Tổng quan luận án

Sự phát triển của ngành công nghiệp khai thác mỏ đặt ra yêu cầu nâng cao chất lượng, độ an toàn và độ tin cậy trong vận hành hệ thống cung cấp điện. Theo số liệu thống kê tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh, sự cố chạm đất một pha là dạng hư hỏng chủ yếu, chiếm từ 70% đến 80% tổng số sự cố phát sinh trong mạng điện 6kV. Tần suất xuất hiện sự cố chạm đất một pha tại các mỏ này dao động trong khoảng 60 đến 70 lần mỗi tháng, tương đương khoảng 700 đến 800 lần mỗi năm.

Khi xuất hiện sự cố chạm đất một pha trong mạng điện trung tính cách ly, quá trình quá độ xuất hiện kèm theo hiện tượng quá điện áp ở các pha không bị sự cố (có thể lên tới 1,73 lần điện áp pha định mức khi chạm đất hoàn toàn, hoặc cao hơn khi xuất hiện hồ quang chập chờn). Hiện tượng này làm suy giảm tuổi thọ cách điện của thiết bị, gây mất đối xứng điện áp lưới và đe dọa an toàn vận hành. Mặt khác, nếu cắt điện ngay lập tức khi xảy ra chạm đất thoáng qua sẽ làm gián đoạn quá trình sản xuất của các thiết bị khai thác công suất lớn như máy xúc, máy khoan và trạm bơm thoát nước. Khoảng trống kỹ thuật được luận án xác định là việc thiếu giải pháp thiết bị tự động phát hiện chính xác pha sự cố với độ nhạy cao và tự động nối ngắn mạch pha chạm đất để dập tắt hồ quang trong khoảng thời gian xác định, giúp cách điện tự phục hồi mà không làm ngừng trệ cung cấp điện.

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.

Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu (được đánh số theo văn bản):

  1. 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.
  2. Xác định các thông số cách điện của mạng điện 6kV ở các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh.
  3. 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.
  4. Xây dựng cấu trúc thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất.
  5. Xây dựng mô hình, mô phỏng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất.
  6. Xây dựng và thử nghiệm thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất trong phòng thí nghiệm.

Các luận điểm bảo vệ của luận án:

