Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:196

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh" nghiên cứu, xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ---------------------------- TRẦN QUỐC HOÀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN KHI XẢY RA CHẠM ĐẤT MỘT PHA Ở CÁC MẠNG ĐIỆN 6KV MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ---------------------------- TRẦN QUỐC HOÀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN KHI XẢY RA CHẠM ĐẤT MỘT PHA Ở CÁC MẠNG ĐIỆN 6KV MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Trần Quốc Hoàn
ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v Danh mục các bảng viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị x MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY, GIẢM THỜI GIAN NGỪNG CUNG CẤP ĐIỆN KHI XẢY RA CHẠM ĐẤT 5 MỘT PHA 1.1. Độ tin cậy của lưới điện 5 1.1.1. Nguyên nhân gây ra mất điện và thiệt hại do mất điện 5 1.1.2. Ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trúc của lưới điện và hệ thống điện 6 1.1.3. Độ tin cậy của các phần tử của lưới điện 7 1.1.4. Các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện 10 1.1.5. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện, các biện 10 pháp nâng cao độ tin cậy 1.2. Các giải pháp nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian ngừng cung cấp điện 11 khi xảy ra chạm đất một pha ở các nước trên Thế giới 1.2.1. Thiết bị giám sát trạng thái cách điện của mạng 14 1.2.2. Tối ưu chế độ trung tính của mạng 15 1.2.3. Phương pháp tự động mắc sơn pha sự cố chạm đất 21 1.3. Các giải pháp nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian ngừng cung cấp điện 34 khi xảy ra chạm đất một pha ở Việt Nam 1.4. Nhận xét chương 1 37 Chương 2. XÁC ĐỊNH QUAN HỆ PHỤ THUỘC GIỮA CÁC THÔNG SỐ CÁCH ĐIỆN VỚI CÁC THÔNG SỐ CẤU TRÚC MẠNG VÀ MÔI 39 TRƯỜNG MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH 2.1. Xác định các thông số cách điện của mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng 39 Quảng Ninh
iii 2.1.1. Lựa chọn phương pháp đo 39 2.1.2. Xác định số lượng các phép đo cần thiết 41 2.1.3. Cơ sở lý thuyết xác định C và G 42 2.1.4. Đo thực nghiệm 47 2.2. Xây dựng mối quan hệ giữa điện dung cách điện Cf và điện dẫn cách điện Gf của mạng so với đất theo các thông số cấu trúc của mạng và môi 47 trường 2.2.1. Tần suất xuất hiện điện dung C và điện dẫn G cách điện pha - đất 47 2.2.2. Kiểm tra tính phân bố chuẩn của điện dung và điện dẫn cách điện 48 2.2.3. Quy đổi tiết điện đường dây trên không và cáp về tiết điện quy chuẩn 50 2.2.4. Tổng hợp kết quả tính toán 50 2.2.5. Xây dựng quan hệ phụ thuộc giữa điện dung cách điện Cf và điện dẫn cách điện Gf với môi trường và các thông số cấu trúc của mạng 6kV mỏ lộ 53 thiên. 2.3. Nhận xét chương 2 63 Chương 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN VÀ NỐI NGẮN MẠCH PHA CHẠM ĐẤT ĐẢM BẢO AN TOÀN 65 VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN MẠNG 6kV MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH 3.1. Điện áp dư và dòng chạm đất trong mạng 6kV mỏ lộ thiên khi nối ngắn 65 mạch pha sự cố 3.1.1. Cơ sở lý thuyết 65 3.1.2. Mô phỏng quan hệ phụ thuộc giữa điện áp dư (trước khi tiếp xúc) trên pha sự cố với dòng tải, chiều dài dây dẫn và điện trở ngắn mạch thay đổi 68 trong mạng 6kV 3.1.3. Nhận xét 71 3.2. Nghiên cứu xây dựng cấu trúc thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn 71 mạch pha chạm đất mạng 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh 3.2.1. Các yêu cầu đối với thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha 71 chạm đất 3.2.2. Cấu trúc của thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất 72 3.2.3. Cơ sở xây dựng thiết bị xác định pha chạm đất 74
iv 3.3. Xây dựng sơ đồ khối thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha 82 chạm đất 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện pha chạm đất (các khối 1,2 và 3) 83 3.3.2. Bộ chuyển đổi 1 pha thành 3 pha lệch pha 600 84 3.3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch khoá liên động giữa các pha (khối 4) 86 3.3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch tự động điều khiển ngắt sau khi nối ngắn mạch 87 30-60s (khối 7) 3.4. Mô phỏng mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất 88 3.4.1. Trước khi xảy ra chạm đất 88 3.4.2. Sau khi xảy ra sự cố chạm đất pha A 94 3.5. Nhận xét chương 3 103 Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN VÀ NỐI NGẮN MẠCH PHA CHẠM ĐẤT TRONG 105 PHÒNG THÍ NGHIỆM 4.1. Thiết kế và mô phỏng mô hình thiết bị thực nghiệm trong phòng thí 105 nghiệm 4.1.1. Lựa chọn sơ đồ nguyên lý 105 4.1.2. Mô hình mô phỏng 106 4.1.3. Thiết kế và chế tạo mạch tự động phát hiện pha chạm đất 108 4.2. Thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 110 4.2.1. Giới thiệu về mô hình thử nghiệm 110 4.2.2. Các kết quả thử nghiệm 112 4.3. Nhận xét 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Đơn Ký hiệu /Viết tắt Ý nghĩa vị CM μF Điện dung giữa các pha Ccđ μF Điện dung của mạng điện so với đất Cf μF Điện dung cách điện của pha so với đất CA μF Điện dung cách điện pha A so với đất CB μF Điện dung cách điện pha B so với đất CC μF Điện dung cách điện pha C so với đất Cph μF Điện dung phụ mắc vào pha A Gcđ S Điện dẫn của mạng điện so với đất Gf S Điện dẫn cách điện của pha so với đất k Số khoảng chia Kcđ Hệ số trùng cực đại KBA Tỷ số máy biến áp Ktc Hệ số tin cậy Kmax Hệ số quá điện áp mức của lưới Lba H Điện cảm của cuộn dây thứ cấp máy biến áp Ld H Điện cảm đường dây Lt H Điện cảm tải Chiều dài đường dây trên không qui đổi về tiết LTk.qđ km diện 50mm2 LC.qđ km Chiều dài cáp qui đổi về tiết diện 50mm2 LC km Chiều dài cáp LP H Điện cảm của thiết bị bù NBA Số lượng máy biến áp đấu vào mạng NĐC Số lượng động cơ cao áp đấu vào mạng NMX Số lượng máy xúc đấu vào mạng Số lượng động cơ cao áp và máy xúc đấu vào NĐC+MC mạng Ntb Số lượng thiết bị cao áp đấu vào mạng n Số phép đo mẫu ngẫu nhiên N Số khởi hành Pn kW Tổn thất công suất ngắn mạch máy biến áp Ptt kW Công suất tác dụng tính toán
vi Qtt kVar Công suất phản kháng tính toán r Ω Điện trở tiếp xúc nơi xảy ra chạm đất RN Ω Điện trở nối trung tính Rph Ω Điện trở phụ mắc vào pha A RΔ Ω Điện trở nối cuộn tam giác hở RCA Ω Điện trở nối trung tính cao áp RH Ω Điện trở nối phía hạ áp RA Ω Điện trở cách điện pha A so với đất RB Ω Điện trở cách điện pha B so với đất RC Ω Điện trở cách điện pha C so với đất Rf Ω Điện trở cách điện pha so với đất Rd Ω Điện trở đường dây Rt Ω Điện trở tải Rba Ω Điện trở dây quấn thứ cấp của máy biến áp Sba kVA Công suất định mức máy biến áp Stt kVA Công suất biểu kiến tính toán U0 V Điện áp thứ tự không Điện áp của pha A so với đất sau khi mắc thêm U’A V Cph vào pha A của mạng Điện áp của pha B so với đất sau khi mắc thêm U’B V Cph vào pha A của mạng Điện áp của pha C so với đất sau khi mắc thêm U’C V Cph vào pha A của mạng Ud V Điện áp dây của mạng Uf V Điện áp pha của mạng UfA V Điện áp pha A của mạng UfB V Điện áp pha B của mạng UfC V Điện áp pha C của mạng V Môđun điện áp các pha A của mạng điện so với UA đất V Môđun điện áp các pha B của mạng điện so với UB đất V Môđun điện áp các pha C của mạng điện so với UC đất U2dm kV Điện áp thứ cấp của máy biến áp
vii U•n% % Điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp UA • V Điện áp phức pha A của mạng điện so với đất UB • V Điện áp phức pha B của mạng điện so với đất UC V Điện áp phức pha C của mạng điện so với đất U”B0 V Điện áp ở các pha B tại thời điểm chạm đất U”C0 V Điện áp ở các pha C tại thời điểm chạm đất umax V Điện áp tức thời cực đại uA V Điện áp tức thời trên pha A uB V Điện áp tức thời trên pha B uC V Điện áp tức thời trên pha C uN V Điện áp tức thời ở trung tính UN V Điện áp trung tính Uxp Điện áp xung của thiết bị phóng sét Ukll Điện áp định mức của mỗi thyristor Ufm Biên độ điện áp của pha chạm đất XL Ω Cảm kháng của thiết bị bù XC Ω Dung kháng của mạng Xba Ω Điện kháng dây quấn thứ cấp máy biến áp Yph S Tổng dẫn phụ Zba Ω Tổng trở dây quấn thứ cấp máy biến áp Zt Ω Tổng trở tải ω1 rad/s Hệ số góc của dao động tự do Δ Độ chính xác q Tiêu chuẩn tin cậy MBA Máy biến áp MC Máy cắt V Vôn kế A Ampe kế SCR Thyristor Ψ Góc pha đầu pha chạm đất BJT Tranzito
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Số lượng phép đo cần thiết ở các mỏ lộ thiên 42 Bảng 2.2. Tần số xuất hiện các thông số điện dung Cf , điện dẫn G f 48 Bảng 2.3. Biểu thị các tham số thống kê của điện dung và điện dẫn cách điện 49 Bảng 2.4. Tần số lý thuyết của nhóm ng số điện dung Cf , điện dẫn G f 49 Bảng 2.5. Hệ số qui đổi tiết diện đường dây trên không và cáp 51 Bảng 2.6. Kết quả đo ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh 51 Bảng 2.7. Tóm tắt các tham số thông kê Cf 55 Bảng 2.8. Phân tích phương sai Cf 55 Bảng 2.9. Kết quả hồi quy Cf 55 Bảng 2.10. Kết quả phân tích sai số Cf 56 Bảng 2.11. Tóm tắt các tham số thông kê Gf 59 Bảng 2.12. Phân tích phương sai Gf 59 Bảng 2.13. Kết quả hồi quy Gf 60 Bảng 2.14. Kết quả phân tích sai số Gf 60 Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng chạm đất một pha qua các giá trị điện trở chạm đất khác nhau tương ứng thời gian phát hiện pha chạm đất và thời gian tác 101 động. Bảng 4.1. Thông số linh kiện sử dụng trong mạch tự động phát hiện pha chạm 109 đất. Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của các trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực 111 nghiệm. Bảng 4.3. Kết quả thực nghiệm xác định thời gian phát hiện pha chạm đất 116 Bảng PL1.1. Thông số kỹ thuật các tuyến đường dây cấp điện cho các trạm PL1 biến áp Bảng PL1.2. Thông số kỹ thuật của các máy biến áp trong trạm 35/6kV PL1 Bảng PL1.3. Thông số kỹ thuật đường dây các khởi hành 6kV PL1 Bảng PL1.4. Thống kê các trạm biến áp 6kV mỏ Núi Béo PL4
ix Bảng PL1.5. Thống kê các trạm biến áp 6kV mỏ Hà Tu PL5 Bảng PL1.6. Thống kê các trạm biến áp 6kV mỏ Cọc Sáu PL6 Bảng PL1.7.Thống kê các trạm biến áp 6kV mỏ Cao Sơn PL8 Bảng PL1.8. Thống kê các trạm biến áp 6kV mỏ Đèo Nai PL9 Bảng PL1.9. Thông số kỹ thuật và số lượng máy xúc điện phân bổ trên các PL10 khởi hành. Bảng PL1.10. Thông số kỹ thuật và số lượng máy xúc điện phân bổ trên các PL10 khởi hành. Bảng PL1.11. Số lượng máy xúc điện phân bố trên các khởi hành PL10 Bảng PL1.12. Số lượng máy xúc điện phân bố trên các khởi hành PL11 Bảng PL1.13. Số lượng máy xúc điện phân bố trên các khởi hành PL11 Bảng PL1.14. Thống kê số lượng bơm 6kV trên các khởi hành của các mỏ PL11 Bảng PL1.15. Thống kê sự cố hỏng hóc mạng điện 6kV mỏ Hà Tu PL12 Bảng PL1.16. Thống kê sự cố hỏng hóc mạng điện 6kV mỏ Núi Béo PL13 Bảng PL1.17. Thống kê sự cố hỏng hóc mạng điện 6kV mỏ Cọc Sáu PL14 Bảng PL1.18. Thống kê sự cố hỏng hóc mạng điện 6kV mỏ Cao Sơn PL15 Bảng PL1.19. Thống kê sự cố hỏng hóc mạng điện 6kV mỏ Đèo Nai PL17 Bảng PL3.1. Nhiệt độ không khí trung bình (0C) PL32 Bảng PL3.2. Độ ẩm không khí trung bình (%) PL32 Bảng PL3.3. Nhiệt độ không khí trung bình (0C) PL33 Bảng PL3.4. Độ ẩm không khí trung bình (%) PL34 Bảng PL4. Kết quả đo ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh PL35
