Bài giảng Bảo vệ rơle và tự động hóa: Chương 1 - Đặng Tuấn Khanh (2014)

Bài giảng "Bảo vệ rơle và tự động hóa - Chương 1: Tự đóng lại" trình bày các nội dung: Tổng quan, TĐL kết hợp MC (ACR) và hệ thống TĐL (ARS), máy cắt TĐL (ACR), phối hợp ACR và các thiết bị bảo vệ. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

LOGO

TỰ ĐÓNG LẠI

GV : ĐẶNG TUẤN KHANH

Đại học quốc gia Tp.HCM Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

Chương I

TỰ ĐÓNG LẠI

79 REC RECLOSER

ACR

I Tổng quan

II TĐL kết hợp MC (ACR) và hệ thống TĐL (ARS)

III Máy cắt TĐL (ACR)

IV Phối hợp ACR và các thiết bị bảo vệ

Chương I

Các thống kê cho thấy bất kỳ đường dây trên không vận hành với điện áp cao (> 6kV) đều có sự cố thoáng qua (80-90%).Điện áp càng cao thì sự cố thoáng qua càng nhiều.

Sự cố thoáng qua do sét, dây lắc lư hay va chạm vật thể bên ngoài

Ngoài ra còn có sự cố lâu dài

Việt Nam là nước nhiệt đới, nên rất dễ bị sự cố thoáng qua Do vậy việc dùng TĐL là rất cần thiết đểtăng độ tin cậycho hệ thống

I Tổng quan

 Trong phần lớn các sự cố nếu đường dây bị sự cố được cắt ra tức thời và

thời gian mất điện đủ lớn để khử ion

do hồ quang sinh rathì việc đóng lại

sẽ phục hồi thành công việc cung cấp điện cho đường dây.

 Các MC có trang bị TĐL sẽ thực hiện nhiệm vụ này một cáchtự động.

Ngoài ra, nó còn giữ ổn định và đồng

bộ cho hệ thống Vì trên đường dây truyền tải, đặc biệt là đường dây liên kết hai hệ thống lớn Việc tách đường dây này ra sẽ có thể gay mất đồng bộ,

do đó cần đóng lại nhanh để hệ thống

tự độngcân bằng trở lại

I Tổng quan

Để thực hiện TĐL: có 2 loại

(ARS_AutoReclosingSchemes): Đối với đường dây truyên tải cao áp công suất lớn nên đòi hỏi công suất cắt phải lớn và thời gian tác động phải nhanh Cho nên người ta dùng máy cắt kết hợp với hệ thống điều khiển TĐL để thực hiện việc

TĐL.(dùng mạng truyền tải)

Máy cắt TĐL (ACR_AutomaticCircuitRecloser): được thiết

kế trọn bộ kết hợp máy cắt với chức năng của rơle bảo vệ và rơle tự đóng lại nên cấu tạo phức tạp, giá thành thấp, khả năng cắt dòng sự cố nhỏ, công suất cắt khoảng 150 MVA cấp 15kV,

300 MVA cấp 22 kV (dùng mạng trung thế)

I Tổng quan



Chu kỳ TĐL

I Tổng quan

Thời gian bảo vệ

Làm việc Trở về

Sự cố

Kích cuộn cắt

TĐ bắt đầu mở

Hồ quang tắt

TĐ mở hoàn toàn

Mạch đóng kích hoạt

TĐ đóng

TĐ đóng hoàn toàn

Thời gian mở Thời gian dập hồ quang

Thời gian đóng

Thời gian vận hành

Thời gian gián đoạn MC Thời gian bị nhiễu loạn

Bảo vệ

MC

Sự cố thoáng qua

1 Các yêu cầu chính đối với TĐL

2 Phân loại TĐL

I Tổng quan

a Tác động nhanh

b Tác động với mọi sự cố

c Yêu cầu sơ đồ TĐL một pha

d Thời gian min của tín hiệu đi đóng lại máy cắt đủ để máy cắt đóng chắc chắn

e TĐL phải tự trở về

f TĐL không được lặp đi lặp lại

g Sơ đồ TĐL có thể khóa trong trường hợp đặc biệt

1 Các yêu cầu chính đối với TĐL

a Tác động nhanh: hạn chế bởi thời gian khử ion tại chỗ bị ngắn mạch, như vậy chu kỳ TĐL phụ thuộc vào thời gian đóng máy cắt

và thời gian khử ion

1 Các yêu cầu chính đối với TĐL

Điện áp (kV)

Thời gian khử ion

b Tác động với mọi sự cố

c Yêu cầu sơ đồ TĐL một pha: Khi có sự cố một pha chạm đất, sơ

đồ TĐL một pha sẽ tác động và chỉ đóng lại pha bị sự cố, nên rơle TĐL được lắp riêng từng pha Nhưng nếu sự cố lâu dài thì cắt và khóa cả ba pha

1 Các yêu cầu chính đối với TĐL

d Thời gian nhỏ nhất của tín hiệu đi đóng lại máy cắt đủ để máy cắt đóng chắc chắn

e TĐL phải tự trở về

f TĐL không được lặp đi lặp lại

g Sơ đồ TĐL có thể khóa trong trường hợp đặc biệt (sự cố bên trong MBA, mở máy cắt bằng tay )

1 Các yêu cầu chính đối với TĐL

a Phân loại theo số lần tác động: TĐL một lần hay TĐL nhiều lần

b Phân loại theo số pha: TĐL một pha hay TĐL ba pha

c Phân loại theo thiết bị: TĐL đường dây, TĐL thanh góp

Ngoài ra còn có TĐL tần số, không đồng bộ

2 Phân loại TĐL

1 Tổng quan

2 Ảnh hưởng ARS đối với ổn định hệ thống

3 ARS tốc độ cao

4 ARS tốc độ chậm

5 ARS một pha và ba pha

II Tự đóng lại kết hợp MC với HT TĐL (ARS)

Ta đã biết ARS dùng cho đường dây cao áp công suất lớn và siêu cao áp Trên đường dây cao áp hay siêu cao áp, vấn đề quang trọng cần quan tâm là duy trì sự ổn định và đồng bộ hệ thống nên việc áp dụng ARS là cần thiết

Để hiểu vấn đề này, chúng ta cần biết về khái niệm ổn định

1 Tổng quan

Để hiểu vấn đề này, chúng ta cần biết về khái niệm ổn định

1 Tổng quan

1

U  

2 0

U 

I

1 1 0

I





 Dòng điện:

Công suất truyền từ máy phát vào hệ thống:

2

1



         

Để hiểu vấn đề này, chúng ta cần biết về khái niệm ổn định.

1 Tổng quan

1

U  

2 0

U 

I

Công suất P truyền từ máy phát vào hệ thống:

2

1 2

1 U R2 U U2 cos sin

  

 

1 2

1 U U sin

P



Ở cấp điện áp cao thì R được bỏ qua, nên ta có:

Ở môn học này chúng ta cần biết khái niệm ổn định theo tiêu chuẩn

diện tích.

Diện tích tăng tốc Stt

Diện tích hãm tốc Sht

Điều kiện để hệ thống ổn định: S tt ≤ S ht

Điều kiện giới hạn ổn định: S tt = S ht max

1 Tổng quan

0

c

c



Như vậy để hệ thống ổn định:

Phải đảm bảo cắt loại bỏ sự cố nhanh chống để Stt< Sht

Sẽ tốt hơn nếu trên đường dây có ARS Vì khi có ARS xuất hiện

sự cố trên đường dây MC cắt ra và được đóng lại sau thời gian trễ nhỏ cần thiết để dập tắt hồ quang hoàn toàn Điều này làm cho Sht càng lớn thêm dẫn đến tăng ổn định hệ thống

1 Tổng quan

Cho hệ thống

Phân tích:

2 Ảnh hưởng ARS đối với ổn định hệ thống

δ P

P T

 Thường áp dụng chođường dây đơn liên kết giữa hai hệ thốngnên cần thời gian tác động nhanh để ổn định hệ thống

a Đặc tính bảo vệ

b Thời gian khử ion

c Đặc điểm MC

d Thời gian phục hồi

e Số lần đóng lại

3 ARS tốc độ cao

Dùng ARS tốc độ cao sẽ làm giảm thời gian nhiễu loạn của hệ thống

Dùng bảo vệ tác động nhanh như bảo vệ khoảng cách 21, so lệch 87 (thời gian làm việc khoảng 50ms) kết hợp với MC tác động nhanh

Xác định thời gian cắt của MC để hai MC ở 2 đầu đường dây tác động đồng thời

Dựa vào đường cong công suất điện (P - δ) và công suất điện truyền tải (P) giúp ta xác định được δ Sau đó ta dựa vào mối quan hệ δ - t xác định được thời gian cắt của MC mà không gay mất ổn định

a Đặc tính bảo vệ

Khi dùng ARS tốc độ cao cần lưu ý đến thời gian khử ion (ion tại nơi xảy ra sự cố phải được khử hết hoàn toàn) để có thể đóng lại thành công

Thời gian khử ion phụ thuộc chính làcấp điện áp, ngoài ra còn phụ thuộc vào dòng sự cố, khoảng cách sinh hồ quang, thời gian sự cố, tốc

độ gió và sự kết hợp điện dung đường dây kề nhau

Thời gian khử ion các cấp điện đã cho ở slide trước

Đối với ARS một pha (đặc biệt đường dây dài) thì thời gian chờ đóng lại sẽ lớn hơn ARS ba pha Vì hỗ tương điện dung giữa hai pha còn lại với pha sự cố làm cho hồ quang sự cố có xu hướng duy trì lâu hơn

b Thời gian khử ion

ARS đòi hỏi máy cắt chịu được chu kỳ làm việc rất nặng nề với dòng sự cố lớn

MC dùng hiện này là MC dầu, MC không khí, MC SF6 (có khả năng đóng cắt lớn nhất), Máy cắt chân không

c Đặc điểm máy cắt

Thời gian gián đoạn MC: (ví dụ MC dầu 132 kV)

c Đặc điểm máy cắt

Khởi động

TĐ Bắt đầu mở

Hồ quan tắt hoàn toàn

MC mở hoàn toàn mạch đóng khởi động

TĐ Bắt đầu đóng

MC đóng hoàn toàn Thời

gian

t (s)

Thời gian gián đoạn MC 0,03

0,06

0,2 0,35 0,01

Hiện nay, các MC có thời gian tác động rất nhanh và thường nhỏ hơn thời gian khử ion của môi trường cho nên cần phải chọn thời gian gián đoạn MC lớn hơn thời gian khử ion của môi trường

Đối với đường dây cao áp trở lên khi đóng lại không thành công nó

sẽ gây thiệt hại nặng nề hơn là khi không dùng ARS

c Đặc điểm máy cắt

Đối với bất cứ loại MC nào cần phải lựa chọn thời gian phục hồi của

hệ thống bảo vệ phải đảm bảo cho MC có đủ thời gian trở về (không khí nạp đầy, tiếp điểm trở về vị trí sẳn sàng) để chuẩn bị cho lần tác động sau

MC tác động bằng cơ lưu chất cần 10s

MC tác động bằng cơ cấu lò xo cần 30s

MC tác động bằng khí nén cần thời gian áp suất khí trở lại bình thường

d Thời gian phục hồi

Thông thường chỉ thực hiện một lần Vì đóng lại nhiều lần với dòng

sự cố lớn có thê gây mất ổn định hệ thống

Thông kê cho thấy đối với sự cố đường dây siêu cao áp thì sự cố là

sự cố lâu dài Không như trung thế TĐL nhiều lần vì thường là sự cố thoáng qua

e Số lần đóng lại

Trên các đường dây truyền tải bằnglộ kép, việc mất một đường dây không gây chia cắt hệ thống và mất đồng bộ hệ thống nên ta có thể dùng ARS tốc độ chậm (5 - 6s) Vì vậy mà ta không cần quan tâm đến thời gian khử ion của môi trường và đặc tính của MC

Sự dao động công suất cũng có thể ổn định trước khi tự đóng lại

Đối với dạng này ta dùng loại hệ thống đóng cắt ba pha cho đơn giản hóa việc điều khiển

4 ARS tốc độ chậm

ARS tốc độ chậm xác suất thành công sẽ cao hơn ARS tốc độ nhanh Tuy nhiên, sự truyền công suất trên đường dây còn lại có thể đưa góc lệch điện áp giữa hai đầu lớn nên TĐL đường dây có thể gay nên thay đổi đột ngột không chấp nhận được

Phối hợp với TĐL cần thêm rơle kiểm tra đồng bộ

Rơle kiểm tra đồng bộ: kiểm tra điện áp, kiểm tra tần số, kiểm tra góc lệch pha

4 ARS tốc độ chậm

Cài đặt rơle đồng bộ:

Góc pha thường cài đặc là 200

Điện áp 80 – 90 % điện áp định mức

Kiểm tra độ lệch tần số bằng phương pháp đơn giản là dùng rơle thời gian cùng với kiểm tra góc pha

Ví dụ: rơle thời gian 2s được dùng thì rơle này chỉ cho tín hiệu đầu

ra nếu độ lệch pha không vượt quá 200 trong khoảng 2s

d ARS tốc độ chậm

Là loại thiết bị trọn bộ gồm MC và mạch điều khiển cần thiết cảm nhận tín hiệu dòng điện, định thời gian cắt và đóng lại trên đường dây một cách tự động khi có sự cố thoáng qua để cung cấp điện lại, nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện

Ngược lại sự cố lâu dài thì sau vài lần đóng cắt (số lần tự chỉnh định) nó sẽ được khóa lại cô lập sự cố khỏi hệ thống

III ACR

1 Phân loại ACR

2 Các thông số ACR

3 Đặc tính ACR

4 Phối hợp ACR và thiết bị bảo vệ khác

III ACR

Mặt cắt ACR

III ACR

a Tác động một pha hay ba pha

b Điều khiển bằng thủy lực hay điện tử

c Phương pháp dập hồ quang

1 Phân loại ACR

a Tác động một pha hay ba pha:

ACR một pha dùng bảo vệ đường dây một pha, ví dụ như các nhánh

rẻ của đường dây ba pha Có thể dùng ACR một pha cho mạng ba pha khi phụ tải đa số là một pha Như vậy, khi có sự cố thì ACR một pha tác động loại bỏ đường dây pha bị sự cố

ACR ba pha được dùng khi cần cắt và đóng cả ba pha đối với bất kỳ một sự cố lâu dài nào, để ngăn chặn tình trạng vận hành hai pha đối với phụ tải ba pha

1 Phân loại ACR

 Điều khiển bằng thủy lực:

 Hệ thống điều khiển thủy lực dùng cho cả ACR một pha và ba pha Nó nhận biết quá dòng bằng cuộn cắt được mắc nối tiếp với đường dây Khi dòng chạy qua vượt quá giá trị khởi động thì một pittong được hút về phía cuộn cắt làm cho tiếp điểm ACR mở ra

 Việc định thời gian và chuổi đóng lại được thực hiện bằng cách bơm dầu vào các ồng thủy lực riêng biệt

b Điều khiển bằng thủy lực hay điện từ

 Điều khiển bằng thủy lực:

Cấu trúc ACR thủy lực

1 Phân loại ACR

 Điều khiển bằng thủy lực:

Đường đặt tính

1 Phân loại ACR

 Điều khiển điện tử:

Điều khiển dễ dàng và chính xác hơn Bộ điều khiển được đặt trong một hộp chứa độc lập với MC Bộ điều khiển điện tử có thể thay đổi được đặc tính thời gian - dòng điện Ngoài ra, nó còn có nhiều phụ kiện dùng để áp dụng các vấn đề khác nhau

b Điều khiển bằng thủy lực hay điện từ

 Điều khiển điện tử:

Sơ đồ khối

b Điều khiển bằng thủy lực hay điện từ

MC

Biến dòng

Cảm ứng dòng

Mạch định thời và phát hiện sự cố

Mạch cắt Rơle đóng lại

Chỉnh thời gian đóng lại

Cảm ứng dòng

Mạch định thời và phát hiện sự cố Chỉnh thời

gian reset

Mạch thừa hành đóng

Mạch thừa hành cắt

CHỐNG CHẠM PHA

CHỐNG CHẠM ĐẤT

 Điều khiển điện tử:

Đặc tính thời gian - dòng điện

b Điều khiển bằng thủy lực hay điện từ

a Điện áp

b Dòng sự cố cực đại

c Dòng sự cố cực tiểu

d Dòng tải cực đại

e Khả năng phối hợp với các thiết bị bảo vệ khác

f Độ nhạy đối với sự cố chạm đất

2 Thông số ACR

a Điện áp ACR phải có điện áp định mức lớn hơn hoặc bằng điện áp tại vị trí cần đặt vào

2 Thông số ACR

b Dòng sự cố cực đại ACR phải có dòng cắt lớn hơn hoặc bằng dòng điện sự cố cực đại

đi qua ACR

c Dòng sự cố cực tiểu

Ta cần xác định được dòng sự cố cực tiểu Ta xem xét ACR có tác động được khi dòng sự cố này đi qua (độ nhạy)

d Dòng tải cực đại Dòng định mức của ACR phải lớn hơn hoặc bằng dòng tải cực đại

đi qua ACR

e Khả năng phối hợp với các thiết bị khác Khả năng phối hợp ACR với các thiết bị khác cả phía nguồn và phía tải Sự phối hợp (lựa chọn thời gian trễ và chuổi đóng lại) sao cho bất kỳ sự cố nào thì nó tác động làm cho vùng mất điện là nhỏ nhất

2 Thông số ACR

Dòng NM

Dòng tải

Thời điểm NM

Tác động chậm

Thời gian ACR cắt

Khóa ACR Tác động nhanh

f Độ nhạy đối với sự cố chạm đất

Phần lớn các sự cố là sự cố chạm đất và nó được phát hiện bởi

bộ phận quá dòng thông qua bộ lọc thứ tự không

Dòng khởi động bảo vệ thứ tự không bé hơn dòng khởi động chạm pha nên bộ cảm ứng dòng rơle khó nhận biết được

Nhiều áp dụng đã dùng giá trị khởi động dòng chạm đất khoảng 40% - 50% giá trị khởi động chống chạm pha

2 Thông số ACR

f Độ nhạy đối với sự cố chạm đất

Đôi khi có sự cố chạm đất sinh dòng rất nhỏ vì lý do nào đó nên bảo vệ không đủ độ nhạy Lúc này ta dùng ACR có bảo vệ chống chạm đất độ nhạy cao cho phép tác động với dòng vài ampe Do độ nhạy cao nên có thể tác động không mong muốn khi mạng không cân bằng hay do sự cố chạm pha hay sự cố thoáng qua … Cho nên

ta cho thời gian tác động vào khoảng 10s sao cho nó lớn hơn thời gian các bảo vệ khác

2 Thông số ACR

 Rơle trong ACR là rơle dòng điện có thể dùng bảo vệ cắt nhanh hoặc bảo vệ dòng cực đại Bảo vệ dòng cực đại có thể dùng đặc tính độc lập hoặc đặc tính phụ thuộc (độ dốc chuẩn, rất dốc, cực dốc)

a Đặc tính cắt nhanh

b Đặc tính khóa tức thời

c Đặc tính phối hợp chuổi

3 Đặc tính ACR

 Khi dòng sự cố lớn hay dòng

sự cố vượt quá dòng khởi động một bội số nào đó (gọi là bội số cắt nhanh bội số này điều chỉnh được) thì ACR sẽ tác động tức thời (thời gian gần bằng 0)

 Ta có thể cài đặt đặc tính cắt nhanh ở bất cứ lần tác động nào trong tác động dạng chuổi của ACR

a Đặc tính cắt nhanh

 Đặc điểm này cho phép ACR giảm số lần tác động để tránh hư hỏng khi dòng sự cố lớn

 Tương tự như cắt tức thời, chế độ khóa tức thời sẽ tác động mở và khóa MC

 Ta có thể đặt chế độ khóa bảo vệ sau lần tác động thứ nhất hoặc thứ hai hoặc thứ ba

b Đặc tính khóa tức thời

 Đặc tính phối hợp dạng chuổi rất cần thiết khi phối hợp ACR với ACR Nó sẽ ngăn những tác đồng không cần thiết của ACR gần nguồn (ACR trên) khi sự cố xảy ra phía ACR dưới (ACR dưới tác động) Với tác động dạng chuỗi thì ACR 1 chỉ đếm số lần tác động nhanh của ACR 2

c Đặc tính phối hợp chuổi

Sự có mặt của ACR mạng phân phối nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và loại trừ sự cố thoáng qua ACR cần phối hợp với các thiết

bị bảo vệ trước cũng như sau nó

a Phối hợp với cầu chì

b Phối hợp ACR với ACR

c Phối hợp với rơle

d Phối hợp với dao cách ly phân đoạn

4 Phối hợp với các thiết bị bảo vệ khác

Để phối hợp đúng ACR và cầu chì ta cần khảo sát quá trình phát nhiệt và tản nhiệt của cầu chì trong chu kỳ tự đóng lại của ACR

Ta có phương trình phát nhiệt của cầu chì:

Phương trình tản nhiệt của cầu chì:

a Phối hợp ACR với cầu chì

1

t u

f

e









    

t u f

e









 

θ nhiệt độ

θ f nhiệt độ ổn định cầu chì không chảy

τ hằng số thời gian cầu chì

t thời gian

Phân tích

a Phối hợp ACR với cầu chì

Việc phối hợp phải đảm bảo sao cho cầu chì phía tải không nóng chảy khi có sự cố thoáng qua trong vùng bảo vệ của hai cầu chì liền sau (CC1 và CC2) Nghĩa là ACR phải tác động trước cầu chì Khi có sự cố lâu dài thì cầu chì phải nóng chảy trước lần cắt cuối cùng của ACR

a Phối hợp ACR với cầu chì phía tải

CC1 ACR

CC2

CC3

Ta rút ra nguyên tắc: Với dòng sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ cầu chì thì thời gian thời gian nóng chảy nhỏ nhất cầu chì phải lớn hơn thời gian cắt nhanh của ACR đã nhân hệ số hiệu chỉnh k (phụ thuộc cách dùng chuổi hoạt động ACR) và thời gian nóng chảy lớn nhất cầu chì không được lớn hơn thời gian cắt chậm của ACR

a Phối hợp ACR với cầu chì phía tải

CC1 ACR

CC2

CC3

.

hc

A  k A