BẢO vệ RƠLE RELAYING PROTECTION

 Tại sao các phần tử và thiết bị điện trong HTĐ cần phải bảo vệ?Các biến động nhỏ:  Nguyên nhân: các chế độ làm việc khác nhau của nguồn và/hoặc tải gây ra các biến động nhỏ làm lệch t

BẢO VỆ RƠLE

RELAYING PROTECTION

Biên soạn: TS Nguyễn Đức Tường

ThS Nguyễn Duy Trường

GIỚI THIỆU HỌC PHẦN BVRL

1 Tổng quan về Bảo vệ rơle.

2 Các nguyên tắc thực hiện bảo vệ.

3 Bảo vệ đường dây tải điện.

4 Bảo vệ máy biến áp.

5 Bảo vệ máy phát điện.

6 Bảo vệ hệ thống thanh góp.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ RƠLE

M ỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM

 Tại sao các phần tử và thiết bị điện trong HTĐ cần phải bảo vệ?

Các biến động nhỏ:

 Nguyên nhân: các chế độ làm việc khác nhau của nguồn và/hoặc tải

gây ra các biến động nhỏ làm lệch thông số hệ thống như U, f… trong

một giới hạn nhất định.

 Giải pháp: sử dụng các thiết bị điều khiển để đưa tham số trở về giá trị

tối ưu => Hiệu quả kinh tế cao nhất.

 Thực hiện:

 Thao tác tự động hoặc bằng tay như:

 Tăng/giảm tần số bằng cách tăng/giảm hơi, nước, gas ở các nhà máy điện,

 Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi điện dung tại nút (bù),

 Tự động thay đổi đầu phân áp ở các máy biến áp

MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM

 Tại sao các phần tử và thiết bị điện trong HTĐ cần phải bảo vệ?

Các biến động lớn: Các nguyên nhân chủ quan, khách quan gây lên các biến động lớn:

 Gây nguy hiểm cho các thiết bị điện, phần tử và toàn HT

 Các thiết bị điều khiển không thể phục hồi thông số của 1 bộ phận hay toàn HT

 Giải pháp: Trang bị Bảo vệ rơ le để cô lập sự cố và duy trì điều kiện bình thường của hệ thống.

 Thực hiện: thiết kế sơ đồ bảo vệ phù hợp với từng đối tượng cụ thể

như ĐZK, MBA, TG, MF, …

MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM

 Tại sao các phần tử và thiết bị điện trong HTĐ cần phải bảo vệ?

MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM

S Ự CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

 Loại và nguyên nhân sự cố trong htđ

Loại sự cố Nguyên nhân gây ra sự cố

- Nhiệt độ môi trường

Sự cố gây tác động cơ khí - Lực điện động

- Tác động từ bên ngoài

TG 12%

ĐZK 85%

TỈ LỆ SỰ CỐ TRÊN CÁC PHẦN TỬ

1 pha- đất 80%

2 pha- đất 10%

2 pha 5%

3 pha 5%

TỈ LỆ LOẠI SỰ CỐ

 Bảo vệ rơ le cần phải làm nhiệm vụ gì ?

 Thường xuyên giám sát các thông số của các thiết bị điện và HT.

 So sánh các đại lượng vật lý để phân biệt các sự cố nguy hiểm với chế độ làm việc bình thường.

 Đưa ra quyết định cô lập (cắt) phần tử bị sự cố.

 Cấp báo tín hiệu tới người trực, trung tâm điều độ và/hoặc các thiết bị điều khiển khác.

 Rơ le phải có các chức năng bảo vệ, điều khiển các tiếp điểm vào và

ra … đáp ứng tối đa sự linh hoạt.

 Các thành phần phải được bố trí để phát hiện các dấu hiệu bất thường của HTĐ, đưa ra quyết định nếu nhận thấy sự thay đổi trên/dưới giới hạn chấp nhận.

 Các thành phần của bảo vệ thường xuyên đo lường các thông số của

hệ thống như dòng điện, điện áp và so sánh nó với ngưỡng định trước.

 Nếu nhận thấy các thông số vượt ngưỡng thì rơle phải đưa lệnh điều khiển tới các bộ phận khác như cấp báo tín hiệu, lệnh cắt tới máy cắt…

 Phân biệt sự cố duy trì hay tạm thời bằng cơ cấu thời gian Nếu kiểm tra thấy thỏa mãn các điều đặt trước rơle sẽ làm việc.

 Bảo vệ rơ le hoạt động như thế nào ?

NGUYÊN T ẮC THIẾT KẾ BẢO VỆ RƠLE

NGUYÊN T ẮC THIẾT KẾ BẢO VỆ RƠLE

 BVRL làm việc không tin cậy có thể do:

o Thiết kế không đúng hoặc không hợp lý

o Thông số của bảo vệ/đối tượng bảo vệ bị suy giảm trong vận hành.

NGUYÊN T ẮC THIẾT KẾ BẢO VỆ RƠLE

NGUYÊN T ẮC THIẾT KẾ BẢO VỆ RƠLE

4 Độ nhậy cao.

Nhận biết/phản ứng khi có sự thay đổi nhỏ các tham số hệ thống

 Sử dụng rơle, CT và/hoặc VT phù hợp với từng loại bảo vệ và đối tượng bảo vệ.

5 Độc lập và an toàn.

 Cuộn dây rơle độc lập với mạch động lực và điểm sự cố.

 Nguồn thao tác độc lập với lưới.

6 Đơn giản và kinh tế.

 Sơ đồ kết nối rõ ràng.

 Sử dụng ít rơ le nhất mà vẫn phải bảo đảm các yêu cầu trên.

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA BẢO VỆ RƠLE

CÁC TH Ế HỆ RƠLE

 Điện cơ – cảm ứng/điện từ (1905)

 Đơn giản,

 Rẻ tiền,

 Làm việc dựa trên nguyên tắc điện-từ

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA BẢO VỆ RƠLE

CÁC TH Ế HỆ RƠLE

 Không có phần chuyển động cơ khí,

 Tác động nhanh hơn rơ le điện cơ,

 Rơ le số (Digital/Numeric Relay-1981)

MÃ SỐ RƠLE THEO TIÊU CHUẨN ANSI/IEC-IEEE

27 Chức năng điện áp cực tiểu (Bảo vệ thiểu áp)

32 Chức năng định hướng công suất

50 Bảo vệ quá dòng điện tức thời (cắt nhanh)

51 Bảo vệ quá dòng điện thời gian ngược (cực đại)

Mã số

Mô tả chức năng

ANSI/IEEE 37-2 IEC 60617

51V Bảo vệ quá dòng điện điều khiển/hãm theo điện áp

59 Bảo vệ quá áp

M ỘT SỐ KÝ HIỆU

ANSI IEC

Phần tử

Tiếp điểm thường mở

Tiếp điểm thường đóng

Máy cắt

Ngắn mạch

Máy biến dòng

Máy biến áp

MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN

Current Transformer

(CT, TI, BI)

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

500

kV

Tiêu chuẩn yêu cầu:

IEEE:

• Tiêu chuẩn cho CT: C57.13

• Ứng dụng CT cho bảo vệ rơle: C37.110

220 kV 110 kV 35 kV

IEC:

• 61689-1

• 61689-2

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

Các kiểu thiết kế của CT của ABB

Cuộn dây sơ cấp

Cuộn dây thứ cấp Vỏ

Sơ đồ mạch điện 1 pha

Cuộn dây sơ cấp

Cuộn dây thứ cấp

Bảo vệ pha-pha

BV chạm đất

Sơ đồ đấu dây 3 pha Y

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

Ở điểm “Knee point”:

U K =4,44.B.S.f.N

=4,44 .f.N

B (T-Tesla, B= /S =Wb/m 2 ) S=axb (m 2 )

f=50 (Hz)

N ( vòng)

R

Bảo vệ pha-pha

I p , I S là dòng điện phía sơ và thứ cấp CT,

I µ là dòng điện từ hóa lõi thép,

Z P , Z S , Z là tổng trở của cuộn sơ cấp, thứ cấp và mạch từ,

Z B là tổng trở tải của CT (Burden).

U S là điện áp thứ cấp CT ứng với tổng trở thực tế.

I’ S là dòng điện phía thứ cấp của CT chưa xét đến tổn hao trong lõi thép.

