Research, design, manufacture leakage current protection device for 660V/1140V underground mine electrical networks

điện ba pha có trung tính cách ly. Nhằm đảm bảo 
an toàn về phương diện điện giật, quy chuẩn “Kỹ 
thuật quốc gia về an toàn trong khai thác than hầm 
lò” buộc phải trang bị cho mạng điện hầm lò các 
thiết bị bảo vệ dòng điện rò (rơle rò). Với cấp điện 
áp 380 V và 660 V, các thiết bị bảo vệ dòng điện rò 
hiện đang được sử dụng trong các mỏ hầm lò vùng 
Quảng Ninh đều có nguyên lý làm việc giống nhau 
là dựa trên việc sử dụng dòng công tác một chiều 
để kiểm tra điện trở cách điện của mạng; để giảm 
dòng rò khoảnh khắc qua người áp dụng giải pháp 
bù thành phần điện dung của dòng điện rò. Đối với 
mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140 V, do mức điện 
áp cao và trong mạng có các động cơ công suất lớn 
nên bù điện dung không đảm bảo được điều kiện 
an toàn điện giật. Vì vậy, để đảm bảo an toàn điện 
giật, thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng cho mạng 
1140 V cần phải có thêm chức năng phát hiện và 
tự động nối ngắn mạch pha rò (Varenic E.A., 
2004). Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm thiết 
kế, chế tạo một thiết bị bảo vệ dòng điện rò dùng 
chung cho các mạng điện mỏ hầm lò điện áp 1140 
V và 660 V. Đặc điểm nổi bật của thiết bị này là có 
thể tạo đặc tính biến dạng rộng và có thêm phần 
_____________________ 
*Tác giả liên hệ 
E - mail: nguyenthackhanh@humg.edu.vn 
DOI: 10.46326/JMES.2020.61(5).11 
98 Nguyễn Thạc Khánh và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 
mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò, 
nhằm làm giảm dòng điện qua người gây ra bởi 
sức điện động của các động cơ công suất lớn khi 
cắt mạng 1140 V. 
2. Kết quả nghiên cứu và chế tạo 
Hình 1 là sơ đồ khối của thiết bị bảo vệ dòng 
điện rò được thiết kế. 
Trong sơ đồ khối 1 là bộ nguồn có nhiệm vụ tạo 
ra nguồn 1 chiều ổn định 48 V để kiểm tra điện trở 
cách điện của mạng và nguồn 1 chiều 12 V cung 
cấp cho các mạch điều khiển và bảo vệ. Khối 2 là 
mạch tự động kiểm tra điện trở cách điện và bảo 
vệ cắt. Khối này có nhiệm vụ thường xuyến kiểm 
tra điện trở cách điện của mạng, tự động điều 
khiển máy cắt MC cắt nguồn cung cấp khi điện trở 
cách điện giảm dưới mức cho phép hoặc khi có 
người chạm vào một pha của mạng. Khối 3 là mạch 
bù thành phần điện dung của dòng điện rò, có 
nhiệm vụ hạn chế dòng rò khoảnh khắc khi con 
người chạm vào một pha của mạng. Khối 4 là mạch 
tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò để làm 
giảm dòng điện qua người gây ra bởi sức điện 
động của các động cơ công suất lớn khi cắt mạng. 
Hình 2 là sơ đồ nguyên lý bộ nguồn, mạch bù 
thành phần điện dung của dòng điện rò, mạch tự 
động kiểm tra cách điện và bảo vệ cắt. 
