Nghiên cứu, ứng dụng vi mạch thuật toán cho mạch đầu vào của rơ le bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc cho trạm phân phối điện cao áp mỏ 6kv trung tính cách ly không có biến áp đo lường HTMИ-6

58 
T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 45, 01-2014, tr.54-58 
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI MẠCH THUẬT TOÁN CHO MẠCH ĐẦU 
VÀO CỦA RƠ LE BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT MỘT PHA CHỌN LỌC 
CHO TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN CAO ÁP MỎ 6KV TRUNG TÍNH CÁCH LY 
KHÔNG CÓ BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG HTMИ-6 
ĐINH VĂN THẮNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất 
Tóm tắt: Để bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc, cần sử dụng hai tín hiệu là dòng thứ 
tự không 3Io (từ máy biến dòng) và áp thứ tự không 3Uo (từ máy biến áp đo lường ba pha 
năm trụ). Với các lưới điện cao áp mỏ không được trang bị máy biến áp đo lường HTMИ thì 
vấn đề lắp đặt thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc thông thường trở nên khó 
khăn. Vì vậy tác giả đề xuất.giải phápthực hiện dùng máy biến dòng thứ tự không BI kết hợp 
với 02 mạch khuếch đại thuật toán để tách hai tín hiệu 3Io và 3Uo thông qua khuếch đại 
đồng pha và khuếch đại vi sai. 
1. Mở đầu 
Để bảo vệ các lưới điện và các thiết bị điện 
cao áp mỏ khi có sự cố chạm đất một pha, 
người ta thường trang bị rơ le bảo vệ chống 
chạm đất. Có nhiều loại rơ le bảo vệ chống 
chạm đất một pha được trang bị cho lưới điện 
cao áp mỏ tùy thuộc vào tính năng tác dụng, 
yêu cầu bảo vệ khi sự cố xảy ra. Rơ le bảo vệ 
chống chạm đất một pha tác động theo tín hiệu 
điện áp thứ tự không thường được xây dựng với 
chức năng cảnh báo có chạm đất mà không có 
khả năng tác động cắt chọn lọc. Rơ le bảo vệ 
chống chạm đất một pha tác động theo tín hiệu 
biên độ dòng thứ tự không có chức năng bảo vệ 
chống chạm đất một pha, có khả năng tác động 
cắt chọn lọc song độ tin cậy không cao, hay tác 
động nhầm lẫn. Rơ le bảo vệ chống chạm đất 
một pha tác động đồng thời theo hai đại lượng 
tín hiệu diện áp và dòng thứ tự không có khả 
năng tác động cắt chọn lọc cao, đảm bảo độ tin 
cậy, hạn chế được tác động nhầm lẫn. Với 
những trạm phân phối điện cao áp không được 
trang bị máy biến áp đo lường ba pha năm trụ 
HTMИ -6 sẽ khó khăn và không khả thi cho rơ 
le loại này vì không có tín hiệu điện áp thứ tự 
không 3U0. Để bảo vệ cho trạm phân phối điện 
cao áp mỏ 6kV trung tính cách ly không có biến 
áp đo lường HTMИ -6, tác giả đề xuất xây dựng 
mạch đầu vào của rơ le bảo vệ chống chạm đất 
một pha chọn lọc. 
2. Nội dung 
A 
B 
C 
R3 
R1 
R4 
R2 
R5 
R6 
R7 
R8 
A1 
A2 
(4) (5) 
(1) 
(2) 
(3) 
3Io 
3Uo 
Hình 1. Sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán với biến dòng thứ tự không để tách tín hiệu 
dòng 3Io và áp thứ tự không 3Uo 
58 
Rơ le bảo vệ chống chạm đất một pha chọn 
lọc cho các khởi hành 6kV trung tính cách ly 
không có biến áp đo lường HTMИ -6 được xây 
dựng dựa trên nguyên lý tác động bảo vệ theo 
dấu của đại lượng công suất thứ tự không, nhờ 
so sánh pha của hai đại lượng dòng điện và điện 
áp thứ tự không. Để xác định đúng khởi hành có 
chạm đất một pha, trong sơ đồ mạch có bộ so 
sánh pha của hai đại lượng dòng và áp thứ tự 
không. Để đồng thời lấy ra được tín hiệu dòng 
điện và địên áp thứ tự không trên các khởi hành 
không có máy biến áp đo lường HTMИ -6, sử 
dụng máy biến dòng thứ tự không BI kết hợp 
hai mạch khuếch đại thuật toán, trong đó 01 là 
khuếch đại vi sai để lấy tín hiệu 3Io và 01 còn 
lại là khuếch đại đồng pha để lấy ra 3Uo. 
2.1. Mạch thu tín hiệu dòng thứ tự không 
Từ sơ đồ nguyên lý mạch điện đầu vào của 
rơ le bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc 
cho trạm phân phối điện cao áp mỏ 6kV mạng 
trung tính cách ly không có biến áp đo lường 
HTMИ -6, tiến hành phân tích thiết kế mạch thu 
tín hiệu dòng thứ tự không như sau. 
Mạch khuếch đại thuật toán (hình 2) là sơ 
đồ khuếch đại đảo có hàm truyền đạt dạng: 
vàohtvàora UKU
R
RRR
U ..
1
321 

