NGHIÊN CỨU ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN AN TOÀN ĐIỆN GIẬT TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ ĐIỆN ÁP 1140V VÙNG QUẢNG NINH

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 N
ỘI - 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
m
ạng 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 gi
ả 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 m
ươi 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 (Q
at
= 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

1
CD
3
V
2
V
1
V
V
2
CD
3
CD
1f
C

2f
C
3f
C

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:

(
)
( ) ( )
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
2
/
2
/
////
2
/
2
/
//
;
1
ddaa

dddaaaC
C
ddaa
addaC
R
g
f
f
−+−
−−−
=
−+−
−
=
∑
=
∑
∑
ω
(2-32)
- Các hệ số a, a
/
, d, d
/
được xác định theo biểu thức:

(
)
( )
2 2 2

/ 2 / 2 / 2
/
2 2
/ 2 / 2
/
2
6
2
6
2 3 .
2 3 .
A B C
f
f
A B C
f
f
C B
f
C B
f
U U U
a U
U
U U U
a U
U
U U
d
U

U U
d
U

− +

= +


− +
= +



−

=


−
=



(2-33)
2.3. K
ết 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 C
cdtb
= 0,39
µ
F hoặc C
tb
=
0,13
µ
F/pha, điện trở cách điện trung bình R
cdtb
= 75k
Ω
hoặc R
tb
=
225k
Ω
/pha; điện dung cách điện cực đại C
max
= 0,19
µ
F/pha, điện
trở cách điện nhỏ nhất R
min
= 168k
Ω

/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

fA
u
fB
u
fC
u
0
MC
R
R

R
C
ro
R
C
C
ro
i
C
A
B
)660(380
V
V

Hình 3-1. Mô hình đơn giản tính dòng điện rò qua người
12

fA
u
fB
u
fC
u
c
R
0
ba
R
ba

R
ba
R
c
R
c
R
MC
c
L
c
L
c
L
ba
L
ba
L
ba
L
R
R
R
C
ro
R
C
C
ro
i

C
A
B
)660(380
V
V

Hình 3-2. Mô hình kể đến ảnh hưởng của trở kháng biến áp, cáp

fA
u
fB
u
fC
u
c
R
0
ba
R
ba
R
ba
R
c
R
c
R
MC
c

L
c
L
c
L
ba
L
ba
L
ba
L
R
R
R
C
ro
R
C
C
ro
i
C
A
B
dc
R
dc
L
dc
R

dc
R
dc
L
dc
L
/
0
)660(380
V
V

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


MC
fA
u
ro
i
1
K

3
K
cdn
Z
fB
u
fC
u
2cd
Z
2
K
1cd
Z
V1140~
A
B
C

Hình 3-6. Sơ đồ cung cấp điện mạng điện khu vực mỏ hầm lò

MC
fA
u
1
K
cd
Z
fB
u

fC
u
1cd
Z
V1140~
A
B
C
1cm
Z
1dc
Z
1
sA
u
2
K
cdn
Z
2dc
Z
2sA
u
n
K
cmn
Z
sAn
u
2cm

Z
2cd
Z
dcn
Z
cc
Z
ro
R
ro
i
ba
Z
sun
i
nm
R
ro
K
nm
K

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

b) Mô hình cáp nhánh và động cơ

c) Mô hình trở kháng cách điện


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:

cnm
tt =

Hình 3-22. Dòng điện rò và điện lượng qua người khi nối ngắn mạch
pha r
nm
=
100
Ω
với t
nm
= t
c
= 0,12s (khi chạm vào cáp nhánh)
- Nối ngắn mạch pha phía tải:


cnm
tt =

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
ki
ện 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 (Q
at
= 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

t
ro
i
0
1
T
3
T
2
T
4
T
c
t
1
t
3
t
2
t
4
t
nDC
T
t
e
−

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 T
nDC
= 1,5s và T
DC
= 2,5s. Điện lượng chảy qua cơ
thể người trong từng khoảng thời gian được xác định theo các biểu
thức [56]:

0)(
0210
≈+= ITTQ
(I
0
là dòng một chiều đo kiểm tra điện
trở cách điện cỡ 0,6mA);


0
1
1
0
2
1
11
≈=
∫
T
ro

dti
T
TQ
;
2
0
2
2
22
2
1
TIdti
T
TQ
ro
T
ro
==
∫
;

roronDCnDCroro
T
roDC
IITTITIdti
T
TQ 684,0456,06,0 76,076,0
1
3
0

2
3
33
3
==≈≈=
∫
;

//
0
2/
4
44
475,019,0
1
roDCroroDC
ITIdti
T
TQ =≈=
∫
∞
.
Tổng điện lượng qua người:

/
243210
475,0684,0
rororo
IIITQQQQQQ ++≈++++=
(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:

2 3 2
0,684 ( ) 0,684 ( 0,684)
ro ro c qtqd ro ro c ro at
Q Q Q T I I t t I I t I Q
≈ + = + = − + ≈ + ≤


Suy ra:
0,684
at
ak
c
Q
I
t
=
+
, mA (4-7)
18
Áp dụng (4-7), nếu lấy Q
at
= 50mAs, với mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V thời gian tác động của hệ thống bảo vệ rò t
c
= 0,12s,
62
ak

I mA
=
. Nếu chọn dòng an toàn khoảnh khắc I
ak
= 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
I
ak
= 62mA

4.2.2. Áp dụng giải pháp tự động nối ngắn mạch pha rò
3
2
1
3
3
3
1
1
2
3
3
2
+
+

+
−
−
−
−
−
−
−
−
−
0
U
A
U
B
U
C
U
1
C
A
B
A
K
C
B
K
C
K
nm

R
2
C
1
R
2
R
3
R
4
R
A
K
B
K
C
K
2
C
2
C
1
C
1
C
3
R
3
R
4

R
4
R
E
+
E
+
E
+
)(AU
V
)(BU
V
)(CU
V
∑
1
∑
2
∑
3
tđ
U
1OA
2OA
3OA
1NOR
2NOR
3NOR
1BJT

2BJT
3BJT
2
D
1
D
4
D
3D
5D
6D
V1140
2,1Dz
4,3
Dz
6,5Dz

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 d
ựng 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.

-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
)(BU
v
)(CU
v
)(AU
v
ΩkR
ro
,
VU
v
,

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

-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
VU
v
,
FC
µ
,
)(AU
v
)(CU
v
)(BU
v

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
V12
+
V12
+
V12
+
3D
1
D
2
D
4
D
5D
6D
nm
r
1
R
2
R
4
R
3
R
5

R
8
R
6
R
7
R
9
R
12
R
10
R
11
R
nm
r
nm
r
1
NOR
1BJT
2BJT
3BJT
2OA
2NOR
3NOR
1OA
3OA
V12

+
td
U
13
R
14
R
1
CA
1
Dz
2
Dz
3
Dz
4
Dz
5
Dz
6
Dz
15
R
16
R
17
R
)( Av
U
)( Bv

U
)(Cv
U
23
R
18
R
19
R
20
R
21
R
22
R
4OA
29
R
30
R
25
R
26
R
27
R
28
R
5OA
35

R
24
R
31
R
32
R
33
R
34
R
6OA
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
1
C
3
C
2
C
4
C
7
D
8
D
9
D
10D
5
C

5
C
5
C
6
C
6
C
6
C
2OptoTriac
1OptoTriac
3OptoTriac

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
Ω
k
21



Hình 4-35. Thời gian tác động của mạch tự động phát hiện và nối
ngắn mạch pha khi có rò pha B qua điện trở 1
Ω
k
Từ đồ thị trên hình 4-35 cho thấy, thời gian tác động của thiết bị

tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha không vượt quá 50ms (thời
gian cho phép là từ 0,12s đến 0,17s). Điều này chứng tỏ sơ đồ có thời
gian tác động nhanh, đáp ứng tốt yêu cầu của thiết bị tự động phát
hiện và nối ngắn mạch pha.
4.2.3. Áp dụng giải pháp bù hợp lý thành phần điện dung của
dòng điện rò
Để hạn chế dòng điện rò qua người khi chạm vào một pha của
mạng điện mỏ hầm lò 1140V vùng Quảng Ninh cần nghiên cứu áp
dụng phương pháp bù tĩnh.

Hình 4-38. Điện lượng qua người khi chạm vào một pha mạng điện mỏ
hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh (t
nm
= t
c
= 0,12s)
q, As
i, A
t,s
22
Kết quả mô phỏng trên hình 4-38 với thông số cách điện vùng
Quảng Ninh (R = 168kΩ/pha, C = 0,19
µ
F/pha) cho thấy, khi không bù
điện dung, nếu áp dụng giải pháp nối ngắn mạch pha khi t
nm
= t
c
= 0,12s,
r

nm
= 100Ω điện lượng qua người bằng 20mAs, tức là nhỏ hơn nhiều
điện lượng an toàn.











Hình 4-42. Điện lượng qua người khi thời gian tác động của thiết bị
nối ngắn mạch pha t
nm
= t
c
= 0,12s, (
0,5
gh
C =
µ
F/pha)
Từ kết quả khảo sát trên các hình 4-42 cho thấy,
60
R
=
kΩ/pha

để đảm bảo điện lượng qua người không vượt quá điện lượng an toàn
Q
at
= 50mAs, t
nm
= t
c
= 0,12s, với điện trở nối ngắn mạch bằng
100
Ω
, khi mạng có điện dung
0,5
C
≤
µ
F/pha không cần áp dụng
giải pháp bù điện dung.

