Tài liệu Nghiên cứu đảm bảo điều kiện an toàn điện giật trong các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140v vùng quảng ninh [tt]

1 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 2 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 3 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. 4 - 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. 5 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 áp dụng giải pháp tự động nối ngắn mạch pha qua điện trở 100Ω, không cần sử dụng mạch bù điện dung. Điện dung giới hạn khi không cần áp dụng giải pháp bù điện dung là C = 0,5µF/pha. Khi điện dung của mạng (0,5µF/pha < C < 1µF/pha), áp dụng phương 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 6 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; - Nghiên cứu các giải pháp làm giảm dòng điện rò qua người - 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 7 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. 8 - 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 nhiều lần điện lượng an toàn cho phép (Qat = 50mAs) [35]. Vì vậy, 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 9 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. 10 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 CD2 V CD3 CD1 V1 V2 V3 C f1 Cf 2 Cf 3 Hình 2-21. Sơ đồ nguyên lý đo để xác định thông số cách điện mạng 1140V mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh dùng điện dung phụ 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: (da − d a ) ; (a − a ) + (d − d ) [a (a − a ) − d (d − d )] (a − a ) + (d − d ) g∑ = 1 = R ∑ C∑ = C ωC / / f / / f 2 / / / 2 / (2-32) 2 / / 2 - Các hệ số a, a/, d, d/ được xác định theo biểu thức: 2U a = a / = d d = / 2U U 2 C 2 A (U − /2 A 2 B 6U f − U − U ( 6U 2 B 2 3 .U f U C/ 2 − U = 2 3 .U /2 B f + U /2 B f 2 C + U )+ /2 C U )+ f U f            (2-33) 2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số cách điện các mạng điện 1140V mỏ hầm lò Quảng Ninh 2.3.1. Sai số và khử sai số khi đo thực nghiệm [11] 11 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 hiện tại có điện dung cách điện trung bình Ccdtb = 0,39µF hoặc Ctb= 0,13µF/pha, điện trở cách điện trung bình Rcdtb = 75kΩ hoặc Rtb= 225kΩ/pha; điện dung cách điện cực đại Cmax = 0,19µF/pha, điện trở cách điện nhỏ nhất Rmin = 168kΩ/pha. 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 380V (660V ) u fC 0 B u fB u fA C A MC R C R C R C iro Rro Hình 3-1. Mô hình đơn giản tính dòng điện rò qua người 12 Rba Lba Rc Lc u fC Rba Lba Rc Lc u fB Rba Lba Rc Lc 380V (660V ) C B 0 u fA A MC R R C R C iro C Rro Hình 3-2. Mô hình kể đến ảnh hưởng của trở kháng biến áp, cáp Rba Lba Rc Lc u fC Rba Lba Rc Lc u fB Rba Lba Rc Lc 380V (660V ) 0 u fA C Rdc Ldc B Rdc Ldc A Rdc Ldc 0/ MC R R C R C C iro Rro 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 u fA MC ~ 1140V A u fB B u fC C K1 K3 K2 iro Z cd 1 Z cd 2 Z cdn Hình 3-6. Sơ đồ cung cấp điện mạng điện khu vực mỏ hầm lò u fA Z ba MC Z cc A u fB ~ 1140V B u fC C K1 K2 Kn Z cm 2 Z cmn Z cd K nm isun Rnm K ro Z cm1 iro Rro Z cd 2 Z cd1 Z cdn Z dc1 Z dc 2 Z dcn usA1 u sA 2 u sAn Hình 3-7. Mô hình mạng điện mỏ hầm lò 1140V về an toàn điện giật 13 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 c) Mô hình trở kháng cách điện b) Mô hình cáp nhánh và động cơ d) Mô hình cáp chính 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 14 3.3.1. Xác định thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi chạm vào một pha của mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh Hình 3-11. Thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi không bù điện dung Hình 3-12. Thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi có bù thành phần điện dung của dòng điện rò 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của sức điện động ngược của động cơ đến dòng điện rò và điện lượng qua người 3.3.3 Khảo sát dòng điện rò và điện lượng qua người khi ngắt một nhóm động cơ có thông số giống nhau và khác nhau 3.3.4. Khảo sát dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào cáp chính và khi chạm vào cáp nhánh Hình 3-17. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một pha của cáp chính mạng 1140V 15 Hình 3-19. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi chạm vào một pha của cáp nhánh mạng 1140V 3.3.5. Khảo sát dòng điện rò và điện lượng qua người khi áp dụng giải pháp nối ngắn mạch pha con người chạm phải - Nối ngắn mạch pha phía nguồn: t nm = t c Hình 3-22. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi nối ngắn mạch pha rnm = 100 Ω với tnm = tc = 0,12s (khi chạm vào cáp nhánh) - Nối ngắn mạch pha phía tải: t nm = t c Hình 3-23. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi nối ngắn mạch pha phía tải Nhận xét chương 3 - Thời gian quá trình quá độ của dòng điện rò khi không có bù điện dung là nhỏ hơn 20ms, Khi có bù vượt quá 130ms trong điều kiện thông số cách điện hiện tại của mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh. 16 - Sức điện động ngược của động cơ làm tăng đáng kể thời gian tồn tại của dòng điện rò qua người. Vì vậy điện lượng do dòng điện này gây ra có thể vượt quá nhiều lần điện lượng an toàn cho phép (Qat = 50mAs). Do ảnh hưởng của sức điện động ngược động cơ, khi người chạm vào một pha của cáp chính là ít nguy hiểm hơn khi chạm vào một pha của cáp nhánh. - Giải pháp nối ngắn mạch pha con người chạm phải làm giảm đáng kể dòng điện rò và điện lượng qua người. Hiệu quả nhất là nối ngắn mạch pha phía tải. Tuy nhiên, việc thực hiện giải pháp nối ngắn mạch pha phía tải khó thực hiện được trong thực tế do điểm chạm của con người là không thể biết trước. Vì vậy, khả thi hơn là áp dụng nối ngắn mạch pha tại đầu ra của biến áp khu vực mỏ hầm lò (đặt trong rơle bảo vệ rò). Chương 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN AN TOÀN ĐIỆN GIẬT TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ ĐIỆN ÁP 1140V VÙNG QUẢNG NINH 4.1. Phân loại các phương pháp và thiết bị đảm bảo điều kiện an toàn điện giật trong các mạng điện khu vực mỏ hầm lò Hình 4-1. Phân loại phương pháp và thiết bị bảo vệ tự động khỏi điện giật trong công nghiệp mỏ 17 4.2. Đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn điện giật áp dụng cho các mạng điện 1140V mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh 4.2.1. Chọn dòng an toàn khoảnh khắc hợp lý iro − e tc t2 t1 0 T1 t TnDC t t4 t3 T3 T2 T4 Hình 4-3. Đồ thị mô tả sự biến thiên của dòng điện rò qua người Đối với mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V cung cấp cho một khu khai thác có động cơ công suất từ trên 175kW đến 300kW, các hằng số thời gian TnDC = 1,5s và TDC = 2,5s. Điện lượng chảy qua cơ thể người trong từng khoảng thời gian được xác định theo các biểu thức [56]: Q0 = (T1 + T2 ) I 0 ≈ 0 (I0 là dòng một chiều đo kiểm tra điện trở cách điện cỡ 0,6mA); T 1 1 2 ; Q1 = T1 iro dt ≈ 0 Q2 = T2 T1 ∫0 T 1 2 2 iro dt = I roT2 ; T2 ∫0 T Q3 = T3 Q4 = T4 1 3 2 ; iroDC dt ≈ 0,76I roT3 ≈ 0,76.I ro .0,6TnDC = 0,456TnDC I ro = 0,684I ro T3 ∫0 ∞ 1 /2 iroDC dt ≈ 0,19 I ro/ TDC = 0, 475 I ro/ . T4 ∫0 Tổng điện lượng qua người: Q = Q0 + Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ≈ T2 I ro + 0,684I ro + 0,475I ro/ (4-6) Vậy để đảm bảo điều kiện an toàn điện giật cho mạng 1140V cần chọn dòng an toàn khoảnh khắc theo điều kiện: Q ≈ Q2 + Q3 = T2 I ro + 0,684I ro = (tc − tqtqd ) I ro + 0,684I ro ≈ (tc + 0,684) I ro ≤ Qat Suy ra: I = ak Qat , mA tc + 0, 684 (4-7) 18 Áp dụng (4-7), nếu lấy Qat = 50mAs, với mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V thời gian tác động của hệ thống bảo vệ rò tc = 0,12s, I ak = 62 mA . Nếu chọn dòng an toàn khoảnh khắc Iak = 62mA, kết quả mô phỏng Matlab Simulink trên hình 4-4 cho thấy, điện lượng qua người ở thời điểm hở mạch tiếp điểm công tắc tơ không vượt quá 50mAs, tức là đảm bảo yêu cầu an toàn điện giật. Hình 4-4. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi chọn dòng Iak = 62mA 4.2.2. Áp dụng giải pháp tự động nối ngắn mạch pha rò C B 1140V A +E C1 Rnm C1 C1 C2 R3 C2 R3 C2 R3 3 UA R1 KC KB UB KA U V ( A) + 1 − 2 − − 3 KA OA1 BJT 1 Dz1, 2 ∑1 R2 R4 R4 3 1 + − 2 − R4 3 D1 D2 UC U0 NOR1 U V (B ) +E KB OA2 NOR 2 D3 BJT 2 − Dz 3,4 D4 ∑2 +E U V (C ) 3 1 + − 2 − − 3 ∑3 D6 KC OA3 D5 BJT 3 Dz 5,6 NOR3 U tđ Hình 4-13. Sơ đồ nguyên lý thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha Phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị phát hiện pha chạm đất phản ứng theo các dạng tín hiệu vào nêu trên, để phù hợp với thực tế mạng điện hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh, tác giả đề nghị xây dựng thiết bị phát hiện pha người chạm phải để điều khiển thiết bị tự động nối ngắn mạch pha phản ứng theo hiệu số giữa trị tuyệt đối 19 điện áp của pha có pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại và điện áp thứ tự không (hình 4-13). Hình 4-15. Mô phỏng đo điện áp khi có rò pha A qua điện trở rò bằng 1kΩ Đồ thị mô tả quan hệ phụ thuộc giữa điện áp đưa vào cơ cấu thừa hành nối ngắn mạch các pha khi điện trở rò và điện dung của mạng thay đổi như hình 4-17. 20.0 U v ,V U v ( A) 10.0 Rro , kΩ 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 -10.0 U v (C ) -20.0 -30.0 U v (B ) -40.0 -50.0 Hình 4-17. Sự phụ thuộc của điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn mạch các pha khi điện trở rò thay đổi 20.0 U v ,V U v ( A) 10.0 C , µF 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -10.0 -20.0 U v (C ) -30.0 -40.0 U v ( B) -50.0 Hình 4-18. Sự phụ thuộc của điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn mạch các pha khi điện dung của mạng thay đổi 20 Từ đồ thị hình 4-17 và 4-18 cho thấy, điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn mạch pha A luôn có giá trị dương, điện áp vào cơ cấu thừa hành nối ngắn mạch pha B và C luôn có giá trị âm. A B C A + 12V C6 C6 C6 C5 C5 C5 R19 R18 R20 R21 U v ( A) R15 R44 R42 R40 R46 D7 R36 + R22 OA4 R23 R4 OA1 B D1 D2 R25 R37 R24 R26 R27 C2 + OA5 R28 R38 R29 Dz3 Dz4 R41 C4 U td R31 R39 R7 R6 R13 OA6 R35 C + 12V CA1 rnm OptoTriac3 D5 D6 U v (C ) R17 R34 BJT 2 D4 R30 R32 R33 rnm R5 D3 R14 D10 + NOR 2 R8 + 12V C3 R43 + 12V OptoTriac 2 OA2 U v ( B ) R16 D9 R45 R2 R3 D8 + R1 NOR1 BJT 1 Dz1 Dz 2 C1 R47 rnm OptoTriac1 Dz5 Dz6 R12 R9 R10 BJT 3 OA3 R11 NOR3 Hình 4-32. Sơ đồ nguyên lý thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha Hình 4-34. Mạch tự động nối ngắn mạch pha khi rò pha B qua điện trở 1 kΩ