 , (1) 
trong đó: Ura – điện áp ra; 
 Uvào – điện áp vào; 
 Kht – hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm. 
Vì điện áp ra của biến dòng thứ tự không 
thường rất nhỏ (cỡ vài chục đến vài trăm mV) 
nên để có điện áp ra sau khuếch đại thuật toán 
đạt đến cỡ một vài vôn, phù hợp với đầu vào 
của khối so sánh 4 thì hệ số khuếch đại của 
mạch khuếch đại thuật toán khi thiết kế lựa 
chọn Kht = 20. Mặt khác, mạch khuếch đại thuật 
toán thông dụng LM741 là dòng mạch tích hợp 
từ các transistor bipolar có điện trở vào trung 
bình khoảng dưới 1 MΩ, khi thiết kế mạch 
khuếch đại thường sử dụng các điện trở vào R2 
và R3 có trị số cỡ 100 kΩ suy ra điện trở hồi 
tiếp R1 có trị số là: 
5,10
19
200
20
200
1 1
1
 R
R
=> lựa chọn R1 = 10 kΩ 
2.2. Mạch tách tín hiệu 3Uo 
Thứ cấp của máy biến dòng thứ tự không 
có điện trở nhỏ so với điện trở vào của mạch 
khuếch đại thuật toán, trên thực tế điện trở trong 
của dây quấn thứ cấp máy biến dòng hầu như 
không ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại của 
mạch. Từ mạch tách tín hiệu điện áp thứ tự 
không ta có mạch điện thay thế đầu vào như 
sau. 
Hình 2. Sơ đồ Mạch thu tín hiệu dòng thứ tự không 
3Io sử dụng khuếch đại thuật toán LM741 
BI 
3Io 
-Vc 
 +Vc 
R1 
R2 
R3 
LM 
741 
- 
+ 
A 
B 
C 
BI 
3Uo 
-
Vc 
 +Vc 
R5 R6 
R7 
LM 
741 
- 
+ 
Cf 
Cf 
Cf 
Hình 3. Sơ đồ mạch tách tín hiệu điện áp thứ tự không 3Uo 
sử dụng khuếch đại thuật toán LM741 
a) Sơ đồ nguyên lý; b) Sơ đồ thay thế tương đương đầu vào 
A 
B 
C 
Cf Cf 
Cf 
IC Rvào 
Đất 
Uo 
Dây quấn 
BI 
a) 
b) 
58 
Ký hiệu điện dung riêng của các pha so với 
dây quấn thứ cấp của biến dòng thứ tự không là 
CfA, CfB, CfC (CfA = CfB = CfC = C), dòng điện 
dung tương ứng của chúng là CBA III
 ;; . 
Khi chưa chạm đất một pha, mạng đối xứng 
so với đất, ta có: 
A B C
V
I I I
I 0
 
 
 . (2) 
Khi xảy ra chạm đất một pha (giả sử pha A) 
pha A có điện thế bằng 0, các pha còn lại B và C 
có điện thế bằng điện áp dây Ud. Dòng điện vào 
khuếch đại thuật toán được xác định như sau: 
 
' '
V B C AB B AC C
AB AC
BC
I I I U .g U .g
U . U . g
U .g
   
 
 
, (3) 
trong đó: gA = gB = gC = g = j.C – điện dung 
dẫn của các pha so với đất. 
Điện áp vào của mạch khuếch đại thuật 
toán có dạng: 
V V V BC V
j
2
f V
f V
f A
0
U I .R U .R .g
3.U .e j C.R
3U . CR
K.U KU
KU


  
  
  
   

 , (4) 
trong đó: AUU
 0 điện áp thứ tự không 
ngược pha với điện áp pha bị chạm đất; 
K = C.RV – hệ số truyền đạt của mạch vào 
khuếch đại thuật toán. 
Điện áp ra của mạch tách tín hiệu điện áp 
3Uo lấy từ biến dòng thứ tự không có dạng: 
ra ht V
ht 0
U K .U
K .K.U


 . (5) 
Như vậy, với mạch khuếch đại thuật toán 
được thiết kế như trên hình 3 sẽ lọc được thành 
phần điện áp thứ tự không 3Uo từ cực của máy 
biến dòng thứ tự không BI. 
3. Xây dựng mô hình mô phỏng mạch đầu 
vào của rơ le bảo vệ chống chạm đất một pha 
mạng trung tính cách ly 6kV không có biến 
áp đo lường HTMИ -6 
Xây dựng mô hình mạch và thử nghiệm 
Hiện nay, có rất nhiều phần mềm ứng 
dụng cho chuyên ngành kỹ thuật điện – điện 
tử để mô phỏng, kiểm tra và hiệu chỉnh các 
mạch điện tử trong khi thiết kế, như: 
PSPISE, ELECTRONICS WORKBENCH, 
MATLAB SIMULINKS, CIRCUIT 
MARKER,  Để mô phỏng các mạch điện 
tử, thông dụng và thuận tiện nhất là phần 
mềm ELECTRONICS WORKBENCH, 
CIRCUIT MARKER. 
Trong khi xây dựng mô hình mô phỏng 
mạch đầu vào của rơ le bảo vệ chống chạm 
đất trên phần mềm ELECTRONICS 
WORKBENCH lấy: 
- Điện áp ba pha 6kV của mạng điện cao 
áp mỏ có trung tính cách ly được thay thế 
bằng 03 nguồn điện xoay chiều điện áp sin 
lệch pha nhau 1200. 
- Điện dung riêng của các pha A, B, C lấy 
giống nhau bằng1 nF 
- Điện trở vào của khuếch đại thuật toán 
RV sơ bộ lựa chọn bằng 10 k 
- Điện dung của từng pha so với đất lựa 
chọn giá trị trung bình bằng 0,5 F 
- Tải trên khởi hành thuần trở nối sao có 
công suất 35 kW 
- Sử dụng máy hiện sóng có trong thư 
viện phần mềm để đo và quan sát điện áp thứ 
tự không 3Uo khi tiến hành tạo chạm đất một 
pha 
- Sử dụng khoá K nối trực tiếp đất với pha 
A để tạo ra sự cố chạm đất hoàn toàn. 
Sau khi xây dựng mô hình mạch đầu vào 
của rơ le bảo vệ chống chạm đất 1 pha bằng 
phần mềm ELECTRONICS 
WORKBENCH, kết quả thử nghiệm như 
sau: 
58 
Hình 4. Kết quả mô phỏng mạch đầu vào của rơ le bảo vệ chống chạm đất một pha 
với 2 đại lượng 3Uo và 3Io trên khởi hành có chạm đất pha A 
Nhận xét: 
- Kết quả thu được tín hiệu 3uo và 3Io khi chạm đất một pha tại khởi hành có lắp mạch đầu 
vào rơ le bảo vệ chạm đất một pha cho thấy tín hiệu 3Io luôn chậm sau 3Uo một góc khoảng 90 0 
(hình 4). 
Hình 5. Kết quả mô phỏng cho tín hiệu dòng chạm đất 3Io 
Tại 2 khởi hành chạm đất và không chạm đất 1 pha 
58 
- Khi xảy ra chạm đất một pha, dòng điện 
thứ tự không trên khởi hành bị chạm đất và 
không chạm đất luôn ngược pha nhau 1800. 
Điều này chứng minh rằng tại khởi hành bị 
chạm đất một pha dòng thứ tự không luôn chậm 
pha sau điện áp thứ tự không (tính chất điện 
cảm) còn dòng thứ tự không tại khởi hành 
không chạm đất luôn vượt pha trước điện áp thứ 
tự không một góc khoảng 900 (tính chất điện 
dung). 
4. Kết luận 
Để lấy ra được tín hiệu dòng điện và địên 
áp thứ tự không khi có sự cố chạm đất một pha 
trên các khởi hành lưới điện cao áp 6 kV không 
có biến áp đo lường HTMИ -6, có thể sử dụng 
máy biến dòng thứ tự không BI và 02 mạch 
khuếch đại thuật toán để lấy ra 02 tín hiệu 3Uo 
và 3Io. Mạch khuếch đại vi sai cho phép lấy ra 
trên hai cực của máy biến dòng thứ tự không BI 
thành phần tín hiệu dòng điện thứ tự không 3Io, 
còn mạch khuếch đại đồng pha cho phép tách 
được thành phần tín hiệu điện áp thứ tự không 
3Uo. Qua kết quả mô phỏng mạch khuếch đại 
thuật toán để tách tín hiệu 3Uo từ máy biến 
dòng thứ tự không BI cho thấy kết quả nhận 
đượcầphnr ứng đúng với bản chất và hiện tượng 
chạm đất một pha. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Букстояров В.Ф., Шущкий В.И. Защита 
от замыканий на землью в 
электроустановках 6-35 кВ. Изд. Екатенбург, 
1999г. 
[2]. Пивнях Г.Г., Шкрабец Ф.П. 
Несиметричные повреждения в 
электрических сетях карьеров. Изд. Москва 
“недра”, 1993г. 
[3]. В.И. Карлащук. Электронная 
лабаратория на IBM (Программа Electronics 
workbench и ее применение). Изд. “СОЛОН 
пресс”, Москва 2003. 
SUMMARY 
Research, design input circuit of the selectivity relay earth fault protection of single phase for 
high voltage power distribution stations 6kV mine 
with isolation neutral no measurement transformer HTMИ - 6 
Dinh Van Thang, Hanoi University of Mining and Geology 
With the high voltage grid 6 kV in mine is not equipped measurement transformer type 
HTMИ-6 problems installing equipment to protect earth fault to ground selectivity become very 
difficult and not feasible. In order to resolve this problems, the author proposed one equipment 
earth fault protection of single-phase to the ground with special input circuit. The proposed solution 
is just to use the currents transformer BI with 02 operational amplifiers algorithm for separating two 
signal 3Io and 3Uo for operation. Using the applicated functions of operational amplifier to perform 
the task. 
MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN MỎ HẦM LÒ (tiếp theo trang 53) 
SUMMARY 
Modeling the power system 1140 voltage of underground mines in Quang Ninh area 
with the view of safety from electrical shock 
Nguyen Van Quan, Quang Ninh University of Industry 
Kim Ngoc Linh, Hanoi University of Mining and Geology 
This paper presents the results of research to build models of of underground mines in 
Quang Ninh area with the view of safety from electrical shock. From the research results overview 
of the model calculated leakage in underground mines electricity network and research results about 
the transition to disconnect the three-phase asynchronous motor from the power supply, the authors 
propose a leakage current model calculation applied to the electric network voltage 1140V 
underground mines in Quang Ninh. A new feature of the model is telling the influence of stator 
voltage of large capacity engine after disconnected from the power supply to the leakage current.