giáo trình thí nghiệm hệ thống rơ le bảo vệ

Chương 1: NHỮNG NÉT CHÍNH VỀ RƠ LE BẢO VỆ 1-1 Hệ thống điện và các sự cố xảy ra trong hệ thống điện 1-1-1 Ảnh hưởng của các sự cố xảy ra trong hệ thống điện: Thiết bị điện được kết nối

DỰ ÁN ĐÀO TẠO GIÁO VIÊN/HƯỚNG DẪN VIÊN NGÀNH ĐIỆN

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY

Ngày nay, Đất nước ta đang trong quá trình hội nhập kinh tế thế giới và phát triển kinh tế trong nước với tốc độ rất cao Chính vì thế khiến cho nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng với một tốc độ chóng mặt Xu hướng hiện này của nền kinh tế là đang chuyển mình sang hình thức cổ phần hóa, cho nên khiến cho sự cạnh tranh ngày càng lớn đã khiến cho yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng cao và khắt khe hơn Có nghĩa là Ngành điện lực phải cung cấp điện với một chất lượng điện năng đảm bảo về tính ổn định, liên tục và tin cậy

Như chúng ta đã biết, Hệ thống điện của chúng ta được kết cấu bởi rất nhiều các các nhà máy điện, các thiết bị điện, đường dây truyền tải, đường dây phân phối v.v

và luôn phải vận hành liên tục và ở chế độ đầy tải Do đó, có thể sảy ra những sự cố bất thường vào bất cứ lúc nào, và có thể làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng Do vậy, để đảm bảo được chất lượng điện năng cho khách hàng đòi hỏi chúng ta phải có một biện pháp bảo vệ hệ thống điện sao cho có thể phát hiện ngăn chặn kịp thời những hiện tượng bất thường và sự cố xảy

ra trong hệ thống điện Chính vì lẽ đó Hệ thống rơ le bảo vệ đóng một vai trò hết sức quan trọng Do vậy việc trang bị kiến thức nhằm giúp bạn hiểu được và có thể

tự mình vận dụng lý thuyết kết hợp với sử dụng các thiết bị rơ le bảo vệ để nhằm phán đoán, ngăn chặn kịp thời và sự lý sự cố cũng như phân tích và truy tìm sự cố là hết sức cần thiết

Tài liệu về hệ thống rơ le bảo vệ này được Nhóm Trạm biến áp biên dịch dưới

sự hỗ trợ kỹ thuật của các chuyên gia Điện lực Nhật Bản cộng với sự đóng góp ý kiến của các chuyên gia đến từ các đơn vị trực thuộc Tổng công ty Điện lực Việt Nam Tài liệu được phân ra làm hai tập:

- Tập một “Hệ thống rơ le bảo vệ (cơ bản)”

- Tập hai “Hệ thống rơ le bảo vệ (nâng cao)”

Cuốn tài liệu tập 1 chủ yếu trang bị cho bạn lý thuyết căn bản về hệ thống rơ le bảo vệ đang được ứng dụng trong thực tế nhằm củng cố nền tảng kiến thức cho các

tế và kiến thức về công nghệ rơ le số Cuốn tài liệu này rất hữu ích cho các đồng chí

kỹ sư từ 1 đến 3 năm kinh nghiệm và các đồng chí công nhân và thợ bậc cao đang đảm đương công tác vận hành cũng như sửa chữa tại các Nhà máy điện hoặc các Trạm biến áp

Tài liệu này được thiết kế và biên soạn lần đầu tiên dưới sự hợp tác của hai chính phủ Việt Nam – Nhật Bản về đào tạo nguồn nhân lực cho Ngành điện Việt Nam Do đó chắc hẳn sẽ có nhiều thiếu sót, vì thế bước đầu tài liệu này phát hành với vai trò làm tài liệu tham khảo

Chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp quí báu của bạn đọc nhằm giúp cho chúng tôi trong quá trình hoàn thiện và nâng cấp tài liệu lần sau được tốt hơn

Ý kiến của bạn đọc xin gửi về theo địa chỉ: “Trường cao đẳng điện lực – 235 Hoàng Quốc Việt - Từ Liêm – Hà Nội”

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 3 năm 2006

NHÓM BIÊN SOẠN

MỤC LỤC:

1-1 Hệ thống điện và các sự cố xảy ra trong hệ thống điện 6

1-1-1 Ảnh hưởng của các sự cố xảy ra trong hệ thống điện 6 1-1-2 Các nguyên nhân gây ra sự cố trong hệ thống điện 6 1-1-3 Pha sự cố trong hệ thống điện 7

1-2-1 Vai trò của thiết bị rơle bảo vệ 8 1-2-2 yêu cầu đặt ra đối với thiết bị rơ le bảo vệ 9

2-1-1 Những nét chính về thiết bị mô phỏng 11

2-1-3 Thiết bị mô phỏng dùng để đào tạo về rơ le bảo vệ 12 2-1-4 Thiết bị mô phỏng có phạm vi lớn 13

Chương 3: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI MANG TẢI 14

(Tải Thuần trở/Thuần kháng/Thuần dung)

3-2 Biểu diễn mạch điện xoay chiều theo sơ đồ véc tơ 17

3-2-1 Đại lượng véc tơ và đại lượng vô hướng 17

3-3-1 Mạch điện thuần trở (R) 19

3-3-4 Mạch điện mắc nối tiếp R và L 21 3-3-5 Mạch điện mắc R và C nối tiếp 22

Chương 4: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI SỰ CỐ 24

(Sự cố chạm đất, Sự cố ngắn mạch)

4-1-2-1 Các thành phần đối xứng của điện áp xoay chiều 3 pha 24 4-1-2-2 Mạch điện của thành phần thứ tự không 27 (1) Mạch điện thành phần thứ tự không của Máy phát điện 27 (2) Mạch điện thành phần thứ tự không của Máy biến áp 29 4-1-2-3 Mạch điện thành phần thứ tự thuận / thành phần thứ tự nghịch 32 (1) Mạch điện thành phần thứ tự thuận / thành phần thứ tự nghịch của MPĐ 32 (2) Mạch điện thành phần thứ tự thuận/thành phần thứ tự nghịch của MBA 33

4-1-3-1 Phương trình cơ bản của MPĐ 34 4-1-3-2 Sự cố chạm đất 3 pha (3LG) 35 4-1-3-3 Sự cố ngắn mạch 2 pha (2LS) 37 4-1-3-4 Sự cố ngắn mạch chạm đất 1 pha (1LG) 41 4-1-3-5 Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất (2LG) 47

4-2 Phân tích sự cố cùng với cả điện trở tại điểm sự cố 52

4-3-1 Các biểu thức cơ bản của điện áp và dòng điện tại điểm sự cố 54

4-3-3 Sự cố hở mạch 2 pha 59

4-4-1 Hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp 62 4-4-2 Hệ thống không có trung tính nối đất 63

5-1-1 Các nguyên nhân gây ra do phía phụ tải 68 5-1-2 Các nguyên nhân gây ra do nguồn cung cấp điện 68 5-1-2-1 Sơ đồ đấu nối các MBA 1 pha theo hình chữ V 71 5-1-2-2 Sơ đồ đấu nối đối với hệ thống điện hạ áp 74

6-1 Những nét chính về rơle bảo vệ quá dòng điện 77

6-2-1-2 Ứng dụng của rơ le bảo vệ quá dòng với các thành phần tức thời 80

Chương 7: RƠ LE BẢO VỆ CHỐNG SỰ CỐ CHẠM ĐẤT CÓ HƯỚNG 83

7-2 Nguyên lý của bảo vệ chống chạm đất có hướng 83

7-2-1 Bảo vệ chống sự cố chạm đất có hướng là gì? (Nguyên lý cơ bản) 83 7-2-2 Sơ đồ véc tơ Vo và Io trong lưới điện có trung tính cách ly 84 7-2-2-1 Sơ đồ véc tơ Vo và Io trong tình trạng lưới điện vận hành bình thường

84 7-2-2-2 Đặc tính ảnh hưởng bởi góc pha của rơ le bảo vệ chống chạm đất có

8-1 những Nét chính về rơ le bảo vệ khoảng cách có hướng 91

8-1-1 Rơ le bảo vệ khoảng cách có hướng là gì? 91 8-1-2 Uu điểm của Rơ le bảo vệ khoảng cách có hướng 91

8-5-1 Mạch CT và PT của rơ le khoảng cách chống sự cố ngắn mạch 103 8-5-2 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào của các rơ le 103

8-5-2 So sánh giữa Bảo vệ khoảng cách chống ngắn mạch và Bảo vệ quá dòng

8-6 Phối hợp thời gian loại trừ sự cố giữa các bảo vệ khoảng cách 110

9-1-2 Nguyên lý tác động của rơ le so lệch 112

9-2 Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch phần trăm 114

9-2-1 So sánh với hệ thống bảo vệ so lệch dòng điện 114 9-2-2 Nguyên lý làm việc của rơ le so lệch phần trăm 114

10-1-1-1 Các sự cố xảy ra với máy biến áp 116 10-1-1-2 Các loại bảo vệ của máy biến áp 117

10-1-2 Nguyên lý của các rơ le so lệch phần trăm 117

10-2-1 Các kiểu đấu dây của các máy biến dòng điện 119

10-2-1-1 Sự dịch chuyển pha của các MBA (Sự di dịch góc) 119 (a) Khi một tổ đấu dây Y-Y được sử dụng cho mạch thứ cấp của CT 120 (b) Khi tổ đấu dây ∆-Y được dùng cho mạch thứ cấp của CT 122

10-3 Những trục trặc trong bảo vệ MBA và các giải pháp khắc phục 124

10-3-2 Các phương pháp để chống lại dòng điện xung từ hoá MBA 125

10-3-2-1 Diện mạo của dòng điện xung từ hoá MBA 125 10-3-2-2 Hiện tượng dòng điện xung từ hoá trong các MBA làm việc song song

129

Chương 1: NHỮNG NÉT CHÍNH VỀ RƠ LE BẢO VỆ 1-1 Hệ thống điện và các sự cố xảy ra trong hệ thống điện

1-1-1 Ảnh hưởng của các sự cố xảy ra trong hệ thống điện:

Thiết bị điện được kết nối với nhau một cách chắc chắn (về cơ khí, từ, hoặc về điện) và tác động lẫn nhau

Do đó, khi có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong các thiết bị của hệ thống điện, thì điểm sự cố phải được tách rời ra khỏi hệ thống điện một cách nhanh chóng hoặc nếu không sẽ gây hư hỏng lan tràn (do sự cố gây ra cho thiết bị đang làm việc bình thường) hoặc các sự cố này sẽ làm mất đồng bộ lan tràn Vùng được tách ly phải bao gồm cả điểm sự cố và phải càng nhỏ càng tốt

Khi mà sự cân bằng giữa tải và nguồn cấp của hệ thống điện trở nên mất cân bằng quá mức do đường dây truyền tải đó ngừng làm việc, thì toàn bộ hệ thống điện

có thể sẽ mất điện nếu như tình trạng này không được kiểm tra Do đó, việc xa thải phụ tải và việc xa thải nguồn phải được thực hiện một cách nhanh chóng để lập lại

sự cân bằng

Khi tách thiết bị sự cố ra khỏi HTĐ bị chậm trễ hoặc xảy ra mất đồng bộ, thì hệ thống phải được tách ly bằng cách tập hợp các thiết bị đồng bộ hoá có các góc pha nhỏ hơn để ngăn chặn việc phá vỡ toàn bộ hệ thống điện

1-1-2 Các nguyên nhân gây ra sự cố trong hệ thống điện:

Các nguyên nhân chính gây ra sự cố trong hệ thống điện là như sau:

(1) Gây ra bởi một hệ thống bên ngoài:

(a) Do Hiện tượng tự nhiên chẳng hạn như sấm, tuyết, muối, gió, nước, động đất, v.v

(b) Do Bám bụi bẩn, đặc biệt là các chất dẫn được điện

(c) Do chạm phải con người, động vật, hoặc cây cối

(2) Gây ra bởi bản thân hệ thống:

(a) Do sự lão hoá cách điện tự nhiên

(b) Do các lỗi vi phạm quy trình chẳng hạn như vận hành không đúng

(c) Do lỗi chế tạo hoặc thiết kế thiết bị

(d) Do vận hành, bảo dưỡng hoặc kiểm tra sự cố

(e) Do điện áp bất thường bên trong hệ thống

Trong quá trình định cấu hình hệ thống điện, thì việc thiết kế, chế tạo và xây dựng phải được thực hiện có tính toán đến các nguyên nhân của các sự cố này; ngoài ra việc vận hành và bảo dưỡng phải được thực hiện đầy đủ Tuy nhiên, đối với hiện tượng tự nhiên, thì việc thiết kế sơ đồ của hệ thống điện sẽ phải được thực hiện theo một sự tính toán tổng hợp về mặt kinh tế của thiết bị và tầm quan trọng về sự ảnh hưởng của các sự cố của thiết bị, theo kích cỡ và khả năng có thể xảy ra sự cố

(b) Sự cố chạm đất ở các pha khác nhau nhưng khác điểm

Hình 1.2: Sự cố chạm đất tại các pha khác nhau

(3) Các hiệu ứng về cảm ứng không cân bằng được tạo ra bởi các đường dây điện khác được bắc trên cùng một cột thép

1-2 Vai trò và điều kiện của thiết bị rơle bảo vệ

1-2-1 Vai trò của thiết bị rơle bảo vệ

Vai trò của thiết bị rơ le bảo vệ là để thực hiện những giải pháp nhằm để giảm thiểu hoá những hư hỏng và để ngăn chặn hư hỏng hỏng lan tràn nếu như có bất kỳ

tình trạng bất thường hoặc sự cố nào xảy ra trong phần tử cấu hình của hệ thống điện

(a) Để tách ly các phần tử đang làm việc bình thường ra khỏi các phần tử đang làm việc bất thường sao cho phần các phần tử đang làm việc bình thường sẽ không

bị ảnh hưởng bởi các phần tử đang làm việc bất thường

(b) Để ngừng vận hành các phần tử đang làm việc bất thường

(c) Để khôi phục các phần tử đang làm việc bất thường trở nên bình thường

1-2-2 yêu cầu đặt ra đối với thiết bị rơ le bảo vệ:

Vì thiết bị rơ le bảo vệ có một vai trò vô cùng quan trọng như vậy, nên có rất nhiều yêu cầu được đòi hỏi để nhằm thực hiện nhiệm vụ này Các yêu cầu chính được trình bày dưới đây:

(1) Độ tin cậy:

Thiết bị rơ le bảo vệ được yêu cầu không được tác động trong trường hợp hệ thống điện đang làm việc bình thường nhưng sẽ phải tác động chính xác khi xảy ra bất kỳ tình trạng bất thường hoặc sự cố nào Do đó, nếu thiết bị rơ le bảo vệ bị lỗi không tác động được khi cần thiết hoặc nếu như chúng tác động sai, thì việc lắp đặt các thiết bị rơ le bảo vệ sẽ không có ý nghĩa gì cả

Để ngăn chặn những tác động không mong muốn, thì phải sử dụng một sơ đồ rơ

le bảo vệ phù hợp với mục đích của bảo vệ và phải có các đặc tính thoả mãn đầy đủ từng tình huống sự cố có thể xảy ra Hơn nữa bản thân thiết bị bảo vệ không được phát sinh lỗi và các đường đặc tính của chúng không được thay đổi

(2) Tính chọn lọc:

Khi tách ly các phần tử sự cố thông qua sự tác động của thiết bị rơ le bảo vệ, thì phải hạn chế được vùng cách ly cần thiết tối thiểu và phải ngăn chặn cắt các phần tử đang làm việc bình thường Điều này có đạt được nhờ vào độ nhạy của rơ le bảo vệ, tính chọn lọc về thời gian tác động, và/hoặc nhờ vào việc áp dụng một sự phối hợp

về tác động bằng rơ le bảo vệ sao cho có tính chọn lọc Do vậy, áp dụng một sự phối hợp qua lại nhiều thành phần của thiết bị rơ le bảo vệ với nhau là điều đặc biệt quan trọng Còn đối với thành phần riêng lẻ của thiết bị rơ le bảo vệ, điều vô cùng quan trọng là sự sai lệch về giá trị tác động và giới hạn về thời gian tác động là phải nhỏ

và tác động mong muốn phải được đảm bảo chắc chắn

(3) Tính tác động nhanh:

Để hạn chế được sự ảnh hưởng của các sự cố và duy trì được tính ổn định của

hệ thống điện thống, nhìn chung mong muốn sự tác động của rơ le bảo vệ phải nhanh hơn Tuy nhiên, về mặt khác, rơ le bảo vệ cần phải tác động theo một thời gian hợp lý có cân nhắc đến mối quan hệ qua lại của nó với tính chọn lọc và các đặc tính của các thiết bị có liên quan Khi có nhiều rơ le bảo vệ được sử dụng kết hợp với nhau, thì việc phối hợp về thứ tự tác động và thời gian tác động giữa chúng là rất cần thiết Do vậy, thời gian tác động của rơ le bảo vệ phải hợp lý để nhằm đáp ứng được mục đích của nó và thời gian tác động cũng phải ổn định

(4) Độ nhạy: định nghĩa độ nhạy là gì? Kn=?

Bởi vì các yêu cầu về vận hành và kết cấu của hệ thống điện thay đổi liên tục và điểm xảy ra sự cố và loại sự cố luôn không ổn định, nên các tình trạng về phần điện

mà thiết bị rơ le bảo vệ lệ thuộc vào sẽ không xác định rõ Do đó, nó phải có độ nhạy để có thể phản ứng được trong những tình trạng tồi tệ nhất có thể xảy ra

(5) Các yêu cầu khác:

Yêu cầu kết cấu và các nguyên lý tác động của rơ le bảo vệ phải đơn giản, việc bảo dưỡng và kiểm tra phải dẽ dàng, tải tiêu thụ thấp, và chịu dựng được các tín hiệu đầu vào quá mức, tuổi thọ lâu và phải kinh tế

Chương 2: THIẾT BỊ MÔ PHỎNG LÀ GÌ?

2-1 Thông tin tổng quát về thiết bị mô phỏng

2-1-1 Những nét chính về thiết bị mô phỏng:

Trong thiết bị mô phỏng hệ thống điện, các đường dây truyền tải và phụ tải được làm từ các cuộn dây và điện trở Trong trường hợp cần thiết có thể lắp thêm vào một máy phát điện và máy biến áp nhỏ vào trong hệ thống này

Power system Hệ thống điện

Thiết bị mô phỏng dạng tín hiệu tương tự này sẽ đưa điện áp vào một mạch điện

để tạo ra dòng điện trong mạch Có một công tắc sự kiện được sử dụng để tạo ra sự

cố nhằm cho phép quan sát được điện áp và dòng điện cũng như tác động của rơ le bảo vệ theo thời gian thực Các thiết bị mô phỏng dạng tín hiệu tương tự dùng để

mô phỏng các hệ thống điện thực thường bị hạn chế về công suất của chúng do phạm vi hẹp về tổng trở của chúng và các hằng số khác của hệ thống

Voltage Current

Wa nit

Event switch

R

Dòng điện Điện áp

2-1-2 Phân loại thiết bị mô phỏng:

Thiết bị mô phỏng có thể được phân làm 2 loại theo phạm vi của thiết bị

Thiết bị mô

phỏng có phạm

vi nhỏ

Có số lượng nhỏ các máy phát, các mô hình phụ tải, các đường dây truyên tải, và các máy biến áp được sử dụng Một số thiết bị mô phỏng chỉ bao gồm một nguồn cấp

và các đường dây truyền tải

Thực hiện đào tạo

về rơ le bảo vệ trên các

Phân tích tính ổn định của hệ thống điện Phân tích về hiện tượng bất thường thường

2-1-3 Thiết bị mô phỏng dùng để đào tạo về rơ le bảo vệ:

Thiết bị mô phỏng về rơ le sẽ mô phỏng các dòng điện và điện áp sự cố trong hệ thống điện Các học viên sẽ học xem các rơ le bảo vệ làm việc như thế nào, các độ lớn và góc pha của dòng điện và điện áp gây ra bởi sự cố ra làm sao?

Thiết bị mô phỏng về rơ le bảo vệ sẽ cho phép các học viên biết được những thay đổi về độ lớn và góc pha của dòng điện và điện áp, mà chúng phụ thuộc vào vị trí và loại sự cố (1 pha, 2 pha, hoặc 3 pha) Các học viên tại thời điểm này có thể học xem các rơ le bảo vệ này làm việc như thế nào trong thời gian xảy ra sự cố

2-1-4 Thiết bị mô phỏng có phạm vi lớn:

Thiết bị mô phỏng có phạm vi lớn có rất nhiều các máy phát, các mô hình phụ

tải, các đường dây truyên tải, và các máy biến áp để thực hiện một sự mô phỏng gần đúng như các hệ thống điện thực tế

Các khả năng khác bao gồm: phân tích giao động điện (hoặc tính ổn định), điều chỉnh tần số, các thành phần sóng hài, và nhiều đặc tính khác nữa

Chương 3: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI MANG TẢI

(Tải Thuần trở/Thuần kháng/Thuần dung) 3-1 Nguyên lý của dòng điện xoay chiều

3-1-1 Dòng điện xoay chiều hình sin:

Dòng điện xoay chiều hình sin có nghĩa là hướng của điện áp và dòng điện thay đổi theo một chu kỳ đều đặn Dòng điện xoay chiều thông thường được sử dụng trong điện năng như được trình bày trong hình 1.1, nó được gọi là sóng hình sin Sin chính là hàm Sin trong lượng giác được sử dụng trong toán học, và sinθ trình bày trong hình 1.2 có nghĩa là b/a Trong đó góc θ là nằm trên trục x và sin là nằm trên trục y, như được biểu diễn trong hình 1.3 Vì sóng hình sin này giống như dòng điện xoay chiều được sử dụng trong điện năng, nên dòng điện xoay chiều này được gọi

và được miêu tả như là một sóng hình sin

Điện áp, Dòng điện

(1) Điện áp có góc pha trùng nhau:

Khi có 2 điện áp xoay chiều và góc pha được biểu thị ở trên là như nhau, điều

đó có nghĩa là, khi đó 2 véc tơ điện áp xếp chồng lên nhau khi chúng quay, miêu tả theo cùng một phương thức chung Hãy xem hình 1.5 Trường hợp này cũng gống như trường hợp của dòng điện

(2) Điện áp có góc pha lệch nhau:

Khi có hai điện áp xoay chiều e1 và e2, và góc pha của chúng là khác nhau, thì chúng được biểu diễn như sau:

e1=Em1 sin (ω t + ϕ1)

e2=Em2 sin sin (ω t + ϕ2)

Trong trường hợp như vậy, sự lệch về góc pha của 2 điện áp xoay chiều được gọi là góc lệch pha Góc lệch pha θ sẽ là:

3-2 Biểu diễn mạch điện xoay chiều theo sơ đồ véc tơ

Không giống như dòng điện một chiều, đối với dòng điện xoay chiều ta không

dễ dàng gì có thể tính toán được tổng hoặc độ chênh lệch của dòng điện xoay chiều bằng một công thức, vậy liệu có cách nào để tính toán theo một cách đơn giản hơn không? Sử dụng sơ đồ véc tơ là một cách trong số đó

3-2-1 Đại lượng véc tơ và đại lượng vô hướng:

Đại lượng véc tơ: Có độ lớn và cả hướng và được xác định rõ như làEr

and rI

Đại lượng vô hướng: Chỉ có mỗi độ lớn, không quan tâm đến hướng và được xác định như là |E| and |I|

3-2-2 Biểu diễn véc tơ

Trong hình 2.1, A là một véc tơ, OX là đường tham chiếu, và θ là góc nghiêng Bất kỳ một đường nào quay ngược chiều kim đồng hồ từ OX thì có một giá trị dương cho θ Các véc tơ cũng có thể được biểu thị bằng một chữ cái

Trong trường hợp này, khi độ lớn của OP là A trong hình 2.1, để biểu thị hướng của nó cùng một lúc, thì một mũi tên được đặt ở bên trên chữ cái này “ ”, mà chữ cái này (A) dùng để chỉ độ lớn của véc tơ

3-2-3 Tổng của các véc tơ

Phương pháp tính tổng của các véc tơ sử dụng sơ đồ véc tơ bằng hình bình hành (trong hình 2.2), và bằng hình bình tam giác (trong hình 2.3)

B A

Br

C r

3-2-4 Hiệu của các véc tơ

Sự chênh lệch giữa các véc tơ có thể được tính toán theo cùng một cách như khi cộng các véc tơ Nếu sự chênh lệch của A r

và B r

là C r

, thì C r A r B r A r ( B r )

− +

=

−

Như trình bày trong hình 2.4, khi hướng của véc tơ B r

bị đảo ngược lại, thì nó trở thành B r Véc tơ được kết hợp lại C

− r có thể được tìm thấy bằng cách cộng B r

− và

A r

Trong hình 2.5, vì véc tơ bằng ac→ B r

− , thì sự chênh lệch của và B A r r

là , như được trình bày trong hình vẽ ở trên

C r r r

+

=

Hình 2.3: Tổng của các véc tơ (2) Hình 2.2: Tổng của các véc tơ (1)

3-3 Mạch điện xoay chiều cơ bản

3-3-1 Mạch điện thuần trở (R)

Khi một điện áp xoay chiều có dạng sóng hình sin

t sin Em

tsinImtsinR

Hình 3.1: Điện áp xoay chiều được đặt vào một điện trở

Thì không có sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong bất kỳ trường hợp nào,

nó tuân theo định luật ohm, và giống như mạch điện một chiều

3-3-2 Mạch điện thuần cảm (L)

Khi dòng điện xoay chiều trong công thức (3 –1) được áp dụng cho mạch thuần cảm L (H) trình bày trong hình 3.2, thì điện áp và dòng điện được xác định theo hướng của mũi tên:

ωtsinIm

dt

diL

e=−

tcosIm

L⋅ ⋅ ωω

−

=

)2tsin(

Im

L⋅ ⋅ ω +πω

−

Khi so sánh công thức (3-2) và (3-3) với nhau, thì góc pha của điện áp vượt

trước dòng điện một góc 900 Khi được biểu diễn một cách tượng trưng thì:

ILj

Er r

ω

= Ù E XLrI

= hằng số tỷ lệ XL = jωL của E r

e

i

L

Hình 3.2: Dòng điện được đặt vào mạch tự cảm

3-3-3 Mạch điện thuần dung (C)

Khi điện áp trong công thức (3-1) được đặt vào tụ điện C (F) như được trình bày trong hình 3.3, thì dòng điện chạy trong mạch bằng với tốc độ thay đổi của điện tích

Q được tích trong tụ điện C

dt

deCdt

)Ce(ddt

dQ

tcosEmCdt

)tsinEm(

=

)2tsin(

ω

−

=

rr

IjE

2

Hình 3.3: Một điện áp xoay chiều được đặt vào điện dung

3-3- 4 Mạch điện mắc nối tiếp R và L

Khi dòng điện được đặt vào mạch điện có một điện trở và một điện cảm mắc nối tiếp, thì điện áp rơi trên điện trở là

I r

I

R r

và điện áp rơi trên cảm kháng là j L r I

ω

và bởi vì điện áp của nguồn điện là E r

chính là bằng tổng của các điện áp rơi, nên ta có:

I L j R ( I L j I R

ω+

=ω+

=

LjR

EI

ω+

Zr = + ω

Trong đó giá trị tuyệt đối của Z và góc nghiêng là:

2

2 ( L)R

Z= + ω

R

Ltanθ= ω

Vì công thức (3-5) mẫu số là một số phức, nên giá trị bình phương trung bình của dòng điện là:

3-3- 5 Mạch điện mắc R và C nối tiếp

Trong trường hợp điện trở và tụ điện mắc nối tiếp, cũng tương tự như trường hợp ở trên:

IC

1jRIC

1jIR

C

1 R

=

C R

1 tan

ω

= θ

3-3-6 Mạch mắc nối tiếp R, L và C:

Phần này cũng tương tự như trường hợp trước:

IZIC

1LjR

C

1LR

=

RC

1Ltanθ=ω −ω

Trong trường hợp có một góc lệch pha θ mà:

C

1L

ω

=

ω =>

LC 2

1

f1π

=

Trường hợp ở trên chính là hiện tượng cộng hưởng của mạch R, L và C mắc

nối tiếp Trong trường hợp này, f1 được xác định bằng hằng số của mạch điện và đó

được gọi là tần số riêng của mạch điên này

Vậy góc lệch pha θ và tổng trở sẽ thay đổi như thế nào khi mà f thay đổi như ở trong hình 3-7

Z

f1

f1

0 -90

+90 tanθ

R

f

Hình 3.7: Đặc tính tần số của mạch điện RLC mắc nối tiếp

Khi hiện tượng cộng hưởng của mạch mắc nối tiếp xuất hiện, thì dòng điện bị giới hạn nhiều hơn bởi R, vì vậy khi R nhỏ thì phải chú ý khi dòng điện vượt quá mức cho phép và điện áp đầu cực của L hoặc C trở nên lớn hơn điện áp của nguồn cấp

Chương 4: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI SỰ CỐ

(Sự cố chạm đất, Sự cố ngắn mạch) 4-1 Phân tích sự cố trong hệ thống điện

4-1-1 Mục đích của việc phân tích sự cố

Thông qua việc phân tích sự cố của hệ thống điện, điện áp và dòng điện tại điểm

sự cố và từng nút trong hệ thống điện có thể được tính toán khi có rất nhiều các dạng sự cố khác nhau, chẳng hạn như sự cố chạm đất 1 pha và sự cố ngắn mạch 2 pha, xảy ra trên đường dây truyền tải, trong trạm biến áp, hoặc trong nhà máy điện Việc phân tích sự cố được sử dụng rộng rãi để kiểm tra hệ thống rơ le bảo vệ, công suất cắt cần thiết của máy cắt điện, cường độ chống lại hiện tượng quá dòng điện hoặc quá điện áp của các thiết bị điện, chẳng hạn như đường dây truyền tải và máy biến áp, điện áp cảm ứng lên các đường dây thông tin ở gần, v.v

Phương pháp toạ độ đối xứng được sử dụng rộng rãi nhất cho việc phân tích sự

cố của hệ thống điện Phương pháp này biểu diễn hệ thống điện được phân tích ra thành từng mạch điện đối xứng: thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không Điện

áp và dòng điện đối xứng được tính toán cho từng trường hợp, và điện áp và dòng điện 3 pha của từng nút trong hệ thống điện được tính toán bằng cách cộng tổng chúng lại Phương pháp này rất thích hợp cho việc phân tích sự cố của các hệ thống điện lớn

4-1-2 Các thành phần đối xứng

4-1-2-1 Các thành phần đối xứng của điện áp xoay chiều 3 pha

Đối với điện áp xoay chiều 3 pha Va, Vb và Vc, khi điên áp của từng pha bằng nhau và lệch pha nhau 120o như được biểu diễn trong Hình 1-3-2-1, thì được gọi là điện áp xoay chiều ba pha đối xứng Ngược lại khi điên áp của từng pha không bằng nhau, hoặc góc lệch pha giữa chúng khác 120o, thì được gọi là điện áp xoay chiều

ba pha không đối xứng

Hình 1-3-2-1: Điện áp xoay chiều ba pha đối xứng Hình 1-3-2-2: Toán tử véc tơ a

Toán tử véc tơ a được xác định như sau:

a = e j120°= 1∠120o

a có nghĩa là một véc tơ có độ lớn bằng 1 và góc pha bằng 120o, và có mối quan

hệ dưới đây như đã được biểu diễn trong Hình 1-3-2-2:

a = cos 120o + j sin 120o = −

2

1 + j23

a2 = 1 240∠ o = cos 240o + j sin 240o = −

2

1 − j

23

(2) Thành phần thứ tự thuận; Điện áp 3 pha đối xứng này có độ lớn bằng

nhau đối với tất cả các pha và góc pha của chúng chậm pha nhau 1200 theo thứ tự

pha là a→b→c

Va1 =

31 (Va + a Vb + a2 Vc)

(3) Thành phần thứ tự nghịch; Điện áp 3 pha đối xứng này có độ lớn bằng

nhau đối với tất cả các pha và góc pha của chúng chậm pha nhau 1200 theo thứ tự

pha là a→c→b

Va2 =

3

1 (Va + a2 Vb + a Vc) Nhờ có các thành phần đối xứng này, thì điện áp ba pha không đối xứng có thể được biểu diễn như sau: (Xin tham khảo Hình 1-3-2-3)

Hình 1-3-2-3: Các thành phần đối xứng của điện áp ba pha không đối xứng

Đối với dòng điện xoay chiều 3 pha không đối xứng Ia, Ib và Ic cũng tương tự, thành phần thứ tự không Ia0, thành phần thứ tự thuận Ia1, và thành phần thứ tự nghịch Ia2 có thể được tính toán theo các biểu thức sau đây:

Ia0 =

31 (Ia + Ib + Ic)

Ia1 =

3

1 (Ia + a Ib + a2 Ic)

Ia2 =

3

1 (Ia + a2 Ib + a Ic)

Do đó, dòng điện của từng pha có thể được biểu diễn như sau:

Khi có một sự cố không đối xứng xảy ra trong hệ thống điện chẳng hạn như sự

cố chạm đất 1 pha và sự cố ngắn mạch 2 pha, khi nguồn điện được cung cấp cho phụ tải không đối xứng, thì điện áp và dòng điện của hệ thống điện sẽ trở nên không đối xứng Tuy nhiên, điện áp và dòng điện không đối xứng tại từng nút trong hệ thống điện có thể được tính toán bằng cách phân tích thành các thành phần đối xứng

để hiểu thấu được sự phân bố điện áp và dòng điện đối xứng trong mạch điện đối xứng và sau đó bằng cách cộng tổng chúng lại

4-1-2-2 Mạch điện của thành phần thứ tự không

(1) Mạch điện thành phần thứ tự không của Máy phát điện

Khi dòng điện thành phần thứ tự không Ia0 = Ib0 = Ic0 được truyền tới máy phát điện không tải trong Hình 1-3-2-4 (a), điện áp giữa đường dây so với đất (điện áp pha) Vae, Vbe và Vce của từng đầu cực của MPĐ được biểu diễn như sau:

Vae = Ea－Z0GIa0－3ZnIa0

Vbe = a2 Ea－Z0GIa0－3ZnIa0

Vce = a Ea－Z0GIa0－3ZnIa0

Trong đó Ea, a2 Ea, a Ea: là điện áp cảm ứng bên trong của từng pha

Z0G: Trở kháng thứ tự không của máy phát điện

Zn: Trở kháng nối đất điểm trung tính

Ia0 I a0

I a0 3Z n

Z0G

I a0

Ia0b c

e

Hình 1-3-2-4: Mạch điện tương đương của thành phần thứ tự không của máy phát điện

Khi điện áp cảm ứng bên trong của từng pha đối xứng nhau và

Ea + a2 Ea + a Ea = (1 + a2 + a) Ea = 0, thì điện áp thứ tự không Va0 ở đầu cực máy phát sẽ là:

V a0 =

3

1 (Vae + Vbe + Vce) = －Z0GIa0－3ZnIa0 = －Z 0 I a0

Trong đó, Z 0 = Z 0G + 3Z n: là Trở kháng thứ tự không giữa đầu cực máy phát và đất

Tổng của các dòng điện thành phần thứ tự không của 3 pha 3Ia0 sẽ chạy qua trở kháng trung tính Zn, và nó được biểu diễn bằng cách phân chia ra thành từng pha

như đã được biểu diễn trong Hình 1-3-2-4(b) Mạch điện thành phần thứ tự

không của pha a được biểu diễn trong Hình 1-3-2-5, và tương đương với biểu thức

ở trên Vì không có thành phần thứ tự không ở trong điện áp cảm ứng bên trong của máy phát, nên điện áp cảm ứng bên trong ở trong mạch điện thành phần thứ tự không sẽ bằng không Thậm chí ngay cả khi thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch chạy trong mạch, thì cũng không có sự thay đổi nào về điện áp và

dòng điện của mạch điện thành phần thứ tự không

Hình 1-3-2-5: Mạch điện thành phần thứ tự không của pha a của máy phát điện

(2) Mạch điện thành phần thứ tự không của Máy biến áp

Sự phân bố dòng điện khi truyền dòng điện thành phần thứ tự không Ia0 tới phía đấu Y của máy biến áp Y-Δ như ở trong Hình 1-3-2-6 Giả sử tỷ số biến đổi của

2 1 0

a n 2

0 a 2 0

a 1 ae

0

n

X X j I

Z 3 n

I jX I

jX V

e’

Ở đây với giả thiết rằng tổng trở tương đương ở phía Y giữa Y-Δ của MBA là

X12:

2

2 1 12

n

X X

V a0 = (jX 12 + 3Z n ) I a0

Do đó, tổng trở thứ tự không Z0 được nhìn thấy từ phía Y sẽ là:

n 12

0 a

0 a

jX 12

a0

3Zn

a0’

Các mạch điện thành phần thứ tự không của các MBA với nhiều dạng đấu nối khác nhau được biểu diễn trong Bảng 1-3-2-1

Bảng 1-3-2-1: Mạch điện đối xứng của MBA

Sơ đồ đấu nối Thứ tự nghịch Thứ tự thuận Thứ tự không

B

C

A

4-1-2-3 Mạch điện thành phần thứ tự thuận / thành phần thứ tự nghịch (1) Mạch điện thành phần thứ tự thuận / thành phần thứ tự nghịch của MPĐ

Như được biểu diễn trong Hình 1-3-2-8: (a), thì điện áp hoặc dòng điện của từng

pha trong điều kiện làm việc bình thường chỉ có mỗi thành phần thứ tự thuận

Mạch điện thành phần thứ tự thuận bao gồm có tổng trở thứ tự thuận của pha a là Z1

và đường trung tính ảo được biểu diễn trong Hình 1-3-2-8: (b), và có mối quan hệ như sau:

a2 I a1

Z 1

Ea1n

(a) Mạch điện 3 pha (b) Mạch điện thành phần thứ tự thuận

Hình 1-3-2-8: Mạch điện thành phần thứ tự thuận của MPĐ

Sau đó, khi truyền dòng điện thứ tự nghịch Ia2; a Ia2; a2 Ia2 tới MPĐ không tải như được biểu diễn trong Hình 1-2-9 (a), thì điện áp trên từng đầu cực so với điểm trung tính Van, Vbn và Vcn sẽ là:

Van = Ea1－Z2Ia2

Vbn = a2 Ea1－a Z2Ia2

Vcn = a Ea1－a2 Z2Ia2

=

3

1

{(1 + a + a2) Ea1 −3Z2Ia2} = −Z2 I a2

Mạch điện thành phần thứ tự nghịch gồm có tổng trở thứ tự nghịch của pha a Z2

và đường trung tính ảo được biểu diễn trong Hình 1-2-9 (b)

Mạch điện thành phần thứ tự nghịch của MBA, cũng giống như mạch điện thành phần thứ tự thuận, được biểu diễn bằng tổng trở ngắn mạch Tuy nhiên, mặc

dù điện áp và dòng điện thứ tự nghịch có sự dịch pha là 30o theo hướng ngược lại đối với mạch điện thành phần thứ tự thuận giữa cả hai phía của MBA Y-Δ, thì sự dịch pha này cũng bị bỏ qua trong nhiều trường hợp

4-1-3 Phân tích sự cố của MPĐ không tải

4-1-3-1 Phương trình cơ bản của MPĐ

Theo phương pháp toạ độ đối xứng, thì "các phương trình cơ bản của MPĐ" sau đây được thành lập giữa điện áp và dòng điện đối xứng của MPĐ Điện áp và dòng điện đối xứng được biểu diễn cùng với pha a với vai trò là pha tham chiếu:

Va1 =

3

1 (Va + a Vb + a2 Vc) (1-3)

Ia0 =

3

1 (Ia + Ib + Ic)

Ia1 =

3

1 (Ia + a Ib + a2 Ic) (1-5)

Ia2 =

3

1 (Ia + a2 Ib + a Ic) Việc phân tích sự cố bằng phương pháp toạ độ đối xứng được dựa trên biểu thức (1-1) và từng loại sự cố Điều đó có nghĩa rằng 6 biến chưa biết Va0, Va1, Va2, Ia0, Ia1

và Ia2 được tính toán từ 6 phương trình tuyến tính phức tạp cùng một lúc mà chúng bắt nguồn từ 3 biểu thức đối với tình trạng sự cố giữa điện áp và dòng điện pha tại điểm sự cố

Ở dưới đây, việc khai triển các biểu thức và các đặc tính của hiện tượng sự cố được miêu tả về nhiều loại sự cố khác nhau Chúng chính là các nền tảng của việc phân tích sự cố của hệ thống điện

I a

Hình 1-3-3-1: Mạch điện tương đương tại thời điểm xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha chạm đất

(2) Điện áp và dòng điện đối xứng: từ biểu thức (1-3) và (1-6);

Z

Ea

(4) Nét đặc trưng của sự cố 3 pha chạm đất:

Kết cấu của mạch điện đối xứng tại thời điểm xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất

3 pha như được biểu diễn trong Hình 1-3-3-1 (b), và sơ đồ véc tơ của điện áp và dòng điện sự cố được biểu diễn trong Hình 1-3-3-2 Các nét đặc trưng của sự cố ngắn mạch chạm đất 3 pha như sau:

(i) Dòng điện ngắn mạch của 3 pha giữ cân bằng, và có độ lớn bằng Thương số của Điện áp trước khi sự cố chia cho Tổng trở thứ tự thuận của máy phát điện

(ii) Điện áp và dòng điện của thành phần thứ tự không và thành phần thứ tự nghịch là bằng không

Ib

Hình 1-3-3-2: Sơ đồ véc tơ tại thời điểm sự cố 3 pha chạm đất

Chú thích) ∆a0b0c0: Tam giác điện áp trước khi sự cố

Z1 = Z1∠θ

Hơn nữa, trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha (3LS) tương đương với trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất trong đó đường liên kết giữa b-e trong Hình 1-3-3-1(a) là hở mạch Vì dòng điện của điểm này tại thời điểm xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha chạm đất là Ia + Ib + Ic = 3Ia0 = 0, nên ngay cả khi đường liên kết giữa b-

e bị hở mạch, thì điện áp và dòng điện của từng phần không hề thay đổi Do đó, điện áp và dòng điện tại thời điểm xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha bằng với điện áp

và dòng điện tại thời điểm xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha chạm đất