Bài viết trình bày kết quả xây dựng các biểu thức tính dòng điện rò trong các mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Với kết quả nhận được, lần đầu tiên quy luật biên thiên của dòng điện rò khi có rò một pha từ phần mạch xoay chiều tần số công nghiệp và rò ở phần mạch một chiều của một mạng điện mỏ hỗn hợp được mô tả ở dạng giải tích.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Tính dịng điện rị mạngđiện mỏ hầm lị có sử dụng biến đổi bán dẫn chế độ trình độ Kim Ngọc Linh1, *, Nguyễn Thạc Khánh1, Nguyễn Trường Giang1, Kim Thị Cẩm Ánh1 Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 15/6/2021 Chấp nhận 17/8/2021 Đăng online 20/12/2021 Mạng điện có sử dụng biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) ngày sử dụng nhiều mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Để lựa chọn giải pháp hạn chế hiệu dòng điện rò mạng điện cần phải biết đặc điểm dịng rị phát sinh Bài báo trình bày kết xây dựng biểu thức tính dịng điện rò mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ trình độ Với kết nhận được, lần quy luật biên thiên dòng điện rị có rị pha từ phần mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp rị phần mạch chiều mạng điện mỏ hỗn hợp mơ tả dạng giải tích Các biểu thức có tính tổng qt cho phép tính dịng điện rò chế độ xác lập chế độ trình độ Kết nghiên cứu cịn áp dụng để tính tốn dịng điện rị mạng điện đơn hỗn hợp khơng nối đất khác (mạng AC IT, DC IT AC/DC IT) Từ khóa: Dịng điện rị; mạng điện mỏ; biến đổi bán dẫn; trình độ, sơ đồ tương đương Copyright © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ q trình q độ cịn quan tâm chưa có kết cơng bố Bài báo trình bày kết nghiên cứu chúng tơi tính dịng điện rị phần mạch xoay chiều tần số công nghiệp phần mạch chiều mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ trình độ Kết nghiên cứu Trong tài liệu (Kim Ngọc Linh, 2018; Kim Ngọc Linh nnk, 2020), trình bày kết nghiên cứu tính dịng điện rị mạng điện mỏ có chứa biến đổi (mạng điện mỏ hỗn hợp) Các biểu thức xây dựng cho phép tính tốn dịng điện rị phát sinh rò phần mạng trước biến tần, phần mạng sau biến tần phần mạch điện chiều mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ xác lập Thực tế, nhiều trường hợp cần phải biết rõ tính chất q trình q độ dịng điện rị, ví dụ cần chọn thời gian trễ rơle bảo vệ rị, tính điện lượng qua người để xác định điều kiện an toàn điện giật mạng v.v Mặc dù vậy, vấn đề nghiên cứu tính dịng điện rị Với giả thiết mạng có thơng số tập trung, bỏ qua trở kháng biến áp cáp khơng tính đến trở kháng cách điện pha mạng, sơ đồ tương đương phương diện an toàn điện giật cho mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) hình (Petrichencơ A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2019) HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) MTBT A + B CHỈNH LƯU TẢI MỘT CHIỀU − C MSBT A/ MMC B BIẾN TẦN / C/ BAKV RA RB CA R+ RC CB CC R− C+ ĐC1 R Af C− R Cf R Bf C Af C Bf C Cf ĐC2 Hình Sơ đồ tương đương phương diện an toàn điện giật mạng điện mỏ hỗn hợp 2.1 Tính dịng điện rị có rị phần mạch Trong sơ đồ hình ký hiệu RA, RB, RC, CA, CB, xoay chiều tần số công nghiệp CC điện trở cách điện điện dung pha so với đất phần mạng xoay chiều trước biến tần Với giả thiết phần mạch chỉnh lưu mắc (MTBT); RAf, RBf, RCf, CAf, CBf, CCf điện trở cách trực tiếp không qua biến áp bỏ qua ảnh hưởng điện điện dung pha so với đất phần trở kháng cách điện phần mạng sau biến mạng xoay chiều sau biến tần (MSBT); R+, R-, C+, tần, sơ đồ tính tốn dịng điện rị chạm vào C- điện trở cách điện điện dung cực pha phần mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp dương (+) cực âm (-) so với đất phần mạng (MTBT) mạng điện mỏ hỗn hợp hình chiều (MMC) (Kim Ngọc Linh, 2020) MMC Uf A + MTBT B U0 C − RA RB CA RC CB irò CC irò1 Rrò ĐC1 irò2 R+ R− irị2 + C+ irị2 − C− Hình Sơ đồ tính dịng điện rị có rị pha phần mạch điện xoay chiều Trong sơ đồ hình ký hiệu Rrò điện trở rò; Uf điện áp pha cuộn thứ cấp máy biến áp khu vực; U0 trị số trung bình điện áp chỉnh lưu cầu ba pha ( U 2,34U f ) • Tính dịng điện rị xoay chiều irị1: Sơ đồ tương đương để tính dịng điện rị irị1 hình Khi có rị pha, dịng irị qua điện trở rò Rrò gồm hai thành phần: Thành phần dòng xoay chiều irò1 gây điện trở điện dung cách điện phần mạch xoay chiều MTBT thành phần dịng chiều irị2 có trị số tùy thuộc vào đối xứng điện trở cách điện phần mạch điện chiều MMC HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) U0 / Uf R tđ R irò2 − R C Utđ R− C C tđ irò2− R rò C− Rrò irò1 b) R rị a) Hình Sơ đồ tương đương tính dịng rị irị2Hình Sơ đồ tương đương tính dịng rị irị1 Từ sơ đồ hình hình 4a suy có Trong sơ đồ hình ký hiệu R điện trở cách điện tương đương so với đất phần mạch xoay chiều MTBT (R=RA//RB//RC), C điện dung tương đương MTBT so với đất (C=CA+CB+CC) Giả thiết điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp có dạng u f = 2Uf sin(t + ) suy ra: Trị số dòng điện rò thời điểm t=0: i ro1 (0) = U C (+0) = U C (−0) = U R / 2(R + R − ) Vậy dòng điện rò thời điểm t=0: i ro 2− (0) = U C (+0) / R rò = U R / 2R rò (R + R − ) Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có sơ đồ tính dịng điện rị irị2- hình 4b Trong sơ đồ có U tđ = U R / 2(R + R − ) ; R tđ = (R // R − ) = RR − /(R + R − ) ; C tđ = (C // C − ) = C + C − Từ sơ đồ hình 4b tính thành phần xác lập dịng điện rò: U f sin R ro Thành phần xác lập dòng điện rò: i roxl1 = U f với = arctg R + X C2 R R 2ro + X C2 (R + R ro ) i roxl2− = sin (t + − ) = − R XC , X C = / C R R ro + XC2 (R + R ro ) i ro t d1 = A exp( − t / ) với = R tđ C = RR rò C /(R + R rò ) Xếp chồng kết thay sơ kiện cuối có thành phần xoay chiều dịng điện rị irị1 có dạng: R + X C2 R R 2ro + X C2 (R + R ro ) U0R 2(RR − + RR rò + R − R rò ) Thành phần tự dòng điện rò: i rotd 2− = A exp( pt ) = A exp( − t / 2− ) , RR − R rò (C + C− ) với 2− = RR − + RR rò + R − R rò Xếp chồng kết thay sơ kiện cuối tính dịng rị q trình độ iro2-: Thành phần tự dòng điện rò: i ro1 = U f U tđ U R / 2(R + R − ) = = R tđ + R rò RR − /(R + R − ) + R rò i ro2− = sin (t + − ) + U0R RR − exp( − t / 2− ) 1 + 2(RR − + RR rò + R − R rò ) (R + R − )R rò (2) Một cách tương tự tính đươc thành phần iro2+ dịng điện rò chiều: sin R + X C2 + 2U f − sin( − ) exp( − t / ) R ro R R 2ro + X C2 (R + R ro ) i ro2+ = (1) • Tính dịng điện rị chiều iro2: Dịng điện rị irò2 gồm hai thành phần Thành phần irò2- sơ đồ ba van cực tính âm so với đất gây thành phần irò2+ sơ đồ ba van cực tính dương so với đất gây Sơ đồ tương đương để tính thành phần irị2- dịng rị chiều nêu hình 4a U0R RR + exp( − t / 2+ ) 1 + 2(RR + + RR rò + R + R rò ) (R + R + )R rò (3) RR + R rò (C + C+ ) với 2+ = RR + + RR rò + R + R rò Từ (2) (3) suy dòng rò chiều iro2 = iro2 − − iro2 + bằng: HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) i ro2 = − U0R RR − exp(−t / 2− ) − 1 + 2(RR − + RR rò + R − R rò ) (R + R − )R rò Từ biểu thức (1) (4) tính dòng rò tổng bằng: U0R RR + exp(−t / 2+ 1 + 2(RR + + RR rò + R + R rò ) (R + R + )R rò (4) sin R + X C2 sin (t + − ) + U f − sin( − ) exp( − t / ) + 2 2 2 2 R ro R R ro + X C (R + R ro ) R R ro + X C (R + R ro ) R +X i ro = U f + C U0R U0R RR − RR + exp( − t / 2− ) − exp( − t / 2+ 1 + 1 + 2(RR − + RR rò + R − R rò ) (R + R − )R rò ( RR + RR + R R ) ( R + R ) R + rò + rị + rị 2.2 Tính dịng điện rị phần mạch chiều mắc trực tiếp khơng qua biến áp bỏ qua ảnh hưởng trở kháng cách điện phần mạng sau biến tần, sơ đồ tính tốn dịng điện rị chạm vào dây âm phần mạch điện chiều mạng điện mỏ hỗn hợp hình (Kim Ngọc Linh, 2019) a Tính dịng điện rị bị rị dây âm Xét trường hợp mạng điện mỏ hỗn hợp có chứa phụ tải chiều (hoặc mạng khơng có phụ tải chiều phần chỉnh lưu phần nghịch lưu biến tần có khoảng cách đáng kể), với giả thiết phần mạch chỉnh lưu + MMC Uf A (5) MTBT B U0 C − RA RB CA RC CB ĐC1 CC R− R+ irị− C+ C− Rrị Hình Sơ đồ tính tốn dịng điện rị q trình q độ chạm vào dây âm Dòng điện rò iro- gồm thành phần dòng iro-1 nguồn điện áp cực tính âm nguồn chiều so với đất gây thành phần dòng iro-2 sơ đồ ba van (cực tính âm) so với đất gây (thành phần iro-2 tồn kể đến điện trở điện dung cách điện phần mạng trước biến tần) a) Hình Sơ đồ tính iro-1 chạm vào dây âm Từ sơ đồ hình 6a suy theo luật đóng mở tụ điện có U C− (+0) = U C− (−0) = U R − /(R + + R − ) Vậy dòng điện rò thời điểm t=0: i ro −1 (0) = U C − (+0) / R rò = U R − / R rò (R + + R − ) Từ sơ đồ hình 5, có sơ đồ tương đương để tính thành phần dịng điện rị iro-1 hình 6a U0 Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có sơ đồ tính tốn dịng rị iro-1 hình 6b Trong U tđ = U R − /(R + + R − ) ; R tđ = R + R − /(R + + R − ) ; R tđ Utđ C tđ C+ R− C− Từ sơ đồ hình 6b tính thành phần xác lập dịng điện rò: i ro −1 R rò i ro −1 R+ C tđ = C + + C − R rị b) 10 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) i roxl−1 = i ro − (0) = U C − (+0) / R rò = U R − / 2R rò (R + R − ) U tđ U R − /(R + + R − ) = = R tđ + R rò R + R − /(R + + R − ) + R rò Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có sơ đồ tính tốn dịng điện rị iro-2 tương tự hình 6b, U tđ = U R − / 2(R + R − ) ; R tđ = RR − /(R + R − ) ; C tđ = C + C − Tính thành phần xác lập dòng điện rò từ sơ đồ tương đương: U0R − = R + R − + R + R ro + R − R rò Thành phần tự dòng điện rò: i rotd −1 = A1 exp( pt ) = A1 exp( − t / −1 ) , với −1 = R + R − R rò (C+ + C− ) R + R − + R + R rò + R − R rò i roxl− = Xếp chồng kết thay sơ kiện cuối có kết dịng rị q trình độ: i ro−1 = U0R − R + R − + R + R rò + R − R rò = R +R − exp( − t / −1 ) 1 + ( R + R ) R + − rò i rotd − = A exp( pt ) = A exp( − t / − ) , với − = i ro−2 = C− U0R − RR − exp( − t / −2 ) 1 + 2(RR − + RR rò + R − R rò ) (R + R − )R rò (6) Vậy dòng rò tổng chạm vào dây âm i ro − = i ro −1 + i ro − : i ro − R− RR − R rò (C + C− ) RR − + RR rò + R − R rò Xếp chồng kết thay sơ kiện cuối có kết dịng rị q trình q độ: U0 / C U0R − 2(RR − + RR rò + R − R rò ) Thành phần tự dòng điện rị: (6) Sơ đồ tương đương để tính thành phần dòng điện rò iro-2 sơ đồ ba van cực tính âm so với đất tạo nên (thành phần dịng điện rị tính đến điện trở điện dung cách điện phần mạng trước biến tần) hình R U tđ U R − / 2(R + R − ) = = R tđ + R rò RR − /(R + R − ) + R rò R rò R +R − exp( − t / −1 ) + 1 + ( R + R ) R + − rò U0R − RR − + exp( − t / −2 ) 1 + 2(RR − + RR rò + R − R rò ) (R + R − )R rị i ro− = Hình Sơ đồ tính iro-2 chạm vào dây âm Trong sơ đồ hình có R C điện trở cách điện điện dung tổng phần mạng trước biến tần so với đất (R=RA//RB//RC, C=CA//CB//CC) Từ sơ đồ hình suy có U0R − R + R − + R + R rò + R − R rị (7) b Tính dịng điện rị bị rị dây dương Sơ đồ tính tốn dịng điện rị chạm vào dây dương phần mạch điện chiều mạng điện mỏ hỗn hợp hình U C− (+0) = U C− (−0) = U R − / 2(R + R − ) Vậy dòng điện rò thời điểm t=0: + MMC Uf A MTBT B U0 C − RA RB CA RC CB CC ĐC1 R+ R− irị+ C+ C− R rị Hình Sơ đồ tính tốn dịng điện rị q trình q độ chạm vào dây dương 11 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Dịng điện rị iro+ gồm thành phần dịng điện rị iro+1 nguồn điện áp cực tính dương nguồn chiều so với đất gây thành phần dòng điện rò iro+2 sơ đồ ba van cực tính dương so với đất gây (thành phần iro+2 tồn kể đến điện trở điện dung cách điện phần mạng trước biến tần) Tính tốn tương tự có kết (Kim Ngọc Linh, 2019): + Biểu thức (5) cho thấy rằng, phần mạch điện chiều mạng điện mỏ hỗn hợp có điện trở cách điện đối xứng (R+=R-) điện trở điện dung cách điện phần mạch chiều khơng ảnh hưởng đến dịng điện rị phần mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp Vì vậy, nên lựa chọn thiết bị cho phần mạch chiều có chiều dài ngắn để dễ đạt điều kiện R+=R- U0R + R +R − exp(− t / +1 ) 1 + R + R − + R + R rò + R − R rò (R + + R − )R rò + Từ (1) suy với điện dung giới hạn cho phép mạng điện mỏ Cmax=1uF/pha, có rị pha phần mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp mạng điện mỏ hỗn hợp qua điện trở k , thời gian trình q độ thành phần dịng điện rị xoay chiều không vượt 3ms Kết luận i ro+1 = (8) với +1 = i ro+2 = R + R − R rò (C+ + C− ) R + R − + R + R rò + R − R rò U0R + RR + exp( − t / +2 ) 1 + 2(RR + + RR rò + R + R rò ) (R + R + )R rò (9) với + Từ kết qủa trình bày rút kết luận sau: Với biểu thức (5), (7) (10), quy luật biên thiên dòng điện rị có rị pha từ phần mạch điện xoay chiều tần số cơng nghiệp rị phần mạch chiều mạng điện mỏ hỗn hợp mơ tả dạng giải tích Các biểu thức có tính tổng qt cho phép tính dòng điện rò chế độ xác lập chế độ trình độ RR + R rò (C + C+ ) = RR + + RR rò + R + R rò Xếp chồng kết có i ro + = i ro +1 + i ro + : U0R + R +R − exp( − t / +1 ) + 1 + R + R − + R + R rò + R − R rò (R + + R − )R rò U0R + RR + + exp(− t / +2 ) 1 + 2(RR + + RR rò + R + R rò ) (R + R + )R rò i ro+ = (10) Thảo luận Kết nghiên cứu áp dụng để tính tốn dịng điện rị mạng điện đơn hỗn hợp không nối đất khác (mạng AC IT, DC IT AC/DC IT) Tài liệu tham khảo + Từ biểu thức (5), (7) (10), cho t → ta có biểu thức tính dịng điện rị phần mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp phần mạch chiều mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ xác lập Kết trùng với biểu thức tính dịng điện rị xác lập trình bày tài liệu (Petrichencô A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2018) Kim Ngọc Linh, 2018 Nghiên cứu xác định dịng điện rị mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng biến đổi Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, số 32018, trang 15-19 + Từ (1) (4) suy có rị pha phần mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp, dịng điện rị gồm hai thành phần: Thành phần dịng rị xoay chiều có trị số phụ thuộc vào điện trở điện dung cách điện phần mạch xoay chiều trước biến tần thành phần dịng rị chiều có trị số tùy thuộc vào đối xứng điện trở cách điện phần mạch điện chiều Kim Ngọc Linh, 2019 Tính dịng điện rị phần mạch điện chiều mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ q trình q độ Tạp chí Cơng nghiệp mỏ, 6/2019, trang 74-77 Kim Ngọc Linh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị Cẩm Ánh, 2020 Tính dịng điện rị mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng biến đổi bán dẫn Kỷ yếu tóm tắt hội nghị tồn quốc 12 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Khoa học trái đất tài nguyên với phát triển bền vững, ERSD 2020, tháng 11-2020, tr 320 Petrichencô A.A., 2017 Các phương pháp phương tiện hạn chế dòng điện rò xuống đất hệ thống cung cấp điện mỏ quặng sắt Luận án Tiến sỹ, Krivôi, 2017, 197 trang (bản tiếng Nga) Kim Ngọc Linh 2020 Tính dòng điện rò phần mạch điện xoay chiều mạng điện mỏ hỗn hợp chế độ trình q độ Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, số 6-2020, tr 59-62 ABSTRACT Calculation of leakage currents in underground mine power networks using semiconductor converters in transient mode Underground mine power networks using semiconductor converters (combined power networks) are increasingly used in Quang Ninh region In order to choose effective solutions to limit leakage currents in these power networks, it is necessary to know the characteristics of such leakage currents This paper presents the results of the leakage current calculation in the combined mine power networks under transient mode For the first time, variation laws of the leakage currents from single phase of industrial frequency AC circuit part and DC circuit part in the combined power network are shown in analytical forms These expressions are general because they allow to be determined the leakage current in both steady-state and transient modes These results can also be applied to calculate leakage currents in other ungrounded power networks (AC IT, DC IT and AC/DC IT networks) Keywords: leakage current, combined power network, semiconductor converter, transient mode, equivalent circuit 13 ... chiều irò1: Sơ đồ tương đương để tính dịng điện rị irị1 hình Khi có rò pha, dòng irò qua điện trở rò Rrò gồm hai thành phần: Thành phần dòng xoay chiều irò1 gây điện trở điện dung cách điện phần... mạng điện mỏ hỗn hợp mô tả dạng giải tích Các biểu thức có tính tổng qt cho phép tính dịng điện rị chế độ xác lập chế độ trình độ RR + R rò (C + C+ ) = RR + + RR rò + R + R rị Xếp chồng kết có. .. định dòng điện rò mạng điện mỏ hầm lị có sử dụng biến đổi Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, số 32018, trang 15-19 + Từ (1) (4) suy có rị pha phần mạch xoay chiều tần số công nghiệp, dòng điện rò gồm hai