Phòng thử nghiệm cao áp trường ĐHQG Ohio

Phòng thử nghiệm cao áp trường ĐHQG Ohio

Ở Mỹ, số trường đại học có phòng thử nghiệm cao áp (Phòng TNCA) chỉ đếm trên đầu ngón tay. Phòng TNCA tại Trường đại học bang Ohio (Ohio State University – OSU) được thiết kế và xây dựng vào những năm 1990. Các thiết bị chính của Phòng TNCA đều liên quan đến việc phát và đo lường các dòng điện xoay chiều (AC), một chiều (DC) và xung cao áp.

Phòng TNCA này có các nguồn cao áp một chiều (đến 150 kV), các nguồn cao áp xoay chiều (đến 250 kV hiệu dụng), một máy phát xung 1.000.000 kV và một máy biến áp Tesla cao áp (đến 3.000 kV). Tại đây có thể thực hiện các thử nghiệm chịu điện áp, phóng điện cục bộ và phóng điện đánh thủng đối với khí, chất lỏng và chất rắn, các thử nghiệm điện trường và từ trường, các thử nghiệm mô hình đồng dạng, thử nghiệm trong phòng sương mù (thử nghiệm lão hóa tăng tốc), các thí nghiệm về hiệu ứng màn chắn và suy giảm.

Phòng TNCA này được dùng để phục vụ cho công tác giảng

dạy (giảng các bài về kỹ thuật điện cao áp), nghiên cứu và thực hiện các thử nghiệm độc lập

Quá trình phát triển

Khoa Kỹ thuật điện của Trường đại học bang Ohio (OSU) đã liên tục mở các khóa đào tạo về kỹ thuật điện từ năm 1895 đến nay. Các hoạt động trong lĩnh vực cao áp được khởi đầu từ những năm 1950, do Giáo sư Neal A. Smith chủ trì. Cơ ngơi ban đầu của Phòng TNCA là một toà nhà cũ, tường gạch, mái kiểu răng cưa, chưa có màn chắn điện từ. Liền kề với Phòng TNCA ngay trong cùng tòa nhà này là phòng thu âm của Đài phát thanh OSU. Sau khi Đài phát thanh chuyển đến một tòa nhà khác dành riêng cho công tác phát thanh và truyền hình thì mặt bằng dành cho Phòng TNCA cũng được rộng rãi hơn.

Do tòa nhà ban đầu này đã trong tình trạng xuống cấp và đã có kế hoạch phải phá bỏ, nên buộc phải tìm một địa điểm mới cho phòng TNCA. Năm 1990, Phòng TNCA phải dời đến một địa điểm khác, nhưng đó cũng chỉ là một tòa nhà bằng gạch xây bình thường (cũng chưa có màn chắn điện từ), được sử dụng tạm thời để thực hiện các hoạt động thuộc lĩnh vực cao áp trong suốt 4 năm.

Diện tích mặt sàn của ngôi nhà này nhỏ hơn đáng kể so với tòa nhà ban đầu của Phòng TNCA. Phòng TNCA tạm thời này đã hoạt động trong 4 năm. Việc quy hoạch và thiết kế Phòng TNCA mới được khởi sự từ đầu những năm 90 của thế kỷ trước. Một số ý tưởng thiết kế và phương thức hoạt động đã được thử nghiệm ngay trong Phòng TNCA tạm thời này. Việc xây dựng tòa nhà mới dùng chung cho Khoa Thông tin & Máy tính và Khoa Kỹ thuật điện được khởi công từ năm 1992. Tòa nhà và Phòng TNCA trong toà nhà này đã được đưa vào hoạt động từ năm 1994.

Các thiết bị chính trong Phòng TNCA

Phòng TNCA có hai nguồn điện DC. Điện áp lớn nhất của chúng là 60 kV và 150 kV. Cũng có một số nguồn AC. Điện áp cao nhất được cấp từ một máy biến áp 250 kV hiệu dụng, dung lượng 25 kVA. Ngoài ra còn có một số máy biến áp khác, điện áp 69KV, 34,5KV và 20 kV hiệu dụng. Có thể tạo ra hệ thống điện cao áp ba pha bằng cách đấu nối ba máy biến điện áp một pha. Điện áp lớn nhất tạo ra được là 69 kV hiệu dụng (điện áp dây). Máy biến áp có điện áp 250 kV được nối vào hai thanh cái cao áp treo ở độ cao 3,6 m. Có hai điện trở hạn chế dòng điện đấu giữa máy biến áp và các thanh cái cao áp. Hệ thanh cái và các điện trở được treo bằng các cách điện composite. Khu vực thử nghiệm ở tần số 60 Hz của Phòng TNCA như trong hình 1.

