1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN VĂN QUÂN
NGHIÊN CỨU ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN AN TOÀN
ĐIỆN GIẬT TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ
HẦM LÒ ĐIỆN ÁP 1140V VÙNG QUẢNG NINH
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 62.52.02.02
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2015
2
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
- Ở Việt Nam, cấp điện áp 1140V đã được sử dụng nhiều năm
nay và chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rãi trong thời gian tới. Tuy
nhiên, vấn đề đảm bảo điều kiện an toàn điện giật cho các mạng điện
hầm lò điện áp 1140V hầu như chưa có công trình nghiên cứu nào ở
trong nước đề cập đến.
- Mạng điện 1140V so với mạng 660V có nhiều đặc điểm khác
như điện áp cao, tải là các động cơ công suất lớn hàng trăm kW, cáp
sử dụng là loại có điện dung lớn.
- Nhiều nghiên cứu cho thấy điện lượng do dòng rò tạo bởi sức
điện động ngược của động cơ trong mạng 1140V lớn hơn rất nhiều
điện lượng an toàn (50mAs). Đây là nguy cơ rất lớn có thể gây ra tai
nạn điện giật trong các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V.
- Những giải pháp hạn chế dòng điện rò đã được áp dụng cho
mạng 380V và 660V có thể không đảm bảo được điều kiện an toàn
điện giật cho mạng 1140V.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án
- Lựa chọn phương pháp đo phù hợp xác định thông số cách điện
các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
- Xây dựng mô hình mô phỏng dựa trên Matlab Simulink tính
dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một pha của
mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện rò qua người
khi chạm vào một pha của mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V.
- Đề xuất giải pháp đảm bảo điều kiện an toàn điện giật khi vận hành
các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
3. Đối tượng nghiên cứu
3
Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là các mạng điện mỏ
hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
4. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ của đề tài luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên
cứu nhằm đề xuất các giải pháp đảm bảo điều kiện an toàn điện giật
cho các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh,
không xét đến điều kiện an toàn cháy nổ.
5. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan các nghiên cứu về điều kiện an toàn điện giật trong
các mạng điện mỏ hầm lò điện áp dưới 1200V ở Việt Nam và trên
thế giới.
- Nghiên cứu các phương pháp đo thông số cách điện của mạng
điện ba pha trung tính cách ly. Lựa chọn phương pháp, thiết kế dụng
cụ đo và đo thực nghiệm thông số cách điện các mạng điện 1140V ở
các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.
- Xây dựng mô hình mạch, mô hình Matlab Simulink tính dòng
điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một pha của mạng
điện mỏ hầm lò điện áp 1140V có kể đến ảnh hưởng sức điện động
ngược của động cơ công suất lớn.
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn điện giật
mạng 1140V trong điều kiện thực tế các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận án
Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng được mô hình mạch và mô hình Matlab Simulink
tính dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một pha
mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V có kể đến ảnh hưởng do sức
điện động ngược của các động cơ công suất lớn khi ngắt khỏi nguồn
cung cấp.
4
- Xây dựng được sơ đồ nguyên lý mạch của thiết bị tự động phát
hiện và nối ngắn mạch pha theo nguyên lý phản ứng với hiệu số giữa
trị tuyệt đối của điện áp có pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha
còn lại với điện áp thứ tự không.
Ý nghĩa thực tiễn
- Xác định được mức điện dung giới hạn cần bù và trị số điện
cảm bù cho các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng
Ninh khi áp dụng giải pháp tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha.
- Kết quả nghiên cứu của luận án giúp ích cho việc thiết kế, chế
tạo thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha, nhằm đảm bảo
điều kiện an toàn điện giật khi vận hành các mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
7. Những điểm mới của luận án
- Lựa chọn phương pháp phù hợp và thiết kế sơ đồ đo áp dụng
cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh. Đo thực
nghiệm xác định được thông số cách điện các mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
- Xây dựng được mô hình mạch và mô hình Matlab Simulink
tính dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một pha của
mạng điện 1140V có kể đến ảnh hưởng sức điện động ngược của các
động cơ công suất lớn.
- Thiết kế được sơ đồ nguyên lý mạch của thiết bị tự động phát
hiện và nối ngắn mạch pha theo nguyên lý phản ứng với hiệu số giữa
trị tuyệt đối của điện áp có pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha
còn lại với điện áp thứ tự không.
