Mô phỏng nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch đường dây truyền tải điện và kiểm chứng với bản ghi thực tế

Nhan đề : Mô phỏng nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch đường dây truyền tải điện và kiểm chứng với bản ghi thực tế Tác giả : Nguyễn Văn Tuynh Người hướng dẫn: Nguyễn Đức Huy Từ khoá : Truyền tải điện; So lệch đường dây Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan; các phương thức bảo vệ đường dây truyền tải điện; giải thuật của một số rơle so lệch đường dây; một số kết quả mô phỏng trên simulink; kết luận.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

đường dây truyền tải điện và kiểm chứng với bản

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

H ọ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Văn Tuynh

Đề tài luận văn: Mô phỏng nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch đường

dây truyền tải điện và kiểm chứng với bản ghi thực tế

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện

Mã s ố SV: CA170363

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… ………… với các nội dung sau:

………

……….

……….

……….

……….

……….

………

Ngày… tháng… năm…

Nguy ễn Đức Huy Nguy ễn Văn Tuynh

CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG

B ạch Quốc Khánh

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Tuynh SHHV: CA170363

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện Lớp: 17A KTĐ

Cơ quan công tác: TBA 500kV Đông Anh – Công ty truyền tải điện 1

Đề tài luận văn

- Tên Tiếng Việt: Mô phỏng nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch đường dây truyền tải điện và kiểm chứng với bản ghi thực tế

- Tên Tiếng Anh: Simulation of transmission line differential protection

algorithm and verification with actual relay records

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguy ễn Đức Huy

Bộ môn: Hệ thống điện - Viện Điện – Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Nguy ễn Đức Huy

L ời cảm ơn

Lời đầu tiên, xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới PSG TS Nguyễn Đức Huy

là người đã tận tình hướng dẫn và giảng giải cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để giúp tôi hoàn thành luận văn

Cùng với đó tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô đang công tác tại Viện Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Tôi cũng muốn cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp và bạn hữu là những người luôn ủng hộ và động viên tôi trong thời gian vừa học tập vừa làm việc để giúp tôi hoàn thành khóa luận này

Xin chân thành cảm ơn!

Tóm t ắt nội dung luận văn

1 Vấn đề cần thực hiện

Các rơle kỹ thuật số hiện đã rất phổ biến trên lưới điện truyền tải điện ở nước ta

và trên thế giới Bài luận văn này sẽ nghiên cứu các phương thức bảo vệ đường dây truyền tải điện hiện nay Giải thuật chức năng bảo vệ so lệch dọc đường dây của một số dòng rơle

Mô phỏng lại đường dây và sự cố trên đường dây truyền tải điện bằng phần mềm Matlab / Simulink

Đưa ra kết quả so sánh giữa bản ghi sự cố và kết quả mô phỏng trên phần mềm Đánh giá độ tin cậy, thời gian tác động và tính chọn lọc của rơle bảo vệ

2 Phương pháp nghiên cứu, công cụ nghiên cứu

Việc nghiên cứu dựa trên các tài liệu Manual của các hãng Siemens, Nari, Micom

Sử dụng phần mềm Matlab / Simulink để thiết lập mô hình mô phỏng lại đường dây và sự cố trên đường dây

Thu thập dữ liệu sự cố thực tế được ghi lại trên các bản ghi sự cố

So sánh đối chiếu các kết quả và đưa ra đánh giá

3 Kết quả của luận văn

Bài luận văn đã đưa ra được một số kết quả cơ bản đánh giá được tính chọn lọc

và thời gian tác động của rơle bảo vệ so lệch dọc đường dây

Kết quả mô phỏng có điểm giống và khác với kết quả được ghi lại trên các bản ghi sự cố Đây cũng là yếu tố cần tìm hiểu và nghiên cứu thêm

Từ các kết quả trên bài luận văn có thể ứng dụng một phần để đánh giá phân tích quá trình làm việc của rơle khi xảy ra sự cố trên đường dây truyền tải điện

4 Định hướng phát triển

Mô phỏng đầy đủ các đặc tính của rơle bảo vệ so lệch dọc

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tính toán dòng IDiff và IRest

So sánh đặc tính làm việc độ tin cậy, độ nhạy, tính chọn lọc giữa các dòng rơle

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

Nguy ễn Văn Tuynh

M ỤC LỤC

GI ỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1

1.3 Nội dung luận văn 2

CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN T ẢI ĐIỆN 3

2.1 Các dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện 3

2.2 Các yêu cầu đối với bảo vệ trong hệ thống điện 4

2.3 Các phương thức bảo vệ đường dây truyền tải điện 7

2.3.1 Bảo vệ quá dòng 7

2.3.2 Bảo vệ so lệch dọc 12

2.3.3 Bảo vệ so sánh pha dòng điện 20

2.3.4 Bảo vệ khoảng cách 21

GI ẢI THUẬT CỦA MỘT SỐ RƠLE SO LỆCH ĐƯỜNG DÂY 27

3.1 Rơle Siemens 7SD5 27

3.1.1 Giới thiệu chung 27

3.1.2 Chức năng bảo vệ so lệch 28

3.1.3 Một số tính năng khác 33

3.1.4 Truyền tín hiệu bảo vệ 37

3.2 Rơle MiCOM P5xx 38

3.2.1 Giới thiệu chung 38

3.2.2 Chức năng bảo vệ so lệch 38

3.3 Rơle PCS-931 42

3.3.1 Giới thiệu chung 42

3.3.2 Chức năng bảo vệ so lệch 42

MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 47

4.1 Giới thiệu về Matlab / Simulink 47

4.2 Thuật toán bảo vệ cho đường dây trong Matlab / Simulink 47

4.3 Mô hình mô phỏng đường dây trong Simulink: 50

4.4 Một số kết quả mô phỏng sự cố thực tế trên đường dây trên Simulink 54 4.4.1 Mô phỏng sự cố đường dây 220kV Hoành Bồ - Quảng Ninh ngày 27 tháng 8 năm 2018 rơle Siemens 7SD52 54

4.4.2 Mô phỏng sự cố đường dây 220kV Cao Bằng – Bắc Kạn ngày 26 tháng 6 năm 2019 Rơle Micom – P543 62

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72

5.1 Kết luận 72

5.2 Hướng phát triển của luận văn 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

A1 Phiếu chỉnh định Rơle 7SD522 Trạm 220kV Hoành Bồ 75

A2 Phiếu chỉnh định Rơle 7SD522 Trạm 220kV Quảng Ninh 80

A3 Phiếu chỉnh định Rơle P543 Trạm 220kV Cao Bằng 85

A4 Phiếu chỉnh định Rơle P543 Trạm 220kV Bắc Kạn 92

B1 Dòng sự cố, dòng so lệch, tín hiệu trip được ghi lại tại trạm Hoành Bồ 99

B2 Dòng sự cố, dòng so lệch, tín hiệu trip được ghi lại tại trạm Quảng Ninh 100

B3 Dòng sự cố, dòng so lệch, tín hiệu trip được ghi lại tại trạm Cao Bằng 101 B4 Dòng sự cố, dòng so lệch, tín hiệu trip được ghi lại tại trạm Bắc Kạn 102

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ phương thức bảo vệ cơ bản của đường dây truyền tải điện 7

Hình 2.2 Đặc tuyến bảo vệ quá dòng 11

Hình 2.3 Sự cố ngoài vùng bảo vệ 13

Hình 2.4 Sự cố trong vùng bảo vệ 14

Hình 2.5 Đặc tính tác động của bảo vệ so lệch 16

Hình 2.6 ∆ >I 0 khi không có cuộn tam giác loại bỏ dòng thứ tự không 17

Hình 2.7 ∆ > khi có cuI 0 ộn tam giác loại bỏ dòng thứ tự không 18

Hình 2.8 Inrush current khi đóng máy biến áp không tải 19

Hình 2.9 Bảo vệ so sánh pha SEL 20

Hình 2.10 Nguyên lý cơ bản của bảo vệ so lệch theo góc pha 20

Hình 2.11 Đặc tính bảo vệ theo alpha plane 21

Hình 2.12 Đặc tính elip 22

Hình 2.13 Đặc tính hình tròn 22

Hình 2.14 Đặc tính hình tròn MHO 22

Hình 2.15 Đặc tính tứ giác 22

Hình 2.16 Đặc tính thời gian của bảo vệ khoảng cách t= f I( RN) 23

Hình 2.17 Minh họa các vùng của bảo vệ khoảng cách 24

Hình 2.18 Phạm vi bảo vệ của BVKC 26

Hình 3.1 Các chức năng của bảo vệ của rơle 7SD5 27

Hình 3.2 Bảo vệ so lệch đường dây sử dụng rơle 7SD5 28

Hình 3.3 Nguyên lý bảo vệ so lệch của rơle 7SD5 29

Hình 3.4 Nguyên lý bảo vệ so lệch đường dây mở rộng 29

Hình 3.5 Mô tả chi tiết nguyên lý bảo vệ so lệch với kênh thông tin 29

Hình 3.6 Đặc tính của rơle so lệch 7SD600 32

Hình 3.7 Đặc tính của rơle so lệch 7SD52 33

Hình 3.8 Logic cắt của bảo vệ so lệch 7SD600 và 7SD52 33

Hình 3.9 Nguyên lý bù dòng điện dung cho đường dây truyền tải 34

Hình 3.10 Nguyên lý xác định hướng của bộ định hướng 35

Hình 3.11 Tác động của TĐL 36

Hình 3.12 Truyền tín hiệu bảo vệ 37

Hình 3.13 Chức năng bảo vệ của dòng MiCOM P5xx 38

Hình 3.14 Đặc tính tác động của rơle so lệch P5xx 40

Hình 3.15 Các chức năng bảo vệ của rơle PCS-931 42

Hình 3.16 Đặc tính tác động của tính năng so lệch DFPC cấp 1 43

Hình 3.17 Đặc tính tác động của tính năng so lệch DFPC cấp 2 44

Hình 3.18 Đặc tính tác động của tính năng so lệch xác lập cấp 1 45

Hình 3.19 Đặc tính tác động của tính năng so lệch xác lập cấp 2 45

Hình 3.20 Đặc tính tác động của tính năng so lệch dòng điện thứ tự không 46

Hình 4.1 Sơ đồ khối logic cắt máy cắt 2 đầu đường dây 48

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng đường dây truyền tải trên MATLAB/Simulink 50

Hình 4.3 Thiết lập thông số đường dây truyền tải 51

Hình 4.4 Thiết lập thông số phụ tải cho đường dây 52

Hình 4.5 Mô phỏng tính toán rơle bảo vệ so lệch dọc 53

Hình 4.6 Tripping Logic 53

Hình 4.7 Dòng sự cố pha C 2 đầu đường dây Quảng Ninh Hoành Bồ 55

Hình 4.8 Dòng so lệch và dòng hãm rơle tính toán trên bản ghi sự cố 56

Hình 4.9 Mô hình mô phỏng tính toán dòng so lệch và dòng hãm trên Simulink 56

Hình 4.10 Dòng so lệch và dòng hãm pha C tính toán trên MATLAB/Simulink 57

Hình 4.11 Dòng sự cố pha C hai đầu đường dây mô phỏng trên MATLAB/Simulink 58

Hình 4.12 Dòng so lệch và dòng hãm trên sơ đồ mô phỏng sự cố 59

Hình 4.13 Dòng I diff trên bản ghi, tính toán và mô phỏng 59

Hình 4.14 Đường đặc tính IDiff - IRes giữa bản ghi và mô phỏng 60

Hình 4.15 Thời điểm Rơle phát tín hiệu cắt MC và trên mô phỏng 61

Hình 4.16 Dòng sự cố pha A 2 đầu Bắc Kạn và Cao Bằng 63

Hình 4.17 Dòng sự cố pha B 2 đầu Bắc Kạn và Cao Bằng 63

Hình 4.18 Dòng so lệch và dòng hãm pha A được ghi lại trên bản ghi sự cố 64

Hình 4.19 Mô hình mô phỏng tính toán dòng so lệch và dòng hãm trên Simulink 65

Hình 4.20 Dòng so lệch và dòng hãm pha A tính toán trên Simulink 65

Hình 4.21 Dòng so lệch và dòng hãm pha B tính toán trên Simulink 66

Hình 4.22 Trip logic pha A mô phỏng sự cố Cao Bằng – Bắc Kạn 67

Hình 4.23 Dòng sự cố pha A mô phỏng trên MATLAB/Simulink 68

Hình 4.24 Dòng so lệch và dòng hãm pha A mô phỏng 68

Hình 4.25 So sánh giữa dòng so lệch trên bản ghi sự cố, dòng so lệch tính toán và dòng so lệch mô phỏng trên MATLAB/Simulink 69

Hình 4.26 Đường đặc tính IDiff - IRes giữa bản ghi và mô phỏng 69

Hình 4.27 Thời điểm Rơle phát tín hiệu cắt MC và trên mô phỏng 70

CÁC T Ừ VIẾT TẮT

MBA Máy biến áp

BI Máy biến dòng điện

BU Máy biến điện áp

ISL Dòng điện so lệch

TĐL Tự đóng lại

BVKC Bảo vệ khoảng cách

và nhanh chóng luôn là yêu cầu cấp thiết để đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn Một sự cố ngắn mạch trên một đường dây nếu không được loại trừ sớm và nhanh nhất sẽ có nguy cơ rất lớn gây ra các sự cố lan tràn đến các thiết bị điện khác như máy cắt, máy biến áp, máy biến dòng, máy biến điện áp … gây thiệt hại lớn về kinh tế ngoài ra có thể gây rã lưới mất điện cục bộ hoặc mất điện trên diện rộng

Đến nay trên thế giới hiện đã có sự phát triển vượt bậc về rơle bảo vệ trong hệ thống điện nhằm đáp ứng yêu cầu cao cho hệ thống điện ngày càng phức tạp và đáp ứng các yêu cầu vận hành hệ thống ổn định, liên tục

Bảo vệ so lệch dọc đường dây hiện nay là một trong những bảo vệ phổ biến và có tính ứng dụng cao trong hệ thống điện không chỉ ở trong nước ta mà còn trên toàn thế giới Đặc biệt đối với đường dây truyền tải điện bảo vệ so lệch dọc đường dây đảm bảo được các yêu cầu cao về độ tin cậy, độ nhạy và tính chọn lọc trong các trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Đường dây truyền tải điện hiện nay trên thế giới đều là đường dây truyền tải điện xoay chiều 3 pha và ở nước ta lưới điện truyền tải hiện nay đã trở nên rất phức tạp nhằm đáp ứng sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng điện và các yêu cầu cao về khả năng cung cấp điện ổn định liên tục của các phụ tải ngoài ra nhằm đảm bảo giảm thiểu tổn thất điện năng trong lưới truyền tải Tại nước ta các lưới 110kV, 220kV, 500kV đều đã được xây dựng mạch khép vòng đảm bảo cung cấp điện liên tục khi xảy ra sự cố Tuy nhiên trong quá trình vận hành thực tiễn để đảm bảo loại trừ sự cố nhanh chóng và loại trừ đúng phần tử bị sự cố thì yêu cầu

ra sự cố, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tính toán khả năng tác động nhầm của role bảo vệ trong thực tiễn

1.3 Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Các phương thức bảo vệ đường dây truyền tải điện

Chương 3: Giải thuật của một số rơle so lệch dọc

Chương 4: Một số kết quả mô phỏng trên Simulink

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

3

CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY

TRUY ỀN TẢI ĐIỆN 2.1 Các dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện

Hệ thống điện Việt Nam hiện nay được sử dụng đường dây điện xoay chiều 3 pha Với hàng trăm nhà máy điện ở rất xa phụ tải, để có thể truyền tải điện với tổn thất nhỏ nhất cần rất nhiều các đường dây dài đến hàng trăm km, đặc biệt địa hình nước ta đường dây 500kV nối từ Bắc vào Nam dài hàng nghìn km Đây chính là nguy cơ cao gây ra các sự cố trên đường dây Có rất nhiều các dạng sự

cố trên đường dây, việc nghiên cứu các dạng sự cố này nhằm tính toán xác định

vị trí sự cố chính xác trong các rơle bảo vệ Dưới đây là các dạng sự cố cơ bản trong hệ thống điện 3 pha:

• Theo các nghiên cứu và thực tiễn trong hệ thống điện 3 pha có 5 dạng sự

cố như sau:

- Ngắn mạch 3 pha: (thường kèm theo chạm đất) chiếm 5% suất sự cố

- Ngắn mạch 2 pha: không chạm đất chiếm 10% suất sự cố

- Ngắn mạch 2 pha chạm đất chiếm 20% suất sự cố

- Ngắn mạch 1 pha: chạm đất chiếm 65% suất sự cố

- Ngắn mạch chạm đất tại nhiều điểm khác nhau trên một đường dây

• Theo thống kê suất sự cố xảy ra trong hệ thống điện đối với từng thiết bị điện có sự khác nhau rất lớn trong đó đối với đường dây truyền tải điện trên không chiếm phần lớn suất sự cố do đặc điểm được thiết kế ngoài trời

và trên cao trải dài trên nhiều vùng miền với khối lượng lớn Một số thiết

bị thường bị sự cố trong hệ thống điện ngày nay:

- Đường dây tải điện trên không chiếm 50%

- Đường dây cáp chiếm 10%

- Máy cắt điện (MC) chiếm 15%

- Máy biến áp (MBA); Các máy phát điện đồng bộ (MFĐ) chiếm 12%

- Máy biến dòng điện (CT, BI, TI…); biến điện áp (PT, BU…) chiếm 2%

- Thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ chiếm 3%

- Các loại hư hỏng khác chiếm 8%

4

• Một số nguyên nhân gây ra sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện:

Nguyên nhân gây ra sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện gồm có nguyên nhân khách quan và chủ quan

Cụ thể, nguyên nhân khách quan là do sét đánh vào hệ thống điện với cường độ lớn, điện áp cao, các thiết bị chống sét làm việc không hiệu quả, do bão lốc xoáy cuốn theo cây hoặc các vật liệu vào lưới truyền tải điện, lũ lụt gây sụt lún đổ cột, cháy rừng vv

Còn nguyên nhân chủ quan là do trình độ kỹ thuật non yếu hay sử dụng các thiết

bị cũ, làm việc kém hiệu quả hoặc không thực hiện đúng quy trình vận hành và duy tu bảo dưỡng thiết bị, do vi phạm khoảng cách hành lang an toàn lưới điện như trồng cây thả diều…

• Một số giải pháp kỹ thuật để ngăn chặn và hạn chế sự cố:

Hệ thống điện chỉ được coi là an toàn khi có suất sự cố thấp, thời gian sự cố nhỏ nhất, có khả năng loại trừ sự cố nhanh nhất và ít gây thiệt hại nhất Do vậy để đảm bảo được yêu cầu nói trên thì hệ thống điện cần phải có:

- Hệ số dự phòng cao

- Phương thức vận hành hợp lý

- Không để xảy ra quả tải hệ thống điện, máy biến áp và đường dây truyền tải điện

- Cần phải có nhiều nguồn điện dự phòng

2.2 Các yêu c ầu đối với bảo vệ trong hệ thống điện

Để đảm bảo các yêu cầu cung cấp điện về chất lượng điện năng và tính ổn định của phụ tải điện hiện nay các hệ thống điện đòi hỏi các rơle bảo vệ cần đảm bảo được môt số yêu cầu nhất định về độ tin cậy, tính chọn lọc, tác động nhanh và độ nhạy của rơle khi xảy ra sự cố ngắn mạch trên trên lưới truyền tải điện [1]

• Tin c ậy:

Đây là yêu cầu đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chính xác, chắc chắn Cần phân biệt hai khái niệm:

- Độ tin cậy khi tác động: là mức độ chắc chắn rơle hoặc hệ thống bảo

vệ rơle sẽ tác động đúng Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ

5

- Độ tin cậy không tác động: là mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ không làm việc sai Nói cách khác, độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được quy định Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể được kiểm tra tương đối dễ dàng bằng tính toán thực nghiệm, còn độ tin cậy không tác động rất khó kiểm tra vì tập hợp những trạng thái vận hành và tình huống bất thường có thể dẫn đến tác động sai của bảo vệ không thể lường trước được Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơle

và hệ thống rơle có kết cấu đơn giản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo vệ

Qua số liệu thống kê vận hành cho thấy, hệ thống bảo vệ trong các hệ thống điện hiện đại có xác suất làm việc tin cậy khoảng (95 ÷ 99)% Trong thực tế khi các HTĐ hoạt động có thể sau một thời gian rất dài các phần tử trong HTĐ không bị

sự cố các bảo vệ rơle không hoạt động Nhưng khi có các sự cố xảy ra nhiều lần trong ngày thì các bảo vệ rơle phải hoạt động được ngay và chính xác Đó chính

là tính tin cậy của các rơle bảo vệ trong HTĐ

• Ch ọn lọc:

Chọn lọc là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự

cố ra khỏi hệ thống Cấu hình hệ thống điện càng phức tạp, việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn Theo nguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân ra:

- Bảo vệ có sự chọn lọc tuyệt đối

- Bảo vệ có sự chọn lọc tương đối

Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có chọn lọc tương đối, phải

có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện

• Tác động nhanh:

Rơle tác động nhanh (hay còn gọi là có tốc độ cao) nếu thời gian tác động không vượt quá 50ms (2,5 chu kỳ dao động của dòng điện tần số công nghiệp 50Hz) Rơle hay bảo vệ được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động của rơle

Thông thường hai khái niệm tác động nhanh và tác động tức thời được dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơle hoặc bảo vệ có thời gian tác động không quá 50ms

sự cố càng nhanh càng tốt, tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền

• Độ nhạy:

Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ,

nó được biểu diễn bằng hệ thống độ nhạy, tức tỉ số giữa trị số của đại lượng vật

lý đặt vào rơle có sự cố với ngưỡng tác động của nó Sự sai khác giữa trị số đại lượng vật lý đặt vào rơle và ngưỡng tác động của nó càng lớn, rơle càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, hay ta thường nói rơle tác động càng nhạy

Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất phải kể đến:

- Chế độ làm việc của hệ thống (mức huy động nguồn)

- Cấu hình của lưới điện

- Dạng ngắn mạch và vị trí điểm ngắn mạch

- Nguyên lý làm việc của rơle

- Đặc tính của quá trình quá độ trong hệ thống điện,…

Tuỳ theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy đối với nó cũng khác nhau Các bảo vệ chính thường yêu cần phải có hệ số độ nhạy trong khoảng từ 1,5 đến

2, còn các bảo vệ dự phòng từ 1,2 đến 1,5

• Tính kinh t ế:

Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong HTĐ không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, mà ở chế độ luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra để có những tác động chuẩn xác Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị của công trình Vì vậy yêu cầu về kinh tế không đề ra, mà bốn yêu cầu kỹ thuật trên đóng vai trò quyết

tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và có chi phí thấp nhất trong quá trình xây dựng mới các nhà máy nhiệt điện, thủy điện trên toàn quốc

2.3 Các phương thức bảo vệ đường dây truyền tải điện

Đối với đường dây truyền tải điện cao áp trong hệ thống điện ngày nay được sử dụng các rơle kỹ thuật số tích hợp đa chức năng bao gồm các chức năng điều khiển, liên động, bảo vệ quá dòng vô hướng 50/51, 50N/51N, bảo vệ quá dòng có hướng 67/67N, bảo vệ khoảng cách 21/21N, bảo vệ so lệch dọc 87L

Hình 2.1 Sơ đồ phương thức bảo vệ cơ bản của đường dây truyền tải điện

2.3.1 B ảo vệ quá dòng

Bảo vệ quá dòng điện là một trong những bảo vệ được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất trong tất cả các phương pháp bảo vệ bởi đặc tính cắt dựa trên giá trị của dòng điện đảm bảo an toàn cho các thiết bị sử dụng điện Đây là bảo vệ có nguyên lý làm việc đơn giản Tuy nhiên có độ nhạy không cao, thời gian tác động thường chậm đối với các rơle cơ truyền thống và không có tính chọn lọc nên bảo vệ này thường được sử dụng làm bảo vệ dự phòng đối với các đường dây truyền tải điện

8

Các bảo vệ quá dòng hiện nay được sử dụng gồm bảo vệ quá dòng có hướng, bảo

vệ quá dòng vô hướng Trong đó bảo vệ quá dòng vô hướng có thể được chia thành bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian độc lập và bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc

2.3.1.1 B ảo vệ quá dòng có thời gian (51):

• Nguyên lý làm vi ệc của bảo vệ quá dòng có thời gian:

Bảo vệ quá dòng có thời gian đảm bảo tính chọn lọc bằng phân cấp thời gian Khi dòng điện chạy qua rơle vượt quá giá trị dòng khởi động đã cài đặt trước

trong rơle bảo vệ sẽ khởi động

Thời gian làm việc của rơle có thể chọn theo:

- Đặc tính thời gian độc lập

- Đặc tính thời thời gian phụ thuộc

Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng có thời gian phải được phối hợp với nhau một cách chặt chẽ để đảm bảo tính chọn lọc bằng cách thực hiện tăng thời gian dần dần sau mỗi một cấp bảo vệ theo chiều từ tải về nguồn với 0,3 0,5

I : Dòng điện làm việc lớn nhất của thiết bị được bảo vệ

• B ảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian:

I : là dòng điện định mức của BI nối với 51N

2.3.1.2 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh

Chúng ta nhận thấy rằng đối với bảo vệ quá dòng thông thường càng gần nguồn thời gian cắt ngắn mạch càng lớn, thực tế cho thấy ngắn mạch gần nguồn thường thì mức độ nguy hiểm cao hơn và cần loại trừ càng nhanh càng tốt Để bảo vệ các

9

ĐZ trong trường hợp này người ta dùng bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50), bảo vệ cắt nhanh có khả năng làm việc chọn lọc trong lưới có cấu hình bất kì với một nguồn hay nhiều nguồn cung cấp Ưu điểm của nó là có thể cách ly nhanh sự cố với công suất ngắn mạch lớn ở gần nguồn Tuy nhiên vùng bảo vệ không bao trùm được hoàn toàn ĐZ cần bảo vệ, đây chính là nhược điểm lớn nhất của loại bảo vệ này

• Nguyên lý làm vi ệc của bảo vệ quá dòng cắt nhanh:

Bảo vệ quá dòng đảm bảo tính chọn lọc bằng phân cấp dòng điện Chọn lọc theo dòng điện (discrimination by current) nghĩa là khi dòng điện qua rơle vượt quá giá trị dòng khởi động đã cài đặt trước rơle sẽ tác động

• B ảo vệ quá dòng cắt nhanh:

• Ph ối hợp các bảo vệ theo dòng điện:

Đây là phương pháp phổ biến nhất thường được đề cập trong các tài liệu bảo vệ rơle hiện hành Nguyên tắc phối hợp này là nguyên tắc bậc thang, nghĩa là chọn thời gian của bảo vệ sao cho lớn hơn một khoảng thời gian an toàn t∆ so với thời gian tác động lớn nhất của cấp bảo vệ liền kề trước nó (tính từ phía phụ tải về nguồn) Thông thường ngắn mạch càng gần nguồn thì dòng ngắn mạch càng lớn

và dòng ngắn mạch này sẽ giảm dần khi vị trí điểm ngắn mạch càng xa nguồn Yêu cầu đặt ra ở đây là phải phối hợp các bảo vệ tác động theo dòng ngắn mạch

sự cố nhất sẽ tác động

• B ảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian độc lập:

Bảo vệ quá dòng có thể làm việc theo đặc tính thời gian độc lập (đường 1) hoặc phụ thuộc (đường 2) hoặc hỗn hợp (đường 3 và đường 4) Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính thời gian độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng ngắn mạch hay vị trí ngắn mạch, còn đối với bảo vệ có đặc tính thời gian phụ thuộc thì thời gian tác động tỉ lệ nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ, dòng ngắn mạch càng lớn thì thời gian tác động càng bé

Ưu điểm của dạng bảo vệ này là cách tính toán và cài đặt của bảo vệ khá đơn giản và dễ áp dụng Thời gian đặt của các bảo vệ phải được phối hợp với nhau sao cho có thể cắt ngắn mạch một cách nhanh nhất mà vẫn đảm bảo được tính chọn lọc của các bảo vệ

11

Hình 2.2 Đặc tuyến bảo vệ quá dòng

Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng (Hình 2.2): độc lập (1), phụ thuộc (2) và hỗn hợp (3, 4)

Hiện nay thường dùng 3 phương pháp phối hợp giữa các bảo vệ quá dòng liền kề

là phương pháp theo thời gian, theo dòng điện và phương pháp hỗn hợp giữa thời gian và dòng điện

• B ảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc:

Bảo vệ quá dòng có đặc tuyến thời gian độc lập trong nhiều trường hợp khó thực hiện được khả năng phối hợp với các bảo vệ liền kề mà vẫn đảm bảo được tính tác động nhanh của bảo vệ Một trong những phương pháp khắc phục là người ta

sử dụng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc Hiện nay các phương thức tính toán chỉnh định rơle quá dòng số với đặc tính thời gian phụ thuộc do đa dạng về chủng loại và tiêu chuẩn nên trên thực tế vẫn chưa được thống nhất về mặt lý thuyết điều này gây khó khăn cho việc thiết kế và kiểm định các giá trị đặt

Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong lưới điện hình tia cho trường hợp đặc tuyến phụ thuộc (Hình 2.2)

Rơle quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc được sử dụng cho các ĐZ có dòng sự cố biến thiên mạnh khi thay đổi vị trí ngắn mạch Trong trường hợp này

Đối với các rơle quá dòng có đặc tuyến thời gian phụ thuộc có giới hạn loại điện

cơ của Liên Xô (cũ) không có các đường đặc tuyến tiêu chuẩn thống nhất, nó thay đổi theo các rơle Trong tất cả các rơle quá dòng số hiện nay của một số tập đoàn lớn như: Siemens, ALSTOM, SEL, ABB , đều tích hợp cả hai đặc tuyến độc lập và phụ thuộc Giá trị đặt dòng phụ thuộc thời gian có thể được xác định bằng một trong ba cách sau:

- Dưới dạng các bảng giá trị số “dòng-thời gian”

- Dưới dạng các đồ thị logarit cơ số 10 (log)

- Dưới dạng các công thức đại số

Hiện nay trên thực tế tồn tại nhiều tiêu chuẩn đường cong đặc tuyến thời gian phụ thuộc của bảo vệ quá dòng số như: tiêu chuẩn của Uỷ ban kỹ thuật điện quốc

tế (IEC), của Viện kỹ thuật điện-điện tử Mỹ (IEEC), Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) Trong đó tiêu chuẩn IEC (IEC255-3) được sử dụng phổ biến nhất Tiêu chuẩn IEC255-3 bao gồm các họ đặc tuyến có độ dốc khác nhau:

về yêu cầu của rơle bảo vệ trong hệ thống điện đảm bảo các yếu tố về độ tin cậy cao, có tính chọn lọc tuyệt đối, thời gian tác động nhanh (0s), độ nhạy cao

• Nguyên lý c ủa bảo vệ so lệch dọc:

Bảo vệ so lệch là làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện và cũng được hiểu theo nguyên lý cân bằng dòng Chúng sử dụng nguyên lý nguyên tắc trên thực tế

là dòng rời khỏi một đối tượng bảo vệ trong điều kiện bình thường bằng dòng đưa vào nó Bất cứ sự sai lệch nào cũng chỉ thị sự cố bên trong vùng bảo vệ Các cuộn dây thứ cấp của biến dòng CT1 và CT2 có cùng tỷ số biến, được nối để có

13

dòng điện như Hình 2.3 Thành phần đo M được nối ở điểm cân bằng điện Trong điều kiện bình thường không có dòng điện chạy qua thành phần đo M Đối với các sự cố xảy ra bên ngoài vùng bảo vệ và ở chế độ vận hành bình thường, thì các dòng điện phía thứ cấp trong Hình 2.3, ở trong rơle bảo vệ là giá trị của dòng điện chênh lệch trong các dòng điện kích thích của các máy biến dòng điện được đấu nối theo kiểu so lệch nhau Trong Hình 2.3 biểu diễn sự phân

bố dòng điện trên mỗi pha Về trị số dòng điện, thì i1 và i2 là dòng điện sơ cấp trên các đường dây đi vào hoặc đi ra khỏi vùng bảo vệ Còn I1 và I2 là dòng điện tính theo đơn vị Ampe của phía thứ cấp máy biến dòng và bằng dòng điện sơ cấp chia cho tỷ số biến của máy biến dòng rồi trừ đi dòng điện phía thứ cấp

Hình 2.3 S ự cố ngoài vùng bảo vệ

Khi có sự cố bên trong phần tử được bảo vệ, các dòng điện ở mỗi đầu không bằng nhau Thành phần M đo được dòng I1+I2 tỷ lệ với dòng i1+i2 là tổng dòng

sự cố chạy từ hai phía Nếu dòng điện I1+I2 này đủ lớn, bảo vệ so lệch tác động

và cắt máy cắt ở hai phía của phần tử bảo vệ Dòng so lệch I SL được xác định theo:

14

Giá trị của dòng điện so lệch và dòng hãm trong các trường hợp sự cố ngoài vùng hoặc trong điều kiện làm việc bình thường: Trong trường hợp này, dòng hai phía bằng nhau I2 = −I1 do đó I2 = I1 :

Dòng điện so lệch và dòng hãm được xác định như sau:

- Sự cố ngắn mạch trong vùng: Dòng hai phía bằng nhau I2 =I1 do đó

15

H

I = I + I = I PT 2.10

Giá trị tổng đại số dòng so lệch và dòng hãm là bằng nhau

- Sự cố ngắn mạch trong vùng: Với dòng chỉ từ một phía (cao áp), khi

độ dốc bằng 1 ( 45° ) trong đặc tính tác động của chức năng bảo vệ so lệch

Để đảm bảo bảo vệ so lệch tác động chắc chắn khi có sự cố bên ngoài ta cần chỉnh định các trị số tác động cho phù hợp với yêu cầu cụ thể

Trên hình 2.5 là đặc tính tác động của bảo vệ so lệch với:

Đoạn a: Biểu thị giá trị dòng điện khởi động ngưỡng thấp IDIFF> của bảo vệ

(địa chỉ 1221), với mỗi máy biến áp xem như hằng số Dòng điện này phụ thuộc dòng điện từ hoá máy biến áp

Đoạn b: Đoạn đặc tính có kể đến sai số biến đổi của máy biến dòng và sự thay

đổi đầu phân áp của máy biến áp Đoạn b có độ dốc SLOPE 1 với điểm bắt đầu là BASE POINT 1

Đoạn c: Đoạn đặc tính có tính đến chức năng khoá bảo vệ khi xuất hiện hiện

tượng bão hoà không giống nhau ở các máy biến dòng Đoạn c có độ dốc SLOPE với điểm bắt đầu BASE POINT 2

Đoạn d: Là giá trị dòng điện khởi động ngưỡng cao IDIFF>> của bảo vệ Khi dòng điện so lệch ISL vượt quá ngưỡng cao này bảo vệ sẽ tác động không có thời gian mà không quan tâm đến dòng điện hãm IH và các sóng hài dùng để hãm bảo

vệ Qua hình vẽ ta thấy đường đặc tính sự cố luôn nằm trong vùng tác động Các dòng điện ISL và IH được biểu diễn trên trục toạ độ theo hệ tương đối định mức Nếu toạ độ điểm hoạt động (ISL, IH) xuất hiện gần đặc tính sự cố sẽ xảy ra tác động

16

Hình 2.5 Đặc tính tác động của bảo vệ so lệch

• Các y ếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch:

1 Sai số của BU, BI:

Với chế độ sự cố ngoài vùng bảo vệ:

- Dòng điện là dòng sự cố có giá trị lớn → sai số BI lớn hơn

- Phân bố dòng điện tương tự chế độ bình thường

- Dòng điện chạy qua rơle sẽ lớn → chỉnh định để rơle không tác động nên dòng khởi động của rơle sẽ phải lớn đồng thời cũng làm giảm độ nhạy của rơle

Với chế độ sự cố trong vùng bảo vệ:

- Dòng điện chạy qua rơle bằng tổng dòng hai phía → có giá trị lớn → rơle sẽ tác động ngay

- Vì vậy để tránh sự làm việc không muốn của rơle khi có ngắn mạch ngoài do sai số của BI ta sử dụng bảo vệ so lệch có hãm:

o Với chế độ sự cố ngoài vùng: dòng hãm có giá trị lớn, dòng

so lệch nhỏ

o Với chế độ sự cố trong vùng: dòng hãm có giá trị nhỏ, dòng

so lệch lớn

17

Dòng điện hãm I H được tính theo công nghệ của từng hãng sản xuất Đối với Siemens: IH = + + + + i1 i2 i3 in (lấy tổng các dòng điện các phía vào ra của

bảo vệ so lệch)

2 Tổ đấu dây của máy biến áp:

Ở đây xét máy biến áp 2 cuộn dây Khi đặt rơle so lệch để bảo MBA có tổ đấu dây hai phía khác nhau → dòng điện các phía bị lệch góc nhau Tổ đấu dây

- Đối với rơle cơ và rơle tĩnh: hiệu chỉnh góc pha bằng BI trung gian

- Đối với rơle số: hiệu chỉnh góc pha được thực hiện bằng thuật toán

BI có thể đấu hình Y cho mọi cuộn dây Khai báo vào rơle các tổ đấu dây của máy biến áp và máy biến dòng (nếu cần thiết)

3 Dòng điện thứ tự không:

Khi xảy ra sự cố chạm đất ngoài vùng bảo vệ của rơle so lệch MBA, cần sử dụng biện pháp để loại trừ ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không khi trung điểm của cuộn dây máy biến áp nối đất để tránh sự tác động nhầm của rơle so lệch

Hình 2.6 ∆ >I 0 khi không có cu ộn tam giác loại bỏ dòng thứ tự không

Cách khắc phục:

Sử dụng BI trung gian có cuộn tam giác để loại trừ thành phần I0 chạy vào rơle

18

Hình 2.7 ∆ >I 0 khi có cu ộn tam giác loại bỏ dòng thứ tự không

4 Đóng máy biến áp không tải

19

Khi áp dụng nguyên lý so lệch dòng điện để bảo vệ các máy biến áp và biến áp tự ngẫu, cần lưu ý đến khả năng bảo vệ so lệch có thể làm việc sai khi đóng máy biến áp không tải

Tùy vào thời điểm đóng máy cắt nối biến áp không tải với nguồn điện mà trị số ban đầu (xung kích) của dòng điện từ hóa máy biến áp có thể đạt trị số lớn gấp nhiều lần dòng điện danh định của máy biến áp Trường hợp xấu nhất (tương ứng với dòng từ hóa xung kích lớn nhất) sẽ xảy ra khi đóng máy cắt điện vào thời điểm điện áp nguồn có trụ số tức thời qua điểm 0

Khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hóa trở lại trị số xác lập chừng vài phần trăm dòng điện danh định

Vì dòng điện từ hóa chỉ chạy ở phía cuộn dây biến áp nối với nguồn và biến áp đang ở chế độ không tải, nên dòng điện ở cuộn dây bên kia bằng 0 Bảo vệ so lệch máy biến áp trong trường hợp này cảm nhận việc đóng máy biến áp không tải như khi có ngắn mạch bên trong máy biến áp, với nguồn cung cấp từ một phía

và nếu không có giải pháp ngăn chặn, bảo vệ có thể tác động cắt nhầm máy biến

áp

Hình 2.8 Inrush current khi đóng máy biến áp không tải

Để phân biệt trường hợp đóng máy biến áp không tải với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp, người ta căn cứ vào tính chất của dòng điện từ hóa xung kích

và dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp

Phân tích sóng hài của hai dòng điện này ta thấy, dòng điện từ hóa xung kích có chứa một lượng rất lớn sóng hài bậc hai (khoảng 70% so với hài cơ bản) và có thể đạt trị số cực đại đến khoảng 30% trị số của dòng điện sự cố Nếu thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hóa được tách ra và đưa vào tăng cường cho dòng điện hãm trong bộ so sánh của bảo vệ so lệch thì sẽ ngăn chặn được tác động nhầm khi đóng máy biến áp không tải

20

2.3.3 B ảo vệ so sánh pha dòng điện

Ngoài phương pháp sử dụng dòng điện so lệch để bảo vệ so lệch cho đường dây

có thể sử dụng tới góc pha dòng điện vào ra khỏi đối tượng

Bảo vệ so sánh pha dòng điện ở hai đầu đường dây được so sánh với nhau theo từng pha hoặc thông qua một bộ cộng pha để so sánh tổ hợp pha của dòng điện ở hai đầu đường dây Việc so sánh có thể tiến hành cho hai nửa chu kỳ (dương và âm) hoặc chỉ theo nửa chu kỳ Nguyên lý bảo vệ này được tích hợp trong rơle SEL-311L để bảo vệ cho đối tượng như trên Hình 2.9:

Hình 2.9 B ảo vệ so sánh pha SEL

Hình 2.10 minh họa nguyên lý làm việc của phần tử bảo vệ so lệch làm việc bảo

vệ cho đường dây, mặt phẳng alpha thể hiện tỉ số phức của dòng điện phía đầu đối diện (IR) so với dòng điện tại vị trí đặt bảo vệ (IL)

Hình 2.10 Nguyên lý cơ bản của bảo vệ so lệch theo góc pha

21

Giả sử phân định dòng điện chảy vào đường được bảo vệ để có góc bằng không,

và hiện tại chảy ra khỏi đường dây bảo vệ để có góc 180° Dòng tải là 5A thì dòng điện 5 0∠ ° tại rơle đầu đường dây và 5 180∠ ° tại rơle phía đầu đối diện (tương ứng với các pha lệch nhau 120° ) Các tỷ lệ dòng điện từ xa so với tại địa phương là:

5 180

1 180

5 0

AR AL

I I

I I

I I

∠ − °

Chế độ làm việc bình thường hay khi bị sự cố ngoài đường dây thì tỷ số xét là

1 180∠ ° nên lấy xung quanh điểm 1 180∠ ° làm vùng hãm độ rộng của vùng hãm này phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như ảnh hưởng của điện dung đường dây, sai số của bão hòa BI, sai số do độ trễ đường truyền …

Đặc tính bảo vệ theo nguyên lý này như trên Hình 2.11:

Hình 2.11 Đặc tính bảo vệ theo alpha plane

2.3.4 B ảo vệ khoảng cách

• Nguyên lý làm vi ệc của bảo vệ khoảng cách:

- Nguyên lý đo tổng trở được dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay thiếu (mất) kích thích

22

- Tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường (bằng thương số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải) cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố Ngoài ra, trong nhiều trường hợp tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch

- Nếu Z sc <Z dat thì rơle tác động

- Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo

vệ phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải Khi xảy ra ngắn mạch tại điểm N trên đường dây AB, tổng trở rơle đo được sẽ giảm đột ngột, nhưng độ nghiêng của vectơ tổng trở không đổi:

nó, vì vậy việc cắt chọn lọc đoạn hư hỏng được tự động thoả mãn Bộ phận cơ bản của bảo vệ khoảng cách là bộ phận đo khoảng cách (còn gọi là bộ phận đo

23

lường) làm nhiệm vụ xác định khoảng cách từ điểm ngắn mạch đến nơi đặt bảo vệ Trong sơ đồ bảo vệ khoảng cách bộ phận khoảng cách là rơle tổng trở Tổng trở từ nơi đặt bảo vệ đến điểm xẩy ra ngắn mạch được xác định theo biểu thức sau:

0

Trong đó:

- Z0: Là tổng trở suất trên 1km đường dây

- Z AN: Là khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến điểm xẩy ra sự cố ngắn mạch

Trong mạng phức tạp để bảo đảm tác động chọn lọc người ta dùng bảo vệ khoảng cách có hướng, chỉ tác động khi công suất ngắn mạch đi từ thanh góp vào đường dây Thời gian tác động của các bảo vệ theo cùng một hướng được phối hợp với nhau sao cho khi ngắn mạch ngoài phạm vi đường dây được bảo vệ, thời gian tác động của bảo vệ lớn hơn một cấp, so với bảo vệ của đoạn bị ngắn mạch

Để thực hiện các bảo vệ có hướng Trên thực tế có 3 loại đặc tính thời gian tác động của bảo vệ là:

Hình 2.16 Đặc tính thời gian của bảo vệ khoảng cách t= f I( RN)

24

Với thời gian tác động I

của đoạn đường dây được bảo vệ, để đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ khi xảy ra ngắn mạch ở các đoạn đường dây phía sau

- Vùng bảo vệ II (vùng II):

Với thời gian tác động II I

t = + ∆ ,t t bao trùm toàn bộ đường dây thứ nhất và 30÷40% chiều dài của đoạn đường dây ngay sau nó (để phối hợp với vùng thứ II của đoạn này về tính tác động chọn lọc)

- Vùng bảo vệ III (vùng III):

Với thời gian tác động III II

t =t + ∆ , dùng bt ảo vệ dự trữ cho đoạn ngay sau nó và bọc lấy toàn bộ đoạn này (khi vùng III của bảo vệ sử dụng nguyên tắc bảo vệ quá dòng) Khi vùng III của bảo vệ sử dụng nguyên tắc bảo vệ khoảng cách, vùng tác động của bảo vệ sẽ vượt qua chiều dài đường dây thứ 2

Hình 2.17 Minh h ọa các vùng của bảo vệ khoảng cách

• Các y ếu tố ảnh hưởng tới bảo vệ khoảng cách:

- Ảnh hưởng của điện trở hồ quang:

Sự cố trên đường dây tải điện thường kèm theo hồ quang (có tính chất điện trở) làm cho tổng trở sự cố đo được bị sai lệch, điểm sự cố có xu hướng dịch chuyển theo chiều tăng của điện trở trên mặt phẳng phức (R, jX) làm cho rơle tác động sai vùng, thời gian giải trừ sự cố bị trễ

Điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng đặc tính tứ giác

- Ảnh hưởng của dao động công suất (power swing):

Hiện tượng dao động của công suất tác dụng và công suất phản kháng thường xảy ra khi thệ thống chịu những kích động lớn như ngắn mạch, sự cố đường dây liên kết,… Dao động công suất có thể thể hiện như dao động tổng trở nếu không

25

có các biện pháp can thiệp thì dao động công suất có thể làm điểm làm việc rơi vào vùng tác động của rơle, gây ra cắt các phần tử trong HTĐ không mong muốn, dẫn đến các hậu quả ngiêm trọng cho lưới điện

Để phát hiện hiện tượng này các rơle sử dụng những nguyên lý khác nhau nhưng truyền thống nhất là đo tốc độ thay đổi tổng trở để phát hiện Khi xảy ra sự cố

trong HTĐ, tốc độ biến thiên dZ dt rất lớn có thể coi là vô cùng còn khi dao động công suất thì giá trị này là giới hạn

- Ảnh hưởng của phụ tải:

Tải của đường dây cũng có thể biểu diễn dưới dạng tổng trở Trên mặt phẳng tổng trở: vùng tải được ở rộng hay co hẹp tùy theo hệ số công suất của tải Trường hợp đường dây dài và mang nặng tải: vùng tải có thể chồng lấn vào đặc tính tác động, ảnh hưởng tới vùng tác động của bảo vệ khoảng cách

Để khắc phục ảnh hưởng của tải, rơle khoảng cách có thể sử dụng đặc tính elip

- Bảo vệ các đường dây song song:

Các đường dây làm việc song song với nhau có thể gặp hiện tượng hỗ cảm khi xảy ra sự cố không đối xứng từ đường này sang đường khác Tổng trở tương hỗ TTT và TTN thường nhỏ có thể bỏ qua nhưng tổng trở tương hỗ TTK có giá trị lớn (có thể tới 50-70% tổng trở đường dây)

- Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện:

Khi có phân bố dòng có thể làm co hoặc mở rộng vùng tác động của bảo vệ khoảng cách khi sự cố

• So v ới bảo vệ dòng điện có hướng đặc tính thời gian nhiều cấp thì bảo

v ệ khoảng cách có những ưu điểm cơ bản như:

- Vùng tác động của bảo vệ (đặc biệt vùng I) không thay đổi trong một khoảng lớn, ít phụ thuộc vào tình trạng làm việc của hệ thống

- Đảm bảo cắt những sự cố nghiêm trọng (gần chỗ đặt bảo vệ, gần nguồn) với thời gian nhỏ

- Bảo vệ tác động chọn lọc với những lưới phức tạp bất kỳ

- Dễ dàng cài đặt tính toán và phối hợp bảo vệ

• B ảo vệ khoảng cách cũng có những nhược điểm như:

26

- Có tính chất chọn lọc tương đối (do vùng I chỉ đặt 70-85% chiều dài đường dây, đối với vùng II và vùng III trong một số trường hợp sự

cố ngoài đường dây rơle sẽ tác động và cắt phần tử không bị sự cố)

- Khó áp dụng với các đường dây có khoảng cách nhỏ hơn 20 km

- Phải có kênh tín hiệu giữa bảo vệ khoảng cách ở 2 đầu đường dây

Hình 2.18 Phạm vi bảo vệ của BVKC

27

GI ẢI THUẬT CỦA MỘT SỐ RƠLE SO LỆCH

ĐƯỜNG DÂY 3.1 Rơle Siemens 7SD5

3.1.1 Giới thiệu chung

Hiện tại, rơle của hãng Siemens được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng Trong hệ thống truyền tải điện cao áp phần lớn được trang bị và sử dụng rơle số của Siemens Trong phần này chúng ta sẽ đi nghiên cứu nguyên lý phương thức bảo vệ của rơle so lệch dọc cũa hãng Siemens

Rơle bảo vệ so lệch của Siemens được dùng bảo vệ cho các đường dây trên không, đường dây cáp, thanh cái với các chế độ nguồn từ một phía hoặc nhiều phía đưa vào rơle Dòng rơle bảo vệ so lệch dọc của Siemens được sử dụng phổ biến trên lưới truyền tải hiện nay là rơle 7SD5 tích hợp nhiều chức năng bảo vệ bao gồm: bảo vệ so lệch dọc, bảo vệ khoảng cách, truyền cắt, chức năng đồng bộ, chống dao động công suất…

Hình 3.1 Các ch ức năng của bảo vệ của rơle 7SD5

28

3.1.2 Ch ức năng bảo vệ so lệch

Hình 3.2 B ảo vệ so lệch đường dây sử dụng rơle 7SD5

Chức năng bảo vệ so lệch dọc (87L) là chức năng chính của rơle 7SD5, chức năng bảo vệ đường dây dựa trên nguyên lý so sánh dòng điện các phía của phần

tử được bảo vệ Mỗi một đầu cuối của đường dây đều phải được lắp đặt một rơle, các rơle này sẽ trao đổi giá trị đo lường qua kênh truyền sau đó tính toán so sánh dòng điện các đầu đường dây với nhau Khi phát hiện sự cố trong vùng bảo vệ đã được cài đặt rơle xuất lệnh cắt máy cắt bảo vệ đường dây

Với rơle thế hệ 7SD5 được thiết kế để bảo vệ phần tử với tối đa 6 điểm đầu cuối

Do đó ngoài việc sử dụng để bảo vệ cho các đường dây thông thường, với đường dây có 3 và nhiều nhánh đều có thể sử dụng rơle này với khả năng đưa trực tiếp tín hiệu mạch dòng vào rơle mà không cần tạo mạch cộng dòng ngoài [2]

• Nguyên lý b ảo vệ so lệch của rơle 7SD600x:

Trong chế độ làm việc bình thường, nếu tỷ số biến dòng là hoàn toàn giống nhau, các cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng CT1 và CT2 ở hai đầu dây được kết nối

để tạo thành một mạch điện kín với dòng thứ cấp I, phần tử đo M được đặt ở điểm cân bằng vẫn duy trì dòng điện so lệch bằng 0

Khi xảy ra sự cố trong vùng được bảo vệ (vùng được giới hạn bởi các máy biến dòng), xuất hiện dòng i1+i2 tỉ lệ với dòng nhất thứ I1+I2 từ cả 2 phía đưa vào phần tử đo lường Khi dòng đưa vào đủ lớn, phần tử đo lường M sẽ tác động gửi tín hiệu cắt máy cắt hai đầu, cô lập phần tử gặp sự cố Sự cố trong vùng bảo vệ được thể hiện như Hình 3.3

Với những đường dây có điểm đấu nối chữ T hoặc với thanh cái, nguyên lý bảo

vệ so lệch được mở rộng thành lấy tổng dòng điện của các nhánh vào thiết bị bảo

vệ (Hình 3.4)

29

Hình 3.3 Nguyên lý b ảo vệ so lệch của rơle 7SD5

Hình 3.4 Nguyên lý b ảo vệ so lệch đường dây mở rộng

Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ dẫn đến dòng điện chạy qua vào vùng bảo vệ tăng cao, nếu máy biến dòng điện bị bão hòa sẽ dẫn đến có dòng so lệch chảy vào phần tử đo lường M có thể vượt qua dòng điện khởi động của rơle gây ra cắt các phần tử trong hệ thống điện không mong muốn Vì vậy, dòng điện hãm dùng để ngăn chặn các tác động nhầm trong hệ thống điện

Hình 3.5 Mô t ả chi tiết nguyên lý bảo vệ so lệch với kênh thông tin