đồ án bảo vệ rơ le trong hệ thống điện

Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần không hư hỏng trong hệ thốngđiện cần có những thiết bị ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất,phát hiện ra phần tử bị hư hỏn

A PHẦN LÝ THUYẾT

I Nhiệm vụ và các yêu cầu của bảo vệ rơle.

1 Nhiệm vụ của bảo vệ role

Khi thiết kế và vận hành bất kỳ một hệ thống điện nào cần phải kể đến khảnăng phát sinh hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường trong hệ

thống điện ấy Ngắn mạch là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ

thống điện Hậu quả của ngắn mạch là:

a) Thụt thấp điện áp ở một phần lớn của hệ thống điện

b) Phá hủy các phần tử bị sự cố bằng tia lửa điện

c) Phá hủy các phần tử có dòng ngắn mạch chạy qua do tác động nhiệt và cơ

d) Phá hủy ổn định của hệ thống điện

Ngoài các loại hư hỏng, trong hệ thống điện còn có các tình trạng việc không

bình thường Một trong những tình trạng việc không bình thường là quá tải Dòng

điện quá tải làm tăng nhiệt độ các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép làm cáchđiện của chúng bị già cỗi hoặc đôi khi bị phá hủy

Để ngăn ngừa sự phát sinh sự cố và sự phát triển của chúng có thể thực hiệncác biện pháp để cắt nhanh phần tử bị hư hỏng ra khỏi mạng điện, để loại trừnhững tình trạng làm việc không bình thường có khả năng gây nguy hiểm cho thiết

bị và hộ dùng điện

Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần không hư hỏng trong hệ thốngđiện cần có những thiết bị ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất,phát hiện ra phần tử bị hư hỏng và cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện.Thiết bị này được thực hiện nhờ những khí cụ tự động có tên gọi là rơle Thiết bịbảo vệ được thực hiện nhờ những rơle được gọi là thiết bị bảo vệ rơle (BVRL) Như vậy nhiệm vụ chính của thiết bị BVRL là tự động cắt phần tử hư hỏng ra

khỏi hệ thống điện Ngoài ra thiết bị BVRL còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện, tùy mức độ

mà BVRL có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc đi cắt máy cắt Những thiết bịBVRL phản ứng với tình trạng làm việc không bình thường thường thực hiện tácđộng sau một thời gian duy trì nhất định (không cần phải có tính tác động nhanhnhư ở các thiết bị BVRL chống hư hỏng)

2 Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle

2.1 Tính chọn lọc

Tác động của bảo vệ đảm bảo chỉ cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện được gọi là tác động chọn lọc Khi có nguồn cung cấp dự trữ cho hộ tiêu thụ, tác động như vậy tạo khả năng cho hộ tiêu thụ tiếp tục được cungcấp điện.

A 1 B C D

7

6 5

4 3

2

Hình 1 : Cắt chọn lọc trong mạng có 1 nguồn cung cấp

Yêu cầu tác động chọn lọc cũng không loại trừ khả năng bảo vệ tác động như

là bảo vệ dự trữ trong trường hợp hỏng hóc bảo vệ hoặc máy cắt của các phần tửlân cận

Cần phân biệt 2 khái niệm chọn lọc:

+ Chọn lọc tương đối: theo nguyên tắc tác động của mình, bảo vệ có thể làmviệc như là bảo vệ dự trữ khi ngắn mạch phần tử lân cận

+ Chọn lọc tuyệt đối: bảo vệ chỉ làm việc trong trường hợp ngắn mạch ở chínhphần tử được bảo vệ

2.2 Tác động nhanh

Càng cắt nhanh phần tư bị ngắn mạch sẽ càng hạn chế được mức độ phá hoạiphần tử đó , càng giảm được thời gian trụt thấp điện áp ở các hộ tiêu thụ và càng cókhả năng giữ được ổn định của hệ thống điện

Để giảm thời gian cắt ngắn mạch cần phải giảm thời gian tác động của thiết bị bảo

vệ rơ le Tuy nhiên trong một số trường hợp để thực hiện yêu cầu tác động nhanhthì không thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc Hai yêu cầu này đôi khi mâu thuẫn nhau,

vì vậy tùy điều kiện cụ thể cần xem xét kỹ càng hơn về 2 yêu cầu này.

2.3 Độ nhạy

Bảo vệ rơle cần phải đủ độ nhạy đối với những hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường có thể xuất hiện ở những phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện

Thường độ nhạy được đặc trưng bằng hệ số nhạy Kn Đối với các bảo vệ làm việctheo các đại lượng tăng khi ngắn mạch (ví dụ, theo dòng), hệ số độ nhạy được xácđịnh bằng tỷ số giữa đại lượng tác động tối thiểu (tức dòng ngắn mạch bé nhất) khingắn mạch trực tiếp ở cuối vùng bảo vệ và đại lượng đặt (tức dòng khởi động)

đại lượng tác động tối thiểu

Mặc khác bảo vệ không được tác động khi ngắn mạch ngoài Nếu bảo vệ có nhiệm

vụ dự trữ cho các bảo vệ sau nó thì khi ngắn mạch trong vùng dự trữ bảo vệ nàyphải khởi động nhưng không được tác động khi bảo vệ chính đặt ở gần chỗ ngắnmạch hơn chưa tác động Để tăng tính đảm bảo của bảo vệ cần:

+ Dùng những rơle chất lượng cao

+ Chọn sơ đồ bảo vệ đơn giản nhất (số lượng rơle, tiếp điểm ít)

+ Các bộ phận phụ (cực nối, dây dẫn) dùng trong sơ đồ phải chắc chắn, đảmbảo

+Thường xuyên kiểm tra sơ đồ bảo vệ

II Các nguyên tắc bảo vệ.

1 Bảo vệ quá dòng điện

Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi có dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá một giá trị trước

Theo phương pháp đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ quá dòng điện được chia làm 2 loại :

1.1 Bảo vệ dòng điện cực đại

Bảo vệ dòng điện cực đại là loại bảo vệ tác động khi có dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá giới hạn dòng điện làm việc định mức ( Imax)

.

.

ksd : Hệ số sơ đồ, phụ thuộc vào sơ đồ đấu dây BI với rơle

ktv : Hệ số trở về phụ thuộc vào loại rơle

ni : Tỷ số biến đổi của BI

Chọn thời gian làm việc : Được đảm bảo bằng cách chọn thời gian làm việc của 2 bảo vệ kề nhau được chọn lờn hơn một lượng Δt = 0,3 – 0,5s Trong đó t = 0,3 – 0,5s Trong đó bảo vệ đặt gần nguồn có thời gian làm việc lớn hơn

1.2 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh

N2

A

I

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện mở máy lớn nhất đi qua chỗ đặt bảo vệ khi hư hỏng ở đầu phần tử tiếp theo.

Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh:

Ikd = kat.Inngmax

Trong đó :

kat = 1,2 – 1,3

Inngmax : dòng điện MM lớn nhất khi có nm ở phần tử tiếp theo

Thời gian làm việc của bảo vệ : t  0s ( t  0,1 )

Nhược điểm của bảo vệ cắt nhanh : không bảo vệ được toàn bộ đối tượng cần bảo

vệ Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh thay đổi thao dạng ngắn mạch và chế độ làm việc của hệ thống

2 So lệch dòng điện

RL

N1 N2

sự sai lệch giữa 2 dòng điện vượt quá trị số cho trước thì bảo vệ sẽ tác động

Vùng tác động của bảo vệ so lệch của dòng điện được giới hạn bằng vị trí đặt của

2 tổ máy biến dòng điện ở 2 đẩu ra cuối phần tử được bảo vệ, từ đó nhận tín hiệu dòng điện để so sánh

Xét sự làm việc :

+ Khi bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ ( N1 )

.

 Đồ thị vecto :

IR = 0+ Khi có ngắn mạch ở trong vùng bảo vệ ( N2 )

180



0 90

Trên thực tế, do ảnh hưởng của điện dung phân bố được bảo vệ nên trong chế

độ làm việc bình thường cung như khi có ngắn mạch ở ngoài thì 0 # 0 Để cho bảo vệ không tác động nhầm cần phải chọn góc khởi động : 0 30o 60 0

4 Bảo vệ quá dòng điện có định hướng công suất

Nguyên tắc tác động của bảo vệ : Bảo vệ qua dòng điện có định hướng công suất

là bảo vệ theo trị số dòng điện qua cho đặt bảo vệ và góc lệch pha giữa dòng điện

đó với điện áp trên thanh góp của trạm được bảo vệ, bảo vệ sẽ tác động khi dòng điện vượt quá trị số định trước và góc pha phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ

, 1

Miền tác động

kd



Đương độ nhạy max

dòng điện có hướng không bảo vệ được mạng vòng có số nguồn cung cấp lớn hơn hoặc bằng 2 hoắc mạng vòng có 1 nguồn cung cấp nhưng không có đường chéo qua nguồn.



min ax

A A Am

U Z I

Nguyên tắc: Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ làm việc theo giá trị tổng trở Bảo

vệ làm việc có thời gian và phụ thuộc vào quan hệ của điện áp và dòng điện đưa vào role và góc lệch pha giữa chúng, thời gian này sẽ tự động tăng lên khi tăng khoảng cách từ chỗ hư hỏng đến chỗ đặt bảo vệ

Bảo vệ tác động :

Những yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ khoảng cách :

+ Sai số của BU và BI

+ Điện trở quá độ của chỗ ngắn mạch

+ Hệ số phân bố dòng điện trong nhánh bị sự cố với dòng điện tại chỗ đặt bảo vệđặc biệt là quá trình dao động điện

III Bảo vệ đường dây tải điện

Các loại bảo vệ cho đường dây :

+ Đường dây hạ áp ( U≤ 35kV)

- Qúa dòng điện cắt nhanh, cực đại có thời gian

- Qúa dòng điện có hướng

1 Bảo vệ quá dòng điện

1.1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh

I 

I 

B A

Hình 1 : Bảo vệ dòng điện cắt nhanh đường dây có 1 nguồn cung cấp

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc, bằng cách chọndòng điện khởi động của bảo vệ hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua chổ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở đầu phần tử tiếp theo

Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh được xác định như sau :

Ingmax : dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất thường được tính theo (N3) trực tiếp tại N với chế độ làm việc cực đại của hệ thống

Để ngăn chặn bảo vệ cắt nhanh làm việc sai khi có sét đánh vào đường dây ( khi

ấy các sự cố làm việc ) hoặc khi đóng MBA có thể vượt quá trị số đặt của bảo vệ cắt nhanh thông thường ta cho bảo vệ làm việc chậm lại khoảng 50 ÷ 80 ms

Bảo vệ cắt nhanh thứ tự không ( TTK ) thường có độ nhạy cao hơn và vùng bảo

vệ ổn định hơn khi chế độ vận hành của hệ thống thay đổi

Đối với các đường dây có 2 nguồn cung cấp, nếu BVCN đặt ở 2 đầu đường dây không có bộ phận định hướng công suất thì dòng điện khởi động ở cả 2 đầu phải chọn theo dòng điện NMmax xảy ra trên 1 trong 2 thanh góp đầu đường dây

Trong sơ đồ trên, khi HTA có công suất lớn hơ HTB thì dòng khởi động phai chon theo điều kiện (N3) trực tiếp trên đầu đường dây B Nếu chênh lệch công suấtgiữa 2 đường dây quá lớn, vùng tác động của BVCN phía HTCS bé sẽ rất hạn chế

Để khắc phục nhược điểm này cần đặt bộ phận định hướng công suất ở đầu có nguồn dòng ngắn mạch bé hơn

Tuy nhiên nhược điểm của BVCN cho sơ đồ trên là khi chạm Ikd < Inngmax thì sẽ có

1 vùng bảo vệ nếu xảy ra ngắn mạch thì cả 2 bảo vệ cùng tác động

1.2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian

Dòng khởi động của bảo vệ được chọn ở từng cấp theo trị số của dây điện Imax củabảo vệ tại vị trí đặt bảo vệ.

 Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số n i của BI thì :

1.3 Bảo vệ quá dòng có khóa điện thấp.

Hình 3 : Bảo vệ quá dòng điện có khóa điện áp thấp

Trong nhiều trường hợp bảo vệ dòng cực đại có thời gian với dòng điện khởi động chọn Ilvmax có thể không đủ độ nhạy vì Ilvmax có giá trị quá lớn trong 1 số biểu thức

Khi có thêm bộ phận khóa điện áp thấp, dòng điện khởi động của bộ phận quá dòng điện có thể chọn theo điều kiện làm việc bình thường mà không cần xét đến chế độ quá tải sự cố

1.4 Bảo vệ quá dòng điện có hướng

Để tăng cường tính cung cấp cho các hộ tiêu thụ người ta thường thiết kế các mạng hình vuông và mạng có 2 đầu cung cấp Đối với loại bảo vệ này bảo vệ quá dòng điện có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp không thể đảm bảo cắt ngắn mạch một cách được chọn lọc

N1

N2

N3 1

4 3

2 D1

D2

D3

t

L B

Hình 4 : Bảo vệ dòng điện có hướng đường dây 2 mạch song song (a)

Cách chọn thời gian làm việc của bảo vệ ( b )

Với sơ đồ trên, nếu sử dụng bảo vệ quá dòng điện thông thường thời gian làmviệc của các bảo vệ được chọn như sau :

Vì vậy thời gian làm việc của các bảo vệ này sẽ được giảm đi còn thời gian t2

và t4 có thể chọn bé tùy ý

Cách chọn thời gian làm việc của bảo vệ được thể hiện bằng hình vẽ sau :

A

D3 D2

các mạng phức tạp như mạng kín có 2 nguồn cung cấp trở nên hoặc mạng vòng

có một nguồn cung cấp cho đường chéo không qua nguồn thì không thể dùng bảo vệ này được

1.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có hướng

InngmaxA : Dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất chạy qua bảo vệ từ phía A ( N1 )

InngmaxB : Dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất chạy qua bảo vệ từ phía B ( N2 ) Dòng khởi động chọn theo :

Ikd = kat.INngmax và INngmax = max { { InngmaxA ; InngmaxB }

Nếu công suất nhà máy của nguồn 2 đầu dây khác nhau nhiều thì có thể :

LCNA + LCNB < LAB

Có nghĩa là có thể tồn tại một phần đường dây mà khi sảy ra sự cố trên đó bảo

vệ cắt nhanh ở cả 2 đầu dây không làm việc

Để mở rộng vùng bảo vệ cắt nhanh trong nhiều trường hợp nguồn CSNM chênh lệch nhau nhiều để có thể đặt thêm bộ phận định hướng công suất ở đầu

có nguồn yếu hơn ( đầu B ) Khi ấy dòng điện khởi động của bảo vệ cắt nhanh ởhai đầu đường dây có thể chọn khác nhau :

Trường hợp chí có một nguồn cung cấp ( chẳng hạn từ đầu 1 ) thì khi có sự cố sảy ra trong vùng bảo vệ, dòng điện sự cố chỉ chạy qua một đầu, khi ấy :

Giới hạn dưới của hệ số hãm được chọn cho miền có dòng điện ngắn mạch bé

để nâng cao độ nhạy của bảo vệ, còn ở miền có dòng điện ngắn mạch lớn hơn thương chọn cho hệ số hãm cao để ngăn chặn tác động nhầm một cách chắc chắn

2.2 Bảo vệ so lệch dùng dây dẫn phụ

Để thực hiện nguyên lí so lệch, dòng điện ở 2 đầu phần tử được bảo vệ phải được đo và so sánh với nhau Nếu hai phần tử được bảo vệ nằm gần nhau ( như cuộn dây MF, MBA…) có thể nối trực tiếp các tổ máy BI với một bộ role so lệch dùng chung để cắt các máy cắt có liên quan đối với đường dây tác điện cầnphải dùng 2 hoặc 3 bộ bảo vệ, mỗi bộ tác động cắt máy cắt ở một đầu đường dây

Các bộ phận bảo vệ này được nối với nhau qua các kênh thông tin : dây dẫn phụ, cáp thông tin, RLC…Đối với các đường dây ngắn có thể sử dụng dây dẫn phụ Sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện dùng dây dẫn phụ có 2 loại : loại dòng điệntuần hoàn và loại cân bằng điện áp

Sơ đồ dòng điện tuần hoàn cân bằng 3 dây dẫn phụ, còn sơ đồ cân bằng điện

áp cần dùng 2 dây Cả 2 sơ đồ thường dùng nguyên lí hãm

Nhược điểm của sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện dùng dây dẫn phụ :

Điện áp cảm ứng trong dây dẫn phụ ở chế độ ngắn mạch chạm đất trêm

đường dây được bảo vệ có trị số khá lớn gây nguy hiểm cho người và thiết bị thứ cấp

Dây dẫn phụ càng dài xác suất sự cố dây dẫn phụ càng cao, khi dây dẫn phụ

bị đứt có thể làm bảo vệ tác động nhầm, còn khi dây dẫn phụ chạm nhau bảo vệ

có thể không làm việc trong trường hợp trong vùng bảo vệ

Thành phần một chiều trong dòng sự cố có thể làm cho các biến dòng bị bão hòa nặng

2.3 Bảo vệ so sánh dòng điện.

Nguyên tắc : dòng điện ở hai đầu đường dây được so sánh với nhau theo từng pha hoặc thông qua một bộ công cụ để so sánh giữa hai tổ hợp pha của dòng điện ở hai đầu đường dây Việc so sánh có thể tiến hành cho hai nửa chu kỳ ( dương, âm ) hoặc chỉ theo nửa chu kỳ

Bộ khởi động

cắt A

Đầu 2

Hình 11 : Sơ đồ khối bảo vệ so sánh pha dòng điện từng pha riêng biệt

Nguyên lí làm việc : dòng điện khởi động ở một đầu thông qua máy biến dòngtrung gian BIG ( làm nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ và tạo tín hiệu chuẩn cho

sơ đồ bảo vệ ) và bộ lọc hai cơ bảo L1 tạo nên tín hiệu chuẩn hình sin S1 Thông qua bộ chuyển dạng sóng ( từ sin sang hình chữ nhật ) DS sẽ tạo ở các đầu ra các sóng hình chữ nhật SiR S1R được đưa vào đầu vào của bộ so sánh pha SP Mặt khác, S1R được đưa qua bộ lọc biến tần BT và bộ lọc L2 đưa vào bộ phát P

để thông tin về pha φ1 của dòng điện đầu 1 thông qua kênh truyền sang phía đôi diện

Dòng điện ở đầu đôi diện ( đầu 2 ) cũng đi tương tự để đưa tín hiệu S2R đến đầu 1 Các tín hiệu S1R và S2R được so sánh với nhau ở bộ so sánh pha SP Nếu các tín hiệu này trùng pha nhau chẳng hạn trễ TG vào đường dây thì ở đầu ra của bộ so sánh pha SP sẽ xuất hiện tín hiệu S3, tín hiệu này sẽ kết hợp với tín hiệu khởi động gửi tín hiệu đi cắt máy cắt

Trong trường hơp này, nếu bỏ qua dòng điện tải trên đường dây ta thấy, khi cóngắn mạch trong vùng bảo vệ giữa hai tín hiệu đầu vào S1R và S2R có một

khoảng trống ( không có tín hiệu ) Nếu góc lệch pha giữa hai dòng điện ở hai