Giáo trình bảo vệ rơ le và tự động hóa phần 2 trường đh công nghiệp quảng ninh

89 Chương 4 CÁC HÌNH THỨC BẢO VỆ KHÁC 4 1 Bảo vệ khoảng cách 4 1 1 Nguyên lý tác động Một trong những nguyên lý bảo vệ có tính chọn lọc cao là dựa trên đặc điểm phân bố điện áp khi ngắn mạch Điện áp t[.]

Chương 4 CÁC HÌNH THỨC BẢO VỆ KHÁC

4.1 Bảo vệ khoảng cách 4.1.1 Nguyên lý tác động

Một trong những nguyên lý bảo vệ có tính chọn lọc cao là dựa trên đặc điểm phân bố điện áp khi ngắn mạch

Điện áp tại điểm ngắn mạch N1 bằng không và tăng dần khi càng xa điểm ngắn mạch Nếu đo được tỷ số U/IN thì sẽ biết được tổng trở ngắn mạch, có nghĩa là tổng trở ngắn mạch tỷ lệ khoảng cách đến điểm ngắn mạch

Loại bảo vệ được thực hiện theo nguyên lý xác định khoảng cách từ nơi đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch gọi là bảo vệ khoảng cách (BVKC) Thời gian trễ của bảo vệ phụ thuộc vào khoảng cách lN, nó tăng dần cùng với lN, có nghĩa là các bảo vệ đặt gần điểm ngắn mạch sẽ tác động trước, các bảo vệ đặt càng xa càng tác động sau, điều đó cho phép duy trì được sự chọn lọc của bảo vệ đối với mạng điện có cấu trúc bất kỳ

Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ khoảng cách được bố trí trên hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ khoảng cách

Cơ cấu chủ yếu của bảo vệ khoảng cách là rơle khoảng cách hay còn gọi là rơle tổng trở, nó phản ứng theo tỷ lệ của áp và dòng chạy qua cuộn dây Trên sơ đồ (Hình 4.1) giả sử ngắn mạch xảy ra tại điểm N1 điện áp dư của mạng U tại điểm ngắn mạch bằng 0 và tăng dần về phía nguồn, bảo vệ ở một khoảng cách lN so với điểm ngắn mạch có giá trị điện áp pha là:

(3)

UI Z l (4.1)

Trong đó:

(3) N

I - dòng điện ngắn mạch ba pha;

Z0 - suất tổng trở của một đơn vị chiều dài đường dây;

lN - khoảng cách từ nguồn đến điểm ngăn mạch Điện áp đưa đến rơle

(3)

N 0 N R

I Z l U

U

  (4.2)

Trong đó: kU - hệ số biến áp

Dòng điện đưa đến rơle

(3) N R i

I I k

Trong đó: ki - hệ số biến dòng

Như vậy tổng trở giả tưởng hay tổng trở ảo trên cực của rơle là:

(3)

N 0 N i 0 N i R

I Z l k Z l k U

Z

Từ biểu thức (4.4) cho thấy ZR không phụ thuộc vào giá trị dòng và áp mà chỉ được xác định bằng khoảng cách đến điểm ngắn mạch Trên sơ đồ hình 4.1 khi ngắn mạch xảy ra tại điểm N1 thì trước hết bảo vệ 1 sẽ tác động, nếu bảo vệ 1 từ chối tác động vì một lý do nào đó thì bảo vệ 2 sẽ tác động

4.1.2 Những bộ phận chính của bảo vệ khoảng cách và tác động tương hỗ giữa chúng

Bộ phận khởi động làm nhiệm vụ bảo vệ khi xảy ra sự cố ngắn mạch:

Thường dùng rơle dòng điện cực đại hoặc rơle tổng trở làm nhiệm vụ khởi động;

Cơ cấu khởi động làm nhiệm vụ đo khoảng từ nơi đặt thiết bị bảo vệ đến nơi xảy ra ngắn mạch;

Bộ phận tạo thời gian làm việc, duy trì một khoảng thời gian trễ cho bảo vệ

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý một pha bảo vệ khoảng cách

Bộ phận xác định chiều công suất được xác định cho mạng điện kín làm nhiệm

vụ ngăn chặn không cho bảo vệ tác động khi chiều công suất ngắn mạch đi từ đường dây vào thanh cái Người ta thường dùng rơle hướng công suất làm nhiệm vụ xác định chiều công suất

