HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
Tính dòng điện rò trong các mạngđiện mỏ hầm lò có sử dụng
các bộ biến đổi bán dẫn ở chế độ quá trình quá độ
Kim Ngọc Linh1, *, Nguyễn Thạc Khánh1, Nguyễn Trường Giang1, Kim Thị Cẩm Ánh1
1 Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất
THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT
Quá trình: Mạng điện có sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) ngày càng
Nhận bài 15/6/2021 được sử dụng nhiều trong các mỏ hầm lò vùng Quảng Ni
7 trang |
Chia sẻ: Tài Huệ | Ngày: 16/02/2024 | Lượt xem: 191 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tinh_dong_dien_ro_trong_cac_mang_dien_mo_ham_lo_co_su_dung_c.pdf