Bài giảng Bảo vệ hệ thống điện

Khi hệ thống dòng điện các pha IA, IB, IC không đối xứng, sẽ xuất hiện thành phần từ thông thứ tự nghịch Φ2 quét qua rotor với tốc độ tương đối là ω2=2ωđb  dòng cảm ứng trong rotor sẽ r

CHƯƠNG 1: CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG

HỆ THỐNG BẢO VỆ

CHƯƠNG 3: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN

thường của máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu

III Bảo vệ các hệ thống thanh góp ở nhà máy điện và 96

trạm biến áp

sử dụng bảo vệ của các phần tử nối với thanh góp để

bảo vệ thanh góp

IV Bảo vệ các đường dây truyền tải và phân phối điện 103

3 Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator 112

BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN

PHẦN MỞ ĐẦU: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

I Khái niệm chung

Hệ thống điện (HTĐ) trong quá trình vận hành thường xuất hiện các sự cố và các chế độ không bình thường

nhiều lần dòng điện làm việc bình thường, gây ra các tác động xấu tới HTĐ

Nhiệt lượng này sinh ra đốt nóng các phần tử và có khả năng gây cháy, nổ, làm hư hỏng các phần tử, các thiết bị trong HTĐ

+ Tác động cơ học:

Lực điện động sinh ra tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện ngắn mạch, có thể gây hỏng hóc các cơ cấu cơ khí như sứ đỡ, ổ trục máy điện, cuộn dây máy biến áp

- U N giảm xuống:

Ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị tiêu thụ điện, không đảm các thông số làm việc bình thường, nhất là các loại phụ tải đặc biệt, có yêu cầu chất lượng điện áp cao

Nếu điện áp giảm xuống rất thấp trong 1 thời gian dài có thể dẫn tới mất ổn định và tan rã HTĐ

I.2 Các chế độ làm việc không bình thường:

1 Quá tải:

a Quá tải đối xứng:

Là chế độ mà dòng điện tải giữa 3 pha tăng đều nhau và vượt quá giới hạn cho phép đối với các thiết bị, làm già cỗi cách điện, giảm tuổi thọ của thiết bị

b Quá tải không đối xứng:

Thường do phụ tải giữa các pha không đều nhau, hoặc do đứt 1 pha dòng điện Loại quá tải này thường ảnh hưởng tới các loại thiết bị quay như động cơ điện, máy phát điện

đối là ω2=2ωđb  dòng cảm ứng trong rotor sẽ rất lớn, gây phát nóng cuộn dây rotor

2 Biến động tần số:

Tần số được xác định bởi sự cần bằng công suất tác dụng trong HTĐ Tần số là một thông số có tính chất toàn cục, nghĩa là tần số tại mọi điểm trong HTĐ là như nhau Sự mất cân bằng công suất tác dụng trong HTĐ sẽ dẫn tới sự thay đổi tần số

4 Biến động điện áp:

Điện áp được xác định bởi sự cân bằng công suất phản kháng tại các nút trong HTĐ Điện áp là một thông số có tính chất địa phương, cục

bộ Sự mất cân bằng công suất phản kháng dẫn tới thay đổi điện áp

Khi tần số và điện áp thay đổi quá giới hạn cho phép trong thời gian dài có thể dẫn tới mất ổn định và tan rã HTĐ

I.3 Mục đích của môn học:

- Hiểu biết về những hư hỏng và hiện tượng không bình thường có thể xảy ra trong HTĐ

- Hiểu biết về những nguyên lý, cũng như các thiết bị bảo vệ nhằm phát hiện đúng và nhanh chóng cách ly phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống

II Cấu trúc của hệ thống bảo vệ

Rơle thường được nối với hệ thống điện thông qua các máy biến dòng điện (BI) và máy biến điện áp (BU) Các máy biến áp đo lường này làm nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía hệ thống và giảm biên độ dòng điện và điện áp xuống những giá trị chuẩn ở phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng các thiết bị bảo vệ, đo lường

và điều khiển

Tín hiệu dòng và áp đưa vào rơle sẽ được so sánh với ngưỡng tác động và nếu vượt quá ngưỡng tác động, rơle sẽ tác động tức thời hoặc sau

1 khoảng thời gian, gửi tín hiệu đi cắt máy cắt điện của phần tử được bảo

vệ Dưới đây là cấu trúc tổng thể của 1 hệ thống bảo vệ:

