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

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, rơle bảo vệ rò dùng cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V cần phải có thêm chức phát tự động nối ngắn mạch pha rò xuống đất Thiết bị phát tự động nối ngắn mạch pha phải có thời gian tác động nhanh, độ nhạy độ tin cậy xác định pha rò cao Nhóm tác giả đề xuất sơ đồ mạch phát tự động nối ngắn mạch pha rò làm việc theo nguyên lý phản ứng với hiệu số trị hiệu dụng điện áp pha có pha vượt trước tổ hợp điện áp hai pha lại điện áp thứ tự không Kết mô mô hình Matlab Simulink Electronic Workbench cho thấy sơ đồ có độ tin cậy xác định pha rò cao, độ nhạy không thấp 18 k /pha, thời gian phát pha rò không lớn 20ms, tổng thời gian phát nối ngắn mạch pha không lớn 50ms Đặt vấn đề Kết nghiên cứu Nguyên lý nối ngắn mạch pha rò dựa Trong mỏ hầm lò sử dụng rộng rãi việc phát pha có điện trở cách điện giảm mạng điện ba pha có trung tính cách ly Nhằm đảm bảo an toàn phương diện điện giật, Quy nối ngắn mạch pha qua điện trở nhỏ xuống chuẩn Kỹ thuật quốc gia an toàn khai đất Phương pháp làm giảm dòng rò qua thác than hầm lò buộc phải trang bị cho mạng người dựa nguyên lý mắc song song điện hầm lò thiết bị bảo vệ rò Đối với cấp điện trở nhỏ với thể người chạm vào điện áp 380V 660V, thiết bị bảo vệ rò pha mạng Khi chọn giải pháp nối ngắn mạch pha sử dụng mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh có nguyên lý làm việc mạng điện áp 1140V, việc tính toán theo giống dựa sử dụng dòng công tác nguyên tắc: thiết bị nối ngắn mạch tính chiều để kiểm tra điện trở cách điện với trị số điện dung cực đại cho phép mạng mạng; để giảm dòng rò khoảnh khắc qua người điện khu vực mỏ hầm lò 1F / pha ; tổng thời áp dụng giải pháp bù thành phần điện dung gian phát nối ngắn mạch pha rò kể từ dòng điện rò Đối với mạng điện mỏ hầm lò thời điểm người chạm vào pha mạng điện áp 1140V, mức điện áp cao không vượt 0,17s; điện lượng qua mạng có động công suất lớn nên bù điện người không lớn 50mAs xét dung không đảm bảo điều kiện an toàn trường hợp mạch bù thành phần điện điện giật Vì vậy, để giảm dòng rò khoảnh khắc dung dòng điện rò [3], [4] Để điều khiển thiết bị nối ngắn mạch pha có đảm bảo an toàn điện giật, thiết bị bảo vệ rò người chạm phải xuống đất phải xác định dùng cho mạng 1140V cần phải có thêm chức phát tự động nối ngắn mạch pha rò xác pha người chạm phải bị rò Có [1], [2] Mục đích nghiên cứu nhằm đề nhiều nguyên lý để thực công việc xuất sơ đồ mạch có khả phát Trong đó, thiết bị phát pha người chạm tự động nối ngắn mạch pha rò xuống đất đảm phải phản ứng theo hiệu số trị hiệu dụng bảo tính tác động nhanh, có độ nhạy độ tin điện áp pha có pha vượt trước tổ hợp điện áp hai pha lại với điện áp thứ tự không cậy cao có độ nhạy độ tin cậy cao [4] 96 Đối với thiết bị làm việc theo nguyên lý này, để đảm bảo khả làm việc tin cậy độ nhạy lớn nhất, trị số điện áp cửa vào phận thừa hành nối ngắn mạch pha phải xác định theo biểu thức [4]: (1) U v ( A)  k1U C  (k2U A  k3U B  k4U ) , (2) U v ( B)  k1U A  (k 2U B  k3U C  k 4U ) , (3) U v (C )  k1U B  (k2U C  k3U A  k4U ) , ký hiệu Uv(A), Uv(B), Uv(C) tương ứng điện áp cửa vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha A, B C; UA, UB, UC, U0 trị số hiệu dụng điện áp pha mạng điện áp trung tính biến áp so với đất (điện áp thứ tự không); k1, k2, k3, k4 tương ứng hệ số điện áp pha vượt pha trước, pha người chạm phải, pha chậm pha sau điện áp thứ tự không Giá trị tối ưu hệ số k1, k2, k3 k4 xác định theo hai trường hợp giới hạn (giả thiết rò pha A) - Khi rò ứng với Uv(A)=0 có: U A  U B  UC  Uf , U  (4)  Uf (k1  k  k )  - Khi pha A bị ngắn mạch xuống đất ứng với Uv(A)= 3U f có: U A  0, U B  U C  3U f , U  U f (5) Từ (1) suy ra: 3U f  k1 3U f  (k3 3U f  k4U f ) Uf  (k  k )  k   3U f (6) Ngoài ra, để đảm bảo xác định xác pha người chạm phải, xẩy ngắn mạch pha A xuống đất, điện áp cửa vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha C cần phải không lớn Điều đồng thời đảm bảo điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha B có giá trị âm Từ (3) xét điều kiện giới hạn Uv(C)=0 có:  k1 3U f  (k2 3U f  k4U f ) (7) U f  (k1  k )  k   Từ (4), (6) (7) ta có hệ ba phương trình : k1  k  k  0;   ( k1  k )  k  ;   (k1  k )  k   (8) Từ (8) có k2  k3  1; k1  k2  k3 ; k4  3(k1  k2 )  3k3 Nếu chọn hệ số điện áp pha chậm sau k3=1 ta tìm hệ số tối ưu điện áp pha vượt trước, pha chạm đất, pha chậm sau điện áp thứ tự không: k1  3; k  2; k  1; k  (9) Từ (9) suy trị số hiệu dụng điện áp theo thứ tự phải tuân theo tỷ lệ: : : : đảm bảo độ nhạy lớn xác định xác pha người chạm phải mạng ba pha trung tính cách ly Để kiểm tra độ nhạy độ tin cậy mạch xác định pha rò theo thuật toán (9) tiến hành mô Matlab Simulink Sơ đồ mô hình Hình Mô hình Matlab Simulink mô mạch xác định pha rò 97 Kết mô vẽ đồ thị mô tả quan hệ phụ thuộc điện áp đưa vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha điện trở rò điện dung mạng thay đổi hình 20.0 20.0 U v ,V U v (A) 10.0 Rro , k 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 U v (A) C , F 0.0 0.0 45.0 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 -40.0 U v ,V 10.0 U v (B) U v (B) -40.0 -50.0 -50.0 Hình Sự phụ thuộc điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha điện trở rò thay đổi thay đổi Hình Sự phụ thuộc điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha điện dung mạng thay đổi Từ đồ thị hình cho thấy, điện trở rò thay đổi từ  đến 40 k , điện dung mạng phạm vi thay đổi từ 0,01 F đến 2,5 F , điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha A dương, điện áp vào pha B C có giá trị âm Điều cho thấy, thiết bị tự động phát pha người chạm phải phản ứng theo hiệu số trị hiệu dụng điện áp pha vượt trước tổ hợp điện áp hai pha lại điện áp thứ tự không, có khả đảm bảo độ nhạy độ tin cậy phát pha rò cao Sơ đồ nguyên lý mạch phát tự động nối ngắn mạch pha thiết kế hình A B C A  12V C6 C6 C6 C5 C5 C5 R19 R20 R21  D7 R36  R22 OptoTriac1 U v ( A) R15  R44 R42 R40 R46 R18 OA4 R23 R4  NOR1 R3 B D1 D2 R25 R37 R26 R27 C2  R43 R24  R28 R38 OA5 R29 OA2  Dz3 Dz4 R41 C4 U td R31 R32 R33  12V R6 R13  R34 R35 C  12V CA1 OptoTriac3 D5 U v (C ) R17 OA6 BJT D4 R7 R30  Dz5 Dz6 D6 R12  R9 R10 BJT  OA3 R11 NOR3 Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị tự động phát nối ngắn mạch pha 98 rnm R5 D3 R14 D10  NOR R8  C3 R39  12V OptoTriac U v ( B ) R16  D9 R45 R2 BJT1 OA1 D8  R1  Dz1 Dz2 C1 R47 rnm rnm Sơ đồ gồm mạch lấy mẫu tín hiệu điện áp pha điện áp thứ tự không, mạch thuật toán phát pha rò, mạch thừa hành nối ngắn mạch pha mạch khóa liên động Trong sơ đồ có kênh giống Ở kênh mạch lấy mẫu điện áp pha dùng mạch phân áp gồm tụ điện hai điện trở (ví dụ pha A C5, R41, R42) Lấy mẫu điện áp thứ tự không dùng tụ điện đấu C6 mạch phân áp R46, R47 Tạo điện áp tỷ lệ với trị số hiệu dụng UA, UB, UC U0 dùng mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có lọc tụ điện 10 F Tín hiệu mạch tỷ lệ với điện áp pha mạng so với đất, với điện áp thứ tự không đưa tới đầu vào mạch thuật toán xác định pha rò cộng trừ dùng khuếch đại thuật toán OA4, OA5 OA6 Bộ phận quan trọng sơ đồ mạch thuật toán xác định pha có rò Yêu cầu mạch phải thực thuật toán tính điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha (ví dụ pha A) theo quan hệ U v ( A)  3U C  (2U A  U B  3U Điện áp mạch thuật toán xác định pha rò đưa tới điều khiển khâu thừa hành nối ngắn mạch pha Phần tử logic NOR1,2.3 điôt D1-D6 làm chức khóa liên động để đảm bảo rơle nối ngắn mạch pha không tác động đồng thời Rơle nối ngắn mạch phải có tiếp điểm đóng dòng khoảng 300mA chịu điện áp pha mạng Trong sơ đồ chọn rơle không tiếp điểm OptoTriac loại FOD4208 Nguyên lý làm việc sơ đồ Khi rò pha (hoặc rò đối xứng ba pha), điện áp ba kênh đưa tới đầu không đảo khuếch đại thuật toán OA1, OA2 Hình Mạch tự động nối ngắn mạch pha rò OA3 0, khuếch đại thuật toán bão hòa dương đầu mức logic Mức logic làm đầu NOR1, NOR2 NOR3 mức Các tranzito BJT1, BJT2 BJT3 trạng khóa khiến cho OptoTriac trạng thái hở mạch đầu Khi xuất rò pha qua điện trở rò, ví dụ người chạm phải pha A, điện áp đầu OA4 UV(A) có giá trị dương vượt giá trị ngưỡng Utđ làm OA1 chuyển sang bão hòa âm, điện áp đầu OA5 OA6 có giá trị âm nên OA2 OA3 trạng thái bão hòa dương trước Tín hiệu đầu OA1 mức làm đầu NOR1 mức 1, tranzito BJT1 mở bão hòa cấp điện cho OptoTriac mắc sun điện trở rò qua điện trở Rnm Đồng thời, mức logic cửa NOR1 qua điôt D1 D2 đưa tới đầu vào thứ hai phần tử NOR3 NOR2 kênh C B làm cho đầu chúng mức logic 0, khóa liên động không cho phép OptoTriac hai pha lại tác động Để kiểm tra khả làm việc sơ đồ tiến hành mô phần mềm Electronic Workbench Kết mô mạng rò hình có rò pha qua điện trở k hình Khảo sát thời gian tác động sơ đồ rò pha qua điện trở k thể hình Từ đồ thị hình cho thấy, thời gian tác động thiết bị tự động phát nối ngắn mạch pha không vượt 50ms (thời gian cho phép từ 0,12s đến 0,17s) Điều chứng tỏ sơ đồ có thời gian tác động nhanh, đáp ứng tốt yêu cầu thiết bị tự động phát nối ngắn mạch pha Hình Mạch tự động nối ngắn mạch pha rò pha B qua điện trở k 99 Kết mô cho thấy, độ nhạy sơ đồ điện dung điện trở cách điện mạng so với đất C  1F / pha , R  60k / pha không thấp 18k / pha ; thời gian phát rò rò pha qua điện trở 1k không 20ms; tổng thời gian phát nối ngắn mạch pha rò pha qua điện trở 1k không 50ms; giá trị lớn dòng rò khoảnh khắc sau nối ngắn mạch pha không 30mA Kết luận - Mạch tự động phát pha rò phản ứng theo hiệu số trị hiệu dụng điện áp pha có pha vượt trước tổ hợp điện áp hai pha lại với điện áp thứ tự không theo quan hệ tỷ lệ (9) có độ nhạy độ tin cậy xác định pha rò cao, phù hợp với điều kiện mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V - Sơ đồ mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò thiết kế hình có cấu tạo đơn giản, thời gian tác động nhanh, độ nhạy độ tin cậy xác định pha rò cao, sử dụng linh kiện điện tử thông dụng - Kết nghiên cứu tham khảo để thiết kế mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò dùng cho mạng điện mỏ cấp điện áp 6kV, nhằm đảm bảo điều kiện an toàn điện giật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kim Ngọc Linh, Kim Cẩm Ánh, Nguyễn Văn Quân, 2014 Hạn chế dòng điện rò mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V giải pháp nối ngắn mạch pha Tạp chí Công nghiệp Mỏ, số 4/2014, tr 7-10 [2] Bapeник E.A., Пpинципы пocтpoeния зашиты от токoв утeчки для ceтeй нaпpяжeниeм 1200 B, http://vde.nmu.org.ua/ua/science/ntz/archive/72/ 1.pdf [3] Новоселов В.А., 2013 Элетрификация подженых горных работ, Новокузнецк [4] Ягудаев Б.М Серов В.И., Шуцкий В.И., 1985 Методы и средства борьбы с 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 leadphase 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 ... điện áp pha điện áp thứ tự không, mạch thuật toán phát pha rò, mạch thừa hành nối ngắn mạch pha mạch khóa liên động Trong sơ đồ có kênh giống Ở kênh mạch lấy mẫu điện áp pha dùng mạch phân áp gồm... gian tác động nhanh, áp ứng tốt yêu cầu thiết bị tự động phát nối ngắn mạch pha Hình Mạch tự động nối ngắn mạch pha rò pha B qua điện trở k 99 Kết mô cho thấy, độ nhạy sơ đồ điện dung điện trở... thuộc điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha điện trở rò thay đổi thay đổi Hình Sự phụ thuộc điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha điện dung mạng thay đổi Từ đồ thị hình cho thấy, điện