BÀI GIẢNG CUNG CẤP ĐIỆN 2 ( GV Nguyễn Quang Thuấn ) - CHƯƠNG 8 pps

Ngày nay khái niệm rơle thường dùng để chỉmột tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hoá hệ thống điện gọi là BVRL... CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI BVRL Để

Chương 8 BẢO VỆ RƠLE VÀ TĐH HTCCĐ

8.1 KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA

1 Khái niệm

Rơle là phần tử chính trong hệ thống thiết bị bảo vệ Thuật ngữ rơle được phiên âm từ tiếng nước ngoài: RELAIS-Pháp, RELAY-Anh, PEE-Nga với nghĩa ban đầu là phần tử làm nhiệm vụ tự động đóng cắt mạch điện Ngày nay khái niệm rơle thường dùng để chỉmột tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ

và tự động hoá hệ thống điện gọi là BVRL

11/2/2011 30

8.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI BVRL

Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng kểtrên, thiết bị bảo vệ rơle phải thoả mãn được các yêu cầu cơ bản: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh và kinh tế

1 Tin cậy (Reliability): Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ rơle làm việc đúng, chắc chắn khi xảy ra sự cố trong phạm vi đã được xác định

2 Chọn lọc (selectivity): là khả năng của bảo vệ rơle có thể phát hiện vàloại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống

3 Tác động nhanh: Bảo vệ rơle cần phải cách ly phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt Tuy nhiên cần kết hợp với yêu cầu chọn lọc

4 Độ nhạy (sensitivity): Phản ánh khả năng phản ứng của bảo vệ với mọi mức độ sự cố Độ nhạy được biểu thị bằng tỷ số đại lượng tác động tối thiểu với đại lượng đặt Ví dụ: đối với BV quá dòng:

KÐ

Nmin nh

8.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI BVRL

5 Kinh tế:

- Đối với mạng cao áp và siêu cao áp (U  110 kV): Chi phí đểmua sắm và lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị công trình, mặt khác yêu cầu phải được bảo vệ rất chắc chắn, vì vậy giá cả thiết bị bảo vệ không phải là yếu tố quyết định trong lựa chọn chủng loại hoặc nhà phân phối thiết bị mà 4 yêu cầu kỹ thuật kể trên đóng vai trò quyết định

- Đối với mạng trung áp và hạ áp (U < 110 kV): Vì số lượng các phần tử được bảo vệ rất lớn, mặt khác các yêu cầu đối với thiết bịbảo vệ không cao bằng ở mạng cao áp và siêu cao áp cho nên khi lựa chọn thiết bị bảo vệ cần chú ý đảm bảo được các yêu cầu về

kỹ thuật với chi phí thấp nhất

11/2/2011 32

3.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL

BI - Máy biến dòng điện

BU - Máy biến điện áp CCh - Cầu chì

K - Khoá điều khiển

N - Nguồn điện thao tác

Mạch điện cần bảo vệ

8.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL

U

n Dùng biến đổi áp lớn xuống áp nhỏ cấp cho TBBVRL và đo lường

8.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL

8.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL

3 Nguồn thao tác N

a Khái niệm: Tất cả các mạch của sơ đồ điều khiển máy cắt, bảo vệ

rơle, đo lường, tín hiệu được gọi là sơ đồ nhị thứ Nguồn điện

cung cấp cho việc thao tác các phần tử trong sơ đồ này gọi là

nguồn thao tác N nguồn điện thao tác riêng độc lập với phần tử

được bảo vệ

một chiều hoặc xoay chiều

• Có thể Dùng Ắc quy (DC) Nếu cần nguồn AC (Nghịch lưu).

• Có thể dùng năng lượng tích sẵn trên tụ điện (thường được nạp điện DC).

• Có thể lấy từ BI và BU sau chỉnh lưu thành nguồn DC

Để tăng độ tin cậy của nguồn thao tác, người ta thường dùng kết

4 Rơle

a Rơle điện từ (electromagnetic relay): Nguyên lý làm việc dựa trên nguyên lý điện từ (có các tiêp điểm đóng mở cơ khí)

- Ưu điểm: Dễ chế tạo, rẻ tiền

- Nhược điểm: Tiêu thụ công suất lớn, quán tính cao đôi khi tác động không chuẩn xác, khó mở rộng ghép nối với máy tính

b Rơle tĩnh (static relay): Là rơle bán dẫn không có phần động Rơle tĩnh gồm các khối chính sau:

Tín hiệu vào

Tiền

xử lý

Bộ lọc

Cơ cấu Chấp hành

Xử lý Thông tin

BI BU

- Ưu: Không có tiếp điểm → quán tính nhỏ và làm việc êm dịu So với RL điện từ, tiêu tốn ít năng lượng, kích thước nhỏ gọn hơn

1 sec

Umax=140V Lâu dài

A D

~ 01

Máy tính, thiết bị tự động

Giao diện Bàn phím

Bộ xử lý

Bộ nhớ RAM EEPROM

Cổng vào - ra

Tương tự Tương tự Số Xung điều khiển

100 V, 110 V; 10V đầu ra - vào

1 A, 5 A

Lọc tín hiệu vào

Khuếch đại

Chuyển đổi tương tự -số

Tín hiệu nhị phân

Rơle cảnh báo

Rơle Cắt

Điốt phát quang (LED)

Gồm các khối chính sau:

• Khối đo lường (tín hiệu vào): có nhiệm vụ đo lường các trị số của đại lượng tương tự là dòng và áp (nhận được từ phía thứ cấp của của máy biến dòng điện và máy biến điện áp) làm biến đầu vào của rơle

• Khối lọc tín hiệu, lấy mẫu và chuyển đổi A/D: Sau khi tín hiệu qua các

bộ lọc tương tự, bộ lấy mẫu (chặt hoặc băm đại lượng tương tự theo một chu kỳ nào đó), các tín hiệu này sẽ được chuyển thành các tín hiệu số và so sánh với đại lượng chuẩn

• Khối xử lý (dùng bộ vi xử lý): Sau khi so sánh với đại lượng chuẩn, bộVXL sẽ cho tín hiệu đóng hoặc mở các tiếp điểm RL và điều khiển máy cắt (có thể lưu trữ, kết nối với máy tính,…)

• Khối đầu ra (tín hiệu ra): gồm các rơle và mạch điều khiển đóng cắt MC

* Cấu trúc và nguyên lý của RL số

* Ưu điểm của RL KT số

• Chức năng hoạt động của rơle số được mở rộng rất nhiều so với các thế hệ rơle trước đây, dễ dàng mở rộng khả năng đo lường, biến dổi tín hiệu, so sánh và tổ hợp lôgíc trong cấu trúc của rơle Có thể kết hợp nhiều nguyên

lý phát hiện sự cố và bảo vệ trong một hệ thống rơle

• Ngoài chức năng bảo vệ và cảnh báo, rơle số hiện đại còn có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng khác như: ghép nối các thông số vận hành và

sự cố; xác định vị trí sự cố; thực hiện liên động với thiết bị bảo vệ và tự động của các phần tử lân cận; đóng trở lại máy cắt;

• Dễ dàng ghép nối với nhau và với các thiết bị bảo vệ, tự động, thông tin và

đo lường khác trong hệ thống; dễ ghép nối với hệ thống máy tính.

• Thông số của bảo vệ có thể chỉnh định đơn giản 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 thích nghi.

• Công suất tiêu thụ nhỏ, kích thước gọn nhẹ.

• Giá thành tương đối tính theo tương quan giữa chi phí và chức năng của hệ thống bảo vệ kỹ thuật số rẻ hơn các hệ thống rơle điện cơ thông thường.

11/2/2011 42

* Ký hiệu các phần tử và chức năng bảo vệ theo ASNI

Bằng chữ Bằng số

Rơle quá dòng có thời gian (AC)

Rơle quá dòng cắt nhanh

Rơle quá nhiệt

Rơle định hướng công suất: - Thuận

- Nghịch

Rơle tín hiệu

Rơle bảo vệ thiếu áp

Rơle kiểm tra hoặc hoà đồng bộ

Rơle bảo vệ quá kích từ

Rơle khoảng cách (tổng trở)

Công tác tơ chính

Rơle thời gian (đóng hoặc mở chậm)

Loại thiết và chức năng

51 50 49

32 30 27 25 24 21 4 2

I>

I>>

θ 0

hoặc hoặc

Th U<

s

Z<

KM t

* Ký hiệu các phần tử và chức năng bảo vệ theo ASNI

50/87 Rơle bảo vệ so lệch cắt nhanh

Bằng chữ Bằng số

Rơle bảo vệ so lệch

Rơle tần số

Chức năng tự động đóng trở lại

Rơle bảo vệ chống chạm đất

Rơle bảo vệ quá áp

Rơle hệ số công suất

Máy cắt điện (AC)

Rơle bảo vệ quá dòng tổng 3 pha có thời gian

(quá dòng thứ tự không)

Rơle bảo vệ quá dòng chạm đất có thời gian

Loại thiết và chức năng

87 81 79 64 59 55 52

51N 51G

SL (ΔI) f TĐL

U>

cosφ MC

I0>

Ký hiệu

11/2/2011 44

8.5 SƠ ĐỒ NỐI BI VỚI RL

1I

Ik

2

R

sd  BI

- Sơ đồ sao khuyết:

- Sơ đồ hiệu 2 dòng pha:

1 I

I k

2

R

sd  

3 I

I k

2

R

sd  + N (3) :

+ N (2) (A v à C ): 2

I

I k

2 R

sd  

8.6 BẢO VỆ QUÁ DÒNG (overcurrent protection)

1 Nguyên lý tác động

BVQD là bảo vệ tác động khi giá trị dòng điện chạy qua bảo vệ

IBV vượt quá ngưỡng nào đó IKĐ: IBV ≥ IKĐ

Như vậy để đảm bảo tính chọn lọc, dòng IKĐ của bảo vệ có thể thực hiện theo 2 cách (Xét ví dụ mạch hình tia như hình vẽ):

11/2/2011 46

8.6 BẢO VỆ QUÁ DÒNG tiếp)

2 BVQD có thời gian I> (51)

L à loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chỉnh định thời gian tác động

• IKĐR được xác định như sau:

Nmin lvmax

v

m at

sd

I KÐR

K

.K K k

.n I

• IKĐ được chọn theo các điều kiện sau:

lvmax v

I

m sd

at

K n

.K K

K

Trong đó:

- Kat: hệ số an toàn, tính đến khả năng tác động thiếu chính xác của BV.

Thường lấy: Kat  1,1 đối với rơle tĩnh và rơle số

Kat  1,2 đối với rơle điện cơ

- Km= 2-4: hệ số mở máy của các phụ tải ĐC có dòng điện chạy qua chỗ đặt BV

KÐ

TV TV

I

IK

-  : hệ số trở về (với ITV = Kat.Km.Ilvmax),

KTV  1 với RL tĩnh và RL số

KTV = 0,85  0,9 đối với RL điện cơ

- Ilvmax: dòng điện làm việc lớn nhất có thể chạy qua bảo vệ

2 BVQD có thời gian I> (51)

Nmin lvmax

v

m at sd

I KÐR

K

.K K k

.n I

t 0

I I

c Đặc tính thời gian của BV 51:

~

2

D A

0,1  0,20,08  0,12

tMC, s

SF6Chân không

Không khíDầu

Loại MC

st: tổng giá trị sai số về thời giancủa BV trước đó và bản thân BV đang xét;

(RL điện từ st = 0,1s; RL số 0,03  0,05s)

t(n-1): thời gian tác động của bảo vệ trước đó

tqt: sai số do quán tính, thường tqt = 0,03  0,1s

tdt: thời gian dự trữ, tdt = 0,06  0,2s

Vì vậy, trong chỉnh định RL thường lấy: t = 0,25  0,6 sec

d Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của BV51

• Ưu điểm: Chế tạo, lắp đạt và thực hiện BV đơn giản, giá thành rẻ

• Nhược: Thực hiện đảm bảo tính chọn lọc theo nguyên tắc chọn thời gian tăng dần từng cấp t (cấp chọn lọc về thời gian), càng phía gần nguồn tời gian tác động càng lớn do đó khó đảm bảo được tính tác động nhanh

• Phạm vi áp dụng: Dùng làm BV chính trong các mạng điện có một nguồn cấp đến 35kV (mạng cung cấp) Đối với mạng điện áp cao hơn chỉ được dùng làm BV dự phòng

11/2/2011 52

3 BVQD cắt nhanh I>> (50)

Là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt bảo vệ khi hư hỏng ởngoài phần tử được bảo vệ

a Dòng khởi động I KĐ (pick-up current):

IKĐ được xác định như sau: IKĐ = Kat.INng max

IKĐ

L CN2

L CN1

INng maxVùng chết

max Nng I

sd at

n

.K K

c Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của BV50

• Ưu điểm: Chế tạo, lắp đạt và thực hiện BV đơn giản, giá thành rẻlàm việc tức thời (hoặc trễ rất nhỏ cỡ 0,1s)

• Nhược: Không bảo vệ được toàn bộ đối tượng, khi NM ở cuối phần

tử, BVCN không tác động Hơn nữa vùng BVCN LCNcó thể thay đổi nhiều khi NM hệ thống thay đổi

• Phạm vi áp dụng: Dùng để BV các mạng điện có một nguồn cấp đến 35kV (mạng cung cấp) Không đảm bảo được tính chọn lọc trong lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn cấp

11/2/2011 54

Bài tập ví dụ

Biết Ilvmax = 357A; Km = 1,6; Kat = 1,2; dòng NM cuối đường dây IN = 1,32kA

80 5

400 I

I n

: ra Suy

.35780.1

1,2.1.1,6.I

Kn

.K.KK

v I

m sd at

Chọn RLQD 51 có dòng 9A Vậy cần chỉnh định dòng KĐ của BV:

A

720 1

9.80 k

.n

I I

sd

I KÐR

KÐ   

5 , 1 k

83 ,

1 0,72

1,32 I

Ví dụ 2: Tính toán BVQD có thời gian cho mạng điện 10kV trong 2 TH:

a Dùng RL số với đặc tính thời gian độc lập;

b Dùng RL số với đặc tính thời gian phụ thuộc

Biết: - Hệ số: Km = 1,6; Kat = 1,2; thời gian tác động của BV1 t1 = 0,4s

- Dòng làm việc và dòng ngắn mạch trên các đoạn đường dây:

6,471,89

1,40,758

16776

I’1

I1

Dòng điện NM, kA Dòng điện làm việc, A

- Giả thiết: tqt = tdt = tMC = 0,1s; st = 0,08s

Bài giải

• Xác định dòng điện chạy trên các đoạn dây:

11/2/2011 56

A

160

.83 1

1,2.1,6 I

Bài giải (tiếp)

• Căn cứ dòng làm việc chạy trên các đoạn dây, chọn các BI đấu sao khuyết:

BI1: n1I = 100/1; BI2: n2I = 200/1; BI3: n3I = 400/1; ksđ = 1

1 Tính toán cho BV1:

A

6,

1100

160.1n

.kI

I

1I

sd KÐ1

8.7 BẢO VỆ SO LỆCH 87 (Differential protection)

1 Khái quát chung

Để bảo vệ các phần tử quan trọng trong hệ thống điện, cần đảm bảo yêu cầu cắt nhanh Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có thể đảm bảo được yêu cầu này, nhưng lại chỉ có thể bảo vệ được những vùng nhất định trong phạm vi được phân công bảo vệ do dòng điện

NM có những giá trị khác nhau (Loại NM và vị trí NM) BVSL có thểkhác phục được các điều kể trên: đảm bảo tác động trong vùng được phân công bảo vệ và không tác động khi có NM ngoài vùng

Theo nguyên lý làm việc, BVSL được chia thành 2 loại: BV so lệch dọc và so lệch ngang

Bảo vệ so lệch dọc chủ yếu dùng để bảo vệ các máy điện như: MBA; MPĐ và động cơ điện Ngoài ra cũng được dùng để bảo vệcác đường dây có chiều dài ngắn và thanh cái

11/2/2011 58

2 Nguyên lý tác động

a Bảo vệ so lệch dọc

Bảo vệ so lệch dọc là loại bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc

so sánh trực tiếp dòng điện (kể cả góc pha của dòng điện) ở hai đầu của phần tử được bảo vệ Nếu sự so sánh này sai khác trị số định trước thì bảo vệ sẽ tác động cắt phần tử được phân công bảo vệ ra khỏi mạng điện

2 Nguyên lý tác động

b Bảo vệ so lệch ngang

BVSL ngang dựa vào việc so sánh dòng điện của 2 hay nhiều

nhánh song song Nếu sự sai khác vượt quá một giá trị định trước

BV sẽ tác động cắt phần tử bị sự cố ra khỏi mạng

∆I

N2

11/2/2011 60

3 Tính toán bảo vệ so lệch

a Dòng kh ởi động I KĐ :

Để đảm bảo cho bảo vệ so lệch làm việc đúng khi ngắn mạch trong vùng bảo

vệ đã xác định, dòng khởi động của rơle cần phải chỉnh định trách khỏi trị số tính toán của dòng không cân bằng tính toán lớn nhất tương ứng với dòng ngắn mạch ngoài cực đại Ikcbttmax:

IKĐ = ∆IKĐ = Kat.IkcbttmaxTrong đó: Ikcbttmax= fimax.Kđn.Kkck.INng max

Với: fimax - sai số lớn nhất cho phép của BI, fimax= 10%

Kđn - hệ số đồng nhất của các BI, thường Kđn= 0  1

Kđn = 0 khi các BI hoàn toàn giống nhau và dòng điện qua cuộn

sơ cấp của chúng bằng nhau;

Kđn = 1 khi các BI khác nhau nhiều nhất.

Kkck- hệ số kể đến thành phần không chu kỳ của dòng điện ngắn mạch:

Kkck = 1 đối với các BI có bão hoà từ nhanh; Kkck = 2 đối với các BI khác.

INng max- thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất

• Chú ý: Riêng đối với MBA: Ngoài những yếu tố kể trên, Ikcb còn phụ thuộc vào sai số do điều chỉnh điện áp s∆U (thường s∆U = 10%) và sai số do sự chênh lệch

3 Tính toán bảo vệ so lệch

2Ð

I

I K

b Độ nhạy yêu cầu:

giữa dòng thứ cấp ở hai phía MBA s2i Để giảm bớt sự chênh lệch vềpha của hai dòng điện này, sơ đồ nối các BI phải chọn đối ngược với các tổ đấu dây của MBA Ví dụ: MBA có tổ đấu dây Y-∆, thì sơ đồ nối các BI phải chọn là ∆-Y Do vậy dòng KCB được xác định như sau:

Ikcbttmax = (Kkck.Kđn.fimax + s∆U + s2i)INng maxTrong đó: s2i là sai số tương đối do sự chênh lệch các dòng điện thứcấp của các BI Xác định như sau:

2I

2II 2I

2i

I

I I

ra khỏi mạng điện Vì thế bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ dùng rơle tổng trở.

ZS ≤ ZKĐ → BV sẽ tác động

• Bảo vệ khoảng cách thường được dùng để bảo vệ lưới điện phức tạp nhiều nguồn cấp với hình dạng bất kỳ Đặc biệt dùng tốt cho các đường dây tải điện

2 Tính toán bảo vệ khoảng cách

a Đối với BVKC làm việc không thời gian:

BU

ZAB= RAB + jXAB

11/2/2011 64

2 Tính toán bảo vệ khoảng cách

b Đối với BVKC làm việc có thời gian:

BVKC dùng để bảo vệ đường dây tải điện thường có nhiều vùng tác động và do đó để đảm bảo độ tin cậy và tính chọn lọc BVKC cũng cónhiều cấp thời gian bảo vệ khác nhau

Đặc tính thời gian của bảo vệ khoảng cách thường có dạng độc lập (dạng bậc thang) và việc chọn thời gian làm việc cho các bảo vệ ngược với đặc tính thời gian của BV 51 Độ chênh lệch về thời gian làm việc giữa các vùng (cấp) bảo vệ liền kề nhau ∆t = 0,3 0,5s

Vậy: Với BV1 có ZKĐ1 và thời gian làm việc t1

Với BV2 có ZKĐ2 và thời gian làm việc t2 = t1 + ∆t

……… Việc chọn các đại lượng này như sau

2 Tính toán bảo vệ khoảng cách

Ví dụ: Chọn ZKĐ và thời gian làm việc của 3 BV21 bảo vệ đường dây

có sơ đồ như hình vẽ:

~

A

N1BU

21

BI BV1

21

BI BV2

t II A

t III A

t I B

t II B

t III B

t I C

t II C

Z I

B =0,8ZBC Z I

C =0,8ZCD