Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng cho các mạng điện ba pha trung tính cách ly điện áp 660 V và 1140 V. Đặc điểm nổi bật của thiết bị là có khả năng tạo đặc tính biến dạng rộng và có mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò.
96 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 61, Issue (2020) 96 - 103 Research, design, manufacture leakage current protection device for 660V/1140V underground mine electrical networks Khanh Thac Nguyen 1,*, Linh Ngoc Kim 1, Sy Tien Nguyen 1, Giang Truong Nguyen 1 Faculty of Electro-Mechanical, Hanoi University of Mining and Geology ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 15th Aug 2020 Accepted 23rd Oct 2020 Available online 31st Oct 2020 This paper presents the results of researching, designing and manufacturing leakage current protection device for 660 V/1140 V ungrounded three-phase electrical networks The outstanding features of the device are: ability to create wide deformation characteristic; automatically detect and grounded the leakage phase Device test results show that relay operation time for symmetrical and asymmetric leak resistors are 30 kΩ/60 kΩ per phase and 20 kΩ /50 kΩ for 660 V/1.140 V networks respectively The total operating time of the device when single phase leaking through a kΩ resistor not exceed 105 ms The circuit automatically detects and accurately grounded the leakage phase through 100 Ω resistance, the total detection and grounded the leakage phase time does not exceed 110 ms This research result can be applied in the design and manufacture of high-quality and reliable leakage current protection devices used in underground mines, replacing imported products Keywords: Compensation capacitor, Grounded leakage phase, Leakage current, Mining electrical network Copyright © 2020 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: nguyenthackhanh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2020.61(5).11 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ (2020) 96 - 103 97 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ rò điện cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 660 V/1140 V Nguyễn Thạc Khánh 1,*, Kim Ngọc Linh 1, Nguyễn Tiến Sỹ 1, Nguyễn Trường Giang 1 Bộ môn Kỹ thuật điện - Điện tử, Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 15/8/2020 Chấp nhận 23/10/2020 Đăng online 31/10/2020 Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng cho mạng điện ba pha trung tính cách ly điện áp 660 V 1140 V Đặc điểm bật thiết bị có khả tạo đặc tính biến dạng rộng có mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò Kết thử nghiệm thiết bị mạng 660 V, điện trở cắt rò ba pha khơng lớn 30 kΩ/pha, rị pha điện trở cắt không nhỏ 20 kΩ Với mạng 1140 V, điện trở cắt rò ba pha khơng lớn 60 kΩ/pha, rị pha điện trở cắt không nhỏ 50 kΩ Tổng thời gian tác động thiết bị rò pha qua điện trở kΩ không vượt 105 ms Mạch tự động phát nối ngắn mạch pha thiết bị xác định xác pha rò điện trở rò đến 10 kΩ, tổng thời gian phát nối ngắn mạch pha rò không vượt 110 ms Kết nghiên cứu áp dụng thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dịng điện rị có chất lượng độ tin cậy cao dùng mỏ hầm lị, thay sản phẩm nhập ngoại Từ khóa: Bù điện dung, Dòng điện rò, Mạng điện mỏ, Nối ngắn mạch pha © 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Trong