NGHIÊN CỨU ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN AN TOÀN ĐIỆN GIẬT TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ ĐIỆN ÁP 1140V VÙNG QUẢNG NINH

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.. Phạm vi nghiên cứu Trong kh

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

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

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

- 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

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

không cần sử dụng mạch bù điện dung Điện dung giới hạn khi

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

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;

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

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

- 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

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

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

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

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:

2 / 2

/

/ /

; 1

d d a a

d d d a a a C

C

d d a a

a d da C R

g

f

f

− +

/ 2 / 2 /

2

6 2

f f

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

0,13µF/pha, điện trở cách điện trung bình R cdtb = 75kΩ hoặc R tb = 225kΩ/pha; điện dung cách điện cực đại C max = 0,19µF/pha, điện

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

fA u fB u fC u

0

MC

C ro R

C

A B

) 660 (

Hình 3-1 Mô hình đơn giản tính dòng điện rò qua người

) 660 (

660 (

380V V

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

Hình 3-6 Sơ đồ cung cấp điện mạng điện khu vực mỏ hầm lò

V

1140

~

A B C

1

cm Z

1

dc Z

1

sA u

2

K

cdn Z

2

dc Z

2

sA u

n K

cmn Z

sAn u

2

cm Z

2

cd Z

dcn Z

cc Z

ro R ro i

ba

Z

sun i

nm R

ro K nm

K

Hình 3-7 Mô hình mạng điện mỏ hầm lò 1140V về an toàn điện giật

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

b) Mô hình cáp nhánh và động cơ

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