Cù thành phần điện dung của dòng điện rò trong các mạng điện mỏ có động cơ công suất lớn

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ BÙ THÀNH PHẦN ĐIỆN DUNG CỦA DÒNG ĐIỆN RÒ TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ CĨ ĐỘNG CƠ CƠNG SUẤT LỚN Kim Ngọc Linh, Nguyễn Thạc Khánh Kim Thị Cẩm Ánh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Email: kimngoclinh@humg.edu.vn TÓM TẮT Giải pháp bù điện dung chứng minh có hiệu cao mạng ba pha trung tính cách ly liên tục nghiên cứu hoàn thiện Tuy nhiên, mạng điện mỏ có động cơng suất lớn hoạt động, hiệu giải pháp bù điện dung chưa đánh giá cách đầy đủ Các kết nghiên cứu trình bày báo chứng minh mạng điện mỏ có động cơng suất lớn làm việc, giải pháp bù điện dung làm tăng nguy điện giật Kết nghiên cứu cần quan tâm đề xuất giải pháp đảm bảo điều kiện an toàn điện giật cho mạng điện mỏ hầm lị giới hố có động cơng suất lớn hoạt động Từ khóa: mạng điện mỏ, bảo vệ rị, bù điện dung, động cơng suất lớn, dịng điện rị NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết Xét sơ đồ cung cấp điện đơn giản cho khu vực khai thác mỏ hầm lò sử dụng cấp điện áp 1140V Hình H.1 [1] Trong sơ đồ ký hiệu MC tiếp điểm máy cắt đầu đường cáp chính; K1, K2, …, Kn tiếp điểm công tắc tơ khởi động từ điều khiển động máy công tác; Zcd, Zcd1, …, Zcdn trở kháng cách điện so với đất mạng cáp mạng cáp nhánh Giả thiết người chạm vào pha cáp nhánh MC A Cáp ~ 1 V B uC C K Zcd Rơle rò i ro Kn K2 Cáp nhánh n MBA khu vực Cáp nhánh uA uB Cáp nhánh 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong mỏ hầm lò sử dụng rộng rãi mạng điện ba pha có trung tính cách ly Quy chuẩn Kỹ thuật quốc gia an toàn khai thác than hầm lò quy định bắt buộc phải trang bị cho mạng điện hầm lò thiết bị bảo vệ rị Để đảm bảo điều kiện an tồn điện giật, thiết bị bảo vệ rị ln có mạch bù thành phần điện dung dòng rò Giải pháp bù điện dung chứng minh có hiệu cao mạng ba pha trung tính cách ly liên tục nghiên cứu hoàn thiện [3,4,5] Tuy nhiên, mạng điện mỏ có động cơng suất lớn hoạt động (ví dụ mạng điện 1140V mỏ hầm lò giới hoá), hiệu giải pháp bù thành phần điện dung dòng điện rò chưa nghiên cứu đánh giá cách đầy đủ Vì vậy, nghiên cứu bù điện dung mạng điện mỏ có động cơng suất lớn hoạt động có ý nghĩa khoa học thực tiễn Z cd1 ĐC1 Zcdn Zcd ĐC2 ĐCn H.1 Sơ đồ nguyên lý mạng cung cấp điện khu vực mỏ hầm lò Khi người chạm vào pha mạng có dòng điện rò qua người Với giả thiết lấy thời điểm người chạm vào gốc thời gian coi rơle rị lắp đầu đường cáp tác động làm máy cắt MC cắt nguồn cung cấp, ta có đồ thị mơ tả biến thiên dịng điện rị qua người Hình H.2 [1,6] Trên Hình H.2 ký hiệu t1 thời điểm tắt thành phần tự do, t2 thời điểm ngắt tiếp điểm máy cắt MC t3 thời điểm ngắt tiếp điểm cơng tắc tơ K1 CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 45 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI iro MBA e t TnDC tc t2 t1 − t4 B uB C uC t t3 A uA C Lb C IL T1 T2 T3 46 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 R R I = I + I + I ro R C L R ro IL IR IC T4 H.2 Đồ thị mô tả biến thiên dòng điện rò qua người ngắt động Từ đồ thị Hình H.2 cho thấy rằng, dịng rị qua người thành phần tự thành phần xác lập dịng q trình q độ cịn có thành phần dòng điện áp cuộn dây stato động cịn quay theo qn tính gây nên Thành phần xác lập dòng điện rò qua người tiếp tục tồn từ thời điểm thành phần tự dịng q trình q độ tắt (thời điểm t1) thời điểm máy cắt MC cắt (thời điểm t2) Khi cắt mạng mà có số động cơ, dịng q trình q độ sức điện động ngược động gây gồm hai thành phần: Dòng gây sức điện động ngược tắt dần nhóm động cơ, tồn từ thời điểm t2 đến thời điểm ngắt công tắc tơ khởi động từ điện áp lưới giảm 0,5Uđm (thời điểm t3) dòng gây sức điện động ngược động nhánh người chạm phải (từ thời điểm tiếp điểm công tắc tơ K1 hở mạch sức điện động động tắt hoàn tồn) Quy luật biến thiên dịng rị qua người mơ tả Hình H.2 phù hợp với mạng điện mỏ khơng có mạch bù thành phần điện dung dòng điện rò Trong thực tế mạng điện mỏ tồn điện dung so với đất nên trị số dịng rị qua người khơng phụ thuộc vào điện trở cách điện mạng so với đất mà phụ thuộc vào điện dung mạng Để đảm bảo an toàn điện giật cần phải bù thành phần điện dung dòng điện rò Nguyên lý bù thành phần điện dung mắc trung tính biến áp đất cuộn bù có điện cảm hiệu chỉnh cho cộng hưởng với điện dung mạng Hình H.3 sơ đồ nguyên lý bù điện dung đồ thị véc tơ giải thích nguyên lý bù R C IC a) I L I L I C ϕ ϕ/ I I / R ro I ro U b) H.3 Sơ đồ nguyên lý đồ thị vectơ mạng có bù điện dung Do khơng tiện đấu cuộn bù vào điểm trung tính máy biến áp nên thường đấu cuộn bù qua điểm trung tính tạo tụ điện điện cảm đấu Sơ đồ tương đương mặt an toàn điện giật với mạng ba pha trung tính cách ly có cuộn bù điện dung đấu qua tụ điện đấu Hình H.4 uC C uB B uA A MC C0 C0 C0 0/ i ro R R C Lb R C C R ro ĐC H.4 Sơ đồ tương đương mặt an toàn điện giật mạng có bù điện dung us i ro 3C0 Lb 3C R /3 R ro H.5 Sơ đồ tính dịng điện rò qua người ngắt động Trong sơ đồ Hình H.4 ký hiệu: R C tương ứng điện trở cách điện điện dung pha mạng so với đất; Lb điện cảm cuộn bù; C0 điện NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ dung tụ điện đấu tạo trung tính nối cuộn bù; Rro điện trở người Sơ đồ tương đương để tính dịng điện rò qua người sau máy cắt MC ngắt nguồn cung cấp cho động nêu Hình H.5 Trong sơ đồ Hình H.5, us điện áp stato động sau ngắt nguồn cung cấp Nếu trị số tức thời điện áp pha stator trước ngắt động u s = U sm cos(ω1t + Ψ ), sau ngắt (t>0) điện áp xác định theo biểu thức (1) [2] (1) Trong (1) ký hiệu TDC số thời gian động cơ, ϕ góc lệch pha điện áp stator động trước sau ngắt khỏi nguồn cung cấp, s độ trượt động Giá trị gần hệ số k lấy 0,83 tải định mức 0,95 động không tải Đồ thị thời gian điện áp mô tả Hình H.6 [2] us e − t TDC t H.6 Điện áp stator động ngắt nguồn cung cấp Khi ngắt động khỏi lưới, tốc độ động giảm dần nên độ trượt s thay đổi làm tần số góc điện áp stator giảm dần Ở tần số xác định điện áp stator động tổng trở tương đương hai nhánh điện kháng mắc song song sơ đồ Hình H.5 xác định theo biểu thức (2) (− j / 3ωC)( jωL b − j / 3ωC0 ) = − j / 3ωC + jωL b − j / 3ωC iro t1 T1 Z td = dung cách điện mạng, mà phụ thuộc vào trị số điện áp pha stator điện trở người Mạng lúc giống mạng ba pha trung tính nối đất Kết phân tích cho thấy, mạng ba pha có bù điện dung nối qua tụ điện đấu sao, quy luật dòng điện rò qua người có dạng khác với đồ thị Hình H.2 Q trình ngắt động khỏi nguồn cung cấp, tần số góc điện áp stator giảm nên tồn tần số cộng hưởng Ở tần số đó, trở kháng cách điện tương đương mạng so với đất dòng rò qua người đạt giá trị lớn Quy luật biến thiên dòng rò qua người trường hợp mô tả Hình H.7 L b / 3C − / 9ω2 C j(ωL b − / 3ωC − / 3ωC ) (2) Từ (2) suy tổng trở tương đương Ztd=0 tần số cho L b / 3C − / 9ω2 C = Hay f = ω0 / 2π = / 2π 3L b C (3) Ví dụ với C0=1uF; Lb=10,14H, theo (3) tính f0=28,87Hz Ở tần số f0, Ztd=0 nên dòng rò đạt giá trị lớn Iromax=Us/Rrò Ở tần số này, trị số dịng điện rị qua người khơng phụ thuộc vào điện trở điện t2 T2 t ch T3 t t3 t4 T4 H.7 Đồ thị mô tả biến thiên dịng điện rị qua người mạng có bù điện dung 2.2 Kết thực nghiệm Để nghiệm lại kết nghiên cứu lý thuyết tiến hành thực nghiệm mơ hình thử nghiệm Thiết bị bảo vệ dịng điện rị Phịng thí nghiệm Kỹ thuật điện–điện tử Trường Đại học Mỏ - Địa chất Trong điều kiện Phịng thí nghiệm, để khảo sát ảnh hưởng sức điện động ngược động cắt nguồn đến dòng điện rò, thiết bị tạo sức điện động ngược thiết kế, chế tạo Thiết bị gồm động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp loại LSPMSM 2,2kW điện áp 380V máy biến áp công suất 10kVA, điện áp 380/660/1140V Kết thực nghiệm Hình H.10 H.11 Hình H.10 dạng dòng điện rò qua người ngắt động trường hợp mạng khơng có bù điện dung Hình H.11 dịng điện rị qua người ngắt động mạng có bù với Lb=10,2H; C0=1uF CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 47 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ H.10 Dòng diện rò ngắt động mạng khơng có bù H.11 Dịng điện rị ngắt động mạng có bù với Lb=10,2H; C0=1uF KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ➢ Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy rằng, mạng ba pha trung tính cách ly khơng có mạch bù điện dung, động cơng suất lớn bị ngắt khỏi nguồn cung cấp, dịng điện rò qua người sức điện động ngược NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI động gây có dạng giống Hình H.2 Trường hợp mạng có cuộn bù điện dung đấu vào mạng qua tụ điện đấu sao, dòng điện rò qua người sức điện động ngược động gây có dạng giống Hình H.7; ➢ Trong mạng có sử dụng cuộn bù nối qua tụ điện đấu sao, trình ngắt động cơ, tồn thời điểm xảy tượng cộng hưởng làm trở kháng cách điện tương đương mạng so với đất khơng, khiến cho trị số dịng rị qua người phụ thuộc vào điện áp stator động điện trở thể người; ➢ Tuỳ thuộc vào số thời gian tắt động điện trở thể người, dải xung quanh tần số cộng hưởng, trị số dòng điện rò qua người lớn nhiều lần dịng an tồn khoảnh khắc gây nguy hiểm cho người; ➢ Thời điểm xảy tượng cộng hưởng ứng với tần số điện áp stator giảm xuống giá trị xác định theo biểu thức (3) Tần số phụ thuộc vào trị số điện cảm bù Lb trị số tụ đấu C0 Nếu khơng có mạch bù cuộn bù đấu qua điện cảm đấu khơng có tượng cộng hưởng KẾT LUẬN Đối với mạng điện ba pha trung tính cách ly có động cơng suất lớn hoạt động, để đảm bảo điều kiện an toàn điện giật, không áp dụng giải pháp bù thành phần điện dung dòng rò cuộn bù đấu qua điểm trung tính tụ điện đấu Có thể thay giải pháp mắc cuộn bù qua trung tính điện cảm đấu giải pháp tự động nối ngắn mạch pha người chạm phải qua điện trở nhỏ xuống đất❏ TÀI LIỆU THAM KHẢO Kim Ngọc Linh, Kim Cẩm Ánh (2009), Đề phòng nguy điện giật sức điện động ngược động mạng điện mỏ điện áp 1140V, Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, 8/2009 (số 4/2009), tr 36-38 Ковач К П., Paц И (1963), Переходные процессы в мaшинaх переменного токa (Перевод под редaкцией проф Вoльдека A И.), “Гоcyдаственное энергетическое издательство”, Москва и Ленинград, 514c Савицкий В.Н., Белошистов А.И., Савицкий А.В (2010), Способы снижения силы тока утечеки в шахтых элетрических сетях переменого тока, Сборник научных трудов: УкрНИИВЭ Ставицкий В.Н., Дубинин С.В., Маренич К.Н., Дубинин М.С (2011), Повышение эфективности компенсации емкостной составляюще тока утечеки на землю в элетросетях с преобразователями частоты, Украина, Донецк, Донецкий национальный технический университет 48 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ Шавёлкин А.А., Белобородько О.А (2012), Bозможностй компенсации однофазных токов утечки в сетях с изолированной нейтралью; http://masters.donntu.edu.ua/2012/fkita/martinuk/library/ article6.htm Ягудаев Б.М., Шиликин Н.Ф., Назаров В.В (1982), Зашита от электропоражения в горной промылиленности, «Недра», Москва, 145c COMPENSATION FOR THE CAPACITIVE COMPONENT OF LEAKAGE CURRENTS AT THE MINE POWER NETWORKS WITH A LARGE POWER MOTOR Kim Ngoc Linh, Nguyen Thac Khanh, Kim Thi Cam Anh ABSTRACT The capacitive compensation solution has been proven to be highly effective for mine power networks and is constantly being researched and improved However, for the mine networks with high-power active motors, the effectiveness of the capacitive compensation solution has not been fully evaluated The research results presented in this paper show that for mine power networks with high-power running motors, the capacitive compensation solution can increase the risk of electric shock The results of this study should be taken into account when proposing solutions to ensure the safety conditions for the mechanized underground mine networks with high-power engines in operation Keywords: mining electrical network, leakage protection, capacitance compensation, high power motor, leakage current Ngày nhận bài: 20/4/2022; Ngày gửi phản biện: 20/4/2022; Ngày nhận phản biện: 25/5/2022; Ngày chấp nhận đăng: 30/5/2022 Trách nhiệm pháp lý tác giả báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm số liệu, nội dung công bố báo theo Luật Báo chí Việt Nam CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 49 ... với mạng điện mỏ khơng có mạch bù thành phần điện dung dòng điện rò Trong thực tế mạng điện mỏ tồn điện dung so với đất nên trị số dòng rò qua người không phụ thuộc vào điện trở cách điện mạng. .. phụ thuộc vào điện dung mạng Để đảm bảo an toàn điện giật cần phải bù thành phần điện dung dòng điện rò Nguyên lý bù thành phần điện dung mắc trung tính biến áp đất cuộn bù có điện cảm hiệu chỉnh... điện dung Hình H.11 dịng điện rị qua người ngắt động mạng có bù với Lb=10,2H; C0=1uF CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 47 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ H.10 Dịng diện rị ngắt động mạng khơng có bù H.11 Dòng điện