Trong sơ đồ Hình 2, bộ nguồn gồm biến áp 
nguồn, mạch chỉnh lưu và ổn áp để tạo ra hai 
nguồn một chiều độc lập 48 V và 12 V. Nguồn 48 V 
dùng để kiểm tra điện trở cách điện, còn nguồn 12 
V cung cấp cho phần mạch kiểm tra cách điện, 
mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò 
xuống đất. Mạch bù thành phần điện dung của 
dòng điện rò gồm cuộn bù Lbù, bộ tụ điện C01, 
C02, C03 đấu sao để nối cuộn bù. Cuộn kháng 3XL 
để nối nguồn đo điện trở cách điện với mạng cần 
kiểm tra. Mạch kiểm tra điện trở cách điện, tạo đặc 
tính biến dạng và bảo vệ cắt gồm khuếch đại thuật 
toán OA1, OA2, OA3, rơle điện từ RL1, RL2 và các 
linh kiện liên quan. Các chuyển mạch CM1, CM2, 
CM3 và CM4 để chọn các cấp điện áp 660 V hay 
1140 V. 
Nguyên lý làm việc của mạch kiểm tra điện trở 
cách điện và bảo vệ cắt như sau: 
 Khi đóng cầu dao CD, bộ nguồn tạo ra nguồn 
đo điện trở cách điện 48 V. Dòng kiểm tra cách 
điện đi theo đường: Cực +48 V, điện trở R22, cực 
tiếp đất chính TĐC, đất, điện trở cách điện của 
mạng, mạng cáp, cuộn kháng 3XL, điện trở R24 
(cấp điện áp 1140 V) hoặc điện trở R25 (cấp điện 
áp 660 V), điện trở R23, cực -48 V. Dòng đo tạo ra 
trên điện trở R22 một điện áp tỷ lệ nghịch với điện 
trở cách điện của mạng. Điện áp này được so sánh 
với một điện áp ngưỡng tạo bởi phân áp R7, R8 và 
chiết áp VR1. Khuếch đại thuật toán OA2 là loại 
đầu ra cực góp hở mạch, làm nhiệm vụ so sánh hai 
điện áp này. 
Trường hợp điện trở cách điện của mạng cao, 
dòng đo nhỏ nên điện áp trên R22 thấp hơn điện 
áp ngưỡng, khuếch đại thuật toán OA2 bão hòa âm 
làm điện áp trên tụ C1 ở mức thấp. Điện áp này đặt 
vào đầu không đảo của khuếch đại thuật toán OA1. 
Điện áp đặt vào đầu không đảo thấp hơn điện áp 
đặt vào đầu vào đảo tạo bởi phân áp R4, R5. 
Khuếch đại thuật toán OA1 bão hòa âm làm 
tranzito T1 khóa. Rơle điện từ RL1 không được 
cấp điện, tiếp điểm RL1 trong mạch cuộn cắt của 
máy cắt hở mạch. Mạng vận hành bình thường. 
Trường hợp điện trở cách điện của mạng thấp 
hoặc có rò một pha, dòng đo lớn nên điện áp trên 
R22 cao hơn điện áp ngưỡng, khuếch đại thuật 
Hình 1. Sơ đồ khối thiết bị bảo vệ dòng điện rò mạng 1140V/660V. 
 Nguyễn Thạc Khánh và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 99 
toán OA2 bão hòa dương. Tụ C1 được nạp điện 
qua điện trở R5 và R6. Điện áp trên tụ tăng dần 
theo quy luật hàm mũ. Sau thời gian trễ khoảng 
60ms, điện áp trên tụ C1 bằng điện áp ngưỡng tạo 
bởi R4, R5 làm khuếch đại thuật toán OA1 chuyển 
bão hòa dương. Điện áp bão hòa dương của OA1 
làm tranzito T1 dẫn bão hòa cấp điện cho rơle điện 
từ RL1. Nó đóng mạch tiếp điểm RL1 trong mạch 
cuộn cắt máy cắt làm cắt mạng khỏi nguồn cung cấp. 
Các tụ điện C5, C4 và C3 lọc thành phần xoay 
chiều của dòng đo và đảm bảo bảo cho OA2 không 
bị chuyển trạng thái nhầm khi có các xung tần số 
cao. Điôt ổn áp Dz1 bảo vệ đầu vào của khuếch đại 
thuật toán không bị quá áp. Tụ điện C2 làm nhiệm 
vụ không cho mạch tác động nhầm khi đóng mạng 
vào nguồn hay khi đóng cắt động cơ điện. 
• Nguyên lý tạo đặc tính bảo vệ rò biến dạng 
của sơ đồ Hình 2: 
Khi có rò đối xứng, điện áp thứ tự không bằng 
không. Trên điện trở R27 (điểm X so với đất) 
không có điện áp, khuếch đại thuật toán OA3 bão 
hòa âm. Tranzito T2 ở trạng thái khóa nên rơle 
điện từ RL2 không được cấp điện. Tiếp điểm RL2 
hở mạch, các điện trở R23 và R24 không bị nối tắt 
và tham gia vào mạch dòng đo điện trở cách điện. 
 Khi có rò một pha hoặc khi người chạm phải 
một pha của mạng, điện áp thứ tự không 3U0 khác 
không làm điện áp trên điện trở R27 lớn hơn điện 
áp ngưỡng tạo bởi phân áp R7, R8 và chiết áp VR2. 
Khuếch đại thuật toán OA3 chuyển trạng thái bão 
hòa dương làm tranzito T2 dẫn bão hòa cấp điện 
cho rơle RL2. Rơle này đóng tiếp điểm thường mở 
RL2 nối ngắn mạch điện trở R23 và R24 (điện áp 
1140 V) hoặc điện trở R23 (cấp điện áp 660 V). 
Tổng điện trở trong mạch dòng đo giảm làm trị số 
dòng đo tăng lên, nghĩa là nâng điện trở cắt khi rò 
một pha so với rò ba pha đối xứng. 
Hình 3 là sơ đồ nguyên lý mạch tự động phát 
hiện và nối ngắn mạch pha rò. 
Nguyên lý nối ngắn mạch pha dựa trên việc 
phát hiện pha có điện trở cách điện giảm và nối 
ngắn mạch pha đó qua điện trở nhỏ xuống đất. 
Phương pháp này làm giảm dòng rò qua người 
dựa trên nguyên tắc mắc song song với cơ thể 
người một điện trở nhỏ khi chạm vào một pha của 
mạng.
 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch tự động kiểm tra điện trở cách điện và bảo vệ cắt. 
100 Nguyễn Thạc Khánh và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 
Việc tính toán nối ngắn mạch pha cho mạng 
điện áp 1140 V theo các nguyên tắc sau: điện dung 
cho phép cực đại của mạng điện khu vực mỏ hầm 
lò là 1 µF/pha; tổng thời gian phát hiện và nối 
ngắn mạch pha kể từ thời điểm con người chạm 
vào một pha của mạng không được vượt quá 0,17 
s; giá trị lớn nhất của dòng rò khoảnh khắc khi rò 
một pha qua điện trở 1 kΩ sau khi mắc sun không 
được vượt quá 30 mA (Novoselov V.A., 2013; 
Serov V.I. và nnk, 1985). 
Mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha 
rò gồm hai phần: phần mạch lấy và xử lý tín hiệu 
đầu vào của ba pha có kết cấu giống nhau và phần 
mạch thừa hành và khóa liên động. Phần mạch 
thừa hành và khóa liên động có nhiệm vụ loại trừ 
trường hợp rơle nối ngắn mạch của hai hoặc ba 
pha tác động đồng thời (Kim Ngọc Linh và nnk, 
2015). 
Nguyên lý làm việc của mạch tự động phát hiện 
và nối ngắn mạch pha: 
Khi không có rò một pha, điện áp ngưỡng tạo 
bởi phân áp R59, R60 và chiết áp VR3 đặt vào đầu 
vào không đảo của các khuếch đại thuật toán OA3, 
OA4 và OA5 lớn hơn điện áp đặt vào đầu vào đảo. 
Cả ba khuếch đại thuật toán này đều bão hòa 
dương khiến đầu ra của các phần tử logic NOT1, 
NOT2 và NOT3 đều ở mức thấp (mức 0). Do các 
đầu vào đều ở mức thấp nên đầu ra của NOR1, 
NOR2 và NOR3 cũng ở mức thấp. Các tranzito T3, 
T4 và T5 ở trạng thái khóa và cả ba rơle nối ngắn 
mạch RLA, RLB và RLC không tác động. 
 Khi có rò một pha (hoặc người chạm phải một 
pha), ví dụ pha A, điện áp pha A so với đất giảm 
còn điện áp hai pha còn lại tăng. Khuếch đại thuật 
toán OA4 chuyển bão hòa âm trong khi OA5 và 
OA6 vẫn bão hòa dương. Đầu ra NOT1 ở mức cao 
làm NOR1 cũng chuyển mức cao. Điện áp mức cao 
đầu ra của NOR1 làm tranzito T3 dẫn bão hòa cấp 
điện cho rơle nối ngắn mạch pha A. Đồng thời, 
điện áp này được đưa tới đầu vào của NOR2 và 
NOR3 giữ cho đầu ra của hai phần tử logic này 
luôn ở mức thấp. Vì vậy hai tranzito T4 và T5 luôn 
ở trạng thái khóa, không cho phép hai rơle nối 
ngắn mạch pha B và pha C tác động. 
