Một giải pháp loại trừ ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều

Chia sẻ: Tưởng Trì Hoài | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bằng việc sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng, bài báo "Một giải pháp loại trừ ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều" trình bày một giải pháp để thực hiện điều đó. Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng khi thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng dòng đo xoay chiều. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Một giải pháp loại trừ ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều

HỘI NGHỊ TOÀN QUỐC KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ TÀI NGUYÊN VỚI PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG (ERSD 2022) Một giải pháp loại trừ ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều Kim Ngọc Linh*, Nguyễn Thạc Khánh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị Cẩm Ánh Trường Đại học Mỏ - Địa chất TÓM TẮT Một trong những nguyên nhân chính cản trở việc vận hành an toàn các mạng điện mỏ hỗn hợp là các thiết bị bảo vệ rò hiện tại, có nguyên lý làm việc dựa trên kết quả xếp chồng dòng đo một chiều lên mạng cần bảo vệ, có thể không hoạt động khi phát sinh rò hoặc khi có sự giảm dần điện trở cách điện ở phần mạch một chiều của các thiết bị điện tử công suất. Vì vậy, vấn đề đảm bảo mức an toàn tối thiểu cho các mạng điện mỏ hỗn hợp cần phải giải quyết theo hướng nghiên cứu chế tạo các hệ thống kiểm tra cách điện và bảo vệ rò sử dụng dòng đo xoay chiều khác tần số công nghiệp. Tuy nhiên, một bài toán khó phát sinh khi sử dụng các hệ thống bảo vệ rò sử dụng dòng đo xoay chiều là phải loại trừ ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của bảo vệ rò. Một trong những hướng để loại trừ ảnh hưởng của điện dung đến đặc tính của bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều là tìm giải pháp để tách được ra từ dòng công tác thành phần tác dụng của dòng đo. Bằng việc sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng, bài báo trình bày một giải pháp để thực hiện điều đó. Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng khi thiết kế, chế tạo thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng dòng đo xoay chiều. Từ khóa: Mạng điện mỏ; bảo vệ rò; điện trở cách điện; dòng đo xoay chiều. 1. Đặt vấn đề Đối với các mạng điện mỏ hầm lò có sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp), điều kiện sử dụng an toàn thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo một chiều để kiểm tra điện trở cách điện là phần mạch điện một chiều phải có điện trở cách điện so với đất đối xứng (R+=R-). Nếu R+  R-, tức phần mạch điện một chiều có điện trở cách điện không đối xứng, việc sử dụng thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng dòng đo một chiều trong các mạng điện mỏ hỗn hợp là không an toàn [Kim Ngọc Linh, 2021]. Vì vậy, vấn đề đảm bảo mức an toàn tối thiểu cho các mạng điện mỏ hỗn hợp cần phải giải quyết theo hướng nghiên cứu chế tạo các hệ thống kiểm tra cách điện và bảo vệ rò sử dụng dòng đo xoay chiều khác tần số công nghiệp [Petrichencô A.A., 2017); Savitsky V.N., Stadnik N.I., 2013]. Để có thể thiết kế, chế tạo được thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều cho các mạng điện mỏ hỗn hợp cần phải giải quyết nhiều bài toán. Trong đó, một trong những bài toán quan trong nhất là loại trừ được ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của bảo vệ rò. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Mô hình thiết bị kiểm tra điện trở cách điện bằng dòng đo xoay chiều Trên hình 1 là sơ đồ các khối chức năng cần thiết của thiết bị kiểm tra cách điện dùng dòng đo xoay chiều để đảm bảo điều kiện an toàn tối thiểu [Shkrabex Ph.P. và nnk, 2012]. MẠNG KIỂM TRA 5 8 Ido(R )  f (R cd ) So sánh R cdgh 3 Ngắt mạng 1 NGUỒN ĐO Ido(R )  f (Rm ) Hoặc 6 9 2 Ido(R )  f (rro ) So sánh rrod C L  R cd , Ccd , Ido  f  rro , do   4 7 10 Mạch bù điện Điều khiển cộng hưởng Cộng hưởng dung Ido( X )  f (Bm ) L bu  f (Cm ) XL  X C Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của thiết bị kiểm tra cách điện bằng dòng đo xoay chiều * Tác giả liên hệ Email: kimngoclinh@humg.edu.vn 1364
Khối 1 là nguồn đo tần số  do được đấu vào mạng cần kiểm tra cách điện qua bộ lọc LC. Thông số của bộ lọc được chọn sao cho với tần số  do tạo thành mạch cộng hưởng nối tiếp (trở kháng đối với thành phần tần số đo bằng 0), với tần số công nghiệp  tạo thành mạch cộng hưởng song song (trở kháng bằng vô cùng). Khối 2 có nhiệm vụ tách được dòng đo là hàm phụ thuộc vào điện trở cách điện Rcd, điện trở rò rro và điện dung cách điện của mạng Ccd. Khối 3 tách thành phần tác dụng của dòng đo Ido(R). Để tạo đặc tính biến dạng khối 5 và 6 tách riêng dòng đo điện trở cách điện của mạng và dòng đo điện trở rò. Khối 8 và 9 làm nhiệm vụ so sánh với các giá trị điện trở cách điện giới hạn Rcđgh và giá trị đặt của điện trở rò rrod. Khối 4 tách thành phần dòng đo điện dung của mạng dùng để điều khiển mạch bù điện dung. Khối 7 và 10 điều khiển điện cảm bù theo điện dung thực tế của mạng. Một trong những hướng để loại trừ ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều là sử dụng thiết bị để tách được ra từ dòng công tác thành phần tác dụng của dòng đo [Xinchuk O.N. và nnk, 2016; Shkrabex Ph.P. và nnk, 2012]. Nghiên cứu dưới đây đề xuất một giải pháp thực hiện khối 3 và 4 trong sơ đồ hình 1. 2.2. Giải pháp tách thành phần tác dụng và điện dung của dòng điện rò Xét sơ đồ thay thế tương đương trở kháng cách điện của mạng điện không nối đất (mạng điện cách ly) gồm 2 nhánh song song như hình 2a. Đồ thị thời gian dạng sóng của điện áp và dòng điện các nhánh được mô tả trên hình 2b. Trong sơ đồ u là điện áp đo; i là dòng điện đo; ir là thành phần tác dụng của dòng đo và ic là thành phần phản kháng của dòng đo. i i iC iR iR iC u 2 IC 2 IR u e R C t 0  2 a) b) Hình 2. Điện áp và dòng điện trong sơ đồ tương đương đo trở kháng cách điện mạng điện không nối đất Từ sơ đồ hình 2b suy ra, trị số tức thời của dòng điện đo i ở thời điểm góc pha của điện áp đo bằng 0 độ chính là biên độ của thành phần điện kháng của dòng đo. Trị số tức thời của dòng điện đo ở thời điểm góc pha của điện áp đo bằng 90 độ chính là biên độ của thành phần tác dụng của dòng đo. Vì vậy, lấy mẫu dòng điện đo ở các thời điểm góc pha điện áp đo bằng 0 độ và bằng 90 độ sẽ xác định được biên độ của các thành phần phản kháng và thành phần tác dụng của dòng đo. Trên cơ sở lý thuyết trên sơ đồ khối mạch tách thành phần tác dụng và thành phần điện dung của dòng điện rò được xây dựng như hình 3. Dòng đo I do Chỉnh Lọc lưu Tách U Khóa IdoR dk1 xung K1 U do Tạo UX xung Điện áp đo IdoC Tách Udk2 Khóa xung K2 Hình 3. Sơ đồ khối mạch tách thành phần tác dụng và thành phần điện dung của dòng điện rò Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Dòng đo nhận được từ cảm biến dòng qua bộ lọc và được chỉnh lưu chính xác hai nửa chu kỳ. Điện áp chỉnh lưu tỷ lệ với dòng đo được đưa tới đồng thời để điều khiển hai khoá K1 và K2. Điện áp nguồn đo qua mạch tạo xung được biến thành tín hiệu dạng xung vuông góc, sau đó qua các mạch tách xung để tạo ra các điện áp điều khiển Uđk1 và Uđk2. Đầu ra các khoá K1 và K2 ta 1365
nhận được các tín hiệu xung mà biên độ của nó tỷ lệ với thành phần tác dụng IđoR và thành phần điện dung IđoC của dòng đo. Hình 4 là đồ thị thời gian giải thích nguyên lý làm việc của mạch tách thành phần tác dụng IR và thành phần điện dung IC của dòng điện rò. Udo t 0  2 UX t 0  2 Udk1 t 0 Udk 2 t 0 I doR  2 I do Udo 2IR t 0  2 I doC I do Udo 2IC t 0  2 Hình 4. Đồ thị thời gian dạng sóng các tín hiệu của mạch tách thành phần IR và IC của dòng điện rò Hình 5 là sơ đồ nguyên lý mạch tách thành phần IR và IC của dòng điện rò được xây dựng. R3 R1 R4 R6 D1 R2 D2 FET1 IdoR OA1 R5 OA2 OA4 Ido OA3  Vcc R20 R12 R14 R9 OA8 Udk1 R7 DZ1 R10 R13 OA5 OA6 C2 OA7 DZ2 R8 Udo R11 C1  Vcc FET 2 IdoC R17 R15 C3 R19 Udk 2 R21 OA10 OA9 DZ3 R16 R18 DZ4 Hình 5. Sơ đồ nguyên lý mạch tách thành phần IR và IC của dòng điện rò Trong sơ đồ hình 5, khuếch đại thuật toán OA1 tạo ở cửa ra một điện áp tỷ lệ với dòng đo Iđo. OA2 và OA3 là mạch chỉnh lưu chính xác hai nửa chu kỳ. OA4 và OA5 là các bộ khuếch đại lặp lại để tăng điện trở vào cho mạch phía sau. OA6 tạo mạch dịch pha 90 độ. OA7 và OA9 là các mạch tạo xung vuông góc từ tín hiệu hình sin. OA8 và OA10 là các mạch tạo dạng xung phù hợp để điều khiển hai tranzito trường loại E-MOSFET. Hai tranzito trường FET1 và FET làm nhiệm vụ của hai khoá K1 và K2 trong sơ đồ khối hình 3. 1366
2.3. Kết quả mô phỏng Để kiểm tra khả năng làm việc của sơ đồ hình 5, đã tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Electronic Workbenk. Kết quả mô phỏng tách thành phần tác dụng IR của dòng đo được trình bày trên các hình 6, 7 và 8. Hình 6. Tách thành phần tác dụng IR khi không có rò 1 pha Hình 7. Tách thành phần tác dụng IR khi có rò 1 pha qua điện trở 5 kOhm Hình 8. Tách thành phần tác dụng IR khi có rò 1 pha qua điện trở 2,5 kOhm Kết quả mô phỏng tách thành phần điện dung IR của dòng điện rò được trình bày trên các hình 9, 10 và 11. 1367
Hình 9. Tách thành phần điện dung IR khi không có rò 1 pha Hình 10. Tách thành phần điện dung IC khi có rò 1 pha qua điện trở 5 kOhm Hình 11. Tách thành phần điện dung IC khi có rò 1 pha qua điện trở 2,5 kOhm 3. Thảo luận, trao đổi Phân tích các kết quả mô phỏng trên các hình 6, 7 và 8 cho thấy, khi không có rò 1 pha và khi có rò một pha với điện trở rò khác nhau, do điện trở cách điện của mạng thay đổi nên thành phần tác dụng của dòng điện rò cũng thay đổi tỷ lệ theo điện trở cách điện. Ngược lại, phân tích các kết quả mô phỏng trên các hình 9, 10 và 11 cho thấy, khi không có rò 1 pha và khi có rò một pha với điện trở rò khác nhau, do điện dung của mạng không đổi nên thành phần điện dung của dòng điện rò cũng không thay đổi. Các kết qủa mô phỏng cho thấy sơ đồ mạch hình 5 cho phép tách được ra từ dòng đo thành phần tác dụng và thành phần điện dung của dòng rò. Vì vậy loại trừ được ảnh hưởng của điện dung cách điện đến đặc tính của bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều. Sai số của sơ đồ phụ thuộc vào độ rộng của các xung điều khiển đưa tới cực cửa của E-MOSFET. Độ 1368
rộng xung càng lớn thì sai số càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên, không thể giảm độ rộng xung dưới mức giới hạn vì sẽ làm sơ đồ làm việc không ổn định. Sơ đồ có kết cấu tương đối đơn giản, áp dụng các mạch ứng dụng cơ bản của khuếch đại thuật toán như mạch chỉnh lưu chính xác, mạch tạo xung vuông góc, mạch tách sườn xung, mạch khuếch đại lặp lại, mạch dịch pha nên rất thuận tiện cho chế tạo. 4. Kết luận Sơ đồ hình 5 là một giải pháp thực hiện một trong những khâu quan trong nhất của thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều là tách được từ dòng đo thành phần tác dụng và thành phần điện dung của dòng điện rò. Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng trong thiết kế, chế tạo các thiết bị bảo vệ rò dùng dòng đo xoay chiều. Hướng nghiên cứu tiếp theo là lựa chọn độ rộng xung điều khiển các khoá FET hợp lý để đảm bảo sai số cho phép và xây dựng các mạch xử lý các tín hiệu ra của mạch tách IR và IC phục vụ cho mạch bảo vệ cắt và mạch bù điện dung. Ngoài ra, để tạo đặc tính biến dạng cần nghiên cứu tách riêng dòng đo điện trở cách điện của mạng và dòng đo điện trở rò (khối 5 và 6 trong sơ đồ khối hình 1). Tài liệu tham khảo 1. Kim Ngọc Linh, 2021. Điều kiện sử dụng an toàn thiết bị bảo vệ rò điện dùng dòng đo 1 chiều trong các mạng điện mỏ hỗn hợp. Tạp chí Công nghiệp Mỏ, số 4+5+6-2021, tr. 54-58. 2. Petrichencô A.A., 2017. Các phương pháp và phương tiện hạn chế dòng điện rò xuống đất trong các hệ thống cung cấp điện mỏ quặng sắt. Luận án Tiến sỹ, Krivôi, 2017, 197 trang (bản tiếng Nga). 3. Savitsky V.N., Stadnik N.I., 2013. Bảo vệ khỏi dòng điện rò trong các mạng điện hỗn hợp ở các mỏ than. «УкрНИИВЭ», tr.1-10 (bản tiếng Nga). 4. Shkrabex Ph.P., Likarenko A.G., Parkhômencô R.A., 2012. Thiết bị bảo vệ chọn lọc chống dòng rò cho mạng điện mỏ hỗn hợp điện áp 380V và 660V. Hệ thống cơ điện và tiết kiệm năng lượng, 2012 (18), tr. 77-84 (bản tiếng Nga). 5. Xinchuk O.N., Licarencô A.G., Petrichencô A.A., Dimancov R.V., Shkrabex Ph.P., 2016. Các vấn đề chung về an toàn điện trong vận hành các tổ hợp kỹ thuật điện có hệ truyền động điện có thể điều chỉnh được trong mạng điện mỏ điện áp dưới 1200V. Tekhnіchna elektrodinamika, 2016 (5), tr. 79-81, ISSN 1607-7970 (bản tiếng Nga). ABSTRACT A solution to eliminate the influence of insulation capacitance on the characteristic of leakage protection devices using alternating current measurement Kim Ngoc Linh*, Nguyen Thac Khanh, Nguyen Truong Giang, Kim Thi Cam Anh Hanoi University of Mining and Geology One of the major causes hindered the safe operation of combined mine power networks is tradition leakage protection devices, which have working principle is based on the result of superposition of DC current on the network to be protected. Such devices may not operate when leakage (or when insulation resistance is reduced) occurs in the DC part of the power electronic equipment. Therefore, in order to ensure the minimum level of safety for combined mine power networks, it is necessary to deal with the direction of research and manufacture of insulation testing and leakage protection systems using alternating current measuring different from mains frequency. However, a difficult problem arises when operating leakage protection systems using AC measuring current, which is to eliminate the influence of insulation capacitance on the characteristics of leakage protection. One of the ways to eliminate the influence of capacitance on the performance of leakage protection using AC measuring current is to find a solution to separate the active component from the measuring current. Based theoretical analysis and simulation model, the paper propose a solution to do that. The results of this study can be applied when design and manufacture leakage current protection devices using alternating current measurement. Keywords: Mine power networks; leakage protection; insulation resistance; alternating current measurement. 1369