CHƯƠNG 6: CÔNG NGHỆ RƠLE

Giới thiệu: 3 II. Rơle điện cơ (Electromechannical relays) 3 III. Rơle tĩnh (Static relays) 5 IV. Rơle Kĩ Thuật Số (Digital relays) 11 V. Relay Số (Numerical relays) 13 VI. Các tính năng bổ sung của Rơle số: 16 VII. Các vấn đề về Rơle số:Giới thiệu: 3 II. Rơle điện cơ (Electromechannical relays) 3 III. Rơle tĩnh (Static relays) 5 IV. Rơle Kĩ Thuật Số (Digital relays) 11 V. Relay Số (Numerical relays) 13 VI. Các tính năng bổ sung của Rơle số: 16 VII. Các vấn đề về Rơle số:

CHƯƠNG 6:

CÔNG NGHỆ RƠLE

N i dung ộ

2 3

4

5

R I

Φ

I. Giới thiệu: (Network Protection & Automation Guide – chapter 6 -

Introduction)

Rơle Rơle điện cơ trong tất cả các hình thức khác nhau của nó đã được thay thếliên tục bởi tĩnh, kỹ thuật số và số rơle, mỗi thay đổi mang theo nó giảm và kíchthước và cải thiện chức năng Đồng thời, mức độ tin cậy đã được duy trì hoặcthậm chí cải thiện và sẵn sàng tăng đáng kể do kỹ thuật không có sẵn với cácloại rơle cũ Điều này đại diện cho một thành tựu to lớn cho tất cả những ngườitham gia thiết kế và sản xuất rơle

năm Vì mục đích của cuốn sách là để mô tả thực hành rơle bảo vệ dòng điện,

nó là do bản chất để tập trung vào công nghệ rơle kỹ thuật số và số Số lượnglớn của các rơle điện cơ và tĩnh vẫn đang đưa ra dịch vụ đáng tin cậy, nhưnggiới thiệu về các công nghệ được sử dụng nhất thiết phải rất dài

 Phân loại

Có bốn loại cơ bản từ lúc hình thành và phát triển đến nay:

II. Rơle điện cơ (Electromechannical relays) (Network Protection &

Automation Guide – chapter 6 – Electromechanical Relays)

thống điện, và chúng có từ gần 100 năm Chúng làm việc trên nguyên tắc củamột lực lượng gây ra hoạt động cơ học của một số liên lạc rơle để đáp ứng vớimột kích thích Các lực cơ học được tạo ra thông qua dòng điện trong một hoặcnhiều cuộn dây trên một lõi từ tính hoặc lõi, do đó xuất hiện điện từ Với hìnhthức đơn giản, giá rẻ và đáng tin cậy, đơn giản đóng/tắt chuyển đổi chức năng,nơi các điểm tiếp xúc đầu ra phải mang dòng đáng kể, họ vẫn được sử dụng

cấu hoạt động khi có tác động kích thích…

- Lõi sắt 1 làm khung sườn và mạch tĩnh

- Phần động 2 và là giá mang tiếp điểm 5

- Lò xo 3 kéo phần động 2 luôn cho tiếp điểm 5 hở

- Cuộn dây 4 tạo từ thông

- Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây 4 sẽ sinh ra sức từ động và từ thông Φchạy trong lõi sắt 1 và 2

lực hút nhờ cuộn dây tạo ra

cuộn dây tạo ra từ trường giống như một nam châm

Với N: số vòng cuộn dây; I: dòng cuộn dây; g: khoảng cách kẻ hở không

khí; A: tiết diện mặt và c: từ trở

một dòng AC được sử dụng, phương tiện phải được cung cấp để ngăn chặn việcxảy ra từ từ thông qua bằng không mỗi nửa chu kỳ Một giải pháp chung chovấn đề này là để phân chia các cực từ và cung cấp một vòng đồng tròn một nửa(copper loop round one half) Sự thay đổi từ thông hiện giai đoạn dịch chuyển

trong cực này, vì vậy mà không lúc nào là tổng thông lượng bằng số không.Ngược lại, với rơle sử dụng dòng DC, thông lượng dư có thể ngăn chặn sự Rơle

