Tính dòng điện rò trong các mạng điện mỏ hầm lò có sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn ở chế độ quá trình quá độ

inh. Để có thể lựa Chấp nhận 17/8/2021 chọn được những giải pháp hạn chế hiệu quả dòng điện rò trong các mạng Đăng online 20/12/2021 điện này cần phải biết được đặc điểm của dòng rò phát sinh trong đó. Bài báo trình bày kết quả xây dựng các biểu thức tính dòng điện rò trong các Từ khóa: Dòng điện rò; mạng điện mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Với kết quả nhận được, lần đầu tiên quy luật biên thiên của dòng điện rò khi có rò một pha từ phần mỏ; biến đổi bán dẫn; quá mạch xoay chiều tần số công nghiệp và rò ở phần mạch một chiều của một trình quá độ, sơ đồ tương mạng điện mỏ hỗn hợp được mô tả ở dạng giải tích. Các biểu thức này có đương. tính tổng quát vì cho phép tính được dòng điện rò ở cả chế độ xác lập và chế độ quá trình quá độ. Kết quả nghiên cứu này còn có thể áp dụng để tính toán dòng điện rò trong các mạng điện đơn và hỗn hợp không nối đất khác (mạng AC IT, DC IT và AC/DC IT). Copyright © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu trong các mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ còn ít được quan tâm và cho đến nay Trong các tài liệu (Kim Ngọc Linh, 2018; Kim vẫn chưa có kết quả nào được công bố. Bài báo này Ngọc Linh và nnk, 2020), đã trình bày các kết quả trình bày kết quả nghiên cứu của chúng tôi về tính nghiên cứu tính dòng điện rò trong các mạng điện dòng điện rò ở phần mạch xoay chiều tần số công mỏ có chứa các bộ biến đổi (mạng điện mỏ hỗn nghiệp và phần mạch một chiều của một mạng hợp). Các biểu thức xây dựng được cho phép tính điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. toán dòng điện rò khi phát sinh rò ở phần mạng trước biến tần, phần mạng sau biến tần và phần 2. Kết quả nghiên cứu mạch điện một chiều của một mạng điện mỏ hỗn Với giả thiết mạng có thông số tập trung, bỏ hợp ở chế độ xác lập. Thực tế, trong nhiều trường qua trở kháng của biến áp và cáp và không tính hợp cần phải biết rõ tính chất quá trình quá độ của đến trở kháng cách điện giữa các pha của mạng, sơ dòng điện rò, ví dụ như khi cần chọn thời gian trễ đồ tương đương về phương diện an toàn điện giật của rơle bảo vệ rò, tính điện lượng qua người để cho mạng điện mỏ hầm lò có sử dụng các bộ biến xác định điều kiện an toàn điện giật của mạng v.v... đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) như hình 1 Mặc dù vậy, vấn đề nghiên cứu tính dòng điện rò (Petrichencô A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2019). 7 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) MTBT A / MSBT A + MMC TẢI / B CHỈNH BIẾN B MỘT TẦN LƯU − C CHIỀU C/ BAKV RA RB RC R + R − R Af RBf RCf C C CA CB CC + − CAf CBf C ĐC1 Cf ĐC2 Hình 1. Sơ đồ tương đương về phương diện an toàn điện giật của mạng điện mỏ hỗn hợp 2.1 Tính dòng điện rò khi có rò ở phần mạch Trong sơ đồ hình 1 ký hiệu R , R , R , C , C , A B C A B xoay chiều tần số công nghiệp CC là điện trở cách điện và điện dung các pha so với đất của phần mạng xoay chiều trước biến tần Với giả thiết phần mạch chỉnh lưu được mắc (MTBT); RAf, RBf, RCf, CAf, CBf, CCf là điện trở cách trực tiếp không qua biến áp và bỏ qua ảnh hưởng điện và điện dung các pha so với đất của phần do trở kháng cách điện của phần mạng sau biến mạng xoay chiều sau biến tần (MSBT); R+, R-, C+, tần, sơ đồ tính toán dòng điện rò khi chạm vào một C- là điện trở cách điện và điện dung giữa cực pha phần mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp dương (+) và cực âm (-) so với đất của phần mạng (MTBT) của mạng điện mỏ hỗn hợp như hình 2 một chiều (MMC). (Kim Ngọc Linh, 2020). MMC + Uf A MTBT B U0 C − RA RB RC irò R+ R− Rrò ĐC1 CA CB CC C C irò1 irò2 + − irò2+ irò2− Hình 2. Sơ đồ tính dòng điện rò khi có rò một pha phần mạch điện xoay chiều Trong sơ đồ hình 2 ký hiệu Rrò là điện trở rò; • Tính dòng điện rò xoay chiều irò1: Uf là điện áp pha cuộn thứ cấp của máy biến áp khu vực; U0 là trị số trung bình của điện áp chỉnh Sơ đồ tương đương để tính dòng điện rò irò1 lưu cầu ba pha ( U0  2,34Uf ). như hình 3. Khi có rò một pha, dòng irò qua điện trở rò Rrò sẽ gồm hai thành phần: Thành phần dòng xoay chiều irò1 gây bởi điện trở và điện dung cách điện của phần mạch xoay chiều MTBT và thành phần dòng một chiều irò2 có trị số tùy thuộc vào sự mất đối xứng điện trở cách điện của phần mạch điện một chiều MMC. 8 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) U / 2 Uf 0 Rtđ Ctđ Utđ irò2− R C R− irò2− C− Rrò R C Rrò i rò1 b) R rò a) Hình 4. Sơ đồ tương đương tính dòng rò irò2- Hình 3. Sơ đồ tương đương tính dòng rò irò1 Từ sơ đồ hình hình 4a suy ra có Trong sơ đồ hình 3 ký hiệu R là điện trở UC (+0) = UC (−0) = U0R / 2(R + R − ) cách điện tương đương so với đất của phần Vậy dòng điện rò tại thời điểm t=0: mạch xoay chiều MTBT (R=RA//RB//RC), C là iro 2− (0) = UC (+0) / R rò = U0R / 2R rò (R + R − ) điện dung tương đương của MTBT so với đất Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có (C=C +C +C ). A B C sơ đồ tính dòng điện rò i như hình 4b. Giả thiết điện áp pha cuộn thứ cấp của rò2- Trong sơ đồ có Utđ = U0R / 2(R + R − ) ; biến áp có dạng u = 2U sin(t + ) suy ra: f f R = (R // R ) = RR /(R + R ) ; Trị số dòng điện rò ở thời điểm t=0: tđ − − − Ctđ = (C // C− ) = C + C− . 2U sin  i (0) = f Từ sơ đồ hình 4b tính được thành phần xác lập ro1 R ro của dòng điện rò: Thành phần xác lập của dòng điện rò: U U R / 2(R + R ) i = tđ = 0 − = R 2 + X2 roxl2− C R tđ + R rò RR − /(R + R − ) + R rò iroxl1 = 2Uf sin(t +  − ) R 2R 2 + X2 (R + R )2 U R ro C ro = 0 − R2X 2(RR − + RR rò + R −R rò) với  = arctg C , X =1/ C 2 2 C Thành phần tự do của dòng điện rò: R Rro + XC (R + Rro) i = A exp(pt ) = A exp(−t /  ) , Thành phần tự do của dòng điện rò: rotd 2− 2 2 2− RR R (C + C ) irotd1 = Aexp(−t / ) − rò − với 2− = với  = R C = RR C /(R + R ) RR− + RRrò + R −R rò tđ rò rò Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng có Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng tính được thành phần xoay chiều của dòng điện rò được dòng rò quá trình quá độ iro2-:   irò1 có dạng: U0R RR− iro2− = 1+ exp(−t / 2− ) 2 2 2(RR− + RRrò + R −R rò) (R + R − )R rò R + XC   iro1 = 2Uf sin(t +  − )+ 2 2 2 2 (2) R R ro + XC (R + R ro) Một cách tương tự tính đươc thành phần iro2+ của  2 2  sin  R + XC + 2Uf  − sin( − )exp(−t / ) dòng điện rò một chiều:  R 2 2 2 2  ro R R ro + XC (R + R ro)   U0R  RR+  iro2+ = 1+ exp(−t / 2+ ) (1) 2(RR+ + RRrò + R +R rò)  (R + R + )R rò  • Tính dòng điện rò một chiều iro2: (3) Dòng điện rò irò2 gồm hai thành phần. Thành RR R (C + C ) với  = + rò + phần irò2- do sơ đồ ba van cực tính âm so với đất 2+ RR + RR + R R gây ra và thành phần i do sơ đồ ba van cực + rò + rò rò2+ Từ (2) và (3) suy ra dòng rò một chiều tính dương so với đất gây ra. Sơ đồ tương đương iro2 = iro2− − iro2+ bằng: để tính thành phần irò2- của dòng rò một chiều nêu trên hình 4a. 9 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) U0R  RR −  Từ các biểu thức (1) và (4) tính được dòng rò iro2 = 1+ exp(−t / 2− ) − 2(RR − + RR rò + R −R rò)  (R + R − )R rò  tổng bằng: U0R  RR +  − 1+ exp(−t / 2+  2(RR + + RR rò + R +R rò)  (R + R + )R rò  (4) 2 2  2 2  R + XC sin  R + XC iro = 2Uf sin(t +  − )+ 2Uf  − sin( − )exp(−t / ) + 2 2 2 2  R 2 2 2 2  R R ro + XC (R + R ro)  ro R R ro + XC (R + R ro)  U0R  RR −  U0R  RR +  + 1+ exp(−t / 2− ) − 1+ exp(−t / 2+  (5) 2(RR − + RR rò + R −R rò)  (R + R − )R rò  2(RR + + RR rò + R +R rò)  (R + R + )R rò  2.2 Tính dòng điện rò phần mạch một chiều được mắc trực tiếp không qua biến áp và bỏ qua ảnh hưởng do trở kháng cách điện của phần a. Tính dòng điện rò khi bị rò dây âm mạng sau biến tần, sơ đồ tính toán dòng điện rò Xét trường hợp mạng điện mỏ hỗn hợp có khi chạm vào dây âm phần mạch điện một chiều chứa phụ tải một chiều (hoặc mạng không có của mạng điện mỏ hỗn hợp như hình 5 (Kim phụ tải một chiều nhưng phần chỉnh lưu và phần Ngọc Linh, 2019). nghịch lưu trong bộ biến tần có khoảng cách đáng kể), với giả thiết phần mạch chỉnh lưu MMC + Uf A MTBT B U0 C − RA RB RC R+ R− ĐC1 i CA CB CC rò− C+ C− Rrò Hình 5. Sơ đồ tính toán dòng điện rò quá trình quá độ khi chạm vào dây âm Dòng điện rò iro- gồm thành phần dòng iro-1 do a) nguồn điện áp cực tính âm của nguồn một chiều Hình 6. Sơ đồ tính iro-1 khi chạm vào dây âm so với đất gây ra và thành phần dòng i do sơ ro-2 Từ sơ đồ hình 6a suy ra theo luật đóng mở tụ đồ ba van (cực tính âm) so với đất gây ra (thành điện có UC− (+0) = UC− (−0) = U0R − /(R + + R − ) phần iro-2 chỉ tồn tại khi kể đến điện trở và điện dung cách điện của phần mạng trước biến tần). Vậy dòng điện rò tại thời điểm t=0: iro −1(0) = UC− (+0) / R rò = U0R − / R rò (R + + R − ) Từ sơ đồ hình 5, có sơ đồ tương đương để Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có tính thành phần dòng điện rò iro-1 như hình 6a. sơ đồ tính toán dòng rò iro-1 như hình 6b. Trong đó Utđ = U0R − /(R + + R − ) ; R tđ = R +R − /(R + + R − ) ; U 0 Rtđ Ctđ = C+ + C− Ctđ i Utđ ro−1 Từ sơ đồ hình 6b tính được thành phần xác lập i R ro−1 rò của dòng điện rò: R C R+ C+ − − Rrò b) 10 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Utđ U0R − /(R + + R − ) iro −2 (0) = UC− (+0) / R rò = U0R − / 2R rò (R + R − ) iroxl−1 = = = R tđ + R rò R +R − /(R + + R − ) + R rò Áp dụng phương pháp nguồn tương đương có U R sơ đồ tính toán dòng điện rò iro-2 tương tự như = 0 − hình 6b, trong đó Utđ = U0R − / 2(R + R − ) ; R +R − + R +R ro + R −R rò Thành phần tự do của dòng điện rò: R tđ = RR − /(R + R − ) ; Ctđ = C + C− . irotd −1 = A1 exp(pt ) = A1 exp(−t / −1) , Tính thành phần xác lập của dòng điện rò từ sơ R R R (C + C ) đồ tương đương: với  = + − rò + − −1 Utđ U0R − / 2(R + R − ) R+R− + R+Rrò + R −Rrò i = = = roxl−2 R + R RR /(R + R ) + R Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng có tđ rò − − rò U R kết quả dòng rò quá trình quá độ: = 0 − U R  R R  2(RR− + RRrò + R −R rò) 0 − + − iro−1 = 1+ exp(−t / −1) R +R − + R +R rò + R −R rò  (R + + R − )R rò  Thành phần tự do của dòng điện rò: (6) irotd −2 = A2 exp(pt ) = A2 exp(−t / −2 ) , Sơ đồ tương đương để tính thành phần dòng RR−Rrò(C + C− ) với −2 = điện rò iro-2 do sơ đồ ba van cực tính âm so với RR− + RRrò + R−Rrò đất tạo nên (thành phần dòng điện rò khi tính Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng có đến điện trở và điện dung cách điện của phần kết quả dòng rò quá trình quá độ: mạng trước biến tần) như hình 7. U R  RR  i = 0 − 1+ − exp(−t /  ) U0 / 2 ro−2  −2  2(RR − + RR rò + R −R rò)  (R + R − )R rò  (6) iro−2 Vậy dòng rò tổng khi chạm vào dây âm bằng R C R C iro − = iro −1 + iro −2 : − − Rrò U0R −  R +R −  iro− = 1+ exp(−t / −1) + R +R − + R +R rò + R −R rò  (R + + R − )R rò  Hình 7. Sơ đồ tính iro-2 khi chạm vào dây âm U0R −  RR −  + 1+ exp(−t / −2 ) Trong sơ đồ hình 7 có R và C là điện trở cách 2(RR− + RRrò + R −R rò)  (R + R − )R rò  điện và điện dung tổng của phần mạng trước (7) biến tần so với đất (R=R //R //R , A B C b. Tính dòng điện rò khi bị rò dây dương C=CA//CB//CC). Từ sơ đồ hình 7 suy ra có Sơ đồ tính toán dòng điện rò khi chạm vào dây UC− (+0) = UC− (−0) = U0R − / 2(R + R − ) dương phần mạch điện một chiều của mạng Vậy dòng điện rò tại thời điểm t=0: điện mỏ hỗn hợp như hình 8. MMC + Uf A MTBT B U0 C − RA RB RC R+ R− ĐC1 i CA CB CC rò+ C+ C− Rrò Hình 8. Sơ đồ tính toán dòng điện rò quá trình quá độ khi chạm vào dây dương 11 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Dòng điện rò iro+ cũng gồm thành phần dòng + Biểu thức (5) cho thấy rằng, nếu phần mạch điện rò iro+1 do nguồn điện áp cực tính dương điện một chiều trong mạng điện mỏ hỗn hợp có của nguồn một chiều so với đất gây ra và thành điện trở cách điện đối xứng (R+=R-) thì điện trở và phần dòng điện rò iro+2 do sơ đồ ba van cực tính điện dung cách điện của phần mạch một chiều dương so với đất gây ra (thành phần iro+2 cũng không ảnh hưởng đến dòng điện rò trong phần chỉ tồn tại khi kể đến điện trở và điện dung cách mạch xoay chiều tần số công nghiệp. Vì vậy, nên điện của phần mạng trước biến tần). lựa chọn thiết bị sao cho phần mạch một chiều Tính toán tương tự có kết quả (Kim Ngọc Linh, có chiều dài ngắn nhất để dễ đạt được điều kiện 2019): R+=R-. U0R +  R +R −  iro+1 = 1+ exp(−t / +1) + Từ (1) suy ra với điện dung giới hạn cho R R + R R + R R (R + R )R + − + rò − rò  + − rò  phép của mạng điện mỏ là Cmax=1uF/pha, khi có rò (8) một pha phần mạch điện xoay chiều tần số công R R R (C + C ) với  = + − rò + − nghiệp của mạng điện mỏ hỗn hợp qua điện trở 1 +1 R R + R R + R R + − + rò − rò k , thời gian quá trình quá độ của thành phần dòng điện rò xoay chiều không vượt quá 3ms. U0R +  RR +  iro+2 = 1+ exp(−t / +2 ) 2(RR + + RR rò + R +R rò)  (R + R + )R rò  4. Kết luận (9) Từ những kết qủa trình bày trên đây có thể RR+Rrò(C + C+ ) rút ra được kết luận sau: với +2 = RR+ + RRrò + R+Rrò Với các biểu thức (5), (7) và (10), quy luật Xếp chồng kết quả có iro + = iro +1 + iro +2 : biên thiên của dòng điện rò khi có rò một pha từ phần mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp và U0R +  R +R −  iro+ = 1+ exp(−t / +1) + R R + R R + R R (R + R )R rò ở phần mạch một chiều của một mạng điện mỏ + − + rò − rò  + − rò  hỗn hợp được mô tả ở dạng giải tích. Các biểu thức U0R +  RR+  + 1+ exp(−t / +2 ) này có tính tổng quát vì cho phép tính được dòng 2(RR + RR + R R ) (R + R )R + rò + rò  + rò  điện rò ở cả chế độ xác lập và chế độ quá trình quá (10) độ. 3. Thảo luận Kết quả nghiên cứu trên có thể áp dụng để + Từ các biểu thức (5), (7) và (10), khi cho tính toán dòng điện rò trong các mạng điện đơn và t →  ta có các biểu thức tính dòng điện rò hỗn hợp không nối đất khác (mạng AC IT, DC IT và trong phần mạch điện xoay chiều tần số công AC/DC IT). nghiệp và phần mạch một chiều của mạng điện Tài liệu tham khảo mỏ hỗn hợp ở chế độ xác lập. Kết quả này trùng với các biểu thức tính dòng điện rò xác lập đã Kim Ngọc Linh, 2018. Nghiên cứu xác định dòng được trình bày trong các tài liệu (Petrichencô điện rò trong mạng điện mỏ hầm lò có sử dụng A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2018). các bộ biến đổi. Tạp chí Công nghiệp Mỏ, số 3- 2018, trang 15-19. + Từ (1) và (4) suy ra khi có rò một pha ở phần mạch xoay chiều tần số công nghiệp, dòng Kim Ngọc Linh, 2019. Tính dòng điện rò trong điện rò gồm hai thành phần: Thành phần dòng phần mạch điện một chiều của các mạng điện rò xoay chiều có trị số chỉ phụ thuộc vào điện trở mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Tạp chí và điện dung cách điện của phần mạch xoay Công nghiệp mỏ, 6/2019, trang 74-77. chiều trước biến tần và thành phần dòng rò một Kim Ngọc Linh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị chiều có trị số tùy thuộc vào sự mất đối xứng Cẩm Ánh, 2020. Tính dòng điện rò trong các điện trở cách điện của phần mạch điện một mạng điện mỏ hầm lò có sử dụng các bộ biến chiều. đổi bán dẫn. Kỷ yếu tóm tắt hội nghị toàn quốc 12 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Khoa học trái đất và tài nguyên với phát triển Petrichencô A.A., 2017. Các phương pháp và bền vững, ERSD 2020, tháng 11-2020, tr. 320. phương tiện hạn chế dòng điện rò xuống đất trong các hệ thống cung cấp điện mỏ quặng sắt. Kim Ngọc Linh 2020. Tính dòng điện rò trong Luận án Tiến sỹ, Krivôi, 2017, 197 trang (bản phần mạch điện xoay chiều của các mạng điện tiếng Nga) mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Tạp chí Công nghiệp Mỏ, số 6-2020, tr. 59-62. ABSTRACT Calculation of leakage currents in underground mine power networks using semiconductor converters in transient mode Underground mine power networks using semiconductor converters (combined power networks) are increasingly used in Quang Ninh region. In order to choose effective solutions to limit leakage currents in these power networks, it is necessary to know the characteristics of such leakage currents. This paper presents the results of the leakage current calculation in the combined mine power networks under transient mode. For the first time, variation laws of the leakage currents from single phase of industrial frequency AC circuit part and DC circuit part in the combined power network are shown in analytical forms. These expressions are general because they allow to be determined the leakage current in both steady-state and transient modes. These results can also be applied to calculate leakage currents in other ungrounded power networks (AC IT, DC IT and AC/DC IT networks). Keywords: leakage current, combined power network, semiconductor converter, transient mode, equivalent circuit. 13