  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 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.
  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 6kV trung tính cách ly tại các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh.
  • Phạm vi không gian: Các công ty khai thác than lộ thiên vùng Quảng Ninh gồm mỏ Núi Béo, Hà Tu, Cọc Sáu, Cao Sơn và Đèo Nai.
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu: Dữ liệu thống kê sự cố vận hành mạng điện mỏ các năm 2018, 2019 kết hợp số liệu quan trắc nhiệt độ, độ ẩm môi trường mỏ.
  • Phạm vi kỹ thuật: Các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện liên quan đến sự cố chạm đất một pha; cấu trúc mạch phần cứng và thuật toán điều khiển thiết bị tự động phát hiện pha chạm đất và nối ngắn mạch pha sự cố.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến độ tin cậy lưới điện, quá trình quá độ khi chạm đất một pha và các giải pháp tối ưu hóa chế độ nối đất trung tính:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường khí hậu đến sự cố chạm đất: Tác giả dẫn chứng phương trình hồi quy tuyến tính của các công trình quốc tế biểu diễn mối quan hệ giữa số lượng sự cố chạm đất tự phục hồi hàng tháng trên số thiết bị kết nối ($n/m$) với nhiệt độ không khí trung bình hàng tháng $T$ (K): $n/m = -6,507 + 0,031T$.
  2. Phương pháp bù dòng điện dung bằng cuộn dập hồ quang Petersen: Được Petersen nghiên cứu từ năm 1919 với điều kiện cộng hưởng lý thuyết $\omega L_P = \frac{1}{3\omega C}$ (hay $X_L = X_C$), giúp giảm dòng điện qua điểm chạm đất về 0. Luận án điểm lại các thiết bị bù tự động của Nga, Đức, Cộng hòa Séc như УАРК.101С, ТАДТМ, УДТМ (sử dụng thyristor điều khiển cho dòng 5–7A), các loại cuộn bù kiểu trụ từ tính ЗРОМ, ASR, EGE, REG-DP và Mirko-5 cho dòng điện từ 5A đến trên 30A.
  3. Chế độ trung tính nối đất qua điện trở:
    • Nối đất qua điện trở song song cuộn Petersen: Giá trị $R_N = U_f / \Delta I_z$ với $\Delta I_z = I_p - I_C$, giúp giảm thời gian tồn tại quá điện áp ngay cả khi bù lệch cộng hưởng.
    • Nối đất qua điện trở giá trị cao: Hạn chế quá điện áp không quá $2,4 U_f$ trong 5 giây, triệt tiêu điều kiện bão hòa từ của máy biến áp đo lường theo bất đẳng thức năng lượng $W_C > W_L$ (hay $\frac{C U^2}{2} > \frac{L I^2}{2}$).
    • Nối đất qua điện trở giá trị thấp qua cuộn tam giác hở của máy biến áp đo lường: Điện trở nối đất từ 100 đến 200 $\Omega$ đối với mạng 6kV (và 200 đến 300 $\Omega$ đối với mạng 10kV), khống chế quá điện áp ở mức 2,2 đến 2,4 $U_f$.
  4. Phương pháp tự động nối ngắn mạch (mắc sơn) pha sự cố và các nguyên lý xác định pha chạm đất:
    • Thiết bị so sánh điện áp/dòng điện lấy mẫu với giá trị chuẩn: Nhược điểm là độ nhạy thấp (chỉ đạt $\le 3\text{ k}\Omega/\text{pha}$ khi điện dung mạng $C = 1\ \mu\text{F}/\text{pha}$) và dễ tác động nhầm ở pha chậm sau.
    • Thiết bị phản ứng với tổng vector điện áp chuẩn và điện áp thứ tự không: Độ nhạy giới hạn $\le 4,5\text{ k}\Omega/\text{pha}$ tại $\varphi_{\max} = 52^\circ$, thời gian tác động $t_{0\max} \approx 3\text{ ms}$ khi chạm đất hoàn toàn.
    • Thiết bị phản ứng với góc lệch pha giữa điện áp pha và điện áp thứ tự không của Sirôta I. và Iaguđaev B.: Sử dụng bộ chuyển đổi xung chữ nhật 5ms và 1,5ms với thời gian trễ 10ms khi $U_0 \ge 2% U_f$; sơ đồ phức tạp làm giảm tốc độ tác động.
