TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC GI ÁO TRÌ NH ĐẠI HỌC BẢO VỆ RƠLE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Tài liệu tham khảo nội bộ dùng trong Khoa Hệ thống điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CÁC TÁC GI Ả THs. TS. Nguyễn Văn Đạt Nguyễn Đăng Toản Khoa Hệ thống điện Khoa Hệ thống điện Hà n ội 2010 ii LỜI TỰA Giáo trình “Bảo vệ rơle trong hệ thống điện” được dùng để giảng dạy cho sinh viên ngành Hệ thống điện trường Đại học Điện lực và làm tài liệu tham khảo cho những người làm công tác kỹ thuật và vận hành các thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện. Giáo trình đưa ra một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật bảo vệ hệ thống điện bằng rơle, các nguyên tắc tác động và cách thực hiện các loại bảo vệ thường gặp. Đối với mỗi phần tử trong hệ thống điện, giáo trình trình bày tóm tắt các chế độ làm việc, tình trạng hư hỏng và làm việc không bình thường, mô tả nguyên lý làm việc và chức năng các phần tử chính trong sơ đồ bảo vệ. Giáo trình giới thiệu và xem xét việc bảo vệ các phần tử chính trong hệ thống điện bao gồm: đường dây truyền tải, máy phát điện, máy biến áp, thanh góp, động cơ điện, tụ điện, kháng điện, cáp điện. Toàn bộ cuốn sách chia làm 8 chương. Đây là lần tái bản thứ nhất, các tác giả đã cố gắng chỉnh sửa những thiếu sót của lần xuất bản trước và cập nhật thêm một số kiến thức mới, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Những nhận xét và góp ý của bạn đọc xin gửi cho Khoa Hệ thống điện – Trường Đại học Điện lực – 235 Hoàng Quốc Việt - Hà Nội. Email. Tel : iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC LỜI TỰA...................................................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................... iv MỤC LỤC ......................................................................................................................................v DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................ ix DANH MỤC BẢNG.....................................................................................................................xv PHẦN I: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ........................................................................................xvi CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG ........................................................................1 1.1 NHIỆM VỤ BẢO VỆ RƠ LE................................................................................................... 1 1.2 YÊU CẦU CỦA BẢO VỆ RƠ LE............................................................................................ 2 1.2.1 Tính tin cậy ....................................................................................................................... 2 1.2.2 Tính chọn lọc..................................................................................................................... 2 1.2.3 Tính tác động nhanh .......................................................................................................... 3 1.2.4 Độ nhạy............................................................................................................................. 4 1.2.5 Tính kinh tế ....................................................................................................................... 4 1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE................................................................ 4 1.4 MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN (BI, CT).......................................................................................... 7 1.4.1 Khái niệm về máy biến dòng điện ...................................................................................... 7 1.4.2 Sơ đồ thay thế và ký hiệu máy biến dòng điện.................................................................... 7 1.4.3 Sai số của máy biến dòng và yêu cầu về độ chính xác ........................................................ 8 1.4.4 Tính toán phụ tải của máy biến dòng điện .........................................................................10 1.4.5 Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện ..............................................................10 1.4.6 Các sơ đồ nối máy biến dòng điện.....................................................................................11 1.5 MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP (BU, VT, PT).......................................................................................14 1.5.1 Khái niệm về máy biến điện áp .........................................................................................14 1.5.2 Sai số của máy biến điện áp và yêu cầu về độ chính xác....................................................15 1.5.3 Các sơ đồ nối máy biến điện áp.........................................................................................16 1.6 NGUỒN ĐIỆN THAO TÁC ...................................................................................................18 1.6.1 Nguồn điện thao tác một chiều..........................................................................................18 1.6.2 Nguồn điện thao tác xoay chiều ........................................................................................19 1.7 KÊNH THÔNG TIN TRUYỀN TÍN HIỆU .............................................................................21 1.7.1 Các loại kênh truyền tín hiệu.............................................................................................21 1.7.2 Yêu cầu đối với kênh truyền tín hiệu.................................................................................23 1.7.3 Môi trường truyền tín hiệu và nhiễu...................................................................................23 1.8 THÔNG TIN CẦN THIẾT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN BẢO VỆ RƠLE.....................................25 1.8.1 Nguyên lý đó lường dùng trong mục đích bảo vệ ...............................................................25 1.8.2 Tính toán ngắn mạch/sự cố ...............................................................................................27 v 1.9 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................................28 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE...............................................29 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA RƠLE .....................................................................................29 2.2 PHÂN LOẠI RƠLE ................................................................................................................30 2.3 RƠLE ĐIỆN CƠ .....................................................................................................................34 2.3.1 Rơle dòng điện kiểu điện từ ..............................................................................................34 2.4 RƠLE DÒNG ĐIỆN KIỂU CẢM ỨNG ..................................................................................37 2.4.1 Nguyên tắc tác động .........................................................................................................37 2.4.2 Lĩnh vực ứng dụng: ..........................................................................................................39 2.4.3 Rơle điện áp .....................................................................................................................39 2.4.4 Rơle thời gian ...................................................................................................................40 2.4.5 Rơle trung gian .................................................................................................................40 2.4.6 Rơle tín hiệu .....................................................................................................................41 2.5 RƠLE ĐIỆN TỬ .....................................................................................................................41 2.6 RƠLE KỸ THUẬT SỐ ...........................................................................................................44 2.7 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................................46 CHƯƠNG 3: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ RƠ LE HỆ THỐNG ĐIỆN.............47 3.1 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN ..................................................................................................47 3.1.1 Nguyên tắc tác động .........................................................................................................47 3.1.2 Bảo vệ dòng điện cực đại. .................................................................................................47 3.1.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh ..............................................................................................49 3.1.4 Bảo vệ dòng điện cực đại có bộ kiểm tra điện áp ...............................................................49 3.1.5 Bảo vệ dòng điện ba cấp ...................................................................................................50 3.1.6 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện .........................................................................................52 3.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN CÓ ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT............................................53 3.2.1 Nguyên tắc tác động .........................................................................................................53 3.2.2 Phần tử định hướng công suất ...........................................................................................54 3.2.3 Lựa chọn thời gian cho bảo vệ dòng điện có định hướng công suất....................................54 3.2.4 Lựa chọn dòng điện khởi động..........................................................................................55 3.2.5 Bảo vệ dòng điện có hướng ba cấp ....................................................................................56 3.2.6 Đánh giá bảo vệ dòng điện có định hướng công suất .........................................................56 3.3 NGUYÊN LÝ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH .............................................................................57 3.3.1 Nguyên tắc tác động .........................................................................................................57 3.3.2 Các đặc tính khởi động của bảo vệ khoảng cách................................................................59 3.3.3 Nguyên tắc thực hiện rơle khoảng cách .............................................................................60 3.3.4 Lựa chọn giá trị khởi động................................................................................................60 3.3.5 Những yếu tố làm sai lệch đến sự làm việc của rơle khoảng cách ......................................61 3.3.6 Đánh giá về bảo vệ khoảng cách .......................................................................................62 vi 3.4 BẢO VỆ SO LỆCH.................................................................................................................62 3.4.1 So lệch dòng điện .............................................................................................................62 3.4.2 So sánh pha của dòng điện ................................................................................................65 3.4.3 Đánh giá về bảo vệ so lệch................................................................................................66 3.5 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................................66 PHẦN II: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ................................................67 CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CÁC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ........................................68 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG.............................................................................................................68 4.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN ..................................................................................................69 4.2.1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh........................................................................................69 4.2.2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian ....................................................................................70 4.2.3 Bảo vệ quá dòng có khoá điện áp thấp ..............................................................................71 4.2.4 Bảo vệ quá dòng điện có hướng ........................................................................................72 4.2.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có hướng ................................................................................74 4.3 BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ..............................................................75 4.3.1 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm ......................................................................................75 4.3.2 Bảo vệ so lệch dùng dây dẫn phụ ......................................................................................77 4.3.3 Bảo vệ so sánh pha dòng điện ...........................................................................................78 4.4 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH ...................................................................................................81 4.4.1 Chọn giá trị khởi động và thời gian làm việc rơ le khoảng cách .........................................81 4.4.2 Bảo vệ khoảng cách ở các đường dây có đặt tụ điện bù dọc :.............................................83 4.5 BẢO VỆ SO SÁNH HƯỚNG .................................................................................................85 4.6 NGUYÊN LÝ BẢO CHỐNG CHẠM ĐẤT.............................................................................87 4.6.1 Nguyên tắc tác động .........................................................................................................87 4.6.2 Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không...................................................................................88 4.6.3 Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không có hướng....................................................................88 4.6.4 Bảo vệ chống chạm đất “chập chờn” .................................................................................91 4.7 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................................92 CHƯƠNG 5: BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ .........................................93 5.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN .......................................................................................................................93 5.2 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CUỘN DÂY STATO ...........................................................94 5.3 BẢO VỆ CHỐNG NGẮN MẠCH GIỮA CÁC PHA ..............................................................98 5.3.1 Bảo vệ so lệch hãm...........................................................................................................99 5.3.2 Bảo vệ khoảng cách ........................................................................................................101 5.3.3 Bảo vệ quá dòng điện .....................................................................................................102 5.4 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM CHẬP CÁC VÒNG DÂY TRONG MỘT PHA CỦA CUỘN STATO .......................................................................................................................................103 vii 5.5 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CUỘN DÂY RÔ TO ..........................................................105 5.6 BẢO VỆ CHỐNG DÒNG ĐIỆN THỨ TỰ NGHỊCH............................................................109 5.7 BẢO VỆ CHỐNG MẤT KÍCH TỪ.......................................................................................110 5.8 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ TẢI CHO CUỘN DÂY STATO VÀ RÔTO MÁY PHÁT ĐIỆN ....112 5.9 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP........................................................................................113 5.10 BẢO VỆ CHỐNG TẦN SỐ GIẢM THẤP ..........................................................................114 5.11 BẢO VỆ CHỐNG LUỒNG CÔNG SUẤT NGƯỢC ...........................................................115 5.12 CÂU HỎI ÔN TẬP .............................................................................................................116 CHƯƠNG 6: BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP................................................................ 117 6.1 CÁC HƯ HỎNG VÀ NHỮNG LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG DÙNG .......................................117 6.2 BẢO VỆ SO LỆCH DỌC......................................................................................................117 6.3 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN ................................................................................................119 6.4 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH ..................................................................................................120 6.5 BẢO VỆ BẰNG RƠ LE KHÍ (BUCHHOLZ)........................................................................121 6.6 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP .........................................................122 6.7 BẢO VỆ QUÁ NHIỆT CHO MÁY BIẾN ÁP .......................................................................123 6.8 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP ....................................................126 6.9 CÂU HỎI ÔN TẬP ...............................................................................................................127 CHƯƠNG 7: BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG THANH GÓP ...................................115 7.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG .......................................................................................................115 7.1.1 Những trường hợp không cần đặt bảo vệ riêng ................................................................115 7.1.2 Những trường hợp cần đặt bảo vệ riêng cho thanh góp ....................................................116 7.2 CÁC LOẠI SƠ ĐỒ THANH GÓP ........................................................................................116 7.2.1 Sơ đồ một hệ thống thanh góp.........................................................................................116 7.2.2 Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có một máy cắt trên mạch .................................................117 7.2.3 Sơ đồ thanh góp mỗi mạch điện được nối với hệ thống thanh góp qua hai máy cắt điện...119 7.3 BẢO VỆ SO LỆCH TOÀN PHẦN THANH GÓP.................................................................120 7.3.1 Những đặc điểm khi thực hiện bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp..................................120 7.3.2 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm ....................................................................................122 7.3.3 Bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơ le tổng trở cao ............................................................124 7.3.4 Bảo vệ thanh góp dùng nguyên lý so sánh pha dòng điện ................................................126 7.4 BẢO VỆ SO LỆCH KHÔNG TOÀN PHẦN THANH GÓP ..................................................127 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ 1-1: Ví dụ về tính chọn lọc của bảo vệ rơle ........................................................................... 3 Hình vẽ 1-2: Cấu trúc tổng quát của hệ thống bảo vệ .......................................................................... 5 Hình vẽ 1-3: Vì dụ về một cấu trúc của hệ thống bảo vệ ..................................................................... 6 Hình vẽ 1-4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng để tăng cường độ tin cậy...................... 6 Hình vẽ 1-5: Máy biến dòng cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến dòng .............................. 7 Hình vẽ 1-6: Sai số của BI và sơ đồ thay thế của BI dùng trong bảo vệ............................................... 9 Hình vẽ 1-7: Nối tiếp hai máy biến dòng ...........................................................................................10 Hình vẽ 1-8: Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F,.........................11 Hình vẽ 1-9: Các nối BI và rơle theo sơ đồ hình sao ..........................................................................11 Hình vẽ 1-10: Sơ đồ nồi một rơle vào hiệu dòng điện hai pha và sơ đồ véc tơ của dòng điện thứ cấp qua rơle khi ngắn mạch 2 pha và ba pha ............................................................................................12 Hình vẽ 1-11: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không: a) sơ đồ nguyên lý, b) bộ lọc dùng ba máy biến dòng, c) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây trên không, d) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây cáp ngầm ..........................................................................................................13 Hình vẽ 1-12: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI2: a) Sơ đồ cấu trúc, b) mạch điện, c) Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự thuận, d) đồ thị véc tơ thành phần thứ tự nghịch ..............................14 Hình vẽ 1-13: Máy biến điện áp cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến điện áp ....................15 Hình vẽ 1-14: Sơ đồ nối các BU theo hình sao: a nối vào điện áp dây, b) nối vào điện áp pha, c) điện áp ba pha và dây trung tính của HTĐ ................................................................................................16 Hình vẽ 1-15: Sơ đồ nối các BU theo hình V/V .................................................................................16 Hình vẽ 1-16: Các sơ đồ bộ lọc thứ tự không, a) cuộn tam giác hở, b) bộ lọc điện áp thứ tự không ở trung tính máy phát điện ...................................................................................................................17 Hình vẽ 1-17: Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch........................................................18 Hình vẽ 1-18: Sơ đồ dùng rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn làm việc với dòng điện thao tác một chiều.............................................................................................................19 Hình vẽ 1-19: Sơ đồ bảo vệ dòng điện dùng nguồn thao tác xoay chiều theo phương pháp khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt .........................................................................................................................20 Hình vẽ 1-20: Sơ đồ bảo vệ dòng điện nối vào dòng điện thao tác xoay chiều qua biến dòng bão hoà trung gian .........................................................................................................................................20 Hình vẽ 1-21: Sơ đồ bộ cung cấp liên hợp .........................................................................................21 Hình vẽ 1-22: Sơ đồ nguồn cung cấp bằng bộ tụ nạp sẵn ...................................................................21 Hình vẽ 1-23: Liên hệ giữa các thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu ..........................................22 Hình vẽ 1-24: Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng đầu vào ........................................................26 Hình vẽ 1-25: Nguyên lý so sánh pha (a) và biểu đồ so sánh hai tín hiệu đầu vào hình sin lệch pha nhau (b) ............................................................................................................................................27 Hình vẽ 2-1: So sánh giữa rơle số và rơle thông thường.....................................................................30 ix Hình vẽ 2-2: Phân loại rơle theo các đại lượng đầu vào .....................................................................31 Hình vẽ 2-3: Các loại sơ đồ của hệ thống bảo vệ rơle ........................................................................32 Hình vẽ 2-4: Một số loại rơle điện từ: a) Rơle điện từ có phần động đóng mở, b) Có phần động quay, c) phần chuyển động tịnh tiến............................................................................................................35 Hình vẽ 2-5: Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay Mt và các thành phần của nó với thời gian đối với rơle dòng điện điện từ ...........................................................................................................36 Hình vẽ 2-6: Vòng ngắn mạch của rơle và đồ thị véc tơ.....................................................................36 Hình vẽ 2-7: Rơle dòng điện: a) có vòng cảm ứng ngắn mạch, b) và đồ thị véc tơ..............................38 Hình vẽ 2-8: Rơ le thời gian ..............................................................................................................40 Hình vẽ 2-9: Các sơ đồ nối rơ le trung gian: a)Sơ đồ nối các rơle RG song song, b) nối tiếp, c) song song có tự giữ bằng cuộn dây nối tiếp ...............................................................................................41 Hình vẽ 2-10: Sơ đồ nối dây của rơle tín hiệu, a) nối tiếp, b) song song .............................................41 Hình vẽ 2-11: Rơle dòng điện chỉnh lưu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) dòng điện chỉnh lưu [I]....................42 Hình vẽ 2-12: Các sơ đồ san bằng dòng điện chỉnh lưu,.....................................................................43 Hình vẽ 2-13: Sơ đồ so sánh dòng điện Iđ với đại lượng chuẩn Ich ......................................................44 Hình vẽ 2-14: Sơ đồ khối của rơ le số................................................................................................45 Hình vẽ 2-15: Sơ đồ tự kiểm tra các khối chức năng trong rơle số .....................................................46 Hình vẽ 3-1: Thí dụ về cách tính dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại a) Sơ đồ nguyên lý, b) Chọn dòng điện khởi động .......................................................................................................48 Hình vẽ 3-2: Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh, a) Sơ đồ nguyên lý, b) Cách chọn dòng điện khởi động .........................................................................................................................................................49 Hình vẽ 3-3: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại có bộ phận kiểm tra điện áp. ..................50 Hình vẽ 3-4: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng ba cấp. ......................................................................51 Hình vẽ 3-5: Tính dòng điện và thời gian tác động của bảo vệ dòng ba cấp........................................52 Hình vẽ 3-6: Bảo vệ quá dòng điện có hướng a) Mạch vòng, b) Đường dây song song, c) Đường dây có hai nguồn cung cấp,......................................................................................................................53 Hình vẽ 3-7: Bảo vệ quá dòng điện có hướng: a) Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá dòng, b) Đặc tính pha của bộ phận định hướng công suất.....................................................................................................54 Hình vẽ 3-8: Phối hợp thời gian tác động của bảo vệ quá dòng điện có hướng với thanh góp có nhiều mạch đường dây................................................................................................................................55 Hình vẽ 3-9: Các cấu hình lưới điện phức tạp bảo vệ quá dòng có hướng không đảm bảo tính chọn lọc: a) Mạng vòng có nhiều nguồn cung cấp. b) Mạng vòng có một nguồn cung cấp khi có liện hệ ngang không có nguồn (Đường dây BD)......................................................................................................57 Hình vẽ 3-10: Nguyên lý đo tổng trở, a) Sơ đồ lưới điện; b) Vùng biến thiên của tổng trở phụ tải; c)Tổng trở đo trong điều kiện sự cố; d) Đặc tính khởi động của bộ phận khoảng cách........................58 Hình vẽ 3-11: Các đặc tuyến tổng trở khởi động thường gặp: a) Tổng trở không hướng (ZKđ=const); b) Tổng trở có hướng (vòng tròn qua gốc toạ độ); c) Vòng tròn lệch tâm; d) Hình thấu kính, e,g) Hình đa giác; h) 7SA513..........................................................................................................................59 x Hình vẽ 3-12: Sơ đồ phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa ba vùng của bảo vệ khoảng cách. .....................................................................................................................................60 Hình vẽ 3-13: Sự phân bố dòng điện trên các nhánh của đường dây mạch kép ...................................61 Hình vẽ 3-14: Bảo vệ so lệch dòng điện a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véctơ dòng điện khi ngắn mạch ngoài vùng và trong chế độ bình thường, c) Khi ngắn mạch trong vùng. ............................................63 Hình vẽ 3-15: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm bổ sung bằng dòng điện hài bậc hai dùng cho bảo vệ máy biến áp hai dây quấn ................................................................................................65 Hình vẽ 3-16: Bảo vệ so sánh pha dòng điện: a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tính góc pha bảo vệ. ..........66 Hình vẽ 4-1: Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp......................................................69 Hình vẽ 4-2: Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện, a) Độc lập, b) Phụ thuộc. .........................70 Hình vẽ 4-3: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện trong lưới điện hình tia (a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (b) và đặc tuyến phụ thuộc (c) .............................................................71 Hình vẽ 4-4: Bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp ...................................................................71 Hình vẽ 4-5: Bảo vệ quá dòng điện có hướng: a) đường dây hai mạch song song, b) cách chọn thời gian làm việc của bảo vệ ...................................................................................................................73 Hình vẽ 4-6: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện có hướng trong lưới điện có hai nguồn cung cấp.................................................................................................................................74 Hình vẽ 4-7: Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh không có hướng (a) và có hướng (b)...........................75 Hình vẽ 4-8: Bảo vệ so lệch dọc có hãm, a) Sơ đồ nguyên lý, b) đồ thị véc tơ của dòng điện làm việc ILV và dòng điện hãm IH khi có ngắn mạch ngoài (b) và trong vùng (c) ..............................................76 Hình vẽ 4-9: Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch có hãm (1) và tương quan giữa dòng điện làm việc Ilv và dòng điện hãm IH khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ và nguồn cung cấp từ một phía (2) ...76 Hình vẽ 4-10: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm, dùng dây dẫn phụ ...................................................77 Hình vẽ 4-11: Cộng dòng điện để giảm bớt dây dẫn phụ trong sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện...........78 Hình vẽ 4-12: Sơ đồ khối bảo vệ so sánh pha dòng điện từng pha riêng biệt ......................................79 Hình vẽ 4-13: Tín hiệu so sánh pha dòng điện cho trường hợp ngắn mạch ngoài vùng (a) và trong vùng (b) bảo vệ ...................................................................................................................80 Hình vẽ 4-14: Sơ đồ dùng tổ hợp máy biến dòng BI để nhận điện áp đầu ra một pha U từ dòng điện 3 pha.................................................................................................................................................80 Hình vẽ 4-15: Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa ba vùng tác động của bảo vệ khoảng cách, a) Sơ đồ lưới điện, b) Phối hợp đặc tính khởi động và thời gian....................................82 Hình vẽ 4-16: Phối hợp các vùng bảo vệ khoảng cách trong trường hợp từ thanh cái cuối đường dây có nhiều dây ra ......................................................................................................................................83 Hình vẽ 4-17: Điện kháng đường dây phụ thuộc vào dung kháng và vị trí đặt tụ bù dọc.....................84 Hình vẽ 4-18: Bảo vệ khoảng cách trên đường dây có bù dọc, a) Sơ đồ nguyên lý, b) khi bộ tụ làm việc bình thường, c) khi bộ tụ bị nối tắt .............................................................................................85 Hình vẽ 4-19: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ theo hướng công suất thứ tự không ................................86 xi Hình vẽ 4-20: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so sánh hướng công suất thứ tự không truyền tín hiệu cho phép..................................................................................................................................................86 Hình vẽ 4-21: Sự biến thiên của dòng (a) và áp (b) tại chỗ đặt bảo vệ trước và sau thời điểm sự cố (t = 0)......................................................................................................................................................87 Hình vẽ 4-22: Phân bố dòng điện sự cố (điện dung) khi có chạm đất trên các đường dây khác nhau trong lưới điện hình tia có trung tính không nối đất. (a) Chạm đất đường dây D3; (b) Chạm đất đường dây D1 ..............................................................................................................................................89 Hình vẽ 4-23: Sơ đồ xác định góc lệch pha 0 giữa dòng (I0) và áp (U0) thứ tự không......................89 Hình vẽ 4-24: Sơ đồ nguyên lý sử dụng chung cho toàn trạm một bộ xác định hướng công suất thứ tự không, có đổi nối trong mạch dòng điện thứ tự không của các đường dây..........................................90 Hình vẽ 4-25: Mắc điện trở song song với cuộn Petersen để tăng độ nhạy của bảo vệ chống chạm đất .........................................................................................................................................................91 Hình vẽ 4-26: Nguyên lý của sơ đồ bảo vệ chống chạm đất “chập .....................................................92 Hình vẽ 5-1: Chạm đất trong cuộn dây Stato máy phát điện...............................................................95 Hình vẽ 5-2: Bảo vệ có hướng chống chạm đất cuộn dây stato máy phát điện đấu trực tiếp với thanh góp điện áp máy phát: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véc tơ ...............................................................95 Hình vẽ 5-3: Phân bố thành phần hài bậc ba dọc theo cuộn dây stato máy phát điện, a) chế độ bình thường; b) khi chạm đất ở trung điểm; c) ở đầu cực máy phát điện. ...................................................96 Hình vẽ 5-4: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stato chống chạm đất theo hài bậc 3: a) sơ đồ nguyên lý, b) đồ thị véc tơ trong chế độ vận hành bình thường, c) khi có chạm đất gần trung điểm máy phát điện...97 Hình vẽ 5-5: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stato chống chạm đất có đưa thêm điện áp hãm 20Hz vào trung điểm máy phát điện..................................................................................................................98 Hình vẽ 5-6: Ngắn mạch ba pha trong cuộn dây stato máy phát điện đồng bộ, a) sơ đồ nguyên lý, b) phân bố sức điện động theo số vòng  của cuộn dây, c) và quan hệ giữa dòng sự cố với số vòng dây bị ngắn mạch  ...................................................................................................................................100 Hình vẽ 5-7: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm cuộn dây stato máy phát ..........................................100 Hình vẽ 5-8: Bảo vệ so lệch dùng rơ le tổng trở cao đặt cho máy phát điện: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp trong chế độ làm việc bình thường, c) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp khi có ngắn mạch ngoài và nhóm BI2 bị bão hoà hoàn toàn....................................101 Hình vẽ 5-9: Bảo vệ khoảng cách cho bộ MPĐ-MBA: a) Sơ đồ nguyên lý, b) đặc tính thời gian......102 Hình vẽ 5-10: Đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách dùng làm bảo vệ cho máy phát điện .......102 Hình vẽ 5-11: Bảo vệ quá dòng có khóa điện áp thấp làm bảo vệ dự phòng cho máy phát điện ........103 Hình vẽ 5-12: Bảo vệ so lệch ngang chống ngắn mạch giữa các vòng dây của máy phát điện công suất lớn: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đặc tính khởi động................................................................................104 Hình vẽ 5-13: Bảo vệ cuộn dây máy phát điện có hai nhánh song song chống chạm chập giữa các vòng dây..................................................................................................................................................104 Hình vẽ 5-14: Chạm đất trong cuộn dây roto MPĐ, a) Chạm đất một điểm, b) Hai điểm..................105 xii Hình vẽ 5-15: Bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây roto máy phát điện dùng điện áp phụ một chiều: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Dòng điện qua rơ le theo vị trí điểm chạm đất  và khi dùng nguồn điện phụ xoay chiều: c) Sơ đồ nguyên lý, d) Dòng điện qua rơ le.....................................................105 Hình vẽ 5-16: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn dây roto máy phát điện có hệ thống kích từ không chổi than với điốt chỉnh lưu lắp trực tiếp trên thân roto dựa trên nguyên lý đo điện dẫn ...................106 Hình vẽ 5-17: Đặc tính biến thiên của tổng trở đối với đất của mạch kích thích Hình vẽ 5-16 và đặc tính tác động của rơ le đo điện dẫn để chống chạm đất mạch roto máy phát điện đồng bộ: 1) Đặc tính cắt, 2) Đặc tính cảnh báo ..........................................................................................................107 Hình vẽ 5-18: Sơ đồ nguyên lý phát hiện chạm đất trong cuộn dây roto máy phát điện dùng nguồn điện phụ 1Hz có dạng sóng chữ nhật (a) và dạng sóng đặt vào bộ phận đo UM đối với các điện trở chạm đất khác nhau (b và c) ...........................................................................................................................108 Hình vẽ 5-19: Bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch đặt ở máy phát điện, a) sơ đồ nguyên lý, b) đặc tính thời gian phụ thuộc tỷ lệ nghịch, c) độc lập có 2 cấp.................................................................109 Hình vẽ 5-20: Bảo vệ chống mất kích từ máy phát điện, a) Thay đổi hướng công suất phản kháng Q, b) Thay đổi tổng trở đo được ở cực MFĐ, c) Giới hạn thay đổi của công suất MPĐ.............................111 Hình vẽ 5-21: Sơ đồ bảo vệ chống mất kích thích ở máy phát điện sử dụng rơ le điện kháng cực tiểu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véc tơ, c) Các dạng sóng của các đại lượng tương ứng ......................111 Hình vẽ 5-22: Quan hệ giữa mức quá tải và thời gian quá tải cho phép của các cuộn dây MPĐ........113 Hình vẽ 5-23: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống quá tải cuộn dây máy phát điện với 2 kênh đo lường độc lập ..................................................................................................................................................113 Hình vẽ 5-24: Bảo vệ chống quá điện áp hai cấp đặt ở máy phát điện ..............................................114 Hình vẽ 5-25: Thời gian tích hợp cho phép vận hành máy phát điện ở tần số cao .............................115 Hình vẽ 5-26: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống công suất ngược ..................................................116 Hình vẽ 6-1: Cân bằng pha và trị số của dòng điện thứ cấp trong bảo vệ so lệch máy biến áp 2 và 3 cuộn dây bằng máy biến dòng trung gian BIG .................................................................................118 Hình vẽ 6-2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dây HM- hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá MBA....................................................................................118 Hình vẽ 6-3: Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính thời gian (b) của bảo vệ khoảng cách đặt ở MBA hai cuộn dây (hoặc MBA tự ngẫu) ........................................................................................................120 Hình vẽ 6-4: Ví dụ về rơ le khí đặt cho máy biến áp ........................................................................122 Hình vẽ 6-5: Bảo vệ chống chạm đất có giới hạn dùng cho máy biến áp : a) MBA hai cuộn dây, b) MBA tự ngẫu..................................................................................................................................122 Hình vẽ 6-6: Sự phụ thuộc độ tăng nhiệt độ của dầu so với nhiệt độ môi trường làm mát và độ tăng nhiệt độ cuộn dây so với nhiệt độ của dầu vào phụ tải xác lập..........................................................124 Hình vẽ 6-7: Sơ đồ bảo vệ quá nhiệt máy biến áp ............................................................................126 Hình vẽ 6-8: Phương thức bảo vệ máy biến áp hai cuộn dây công suất bé ........................................126 Hình vẽ 6-9: Phương thức bảo vệ máy biến áp ba cuộn dây công suất lớn........................................127 Hình vẽ 6-10: Phương thức bảo vệ máy biến áp tự ngẫu công suất lớn.............................................127 xiii Hình vẽ 7-1: Thí dụ các sơ đồ nối điện không cần đặt bảo vệ thanh góp riêng.................................115 Hình vẽ 7-2: Thí dụ các sơ đồ nối điện cần bảo vệ riêng cho thanh góp ...........................................116 Hình vẽ 7-3: Các loại sơ đồ một hệ thống thanh góp........................................................................117 Hình vẽ 7-4: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có một máy cắt trên một mạch ......................................119 Hình vẽ 7-5: Sơ đồ hai thanh góp mỗi mạch được nối với hai hệ thống thanh góp qua hai máy cắt điện .......................................................................................................................................................119 Hình vẽ 7-6: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có ba máy cắt trên hai mạch .........................................119 Hình vẽ 7-7: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có bốn máy cắt trên ba mạch .........................................120 Hình vẽ 7-8: Sơ đồ bố trí hệ thống thanh góp theo hình đa giác ......................................................120 Hình vẽ 7-9: Bảo vệ so lệch toàn phần của thanh góp đơn ...............................................................121 Hình vẽ 7-10: Bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp có phân đoạn với các phần tử phân bố lên cả hai phân đoạn .......................................................................................................................................121 Hình vẽ 7-11: Sơ đồ nguyên lý so lệch dòng điện có hãm để bảo vệ thanh góp đơn ........................122 Hình vẽ 7-12:Đặc tính bảo vệ thanh góp dùng dòng điện hãm .........................................................123 Hình vẽ 7-13: Sơ đồ bảo vệ một hệ thống thanh góp có phân đoạn ..................................................123 Hình vẽ 7-14: Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm hệ thống hai thanh góp .................................................124 Hình vẽ 7-15: Bảo vệ thanh góp bằng rơ le tổng trở cao ................................................................124 xiv DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Một số ví dụ về các tỉ số của BI ......................................................................................... 8 Bảng 1-2: Cấp chính xác của một số loại máy biến dòng điện............................................................. 8 Bảng 1-3: Giới hạn sai số của BI có cấp chính xác 5P và 10P ............................................................. 9 Bảng 1-4: Giới hạn sai số của BU dùng cho bảo vệ ...........................................................................16 Bảng 2-1: Các ký hiệu và loại rơle ....................................................................................................32 Bảng 6-1: Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp.................................................................117 xv PHẦN I: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ xvi CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 NHIỆM VỤ BẢO VỆ RƠ LE Khi thiết kế hoặc vận hành bất kỳ một hệ thống điện (HTĐ) nào, chúng ta cũng đều mong muốn HTĐ đó phải được vận hành ở chế độ an toàn, tin cậy, và kinh tế nhất. Một HTĐ thường rộng lớn về qui mô, trải dài trong không gian với nhiều thiết bị điện khác nhau từ phần phát điện, truyền tải và phân phối điện năng. Do đó, trong bất cứ HTĐ nào cũng có thể phát sinh các hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường đối với các phần tử trong HTĐ đó. Nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng, hay sự cố đối rất đa dạng: ฀ Do các hiện tượng thiên nhiên: như giông bão, động đất, lũ lụt, núi lửa… ฀ Do con người: sai sót trong tính toán thiết kế, sai lầm trong công tác vận hành, thiếu sót trong bảo dưỡng thiết bị điện… ฀ Các yếu tố ngẫu nhiên khác: già cỗi cách điện, thiết bị quá cũ, những hư hỏng ngẫu nhiên, tình trạng làm việc bất thường của HTĐ… Các sự cố nguy hiểm nhất có thể xảy ra trong HTĐ thường là các dạng ngắn mạch. Khi ngắn mạch, dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử trên đường từ nguồn đến điểm ngắn mạch có thể gây ra những tác động nhiệt và cơ nguy hiểm cho các phần tử nó chạy qua. Hồ quang tại chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết bị, gây hỏa hoạn. Ngắn mạch cũng làm cho điện áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lân cận bị giảm thấp, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của các hộ tiêu dùng điện. Trường hợp nguy hiểm nhất, ngắn mạch có thể dẫn đến mất ổn định và tan rã hoàn toàn HTĐ. Các dạng ngắn mạch thường gặp trong HTĐ: ฀ Ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5% ฀ Ngắn mạch hai pha chiếm khoảng 10% ฀ Ngắn mạch hai pha nối đất chiếm khoảng 20% ฀ Ngắn mạch một pha chiếm khoảng 65% Phân loại hư hỏng theo thiết bị trong HTĐ, với tỷ lệ hư hỏng: ฀ Đường dây tải điện trên không chiếm khoảng 50% ฀ Đường dây cáp chiếm khoảng 10% ฀ Máy cắt điện chiếm khoảng 15% ฀ Máy biến áp chiếm khoảng 12% ฀ Máy biến dòng điện, biến điện áp chiếm khoảng 2% ฀ Thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ chiếm khoảng 3% ฀ Các loại khác chiếm khoảng 8% Ngoài các loại ngắn mạch, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường. Phổ biến nhất là hiện tượng quá tải, lúc đó dòng điện tải tăng, làm tăng nhiệt độ của các phần dẫn điện. Nếu tình trạng quá tải kéo dài, làm cho thiết bị điện bị phát nóng quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi bị phá hỏng dẫn đến các sự cố nguy hiểm như ngắn mạch. Chính vì vậy mà trong khi tính toán thiết kế và vận hành 1 HTĐ, người ta cũng rất phải quan tâm đến các tình trạng làm việc không bình thường, vì nó chính là các nguyên nhân dẫn đến các sự cố nguy hiểm. Do đó, nhiệm vụ của các thiết bị bảo vệ rơle là phát hiện và nhanh chóng loại trừ phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện nhằm ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả tai hại của sự cố. Ngoài ra, thiết bị bảo vệ còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong HTĐ. Tuỳ mức độ quan trọng của thiết bị điện mà bảo vệ rơle có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt điện. Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ các HTĐ hiện đại là các rơle. Ngày nay, khái niệm rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hóa HTĐ, thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ hệ thống. 1.2 YÊU CẦU CỦA BẢO VỆ RƠ LE 1.2.1 Tính tin cậy Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn. Cần phân biệt hai khái niệm sau: ฀ Độ tin cậy khi tác động: là mức độ chắc chắn rơle hoặc hệ thống bảo vệ rơle sẽ tác động đúng. Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ. ฀ Độ tin cậy không tác động: là mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ không làm việc sai. Nói cách khác, độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được qui định. Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể được kiểm tra tương đối dễ dàng bằng tính toán thực nghiệm, còn độ tin cậy không tác động rất khó kiểm tra vì tập hợp những trạng thái vận hành và tình huống bất thường có thể dẫn đến tác động sai của bảo vệ không thể lường trước được. Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơle và hệ thống rơle có kết cấu đơn giản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo vệ. Qua số liệu thống kê vận hành cho thấy, hệ thống bảo vệ trong các hệ thống điện hiện đại có xác suất làm việc tin cậy khoảng (95  99)%. 1.2.2 Tính chọn lọc Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện. Xét ví dụ đối với mạng điện cho ở Hình vẽ 1-1. ฀ Khi ngắn mạch tại điểm N1 trên đường dây BC, để đảm bảo tính chọn lọc thì bảo vệ phải cắt máy cắt 5 ở đầu đường dây bị hư hỏng BC. Như vậy tất cả các hộ tiêu thụ điện (trừ những hộ nối vào thanh góp C) sẽ tiếp tục làm việc bình thường sau khi máy cắt 5. 2 Hình vẽ 1-1: Ví dụ về tính chọn lọc của bảo vệ rơle ฀ Khi ngắn mạch tại điểm N2, để bảo đảm tính chọn lọc thì bảo vệ cần phải cắt các máy cắt 1 và 2 ở hai đầu đường dây bị hư hỏng và việc cung cấp điện cho trạm B vẫn được duy trì. ฀ Theo nguyên lý làm việc, tính chọn lọc của các bảo vệ được phân ra: ฀ Bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm nhiệm vụ khi sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận (ví dụ như bảo vệ so lệch dọc cho máy phát điện hoặc máy biến áp (MBA)). ฀ Bảo vệ có tính chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho phần tử lân cận (ở ví dụ trên: Bảo vệ 5 có thể làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ 6). Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có tính chọn lọc tương đối, cần phải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện. 1.2.3 Tính tác động nhanh Tính tác động nhanh của bảo vệ rơle là yêu cầu quan trọng vì việc cách ly càng nhanh chóng phần tử bị ngắn mạch, sẽ càng hạn chế được mức độ phá hoại các thiết bị, càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ dùng điện, giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn và càng nâng cao khả năng duy trì ổn định sự làm việc của các máy phát điện và toàn bộ HTĐ. Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc, để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền. Vì vậy yêu cầu tác động nhanh chỉ đề ra tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể của HTĐ và tình trạng làm việc của phần tử được bảo vệ trong HTĐ. Bảo vệ rơle được gọi là tác động nhanh (có tốc độ cao) nếu thời gian tác động không vượt quá 50ms (2,5 chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz). Bảo vệ rơle được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động rơle. Hai khái niệm tác động nhanh và tác động tức thời được dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơle hoặc bảo vệ có thời gian tác động không quá 50ms. Thời gian cắt sự cố tC gồm hai thành phần: thời gian tác động của bảo vệ tBV và thời gian tác động của máy cắt tMC : t C  t BV  t MC Với HTĐ hiện đại, yêu cầu thời gian loại trừ sự cố rất nhỏ, để đảm bảo tính ổn định. Đối với các máy cắt điện có tốc độ cao hiện đại tMC = (20  60)ms (từ 1  3 chu kỳ 50Hz). Những máy cắt thông thường có tMC ≤ 5 chu kỳ (khoảng 100ms ở 50Hz). Vậy thời gian loại trừ sự cố tC khoảng từ 2  8 chu kỳ ở tần số 50Hz (khoảng 40160ms) đối với bảo vệ tác động nhanh. 3 Đối với lưới điện phân phối thường dùng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ chính thông thường có thời gian cắt sự cố khoảng (0,21,5) giây, bảo vệ dự phòng khoảng (1,52,0) giây. 1.2.4 Độ nhạy Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ. Độ nhạy của bảo vệ được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy Kn là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó. Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơle và ngưỡng tác động của nó càng lớn, rơle càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, nghĩa là rơle tác động càng nhạy. Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độ làm việc của HTĐ (mức độ huy động nguồn max hay min), cấu hình của lưới điện (các đường dây làm việc song song, hay đơn lẻ), dạng ngắn mạch (ba pha, một pha, …), vị trí của điểm ngắn mạch (gần nguồn, hay xa nguồn), . . . Đối với các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy từ 1,52,0 còn đối với bảo vệ dự phòng hệ số độ nhạy từ 1,21,5. 1.2.5 Tính kinh tế Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong HTĐ không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, mà ở chế độ luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra để có những tác động chuẩn xác. Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị của công trình. Vì vậy yêu cầu về kinh tế không đề ra, mà bốn yêu cầu kỹ thuật trên đóng vai trò quyết định, vì nếu không thoả mãn được các yêu cầu này sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho hệ thống điện. Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện hoặc lưới truyền tải cao áp. Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và chi phí thấp nhất. Năm yêu cầu trên trong nhiều trường hợp mâu thuẫn nhau, ví dụ muốn có được tính chọn lọc và độ nhạy cao cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp, bảo vệ càng phức tạp, càng khó thỏa mãn yêu cầu về độ tin cậy; hoặc những yêu cầu cao về kỹ thuật sẽ làm tăng chi phí cho thiết bị bảo vệ. Vì vậy trong thực tế cần dung hòa ở mức tốt nhất các yêu cầu trên trong quá trình lựa chọn các thiết bị riêng lẻ cũng như tổ hợp toàn bộ các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động trong hệ thống điện. 1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE Trong trường hợp tổng quát gồm, một hệ thống bảo vệ rơle được mô tả trong Hình vẽ 1-2, bao gồm các bộ phận chính như sau: 4 Các phần từ trong hệ thống điện ~ F Đo lường và xử lý tín hiệu (BI, BU, AC/DC…) ~ = M BU Đ/D Phân tích, so sánh logic phát hiện sự cố Gôm các loại rơle 21, 50, 51, 87 … Hiển thị và ghi nhớ sự kiện Đ/C… Mạch điều khiển các tín hiệu, mạch máy cắt, … Nguồn một chiều Hình vẽ 1-2: Cấu trúc tổng quát của hệ thống bảo vệ 1 Bộ phận đo lường: gồm các máy biến dòng điện (BI hoặc là CT), máy biến điện áp (BU hoặc là VT), các thiết bị đo lường khác để làm nhiệm vụ đo lường các đại lượng dòng điện, điện áp, tần số …Các tín hiệu sơ cấp có thể được đưa vào các bộ lọc các thành phần đối xứng, hoặc các thiết bị biến đổi AC/DC để đưa tín hiệu vào hệ thống các rơle 2 Bộ phận phân tích và so sánh logic: gồm các rơle có nhiệm vụ là phân tích và so sánh các tín hiệu đưa vào với các giá trị khởi động cho trước để đánh giá tình trạng làm việc của HTĐ là bình thường, không bình thường (quá tải) hay là sự cố. Tương ứng với các tình trạng đó, rơle sẽ gửi tín hiệu đến cơ cấu thực hiện. Đối với mỗi nguyên tắc bảo vệ khác nhau thì sẽ có các loại rơle với phương pháp tính toán khác nhau. 3 Bộ phận thực hiện: gồm các rơle trung gian, máy cắt (MC) … có nhiệm vụ thực hiện việc báo tín hiệu, hoặc cắt máy cắt trong các trường hợp sự cố 4 Hệ thống nguồn điện một chiều: có nhiệm vụ là cung cấp nguồn cho hệ thống các rơle, cuộn cắt của MC, chuông, đèn… 5 Kênh thông tin truyền tín hiệu: dùng để truyền tín hiệu điều khiển, phối hợp bảo vệ, thông tin … Trong Hình vẽ 1-3, tiếp điểm phụ MCF của máy cắt điện (hoặc của rơle phản ánh vị trí của máy cắt) có khả năng cắt dòng điện lớn để ngắt mạch dòng điện cung cấp cho cuộn cắt trước khi tiếp điểm của rơle trở về, đảm bảo cho tiếp điểm của rơle khỏi bị cháy vì phải ngắt dòng điện lớn. Những năm trước đây sơ đồ bảo vệ rơle thường được tổ hợp từ nhiều rơle và nhiều thiết bị riêng lẻ, mỗi phần tử hoặc nhóm phần tử thực hiện một chức năng nhất định trong sơ đồ bảo vệ. Ngày nay mỗi đối tượng cần được bảo vệ chỉ cần dùng một bộ bảo vệ. Để tăng cường độ tin cậy có thể đặt thêm một bộ thứ hai với tính năng tương đương nhưng hoạt động theo một nguyên lý khác hoặc do nhà sản suất khác chế tạo. 5 Thanh góp BI Máy cắt điện Mạch điện được bảo vệ MCF CC KĐK Nguồn - + RL BU Cầu chì Tín hiệu cắt Hình vẽ 1-3: Vì dụ về một cấu trúc của hệ thống bảo vệ Nguyên lý dự phòng này còn được áp dụng cho mạch máy biến dòng điện và điện áp, cho nguồn điện thao tác và cho cả cuộn cắt của máy cắt điện như Hình vẽ 1-4. BI1 BI2 Máy cắt điện Mạch được bảo vệ MC MC CC CC2 KĐK N2 + N1 + CCh1 BV CCh BV2 BU Hình vẽ 1-4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng để tăng cường độ tin cậy 6 1.4 MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN (BI, CT) 1.4.1 Khái niệm về máy biến dòng điện Máy biến dòng điện (BI, CT= Current Transformer) là một loại thiết bị điện dùng để biến đổi dòng điện lớn ở phía mạch sơ cấp về các dòng điện thứ cấp tiêu chuẩn (1A, hoặc 5A) dùng cho mục đích bảo vệ và đo lường. Đồng thời các máy biến dòng còn làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch sơ cấp có dòng điện lớn, điện áp cao khỏi mạch bảo vệ ở phía thứ cấp. Điều này cho phép chế tạo theo qui chuẩn các thiết bị bảo vệ và đo lường, cũng như các thiết bị tự động khác. 1.4.2 Sơ đồ thay thế và ký hiệu máy biến dòng điện Đối với một số thiết bị đo lường và bảo vệ làm việc theo góc lệch pha của dòng điện cần phải nối đúng đầu các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến dòng. Các đầu cuộn dây sơ cấp được ký hiệu S1 và S2, còn các đầu cuộn dây thứ cấp T1 và T2. Các đầu cùng tên (đôi khi là S1 và T1) đôi khi được đánh dấu (*) hoặc nếu trên hình vẽ không ghi ký hiệu thì được hiểu là đầu cùng tên (S1 và T1 hoặc S2 và T2) nằm cạnh nhau. Các đầu dây được xác định theo quy tắc sau: Chọn đầu S1 của cuộn sơ cấp với qui ước là khi giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp IS đi từ đầu S1 đến S2 còn dòng điện thứ cấp IT sẽ đi từ T2 đến T1 (Hình vẽ 1-5 - a). Hình vẽ 1-5: Máy biến dòng cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến dòng Các đầu dây của máy biến dòng có thể được kiểm tra bằng thực nghiệm. Theo sơ đồ đơn giản gồm một Miliampemet có thang đo về hai phía và một bộ pin hoặc ắc quy như Hình 7 vẽ 1-5 - b. Nếu các đầu dây đấu đúng như hình vẽ thì khi công tắc K đóng kim của mA lệch về phía cực dương (+), còn khi công tắc K mở thì kim sẽ lệch về phía cực âm (-). 1.4.3 Sai số của máy biến dòng và yêu cầu về độ chính xác Các cuộn sơ cấp của BI thường có một đến hai vòng, trong khi đó cuộn dây phía thứ cấp của BI thường có nhiều vòng dây. Nếu bỏ qua tổn thất thì IT  IS nI ฀ trong đó: IT: Dòng điện phía thứ cấp của BI. IS: Dòng điện phía sơ cấp của BI. nI: Tỷ số biến đổi của máy biến dòng. Các tỉ số biến đổi thường có của BI cho trong bảng sau Bảng 1-1: Một số ví dụ về các tỉ số của BI Dòng điện 50:5 100:5 200:5 400:5 600:5 1000:5 2000:5 Tỉ số 10 20 40 80 120 200 400 Tuy nhiên thì bao giờ các máy biến dòng điện cũng có tổn thất, có dòng điện từ hóa I . Dòng điện từ hóa tỉ lệ với tổng trở mạch của mạch thứ cấp vì thế sai số của BI tỉ lệ với tổng trở thứ cấp của BI. Các loại sai số của BI gồm có: 1 Sai số về trị số dòng điện: bằng hiệu số giữa biên độ dòng điện sơ cấp sau khi đã tính n .I  I đổi (I’S) và dòng điện thứ cấp IT. sai số % = I T S .100 IS 2 Sai số góc i: bằng góc lệch pha  giữa véc tơ dòng điện sơ cấp và véc tơ dòng điện thứ cấp. 3 Sai số phức hợp Fi: bằng trị số hiệu dụng của dòng điện “thứ cấp lý tưởng” với dòng điện thứ cấp thực tế, nó bao gồm các sai số về trị số và sai số về góc pha có kết hợp xét đến ảnh hưởng của các hài bậc cao trong dòng điện từ hoá. 1 (niiT  iS ) 2 dt  T0 T Fi% = 100. IS ฀ trong đó: Fi%: Sai số phức hợp tính bằng %. T: Chu kỳ của dòng điện xoay chiều S. ni: Tỷ số biến đổi của máy biến dòng. iT: Giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp. IS và iS tương ứng là giá trị hiệu dụng và tức thời của dòng điện sơ cấp Cấp chính xác của máy biến dòng dùng cho đo lường và bảo vệ theo Bảng 1-2. Bảng 1-2: Cấp chính xác của một số loại máy biến dòng điện Lĩnh vực áp dụng EEC (Châu Âu) Theo tiêu chuẩn VCD (Đức) ANSI (Mỹ) 8 Lấy chuẩn dụng cụ đo đồng hồ mẫu Đo chính xác Đo đếm điện năng Đo lường công nghiệp đại lượng U,I,P,Q Mạch Ampemet, Volmet, rơle quá dòng quá áp Lõi từ dùng cho bảo vệ 0,1 0,2 0,5 1,0 3,5 5P, 10P 0,1 0,2 0,5 1,0 3,0 5P, 10P 0,2 0,3 0,6 1,2 1,2 C, T Các thiết bị bảo vệ rơle phải làm việc trong điều kiện sự cố với dòng điện sơ cấp vượt nhiều lần so với dòng điện định mức, tuy vậy vẫn phải đảm bảo độ chính xác cần thiết. ฀ Trị số dòng điện sơ cấp mà ở đó BI còn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu được gọi là dòng điện giới hạn theo độ chính xác. ฀ Tỷ số dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng điện định mức gọi là hệ số giới hạn theo độ chính xác. Các BI dùng cho thiết bị bảo vệ có cấp chính xác 5P và 10P, sai số cho phép về trị số (fi); góc pha (i, phút) và sai số phức hợp (Fi%) theo Bảng 1-3 Bảng 1-3: Giới hạn sai số của BI có cấp chính xác 5P và 10P Cấp chính xác fi% 5P ±1 10P ±3 i, phút Fi% 5 ±60 10 Hệ số giới hạn theo độ chính xác: 5, 10, 15, 20 và 30 Fi  5% Fi  10%   Hình vẽ 1-6: Sai số của BI và sơ đồ thay thế của BI dùng trong bảo vệ Thông số của BI dùng trong đo lường thường được ký hiệu theo phụ tải định mức và cấp chính xác, chẳng hạn 15VA; 0,5; còn BI dùng trong bảo vệ được ký hiệu theo phụ tải định mức, cấp chính xác và hệ số giới hạn theo độ chính xác, chẳng hạn 10VA, cấp 10P10 (số 10 sau cùng là hệ số giới hạn theo độ chính xác). Trên Hình vẽ 1-6 giải thích sai số và sơ sơ đồ thay thế của của BI dùng trong bảo vệ. 9 1.4.4 Tính toán phụ tải của máy biến dòng điện Trong sơ đồ bảo vệ, phụ tải của máy biến dòng điện có thể được đặc trưng bằng công suất đầu ra phía thứ cấp Spt(VA) hoặc tổng trở phía phụ tải Zpt (). Tổng trở phía thứ cấp của BI gồm có điện trở của rơle, điện trở dây nối phụ và điện trở tiếp xúc. Tổng trở phụ tải càng lớn thì công suất tiêu thụ ở phía thứ cấp càng cao, và sai số của biến dòng càng lớn. Z pt  U T S pt  2 IT I T Ví dụ nếu BI có công suất là 10VA, nếu dòng điện danh định thứ cấp là 5A thì phụ tải phía thứ cấp là: Z5A = 10/52=0,4 , nếu dòng điện danh định phía thứ cấp là 1A thì phụ tải phía thứ cấp là : Z1A = 10/1 2=10  Trong một số trường hợp để giảm sai số của biến dòng, người ta giảm điện áp ở đầu ra cuộn thứ cấp bằng cách nối tiếp hai cuộn biến dòng có cùng tỉ số lại với nhau như hình vẽ: IS UT1 IT Utải UT2 Z Hình vẽ 1-7: Nối tiếp hai máy biến dòng Khi đó phụ tải phía thứ cấp sẽ giảm xuống một nửa và được tính toán như sau: UT  U pt 2  IT Z 2 Và phụ tải của mỗi biến dòng là Z pt  UT IT Z 1 Z .   IT 2 IT 2 1.4.5 Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện Từ sơ đồ thay thế của BI trên Hình vẽ 1-6 khi mạch thứ cấp của BI bị hở, nếu phía sơ cấp có dòng điện thì toàn bộ dòng điện sơ cấp ấy sẽ làm nhiệm vụ từ hoá, từ cảm Bm tăng lên đột ngột gây bão hoà cho mạch từ nên các đường cong biến thiên theo thời gian của độ từ cảm B và từ thông F có dạng bằng đầu. Khi dòng điện sơ cấp qua trị số không, sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng có dạng đỉnh nhọn với biên độ rất lớn (Hình vẽ 1-8). Đặc biệt trong chế độ sự cố, khi dòng điện sơ cấp đạt bội số lớn, sức điện động cảm ứng phía thứ cấp có thể đến hàng chục kilôvôn, rất nguy hiểm cho người và thiết bị bên thứ cấp. Vì vậy không được để hở mạch phía thứ cấp của BI trong khi phía sơ cấp có dòng điện chạy qua. Trong trường hợp cần thực hiện đổi nối phía thứ cấp khi có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp thì phải nối tắt các cực thứ cấp của BI trước khi tiến hành đổi nối. Chế độ làm việc với cuộn thứ cấp bị nối ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của máy biến dòng. 10 eT , B,   ( B) I Hình vẽ 1-8: Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F, từ cảm B và sức điện động thứ cấp eT theo thời gian (b) 1.4.6 Các sơ đồ nối máy biến dòng điện 1.4.6.1 Sơ đồ nối các BI theo hình sao đầy đủ Trong sơ đồ này các biến dòng điện đặt trên cả ba pha, cuộn dây của rơle được nối vào dòng điện ba pha toàn phần (Hình vẽ 1-9 - a). Dây trung tính (dây về) bảo đảm sự làm việc đúng của sơ đồ khi ngắn mạch chạm đất. Khi hệ thống làm việc bình thường và khi ngắn mạch không chạm đất dòng điện 3I 0  0 và trong dây trung tính, về nguyên tắc, không có dòng điện. Khi ngắn mạch chạm đất dòng điện chạy trên dây trung tính là: 3I 0  I a  I b  I c Sơ đồ hình sao hoàn toàn có thể làm việc cả khi ngắn mạch một pha. Tuy nhiên, hiện nay để bảo vệ chống ngắn mạch một pha, người ta thường dùng sơ đồ hoàn hảo hơn có bộ lọc thành phần thứ tự không. a) Sơ đồ hình sao đầy đủ b) Sơ đồ hình sao khuyết Hình vẽ 1-9: Các nối BI và rơle theo sơ đồ hình sao 11 1.4.6.2 Sơ đồ nối các BI theo hình sao khuyết Các biến dòng điện chỉ đặt trên hai pha, cuộn dây của rơle cũng nối vào dòng điện pha toàn phần (Hình vẽ 1-9-b). Khi không có thành phần dòng điện thứ tự không, dòng điện trên dây về bằng: I  I  I  hay v a c I  I v b Như vậy trong sơ đồ này dòng điện IV tồn tại cả trong tình trạng làm việc bình thường và dây về bảo đảm sự làm việc bình thường của các biến dòng điện trong tình trạng này. Dây về còn bảo đảm sự tác động đúng của bảo vệ khi ngắn mạch hai pha trong đó một pha không đặt biến dòng điện (pha B) và khi ngắn mạch nhiều pha chạm đất. Khi ngắn mạch một pha ở pha không đặt biến dòng điện (pha B ở Hình vẽ 1-9 - b), sơ đồ hình sao khuyết sẽ không làm việc, vì vậy sơ đồ này chỉ dùng để chống ngắn mạch nhiều pha. 1.4.6.3 Sơ đồ nối một rơle vào hiệu số dòng điện hai pha Sơ đồ này còn được gọi là sơ đồ hình số 8 (Hình vẽ 1-10), dòng điện đi vào rơle là: I  I  I R a c Ở tình trạng làm việc đối, hoặc ngắn mạch đối xứng thì dòng điện đi vào rơle là: I  3I  3I . Như vậy, hệ số sơ đồ là: k  3 . R a c sđ Sơ đồ dùng một rơle nối vào hiệu số dòng điện hai pha có độ nhạy phụ thuộc vào dạng I ngắn mạch: k n  R I kđđ Hình vẽ 1-10: Sơ đồ nồi một rơle vào hiệu dòng điện hai pha và sơ đồ véc tơ của dòng điện thứ cấp qua rơle khi ngắn mạch 2 pha và ba pha ฀ Khi ngắn mạch ba pha dòng điện trong rơle I (3 ) R  3I ( 3) NT (Hình vẽ 1-10), trong đó I (3) NT là dòng điện ngắn mạch ba pha đã quy đổi về phía thứ cấp của biến dòng điện. ฀ Khi ngắn mạch hai pha có đặt biến dòng điện (AC) I ( 2) RAC  3I ( 2) NT . ฀ Khi ngắn mạch hai pha, trong đó một pha không đặt biến dòng điện (AB hoặc BC): I ( 2 ) RAB  I ( 2 ) RBC  3I ( 2 ) NT . Giả sử khi ngắn mạch 2 pha và 3 pha giá trị dòng điện ngắn mạch bằng nhau: I NT  I ( 2 ) NT ta có: k (3) n : k ( 2) nAC : k ( 2) nAB : k ( 2) nBC  3 : 2 : 1 : 1 ( 3) 12 Như vậy ở hai trong ba trường hợp ngắn mạch hai pha, sơ đồ có độ nhạy 3 lần bé hơn khi ngắn mạch hai pha. Đây là khuyết điểm của sơ đồ nối một rơle vào hiệu số dòng điện hai pha. 1.4.6.4 Bộ lọc dòng điện thứ tự không Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không được vẽ ở Hình vẽ 1-11. Để lọc dòng điện thứ tự không có thể cộng trực tiếp dòng điện thứ cấp của ba pha ( Hình vẽ 1-11- b) hoặc cộng từ thông của ba pha dòng điện xoay chiều (Hình vẽ 1-11-c,d) 3 o Hình vẽ 1-11: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không: a) sơ đồ nguyên lý, b) bộ lọc dùng ba máy biến dòng, c) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây trên không, d) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây cáp ngầm Đối với sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không như Hình vẽ 1-11-b thường được dùng trong lưới điện có dòng chạm đất lớn. Nhược điểm của sơ đồ này là có dòng không cân bằng ở đầu ra của bộ lọc lớn ở chế độ làm việc bình thường do đặc tính của các BI trong bộ lọc có thể khác nhau. I R  I a  I b  I c  I  I  I 3I A B C  o ni ni Trong lưới có dòng chạm đất bé (trung tính cách điện hoặc nối đất qua điện kháng lớn) dùng các bộ lọc thứ tự không làm việc theo nguyên lý cộng từ thông của ba pha dòng điện sơ cấp (Hình vẽ 1-11-c,d). Chú ý: Khi lắp biến dòng thứ tự không ở đầu cáp, dây nối đất vỏ cáp phải xuyên lõi mạch từ để khử thành phần từ thông do dòng điện phân bố trong đất có thể chạy qua vỏ cáp và dây nối đất gây nên. 1.4.6.5 Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2) Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2) như Hình vẽ 1-12. Dòng điện thứ cấp của BI pha A là ITA chạy qua R1, dòng điện thứ cấp của BI pha C là ITC chạy qua R2 13 và X nối tiếp nhau. Các dòng điện này gây nên các thành phần điện áp giáng tương ứng: UR1, UR2, UX.  