Sau đây trên hình 4.2, chúng ta xét một ví dụ bảo vệ khoảng cách có đặc tính thời gian ba cấp:

Cấp I: Khi ngắn mạch xảy ra trong vùng 1, các rơle RI; RZ1; RG; TH làm việc với một thời gian t1 không lớn lắm gửi tín hiệu đi cắt máy cắt MC

Cấp II: Nếu ngắn mạch ở vùng thứ 2 xa hơn, các rơle RI; RZ2; Rt1; RG; TH làm việc với một thời gian t2 gửi tín hiệu đi cắt máy cắt MC

Cấp III: Nếu ngắn mạch ở vùng thứ 3, các rơle RI; Rt2; RG; TH làm việc với một thời gian t3 gửi tín hiệu đi cắt máy cắt MC Các rơle tổng trở không kiểm soát được vùng thứ 3 và bảo vệ trong trường hợp này làm việc như bảo vệ theo chiều dòng điện

4.1.3 Đặc tính thời gian làm việc và vùng tác động của bảo vệ khoảng cách

4.1.3.1 Đặc tính thời gian

Đặc tính thời gian của bảo vệ khoảng cách là sự phụ thuộc thời gian tác động

và khoảng cách đến điểm ngắn mạch Hiện nay người ta thường dùng loại bảo vệ khoảng cách có đặc tính thời gian từng cấp số lượng vùng bảo vệ và cấp thời gian thường là 3 Chiều dài vùng bảo vệ và thời gian mỗi vùng có thể điều chỉnh được

Hình 4.3 Đặc tính thời gian của bảo vệ khoảng cách

Vùng bảo vệ 1: Thời gian tác động t1 rất bé (gồm thời gian làm việc của bản thân rơle và của máy cắt), chiếm 8085% chiều dài của đoạn dây để bảo vệ có thể tác động chọn lọc khi ngắn mạch ở đoạn đường dây sau

Vùng bảo vệ 2: Thời gian tác động t2, chiếm khoảng 3040% chiều dài của đoạn dây sau (để phối hợp với vùng thứ 2 của đoạn này về chọn lọc)

t2= t1+ t Vùng bảo vệ 3: Thời gian tác động t3 dùng làm bảo vệ dự trữ cho các đoạn tiếp theo và bọc lấy toàn bộ những đoạn này

t3= t2+ t

4.1.3.2 Vùng tác động của bảo vệ khoảng cách ba cấp

Bảo vệ khoảng cách ba cấp là dạng bảo vệ thường được dùng đối với đường dây Các vùng bảo vệ cấp 1 và cấp 2 được thiết lập theo sự hiệu chỉnh của rơle tổng trở với điều kiện tổng trở giả tưởng trên cực của rơle nhỏ hơn tổng trở của đường dây được bảo

vệ ZR< Zdd Nguyên tắc xây dựng vùng bảo vệ được thể hiện trên hình 4.4

Trong vùng 1 rơle tác động tức thời không có thời gian trễ và để đảm bảo điều kiện làm việc chọn lọc của bảo vệ thì tổng trở khởi động của bảo vệ vùng 1 phải nhỏ hơn tổng trở của đoạn dây được bảo vệ: ZIA ZAB

I

Trong đó: K1- hệ số dự trữ kể đến sự tác động thiếu chính xác của rơle và ảnh hưởng của điện trở quá độ tại nơi ngắn mạch, thường có giá trị trong khoảng 0,8 0,85

ZAB - tổng trở của đoạn dây AB

Hình 4.4 Vùng tác động của bảo vệ khoảng cách Trên hình 4.4 vùng 1 của bảo vệ đường dây AB và đường dây BC chỉ phủ được một phần chiều dài của các đường dây này

Bảo vệ cấp 2 của đường dây AB và đường dây BC có cùng thời gian trễ (t2.A=

t2.B) vì vậy để đảm bảo sự chọn lọc cần phải có sự kết hợp bảo vệ theo điều kiện khởi động là:

II

Trong đó: Z - Tổng trở khởi động của bảo vệ cấp 2 đường dây AB; IIA

ZBC- Tổng trở đường dây BC liền sau đường dây AB;

K2- hệ số dự trữ lấy trong khoảng 0,70,8

Trong trường hợp liền sau đoạn AB có nhiều nhánh dây khác nhau thì ZBC lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong số các tổng trở của các nhánh

Ngoài ra giá trị tổng trở khởi động của vùng 2 có thể được xác định theo biểu thức sau:

A

Z Z

1



Trong đó: Zmin - tổng trở nhỏ nhất từ điểm đặt bảo vệ A đến các điểm cuối của mạng điện;

- hệ số tính đến sai số của rơle khoảng cách, thường lấy giá trị trong khoảng = (0,050,1);

- hệ số tính đến sai số của các máy biến dòng và máy biến áp đo lường, thường lấy bằng 0,1

Vùng bảo vệ cấp 2 bao trùm phần còn lại của đường dây ĐD1 (1520)%

và (3040)% chiều dài của đoạn dây tiếp theo

Tính tương tự tổng trở khởi động của vùng 3 là:

III

Ngoài ra tổng trở khởi động của vùng 3 cũng có thể được xác định theo biểu thức:

P

k

 

Trong đó: - hệ số tính đến khoảng an toàn của vùng biên, thường lấy bằng 0,1;

kat- hệ số an toàn, thường lấy bằng 1,2;

kP- hệ số phân dòng, tính đến sự ảnh hưởng của phụ tải các nhánh dây;

Z - tổng trở khởi động vùng 2 của bảo vệ B IIB Giá trị tổng trở khởi động của rơle vùng 1 bảo vệ A:

Trong đó: ZAB- tổng trở của đường dây Ab cần bảo vệ;

Căn cứ vào giá trị dòng khởi động của rơle ZIR.A ta chọn nấc chỉnh định gần nhất về phía dưới I

A d

Z . và xác định tổng trở khởi động thực tế của bảo vệ khoảng cách:

kd.A d.A

i

n

n

Hệ số nhạy rơle vùng 1 được xác định theo biểu thức:

AB

kd.A

Z

Z

Trong đó: ZIkd.A- tổng trở khởi động của bảo vệ khoảng cách

Đối với các vùng khác quá trình tính toán cũng được thực hiện tương tự Với việc thực hiện nhiều vùng bảo vệ, cho phép nâng cao độ tin cậy nhờ sự kết hợp hỗ trợ của các vùng bảo vệ Chẳng hạn khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng 1 của đoạn dây AB (điểm N1 hình 4.4) bảo vệ vùng 1 sẽ tác động cắt máy cắt

MCA với thời gian t1.A0, nếu vì một lý do nào đó bảo vệ vùng 1 từ chối tác động thì

bảo vệ vùng 2 sẽ tác động với thời gian trễ t2.A và nếu vùng 2 lại cũng từ chối tác động thì bảo vệ vùng 3 sẽ tác động với thời gian trễ t3.A Nếu ngắn mạch xảy ra tại điểm N2 thuộc vùng 2 của ĐD2 thì bảo vệ vùng 2 sẽ tác động cắt MCB với thời gian

t2.B, nếu vì lý do nào đó mà bảo vệ vùng 2B không tác động thì bảo vệ vùng 3A sẽ tác động cắt máy cắt MCA với thời gian trễ là t3A

4.1.4 Yêu cầu đối với các sơ đồ nối bộ phận khoảng cách

Để bảo vệ làm việc đúng, các bộ phận khoảng cách cần phải làm việc một cách rành rọt khi tổng trở từ chỗ đặt rơle đến chỗ ngắn mạch ZN< Zđặt và không làm việc khi ZN> Zđặt, tổng trở không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện và điện áp đặt vào các cực của rơle

Đối với những rơle nối vào một điện áp và một dòng điện điều này sẽ thực hiện được khi đảm bảo ZR trên các cực của chúng tỷ lệ với khoảng cách đến chỗ ngắn mạch

Nếu như bộ phận khoảng cách dùng để bảo vệ chống nhiều dạng ngắn mạch khác nhau, thì chúng cần phải làm việc độc lập với các dạng ngắn mạch đó Khi không thực hiện được điều kiện này thì hoặc là bảo vệ có thể cắt không chọn lọc hoặc là vùng bảo vệ bị thu hẹp lại

4.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của bảo vệ khoảng cách

4.1.5.1 Ảnh hưởng của điện trở quá độ

Điện trở quá độ làm tăng tổng trở trên đầu cực của các rơle làm cho điểm ngắn mạch dường như lùi xa hơn và bảo vệ sẽ tác động với thời gian trễ lớn hơn nhưng vẫn không mất tính chọn lọc Giá trị tổng trở đo được đến chỗ ngắn mạch '

d

Z có tính đến điện trở quá độ là:

'

Trong đó: Zd- tổng trở thực tế của đường dây;

Rqd- giá trị điện trở siêu quá độ (điện trở hồ quang)

Sở dĩ có hệ số là 0,5 là do điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch được chia đều cho cả hai pha Giá trị điện trở quá độ thường rất khó xác định, trong thực tế người ta

áp dụng một số biểu thức thực nghiệm như biểu thức Warringtion:

N

28700(a v.t ) R

I



Trong đó: a - khoảng cách trung bình giữa các pha, m;

v- vận tốc gió cực đại tác động đến đối tượng bảo vệ, m/s;

tN- thời gian cắt dòng ngắn mạch, s;

IN- dòng điên ngắn mạch, A;

4.1.5.2 Ảnh hưởng của dòng điện bổ sung từ trạm biến áp

Trong trường hợp giữa chỗ đặt bảo vệ và điểm ngắn mạch có thêm nguồn phụ (Hình 5.5a) Điện áp trên cực của rơle lúc này là:

UR= IAC.ZAC+ ICN.ZCN (4.15)

Trong đó: ICN= IAC+IBC

Dòng điện đi vào rơle trong trường hợp này là IR= IAC

Hình 4.5 Sơ đồ giải thích ảnh hưởng của dòng điện bổ xung đối với bảo vệ

khoảng cách Vậy tổng trở đầu cực của rơle:

BC R

I U

(4.17)

Trong đó: kP - hệ số phân dòng

BC P

AC

I

I

Như vậy khi có nguồn điện bổ sung thì điểm ngắn mạch dường như xa hơn và tổng trở trên đầu cực của rơle sẽ lớn hơn

Trường hợp có sự phân dòng như sơ đồ hình 4-5b:

Dòng điện chạy trong cuộn dây rơle

IAC= ICN+ICM ICN= IAC- ICM (4.19)

Điện áp trên cực rơle

UR= IAC.ZAC+ ICN.ZCN= IAC.ZAC+(IAC- ICM).ZCN (4.20)

Dòng đi vào rơle trong trường hợp này được xác định

IR= IAC

Vậy tổng trở trên đầu cực rơle

CM R

I U

P

AC

I

I

Như vậy điểm ngắn mạch gần như rút gần lại phía đặt thiết bị bảo vệ khoảng cách

4.2 Bảo vệ bằng rơle khí

Bảo vệ rơle khí được lắp đặt để bảo vệ cho các máy biến áp, máy biến áp tự ngẫu, các thiết bị biến đổi và các cuộn cản kháng làm mát bằng dầu có bình dãn nở dầu Bảo vệ bắt buộc phải sử dụng đối với các máy biến áp có công suất từ 6300kVA trở lên hoặc từ 1000 ÷ 4000kVA nếu không được trang bị các hình thức bảo vệ so lệch dọc hoặc bảo vệ cắt nhanh Đối với các máy biến áp trang bị cho nội bộ phân xưởng có công suất từ 630kVA trở lên cũng bắt buộc phải trang bị hình thức bảo vệ này, không phụ thuộc vào các hình thức bảo vệ cắt nhanh khác có hay không

Bảo vệ bằng rơle khí được ứng dụng rộng rãi và rất nhạy cảm với các sự cố hỏng hóc ở bên trong thùng dầu (ngắn mạch giữa các vòng dây) sinh ra các tia lửa điện hoặc do các phần tử bị nung nóng quá mức dẫn đến dầu bị bốc hơi

Cường độ hình thành luồng khí và thành phần hóa học của hơi phụ thuộc vào đặc điểm và qui mô hỏng hóc Do đó khi sự cố nhẹ bảo vệ chỉ cần tác động báo tín hiệu, khi sự cố nặng truyền tín hiệu tới cắt máy cắt

Sự cố hỏng hóc nguy hiểm nhất là cháy lõi thép do cách điện giữa các lõi thép

bị phá huỷ, dẫn đến làm tăng tổn hao sắt từ và dòng điện xoáy (dòng Fucault)

Phần tử cơ bản của bảo vệ khí là rơle khí mã hiệu  -22 và PЧЗ –66

4.3 Bảo vệ quá tải

Quá tải là chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp và động cơ Quá tải máy biến áp về tổng thể thường không ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc

của hệ thống, bởi vì nó không làm giảm áp Dòng quá tải thường tăng không nhiều

so với định mức nên có thể cho phép tồn tại trong thời gian ngắn Theo định mức nếu quá tải 1,6.Iđm thì có thể cho phép làm việc kéo dài trong thời gian 45 phút

Quá tải máy biến áp thường là đối xứng, do đó để bảo vệ quá tải thường chỉ cần sử dụng một rơle dòng cực đại đấu vào dòng một pha là đủ Bảo vệ sẽ tác động với thời gian duy trì báo tín hiệu cho người trực trạm biết để cắt bớt phụ tải hoặc truyền tín hiệu cắt tới cắt máy cắt

Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá tải được thể hiện trên hình 4.6a

Đối với máy biến áp 3 cuộn dây được cung cấp từ một phía, bảo vệ quá tải chỉ cần lắp bên phía cung cấp là đủ Nếu công suất của các cuộn dây khác nhau thì cần phải lắp đặt thêm bảo vệ phụ bên phía các cuộn dây có công suất nhỏ hơn (hình 4.6b)

Hình 4.6 Các sơ đồ bảo vệ quá tải

Bảo vệ quá tải được lắp đặt để bảo vệ các máy biến áp có công suất từ 400kVA trở lên Đối với các máy biến áp 3 cuộn dây có hai cấp điện áp, bên phía hạ áp có hai cuộn dây thì bảo vệ được lắp đặt trên cả hai phía hạ áp

Thời gian tác động của bảo vệ thường được chọn lớn hơn 30% thời gian khởi động hoặc tự khởi động của động cơ nhận nguồn cung cấp từ máy biến áp được bảo vệ

Dòng chỉnh định của bảo vệ quá tải:

at

tv

k

k

Dòng khởi động của rơle:

at sd

tv I

k k

k k

Trong đó: kat = 1,05 – hệ số an toàn;

Iđb – dòng định mức của cuộn dây máy biến áp

Thời gian duy trì tác động thường lấy từ 79s

Bảo vệ khỏi quá tải có thể được lắp đặt để bảo vệ các động cơ truyền động cho máy mỏ khỏi bị quá tải hoặc khởi động hay tự khởi động kéo dài (thời gian khởi động trực tiếp thường không dưới 20s)

Bảo vệ khi tác động có thể truyền tín hiệu sự cố nếu như quá tải nhẹ chỉ xuất hiện trong thời gian ngắn cho phép, hoặc có thể truyền lệnh cắt nếu quá tải nặng xuất hiện trong thời gian dài quá mức cho phép

Để bảo vệ khỏi quá tải có thể sử dụng hình thức bảo vệ dòng cực đại đấu theo

sơ đồ một rơle có thời gian duy trì phụ thuộc hoặc không phụ thuộc Đối với động cơ không đồng bộ truyền động cho các cơ cấu phụ có thời gian khởi động và tự khởi động không vượt quá 13s, có tải trên trục thay đổi thì có thể sử dụng bảo vệ có thời gian duy trì phụ thuộc (rơle PT-82) Trong các trường hợp còn lại có thể sử dụng bảo

vệ có thời gian duy trì không phụ thuộc (rơle PT-40)

Thời gian duy trì của bảo vệ quá tải thường được chọn lớn hơn 20÷30% thời gian khởi động của động cơ Thời gian duy trì cần được chuẩn xác lại trong quá trình vận hành và hiệu chỉnh động cơ

Để bảo vệ khỏi quá tải đối với các thiết bị biến đổi cũng sử dụng hình thức bảo

vệ dòng cực đại theo sơ đồ một rơle đấu vào một pha của mạng

Dòng khởi động của bảo vệ cũng được xác định theo biểu thức (4.25), trong

đó dòng định mức (Iđ.m) là giá trị nhỏ nhất từ hai giá trị định mức của trạm kéo và thiết bị biến đổi quy về phía cao áp Để chuyển từ dòng chỉnh lưa (Id) sang phía cao

áp (I1) có thể sử dụng công thức sau đây: