Khái quát chung về bảo vệ rơ le trong hệ thống điện

Slide 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ RƠLE BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN I KHÁI NIỆM VỀ RƠLE BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN I 1 Nhiệm vụ của rơle bảo vệ Khi thiết kế và vận hành bất cứ hệ thống điện nào cần phải tính đến khả năng[.]

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ RƠLE BẢO VỆ

HỆ THỐNG ĐIỆN

I- KHÁI NIỆM VỀ RƠLE BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN

I.1- Nhiệm vụ của rơle bảo vệ

Khi thiết kế và vận hành bất cứ hệ thống điện nào cần phải tính đến khả năng phát sinh hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường trong hệ thống điện ấy Ngắn mạch trong hệ thống điện là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ thống điện, hậu quả của nó có thể là:

 Sụt áp ở một phần lớn trong của hệ thống điện

 Phá hủy các phần tử bị sự cố bằng các tia lửa điện

 Phá hủy các phần tử có dòng ngắn mạch chạy qua do tác động của nhiệt và cơ

 Phá hủy ổn định của hệ thống điện

Ngoài các loại hư hỏng như trên, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường Một trong các tình trạng làm việc không bình thường là quá tải Dòng điện quá tải làm tăng nhiệt độ các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép, làm cách điện của chúng bị già cỗi hoặc đôi khi bị phá hủy

Để ngăn ngừa sự phát sinh sự cố và sự phát triển của chúng, có thể sử dụng các biện pháp cắt nhanh phần tử bị hư hỏng ra khỏi mạng điện để loại trừ tình trạng làm việc không bình thưởng gây nguy hiểm cho hệ thống điện

Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các thiết bị không bị hư hỏng trong hệ thống điện, cần có thiết bị ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất có thể phát hiện ra phần tử bị hư hỏng và cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện Công việc này được thực hiện nhờ những thiết bị tự động có tên gọi là rơle

 Như vậy nhiệm vụ chính của rơle bảo vệ là cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện Ngoài

ra rơle bảo vệ còn ghi nhận và phát hiện tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện Tủy mức độ mà rơle bảo vệ có thể báo tín hiệu hoặc đi cắt máy cắt.

I.1- Yêu cầu cơ bản của rơle bảo vệ

 Tính chọn lọc

Tác động của bảo vệ rơle đảm bảo chỉ cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện, các phần tử khác trong hệ thống điện vẫn làm việc bình thường

 Tác động nhanh

Càng cắt nhanh phần tử bị sự cố thì càng hạn chế được mức độ hư hỏng của phần tử đó và nâng cao

ổn định của hệ thống điện

Để giảm thời gian cắt sự cố thì phải giảm thời gian tác động của rơle bảo vệ Tuy nhiên trong một số trường hợp cụ thể, để thực hiện yêu cầu tác động nhanh thì không thỏa mãn được yêu cầu tác động chọn lọc Hai yêu cầu này đôi khi mâu thuẫn với nhau, vì vậy tùy từng trường hợp cụ thể cần phải xem xét kỹ càng về hai yêu cầu này

 Độ tin cậy

Tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn

Độ tin cậy khi tác động: Mức độ chắc chắn khi rơle hoặc hệ thống rơle tác động đúng Tức là khả năng rơle làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ

Độ tin cậy không tác động: Mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle không làm việc sai Tức 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 quy định

I- KHÁI NIỆM VỀ RƠLE BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN

I.1- Yêu cầu cơ bản của rơle bảo vệ

 Độ nhạy

Bảo vệ rơle cần phải có độ nhạy đủ đối với các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường

có thể xuất hiện ở những phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện

Độ nhạy được đặc trưng bởi hệ số độ nhạy Kn : Kn = đại lượng tác động tối thiểu/đại lượng đặt

Độ nhạy của rơle càng cao nếu Kn càng lớn Thường yêu cầu Kn từ 1,5 đến 2

 Tính kinh tế

Các thiết bị bảo vệ được thiết kế và lắp đặt trong hệ thống điện, khác với các máy móc thiết bị khác, không phải đểlàm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường Nhiệm vụ chủ yếu của chúng

là luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố xảy ra bất kỳ lúc nào và đưa ra những tác động chuẩn xác

Đối với các trang thiết bị điện quan trọng (cao áp và siêu cao áp), chi phí để mua sắm và lắp đặt thiết bị bảo vệ thường khong phải là yếu tố quyết định trong lựa chọn chủng loại hoặc nhà cung cấp thiết bị bảo

vệ 4 yêu cầu kỹ thuật nêu trên đóng vai trò quan trọng

Đối với các trang thiết bị điện ít quan trọng hơn (lưới điện trung áp, hạ áp) vì số lượng phần tử cần bảo

vệ nhiều, yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao nên cần cân nhắc đến tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật với chi phí thấp nhất

 Máy biến dòng điện

 Máy biến điện áp

 Rơle bảo vệ

 Nguồn điện thao tác

 Kênh truyền tín hiệu và hệ thống mạch phụ trợ

A

rl

K N

TC CT

PT

Communication cb

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống bảo vệ rơle

II- CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE

II.1- Máy biến dòng điện

Dòng điện cũng như điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường có trị số rất lớn, không thể đưa trực tiếp vào dụng cụ hoặc rơle và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ và thiết bị này thường được đấu nối qua máy biến dòng

Máy biến dòng làm nhiệm vụ cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp và đảm bảo dòng điện thứ cấp tiêu chuẩn (5A hoặc 1A) khi dòng điện danh định có thể rất khác nhau

 Tổng quan

 Cấp chính xác của máy biến dòng điện

Bảng 1: Cấp chính xác của máy biến dòng và máy biến điện áp theo tiêu chuẩn IEC

CẤP CHÍNH XÁC ĐỐI TƯỢNG ÁP DỤNG

Đối với một số thiết bị đo lường và bảo vệ làm việc theo góc pha của dòng điện thì cần phải nối đúng các đầu dây của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

II.1- Máy biến dòng điện

Các thiết bị bảo vệ phải làm việc trong điều kiện sự cố với dòng điện sơ cấp vượt quá nhiều lần so với dòng điện danh định, tuy vậy vẫn phải đảm bảo độ chính xác cần thiết

 Yêu cầu về độ chính xác của máy biến dòng điện dùng cho bảo vệ rơle

5P20

10P15 Fi<10%

Fi<5%

I /IT Tdd

I /IS Sdd

5

10

15

20

Cấp CX Sai số

biên độ,

%

Sai số góc, phút

Sai số phức hợp, %

Hệ số giới hạn theo độ chính xác: 5, 10, 15, 20, 30

II- CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE

II.1- Máy biến dòng điện

 Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện

Khi mạch thứ cấp của máy biến dòng để hở, nếu phía sơ cấp có dòng điện thì toàn bộ dòng điện sơ cấp

sẽ làm nhiệm vụ từ hóa, từ cảm Bm tăng lên đột ngột gây bão hòa cho mạch từ nên các đường cong biến thiên theo thời gian của độ từ cảm B và đường từ thông Ф 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 điện có dạng đỉnh nhọn với biên độ rất lớn, 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 lên đến hàng chục kV, rất nguy hiểm cho người và thiết bị phía thứ cấp Vì vậy chế độ làm việc bình thường của máy biến dòng điện cuộn thứ cấp phải nối ngắn mạch hoặc tải của cuộn thứ cấp phải có điện trở rất nhỏ

B /O m m

I u

B /O

t

O (B) m

I S

e T

e T

II.2- Máy biến điện áp

Máy biến điện áp làm nhiệm vụ giảm điện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn 100 hoặc 110V và cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp Máy biến điện áp làm việc giống như các máy biến áp điện lực có công suất bé, chỉ khác ở chỗ thiết kế sao cho đảm bảo được độ chính xác cần thiết khi phụ tải phía thứ cấp của máy biến điện áp có thể thay đổi trong giới hạn rộng

 Tổng quan

Phụ tải của máy biến điện áp cũng như phụ tải của máy biến áp thông thường được nối song song nhau, tổng trở của dây nối nếu quá lớn sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác Đầu nối của các cuộn dây máy biến điện áp cũng được đánh dấu, đấu đúng đầu cuộn dây với các dụng cụ đo và thiết bị bảo vệ có ý nghĩa quan trọng khi cần xét đến góc lệch pha của các đại lượng điện

 Sai số của máy biến điện áp

Theo cấp chính xác, máy biến điện áp được phân loại: Máy biến điện áp dùng cho đo lường và cho bảo vệ

Cấp chính

xác

Sai số biên

độ (%)

Sai số góc (phút)

Cấp chính xác

Sai số biên

độ (%)

Sai số góc (phút)

Sai số máy biến điện áp đo lường Sai số máy biến điện áp bảo vệ

II- CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE

II.2- Máy biến điện áp

 Bảo vệ cho máy biến điện áp

Đối với máy biến điện áp có cấp điện áp dưới 66kV, phía sơ cấp thường được bảo vệ bằng cầu chì Đối với các cấp điện áp cao hơn (110kV, 220kV, 500kV ,…) máy biến điện áp được nối trực tiếp vào điện áp

sơ cấp do cầu chì không đảm bảo được dung lượng cắt ngắn mạch

Phía thứ cấp của máy biến điện áp thường được bảo vệ bằng cầu chì hoặc aptomat đặt sát phía đầu ra của máy biến điện áp Khi ngắn mạch ở phụ tải thứ cấp, dòng ngắn mạch có thể vượt rất nhiều lần dòng điện định mức, nếu không đặt thiết bị bảo vệ, thời gian duy trì dòng sự cố lâu có thể dẫn tới máy biến điện áp bị hỏng

II.3- Nguồn điện thao tác

Nguồn điện thao tác cung cấp năng lượng cho các thiết bị bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh và báo hiệu trong các nhà máy điện, trạm biến áp và các trung tâm điều độ hệ thống điện Nguồn điện thao tác cần phải thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật, kinh tế sau:

 Độc lập với chế độ làm việc của lưới điện xoay chiều

 Có dung lượng đủ lớn, đảm bảo cho các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động làm việc chắc chắn trong suốt quá trình thao tác

 Mức điện áp của nguồn đảm bảo trong giới hạn dao động cho phép

 An toàn, tin cậy và sử dụng thuận tiện

 Giá cả hợp lý

Nguồn điện thao tác có thể là xoay chiều hoặc một chiều

 Nguồn xoay chiều thường được dùng trực tiếp ở các trạm nhỏ để thao tác máy cắt điện với mạch bảo

vệ đơn giản

 Nguồn một chiều thường dùng ắc quy, tụ điện được nạp điện sẵn hoặc các bộ chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều lấy từ hệ thống tự dùng

Điện áp của nguồn thao tác một chiều:

 220V và 110V thường được dùng cho các rơle và thiết bị điều khiển

 60V, 48V, 24V thường dùng cho các mạch tín hiệu và thông tin

Ngoài ra, ngày nay đối với các thiết bị quan trọng cần sử dụng đến dòng điện xoay chiều, trong hệ thống nguồn còn sử dụng các UPS biến đổi dòng điện một chiều từ hệ thống ắc quy thành điện xoay chiều

II- CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE

II.4- Rơle bảo vệ

Rơle là phẩn tử chính trong thiết bị bảo vệ

 Nguyên tắc chung

Rơle nhận một hay một số tín hiệu đầu vào, thường là tín hiệu tương tự (như dòng điện, điện áp, …) biến đổi và so sánh tín hiệu này với ngưỡng tác động để cho tín hiệu đầu ra

Rơle

X1

Y Xn

…

Phân loại rơle theo công nghệ chế tạo:

Rơle cơ: Rơle làm việc nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, điện động,…

Rơle tĩnh: Rơle không tiếp điểm, sử dụng các linh kiện điện tử và bán dẫn Rơle số: sử dụng kỹ thuật vi xử lý và máy tính

II.4- Rơle bảo vệ

Ưu điểm của rơle số

Chức năng hoạt động được mở rộng, dễ dàng mở rộng khả năng đo lường, biến đổi tín hiệu, so sánh và

tổ hợp logic trong cấu trúc của rơle Có thể kết hợp nhiều nguyên lý phát hiện sự cố trong một rơle

Ngoài chức năng bảo vệ và cảnh báo, rơle số hiện đại còn thực hiện chức năng khác: Ghi chép các thông số vận hành và sự cố, xác định vị trí sự cố, thực hiện liên động với các thiết bị bảo vệ tự động, thông tin đo lường khác trong hệ thống, dễ ghép nối với hệ thống máy tính

Thông số chỉnh định của bảo vệ có thể rút gọn với độ chính xác cao và dễ dàng thực hiện 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 hóa kích thước

Giá thành tương đối tính theo tương quan giữa chi phí và chức năng của hệ thống bảo vệ thì kỹ thuật

số rẻ hơn hệ thống rơle điện cơ thông thường

II- CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE

II.4- Rơle bảo vệ

 Các loại rơle chính và ký hiệu theo IEEE

Ký hiệu Chức năng

nhanh

Ký hiệu Chức năng

dòng điện

Stator

II.4- Rơle bảo vệ

 Các loại rơle chính và ký hiệu theo IEEE (tiếp)

Ký hiệu Chức năng

đồng bộ

thông tin

Ký hiệu Chức năng

II- CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE

II.5- Kênh truyền tín hiệu

Các kênh truyền tín hiệu được sử dụng để truyền dữ liệu, thông tin liên lạc, điều khiển, bảo vệ, tự động hóa trong hệ thống điện

 Các loại kênh truyền tín hiệu

 Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin hoặc thuê bao mạng lưới bưu chính viễn thông

 Kênh tải ba (Power Lines Carrier: PLC): Tải tín hiệu tần số cao trên chính dây dẫn của đường dây tải điện

 Kênh thông tin vô tuyến siêu cao tần

 Cáp quang

Đối với hệ thống bảo vệ rơle, kênh truyên tín hiệu được sử dụng trong các sơ đồ bảo vệ so lệch hoặc các sơ đồ điều khiển liên động các bảo vệ lân cận