    • Thiết bị phản ứng theo hiệu số trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và tổ hợp hai pha còn lại cùng điện áp thứ tự không: Biểu thức điện áp đầu vào $U_v(A) = k_1 U_C - (k_2 U_A + k_3 U_B + k_4 U_0)$. Tác giả xác lập hệ 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 $U_0 < 5% U_f$.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết: Mạng điện 6kV mỏ than lộ thiên Quảng Ninh có đặc thù chiều dài đường dây trên không và cáp di động thay đổi liên tục theo gương than, môi trường độ ẩm cao và bụi bẩn làm biến thiên thông số cách điện. Luận án giải quyết khoảng trống về việc xác lập mô hình toán học thực nghiệm thể hiện quan hệ giữa thông số cách điện ($C_f, G_f$) với các yếu tố cấu trúc mỏ và khí hậu địa phương, từ đó thiết kế một thiết bị tự động phát hiện pha chạm đất theo nguyên lý hiệu trị tuyệt đối điện áp pha vượt trước và điều khiển đóng ngắn mạch pha sự cố với thời gian tác động dưới 20ms, duy trì 30–60s nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết độ tin cậy hệ thống điện: Sử dụng mô hình phân bố hàm mũ cho biến ngẫu nhiên thời gian làm việc tốt $T_{lv}$ với hàm phân bố $F_{Tlv} = 1 - e^{-\lambda t}$, hàm mật độ $f_T = \lambda e^{-\lambda t}$, cường độ hỏng hóc $\lambda = 1/T_{lv}$, cường độ sửa chữa $\mu = 1/T_h$, hệ số sẵn sàng $A = \frac{T_{lv}}{T_{lv} + T_h}$.
  • Lý thuyết quá độ điện từ và thành phần thứ tự không: Phân tích quá trình biến đổi điện áp, dòng điện khi xuất hiện chạm đất một pha qua điện trở tiếp xúc $R_z$. Giá trị tức thời của điện áp thứ tự không $u_0(t)$ được xác định qua phương trình vi phân với nghiệm suy giảm $p_1 = -\frac{R_z + R_a}{3 C R_z R_a}$.
  • Lý thuyết tối ưu hóa tín hiệu đo lường bảo vệ rơle: Cơ sở toán học so sánh hiệu biên độ điện áp giữa pha vượt trước và pha sự cố sau chỉnh lưu để phân biệt chính xác pha chạm đất mà không bị ảnh hưởng bởi góc pha của chế độ bù.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp đo đạc thực nghiệm: Áp dụng phương pháp ba vôn mét kết hợp đấu nối thêm điện dung phụ $C_{ph}$ (hoặc điện trở phụ $R_{ph}$) vào pha A để xác định điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ của mạng điện 6kV tại các mỏ lộ thiên. Số lượng phép đo ngẫu nhiên $n$ được tính toán dựa trên độ chính xác $\Delta$ và tiêu chuẩn tin cậy $q$.
  • Phương pháp thống kê toán học và xử lý số liệu:
    • Quy đổi chiều dài các tuyến đường dây trên không ($L_{Tk}$) và cáp ngầm ($L_C$) về chiều dài quy chuẩn tương đương tiết diện $50\text{ mm}^2$ ($L_{Tk.qđ}, L_{C.qđ}$).
    • Kiểm tra luật phân bố chuẩn của mẫu dữ liệu đo đạc $C_f, G_f$.
    • Ứng dụng phân tích hồi quy đa biến và phân tích phương sai (ANOVA) để thiết lập hàm toán học phụ thuộc của $C_f, G_f$ theo các biến cấu trúc mạng ($L_{Tk.qđ}, L_{C.qđ}, N_{BA}, N_{ĐC}, N_{MX}, N_{tb}$) và khí hậu ($T, W$).
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình mạch điện 6kV mỏ và mạch nguyên lý thiết bị phát hiện, đóng ngắn mạch trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng; khảo sát các chế độ chạm đất với điện trở chạm đất thay đổi 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 vật lý: Chế tạo mô hình phần cứng thiết bị tại phòng thí nghiệm, sử dụng tủ nguồn tạo điện áp ba pha trung tính cách ly, bộ biến áp đo lường, mạch bán dẫn logic (transistor BJT, thyristor SCR) và tải mô phỏng để đo đạc thời gian tác động và kiểm chứng mô hình lý thuyết.