x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Phân bố trung bình hàng ngày sự cố chạm đất một pha tự phục hồi 12 mạng 6kV khi không có hồ quang (1) và có hồ quang (2) Hình 1.2. Sơ đồ vectơ điện áp khi chạm đất một pha 14 Hình 1.3. Các phương pháp phổ biến nhất để phát hiện sự cố của cáp ngầm 15 Hình 1.4. Quan hệ phụ thuộc giữa điện áp trung tính với điện dung của phần 16 mạng được ngắt khỏi lưới Hình 1.5. Mạng điện trung tính cách ly với một pha chạm đất (a), trong mạng có 16 bù dòng điện dung (b) Hình 1.6. Bội số quá điện áp phụ thuộc mức độ bù 17 Hình 1.7. Mạng lưới 6 – 35kV có trung tính nối đất qua cuộn Peterson và điện 18 trở đấu song song Hình 1.8. Quan hệ phụ thuộc giữa bội số quá điện áp và mức độ bù trong mạng 19 có trung tính nối đất qua cuộn bù (1) và trong mạng có trung tính nối đất hỗn hợp (mắc thêm điện trở song song với cuộn bù) (2). Hình 1.9. Sơ đồ mạng 6-35kV có trung tính nối đất qua điện trở lớn khi có sự cố 20 chạm đất Hình 1.10. Sơ đồ khối bảo vệ nối ngắn mạch pha sự cố 22 Hình 1.11. Đồ thị vector biểu hiện sự thay đổi điện áp thứ tự không khi xảy ra 24 chạm đất pha A qua điện trở chạm đất các giá trị khác nhau Hình 1.12. Sơ đồ thiết bị phản ứng với sự giảm điện áp pha theo nguyên lý so 25 sánh hai điện áp (a) và so sánh hai dòng điện (b) Hình 1.13. Đồ thị véctơ khi xảy ra chạm đất pha A 26 Hình 1.14. Sơ đồ thiết bị phản ứng với tổng véc tơ điện áp chuẩn 27 và điện áp thứ tự không Hình 1.15. Giản đồ véc tơ điện áp trên các phần tử 1, 2, 3 khi chạm đất pha A 28 Hình 1.16. Sơ đồ thiết bị phản ứng với sự giảm điện áp chỉnh lưu pha chạm đất 29 Hình 1.17. Sơ đồ thiết bị phản ứng với góc lệch pha giữa điện áp pha và điện áp 31
xi thứ tự không Hình 1.18. Thiết bị phản ứng với hiệu số trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt 34 trước và pha chạm đất Hình 2.1. Sơ đồ xác định điện dung C và điện dẫn G của mạng so với đất theo 40 phương pháp 3 vôn mét Hình 2.2. Sơ đồ mô phỏng xác định điện áp các pha so với đất trước khi 41 đưa C ph vào pha A Hình 2.3. Biểu đồ véctơ điện áp lệch trung tính khi có pha A chạm đất 44 Hình 2.4. Đồ thị tần suất xuất hiện điện dung Cf và điện dẫn Gf cách điện pha so 48 với đất Hình 2.5. Đồ thị hàm phân bố chuẩn mật độ điện dung và điện dẫn đối với mỏ lộ 50 thiên vùng Quảng Ninh Hình 2.6. Khai báo các thông số của mô hình Cf 54 Hình 2.7. Đồ thị hiển thị sai số Cf phụ thuộc vào các biến 57 Hình 2.8. Đồ thị xác suất phân phối chuẩn Cf 57 Hình 2.9. Khai báo thông số của mô hình Gf 59 Hình 2.10. Đồ thị hiện thị sai số Gf phụ thuộc vào các biến 61 Hình 2.11. Đồ thị hàm hồi quy tuyến tính Gf phụ thuộc vào các biến 62 Hình 2.12. Đồ thị xác suất phân bố chuẩn Gf 62 Hình 3.1. Sơ đồ mạng ba pha tính toán và sơ đồ tương đương 65 Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng mạng 6kV 69 Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng mạng 6kV khi có chạm đất 1 pha 69 Hình 3.4. Quan hệ phụ thuộc giữa điện áp dư (trước khi tiếp xúc) trên pha sự cố 70 với chiều dài dây dẫn và dòng tải ứng với điện trở ngắn mạch Rnm =0,5Ω và 4Ω và l=3km Hình 3.5. a- Điện áp trên thanh cái tại thời điểm chạm đất t=0,3s khi chưa đóng 70 Rn.m ; b- Điện áp trên thanh cái tại thời điểm chạm đất t=0,3s khi đóng Rnm =0,5Ω với Rcd =4Ω. Hình 3.6. Cấu trúc của thiết bị bảo vệ nối ngắn mạch pha sự cố 73
xii Hình 3.7. Đồ thị vector biểu hiện sự thay đổi điện áp thứ tự không 75 Hình 3.8. Sơ đồ khối thiết bị xác định pha sự cố dựa trên hiệu trị số tuyệt đối 80 giữa điện áp pha vượt trước và pha sự cố Hình 3.9. Đồ thị vecto giải thích nguyên lý tác động của thiết bị (Trường hợp 81 chạm đất pha A) Hình 3.10. Sơ đồ khối thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất 82 Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch tự động phát hiện pha chạm đất 83 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý môđun lấy tín hiệu điều khiển nối ngắn mạch pha A 84 Hình 3.13. Bộ chuyển đổi một pha thành ba pha 85 Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch khoá liên động giữa các pha 86 Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mạch tự động điều khiển ngắt sau khi nối ngắn 87 mạch Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý các khối 1,2,3,4 và 7 của thiết bị tự động phát hiện 89 và nối ngắn mạch pha chạm đất Hình 3.17. Mạch tự động phát hiện pha chạm đất 90 Hình 3.18. Mạch tạo điện áp Uv (A) 91 Hình 3.19. Điện áp 3 pha lưới điện 6kV 91 Hình 3.20. Điện áp 3 pha sau biến áp hạ áp 92 Hình 3.21. Sơ đồ mạch tạo điện áp UV(A) 92 Hình 3.22. Dạng sóng điện áp pha UA sau chỉnh lưu cầu 3 pha 93 Hình 3.23. Dạng sóng điện áp pha UC sau chỉnh lưu cầu 3 pha 93 Hình 3.24. Dạng sóng điện áp 𝑈𝐶 , 𝑈𝐴 𝑣à 𝑈𝑣 (𝐴) sau chỉnh lưu cầu 3 pha 93 Hình 3.25. Dạng sóng điện UA , UB và Uv (B) sau chỉnh lưu cầu 3 pha 94 Hình 3.26. Dạng sóng điện áp 𝑈𝐵 , 𝑈𝐶 𝑣à 𝑈𝑣 (𝐶 ) sau chỉnh lưu cầu 3 pha 94 Hình 3.27. Điện áp 3 pha sau biến áp khi xảy ra sự cố chạm đất pha A 95 Hình 3.28. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 95 Hình 3.29. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 95 Hình 3.30. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 96 Hình 3.31. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 96 Hình 3.32. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 96
xiii Hình 3.33. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 96 Hình 3.34. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 97 Hình 3.35. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 97 Hình 3.36. Sơ đồ mạch động lực 98 Hình 3.37. Đồ thị điện áp Ube của PNP2 khi xảy ra chạm đất 98 Hình 3.38. Đồ thị điện áp ra trên tải cực C của PNP2 khi xảy ra chạm đất 98 Hình 3.39. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 99 (R = 0.65 kΩ;t =0.61 ms) Hình 3.40. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 99 (R =1.05 kΩ; t = 0.76 ms) Hình 3.41. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 99 (R = 2.7 kΩ;t =1.23 ms) Hình 3.42. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 100 (R = 5.5 kΩ; t =1.81 ms) Hình 3.43. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 100 (R = 8.3 kΩ;t =2.26 ms) Hình 3.44. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 100 (R = 11.46 kΩ;t =2.68 ms) Hình 3.45. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 100 (R = 13 kΩ;t =2.88 ms) Hình 3.46. Đồ thị hiệu điện áp pha vượt trước và pha chạm đất 101 (R = 15 kΩ;t =3.1ms) Hình 3.47. Đồ thị thể hiện điện áp ra trên tải cực C của PNP2 khi điện trở chạm 101 đất thay đổi từ 1 đến 10kΩ Hình 3.48. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa điện trở chạm đất với thời gian phát 102 hiện pha chạm đất Hình 3.49. Đồ thị điện áp ra trên tải cực C của PNP2 khi điện dung của mạng 102 thay đổi từ 0.25 đến 3 µF/ 1 pha Hình 3.50. Đồ thị quan hệ phụ thuộc giữa điện dung của mạng với thời gian phát 103
xiv hiện pha chạm đất Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý mô phỏng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn 106 mạch pha chạm đất Hình 4.2. Điện áp sơ cấp (a) và thứ cấp (b) biến áp hạ áp khi chạm đất pha A 107 Hình 4.3. Thông số linh kiện bộ tách pha và dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu 107 Hình 4.4. Các điện áp Uab, Ubc, Uca khi xảy ra sự cố chạm đất pha A 108 tại thời điểm 40ms Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện pha chạm đất 108 Hình 4.6. Hình ảnh 3D và hình ảnh đấu nối thiết bị mạch tự động phát hiện và 109 nối ngắn mạch pha chạm đất Hình 4.7. Hình ảnh thực tế thiết bị mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch 109 pha chạm đất Hình 4.8. Mô hình thử nghiệm thiết bị phát hiện pha rò:a) Tủ điện tạo điện áp 3 110 pha trung tính cách ly;b) Mô hình thử nghiệm đặc tính của rơle chạm đất Hình 4.9. Thiết bị tự động phát hiện pha chạm đất và biến trở thực nghiệm 112 Hình 4.10. Sơ đồ mô phỏng và vị trí các điểm đo trên thiết bị thực nghiệm 112 Hình 4.11. Tín hiệu trước chỉnh lưu 113 Hình 4.12. Tín hiệu sau chỉnh lưu của mỗi pha 113 Hình 4.13. Tín hiệu hiệu điện áp giữa các pha khi không có sự cố 114 Hình 4.14. Tín hiệu hiệu điện áp giữa các pha Ua và Uc khi không có sự cố 114 Hình 4.15. Hình ảnh thể hiện chạm đất pha B 115 Hình 4.16. Dạng sóng đo được khi thử chạm đất pha A 115 Hình 4.17. Sơ đồ đo thời gian tác động 116 Hình PL1.19. Biểu đồ phân bố sự cố chạm đất 1 pha trong năm 2018 ở các mỏ PL18 lộ thiên vùng Quảng Ninh (tính theo %) Hình PL1.20. Biểu đồ phân bố sự cố chạm đất 1 pha trong năm 2019 ở các mỏ PL19 lộ thiên vùng Quảng Ninh (tính theo %) Hình 1PL. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Công ty than Núi Béo PL43 Hình 2 PL. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Công ty than Hà Tu PL44
xv Hình 3 PL. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Công ty than Cọc Sáu PL45 Hình 4 PL. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Công ty than Cao Sơn PL46 Hình 5 PL. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Công ty than Đèo Nai PL47
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Sự phát triển của ngành công nghiệp khai thác mỏ kéo theo sự tăng trưởng cung cấp điện và yêu cầu nâng cao chất lượng, độ tin cậy, tính an toàn trong vận hành hệ thống cung cấp điện trong công tác khai thác mỏ[1]. Sự cố chạm đất một pha là dạng hư hỏng chủ yếu thường xảy ra ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh, thường chiếm 70%÷80% tổng số các sự cố xảy ra trong mạng điện. Qua kết quả thống kê cho thấy, ở các mỏ khai thác lộ thiên, tần suất xảy ra sự cố chạm đất một pha lưới 6kV dao động trong khoảng 60-70 lần/tháng, nghĩa là khoảng 700÷800 lần/năm[4]. Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha trên lưới điện sẽ xuất hiện hiện tượng quá độ và quá điện áp ở các pha không bị sự cố ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng cũng như độ tin cậy cung cấp điện, gây ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc và tuổi thọ của các thiết bị điện, đồng thời gây mất đối xứng lưới điện. Vì vậy việc nghiên cứu xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và mang tính cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. 3. Đối tượng nghiên cứu Mạng điện trung tính cách ly 6kV ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. 4. Phạm vi nghiên cứu - Các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh; - Độ tin cậy cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha: làm giảm thời gian ngừng cung cấp điện; - Nghiên cứu xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm
2 đất nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. 5. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan các giải pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện giảm thời gian ngừng cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha. - Xác định các thông số cách điện của mạng điện 6kV ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. - Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc giữa điện dung cách điện và điện dẫn cách điện của mạng so với đất theo các thông số cấu trúc của mạng và môi trường khai thác mỏ, làm cơ sở để mô hình hóa mạng điện mỏ phù hợp thực tế. - Xây dựng cấu trúc thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất. - Xây dựng mô hình, mô phỏng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất. - Xây dựng và thử nghiệm thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất trong phòng thí nghiệm. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm. - Sử dụng kỹ thuật hiện đại, phần mềm mô phỏng để giải quyết bài toán thực tế. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Xây dựng quan hệ phụ thuộc giữa điện dung cách điện và điện dẫn cách điện của mạng so với đất theo các thông số cấu trúc của mạng và môi trường khai thác mỏ vùng Quảng Ninh, làm cơ sở mô hình hóa mạng điện 6kV mỏ lộ thiên. - Nghiên cứu xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị khi vận hành mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. Ý nghĩa thực tiễn: - Xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất trong
3 phòng thí nghiệm đảm bảo độ nhạy, tin cậy và tác động nhanh ứng dụng cho mạng 6kV ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. 8. Những luận điểm bảo vệ - Điện dung cách điện và điện dẫn cách điện của mạng so với đất phụ thuộc vào các thông số cấu trúc của mạng và môi trường ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. - Có thể nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện, và nâng cao điều kiện an toàn ở các mạng điện 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh khi xảy ra chạm đất một pha bằng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất. - Xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm. 9. Những điểm mới của đề tài luận án - Xây dựng được quan hệ phụ thuộc giữa điện dung và điện dẫn cách điện của mạng so với đất theo các thông số cấu trúc của mạng và môi trường khai thác lộ thiên vùng Quảng Ninh. - Nghiên cứu lựa chọn giải pháp tự động phát hiện pha chạm đất; xây dựng sơ đồ cấu trúc, mô phỏng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất đảm bảo an toàn, giảm dòng sự cố và giảm tia lửa hồ quang tại điểm chạm đất chập chờn; tăng độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện: tăng điện áp dư ở pha chạm đất, giảm quá áp ở các pha không sự cố làm tăng độ bền cách điện và giảm số lần đóng ngắt. - Nghiên cứu xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất trong phòng thí nghiệm ứng dụng cho các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. 10. Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày trong 120 trang thuyết minh trong đó có 97 hình vẽ, 18 bảng biểu, bao gồm 4 chương, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục.