệ.
6. Muốn thay đổi cách nối dây cần phải cắt mạch an toàn và phải đƣợc sự đồng ý của
ngƣời hƣớng dẫn mới đƣợc thực hiện và phải thực hiện đúng các quy tắc an toàn nói
trên.
7. Trong trƣờng hợp cần tiến hành công việc gì với gậy cách điện hay các dụng cụ tƣơng
tự, cần phải dùng các biện pháp bảo vệ khác nhƣ dùng găng cao su cách điện, ủng
cách điện, thảm cách điện.

BÀI 1
PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TRÊN CHUỖI CÁCH ĐIỆN

3

PHẦN I. THÍ NGHIỆM
I. MỤC ĐÍCH
Nghiên cứu sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện trên mô hình
Nghiên cứu sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện bằng phƣơng pháp đo trực tiếp
II. KHÁI NIỆM
Cách điện của đƣờng dây tải điện cao áp là chuỗi cách điện. Số phần tử cách điện trong
chuỗi phụ thuộc vào điện áp định mức của đƣờng dây. Sơ đồ thay thế cách điện có dạng nhƣ ở
hình 1.1.
C
C
1
C
2
Đƣờng dây
Xà treo
(nối đất)

Hình 1.1. Sơ đồ thay thế chuỗi cách điện
C – điện dung bản thân phần tử cách điện
C
1
– điện dung của bộ phân kim loại của phần

tử cách điện đối với bộ phận nối đất của kết
cấu (cột, dây thu sét).
C
2
– điện dung của bộ phận kim loại của phần
tử cách điện đối với dây dẫn.
Thông thƣờng các phần tử cách điện đều có điện dung bản thân C nhƣ nhau. Nếu nhƣ
các điện dung ký sinh C
1
và C
2
rất nhỏ so với điện dung bản thân C thì sự phân bố điện áp dọc
chuỗi cách điện sẽ đều bởi vì dòng điện đi qua các điện dung C nhƣ nhau và do đó cùng gây
nên một điện áp giáng nhƣ nhau trên các phần tử. Trong thực tế do sự tồn tại của các điện
dung ký sinh C
1
= 4 pF – 5 pF và C
2
= 0,5 pF – 1 pF nên chúng có ảnh hƣởng rõ rêt. đến sự
phân bố điện áp trên chuỗi cách điện.
Xét ảnh hƣởng của điện dung ký sinh C
1
(cho C
2
= 0), sơ đồ thay thế còn lại ở hình
1.2.a. Dòng qua điện dung ở gần đất nhất sẽ bé nhất và ngƣợc lại dòng qua dòng qua điện
dung ở gần dây dẫn sẽ là lớn nhất. Do sự có mặt của C
1
nên điện áp giáng trên phần tử cách
điện ở gần dây dẫn là lớn nhất và sự phân bố điện áp dọc chuỗi cách điện có dạng nhƣ ở hình

1.2.
Cũng lý luận nhƣ trên sẽ thấy là sự có mặt của các điện dung ký sinh C
2
( cho C
1
= 0) sẽ
làm cho điện áp giáng trên phần tử ở gần đất nhất là lớn nhất (Hình 1.2.b). Nếu cả C
1
và C
2

đều tồn tại và giả thiết C
1
= C
2
thì điện áp giáng trên các phần tử ở gần dây dẫn và sát đất sẽ là
lớn nhất và bằng nhau còn điện áp giáng trên các phần tử ở giữa là nhỏ nhất.
4
C
C
1
Đường dây
Xà treo (nối đất)
ΔU
6
ΔU
5
ΔU
4
ΔU

3
ΔU
2
ΔU
1
C
C
2
Đường dây
Xà treo (nối đất)
1
2
3
4
5
6
ΔU
6
ΔU
5
ΔU
4
ΔU
3
ΔU
2
ΔU
1
100%
ω

1
2
3
4
5
6
C
1
=0; C
2
≠0
C
1
≠
0
;
C
2
=
0
C
1
≠
0
;
C
2
≠
0
C

1
=0; C
2
=0
Hình 1.2.a Hình 1.2.b

Hinh 1.2. Phân bố điện áp dọc theo chuỗi cách điện
Thực tế các điện dung C
1
và C
2
tồn tại và có trị số khác nhau đối với từng phần tử cách
điện (phụ thuộc vào vị trí phần tử trong chuỗi) và ảnh hƣởng đồng thời tới sự phân bố điện áp
trên chuỗi cách điện. Sự phân bố điện áp thực tế có đặc điểm sau:
Điện áp giáng trên phần tử gần dây dẫn nhất là lớn nhất.
Điện áp giáng nhỏ nhất là điện áp giáng trên phần tử ở gần đầu nối đất của chuỗi.
Nếu các điện dung ký sinh C
1
có cùng giá trị đối với tất cả các phần tử cách điện và đối
với C
2
cũng thế thì điện áp trên mỗi phần tử cách điện C trên sơ đồ ở hình 1.1 đƣợc xác định
theo công thức:

)1kn(ash)kn(ashC)1k(ash)ak(shC
)an(shCC
100

%100.
U

U
%U
21
21
k
k


Trong đó: U – điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện
n – số lƣợng phần tử cách điện trong chuỗi cách điện
k – số thứ tự của mỗi phần tử tính từ đầu nối đất

C
CC
a
21

Khi phân bố điện áp dọc trên chuỗi cách điện là đều thì điện áp trên phần tử thứ k so với
đất là:
k
n
U
U
k

5
Với mỗi đƣờng dây đã cho thì các điện dung ký sinh C
1
là không đổi nên nếu ta chọn
C

2k
theo điều kiện điện tích trên điện dung đối với dây dẫn cân bằng với điện tích trên điện
dung đối với đất để điện áp phân bố đều thì:

1-n1,k
kn
k
C
kn
k
CC)k
n
U
U(Ck
n
U
C
1k1k2k2k1


Sự phân bố điện dung này đã đƣợc áp dụng để cải thiện sự phân bố điện áp dọc trên
cuộn dây của máy biến áp.
Đối với đƣờng dây thì sự phân bố điện áp không đều trên chuỗi cách điện sẽ tạo điều
kiện để hình thành vầng quang. Điện áp vầng quang trên cách điện vào khoảng 20 – 25 kV. Ở
điện áp làm việc, vầng quang không đƣợc phép xuất hiện vì các sản phẩm của vầng quang sẽ
gây ăn mòn kim loại, gây nhiễu với các thiết bị vô tuyến. Ở các đƣờng dây từ điện áp 220 kV
trở lên, điện áp trên phần tử cách điện gần dây dẫn lớn hơn 20 kV nên ta phải có biện pháp cải
thiện sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện. Biện pháp thông dụng nhất hiện nay là dùng
đai (vành đẳng thế).
Đai có dạng hình tròn, số tám hay kiểu sừng đƣợc gắn vào đầu của chuỗi cách điện ở

phía đƣờng dây. Tác dụng của đai là làm thay đổi điện dung C
2
do đó tạo điều kiện để sự phân
bố điện áp đều hơn. Ngoài ra đai còn có các nhiệm vụ:
Ngăn chặn sự hình thành phóng điện từng cấp trên mỗi chuỗi cách điện.
Ngăn sự hình thành hồ quang của sự phóng điện từng cấp trên bề mặt chuỗi cách điện.
Nâng cao điện áp phóng điện xung và tần số công nghiệp của chuỗi cách điện.
III. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TRÊN CHUỖI CÁCH ĐIỆN
1. Mô hình chuỗi sứ
Có thể dùng mô hình để xét sự phân bố điện áp và cách cải thiện sự phân bố điện áp trên
chuỗi cách điện. Trên hình 1.3 giới thiệu mô hình của chuỗi cách điện gồm có sáu phần tử
cách điên cùng loại. Các phần tử cách điện đƣợc đặc trƣng bởi các điện dung C

= 2 μF và
C
1
= 1 μF. Điện dung C
2
có thể nhận các giá trị khác nhau ví dụ 0,2 μF, 1μF, …
C
C
1
~
V
R
l
l
3
l
4

C
2
~
R
3
R
4
R
1
R
2
V
U
U
B
A
A
B
U
R2
= ΔU
1

Hình 1.3. Mô hình chuỗi cách điện
6
Song song với chuỗi điện dung C có một biến trở R kẻ vạch theo % của trị số điện áp
tác dụng lên chuỗi sứ, ứng với một vị trí của con chạy trên biến trở thì trên dụng cụ chỉ không
(Vôn kế) sẽ cho biết trạng thái cân bằng thế giữa điểm đang xét và con chạy. Nhờ trị số trên
thang đo của biến trở R, ta sẽ tính đƣợc thế (theo %) so với điện áp tác dụng lên chuỗi điện
dung.

Ví dụ ta muốn đo thế tại điểm A, mạch tƣơng đƣơng thu gọn nhƣ mạch cầu. Khi Vôn kế
chỉ không (cầu cân bằng) ta có:
l
l
UR
R
U
UU
4
44R2R

Nhƣ vậy:
l
l
UU
4
1
.
2. Phƣơng pháp đo trực tiếp
Từ công thức tính điện áp giáng trên một phần tử cách điện là ΔU
k
% không phụ thuộc
vào điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện U mà chỉ phụ thuộc vào C, C
1
, C
2
, số lƣợng phần tử
trong chuỗi và số thứ tự k. Nói khác đi là với mỗi chuỗi cách điện đã cho thì ΔU
k
% là một

hằng số dù điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện có thay đổi. Từ các nhận xét đó suy ra
phƣơng pháp xác định sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện bằng phƣơng pháp đo trực tiếp
nhƣ dƣới đây.
Nếu mắc song song phần tử thứ k (trong chuỗi cách điện có n phần tử) với một bộ cầu
phóng điện có khoảng cách s cố định (nghĩa là điện áp phóng điện U
0
của quả cầu đó là hằng
số và đã biết trƣớc) và cho điện áp tác dụng lên chuỗi sứ tăng dần dần đến khi có phóng điện
trên bộ cầu, khi đó điện áp giáng trên phần tử thứ k là U
0
:
%100
U
U
%U
s
0
k

Với U
s
là điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện.
Cũng có thể chứng minh là điện áp tại điểm k nào đó trên chuỗi cách điện cũng chỉ phụ
thuộc vào các tham số của chuỗi C, C
1
, C
2
mà không phụ thuộc vào điện áp tác dụng lên
chuỗi cách điện.
Nhƣ vậy cũng có thể dùng một bộ cầu phóng điện có khoảng cách s cố định nối vào

điểm đất và điểm k nào đó trên chuỗi cách điện và đồng thời cho điện áp tác dụng U
s
tăng dần
lên cho đến khi nào bộ cầu bị phóng điện, lúc đó điện áp tại điểm k sẽ là:
%100
U
U
%U
s
0
k

IV. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
1. Xác định ΔU
k
% = f(k) và U
k
% = f(k) trên mô hình
a. Sơ đồ đo nhƣ sau:
7
Xà treo sứ (nối đất)
Dây dẫn
1
2
3
4
5
6
7
s,U

0
Xà treo sứ (nối đất)
Dây dẫn
1
2
3
4
5
6
7
s,U
0
Đo ΔU
k
% Đo U
k
%

Hình 1.4. Đo sụt áp trên các phần tử cách điện
b. Cải thiện sự phân bố điện áp
Với mô hình đang dùng C = 2 μF và C
1
= 1μF, phải xác định các điện dung C
2k
sao cho
sự phân bố điện áp trên mô hình đƣợc đều. Việc tính toán C
2
phải đƣợc hoàn thành trƣớc khi
làm thí nghiệm.
2. Xác định ΔU

k
% và U
k
% trên chuỗi cách điện bằng phƣơng pháp đo trực tiếp
Chuỗi cách điện, số lƣợng các phần tử, tình trạng chuỗi cách điện do ngƣời hƣớng dẫn
quy định. Thí nghiệm này đƣợc xác định với trƣờng hợp có và không có đai bảo vệ.
Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm nhƣ hình 1.5.
Xà treo sứ (nối đất)
Dây dẫn
R
V

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý xác định phân bố điện áp trên chuỗi cách điện

8
Trƣớc tiên chọn khoảng cách s của cầu phóng điện cũng nhƣ điện áp phóng điện U
0

dùng sơ đồ nhƣ hình 1.6.
R
V

Hình 1.6. Đặt giá trị phóng điện của hai quả cầu U
0

Khoảng cách s của cầu cũng nhƣ điện áp phóng điện U
0
của nó giữ cố định trong suốt
quá trình thí nghiệm. Để xác định ΔU
k

%, đem cầu phóng điện lần lƣợt nối song song với từng
phần tử cách điện nhƣ hình 1.4. Sau khi nối cầu phóng điện vào phần tử thứ k nào đó thì đóng
nguồn và cho điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện là U
s
. Từ đó tính đƣợc ΔU
k
%.
Từ các số liệu ở bảng 1.1. vẽ quan hệ ΔU
k
% = f(k) trong các trƣờng hợp có đai và
không có đai. Để xác định U
k
% thì nối cầu phóng điện vào điểm k đang xét và đất nhƣ hình
1.4.
Chú ý:
Điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện bao giờ cũng tăng từ không trở lên.
Khi cầu phóng điện thì phải giảm ngay điện áp bằng cách đƣa tay quay của máy biến
áp tự ngẫu về vị trí không.
3. Xác định quan hệ ΔU
1
% = f(n)
Số lƣợng phần tử n của chuỗi cách điện đƣợc thay đổi và ta xác định giá trị ΔU
1
%.
Khi điện áp phân bố đều thì điện áp trên mỗi phần tử sẽ bằng U
s
/n trong đó U
s
là điện áp
tác dụng lên chuỗi cách điện. Thực tế điện áp phân bố không đều và trên phần tử gần dây dẫn

sẽ có điện áp lớn nhất:
ΔU
max
% = ΔU
1
%
Hệ số không đồng nhất là:
%Un%100
U
U
n%100
n
U
U
x
1
s
1
s
max

4. Chuẩn bị trƣớc cho thí nghiệm
Ngoài việc nghiên cứu phần “Phân bố điện áp trên chuỗi cách điện” trong giáo trình
môn học kỹ thuật điện áp cao, bài thí nghiệm này cần:
1. Theo các công thức đã cho, tính trƣớc và vẽ các quan hệ ΔU
1
% = f(k) ứng với chuỗi
cách điện có sáu phần tử với các tham số sau:
a. C = 2 μF; C
1

= 0; C
2
= 1 μF
b. C = 2 μF; C
1
= 0; C
2
= 0
c. C = 2 μF; C
1
= 1 μF; C
2
= 0
9
2. Tính các điện dung C
2k
để cải thiện sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện đã cho –
giải thích cách xây dựng công thức đó.
5. Kết quả thí nghiệm
Điện áp phóng điện U
0
= ……..kV
5.1. Xác đinh ΔU
k
%
Bảng 1.1. Kết quả đo ΔU
k
%

Số TT phần tử 1 2 3 4 5 6 7

Trƣờng hợp không có đai
Điện áp U
S
, kV
1
2
3
TB
Trƣờng hợp có đai
Điện áp U
S
, kV
1
2
3
TB
5.2. Xác định U
k
%
Bảng 1.2. Kết quả đo U
k
%

Số TT phần tử 1 2 3 4 5 6 7
Trƣờng hợp không có đai
Điện áp U
S
, kV
1
2

3
TB
Trƣờng hợp có đai
Điện áp U
S
, kV
1
2
3
TB

5.3. Xác định ΔU
1
% = f(n)
Bảng 1.3. Kết quả đo ΔU
1
% = f(n)

10
Số TT phần tử 1 2 3 4 5 6 7
Trƣờng hợp không có đai
Điện áp U
S
, kV
1
2
3
TB
Trƣờng hợp có đai
Điện áp U

S
, kV
1
2
3
TB

6. Nội dung báo cáo
Các phần chính phải báo cáo:
Mục đích thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm và phƣơng pháp thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm
Các bảng kết quả đo và xử lý kết quả đo
Hình biểu diễn các quan hệ
Nhận xét các kết quả thí nghiệm
Ngoài ra, hãy trả lời các câu hỏi sau:
1. Giải thích ảnh hƣởng của các điện dung ký sinh đối với sự phân bố điện áp trên chuỗi cách
điện.
2. Giải thích ảnh hƣởng của vầng quang đối với sự phân bố điện áp.
3. Mục đích và tác dụng của đai bảo vệ.
4. Nếu nhƣ trong chuỗi có một phần tử bị hỏng (mất tính chất cách điện) thì sự phân bố điện
áp sẽ nhƣ thế nào?
5. Đai ảnh hƣởng tới hệ số đồng nhất nhƣ thế nào? Quy luật biến thiên của ΔU
1
% và U
1
% khi
số phần tử của chuỗi thay đổi?

11

PHẦN II. BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
I. XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
1. Xác định ΔU
k
%
Từ các kết quả thí nghiệm bảng 1.1, tính ΔU
k
% và vẽ phân bố ΔU
k
% dọc theo chuỗi cách điện
(hình 1.7).
STT
Điện áp phóng điện
U
0
, kV
Phân bố điện áp
Trƣờng hợp không đai Trƣờng hợp có đai
U
s
, kV ΔU
k
% U

s
, kV ΔU
k
%
1
2
3
4
5
6
7
Bảng 1.4. Kết quả tính toán phân bố điện áp ΔU
k
%

Hình 1.7. Phân bố điện áp ΔU
k
%
2. Xác định U
k
%
Từ các kết quả thí nghiệm bảng 1.2, tính U
k
% và vẽ phân bố U
k
% dọc theo chuỗi cách điện
(hình 1.8).

k
ΔU
k
%
: không có đai
: có đai
12
STT
Điện áp phóng điện
U
0
, kV
Phân bố điện áp
Trƣờng hợp không đai Trƣờng hợp có đai
U
s
, kV U
k
% U
s
, kV U
k
%
1
2
3
4

5
6
7
Bảng 1.5. Kết quả tính toán phân bố điện áp U
k
%

Hình 1.8. Phân bố điện áp U
k
%
3. Xác định ΔU
1
% = f(n)
Từ các kết quả thí nghiệm bảng 1.3, tính ΔU
k
% và vẽ phân bố ΔU
k
% dọc theo chuỗi cách điện
Số
phần tử n

Điện áp phóng điện U
0
, kV U
s
, kV U
s
/n, kV ΔU
1
%

Hệ số
không đồng nhất x
Trƣờng hợp không có đai bảo vệ
1
2
3
4
5
6
7
Trƣờng hợp có đai bảo vệ
1
2
3
4
5
6
7
k
U
k
%
: không có đai
: có đai
13
Bảng 1.4. Kết quả tính toán phân bố điện áp ΔU
k
%

Hình 1.7. Phân bố điện áp ΔU
1
%
II. NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...

n
ΔU
1
%
: không có đai
: có đai
14

BÀI 2
THÍ NGHIỆM ĐO ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT