Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mạng phân phối điện 6kV tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh vận hành theo phương thức trung tính cách ly. Đặc thù môi trường khai thác mỏ lộ thiên là địa hình phức tạp, mạng lưới đường dây trên không kết hợp cáp mềm di động thường xuyên bị dịch chuyển theo tầng khai thác, chịu tác động cơ học liên tục từ đất đá và máy móc công suất lớn, cùng điều kiện khí hậu nóng ẩm mưa nhiều. Trong điều kiện vận hành này, sự cố chạm đất một pha là dạng hư hỏng chiếm tỷ lệ cao nhất, dao động từ 70% đến 80% tổng số sự cố điện toàn mạng. Thống kê thực tế tại các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh cho thấy tần suất chạm đất một pha xảy ra khoảng 60 đến 70 lần mỗi tháng, tương đương 700 đến 800 lần mỗi năm.

Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha trong mạng trung tính cách ly, dòng điện chạm đất có tính chất điện dung và biên độ nhỏ, về lý thuyết hệ thống vẫn có thể tiếp tục vận hành tạm thời. Tuy nhiên, thực tế phát sinh các quá trình quá độ phức tạp và quá điện áp hồ quang trên các pha không bị sự cố (có thể vượt quá 1,73 lần điện áp pha định mức, thậm chí đạt 2,5 đến 2,9 lần khi xảy ra hồ quang chập chờn). Tình trạng này làm suy giảm nhanh chóng độ bền cách điện của thiết bị, gây nguy cơ chuyển hóa từ sự cố một pha thành ngắn mạch hai pha hoặc nhiều điểm chạm đất, đe dọa an toàn tính mạng con người và phá hỏng thiết bị khai thác như máy xúc điện, máy khoan, trạm bơm.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm:

  1. Thiếu các mô hình toán học phản ánh chính xác mối quan hệ phụ thuộc giữa các thông số cách điện thực tế (điện dung cách điện $C_f$ và điện dẫn cách điện $G_f$) với cấu trúc mạng mỏ (chiều dài đường dây trên không, chiều dài cáp, số lượng thiết bị cao áp) và yếu tố môi trường khí hậu mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh.
  2. Thiếu giải pháp kỹ thuật có khả năng tự động phát hiện chính xác pha sự cố với độ nhạy cao và thời gian tác động nhanh, kết hợp cơ chế nối ngắn mạch (mắc sơn) pha chạm đất xuống đất tạm thời trong thời gian 30 đến 60 giây để dập hồ quang, cho phép cách điện tự phục hồi đối với các sự cố thoáng qua mà không cần cắt điện đường dây, đồng thời tự động chuyển quyền xử lý cho bảo vệ rơle cắt chọn lọc nếu sự cố kéo dài thành chạm đất ổn định.

Mục tiêu, câu hỏi và luận điểm nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là: 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.

Các luận điểm bảo vệ của luận án được tác giả xác định gồm:

  1. 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.
  2. Có thể nâng cao 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.
  3. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng điện trung tính cách ly cấp điện áp 6kV ở các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh.
  • Phạm vi không gian: Các công ty khai thác than lộ thiên thuộc vùng than Quảng Ninh, bao gồm Công ty Cổ phần Than Núi Béo, Than Hà Tu, Than Cọc Sáu, Than Cao Sơn và Than Đèo Nai.
  • Phạm vi nội dung và thời gian: Đánh giá độ tin cậy cung cấp điện, thống kê sự cố trong giai đoạn 2018–2019; đo đạc thông số cách điện mạng điện thực tế; mô hình hóa toán học; nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất ở quy mô phòng thí nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm lại

Trong Chương 1, tác giả hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến độ tin cậy lưới điện và giải pháp xử lý sự cố chạm đất một pha:

  1. Cơ sở lý thuyết về độ tin cậy hệ thống điện: Tác giả điểm lại các chỉ tiêu thống kê độ tin cậy theo quy luật phân bố mũ của thời gian làm việc tốt $T_{lv}$ với hàm phân bố $F_{Tlv} = 1 - e^{-\lambda t}$, hàm mật độ $f_{Tlv} = \lambda e^{-\lambda t}$, hàm độ tin cậy $R(t) = e^{-\lambda t}$, thời gian làm việc tốt trung bình $T_{lv} = 1/\lambda$, cường độ sửa chữa $\mu = 1/T_h$, và hệ số sẵn sàng $A = T_{lv} / (T_{lv} + T_h)$. Nghiên cứu mối quan hệ giữa điều kiện khí hậu và tần suất sự cố được biểu diễn qua phương trình hồi quy tuyến tính của nhiệt độ: $n/m = -6,507 + 0,031T$ (với $T$ là nhiệt độ không khí trung bình tính bằng Kelvin, $n/m$ là số sự cố chạm đất tự phục hồi trung bình tháng trên một đơn vị thiết bị).

  2. Quá trình quá độ khi xảy ra chạm đất một pha: Các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình vật lý tại Nga từ thập niên 1970–1980 chia quá trình quá độ chạm đất thành ba giai đoạn:

    • Giai đoạn 1: Giảm điện áp đột ngột do phóng điện dung tại vị trí chạm đất (kéo dài phần micro giây);
    • Giai đoạn 2: Suy giảm điện áp pha sự cố, tăng điện áp pha không sự cố kèm sóng phản xạ và khúc xạ tần số cao (kéo dài hàng chục đến hàng trăm micro giây);
    • Giai đoạn 3: Trao đổi năng lượng điện từ giữa điện cảm và điện dung của mạng, gọi là giai đoạn nạp (kéo dài vài phần nghìn đến phần trăm giây).

  3. Các giải pháp chế độ trung tính:

    • Bù dòng điện dung bằng cuộn dập hồ quang Petersen: Phát minh tại Đức năm 1919 với điều kiện cộng hưởng $3\omega^2 L_P C = 1$ hay $L_P = 1/(3\omega^2 C)$. Luận án điểm lại các thiết bị điều khiển tự động dòng bù của Nga và các nước: УАРК.101С, ТАДТМ, УДТМ (dùng thyristor điều khiển), ЗРОМ, ASR (ZTC), EGE (Cộng hòa Séc), REG-DP (A. Eberle, CHLB Đức), Mirko-5. Phân tích ảnh hưởng của quá bù và bù thiếu đến quá điện áp nội bộ.
    • Trung tính nối đất qua cuộn Petersen mắc song song điện trở: Trị số điện trở lựa chọn theo $R_N = U_f / \Delta I_z$ nhằm dập tắt dao động và hạn chế thời gian tồn tại của quá điện áp.
    • Trung tính nối đất qua điện trở trị số cao: Hạn chế quá áp không vượt quá $2,4 U_f$ trong thời gian 5 giây, triệt tiêu điều kiện gây bão hòa từ biến áp đo lường khi năng lượng điện trường thỏa mãn $W_C \le W_L$.
    • Trung tính nối đất qua điện trở trị số thấp: Áp dụng qua cuộn tam giác hở của máy biến áp đo lường cho mạng máy biến áp đấu $Y/\Delta$, với trị số $100 \div 200,\Omega$ đối với mạng 6kV và $200 \div 300,\Omega$ đối với mạng 10kV, khống chế quá áp trong khoảng $(2,2 \div 2,4) U_f$.

