Bài thí nghiệm Kỹ thuật điện cao áp

Quy tắc an toàn khi làm việc ở phòng thí nghiệm điện áp cao. Bài 1. Phân bố điện áp trên chuỗi cách điện Phần I. Thí nghiệm Phần II. Báo cáo thí nghiệm Bài 2. Thí nghiệm đo điện trở nối đất B

QUY TẮC AN TOÀN KHI LÀM VIỆC

Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐIỆN ÁP CAO

3 Trước khi đóng nguồn lần thứ nhất, phải được người hướng dẫn kiểm tra các mạch Trong các lần sau thì làm theo chỉ dẫn của người hướng dẫn

4 Trong thời gian làm thí nghiệm, sinh viên không được gây mất trật tự trong phòng thí nghiệm, chỉ hoạt động trong khu vực thí nghiệm của nhóm mình

B VỀ KỸ THUẬT

1 Trước khi đóng mạch nhóm trưởng 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 trưởng phải nói to “đóng mạch”

2 Thiết bị chỉ được mang điện áp trong thời gian tiến hành thí nghiệm và đo lường 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 trưởng nhóm phải nói to là “đã cắt mạch”

3 Sau khi cắt mạch, trong trường hợp cần thiết phải vào khu vực nguy hiểm để tiến hành một việc gì thì trưởng 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 được tiến hành các công việc cần thiết, trong thời gian sinh viên ở khu vực nguy hiểm thì nhóm trưởng phải giữ không cho cửa ra vào khu vực nguy hiểm đóng lại để tránh khả năng có điện áp đưa 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 ngưới ra cuối cùng mới tháo dây nối đất an toàn trưởng nhóm phải quan sát khu vực nguy hiểm, kiểm tra việc thực hiện các biện pháp nói trên rồi sau đó mới được tiếp tục thí nghiệm

5 Mỗi khi cho điện áp tác dụng lên thiết bị thì cấm không được ai đi vào khu vực nguy hiểm, di chuyển lưới bảo vệ, tỳ tay lên lưới bảo vệ hay cho tay chuyển qua lưới bảo

vệ

6 Muốn thay đổi cách nối dây cần phải cắt mạch an toàn và phải được sự đồng ý của người hướng dẫn mới được thực hiện và phải thực hiện đúng các quy tắc an toàn nói trên

7 Trong trường hợp cần tiến hành công việc gì với gậy cách điện hay các dụng cụ tương

tự, cần phải dùng các biện pháp bảo vệ khác như dùng găng cao su cách điện, ủng cách điện, thảm cách điện

BÀI 1 PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TRÊN CHUỖI CÁCH ĐIỆN

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 phương pháp đo trực tiếp

II KHÁI NIỆM

Cách điện của đường dây tải điện cao áp là chuỗi cách điện Số phần tử cách điện trong chuỗi phụ thuộc vào điện áp định mức của đường dây Sơ đồ thay thế cách điện có dạng như ở hình 1.1

C

C1 C2

Đường dây

Xà treo(nối đất)

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế chuỗi cách điện

C – điện dung bản thân phần tử cách điện

C1 – 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)

C2 – điện dung của bộ phận kim loại của phần

tử cách điện đối với dây dẫn

Thông thường các phần tử cách điện đều có điện dung bản thân C như nhau Nếu như các điện dung ký sinh C1 và C2 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 như nhau và do đó cùng gây nên một điện áp giáng như nhau trên các phần tử Trong thực tế do sự tồn tại của các điện dung ký sinh C1 = 4 pF – 5 pF và C2 = 0,5 pF – 1 pF nên chúng có ảnh hưởng rõ rêt đến sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện

Xét ảnh hưởng của điện dung ký sinh C1 (cho C2 = 0), sơ đồ thay thế còn lại ở hình 1.2.a Dòng qua điện dung ở gần đất nhất sẽ bé nhất và ngược lại dòng qua dòng qua điện dung ở gần dây dẫn sẽ là lớn nhất Do sự có mặt của C1 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 như ở hình 1.2

Cũng lý luận như trên sẽ thấy là sự có mặt của các điện dung ký sinh C2 ( cho C1 = 0) sẽ làm cho điện áp giáng trên phần tử ở gần đất nhất là lớn nhất (Hình 1.2.b) Nếu cả C1 và C2

đều tồn tại và giả thiết C1 = C2 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

2 3 4 5

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 C1 có cùng giá trị đối với tất cả các phần tử cách điện và đối với C2 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

2 1

2 1

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

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

knU

Với mỗi đường dây đã cho thì các điện dung ký sinh C1 là không đổi nên nếu ta chọn

C2k 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

kCkn

kCC

)kn

UU(Ckn

Đai có dạng hình tròn, số tám hay kiểu sừng được gắn vào đầu của chuỗi cách điện ở phía đường dây Tác dụng của đai là làm thay đổi điện dung C2 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 PHƯƠNG 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 được đặc trưng bởi các điện dung C = 2 μF và

C1 = 1 μF Điện dung C2 có thể nhận các giá trị khác nhau ví dụ 0,2 μF, 1μF, …

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 được thế (theo %) so với điện áp tác dụng lên chuỗi điện dung

Ví dụ ta muốn đo thế tại điểm A, mạch tương đương thu gọn như mạch cầu Khi Vôn kế chỉ không (cầu cân bằng) ta có:

l

lURR

UU

Như vậy:

l

lU

2 Phương pháp đo trực tiếp

Từ công thức tính điện áp giáng trên một phần tử cách điện là ΔUk% không phụ thuộc vào điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện U mà chỉ phụ thuộc vào C, C1, C2, số lượng phần tử trong chuỗi và số thứ tự k Nói khác đi là với mỗi chuỗi cách điện đã cho thì ΔUk% là một hằng số dù điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện có thay đổi Từ các nhận xét đó suy ra phương pháp xác định sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện bằng phương pháp đo trực tiếp như dưới 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 U0 của quả cầu đó là hằng

số và đã biết trước) 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 U0:

%100U

U

%U

s

0 k

Với Us 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, C1, C2 mà không phụ thuộc vào điện áp tác dụng lên chuỗi cách điện

Như 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 Us tăng dần lên cho đến khi nào bộ cầu bị phóng điện, lúc đó điện áp tại điểm k sẽ là:

%100U

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 như sau:

6

7

s,U0

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 C1 = 1μF, phải xác định các điện dung C2k sao cho

sự phân bố điện áp trên mô hình được đều Việc tính toán C2 phải được hoàn thành trước khi làm thí nghiệm

2 Xác định ΔU k % và U k % trên chuỗi cách điện bằng phương pháp đo trực tiếp

Chuỗi cách điện, số lượng các phần tử, tình trạng chuỗi cách điện do người hướng dẫn quy định Thí nghiệm này được xác định với trường hợp có và không có đai bảo vệ

Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm như hình 1.5

Trước tiên chọn khoảng cách s của cầu phóng điện cũng như điện áp phóng điện U0

dùng sơ đồ như hình 1.6

R

V

Hình 1.6 Đặt giá trị phóng điện của hai quả cầu U0

Khoảng cách s của cầu cũng như điện áp phóng điện U0 của nó giữ cố định trong suốt quá trình thí nghiệm Để xác định ΔUk%, đem cầu phóng điện lần lượt nối song song với từng phần tử cách điện như 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 Us Từ đó tính được ΔUk%

Từ các số liệu ở bảng 1.1 vẽ quan hệ ΔUk% = f(k) trong các trường hợp có đai và không có đai Để xác định Uk% thì nối cầu phóng điện vào điểm k đang xét và đất như 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 đưa tay quay của máy biến

áp tự ngẫu về vị trí không

3 Xác định quan hệ ΔU 1 % = f(n)

Số lượng phần tử n của chuỗi cách điện được thay đổi và ta xác định giá trị ΔU1% Khi điện áp phân bố đều thì điện áp trên mỗi phần tử sẽ bằng Us/n trong đó Us 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:

ΔUmax% = ΔU1%

Hệ số không đồng nhất là:

%Un

%100U

Un

%100n

max

4 Chuẩn bị trước 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 trước và vẽ các quan hệ ΔU1% = f(k) ứng với chuỗi cách điện có sáu phần tử với các tham số sau:

a C = 2 μF; C1 = 0; C2 = 1 μF

b C = 2 μF; C1 = 0; C2 = 0

c C = 2 μF; C1 = 1 μF; C2 = 0

2 Tính các điện dung C2k để cải thiện sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện đã cho – giải thích cách xây dựng công thức đó

6 Nội dung báo cáo

Các phần chính phải báo cáo:

Mục đích thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm và phương 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 hưởng của các điện dung ký sinh đối với sự phân bố điện áp trên chuỗi cách điện

2 Giải thích ảnh hưởng của vầng quang đối với sự phân bố điện áp

3 Mục đích và tác dụng của đai bảo vệ

4 Nếu như trong chuỗi có một phần tử bị hỏng (mất tính chất cách điện) thì sự phân bố điện

áp sẽ như thế nào?

5 Đai ảnh hưởng tới hệ số đồng nhất như thế nào? Quy luật biến thiên của ΔU1% và U1% khi

số phần tử của chuỗi thay đổi?

PHẦN II BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Bảng 1.4 Kết quả tính toán phân bố điện áp ΔUk%

Hình 1.7 Phân bố điện áp ΔUk%

STT Điện áp phóng điện

U0, kV

Phân bố điện áp Trường hợp không đai Trường hợp có đai

Bảng 1.4 Kết quả tính toán phân bố điện áp ΔUk%

Hình 1.7 Phân bố điện áp ΔU1%

II NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

………

………

………

………

………

………

n

ΔU1%

: không có đai

: có đai

BÀI 2 THÍ NGHIỆM ĐO ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT

PHẦN I THÍ NGHIỆM

I MỞ ĐẦU

Nối đất là việc thực hiện tản dòng điện đi vào trong đất nhằm giảm thấp điện áp đối với đất, tăng an toàn cho người và các thiết bị điện Do đất là môi trường dẫn điện nên khi có dòng điện tản trong đất thông qua các điện cực (cọc tia, mạch vòng kim loại chôn trong đất) thì môi trường thể hiện chủ yếu tính chất giống như điện trở, điện trở này gọi là điện trở nối đất Thực chất của điện trở nối đất là phần điện trở tản của miền đất bao quanh điện cực, còn phần kim loại của bản thân điện cực đo quá nhỏ nên có thể bỏ qua Có thể xác định điện trở nối đất theo công thức:

CR

Trong đó: R – điện trở nối đất, Ω

ρ – điện trở suất của đất, Ωm

ε – hằng số điện môi, F/m

C – điện dung, F

Tính toán nối đất trong các sơ đồ phức tạp cũng như các quy định về trị số điện trở nối đất đã được trình bày trong các quy trình quy phạm và các tài liệu chuyên môn Trong phạm vi bài thí nghiệm này sẽ trình bày các phương pháp đo và hiệu chỉnh kết quả đo về điện trở nối đất

và điện trở suất của đất

Kết quả tính toán về điện trở nối đất của một số hình thức nối đất đơn giản được cho ở bảng 2.1

I Mặt đất

d

l4lnl2R

l = 2 ÷ 3 m

d = 4 ÷ 6 m Khi dùng sắt góc, d được thay bằng 0,95b ( b là chiều rộng của sắt góc)

Cọc chôn sâu

trong đất

ld

I Mặt đất

lt4ln2

1d

l2lnl2R

Tia nằm

ngang

I Mặt đất

t dl

td

llnl2R

2

t = 0,5 ÷ 1 m

d > 2 cm Khi dùng sắt dẹt, d được thay thế bởi b/2 (b là chiều rộng của sắt dẹt, b > 4 cm)

2 2

Bảng 2.1 Điện trở nối đất của một số hình thức nối đất đơn giản

II LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP ĐO

Điện trở nối đất được xác định theo biểu thức của định luật Ohm:

I

U

R Trong đó: U – điện áp nối đất (V)

I – dòng điện tản trong đất (A)

Từ kết quả trình bày của R có thể suy ra trị số điện trở suất ρ theo các công thức như đã trình bày trong bảng 2.1

Dưới đây trình bày một số phương pháp dùng để đo điện trở suất của đất

1 Phương pháp dùng Vônkế và Ampe kế

Điện trở nối đất RP của điện cực phụ dòng điện quá lớn sẽ làm giảm điện áp Ux do đó khi cần thiết, điện cực phụ sẽ được thực hiện bởi vài ba cọc ghép song song

Để xác định điện trở suất của đất, ta sẽ chôn cọc mẫu theo hình thức chôn sát mặt đất trong bảng 2.1 thay thế vào vị trí của Rx Điện trở suất được xác định theo công thức:

d

l4ln

lR2

Đo điện trở nối đất và điện trở suất của đất thường được tiến hành trong các ngày khô ráo của mùa hè, khi độ ẩm trong đất ở mức bình thường Để được các giá trị ứng với khi đất

đông giá và khô ráo (mùa đông) phải hiệu chỉnh bằng cách nhân các kết quả đo với hệ số mùa (bảng 2.2)

Hình thức nối đất Độ chôn sâu Hệ số mùa K

Chiều nằm ngang (tia, mạch vòng) 0,5 4,5 ÷ 6,5

0,8 1,6 ÷ 3

Bảng 2.2 Bảng hệ số mùa Ghi chú: Nếu đất khô ráo sẽ lấy hệ số mùa theo giới hạn dưới, nếu đất ẩm sẽ lấy theo giới hạn trên

2 Phương pháp đo dùng các loại đồng hồ Terrometre

Nguyên lý của phương pháp này hoàn toàn giống với phương pháp dùng Vôn kế và Ampe kế, tuy vậy có hai điểm khác biệt chủ yếu là:

Có nguồn điện áp nội bộ (như máy phát tay quay) để thay thế cho việc lấy điện áp từ lưới điện qua các máy biến áp cách ly

Cho trực tiếp kết quả đo điện trở nối đất

Ở phòng thí nghiệm ta dùng đồng hồ M – 416 – T3 do Liên Xô sản xuất Sơ đồ đo và hướng dẫn cách sử dụng ghi trên mặt đồng hồ

III TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1 Chọn khu vực thí nghiệm để thực hiện nối dây theo sơ đồ trên mặt đồng hồ Chú ý chọn các khu vực không có kết cấu kim loại ngầm (ống nước, đường cáp, móng công trình bằng bê tông cốt thép, …)

2 Đo điện trở nối đất bằng phương pháp Vôn kế - Ampe kế

Chú ý thực hiện các điểm sau đây:

Dùng biến trở r để điều chỉnh dòng điện sao cho tích số UxI không vượt quá dung lượng của máy biến áp cách ly

Thay đổi vị trí của cọc phụ điện áp để xác định vị trí chính xác của miền có thế bằng không (miền AB)

I

UUR

;I

Chú ý thực hiện các điểm sau:

Kiểm tra tình trạng làm việc của đồng hồ (kiểm tra 5 Ω)

Đo trên nhiều thang đo khác nhau để kiểm tra kết quả đo

Kết quả đo điện trở nối đất: Rx = Ω