Bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện

Trong quaù trình vaän haønh heä thoáng ñieän (HTÑ) coù theå xuaát hieän tình traïng söï coá vaø cheá ñoä laøm vieäc khoâng bình thöôøng cuûa caùc phaàn töû.. Phaàn lôùn caùc söï coá thö[r]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Nguyễn Hoàng Việt

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

(Tái bản lần thứ hai, có sửa chữa bổ sung)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

TP HỒ CHÍ MINH – 2005

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ), chúng ta có thể gặp tình trạng hệ thống điện làm việc không bình thường, sự cố Nguyên nhân có thể do chủ quan hoặc khách quan Hệ thống bảo vệ rơle sẽ giúp phát hiện các tình trạng đó để đề ra những biện pháp xử lý kịp thời Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của ngành điện là phải cung ứng cho người tiêu thụ điện năng với chất lượng tốt nhất Để thỏa mãn yêu cầu này trong hệ thống điện được thực hiện bằng các bộ phận tự động chức năng Cuốn sách BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN nhằm trang bị cho bạn đọc những kiến thức căn bản nhất trong lĩnh vực nêu trên Cuốn sách được viết chủ yếu cho sinh viên ngành Điện của Trường Đại học Bách khoa, các trường Kỹ thuật điện, học viên sau đại học và các nhà chuyên môn đang làm việc trong lĩnh vực liên quan có thể tham khảo Giáo trình này được chia làm ba phần:

Phần một: Các nguyên lý bảo vệ rơle

- Tìm hiểu các nguyên lý thực hiện bảo vệ các phần tử hệ thống điện có tình trạng không bình thường cũng như sự cố xảy ra trong hệ thống điện;

- Tìm hiểu các nguyên tắc công nghệ chế tạo các rơle các thế hệ khác nhau

Phần hai: Bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện

Tìm hiểu cách thực hiện, sơ đồ bảo vệ các phần tử hệ thống điện như: đường dây, máy biến áp, máy phát, thanh góp

Phần ba: Tự động hóa trong hệ thống điện

Tìm hiểu các bộ phận tự động chức năng trong hệ thống điện như: tự động đóng trở lại nguồn điện, tự động điều chỉnh điện áp, tần số

Trong lần in này chúng tôi có sửa chữa và bổ sung cũng như thay đổi một số chương mục so với đợt in đầu tiên

Để bổ trợ giúp cho sinh viên nắm vững phần lý thuyết đã được trình bày trong cuốn sách này, chúng tôi đã biên soạn và xuất bản cuốn bài tập CÁC BÀI TOÁN TÍNH NGẮN MẠCH BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN trình bày tóm tắt lý thuyết phần ngắn mạch, các bài tập ngắn mạch, bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện

Thành thật cám ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của Thầy Phan Kế Phúc và Cô Phan Thị Thu Vân Rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp và độc giả Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc qia TP Hồ Chí Minh - 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP Hồ Chí Minh

Điện thoại: 8.651801

Xin chân thành cám ơn

TS Nguyễn Hoàng Việt

MỤC LỤC

2.2 Sử dụng linh kiện bán dẫn, vi mạch trong các sơ đồ bảo vệ 38

4.4 Một số lĩnh vực và lưu ý khi áp dụng bộ phận định hướng công suất cho

5.1 Bảo vệ chống chạm đất trong mạng điện có dòng chạm đất lớn 81 5.2 Bảo vệ chống chạm đất trong mạng có dòng chạm đất nhỏ 88

6.2 Đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách và biểu diễn chúng

6.4 Cách chọn UR, IR đưa vào bộ phận khoảng cách để phản ánh

6.5 Cách chọn UR, IR đưa vào bộ phận khoảng cách để phản ánh

6.7 Những yếu tố làm sai lệch sự làm việc của rơle khoảng cách 119 6.8 Đánh giá lĩnh vực ứng dụng của bảo vệ khoảng cách 127

7.2 Dòng không cân bằng trong bảo vệ so lệch dòng điện 131 7.3 Dòng điện khởi động của bảo vệ so lệch dòng điện 132 7.4 Những biện pháp thường dùng để nâng cao độ nhạy và tính đảm

8.2 Các hệ thống bảo vệ đường dây dài, điện thế cao, công suất lớn 145

9.1 Các sự cố và chế độ làm việc không bình thường của MBA 213

9.4 Các sơ đồ bảo vệ tiêu biểu các loại máy biến áp 234

Chương 10 BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ BỘ MÁY PHÁT - MÁY BIẾN ÁP 238

Chương 11 BẢO VỆ THANH CÁI 256 11.1 Bảo vệ thanh cái bằng các phần tử nối kết thanh cái 257

13.2 Những tình trạng làm việc không bình thường của động cơ 313

14.2 Tự đóng lại bằng cách kết hợp MC với hệ thống tự đóng lại (ARS) 330

14.6 Tự động vận hành mạng kín (LA) 372

Chương 15 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN

15.4 Điều chỉnh điện áp và phân phối công suất kháng giữa các

Chương 16 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT THỰC

16.4 Các tổ máy phát làm việc song song 412

16.6 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ lệch tần số 421

16.9 Tốc độ đáp ứng nhu của hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine 430

Chương 17 BẢO VỆ TẦN SỐ – TỰ ĐỘNG SA THẢI PHỤ TẢI 445

PHẦN I CÁC NGUYÊN LÝ THỰC HIỆN BẢO VỆ RƠLE

Chương 1

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ

1.1 NHIỆM VỤ CỦA BẢO VỆ

Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ) có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của các phần tử Phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao và điện áp giảm khá thấp Các thiết bị có dòng điện tăng cao chạy qua có thể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng khi điện áp bị giảm thấp, các hộ tiêu thụ không thể làm việc bình thường mà tính ổn định của các máy phát làm việc song song và của toàn hệ thống bị giảm Các chế độ làm việc không bình thường cũng làm cho áp, dòng và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép và nếu để kéo dài tình trạng này có thể xuất hiện sự cố Có thể nói, sự cố làm rối loạn các hoạt động bình thường của HTĐ nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng

Chế độ làm việc không bình thường có nguy cơ xuất hiện sự cố làm giảm tuổi thọ của máy móc Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ thì khi xuất hiện sự cố cần phát hiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố để cách ly nó khỏi phần tử không bị hư hỏng, có như vậy phần tử còn lại mới duy trì được hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức độ hư hại của phần bị sự cố Như vậy, chỉ có các thiết bị tự động bảo vệ (BV) mới có thể thực hiện tốt được yêu cầu nêu trên Các thiết bị này hợp thành hệ thống bảo vệ (HTBV)

Các mạng điện hiện đại không thể làm việc thiếu các HTBV, vì chúng theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của HTĐ

Khi xuất hiện sự cố, BV phát hiện và cho tín hiệu đi cắt các phần tử hư hỏng thông qua các máy cắt điện (MC) Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, BV sẽ phát hiện và tùy thuộc theo yêu cầu có thể tác động để khôi phục chế độ làm việc bình thường hoặc báo tín hiệu cho nhân viên trực

Hệ thống BV là tổ hợp của các phần tử cơ bản là các rơle, nên còn được gọi là BV rơle

1.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG BẢO VỆ

1.2.1 Yêu cầu đối với bảo vệ chống ngắn mạch

1- Tính chọn lọc

Khả năng của BV chỉ cắt phần hư hỏng khi NM được gọi là tính chọn lọc

Đối với ví dụ trên hình 1.1, yêu cầu này được thực hiện như sau: khi NM (NM) tại điểm N1, máy cắt MC3 là máy cắt ở gần chỗ sự cố nhất được cắt ra, nhờ vậy các phụ tải không nối vào đường dây hư hỏng vẫn được nhận điện Khi NM tại điểm N2, đường dây sự cố II được cắt ra từ hai phía nhờ MC1 và MC2, còn đường dây I vẫn làm việc, vì vậy toàn bộ các hộ tiêu thụ vẫn nhận được điện Yêu cầu tác động chọn lọc là yêu cầu cơ bản nhất để đảm bảo cung cấp điện an toàn cho các hộ tiêu thụ Nếu BV tác động không chọn lọc, sự cố có thể lan rộng

MC6

MC4

MC2

MC3

BV1

BV3

BV2 II

I

II

D

C B

E

I

Hình 1.1 Cắt chọn lọc phần tử bị hư hỏng khi NM trong mạng 2- Tác động nhanh

Tính tác động nhanh của BV là yêu cầu quan trọng khi có NM bên trong của thiết bị Bảo vệ tác động càng nhanh thì:

- Đảm bảo tính ổn định làm việc song song của các máy phát trong hệ thống, làm giảm ảnh hưởng của điện áp thấp lên các phụ tải

- Giảm tác hại dòng NM tới các thiết bị

- Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn

- Nâng cao hiệu quả thiết bị tự đóng lại

Thời gian cắt hư hỏng t bao gồm thời gian tác động của (BV) t bv và thời gian cắt của MC t MC:

t = t bv + t MC

Đối với các HTĐ hiện đại, thời gian cắt NM lớn nhất cho phép theo yêu cầu đảm bảo tính ổn định rất nhỏ Ví dụ đối với đường dây tải điện 300 ÷500kV, cần phải cắt sự cố trong vòng 0,1÷

0,12 giây (s) sau khi NM xuất hiện, còn trong mạng 110 ÷ 220kV thì trong vòng 0,15÷0,3s Trong

các mạng phân phối 6,10,15kV ở cách xa nguồn thời gian cắt sự cố cho phép lên tới 1,5 ÷ 3s Muốn cắt nhanh NM cần giảm thời gian tác động của BV và MC Hiện dùng phổ biến các MC có t MC = 0,15 ÷

0,06s Nếu cần cắt NM với thời gian t = 0,12s bằng MC có t MC = 0,08s thì thời gian tác động của

BV không được vượt quá 0,04s (hai chu kỳ) Bảo vệ có thời gian tác động dưới 0,1s được xếp vào loại tác động nhanh Loại BV tác động nhanh hiện đại có t BV = 0,01 ÷0,04s

Việc chế tạo BV vừa tác động chọn lọc, vừa nhanh là vấn đề khó Các BV này phức tạp và đắt Để đơn giản, có thể thực hiện cắt nhanh NM không chọn lọc, sau đó dùng thiết bị tự đóng lại phần bị cắt không chọn lọc

3- Độ nhạy

Trên hình 1.1 ta thấy mỗi BV cần tác động khi sự cố xảy ra trong vùng BV của mình (để bảo đảm vừa có BV chính và BV dự trữ tại chỗ) Ví dụ, BV1 và 2 cần tác động khi NM xảy ra trong đoạn DE Ngoài ra, nó còn cần tác động khi NM xảy ra trong đoạn BC của BV3 Điều này cần thiết để dự phòng trường hợp NM trên đoạn BC mà BV3 hoặc MC3 này không làm việc Tác động của BV đối với đoạn kế tiếp được gọi là dự phòng xa Mỗi BV cần tác động không chỉ với trường hợp NM trực tiếp mà cả khi NM qua điện trở trung gian của hồ quang Ngoài ra, nó cần tác động khi NM xảy ra trong lúc hệ thống làm việc ở chế độ cực tiểu (ở chế độ này một số nguồn được cắt

ra và do đó dòng NM có giá trị nhỏ)

Độ nhạy của BV thường được đánh giá bằng hệ số nhạy k nh Đối với BV cực đại tác động,

đại lượng theo dõi tăng khi có hư hỏng (ví dụ quá dòng điện) thì k nh được xác định

k nh =

bv

kđ

N

I

I min

với: I Nmin - dòng NM nhỏ nhất; I kđbv - giá trị dòng nhỏ nhất mà BV có thể tác động

Đối với BV cực tiểu tác động khi đại lượng theo dõi giảm khi hư hỏng (ví dụ điện áp cực

tiểu), hệ số k nh được xác định ngược lại bằng trị số điện áp khởi động chia cho điện áp dư còn lại

lớn nhất khi hư hỏng

BV cần có độ nhạy sao cho nó tác động chắc chắn khi NM qua điện trở của hồ quang ở cuối vùng được giao BV trong chế độ cực tiểu của hệ thống

4- Độ tin cậy

Độ tin cậy thể hiện yêu cầu BV phải tác động chắc chắn khi NM xảy ra trong vùng được giao

BV và không được tác động đối với các chế độ mà nó không có nhiệm vụ tác động Đây là yêu cầu rất

quan trọng Một BV nào đó hoặc không tác động hoặc tác động nhầm rất có thể dẫn đến hậu quả là số phụ tải bị mất điện nhiều hơn hoặc làm cho sự cố lan tràn Ví dụ, khi NM tại điểm N2 trên hình 1.1 mà BV không tác động cắt MC1 và MC2được thì các BV dự phòng xa khác số cắt nguồn II MC4, MC5 và trạm B như vậy BV không tin cậy, làm mất điện nhiều, gây thiệt hại kinh tế

Để BV có độ tin cậy cao cần dùng sơ đồ đơn giản, giảm số lượng rơle và tiếp xúc, cấu tạo đơn giản, chế độ và lắp ráp đảm bảo chất lượng, đồng thời kiểm tra thường xuyên trong quá trình vận hành

1.2.2 Yêu cầu đối với bảo vệ chống các chế độ làm việc không bình thường

Tương tự BV chống NM, các BV này cũng cần tác động chọn lọc, nhạy và tin cậy Yêu cầu tác động nhanh không đề ra Thời gian tác động của BV loại này cũng được xác định theo tính chất và hậu quả của chế độ làm việc không bình thường Thông thường các chế độ này xảy ra

chốc lát và tự tiêu tan, ví dụ hiện tượng quá tải ngắn hạn khi khởi động động cơ không đồng bộ

Trường hợp này nếu cắt ngay sẽ làm phụ tải mất điện Vì vậy, chỉ cần cắt thiết bị khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường nếu có nguy cơ thực tế đối với thiết bị đó, nghĩa là sau khoảng thời gian nhất định Trong nhiều trường hợp, nhân viên vận hành có nhiệm vụ loại trừ chế độ không bình thường và như vậy chỉ cần yêu cầu BV báo tín hiệu

1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ

Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ BV gồm hai phần chính: phần đo lường và phần lôgic (H.1.2)

ĐO LƯỜNG

ĐL MẠCH LOGIC LG THỰC HIỆN

NGUỒN THAO TÁC

TÍN HIỆU

TH HIỂN THỊ

Phần đo lường Phần logic

Tín hiệu từ

BV khác

BI

IR

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống BV một phần tử hệ thống điện

- Phần đo lường (PĐL) liên tục thu nhận tin tức về tình trạng của phần tử được BV, ghi nhận sự

xuất hiện sự cố và tình trạng làm việc không bình thường, đồng thời truyền tín hiệu đến phần lôgic Phần đo lường nhận những thông tin của đối tượng được BV qua các bộ biến đổi đo lường sơ cấp máy biến dòng (BI) và các máy biến điện áp (BU)

- Phần lôgic tiếp nhận tín hiệu từ PĐL Nếu giá trị, thứ tự và tổng hợp các tín hiệu phù hợp

với chương trình định trước nó sẽ phát tín hiệu điều khiển cần thiết (cắt MC hoặc báo tín hiệu) qua bộ phận thực hiện

Ngoài phần chính trên, để cung cấp nguồn một chiều DC cho PĐL, phần lôgic, mạch báo tín hiệu, màn hình thể hiện và bộ phận thực hiện cần nguồn thao tác một chiều

1.3.1 Đo lường sơ cấp

Máy biến dòng, máy biến điện áp dùng để:

- Giảm dòng điện và điện áp của đối tượng BV đến giá trị thấp đủ để hệ thống BV làm việc an

toàn (dòng thứ cấp BI định mức là 5A hoặc 1A, áp thứ cấp BU định mức là 100V hoặc 120V)

- Cách ly BV với đối tượng được BV

- Cho phép cùng dòng và áp chuẩn thích ứng với hệ thống BV

Tổng trở thứ cấp của BI rất thấp, ngược lại tổng trở thứ cấp của BU rất cao Lõi của BI có thể được chế tạo bằng thép hay khe hở không khí, BI có lõi thép có công suất ra lớn nhưng có nhiều sai số cả trong chế độ làm việc bình thường hay quá độ BI có lõi không khí có công suất ra thấp thường không đủ cho rơle bán dẫn, vi mạch Chúng có đặc tính làm việc tuyến tính và không có sai số trong chế độ quá độ

Tiêu chuẩn để chọn tỷ số BI là theo dòng điện tải cực đại Các đối tượng BV có điện thế cao, có thể sử dụng BU qua bộ chia điện thế bằng tụ điện, để điện thế đến BU chỉ bằng 10% điện thế hệ thống (H.1.3)

Hình 1.3 Mạch phân thế bằng tụ điện

Uht

C1

L1

T

U - điện thế hệ thống

C , C - điện dung của bộ phận thế

L - kháng trở

U - điện thế thứ cấp của BU

ht

1 2

1 T

UT U Cht 1

C1 C2

= +

Máy biến dòng điện (BI, TI, CT)

Tỷ số biến đổi dòng điện của BI theo lý thuyết là nghịch với số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp của BI Nhưng thực tế dòng thứ cấp được xác định bằng

N I I T = I S – Iµ

trong đó: I T , I S , Iµ - dòng thứ cấp, dòng sơ cấp, dòng từ hóa; N I - tỷ số dòng quấn

Dòng từ hóa tỷ lệ với tổng trở của mạch thứ cấp, vì thế sai số của BI tỷ lệ với tổng trở thứ cấp (phụ tải của BI) Các BI có thể đảm bảo được độ chính xác khi chúng làm việc ở tình trạng gần với

tình trạng nối tắt phía thứ cấp BI, nghĩa là khi phụ tải phía thứ cấp BI bé thì lúc đó Iµ bé Ví dụ, khi phụ

tải 30VA và dòng điện định mức 5A, ta có điện thế thứ cấp U T = 6V Khi điện trở của phụ tải thay đổi trong một phạm vi giới hạn, dòng điện thứ cấp I T thực tế hầu như không biến đổi vì Iµ rất bé so với dòng

điện sơ cấp I S Vì thế phụ tải của BI luôn luôn nối tiếp, khác với phụ tải của BU luôn luôn ghép song song Nối tắt thứ cấp là trường hợp làm việc bình thường của BI Không cho phép máy biến dòng làm việc ở tình trạng hở mạch thứ cấp khi dòng điện sơ cấp định mức Đặc biệt khi NM, dòng sơ cấp lớn, sức điện động phía thứ cấp (nếu hở mạch) có thể đạt đến hàng chục kilô volt Cũng cần chú ý rằng, nếu điện trở của phụ tải ở mạch thứ cấp lớn cũng có thể gây quá điện áp nguy hiểm Độ chính xác của BI được tính bằng tỷ số









s

s T I

I

I I N

Đối với một số loại rơle độ chính xác 10% đến 15% khi NM có thể chấp nhận được, ví dụ rơle dòng điện có thời gian Còn những rơle khác như khoảng cách, so lệch yêu cầu độ chính xác cao hơn là 2÷3% Trong trường hợp tổng quát, có thể dùng độ chính xác là 5% Sai số cho phép về góc là δ ≤ 7o

1- Cách xác định phụ tải của BI trong sơ đồ bảo vệ

Trong sơ đồ BV phụ tải của BI bao gồm điện trở của các rơle, dây nối

phụ và điện trở tiếp xúc Giá trị tính toán của phụ tải BI xác định như sau:

Z.pt =

cấp thứ cuộn điện Dòng

cấp thứ cuộn áp Điện I

U

T

Đối với dòng điện thứ cấp đã cho, điện áp đầu ra ở cuộn thứ cấp của

BI phụ thuộc vào sơ đồ nối giữa BI và phần đo lường, dạng NM và sự phối

hợp các pha hư hỏng

Hình 1.4 Nối tiếp

hai máy biến dòng

I