Đang tải... (xem toàn văn)
Điều này cho thấy, thiết bị tự động phát hiện pha con người chạm phải phản ứng theo hiệu số trị hiệu dụng giữa điện áp pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại và điện áp thứ t[r]
(1)Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, 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 Cơng 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 rị 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 và điện áp thứ tự khơng Kết mơ mơ hình Matlab Simulink Electronic Workbench cho thấy sơ đồ có độ tin cậy xác định pha rò cao, độ nhạy không thấp 18k/pha, thời gian phát pha rị khơng lớn 20ms, tổng thời gian phát nối
ngắn mạch pha không lớn 50ms
1 Đặt vấn đề
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 rò Đối với cấp điện áp 380V 660V, thiết bị bảo vệ rò sử dụng mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh có ngun lý làm việc giống dựa sử dụng dịng cơng 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 1140V, mức điện áp cao mạng có động cơng suất lớn nên bù điện dung khơng đảm bảo điều kiện an tồn điện giật Vì vậy, để giảm dịng rị khoảnh khắc đảm bảo an toàn điện giật, thiết bị bảo vệ rị dùng cho mạng 1140V cần phải có thêm chức phát tự động nối ngắn mạch pha rị [1], [2] Mục đích nghiên cứu nhằm đề xuất sơ đồ mạch có khả phát tự động nối ngắn mạch pha rò xuống đất đảm bảo tính tác động nhanh, có độ nhạy độ tin cậy cao
2 Kết nghiên cứu
Nguyên lý nối ngắn mạch pha rò 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 lý mắc song song điện trở nhỏ với thể người chạm vào pha mạng
Khi chọn giải pháp nối ngắn mạch pha mạng điện áp 1140V, việc tính toán theo nguyên tắc: thiết bị nối ngắn mạch tính với trị số điện dung cực đại cho phép mạng điện khu vực mỏ hầm lò 1F/pha; tổng thời gian phát nối ngắn mạch pha rò kể từ thời điểm người chạm vào pha mạng không vượt 0,17s; điện lượng qua người không lớn 50mAs xét trường hợp mạch khơng có bù thành phần điện dung dòng điện rò [3], [4]
(2)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]:
) (
)
(A k1U k2U k3U k4U0
Uv C A B , (1)
) (
)
(B k1U k2U k3U k4U0
Uv A B C , (2)
) (
)
(C k1U k2U k3U k4U0
Uv B C A , (3) 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 rị pha A)
- Khi khơng có rị ứng với Uv(A)=0có:
A B C f
f
U U U U , U
U (k k k )
0
1
0
(4)
- Khi pha A bị ngắn mạch xuống đất ứng với Uv(A)= 3Uf có:
f f
C B
A U U U U U
U 0, , 0 (5)
Từ (1) suy ra:
)
(
3Uf k1 Uf k3 Uf k4Uf
f
f k k k U
U 3( 1 3) 4 (6)
Ngồi 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:
)
(
0k1 Uf k2 Uf k4Uf 3(k1k2)k40
Uf (7)
Từ (4), (6) (7) ta có hệ ba phương trình :
)
(
; )
(
;
4
4
3
k k k
k k k
k k k
(8)
Từ (8) có
3
1
3
2 k 1;k k k ;k 3(k k ) 3k
k
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:
3 ;
1 ; ;
3 2 3 4
1 k k k
k (9)
Từ (9) suy trị số hiệu dụng điện áp theo thứ tự phải tuân theo tỷ lệ: 3:2:1: 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 rị theo thuật tốn (9) tiến hành mơ Matlab Simulink Sơ đồ mơ hình
(3)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
-50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0
) (B Uv ) (C Uv ) (A Uv k Rro,
V Uv,
Hình Sự phụ thuộc điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha
điện trở rò thay đổi thay đổi
-50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
V Uv,
F C, ) (A Uv ) (C Uv ) (B Uv
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 1 đến 40 k, điện dung mạng phạm vi thay đổi từ 0,01F đến 2,5F, điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha A dương, điện áp vào pha B C ln 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 khơng, 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 V 12 V 12 V 12 D D D D D D nm r R R R R R R R R R 12 R 10 R 11 R nm r nm r NOR BJT BJT BJT OA NOR NOR OA OA V 12 td
U R13
14 R CA Dz Dz Dz Dz Dz Dz 15 R 16 R 17 R ) (A v U ) (B v U ) (C v U 23 R 18 R 19 R 20 R 21 R 22
R OA4
29 R 30 R 25 R 26 R 27 R 28
R OA5
35 R 24 R 31 R 32 R 33 R 34
R OA6
A B C 36 R 37 R 38 R 39 R 40 R 41 R 42 R 43 R 45 R 44 R 46 R 47 R C C C C D D D 10 D
C C5 C5
C C6 C6
2 OptoTriac OptoTriac OptoTriac
(4)Sơ đồ gồm mạch lấy mẫu tín hiệu điện áp pha điện áp thứ tự không, mạch thuật tốn phát pha rị, 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 10F 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 tốn xác định pha rị cộng trừ dùng khuếch đại thuật toán OA4, OA5 OA6 Bộ phận quan trọng sơ đồ mạch thuật tốn xác định pha có rị u cầu mạch phải thực thuật tốn tính điện áp vào cấu thừa hành nối ngắn mạch pha (ví dụ pha A) theo quan hệ Uv(A)3UC (2UAUB 3U0
Điện áp mạch thuật tốn xác định pha rị 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 dịng 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 khơng có rị pha (hoặc rò đối xứng ba pha), điện áp ba kênh đưa tới đầu không đảo khuếch đại thuật toán OA1, OA2
và OA3 0, khuếch đại thuật tốn bão hịa 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 rị, 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
ở 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 khơng cho phép OptoTriac hai pha cịn lại tác động
Để kiểm tra khả làm việc sơ đồ tiến hành mô phần mềm Electronic Workbench Kết mô mạng khơng có rị hình có rị pha qua điện trở 1k hình Khảo sát thời gian tác động sơ đồ rò pha qua điện trở 1kcũng 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 khi khơng có rị
(5)Kết mô cho thấy, độ nhạy sơ đồ điện dung điện trở cách điện mạng so với đất C1F/pha,
pha k
R60 / 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
3 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 cịn lại với điện áp thứ tự khơng 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 rị 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, HanoiUniversity 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 lead-phase voltage and combination of two lag-lead-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 18k per phase; detection time for leakage phase less than 20 ms; total time for detection and earthed the leakage phase is not exceed 50ms
http://vde.nmu.org.ua/ua/science/ntz/archive/72/1.pdf