U  U  Ở đầu ra của bộ lọc LI2 Hình vẽ 1-12-b ta có: U nm R1 XR 2    ฀ trong đó: U XR 2  U R 2  U X Trị số của các điện trở R1, R2 và cảm kháng X được chọn sao cho trong chế độ đối xứng ta có (Hình vẽ 1-12-c): UR1 = UR2 và Umn = 0 Khi xuất hiện dòng thứ tự nghịch, điện áp ở đầu ra của bộ lọc Umn có trị số lớn (Hình vẽ 1-12-d). Hình vẽ 1-12: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI2: a) Sơ đồ cấu trúc, b) mạch điện, c) Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự thuận, d) đồ thị véc tơ thành phần thứ tự nghịch 1.5 MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP (BU, VT, PT) 1.5.1 Khái niệm về máy biến điện áp Máy biến điện áp (BU, VT= Voltage Transformer hoặc PT= Potential Transformer) làm nhiệm vụ biến đổi điện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn 100V hoặc 110V để dùng cho mục đích bảo vệ và đo lường, đồng thời cách ly các thiết bị ở mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp. Các máy biến điện áp cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý được trình bày như ở Hình vẽ 1-13 14 S1* T1* Tải S2 T2 Hình vẽ 1-13: Máy biến điện áp cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến điện áp Cách đánh dấu các đầu dây của các cuộn sơ cấp và thứ cấp của BU cũng hoàn toàn tương tự như đối với cách đánh dấu các đầu dây của BI. Các đầu cuộn dây sơ cấp được ký hiệu S1 và S2, còn các đầu cuộn dây thứ cấp T1 và T2. Các đầu cùng tên (đôi khi là S1 và T1) đôi khi được đánh dấu (*) hoặc nếu trên hình vẽ không ghi ký hiệu thì được hiểu là đầu cùng tên (S1 và T 1 hoặc S2 và T 2) nằm cạnh nhau. 1.5.2 Sai số của máy biến điện áp và yêu cầu về độ chính xác Cũng tương tự như BI, các BU cũng có các sai số. 1 Sai số về trị số điện áp được tính theo công thức: n U  US .100% FU %  U T US ฀ Trong đó: FU%: Sai số tính bằng %. nU: Tỷ số biến đổi của BU, nU=USdđ/ UTdđ US, UT: Giá trị tương ứng của điện áp đo được trên cực của cuộn sơ cấp và thứ cấp. 2 Sai số góc U: bằng góc lệch pha  giữa véc tơ điện áp sơ cấp và véc tơ điện áp thứ cấp. 3 Các BU được phân loại theo cấp chính xác dùng cho bảo vệ được cho ở bảng dưới: 15 Bảng 1-4: Giới hạn sai số của BU dùng cho bảo vệ Cấp chính xác 3P 6P u (phút) ±120 ±240 fu (%) ±3 ±6 Ghi chú: Điện áp thay đổi trong giới hạn (0,051)Umcp (quá điện áp lớn nhất cho phép). Phụ tải thay đổi trong giới hạn (0,251)SPtđm với cosφ = 0,8. 1.5.3 Các sơ đồ nối máy biến điện áp 1.5.3.1 Sơ đồ nối các máy biến điện áp BU theo hình sao Có thể dùng ba biến điện áp một pha hoặc một biến điện áp ba pha như hình vẽ RL RL RL RL RL (a) RL RL (b) RL RL (c) Hình vẽ 1-14: Sơ đồ nối các BU theo hình sao: a nối vào điện áp dây, b) nối vào điện áp pha, c) điện áp ba pha và dây trung tính của HTĐ Sơ đồ có thể cung cấp cho rơle các điện áp dây, các điện áp pha và các điện áp giữa các pha và điểm trung tính của hệ thống điện áp dây. Trên Hình vẽ 1-14 điện áp đặt vào các rơle: U a0   U  U ab ac ; 3 U b0   U  U ba bc ; 3 U c0   U  U ca cb 3 Để thực hiện sơ đồ này cũng có thể dùng máy biến áp ba pha năm trụ. 1.5.3.2 Sơ đồ nối các máy biến điện áp BU theo hình V Sơ đồ nối máy biến điện BU theo hình V (sao khuyết) như Hình vẽ 1-15. Sơ đồ được tạo thành bởi hai biến điện áp một pha nối vào hai điện áp dây bất kỳ của mạng sơ cấp và được dùng rộng rãi trong các hệ thống điện áp dưới 35kV khi không cần phải nhận điện áp pha đối với đất. RL RL RL RL RL RL Hình vẽ 1-15: Sơ đồ nối các BU theo hình V/V 16 1.5.3.3 Sơ đồ lọc điện áp thứ tự không (LU0) Sơ đồ được tạo thành bởi ba biến điện áp một pha hoặc một biến điện áp ba pha năm trụ có hai cuộn dây thứ cấp, một cuộn dây nối hình sao có trung tính nối đất, một cuộn nối hình tam giác hở. Điện áp đặt vào rơle nối vào hai đầu tam giác hở Hình vẽ 1-16 –a     U R  U aU bU c =   1  3  (U A  U B  U C ) = UO nU nU Hình vẽ 1-16: Các sơ đồ bộ lọc thứ tự không, a) cuộn tam giác hở, b) bộ lọc điện áp thứ tự không ở trung tính máy phát điện Cũng có thể nhận nhận được điện áp U0 bằng cách nối đất điểm trung tính của hệ thống, thí dụ của máy phát điện Hình vẽ 2-3- b qua một biến điện áp một pha. Rơle được nối vào cuộn thứ cấp của biến điện áp. Khi chạm đất sẽ có dịch chuyển điện áp 1 U0 của điểm trung tính và trên các cực của rơle có điện áp là U R  U 0 . nu 1.5.3.4 Sơ đồ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) như Hình vẽ 1-17 Ůa Ůb Ůc Ůa m LU2 ZPT n a) Sơ đồ nguyên lý Ůb Ůc C1 R1 Umn C2 R2 b) sơ đồ nối các tụ 17 A 1 B  ŮBC ŮAB n ŮmB ŮBn B  ŮCA C    U nC C U Am  U nC U mn=0 c) Khi không có dòng thứ tự nghịch  U mB  U Bn U mn U BC 2 m   U AB  U CA U Am A d) Khi có dòng thứ tự nghịch Hình vẽ 1-17: Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch Các điện trở tác dụng R1, R2 và tụ C1, C2 được nối vào điện áp dây phía thứ cấp của máy biến điện áp. Thông số của tụ điện và điện trở được chọn theo quan hệ: C1  3 R1 và C2  1 3.R2 Ở chế độ điện áp đối xứng bình thường (chỉ có thành phần điện áp thứ tự thuận U1), điện áp đầu ra của bộ lọc Umn = 0 (Hình vẽ 1-17 -c). Đối với điện áp ba pha thứ tự nghịch U2, ( Hình vẽ 1-17 -d) điện áp đầu ra của bộ lọc LU2 bằng:Umn = 3 .UT. Trong đó UT là điện áp dây phía thứ cấp của biến điện áp. 1.6 NGUỒN ĐIỆN THAO TÁC Các nguồn điện thao tác dùng để cung cấp điện cho hệ thống rơle bảo vệ, điều khiển, và báo tín hiệu, để thao tác đóng và cắt máy cắt và dùng vào một số mục đích khác trong các nhà máy điện, trạm biến áp, trung tâm vận hành điều khiển HTĐ Nguồn điện thao tác cần bảo đảm các yêu cầu sau: ฀ Độc lập hoàn toàn với chế độ làm việc xoay chiều ฀ Đủ năng lượng cung cấp cho hệ thống bảo vệ, điều khiển, tín hiệu, và làm việc chắc chắn trong quá trình làm việc ฀ An toàn, tin cậy và kinh tế Hiện nay thường dùng nguồn điện một chiều do ắc quy cung cấp và nguồn điện xoay chiều do biến dòng điện, biến điện áp và mạng điện áp thấp cung cấp. 1.6.1 Nguồn điện thao tác một chiều Thường dùng các bộ ắc quy có điện áp định mức tùy theo mô hình trạm, và điện áp định mức của các thiết bị bảo vệ. Thông thường điện áp của các thiết bị từ 24, 48, 110 hoặc 220V. Thiết bị bảo vệ cần phải làm việc chắc chắn khi điện áp của nguồn ắc quy dao động trong khoảng (0,8 - 1,1 )Uđm. Ưu điểm của các nguồn điện thao tác một chiều là sự độc lập hoàn toàn của chúng đối với điện áp và tình trạng làm việc của hệ thống được bảo vệ. 18 Tuy nhiên chúng cũng có một số khuyết điểm lớn sau: ฀ Độc hại (nhất là các ắc qui chì) ฀ Cần đặt và chăm sóc ắc quy ฀ Mạng thao tác của các phần tử liên hệ với nhau, khó phát hiện điểm chạm đất. Ví dụ: Sơ đồ nguyên lý một pha dùng rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn được trình bày trên Hình vẽ 1-18 CC 2MC Tín hiệu N2 N1 1RIT 4RG T 5 3BI 6 Từ bộ ắc qui + - Hình vẽ 1-18: Sơ đồ dùng rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn làm việc với dòng điện thao tác một chiều Khi bảo vệ khởi động rơle dòng điện 1 RIT khép tiếp điểm và đầu dương của nguồn điện thao tác một chiều đặt vào cuộn cắt CC của máy cắt 2MC. Sau khi máy cắt mở, tiếp điểm BT của bộ phận truyền động máy cắt mở ra, ngắt mạch dòng điện thao tác trước khi tiếp điểm của rơle RIT mở để tránh hư hỏng tiếp điểm của rơle do dòng điện qua cuộn cắt lớn. Rơle trung gian 4 RG dùng để kiểm tra mạch cắt. Khi có hư hỏng trong mạch này, tiếp điểm 4 RG đóng lại và cho tín hiệu. Điện trở 5 làm giảm dòng điện qua cuộn cắt đến trị số bé hơn trị số dòng điện làm việc của nó. Trong mạch một chiều có khi chạm đất tại hai điểm (thí dụ tại N1 và N2 trên Hình vẽ 1-18 tiếp điểm của rơle bị nối tắt làm cho bảo vệ tác động nhầm. Vì vậy cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm tác động báo tín hiệu trong mạch một chiều. 1.6.2 Nguồn điện thao tác xoay chiều Xu hướng dùng nguồn điện thao tác xoay chiều được đặc biệt chú ý trong những năm gần đây. Sau đây ta sẽ xét một số sơ đồ thường dùng. 1.6.2.1 Sơ đồ khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt. Cuộn cắt của máy cắt bình thường bị nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng của rơle 1RIT như Hình vẽ 1-19. Khi bảo vệ tác động, rơle thay đổi trạng thái của các tiếp điểm và khử nối tắt cuộn cắt máy cắt. Công suất của cuộn cắt khá lớn. Vì vậy khi cắt biến dòng điện có thể bị quá tải và sai số sẽ tăng lên. Tuy nhiên đối với bảo vệ điều này không ảnh hưởng gì, nếu không vì sai số tăng lên mà dòng điện qua rơle giảm xuống thấp hơn dòng điện trở về. 19 Hình vẽ 1-19: Sơ đồ bảo vệ dòng điện dùng nguồn thao tác xoay chiều theo phương pháp khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt 1.6.2.2 Sơ đồ dùng biến dòng bão hoà trung gian. Khi khởi động rơle RIT đóng tiếp điểm thường mở đưa dòng điện thao tác từ biến dòng bão hoà trung gian 3 BIBH vào cuộn cắt CC (Hình vẽ 1-20-a). Nhờ bão hoà nên 3BIBH bảo đảm được dòng điện thứ cấp gần như không đổi, đủ cho bộ phận truyền động của máy cắt làm việc khi dòng điện sơ cấp vượt quá giá trị tối thiểu đã cho. Hình vẽ 1-20: Sơ đồ bảo vệ dòng điện nối vào dòng điện thao tác xoay chiều qua biến dòng bão hoà trung gian Thực tế vận hành cho thấy trong sơ đồ này khi bội số dòng điện ngắn mạch tăng, do mạch thứ cấp của BIBH hở, hiện tượng hở mạch phía thứ cấp của biến dòng điện có thể rất nguy hiểm. Để khắc phục khuyết điểm này người ta dùng sơ đồ với rơle RIT có tiếp điểm chuyển tiếp (Hình vẽ 1-20-b). Trong sơ đồ này, bình thường cuộn thứ cấp của 3BIBH được nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng của rơle RIT. 1.6.2.3 Bộ cung cấp liên hợp. Bộ cung cấp liên hợp dùng cho dòng điện thao tác bằng cách tổng hợp các dòng điện chỉnh lưu từ các nguồn dòng điện (biến dòng điện) và điện áp (biến điện áp). Tụ điện 3 dùng để giảm bớt phụ tải của biến dòng điện (bù thành phần phản kháng) và để ổn định điện áp trên bộ chỉnh lưu như Hình vẽ 1-21. Trong các bộ cung cấp liên hợp cần chọn pha của dòng điện và điện áp sao cho công suất nhận được là lớn nhất. 20 Hình vẽ 1-21: Sơ đồ bộ cung cấp liên hợp 1.6.2.4 Dùng những tụ điện đã được nạp sẵn. Nguồn của dòng điện thao tác là là bộ tụ điện 1 đã được nạp điện qua biến điện áp 2 và chỉnh lưu 3 (Hình vẽ 1-22). Năng lượng CU2/2 tích trên tụ điện phải lớn hơn năng lượng làm việc của cuộn cắt máy cắt. Máy biến áp tăng 4 (từ 100V lên 400V) dùng để giảm bớt điện dung C của tụ điện. Điện trở 5 dùng để hạn chế dòng điện nạp của tụ điện và dòng điện qua nó khi chỉnh lưu 3 bị chọc thủng. Tuy nhiên điện trở này lại làm tăng thời gian nạp của tụ điện, gây trở ngại lớn cho các thiết bị tự động đóng trở lại tác động nhanh. Rơle điện áp 6RU có tác dụng ngăn chặn dòng điện ngược qua chỉnh lưu khi điện áp phía sơ cấp sụt xuống. Ưu điểm của nguồn điện thao tác dùng tụ điện đã được tích điện trước là sự độc lập của nó đối với các dạng hư hỏng của phần tử được bảo vệ. Tuy nhiên nguồn điện thao tác này chỉ có thể tác động trong thời gian ngắn nên không thể dùng để cung cấp cho các bộ phận của bảo vệ tác động có thời gian (như rơle thời gian chẳng hạn). Hình vẽ 1-22: Sơ đồ nguồn cung cấp bằng bộ tụ nạp sẵn 1.7 KÊNH THÔNG TIN TRUYỀN TÍN HIỆU 1.7.1 Các loại kênh truyền tín hiệu Để phục vụ cho việc truyền dữ liệu, thông tin liên lạc, điều khiển, bảo vệ và tự động hoá, hệ thống điện có thể dùng nhiều loại kênh truyền tín hiệu khác nhau. ฀ Dây dẫn phụ/cáp thông tin của ngành điện hoặc mạng bưu chính viễn thông ฀ Kênh tải ba (PLC): Tải tín hiệu tần số cao bằng dây dẫn của đường dây tải điện ฀ Kênh thông tin vô tuyến siêu cao tần (viba) ฀ Cáp quang 21 Đối với hệ thống bảo vệ rơ le, kênh truyền tín hiệu được sử dụng trong các sơ đồ bảo vệ so lệch hoặc trong các sơ đồ điều khiển liên động các bảo vệ lân cận nhau nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy của các bảo vệ trong việc loại trừ sự cố, hoặc tác động nhầm. Ví dụ như trong sơ đồ bảo vệ so lệch (so lệch pha hoặc so lệch dòng điện), tín hiệu ở hai đầu phần tử được bảo vệ (góc pha của các dòng điện hoặc biên độ và góc pha của các dòng điện tuỳ theo phân loại bảo vệ) được truyền qua kênh dẫn để tiến hành so sánh tại vị trí đặt thiết bị bảo vệ rơ le. Đường dây tải điện Cắt U I U I Cắt liên động Sơ đồ bảo vệ rơ le Cắt liên động Cho phép Cho phép Khoá Khoá Tín hiệu điều khiển (Phát) Cắt KÊNH TRUYỀN Tín hiệu điều khiển (Thu) Sơ đồ bảo vệ rơ le TÍN HIỆU Đo xa Đo xa Điều khiển xa Điều khiển xa Thoại Thoại Dữ liệu Dữ liệu Thông tin Thông tin Hình vẽ 1-23: Liên hệ giữa các thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu Thường dùng ba loại tín hiệu điều khiển sau: ฀ Tín hiệu cắt liên động: để cắt đồng thời các máy cắt ở các phía khác nhau của phần tử được bảo vệ hoặc máy cắt lân cận với máy cắt bị hư hỏng. ฀ Tín hiệu cho phép: Máy cắt chỉ có thể được cắt ra khi nhận được tín hiệu cho phép đồng thời với sự tác động của thiết bị bảo vệ rơ le làm nhiệm vụ bảo vệ chính chống lại các sự cố đang xét. ฀ Tín hiệu khoá: Máy cắt chỉ có thể được cắt ra khi không có tín hiệu khoá đồng thời với sự tác động của thiết bị bảo vệ rơ le làm nhiệm vụ bảo vệ chính chống lại loại sự cố đang xét. Liên hệ giữa các thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu được minh hoạ trên Hình vẽ 1-23 22 1.7.2 Yêu cầu đối với kênh truyền tín hiệu Thời gian loại trừ sự cố bao gồm thời gian tác động của rơ le, thời gian truyền tín hiệu và thời gian cắt của máy cắt. Thời gian loại trừ sự cố được xác định từ điều kiện đảm bảo cho sự ổn định của hệ thống, hạn chế hậu quả của ngắn mạch, nhanh chóng phục hồi việc cung cấp điện cho hộ tiêu thụ …Thông thường thời gian truyền tín hiệu cũng gần bằng thời gian làm việc của bảo vệ rơ le, đối với các lưới điện cao áp và siêu cao áp thời gian này vào khoảng (15 ÷ 40)ms tùy từng loại bảo vệ. Các kênh truyền thường bị ảnh hưởng của các nhiễu khác nhau tuỳ theo loại kênh truyền. Các nhiễu này có thể làm cho bảo vệ tác động sai hoặc mất tín hiệu điều khiển. Để đặc trưng cho tính năng truyền đối với từng loại tín hiệu điều khiển, thường dùng ba thông số sau ฀ Thời gian làm việc cực đại Tac. ฀ Xác suất hiện tín hiệu lạ ฀ Độ an toàn  (1- PVC). 100% PVC. ฀ Xác suất mất tín hiệu điều khiển PMC. ฀ Độ phụ thuộc  (1- PMC). 100% 1.7.3 Môi trường truyền tín hiệu và nhiễu 1.7.3.1 Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin điện lực thường được đặt cùng rãnh với cáp cao áp hoặc trong rãnh cáp riêng hay bằng dây trần trên cột. Vì các dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin được đặt song song với đường dây tải điện nên có sức điện động cảm ứng. Điện áp cảm ứng tần số công nghiệp thường được tính toán sao cho các thiết bị thứ cấp có thể chịu đựng được. Để hạn chế điện áp cảm ứng dùng các van chống quá điện áp để nối tắt các dây dẫn phụ trong trường hợp điện áp tăng cao (khi xuất hiện quá trình quá độ), nhưng nó có thể làm cho bảo vệ không tác động trong trường hợp quá điện áp gây nên bởi sự cố chính mà bảo vệ phải tác động. Các thiết bị thứ cấp phải chịu đựng nổi điện áp cảm ứng khi có sét đánh hoặc khi đóng cắt bên phía sơ cấp của hệ thống điện. Dây dẫn phụ và cáp thông tin dùng cho bảo vệ được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, tuy nhiên phạm vi sử dụng bị hạn chế vì độ tin cậy thấp và giá chi phí tương đối cao. Đối với các hệ thống điện tập trung, khoảng cách giữa các đầu phát và thu tín hiệu không lớn, có thể dùng dây phụ hoặc cáp thông tin riêng. Nếu dùng kênh truyền tin của hệ thống viễn thông thì khả năng quá điện áp ở phía thứ cấp có thể thấp hơn vì lộ trình của kênh thông tin khác với lộ trình đường dây tải điện, tuy nhiên các thiết bị phía thứ cấp cũng phải có khả năng chịu một mức độ quá điện áp nhất định. Trong một số trường hợp sự cố chạm đất, thế ở điểm nối đất của nhà máy điện và trạm biến áp có thể khá cao, vì vậy cần phải dùng biến áp phân cách để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị của hệ thống bưu chính viễn thông. Các biến áp phân cách phải chịu đựng được điện áp khá cao (đến 15kV). Dây dẫn phụ và cáp thông tin làm việc với tín hiệu truyền dẫn từ một chiều đến 200Hz xoay chiều, với bán kính  11km, thích hợp với bảo vệ so lệch. Trong lưới 110kV thường không yêu cầu thời gian tác động của bảo vệ thật nhanh, các kênh thuê bao có thể dùng chung cho điện thoại, đo lường và bảo vệ do đó chi phí thuê bao tương đối thấp. 23 Với lưới điện 220 ÷ 500kV, yêu cầu về thời gian của bảo vệ phải nhanh hơn và kênh truyền phải có độ tin cậy cao hơn nên phải thuê bao riêng các kênh truyền dùng cho bảo vệ. 1.7.3.2 Các kênh tải ba (PLC) Đối với những đường dây dài hoặc đi qua những địa hình phức tạp việc lắp đặt dây dẫn phụ gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Trong trường hợp này sử dụng dây dẫn của chính đường dây tải điện để truyền tín hiệu cao tần dùng cho bảo vệ và thông tin liên lạc. Ưu điểm là dây dẫn chắc chắn hơn, tổn hao trong truyền tín hiệu sẽ thấp hơn, kênh truyền hoàn toàn nằm dưới quyền kiểm soát của công ty điện lực. Có thể sử dụng một hay hai pha của đường dây tải điện bằng cách đặt các bộ chắn ở hai đầu đường dây được bảo vệ. Các bộ chắn này có tổng trở rất bé đối với dòng điện tần số công nghiệp nhưng rất lớn đối với tín hiệu cao tần dùng cho thông tin bảo vệ để các tín hiệu này không lan truyền ra ngoài phạm vi đường dây bảo vệ. Sơ đồ hai pha tuy có tốn kém hơn so với sơ đồ pha - đất, nhưng mức tổn hao khi truyền tín hiệu sẽ thấp hơn và không bị phụ thuộc vào điện trở đất cũng như nối đất vì vậy được dùng rộng rãi. Tổn hao tín hiệu trên đường dây ít phụ thuộc vào mưa ẩm. Công suất đầu ra của thiết bị phát cao tần thường từ 2 ÷ 100W (+50dBm) tuỳ từng tương quan giữa tín hiệu – nhiễu. Mức tín hiệu truyền cao nhất hoặc thời gian truyền tín hiệu dài nhất tuỳ thuộc vào từng quốc gia để không ảnh hưởng đến hệ thống thông tin và truyền thông toàn quốc. Khi có sét đánh vào đường dây hoặc đường dây bị sự cố hay thao tác dóng cắt, có thể gây nhiễu mạnh đến kênh thông tin. Mặc dù những nhiễu này chỉ xảy ra trong thời gian ngắn (khoảng vài ms) nhưng nó có thể làm cho thiết bị thu cao tần bị quá tải. Các thiết bị thuộc hệ thống cắt liên động phải được chỉnh định để không xảy ra tác động nhầm. Cần chú ý trường hợp dùng nguyên lý truyền tín hiệu cho phép vì tín hiệu cho phép được truyền qua đoạn đường dây bị sự cố. Mức độ tắt dần của tín hiệu cao tần truyền qua kenh dẫn phụ thuộc vào loại sự cố, tuy nhiên thường chọn trong giới hạn giữa 20 đến 30dB. 1.7.3.3 Các kênh vô tuyến vi ba Các kênh vi ba cho phép truyền tín hiệu trong một dải khá rộng và sử dụng các modem với năng lực truyền rất lớn. Tín hiệu bảo vệ và điều khiển có thể truyền nối tiếp với độ dài đủ lớn và độ mã hoá phức tạp để đảm bảo độ tin cậy của truyền tin nhưng vẫn phải giã được tốc độ truyền rất cao. Trên thực tế, có thể dùng chung các thiết bị vô tuyến tiêu chuẩn trong thông tin vào mục đích truyền tín hiệu bảo vệ và điều khiển trong hệ thống điện. Thường các thiết bị vi ba làm việc với tần số từ 0,2 ÷ 10GHz vì các thiết bị vi ba làm việc có định hướng và dải tần số đã được định trước nên ít bị nhiễu, cho phép sử dụng đồng thời nhiều kênh thông tin và mở rộng dải tần số của tín hiệu truyền để dùng cho cả mục đích thông tin (thoại) lẫn truyền dữ liệu. Hệ thống truyền tín hiệu bằng kênh vô tuyến siêu cao tần (vi ba) được sử dụng rộng rãi để liên hệ các trung tâm điều khiển với nhau. Khi lộ trình của các kênh vi ba trùng hợp với lộ trình của đường dây tải điện, có thể sử dụng các kênh vi ba vào mục đích truyền tín hiệu bảo vệ. Trên thực tế các trạm vi ba không trùng hợp với các trạm đầu và cuối của đường dây tải điện nên khả năng sử dụng các kênh vi ba trực tiếp để truyền tín hiệu bảo vệ thấp hơn so với các kênh tải ba của hệ thống. Mức độ tắt dần của tín hiệu vi ba không phụ thuộc sự cố trên đường dây tải điện nhưng bị ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến, nhiễu này thường do bản thân các thiết bị vô tuyến gây nên. Chiều cao của các cột ăng ten vi ba được hạn chế để ảnh hưởng của gió bão và thay đổi nhiệt không tác động nhiều đến sự làm việc của ăng ten. 24 1.7.3.4 Các kênh cáp quang Cáp quang là những sợi thuỷ tinh nhỏ có khả năng truyền ánh sáng đi xa. Trong hệ thống điện cáp quang thường được chế tạo kết hợp bên trong dây nhôm lõi thép để làm nhiệm vụ chống sét trên các đường dây tải điện. So với cáp thông tin dùng tín hiệu điện, cáp quang có ưu điểm là năng lực truyền tải rất lớn và không bị nhiễu bởi sóng điện từ. Tín hiệu quang sau khi được mã hoá, được truyền theo sợi quang đến đầu nhận, tại đây sẽ phải giải mã để chuyển thành những thông tin cần thiết. Thiết bị để mã hoá và giải mã thường được sử dụng có tần số tương ứng với bước sóng 850, 1300, 1550 nanomet. Khoảng cách có thể truyền tín hiệu quang trực tiếp phụ thuộc vào mức độ suy giảm và tán xạ của tín hiệu trong hệ truyền dẫn ánh sáng, phụ thuộc vào chủng loại, chất lượng của sợi quang và bước sóng của nguồn phát tín hiệu. Với các kênh truyền tín hiệu quang ở tần số hàng trăm megahec khoảng cách truyền hàng chục kilomet, khi khoảng cách lớn hơn cần có những trạm lặp trung gian. Các kênh truyền bằng cáp quang hiện đại có khả năng truyền tải lớn các tín hiệu thoại, đo lường, điều khiển và bảo vệ. Hiện nay cáp quang được chế tạo kết hợp với cáp lực để giảm giá thành và tăng tính bền vững, an toàn của tuyến cáp quang và được sử dụng rộng rãi không những trong các hệ truyền tải cao áp và siêu cao áp mà còn được dùng đối với lưới điện trung áp và hạ áp. 1.8 THÔNG TIN CẦN THIẾT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN BẢO VỆ RƠLE 1.8.1 Nguyên lý đó lường dùng trong mục đích bảo vệ 1.8.1.1 Đo lường một đại lượng đầu vào Đại lượng đầu vào X của rơle thường là những đại lượng tương tự (dòng điện, điện áp…) được lấy ra từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và máy biến điện áp. Trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lượng đầu vào được so sánh với ngưỡng tác động của rơle (còn gọi là trị số chỉnh định của rơle). Nếu đại lượng đầu vào biến thiên vượt quá (đối với rơle cực đại) hoặc thấp hơn (đối với rơle cực tiểu) ngưỡng chỉnh định thì rơle sẽ tác động. Sau khi tác động xong nếu đại lượng đầu vào biến thiên theo chiều ngược lại và vượt quá trị số trở về XTV, rơle sẽ trở về trạng thái ban đầu trước lúc khởi động. Trị số XTV được gọi là ngưỡng trở về hoặc trị số trở về. Trị số trở về và trị số khởi động được liên hệ với nhau qua hệ số trở về kV: kV  X TV X kđ ฀ Đối với các rơle điện cơ kV ≠ 1, thông thường kV = 0,85 ÷ 0,9 đối với rơle cực đại. kV = 1,1 ÷ 1,15 đối với rơle cực tiểu. ฀ Đối với rơle tĩnh và rơle số kV ≈ 1. Khái niệm rơle cực đại (tác động khi đại lượng đầu vào tăng) và rơle cực tiểu (tác động khi đại lượng đầu vào giảm) có ảnh hưởng đến cấu trúc của rơle điện cơ (cuộn dây, lò xo, tiếp điểm). Đối với rơle tĩnh và rơle số chức năng cực đại và cực tiểu dễ dàng đổi chỗ cho nhau bằng phép nghịch đảo tín hiệu lô gic đầu ra của rơle. 25 1.8.1.2 So sánh nhiều đại lượng đầu vào Rơle có thể tác động trên cơ sở so sánh nhiều đại lượng đầu vào như rơle khoảng cách, so lệch, định hướng công suất v.v.. làm việc với hai đại lượng đầu vào. Trong trường hợp tổng quát, hai đại lượng đầu vào X1, X2 là tổ hợp của dòng điện I và điện áp U của phần tử bảo vệ:  K  U  K  I X 1 1 2     X 2  K 3 U  K 4 I Ở đây các hệ số tỷ lệ K1, K2, K3, K4 là những hệ số phức. Tùy từng loại bảo vệ (loại rơle) có thể chọn những trị số thích hợp cho những hệ số này. Như rơle so lệch dòng điện, hai đại lượng dùng để so sánh là véc tơ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ I1 và I 2 , khi ấy chọn K1 = K3 = 0 và K2 = K4 = 1. Đối với rơle khoảng cách, hai đại lượng dùng để so sánh là điện áp chỗ đặt bảo vệ và dòng điện chạy qua phần tử được bảo vệ nên ta chọn K1 = K4 = 1 và K2 = K3 = 0. Với các rơle làm việc theo hai đại lượng đầu vào thường người ta dùng hai nguyên lý so sánh: so sánh biên độ và so sánh pha. 1.8.1.3 So sánh biên độ Trong các rơle làm việc theo hai đại lượng đầu vào (chẳng hạn X1) tác động theo chiều hướng làm cho rơle khởi động còn đại lượng kia (X2) tác động theo chiều hướng ngược lại (hãm, cản trở sự tác động của rơle).  X  Tín hiệu đầu ra Y sẽ xuất hiện khi: X 1 2  tín hiệu đầu vào khởi động, X  tín hiệu đầu vào hãm ฀ trong đó: X 1 2 Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng điện được sử dụng trong bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách như Hình vẽ 1-24. Hình vẽ 1-24: Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng đầu vào 1.8.1.4 So sánh pha. So sánh pha phản ánh góc lệch pha giữa các đại lượng đầu vào, nếu góc lệch pha vượt quá (lớn hơn hay bé hơn) trị số pha định trước rơle sẽ tác động. Các đại lượng tương tự đầu vào X1, X2 qua các bộ biến đổi BD1, BD2 biến thành các xung chữ nhật X’1, X’2 với thời gian trùng pha là tK được gọi là so sánh thời gian trùng hợp pha. Nếu thời gian trùng hợp pha tK lớn hơn thời gian đặt t của bộ phận thời gian thì sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra (Y = 1). 26 K  K , tK Hình vẽ 1-25: Nguyên lý so sánh pha (a) và biểu đồ so sánh hai tín hiệu đầu vào hình sin lệch pha nhau (b) Trên Hình vẽ 1-25 trình bày biểu đồ so sánh nửa chu kỳ dương của hai đại lượng đầu vào hình sin X1 và X2. Cũng có thể tiến hành so sánh cả nửa chu kỳ âm để tăng mức độ tác động nhanh của bộ phận so sánh. Để tăng độ chính xác của bộ phận so sánh pha có thể lọc và khử thành phần một chiều cũng như các sóng hài bậc cao trong các đại lượng đầu vào X1 và X2 trước khi đưa vào bộ so sánh. 1.8.2 Tính toán ngắn mạch/sự cố 1.8.2.1 Chế độ hệ thống điện Sự cố nguy hiểm nhất trong HTĐ đó chính là sự cố ngắn mạch. Hậu quả của ngắn mạch lại phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc, hay chế độ huy động công suất của HTĐ. Ngắn mạch ở các thời điểm vận hành HTĐ khác nhau sẽ cho kết quả tính toán khác nhau. Nếu chế độ huy động công suất max và min chênh lệch nhau lớn, thì dòng điện ngắn mạch sẽ khác nhau rất nhiều. Thông thường khi tính toán đặt thông số người ta thường tính cho chế độ huy động công suất max (các máy phát, máy/thiết bị bù huy động hết công suất, phụ tải trong hệ thống là lớn nhất). Còn chế độ huy động công suất min (một số máy phát có thể bị cắt ra để bảo dưỡng, sửa chữa…) thì dùng để kiểm tra độ nhạy của các bảo vệ. 1.8.2.2 Cấu hình hệ thống Cấu hình hệ thống có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tính toán bảo vệ cho HTĐ, Cấu hình hệ thống cần thiết cho việc lựa chọn phương thức bảo vệ, cũng như loại bảo vệ. Ví dụ đường dây hình tia, một nguồn thì chỉ cần đặt một bảo vệ phía đầu nguồn, nhưng đường dây kép, hoặc mạch vòng thì có thể phải đặt thêm bộ phận định hướng công suất. Hơn nữa, trong HTĐ vận hành theo cơ chế thị trường, hoặc với sự có mặt với dung lượng lớn của hệ thống điện phân tán, thì dòng công suất/dòng điện có thay đổi liên tục, do đó cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn thông số bảo vệ, chiều/hướng tác động của bảo vệ. Các sơ đồ hệ thống thanh góp khác nhau, đường dây tải điện nhiều nhánh rẽ, hoặc có thiết bị bù, FACTS, hay HVDC cũng sẽ được quan tâm rất nhiều khi tính toán bảo vệ rơle. 27 1.8.2.3 Dạng/loại sự cố Khi tính toán một hệ thống bảo vệ, người ta mong muốn nó sẽ bảo vệ được tất cả các dạng/loại sự cố có thể xảy ra trong hệ thống. Do đó các dạng/loại sự cố sẽ cần phải được quan tâm, nghiên cứu, tìm hiểu nguyên nhân, và cơ chế xảy ra đề từ đó có các phương thức bảo vệ tương ứng và hiệu quả. Có thể kể ví dụ ở đây một số sự cố như: ฀ Đối với đường dây trên không/cáp ngầm: Các dạng ngắn mạch: ba pha (N3), hai pha (N2), hai pha nối đất (N1-1), chạm đất một pha ฀ Đối với máy phát điện: Ngắn mạch giữa các pha, ngắn mạch giữa các vòng dây trong một pha, quá tải, quá điện áp, mất cân bằng pha, mất kích thích, quá tốc độ, suy giảm tần số, chạm đất cuộn dây roto, hư hỏng hệ thống làm mát … ฀ Đối với máy biến áp: Ngắn mạch giữa các pha, ngắn mạch giữa các vòng dây trong một pha, thủng thùng dầu, … ฀ Đối với động cơ điện: Ngắn mạch giữa các pha, chạm đất vỏ động cơ… 1.8.2.4 Tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn Thông thường việc tính toán ngắn mạch được thực hiện bởi các công cụ trợ giúp, thường là các phần mềm máy tính chuyên dụng, và việc tính toán ngắn mạch cũng cần phải tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế. Hiện nay hay dùng tiêu chuẩn quốc tế IEC: 60909-0, 1, 2, 4. 1.9 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Hãy nêu nhiệm vụ và các yêu cầu của hệ thống bảo vệ rơ le? 2 Nêu định nghĩa về máy biến dòng điện? Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý làm việc và điều kiện chọn máy biến dòng điện là gi? Cách đánh dấu các đầu dây và các chú ý khi nối máy biến dòng điện? 3 Nêu định nghĩa về máy biến điện áp? Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý làm việc và điều kiện chọn máy biến điện áp là gi? Cách đánh dấu các đầu dây và các chú ý khi nối máy biến điện áp? 4 Các yêu cầu đối với nguồn điện thao tác? Nêu ưu nhược điểm của từng loại nguồn thao tác? 5 Nêu nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống kênh thông tin liên lạc? 6 Vì sao phải tính toán ngắn mạch để phục vụ tính toán bảo vệ rơ le? 28 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA RƠLE Những rơle đầu tiên được chế tạo dựa trên nguyên lý điện cơ và được sử dụng cho điện báo vào những năm 30 của thế kỷ 19. Ngày nay, thuật ngữ rơle dùng để chỉ tập hợp các thiết bị tự động để bảo vệ HTĐ, để điều khiển và điều chỉnh tự động, để làm nhiệm vụ chuyển mạch trong các hệ thống thông tin, … Cuối thế kỷ 19, rơle bắt đầu được sử dụng để bảo vệ các phần tử trong HTĐ dưới dạng cơ cấu cấu điện từ tác động trực tiếp lắp sẵn ở máy cắt điện. Tuy nhiên chỉ ở thế kỷ 20 khi các HTĐ đã phát triển, kỹ thuật bảo vệ rơle mới được áp dụng rộng rãi. Có thể nêu một số mốc thời gian đáng lưu ý: ฀ Năm 1901: Xuất hiện rơle cảm ứng dòng điện. ฀ Năm 1908: Bảo vệ so lệch dòng điện. ฀ Năm 1910: Rơle hướng công suất và bảo vệ quá dòng có hướng. ฀ Đầu những năm 1920: Bảo vệ khoảng cách. ฀ Cuối những năm 1920: Bảo vệ dùng tín hiệu tần số cao truyền theo dây dẫn của mạch điện được bảo vệ (PLC). ฀ Những năm 1960: Rơle tĩnh (không có tiếp điểm động) điện tử và bán dẫn. ฀ Những năm 1970: Rơle số, hệ thống bảo vệ dùng kỹ thuật vi xử lý và máy tính. Ngày nay các nhà chế tạo và sản xuất rơle trên thế giới đều đã chuyển hướng sang kỹ thuật số. Tuy nhiên ở nước ta số lượng rơle điện cơ và rơle điện tử còn đang được sử dụng khá nhiều trong hệ thống điện do điều kiện lịch sử. Đối với các công trình mới được xây dựng thì chủ yếu sử dụng rơle số do các ưu điểm sau: ฀ Chức năng hoạt động của rơle được mở rộng ra rất nhiều so với các thế hệ rơle trước đây, dễ dàng mở rộng khả năng đo lường, biến đổi tín hiệu, so sánh và tổ hợp lô gíc trong cấu trúc của rơle. Có thể kết hợp nhiều nguyên lý phát hiện sự cố và bảo vệ trong một hệ thống rơle. ฀ Ngoài chức năng bảo vệ và cảnh báo, rơle số hiện đại còn có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng khác như: Ghi chép các thông số vận hành và sự cố Xác định vị trí sự cố Thực hiện liên động với thiết bị bảo vệ và tự động của phần tử lân cận Đóng trở lại máy cắt điện ฀ Dễ dàng ghép nối với nhau và với các thiết bị bảo vệ, tự động, thông tin và đo lường khác trong hệ thống, dễ dàng ghép nối với hệ thống máy tính. 29 Đầu tư chi phí Rơle thông thường Rơle số 200 100 Mở rộng Đặc thù Tiêu chuẩn Tối thiểu Chức năng Hình vẽ 2-1: So sánh giữa rơle số và rơle thông thường ฀ Thông số của bảo vệ có thể chỉnh định giản tiện với độ chính xác cao và dễ dàng thực hiện công việc chỉnh định thông số từ xa hoặc chỉnh định tự động theo nguyên lý tự thích nghi. ฀ Công suất tiêu thụ bé, kích thước gọn nhẹ, dễ dàng chuẩn hoá kích thước. ฀ Giá thành tương đối tính theo tương quan giữa chi phí và chức năng của hệ thống bảo vệ thì rơle kỹ thuật số và máy tính rẻ hơn hệ thống rơle điện cơ. 2.2 PHÂN LOẠI RƠLE Rơle là thiết bị chính trong hệ thống thiết bị bảo vệ Rơle để chỉ tác động chuyển mạch, chuyển trạng thái. Phần tử rơle nhận một tín hiệu đầu vào (X) hay một số tín hiệu đầu vào (X1, X2, X3,…) thường là những tín hiệu tương tự, biến đổi và so sánh tín hiệu này với ngưỡng tác động để cho tín hiệu đầu ra (Y) dưới dạng xung rời rạc với hai trạng thái đối lập: có xung (trạng thái 1) và không có xung (trạng thái 0). ฀ (a): Ký hiệu rơle làm việc với một đại lượng đầu vào ฀ (b): Ký hiệu rơle làm việc với nhiều đại lượng đầu vào ฀ (c,d): Đặc tính khởi động, trở về của rơle cực đại với một đại lượng đầu vào ฀ (e,g): Đặc tính khởi động, trở về của rơle cực tiểu với một đại lượng đầu vào Ngoài cách phân loại theo công nghệ chế tạo, rơle còn được phân loại theo: ฀ Nguyên tắc hoạt động (đối với rơle điện cơ) : Điện từ, cảm ứng . . . ฀ Đại lượng đầu vào: Rơle dòng điện Rơle điện áp Rơle công suất RI RU RW 30 Rơle khoảng cách RZ, Z< Rơle tần số Rf Các rơle với các đầu vào vật lý khác: nhiệt độ, tần số, tốc độ …. ฀ Chức năng trong sơ đồ Rơle trung gian Rơle thời gian Rơle tín hiệu Y RG RT Rth Y RI RW I~ U I X1 X2 Xn RL Y X~ ~ RL Y (a) (b) Y 1 Y 1 X Xtv Xkđ 0 X 0 Xkđ (e) (c) X Y Khởi động X Y X Xkđ Trở về Xtv Trở về Xtv Xkđ 0 Xtv 1 Y (d) 0 t Khởi động 1 t (g) Hình vẽ 2-2: Phân loại rơle theo các đại lượng đầu vào Tuỳ theo biểu diễn sơ đồ (cấu trúc, chức năng, tổng hợp hoặc khai triển) mà cách biểu diễn rơle khác nhau. Trong sơ đồ cấu trúc hoặc chức năng, rơle được biểu diễn như Hình vẽ 2-2, a và b, trên đó ghi rõ đại lượng vật lý đầu vào của rơle. Trong sơ đồ tổng hợp rơle được biểu diễn như một thiết bị thống nhất là một hình vuông, úp trên nó là một nửa hình tròn, trong hình vuông đặt cuộn dây và dùng chữ để chỉ loại rơle, trên nửa hình tròn đặt tiếp điểm của rơle như Hình vẽ 2-2,a và b. Ký hiệu tiếp điểm của rơle: 31 Tiếp điểm thường mở (hở): Tiếp điểm thường đóng (kín): Tiếp điểm thường mở đóng có thời gian: Tiếp điểm thường đóng mở có thời gian (mở chậm): Trong sơ đồ khai triển hoặc sơ đồ lôgíc, các cực đầu vào và đầu ra của rơle có thể được biểu diễn tách rời nhau trên các mảng sơ đồ hoặc sơ đồ khác nhau. Chú ý: Trạng thái đầu ra của rơle (đối với rơle điện cơ là các tiếp điểm thường mở hoặc thường đóng) được biểu diễn với qui ước cho trường hợp đại lượng đầu vào bằng không. BI RI + MC + RT RI Rth (b) MC + + RG + BI - RI RT RT Rth RG RG MC _ (c) - (a) + Rth (d) Hình vẽ 2-3: Các loại sơ đồ của hệ thống bảo vệ rơle Tín hiệu ฀ (a) Sơ đồ tổng hợp ฀ (b) Sơ đồ khai triển mạch dòng điện xoay chiều ฀ (c) Sơ đồ khai triển mạch thao tác ฀ (d) Sơ đồ khai triển mạch tín hiệu Ký hiệu các loại thiết bị và rơle dùng trong sơ đồ bảo vệ như Bảng 2-1. Bảng 2-1: Các ký hiệu và loại rơle Ký hiệu Bằng số 2 3 4 21 Bằng chữ t KT C Z< Loại bảo vệ Rơle thời gian, rơle đóng hoặc mở chậm Rơle khoá liên động hoặc kiểm tra Công tắc tơ chính Rơle khoảng cách (tổng trở) 32 21N 24 25 27 30 32F 32R 37 40 46 49 49R 49S 50 51 51N 52 52a 52b 55 59 60 64 67 68 74 76 78 79 81 85 86 87 87G 87T 87B 87L 87M 96  P  P S U< Th hoặc hoặc I< Φ I2 ฀º  w  w I>> I> I0> hoặc IE> MC MCa MCb Cos U> U hoặc I I0  I LĐ BĐ I=> δ TĐL (AR) f P/T K SL (I) Rơle khoảng cách chống chạm đất Rơle quá từ Rơle hoà hoặc kiểm tra đồng bộ Rơle điện áp thấp Rơle tín hiệu Rơle định hướng công suất thuận Rơle hướng công suất nghịch Rơle thiếu dòng điện hoặc thiếu công suất Rơle phát hiện mất kích thích Rơle dòng điện thứ tự nghịch hoặc cân bằng pha Rơle nhiệt Rơle nhiệt rotor Rơle nhiệt stator Rơle dòng điện cắt nhanh Rơle quá dòng có thời gian Rơle quá dòng điện thứ tự không có thời gian Máy cắt điện Tiếp điểm phụ thường hở của máy cắt điện Tiếp điểm phụ thường kín của máy cắt điện Rơle Cos Rơle quá điện áp Rơle cân bằng điện áp hoặc dòng điện Rơle bảo vệ chống chạm đất Rơle quá dòng xoay chiều có hướng Rơle liên động Rơle báo động (cảnh báo) Rơle quá dòng một chiều Rơle lệch pha hoặc bảo vệ mất đồng bộ Rơle tự đóng lại R le tần số Rơle phát và nhận tín hiệu kênh truyền Rơle khoá Rơle bảo vệ so lệch Rơle so lệch MPĐ Rơle so lệch MBA Rơle so lệch thanh góp Rơle so lệch MPĐ Rơle so lệch động cơ điện Rơle hơi 33 2.3 RƠLE ĐIỆN CƠ 2.3.1 Rơle dòng điện kiểu điện từ 2.3.1.1 Nguyên tắc tác động Rơle dòng điện kiểu điện từ làm việc dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa phần động làm bằng chất sắt từ và từ trường của cuộn dây có dòng điện chạy qua. Về cấu tạo rơle điện từ được chia thành ba loại: ฀ Rơle điện từ có phần động đóng mở (Hình vẽ 2-4- a) ฀ Rơle điện từ có phần động quay (Hình vẽ 2-4-b) ฀ Rơle điện từ có phần động chuyển động tịnh tiến (Hình vẽ 2-4-c ) Mỗi loại đều có lõi sắt 3 trên đó có quấn cuộn dây 5, phần động 1, các tiếp điểm 4 và lò xo cản 2. Dòng điện iR chạy trong cuộn dây gây nên từ thông  đi qua lõi sắt và khe hở không khí . Khi hệ thống từ không bão hoà trị số tức thời của mô men quay tỷ lệ với bình phương của trị số tức thời của từ thông t hay của dòng điện iR: Mt = k1. t2 = k2. iR2 Từ biểu thức này ta thấy dấu của mô men quay không phụ thuộc vào dấu của dòng điện tạo nên mô men đó. Như vậy các rơle điện từ làm việc được với cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều. 2.3.1.2 Dòng điện khởi động và dòng điện trở về Để rơle tác động được (phần động bị hút vào lõi sắt và tiếp điểm 4 đóng lại ) phải tăng dòng điện iR đến trị số sao cho mô men quay điện từ Mt thắng được mô men cản cơ khí khởi động Mckđ : Mt  Mckđ Mô men cản cơ khí khi rơle khởi động gồm mô men cản của lò xo Mlx, mô men ma sát Mms và mô men do trọng lượng của phần động Mp. Vậy ở điều kiện khởi động: Mkđ = Mckđ = Mlx + Mms + Mp 34 đ 4a 4b 3 3 5 c 5 2 1 1 3 4 4 2 2 1 5 Hình vẽ 2-4: Một số loại rơle điện từ: a) Rơle điện từ có phần động đóng mở, b) Có phần động quay, c) phần chuyển động tịnh tiến Tương ứng với Mkđ có một giá trị xác định của dòng điện iR cần thiết cho sự khởi động. a) Dòng điện bé nhất tương ứng với điều kiện khởi động gọi là dòng điện khởi động của rơle IkđR. Sau khi rơle đã tác động, để phần động của rơle có thể trở về vị trí ban đầu phải giảm dòng điện iR sao cho mô men quay điện từ M phải nhỏ hơn mô men cản cơ khí. Cần chú ý rằng mô men ma sát cản trở phần động khi trở về nên dấu của nó ngược với dấu của mô men cản của lò xo và mô men do trọng lượng. Vậy mô men cản cơ khí khi trở về Mcv là: Mcv = Mlx - Mms + Mp Điều kiện để rơle trở về: M = Mv < Mlx - Mms + Mp Tương ứng với mô men về Mv có một giá trị xác định của dòng điện IR bảo đảm cho rơle trở về. b) Dòng điện lớn nhất tương ứng với điều kiện trở về, gọi là dòng điện trở về IvR của rơle. Tỷ số giữa dòng điện trở về với dòng điện khởi động gọi là hệ số trở về kvR của I rơle: k vR  v . Vì Mckđ và Mcv khác nhau khá nhiều nên IkđR và IvR cũng khác nhau khá I kđR nhiều và hệ số trở về của rơle bé. Đây là khuyết điểm đáng kể của rơle có phần động đóng mở. c) Hiện tượng phần động rung của rơle điện từ Khi rơle làm việc với dòng điện xoay chiều iR = IRm sint thì trị số của mô men quay Mt bằng: 35 Mt = k2.i2R = k2 I2Rm.sin2 t = k2.I2R - k2 I2Rm.cos2t Số hạng thứ nhất của biểu thức trên không phụ thuộc vào thời gian cho giá trị trung bình trong một chu kỳ của mô men quay. Số hạng thứ hai biến thiên theo quy luật hình sin với tần số gấp đôi. Kết quả là phần động của rơle dòng điện xoay chiều chịu tác động của mô men biến thiên với tần số gấp đôi từ tr ị số không đến cực đại (Hình vẽ 2-5). Sau khi rơle đã tác động, tại những thời điểm Mt < MC, phần động có khuynh hướng bị kéo ra khỏi lõi rồi sau đó lại bị hút vào khi Mt > MC. Phần động rung làm cho các tiếp điểm rung theo và có thể bị đốt cháy bằng tia lửa điện. Mt IR Mt k 2 I 2R IR T= -k 2 I R2 cos2 t t 2  Hình vẽ 2-5: Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay M t và các thành phần của nó với thời gian đối với rơle dòng điện điện từ Để loại trừ hiện tượng rung cần phải có biện pháp làm giảm sự đập mạch của mô men quay theo thời gian. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tạo ra hai từ thông lệch pha nhau. Phương pháp thường dùng để tạo ra hai từ thông lệch pha nhau là dùng vòng ngắn mạch (thường là một vòng đồng) bọc lấy một phần cực của rơle (Hình vẽ 2-6). EN ,, IN EN ,, IN  -I 'N II IR 1 900 I 'N EN Hình vẽ 2-6: Vòng ngắn mạch của rơle và đồ thị véc tơ. Từ thông chạy trong lõi sắt gồm hai thành phần: I qua vòng ngắn mạch, II không qua vòng ngắn mạch. Từ thông I cảm ứng ra trong vòng ngắn mạch suất điện động E N có chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai chậm pha sau từ thông I một góc 90o. Suất điện động EN gây ra trong vòng ngắn mạch dòng I’N (đã tính đổi về số vòng của cuộn dây của rơle) coi như 36 trùng pha với EN (Hình vẽ 2-6) vì góc tổng trở của vòng ngắn mạch rất bé. Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép, từ thông I đồng pha với dòng điện từ hoá: I   I R  I N Từ thông II tỷ lệ và đồng pha với dòng điện IR. Đồ thị véc tơ ở Hình vẽ 2-6 cho thấy vòng ngắn mạch đã làm cho các từ thông I và II lệch nhau một góc . Trị số tức thời của mô men quay tổng Mt gồm hai thành phần MIt và MIIt do hai từ thông I và II gây nên: Mt = MIt + MIit = kI. 2I. sin2 t + kII. 2II. sin2( t+ ). Khi hai từ thông I và II có trị số gần bằng nhau và góc lệch pha giữa chúng gần bằng 90 thì độ đập mạch theo thời gian của mô men tổng sẽ giảm đi rất nhiều và giá trị tức thời có thể luôn luôn lớn hơn mô men cản cơ khí, lúc này phần động sẽ không rung nữa o d) Lĩnh vực ứng dụng Hiện nay nguyên tắc điện từ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các rơle làm việc theo một đại lượng điện (dòng điện, điện áp) và cả một số tác động rơle phụ khác (rơle trung gian, tín hiệu vv...) Khi lựa chọn được cấu tạo hợp lý, rơle có phần động quay có thể chế tạo được các rơle có hệ số trở về cao, thời gian trở về bé, sai số quán tính nhỏ, công suất tiêu thụ không lớn lắm và có độ chính xác cần thiết. 2.4 RƠLE DÒNG ĐIỆN KIỂU CẢM ỨNG 2.4.1 Nguyên tắc tác động Rơle cảm ứng là loại rơle dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa các từ thông do dòng điện chạy trong cuộn dây đứng yên gây nên với các dòng điện cảm ứng gây ra bởi các từ thông đó trong phần động của rơle. Do vậy, các rơle cảm ứng chỉ làm việc được với dòng điện xoay chiều. Muốn tạo được mô men quay các rơle cảm ứng phải có ít nhất là hai từ thông lệch pha nhau về không gian và về thời gian. Các dòng điện cảm ứng trong phần động của rơle chỉ tạo nên những thành phần mô men quay với các từ thông không sinh ra chúng. 37 II 2 b I II (b) EN IN 2 b 1 b φ 3 b II Chiều quay dương của đĩa (a) MIIt Trục của II 1 b Trục của I 6b 5 b EM IM 90º III EI 3 b EII III 2 I 90º 4 6a EI II MIt 1. Lõi thép 2. Vòng ngắn 3. Đĩa quay 4. Nam châm vĩnh cửu 5. Lò xo cản 6. Cuộn dây 7. Nam châm EII Hình vẽ 2-7: Rơle dòng điện: a) có vòng cảm ứng ngắn mạch, b) và đồ thị véc tơ. Các rơle dòng điện cảm ứng thường dùng có bộ phận động là những đĩa quay. Để tạo nên hai từ thông, phương pháp đơn giản nhất là dùng vòng ngắn mạch. Rơle dòng điện cảm ứng có vòng ngắn mạch có mạch từ khá đơn giản (Hình vẽ 2-7-a) gồm lõi sắt 1, các vòng ngắn mạch 2 bằng đồng đặt trên một phần của cực từ xẻ đôi và đĩa quay 3. Các vòng ngắn mạch làm cho các từ thông I (xuyên qua vòng ngắn mạch) và II (không xuyên qua vòng ngắn mạch) lệch pha nhau một góc , giống như vòng ngắn mạch làm nhiệm vụ chống rung trong rơle điện từ. Các từ thông I và II gây nên trong đĩa các suất điện động cảm ứng EI và EII không phụ thuộc vào trạng thái của đĩa (quay hay không quay). Ngoài ra, khi đĩa quay cắt các từ thông I và II, trong đĩa sẽ xuất hiện thêm các suất điện động cắt và các dòng điện tác dụng tương hỗ với các từ thông đó và gây nên mô men M cắt chống lại chiều quay của đĩa. Các suất điện động EI và EII sinh ra trong đĩa các dòng điện II và III tương ứng đồng pha (vì góc tổng trở của đĩa rất bé). Với chiều dương của các từ thông, suất điện động và dòng điện như đã chấp nhận trên Hình vẽ 2-7-a có thể vẽ được đồ thị véc tơ của chúng trên Hình vẽ 2-7-b. Chọn chiều quay ngược chiều kim đồng hồ làm chiều dương thì mô men quay MIt do từ thông It và dòng điện III sinh ra có chiều dương, còn mô men quay MIIt do IIt và dòng II sinh ra có chiều âm (xác định theo quy tắc bàn tay trái). Về trị số: MIt = kI. It .iII và: MIIt = kII. IIt.iI Trị số tức thời của mô men quay tổng: Mt = MIt + MIIt = kI. It .iII - kII. IIt.iI Kết quả tính toán cho trị số trung bình của mô men quay tổng của rơle cảm ứng trong một chu kỳ: M = kI. I. II. sin Nếu hệ thống từ không bão hoà, trong rơle có vòng ngắn mạch cả hai từ thông I và II đều tỷ lệ với dòng điện IR đã sinh ra chúng cho nên: 38 M = k2. I2R Từ đó có thể rút ra những kết luận: ฀ Mô men quay phụ thuộc vào góc lệch pha giữa các từ thông, tần số của dòng điện xoay chiều và nhiệt độ của môi trường xung quanh (liên quan đến sự thay đổi điện trở của đĩa). ฀ Mô men quay luôn luôn hướng theo con đường ngắn nhất từ của từ thông vượt trước đến trục của từ thông chậm sau. Trong rơle có vòng ngắn mạch từ thông vượt trước là từ thông không qua vòng ngắn mạch, vì vậy đĩa luôn luôn quay theo con đường ngắn nhất từ trục của phần không có vòng ngắn mạch đến trục của phần có vòng ngắn mạch. ฀ Các mô men hãm do các dòng điện cắt và nam châm vĩnh cửu 4 gây ra không ảnh hưởng đến dòng điện khởi động của rơle vì chúng chỉ xuất hiện khi đĩa bắt đầu quay. Trong rơle mô men cản thường được tạo ra bởi một lò xo hình xoắn ốc 5 nối với trục của đĩa. Trong trường hợp này, khi tính đến cả mô men ma sát Mms, điều kiện khởi động là: M  Mlx + Mms Khi khởi động đĩa quay được một góc  nào đó thì đầu tiếp xúc động 6a gắn trên trục của đĩa hoặc ngay trên đĩa sẽ đóng vào đầu tiếp xúc cố định 6b. Dùng nguyên tắc cảm ứng có thể kết hợp được cả bộ phận khởi động và bộ phận thời gian vào cùng một rơle dòng điện. Các rơle cảm ứng thường gặp có thời gian tác động từ 0,5 đến 10 - 15 giây. 2.4.2 Lĩnh vực ứng dụng: Rơle dòng điện cảm ứng bảo đảm được thời gian làm việc cần thiết mà không cần rơle thời gian riêng. Nếu chế tạo tốt rơle có hệ số trở về khá cao, độ chính xác đầy đủ, sai số do quán tính bé và công suất tiêu thụ thích hợp. Các rơle dòng điện cảm ứng thường dùng để bảo vệ các mạng điện áp thấp (đến 10 kV) không đòi hỏi rơle thời gian riêng và có thể làm việc với dòng điện thao tác xoay chiều. Tuy nhiên rơle dòng điện cảm ứng không thể thay thế cho rơle dòng điện điện từ có công suất tiêu thụ bé hơn và độ nhạy cao hơn. 2.4.3 Rơle điện áp Nối cuộn dây của rơle trực tiếp hoặc gián tiếp qua biến điện áp, vào điện áp U của mạng ta được rơle làm việc theo trị số điện áp của mạng. Vì M = k'. I2R mà dòng điện qua rơle bằng: I R  UR zR ฀ trong đó, ZR - tổng trở của cuộn dây rơle UR - điện áp đặt vào rơle U R  UR nu Do vậy: M = k'.U2R Hay nếu xét đến quan hệ: M = k''.UR Biểu thức trên cho thấy rơle làm việc theo điện áp của mạng. Các rơle điện từ có cấu tạo giống như các rơle dòng điện điện từ, chỉ khác là cuộn dây điện áp có số vòng nhiều hơn và tiết diện dây nhỏ hơn. 39 2.4.4 Rơle thời gian Rơle thời gian dùng để tạo thời gianlàm việc cần thiết cho bảo vệ rơle và tự động hoá. Nguyên lý cấu tạo của rơle được trình bày trên Hình vẽ 2-8. Khi cuộn dây 1 có dòng điện, phần động 2 bị hút tức thời, cần động 4 được tự do và dưới tác động của lò xo 3 nó sẽ quay chậm nhờ có cơ cấu đặc biệt định thời gian giữ lại. Sau một thời gian tR nào đó tuỳ thuộc vào khoảng cách l (hoặc góc ) và tốc độ chuyển động cần 4 hoàn thành góc quay và đóng tiếp điểm 8 lại. Như vậy rơle thời gian tác động với  thời gian: t R  . Cơ cấu định thời gian thường là một cơ cấu đồng hồ. Khi cắt mạch cuộn R dây phần động 2 và cần 4 trở về ngay vị trí ban đầu nhờ lò xo 3, tiếp điểm 8 mở ra tức thời. Muốn điều chỉnh thời gian tR, ta thay đổi góc quay  bằng cách thay đổi vị trí của tiếp điểm 8. Trong một vài loại rơle thời gian còn có thêm tiếp điểm đóng ngay 9 cho phép đóng mạch với thời gian bé (khoảng 0,15 - 0,2 giây) và không điều chỉnh được. a) Nguyên lý cấu tạo của rơle thời gian b) Ổn định nhiệt cho rơle thời gian Hình vẽ 2-8: Rơ le thời gian Để giảm kích thước của rơle, cuộn dây của rơle thường được tính toán thiết kế theo chế độ làm việc ngắn hạn. Do vậy, để ổn định nhiệt cho cuộn dây cần nối lâu dài vào điện áp của nguồn thao tác, phải mắc một điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây như trên Hình vẽ 2-8-b. Bình thường điện trở phụ rP bị nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng mở ngay (tiếp điểm trên. Sau khi rơle tác động, tiếp điểm này mở ra và điện trở phụ được đưa vào mạch cuộn dây để hạn chế dòng điện đến trị số cho phép theo điều kiện phát nóng, đồng thời đủ để duy trì rơle ở trạng thái tác động. 2.4.5 Rơle trung gian Rơle trung gian là một loại rơle phụ được sử dụng khi cần đóng, cắt đồng thời nhiều mạch điện độc lập hoặc khi cần đến các rơle có tiếp điểm công suất đủ lớn để đóng cắt mạch có dòng điện lớn như Hình vẽ 2-9: 40 Hình vẽ 2-9: Các sơ đồ nối rơ le trung gian: a)Sơ đồ nối các rơle RG song song, b) nối tiếp, c) song song có tự giữ bằng cuộn dây nối tiếp 2.4.6 Rơle tín hiệu Rơle tín hiệu báo hiệu sự tác động của bảo vệ hoặc của một phần tử bất kỳ của mạch điện. Khi bảo vệ tác động, trong cuộn dây của rơle có tín hiệu dòng điện chạy qua, rơle đóng tiếp điểm để cho con bài tín hiệu rơi xuống vị trí trông thấy được qua nắp vỏ trong suốt của rơle. Do dòng điện chỉ chạy qua rơle trong một thời gian rất ngắn nên rơle tín hiệụ được chế tạo sao cho con bài tín hiệu và tiếp điểm của rơle vẫn được giữ ở trạng thái tác động cho đến khi nhân viên vận hành phục hồi lại trạng thái ban đầu của chúng. Hình vẽ 2-10: Sơ đồ nối dây của rơle tín hiệu, a) nối tiếp, b) song song 2.5 RƠLE ĐIỆN TỬ Việc sử dụng các dụng cụ bán dẫn (điốt và triốt) cho phép giảm kích thước của rơle, giảm công suất tiêu thụ từ các máy biến áp đo lường, nâng cao độ nhạy, cải thiện các đặc tính và chế tạo được các rơle không tiếp điểm và không có phần động. Các rơle đơn giản làm việc theo một đại lượng điện - dòng điện hoặc điện áp, sử dụng dòng điện chỉnh lưu bằng điốt. Trong trường hợp này bộ phận thực hiện thường là các rơle điện từ có độ nhạy cao, rơle phân cực hay rơle từ điện. Các rơle phức tạp hơn như rơle công 41 suất, rơle tổng trở làm việc theo hai đại lượng điện (dòng điện và điện áp) có thể thực hiện bằng cách ứng dụng một trong các nguyên tắc sau đây:  và U  . Trong các rơle này các điện So sánh các giá trị tuyệt đối của hai đại lượng U II I   áp xoay chiều U I và U II được chỉnh lưu rồi sau đó được so sánh với nhau về trị số tuyệt đối  và U  . nhờ một rơle đặc biệt. So sánh pha của các trị số tức thời của hai đại lượng điện U I II Các rơle này được thực hiện bằng một sơ đồ so sánh pha cho phép xác định góc lệch pha giữa  và U  . U II I Hình vẽ 2-11: Rơle dòng điện chỉnh lưu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) dòng điện chỉnh lưu [I] Trong cả hai trường hợp, các đại lượng cần so sánh đều là những hàm số tuyến tính của dòng điện IR và điện áp UR đặt vào rơle:     k U   k I và U   k U  U I R 1 2 R 3 R  k 4 IR II ฀ trong đó:  , I k 1 , k 2 và k 3 , k 4 là các hệ số không đổi phụ thuộc vào U R R Thay đổi các hệ số k1, k2 sẽ chế tạo được các rơle khác nhau có đặc tính khác nhau. Các rơle công suất có hướng rơle tổng trở đều thuộc loại này. Các rơle dòng điện và điện áp thuộc loại rơle làm việc theo một đại lượng điện. Thường dùng nhiều nhất là các rơle nối vào dòng điện hoặc điện áp của mạng điện qua chỉnh lưu CL bằng điốt bán dẫn , nối theo sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình vẽ 2-11-Hình vẽ 2-11a ). Bộ phận thực hiện RL là rơle dòng điện điện từ, từ điện hoặc rơle phân cực được nối vào dòng điện chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. Dòng điện chỉnh lưu I có các trị số tức thời tỷ lệ với các trị số tức thời tương ứng của dòng điện xoay chiều i = Im.sin t. Bởi vậy đường biểu diễn I = f(t) có dạng đập mạch, biến thiên từ không đến cực đại và không đổi dấu (Hình vẽ 2-11-b). Dòng điện này bằng tổng của thành phần không đổi Id và các thành phần điều hoà bậc chẵn. Vì trị số trung bình của các thành phần điều hoà trong một chu kỳ bằng không, nên thành phần không đổi Id bằng dòng điện trung bình Itb của dòng điện chỉnh lưu I . Các điều hoà bậc bốn và cao hơn rất bé, có thể bỏ qua, nên có thể coi thành phần biến đổi của dòng điện chỉnh lưu chỉ có điều hoà bậc hai biến thiên với tần số 2. = 100Hz ( như trong Hình vẽ 2-11-b). Do vậy I = Id = I2 cos2t 42 ฀ trong đó Id = 0,63 Im = Itb I2 = 0,425 Im (I2 là biên độ của điều hoà bậc hai), Im - biên độ dòng điện xoay chiều. RL RL RL C L L C (c) (b) (a) I3 L RL I2 I1 C R (d) Hình vẽ 2-12: Các sơ đồ san bằng dòng điện chỉnh lưu, a) Với điện cảm L mắc nối tiếp, b) Với điện dung C mắc song song, c) Dùng vòng cộng hưởng LC, d) Bằng cách phân tách dòng điện chỉnh lưu thành ba thành phần I1,,I2,I3 Tính chất đập mạch của dòng điện chỉnh lưu gây nên hiện tượng rung của các tiếp điểm của bộ phận thực hiện. Để loại trừ hiện tượng này cần phải có biện pháp san bằng đường cong dòng điện chỉnh lưu (hạn chế các thành phần biến đổi của dòng dòng điện đi vào rơle). Muốn vậy có thể dùng một trong các sơ đồ sau: ฀ Sơ đồ mắc nối tiếp điện cảm L rơle (Hình vẽ 2-12-a). ฀ Sơ đồ mắc song song điện dung C (Hình vẽ 2-12b). ฀ Sơ đồ dùng bộ lọc cộng hưởng LC đối với điều hoà bậc hai của dòng điện chỉnh lưu (Hình vẽ 2-12-c). Các sơ đồ trên các Hình vẽ 2-12-a và b có hiệu quả tốt đối với nguồn dòng điện xoay chiều có tổng trở bé so với phụ tải (rơle RL), còn sơ đồ trên Hình vẽ 2-12-c , khi nguồn có tổng trở lớn so với phụ tải. Điện cảm và điện dung trong sơ đồ trên,nhất là trong các sơ đồ trên các Hình vẽ 2-12-a và b, làm chậm trễ sự tăng lên của thành phần không đổi qua cuộn dây của rơle, gây nên sự tác động chậm. Khi cần phải giảm thời gian tác động, thì thường dùng sơ đồ phức tạp hơn (hình 1-16,d) trong đó dòng điện cần chỉnh lưu được phân tách ra làm ba thành phần I1, I2 và I3 lệch pha nhau 1200 nhờ các điện cảm và điện dung. Dòng điện chỉnh lưu tổng đi vào rơle bằng tổng ba dòng điện chỉnh lưu thành phần sẽ rất gần dòng điện không đổi. Phương án thứ hai để thực hiện các rơle dòng điện và điện áp làm việc theo dòng điện chỉnh lưu (Hình vẽ 2-11-a) được tiến hành bằng cách so sánh đại lượng cần đo Uđ với một đại lượng chuẩn Uch không đổi (như 43 trên Hình vẽ 2-13-b), hoặc biến đổi theo một quy luật khác. Rơle tác động khi Uđ  Uch . Các rơle làm việc theo dòng điện chỉnh lưu có kích thước bé và tiêu thụ công suất bé. Hình vẽ 2-13: Sơ đồ so sánh dòng điện Iđ với đại lượng chuẩn Ich 2.6 RƠLE KỸ THUẬT SỐ Rơle số làm việc trên nguyên tắc đo lường số. Các trị số của đại lượng tương tự dòng và áp nhận được từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và biến điện áp là những biến đầu vào của rơle số. Sau khi qua các bộ lọc tương tự, bộ lấy mẫu (chặt hoặc băm đại lượng tương tự theo một chu kỳ nào đó), các tín hiệu này sẽ được chuyển thành tín hiệu số. Tuỳ theo nguyên tắc bảo vệ, tần số lấy mẫu có thể thay đổi trong khoảng từ 12 đến 20 mẫu trong một chu kỳ của dòng điện công nghiệp. Nguyên lý làm việc của rơle dựa trên giải thuật tính toán theo chu trình các đại lượng điện (chẳng hạn tổng trở mạch điện) từ trị số của dòng và áp đã lấy mẫu. Trong quá trình tính toán liên tục này sẽ phát hiện ra chế độ sự cố. Sau một vài phép tính nối tiếp nhau, khi đó bảo vệ sẽ tác động, bộ xử lý sẽ gửi các tín hiệu đến các rơle đầu ra để điều khiển cắt máy cắt. Sơ đồ khối của rơle số như Hình vẽ 2-14. Ưu điểm quan trọng của rơle số là có thể thực hiện việc tự kiểm tra và cảnh báo trạng thái của từng khối chức năng trong rơle: Từ trị số tương tự của đại lượng đầu vào đến bộ chuyển đổi tương tự – số (so sánh với trị số chuyển đổi chuẩn), bộ vi xử lý (phần cứng và phần mềm, kể cả bộ nhớ của bộ vi xử lý), rơle đầu ra và mạch điều khiển đóng cắt máy cắt điện (Hình vẽ 2-15) Các đại lượng chỉnh định được nạp vào bộ nhớ EEPROMS để đề phòng khả năng mất số liệu chỉnh định khi mất nguồn điện thao tác. Trong các rơle số việc tổ chức ghi chép và lưu trữ các dữ liệu về sự cố rất dễ dàng theo trình tự diễn biến về thời gian với độ chính xác đến miligiây (ms). 44 Tín hiệu đầu vào Lọc tín hiệu vào Giao diện Bàn phím Rơle cảnh báo Khuếch đại U A B C O Tín hiệu nhị phân Cổng vào - ra A I B C O IMax = 100IKđ 1 sec UMax = 140V Lâu dài Tương tự 100V, 110V 1A, 5A Chuyển đổi tương tự - số ~ A 01 D Tương tự 10V Bộ xử lý “Bộ nhớ” RAM EEPROM EPROM Số Rơle Cắt Đi ốt phát quang (LED) Xung điều khiển đầu ra, vào Hình vẽ 2-14: Sơ đồ khối của rơ le số Để giảm dung lượng bộ nhớ của bộ phận ghi sự cố, thường người ta khống chế số lượng các lần sự cố còn lưu lại trong bộ nhớ tối đa 810 lần. Khi xuất hiện sự cố mới vượt quá số lần cho phép lưu trữ thì số liệu của sự cố cũ nhất trong quá trình lưu trữ sẽ bị xoá khỏi bộ nhớ để nhường chỗ cho số liệu của sự cố mới vừa xảy ra. Tất cả các thông tin về vận hành, thao tác và sự cố đều được bảo vệ để ngăn ngừa trường hợp nguồn thao tác có thể bị mất. Đầu ra của rơle có các đèn tín hiệu LED để cảnh báo về trạng thái của rơle cũng như thao tác mà rơle đã tiến hành. Các rơle số hợp bộ thường có một phần mềm đi kèm rất thuận tiện cho việc sử dụng máy tính cá nhân (PC) để chỉnh định, theo dõi hoạt động của rơle và trao đổi các thông tin vào, ra với rơle, cũng như giúp nhân viên vận hành có thể phân tích sự cố từ các số liệu đã ghi chép được trong quá trình sự cố. Cổng vào ra của rơle cho phép dễ dàng ghép nối với các thiết bị thông tin, đo lường, điều khiển và bảo vệ ở cùng cấp điều độ hoặc cấp điều độ cao hơn đến tận điều độ quốc gia hoặc liên quốc gia. 45 Hình vẽ 2-15: Sơ đồ tự kiểm tra các khối chức năng trong rơle số 2.7 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 2 3 4 Trình bày sự phân loại rơ le theo chức năng, theo cấu tạo? Trình bày cấu tạo rơ le điện cơ, phạm vị ứng dụng của rơ le điện? Trình bày cấu tạo rơ le cảm ứng, phạm vị ứng dụng của rơ le cảm ứng? Hãy nêu các ưu điểm, và phạm vi ứng dụng của rơ le kỹ thuật số? 46 CHƯƠNG 3: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ RƠ LE HỆ THỐNG ĐIỆN 3.1 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 3.1.1 Nguyên tắc tác động Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá một giá trị định trước. Theo phương pháp đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ quá dòng điện được chia làm hai loại: ฀ Bảo vệ dòng điện cực đại, ký hiệu 51, 51N hoặc I>, I0> ฀ Bảo vệ dòng điện cắt nhanh, ký hiệu 50, 50N, hoặc I>>, I0>> 3.1.2 Bảo vệ dòng điện cực đại. 3.1.2.1 Chọn dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại. Theo nguyên lý của bảo vệ, dòng điện khởi động của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại ILv.max của đường dây được bảo vệ. Tuy nhiên việc chọn dòng điện khởi động còn phụ thuộc vào nhiều điều kiện nặng nề hơn. Xét trường hợp chọn dòng điện khởi động cho bảo vệ số 1 đặt trên đoạn AB của mạng điện trên Hình vẽ 3-1. Bình thường HTĐ làm việc với phụ tải cực đại, dòng điện qua bảo vệ là ILv.max. Tại thời điểm t1 xảy ra ngắn mạch tại điểm N, các bảo vệ 1 và 2 cùng khởi động. Đến thời điểm t2 bảo vệ 2 tác động (vì t2 < tl) cắt ngắn mạch. Điện áp trên thanh góp B được phục hồi, một số động cơ đặt gần đấy tự hãm trong thời gian ngắn mạch do điện áp sụt, lại tự mở máy và qua bảo vệ 1 có dòng điện tự mở máy Im.m.max lớn hơn dòng điện Ilvmax: Im.m.max = kmm . Ilvmax (3-1) ฀ trong đó : kmm: là hệ số tự mở máy của các động cơ có trị số phụ thuộc vào loại động cơ, vị trí tương đối giữa chỗ đặt bảo vệ và các động cơ, sơ đồ HTĐ và một số yếu tố khác, thông thường kmm = 2  3 Tuy có dòng điện Imm max chạy qua tại thời điểm t2, bảo vệ 1 vẫn phải trở về. Muốn vậy, dòng điện trở về của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện mở máy cực đại, nghĩa là: Iv = kat .kmm .Ilvmax (3-2) ฀ trong đó: kat là hệ số an toàn, thường lấy kat = 1,1  1,2. Từ quan hệ giữa dòng điện trở về IV và dòng điện khởi động Ikđ: k trv  Từ đó tính được dòng điện khởi động của bảo vệ: I kđ  IV . I kđ k at .k mm I lv max kv 47 Hình vẽ 3-1: Thí dụ về cách tính dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại a) Sơ đồ nguyên lý, b) Chọn dòng điện khởi động Hệ số trở về kv của rơ le phụ thuộc tính chất cơ và điện của cấu tạo rơ le. Trong các rơ le lý tưởng kv = 1, nhưng thực tế do ma sát trong phần động và do một số yếu tố khác các rơ le có kv < 1. Trong một số sơ đồ nối dây dòng điện thứ cấp IT trong biến dòng điện có thể khác với dòng điện IR đi vào rơ le. Ở tình trạng đối xứng sự khác nhau này được đặc trưng bằng hệ số sơ đồ k[3]sđ: I[3]R = k[3]sđ .I[3]T Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số biến đổi ni của biến dòng điện thì dòng điện khởi động của IkđR rơ le bằng: I kđ R  k at .k mm .k [ 3] sđ I lv max n i .k v (3-3) Đối với những hệ thống điện phức tạp thì khi tính toán cần phải quan tâm đến các đặc điểm cụ thể của HTĐ đang xét: Ví dụ như hệ thống đường dây làm việc song song, thì cần phải quan tâm đến dòng điện làm việc cưỡng bức khi mà một đường dây bị cắt ra, lúc đó đường dây còn lại sẽ phải mang tải của đường dây kia, lúc đó phải kiểm tra điều kiện quá tải và dòng điện khởi động xem có vượt quá ngưỡng tác động hay không? Hoặc khi đường dây có trang bị thiết bị đóng lặp lại một lần, hoặc nhiều lần, thì phải đặc biệt quan tâm đến thời gian cắt ngắn mạch và thời gian trở về. 3.1.2.2 Chọn thời gian làm việc Trong các lưới điện hở có một nguồn cung cấp, độ chọn lọc của bảo vệ dòng điện cực đại được đảm bảo bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc từng cấp. Thời gian làm 48 việc của hai bảo vệ kề nhau được chọn lớn hơn nhau một lượng Δt. Có thể chọn thời gian theo nguyên tắc độc lập hoặc theo nguyên tắc phụ thuộc. 3.1.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua chỗ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở đầu phần tử tiếp theo. Lmin CN Lmax CN Hình vẽ 3-2: Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh, a) Sơ đồ nguyên lý, b) Cách chọn dòng điện khởi động Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh: Ikđ = kat.INng.max ฀ trong đó: INng.max: là dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất thường được tính theo ngắn mạch ba pha trực tiếp tại điểm N với chế độ làm việc cực đại của hệ thống. kat: là hệ số an toàn, thường lấy bằng 1,2 ÷ 1,3. Bảo vệ dòng điện cắt nhanh làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé (0,1s) để tránh cho bảo vệ làm việc mất chọn lọc khi có giông sét và thiết bị chống sét tác động. Bảo vệ dòng điện cắt nhanh có nhược điểm là không bảo vệ được toàn bộ đối tượng, khi có ngắn mạch ở cuối phần tử (N1) bảo vệ cắt nhanh không tác động, mặt khác vùng tác động của bảo vệ LCN có thể thay đổi nhiều khi chế độ của hệ thống và dạng ngắn mạch thay đổi. Nhược điểm chung của nguyên lý quá dòng điện là không đảm bảo được tính chọn lọc của bảo vệ trong lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn cung cấp. 3.1.4 Bảo vệ dòng điện cực đại có bộ kiểm tra điện áp Trong nhiều trường hợp bảo vệ quá dòng điện có thời gian với dòng điện khởi động chọn theo Ilvmax có thể không đủ độ nhậy, vì dòng điện làm việc cực đại Ilvmax chạy qua phần tử được bảo vệ có trị số quá lớn, chẳng hạn khi tách mạch vòng của lưới điện, khi cắt một số đường dây hoặc máy biến áp làm việc song song. Trong một số lưới điện với nguồn công suất 49 ngắn mạch yếu, nếu chọn theo dòng điện Ilvmax ở chế độ này thậm chí bất đẳng thức dưới đây không thể thoả mãn được: I N min  I kđ  k at .k mm I lv max k trv (3-4) Trong điều kiện như vậy, để nâng cao độ nhậy của bảo vệ quá dòng điện có thời gian, đảm bảo cho bảo vệ có thể phân biệt được ngắn mạch và quá tải, người ta thêm vào sơ đồ bảo vệ bộ phận khoá điện áp thấp.  I 51 I> & BU t 27 U< Hình vẽ 3-3: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại có bộ phận kiểm tra điện áp. Bảo vệ quá dòng (I>) sẽ được phối hợp với bộ phận kiểm tra điện áp thấp (U<) theo lô gích "và" (&). Khi có ngắn mạch dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ tăng cao còn điện áp thì giảm thấp, hai sự kiện này xảy ra đồng thời, bảo vệ sẽ tác động. Còn khi quá tải dòng điện có thể vượt quá giá trị chỉnh định tuy nhiên điện áp chỉ giảm ít, bộ khoá điện áp thấp không làm việc nên bảo vệ không tác động. Điện áp khởi động của bộ U NM max U  U kđ  lv min nU nU khoá điện áp thấp chọn theo điều kiện: ฀ trong đó: Ulvmin : Điện áp làm việc tối thiểu cho phép tại chỗ đặt bảo vệ trong điều kiện quá tải nặng nề nhất. UNmax : Điện áp dư lớn nhất tại chỗ đặt bảo vệ khi có ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ của bảo vệ quá dòng. nU : Tỷ số biến đổi của máy biến điện áp. Khi có thêm bộ phận khoá điện áp thấp dòng điện khởi động của bộ phận quá dòng điện có thể chọn theo điều kiện làm việc bình thường mà không cần xét đến chế độ quá tải sự cố. Rơ le dòng điện trong trường hợp này làm nhiệm vụ không cho bảo vệ tác động nhầm trong trường hợp đứt cầu chì trong mạch rơ le điện áp. Thời gian làm việc của bảo vệ được chọn như bảo vệ quá dòng điện có thời gian. 3.1.5 Bảo vệ dòng điện ba cấp Để phối hợp giữa bảo vệ dòng điện cực đại và bảo vệ dòng điện cắt nhanh cũng như giảm thời gian loại trừ sự cố người ta dùng sơ đồ bảo vệ dòng điện ba cấp như Hình vẽ 3-4 50 Cấp thứ nhất: Gồm các rơle 3 RI, 4RGT, 9Th, là cấp cắt nhanh không thời gian (tI  0,1s), chỉ bảo vệ được một phần đường dây. Dòng điện khởi động của 3RI chọn tương tự như bảo vệ cắt nhanh, tức là : II kđ = kat.INng.max với kat =1,31,5 Cấp thứ hai: gồm các rơle 5RI, 6RT, 10 Th là cấp cắt nhanh có thời gian, và có thời gian làm việc là tII = tI + t=0,5s  0,6s. Dòng điện khởi động của cấp hai được chọn như sau: III I kđ = kat.I kđ, với kat = 1,1  1,15. Cấp thứ ba: gồm các rơle 7RI, 8RT, 11Th là cấp bảo vệ dòng điện cực đại, có thời gian t chọn theo nguyên tắc từng cấp tIII = tII + t, dòng điện IIII kđ = kat.Ilvmax III 9Th CC + + 1 MC + 10Th + + 4RGT 6 RT 8 RT - - - + 3 RI 11Th + 5 RI 7 RI 2 BI Hình vẽ 3-4: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng ba cấp. 51 A C B ~ 2MC 1MC N 3MC INg II kđA III kđA II kđB lIA tII A t I l(km) lIB tIII A A tII B tI B L iA LIIA LIIIA Hình vẽ 3-5: Tính dòng điện và thời gian tác động của bảo vệ dòng ba cấp Bảo vệ dòng điện ba cấp có thể nhanh chóng loại trừ ngắn mạch, với sơ đồ đơn giản, làm việc khá tin cậy. Tuy nhiên, nhược điểm chính của bảo vệ là trong một số trường hợp độ nhạy của các cấp thứ nhất và thứ hai không đủ, chiều dài của các vùng bảo vệ phụ thuộc vào chế độ của hệ thống điện, dạng ngắn mạch. Thường chỉ đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng hở một nguồn cung cấp. 3.1.6 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện Là loại bảo vệ đơn giản nhất, được sử dụng sớm nhất, do đó nó có những đặc điểm sau: ฀ Tính tin cậy: đơn giản, làm việc khá tin cậy ฀ Tính chọn lọc: bảo vệ hoàn toàn phần tử được bảo vệ, nhưng đối với bảo vệ dòng điện cắt nhanh còn có vùng chết. Sự phối hợp làm việc khó khăn nhất là trong các mạch phức tạp như mạch vòng, nhiều nguồn. Là loại bảo vệ có tính chọn lọc tương đối ฀ Tính tác động nhanh: nhìn chung có thời gian tác động lớn ฀ Độ nhạy: Nhìn chung có độ nhạy không cao, nhất là khi chọn dòng điện khởi động theo điều kiện dòng mở máy động cơ. Do đó thông thường bảo vệ quá dòng chỉ làm bảo vệ chính cho các mạch hình tia, ở lưới điện phân phối. Đối với các thiết bị quan trọng như Máy phát điện, máy biến áp, đường dây truyền tải cao áp thì các bảo vệ quá dòng thường chỉ được dùng như bảo vệ dự phòng. 52 3.