Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp khai thác than, đặc biệt là khai thác hầm lò, an toàn điện luôn là vấn đề cấp thiết và có ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng người lao động cũng như hiệu quả sản xuất. Môi trường làm việc trong mỏ hầm lò rất khắc nghiệt với độ ẩm lên tới 95-99%, nhiệt độ dao động từ 27-35°C, cùng với bụi than và khí độc như mêtan CH4 có nguy cơ cháy nổ cao. Những điều kiện này làm giảm điện trở cách điện của thiết bị điện, tăng nguy cơ điện giật và sự cố điện. Tại Công ty Cổ phần Than Hà Lầm - Vinacomin, mạng điện hạ áp 660V được sử dụng phổ biến trong các khu vực khai thác, với tổng chiều dài mạng trung bình khoảng 0,9 km và số lượng thiết bị đấu nối trung bình là 10-23 thiết bị mỗi mạng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiện trạng cách điện và điều kiện an toàn điện giật trong mạng điện hạ áp mỏ hầm lò, từ đó xây dựng các đề xuất nhằm tăng mức độ an toàn điện cho người lao động và thiết bị. Nghiên cứu tập trung vào mạng điện hạ áp 660V tại Công ty Than Hà Lầm trong giai đoạn 2020-2021, với phạm vi khảo sát bao gồm các thông số cách điện, cấu trúc mạng, thiết bị đóng cắt, bảo vệ rò điện và điều kiện môi trường làm việc. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu tai nạn điện giật, nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn trong khai thác than hầm lò, góp phần ổn định sản xuất và phát triển bền vững ngành than Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về an toàn điện trong môi trường công nghiệp khai thác than, bao gồm:

  • Lý thuyết về điện trở cách điện và điện dung cách điện: Mạng điện hạ áp được mô hình hóa bằng sơ đồ thay thế gồm điện trở cách điện (Rcđ) và điện dung cách điện (Ccđ) giữa các pha và đất, ảnh hưởng trực tiếp đến dòng rò và nguy cơ điện giật.

  • Mô hình dòng điện qua cơ thể người: Dòng điện chạy qua người khi tiếp xúc với mạng điện được tính toán dựa trên tổng dẫn phức của mạng và cơ thể người, đồng thời xét đến các yếu tố như điện trở cơ thể, đường đi dòng điện và thời gian tác động.

  • Tiêu chuẩn an toàn điện giật: Áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế và quy phạm an toàn điện mỏ, xác định các mức dòng điện an toàn lâu dài (Ia.l) và an toàn khoảnh khắc (Ia.k) theo thời gian tác động, điện áp tiếp xúc và tần số dòng điện.

  • Mô hình bảo vệ rò điện: Nghiên cứu các loại rơle rò phổ biến như YAKИ và JY 82, cơ chế hoạt động, ưu nhược điểm và khả năng bù thành phần điện dung dòng rò nhằm đảm bảo cắt điện kịp thời khi có sự cố.

Các khái niệm chính bao gồm: điện trở cách điện, điện dung cách điện, dòng điện rò, dòng điện giật, rơle bảo vệ rò điện, tiếp đất bảo vệ, và các thông số kỹ thuật của thiết bị điện trong môi trường mỏ hầm lò.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế, đo kiểm và mô phỏng kỹ thuật:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ 15 mạng điện hạ áp 660V tại Công ty CP Than Hà Lầm, bao gồm chiều dài mạng, số lượng thiết bị đấu nối, điện trở cách điện, điện dung cách điện, dòng rò và các thông số vận hành thiết bị.

  • Phương pháp đo kiểm: Áp dụng phương pháp đo vôn kế - ampe kế (phương pháp MGI) để xác định tổng dẫn cách điện của mạng so với đất; sử dụng máy đo điện trở cách điện Kyoritsu để đo điện trở cách điện thiết bị; phương pháp điểm trung tính nhân tạo để đánh giá điện trở cách điện mạng.

  • Phân tích dữ liệu: Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để xác định các hệ số trong các hàm phụ thuộc giữa điện trở cách điện, điện dung cách điện với số lượng thiết bị đấu nối (N) và chiều dài mạng (L). Kiểm tra hệ số tương quan để đánh giá độ tin cậy mô hình.

  • Mô phỏng và tính toán: Xây dựng mô hình tính toán dòng điện giật qua người khi chạm trực tiếp vào pha điện, mô phỏng dòng rò và hiệu quả của các biện pháp bù điện dung bằng Matlab-Simulink.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 10/2020 đến tháng 5/2021, với các giai đoạn khảo sát hiện trạng, đo kiểm, phân tích dữ liệu và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 15 mạng điện hạ áp 660V với tổng số thiết bị đấu nối dao động từ 3 đến 23 thiết bị, chiều dài mạng từ 0,2 đến 1,98 km, đảm bảo tính đại diện cho điều kiện vận hành thực tế tại mỏ hầm lò.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điện trở cách điện thấp, dòng rò lớn: Tất cả 15 mạng điện khảo sát có điện trở cách điện thấp, dao động từ 3,684 kΩ đến 7,189 kΩ/pha, thấp hơn nhiều so với mức an toàn tiêu chuẩn. Dòng điện rò do đó có thể lớn, gây nguy hiểm điện giật và làm việc chỉnh định rơle bảo vệ rò trở nên khó khăn.