Để đảm bảo an toàn tuyệt đối, nguồn cung cấp 
cho các rơle nối ngắn mạch được cung cấp qua 
tiếp điểm thường mở của rơle RL1. Tức là chỉ khi 
rơle rò đã tác động cắt mạng khỏi nguồn, pha 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha. 
 Nguyễn Thạc Khánh và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 101 
người chạm phải của mạng cáp mới được nối 
xuống đất. 
Mô hình thiết bị bảo vệ dòng điện rò theo sơ đồ 
Hình 2 và 3 đã được nhóm tác giả mô phỏng kiểm 
tra trên máy tính. Mô hình cũng đã được chế tạo, 
lắp ráp và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Kỹ 
thuật điện – điện tử của Trường Đại học Mỏ - Địa 
chất. 
Hình 4 là phần bảng mạch kiểm tra điện trở 
cách điện, mạch tự động phát hiện và nối ngắn 
mạch pha rò đã được chế tạo. 
3. Kết quả thử nghiệm thiết bị 
Thiết bị bảo vệ rò điện cho mạng điện mỏ hầm 
lò hoàn thiện đã được thử nghiệm với mô hình 
mạng điện mỏ trong phòng thí nghiệm. Thử 
nghiệm đối với mạng 660 V, điện trở cắt của thiết 
bị khi rò ba pha là không lớn hơn 30 kΩ /pha, khi 
rò một pha điện trở cắt không nhỏ hơn 20 Ωk . Đối 
với mạng 1140 V, điện trở cắt khi rò ba pha là 
không lớn hơn 60 kΩ /pha, khi rò một pha điện trở 
cắt không nhỏ hơn 50 kΩ. Kết quả thử nghiệm qua 
điện trở rò 1 kΩ đổi với hai cấp điện áp 660 V và 
1140 V lần được chỉ ra trong Hình 5a và 5b. Trong 
Hình 5, lần lượt từ trên xuống thể hiện các dạng 
tín hiệu: Số (1) là điện áp trên điện trở rò, số (2) là 
tín hiệu đầu vào không đảo của OA2, số (3) là điện 
áp cực góp của tranzito T1 và số (4) là tín hiệu đầu 
ra của tiếp điểm rơle RL1. Từ kết quả trong Hình 
5 cho thấy khi rò 1 pha (1 kΩ), thời gian tác động 
của thiết bị là 102 ms đổi với mạng 660 V (Hình 
5a) và 65ms đối với mạng 1140 V (Hình 5b). 
4. Thảo luận 
Kết quả thử nghiệm trên mô hình cho thấy, 
tổng thời gian tác động của thiết bị khi rò một pha 
qua điện trở 1 kΩ ở cấp điện áp 660 V và 1140 V 
đều không vượt quá 105 ms. Kết quả này đáp ứng 
yêu cầu Quy chuẩn Quốc gia về an toàn trong khai 
thác quặng hầm lò là tổng thời gian cắt lưới điện 
bị hư hỏng cấp điện áp 660 V là 0,2 s; với cấp điện 
áp 1.140 V là 0,12 s (Bộ Công thương, 2017). 
Ở mức điện áp 1140 V, bù tĩnh được hiệu chỉnh 
ở C=0,5 µF/pha cho phép giảm dòng rò khoảnh 
khắc khi có rò 1 pha qua điện trở 1 kΩ từ 430 mA 
(khi không bù) xuống 272 mA. 
Khi không bù thành phần điện dung của dòng 
điện rò, mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch
Hình 4. Sản phẩm mạch kiểm tra điện trở cách điện và tự động phát hiện, nối ngắn mạch. pha rò. 
102 Nguyễn Thạc Khánh và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 
pha rò có thể xác định chính xác pha rò khi điện 
trở rò đến 2k với dòng rò không vượt quá 310 mA 
(trường hợp C=Cmax=1 µF/pha). 
Khi có bù C=0,5 µF/pha, mạch tự động phát 
hiện và nối ngắn mạch pha rò có thể xác định 
chính xác pha rò khi điện trở rò đến 10 kΩ, với 
dòng rò khoảnh khắc không vượt quá 30 mA sau 
khi mắc điện trở sun 100 Ω. Tổng thời gian phát 
hiện và nối ngắn mạch pha rò không vượt quá 110 ms. 
5. Kết luận 
Từ những kết quả nghiên cứu trên đây cho 
phép rút ra những nhận xét sau: 
- Mô hình thiết bị bảo vệ rò điện theo sơ đồ khối 
Hình 1 và sơ đồ nguyên lý Hình 2 và 3 có khả năng 
tạo đặc tính biến dạng trong phạm vi rộng, có 
mạch tự động phát hiện và nối ngắn mạch pha rò 
làm việc tin cậy, thời gian tác động nhanh. Đây là 
một ưu điểm nổi bật mà hầu hết các thiết bị bảo 
 (a) Mạng 660V khi rò qua điện trở 1 .
(b) Mạng 1140V khi rò qua điện trở 1 .
 Hình 5. Kết quả thử nghiệm mô hình thiết bị bảo vệ rò điện. 
 Nguyễn Thạc Khánh và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 96 - 103 103 
vệ dòng điện rò hiện đang sử dụng trong các mỏ 
hầm lò vùng Quảng Ninh không có được. 
- Đối với mạng điện mỏ điện áp 1140 V, việc 
chọn bù tĩnh hiệu chỉnh cộng hưởng với điện dung 
C=0,5 µF/pha cho phép làm tăng giá trị điện trở 
quá độ để xác định đúng pha rò đến 10 kΩ và làm 
giảm dòng rò khoảnh khắc khi rò một pha qua 
điện trở 1 kΩ là 1,58 lần (430 mA/272 mA=1,58). 
- Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng trong 
thiết kế, chế tạo các thiết bị bảo vệ dòng điện rò có 
chất lượng và độ tin cậy cao dùng trong các mỏ 
hầm lò, thay thế các sản phẩm nhập ngoại. 
Lời cảm ơn 
Nghiên cứu này được Bộ Khoa học và Công 
nghệ hỗ trợ thông qua đề tài cấp Nhà nước mã số 
KC.05.24/16-20. 
Những đóng góp của tác giả 
Tác giả Nguyễn Thạc Khánh hình thành ý 
tưởng, triển khai các nội dung và hoàn thiện bản 
thảo; tác giả Kim Ngọc Linh cùng triển khai các nội 
dung thiết kế và xây dựng bản thảo; tác giả Nguyễn 
Tiến Sỹ thiết kế và chế tạo mạch in; tác giả Nguyễn 
Trường Giang lắp ráp và thử nghiệm sản phẩm. 
Tài liệu tham khảo 
Bộ Công thương, (2017). Quy chuẩn Quốc gia về 
an toàn trong khai thác quặng hầm lò. Chương 
V: Trang bị Kỹ thuật điện và Thông tin liên lạc, 
điều 81: Quy định chung, trang 66. QCVN 04: 
2017/BCT. 
Kim Ngọc Linh, Kim Cẩm Ánh, Nguyễn Văn Quân 
(2015). Mạch tự động phát hiện và nối ngắn 
mạch pha rò dùng cho mạng điện mỏ hầm lò 
điện áp 1140 V. Tạp chí KHKT Mỏ-Địa chất, số 
50-4/2015, tr. 96-100. 
Novoselov V.A., (2013). Điện khí hóa mỏ hầm lò. 
Nhà xuất bản Novokuznetsk, 230 trang (Bản 
tiếng Nga). 
Serov V.I., Sutski V.I., Yagudaev B.M., (1985). Các 
phương pháp và thiết bị bảo vệ chạm đất trong 
hệ thống điện cao áp của các xí nghiệp mỏ. Nhà 
xuất bản Khoa học, Matxcova, 135 trang (Bản 
tiếng Nga). 
Varenic E.A., (2004). Nguyên lý xây dựng thiết bị 
bảo vệ rò cho mạng điện có điện áp đến 1200V. 
Tuyển tập khoa học và kỹ thuật "Cơ điện mỏ và 
tự động hóa", Trường đại học Mỏ Quốc gia 
Ucraina, Số 72, trang 3-6 (Bản tiếng Ucraina).