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN CÓ ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT 3.2.1 Nguyên tắc tác động Trong các mạng hình vòng một nguồn cung cấp (Hình vẽ 3-7-a,b) hoặc trong các mạng có hai đầu cung cấp (Hình vẽ 3-7-c) bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp có thể không bảo đảm cắt ngắn mạch một cách chọn lọc. ~ B (a) N1 A 2 3 N2 1 I’’N I’ 6 A N2 N1 ~ I’’N 2 1 I’ 5 4 (b 3 4 C A ~ B N1 1 2 B N2 3 4 C 5 6 D ~ (c) Hình vẽ 3-6: Bảo vệ quá dòng điện có hướng a) Mạch vòng, b) Đường dây song song, c) Đường dây có hai nguồn cung cấp, Thí dụ khi ngắn mạch trên đoạn AB (tại N'1) của các mạng đó, để bảo đảm tính chọn lọc, bảo vệ 2 phải có thời gian làm việc t2 bé hơn thời gian làm việc t3 của bảo vệ 3. Mặt khác, khi ngắn mạch trên đoạn BC (tại N"2), muốn cắt có chọn lọc lại phải chọn t3 < t2. Cùng một lúc không thể thực hiện được hai yêu cầu ngược nhau đó. Vì thế bảo vệ dòng điện cực đại không thể dùng được trong các mạng kể trên. Để bảo đảm cắt ngắn mạch có chọn lọc trong các mạng hở hai nguồn cung cấp từ khoảng năm 1910 người ta bắt đầu dùng bảo vệ có hướng: Bảo vệ dòng điện có định hướng công suất là loại bảo vệ làm việc theo trị số của dòng điện qua chỗ đặt bảo vệ và góc lệch pha giữa dòng điện đó với điện áp trên thanh góp của trạm có đặt bảo vệ. Bảo vệ tác động khi dòng điện vượt quá một giá trị định trước (giá trị khởi động) và pha của nó phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ (khi công suất ngắn mạch qua bảo vệ đi từ thanh góp ra đường dây). Về mặt bản chất: bảo vệ dòng điện có định hướng công suất là sự kết hợp giữa bảo vệ quá dòng và bộ phận định hướng công suất ngắn mạch. 53 ~ Đường độ nhạy cực đại U Cắt BU I U B I (d (e) I> W I Vùng khởi động & t φ I2=I’N φKđ 1800 I2=I”N Hình vẽ 3-7: Bảo vệ quá dòng điện có hướng: a) Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá dòng, b) Đặc tính pha của bộ phận định hướng công suất 3.2.2 Phần tử định hướng công suất Là phần tử dùng để xác định chiều của dòng công suất ngắn mạch đi qua bảo vệ. Khi có thêm bộ phận định hướng công suất, các bảo vệ quá dòng được chia làm hai nhóm, mỗi nhóm chỉ tác động theo một hướng công suất (dòng điện) nhất định. Ví dụ trên các lưới điện như Hình vẽ 3-6- a,b, các bảo vệ 1, 3, 5 (nhóm lẻ) chỉ phản ứng với dòng ngắn mạch I’ N , còn các bảo vệ 2, 4, 6 (nhóm chẵn) chỉ phản ứng với dòng ngắn mạch I’’N, đều có hướng từ thanh góp ra đường dây. Trong một số trường hợp ngắn mạch ba pha trực tiếp gần chỗ đặt bảo vệ, điện áp trên thanh góp có thể giảm xuống rất thấp, dưới ngưỡng làm việc của thiết bị định hướng. Khi đó bảo vệ sẽ không làm việc được, trường hợp như vậy gọi là ngắn mạch trong vùng chết (theo điện áp) của bảo vệ. Để giảm và loại trừ vùng chết phải chế tạo bộ phận định hướng có độ nhạy cao với ngưỡng làm việc của bộ phận điện áp rất bé, hoặc nối bộ phận định hướng qua thiết bị ghi nhớ điện áp trước khi sự cố. Trên thực tế để bảo đảm tính chọn lọc trong các lưới điện như Hình vẽ 3-6-a,b,c không phải đặt bộ phận định hướng ở tất cả các bảo vệ. Để đảm bảo tính chọn lọc, bộ phận dịnh hướng công suất chỉ cần đặt ở bảo vệ nào có thời gian làm việc bé hơn. Với một phần tử i, j nào đó trong lưới điện, chẳng hạn ti < tj, bộ phận định hướng công suất sẽ đặt tại bảo vệ i. Nếu ti = tj thì không cần đặt ở cả hai đầu. Để chống ngắn mạch không đối xứng, người ta thường sử dụng những bảo vệ phản ứng theo thành phần đối xứng của dòng (I2, I0), áp (U2, U0) và công suất tương ứng ( W 2 , W0 ). Các bộ phận định hướng công suất thứ tự nghịch ( W 2 ) và thứ tự không ( W 0 ) được đấu qua bộ lọc dòng và áp thứ tự nghịch và thứ tự không tương ứng có xét đến đặc tính khởi động theo góc pha của các thành phần đối xứng. 3.2.3 Lựa chọn thời gian cho bảo vệ dòng điện có định hướng công suất Trong mỗi nhóm bảo vệ, thời gian làm việc được chọn theo nguyên tắc từng cấp, tăng dần từ cuối đến đầu nguồn như đối với các bảo vệ quá dòng điện thông thường. Bộ phận định 54 hướng công suất làm việc theo góc lệch pha giữa dòng điện (chạy qua phần tử được bảo vệ) và điện áp (trên thanh góp chỗ đặt bảo vệ). Với các biểu diễn trên Hình vẽ 3-6-a và c, nếu giả thiết tất cả các bảo vệ đều được trang bị bộ phận định hướng công suất, thì theo chiều tác động của các bảo vệ được phân thành hai nhóm: nhóm lẻ gồm các bảo vệ 1, 3, 5 với bảo vệ 5 nằm xa nguồn nhất còn đối với nhóm chẵn (2, 4, 6) thì bảo vệ 2 nằm xa nguồn nhất. A HT 1 B D 1 C 3 2 (a) D 4 A D 6 C 3 (b) D D t1 D 5 tB t HT HT 22 tC B 1 D 5 tB HT 1 D tC t3 =2s Δt (c) tC Δt tB =1s t5 L 3 1 A 5 B (d) C 2 D 4 D tB tB =1s t2 =0,5s D tC t (e) Δt t4 = tC = 1,5s Δt D 6 t6 =2s L 2 4 6 Hình vẽ 3-8: Phối hợp thời gian tác động của bảo vệ quá dòng điện có hướng với thanh góp có nhiều mạch đường dây. Nếu trên thanh góp nhiều đường dây ra Hình vẽ 3-8, thì thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng đoạn gần nguồn hơn phải phối hợp với thời gian làm việc lớn nhất của bảo vệ quá dòng đặt ở đường dây nối với thanh góp liền kề, nghĩa là: t n  maxt n 1  t ฀ trong đó: tn : thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng gần nguồn hơn tn-1 : thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng của đường dây nối với thanh góp liền kề (xa nguồn hơn). t : cấp chọn lọc về thời gian 3.2.4 Lựa chọn dòng điện khởi động Việc lựa chọn dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng điện có hướng được chọn tương tự như bảo vệ quá dòng điện cực đại. 55 k at .k mm .I lv max  I kđ  I N min kv Đối với mạch song song, cần xét thêm điều kiện làm việc lớn nhất ở hai đầu phần tử bảo vệ để tránh bảo vệ có thể làm việc nhầm cắt cả phần tử thứ hai sau khi phần tử thứ nhất bị sự cố vừa cắt ra, nghĩa là phải lấy: I lv max  I lv max 1  I lv max 2 Tác động của bảo vệ quá dòng có hướng phụ thuộc vào hai yếu tố: dòng điện sự cố và hướng công suất qua chỗ đặt bảo vệ. Độ nhạy của bộ phận khởi động quá dòng điện được I kiểm tra theo hệ số độ nhạy k nhay  N min , còn tác động của bộ phận định hướng công suất I kđ được kiểm tra theo đặc tính góc (Hình vẽ 3-7). Đối với trường hợp sự cố cần khảo sát, xác định véc tơ điện áp đặt vào rơ le, lấy véc tơ này làm chuẩn, xác định miền tác động của bộ phận định hướng theo góc khởi động  kđ. Sau đó xác định véc tơ dòng điện chạy qua rơ le khi có sự cố, nếu véc tơ dòng điện sự cố nằm trong miền tác động, rơ le công suất sẽ làm việc. Tuỳ theo góc lệch pha giữa tổ hợp dòng và áp đặt vào rơ le trong chế độ làm việc bình thường mà đôi khi người ta còn gọi tên các sơ đồ bảo vệ quá dòng có hướng theo như sơ đồ 90o ,60o,30o … 3.2.5 Bảo vệ dòng điện có hướng ba cấp Gồm có ba cấp sau đây: Cấp thứ nhất: là cấp bảo vệ cắt nhanh thông thường kèm thêm bộ phận định hướng công suất, với dòng điện khởi động chọn tương tự như bảo vệ dòng điện cắt nhanh II kđ = kat.INng.max nhưng INng.max là dòng điện ngắn mạch đi từ trạm đang xét đến điểm ngắn mạch, theo chiều công suất xét. Do đó giá trị dòng khởi động cho bảo vệ có thể chọn nhỏ hơn nhiều nếu so với trường hợp cắt nhanh thông thường (nhất là khi mạng hở có hai nguồn công suất) Cấp thứ hai: là cấp cắt nhanh có hướng, việc chọn thời gian t II và dòng điện khởi động IIIkđ được tính như trường hợp cấp hai không có hướng nhưng chú ý đến dòng điện khi thanh góp có nhiều nhánh đường dây xuất tuyến nối với thanh góp đang xét, hoặc có thêm máy phát điện nối vào thanh góp đang xét. Cấp thứ ba: là bảo vệ dòng điện có hướng, dòng điện khởi động cần chọn theo các điều kiện sau: ฀ Bảo vệ phải trở về sau khi cắt ngắn mạch: I kđ  k at .k mm I lv max kv ฀ Dòng điện khởi động của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện các pha không hư hỏng. Vì trong một số dạng NM, ví dụ như NM một pha trong mạng có trung tính nối đất trực tiếp, dòng điện trong các pha không hư hỏng bằng tổng dòng điện phụ tải. Dòng điện này đôi khi có giá trị rất lớn, có thể làm bảo vệ có hướng tác động nhầm. Vì thế dòng điện khởi động phải chọn lớn hơn dòng cực đại các pha không hư hỏng: I kđ  k at I khh với Ikhh là dòng điện ở pha không hư hỏng, kat là hệ số an toàn. ฀ Phải phối hợp độ nhạy giữa các bảo vệ lân cận để đảm bảo tính chọn lọc. 3.2.6 Đánh giá bảo vệ dòng điện có định hướng công suất Bảo vệ dòng điện có định hướng công suất có các đặc điểm sau đây: ฀ Tính tin cậy: đơn giản, làm việc khá tin cậy, và cần thêm bộ định hướng công suất 56 ฀ Tính chọn lọc: Bảo vệ hoàn toàn phần tử được bảo vệ, Sự phối hợp làm việc khó khăn nhất là trong các mạch phức tạp như mạch vòng, nhiều nguồn. Là loại bảo vệ có tính chọn lọc tương đối. Trong một số lưới điện phức tạp như Hình vẽ 3-9, dù có đặt thêm bộ phận định hướng công suất bảo vệ quá dòng vẫn không đảm bảo được tính chọn lọc. Đối với mạng điện như trường hợp này phải dùng những nguyên lý khác để bảo vệ. B C A ~ ~ ~ D Hình vẽ 3-9: Các cấu hình lưới điện phức tạp bảo vệ quá dòng có hướng không đảm bảo tính chọn lọc: a) Mạng vòng có nhiều nguồn cung cấp. b) Mạng vòng có một nguồn cung cấp khi có liện hệ ngang không có nguồn (Đường dây BD) ฀ Tính tác động nhanh: nhìn chung có thời gian tác động lớn, nhất là khi có hiện tượng khởi động không đồng thời. Ví dụ như trong Hình vẽ 3-9-a, khi có ngắn mạch rất gần nguồn, dòng điện ngắn mạch qua bảo vệ 1 sẽ rất lớn, còn dòng bảo vệ qua bảo vệ 2 có thể nhỏ không đủ để bảo vệ 2 khởi động. Bảo vệ 2 chỉ tác động sau khi bảo vệ 1 đã tác động, Hiện tượng này làm tăng thời gian loại trừ sự cố trong mạch. ฀ Độ nhạy: Nhìn chung có độ nhạy không cao, nhất là khi chọn dòng điện khởi động theo điều kiện dòng mở máy động cơ. Do đó thông thường bảo vệ quá dòng có định hướng công suất chỉ làm bảo vệ chính cho các mạch hình tia nhiều nguồn, ở lưới điện phân phối, làm bảo vệ dự phòng cho các đường dây truyền tải cao áp. 3.3 NGUYÊN LÝ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 3.3.1 Nguyên tắc tác động Bảo vệ quá dòng điện và bảo vệ quá dòng có hướng có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp đôi khi quá lớn và trong một số mạng vòng, không thể đảm bảo được tính chọn lọc như những lưới điện có cấu hình ở Hình vẽ 3-9, các bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh thì lại không bảo vệ hết hoàn toàn đường dây. Do đó người ta đã sử dụng bảo vệ khoảng cách (bảo vệ tổng trở cực tiểu). Nguyên lý đo tổng trở được dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay thiếu (mất) kích thích. Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường (bằng thương số giữa điện áp chỗ đặt bảo vệ và dòng điện phụ tải) phải cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ 57 sự cố. Ngoài ra, trong nhiều trường hợp tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch. jX ZAB=RAB+jXA (a) A U  ZA   B  I Z< Z A min  Rqđ BU  R ZAN=RAN+jXA φ<0 Z’AN=ZAN+Rqđ jX IA Max = const jX B B ZAB Vùng khởi động của bộ phận khoảng cách ZAB (c) Rqđ ZAN  UA I A max φ>0 N’ XA  UA IA N BI ~ (b) (d) ZKđ Z’AN φD φ’N R RAB φD 0 A Rqđ A’ Vùng tổng trở phụ tải R Hình vẽ 3-10: Nguyên lý đo tổng trở, a) Sơ đồ lưới điện; b) Vùng biến thiên của tổng trở phụ tải; c)Tổng trở đo trong điều kiện sự cố; d) Đặc tính khởi động của bộ phận khoảng cách Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường (bằng tỷ số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải) lớn hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố. Ngoài ra trong nhiều trường hợp, tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch (Hình vẽ 3-10). Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải. Trên mặt phẳng phức số, ở chế độ dòng điện phụ tải cực đại IAmax khi phụ tải thay đổi, mút véc tơ tổng trở phụ tải cực tiểu ZAmin sẽ vẽ nên cung tròn có tâm ở gốc toạ độ của mặt phẳng tổng trở phức (Hình vẽ 3-10-b). Tổng trở của đường dây tải điện AB được biểu diễn bằng véc tơ ZAB trên mặt phẳng phức. Độ nghiêng của véc tơ ZAB so với trục hoành (điện trở tác dụng R) phụ thuộc vào tương quan điện kháng của đường dây XAB và điện trở tác dụng của đường dây RAB. Ta có: φD = arctg X AB RAB Khi có ngắn mạch trực tiếp tại điểm N trên đường dây, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ: ZAN = RAN + jXAN .Trị số tổng trở đo được sẽ giảm đột ngột so với chế độ làm việc bình 58 thường, nhưng độ nghiêng của véc tơ tổng trở không thay đổi. Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường do điện trở của hồ quang Rqđ phát sinh tại chỗ ngắn mạch) tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ: Z’AN = RAN + jXAN + Rqđ = ZAN + Rqđ Tổng trở đo được có trị số lớn hơn nhưng góc nghiêng của véc tơ tổng trở có giảm đi so với khi ngắn mạch trực tiếp tại N (Hình vẽ 3-10-c). 3.3.2 Các đặc tính khởi động của bảo vệ khoảng cách Để bảo vệ khoảng cách làm việc được thì cần phải có biện pháp đo lường tổng trở đặt vào rơle, hay cần phải nghiên cứu các đặc tính tổng trở. Đặc tính khởi động là đường biên xác định điều kiện tác động của mỗi bảo vệ được biểu diễn trong mặt phẳng phức Z. j (a ) j (b ) φD R (c ) φD φD R R j (d ) j (e ) φ φ R R j j (h (g φ Z Z Z R F R Hình vẽ 3-11: Các đặc tuyến tổng trở khởi động thường gặp: a) Tổng trở không hướng (ZKđ=const); b) Tổng trở có hướng (vòng tròn qua gốc toạ độ); c) Vòng tròn lệch tâm; d) Hình thấu kính, e,g) Hình đa giác; h) 7SA513 Những rơ le tổng trở đã chế tạo và sử dụng trong hệ thống điện có đặc tuyến khởi động rất đa dạng như Hình vẽ 3-11 nhằm để đáp ứng tốt điều kiện vận hành của các hệ thống điện. Hiện nay nguyên lý đo tổng trở thường được sử dụng kết hợp với các nguyên lý khác như: quá dòng điện, quá điện áp, thiếu điện áp để thực hiện bảo vệ đa chức năng hiện đại. Nguyên lý đo tổng trở có thể được sử dụng để bảo vệ lưới điện phức tạp có nhiều nguồn cung cấp với cấu hình bất kỳ. Ngày nay với sự phát triển của hệ thống thông tin, và truyền tín hiệu, các rơle khoảng cách ngày càng được dùng rộng rãi nhất là các cấu hình cho phép cắt liên động, và cho phép khóa liên động làm tăng tốc độ loại trừ sự cố. 59 3.3.3 Nguyên tắc thực hiện rơle khoảng cách 3.3.4 Lựa chọn giá trị khởi động Xét một hệ thống điện như Hình vẽ 3-12: A B MCA ~ ZAB C MCB ZBC N1 D MCC ZCD N2 RZA RZC RZB tIIIA tIIA tIA tIIB tIIC tIB A tIC B ZAI =0,8Z tIIIB C ZBI =0,8Z D ZCI ZAII =0,8(Z +Z i) ZAIII =0,8[ZAB+0,8(ZBC +Zi )] Hình vẽ 3-12: Sơ đồ phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa ba vùng của bảo vệ khoảng cách. Việc lựa chọn thời gian cho bảo vệ khoảng cách cũng được chọn theo nguyên tắc từng cấp như bảo vệ quá dòng điện cực đại. Tức là độ lệch về thời gian làm việc giữa các vùng bảo vệ liền kề nhau t chọn bằng: t = 0,3 ÷ 0,5 s, Vùng I: bảo vệ khoảng 80-90% chiều dài đường dây được bảo vệ. ฀ Thời gian khởi động chọn tAI = 0 (s) , ฀ Tổng trở khởi động: ví dụ bảo vệ A đặt đầu đường dây AB, tổng trở khởi động sẽ được  I  k .Z  , chọn như sau: Z A at AB ฀ trong đó: kat < 1 có xét đến sai số của các mạch đo lường, bản thân rơ le khoảng cách và của việc xác định thông số tổng trở đường dây Ż AB .Với các rơ le điện cơ có thể lấy kat = 0,8, với các rơ le số có độ chính xác cao hơn có thể lấy kat = 0,85; nếu tổng trở của đường dây được đo trực tiếp và sử dụng rơ le số thì kat có thể lấy bằng 0,9. Vùng II: Cần phải phối hợp với bảo vệ cấp I của đường dây tiếp theo (đầu B), thông thường vùng II sẽ bảo vệ toàn bộ đường dây AB và khoảng 20% chiều dài đường dây tiếp theo, cụ thể chọn các thông số như sau:   ฀ Thời gian khởi động chọn tAII = tAI +t (s)  II  k . Z   Z I ฀ Tổng trở khởi động: Z A at AB B 60 ฀ trong đó: ZBI - Tổng trở khởi động vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu B đường của đường dây tiếp theo. kat : được chọn như trên nhằm phối hợp chọn lọc giữa hai vùng thứ II của bảo vệ A và B liền kề. Vùng III: cũng chọn tương tự như vùng II với vùng khởi động thứ III thường bao lấy toàn bộ chiều dài đường dây dài nhất tiếp theo để làm bảo vệ dự phòng cho đường dây này   ฀ Thời gian khởi động chọn tAIII = tAII +t (s)  III  k . Z   k . Z ฀ Tổng trở khởi động: Z A at AB at BC I  Z C  ฀ trong đó: ZCI - Tổng trở khởi động vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu C đường của đường dây tiếp theo. kat : được chọn như trên nhằm phối hợp chọn lọc giữa hai vùng thứ II của bảo vệ A và B liền kề. 3.3.5 Những yếu tố làm sai lệch đến sự làm việc của rơle khoảng cách 3.3.5.1 Ảnh hưởng của điện trở quá độ Điện trở quá độ tại chỗ sự cố làm cho tổng trở đường dây nhỏ hơn tổng trở sự cố. Ví dụ cách tính điện trở hồ quang có thể được tính theo công thức kinh nghiệm: Ra=8750/I1,4(ohm) ฀ trong đó: ฀ L là chiều dài hồ quang (ft) L=3V t +L0 V : Tốc độ gió (Mile/h) t : Thời gian tồn tại hồ quang (s) L0 : Chiều dài hồ quang sơ cấp(feet) ฀ I là dòng điện hồ quang Sự xuất hiện của hồ quang tại chỗ ngắn mạch cũng đồng thời làm cho thời gian của bảo vệ khoảng cách tăng lên vì phải tính đến thời gian tắt hồ quang tại chỗ ngắn mạch 3.3.5.2 Ảnh hưởng của dòng điện trong các nhánh    VR Vì tổng trở đo được bởi rơle là tỉ số giữa điện áp và dòng điện đưa vào rơle: Z R I R tuy nhiên dòng điện đi vào rơ le khoảng cách lại phụ thuộc vào các nhánh nhất là trong các hệ thống có đường dây kép như trên Hình vẽ 3-13 HTĐ 1 C D HTĐ 2 ICD IAB A N B Hình vẽ 3-13: Sự phân bố dòng điện trên các nhánh của đường dây mạch kép 61 3.3.5.3 Ảnh hưởng sai số các thiết bị đo lường Các thiết bị đo lường BU, BI có ảnh hưởng khá lớn đến sự làm việc của rơ le khoảng cách. Vì tổng trở rơ le đo được phụ thuộc vào giá trị điện áp và dòng điện đo được. Do đó các BU, BI cần phải đảm bảo nhỏ hơn sai số cho phép. 3.3.5.4 Các ảnh hưởng khác Tổng trở đo được bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác như: dao động công suất (Power Swing), khi ngắn mạch gần nguồn có thể làm cho điện áp giàm quá thấp và các rơ le có thể không khởi động được, tổng trở của đường dây thay đổi khi có thiết bị bù (tụ bù dọc, kháng bù dọc, thiết bị bù ngang)và ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các đường dây. 3.3.6 Đánh giá về bảo vệ khoảng cách Bảo vệ khoảng cách có các đặc điểm sau đây: ฀ Tính tin cậy: làm việc khá tin cậy, tuy nhiên bộ phận tính toán khoảng cách phức tạp hơn so với các bảo vệ trước, nhất là khi cần có thêm thêm bộ định hướng công suất. Sự làm việc chính xác phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống đo lường, tính toán tổng trở, đặc biệt là khi phát sinh hồ quang tại chỗ ngắn mạch, các đường dây có thiết bị bù, sự dao động công suất trong mạch, sự hỗ cảm giữa các đường dây. ฀ Tính chọn lọc: Đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng khác nhau, là loại bảo vệ có tính chọn lọc tương đối. ฀ Tính tác động nhanh: Có khả năng cắt ngắn mạch khá nhanh, đặc biệt là khi dùng các hệ thống thông tin và truyền tin tốc độ cao với các tín hiệu cho phép cắt, và cho phép khóa liên động. ฀ Độ nhạy: Độ nhạy khá cao Do đó thông thường bảo vệ khoảng cách được làm bảo vệ chính cho các đường dây cao áp, làm dự phòng cho bảo vệ MBA hoặc MPĐ. 3.4 BẢO VỆ SO LỆCH 3.4.1 So lệch dòng điện 3.4.1.1 Nguyên tắc tác động Bảo vệ so lệch dòng điện là loại bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp biên độ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ. Nếu sự sai lệch giữa hai dòng điện vượt quá trị số cho trước (giá trị khởi động) thì bảo vệ sẽ tác động. Là loại bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối, vùng tác động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí đặt của hai tổ máy biến dòng ở đầu và cuối phần tử được bảo vệ, từ đó nhận tín hiệu dòng điện để so sánh. Sơ đồ nối các phần tử như Hình vẽ 3-14 còn được gọi là sơ đồ dòng điện tuần hoàn hay dòng điện so lệch. 62 I   I T1  I T2 I T1     I T1  I R   I  I T1  I T2  I T2  I T2 Hình vẽ 3-14: Bảo vệ so lệch dòng điện a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véctơ dòng điện khi ngắn mạch ngoài vùng và trong chế độ bình thường, c) Khi ngắn mạch trong vùng. Dòng điện so lệch chạy qua rơ le: I SL  I  I T1  I T 2  I R Tình trạng làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N1). Trong trường hợp lý tưởng (giả sử các biến dòng điện giống hệt nhau và không có sai số) ta có: I S1  I S 2 nên I T1  I T 2 và dòng điện đi vào rơle: I R  IT1  IT 2  0 nên bảo vệ so lệch dòng điện không tác động (đồ thị véc tơ Hình vẽ 3-14-b). Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (N2) Trường hợp có hai nguồn cung cấp thì I S1  I S 2 cả về trị số và góc pha, do đó các dòng điện thứ cấp cũng khác nhau I T1  I T 2 và dòng điện vào rơ le: I R  I T1  I T 2  0 . Nếu I R  I kđđ  bảo vệ sẽ tác động cắt các máy cắt của phần tử được bảo vệ. Đồ thị véc tơ dòng điện như Hình vẽ 3-14-c. Trường hợp nguồn chỉ có từ một phía (SB = 0) Khi đó dòng điện chạy qua rơ le là: I R  I T1 , nếu I R  I kđ thì bảo vệ sẽ tác động. 3.4.1.2 Chọn dòng điện khởi động Trong các sơ đồ bảo vệ so lệch, các cuộn dây thứ cấp của các biến dòng điện phải nối sao cho khi bình thường và khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ dòng điện qua rơ le IR = 0, còn khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ dòng điện qua rơ le IR bằng dòng điện ngắn mạch tổng ở phía thứ cấp IN. Trên thực tế, do sai số của máy biến dòng, đặc biệt do hiện tượng bão hoà của mạch từ, nên trong chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài, dòng điện phía thứ cấp của hai tổ máy biến dòng BI1 và BI2 sẽ khác nhau và: I  I  I  I  0 R T1 T2 Kcb 63 Do đó dòng điện khởi động sẽ được tính toán như sau: I kđ  k at IKcbtt max ฀ trong đó: dòng điện không cân bằng phụ thuộc các yếu tố sau: Ikcbttmax =fimax.kđn.kkck.INngoàimax fimax: là sai số cực đại cho phép của BI (fimax =10%) kđn: Hệ số đồng nhất của BI (=0÷1) kkck là hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch INngoàimax là thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch lớn nhất 3.4.1.3 Các biện pháp nâng cao độ nhạy Để ngăn ngừa bảo vệ so lệch làm việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của IKcb, thường dùng các biện pháp để giảm dòng điện không cân bằng như dùng biến dòng bão hoà trung gian, sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ bằng dòng điện pha hoặc các hài bậc cao (xuất hiện trong quá trình quá độ và khi mạch từ bị bão hoà). Khi sử dụng nguyên lý so lệch dòng điện để bảo vệ máy biến áp và biến áp tự ngẫu, cần chú ý đến khả năng bảo vệ so lệch có thể làm việc sai khi đóng máy biến áp không tải. Tuỳ thuộc thời điểm đóng máy cắt nối máy biến áp không tải với nguồn điện mà trị số ban đầu (xung kích) của dòng điện từ hoá máy biến áp có thể đạt trị số lớn gấp nhiều lần dòng điện định mức của máy biến áp. Trường hợp xấu nhất (I lớn nhất) sẽ xảy ra khi đóng máy cắt điện vào thời điểm điện áp nguồn có trị số tức thời qua điểm 0. Khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hoá (I) trở lại trị số bình thường (khoảng vài phần trăm dòng điện định mức). Do dòng điện từ hoá chỉ chạy ở phía cuộn dây máy biến áp nối với nguồn khi máy biến áp đang ở chế độ không tải nên dòng điện ở cuộn dây bên kia bằng không. Bảo vệ so lệch máy biến áp có thể tác động nhầm (lúc này tương đương với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp có nguồn cung cấp từ một phía). Để phân biệt trường hợp đóng máy biến áp không tải với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp, người ta dựa vào tính chất của dòng điện từ hoá xung kích và dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp. Qua phân tích sóng hài của hai dòng điện này ta thấy: Dòng điện từ hoá xung kích chứa phần lớn hài bậc hai (khoảng 70% so với hài cơ bản) và có thể đạt trị số cực đại đến khoảng 30% trị số của dòng sự cố. Do đó có thể sử dụng hãm bổ sung bằng hài bậc hai (f2 = 100Hz) của dòng điện quá độ đưa vào bảo vệ so lệch cho máy biến áp. Sơ đồ nguyên lý như Hình vẽ 3-15 dùng ba biến dòng phụ: ฀ trong đó: BILV : để lấy ra dòng điện làm việc (hay dòng điện so lệch : I SL  I T1  I T 2 ) BIH : để lấy ra dòng điện hãm ( I  I  I ) H T1 T2 BIL : để lọc hài bậc hai trong dòng điện so lệch đưa vào hãm bổ sung trong bộ so sánh pha. Nguyên lý hãm bổ sung bằng hài bậc hai hiện nay đang được sử dụng để chế tạo các rơ le bảo vệ máy biến áp. 64 Hình vẽ 3-15: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm bổ sung bằng dòng điện hài bậc hai dùng cho bảo vệ máy biến áp hai dây quấn 3.4.2 So sánh pha của dòng điện Bảo vệ so sánh góc pha làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh pha của hai dòng điện ở hai đầu của phần tử được bảo vệ. Pha của dòng điện được truyền qua kênh truyền để so sánh với nhau, sơ đồ nguyên lý như Hình vẽ 3-16. Độ lệch pha được tính như sau:   1   2   . ฀ trong đó: φ1, φ2 tương ứng là góc pha của dòng điện đi vào và đi ra khỏi phần tử được bảo vệ. Ở chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài (điểm N1), góc pha dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ gần như nhau nên   00. Khi ngắn mạch trong vùng được bảo vệ (điểm N2), dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ ngược pha nhau nên  ≈ 180 0. Trên thực tế, do ảnh hưởng của điện dung phân bố của phần tử được bảo vệ nên trong chế độ làm việc bình thường cũng như khi có ngắn mạch ngoài thì  ≠ 0. Để cho bảo vệ không tác động nhầm cần phải chọn góc khởi động (kđ) lớn hơn một giá trị nào đó, thường chọn  Kđ bằng khoảng  (30 0 ÷ 60 0) như Hình vẽ 3-16-b. 65 1  2  Hình vẽ 3-16: Bảo vệ so sánh pha dòng điện: a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tính góc pha bảo vệ. 3.4.3 Đánh giá về bảo vệ so lệch Bảo vệ so lệch có các đặc điểm sau đây: ฀ Tính tin cậy: làm việc khá tin cậy, tuy nhiên sự làm việc chính xác phụ thuộc rất nhiều vào giá trị của dòng điện không cân bằng, và hệ thống dây dẫn phụ, hay hệ thống truyền tin. ฀ Tính chọn lọc: đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng khác nhau, là loại bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối. ฀ Tính tác động nhanh: có khả năng cắt ngắn mạch nhanh, ฀ Độ nhạy: đôi khi không đảm bảo nếu có dây dẫn phụ với tổng trờ lớn, hoặc dòng không cân bằng lớn Do đó thông thường bảo vệ khoảng cách được làm bảo vệ chính cho các đường dây cao áp với hệ thống truyền tin hiện đại, các MBA, các MPĐ, thanh góp, động cơ điện công suất lớn. 3.5 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Nguyên tắc tác động của bảo vệ quá dòng điện? Chọn dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ dòng điện cắt nhanh? Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của bảo vệ dòng điện cực đại và bảo vệ dòng điện cắt nhanh? 2 Bảo vệ quá dòng điện có hướng công suất? Phạm vi ứng dụng? 3 Nguyên lý khoảng cách, những đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách? 4 Nguyên tắc tác động của bảo vệ so lệch dòng điện? Sự làm việc của bảo vệ khi có ngắn mạch ngoài và trong vùng bảo vệ? 5 Nguyên lý so sánh pha dòng điện? 66 PHẦN II: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 67 CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CÁC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG Phương pháp và chủng loại thiết bị bảo vệ các đường dây tải điện phụ thuộc nhiều yếu tố như: Đường dây trên không hay dây cáp, chiều dài đường dây, công suất truyền tải và tầm quan trọng của đường dây, số mạch truyền tải và vị trí của đường dây … Theo cấp điện áp người ta phân biệt: U < 1 kV 1kV  U  35 kV 66 kV  U  220 kV Đường dây hạ áp Đường dây trung áp Đường dây cao áp 330 kV  U  1000 kV Đường dây siêu cao áp U > 1000 kV Đường dây cực cao áp Đường dây cấp điện áp danh định từ 220 kV trở lên được gọi là đường dây truyền tải và từ 110 kV trở xuống được gọi là đường dây phân phối. Những sự cố thường gặp đối với đường dây tải điện là ngắn mạch (Nhiều pha hoặc một pha), chạm đất một pha (trong lưới điện có trung điểm cách điện hoặc nối qua cuộn PETERSEN) quá điện áp (khí quyển hoặc thao tác), đứt dây và quá tải. Để chống các dạng ngắn mạch trong lưới hạ áp thường người ta dùng cầu chảy hoặc áp tô mát. Để bảo vệ các đường dây trung áp (U≤35kV) chống ngắn mạch, người ta dùng các loại bảo vệ sau: ฀ Quá dòng điện cắt nhanh hoặc có thời gian (với đặc tính độc lập hoặc phụ thuộc) ฀ Quá dòng điện có hướng ฀ So lệch dùng cáp thứ cấp chuyên dùng ฀ Khoảng cách Đối với đường dây cao áp (66÷220kV) và siêu cao áp (330÷1000kV) thường dùng các loại bảo vệ: ฀ So lệch dòng điện ฀ Khoảng cách ฀ So sánh tín hiệu ฀ So sánh pha ฀ So sánh hướng (công suất hoặc dòng điện) 68 4.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 4.2.1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh Nguyên lý làm việc của bảo vệ quá dòng điện nói chung và bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh đã được trình bày trong chương 3. Từ nguyên tắc chọn dòng điện khởi động để đảm bảo tính chọn lọc ta thấy, vùng tác động của bảo vệ không thể bao trùm toàn bộ chiều dài đường dây được bảo vệ và thay đổi theo trị số của dòng điện ngắn mạch và bảo vệ, tức là thay đổi theo dạng ngắn mạch và theo chế độ vận hành của hệ thống (Hình vẽ 3-2). Để ngăn chặn bảo vệ cắt nhanh làm việc sai khi có sét đánh vào đường dây (khi ấy các chống sét van làm việc, hoặc khi đóng máy biến áp có thể vượt quá trị số đặt của bảo vệ cắt nhanh) thông thường người ta cho bảo vệ làm việc chậm lại khoảng 50 - 80 ms. Với lưới điện có trung điểm nối đất trực tiếp, để chống cả ngắn mạch 1 pha người ta sử dụng sơ đồ ba máy biến dòng và ba rơ le nối hình sao đủ, hoặc ba máy biến dòng nối theo bộ lọc thứ tự không và một rơ le dòng điện làm việc theo dòng thứ tự không Io. Bảo vệ cắt nhanh thứ tự không thường có độ nhậy cao hơn và vùng bảo vệ ổn định hơn khi chế độ vận hành của hệ thống thay đổi. Ở lưới điện có trung điểm cách điện có thể sử dụng sơ đồ bảo vệ cắt nhanh với hai máy biến dòng và hai rơ le nối hình chữ V. Đối với các đường dây có hai nguồn cung cấp, nếu bảo vệ cắt nhanh đặt ở hai đầu đường dây không có bộ phận định hướng công suất thì dòng điện khởi động ở cả hai đầu phải chọn theo dòng điện ngắn mạch lớn nhất xảy ra trên một trong hai thanh góp đầu đường dây. Chẳng hạn, với ví dụ trên Hình vẽ 4-1, khi hệ thống A có công suất lớn hơn hệ thống B thì dòng khởi động phải chọn theo điều kiện ngắn mạch 3 pha trực tiếp trên đầu đường dây B. Nếu chênh lệch công suất giữa hai hệ thống quá lớn, vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh phía hệ thống công suất bé sẽ rất hạn chế, để khắc phục nhược điểm này cần đặt bộ phận định hướng công suất ở đầu có nguồn dòng ngắn mạch bé hơn. Hình vẽ 4-1: Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp Nếu ngoài đường dây được bảo vệ giữa các thanh góp A và B còn có liên hệ vòng khác thì sau khi bảo vệ một đầu đã tác động cắt máy cắt, dòng ngắn mạch ở đầu còn lại có thể tăng 69 lên và vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh ở đầu này có thể mở rộng ra (đây là hiện tượng khởi động không đồng thời của bảo vệ cắt nhanh). 4.2.2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường dùng để bảo vệ các đường dây trung áp hình tia. Tính chọn lọc của bảo vệ được đảm bảo bằng nguyên tắc phân cấp việc chọn thời gian tác động. Bảo vệ càng gần nguồn cung cấp thời gian tác động càng lớn. Có hai loại đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng điện: đặc tính độc lập và đặc tính phụ thuộc. Hình vẽ 4-2: Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện, a) Độc lập, b) Phụ thuộc. Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ (Hình vẽ 4-2-a), còn của bảo vệ đặc tính thời gian phụ thuộc thì tỷ lệ nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ: dòng càng lớn thời gian tác động càng ngắn (Hình vẽ 4-2-b). A B C D HT pt (a) 51 I>, tA t 51 I>, tB tpt 51 I>, tC tA Δt tB (b) Δt tC Δt tpt= tD L (km) Z () 0 t (c) tA 0 A Δt B tB Δt C tC Δt D tpt = tD L (km) Z () 70 Hình vẽ 4-3: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện trong lưới điện hình tia (a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (b) và đặc tuyến phụ thuộc (c) Trên Hình vẽ 4-3 trình bày cách phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong mạng điện hình tia (Hình vẽ 4-3-a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (Hình vẽ 4-3-b) và đặc tuyến phụ thuộc (Hình vẽ 4-3-c). Trên các Hình vẽ 4-3-b, c; t giữa hai đặc tuyến lân cận nhau được gọi là cấp chọn lọc về thời gian, nó phụ thuộc vào sai số của bản thân rơ le cũng như thời gian cắt của máy cắt điện. ฀ Đối với các rơ le điện cơ thường lấy t = 0,4 - 0,5 giây, ฀ Với các rơ le số t = 0,2 - 0,3 giây. Cũng giống như bảo vệ cắt nhanh, bảo vệ quá dòng điện có thời gian có thể được thực hiên theo sơ đồ hình sao đủ (ba biến dòng + ba rơ le), sơ đồ hình V (hai biến dòng + hai rơ le) hoặc một rơ le dòng điện nối vào bộ lọc dòng thứ tự không. Đối với lưói điện có trung điểm nối đất trực tiếp thường dùng sơ đồ hình sao hoặc dòng thứ tự không. Bảo vệ quá dòng thứ tự không có độ nhạy cao hơn (vì không phải chỉnh định theo dòng phụ tải cực đại), thời gian làm việc bé hơn so với bảo vệ quá dòng cùng cấp (vì số cấp chỉnh định thời gian trong mạng thứ tự không ít hơn nhiều so với số cấp trong mạng thứ tự thuận). 4.2.3 Bảo vệ quá dòng có khoá điện áp thấp Trong nhiều trường hợp bảo vệ quá dòng điện có thời gian với dòng điện khởi động chọn theo ILvmax có thể không đủ độ nhậy, vì dòng điện làm việc cực đại ILvmax chạy qua phần tử được bảo vệ có trị số quá lớn, chẳng hạn khi tách mạch vòng của lưới điện, khi cắt một số đường dây hoặc máy biến áp làm việc song song. Trong một số lưới điện với nguồn công suất ngắn mạch yếu, nếu theo dòng điện ILvmax ở chế độ này thậm chí bất đẳng thức có thể không thoả mãn được. I N min  I kđ  k at k m .I lv max kv (4-1) Trong điều kiện như vậy, để nâng cao độ nhậy của bảo vệ quá dòng điện có thời gian, đảm bảo cho bảo vệ có thể phân biệt được ngắn mạch và quá tải, người ta thêm vào sơ đồ bảo vệ bộ phận khoá điện áp thấp Hình vẽ 4-4.  I 51 I> & BU t 27 U< Hình vẽ 4-4: Bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp Bộ phận khoá điện áp thấp (U<) sẽ làm việc phối hợp với bộ phận quá dòng (I>) theo lô gích "và" (&). Khi có ngắn mạch dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ tăng cao còn điện áp thì 71 giảm thấp, hai sự kiện này xảy ra đồng thời, bảo vệ sẽ tác động. Còn khi quá tải dòng điện có thể vượt quá giá trị chỉnh định tuy nhiên điện áp chỉ giảm ít, bộ khoá điện áp thấp không làm việc nên bảo vệ không tác động. Điện áp khởi động của bộ khoá điện áp thấp chọn theo điều kiện: U U N max  U kđ  lv min nu nu ( 4 - 2 ) ฀ trong đó: ULvmin : điện áp làm việc tối thiểu cho phép tại chỗ đặt bảo vệ trong điều kiện quá tải nặng nề nhất. UNmax : điện áp dư lớn nhất tại chỗ đặt bảo vệ khi có ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ của bảo vệ quá dòng. nu : tỷ số biến đổi của máy biến điện áp. Khi có thêm bộ phận khoá điện áp thấp dòng điện khởi động của bộ phận quá dòng điện có thể chọn theo điều kiện làm việc bình thường mà không cần xét đến chế độ quá tải sự cố. Rơ le dòng điện trong trường hợp này làm nhiệm vụ không cho bảo vệ tác động nhầm trong trường hợp đứt cầu chì trong mạch rơ le điện áp. Thời gian làm việc của bảo vệ được chọn như bảo vệ quá dòng điện có thời gian. 4.2.4 Bảo vệ quá dòng điện có hướng Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ người ta thường thiết kế các mạng hình vòng và mạng có hai đầu cung cấp. Đối với mạng loại này bảo vệ quá dòng điện có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp không thể đảm bảo cắt ngắn mạch một cách chọn lọc được. Chẳng hạn với sơ đồ các đường dây song song trên Hình vẽ 4-3-a, nếu sử dụng bảo vệ quá dòng điện thông thường thời gian làm việc của các bảo vệ được chọn như sau: t2 = t4 = t 5 + t t1 = t3 = t2 + t = t5 + 2t ฀ trong đó : t - cấp chọn lọc về thời gian (0,3 ÷ 0,5) s Khi các bảo vệ 2 và 4 có trang bị bộ phận định hướng công suất với chiều tác động ứng với luồng công suất đi từ thanh góp vào đường dây thì không cần phối hợp thời gian tác động giữa bảo vệ 2 và 4 với bảo vệ 5, vì khi ngắn mạch trên đường dây D3 (điểm N3) các bảo vệ 2 và 4 sẽ không làm việc. Trong trường hợp này các bảo vệ 1 và 3 sẽ phối hợp thời gian trực tiếp với bảo vệ 5: t1 = t3 = t5 + t t (b) t t I> (a) A I> 1 N1 2 3 N2 4 D2 I> t t1=t3=t5 +Δt B D1 I> t 5 N3 Δt D3 I> t t5 t2=t4<t5 L A B 72 Hình vẽ 4-5: Bảo vệ quá dòng điện có hướng: a) đường dây hai mạch song song, b) cách chọn thời gian làm việc của bảo vệ Vì vậy thời gian làm việc của các bảo vệ này sẽ được giảm đi, còn thời gian t2 và t4 có thể chọn bé tuỳ ý (Hình vẽ 4-5-b). Với các biểu diễn trên Hình vẽ 4-6-a,c, nếu giả thiết tất cả các bảo vệ đều được trang bị bộ phận định hướng công suất, thì theo chiều tác động của các bảo vệ được phân thành hai nhóm: nhóm lẻ gồm các bảo vệ 1, 3, 5 với bảo vệ 5 nằm xa nguồn nhất còn đối với nhóm chẵn (2, 4, 6) thì bảo vệ 2 nằm xa nguồn nhất. Nếu trên thanh góp nhiều đường dây ra, thì thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng đoạn gần nguồn hơn phải phối hợp với thời gian làm việc lớn nhất của bảo vệ quá dòng đặt ở đường dây nối với thanh góp liền kề, nghĩa là: tn = max {tn-1} + t (4-3) ฀ trong đó: tn : thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng gần nguồn hơn tn-1 : thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng của đường dây nối với thanh góp liền kề (xa nguồn hơn). t : cấp chọn lọc về thời gian A HT B 1 D1 C 3 2 (a) 4 D2 5 tB =1s A HT (b) D 5 D2 tB =1s t 6 C 3 D1 D3 tC =1,5s B 1 D D3 tC =1,5s t1 =2,5s Δt t3 =2s Δt tB =1s (c) tC =1,5s t5 =0,5s L 3 1 A (d) 5 B 2 D1 C D2 tB =1s D 4 D3 6 tC =1,5s t t6 =2s (e) Δt t4 = tC = 1,5s tB =1s t2 =0,5s Δt L 2 4 6 73 Hình vẽ 4-6: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện có hướng trong lưới điện có hai nguồn cung cấp Đối với trường hợp có hai phần tử làm việc song song (như đường dây hai mạch trên Hình vẽ 4-5-a hoặc trạm biến áp có hai máy biến áp, khi xác định dòng điện làm việc cực đại theo I Nmin  I kd  k at .k m .I lvmax cần cộng dòng điện làm việc lớn nhất của cả hai phần tử để tránh kV bảo vệ có thể làm việc nhầm cắt cả phần tử thứ hai sau khi phần tử thứ nhất bị sự cố vừa cắt ra, nghĩa là phải lấy: ILvmax = ILvmax1 + ILvmax2 (4-4) Trên đây khi chỉnh định thời gian làm việc, ta giả thiết rằng tất cả các bảo vệ đặt ở các đoạn đường dây đều được trang bị bộ phận định hướng công suất. Trên thực tế đối với mỗi đoạn đường dây bộ phận định hướng công suất chỉ cần đặt ở đầu có thời gian làm việc bé hơn, nếu bảo vệ ở hai đoạn đường dây có thời gian làm việc giống nhau thì ở cả hai đầu đều không cần đặt bộ phận định hướng công suất. Chẳng hạn đối với lưới điện trên ví dụ hình 3-6,a bộ phận định hướng công suất chỉ cần đặt ở các bảo vệ 2, 4 và 5. Tác động của bảo vệ quá dòng có hướng phụ thuộc vào hai yếu tố: dòng điện sự cố và hướng công suất qua chỗ đặt bảo vệ. Độ nhạy của bộ phận khởi động quá dòng điện được I kiểm tra theo hệ số độ nhạy k n  N min , còn tác động của bộ phận định hướng công suất được I kđ kiểm tra theo đặc tính góc (Hình vẽ 4-6-e). Đối với trường hợp sự cố cần khảo sát, xác định véc tơ điện áp đặt vào rơ le, lấy véc tơ này làm chuẩn, xác định miền tác động của bộ phận định hướng theo góc khởi động kđ. Sau đó xác định véc tơ dòng điện chạy qua rơ le khi có sự cố, nếu véc tơ dòng điện sự cố nằm trong miền tác động, rơ le công suất sẽ làm việc. Tuỳ theo góc lệch pha giữa tổ hợp dòng và áp đặt vào rơ le trong chế độ làm việc bình thường mà đôi khi người ta còn gọi tên các sơ đồ bảo vệ quá dòng có hướng theo như sơ đồ 90 o ,60o, 30 o … 4.2.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có hướng Đối với đường dây được cung cấp từ hai phía, nếu ở hai đầu đường dây đặt bảo vệ cắt nhanh thông thường, thì để đảm bảo tính chọn lọc dòng điện khởi động của cả hai bảo vệ phải chọn bằng nhau. Trong đó dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất IN ngoài max chọn theo điều kiện: INngoài max = max {INngoài maxA ; INngoài maxB} (4-5) ฀ trong đó: INngoài maxA : Dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất chạy qua bảo vệ từ phía nguồn A (điểm N1) INngoài maxB : Dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất chạy qua bảo vệ từ phía nguồn B (điểm N2) Với dòng điện khởi động chọn theo công thức: Ikđ = K at . INngoài max và INngoài max = max {INngoài maxA; INngoài maxB} thì vùng được bảo vệ từ hai phía của đường dây sẽ rất hạn chế. Nếu công suất ngắn mạch của nguồn ở hai đầu đường dây khác nhau nhiều thì có thể (Hình vẽ 4-7-a): lCNA + lCNB < lAB 74 Có nghĩa có thể tồn tại một phần đường dây mà khi sự cố xảy ra trên đó bảo vệ cắt nhanh ở cả hai đầu đều không làm việc. Để mở rộng vùng bảo vệ cắt nhanh trong nhiều trường hợp nguồn công suất ngắn mạch chênh lệch nhau nhiều, có thể đặt thêm bộ phận định hướng công suất ở hai đầu có nguồn yếu hơn (Hình vẽ 4-7-b). Khi ấy dòng điện khởi động của bảo vệ cắt nhanh ở hai đầu đường dây có thể chọn lọc khác nhau: I kđđ k at i Nngoài max A I kđđ k at i Nngoài max B (4-6) ฀ trong đó: kat là hệ số an toàn, có thể lấy kat = 1,2 ÷1,3. Như vậy nếu đặt ở đầu nguồn yếu hơn bộ phận định hướng công suất thì vùng bảo vệ cắt nhanh ở đầu này sẽ được mở rộng ra nhiều. A IN IN N N1 I>> B N2 I>> I A IN IN N N1 I>> I>> B N2 I INA INA INB INB IKđ IKđA = IKđB IKđB INngmaxA(N1) INngmaxB(N2) A LCNA INngmaxA(N1) INngmaxB(N2) LCNB B A LCNA B LCNB Hình vẽ 4-7: Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh không có hướng (a) và có hướng (b) 4.3 BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 4.3.1 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm Nguyên tắc làm việc của bảo vệ so lệch dòng điện trình bày trong chương 3. Để nâng cao độ nhạy của bảo vệ và ngăn chặn tác động nhầm do ảnh hưởng của dòng không cân bằng do sai số của BI khi có ngắn mạch ngoài, người ta sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng địên có hãm trình bày trên Hình vẽ 4-8-a dòng điện so lệch Isl (làm việc) xác định theo: I sl  I  I sl  I T1  I T 2 (4-7) còn dòng điện hãm được xác định như sau: I H  I T1  I T 2 (4-8) 75 Trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, dòng điện làm việc sẽ bé hơn nhiều so với dòng điện hãm (Hình vẽ 4-8-b) nên rơ le so lệch (So sánh biên độ của Ilv và IH) không làm việc. Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ dòng điện ở một đầu sẽ đổi chiều lúc bấy giờ Ilv > IH nên rơ le so lệch sẽ làm việc (Hình vẽ 4-8-c). Trường hợp chỉ có một nguồn cung cấp (chẳng hạn từ đầu 1) thì khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ, dòng điện sự cố chỉ chạy qua một đầu khi ấy: I1v  I H  I T1   IH I T1   I LV IH     I LV  I T1  I T2    IT1  I H  IT1  IT2 I LV Hình vẽ 4-8: Bảo vệ so lệch dọc có hãm, a) Sơ đồ nguyên lý, b) đồ thị véc tơ của dòng điện làm việc ILV và dòng điện hãm IH khi có ngắn mạch ngoài (b) và trong vùng (c) Để bảo vệ có thể làm việc trong trường hợp này, dòng điện làm việc phải chọn lớn hơn dòng điện hãm, nghĩa là: 1 I lv  k H .I H (4-9) ฀ trong đó : kH - là hệ số hãm và kH < 1; thường chọn kH = 0,2 - 0,5. Giới hạn dưới của hệ số hãm được chọn cho miền có dòng điện ngắn mạch bé để nâng cao độ nhạy của bảo vệ, còn ở miền có dòng điện ngắn mạch lớn thường chọn hệ số hãm cao để ngăn chặn tác động nhầm một cách chắc chắn. Ilv 1 2 kH 1 kH1 Ilvmin 2 tg  1 t kH IH Hình vẽ 4-9: Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch có hãm (1) và tương quan giữa dòng điện làm việc Ilv và dòng điện hãm IH khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ và nguồn cung cấp từ một phía (2) 76 4.3.2 Bảo vệ so lệch dùng dây dẫn phụ Để thực hiện nguyên lý so lệch, dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ phải được đo và so sánh với nhau. Nếu hai đầu phần tử được bảo vệ nằm gần nhau (như cuộn dây máy phát điện, máy biến áp, động cơ điện …) có thể nối trực tiếp các tổ máy biến dòng điện với một bộ rơ le so lệch dùng chung để cắt các máy cắt có liên quan. Đối với đường dây tải điện cần phải dùng hai hoặc ba bộ bảo vệ, mỗi bộ để tác động cắt máy cắt ở một đầu đường dây. Các bộ bảo vệ này được nối với nhau qua các kênh thông tin: Dây dẫn phụ, cáp thông tin, PLC, vi ba hoặc cáp quang. Đối với các đường dây ngắn có thể sử dụng dây dẫn phụ. Sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện dùng dây dẫn phụ có hai loại: Loại dòng điện tuần hoàn (Hình vẽ 4-10-a) và loại cân bằng điện áp (Hình vẽ 4-10-b).   Vùng bảo vệ IS1 IS2 1 2 IH  1 IT1 Dây dẫn phụ BV2  1 IT2 ILV 2 ILV 2 3 3 BV1 IH a) Bảo vệ so lệch dòng điện làm việc theo nguyên tắc dòng điện tuần hoàn có hãm   IS2 IS1 1 2 ILV ILV  1 I11 Dây dẫn phụ  1 I12 IH IH R R 2 BV1 2 BV2 b) Bảo vệ so lệch dòng điện làm việc theo nguyên tắc cân bằng dòng điện có hãm Hình vẽ 4-10: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm, dùng dây dẫn phụ Sơ đồ dòng điện tuần hoàn cân bằng ba dây dẫn phụ còn sơ đồ cân bằng điện áp chỉ cần dùng hai dây. Cả hai sơ đồ thường dùng nguyên lý hãm. Để giảm bớt số lượng dây dẫn phụ trong sơ đồ ba pha người ta còn dùng phương pháp cộng dòng điện pha thông qua các pha trong máy biến dòng cộng (Hình vẽ 4-11). Hệ số biến 77 đổi giữa dòng phải sao cho dòng điện các pha trong máy biến dòng cộng phải chọn sao cho dòng điện ở đầu ra không bị triệt tiêu đối với bất kỳ một dạng ngắn mạch nào. Chẳng hạn đối với sơ đồ trên Hình vẽ 4-11, tỷ số vòng dây giữa các cuộn là: W1 : W2 : W3 = 2:1:3 (4-10) và dòng điện đầu ra của máy biến dòng cộng là: I  2I  I  3I ra a c N (4-11) ฀ trong đó: IN là dòng điện chạy trong dây trung tính của tổ máy biến dòng đấu hình sao. Ở chế độ vận hành đối xứng và với dạng ngắn mạch không chạm đất IN = 0. A Ia B Ib IH C Ic 1 Dây dẫn phụ w1 = 2 ILV IN w2 = 1 w4 = 1 2 w3 = 3 3 Hình vẽ 4-11: Cộng dòng điện để giảm bớt dây dẫn phụ trong sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện Sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện dùng dây dẫn phụ có một số nhược điểm : ฀ Điện áp cảm ứng trong dây dẫn phụ ở chế độ ngắn mạch chạm đất trên đường dây được bảo vệ có trị số khá lớn gây nguy hiểm cho người và thiết bị ở phía thứ cấp. Điện áp cảm ứng này do từ thông thứ tự không từ đường dây tải điện móc vòng qua mạch dây dẫn phụ gây nên. Dòng điện thứ tự không càng lớn và chiều dài đường dây càng tăng thì điện áp cảm ứng càng lớn. ฀ Dây dẫn phụ càng dài xác xuất sự cố dây dẫn phụ (đứt dây, chập mạch) càng cao. Khi dây dẫn phụ bị đứt có thể làm cho bảo vệ tác động nhầm, còn khi dây dẫn phụ chập nhau, bảo vệ có thể không làm việc trong trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ. ฀ Thành phần một chiều trong dòng sự cố có thể làm cho các biến dòng bị bão hoà nặng. Vì những hạn chế nêu trên nên bảo vệ so lệch dòng điện có hãm thường chỉ được sử dụng cho những đoạn đường dây ngắn tải công suất lớn. Với những đường dây có chiều dài lớn, nguyên lý so lệch thường được sử dụng kết hợp với các kênh truyền cáp như cáp quang hoặc vi ba chẳng hạn bảo vệ so sánh pha dòng điện. 4.3.3 Bảo vệ so sánh pha dòng điện Dòng điện ở hai đầu đường dây được so sánh với nhau theo từng pha hoặc thông qua một bộ cộng pha để so sánh giữa hai tổ hợp pha của dòng điện ở hai đầu đường dây. Việc so sánh có thể tiến hành cho hai nửa chu kỳ (dương và âm) hoặc chỉ theo nửa chu kỳ. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so sánh pha dòng điện theo từng pha riêng biệt trình bày trên Hình vẽ 4-12 78 Dòng điện ở đầu một thông qua máy biến dòng trung gian BIG (làm nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ và tạo tín hiệu chuẩn cho sơ đồ bảo vệ) và bộ lọc hài cơ bản L1 tạo nên tín hiệu chuẩn hình sin S1. Thông qua bộ chuyển dạng sóng (từ hình sin sang hình chữ nhật) DS sẽ tạo ở đầu ra các sóng chữ nhật S1R. S1R được đưa vào đầu vào của bộ so sánh pha SP. Mặt khác S1R được đưa qua bộ lọc biến tần BT và bộ lọc L2 đưa vào bộ phát P để phát thông tin về pha 1 của dòng điện đầu 1 thông qua kênh truyền sang phía đối diện. Dòng điện ở đầu đối diện (đầu 2) cùng đi tượng tự để đưa tín hiệu S2R đến đầu 1. Các tín hiệu S1R và S2R được so với nhau ở bộ so pha SP. Nếu các tín hiệu này trùng pha nhau, chẳng hạn đều từ thanh góp vào đường dây (Hình vẽ 4-13-b) thì ở đầu ra của bộ so pha SP sẽ xuất hiện tín hiệu S3, tín hiệu này sẽ kết hợp với tín hiệu khởi động gửi tín hiệu đi cắt máy cắt. 1 2 BIC C B BIB A  BIA I1 L1 BIG DS  I2 L2 BT P 1 Cắt & 2 T SP S2R Đầu L3 BT S3 2 Pha B Pha C Bộ khởi động Tín hiệu khởi động Hình vẽ 4-12: Sơ đồ khối bảo vệ so sánh pha dòng điện từng pha riêng biệt  1 2 i1 i2 i1 +   1 i1 (a) + S1 = İ1 i2 i1 + _ 1 _ i2 S1R S2 = İ 2 1 2 + 1 i2 + S2R 1 + _ _ 2 1 (b) _ 1 +  2 2 2 S1R = S2R S3 Kđ 79 Hình vẽ 4-13: Tín hiệu so sánh pha dòng điện cho trường hợp ngắn mạch ngoài vùng (a) và trong vùng (b) bảo vệ Trong trường hợp này nếu bỏ qua dòng điện tải trên đường dây ta thấy, khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ giữa hai tín hiệu đầu vào S1R và S2R có một khoảng trống (không có tín hiệu). Nếu góc lệch pha giữa hai dòng điện ở hai đầu I1 và I2 bé hơn 180 o - kđ (với kđ là góc khoá bảo vệ) ở đầu ra của SP sẽ xuất hiện tín hiệu S3. Khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (Hình vẽ 4-13-a) dòng điện ở hai đầu ngược nhau, nên hai tín hiệu S1R và S2R lấp kín khoảng trống giữa nửa chu kỳ nên ở đầu ra bộ SP sẽ không xuất hiện tín hiệu S3, máy cắt sẽ không được cắt ra. Để tiết kiệm số lượng kênh thông tin sử dụng vào mục đích truyền tín hiệu pha dòng điện, người ta thường tổ hợp các dòng điện pha theo một quy luật nào đó thông qua các máy biến dòng cộng. Thường người ta tổ hợp các thành phần đối xứng của dòng điện pha, chẳng hạn theo quan hệ: I  I  3I  5I  1 2 0 (4-12) ฀ trong đó : İ1, İ2, İo tương ứng là các thành phần thứ tự thuận nghịch và không trong dòng điện pha. Đôi khi người ta chỉ tổ hợp các thành phần thứ tự thuận và nghịch theo quan hệ: I  k I  k I  1 1 2 2 (4-13) ฀ trong đó : k1 =  1 và k2 = 5  7 Cũng có thể tổ hợp theo dòng điện toàn phần trên sơ đồ hình 3.14. Điện áp đầu ra U ở máy biến dòng tổng hợp BT (Hình vẽ 4-14 ) bằng : . IB  U’ . I\ . . Z IA .  U” . IC A B U R C BI Hình vẽ 4-14: Sơ đồ dùng tổ hợp máy biến dòng BI để nhận điện áp đầu ra một pha U từ  dòng điện 3 pha        k U  ' U  '  k I  I Z   I  I R U  B N C N   (4-14) Trong chế độ phụ tải đối xứng ta có IN = 0, ta có :   k I Z   U  B  I CR (4-15) ฀ trong đó: 80 k : là tỷ số biến đổi của BI Ż và R là tổng trở và điện trở tác dụng dòng để chỉnh định trong mạch đầu ra của BI Nếu chọn quan hệ giữa dòng điện pha và các thành phần của nó theo (4-13) thì:     ke j1200 R  Z  e j1200 I  k I  U 1 2 2  0 Z  Re j120 ฀ trong đó: hệ số k 2  j1200 e Z R (4-16) Theo (4-16), khi hệ số biến đổi K và các đại lượng Z, R đã biết, điện áp tổ hợp Ů chỉ  đạt trị số cực đại, phụ thuộc vào I1 và I2. Khi ngắn mạch chạm đất một pha İ1 = İ2 và İ1 và U   khi ngắn mạch ba pha İ2 = 0 và U  đạt trị số cực tiểu. Trên Hình vẽ 4-14 có thể thấy tín hiệu đầu ra của bộ so pha S3 được kết hợp với tín hiệu khởi động theo lô gích " VÀ " để cho tín hiệu cắt. Tín hiệu khởi động có thể nhận được từ bộ phận khởi động làm việc theo nhiều nguyên tắc khác nhau như dòng điện cực đại, tổng trở cực tiểu, hưởng công suất … Một số bộ phận khởi động làm việc theo thành phần đối xứng của dòng điện hoặc công suất. Với các đường dây dài ( > 200 km ) có thể dùng rơ le tổng trở cực tiểu có đặc tính khởi động hạn chế làm bộ khởi động. 4.4 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH Nguyên lý bảo vệ khoảng cách được sử dụng rất rộng rãi để bảo vệ các đường dây tải điện. Vào những năm đầu đầu thế kỷ 20, bảo vệ khoảng cách được xem như loại bảo vệ hoàn hảo nhất để bảo vệ các đường dây tải điện. Trải qua ngót một thế kỷ, các rơ le khoảng cách được nghiên cứu rất rộng rãi và không ngừng được cải tiến qua các thế hệ từ rơ le điện cơ, rơ le tĩnh đến các rơ le số ngày nay. Tính năng của rơ le khoảng cách nhất là những hợp bộ bảo vệ khoảng cách sử dụng kỹ thuật số hiện đại đã được mở rộng và đa dạng hơn nhiều so với các rơ le trước đây. 4.4.1 Chọn giá trị khởi động và thời gian làm việc rơ le khoảng cách Rơ le khoảng cách dùng bảo vệ các đường dây truyền tải thường có nhiều vùng tác động, chẳng hạn ba vùng cho phía trước và một vùng cho phía sau (theo hướng tác động từ thanh góp vào đường dây tại nơi đặt rơ le khoảng cách). Các vùng tác động về phía trước làm nhiệm vụ dự phòng cho nhau và cho bảo vệ đoạn liền kề. Ngược với cách chọn thời gian trong bảo vệ quá dòng điện (Có đặc tính thời gian độc lập), ngắn mạch càng gần chỗ đặt bảo vệ càng được loại trừ nhanh. Độ chênh lệch về thời gian làm việc giữa các vùng bảo vệ liền kề nhau t cũng chọn giống như đối với bảo vệ quá dòng điện, nghĩa là: t = 0,3 ÷ 0,5 s (4-17) 81 Vùng thứ nhất của bảo vệ với thời gian làm việc tI = 0 bao trùm khoảng 80 - 90% chiều dài của đường dây được bảo vệ, nghĩa là tổng trở khởi động ZAI của vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu A trên đường dây AB (hình 3-15,a) được chọn theo biểu thức:  I  k Z Z A at AB (4-18) ฀ trong đó : hệ số kat < 1 có xét đến sai số của các mạch đo lường (dòng điện, điện áp), của bản thân rơ le khoảng cách và của việc xác định thông số tổng trở đường dây Z AB . với các rơ le điện cơ có thể lấy kat = 0,8, với các rơ le số có độ chính xác cao hơn có thể lấy kat = 0,85; nếu tổng trở của đường dây được đo trực tiếp và sử dụng rơ le số thì kat có thể lấy bằng 0,9. A MCA ~ B ZAB C MCB ZBC D MCC ZCD N2 N1 RZA RZC RZB tIIIA tIIA tIA A B ZAI =0,8ZAB tIIIB tIIB tIB tIIC tIC C ZBI =0,8ZBC ZAII =0,8(ZAB+ZBi) (a) D ZCI =0,8ZCD (b) ZAIII =0,8[ZAB+0,8(ZBC +ZiC)] Hình vẽ 4-15: Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa ba vùng tác động của bảo vệ khoảng cách, a) Sơ đồ lưới điện, b) Phối hợp đặc tính khởi động và thời gian Tổng trở khởi động của vùng thứ II của bảo vệ đầu A cần được phối hợp với vùng thứ II của bảo vệ đoạn tiếp theo (đầu B) theo biểu thức:  II  k Z  k Z  Z A at AB at BC  (4-19) ฀ trong đó: ZBI là tổng trở khởi động vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu B đường dây tiếp theo kat được chọn như trên nhằm phối hợp chọn lọc giữa hai vùng thứ II của bảo vệ A và B liền kề. Tương tự như vậy có thể tính tổng trở khởi động của vùng thứ III 82    II  k Z  k Z  Z  I Z A at AB at BC C  (4-20) ฀ trong đó: ZCI là tổng trở khởi động vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu C của đường dây liền kề với đường dây tiếp theo. Nếu từ thanh cái cuối đường dây có nhiều đường dây ra thì đường dây có chiều dài ngắn nhất được chọn để phối hợp với tổng trở vùng thứ nhất của đường dây đang xét. Thông thường tổng trở khởi động cấp II ít nhất cũng bao trùm được 20% chiều dài đoạn đường dây tiếp theo để làm bảo vệ dự phòng chống các hư hỏng trên thanh góp cuối đường dây này. Vùng khởi động thứ III thường bao lấy toàn bộ chiều dài đường dây dài nhất tiếp theo để làm bảo vệ dự phòng cho đường dây này (Hình vẽ 4-16). Khả năng dự phòng cho nhau giữa các vùng bảo vệ và giữa các bảo vệ khoảng cách liền kề có thể thấy trên (Hình vẽ 4-15). Khi ngắn mạch trên đường dây AB (điểm N1, Hình vẽ 4-15-a) trong vùng I của rơ le khoảng cách RZ A, bảo vệ sẽ cắt máy cắt MCA với thời gian cấp I là tAI ≈ 0. Nếu vùng thứ I từ chối tác động, vùng II sẽ cắt MCA với tAII và nếu vùng II cũng lại từ chối thì vùng III sẽ cắt MCA với tAIII. Khi ngắn mạch ở cuối đường dây BC (điểm N2 Hình vẽ 4-15-a) trong vùng II của rơ le khoảng cách RZB, bảo vệ sẽ cắt MCB với thời gian cấp II là tAII. Nếu vùng II của rơ le RZB từ chối tác động thì vùng III của rơ le RZA tác động cắt máy cắt đầu nguồn MCA với thời gian tAIII . Như vậy rơ le RZA làm nhiệm vụ dự phòng cho RZB.  A B ZAB C1 ZBC1 Đường dây ngắn nhất RZB1 RZA C2 ZBC Đường dây dài nhất RZB2 tIIIA tIIA tIA A tIB1 B ZI A= 0,8.ZAB ZIIA= 0,8(.ZAB + I tIIB1 tIB2 ZI B1= tIIB2 C1 C2 ZIB2= ZIIIA= 0,8[(ZAB + 0,8(ZBC2 +ZIC2)] Hình vẽ 4-16: Phối hợp các vùng bảo vệ khoảng cách trong trường hợp từ thanh cái cuối đường dây có nhiều dây ra 4.4.2 Bảo vệ khoảng cách ở các đường dây có đặt tụ điện bù dọc : Trên các đường dây dài, siêu cao áp, người ta thường lắp nối tiếp vào đường dây các bộ tụ điện có tên gọi là tụ bù dọc. 83 Các bộ tụ này làm giảm cảm kháng của đường dây, tăng giới hạn truyền tải công suất theo điều kiện ổn định của hệ thống, giảm tổn thất và cải thiện điều kiện phân bố điện áp theo dọc chiều dài đường dây ở những chế độ tải công suất khác nhau. Các bộ tụ điện bù dọc có thể đặt tập trung hoặc phân tán theo dọc chiều dài đường dây. Tuỳ theo mức độ bù và vị trí đặt của bộ tụ mà tổng trở đo được ở đầu đường dây sẽ khác nhau. Mức độ bù dọc được đặc trưng bằng hệ số bù dọc KC biểu diễn tỷ số giữa dung kháng XC của tụ bù dọc và cảm kháng XL của đường dây. Đối với các đường dây truyền tải siêu cao áp thường chọn hệ số bù dọc KC = 0,25 ữ 0,75 (đường dây 500 kV Bắc - Nam của Việt Nam có KC = 0,6). (a) N (b) XC=0,6X L L 2 Z X1 XN X X 0,4XL 0,4X L -X C XC=0,6XL (e) XC =0,3X L 2 XC 2 XC =0,3XL (g) 2 X XC L XL 3 XC 2 L 3 X 0,4X1 L 2 -0,1XL L 3 X1 0,5XL XC - L L - 0,6XL (d) X C=0,6XL (c) XL XC 2 XC 2 0,4XL L 0,4XL XC 2 XC 2 L Hình vẽ 4-17: Điện kháng đường dây phụ thuộc vào dung kháng và vị trí đặt tụ bù dọc Trên Hình vẽ 4-17 trình bày quan hệ biến thiên của tổng trở đo được ở đầu đường dây có hệ số bù KC = 0,6 với phương án đặt tụ bù khác nhau. Thông thường để dễ dàng cho việc lắp đặt, vận hành và bảo quản, người ta đặt tụ bù dọc ở gần thanh cái các trạm đầu đường dây (Hình vẽ 4-17-b,d,g). 84 A (a) 3 X CA 1 RZ3 N XCB RL, X L 4 RZ2 RZ1 RZ4 jX jX X1 B X1 ZII1 (c) ZI1 (b) B 2 B ZII1 ZI1 XC B R A ZI3 XCA ZL RL R I Z3 A RL Hình vẽ 4-18: Bảo vệ khoảng cách trên đường dây có bù dọc, a) Sơ đồ nguyên lý, b) khi bộ tụ làm việc bình thường, c) khi bộ tụ bị nối tắt Đối với các đường dây có đặt tụ bù dọc, hành vi của bảo vệ khoảng cách có thể bị sai lệch khi ngắn mạch xảy ra ở những vị trí khác nhau trên đường dây. Chẳng hạn, ở ví dụ trên Hình vẽ 4-18 rơ le khoảng cách RZ1 đặt ở đầu A không thể "nhìn thấy" ngắn mạch tại N1 sau bộ tụ XCA (Hình vẽ 4-18-a) và cả ở một phần đường dây trước đó có thể phản ứng sai, tác động mất chọn lọc vì điểm N1 lại rơi vào miền tác động của RZ3 (Hình vẽ 4-18,b). Để ngăn chặn tác động sai của các rơ le khoảng cách, trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nối tắt bộ tụ khi xảy ra ngắn mạch và cho vùng I của các rơ le khoảng cách tác động với một độ trễ chừng 0,1 - 0,15 s. Khi bộ tụ bị nối tắt, đặc tính tổng trở của đường dây được bảo vệ trở lại giống như những đường dây bình thường không có bù dọc và rơ le khoảng cách có thể đảm bảo tính chọn lọc bình thường (Hình vẽ 4-18-c). Khi có ngắn mạch tuỳ theo vị trí điểm sự cố (trị số của dòng ngắn mạch) và thời gian tồn tại sự cố mà các thiết bị này sẽ làm việc và nối tắt bộ tụ lại. Tất nhiên nối tắt tụ và cho vùng I của rơ le khoảng cách làm việc trễ sẽ ảnh hưởng đến tính tác động nhanh của bảo vệ. Các nguyên lý bảo vệ khác như so sánh dòng điện, so sánh pha . . . không chịu ảnh hưởng của bù dọc và có thể được sử dụng để làm bảo vệ chính song song với bảo vệ khoảng cách. 4.5 BẢO VỆ SO SÁNH HƯỚNG Để loại trừ nhanh sự cố, người ta xác định hướng công suất ngắn mạch từ hai đầu đường dây và so sánh với nhau (qua kênh truyền tín hiệu). Nếu sự cố xảy ra đúng trên đường dây được bảo vệ thì hướng công suất ở cả hai đầu đều dương (từ thanh góp vào đường dây), sự trùng hợp về hướng này cho phép tác động cắt máy cắt ở cả hai đầu với thời gian nhanh nhất. Để bảo vệ chống ngắn mạch chạm đất trong mạng điện có điện trở chạm đất lớn (từ vài chục đến vài trăm ôm) thường dùng sơ đồ so sánh hưóng công suất hướng dùng rơ le khoảng cách không đủ độ nhạy, vì vậy người ta dùng thêm bảo vệ so sánh hướng công suất thứ tự không. Cả hai bảo vệ này có thể dùng chung kênh thông tin hoặc mỗi bảo vệ một loại kênh riêng biệt. 85 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận định hướng công suất thứ tự không P0 trình bày trên Hình vẽ 4-19 3I0 I0 & 3U0 Cắt P0 Hình vẽ 4-19: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ theo hướng công suất thứ tự không Dòng điện I0 và điện áp U0 được lấy qua các bộ lọc LI0 và LU0 (cuộn tam giác hở của BU). Để tăng độ nhậy về dòng điện có thể dùng bộ lọc LI0 với mạch từ (cộng từ thông của ba dòng điện ba pha). Bảo vệ so sánh hướng công suất thứ tự không có thể được thực hiện theo sơ đồ trao đổi tín hiệu khoá hoặc tín hiệu cho phép. Trên Hình vẽ 4-20 trình bày sơ đồ của bảo vệ so sánh hướng công suất thứ tự không truyền tín hiệu cho phép. Khi ngắn mạch chạm đất xảy ra trên đường dây được bảo vệ các bộ định hướng công suất sẽ gửi tín hiệu cắt đến máy cắt ở đầu của mình đồng thời gửi tín hiệu cho phép (CP) sang bảo vệ đầu đối diện. Tín hiệu cắt xuất hiện đồng thời với tín hiệu cho phép từ đầu đối diện thông qua cổng "VÀ" tác động cắt máy cắt với thời gian rất bé (khoảng thời gian truyền tín hiệu cho phép qua kênh thông tin). Để đảm bảo cắt máy cắt trong trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ của kênh truyền tin bị trục trặc (Khi nhận được tín hiệu cho phép từ đầu đối diện) và làm dự phòng cho các đường dây tiếp theo bảo vệ hướng công suất thứ tự không có thể gửi tín hiệu cắt máy cắt ở đầu của mình thông qua rơ le thời gian RT. A B Cắt P0 1 Cắt 3I0 3I0 3U0 3U0 I0 > P0 I0 > & 1 & RT RT P t & Kênh thông tin T P t & T CP CP Hình vẽ 4-20: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so sánh hướng công suất thứ tự không truyền tín hiệu cho phép 86 Sơ đồ này có nhược điểm là không thể cắt nhanh ngắn mạch khi đường dây bị cắt từ một phía khi ấy không có tín hiệu cho phép và sự cố sẽ được loại trừ với thời gian đặt của RT. Gần đây người ta còn sử dụng nguyên lý xác định hướng công suất ngắn mạch theo các thông số quá độ của dòng và áp ở gần đường dây khi sảy ra sự cố (Hình vẽ 4-21): i (t) = i (t) - i0 (t) (4-21) u (t) = u (t) - u 0(t) (4-22) ฀ trong đó: i (t), u(t) là thông số đầu vào của dòng và áp do nguyên nhân sự cố i0(t), u0(t) là thông số đầu vào của dòng và áp trước khi xảy ra sự cố i (t), u (t) là độ biến thiên của thông số đầu vào của dòng và áp do nguyên nhân sự cố. i(t) i(t) (a) Δi i0(t) Δu t 0 Hình vẽ 4-21: Sự biến thiên của dòng (a) và áp (b) tại chỗ đặt bảo vệ trước và sau thời điểm sự cố (t = 0) 4.6 NGUYÊN LÝ BẢO CHỐNG CHẠM ĐẤT 4.6.1 Nguyên tắc tác động Trong lưới điện có dòng chạm đất thông qua tín hiệu dòng chạy qua điểm trung tính (nếu nối đất qua cuộn PETERSEN hoặc điện trở) hoặc tín hiệu điện áp thứ tự không xuất hiện ở trung điểm của hệ thống trong chế độ quá độ (chạm đất không ổn định) hoặc chế độ xác lập (chạm đất ổn định). Những tín hiệu này còn có thể được sử dụng để định vị phần tử bị chạm đất trong hệ thống. Thường dùng những loại tín hiệu sau để phát hiện chạm đất và xác định vị trí điểm chạm đất. ฀ Dòng điện chạm đất xác lập ฀ Công suất chạm đất xác lập ฀ Dòng điện chạm đất quá độ 87 ฀ Hài bậc cao của công suất hệ thống hoặc tín hiệu cao tần do chạm đất tạo nên. Các loại bảo vệ chống chạm đất trong lưới điện có dòng chạm đất bé thường được sử dụng gồm: ฀ Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không ฀ Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không có hướng ฀ Bảo vệ để phát hiện chạm đất không ổn định ฀ Bảo vệ thứ tự không có hướng phản ứng theo hài bậc cao 4.6.2 Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không thường được sử dụng cho lưới điện hình tiađược cấp điện từ một phía với dòng điện chạm đất chạy qua chỗ đặt bảo vệ vượt giá trị chỉnh định. Dòng điện chạm đất được xác định: I Đ  I A  3I oN  3 jCU dđ phụ thuộc vào cấp điện áp của lưới điện và điện dung trong tổng đẳng trị đối với đất và các phần tử nối trực tiếp về điện với nhau của lưới điện. Dòng điện này thường bé hơn nhiều so với dòng điện tải cực đại của đường dây được bảo vệ. Nếu dòng điện chạm đất có trị số lớn, người ta thường lắp đặt vào từng điểm của hệ thống các cuộn PETERSEN để cải thiện điều kiện vận hành của lưới điện. Có hai loại bộ lọc dòng điện thứ tự không thường được sử dụng: loại dòng ba máy biến dòng và loại dùng một máy biến dòng có lõi từ chung cho cả ba pha (dùng bộ lọc dòng điện thứ tự không) Loại dùng một máy biến dòng có lõi từ chung cho cả ba pha có sai số thấp hơn, độ nhậy cao hơn, vì vậy thích hợp với nhiệm vụ phát hiện dòng điện chạm đất bé trong lưới điện có trung điểm không nối đất trực tiếp. Tỷ số biến đổi của các máy biến dòng thứ tự không này thường bằng 60/1 hoặc 75/1A, khi có chạm đất dòng điện thứ cấp của biến dòng có thể đo được từ vài chục đến vài trăm miliampe. Để có thể tác động với dòng điện bé như vậy thường phải sử dụng những rơ le dòng điện đặc biệt có độ nhậy cao. Thời gian làm việc của các bảo vệ trong lưới điện thường được phối hợp theo nguyên tắc bậc thang như đối với bảo vệ dòng điện thông thường. 4.6.3 Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không có hướng Bảo vệ này thường được sử dụng trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn PETERSEN. Với lưới điện có trung điểm không nối đất, bảo vệ phản ứng theo hướng của thành phần điện dung trong công suất chạm đất, còn đối với lưới điện có có trung điểm nối đất qua cuộn PETERSEN bảo vệ phản ứng theo thành phần tác dụng của công suất chạm đất. Công suất sự cố bao giờ cũng hướng đến điểm sự cố. Trên Hình vẽ 4-22 trình bày sự phân bố dòng điện sự cố (điện dung), khi có chạm đất trên các đường dây khác nhau trong lưới điện hình tia được cung cấp từ một phía với trung điểm không nối đất trực tiếp. 88 I0D1 A A B D1 (b) N(1) (a) B I0N I0D2 I0D2 C C D2 D2 I0D3 (3) N D D D3 D3 I0N Hình vẽ 4-22: Phân bố dòng điện sự cố (điện dung) khi có chạm đất trên các đường dây khác nhau trong lưới điện hình tia có trung tính không nối đất. (a) Chạm đất đường dây D3; (b) Chạm đất đường dây D1 MC LI0 Cáp 3I0 LU 0 t 3U0 A B C Hình vẽ 4-23: Sơ đồ xác định góc lệch pha 0 giữa dòng (I0) và áp (U0) thứ tự không Hướng dòng điện ở các đường dây D1, D2, D3 phụ thuộc vào vị trí điểm chạm đất trong lưới điện. Hướng dòng điện ở đầu đường dây bị sự cố bao giờ cũng từ thanh góp đến chỗ bị sự số. Nếu so sánh pha 0 của dòng điện thứ tự không I0 đầu đường dây với điện áp thứ tự không U0 (được lấy từ đầu cuộn dây đấu tam giác hở của BU) thì hướng công suất thứ tự không P0 có thể được xác định theo góc pha 0 này. Sơ đồ để xác định góc lệch pha  0 giữa I0 và U0 trình bày trên Hình vẽ 4-23. 89 Để giảm chi phí người ta thường dùng một bộ bảo vệ xác định hướng công suất thứ tự không chung cho tất cả các đường dây ra từ thanh góp của trạm với thiết bị đổi nối S trong mạch điện của các lộ xuất tuyến (Hình vẽ 4-24). Trong hệ thống có trung điểm nối đất qua cuộn PETERSEN có thể sử dụng rơ le đo thành phần dòng điện chạy qua trung tính gây nên để phát hiện chạm đất. Trị số của thành phần công suất này phụ thuộc vào trị số của điện trở tác dụng cuộn PETERSEN và tổn thất công suất tác dụng do dòng điện dung gây nên trong hệ thống. MC1 MC2 MC3 BU0 BI01 D1 BI02 BI03 D2 D3 3U0 S1 S2 S3 3I0 0 t Hình vẽ 4-24: Sơ đồ nguyên lý sử dụng chung cho toàn trạm một bộ xác định hướng công suất thứ tự không, có đổi nối trong mạch dòng điện thứ tự không của các đường dây Trong nhánh sự cố của lưới điện trung áp, trị số dòng điện sau khi bù (bằng cuộn PETERSEN) còn khoảng 5 ÷ 8% dòng điện điện dung chạm đất khi chưa có cuộn PETERSEN (giới hạn dưói đối với mạng cáp, còn giới hạn trên đối với mạng trên không). Thành phần tác dụng của dòng điện trong dây trung tính của lưới điện cao áp còn có trị số thấp hơn và đối với những lưới điện bé (có chiều dài ngắn) có thể không đủ để cho rơ le báo chạm đất tác động, đặc biệt nếu kể đến ảnh hưởng của các hài bậc cao do phụ tải và nhiễu gây nên trong lưới điện. Vì vậy để đảm bảo cho rơ le báo chạm đất làm việc chắc chắn với độ nhậy cần thiết, người ta tìm cách tăng thành phần dòng điện tác dụng (đến khoảng 20A) bằng cách nối thêm điện trở tác dụng song song với cuộn PETERSEN trong một khoảng thời gian ngắn sau khi phát hiện có chạm đất. Hình vẽ 4-25trình bày sơ đồ nguyên lý của giải pháp này. Điện trở tác dụng R được mắc song song với cuộn PETERSEN qua bộ đóng cắt S sau hai đến ba giây khi phát sinh chạm đất. Chạm đất được phát hiện khi xuất hiện U0 ở hai đầu cuộn tạm giác hở của BU. Thời gian trễ khi đóng S được khống chế bằng rơ le thời gian 1RT. Rơ le thời gian 2RT tạo độ trễ khi đưa điện áp U0 vào các bộ định hướng công suất thứ tự không của các lộ ra D1 và D2. Bộ đóng cắt S sẽ giữ ở trạng đóng trong một khoảng thời gian cần thiết đủ để cho rơ le xác định một cách chắc chắn vị trí điểm chạm đất. 90 BI01 D1 3I0D1 BI02 D2 3I0D2 BU0 RU t2 U0> 0 t 0 t U0 2RT Cuộn Petersen R 1RT t1 S Hình vẽ 4-25: Mắc điện trở song song với cuộn Petersen để tăng độ nhạy của bảo vệ chống chạm đất 4.6.4 Bảo vệ chống chạm đất “chập chờn” Các sơ đồ bảo vệ chống chạm đất đã xét thường được áp dụng để bảo vệ chống các dạng chạm đất ổn định vì các bảo vệ này đều sử dụng những đại lượng đầu vào (U0, I0) xác lập. Bằng cách đo các đại lượng quá độ của dòng và áp thứ tự không ở các thời điểm đầu của quá trình, có thể phát hiện sự cố chạm đất trước khi nó trở thành sự cố ổn định và phát hiện được điểm xảy ra sự cố chập chờn. Nguyên lý làm việc của bảo vệ chống chạm đất chập chờn dựa trên hiện tượng dòng điện quá độ khi xảy ra chạm đất trong mạng có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn PETERSEN có trị số rất lớn. Sóng dòng điện quá độ ở chu kỳ đầu có thể lớn hơn dòng điện chạm đất xác lập gấp nhiều lần. Dấu của dòng điện ở nửa chu kỳ đầu tiên của quá trình quá độ được sử dụng để xác định hướng sự cố. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống chạm đất chập chờn trình bày trên Hình vẽ 4-26 dòng I0 và U0 được đua qua các biến áp tổng hợp BTH1 và BTH2 để lấy ra các điện áp Ua và Ub theo quan hệ:    U   I U a 0 0    U   I  U a 0 0 (4-23) (4-24) Các điện áp đầu ra Ua và Ub được nắn qua các bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 và trị số được so sánh với nhau. Nếu sự cố xảy ra trên phần tử được bảo vệ thì:  U  U a b (4-25) 91 BI0 BTH1 . L ua I0 BU0 L . ub C C C FF1 CL1 CL2 RM1 RM2 BTH2 K v K v FF2 R U0 Hình vẽ 4-26: Nguyên lý của sơ đồ bảo vệ chống chạm đất “chập Và tín hiệu điện áp thông qua bộ lọc L được đưa đến các rơ le mức RM1 và RM2 làm việc theo chế độ khoá liên động nhau. Khi một rơ le nào đó khởi động sẽ khoá không cho rơ le kia làm việc, thông tin về trạng thái khởi động của một rơ le mức nào đó sẽ được lưu trữ lại trong bộ lật (Flip-Flop) FF1 và FF2 tương ứng. Bộ bảo vệ này thường được sử dụng kết hợp với các bảo vệ chống chạm đất ổn định đã xét ở trên để bảo vệ cho các hệ thống nối đất qua cuộn PETERSEN. 4.7 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Bảo vệ đường dây tải điện bằng bảo vệ quá dòng điện có đặc tính thời gian độc lập và phụ thuộc. 2 Sử dụng bảo vệ quá dòng có hướng để bảo vệ các đường dây tải điện. Cách phối hợp thời gian tác động giữa các bảo vệ. 3 Lĩnh vực ứng dụng của bảo vệ cắt nhanh có hướng. 4 Sử dụng bảo vệ so lệch có hãm để bảo vệ các đường dây tải điện. 5 Bảo vệ các đường dây tải điện bằng rơ le khoảng cách. Phối hợp tổng trở thời gian tác động giữa các cấp của bảo vệ khoảng cách. 6 Bảo vệ khoảng cách của đường dây có đặt tụ bù dọc? 7 Bảo vệ chống chạm đất trong lưới điện có dòng chạm đất bé? 92 CHƯƠNG 5: BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 5.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện đồng bộ là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống điện, sự làm việc tin cậy cuả máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của toàn hệ thống. Vì vậy đối với máy phát điện, đặc biệt là máy có công suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống tất cả các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngoài máy phát. Những sự cố bên trong cuộn dây của máy phát điện đồng bộ bao gồm: 1 Đối với cuộn dây Stato : ฀ Cuộn dây bị chạm đất (chạm vỏ) ฀ Ngắn mạch giữa các cuộn dây (các pha) ฀ Các vòng dây chạm nhau 2 Đối với các cuộn dây rô to : ฀ Chạm đất 1 điểm ฀ Chạm đất 2 điểm Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên ngoài cuộn dây máy phát điện bao gồm: ฀ Ngắn mạch giữa các pha ฀ Tải không đối xứng ฀ Mất kích thích ฀ Mất đồng bộ ฀ Quá tải cuộn dây Stato ฀ Qua tải cuộn dây rô to ฀ Quá điện áp ฀ Tần số thấp ฀ Máy phát điện làm việc ở chế độ động cơ Tuỳ theo công suất của máy phát điện, vai trò của máy phát trong hệ thống loại máy phát điện (nhiệt điện, thuỷ điện, thuỷ điện tích năng …) và sơ đồ đấu dây của nhà máy điện (có hệ thống thanh góp điện áp máy phát nối phụ tải địa phương hay máy phát điện nối theo sơ đồ bộ với máy phát điện lên thanh góp truyền tải) mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp. Đối với những máy phát điện công suất lớn, xu thế hiện nay là lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập nhau với nguồn điện thao tác riêng, mỗi hệ thống bảo vệ bao gồm một bảo vệ chính và một số bảo vệ dự phòng có thể thực hiện đầy đủ các chức năng bảo vệ cho máy phát điện. 93 5.2 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CUỘN DÂY STATO Chạm đất trong cuộn dây stato là loại sự cố bên trong thưòng gặp ở máy phát điện. mạng điện áp máy phát thường làm việc với trung tính không nối đất hoặc nối đất qua cuộn PETERSEN nếu dòng điện chạm đất không lớn, đặc biệt đối với máy phát điện nối bộ với máy biến áp: I (1) đ  U P rqđ  X C 0 2 2 (5-1) ฀ trong đó: α : là phần trăm cuộn dây từ trung điểm đến vị trí chạm đất Up : là điện áp pha của máy phát điện rqđ : là điện trở quá độ tại chỗ sự cố XCo∑ là dung kháng ba pha đẳng trị của tất cả các phần tử trong mạng điện áp máy phát Nếu bỏ qua điện trở quá độ tại chỗ sự cố (rqđ = 0) dòng chạm đất bằng: I (1) đ  3 C0  U P (5-2) Khi chạm đất xảy ra gần đầu cực máy phát ( = 1) dòng đạt trị số lớn nhất : I (1) đ (  1) max  3C 0 U P (5-3) Nếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn PETERSEN, theo quy định cuộn PETERSEN cần phải đặt khi: I(1)đmax  30 A đối với mạng có Udđ = 6 kV I(1)đmax đối với mạng có Udđ = 10 kV  20 A Kinh nghiệm cho thấy rằng, dòng điện I(1)đ  5 A có khả năng duy trì tia lửa điện tại chỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây và lõi thép tại chỗ sự cố, vì vậy bảo vệ cần phải tác động cắt máy phát điện. Thực tế nếu có phụ tải ở cấp điện áp máy phát, đặc biệt đối với mạng cáp, thường dòng chạm đất I(1)đ vượt quá trị số 5A. Ngay cả trong trường hợp có đặt cuộn PETERSEN với tính toán bù hoàn toàn dòng điện dung vẫn có khả năng dòng chạm đất vượt quá 5A khi đóng cắt các đường dây ở cấp điện áp máy phát trong quá trình vận hành. Đối với máy phát điện nối bộ với máy biến áp, bảo vệ chỉ cần tác động báo tín hiệu vì dòng điện chạm đất bé. Vì dòng chạm đất I(1)đx phụ thuộc vào vị trí α của điểm chạm đất, nên nếu điểm chạm đất xảy ra gần phía trung tính (α → 0) bảo vệ sẽ không đủ độ nhạy. Bảo vệ chỉ đảm bảo được độ nhạy khi α  30%, nghĩa là chỉ bảo vệ được khoảng 70 % cuộn dây stato kể từ đầu cực máy phát vào (Hình vẽ 5-1). Phương pháp hướng dòng điện có thể mở rộng vùng bảo vệ chống chạm đất đến khoảng 90 % cuộn dây kể từ đầu cực máy phát vào. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ trình bày trên Hình vẽ 5-2. 94  I( 1) đF 1) I( đH UP 1) I( C0F C0H đ Hình vẽ 5-1: Chạm đất trong cuộn dây Stato máy phát điện BU0 3U0 K Vùng tác động IU (a) R1 3I0 = IĐ(1) BTH1 ILV +Iđ(1) C1 R2 K L . C2 -Iđ(1) ΔI t CL1 Vùng hãm RI BI0 İH BTH2 IH İU İLV (b) CL2 ~ Hình vẽ 5-2: Bảo vệ có hướng chống chạm đất cuộn dây stato máy phát điện đấu trực tiếp với thanh góp điện áp máy phát: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véc tơ Rơ le so sánh tương quan giữa dòng điện làm việc Ilv và dòng điện hãm IH theo quan hệ: ฀ trong đó : I  I H  I lv (5-4) (1) I H  I U  I đ (5-5) (1) I lv  I U  I đ (5-6) Với İU là dòng điện lấy từ nguồn điện áp U0 (Hình vẽ 5-2 - a) còn I(1)đ lấy từ bộ lọc dòng thứ tự không. Từ đồ thị véc tơ Hình vẽ 5-2-b có thể thấy rằng, điều kiện làm việc của bảo vệ được xác định theo dấu ∆I, bảo vệ sẽ tác động cắt máy phát khi ∆I > 0 nghĩa là | I H  I lv , điều này được thoả mãn nếu chạm đất xảy ra trong vùng bảo vệ. Đường K-L trên đồ thị véc tơ Hình vẽ 5-2-b là ranh giới giữa miền tác động và miền hãm của bảo vệ. 95 Nếu chuyển mạch khoá K (Hình vẽ 5-2-a) đấu điện áp U0 qua điện trở R1 thay cho tụ C1 thì sơ đồ có thể sử dụng để bảo vệ cho các máy phát điện có dòng điện sẽ được so sánh với thành phần phản kháng của dòng điện khi trung điểm của cuộn dây máy phát điện không nối đất. Nếu thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng điện chạm đất gần bằng nhau, người ta sử dụng sơ đồ 450 khi ấy khoá K (Hình vẽ 5-2-a) sẽ chuyển sang mạch R2, C2 với thông số được lựa chọn thích hợp. Với máy phát điện công suất lớn người ta yêu cầu cần phải bảo vệ 100% cuộn dây Stato chống chạm đất để ngăn chặn khả năng chạm đất ở vùng gần trung điểm của cuộn dây do các nguyên nhân cơ học. Ngày nay để bảo vệ 100% cuộn dây Stato chống chạm đất, người ta thường dùng hai phương pháp sau đây: ฀ Theo dõi biến thiên của bài bậc ba trong sóng điện áp ở trung điểm và đầu cực cuộn dây máy phát điện. ฀ Đưa thêm một điện áp hãm tần số thấp vào trung điểm của cuộn dây máy phát điện. Phương pháp theo dõi sự biến thiên của bài bậc ba trong sóng điện áp dựa trên cơ sở là do tính phi truyền của mạch từ máy phát điện mà trong sóng điện áp của cuộn dây máy phát bao giờ cũng chứa các bài bậc ba. Trong điều kiện vận hành bình thường, nếu đo điện áp của bài bậc ba ở các điểm khác nhau trên cuộn dây sơ với đất ta có phân tố như trên Hình vẽ 5-3a. Trị số của điện áp đo được tỷ lệ với trị số dòng điện tải của máy phát điện. U’’FD U’FD (a) N F N 50% U’N  F 100% U’’N U’’FD U’FD (b) N N (c) F N F N U’N U’’N  F 100% 50% 50% F  100% Hình vẽ 5-3: Phân bố thành phần hài bậc ba dọc theo cuộn dây stato máy phát điện, a) chế độ bình thường; b) khi chạm đất ở trung điểm; c) ở đầu cực máy phát điện. ฀ Khi máy đầy tải, điện áp này (U”N) lớn hơn so với khi không tải (U’ U). ฀ Khi chạm đất ở một đầu cuộn dây (N hoặc F), điện áp ở đầu kia tăng lên gần gấp đôi so với chế độ tương ứng trước khi chạm đất (Hình vẽ 5-3-b, c). Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây Stato ở vùng gần trung điểm dựa trên nguyên tắc so sánh hài bậc ba chứa trong điện áp đầu trung tính UNĐ và điện áp đầu cực máy phát điện UFĐ trình bày trên (Hình vẽ 5-4,a). Rơ le điện áp RU2 nối qua bộ lọc tần số LF (cho qua bài bậc ba) vào đầu ra a, b của cuộn tạm giác hở BU0. Các tổng trở Z1 và Z2 được lựa chọn sao cho trong chế độ làm việc bình thường Uab = 0 (Hình vẽ 5-4-b). Còn khi chạm đất 96 xảy ra gần trung điểm Uab có trị số lớn hơn nhiều so với điện áp khởi động của RU2 (Hình vẽ 5-4-c). Sơ đồ bảo vệ này có một số nhược điểm: ฀ Khi chạm đất ở vùng gần giữa cuộn dây, bảo vệ có thể không làm việc vì thành phần bài bậc ba trong điện áp quá bé (Hình vẽ 5-3-a); ฀ Điện áp Uab đặt vào rơ le sẽ suy giảm khi điện trở chỗ sự cố lớn; ฀ Sơ đồ không phát hiện được chạm đất khi máy phát điện không làm việc; ฀ Trong một số loại máy phát điện, thành phần hài bậc ba không đủ lớn để bảo vệ có thể phát hiện được. Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương pháp đưa thêm một điện áp hãm tần số thấp vào trung điểm của cuộn dây máy phát điện (Hình vẽ 5-5). MPĐ (a) a, b . 2BU0 . UND (b) UFD RU1 F N UND R0 a Z2 LF1 UF Z1 1BU0 a N (c) . F . UND UFD b RU2 b Hình vẽ 5-4: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stato chống chạm đất theo hài bậc 3: a) sơ đồ nguyên lý, b) đồ thị véc tơ trong chế độ vận hành bình thường, c) khi có chạm đất gần trung điểm máy phát điện Dòng điện I từ nguồn 20 Hz sau khi qua bộ lọc 1LF được phân thành hai thành phần: İĐ chạy vào BU0 nối với trung tính máy phát điện và İB chạy qua điện trở đặt RĐ. Thành phần İĐ thông qua máy biến dòng trung gian BIG và bộ lọc tần số 2LF được nắn thành dòng điện làm việc. Dòng điện I lv đưa vào rơ le để so sánh với dòng điện hãm I H cũng do nguồn 20 Hz tạo ra thông qua điện trở đặt Rc. Dòng điện hãm có trị số không thay đổi. Ở chế độ làm việc bình thường (RĐ = ), dòng điện IĐ được xác định theo điện dung của cuộn dây đối với đất CE nên trị số bé do đó I lv  I H và rơ le sẽ không tác động. Khi có chạm đất, dòng IĐ được xác định chủ yếu theo điện trở chạm đất RĐ, I lv  I H rơ le sẽ tác động cắt máy phát điện. Các bộ lọc tần số 1LF và 2LF đảm bảo cho sơ đồ chỉ làm việc với thành phần 20HZ, ngoài ra bộ lọc 1LF bảo vệ cho máy phát 20 HZ khỏi bị quá tải bởi dòng điện tần số công nghiệp 50 Hz khi có chạm đất xảy ra gần đầu cực máy phát điện. 97 MPĐ B RD CD  1LF iD 20 Hz i IB RB BIG RC 2LF Làm việc + RL . Cắt . Hãm |IC| |ILV| . |ID| Hình vẽ 5-5: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stato chống chạm đất có đưa thêm điện áp hãm 20Hz vào trung điểm máy phát điện 5.3 BẢO VỆ CHỐNG NGẮN MẠCH GIỮA CÁC PHA Việc tính toán dòng điện sự cố bên trong cuộn dây Stato máy phát điện khi xảy ra chạm chập giữa các pha rất phức tạp. Có thể đánh giá một cách định tính quan hệ giữa dòng điện sự cố cho từng trường hợp đơn giản nhất: chạm chập ba pha đối xứng trong cuộn dây máy phát tua bin hơi hai cực khi nó làm việc riêng rẽ với hệ thống (hình 4-6). Dòng điện sự cố I(3) phụ thuộc vào vị trí điểm chạm chập với  là số vòng dây (%) tính từ trung điểm của cuộn dây đến điểm sự cố : I (3 )   E Z (5-7) ฀ trong đó : E là sức điện động cảm ứng trong phần cuộn dây bị chập và E = . EP EP là sức điện động pha Z = R + jX là tổng trở phần cuộn dây bị chập X là điện kháng phần cuộn dây bị chập, nó phụ thuộc vào máy phát điện, đối với loại máy phát điện tua bin hơi hai cực ta có: X = 2. XP (5-8) XP là điện kháng pha của cuộn dây máy phát điện R là điện trở tác dụng của mạch vòng ngắn mạch R =  RP + Rqđ (5-9) 98 RP là điện trở pha của cuộn dây, Rqđ là điện trở quá độ tại chỗ sự cố. Từ đó có thể xác định dòng điện sự cố: I (3 )   R E P  R P   .X 2 P 2 qđ Nếu bỏ qua điện trở tác dụng ta có: I (3 )   E P .X P (5-10) (5-11) Từ (5-10) và (5-11) ta có nhận xét: ฀ Khi chạm chập giữa các pha trọng cuộn dây máy phát điện, dòng điện sự cố có thể lớn hơn dòng điện khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát điện vì điện kháng X của mạch vùng ngắn mạch giảm nhanh hơn sức điện động E . ฀ Nếu xét đến ảnh hưỏng của điện trở tác dụng R (trong đó điện trở quá độ Rqđ đóng vai trò quyết định) thì khi chạm chập gần trung điểm máy phát điện dòng điện sự cố có thể có trị số rất bé. ฀ Ở các dạng ngắn mạch không đối xứng, tính chất phụ thuộc của dòng điện sự cố vào vị trí điểm ngắn mạch  cũng tương tự như đối với ngắn mạch ba pha. ฀ Đối với máy phát điện nhiều cực, quan hệ giữa dòng điện sự cố và vị trí điểm ngắn mạch phức tạp hơn nhiều. Trong một số trường hợp dòng điện sự cố có thể bé hơn cả dòng điện định mức của máy phát. ฀ Để bảo vệ chống chạm chập giữa các pha trong cuộn dây máy phát điện người ta sử dụng bảo vệ so lệch có hãm làm bảo vệ chính (với máy phát có công suất lớn) hoặc bảo vệ quá dòng điện (máy phát công suất trung bình và bé). 5.3.1 Bảo vệ so lệch hãm Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch dòng điện có hãm đối với cuộn dây stato của máy phát điện cũng tương tự như đối với đường dây tải điện đã trình bày trong chương 4. Trong sơ đồ bảo vệ máy phát điện, người ta đặt hai nhóm máy biến dòng ở hai đầu cuộn dây, phía trung điểm (BI1) và phía đầu cực (BI2). Trên Hình vẽ 5-7 trình bày sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng điện có hãm dùng cho máy phát điện đồng bộ. Khác với bảo vệ đường dây tải điện, ở các tổ máy biến dòng nằm gần nhau nên chúng có thể được nối trực tiếp với nhau bằng dây dẫn phụ. Thông thường hai nhóm BI (BI1) và (BI2) ở phía trung tính và ở đầu cực của máy phát điện được chọn hoàn toàn giống nhau nên người ta có thể dùng phương án bảo vệ so lệch tổng trở cao để bảo vệ cho máy phát điện (Hình vẽ 5-8-a). Rơ le so lệch RU trong sơ đồ này có điện trở khá lớn và phản ứng theo điện áp Usl đặt lên mạch so lệch. Ở chế độ vận hành bình thường và khi có ngắn mạch ngoài, nếu các nhóm biến dòng BI1 và BI2 không bị bão hoà hoặc có mức độ bão hoà giống nhau thì các sức điện động E1 và E2 và cảm kháng L1, L2 giống nhau phân bố điện áp trong mạch điện như trên (Hình vẽ 5-8-b). Trị số điện áp đặt trên rơ le so lệch Usl phụ thuộc vào tương quan giữa điện trở thứ cấp R1 và R2 của máy biến dòng (gồm điện trở cuộn thứ cấp và dây dẫn phụ nối giữa hai nhóm máy biến dòng). Khi R1 = R2 thì Usl = 0 như trong Hình vẽ 5-8-b) 99 Khi ngắn mạch ngoài, nếu hai tổ BI có mức bão hoà khác nhau thì điện áp đặt trên rơ le so lệch có thể khác không. Trường hợp xấu nhất nếu một tổ BI bị bão hoà hoàn toàn. Chẳng hạn nếu tổ máy biến dòng BI2 bị bão hoà hoàn toàn thì E2 = 0 và L2 = 0, khi ấy ta có phân bố điện áp trong mạch như trên Hình vẽ 5-8-c. Điện áp lớn nhất đặt trên rơ le so lệch bằng: A (a) Rqđ B 0 Rqđ C  E EP E  (b) 0 I (3) 1 R=0 R0 (c) I”=EP/Xd 0 1  Hình vẽ 5-6: Ngắn mạch ba pha trong cuộn dây stato máy phát điện đồng bộ, a) sơ đồ nguyên lý, b) phân bố sức điện động theo số vòng  của cuộn dây, c) và quan hệ giữa dòng sự cố với số vòng dây bị ngắn mạch  A BI1 B C IS2 IT1 BILV Vùng bảo vệ BI2 BIH IH ILV IS1 IT2 RI Đi cắt Hình vẽ 5-7: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm cuộn dây stato máy phát 100  IN BI1 BI2 N (a) USL RU (b) R1 E1  E1 L1 USL R2 R1 RSL L2  E2 E1  L1 USL (c) R2 RSL E1 USL=0 E2 E2=0 USL=0 Hình vẽ 5-8: Bảo vệ so lệch dùng rơ le tổng trở cao đặt cho máy phát điện: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp trong chế độ làm việc bình thường, c) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp khi có ngắn mạch ngoài và nhóm BI2 bị bão hoà hoàn toàn U sl max  I' N R 1  R sl  ni (5-12) ฀ trong đó: I"N : là trị số hiệu dụng của dòng điện siêu quá độ khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát điện ni : là tỷ số biến đổi của máy biến dòng. R1 : là điện trở mạch thứ cấp của BI Rsl : là điện trở mạch so lệch (gồm rơ le và dây nối). Để đảm bảo chọn lọc, điện áp khởi động của rơ le so lệch phải chọn lớn hơn Usl max, nghĩa là: U kđ  k at .U sl max (5-13) ฀ trong đó: kat = 1,15 ÷ 1,2 Thời gian làm việc của cả hai loại bảo vệ so lệch có hãm và so lệch dùng rơ le có tổng trở cao khoảng 15 ÷ 20 ms. 5.3.2 Bảo vệ khoảng cách Đối với máy phát điện lớn người ta thường sử dụng bảo vệ khoảng cách làm dự phòng cho bảo vệ so lệch. Những máy phát điện lớn thường làm việc theo sơ đồ hợp bộ với máy biến áp tăng áp (Hình vẽ 5-9-a). 101 Vùng thứ nhất của bảo vệ khoảng cách được chọn bao gồm điện kháng của máy phát điện và khoảng 70% điện kháng của máy biến áp tăng, nghĩa là: ZIkđ = ZMPĐ + 0,7 ZB Thời gian làm việc của vùng làm việc của vùng I thường chọn tI = 0,4 ÷ 0,5s (Hình vẽ 5-9-b), vùng thứ II thường bao gồm phần còn lại của cuộn dây máy biến áp, thanh dẫn và đường dây truyền tải nối với hệ thống thanh góp liền kề. X MC (a) tII t B XB BU  MPĐ (b) 0,7XB tI = 0,4-0,5 s U XMPĐ Z< I t BI 0 Hình vẽ 5-9: Bảo vệ khoảng cách cho bộ MPĐ-MBA: a) Sơ đồ nguyên lý, b) đặc tính thời gian Đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách có thể có dạng vòng tròn với tâm ở gốc toạ độ hoặc dạng hình bình hành với độ nghiêng của cạnh bên bằng độ nghiêng của véc tơ điện áp UMPĐ (Hình vẽ 5-10). Đôi khi người ta bổ xung vào bộ phận khởi động của bảo vệ khoảng cách một rơ le điện áp thấp, để đảm bảo khởi động bảo vệ một cách chắc chắn trong trường hợp máy phát điện được kích thích bằng nguồn chỉnh lưu lấy điện từ đầu cực máy phát điện. jX UF Zkd jXkd 600 0 R Rkd Hình vẽ 5-10: Đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách dùng làm bảo vệ cho máy phát điện 5.3.3 Bảo vệ quá dòng điện Với máy phát điện bé và trung bình, người ta thường sử dụng bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch (Hình vẽ 5-11). Cấp tI được phối hợp với thời gian tác động của bảo vệ dự phòng của đường dây và máy biến áp. Cấp thứ II tII 102 (lớn hơn) tác động dừng máy phát nếu sau khi cắt máy cắt đầu máy phát hoặc đầu hợp bộ mà dòng sự cố vẫn tiếp tục tồn tại (chứng tỏ sự cố xảy ra trong hợp bộ hoặc máy phát). Khoá điện áp thấp cho phép phân biệt giữa ngắn mạch và quá tải và cho phép bảo vệ làm việc chắc chắn khi máy phát điện được kích thích từ nguồn điện lấy từ đầu cực máy phát. Trong trường hợp này dòng ngắn mạch sẽ suy giảm nhanh chóng khi ngắn mạch xảy ra gần đầu cực máy phát điện. Trong một số sơ đồ người ta còn dùng biện pháp đảm bảo cho bảo vệ tác động chắc chắn, chỉ theo tín hiệu điện áp thấp sau khi rơ le dòng điện đã trở về do sự suy giảm dòng ngắn mạch. MC BU U< tI Cắt MC tII Dừng MPĐ BU MPĐ & I< Hình vẽ 5-11: Bảo vệ quá dòng có khóa điện áp thấp làm bảo vệ dự phòng cho máy phát điện 5.4 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM CHẬP CÁC VÒNG DÂY TRONG MỘT PHA CỦA CUỘN STATO Các vòng dây của máy phát điện chập nhau thường do nguyên nhân hư hỏng cách điện của dây quấn. Có thể xảy ra chạm chập giữa các vòng trong cùng một nhánh (cuộn dây đơn) hoặc giữa các vòng dây thuộc hai nhánh khác nhau trong cùng một pha. Đối với các máy phát điện công suất lớn, cuộn dây pha có hai nhánh có thể sử dụng nguyên lý so lệch ngang để thực hiện bảo vệ chống các vòng dây chập nhau (hình 4-12). Bảo vệ có thể được thực hiện riêng từng pha. Trên hình 4-12,a trình bày sơ đồ so lệch ngang có hãm thực hiện cho pha C của máy phát điện. Các pha khác cũng thực hiện tương tự. Trong chế độ làm việc bình thường, dòng điện hãm và dòng điện làm việc bằng: I  I  I  2I H T1 T2 T (5-14) I lv  I T1  I T 2  0 (5-15) nên bảo vệ không tác động 103 A B LV C KĐ R Cắt RL R H ILV* IS1 BI2 ILV = IH IH BI1 I S2 ILV IT2 4 3 BIH BILV ILV = f(IH) 2 1 IT1 IH 0 1 2 3 4 b) a) Hình vẽ 5-12: Bảo vệ so lệch ngang chống ngắn mạch giữa các vòng dây của máy phát điện công suất lớn: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đặc tính khởi động Khi xảy ra chập các vòng dây giữa hai nhánh khác nhau, giả thiết ở chế độ máy phát chưa mang tải, ta có İS1 = - İS2, do đó: I H  I T1  I T 2  0 (5-16) I  I  I  2I lv T1 T2 T (5-17) Vì Ilv >> IH nên rơ le sẽ tác động cắt máy phát. Một phương án khác để thực hiện bảo vệ chống các vòng dây chập nhau trình bày trên Hình vẽ 5-13. A B C (1) (2) I12 O1 U12 O2 LF3 RL Cắt Hình vẽ 5-13: Bảo vệ cuộn dây máy phát điện có hai nhánh song song chống chạm chập giữa các vòng dây Bảo vệ làm việc trên nguyên lý so lệch thế U 1 và U 2 giữa trung điểm O1 và O2 của hai nhánh cuộn dây. Ở chế độ làm việc bình thường ta có: 104      0 U 12 1 2 (5-18) nên sơ đồ sẽ không làm việc (I12 = 0) Khi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây, φ1  φ2 nên U12 khác 0 và dòng điện I12 sẽ chạy qua bộ lọc tần số LF cho qua bài bậc ba, khởi động RI tác động cắt máy phát. Dòng khởi động (sơ cấp) của bảo vệ thường được chọn. Ikđ = (0,1 ÷ 0,05) IdđMPĐ ฀ trong đó: IdđMPĐ là dòng điện danh định của máy phát 5.5 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CUỘN DÂY RÔ TO Đối với máy phát điện công suất bé và trung bình , thường đặt bảo vệ báo tín hiệu khi có một điểm chạm đất trong mạch rô to và tác động cắt máy phát điện khi xảy ra chạm đất điểm thứ hai (Hình vẽ 5-14-a) _ + A + B (1) N _ N(1)B A (b) (a) Hình vẽ 5-14: Chạm đất trong cuộn dây roto MPĐ, a) Chạm đất một điểm, b) Hai điểm Với máy phát điện công suất lớn, hậu quả của việc chạm đất điểm thứ hai trong mạch kích thích có thể rất nghiêm trọng, vì vậy khi chạm đất một điểm trong cuộn dây rô to bảo vệ đã phải tác động cắt máy phát điện ra khỏi hệ thống. Trên Hình vẽ 5-15 trình bày nguyên lý thực hiện bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây rô to của máy phát điện có dùng thêm nguồn điện áp phụ một chiều hoặc xoay chiều. UKT (a)   UKT _ + + U_ RL RD (c) _ + C RĐ U RL IRL= IRL (b) URL+ U0 RĐ+RRL  IKĐ 1 U0 RĐ+RRL 0 U XC IKĐ  1 (d) 0 Hình vẽ 5-15: Bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây roto máy phát điện dùng điện áp phụ một chiều: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Dòng điện qua rơ le theo vị trí điểm chạm đất  và khi dùng nguồn điện phụ xoay chiều: c) Sơ đồ nguyên lý, d) Dòng điện qua rơ le 105 Nguồn điện áp phụ một chiều cho phép loại trừ vùng chết và thực hiên bảo vệ 100% cuộn dây rô to chống chạm đất (Hình vẽ 5-15-b). Sơ đồ có nhược điểm là sự liên hệ trực tiếp về điện giữa thiết bị bảo vệ với điện áp kích thích UKT có trị số khá cao đối với các máy phát điện có công suất lớn. Để khắc phục nhược điểm này có thể dùng sơ đồ với nguồn điện áp phụ xoay chiều (Hình vẽ 5-15-c) được cách ly với điện áp kích thích UKT qua tụ C. Khi có chạm đất, dòng điện sự cố chạy qua rơ le được xác định theo điện kháng của rơ le RRL có thể bỏ qua vì khá bé so với điện kháng XC. Sơ đồ này cũng bảo vệ được 100% cuộn dây rô to chống một điểm chạm đất (Hình vẽ 5-15-d). Đối với các máy phát điện có hệ thống kích từ không có chổi than với các điốt chỉnh lưu lắp trực tiếp trên thân rôto của máy phát, điện dung của hệ thống kích thích đối với đất tăng lên đáng kể (Đặc biệt đối với các máy phát điện công suất lớn) và hệ thống bảo vệ chống chạm đất của cuộn dây rôto cũng trở nên phức tạp hơn. Các sơ đồ bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây rôto của các máy phát điện hiện tại thường tác động cắt máy cắt (để loại trừ khả năng xảy ra điểm chạm đất thứ hai) và dựa trên một trong những nguyên lý sau: ฀ Đo điện dẫn của mạch kích thích (đối với đất) bằng tín hiệu điện áp tần số công nghiệp 50HZ. ฀ Đo điện trở của mạch kích thích (đối với đất) bằng tín hiệu điện áp một chiều hoặc tín hiệu sóng chữ nhật tần số thấp. Nguyên lý đo điện dẫn của mạch kích thích đối với đất của máy phát điện có hệ thống kích từ không chổi than trình bày trên Hình vẽ 5-16. Nguồn điện áp phụ xoay chiều tần số công ngiệp được đặt vào giữa trung điểm của cuộn dây máy kích thích xoay chiều ba pha và thân rôto của máy phát điện thông qua các thanh góp và chổi than S1 và S2. Bộ lọc tần số LF chỉ cho tần số công nghiệp chạy qua rơ le đo điện dẫn RY để loại trừ ảnh hưởng của hài bậc cao trong phép đo. Điện dẫn mà rơ le RY đo được chủ yếu xác định theo điện trở RĐ và điện dung CĐ đối với đất của mạch kích thích. Trên hình 5.20 trình bày quỹ đạo của mút véc tơ tổng trở Z mà rơ le đo được cho 2 trường hợp: Khi RĐ = const; CĐ = var và khi CĐ = const; RĐ = var. Máy kích thích  RĐ Roto của máy kích thích CĐ LF Rơ le đo điện dẫn S1 Cuộn dây roto của MPĐ S2 RY R U(50Hz) BUG Hình vẽ 5-16: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn dây roto máy phát điện có hệ thống kích từ không chổi than với điốt chỉnh lưu lắp trực tiếp trên thân roto dựa trên nguyên lý đo điện dẫn 106 2 1 CĐ = 0 RĐ = 0 CĐ =  R RĐ RĐ/2 CĐ = var RĐ = const XĐ/2 RĐ =  CĐ = const R = var XĐ -jX Hình vẽ 5-17: Đặc tính biến thiên của tổng trở đối với đất của mạch kích thích Hình vẽ 5-16 và đặc tính tác động của rơ le đo điện dẫn để chống chạm đất mạch roto máy phát điện đồng bộ: 1) Đặc tính cắt, 2) Đặc tính cảnh báo Rơ le RY được chỉnh định với hai mức tác động: mức cảnh báo với đặc tính khởi động và hai mức tác động cắt máy phát với đặc tính khởi động 1. Đặc tính 1 bọc lấy một phần của góc phần thứ hai và thứ ba trên mặt phẳng toạ độ để đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách chắc chắn khi có chạm đất trực tiếp (RĐ ≈ 0). Sơ đồ bảo vệ Hình vẽ 5-16 có một số nhược điểm: trước tiên là sự có mặt của các chổi than S1 và S2 làm độ tin cậy của sơ đồ không cao và trị số của điện trở tiếp xúc có thể ảnh hưởng đến số đo của rơ le. Ngoài ra bản thân hệ thống kích thích một chiều cũng có thể ảnh hưưởng đến sự làm việc của bảo vệ, khi điện dung của mạch kích thích đối với đất CĐ lớn, điện trở rò RĐ lớn nhất có thể đo được chỉ khoảng 10 kΩ . Để khắc phục những nhược điểm này người ta dùng sơ đồ với nguồn điện phụ một chiều hoặc nguồn điện áp xoay chiều tần số thấp có dạng sóng hình chữ nhật. Trên Hình vẽ 5-18trình bày nguyên lý phát hiện chạm đất trong cuộn dây rôto máy phát điện được kích thích từ nguồn điện tự dùng qua bộ chỉnh lưu thyristor dùng nguồn tín hiệu sóng chữ nhật có tần số 1Hz. Các điện trở phụ R1, R2 được lựa chọn có vị trí số khá lớn so với điện trở RM để tạo điện áp UM đặt vào bộ phận đo lường M. Dòng điện do nguồn điện phụ U tạo ra bằng I U RD  R  RM (5-19) 107 ฀ trong đó: R  R 1R 2 R1  R 2 Lưu ý rằng RM << R và bỏ qua điện trở của bản thân cuộn dây rôto, ta có : UM  U RM RD  R + (a) Nguồn kích từ (5-20) R1 CĐ RĐ Thanh góp tự dùng I R2 Cuộn dây roto MPĐ U: Nguồn phụ (1Hz) Cấp 1: Cảnh báo M UM RM Cấp 2: Cắt MPĐ (b) (c) U (1Hz) UM RĐ = 5k CĐ = 2F RĐ = 0 Hình vẽ 5-18: Sơ đồ nguyên lý phát hiện chạm đất trong cuộn dây roto máy phát điện dùng nguồn điện phụ 1Hz có dạng sóng chữ nhật (a) và dạng sóng đặt vào bộ phận đo UM đối với các điện trở chạm đất khác nhau (b và c) Điện dung đối với đất của mạch kích từ CĐ mắc song song với điện trở RĐ sẽ làm tăng tức thời trị số dòng điện I và điện áp UM ở thời điểm đầu mỗi nửa chu kỳ của nguồn điện áp U. Điện trở RĐ có tác dụng làm suy giảm trị số I và UM. RĐ càng bé, độ suy giảm càng nhanh, trên Hình vẽ 5-18-b,c trình bày dạng sóng UM đo được hai trị số của RĐ khác nhau. Bảo vệ được chỉnh định để tác động báo tín hiệu khi điện trở rò RĐ tụt dưới 80 kΩ (mức 1) và tác động cắt máy phát điện khi RĐ ≤ 5 kΩ (mức 2). 108 5.6 BẢO VỆ CHỐNG DÒNG ĐIỆN THỨ TỰ NGHỊCH Dòng điện thứ tự nghịch có thể xuất hiện trong cuộn dây Stato máy phát điện khi có đứt dây (hoặc hở mạch) một pha khi có phụ tải không đối xứng hoặc ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống. Nguy hiểm của dòng điện thứ thự nghịch đối với máy phát điện là nó tạo nên từ thông thứ tự nghịch 2 cắt rôto với vận tốc 2 làm cảm ứng trong thân rôto cũng như các phụ kiện kim loại trên thân rôto dòng điện lớn đốt nóng rôto và cả máy phát điện. Dòng thứ tự nghịch I2 càng lớn thì thời gian cho phép tồn tại càng bé, vì vậy bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch thường có quan hệ thời gian t phụ thuộc tỷ lệ nghịch: t  I2   I dđ k1    k 2 2  2 (5-21) ฀ trong đó: k1 và k2 là các hệ số tỷ lệ với: k 2  . I 2cp I dđ  là hằng số đối với từng loại rơle cụ thể I2cp là dòng thứ tự nghịch cho phép vận hành lâu dài, nó phụ thuộc vào chủng loại máy phát điện, công suất và hệ thống làm mát của cuộn rôto Idđ là dòng điện danh định của máy phát điện. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch trình bày trên Hình vẽ 5-19a. Bảo vệ có thể có đặc tính thời gian phụ thuộc tỷ lệ nghịch theo quan hệ (5-21) Hình vẽ 5-19-a hoặc đặc tính thời gian độc lập hai cấp: cấp 1 cảnh báo và cấp hai tác động cắt Hình vẽ 5-19-c. (a) B A Cảnh báo Cắt t t C BI LI2 I2 Idđ I2 I2 1RI2 2RI2 I2 Idđ 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 (b) t(s) 100 (c) t2 1000 0,4 0,3 0,2 0,1 Ikđ.2RI2 t1 Ikđ.1RI2 t(s) 2 4 6 8 10 Hình vẽ 5-19: Bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch đặt ở máy phát điện, a) sơ đồ nguyên lý, b) đặc tính thời gian phụ thuộc tỷ lệ nghịch, c) độc lập có 2 cấp 109 5.7 BẢO VỆ CHỐNG MẤT KÍCH TỪ Trong quá trình vận hành máy phát điện có thể xảy ra mất kích từ do hư hỏng trong mạch kích từ (do ngắn mạch hoặc hở mạch), hư hỏng trong hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, thao tác sai của nhân viên vận hành v v … Khi mát phát điện bị mất kích từ thường dẫn đến mất đồng bộ, gây phát nóng cục bộ ở stato và rôto. Nếu hở mạch kích thích có thể gây quá điện áp trên cuộn dây rôto nguy hiểm cho cách điện của cuộn dây. Ở chế độ vận hành bình thường, máy phát điện đồng bộ làm việc với sức điện động E cao hơn điện áp đầu cực máy phát U (chế độ quá kích thích, đưa công suất phản kháng Q vào hệ thống, Q>0). Khi máy phát làm việc ở chế độ thiếu kích thích hoặc mất kích thích, sức điện động E thấp hơn điện áp U, máy phát điện nhận công suất phản khág từ hệ thống (Q<0) (Hình vẽ 5-20: Bảo vệ chống mất kích từ máy phát điện, a) Thay đổi hướng công suất phản kháng Q, b) Thay đổi tổng trở đo được ở cực MFĐ, c) Giới hạn thay đổi của công suất MPĐ như Hình vẽ 5-20-a,c. . I, Q  (a) Hệ thống . U Ė (b) +jX I II Zpt Miền quá kích thích (E>U, Q>0) 0,5X’d B Miền thiếu kích thích (E<U, Xd III ZF -jX IV A Đặc tính khởi động của rơ le cảm kháng cực tiểu +Q Giới hạn phát nóng cuộn roto Giới hạn phát nóng cuộn dây stato 0 Miền làm việc bình thường P(MW) (c) -Q Giới hạn phát nóng lõi thép stato 110 Hình vẽ 5-20: Bảo vệ chống mất kích từ máy phát điện, a) Thay đổi hướng công suất phản kháng Q, b) Thay đổi tổng trở đo được ở cực MFĐ, c) Giới hạn thay đổi của công suất MPĐ Như vậy khi mất kích từ, điện kháng của máy phát điện sẽ thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X'd (điện kháng quá độ) và có tính chất dung kháng. Vì vậy để phát hiện mất kích từ ở máy phát điện, ta có thể sử dụng một rơ le điện kháng cực tiểu có X'd < Xkđ < Xd với đặc tính vòng tròn có tâm nằm trên trục - jX của mặt phẳng tổng trở phức (Hình vẽ 5-20-b). Đặc tính của rơ le cảm kháng cực tiểu Hình vẽ 5-20-b có thể nhận được từ sơ đồ nguyên  ở đầu cực máy phát và lý trên Hình vẽ 5-20-a. Tín hiệu đầu vào của rơ le là điện áp dây U BC dòng điện pha İB và İC của các pha tương ứng.  được đưa qua máy biến điện áp trung gian BUG với cuộn thứ cấp có nhiều Điện áp U BC  và b U  (với b>a) tương ứng với các điểm A và B đầu ra để có thể lấy ra các đại lượng a U BC BC trên đặc tính điện kháng khởi động ở Hình vẽ 5-21-b. A B  . BUG U2 C BU . U1 (a) .  S2 & S1 -1 ∫ RL Cắt -S1 . aUBC bUBC IB U1 IC BI . UA -U1 UĐ t BI G İB U2 (c) S1 (b) t İBC İA S2 t . UC . UB ŮBC . UD İ1K S3= -S1.S2 İC . bUBC . aUBC . UBC S4 = ∫S3  t Kđ t Cắt t Hình vẽ 5-21: Sơ đồ bảo vệ chống mất kích thích ở máy phát điện sử dụng rơ le điện kháng cực tiểu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véc tơ, c) Các dạng sóng của các đại lượng tương ứng Khi mất kích từ, dòng điện chạy vào máy phát mang tính điện dung và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 90o. 111 Hiệu dòng điện các pha B và C ( I BC  I B  I C ) thông qua máy biến dòng cảm kháng  vượt trước dòng điện I một góc 90 o. Như vậy lệch BIG tạo nên ở phía thứ cấp điện áp U BC D o   pha giữa hai véctơ điện áp và U là U 180 (Hình vẽ 5-21). D BC Điện áp được đưa vào các bộ biến đổi dạng sóng (hình sin sang hình chữ nhật) S1 và S2 tương ứng bằng:   a.U  U  U 1 BC D (5-22)   b.U  U  U 2 BC D (5-23)  và U  được kiểm tra, nếu ở chế độ bình thường  = 0, rơle Góc lệch pha ỏ giữa U 1 2 không làm việc; khi mất kích từ  = 180 o, rơle sẽ tác động. Góc khởi động kđ được chọn khoảng 90o. Các hệ số a và b được chọn (bằng cách thay đổi đầu phân áp của BUG) sao cho các điểm A và B (Hình vẽ 5-21-b) thảo mãn điền kiện:  U   a.U  b.U BC D BC (5-24)  và U  được kiểm Khi mất kích thích, góc pha dòng điện thay, góc lệch pha α giữa U 2 1 tra thông qua độ dài của tín hiệu S3 = - S1.S2. Nếu α > αkđ (Hình vẽ 5-21-c) bảo vệ sẽ tác động cắt máy phát trong khoảng từ 1 đến 2 giây. 5.8 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ TẢI CHO CUỘN DÂY STATO VÀ RÔTO MÁY PHÁT ĐIỆN Quá tải gây phát nóng cuộn dây stato có thể do nhiều nguyên nhân như phát điện vận hành với hệ số công suất thấp, thành phần công suất phản kháng vượt quá mức cho phép, có thể trục trặc hoặc hư hỏng trong hệ thống làm mát hoặc hệ thống điều chỉnh điện áp làm cho cuộn dây rôto bị phát nóng quá mức. Cuộn dây rôto cũng có thể bị quá tải ngắn hạn trong quá trình điều chỉnh điện áp khi máy phát tải đầy công suất tác dụng. Thời gian chịu đựng quá tải của các cuộn dây máy phát điện có giới hạn và phụ thuộc vào mức độ quá tải, kết cấu của máy phát, hệ thống làm mát và cỡ công suất của máy phát điện. I Idđ 2 (Cuộn dây stato) 1 (Cuộn dây roto) t(s) 112 Hình vẽ 5-22: Quan hệ giữa mức quá tải và thời gian quá tải cho phép của các cuộn dây MPĐ Thường các nhà chế tạo cho sẵn quan hệ giữa mức quá tải (I/Idđ) với thời gian quá tải cho phép cho từng loại máy phát điện. Chẳng hạn từ đặc tuyến đối với các máy phát điện có công suất lớn trên Hình vẽ 5-22, có thể nhận thấy nếu mức quá tải nằm trong khoảng từ 1,05 (mức quá tải lâu dài cho phép là 1,04) đến 1,15 bảo vệ sẽ tác động với thời gian không đổi 300s. Quá giới hạn này (1,15) thời gian sẽ tác động giảm nhanh tỷ lệ nghịch với mức quá tải. Thông thường với quá tải như nhau, mức quá tải cho phép của cuộn dây stato (đường 2 trên Hình vẽ 5-22) cao hơn của cuộn dây rôto đường 1). Ở giới hạn trên của mức quá tải (2,3 đối với cuộn dây stato và 2,1 đối với cuộn dây rôto) thời gian tác động không vượt quá 10s. Có nhiều nguyên lý khác nhau có thể áp dụng để thực hiện bảo vệ chống quá tải cho cuộn dây của máy phát điện: theo số đo trực tiếp của nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ của chất làm mát hoặc gián tiếp qua trị số dòng điện chạy qua cuộn dây. Sơ đồ nguyên lý trình bày trên Hình vẽ 5-23 sử dụng kết hợp hai phép đo: đo trực tiếp nhiệt độ của môi chất làm mát và đo gián tiếp qua bình phương trị số hiệu dụng của dòng điện. Hệ thống đo lường gồm hai kênh làm việc song song, bảo vệ chỉ tác động khi hai rơle RL1 và RL2 cùng tác động. A B C BIG Kênh đo lường 1 I2 I2 f Cuộn dây Cắt RL1 & θ Chất làm mát (Nhiệt kế điện trở) RL2 2 I f Kênh đo lường 2 I2 Hình vẽ 5-23: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống quá tải cuộn dây máy phát điện với 2 kênh đo lường độc lập 5.9 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP Điện áp đầu cực máy phát điện có thể tăng cao quá mức cho phép khi có trục trặc trong hệ thống tự động điều chỉnh kích từ hoặc khi máy phát bị mất tải đột ngột. Khi mất tải đột ngột mức quá điện áp ở các mát phát thuỷ điện có thể đạt đến 200% trị số danh định là hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của tuabin nước có quán tính lớn, khả năng vượt tốc của rôto máy phát cao hơn nhiều so với máy phát điện tuabin hơi. Ở các máy phát nhiệt điện (tuabin hơi hoặc tuabin khí) các bộ điều tốc thấp hơn, ngoài ra các tuabin khí và hơi còn được trang bị các van STOP có thể đóng nguồn năng lượng đưa vào tuabin trong vòng vài miligiây khi mức vượt tốc độ cao hơn mức chỉnh định. 113 Ngoài ra, các máy phát thuỷ điện thường nằm xa trung tâm phụ tải và bình thường phải làm việc với mức độ điện áp danh định để bù lại điện áp giáng trên hệ thống truyền tải, khi mất tải đột ngột mức quá áp lại càng cao. Quá điện áp ở đầu cực máy phát điện có thể gây tác hại cho cách điện cuộn dây, của các thiết bị đấu nối đầu cực máy phát, còn đối với máy phát điện làm việc hợp bộ với máy biến áp sẽ làm bão hoà mạch từ của máy biến áp tăng, kèm theo nhiều tác dụng xấu. Bảo vệ chống quá điện áp đặt ở máy phát điện thường gồm hai cấp (Hình vẽ 5-24). Cấp 1 (RU1) với điện áp khởi động: U kđ RU1  1,1.U dđ (5-25) Cấp 1 làm việc có thời gian và tác động lên hệ thống tự động điều chỉnh kích từ để giảm kích thích của máy phát điện. Cấp 2 (RU2) với điện áp khởi động: U kđ RU 2  1,3  1,4 .U dđ (5-26) Cấp 2 làm việc tức thời, tác động cắt máy cắt điện đầu cực máy phát và tự động đóng điện từ trường của máy phát điện. MC RU2> Cắt máy cắt Cắt kích từ BU RU1>  t Đến hệ thống điều chỉnh U (giảm kích từ) Hình vẽ 5-24: Bảo vệ chống quá điện áp hai cấp đặt ở máy phát điện 5.10 BẢO VỆ CHỐNG TẦN SỐ GIẢM THẤP Tần số của hệ thống điện có thể bị giảm thấp do mất cân bằng (thiếu) công suất tác dụng trong hệ thống hoặc do hệ thống tự động điều chỉnh tần số đặt ở các máy phát điện bị hư hỏng. Tần số thấp có thể gây nhiều hậu quả xấu: ฀ Làm hỏng cánh tuabin do bị rung. ฀ Giảm năng suất của các thiết bị tự dùng như bơm, quạt, hệ thống cấp nhiên liệu, hệ thống làm mát v.v… do các động cơ bị giảm công suất dẫn đến mất cân bằng càng trầm trọng thêm, có thể gây nên hiện tượng thác tần số làm tan rã hệ thống. ฀ Làm tăng nhiệt độ của máy phát điện quá mức cho phép do tổn thất thép tăng lên và hệ thống làm mát bị giảm năng suất. ฀ Gây bão hoà mạch từ của các máy biến áp. Thời gian cho phép vận hành máy phát điện với tần số thấp hơn trị số danh định phụ thuộc vào mức giảm tần số. Trên Hình vẽ 5-25 trình bày quan hệ giữa thời gian tích hợp cho 114 phép vận hành máy phát điện ở tần số thấp hơn trị số danh định. Phần phía dưới đường bậc thang là vùng cấm vận hành vì có thể gây nguy hại cho tuabin. động: Bảo vệ chống tần số giảm thấp thường có 2 mức tác động, cấp thứ nhất với tần số khởi fkđ = 47,5 Hz (5-27) Rơle sẽ tác động tức thời cách ly máy phát điện ra khỏi hệ thống. Cấp thứ 2 sẽ tác động dừng tổ máy nếu sau khi máy phát bị cách ly ra khỏi hệ thống một khoảng thời gian xác định mà tần số không thể khôi phục lại trị số bình thường. f % f = fdđ 0 -1 -2 -3 Dải tần1 -4 Dải tần2 -5 Dải tần3 t (phút) Vùng cấm vận hành 0,1 1 10 100 Hình vẽ 5-25: Thời gian tích hợp cho phép vận hành máy phát điện ở tần số cao 5.11 BẢO VỆ CHỐNG LUỒNG CÔNG SUẤT NGƯỢC Công suất sẽ chạy từ hệ thống vào máy phát nếu việc cung cấp năng lượng cho tuabin (dầu, khí, hơi nước hoặc nước) bị gián đoạn. Khi ấy máy phát điện sẽ làm việc như một động cơ điện tiêu thụ công suất của hệ thống. Nguy hiểm của chế độ này đối với các máy phát điện là tuabin sẽ làm việc ở chế độ máy nén, nén lượng hơi thừa trong tuabin làm cánh tuabin có thể nóng quá mức cho phép. Đối với các máy phát điêzen chế độ này có thể làm nổ máy. Để bảo vệ chống chế độ công suất ngược, người ta kiểm tra hướng công suất tác dụng của máy phát điện. Yêu cầu rơ le hướng công suất phải có độ nhạy cao để phát hiện được luồng công suất ngược với trị số khá bé (thường chỉ để bù đắp lại tổn thất cơ của máy phát trong chế độ này). Với các máy phát điện tuabin hơi, công suất khởi động bằng: P  0,01  0,03Pdđ  (5-28) ฀ trong đó: đối với các máy phát thuỷ điện và tuabin khí: P  0,03  0,05Pdđ  Để đảm bảo độ nhạy của bảo vệ chống công suất ngược của các máy phát điện có công suất lớn, mạch dòng điện của bảo vệ thường được đấu vào lõi đo lường của máy biến dòng (thay cho lõi bảo vệ thường dùng cho các thiết bị bảo vệ khác). 115 BU  BI Cấp 2 t2 RP & t1 Cắt Cấp 1 Van Hình vẽ 5-26: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống công suất ngược Bảo vệ chống công suất ngược thường có 2 cấp tác động: Cấp thứ nhất với thời gian khoảng 2 - 5 giây sau khi van STOP khân cấp làm việc và cấp thứ 2 với thời gian cắt máy khoảng vài chục giây không qua tiếp điểm của van STOP (Hình vẽ 5-26). 5.12 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Các dạng hư hỏng và chế dộ làm việc không bình thường của máy phát điện đồng bộ. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây stato máy phát điện đồng bộ. Bảo vệ chống ngắn mạch giữa các pha cuộn dây stato máy phát điện đồng bộ. Bảo vệ chống các vòng dây trong cuộn dây stato chập nhau. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây roto của máy phát điện. Bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch trong cuộn dây stato máy phát điện. Bảo vệ chống mất kích từ của máy phát điện. Bảo vệ chống quá tải cho cuộn dây stato và roto máy phát điện. Bảo vệ chống quá điện áp cho máy phát điện. 116 CHƯƠNG 6: BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP 6.1 CÁC HƯ HỎNG VÀ NHỮNG LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG DÙNG Cũng giống như đối với máy phát điện, những hư hỏng thường xảy ra đối với máy biến áp và máy biến tự ngẫu có thể phân ra thành hai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài. ฀ Hư hỏng bên trong máy biến áp bao gồm: Chạm chập giữa các vòng dây Ngắn mạch giữa các cuộn dây Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu ฀ Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài máy biến áp bao gồm: Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống Ngắn mạch một pha trong hệ thống Quá tải Quá bão hoà mạch từ Tuỳ theo công suất của máy biến áp, vị trí và vai trò của máy biến áp trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho máy biến áp. Những loại bảo vệ thường dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp được giói thiệu trong bảng 5.1. Bảng 6-1: Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp Loại hư hỏng Ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha chạm đất Chạm chập các vòng dây thùng dầu thủng hoặc bị rò dầu Loại bảo vệ So lệch hãm ( bảo vệ chính ) Khoảng cách ( bảo vệ dự phong ) Quá dòng có thời gian ( chính hoặc dự phòng tuỳ theo công suất ) Quá dòng thứ tự không Rơle khí ( BUCHHOLZ ) Quá tải Quá dòng điện Hình ảnh nhiệt Quá bão hoà mạch từ Chống quá bão hoà 6.2 BẢO VỆ SO LỆCH DỌC Khác với bảo vệ so lệch của máy phát điện, dòng điện sơ cấp ở hai (hoặc nhiều) phía của máy biến áp thường khác nhau về trị số (theo tỷ số biến giữa các điện áp các pha) và về góc pha (theo tổ đấu dây: YN, YO; YN, D11; Y, D5 vv…). 117 Vì vậy để cân bằng dòng điện thứ cấp ở các phía của bảo vệ so lệch trong chế độ làm việc bình thường, người ta sử dụng máy biến dòng trung gian BIG (hình 5-1) có tổ đấu dây phù hợp với tổ đấu dây của máy biến áp và tỷ số biến đổi được chọn sao cho các dòng điện đưa vào so sánh trong rơle so lệch có trị số gần bằng nhau. Một đặc điểm nữa của bảo vệ so lệch máy biến áp là dòng điện từ hoá của máy biến áp sẽ tạo nên dòng điện không cân bằng chạy qua rơle. Trị số quá độ của dòng điện không cân bằng này có thể rất lớn trong chế độ đóng máy biến áp không tải hoặc cắt ngắn mạch ngoài. Vì vậy, để hãm bảo vệ so lệch của máy biến áp người ta sử dụng dòng điện từ hoá của máy biến áp. IS1 IS1 BIG IS2 BIG1 BI1 BI1 BIG2 BI2 I YN, d11 I YN, Y0, d11 BIG3 BI3 BI2 IS3 IS2 Hình vẽ 6-1: Cân bằng pha và trị số của dòng điện thứ cấp trong bảo vệ so lệch máy biến áp 2 và 3 cuộn dây bằng máy biến dòng trung gian BIG IS1 IT1 Ilv BI1 IHM IH1 IT2 1 IS2 BI3 IS3 I HM lv BI2 Hài bậc 2 H1 IT3 IH2 H2 Hình vẽ 6-2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dây HM- hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá MBA Gần đây, trong các rơle so lệch hiện đại người ta có thể thực hiện việc cân bằng pha và trị số của dòng điện thứ cấp ở các phía của máy biến áp ngay trong rơle so lệch. Trên Hình vẽ 6-2 trình bày sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm dùng cho máy biến áp 3 cuộn dây. 118 Giả sử phía cuộn dây 1 của máy biến áp nối với nguồn cung cấp, phía cuộn dây 2 và 3 nối với phụ tải. Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường ta có: I S1  I S 2  I S3  Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng: (6-1) I  I  I  I lv T1 S2 S3 Các dòng điện hãm:  (6-2) I  I  I H1 T1 T2 (6-3) I H 2  I T 3 (6-4) Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm theo quan hệ:   I H  I T1  I T 2  I T 3 .k H (6-5) ฀ trong đó: kH ≤ 0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch. Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hoá khi máy biến áp không tải và khi cắt mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm thành hài bậc hai trong dòng điện từ hoá IHM . Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện: I  I H2 T3 (6-6) 6.3 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường được dùng làm bảo vệ chính cho các máy biến áp có công suất bế và làm bảo vệ dự phòng cho máy biến áp có công suất trung bình và lớn để chống các dạng ngắn mạch bên trong và bên ngoài máy biến áp. Với máy biến áp 2 cuộn dây dùng một bộ bảo vệ đặt ở phía nguồn cung cấp. Với máy biến áp nhiều cuộn dây thường mỗi phía đặt một bộ. Dòng điện khởi động của bảo vệ chọn theo dòng điện danh định của máy biến áp có xét đến khả năng quá tải. Thời gian làm việc của bảo vệ chọn theo nguyên tắc bậc thang, phối hợp với thòi gian làm việc của các bảo vệ lân cận trong hệ thống. Nếu máy biến áp nhiều cuộn dây nối với nguồn từ nhiều phía thì cần đặt bộ phân định hướng công suất ở phía nối với nguồn có thời gian tác động bé hơn. 119 6.4 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH Đối với những máy biến áp công suất lớn (>100 MVA), người ta thường dùng bảo vệ khoảng cách để làm bảo vệ dự phòng thay cho bảo vệ quá dòng điện. Trên hình 5.3 trình bày nguyên lý sử dụng bảo vệ khoảng cách để bảo vệ cho máy biến áp (hoặc máy biến áp tự ngẫu) hai cuộn dây. Bảo vệ khoảng cách được đặt ở cả 2 phía của máy biến áp với 3 vùng tác động về phía trước (hướng thuận) và một vùng tác động về phía sau (hướng nghịch). Bảo vệ khoảng cách ở hai phía của máy biến áp làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ so lệch của máy biến áp và cho các bảo vệ chính đặt ở thanh góp và các đường dây lân cận với máy biến áp. Tổng trở khởi động và thời gian làm việc của các vùng được chọn như sau: ฀ Vùng thứ nhất: ZIkđ = 0,7 XB tI = (0,4 ÷ 0,5)s (trong đó XB là điện kháng của MBA) ฀ Vùng thứ hai: ZIIkđ = 1,3 XB tII = tI + Δt (với Δt = (0,3 ÷ 0,5) s) Vùng thứ ba được phối hợp với vùng thứ hai của các bảo vệ khoảng cách RZD1 và RZD2 đặt ở các đường dây D1 và D2 lân cận với máy biến áp. RZ1 RZ2 RZD1 D1 RZD2 MC1 MC2 XB tRZ1 tIIIRZ1 ZII KđRZ1 = 1,3XB tIVRZ1 tIRZD1 ZIKđRZ1 = 0,7XB t RZ2 tIIRZ1 tIRZ1 t III D2 tIRZ2 II tIRZD2 tIVRZ2 RZ2 ZIIKđRZ2 =1,3XB ZI KđRZ2 = 0,7XB tRZ2 Hình vẽ 6-3: Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính thời gian (b) của bảo vệ khoảng cách đặt ở MBA hai cuộn dây (hoặc MBA tự ngẫu) 120 6.5 BẢO VỆ BẰNG RƠ LE KHÍ (BUCHHOLZ) Những hư hỏng bên trong thùng của máy biến áp có cuộn dây ngâm trong dầu đều làm cho dầu bốc hơi và chuyển động. Các máy biến áp có dầu công suất lớn hơn 500 kVA thường được bảo vệ bằng rơ le khí có cấp tác động (với biến áp từ 500 kVA đến 5 MVA) hoặc 2 cấp tác động (lớn hơn 5 MVA). Rơ le khí thường đặt trên đoạn ống nối từ thùng dầu đến bình dãn dầu của máy biến áp. Rơ le với cấp 2 tác động gồm có 2 phao bằng kim loại mang bầu thuỷ tinh con có tiếp điểm thuỷ ngân hoặc tiếp điểm từ. Ở chế độ làm việc bình thường trong bình rơ le đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm của rơ le ở trạng thái hở. Khi khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nóng do quá tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơ le đẩy phao số 1 xuống, rơ le gửi tín hiệu cấp 1 cảnh báo. Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch trong thùng dầu) luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình dãn dầu xô phao thứ 2 chìm xuống gửi tín hiệu đi cắt máy biến áp. Rơ le khí còn có thể tác động khi mức dầu trong bình rơle hạ thấp do dầu bị rò hoặc thùng biến áp bị thủng. Để rơ le khí được làm việc được dễ dàng người ta tạo một độ nghiêng nhất định của ống dẫn so với mặt phẳng ngang. Góc nghiêng ỏ khoảng từ 2 đến 5o đối với rơ le khí có một phao có từ 3 đến 7o đối với rơle có 2 phao. Cấp cảnh báo thường tác động với lượng khí tập trung phía trên bình dầu rơle từ 100 đến 250 cm3, cấp 2 tác động cắt máy biến áp khi tốc độ di chuyển của dầu qua rơ le, chiều dài của đoạn ống từ thùng dầu đến rơ le phải lớn hơn 5 lần đường kính của nó và từ rơ le đến bình dãn dàu phải lớn hơn 3 lần. Rơ le khí có thể làm việc khá tin cậy chống tất cả các loại sự cố bên trong thùng dầu, tuy nhiên kinh nghiệm vận hành cũng phát hiện một số trường hợp tác động sai do ảnh hưởng của chấn động cơ học lên máy biến áp (chẳng hạn do động đất, do các vụ nổ gần nơi đặt máy biến áp vv …) Đối với máy biến áp lớn bộ điều chỉnh điện áp dưới tải thường được đặt trong thùng dầu riêng và người ta dùng một bộ rơ le khí riêng để bảo vệ cho bộ điều áp dưới tải. 121 Hình vẽ 6-4: Ví dụ về rơ le khí đặt cho máy biến áp 6.6 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất đơn giản nhất ở máy biến áp có trung điểm nối trình bày trên Hình vẽ 6-5-a. Sơ đồ dùng một máy biến dòng đặt trên dây trung tính của máy biến áp và một rơle quá dòng với dòng điện khởi động: I kđ  0,2  0,4 I dđ (6-7) ฀ trong đó: Idđ là dòng điện danh định của máy biến áp. Thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc bậc thang phối hợp với thời gian của bảo vệ chống chạm đất đặt ở các phân tư lân cận (a) MBA Thùng biến áp BI2 BI4 I0 N1 I0> Cách điện I0 > BI2 MBA BI3 BT N N2 I0 I0 BI1 R ΔI0 N1 N2 BI1 IĐ R (a) (b) R ΔI0 (b) BI3 ΔI0 Hình vẽ 6-5: Bảo vệ chống chạm đất có giới hạn dùng cho máy biến áp : a) MBA hai cuộn dây, b) MBA tự ngẫu 122 Bảo vệ quá dòng với trị số khởi động chọn theo (6-7) đảm bảo loại trừ được tất cả các trường hợp chạm đất xảy ra trong cuộn dây nối hình sao của máy biến áp và vùng lân cận của lưới điện nối với cuộn dây này. Sơ đồ dạng Hình vẽ 6-5-a cũng có thể sử dụng để bảo vệ chống chạm vỏ (thùng) máy biến áp. Trong trường hợp này thùng máy biến áp được cách điện đối với đất và máy biến dòng được đặt trên dây nối giữa thùng và với đất (Hình vẽ 6-5-b). Bình thường khi không có chạm vỏ (thùng) dòng điện đi qua biến dòng bằng không nên có thể chỉnh định dòng khởi động của bảo vệ với trị số khá bé và bảo vệ có độ nhạy cao. Với các máy biến áp có công suất lớn, để đảm bảo chống chạm đất trong cuộn dây nối hình sao của máy biến áp, người ta dùng sơ đồ bảo vệ chống chạm đất có giới hạn. Thực chất đây là loại bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không có miền bảo vệ được gới hạn giữa máy biến dòng đặt ở trung tính của máy biến áp và tổ máy biến dòng nối theo bộ lọc dòng điện thứ tự không đặt ở phía đầu ra của cuộn dây nối hình sao của máy biến áp (hình 5-5,a). Rơ le so lệch tổng trở cao được mắc song song với điện trở R có trị số khá lớn. Trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch chạm đất ngoài vùng bảo vệ (điểm N1), ta có: I0  3I0  I Đ  0 (6-8) ฀ trong đó: I là dòng thứ tự không chạy trong cuộn dây máy biến áp 0 I Đ là dòng điện chạy qua cuộn dây trung tính máy biến áp Nếu bỏ qua sai số của các máy biến dòng, ta có dòng điện thứ cấp chạy qua điện trở R bằng không và điện áp đặt trên rơle cũng bằng không. Khi ngắn mạch trong vùng (điểm N2) toàn bộ dòng chạm đất sẽ chạy qua điện trở R tạo nên điện áp đặt trên rơle so lệch rất lớn, rơle tác động. Để bảo vệ chống chạm đất cho ca cuộn dây nối tam giác của máy biến áp, người ta có thể đặt thêm máy biến áp tạo trung điểm nối đất ở đầu cuộn tam giác và một bộ bảo vệ thứ hai tương tự. Nguyên lý so lệch dòng điện thứ tự không cũng có thể được sử dụng để bảo vệ chống chạm đất cho các máy biến áp tự ngẫu (Hình vẽ 6-5-b). 6.7 BẢO VỆ QUÁ NHIỆT CHO MÁY BIẾN ÁP Khi làm việc, tổn thất công suất máy biến áp biến thành nhiệt năng. Tổn thất công suất máy biến áp bao gồm: P = PCu + PFe = PFe(1 + b) (6-9) ฀ trong đó PCu là tổn hao do cuộn dây máy biến áp tạo nên PFe là tổn hao do dòng điện xoáy trong lõi thép tạo nên P b  Cu là tỷ số tổn hao công suất trong cuộn dây và lõi thép khi phụ tải định PFe mức (b = 2 6) Khi phụ tải khác định mức, tổn hao công suất thay đổi theo biểu thức: 123 P = PFe(1 + bk2). (6-10) ฀ trong đó : k S là phụ tải tương đối của máy biến áp Sđm Sđm là công suất định mức của máy biến áp Độ tăng nhiệt độ của dầu lớp trên cùng so với nhiệt độ môi trường làm mát với phụ tải tương đối k có thể xác định theo biểu thức:  1  bk 2   đ  dđđ   1 b  m (6-11) ฀ trong đó : dđm là độ tăng nhiệt độ của dầu khi phụ tải định mức m là số mũ phụ thuộc vào hệ thống làm mát máy biến áp. Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên m = 0,8. Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên có quạt gió m = 0,9. Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn cưỡng bức m = 1,0. Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn cưỡng bức và nước m = 1,0. Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu tỷ lệ với tổn hao công suất trong cuộn dây theo luỹ thừa bậc n. Mặt khác tổn hao công suất trong cuộn dây tỷ lệ với bình phương phụ tải. Do đó: C = Cđm.k2n (6-12) ฀ trong đó : Cđm - độ tăng nhiệt độ cuộn dây ở điểm nóng nhất so với nhiệt độ dầu lớp trên cùng khi phụ tải định mức. Trong tính toán gần đúng có thể coi n = m. Vậy độ tăng nhiệt độ cuộn dây tại điểm nóng nhất so với nhiệt độ môi trường làm mát với hệ số phụ tải tương đối k bằng: C = d + C (6-13) Sự phụ thuộc c, d vào phụ tải ở chế độ xác lập đối với máy biến áp có hệ thống làm mát khác nhau được mô tả trên Hình vẽ 6-6 0 C 100 (5) (4) d (3) (2) 50 (1) c k 0,5 1,0 1,5 Hình vẽ 6-6: Sự phụ thuộc độ tăng nhiệt độ của dầu so với nhiệt độ môi trường làm mát và độ tăng nhiệt độ cuộn dây so với nhiệt độ của dầu vào phụ tải xác lập. 124 Đường 1, 4 hệ thống làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên. Đường 2, 3, 5 hệ thống làm mát bằng dầu tuần hoàn cưỡng bức Thực nghiệm cho thấy rằng, nguồn nhiệt chủ yếu toả ra từ cuộn dây chiếm khoảng 80% tổn hao tổng. Khi nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây máy biến áp bằng 980C thì thời gian phục vụ của cách điện bằng khoảng 20  25 năm. Nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây cao hơn nhiệt độ trung bình của nó là 130C. Như vậy, nhiệt độ trung bình của cuộn dây trong điều kiện vận hành ở công suất định mức 85 0C. Nhiệt độ điểm nóng nhất của dầu (lớp trên cùng) bằng khoảng 55 0C. Độ tăng nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu bằng khoảng 230C và so với không khí xung quanh bằng : 55 0C + 23 0C = 78 0C. Do đó nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây trong điều kiện vận hành công suất định mức sẽ là 780C + 200C = 980C. Với nhiệt độ này máy biến áp có thể làm việc suốt thời gian phục vụ của nó. Đối với máy biến áp ngoài công suất định mức còn có khái niệm khả năng tải. Chế độ làm việc của máy biến áp không gây ra sự già cỗi cách điện nhanh chóng và giảm bớt thời gian phục vụ của nó gọi là chế độ làm việc lâu dài cho phép, chế độ làm việc gây ra hao mòn cách điện nhanh chóng và rút ngắn thời hạn phục vụ của máy biến áp gọi là quá tải. Khi quá tải nhiệt độ điểm nóng nhất không vượt quá trị số nguy hiểm gọi là quá tải cho phép. Để xem xét khả năng phụ tải của máy biến áp trong điều kiện nhất định cần phải xác định nhiệt độ có thể đạt tới của dầu và của cuộn dây. Thời hạn phục vụ của máy biến áp là thời gian kể từ lúc nó bắt đầu làm việc cho đến khi cách điện bị huỷ hoại hoàn toàn. Đối với máy biến áp do Liên Xô (cũ) chế tạo thời hạn phục vụ của nó khoảng 20  25 năm, ứng với nhiệt độ môi trường là 200C và nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây trong điều kiện vận hành công suất định mức là 980C. Thực tế nhiệt độ môi trường không phải lúc nào cũng là 200C, ngoài ra phụ tải máy biến áp luôn thay đổi hàng ngày, hàng năm, trong đó số ngày phụ tải nhỏ hơn định mức lớn hơn 20  25 năm. Vì vậy trong vận hành có thể cho máy biến áp làm việc với phụ tải lớn hơn định mức một lượng nào đó, nghĩa là máy biến áp được phép quá tải mà thời gian phục vụ của nó không giảm đi. Khi quá tải bình thường, nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây có thể lớn hơn (trong những giờ phụ tải cực đại) nhưng không vượt quá 1400C và nhiệt độ lớp dầu phía trên không vượt quá 950C. Trong điều kiện sự cố cho phép máy biến áp (với bất kỳ hệ thống làm mát nào, không phụ thuộc môi trường làm mát) làm việc trong thời gian 5 ngày đêm với hệ số quá tải là 1,4 công suất định mức. Dưới đây là sơ đồ bảo vệ quá nhiệt cho máy biến áp. Bộ cảm biến nhiệt độ 1 có thể chế tạo từ chất bán dẫn platin đặt ở phía trên thùng dầu máy biến áp. Khi nhiệt độ máy biến áp tăng lên từ 700C đến 750C. Bộ khuếch đại 4 đóng quạt gió, nếu nhiệt độ tiếp tục tăng bộ khuếch đại 6 đóng bơm dầu tuần hoàn. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng bộ khuếch đại 3 cho tín hiệu và đo lường nhiệt độ cho nhân viên vận hành biết tìm biện pháp xử lý như giảm bớt phụ tải. Sau khi giảm bớt phụ tải mà nhiệt độ máy biến áp tiếp tục tăng đến 117 0C tương ứng với nhiệt độ cao nhất ở cuộn dây 1170C + 23 0C = 140 0C, bộ tích phân thời gian sẽ làm việc, theo quy định với nhiệt độ này máy biến áp làm việc trong 6 giờ sẽ cho tín hiệu tới bộ khuếch đại 2 cắt máy biến áp. 125 2 Cắt máy biến áp 3 Tín hiệu 4 Quạt gió 5 Cảm biến nhiệt độ (1) 6 Bơm dầu 7 T1 – T T2 – T T3 – T4 T4 – T Bộ phân tích thời gian quá nhiệt (8) Thiết bị cài đặt nhiệt độ Hình vẽ 6-7: Sơ đồ bảo vệ quá nhiệt máy biến áp 6.8 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP Cũng như đối với máy phát điện đã xét trước đây, phương thức bảo vệ máy biến áp phụ thuộc vào công suất, chủng loại, số cuộn dây, vị trí và sơ đồ đấu dây của máy biến áp. Hiện nay cũng không có những tiêu chuẩn thống nhất để lực chọn phương thức bảo vệ cho máy biến áp. Sau đây chỉ nêu một số ví dụ thường gặp trong thực tế. Trên Hình vẽ 6-8 trình bày sơ đồ phương thức bảo vệ đối với các máy biến áp hai cuộn dây công suất bé (đến vài chục MVA), để chống ngắn mạch giữa các pha và sự cố bên trong thùng dầu người ta thường dùng bảo vệ so lệch có hãm (1) và rơ le khí (2) làm bảo vệ chính. Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (3) được sử dụng làm bảo vệ dự phòng. Để chống quá tải và nhiệt độ dầu tăng cao người ta sử dụng bảo vệ quá dòng (4) và bảo vệ phản ứng theo nhiệt độ (5). 1 A (a) 3 I>,t 4 I MC2 θo ΔI 1 5 Cắt MC1, MC2 B RK 2 MC1 ΔI 2 RK 1 2 (b) 3 1>,t 4 1 5 θo Báo hiệu Hình vẽ 6-8: Phương thức bảo vệ máy biến áp hai cuộn dây công suất bé 126 3 2 ΔI0 A 8 I 5 Z< 4 RK2 RK1 B 11 o 1 ΔI Z< 6 I> 7 C I 9 I 10 Hình vẽ 6-9: Phương thức bảo vệ máy biến áp ba cuộn dây công suất lớn Đối với máy biến áp ba cuộn dây công suất lớn (Hình vẽ 6-9), người ta dùng bảo vệ so lệch có hãm (1), bảo vệ so lệch dòng thứ tự không (2), rơle khí (3) và (4) làm bảo vệ chính, bảo vệ khoảng cách (5), (6) và bảo vệ quá dòng có thời gian (7) làm bảo vệ dự phòng. Để chống quá tải dùng bảo vệ quá dòng (8), (9), (10), đặt riêng cho các phía bảo vệ phản ứng theo nhiệt độ của dầu (11). 2 RK1 RK2 1 ΔI0 A 5 1 4 Z< 3 B 4 ΔI 5 Hình vẽ 6-10: Phương thức bảo vệ máy biến áp tự ngẫu công suất lớn Trên Hình vẽ 6-10 trình bày phương thức bảo vệ cho các máy biến áp tự ngẫu có công suất lớn. Các lại bảo vệ và chức năng của từng loại cũng tương tự như trên hình 5-9 đối với máy biến áp 3 cuộn dây. Riêng bảo vệ so lệch thường người ta sử dụng loại rơle so lệch tổng trở cao. 6.9 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu. 2 Bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu. 3 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian cho máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu. 4 Bảo vệ chống chạm đất cho máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu. 5 Bảo vệ bằng rơ le hơi cho máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu. 6 Bảo vệ quá nhiệt độ cho máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu. 127 CHƯƠNG 7: BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG THANH GÓP 7.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG Trên thanh góp của các nhà máy điện và trạm biến áp có thể xảy ra ngắn mạch giữa các pha và ngắn mạch một pha chạm đất. Trong các hệ thống hiện đại khả năng phát sinh hư hỏng trên thanh góp ít hơn rất nhiều so với trên đường dây. Tuy nhiên nếu như việc loại trừ các sự cố trên thanh góp thực hiện không tốt thì hậu quả đối với toàn bộ hệ thống điện sẽ rất tai hại. Bởi vậy cần phải thực hiện các bảo vệ rơ le bảo đảm cắt nhanh và có chọn lọc ngắn mạch giữa các pha và ngắn mạch một pha trên thanh góp. Trong các mạng U  35kV sơ đồ bảo vệ chỉ thực hiện cho hai pha. Khi chạm đất một pha trong các mạng này, thiết bị kiểm tra cách điện chỉ tác động báo tín hiệu. Để bảo vệ thanh góp có thể dùng các bảo vệ của các phần tử nối vào thanh góp như bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ khoảng cách của các đường dây hoặc bảo vệ riêng biệt. 7.1.1 Những trường hợp không cần đặt bảo vệ riêng Để bảo vệ đường dây AB ở đầu A thường đặt bảo vệ dòng điện có nhiều cấp thời gian (Hình vẽ 7-1-a). Khi ngắn mạch trên thanh góp B, bảo vệ dòng điện cực đại sẽ tác động cắt nguồn với thời gian tII. Thời gian này vẫn cho phép vì khi ngắn mạch ở cuối đường dây với khả năng phát sinh nhiều hơn so với khả năng ngắn mạch trên thanh góp, bảo vệ vẫn làm việc với thời gian như vậy. Đối với thanh góp không phân đoạn của nhà máy điện công suất bé cung cấp điện chủ yếu cho phụ tải cấp điện áp máy phát điện (Hình vẽ 7-1-b) hoặc thanh góp phía thứ cấp không phân đoạn của trạm biến áp (Hình vẽ 7-1-c) cũng không cần đặt bảo vệ thanh góp riêng mà dùng bảo vệ chống ngắn mạch ngoài của máy phát điện hoặc của máy biến áp để bảo vệ cho thanh góp. TG A TG B ~ (a) TG A ~ TG B ~ ~ (b) (c) Hình vẽ 7-1: Thí dụ các sơ đồ nối điện không cần đặt bảo vệ thanh góp riêng 115 7.1.2 Những trường hợp cần đặt bảo vệ riêng cho thanh góp Đặt bảo vệ riêng cho thanh góp nhằm các mục đích sau đây: ฀ Đảm bảo yêu cầu tác động nhanh để giữ vững tính ổn định của hệ thống. ฀ Đảm bảo cắt có chọn lọc ngắn mạch trên thanh góp có phân đoạn (Hình vẽ 7-2-a) khi cả hai phân đoạn cùng làm việc và máy cắt phân đoạn đóng, trên hệ thống hai thanh góp làm việc song song với máy cắt nối đóng (Hình vẽ 7-2-b) Để bảo vệ thanh góp có thể dùng các bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ dòng điện có hướng, bảo vệ khoảng cách và thông dụng nhất là bảo vệ so lệch vì bảo vệ này bảo đảm cắt nhanh và có chọn lọc các sự cố trong sơ đồ nối điện bất kỳ. ~ (a) (b) ~ Hình vẽ 7-2: Thí dụ các sơ đồ nối điện cần bảo vệ riêng cho thanh góp 7.2 CÁC LOẠI SƠ ĐỒ THANH GÓP Trong các nhà máy điện, trạm biến áp và trạm phân phối tuỳ thuộc vào vai trò, vị trí của nó trong hệ thống điện có thể sử dụng các loại sơ đồ thanh góp như sau: 7.2.1 Sơ đồ một hệ thống thanh góp Các loại sơ đồ thanh góp a. Sơ đồ một hệ thống thanh góp. b. Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng một dao cách ly c. Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng hai dao cách ly d. Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt điện. e. Sơ đồ một hệ thống thanh góp có thanh góp vòng 116 D D D D D CLPđ Pđ1 D D Pđ2 Pđ1 Pđ2 CLPđ1 CLPđ2 N (a) N N N (b) D N D D D D N (c) D CLV MCV MCPđ Pđ1 Pđ2 CLV2 CLV1 Pđ1 Pđ2 MCPđ N (d) (e) N TGV N N Hình vẽ 7-3: Các loại sơ đồ một hệ thống thanh góp 7.2.2 Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có một máy cắt trên mạch Các sơ đồ hệ thống hai thanh góp được cho ở hình dưới đây: D1 D2 D3 (a) MCn TG1 TG2 N1 N2 117 D1 D2 D3 D4 (b) MCn2 MCn TG1 MCPđ TG2 Pđ1 Pđ2 N1 N2 a) Sơ đồ hai hệ thống thanh góp b) Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có phân đoạn thanh góp làm việc. D D D D TG V MC MCn TG2 (c) TG1 N N c)Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có thanh góp vòng. D1 D2 D3 TG CL MC TG (d) TG N1 118 N2 d) Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có thanh góp vòng để tiết kiệm MCV chỉ dùng MCN vừa làm nhiệm vụ liên lạc giữa TG1 với TG2 vừa làm nhiệm vụ MCV khi đó phải sử dụng thêm DCLV Hình vẽ 7-4: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có một máy cắt trên một mạch 7.2.3 Sơ đồ thanh góp mỗi mạch điện được nối với hệ thống thanh góp qua hai máy cắt điện 1 Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có hai máy cắt trên mạch TG2 TG1 Hình vẽ 7-5: Sơ đồ hai thanh góp mỗi mạch được nối với hai hệ thống thanh góp qua hai máy cắt điện 2 Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có ba máy cắt trên hai mạch. TG2 TG1 Hình vẽ 7-6: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có ba máy cắt trên hai mạch 119 3 Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có bốn máy cắt trên ba mạch TG2 TG1 Hình vẽ 7-7: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có bốn máy cắt trên ba mạch 4 Sơ đồ đa giác N2 D2 D1 N1 Hình vẽ 7-8: Sơ đồ bố trí hệ thống thanh góp theo hình đa giác 7.3 BẢO VỆ SO LỆCH TOÀN PHẦN THANH GÓP 7.3.1 Những đặc điểm khi thực hiện bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp Khi thực hiện bảo vệ so lệch cho các thanh góp đơn (hình 6-9) hoặc thanh góp có phân đoạn với các phần tử phân bố lên cả hai phân đoạn (hình 6-10) cần phải chú ý các đặc điểm sau đây: 1 Cần đặt biến dòng điện trên tất cả các phần tử nối vào thanh góp. 120 2 Các biến dòng điện về nguyên tắc nên chọn có cùng dòng điện định mức chọn theo dòng điện làm việc cực đại Ilv max của phần tử mang công suất lớn nhất. Khi dùng các biến dòng điện có hệ số biến khác nhau thì phải cân bằng các sức điện động do chúng tạo ra bằng các biến dòng bão hoà trung gian. 3 Bảo vệ tác động cắt các phần tử nối với nguồn, các phần tử không nối với nguồn có thể không cắt để giảm nhẹ việc đóng trở lại nguồn điện. 4 Trong sơ đồ bảo vệ thường dùng rơ le có biến dòng bão hoà trung gian để làm giảm ảnh hưởng các giá trị quá độ của dòng điện không cân bằng RI Qua RG đi cắt tất cả các phần tử nối với nguồn Hình vẽ 7-9: Bảo vệ so lệch toàn phần của thanh góp đơn 5 Nối đất chỉ thực hiện ở một điểm chung (trên bảng bảo vệ). Để giảm số lượng cáp trong mạch thứ cấp và giảm phụ tải của các biến dòng điện, các mạch thứ cấp của các biến dòng điện thường nối với nhau ở trạm phân phối. Đi cắt PĐI PĐ I 1 RI + 3 RI PĐ II Đi cắt MCPĐ Đi cắt PĐII 2 RI Hình vẽ 7-10: Bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp có phân đoạn với các phần tử phân bố lên cả hai phân đoạn Trong sơ đồ bảo vệ thanh góp có phân đoạn (hoặc hệ thống hai thanh góp) và các phần tử phân bố cố định lên các phân đoạn (hoặc các thanh góp) dùng 3 bộ rơ le dòng điện: 3RI làm nhiệm vụ phân biệt ngắn mạch ngoài và làm nhiệm vụ khởi động 2 bộ 1RI và 2RI; 1RI và 2RI làm nhiệm vụ chọn lọc phân đoạn (hoặc thanh góp) bị hư hỏng. 121 7.3.2 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm dùng cho hệ thống thanh góp đơn như Hình vẽ 7-11. MC1 MC 2 BI1 IT1 BI2 IS1 N IS2 MCn IT2 ITn BIn ISn  I BIG BIG   IH  BIG + ILV R CL CL CL RL   I LV  Đi cắt MC1, MC2 Mạch làm việc Mạch hãm Hình vẽ 7-11: Sơ đồ nguyên lý so lệch dòng điện có hãm để bảo vệ thanh góp đơn Dòng điện làm việc ILV bằng tổng véc tơ của dòng điện thứ cấp của tất cả các phần tử nối vào thanh góp I lv   I n i 1 Ti  I T1  I T 2  ...  I Tn (7-1) Dòng điện hãm IH tỉ lệ với tổng đại số của dòng điện thứ cấp tất cả các phần tử nối vào thanh góp.  I h  k h  I Ti  k h I T1  I T 2  ...  ITn n i 1 trong đó hệ số hãm k h   (7-2) Ilv Ih Hệ số hãm có thể điều chỉnh được (bằng cách thay đổi trị số của điện trở R trên Hình vẽ 7-11). Để đảm bảo hiệu ứng hãm tin cậy khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N), ngay cả khi mức độ bão hoà của các máy biến dòng không giống nhau phải điều chỉnh IH > ILV. Thông thường chọn kH từ 0,5 đến 0,9 như Hình vẽ 7-12. 122 Ilv Ilv=Ih kh=0,8 kh=0,6 kh=0,5 IH Hình vẽ 7-12:Đặc tính bảo vệ thanh góp dùng dòng điện hãm Trường hợp sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn (Hình vẽ 7-13) mỗi phân đoạn được bảo vệ riêng và máy cắt phân đoạn MCPĐ coi như thuộc cả hai phân đoạn. PĐ1 BIPĐ1 1MC 2MC BI1 Cắt MCPĐ 1MC, 2MC MCPĐ PĐ2 BIPĐ2 3MC BI2 4MC BI3 BI4 ΔIPĐ2 ΔIPĐ1 Cắt MCPĐ 3MC, 4MC Hình vẽ 7-13: Sơ đồ bảo vệ một hệ thống thanh góp có phân đoạn Đối với các sơ đồ thanh góp phức tạp như sơ đồ hai hệ thống thanh góp, hệ thống thanh góp có thanh góp vòng, sơ đồ 1,5 máy cắt, sơ đồ đa giác . . . sơ đồ bảo vệ thanh góp cần được bố trí sao cho có thể tự động thích ứng được với sự thay đổi cấu hình của các phần tử phía sơ cấp và tín hiệu cắt chỉ gửi đi cắt các phần tử liên hệ trực tiếp với thanh góp hư hỏng, máy cắt của các phần tử khác vẫn làm việc bình thường. Để đảm bảo yêu cầu này, thường sử dụng phương pháp tổ hợp lô gíc các tiếp điểm phụ phản ánh vị trí của các phần tử (qua dao cách ly) trong hệ thống thanh góp. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ hệ thống hai thanh góp liên hệ với nhau qua rơ le phản ánh vị trí của dao cách ly nối thanh góp như hình 6-14. Thực tế việc chuyển đổi trong mạch thứ cấp của máy biến dòng không được để hở mạch dòng điện. Trong các bảo vệ hiện đại, vị trí của các phần tử được phản ánh qua hệ thống tín hiệu điện tử và vị trí của từng phần tử được ghi nhớ ngay cả trong trường hợp mất nguồn điện thao 123 tác. Ngoài ra bảo vệ còn cảnh báo khi có hư hỏng trong mạch thứ cấp (đứt dây, chập mạch) hoặc cuộn dây của biến dòng sai cực tính khi chuyển đổi. TGI + TGII + CLI CLI I - GI HI GII - CLII - CLI 2MC CLI CLII - LVI Cắt TGI ÄI TGI ILVI CLI CLII CLII LVI HI IHI GII CLI IHII GI 1MC  CLII CLII ÄI TGI ILVI HII BII HII BIII  Cắt TGII I LVII LVII Hình vẽ 7-14: Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm hệ thống hai thanh góp 7.3.3 Bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơ le tổng trở cao Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơ le tổng trở cao như Hình vẽ 7-15. N1 TG MC1 BI1 BI2 N2 Rơ le tổng trở cao MC2 R RL Cắt Hình vẽ 7-15: Bảo vệ thanh góp bằng rơ le tổng trở cao 124 Để đơn giản xét trường hợp thanh góp chỉ có hai phần tử, các máy biến dòng có thông số hoàn toàn như nhau. Dùng sơ đồ thay thế hình à ta có mạch đẳng trị của hình như hình 616. Nếu các máy biến dòng có thông số hoàn toàn giống nhau thì: - R1 = R2 (R là điện trở cuộn dây máy biến dòng và dây nối trong sơ đồ bảo vệ). - X1 = X2 (X1, X2 là điện kháng mạch từ hoá) Ở chế độ ngắn mạch ngoài, nếu các máy biến dòng không bị bão hoà thì X có giá trị khá lớn (hình 6-16), dòng điện trong mạch từ hoá có thể bỏ qua. Vì các dòng điện sơ cấp ra và vào nút cân bằng nhau nên phía thứ cấp dòng điện “Tuần hoàn hay so lệch” không chạy qua rơ le, rơ le không tác động. MC2 MC1 IT1 U1 BI1 R2 IT2 UR R X1 IS1 N2 R1 X2 U2 (a) BI2 BI1 IT1 R1 U1≈0 UR N2 R IT2 X2 U2 UR≈0 IS2 D2 R2 X1≈0 IS1 UR≈0 D1 MC2 MC1 D1 (b) BI2 IS2 D2 Hình vẽ 7-16: Sơ đồ mạng điện đẳng trị dùng rơ le so lệch ttổng trở cao khi ngắn mạch ngoài a) Chế độ bình thường và khi ngắn mạch ngoài các BI không bị bão hoà b) Khi ngắn mạchngoài và máy biến dòng ở phần tử sự cố bị bão hoà hoàn toàn Trường hợp xấu nhất là máy biến dòng đặt trên phần tử có sự cố bị bão hoà hoàn toàn, có thể xem như X1 = 0 (hình 6-16,b). Mạch thứ cấp của BI1 coi như bị nối tắt và phụ tải phía thứ cấp của BI2 bằng hai điện trở ghép song song nhau, điện trở cao của mạch rơ le R và điện trở R1 của cuộn dây máy biến dòng bị bão hoà cộng với dây nối từ máy biến dòng này đến rơ le. Điện trở của mạch rơ le R được chọn sao cho điện áp giáng trên R1 (cũng là điện áp đặt trên rơ le UR) không vượt quá điện áp khởi động của rơ le. Điện áp đặt trên rơ le bằng: UR = ITN.max. R1 Trong đó ITN.max – Dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất phía thứ cấp của máy biến dòng Để cho bảo vệ không tác động nhầm do máy biến dòng bị bão hoà, thường chọn: UKđ  2,5ITN.max.(RBI + 2Rdd) Trong đó RBI điện trở cuộn dây máy biến dòng. 125 Rdd điện trở dây dẫn nối từ máy biến dòng xa nhất đến rơ le. Muốn tăng độ nhạy của bảo vệ cần chọn máy biến dòng có điện trở cuộn dây RBI bé và phải giảm đến mức thấp nhất điện trở của dây nối. Khi có ngắn mạch trên thanh góp, tất cả các dòng điện phía sơ cấp đều chạy vào thanh góp, ở phía thứ cấp tất cả dòng điện đều chạy qua rơ le. Để bảo vệ chống quá điện áp cho rơ le có thể mắc song song với rơ le một điện trở phi tuyến. 7.3.4 Bảo vệ thanh góp dùng nguyên lý so sánh pha dòng điện Sơ đồ nguyên lý so sánh pha dòng điện như hình 6-17 N1   I TG  S1  I I T2  D1 I I S3 D2 T3 R1  I ~  S2 N2  I ~ I T1 ~ & R2 tC Cắt  I R3 D3 Hình 6-17 Sơ đồ nguyên lý so sánh pha dòng điện để bảo vệ thanh góp - Khi có ngắn mạch trên thanh góp tai điểm N1 dòng điện sơ cấp và thứ cấp của BI ở tất cả các phần tử có pha giống nhau (hình 6-18,a), thời gian trùng hợp tín hiệu tC cho nửa chu kỳ (dương hoặc âm) lớn (đối với dòng điện có fđm = 50Hz thời gian tCmax = 10ms) đủ cho bảo vệ tác động (tC  tđ). - Khi ngắn mạch ở ngoài vùng bảo vệ (điểm N2), dòng điện chạy qua máy biến dòng của phần tử bị sự cố có pha ngược với pha dòng điện trong các máy biến dòng khác, thời gian trùng hợp tín hiệu cùng cực tính bằng 0, bảo vệ không làm việc. (hình 6-18,b). iT1 iT1 iT2 iT2 iT3 iT3 t (a) t (b) iR1 iR1 iR2 iR2 iR3 iR3 Tín hiệu cắt Hình 6-18 Pha dòng điện khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (a); và khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (b) của thanh góp tC t Tín hiệu cắt 126 t tC=0 7.4 BẢO VỆ SO LỆCH KHÔNG TOÀN PHẦN THANH GÓP Sơ đồ bảo vệ so lệch không hoàn toàn thường dùng để bảo vệ các thanh góp điện áp máy phát điện có nhiều phần tử nối vào thanh góp (hình 6-19). Các biến dòng điện chỉ đặt trên các phần tử nối thanh góp với nguồn (các mạch máy phát điện, máy biến áp, máy cắt phân đoạn, máy cắt nối). Bảo vệ so lệch không hoàn toàn thực chất là một bảo vệ dòng điện cực đại có nhiều cấp thời gian (thường là hai cấp). 6.4.1 Cấp thứ nhất của bảo vệ Đi cắt 2MC + 13CN N 4BI 7 RI 1MC Th 11 PĐII  10 RG Th 12 IN+KPt(IPt+IPit ) BTD 6BI 9 RT Đi cắt 2MC 1MC PĐI 2MC 3MC 5BI 8 RI KP(IPt+IPit) Hình 6-19 Sơ đồ nguyên lý một pha của bảo vệ so lệch khônghoàn toàn của thanh góp điện áp máy phát điện Bảo vệ dòng điện cắt nhanh gồm các rơ le 7RI, 11TH, 10RG là cấp chủ đạo để bảo vệ chống ngắn mạch trên thanh góp và trên các đoạn nối các phần tử với thanh góp. Cấp này tác động sẽ cắt, máy cắt 1MC nối với hệ thống và máy cắt phân đoạn 2MC. Máy cắt 3MC đầu cực máy phát điện có thể cắt hay không tuỳ thuộc vào vị trí của con nối 13CN. Nếu con nối 13NC mở, sau khi máy cắt 1MC và 2MC đã cắt, nếu ngắn mạch được tự giải trừ thì máy cắt 3MC vẫn giữ được sự cung cấp điện cho các phụ tải điện áp máy phát điện. Nếu ngắn mạch tồn tại lâu dài cấp thứ hai của bảo vệ sẽ cắt máy cắt 3MC. Dòng điện khởi động của bảo vệ cấp thứ nhất: IIKđ = kat [I(3)N ng.max + kPt ( IPt + IPtt )] , trong đó: I(3)N ng.max - dòng điện ngắn mạch 3 pha lớn nhất khi ngắn mạch sau kháng điện đường dây hoặc sau máy biến áp tự dùng ( các phần tử trên đó không đặt biến dòng điện cung cấp cho bảo vệ ). IPt - dòng điện phụ tải của các đường dây ra nối với phân đoạn được bảo vệ mà không bị bảo vệ bọc lấy, khi tất cả các phân đoạn của thanh góp điện áp máy phát điện đều làm việc. IPtt - tổng dòng điện phụ tải thêm vào khi một trong các phân đoạn thanh góp điện áp máy phát điện nghỉ hoặc bị cắt ra; kat - hệ số an toàn lấy bằng 1,2; 127 kPt - hệ số phụ tải tính đến khả năng tăng dòng điện phụ tải khi ngắn mạch sau kháng điện đường dây làm cho điện áp trên thanh góp giảm xuống. Thường lấy kPt = 1,2  1,3. 6.4.2 Cấp thứ hai của bảo vệ Đây là bảo vệ dòng điện cực đại gồm các rơ le 8RI, 9RI, 12TH, 10RG làm nhiệm vụ dự trữ chống ngắn mạch trên các phần tử nối với thanh góp mà không bị bảo vệ bọc lấy khi bảo vệ chính của các phần tử này không tác động. Dòng điện khởi động của cấp này chọn theo dòng điện phụ tải cực đại của các phần tử nối vào thanh góp mà không bị bảo vệ bọc lấy. Để xác định dòng điện phụ tải này cần chú ý đến các trường hợp sau: a- Khi một trong các phân đoạn thanh góp nghỉ, bảo vệ phải trở về sau khi cắt ngắn mạch sau kháng điện của một trong các đường dây ra đã được loại trừ: IIIKđ = kat .k Pt ( IPt + IPtt ), kv trong đó kv - hệ số trở về lấy bằng 0,85. b- Bảo vệ không được tác động khi thiết bị tự động đóng nguồn dự trữ chuyển các phụ tải từ phân đoạn bị cắt sang phân đoạn được bảo vệ: IIIKđ = kat ( IPt + kmm IPtt ), trong đó kmm - hệ số tự mở máy lấy bằng 2,5  3. Để bảo vệ làm việc một cách chắc chắn khi có ngắn mạch cần kiểm tra độ nhạy của các cấp: - Độ nhạy của cấp thứ nhất ( cấp cắt nhanh ) được xác định theo dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất khi ngắn mạch ba pha trực tiếp trên thanh góp. Yêu cầu kIn  1,5 . - Độ nhạy của cấp thứ hai được xác định theo dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất khi ngắn mạch sau kháng điện đường dây hoặc cuối đường dây nối trực tiếp vào thanh góp được bảo vệ kIIn  1,2. 7.4.1.1 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG VI 1- Nêu các dạng hư hỏng trên thanh góp, các loại bảo vệ đặt cho thanh góp? Nêu những thanh góp cần phải đặt bảo vệ riêng cho thanh góp? 2- Nêu những đặc điểm khi thực hiện bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp? 3- Trình bày nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch dòng điện có hãm để bảo vệ cho thanh góp 4- Trình bày nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơ le tổng trở cao. 5- Hãy nêu nguyên lý làm việc của bảo vệ so sánh pha dòng điện để bảo vệ cho thanh góp? 6- Trình bày bảo vệ so lệch không hoàn toàn trên thanh góp? 128 129