- Xác định được điện dung giới hạn cần bù và phương pháp bù
phù hợp cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh
khi áp dụng giải pháp tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha.
5
8. Các luận điểm bảo vệ
- Sức điện động ngược của động cơ làm tăng đáng kể thời gian
tồn tại của dòng điện rò qua người và điện lượng do dòng điện này gây
ra có thể vượt quá nhiều lần điện lượng an toàn cho phép (Qat =
50mA). Vì vậy, để đảm bảo điều kiện an toàn điện giật khi vận hành
mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V phải áp dụng giải pháp tự động
nối ngắn mạch pha có rò.
- Mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò được thiết kế
theo nguyên tắc phản ứng với hiệu số trị tuyệt đối giữa điện áp pha
vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại với điện áp thứ tự
không, có độ nhạy và độ tin cậy xác định pha rò cao, cấu tạo đơn
giản, thời gian tác động nhanh, có thể sử dụng các linh kiện điện tử
thông dụng hiện có trong nước là phù hợp với điều kiện mạng điện
mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
- Trong điều kiện thông số cách điện các mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V vùng Quảng Ninh như hiện tại (điện dung nhỏ ), nếu
áp dụng giải pháp tự động nối ngắn mạch pha qua điện trở 100Ω,
không cần sử dụng mạch bù điện dung. Điện dung giới hạn khi
không cần áp dụng giải pháp bù điện dung là C = 0,5µF/pha. Khi
điện dung của mạng (0,5µF/pha < C < 1µF/pha), áp dụng phương
pháp bù tĩnh với điện cảm bù Lb = 10,2H .
Chương 1
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU KIỆN AN TOÀN
ĐIỆN GIẬT TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ ĐIỆN
ÁP DƯỚI 1200V VÙNG QUẢNG NINH
1.1. Tổng quan các nghiên cứu về điều kiện an toàn điện giật
trong các mạng điện hạ áp (điện áp 380V và 660V) khu vực mỏ
hầm lò vùng Quảng Ninh
6
1.1.1. Tổng quan các nghiên cứu về trạng thái cách điện mạng
điện hạ áp khu vực hầm lò vùng Quảng Ninh [4]
Vấn đề đảm bảo an toàn điện giật trong các mạng điện mỏ hầm
lò cấp điện áp 380V và 660V đã được nhiều tác giả trong và ngoài
nước nghiên cứu. Các công trình nghiên cứu tập trung vào các hướng:
- Nghiên cứu các phương pháp đo thực nghiệm xác định thông
số cách điện của mạng điện mỏ;
- Nghiên cứu các giải pháp làm giảm dòng điện rò qua người
-
khi chạm vào một pha của mạng điện mỏ;
- Nghiên cứu xác định qui luật phụ thuộc giữa điện trở cách điện
và điện dung của mạng với số lượng thiết bị và chiều dài mạng cáp
đấu vào một máy biến áp khu vực; v.v...
1.1.2. Tổng quan nghiên cứu về thiết bị bảo vệ rò mạng điện hạ
áp khu vực mỏ hầm lò [4]
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về điều kiện an toàn điện giật
trong các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
- Đối với mạng ba pha trung tính cách ly điện áp trên 1000V,
các tác giả Skrabex Ph. P., Mexiax E. P., Varenik E. A. đã xây dựng
cơ sở lý thuyết phương pháp đo thông số cách điện của mạng bằng
hai nguồn đo tần số 100 và 200Hz, đưa ra sơ đồ chức năng của hệ
thống kiểm tra tự động điện trở cách điện của mạng [51], [52], [53].
- Nghiên cứu về dòng điện rò gây bởi sức điện động ngược của
động cơ trong mạng 1140V sau khi cắt khỏi lưới, có các công trình
nghiên cứu của Đdiuban V. S., Iaguđaep B. M.[55], Bildey Katya
[16], Marenych K., Vasylets S., Kovalyova I. [17].
- Đối với các mạng điện mỏ điện áp 1140V có sử dụng biến tần,
trong công trình [30], các tác giả Marenik K. N., Ruxian X. A.,
Đubinin M. X. đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình quá độ đến sự
7
làm việc ổn định của rơle rò. Kết quả đã xây dựng được mô hình
toán cho việc xét các yếu tố trên.
- Nghiên cứu đảm bảo điều kiện an toàn điện trong các mạng điện
mỏ điện áp 1140V có sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất còn có
các công trình của Petrushin E. I. [33], Xavitsky V. N., Belôsitôv A. I.,
Xavitsky A. V. [36], Xmagulôva K. K. [40].
- Nghiên cứu về thiết bị bảo vệ rò mạng 1140V, trong công trình
nghiên cứu của mình, Varenik E. A. đã đề xuất các nguyên lý để xây
dựng thiết bị kiểm tra cách điện và bảo vệ rò mạng 1140V theo sơ đồ
khối: khối kiểm tra cách điện, khối tự động hiệu chỉnh bù điện dung,
khối xác định và nối ngắn mạch pha, khối bảo vệ ngắt khi điện trở
cách điện giảm đến mức nguy hiểm.
- Tác giả cũng kết luận rằng, với mức điện áp 1200V để giảm
dòng rò khoảnh khắc và đảm bảo an toàn điện giật thiết bị bảo vệ rò
cần phải có thêm chức năng phát hiện và nối ngắn mạch pha [22].
- Nghiên cứu về thiết bị xác định và nối ngắn mạch pha có các
công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, đề cập đến nhiều khía
cạnh khác nhau như:
- Thuật toán xác định pha con người chạm phải có tính đến sự
mất đối xứng của mạng của Chornôux E. V. [45];
- Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao trong các mạng 1140V có sử
dụng biến tần đến chế độ làm việc của thiết bị phát hiện và nối ngắn
mạch pha của Chornôux E. V [46];
- Sơ đồ thiết bị phát hiện và nối ngắn mạch pha dùng các phần
tử logic [42].
- Ở các nước thuộc Liên Xô cũ, đối với mạng 1140V, từ những năm
sáu mươi của thế kỷ XX đã sử dụng rơle rò loại РУ-1140.
8
- Từ năm 1985 trong các mạng điện áp 1140V ở các nước thuộc
Liên Xô cũ sử dụng loại rơle rò АЗУР-4 với chế độ bù tĩnh và có
khối nối ngắn mạch pha hư hỏng cách điện.
- Từ năm 2010, trong các mạng điện mỏ điện áp 1140V đã đưa
vào vận hành rơle rò loại АЗУР-4М có ứng dụng kỹ thuật vi xử lý
[31], [35].
- Đặc điểm nổi bật khác với các rơle rò 380V và 660V, rơle rò
1140V của Nga có bộ hạn chế dòng rò khoảnh khắc đến giá trị an
toàn bằng giải pháp nối ngắn mạch pha rò xuống đất.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Mặc dù cấp điện áp 1140V đã được sử dụng nhiều năm nay ở
một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh nhưng hầu như chưa có một
công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề đảm bảo an toàn điện
giật khi vận hành mạng. Các tiêu chuẩn lắp đặt và vận hành mạng
điện mỏ hầm lò cấp điện áp 1140V vẫn chưa có một văn bản riêng.
Về cơ bản chúng vẫn được thực hiện theo [1].
Nhận xét chương 1
Đặc điểm khác cơ bản của các mạng điện mỏ hầm lò điện áp
1140V so với các mạng điện 380V và 660V là sự có mặt của các
động cơ không đồng bộ ba pha có công suất hàng trăm kW. Năng
lượng khi ngắt các động cơ này có thể gây ra một điện lượng lớn hơn
nhiều lần điện lượng an toàn cho phép (Qat = 50mAs) [35]. Vì vậy,
nếu chỉ áp dụng các giải pháp đảm bảo an toàn điện giật như trong
mạng 380V và 660V có thể không đảm bảo điều kiện an toàn trong
mạng 1140V.
Giải pháp tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò mặc dù đã
được sử dụng trong các rơle rò cấp điện áp 1140V của các nước thuộc
Liên Xô cũ từ những năm 60 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, vấn đề nghiên
9
cứu để đạt được độ nhạy và độ tin cậy xác định pha rò cao của thiết bị
vẫn luôn là một bài toán có tính thời sự.
Ở Việt Nam, cấp điện áp 1140V đã được sử dụng nhiều năm nay
và chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rãi trong thời gian tới. Tuy nhiên,
vấn đề đảm bảo điều kiện an toàn điện giật cho các mạng điện hầm lò
điện áp 1140V hầu như chưa có công trình nghiên cứu nào đề cập đến.
Chương 2
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI CÁCH ĐIỆN CÁC MẠNG ĐIỆN
MỎ HẦM LÒ ĐIỆN ÁP 1140V VÙNG QUẢNG NINH
2.1. Tổ chức cung cấp điện 1140V mỏ hầm lò Quảng Ninh
2.1.1. Các phương án cung cấp điện cho khu vực lò chợ và lò
chuẩn bị điện áp 1140V
2.1.2. Tổ chức cung cấp điện 1140V trong các mỏ hầm lò vùng
Quảng Ninh
2.2. Lựa chọn phương pháp đo để xác định thông số cách điện
các mạng 1140V mỏ hầm lò Quảng Ninh
2.2.1. Nghiên cứu các phương pháp đo thông số cách điện của
mạng điện ba pha trung tính cách ly điện áp dưới 1000V
6 phương pháp gồm: Phương pháp không tải và ngắn mạch;
Phương pháp vôn-ampe; Phương pháp sử dụng vôn kế, ampe kế và
oát kế; Phương pháp ba vôn kế 1; Phương pháp ba vôn kế 2; Phương
pháp sử dụng dụng cụ nhạy pha.
2.2.2. Nghiên cứu các phương pháp đo thông số cách điện của
mạng điện ba pha trung tính cách ly điện áp trên 1000V
4 phương pháp gồm: Các phương pháp sử dụng điện áp làm việc
của mạng làm điện áp đo; Các phương pháp sử dụng nguồn điện áp
tần số công nghiệp làm điện áp đo; Các phương pháp sử dụng nguồn
điện áp khác tần số công nghiệp làm điện áp đo; Phương pháp sử dụng
nguồn điện một chiều làm điện áp đo.
10
2.2.3. Lựa chọn phương pháp đo để xác định thông số cách điện
của mạng điện 1140V mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
Phương pháp ba vôn kế 2 có ưu điểm nổi bật là không cần tạo
ngắn mạch nhân tạo, kỹ thuật đo và dụng cụ đo đơn giản, tính toán
tuy phức tạp nhưng nếu kết hợp với máy tính lại thuận lợi nên tác giả
lựa chọn để thiết kế dụng cụ đo các thông số cách điện mạng 1140V
hầm lò vùng Quảng Ninh
CD2
V
CD3
CD1
V1
V2
V3
C f1
Cf 2
Cf 3
Hình 2-21. Sơ đồ nguyên lý đo để xác định thông số cách điện mạng
1140V mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh dùng điện dung phụ
Tính toán thông số cách điện theo phương pháp ba vôn kế 2.
- Điện dẫn và điện trở tổng cách điện được xác định theo các
biểu thức:
(da − d a ) ;
(a − a ) + (d − d )
[a (a − a ) − d (d − d )]
(a − a ) + (d − d )
g∑ =
1
=
R ∑
C∑ =
C
ωC
/
/
f
/
/
f
2
/
/
/
2
/
(2-32)
2
/
/
2
- Các hệ số a, a/, d, d/ được xác định theo biểu thức:
2U
a =
a
/
=
d
d
=
/
2U
U
2
C
2
A
(U
−
/2
A
2
B
6U f
− U
− U
(
6U
2
B
2
3 .U f
U C/ 2 − U
=
2
3 .U
/2
B
f
+ U
/2
B
f
2
C
+ U
)+
/2
C
U
)+
f
U
f
(2-33)
2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số cách điện
các mạng điện 1140V mỏ hầm lò Quảng Ninh
2.3.1. Sai số và khử sai số khi đo thực nghiệm [11]
11
2.3.2. Phân tích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm thông số
cách điện của mạng 1140V vùng Quảng Ninh [14]
Các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh
hiện tại có điện dung cách điện trung bình Ccdtb = 0,39µF hoặc Ctb=
0,13µF/pha, điện trở cách điện trung bình Rcdtb = 75kΩ hoặc Rtb=
225kΩ/pha; điện dung cách điện cực đại Cmax = 0,19µF/pha, điện
trở cách điện nhỏ nhất Rmin = 168kΩ/pha.
Nhận xét chương 2
- Có nhiều phương pháp đo thực nghiệm để xác định thông số
cách điện (điện trở và điện dung của mạng so với đất) của mạng ba
pha trung tính cách ly điện áp trên và dưới 1000V. Mỗi phương pháp
có ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng phù hợp.
- Phương pháp đo điện trở và điện dung cách điện bằng ba vôn
kế 2 có ưu điểm nổi bật là không cần tạo ngắn mạch nhân tạo, kỹ
thuật đo và dụng cụ đo đơn giản, quá trình đo không yêu cầu cắt rơle
bảo vệ rò nên là phù hợp để đo thông số cách điện các mạng điện mỏ
hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh.
- Các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V hiện tại có chiều dài
không lớn, số thiết bị đấu vào mạng không nhiều nên điện dung của
mạng còn nhỏ, điện trở cách điện cao.
Chương 3
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ ĐIỆN ÁP
1140V VỀ PHƯƠNG DIỆN AN TOÀN ĐIỆN GIẬT
3.1. Tổng quan các mô hình mạng điện mỏ hầm lò về phương
diện an toàn điện giật
380V (660V )
u fC
0
B
u fB
u fA
C
A
MC
R
C
R
C
R
C
iro
Rro
Hình 3-1. Mô hình đơn giản tính dòng điện rò qua người
12
Rba
Lba
Rc
Lc
u fC Rba
Lba
Rc
Lc
u fB Rba
Lba
Rc
Lc
380V (660V )
C
B
0
u fA
A
MC
R
R
C
R
C
iro
C
Rro
Hình 3-2. Mô hình kể đến ảnh hưởng của trở kháng biến áp, cáp
Rba
Lba
Rc
Lc
u fC Rba
Lba
Rc
Lc
u fB Rba
Lba
Rc
Lc
380V (660V )
0
u fA
C
Rdc
Ldc
B
Rdc
Ldc
A
Rdc
Ldc
0/
MC
R
R
C
R
C
C
iro
Rro
Hình 3-3. Mô hình kể đến ảnh hưởng của trở kháng biến áp, cáp và
trở kháng tải
3.2. Nghiên cứu xây dựng mô hình mạng điện mỏ hầm lò điện áp
1140V về phương diện an toàn điện giật
3.2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình
3.2.2. Quá trình quá độ khi ngắt động cơ không đồng bộ ba pha
khỏi nguồn cung cấp
3.2.3. Xây dựng mô hình mạch mạng điện mỏ hầm lò điện áp
1140V về phương diện an toàn điện giật
u fA
MC
~ 1140V
A
u fB
B
u fC
C
K1
K3
K2
iro
Z cd 1
Z cd 2
Z cdn
Hình 3-6. Sơ đồ cung cấp điện mạng điện khu vực mỏ hầm lò
u fA
Z ba
MC
Z cc
A
u fB
~ 1140V
B
u fC
C
K1
K2
Kn
Z cm 2
Z cmn
Z cd
K nm
isun
Rnm
K ro
Z cm1
iro
Rro
Z cd 2
Z cd1
Z cdn
Z dc1
Z dc 2
Z dcn
usA1
u sA 2
u sAn
Hình 3-7. Mô hình mạng điện mỏ hầm lò 1140V về an toàn điện giật
13
Để xây dựng mô hình tính dòng rò và điện lượng qua người khi
chạm vào một pha của mạng ba pha trung tính cách ly điện áp 1140V
tác giả sử dụng các giả thiết sau: Coi công suất nguồn cung cấp cho
máy biến áp khu vực là vô hạn; Mạch có thông số tập trung; Xét tải là
động cơ ba pha rôto lồng sóc được cung cấp trực tiếp từ lưới; Coi sức
điện động ngược của động cơ có tần số không đổi; Bỏ qua ảnh hưởng
của sự bão hòa từ trong động cơ.
a) Mô hình nguồn
c) Mô hình trở kháng cách điện
b) Mô hình cáp nhánh và động cơ
d) Mô hình cáp chính
e) Mô hình tổng hợp tính dòng điện rò và điện lượng qua người
Hình 3-10. Mô hình Matlab Simulink tính dòng điện rò và điện
lượng qua người
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến dòng điện rò và
điện lượng qua người khi chạm vào một pha của mạng điện mỏ
1140V
14
3.3.1. Xác định thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi
chạm vào một pha của mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng
Quảng Ninh
Hình 3-11. Thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi không bù
điện dung
Hình 3-12. Thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi có bù
thành phần điện dung của dòng điện rò
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của sức điện động ngược của động cơ
đến dòng điện rò và điện lượng qua người
3.3.3 Khảo sát dòng điện rò và điện lượng qua người khi ngắt một
nhóm động cơ có thông số giống nhau và khác nhau
3.3.4. Khảo sát dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm
vào cáp chính và khi chạm vào cáp nhánh
Hình 3-17. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một
pha của cáp chính mạng 1140V
15
Hình 3-19. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một
pha của cáp nhánh mạng 1140V
3.3.5. Khảo sát dòng điện rò và điện lượng qua người khi áp
dụng giải pháp nối ngắn mạch pha con người chạm phải
- Nối ngắn mạch pha phía nguồn:
t nm = t c
Hình 3-22. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi nối ngắn mạch
pha rnm = 100 Ω với tnm = tc = 0,12s (khi chạm vào cáp nhánh)
- Nối ngắn mạch pha phía tải:
t nm = t c
Hình 3-23. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi nối ngắn mạch
pha phía tải
Nhận xét chương 3
- Thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi không có bù
điện dung là nhỏ hơn 20ms, Khi có bù vượt quá 130ms trong điều
kiện thông số cách điện hiện tại của mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng
Quảng Ninh.
16
- Sức điện động ngược của động cơ làm tăng đáng kể thời gian tồn
tại của dòng điện rò qua người. Vì vậy điện lượng do dòng điện này gây
ra có thể vượt quá nhiều lần điện lượng an toàn cho phép (Qat = 50mAs).
Do ảnh hưởng của sức điện động ngược động cơ, khi người chạm vào
một pha của cáp chính là ít nguy hiểm hơn khi chạm vào một pha của
cáp nhánh.
- Giải pháp nối ngắn mạch pha con người chạm phải làm giảm
đáng kể dòng điện rò và điện lượng qua người. Hiệu quả nhất là nối
ngắn mạch pha phía tải. Tuy nhiên, việc thực hiện giải pháp nối ngắn
mạch pha phía tải khó thực hiện được trong thực tế do điểm chạm
của con người là không thể biết trước. Vì vậy, khả thi hơn là áp dụng
nối ngắn mạch pha tại đầu ra của biến áp khu vực mỏ hầm lò (đặt
trong rơle bảo vệ rò).
Chương 4
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN
AN TOÀN ĐIỆN GIẬT TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM
LÒ ĐIỆN ÁP 1140V VÙNG QUẢNG NINH
4.1. Phân loại các phương pháp và thiết bị đảm bảo điều kiện an
toàn điện giật trong các mạng điện khu vực mỏ hầm lò
Hình 4-1. Phân loại phương pháp và thiết bị bảo vệ tự động khỏi điện
giật trong công nghiệp mỏ
17
4.2. Đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn điện giật áp dụng cho
các mạng điện 1140V mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
4.2.1. Chọn dòng an toàn khoảnh khắc hợp lý
iro
−
e
tc
t2
t1
0
T1
t
TnDC
t
t4
t3
T3
T2
T4
Hình 4-3. Đồ thị mô tả sự biến thiên của dòng điện rò qua người
Đối với mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V cung cấp cho một
khu khai thác có động cơ công suất từ trên 175kW đến 300kW, các
hằng số thời gian TnDC = 1,5s và TDC = 2,5s. Điện lượng chảy qua cơ
thể người trong từng khoảng thời gian được xác định theo các biểu
thức [56]:
Q0 = (T1 + T2 ) I 0 ≈ 0 (I0 là dòng một chiều đo kiểm tra điện
trở cách điện cỡ 0,6mA);
T
1 1 2
;
Q1 = T1
iro dt ≈ 0 Q2 = T2
T1 ∫0
T
1 2 2
iro dt = I roT2 ;
T2 ∫0
T
Q3 = T3
Q4 = T4
1 3 2
;
iroDC dt ≈ 0,76I roT3 ≈ 0,76.I ro .0,6TnDC = 0,456TnDC I ro = 0,684I ro
T3 ∫0
∞
1 /2
iroDC dt ≈ 0,19 I ro/ TDC = 0, 475 I ro/ .
T4 ∫0
Tổng điện lượng qua người:
Q = Q0 + Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ≈ T2 I ro + 0,684I ro + 0,475I ro/
(4-6)
Vậy để đảm bảo điều kiện an toàn điện giật cho mạng 1140V
cần chọn dòng an toàn khoảnh khắc theo điều kiện:
Q ≈ Q2 + Q3 = T2 I ro + 0,684I ro = (tc − tqtqd ) I ro + 0,684I ro ≈ (tc + 0,684) I ro ≤ Qat
Suy ra: I =
ak
Qat
, mA
tc + 0, 684
(4-7)
18
Áp dụng (4-7), nếu lấy Qat = 50mAs, với mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V thời gian tác động của hệ thống bảo vệ rò tc = 0,12s,
I ak = 62 mA . Nếu chọn dòng an toàn khoảnh khắc Iak = 62mA, kết
quả mô phỏng Matlab Simulink trên hình 4-4 cho thấy, điện lượng
qua người ở thời điểm hở mạch tiếp điểm công tắc tơ không vượt quá
50mAs, tức là đảm bảo yêu cầu an toàn điện giật.
Hình 4-4. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi chọn dòng
Iak = 62mA
4.2.2. Áp dụng giải pháp tự động nối ngắn mạch pha rò
C
B
1140V
A
+E
C1
Rnm
C1
C1
C2
R3
C2
R3
C2
R3
3
UA
R1
KC
KB
UB
KA
U V ( A)
+
1
−
2
−
−
3
KA
OA1
BJT 1
Dz1, 2
∑1
R2
R4
R4
3
1
+
−
2
−
R4
3
D1
D2
UC
U0
NOR1
U V (B )
+E
KB
OA2
NOR 2
D3
BJT 2
−
Dz 3,4
D4
∑2
+E
U V (C )
3
1
+
−
2
−
−
3
∑3
D6
KC
OA3
D5
BJT 3
Dz 5,6
NOR3
U tđ
Hình 4-13. Sơ đồ nguyên lý thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn
mạch pha
Phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị phát hiện pha chạm đất
phản ứng theo các dạng tín hiệu vào nêu trên, để phù hợp với thực tế
mạng điện hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh, tác giả đề nghị
xây dựng thiết bị phát hiện pha người chạm phải để điều khiển thiết bị
tự động nối ngắn mạch pha phản ứng theo hiệu số giữa trị tuyệt đối
19
điện áp của pha có pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại
và điện áp thứ tự không (hình 4-13).
Hình 4-15. Mô phỏng đo điện áp khi có rò pha A qua điện trở rò
bằng 1kΩ
Đồ thị mô tả quan hệ phụ thuộc giữa điện áp đưa vào cơ cấu
thừa hành nối ngắn mạch các pha khi điện trở rò và điện dung của
mạng thay đổi như hình 4-17.
20.0
U v ,V
U v ( A)
10.0
Rro , kΩ
0.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
-10.0
U v (C )
-20.0
-30.0
U v (B )
-40.0
-50.0
Hình 4-17. Sự phụ thuộc của điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn
mạch các pha khi điện trở rò thay đổi
20.0
U v ,V
U v ( A)
10.0
C , µF
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
-10.0
-20.0
U v (C )
-30.0
-40.0
U v ( B)
-50.0
Hình 4-18. Sự phụ thuộc của điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn
mạch các pha khi điện dung của mạng thay đổi
20
Từ đồ thị hình 4-17 và 4-18 cho thấy, điện áp vào cơ cấu thừa hành
nối ngắn mạch pha A luôn có giá trị dương, điện áp vào cơ cấu thừa
hành nối ngắn mạch pha B và C luôn có giá trị âm.
A
B
C
A
+ 12V
C6
C6 C6
C5
C5
C5
R19
R18
R20
R21
U v ( A) R15
R44 R42 R40
R46
D7
R36
+
R22
OA4
R23
R4
OA1
B
D1
D2
R25
R37
R24
R26
R27
C2
+
OA5
R28
R38
R29
Dz3
Dz4
R41
C4
U td
R31
R39
R7
R6
R13
OA6
R35
C
+ 12V
CA1
rnm
OptoTriac3
D5
D6
U v (C ) R17
R34
BJT 2
D4
R30
R32
R33
rnm
R5
D3
R14
D10
+
NOR 2
R8
+ 12V
C3
R43
+ 12V
OptoTriac 2
OA2
U v ( B ) R16
D9
R45
R2
R3
D8
+
R1
NOR1
BJT 1
Dz1
Dz 2
C1
R47
rnm
OptoTriac1
Dz5
Dz6
R12
R9
R10
BJT 3
OA3
R11
NOR3
Hình 4-32. Sơ đồ nguyên lý thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn
mạch pha
Hình 4-34. Mạch tự động nối ngắn mạch pha khi rò pha B qua điện
trở 1 kΩ
- Xem thêm -