Máy phát xung (do Công ty Điện lực Mỹ tặng) có 10 tầng. Các thông số danh định của máy là 1.000 kV, 25 kJ, điện áp nạp cao nhất ở đầu ra là 100 kV. Khu vực thử nghiệm xung của Phòng TNCA như trong hình 2

Nguồn điện áp có một không hai là máy biến áp Tesla (do Viện Battelle Memorial tặng) có thông số danh định cao nhất là 5.000 kV. Vì lý do an toàn, máy này “chỉ” được khai thác đến 3.000 kV. Khu vực thử nghiệm của máy Tesla được nêu trong hình 3 .

Công ty Brass Ohio đã tài trợ xây dựng buồng sương mù phục vụ cho các quá trình thử nghiệm cách điện polymer. Buồng này có dung tích 9,5 m3, và được cấp điện áp tối đa 69 kV hiệu dụng. Sương mù sạch hoặc sương mù mặn (với độ dẫn điện mong muốn) đều có thể thực hiện được trong buồng này. Cũng có thể tạo sương mù hơi nước trong buồng. Khu vực thử nghiệm của buồng sương mù cùng với máy biến áp  nguồn được nêu trong hình 4.

Ngoài ra, Phòng TNCA còn có các thiết bị khác để thực hiện các thí nghiệm điện áp cao như: máy phát hiện phóng điện cục bộ 50 kV, cầu đo (hằng số điện môi e và tổn thất điện môi d) nhánh tỷ lệ dùng cho máy biến áp, thiết bị thử nghiệm dầu điện áp 50 kV, các quả cầu tạo khe hở phóng điện, các bộ phân áp, các thiết bị thử nghiệm phóng điện vầng quang hình trụ, các máy hiện sóng, các dụng cụ đo lường, v.v.
Hoạt động đào tạo

Các bài giảng và thí nghiệm liên quan đến kỹ thuật điện cao áp được thực hiện tại đây cho các sinh viên và nghiên cứu sinh sau đại học. Hoạt động đào tạo của Phòng TNCA còn đáp ứng cả yêu cầu cho các dự án đặc biệt, các nghiên cứu cá lẻ, các chuyên đề hoặc đề tài luận án tốt nghiệp của các nghiên cứu sinh.

Năng lực thử nghiệm

Phòng TNCA này có khả năng thử nghiệm điện áp chịu đựng, phóng điện cục bộ, phóng điện đánh thủng trong chất khí, chất lỏng và chất rắn. Phòng cũng được trang bị những phương tiện đặc biệt, kể cả các mô hình theo tỷ lệ, để thực hiện các phép đo về phân bố điện trường và từ trường. Có các thiết bị để thử nghiệm trong buồng sương mù (lão hóa tăng tốc các cách điện), thử nghiệm tác dụng màn chắn và thử nghiệm suy giảm điện trường. Ngoài ra, còn có thể thực hiện cả một số thử nghiệm nhiệt.

Những cân nhắc khi quy hoạch và thiết kế Phòng TNCA mới

Trước tiên đã thẩm định rất nhiều tham luận, nghiên cứu, báo cáo và tài liệu liên quan đến việc quy hoạch và thiết kế các phòng TNCA. Các cuộc thảo luận cùng với những kỹ sư trong ngành quan tâm đến hoạt động cao áp, những cuộc thăm viếng một số phòng TNCA đang vận hành ở các nơi khác đã được thực hiện và đều rất bổ ích. Tới năm 1990, có thể nói rằng, không mấy khó khăn để liệt kê ra những yêu cầu cơ bản cho Phòng TNCA mới. Phòng TNCA mới cần phải đủ lớn để bố trí các thiết bị hiện có cũng như các thiết bị mới sẽ được trang bị bổ sung, và đương nhiên, đó phải là một phòng TNCA kiểu trong nhà. Trong giai đoạn lập kế hoạch và thiết kế, tất cả các hạng mục công việc được thảo luận bao gồm việc bố trí tầng trệt, việc làm sạch và điều hòa không khí, tạo màn chắn điện từ hoàn chỉnh, làm hệ thống tiếp địa, các giải pháp an toàn, số lượng và mức độ phù hợp của các công trình dịch vụ phụ trợ.


Mô tả Phòng TNCA

Diện tích mặt sàn của Phòng TNCA là 18,3 x 18,3 m2. Khoảng thông lưu từ sàn đến trần là 8,5 m. Liền kề với nó là phòng quan sát ở tầng trên và buồng kho ở độ cao mặt sàn. Phòng lớn chính (sau này tạm gọi là sảnh lớn) được che chắn hoàn toàn về mặt điện từ trường. Điều này rất cần thiết không những chỉ vì mật độ sử dụng máy tính và các dụng cụ đo lường rất cao khắp mọi nơi xung quanh phòng TNCA, mà còn vì cận kề với phòng TNCA lại là một đơn vị thuộc Trung tâm Máy tính của OSU. Các đường dây cấp điện đều được lọc nhiễu. Phòng TNCA có vỏ bọc chống nhiễu “nội bộ” riêng để bảo vệ các máy tính và các dụng cụ đo có độ nhạy cao. Toàn bộ khu vực (Phòng TNCA và phòng quan sát) được điều hòa không khí. Có đầy đủ các thiết bị dùng cho phân xưởng thực hành cao áp ở toà nhà bên cạnh, tuy nhiên Phòng TNCA vẫn được trang bị một số lượng thích hợp các dụng cụ và phụ tùng cần thiết. Có một máy nâng đưa người lên cao chạy bằng khí nén. Phòng được thiết kế 20 móc treo, mỗi móc có thể treo tải nặng cỡ 1 tấn.


Vấn đề an toàn

An toàn là một trong những yêu cầu quan trọng nhất của phòng TNCA. Theo quy định, Phòng TNCA của Trường đại học bang Ohio (OSU) chỉ được khai thác khi có mặt nhân viên đã được đào tạo, áp dụng nghiêm túc và đúng trình tự các quy trình làm việc, sử dụng các dây an toàn, các biển báo hiệu, các loại tín hiệu cảnh báo và tín hiệu báo động loại nhìn được và nghe được, sử dụng các cọc tiếp địa, định kỳ kiểm tra các quy tắc an toàn, mức độ sẵn sàng hoạt động của các bình chữa cháy, số điện thoại cấp cứu, đồ nghề sơ cứu tai nạn, và hệ thống báo động khi có khói.


Màn chắn điện từ của phòng TNCA

Các bức tường, hai cột trụ và trần nhà của phòng TNCA được tạo màn chắn bằng hệ thống các tấm thép theo dạng môđun ghép nối với nhau, lắp trên các khung gỗ. Đó là một hệ thống màn chắn đơn, các tấm chắn được trải trùm lên trên mặt ngoài của các khung gỗ và được bắt bu lông gắn với nhau. Độ dày của tấm thép này là 0,76 mm. Các tấm thép này được mạ kẽm cả hai mặt. Các mô đun thép này được bắt cố định vào với các bu lông chôn trong tường, cột và trần bê tông của sảnh lớn. Có một phần tử cách điện bằng sợi thủy tinh tại mỗi điểm bắt bulông này, nhờ đó, hệ thống màn chắn được cách ly về điện khỏi kết cấu thép của tòa nhà chính. Hệ thống màn chắn dạng mô đun này được nối hoàn toàn với các cạnh đưa lên từ mặt phẳng tiếp địa của phòng TNCA dọc theo đường giáp nối giữa tường và sàn của tòa nhà. Mặt phẳng tiếp địa là một tấm đồng được chôn vào trong sàn bê tông của Phòng TNCA. Chiều dày lớp bê tông bên trên tấm đồng là 15 cm. Tấm đồng này được nối tại một điểm với hệ thống tiếp địa của nguồn cấp điện cho tòa nhà.


Kiểm tra tính toàn vẹn của tác dụng màn chắn

Mỗi điểm xâm nhập lại có những yêu cầu thiết kế và xây dựng riêng. Với Phòng TNCA, tất cả các cửa đều là loại cửa bọc kim loại có độ chính xác đặc biệt. Các khuôn cửa cũng bằng kim loại. Các khuôn cửa đều được nối với hệ thống màn chắn. Dọc theo toàn bộ đường tiếp xúc giữa cửa và khuôn cửa người ta bố trí các chốt tiếp điểm bằng đồng thanh ram đàn hồi. Các lưới hai lớp ngăn tần số rađiô (RF) có độ nhìn thấu cao được lắp vào các cửa sổ quan sát được tạo màn chắn. Các lưới này phủ rộng khắp mặt kính, và được nối với khung cửa sổ và hệ thống màn chắn. Các lỗ thông khí dẫn sóng kiểu kết cấu tổ ong được dùng để đấu nối đầu hút và đầu xả của hệ thống điều hòa không khí nhằm duy trì tính toàn vẹn của hệ thống màn chắn. Tại những điểm đường ống không khí, đường ống nước và hệ thống phun nước xuyên qua, người ta lắp các gioăng đệm (cách điện) giữa đường ống và màn chắn, hoặc lắp một đoạn bằng vật liệu cách điện. Toàn bộ mạch nguồn cấp điện tần số 60 Hz cho phòng TNCA đều sử dụng các bộ lọc nhiễu. Các máy biến áp một pha và ba pha cũng như các bảng điện của chúng được đặt ngay trong Phòng TNCA. Đường điện thoại, đường truyền dữ liệu và đường dây báo động cháy cũng được lắp các bộ lọc.