mỏ hầm lò sử dụng rộng rãi mạng điện ba pha có trung tính cách ly Nhằm đảm bảo an toàn phương diện điện giật, quy chuẩn “Kỹ thuật quốc gia an toàn khai thác than hầm lò” buộc phải trang bị cho mạng điện hầm lò thiết bị bảo vệ dòng điện rò (rơle rò) Với cấp điện áp 380 V 660 V, thiết bị bảo vệ dòng điện rò sử dụng mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh có ngun lý làm việc giống _ *Tác giả liên hệ E - mail: nguyenthackhanh@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2020.61(5).11 dựa việc sử dụng dòng công tác chiều để kiểm tra điện trở cách điện mạng; để giảm dòng rò khoảnh khắc qua người áp dụng giải pháp bù thành phần điện dung dòng điện rò Đối với mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140 V, mức điện áp cao mạng có động cơng suất lớn nên bù điện dung không đảm bảo điều kiện an tồn điện giật Vì vậy, để đảm bảo an tồn điện giật, thiết bị bảo vệ dịng điện rị dùng cho mạng 1140 V cần phải có thêm chức phát tự động nối ngắn mạch pha rò (Varenic E.A., 2004) Mục tiêu nghiên cứu nhằm thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng chung cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140 V 660 V Đặc điểm bật thiết bị tạo đặc tính biến dạng rộng có thêm phần 98 Nguyễn Thạc Khánh nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò, nhằm làm giảm dòng điện qua người gây sức điện động động công suất lớn cắt mạng 1140 V Kết nghiên cứu chế tạo Hình sơ đồ khối thiết bị bảo vệ dòng điện rò thiết kế Trong sơ đồ khối nguồn có nhiệm vụ tạo nguồn chiều ổn định 48 V để kiểm tra điện trở cách điện mạng nguồn chiều 12 V cung cấp cho mạch điều khiển bảo vệ Khối mạch tự động kiểm tra điện trở cách điện bảo vệ cắt Khối có nhiệm vụ thường xuyến kiểm tra điện trở cách điện mạng, tự động điều khiển máy cắt MC cắt nguồn cung cấp điện trở cách điện giảm mức cho phép có người chạm vào pha mạng Khối mạch bù thành phần điện dung dòng điện rị, có nhiệm vụ hạn chế dịng rị khoảnh khắc người chạm vào pha mạng Khối mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò để làm giảm dòng điện qua người gây sức điện động động cơng suất lớn cắt mạng Hình sơ đồ nguyên lý nguồn, mạch bù thành phần điện dung dòng điện rò, mạch tự động kiểm tra cách điện bảo vệ cắt Trong sơ đồ Hình 2, nguồn gồm biến áp nguồn, mạch chỉnh lưu ổn áp để tạo hai nguồn chiều độc lập 48 V 12 V Nguồn 48 V dùng để kiểm tra điện trở cách điện, nguồn 12 V cung cấp cho phần mạch kiểm tra cách điện, mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò xuống đất Mạch bù thành phần điện dung dòng điện rò gồm cuộn bù Lbù, tụ điện C01, C02, C03 đấu để nối cuộn bù Cuộn kháng 3XL để nối nguồn đo điện trở cách điện với mạng cần kiểm tra Mạch kiểm tra điện trở cách điện, tạo đặc tính biến dạng bảo vệ cắt gồm khuếch đại thuật toán OA1, OA2, OA3, rơle điện từ RL1, RL2 linh kiện liên quan Các chuyển mạch CM1, CM2, CM3 CM4 để chọn cấp điện áp 660 V hay 1140 V Nguyên lý làm việc mạch kiểm tra điện trở cách điện bảo vệ cắt sau: Khi đóng cầu dao CD, nguồn tạo nguồn đo điện trở cách điện 48 V Dòng kiểm tra cách điện theo đường: Cực +48 V, điện trở R22, cực tiếp đất TĐC, đất, điện trở cách điện mạng, mạng cáp, cuộn kháng 3XL, điện trở R24 (cấp điện áp 1140 V) điện trở R25 (cấp điện áp 660 V), điện trở R23, cực -48 V Dòng đo tạo điện trở R22 điện áp tỷ lệ nghịch