từ phát hành khi gạt hiện được loại bỏ Điều này có thể tránh được bằng cáchngăn chặn các phần ứng từ liên hệ với các nam châm điện bằng cách dừng lạikhông từ tính (non-magnetic stop), hoặc xây dựng các nam châm điện bằngcách sử dụng một loại vật liệu có tính chất thông lượng dư rất thấp

một chức năng của thiết kế Các điển hình rơle bị hút có tốc độ hoạt động từ100ms và 400ms, nhưng sậy chuyển tiếp (mà việc sử dụng kéo dài một thời giantương đối ngắn trong lịch sử của các rơle bảo vệ) với địa chỉ liên lạc hiện ánhsáng có thể được thiết kế để có một thời gian hoạt động ít nhất là 1ms Điện vậnhành thường 0.05-0.2W, nhưng có thể được lớn như 80W cho một Rơle vớinhiều số liên lạc hạng nặng và một mức độ cao của khả năng chống sốc cơ khí

chỉ đơn giản bằng cách thêm một nam châm vĩnh cửu để châm điện cơ bản Cảhai tự reset và các hình thức ổn định có thể đạt được Một ví dụ có thể sử dụng

là để cung cấp thời gian hoạt động rất nhanh cho một số liên lạc duy nhất, tốc độnhỏ hơn 1ms là điều có thể

III. Rơle tĩnh (Static relays) (Network Protection & Automation Guide –

chapter 6 – Static Relays)

không đúng là các trường hợp cho một rơle tĩnh, như địa chỉ liên lạc đầu ra vẫnthường thu hút phần ứng chuyển tiếp Trong một rơle bảo vệ, thuật ngữ 'tĩnh' đềcập đến sự vắng mặt của bộ phận chuyển động để tạo ra các đặc điểm rơle

dựa trên việc sử dụng các thiết bị điện tử tương tự thay vì cuộn dây và namchâm để tạo ra các đặc điểm rơle Đầu phiên bản sử dụng các thiết bị rời rạc nhưbóng bán dẫn và điốt kết hợp với điện trở, tụ điện, cuộn cảm, vv, nhưng nhữngtiến bộ trong thiết bị điện tử cho phép việc sử dụng tuyến tính và mạch tích hợp

kỹ thuật số trong các phiên bản sau này cho xử lý tín hiệu và thực hiện các chứcnăng logic Trong khi các mạch cơ bản có thể được phổ biến cho một số rơle,bao bì vẫn chủ yếu giới hạn trong một chức năng bảo vệ duy nhất cho mỗitrường hợp, trong khi chức năng phức tạp đòi hỏi nhiều trường hợp của phầncứng phù hợp kết nối với nhau Lập trình sử dụng bị hạn chế các chức năng cơbản của điều chỉnh đường cong của mỗi rơle đặc trưng Vì thế chúng có thểđược xem trong điều kiện đơn giản như là một thay thế điện tử tương tự cho cácrơle điện cơ, với một số linh động trong thiết lập và một số khoản tiết kiệmđược không gian yêu cầu Trong một số trường hợp, gánh nặng rơle được giảm,làm cho giảm biến dòng đầu vào/biến áp đầu ra

• Một số vấn đề thiết kế phải được giải quyết với rơle tĩnh Đặc biệt, cácrơle thường đòi hỏi một nguồn đáng tin cậy của dòng DC và các biện pháp đểngăn chặn thiệt hại cho các mạch điện tử dễ bị tổn thương đã được thiết kế Môitrường trạm biến áp đặc biệt thù địch với các mạch điện tử do nhiễu điện củacác hình thức khác nhau mà thường được tìm thấy (ví dụ như các hoạt độngchuyển đổi và ảnh hưởng của lỗi) Trong khi nó có thể sắp xếp cho các dòng DCcung cấp để được tạo ra từ các đại lượng đo được của các rơle, điều này cókhuyết điểm là làm tăng gánh nặng của biến dòng hoặc biến áp và sẽ có mộtdòng điện hoặc điện áp tối thiểu mà rơle sẽ không hoạt động Điều này trực tiếpảnh hưởng đến sự nhạy cảm có thể có của các rơle Vì vậy, cung cấp một nguồnđộc lập, đáng tin cậy và an toàn cung cấp điện cho rơle là một yếu tố quantrọng Để ngăn chặn vận hành sai (maloperation) hoặc phá hủy các thiết bị điện

tử trong sự cố hoặc hoạt động chuyển mạch, mạch nhạy cảm được đặt trong mộttrường hợp được bảo vệ để loại trừ chế độ thông thường và nhiễu bức xạ Cácthiết bị này cũng có thể nhạy cảm với tĩnh điện, đòi hỏi biện pháp phòng ngừađặc biệt trong quá trình xử lý, như thiệt hại từ nguyên nhân này có thể khôngngay lập tức rõ ràng, nhưng trở nên rõ ràng sau này trong các hình thức của sựthất bại sớm của rơle Do đó, các cơ sở sản xuất Rơle căn bản khác nhau đượcyêu cầu so với rơle điện cơ Hiệu chuẩn và sửa chữa không còn là một nhiệm vụthực hiện trong lĩnh vực này mà không có thiết bị chuyên dụng

 Các mạch cơ bản (sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 399-408)

• Timers: mạch thời gian trễ được sử dụng rộng rãi trong rơle và nói chung là các

loại kháng năng lực Hình 1 cho thấy một loại nơi tụ điện C được theo cấp sốnhân tính từ một điện áp quy định E thông qua một điện trở R Thời gian thựchiện để đạt được một điện áp cố định là tỷ lệ thuận với R có thể được thay đổi

để điều chỉnh thời gian trễ Đếm thời gian này có thể được bắt đầu bằng haicách: (i) các dòng DC cung cấp có thể được bật hoặc (ii) một mạch ngắn, thểhiện trong các hình thức của một bóng bán dẫn trong mạch, có thể được lấy ra

từ các tụ điện Một bóng bán dẫn có hiệu quả có thể thiết lập lại các mạch bằngcách xả tụ điện với một điện áp không đáng kể trong một vài mili giây khi

“biased on” Hình 2 cho thấy một bộ đếm thời gian của các loại 'Miller' bằngcách sử dụng một bộ khuếch đại hoạt động Trong mạch này điện áp tại đầu ragiảm tuyến tính với tốc độ tỷ lệ thuận với R và tỉ lệ nghịch với điện áp đầu vào

V ~ v

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 399 – Fig 6.5.1 A)

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 400 – Fig 6.5.1 B)

• Dò cấp độ (Level detectors): máy dò mức DC được sử dụng để phát hiện khi

dòng DC tại đầu vào vượt quá cấp độ đã cài đặt Khi mức độ này bị vượt quá,đầu ra được chuyển từ ngoài khơi vào điều kiện, thường là với lợi dòng đáng kểgiữa đầu vào và đầu ra Điều này cho phép một mức điện áp trên tụ điện đượctính theo 1 µA để được phát hiện và một tiêu chuẩn bản lề tiếp phần ứng điềukhiển bởi các đầu ra Hình 3 là một mạch đó có một mức giảm chỉ phân số dướimức cài đặt (pick-up) của mình Đây là loại ít nhất là nhạy cảm với nhiễu điện

vì nó không thể bám vào của quá độ khi điện áp đầu vào là dưới mức quy định.Hình 4 và 5 dò mức độ hiển thị với một mức độ giảm (drop-off) mà là một tỷ lệ

cố định của các cấp điều hành Mức giảm khác nhau điều này đạt được bằngcách sử dụng thông tin phản hồi từ đầu ra với mức độ tập để làm giảm mức điện

áp của nó sau khi hoạt động

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 401 – Fig 6.5.1 C)

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 402 – Fig 6.5.1 D)

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 403 – Fig 6.5.1 E)

• Dò cực (Polarity detectors): máy dò phân cực được sử dụng khi một xác định

chính xác của số không giao cắt trên dạng sóng AC được yêu cầu Các mạchtrong hình 6 và 7 cũng có thể được sử dụng như máy dò mức độ rất nhạy cảmtrong các ứng dụng như biến tap rơle thay đổi nơi một so sánh cực kỳ chính xácvới một điện áp tham chiếu là cần thiết

Hình 6 là một phiên bản mạch bóng dẫn Mạch này chỉ đòi hỏi một vài mV đầuvào (A tích cực đối với B với) để làm ướt TR4 Một máy dò cực thậm chí nhạycảm hơn được cung cấp bởi một bộ khuếch đại hoạt động không có phản hồi(Hình 7) Trong trường hợp này, sản lượng sẽ đảo ngược cực thông thường là từ+ 13V -13V đến khi đầu vào thay đổi tính phân cực

