Ứng dụng SIMULINK của MATLAB để xác định dòng điện rò ở các lưới điện mỏ hầm

Việc xác định rò một cách chính xác trong các mạng điện hạ áp mỏ hầm lò có ý nghĩa rất quan trọng. Khi dòng điện lớn hơn với dòng điện rò an toàn sẽ gây ra nhiều sự cố nguy hiểm như: cháy nổ bầu không khí, không đảm bảo an toàn cho con người. Vì thế từ trước đến nay người ta đã tìm nhiều phương pháp xác định và sử dụng nhiều thiết bị để đảm bảo sự cố này. Dòng điện rò Ir phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như trạng thái cách điện củ mạng (số lượng thiết bị và chiều dài cáp) và các yếu tố về môi trường. Việc tính toán xác định dòng điện rò là hết sức phức tạp khó khăn. Một số phương pháp đã cho kết quả rất tin cậy nhưng giải thiết rằng mạng điện là ba pha đối xứng và đưa về sơ đồ thay thế một pha có các thông số tập chung hay chỉ xét ở chế độ không tải.

Trong bài báo này sẽ giới thiệu phương pháp ứng dụng phần mền Simulink của Matlab để xác định dòng điện rò Ir trong các mạng điện áp mỏ mà không cần sử dụng các giả thiết đã nói ở trên.

Xây dựng mô hình mạng hạ áp mỏ hầm lò.

Mô hình mạng hạ áp mỏ hầm lò là một mô hình bao gồm đầy đủ các phần tử thiết bị điện mỏ cơ bản như: máy biến áp khu vực, động cơ điện mỏ, khởi động từ… được nối với nhau theo một sơ đồ nguyên lý cung cấp điện nhất định. Bên cạnh đó cấu trúc của mạng phải vừa có dạng tổng quát, số lượng thiết bị và chiều dài đáp ứng khả năng cấp điện cho bất cứ một mỏ than hầm lò nào. Khả năng mở rộng sơ đồ là rất lớn, nó cho phép đấu thêm bất kỳ một thiết bị điện nào vào làm việc song song mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu của mạng điên mỏ.

Từ sơ đồ nguyên lý trên bằng con đương mô phỏng nhờ Simulink của Matlab có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc mô hình mạng điện hạ áp để xác định dòng điện rò như trong hình 1.2.

Việc tạo ra sự cố rò điện một pha là rất đơn giản, từ khối tạo sự cố chỉ việc khai báo điện trở rò ở một pha bất kỳ nào đó là lúc đó mạng làm việc ở chế độ rò điện một pha. Mô hình trên cho phép thay đổi điện trở rò cũng như vị trí rò một cách tùy ý. Kết quả về đồ thị dòng điện rò và giá trị xác lập được hiện thị trên khối lượng kết quả.

Kết quả mô phỏng xác định dòng điện rò

Kết quả tình toán xác định dòng điện rò

Giá trị dòng điện rò phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như chiều dài mạng, số luợng thiết bị, điện dung cách điện và điện dẫn của cáp. Thông số kỹ thuật cơ bản của các cáp được cho trên hình 1.2. Cấp cách điện của các thiết bị mỏ là cấp F. Kết quả sau khi chạy chương trình mô phỏng để xác định dòng điện rò như trong hình 1.3.

Hình 1.3. Đồ thị dòng điện rò

Giá trị dòng điện rò hiệu dụng trong lúc này xẩy ra rò điện một pha nhảy vọt lên 250mA trong khoang thời gian 0.01 giây, sau đó giảm còn 74,05Ma. Điện trở rò giả thiết là Rro="1000" là điện trở giữa pha bị chạm với đất. Như đã nói ở trên, dòng điện rò phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như điện trở rò, điện trở cách điện và điện dung của các thiết bị điện, cấu trúc của mạng.vv…Khi đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình mạng hạ áp mỏ tổng quát rồi thì có thể xác định một cách chính xác giá trị dòng điện rò, điện áp và dòng điện các pha ở bất cứ chế độ làm việc không bình thường nào trong mạng. Sau đây ta sẽ sét một số yếu tố ảnh hưởng dòng điện rõ bằng phướng pháp mô phỏng.

Ảnh hưởng của một số thiết bị và chiều dài mạng Ir = f (N,L)

Việc thay đổi cấu trúc mạng đựơc tiến hành bằng cách thay đổi số lượng phụ tải trong sơ đồ nguyên lý, thí dụ như trên hình vẽ trên 1.4. Trên hình 1.4 đưa ra sơ đồ cấu trúc (sau khi đã gói lại) như hình 1.2 với số lượng thiết bị là 8,16,24. Kết quả mô phỏng cho trên hình 1.5

Hình 1.4. Mô hình xác định ảnh hưởng của thông số mạng đến dòng điện rò Ir = f(N,L)

Hình 1.5. Quan hệ giữa giá trị dòng rò và thông số của mạng Ir = f (N,L)

Dựa vào kết quả sau khi chạy chương trình có thể rút ra kết luận sau. Khi tổng số thiết bị đấu vào mạng và chiều dài cáp càng lớn thì dòng điện rò càng lớn.

Ảnh hưởng của hệ số mang tải đến Ir="f" (hệ số mang tải)

Phụ tải trong các mạng điện mỏ chủ yếu là động cơ điện. Vì vậy chế độ mang tải của các động cơ điện làm việc có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị dòng điện rò.

Hình 1.6. Mô phỏng xác định dòng rò phụ thuộc vào tải

Trên mô hình, các khối đo luờng hiển thị giá trị dòng điện rò hiệu dụng cho từng trừơng hợp cụ thể. Gía trị dòng điện rò Ir ="82,13;" 78,76 ;73,6; 66,26 (Ma) ứng với chế độ tải của các dòng động cơ lần lượt là không tải 1/4 định mức ; 3/4 định mức; tải định mức. Kết quả mô hình cho trên hình 1.7

Hình 1.7. Đồ thị dòng rò theo cấu trúc mạng

Theo hình 1.6 và 1.7 thì không tải dòng điện rò có giá trị lớn nhất, sau đó khi tải càng giảm tăng dòng rò càng giảm. Khi tải càng tăng thì tổn hao điện áp càng tăng làm cho điện áp càng giảm, dẫn đến dòng điện rò giảm theo.

Ảnh hưởng cấu trúc mạng đến giá trị dòng điện rò Ir.

Đối với một mạng điện hạ áp cụ thể có tổng số thiết bị điện và chiều dài cáp là không đổi, nếu cấu trúc của sơ đồ khác nhau thì gía trị dòng điện rò cũng sẽ thay đổi theo. Cụ thể như mô hình mạng hạ áp điển hình có thể chia thành ba mạng hạ áp khác nhau (một nhánh, hai nhánh, ba nhánh) Vì khuôn khổ bài báo cho nên sơ đồ cấu trúc đó đựợc gói lại và thể hiện như trên hình 1.8

Hình 1.8. Mô hình mô phỏng xác định giá trị dòng rò theo cấu trúc mạng

Theo kết quả trong hình 1.8 và 1.9 thì mô hình mạng hạ áp gồm 3 nhánh có giá trị dòng rò nhỏ nhất và ngược lại mô hình mạng chỉ bao gồm một nhánh nhỏ có dòng rò lớn nhất vì vậy có thể rút ra kết luận rằng với thông số của mạng không đổi khi số nhánh trong mạng tăng thì giá trị dòng điện rò càng giảm. Điều này có thể giải thích là khi số nhánh tăng chiều dài của nhánh giảm đến khi dòng rò nhỏ.

Ảnh hưởng của tải không đối xứng đến giá trị dòng điện rò

Khi phân chia phụ tải không đồng mà đều sẽ dẫn đến mạng làm việc ở chế độ không đối xứng. Dòng điện và điện áp ba pha không đối xứng. Dòng điện và điện 3 pha không đối xứng dẫn đến dòng điện rò các pha cũng có giá trị khác nhau.

Hình 1.10. Mô hình mô phỏng xác định giá trị dòng rò khi tải không đối xứng

Từ mô hình mô phỏng mạng điện hạ áp mỏ điện hình sau khi đấu thêm một số phụ tải điện 1 pha vào mạng để tạo ra phân bố công xuất trên các pha là không đều nhau. Sau đó lần luợt gây rò điện lần lượt trên các pha, dòng điện rò từng trường hợp sẽ được hiển thị trên đồ thị hình 1.11