Mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò dùng cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V

Nội dung text: Mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò dùng cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 50, 4-2015, tr.96-100 MẠCH TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN VÀ NỐI NGẮN MẠCH PHA RÒ DÙNG CHO MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ ĐIỆN ÁP 1140V KIM NGỌC LINH, KIM CẨM ÁNH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất NGUYỄN VĂN QUÂN, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Tóm tắt: Để đảm bảo điều kiện an toàn điện giật, các rơle bảo vệ rò dùng cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V cần phải có thêm chức năng phát hiện và tự động nối ngắn mạch pha rò xuống đất. Thiết bị phát hiện và tự động nối ngắn mạch pha phải có thời gian tác động nhanh, độ nhạy và độ tin cậy xác định pha rò cao. Nhóm tác giả đã đề xuất một sơ đồ mạch phát hiện và tự động nối ngắn mạch pha rò làm việc theo nguyên lý phản ứng với hiệu số giữa trị hiệu dụng điện áp của pha có pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại và điện áp thứ tự không. Kết quả mô phỏng trên mô hình Matlab Simulink và Electronic Workbench cho thấy sơ đồ có độ tin cậy xác định pha rò cao, độ nhạy không thấp hơn 18 k /pha, thời gian phát hiện pha rò không lớn hơn 20ms, tổng thời gian phát hiện và nối ngắn mạch pha không lớn hơn 50ms. 1. Đặt vấn đề 2. Kết quả nghiên cứu Trong các mỏ hầm lò sử dụng rộng rãi Nguyên lý nối ngắn mạch pha rò dựa trên việc phát hiện pha có điện trở cách điện giảm và mạng điện ba pha có trung tính cách ly. Nhằm đảm bảo an toàn về phương diện điện giật, Quy nối ngắn mạch pha đó qua điện trở nhỏ xuống chuẩn Kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai đất. Phương pháp này làm giảm dòng rò qua thác than hầm lò buộc phải trang bị cho mạng người dựa trên nguyên lý mắc song song một điện hầm lò các thiết bị bảo vệ rò. Đối với cấp điện trở nhỏ với cơ thể người khi chạm vào một điện áp 380V và 660V, các thiết bị bảo vệ rò pha của mạng. hiện đang được sử dụng trong các mỏ hầm lò Khi chọn giải pháp nối ngắn mạch pha vùng Quảng Ninh đều có nguyên lý làm việc mạng điện áp 1140V, việc tính toán theo các giống nhau là dựa trên sử dụng dòng công tác nguyên tắc: thiết bị nối ngắn mạch được tính một chiều để kiểm tra điện trở cách điện của với trị số điện dung cực đại cho phép của mạng mạng; để giảm dòng rò khoảnh khắc qua người điện khu vực mỏ hầm lò là 1F / pha ; tổng thời áp dụng giải pháp bù thành phần điện dung của gian phát hiện và nối ngắn mạch pha rò kể từ dòng điện rò. Đối với mạng điện mỏ hầm lò thời điểm người chạm vào một pha của mạng điện áp 1140V, do mức điện áp cao và trong không được vượt quá 0,17s; điện lượng qua mạng có các động cơ công suất lớn nên bù điện người không lớn hơn 50mAs và xét trong dung không đảm bảo được điều kiện an toàn trường hợp mạch không có bù thành phần điện điện giật. Vì vậy, để giảm dòng rò khoảnh khắc dung của dòng điện rò [3], [4]. và đảm bảo an toàn điện giật, thiết bị bảo vệ rò Để điều khiển thiết bị nối ngắn mạch pha có dùng cho mạng 1140V cần phải có thêm chức người chạm phải xuống đất phải xác định được năng phát hiện và tự động nối ngắn mạch pha rò chính xác pha người chạm phải hoặc bị rò. Có [1], [2]. Mục đích của nghiên cứu này nhằm đề nhiều nguyên lý để thực hiện công việc này. xuất một sơ đồ mạch có khả năng phát hiện và Trong đó, thiết bị phát hiện pha người chạm tự động nối ngắn mạch pha rò xuống đất đảm phải phản ứng theo hiệu số giữa trị hiệu dụng bảo tính tác động nhanh, có độ nhạy và độ tin điện áp của pha có pha vượt trước và tổ hợp cậy cao. điện áp hai pha còn lại với điện áp thứ tự không có độ nhạy và độ tin cậy cao nhất [4]. 96
2. Đối với các thiết bị làm việc theo nguyên lý Ngoài ra, để đảm bảo xác định chính xác này, để đảm bảo khả năng làm việc tin cậy và pha người chạm phải, khi xẩy ra ngắn mạch pha độ nhạy lớn nhất, trị số điện áp ở cửa vào của A xuống đất, điện áp cửa vào cơ cấu thừa hành bộ phận thừa hành nối ngắn mạch mỗi pha phải nối ngắn mạch pha C cần phải không lớn hơn 0. được xác định theo các biểu thức [4]: Điều này đồng thời đảm bảo điện áp vào trên cơ Uv (A) k1UC (k2U A k3UB k4U0 ), (1) cấu thừa hành nối ngắn mạch pha B có giá trị âm. Uv (B) k1U A (k2U B k3UC k4U0 ) , (2) Từ (3) xét điều kiện giới hạn Uv(C)=0 có: Uv (C) k1UB (k2UC k3U A k4U0 ) , (3) 0 k1 3U f (k2 3U f k4U f ) trong đó ký hiệu Uv(A), Uv(B), Uv(C) tương ứng U 3(k k ) k 0 . (7) là điện áp ở cửa vào của cơ cấu thừa hành nối f  1 2 4  ngắn mạch các pha A, B và C; UA, UB, UC, U0 Từ (4), (6) và (7) ta có hệ ba phương trình : là trị số hiệu dụng của điện áp các pha của k1 k2 k3 0;  mạng và điện áp trung tính của biến áp so với 3(k1 k3 ) k4 3; (8) đất (điện áp thứ tự không); k1, k2, k3, k4 tương ứng là hệ số của các điện áp pha vượt pha 3(k1 k2 ) k4 0.  trước, pha người chạm phải, pha chậm pha Từ (8) có sau và điện áp thứ tự không. k2 k3 1; k1 k2 k3; k4 3(k1 k2 ) 3k3 Giá trị tối ưu của các hệ số k , k , k và k 1 2 3 4 Nếu chọn hệ số của điện áp pha chậm sau được xác định theo hai trường hợp giới hạn k =1 ta tìm được hệ số tối ưu các điện áp pha (giả thiết rò pha A). 3 vượt trước, pha chạm đất, pha chậm sau và điện - Khi không có rò ứng với Uv(A)=0 có: áp thứ tự không: UUUU,U 0 A B C f 0 (4) k 3;k 2;k 1;k 3 . (9) U (k k k ) 0 1 2 3 4 f 1 2 3 Từ (9) suy ra giữa trị số hiệu dụng của - Khi pha A bị ngắn mạch xuống đất các điện áp theo thứ tự trên phải tuân theo một ứng với Uv(A)= 3U f có: tỷ lệ: 3: 2 :1: 3 sẽ đảm bảo độ nhạy lớn nhất U 0,U U 3U ,U U . (5) và xác định chính xác pha người chạm phải A B C f 0 f trong mạng ba pha trung tính cách ly. Từ (1) suy ra: Để kiểm tra độ nhạy và độ tin cậy của 3U f k1 3U f (k3 3U f k4U f ) mạch xác định pha rò theo thuật toán (9) đã tiến hành mô phỏng trên Matlab Simulink. Sơ đồ U f  3(k1 k3) k4  3U f . (6) mô phỏng trên hình 1. Hình 1. Mô hình Matlab Simulink mô phỏng mạch xác định pha rò 97
3. Kết quả mô phỏng vẽ được 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 2 và 3. 20.0 20.0 U v ,V U v ,V U v (A) U v (A) 10.0 10.0 Rro ,k C,F 0.0 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -10.0 -10.0 U v (C) -20.0 -20.0 U v (C) -30.0 -30.0 U (B) U (B) v -40.0 v -40.0 -50.0 -50.0 Hình 2. Sự phụ thuộc của điện áp vào cơ Hình 3. Sự phụ thuộc của điện áp vào cơ cấu cấu thừa hành nối ngắn mạch các pha khi thừa hành nối ngắn mạch các pha khi điện điện trở rò thay đổi thay đổi dung của mạng thay đổi Từ đồ thị hình 2 và 3 cho thấy, khi điện trở rò thay đổi từ 1  đến 40 k , điện dung của mạng trong phạm vi thay đổi từ 0,01 F đến 2,5 F , điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn mạch pha A luôn dương, điện áp vào pha B và C luôn có giá trị âm. Điều này cho thấy, thiết bị tự động phát hiện pha con người chạm phải phản ứng theo hiệu số trị hiệu dụng giữa điện áp pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại và điện áp thứ tự không, có khả năng đảm bảo độ nhạy và độ tin cậy phát hiện pha rò rất cao. Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện và tự động nối ngắn mạch pha được thiết kế như hình 4. A B C A r 12V nm C C C 6 6 6 C5 C5 C5 R19 R18 OptoTriac1 R 20 R U R R1 21 v( A) 15 NOR1 R4 R44 R42 R40 R R46 2 D7 Dz1 BJT1 R22 OA4 OA1 R 36 Dz R R23 2 3 B C1 D1 rnm 12V D8 D2 R47 R25 R 37 R 24 OptoTriac2 R 26 C R U R OA2 D3 R5 2 27 v(B) 16 NOR2 R8 R R D9 6 45 BJT 2 R OA5 Dz3 28 R 12V C 38 R Dz4 R D4 29 7 C3 R r R 14 nm 43 12V D10 R U 13 CA R td 1 OptoTriac3 R 31 39 R30 D5 R 32 D6 C R R9 R41 4 33 Uv(C) R17 R12 R 10 OA6 Dz5 BJT3 R34 Dz OA3 R NOR3 R35 6 11 Hình 4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha 98
4. Sơ đồ gồm mạch lấy mẫu tín hiệu điện áp và OA3 bằng 0, khuếch đại thuật toán bão hòa các pha và điện áp thứ tự không, mạch thuật dương và các đầu ra ở mức logic 1. Mức logic toán phát hiện pha rò, mạch thừa hành nối ngắn này làm các đầu ra của NOR1, NOR2 và NOR3 mạch các pha và mạch khóa liên động. ở mức 0. Các tranzito BJT1, BJT2 và BJT3 ở Trong sơ đồ có 3 kênh giống nhau. Ở mỗi trạng khóa khiến cho các OptoTriac ở trạng thái kênh mạch lấy mẫu điện áp pha dùng mạch hở mạch đầu ra. phân áp gồm tụ điện và hai điện trở (ví dụ pha Khi xuất hiện rò một pha qua điện trở rò, ví A là C5, R41, R42). Lấy mẫu điện áp thứ tự dụ con người chạm phải pha A, điện áp đầu ra không dùng bộ tụ điện đấu sao C6 và mạch phân của OA4 là UV(A) có giá trị dương vượt quá giá áp R46, R47. Tạo điện áp tỷ lệ với trị số hiệu trị ngưỡng Utđ làm OA1 chuyển sang bão hòa dụng UA, UB, UC và U0 dùng các mạch chỉnh âm, điện áp đầu ra của OA5 và OA6 có giá trị lưu nửa chu kỳ có lọc bằng tụ điện 10 F . Tín âm nên OA2 và OA3 vẫn ở trạng thái bão hòa hiệu ra của mạch này tỷ lệ với điện áp các pha dương như trước. Tín hiệu đầu ra OA1 ở mức 0 của mạng so với đất, cùng với điện áp thứ tự làm đầu ra NOR1 ở mức 1, tranzito BJT1 mở không được đưa tới đầu vào các mạch thuật bão hòa cấp điện cho OptoTriac 1 mắc sun điện toán xác định pha rò là các bộ cộng trừ dùng trở rò qua điện trở Rnm. Đồng thời, mức logic 1 khuếch đại thuật toán OA4, OA5 và OA6. Bộ ở cửa ra của NOR1 qua điôt D1 và D2 đưa tới phận quan trọng nhất của sơ đồ là mạch thuật đầu vào thứ hai của các phần tử NOR3 và toán xác định pha có rò. Yêu cầu mạch này phải NOR2 của kênh C và B làm cho đầu ra của thực hiện thuật toán tính điện áp vào cơ cấu chúng ở mức logic 0, khóa liên động không cho thừa hành nối ngắn mạch pha (ví dụ pha A) theo phép OptoTriac của hai pha còn lại tác động. quan hệ U (A) 3U (2U U 3U . Để kiểm tra khả năng làm việc của sơ đồ đã v C A B 0 tiến hành mô phỏng trên phần mềm Electronic Điện áp ra mạch thuật toán xác định pha rò Workbench. Kết quả mô phỏng khi mạng không được đưa tới điều khiển khâu thừa hành nối có rò trên hình 5 và khi có rò một pha qua điện ngắn mạch các pha. Phần tử logic NOR1,2.3 và trở 1 k trên hình 6. Khảo sát thời gian tác các điôt D1-D6 làm chức năng khóa liên động động của sơ đồ khi rò một pha qua điện trở để đảm bảo các rơle nối ngắn mạch các pha 1 cũng được thể hiện trên hình 6. Từ đồ thị không được tác động đồng thời. Rơle nối ngắn trên hình 6 cho thấy, thời gian tác động của mạch phải có tiếp điểm đóng được dòng khoảng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha 300mA và chịu được điện áp pha của mạng. không vượt quá 50ms (thời gian cho phép là từ Trong sơ đồ chọn rơle không tiếp điểm là 0,12s đến 0,17s). Điều này chứng tỏ sơ đồ có OptoTriac loại FOD4208. thời gian tác động nhanh, đáp ứng tốt yêu cầu Nguyên lý làm việc của sơ đồ của thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch Khi không có rò một pha (hoặc rò đối xứng pha. ba pha), điện áp ra của ba kênh đưa tới đầu không đảo của khuếch đại thuật toán OA1, OA2 Hình 5 . Mạch tự động nối ngắn mạch pha Hình 6. Mạch tự động nối ngắn mạch pha khi không có rò khi rò pha B qua điện trở 1 99
5. Kết quả mô phỏng cho thấy, độ nhạy của sơ - Kết quả nghiên cứu trên có thể tham khảo đồ khi điện dung và điện trở cách điện của để thiết kế mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạng so với đất C 1F / pha , mạch pha rò dùng cho các mạng điện mỏ cấp R 60k/ pha là không thấp hơn 18k / pha ; điện áp 6kV, nhằm đảm bảo điều kiện an toàn thời gian phát hiện rò khi rò một pha qua điện điện giật. trở 1k là không quá 20ms; tổng thời gian phát hiện và nối ngắn mạch pha khi rò một pha qua TÀI LIỆU THAM KHẢO điện trở 1k là không quá 50ms; giá trị lớn nhất của dòng rò khoảnh khắc sau khi nối ngắn [1]. Kim Ngọc Linh, Kim Cẩm Ánh, Nguyễn mạch pha không quá 30mA. Văn Quân, 2014. Hạn chế dòng điện rò trong 3. Kết luận mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V bằng giải - Mạch tự động phát hiện pha rò phản ứng pháp nối ngắn mạch pha. Tạp chí Công nghiệp theo hiệu số giữa trị hiệu dụng điện áp của pha Mỏ, số 4/2014, tr. 7-10. có pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn [2]. Bapeник E.A., Пpинципы пocтpoeния lại với điện áp thứ tự không theo quan hệ tỷ lệ зашиты от токoв утeчки для ceтeй (9) có độ nhạy và độ tin cậy xác định pha rò нaпpяжeниeм 1200 B, cao, phù hợp với điều kiện các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V. 1.pdf - Sơ đồ mạch tự động phát hiện và nối [3]. Новоселов В.А., 2013. Элетрификация ngắn mạch pha rò được thiết kế trên hình 4 có подженых горных работ, Новокузнецк. cấu tạo đơn giản, thời gian tác động nhanh, độ [4]. Ягудаев Б.М. Серов В.И., Шуцкий В.И., nhạy và độ tin cậy xác định pha rò cao, có thể 1985. Методы и средства борьбы с sử dụng các linh kiện điện tử thông dụng. замыканиями на землю, "Наука", Москва. ABSTRACT An automatic detection and earthed leakage phase circuit for 1140V underground mine power supply system Kim Ngoc Linh, Kim Cam Anh, Hanoi University of Mining and Geology Nguyen Van Quan, Quang Ninh University of Industry To ensure safe conditions of electric shock, protective relays apllied in the 1140V underground mine power supply system must have the automatic detection and earthed leakage phase functions. These relays should have fast response time; sensitivity and reliability in the case of detect the leakage phase. In this paper, authors propose an automatic detection and earthed leakage phase circuit diagram. The circuit operates based on difference between RMS value of lead- phase voltage and combination of two lag-phases and zero sequence voltages. The Matlab Simulink and Electronic Workbench simulation results show that proposed circuit have high reliability for leakage phase detection; sesitivity no less than 18 k per phase; detection time for leakage phase less than 20 ms; total time for detection and earthed the leakage phase is not exceed 50ms. 100