với điện trở cách điện mạng Điện áp so sánh với điện áp ngưỡng tạo phân áp R7, R8 chiết áp VR1 Khuếch đại thuật toán OA2 loại đầu cực góp hở mạch, làm nhiệm vụ so sánh hai điện áp Trường hợp điện trở cách điện mạng cao, dòng đo nhỏ nên điện áp R22 thấp điện áp ngưỡng, khuếch đại thuật toán OA2 bão hòa âm làm điện áp tụ C1 mức thấp Điện áp đặt vào đầu không đảo khuếch đại thuật toán OA1 Điện áp đặt vào đầu không đảo thấp điện áp đặt vào đầu vào đảo tạo phân áp R4, R5 Khuếch đại thuật tốn OA1 bão hịa âm làm tranzito T1 khóa Rơle điện từ RL1 không cấp điện, tiếp điểm RL1 mạch cuộn cắt máy cắt hở mạch Mạng vận hành bình thường Trường hợp điện trở cách điện mạng thấp có rị pha, dịng đo lớn nên điện áp R22 cao điện áp ngưỡng, khuếch đại thuật Hình Sơ đồ khối thiết bị bảo vệ dòng điện rò mạng 1140V/660V Nguyễn Thạc Khánh nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 99 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch tự động kiểm tra điện trở cách điện bảo vệ cắt toán OA2 bão hòa dương Tụ C1 nạp điện qua điện trở R5 R6 Điện áp tụ tăng dần theo quy luật hàm mũ Sau thời gian trễ khoảng 60ms, điện áp tụ C1 điện áp ngưỡng tạo R4, R5 làm khuếch đại thuật toán OA1 chuyển bão hòa dương Điện áp bão hòa dương OA1 làm tranzito T1 dẫn bão hòa cấp điện cho rơle điện từ RL1 Nó đóng mạch tiếp điểm RL1 mạch cuộn cắt máy cắt làm cắt mạng khỏi nguồn cung cấp Các tụ điện C5, C4 C3 lọc thành phần xoay chiều dòng đo đảm bảo bảo cho OA2 không bị chuyển trạng thái nhầm có xung tần số cao Điơt ổn áp Dz1 bảo vệ đầu vào khuếch đại thuật toán không bị áp Tụ điện C2 làm nhiệm vụ khơng cho mạch tác động nhầm đóng mạng vào nguồn hay đóng cắt động điện • Ngun lý tạo đặc tính bảo vệ rị biến dạng sơ đồ Hình 2: Khi có rị đối xứng, điện áp thứ tự không không Trên điện trở R27 (điểm X so với đất) khơng có điện áp, khuếch đại thuật tốn OA3 bão hịa âm Tranzito T2 trạng thái khóa nên rơle điện từ RL2 khơng cấp điện Tiếp điểm RL2 hở mạch, điện trở R23 R24 không bị nối tắt tham gia vào mạch dịng đo điện trở cách điện Khi có rò pha người chạm phải pha mạng, điện áp thứ tự không 3U0 khác không làm điện áp điện trở R27 lớn điện áp ngưỡng tạo phân áp R7, R8 chiết áp VR2 Khuếch đại thuật toán OA3 chuyển trạng thái bão hòa dương làm tranzito T2 dẫn bão hòa cấp điện cho rơle RL2 Rơle đóng tiếp điểm thường mở RL2 nối ngắn mạch điện trở R23 R24 (điện áp 1140 V) điện trở R23 (cấp điện áp 660 V) Tổng điện trở mạch dòng đo giảm làm trị số dòng đo tăng lên, nghĩa nâng điện trở cắt rò pha so với rị ba pha đối xứng Hình sơ đồ nguyên lý mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò Nguyên lý nối ngắn mạch pha dựa việc phát pha có điện trở cách điện giảm nối ngắn mạch pha qua điện trở nhỏ xuống đất Phương pháp làm giảm dòng rò qua người dựa nguyên tắc mắc song song với thể người điện trở nhỏ chạm vào pha mạng 100 Nguyễn Thạc Khánh nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch tự động phát nối ngắn mạch pha Việc tính tốn nối ngắn mạch pha cho mạng điện áp 1140 V theo nguyên tắc sau: điện dung cho phép cực đại mạng điện khu vực mỏ hầm lị µF/pha; tổng thời gian phát nối ngắn mạch pha kể từ thời điểm người chạm vào pha mạng không vượt 0,17 s; giá trị lớn dòng rò khoảnh khắc rò pha qua điện trở kΩ sau mắc sun không vượt 30 mA (Novoselov V.A., 2013; Serov V.I nnk, 1985) Mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò gồm hai phần: phần mạch lấy xử lý tín hiệu đầu vào ba pha có kết cấu giống phần mạch thừa hành khóa liên động Phần mạch thừa hành khóa liên động có nhiệm vụ loại trừ trường hợp rơle nối ngắn mạch hai ba pha tác động đồng thời (Kim Ngọc Linh nnk, 2015) Nguyên lý làm việc mạch tự động phát nối ngắn mạch pha: Khi khơng có rị pha, điện áp ngưỡng tạo phân áp R59, R60 chiết áp VR3 đặt vào đầu vào khơng đảo khuếch đại thuật tốn OA3, OA4 OA5 lớn điện áp đặt vào đầu vào đảo Cả ba khuếch đại thuật toán bão hòa dương khiến đầu phần tử logic NOT1, NOT2 NOT3 mức thấp (mức 0) Do đầu vào mức thấp nên đầu NOR1, NOR2 NOR3 mức thấp Các tranzito T3, T4 T5 trạng thái khóa ba rơle nối ngắn mạch RLA, RLB RLC khơng tác động Khi có rị pha (hoặc người chạm phải pha), ví dụ pha A, điện áp pha A so với đất giảm điện áp hai pha lại tăng Khuếch đại thuật tốn OA4 chuyển bão hịa âm OA5 OA6 bão hòa dương Đầu NOT1 mức cao làm NOR1 chuyển mức cao Điện áp mức cao đầu NOR1 làm tranzito T3 dẫn bão hòa cấp điện cho rơle nối ngắn mạch pha A Đồng thời, điện áp đưa tới đầu vào NOR2 NOR3 giữ cho đầu hai phần tử logic ln mức thấp Vì hai tranzito T4 T5 ln trạng thái khóa, không cho phép hai rơle nối ngắn mạch pha B pha C tác động Để đảm bảo an toàn tuyệt đối, nguồn cung cấp cho rơle nối ngắn mạch cung cấp qua tiếp điểm thường mở rơle RL1 Tức rơle rò tác động cắt mạng khỏi nguồn, pha Nguyễn Thạc Khánh nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 người chạm phải mạng cáp nối xuống đất Mơ hình thiết bị bảo vệ dịng điện rị theo sơ đồ Hình nhóm tác giả mơ kiểm tra máy tính Mơ hình chế tạo, lắp ráp thử nghiệm phịng thí nghiệm Kỹ thuật điện – điện tử Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hình phần bảng mạch kiểm tra điện trở cách điện, mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò chế tạo Kết thử nghiệm thiết bị Thiết bị bảo vệ rò điện cho mạng điện mỏ hầm lò hồn thiện thử nghiệm với mơ hình mạng điện mỏ phịng thí nghiệm Thử nghiệm mạng 660 V, điện trở cắt thiết bị rị ba pha khơng lớn 30 kΩ /pha, rị pha điện trở cắt khơng nhỏ 20 k Ω Đối với mạng 1140 V, điện trở cắt rị ba pha khơng lớn 60 kΩ /pha, rò pha điện trở cắt không nhỏ 50 kΩ Kết thử nghiệm qua điện trở rò kΩ đổi với hai cấp điện áp 660 V 1140 V lần Hình 5a 5b Trong 101 Hình 5, từ xuống thể dạng tín hiệu: Số (1) điện áp điện trở rò, số (2) tín hiệu đầu vào khơng đảo OA2, số (3) điện áp cực góp tranzito T1 số (4) tín hiệu đầu tiếp điểm rơle RL1 Từ kết Hình cho thấy rò pha (1 kΩ), thời gian tác động thiết bị 102 ms đổi với mạng 660 V (Hình 5a) 65ms mạng 1140 V (Hình 5b) Thảo luận Kết thử nghiệm mơ hình cho thấy, tổng thời gian tác động thiết bị rò pha qua điện trở kΩ cấp điện áp 660 V 1140 V không vượt 105 ms Kết đáp ứng yêu cầu Quy chuẩn Quốc gia an tồn khai thác quặng hầm lị tổng thời gian cắt lưới điện bị hư hỏng cấp điện áp 660 V 0,2 s; với cấp điện áp 1.140 V 0,12 s (Bộ Công thương, 2017) Ở mức điện áp 1140 V, bù tĩnh hiệu chỉnh C=0,5 µF/pha cho phép giảm dịng rị khoảnh khắc có rị pha qua điện trở kΩ từ 430 mA (khi không bù) xuống 272 mA Khi không bù thành phần điện dung dòng điện rò, mạch tự động phát nối ngắn mạch Hình Sản phẩm mạch kiểm tra điện trở cách điện tự động phát hiện, nối ngắn mạch pha rò 102 Nguyễn Thạc Khánh nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 (a) Mạng 660V rò qua điện trở (b) Mạng 1140V rị qua điện trở Hình Kết thử nghiệm mơ hình thiết bị bảo vệ rị điện pha rị xác định xác pha rò điện trở rò đến 2k với dịng rị khơng vượt q 310 mA (trường hợp C=Cmax=1 µF/pha) Khi có bù C=0,5 µF/pha, mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rị xác định xác pha rị điện trở rị đến 10 kΩ, với dịng rị khoảnh khắc khơng vượt q 30 mA sau mắc điện trở sun 100 Ω Tổng thời gian phát nối ngắn mạch pha rị khơng vượt q 110 ms Kết luận Từ kết nghiên cứu cho phép rút nhận xét sau: - Mơ hình thiết bị bảo vệ rị điện theo sơ đồ khối Hình sơ đồ ngun lý Hình có khả tạo đặc tính biến dạng phạm vi rộng, có mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò làm việc tin cậy, thời gian tác động nhanh Đây ưu điểm bật mà hầu hết thiết bị bảo Nguyễn Thạc Khánh nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 vệ dòng điện rò sử dụng mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh khơng có - Đối với mạng điện mỏ điện áp 1140 V, việc chọn bù tĩnh hiệu chỉnh cộng hưởng với điện dung C=0,5 µF/pha cho phép làm tăng giá trị điện trở độ để xác định pha rò đến 10 kΩ làm giảm dòng rò khoảnh khắc rò pha qua điện trở kΩ 1,58 lần (430 mA/272 mA=1,58) - Kết nghiên cứu áp dụng thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dòng điện rị có chất lượng độ tin cậy cao dùng mỏ hầm lò, thay sản phẩm nhập ngoại Lời cảm ơn Nghiên cứu Bộ Khoa học Công nghệ hỗ trợ thông qua đề tài cấp Nhà nước mã số KC.05.24/16-20 Những đóng góp tác giả Tác giả Nguyễn Thạc Khánh hình thành ý tưởng, triển khai nội dung hoàn thiện thảo; tác giả Kim Ngọc Linh triển khai nội dung thiết kế xây dựng thảo; tác giả Nguyễn Tiến Sỹ thiết kế chế tạo mạch in; tác giả Nguyễn Trường Giang lắp ráp thử nghiệm sản phẩm 103 Tài liệu tham khảo Bộ Cơng thương, (2017) Quy chuẩn Quốc gia an tồn khai thác quặng hầm lò Chương V: Trang bị Kỹ thuật điện Thông tin liên lạc, điều 81: Quy định chung, trang 66 QCVN 04: 2017/BCT Kim Ngọc Linh, Kim Cẩm Ánh, Nguyễn Văn Quân (2015) Mạch tự động phát nối ngắn mạch pha rò dùng cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140 V Tạp chí KHKT Mỏ-Địa chất, số 50-4/2015, tr 96-100 Novoselov V.A., (2013) Điện khí hóa mỏ hầm lị Nhà xuất Novokuznetsk, 230 trang (Bản tiếng Nga) Serov V.I., Sutski V.I., Yagudaev B.M., (1985) Các phương pháp thiết bị bảo vệ chạm đất hệ thống điện cao áp xí nghiệp mỏ Nhà xuất Khoa học, Matxcova, 135 trang (Bản tiếng Nga) Varenic E.A., (2004) Nguyên lý xây dựng thiết bị bảo vệ rò cho mạng điện có điện áp đến 1200V Tuyển tập khoa học kỹ thuật "Cơ điện mỏ tự động hóa", Trường đại học Mỏ Quốc gia Ucraina, Số 72, trang 3-6 (Bản tiếng Ucraina) ... khai thác than hầm lò? ?? buộc phải trang bị cho mạng điện hầm lò thiết bị bảo v? ?? dòng điện rò (rơle rò) V? ??i cấp điện áp 380 V 660 V, thiết bị bảo v? ?? dòng điện rò sử dụng mỏ hầm lò v? ?ng Quảng Ninh... (Varenic E.A., 2004) Mục tiêu nghiên cứu nhằm thiết kế, chế tạo thiết bị bảo v? ?? dòng điện rò dùng chung cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140 V 660 V Đặc điểm bật thiết bị tạo đặc tính biến dạng rộng...Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ (2020) 96 - 103 97 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị bảo v? ?? rò điện cho mạng điện mỏ hầm lò điện áp 660 V/ 1140 V Nguyễn Thạc Khánh 1,*, Kim