Giáo trình Bảo vệ rơ le – Dự án RE II

MỤC LỤC 1.1. Những vấn đề cần đề cập trong việc thực hiện bảo vệ hệ thống 1 1.1.1. Những vấn đề chung về bảo vệ rơle 1 1.1.2. Phân loại rơle 2 1.1.3. Đặc tính vào - ra của rơle 3 1.1.4. Các loại rơle thường gặp trong hệ thống bảo vệ Rơle 3 1.1.4.1. Rơle điện cơ 3 1.1.4.2. Rơle tĩnh 7 1.2. Áp dụng những nguyên tắc điều khiển học trong bảo vệ rơ le 10 1.3. Những kết quả đạt được trong việc thực hiện bảo vệ 12 1.3.1. Những chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra đối với sự làm việc của bảo vệ rơ le 12 1.3.2. Các yêu cầu khác đặt ra đối với bộ phận bảo vệ 17 1.4. Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ 18 1.4.1. Các phần tử logic trong sơ đồ bảo vệ bằng điện tử 19 1.4.2. Những phần tử tương tự trong sơ đồ bảo vệ điện tử. 20 1.5. Bảo vệ chính, bảo vệ phụ và bảo vệ dự trữ 20 1.6. Những loại bảo vệ chính bằng rơle 21 1.6.1 Bảo vệ dòng điện 21 1.6.2. Bảo vệ điện áp 22 1.6.3. Bảo vệ có hướng 23 1.6.4. Bảo vệ so lệch 25 1.6.5. Bảo vệ khoảng cách 25 1.6.6. Bảo vệ bằng bộ lọc 26 1.6.7. Bảo vệ tần số cao 26 1.6.8. Bảo vệ bằng rơle nhiệt 28 1.6.9. Bảo vệ bằng rơle khí 28 1.7. Các chế độ làm việc không bình thường 28 1.8. Các hình thức bảo vệ rơle trong hệ thống cung cấp điện 29 1.8.1. Các loại rơle, sơ đồ nối rơle với máy biến dòng và dòng điện thao tác 30 1.9. Các dạng của rơle bảo vệ rơle 32 1.9.1 Bảo vệ dòng điện cực đại 32 1.9.2 lựa chọn thiết bị BVDCĐ 36 1.9.3 bảo vệ dòng điện cực đại có hướng 41 1.9.4 Bảo vệ dòng điện so lệch lệch (BVSL) 43 1.9.5 Bảo vệ chạm đất 45 1.10. Bảo vệ máy biến áp, đường dây truyền tải và động cơ điện 46 1.10.1. Bảo vệ máy biến áp điện lực 46 1.10.2. Bảo vệ đường dây trên không và đường dây cáp 52 1.10.3. Bảo vệ động cơ điện 53 1.11. Tự động hoá và điều khiển từ xa trong hệ thống cung cấp điện 56 1.11.1. Tự động đóng dự trữ (TĐĐDT). 56 1.11.2. Tự động đóng lại (TĐĐL) 58 1.11.3. Tự động điều chỉnh điện áp 62 1.11.4 Tự động cắt tải theo tần số 62 1.11.5. Điều khiển tín hiệu đo lường từ xa 63 1.12. Ví dụ: sơ đồ hoàn chỉnh bảo vệ máy biến áp 65 1.13. Các mạch bán dẫn, vi mạch trong thực hiện bảo vệ rơle. 72 1.13.1. Các phương trình cơ bản của đường đặc tính tác động 77 1.13.2. Rơle khoảng cách 78

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN.

1.1 Những vấn đề cần đề cập trong việc thực hiện bảo vệ hệ thống cung cấp điện.

1.1.1 Những vấn đề chung về bảo vệ rơle

Trong quá trình vận hành hệ thống cung cấp điện, có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của các phần tử

Trong phần lớn các trường hợp, các sự cố thường kéo theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao và điện áp giảm khá thấp

Các thiết bị có dòng tăng cao chạy qua có thể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng khi điện áp bị giảm thấp, các hộ tiêu thụ không thể làm việc bình thường và tính ổn định của các máy phát làm việc song song và của toàn hệ thống bị giảm

Các chế độ làm việc không bình thường làm cho điện áp, dòng điện và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép và nếu để kéo dài tình trạng này có thể xuất hiện sự cố

Như vậy sự cố làm rối loạn sự hoạt động bình thường của hệ thống nói chung và các hộ tiêu thụ nói riêng, còn các chế độ làm việc không bình thường có thể tạo nguy cơ xuất hiện sự cố

Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ khi xuất hiện sự cố, cần phát hiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố

và cách ly chúng ra khỏi phần không bị hư hỏng, do đó phần còn lại vẫn duy trì hoạt động bình thường, đồng thời làm giảm được sự hư hại của phần bị sự cố

Thiết bị bảo vệ rơle là loại thiết bị tự động bảo vệ có chức năng thực hiện tốt yêu cầu nêu trên

Các hệ thống điện hiện đại không thể làm việc bình thường nếu thiếu thiết bị bảo vệ rơle Bảo vệ rơle theo dõi liên tục tình trạng và chế

độ làm việc của tất cả các phần tử của hệ thống điện Khi xuất hiện sự cố, bảo vệ rơ le cắt phần tử hư hỏng, loại nó ra khỏi mạng điện nhờ máy cắt điện

Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, bảo vệ sẽ phát hiện và tùy theo yêu cầu có thể tác động để khôi phục chế độ làm việc bình thường của phần tử không bị sự cố hoặc báo hiệu cho nhân viên trực biết tình trạng làm việc không bình thường trong quá trình vận hành Bất kỳ sự gián đoạn nào trong quá trình cung cấp năng lượng điện

mà chúng ta không dự kiến trước được đều dẫn đến những bất lợi lớn dối

với sự làm việc của hộ tiêu thụ và cũng đều dẫn đến những tổn thất nghiêm trọng đối với nền kinh tế quốc gia Do đó, sự đảm bảo liên tục cung cấp năng lượng điện và sự loại trừ nhanh nhất có thể được các phần

tử bị sự cố ra khỏi hệ thóng điện để thiết lập trở lại các hoạt động bìn thường của hệ thống có một vai trò quan trọng

1.1.2 Phân loại rơle

Có nhiều loại rơle với nguyên lí và chức năng làm việc rất khác nhau Do vậy có nhiều cách để phân loại rơle:

a) Phân loại theo nguyên lí làm việc gồm các nhóm

+ Rơle điện cơ (rơle điện từ, rơle từ điện, rơle điện từ phân cực, rơle cảm ứng, )

+ Rơle nhiệt

+ Rơle từ

+ Rơle điện tử -bán dẫn, vi mạch

+ Rơle số

b) Phân theo nguyên lí tác động của cơ cấu chấp hành

+ Rơle có tiếp điểm: loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm

+ Rơle không tiếp điểm (rơle tĩnh): loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điện cảm, điện dung, điện trở,

c) Phân loại theo đặc tính tham số vào

+ Rơle dòng điện

+ Rơle điện áp

+ Rơle công suất

+ Rơle tổng trở,

d) Phân loại theo cách mắc cơ cấu

+ Rơle sơ cấp: loại này được mắc trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ

+ Rơle thứ cấp: loại này mắc vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện

e) Phân theo giá trị và chiều các đại lượng đi vào rơle

+Rơle cực đại

+Rơle cực tiểu

+Rơle cực đại-cực tiểu.

+Rơle so lệch

+Rơle định hướng

1.1.3 Đặc tính vào -ra của rơle

Quan hệ giữa đại lượng vào và ra của rơle như hình minh họa

Khi x biến thiên từ 0 đến x2 thì y = y1 đến khi x= x2 thì y tăng từ

y = y1 đến y = y2 (nhảy bậc) Nếu x tăng tiếp thì y không đổi y = y2 Khi

x giảm từ x2 về lại x1 thì y = y2 đến x = x1 thì y giảm từ y2 về y = y1

1.1.4 Các loại rơle thường gặp trong hệ thống bảo vệ Rơle

1.1.4.1 Rơle điện cơ

a) Rơle điện từ

Nguyên lý làm việc

Sự làm việc của loại rơle này dựa trên nguyên lí điện từ Xét một rơle như hình minh họa Khi cho dòng điện i đi vào cuộn dây của nam châm điện thì nắp sẽ chịu một lực hút F Lực hút điện từ đặt vào nắp Khi dòng điện vào cuộn dây i > Itđ (dòng điện tác động) thì lực F hút nắp và khi lực F tăng thì khe hở giảm giảm) làm đóng tiếp điểm (do tiếp điểm được gắn với nắp)

Khi dòng điện giảm đến giá trị Itv (dòng trở về) thì lực hút điện từ giảm Khi lực lò xo F lò xo > F (lực điện từ) thì rơ le nhả

Sơ đồ minh hoạ nguyên lý hoạt động của rơle điện từ

Một số loại rơle điện từ

+ Rơle dòng điện và điện áp

+ Rơle trung gian: Nhiệm vụ chính của rơle trung gian là khuếch đại tín hiệu điều khiển, nó thường nằm ở vị trí trung gian giữa các rơle khác Đặc điểm rơle trung gian có cơ cấu điều chỉnh điện áp tác động để có thể tác động khi điện áp tăng giảm trong khoảng ±15% Uđm

+ Rơle thời gian: Dùng để duy trì thời gian đóng chậm hoặc mở chậm của hệ thống tiếp điểm so với thời điểm đưa tín hiệu tác động vào rơle Thời gian chậm này có thể vài phần giây cho đến hàng giờ

+ Rơle phân cực là một dạng của rơle điện từ có thêm từ thông phân cực do nam châm vĩnh cửu tạo nên Chuyển động của nắp phụ thuộc vào chiều dòng trong cuộn dây Khi chưa có dòng điện thì phần động rơle đã ở một trong hai vị trí do lực hút từ trường nam châm vĩnh cửu

Rơle phân cực mạch từ nam châm vĩnh cửu có cấu trúc sao cho một phía khe hở không khí lớn còn một phía nhỏ để khi cho dòng vào cuộn dây nam châm thì tổng lực hút điện từ của cuộn dây và nam châm vĩnh cửu phân cực hai bên không bằng nhau, nắp bị hút về một bên, lực hút nam châm vĩnh cửu làm nhiệm vụ giữ nắp khi cắt điện cuộn dây

Muốn nắp chuyển động ngược lại thì phải đổi chiều dòng điện để đổi chiều lực hút điện từ.

Loại này có ưu điểm chính là độ nhạy cao, kích thước gọn, thời gian tác động nhanh

Khi một trong hai cuộn dây được đổi chiều dòng điện thì chiều mô men trung bình Mtb cũng thay đổi

Ứng dụng

Rơle điện động được sử dụng làm rơle công suất tác dụng, phản kháng Có thể chế tạo rơle sắt điện động để tăng trị số mô men Mtb và sẽ tăng độ nhạy của rơle Loại rơle điện động xoay chiều không có mạch sắt từ tuy Mtb nhỏ nhưng dùng nhiều trong tự động điều khiển

c) Rơle từ điện

Nguyên lý làm việc

Sự làm việc của rơ le loại này dựa trên cơ sở lực điện từ do từ trường của nam châm vĩnh cửu tác dụng lên một cuộn dây khi có dòng điện chạy qua Nguyên lí chung biểu diễn như hình minh họa.

Từ trường nam châm vĩnh cửu với cảm ứng từ B tác dụng lên khung có dòng I tạo ra mômen quay

Lực điện từ là F = K’B12.I

Mô men quay M = K.I (tỉ lệ với dòng điện I)

Nguyên lí dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện, ngày nay sử dụng phổ biến rơle nhiệt có phiến kim loại kép, nguyên lí làm việc dựa trên sự khác nhau về giãn nở dài của hai kim loại khi bị đốt nóng Phần tử cơ bản rơle nhiệt là phiến kim loại kép (bimetal) cấu tạo từ hai tấm kim loại, một tấm hệ số giãn nở bé (thường dùng invar có 36% Ni, 64%

Fe) một tấm hệ số giãn nở lớn (thường là đồng thau hay thép crôm - niken, như đồng thau giãn nở gấp 20 lần invar) Hai phiến ghép lại với nhau thành một tấm bằng phương pháp cán nóng hoặc hàn.

Khi đốt nóng do dòng I phiến kim loại kép uốn về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, có thể dùng trực tiếp cho dòng điện qua hoặc dây điện trở bao quanh Để độ uốn cong lớn yêu cầu phiến kim loại phải có chiều dài lớn và mỏng Nếu cần lực đẩy mạnh thì chế tạo tấm phiến rộng, dày và ngắn

e) Rơle điều khiển

Có chức năng như một rơle trung gian, nhưng có kích thước nhỏ, tần số thao tác lớn, khả năng ngắt lớn, hệ số nhả cao

1.1.4.2 Rơle tĩnh

a) Những hạn chế của rơle điện- cơ

Cho đến khoảng những năm 70 các thiết bị bảo vệ rơle chủ yếu cũng chỉ thực hiện với cơ cấu so sánh là điện từ và cơ khí, cơ cấu thừa hành là tiếp điểm hợp kim

Cơ cấu đo và so sánh cơ - điện từ có những đặc điểm :

- Chậm: mạch điện từ đo mất khoảng 20 ms, cơ cấu so sánh đòn bẩy, lò xo, cuộn dây nhanh cũng cỡ 10ms

- Kém chính xác: việc đo điện từ trước kia 100A, đo áp của BU cỡ 100V Thường thường đo qua biến dòng (BI) 5A không qua lọc, khi đo lẫn cả thành phần tần số công nghiệp với các thành phần tự do và hài Những thành phần này thường khá lớn có thể làm sai kết quả đo rất nhiều

- Cơ cấu đo và so sánh lại thường chỉ là loại đo đơn biến, một dòng hoặc một áp Thường khó thực hiện được những phép xử lí phức tạp cần có như các phép số học, giải tích, phép trễ, phép đếm ,

Do đó muốn bảo vệ cho một đối tượng đơn giản là một đường dây phân phối, cũng phải cần dùng tới mười phần tử rơle, kèm theo một sơ đồ nối dây phức tạp chiếm một tủ thiết bị Chi phí cao mà độ tin cậy, chính xác, tốc độ và các chức năng bảo vệ thì khiêm tốn

b) Rơle tương tự

Rơle loại này có đặc trưng là các thông số vào/ra rơle như dòng, áp, góc lệch pha, công suất, là các đại lượng liên tục (analog) Tín hiệu này được so sánh với một hay nhiều đại lượng đầu vào có giá trị chuẩn để cho tín hiệu đầu ra (rơle loại này gồm các loại rơle bán dẫn, rơle điện tử) Cấu trúc rơle loại này gồm các khối sau:

* Khối tiếp thu

Khối này gồm hai phần chính là bộ đo lường và bộ so sánh, đại lượng đầu ra của bộ phận này gồm một trong hai giá trị chuẩn

+ Bộ phận đo lường: lấy tín hiệu từ các máy biến dòng để biến đổi thành đại lượng một chiều nhờ cầu chỉnh lưu

+ Bộ so sánh có thể làm việc theo hai nguyên tắc chính là:

-So sánh hai đại lượng điện theo giá trị tuyệt đối (dùng cho các rơle bảo vệ khoảng cách, bảo vệ so lệch, bảo vệ quá áp, bảo vệ kém áp, )

-So sánh hai đại lượng điện theo giá trị góc pha (dùng cho rơle bảo vệ khoảng cách, rơle định hướng công suất, )

* Khối thực hiện

Mục đích của khối này thực hiện những biến đổi đột ngột của mạch điện ngoài như khuếch đại tín hiệu để đưa đến cuộn cắt máy cắt

* Khối trì hoãn

Một mạch khác được sử dụng trong trong rơle tĩnh là mạch tich phân, sử dụng khâu chính là một khâu khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Mạch tích phân dùng để trì hoãn khối chỉnh định

Với rơle tĩnh cho phép việc chỉnh định các bộ phận trong rơle để phối hợp bảo vệ, thông thường có hai cách:

+ Chỉnh định các thông số đầu vào để phù hợp với rơle

+Chỉnh định các thông số chuẩn trong khối so sánh để xác định ngưỡng tác động của rơle

c) Rơle kỹ thuật số

Đặc điểm: các tín hiệu xử lí bên trong của rơle kĩ thuật số ở dạng số (dạng nhị phân 0,1) mà nó có thể thực hiện nhiều chức năng tuần tự Tín hiệu đầu vào được chuyển sang tín hiệu số để điều khiển tín hiệu ra

*) Chức năng và cấu trúc tổng quan rơle số

Một rơle số có những loại nhiệm vụ chức năng sau :

1) Chức năng đo lường : là chức năng đầu tiên và quan trọng nhất, nhằm đo, lọc, tính ra những thông số mạch điện mà rơle phải canh Các lượng vào đầu tiên nói chung là :

- Dòng ba pha, dòng trung tính

- Áp ba pha, áp thứ tự zêrô

Số lượng vào cụ thể lại tùy yêu cầu của rơle Những lượng này khi không có sự cố thường là hình sin và cân bằng, dòng trung tính, áp thứ tự zêrô bằng không Nhưng khi sự cố sẽ có một biến động mạnh của thành phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng khiến sinh ra các thành phần thứ tự nghịch và zêrô Một nét đặc biệt quan trọng khác nữa là kèm theo đó thường sinh ra những thành phần quá độ tự do lớn, không chu kì, khiến dòng áp quá độ cố mất dạng hình sin.

Do đó những dòng áp đo vào cần được :

- Biến nhỏ lại bằng những BU và BI đặc biệt (BI không bão hòa, dải đo rộng)

- Lọc thông thấp ra thành phần tần số công nghiệp gồm lọc cứng, khi cần kết hợp lọc bằng phần mềm

- Chuẩn hóa đến mức điện áp thích hợp, qui định cỡ 2V ứng với

Uđịnh mức và ứng với 10.Iđịnh mức

Những việc trên thực hiện chủ yếu bằng phần cứng

2) Chức năng lấp mẫu, tính toán canh sự cố, khởi động các rơle chủ yếu gồm các việc sau :

+ Lấp mẫu dòng, áp, tần số, đếm pha đưa vào bộ đệm mẫu

+ Lọc số tiếp nếu cần

+ Tính toán phân tích ra các số liệu cần như :

- Dòng, áp hiệu dụng (hoặc số gia ∆u, ∆i)

- Các thành phần thứ tự pha dòng áp

- Góc lệch pha

+ Tính các biểu thức đặc trưng sự cố, so ngưỡng để phát hiện sự cố

3) Các thành phần bảo vệ rơle và ghi chép sự cố :

Khi xảy ra sự cố thì modul canh sẽ khởi động chạy chức năng bảo vệ rơle để xử lí ứng với sự cố ấy Một rơle số có nhiều chức năng rơle khác nhau do các CPU thực hiện Một modul chương trình bảo vệ rơle tương ứng sẽ bắt đầu tiếp nhận lấy những số liệu đang tiếp tục diễn biến, để tính định lượng cụ thể các thông số của sự cố ấy và tính ra thời gian trễ cần cho việc "CẮT" sự cố Đồng thời một modul cũng ghi chép lại diễn biến của sự cố để có thể lấy ra dùng sau này

4) Chức năng "CẮT" sự cố

5) Chức năng "ĐÓNG LẠI" (nếu có)

6) Chức năng tự kiểm tra thiết bị, như kiểm tra BU, BI đứt, chập, kiểm tra điện áp để "ĐÓNG", "CẮT" đủ không và nhất là kiểm tra các vi xử lí có chạy tốt không Để có những xử lí báo tín hiệu hay báo động cần thiết.

*) Phần mềm của rơle số

Kết cấu phần cứng và phần mềm của các kiểu rơle số của các hãng khác nhau thường có những nét đặt biệt riêng, không giống nhau Các hãng đó đều không cho thông báo gì rõ về phần cứng, phần mềm của họ

1.2 Áp dụng những nguyên tắc điều khiển học trong bảo vệ rơ le

Trong thời gian gần đây người ta đã có khả năng tạo một khối lượng lớn thông tin trong một thời gian rất ngắn đối với chế độ làm việc của trang thiết bị được bảo vệ trong hệ thống cung cấp điện Những thông tin này được xử lý bằng máy vi tính Do đó đã tạo nên sự thay đổi quan trọng trong thực hiện của thiết bị bảo vệ.Việc sử dụng máy vi tính trong thiết kế, lập chương trình làm việc cho các bộ phận bảo vệ tại các điểm khác nhau trong lưới điện đang là vấn đề thời sự

Tùy theo kết quả xử lý những thông tin nhận được, bộ phận bảo vệ bằng rơ le sẽ thiết lập theo đúng chương trình đã dự kiến trước đó và sẽ tác động lên các phần tử của sơ đồ Nếu thấy cần thiết (theo đúng dự kiến) mở máy cắt điện của trang thiết bị được bảo vệ thì bộ phận bảo vệ

rơ le sẽ truyền lệnh bằng tín hiệu điều khiển mở máy cắt điện Do sự phức tạp của hệ thống điện được bảo vệ cũng như yêu cầu phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng và tiếp nhận quyết định cắt máy cắt, nên những nguyên tắc điều khiển học đóng vai trò rất quan trọng.nhằm bảo đảm sự làm việc tốt nhất của bộ phận bảo vệ

Tổ hợp các bộ phận bảo vệ của một trang thiết bị có thể gồm rất nhiều khối phần tử cấu tạo nên Thật vậy, giả thiết rằng trang thiết bị đươc bảo vệ là một đường dây điện áp cao, các khối phần tử cấu tạo nên

bộ phận bảo vệ được giới thiệu như hình vẽ 1.1

Hình vẽ 1.1

Khối phần tử đến BI được gọi là những phần tử nhạy cảm Chúng nhận được thông tin và chế độ làm việc của đường dây được bảo vệ từ máy biến dòng TC và từ máy biến điện áp TT Khối BI có thể gồm: bộ lọc thành phần thứ tự nghịch hay đồng cực, bộ lọc sóng hài bậc cao, hoặc những bộ phận khác đặc trưng cho chế độ vận hành đường dây.

Những giá trị của đại lượng mà khối BI nhận được, được so sánh với những giá trị đã điều chỉnh của các phần tử thành phần của nó Những giá trị đã diều chỉnh này được thiết lập khi thiết kế bảo vệ

Những thông tin sau khi so sánh đã có kết quả được truyền đến khối xử lý và quyết định BPD

Khối BPD đóng vai trò xử lý các thông tin nhận được phù hợp với chương trình đã đưa vào trước đây khi thiết lập sơ đồ nối và khi điều chỉnh các phần tử thành phần của chúng Nếu cần thiết BPD sẽ truyền một tín hiệu cho khối chấp hành BE (đôi khi còn gọi là khối ra) để khối này tiến hành thực hiện cắt máy cắt điện và phát một tín hiệu

Trong trường hợp bảo vệ phức tạp hệ thống điện hiện đại, khối BPD phải thực hiện rất nhiều tác động với các mạch logic để thiết lập xem: đường dây được bảo vệ làm việc ở chế độ không bình thường do một sự cố bên ngoài đường dây hay sự cố đã xảy ra ngay trên đường dây

Đối với trường hợp đầu tiên, khối BPD sẽ đợi một thời gian ổn định, để cho sự cố bên ngoài được loại khỏi Sau đó điều khiển sự tác động của khối BE để đánh tín hiệu

Trong trường hợp thứ hai, khối BPD quyết định cắt máy cắt điện đường dây và truyền cho khối BE tín hiệu tương ứng

Để thực hiện những tác động đã nêu trên, khối BPD thông thường gồm các phần tử: dò pha, các phần tử logic và các phần tử thời gian

Khối chấp hành BE bao gồm các phần tử của ngõ ra, các phần tử này phải đảm bảo một công suất thỏa mãn để tiến hành cắt máy cắt và phát tín hiệu

Hiện nay các phần tử điện tử đã được sử dụng ở cả ba khối của hệ thống bảo vệ

Những phương pháp ứng dụng đại số Boole đã được thực hiện và

áp dụng trong việc phân tích và thiết kế sơ đồ bảo vệ bằng rơ le điện tử Cùng một lúc với sự thực hiện bảo vệ bằng điện tử, bằng chuyển mạch tĩnh v.v thì người ta đã sử dụng máy vi tính để xử lý thông tin Việc đưa các phương pháp và phương tiện điều khiển học đã mở ra một viễn cảnh rộng lớn trong lĩnh vực phát triển bảo vệ rơ le

1.3 Những kết quả đạt được trong việc thực hiện bảo vệ.

Bảo vệ một trang thiết bị điện đòi hỏi phải tiến hành điều khiển tự động tách trang thiết bị bị sự cố ra khỏi phạm vi của lưới điện khi xuất hiện sự cố hay một chế độ làm việc không bình thường có nguy cơ làm hỏng thiết bị Sự ngăn cách trang thiết bị bị sự cố với các trang thiết bị còn lại của hệ thống phải thực hiện trong điều kiện để sao cho có thể ngăn ngừa được sự phát triển của sự cố hay sự hủy diệt của trang thiết bị

và thiết lập trở lại một chế độ làm việc bình thường đối với hệ thống điện còn lại, đảm bảo liên tục cung cấp điện cho số lượng các hộ tiêu thụ tối đa có thể được

Để giải quyết sự cố trong điều kiện tốt nhất, sự làm việc của bảo

vệ bằng rơ le phải thỏa mãn hàng loạt các chỉ tiêu kỹ thuật nhất định

1.3.1 Những chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra đối với sự làm việc của bảo vệ

rơ le.

- Tính nhanh chóng: Sự chậm trẽ trong việc giải quyết ngắn mạch

có thể dẫn đến trầm trọng thêm, và làm tăng nguy hiểm dưới tác động nhiệt, hoặc liên quan đến giảm điện áp, làm ảnh hưởng đến tính chất ổn định của hệ thống

Để tác động nhiệt của hệ thống không làm ảnh hưởng đến trạng thái làm việc còn tốt của dây dẫn, thì dây dẫn phải được kiểm tra ổn định nhiệt với biểu thức

K - Hằng số, và K= 1/α với α là hệ số nhiệt độ

Nếu như ta có:

Sôđn > S (1-1 )

(Ở đây S là tiết diện của dây dẫn, kết quả tính toán kinh tế kỹ thuật đối với chế độ làm việc bình thường), thì cần thiết hải giảm Sôđn đến tiết diện S để tiết diện S đảm bảo được tính ổn định nhiệt khi ngắn mạch Để được như vậy, ta thấy phải làm sao giảm được thời gian tgt xuống cho đến khi ta nhận được Sôđn = S.

Việc giảm giá trị tgt bao hàm ý nghĩa phải giảm thời gian giải quyết sự cố, tức là đòi hỏi một sự tác động rất nhanh của bảo vệ

Sự kéo dài thời gian giải quyết sự cố ngắn mạch sẽ dẫn đến điện

áp giảm kéo dài, tức là có thể gây nên những khó khăn trong tự khởi động động cơ điện của hộ tiêu thụ hay của các trung tâm điện trong tời gian bị kéo dài này

Nếu việc giả quyết ngắn mạch không được thực hiện một cách nhanh chóng thì tình trạng giảm điện áp sẽ bị kéo dài, do vậy, động cơ điện không đồng bộ sẽ giảm nhanh số vòng quay hoặc bị ngừng hoàn toàn Còn khi điện áp phục hồi trở lại thì khó có khả năng tự khởi động:

vì rằng dòng điện tự khởi động tăng lên cao, tổn thất điện áp rơi trên mạch cung cấp của động cơ có giá trị lớn, do đó điện áp tại các cực của động cơ trở nên không thỏa mãn để động cơ khởi động được

Tính nhanh chóng còn ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống: nếu sự ngắn mạch càng được giả quyết nhanh chóng thì khả năng duy trì

sự ổn định của hệ thống càng được đảm bảo

Theo quan điểm về tính nhanh chóng thì bảo vệ rơle bằng điện tử thực hiện nhanh chóng hơn bảo vệ rơle bằng điện cơ, do loại trừ được quán tính của các phần tử trong chuyển động Thời gian tác động riêng của bảo vệ bằng điện tử rất nhỏ Người ta thực hiện bảo vệ bằng rơle điện tử với thời gian tác động 0.6ms (tính từ lúc đại lượng được kiểm tra

đi qua ngưỡng đã được xác định đến lúc truyền tín hiệu mở máy cắt) Giới hạn tối đa của tốc độ đáp ứng trong thực tế tùy thuộc vào chế độ quá độ của máy biến dòng hay của những phần tử khác

- Tính lựa chọn: Việc xử lý tốt nhất đối với tình trạng ngắn mạch

bao hàm các ý nghĩa là : chỉ ngừng cung cấp điện cho một số lượng tối thiểu các hộ tiêu thụ Nhằm mục đích đó, bảo vệ phải được lựa chọn và sàng lọc những thiết bị sự cố và chỉ ngắt ra khỏi mạch những thiết bị này Do vậy chỉ mở máy cắt điện ở những máy cắt điện gần nhất, còn những thiết bị khắc của hệ thống điện tương ứng phải tiếp tực làm việc

Ví dụ ở hệ thống điệnlực hình 1-2, nếu ngắn mạch xuất hiện ở điểm K thì những máy cắt điện 1 và 3 phải mở ra, do vậy đường dây L-3 sẽ không có dòng điện đi qua, song trạm C vẫn phải được cung cấp điện

Do vậy, sơ đồ hình 1-2 phải đảm bảo được tính chọn lọc tức là bảo vệ

của lưới điện phải tiến hành chỉ điều khiển mở máy cắt 1 và 2 mà thôi,

còn máy cắt 3 vẫn phải đóng lại để duy trì hoạt động của đường dây L-4 cung cấp cho trạm C

Trong thực tế có nhiều trường hợp cụ thể phải xác định thứ tự ưu tiên quan trọng giữa hai chỉ tiêu kỹ thuật có nhiều mâu thuẫn nhau: tính chọn lọc và tính nhanh chóng Nếu ta xác định tính nhanh chóng là quan trọg hơn, vậy thì tạm thời chấp nhận mở máy cắt không chọn lọc Trong trường hợp này phải hiệu chỉnh lại sự làm việc nhanh chóng của bộ đóng lại tự động Tức là trong một khoảng thời gian rất ngắn, bộ phận đóng lại

tự động tự động sẽ tiến hành điều khiển tự động để thiết lập sự làm việc trở lại của những thiết bị vừa bị tách ra không chọn lọc Cuối cùng chỉ để các thiết bị bị sự cố ngừng hoạt động Nếu điều kiện nhanh chóng không được ưu tiên hang đầu thì có thể chấp nhận một khoảng thời gian trì hoãn nào đó để giải quyết sự cố theo điều kiện chọn lọc

Bảo vệ bằng điện tử có thuận lợi là: cho ta một số lượng đặc tính động, rất cần thiết trong trường hợp bảo vệ phức tạp Điều này sẽ góp phần vào việc tính toán, đảm bảo tính chọn lọc trong những điều kiện tốt nhất

-Tính đảm bảo: Tính đảm bảo sự làm việc của bảo vệ là luôn luôn

tác động khi cần thiết và chỉ khi cần thiết mà thôi (tức là đảm bảo không tác động sai, hoặc tác động không đúng lúc khi không xuất hiện sự cố đối với trang thiết bị được bảo vệ)

Để đạt được tính đẩm bảo của sự làm việc của bảo vệ thì cần phải

có hai điều kiện: bảo vệ phải được thiết kế đúng (theo quan điểm của sơ

đồ, của tính toán giá trị điều chỉnh v.v…) và trang thiết bị kỹ thuật phải

có mức độ tin cậy cao

Vì xác xuất sự cố của trang bị điện tăng lên theo số lượng phần tử cấu tạo nên nó, do đó để đảm bảo kết quả làm việc tốt, yêu cầu chỉ có một số lượng ít các phần tử cấu tạo nên Từ đây rút ra được giả pháp tốt nhất, trong thiết kế theo quan điển của tính đảm bảo là nên thiết kế sao cho chỉ dùng một số lượng tối thiểu các phần tử cấu tạo mà thôi

Để đạt được độ tin cậy cao, ta cần sử dụng các phần tử thành phần với chất lượng cao, còn việc vận hành trang thiết bị được bảo vệ phải ở trong những điều kiện tốt nhất

So với bảo vệ dùng rơle điện cơ, bảo vệ dùng rơle điện tử có tính đảm bảo cao hơn, do không có các phần tử chuyển động Thật vậy, rơle điện tử không có dao động rung nên không còn tạo nên những tác động sai như đã xảy ra ở rơle tiếp điểm Tương tự so với rơle điện cơ, rơle điện tử ít chịu ảnh hưởng của va đập cơ khí hay có bụi trong không khí

Tuổi thọ của rơle điện tử cao hơn Số lượng lần tác động chấp nhận được của rơle điện tử lớn hơn so với rơle điện cơ, đồng thời nhịp điệu tác động cho phép của rơle điện tử lớn hơn, vì vậy sự trở về của rơle điện tử nhanh hơn

-Độ nhậy: Bảo vệ có độ nhậy càng cao nếu nó tác động ở độ sai

lệch càng nhỏ so với giá trị định mức của thông số được kiểm tra (dòng điện, điện áp v.v ) Độ nhậy được đánh giá bằng hệ số độ nhạy Ví dụ: đối với bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ sẽ tác động khi tăng dòng điện quá một giá trị đã xác định Hệ số Knhạy được xác định bằng biểu thức sau:

Knhạy =

IkdBv

I ngm min.

(1-2)

Ingm min : là giá trị hiệu dụng dòng ngắn mạch nhỏ nhất có thể được,

ở thời gian bằng thời gian tác động của bảo vệ

IkđBV : Dòng điện khởi động của bảo vệ (bảo vệ tác động ở dòng điện này)

Đối với những loại bảo vệ khác, hệ số độ nhạy được định nghĩa khác với độ nhạy trong công thức (1-2) Ví dụ, đối với bảo vệ khoảng cách, hệ số độ nhạy được đặc trưng bởi quan hệ giữa hai tổng trở

Quy định hiện hành ở đại đa số các nước đề ra những giá trị tối thiểu cho phép đối với hệ số độ nhạy của những loại bảo vệ khác nhau,

và với những thiết bị được bảo vệ khác nhau Giá trị này luôn lớn hơn 1

và thường lấy ở giữa khoảng 1.2 và 2 Từ quan hệ (1-2) cho thấy, để đạt

được giá trị độ nhạy cao, tức là bảo vệ có độ nhạy cao thì dòng điện khởi động IkđBV không được gần bằng giá trị Ingm min ( vì nếu IkđBV = Ingm min, tức

là hệ số nhạy không còn lớn hơn 1) Ta thừa nhận sự bảo vệ dòng điện cức đại không xảy ra khi ta có:

IkđBV < Iđm (1-3)

Và cũng không bao giờ thực hiện được khi IkđBV < Ipt max (1-4) Ở đây Iđm và Ipt max là dòng điện định mức và dòng điện phụ tải lớn nhất trong trang thiết bị được bảo vệ Vì bảo vệ sẽ không tác động trong chế

độ làm việc bình thường, chế độ định mức hay chế độ phục tải max, nên cần phải chấp nhận:

IkđBV> Ipt max (1-5)

Quan hệ (1-2) và (1-5) cho ta thấy: ta sẽ nhận được một độ nhạy cao khi bảo vệ tác động ở giá trị nhỏ của dòng điện có giá trị bình thường (trong chế độ bình thường) Thật vậy, ở biểu thức (1-2) giá trị

Knhạy càng tăng khi dòng khởi động IkđBV càng nhỏ, còn quan hệ (1-5) thì chỉ ra rằng những giá trị nhỏ nhất cho phép đối với dòng khởi động IkđBV

là những giá trị rất gần dòng điện phụ tải max (Ipt max) và cao hơn giá trị này một ít Vậy bảo vệ sẽ tác động ở dòng điện khởi động có giá trị lớn hơn dòng điện phụ tải max không nhiều Để bảo vệ đạt được độ nhạy thì các rơle cấu tạo nên bảo vệ phải tiêu thụ một công suất ít nhất để tác động Vậy những rơle này phải rất nhạy Nếu công suất tiêu thụ của rơle

mà lớn thì rơle sẽ tác động ở độ sai lệch của các thông số kiểm tra lớn (so với giá trị bình thường), do vậy độ nhạy của bảo vệ sẽ giảm

Các rơle điện tử tiêu thụ công suất rất ít so với rơle điện cơ, vì vậy nên có một độ nhạy rất cao Độ nhạy của bảo vệ điện tử tăng do vậy rơ le điện tử sẽ có một hệ số trở về tốt hơn hệ số trở về của rơle điện cơ (gần 1 đơn vị)

Hệ số trở về biểu thị quan hệ giữa giá trị trở về ( giá trị của thông

số được kiểm tra mà ở giá trị đó rơle đưa trở về trạng thái nghỉ) và giá trị khởi động (giá trị của thông số được kiểm tra mà tại giá trị đó rơle tác động Sự kiện này đưa đến giảm dòng điện khởi động) Ở rơle điện tử hệ

số trở về gần 1 đơn vị Sự kiện này góp phần đưa đến giảm dòng điện khởi động Thật vậy, muốn tăng hệ số Ktv này đến giá trị gần một đơn vị thì thì phải giảm dòng điện khở động của bảo vệ IkđBV , điều này tương ứng với việc tăng hệ số nhạy

(vì Knhạy =

IkdBv

I ngm min.

) Kích thước bao bì của rơle điện tử thường chỉ bé bằng 1/3 hoặc

dụng rơle điện tử cho phép giảm một số lượng đáng kể các bảng gắn các thiết bị bảo vệ Do vậy, kích thước của gian diều khiển trung gian cũng được giảm.

Độc lập đối với điều kiện vận hành: Bảo vệ phải được thiết kế sao

cho đảm bảo tác động đúng khi xuất hiện sự cố ở thiết bị dược bảo vệ

Để đảm bảo điều kiện này thì những giá trị khởi động phải được

tính toán dựa trên các chế độ làm việc max và min của thiết bị được bảo

vệ Như vậy ta phải kiểm tra sự tác động đúng của bảo vệ ở cả hai chế độ trên tức là đảm bảo được yêu cầu độc lập đối với điều kiện vận hành Rơle điện tử có một ưu điểm là có dải giá trị điều chỉnh rộng, đồng thời rất đơn giản đối với bộ phận thực hiện điều chỉnh

1.3.2 Các yêu cầu khác đặt ra đối với bộ phận bảo vệ.

a) hiệu quả kinh tế: Khi lựa chọn các phương án tốt nhất trong

thiết kế bảo vệ bằng rơle, chúng ta không cần chú ý đến yếu tố kinh tế về đầu tư ban đầu vì rằng so sánh với giá đầu tư của trang thiết bị được bảo

vệ thì giá đầu tư đối với thiết bị tác động bảo vệ nhỏ hơn nhiều Trong tính toán kinh tế ta cần tính toán đến những tiêu tốn trong bảo quản, bảo dưõng và kiểm tra xem xét định kỳ

Bảo vệ bằng rơ le điện tử cần thiết nhưng thao tác bảo dưỡng rất đơn giản (so vớ bảo vệ bằng rơ le điện từ), vì không cần kiểm tra, làm sạch hay thay thế một số tiếp điểm Song trình độ nghiệp vụ của người bảo dưỡng phải cao đối với trường hợp bảo vệ bằng rơle điện tử Công tác bảo dưỡng các thiết bị bảo vệ bằng rơle điện tử thì nhẹ nhàng hơn nhièu, vì tiến hành công tác này trên mạch in và trên những modul tháo lắp được

b)Kích thước bao bì giảm:Vấn đề này quan trọng trong đièu kiện hiện nay, đặc biệt là khi bố trí ở các phòng điều khiển trung tâm

c) Sự linh hoạt trong thay đổi đặc tính động: Bảo vệ điện tử có khả

năng thay đổi đặc tính tác động trong trường hợp bảo vệ phức tạp, đây là một ưu điểm Điều này có lợi là cùng một lúc thiết bị bảo vệ có thể áp dụng cho những trang thiết bị được bảo vệ khác nhau mà chúng cần những đặc tính tác động khác nhau Đối với rơle điện cơ, khả năng thay đổi này bị giới hạn Ví dụ, ở một số loại của bảo vệ khoảng cách qua trung gian của một số bộ chuyển mạch, ta có thể dời chuyển đặc tính vòng tròn Ở bảo vệ điện tử, khả năng biến đổi các đường đặc tính theo chiều mong muốn thường rất rộng, còn những bộ phận cần thiết để phục

vụ cho mục đích này thì đơn giản

d) Tiêu chuẩn hoá các tổ hợp: Ở rơle điện tử việc tiêu chuẩn hoá

có những ưu điểm đáng kể Thật vậy, khi đó việc lắp ráp và việc kiểm tra

các rơle được thực hiện trong những điều kiện tốt hơn, những thao tác bảo dưỡng dễ dàng hơn Còn khi bị sự cố thì có thể nhanh chóng thay thế các tổ hợp bị sự cố.

Việc Sử dụng các mạch in trên các bảng modul tạo nên tính dảm bảo cao hơn vì loại ra được những sai phạm có thể xảy ra do cáp nối

Tóm lại từ việc phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật và các yêu cầu khác đặt ra đối với sự làm việc và thực hiện bảo vệ của rơle, ta thấy rằng: bảo

vệ điện tử thực hiện bằng chất bán dẫn ( còn có tên bảo vệ tĩnh, tương ứng với chuyển mạch tĩnhvì không có những tiếp điểm cơ khí và những phần tử chuyển động) thoả mãn những chỉ tiêu kỹ thuật trong điều kiện tốt nhất và trong nhiều trường hợp có nhiều ưu diểm hơn so với rơle điện

cơ Vì thế nó giải thích được tại sao ngày nay người ta thích dùng bảo vệ bằng rơle điện tử hơn và dần dần nó thay thế cho rơle điện cơ

1.4 Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ

Trong trường hợp bảo vệ đơn giản, nhằm kiểm tra sự thay đổi của một đại lượng nào đó so với một giá trị mốc (giá trị quy chiếu) như là bảo vệ dòng điện, bảo vệ điện áp, được thực hiẹn bằng rơle điện cơ thì người ta dễ dàng dùng sơ đồ điện nguyên tắc để biể thị sơ đồ (còn gọi là

sơ đồ chính) Điều này thực hiện được vì số lượng mạch và những phần

tử cấu tạo nên còn ít nên không cần thiết sơ đồ triển khai

Trong trường hợp bảo vệ phức tạp, yêu cầu phải so sánh hai đại lượng theo biên độ hay sự lệch pha (như bảo vệ có hướng, so lệch, khoảng cách) vì nó sẽ tác động khi kết quản nhận được từ sự so sánh vượt quá một giá trị giới hạn nào đó, tức là sơ đồ có thể biểu thị một mức độ phức tạp cao hơn; đôi khi mỗi một trong hai đại lượng được so sánh lại đối chiếu với một tổ hợp các đại lượng khác Từ đó khi những bảo vệ phức tạp thực hiện đối với rơle điện cơ, người ta sẽ dùng sơ đồ triển khai để biểu thị Sơ đồ triển khai này cho phép theo dõi mạch dễ dàng hơn

và sơ đồ lắp ráp Ở sơ đồ bố trí, những mối quan hệ giữa các phần

tử có thể không được phản ánh một cách đầy đủ mà chỉ thể hiện hệ thống bảo vệ của một số nhất định trang thiết bị được bảo vệ bằng cách

sử dụng ký hiệu quy định của nhà nước Trong các sơ đồ lắp ráp, mối liên quan được thể hiện theo những quuy định đã xác lập đối với tất cả các khí cụ và trang thiết bị điện Ngoài sơ đồ nguyên tắc, ở bảo vệ rơle người ta còn dùng sơ đồ bố trí

Sơ đồ nguyên tắc có thể dùng để tổng hợp những phần tử thành phần của bảo vệ điện tử, đối với trường hợp bảo vệ đơn giản Ở trường hợp các bảo vệ phức tạp, số lượng các mạch điện có thể rất nhiều, do đó

sẽ tạo ra những khó khăn trong việc thể hiện toàn bộ tổ hợp trên cùng một bản vẽ Và việc theo dõi sơ đồ cũng rất khó khăn.

Vì thế đối với bảo vệ điện tử phức tạp thì phải có một loại sơ đồ khác với loại sơ đồ đã nêu Ở sơ đồ này, những phần tử làm việc được trình bày bằng các hình chữ nhật, còn các tín hiệu truyền giữa các phần

tử được phản ánh bằng các mũi tên Những sơ đồ loại này giới thiệu một cách rõ ràng cấu trúc của toàn bộ tổ hợp của bảo vệ, đồng thời giúp ta theo dõi sự tác động liên tiếp mà những phần tử khác nhau đã thực hiện khi bảo vệ hoạt động

Theo quan điểm về những loại phần tử được sử dụng trong cấu trúc, thì bảo vệ bằng điện tử có thể phân thành bảo vệ với những phần tử logic và bảo vệ với phần tử tương tự Ở một số trường hợp, trong cùng một sơ đò có thể được ứng dụng cả hai loại phần tử trên

1.4.1 Các phần tử logic trong sơ đồ bảo vệ bằng điện tử.

Bảo vệ rơle sẽ tác động khi phát hiện thấy sự gián đoạn ở biên độ hay sự lệch pha được kiểm tra.Sự gián đoạn biên độ biểu thị dấu hiệu xuất hiện một sự cố

Việc kiểm tra sự gián đoạn này có thể thực hiện nhờ các phần tử logic Trong sơ đồ bảo vệ, đặc biệt trong khối xử lý và quyết định BPD (hình 9-1) người ta sử dụng những phần tử logic mà nó thực hiện các chức năng logic như đã biết trong đại số Boole, đó là các hàm cơ bản sau: HOẶC, VÀ, ĐẢO, KHÔNG – HOẶC, KHÔNG – VÀ, V.V…Ở các phần tử này, những biến thiên ở ngõ vào và ngõ ra chỉ có thể có hai giá trị của đại số Boole, thông thường ký hiệu là “0” và “1”

Bên cạnh những phần tử logic như đã nêu trên, trong sơ đồ bảo vệ rơle còn sử dụng rộng rãi những bộ logic có tên là bộ phân biệt Ở những phần tử logic này, biến số vào có sự biến đổi liên tục và có thể có một số lượng vô tận các giá trị (bao gồm trong giới hạn một dải nhất định) trong khi biến cố ngõ ra chỉ có thể có hai giá trị “0” hoặc “1” Đối với phần tử này, mô tả toán học của sự làm việc được thực hiện nhờ logic hàm

Vì các đại lượng ngõ vào có một giá trị liên tục, còn đại lượng đầu

ra chỉ có hai giá trị, bộ phân biệt thực tế là những phần tử lai

Để có thể dò tìm những gián đoạn trong sự biến đổi của biên độ hay sự lệch pha (vì sự gián đoạn biểu thị xuất hiện sự cố) nên thực chất rơle thực hiện chức năng bộ phân biệt Do đó trong thực tế những phần

tử ghép lai không thể vắng mặt trong sơ đồ bảo vệ điện tử

So sánh với một số phần tử tương tự, phần tử logic có ưu điểm là đảm bảo sự làm việc tốt của tranzitor, vì những tranzitor này làm việc ở chế độ chuyển mạch trong sơ đồ phần tử logic Tương tự ảnh hưởng của

sự thay đổi nhiệt độ đối với sự làm việc của tranzitor ở chế độ chuyển mạch thì ít hơn ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt đọ trong chế độ phần tử tương tự.

1.4.2 Những phần tử tương tự trong sơ đồ bảo vệ điện tử.

Ít hơn so với những phần tử logic Trong số những phần tử tương

tự tuyến tính và không tuyến tính, chúng ta thường gặp trong bảo vệ điện

tử nhũng bộ phận sau: bộ khuếch đại, khuếch đại thuật toán làm việc như một bộ cộng, bộ tích phân v.v…phần tử nhân bội, phần tử lệch pha…

Trong một số trường hợp, trong cùng một sơ đồ bảo vệ ta vừa gặp phần tử logic vừa gặp phần tử tương tự Thật vậy: đại lượng kết quả từ

sự so sánh của một số biên độ hay độ lệch pha - sự so sánh được thực hiện bằng các phần tử logic- được khuếch đậi bằng một khuếch đại tranzitor (phần tử tương tự) và sau đó lại được truyền qua cho các phần

tử tiếp theo của sơ đồ

Bộ phận khuêch đại tuyến tính và các bộ phận khác của phần tử tương tự trong sơ đồ cần phải được lựa chọn cẩn thận theo quan điểm độ chính xác và không làm thay đổi đặc tính Vì rằng những sai số của những phần tử này có thể đưa đến ảnh hưởng không tốt đối với kết quả của bảo vệ

1.5 Bảo vệ chính, bảo vệ phụ và bảo vệ dự trữ.

Khi thiết kế bảo vệ bằng rơle cho các trang thiết bị hệ thống cung cấp điện, chúng ta cần dự kiến đến trường hợp xấu nhất là: khi xuất hiện

sự cố bên trong thiết bị thì thiết bị này không được tách ra khỏi hệ thống điện Như vậy sự cố vẫn tiếp tục được duy trì và càng trở nên trầm trọng

Để đề phòng hiện tượng này thì bên cạnh bảo vệ chính người ta còn dự kiến them bảo vệ dự trữ Bảo vệ dự trữ sẽ tác động trong trường hợp bảo

vệ chính từ chối tác động Nếu máy cắt điện của thiết bị được bảo vệ không tiến hành ngắt, thì bảo vệ của phần tử bên cạnh phải tiến hành loại trừ vùng sự cố ra khỏi lưới điện bảo vệ của phần tử bên cạnh này sẽ tiến hành điều khiển mở máy cắt điện của nó Do đó sẽ ngưng cung cấp điện cho phần tử bị sự cố từ mọi phía Rõ rang bảo vệ của các phần tử bên cạnh là bảo vệ dự trữ đối với phần tủe mà máy cắt của nó đã không tiến hành ngắt được như đã nêu trên

Bảo vệ chính trang thiết bị là bảo vệ thực hiện tác động nhanh khi

sự cố sảy ra trong phạm vi giới hạn đối với trang thiết bị được bảo vệ Còn bảo vệ dự trữ đối với cùng trang thiết bị này là bảo vệ thay thế cho tác động của bảo vệ chính trong trường hợp bảo vệ chính từ chối không tác động hoặc trong trường hợp bảo vệ chính đang trong trường hợp tiểu

tu hay sửa chữa nhỏ Bảo vệ dự trữ cần phải tác động với một thời gian

lớn hơn thời gian tác động của bảo vệ chính để cho bảo vệ chính thực hiện nhiệm vụ của mình là loại phẩn tử bị sự cố ra khỏi mạch trước tiên (khi bảo vệ chính làm việc đúng).

Trong quá tình nghiên cứu bảo vệ đối với các phần tử khác nhau của hệ thống điện, bảo vệ dự trữ cho bảo vệ chính có thể được đảm bảo theo ba cách sau:

a) Bảo vệ cho phần tử bên cạnh ( bảo vệ này được gọi là dự trữ khoảng càch)

b) Bảo vệ phụ đặt trên cùng phần tử ( bảo vệ này có tên là dự trữ tại chỗ)

c) Một rơle phụ đưa vào trong sơ đồ bảo vệ cho phần tử bên cạnh, rơle này sẽ điều khiển mở máy cắt của phần tử mà ta quan tâm

Có một số trường hợp bảo vệ chính không đảm bảo bảo vệ toàn bộ chiều dài của mạch cần thiết bảo vệ mà sẽ có một số đoạn được gọi là vùng chết của bảo vệ chính, vì nếu sự cố xuất hiện tại vùng chết này thì bảo vệ chính sẽ không nắm bắt được và do đó nó sẽ không tác động Để

có thể đảm bảo bảo vệ đối với các sự cố xuất hiện tại vùng chết này người ta đặt một loại bảo vệ có tên là bảo vệ phụ

Ở một số trường hợp cụ thể, bảo vệ dự trữ có thể thoả mãn vai trò của bảo vệ phụ của phần tử tương ứng.

1.6 Những loại bảo vệ chính bằng rơle.

1.6.1 Bảo vệ dòng điện: Bảo vệ dòng điện tác động trong trường

hợp dòng điện của mạch bảo vệ được tăng lên do quá tải hay ngắn mạch Những bảo vệ này thực hiện bằng rơle cường độ (còn gọi là rơle dòng điện) Rơle sẽ tác động khi dòng điện trong mạch được bảo vệ vượt quá một giá trị nhất định đã được thiết lập Dòng điện này gọi là dòng điện khởi động (dòng điện tác động) của bảo vệ và ký hiệu là IkđBv.

Giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ là giá trị dòng điện của mạch được bảo vệ mà ở giá trị đó, bảo vệ làm việc (còn gọi là bảo vệ tác động), tương ứng với rơle dòng điện đóng tiếp điểm của mình (trong trường hợp rơle có tiếp điểm ) Giá trị dòng điện khởi động của rơle được định nghĩa như sau:

Ở đây I là dòng điện của mạch được bảo vệ Những bảo vệ này còn gọi là loại bảo vệ cực đại Vì rằng, bảo vệ dòng điện không tác động trong chế độ làm việc bình thường, nên giá trị dòng điện khởi động cần phải lớn hơn giá trị dòng điện định mức Iđm,đồng thời cũng lớn hơn giá trị dòng điện cực đại của phụ tải, tức là:

a) Bảo vệ điện áp cực tiểu: là bảo vệ sẽ tác động trong trường hợp

điện áp giảm đi do suất hiện dòng điện ngắn mạch Rơle điện áp cực tiểu

sẽ tác động khi điện áp U của mạch được bảo vệ giảm đến dưới giá trị đã được thiết lập để bảo vệ tác động Điện áp được thiết lập này gọi là điện

áp khởi động của bảo vệ: UkđBv Tức là muốn tác động cần thỏa mãn quan

hệ sau:

U < UkđBv (1-9)

Để bảo vệ không tác động trong chế độ bình thường, thì điện áp khởi động phải nhỏ hơn điện áp định mức Uđm và nhỏ hơn điện áp cực tiểu có thể xuất hiện trong quá trình vận hành Umin vận hành ở chế độ làm việc bình thường, tức là thoả mãn quan hệ sau:

b) Bảo vệ điện áp cực đại: được thực hiện bằng rơle điện áp cực

đại Những rơle điện áp cực đại sử dụng ít hơn những rơle điện áp cực tiểu (ở máy phát thủy điện, ở đường dây điện áp rất cao) Những rơle điện áp cực đại sẽ tác động khi điện áp ở những cực của mạch điện được bảo vệ tăng lên quá điện áp khởi động của bảo vệ, tức là tương ứng với khi xảy ra quan hệ sau:

Bảo vệ bằng rơle điện áp cực đại xử dụng giành cho bảo vệ với bộ lọc ở trong một số mạch của hệ thống năng lượng

1.6.3 Bảo vệ có hướng:

Bảo vệ có hướng tác động khi xuất hiện sự biến đổi quan trọng của lệch pha giữa dòng điện và điện áp của mạch được bảo vệ Ví dụ: trường hợp đường dây cung cấp từ hai phía (hình 1-3), cả hai trung tâm

C1 va C2 ở chế độ làm việc bình thường cung cấp cho các hộ tiêu thụ được nối đến các trạm A, B, va C

Vì hệ thống điện làm việc ở dòng điện xoay chiều, chiều của nó thay đổi sau mỗi bán chu kỳ, do vậy không thể xác định ở một chiều dòng điện chạy nhất định mà chỉ có thể xác định ở sự lệch pha của dòng điện so với điện áp tại những điểm khác nhau của hệ thống điện

Hình 1-3a

Hình 1-3b

Trong việc nghiên cứu bảo vệ bằng rơle, theo quy ước, chúng ta ghi một chiều nhất định của dòng điện tại những điểm khác nhau; thực tế

nó có giá trị tại một điểm nhất định Khi dòng điện xoay chiều thay đổi thì tình hình này cũng sẽ biến đổi Điều này sảy ra theo chu kỳ, theo quy ước, mũi tên thẳng có thể ký hiệu dòng điện tương ứng và là đại lượng phức (không phải là đại lượng tức thời) Hình bên (1-4a) giới thiệu biểu

đồ véctơ của điện áp và dòng điện ở điểm E trong chế độ làm việc bình thường sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp được xem như là dương khi vectơ điện áp vượt trước vectơ dòng điện, tức là φE1>0

Ta cũng thấy rằng, từ chế độ làm việc bình thường đến chế độ sự

cố trên đường dây L -1, đã xảy ra sự thay đổi đáng kể của pha dòng điện

so với pha điện áp ở tại một đầu của đường dây bị sự cố Người ta sử dụng sự kiện này để tạo nên sự tác động của bảo vệ có hướng Theo quy ước, khi ngắn mạch tại điểm K thì ở điểm E trên sơ đồ hình 1-3b sẽ biểu thị một mũi tên có chiều ngược với chiều giới thiệu ở hình 1-3a

Nếu sự cố xảy ra trên đường dây L – 2 thì sẽ xuất hiện sự thay đổi đáng kể đối với pha của dòng điện tại điểm F, và cũng theo cách quy ước như vậy, ta có thể biểu thị bằng mũi tên đi từ điểm F theo chiều ngược lại với chiều của chế độ làm việc bình thường

Như vậy rõ ràng, chỉ có trên đường dây bị sự cố đã xuất hiện một

sự biến đổi quan trọng của pha dòng điện ở một đầu đường dây so với điện áp, trong khi đó ở trên đương dây không có sự cố sẽ vẫn không xuất hiện sự biến đổi nào Do vậy, bảo vệ có hướng có thể góp phần vào việc đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ có hướng được thực hiện bằng rơle có hướng những rơle này sẽ tác động theo chiều công suất chạy Những bảo vệ có hướng sẽ được sử dụng cùng với các loại bảo vệ khác nhằm tăng cường tính chọn lọc

Ia2 = Ib2,

do đó Ia2 – Ib2 = 0

Nếu xuất hiện sự cố trong vùng bảo vệ ; ví dụ tại điểm K’, các dòng điện Ia3 và Ib3 ở hai đầu của vùng được bảo vệ không còn bằng nhau nữa, do vậy:

lệch không thoả mãn quan hệ (1-2) Đối với bảo vệ dòng điện, điều này

là cần thiết để tránh tác động sai ở chế độ bình thường

đồng thời điện áp U cũng giảm nhiều, do đó quan hệ U I giảm

một cách đáng kể, tức là tổng trở của mạch được bảo vệ sẽ giảm nhiều khi đó, rơle tổng trở sẽ tác động và rơle này là rơle cực tiểu

Khi có sự cố ở một trong các phần tử của hệ thống điện (đường dây, máy phát, máy biến thế v.v….), như vậy, sẽ có dòng điện cực đại đi qua phần tử bị sự cố (so sánh với dòng điện đi qua các phần tử khác của

hệ thống) Điện áp ở hai đầu của phần tử sự cố sẽ là bé nhất khi so sánh với điện áp ở những điểm khác của hệ thống Do vậy rơle tổng trở ở những đầu của phần tử sự cố sẽ đo tổng trở cực tiểu này Động tác này cho phép đoạn sự cố sẽ được phân biệt với các đoạn không sự cố khác của hệ thống Như vậy, bảo vệ khoảng cách sẽ làm việc một cách chọn lọc

bộ lọc này sẽ thoả mãn điều kiện độ nhạy tốt hơn

1.6.7 Bảo vệ tần số cao:

Bảo vệ tần số cao thuộc loại tác động nhanh và được dùng cho các đường dây trung bình và dài Khi đường dây dài quá 20km thì việc dùng dây nối giữa các phần tử bảo vệ của hai đầu đường dây trở lên khá tốn kém, do vậy ta không dùng bảo vệ so lệch dọc Bảo vệ tần số cao gồm hai bộ phận đặt ở hai đầu đường dây được bảo vệ Đặc điểm của chúng

là sự có mặt của kênh liên lạc bằng tần số cao truyền ngay trên dây dẫn của đường dây được bảo vệ tới hai bộ phận đặt ở hai đầu để đảm bảo cho bảo vệ chọn lọc khi có ngắn mạch bên ngoài

Về nguyên tắc, bảo vệ tần số cao không phản ứng khi ngắn mạch ngoài đường dây được bảo vệ

Hiện nay, người ta sử dụng hai giải pháp để truyền tín hiệu tần số cao tới hai bộ ở hai đường dây được bảo vệ :

a) Dùng ngay dây dẫn điện áp cao làm kênh liên lạc tần số cao, như đã nêu ở trên

b) Dùng vô tuyến điện : gồm bộ phận phát và thu tần số cao

Giải pháp đầu tiên (a) ở trên đã xuất hiện vào những năm 1928 còn giải pháp dưới (b) đã xuất hiện khoảng thời gian gần đây

Sau đây xin trình bày giải pháp dùng kênh vô tuyến sơ đồ nguyên tắc của giải pháp dùng kênh vô tuyến được giới thiệu ở hình 1-6

Hình 1-6

Tại mỗi đầu của đường dây được bảo vệ, có bộ thu phát 1 nối đến ăngten 3 qua đường dây 2, kênh vô tuyến làm việc ở sóng cực ngắn, thông thường là sóng đeximét và centimet, tức là ứng với tần số từ 300 – 30.000MHZ Do đó, bộ thu phát có cấu tạo đặc biệt đường dây 2 nối đến ăngten la loại cáp đồng trục

Khi đường dây được bảo vệ có chiều dài khá lớn, thì kênh vô tuyến sẽ thực hiện thông qua các tuyến rơle vô tuyến trung gian Trong trường hợp này, sơ đồ chỉ khác với sơ đồ ở trên là ở chỗ có thêm các trạm thu phát sóng trung gian Các trạm này sẽ thu các tín hiệu, khuếch đại và lại truyền tín hiệu đã được khuếch đại đến các trạm kế tiêp sau đó

Giải pháp kênh vô tuyến có ưu điểm hơn nhiều so với dùng ngay dây dẫn điện áp cao làm kênh liên lạc tần số cao ở chỗ: tính đảm bảo làm việc cao hơn, vì rằng trong những giai đoạn thời tiết không thuận lợi thì việc truyền các tín hiệu tần số cao trực tiếp qua các dây dẫn điện áp cao

sẽ có hiệu quả thấp đồng thời có thể làm thay đổi độ nhạy trong việc truyền tín hiệu đối với giải pháp kênh vô tuyến, ta co thể sử dụng dải tần rộng để truyền đồng thời một số lượng lớn tín hiệu

Hiện nay cac tuyến rơle vô tuyến điện sử dụng sóng cực ngắn đã dần dần đưa vào trong hệ thống năng lượng phục vụ cho công tác điều

độ hệ thống (thông tin viễn thông, điều khiển từ xa v.v…) và phục vụ cho việc truyền tín hiệu bảo vệ rơle

Việc sử dụng kênh vô tuyến điện sẽ cho phép thực hiện bảo vệ chọn loc và đồng thời tác động rất nhanh đối với lưới điện có kết cấu phức tạp

1.6.8 Bảo vệ bằng rơle nhiệt:

Nguyên lý làm việc : khi nhiệt độ tăng cao, bảo vệ bằng rơle nhiệt

sẽ tác động Trong quá trình vận hành, nếu sự cố ngắn mạch hay quá tải thì nhiệt độ sẽ tăng và rơle nhiệt sẽ tác động Thông thường ở những động cơ điện áp thấp, ta dùng bảo vệ rơle nhiệt để bảo vệ quá tải

1.6.9 Bảo vệ bằng rơle khí ( còn gọi là rơle hơi):

Thông thường đối với máy biến áp có công suất khá lớn ( S >

1000 KVA) người ta có thể thay bảo vệ dòng điện cắt nhanh bằng bảo vệ

so lệch dọc ngoài ra, đối với máy biến áp có dầu, ở loại này, người ta quy định phải dùng thêm rơle hơi bảo vệ tránh quá tải và các dạng ngắn mạch trong máy biến áp Rơle hơi là một cái phao có gắn hai tiếp điểm Rơle hơi được gắn vào trong đoạn ống nối giữa thùng dầu phụ với máy biến áp Khi xảy ra ngắn mạch giữa các pha, hoặc giữa các vòng dây trong máy biến áp hoặc xảy ra quá tải, dòng điện trong các bối dây của máy biến áp tăng lên, do đó làm dầu bốc hơi mạnh và áp lực trên mặt dầu của máy biến áp tăng lên Áp lực của hơi dầu làm rơle hơi bị nghiêng đi so lệch với vị trí ban đầu Nếu sự cố nhẹ, rơle hơi nghiêng ít thì chỉ có tiếp điểm thứ nhất đóng lại để báo tín hiệu Nếu sự cố nặng dầu bốc hơi mạnh làm rơle hơi nghiêng nhiều, tiếp điểm thứ hai của rơle hơi đóng lại để cắt máy biến áp Ưu điểm của rơle là đơn giản, độ nhạy cao với hầu hết các loại sự cố trong máy biến áp Nhược điểm của rơle hơi tác động kém nhạy đối với các loại sự cố xảy ra ở phía đầu ra của máy biến áp Do vậy nên bên cạnh bảo vệ bằng rơle hơi bao giờ cũng đặt thêm bảo vệ dòng điện cực đại và dòng điện cắt nhanh hay bảo vệ so lệch dọc

1.7 Các chế độ làm việc không bình thường

Các chế độ làm việc mà có dòng điện, điện áp hoặc tần số lệch khỏi giá trị cho phép tới mức có thể nguy hiểm cho thiết bị cũng như tính ổn định của hệ thống thì thuộc loại chế độ làm việc không bình thường

Các chế độ làm việc không bình thường chính được đề cập đến trong thiểt bị bảo vệ rơle là : quá tải và dao động trong hệ thống

Một sự ngắn mạch ở bên ngoài phần tử được bảo vệ hay sự xuất hiện quá tải đều là nguyên nhân tạo nên quá dòng điện Quá dòng điện là hiện tượng dòng điện vượt quá giá trị cho phép lâu dài, tức là vượt quá giá trị dòng điện định mức

Khi xuất hiện quá dòng điện, thì phần tử được bảo vệ, không cần tách ra khỏi lưới điện ngay, song cũng không cho phép phần tử được bảo

vệ phải chịu quá dòng điện trong khoảng thời gian lâu dài mãi được Sở

dĩ vì quá dòng điện sẽ tạo nên cách điện chóng già cỗi (do nhiệt độ của phần cách điện vượt quá giá trị cho phép hoặc làm cho các tiếp điểm quá nhiệt v.v… do vậy, đại đa số các phần tử của hệ thống điện (máy phát, máy biến áp , động cơ điện v.v…) được dự kiến bảo vệ có thời gian trì hoãn đối với quá dòng điện , đồng thời tác động rơle tín hiệu

Dao động trong hệ thống, tương ứng với mất ổn định hệ thống, xuất hiện do vì ngắn mạch được khắc phục quá chậm, do vì công suất được vận chuyển giữa đường dây nối các hệ thống vượt quá cho phép, hoặc do vì có một số đường dây của hệ thống bị tách ra, tạo nên sự mất đồng bộ của các trung tâm

Trong thời gian dao động, dòng điện cân bằng chạy qua các đường dây nối các trung tâm có thể có giá trị vượt quá rẩt nhiều so lệch với giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ Do vậy có khả năng dẫn đến tác động không chọn lọc Tương tự, trong thời gian dao động, sự biến đổi quan trọng của điện áp cũng xuất hiện.sư biến đổi này có thể gây nên các rơle điện áp cực tiểu tác động sai

Để tránh sự tác động sai của bảo vệ trong thời gian dao động , thì bảo vệ các đường dây quan trọng phải dự kiến thêm một bộ phận

“ngưng” hay “khoá” đặc biệt Bộ phận này sẽ thích ứng theo các cách khác nhau; khi dao động thì bảo vệ sẽ khoá, còn khi ngắn mạch trên đường dây tương ứng thì cho phép bảo vệ tác động đúng Sở dĩ thực hiện được như vậy là vì ở hai trường hợp trên đều có sự phân biệt giữa chúng

về dòng điện, điện áp, và công suất

Bộ phận khoá thực hiện dựa trên cơ sở là : khi ngắn mạch, sự biến đổi dòng điện rất đột ngột, trong khi đó nếu dao động thì biến đổi chậm

hơn nhiều; hoặc khi ngắn mạch thì xuất hiện thành phần thứ tự nghịch và thành phần thứ tự không, còn trong trường hợp dao động thì không xuất hiện những thành phần này, hoặc phân biệt theo chiều lưu thông của công suất tác dụng và phản kháng ở hai trường hợp v.v…

1.8 Các hình thức bảo vệ rơle trong hệ thống cung cấp điện.

Trong hệ thống cung cấp điện thường dùng các loại bảo vệ sau:

- Bảo vệ dòng điện đại có thời gian duy trì, loại này dùng để bảo

vệ tình trạng quá tải và làm bảo vệ dự phòng cho các loại bảo vệ khác

- Bảo vệ cắt nhanh, cũng là một loại bảo vệ dòng điện cực đại nhưng tác động không có thời gian duy trì, loại bảo vệ này được dùng để bảo vệ tình trạng ngắn mạch

- Bảo vệ so lệch , cũng là một loại bảo vệ dòng điện cực đại không có thời gian duy trì, dùng để bảo vệ tình trạng ngắn mạch

- Báo tín hiệu và bảo vệ tình trạng chạm đất trong mạng có điểm trung tính cách điện

1.8.1 Các loại rơle , sơ đồ nối rơle với máy biến dòng và dòng điện thao tác.

a) Các loại rơle : rơle bảo vệ trong hệ thống cung cấp điện có

nhiều loại, đảm nhận những nhiệm vụ khác nhau

Theo dòng điện tác động, các rơle được phân thành rơle dòng điện một chiều và rơle dòng điện xoay chiều

Theo tham số tác động, rơle được phân thành rơle điện áp, rơle dòng điện, rơle công suất, rơle tổng trở v.v…

Theo nguyên lý làm việc, rơle phân thành rơle điện từ, rơle cảm ứng, rơle bán dẫn vi mạch

Theo nguyên tắc tác động, rơle được phân thành rơle tác động trực tiếp và rơle tác động gián tiếp Rơle tác động trực tiếp được nối trực tiếp vào mạng điện, dòng điện phụ tải trực tiếp chạy qua rơle hoặc điện áp mạng nối trực tiếp vào rơle Nhược điểm của rơle tác động trực tiếp là tổn thất điện năng trong rơle tương đối lớn Phần lớn các rơle dùng trong

hệ thống cung cấp điện là rơle gián tiếp, chúng được chế tạo để có thể chịu được điện áp lớn nhất là 100V và dòng điện lớn nhất là 5A Các rơle này mắc vào mạng điện gián tiếp qua các máy biến dòng và các máy biến áp

b)Sơ đồ nối rơle với máy biến dòng.

Có nhiều sơ đồ nối rơle dòng điện với máy biến dòng

Đối với mạng có điểm trung tính cách điện, chúng ta có thể dùng một trong những sơ đồ nối máy biến dòng với rơle dòng điện như ở hình 1-7 a, b, c, d, e sau đây.

Hình 1-7 các sơ đồ nối máy biến dòng với rơle dòng điện

Phổ biến nhất là dùng sơ đồ số 8 (hình 1-7a) vì ở sơ đồ này số rơle

Nhược điểm của sơ đồ là độ nhạy của thiết bị bảo vệ rơle khi xảy

ra ngắn mạch giữa pha không đặt máy biến dòng với các pha còn lại nhỏ hơn độ nhạy khi xảy ra ngắn mạch giữa hai pha có đặt máy biến dòng hoặc ngắn mạch ba pha

Hình 1-7b trình bày sơ đồ nối máy biến dòng BI theo hình sao không hoàn toàn ở chế độ đối xứng của mạng, hệ số sơ đồ được tính như sau :

Ksd = I BI

= 1

Để phản ánh dòng điện ngắn mạch một pha ở pha không có biến dòng và để tăng dộ nhạy của thiết bị bảo vệ , ta đặt thêm một rơle trên dây dẫn về dòng điện chạy trong rơle này (hình 1-7c) bằng tổng hai vectơ dòng điện chạy trong hai rơle còn lại

Hình 1-7d trình bày sơ đồ nối máy biến dòng và rơle theo kiểu hình sao hoàn toàn Ở chế độ đối xứng của mạng, hệ số sơ đồ là:

Hình 1-7e trình bày cách nối các máy biến dòng thành bộ lọc dòng điện thứ tự không Ở đây IR = 3I0 với I0 – là thành phần dòng điện thứ tự không Sơ đồ này được dùng để bảo vệ ngắn mạch một pha hoặc chạm đất

c) Nguồn điện thao tác

Nguồn điện thao tác dùng để cung cấp điện cho các mạch bảo vệ rơle, mạch điều khiển, mạch tự động hoá v.v… nguồn điện này phải đảm bảo cho các rơle phần tử tự động, bộ phận đóng cắt máy cắt điện làm việc tin cậy ở trạng thái mạng điện vận hành bình thường cũng như khi xảy ra sự cố Nguồn điện thao tác có thể dùng nguồn một chiều hoặc nguồn xoay chiều

Nguồn một chiều thường dùng các bộ ắc quy có điện áp 24 ÷ 220V Ưu điểm của nguồn một chiều là không phụ thuộc vào tình trạng làm việc của mạng điện do vậy đảm bảo cho các thiết bị làm việc tin cậy Nhược điểm của nguồn thao tác một chiều là tăng thêm vốn đầu tư và phải luôn luôn bảo quản các bộ ắc quy

Nguồn điện thao tác xoay chiều sử dụng ngay dòng điện và điện

áp của mạng động lực thông qua các máy biến dòng và máy biến áp nhược điểm của nguồn thao tác xoay chiều là phụ thuộc vào tình trạng làm việc của mạng điện Do vậy nên khi sự cố ngắn mạch, điện áp của mạng bị tụt xuống sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc tin cậy của thiết bị bảo vệ Cũng do vậy nên nguồn thao tác xoay chiều thường được dùng ở những nơi ít quan trọng

1.9 Các dạng của rơle bảo vệ rơle

1.9.1 Bảo vệ dòng điện cực đại: Bảo vệ dòng điện cực đại

(BVDCĐ) là dạng chủ yếu của rơle trong lưới cung cấp điện; nó tác động đối với dòng điện tăng đột ngột của lưới điện do ngắn mạch hay quá tải Rơle dòng điện cực đại và rơle thời gian là cơ cấu khởi động BVDCĐ Bảo vệ dòng điện cực đại thực hiện trên cơ sở của rơle cảm ứng

PT-80 và PT – 90, được gọi là BVDCĐ có đặc tính thời gian duy trì phụ thuộc vào dòng điện ngắn mạch.nếu BVDCĐ thực hiện thông qua dòng điện tác động tức thời loại PT-40 ЭT – 520 v.v…còn việc duy trì thời gian, đựơc thực hiện bởi rơle thời gian loại PB, PBM v.v… với

cơ cấu đồng hồ, thời gian tác động của nó không phụ thuộc vào dòng điện ngắn mạch hay quá tải đi trong mạch điện, thì bảo vệ được gọi là BVDCĐ với đặc tính thời gian duy trì độc lập

Trị số dòng điện , khi sự làm việc của bảo vệ xảy ra, được gọi là làm việc của bảo vệ IlvBV. Dòng điện này ở phía sơ cấp của máy biến dòng tính chất chọn lọc trong sự làm việc của nó ở những phần khác nhau của mạng điện có thể được bảo đảm do sự lựa chọn trị số dòng điện

và xác định thời gian duy trì của BVDCĐ việc thiết lập dòng điện làm việc rơle (IlvR) được gọi là chỉnh định rơle theo dòng điện làm việc cho trước

Hình 1-8 giới thiệu các sơ đồ BVDCĐ khác nhau, hình 1-8a giới thiệu sơ đồ BVDCĐ với đặc tính thời gian độc lập, sử dụng trong lưới với trung tính nối đất để bảo vệ ngắn mạch một pha và ngắn mạch giữa các pha ở đây KA là rơle bảo vệ ngắn mạch giữa các pha : rơle KAO –

là rơle bảo vệ ngắn mạch một pha Do có rơle KAO nên độ nhạy của sơ

đồ tăng lên Tính chọn lọc tác động của BVDCĐ theo đường dòng điện

đi từ nguồn cung cấp đến điểm đặt của thiết bị bảo vệ sẽ đạt được bằng cách chọn thời gian tuỳ theo từng cấp đối với rơle thời gian ở những khu vực khác nhau của lưới điện ở đây KH1 và KH2 là rơle báo tín hiệu

Hình 1-8 Các sơ đồ bảo vệ dòng điện cực đại

Khi ngắn mạch, những điểm của một, hai hay ba rơle KA sẽ đóng lại, cuộn dây của rơle thời gian KT1 nhận được dòng điện và sau một thời gian duy trì đã được xác định trước sẽ đóng tiếp điểm KT1 : 1 do đó dòng điện cung cấp ở mạch điều khiển sẽ đi qua rơle báo tín hiệu KH1 đến cuộn dây cắt YAT của máy cắt điện Máy cắt điện Q sẽ mở ra, và rơle tín hiệu KH chỉ rõ bảo vệ hoạt động ra sao

Đối với sơ đồ trung tính cách điện, có thể áp dụng sơ đồ BVDCĐ tương tự với hai rơle KA ở những pha A và C Người ta cho phép sử dụng sơ đồ với một rơle dòng điện được đưa vào, dựa trên sự khác nhau của dòng điện ở hai pha.

Hình 1-8b giới thiệu sơ đồ BVDCĐ với rơle loại PTB, được dùng

ở những lưới trung tính cách điện Sơ đồ tác động khi ngắn mạch giữa các pha của một đôi pha bất kỳ nào đó của lưới Ở những lưới đó, có thể dùng sơ đồ với hai máy biến dòng và một rơle PTB nào đó Nhưng độ nhạy của sơ đồ hình 1-8c thấp hơn 1.73 lần Nếu ở sơ đồ hình 1-8c và sử dụng rơle loại PTM thì các sơ đồ này sẽ là các sơ đồ dòng điện cắt Khi

đó, tính chất chọn lọc của sơ đồ sẽ được bảo đảm do việc đặt các rơle có dòng điện làm việc khác nhau, tức là dòng điện cắt của một đường dây tham gia được chọn sẽ lớn hơn từ 25 ÷ 50 % giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại ở vị trí ban đầu của đường dây tham gia ở phía sau

Hình 1-8d, e trình bày sơ đồ BVDCĐ, được thực hiện thông qua hai rơle PT-80 với đường đặc tính thời gian duy trì phụ thuộc, ứng với dòng điện tác động 1 chiều hay xoay chiều

Để tăng độ nhạy của BVDCĐ, đôi khi người ta áp dụng sơ đồ với các khối điện áp cực tiểu Các khối này được giới thiệu ở hình 1-8c Ở đây có 3 rơle dòng điện KA1, KA2 và KA3 và ba khối rơle điện áp cực tiểu KV1, KV2, KV3 Bảo vệ sẽ tác động khi ngắn mạch, vì rằng có sự tác động đồng thời của rơle dòng điện và rơle điện áp cực tiểu (chỉ có thể xảy ra đồng thời khi ngắn mạch, khi đó dòng điện sẽ tăng lên và điện áp đồng thời sẽ giảm đi) Khi quá tải, sơ đồ sẽ không làm việc vì điện áp rõ ràng không giảm và tương ứng với nó, rơle điện áp cực tiểu sẽ không tác động

Hình 1-9 Sơ đồ ba pha của bảo vệ điện áp cực tiểu

Hình 1-9 giới thiệu sơ đồ với rơle điện áp cực tiểu loại PHB Rơle này tác động đối với sự ngắn mạch trong lưới điện, khi điện áp giảm dưới giá trị mà đã xác định đối với rơle PHB

Nếu bảo vệ được dự kiến với thời gian duy trì độc lập, thì để đảm bảo tính chất chọn lọc của chúng, sự tác động của rơle thời gian duy trì đối với mỗi cấp chọn lọc :

Δt = 0,5 ÷ 0,6 giây so lệch với trước đó Hình 1-10 cho sơ đồ ví

dụ, ở đây, sự bố trí thời gian của rơle thời gian đã được trình bày rõ ràng

Sự lựa chọn thời gian duy trì được bắt đầu t1 = 0 từ khoảng cách xa nhất của hộ tiêu thụ đối với nguồn – ví dụ : động cơ điện M1 và M2, có thời gian duy trì t1 = 0

Trị số thời gian duy trì kế tiếp sau (hướng từ phụ tải trở về nguồn) là :

Ilv.rơle =

BI trove

lv sodo tincay kd

K

max

(1-13)

Ở đây : Kkd = 2,5 ÷ 3 – là hệ số tự khởi động của động cơ điện (trị

số được xác định rõ trong những điều kiện cụ thể của lưới điện)

Ktin cậy = 1,2 ÷ 1,5 – hệ số của độ tin cậy kể đến việc tính toán sai

số của rơle và máy biến dòng

Ksơ đồ - hệ số của sơ đồ của rơle được nối vào

Ktrở về - hệ số trở về của rơle

KBI – hệ số biến đổi của máy biến dòng điện

Điện áp làm việc của rơle điện áp cực tiểu được xác định tương tự như (1-13)

Ulàm việc rơle =

BU trove tincay

lamviec

K K K

U

min

Ở đây : Ulàm việc min – điện áp làm việc cực tiểu ở chế độ bình thường

Ktin cậy – hệ số tin cậy, được lấy bằng 1,1

Ktrở về - hệ số trở về của rơle

KBU – hệ số của máy biến dòng

2 Bảo vệ dòng điện cực đại BVDCĐ cần phải tác động tin cậy, khi ngắn mạch trên các phần tử của lưới điện được bảo vệ, có hệ số độ nhạy không bé hơn 1,2 khi ngắn mạch ở khu vực cuối Hệ số độ nhạy bằng 1,2 tương ứng với bảo vệ khi ngắn mạch ở khu vực kế cận

Knhậy =

BI role lv

ngm

K I

I

.

min

.

nganmach

BU lamviec

U

K U

Ở đây, Ungắn mạch max – là trị số cực đại của điện áp dư ở vị trí đặt bảo

vệ khi ngắn mạch ở khu vực cuối cùng được bảo vệ

Bảo vệ cắt nhanh (BVC) dòng điện được gọi là bảo vệ dòng điện

cực đại BVDCĐ với khu vực tác động giới hạn, trong đại đa số các trường hợp có rơle tác động tức thời Bảo vệ cắt nhanh thực hiện theo sơ

đồ BVDCĐ nhưng không có rơle thời gian Tính chọn lọc thực hiện theo

sơ đồ BVDCĐ không có thời gian duy trì, nhưng có khu vực giới hạn sự tác động của nó Ở trong khu vực đó dòng điện làm việc của bảo vệ cắt nhanh đã không được điều chỉnh đối với dòng phụ tải cực đại; còn đối với dòng điện ngắn mạch ở cuối đường dây được bảo vệ hay ở một điểm xác định nào đấy của lưới thì bảo vệ cắt nhanh không được tác động (điểm A1 trên hình 1-11a) rõ ràng là : dòng điện ngắn mạch được xác định bởi điện trở kháng của lưới kể từ nguồn cung cấp đến nơi sự cố và dòng điện giảm đi khi vị trí sự cố càng ở xa nguồn cung cấp (đường cong 1 ở hình 1-11a)

Hình 1-11 a) Nguyên tắc tác động của việc đóng cắt điện trên

đường dây với nguồn cung cấp từ một phía b) Sơ đồ của lưới điện

Dòng điện làm việc của bảo vệ cắt nhanh được chọn sao cho việc cắt máy cắt điện sẽ không xảy ra khi sự cố trên một đoạn đường dây, được mắc vào điểm A1 (ví dụ ở điểm K2) trong lưới điện theo hướng từ nguồn cung cấp đến hộ tiêu thụ hay ở thanh cái máy biến áp của trạm hạ áp (điểm K3) Để đạt được yêu cầu đó, dòng điện làm việc

của bảo vệ cắt nhanh phải lớn hơn dòng điện ngắn mạch cực đại trên thanh cái của trạm hạ áp và xác định theo công thức sau:

sẽ bảo vệ một cách tin cậy đường dây điện cao áp và phân cuộn dây điện áp cao của máy biến áp điện lực Để đạt được điều đó, thì biểu thức (1-14), trị số dòng điện ngắn mạch ở trên thanh cái hạ áp của máy biến

áp phải được xác định là IK4max0

Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh được xác định sau khi tính dòng ngắn mạch với vị trí ngắn mạch ở đầu và cuối đường dây và ở trên các khoảng cách

Dựa theo dòng điện ngắn mạch tìm được, ta xây dựng đường cong (đường cong 1 ở hình 1-11a) theo biểu thức 1-14, ta xác định dòng điện làm việc của bảo vệ cắt nhanh ; và trên đồ thị đó ta sẽ đưa vào một đường thẳng song song với trục hoành biểu thị dòng điện làm việc của bảo vệ cắt nhanh này, đó là đường thẳng 2, sẽ được vùng tác động O – A1, hay đường thẳng 3 biểu thị sự làm việc của bảo vệ cắt nhanh với vùng tác động là O – A2

Bảo vệ cắt nhanh sẽ tác động ở vùng mà ở đấy :

Ingắn mạch > Ilàm việc của bảo vệ cắt nhanh

Hệ số làm việc của BVC xác định theo :

K nhậy = ≥1,2÷1,5

Dòng điện I ngắn mạch là dòng điện ngắn mạch ở vị trí đặt bảo vệ cắt nhanh

Bảo vệ cắt nhanh được thực hiện khi xảy ra dòng điện sự cố dòng điện sự cố này dẫn đến làm giảm điện áp trên thanh cái đến trị số

bé hơn 0,6Uđm Khi ngắn mạch, điện áp dư xác định theo công thức sau : (tính bằng V)

Udư = Ec – ( 3 )

Ở đây :

Ec - sức điện động của hệ thống cung cấp điện trong chế độ cực tiểu, tính bằng (V)

Xc Điện kháng của hệ thống cung cấp tính đến thanh cái, tính bắng (Ω)

IlvBCV - dòng điện làm việc của bảo vệ cắt nhanh, tính bằng ( A )

KBI – hệ số định mức của máy biến dòng điện

Khi có sự phối hợp giữa bảo vệ cắt nhanh và bảo vệ dòng điện cực đại BVDCĐ thì sẽ nhận được bảo vệ dòng điện với đặc tính thời gian làm việc theo từng nấc Nấc đầu tiên là bảo vệ cắt nhanh mà trong giới hạn của vùng tác động của mình, bảo vệ này sẽ thực hiện ngay tức thời Nấc thứ hai là bảo vệ dòng điện cực đại tác động cắt mạch với thời gian duy trì đã xác định trước Khi có sự phối hợp của bảo vệ cắt nhanh BVDCĐ ,thực hiện với sự giúp đỡ của rơle cảm ứng PT-80, PT-90, có đặc tính thời gian làm việc độc lập thì việc trang bị thêm rơle cắt phụ không đòi hỏi vì rằng rơle PT-80, PT-90 đã có các phần tử cắt điện tử ở bên trong

Ví dụ : 1-1 hãy tính toán bảo vệ dòng điện cực đại và bảo vệ dòng điện cắt nhanh đối với đường dây 10KV, được thực hiện với rơle PTM va PTB, nếu các số liệu cho như sau : dòng điện làm việc cực đại của đường dây được tính là 260A, dòng điện ngắn mạch ở cuối của đường dây được bảo vệ là 1000A, dòng điện ngắn mạch ở đầu đường dây là 6000A Không có động cơ điện ở trên đường dây này

Hệ số biến đổi của máy biến dòng điện là 300/5=60