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 trình bày cơ sở lý luận về độ tin cậy của mạng phân phối điện công nghiệp mỏ, phân loại nguyên nhân gây mất điện (sự cố bất khả kháng và cắt điện kế hoạch) cùng các thiệt hại kinh tế, xã hội do gián đoạn cấp điện. Luận án phân tích chi tiết các chỉ tiêu độ tin cậy gồm số lần ngừng điện trung bình năm, thời gian ngừng điện trung bình năm và điện năng tổn thất.

Nội dung trọng tâm của chương là đánh giá toàn diện các giải pháp nâng cao độ tin cậy khi chạm đất một pha:

  • Khảo sát các chế độ nối đất trung tính: trung tính cách ly hoàn toàn, nối đất qua cuộn dập hồ quang Petersen, nối đất hỗn hợp (cuộn Petersen song song điện trở), nối đất qua điện trở cao và nối đất qua điện trở thấp cuộn tam giác hở.
  • Khảo sát phương pháp tự động nối ngắn mạch (mắc sơn) pha sự cố: Khi xảy ra chạm đất, thiết bị thực hiện nối pha sự cố xuống đất tại thanh cái trạm biến áp trong thời gian duy trì từ 30 đến 60 giây. Thao tác này đưa điện áp tại điểm chạm đất về 0, dập tắt hồ quang và tạo điều kiện cho cách điện tự phục hồi nếu là sự cố thoáng qua. Nếu sau 30–60 giây sự cố vẫn tồn tại, bộ nối ngắn mạch mở ra để bảo vệ chạm đất chọn lọc cắt máy cắt xuất tuyến.
  • Phân tích và so sánh 6 nguyên lý xây dựng thiết bị xác định pha chạm đất trên thế giới về độ nhạy, thời gian tác động và độ phức tạp mạch điện.
Nguyên lý phát hiện pha chạm đất Độ nhạy tối đa ($C = 1\ \mu\text{F}/\text{pha}$) Thời gian tác động Đặc điểm cấu trúc và hạn chế
So sánh điện áp/dòng điện lấy mẫu và chuẩn $\le 3\text{ k}\Omega/\text{pha}$ Phụ thuộc sơ đồ lọc Mạch đơn giản nhưng độ nhạy thấp, dễ tác động nhầm ở pha chậm sau
Tổng/hiệu vector áp chuẩn và áp thứ tự không $\le 4,5\text{ k}\Omega/\text{pha}$ ($\varphi_{\max}=52^\circ$) 3 ÷ 10 ms Độ nhạy trung bình, cần bộ lọc điện áp thứ tự không
Giảm điện áp chỉnh lưu pha chạm đất Tương đương so sánh biên độ Phụ thuộc bộ lọc Chỉ phụ thuộc dòng tác dụng, giảm ảnh hưởng của điện dung mạng
Góc lệch pha giữa áp pha và áp thứ tự không Độ nhạy cao khi rò lớn Trễ $\ge 10\text{ ms}$ Sơ đồ phức tạp, tác động chậm, nhạy cảm khi chế độ bù thay đổi
Hiệu trị tuyệt đối: áp pha vượt trước và tổ hợp ($3:2:1:\sqrt{3}$) Lên tới $25\text{ k}\Omega/\text{pha}$ Nhanh Độ nhạy rất cao khi chạm đất qua điện trở lớn và $U_0 < 5% U_f$
Hiệu trị tuyệt đối: áp pha vượt trước và pha sự cố Phù hợp lưới mỏ $\le 10\text{ ms}$ Cấu trúc mạch bán dẫn đơn giản, độ tin cậy và tốc độ tác động cao

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 2 thực hiện nghiên cứu thực nghiệm nhằm lượng hóa các thông số điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ của mạng điện 6kV tại 5 mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh (Núi Béo, Hà Tu, Cọc Sáu, Cao Sơn, Đèo Nai). Phương pháp đo ba vôn mét kết hợp mắc thêm điện dung phụ $C_{ph}$ vào pha A được áp dụng để thu thập tập dữ liệu mẫu ngẫu nhiên.

Các kết quả tính toán, quy đổi và phân tích thống kê chính của chương gồm:

  • Quy đổi tiết diện dây dẫn đường dây trên không và cáp về tiết diện chuẩn $50\text{ mm}^2$ thông qua bảng hệ số quy đổi ($L_{Tk.qđ}, L_{C.qđ}$).
  • Kiểm tra phân bố thống kê: Kết quả xác nhận dữ liệu điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ cách điện pha so với đất tuân theo luật phân bố chuẩn.
  • Phân tích hồi quy và phân tích phương sai (ANOVA) thiết lập phương trình hồi quy đa biến cho $C_f$ và $G_f$ theo các thông số cấu trúc (chiều dài đường dây trên không quy chuẩn $L_{Tk.qđ}$, chiều dài cáp quy chuẩn $L_{C.qđ}$, số máy biến áp $N_{BA}$, số động cơ $N_{ĐC}$, số máy xúc $N_{MX}$, tổng số thiết bị cao áp $N_{tb}$) và thông số môi trường (nhiệt độ không khí trung bình $T$, độ ẩm không khí trung bình $W$).
  • Các bảng tham số thống kê mô hình hồi quy $C_f$ (Bảng 2.7, 2.8, 2.9, 2.10) và mô hình hồi quy $G_f$ (Bảng 2.11, 2.12, 2.13, 2.14) trong luận án cung cấp cơ sở dữ liệu đầu vào chuẩn xác để mô hình hóa mạng điện 6kV mỏ phục vụ thiết kế thiết bị bảo vệ.

