Nghiên cứu chế tạo bộ thí nghiệm cao áp 70/50 kv

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
14 Số 14 tháng 12-2017 
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM CAO ÁP 70/50 kV 
RESEARCH AND MANUFACTURING HIGH VOLTAGE TEST SYSTEM 70/50 kV 
 Lê Xuân Sanh 
 Trường Đại học Điện lực 
Tóm tắt: 
Thiết bị thử cao áp xoay chiều, một chiều là một trong những thiết bị thí nghiệm chủ yếu của các 
công ty điện lực hay phòng thí nghiệm. Trong công tác thí nghiệm định kì, sau sự cố và đại tu máy 
được dùng để thí nghiệm điện áp tăng cao thử nghiệm cách điện, các thành phần và cấu trúc cách 
điện của thiết bị điện, từ đó xác định các khuyết tật (như phóng điện cục bộ)... Tuy nhiên, hiện nay 
trên thị trường Việt Nam có rất ít đơn vị sản xuất bộ thí nghiệm cao áp, mà chủ yếu mua từ nước 
ngoài với giá cao. Trước tình hình thực tế đó, tác giả đã nghiên cứu chế tạo bộ thí nghiệm cao áp 
nhằm làm chủ công nghệ và giảm giá thành, nâng cao tính thực tiễn, ứng dụng trong công tác giảng 
dạy tại trường đại học. Bài báo là kết quả nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm 
50 kV AC, 70 kV DC. 
Từ khóa: 
Máy thí nghiệm cao áp, thiết bị thí nghiệm, 70/50 kV. 
Abstract 
The high AC and DC voltage tester are one of the major equipment of power companies or 
laboratories. In routine laboratory work, after failure and overhaul, the machine is used to test the 
high voltage, insulation test, components and electrical structure of the electrical equipment, in order 
to identify defects such as partial discharge etc. However, there are very few units producing high 
voltage machines in Vietnam, mainly from foreign countries at high prices. In the face of that reality, 
the author has studied and built high voltage tester machines to master technology, reduce costs 
and improve practicality and application in teaching at university. The article is the result of 
reseaching, calculating, designing and manufacturing high voltage tester 50kV AC, 70kV DC. 
Keywords : 
High voltage tester, exprimental equipment, 70/50 kV. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ3 
Phụ tải điện ngày càng tăng, các công ty 
điện lực quản lí vận hành với khối lượng 
máy biến áp, đường dây và các thiết bị 
3
Ngày nhận bài: 6/11/2017, ngày chấp nhận 
đăng: 8/12/2017, phản biện: TS. Trần Quang 
Khánh. 
điện ngày càng lớn. Công tác thí nghiệm 
điện ở các công ty điện lực luôn cần phải 
sẵn sàng để đáp ứng nhu cầu khi có sự cố 
hay thí nghiệm định kì. Hiện nay, theo 
khảo sát của tác giả thì các công ty điện 
lực đang được trang bị các máy của Trung 
Quốc, Ukraina... có giá thành cao so với 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 14 tháng 12-2017 15 
tự sản xuất; các chế độ bảo hành, sửa 
chữa phức tạp, mất nhiều thời gian. Vì 
vậy tác giả đã đề xuất nghiên cứu, sản 
xuất bộ thí nghiệm cao áp, nhằm làm chủ 
công nghệ, thuận lợi trong sử dụng, sửa 
chữa và từ đó có thể phát triển các sản 
phẩm khác. Bài báo trình bày quá trình 
tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm bộ thí 
nghiệm (vì giới hạn dài của bài viết nên 
tác giả đã giản lược, chỉ trình bày các ý 
chính, hoặc công thức và kết quả cuối). 
2. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ TÍNH TOÁN 
2.1. Các số liệu cơ sở, nguyên lí hoạt 
động và đề xuất quá trình chế tạo 
Các số liệu ban đầu: Công suất máy 
S = 5 kVA; điện áp sơ cấp: U1 = 0 ÷ 220 V; 
Điện áp thứ cấp: U2 = 0 ÷ 50 kVAC/70 
kVDC; Tần số: f = 50 Hz. Từ các số liệu 
trên, ta có các số liệu cơ bản: I1 = 22,7 A; 
I2 = 0,1 A. Máy sử dụng dầu biến áp làm 
môi chất cách điện và làm mát. 
Nguyên lí hoạt động dựa trên hiện tượng 
cảm ứng điện từ, tương tự các máy biến 
áp điện lực, nên thành phần cấu tạo chính 
của máy gồm: mạch từ, cuộn dây sơ - thứ 
cấp (hạ áp, cao áp), cách điện và các hệ 
thống đo lường, bảo vệ. 
Khác cơ bản với máy biến áp điện lực là 
chế độ làm việc của máy, chỉ làm việc 
ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại, nên không 
cần bình dầu phụ và các chi tiết liên quan, 
nhóm tác giả đề xuất quá trình sản xuất 
máy gồm các bước chính: (1) sản xuất 
mạch từ, cuộn dây; (2) lắp ráp ruột máy; 
(3) Lắp ráp bước một; (4) Lắp ráp hoàn 
chỉnh và thử nghiệm, sơ đồ khối được thể 
hiện hình 1 và hình 2 [1]. 
Hình 1. Sơ đồ khối lắp ráp ruột máy 
Hình 2. Sơ đồ khối lắp ráp hoàn chỉnh 
2.2. Sơ đồ nguyên lí 
Mục đích máy làm công tác thí nghiệm, 
công suất 5 kVA, điện áp ra lớn nhất 
50 kVAC, nên đề xuất sơ đồ nguyên lí 
như hình 3, gồm: 
 Khối tạo áp: Máy biến áp tăng áp 
220/50000 V (S = 5 kVA), dùng diot 
chỉnh lưu và tụ để tạo ra 70 kV DC (thiết 
bị thử nghiệm chủ yếu là tải mang tính 
dung như cáp thì không cần tụ, nếu là tải 
không có tính dung người thí nghiệm cần 
mang thêm tụ như thử chống sét...), các 
đầu ra là cuộn hạ áp, đo lường và nối đất. 
 Khối điều khiển: Dùng máy biến áp 
tự ngẫu 220/(0 250 V), các thiết bị bảo 
vệ, đóng cắt và đo lường. 
Lắp ráp 
ruột máy 
Mạch từ 
Bối dây 
Chi tiết cơ khí: khung, 
Bulông, đai ốc 
Chi tiết cách điện: 
- Cách điện đai gông. 
- Que nêm lõi, băng. 
- Tấm cách điện 
Chi tiết dẫn điện: 
- Dây dẫn. 
- Đầu cốt... 
Vệ 
sinh 
Sấy 
Ruột 
máy 
Sứ: cao, 
hạ áp 
Lắp ráp bước 
một 
Nắp 
máy 
Ty 
sứ 
Bulông, 
đai ốc 
Lắp ráp hoàn 
chỉnh 
Ron Thùng máy 
Bulông Dầu 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
16 Số 14 tháng 12-2017 
2.3. Tính toán mạch từ 
Để thuận lợi trong chế tạo và cân đối, lựa 
chọn mạch từ hình chữ E, có 1 trụ tác 
dụng. 
 Đường kính của trụ [2]: 
d = 16.√
 (1) 
Trong đó: 
St = 5 kVA: công suất trụ của máy; 
ar = 3,17 cm: chiều rộng quy đổi rãnh từ 
tản; 
kr = 0,95: hệ số Rogowski; 
β = 1,2: hệ số hình dáng; 
f = 50Hz: tần số điện lưới; 
Unx = 3,5% : thành phần phần trăm điện 
áp ngắn mạch phản kháng; (với S = 5 kVA, 
UC = 50 kV, nên sơ bộ chọn là 3,5%); 
BT = 1,1 T: mật độ từ cảm trong trụ; 
kL = 0,82: hệ số lợi dụng. 
Thay vào ta được: 
d = 16.√
 = 9,47 cm, 
chọn d = 9,5 cm. 
 Lựa chọn hệ số hình dáng β: Cần 
chọn β sao cho tỉ lệ đồng và sắt phù hợp 
với nhau, máy biến áp thử nghiệm cần 
phân bố cuộn dây dọc theo chiều trụ sao 
cho phân bố điện trường đều đặn trên 
máy, sơ bộ chọn β = 1,2. 
 Tiết diện hữu hiệu của trụ [2]: 
TT = kL. 
 = 0,82. 
 = 58 cm
2
 (2) 
Lựa chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404, dày 
0,3 mm; thiết kế trụ có 4 bậc (hình 4a), 
gông tiết diện hình chữ nhật. 
Bằng các công thức [2,3] tính toán, ta có 
các kích thước của mạch từ thể hiện trên 
hình 4b. 
2.4. Tính toán dây dẫn 
Tác giả áp dụng một số công thức trong 
[2,3,4,5], để tính các thông số của dây sơ 
cấp (hạ áp) và thứ cấp (cao áp). 
2.4.1. Cuộn dây hạ áp 
 Sức điện động của một vòng dây 
UV = 4,44.f.BT. TT.10
-4
 (V) (3) 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lí 
a. Trụ mạch từ b. Kích thước ngoài 
Hình 4. Kích thƣớc mạch từ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 14 tháng 12-2017 17 
Trong đó: f = 50 Hz; BT = 1,1 T; 
TT = 58 cm
2
. 
Ta có: UV = 4,44×50×1,1×58.10
-4
 = 
 = 1,41 (V) 
 Số vòng dây của dây quấn hạ áp: 
w1 = 
 = 
 = 156 (vòng) (4) 
 Mật độ dòng điện trung bình: 
 tb = 0,764.kf.
 = 
= 0,764×0,91.
 = 3,59 (A/mm2) (5) 
(Trong đó: d12 = 10,93cm - đường kính 
rãnh dầu). 
 Tiết diện sơ bộ của một vòng dây: 
 = 
 = 
 = 6,32 (mm
2
) (6) 
Với máy biến áp thí nghiệm, thời gian 
làm việc ngắn (ngắn hạn lặp lại), mục 
đích để giảm kích thước máy, nên lấy mật 
độ dòng điện lớn hơn (6 ÷ 8 A/mm2, sử 
dụng dây đồng, chịu nhiệt đến 180oC) 
so với máy biến áp thông thường. Do đó 
lựa chọn dây đồng tròn có đường kính 
1,4 mm, tiết diện 1,539 mm2, chập làm 2. 
 Mật độ dòng điện thực tế dây hạ áp: 
Δ1 = 
 = 
 = 7,34 (A/mm
2
) (7) 
 Số vòng dây trong một lớp: 
W11 = 
 = 
 = 78 (vòng) (8) 
 Chiều cao dây quấn hạ áp: 
l1 = hv1(W11 + 1) + 1 = 2,9(78 + 1) + 1 
 = 230,1 (mm) = 23 cm. (9) 
 Bề dày dây quấn hạ áp: 
a1 = 2.a’ + a11 = 2×0,145 + 0,6 = 0,89(cm) 
(10) 
 Đường kính trong cuộn dây hạ áp: 
 = d + 2.a01 
 = 9,5 + 2×0,4 = 10,3 (cm) (11) 
 Đường kính ngoài cuộn dây hạ áp: 
 = 
 + 2.a1 
 = 10,3 + 2×0,89 = 12,08 (cm) (12) 
Cuộn dây hạ áp sau khi sản xuất như 
hình 5. 
2.4.2. Dây quấn cao áp 
 Số vòng dây cuộn cao áp: Tính sơ bộ, 
theo tỉ số biến điện áp (chưa tính đến tổn 
hao): 
W2 = W1
 = 156.
 = 35454 (vòng) 
(13) 
 Mật độ dòng điện sơ bộ: 
 = 2. Δtb – Δ1 (A/mm
2
) 
 = 2×3,1 – 3 = 3,2 (A/mm2) (14) 
 Tiết diện vòng dây sơ bộ: 
 = 
 = 
 = 0,031 (mm2) (15) 
 Lựa chọn dây dẫn: Vì dây quấn cao 
áp của máy biến áp thử nghiệm có tiết 
diện tương đối nhỏ. Do đó dây quấn phía 
cao áp của máy được chọn theo độ bền về 
cơ khí, không chọn độ bền về điện và với 
Hình 5. Cuộn hạ áp 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
18 Số 14 tháng 12-2017 
mục đích đề phòng ngắn mạch nên dây 
quấn phía cao áp được chọn có tiết diện 
lớn hơn từ 1,2÷1,5 lần so với tiết diện 
sơ bộ. Chọn dây đồng, có đường kính 
d2 = 0,25 mm, tiết diện T2 = 0,049 mm
2
. 
Dây dẫn được tráng lớp êmay cách điện. 
 Mật độ dòng điện thực: 
Δ2 = 
 = 
 = 2,04 (A/mm
2
) (16) 
 Tính số bánh dây: 
nb2 = 
 – 1 = 
 = 3,9 (bánh) (17) 
Lựa chọn 4 bánh vì ở giữa các bánh dây 
có tấm đệm nên ta chọn nb2 phải nhỏ, cách 
bố trí cuộn dây như hình 6. 
 Số vòng dây trong mỗi lớp bánh dây: 
W12 = 
 = 
 = 145 (vòng) (18) 
 Chiều cao một bánh dây: Để thuận 
tiện trong sản xuất nên các bánh dây được 
thiết kế như nhau: 
 = 
 = 
 = 5,31 (cm) (19) 
 Số vòng dây trong mỗi lớp bánh dây: 
 = 
 - 1 = 
 - 1 = 132 (vòng) 
(20) 
 Số vòng dây ở mỗi bánh: 
Wwb = 
 = 
 = 8865 (vòng) 
(21) 
 Số lớp trong mỗi bánh dây: 
n1 = 
 = 
 = 67 (lớp) (22) 
 Chiều dày của dây quấn: 
a2 = n2 . 
 + (n1 – 1). 
 = 67×0,04 + (67+1) ×0,024 = 4,4 (cm) 
(23) 
 Đường kính trong dây quấn: 
 = 
 + 2.a12 
 = 12,08 + 2×3 = 18,08 (cm) (24) 
 Đường kính ngoài dây quấn: 
 = 
 + 2.a2 = 18,08 + 2×4,4 
 = 25,88 (cm) (25) 
Cuộn dây cao áp sau khi sản xuất như 
hình 7. Quá trình lắp ráp ruột máy được 
thể hiện như hình 8. 
Hình 7. Cuộn cao áp 
Hình 8. Lắp ráp ruột máy 
Hình 6. Sơ đồ 
cách bố trí dây quấn cao áp (CA) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 14 tháng 12-2017 19 
2.5. Thiết kế thùng máy và khối điều 
khiển 
2.5.1 Thùng máy 
Với máy biến áp có điện áp 50 kV, dùng 
dầu biến áp làm cách điện (Ectdầu = 14 
kV/mm), áp dụng các công thức [2,3,6], 
ta có được các kết quả: rộng × dài × cao 
(mm): 390 × 530 × 420, như hình 9. 
Hình 9. Kích thƣớc thùng máy 
2.5.2. Khối điều khiển 
 Phương án đo: Để đơn giản trong chế 
tạo và lựa chọn phụ kiện, sử dụng phương 
pháp đo vôn gián tiếp (như sử dụng máy 
biến điện áp), tức là quấn thêm một cuộn 
đo lường ngoài cuộn hạ áp, sơ đồ nguyên 
lí như hình 1, (tính toán được số vòng là 
36). Đo điện áp một chiều sử dụng công 
tắc trên khối điều chỉnh thay đổi số vòng 
dây của điện áp ra (đo lường) để đầu ra 
tương ứng tỉ lệ với 70:50. 
Hình 10. Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển 
 Phương án bảo vệ: Sơ đồ nguyên lí 
đề xuất như hình 10, khi máy biến áp tự 
ngẫu điều chỉnh về 0 thì đóng công tắc 
hành trình (HT), mới có thể cấp điện (ấn 
Đ) cho khối cao áp, tránh cấp điện đột 
ngột với nguồn điện áp lớn vào khối tạo 
cao áp, có thể nguy hiểm cho thiết bị và 
người thí nghiệm. 
Bảo vệ quá dòng đầu vào sử dụng rơle 
quá dòng RI, khối điều khiển hoàn thành 
như hình 11. 
2.6. Kết quả và thảo luận 
Khối tạo cao áp hoàn thành như hình 12, 
kết quả đo thử nghiệm bởi Viện Đo lường 
Việt Nam (VMI), kết quả đo như bảng 1: 
Hình 11. Mặt trên khối điều khiển 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
20 Số 14 tháng 12-2017 
Bảng 1. Kết quả đo của Viện Đo lƣờng 
Thang 50 kV AC (kV) Thang 70 kV DC (kV) 
Giá 
trị 
đặt 
Giá 
trị thực 
tề 
Giá 
trị khi 
có tải 
Sai 
số 
(%) 
Giá 
trị 
đặt 
Giá 
trị thực 
tế 
Giá trị 
khi có 
tải 
Sai 
số 
(%) 
10.3 9.13 9.77 5.15 10.2 8.99 9.61 5.78 
20.3 18.64 19.94 1.75 20.3 18.52 19.81 2.41 
30.2 27.73 29.67 1.75 31.7 29.00 31.03 2.11 
40.0 36.53 39.08 2.28 40.2 37.70 40.33 0.35 
50.0 45.79 49.00 2.01 50.5 46.70 49.96 1.05 
 60.5 55.93 59.84 1.08 
 70.6 65.00 69.55 1.49 
Giá trị đặt là giá trị hiển thị trên bộ thí 
nghiệm sản xuất; giá trị thực tế là giá trị 
hiển thị trên bộ đo chuẩn của VMI khi thử 
không tải; giá trị khi có tải là giá trị đo 
khi có tải được hiển thị trên đồng hồ của 
VMI. Cột tiếp theo là sai số phần trăm 
(của giá trị đo có tải và giá trị đặt). Kết 
quả thể hiện ta thấy các giá trị đều nhỏ 
hơn 3% (trừ giá trị hàng thứ nhất, có thể 
do sai số trong quá trình thực hiện), hiển 
thị dưới dạng đồ thị thang đo 50 kV AC 
như hình 13. 
Trong quá trình tính toán, cần hiệu chỉnh 
các giá trị: tổn hao trong máy; điện áp 
tăng cao khi tải thử là tải tính dung. Trong 
thực tế, tùy thuộc tải tính dung lớn hay bé, 
tính chất của thiết bị, yêu cầu trị số điện 
áp thí nghiệm mà người thí nghiệm điều 
chỉnh điện áp ra phù hợp và theo yêu cầu. 
Trong tính toán và lựa chọn giá trị để chế 
tạo các chi tiết, tác giả chưa thực hiện 
được (mô phỏng, thử nghiệm thực tế từng 
chi tiết để tìm giá trị tối ưu nhất), dựa trên 
tính toán và kinh nghiệm để chế tạo, nên 
nhiều chi tiết lựa chọn có thể chưa tối ưu 
theo lí thuyết. 
Bài báo chưa đóng góp nhiều về ý nghĩa 
khoa học mới, chỉ đóng góp về mặt công 
nghệ chế tạo, từ tính toán lí thuyết đến 
làm thực tiễn, và khẳng định trình độ, kĩ 
thuật của chúng ta, sản xuất với giá thành 
chưa bằng nửa sản phẩm mua từ nước 
ngoài, có thể tiết kiệm ngoại tệ, nắm công 
nghệ chế tạo, chủ động sửa chữa. Tuy 
nhiên sản phẩm được phát triển hay 
không còn phụ thuộc chính sách, quan 
điểm của khách hàng. 
Hình 12. Khối tạo cao áp hoàn thiện 
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
1 2 3 4 5
Thang 50kV AC 
 Giá trị đặt Giá trị không tải 
 Giá trị hiệu chỉnh 
Hình 13. Đồ thị thể hiện kết quả đo 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 14 tháng 12-2017 21 
3. KẾT LUẬN 
Sau quá trình nghiên cứu và sản xuất, tác 
giả đã hoàn thành bộ thí nghiệm cao áp 
70/50 kV với kích thước, trọng lượng và 
các thông số đạt được tương đương với 
các sản phẩm tương tự từ nước ngoài. Các 
thông số của máy được đo kiểm và chứng 
nhận của Viện Đo lường Việt Nam, số 
V07.CN6.0148.17, ngày 19/10/2017, độ 
chính xác ±3% đáp ứng nhu cầu sử dụng 
cho Trường Đại học Điện lực, tăng tính 
thực tiễn, ứng dụng trong công tác giảng 
dạy, và hoàn toàn có thể sản xuất thương 
mại. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Đức Sỹ, Công nghệ chế tạo máy điện và máy biến áp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007. 
[2] Phan Tử Thụ. Thiết kế máy biến áp điện lực. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. 
[3] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh, Thiết kế máy biến áp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2003. 
[4] Sổ tay vật liệu kỹ thuật điện, Bộ điện và than, 1998. 
[5] V Viết Đạn, iáo trình kỹ thuật điện cao áp, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2001. 
[6] Nguyễn Xu n Ph , Hồ Xu n Thanh, Vật liệu kỹ thuật điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2003. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Lê Xuân Sanh tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 
2003; thạc sĩ năm 2007 chuyên ngành hệ thống điện, tiến sĩ năm 2012 tại Đại 
học Khoa học và Công nghệ Hoa Ttrung, Trung Quốc, chuyên ngành hệ thống 
điện và tự động hóa. TS Lê Xuân Sanh hiện đang công tác tại Khoa Kỹ thuật 
điện - Trường Đại học Điện lực. 
Lĩnh vực nghiên cứu: Lưới điện thông minh, lưới điện phân phối, khí cụ điện, 
thí nghiệm điện.