Hình 4-44. Dòng rò và điện lượng qua người khi C = 1
µ
F/pha,
R = 62 kΩ/pha, t
nm
= t
c
= 0,12s, không bù

q, A s
i, A
t,s

FC
µ
55,0
=
FC
µ
5,0
=
FC
µ
45,0
=
FC
µ
4,0
=
23


Hình 4-45. Dòng rò và điện lượng qua người khi C = 1
µ
F/pha,
R = 62 kΩ/pha, t
nm
= t
c
= 0,12s, bù với điện cảm bù L
b
= 10,2H
So sánh hai kết quả trên hình 4-44 và 4-45 cho thấy, khi không

bù điện lượng qua người bằng khoảng hơn 80mAs, tức là lớn hơn
điện lượng an toàn. Khi có bù với điện cảm bù bằng 10,2H điện
lượng qua người khoảng 50mAs.

Nhận xét chương 4
- Với thời gian tác động của hệ thống bảo vệ rò là 0,12s, dòng an
toàn khoảnh khắc để tính toán điều kiện an toàn điện giật cho các
mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng Ninh nên chọn
bằng I
ak
= 62mA. Muốn tăng dòng an toàn khoảnh khắc tính toán cho
mạng 1140V, cần hạn chế ảnh hưởng do sức điện động ngược của
động cơ đến dòng điện rò bằng giải pháp tự động phát hiện và nối
ngắn mạch pha.
- Sơ đồ mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha được thiết
kế trên hình 4-32 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.
- Trong
điều kiện thông số cách điện các mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V vùng Quảng Ninh như hiện tại (điện dung của mạng
FC
µ
5,0
<
), nếu áp dụng giải pháp tự động nối ngắn mạch pha, có
24
thể bỏ không sử dụng mạch bù điện dung. Trường hợp trong tương
lai mạng kéo dài với điện dung pha lớn hơn điện dung giới hạn 0,5µF
(

FCF
µ
µ
15,0
≤
<
), áp dụng phương pháp bù tĩnh với điện cảm bù
bằng 10,2H.


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


Trong các mỏ hầm lò Việt Nam, cấp điện áp 1140V đã được sử
dụng hàng chục 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 chưa có công trình
nghiên cứu nào ở trong nước đề cập đến. Vì vậy, những kết quả
nghiên cứu của đề tài luận án vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý
nghĩa thực tiễn. Từ kết quả nghiên cứu của tác giả luận án cho phép
rút ra được những kết luận sau đây:

1. Có nhiều phương pháp đo để xác định thông số cách điện của
mạng ba pha trung tính cách ly. Tuy nhiên, 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, 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.
2. Các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140V vùng Quảng
Ninh hiện tại có điện dung cách điện trung bình C

cdtb
= 0,39
µ
F
hoặc C
tb
= 0,13
µ
F/pha, điện trở cách điện trung bình R
cdtb
= 75k
Ω

hoặc R
tb
= 225k
Ω
/pha; điện dung cách điện cực đại C
max
=
0,19
µ
F/pha, điện trở cách điện nhỏ nhất R
min
= 168k
Ω
/pha.
3. Mô hình mạch và mô hình Matlab Simulink tính dòng điện rò
và
điện lượng qua người do tác giả xây dựng đã kể đến ảnh hưởng do

sức điện động ngược của động cơ công suất lớn. Sức điện động
ngược của động cơ làm tăng đáng kể thời gian tồn tại của dòng điện
25
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 = 50mAs). Thời gian cắt
của thiết bị bảo vệ rò hầu như không giảm được hơn nữa. Vì vậy, để
đảm bảo điều kiện an toàn điện giật khi vận hành mạng điện mỏ
1140V phải có giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sức điện động
ngược của động cơ.
4. Giải pháp nối ngắn mạch pha con người chạm phải làm giảm
đáng kể dòng điện rò và điện lượng qua người (tùy thuộc vào điện
trở và thời gian nối ngắn mạch). Áp dụng nối ngắn mạch pha tại đầu
ra của biến áp khu vực mỏ hầm lò (đặt trong rơle bảo vệ rò).
5. Sơ đồ mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha trên hình
4-32 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 và điện
áp thứ tự không, với các hệ số được chọn theo tỷ lệ (4-26) có độ
nhạy và độ tin cậy xác định pha rò cao, cấu tạo đơn giản, có thể sử
dụng các linh kiện điện tử thông dụng hiện có trong nước.
6. Trong điều kiện thông số cách điện các mạng điện mỏ hầm lò
điện áp 1140V vùng Quảng Ninh như hiện tại, nếu áp dụng giải pháp
tự động nối ngắn mạch pha qua điện trở 100Ω, có thể bỏ không cần
sử dụng mạch bù điện dung. Trường hợp trong tương lai mạng kéo
dài với điện dung lớn hơn điện dung giới hạn 0,5µF/pha, áp dụng
phương pháp bù tĩnh với điện cảm bù bằng 10,2H.
7. Kiến nghị áp dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài luận án
trong việc thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ rò cấp điện áp 1140V phù
hợp với điều kiện các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh.