Nghiên cứu mô phỏng mạng điện hạ áp mỏ hầm lò khu vực để xác định các thông số cơ bản ở các trạng thái làm việc

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Bùi Minh Định "Nghiên cứu mô mạng điện hạ áp mỏ Hầm lò khu Vực để xác định thông số trạng thái làm việc" Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội, 2007 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Bùi Minh Định "Nghiên cứu mô mạng điện hạ áp mỏ Hầm lò khu Vực để xác định thông số trạng thái làm việc" Chuyên ngành: Điện khí hóa mỏ Mà số: 60.52.52 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS thái thức Hà nội, 2007 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đ/ đợc đăng ký phê duyệt theo định số 690/QĐ-MĐC-ĐH&SĐH Hiệu trởng Trờng Đại học Mỏ - Địa Chất Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cha đợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Bùi Minh Định Mục lục Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chơng tổng quan mạng điện hạ áp mỏ hầm lò 1.1 Đặc điểm mạng điện hạ áp mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh 1.2 Phân tích đánh giá sơ đồ cung cấp mạng điện hạ áp mỏ hầm Chơng Xây dựng th viện mô hình thiết bị điện mỏ 19 2.1 Giới thiệu chung mô hình mô thiết bị điện mỏ 19 2.2 Mô hình máy biến áp mỏ 20 2.3 Mô hình mô cáp điện mỏ 26 2.4 Mô hình phụ tải điện mỏ 29 2.5 Thiết bị đóng cắt điện mỏ 33 2.6 35 Khối tạo cố Chơng Xây dựng Mô hình mô mạng điện hạ áp mỏ 42 hầm lò để xác định thông số làm việc số chế độ làm việc không bình thờng phần mền matlab 3.1 Xây dựng mô hình mạng hạ áp mỏ hầm lò 42 3.2 Xây dựng mô hình mô mạng hạ áp mỏ hầm lò chế độ rò điện 48 pha 3.3 Mô hình mô cố điện pha 62 3.4 Mô hình mô mạng hạ áp mỏ ngắn mạch kép qua đất 75 3.5 Mô hình mô mạng hạ áp làm việc với thiết bị điện tử công suất 81 3.6 Xác định thông số làm việc chế độ bình thờng cách 87 mô Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 89 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt TBĐTCS Thiết bị điện tử công st MBA – M¸y biÕn ¸p Danh mơc c¸c bảng Bảng Tên bảng 1.1a Thông số kỹ thuật máy biến áp 1.1b Thông số kỹ thuật đoạn cáp 1.1c Thông số kỹ thuật động điện mỏ 1.2a Thông số kỹ thuật máy biến áp 10 1.2b Thông số kỹ thuật đoạn cáp 10 1.2c Thông số kỹ thuật động điện mỏ 12 1.3a Thông số kỹ thuật máy biến áp khu vực 15 1.3b Thông số kỹ thuật đoạn cáp 15 1.3c Thông số kỹ thuật động điện mỏ 16 1.4a Thông số kỹ thuật máy biến áp khu vực 17 1.4b Thông số kỹ thuật đoạn cáp 17 1.4c Thông số kỹ thuật động điện mỏ 19 1.5a Thông số kỹ thuật máy biến áp khu vực 20 1.5b Thông số kỹ thuật đoạn cáp 20 1.5c Thông số kỹ thuật động điện mỏ 22 Đặc điểm tình trạng làm việc hệ thống điện hạ áp mỏ 23 1.6 Trang than hầm lò vùng Quảng Ninh 3.1a Thông số máy biến áp khu vực 43 3.1b Thông số kỹ thuật đoạn cáp 44 3.1c Thông số kỹ thuật phụ tải mạng 44 3.2 Điện dung điện trở cáp mô hình mô 56 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Tên hình vẽ Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện công trờng khai thác +135 Vỉa Tây Vàng Danh Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện công trờng khai thác +100IV- Mỏ Dơng Huy Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện công trờng khai thác 3Mỏ Mông Dơng Sơ đồ nguyên lý mạng điện hạ áp vỉa 14 công truờng Cơ giới hoá mỏ than Khe Chàm Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện khu vực khai thác vỉa mỏ than Mạo Khê Trang 11 14 18 21 2.1 Mô hình mô máy biến áp pha 21 2.2 Mô hình mô máy biến áp ba pha hai cuộn dây 22 2.3 Mạch ®iƯn thay thÕ cđa m¸y biÕn ¸p mét pha ba cuộn dây 23 2.4 Th viện máy biến áp khu vực 25 2.5 Mạch điện thay 26 2.6 Sơ đồ khối cáp điện mỏ 27 2.7 Th viện cáp điện có thông số dải 28 2.8 Mạch điện thay cáp điện có thông số phân bố hình 28 2.9 Sơ đồ khối mô quan hệ điện từ động điện mỏ 31 2.10 Sơ đồ khối mô quan hệ mômen điện từ mômen 31 2.11 Sơ đồ khối thiết bị đóng cắt điện mỏ 34 2.12 Th viện thiết bị đóng cắt điện mỏ 35 2.13 Mạch điện thay khối tạo cố 36 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạng điện hạ áp mỏ hầm lò 43 3.2 Mô hình mô mạng điện hạ áp mỏ hầm lò 46 3.3 Đồ thị dòng điện điện áp hai đo đa B1 47 3.4 Mô hình mạng điện hạ áp mỏ hầm lò xảy rò điện pha 50 3.5 Đồ thị phân bố điện áp dòng điện vị trí rò điện pha 51 3.6 Đồ thị dòng điện rò hiệu dụng 51 3.7 Mô hình xác định ảnh hởng thông số mạng đến dòng điện rò Ir=f(N,L) 52 3.8 Quan hệ giá trị dòng rò thông số mạng Ir=f(N,L) 53 3.9 Mô xác định dòng rò phụ thuộc vào tải 54 3.10 Đồ thị dòng rò thay đổi tải (không tải;1/4;3/4;1 tải định mức) 55 3.11 Mô xác định dòng điện rò theo điện trở cách điện điện dung mạng 56 3.12 Đồ thị dòng rò theo điện trở cách điện điện dung mạng 57 3.13 Mô hình mô xác định giá trị dòng rò theo cấu trúc mạng 58 3.14 Đồ thị xác định dòng rò theo cấu trúc mạng 58 3.15 Mô hình mô xác định giá trị dòng rò tải không đối xứng 59 3.16 Đồ thị xác định dòng rò pha tải không đối xứng 60 3.17 Mô ảnh hởng TBĐTCS đến dòng điện rò 61 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 Đồ thị dòng điện rò mạng làm việc với thiết bị điện tử công suất Mô hình mô mạng điện hạ áp mỏ than hầm lò cố điện pha Đồ thị dòng điện điện áp pha cố điện pha Mô hình mô xét ảnh hởng pha đến chế độ làm việc động điện mỏ Đồ thị quan hệ dòng điện roto, tốc độ quay 62 63 64 65 66 mômen điện từ lúc xảy điện pha, với mômen cản Mc=50Nm Đồ thị quan hệ dòng điện roto, tốc độ quay 3.23 mômen điện từ lúc động xảy điện pha, với 67 Mc=80Nm Đồ thị quan hệ dòng điện roto, tốc độ quay 3.24 mômen điện từ lúc động xảy điện pha, với 68 Mc=100Nm Đồ thị quan hệ dòng điện roto, tốc độ quay 3.25 mômen điện từ lúc động xảy điện pha, với 69 Mc=50,80,100Nm 3.26 3.27 Sơ đồ biến tần gián tiếp Mô hình mạng điện hạ áp mỏ xét ảnh hởng thiết bị điện tử công suất 69 70 Đồ thị dòng điện rôto, tốc độ quay, mômen động 3.28 động nối trực tiếp với biến tần mạng điện 71 pha Đồ thị dòng điện rôto, tốc độ quay, mômen ®éng c¬ 3.29 ®éng c¬ nèi trùc tiÕp víi biến tần mạng điện 72 pha 3.30 3.31 3.32 3.33 Đồ thị tốc độ roto động hệ biến tần- động xảy cố điện pha Đồ thị mômen động hệ biến tần- động xảy cố điện pha Mô hình mô mạng hạ áp bị ngắn mạch kép qua đất Đồ thị phân bố điện áp dòng điện pha đo đa B2 73 74 77 78 102 Hình 3.33 Đồ thị phân bố điện áp dòng điện pha đo đa B1 - Ba chu kỳ ngắn mạch kép qua đất: Điện áp hai pha rò điện (ngắn mạch kép qua đất) giảm xuống 0,7 Uđm điện áp pha không rò điện giữ nguyên Dòng điện hai pha ngắn mạch kép tăng tức thời lên khoảng 17kA, điện trở rò điện không(hay chạm đât hoàn toàn) dòng điện ngắn mạch hai pha Dòng điện pha lại giữ nguyên 103 b Đồ thị điện áp dòng điện đo đa B2: Hình 3.34 Đồ thị phân bố điện áp dòng điện pha đo đa B2 - Ba chu kỳ đầu (0/50->3/50 giây) hai chu kỳ cuối (8/50 >10/50 giây) Điện áp pha hình sin điện áp định mức (trên hệ đơn vị tơng đối 1) Dòng điện pha dòng điện xác lập nhánh 800A - Hai chu kỳ rò điện pha (3/50 >5/50 giây): Điện áp pha bị rò điện giảm đột ngột xuống gần không, ngợc lại điện áp hai pha không bị rò tăng lên 1,5 lần Dòng điện pha bị rò điện tăng đột ngột lên 2800A so với dòng điện hai pha không bị rò điện 1000A - Ba chu kỳ ngắn mạch kép qua đất: Điện áp hai pha rò điện (ngắn mạch kép qua đất) giảm xuống xấp xỉ không điện áp pha không rò điện giữ nguyên Dòng điện hai pha ngắn mạch kép giảm đột ngột, dòng điện pha bị rò điện trớc giảm từ 2800A xuống 1000A pha bị rò bị rò sau giảm từ 1000A xuống 200A 104 c Đồ thị điện áp dòng điện đo đa B3: Hình 3.35 Đồ thị phân bố điện áp dòng điện pha đo đa B3 - Ba chu kỳ đầu (0/50->3/50 giây): Điện áp pha hình sin điện áp định mức( hệ đơn vị tơng đối 1) Dòng điện pha trình độ, sau ba chu kỳ dòng điện giảm từ 2200A xuống 1200A giá trị dòng điện xác lập - Hai chu kỳ rò điện pha (3/50 >5/50 giây): Điện áp pha bị rò điện giảm đột ngột xuống 0,5Uđm, ngợc lại điện áp hai pha không bị rò tăng lên 1,5 lần Dòng điện pha bị rò điện giảm xuống 400A, nhng dòng điện hai pha tăng lên 800A - Ba chu kỳ ngắn mạch kép qua đất: Điện áp hai pha rò điện (ngắn mạch kép qua đất) giảm xuống 0,7 Uđm điện áp pha không rò điện giữ nguyên Dòng điện hai pha ngắn mạch kép giảm tức thời xuống 500A, dòng điện pha lại tăng lên từ 800A lên 1200A 105 d Đồ thị điện áp dòng điện đo đa B4,B5: Thanh đo đa B4,B5 để đo điện áp dòng điện rò pha xảy ngắn mạch kép qua đất Hình 3.36 Đồ thị phân bố điện áp dòng điện pha đo đa B4 - Ba chu kỳ đầu (0/50->3/50 giây) hai chu kỳ cuối (8/50 >10/50 giây) Trong khoảng thời gian mạng điện hạ áp làm việc chế độ bình thờng Điện áp pha hình sin điện áp định mức Dòng điện pha xuống đất xấp xỉ không - Hai chu kỳ rò điện pha (3/50 >5/50 giây): Điện áp pha bị rò điện giảm đột ngột xuống gần không, ngợc lại điện áp hai pha không bị rò tăng lên 1,5 lần Dòng điện pha bị rò điện hầu nh giữ nguyên - Ba chu kỳ ngắn mạch kép qua đất: Điện áp hai pha rò điện (ngắn mạch kép qua đất) giảm xuống xấp xỉ không điện áp pha không rò điện giữ nguyên Dòng điện hai pha ngắn mạch kép tăng 106 vọt lên15 kA Dòng điện chạy hai pha rò điện khép mạch qua đất có giá trị nhng lƯch pha mét gãc 1800 f) Ph©n tÝch tỉ lệ phần trăm sóng hài rò điện pha Hình 3.36 Kêt phân tích tỷ lệ thành phần sóng hài bậc cao a Phân tích tỷ lệ thành phần sóng hài pha rò điện Đồ thị dòng điện pha chạm đất đồ thị có dạng không sin nh hình 3.37 Kết phân tích tỷ lệ phần trăm thành phần sóng hài bậc cao dải tần số từ 50 đến 3000hz tỷ lệ tổng thành phần sóng hài chiếm 4,63% Điều khẳng định thành phần sóng hài bậc cao chu kỳ dòng điện tơng đối lớn 3.5 Mô hình mô mạng hạ áp làm việc với thiết bị điện tử công suất 3.5.1 ảnh hởng thiết bị điện tử công suất đến chất lợng điện Khi mạng điện hạ áp làm việc với thiết bị điện tử công suất dạng sóng dòng điện điện áp có dạng không sin Các thiết bị điện làm việc mỏ thông thờng 107 động điện không đồng Vậy dòng điện chảy dây quấn có dạng không sin động điện làm việc chế độ khác định mức Khi động điện làm việc với lới điện có chất lợng thấp hiệu suất tuổi thọ thiết bị điện bị giảm đáng kể Một tiêu chuẩn đánh giá chất lợng điện đánh giá tỷ lệ phần trăm thành phần sóng hài bậc cao Ngoài ra, giải toán tính toán kiểm tra điều kiện tổn hao điện áp, khởi động động phải tính đến thành phần tổn hao điện áp sóng hài bậc cao gây Về toán xác định dòng điện rò qua ngời đ( có nhiều tác giả nghiên cứu, nhng đa phần cha tính đến dòng rò thành phần sóng hài bậc cao gây mà tính dòng rò tần số Mục đích xây dựng mô hình mô mạng điện hạ áp mỏ làm việc với thiết bị điện tử công suất để xác định tỷ lệ phần trăm thành phần sóng hài bậc cao, qua để xác định mức độ ảnh hởng đến việc tính toán thông số làm việc mạng 3.5.2 Xây dựng mô hình mạng điện hạ áp mỏ hầm lò làm việc với thiết bị điện tử công suất (ĐTCS) Hình 3.37 Mô hình mạng hạ áp làm việc với thiết bị điện tử công suất 108 Để xét ảnh hởng TBĐTCS đến dạng sóng dòng điện mô hình mạng điện hạ áp mỏ đấu thêm khởi động Các khởi động mền đợc đấu khởi động từ động bơm nớc 22kW nh hình 3.38 Hình 3.38 Sơ đồ khối khởi ®éng mỊn Lý chän bé khëi ®éng mỊn ®Ĩ đại diện cho thiết bị điện tử công suất khởi động mền kết hợp chỉnh lu băm xung tổng quát cho tất trờng hợp khác Sơ đồ khối khởi động mền nh hình 3.39 Cấu tạo nên biến tần gồm có khối chỉnh lu, băm xung điều khiển điện áp Sơ đồ đ( đơc gói lại đơn giản kêt cấu 3.5.3 Kết sau chạy chơng trình mô mạng điện hạ áp mỏ hầm lò làm việc với thiết bị điện tử công suất (TBĐTCS) Việc đánh giá ảnh hởng thiết bị điện tử công suất đến chất lợng điện mạng đợc thông qua kết sau chạy chơng trình Kết đồ thị đo đa cho thấy rõ ảnh hởng thiết bị chỉnh lu, băm xung đến dạng sóng điện áp dòng điện nh Thông qua khối phân thành phần tần số bậc cao TĐH biết đợc thành phần sóng hài bậc cao sóng không sin dòng điện điện áp chiếm phần trăm 109 Hình 3.39a Đồ thị dạng sóng điện áp dòng điện đo B1 Hình 3.39b Đồ thị dạng sóng điện áp dòng điện đo B2 110 Hình 3.39c Đồ thị dạng sóng điện áp dòng điện đo B3 Nhìn vào đồ thị thấy dạng sóng điện áp dòng điện pha không sin Theo phơng pháp phân tích Furie dạng không sin dòng điện phân tích thành tổng điều hoà cộng với điều hoà bậc cao - Hai chu kỳ đầu (0/50->2/50 giây) Điện áp pha hình sin điện áp định mức( hệ đơn vị tơng đối 1) Dòng điện pha giao động nhỏ quanh giá trị xác lập 1200A đo B1 600 A hai đo lại - Sáu chu kỳ mạng điện làm việc với TBĐTCS (2/50 >8/50 giây): Lúc bắt đầu đóng điện cho biến tần mạng điện hạ áp làm việc trạng thái độ, điện áp pha giao động lớn dòng điện pha tăng vọt gấp lần Sau chu kỳ độ điện áp dòng điện pha trở giá trị ổ định nhiên dạng sóng dòng điện điện áp khác hình sin 3.5.4 Kết phân tích tỷ lệ thành phần sóng hài a Phân tích dạng sóng điện áp 111 Hình 3.40 Kết phân tích tỷ lệ thành phần sóng hài bậc cao Theo kết phân tích tỷ thành phần sóng hài bậc cao dải tần số từ 50 đến 3000Hz tỷ lệ tổng thành phần sóng hài chiếm 6,69% Điều khẳng định thành phần sóng hài bậc cao chu kỳ dòng điện tơng đối lớn + Phân tích dạng sóng dòng điện Hình 3.41 Kết phân tích tỷ lệ thành phần sóng hài mạng điện làm việc với thiết bị điện tử công suất (TBĐTCS) 112 Đồ thị dòng điện pha dạng không sin nh hình 3.42 Kết phân tích tỷ lệ phần trăm thành phần sóng hài bậc cao dải tần số từ 50 đến 3000Hz tỷ lệ tổng thành phần sóng hài chiếm 10,73% Điều khẳng định thành phần sóng hài bậc cao chu kỳ dòng điện tơng đối lớn 3.6 Xác định thông số làm việc chế độ bình thờng cách mô Việc tính toán thông số dòng điện điện áp mạng điện hạ áp trớc thờng đợc tính với tần số 50 Hz Kết tính toán nh không nh mạng hạ áp mỏ bị đối xứng, hay có thêm thiết bị điện tử công suất Bằng cách mô xác định đợc thông số làm việc mạng chế độ làm việc mạng Các thông số làm việc thay đổi liên tục theo trạng thái làm việc mạng Khi phụ tải điện khởi động mạng làm việc chế độ độ Nếu xác định dòng điện khởi động phơng pháp mô cho kết xác tin cậy Vì việc xác định thông số hiển thị số mà kết hợp với đồ thị Phơng pháp tỏ u điểm dùng để giám sát tình trạng làm việc mạng điện mỏ Vì mạng làm việc ổn định thêm hay bớt tải thông số làm việc thay đổi theo Các khối hiển thị điện áp ,dòng điện, công suất tác dụng phản kháng nhánh cáp mền nh đoạn cáp Có thể nói mô hình mạng hạ áp hoàn toàn mở, cho phép đa thêm khối đo lờng vào mạng để kiểm tra thông số làm việc mạng Để quan sát đợc thông số làm việc vị trí mạng vị trí đầu cuối đoạn cáp bố trí đo Thanh đo cho thông tin đầy đủ vị trí có dòng điện chảy qua Sau chạy chơng trình mô thông tin đầy đủ mạng điện mỏ đợc hiển thị dạng số vị trí đầu cuối đoạn cáp Các số liệu xuất mành hình trực quan, ngời theo dõi suy luận hay tính toán nhiều Kết xác định thông số làm việc mạng hạ áp đợc hiển thị nh hình 3.43 113 Hình 3.42 Mô hình mạng điện hạ áp mỏ hầm lò xác định thông số chế độ xác lập 114 Kết luận kiến nghị Từ nội dung đ( đợc thực luận văn cho phép đa kết chủ yếu sau: Kết luận: Phơng pháp xây dựng mô hình mô mạng hạ áp mỏ hầm lò để xác định thông số làm việc số chế độ làm việc không bình thờng đ( giải tơng đối lớn toán liên quan đến lĩnh vực mạng điện, cung cấp điện điện khí hoá mỏ Các kết nghiên cứu luận văn đợc thể diểm sau đây: Phân tích đánh giá tổ chức cung cấp điện mạng hạ áp mỏ hầm lò đa số liệu thống kê số lợng thiết bị chiều dài cáp mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh Tạo th viện thiết bị điện mỏ nh: máy biến áp, cáp điện, khởi động từ động điện mỏ Các phần tử thiết bị điện công cụ để xây dựng mô hình mạng hạ áp mỏ hầm lò Xây dựng đợc mô hình mô mạng điện hạ áp mỏ hầm lò có tính tổng quát Bằng phơng pháp mô đ( xác định thông số làm việc chế độ cố nh: rò điện, ngắn mạch kép qua đất, pha chế độ bình thờng Khảo sát yếu tố ảnh hởng đến thông số làm việc mạng chế độ cố nh: a Rò điện pha - ảnh hởng số lợng thiết bị chiều dài cáp đến dòng điện rò - ảnh hởng điện trở cách điện điện dung cáp đến dòng điện rò - ảnh hởng cấu trúc mạng đến dòng điện rò - ảnh hởng chế độ mang tải phụ tải đến dòng điện rò - ảnh hởng thiết bị điện tử công suất làm việc mạng đến dòng điện rò b ảnh hởng thiết bị điện tử công suất làm việc đến chế độ làm việc pha động điện mỏ 115 c Đánh giá đợc chất lợng điện mạng thông qua tiêu chuẩn tỷ lệ phần trăm tần số sóng bậc cao Xây dựng mô hình mạng điện hạ áp mỏ hầm lò chế độ bình thờng để đánh giá kiểm tra tiêu chuẩn cung cấp điện Kiến nghị Đẩy mạnh xây dựng thí nghiệm liên quan đến an toàn điện, ®iƯn khÝ ho¸, cung cÊp ®iƯn, trun ®éng ®iƯn b»ng cách mô Các mô hình mô mạng điện hạ áp sử dụng làm hệ giám sát chế độ làm việc tình trạng vận hành mạng điện hạ áp mỏ hành Tài liệu tham khảo Nguyễn Anh Nghĩa (1997), Giáo trình an toàn điện mỏ (dùng cho học viên cao học ngành Điện khí háo mỏ), Trờng Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội Nguyễn Anh Nghĩa (chủ biên), Trần Bá Đề (1997), Giáo trình điện khí hoá mỏ, Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab $ Simulink dành cho kỹ s điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Thái Duy Thức (chủ biên), Khổng Cao Phong (2005), Giáo trình truyền động điện, Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội