Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo, hiệu chuẩn máy thử cách điện dầu

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology34 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO,
HIỆU CHUẨN MÁY THỬ CÁCH ĐIỆN DẦU
Nguyễn Văn Đưa1, Nguyễn Hoàng Long1, Phạm Đình Kha1, Lê Duy Tùng1,
Lê Quốc Tuấn1, Đỗ Anh Tuấn2, Cao Xuân Thảo3, Đỗ Trọng Tấn1
1 Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học, Viện Ứng dụng Công nghệ
2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
3 Viện Đo lường Việt Nam, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 02/08/2019
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 26/08/2019
Ngày bài báo được duyệt đăng: 09/09/2019
Tóm tắt:
Bài báo trình bày về nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị đo điện áp trong dải từ 0 đến 80 kV. Thiết bị 
được thiết kế gồm 03 thành phần chính: hệ thống cơ khí kết nối với máy thử cách điện dầu, khối xử lý mạch 
đo và bộ tính toán xử lý trung tâm. Trong đó, khối xử lý mạch đo sử dụng hệ phân áp trở kết hợp với thiết 
kế vỏ hộp bằng vật liệu Teflon đảm bảo cách điện. Kết quả thử nghiệm cho thấy, thiết kế cơ khí vỏ hộp đảm 
bảo cách điện khi điện áp thử nghiệm lên đến 80kVrms, sai số của thiết bị là 0.458% giá trị đọc.
Từ khóa: thiết bị đo điện áp, máy thử cách điện dầu, hệ phân áp trở, Teflon.
1. Đặt vấn đề
Cách điện dầu là một trong những phương 
pháp được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống 
điện cao áp. Các thiết bị cách điện bằng dầu giúp 
đảm bảo độ an toàn vận hành và thuận tiện cho 
việc bảo trì. Chính vì vậy, việc xác định chính xác 
điện thế đánh thủng của dầu có vai trò hết sức quan 
trọng trong việc thiết kế, chế tạo các thiết bị điện 
cao áp sau này. Rất nhiều công ty đã đưa ra các sản 
phẩm để giải quyết vấn đề trên, tiêu biểu là: BAUR 
Co., Megger Co., Kharkov EnergoPribor Co. Ltd, 
Huazheng Electric Manufacturing Co., . đồng 
thời, các hãng sản xuất thiết bị thử cách điện dầu 
cũng cung cấp một số thiết bị đo hiệu chuẩn thiết bị 
riêng. Mỗi hãng, mỗi thiết bị đều đưa ra đầu cực kết 
nối và khoảng cách kết nối với bộ thử là khác nhau 
[9], [11]. Thực tế này gây khó khăn trong việc hiệu 
chuẩn các thiết bị thử cách điện máy biến áp dầu đa 
năng tại các Trung tâm đo kiểm, hiệu chuẩn. 
Các phương pháp đo điện áp cao thường được 
sử dụng là: biến áp đo lường, phân áp tụ [1], [2], 
[3] và phân áp trở [4], [5], [6]. Trong đó, sử dụng 
biến áp đo lường có nhược điểm là kích thước 
thiết bị lớn, không phù hợp với không gian đo của 
buồng thử trong máy đo cách điện dầu máy biến áp. 
Phương pháp phân áp bằng tụ cho kết quả chính xác 
cao hơn phương pháp phân áp trở, tuy nhiên nó tồn 
tại nhược điểm là kích thước tụ lớn và chi phí giá 
thành cao. Do đó, trong bài báo này, phương pháp 
phân áp trở được lựa chọn giúp việc thiết kế đơn 
giản hơn, giá thành thấp hơn và dễ dàng trong thiết 
kế vỏ cơ khí để đảm bảo cách điện trong môi trường 
điện áp cao. 
Để đảm bảo cách điện, một số phương pháp 
hiện nay đang sử dụng hộp kín chứa dầu cách điện. 
Theo [1] độ cách điện trong dầu là 20kV/cm. Ưu 
điểm của phương pháp là dầu vừa giúp cách điện 
cũng như làm mát cho hệ thống phân áp bằng điện 
trở [10]. Tuy nhiên, việc khó thiết kế, gá lắp điện 
trở, thiết kế hộp và không sử dụng được cho hệ phân 
áp tụ là một trong những nhược điểm của phương 
pháp. 
Từ những phân tích trên, nhóm tác giả đề xuất 
ra mô hình thiết bị đo, hiệu chuẩn máy thử cách điện 
dầu đa năng. Thiết bị có thiết kế cơ khí linh hoạt, 
sử dụng vật liệu teflon có độ cách điện cao (15kV/
mm), dễ dàng gia công chế tạo. Thiết bị có thể sử 
dụng cho nhiều hệ máy thử cách điện dầu với các 
loại đầu cực khác nhau và chiều dài điện cực khác 
nhau. Chiều dài điện cực có thể kết nối là từ 210mm 
đến 230mm. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết kế 
cơ khí đảm bảo an toàn điện, giá trị đo được từ 0 đến 
80kVrms và có sai số lớn nhất là 0.5% giá trị đọc.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019 Journal of Science and Technology 35
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Sơ đồi khối thiết bị
Hình 1. Sơ đồ khối tổng quan của thiết bị
Hình 1 thể hiện sơ đồ khối của thiết bị đo 
lường điện áp đánh thủng dầu đa năng. Nguyên 
lý hoạt động của thiết bị: Điện áp đầu ra của máy 
thử cách điện dầu được đi qua khối xử lý tín hiệu 
đo gồm mạch phân áp trở có chức năng hạ áp từ 
0 – 80kV
RMS
 xuống 0 – 5V
RMS
, sau đó đưa qua bộ 
bảo vệ trở, bộ lọc trước khi đưa vào bộ ADC 16 
bit ADS8688. Vi xử lý trung tâm giao tiếp với khối 
ADC thông qua chuẩn truyền thông SPI, dữ liệu sau 
đó được tính toán và hiển thị lên màn hình LED. 
• Thiết kế phần phân áp trở
Nhóm tác giả đã đưa ra thiết kế sơ đồ mạch 
phân áp trở như hình 2 [12], [13]. Trong đó, điện trở 
R thường được lựa lớn hơn rất nhiều lần so với điện 
trở R
a
 và có giá trị cỡ vài trăm MX. 
Hình 2. Sơ đồ mạch phân áp trở
Từ sơ đồ thiết kế Hình 2 ta có:
K V
V
R
R R
R
R6
1 6
out
in
a
a
a
= =
+
= + (1)
Hệ số K là tỉ số chia điện áp giữa đầu vào và 
đầu ra của bộ phân áp trở.
Trong thiết kế này, điện trở được chọn của 
hãng MOX, đây là dòng điện trở được thiết kế 
chuyên dụng trong các mạch đo lường cao áp bởi 
đã loại bỏ được thành phần cảm, có độ trôi nhiệt 
độ thấp, độ ổn định cao và hoạt động ở điện áp cao 
[7]. Để đảm bảo đầu ra V
out
 < 5V, ta chọn G = 1GX, 
R k300a X= . Trong đó điện trở giá trị lớn (R) được 
chọn là loại MOX94021007FVE của hãng MOX, 
đây là dòng điện trở được thiết kế chuyên dụng 
trong các mạch đo lường cao áp bởi đã loại bỏ được 
thành phần cảm, có độ trôi nhiệt độ thấp 50ppm/ oC, 
độ ổn định cao, sai số 1%, hoạt động ở điện áp cao 
lên đến 30kV và công suất 11.7W [7].
Điện trở giá trị thấp (R
a
) được lựa chọn là loại 
PTF56300K00BZEK của Vishay. Điện trở có độ 
trôi nhiệt độ của điện trở thấp với 5ppm/ oC, sai số 
1% và khả năng chống nhiễu tốt.
• Thiết kế phần mạch chuẩn hóa đo lường
Tín hiệu sau khi qua mạch phân áp sẽ được 
đưa qua mạch chuẩn hóa đo lường (Hình 1, khối 3). 
Trong thiết kế này, tín hiệu được đưa qua mạch phối 
hợp trở kháng, mạch lọc RC và bảo vệ ESD, EFT 
cho mỗi kênh đầu vào giúp giảm nhiễu ngoài tác 
động đồng thời bảo vệ quá áp đầu vào ADC [8]. Lọc 
tương tự thông thấp giúp giới hạn phổ tín hiệu ngõ 
vào, giảm hiện tượng chồng lấn phổ. Tín hiệu sau 
đó được đưa vào ADC ADS8688 16-bit, 500ksps, 
dải điện áp đọc có thể cấu hình được bằng phần 
mềm: ±10.24 V, ±5.12 V, ±2.56 V. Sử dụng điện áp 
tham chiếu nội nên độ chính xác cao. Khối xử lý tín 
hiệu đo và khối xử lý trung tâm được cách ly thông 
qua IC cách ly số tốc độ cao ISO7141.
• Thiết kế phần hiển thị và vi xử lý trung tâm
Trong thiết kế này, vi điều khiển 
STM32F103VET6 được lựa chọn làm vi xử lý 
trung tâm để đọc và tính toán dữ liệu điện áp trả 
về từ ADC. STM32F103VET6 là dòng chip ARM 
Cortex-M3 32-bit của hãng STMicrochip, có tốc độ 
xử lý lên đến 72 MHz, bộ nhớ Flash lên đến 512 
Kbytes và bộ nhớ SRAM lên đến 64 Kbytes. Hỗ 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology36 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019
trợ các giao thức truyền thông SPI, I2C, UART. Để 
hiển thị kết quả điện áp đo được, nhóm tác giả lựa 
chọn module hiển thị bao gồm 8 LED 7 thanh.
2.2. Thiết kế cơ khí vỏ hộp
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình 3. Bố trí thiết kế cơ khí thiết kế hộp; (a) thiết 
kế 2D vỏ hộp, (b)-(c) lần lượt là thiết kế 3D mặt 
trước và mặt sau vỏ hộp phân áp trở, (d) thiết kế gờ 
kết nối cách điện
Yêu cầu trong thiết kế phải đảm bảo được cách 
điện giữa các trở phân áp, tránh hiện tượng phóng 
điện xảy ra. Do đó, thiết kế hộp phải đảm bảo độ 
kín, khít. Hình 3a thể hiện bản vẽ thiết kế 2D của 
thiết bị. Trong đó, thiết bị gồm 4 thành phần chính: 
(1) bộ phân áp và bộ xử lý trung tâm, (2) bộ cút nối 
dài giúp thay đổi chiều dài bộ đo, (3) cút nối chữ L 
và (4) đầu connector. Đầu connector (4) được thiết 
kế riêng biệt để phù hợp với từng thiết bị.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Thử nghiệm đánh giá sai số khối đo lường 
điện áp
(a)
(b)
Hình 4. (a) Mạch điện khối đo lường điện áp, (b) 
hình ảnh thử nghiệm thực tế
Hệ đo được lắp đặt như Hình 4, sử dụng máy 
phát nguồn chuẩn FLUKE522A 61/2 digit để phát 
nguồn cho bộ đo điện áp. Thử nghiệm lần lượt với 
các giá trị chuẩn từ 0.5V đến 5Vrms với bước nhảy 
là 0.5V. Kết quả được hiển thị ở bảng.
Bảng 1. Kết quả đánh giá sai số khối đo lường điện áp
TT Giá trị 
chuẩn (V)
Giá trị đọc (V) Giá trị
trung bình
Sai số
(%)Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5
1 0,5 0,501 0,501 0,502 0,501 0,502 0,5014 0,2800
2 1 1,001 1,001 1,001 1,001 1,002 1,0012 0,1200
3 1,5 1,501 1,501 1,501 1,502 1,501 1,5012 0,0800
4 2 2,001 2,001 2,001 2,002 2,002 2,0014 0,0700
5 2,5 2,501 2,502 2,502 2,502 2,502 2,5018 0,0720
6 3 3,003 3,002 3,002 3,004 3,003 3,0028 0,0933
7 3,5 3,503 3,503 3,503 3,502 3,502 3,5026 0,0743
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019 Journal of Science and Technology 37
8 4 4,005 4,004 4,005 4,004 4,005 4,0046 0,1150
9 4,5 4,506 4,506 4,505 4,505 4,506 4,5056 0,1244
10 5 5,007 5,006 5,007 5,006 5,007 5,0066 0,1320
Từ bảng kết quả trên ta thấy, kết quả trả về có 
sai số thấp, sai số lớn nhất là 0.28% giá trị đọc.
3.1. Thử nghiệm cách điện khối phân áp điện trở
Do làm việc trong điện áp cao từ 0 đến 
80kVrms do đó vấn đề đảm bảo an toàn cách điện 
trong thiết bị cần được quan tâm. Nhóm thực hiện 
đã tiến hành thử nghiệm độ an toàn cách điện với 
khối phân áp trở được thiết kế. Hệ thống thử nghiệm 
bao gồm thiết bị tạo cao áp AC Phenix 6CP100/50-
7.5. Thử cấp điện áp tại các mức điện áp 1kV, 10kV, 
30kV, 50kV, 80kV và 100kV trong thời gian 60s. 
Kết quả thử nghiệm cho thấy không có hiện tượng 
phóng điện xảy ra. Qua đó, chứng minh được việc 
thiết kế cơ khí đảm bảo cách điện hoàn toàn. đạt 
được yêu cầu đề ra.
(a)
(b)
Hình 5. (a) Sơ đồ mạch điện thử nghiệm, (b) Hình 
ảnh thử nghiệm thực tế
3.3. Thử nghiệm toàn bộ hệ thống
Hình 6. Hình ảnh thử nghiệm thực tế
Hệ thống thử nghiệm bao gồm thiết bị tạo cao 
áp AC Phenix 6CP100/50-7.5, thiết bị đo cao áp 
VITREX 4700 Precision HV Meter và bộ thiết bị 
hiệu chỉnh máy thử cách điện dầu. Thử cấp điện áp 
tại các mức điện áp 5kV, 10kV, 20kV, 30kV, 40kV, 
50kV, 60kV, 70kV, 80kV, 90kV trong thời gian 10s. 
Kết quả thử nghiệm như bảng sau:
Bảng 2. Kết quả thử nghiệm toàn hệ thống
TT Giá trị 
chuẩn (V)
Giá trị đọc (V) Giá trị
trung bình
Sai số
(%)Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5
1 0,5 0,501 0,501 0,502 0,501 0,502 0,5014 0,2800
2 1 1,001 1,001 1,001 1,001 1,002 1,0012 0,1200
3 1,5 1,501 1,501 1,501 1,502 1,501 1,5012 0,0800
4 2 2,001 2,001 2,001 2,002 2,002 2,0014 0,0700
5 2,5 2,501 2,502 2,502 2,502 2,502 2,5018 0,0720
6 3 3,003 3,002 3,002 3,004 3,003 3,0028 0,0933
7 3,5 3,503 3,503 3,503 3,502 3,502 3,5026 0,0743
8 4 4,005 4,004 4,005 4,004 4,005 4,0046 0,1150
9 4,5 4,506 4,506 4,505 4,505 4,506 4,5056 0,1244
10 5 5,007 5,006 5,007 5,006 5,007 5,0066 0,1320
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology38 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019
Từ bảng kết quả trên, ta thấy, trong dải từ 5kV-
80kV, thiết bị đảm bảo sai số <0,5% giá trị đọc, với 
sai số lớn nhất ở 40kV là 0,4585%.
4. Kết luận
Bài báo đưa ra nghiên cứu, thiết kế chế tạo và 
các phép đo thử nghiệm đối với thiết bị đo điện áp 
trong dải từ 0 đến 80kV đảm bảo sai số <0,5% giá 
trị đọc, đồng thời vật liệu chế tạo thiết bị đảm bảo an 
toàn cách điện ở dải điện áp hoạt động. Tuy nhiên, 
thiết bị chưa có chức năng truyền dữ liệu không dây 
và chưa tối ưu được thiết kế cơ khí vỏ hộp. Nhóm 
sẽ tập trung hoàn thiện sản phẩm và phát triển thêm 
tính năng truyền thông không dây trong các phiên 
bản tiếp theo của sản phẩm.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Dự án đẩy 
mạnh đổi mới sáng tạo thông qua nghiên cứu, khoa 
học và công nghệ (FIRST) theo thỏa thuận tài trợ số 
13/FIRST/2a/IMET.
Tài liệu tham khảo
[1]. Z. Y. B. C. A. Jing T, “Design of a novel oil tester calibrator based on capacItIve dividing 
mechanisms,” in IEEE conference publication, 1999. 
[2]. W. A. E. a. G. N. Oetzel, “Capacitance voltage divider for highvoltage pulse measurement,” 
Review of Scientific Instruments 52.4, 1981, pp. 604-606..
[3]. X. Y. X. J. D. C. Shesha Jayaram, “High-Divider-Ratio Fast-Response Capacitive Dividers for 
High-Voltage Pulse Measurements,” IEEE Transations on Industry Applications, 2000, p. 3. 
[4]. A. P. B Racz, “Fast high-voltage resistive pulse divider,” IOPScience.Ltd, 1992.
[5]. z. Y. Lee, “Subnanosecond highvoltage twostage resistive divider,” IOPScience.Ltd, 1983.
[6]. J. S. a. F. C. L. Ming Xu, “Voltage Divider and its Application in the Two-stage Power 
Architecture,” in Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 
2006. APEC’06.. IEEE, 2006. 
[7]. Ohmite, “Datasheet of Super Mox series”. 
[8]. Đ. h. G. t. v. tải, Bài giảng Xử lý số tín hiệu, 2010. 
[9]. L. C. Z. L. Q. Y. M. J. L. Y. Pan Yang, “Calibration method of insulation oil tester based on the 
electric calculation for electrode structure,” in IEEE 12th International Conference on Electronic 
Measurement & Instruments, 2015. 
[10]. W. W. C. L. Y. &. W. Y. Chen, “Feature information extraction of air-gap discharge in oil-
paper insulation and its process partition.,” in Diangong Jishu Xuebao (Transactions of China 
Electrotechnical Society, 2011. 
[11]. Z. L, “Research on key technologies of calibrating insulating oil dielectric strength tester,” 
Tianjing Uni, 2012.
[12]. M. Misakian, High Voltage Divider and Resistor Calibrations, 1985. 
[13]. J. C. C. G. O. David J. Rincón, “Design and characterization of a high voltage resistor divider 
at 60 Hz,” Actas de Ingeniería, 2017. 
RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE
OF THE OIL TEST SET CALIBRATION METER
Abstract:
This paper presents research, design and manufacture of the voltage measuring device in the 
range from 0 to 80kV. The device consists of 03 main components: a mechanical system connected to the 
insulation oil tester, a measurement circuit processing block and a central processing unit. In particular, 
the measurement circuit processing block uses a resistive voltage divider system combined with box made 
of Teflon material to ensure insulation. The test result show that the mechanical design of the box ensures 
insulation when the test voltage is up to 80kVrms, the error of the device is 0.458% of the reading.
Keywords: voltage measuring device, insulation oil tester, resistive voltage divider, Teflon.