Chú ý: - Thông thường bỏ qua điện kháng X P , X S và R

- Z B là tổng trở của tất cả các thiết bị và dây dẫn trong mạch thứ cấp CT.

 Sơ đồ thay thế và vertor dòng-áp

 Đường cong từ hóa theo IEEE/IEC.

“A” điểm bão hòa

0,01 0,001

Dòng điện từ hóa I (A)

 Đường cong từ hóa theo IEEE/IEC.

500 100

10

1

0,1

1 10 100 0,1

0,01 0,001

 Đường cong từ hóa theo IEEE/IEC.

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Phân loại CT theo ANSI/IEEE.

 Loại T: dòng điện rò trong lõi thép khá lớn, 1 hoặc nhiều vòng dây sơ cấp quấn

quanh lõi thép Sai số của CT được xác định bằng thực nghiệm

 Loại C: dòng điện rò trong lõi thép rất nhỏ Sai số của CT có thể tính toán.

 Loại K: giống loại C nhưng điện áp UK tối thiểu phải bằng 70% điện áp định mứcphí thứ cấp CT

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Phân loại CT theo IEC.

 Loại aPn: trong đó a là cấp chính xác; P là dùng cho bảo vệ; n là hệ số giới hạn

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Phân loại CT theo IEC.

Theo IEC 60041-1 thì giới hạn sai số được cho trong bảng

 Tỉ số biến đổi của CT (CTR – Current Transformer Ratio)

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Phân loại CT theo ANSI (cũ).

 Loại H hoặc L: có 2 cấp chính xác 2,5% và 10%, thường sử dụng trước 1954.

Ví dụ: 10L200; 2,5H400 số thứ nhất là cấp chính xác, số thứ 2 là điện áp thứ cấp

CT Loại L có hệ số giới hạn cấp chính xác là 20 Loại H có hệ số giới hạn cấp chính

xác từ 5-20 tùy thuộc nhà sản xuất.

 Tỉ số biến đổi của CT (CTR – Current Transformer Ratio)

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Tải của CT (Burden)

o IEEE cho dưới dạng tổng trở ZB (  ).

o IEC cho dưới dạng công suất SB (VA).

Tải bao gồm các rơle, dây dẫn và các phần tử khác đấu vào phía

thứ cấp của CT.

 Quy đổi tổng trở tải.

ZB = SB/IS2 hoặc UB2/SB hoặc n.UB/10

Trong đó: S B là tổng công suất tải (VA)

I S là dòng điện thứ cấp CT (tải) (A)

U B là điện áp tải hay điện áp đầu ra phía thứ cấp của CT (V).

R S là điện trở cuộn dây thứ cấp CT (Ohm).

Z B là tổng trở của các rơle đấu vào phía thứ cấp CT và R S (Ohm)

Sơ đồ đấu dây CT 3 pha hình Y Sơ đồ thay thế tương đương CT 3 pha hình Y

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Tổng trở tải phía thứ cấp CT (ZS)

Rơle pha

IA IB IC

CTs

Sơ đồ đấu dây 3 pha hình 

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Tổng trở tải phía thứ cấp CT (ZS)

IEEE Std C37.110-1996

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

Y (trung tính nối tại CT) ZS = RS + RL + ZR ZS = RS + 2RL + ZR

Y (trung tính nối tại phòng điều khiển) ZS = RS + 2RL + ZR ZS = RS + 2RL + ZR

 (trung tính nối tại CT) ZS = RS + 2RL + 3ZR ZS = RS + 2RL + 2ZR

 (trung tính nối tại phòng điều khiển) ZS = RS + 3RL + 3ZR ZS = RS + 2RL + 2ZR

Z S là tổng trở tải của CT có tính đến điện trở của cuộn dây thứ cấp của CT (Z S =R S +Z B )

R S là điện trở của cuộn dây thứ cấp CT ().

R L là điện trở dây dẫn (1 đường) nối từ rơ le tới CT ().

Z R là tổng trở của tất cả các rơ le nối vào phía thứ cấp CT () Nếu cho S thì quy đổi sang Z.