+ -

N

RL

Máy cắt điện BI

BU

CC

K

Tải ba

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ

MC : Máy cắt điện

Khi có ngắn mạch, UN giảm xuống, IN tăng lên  rơle tác động, khép tiếp điểm, cung cấp dòng điện cho cuộn cắt của máy cắt, máy cắt cắt phần tử bị sự cố ra khỏi HTĐ

Chức năng của các khâu chính:

2 Rơle:

Phần tử chính trong sơ đồ hệ thống bảo vệ, thực hiện chức năng phát hiện và tác động để cách ly phần tử hư hỏng, không bình thường ra khỏi HTĐ Chất lượng của Rơle quyết định chất lượng của hệ thống bảo

vệ

3 Máy cắt:

Nhận tín hiệu điều khiển từ rơle và thực hiện chức năng đóng cắt mạch điện

4 Nguồn điện thao tác:

Cung cấp năng lượng cho các mạch điều khiển, các thiết bị biến đổi, đo lường, thông tin

5 Các thiết bị phụ trợ gồm:

Những rơle phụ trợ, rơle trung gian

Các thiết bị cảnh báo

6 Các thiết bị thông tin:

Các thiết bị liên lạc, kiểm tra

Trong một số trường hợp, để tăng cường độ tin cậy, có thể đặt thêm một bộ bảo vệ thứ hai với tính năng tương đương, nhưng hoạt động theo một nguyên lý khác hoặc do một nhà sản xuất khác chế tạo

+

+

Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng để

III Các yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ

Phân biệt 2 loại chọn lọc:

+) Chọn lọc tuyệt đối: chỉ tác động khi có hư hỏng trên đúng phần

tử được bảo vệ Chọn lọc tuyệt đối sẽ không có chức năng bảo vệ đối với các phần tử lân cận

+) Chọn lọc tương đối: ngoài chức năng bảo vệ chính cho đối tượng bảo vệ, còn có thể thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho các phần tử lân cận

3 Độ tin cậy:

Là khả năng của hệ thống bảo vệ làm việc đúng và chắc chắn Phân biệt :

+) Độ tin cậy tác động : khả năng bảo vệ chắc chắn tác động khi sự

có xảy ra trên đối tượng được bảo vệ

+) Độ tin cậy khi tác động : khả năng bảo vệ chắc chắn không tác động khi sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ

Để tăng độ tin cậy đối với hệ thống bảo vệ thì cần phải tăng số lượng bảo vệ sự phòng

4 Độ nhạy:

Là khả năng của hệ thống bảo vệ cảm nhận chế độ sự cố so với chế

độ bình thường Độ nhạy được đặc trưng bởi hệ số nhạy

VD :độ nhạy của bảo vệ quá dòng điện

Nmin n kd

I

K = I

Trong đó :

Yêu cầu về độ nhạy :

5 Tính kinh tế:

Các thiết bị bảo vệ trong HTĐ được thiết kế không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường Hệ thống bảo vệ luôn luôn ở trạng thái sẵn sàng, chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra bất cứ khi nào

Đối với lưới điện cao áp, siêu cao áp, chi phí cho các thiết bị bảo

vệ thường chỉ chiếm vài phần trăm giá trị của công trình nên ta không xét đến yêu cầu kinh tế và 4 yêu cầu kỹ thuật trên đóng vai trò quyết định,

Đối với các lưới điện trung và hạ áp, do số lượng phần tử cần được bảo vệ nhiều và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao như trong lưới cao, siêu cao áp nên cần phải cân nhắc đến tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu về mặt kỹ thuật với chi phí thấp nhất

Tuy nhiên, trong thực tế nhiều khi các yêu cầu trên là mâu thuẫn nhau Ví dụ như muốn có được tính chọn lọc và độ tin cậy cao thì phải sử dụng nhiều bảo vệ phức tạp, dẫn đến tăng chi phí cho thiết bị bảo vệ Vì vậy, cần phải tính toán dung hòa giữa các yêu cầu trên trong việc lựa chọn thiết bị bảo vệ, điểu khiển và tự động hóa trong hệ thống điện

CHƯƠNG 1 : CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG

HỆ THỐNG BẢO VỆ

I Máy biến dòng điện (BI)

1 Khái niệm chung :

Dòng điện và điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường

có trị số rất lớn, không thể trực tiếp đưa vào các dụng cụ đo lường, rơle

và các thiết bị tự động, điều khiển khác Vì vậy, các dụng cụ này thường được đấu nối với máy biến dòng điện và máy biến điện áp

2 Cấu tạo :

Máy biến dòng điện có cấu tạo tương tự như máy điện áp thông thường, gồm cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp, và lõi thép

xác định theo dòng điện làm việc của các phần từ trong mạng điện Khi làm việc lâu dài, các BI được phép quá tải 20% dòng điện danh định

có 1 hoặc nhiều cuộn thứ cấp để làm nhiều mục đích khác nhau Các dụng cụ đo được mắc nối tiếp với cuộn thứ cấp Dòng điện tiêu chuẩn của cuộn thứ cấp là 1A và 5A

I

T

I

Hình 1.1

Quy ước về cực tính :

Cực đầu : S1 (cuộn sơ cấp), T1 (cuộn thứ cấp)

Cực cuối : S2 (cuộn sơ cấp), T2 (cuộn thứ cấp)

T1

Đôi khi để cho tiện lợi, người ta đánh dấu cực đầu của các cuộn bằng các kí hiệu đặc trưng riêng :

I

T

- tỷ số biến dòng của máy biến dòng điện

4 Các thông số của máy biến dòng điện:

b Bội số của dòng điện sơ cấp :

gây nên sai số của BI

SddBI

I m=

I

Trong đó :

ISdđBI : dòng điện danh định sơ cấp của BI

ISmaxcp : dòng điện sơ cấp max cho phép

c Sai số của máy biến dòng điện :

Do có dòng điện từ hóa chạy trong mạch từ của máy biến dòng mà dòng điện phía sơ cấp sẽ có sự sai lệch so với dòng điện phía thứ cấp

.

S T S

S I

Tlt

I

i f

S I

Ttt I

S I T

I

n = =const I

lý tưởng

thực tế

Hình 1.3: Đồ thị sai số của máy biến dòng điện

Người ta phân biệt sai số của máy biến dòng điện thành các dạng sai số sau :

c.1 Sai số về biên độ (trị số dòng điện) :

S

trục của dòng điện thứ cấp IT (Iμa)

S I T i

Bằng góc lệch pha giữa các vector dòng điện sơ cấp và thứ cấp Sai

trục của dòng điện thứ cấp IT

T

i S

θ =( I ' , I )

c.3 Sai số phức hợp :

Sai số phức hợp của máy biến dòng được định nghĩa như trị số hiệu dụng của dòng điện thứ cấp lý tưởng với dòng điện thứ cấp thực tế, bao gồm cả sai số về trị số lẫn góc pha, có xét đến ảnh hưởng của các hài bậc cao trong dòng điện từ hóa

T

E



μ

I

T

I

T

U

S

I

μa

d Giới hạn sai số của máy biến dòng điện :

*) Yêu cầu về độ chính xác của máy biến dòng dùng cho mục đích đo lường:

Với các máy biến dòng dùng cho đo lường có cấp chính xác từ 0,1

bảng dưới đây :

Cấp

chính xác

1

1 (n i -i )dt T

I



Các trị số cho trong bảng trên ứng với điều kiện tần số danh định

và phụ tải thứ cấp của máy biến dòng điện thay đổi trong khoảng 25%÷100% phụ tải định mức

Với các máy biến dòng có cấp chính xác 3 và 5, sai số cho phép về trị số dòng điện cho trong bảng dưới đây:

Các trị số cho trong bảng trên ứng với điều kiện tần số danh định

và phụ tải thứ cấp của máy biến dòng điện thay đổi trong khoảng 50%÷100% phụ tải định mức Với máy biến dòng điện có cấp chính xác 3

*) Yêu cầu về độ chính xác của máy biến dòng dùng cho mục đích bảo

vệ rơle:

Các thiết bị bảo vệ phải làm việc trong điều kiện sự cố với dòng điện sơ cấp vượt quá nhiều so với dòng điện danh định, 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 cho phép được gọi là dòng điện giới hạn theo độ chính xác Tỷ số giữa dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng định mức sơ cấp của

