Đo điện áp chính xác giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả khi làm việc với hệ thống điện, từ khắc phục sự cố mạch điện, kiểm tra pin đến bảo trì hệ thống điện cao áp. Hướng dẫn này trình bày các phương pháp đo điện áp, từ đo điện áp DC cơ bản bằng đồng hồ vạn năng đến các kỹ thuật đo AC và cao áp chuyên dụng trong công nghiệp.

Các công cụ thiết yếu để đo điện áp

Hãy bắt đầu với thiết bị phù hợp để đo điện áp an toàn và chính xác. Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số (DMM) là công cụ phổ biến để đo điện áp DC và AC, với kết quả hiển thị trực tiếp trên màn hình. Đồng hồ vạn năng analog sử dụng kim chỉ thị để hiển thị giá trị đo và có thể hữu ích trong một số phép đo quan sát sự thay đổi của tín hiệu. Vôn kế chuyên dụng được thiết kế chủ yếu để đo hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch.

Đối với các tín hiệu biến thiên theo thời gian, máy hiện sóng hiển thị dạng sóng điện áp và cho phép phân tích biên độ, tần số, nhiễu và các hiện tượng quá độ. Máy kiểm tra điện áp không tiếp xúc có thể phát hiện sự hiện diện của điện áp AC trong một số điều kiện và thường được dùng cho kiểm tra sơ bộ. Đối với điện áp cao, cần sử dụng đầu dò cao áp hoặc thiết bị đo chuyên dụng có điện áp và cấp an toàn phù hợp; không thể chỉ dựa vào một tỷ lệ suy giảm cố định để xác định điện áp đo tối đa.

Đồng hồ kẹp chủ yếu được sử dụng để đo dòng điện mà không cần ngắt mạch. Một số mẫu cũng có chức năng đo điện áp, nhưng khi đo điện áp vẫn phải kết nối que đo đúng cách và tuân thủ cấp an toàn của thiết bị.

Cách đo điện áp DC bằng đồng hồ vạn năng

Đo điện áp DC trên pin, tấm pin mặt trời hoặc hệ thống điện ô tô tương đối đơn giản khi sử dụng thiết bị phù hợp. Trước tiên, chuyển đồng hồ vạn năng sang chế độ đo điện áp DC, thường được ký hiệu bằng chữ V với một đường thẳng phía trên và một đường nét đứt bên dưới. Nếu đồng hồ sử dụng thang đo thủ công, chọn thang đo cao hơn điện áp dự kiến; ví dụ, có thể chọn thang 20 V để đo pin 9 V. Với đồng hồ tự động chọn thang đo, chỉ cần chọn chức năng V DC.

Cắm que đo màu đen vào cổng COM và que đo màu đỏ vào cổng V/Ω. Kết nối que đen với cực âm và que đỏ với cực dương của nguồn DC. Giá trị điện áp sẽ được hiển thị trên màn hình. Nếu đảo que đo, đồng hồ thường hiển thị giá trị âm thay vì gây hư hỏng, miễn là đồng hồ đang ở đúng chế độ đo và điện áp nằm trong giới hạn cho phép.

Nếu không biết điện áp của nguồn, nên bắt đầu ở thang đo cao hơn rồi giảm xuống nếu cần. Không cần và không nên cố "hiệu chỉnh về 0" đồng hồ trước mỗi phép đo điện áp DC; thay vào đó, hãy kiểm tra trạng thái và chức năng của thiết bị theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Có thể thực hành với các nguồn điện áp thấp và đã biết, chẳng hạn như pin AA. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng điện áp danh định 1,5 V của pin AA không có nghĩa mọi phép đo phải cho đúng 1,5 V; điện áp thực tế phụ thuộc vào loại pin, mức sạc và tải.

Các kỹ thuật đo điện áp xoay chiều chính xác

Điện áp AC thường được đo giữa hai điểm có hiệu điện thế, chẳng hạn giữa dây pha và dây trung tính trong hệ thống điện phù hợp. Chuyển đồng hồ sang chế độ điện áp AC, thường được ký hiệu bằng V~ hoặc V với dấu ngã. Nếu sử dụng thang đo thủ công, chọn thang đo cao hơn điện áp dự kiến; với đồng hồ tự động, có thể sử dụng chức năng auto-range.

Đối với điện áp AC thông thường, cực tính của hai que đo không quan trọng như khi đo DC. Tuy nhiên, cần kết nối đúng hai điểm cần đo. Đồng hồ sẽ hiển thị giá trị điện áp AC theo phương pháp đo của thiết bị, thường là giá trị RMS đối với các đồng hồ được thiết kế để đo RMS.

Không nên mô tả điện áp AC là "dòng điện đảo chiều nhanh chóng" để giải thích cực tính. Chính điện áp và dòng điện AC có thể thay đổi dấu theo thời gian; cách đo phải dựa trên hai điểm trong mạch cần so sánh.

Máy kiểm tra điện áp không tiếp xúc có thể phát hiện điện trường do điện áp AC tạo ra và rất hữu ích cho việc kiểm tra sơ bộ. Tuy nhiên, thiết bị này không nên được sử dụng như phương pháp duy nhất để xác nhận một mạch đã mất điện.

Đối với các dạng sóng AC không hình sin, đồng hồ True RMS thường cho kết quả phù hợp hơn đồng hồ loại average-responding, nhưng độ chính xác còn phụ thuộc vào dải tần và đặc tính của từng thiết bị. Không nên đưa ra độ phân giải cố định như 0,1 V cho mọi đồng hồ vì độ phân giải phụ thuộc vào model cụ thể.

Các biện pháp an toàn khi đo điện áp

An toàn phải được ưu tiên trong mọi phép đo điện áp để giảm nguy cơ điện giật, hồ quang điện, cháy hoặc hư hỏng thiết bị. Sử dụng thiết bị đo, que đo và phụ kiện có cấp điện áp và cấp đo an toàn phù hợp với môi trường làm việc.

Khi có thể, hãy ngắt nguồn và áp dụng quy trình khóa và gắn thẻ (lockout/tagout) trước khi làm việc. Nếu cần kiểm tra mạch đang mang điện, phải sử dụng thiết bị được đánh giá phù hợp cho phép đo có điện và tuân thủ các quy trình an toàn liên quan.

Các cấp đo CAT II, CAT III và CAT IV không đơn giản chỉ biểu thị "mức điện áp cao hơn". Chúng mô tả môi trường điện và mức độ quá áp quá độ mà thiết bị được thiết kế để chịu đựng. CAT III thường áp dụng cho hệ thống phân phối và thiết bị cố định như tủ điện, bảng phân phối và mạch nhánh; CAT IV áp dụng gần nguồn điện của hệ thống, chẳng hạn đầu vào dịch vụ và hệ thống điện ngoài trời.

Vì vậy, phải chọn thiết bị có cả điện áp định mức và cấp CAT phù hợp với vị trí đo. Ví dụ, một số đồng hồ được đánh giá 1000 V CAT III và 600 V CAT IV; điều này không có nghĩa CAT IV là "thấp hơn" CAT III về mức độ nguy hiểm.

Khi làm việc với điện áp nguy hiểm, cần sử dụng PPE và quy trình làm việc phù hợp. Kỹ thuật "một tay" đôi khi được khuyến nghị trong một số quy trình làm việc với mạch có điện để giảm khả năng tạo đường dẫn dòng điện qua ngực, nhưng không thay thế cho việc ngắt nguồn, sử dụng thiết bị phù hợp và tuân thủ quy trình an toàn.

Phương pháp nâng cao: Đo điện áp cao an toàn

Đo điện áp cao cần thiết bị chuyên dụng được thiết kế và đánh giá cho mức điện áp cụ thể. Đầu dò cao áp có thể sử dụng mạng điện trở hoặc cấu trúc chia áp để giảm điện áp trước khi đưa tín hiệu vào thiết bị đo.

Ví dụ, đầu dò có tỷ lệ 1000:1 sẽ giảm điện áp đầu vào theo tỷ lệ 1000 lần, nhưng điều này không có nghĩa mọi đầu dò 1000:1 đều có thể đo tới 40 kV. Điện áp làm việc tối đa còn phụ thuộc vào thiết kế cách điện, khoảng cách phóng điện, cấu trúc đầu dò và thông số định mức của nhà sản xuất.

Bộ chia điện áp cũng được sử dụng trong các hệ thống đo cao áp để chuyển đổi điện áp cao thành mức điện áp phù hợp với thiết bị đo. Đối với các hệ thống cao áp thực tế, thiết bị phải được thiết kế, định mức và hiệu chuẩn cho ứng dụng cụ thể.

Thiết bị phát hiện và phân tích phóng điện cục bộ (partial discharge) là một nhóm thiết bị khác, được sử dụng để phát hiện các hiện tượng phóng điện trong hệ thống cách điện. Không nên gọi chúng là "máy phân tích phóng điện tĩnh điện (ESD)" hoặc mô tả chúng như thiết bị đo điện áp cao tĩnh điện thông thường. ESD và partial discharge là hai hiện tượng và lĩnh vực kiểm tra khác nhau.

Giới thiệu về Wrindu

Wrindu, tên công ty là Rui Du Mechanical and Electrical (Shanghai) Co., Ltd., tự giới thiệu là nhà sản xuất và nhà cung cấp giải pháp thiết bị kiểm tra hệ thống điện. Theo thông tin do công ty công bố, doanh nghiệp được thành lập vào năm 2014 và tập trung vào thiết kế, phát triển và sản xuất thiết bị kiểm tra điện cao áp. Danh mục sản phẩm của công ty bao gồm thiết bị kiểm tra máy biến áp, thiết bị đóng cắt cao áp, thiết bị chống sét, thiết bị kiểm tra cáp, rơle bảo vệ, kiểm tra cách điện và các thiết bị kiểm tra hệ thống điện khác.

Công ty cũng công bố rằng các sản phẩm của mình đáp ứng các chứng nhận hoặc tiêu chuẩn quốc tế như ISO 9001, IEC và CE. Các tuyên bố về chứng nhận và độ tin cậy nên được hiểu là thông tin do nhà sản xuất công bố và cần kiểm tra theo từng sản phẩm hoặc chứng chỉ cụ thể khi cần xác minh độc lập.

Các lỗi thường gặp khi đo điện áp và cách khắc phục

Chọn sai thang đo có thể làm giảm độ chính xác hoặc gây quá tải cho thiết bị. Với đồng hồ có thang đo thủ công, nên bắt đầu ở thang cao hơn điện áp dự kiến rồi giảm xuống nếu cần. Với đồng hồ auto-range, hãy chọn đúng chức năng đo.

Tiếp xúc kém giữa que đo và điểm cần đo có thể tạo ra kết quả không ổn định hoặc sai lệch. Đảm bảo đầu đo tiếp xúc chắc chắn với điểm đo và bề mặt tiếp xúc sạch, nhưng không chạm trực tiếp vào phần kim loại của que đo khi đo mạch có điện.

Sai số thị sai chủ yếu xảy ra với đồng hồ analog. Khi đọc kim chỉ thị, cần quan sát vuông góc với mặt thang đo hoặc sử dụng gương trên mặt đồng hồ nếu có để giảm sai số.

Không được chuyển đổi giữa chế độ đo điện áp AC, DC, dòng điện hoặc điện trở một cách tùy tiện khi que đo đang nối với mạch. Đặc biệt, không chuyển sang chế độ đo dòng điện khi đồng hồ đang mắc song song với nguồn điện.

Khi đo AC có dạng sóng không hình sin, cần xem xét dải tần và phương pháp đo của đồng hồ. Đồng hồ True RMS có thể phù hợp hơn với các dạng sóng méo, nhưng không phải mọi thiết bị True RMS đều có cùng băng thông hoặc độ chính xác.

Đo điện áp và kiểm tra ắc quy ô tô

Trong hệ thống điện ô tô, đo điện áp có thể giúp kiểm tra tình trạng ắc quy và hệ thống sạc. Khi động cơ đang hoạt động, điện áp tại cực ắc quy thường cao hơn điện áp khi động cơ tắt do máy phát điện đang sạc ắc quy. Giá trị thực tế phụ thuộc vào loại xe, nhiệt độ, trạng thái sạc và hệ thống điều khiển sạc, vì vậy không nên dùng một khoảng cố định như 13,7–14,7 V làm tiêu chuẩn áp dụng cho mọi phương tiện.

Để đánh giá khả năng khởi động của ắc quy, có thể sử dụng phép thử tải hoặc kiểm tra sụt áp trong quá trình khởi động. Cần phân biệt phép đo điện áp với phép đo dòng điện khởi động.

Xe hybrid và xe điện có thể sử dụng hệ thống pin điện áp cao, với mức điện áp tùy thuộc vào thiết kế từng xe. Việc kiểm tra hệ thống cao áp phải sử dụng thiết bị và quy trình dành riêng cho xe điện/hybrid; không nên đo trực tiếp bằng đồng hồ vạn năng thông thường nếu thiết bị không có cấp điện áp và CAT phù hợp.

Pin lithium-ion thường có điện áp danh định khoảng 3,6–3,7 V mỗi cell, nhưng điện áp thực tế thay đổi theo hóa học pin và trạng thái sạc. Nhiều cell lithium-ion thông dụng có điện áp sạc đầy khoảng 4,2 V. Không thể dùng mốc 3,7 V để xác định rằng một cell đang "mất cân bằng"; đánh giá cân bằng phải dựa trên hóa học pin, trạng thái sạc và chênh lệch điện áp giữa các cell.

Đối với hệ thống điện mặt trời, cần kiểm tra điện áp DC của chuỗi pin và điện áp AC/DC tại các điểm phù hợp để đảm bảo chúng nằm trong phạm vi hoạt động của bộ biến tần và thiết bị liên quan.

Sử dụng thiết bị đo điện áp trong các ứng dụng công nghiệp

Trong công nghiệp điện, bộ ghi dữ liệu và hệ thống giám sát điện áp có thể được sử dụng để theo dõi điện áp trong thời gian dài và phát hiện các hiện tượng bất thường hoặc quá độ. Dữ liệu có thể được tích hợp vào hệ thống giám sát và điều khiển như SCADA để hỗ trợ phát hiện sự cố và bảo trì.

Thiết bị kiểm tra máy cắt có thể thực hiện nhiều phép thử khác nhau, trong đó một số hệ thống có thể kết hợp kiểm tra thời gian đóng cắt, điện trở tiếp xúc và các thông số điện liên quan. Các phép thử này không nên được mô tả đơn giản là "kiểm tra kích hoạt máy cắt".

Thiết bị định vị sự cố cáp có thể sử dụng các phương pháp như phản xạ miền thời gian (TDR), phản xạ xung điện áp cao hoặc các kỹ thuật khác để xác định vị trí sự cố. Phương pháp cụ thể phụ thuộc vào loại cáp và dạng sự cố.

Trong các hệ thống năng lượng tái tạo, điện áp đầu ra của các bộ biến tần có thể được giám sát để đánh giá hoạt động của hệ thống. Bộ ghi dữ liệu và hệ thống SCADA có thể liên tục thu thập điện áp, dòng điện, công suất và các thông số khác, đồng thời phát cảnh báo khi phát hiện giá trị bất thường.

So sánh các thiết bị đo điện áp hàng đầu

Việc lựa chọn thiết bị đo điện áp nên dựa trên điện áp cần đo, AC/DC, dải tần, độ chính xác, độ phân giải, True RMS, cấp an toàn CAT, môi trường làm việc và các chức năng bổ sung. Không nên xếp hạng một thiết bị là "hàng đầu" nếu không có tiêu chí đánh giá cụ thể.

Nghiên cứu trường hợp thực tế: Lợi tức đầu tư vào đo điện áp

Các hệ thống giám sát điện áp liên tục có thể giúp doanh nghiệp điện lực và cơ sở công nghiệp phát hiện xu hướng bất thường, quá độ và các vấn đề về chất lượng điện năng sớm hơn so với việc chỉ kiểm tra thủ công định kỳ.

Tuy nhiên, các tuyên bố cụ thể như giảm 30% thời gian ngừng hoạt động, giảm 25% yêu cầu bảo hành hoặc tăng 15% hiệu suất hệ thống cần có dữ liệu và nguồn độc lập cho từng trường hợp. Không nên trình bày các con số này như kết quả phổ quát nếu không có nghiên cứu hoặc báo cáo có thể kiểm chứng.

Xu hướng tương lai trong công nghệ đo điện áp

Các hệ thống đo điện áp đang ngày càng được tích hợp với khả năng ghi dữ liệu, kết nối mạng, giám sát từ xa và phân tích dữ liệu. Trong các hệ thống điện và năng lượng tái tạo, cảm biến và thiết bị đo kết nối mạng có thể cung cấp dữ liệu theo thời gian thực hoặc gần thời gian thực cho hệ thống giám sát.

Máy hiện sóng và thiết bị phân tích hiện đại cũng có thể sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu để phát hiện bất thường, quá độ và các sự kiện chất lượng điện năng. Tuy nhiên, các tuyên bố rằng AI sẽ "cách mạng hóa" đo điện áp hoặc rằng đầu dò nano sẽ cung cấp độ phân giải dưới milivolt cho máy tính lượng tử cần được xem là dự báo công nghệ, không phải tính năng đã được chứng minh phổ biến.

Điện toán biên có thể được sử dụng để xử lý dữ liệu điện áp, dòng điện và nhiệt độ ngay tại thiết bị, giảm lượng dữ liệu phải truyền về hệ thống trung tâm. Kết nối không dây cũng có thể hỗ trợ giám sát từ xa trong những ứng dụng phù hợp. Tuy nhiên, đối với các phép đo điện áp cao và môi trường có nguy cơ cao, việc sử dụng kết nối không dây hoặc 5G không loại bỏ yêu cầu về thiết bị đo được đánh giá đúng tiêu chuẩn, cách ly điện và quy trình an toàn.