Bảo vệ role và tự động hoá trong hệ thống điện

Bảo vệ rơ le và tự động hóa hệ thống điện GVHD BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN CÓ HƯỚNG I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, hiện nay người ta thường thiết kế các mạng.

BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN CÓ HƯỚNG

I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, hiện nay người

ta thường thiết kế các mạng hình vòng và mạng có hai đầu cung cấp Đối với loại mạng điện này, BV dòng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp không thể đảm bảo cắt NM một cách chọn lọc được

Ví dụ, trong mạng hình tia (H.4.1), giả thiết ở mỗi đầu đường dây đặt các BV quá dòng điện thông thường đánh số thứ tự từ 1 đến 6 Muốn thực hiện cắt chọn lọc NM N1

cần thỏa mãn t3 < t2 Nhưng muốn cắt chọn lọc NM N2 thì yêu cầu ngược lại t2 < t3 Trong thực tế, không thể đồng thời thỏa mãn hai yêu cầu đó Ta có thể khắc phục khó khăn trên bằng cách, chỉ cho BV tác động khi công suất NM đi từ thanh góp đến đường dây Muốn vậy, mỗi bộ BV cần có thêm bộ phận định hướng công suất, bộ phận này chỉ cho phép BV tác động khi công suất NM đi từ thanh góp đến đường dây Trên hình 4.1, các mũi tên chỉ hướng tác động của BV Nhờ vậy khi NM ở N1 BV2 không tác động, còn NM ở N2 BV3 không tác động Khi dùng BV dòng điện có hướng, chỉ cần các BV

cùng hướng tác động: t5 < t3 < t1 và t2 < t4 < t6.

Trong BV dòng điện có hướng, rơle

công suất làm nhiệm vụ của bộ phận

định hướng công suất Trên hình 1cho sơ

đồ cấu trúc của BV dòng điện có hướng:

RI - rơle dòng điện; AND - mạch lôgic

“VÀ” RW - phần tử định hướng công suất

II PHẦN TỬ ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT

Để phân tích cách làm việc của rơle định

hướng công suất, chúng ta sẽ khảo sát các đồ thị

vectơ tương ứng với những chiều khác nhau của

công suất NM đi qua BV2 trên hình 4.3 Lấy

điện áp đưa vào rơle RW là điện áp ở thanh góp

trạm B, lấy UB làm gốc Góc lệch pha  giữa

dòng điện và điện áp có giá trị dương nếu

vectơ dòng điện chậm sau điện áp và âm nếu

ngược lại

- Khi NM tại điểm N2 (H.4.3), giả

thiết công suất NM qua BV2 đi từ thanh góp vào đường dây IR = IN2 và jR = (UR, IR)

- Khi NM tại điểm N1, công suất NM qua BV2 đi từ đường dây vào thanh góp B, dòng rơle IR (với chiều dương chấp nhận trước) bằng - IN1 và j2 = j1 – 180°

Như vậy, khi dời điểm NM từ vùng BV sang vùng không được BV pha của dòng điện

IR đối với điện áp UR đã thay đổi 180° giống như chiều của công suất NM Như thế rơle định hướng công suất làm việc trên cơ sở góc pha tương đối giữa dòng và áp tại chỗ đặt

BV Rơle định hướng công suất có thể làm việc theo dòng và áp toàn phần hay dòng và

áp các thành phần thứ tự

Để cho rơle làm việc đúng theo

hướng mong muốn, ta quan sát sự phân bố áp

các thành phần thứ tự khi có NM trên

hình 4.4, ta nhận xét công suất NM toàn phần

và thứ tự thuận đi từ nguồn đến chỗ NM,

công suất thứ tự nghịch đi từ chỗ NM đến

nguồn, còn công suất thứ tự không đi từ chỗ

NM đến thanh góp (trung tính nối đất của máy

biến áp (MBA)

Do đó khi chọn và nối sơ đồ của rơle định hướng, phải lưu ý theo chiều công suất của dòng toàn phần hay theo các thành phần thứ tự, nếu phần tử định hướng công suất làm việc theo dòng và áp toàn phần và thứ tự thuận thì chiều công suất NM là từ thanh góp

vào chỗ NM, còn làm việc theo thành phần thứ tự nghịch và không thì chiều công suất

NM đi từ chỗ NM đến thanh góp

1 Đặc tính làm việc của phần tử định hướng công suất:

Để xác định hướng công suất, người ta dùng bộ so sánh pha để xác định quan hệ giữa hai đại lượng và đưa vào rơle hoặc dùng bộ so sánh trị số tuyệt đối của hai đại lượng và tổ hợp của hai tín hiệu và cũng cho ta quan hệ góc pha giữa và Người ta có thể dùng các giản đồ sau để biểu diễn sự làm việc của phần tử định hướng công suất (H.4.5) Đặc tính làm việc của phân tử định hướng công suất (RW) được đặc trưng bằng phương trình:

*

với URIR, UR, IR là vectơ áp và dòng đưa vào role

Từ (*) ta có thể xác định được vùng tác động và không tác động của phần tử

định hướng công suất (H.4.5a) Nếu một trong hai tín hiệu đưa vào U R = 0 hay I R = 0

hay vectơ I R nằm gần biên giới tác động có thể bộ phận so sánh không đủ độ nhạy

để tác động hoặc tác động nhầm Từ đó đối với RW có khái niệm góc có độ nhạy cực đại jR = j nhmax, tại góc này RW làm việc với độ nhạy cao nhất Người ta thường chọn a = –jnhmax Phương trình khởi động của RW trở thành:

Đặc tính làm việc cơ bản của RW và đặc tính góc UkđR = f(jR) khi IkđR là hằng

số (H.4.6a), là đặc tính volt-ampe UkđR = f(IkđR) khi jR là hằng số (H.4.6b) Các đặc tuyến này của rơle được xây dựng trong điều kiện jkđR = jnhmax Chất

lượng của RW được đánh giá bằng các giá trị khởi động Ukđmin, Ikđmin Dạng đặc tuyến cho ở hình 4.6 là dạng gần lý tưởng Đặc tuyến thực tế khác so với đặc tính trên nhiều hay ít, tùy thuộc RW được cấu tạo bằng loại gì (điện cơ, điện tử )

Ta có thể xem phần tử định hướng công suất là trường hợp riêng của phần tử xác định tổng trở của đối tượng BV Khi đó biểu diễn đặc tính làm việc là đường thẳng đi qua gốc O của mặt phẳng tổng trở Z Đường này chia mặt phẳng tổng trở thành hai vùng, vùng tác động và vùng không tác động (H.4.6b) Nếu chiều công suất đúng thì tổng trở của đối

tượng BV nằm trong vùng tác động và ngược lại Điện áp U R , I R đưa vào rơle có thể

là áp, dòng toàn phần hay các thành phần thứ tự, tùy theo yêu cầu của BV

2 Sơ đồ nối rơle định hướng công suất

Phần tử định hướng công suất loại nối vào áp và dòng toàn phần, cần chọn áp và dòng đưa vào rơle sao cho nó xác định đúng dấu của công suất NM đối với dạng NM bất kỳ và sao cho rơle có độ nhạy cao nhất (jRN gần trùng j nhmax)

Khi NM gần chỗ đặt BV, U R có thể có giá trị gần bằng không, cũng như khi NM

có gốc bất lợi rơle công suất có thể không tác động được Từ điều kiện trên có thể rút

ra kết luận là cần phải nối rơle vào áp nào sao cho khi NM gần, áp không giảm tới không và tổ hợp áp và dòng đưa vào mỗi rơle cần được chọn sao cho NM góc jR không

có giá trị bất lợi Lẽ dĩ nhiên, yêu cầu đầu tiên trong hai yêu cầu trên chỉ có thể thực hiện được đối với NM hai pha và một pha Khi có NM ba pha, tất cả các áp pha cũng như áp dây có thể giảm tới không

Trong các sơ đồ BV dòng điện có hướng, ngày nay người ta thường nối RW theo

sơ đồ 90°, 60° loại 1, 60° loại 2 và sơ đồ 30° Tên gọi trên mang tính chất quy ước Sơ đồ được đặt tên theo góc giữa áp và dòng đưa vào rơle trong chế độ đối xứng với điều kiện dòng trong các pha trùng với áp các pha cùng tên (xem bảng 4.1 và hình 4.7)

Bảng 4.1

Loại sơ đồ thông dụng nhất là sơ đồ 90°, ta tìm hiểu cách làm việc của sơ đồ này trong các dạng NM khác nhau và chọn lựa jnhmax

1- Ngắn mạch ba pha đối xứng

Khi NM ba pha đối xứng, tất cả các rơle của sơ đồ BV làm việc trong những điều

kiện giống nhau, vì thế chỉ cần khảo sát cách làm việc của rơle pha A có U R = U bc và

I R = I a Góc lệch pha N giữa dòng điện pha Ia và áp pha khi NM ba pha là góc của tổng trở

đoạn dây Từ chỗ NM đến chỗ BV và điện trở quá độ (r t) tại chỗ NM

Góc có độ nhạy cực đại được tính:

Giả thiết chọn α = 45 thì khi N3= 45o, phương của vectơ dòng điện sẽ trùng với đường

có độ

Rơle

Sơ đồ

90°

Loại 2

Sơ đồ 60°

Loại 1

nhạy cực đại và rơle sẽ làm việc trong điều kiện thuận lợi nhất Từ đồ thị hình 4.8 ta

thấy rằng, đối với bất cứ giá trị nào của I3

a, rơle cũng tác động đảm bảo nếu như giá trị

của điện áp đặt vào U3

bc đủ để khởi động.

2- Ngắn mạch hai pha

Điều kiện làm việc của các rơle trong trường hợp này không giống nhau Ví dụ,

NM hai pha BC rơle pha A không làm việc vì Ia(2) = 0

Bằng đồ thị vectơ, ta sẽ khảo sát cách làm việc của rơle pha B và rơle pha C Lưu ý trong trường hợp này, N2 góc N2 là góc giữa áp dây và dòng pha

Trên hình 4.9a là đồ thị vectơ làm việc của rơle pha B và hình 4.9b là đồ thị

vectơ làm việc của rơle pha C Ta nhận thấy, nếu α = 45° thì vectơ I R nằm trong vùng

tác động chắc chắn ở bất kỳ giá trị nào của 0 ≤ N2 ≤ 90°

3- Ngắn mạch một pha chạm đất trong mạng có trung tính với đất trực tiếp

Giả thiết NM xảy ra ở pha A, khảo sát cách làm việc của rơle pha A nối vào dòng điện pha hư hỏng Trong trường hợp này, rơle pha A làm việc giống như trong trường hợp NM ba pha đối xứng Còn rơle pha B và pha C không làm việc Từ những trường hợp đã phân tích trên đây, có thể rút ra những kết luận đối với sơ đồ 90°

- Sơ đồ có thể làm việc tốt trong các trường hợp có sự cố cơ bản nếu như 30° < –n hmax < 60° Góc tối ưu nhất là a = –nhạy = 45°.

-Vùng chết chỉ có thể xảy ra trong trường hợp NM ba pha trực tiếp gần chỗ đặt BV UR  0

- Khi NM hai pha và một pha, do tác dụng của dòng điện phụ tải và dòng sự cố, các rơle nối tiếp vào dòng điện pha không sự cố có thể tác động nhầm

Khi NM (không đối xứng) sau MBA nối Y/ hay /Y do lệch pha giữa BI và BU có thể

làm bộ phận định hướng công suất tác động sai

III BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN CÓ HƯỚNG BA CẤP

1 Bảo vệ dòng điện có hướng cấp I.

Bảo vệ có hướng cấp I là BV cắt nhanh, thông thường kèm thêm bộ phận định

hướng công suất Quan sát hình 4.10a, dòng khởi động

của BV cắt nhanh, thông

thường đối với đường dây

được cung cấp từ hai phía,

cần được chọn lớn hơn dòng

lớn nhất đi qua BV đang xét

khi NM tại thanh góp các

trạm đối diện với nguồn

(mục hai phần 3.3) Dòng

khởi động chọn như vậy

nhiều khi quá lớn và BV

không đủ độ nhạy

Rơle định hướng công suất trong BV

cắt nhanh có hướng không cho phép tác động khi công suất NM hướng tới thanh góp Vì vậy, dòng khởi động của BV này chỉ cần chọn lớn hơn dòng NM đi từ thanh góp của trạm đó, đây là điểm khác nhau cơ bản giữa BV cắt nhanh có hướng và thông thường Dòng khởi động của BV cắt nhanh có hướng nhỏ hơn Vì vậy, vùng tác động của nó lớn hơn nhiều so với BV cắt nhanh thông thường

Dòng khởi động được chọn I kđ = k at I Nngmax

với I Nngmax là dòng NM cực đại đi từ thanh góp trạm đang xét

Ví dụ, đối với BV1 và 2 ở hình 4.10: I I

kđ1 = k at I Nbmax ; I I

kđ2 = k at I NAmax Khi có dao động dòng không cân bằng, I kcb có thể lớn hơn dòng NM ngoài cực đại.

Những trường hợp này không cho phép BV làm việc Phân tử định hướng công suất có thể tác động sai khi dao động Do đó dòng khởi động cấp I kèm theo điều

kiện: I I

kđ = k at I kcbmax.

2 Bảo vệ dòng điện có hướng cấp II.

Bảo vệ dòng điện có hướng cấp II là BV cắt nhanh có hướng Việc chọn thời

gian tII và dòng khởi động III

kđ được tính tương tự như trong trường hợp cấp II

không có hướng nhưng để ý đến hệ số phân dòng k pd

Hình 4.10

kđ1

Ii

I

Ikđ2

I N

~

D C

B 2

1

A

~

Hình 4.11 Chọn dòng khởi động cấp II có rẽ nhánh Hình 4.12 Chọn dòng khởi động cấp II khi tại

trạm B có nguồn

Trường hợp tại trạm B có rẽ nhánh (H.4.11), dòng khởi động cấp II đặt tại trạm A được chọn

Trường hợp tại trạm B có nguồn (H.4.12), dòng khởi động cấp II đặt tại trạm A được chọn

3 Bảo vệ dòng điện có hướng cấp III

Bảo vệ dòng điện có hướng cấp III là BV dòng điện cực đại có hướng Dòng khởi động

của BV cần được chọn theo các điều kiện sau:

- Bảo vệ phải trở về sau khi NM ngoài được loại trừ

Để tăng độ nhạy của BV, có thể không cần xét đến phụ tải cực đại với hướng

IIIkđ1 IIkđ1

N T

I NB

INT

INA

~

~

4

1

~

~

C

4

~

B A

C

I NB

I NA

1

B A

từ đường dây vào thanh góp, vì lúc đó phần tử công suất không tác động.

- Dòng khởi động của BV phải lớn hơn dòng điện các pha không hư hỏng 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

hư hỏng này đôi khi có giá trị rất lớn, có thể làm cho BV có hướng tác động nhầm Vì thế, dòng khởi động của BV cần phải chọn lọc lớn hơn giá trị cực đại của dòng điện các

pha không hư hỏng I kđ = k at I kh

với: I k = I pt ¸ kI N ; I N - là một phần dòng NM

k at = 1,15 ¸ 1,3 - tùy thuộc vào độ chính xác khi đánh giá lượng I kh

Đối với mạng có dòng chạm đất nhỏ (I kh = I pt) và mạng có trung tính trực tiếp nối đất, nhưng BV được khóa khi có NM chạm đất, thì dòng khởi động của BV chỉ cần chọn theo điều kiện đầu Để BV chống chạm đất người ta dùng những BV có hướng thứ

tự không đặc biệt

- Phải phối hợp độ nhạy với các BV lân cận Ngoài hai điều kiện nêu trên, đối với mạng vòng có một nguồn cung cấp còn phải thực hiện phối hợp các BV tác động theo cùng một hướng Điều kiện để thực hiện sự phối hợp đó như sau (H.4.1b)

Cần đảm bảo cho dòng khởi động của các BV kề nhau theo cùng một hướng phải khác nhau ít nhất 10% Điều kiện nêu trên có thể được giải thích như sau

Trong mạng vòng có một nguồn cung cấp (H.4.1b) quan sát giữa các dòng INI và III

N

ngược với quan hệ tổng trở của các nhánh tướng ứng:

Như vậy, khi NM gần nguồn (điểm N2), ZI

Nnhỏ hơn so với ZII , do đó INII nhỏ hơn

INI Nếu INI nhỏ đến mức gần bằng I kđ2, thì khi đó BV1 sẽ tác động trước (mặc dầu t1 > t2) máy cắt đặt ở phía đầu nguồn của đường dây sự cố Chỉ sau khi đó dòng tăng vọt lên

và BV2 mới tác động cắt máy cắt đầu kia của đường dây sự cố Hiện tượng tác động chờ và nối tiếp nhau như vậy gọi là hiện tượng khởi động không đồng thời Khi NM xảy ra ở biên giới của vùng này, INI = I kđ2 và nếu không thực hiện phối hợp theo (4.3) (ví

dụ ta có I kđ4 > I kđ2) thì BV4 sẽ tác động vượt cấp, và kết quả là đường dây AB và BC bị mất điện.

Thời gian tác động của BV cấp III chọn

theo nguyên tắc bậc thang Theo hướng tác

động có thể chia BV thành hai nhóm

(H4.13)

-Các BV1, 3, 5, 7 tác động khi hướng công suất NM theo chiều mũi tên từ trái sang phải

-Các BV0, 2, 4, 6 tác động khi hương công suất NM theo chiều ngược lại

Theo yêu cầu tác động chọn lọc, thời gian tác động của các BV trong cùng nhóm

cần thỏa mãn: t7 < t5 < t3 < t1; to < t2 < t4 < t6

Nguyên tắc này gọi là nguyên tắc bậc thang ngược chiều nhau

Cần lưu ý, BV đang xét không những cần phối hợp về thời gian với các BV đặt trên đường trục của mạng mà còn cả với các BV của các phần tử đi ra từ thanh góp trạm

đối diện (ví dụ t7 và t o)

Xét đặc tuyến thời gian hình 4.13 ta thấy, không nhất thiết tất cả các BV đều cần

bộ phận định hướng công suất Ví dụ, theo hình vẽ ta có t3 > t2, do đó BV3 không cần

bộ phận định hướng công suất mà vẫn không tác động sai Quy tắc chung để xét vấn

đề này như sau: bộ phận định hướng công suất cần đặt cho BV nào mà khi hướng công suất NM từ đường dây đến thanh góp BV đó có thể tác động sai Để xét xem BV nào cần đặt bộ phận định hướng công suất, trước tiên phải chọn thời gian tác động của BV theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều nhau

IV MỘT SỐ LĨNH VỰC VÀ LƯU Ý KHI ÁP DỤNG BỘ PHẬN

ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT CHO BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN

1 Hai đường song song.

Khi dùng rơle dòng điện BV hai đường song song, cần thiết phải đặt bộ phận định hướng công suất ở tất cả các vị trí máy cắt như hình 4.14

2 Đường dây có hai nguồn cung cấp từ hai phía.

Việc quyết định chọn bộ phận định hướng thường được xác định bằng tỷ số dòng điện chạy qua rơle ở hai đầu đường dây Từ hình 4.15, theo yêu cầu thực tế, cần bộ phận định hướng công suất (ĐHCS) đặt ở vị trí 1, nếu bất kỳ dòng tải và dòng NM tại N1,

N2, N3 thỏa:

I N1max ³ 0,25 I N2min ; I N1max ³ 0,25 I N3min ; I lvmax ngược ³ 0,25 I lvmax thuận

với IN1, IN2, IN3, Ilvmax ngược, Ilvmax thuận là dòng điện NM tại N1, N2, N3 và dòng điện tải

ra và vào thanh cái A

Dòng NM tại N1 chạy ngược từ đường dây vào thanh cái A trong khi dòng NM tại N2, N3 chạy từ thanh cái ra đường dây Nếu dòng NM hay dòng tải chạy về phía trái và vượt quá dòng khởi động rơle dòng điện thì cần