BI được gọi là hệ số giới hạn theo độ chính xác

Với các máy biến dòng dùng cho mục đích bảo vệ có cấp chính xác

là 5P và 10P, sai số cho phép về trị số và góc pha được cho trong bảng dưới đây:

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

Các trị số cho trong bảng trên ứng với điều kiện phụ tải thứ cấp của

BI bằng 100% phụ tải danh định, hệ số giới hạn tiêu chuẩn theo độ chính xác bằng 5,10,15,20 và 30

*) Kí hiệu về cấp chính xác của máy biến dòng điện:

Thông số của BI dùng cho mục đích đo lường được kí hiệu theo phụ tải danh định và cấp chính xác VD: 15VA, cấp 0.5

Thông số của BI dùng cho mục đích bảo vệ rơle được kí hiệu theo phụ tải danh định, cấp chính xác và hệ số giới hạn theo độ chính xác VD: 10VA cấp 10P15, nghĩa là BI có cấp chính xác là 10P và hệ số giới hạn theo độ chính xác là 15

5 Phụ tải của máy biến dòng điện:

1 T

2 T

dây nốiHình 1.4: Phụ tải của máy biến dòng điện Phụ tải của máy biến dòng điện được mắc nối tiếp vào cuộn thứ

I

T

U

T

U

Z

*) Mắc song song 2 máy biến dòng điện:

*

*

T

I

T

I

T

2I

Z

Do WT>>WS nên '

S

Z >>ZS, ZT  trên sơ đồ thay thế, tổng trở trong của BI lớn hơn nhiều so với tổng trở mạch thứ cấp (phụ tải) nên BI được coi như nguồn dòng điện

Khi Ztải thay đổi trong phạm vi nhất định, có thể coi như IT=const Khi hở mạch phía thứ cấp:

Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp BI:

T

dΦ

ε = dt

có trị số xung rất lớn (hàng chục kV), nguy hiểm cho người và thiết bị phía thứ cấp  chế độ hở mạch thứ cấp của BI đang mang tải là chế độ rất nguy hiểm Thông thường, phải tìm cách nối tắt phía thứ cấp khi kiểm tra hoặc thay thế các thiết bị thứ cấp

Chế dộ ngắn mạch phía thứ cấp (Z=0) được coi là chế độ làm việc bình thường của BI

*) Các phương pháp lọc dòng điện thứ tự không:

a Cộng dòng điện các pha phía thứ cấp (Sơ đồ 3 BI):

A

I

B

I

C

I

a

I

b

I

c

I =I +I +I = (I +I +I )=

b Đặt BI trên dây trung tính (Sơ đồ 1 BI):

Io

A

I

B

I

C

I

A B

C

A

I

TT

I

c Cộng từ thông do các dòng điện pha gây nên:

A

I

B

I

C

I

B

I

C

Dây nối đất đầu cáp phải luồn qua lõi thép để đảm bảo I0> làm việc đúng khi có sự cố chạm đất trong lưới điện

khi có sự cố chạm đất trong lưới điện

Nếu dây nối đất luồn bên ngoài lõi thép, khi có sự cố chạm đất

chủ yếu chạy trong vỏ cáp, gây nên từ thông Φ0, làm cho I0> tác động sai

7 Các loại máy biến dòng điện đặc biệt:

a Máy biến dòng điện cấp X:

Đối với bảo vệ chống chạm đất và nhiều loại bảo vệ khác, người ta thường quan tâm tới quan hệ giữa sức điện động chạy trong cuộn thứ cấp

trưng trên đường cong từ hóa Từ điểm đó, nếu muốn tăng sức từ động thứ cấp của máy biến dòng lên 10% thì phải tăng dòng điện từ hóa lên 50%

Máy biến dòng được thiết kế và chế tạo với đặc tính từ hóa có điểm gập thỏa mãn điều kiện trên được gọi là máy biến dòng cấp X

T E

μ

I

TG 0,1E

μG

I

TG E

μG

0,5I G

Hình 1.4: Điểm gập trên đường cong từ hóa của máy biến dòng

b Các máy biến dòng kiểu mới: (tham khảo SGK)

II Máy biến điện áp

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Máy biến điện áp làm nhiệm vụ biến đổi điện áp phía cơ cấp có điện áp cao xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn và cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp Điện áp tiêu chuẩn phía thứ cấp của máy biến điện áp là 100V và 110V

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến điện áp cũng giống như các máy biến áp lực thông thường, chỉ khác ở chỗ là được thiết kế sao cho đảm bảo được độ chính xác cần thiết khi phụ tải thức cấp của BU

có thể thay đổi trong giới hạn rộng

' S

' μ

Z

T

I

' SI'

S

Sơ đồ thay thế của máy biến điện áp

2 Các thông số chính của máy biến điện áp:

tham số đặc trưng riêng của nó như sau:

a Tỷ số biến áp:

a.1 Đối với máy biến áp 1 pha:

Sdd U Tdd

U

n = U

Trong đó:

a.2 Đối với máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây:

pS U pT

U

n = U

Trong đó:

*) Lưới có trung điểm nối đất trực tiếp (U S ≥110kV):

Smax Umax

S

n U -U

U

Người ta thường dùng biện pháp thay đổi số vòng dây để điều chỉnh sai

số của BU sao cho sai số là dương ở phụ tải thấp và âm ở phụ tải cao

Trong tính toán, đôi khi người ta còn dùng khái niệm về sai số

.

2 1 U

1

n U - U

Δ U = =Δ U +jδ U

U

Máy biến điện áp được phân loại theo cấp chính xác, BU dùng cho

đo lường và BU dùng cho bảo vệ

c Yêu cầu về độ chính xác của máy biến điện áp:

*) Giới hạn sai số của máy biến điện áp đo lường:

trong khoảng 0,8÷1,2Udđ; phụ tải thay đổi trong khoảng 0,25÷1Sptdđ và cosφ=0,8

*) Giới hạn sai số của máy biến điện áp dùng cho bảo vệ:

mạng có trung tính nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở có trị số bé, và

d Phụ tải của máy biến điện áp:

Phụ tải của máy biến điện áp được mắc song song với cuộn thứ cấp

và được xác định bằng công suất của các thiết bị mắc vào cuộn thứ cấp

3 Chế độ làm việc của máy biến điện áp:

lớn, có thể gây cháy BU  mạch thứ cấp của BU phải được đặt cầu chì hoặc aptomat để bảo vệ chống ngắn mạch

Chế độ không tải là chế độ làm việc lý tưởng của BU

Ở chế độ làm việc bình thường (đối xứng) :

AU BU CU

aU bU cU

m

n

o3U

Điện áp của cuộn tam giác hở:

b Đặt BU ở trung tính của lưới điện:

A

U

C

U

B

U

S

U

.

T 0

5 Các loại máy biến điện áp đặc biệt:

a Máy biến điện áp kiểu tụ phân áp:

Các máy biến điện áp cảm ứng có kích thước tỉ lệ với điện áp sơ cấp Khi US tăng thì WS càng lớn, cách điện càng nặng nề dẫn tới tăng kích thước và chi phí sản xuất

Để giảm kích thước và giá thành của BU, người ta còn sử dụng các

U

2

U

T

U

Hình 1.8: Máy biến điện áp kiểu tụ phân áp

bé, nên có thể khắc phục được nhược điểm này

b Máy biến điện áp kiểu mới: (tham khảo SGK)

A

I

B

I

C

I

a

I

c

I

R1

U

R2

U

X

U

mn

Um

n

Hình 1.9: Sơ đồ mạch lọc dòng điện thứ tự nghịch

Sơ đồ gồm 2 điện trở R1, R2 và điện kháng X2 mắc nối tiếp với R2 Dòng điện chạy qua R1 là ITA, dòng điện chạy qua R2 và X2 là ITC Các dòng điện này gây ra các sụt áp là UR1, UR2 và UX2

I

B

I

I

X U

R2

U

XR2 U

mn

R1 U

Trong chế độ làm việc không đối xứng, xuất hiện thành phần dòng điện thứ tự nghịch I2 và điện áp Umn lúc đó có trị số lớn

A I

B I

C I

X U

R2 U

XR2 U

mn U

R1 U

Hình 1.11: Đồ thị vector đối với thành phần thứ tự nghịch

2 Bộ lọc điện áp thứ tự nghịch:

Khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng ở xa nơi đặt bảo vệ, bảo vệ quá dòng điện có khóa điện áp thấp có thể không đủ độ nhạy về điện áp Khi đó, có thể sử dụng rơle điện áp cực đại phản ứng theo thành phần điện áp thứ tự nghịch

m

n

mn U

B

U

C

Trong chế độ làm việc bình thường (đối xứng) điện áp đầu ra của

bộ lọc Umn=0

AB

mB

U

Bn

U

BC

U

CA

U

Am

U 0

Hình 1.13: Đồ thị vector đối với thành phần thứ tự thuận

Trong chế độ làm việc không đối xứng, xuất hiện thành phần điện

U = 3.U

BC U

mB

U

Bn

U

AB

U

CA

U

Am

U

nC

Hình 1.14: Đồ thị vector đối với thành phần thứ tự nghịch

K , ' 0

I

C

I

V

K

2

K

0

K

Bộ lọc tổng hợp dòng điện

AU BU CU

' 1K

' 2K

' 0K

mnU

A B C

m

n

Bộ lọc tổng hợp điện áp

IV Rơle

Rơle là 1 thiết bị hoặc 1 hệ thống thiết bị tự động để phát hiện và

xử lý kịp thời các chế độ sự cố không bình thường trong HTĐ nhằm cách

ly nhanh chóng phần tử bị hư hỏng khỏi HTĐ, nhằm đảm bảo sự làm việc bình thường của các phần tử khác trong HTĐ

Rơle nhận một (X) hay một số (X1, X2,…Xn) tín hiệu đầu vào, thường là những tín hiệu tương tự, biến đổi và so sánh những tín hiệu này với ngưỡng tác động để cho tín hiệu đầu ra (Y) với 2 trạng thái đối lập: có xung (trạng thái 1) và không có xung (trạng thái 2)

Rơle là phần tử quan trọng nhất trong sơ đồ hệ thống bảo vệ Rơle quyết định tính năng của hệ thống bảo vệ

+ Rơle làm nhiệm vụ đo lường

+ Rơle trung gian

+ Rơle thời gian

+ Rơle tín hiệu

- Theo nguyên lý chế tạo:

+ Rơle điện cơ

+ Rơle điện tử tương tự (rơle không tiếp điểm)

+ Rơle số

a Rơle đơn giản:

Là rơle làm việc với 1 đại lượng đầu vào (dòng điện, điện áp, tần số…)

Y=1;0

Hình 1.15 Tín hiệu đầu vào X: biểu thị các đại lượng tương tự (dòng điện, điện áp, tần số v.v…)

Tín hiệu đầu ra Y: tín hiệu logic

+ Y=0: Rơle chưa tác động

+ Y=1: Rơle tác động

a.1 Rơle cực đại:

Là loại rơle sẽ tác động khi đại lượng đầu vào tăng quá một giá trị ngưỡng

VD: Rơle dòng điện cực đại

Y F

X Y

kdX

X

K =

X <1

Đối với rơle cơ thì KV=0,85; rơle số thì KV≈1

a.2 Rơle cực tiểu:

Là loại rơle sẽ tác động khi tín hiệu đầu vào giảm xuống thấp hơn một giá trị ngưỡng

VD: rơle dòng điện cực tiểu

Y=0

X Y

tv

XkdX

Hình 1.18: Đặc tính vào – ra của rơle cực tiểu

Đối với rơle cơ thì KV=1,5; rơle số thì KV≈1

b Rơle phức tạp:

Là rơle có nhiều đại lượng đầu vào (dòng điện, điệp áp…)

VD: rơle so lệch, rơle công suất, rơle khoảng cách

Hoạt động theo các quan hệ logic giữa các tín hiệu vào

VD: Hệ thống 3 pha đặt các thiết bị bảo vệ cho các pha khác nhau:

Ra Rb Rc

+

RLA

RLB RLC

U

I> U<

Cắt máy cắt

Khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây, dòng điện tăng cao còn điện

áp giảm thấp, 2 sự kiện này xảy ra đồng thời thì rơle sẽ tác động

b.3 Logic “phủ định”:

Thường áp dụng cho các khâu có 1 đầu vào, 1 đầu ra

Y=X

Tín hiệu đầu ra chỉ tồn tại khi không có tín hiệu đầu vào

Trong rất nhiều mạch khóa, thường dùng logic “phủ định” kết hợp

với logic “hoặc”, “và”

- Bằng chữ : IEC (International Electrotechnical Council)

- Bằng số: ANSI (American National Standard Institution)

3 Công nghệ chế tạo rơle qua các thời kỳ:

Gồm 3 giai đoạn phát triển:

a Công nghệ điện cơ (rơle cơ):

Tồn tại đến những năm 60 của thế kỷ 20 Các rơle điện cơ là các rơle đơn chức năng

+ Kết cấu về cơ phức tạp, gồm cuộn dây, lõi thép, lò xo, tiếp điểm

giảm độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị

+ Công suất tiêu thụ lớn (~10VA/1 Rơle)

b Công nghệ điện tử tương tự (rơle tĩnh, rơle không tiếp điểm):

Tồn tại trong khoảng từ năm 60÷70 thực chất là công nghệ bán dẫn

Ưu điểm:

+ Khắc phục được nhược điểm về tiếp điểm của rơle cơ

Nhược điểm:

+ Rơle đơn chức năng

+ Công suất tiêu thụ vẫn lớn (~1VA/1 Rơle)

+ Thời gian tác động vẫn còn chậm

+ Trạng thái tiếp điểm không rõ ràng

c Công nghệ kỹ thuật số (rơle số):

Bắt đầu xuất hiện từ những năm 70 cho đến nay 80-85% các loại rơle mới được chế tạo là rơle số

Rơle số là loại rơle phức tạp, nhiều đại lượng đầu vào, thực hiện nhiều chức năng, được chế tạo hợp bộ để bảo vệ từng đối tượng cụ thể của HTĐ như máy phát điện, máy biến áp, đường dây, thanh góp v.v…

Rơle số có nhiều ưu điểm nổi bật so với các thế hệ rơle trước đây:

- Phương pháp xử lý tín hiệu số: nhanh, chính xác, thuận tiện

- Đa chức năng:

+ Chức năng bảo vệ

VD: Hợp bộ bảo vệ đường dây tải điện

Bảo vệ khoảng cáh (BV chính): 21 Bảo vệ quá dòng điện: 51, 51N, 50, 50N Bảo vệ điện áp: 27, 59

Bảo vệ tần số: 81 + Chức năng đo lường: I, U, f, P, Q, cosφ

+ Chức năng tự động:

Tự động đóng lại Liên động với các thiết bị khác

Định vị điểm sự cố (Fault Locator) Ghi chép và lưu giữ số liệu (Fault Recorder) + Tự động kiểm tra và cảnh báo: phần cứng, phần mềm

- Công suất tiêu thụ/chức năng rất bé (10VA/chức năng với rơle cơ; 1VA/chức năng với rơle tĩnh; 0.1VA/chức năng với rơle số)

- Độ chính xác, độ tin cậy rất cao

- Đặc tính đa dạng, giới hạn điều chỉnh rộng

- Kích thước, module được quy chuẩn, dễ lắp đặt và kết nối

~10V

A D

Hình : Cấu trúc của rơle số

Khối 1: Các bộ biến đổi đầu vào, biến đổi dòng điện, điện áp vào thích

ứng với thông số của các linh kiện bên trong rơle

I=1;5A  giảm xuống còn mA

U=100;110V  giảm xuống còn cỡ chục V

Khối 2: Bộ lọc tương tự RC, lọc nhiễu và hài bậc cao trong giá trị quá độ

của đại lượng đầu vào

Khối 3: Bộ chuyển đổi tương tự - số: chuyển tín hiệu tương tự (liên tục,

hình sin) thành tín hiệu số (rời rạc)

Khối 4: Bộ xử lý tín hiệu số (μP, μC)

- Lọc tín hiệu số

- Xác định trị số của đại lượng đầu vào (dòng điện, điện áp, tổng trở, công suất, tần số…)

- Thực hiện các phép logic, dưa ra quyết định tác động cắt, cảnh

báo, khóa, liên động…

 μP, μC là khâu quan trọng nhất (phân biệt giữa các loại rơle khác

nhau)

Khối 5: Khâu nhớ (nhiều loại), (RAM, ROM, EPROM, EEPROM), nhớ

và bảo toàn dữ liệu, cài đặt (hoặc thay đổi) thông số của rơle

Bàn phím vào dữ liệu, cài đặt (hoặc thay đổi) thông số của rơle

Các cổng giao tiếp (với PC, với trung tâm điều độ)

Khối 6: Bộ phận thực hiện đầu ra

Đèn tín hiệu: thông báo các trạng thái (phần cứng, phần mềm) bằng các LED tương ứng

Rơle cảnh báo  thiết bị cảnh bảo (âm thanh, chuông, còi, ánh

sáng)

Rơle tác động cắt: để điều khiển cắt các MC tương ứng của đối

tượng được bảo vệ

Bộ kết nối thông tin

Các khâu tổ chức theo module tương tự nhau, trừ khâu số 4

Ưu điểm:

- Nguyên lý xử lý tín hiệu số (nhanh, chính xác)

- Đa chức năng: 1 rơle có thể thực hiện nhiều chức năng đo lường, bảo vệ, tự động hóa, điều khiển, ghi chép sự cố, định vị sự cố  có thể chế tạo từng loại hợp bộ đa chức năng để bảo vệ cho từng phần tử của HTĐ

VD: Hợp bộ bảo vệ MFĐ, thanh góp, MBA, đường dây, động cơ

cỡ lớn v.v…

Hợp bộ điều khiển, đo lường, bảo vệ, tự động hóa, điều khiển, tính toán thay đổi thông số cài đặt theo chế độ  thiết bị thông minh v.v…

- Đặc tính đa dạng, xác định bằng các quan hệ toán học

- Dải điều chỉnh thông số rộng, bước điều chỉnh tinh

- Công suất tiêu thụ bé ( cỡ 0,1VA/chức năng)

- Kết cấu theo module  dễ kiểm tra, thay thế

- Kích thước được chuẩn hóa, lắp đặt thay thế dễ dàng

- Kết nối đơn giản

Chính vì hàng loạt những ưu điểm trên, từ những năm 80 trở lại đây, hầu hết các rơle mới sản xuất hoặc lắp đặt đều là rơle số

V Nguồn điện thao tác

*) Yêu cầu:

Cung cấp đủ năng lượng cho các thiết bị trong hệ thống bảo vệ hoạt động

Điện áp làm việc ổn định

Độc lập đối với trạng thái của phần tử được bảo vệ

Thuận tiện bảo quản, vận hành

+ Năng lượng (Ampe-h) được chọn tùy ý

+ Điện áp dễ dàng khống chế trong giới hạn cho phép

+ Hoàn toàn độc lập với trạng thái làm việc của phần tử được bảo

2 Nguồn AC chỉnh lưu:

a Nguồn AC công suất bé (S≤1000VA) : chỉnh lưu từ BU và BI

CLU

CLI BUG

BUG, BIG: Máy biến điện áp và biến dòng điện trung gian, làm nhiệm vụ

yêu cầu

trong giới hạn rộng

CLU: Chỉnh lưu nguồn áp

CLI: Chỉnh lưu nguồn dòng

vận hành thay đổi trong khoảng rộng

b Nguồn AC Công suất lớn (S≥1000VA) : Chỉnh lưu cầu 3 pha

- Công suất không hạn chế

- Vận hành thuận tiện, đơn giản

BAG: Biến áp trung gian, làm 2 nhiệm vụ

+) Cách ly mạch nguồn thao tác và mạch xoay chiều

Diode D: chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều nạp cho tụ Điện trở R: hạn chế dòng nạp và dòng phóng ngược khi bị chọc thủng, tuy nhiên điện trở này làm tăng thời gian nạp của tụ điện và có thể gây trở ngại cho các thiết bị tự động tác động nhiều lần liên tiếp

Rơle điện áp cao: cắt mạch khi điện áp giảm thấp để giảm tiêu hao

Có thể giảm dung lượng C bằng cách tăng điện áp trên tụ Tuy nhiên nếu chọn C quá bé thì có thể không đảm bảo cung cấp điện tin cậy đối với các phần tử làm việc có thời gian

U

Hình 1.25

Nếu phần tử làm việc có thời gian là T thì để đảm bảo làm việc tin

U’C(t+T)<Umincp  phần tử không làm việc Do vậy, cần phải tính toán

dung lượng C phù hợp

VI Các thiết bị phụ trợ

Các thiết bị phụ trợ trong hệ thống bảo vệ bao gồm:

+ Các thiết bị thông tin

+ Các thiết bị cảnh báo

+ Các thiết bị liên động

+ Phụ kiện phục vụ cho đầu nối, lắp ráp