DO LUONG VA DIEU KHIEN TRONG HE THONG DIEN CHUONG~1

Chương 1 Khái niệm chung về các phần tử tự động Trong đo lường và điều khiển của hệ thống điện 1.1 Khái niệm chung I.. Đặc biệt trong Hệ thống điện, do đặc điểm của hệ thống đòi hỏi p

Chương 1

Khái niệm chung về các phần tử tự động Trong đo lường và điều khiển của hệ thống điện

1.1 Khái niệm chung

I Chức năng của các thiết bị tự động

Thiết bị tự động là các thiết bị có khả năng thực hiện được các chức năng xác

định trước mà không cần đến sự tham gia trực tiếp của con người

Mức độ tự động hoá phần nào phản ánh trình độ công nghệ của qui trình sản xuất

và ảnh hưởng đến chất lượng và giá thành của sản phẩm Đặc biệt trong Hệ thống điện,

do đặc điểm của hệ thống đòi hỏi phải tác động nhanh nên tự động hoá trong đo lường

và điều khiển là yêu cầu cấp thiết

Các thiết bị tự động trong đo lường và điều khiển của hệ thống điện có các chức năng sau:

- Điều khiển sự hoạt động của các thiết bị trong hệ thống

- Ngăn chặn trước và hạn chế các hư hỏng của hệ thống bằng các thiết bị phòng ngừa

- Ngắt những mạng điện cực bộ ra khỏi hệ thống khi có sự cố bằng các hệ thống bảo vệ rơle

- Điều chỉnh chất lượng điện năng bằng các thiết bị điều khiển

- Nâng cao độ tin cậy và đảm bảo thông tin trong việc giám sát, điều khiển các tham số của mạng lưới điện bằng các thiết bị thu thập thông tin, truyền tin, xử lý tin và

điều khiển từ xa, phục vụ cho công tác điều độ

II Dạng các phần tử tự động

Tồn tại 2 dạng phần tử tự động: Phần tử thụ động và phần tử hoạt tính

- Phần tử thụ động chỉ nhận năng lượng từ đầu vào nên công suất tín hiệu ra thường nhỏ hơn tín hiệu đầu vào

- Phần tử hoạt tính nhận năng lượng từ nguồn phụ, do đó công suất tín hiệu ra có thể cao hơn công suất tín hiệu đầu vào

Thông tin được truyền trong thiết bị điều khiển tự động theo 2 dạng: Liên tục và rời rạc

- Thông tin liên tục được dùng phần lớn trong các thiết bị tương tự mô phỏng theo giá trị điện áp, dòng điện không gián đoạn về thời gian cũng như về giá trị

- Thông tin rời rạc có thể gián đoạn về thời gian cũng như giá trị

Phần tử tự động có thể chỉ tác động theo một chiều, tín hiệu được truyền từ đầu vào tới đầu ra gọi là phần tử hở Khi tín hiệu ra ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào, một phần năng lượng của tín hiệu đầu ra được truyền đến đầu vào gọi là phần tử hồi tiếp hay

III Các dạng tín hiệu trong phần tử tự động

Tín hiệu dùng trong đo lường và điều khiển hệ thống điện thường dùng là tín hiệu

điện Tín hiệu điện có thể liên tục hoặc rời rạc

- Tín hiệu được gọi là liên tục nếu tham số thông tin có thể có giá trị bất kỳ tại thời điểm bất kỳ trong miền thay đổi của nó, cả về thời gian và mức năng lượng (hình 1-1a)

- Tín hiệu rời rạc có tham số mang thông tin ít nhất bị gián đoạn về thời gian

(hình 1-5b, trong 1 mức năng lượng thời gian không đổi hay tức thời) hoặc gián đoạn mức năng lượng (hình 1-5c, trong 1 mức thời gian năng lượng không đổi) Khi tín hiệu

rời rạc có gián đoạn cả về thời gian và mức năng lượng, gọi là tín hiệu số (hình 1-5d) Tín hiệu liên tục có thể được biến đổi và truyền di bằng các sóng mang có tần số lớn, sử dụng công nghệ biến điệu (điều chế, mã hoá) tín hiệu: Điều chế biên độ

(hình 1-2a, sóng mang có tần số không đổi còn biên độ biến đổi theo biên độ của tín hiệu), điều chế pha (hình 1-2b, sóng mang có tần số không đổi còn gócpha biến đổi theo biên độ của tín hiệu), điều chế tần số (hình 1-2c, sóng mang có biên độ không đổi còn tần số biến đổi theo biên độ của tín hiệu)

X

Hình 1-1: Các dạng tín hiệu

i

t

a)

Hình 1-2: Các phương pháp điều chế tín hiệu liên tục

T

i

b)

 i  k

t

i

t

c)

T i

T k

t

Tín hiệu rời rạc cũng được truyền tin nhờ sóng mang, sử dụng các phương pháp

điều chế sau: Điều chế theo biên độ của xung (hình 3a), theo độ rộng xung (hình 1-3b), theo độ lệch pha của xung (hình 1-3c), theo số lượng xung tần (hình 1-3d)

1.2 thiết bị trong đo lường và điều khiển

I Các thiết bị đo lường

1 Chức năng của các bộ phận đo lường trong hệ thống điện

Nhiệm vụ của bộ phận đo lường là tạo ra các tín hiệu làm việc tương ứng với các tin tức thu thập từ đối tượng điều khiển Trong hệ thống điện đó là các thông tin về phần sơ cấp Việc ghép nối giữa phần sơ cấp có điện áp cao, công suất lớn với phần thứ cấp công suất nhỏ điện áp thấp bằng các biến dòng điện và biến điện áp đo lường Chức năng của các bộ phận này như sau:

- Ghép nối về mặt thông tin giữa 2 hệ thống: Hệ thống sơ cấp và thứ cấp

- Cách ly về điện cho 2 hệ thống để sự cố không lan truyền với nhau

- Chuẩn hoá về thông tin đầu ra để thuận tiện trong việc kết nối với những phần tử

tự động khác

Ngoài ra còn các thiết bị đo lường khác trong các phần tử điều khiển như: Vônmét, Ampemét, Rơle

2 Máy biến dòng

a) Sơ đồ

Máy biến dòng làm nhiệm vụ cách ly mạng thứ cấp với điện áp cao và cung cấp cho mạng thứ cấp dòng điện tiêu chuẩn (1 hoặc 5A) Sơ đồ đấu nối của biến dòng tương tự như trong bảo vệ rơle

b) Yêu cầu về độ chính xác của máy biến dòng

Máy biến dòng dùng trong đo lường có cấp chính xác (0,11), giới hạn sai số cho phép

về trị số dòng (fi%) và sai số góc (i, phút) cho trong (bảng 1-1) tương ứng với phụ tải thứ cấp (25100)% Với cấp chính xác  0,5 thường dùng cho các thiết bị đo lường, thí nghiệm

Hình 1-3: Các phương pháp điều chế tín hiệu rời rạc

Khi cấp chính xác là 3 và 5 sai số cho phép về trị số dòng (fi%) cho trong (bảng 1-2), (sai số góc (i, phút) không qui định) tương ứng với phụ tải thứ cấp (50100)%

Bảng 1-1

chính xác

Bảng 1-2

chính xác

Đối với máy biến dòng dùng trong mạch bảo vệ, phải làm việc trong chế độ sự cố với dòng điện sơ cấp lớn hơn nhiều lần dòng điện định mức Để bảo vệ làm việc chính xác, BI phải đảm bảo độ chính xác khi bảo vệ làm việc với dòng điện sự cố, dòng điện đó gọi là dòng điện giới hạn theo độ chính xác

Tỷ số dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng điện định mức gọi là hệ số giới hạn theo độ chính xác

Máy biến dòng dùng trong bảo vệ có cấp chính xác (5P, 10P), giới hạn sai số cho phép về trị số dòng (fi%), sai số góc (i, phút) và sai số phức hợp có kể đến sóng hài bậc cao

Fi(%) cho trong (bảng 1-3) tương ứng với phụ tải thứ cấp 100% và hệ số giới hạn tiêu chuẩn theo độ chính xác bằng 5, 10, 15, 20, 30