  2. Điện dung cách điện vượt ngưỡng an toàn: Giá trị điện dung cách điện của các mạng dao động từ 0,102 µF đến 0,329 µF/pha, đều vượt ngưỡng điện dung tới hạn khoảng 0,07 µF/pha. Điều này làm tăng dòng điện qua người khi xảy ra sự cố, vượt quá giá trị dòng an toàn lâu dài cho phép.

  3. Ảnh hưởng của số lượng thiết bị và chiều dài mạng: Điện dẫn cách điện (Gcd) phụ thuộc chủ yếu vào số lượng thiết bị đấu nối (N), trong khi điện dung cách điện (Ccđ) phụ thuộc vào chiều dài mạng (L). Mối quan hệ tuyến tính được xác định với hệ số tương quan cao, cho thấy mạng cáp vận hành có trạng thái cách điện kém do thiết bị cũ, vận hành không đúng quy trình.

  4. Hiệu quả của các biện pháp bảo vệ rò điện: Rơle rò YAKИ có khả năng tạo đặc tính bảo vệ biến dạng, trong khi rơle JY 82 chỉ tạo đặc tính bảo vệ chính tắc. Cả hai loại rơle đều chưa có khả năng tự động kiểm tra tình trạng phần tử trong sơ đồ bảo vệ, ảnh hưởng đến độ tin cậy vận hành.

Thảo luận kết quả

Điện trở cách điện thấp và điện dung cao trong mạng điện hạ áp mỏ hầm lò là hệ quả của môi trường ẩm ướt, bụi bẩn, nhiệt độ cao và sự lão hóa thiết bị. Điều kiện vi khí hậu khắc nghiệt làm giảm điện trở cách điện của thiết bị và cáp, tăng dòng rò và nguy cơ điện giật. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của độ ẩm và bụi bẩn đến cách điện trong môi trường mỏ.

Mối quan hệ giữa số lượng thiết bị đấu nối và điện dẫn cách điện cho thấy việc tăng thiết bị cũ, đấu nối không đúng kỹ thuật làm giảm chất lượng cách điện mạng. Chiều dài mạng ảnh hưởng đến điện dung cách điện, làm tăng dòng rò khi có sự cố. Các biểu đồ phân tích mối quan hệ này có thể minh họa rõ ràng sự gia tăng dòng rò theo N và L, hỗ trợ việc tối ưu hóa cấu trúc mạng điện.

Việc sử dụng rơle rò hiện tại chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu an toàn do thiếu khả năng tự kiểm tra và bù điện dung động, dẫn đến thời gian cắt điện không tối ưu, tăng nguy cơ tai nạn điện giật. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng các thiết bị bảo vệ rò hiện đại hơn, có khả năng tự động kiểm tra và bù điện dung sẽ nâng cao hiệu quả bảo vệ.

Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo dưỡng, vệ sinh thiết bị thường xuyên để duy trì điện trở cách điện, đồng thời cần cải thiện môi trường vận hành thiết bị, sử dụng vật liệu cách điện chống ẩm và bụi bẩn. Các số liệu và mô hình tính toán dòng điện giật cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và chỉnh định các thiết bị bảo vệ phù hợp, giảm thiểu rủi ro cho người lao động.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và bảo dưỡng thiết bị điện định kỳ
    Thực hiện vệ sinh, sấy khô và thay thế các thiết bị điện có điện trở cách điện thấp theo chu kỳ 6 tháng đến 1 năm nhằm duy trì điện trở cách điện trên 7 kΩ/pha. Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật và bảo trì Công ty Than Hà Lầm. Timeline: Triển khai ngay và duy trì liên tục.

  2. Cải thiện môi trường vận hành thiết bị
    Sử dụng các vật liệu cách điện chống ẩm, bụi bẩn và áp dụng các biện pháp dập bụi hiệu quả trong khu vực khai thác để giảm độ ẩm và bụi bẩn bám trên thiết bị. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý mỏ và phòng an toàn lao động. Timeline: 6 tháng đầu năm 2024.

  3. Tối ưu hóa cấu trúc mạng điện hạ áp
    Rút ngắn chiều dài mạng cáp, giảm số lượng thiết bị đấu nối không cần thiết, đồng thời bố trí lại mạng điện theo sơ đồ hợp lý để giảm điện dung và điện dẫn cách điện, từ đó giảm dòng rò. Chủ thể thực hiện: Phòng thiết kế và vận hành mạng điện. Timeline: 12 tháng.

  4. Nâng cấp hệ thống bảo vệ rò điện
    Thay thế hoặc bổ sung các rơle rò hiện đại có khả năng tự động kiểm tra và bù điện dung động, đảm bảo thời gian cắt điện nhanh, chính xác, giảm thiểu nguy cơ điện giật. Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật điện và an toàn. Timeline: 9 tháng.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức an toàn điện cho người lao động
    Tổ chức các khóa huấn luyện về an toàn điện, quy trình vận hành và xử lý sự cố điện giật, nhấn mạnh việc tuân thủ quy định khóa liên động và cắt điện trước khi sửa chữa. Chủ thể thực hiện: Phòng nhân sự và an toàn lao động. Timeline: Hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật và quản lý mạng điện mỏ
    Giúp hiểu rõ hiện trạng cách điện, các yếu tố ảnh hưởng và giải pháp nâng cao an toàn điện trong mạng điện hạ áp mỏ hầm lò, từ đó áp dụng hiệu quả trong quản lý vận hành.

  2. Chuyên gia an toàn lao động trong ngành khai thác than
    Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực tế để xây dựng các chương trình đào tạo, quy trình an toàn điện phù hợp với điều kiện môi trường mỏ.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện
    Là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp đo kiểm, mô hình tính toán và phân tích an toàn điện trong môi trường công nghiệp đặc thù, phục vụ nghiên cứu và học tập.

  4. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị điện mỏ
    Hiểu được yêu cầu kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế để thiết kế, cải tiến sản phẩm phù hợp với môi trường khắc nghiệt, nâng cao độ bền và an toàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao điện trở cách điện trong mỏ hầm lò lại thấp hơn so với môi trường khác?
    Do môi trường ẩm ướt, bụi bẩn, nhiệt độ cao và khí độc trong mỏ làm giảm điện trở cách điện của thiết bị và cáp, tăng dòng rò và nguy cơ điện giật.

  2. Điện dung cách điện ảnh hưởng thế nào đến an toàn điện?
    Điện dung cao làm tăng dòng điện rò khi có sự cố, khiến dòng điện qua người vượt quá mức an toàn, gây nguy hiểm điện giật ngay cả khi điện trở cách điện còn tương đối cao.

  3. Làm thế nào để đo điện trở cách điện mạng điện hạ áp trong mỏ?
    Có thể sử dụng phương pháp vôn kế - ampe kế (phương pháp MGI), điểm trung tính nhân tạo hoặc máy đo điện trở cách điện chuyên dụng, đảm bảo an toàn và độ chính xác.

  4. Rơle rò điện YAKИ và JY 82 khác nhau như thế nào?
    Rơle YAKИ có khả năng tạo đặc tính bảo vệ biến dạng và làm việc tin cậy không cần nguồn nuôi riêng, trong khi JY 82 có độ nhạy cao hơn nhưng không tạo đặc tính biến dạng và không tự kiểm tra được phần tử.

  5. Giá trị dòng điện an toàn lâu dài và khoảnh khắc là bao nhiêu?
    Dòng điện an toàn lâu dài (Ia.l) thường dưới 25-50 mA tùy tiêu chuẩn quốc tế, còn dòng an toàn khoảnh khắc (Ia.k) được tính theo công thức liên quan đến thời gian tác động, ví dụ $I_{a.k} = \frac{165}{\sqrt{t}}$ (mA, với $t$ tính bằng giây).

Kết luận

  • Mạng điện hạ áp 660V tại Công ty CP Than Hà Lầm có điện trở cách điện thấp (3,684 - 7,189 kΩ/pha) và điện dung cao (0,102 - 0,329 µF/pha), làm tăng nguy cơ điện giật và khó khăn trong chỉnh định bảo vệ rò.

  • Điện dẫn cách điện phụ thuộc chủ yếu vào số lượng thiết bị đấu nối, trong khi điện dung cách điện phụ thuộc vào chiều dài mạng cáp, phản ánh trạng thái vận hành và môi trường khắc nghiệt.

  • Dòng điện giật qua người khi chạm vào mạng điện có thể vượt quá mức an toàn lâu dài, đòi hỏi phải chỉnh định rơle bảo vệ rò theo dòng an toàn khoảnh khắc.

  • Các biện pháp nâng cao an toàn điện bao gồm bảo dưỡng thiết bị, cải thiện môi trường vận hành, tối ưu cấu trúc mạng và nâng cấp hệ thống bảo vệ rò điện.

  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để các doanh nghiệp khai thác than hầm lò áp dụng nhằm giảm thiểu tai nạn điện giật, nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ người lao động.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, theo dõi hiệu quả và cập nhật công nghệ bảo vệ rò điện hiện đại hơn. Mời các chuyên gia và nhà quản lý ngành than tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu.

Call to action: Hãy ưu tiên an toàn điện trong mọi hoạt động khai thác than hầm lò để bảo vệ sức khỏe người lao động và phát triển bền vững ngành than Việt Nam.