Nghiên cứu lựa chọn thiết bị bảo vệ chống chạm đất 1 pha chọn lọc cho các khởi hành 6kv hầm lò khu vực hạ long quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐINH NGỌC DIỆP

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG CHẠM
ĐẤT 1 PHA CHỌN LỌC CHO CÁC KHỞI HÀNH 6KV HẦM LÒ
KHU VỰC HẠ LONG – QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – Năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐINH NGỌC DIỆP

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG CHẠM
ĐẤT 1 PHA CHỌN LỌC CHO CÁC KHỞI HÀNH 6KV HẦM LÒ
KHU VỰC HẠ LONG – QUẢNG NINH

Chuyên ngành: Điện khí hóa mỏ
Mã số: 60.52.52

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Đinh Văn Thắng

Hà nội – Năm 2010


MỤC LỤC
Chương 1 - Tổng quan về các phương pháp và các dạng thiết bị bảo
vệ chạm đất một pha ……………….…………….…………….…………….…………….………..
1.1 Các nguyên nhân gây ra sự cố chạm đất một pha …………….…………….
1.2 Các phương pháp bảo vệ chạm đất một pha .…..............………….…………….
1.3 Một số dạng thiết bị bảo vệ chạm đất một pha được áp dụng tại vùng
mỏ Quảng Ninh …………….…………….…………….…………….…………….…………….…
1.4 Những yêu cầu đối với bảo vệ chạm đất một pha …………….…………….…
Chương 2 - Khảo sát, phân tích các thông số mạng cao áp mỏ vùng
Quảng ninh, xét ảnh hưởng của các thông số mạng cao áp mỏ đặc
trưng cho vùng Quảng ninh đến các đại lượng dòng, áp và pha thứ
tự không. …………….……….....................................................................................................................…….
2.1 Lựa chọn phương pháp đo đạc các thông số mạng điện cao áp mỏ khu
vực Quảng Ninh …………….…………….…………….…………….…………….…………….…..............
2.2 Xác định khối lượng các số liệu thực nghiệm cần thiết ….……….……….....
2.3 Mơ hình tốn học xử lý kết quả nghiên cứu thực nghiệm ….……….……….
2.4 Mối liên hệ giữa các đại lượng điện dung và điện dẫn trong mạng cao
áp mỏ .….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........…........
2.5 Kết luận .….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........…........
Chương 3 - Cơ sở của việc lựa chọn thiết bị bảo vệ chạm đất một pha
chọn lọc định hướng phù hợp với lưới điện cao áp mỏ vùng Quảng
ninh ……………….….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........….........….....
3.1 .Lựa chọn sơ đồ thay thế các mạng cao áp mỏ than vùng Quảng Ninh
3.2 Khảo sát điện áp thứ tự không trong chạm đất 1 pha …………………………
3.3 Khảo sát các dịng điện thứ tự khơng mạng điện trung tính cách ly
3.4 Phân tích các đặc tính pha của các thơng số dịng và áp thứ tự khơng
3.5 Phân tích ảnh hưởng của các biến áp đo lường tới pha của điện áp và

dịng điện thứ tự khơng …………………………………………………………………………….........
3.6 Kết luận ……………………………………………………………………………………………………...
Chương 4 Lựa chọn thiết bị bảo vệ chạm đất một pha chọn lọc định
hướng ………………………………………………………………………………………………………………
4.1 Cơ sở khoa học của việc lựa chọn thiết bị bảo vệ chạm đất một pha
4.2 Ứng dụng cơ sở kỹ thuật điện tử số vào thiết bị bảo vệ chạm đất một
pha chọn lọc ……………………………………………………………………………......................…………
4.3 Xây dựng sơ đồ khối chức năng của thiết bị bảo vệ chống chạm đất
một pha sử dụng dòng điện dung nhân tạo …………………………………………………
4.4 Nguyên lý làm việc của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn
lọc sử dụng dòng điện dung nhân tạo ……………………………………………………………
4.5 Ứng dụng phần mềm tin học mô phỏng mạng và thiết bị bảo vệ chạm
đất một pha ………..............................................................................................................................................
Kết luận
Tài liệu tham khảo

Trang
4
4
7
18
23

25
25
28
35
39
44

45
45
48
54
58
61
63
64
64
66
69
71
79


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lâm Khải Bình (1993), Lý thuyết thống kê và KH thực nghiệm, đại học Bách
khoa Hà nội
2. Trần Bá Đề (1997), Bảo vệ rơ le trong hệ thống điện mỏ, Trường đại học mỏ
địa chất
3. Phạm Văn Kiều (1982), Lý thuyết sác xuất và thống kê, NXB Tổng hợp đại
học Quốc gia Hà nội
4. Nguyễn Anh Nghĩa (2009), Giáo trình cung cấp điện mỏ, Trường Đại học mỏ
Địa chất
5. Nguyễn Anh Nghĩa, “Bảo vệ chạm đất một pha và bảo vệ đứt pha trong mạng
điện cao áp ứng dụng phần tử logic”, Tạp chí năng lượng Việt nam số 12 - 1997
6. Phạm Văn Trung, Nguyễn Ngọc Vĩnh (1987), Nghiên cứu và thiết lập hệ
thống bảo vệ chống chạm đất 1 pha cho lưới điện mỏ Mạo khê, Trường Đại học
mỏ Địa chất
7. Phederoep A.M (1976), Bảo vệ rơle trong các hệ thống cung cấp điện, NXB

Năng lượng.
8. Trần Đình Long, Trần Đình Chân, Nguyễn Hồng Thái (1993), Bảo vệ rơle
trong các hệ thống cung cấp điện, đại học Bách khoa Hà nội
9. N.V. Tsernôbrôvôv ( 1983), Bảo vệ rơle, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật
10. Đinh Văn Thắng, “Xác định thông số cách điện so với đất của mạng điện cao
áp mỏ bằng phương pháp gây chạm đất một pha nhân tạo qua điện trở thuần”,
Tạp chí cơng nghệ mỏ số 2 – 2007


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn cao học này là cơng trình nghiên cứu của
riêng cá nhân tơi. Các tài liệu, số liệu được nêu trong luận văn này là trung
thực. Các luận điểm và các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố
trong bất cứ cơng trình nào khác.

Hà nội, ngày 10 tháng 8 năm 2010
Tác giả luận văn


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghiệp khai thác than là ngành kinh tế mũi nhọn của nước ta, nó
là nền tảng và là cơ sở ban đầu cho sự phát triển thịnh vượng của nền kinh tế
đất nước trong thời kỳ cơng nghiệp hố – hiện đại hoá đất nước. Sử dụng,
khai thác hợp lý và hiệu quả tài ngun trong lịng đất trong đó có ngành công
nghiệp khai thác chế biến than trong điều kiện công nghệ cao địi hỏi mức độ
an tồn và tin cậy của hệ thống cung cấp điện cần đặt lên trên hết.

Chạm đất một pha trong hệ thống cung cấp điện cao áp mỏ là một trong
những sự cố thường xuyên xảy ra nhiều nhất trong toàn bộ sự cố về hệ thống
cung cấp điện lưới cao áp mỏ, chiếm tỷ lệ khoảng 80% trong tổng toàn bộ các
sự cố về mạng điện cao áp.
Kinh nghiệm vận hành các hệ thống cung cấp điện cao áp mỏ của các
nước có nền công nghiệp khai thác phát triển chỉ ra rằng độ tin cậy và độ an
toàn cung cấp điện phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái cách điện của mạng cao
áp mỏ cũng như chế độ trung tính của các mạng cao áp này. Với những vấn
đề đặt ra như trên, hạn chế sự cố chạm đất một pha trong các mạng điện cao
áp mỏ theo hướng lựa chọn thiết bị bảo vệ chống chạm đất 1 pha chọn lọc
định hướng cho lưới điện cao áp mỏ có độ chọn lọc tốt, độ tin cậy cao để phù
hợp với điều kiện của mạng điện cao áp mỏ hiện nay.
Trên cơ sở phân tích các thiết bị bảo vệ chạm đất một pha hiện đang sử
dụng ở nước ta và các nước trên thế giới, các thiết bị này vẫn tồn tại một số
nhược điểm và chưa thỏa mãn được điều kiện vận hành thực tế tại các mỏ
vùng Hạ long với đặc điểm thông số mạng luôn thay đổi nên việc chỉnh định
gặp rất nhiều khó khăn. Trong luận văn này, tác giả đưa ra giải pháp so sánh
dòng thứ tự khơng và dịng điện dung nhân tạo để phát hiện khởi hành bị sự
cố, do đó thiết bị bảo vệ có thể làm việc chính xác và khơng phụ thuộc vào
thơng số mạng. Để có được đặc tính chống nhiễu cao cũng như độ nhạy, độ
chọn lọc cần thiết của các thiết bị, các tín hiệu mang thơng tin chạm đất được
biến đổi từ dạng tương tự sang dạng số. Sự biến đổi này cho phép đạt được
các tính năng tốt nhất của thiết bị mà các thiết bị hiện có khơng thỏa mãn
được.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài


2

Mục đích chính của luận văn là dựa trên cơ sở phân tích lý thuyết về sự

cố khơng đối xứng trong các mạng điện cao áp và các nghiên cứu thực
nghiệm tại các mạng điện cáo áp mỏ khu vực Hạ long Quảng ninh, tác giả
phân tích lựa chọn thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọc lọc phù hợp
với điều kiện vận hành các mạng điện cao áp khu vực này.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các mạng lưới điện cao áp mỏ
khu vực Hạ long – Quảng ninh và lựa chọn thiết bị bảo vệ chống chạm đất
chọn lọc phù hợp với các đối tượng này.
4. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ của luận văn tác giả chỉ đi sâu nghiên cứu hình thức
bảo vệ chạm đất một pha, một trong những dạng sự cố thường gặp nhất ở
mạng cao áp mỏ hầm lò.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp bảo vệ chống chạm đất một pha và
các dạng thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha phổ biến được áp dụng trên
thế giới hiện nay
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số mạng điện cao áp mỏ khu
vực Hạ long Quảng ninh, từ đó xây dựng mơ hình thực nghiệm mối liên hệ
các thông số mạng
- Nghiên cứu lý thuyết quá trình chạm đất một pha trong mạng cao áp trung
tính cách ly, vận dụng cơ sở lý thuyết đại số logic xây dựng sơ đồ thiết bị bảo
vệ chống chạm đất một pha chọn lọc phù hợp với mạng điện khu vực lựa
chọn.
- Sử dụng phần mềm tin học để kiểm tra mô phỏng sự hoạt động của thiết bị
nhằm kiểm chứng cho nguyên lý làm việc của thiết bị.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn
Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng được mạch nguyên lý, mạch mô phỏng Multisim cho chạm đất
một pha.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết cho dịng thứ tự khơng và dòng điện dung nhân tạo

Ý nghĩa thực tiễn


3

- Kết quả nghiên cứu của luận văn giúp ích cho việc thiết kế, chế tạo các rơle
bảo vệ rò điện phù hợp với mạng điện 6kV vùng Hạ long Quảng ninh nhằm
bảo vệ tối ưu trong điều kiện thông số mạng luôn thay đổi.
7. Những điểm mới của luận văn
- Đo đạc, đánh giá những thông số thực của mạng điện 6kV vùng Hạ long
Quảng ninh, từ đó phân tích sự phân bố điện dung, điện dẫn của mạng.
- Lựa chọn mạch bảo vệ chạm đất một pha sử dụng kỹ thuật số phù hợp với
thông số mạng.
8. Bố cục của luận văn
Luận văn được trình bày gồm phần mở đầu, kết luận, 04 chương trong
80 trang và phần phụ lục.