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 tập trung vào thiết kế cấu trúc lý thuyết và mô phỏng số thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất.

Các kết quả nghiên cứu chính trong chương:

  1. Tính toán chế độ điện áp dư và dòng chạm đất: Khảo sát quan hệ giữa điện áp dư trên pha sự cố với dòng tải, chiều dài đường dây ($l = 3\text{ km}$) và điện trở ngắn mạch ($R_{nm} = 0,5\ \Omega$ và $4\ \Omega$). Đóng ngắn mạch $R_{nm} = 0,5\ \Omega$ làm giảm triệt để điện áp tại điểm sự cố, dập tắt tia lửa hồ quang.
  2. Thiết kế cấu trúc thiết bị gồm 7 khối chức năng chính:
    • Khối 1, 2, 3: Mạch tự động phát hiện pha chạm đất dựa trên nguyên lý so sánh hiệu điện áp sau chỉnh lưu giữa pha vượt trước và pha chạm đất.
    • Khối chuyển đổi 1 pha thành 3 pha lệch góc $60^\circ$.
    • Khối 4: Mạch khóa liên động giữa các pha nhằm ngăn chặn hiện tượng đóng ngắn mạch đồng thời hai pha gây ngắn mạch liên pha.
    • Khối 7: Mạch tự động điều khiển ngắt mạch nối đất sau khoảng thời gian duy trì 30 đến 60 giây.
    • Mạch động lực: Sử dụng cơ cấu đóng cắt bán dẫn công suất (Thyristor/SCR) điều khiển đóng nối đất pha sự cố.
  3. Mô phỏng hoạt động trên máy tính: Khảo sát đáp ứng điện áp $U_{be}$ và điện áp đầu ra trên tải cực C của transistor $PNP_2$ khi xảy ra chạm đất pha A. Kết quả mô phỏng khi điện trở chạm đất thay đổi từ 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) chứng minh mạch nhận diện chính xác pha sự cố với thời gian phát hiện nhanh, đảm bảo tổng thời gian tác động dưới 20ms.
Điện trở chạm đất $R_z$ ($\text{k}\Omega$) Điện áp điều khiển đầu ra Thời gian phát hiện pha sự cố (ms) Thời gian tác động đóng ngắn mạch (ms)
0 (Chạm đất trực tiếp) Xuất hiện xung mở SCR $\approx 2,0$ $< 10$
1,0 Xuất hiện xung mở SCR $2,1 \div 2,5$ $< 12$
2,0 Xuất hiện xung mở SCR $2,5 \div 3,0$ $< 15$
5,0 Xuất hiện xung mở SCR $3,0 \div 3,8$ $< 16$
8,0 Xuất hiện xung mở SCR $4,0 \div 5,2$ $< 18$
11,0 Xuất hiện xung mở SCR $5,5 \div 7,0$ $< 20$
13,0 Xuất hiện xung mở SCR $7,0 \div 8,5$ $< 20$
15,0 Tín hiệu biên nhận diện $8,5 \div 10,0$ $\le 20$

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 trình bày việc chế tạo phần cứng và thử nghiệm thực nghiệm mô hình thiết bị trong phòng thí nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng.

Nội dung và kết quả thực nghiệm:

  • Lựa chọn sơ đồ nguyên lý mạch tách pha, bộ chỉnh lưu cầu ba pha và các linh kiện bán dẫn (Bảng 4.1 danh mục linh kiện transistor BJT, diode, thyristor, điện trở, tụ điện).
  • Thiết lập bàn thử nghiệm thực nghiệm (Bảng 4.2 thông số trang thiết bị) bao gồm: Tủ điện tạo nguồn 3 pha trung tính cách ly, mô hình đường dây tương đương, biến trở mô phỏng điện trở chạm đất $R_z$, hệ thống đo lường máy hiện sóng số ghi nhận dạng sóng điện áp trước và sau chỉnh lưu.
  • Thử nghiệm tạo sự cố chạm đất nhân tạo trên từng pha A, B, C: Ghi nhận dạng sóng điện áp $U_{ab}, U_{bc}, U_{ca}$, tín hiệu điện áp điều khiển tại các điểm đo thực nghiệm khi chạm đất pha A và pha B.
  • Kết quả đo đạc thực nghiệm (Bảng 4.3) xác nhận thiết bị phát hiện chính xác pha sự cố với thời gian phát hiện dao động trong khoảng vài mili giây, mạch khóa liên động hoạt động tin cậy và mạch định thời ngắt sau 30–60s hoạt động chính xác theo thiết kế, bảo đảm sự phù hợp chặt chẽ giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công các phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa điện dung cách điện $C_f$ và điện dẫn cách điện $G_f$ của mạng điện so với đất theo các thông số cấu trúc mạng ($L_{Tk.qđ}, L_{C.qđ}, N_{BA}, N_{ĐC}, N_{MX}, N_{tb}$) và điều kiện môi trường khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh. Đây là cơ sở khoa học để mô hình hóa chính xác mạng điện 6kV mỏ trung tính cách ly.
  2. Nghiên cứu lựa chọn và hoàn thiện cơ sở lý thuyết nguyên lý phát hiện pha chạm đất dựa trên hiệu trị tuyệt đối giữa điện áp pha vượt trước và pha sự cố; tối ưu hóa hệ số tỷ lệ phối hợp tín hiệu, chứng minh giải pháp đạt độ nhạy cao khi chạm đất qua điện trở lớn và giảm thiểu sai số do dao động điện dung mạng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, cấu trúc sơ đồ khối và chế tạo thành công mô hình phần cứng thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất với đầy đủ các khối chức năng: khối phát hiện pha, khối chuyển đổi pha, mạch khóa liên động chống ngắn mạch liên pha, mạch điều khiển ngắt tự động sau 30–60s và mạch động lực thyristor.
  2. Thiết bị vận hành với tổng thời gian tác động nhanh ($\le 20\text{ ms}$), duy trì nối ngắn mạch 30–60s để dập tắt hồ quang tại điểm chạm đất chập chờn, giúp cách điện tự phục hồi đối với các sự cố thoáng qua, tăng điện áp dư tại điểm sự cố và giảm quá điện áp ở các pha không sự cố. Qua đó, giảm thiểu số lần đóng ngắt của máy cắt, hạn chế hư hỏng thiết bị và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khai thác mỏ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng lắp đặt thiết bị tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha chạm đất tại tủ xuất tuyến 6kV của các trạm phân phối 35/6kV ở các mỏ than lộ thiên Quảng Ninh.
  • Phối hợp liên động thiết bị nối ngắn mạch với hệ thống rơle bảo vệ chạm đất chọn lọc hiện hữu: duy trì nối ngắn mạch 30–60s cho sự cố thoáng qua tự phục hồi; nếu sau thời gian này sự cố chạm đất ổn định vẫn tồn tại thì phát lệnh cho máy cắt đầu xuất tuyến ngắt chọn lọc đường dây sự cố.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của luận án: Mô hình thiết bị thực nghiệm mới được chế tạo và thử nghiệm kiểm chứng trong điều kiện phòng thí nghiệm trên mô hình nguồn và tải hạ áp tương đương; dữ liệu đo đạc thông số cách điện tập trung tại 5 mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh (Núi Béo, Hà Tu, Cọc Sáu, Cao Sơn, Đèo Nai).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Chế tạo hoàn thiện thiết bị ở cấp điện áp công nghiệp 6kV để thử nghiệm trực tiếp tại hiện trường trạm phân phối mỏ lộ thiên; nghiên cứu mở rộng ứng dụng nguyên lý nối ngắn mạch pha sự cố cho mạng điện mỏ hầm lò và các cấp điện áp khác trong công nghiệp khai khoáng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện và Điện khí hóa mỏ: Tham khảo phương pháp đo đạc thông số cách điện mạng trung tính cách ly bằng phương pháp 3 vôn mét, phương pháp xây dựng hàm hồi quy đa biến cho thông số điện dung/điện dẫn, cùng lý thuyết phân tích quá độ chạm đất một pha.
  • Kỹ sư điện, cán bộ quản lý kỹ thuật tại các mỏ than thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV): Sử dụng các số liệu thống kê sự cố mạng 6kV, bảng thông số kỹ thuật đường dây, máy biến áp, máy xúc tại các mỏ Quảng Ninh và sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện pha chạm đất để cải tiến giải pháp bảo vệ an toàn điện tại đơn vị.
  • Các kỹ sư thiết kế thiết bị tự động hóa lưới điện: Tham khảo cấu trúc mạch khóa liên động bán dẫn, mạch dịch pha $60^\circ$, mạch định thời trễ $30\div 60\text{s}$ và thuật toán điều khiển thyristor công suất trong bảo vệ hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Tần suất và tỷ lệ sự cố chạm đất một pha tại mạng điện 6kV các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh là bao nhiêu?
Theo số liệu thống kê trong luận án, sự cố chạm đất một pha chiếm từ 70% đến 80% tổng số sự cố xảy ra trong mạng điện 6kV mỏ lộ thiên Quảng Ninh, với tần suất xuất hiện dao động từ 60 đến 70 lần mỗi tháng (tương đương khoảng 700 đến 800 lần mỗi năm).

2. Tại sao thiết bị nối ngắn mạch pha sự cố lại duy trì thời gian nối đất từ 30 đến 60 giây?
Thời gian duy trì từ 30 đến 60 giây được lựa chọn để dập tắt hồ quang điện và tạo điều kiện cho độ bền điện của lớp cách điện tại vị trí chạm đất tự phục hồi đối với các sự cố thoáng qua (chạm đất chập chờn). Nếu là chạm đất ổn định, sau khoảng thời gian 30–60s bộ nối ngắn mạch sẽ mở ra và bảo vệ chạm đất chọn lọc sẽ tác động cắt máy cắt đầu xuất tuyến sự cố.

3. Tỷ lệ hệ số tối ưu giữa các tín hiệu điện áp trong bộ phát hiện pha chạm đất được luận án xác định như thế nào?
Dựa trên hệ phương trình giới hạn của điện áp đầu vào bộ phận thừa hành khi không có chạm đất ($U_v = 0$) và khi chạm đất hoàn toàn ($U_v = \sqrt{3} U_f$), luận án xác định tỷ lệ hệ số tối ưu giữa điện áp pha vượt trước, pha chạm đất, pha chậm sau và điện áp thứ tự không là $k_1 : k_2 : k_3 : k_4 = 3 : 2 : 1 : \sqrt{3}$.

4. Phương pháp nào được sử dụng để xác định điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$ của mạng 6kV trong thực tế mỏ?
Tác giả sử dụng phương pháp ba vôn mét kết hợp đấu nối thêm một điện dung phụ $C_{ph}$ vào pha A của mạng điện để đo đạc các môđun điện áp pha so với đất trước và sau khi mắc thêm tụ, từ đó tính toán giải tích ra giá trị điện dung $C_f$ và điện dẫn $G_f$.

5. Tổng thời gian tác động yêu cầu đối với thiết bị tự động nối ngắn mạch pha chạm đất là bao nhiêu?
Tổng thời gian tác động của thiết bị (bao gồm thời gian nhận diện của mạch phát hiện pha và thời gian đóng của khí cụ ngắn mạch) không vượt quá 15 đến 20 mili giây, nhằm đảm bảo tác động nhanh trước khi hồ quang gây hư hỏng nghiêm trọng lớp cách điện hoặc chuyển hóa thành ngắn mạch nhiều pha.

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Quốc Hoàn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và an toàn vận hành cho mạng điện 6kV trung tính cách ly tại các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh khi xảy ra sự cố chạm đất một pha. Bằng việc kết hợp nghiên cứu lý thuyết, đo đạc thực nghiệm thống kê để xây dựng hàm hồi quy thông số cách điện $C_f, G_f$ và thiết kế mạch bán dẫn phát hiện pha theo hiệu điện áp pha vượt trước, tác giả đã chế tạo thành công mô hình thiết bị tự động nối ngắn mạch pha chạm đất tác động nhanh dưới 20ms, duy trì dập hồ quang 30–60s. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm có sự thống nhất cao, cung cấp giải pháp kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cho ngành khai thác than mỏ lộ thiên.