 Sai số của CT loại C (CT errors)

Phản ánh mức độ tổn hao dòng điện từ hóa lõi thép của CT Thường được tính theo % dòng điện định mức của CT:

Trong đó:  là sai số của CT,

CTR là tỉ số biến đổi của CT,

I S là dòng điện thứ cấp (tải) của CT,

I P là dòng điện định mức phía sơ cấp CT.

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 = ( Bội số dòng điện sơ cấp

B-8

22 18

14 10

6 2

0

22

2 6 10 14 18

CT loại T gây sai số tới 50% trong khoảng n = 1-22

Trong đó:

n 1 = I P /I NP là bội số dòng điện sơ cấp của CT,

n 2 = I S /I NS là bội số dòng điện thứ cấp của CT,

I P , I S là dòng điện chạy qua sơ và thứ cấp CT,

I NP , I NS là dòng điện định mức sơ và thứ cấp CT,

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

 Sai số của CT loại T (CT errors)

22 18

14

10 6

2 0

22

2 6 10 14 18

Tổng trở tải tiêu chuẩn ZB= 4,

Nếu có dòng điện 16.800 A chạy trên phía

 Sai số của CT loại T (CT errors)

 Cấp chính xác của CT (Accuracy Class)

- ANSI/IEEE định nghĩa cấp chính xác của CT loại C (hoặc T) là sai

số tổng không vượt quá 10% ứng với dòng điện thứ cấp lớn hơn 20 lần dòng điện định mức và tải định mức.

Ví dụ: Loại biến dòng điện C200 có dòng điện định mức thứ cấp là 5 A sẽ có điện

áp thứ cấp là:

US = 2 20.5A = 200 (V)

ZB = 2  được ký hiệu là B-2 (Burden 2)

MÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

Ví dụ xác định cấp chính xác của CT từ đường cong từ hóa:

CT có CTR = 1200:5, điện trở cuộn thứ cấp 0,418 ; giới hạn sai số 10% ứng với dòng điện qua CT 20 lần dòng điện định mức (5A) Khi đó, sai số dòng điện sẽ là (dòng từ hóa) 10%.5A.20 = 10A.

Dòng điện từ hóa I(A)

Từ đường cong từ hóa xác

đinh được điện áp là 340 V.

 Cấp chính xác của CT (Accuracy Class)

Ví dụ: CT có INS = 5 A; tải định mức B-4.

Dòng điện thứ cấp CT lớn hơn 20 lần dòng

điện định mức (20x5A=100A) thì sai số nằm

trong giới hạn (10%) Khi đó, điện áp phía

thứ cấp CT (US) là 400 V và cấp chính xác CT

là C400

- Cấp chính xác là C400 với CT có ngưỡng

cao nhất là 1200:5 nếu đặt ở ngưỡng 600:5 thì

cấp chính xác giảm đi ½ Nghĩa là cấp chính

0 100 300 500 700

 Điều kiện tránh bão hòa CT do AC:

UK>IS.ZS= US

 Điều kiện tránh bão hòa CT do DC:

Nếu tải CT có tính cảm thì điều kiện

tránh bão hòa cho CT là

 Bão hòa CT

)Z

RR

.R

X1(Z.IU

S

B S

S S K

X 1 ( Z I

Chú ý: Chọn CT tránh bão hòa với dòng điện ngắn mạch lớn nhất thì điện áp U k phải lớn

hơn từ 50% đến 70% điện áp định mức thứ cấp của CT ở cấp chính xác tiêu chuẩn (ví dụ C400 thì điện áp là 400V)

 Thời gian bão hòa: là thông số quan trọng trong thiết kế rơle được tính từ thời

điểm xẩy ra ngắn mạch tới khi CT bị bão hòa

Trong đó: R, X là điện trở, điện kháng của hệ thống (sơ cấp) tới điểm ngắn mạch,

T 1 = X/R (với =2f) là hằng số thời gian,

K S =U K /U S (với U S = I S (R S +R B ),

U K là điện áp bão hòa (Kneepoint).

 Bão hòa CT

)s(R

X

1K1ln.TT

S

1 S

 Máy biến dòng thứ tự không.

- Dùng cho bảo vệ thứ tự không

φ∑ = φA + φB + φC = k.( IA+ IB +IC).

= k3I0

- Trong chế độ làm việc bình thường có

dòng Ikcb nhỏ do hỗ cảm của cuộn dây

thứ cấp khác nhau.

Lõi thép

Cuộn dâythứ cấpMÁY BI ẾN DÒNG ĐIỆN (CT, TI, BI)

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

Voltage Transformer

(VT, TU, BU)

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

 Sai số của VT (VT errors)

Tính theo % điện áp định mức phía sơ cấp VT:

ε = VTR.US −UP

UP 100 ( %)

Trong đó: % là sai số của VT,

VTR là tỉ số biến đổi của VT,

U S là điện áp thứ cấp (tải) của VT,

U P là điện áp định mức phía sơ cấp VT.

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

 Sai số của VT (VT errors)

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

 Sai số của VT (VT errors)

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

Example: Protection voltage transformer , 100 VA, 3P, KT = 1.9 8h

o The rated primary voltage 20000 V/3, rated secondary 110 V/3

o Accuracy power 100 VA

o Accuracy class 3P The table of limit values shows that for:

 A primary voltage of 5 % of the rated voltage at KT times the rated voltage, i.e.

20000 x 5 % = 1000 V at 20000 x 1.9 = 38000 V

 A load of between 25 % and 100 % of the accuracy power, in other words of

between 25 VA and 100 VA with a power factor of 0.8, the metering error will be

 ±3 % in voltage and  ±120 mn in phase shift.

 Sơ đồ đấu dây VT

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

a b c 0

RL RL RL RL RL RL

Đấu điện áp dây Đấu điện áp pha

Sơ đồ đấu Y/Y

Y thiếu

a b c

 Sơ đồ đấu dây VT

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

BỘ LỌC SÓNG HÀI

Hamonic Filters

(HF)

BỘ LỌC SÓNG HÀI

Nhiệm vụ:

Tách các thành phần dòng điện có tần số bậc cao khỏi thành phần cơ bản.

Mục đích:

 Đưa vào rơ le phục vụ bảo vệ,

 Ngăn hoặc dập tắt không cho đi vào rơle,

Thành phần lọc:

o Lọc bậc 2 (100 Hz).

o Lọc bậc 5 (250 Hz).

Hài bậc 5

NGUỒN THAO TÁC

DC Source

NGUỒN THAO TÁC

Yêu cầu:

 Độc lập với chế độ làm việc của mạch lực,

 Dung lượng đủ lớn để cung cấp cho các thiết bị trong mạch rơ le và máy cắt,

 Mức điện áp hợp lý đảm bảo dao động trong giới hạn cho phép,

 An toàn, tin cậy và đơn giản.

 Điện áp 220 V và 110 V dùng cho rơ le và điều khiển,

 Điện áp 60 V, 48 V và 24 V dùng cho mạch tín hiệu và truyền thông.

NGUỒN THAO TÁC

Một số sơ đồ nguồn thao tác:

VT - máy biến điện áp,

RU - cuộn dây rơ le điện áp cực tiểu,

D - diode nạp,

R - điện trở nạp,

C - tụ điện,

ACT – máy biến dòng phụ,

AVT – máy biến áp phụ.

C

R VT

~

+

RU

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Control circuits

(+) Nguồn thao tác

(- ) Nguồn thao tác

Đèn TH Cuộn TH

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Ví dụ: Mạch điều khiển của rơle quá dòng điện 7SJ62 của SIEMENS

KÊNH TRUYỀN THÔNG

Communication Channel

KÊNH TRUYỀN THÔNG

Áp dụng cho hệ thống bảo vệ hiện đại sử dụng rơ le số.

Mục đích:

 Truyền tín hiệu bảo vệ,

 Truyền lệnh cắt, khóa từ xa,

 Gửi các thông tin đo lường U, I…

Kiểu kênh truyền

o Đường dây “pilot” lắp đặt hoặc thuê.

o Sóng mang tần số cao hơn 50Hz.

o Kênh tần số radio.

o Kênh cáp quang.

SƠ ĐỒ TRUYỀN THÔNG

Đường dây truyền tải

Bảo vệ từ xa

Lệnh cắt liên động

Khóa

HT thông tin

Đo xa Điều khiển Thoại

Dữ liệu

Bảo vệ từ xa

Lệnh cắt liên động

cắt Khóa

HT thông tin

Đo xa Điều khiển Thoại