Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

LỜI MỞ ĐẦUTrong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng có vai trò rấtquan trọng Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động của con người trongcác nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năng còn giúp chúng ta tronglĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt được tối đa các ứng dụng của điệnnăng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thì việc bảo vệ là hết sức quan trọng.Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởngđến các thiết bị dùng điện khác hay phải tách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điệngặp sự cố.

Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn Nhưngvới cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích, hơn nữa giáthành lại khá cao Để khác phục những nhược điểm trên em xin đưa ra một số phươngpháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thay thế cho các khí cụ điện Dùngcác phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệ của nó không khác gì so với các khí

cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tử không tiếp điểm này khiến cho các tủ điệntrở nên gọn nhẹ đáng kể Không những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơngiản có thể tự chế tạo được

Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp chođộng cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Đề tài gồm có 4 chương:

Chương I: Các sự cố thường gặp

Chương II: Tìm hiểu biện pháp bảo vệ cổ điển

Chương III: Phương pháp bảo vệ dùng thiết bị bán dẫn

Chương IV: Tính chọn thiết bị

Ban đầu, khi nhận được đề tài em cảm thấy rất do dự, không biết khả năng củamình có thể hoàn thành được đề tài hay không, nhưng sau một thời gian học tập tại

xưởng, được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Trương Huy và các thầy cô giáo trong khoa,

cùng với các bạn đến nay đồ án đồ án của em đã hoàn thành Mặc dù vậy vì thời gian

có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót Em mong được các thầy cô giúp đỡ thêm

để em có được những kiến thức bổ ích để bước vào ngành khoa học đầy thú vị này!

Em xin cảm ơn!

Đại Học Sao Đỏ, ngày… tháng… Năm 2014

Sinh viên

1

CHƯƠNG I: CÁC SỰ CỐ THƯỜNG GẶPTrong quá trình vận hành, hệ thống truyền động điện có thể xuất hiện sự cố vàchế độ làm việc không bình thường của các phần tử.

Trong phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao

và điện áp giảm khá thấp Các thiết bị có dòng tăng cao chạy qua có thể bị đốt nóngquá mức cho phép và bị hư hỏng Khi điệp áp giảm thấp các hộ tiêu thụ không thể làmviệc bình thường và tính ổn định của các máy móc làm việc song song và của toàn bộ

hệ thống bị giảm Các chế độ làm việc không bình thường làm cho áp, dòng, tần sốlệch khỏi giới hạn cho phép và nếu kéo dài tình trạng này có thể dẫn đến sự cố

Như vậy, có thể nói sự cố làm rối loạn sự làm việc bình thường của hệ thốngtruyền động điện nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng Còn chế độ làm việckhông bình thường có thể tạo ngay khi xuất hiện sự cố

Muốn duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ khixuất hiện sự cố cần phát hiện càng nhanh cành tốt chỗ bị sự cố và cách li nó khỏi phần

tử không bị hư hỏng, nhờ vậy phần còn lại hoạt động như thường và đồng thời giảmđược mức độ hư hại của phần tử bị sự cố Chỉ có thiết bị tự động bảo vệ mới có thểthực hiện tốt yêu cầu trên.Các thiết bị bảo vệ này theo dõi liên tục tình trạng và chế độlàm việc của tất cả các phần tử của hệ thống điện Khi xuất hiên sự cố các phần tử bảo

vệ phát hiện và cắt phần tử hỏng ra khỏi lưới điện.Khi xuất hiện chế độ làm việckhông bình thường thiết bị bảo vệ sẽ phát hiện và tùy thuộc vào yêu cầu có thể tácđộng để khôi phục lại chế độ làm việc bình thường hoặc báo tin cho nhân viên trựctiếp

Trong thực tế đối với hệ thống điện thường xảy ra các sự cố sau:

chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất Dòng chạm đất chủ yếu là do điệndung các pha với đất

Ngắn mạch gián tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm điện trở

do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của dòng điện từ phanày đến pha khác hoặc từ pha đến đất

Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp và khó xácđịnh chính xác Theo thực nghiệm:

R= [Ω] Ω] ]

Trong đó: I - Dòng ngắn mạch [Ω] A]

l - Chiều dài hồ quang điện [Ω] m]

Ngắn mạch trực tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, có thể bỏqua (còn được gọi là ngắn mạch kim loại)

Ngắn mạch đối xứng là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng, áp 3 pha ở tình trạng đối xứng

Ngắn mạch không đối xứng là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3pha mất đối xứng

- Không đối xứng ngang khi sự cố xảy ra tại một điểm, mà tổng trở các pha tại điểm đó như nhau

- Không đối xứng dọc khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểm khôngnhư nhau

Sự cố phức tạp là hiện tượng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch không đối xứng ngang, dọc trong hệ thống điện

Ví dụ: Đứt dây kèm theo chạm đất, chạm đất hai pha tại hai điểm khác nhau

trong hệ thống có trung tính cách đất

Inm = Trong đó:

Inm: Dòng điện ngắn mạchU: Điện áp lưới điện

Znm: Điện trở ngắn mạch (Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc chỗ ngắnmạch)

1.1.2 Điện trở ngắn mạch phụ thuộc vào

3

- Khoảng cách từ điểm ngắn mạch tới bảo vệ

- Phụ thuộc vào dây dẫn

- Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc tại vị trí ngắn mạch

Nhưng dù phụ thuộc gì thì điện trở ngắn mạch cũng rất nhỏ do vậy dòng điệnngắn mạch sẽ rất lớn

1.1.3 Tác hại của sự cố ngắn mạch

- Gây lực điện động rất lớn

- Phá hỏng dây từ điểm ngắn mạch tới nguồn

- Phát nóng: Dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định mức làm cho các phần

tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thời gian rất ngắn

- Tăng lực điện động: Ứng lực điện từ giữa các dây dẫn có giá trị lớn ở thờigian đầu của ngắn mạch có thể phá hỏng thiết bị

- Điện áp giảm và mất đối xứng: Làm ảnh hưởng đến phụ tải, điện áp giảm 30đến 40% trong vòng một giây làm động cơ điện có thể ngừng quay, sản xuất đình trệ,

có thể làm hỏng sản phẩm

- Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng thứ tự không sinh ra khingắn mạch chạm đất

- Gây mất ổn định: Khi không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ thống

có thể mất ổn định và tan rã, đây là hậu quả trầm trọng nhất

1.1.4 Nguyên nhân dẫn đến ngắn mạch

Có nhiều nguyên nhân như: Già hóa cách điện do thao tác của người vận hành,

do đứt dây…Vì nguyên nhân gì thì cứ xảy ra sự cố ngắn mạch cần bảo vệ hệ thống khi

sự cố ngắn mạch còn chưa phát huy tác hại

1.2 Sự cố quá tải

1.2.1 Khái niện quá tải

- Quá tải là hiện tượng thiết bị phải làm việc vượt quá khả năng về mặt côngxuất nhà chế tạo đã đặt Qúa tải là sự cố khá phổ biến của động cơ không đồng bộ 3pha

- Biểu hiện của sự cố quá tải:

+ Dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức, khi bị sự cố quá tải dòngđiện sẽ tăng lên vượt qua trị số dòng điện dịnh mức của động cơ làm nóng đồngcơ.Tốc độ làm việc nhỏ hơn tốc độ định mức, nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phát nóng chophép của động cơ

4

+ Sự cố quá tải được chia làm 2 loại:

Quá tải ngắn hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức

2 đến 3 lần nhưng trong thời gian ngắn

Quá tải dài hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức1,2 đến 1,4 lần trong thời gian dài Quá tải dài hạn làm cho nhiệt độ động cớ lớn hơnnhiệt độ cho phép

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến quá tải

Đối với quá tải ngắn hạn:

1.2.3 Tác hại của sự cố quá tải

- Quá tải ngắn hạn có thể gây hư hỏng cho thiết bị về mặt cơ khí

- Quá tải dài hạn làm hỏng các cách điện, hỏng do nhiệt

- Làm già hóa cuộn dây

- Do vậy phải tìm cách bảo vệ để sự cố chưa kịp gây ra tác hại

1.3 Sự cố mất pha, đảo pha

1.3.1 Khái niệm

Trong thực tế khi vận hành hệ thống điện ba pha đặt ra rất nhiều vấn đề Nguồnđiện được nhà máy tạo ra là nguồn điện xoay chiều ba pha Nguồn điện này đến đượcnơi tiêu thụ cần qua dây dẫn truyền tải và các trạm biến áp Trong các thiết bị điện bapha để tránh nhầm lẫn nhà chế tạo đã chỉ dẫn bằng màu Nhưng vì lí do nào đó khi sửachữa hoặc lắp đặt dẫn đến thứ tự các pha bị thay đổi Điều này rất nguy hiểm cho phụtải Do vậy cần có các thiết bị bảo vệ cho sự cố mất pha hay đảo pha

5

Sự cố mất pha là sự cố mà lưới điện cung cấp ba pha không còn đủ ba pha cungcấp cho phụ tải.

Điện ba pha là điện được định nghĩa là có ít nhất ba dây, điện áp giữa hai dâyluôn bằng nhau và lệch nhau 120 độ

Đối với điện ba pha bốn dây thì có thêm dây trung tính, người ta có thêm kháiniệm điện áp pha tức là giữa 1 pha với trung tính Điện áp pha của 3 pha cũng bằngnhau và cũng lệch nhau 120 độ

Như vậy hệ thống điện 3 pha nào không thỏa mãn điều kiện trên thì bị gọi làmất pha Khi bị mất pha nào thì điện áp pha đó giảm đến một giá trị nào đó hoặc về 0

và góc lệch pha cũng bị biến đổi

1.3.2 Biểu hiện của sự cố mất pha

Đối với các phụ tải ba pha sẽ dẫn đến tình trạng quá tải dài hạn do thiết bị điện

áp cung cấp bị sụt đi Đối với các phụ tải một pha sẽ không làm việc được nếu mất phachính là pha cung cấp cho phụ tải

1.3.3 Nguyên nhân dẫn đến sự cố mất pha

- Đa số nguyên nhân mất pha là do hở mạch đứt dây, đứt chì, tiếp xúckém trong các khí cụ điện

- Mất pha có thể do chạm đất mà rơ le chưa kịp bảo vệ hoặc từ chối bảo vệ

- Mất pha do hỏng máy biến áp

- Mất pha có thể phân biệt mất pha nguồn máy biến áp, mất pha sơ cấp máybiến áp, mất pha thứ cấp máy biến áp, mất pha do hệ thống, mất pha do riêng một thiếtbị

1.3.4 Tác hại của sự cố mất pha

Vì một sự cố nào đó gây nên hiện tượng mất pha đảo pha cho toàn hệ thốngđiện, điện áp pha thay đổi góc pha thay đổi, hệ thống làm việc không bình thường rấtnguy hiểm cho toàn bộ hệ thống

Khi mất pha điện áp 3 pha không bằng nhau, góc lệch pha cũng không bằngnhau vì thế khi đưa động cơ vào nó sẽ ko tạo ra từ trường quay mà tạo ra từ trường đậpmạch Vì thế động cơ không khởi động được, dòng điện sẽ tăng cao ở các pha không

bị mất, pha bị mất dòng điện bằng 0 Còn khi động cơ đang hoạt động bị mất pha thìcông suất của các pha còn lại sẽ tăng lên, pha bị mất sẽ giảm xuống Nếu động cơ lớncác pha còn lại sẽ làm việc ở chế độ quá tải sẽ gây hại rất lớn cho hệ thống, gây hư hạicho thiết bị điện

6

Khi thứ tự các pha bị thay đổi tức là các pha không lần lượt đạt cực đại sau 120

độ nó làm thay đổi từ trường của động cơ, làm cho động cơ quay ngược lại so vớichiều ban đầu Nếu trong các hệ thống mà động cơ chỉ quay một chiều thì việc đảochiều quay là vô cùng nguy hiểm nó có thể phá hỏng hệ thống cơ khí và các thiết bịđiện gây thiệt hại nặng

Tình trạng mất pha, đảo pha là rất nguy hiểm người ta đã thiết kế nhiều cáchbảo vệ cho hề thống Một trong nhưng cách đó là sử dụng rơ le nhệt với nguyên lýdựa vào dòng tải và điện áp

1.3.5 Bảo vệ đối với sự cố mất pha, đảo pha

Yêu cầu đối với sự cố mất pha là khi xảy ra sự cố mất pha cần phải ngắt ngaynguồn cũng cấp bị mất pha ra khỏi phụ tải, tránh những hiện tượng làm khi không đủpha dẫn đến các sự cố khác

Khi bị đảo pha hệ thống phải dừng làm việc

1.4.2 Biểu hiện của sự cố cao – thấp điện áp

Bằng trực quan quan sát ta thấy, tốc độ của động cơ tăng hay giảm hơn so vớibình thường, đối với các thiết bị khác công suất cũng tăng giảm bất thường

1.4.3 Tác hại của sự cố cao - thấp điện áp

Sự cố cao thấp điện áp sẽ gây ra tốc độ động cơ không đều Đối với máy sảnxuất các chi tiết có chất lượng cao thì việc thay đổi tốc độ động cơ sẽ ảnh hưởng tớichất lượng sản phẩm Sự cố cao thấp điện áp còn gây phá hỏng vật liệu cách điện vàcác khí cụ điện Khi điện áp tăng, giảm quá mức cho phép sẽ gây phát nóng trong cáckhí cụ điện và phá hủy lớp cách điện

1.4.4 Nguyên nhân của sự cố cao - thấp điện áp

Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố cao - thấp điện áp Nhưng vì nguyênnhân nào thì khi xảy ra sự cố cao - thấp điện áp cũng gây ra các hiện tượng khôngmong muốn Vì vậy cần phải bảo vệ cho động cơ và hệ thông điện khi có sự cố cao –thấp điện áp xảy ra để nó không kịp gây tác hại

7

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CỔ ĐIỂNĐối với hệ thống điều khiển tự động bảo vệ truyền động điện có thể có nhiềunguyên nhân dẫn đến các sự cố như: ngắn mạch, quá tải ngắn hạn, quá tải dài hạn, điện

áp cao – thấp… Các sự cố này khi xảy ra có thể phá hỏng động cơ truyền động cũngnhư các khí cụ điện khác Vì vậy việc bảo vệ cho các động cơ nói riêng và toàn bộ lướiđiện nói chung là rất cần thiết Phương pháp bảo vệ kinh điển là phương pháp dùngcầu chì, aptomat, các loại rơle, công tắc tơ bảo vệ các loại sự cố có thể xảy ra Khi có

sự cố, các thiết bị này sẽ tác động để tách động cơ truyền động và hệ thống ra khỏilưới điện Đảm bảo anh toàn cho máy móc thiết bị cũng như bảo đảm an toàn cho conngười

Để giải quyết vấn đề chọn loại bảo vệ nào, tác động của bảo vệ là cắt nhanh hayduy trì thời gian rồi cắt hoặc chỉ báo tín hiệu Trong từng trường hợp cụ thể cần phảituân thủ đúng các quy định trong tiêu chuẩn của khí cụ điện và quy phạm vận hành của

hệ thống Ta cần tìm hiểu một số phương pháp bảo vệ cho sự cố ngắn mạch, quá tải, sự

cố cao- thấp điện áp

2.1 Phương pháp bảo vệ ngắn mạch

2.1.1 Bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì

Cầu chì là khí cụ điện đơn giản nhất, kích thước nhỏ, khả năng đóng cắt lớn

a Cấu tạo của cầu chì:

Cầu chì nói chung gồm ba bộ phận:

- Vỏ: Được dùng làm bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt và có nhiều thànhvách

- Dây chảy: Được làm bằng kim loại (chì…) là bộ phận chính, tỏa nhiệt và dẫnđiện tốt

- Hệ thống tiếp diểm: Dùng để nối dây chảy với mạch điện cần bảo vệ thườngliên kết ốc vít hay kiểu cầu dao

b Trạng thái làm việc của cầu chì:

- Giai đoạn 1: Kể từ khi xảy ra sự cố cho đến khí nhiệt độ bằng nhiệt độ nóngchảy

- Giai đoạn 2: Dây chảy bắt đầu chảy

- Giai đoạn 3: Hồ quang xuất hiện và dập tắt hồ quang

8

Trạng thái làm việc nặng nề của dây chảy khi nó chuyển từ trạng thái 1 sangtrạng thái 2 Để giảm trạng thái làm việc nặng nề cần:

+ Nếu dây chảy có tiết diện tròn thì ta sử dụng hiện tượng hiệu ứng luyện kimgắn với với dây chảy một giọt kim loại mà:

Ønckl< ØncdcTrong đó:

Ønckl: Nhiệt độ nóng chảy dọt kim loại

Øncdc: Nhiệt độ nóng chảy dây chảy

+ Nếu dây chảy có tiết diện chữ nhật ta cắt hẹp tiết diện nganh của dây chảy,gây phát nóng cục bộ tại chỗ hẹp

c Đặc tính bảo vệ của dây chảy:

Là quan hệ giữa dòng điện và thời gian tác động của dây chảy Đặc tính A-S,cần phải phối hợp đặc tính A-S của dây chảy với đặc tính A-S cần bảo vệ

d Yêu cầu đối với cầu chì:

- Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính A-s của đối tượng bảo vệ

- Khí có ngắn mạch cầu chì phải làm việc có lựa chọn theo thứ tự

- Cầu chì phải có đặc tính làm việc ổn định

- Công suất của thiết bị càng tăng thì khả năng cắt của cầu chì phải càng cao

- Việc thay thế dây chảy phải đảm bảo đặc tính A-s như tính toán thiết kế banđầu

Lựa chọn cầu chì phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Quan hệ giữa điên áp trên cầu chì và điện áp lưới

Ucc>Ul

Trong đó:

Ucc: Điện áp của cầu chì

Ul: Điện áp lưới+ Quan hệ giữa dòng điện dây chảy và dòng điện làm việc:

Tcc= k.Imax

Trong đó:

Icc: Dòng điện cầu chìK: Hệ số an toàn, phụ thuộc đặc tính của tải

Imax: Dòng tải lớn nhất+ Thời gian chảy ngắn nhất của dây chảy có thể đạt được nếu thỏa mãn

9

Trong đó:

Inm: Dòng ngắn mạch

Icc: Dòng điện dây chảy

Nhược điểm khi dùng cầu chì bảo vệ:

- Đặc tính bảo vệ của cầu chì sẽ thay đổi nếu thay dây chảy, có thể cầu chì sẽmất tác dụng bảo vệ nếu thay dây chảy không đúng

- Đối với hệ truyền động ba pha, trường hợp ngắn mạch 1pha này bị cắt dẫn đếnchế độ công tác 2 pha Vì vậy cần có thêm các biện pháp bảo vệ khác để khắc phụcnhược điểm này

2.1.2 Bảo vệ bằng Aptomat

Để thay cho cầu chì thông thường người ta dùng aptomat Aptomat có đặc tínhbảo vệ hoàn thiện hơn so với cầu chì, khi có sự cố aptomat sẽ cắt cả ba pha tránh đượcchế độ công tác 2 pha

Cấu tạo chung :

Hình 2.1: Cấu tạo áptomat

4

6: Lò xo

Nguyên lý làm việc:

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện aptomat được giữ ở trạng thái đóngnhờ móc răng (1) ăn khớp với cần rang (5), cùng với tiếp điểm khởi động Khi mạchđiện có sự cố, dòng điện qua nam châm điện (2) sẽ hút phần ứng (4) xuống làm nhảmóc rang (1), cần rang (5) được tự do, aptomat được mớ ra dưới tác dụng của lực lò xo(6) mạch điện được ngắt ra khỏi lưới điện

Aptomat có 3 yêu cầu:

- Chế độ làm việc định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn Nghĩa

là, trị số dòng điện định mức chạy trong aptomat lâu bao nhiêu cũng được Mặt khácdòng điện qua aptomat phải chịu dòng lớn (khi có ngắn mạch) lúc tiếp điểm của nó đãđóng hay đang đóng

- Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn (vài chục KA) Saukhi ngắt dòng ngắn mạch, aptomat phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điệnđịnh mức

- Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của thiết bị điện, hạn chế sự pháhoại của dòng ngắn mạch gây ra aptomat phải có thời gian cắt nhỏ do vậy phải kết hợplực thao tác cơ học với dập hồ quang bên trong aptomat

- Dựa theo tham số bảo vệ và dựa theo tính chất dòng điện bảo vệ mà aptomatđược chia làm những loại sau:

+ Aptomat một chiều

+ Aptomat xoay chiều

+ Aptomat dòng điện cực đại, cực tiểu

+ Aptomat công suất

+ Aptomat diện áp thấp

2.2 Bảo vệ quá tải ngắn hạn

2.2.1.Bảo vệ quá tải ngắn hạn bằng rơle dòng cực đại

Rơle là phần tử tự động, tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vàođạt một giá trị xác định

Cấu tạo chung của rơle, được chia làm ba bộ phận:

- Cơ cấu thu: Thu thập tín hiệu, biến đổi tìn hiệu thành đại lượng cận thiết đểrơle tác động

11

- Cơ cấu trung gian: Đại lượng đầu ra của cơ cấu thu được chuyển sang cơ cấutrung gian So sánh đại lượng cơ cấu thu với đại lượng mẫu và truyền tín hiệu đến cơcấu cuối.

- Cơ cấu chấp hành: Thực lệnh của cơ cấu trước đưa sang

Phân loại rơle:

+ Dựa vào tham số bảo vệ:

Rơ le điện áp, rơ le dòng điện.rơ le nhiệt, rơ le công suất

+ Dựa theo loại có tiếp điểm hay không có tiếp điểm:

Rơ le tiếp xúc, rơ le không tiếp xúc

+ Dựa vào nguyên lí làm việc:

Rơ le điện từ, làm việc dựa trên nguyên lí điện từ, được sử dụng nhiều nhất vìkết cấu đơn giản và tính kinh tế cao

Rơ le từ điện, dựa trên sự tác động tương hỗ của từ trường nam châm vĩnh cửuvới dòng điện chạy trong cuộn dây nằm ở phần động

Rơ le điện động, dựa trên tác động tương hỗ giữa 2 dòng điện; Giữa một dòngđặt trong từ trường được gọi là lực điện động làm phần quay

Rơ le cảm ứng, tác dụng tương hỗ giữa từ trường của một cơ cấu điện từ vớidòng điện cảm ứng ở phần động do một từ trường khác tạo nên

Rơ le nhiệt, làm việc trên nguyên lý sự giãn nở của kim loại dự trên tác độngcủa nhiệt độ

Đặc tính cơ bản của rơ le:

Rơ le có đường đặc tính cơ bản là dặc tính vào- ra

Đối với rơ le có tiếp xúc:

Quá trình tác động của rơ le:

Với từng loại role khác nhau thì hệ số trở về khác nhau

Với rơ le cực đại: ktv<1

Với ro le cực tiểu: ktv >1

+ Hệ số khuếch đại(hệ số điều khiển)

Pđk = Pkđ

kkđ = Trong đó:

Pđk: Công suất điều khiển

Ptđ: Công suất chấp hànhVới các loại rơ le khác nhau có hệ số điều khiển khác nhau, với rơ le này đượcgọi là kđk, còn với rơ le khác lại gọi là k kđ

+ Thời gian tác động của rơ le là khoảng thời gian từ khi có tín hiệu vào cơ cấuthu cho đến khi cơ cấu chấp hành tác động

Ttđ < 0,001s: Rơ le không có quán tính

0,001s < Ttđ<0,05s: Rơ le tác động nhanh

0,05s<Ttđ<0,15s: Rơ le tác động trung bình

0,15s< Ttđ<1s: Rơ le tác động chậm

Thời gian tác động do nhà chế tạo thiết kế

Rơ le dòng điện cực đại là loại rơ le mà phần ứng của loại rơle này lúc có điện

áp bình thường thì đứng yên Khi điện áp tăng quá mức quy định thì lực điện độngthắng lực cẳn rơ le tác động

13

Rơ le dòng điện cực đại kiểu điện từ, được dùng để bảo vệ quá tải ngắn hạn,ngắn mạch và bảo vệ những thiết bị có công suất lớn.

Cấu tạo:

1: Mạch từ2: Cuộn dây 3: Trục4: Nắp cực từ5: Vít điều khiển nghiêng của nắp6: Cơ cấu chấp hành

7: Lò xo nhả8: Kim chỉnh định xoắn

Hình 2.3: Cấu tạo của rơ le

Nguyên lý làm việc:

Mạch từ C đặt ngược, mõm cực từ nhọn, cuộn dây 2 mắc nối tiếp vào dòngđiện, khi làm việc bình thường từ thông sinh ra lực từ hút điện từ nhỏ hơn lực lò xo nắp cực từ không tác động, cơ cấu đang làm việc

Khi có sự cố từ thông tăng  lực điện từ lớn hơn lực lò xo  nắp cực từ quay,trục quay mở tiếp điểm làm việc

Đặc điểm: Không được sử dụng ở những nơi không được va đập, rung động,tránh gây tác động nhầm

14

13

24

56

78

D

CDRM

D

Dg

3RM

Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối

Nguyên lý bảo vệ:

Ba rơ le dòng điện cực đại lắp trên ba pha cấp điện cho động cơ Các tiếp điểmcủa rơ le được mắc trong mạch điều khiển.khi có sự cố, dòng điện cấp cho động cơtăng lên, rơ le đạt tới giá trị hút sẽ tác đọng mở các tiếp điểm trên mạch điều khiển.Các tiếp điểm mở sẽ ngắt nguồn cung cấp cho cuộn dây, công tắc tơ, tiếp điểm trênmạch lực nhả động cơ được bảo vệ

2.3 Bảo vệ quá tải dài hạn

2.3.1 Bảo vệ quá tải dài hạn dùng rơ le nhiệt

Rơ le nhiệt là khí cụ điện dựa trên nguyên lý sự dãn nở của kim loại dươi tácdụng của nhiệt độ

Dựa vào cấu tạo và chức năng rơ le nhiệt được chia làm 2 loại:

- Rơ le nhiệt bảo vệ: rơ le nhiệt bảo vệ quá tải và ngắn mạch có thời gian

- Dùng 2 tấm kim loại có hệ số giãn nở khác nhau (

Tấm 1 có hệ số giãn nở rất nhỏ gọi là thanh bị động

Tấm 2 có có hệ số giãn nở vì nhiệt lớn gọi là thanh chủ động

Bằng công nghệ ép chặt 2 tấm kim loại vào nhau gọi là một chi tiết Gọi là tấmkim loại kép

15

Khi nhiệt độ tấm kim loại tăng nó bị cong về phía tấm kim loại có hệ số giãn nởnhỏ hơn

Nếu ngắn mạch không có thời gian thì rơ le nhiệt không bảo vệ được

Đốt nóng trực tiếp: Dòng qua trực tiếp mức độ chính xác cao nhưng khi dònglớn thì thanh kim loại kép yêu cầu phải to

Đốt nóng gián tiếp: Dòng qua điện trở nhiệt mức độ chính xác thấp nhưng chỉcần tấm kim loại kép nhỏ

Đốt nóng hỗn hợp: Mắc song song điện trở và thanh kim loại kép, cách này thìdẫn đến kết cấu của rơ le trở nên phức tạp

2.3.2 Rơ le nhiệt dùng điều chỉnh nhiệt độ

Nó có tác dụng duy trì một nhiệt độ trong một thiết bị Phần tử nhạy cảm nhiệttấm kim loại kép được đặt vào nơi cần duy trì nhiệt độ

Rơ le nhiệt không tác động theo trị số dòng điện vì nó cso quán tính nhiệt lớn.thường là vài phút hoặc vài dây do vậy nó không bảo vệ ngắn mạch được, thường kếthợp rơ le nhiệt và cầu chì để bảo vệ ngắn mạch

Hình 2.5: Sơ đồ đấu nối rơ le nhiệt

Dg

MD

Dg

2RN

2RN

Dg

C

A

BA

Khi xảy ra sự cố quá tải dài hạn, dòng điện tăng lên làm nóng thanh kim loạikép và tác dụng vào tiếp điểm thường đóng của rơ le nhiệt mở ra Tiếp điểm thườngđóng của của rơ le nhiệt mở ra cắt điện cho cuộn công tắc tơ Dg Công tắc tơ Dg mấtđiện sẽ mở tiếp điểm Dg trên mạch.

2.4 Bảo vệ không và cực tiểu

2.4.1 Các khái niệm

Bảo vệ không là bảo vệ mà nó tránh sự làm việc trở lại không mong muốn của

hệ thống khi lưới điện mất và sau đó có trở lại

Để giải quyết vấn đề này người ta dùng rơ le điên áp cực tiểu

Rơ le điện áp cực tiểu có cấu tạo gồm:

+ Cơ cấu thu tín hiệu

+ Cơ cấu trung gian

+ Cơ cấu chấp hành

2.4.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của rơ le điện áp cực tiểu là ở điện áp bình thường, phầnứng của rơ le chịu lực điện từ tác động.khi điện áp hạ dưới mức quy định, lực cản của

lò xo sẽ thắng lực điện từ Lúc này phần ứng sẽ đóng hay mở các tiếp điểm của rơ le

Rơ le thực hiện chức năng bảo vệ

Rơ le điện áp cực tiểu có các tham số:

Hình 2.6: Sơ đồ nguyê lý rơ le điện áp

17

1RN3RM2RM1RM

KC1

RAA

2RNO

RA

Rơ le điện áp được mắc cùng bộ khống chế nó hoạt động theo nguyên tắc:Khi tiếp điểm của bộ khống chế đóng, cuộn hút của rơ le có điện.Nó đóng tiếpđiểm RA trên bộ khống chế, điện áp được đưa vào mạch điều khiển.

Giả sử điện áp hạ xuống mức quy định, RA đạt tới giá trị nhả và nhả ra, tiếpđiểm RA mở ngắt điện vào mạch điều khiển Điều này làm toàn bộ rơ le và công tắc tơtrong mạch điều khiển không có điện vào cuộn hút, dẫn đến các tiếp điểm trên mạch

mở ra.Đặc tính bảo vệ được thực hiện

18

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DÙNG THIẾT BỊ BÁN DẪN

Tất cả các sự cố vì lý do gì, khi xảy ra yếu cầu phải được bảo vệ ngay lưới điệnkhi sự cố còn chưa gây ra tác hại

Đối với các thiết bị bảo vệ dùng rơ le, công tắc tơ các đặc tính bảo vệ của thiết

bị này đủ tin cậy nhưng kích thước của các thiết bi này lớn gây nhiều khó khăn choviệc bố trí tủ điện.Hơn nữa trên thị trường hiện nay giá các rơ le, công tắc tơ lại rấtcao, thậm chí có những thiết bị không còn trên thị trường

Vì vậy, ở đây ta đưa ra phương án nghiên cứu thay thế các thiết bị này bằng cácthiết bị điện tử có ưu điểm hơn mà vẫn có được đặc tính bảo vệ tối ưu

Mạch bảo vệ bằng linh kiện bán dẫn gồm các phần:

- Nhận tín hiệu cần bảo vệ

- So sánh tín hiệu đâù vào với đại lượng đặt

- Khối chấp hành

3.1 Nhiệm vụ và chức năng của các phần tử dùng trong mạch bảo vệ

3.1.1 Khuếch đại thuật toán

Về hình thức nó giống một transystor bình thường Nó cũng làm nhiệm vụkhuếch đại điện áp, khuếch đại xung, khuếch đại công suất hoặc các mạch tạo daođộng xung

Đối với các bộ khuếch đại, thông thường người ta đánh giá chất lượng các bộkhuếch đại theo sơ đồ Đối với khuếch đại thuật toán thì tính chất và các tham số xácđịnh bởi khối tiếp bên ngoài Ưu điểm của khuếch đại thuật toán là có trở kháng bênngoài lớn

Khi sử dụng khuếch đại thuật toán ta phải biết được tính chất của nó.Trong cácmạch phải biết được cấu trúc bên trong của nó

Hình 3.1: Ký hiệu khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán có đầu vào đảo, đầu vào không đảo, đầu ra và nguồn nuôi(trên hình vẽ).

- Uvd : Đầu vào đảo

- Uvk: Đầu vào không đảo

- Ura : Đầu ra+ Vcc, - Vcc: Nguồn nuôiTheo quy ước nguồn nuôi của khuếch đại thuật toán là Khi nguồn là thì điện áp ra bao giờ cũng nhỏ hơn nguồn nuôi Thường nhỏ hơn 3v, nhằmtránh bị méo tín hiệu

Ứng dụng của khuếch đại thuật toán để tạo khâu so sánh một cửa

Khâu so sánh một cửa là khâu so sánh mà tín hiệu đặt và tín hiệu so sánh cùngđưa vào một cửa đảo Ở cửa không đảo ta đưa vào một điện áp phân áp ở đầu ra tạođường đặc tính rơle thực tế

20

U đ

R4R3

Uv

U rR1

R2

Hình 3.2: Khâu so sánh một cửa

Khâu so sánh làm việc theo nguyên tắc:

Khi < thì ở đầu ra, giá trị điện đầu ra mang dấu của điện áp đầu vào.Còn khi > thì đầu ra, giá trị điện áp đầu ra mang dấu theo giá trị điện

áp đặt

Các bộ khuếch đại thông thường được chế tạo dạng vi mạch (IC) Trong sơ đồ

ta sử dụng vi mạch LM324 Trong vi mạch LM324 làm việc cần có nguồn nuôi đơncực đặt cho nó Nó có thể bị hỏng nếu bị ngắn mạch trực tiếp hoặc bị đảo nguồn

Sơ đồ chân của vi mạch LM324

21

UvỦr

-Ud

UvUr

+Ud

54

813

B

Ra

A 14

Giá trị vào, ra của phần tử và

Thực tế chế tạo phần tử và trong IC logic 4081, IC họ 40… làm việc chắc chắn,năng lượng tiêu hao nhỏ.IC logic họ 40…thường có 14 chân.07 chân và, chân 14 làchân nguồn

Sơ đồ chân của vi mạch 4081

Hình3.5: Sơ đồ chân của vi mạch 4081

8

32

1

910

1112

1314

65

Phần tử và – không thực hiên phép nhân đảo.tích của hai biến logic Tích haibiến đầu ở đầu ra nhận giá trị “1” khi một trong hai biến đầu vào nhận giá trị “0”, nhậngiá trị “0” khi cả hai biến đầu vào mang giá trị “1”.

Giá trị vào, ra của phần tử và- không

Phần tử và – không được chế tạo trong IC logic 4011, IC LOGIC 4011 chứa 4phần tử và – không

Sơ đồ chân của IC 4011

Hình 3.7: Sơ đồ chân của IC 4011

3

89

1011

1213

14

Phần tử hoặc – không thực hiện phép cộng đảo logic, tổng của 2 biến logic làmột biến logic Tổng này nhận giá trị “1” khi cả 2 biến đầu vào đều mang giá trị “0”,tổng này nhận giá trị “0” khi 1 trong 2 biến đầu vào mang giá trị “1”

Giá trị vào, ra của phần tử hoặc- không

Chế tạo phần tử hoặc – không dưới dạng IC lo gic 4001 chứa 4 phần tử hoặc –không

1011

1214

Hình 3.10: Khâu trễ

Khâu trễ được thực hiện theo nguyên tắc

Khi có tín hiệu đầu vào, đầu A lập tức có mức logic “1” nhưng ở đầu B chưa cótín hiệu ngay vì dòng điện còn nạp cho tụ c, khi tụ c được nạp đầy thì đầu B có mứclogic “1” lúc này đầu ra tín hiệu ra chuyển trạng thái!

Thời gian trễ chính là thời gian nạp đầy tụ c để thay đổi thời gian trễ ta thay đổitrị số biến trở VR để thay đổi dòng nạp cho tụ c

Ứng dụng phần tử logic tạo khâu đảo:

Xét trường hợp dùng phần tử hoặc – không

Hình 3.11: Phần tử hoặc - không

Tín hiệu ở đầu vào có mức “1” logic thì tín hiệu ở đầu ra có mức “0” logic.Cònkhi tín hiệu đầu vào có mức “0” logic thì tìn hiệu đầu ra có mức “1” lo gic

3.2 Các mạch bảo vệ dùng phần tử không tiếp điểm

3.2.1 Mạch bảo vệ sự cố mất pha và cao thấp điện áp (mạch số 1)

Mạch bảo vệ mất pha và cao thấp điện áp được thiết kế để bảo vệ riêng chotừng pha Tín hiệu đưa vào mạch được lấy từ biến áp 3 pha

ta coi là có mức logic “1” Mức 1 này đưa vào đầu vào của Ic logic nhân, một phầnđược đưa vào cực B để kích mở cho T2 T2 mở nguồn điện đưa thẳng xuống đất.

Giả sử khi có sự cố mất pha, tín hiệu từ biến áp ba pha mất Dòng điện đưa vàocực B của T1 mất, dẫn đến T1 khóa, cực E của T1 có mức logic “0”, dòng kích mở T2mất nên T2 bị khóa Lúc này nguồn +12v từ chân C của transistor T2 đi qua led, làmled báo mất pha sáng

Đối với phần bảo vệ cao thấp điện áp ta dùng cơ cấu so sánh Tín hiệu từ phân

áp sau chỉnh lưu được đưa vào đầu vào ảo chủa khuếch đại thuật toán Tín hiệu sauphân áp, trước khi được đưa vào đầu vào đảo được đem so sánh với điện áp đặtâm.Đầu vào không đảo lấy tín hiệu từ phân áp đầu ra để tạo đường đặc tính rơ le thựctế

Phần bảo vệ điện áp cao, ta chỉnh điện áp đặt sao cho khi không có sự cố tínhiệu ra của khuếch đại thuật toán có mức logic “1” Khi có sự cố xảy ra( điện áp lướităng) làm cho điện áp của biến áp 3 pha tăng Sau khi điện áp sau phân áp tăng quá trị

số đặt ban đầu thì ở đầu ra khuếch đại thuật toán có mức logic “0”

Phần bảo vệ điện áp thấp thì ngược lại.ta chỉnh điện áp đặt sao cho khi không

có sự cố thì đầu ra của khuếch đại thuật toán có mức logic “0” Khi có sự cố đầu ra củakhuếch đại thuật toán có mức logic “1”

Tóm lại, bình thường đầu ra của khuếch đại thuật toán lấy tín hiệu theo tín hiệusau phân áp Giả sử khi lưới điện tụt dưới mức cho phép, kéo theo sự tụt điện áp củamáy biến áp 3 pha cũng như sau phân áp đều giẩm dưới giá trị điện áp đặt Lúc này,đầu ra của khuếch đại thuật toán sẽ theo tín hiệu đặt của đầu vào Phần bảo vệ điện ápthấp còn có thêm phần tử đảo ở đầu ra của khuếch đại thuật toán Đầu ra của các phần

tử bảo vệ mất pha, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ điện áp cao được nhân logic với nhaurồi đưa qua khâu trễ Đầu ra của khâu trễ đưa tới mạch tổng hợp

Trên sơ đồ: Hình vẽ 3.12

27

+12V T1

T2 R14

R7

R6

R8 VR2

R5

VR1 +

R9 R10

R3 R1

+12V

Hình 3.12: Mạch bảo vệ mất pha

28