Phương pháp và thiết bị phát hiện vị trí sự cố trên cáp điện

Bài viết trình bày một phương pháp và đưa ra một sơ đồ thiết bị tìm kiếm nhanh vị trí điểm sự cố trên cáp điện nhằm nhanh chóng khắc phục sự cố hệ thống cung cấp điện mỏ, giảm thiểu thiệt hại kinh tế cho xí nghiệp do ngưng sản xuất.

72 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 59, Kỳ (2018) 72-77 Phương pháp thiết bị phát vị trí cố cáp điện Đinh Văn Thắng * Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 15/6/2018 Chấp nhận 20/7/2018 Đăng online 31/8/2018 Trong vận hành hệ thống cung cấp điện mỏ, vấn đề khó khăn thường gặp khắc phục nhanh cố tuyến cấp điện cho phụ tải có cố rò, chạm chập pha xuống đất, chạm chập pha dây cáp nguyên nhân va đập khí hay phóng điện q áp Bài báo trình bày phương pháp đưa sơ đồ thiết bị tìm kiếm nhanh vị trí điểm cố cáp điện nhằm nhanh chóng khắc phục cố hệ thống cung cấp điện mỏ, giảm thiểu thiệt hại kinh tế cho xí nghiệp ngưng sản xuất.Phương pháp đo xung điện từ sử dụng máy phát phát xung vào đầu đường dây, xung lan truyền đến điểm cố phản xạ trở lại Một máy đếm thời gian đếm thời gian xung, từ khoảng cách từ điểm đầu đến điểm cố tính vận tốc lan truyền sóng điện từ chiều dài mà qua Thiết bị tìm kiếm vị trí cố xây dựng từ sơ đồ khối chức sơ đồ nguyên lý ứng dụng mạch điện tử số giúp hiển thị giá trị đo khoảng cách đầu cáp điện đến điểm cố thuận lợi cho người dùng Nội dung viết sâu phân tích nguyên lý hoạt động thiết bị đo để làm sáng tỏ chế hoạt động Từ khóa: Thiết bị tìm kiếm Phương pháp đo Xung điện từ Sóng điện từ Cáp điện © 2018 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Trong vận hành hệ thống cung cấp điện mỏ, vấn đề khó khăn thường gặp khắc phục nhanh cố tuyến cấp điện cho phụ tải có cố rò, chạm chập pha xuống đất, chạm chập pha dây cáp nguyên nhân va đập khí hay phóng điện áp Điều kiện làm việc, sơ đồ cấu trúc mạng điện đặc điểm diễn cố phức tạp có phạm vi phân bố rộng Cho tới nay, chưa có phương pháp để tạo thiết bị vạn để xác định vị trí điểm cố xảy dạng _ *Tác giả liên hệ E-mail: dinhvanthang@humg.edu.vn lưới điện Phụ thuộc vào loại mạng lưới truyền tải điện, vai trò nó, dạng cố xảy với hệ thống điện trang thiết bị điện, mà việc tìm kiếm vị trí xảy cố vào trường hợp cụ thể đưa thiết bị phù hợp Hiện nay, giới người ta thường dùng số phương pháp phương tiện kỹ thuật phục vị tìm kiếm vị trí cố lưới điện (Shalưt, 1982): - Phương pháp xác định vị trí cố theo khoảng cách; - Phương pháp xác định vị trí cố Tơ - pơ; - Phương pháp sóng hướng hai hướng; - Phương pháp sóng dừng; - Phương pháp mạch vòng; Đinh Văn Thắng/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (4), 72-77 - Phương pháp điện dung (để xác định cho trường hợp đứt dây pha) Nguyên lý hoạt động thiết bị tìm kiếm vị trí cố theo khoảng cách đo khoảng cách từ điểm bị cố đến điểm đầu hay cuối đường dây cáp điện Nguyên lý hoạt động thiết bị tìm kiếm cố theo sơ đồ tìm vị trí tọa độ điểm cố thực địa, nơi xảy thực tế cố điện.Cả hai phương pháp tìm kiếm cố lưới điện đặc biệt thuận lợi, áp dụng cho mạng điện cao áp mỏ lộ thiên, nơi có lưới điện trang thiết bị điện phân bố rải rác toàn khai trường Như vậy, với loại mạng cung cấp điện công nghiệp hay khai khống, để tìm vị trí điểm cố, trước tiên sử dụng phương pháp xác định khoảng cách trước sau tìm vị trí thực địa thực tế theo phương pháp thứ hai Phương pháp xung phương pháp sóng dừng hay sử dụng nhiều Với phương pháp xung, phép đo thực dựa việc xác định khoảng thời gian truyền sóng xung điện từ lan truyền khoảng cách mà thực Từ nguyên lý này, người ta sử dụng đếm thời gian để đo thời gian xung từ máy phát phát đến gặp điểm cố phản xạ trở lại Phương pháp xung đo số dùng máy phát phát xung vào đầu đường dây, xung lan truyền đến điểm cố phản xạ trở lại Một máy đếm thời gian đếm thời gian xung, từ khoảng cách từ điểm đầu đến điểm cố tính bằng: (1) ℓ= t/2.v Trong đó: v- vận tốc truyền sóng xung điện từ Phương pháp sóng hai hướng (Shalưt, 1982) dựa sở đo thời gian hai thời điểm 73 sóng đến đầu cuối đường dây xuất phát từ điểm cố (Hình 1) Khoảng cách từ điểm cố đến điểm xa tuyến dây là: (2) ℓ = L/2 + (t/2).v Trong đó: L- chiều dài cáp điện; t- khoảng thời gian sóng đến đầu cáp; t = t2 - t1 = ℓ /v- (L- ℓ)/v, s Khoảng thời gian t nhỏ (cỡ vài micro giây), với độ xác cần phải thiết kế đếm đồng hai đầu tuyến cáp có tần số đáp ứng cao Với phương pháp cao tần sử dụng để tìm kiếm vị trí điểm cố thường sử dụng phương pháp sóng dừng, dựa sở đo tổng trở vào đường dây có cố dải tần số rộng Người ta nối máy phát sóng tần số trượt đầu đường dây bị cố thông qua máy biến áp vôn kế Bằng cách thay đổi tần số máy phát ghi nhận số vơn kế, sau vẽ đường cong điện áp - tần số Khoảng thời gian hai đỉnh cực đại hay cực tiểu điện áp ứng với tần số cộng hưởng: (3) fx = v/2ℓ Trong đó: ℓ - khoảng cách từ đầu đường dây đến điểm cố Khi khoảng cách đến điểm cố là: (4) ℓ = v/2fx Sự tồn điện trở tiếp xúc điểm chạm đất ảnh hưởng đến tổng trở vào dẫn đến giảm vùng cộng hưởng tần số, cuối dẫn đến phức tạp hóa phương pháp Ngồi tính khơng đồng mạng điện (nhiều loại cáp điện khác nhau) làm xuất thêm sóng dừng phụ xếp chồng lên sóng khó khăn cho phép đo Hình Phương pháp đo khoảng cách sóng dừng 74 Đinh Văn Thắng/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (4), 72-77 Trong nhóm phương pháp đo khoảng cách dùng tần số thấp, phương pháp đo thông số cáp điện chế độ cố hay sử dụng (Shalưt, 1982) Nguyên lý chung phương pháp xác định thành phần dòng áp đoạn cáp, qua tính khoảng cách từ đầu cáp điện đến điểm cố Các thông số đo ghi nhận thời điểm diễn cố nhờ thiết bị ghi thời gian thực Phương pháp chia làm cách: - đo từ phía - đo từ hai phía Đo từ hai phía loại trừ ảnh hưởng điện trở tiếp xúc đến kết xác định vị trí điểm cố cáp điện Phương pháp đo thông số cáp điện chế độ cố áp dụng cho mạng cáp điện cố định để xác định vị trí điểm ngắn mạch pha đường dây tải điện cáp trần Thiết bị xác định khoảng cách điểm cố tuyến cáp điện cao áp Hiện nay, toán đặt cho nhà khoa học xác định nhanh khoảng cách từ đầu cáp điện đến điểm cố với cáp điện chạm dây pha vỏ kim loại hay chạm xuống đất với điện trở tiếp xúc nhỏ (dưới 70) Việc xác định khoảng cách từ đầu cáp đến điểm cố tuyến có dây trần cáp điện ba pha gặp phải nhiều khó khăn (Pivnhiac and Skrabet, 1993) Từ đặc thù cấu trúc lưới điện, đặc điểm cố, liệt kê số yêu cầu thiết bị đo sau: - Có khả đo tuyến cáp điện đồng tuyến cáp điện hỗn hợp; - Có phận chống nhiễu (ảnh hưởng mối nối cáp, thiết bị đóng cắt), ; - Có chiều dài đo lớn tính từ đầu cáp đến điểm cố (khơng nhỏ 10 km); - Có khả đo khoảng cách đến điểm cố cáp điện đồng với dạng chạm đất pha, ngắn mạch pha; - Độ nhạy đảm bảo đo khoảng cách với trường hợp điện trở tiếp xúc đến k; - Sai lệch trị đo khoảng cách so với thực tế không vượt 10% Từ phương pháp xác định vị trí điểm cố trên, phương pháp định vị vị trí điểm cố có ưu điểm khả thi để tìm kiếm vị trí điểm cố mạng điện Nguyên lý phương pháp gửi xung điện áp vào đầu cáp điện bị cố Xung điện áp lan truyền từ đầu cáp đến điểm cố phản xạ trở lại Q trình lan truyền lượng điện từ ln diễn với vận tốc khơng đổi Trong q trình lan truyền sóng điện từ, lượng suy giảm dần, đồng thời, hình dạng sóng bị biến dạng so với ban đầu Q trình lan truyền sóng điện từ phụ thuộc vào vật liệu, kích thước vật dẫn, mối quan hệ tương hỗ chúng, chúng với mặt đất Trong cáp điện đồng nhất, lượng theo kênh riêng độc lập với nhau, có điểm bất đồng nhất, sóng điện từ bị phản xạ trở lại xạ điện từ môi trường xung quanh Như vậy, với đoạn cáp điện đồng mà tồn điểm cố (chạm đất pha, ngắn mạch pha, đứt pha), sóng xung điện từ từ đầu cáp đến vị trí điểm cố phản xạ trở lại điểm đầu xuất phát với quãng đường hai lần khoảng cách từ đầu cáp đến điểm cố Hình Sơ đồ nguyên lý pháp tổ hợp định vị điểm cố Đinh Văn Thắng/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (4), 72-77 Hình giới thiệu sơ đồ nguyên lý phương pháp tổ hợp để định vị điểm cố Bản chất phương pháp sử dụng xung từ máy phát gửi vào lõi dây cáp ba pha (một pha không cố pha cố), máy thu tín hiệu thực tổng hợp xung pha theo nguyên tắc đảo xung pha Đối với tuyến cáp đối xứng khơng đồng nhất, tín hiệu đến máy thu bù trừ cho Tín hiệu xung phản xạ từ điểm cố (ngắn mạch pha hay đứt pha) ghi nhận đo khoảng cách từ đầu cáp đến vị trí cố Hình giới thiệu sơ đồ cấu trúc thiết bị định vị điểm cố Trên sơ đồ khối thiết bị định vị điểm cố cáp điện (Hình 3) có khối chức sau đây: Tx - máy phát xung đồng bộ; Fi - khối tạo dạng xung đồng bộ; Fx - máy phát xung điện áp; MT máy thu tín hiệu xung phản xạ từ điểm cố đầu cáp; D - khối vi phân, tổng hợp xung phản xạ từ điểm cố trở máy thu; Gp - khối ghi nhận tín hiệu phản xạ cực tính âm; Gph - khối ghi nhận tín hiệu phản xạ cực tính dương; Rg - Khối lưu trữ liệu tạm thời để đánh dấu khoảng cách thời gian xung phát xung phản xạ thu về; Dp - khối hiển thị số khoảng cách từ đầu cáp đến điểm cố Mức độ can nhiễu độ nhạy, độ phân giải thiết bị đo phần nhiều phụ thuộc vào tần số phát xung điện áp Thực nghiệm rằng, tiến hành xác định điểm cố đoạn dây cáp trần mỏ lộ thiên, tần số phát xung máy phát xung nên điều chỉnh khoảng từ 75 vài trăm kHz đến 10 MHz, tần xuất phát xung khoảng 50 đến 100 xung/ giây Hình giới thiệu sơ đồ nguyên lý thiết bị định vị điểm cố Trong sơ đồ nguyên lý, để ổn định tần số máy phát xung, sử dụng dao động tinh thể thạch anh có tần số dao động 19,1 MHz Máy phát xung đồng hình thành tử cổng logic NAND Bộ chia tần số sử dụng vi mạch đếm bit DD2 Trigger DD3 - DD5 Bộ tạo dạng xung đồng xây dựng từ phần tử NAND (DD13-DD14) Tần xuất phát xung phần tử DD5 tạo độ rộng xung đếm DD2 định Nguyên lý hoạt động thiết bị sau: - Tại cửa vào đếm DD2 có tín hiệu xung từ máy phát xung đồng với chu kỳ xung 0,05s Sau chia tần DD2-DD5 cửa xuất xung âm với độ rộng 0,02s tần xuất xuất xung có chu kỳ 14,3 ms Tín hiệu xung sau chia tần đến khối tạo dạng xung DD13, DD14 thiết lập cửa có trạng thái logic 1, trạng thái trì xuất xung âm cửa khối đếm DD2 - Xung xuất tùy thuộc vào vị trí chuyển mạch S1 tương ứng với giá trị bít 2,4,8,16,32 chu kỳ máy phát xung đồng Trong sơ đồ nguyên lý, transisto VT1 -VT3 VT2 - VT6 tạo thành mạch khuếch đại tín hiệu chiều có chức khuếch đại xung đủ cơng suất trước đưa vào đầu cáp bị cố để đo (trong VT2 - VT6 kênh khuếch đại xung cực tính âm) Các xung phản xạ từ điểm cố 76 Đinh Văn Thắng/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (4), 72-77 đầu dây cáp đến đầu vào khối so sánh DA1 DA2.Từ cửa khối so sánh, tín hiệu đến đầu vào DD7, tín hiệu tách đưa đến ghi liệu Khối đếm hiển thị gồm IC số (Dương Minh Trí, 1992) đếm nhị thập phân (Binary code decimal) LED (7 segment x digit) Xung đồng đến cửa vào“count input” MAXIM 7217 đưa đếm vào tính khoảng thời gian xung điện áp vào đầu cáp, Khi xung gặp điểm cố, phản xạ trở lại đến cửa vào “reset” ICM7217 đưa giá trị đếm trạng thái 0, đếm ngừng đếm thời gian Kết cuối khoảng cách lưu ghi trung gian hiển thị LED Đinh Văn Thắng/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (4), 72-77 Kết luận Với phương pháp phân tích lý thuyết đo khoảng cách xung điện từ lan truyền dây dẫn có cố, tác giả trình bày sơ đồ mạch điện thiết bị tìm kiếm nhanh vị trí điểm cố cáp điện nhằm nhanh chóng khắc phục cố hệ thống cung cấp điện mỏ, giảm thiểu thiệt hại kinh tế cho xí nghiệp ngưng sản xuất Phương pháp đo xung điện từ sử dụng máy phát phát xung vào đầu đường dây, xung lan truyền đến điểm cố phản xạ trở lại Một máy đếm thời gian đếm thời gian xung, từ khoảng cách từ điểm đầu đến điểm cố tính vận tốc lan truyền sóng điện từ chiều dài mà qua Thiết bị tìm kiếm vị trí cố xây dựng 77 từ sơ đồ khối chức sơ đồ nguyên lý ứng dụng mạch điện tử số giúp hiển thị giá trị đo khoảng cách đầu cáp điện đến điểm cố thuận lợi cho người dùng Tài liệu tham khảo Dương Minh Trí, 1992 Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn Sở Giáo dục Đào tạo Thành phố Hồ Chí Minh tr47 Pivnhiac, G G.; Skrabet, Ph P., 1993 Sự cố bất đối xứng mạng điện mỏ lộ thiên Nhà xuất Nheđra, Mátxcova Shalưt, G M., 1982 Xác định vị trí cố mạng điện Nhà xuất Energo-izdat, Mátxcova ABSTRACT The method and devices for determining fault location in electric cable Thang Van Dinh Faculty of Electro - Mechanics, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam In the operation of the mine power supply system, the common problem is to quickly overcome the problems on them when there is trouble detecting, that likes: earth faults, Cable caused by mechanical impact or arcing fault The article presents a methodology and devices for quick finder map of fault location on the cable in order to quickly correct the mine power supply system problem, minimizing economic damage to the plant by the long stop producing The electromagnetic pulse method uses from a pulse generator at the beginning of the line, pulse propagates to the fault point and then reflects back A timer will count the travel and return time of the pulse, from which the distance from the beginning to the break point is calculated by the propagation velocity of the electromagnetic wave and the length it passes through The fault locating device is constructed from the functional block diagram and the principle diagram of the digital circuit application which provides a better indication of the cable distance to the fault point for the person use The article also delves into the operational principle of measuring instruments to shed light on its mechanism of action  ... Từ phương pháp xác định vị trí điểm cố trên, phương pháp định vị vị trí điểm cố có ưu điểm khả thi để tìm kiếm vị trí điểm cố mạng điện Nguyên lý phương pháp gửi xung điện áp vào đầu cáp điện bị. .. xác định vị trí điểm cố cáp điện Phương pháp đo thông số cáp điện chế độ cố áp dụng cho mạng cáp điện cố định để xác định vị trí điểm ngắn mạch pha đường dây tải điện cáp trần Thiết bị xác định... trúc thiết bị định vị điểm cố Trên sơ đồ khối thiết bị định vị điểm cố cáp điện (Hình 3) có khối chức sau đây: Tx - máy phát xung đồng bộ; Fi - khối tạo dạng xung đồng bộ; Fx - máy phát xung điện