Bảng 1-3

theo dòng sơ cấp

i (phút) theo dòng sơ cấp

F i (%) theo dòng sơ cấp

3 Hệ số giới hạn độ chính xác: 5, 10, 15, 20, 30

Thông số của BI trong đo lường ký hiệu theo phụ tải thứ cấp và cấp chính xác (10VA-0,5: phụ tải định mức 10VA, cấp chính xác 0,5) BI bảo vệ có thêm hệ số giới

hạn theo độ chính xác (10VA-5P10: phụ tải định mức 10VA, cấp chính xác 5P, hệ số giới hạn theo độ chính xác là 10)

Máy biến dòng thường dùng chung cho cả đo lường và bảo vệ vì vậy cấp chính xác cần chọn phù hợp với cả 2 tác dụng

c) Chế độ hở mạch thứ cấp của BI

Khi thứ cấp của BI hở mạch, nếu phía sơ cấp có dòng điện chạy qua thì toàn bộ dòng sơ cấp làm nhiệm vụ từ hoá, từ cảm B tăng đột ngột gây bão hoà mạch từ, từ thông  có dạng bằng đầu Khi dòng sơ cấp đi qua trị số 0, sức điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp có dạng nhọn đầu với trị số rất lớn (hình 1-4)

Đặc biệt trong chế độ sự cố dòng sơ cấp tăng mạnh, sức điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp rất lớn gây nguy hiểm cho cách điện của thiết bị và an toàn của người Vì vậy, thứ cấp của BI luôn nối ngắn mạch và chế độ ngắn mạch thứ cấp là chế độ làm việc bình thường của BI

d) Những thành tựu mới

- Khi mạch từ bão hoà gây ra các sóng hài bậc cao do sức điện động có dạng nhọn

đầu gây ra sai số cho bảo vệ Để giảm các sóng hài bậc cao, chế tạo BI có khe hở mạch

từ do đó giảm được từ thông dư trong mạch từ khi sự cố được giải trừ và tránh hiện tượng bão hoà mạch từ khi đóng BI vào làm việc, còn gọi là BI tuyến tính Ngoài ra các rơle kỹ thuật số đã có các giải pháp giải trừ các sóng hài bậc cao (Rơle Siemens, khoá bảo vệ khi trị số sóng hài quá lớn)

- Trong những năm gần đây xuất hiện những nguyên lý BI mới như: Nguyên lý chuyển đổi Điện-Quang (hình 1-5), nguyên lý chuyển đổi Từ-Quang Faraday Được dùng cho mạng siêu cao áp nhằm giảm cách điện của BI thông thường

Hình 1-4: Chế độ hở mạch thứ cấp của BI

B, E, 

e(t)

i(t)

B

t

Dòng điện qua BI1 thông thường và đưa qua bộ điều biến 1 chuyển thành đại lượng điện áp tỷ lệ, qua bộ khuyếch đại 2 tín hiệu tỷ lệ với dòng điện sơ cấp, qua điốt phát quang 3 phát tín hiệu quang tương ứng Cáp quang 4 dẫn tín hiệu quang và điốt quang điện 5 nhận tín hiệu quang, qua bộ khuyếch đại 6 và 7 có đủ công suất để cung cấp cho thiết bị BI2 và thiết bị phụ 8 tạo thành nguồn cung cấp cho BI

e) Chọn và kiểm tra BI

BI được chọn và kiểm tra theo các điều kiện (bảng 1-4)

Trong đó: S2 là công suất tổng của phụ tải đấu sau BI

Bảng 1-4

Số

Công thức chọn và kiểm tra

4

dmBI

xk d

I 2

l

K 

odn dmBI

gt odn

t I

t I

Lực cho phép tác động lên đầu sứ của máy

i 10 88 , 0 ] F [

2 1 xk 2



3 Máy biến điện áp đo lường

Máy biến điện áp đo lường làm nhiệm vụ cách ly mạng thứ cấp với điện áp cao và cung cấp cho mạng thứ cấp điện áp tiêu chuẩn (100V)

a) Sai số của BU

- Sai số về trị số điện áp fu(%) của BU đo lường, qui định theo (bảng 1-5)

- Sai số về góc u(phút) là góc lệch giữ điện áp sơ và thứ cấp của BU đo lường, qui

định theo (bảng 1-5)

Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý BI Điện-Quang

Z t

BI 1

3

8

Bảng 1-5

- Sai số về trị số điện áp fu(%) của BU dùng cho bảo vệ, qui định theo (bảng 1-6)

- Sai số về góc u(phút) là góc lệch giữ điện áp sơ và thứ cấp của BU dùng cho bảo vệ, qui định theo (bảng 1-6)

Bảng 1-6

b) Các loại BU

Có nhiều loại BU, theo nguyên lý cấu tạo có: BU cảm ứng điện từ thông thường, BU kiểu tụ phân áp, BU kiểu mới

- BU cảm ứng điện từ thông thường

Được chế tạo 3 pha với cấp điện áp  35kV, với cấp điện áp cao hơn thường sử dụng

3 BU 1 pha đấu thành tổ BU 3 pha với sơ đồ đấu:

+ BU 3 pha đấu theo sơ đồ Y0/Y0 (hình 1-6a)

+ BU 3 pha đấu theo sơ đồ V (hình 1-6b)

+ BU 3 pha đấu theo sơ đồ Y0/Y0/ (hình 1-6c)

Cuộn sơ cấp của BU phải đấu Y0 để các dòng TTO chạy qua và cảm ứng sang thứ cấp của BU

Hình 1-6: Sơ đồ đấu nối BU

a

c 0 b

a)

c

0

a b

c)

a

a

c b

b)

- BU kiểu tụ phân áp

Để giảm cách điện của BU trong các mạng cao áp, sử dụng BU kiểu tụ phân áp,

điện áp thứ cấp được lấy ra từ tụ phân áp (hình 1-7a)

Do mạch của BU có tụ điện nên tổng trở của nguồn có tính dung kháng, vì vậy có thể bù bằng cách đấu nối tiếp mạch thứ cấp với cuộn kháng (hình 1-7b)

Điện áp đầu ra của BU thường thấp (100V), do đó để đảm bảo công suất đầu ra của BU đủ lớn đòi hỏi dung lượng của tụ rất lớn, để tránh khó khăn này sử dụng sơ đồ

có máy biến áp điện từ trung gian (hình 1-7c)

c) Những thành tựu mới

- Để giảm sóng hài bậc cao trong tín hiệu thứ cấp có thể đấu nối tiếp vào mạch cuộn kháng và BA trung gian 1 tụ điện tạo nên mạch cộng hưởng sắt từ

- Để thông tin và điều khiển hệ thống điện, sử dụng kênh thông tin tần số cao truyền tải bằng đường dây truyền tải (PLC), vì vậy có thể kết hợp BU với thiết bị của PLC bằng cách đấu nối tiếp với tụ C2 1 cuộn kháng Phía thứ cấp có 2 cuộn dây trong

đó 1 cuộn lấy điện áp cho bảo vệ và đo lường, 1 cuộn lấy thông tin PLC

d) Chọn và kiểm tra BU

BU được chọn và kiểm tra theo các điều kiện (bảng 1-7)

Bảng 1-7

Điện áp định mức sơ cấp U 1 dm U 1 dm  U dm mang

Điện áp định mức thứ cấp U 2 dm U 2 dm = U dm TB

Phụ tải một pha thứ cấp, VA S 2.dm.pha S 2.dm.pha  S 2.pha

Trong đó: S2.pha là tổng phụ tải của các thiết bị đấu sau BU, được xác định phụ thuộc vào sơ đồ đấu như sau:

Hình 1-7: Sơ đồ nguyên lý BU dùng tụ phân áp

C1

C2 Zt

a)

C1

b)

c)

L

BA

U1

U2

- Sơ đồ hình Y và  phụ tải pha của BU tương ứng với phụ tải pha của các thiết bị

đấu vào các pha hoặc bằng 1/3 tổng phụ tải của 3 pha

- Sơ đồ hình V phụ tải pha của BU bằng 1,5 lần phụ tải pha của các thiết bị

II Các thiết bị trong điều khiển

Để thực hiện điều khiển, đo lường, kiểm tra và báo tín hiệu trong các mạch thứ cấp của hệ thống điện, sử dụng các khí cụ điện có cấu tạo khác nhau

1 Phân loại

Theo công dụng của chúng người ta có phân thành các nhóm khí cụ như sau:

- Khí cụ điều khiển, dùng để truyền các tín hiệu đóng, cắt, chuyển đổi vị trí của các bộ tiếp điểm, thay đổi các chương trình làm việc

- Các rơ le trong mạch điều khiển, dùng để thực các chương trình logic, kiểm tra mạch điện

- Các khoá điều khiển, dùng để phát các tín hiệu điều khiển và thay đổi chương trình làm việc của sơ đồ điều khiển

- Các cuộn dây đóng, cắt của máy cắt làm nhiệm vụ thực hiện động tác cuối cùng

- Khí cụ tín hiệu như đèn, chuông, còi, bảng tín hiệu làm nhiệm vụ báo cho người trực nhật về vị trí và trạng thái làm việc của các thiết bị

- Khí cụ kiểm tra như các đồng hồ đo lường làm nhiệm vụ kiểm tra tình trạng làm việc của các thiết bị

2 Ký hiệu và biểu diễn trên sơ đồ

Để biểu diễn trên sơ đồ mạch thứ cấp, mã hiệu hoá tất cả các khí cụ, các dụng cụ

và các phần tử bằng các ký hiệu (bảng 1-8)

Bảng 1-8

x

Thường mở:

9 Cuộn dây Công tắc tơ K

10 Cuộn dây Rơle dòng điện RI, PT

11 Cuộn dây Rơle điện áp RU, PH

12 Cuộn dây Rơle thời gian ThG, PB

13 Cuộn dây Rơle tổng trở RZ

14 Cuộn dây Rơle trung gian TRG, P

15 Cuộn dây Rơle tín hiệu TH, PY

16 Tiếp điểm của máy cắt MC Tiếp điểm thường mở:

Tiếp điểm thường đóng:

Tiếp điểm thường mở, mở chậm:

Tiếp điểm thường mở, đóng chậm:

Tiếp điểm thường đóng, mở chậm:

Tiếp điểm thường đóng, đóng chậm:

17 Tiếp điểm Công tắc tơ K

18 Tiếp điểm Rơle dòng điện RI, PT

19 Tiếp điểm Rơle điện áp RU, PH

20 Tiếp điểm Rơle thời gian ThG, PB

21 Tiếp điểm Rơle tổng trở RZ

22 Tiếp điểm Rơle trung gian TRG, P

23 Tiếp điểm Rơle tín hiệu TH, PY

A

V

W Var



3 Khoá điều khiển

Khoá điều khiển, dùng để phát các tín hiệu điều khiển và thay đổi chương trình làm việc của sơ đồ điều khiển

Khoá điều khiển thường có nhiều bộ đầu tiếp xúc (68), mỗi bộ có 4 đầu tiếp xúc

cố định và một đầu tiếp xúc di động với các hình dáng rất khác nhau Các đầu tiếp xúc

di động được gắn trên trục của khoá ở các vị trí khác nhau Việc tổ hợp các bộ đầu tiếp xúc, vị trí của chúng trên trục và vị trí của trục cho ta nhiều cách nối các đầu tiếp xúc

cố định với nhau theo ý muốn

Các thao tác bằng khoá điều khiển được tiến hành theo hai bước như sau:

- Bước 1 Đóng bằng khoá điều khiển

+ Quay tay cầm cùng chiều kim đồng hồ một góc 900 để chuẩn bị đóng, khi đó KĐK sẽ ở vị trí Đ0

+ Tiếp tục quay thêm 450, để đóng máy cắt KĐK ở vị trí đóng Đ1 Sau khi đóng máy cắt, bỏ tay ra KĐK tự quay ngược lại một góc 450 và khóa ở vị trí đã đóng Đ

- Bước 2 Cắt bằng khoá điều khiển

Tiến hành tương tự như trên, nhưng quay theo chiều ngược kim đồng hồ, tương ứng KĐK sẽ ở vị trí chuẩn bị cắt C0, cắt C1 và đã cắt C

Hình 1-7: Vị trí quay vàbảng tiếp điểm của KĐK

C 1 C 0 C Đ Đ 0 Đ 1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Đ, Đ 0

Đ 1

C, C 0

C 1