Phân tích chức năng và các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle số bảo vệ so lệch MBA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG QUỐC TRUNG PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUỐC TRUNG

PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA

RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUỐC TRUNG

PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA

RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

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

Đà Nẵng - Năm 2017

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

sử dụng những kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các đồng nghiệp tại Công ty TNHH MTV Thí nghiệm điện miền Trung, trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và của một số tổ chức khoa học trên thế giới

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

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trương Quốc Trung

Học viên: Trương Quốc Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Trong hệ thống rơle bảo vệ máy biến áp thì rơle bảo vệ so lệch giữ vai trò

chính hết sức quan trọng, nó góp phần cô lập sự cố trong MBA một cách nhanh chóng, đồng thời đảm bảo an toàn cho hệ thống Ngày nay, rơle so lệch MBA đã dần được hoàn thiện, với nhiều tính năng vượt trội, tuy nhiên có nhiều yếu tố tác động bên ngoài, làm cho rơle tác động sai Vì vậy cần có sự nghiên cứu sâu sắc về rơle so lệch MBA và các yếu tố ảnh hưởng tác động đến đặc tính làm việc của rơle trong nhiều trường hợp khác nhau Luận văn đã trình bày tổng quan về hệ thống rơle bảo vệ MBA, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơ le đồng thời đưa ra các phân tích và so sánh giữa các giải pháp mà các hãng sản xuất rơ le đang sử dụng hiện nay nhằm đảm bảo rơle làm việc một cách chắc chắn Mô hình mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch MBA trong một trạm thực tế được xây dựng bằng phần mềm Matlab – Simulink Thông qua phần mềm, luận văn đã trình bày một số kết quả thu được khi mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch MBA trong các trường hợp sự cố và khi có các yếu tố bên ngoài tác động đến sự làm việc của rơ le

Từ khóa – sự cố MBA; rơ le bảo vệ so lệch MBA; các yếu tố ảnh hưởng; hãng sản xuất

rơle; Matlab-Simulink

ANALYSING FUNCTIONS AND FACTORS AFFECTING THE

TRANSFORMER DIFFERENTIAL PROTECTION RELAY ‘S

PERFORMANCE CHARACTERISTICS Abstract – In the transformer protection relay system, the differential protection relay

plays a very important role, it contributes to the problem isolation in the transformer quickly as well as ensuring the safety of the system Nowadays, transformer differential protection relay have been perfected with many outstanding features, however there are many external factors which can cause the relay to malfunction Therefore, there is a need for specialized research into transformer differential protection relay and factors affecting the performance characteristics of the relay in various cases This thesis presents an overview of the transformer protection relay system, factors affecting the relay's performance characteristics, and provides analysis, compares the solutions that relay manufacturers are applying today to ensure the relay

to operate reliably The model that simulates the transformer differential protection relay in a real station is built with Matlab-Simulink Software By the software, the thesis presents some results obtained when simulating the operation of the relay in cases of faults and when there are external factors affecting the operation of the relay

Key words – transformer faults; transformer differential protection relay; affecting

factors; relay manufacturers; Matlab-Simulink

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

5 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MBA 3

1.1 MỞ ĐẦU 3

1.2 CÁC DẠNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP ĐỐI VỚI MBA 3

1.2.1 Sự cố bên trong MBA 3

1.2.2 Sự cố bên ngoài MBA 4

1.3 CÁC LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG DÙNG CHO MBA 5

1.3.1 Bảo vệ nội bộ MBA 5

1.3.2 Bảo vệ điện chính trong MBA 5

1.3.3 Sơ đồ phương thức bảo vệ MBA 6

1.3.4 Nguyên lý làm việc của chức năng so lệch MBA 6

1.4 TỔNG QUAN VỀ RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA 8

1.4.1 Các loại rơ le số bảo vệ so lệch MBA thường dùng 8

1.4.2 Cấu trúc phần cứng và nguyên lý làm việc của rơ le số 9

1.4.3 Cài đặt, cấu hình đưa rơle vào vận hành 10

1.5 KẾT LUẬN 11

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA 13

2.1 MỞ ĐẦU 13

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG TỪ HÓA QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG XUNG KÍCH MBA 13

2.2.1 Dòng từ hóa quá độ 13

2.2.2 Ảnh hưởng của dòng từ hóa đến chức năng bảo vệ so lệch MBA 15

2.2.3 Nhận xét 16

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ TI ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠLE SO LỆCH MBA 17

2.3.1 Sai số TI 17

2.3.2 Ứng dụng TI công nghệ mới (MOCT–Magneto Optical Current Transducer) 18

2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU ÁP DƯỚI TẢI ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠ LE SO LỆCH MBA 20

2.4.3 Nhận xét 22

2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THỨ TỰ KHÔNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠ LE SO LỆCH MBA 23

2.5.1 Dòng thứ tự không 23

2.5.2 Ảnh hưởng của dòng thứ tự không đến đặc tính bảo vệ so lệch MBA 24

2.5.3 Nhận xét 24

2.6 KẾT LUẬN 25

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP NHẰM ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY LÀM VIỆC RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH MBA 26

3.1 MỞ ĐẦU 26

3.2 GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG TỪ HÓA QUÁ ĐỘ MBA 26

3.2.1 Phát hiện dòng từ hóa bằng cách phân tích các thành phần sóng hài trong dòng so lệch MBA 26

3.2.2 Phân tích dạng sóng của dòng so lệch MBA 27

3.2.3 Tăng giá trị khởi động của chức năng bảo vệ so lệch khi đóng điện trở lại MBA 28

3.2.4 Nhận xét 29

3.3 GIẢI PHÁP ĐỂ CẢI THIỆN SAI SỐ TI VÀ BÃO HÒA TI 29

3.3.1 Giải pháp nhằm hạn chế các lỗi trong mạch dòng nhị thứ vào rơ le 29

3.3.2 Sử dụng đặc tính hãm 31

3.3.3 Giải pháp hạn chế bão hòa TI 32

3.4 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THỨ TỰ KHÔNG TRONG DÒNG SO LỆCH MBA 37

3.5 GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU ÁP DƯỚI TẢI ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠ LE BẢO VỆ SO LỆCH MBA 38

3.5.1 Giải pháp hạn chế ảnh hưởng của bộ điều áp mà hãng ABB sử dụng 38

3.5.2 Hãng sản xuất rơ le bảo vệ Siemens và các hãng khác 39

3.5.3 Nhận xét 39

3.6 KẾT LUẬN 40

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA 41

4.1 MỞ ĐẦU 41

4.2 TỔNG QUAN VỀ MATLAB - SIMULINK 41

4.2.1 Matlab 41

4.2.2 Simulink 41

4.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng bảo vệ so lệch MBA 42

4.3.2 Xây dựng khối nguyên lý làm việc của rơ le so lệch máy biến áp 43

4.3.3 Phân tích sự làm việc của sơ đồ ở các dạng sự cố 49

4.4 KẾT LUẬN 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

PHỤ LỤC

87N Bảo vệ so lệch chạm đất hạn chế máy biến áp

87T Bảo vệ so lệch máy biến áp

CTS Chức năng giám sát mạch dòng điện nhị thứ vào role IKCB Dòng điện không cân bằng

ITTK Dòng điện thứ tự không

ITTN Dòng điện thứ tự nghịch

ITTT Dòng điện thứ tự thuận

OLTC Bộ điều áp dưới tải

TI Máy biến dòng điện (Current Transfomer)

TU Máy biến điện áp (Voltage Transfomer)

Số hiệu

1.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ của một MBA thường dùng 6

1.6 Các chức năng trong rơ le so lệch MBA SEL 487E 9

1.9 Các phần mềm rơ le đang sử dụng phổ biến hiện nay 11

2.2 Dòng từ hóa khi đóng điện không tải MBA tại thời điểm dạng

sóng điện áp trùng với mật độ từ thông trong cuộn dây 14 2.3 Dòng từ hóa khi đóng điện không tải MBA tại thời điểm mật độ

từ thông trong cuộn dây có giá trị âm -max 14 2.4 Dạng sóng dòng từ hóa khi đóng điện xung kích MBA 15

2.6 Dòng từ hóa khi đóng điện song song vào MBA đang vận hành 16 2.7 Sự cố bên ngoài vùng bảo vệ với bão hòa TI 17

2.12 Ứng dụng MOCT trong các trạm tự động hóa 20

2.14 Phản hồi vị trí nấc phân áp đến rơ le bảo vệ so lệch MBA 21

2.16 Sự cố chạm đất ngoài 1 pha tại phía cuộn dây nối ∆ 24 3.1 Thành phần sóng hài khi đóng điện xung kích MBA 27

3.4 Đặc tính của hãng Areva phát hiện lỗi trong mạch nhị thứ TI 30 3.5 Đặc tính phát hiện lỗi trong mạch nhị thứ TI của hãng ABB 30 3.6 Giám sát mạch nhị thứ TI trong rơ le hãng Nari 30 3.7 Đặc tính giám sát dòng so lệch của hãng Toshiba 31

3.9 Sử dụng vùng hãm bổ sung để phát hiện hiện tượng bão hòa TI 33

3.10 Đặc tính hướng phân biệt sự cố bên trong và bên ngoài 34 3.11 Dòng thứ tự nghịch khi sự cố bên trong (A) và sự cố bên ngoài (B) 35 3.12 Đặc tính làm việc hãng SEL khi sự cố bên ngoài gây bão hòa TI 35 3.13 Dạng sóng của dòng so lệch trong trường hợp bão hòa TI 36 3.14 Dòng thứ tự không khi có sự cố chạm đất bên ngoài vùng bảo vệ 37 3.15 Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch MBA trước (a) và sau (b)

4.3 Các thông số cài đặt cho rơ le bảo vệ so lệch MBA 45

4.5 Khối tính toán giá trị dòng so lệch và dòng hãm 47 4.6 Sơ đồ tổng thể mô phỏng rơle bảo vệ so lệch máy biến áp 48

4.8 Dòng đo lường ở TI 3 phía khi sự cố chạm đất pha A bên trong

4.9 Đặc tính sự cố và lệnh Trip từ rơ le so lệch khi sự cố pha A MBA 50 4.10 Dòng đo lường ở TI 3 phía khi sự cố 3 pha trong vùng bảo vệ 51 4.11 Đặc tính dòng sự cố và lệnh cắt từ rơ le so lệch 51

4.13 Dòng đo lường ở TI 3 phía khi sự cố chạm đất pha A phía thanh

4.14 Đặc tính dòng sự cố và lệnh trip khi sự cố bên ngoài vùng bảo vệ 53 4.15

Dạng sóng dòng điện 3 phía, dòng so lệch, dòng hãm, vùng làm

việc của bảo vệ trong trường hợp ngắn mạch 3 pha ngoài vùng

bảo vệ của rơ le bảo vệ so lệch

4.21 Dòng so lệch, dòng hãm, đặc tính sự cố khi MBA vận hành với

4.22

Dòng so lệch, dòng hãm, đặc tính sự cố, đặc tính cắt từ bảo vệ so

lệch khi MBA vận hành ở vị trí nấc 9 trong trường hợp không có

phản hồi nấc phân áp MBA

62

4.23 Dòng hãm, dòng so lệch, đặc tính bảo vệ rơ le so lệch khi MBA vận

hành ở vị trí biên trong trường hợp máy cắt 332 cắt ra do sự cố 63 4.24 Dòng so lệch, dòng hãm, đặc tính sự cố của rơ le khi MBA vận

hành ở vị trí biên, MC 432 cắt ra do thanh cái 22kV bị sự cố 64

4.26 Dạng sóng của dòng từ hóa phía 110kV khi đóng xung kích

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống điện, máy biến áp và hệ thống bảo vệ đóng một vai trò cực kỳ quan trọng, nó đóng góp một phần rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cung cấp điện, trong đó bảo vệ so lệch MBA là một trong những bảo vệ chính Sự làm việc tin cậy của bảo vệ

so lệch MBA giúp phát hiện sớm và cô lập các sự cố một cách nhanh chóng, giúp duy trì tình trạng vận hành an toàn cho hệ thống

Với vai trò quan trọng truyền tải công suất giữa nguồn và phụ tải, các hư hỏng trong máy biến áp lực sẽ làm ảnh hưởng đến việc cung cấp điện năng đến hộ tiêu thụ

Vì vậy việc nghiên cứu chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp và các tình trạng làm việc không bình thường, sự cố xảy ra với máy biến áp là rất cần thiết Để bảo vệ cho máy biến áp làm việc an toàn, cần phải tính toán đầy đủ các yếu tố gây hư hỏng bên trong và các yếu tố bên ngoài gây ảnh hưởng đến đặc tính làm việc bình thường của bảo vệ so lệch máy biến áp Từ đó đề ra phương án bảo vệ, loại trừ các hư hỏng và sự cố không mong muốn

Hiện nay, sự phát triển trong lĩnh vực công nghệ số đã cho phép chế tạo các loại rơle so lệch máy biến áp kỹ thuật số với nhiều tính năng vượt trội so với các loại rơle trước đây Các nhà sản xuất đã cho phép tích hợp nhiều chức năng bảo vệ và nhiều giải pháp nhằm giảm sự tác động không mong muốn Tuy nhiên, nhiều sự cố tác động không đúng của bảo vệ so lệch máy biến áp và bảo vệ so lệch hạn chế REF như khi sự cố ngắn mạch ngoài, đóng điện xung kích máy biến áp, hoặc do lỗi cài đặt cấu hình, các lỗi TU,

TI đã gây nên mất điện hệ thống, ảnh hưởng đến công tác vận hành và thời gian khôi phục sự cố

Với yêu cầu đặt ra như trên nên cần có sự nghiên cứu sâu sắc về rơle bảo vệ so

lệch kỹ thuật số MBA Đây cũng chính là lý do để học viên chọn đề tài “Phân tích

chức năng và các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơ le số bảo vệ so lệch MBA”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp của các hãng ABB, SEL, SIEMENS, AREVA, TOSHIBA… được sử dụng phổ biến trên các lưới truyền tải cao áp có cấp điện áp từ 110kV đến 500kV thuộc khu vực miền Trung và Tây Nguyên

- Mô phỏng rơ le số bảo vệ so lệch máy biến áp

- Mô hình hóa các thành phần trong máy biến áp, các loại sự cố của các phần tử trong máy biến áp và phân tích sự làm việc của rơle bảo vệ so lệch máy biến áp

- Áp dụng, đánh giá các kết quả và đưa ra nhận xét

3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

- Mục tiêu: Phân tích và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp

- Nhiệm vụ chính:

+ Tìm hiểu các dạng sự cố thường xảy ra đối với MBA và hệ thống bảo vệ đi kèm + Nghiên cứu cấu hình và đặc tính làm việc rơle số bảo vệ so lệch MBA của một

số hãng thông dụng hiện nay như AREVA, SEL, ABB, SIEMENS

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng, tác động đến đặc tính làm việc của chức năng bảo vệ so lệch MBA và các giải pháp mà các hãng sản xuất rơ le hiện nay đang áp dụng + Mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch MBA và các dạng sự cố để phân tích sự làm việc của rơ le (Matlab-Simulink)

+ Thí nghiệm, mô phỏng áp dụng cho trạm biến áp 110kV Phù Cát và đưa ra ý kiến áp dụng cho các trạm khác

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng, mặc dù trạm biến áp với hệ thống bảo vệ

so lệch đã được đưa vào vận hành trong hệ thống điện từ nhiều năm qua nhưng với việc nghiên cứu một cách cụ thể, có hệ thống sẽ giúp người vận hành đánh giá, phân tích sự

cố và các hư hỏng trong máy biến áp một cách chính xác hơn

Về ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã giải quyết được một khối lượng lớn công việc cho nhân viên thí nghiệm khi kiểm định, phân tích sự cố rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp, giúp rút ngắn thời gian và tiến độ theo yêu cầu cung cấp điện liên tục Đồng thời cung cấp kiến thức trong công tác vận hành, xử lý sự cố, nâng cao hiệu quả sử dụng rơle

5 Bố cục luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan hệ thống rơ le bảo vệ MBA

Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle số bảo vệ so lệch MBA Chương 3: Các giải pháp nhằm đảm bảo độ tin cậy làm việc rơ le bảo vệ so lệch MBA Chương 4: Mô phỏng rơ le số bảo vệ so lệch MBA

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MBA

1.1 MỞ ĐẦU

Trước khi đi vào nghiên cứu vấn đề bảo vệ rơ le MBA, ta cần có những hiểu biết

về đối tượng bảo vệ là MBA, các chế độ làm việc bình thường, không bình thường, các dạng sự cố thường xảy ra trong MBA Đồng thời khái quát các loại rơ le chính bảo vệ MBA thường dùng hiện nay Đó là cơ sở để nghiên cứu thử nghiệm, mô phỏng và ứng dụng rơ le số cho các chương sau

1.2 CÁC DẠNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP ĐỐI VỚI MBA

Các nguyên nhân chính gây nên hư hỏng trong máy biến áp thường được thống kê theo các nguyên nhân do:

+ Điểm yếu về tính năng kỹ thuật, thiết kế, chế tạo kém hiệu quả

+ Lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng kém

+ Các điều kiện vận hành bất lợi

+ Quá trình lão hóa

Các sự cố MBA thường được chia vào 2 loại đó là sự cố bên trong MBA và sự cố bên ngoài MBA

1.2.1 Sự cố bên trong MBA

Trong quá trình vận hành, các cuộn dây và lõi sắt từ trong MBA có thể chịu các lực cơ học như sự giản nở do nhiệt, sự rung động, phát nóng cục bộ do mật độ từ thông lớn hoặc do các ứng suất ngắn mạch Các lực cơ học này có thể làm suy giảm cách điện cuộn dây MBA và theo thời gian, nó sẽ gây ra ngắn mạch và các sự cố trong cuộn dây

Sự cố bên trong MBA có thể chia vào các trường hợp như trong hình 1.1

+ Ngắn mạch giữa cuộn dây

quá nhiệt, quá áp lực và do dầu

Đối với sự cố ngắn mạch giữa

cuộn dây với đất, dòng sự cố phụ thuộc vào nguồn, trở kháng và điện áp giữa điểm trung

Hình 1.1 Các sự cố bên trong MBA

tính và vị trí điểm sự cố trên cuộn dây bị sự cố Các sự cố giữa cuộn dây với đất mà xa điểm trung tính thường có dòng sự cố chạm đất thấp, do điện áp và điện kháng giữa điểm sự cố và trung tính lớn nhưng lại sinh ra các dòng pha lớn trong các cuộn dây đặt trên cùng lõi thép với cuộn dây sự cố Các sự cố này sẽ được bảo vệ so lệch phát hiện kịp thời và cô lập MBA ngay lập tức Với các sự cố giữa cuộn dây với đất mà gần điểm trung tính thì điện áp và trở kháng sẽ thấp [9] Kết quả là dòng sự cố chạm đất lớn và sẽ được phát hiện tin cậy qua bảo vệ so lệch chạm đất hạn chế

Còn khi xảy ra sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây trong cùng 1 pha MBA Điều này sẽ dẫn đến 1 sự thay đổi nhỏ trong các dòng pha nhưng dòng sự cố giữa các vòng dây lại lớn sẽ dẫn đến phá hủy nghiêm trọng MBA nếu không được cách ly kịp thời Sự cố này sẽ được phát hiện thông qua chức năng bảo vệ so lệch thứ tự nghịch MBA [9] Đối với sự cố ngắn mạch giữa các pha MBA với nhau, dòng pha trong các cuộn dây MBA sẽ tăng lên, dòng so lệch sinh ra và được bảo vệ so lệch pha MBA phát hiện kịp thời

1.2.2 Sự cố bên ngoài MBA

Sự cố bên ngoài là các sự cố và nhiễu loạn xuất hiện bên ngoài MBA Các nhiễu loạn này gây nên các ứng suất trong MBA và làm giảm tuổi thọ của MBA Các sự cố này thường là:

+ Quá tải: quá tải làm cho MBA trở nên quá nhiệt và gây nên các hư hỏng vĩnh

viễn và giảm tuổi thọ của MBA Nếu thời gian quá tải lớn có thể dẫn tới các hư hỏng trầm trọng Trong tất cả các trường hợp, không có bảo vệ nào được sử dụng để cô lập đối với sự cố quá tải mà chỉ là một cảnh báo cho nhân viên vận hành được biết và xử lý Các nguyên nhân gây ra tình trạng quá tải là do sự phân chia tải không đều trong các MBA vận hành song song hoặc sự không cân bằng tải trong hệ thống mạch ba pha

+ Quá áp: quá áp xuất hiện trên hệ thống khi điện áp vượt quá điện áp định mức

cho phép Quá áp có thể xuất hiện do một số nguyên nhân như mất tải đột ngột, thao tác đóng cắt đường dây, các sự cố ngắn mạch chạm đất kèm theo hồ quang, sét đánh trên đường dây, các lỗi trong bộ điều chỉnh điện áp, sự cố mở cuối đường dây dài Các điều kiện này có thể dẫn tới quá kích thích MBA và tăng áp lực lên cách điện cuộn dây Quá kích thích làm tăng tổn thất sắt từ và dẫn đến sự tăng cao trong dòng từ hóa MBA Điều này sẽ dẫn đến sự tăng nhiệt nhanh trong mạch từ MBA và dẫn đến phá hủy cách điện trong cuộn dây MBA

+ Kém tần số: kém tần số được sinh ra do nhiễu loạn hệ thống mà nguyên nhân là

sự mất cân bằng giữa nguồn và tải Tình trạng này tương tự như quá áp mà trong đó dòng từ hóa tăng lên rất lớn ở tần số thấp, gây ra quá kích thích trong mạch sắt từ MBA MBA có thể hoạt động tiếp tục trong hai trường hợp quá áp hoặc kém tần số, tuy nhiên

khi hai sự cố này cùng xảy ra một lúc thì sẽ dẫn đến hiện tượng quá kích thích và làm cho MBA trở nên bão hòa

+ Ngắn mạch ngoài MBA: là các sự cố hệ thống mà xuất hiện ngoài vùng bảo vệ

của MBA nhưng lại sinh ra các dòng sự cố lớn làm ảnh hưởng đến cuộn dây MBA Các dòng sự cố này có thể sinh ra các lực cơ học lớn, gây nên phát nóng và tổn hao đồng trong các cuộn dây của MBA Các lực cơ học lớn nhất sẽ xuất hiện trong chu kỳ đầu tiên của dòng sự cố đối xứng và nó sẽ gây khó khăn trong việc cô lập nhanh đối với các dạng sự cố này

1.3 CÁC LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG DÙNG CHO MBA

Như đã trình bày ở phần trên, các sự cố xảy ra đối với MBA sẽ dẫn đến phá hủy nghiêm trọng cách điện và dẫn đến phá vỡ MBA, vì vậy MBA phải được bảo vệ ngay lập tức từ sự cố Tùy theo công suất và vai trò của MBA trong hệ thống điện mà lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp Với yêu cầu đảm bảo về độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy mà người ta lựa chọn số lượng và chủng loại rơ le bảo vệ thích hợp trong

hệ thống bảo vệ Đối với MBA công suất lớn trong hệ thống truyền tải quan trọng, xu thế hiện nay là lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập với nguồn điện thao tác riêng, mỗi hệ thống bảo vệ gồm một bảo vệ chính và một số bảo vệ dự phòng có thể thực hiện đầy đủ chức năng bảo vệ cho MBA Một MBA tổng quát có thể được bảo vệ bằng các chức năng như hình 1.2

1.3.1 Bảo vệ nội bộ MBA

- Rơle hơi MBA (96B), rơ le hơi OLTC (96P)

- Bảo vệ quá nhiệt cuộn dây MBA (26W)

- Bảo vệ quá nhiệt dầu MBA (26Q)

- Bảo vệ áp lực tăng đột biến trong MBA (66)

- Bảo vệ áp lực tăng đột biến trong bộ OLTC (66 OLTC)

- Bảo vệ dòng dầu và mức dầu MBA (33)

1.3.2 Bảo vệ điện chính trong MBA

- Bảo vệ so lệch MBA (87T)

- Bảo vệ chạm đất hạn chế MBA (87N)

- Bảo vệ quá dòng pha (50/51), quá dòng chạm đất (50/51N)

- Bảo vệ quá tải (49)

1.3.3 Sơ đồ phương thức bảo vệ MBA

Hình 1.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ của một MBA thường dùng

1.3.4 Nguyên lý làm việc của chức năng so lệch MBA

Đối với MBA, người ta sử dụng chức năng bảo vệ so lệch MBA (87T) làm bảo vệ chính, còn các bảo vệ như bảo vệ quá dòng, bảo vệ điện áp… làm bảo vệ dự phòng Trong phạm vi của đề tài, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu chức năng chính là bảo vệ so lệch MBA

+ Bảo vệ so lệch MBA

Là loại bảo vệ dùng nguyên tắc so sánh sự khác nhau giữa chiều dòng điện đi vào

và dòng điện ra khỏi vùng bảo vệ Vùng bảo vệ được giới hạn bởi các biến dòng mắc vào mạch so lệch Thứ cấp của biến dòng được đấu theo nguyên tắc là các cực phía trong vùng bảo vệ đấu với nhau, các cực phía ngoài đấu vào rơle so lệch dòng điện [2] (xem

hình 1.3) Dòng điện so lệch vào rơle được xác định bởi biểu thức: 2

* 1

*

*

I I

Sự cố trong vùng bảo vệ Sự cố ngoài vùng bảo vệ

*

*

I I

Hình 1.3 Nguyên lý bảo vệ so lệch MBA

Đối với bảo vệ so lệch MBA, người ta thường dùng bảo vệ so lệch có cuộn hãm Hình 1.4 trình bày sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch MBA 3 cuộn dây có nguồn cung cấp

I là dòng điện phía cao, trung và hạ của MBA

Xét trường hợp ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, khi đó I 1 ngược chiều với I 2 và I 3 :

3 2

03 2

 I• I• I•

I diff

1 3

Trong trường hợp ngắn mạch này, bảo vệ không

tác động vì dòng so lệch Idiff bằng không trong khi dòng

hãm Ibias lớn, đặc tính sự cố nằm trong vùng hãm của

đặc tính làm việc bảo vệ so lệch MBA (hình 1.5)

Trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ, MBA

được cấp nguồn từ phía cao áp nên (I•2 I•3  0), do đó:

1 3 2 1

1 3 2 1

Hình 1.5 Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch MBA

1.4 TỔNG QUAN VỀ RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA

1.4.1 Các loại rơ le số bảo vệ so lệch MBA thường dùng

Hiện nay, hệ thống điện khu vực miền Trung thường sử dụng rơ le số bảo vệ so lệch MBA của các hãng như 7UTx của hãng Siemens, RET6x của hãng ABB, P63x của hãng Schneider, Sel387, 487, 787 của hãng Sel và GRT của hãng Toshiba, ngoài

ra còn có một số rơ le khác của các hãng GE và Trung Quốc Đây là các rơ le số hiện đại nhất của các hãng này với đầy đủ các chức năng được tích hợp Ưu điểm lớn nhất

của các loại rơ le số này so với các loại rơ le truyền thống trước đây là khả năng tích hợp được nhiều chức năng bảo vệ, trao đổi và xử lý thông tin với khối lượng lớn, tốc

độ xử lý cao, làm tăng độ nhạy, độ chính xác, độ tin cậy cũng như mở rộng được các tính năng bảo vệ Ngoài ra rơ le còn hạn chế được nhiễu và sai số, có khả năng tự lập trình với độ linh hoạt và dễ dàng sử dụng cho nhiều đối tượng khác nhau Ngoài các chức năng chính như so lệch, bảo vệ quá dòng, bảo vệ điện áp, bảo vệ quá tải… rơ le còn được trang bị các chức năng phụ khác như chức năng đo lường (MET), kiểm tra đồng bộ (25), ghi sự cố (DFR, SER), giám sát cấu hình phần cứng và phần mềm (SBM, TRM), giám sát lỗi TU, TI, giám sát máy cắt (BMR), điều khiển (HMI), tự động hóa (RTU, PMU, LGC) … Các chức năng của rơ le được thể hiện như trên hình 1.6

Hình 1.6 Các chức năng trong rơ le so lệch MBA SEL 487E

1.4.2 Cấu trúc phần cứng và nguyên lý làm việc của rơ le số

Cấu trúc phần cứng của rơ le số (hình 1.7) bao gồm các phần tử đầu vào, bộ vi xử

lý CPU, các phần tử đầu ra Phần tử đầu vào gồm có: đầu vào digital, đầu vào ảo, đầu vào analog, đầu vào dòng, đầu vào áp, đầu vào từ xa, đầu vào trực tiếp Các phần tử đầu

ra gồm có: đầu ra digital, đầu ra ảo, đầu ra analog, đầu ra qua truyền thông, đầu ra trực tiếp

Rơ le làm việc theo nguyên tắc các phần tử đầu vào tiếp nhận và xử lý các thông tin rồi đưa vào bộ xử lý trung tâm CPU Module Tại đây, bộ CPU Module sẽ xử lý thông tin đầu vào qua các cổng logic, các phần tử bảo vệ rồi đưa các tín hiệu đầu ra tương ứng Ngoài ra, các rơ le đều có cổng giao tiếp truyền thông dùng để kết nối với hệ thống giám sát điều khiển hoặc giao diện với người sử dụng thông qua các cổng như RS485, RS232,

Ethernet… bằng các giao thức IEC 60870-5-101/104, IEC61850, Modbus, DNP3 …

Hình 1.7 Cấu trúc phần cứng của rơ le số

Hình 1.8 Các rơ le bảo vệ so lệch MBA thường dùng

Mặt trước của các rơ le có giao diện như hình 1.8, chúng đều có màn hình chính để hiển thị các thông tin (giá trị cài đặt, vận hành, tác động, cảnh báo ), các phím bấm, các đèn LED cảnh báo và cổng giao diện với máy tính (cổng RS232, Ethernet) Người sử dụng

có thể giao điện với rơ le qua cổng RS232 hoặc cổng Ethernet, cổng quang

1.4.3 Cài đặt, cấu hình đưa rơle vào vận hành

Bước đầu tiên trước khi đưa rơ le vào vận hành là cài đặt và cấu hình cho rơ le phù hợp với phương thức bảo vệ Để giao tiếp với rơ le số mỗi hãng, ta thường phải dùng

phần mềm chuyên dùng cho hãng đó Các loại rơ le đều có phần mềm giao diện riêng (hình 1.9) dùng để cài đặt thông số, cấu hình, thiết kế logic đầu ra, đầu vào Mỗi chương trình thường có hai phần riêng biệt, phần cài đặt thông số dùng để thay đổi các thông số cho các chức năng bảo vệ cho phù hợp, phần vẽ logic dùng để cấu hình đầu vào (input), đầu ra (output) và phối hợp làm việc giữa các chức năng trong rơ le cho phù hợp Các loại phần mềm chuyên dùng cho các hãng SCHNEIDER, ABB, SEL, SIEMENS, GE multilin được trình bày trong bảng 1.1

Hình 1.9 Các phần mềm rơ le đang sử dụng phổ biến hiện nay

Sử dụng các phần mềm này cộng với sự hiểu biết về rơ le số, người sử dụng có thể cài đặt và cấu hình cho rơ le dễ dàng hơn

Bảng 1.1 Các loại phần mềm giao diện rơ le thông dụng

01 P63x/ Schneider Easergy studio Ver 7.0

02 387,487,787/ SEL AcSELeratoQuickSet Ver 5031

1.5 KẾT LUẬN

Qua các mục đã nêu ở trên, nhận thấy rằng để ứng dụng hiệu quả hệ thống rơ le bảo vệ MBA, yêu cầu cần có sự hiểu biết sâu sắc về các chế độ làm việc bình thường

cũng như các chế độ làm việc không bình thường và các dạng sự cố xảy ra trong MBA

Từ đó giúp ta có thể ứng dụng đúng và đầy đủ các loại bảo vệ cần thiết cho hệ thống bảo vệ MBA

Hiện nay, rơ le so lệch kỹ thuật số MBA đang ngày càng hoàn thiện với nhiều chủng loại của các hãng khác nhau cộng với sự phức tạp trong phối hợp cài đặt làm việc,

vì vậy đòi hỏi cần có sự nghiên cứu thật kỹ lưỡng để đáp ứng yêu cầu vận hành hệ thống được an toàn

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC

CỦA RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA

2.1 MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đất nước, hệ thống điện Việt Nam

đã trải qua nhiều giai đoạn hình thành và phát triển với sơ đồ hệ thống bảo vệ rơle phức tạp, rơle đang vận hành trên lưới của nhiều hãng khác nhau, từ những thiết bị của Liên

Xô cũ cho đến các nước Châu Âu và Bắc Mỹ Đến nay, hệ thống điện đã hoàn thiện hơn, tuy nhiên xác suất xảy ra sự cố trong hệ thống vẫn lớn, đặc biệt với các thiết bị truyền tải quan trọng như MBA Vì vậy việc nghiên cứu, phân tích một cách cụ thể các yếu tố ảnh hưởng đến rơle bảo vệ so lệch MBA là rất cần thiết

Bảng 2.1 Rơ le bảo vệ so lệch MBA được sử dụng phổ biến

ở lưới Miền Trung hiện nay

ABB RET670, RET650, RET521 …

AREVA P631, P632, P633, P634, P641, P642, P643, P645, KBCH … SEL SEL387, SEL387E, SEL487E, SEL587, SEL787

SIEMENS 7UT512, 7UT513, 7UT61, 7UT63, 7UT85…

TOSHIBA GRT100, GRT200

Với các rơle bảo vệ so lệch MBA (bảng 2.1), yêu cầu rơle phải làm việc tin cậy, chính xác nhằm cô lập sự cố một cách nhanh chóng, đảm bảo an toàn cho MBA và thiết

bị trong trạm Tuy nhiên, trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và

sự làm việc tin cậy của rơle như sai số TI, ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải, dòng thứ

tự không khi chạm đất 1 pha, dòng từ hóa quá độ khi đóng xung kích MBA, tổ đấu dây MBA làm cho rơ le trong nhiều trường hợp không còn đảm bảo được sự tin cậy và chắc chắn nữa Chương này sẽ phân tích các yếu tố trên một cách rõ ràng và được trình bày

cụ thể trong các phần dưới đây

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG TỪ HÓA QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG XUNG KÍCH MBA 2.2.1 Dòng từ hóa quá độ

Dòng từ hóa quá độ là dòng điện sinh ra trong các quá trình quá độ điện từ có liên quan đến MBA như ngắn mạch ngoài, các thao tác đóng cắt đường dây hoặc khi đóng xung kích MBA Trong thời gian rất ngắn, dòng từ hóa này có thể tăng lên rất cao làm

hư hỏng dây quấn MBA đồng thời là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ

nhạy của các bảo vệ MBA

Trong trường hợp đóng xung kích, giả sử điện áp đặt vào MBA có dạng hình sin

r1 : điện trở của dây quấn sơ cấp

φ : góc pha của điện áp lúc đóng không

tải MBA vào lưới

Trong thực tế, thời điểm đóng cắt MBA

là không điều khiển được nên thời điểm xảy ra

quá trình quá độ là không tránh khỏi

Khi MBA được cắt điện, dòng từ hóa

sẽ giảm về không và từ thông sẽ giảm

về giá trị từ dư là R (hình 2.2)

Theo công thức (2.2) khi MBA

được đóng điện trở lại tại thời điểm φ =

Π/2, từ thông lúc này sẽ bằng:

 = maxsint ± R.e-r1t/L1

= maxsint ± R (2.3)

Dạng sóng của điện áp lúc này sẽ

trùng với mật độ từ thông trong cuộn

dây như hình 2.2 và sẽ không có quá trình quá độ xảy ra

Khi MBA được đóng điện tại

thời điểm từ thông có giá trị âm

-max tương ứng với góc φ = 0 như

hình 2.3 Tại thời điểm này từ dư sẽ

có giá trị dương và nó sẽ bắt đầu tăng

cùng với từ thông trong MBA (thể

hiện bằng đường t như hình 2.3)

Đường cong t sẽ có dạng hình sin

và không phụ thuộc vào đặc tính bão

hòa mạch từ và có giá trị cực đại

tmax = 2max + R Kết quả là sẽ có

Hình 2.1 Sơ đồ đóng điện không tải MBA

Hình 2.3 Dòng từ hóa khi đóng điện không tải MBA tại thời điểm mật độ từ thông trong cuộn

dây có giá trị âm -max

Hình 2.2 Dòng từ hóa khi đóng điện không tải MBA tại thời điểm dạng sóng điện áp trùng với mật độ từ thông trong cuộn dây

một dòng từ hóa rất lớn chạy trong mạch từ

Bởi vì từ dư sẽ có trong 3 pha và lệch nhau 1200, nên sẽ có 1 pha dương và 2 pha

âm Kết quả là từ thông tổng sẽ tăng hoặc giảm trong mỗi pha và dòng từ hóa cũng sẽ tăng hoặc giảm tương ứng Trong 3 pha phía được cấp điện, dòng từ hóa trong mỗi pha

sẽ khác nhau đáng kể Một dòng từ hóa điển hình như trong hình 2.4, trong một vài chu

kỳ đầu dòng từ hóa sẽ tăng rất nhanh, sau đó dòng sẽ giảm xún rất chậm đôi khi mất một vài dây nếu điện trở mạch từ là thấp [4]

Hình 2.4 Dạng sóng dòng từ hóa khi đóng điện xung kích MBA

Điện trở từ nguồn đến MBA sẽ xác định độ giảm của dòng từ hóa Các MBA càng gần máy phát sẽ có dòng từ hóa cao hơn bởi vì điện trở hệ thống thấp Còn đối với các MBA ở xa, ảnh hưởng của dòng từ hóa sẽ không lớn do điện trở của hệ thống lớn Tương

tự các MBA lớn sẽ có dòng từ hóa lớn do có điện kháng L lớn [4]

2.2.2 Ảnh hưởng của dòng từ hóa đến chức năng bảo vệ so lệch MBA

Dòng từ hóa sinh ra trong các điều kiện quá độ khi MBA được đóng xung kích Dòng từ hóa này không phải là dòng sự cố, vì vậy yêu cầu bảo vệ không được khởi động

và phải giữ ổn định trong các điều kiện quá độ, đó là một trong những yêu cầu cần phải

có đối với bảo vệ so lệch MBA

Trong thành phần của dòng từ

hóa chứa một lượng nhỏ thành phần

DC mà là nguyên nhân dẫn đến bão

hòa TI đồng thời hình thành sự mất cân

bằng trong các dòng của bảo vệ (ABC

+ N) [4] Khi đóng MBA không tải

dòng điện từ hoá nhảy vọt phía nguồn,

tổng các dòng này sẽ không được phân

biệt với dòng ngắn mạch bên trong MBA và kết quả làm cho rơ le tác động sai như hình 2.5 Trong hình 2.5, dòng từ hóa I1 tăng lên tại thời điểm MC1 đóng, trong khi MC2 vẫn đang mở, lúc này Id = Ih = I1 và bảo vệ F87T tác động sai

Khi MBA được cấp điện, dòng từ hóa có thể xuất hiện lên tới vài chục lần dòng

Yd11 I1

định mức và kết thúc tương đối chậm Hằng số thời gian của quá trình quá độ trong trường hợp này là tương đối dài và có thể lên tới vài giây đối với các MBA lớn [4] Dòng từ hóa cũng xuất hiện khi điện áp hệ thống được thiết lập trở lại sau một sự

cố ngắn mạch ngoài mà đã được giải quyết bởi hệ thống bảo vệ tương ứng (ví dụ như bảo vệ khoảng cách tác động và sau đó đóng lặp lại) Dòng từ hóa sinh ra trong trường hợp này có giá trị dòng thấp hơn khi đóng điện xung kích MBA nhưng có thể làm cho

rơ le so lệch tác động sai Vì vậy yêu cầu rơ le phải phát hiện tốt dòng từ hóa sự cố

Hình 2.6 Dòng từ hóa khi đóng điện song song vào một MBA đang vận hành

Ngoài ra, khi một MBA mới được đóng điện xung kích vào song song với một máy đang vận hành, dòng từ hóa hỗ cảm sẽ xuất hiện Dòng này có giá trị nhỏ hơn dòng

từ hóa khi đóng xung kích MBA như hình 2.6 và kết quả là bảo vệ cũng có thể hoạt động sai

- Ta thấy dòng từ hóa hỗ cảm xuất hiện rất muộn trái với dòng từ hóa khi đóng xung kích MBA

- Dòng từ hóa hỗ cảm có thể xấp xỉ giá trị định mức hoặc cao hơn

Ngoài ra, dòng từ hóa quá độ còn có thể sinh ra khi MBA bị quá kích thích Quá kích thích xuất hiện khi có quá điện áp cùng lúc với sự giảm tần số trong hệ thống Quá kích thích thường không yêu cầu cô lập ngay lập tức MBA, tuy nhiên dòng từ hóa cao lại là nguyên nhân làm cho bảo vệ so lệch hiểu sai dòng sự cố và đưa lệnh cắt, cô lập MBA

2.2.3 Nhận xét

Qua phân tích ở trên ta thấy dòng từ hóa ảnh hưởng nghiêm trọng đến đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch MBA Dòng từ hóa lớn có thể xuất hiện trong lúc đóng xung kích MBA, khôi phục MBA trở lại sau sự cố ngắn mạch hoặc đóng MBA vào song song với một MBA đang vận hành và khi MBA bị quá kích thích Kết quả của dòng từ hóa lớn có thể gây nên vấn đề bão hòa TI và sự làm việc không chọn lọc của chức năng bảo

vệ so lệch MBA Việc xem xét ảnh hưởng của dòng từ hóa khi đóng điện xung kích

MBA tạo điều kiện lựa chọn thông số thích hợp để cài đặt chỉnh định cho rơ le bảo vệ đồng thời phân tích sự cố trong rơ le một cách chính xác

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ TI ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠLE SO LỆCH MBA

Các rơ le bảo vệ phải thực hiện đo lường trong các giai đoạn quá độ sau sự cố nên

độ chính xác và khả năng đáp ứng quá độ của TI có vai trò rất quan trọng Khi TI bị sai

số sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc chính xác của các chức năng bảo vệ và có thể bảo vệ sẽ tác động sai Sai số TI có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân như sai số từ chính bản thân cấu tạo TI, các yếu tố từ dư, tổn hao sắt từ lõi thép, tổn hao dây đồng do công nghệ hay vật liệu chế tạo và một nguyên nhân quan trọng nữa là vấn đề bão hòa TI khi có sự cố dòng lớn [3]

Xét hệ thống bảo vệ so lệch MBA như hình 2.7 Khi sự cố xuất hiện tại vị trí N1 ngoài vùng bảo vệ của rơ le bảo vệ so lệch MBA F87T, rơ le bảo vệ quá dòng phía cao 500kV sẽ tác động cắt MC1 và tải 110kV sẽ nhận điện từ phía 220kV qua MBA T1 nếu như không có lỗi trong TI và các giá trị chỉnh định rơ le thực hiện đúng theo yêu cầu của hệ thống

Tuy nhiên nếu một dòng sự cố lớn tại vị trí

N1 gần TI500, TI500 có thể sẽ trở nên bão hòa

Kết quả bão hòa TI500 là dòng nhị thứ của

TI500 không còn tỉ lệ với dòng nhất thứ nữa,

dòng 3 phía vào rơ le so lệch sẽ trở nên mất cân

bằng và sẽ sinh ra một dòng so lệch trong rơ le

bảo vệ Rơ le sẽ gửi lệnh đi cắt MC 3 phía MC1,

MC2, MC3 và tải phía 110kV sẽ bị mất điện

hoàn toàn

Bão hòa TI có thể do các dòng sự cố lớn

gần vị trí đặt TI hoặc do dòng xung kích MBA, do thay đổi đột ngột ở tải Trong vùng tuyến tính, dòng nhị thứ TI sẽ tỷ lệ với dòng nhất thứ (hình 2.8), tuy nhiên khi TI bị bão hòa, sự tăng của dòng từ hóa làm cho lõi thép bị bão hòa quá mức và lúc này dòng nhị

Hình 2.7 Sự cố bên ngoài vùng bảo

vệ với bão hòa TI

thứ TI vào rơ le không còn tỉ lệ với dòng nhất thứ TI nữa [10], dòng các phía vào rơ le

so lệch sẽ trở nên mất cân bằng và rơ le có thể gửi lệnh cắt sai đến MC gây mất tải hệ thống

Hình 2.8 Đặc tính từ hóa của TI Hình 2.9 Dòng nhị thứ TI trong TH bão hòa TI Nhận xét: Đối với chức năng bảo vệ so lệch MBA, TI đóng một vai trò rất quan

trọng, sai số TI và ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa TI sẽ làm bảo vệ tác động sai Vì vậy, cần phải sử dụng các vật liệu sắt từ chất lượng tốt để cải thiện đặc tính từ hóa TI Ngoài công tác kiểm tra sai số TI trong mạch đo đếm bảo vệ và kiểm tra mạch nhị thứ đảm bảo theo yêu cầu thiết kế thì chúng ta cần phải chú ý đến sai số chúng làm việc ở tải thực tế, yêu cầu công tác kiểm định, kiểm tra sai số TI định kỳ hằng năm cần được chú trọng hơn và cần có những giải pháp để giảm thiểu sai số hiệu quả hơn nữa Muốn vậy cần phải tăng chi phí để chế tạo và sử dụng các giải pháp mới như trình bày trong mục 2.3.2 dưới đây

2.3.2 Ứng dụng TI công nghệ mới (MOCT–Magneto Optical Current Transducer)

Ngày nay, với công nghệ kỹ thuật ngày càng phát triển các hãng sản xuất thiết bị

đã đưa ra các loại TI mới (hình 2.10) không sử dụng lõi thép và làm việc theo nguyên tắc quang – từ giúp hạn chế được những vấn đề liên quan tới sai số biến dòng Các thiết

bị này sử dụng các hiệu ứng của luật Faraday để đưa ra các giá trị dòng chính xác cao

mà không bị ảnh hưởng của bão hòa biến dòng [3] Nhờ kỹ thuật này mà trong tương lai

rơ le sẽ không cần các card đầu vào tương tự, các tín hiệu từ TI sau khi được thu thập thông qua các sensor quang từ sẽ được gửi qua bộ chuyển đổi và xử lý tín hiệu số, sau

đó được gửi tới rơ le bảo vệ theo các chuẩn giao thức truyền thông với tốc độ xử lý cao (hình 2.11) Rơ le chỉ làm nhiệm vụ phối hợp các chức năng bảo vệ trong các trạm biến

áp tự động hóa như hình 2.12

Hình 2.10 TI làm việc theo nguyên tắc quang – từ

Ưu điểm của các loại TI mới này là:

- TI có cấp chính xác cao, có khả năng chịu dòng sự cố lớn và không bị bão hòa sớm

- Ít bị ảnh hưởng của nguy cơ cháy nổ và an toàn hơn so với các TI truyền thống

- Có khả năng làm việc ở tần số lớn (tần số định mức và sóng hài), có thể xuất đầu ra tín hiệu dạng số nên hỗ trợ rất tốt trong các ứng dụng tự động hóa trạm hiện nay [3]

Hình 2.11 Sơ đồ khối của MOCT

Hình 2.12 Ứng dụng MOCT trong các trạm tự động hóa Nhận xét: Sự phát triển của các thiết bị MOCT được triển khai tại các trạm tự động

hóa đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong thời gian gần đây Đặc điểm nổi bật của công nghệ mới này đã mang lại những đóng góp quan trọng và ưu điểm hơn hẳn so với các loại TI truyền thống Vì thế MOCT nên được đề nghị áp dụng với các rơ le kỹ thuật

số, hệ thống đo lường kỹ thuật số hoặc thiết bị đo lường điện năng nhằm thu thập thông tin đo lường một cách chính xác Tuy nhiên do giá thành thiết bị quá cao nên các thiết

bị này vẫn chưa được áp dụng nhiều

2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU ÁP DƯỚI TẢI ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠ LE SO LỆCH MBA

2.4.1 Bộ điều áp dưới tải (OLTC)

Để giữ điện áp không đổi khi

phân phối tới hộ tiêu thụ người ta

thường sử dụng MBA có bộ điều áp

dưới tải Ở đầu dây cao áp của

MBA thường đặt bộ điều áp dưới

tải, ngoài đầu ra chính còn có các

đầu ra phụ gọi là đầu phân áp, các

đầu phân áp này cho phép thay đổi

số vòng dây của cuộn cao MBA

thông qua bộ điều áp và qua đó giữ

điện áp phía hạ không đổi

2.4.2 Ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải đến đặc tính bảo vệ so lệch MBA Trong thực tế, hầu như các tính toán cho dòng hãm và dòng so lệch trong chức

năng bảo vệ so lệch MBA đều không xét đến ảnh hưởng của vị trí đầu phân áp Khi bộ điều áp làm việc sẽ có thời điểm bảo vệ so lệch MBA có dòng không cân bằng lớn Vì vậy để tránh tác động nhầm đối với rơ le bảo vệ so lệch cho MBA điều áp dưới tải, các

Hình 2.13 Cấu tạo của bộ điều chỉnh điện áp

thông số nấc phân áp nên cần được

đưa vào tính toán trong rơ le (đặc biệt

tại các vị trí biên) Sự làm việc chính

xác của bảo vệ so lệch yêu cầu các

dòng vào rơ le phía sơ cấp và thứ cấp

phải tương ứng với điều kiện vận

hành bình thường cũng như sự cố

trong thực tế

Giả sử xét MBA 3 pha 2 cuộn

dây có bộ điều áp dưới tải như hình

2.14

với I1, I2 là dòng nhất thứ của phía cao và phía hạ MBA

I1’, I2’ là dòng nhị thứ TI tương ứng 2 phía

n1, n2 là tỉ số TI tương ứng 2 phía

N1, N2 là số vòng dây của cuộn cao và cuộn hạ

Giả sử bỏ qua dòng từ hóa TI, dòng so lệch trong rơ le được tính theo công thức

Id ' = |𝐼1(1

𝑛 1− 𝑁1

𝑁 2 𝑛 2 ∓ 𝑁

𝑁 2 𝑛 2)| (2.5) Thay (2.4) vào (2.5) ta có:

Id'=|Id ∓ I1 N

N 2 n 2| = |I1'-I2' (1∓ N

N 1)| (2.6)

Nhận xét: Dựa vào công thức (2.6), ta thấy dòng so lệch trong rơ le sẽ bị lệch 1 giá

trị tương ứng với sự thay đổi N

N1, biểu diễn vị trí của nấc phân áp ở mỗi lần thay đổi

Xét bài toán tính toán cài đặt cho bảo vệ so lệch đối với MBA 3 pha hai cuộn dây

có trang bị bộ điều áp dưới tải theo số liệu sau:

Máy biến áp có S =40 MVA, 115kV/23kV, dãy điều chỉnh điện áp ± 10%, TI1 =

Dòng nhị thứ định mức trên cuộn thứ cấp TI1

IN1 = IN1

400 = 0,5 A Dòng định mức của phía không điều chỉnh

a Vị trí đầu phân áp có sai số +10%

Dòng điện tại vị trí đầu phân áp lớn nhất

Idiff = |IN1(+10%) – IN2| = |0,912–1| = 0,088 pu

Dòng hãm tại vị trí đầu phân áp lớn nhất

Ibias = |IN1(+10%)| + |IN2| = | 0,912 + 1| = 1,912 pu

b Vị trí đầu phân áp có sai số -10%

Dòng điện tại vị trí đầu phân áp nhỏ nhất

Idiff = |IN1(-10%) – IN2| = |1,114–1| = 0,114 pu

Dòng hãm tại vị trí đầu phân áp nhỏ nhất

Ibias = |IN1(-10%)| + |IN2| = | 1,114 + 1| = 2,114 pu

Nhận xét : Từ kết quả tính toán dòng so lệch ở trên, ta nhận thấy rằng dòng so lệch

trong bảo vệ so lệch MBA sẽ bị lệch trong tình trạng vận hành bình thường khi nấc phân

áp thay đổi lệch ra khỏi vị trí nấc tại giá trị điện áp định mức

2.4.3 Nhận xét

Qua kết quả được trình bày ở phần trên cho thấy:

- Dòng so lệch khác không khi vị trí nấc phân áp bị lệch ra khỏi vị trí chính giữa

(tương ứng với giá trị điện áp định mức)

- Để khắc phục hiện tượng này, rơ le sẽ lấy các thông tin phản hồi nấc phân áp về

và bù sai lệch điện áp trong chính nội bộ rơ le Bảo vệ so lệch sẽ cân bằng cho mọi vị trí nấc phân áp và không có dòng không cân bằng xuất hiện nữa

- Việc xem xét ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải tạo điều kiện cho việc tính toán các giá trị cài đặt phù hợp cho đặc tính bảo vệ so lệch MBA và sẽ tránh hiện tượng tác động nhầm của bảo vệ

2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THỨ TỰ KHÔNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠ LE SO LỆCH MBA

2.5.1 Dòng thứ tự không

Đối với hệ thống điện 3 pha, việc phân tích các thành phần đối xứng giữ một vai trò quan trọng trong việc phân tích sự cố và giải thích một số hiện tượng trong hệ thống điện Các thành phần đối xứng được sử dụng để thể hiện một hệ thống mất cân bằng 3 pha mà nguyên nhân là do các sự cố giữa pha và đất, pha và pha hoặc trong trường hợp

mở 1 pha Có 3 thành phần đối xứng trong hệ thống điện là thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không [8]

Các thành phần đối xứng có thể được sử dụng để xác định dòng 3 pha A, B, C và dòng thứ tự không I0 như sau:

tố để phát hiện sự cố chạm đất

Nếu tải có sử dụng dây trung tính, dòng thứ tự không là dòng trung tính Nếu tải không sử dụng dây trung tính, dòng thứ tự không bằng không Đối với hệ thống

sử dụng mạng trung tính trực tiếp nối đất, khi có sự cố chạm đất dòng thứ tự không

là dòng đi qua dây trung tính xuống đất Đối với lưới trung tính cách đất, dòng thứ

tự không bằng không Còn đối với lưới trung tính nối đất qua thiết bị bù hoặc thiết

bị có tổng trở cao, dòng thứ tự không phụ thuộc vào tổng trở nối đất, các điện dung của hệ thống xem như một hệ nối đất qua tổng trở nên trong trường hợp này, dòng thứ tự không còn phải tính thêm dòng điện dung Dòng thứ tự không trong máy biến

áp phụ thuộc vào cấu trúc cuộn dây của máy biến áp và điều kiện nối đất của hệ thống

2.5.2 Ảnh hưởng của dòng thứ tự không đến đặc tính bảo vệ so lệch MBA

Xét trường hợp máy biến áp 2

cuộn dây nối Y0/∆, cuộn Y nối đất

như hình 2.15 Khi có sự cố ngắn

mạch chạm đất ngoài 1 pha tại vị trí

N1 ở phía cuộn dây đấu Y của máy

biến áp Lúc này, hệ thống 3 pha phía

Y sẽ trở nên mất đối xứng và xuất

hiện dòng thứ tự không chảy trong

phía cuộn Y máy biến áp, đồng thời

dòng thứ tự không này cũng cảm ứng

trong cuộn ∆ và tự triệt tiêu trong cuộn này Thành ra các dòng thứ tự không sẽ không được đo lường trong các TI phía ∆ máy biến áp Kết quả là dòng thứ tự không chỉ xuất hiện trong cuộn Y và là nguyên nhân xuất hiện dòng so lệch Bảo vệ rơ le hiểu sai sự cố

và đưa lệch đi cô lập MBA dù sự cố ngoài vùng bảo vệ MBA

Xét trường hợp máy biến áp

2 cuộn dây nối Y/∆, cuộn ∆ nối

đất qua một máy biến áp tạo điểm

trung tính trong vùng bảo vệ như

hình 2.16

Khi có sự cố ngắn mạch chạm

đất ngoài 1 pha tại vị trí N2 phía

cuộn dây đấu ∆ của máy biến áp,

dòng thứ tự không chỉ chảy trong

cuộn ∆ của máy biến áp và được đo

lường tại các TI phía ∆ máy biến áp, đồng thời dòng thứ tự không này sẽ không chạy

qua phía cuộn Y, kết quả là xuất hiện dòng so lệch trong rơ le so lệch, rơle sẽ tác động

sai

2.5.3 Nhận xét

Như vậy trong cả 2 trường hợp, bảo vệ so lệch máy biến áp sẽ hoạt động không đúng đối với các sự cố chạm đất bên ngoài vùng bảo vệ trong trường hợp dòng thứ tự không chỉ chảy trong 1 phía của máy biến áp Trường hợp này xảy ra khi dòng thứ tự không không được biến đổi đúng đến phía còn lại như trong các máy biến áp có tổ đấu dây Yd hoặc Dy và cuộn tam giác của máy biến áp được nối đất qua một máy biến áp đất được đặt trong vùng bảo vệ của bảo vệ so lệch máy biến áp Vì vậy, để đảm bảo cho bảo vệ so lệch máy biến áp làm việc đúng đối với các sự cố chạm đất trong các trường

Hình 2.15 Sự cố chạm đất ngoài tại cuộn dây

đấu Y

Hình 2.16 Sự cố chạm đất ngoài 1 pha tại

phía cuộn dây nối ∆

hợp trên, yêu cầu phải khử dòng thứ tự không trước khi đưa vào tính toán dòng so lệch của bảo vệ so lệch máy biến áp

2.6 KẾT LUẬN

Với yêu cầu ngày càng phức tạp trong vận hành lưới điện hiện nay đặc biệt với thiết bị truyền tải quan trọng như MBA thì khả năng đảm bảo vận hành liên tục, hạn chế tối thiểu xác suất xảy ra sự cố luôn được quan tâm Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chức năng bảo vệ so lệch MBA như ảnh hưởng của dòng từ hóa quá độ khi đóng điện xung kích MBA, ảnh hưởng của sai số TI, ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải, ảnh hưởng của dòng thứ tự không sẽ giúp hiểu sâu hơn về chức năng bảo vệ so lệch MBA

và góp phần quan trọng trong công tác phân tích sự cố trên MBA và hệ thống điện Đồng thời làm cơ sở cho những đánh giá về các giải pháp nhằm đảm bảo độ tin cậy cho sự làm việc của rơ le ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP NHẰM ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY LÀM VIỆC

RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH MBA 3.1 MỞ ĐẦU

Một rơle bảo vệ phải đảm bảo các yêu cầu về tính chọn lọc, nhanh, nhạy và tin cậy trong quá trình làm việc Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến chức năng bảo vệ so lệch MBA như đã trình bày trong chương hai làm cho bảo vệ khó đảm bảo các yêu cầu trên Chương này sẽ nêu lên và so sánh các giải pháp nhằm đảm bảo độ tin cậy làm việc

rơ le bảo vệ so lệch MBA mà các hãng sản xuất rơle hiện nay đang áp dụng, từ đó làm

cơ sở để cài đặt và phân tích sự cố trong rơle 1 cách chính xác hơn

3.2 GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG TỪ HÓA QUÁ ĐỘ MBA

Như đã trình bày trong phần 2.2, dòng từ hóa quá độ là không tránh khỏi khi đóng xung kích MBA, đặc biệt khi đóng MBA vào thời điểm góc φ bằng 0 hoặc khi MBA bị quá kích thích, giá trị tăng cao của dòng từ hóa sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc chính xác của rơ le bảo vệ Vì vậy, để đảm bảo rơ le làm việc ổn định dưới tác động của dòng từ hóa quá độ, các nhà sản xuất rơ le đã đưa ra các giải pháp cải thiện như được trình bày dưới đây

3.2.1 Phát hiện dòng từ hóa bằng cách phân tích các thành phần sóng hài trong dòng so lệch MBA

Qua phân tích Fourier độ lớn của sóng hài trong một dòng từ hóa điển hình khi đóng điện xung kích MBA thường có kết quả như sau: các thành phần DC có giá trị thay đổi từ 40-60% thành phần cơ bản, thành phần sóng hài bậc 2 chiếm khoảng 70%, còn sóng hài bậc 3 chiếm khoảng 10-30%, còn lại các thành phần khác là tương đối thấp Qua phân tích, thành phần sóng hài bậc 2 thường có giá trị lớn hơn cả so với các thành phần còn lại trong dòng so lệch (hình 3.1) nên thành phần sóng hài bậc 2 thường được

sử dụng cho mục đích ổn định bảo vệ, chống lại hiện tượng quá dòng xung kích khi đóng điện không tải MBA Khi tỉ lệ của thành phần sóng hài bậc 2 trên thành phần cơ bản trong dòng so lệch lớn hơn giá trị đặt, rơle sẽ khóa chức năng bảo vệ so lệch MBA Còn trong trường hợp quá kích thích MBA, phân tích các thành phần sóng hài trong dòng so lệch ta thấy rằng, thành phần sóng hài bậc 3 và bậc 5 thường có giá trị lớn hơn nhưng thành phần sóng hài bậc 3 sẽ bị triệt tiêu trong cuộn tam giác MBA, nên thành phần sóng hài bậc 5 thường được sử dụng để khóa chức năng bảo vệ so lệch Hãm sóng hài không những thực hiện trên cả 3 pha mà còn được thực hiện trên từng pha riêng lẻ nhằm đảm bảo ổn định khi đóng MBA vào sự cố chạm đất 1 pha, khi thành phần sóng

hài trong dòng xung kích của 1 pha vượt quá, thì chức năng bảo vệ so lệch MBA trong các pha khác cũng sẽ bị khóa Đây là chức năng chính mà hầu như tất cả các hãng sản xuất rơ le đều áp dụng để phân biệt hiện tượng quá độ với dòng từ hóa lớn trong MBA

Hình 3.1 Thành phần sóng hài khi đóng điện xung kích MBA

3.2.2 Phân tích dạng sóng của dòng so lệch MBA

Ngoài phương pháp hãm sóng hài, hãng sản xuất rơ le ABB, Schneider, Nari lại cũng cấp thêm một phương pháp nữa đó là phân tích dạng sóng của dòng so lệch Mặc

dù hãm sóng hài bậc 2 ngăn chặn việc cắt sai của bảo vệ so lệch trong các điều kiện đóng xung kích MBA nhưng nó thỉnh thoảng lại làm tăng thời gian cô lập sự cố đối với các sự cố bên trong lớn mà dẫn đến bão hòa TI Khi TI bị bão hòa, trong dòng nhị thứ

sẽ chứa một lượng lớn thành phần sóng hài bậc 2 và kết quả là làm cho chức năng bảo

vệ so lệch MBA bị khóa trong một vài chu kỳ Ngoài ra, ngày nay do sự cải tiến của vật liệu từ tính lõi thép MBA cũng làm giảm mức độ của thành phần sóng hài bậc 2 trong dòng từ hóa [6] Vì vậy cần kết hợp một phương pháp nữa để phân biệt chính xác dòng

từ hóa MBA bằng cách phân tích dạng sóng của dòng so lệch MBA

Qua phân tích dạng sóng của dòng từ hóa quá độ khi đóng xung kích MBA như hình 3.2, ta thấy rằng trong mỗi chu kỳ tần số hệ thống sẽ có một khoảng thời gian mà dòng từ hóa có giá trị thấp nhất (đó là dòng từ hóa lúc bình thường khi mà lõi thép không

bị bão hòa) Vì vậy điều kiện để rơle nhận ra dòng từ hóa và phân biệt với dòng sự cố là khoảng thời gian mà độ lớn của dòng so lệch tức thời có giá trị thấp nhất bằng với dòng

từ hóa lúc bình thường trong một chu kỳ Độ lớn của dòng từ hóa lúc này gần bằng 0 hoặc dưới 0,5% và khoảng thời gian này ít nhất khoảng 1/4 chu kỳ hoặc 5 ms trong hệ

thống tần số 50 Hz

Hình 3.2 Dạng sóng của dòng từ hóa quá độ

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là do các TI bị giới hạn khả năng truyền tải các tín hiệu tần số thấp, ví dụ như tín hiệu DC Điều này sẽ dẫn đến kết quả trong dạng sóng của dòng nhị thứ TI vào rơ le sẽ bị bóp méo và độ lớn của dòng từ hóa trong khoảng thời gian quan sát sẽ tương đối lớn và nó có thể làm cho điều kiện phát hiện dòng từ hóa bị sai Vì vậy rơ le sẽ khắc phục nhược điểm này bằng cách chuyển sang tìm kiếm các khoảng thời gian mà tỉ lệ thay đổi của dòng từ hóa là thấp [6]

3.2.3 Tăng giá trị khởi động của chức năng bảo vệ so lệch khi đóng điện trở lại MBA

Ngoài các phương pháp trên, một phương pháp bổ sung nữa được hãng Siemens

áp dụng đó là tăng giá trị khởi động của chức năng bảo vệ so lệch MBA khi đóng điện Khi cắt điện, trong MBA vẫn tồn tại một lượng từ dư, từ dư này là nguyên nhân làm cho dòng khởi động của MBA tăng cao khi MBA được đóng điện trở lại, kết quả là bảo vệ

so lệch có thể tác động sai nếu giá trị đặt của dòng so lệch là thấp.Vì vậy, ngay sau khi dòng trên mỗi pha dưới ngưỡng đặt khởi động (MBA không được cấp điện) rơle sẽ tăng giá trị khởi động của bảo vệ bởi một hệ số nhân với giá trị đặt Idiff [13] (hình 3.3) Bảo

vệ vẫn đảm bảo làm việc an toàn cho dù dòng khởi động có tăng cao vào thời điểm đóng MBA trở lại và giá trị này sẽ được reset về ban đầu sau một khoảng thời gian đặt từ lúc đóng điện MBA Trong quá trình khởi động nếu tỉ lệ của Idiff/Ibias nằm trên đặc tính

sự cố, bảo vệ so lệch sẽ tác động ngay lập tức