Rơ le bảo vệ trạm biến áp

các trường hợp hư hỏng sự cố trong trạm biến áp,bảo vệ trạm biến áp ,

Tài liệu hướng dẫn

Dành cho công nhân kỹ thuật

Và kỹ sư mới ra trường

Phạm Quốc Thái biên soạn

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1/ Ngắn mạch – Các tính chất

Phân loại tính chất theo nguyên nhân:

– Nguyên nhân cơ học:

– Vật dẫn điện bị đứt gẫy

– Vật dẫn không mong muốn nối chúng với nhau (như các dụng cụ hoặc súc vật)

– Nguyên nhân điện:

– Suy giảm cách điện giữa các pha,

– Suy giảm cách điện giữa pha và khung sườn có nối đất,

– Quá điện áp nội bộ

– Quá điện áp khí quyển

– Sai sót trong vận hành:

– Nối đất pha có điện,

– Nối hai nguồn khác nhau không đủ điều kiện đồng bộ,

– Đóng mở các thiết bị đóng cắt sai quy trình

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1/ Ngắn mạch – Các tính chất

Phân loại tính chất theo vị trí:

 Từ bên trong thiết bị (dây cáp điện, động cơ, máy biến áp, tủ điện )

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1/ Ngắn mạch – Các tính chất

Phân loại tính chất theo thời gian:

 Ngắn mạch tự phục hồi: sự cố tự biến mất

 -Ngắn mạch thoáng qua:

sự cố biến mất do tác động của các thiết bị bảo vệ

không xuất hiện lại sau khi các thiết bị khởi động trở lại

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1/ Ngắn mạch – Các dạng ngắn mạch

Ngắn mạch giữa Pha và đất : chiếm 80% các trường hợp

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1/ Ngắn mạch – Các dạng ngắn mạch

Ngắn mạch giữa Pha và pha : chiếm 15% các trường hợp

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1/ Ngắn mạch – Các dạng ngắn mạch

Ngắn mạch 3 Pha : chiếm 5% các trường hợp

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Phá hủy cách điện, do:

Hư hỏng trên bề mặt thiết bị (do nhiễm bẩn)

Quá nhiệt

Phóng điện trong các lỗ hổng li ti bên trong chất cách điện

– Suy giảm cách điện bất thường

Do súc vật, cây cối hoặc do dụng cụ sót lại trên vật dẫn

điện do bất cẩn

– Hư hỏng cách điện do các nguyên nhân ngoài :

Bị va chạm với xe cộ

– Quá điện áp dẫn đến đánh thủng cách điện :

Quá điện áp nội bộ hoặc quá điện áp khí quyển

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

– Đối với động cơ:

 Khởi động liên tiếp dẫn đến quá nhiệt và tạo đột biến cơ học trên các khớp nối trục.

 Thời gian khởi động kéo dài do Rô-to bị khóa, dẫn đến hậu quả tương tự

 – Đối với máy phát:

 Mất kích thích do các sự cố trong mạch Rô-to (cắt nguồn hoặc ngắn mạch) dẫn đến quá nhiệt Rô-to và Sta-to, mất đồng bộ với lưới.

 Các biến động về tần số do quá tải, hoặc do bộ điều tốc làm việc sai.

 Kết nối không đồng bộ: nối máy phát với lưới, hoặc 2 bộ phận lưới với nhau khi không đúng điều kiện đồng bộ

CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2/ Các dạng sự cố khác

Quá điện áp khí quyển

do sét

 – Quá điện áp nội bộ:

do xung điện áp quá độ khi đóng cắt thiết bị

 – Quá tải thiết bị:

như cáp điện, máy biến áp, máy phát hoặc đông cơ

 – Công suất hoặc năng lượng bị đảo chiều :

Khi mất một số nguồn cung cấp, một số máy phát nội bộ bị phát ngược ra lưới



CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2/ Các dạng sự cố khác

 – Biến động điện áp :

Các bộ điều áp dưới tải của máy biến áp tác động sai,

Biến động quá áp, thấp áp trên lưới

 – Sự xuất hiện thành phần thứ tự nghịch :

Máy phát điện không cân xứng,

Tải mất cân bằng,

Tải một pha quá lớn,

Tiếp xúc của các thiết bị đóng cắt bị hỏng

Dẫn đến quá nhiệt động cơ, máy phát và có thể làm mất đồng bộ máy phát

CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ VÀ ỨNG DỤNG 1/ Khái niệm về rơ le bảo vệ

Các rơ le bảo vệ là

Các thiết bị luôn luôn so sánh các thông số điện của lưới (thí dụ như dòng điện, điện áp, tần số và tổng trở) với những giá trị đặt trước,

Tự động xuất ra các yêu cầu để tác động đến các thiết bị đóng cắt khi các thông số cần kiểm tra vượt qua các giá trị ngưỡng

Xuất ra các tín hiệu cảnh báo

Vai trò của các rơ le bảo vệ

Phát hiện các điều kiện làm việc không bình thường của mạch điện thí dụ như ngắn mạch, dao động điện áp, sự cố máy

Tạo ra các tín hiệu cắt mạch, khóa mạch để cô lập sự cố

CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ VÀ ỨNG DỤNG 2/ Các loại rơ le bảo vệ

Loại không có nguồn nuôi (tự hành)

Khi năng lượng cần cho hoạt động của nó được lấy trực tiếp từ chính mạch tín hiệu

Cơ cấu tác động phải đủ nhạy, vì nguồn năng lượng lấy từ tín hiệu có thể bị giới hạn

CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ VÀ ỨNG DỤNG 2/ Các loại rơ le bảo vệ

Loại có nguồn nuôi,

khi năng lượng để rơ le hoạt động được cung cấp từ một nguồn phụ (xoay chiều hoặc một chiều)

Nguồn này độc lập với tín hiệu cần kiểm soát

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 1/ Bảo vệ quá dòng (Mã ANSI = 50 hoặc 51)

Chức năng của loại bảo vệ này là để bảo vệ quá dòng 1 pha, 2 pha hay 3 pha

Bảo vệ sẽ tác động khi có 1, 2 hoặc 3 pha có dòng điện vượt lên quá trị số đặt trước

Bảo vệ này có thể được đặt một thời gian trễ :

Rơ le chỉ tác động khi dòng điện cần kiểm soát vượt cao

hơn ngưỡng cài đặt sau một thời gian ít nhất bằng thời gian trễ đã đặt trước

Thời gian trễ này có thể là độc lập (xác định) hoặc thời gian theo đặc tính ngược

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 1/ Bảo vệ quá dòng (Mã ANSI = 50 hoặc 51)

Bảo vệ thời gian trễ độc

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 1/ Bảo vệ quá dòng (Mã ANSI = 50 hoặc 51)

Bảo vệ thời gian ngược:

Thời gian trễ tùy

thuộc vào tỷ số giữa dòng điện đo được

và dòng điện ngưỡng

Dòng điện càng lớn

thời gian trễ càng ngắn

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 1/ Bảo vệ quá dòng (Mã ANSI = 50 hoặc 51)

Các dạng bảo vệ thời

gian ngược:

thời gian ngược tiêu

chuẩn (standard inverse),

thời gian ngược rất

dốc (very inverse)

thời gian ngược cực

dốc (extremely inverse

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 2/ Bảo vệ chạm đất

(Mã ANSI = 50N hoặc 51N, 50G hoặc 51G)

Dùng để bảo vệ lưới điện chạm đất

Tác động khi dòng điện dôi dư Irsd = I1 + I2 + I3 tăng lên vượt quá giá trị ngưỡng cài đặt

Dòng điện dôi dư này biểu thị cho dòng chạm đất

Có thời gian tác động tương tự với bảo vệ quá dòng pha với đặc tuyến tương tự t = f (Irsd )

Được cài đặt sao cho nó đủ nhạy và có thể phát hiện

được dòng chạm đất có giá trị thấp

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 2/ Bảo vệ chạm đất

(Mã ANSI = 50N hoặc 51N, 50G hoặc 51G)

Đo lường dòng dôi dư

 Bằng một bộ biến dòng cân bằng có lõi từ đủ cho 3 dây dẫn của 3 pha đi xuyên qua

 Các vòng dây xuyên qua tạo nên một từ thông φrsd = φ 1+φ 2 +φ 3

 φ 1 , φ 2 và φ 3 tỷ lệ với dòng điện pha I 1 , I 2 và I 3 ,

 Φrsd tỷ lệ với dòng dôi dư cần

đo

 Mạch bẫy dòng điện để phát hiện được các dòng điện chạm đất trong nội bộ dây cáp điện

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 2/ Bảo vệ chạm đất

(Mã ANSI = 50N hoặc 51N, 50G hoặc 51G)

Đo lường dòng dôi dư

Bằng 3 bộ biến dòng

Các điểm trung tính của

chúng được nối lại với nhau,

từ đó tạo ra dòng tổng

Irsd = I1 + I2 + I3

Thường được dùng trên

mạng trung áp và cao áp

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 2/ Bảo vệ chạm đất

(Mã ANSI = 50N hoặc 51N, 50G hoặc 51G)

Cài đặt ngưỡng bảo vệ chạm đất tối thiểu:

Các bảo vệ chạm đất có khả năng rủi ro tác động nhầm

do mạch đo lường bị sai, đặc biệt là với dòng điện quá

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 2/ Bảo vệ chạm đất

(Mã ANSI = 50N hoặc 51N, 50G hoặc 51G)

Tạo chế độ không nhạy với họa tần bậc 3 và bậc bội 3

Phải không nhay với họa tần vậc 3 và các họa tần bội của

3 (bậc 6, 9, )

Các họa tần này có thể xuất phát từ lưới hoặc từ các bộ biến dòng bị bão hòa trong trường hợp dòng khởi động cao hoặc dòng quá độ, kể cả dòng điện không chu kỳ.

Trong thực tế, các dòng bậc 3 và bậc bội 3 sẽ được rơ-le phát hiện và lầm là dòng dôi dư, vì chúng cùng pha.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 2/ Bảo vệ chạm đất

(Mã ANSI = 50N hoặc 51N, 50G hoặc 51G)

 Đối với họa tần bậc bội 3 tương tự.

 Cần phải có chế độ không nhạy với

họa tần 3 và bội 3

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 3/ Bảo vệ quá dòng định hướng

(Mã ANSI = 67)

 Gồm một bảo vệ quá dòng pha,

tương tự như rơ le 51, kết hợp với

một bộ phận phân biệt chiều dòng

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN

3/ Bảo vệ quá dòng định hướng

(Mã ANSI = 67)

 Sự cố ở điểm A, có 2 dòng sự cố đồng thời

 Dòng sự cố chảy qua 4 thiết bị bảo vệ

 –P4, có thời gian trễ không cắt

 Đường dây sự cố sẽ được cô lập.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN

3/ Bảo vệ quá dòng định hướng

(Mã ANSI = 67)

 Chúng ta nói “hướng của dòng điện”

thực ra là hướng của công suất Như vậy góc lệch pha ϕsc giữa điện áp và dòng ngắn mạch phải đo được

 Chiều dòng điện đo tại P3 hướng từ bên ngoài vào thanh cái Công suất hữu công

đo được có trị số dương

− π / 2 ≤ Φ sc,P3 ≤ π / 2 và

cos Φ sc, P3 ≥ 0.

 Chiều dòng điện đo tại P2 hướng từ trong thanh cái ra ngoài Công suất hữu công đo được có trị số âm

π / 2 ≤ Φ sc,P3 ≤ 3π / 2 và

cos Φ sc, P2 ≤ 0.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 3/ Bảo vệ quá dòng định hướng

(Mã ANSI = 67)

 Để xác định góc lệch pha Φ sc , dòng điện phải so sánh với một điện áp

 Đối với dòng pha 1, phải sử dụng điện áp phân cực là điện áp giữa pha 2 và

3 Áp này vuông góc với dòng điện I1 khi góc lệch bằng 0

 Tương tự, đối với dòng pha 3, điện áp phân cực được lấy từ pha 1 và 2

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 3/ Bảo vệ quá dòng định hướng

(Mã ANSI = 67)

Giải thích về việc chọn điện áp phân

cực:

Đối với dòng pha 1:

 Khi ngắn mạch 3 pha: điện áp thấp 

chọn điện áp pha – pha sẽ tốt hơn.

Đối với dòng pha 3:

 Tương tự như trên, sẽ chọn U 21

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 3/ Bảo vệ quá dòng định hướng

(Mã ANSI = 67)

Nguyên lý làm việc:

Bảo vệ quá dòng định hướng sẽ tác

động khi 2 điều kiện trên đây xảy

ra:

– Dòng điện đo được cao hơn một

ngưỡng cài đặt trước

– Góc pha của dòng điện lệch với

điện áp phân cực 1 trị số trong phạm

vi cho trước, nghĩa là trong vùng bảo

vệ

Vùng bảo vệ là ½ mặt phẳng, xác

định bằng đặc tuyến góc θ, nghĩa là

góc giữa đường vuông góc với ranh

giới 2 vùng và điện áp phân cực

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 4/ Bảo vệ chạm đất định hướng

áp phân cực nằm trong một phạm vi đặt trước.

Người ta dùng điện áp dôi dư làm điện áp phân cực.

Do đó phải có mạch đo lường dòng dôi dư và điện áp dôi dư

Mạch đo lường dòng điện dôi dư:

Dòng điện dôi dư là tổng vec tơ của dòng điện 3 pha:

Irsd = I1 + I2 + I3 (xem phần 2)

Mạch đo lường điện áp dôi dư:

Điện áp dôi dư là tổng véc tơ của 3 điện áp pha 1, pha 2 và pha 3

so với đất

Vrsd = V1 + V2 + V3

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 4/ Bảo vệ chạm đất định hướng

(Mã ANSI = 67N)

Đo điện áp dôi dư có 2 cách:

– Đo gián tiếp:

 Sử dụng điện áp pha – đất của các pha 1, 2 và 3,

 thiết bị đo sẽ tổng hợp các véc tơ thành

Vrsd = V1 + V2 + V3

– Đo trực tiếp:

 Sử dụng các bộ biến áp 3 cuộn dây

 Mỗi cuộn thứ cáp sẽ dùng để đo điện áp giữa pha với đất

 Cuộn thứ 3 được nối tam giác hở,

 Đầu ra của mạch tam giác hở là điện áp dôi dư cần đo.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 4/ Bảo vệ chạm đất định hướng

(Mã ANSI = 67N)

 Bảo vệ chạm đất định hướng tác động khi thỏa 2 điều kiện sau:

 – Dòng điện dôi dư cao hơn một ngưỡng cài đặt trước.

 – Góc lệch pha giữa dòng điện dôi dư và điện áp dôi dư nằm trong vùng tác động đã cài đặt trước

 Vùng tác động là một nửa mặt phẳng, xác định theo góc θ Góc này là góc lệch giữa đường thẳng góc với đường ngăn cách 2 vùng và điện áp dôi dư.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

sự sai biệt về dòng sẽ biểu thị cho dòng sự cố.

Trong đó:

Iout : Dòng điện rời khỏi vùng bảo vệ

n : Tỷ số biến dòng.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

Các cuộn thứ cấp của biến dòng được nối sao cho dòng của cuộn này đi vào cuộn kia Như vậy chúng được lắp ngược pha với nhau

Trong điều kiện bình thường Iin = Iout

Bình thường hoặc khi có sự cố ngoài, dòng điện trong nhánh so lệch

≈ 0

Khi có sự cố trong vùng bảo vệ, dòng điện trong nhánh so lệch tỷ lệ với dòng sự cố

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN

5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

Sơ đồ này có thể dùng để bảo vệ ngắn mạch pha (2 pha hoặc 3 pha) và pha – đất nếu sử dụng mỗi pha một mạch so lệch.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

Nếu nối 3 pha sao cho tổng các dòng của pha so sánh với

nhau, thì nó chỉ bảo vệ sự cố pha – đất

Dòng điện dôi dư Irsd là tổng của 3 dòng pha, và tỷ lệ với dòng điện chạm đất.

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

Bảo vệ so lệch tổng trở cao sẽ chính xác nếu dòng thứ cấp của biến dòng tỷ lệ chính xác với dòng sơ cấp ở mọi thời điểm

Tuy nhiên, các biến dòng có thể bị bão hòa ở thời điểm ngắn mạch, ngay cả nếu dòng điện ngắn mạch còn nhỏ hơn giới hạn chính xác của biến dòng, hoặc nếu điện áp vẫn còn nhỏ hơn điểm uốn của biến dòng

Khi biến dòng bão hòa, tỷ lệ giữa dòng sơ cấp và dòng thứ cấp

sẽ không còn chính xác Các biến dòng có thể có mức độ bão hòa không giống nhau, dẫn đến dòng điện lệch Iin − Iout ≠ 0 Rơ-le có thể tác động sai

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

Để bảo vệ so lệch không tác động sai do biến dòng bão hòa khi có sự

cố bên ngoài, dòng điện đi trong nhánh so lệch phải thấp hơn dòng điện tác động của rơ le

Người ta kết hợp thêm các điện trở ổn định Rs trong nhánh so lệch để làm tăng tổng trở của mạch, giảm sai số do bão hòa

CÁC BẢO VỆ CHÍNH TRONG TRẠM BIẾN ĐIỆN 5/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao (Mã ANSI = 87)

Để bảo vệ so lệch không tác động sai do biến dòng bão hòa khi có sự

cố bên ngoài, dòng điện đi trong nhánh so lệch phải thấp hơn dòng điện tác động của rơ le

Người ta kết hợp thêm các điện trở ổn định Rs trong nhánh so lệch để làm tăng tổng trở của mạch, giảm sai số do bão hòa