1

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
PHỤC VỤ KHAI THÁC PHÒNG THÍ NGHIỆM
TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA VỀ ĐIỆN CAO ÁP
NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TSKH.TRẦN KỲ PHÚC

HÀ NỘI - 2009


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên
cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung
thực và chưa được ai công bố.
Tác giả luận văn


của 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 bạn
đọc. 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 ý
kiến 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


4

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

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

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


7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC
DC
HV
LV
L.I
L.I.C
MOA
MBA
MV
PTN
QT

Trong nước, chúng ta đã có phòng thí nghiệm của Công ty CP Chế tạo
Thiết bị điện Đông Anh, Tập đoàn Điện Lực Việt Nam với khuôn viên 5580 m 2.
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 cũ
đạt được là 600kV, cấp điện áp xung lớn nhất đạt được là 1200kV, chưa có
phòng nghiên cứu chuyên biệt, phòng hội thảo khoa học, phòng lưu trữ tài liệu
quý hiếm và đặc biệt là chưa có mô hình cơ cấu tổ chức nhân lực khoa học để
trở thành một phòng thí nghiệm mang tầm cỡ quốc gia.
Để có thể đánh giá sơ lược được thực trạng ngành thử nghiệm kỹ thuật
điện 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 nghiệm
điển 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.
No

Quốc gia

Số PTN

No

Quốc gia

Số PTN

1

Argentia


2

4

Canada

4

19

Hà Lan

2

5

Trung Quốc

2

20

Ba Lan

2

6

France



Nga

1

9

Hungari

1

24

Sauri Arabia

1

10

Ấn Độ

1

25

Glovenia

1

11


Thụy sỹ

3

14

Anh

3

29

Ukraine

1

15

Urugoay

1

30

Mỹ

7

[Theo tạp chí HV/HP Laboraties 2007]


Smax

W

Umax

Imax

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz

4000

250

100

16/25/50/60

2) ABB, High Power & High Voltage Laboratories – Switzerland


kV

kA

Hz

150
1.2

3000
1200
1000

50


10
4

- Công suất lớn

3000

264

5

- Phóng điện cục bộ


kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

300

2

- AC

150

3

- DC

100

4

- Công suất lớn


MVA

kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

1000

2

- AC

500

3

- DC

500

4


kV

kA

Hz


11
1

- Thử nghiệm xung

150

3000

2

- AC

3

- DC

4

- Công suất lớn

5


Umax

Imax

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

3800

2

- AC

1050

3


W

Umax

Imax

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

3200

2

- AC

1100


750


12

8) Cesi – ITALY

No

Laborator

Smax

W

Umax

Imax

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz


- Phóng điện cục bộ

6

- Môi trường

3000

300

9) EDF – France

No

Laborator

Smax

W

Umax

Imax

f

MVA

kJ


420

130

5

- Phóng điện cục bộ

6

- Môi trường

6600

7100

100

50

170

9) EGU – Czech Republic

No

Laborator

Smax



13
3

- DC

4

- Công suất lớn

5

- Phóng điện cục bộ

750

6

- Môi trường

270

2500

300

50mA

84


1

- Thử nghiệm xung

5600

2

- AC

1700

3

- DC

1500

4

- Công suất lớn

5

- Phóng điện cục bộ

650

6


1

- Thử nghiệm xung

4500

2

- AC

1200

3

- DC

900

4

- Công suất lớn

5

- Phóng điện cục bộ

700

6

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

4200

2

- AC

1200

3

- DC

1000


2

- AC

3

- DC

4

- Công suất lớn

5

- Phóng điện cục bộ

6

- Môi trường

Smax

W

Umax

Imax

f



Imax

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

4200

2

- AC

1100

3

- DC

No

Laborator

Smax

W

Umax

Imax

f

MVA

kJ

kV

kA

Hz

1

- Thử nghiệm xung

4000


75

16.6→60
220

50

16) PTN trọng điểm Việt Nam trong đang xây dựng.

No

Laborator

Smax

W

Umax

Imax

f

MVA

kJ

kV

kA


- Môi trường

600

100

1200

20

10.5

80

50


16


17

Nhận xét:
- Sau khi xây dựng Phòng thử nghiệm cao áp của Việt Nam là một trong
những phòng thử nghiệm hiện đại và ngang tầm với các phòng thí nghiệm
hiện đại trên thế giới. Phòng thử nghiệm cũng có hầu hết các chức năng
thử 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 hoàn
toàn có thể thực hiện thử nghiệm, kiểm nghiệm các kỹ thuật cao áp mới,


18

cứ khoa học cho các ứng dụng thực tế phục vụ ngành Điện và các ngành
khoa 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 điện trung
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 điện
cao 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 từ
trường).
- Các hiện tượng phóng điện trong không khí trên khoảng cách dài và
trung, tính toán xác suất phóng điện sét vào các thiết bị của hệ thống
điện…
- 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 thủng
cách điện và chẩn đoán sự cố trong quá trình vận hành các thiết bị điện
như 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.

PTN có 6 hệ thống thử nghiệm lớn sau:
1)
2)
3)
4)
5)
6)

Hệ thống thử nghiệm điện áp xoay chiều.
Hệ thống thử nghiệm điện áp xung
Hệ thống thử nghiệm dòng điện xung
Hệ thống đo lường điện môi và phóng điện cục bộ
Buồng thử nghiệm môi trường.
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 nghiệm
nhằm xác định khả năng chịu đựng của điện áp xoay chiều tăng cao tần số công
nghiệp đối với các vật liệu cách điện, sản phẩm thiết bị điện của hệ thống tải
điện cao áp và siêu cao áp tới 500kV, các máy biến áp, máy cắt, cáp điện lực…


20

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 mới
chỉ có một máy biến áp thử nghiệm 600kV của CHDC Đức (cũ). Hệ thống sẽ
được 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

- 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 điện
xung đóng cắt phục vụ cho công tác và triển khai công nghệ chế tạo chống sét
van, cầu dao, máy cắt.


21

- Hệ thống được sử dụng tích hợp vào hệ thống thử nghiệm điện áp xung
với việc sử dụng máy phát xung để tạo các dòng điện xung thử nghiệm
cần thiết.
- Các thiết bị khác bao gồm những phần tử tạo mạch phát xung và hệ thống
điều 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 bộ
cầu 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 nào
được trang bị hệ thống này trong khi nhu cầu của các cơ sở sản xuất thiết bị
đóng 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 sản
phẩm đóng cắt có tải) và tạo cho ngành bước đi vững chắc.
Hệ thống bao gồm các thiết bị chính sau:
-

thiết một quy trình thử nghiệm cho mỗi hệ thống thử nghiệm. Vào thời điểm
hiện tại, các thiết bị cơ bản của 2 hệ thống sau đã được đưa về Việt Nam và tiến
hành 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 điểm
quốc 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 thử
nghiệm 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 quy
trình thử nghiệm điện áp xoay chiều, điện áp xung đối với các thiết bị
điện cao áp của các nước tiên tiến trên thế giới.
- Các quy trình thử nghiệm về điện áp xung, dòng điện xung gắn liền với
các thiết bị thử nghiệm được trang bị theo Phòng thử nghiệm trọng điểm
điện cao áp.
* Một số khó khăn khi xây dựng đề tài.


mục và mục đích thử nghiệm khác nhau, kết hợp với quy trình kỹ thuật an toàn
điện (đã ban hành của Bộ Công Thương) hoặc các ấn phẩm bổ sung khác, sẽ có
từng quy trình (hoặc quy định, thủ tục) riêng lẻ áp dụng cho các trường hợp khác
nhau. Do đó, đề tài này tập trung xây dựng quy trình có tích chất khái quát và hệ
thống. Là cơ sở để triển khai xây dựng các quy trình đặc thù có liên quan.


24

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.
2.1.1.1 Các xung.
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 đi chậm 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 thuật ngữ "quá điện áp", quá điện áp
là hiện tượng quá độ sản sinh trong những thiết bị điện hoặc các lưới điện đang
làm 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 đầu
sóng. Các xung với khoảng thời gian đầu sóng lên tới 20 µs được xác định như
các xung sét và những xung có khoảng thời gian đầu sóng dài hơn như là xung
thao tác.
Nói chung, những xung thao tác được đặc trưng bởi những khoảng thời
gian tổng cộng dài hơn đáng kể với khoảng thời gian xung sét.
2.1.2 Điện áp đánh thủng và điện áp thử nghiệm.

2.1.2.2 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 đánh
thủng là những đặc tính có thể nhận được nếu không có phóng điện đánh thủng
nào 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 thử
nghiệm 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 của
điện 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 ngẫu
nhiên, 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 giá
trị 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 giá
trị điện áp giả định nào đó của dạng điện áp đã cho không gây ra một phóng điện
đánh 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 đánh
thủng 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 trị