4

CHƢƠNG 1 . Tổng quan về các phƣơng pháp và các dạng
thiết bị bảo vệ chạm đất một pha
1.1 Các nguyên nhân gây ra sự cố chạm đất một pha
Ở các trạm phân phối 6kV của mỏ, hiện tượng chạm đất một pha xảy ra
thường xuyên và chiếm tỷ lệ khá lớn trong các sự cố về an toàn điện. Các
nguyên nhân gây nên hiện tượng chạm đất một pha là do hỏng cách điện, đứt
dây, bị va đập cơ học, mài mòn cơ học, tác dụng cơ điện, nhiệt độ, độ ẩm, mơi
trường bụi, lão hố v.v... Các đầu nối cáp điện vào các thiết bị mỏ, các sứ
xuyên, sứ đỡ thường xảy ra hiện tượng nứt, bụi ẩm sau thời gian tạo thành các
mạch rò điện. Sự cố chạm đất 1 pha do hỏng cách điện sau khi phát triển trở

thành ngắn mạch 2, 3 pha hoặc ngắn mạch hai pha xuống đất, khi xảy ra tình
trạng này sẽ phá huỷ đường dây, thiết bị và gây mất an tồn cho người.
Việc xác định chính xác ngun nhân gây sự cố chạm đất một pha là
nhiệm vụ quan trọng và cần thiết, nó là cơ sở khoa học trong việc hình thành
và lựa chọn giải pháp nâng cao hiệu quả cũng như độ tin cậy làm việc của các
trang thiết bị điện mỏ đồng thời tăng khả năng và vai trị của các thiết bị bảo
vệ.
Trong q trình vận hành hệ thống điện cao áp mỏ, căn cứ các đặc điểm
đặc thù của các trang thiết bị điện mỏ, vấn đề xác định chính xác nguyên nhân
gây sự cố chạm đất một pha thường gặp phải nhiều khó khăn phức tạp. Điều
này có thể minh hoạ qua số liệu tại bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 1.1 Số liệu thống kê nguyên nhân gây tác động của thiết bị bảo vệ
chạm đất
TT

Nguyên nhân gây tác động của thiết bị bảo
vệ chạm đất

Tỷ lệ phần trăm (%)

1

Xác định được nguyên nhân sự cố

62,4

2

Không xác định được nguyên nhân gây sự cố

37,6

Tổng

100

Phân tích các số liệu cho ở trên bảng cho thấy tỷ lệ phần trăm các sự cố
chạm đất một pha chưa xác định được nguyên nhân là tương đối lớn. Điều
này được giải thích do tính phức tạp của hệ thống cung cấp điện của các mỏ
cũng như đặc điểm đặc thù trong vận hành mạng điện cao áp mỏ hiện nay. Vì
vậy, vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là cần nghiên cứu và triển khai các


5

giải pháp nhằm xác định chính xác các nguyên nhân gây chạm đất một pha để
có cơ sở khoa học trong giải quyết triệt để nhiệm vụ bảo vệ chạm đất một pha
trong lưới điện cao áp mỏ.
Xác định nguyên nhân gây chạm đất một pha do các phần tử trong hệ
thống điện cao áp mỏ được các nhà khoa học của Liên Xô nghiên cứu tương
đối đầy đủ. Kết quả nghiên cứu chạm đất một pha do sự cố ở các trạng bị điện
cao áp mỏ được trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1.2 Nguyên nhân chạm đất theo mạch "pha-đất" trong lưới điện
cao áp mỏ
Nguyên nhân chạm đất

TT

Tỷ lệ phần
trăm (%)

1

Hỏng cách điện tại các bộ phận dây dẫn

62,5

2

Tiếp xúc trực tiếp các dây pha xuống đất, dây tiếp địa

22,3

3

Phóng điện qua khoảng cách cách ly

7,5

4

Phóng điện qua sứ cách điện

6,7

Tổng

100

Nguyên nhân cơ bản nhất đẫn đến chạm đất một pha trong lưới điện

cao áp mỏ là do hỏng cách điện của các trang thiết bị điện cao áp mỏ. Hỏng
cách điện của một pha trong thiết bị điện cao áp phần lớn do các tác động cơ
học và nhiệt độ cao gây ra. Các tác động cơ học và nhiệt độ cao đối với cách
điện của trang thiết bị điện sẽ hình thành các vết nứt bề mặt và từ đó hình
thành "kênh" dẫn.
Bảng 1.3 Ngun nhân chạm đất do hỏng hóc cách điện
TT

Nguyên nhân chạm đất

Tỷ lệ phần trăm
(%)

1

Chạm đất tại dây quấn động cơ cao áp

53,3

2

Chạm đất tại đầu nối cáp điện cao áp

29,3

3

Chạm đất do cáp điện (theo toàn bộ chiều dài dây
cáp)

9,2

4

Chạm đất ở các thiết bị cao áp trạm phân phối

9,2
100


6

Từ các số liệu có được ở trên cho thấy có đến trên 80% các sự cố chạm
đất một pha trong lưới điện cao áp mỏ xuất phát từ nguyên nhân hỏng cách
điện của cáp điện, động cơ điện cao áp và đầu nối cáp điện. Như vậy vấn đề
cốt lõi là cần đặc biệt quan tâm đến chế độ vận hành các động cơ điện cao áp
và thường xuyên chú ý đến công tác bảo dưỡng các đầu nối cáp điện trong
mạng điện cao áp mỏ.
Nghiên cứu nguyên nhân chạm đất một pha đối với đối tượng là các bộ
phận dẫn điện không bọc cách điện như: cáp điện trên khơng, tiếp điểm máy
đóng cắt, va chạm các thiết bị chuyển động, ... cho thấy như sau (bảng 1.4)
Bảng 1.4 Nguyên nhân chạm đất khác
TT

Tỷ lệ phần
trăm (%)

Nguyên nhân

1

Cháy dây dẫn tại nơi nối điện

29,6

2

Võng dây pha của đường dây trên không chạm vào dây
tiếp địa

22,2

3

Đứt dây pha của dường dây trên không

14,8

4

Đổ cột điện do va chạm phương tiện cơ giới chuyển động,
do nổ mìn

14,8

5

Bùng nền làm đổ cột điện

11,2

6

Đứt đầu nối của máy xúc

7,4

Tổng

100

Cháy dây dẫn tại đầu nối điện tại các đầu vào của động cơ điện, các
bulông bắt chặt các mối nối các thiết bị điện. Võng quá mức của các dây cáp
trên không gây chạm phần tử tiếp địa dưới tác dụng của gió. Đứt dây pha của
dây trên không và đổ cột điện do va chạm các phương tiện chuyển động trên
mỏ, ...
Phân chia các nguyên nhân gây chạm đất một pha do phóng điện qua
cách điện ở các trang thiết bị điện của mỏ được thể hiện qua bảng 1.5
Bảng 1.5 Thống kê nguyên nhân chạm đất do phóng điện qua cách điện
TT
1

Nguyên nhân
Phóng điện qua sứ cách điện

Tỷ lệ phần trăm (%)
37,5


7

2

Phóng điện qua cách điện của trang thiết bị điện

62,5

Tổng

100

Phóng điện qua sứ cách điện xảy ra khi chịu tác động cơ học , do tác
động của môi trường ẩm, bụi. Chạm đất do phóng điện qua cách điện của các
trang thiết bị điện cao áp mỏ chiếm tỷ lệ cao hơn so với phóng điện qua sứ.
Các số liệu về nguyên nhân gây chạm đất một pha ở trên cho thấy rõ
tính đặc thù trong vận hành mạng điện cao áp mỏ. Việc tìm hiểu nguyên nhân
gây chạm đất một pha cho phép đưa ra nhận đinh chung là đối với lưới điện
cao áp mỏ thì sự cố chạm đất một pha có rất nhiều nguyên nhân gây ra, phần
lớn các sự cố chạm đất một pha này mang đặc điểm đặc thù vận hành mạng
điện của mỏ riêng
Việc sử dụng bảo vệ khỏi chạm đất 1 pha tác động nhanh có chọn lọc
làm giảm nguy cơ ngắn mạch kép ra đất và tăng mức độ an toàn điện trong
vận hành lưới điện cao áp mỏ. Trang bị các thiết bị bảo vệ chạm đất một pha
chọn lọc là cần thiết.
1.2 Các phương pháp bảo vệ chạm đất một pha
1.2.1. Bảo vệ chạm đất một pha tác động theo điện áp thứ tự không
Phương pháp bảo vệ tác động theo áp thứ tự khơng được áp dụng với
mục đích tác động khoá liên động.
Sơ đồ cấu trúc của thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha tác động theo điện áp
thứ tự khơng ( 3U0) có nhiều dạng khác nhau. Hình 1.1. là sơ đồ nguyên lý

của bảo vệ chạm đất phản ứng theo tín hiệu điện áp thứ tự không được lấy từ
cuộn dây đấu tam giác hở của biến áp đo lường ba pha năm trụ HTMN-6/10:
+
RU

B
A2
Y UH Y
IO

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của #thiết bị bảo vệ chạm đất tác động theo
UO
đại lượng 3U0
#
IOC
#

UO
#

6
6


8

Nguyên lý làm việc của mạch như sau : Khi xảy ra hiện tượng chạm đất
một pha trên một khởi hành nào đó thì tại cửa ra của cuộn tam giác hở máy
biến áp đo lường sẽ xuất hiện điện áp thứ tự khơng ( 3U0). Giá trị của nó thay
đổi trong khoảng 60-100V, phụ thuộc vào hình thức chạm đất ( chạm hoàn

toàn qua vật bằng kim loại hoặc chạm đất khơng hồn tồn ). Điện áp thứ tự
khơng được cấp cho rơle điện áp RU, rơle điện áp sẽ tác động đóng tiếp điểm
điểm của nó để cấp điện cho cuộn cất nhanh chóng loại sự cố ra khỏi lưới.
Nhược điểm của bảo vệ theo nguyên lý trên là tác động khơng chọn lọc,
khi có sự cố xảy ra ở một khởi hành bất kỳ trong hệ thống cung cấp điện
chung đều xuất hiện điện áp thứ tự không không ổn định, trị số phụ thuộc vào
đặc điểm chạm đất và phụ thuộc vào tham số điện dung riêng của mạng so với
đất.
1.2.2 Bảo vệ chạm đất một pha tác động theo biên độ dòng chạm đất một pha
3I0.
Bảo vệ chạm đất một pha phản ứng theo dòng được thực hiện nhờ sử
dụng bộ lọc dòng điện thứ tự khơng hoặc dùng máy biến dịng đặc biệt ( Hình
1.2). Loại máy biến dịng này có mạch từ thâu tóm cả 3 dịng điện 3 pha IA, IB,
IC, các dịng điện này tạo ra các từ thơng A, B, C. Từ thơng tổng hợp
 sinh ra dịng điện thứ tự khơng chạy vào rơle, dịng điện này tỷ lệ với

điện dung I C  của mạng điện và được xác định theo biểu thức :
IC



= 3kđ.bCdUf;

Cd - điện dung của nhánh dây nơi đặt bảo vệ ;
Uf - điện áp pha ;
kđ.b - hệ số đột biến của dòng điện dung :
C∑ - điện dung tổng toàn bộ mạng điện.
Ở thời điểm t = 0, hệ số kđ.b = 4 - 5, khi t > 0,5s thì kđ.b = 1,5 - 2
Dòng điện khởi động của bảo vệ phải có giá trị lớn hơn dịng điện
dung, IkdBV > Ic∑, nói cách khác

IkdBV=ktcIc∑=3kđ.bωCdUf
Độ nhạy của bảo vệ
k nh 

I k . min 3U uf  (C  Cd ) (C  Cd )


I kdBV
3ktc k dbCdU duf
ktc k dbCduf


9

Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ thứ tự khơng với dòng ngắn mạch nhỏ :
a) Sơ đồ nguyên lý máy biến dịng thứ tự khơng ;
b) Sơ đồngun lý bảo vệ dùng máy biến dịng thứ tự
khơng ;
Thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha tác động theo biên độ dịng chạm đất
thứ tự khơng ( 3I0) được sử dụng để bảo vệ các đường dây truyền tải có dịng
dung riêng khơng lớn lắm ( 20-30% dịng điện chạm đất tồn phần). Ở các
khởi hành có dịng dung riêng gần tương đương với dịng chạm đất tồn phần
thì sử dụng phương pháp bảo vệ chạm đất này sẽ không hiệu quả.
Bảo vệ chạm đất một pha tác động theo biên độ dịng thứ tự khơng có
cấu trúc đơn giản, tin cậy trong vận hành nhưng độ nhạy lại kém. Để nâng cao
độ nhạy có thể sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu đầu vào, tuy
nhiên trong mạng điện có số lượng khởi hành và thiết bị làm việc thường
xuyên thay đổi trong phạm vi rộng thì dòng chạm đất (3I 0) thay đổi thường
xuyên nên cần phải chỉnh định dịng tác động thường xun theo thơng số
mạng, điều này làm hạn chế độ tin cậy của bảo vệ.

1.2.3 Bảo vệ chạm đất một pha sơ đồ phản ứng với các thành phần dòng điện
và điện áp thứ tự không.
Nguyên tắc làm việc của thiết bị bảo vệ này tương tự như thiết bị bảo
vệ chạm đất tác động theo biên độ dịng điện thứ tự khơng ( 3I0) nhưng được
khống chế bởi tín hiệu điện áp thứ tự không (3U0).


10

Khi có sự cố chạm đất một pha ở phía cuộn tam giác hở máy biến áp đo
lường HTMU – 6 xuất hiện điện áp 3U0 tỷ lệ thuận với cường độ dòng chạm
đất 3I0 và phụ thuộc vào điện trở tiếp xúc nơi có sự cố chạm đất 1 pha.
Điện áp 3U0 được cấp cho rơle Ru tác động, đóng các cặp tiếp điểm
liên động đóng nguồn cho rơle tác động theo biên độ dòng chạm đất 3I 0. Điều
này có nghĩa là khi ở thanh cái của trạm cung cấp điện hoặc của thứ cấp máy
biến áp lực có tín hiệu chạm đất 3U0 xuất hiện thì tồn bộ các rơle trên các
khởi hành mà nó bảo vệ được cấp nguồn để hoạt động.
Việc sử dụng cả hai tín hiệu: dịng chạm đất 3I0 và điện áp thứ tự không
3U0 trong các thiết bị bảo vệ chạm đất một pha loại bỏ được các tác động
nhầm lẫn của bảo vệ có liên quan đến dịng điện q độ trong q trình đóng
cắt mạch điện.


11

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha tác động theo dịng
thứ tự khơng được khố liên động bởi điện áp thứ tự khơng.
1.2.4 Bảo vệ chạm đất một pha định hướng tác động theo dịng và áp thứ tự
khơng
Chạm đất một pha trong hệ thống cung cấp điện mạng trung tính cách

ly gây ra mất đối xứng của điện áp trong mạng cáp 6KV. Kết quả phân tích
bằng lý thuyết chỉ ra rằng, hướng của dịng điện thứ tự khơng tại khởi hành có
sự cố chạm đất và các khởi hành khơng chạm đất ngược nhau. Điều này có
thể suy ra rằng, có thể phân biệt được khởi hành có sự cố chạm đất thông qua
dấu của công suất phản kháng mà không cần phải quan tâm đến giá trị của
dòng điện thứ tự khơng.
Ở các mạng cáp điện có trung tính cách ly, dịng điện chạm đất thứ tự
khơng 3I0 mang đặc điểm điện dung. Do vậy, bảo vệ chạm đất tác động theo
hướng của dịng điện thứ tự khơng 3I0 cần phản ứng theo dấu của công suất
phản kháng :
Q = U0.I0.sin0,


12

trong đó : 0 – Góc lệch pha giữa dịng điện thứ tự không ( 3I0) và điện áp thứ
tự khơng ( 3U0).

Hình 1.4 Sơ đồ ngun lý thiết bị bảo vệ chạm đất tác động theo hướng công
suất.
Một trong những ưu điểm lớn nhất của phương pháp bảo vệ chạm đất
sử dụng rơ le công suất phản kháng là khả năng chịu quá tải lớn.
Trong mạng cung cấp điện có bù thành phần dịng điện dung làm việc ở
chế độ quá bù, bảo vệ chạm đất phản ứng theo hướng cơng suất phản kháng
sẽ khơng tác động. Bởi vì trong trường hợp này, dòng điện ở pha chạm đất
trên khởi hành có sự cố và các khởi hành khơng có sự cố chạm đất đều có
cùng một hướng. Tuy nhiên, dòng chạm đất của lưới và dòng cảm kháng bù
có chứa thành phần tác dụng, bởi vậy trong trường hợp bù hồn tồn dịng
điện dung, dịng điện qua nơi chạm đất sẽ là dòng điện dư (bỏ qua dòng cao
bậc 2 chưa bù hết ).

Do vậy, có thể sử dụng thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha có định hướng
tác động theo đại lượng công suất tác dụng Pa = U0.I0.cos0.
1.2.5 Bảo vệ chạm đất tác động theo biên độ dòng điện cao tần dao động tự
do ở chế độ quá độ.
Như đã nêu ở trên, các dạng bảo vệ làm việc ở chế độ xác lập của dịng
chạm đất ở các mạng cung cấp điện có bù dịng điện dung thường có nhiều
hạn chế ( hiện tượng chạm đất 1 pha chập chờn không ổn định, chạm đất do
phóng điện hồ quang v.v…), vì vậy người ta đưa ra phương án thiết kế chế
tạo các thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha làm việc ở chế độ quá độ khi xảy ra
chạm đất.


13

Ưu điểm của các thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha làm việc ở chế độ quá
độ là có khả năng nhận biết khơng chỉ với tín hiệu chạm đất hồn tồn (ở chế
độ xác lập), mà cịn nhận biết được các tín hiệu chạm đất khơng hồn tồn,
chạm đất do phóng điện. v.v.. Thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha làm việc ở chế
độ quá độ không phụ thuộc vào chế độ bù của lưới điện. Việc sử dụng biện độ
của dòng quá độ chạm đất cho phép chúng ta dễ dàng chỉnh định ngưỡng tác
động bảo vệ khỏi dòng quá độ của máy biến dòng thứ tự khơng do đóng cắt
mạch điện, do vậy có khả năng tạo được bảo vệ chạm đất 1 pha tác động
nhanh. Bên cạnh các ưu điểm này thì bảo vệ chạm đất một pha làm việc ở chế
độ quá độ có nhược điểm là khơng có khả năng tác động lần thứ hai do chạm
chập chờn không xuất hiện quá trình quá độ.
_
+ -PC

TH

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị bảo
vệ chạm đất tác động theo dòng quá
độ.

P

Nguyên lý làm việc của các thiết bị bảo vệ như sau :
Khi có chạm đất, điện dung tại pha chạm đất sẽ phóng điện tích tại
điểm chạm đất cịn điện dung của hai pha cịn lại sẽ thực hiện q trình nạp
điện do điện áp các pha không chạm đất tăng từ giá trị điện áp pha lên giá trị
điện áp dây. Hiện tượng phóng điện tích của pha có chạm đất và nạp thêm
điện tích ở các pha khơng bị chạm đất sẽ hình thành dao động tự do tắt dần
với tần số dao động riêng của mạch. Tần số dao động này phụ thuộc vào các
thông số điện cảm, điện dung của lưới điện. Biên độ dòng điện dao động tự
do ở bán chu kỳ đầu vượt xa giá trị của dịng điện chạm đất xác lập, thậm chí
cả khi bù dịng điện dung hồn tồn.
Sự xuất hiện dịng điện chạm đất quá độ (do hiện tượng phóng nạp điện
tích của các điện dung riêng các pha) có giá trị lớn ở bán chu kỳ đầu của dao
động tự do tắt dần tần số cao cho phép thiết lập mạch bảo vệ chạm đất một


14

pha tương đối đơn giản, thậm chí cả trong trường hợp dịng chạm đất thứ tự
khơng có bù điện dung ở giá trị nhỏ gần xấp xỉ bằng không.
Trong trường hợp mạng điện có nhiều khởi hành, biên độ của dòng
chạm đất ở bán chu kỳ đầu phụ thuộc rất nhiều vào đại lượng sóng trở kháng
của khởi hành bị chạm đất, không phụ thuộc vào đại lượng điện dung riêng
của mạng. Như vậy, nếu từ thanh cái các trạm cung cấp có n khởi hành mắc
vào sẽ có các sóng trở kháng Zn giống nhau, do đó sóng trở kháng tương

đương của toàn mạng sẽ là :
Z0 = Zn +

Zn
n 1
= Zn 

n
 n 

Do vậy : khi n   thì Z0  Zn

Và nếu biên độ ở bán chu kỳ của dòng chạm đất trên khởi hành có đặt
thiết bị bảo vệ chạm đất 1 pha lớn hơn rất nhiều lần biên độ bán chu kỳ đầu
của các khởi hành khác khơng bị chạm đất thì thiết bị bảo vệ chạm đất dạng
này được thiết kế tác động theo nguyên tắc dòng điện. Tuy nhiên điều này cần
thiết phải chỉnh định ngưỡng tác động của bảo vệ vượt quá giá trị dòng quá độ
khi ngắn mạch 3 pha, có nghĩa là thoả mãn điều kiên sau :
I0 > Icd > i0
Và Icđ > ikb
trong đó : Icđ – dòng điện ngưỡng tác động bảo vệ.
i0 – biên độ bán chu kỳ đầu dòng điện chạm đất
I0 – biên độ tổng dịng thứ tự khơng của tất cả các khởi hành cịn lại
ikb – dịng khơng cân bằng xuất hiện ở bộ lọc thứ tự không.
1.2.6 Bảo vệ chạm đất một pha tác động định hướng :
Để có được tính chọn lọc cao trong bảo vệ chạm đất một pha làm việc ở
chế độ quá độ chạm đất, có thể sử dụng tín hiệu hướng truyền sóng điện từ.
Để thiết bị bảo vệ định hướng làm việc ở chế độ quá độ có thể sử dụng điều
kiện ban đầu là quá trình quá độ chạm đất, đặc trưng bằng sự xuất hiện sóng
điện từ lan truyền từ điểm có sự cố chạm đất.

15

U

I

U

U

u,i

u,i

+

+

U

i

+

-

+

+

-

+

u

+

+

+

+

+

+

p

+

-

+

+

-

+

u,i
-

-

u,i

i

-

+

-

-

+

-

u

-

-

-

-

-

-

p

+

-

+

+

-

+

Hình 1.6 Xác định điểm chạm đất theo hướng truyền sóng dịng điện
và sóng điện áp
Ngun lý làm việc của mạch bảo vệ như sau :
Khi có sự cố chạm đất , dấu của công suất tức thời p =u.i theo phương
sóng truyền từ điểm chạm đất, khơng phụ thuộc vào dấu của điện áp lưới ở
thời điểm xuất hiện sự cố chạm đất, bởi vì điện áp và dịng điện của sóng điện
từ ở một hướng truyền sóng sẽ có cùng dấu. Nhờ đặc điểm này cho phép xây

dựng thiết bị bảo vệ chạm đất một pha làm việc ở chế độ quá độ chạm đất có
khả năng tác động chọn lọc. Đơn giản và tin cậy nhất để kiểm tra dấu của
công suất tức thời là sử dụng các thiết bị khơng qn tính, ví dụ như cảm biến
Hall. Theo các kết quả nghiên cứu đã được công bố, ở thời điểm đầu tiên xuất
hiện sự cố chạm đất, các q trình sóng là đồng nhất, khơng phụ thuộc vào
điện trở tiếp xúc ở nơi có sự cố chạm đất và phụ thuộc yếu ớt vào điện dung
của mạng. Đồng thời với các q trình sóng điện từ, tồn tại sóng dịng điện và
sóng điện áp ở các mạch vòng “pha – đất” và “ Đất – pha” liên hệ bởi biểu
thức :
i=

U
trong đó ZB là trở kháng sóng của mạng điện
ZB


16

1.2.7 Bảo vệ chạm đất một pha tác động theo dịng điện thao tác gửi vào
mạng

P1
PB
PB

MB

P1

HOM-6

P1

OX

T
P1

I

Г

P2
P2
XRT-36

T
I

P2

P2

HK

Hình 1.7 ngun lý bảo vệ tác động theo dòng điện thao tác cao tần gửi vào
mạng
Phương pháp này tạo ra các mạch bảo vệ có độ nhạy và tính chọn lọc
cao khơng phụ thuộc vào điện dung riêng của mạng cáp.
Dòng chạm đất nhỏ khơng ổn định có chứa nhiều thành phần điều hồ

khác nhau là nguyên nhân chính gây mất ổn định và tác động nhầm lẫn cho
các thiết bị được bảo vệ theo nguyên tắc này. Trong sơ đồ mạch bảo vệ người
ta dùng nhiều nguồn thao tác có tần số khác nhau : 25Hz, 100Hz, 200Hz,
400Hz v.v...
Trên sơ đồ hình 1.7 là nguyên lý bảo vệ tác động theo dòng điện thao
tác, đó là mạch bảo vệ làm việc độc lập khơng phụ thuộc vào dịng chạm đất (
3I0). Thiết bị có thể làm việc trong lưới điện có trung tính cách ly, trung tính
nối đất. Cần lưu ý rằng, khi chọn tần số cho nguồn dịng thao tác bằng 300Hz,
thì ở các máy biến áp điện lực có tổ đấu dâyY/ cần đặt bộ lọc ở đầu ra của
biến áp lực.


17

1.2.8 Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và máy tính trong bảo vệ chạm đất một
pha
Trong thời gian gần đây, xu hướng sử dụng vi xử lý và máy tính trong
kỹ thuật bảo vệ rơle ngày càng mở rộng, chũng được tích hợp nhiều tính năng
cho một chíp trên một vi mạch cỡ lớn.
Vi xử lý là thiết bị sử lý tín hiệu số, được điều khiển theo chương trình
đã định sẵn, lưu trữ trong bộ nhớ. Bộ phận chính của vi xử lý là khối số học
logic, thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic, tương ứng với
các dữ liệu đầu vào được mã hoá dưới dạng số.
Vi xử lý là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong máy vi tính,
dạng đơn giản nhất của máy vi tính là vi điều khiển. Sơ đồ cấu trúc đơn giản
của máy vi tính được mơ tả trên hình 1.8 , trong đó các mũi tên chỉ hướng
truyền tin dữ liệu giữa các bộ phận của máy vi tính.

Thiết bị
ngoại vi

Thiết bị
vào/ra

Khối vi xử
lý trung tâm

Bộ nhớ

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc đơn giản bảo vệ chạm đất ứng dụng máy vi
tính
Nhìn chung, trong thành phần cấu trúc của máy vi tính, bao gồm cả vi
điều khiển, khối vào ra dữ liệu, các thiết bị ngoại vi tập hợp các bộ vi điều
khiển ( thiết bị điều khiển), các bộ định thời, các bộ dao động tạo xung nhịp,
các thanh ghi và các thiết bị khác.
Các thiết bị vào ra đóng vai trị điều hành việc trao đổi thông tin giữa
khối vi xử lý và các thiết bị ngoại vi, trong một số trường hợp có thể thực hiện
truy nhập trực tiếp đến bộ nhớ. Bộ nhớ được chia làm 2 loại là bộ nhớ chương
trình và bộ nhớ cố định. Bộ nhớ chương trình dùng để lưu trữ các thông tin
tạm thời, bộ nhớ cố định lưu giữ các thông tin cố định ( các chương trình con,
hằng số và các dữ liệu khác).


18

Bảo vệ chạm đất ứng dụng kỹ thuật vi xử lý là bảo vệ theo chương
trình. Để thay đổi thuật tốn bảo vệ hoặc vai trị chức năng của bảo vệ, chỉ
cần thay đổi chương trình được nạp trong bộ nhớ, được thực hiện bằng cách
nạp lại chương trình điều khiển vi xử lý.
Khối biến

đổi đo
lƣờng

Bộ phối hợp
trở kháng
vào

Cơ cấu
chấp hành

Bộ phối
hợp trở
kháng ra

Bộ chuyển
đổi A/D

Khối xử lý
trung tâm

Bộ chuyển
đổi D/A

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ theo chương trình
Trên hình 1.9 mơ tả cấu trúc của bảo vệ theo chương trình, bao gồm các
khối sau : 1 – Khối biến đổi – đo lường các tín hiệu cần kiểm sốt ( dịng
điện, điện áp, cơng suất v.v) 2 – Bộ phối hợp trở kháng vào; 3 – Khối chuyển
đổi tương tự/số; 4- Bộ vi điều khiển; 5 – Khối chuyển đổi D/A; 6 – Bộ phối
hợp trở kháng ra; 7 – Cơ cấu chấp hành.
Bảo vệ theo chương trình cấn phải đảm bảo độ chính xác cao khi thực

hiện chuyển đổi các đại lượng đầu vào trong dải rộng, đảm bảo tác động
nhanh, tin cậy và chắc chắn.
Ứng dụng kỹ thuật vi xử lý ( vi điều khiển ) vào bảo vệ chạm đất một
pha, cho phép sản xuất chế tạo các thiết bị bảo vệ chạm đất một pha có nhiều
ưu điểm : nâng cao mức hoàn thiện về kỹ thuật, mở rộng chức năng bảo vệ
mà không cần thay đổi cấu trúc của mạch, giảm được chi phí vận hành, giảm
thiểu số lượng các khổi chức năng chun dụng, có khả năng kết nối tương
thích với các thiết bị khác, tạo ra thiết bị đa chức năng gồm cả bảo vệ, kiểm
tra và điều khiển.
1.3 Một số dạng thiết bị bảo vệ chạm đất một pha được áp dụng tại vùng mỏ
Quảng Ninh
+ Bảo vệ không chọn lọc


19

Trong mạng điện 3 pha có trung tính cách ly hoặc nối đất qua cuộn điện
kháng, để phát hiện sự cố chạm đất thường dùng 3 vôn mét đấu vào 3 pha của
3 máy biến áp một pha hoặc máy biến áp đặc biệt 3 pha 5 trụ. Khi có sự cố
chạm đất xảy ra mạng mất đối xứng, dựa vào chỉ số của đồng hồ đấu trên các
pha sẽ phát hiện được sự cố chạm đất của 1 pha. Nếu cần báo tín hiệu thì
dùng rơle đấu vào cuộn tam giác hở của máy biến áp 3 pha 5 trụ như trên hình
...

Hình 1.10. Sơ đồ bảo vệ chạm đất không chọn lọc theo điện áp
thứ tự không
+ Bảo vệ chọn lọc
Hiện nay thường dùng các sơ đồ phản ứng với các thành phần điện áp
thứ tự không kết hợp với dịng điện thứ tự khơng. Đối với các mạng có dịng
chạm đất nhỏ, khi số lượng phụ tải quá 5-6 thì việc bảo vệ chạm đất 1 pha

chọn lọc là khó khăn.
Các mỏ thường dùng thiết bị bảo vệ của Liên xơ cũ có mã hiệu 33-1;
PT3-50; PT3-51, sơ đồ logic ... Riêng thiết bị bảo vệ 33-1 có nhiều nhược
điểm : sơ đồ bảo vệ gồm nhiều mạch phi tuyến phức tạp, nhiều van chỉnh lưu
điôt và các phần tử phản kháng làm sai lệch góc pha thực tế giữa 3I 0 và 3U0 ,
thiết bị bảo vệ định hướng sẽ tác động nhầm lẫn, thiếu chính xác. Qua thực tế


20

vạn hành cũng cho thấy, thiết bị bảo vệ làm việc không chọn lọc và không ổn
định.
1.3.1 Sơ đồ logic
Một trong các sơ đồ có nhiều ưu điểm, có tính chọn lọc cao, ti cậy và
tác động không nhầm lẫn là sơ đồ bảo vệ logic sử dụng nguyên tắc khố liên
động đối với các phụ tải khơng có sự cố do Bộ môn kỹ thuật điện trường Đại
học mỏ Moskva đề xuất.
Sơ đồ khối :

Sơ đồ nguyên lý :

Hình1.11. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chạm đất 1 pha sơ đồ logic