Ứng dụng rơle siemens siprotec 5 7SS85 để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái trạm biến áp 220kv bảo lộc

Trong luận văn có sử dụng một số bản vẽ mạch nhị thứ của các đồng nghiệp tại Trạm 220 kV Bảo Lộc; trích dẫn một số bài viết, tài liệu chuyên ngành bảo vệ so lệch thanh cái của Việt Nam

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN HỮU KÍNH

ỨNG DỤNG RƠLE SIEMENS SIPROTEC 5 - 7SS85 ĐỂ

CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI

TRẠM BIẾN ÁP 220KV BẢO LỘC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ KIM HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Trong luận văn

có sử dụng một số bản vẽ mạch nhị thứ của các đồng nghiệp tại Trạm 220 kV Bảo Lộc; trích dẫn một số bài viết, tài liệu chuyên ngành bảo vệ so lệch thanh cái của Việt Nam và của một số tác giả thuộc các hãng rơle trên thế giới, bao gồm việc sử dụng một số hình ảnh minh họa trong các tài liệu này

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Kính

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH

ỨNG DỤNG RƠLE SIEMENS SIPROTEC 5 - 7SS85

ĐỂ CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI 220KV

TRẠM BIẾN ÁP 220KV BẢO LỘC

Học viên: Nguyễn Hữu Kính Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Tóm tắt: Mục tiêu của bài luận văn là nghiên cứu rơle bảo vệ so lệch thanh cái

thế hệ mới, từ đó lựa chọn loại rơle phù hợp để ứng dụng vào việc cải tạo hệ thống

bảo vệ thanh cái 220 kV cũ của trạm 220 kV Bảo Lộc Việc ứng dụng dựa trên cơ

sở nghiên cứu tổng quan về các phương pháp bảo vệ so lệch thanh cái và bảo vệ

thanh cái kiểu tập trung SIPROTEC 7SS85 thuộc dòng SIPROTEC 5 có thiết kế

dạng mô đun của hãng Siemens, qua đó đưa ra giải pháp để thực hiện việc cải tạo

Kết quả thực hiện được kiểm chứng bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để mô

phỏng rơle và hệ thống bảo vệ thanh cái mới Kết quả nghiên cứu của luận văn là

một cơ sở định hướng giúp cho người sử dụng trong quá trình tìm hiểu công nghệ

rơle mới, tìm kiếm giải pháp cải tạo và ứng dụng vào thực tiễn

Từ khóa: 7SS85, Bảo vệ so lệch, Hệ thống bảo vệ, Mô phỏng, Phần mềm,

Rơle, Siemens, SIPROTEC 5, Thanh cái

THE APPLICATION OF SIEMENS - SIPROTEC 5 7SS85 RELAY

TO IMPROVE 220KV BUSBAR PROTECTION SYSTEM OF

BAO LOC 220KV SUBSTATION Abstract: The objective of the thesis is to research the modern busbar

differential protection relays so as to select the right type of relay to apply to the

renovation of the old 220 kV busbar protection system of Bao Loc 220 kV Station

The application is based on the general researches of the busbar protection

techniques and the centralized busbar differential protection SIPROTEC 7SS85

belonging to the modular SIPROTEC 5 series of Siemens, thereby offering a

solution for the improvement Performance results are verified using Matlab

software to simulate the relay and the new busbar protection system The research

results of the dissertation are a guiding basis for the user in the process of studying

new relay technology, seeking improvement solutions and applying them in

practice

Keywords: 7SS85, Busbar, Differential protection, Protection system, Relay,

Siemens, Simulation, SIPROTEC 5, Software.

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 5

1.1.1 Giới thiệu 5

1.1.2 Các yêu cầu đối với bảo vệ so lệch thanh cái 7

1.2 CÁC KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 9

1.2.1 Bảo vệ so lệch dòng 9

1.2.2 Bảo vệ thanh cái sử dụng các Bộ ghép (Coupler) tuyến tính 9

1.2.3 Bảo vệ so lệch tổng trở cao 10

1.2.4 Bảo vệ so lệch phần trăm (Bảo vệ so lệch có hãm) 11

1.2.5 Các rơle vi xử lý và các giải pháp đa tiêu chuẩn 11

1.3 LỰA CHỌN LOẠI RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 13

1.3.1 So sánh và kết luận 13

1.3.2 Lựa chọn rơle để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc 15

1.4 KẾT LUẬN 16

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS 17

2.1 GIỚI THIỆU DÒNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 – 7SS85

CỦA HÃNG SIEMENS 17

2.1.1 Khái quát 17

2.1.2 Cấu hình 17

2.1.3 Các tính năng quan trọng tiêu biểu của SIPROTEC 7SS85 18

2.2 CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 18

2.2.1 Tổng quan về chức năng 18

2.2.2 Mô tả chức năng 19

2.2.3 Phương pháp đo lường và các đường đặc tuyến 19

2.2.4 Các đại lượng đo 23

2.2.5 Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái 26

2.2.6 Thông tin trạng thái của dao cách ly 28

2.2.7 Check Zone (Vùng kiểm tra) 29

2.3 CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ PHỤ 30

2.3.1 Các chức năng bảo vệ luôn đi kèm 30

2.3.2 Các chức năng bảo vệ tùy chọn 30

2.4 TỔNG QUAN VỀ CÁC CHỨC NĂNG TÍCH HỢP 31

2.4.1 Chức năng tự động hóa 31

2.4.2 Chức năng giám sát 31

2.4.3 Thử nghiệm chức năng 32

2.5 PHẦN MỀM CẤU HÌNH DIGSI 5 CỦA HÃNG SIEMENS 32

2.5.1 Giới thiệu 32

2.5.2 Các chức năng 33

2.6 KẾT LUẬN 34

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS ĐỂ CẢI TẠO MỚI BẢO VỆ THANH CÁI 220 KV CỦA TRẠM 220 KV BẢO LỘC 35

3.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI HIỆN TẠI CỦA TRẠM 220 KV BẢO LỘC 35

3.1.1 Hệ thống bảo vệ thanh cái hiện hữu của trạm 220kV Bảo Lộc 35

3.1.2 Các hạn chế của hệ thống bảo vệ thanh cái hiện hữu

trạm 220kV Bảo Lộc 36

3.2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI MỚI 37

3.2.1 Khái quát về các bước thực hiện 37

3.2.2 Chọn cấu hình rơle phù hợp với cấu trúc thanh cái hiện hữu 39

3.2.3 Khởi tạo Dự án (Project) 44

3.2.4 Tạo cấu hình một sợi 45

3.2.5 Thêm thiết bị SIPROTEC 5 7SS85 vào Project 47

3.2.6 Điều chỉnh các Phạm vi chức năng (Functional Scope) 58

3.2.7 Tạo đường truyền thông tin 58

3.2.8 Tạo trang hiển thị 58

3.2.9 Tính toán chỉnh định trị đặt của các chức năng bảo vệ chính 59

3.2.10 Cấu hình liên lạc 67

3.3 CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI 220KV TẠI HIỆN TRƯỜNG 68

3.3.1 Phần tháo gỡ 68

3.3.2 Phần bổ sung 69

3.3.3 Phần đấu nối 69

3.4 KẾT LUẬN 69

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI 220 KV TRẠM 220 KV BẢO LỘC SAU KHI CẢI TẠO MỚI 70

4.1 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI VỚI CÔNG CỤ MATLAB/SIMULINK 71

4.1.1 Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch thanh cái 71

4.1.2 Xây dựng mô hình cấu trúc hệ thống thanh cái 77

4.1.3 Mô phỏng và phân tích hoạt động của rơle ở các chế độ 79

4.1.4 Nhận xét 84

4.2 KẾT LUẬN 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÍ HIỆU

F87B Bảo vệ so lệch thanh cái (Busbar Differential Protection)

50BF Bảo vệ lỗi máy cắt (Breaker Failure Protection)

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BF Lỗi máy cắt (Breaker Failure)

BU Thiết bị mức ngăn (Bay Unit)

CFC Biểu đồ chức năng liên tục (Continuous Function Chart)

CT (TI) Máy biến dòng điện (Current Transformer)

VT (TU) Máy biến điện áp (Voltage Transfomer)