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 404 – Fig 6.5.1 F)

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 405 – Fig 6.5.1 G)

• Bộ so sánh giai đoạn (Phase comparators): Giai đoạn bộ so sánh được sử

dụng để phát hiện khi một dòng AC đầu vào là nhiều hơn hoặc ít hơn 90 ° rakhỏi giai đoạn với một dòng AC thứ hai nhập vào Chúng có thể được sử dụng

để sản xuất trở kháng và khoảng cách tổng trở đặc điểm chuyển tiếp tròn vàtrong rơle hướng

• Tích hợp (Integrators): Hình 8 cho thấy sơ đồ khối của một mạch so sánh đầy

đủ Các máy dò cực cung cấp đầu ra sóng vuông có tỉ lệ khác nhau đánh dấu /không gian, tùy thuộc vào mối quan hệ pha của các yếu tố đầu vào

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 407 – Fig 6.5.1 I)

Nếu một dạng sóng với tỷ lệ đánh dấu / không gian của sự hiệp nhất đượcđưa vào một tích hợp (Hình 9) Có sạc và xả giá bằng sản lượng sẽ có một lànsóng tam giác không có tăng mức DC Nếu tỷ lệ đánh dấu / không gian lớn hơn

sự thống nhất của sóng tam giác sẽ chuyển động tích cực và có thể giành chiếnthắng không có phong trào nett cho tỷ lệ ít hơn sự thống nhất Tỷ lệ “net” củaphong trào là tỷ lệ thuận với sự khác biệt giữa tỷ lệ và đơn vị đầu vào Để pháthiện chuyển động này một máy dò mức độ của các loại thể hiện trong Hình 4hoặc 5 được sử dụng Nó là cần thiết để có một thấp thả ra để lấy tỷ lệ để đảm

bảo rằng sản lượng là liên tục Cẩn thận lựa chọn tốc độ sạc có thể cung cấp chomột thời gian hoạt động của một nửa chu kỳ ở những điểm nhạy cảm nhất.

(sách POWER SYSTEM PROTECTION – trang 408 – Fig 6.5.1 J)

IV. Rơle Kĩ Thuật Số: (Network Protection & Automation Guide – chapter 6 –

Digital Relays)

Những digital relay đầu tiên được đưa vào khoảng những năm 80, và với sựcải thiện không ngừng khả năng của nó, đến nay digital relay vẫn được coi làcông nghệ hiện đại cho rất nhiều ứng dụng

Relay kĩ thuật số đã có một bước thay đổi lớn trong công nghệ chế tạo Bộ

vi xử lý và vi điều khiển đã dược sử dụng thay thế mạch analog trong relay tĩnh

để thực hiện chức năng

So với rơle tĩnh, rơ le kỹ thuật số sử dụng bộ chuyển đổi A/D chuyển đổi các

số liệu đo tương tự thành số và sử dụng một bộ vi xử lý để thực hiện các thuật toán bảo vệ

Relay kỹ thuật số có thể thiết lập thông số rộng hơn và chính xác hơn rơle điện cơ hay rơle tĩnh Nó có thể giao tiếp với các máy tính điều khiển

Hạn chế của các bộ vi xử lý được sử dụng trong các rơle kỹ thuật số là về sốlượng mẫu đo được trên mỗi chu kỳ,điều đó đã giới hạn của các relay trong các ứng dụng nhất định Do đó, một relay kỹ thuật số có một chức năng bảo vệ đặc biệt và có thể có một thời gian hoạt động lâu hơn relay tĩnh tương đương

Sơ đồ khối [1-trang 47]

Bộ vi xử lý bao gồm: bộ số học và luận lý, bộ định thì và điều khiển, cácthanh ghi

2 Các Thiết Bị Nhập Xuất [1]

Bộ vi xử lý liên với bên ngoài thông qua thiết bị nhập xuất Nó nhận dữ liệunhị phân và các chỉ thị từ thiết bị nhập và gửi kết quả đã xử lý đến thiết bị xuấtThiết bị nhập: bàn phím,bộ biến đổi tương tự số…

Thiết bị xuất: dùng để dịch các tín hiệu ở ngõ ra ở dạng logic sang tín hiệuđiện hoặc dạng tương tự (led 7 đoạn, máy in, bộ biến đổi số tương tự)

3 Bộ Nhớ [1]

Bộ vi xử lý cần có bộ nhớ lưu trữ chương trình và dữ liệu Bộ nhớ là tập hợpcác thanh ghi,mỗi thanh ghi lưu trữ số bit khác nhau

Bộ nhớ bán dẫn có hai loại: ROM và RAM

RAM là bộ nhớ chủ yếu trong máy tính và được gọi là loại thay đổi được

Có 2 loại RAM tĩnh và RAM động

RAM tĩnh sử dụng dễ dàng hơn nhưng giá thành đắt hơn loại động

RAM động cần thời gian làm tươi bộ nhớ để bảo quản thông tin được lưutrữ

RAM được dùng khi chương trình hoặc dữ liệu đòi hỏi phải được lưu trữcũng như thay đổi khi cần thiết RAM cũng được dùng để lưu trữ tín hiệu đolường dòng áp trong một khoảng thời gian cho mục đích ghi nhận dạng sự cố.ROM được dùng để lưu trữ những chương trình cố định Có các loại ROMsau:

Loại được lập trình sẵn, dữ liệu chương trình được viết vào ROM khi sảnxuất

Loại cho phép người dùng lập trình như PROM hoặc loại có thể lập trình rồixóa như EPROM

EPROM dùng để chứa trị số đặt của rơle

4 Bộ Lấy Mẫu Và Giữ [1]

Khi bộ ADC thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số phải mấtthời gian biến đổi Một mạch lấy mẫu và giử được dùng để giữ giá trị túc thờithay đổi của tín hiệu tương tự là hằng số trong chu kỳ biến đổi Mạch sẽ có haichức năng lấy và giữ

V. Relay Số (Network Protection & Automation Guide – chapter 6 –

Numerical Relays)

Sự khác biệt giữa digital relay và numerical relay nằm trên quan điểm độhoàn thiện về công nghệ chứ không phải ở nguyên lý bảo vệ Có thể xem đây

như một sự phát triển tự nhiên của digital relay như một kết quả của sự tiến bộtrong công nghệ

Thông thường, họ sử dụng một hoặc là một bộ xử lý chuyên ngành kỹ thuật

số tín hiệu (DSP) là phần cứng máy tính hoặc một vi điều khiển hiệu suấtcao,cùng với các công cụ phần mềm liên quan Các đầu vào tín hiệu analogđược chuyển đổi thành tín hiệu số và điều chế theo thuật toán thích hợp

Chi phí vi xử lý và các thiết bị số liên quan (bộ nhớ, cổng ra vào, ) ngàycàng giảm, đã dẫn đến việc tiếp cận công nghệ này theo cách sử dụng một thiết

bị phần cứng đơn để xử lý một lượng lớn các chức năng (‘one-box solution’approach)

Sử dụng bộ vi xử lý đa chức năng đã cung cấp cho rơle khả năng tính toáncần thiết đối với một số lượng lớn các chức năng mà trước đây được thực thitrong các phần tử phần cứng riêng biệt Tất cả chỉ gói gọn trong một phần cứng.Chính vì vậy chỉ cần một lỗi của numerical rơle cũng có thể làm cho rấtnhiều chức năng bị kéo theo, điều này khác với việc các chức năng khác nhauđược thực thi bởi các thiết bị riêng

Nếu tần số lấy mẫu nhỏ hơn tần số Nyquist thì tín hiệu sao khi lấy mẫu có dạng răng cưa cho nên cần phải loại bỏ tín hiệu răng cưa này bằng bộ lọc sin hoặc cosin

2. phần mềm hệ thống

Các phần mềm thường được tổ chức thành một loạt các nhiệm vụ, hoạt độngtrong thời gian thực Một thành phần quan trọng là Real Time Operating System(RTOS), có chức năng là để đảm bảo rằng các nhiệm vụ khác được thực hiện khi có yêu cầu, trên một ưu tiên cơ sở

Phần mềm tác vụ khác sẽ thay đổi tùy theo chức năng của relay cụ thể, nhưng có thể được khái quát như sau: