Bài giảng bảo vệ các hệ thống điện

Nguyên nhân gây hư hỏng, sự cố đối với các phần tử trong hệ thống điện rất đa dạng: Do các hiện tượng thiên nhiên như giông bão, động đất, lũ lụt, do máy móc thiết bị bị hao mòn, già cỗi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: HỆ THỐNG ĐIỆN

***    ***

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN

Giá viên: Nguyễn Thị Khánh

Hưng Yên,tháng 6 năm 2 1

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ 1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Nhiệm vụ của BVRL

Khi thiết kế hoặc khi vận hành bất kỳ một hệ thống điện (HTĐ) nào cũng phải kể đến khả năng phát sinh các hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường trong hệ thống điện ấy Nhiệm vụ của các thiết bị bảo vệ nói chung và bảo vệ rơle nói riêng là phát hiện và loại trừ càng nhanh càng tốt phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện Nguyên nhân gây hư hỏng, sự cố đối với các phần tử trong hệ thống điện rất đa dạng: Do các hiện tượng thiên nhiên như giông bão, động đất, lũ lụt, do máy móc thiết bị bị hao mòn, già cỗi, do các tai nạn ngẫu nhiên, do nhầm lẫn trong thao tác của nhân viên vận hành v.v…

Nhanh chóng phát hiện và cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện có thể ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả tai hại của sự cố, trong đó phần lớn là các dạng ngắn mạch Dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử trên đường từ nguồn đến điểm ngắn mạch có thể gây ra những tác động nhiệt và cơ nguy hiểm cho các phần tử nó chạy qua Hồ quang tại chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết bị gây hỏa hoạn Ngắn mạch làm cho điện

áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lân cận bị giảm thấp, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của các hộ tiêu dùng điện Tồi tệ hơn, ngắn mạch có thể dẫn đến mất ổn định và tan rã hệ thống

Các dạng ngắn mạch thường gặp trong hệ thống điện là:

- Ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5% số trường hợp ngắn mạch trong HTĐ

- Ngắn mạch hai pha chiếm khoảng 10% số trường hợp ngắn mạch trong HTĐ

- Ngắn mạch hai pha nối đất chiếm khoảng 20% số trường hợp ngắn mạch

- Ngắn mạch một pha chiếm khoảng 65% số trường hợp ngắn mạch trong HTĐ

Phân theo dạng thiết bị trong hệ thống điện, tỷ lệ hư hỏng như sau:

- Đường dây tải điện trên không chiếm khoảng 50% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

- Đường dây cáp chiếm khoảng 10% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

- Máy cắt điện chiếm khoảng 15% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

- Máy biến áp chiếm khoảng 12% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

- Máy biến dòng điện, biến điện áp chiếm khoảng 2% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

- Thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ chiếm khoảng 3% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

- Các loại khác chiếm khoảng 8% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ

Ngoài các loại hư hỏng, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường Một trong những tình trạng làm việc không bình thường là quá tải Dòng điện quá tải làm tăng nhiệt

độ của các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi

bị phá hỏng

Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ các hệ thống điện hiện đại là các rơle Ý nghĩa ban đầu của rơle là phần tử làm nhiệm vụ tự động chuyển (đóng, cắt) mạch điện Ngày nay, khái niệm rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo

vệ và tự động hóa hệ thống điện, thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ hệ thống

Như vậy, nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ rơ le là tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện Ngoài ra còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện Tuỳ mức độ mà bảo vệ rơ le có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt

1.1.2 Yêu cầu cơ bản của mạch bảo vệ

Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng trên, thiết bị bảo vệ phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh, nhạy và kinh tế

a/ Tin cậy

Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn Cần phân biệt:

- Độ tin cậy khi tác động là mức độ chắc chắn rơ le hoặc hệ thống rơ le 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

- Độ tin cậy không tác động là mức độ chắc chắn rằng rơ le hoặc hệ thống rơ le 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 qui 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 rơ le và hệ thống rơ le 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)%

phải cắt máy cắt 5 ở đầu đường dây

bị hư hỏng BC Như vậy tất cả các

hộ tiêu thụ, trừ những hộ nối vào

thanh góp C sẽ tiếp tục làm việc bình

thường sau khi máy cắt cắt

Hình 1-1 Thí dụ về tính chọn lọc của bảo vệ rơ le Khi ngắn mạch tại điểm N2, để bảo đảm tính chọn lọc, bảo vệ cần phải cắt các máy cắt 1 và 2 ở hai đầu đường dây bị hư hỏng và việc cung cấp điện cho trạm B vẫn được duy trì Theo nguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân ra: - Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối là những bảo vệ chỉ làm nhiệm vụ khi sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận - Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho các bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận

Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ 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 c) Tác động nhanh Phần tử bị ngắn mạch càng được cắt nhanh, càng hạn chế được mức độ phá hoại các thiết bị, càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ dùng điện và càng có khả năng duy trì được ổn định sự làm việc của các máy phát điện và toàn bộ hệ thống 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 Vì vậy yêu cầu tác động nhanh chỉ đề ra tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làm việc của phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện Rơ le hay bảo vệ được gọi là tác động nhanh (có tốc độ cao) nếu thời gian tác động không vượt quá 50ms (2,5 chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz) Rơ le hay bảo vệ được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động rơ le Hai khái niệm tác động nhanh và tác động tức thời được dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơ le hoặc bảo vệ có thời gian tác động không quá 50ms Thời gian cắt sự cố tC gồm hai thành phần: thời gian tác động của bảo vệ tBV và thời gian tác động của máy cắt t MC tC = tBV + tMC

Đối với các máy cắt điện có tốc độ cao hiện đại tMC = (20  60)ms (từ 1  3 chu kỳ 50Hz) Những máy cắt thông thường có tMC ≤ 5 chu kỳ (khoảng 100ms ở 50Hz) Vậy thời gian loại trừ sự

cố tC khoảng từ 2 8 chu kỳ ở tần số 50Hz (khoảng 40 160ms) đối với bảo vệ tác động nhanh

~

N2

Đối với lưới điện phân phối thường dùng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ chính thông thường có thời gian cắt sự cố khoảng (0,2 1,5) giây, bảo vệ dự phòng khoảng (1,5 2,0) giây

Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độ làm việc của hệ thống (mức độ huy động nguồn), cấu hình của lưới điện, dạng ngắn mạch, vị trí của điểm ngắn mạch, Đối với các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy từ 1,5 2,0 còn đối với bảo

vệ dự phòng hệ số độ nhạy từ 1,2 1,5

e/ Tính kinh tế

Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong hệ thống điện không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra và 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 định, vì nếu không thoả mãn được các yêu cầu này

sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho hệ thống điện

Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện hoặc lưới truyền tải cao

áp Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và chi phí thấp nhất

Năm yêu cầu trên trong nhiều trường hợp mâu thuẫn nhau, ví dụ muốn có được tính chọn lọc

và độ nhạy cao cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp, bảo vệ càng phức tạp, càng khó thỏa mãn yêu cầu về độ tin cậy; hoặc những yêu cầu cao về kỹ thuật sẽ làm tăng chi phí cho thiết bị bảo

vệ Vì vậy trong thực tế cần dung hòa ở mức tốt nhất các yêu cầu trên trong quá trình lựa chọn các thiết bị riêng lẻ cũng như tổ hợp toàn bộ các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động trong hệ thống điện

1.1.3 Cơ cấu của hệ thống bảo vệ

Rơ le làm việc theo tín hiệu điện thường được nối với hệ thống điện thông qua các máy biến dòng điện (BI), các máy biến điện áp (BU), có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía

hệ thống và giảm biên độ của dòng điện, điện áp của hệ thống xuống đến trị tiêu chuẩn ở phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng các thiết bị bảo vệ, đo lường và điều khiển

Tín hiệu dòng điện và điện áp đưa vào rơ le sẽ được so sánh với ngưỡng tác động của nó, nếu vượt quá ngưỡng này rơ le sẽ tác động “tức thời” hoặc có thời gian gửi tín hiệu đi cắt máy cắt điện của phần tử được bảo vệ

Để cung cấp năng lượng cho việc thao tác máy cắt điện, rơ le và các thiết bị phụ khác, sử dụng nguồn điện thao tác riêng độc lập với phần tử được bảo vệ

Cấu trúc tổng thể của hệ thống bảo vệ như hình 1-2, Tiếp điểm phụ MCF của máy cắt điện (hoặc của rơ le phản ánh vị trí của máy cắt) có khả năng cắt dòng điện lớn để ngắt mạch dòng điện cung cấp cho cuộn cắt trước khi tiếp điểm của rơ le trở về, đảm bảo cho tiếp điểm của rơ le khỏi bị cháy vì phải ngắt dòng điện lớn

Những năm trước đây sơ đồ bảo vệ rơ le thường được tổ hợp từ nhiều rơ le và nhiều thiết bị riêng lẻ, mỗi phần tử hoặc nhóm phần tử thực hiện một chức năng nhất định trong sơ đồ bảo vệ

Ngày nay mỗi đối tượng cần được bảo vệ chỉ cần dùng một bộ bảo vệ Để tăng cường độ tin cậy có thể đặt thêm một bộ thứ hai với tính năng tương đương nhưng hoạt động theo một nguyên lý khác hoặc do nhà sản suất khác chế tạo

Nguyên lý dự phòng này còn được áp dụng cho mạch máy biến dòng điện và điện áp, cho nguồn điện thao tác và cho cả cuộn cắt của máy cắt điện như hình 1-3

1.1.4 Những thông tin cần thiết cho lựa chọn và tính toán

- Cấu hình của hệ thống

- Sơ đồ nối dây các thiết bị sơ cấp và tổng trở của chúng, điện áp, tần số và thứ tự pha

- Tổ đấu dây

- Yêu cầu về tính toán ngắn mạch

- Xác định thời gian tác động tối đa cho phép

- Yêu cầu kỹ thuật đối với bảo vệ

- Thông tin về hệ thống bảo vệ hiện hữu và yêu cầu nâng cấp, mở rộng

1.2 Các chế độ hư hỏng và làm việc không bình thường của hệ thống điện

1.2.1 Ngắn mạch

Trong hệ thống có dòng điện nối đất lớn, có các loại ngắn mạch sau đây:

- Ngắn mạch ba pha, tức ba pha chập nhau, ký hiệu N(3)

- Ngắn mạch hai pha, tức hai pha chập nhau, ký hiệu N(2)

Máy cắt điện

MC1 MC2

- Ngắn mạch một pha, tức một pha chập đất, ký hiệu N(1)

- Ngắn mạch hai pha nối đất, tức hai pha chập nhau, đồng thời chập đất ( Tại cùng điểm

đó ) ký hiệu N(1,1)

Ngắn mạch ba pha là loại ngắn mạch đơn giản nhất, ta gọi là ngắn mạch đối xứng, vì lúc đó tất cả ba pha đều được đặt dưới điện áp và dòng điện như nhau và lệch nhau một góc1200 Còn các loại ngắn mạch khác gọi là ngắn mạch không đối xứng, vì lúc đó điện áp các pha khác nhau do đó dòng điện cũng khác nhau và lệch pha nhau nói chung một góc khác 1200

Trường hợp hệ thống có dòng điện nối đất bé thì một pha chạm đất không tạo thành ngắn mạch, ta không xét ở đây, còn ngắn mạch hai pha nối đất sẽ biến thành ngắn mạch hai pha (vì dòng điện ngắn mạch không đi qua đất) Như vậy trong hệ thống có dòng điện nối đất bé chỉ có hai trường hợp ngắn mạch ba pha và ngắn mạch hai pha Hình qui ước và xác suất xảy ra các loại ngắn mạch ta ghi ở bảng 1-1

Bảng 1-1 cho thấy rằng ngắn mạch một pha xảy ra nhiều nhất, còn ngắn mạch ba pha xảy ra

ít nhất, nhưng chúng ta vấn phải nghiên cứu ngắn mạch ba pha vì :

- Nó vẫn có thể xảy ra

- Có lúc nó quyết định sự làm việc của hệ thống điện, nhất là về mặt ổn định

- Ngoài ra nó còn có một tầm quan trọng đặc biệtlà tất cả các loại ngắn mạch không đối xứng

có thể dùng phương pháp thành phần đối xứng để đưa về ngắn mạch ba pha đối xứng

a.Nguyên nhân của ngắn mạch

Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là do các điện bị hỏng Lý do cách điện bị hỏng có thể là: bị già cỗi khi làm việc lâu ngày, chịu tác động cơ khí gây vỡ nát, bị tác động của nhiệt độ phá huỷ môi chất, xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc Những nguyên nhân tác động cơ khí có thể do con người ( như đào đất, thả diều ), do loài vật (rắn bò, chim đậu ), hoặc do gió bão làm gẫy cây, đổ cột, dây dẫn chập nhau Sét đánh gây phóng điện cũng là một nguyên nhân đáng kể gây hiện tượng ngắn mạch (tạo ra hồ quang điện giữa các dây dẫn) Ngắn mạch còn có thể do thao tác nhầm, ví dụ phóng điện sau sửa chữa quên thao dây nối đất

b.Hậu quả của ngắn mạch

Ngắn mạch là một loại sự cố nguy hiểm vì khi ngắn mạch dòng điện đột ngột tăng lên rất lớn, chạy trong các phần tử của hệ thống điện và chúng có thể gây ra:

- Phát nóng cục bộ rất nhanh, nhiệt độ lên cao có thể gây cháy nổ

- Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị điện, làm biến dạng hoặc gây vỡ các bộ phận như sứ đỡ, thanh dẫn

- Gây sụt áp lưới điện làm động cơ ngừng quay, ảnh hưởng đén năng suất làm việc của máy móc, thiết bị

- Gây mất ổn định của hệ thống điện do các máy phát bị mất cân bằng công suất quay theo những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ

- Tạo ra các thành phần dòng điện không đối xứng, gây nhiễu các đường dây thông tin ở gần

- Nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, làm gián đoạn việc cung

Bảng 1-1 : Hình qui ước và xác suất xảy ra các loại ngắn mạch

hiệu

Xác xuất xảy ra%

Hình 1-4 Chạm đất một pha trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập

hồ quang

a Sơ đồ nguyên lý b Hệ thống điện áp khi chạm đất 1 pha c Dòng điện khi một pha

chạm đất

1.2.3 Đứt dây ( hoặc hở mạch) một pha

Thực tế vận hành cho thấy có thể xảy ra trường hợp hở mạch một hoặc hai pha do đứt dây ( tụt lèo) hoặc đầu tiếp xúc của máy cắt điện bị hở, gây nên chế độ vận hành không toàn pha trong hệ

Ở chế độ vận hành không đủ cả ba pha sẽ xuất hiện chế độ không cân bằng và thành phần dòng điện thứ tự nghịch chạy vào các máy điện quay, tạo nên từ thông thứ tự nghịch quay ngược chiều với roto với tốc độ tương đối bằng 2 lần tốc độ đồng bộ Vận tốc cắt roto rất lớn này làm xuất hiện trong thân roto và cuộn dây roto dòng điện cảm ứng rất lớn đốt nóng roto và stato của máy điện quay

Biên độ của thành phần thứ tự nghịch trong dòng điện stato của máy phát điện đồng bộ phụ thuộc cấu hình của hệ thống điện Với trường hợp đường dây truyền tải đơn trên hình 1 5a thành phần thứ tự nghịch có thể xác định theo sơ đồ phức hợp trên hình 1.5b Khi đứt dây pha A và máy biến áp có tổ đấu dây Y/Δ- 11 ta có:

Hình 1 5-Đứt dây một pha trên đường dây truyền tải (a) và sơ đồ đẳng trị phức hợp (b)

1.2.4 Các vòng dây trong máy điện chập nhau

Các vòng dây trong máy điện ( máy phát điện, máy biến áp, động cơ điện…) có thể bị chập nhau ở một pha nào đó hoặc ở các cuộn dây song song trong cùng một pha Nguyên nhân làm cho các vòng dây chập nhau là cách điện bị hỏng do tác động cơ giới từ bên ngoài hoặc sét đánh

a Đối với máy phát điện đồng bộ

Hư hỏng cách điện thường làm cho các vòng dây chạm nhau hoặc chạm thân máy Dòng điện trong các vòng dây bị chập có thể đạt trị số rất lớn làm hỏng cuộn dây Trong máy phát điện với cuộn dây stato có hai nhánh song song trong một cuộn kép, khi có một số vòng dây chập nhau, sức điện động cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dòng điện cân bằng chạy quẩn trong mạch vòng sự cố, đốt nóng cuộn dây và có thể gây hư hỏng nghiêm trọng ( Hình 1.6b) Các vòng dây chập nhau trong rãnh thân stato của máy phát điện thường chỉ xảy ra đối với máy phát có công suất vừa và nhỏ, ở các máy phát này, trong một rãnh người ta có thể đặt nhiều thanh dẫn thuộc các vòng dây khác nhau Ở những máy phát điện công suất lớn trong mỗi rãnh thường chỉ đặt một thanh dẫn ( rỗng, làm mát từ bên trong) vì vậy khả năng các vòng dây bị chập nhau chỉ xảy ra khi cách điện bị hỏng ở hai rãnh khác nhau hoặc các vòng dây ở phần ngoài thân stato bị chập nhau ( ở vành nối giữa các thanh dẫn với nhau)

Hình 1.6 – Chạm chập các vòng dây trong mạch stato máy phát điện đồng bộ với các cuộn dây đơn

(a), cuộn dây kép (b)

Về lý thuyết cũng có thể xảy ra ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stato của máy phát điện đồng bộ, tuy nhiên thống kê thực tế cho thấy rất ít xảy ra trường hợp này Tính toán dòng điện sự cố cho trường hợp các vòng dây bị chập nhau hoặc ngắn mạch nhiều pha trong cuộn stato rất phức tạp

Hình 1.7 – Chạm đất 1 điểm (a) và chạm đất hai điểm (b) trong cuộn dây roto máy phát điện đồng

bộ

b Đối với máy biến áp

Chạm chập các vòng dây trong máy biến áp có thể xảy ra do quá điện áp khí quyển hoặc cách điện bị già cỗi Dòng điện sự cố chạy trong mạch vòng bị chập có thể lớn gấp nhiều lần dòng điện danh định của máy biến áp tùy theo số vòng bị chập ( Hình 1.8) Dòng điện này tạo ra xung lực lớn xô đẩy các vòng dây của máy biến áp trong nhiều trường hợp có thể làm hỏng cuộn dây Bảo vệ quá dòng điện đặt ở máy biến áp thường khó phát hiện sự cố chập các vòng dây, vì theo quan hệ cân bằng sức từ động, dòng điện pha sự cố có thể tăng lên không đáng kể so với trị số danh định Tuy nhiên sự cố các vòng dây chạm nhau có liên quan tới thay đổi áp suất dầu ( do lực điện động khi các vòng dây bị xô đẩy tạo nên, do hồ quang tại chỗ bị chạm chập làm dầu bốc hơi….) hoặc làm nhiệt độ dầu tăng cao, khi ấy role khí hoặc role quá nhiệt có thể tác động cắt máy biến áp ra khỏi

Máy điện quay có công suất càng lớn thì khả năng chịu quá tải theo dòng điện thứ tự nghịch ( tính trong hệ đơn vị tương đối) càng thấp

1.3 Các phần tử chính của bảo vệ

1.3.1 Máy biến dòng điện

a Cách đánh dấu đầu dây của máy biến dòng điện

Biến dòng điện làm nhiệm vụ cách ly mạch thứ cấp nối vào các rơ le khỏi điện áp cao của mạch sơ cấp và đảm bảo trị số tiêu chuẩn các dòng điện thứ cấp (1A, 5A) khi dòng điện sơ cấp định mức có trị số khác nhau Ngoài ra biến dòng điện còn tạo khả năng phối hợp các pha một cách hợp

lý theo yêu cầu của bảo vệ

Đối với một số thiết bị đo lường và bảo vệ làm việc theo góc lệch pha của dòng điện cần phải nối đúng đầu các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến dòng Các đầu cuộn dây sơ cấp được ký hiệu S1 và S2, còn các đầu cuộn dây thứ cấp T1 và T2 Các đầu dây được xác định theo quy tắc sau: Chọn đầu S1 của cuộn sơ cấp với qui ước là khi giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp IS đi từ đầu S1

đến S2 còn dòng điện thứ cấp IT sẽ đi từ T2 đến T1 (hình 1-9,a)

Các đầu cùng tên (đôi khi là S1 và T1) đôi khi được đánh dấu (*) hoặc nếu trên hình vẽ không ghi ký hiệu thì được hiểu là đầu cùng tên (S1 và T1 hoặc S2 và T2) nằm cạnh nhau

Các đầu dây của máy biến dòng có thể được kiểm tra bằng thực nghiệm Theo sơ đồ đơn giản gồm một Miliampemet có thang đo về hai phía và một bộ pin hoặc ắc quy như hình 1-9,b

Nếu các đầu dây đấu đúng như hình vẽ thì khi công tắc K đóng kim của mA lệch về phía cực dương (+), còn khi công tắc K mở thì kim sẽ lệch về phía cực âm (-)

b Sai số của máy biến dòng

- Sai số về trị số dòng điện: bằng hiệu số giữa biên độ dòng điện sơ cấp sau khi đã tính đổi

(I’S) và dòng điện thứ cấp IT

- Sai số góc i : bằng góc lệch pha  giữa véc tơ dòng điện sơ cấp và véc tơ dòng điện thứ cấp

- Sai số phức hợp F i : bằng trị số hiệu dụng của dòng điện “thứ cấp lý tưởng” với dòng điện

thứ cấp thực tế, nó bao gồm các sai số về trị số và sai số về góc pha có kết hợp xét đến ảnh hưởng của các hài bậc cao trong dòng điện từ hoá

Fi% = 100

S

T

S T i

I

dt i i n

0

2)(

1

Hình 1-9: Đánh dấu đầu các cuộn dây của máy biến dòng (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Bằng thực nghiệm

Trong đó: Fi%: Sai số phức hợp tính bằng %

T: Chu kỳ của dòng điện xoay chiều S

ni: Tỷ số biến đổi của máy biến dòng

iT: Giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp

IS và iS tương ứng là giá trị hiệu dụng và tức thời của dòng điện sơ cấp Cấp chính xác của máy biến dòng dùng cho đo lường và bảo vệ theo bảng 1

Bảng 1: Cấp chính xác của máy biến dòng

ANSI (Mỹ)

Mạch Ampemet, Volmet, rơ le quá dòng quá áp 3,5 3,0 1,2

c Yêu cầu về độ chính xác của máy biến dòng dùng trong mục đích bảo vệ rơ le

Các thiết bị bảo vệ rơ le phải làm việc trong điều kiện sự cố với dòng điện sơ cấp vượt nhiều lần so với dòng điện định mức, tuy vậy vẫn phải đảm bảo độ chính xác cần thiết

Trị số dòng điện sơ cấp mà ở đó BI còn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu được gọi là dòng điện giới hạn theo độ chính xác

Tỷ số dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng điện định mức gọi là hệ số giới hạn theo độ chính xác

Các BI dùng cho thiết bị bảo vệ có cấp chính xác 5P và 10P, sai số cho phép về trị số (fi); góc pha (i, phút) và sai số phức hợp (Fi%) theo bảng 2

Bảng 2: Giới hạn sai số của BI có cấp chính xác 5P và 10P

d Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện

Từ sơ đồ thay thế của BI trên (Hình 1-10) khi mạch thứ cấp của BI bị hở, nếu phía sơ cấp có

dòng điện thì toàn bộ dòng điện sơ cấp ấy sẽ làm nhiệm vụ từ hoá, từ cảm Bm tăng lên đột ngột gây bão hoà cho mạch từ nên các đường cong biến thiên theo thời gian của độ từ cảm B và từ thông F có dạng bằng đầu Khi dòng điện sơ cấp qua trị số không, sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp

của máy biến dòng có dạng đỉnh nhọn với biên độ rất lớn (hình 1-11) Đặc biệt trong chế độ sự cố,

khi dòng điện sơ cấp đạt bội số lớn, sức điện động cảm ứng phía thứ cấp có thể đến hàng chục ki lô vôn, rất nguy hiểm cho người và thiết bị bên thứ cấp Vì vậy không được để hở mạch phía thứ cấp của BI trong khi phía sơ cấp có dòng điện chạy qua Trong trường hợp cần thực hiện đổi nối phía thứ cấp khi có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp thì phải nối tắt các cực thứ cấp của BI trước khi tiến hành đổi nối Chế độ làm việc với cuộn thứ cấp bị nối ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của máy biến dòng

Hình 1-10 Đồ thị minh hoạ ký hiệu BI dùng trong bảo vệ

Hình 1-11 Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp i S , từ thông F,

từ cảm B và sức điện động thứ cấp e T theo thời gian (b)

e Sơ đồ nối các máy biến dòng và rơ le

* Sơ đồ nối các BI theo hình sao hoàn toàn

Trong sơ đồ này các biến dòng điện đặt trên cả ba pha, cuộn dây của rơ le được nối vào dòng

điện ba pha toàn phần (hình 1-12) Dây trung tính (dây về) bảo đảm sự làm việc đúng của sơ đồ khi

ngắn mạch chạm đất Khi hệ thống làm việc bình thường và khi ngắn mạch không chạm đất dòng điện 3 0



I = 0 và trong dây trung tính, về nguyên tắc, không có dòng điện

Khi ngắn mạch chạm đất dòng điện chạy trên dây trung tính là

Hình 1-12

Sơ đồ nối các biến dòng điện và rơ le

Hình 1-13

Sơ đồ nối các biến dòng điện và rơ le

theo hình sao khuyết

Sơ đồ hình sao hoàn toàn có thể làm việc cả khi ngắn mạch một pha Tuy nhiên, hiện nay để bảo vệ chống ngắn mạch một pha, người ta thường dùng sơ đồ hoàn hảo hơn có bộ lọc thành phần thứ tự không

* Sơ đồ nối các biến dòng điện và rơ le theo hình sao khuyết

Các biến dòng điện chỉ đặt trên hai pha, cuộn dây của rơ le cũng nối vào dòng điện pha toàn

phần (hình 1-13)

Khi không có thành phần dòng điện thứ tự không, dòng điện trên dây về bằng

)( a c

về bảo đảm sự làm việc bình thường của các biến dòng điện trong tình trạng này Dây về còn bảo đảm sự tác động đúng của bảo vệ khi ngắn mạch hai pha trong đó một pha không đặt biến dòng điện (pha B) và khi ngắn mạch nhiều pha chạm đất

Khi ngắn mạch một pha ở pha không đặt biến dòng điện (pha B ở hình 1-13), sơ đồ hình sao khuyết sẽ không làm việc, vì vậy sơ đồ này chỉ dùng để chống ngắn mạch nhiều pha

* Sơ đồ nối một rơ le vào hiệu số dòng điện hai pha (hình 1-14)

Sơ đồ này còn được gọi là sơ đồ hình số 8 Dòng điện đi vào rơ le là:

.





ở tình trạng đối xứng I R I a I c

.

.

3

Như vậy, hệ số sơ đồ k sd  3

Sơ đồ dùng một rơ le nối vào hiệu số dòng điện hai pha có độ nhạy phụ thuộc vào dạng ngắn mạch kn =

KdR

R I I

+ Khi ngắn mạch ba pha dòng điện trong rơ le I(3)R =  3.I(3)NT (hình 1-24,b), trong đó I(3)NT

là dòng điện ngắn mạch ba pha đã quy đổi về phía thứ cấp cua biến dòng điện

Hình 1-14

Sơ đồ nối một rơ le vào hiệu số dòng điện hai pha (a)

và đồ thị véc tơ của dòng điện thứ cấp và dòng điện qua rơ le

ở các dạng ngắn mạch ba pha (c) và hai pha (b)

+ Khi ngắn mạch hai pha có đặt biến dòng điện (A.C) I(2)R.AC = 2 I(2)NT

+ Khi ngắn mạch hai pha, trong đó một pha không đặt biến dòng điện ( AB và BC ): I(2)R.ab = I(2)NT ( hình 2-8,c )

Giả sử khi ngắn mạch 2 pha và 3 pha giá trị dòng điện ngắn mạch bằng nhau : I(3)NT = I(2)NT ta có:

a, Sơ đồ cấu trúc; b, Bộ lọc dùng ba máy biến dòng

c, Bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây trên không

Trong lưới có dòng chạm đất bé (trung tính cách điện hoặc nối đất qua điện kháng lớn) dùng

các bộ lọc thứ tự không làm việc theo nguyên lý cộng từ thông của ba pha dòng điện sơ cấp (Hình 15,c,d)

1-Chú ý: Khi lắp biến dòng thứ tự không ở đầu cáp, dây nối đất vỏ cáp phải xuyên lõi mạch từ

để khử thành phần từ thông do dòng điện phân bố trong đất có thể chạy qua vỏ cáp và dây nối đất gây nên

* Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2)

Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2) như hình 1-16

Dòng điện thứ cấp của BI pha A là ITA chạy qua R1, dòng điện thứ cấp của BI pha C là ITC

chạy qua R2 và X nối tiếp nhau Các dòng điện này gây nên các thành phần điện áp giáng tương ứng: UR1, UR2, UX

Khi xuất hiện dòng thứ tự nghịch, điện áp ở đầu ra của bộ lọc Umn có trị số lớn (hình 1-16,d)

Hình 1-26 Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI 2

a, Sơ đồ cấu trúc - b, Mạch điện - c, Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự thuận, -

d, Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự nghịch

1.3.2 Biến điện áp

Máy biến điện áp làm nhiệm vụ giảm điện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn 100V hoặc 110V đồng thời cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp

Đầu các cuộn dây máy biến điện áp cũng được đánh dấu tương tự như đã xét đối với máy biến dòng điện

Giới hạn sai số của máy biến điện áp dùng trong bảo vệ theo bảng sau:

a Sơ đồ nối các cuộn dây của máy biến điện áp

*) Sơ đồ nối các cuộn dây theo hình sao

Có thể dùng ba biến điện áp một pha hoặc một biến điện áp ba pha

Sơ đồ có thể cung cấp cho rơ le các điện áp dây, các điện áp pha và các điện áp giữa các pha

và điểm trung tính của hệ thống điện áp dây (hình 1-17,a,b,c) Trên hình 1-17,c điện áp đặt vào các

Để thực hiện sơ đồ này cũng có thể dùng máy biến áp ba pha năm trụ

* Sơ đồ nối các cuộn dây theo hình chữ V (sao khuyết) (Hình 1-18)

Sơ đồ được tạo thành bởi hai biến điện áp một pha nối vào hai điện áp dây bất kỳ của mạng sơ cấp và được dùng rộng rãi trong các hệ thống điện áp dưới 35kV khi không cần phải nhận điện

áp pha đối với đất

*, Sơ đồ bộ lọc điện áp thứ tự không (LU0) (Hình 1-19)

Hình 1-18

Sơ đồ nối các cuộn dây của hai máy biến điện áptheo hình V/V

Hình 1-19 Các bộ lọc điện áp thứ tự không

Sơ đồ được tạo thành bởi

ba biến điện áp một pha hoặc

một biến điện áp ba pha năm trụ

có hai cuộn dây thứ cấp, một

cuộn dây nối hình sao có trung

tính nối đất, một cuộn nối hình

tam giác hở Điện áp đặt vào rơ

le nối vào hai đầu tam giác hở



Cũng có thể nhận nhận được điện áp UO bằng cách nối đất điểm trung tính của hệ thống, thí dụ

của máy phát điện (hình 1-19,b) qua một biến điện áp một pha Rơ le được nối vào cuộn thứ cấp của

biến điện áp Khi chạm đất sẽ có dịch chuyển điện áp

UO của điểm trung tính và trên các cực của rơ le có điện áp UR 1 U0

u n

*, Bộ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) (hình 1-20)

Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) như hình 1-20

Các điện trở tác dụng R1, R2 và tụ C1, C2 được nối vào điện áp dây phía thứ cấp của máy biến điện áp

Thông số của tụ điện và điện trở được chọn theo quan hệ:

1 1

.3

Umn

A

ŮBC ŮAB

ŮBn ŮmB

a- Nguyên tắc tác động

Rơ le dòng điện kiểu điện từ làm việc dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa phần động làm bằng chất sắt từ và từ trường của cuộn dây có dòng điện chạy qua

Về cấu tạo rơ le điện từ được chia thành ba loại:

- Rơ le điện từ có phần động đóng mở ( Hình 1- 21,a )

- Rơ le điện từ có phần động quay ( Hình 1- 21,b )

- Rơ le điện từ có phần động chuyển động tịnh tiến ( Hình 1- 21,c )

Mỗi loại đều có lõi sắt 3 trên đó có quấn cuộn dây 5, phần động 1, các tiếp điểm 4 và lò xo cản

2

Dòng điện iR chạy trong cuộn dây gây nên từ thông  đi qua lõi sắt và khe hở không khí  Khi hệ thống từ không bão hoà trị số tức thời của mô men quay tỷ lệ với bình phương của trị số tức thời của từ thông t hay của dòng điện iR :

Mt = k1 t2 = k2 iR2

Từ biểu thức này ta thấy dấu của mô men quay không phụ thuộc vào dấu của dòng điện tạo nên mô men đó Như vậy các rơ le điện từ làm việc được với cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều

b) Dòng điện khởi động và dòng điện trở về

Để rơ le tác động được ( phần động bị hút vào lõi sắt và tiếp điểm 4 đóng lại ) phải tăng dòng điện iR đến trị số sao cho mô men quay điện từ Mt thắng được mô men cản cơ khí khởi động Mckđ :

Mt  Mckđ

Mô men cản cơ khí khi rơ le khởi động gồm mô men cản của lò xo Mlx, mô men ma sát Mms

và mô men do trọng lượng của phần động Mp Vậy ở điều kiện khởi động:

Tương ứng với Mkđ có một giá trị xác định của dòng điện iR cần thiết cho sự khởi động

Dòng điện bé nhất tương ứng với điều kiện khởi động gọi là dòng điện khởi động của rơ le

I kđR

Sau khi rơ le đã tác động, để phần động của rơ le có thể trở về vị trí ban đầu phải giảm dòng

điện iR sao cho mô men quay điện từ M phải nhỏ hơn mô men cản cơ khí Cần chú ý rằng mô men

ma sát cản trở phần động khi trở về nên dấu của nó ngược với dấu của mô men cản của lò xo và mô

men do trọng lượng Vậy mô men cản cơ khí khi trở về Mcv là:

Dòng điện lớn nhất tương ứng với điều kiện trở về, gọi là dòng điện trở về I VR của rơ le

Tỷ số giữa dòng điện trở về với dòng điện khởi động gọi là hệ số trở về kvR của rơ le:

Vì Mckđ và Mcv khác nhau khá nhiều nên IkđR và IvR cũng khác nhau khá nhiều và hệ số trở về

của rơ le bé Đây là khuyết điểm đáng kể của rơ le có phần động đóng mở

c) Hiện tượng phần động rung của rơ le điện từ

(b)

Khi rơ le làm việc với dòng điện

xoay chiều iR = IRm sint thì trị số của

mô men quay Mt bằng:

Mt = k2.i2R = k2 I2Rm.sin2t

= k2.I2R - k2 I2Rm.cos2t

Số hạng thứ nhất của biểu thức trên

không phụ thuộc vào thời gian cho giá

trị trung bình trong một chu kỳ của mô

men quay Số hạng thứ hai biến thiên

theo quy luật hình sin với tần số gấp

đôi Kết quả là phần động của rơ le

dòng điện xoay chiều chịu tác động của

mô men biến thiên với tần số gấp đôi

từ tr ị số không đến

2 T= 

Để loại trừ hiện tượng rung cần phải có biện pháp làm giảm sự đập mạch của mô men quay theo thời gian Điều này có thể thực hiện được bằng cách tạo ra hai từ thông lệch pha nhau Phương pháp thường dùng để tạo ra hai từ thông lệch pha nhau là dùng vòng ngắn mạch (thường là một vòng đồng) bọc lấy một phần cực của rơ le (hình 1-23)

Từ thông chạy trong lõi sắt gồm hai thành phần: I qua vòng ngắn mạch, II không qua vòng ngắn mạch Từ thông I cảm ứng ra trong vòng ngắn mạch suất điện động EN có chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai chậm pha sau từ thông I một góc 90o

Suất điện động EN gây ra trong vòng ngắn mạch dòng I'N ( đã tính đổi về số vòng của cuộn dây của rơ le ) coi như trùng pha với EN ( hình 1 - 24 ) vì góc tổng trở của vòng ngắn mạch rất bé Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép, từ thông I đồng pha với dòng điện từ hoá

Khi hai từ thông I và II có trị số gần bằng nhau và góc lệch pha giữa chúng gần bằng 90o thì

độ đập mạch theo thời gian của mô men tổng sẽ giảm đi rất nhiều và giá trị tức thời có thể luôn luôn lớn hơn mô men cản cơ khí, lúc này phần động sẽ không rung nữa

Hình 1 -22 Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay Mt

và các thành phần của nó với thời gian đối với rơ le dòng

EN ,, IN EN ,, IN

Hình 1-23 :

Rõ le ðiện từ có vòng ngắn mạch

II -I 'N

Hiện nay nguyên tắc điện từ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các rơ le làm việc theo một đại lượng điện (dòng điện, điện áp) và cả một số tác động rơ le phụ khác (rơ le trung gian, tín hiệu vv )

Khi lựa chọn được cấu tạo hợp lý, rơ le có phần động quay có thể chế tạo được các rơ le có hệ

số trở về cao, thời gian trở về bé, sai số quán tính nhỏ, công suất tiêu thụ không lớn lắm và có độ chính xác cần thiết

1.3.3.2 Rơ le dòng điện kiểu cảm ứng

a) Nguyên tắc tác động

Rơ le cảm ứng là loại rơ le dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa các từ thông do dòng điện chạy trong cuộn dây đứng yên gây nên với các dòng điện cảm ứng gây ra bởi các từ thông đó trong phần động của rơ le Do vậy, các rơ le cảm ứng chỉ làm việc được với dòng điện xoay chiều

Muốn tạo được mô men quay các rơ le cảm ứng phải có ít nhất là hai từ thông lệch pha nhau

về không gian và về thời gian Các dòng điện cảm ứng trong phần động của rơ le chỉ tạo nên những thành phần mô men quay với các từ thông không sinh ra chúng

φ 90º 90º

Hình 1-25

Rơ le dòng điện có vòng cảm ứng ngắn mạch (a)

và đồ thị véc tơ (b)

thuộc vào trạng thái của đĩa (quay hay không quay) Ngoài ra, khi đĩa quay cắt các từ thông I và

II,trong đĩa sẽ xuất hiện thêm các suất điện động cắt và các dòng điện tác dụng tương hỗ với các từ thông đó và gây nên mô men Mcắt chống lại chiều quay của đĩa

Các suất điện động EI và EII sinh ra trong đĩa các dòng điện II và III tương ứng đồng pha (vì góc tổng trở của đĩa rất bé) Với chiều dương của các từ thông, suất điện động và dòng điện như đã chấp nhận trên hình 1-25,a có thể vẽ được đồ thị véc tơ của chúng trên hình 1-25,b

Chọn chiều quay ngược chiều kim đồng hồ làm chiều dương thì mô men quay MIt do từ thông It và dòng điện III sinh ra có chiều dương, còn mô men quay MIIt do IIt và dòng II sinh ra

có chiều âm (xác định theo quy tắc bàn tay trái)

Nếu hệ thống từ không bão hoà, trong rơ le có vòng ngắn mạch cả hai từ thông I và II đều

tỷ lệ với dòng điện IR đã sinh ra chúng cho nên:

+ Các mô men hãm do các dòng điện cắt và nam châm vĩnh cửu 4 gây ra không ảnh hưởng đến dòng điện khởi động của rơ le vì chúng chỉ xuất hiện khi đĩa bắt đầu quay

Trong rơ le mô men cản thường được tạo ra bởi một lò xo hình xoắn ốc 5 nối với trục của đĩa Trong trường hợp này, khi tính đến cả mô men ma sát Mms, điều kiện khởi động là

b) Lĩnh vực ứng dụng:

Rơ le dòng điện cảm ứng bảo đảm được thời gian làm việc cần thiết mà không cần rơ le thời gian riêng Nếu chế tạo tốt rơ le có hệ số trở về khá cao, độ chính xác đầy đủ, sai số do quán tính bé

và công suất tiêu thụ thích hợp

Các rơ le dòng điện cảm ứng thường dùng để bảo vệ các mạng điện áp thấp (đến 10 kV) không đòi hỏi rơ le thời gian riêng và có thể làm việc với dòng điện thao tác xoay chiều

Tuy nhiên rơ le dòng điện cảm ứng không thể thay thế cho rơ le dòng điện điện từ có công suất tiêu thụ bé hơn và độ nhạy cao hơn

U

I 

Trong đó, ZR - tổng trở của cuộn dây rơ le

UR - điện áp đặt vào rơ le R

R u

U U n

Biểu thức trên cho thấy rơ le làm việc theo điện áp của mạng

Các rơ le điện từ có cấu tạo giống như các rơ le dòng điện điện từ, chỉ khác là cuộn dây điện

áp có số vòng nhiều hơn và tiết diện dây nhỏ hơn

1.3.3.4 Rơ le thời gian

Rơ le thời gian dùng để tạo thời gianlàm việc cần thiết cho bảo vệ rơ le và tự động hoá

Nguyên lý cấu tạo của rơ le được trình bày trên hình 1 - 26

Khi cuộn dây 1 có dòng điện, phần động 2 bị hút tức thời, cần động 4 được tự do và dưới tác động của lò xo 3 nó sẽ quay chậm nhờ có cơ cấu đặc biệt định thời gian giữ lại

Sau một thời gian tR nào đó tuỳ thuộc

vào khoảng cách l (hoặc góc ) và tốc độ

chuyển động cần 4 hoàn thành góc quay và

đóng tiếp điểm 8 lại Như vậy rơ le thời gian

tác động với thời gian:

R R

Hình 1 - 26:

Nguyên lý cấu tạo của rơ le thời gian

Khi cắt mạch cuộn dây phần động 2 và

cần 4 trở về ngay vị trí ban đầu nhờ lò xo 3,

tiếp điểm 8 mở ra tức thời

Muốn điều chỉnh thời gian tR, ta thay

đổi góc quay  bằng cách thay đổi vị trí của

tiếp điểm 8

Trong một vài loại rơ le thời gian còn

có thêm tiếp điểm đóng ngay 9 cho phép

đóng mạch với thời gian bé (khoảng 0,15 -

0,2 giây) và không điều chỉnh được

Để giảm kích thước của rơ le, cuộn dây của rơ le thường được tính toán thiết kế theo chế độ làm việc ngắn hạn Do vậy, để ổn định nhiệt cho cuộn dây cần nối lâu dài vào điện áp của nguồn thao tác, phải mắc một điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây như trên hình 1- 27 Bình thường điện trở phụ rP bị nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng mở ngay (tiếp điểm trên, hình 1 - 27) Sau khi rơ le tác động, tiếp điểm này mở ra và điện trở phụ được đưa vào mạch cuộn dây để hạn chế dòng điện đến trị số cho phép theo điều kiện phát nóng, đồng thời đủ để duy trì rơ le ở trạng thái tác động

1.3.3.5 Rơ le trung gian

Rơ le trung gian là một loại rơ le phụ được sử dụng khi cần đóng, cắt đồng thời nhiều mạch điện độc lập hoặc khi cần đến các rơ le có tiếp điểm công suất đủ lớn để đóng cắt mạch có dòng điện lớn

Khi bảo vệ tác động, trong cuộn dây của rơ le có tín hiệu dòng điện chạy qua, rơ le đóng tiếp điểm để cho con bài tín hiệu rơi xuống vị trí trông thấy được qua nắp vỏ trong suốt của rơ le

Do dòng điện chỉ chạy qua rơ le trong một thời gian rất ngắn nên rơ le tín hiệụ được chế tạo sao cho con bài tín hiệu và tiếp điểm của rơ le vẫn được giữ ở trạng thái tác động cho đến khi nhân viên vận hành phục hồi lại trạng thái ban đầu của chúng

1.3.3.7 Rơ le bán dẫn

Việc sử dụng các dụng cụ bán dẫn ( điốt và triốt ) cho phép giảm kích thước của rơ le, giảm công suất tiêu thụ từ các máy biến áp đo lường, nâng cao độ nhạy, cải thiện các đặc tính và chế tạo được các rơ le không tiếp điểm và không có phần động

Các rơ le đơn giản làm việc theo một đại lượng điện - dòng điện hoặc điện áp, sử dụng dòng điện chỉnh lưu bằng điốt Trong trường hợp này bộ phận thực hiện thường là các rơ le điện từ có độ nhạy cao, rơ le phân cực hay rơ le từ điện Các rơ le phức tạp hơn như rơ le công suất, rơ le tổng trở làm việc theo hai đại lượng điện (dòng điện và điện áp) có thể thực hiện bằng cách ứng dụng một trong các nguyên tắc sau đây:

- So sánh các giá trị tuyệt đối của hai đại lượng U I



và U II

 Trong các rơ le này các điện áp xoay chiều U I



và U II

được chỉnh lưu rồi sau đó được so sánh với nhau về trị số tuyệt đối nhờ một



và U II



Hình 1 - 29:

Sơ đồ nối dây của rơ le tín hiệu nối tiếp (a), song song (b)

Hình 1 – 29:

Trong cả hai trường hợp, các đại lượng cần so sánh đều là những hàm số tuyến tính của dòng điện IR và điện áp UR đặt vào rơ le:

R R

Các rơ le dòng điện và điện áp thuộc loại rơ le làm việc theo một đại lượng điện

Thường dùng nhiều nhất là các rơ le nối vào dòng điện hoặc điện áp của mạng điện qua chỉnh lưu CL bằng điốt bán dẫn , nối theo sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ( hình 1-29,a ) Bộ phận thực hiện RL là rơ le dòng điện điện từ, từ điện hoặc rơ le phân cực được nối vào dòng điện chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

Dòng điện chỉnh lưu 



I  có các trị số tức thời tỷ lệ với các trị số tức thời tương ứng của

dòng điện xoay chiều i = Im.sin t Bởi vậy đường biểu diễn 



I  = f(t) có dạng đập mạch, biến

thiên từ không đến cực đại và không đổi dấu (hình 1 - 29,b) Dòng điện này bằng tổng của thành phần không đổi Id và các thành phần điều hoà bậc chẵn Vì trị số trung bình của các thành phần điều hoà trong một chu kỳ bằng không, nên thành phần không đổi Id bằng dòng điện trung bình Itb của dòng điện chỉnh lưu 

I2 = 0,425 Im (I2 là biên độ của điều hoà bậc hai),

Im - biên độ dòng điện xoay chiều

RL L

(d)

Tính chất đập mạch của dòng điện chỉnh lưu gây nên hiện tượng rung của các tiếp điểm của bộ phận thực hiện Để loại trừ hiện tượng này cần phải có biện pháp san bằng đường cong dòng điện chỉnh lưu (hạn chế các thành phần biến đổi của dòng dòng điện đi vào rơ le)

Muốn vậy có thể dùng một trong các sơ đồ sau:

- Sơ đồ mắc nối tiếp điện cảm L rơ le (hình 1-30,a)

- Sơ đồ mắc song song điện dung C (hình 1-30,b)

- Sơ đồ dùng bộ lọc cộng hưởng LC đối với điều hoà bậc hai của dòng điện chỉnh lưu (hình 1-30,c)

Các sơ đồ trên các hình 1-30,a và b có hiệu quả tốt đối với nguồn dòng điện xoay chiều có tổng trở bé so với phụ tải (rơ le RL), còn sơ đồ trên hình 1-30,c - khi nguồn có tổng trở lớn so với phụ tải

Điện cảm và điện dung trong sơ đồ trên,nhất là trong các sơ đồ trên các hình 1-30,a và b, làm chậm trễ sự tăng lên của thành phần không đổi qua cuộn dây của rơ le, gây nên sự tác động chậm

Khi cần phải giảm thời gian tác động, thì thường dùng sơ đồ phức tạp hơn (hình 1-30,d) trong

đó dòng điện cần chỉnh lưu được phân tách ra làm ba thành phần I1, I2 và I3 lệch pha nhau 1200 nhờ các điện cảm và điện dung Dòng điện chỉnh lưu tổng đi vào rơ le bằng tổng ba dòng điện chỉnh lưu thành phần sẽ rất gần dòng điện không đổi

Hình 1 - 30:

Các sơ đồ san bằng dòng điện chỉnh lưu

(a) Với điện cảm L mắc nối tiếp

(b) Với điện dung C mắc song song

(c) Dùng vòng cộng hưởng LC

(d) Bằng cách phân tách dòng điện

chỉnh lưu thành ba thành phần I1,,I2,I3

thực hiện các rơ le dòng điện

và điện áp làm việc theo

dòng điện chỉnh lưu (hình

1-29,a) được tiến hành bằng

cách so sánh đại lượng cần

đo Uđ với một đại lượng

chuẩn Uch không đổi (như

trên hình 1-31,b), hoặc biến

đổi theo một quy luật khác

Rơ le tác động khi Uđ  Uch

Các rơ le làm việc theo dòng

điện chỉnh lưu có kích thước

bé và tiêu thụ công suất bé

1.3.3.8 Rơ le số

Rơle số làm việc trên nguyên tắc đo lường số Các trị số của đại lượng tương tự dòng và áp nhận được từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và biến điện áp là những biến đầu vào của rơ le số Sau khi qua các bộ lọc tương tự, bộ lấy mẫu (chặt hoặc băm đại lượng tương tự theo một chu

kỳ nào đó), các tín hiệu này sẽ được chuyển thành tín hiệu số Tuỳ theo nguyên tắc bảo vệ, tần số lấy mẫu có thể thay đổi trong khoảng từ 12 đến 20 mẫu trong một chu kỳ của dòng điện công nghiệp

Nguyên lý làm việc của rơ le dựa trên giải thuật tính toán theo chu trình các đại lượng điện (chẳng hạn tổng trở mạch điện) từ trị số của dòng và áp đã lấy mẫu Trong quá trình tính toán liên tục này sẽ phát hiện ra chế độ sự cố Sau một vài phép tính nối tiếp nhau, khi đó bảo vệ sẽ tác động,

bộ xử lý sẽ gửi các tín hiệu đến các rơ le đầu ra để điều khiển cắt máy cắt

Sơ đồ khối của rơ le số như hình 1-32

Ưu điểm quan trọng của rơ le số là có thể thực hiện việc tự kiểm tra và cảnh báo trạng thái của từng khối chức năng trong rơ le: Từ trị số tương tự của đại lượng đầu vào đến bộ chuyển đổi tương

tự – số (so sánh với trị số chuyển đổi chuẩn), bộ vi xử lý (phần cứng và phần mềm, kể cả bộ nhớ

của bộ vi xử lý), rơ le đầu ra và mạch điều khiển đóng cắt máy cắt điện (hình 1-32b)

Các đại lượng chỉnh định được nạp vào bộ nhớ EEPROMS để đề phòng khả năng mất số liệu chỉnh định khi mất nguồn điện thao tác

Trong các rơ le số việc tổ chức ghi chép và lưu trữ các dữ liệu về sự cố rất dễ dàng theo trình

tự diễn biến về thời gian với độ chính xác đến miligiây (ms)

Để giảm dung lượng bộ nhớ của bộ phận ghi sự cố, thường người ta khống chế số lượng các lần sự cố còn lưu lại trong bộ nhớ tối đa 8 10 lần Khi xuất hiện sự cố mới vượt quá số lần cho phép lưu trữ thì số liệu của sự cố cũ nhất trong quá trình lưu trữ sẽ bị xoá khỏi bộ nhớ để nhường chỗ cho số liệu của sự cố mới vừa xảy ra

Tất cả các thông tin về vận hành, thao tác và sự cố đều được bảo vệ để ngăn ngừa trường hợp nguồn thao tác có thể bị mất Đầu ra của rơ le có các đèn tín hiệu LED để cảnh báo về trạng thái của

rơ le cũng như thao tác mà rơ le đã tiến hành

Các rơ le số hợp bộ thường có một phần mềm đi kèm rất thuận tiện cho việc sử dụng máy tính

cá nhân (PC) để chỉnh định, theo dõi hoạt động của rơ le và trao đổi các thông tin vào, ra với rơ le, cũng như giúp nhân viên vận hành có thể phân tích sự cố từ các số liệu đã ghi chép được trong quá trình sự cố

Cổng vào ra của rơ le cho phép dễ dàng ghép nối với các thiết bị thông tin, đo lường, điều khiển và bảo vệ ở cùng cấp điều độ hoặc cấp điều độ cao hơn đến tận điều độ quốc gia hoặc liên quốc gia

Tín hiệu đầu

vào

Lọc tín hiệu vào

Khuếch đại

A

Giao diện

Bàn phím

Bộ xử

lý

“Bộ nhớ”

RAM EEPROM

Rơ le cảnh báo

Rơ le Cắt

Đi ốt phát quang (LED)

Tương tự

100V, 110V

Tương tự 10V

A D

Bộ xử lý

Rơle

Mạch đo lường

Bộ chuyển đổi Tương tự - Số

Bộ vi xử lý

Mạch Rơle Mạch điều khiển máy cắt

1.3.4 Nguồn điện thao tỏc

Cỏc nguồn điện thao tỏc dựng để cung cấp điện cho cỏc rơ le trung gian, thời gian, tớn hiệu, để thao tỏc đúng và cắt mỏy cắt và dựng vào một số mục đớch khỏc

Nguồn điện thao tỏc cần bảo đảm cho cỏc bảo vệ làm việc một cỏch chắc chắn ngay cả trong trường hợp khi điện ỏp tại chỗ hư hỏng cú thể giảm về khụng

Hiện nay thường dựng nguồn điện một chiều do ắc quy cung cấp và nguồn điện xoay chiều do biến dũng điện, biến điện ỏp và mạng điện ỏp thấp cung cấp

1.3.4.1 Nguồn điện thao tỏc một chiều

Sơ đồ nguyờn lý một pha dựng rơ le dũng điện cú đặc tớnh thời gian phụ thuộc cú giới hạn được trỡnh bày trờn hỡnh 1-33

Hỡnh 1-32,b

Sơ đồ tự kiểm tra cỏc khối chức năng trong rơ le số

Khi bảo vệ khởi động rơ le dòng điện 1 RIT khép tiếp điểm và đầu dương của nguồn điện thao tác một chiều đặt vào cuộn cắt CC của máy cắt 2MC Sau khi máy cắt mở, tiếp điểm BT của bộ phận truyền động máy cắt mở ra, ngắt mạch dòng điện thao tác trước khi tiếp điểm của rơ le RIT mở

để tránh hư hỏng tiếp điểm của rơ le do dòng điện qua cuộn cắt lớn Rơ le trung gian 4 RG dùng để kiểm tra mạch cắt Khi có hư hỏng trong mạch này, tiếp điểm 4 RG đóng lại và cho tín hiệu Điện trở 5 làm giảm dòng điện qua cuộn cắt đến trị số bé hơn trị số dòng điện làm việc của nó

Trong mạch một chiều có khi chạm đất tại hai điểm (thí dụ tại N1 và N2 trên hình 1 - 33) tiếp điểm của rơ le bị nối tắt làm cho bảo vệ tác động nhầm Vì vậy cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm tác động báo tín hiệu trong mạch một chiều

Các bộ ắc quy thường dùng có điện áp định mức bằng 24, 48, 110 hoặc 220V Thiết bị bảo vệ cần phải làm việc chắc chắn khi điện áp của nguồn ắc quy dao động trong khoảng ( 0,8 - 1,1 )Uđm

Ưu điểm của các nguồn điện thao tác một chiều là sự độc lập hoàn toàn của chúng đối với điện

áp và tình trạng làm việc của hệ thống được bảo vệ

Tuy nhiên chúng cũng có một số khuyết điểm lớn sau:

- Cần đặt và chăm sóc ắc quy;

- Mạng thao tác phức tạp;

- Mạng thao tác của tất cả các phần tử liên hệ với nhau, khó phát hiện điểm chạm đất

1.3.4.2 Nguồn điện thao tác một chiều

Xu hướng dùng nguồn điện thao tác xoay chiều được đặc biệt chú ý trong những năm gần đây Sau đây ta sẽ xét một số sơ đồ thường dùng

a) Sơ đồ khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt

Hình 1-33

Sơ đồ bảo vệ dòng điện cực đại dùng rơ le dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn làm

việc với dòng điện thao tác một chiều

Cuộn cắt của máy cắt bình

thường bị nối tắt bởi tiếp điểm thường

đóng của rơ le 1RIT (hình 1-34)

Khi bảo vệ tác động, rơ le thay đổi

trạng thái của các tiếp điểm và khử

nối tắt cuộn cắt máy cắt Công suất

của cuộn cắt khá lớn Vì vậy khi cắt

biến dòng điện có thể bị quá tải và sai

số sẽ tăng lên Tuy nhiên đối với bảo

vệ điều này không ảnh hưởng gì, nếu

không vì sai số tăng lên mà dòng điện

qua rơ le giảm xuống thấp hơn dòng

điện trở về

a) Sơ đồ dùng biến dòng bão hoà trung gian

Khi khởi động rơ le RIT đóng tiếp điểm thường mở đưa dòng điện thao tác từ biến dòng bão

hoà trung gian 3 BIBH vào cuộn cắt CC (hình 1-35,a) Nhờ bão hoà nên 3BIBH bảo đảm được dòng

điện thứ cấp gần như không đổi, đủ cho bộ phận truyền động của máy cắt làm việc khi dòng điện sơ cấp vượt quá giá trị tối thiểu đã cho

Thực tế vận hành cho thấy trong sơ đồ này khi bội số dòng điện ngắn mạch tăng, do mạch thứ cấp của BIBH hở, hiện tượng hở mạch phía thứ cấp của biến dòng điện có thể rất nguy hiểm

Để khắc phục khuyết điểm này người ta dùng sơ đồ với rơ le RIT có tiếp điểm chuyển tiếp

(hình 1-35,b) Trong sơ đồ này, bình thường cuộn thứ cấp của 3BIBH được nối tắt bởi tiếp điểm

thường đóng của rơ le RIT

Sơ đồ bảo vệ dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn dùng dòng điện thao tác xoay

chiều qua biến dòng bão hoà trung gian

c, Bộ cung cấp liên hợp

Bộ cung cấp liên hợp dùng cho dòng điện thao tác bằng cách tổng hợp các dòng điện chỉnh lưu

từ các nguồn dòng điện (biến dòng điện) và điện áp (biến điện áp)

liên hợp cần chọn pha của

dòng điện và điện áp sao cho

công suất nhận được là lớn

nhất

d, Dùng những tụ điện đã được nạp sẵn

Nguồn của dòng điện thao tác là là bộ tụ điện 1 đã được nạp điện qua biến điện áp 2 và chỉnh lưu 3 Năng lượng CU2/2 tích trên tụ điện phải lớn hơn năng lượng làm việc của cuộn cắt máy cắt Máy biến áp tăng 4 (từ 100V lên 400V) dùng để giảm bớt điện dung C của tụ điện Điện trở 5 dùng

để hạn chế dòng điện nạp của tụ điện và dòng điện qua nó khi chỉnh lưu 3 bị chọc thủng Tuy nhiên điện trở này lại làm tăng thời gian nạp của tụ điện, gây trở ngại lớn cho các thiết bị tự động đóng trở lại tác động nhanh

Rơ le điện áp 6RU có

tác dụng ngăn chặn dòng

điện ngược qua chỉnh lưu khi

điện áp phía sơ cấp sụt

xuống

Ưu điểm của nguồn điện

thao tác dùng tụ điện đã được

tích điện trước là sự độc lập

của nó đối với các dạng hư

hỏng của phần tử được bảo

vệ Tuy nhiên nguồn điện

điện trước