  4. Phương pháp tự động nối ngắn mạch (mắc sơn) pha chạm đất và các nguyên lý xác định pha sự cố:

    • Nguyên lý so sánh độ giảm trị tuyệt đối điện áp pha sự cố hoặc tăng điện áp hai pha lành: Nhược điểm là độ nhạy thấp ($\le 3,\text{k}\Omega/\text{pha}$ khi điện dung mạng $C = 1,\mu\text{F}/\text{pha}$), dễ tác động nhầm ở pha chậm sau (pha B khi sự cố pha A).
    • Nguyên lý phản ứng với tổng (hoặc hiệu) vectơ điện áp chuẩn và điện áp thứ tự không $U_0$: Đạt độ nhạy khoảng $\le 4,5,\text{k}\Omega/\text{pha}$ khi $C = 1,\mu\text{F}/\text{pha}$, thời gian tác động từ 3 đến 10ms.
    • Nguyên lý phản ứng với sự giảm điện áp chỉnh lưu của pha chạm đất: Giảm ảnh hưởng của thành phần điện dung, chỉ phụ thuộc thành phần tác dụng của dòng điện.
    • Nguyên lý góc lệch pha giữa điện áp pha và điện áp thứ tự không của Sirôta I. và Iaguđaev B.: Sử dụng các bộ biến đổi xung chữ nhật 5ms và 1,5ms với thời gian trễ 10ms; nhược điểm là cấu trúc mạch phức tạp, giảm tốc độ tác động và sai lệch khi mạng thay đổi mức bù.
    • Nguyên lý phản ứng theo hiệu số trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và tổ hợp điện áp hai pha còn lại cùng điện áp thứ tự không: Xác định tỷ lệ hệ số tối ưu $k_1 : k_2 : k_3 : k_4 = 3 : 2 : 1 : \sqrt{3}$, nâng độ nhạy lên đến $25,\text{k}\Omega/\text{pha}$ khi $C = 1,\mu\text{F}/\text{pha}$.
    • Nguyên lý phản ứng theo hiệu trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha chạm đất: Kết cấu mạch đơn giản, thời gian tác động nhỏ hơn 10ms khi điện dung mạng dưới $1,5,\mu\text{F}/\text{pha}$ và điện trở rò $1,\text{k}\Omega$.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án kế thừa nguyên lý so sánh hiệu trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha sự cố, khắc phục nhược điểm về độ phức tạp và độ nhạy của các thiết bị trước đây; giải quyết đồng thời bài toán xác định chính xác thông số cách điện mạng 6kV mỏ than Quảng Ninh và thiết kế, chế tạo mạch phần cứng thiết bị mắc sơn pha sự cố hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu khóa liên động an toàn và tự động ngắt sau 30–60 giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Lý thuyết phân tích mạch điện xoay chiều ba pha không đối xứng, phương pháp thành phần đối xứng để xác định điện áp thứ tự không $u_0(t)$ khi chạm đất một pha: $$u_0(t) = \frac{U_{fm}}{\sqrt{K^2 + 9\omega^2 C^2 R_z^2}} \left[ \sin(\omega t + \psi - \varphi) - \sin(\psi - \varphi) e^{P_1 t} \right]$$ Trong đó $K = 1 + R_z / R_a = 1 + I_a R_z / U_f$, $\varphi = \text{arctg}\left(\frac{3\omega C R_a}{1 + R_a / R_z}\right)$, và nghiệm đặc tính $P_1 = -\frac{R_z + R_a}{3 C R_z R_a}$.
  • Lý thuyết xác suất và thống kê toán học: Kiểm định giả thuyết phân bố chuẩn (phân phối Gauss), phương pháp bình phương bé nhất trong phân tích hồi quy đa biến, phân tích phương sai (ANOVA) để xác lập mô hình toán học cho điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$.
  • Lý thuyết bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện: Tự động mắc sơn (nối tắt có kiểm soát pha chạm đất xuống hệ thống tiếp địa) nhằm triệt tiêu điện áp tại điểm sự cố, dập hồ quang, cho phép điện môi cách điện tự hồi phục mà không cần cắt máy cắt cung cấp điện.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc hiện trường: Áp dụng phương pháp ba vôn kế kết hợp mắc thêm tụ điện phụ $C_{ph}$ vào pha A của mạng điện để xác định điện dung cách điện $C_f$ và điện dẫn cách điện $G_f$ so với đất của mạng 6kV đang vận hành. Xác định cỡ mẫu đo ngẫu nhiên cần thiết theo công thức thống kê với tiêu chuẩn tin cậy $q$ và sai số $\Delta$.
  • Phương pháp quy đổi thông số cấu trúc: Thiết lập hệ số quy đổi chiều dài các tuyến đường dây trên không ($L_{Tk.qd}$) và tuyến cáp mềm ($L_{C.qd}$) về tiết diện chuẩn $50,\text{mm}^2$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng mô hình toán học và sơ đồ mạng tương đương trên phần mềm máy tính để khảo sát đặc tính điện áp dư trên pha sự cố, dòng chạm đất, dạng sóng điện áp chỉnh lưu, đặc tính đóng cắt của tranzito (BJT loại PNP2) và tác động của thyristor khi thay đổi điện trở chạm đất $R_z$ từ $0$ đến $15,\text{k}\Omega$ và điện dung mạng từ $0,25$ đến $3,\mu\text{F}/\text{pha}$.
  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Thiết kế, chế tạo mạch in phần cứng hoàn chỉnh của thiết bị phát hiện và đóng ngắn mạch; lắp ráp bàn thử nghiệm mô phỏng nguồn 3 pha trung tính cách ly, bộ tạo rò/chạm đất có thể điều chỉnh điện trở tiếp xúc; đo kiểm dạng sóng và thời gian tác động bằng máy hiện sóng chuyên dụng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu cấu trúc kỹ thuật: Thống kê thông số máy biến áp trạm trung gian 35/6kV, các xuất tuyến 6kV, chủng loại và số lượng máy xúc điện ($N_{MX}$), máy biến áp phụ trợ ($N_{BA}$), động cơ cao áp và trạm bơm tại 5 công ty than mỏ lộ thiên Quảng Ninh (Núi Béo, Hà Tu, Cọc Sáu, Cao Sơn, Đèo Nai).
  • Dữ liệu sự cố: Nhật ký vận hành và biên bản thống kê sự cố phóng điện, chạm đất một pha năm 2018 và 2019 tại các đơn vị mỏ.
  • Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu nhiệt độ trung bình tháng ($^\circ\text{C}$) và độ ẩm không khí trung bình tháng (%) tại khu vực mỏ than Quảng Ninh (được chi tiết trong Phụ lục 3 của luận án).

Nội dung chính theo từng chương

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 một pha

Chương 1 thiết lập bức tranh tổng thể về hiện trạng độ tin cậy mạng điện mỏ. Luận án phân tích nguyên nhân gây mất điện gồm hỏng hóc thiết bị khách quan (già hóa, thời tiết, đứt dây, ngắn mạch) và ngừng điện kế hoạch, cùng các tổn thất kinh tế - xã hội liên quan. Tác giả phân tích cấu trúc hệ thống điện đòi hỏi mức độ dự phòng công suất trên 10%, yêu cầu vận hành tự động hóa để nhanh chóng khoanh vùng sự cố.

Nội dung trọng tâm của chương là so sánh kỹ thuật các giải pháp xử lý sự cố chạm đất một pha trên thế giới và tại Việt Nam:

Phương pháp xử lý chạm đất 1 pha Ưu điểm chính Hạn chế / Thách thức kỹ thuật Độ nhạy / Thông số vận hành
Mạng trung tính cách ly hoàn toàn Đơn giản, dòng sự cố chạm đất nhỏ, duy trì vận hành khi sự cố Quá điện áp hồ quang cao ($(2,5 \div 2,9) U_f$), dễ gây đục thủng cách điện pha lành Độ tin cậy cung cấp điện thấp nhất
Cuộn dập hồ quang Petersen Bù dòng điện dung, dập tia lửa hồ quang tại điểm chạm đất Khó duy trì trạng thái bù cộng hưởng khi mạng liên tục thay đổi cấu trúc Cần thiết bị tự động điều chỉnh kiểu bước hoặc thyristor
Nối đất qua điện trở trị số cao Giảm biên độ quá điện áp hồ quang ($\le 2,4 U_f$), chống bão hòa biến áp đo lường Thời gian cho phép duy trì ngắn (thường $\le 5\text{s}$), vẫn cần cắt điện Không triệt tiêu hoàn toàn sự gián đoạn cung cấp điện
Nối đất qua điện trở thấp (tam giác hở) Hạn chế quá áp tốt ($(2,2 \div 2,4) U_f$), tạo dòng đủ lớn để bảo vệ rơle cắt chọn lọc Buộc phải cắt điện phụ tải, gây gián đoạn cấp điện Trị số điện trở $100 \div 200,\Omega$ (mạng 6kV)
Tự động nối ngắn mạch (mắc sơn) pha chạm đất Dập tắt hồ quang tức thời, duy trì cấp điện $30 \div 60\text{s}$ cho cách điện tự phục hồi Đòi hỏi thiết bị phát hiện cực nhanh, độ nhạy cao và khóa liên động chống ngắn mạch nhiều pha Thời gian tác động yêu cầu $t_{bv} \le 15 \div 20\text{ms}$; chu kỳ lặp $\le 3$ phút

Phân tích các phương pháp xác định pha chạm đất cho thấy giải pháp so sánh hiệu trị số tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha sự cố là hướng đi tối ưu về tỷ lệ độ nhạy và độ phức tạp phần cứng.

Chương 2. Xác định quan hệ phụ thuộc giữa các thông số cách điện với các thông số cấu trúc mạng và môi trường mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

Chương này tập trung giải quyết bài toán định lượng thông số cách điện thực tế tại các mỏ than Quảng Ninh. Phương pháp ba vôn kế kết hợp mắc tụ điện phụ $C_{ph}$ được áp dụng để xác định điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ so với đất:

  • Tính toán cỡ mẫu đo ngẫu nhiên cần thiết tại các mỏ (Bảng 2.1).
  • Kiểm định tính phân bố chuẩn của tập số liệu thực nghiệm: Kết quả kiểm tra tần suất xuất hiện và phân bố thống kê khẳng định cả điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ đều tuân theo quy luật phân phối chuẩn Gauss (Hình 2.4, Hình 2.5).
  • Quy đổi chiều dài mạng điện mỏ: Dẫn xuất hệ số quy đổi cho các loại dây dẫn trên không và cáp mềm về tiết diện quy chuẩn $50,\text{mm}^2$ ($L_{Tk.qd}$ và $L_{C.qd}$) (Bảng 2.5).
  • Xây dựng mô hình hồi quy đa biến:
    • Đối với điện dung cách điện $C_f$: Phân tích hồi quy và phân tích phương sai ANOVA (Bảng 2.7, 2.8, 2.9, 2.10) xác định quan hệ phụ thuộc của $C_f$ vào chiều dài đường dây quy đổi và số lượng thiết bị đấu nối vào mạng ($N_{BA}, N_{MX}, N_{ĐC}$).
    • Đối với điện dẫn cách điện $G_f$: Phân tích hồi quy và phương sai ANOVA (Bảng 2.11, 2.12, 2.13, 2.14) xác lập quan hệ phụ thuộc của $G_f$ vào cấu trúc mạng và các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm). Đồ thị sai số và biểu đồ xác suất phân phối chuẩn của phần dư chứng minh độ tin cậy của phương trình hồi quy.

Các hàm hồi quy thu được cung cấp bộ thông số đầu vào chính xác để mô hình hóa mạng điện 6kV mỏ than Quảng Ninh trên máy tính.

Chương 3. Nghiên cứu xây dựng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất đảm bảo an toàn và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện mạng 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

Chương 3 trình bày các tính toán lý thuyết, thiết kế cấu trúc sơ đồ nguyên lý và mô phỏng thiết bị:

  • Tính toán điện áp dư và dòng sự cố: Khảo sát sự thay đổi của điện áp dư trước khi tiếp xúc trên pha chạm đất khi đóng điện trở ngắn mạch $R_{nm} = 0,5,\Omega$ và $4,\Omega$ ứng với chiều dài tuyến dây $l = 3,\text{km}$ và các mức dòng phụ tải khác nhau. Kết quả chứng minh khi đóng ngắn mạch pha chạm đất, điện áp tại điểm chạm đất giảm triệt để, dập tắt hồ quang chập chờn.
  • Thiết kế cấu trúc sơ đồ nguyên lý thiết bị gồm các khối chức năng chính:
    1. Khối 1, 2, 3: Mạch phát hiện pha chạm đất (sử dụng bộ chuyển đổi 1 pha thành 3 pha lệch nhau $60^\circ$, mạch chỉnh lưu cầu ba pha và khâu so sánh hiệu điện áp pha vượt trước với pha chạm đất);
    2. Khối 4: Mạch khóa liên động giữa các pha (sử dụng các tranzito BJT đóng vai trò cổng khóa logic, đảm bảo khi một pha đã đóng nối ngắn mạch thì tín hiệu điều khiển ở hai pha còn lại bị triệt tiêu hoàn toàn, loại trừ nguy cơ ngắn mạch hai pha qua đất);
    3. Khối 7: Mạch tự động điều khiển giải trừ (ngắt) nối ngắn mạch sau thời gian duy trì từ 30 đến 60 giây;
    4. Mạch động lực: Sử dụng thyristor (SCR) công suất cao đấu song song ngược để thực hiện việc nối ngắn mạch pha sự cố xuống hệ thống tiếp địa an toàn.
  • Kết quả mô phỏng mạch: Luận án mô phỏng quá trình làm việc của mạch trước và sau khi xảy ra sự cố chạm đất pha A. Khảo sát dạng sóng điện áp $U_A, U_B, U_C$, điện áp sau chỉnh lưu, điện áp điều khiển cực phát - gốc $U_{be}$ và điện áp ra trên tải cực góp (C) của tranzito PNP2 khi điện trở chạm đất thay đổi từ $R_z = 0$ đến $15,\text{k}\Omega$ và điện dung mạng thay đổi từ $0,25$ đến $3,\mu\text{F}/\text{pha}$ (Bảng 3.1). Thời gian phát hiện pha chạm đất mô phỏng đạt giá trị nhỏ, thỏa mãn điều kiện làm việc nhanh của thiết bị bảo vệ.

Chương 4. Xây dựng mô hình thực nghiệm thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất trong phòng thí nghiệm

Chương 4 kiểm chứng các giải pháp lý thuyết và kết quả mô phỏng thông qua chế tạo và thử nghiệm phần cứng:

  • Thiết kế và chế tạo phần cứng: Luận án lựa chọn sơ đồ nguyên lý tối ưu, lập danh mục thông số linh kiện bán dẫn (BJT, điốt, tụ điện, điện trở, IC định thời, mạch kích thyristor) và tiến hành thiết kế mạch in, chế tạo thiết bị hoàn chỉnh.
  • Thiết lập bàn thử nghiệm thực nghiệm: Bao gồm tủ nguồn tạo điện áp ba pha trung tính cách ly, hệ thống mô hình đường dây và phụ tải tương đương, các hộp biến trở để mô phỏng điện trở chạm đất $R_z$ thay đổi ở các dải giá trị khác nhau.
  • Kết quả đo đạc thực nghiệm:
    • Ghi nhận dạng sóng điện áp trước và sau chỉnh lưu ở chế độ bình thường (không có sự cố) và khi giả lập chạm đất ở từng pha A, B, C;
    • Đo lường tín hiệu hiệu điện áp giữa các pha, xác nhận mạch khóa liên động làm việc chính xác, không có hiện tượng tác động nhầm;
    • Xác định thời gian phát hiện và thời gian tác động thực tế của thiết bị thông qua hệ thống đo đạc dao động ký (Bảng kết quả đo thời gian tác động trang 116). Kết quả thực nghiệm khẳng định thiết bị phát hiện chính xác pha sự cố với thời gian tác động nhanh, dập tắt điện áp điểm sự cố tức thời và tự động ngắt sau thời gian chỉnh định 30–60 giây, hoàn toàn phù hợp với tính toán mô phỏng ở Chương 3.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công hệ phương trình hồi quy phản ánh mối quan hệ phụ thuộc định lượng giữa điện dung cách điện $C_f$ và điện dẫn cách điện $G_f$ của mạng điện 6kV so với đất với các thông số cấu trúc (chiều dài đường dây trên không quy chuẩn, chiều dài cáp mềm quy chuẩn, số lượng thiết bị cao áp) và yếu tố môi trường mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. Đây là cơ sở khoa học để mô hình hóa chính xác mạng điện mỏ lộ thiên trong nghiên cứu chế độ quá độ.
  2. Hoàn thiện cơ sở lý thuyết và sơ đồ giải thuật xác định pha chạm đất dựa trên hiệu trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha chạm đất, tích hợp giải pháp khóa liên động cứng giữa các pha, nâng cao độ tin cậy và loại trừ khả năng tác động nhầm của thiết bị nối ngắn mạch trong mạng trung tính cách ly.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất ở quy mô phòng thí nghiệm; thiết bị có khả năng phát hiện nhanh pha chạm đất với dải điện trở sự cố rộng, tự động nối đất pha sự cố qua thyristor để dập tắt hồ quang và tự động giải phóng ngắn mạch sau 30–60 giây.
  2. Giải pháp kỹ thuật giúp duy trì cung cấp điện liên tục khi xảy ra chạm đất một pha thoáng qua (vốn chiếm phần lớn sự cố mỏ), giảm số lần đóng cắt của máy cắt đầu nguồn, giảm hao mòn cơ - điện cho thiết bị đóng cắt, kéo dài tuổi thọ cách điện của cáp và động cơ, từ đó nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và an toàn vận hành cho các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha sự cố lắp đặt tại tủ đầu ra các trạm phân phối 35/6kV cấp điện cho các khai trường mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh.
  • Phối hợp liên động giữa thiết bị mắc sơn với hệ thống rơle bảo vệ chạm đất chọn lọc hiện hữu: Duy trì nối ngắn mạch trong 30–60 giây để cách điện tự hồi phục; nếu sau thời gian trên sự cố không tự giải trừ (chạm đất ổn định), thiết bị ngắt nối ngắn mạch để bảo vệ chọn lọc đầu xuất tuyến tác động cắt máy cắt loại trừ đoạn đường dây hư hỏng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng và dữ liệu thực nghiệm mới chỉ tập trung khảo sát ở cấp điện áp 6kV tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh có chế độ trung tính cách ly, chưa mở rộng khảo sát cho các cấp điện áp khác (10kV, 35kV) hoặc mạng điện mỏ hầm lò (nơi có yêu cầu phòng chống cháy nổ nghiêm ngặt hơn).
  • Mới dừng lại ở việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm kiểm chứng mô hình thiết bị trong điều kiện phòng thí nghiệm; chưa tiến hành chế tạo phiên bản công nghiệp hoàn chỉnh để lắp đặt vận hành thử nghiệm dài hạn trực tiếp trên lưới điện khai trường mỏ lộ thiên đang mang tải thực tế với đầy đủ các yếu tố rung chấn, bụi than và biến động điện áp lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện kết cấu cơ khí và vỏ tủ công nghiệp chống rung, chống ẩm, chống bụi cho thiết bị để tiến hành thử nghiệm thực địa tại trạm phân phối của một trong các công ty than (như Than Núi Béo hoặc Than Hà Tu).
  • Nghiên cứu tích hợp các giao thức truyền thông công nghiệp và đo xa (SCADA) vào thiết bị tự động phát hiện nối ngắn mạch để giám sát từ xa trạng thái cách điện và lưu trữ thông số quá độ phục vụ công tác quản lý vận hành lưới điện mỏ thông minh.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Kỹ thuật năng lượng, Cơ điện mỏ: Có thể sử dụng luận án như một tài liệu tham khảo chuyên khảo về tính toán quá độ chạm đất một pha, phương pháp đo thông số cách điện ba vôn kế và kỹ thuật thiết kế mạch bảo vệ điều khiển bán dẫn.
  2. Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư vận hành điện tại các công ty khai thác than - khoáng sản (TKV): Tài liệu cung cấp cơ sở thực tế về phân bố sự cố, thông số cáp và đường dây mỏ, cùng giải pháp giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao an toàn điện tại khai trường.
  3. Các cơ quan quản lý kỹ thuật, viện thiết kế mỏ: Tham khảo phương pháp luận đánh giá độ tin cậy và căn cứ kỹ thuật để tối ưu hóa chế độ nối đất trung tính mạng điện phân phối công nghiệp.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Bảng số liệu thống kê sự cố và thông số kỹ thuật trạm biến áp, máy xúc, đường dây mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh tại Phụ lục 1 và Phụ lục 4.
  • Phương pháp luận đo đạc thực nghiệm và công thức hồi quy tương quan của điện dung $C_f$, điện dẫn $G_f$ trong Chương 2.
  • Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện pha chạm đất, mạch chuyển đổi lệch pha $60^\circ$ và mạch khóa liên động tranzito trong Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao sự cố chạm đất một pha lại chiếm tỷ lệ lớn nhất (70%–80%) trong các sự cố tại mạng 6kV mỏ lộ thiên Quảng Ninh?

Do đặc thù môi trường khai mỏ lộ thiên có mạng lưới đường dây trên không và cáp mềm cao su di động thường xuyên bị kéo lê, uốn cong theo sự di chuyển của máy xúc, chịu va đập cơ học từ đất đá rơi, kết hợp khí hậu nóng ẩm mưa nhiều gây suy giảm cách điện cục bộ nhanh chóng, dẫn đến phóng điện một pha xuống đất.

2. Nguyên lý phát hiện pha chạm đất của thiết bị được luận án lựa chọn là gì và có ưu điểm gì so với các nguyên lý khác?

Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý so sánh hiệu trị số tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha chạm đất. Ưu điểm của nguyên lý này là cấu trúc mạch đơn giản hơn nguyên lý so sánh pha phức tạp của Sirôta, nhưng vẫn đảm bảo độ nhạy cao và thời gian tác động rất nhanh (dưới 10–20ms), không bị tác động nhầm ở pha chậm sau khi mạng có điện trở rò lớn.

3. Thiết bị giải quyết nguy cơ ngắn mạch nhiều pha như thế nào khi thực hiện nối ngắn mạch pha sự cố xuống đất?

Thiết bị được tích hợp Khối 4 là mạch khóa liên động giữa các pha sử dụng các tranzito BJT. Khi một pha có tín hiệu chạm đất và kích hoạt mạch đóng ngắn mạch, mạch khóa liên động lập tức khóa chặt đường điều khiển của hai pha còn lại, ngăn không cho hai pha này đóng xuống đất đồng thời, loại trừ nguy cơ ngắn mạch nhiều pha.

4. Thời gian duy trì nối ngắn mạch pha sự cố là bao lâu và điều gì xảy ra nếu sự cố là chạm đất vĩnh cửu?

Thời gian duy trì nối ngắn mạch được đặt trong khoảng 30 đến 60 giây nhờ mạch định thời (Khối 7). Khoảng thời gian này đủ để dập tắt hồ quang và cho phép cách điện tại điểm chạm đất thoáng qua tự phục hồi. Nếu sau 30–60 giây mà sự cố vẫn tồn tại (chạm đất ổn định), thiết bị tự động mở mạch nối ngắn mạch, trả lưới điện về trạng thái sự cố ban đầu để bảo vệ rơle chạm đất chọn lọc ở đầu khởi hành tác động cắt máy cắt đường dây.

5. Phương pháp đo nào được tác giả sử dụng để xác định thông số điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ của mạng điện 6kV mỏ?

Tác giả sử dụng phương pháp ba vôn kế có mắc thêm một tụ điện phụ $C_{ph}$ có trị số biết trước vào pha A của mạng điện. Bằng cách đo môđun điện áp ba pha so với đất trước và sau khi mắc tụ phụ, kết hợp công thức giải tích mạch điện, tác giả tính toán chính xác giá trị $C_f$ và $G_f$ mà không cần cắt điện mạng điện đang vận hành.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Quốc Hoàn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi xảy ra chạm đất một pha tại mạng 6kV trung tính cách ly mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. Bằng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực nghiệm hiện trường, phân tích toán học thống kê và mô phỏng mạch điện, tác giả đã xây dựng thành công mô hình định lượng thông số cách điện mỏ và thiết kế, chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha sự cố với thời gian tác động nhanh và độ nhạy cao. Công trình có giá trị khoa học và thực tiễn rõ rệt, cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy để nâng cao an toàn và giảm thời gian ngừng cấp điện cho ngành khai thác than mỏ lộ thiên Việt Nam.