CU Thiết bị trung tâm (Central Unit)

DAU Thiết bị thu thập dữ liệu (Data Acquisition Unit)

MBA Máy biến áp

MOV Biến trở phụ thuộc điện áp loại ôxit kim loại (Metal-Oxide

Varistor)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

1.1 So sánh giữa rơle vi xử lý bảo vệ so lệch thanh cái

3.2 Dòng ngắn mạch lớn nhất tại thanh cái 220 kV của trạm Bảo

3.3 Thông số Vk và Rdc(75°C) cuộn CLX, 2000/1 của các biến

3.6 Kết nối rơle 7SS85 với thiết bị đồng bộ thời gian SEL-2488 68

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

1.1 Sơ đồ so lệch dòng đơn giản với các CT đấu song song 5 1.2 Sơ đồ thanh cái có thể thay đổi cấu hình đấu nối 8

2.7

Biểu diễn định tính dòng sơ cấp và thứ cấp của một biến dòng

điện trong trường hợp có sự cố (thành phần dòng DC có hằng số

thời gian khoảng 50 ms)

24

2.8 Dòng so lệch và dòng hãm trong trường hợp ngắn mạch ngoài

2.9 Dòng so lệch và dòng hãm trong trường hợp ngắn mạch ngoài –

2.10 Dòng so lệch và dòng hãm được xử lý mịn trong trường hợp

Số

3.18 Cửa sổ Trình cấu hình rơle trực tuyến của Siemens 52 3.19 SIPROTEC 7SS85-Phương thức đấu nối hai hàng mô đun 53

3.23 Ma trận Nối các điểm đo lường với nhóm chức năng 56 3.24 Gán các điểm đo lường cho các nhóm chức năng trong cấu hình

3.25 Ma trận định hướng vị trí đo lường - Gán các điểm đo lường

cho khối kẹp nhận dòng trên mô đun của thiết bị 7SS85 57 3.26 Kết quả gán trong ma trận định hướng vị trí đo lường 57

4.2 Mạch phân tích dòng ngăn máy cắt nối thanh cái 74

4.8 Sự cố nội bộ trên thanh cái C21, rơle cắt có chọn lọc 81

4.10 Sự cố nội bộ trên thanh cái C22, rơle cắt có chọn lọc 82 4.11 Trường hợp có sự cố nội bộ khi hai thanh cái đang được kết nối

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong hệ thống điện, hệ thống bảo vệ rơle nói chung, bảo vệ thanh cái của các trạm biến áp truyền tải nói riêng, đặc biệt là các trạm nút, có vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện

So với các thiết bị khác trong trạm biến áp, thanh cái là phần tử rất ít khi xảy ra sự cố Tuy nhiên do vị trí và vai trò đặc biệt của thanh cái là đầu mối kết nối của nhiều phần tử khác trong hệ thống như các nhà máy/máy phát, các đường dây truyền tải-liên kết lưới và/hoặc các phụ tải nên bảo vệ thanh cái cần thỏa mãn những đòi hỏi rất cao về tính chọn lọc, khả năng tác động nhanh và độ tin cậy Khi xảy ra ngắn mạch trên thanh góp, nếu sự cố không được loại trừ một cách nhanh chóng, chọn lọc và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, có thể làm mất điện toàn trạm, làm mất ổn định thậm chí làm tan rã hệ thống [3]

Trong điều kiện như vậy, các hệ thống bảo vệ thanh cái thế hệ cũ có những hạn chế, chưa đáp ứng hoàn toàn được yêu cầu về khả năng tác động nhanh, tính chọn lọc và độ tin cậy Luận văn sẽ xem xét điển hình hệ thống thanh cái của trạm 220kV Bảo Lộc Trạm 220kV Bảo Lộc đóng vai trò rất quan trọng trong lưới điện truyền tải khu vực nam Tây Nguyên do vị trí đặc thù của trạm này là trạm trung gian liên kết, truyền tải điện giữa cụm nhà máy thủy điện Hàm Thuận-Đa Mi với các trạm 500kV Di Linh, trạm 500kV Sông Mây và trạm 220kV Phan Thiết Do vậy, khi mất điện thanh cái 220kV sẽ gây mất ổn định hệ thống nghiêm trọng và ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp điện cho phụ tải

Hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc được lắp đặt từ năm 2000, thuộc loại bảo vệ tổng trở cao giản đơn gồm các mạch cộng dòng, các điện trở nối tiếp với phần tử tác động sử dụng các rơle quá dòng

MiCOM P121 Hệ thống bảo vệ này có rất nhiều khuyết điểm không đáp ứng được yêu cầu hiện tại nên đã có kế hoạch sẽ thay thế hệ thống bảo vệ cũ bằng loại rơle phù hợp hơn với yêu cầu về an toàn, độ tin cậy, độ nhạy và có cấu hình linh hoạt đáp ứng được yêu cầu hiện tại và mở rộng thêm các ngăn lộ mới trong tương lai; phải tiếp tục sử dụng được khi trạm 220kV Bảo Lộc được chuyển thành trạm tích hợp theo lộ trình và đáp ứng được yêu cầu về lưới điện thông minh

Trên lưới điện hiện nay, các dòng rơle của hãng Siemens hiện đang được sử dụng rộng rãi do đáp ứng được các yêu cầu về an toàn, độ chính xác và độ tin cậy cao Sau dòng rơle Siprotec 4, dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5 đang dần được đưa vào sử dụng thay thế, dòng rơle mới này có cấu trúc hoàn toàn mới và tích hợp mạnh cả ba tính năng bảo vệ, tự động hóa và giám sát, theo đó việc nghiên cứu để làm chủ trong các khâu lựa chọn, cấu hình và tính toán thông số là rất cần thiết

Vì những lý do trên nên học viên chọn nghiên cứu đề tài “Ứng dụng rơle SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp bảo vệ thanh cái và thực trạng áp dụng công nghệ rơle bảo vệ thanh cái hiện nay trên lưới điện truyền tải So sánh ưu, khuyết điểm của các phương pháp bảo vệ thanh cái, cập nhật công nghệ mới

Nghiên cứu rơle bảo vệ so lệch thanh cái dòng SIPROTEC 5 - 7SS85 của hãng Siemens và khả năng áp dụng để cải tạo các hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái cũ

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Công nghệ bảo vệ so lệch thanh cái đang được áp dụng hiện nay và hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái 220kV hiện hữu của trạm 220kV Bảo Lộc

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài nghiên cứu áp dụng hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái thế hệ mới Siprotec 5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết về nguyên lý bảo vệ so lệch thanh cái, các công nghệ rơle số hiện đại bảo vệ so lệch thanh cái dựa trên nền tảng vi xử lý đang được áp dụng hiện nay

Phương pháp nghiên cứu thực tế: Tiến hành khảo sát thực tế các quy chuẩn, quy định có liên quan của các cơ quan chủ quản ngành điện và việc áp dụng các công nghệ bảo vệ so lệch thanh cái hiện nay tại các trạm biến áp Khảo sát thực tế hiện trạng hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc Thực nghiệm cấu hình phần mềm rơle bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85 của hãng SIEMENS bằng phần mềm DIGSI 5

Phương pháp tổng hợp: dựa vào kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn, từ đó mô phỏng bảo vệ để phân tích đánh giá, kết luận và đưa ra đề xuất áp dụng hợp lý

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng rơle công nghệ mới trong bảo vệ thanh cái trạm biến áp Trên lưới điện hiện nay dòng rơle thế hệ mới Siprotec

5 của hãng Siemens đang dần được đưa vào sử dụng thay thế cho thế hệ trước đó là dòng Siprotec 4 do có nhiều ưu điểm vượt trội, phù hợp với hệ thống bảo vệ điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 Tuy nhiên dòng rơle

mới này chủ yếu chỉ mới được sử dụng trong bảo vệ khoảng cách, bảo vệ quá dòng, bảo vệ so lệch MBA hoặc kháng điện…còn đối với bảo vệ so lệch thanh cái, rơle Siprotec 5 – 7SS85 cũng chỉ mới được hãng Siemens đưa ra trong những năm gần đây và chưa được sử dụng ở Việt Nam Với ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã đề xuất và giải quyết được về mặt kỹ thuật trong việc áp dụng một dòng rơle mới để cải tạo bảo vệ hệ thống hai thanh cái có thanh cái vòng của trạm biến áp

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung luận văn gồm các phần chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái

Chương 2: Giới thiệu về hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC 5 - 7SS85 của hãng SIEMENS

Chương 3: Ứng dụng hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC 5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo mới bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc

Chương 4: Mô phỏng và phân tích đánh giá hệ thống rơle mới bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc sau khi cải tạo mới

Kết luận và kiến nghị

Danh mục tài liệu tham khảo

Bản sao Quyết định giao đề tài luận văn

Phụ lục

CHƯƠNG 1

KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.1 TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.1.1 Giới thiệu

Bảo vệ thanh cái của hệ thống điện là một trong những ứng dụng bảo vệ

rơle quan trọng nhất Các thanh cái là những khu vực trong hệ thống điện mà

mức dòng sự cố có thể rất cao, có thể gây nguy hiểm cho toàn bộ thanh cái do

lực điện động và cả hiệu ứng nhiệt nếu không được xử lý kịp thời Việc cắt sai

thanh cái phân phối có thể gây sự cố mất điện cho một số lượng lớn khách

hàng Việc cắt sai thanh cái truyền tải có thể làm hệ thống điện thay đổi

nghiêm trọng cấu trúc của hệ thống và gây nguy hiểm cho độ ổn định của hệ

thống điện Do đó yêu cầu phải đảm bảo an toàn tối đa cho bảo vệ thanh cái

[5]

Về nguyên tắc, sơ đồ bảo vệ so lệch thanh cái thường so sánh dòng điện

đi vào thanh cái với dòng điện đi ra khỏi thanh cái Bất kỳ sai khác nào giữa

dòng điện đi vào và đi ra khỏi thanh

cái, cao hơn một ngưỡng đã định nào

đó, là dấu hiệu cho biết có sự cố thanh

cái cần phải cách ly ngay Các rơle so

lệch thanh cái thực hiện chức năng

này bằng cách phát hiện dòng so lệch

và cắt tất cả các máy cắt nối trực tiếp

với thanh cái để cô lập sự cố [6]

Có thể thực hiện một sơ đồ so

lệch thanh cái đơn giản bằng cách đấu

song song các biến dòng điện của tất cả các máy cắt thuộc thanh cái, trong

trường hợp đó tổng dòng điện thuộc mỗi pha ứng với tất cả trường hợp tải

0IIII

I87 1 2 3 4

Hình 1.1: Sơ đồ so lệch dòng đơn giản với các CT đấu song song

bình thường và sự cố ngoài sẽ bằng 0, như thể hiện ở Hình 1.1 Các CT đấu

song song phải có cùng tỷ số biến để đảm bảo là tất cả các dòng điện thứ cấp đều được so sánh trên cùng một cơ sở như các dòng sơ cấp

0III

I1 2 3 4Rơle trong sơ đồ so lệch thanh cái đơn giản này có thể sử dụng một rơle quá dòng tức thời loại thông thường có ngưỡng tác động rất nhạy, bởi vì về lý thuyết không có dòng chạy vào rơle này trong điều kiện mang tải bình thường

và sự cố ngoài

Tất cả các CT đấu song song không chỉ có cùng tỷ số biến mà còn vận hành giống như nhau trong mọi điều kiện, kể cả trong trường hợp sự cố ngoài có dòng đi qua lớn và các dạng sóng bất đối xứng có chứa thành phần DC do

tỷ số X/R phía nguồn cao

Trên thực tế thì tất cả các biến dòng điện loại thông thường có lõi sắt từ, nên trong khoảng thời gian bị bão hòa dòng thứ cấp của CT không thể hiện chính xác dòng sơ cấp chạy trong thanh cái Điều này gây ra dòng so lệch khiến rơle so lệch có thể ghi nhận là sự cố nội bộ Các rơle so lệch thanh cái, bất kể có thiết kế như thế nào, phải phân biệt được giữa các sự cố nội bộ thực sự và các dòng so lệch giả (dòng không cân bằng) do bão hòa CT gây ra khi

có sự cố ngoài vùng bảo vệ so lệch thanh cái

Một kỹ thuật được áp dụng cho các sơ đồ so lệch thanh cái đơn giản là sử dụng thời gian trì hoãn đủ dài để qua hết khoảng thời gian CT bị bão hòa Việc trì hoãn cắt nói chung là điều không mong muốn, vì vậy có các kỹ thuật khác phức tạp hơn để đảm bảo vận hành an toàn trong những trường hợp sự cố ngoài gây bão hòa CT nhưng vẫn đảm bảo tác động nhanh đối với sự cố nội bộ [6] Tuy có nhiều kỹ thuật khác nhau nhưng chung quy về nguyên lý chỉ có hai kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái phổ biến nhất: bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở cao và bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở thấp

1.1.2 Các yêu cầu đối với bảo vệ so lệch thanh cái

Cùng với yêu cầu ngày càng cao về độ an toàn, độ ổn định và yêu cầu cung cấp điện liên tục của lưới điện cao áp/siêu cao áp, các rơle bảo vệ thanh cái hiện đại phải đảm bảo sự vận hành liên tục và nhất quán, bất kể các thay đổi của thông số mạng điện:

a) Bảo đảm an toàn đối với các sự cố ngoài gây bão hòa nặng CT

Bão hòa CT là một mối bận tâm trong các mạng điện có dòng sự cố cao Các thanh cái và khu vực lân cận là những khu vực trong hệ thống điện mà mức dòng sự cố có thể rất cao Điều này có nguy cơ làm bão hòa đáng kể CT

và gây nguy hiểm cho sự an toàn của hệ thống bảo vệ thanh cái

Trong các mạng điện nối đất qua tổng trở, tất cả các sự cố chạm đất đều là các sự cố tổng trở cao Mặc dù là có thể các rơle đã được lựa chọn đúng khi thiết kế mạng điện ban đầu, những thay đổi của mạng điện có thể ảnh hưởng bất lợi đến các thông số của hệ thống Ví dụ, sự mở rộng mạng điện hoặc tổng trở nguồn giảm xuống dẫn đến dòng sự cố cao hơn, và sự xuống cấp của hệ thống nối đất của trạm biến áp có thể dẫn đến tổng trở sự cố cao đối với các sự cố chạm đất

b) Đảm bảo tính chọn lọc (phân biệt vùng tác động)

Đảm bảo tính chọn lọc cũng là một yêu cầu rất quan trọng nhằm hạn chế tối thiểu số phân đoạn thanh cái/thanh cái và các ngăn lộ có đấu nối bị mất điện

Cùng với sự phát triển của hệ thống điện nói chung, sơ đồ hệ thống thanh cái của trạm biến áp cũng ngày càng phức tạp và có thể bao gồm nhiều

phân đoạn thanh cái hoặc thanh cái thuộc loại có thể thay đổi cấu hình đấu

nối (Re-Configurable Busbar) Do vậy các giải pháp về sơ đồ và kỹ thuật bảo

vệ thanh cái cũng phải không ngừng được nâng cao và hoàn thiện để đáp ứng yêu cầu về tính chọn lọc

Hình 1.2 là một ví dụ về sơ đồ hệ thống thanh cái có thể thay đổi cấu

hình đấu nối

Hình 1.2: Sơ đồ thanh cái có thể thay đổi cấu hình đấu nối

c) Đảm bảo tác động nhanh

Các sự cố thanh cái thường gây ra dòng sự cố lớn Nếu không được xóa kịp thời, các dòng sự cố này sẽ gây nguy hiểm cho toàn bộ thanh cái do lực điện động và cả hiệu ứng nhiệt Do vậy yêu cầu đối với bảo vệ thanh cái là phải tác động nhanh

d) Có chức năng tự giám sát và phát hiện các bất thường và hư hỏng trong nội bộ rơle bảo vệ và các đường truyền thông cũng như mạch điện liên quan (chẳng hạn tình trạng hở mạch CT) để kịp thời đưa ra tín hiệu cảnh báo hoặc khóa chức năng bảo vệ, tránh tác động sai

Dòng sự cố lớn đòi hỏi bảo vệ thanh cái phải tác động với tốc độ cao để hạn chế thiệt hại Tuy nhiên, xóa sự cố tốc độ cao phải cân bằng với yêu cầu

về độ an toàn Việc cắt sai khi có sự cố ngoài có thể gây mất điện diện rộng

và gây nguy hiểm cho sự ổn định của hệ thống điện Do vậy cần có sự tìm hiểu rộng và sâu hơn về các nguyên lý và kỹ thuật bảo vệ thanh cái

THANH CÁI 1

THANH CÁI 2

CT-8

MC-5 DCL-1

MC-2

CT-2 CT-1

MC-1

PHÁT

TUYẾN-1

PHÁT TUYẾN-2

PHÁT TUYẾN-3

CT-7 MC-7 DCL-7

DCL-8 DCL-2

DCL-3

MC-3 CT-3

DCL-4

DCL-5

MC-4 CT-4

DCL-6

CT-5 CT-6 MC-6

PHÁT TUYẾN-4

PHÁT TUYẾN-5

1.2 CÁC KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

Các thanh cái của hệ thống điện khác nhau đáng kể về quy mô (số mạch được đấu vào), độ phức tạp (số phân đoạn, máy cắt kết giàn (tie-breaker), dao cách ly…và cấp điện áp (truyền tải, phân phối)

Các khía cạnh kỹ thuật nói trên kết hợp với các yếu tố về kinh tế mang lại một số giải pháp cho bảo vệ so lệch thanh cái [5]

1.2.1 Bảo vệ so lệch dòng

Dòng so lệch được đo lường bằng

cách lấy tổng đại số dòng điện của tất cả

các mạch (Hình 1.3) Tốt nhất là các CT

nên có cùng tỷ số biến Nếu không, cần

phải có CT (hoặc vài CT) hiệu chỉnh

Điều này dẫn đến khả năng làm tăng tải

đối với các CT chính và khiến cho vấn

đề bão hòa CT càng thêm nghiêm trọng

Trước đây, biện pháp xử lý vấn đề bão hòa CT bao gồm việc sử dụng đặc tuyến quá dòng thời gian xác định hoặc đặc tuyến quá dòng thời gian phụ thuộc

Mặc dù kinh kế và thích hợp cho các thanh cái phân phối, giải pháp này không phù hợp với yêu cầu vận hành cho các thanh cái cấp truyền tải

1.2.2 Bảo vệ thanh cái sử dụng các Bộ ghép (Coupler) tuyến tính

Một bộ ghép tuyến tính (kháng điện hỗ cảm lõi không khí) tạo điện áp ở ngõ ra tỷ lệ thuận với đạo hàm của dòng điện ngõ vào Do sử dụng lõi không khí nên các bộ ghép tuyến tính không bị bão hòa

Khi có sự cố nội bộ, tổng các dòng điện của thanh cái, và do đó tổng đạo hàm của các dòng này, sẽ bằng không Do vậy theo đó có thể đạt được một bảo vệ thanh cái đơn giản bằng cách đấu nối tiếp dây quấn thứ cấp của các bộ

Hình 1.3: Bảo vệ so lệch quá dòng

ghép tuyến tính (để tương ứng với tổng

các dòng sơ cấp) rồi đấu với một bộ cảm

biến điện áp công suất thấp (Hình 1.4)

Phương pháp này có các nhược

điểm giống như bảo vệ so lệch tổng trở

cao

1.2.3 Bảo vệ so lệch tổng trở cao

Bảo vệ tổng trở cao có sơ đồ đấu

nối CT giống như bảo vệ so lệch dòng

nhưng phần tử bảo vệ (59) có tổng trở rất cao ở ngõ nhận dòng (Hình 1.5)

Các CT đấu song song phải có cùng tỷ số biến và đấu đúng cực tính để đảm bảo là tổng dòng thứ cấp phải bằng không trong điều kiện mang tải bình thường Bất kỳ dòng so lệch nào chạy

qua tổng trở cao của phần tử bảo vệ

cũng sẽ gây ra một điện áp rơi trên ngõ

tổng trở cao này Nguyên lý này đã được

sử dụng trong hơn nữa thế kỷ nay vì đơn

giản, an toàn và tác động nhanh

Tuy nhiên kỹ thuật này không phải

không có nhược điểm Các nhược điểm

quan trọng nhất là:

Phương pháp tổng trở cao yêu cầu các CT chuyên dụng có cấp chính xác phù hợp (kèm theo chi phí đáng kể)

Không thể áp dụng dễ dàng cho các thanh cái có thể thay đổi cấu hình (chuyển mạch dòng bằng cách sử dụng các rơle phụ hai vị trí gây nguy hiểm cho các CT và sự an toàn, phát sinh thêm chi phí) Cần phải có biến trở giới hạn áp có khả năng hấp thụ năng lượng

Hình 1.5: Bảo vệ so lệch thanh

cái tổng trở cao Hình 1.4: Bảo vệ thanh cái có các

bộ ghép nối tiếp

đáng kể trong các sự cố thanh cái

1.2.4 Bảo vệ so lệch phần trăm (Bảo vệ so lệch có hãm)

Ngoài tín hiệu so lệch, các rơle so lệch phần trăm còn tạo thêm một tín hiệu hãm và áp dụng một đặc tuyến (hãm) phần trăm Các lựa chọn tín hiệu hãm gồm có “tính tổng”, “tính giá trị trung bình” và “lấy giá trị lớn nhất” của các dòng điện [5] Các lựa chọn đặc tuyến thường gồm có đặc tuyến một độ dốc và đặc tuyến hai độ dốc

Phương pháp tổng trở thấp này không cần phải có các CT chuyên dụng,

có thể chịu được tình trạng bão hòa CT nặng và có tác động cắt nhanh

Nhiều rơle tích hợp thực hiện bù tỷ số biến để khỏi phải dùng các CT giống nhau

Cùng với sự ra đời của các rơle vi xử lý, nguyên lý bảo vệ này trở nên hấp dẫn thực sự vì những lý do sau:

Các thuật toán nâng cao bổ sung thêm chức năng bảo vệ so lệch phần trăm giúp cho rơle rất an toàn

Việc bảo vệ các hệ thống thanh cái có thể thay đổi cấu hình đấu nối (re-configurable busbar) trở nên dễ dàng hơn vì rơle có thể mô phỏng lại cấu hình thực tế của hệ thống thanh cái (hình ảnh thanh cái) mà không cần phải chuyển mạch dòng thứ cấp của CT bằng rơle phụ Chức năng bảo vệ hư hỏng máy cắt (BF) tích hợp có thể cung cấp kế hoạch cắt tối ưu tùy thuộc vào cấu hình thực tế của thanh cái

Cấu trúc kiểu phân tán được đưa ra là đặt các khối thu thập dữ liệu DAU (Data Acquisition Unit) hay còn gọi là BU (Bay Unit) ở các ngăn lộ và thay các dây dẫn dòng bằng cáp quang truyền thông

1.2.5 Các rơle vi xử lý và các giải pháp đa tiêu chuẩn

Phương pháp tổng trở thấp vốn dĩ được xem là ít an toàn hơn so với bảo vệ tổng trở cao Điều này không còn đúng nữa vì các rơ le vi xử lý áp dụng

các thuật toán phức tạp để đáp ứng các đặc tính như của các sơ đồ tổng trở cao Phương pháp tổng trở thấp đặc biệt thích hợp với các thanh cái lớn và phức tạp mà các sơ đồ tổng trở cao không thể xử lý tốt được

Các rơle vi xử lý bảo vệ thanh cái tổng trở thấp được phát triển theo một trong hai cấu trúc sau:

Bảo vệ thanh cái kiểu phân tán: sử dụng các khối Thu thập dữ liệu

(DAU) hay còn gọi là khối Mức ngăn

(BU) được lắp đặt ở mỗi ngăn lộ để

lấy mẫu và xử lý trước các tín hiệu

đầu vào và đưa lệnh cắt đến các tiếp

điểm ở đầu ra (Hình 1.6) Hệ thống

bảo vệ sử dụng một khối Trung tâm

(CU) riêng để thu thập và xử lý tất cả

thông tin và cáp quang liên lạc giữa

CU và DAUs để truyền dữ liệu Yêu

cầu phải có các cơ chế đồng bộ hóa việc lấy mẫu và/hoặc gán nhãn thời gian Giải pháp này mang lại các ưu điểm như giảm bớt dây đấu và tăng khả năng tính toán, cho phép bổ sung thêm các chức năng như bảo vệ quá dòng (OC) dự phòng hoặc bảo vệ hư hỏng máy

cắt (BF) cho các ngăn lộ

Bảo vệ thanh cái kiểu tập

trung: đòi hỏi phải đấu dây tất cả

các tín hiệu với vị trí trung tâm, nơi

có một rơle thực hiện xử lý toàn bộ

(Hình 1.7) Do không thể giảm dây

đấu và phân phối việc tính toán giữa

một số DAU nên đòi hỏi khối trung

Hình 1.6: Bảo vệ so lệch kiểu phân tán

Hình 1.7: Bảo vệ so lệch kiểu tập trung

tâm phải tính toán nhiều hơn Mặt khác, kiểu cấu trúc này được xem là tin cậy

hơn và thích hợp với các ứng dụng cải tạo

Các thuật toán dành cho rơle tổng trở thấp nhằm:

a) Cải tiến thuật toán so lệch chính bằng cách cung cấp tính năng lọc tốt hơn, đáp ứng nhanh hơn, kỹ thuật hãm tốt hơn, khóa quá độ ngắt mạch mạnh mẽ, v.v

b) Có cơ chế phát hiện tình trạng bão hòa từ, có thể nhận biết CT bị bão hòa khi có sự cố ngoài một cách nhanh chóng và tin cậy

c) Áp dụng một nguyên lý bảo vệ thứ hai như định hướng pha (so sánh pha) để đảm bảo an toàn hơn

1.3 LỰA CHỌN LOẠI RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

Hiện nay có thể sử dụng hai loại rơle so lệch khác biệt nhau, một loại có bộ đầu vào trở kháng rất cao và một loại có nhiều bộ đầu vào trở kháng thấp, để bảo vệ so lệch thanh cái Hai loại rơle này tương ứng với hai kỹ thuật bảo vệ thanh cái phổ biến nhất hiện nay là bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở cao và bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở thấp Vấn đề ở đây là chọn loại nào phù hợp cho ứng dụng cải tạo bảo vệ so lệch thanh cái của trạm 220 kV Bảo Lộc Các khái niệm được sử dụng, ưu khuyết điểm và tầm quan trọng của việc lựa chọn biến dòng điện vận hành trong các ứng dụng của từng loại rơle này được nghiên cứu chi tiết [6] để so sánh và lựa chọn

1.3.1 So sánh và kết luận

Bảng 1.1 trình bày một so sánh mang tính chủ quan giữa rơle so lệch

thanh cái tổng trở cao và tổng trở thấp Các dấu kiểm () cho thấy ý kiến tác giả về sự vượt trội của loại rơle này so với loại rơle kia về một tính năng cụ thể đang được xem xét Việc lựa chọn loại nào tùy thuộc vào đánh giá của người dùng về các ưu điểm và khuyết điểm của mỗi loại rơle dựa trên ứng dụng và hệ thống dự kiến

Bảng 1.1: So sánh giữa rơle vi xử lý bảo vệ so lệch thanh cái

loại tổng trở cao và loại tổng trở thấp

Cấu hình lại vùng thanh cái Được nhưng phức tạp,

cần nhiều rơle trung gian hai trạng thái

Được 

Khả năng mở rộng Có  Có 

Mức độ phức tạp của cài đặt Thấp  Trung bình

Mức độ phức tạp của đấu dây Trung bình Thấp 

Không gian bảng điện cần có Trung bình Trung bình

II Đo lường

Đo riêng từng mạch Không Có 

Phát hiện ngắn mạch CT Không Có, báo động

mất cân bằng  Phát hiện hở mạch CT Có (rơle tác động cắt) Có, báo động

mất cân bằng 

III Bảo vệ

Tốc độ ~1.5 chu kỳ < 1 chu kỳ 

Độ nhạy Phụ thuộc vào trị đặt

Logic sự cố phát triển Không yêu cầu  Có 

Phát hiện bão hòa CT Không Có 

Bảo vệ hư hỏng máy cắt chọn

lọc

Bảo vệ cuối vùng chọn lọc Không Có 

Cắt trực tiếp máy cắt Không (qua các rơle

khóa)

Có 

Tích hợp các chức năng bảo vệ

khác riêng từng ngăn lộ

IV Điều khiển và giám sát

Tích hợp chức năng của các ứng

dụng khác nhau như bảo vệ,

điều khiển và ghi nhận sự cố

Không tích hợp điều khiển được

Có 

Giám sát thường trực các đối

tượng đo và trạng thái thiết bị

nhất thứ

Giám sát các điều kiện khởi

động của riêng từng chức năng

bảo vệ

Hạn chế Có 

cao

1.3.2 Lựa chọn rơle để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của

trạm biến áp 220kV Bảo Lộc

Phân tích ưu/khuyết điểm của hai loại rơle so lệch thanh cái đã trình bày ở trên có thể thấy là loại rơle so lệch thanh cái tổng trở thấp phù hợp hơn với yêu cầu cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc vì:

Đáp ứng yêu cầu về an toàn, độ chính xác và độ tin cậy cao;

Có cấu hình linh hoạt đáp ứng được yêu cầu hiện tại và mở rộng thêm ngăn lộ mới trong tương lai;

Có thể tiếp tục sử dụng được khi trạm 220kV Bảo Lộc được chuyển thành trạm tích hợp theo lộ trình

Đối với loại rơle so lệch thanh cái tổng trở thấp, dạng bảo vệ thanh cái kiểu tập trung được lựa chọn vì phù hợp với ứng dụng cải tạo hơn dạng bảo vệ thanh cái kiểu phân tán:

Tận dụng lại được toàn bộ các mạch điện nhị thứ đã có sẵn của hệ thống bảo vệ cũ;

Các tủ đấu dây trung gian ngoài trời hiện hữu tại trạm 220 kV Bảo

Lộc không có đủ không gian trống cũng như điều kiện vận hành và bảo quản phù hợp để lắp các thiết bị phân tán BU (mức ngăn)

Ngoài ra, rơle thay mới phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

Chức năng tự động hóa và giám sát mạnh mẽ, giao thức truyền thông hiện đại, đáp ứng được yêu cầu trong tương lai về trạm không người trực và lưới điện thông minh;

Phải thuộc thế hệ mới, hiện đại để có thể sử dụng trong thời gian dài

10 – 15 năm mà không cần phải thay thế do lạc hậu

Trên lưới điện hiện nay, dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5 đang dần được đưa vào sử dụng thay thế dòng Siprotec 4, dòng rơle mới này có cấu trúc hoàn toàn mới và tích hợp mạnh cả ba tính năng bảo vệ, tự động hóa và giám sát

Vì vậy tác giả chọn hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở thấp dạng tập trung SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc

1.4 KẾT LUẬN

Trong chương 1 tác giả đã tìm hiểu tổng quan về bảo vệ so lệch thanh cái, các yêu cầu quan trọng đối với loại bảo vệ này Chương này cũng đã nghiên cứu về các kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái, nguyên lý làm việc của các kỹ thuật này cũng như xu hướng phát triển của các dòng rơle vi xử lý hiện đại trong lĩnh vực bảo vệ thanh cái, từ đó đưa ra định hướng lựa chọn loại bảo vệ so lệch thanh cái phù hợp cho nhu cầu cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm 220 kV Bảo Lộc

Trên cơ sở đó, tác giả đã đưa ra lựa chọn rơle bảo vệ so lệch thanh cái thế hệ mới 7SS85 thuộc dòng SIPROTEC 5 của hãng SIEMENS Chương tiếp theo sẽ tìm hiểu sâu hơn về những tính năng cơ bản và quan trọng nhất của rơle này để áp dụng cho công tác cải tạo

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI

SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS

2.1 GIỚI THIỆU DÒNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 –

7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS

2.1.1 Khái quát

Bảo vệ thanh cái SIPROTEC 7SS85 là một bảo vệ tác động nhanh, có

chọn lọc và an toàn đối với các sự cố ngắn mạch thanh cái ở các hệ thống điện

trung, cao và siêu cao áp

Hình 2.1: Bảo vệ thanh cái SIPROTEC 7SS85

Việc lựa chọn các chức năng cơ bản của thiết bị và cấu trúc phần cứng

dạng khối lắp ghép (mô đun) cho phép bảo vệ SIPROTEC 7SS85 thích ứng

tối ưu với rất nhiều dạng cấu hình thanh cái và các yêu cầu về chức năng khác

nhau, đạt đến mức bảo vệ trạm toàn diện

2.1.2 Cấu hình

SIPROTEC 7SS85 phù hợp với nhiều dạng cấu hình hệ thống khác nhau

như: Hệ thống thanh cái đơn hoặc nhiều thanh cái chính và có/không có thanh

cái đường vòng (transfer busbar); sơ đồ bố trí 1-1/2 máy cắt; sơ đồ hệ thống

hai máy cắt và một hoặc hai biến dòng điện trên mỗi ngăn lộ (phát tuyến); sơ

đồ mạch có nhánh rẽ (Hình chữ T); sơ đồ kết nối hình chữ H có máy cắt hoặc

dao cách ly nối thanh cái; thiết bị đóng cắt kiểu hợp bộ

2.1.3 Các tính năng quan trọng tiêu biểu của SIPROTEC 7SS85

Ngoài chức năng bảo vệ so lệch thanh cái và các chức năng bảo vệ phụ khác, bảo vệ SIPROTEC 7SS85 có thể tích hợp nhiều chức năng điều khiển và giám sát:

Xử lý và kiểm soát số liệu đo hoàn toàn bằng kỹ thuật số, từ việc lấy mẫu và số hóa các đại lượng đo cho đến việc đưa ra các quyết định đóng và cắt máy cắt

Vận hành dễ dàng bằng bộ điều khiển tích hợp và màn hình hiển thị, hoặc sử dụng máy tính cá nhân kết nối với giao diện người dùng Có thể liên lạc với trung tâm điều khiển và các thiết bị lưu trữ thông qua giao diện của thiết bị

Giám sát liên tục các đối tượng đo như biến dòng điện, mạch cắt… cũng như phần cứng và phần mềm của rơle

2.2 CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

2.2.1 Tổng quan về chức năng

Bảo vệ thanh cái là một bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối (bảo vệ chỉ tác

động khi có sự cố trong vùng giới hạn giữa các CT của mạch so lệch), an toàn và tác động nhanh Có thể sử dụng bảo vệ này cho nhiều cấu hình thanh cái khác nhau ở các hệ thống trung áp, cao áp và siêu cao áp

Để nâng cao độ an toàn và tin cậy, rơle sử dụng kết hợp cả chức năng

bảo vệ so lệch Vùng thanh cái (Bus Zone) với chức năng bảo vệ so lệch Vùng kiểm tra (Check Zone)

Đối với các Bus zone, dòng điện từ các ngăn lộ sẽ được phân bố dựa trên thông tin cấu trúc kết nối của các ngăn lộ với các thanh cái thông qua tín hiệu trạng thái của dao cách ly

Đối với Check Zone, dòng điện từ tất cả các ngăn lộ đều được xét để xác định điều kiện sự cố

Phát hiện các sự cố dao cách ly, các sự cố ở phát tuyến hoặc các sai số đo lường Phát hiện có chọn lọc các ngắn mạch, ngay cả trên thanh cái mạch vòng (transfer busbar)

Thích ứng với các tỷ số biến dòng/áp khác nhau mà không cần sử dụng các biến dòng/áp trung gian

2.2.3 Phương pháp đo lường và các đường đặc tuyến

a) Cơ sở

Phương pháp đo lường

dựa trên định luật Kirchhoff

về dòng điện Ở trạng thái

bình thường, công thức (2-1)

áp dụng cho tổng đại số các dòng điện I1, I2, I3 đến In trong các phát tuyến của thanh cái:

I1 + I 2 + I 3 In = 0 (2-1) Nếu phương trình trên không được đáp ứng, nghĩa là có sự cố trong vùng bảo vệ Quy tắc này tạo cơ sở cho bảo vệ so lệch thanh cái [12]

Vị trí lắp đặt của các biến dòng xác định giới hạn phạm vi của bảo vệ thanh cái Sự biến đổi tỷ lệ thuận các dòng sơ cấp (Iprim) thành dòng thứ cấp (Isec) cho ra phương trình sau ứng với trạng thái bình thường:

Hình 2.2: Thanh cái có n phát tuyến

I1 sec • w1 + I2 sec • w2 + I3 sec • w3 + In sec • wn = 0 (2-2)

I1 sec, I2 sec, In sec : Các dòng thứ cấp

w1, w2, w3 wn : Các tỷ số biến của các biến dòng điện

Ở mức thanh cái, các dòng điện của tất cả các ngăn lộ phải được quy về một tỷ số biến chung Vì vậy các dòng điện của riêng từng ngăn phải được chuẩn hóa trong quá trình thiết kế kỹ thuật hệ thống bảo vệ Hệ số chuẩn hóa được tính toán theo tỷ số Irated(feeder)/Irated,obj Trong đó Irated (feeder) là dòng định mức phía sơ cấp của CT ngăn lộ, Irated,obj là dòng chuẩn hóa chung của cả hệ thống

Bảo vệ thanh cái được thiết kế theo

cách này phát hiện mọi sự cố ngắn mạch

trong phạm vi bảo vệ Các sai số biến đổi

của các biến dòng có thể dẫn đến sự cắt

điện ngoài ý muốn, chẳng hạn trong

trường hợp có sự cố ngắn mạch gần trên

một phát tuyến (Hình 2.3) Trong trường

hợp này, dòng điện chạy vào điểm ngắn

mạch được phân chia cho một số ngăn lộ

thuộc phía cấp điện nên các biến dòng ở

các ngăn lộ này (CT1, CT2, CT3 và CT4)

chỉ dẫn một phần của dòng ngắn mạch Bộ biến dòng ở ngăn lộ bị sự cố (CT5) dẫn toàn bộ dòng ngắn mạch ở phía sơ cấp Với dòng ngắn mạch rất lớn, bộ biến dòng điện này chỉ có thể cung cấp một phần của giá trị định chuẩn (set point value) ở phía thứ cấp do hậu quả của tình trạng bão hòa Các biến dòng điện còn lại vẫn vận hành đúng bởi vì dòng ngắn mạch được chia ra Mặc dù tổng dòng điện bằng 0 ở phía sơ cấp, tổng dòng điện phía thứ cấp khác 0 trong trường hợp này

Hình 2.3: Ngắn mạch gần trên

một phát tuyến

Để bù cho những tình huống như thế trong quá trình vận hành, bảo vệ so lệch thanh cái sử dụng chức năng giữ ổn định (hãm)

b) Chức năng giữ ổn định (Stabilization)

Chức năng giữ ổn định làm giảm ảnh hưởng của các sai khác tỷ số biến của các biến dòng khi đo lường dòng của các phát tuyến và bằng cách này ngăn ngừa bảo vệ tác động sai Bảo vệ so lệch thanh cái tính tổng véc tơ dòng thứ cấp của các biến dòng và tổng độ lớn của các dòng này

Tổng véc tơ hoạt động theo hướng khởi động Tổng độ lớn hoạt động theo hướng chống lại sự khởi động (hãm)

Dòng hãm có được theo phương pháp này được xử lý trơn (smooth) bằng phần mềm để đảm bảo độ

ổn định ngay cả trong trường hợp

biến dòng bị bão hòa nặng

c) Các đường đặc tuyến

Khoảng giá trị từ dòng ngắn

mạch nhỏ nhất đến dòng ngắn mạch lớn nhất có thể thay đổi đáng kể, tùy thuộc vào cấu trúc của hệ thống Ngoài ra, dữ liệu và tải của các biến dòng được kết nối cũng đóng một vai trò quan trọng

Đường đặc tuyến chuẩn

Đường đặc tuyến tiêu chuẩn được xác định bằng hai trị đặt điều chỉnh

được là Stabilization factor k (Hệ số ổn định k - hệ số góc của đặc tính hãm)

và Threshold Idiff (Ngưỡng dòng so lệch)

Véc tơ tổng Idiff (dòng so lệch) là đại lượng khởi động:

Idiff = |I1 + I2 + In| Tổng các độ lớn của tất cả dòng phát tuyến Irest (dòng hãm) là đại lượng hãm: Irest = |I1| + |I2| + |In|

Như vậy tiêu chuẩn để một sự cố trên thanh cái gây khởi động là:

Hình 2.4: Định dạng của dòng hãm I rest,mod

Idiff > k • Irest, mod

Đại lượng hãm được sửa đổi Irest,mod có nguồn gốc từ Irest (xem Hình 2.4)

Sơ đồ ở Hình 2.5 cho thấy

đường đặc tính tác động của bảo vệ

so lệch thanh cái Trục hoành thể

hiện dòng hãm Irest,mod Trục tung

thể hiện dòng so lệch Idiff

Trong trường hợp ngắn mạch

thanh cái mà các dòng điện chạy

vào thanh cái đều có cùng một

hướng véc tơ, Idiff bằng Irest Đặc

tính sự cố khi đó đi theo một đường thẳng có góc bằng 45° trong sơ đồ Vì trong vận hành bình thường Idiff xấp xỉ bằng 0 nên đặc tính vận hành trùng với trục hoành

Đoạn (a) của đặc tính tác động do giới hạn Idiff bằng Irest tạo nên Đoạn đặc tính nằm ngang (b) thể hiện giá trị ngưỡng cho độ nhạy của bảo vệ trong những trường hợp có dòng sự cố nhỏ Đoạn (c) ứng với những trường hợp có dòng sự cố lớn để phân biệt giữa sự

cố nội bộ và sự cố ngoài

Đường đặc tuyến nhạy

Rơ le có trang thêm đặc tính

với độ nhạy cao (thực chất là hạ

thấp một phần đặc tính tác động)

Chức năng này sẽ được kích hoạt

thông qua một tín hiệu đầu vào nhị

phân tùy đặt

Chức năng này phù hợp với các hệ thống có dòng chạm đất bé, ví dụ như

Hình 2.5: Đường đặc tuyến chuẩn

Hình 2.6: Đường đặc tuyến nhạy

lưới điện có trung tính nối đất qua tổng trở cao Đường đặc tính nhạy có bộ thông số đặt riêng còn hệ số ổn định cũng giống như hệ số ổn định của đường đặc tuyến tiêu chuẩn

Thay vì tín hiệu nhị phân, cũng có thể sử dụng chức năng bảo vệ áp tích hợp để kích hoạt trực tiếp chức năng này

2.2.4 Các đại lượng đo

a) Thành phần DC của dòng ngắn mạch

Nếu ngắn mạch không xảy ra tại thời điểm điện áp đạt giá trị đỉnh trong chu kỳ tuần hoàn, dòng ngắn mạch ban đầu sẽ có chứa một thành phần DC Thành phần DC này tắt dần với hằng số thời gian τ = L/R của tổng trở ngoài

Ở các hệ thống điện cao áp hằng số thời gian τ thường có giá trị khoảng 60

ms Ở lân cận những máy điện lớn, hằng số thời gian τ có thể có giá trị từ 100

ms trở lên [12]

b) Tình trạng bão hòa

Các thành phần dòng DC gây tình trạng phân cực bất đối xứng gia tăng trong lõi từ của biến dòng điện Tình trạng bão hòa biến dòng điện có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng, sai số biến đổi dòng

Bảo vệ so lệch thanh cái dựa trên nền tảng nguyên lý cơ bản phải được tăng cường thêm các biện pháp bổ sung trong những điều kiện vận hành khó khăn như thế này Trong thiết bị bảo vệ, các biện pháp tăng cường đảm bảo hãm được bảo vệ trong trường hợp có sự cố ngắn mạch ngoài dòng lớn Đồng thời, thiết bị bảo vệ phải có thể đưa ra quyết định cắt nhanh khi xảy ra sự cố ngắn mạch nội bộ trong vòng một chu kỳ của hệ thống điện

Phần tử phát hiện bão hòa của rơle vận dụng thực tế là khi xảy ra sự cố, ngay cả trong điều kiện dòng sơ cấp rất lớn, mạch từ của CT sẽ không thể bão hòa ngay lập tức mà cần có một thời gian trễ để từ thông tăng tới giá trị bão hòa, trong thời gian trễ này thì CT vẫn hoạt động chính xác nên thông tin về

dòng điện trong khoảng vài mili giây sau sự cố là một đại lượng tin cậy

Hình 2.7 cho thấy đường đặc tuyến thể hiện dòng sơ cấp ban đầu Khi bắt đầu quá trình, thành phần

dòng DC có giá trị đỉnh của

dòng ngắn mạch và tắt dần

với hằng số thời gian τ 50

ms [12]

Do thành phần dòng DC

xếp chồng và từ thông bất lợi

lúc bắt đầu ngắn mạch, sự bão

hòa xảy ra trong biến dòng

sau đó khoảng 6 ms

c) Trường hợp ngắn mạch ngoài có bão hòa

Trở lại ví dụ ở Hình 2.3 minh họa một sự cố mạch ngắn bên ngoài

Biến dòng điện ở ngăn lộ bị sự cố dẫn toàn bộ dòng ngắn mạch và bị bão hòa, cho thấy tình trạng

hoạt động như trong

Hình 2.8 Theo đó ta thấy

trong vài mili giây ban

đầu, biến dòng điện

chưa bị bão hòa ngay

nên không có dòng so

lệch trong khi dòng hãm tăng nhanh

Với hệ số ổn định k = 0.65, sau khoảng 8 ms kể từ khi bắt đầu có ngắn mạch các đại lượng đo mới nằm trong vùng cắt Tình trạng này duy trì trong khoảng 4 ms, trước khi chức năng giữ ổn định chiếm ưu thế (Hình 2.9) Dòng điện ở bán kỳ âm được biến đổi đúng, do vậy không có dòng so lệch

Hình 2.8: Dòng so lệch và dòng hãm trong trường hợp ngắn mạch ngoài và biến dòng điện bị bão hòa

Hình 2.7: Biểu diễn định tính dòng sơ cấp và thứ cấp của một biến dòng điện trong trường hợp có sự cố (thành phần dòng DC có hằng

số thời gian khoảng 50 ms)

Do độ lớn của nữa sóng dương thứ hai ở hướng được cộng thêm thành phần dòng DC, các đại lượng đo lại nằm trong vùng cắt một lần nữa Tình trạng này kéo dài khoảng 3 ms Theo thời gian, thành phần dòng DC tắt dần, qua đó biến dòng điện bị

bão hòa nặng ban đầu

phục hồi dần khả năng

biến đổi dòng đúng tỷ số

biến Dòng so lệch cắt

Idiff không còn bằng

dòng hãm k•Irest,mod nữa

Đại lượng cắt có hai lần vượt quá đại lượng hãm Tuy nhiên các thuật toán được sử dụng trong thiết bị bảo vệ đảm bảo hãm và ngăn ngừa được tình trạng làm việc quá chức năng

d) Trường hợp ngắn mạch nội bộ có bão hòa

Ví dụ sau đây minh họa một sự cố mạch ngắn nội bộ

Giả sử dòng điện chạy vào trong điểm ngắn mạch nằm trong vùng bảo vệ chỉ qua một biến dòng điện khiến biến dòng này bị bão hòa và đáp ứng giống như trong Hình 2.10

Dòng so lệch Idiff tăng

nhanh và đạt điều kiện cắt

ngay từ lúc bắt đầu ngắn

mạch Sau đó khoảng 6 ms,

biến dòng điện bị bão hòa

khiến dòng so lệch giảm

nhanh và không còn đủ điều kiện cắt Dòng so lệch ứng với bán kỳ âm của dòng ngắn mạch không đủ lớn để gây cắt Theo thời gian, thành phần DC trong dòng ngắn mạch tắt dần, dòng sự cố dần trở về dạng điều hòa nên dòng

so lệch ứng với bán kỳ âm của dòng ngắn mạch tăng lên, đủ lớn để gây cắt Các giá trị đo được trong hai trường hợp ngắn mạch ngoài và ngắn mạch nội bộ tạo cơ sở để phân biệt hai trường hợp ngắn mạch này:

Lúc bắt đầu ngắn mạch, giá trị đo đúng được tạo ra trong cả hai trường hợp, do vậy có thể sử dụng giá trị đo được này để xác định vị trí sự cố là trong vùng hay ngoài vùng bảo vệ (Cơ sở của logic cắt dựa trên các giá trị tức thời)

Sau một vài chu kỳ, trong đó thành phần dòng DC đã suy giảm đi nhiều, các giá trị đo đúng hiện diện trở lại trong mỗi bán kỳ dòng sự cố Các giá trị đo này tương ứng với vị trí sự cố trong đặc tuyến tác động đã đặt (Cơ sở của logic cắt dựa trên các giá trị đo được lọc)

2.2.5 Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái

Hình 2.11 trình bày tổng quan logic cắt của chức năng bảo vệ so lệch

thanh cái Trong đó các logic cắt khác nhau:

a) Logic cắt dựa trên các giá trị tức thời

Dòng so lệch và dòng hãm được tính toán dựa trên các giá trị tức thời ngay sau khi xuất hiện sự cố, khi biến dòng vẫn làm việc đúng trong khoảng 6

ms ban đầu

Tác động cắt xảy ra khi tất cả các tiêu chí sau đây được thỏa mãn, cho

thấy có sự cố nội bộ (logic phép đo 1 trong 1):

Tốc độ gia tăng dòng hãm dIrest/dt giá trị giới hạn

Idiff Giới hạn đặt

Idiff k • Irest mod

Trường hợp sau đây được xác định là sự cố ngoài và logic cắt bị khóa trong 150 ms:

Tốc độ gia tăng dòng hãm dIrest/dt giá trị giới hạn

Điều kiện Idiff k • Irest mod không thỏa

Irest Dòng hãm; Idiff Dòng so lệch

(1) Phát hiện có sự cố trong vùng bảo vệ nếu có hai phép đo liên tiếp

Hình 2.11: Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85

Nếu sự cố ngoài phát triển thành sự cố nội bộ, có khả năng điều kiện

dIrest/dt giá trị giới hạn không thỏa hoặc logic cắt đang bị khóa trong thời

gian 150 ms nên rơle sẽ áp dụng logic đo hai lần (logic phép đo 2 trong 2) để

xác nhận chắc chắn có sự cố nội bộ:

Phép đo lần thứ nhất cho thấy có sự cố nội bộ

Phép đo lần thứ hai sau thời gian tạm dừng 7 ms cho thấy có sự cố nội bộ

b) Logic cắt dựa trên các giá trị đo được lọc

Thành phần DC của dòng so lệch được loại bỏ bằng cách tính toán thành phần cơ bản Với những dòng so lệch bị ảnh hưởng của thành phần DC tương đối nhỏ, biện pháp này cải thiện độ chính xác và làm giảm thời gian tác động của bảo vệ Độ lớn thành phần cơ bản của dòng so lệch được xác định với sự hỗ trợ của các bộ lọc sine và cosine Dòng hãm được tính bằng tổng các giá trị chỉnh lưu trung bình của các dòng phát tuyến

Logic sử dụng các đại lượng được lọc làm việc song song với logic sử dụng các giá trị tức thời Trong trường hợp sự cố ngoài, logic sử dụng các giá trị tức thời khóa logic sử dụng các đại lượng được lọc trong 150 ms để tránh tình trạng làm việc ngoài chức năng trong trường hợp bão hòa nặng

Người dùng cũng có thể cấu hình thêm các tiêu chí bổ sung cho logic cắt hoặc chọn các điều kiện khóa

2.2.6 Thông tin trạng thái của dao cách ly

Việc gán dòng các phát tuyến cho các hệ thống đo lường của các vùng bảo vệ thanh cái (bus zone) được thực hiện tự động bằng cách sử dụng vị trí của các dao cách ly Tương tự, việc cắt có chọn lọc thanh cái bằng cách cắt các máy cắt của các ngăn lộ có kết nối với thanh cái bị sự cố cũng dựa trên thông tin trạng thái của dao cách ly

Ngăn máy cắt nối thanh cái được gán với các vùng thanh cái thích hợp chỉ khi có ít nhất một dao cách ly được đóng ở cả hai phía của máy cắt nối thanh cái (bên trái và bên phải máy cắt) Dòng vận hành không thể chạy qua cho đến lúc đó Do đó, với thao tác đóng dao cách ly thứ nhất và có ngắn mạch ở khu vực ngăn kết nối thanh cái, bất kể vị trí sự cố và vị trí tức thời của

tiếp điểm máy cắt, thanh cái cấp dòng cho ngắn mạch cắt ngay lập tức

Nếu hai thanh cái được kết nối cứng (nối tắt) bằng các dao cách ly của một phát tuyến, trường hợp này xem như chỉ có một thanh cái nên tất cả các phát tuyến của hai thanh cái được gán cho một hệ thống đo lường ưu tiên là Bus Zone có chỉ số thanh cái nhỏ hơn (Bus Zone 1) Dòng qua ngăn nối thanh cái không được xét đến đối với thanh cái nối tắt bằng các dao cách ly

2.2.7 Check Zone (Vùng kiểm tra)

Hệ thống đo lường của Check zone phát hiện ngắn mạch trên toàn bộ thanh cái Vị trí của các dao cách ly chỉ được xét kết hợp với Check zone trong những trường hợp đặc biệt, ví dụ như các thanh cái vòng hoặc các thanh cái kết hợp

Khi dòng hãm được tính toán, dòng điện chạy qua các ngăn lộ không nối với thanh cái bị sự cố có thể gây quá ổn định (overstabilization)

Để tránh quá ổn định, dòng hãm được tính bằng cách sau:

Σ | Ip | = Tổng độ cường độ các dòng điện chạy vào thanh cái

Σ | In | = Tổng độ cường độ các dòng điện chạy từ thanh cái ra

Irest = tổng nhỏ hơn trong hai tổng trên (min [Σ | Ip |, Σ | In |)

Hình 2.12 và các công thức làm rõ trạng thái có và không có xử lý đặc biệt Dòng so lệch:

Idiff = | I1 + I2 + I3 + I4 − I3 − I4 | = | I1 + I2 | (2-3) Dòng hãm chưa qua xử lý đặc biệt:

Irestr = Σ | In | = | I3 + I4 | (2-7)

Dòng hãm sửa đổi được áp

dụng cho đường đặc tuyến

Góc lệch pha giữa dòng

ngắn mạch và các dòng tải có

thể dẫn đến sai khác ở tổng thu

được

2.3 CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ PHỤ

Ngoài chức năng chính là bảo vệ so lệch thanh cái, thiết bị 7SS85 còn bao gồm một số chức năng bảo vệ luôn kèm theo hoặc đặt hàng thêm [12]

2.3.1 Các chức năng bảo vệ luôn đi kèm

Chức năng bảo vệ quá dòng chạm đất (50N/51N TD)

Chức năng bảo vệ lỗi máy cắt (50BF) tích hợp trong bảo vệ so lệch thanh cái

Chức năng khởi động cắt từ bên ngoài (External trip initiation),

chẳng hạn lệnh cắt do bảo vệ 50BF từ các ngăn lộ gởi đến

Chức năng bảo vệ so lệch phần nhánh cụt-87 STUB (dành cho các

ứng dụng 1 và 1/2 máy cắt)

Các chức năng giám sát, kiểm tra: Giám sát mạch cắt (74TC), Phát

hiện đứt dây nhị thứ bảo vệ so lệch, Giám sát nhiệt độ…

2.3.2 Các chức năng bảo vệ tùy chọn

Chức năng bảo vệ kém áp (27), quá áp (59)

Chức năng bảo vệ quá dòng pha (50/51 TD)

Chức năng bảo vệ lỗi máy cắt (50BF)

Chức năng bảo vệ sự cố đầu cuối (50EF)

Chức năng bảo vệ tần số (81): quá tần (f>), kém tần (f<) hoặc tốc độ

Hình 2.12: Xử lý dòng hãm của Check Zone