Buồng có màn chắn bảo vệ trong phòng TNCA

Buồng chứa máy tính thu thập dữ liệu và các dụng cụ đo nhạy cảm được trang bị vỏ bọc hai lớp chắn sóng tần số rađiô (RF) kiểu Lindgren (lồng Faraday). Người ta sử dụng hệ thống lưới hai lớp bằng đồng có thể nhìn xuyên qua được, một cửa ra vào đặc biệt ngăn tần số rađiô, một bộ lọc đường dây cấp điện, hệ chiếu sáng bằng đèn sợi đốt, và một bảng lắp 20 đầu nối đường cáp đồng trục.


Các yêu cầu về hiệu quả màn chắn và các trị số đo thực tế

Trong sảnh chính của phòng TNCA, các yêu cầu qui định về hiệu quả màn chắn trong dải tần số từ 14 kHz đến 10 MHz là như sau: độ suy giảm cường độ điện trường (E) là 80 dB và độ suy giảm của mật độ từ thông (B) là 60 dB. Còn trong buồng được tạo màn chắn bảo vệ riêng của phòng TNCA thì những trị số này là 120 dB đối với E và 68 dB đối với B. Các trị số suy giảm đo được đối với sảnh lớn của phòng TNCA là 87 dB đối với E ở tần số 10 MHz, và 63 dB đối với B trong dải tần số 14 kHz – 10 MHz. Đối với buồng được tạo màn chắn riêng và tại tần số 14 kHz, các trị số này là 126 dB cho E và 71 dB cho B.


Chiếu sáng

Nhằm giảm thiểu tiếng ồn điện từ sinh ra từ nguồn điện chiếu sáng và các phụ kiện của chúng, người ta sử dụng các bóng đèn kiểu sợi đốt có cường độ cao cho mục đích chiếu sáng chung trong nhà. Trong phòng TNCA và phòng quan sát liền kề còn dùng thêm hệ thống đèn ánh sáng đỏ để thích ứng với thử nghiệm vào ban đêm. Trong phòng TNCA cũng có một cơ cấu điều khiển từ xa để khi cần, có thể rọi nguồn sáng tập trung vào điểm cần quan sát. Có hệ thống chiếu sáng dự phòng để sử dụng trong trường hợp sự cố mất điện.


Các dịch vụ sinh hoạt

Trong Phòng TNCA có nhiều ổ cắm để lấy điện 120 V và 240 V một pha. Một số vị trí có lắp các ổ cắm lấy điện 208/120 V ba pha. Một bồn rửa đôi với vòi nước nóng/lạnh được lắp ngay trong Phòng TNCA. Có hệ thống khử ion trong nước. Lại có một số đường ống thoát nước trên sàn nhà để phục vụ cho các thử nghiệm ướt. Không khí áp lực cao có thể lấy từ máy nén khí đặt ngay trong phòng TNCA. Có điện thoại, đồng hồ treo tường, các đường dây cho máy tính. Có hệ thống nối mạng giữa tầng trệt và phòng quan sát ở tầng trên. Ngoài ra, còn có các giá để đồ, tủ và một số ghế băng để làm việc.


Hệ thống các điểm đo đạc tại tầng trệt

Có 12 vị trí được dùng để đo đạc số liệu đặt tại tầng trệt của phòng TNCA. Mỗi vị trí được lắp hai ổ điện 120 V và một ổ điện 240 V, một thanh kim loại nối với hệ thống tiếp địa, và hai đầu nối cáp đồng trục. Mỗi cáp này được đặt trong một ống kim loại riêng tách biệt nhau. Tất cả các cáp đồng trục của 12 vị trí tại tầng trệt cũng như ba cáp từ phòng quan sát và năm cáp từ buồng có màn chắn đều được đấu vào một bảng đầu nối. Nhờ có bảng đầu nối này, có thể kết nối tất cả các vị trí đo đạc tại tầng trệt với buồng có màn chắn (hoặc giữa các vị trí đo với nhau), không để cáp đi lằng nhằng trên sàn.


Hệ thống cách âm

Nhằm loại bỏ những âm thanh vọng lại và tiếng vang trong Phòng TNCA, các tường và các cột đều được bọc lớp hút âm. Đó là các tấm thép lượn sóng mạ kẽm, đột lỗ, bên ngoài sơn epôxy xử lý nhiệt, được gắn vào hệ thống màn chắn thông qua các miếng đệm hút âm. Hai bức tường và trần được sơn màu trắng ngà. Hai bức tường còn lại đối diện với hầu hết các thí nghiệm cao áp được sơn màu xanh lục để dễ dàng quan sát các quá trình phóng điện.

Share this post

Trả lời

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *