Đề cương bài giảng Bảo vệ Rơle và tự động hóa các hệ thống điện

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: HỆ THỐNG ĐIỆN ***    *** ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN Giáo viên: Nguyễn Thị Khánh Hưng Yên, tháng 6 năm 2015 2 PHẦN I: BẢO VỆ RƠ LE 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. 3 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)%. b/ Tính chọn lọc Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện. Xét một thí dụ cụ thể: đối với mạng điện đã cho (hình 1-1) khi ngắn mạch tại điểm N1 bảo vệ 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. ~ ~ N2 N1 3 4 5 1 2 A C 4 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. 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. d/ Độ nhạy Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơ le hoặc hệ thống bảo vệ. Độ nhạy của bảo vệ được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy Kn là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó. Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le và ngưỡng tác động của nó càng lớn, rơ le càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, nghĩa là rơ le tác động càng nhạy. 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, 5 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 Thanh góp BI Máy cắt điện Mạch điện được bảo vệ MCF CC Nguồn KĐK RL BU Cầu chì Tín hiệu cắt Hình 1-2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ Tải ba - + 6 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 Máy cắt điện MC1 MC2 BI1 BI2 CC1 CC2 N2 N1 KĐK + + BV1 BV2 CCh1 CCh2 BU Mạch được bảo vệ Hình 1-3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng ðể tãng cýờng ðộ tin cậy 7 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) - 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. 8 - Nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, làm gián đoạn việc cung cấp điện. Bảng 1.1 : Hình qui ước và xác suất xảy ra các loại ngắn mạch Loại ngắn mạch Hình qui ước Ký hiệu Xác xuất xảy ra% Ngắn mạch ba pha N(3) 5 Ngắn mạch hai pha N(2) 10 Ngắn mạch một pha N(1) 65 Ngắn mạch hai pha nối đất pha N(1,1) 20 1.2.2. Chạm đất trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang Chạm đất trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang hầu như không làm thay đổi hệ thống điện áp dây của lưới điện. 9 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 thống. Thường gặp nhất là chế độ đứt dây một pha. 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 10 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 11 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. 12 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 hệ thống. Cũng tương tự như đối với các sự cố chạm chập vòng dây của kháng điện cao áp công suất lớn ngâm trong dầu. Hình 1.8. Các vòng dây bị chập nhau trong máy biến áp 1.2.5. Quá tải Các thiết bị điện thường bị phát nóng quá mức cho phép dòng điện tăng cao lâu dài quá giới hạn quy định, hoặc hệ thống làm mát kém hiệu quả hoặc không hoạt động. Đối với các máy điện quay, cần đặc biệt quan tâm tới hiện tượng quá nhiệt độ do ảnh hưởng của dòng điện thứ tự nghịch xuất hiện trong chế độ không đối xứng, ngắn mạch không đối xứng hoặc vận hành không toàn pha ( xem phần đứt dây) 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. 13 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 Fi: 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 STi I dtiin T   0 2)( 1 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 Lĩnh vực áp dụng Theo tiêu chuẩn EEC (Châu Âu) VCD (Đức) ANSI (Mỹ) Lấy chuẩn dụng cụ đo đồng hồ mẫu 0,1 0,1 0,2 Đo chính xác 0,2 0,2 0,3 Đô đếm điện năng 0,5 0,5 0,6 Đo lường công nghiệp đại lượng U,I,P,Q 1,0 1,0 1,2 Mạch Ampemet, Volmet, rơ le quá dòng quá áp 3,5 3,0 1,2 Lõi từ dùng cho bảo vệ 5P, 10P 5P, 10P C, T Hình 1-9: Đánh dấu đầu các cuộn dây của máy biến dòng (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Bằng thực nghiệm 14 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 Cấp chính xác fi% i, phút Fi% 5P ±1 ±60 5 10P ±3 10 Hệ số giới hạn theo độ chính xác: 5, 10, 15, 20 và 30   5%iF  10%iF  Thông số của BI dùng trong đo lường thường được ký hiệu theo phụ tải định mức và cấp chính xác, chẳng hạn 15VA; 0,5; còn BI dùng trong bảo vệ được ký hiệu theo phụ tải định mức, cấp chính xác và hệ số giới hạn theo độ chính xác, chẳng hạn 10VA, cấp 10P10 (số 10 sau cùng là hệ số giới hạn theo độ chính xác). Trên hình 1-20, giải thích cách ký hiệu của BI dùng trong bảo vệ. 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 Hình 1-10 Đồ thị minh hoạ ký hiệu BI dùng trong bảo vệ 15 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. , ,Te B  ( )B I Hình 1-11. Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F, từ cảm B và sức điện động thứ cấp eT 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 cba IIII  03 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. 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 16 * 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 )( caV III   hay bV II   Như vậy trong sơ đồ này dòng điện IV tồn tại cả trong tình trạng làm việc bình thường và dây 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: caR III ...  ở tình trạng đối xứng caR III ... 33  Như vậy, hệ số sơ đồ 3sdk 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. + Khi ngắn mạch hai pha có đặt biến dòng điện (A.C) I(2)R.AC = 2 I (2) NT . 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) 17 + 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: (3) (2) (2) (2): : : 3 : 2 :1:1n nAC nAB nBCk k k k  Như vậy ở hai trong ba trường hợp ngắn mạch hai pha, sơ đồ có độ nhạy 3 lần bé hơn khi ngắn mạch hai pha. Đây là khuyết điểm của sơ đồ nối một rơ le vào hiệu số dòng điện hai pha. * Bộ lọc dòng điện thứ tự không Để lọc dòng điện thứ tự không có thể cộng trực tiếp dòng điện thứ cấp của ba pha (hình 1- 15,b) hoặc cộng từ thông của ba pha dòng điện xoay chiều (hình 1-15,c,d) Đối với sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không như hình 1-25,b thường được dùng trong lưới điện có dòng chạm đất lớn. Nhược điểm của sơ đồ này là có dòng không cân bằng ở đầu ra của bộ lọc lớn ở chế độ làm việc bình thường do đặc tính của các BI trong bộ lọc có thể khác nhau. IR = 0 3A C a b c i i I I I I I I I n n             3 o 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 1- 15,c,d). Hình 1-15 Bộ lọc dòng điện thứ tự không 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 18 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. Ở đầu ra của bộ lọc LI2 (hình 1-16,b) ta có: 1 2mn R XRU U U      Trong đó XRXR UUU   22 Trị số của các điện trở R1, R2 và cảm kháng X được chọn sao cho trong chế độ đối xứng ta có: UR1 = UR2 và Umn = 0 (hình 1-16,c) 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 LI2 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: Cấp chính xác fu (%) u (phút) 3P ±3 ±120 19 6P ±6 ±240 Ghi chú: Điện áp thay đổi trong giới hạn (0,051)Umcp (quá điện áp lớn nhất cho phép). Phụ tải thay đổi trong giới hạn (0,251)SPtđm với cosφ = 0,8. 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 rơ le: Ua0 = 3 ab acU U    ; Ub0 = 3 ba bcU U    ; Uc0 = 3 ca cbU U    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) Hình 1-18 Sơ đồ nối các cuộn dây của hai máy biến điện áptheo hình V/V Hình 1-17 Sơ đồ nối các biến điện áp theo hình sao với các rơ le nối vào điện áp dây (a) , điện áp pha (b) và điện áp giữa ba pha và điểm trung tính của hệ thống điện áp dây (c) 20 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) cbaR UUUU   = 1 ( )A B C U U U U n      = 3 O U U n  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 R 0 1 U U un  . *, 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. LU2 Ů a Ů b Ů c m n ZPT Ůa Ůb Ůc (a) C1 R1 C2 R2 Umn A B C ŮBC ŮAB ŮBn ŮmB ŮCA  U nC  U Am  U mn=0 1 (c) B A C n m  U CA  U BC  U AB  U mn  U Bn  U mB  U Am  U nC 2 (d) Hình 1-20 Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch 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 (hình 1-29,a): 21 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 R C  và 2 2 .3 1 R C  Ở chế độ điện áp đối xứng bình thường (chỉ có thành phần điện áp thứ tự thuận U1), điện áp đầu ra của bộ lọc Umn = 0 (hình 1-20,c). Đối với điện áp ba pha thứ tự nghịch U2, (hình 1-30,d) điện áp đầu ra của bộ lọc LU2 bằng: Umn = 3 .UT Trong đó UT là điện áp dây phía thứ cấp của biến điện áp. 1.3.3. Rơle 1.3.3.1. Rơ le dòng điện kiểu điện từ 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. t 2 = k2. iR 2 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: Mkđ = Mckđ = Mlx + Mms + Mp 22 (a) (c) 4b 4a đ Ip 3 3 5 c 5 1 2 1 4 5 2 3 4 1 5 2 Hình 1 - 21: Rơ le điện từ có phần động đóng mở (a), Có phần động quay (b), phần chuyển động tịnh tiến (c). 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 IkđR. 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: Mcv = Mlx - Mms + Mp Điều kiện để rơ le trở về : M = Mv < Mlx - Mms + Mp Tương ứng với mô men về Mv có một giá trị xác định của dòng điện IR bảo đảm cho rơ le trở về . Dòng điện lớn nhất tương ứng với điều kiện trở về, gọi là dòng điện trở về IVR 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: KdR vR vR I I k  (b) 23 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 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.i 2 R = k2 I 2 Rm.sin 2t = k2.I 2 R - k2 I 2 Rm.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=   2 2 R-k I cos2 t 2 2 Rk I t tM RI tM RI cực đại (hình 1 -22). Sau khi rơ le đã tác động, tại những thời điểm Mt < MC, phần động có khuynh hướng bị kéo ra khỏi lõi rồi sau đó lại bị hút vào khi Mt > MC . Phần động rung làm cho các tiếp điểm rung theo và có thể bị đốt cháy bằng tia lửa điện. 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 90 o. 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 NR III   Từ thông II tỷ lệ và đồng pha với dòng điện IR. Đồ thị véc tơ ở hình 1 - 24 cho thấy vòng ngắn mạch đã làm cho các từ thông I và II lệch nhau một góc . Trị số tức thời của mô men quay tổng Mt gồm hai thành phần MIt và MIIt do hai từ thông I và II gây nên. Mt = MIt + MIIt = kI.  2 I. sin 2t + kII.  2 II. sin 2( t+ ). Khi hai từ thông I và II có trị số gần bằng nhau và góc lệch pha giữa chúng gần bằng 90 o 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 24 EN ,, IN EN ,, IN Hình 1-23 : Rõ le ðiện từ có vòng ngắn mạch II -I 'N IR  I 900 I 'N EN Hình 1-24: Đồ thị véc tơ đối với rơ le có vòng ngắn mạch ở hình 1 - 24 d) Lĩnh vực ứng dụng. 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. 25 Các rơ le dòng điện cảm ứng thường dùng có bộ phận động là những đĩa quay. Để tạo nên hai từ thông, phương pháp đơn giản nhất là dùng vòng ngắn mạch. Rơ le dòng điện cảm ứng có vòng ngắn mạch có mạch từ khá đơn giản (hình 1- 25,a) gồm lõi sắt 1, các vòng ngắn mạch 2 bằng đồng đặt trên một phần của cực từ xẻ đôi và đĩa quay 3. Các vòng ngắn mạch làm cho các từ thông I (xuyên qua vòng ngắn mạch) và II (không xuyên qua vòng ngắn mạch) lệch pha nhau một góc , giống như vòng ngắn mạch làm nhiệm vụ chống rung trong rơ le điện từ. Các từ thông I và II gây nên trong đĩa các suất điện động cảm ứng EI và EII không phụ 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). Về trị số MIt = kI. It .iII và MIIt = kII. IIt.iI Trị số tức thời của mô men quay tổng: I II EN IN EM IM Trục của II Trục của I MIIt Chiều quay dương của đĩa MIt EII III EI II 5 4 6 b 6 a II II I EII III φ 90º 90º Hình 1-25 Rơ le dòng điện có vòng cảm ứng ngắn mạch (a) và đồ thị véc tơ (b) 26 Mt = MIt + MIIt = kI. It .iII - kII. IIt.iI Kết quả tính toán cho trị số trung bình của mô men quay tổng của rơ le cảm ứng trong một chu kỳ: M = kI. I. II . sin  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: M = k2. I 2 R Từ đó có thể rút ra những kết luận: + Mô men quay phụ thuộc vào góc lệch pha giữa các từ thông, tần số của dòng điện xoay chiều và nhiệt độ của môi trường xung quanh (liên quan đến sự thay đổi điện trở của đĩa). + Mô men quay luôn luôn hướng theo con đường ngắn nhất từ của từ thông vượt trước đến trục của từ thông chậm sau. Trong rơ le có vòng ngắn mạch từ thông vượt trước là từ thông không qua vòng ngắn mạch, vì vậy đĩa luôn luôn quay theo con đường ngắn nhất từ trục của phần không có vòng ngắn mạch đến trục của phần có vòng ngắn mạch . + 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 M  Mlx + Mms Khi khởi động đĩa quay được một góc  nào đó thì đầu tiếp xúc động 6a gắn trên trục của đĩa hoặc ngay trên đĩa sẽ đóng vào đầu tiếp xúc cố định 6b. Dùng nguyên tắc cảm ứng có thể kết hợp được cả bộ phận khởi động và bộ phận thời gian vào cùng một rơ le dòng điện. Các rơ le cảm ứng thường gặp có thời gian tác động từ 0,5 đến 10 - 15 giây. 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. 1.3.3.3. Rơ le điện áp Nối cuộn dây của rơ le trực tiếp hoặc gián tiếp qua biến điện áp, vào điện áp U của mạng ta được rơ le làm việc theo trị số điện áp của mạng. Vì M = k'. I2R mà dòng điện qua rơ le bằng R R R z U I  Trong đó, ZR - tổng trở của cuộn dây rơ le UR - điện áp đặt vào rơ le RR u U U n  Do vậy: 27 M = k'.U2R Hay nếu xét đến quan hệ: M = k''.UR 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 Rt    Cơ cấu định thời gian thường là một cơ cấu đồng hồ. 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 Hình 1 -27: Ổn định nhiệt cho rơ le thời gian 28 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 . 1.3.3.6. Rơ le tín hiệu Rơ le tín hiệu báo hiệu sự tác động của bảo vệ hoặc của một phần tử bất kỳ của mạch điện. 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: Hình 1 - 28 (a)Sơ đồ nối các rơ le RG song song, (b) nối tiếp, (c) song song có tự giữ bằng cuộn dây nối tiếp Hình 1 - 29: Sơ đồ nối dây của rơ le tín hiệu nối tiếp (a), song song (b) 29 - So sánh các giá trị tuyệt đối của hai đại lượng IU  và IIU  . Trong các rơ le này các điện áp xoay chiều IU  và IIU  được chỉnh lưu rồi sau đó được so sánh với nhau về trị số tuyệt đối nhờ một rơ le đặc biệt. - So sánh pha của các trị số tức thời của hai đại lượng điện IU  và IIU  . Các rơ le này được thực hiện bằng một sơ đồ so sánh pha cho phép xác định góc lệch pha giữa IU  và IIU  . 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: RRI IkUkU   21 và RRII IkUkU   431 . Trong đó 1  k , 2  k và 3  k , 4  k là các hệ số không đổi phụ thuộc vào RU  và  RI . Thay đổi các hệ số k1, k2 sẽ chế tạo được các rơ le khác nhau có đặc tính khác nhau. Các rơ le công suất có hướng rơ le tổng trở đều thuộc loại này. 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   I . Hình 1 – 29: Rơ le dòng điện chỉnh lưu (a)- Sơ đồ nguyên lý (b)- dòng điện chỉnh lưu [ I ] 30 Các điều hoà bậc bốn và cao hơn rất bé, có thể bỏ qua, nên có thể coi thành phần biến đổi của dòng điện chỉnh lưu chỉ có điều hoà bậc hai biến thiên với tần số 2. = 100Hz (hình 1 - 29,b). Do vậy   I  = Id = I2 cos2t với Id = 0,63 Im = Itb I2 = 0,425 Im (I2 là biên độ của điều hoà bậc hai), Im - biên độ dòng điện xoay chiều. (a) RL L (b) RL C (c) RL C L I 2 I1 C R RL I3 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 120 0 nhờ 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 31 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. Phương án thứ hai để 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). Hình 1 – 31 Sơ đồ so sánh đại lượng cần đo ( dòng điện Iđ với đại lượng chuẩn Ich ) 32 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 810 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 C ổ n g và o - r a A B I A B U Tín hiệu nhị phân Rơ le cảnh báo Rơ le Cắt Đi ốt phát quang (LED) Tương tự 100V, 110V Tương tự 10V Số Xung điều khiển đầu ra, vào Hình 1- 32,a: Sơ đồ khối của rơ le số 33 A D Bé xö lý R¬le M¹ch ®o l­êng Bé chuyÓn ®æi T­¬ng tù - Sè Bé vi xö lý M¹ch R¬le M¹ch ®iÒu khiÓn m¸y c¾t 1.3.4. Nguồn điện thao tác Các nguồn điện thao tác dùng để cung cấp điện cho các rơ le trung gian, thời gian, tín hiệu, để thao tác đóng và cắt máy cắt và dùng vào một số mục đích khác. Nguồn điện thao tác cần bảo đảm cho các bảo vệ làm việc một cách chắc chắn ngay cả trong trường hợp khi điện áp tại chỗ hư hỏng có thể giảm về không. Hiện nay thường dùng nguồn điện một chiều do ắc quy cung cấp và nguồn điện xoay chiều do biến dòng điện, biến điện áp và mạng điện áp thấp cung cấp. 1.3.4.1. Nguồn điện thao tác một chiều. Sơ đồ nguyên lý một pha dùng rơ le dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn được trình bày trên hình 1-33. Hình 1-32,b Sơ đồ tự kiểm tra các khối chức năng trong rơ le số 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 34 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. 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. Hình 1 - 34: Sơ đồ bảo vệ dòng điện dùng nguồn thao tác xoay chiều theo phương pháp khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt 35 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. 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). Tụ điện 3 dùng để giảm bớt phụ tải của biến dòng điện (bù thành phần phản kháng) và để ổn định điện áp trên bộ chỉnh lưu (hình 1-36. Trong các bộ cung cấp 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 Hình 1-35 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 Hình 1-36 Tổ cung cấp liên hợp 36 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 thao tác này chỉ có thể tác động trong thời gian ngắn nên không thể dùng để cung cấp cho các bộ phận của bảo vệ tác động có thời gian (như rơ le thời gian chẳng hạn). 1.3.5. Các thiết bị phụ trợ  Vai trò của các thiết bị phụ trợ: - các hệ thống cảnh báo (ánh sáng, còi, tiếng nói,) - các thiết bị liên động (khóa) - các thiết bị ghép nối (cổng giao tiếp với máy tính) - các hệ thống dây dẫn (phụ kiện đấu nối mạch) - các thiết bị và các dây thông tin  Hệ thống thông tin điện lực: - để phụ vụ việc truyền dữ liệu, thông tin liên lạc, điều khiển bảo vệ và tự động hóa hệ thống điện và có thể sử dụng nhiều loại kênh truyền tín hiệu khác nhau. - truyền giữa 2 loại thông tin: dữ liệu – tín hiệu điều khiển + dữ liệu: có nhiều loại dữ liệu là những thông số vận hành: U các nút, I các nhánh, f hệ thống, hệ số công suất cos và công suất P, Q. Và là trạng thái của thiết bị: máy cắt, dao cách ly, dao nối đất vị trí đầu phân áp ở máy biến áp. + tín hiệu điều khiển: > tín hiệu dụng cho bảo vệ role (trong bảo vệ so lệch, bảo vệ so lệch pha, so lệch dòng điện) > tín hiệu liên động giữa các bảo vệ > đóng cắt máy cắt từ xa > lệnh điều khiển, điều chỉnh > điện thoại, fax,  Để đánh giá chất lượng hay phạm vi thông tin thì dựa vào: Hình 1-37 Nguồn thao tác dùng những tụ điện đã được tích điện trước 37 - Thông lượng (lượng thông tin truyền trong một đơn vị thời gian hoặc 1 giây) phụ thuộc vào tần số f (tần số tăng thì thông lượng càng tăng) - khoảng cách truyền trực tiếp - chất lượng của tín hiệu. 1.3.5.1. Dây dẫn phụ - Đấu nối bên mạch thứ cấp - Cáp đồng một hoặc nhiều lõi, có tiết diện 4÷6 mm2 - Dùng trong phạm vi trạm, nhà máy điện, các thiết bị đo lường điều khiển thì dùng trong phòng điều khiển, khoảng cách 2 khu là: L = 200 ÷800m. - Thông lượng hơi lớn vì tần số truyền là tần số công nghiệp và tín hiệu truyền là tín hiệu tương tự, mỗi một tín hiệu được nối với một mạng riêng. Khoảng cách ngắn Lmax<1km nên chất lượng truyền đảm bảo (đảm bảo sai số của BU và BI) Hình 1-38 Dây dẫn phụ đấu nối bên mạch thứ cấp 1.3.5.2. Cáp thông tin - Cáp đôi vặn xoắn: khử các ảnh hưởng của điện từ nên nhiễu không lớn - Cáp đồng trục: hầu như không có nhiễu - Thông lượng lớn hơn dây dẫn phụ: âm tần từ 100 Hz đến vài kHz. Khoảng cách sử dụng (L200 km): phạm vi thành phố địa phương nên chất lượng đạt yêu cầu. Hình 1-39 Các loại cáp thông tin 1.3.5.3. Kênh tải ba (PLC-power line carrier) Sử dụng chính dây dẫn của đường dây tải điện để truyền tín hiệu cao tần dùng cho bảo vệ và thông tin liên lạc. Trong 3 pha có thể tách một pha để gia công bằng cách đặt các bộ chắn cao tần (tụ C mắc song song với điện kháng L) ở 2 đầu đường dây được bảo vệ. 38 Hình 1-39 Sơ đồ tải ba trên lưới 110 kV Tín hiệu dòng điện ở đầu và cuối đường dây có thể lấy từ biến dòng BI và đưa đến bộ bảo vệ (khi làm việc thì tác động cắt máy cắt). Tùy theo nguyên lý của bảo vệ mà có thể thực hiện tính chất liên hệ BVi với khoảng cách hàng trăm km và chúng được nối với bộ thu phát cao tần và biến thiên tín hiệu dòng điện từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu tần số cao thông qua liên lạc. Hình 1-40 Cấu trúc bộ tải ba + Bộ chắn cao tần (L//C) với C = 2000÷20.000pF và L = 0,1÷0,2mH. Tổng trở Z(50Hz)  0 nên không cản trở truyền tải công suất đi qua bộ chắn. Nếu tần số được sử dụng để mang tín hiệu thông tin (f = kHz÷MHz) thì tổng trở bộ chắn rất lớn nên tín hiệu chỉ truyền giữa hai bộ chắn. Tụ điện Cll chỉ để truyền tín hiệu đi hoặc thu về. + Bộ thu phát cao tần: để biến đổi tín hiệu tương tự (điện áp ở tần số 50Hz) thành tín hiệu cao tần truyền lên đường dây và có thể ngược lại là truyền cho các bộ bảo vệ (để so sánh dòng giữa 2 đầu của bộ bảo vệ) + Tụ điện Cll: để truyền tín hiệu đi hoặc thu về; cách ly thiết bị hư hỏng khỏi điện áp cao của đường dây; có thể dùng tụ liên lạc thành tụ phân áp. + Ưu điểm: tiết kiệm nhưng chất lượng thông tin có thể ảnh hưởng bởi đất. Trong 3 pha, có thể tách 2 pha và bộ thu phát cùng tụ liên lạc sẽ được mắc giữa 2 pha thì nâng cao chất lượng truyền nhưng tốn kém.  Kết luận: 39 - Thông lượng lớn hơn cáp thông tin và dây dẫn phụ (kHz÷MHz) vì với tần số cao thì lượng thông tin truyền trong một lượng thời gian cùng lớn. - Khoảng cách truyền Lmax=350÷400 km. Nếu lớn hơn 400 km thì tổ chức các trạm lặp trung gian. - Chất lượng thông tin tốt, độ tin cậy cao vì khả năng đứt dây (dây dẫn chắc chắn) và kênh truyền hoàn toàn nằm dưới quyền kiểm soát của công ty điện lực. - Hầu hết lưới điện có U110kV và có 2 nguồn thì thường dùng rộng rãi PLC (trung và hạ áp cũng có). Hình 1-41 Cấu trúc các trạm lặp 1.3.5.4. Kênh vi ba Từ tần số siêu cao tạo thành sóng có bước sóng cực ngắn (MHz÷GHz) Thông lượng lớn, tần số sử dụng: MHz÷GHz Khoảng cách truyền trực tiếp: Lmax=40÷50km (có xu hướng truyền thẳng nên cần có nhiều trạm lặp trung gian khi khoảng cách lớn) Chất lượng truyền tin dễ bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ. 1.3.5.5. Sợi cáp quang  Cáp quang là sợi thủy tinh nhỏ có khả năng truyền ánh sáng đi xa. Cáp quang thường được chế tạo kết hợp bên trong dây nhôm lõi thép để làm nhiệm vụ chống sét trên các đường dây tải điện, năng lực truyền tải rất lớn và không bị nhiễu bởi sóng điện từ.  Khi dùng tín hiệu điện vào thông tin thì gặp sự cản trở của cảm kháng của phần tử (XL=ωL) mà khi tần số f tăng thì thông lượng tăng nên ω tăng do đó XL tăng gây nên tổn thất tăng và nhiễu méo tăng. Nếu tần số tăng đến GHz thì tín hiệu điện là 1 trở lớn do đó phải thay tín hiệu điện thành tín hiệu quang (cảm kháng không còn ảnh hưởng). (vì sao phải thay tín hiệu điện thành tín hiệu quang) 40 Tín hiệu quang - nguồn sáng  laser - môi trường truyền dẫn  cáp sợi quang - công nghệ sử lý tín hiệu  số (sáng-1, tối-0) Tín hiệu quang được truyền theo nguyên tắc phản xạ toàn phần nên tổn hao thấp và truyền được xa; L = 40÷50km (truyền trực tiếp) Thông lượng rất lớn (GHz trở lên), cáp quang có 10÷50 sợi với đường dây 500kV thì là 10 sợi. Nếu L>50km thì xây dựng trạm lặp và trạm lặp này cần được cấp nguồn. 41 CHƯƠNG 2 CÁC NGUYÊN LÝ THỰC HIỆN BẢO VỆ 2.1 Nguyên lý quá dòng điện Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá một giá trị định trước. Theo phương pháp đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ quá dòng điện được chia làm hai loại: + Bảo vệ dòng điện cực đại. + Bảo vệ dòng điện cắt nhanh. 2.1.1 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua chỗ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở đầu phần tử tiếp theo. min CNL max CNL Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh: IKđ = kat.INng.Max Trong đó: INng.Max- dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất thường được tính theo ngắn mạch ba pha trực tiếp tại điểm N với chế độ làm việc cực đại của hệ thống. kat- Hệ số an toàn, thường lấy bằng 1,2 ÷ 1,3. Bảo vệ dòng điện cắt nhanh làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé (0,1s) để tránh cho bảo vệ làm việc mất chọn lọc khi có giông sét và thiết bị chống sét tác động. Hình 2-1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Chọn dòng điện khởi động 42 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh có nhược điểm là không bảo vệ được toàn bộ đối tượng, khi có ngắn mạch ở cuối phần tử (N1) bảo vệ cắt nhanh không tác động, mặt khác vùng tác động của bảo vệ LCN có thể thay đổi nhiều khi chế độ của hệ thống và dạng ngắn mạch thay đổi. Nhược điểm chung của nguyên lý quá dòng điện là không đảm bảo được tính chọn lọc của bảo vệ trong lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn cung cấp. 2.1.2 Bảo vệ dòng điện cực đại. a, Chọn dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại. Theo nguyên tắc tác động, dòng điện khởi động của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại ILv.max của đường dây được bảo vệ. Tuy nhiên việc chọn dòng điện khởi động còn phụ thuộc vào nhiều điều kiện nặng nề hơn. Xét trường hợp chọn dòng điện khởi động cho bảo vệ số 1 đặt trên đoạn AB của mạng điện trên hình 2-1. Bình thường mạng điện làm việc với phụ tải cực đại, dòng điện qua bảo vệ là ILv.max. Tại thời điểm t1 xảy ra ngắn mạch tại điểm N, các bảo vệ 1 và 2 cùng khởi động. Đến thời điểm t2 bảo vệ 2 tác động (vì t2 < tl) cắt ngắn mạch. Điện áp trên thanh góp B được phục hồi, một số động cơ đặt gần đấy tự hãm trong thời gian ngắn mạch do điện áp sụt, lại tự mở máy và qua bảo vệ 1 có dòng điện tự mở máy Im.m.max lớn hơn dòng điện Ilvmax : Im.m.max = km.m Ilvmax ; Trong đó : km.m - hệ số tự mở máy của các động cơ có trị số phụ thuộc vào loại động cơ, vị trí tương đối giữa chỗ đặt bảo vệ và các động cơ, sơ đồ mạng điện và một số yếu tố khác. Thường km.m = 2  3 Tuy có dòng điện Im.m.max chạy qua tại thời điểm t2, bảo vệ 1 vẫn phải trở về. Muốn vậy, dòng điện trở về của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện mở máy cực đại, nghĩa là: ITrV = kat km.m Ilv.max Trong đó kat - hệ số an toàn, thường lấy kat = 1,1  1,2. Từ quan hệ giữa dòng điện trở về IV và dòng điện khởi động Ikđ : Kd V I I = kTV Tính được dòng điện khởi động của bảo vệ IKđ = TV mmat TV V k kk k I .. ILVMax 43 t1 N D1 I 0 I> t2I> t'2I> A B 1 2 3 D2 D3 I k® I v I max Dßng më m¸y IN Dßng trë vÒ Dßng khëi ®éng t1 t2 Thêi ®iÓm ng¾n m¹ch Thêi ®iÓm MC2 c¾t NM t NM K m .I lvmax (a) (b) Hệ số trở về kTV của rơ le phụ thuộc tính chất cơ và điện của cấu tạo rơ le. Trong các rơ le lý tưởng kTV = 1, nhưng thực tế do ma sát trong phần động và do một số yếu tố khác các rơ le có kTV < 1. Trong một số sơ đồ nối dây dòng điện thứ cấp IT trong biến dòng điện có thể khác với dòng điện IR đi vào rơ le. Ở tình trạng đối xứng sự khác nhau này được đặc trưng bằng hệ số sơ đồ k [3] sđ: I[3]R = k [3] sđ .I [3] T Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số biến đổi ni của biến dòng điện thì dòng điện khởi động của IkđR rơ le bằng [3] . max . . . . at m m sd kdR lv v i k k k I I k n  b, Chọn thời gian làm việc Trong các lưới điện hở có một nguồn cung cấp, độ chọn lọc của bảo vệ dòng điện cực đại được đảm bảo bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc từng cấp. Thời gian làm việc của hai bảo vệ kề nhau được chọn lớn hơn nhau một lượng Δt, trong đó bảo vệ đặt ở gần nguồn có thời gian làm việc lớn hơn. 2.1.3 Phối hợp đặc tuyến theo thời gian giữa các bảo vệ lân cận nhau Hình 2-2 Thí dụ về cách tính dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Chọn dòng điện khởi động 44 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường dùng để bảo vệ các đường dây trung áp hình tia. Tính chọn lọc của bảo vệ được đảm bảo bằng nguyên tắc phân cấp việc chọn thời gian tác động. Bảo vệ càng gần nguồn cung cấp thời gian tác động càng lớn. Có hai loại đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng điện: đặc tính độc lập và đặc tính phụ thuộc. Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ (hình 2-3,a), còn của bảo vệ đặc tính thời gian phụ thuộc thì tỷ lệ nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ: dòng càng lớn thời gian tác động càng ngắn (hình 2-3,b). Trên hình 2-4 trình bày cách phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong mạng điện hình tia (hình 2.4,a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (hình 3-3,b) và đặc tuyến phụ thuộc (hình 2.4,c). Trên các hình 2.4,b và hình 2.4,c; t giữa hai đặc tuyến lân cận nhau được gọi là cấp chọn lọc về thời gian, nó phụ thuộc vào sai số của bản thân rơ le cũng như thời gian cắt của máy cắt điện. t I 0 IKđ t = const t I 0 IKđ t = Var (a) (b) Hình 2-3 Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện a) Độc lập; I>, tA 51 I>, tA 51 I>, tA 51 tpt pt t t tA tB tC Ät Ät Ät tpt= tD L (km)  L (km) tA tB tC Ät Ät Ät tpt = tD 0 0 A B C D HT A B C D Hình 2.4- Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện trong lưới điện hình tia (a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (b) và đặc tuyến phụ thuộc (c) (c) (b) (a) 45 Đối với các rơ le điện cơ thường lấy t = 0,4 - 0,5 giây Với các rơ le số t = 0,2 - 0,3 giây. Cũng giống như bảo vệ cắt nhanh, bảo vệ quá dòng điện có thời gian có thể được thực hiên theo sơ đồ hình sao đủ (ba biến dòng + ba rơ le), sơ đồ hình V (hai biến dòng + hai rơ le) hoặc một rơ le dòng điện nối vào bộ lọc dòng thứ tự không. Đối với lưói điện có trung điểm nối đất trực tiếp thường dùng sơ đồ hình sao hoặc dòng thứ tự không. Bảo vệ quá dòng thứ tự không có độ nhạy cao hơn (vì không phải chỉnh định theo dòng phụ tải cực đại), thời gian làm việc bé hơn so với bảo vệ quá dòng cùng cấp (vì số cấp chỉnh định thời gian trong mạng thứ tự không ít hơn nhiều so với số cấp trong mạng thứ tự thuận). 2.1.4 Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng điện Bảo vệ làm việc với dòng điện sự cố lớn hơn dòng điện khởi động của bảo vệ kdI I Trong đó: I là dòng điện sự cố đi qua chỗ đặt bảo vệ Ikđ là dòng điện khởi động cài đặt cho bảo vệ 2.2 Nguyên lý quá dòng có hướng Trong các mạng có hai đầu cung cấp (hình 2.5 ,c) hay mạng hình vòng một nguồn cung cấp (hình 2 - 5a,b) bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp không bảo đảm cắt ngắn mạch một cách chọn lọc. Thí dụ khi ngắn mạch trên đoạn AB (tại N'1) của các mạng đó, để bảo đảm tính chọn lọc, bảo vệ 2 phải có thời gian làm việc t2 bé hơn thời gian làm việc t3 của bảo vệ 3. Mặt khác, khi ngắn mạch trên đoạn BC (tại N"2), muốn cắt có chọn lọc lại phải chọn t3 < t2. Cùng một lúc không thể thực hiện được hai yêu cầu ngược nhau đó. Vì thế bảo vệ dòng điện cực đại không thể dùng được trong các mạng kể trên. B C A 1 3 2 4 5 6 N1 N2 ~ I’N I’’N (a) ~ A B N1 N2 (b) 1 2 3 4 I’N I’’N ~ ~ 1 2 3 4 5 6 D C B A N1 N2 (c) ~ Cắt U BU Đường độ nhạy cực đại UB (e) 46 Để bảo đảm cắt ngắn mạch có chọn lọc trong các mạng hở hai nguồn cung cấp từ khoảng năm 1910 người ta bắt đầu dùng bảo vệ có hướng. Bảo vệ dòng điện có hướng là loại bảo vệ làm việc theo trị số của dòng điện qua chỗ đặt bảo vệ và góc lệch pha giữa dòng điện đó với điện áp trên thanh góp của trạm có đặt bảo vệ. Bảo vệ tác động khi dòng điện vượt quá một giá trị định trước (giá trị khởi động) và pha của nó phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ (khi công suất ngắn mạch qua bảo vệ đi từ thanh góp ra đường dây). Khi có thêm bộ phận định hướng công suất, các bảo vệ quá dòng được chia làm hai nhóm, mỗi nhóm chỉ tác động theo một hướng công suất (dòng điện) nhất định. Ví dụ trên các lưới điện như hình 2-6, các bảo vệ 1, 3, 5 (nhóm lẻ) chỉ phản ứng với dòng ngắn mạch I’N , còn các bảo vệ 2, 4, 6 (nhóm chẵn) chỉ phản ứng với dòng ngắn mạch I’’N, đều có hướng từ thanh góp ra đường dây. Trong mỗi nhóm bảo vệ, thời gian làm việc được chọn theo nguyên tắc từng cấp, tăng dần từ cuối đến đầu nguồn như đối với các bảo vệ quá dòng điện thông thường. Bộ phận định hướng công suất làm việc theo góc lệch pha giữa dòng điện (chạy qua phần tử được bảo vệ) và điện áp (trên thanh góp chỗ đặt bảo vệ). Trong một số trường hợp ngắn mạch ba pha trực tiếp gần chỗ đặt bảo vệ, điện áp trên thanh góp có thể giảm xuống rất thấp, dưới ngưỡng làm việc của thiết bị định hướng. Khi đó bảo vệ sẽ không làm việc được, trường hợp như vậy gọi là ngắn mạch trong vùng chết (theo điện áp) của bảo vệ. Để giảm và loại trừ vùng chết phải chế tạo bộ phận định hướng có độ nhạy cao với ngưỡng làm việc của bộ phận điện áp rất bé, hoặc nối bộ phận định hướng qua thiết bị ghi nhớ điện áp trước khi sự cố. Trên thực tế để bảo đảm tính chọn lọc trong các lưới điện như hình 2-6,a,b,c không phải đặt bộ phận định hướng ở tất cả các bảo vệ. Để đảm bảo tính chọn lọc, bộ phận dịnh hướng công suất chỉ cần đặt ở bảo vệ nào có thời gian làm việc bé hơn. Với một phần tử i, j nào đó trong lưới điện, chẳng hạn ti < tj, bộ phận định hướng công suất sẽ đặt tại bảo vệ i. Nếu ti = tj thì không cần đặt ở cả hai đầu. Ví dụ hình 2-6a,c trên toàn lưới điện chỉ cần đặt bộ phận định hướng công suất tại bảo vệ số 2 và bảo vệ số 5. 47 Để chống ngắn mạch không đối xứng, người ta thường sử dụng những bảo vệ phản ứng theo thành phần đối xứng của dòng (I2, I0), áp (U2, U0) và công suất tương ứng ( 2 0w ,w   ). Các bộ phận định hướng công suất thứ tự nghịch ( 2W ) và thứ tự không ( 0W ) được đấu qua bộ lọc dòng và áp thứ tự nghịch và thứ tự không tương ứng có xét đến đặc tính khởi động theo góc pha của các thành phần đối xứng. Trong một số lưới điện phức tạp như hình 2-6, dù có đặt thêm bộ phận định hướng công suất bảo vệ quá dòng vẫn không đảm bảo được tính chọn lọc. Đối với mạng điện như trường hợp này phải dùng những nguyên lý khác để bảo vệ. 2.3. Nguyên lý tổng trở cực tiểu 2.3.1. Nguyên lý tác động Nguyên lý đo tổng trở được dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay thiếu (mất) kích thích. Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường (bằng thương số giữa điện áp chỗ đặt bảo vệ và dòng điện phụ tải) phải cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố. Ngoài ra, trong nhiều trường hợp tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch. Bảo vệ quá dòng điện và bảo vệ quá dòng có hướng có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp đôi khi quá lớn và trong một số mạng vòng, không thể đảm bảo được tính chọn lọc như những lưới điện có cấu hình ở hình 2-6. Do đó người ta đã sử dụng bảo vệ khoảng cách (bảo vệ tổng trở cực tiểu). ~ ~ ~ A B D C Hình 2-6 Các cấu hình lưới điện phức tạp bảo vệ quá dòng có hướng không đảm bảo tính chọn lọc. a) Mạng vòng có nhiều nguồn cung cấp. b) Mạng vòng có một nguồn cung cấp khi có liện hệ ngang không có nguồn (Đường dây 48 Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường (bằng tỷ số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải) lớn hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố. Ngoài ra trong nhiều trường hợp, tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch (hình 2-7). 2.3.2. Các thông số của bảo vệ khoảng cách - Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải. Trên mặt phẳng phức số, ở chế độ dòng điện phụ tải cực đại IAmax khi có sử của phụ tải thay đổi, mút véc tơ tổng trở phụ tải cực tiểu ZAmin sẽ vẽ nên cung tròn có tâm ở gốc toạ độ của mặt phẳng tổng trở phức (hình 2-7,b). Tổng trở của đường dây tải điện AB được biểu diễn bằng véc tơ ZAB trên mặt phẳng phức. Độ nghiêng của véc tơ ZAB so với trục hoành (điện trở tác dụng R) phụ thuộc vào tương quan điện kháng của đường dây XAB và điện trở tác dụng của đường dây RAB. Ta có: φD = arctg AB AB R X - Khi có ngắn mạch trực tiếp tại điểm N trên đường dây, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ: ZAN = RAN + jXAN Trị số tổng trở đo được sẽ giảm đột ngột so với chế độ làm việc bình thường, nhưng độ nghiêng của véc tơ tổng trở không thay đổi. - Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường do điện trở của hồ quang Rqđ phát sinh tại chỗ ngắn mạch) tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ: Z’AN = RAN + jXAN + Rqđ = ZAN + Rqđ Tổng trở đo được có trị số lớn hơn nhưng góc nghiêng của véc tơ tổng trở có giảm đi so với khi ngắn mạch trực tiếp tại N (hình 2-8,c). Đối với bảo vệ khoảng cách làm việc không có thời gian (tI ≈ 0 s), để tránh tác động nhầm khi có ngắn mạch ở phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của bảo vệ khoảng cách phải chọn bé hơn tổng trở của đường dây (ZKđ < ZAB): ZKđ = k.ZD Hệ số k thường chọn bằng (0,8 ÷ 0,85) có xét đến sai số của máy biến dòng điện, máy biến điện áp và một số ảnh hưởng gây sai số khác. Hiện nay nguyên lý đo tổng trở thường được sử dụng kết hợp với các nguyên lý khác như: quá dòng điện, quá điện áp, thiếu điện áp để thực hiện bảo vệ đa chức năng hiện đại. Nguyên lý đo tổng trở có thể được sử dụng để bảo vệ lưới điện phức tạp có nhiều nguồn cung cấp với cấu hình bất kỳ. Tuy vậy một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến số đo của bộ phận khoảng cách như sai số của máy biến dòng điện, biến điện áp, điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch, hệ số phân bố dòng điện trong nhánh bị sự cố với dòng điện tại chỗ đặt bảo vệ và đặc biệt là quá trình dao động điện. ~ Z< ZAB=RAB+jXAB A B N BI I U Rqđ (a) jX A A A I U Z     max min A A A I U Z     (b) 49 2.3.3. Đặc tính khởi động của rơle khoảng cách Trên hình 2-8,d trình bày đặc tuyến khởi động của bộ phận khoảng cách có xét đến ảnh hưởng của điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch. Những rơ le tổng trở đã chế tạo và sử dụng trong hệ thống điện có đặc tuyến khởi động rất đa dạng như hình 2-8 nhằm để đáp ứng tốt điều kiện vận hành của các hệ thống điện. Hìn h 2- φD φD jX jX jX R R R (a) (b) (c) φD jX jX R R (d) (e) φD jX FD 50 2.4. Nguyên lý so lệch 2.4.1. Bảo vệ so lệch dòng điện Bảo vệ so lệch dòng điện là loại bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp biên độ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ. Nếu sự sai lệch giữa hai dòng điện vượt quá trị số cho trước thì bảo vệ sẽ tác động. Vùng tác động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí đặt của hai tổ máy biến dòng ở đầu và cuối phần tử được bảo vệ, từ đó nhận tín hiệu dòng điện để so sánh (hình 2-9). Sơ đồ nối các phần tử như hình 2-9 còn được gọi là sơ đồ dòng điện tuần hoàn hay dòng điện so lệch. I T1I  T2I  R T1 T2I I I I         T1I  T2I  T1I  T2I  Dòng điện so lệch chạy qua rơ le: RTTSL IIIII   21 Tình trạng làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N1). Hình 2-9 Bảo vệ so lệch dòng điện (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Đồ thị véctơ dòng điện khi ngắn mạch ngoài vùng và trong chế độ bình thường (c) Khi ngắn mạch trong vùng 51 Trong trường hợp lý tưởng (các biến dòng điện không có sai số) ta có: 1SI  = 2SI  nên 1TI  = 2TI  và dòng điện đi vào rơ le RI  = 1TI  - 2TI  = 0 nên bảo vệ so lệch dòng điện không tác động (đồ thị véc tơ hình 2-9,b). Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (N2) Trường hợp có hai nguồn cung cấp thì IS1 khác IS2 cả về trị số và góc pha, do đó các dòng điện thứ cấp cũng khác nhau ( 1TI  ≠ 2TI  ) và dòng điện vào rơ le: RI  = 1TI  - 2TI  ≠ 0 Nếu IR ≥ IKđR bảo vệ sẽ tác động cắt các máy cắt của phần tử được bảo vệ. Đồ thị véc tơ dòng điện như hình 2-9,c. Trường hợp nguồn chỉ có từ một phía (SB = 0) Khi đó RI  = 1TI  , nếu IR ≥ IKđR thì bảo vệ sẽ tác động. Cần chú ý là trong các sơ đồ bảo vệ so lệch, các cuộn dây thứ cấp của các biến dòng điện phải nối sao cho khi bình thường và khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ dòng điện qua rơ le IR = 0, còn khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ dòng điện qua rơ le IR bằng dòng điện ngắn mạch tổng IN (qua tỷ số của BI). Trên thực tế, do sai số của máy biến dòng, đặc biệt do hiện tượng bão hoà của mạch từ, nên trong chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài, dòng điện phía thứ cấp của hai tổ máy biến dòng BI1 và BI2 sẽ khác nhau và RI  = 1TI  - 2TI  = IKcb Để ngăn ngừa bảo vệ so lệch làm việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của IKcb, thường dùng các biện pháp để giảm dòng điện không cân bằng như dùng biến dòng bão hoà trung gian, sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ bằng dòng điện pha hoặc các hài bậc cao (xuất hiện trong quá trình quá độ và khi mạch từ bị bão hoà). Khi sử dụng nguyên lý so lệch dòng điện để bảo vệ máy biến áp và biến áp tự ngẫu, cần chú ý đến khả năng bảo vệ so lệch có thể làm việc sai khi đóng máy biến áp không tải. Tuỳ thuộc thời điểm đóng máy cắt nối máy biến áp không tải với nguồn điện mà trị số ban đầu (xung kích) của dòng điện từ hoá máy biến áp có thể đạt trị số lớn gấp nhiều lần dòng điện định mức của máy biến áp. Trường hợp xấu nhất (I lớn nhất) sẽ xảy ra khi đóng máy cắt điện vào thời điểm điện áp nguồn có trị số tức thời qua điểm 0. Khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hoá (I) trở lại trị số bình thường (khoảng vài phần trăm dòng điện định mức). Do dòng điện từ hoá chỉ chạy ở phía cuộn dây máy biến áp nối với nguồn khi máy biến áp đang ở chế độ không tải nên dòng điện ở cuộn dây bên kia bằng không. Bảo vệ so lệch máy biến áp có thể tác động nhầm (lúc này tương đương với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp có nguồn cung cấp từ một phía). Để phân biệt trường hợp đóng máy biến áp không tải với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp, người ta dựa vào tính chất của dòng điện từ hoá xung kích và dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp. 52 Qua phân tích sóng hài của hai dòng điện này ta thấy: Dòng điện từ hoá xung kích chứa phần lớn hài bậc hai (khoảng 70% so với hài cơ bản) và có thể đạt trị số cực đại đến khoảng 30% trị số của dòng sự cố. Do đó có thể sử dụng hãm bổ sung bằng hài bậc hai (f2 = 100Hz) của dòng điện quá độ đưa vào bảo vệ so lệch cho máy biến áp. Sơ đồ nguyên lý như hình 2-10 Trong sơ đồ dùng ba biến dòng phụ: BILV để lấy ra dòng điện làm việc (hay dòng điện so lệch SLI  = 1TI  - 2TI  ) BIH để lấy ra dòng điện hãm ( 21 TTH III   ) BIL để lọc hài bậc hai trong dòng điện so lệch đưa vào hãm bổ sung trong bộ so sánh pha. Nguyên lý hãm bổ sung bằng hài bậc hai hiện nay đang được sử dụng để chế tạo các rơ le bảo vệ máy biến áp. Hình 2- 10 Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm bổ sung bằng dòng điện hài bậc hai dùng cho bảo vệ máy biến áp hai dây quấn 2.4.2. Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao Với một nhóm biến dòng thì ta dùng mạng thay thế hình chữ. Trong mạng của rơle, ta mắc thêm một tổng trở ZR và như vậy làm cho tổng trở của rơle khá lớn. Bình thường dòng điện qua rơle là dòng không cân bằng. Sơ đồ gồm 3 mạch: mạch từ hóa của BI1; mạch từ hóa của BI2 và mạch so lệch của rơle. Chúng được ghép song song với nhau 53 Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch dùng role so lệch tổng trở cao Từ sơ đồ ta có: Z’1μ//(ZΔI+ZR)// Z’2μ Vậy các dòng điện I’1μ, IR=IKCB, I’2μ sẽ phân bố tỷ lệ nghịch với tổng trở của mạch. Do vậy, khi tăng tổng trở của mạch role thì sẽ làm giảm dòng IKCB. Trong trường hợp sự cố: - Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ thì dòng đi qua role tỷ lệ với dòng ngắn mạch và nó tăng lên rất lớn  Điện áp của 2 điểm a và b sẽ tăng lên rất cao. Uab=IR(ZR+ZΔI) Và gây hiệu quá áp trên 2 cực của role. Khi Uab>3kV thì cần đặt thiết bị chống sét quá áp cho role ΔI.Thiết bị chống sét quá áp thường sử dụng 1 mạch điện trở phi tuyến và gọi là các varistor (vật liệu thường dùng là oxit kẽm ZnO). Đây chính là chống sét van. Đặc tính của điện trở phi tuyến trong thiết bị chống sét. Khi điện áp đặt lên điện trở phi tuyến vượt quá 1 ngưỡng (UE=3kV) thì điện trở của varistor giảm xuống đột ngột (dòng qua role IR) và làm cho Uab trong giới hạn cho phép:UabUvq≈3kV thì điện trở Rvar phải giảm nhiều. Hình 2-12 Đặc tính phi tuyến của van Varistor 2.4.3. Bảo vệ so lệch có hãm R T1 T2I I I      54 Dòng điện không cân bằng trong một số trường hợp có trị số rất lớn, đặc biệt khi sự cố ngắn mạch ngoài, dòng sự cố qua các BI có thể làm chúng bị bão hòa. Để ngăn ngừa bảo vệ so lệch có thể làm việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của dòng không cân bằng IKCB, ta sử dụng bảo vệ so lệch dòng điện có hãm. Hình 2-13 Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm Dòng điện so lệch không đưa trực tiếp vào role mà đưa qua 1 biến dòng và dòng IT1 và IT2 của BI1 và BI2 được đưa qua cuộn sơ cấp của 1 máy biến dòng khác. Giả sử các máy biến dòng có các chỉ số nI=1. Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp là ISL, dòng điện lấy ra ở phía thứ cấp của BISL là ISL và đưa vào role dòng điện so lệch ΔIH. Dòng điện lấy ra từ phía thứ cấp của BIH là IH  role ΔIH sẽ tác động khi dòng điện so lệch ISLIH. Trong đó: + dòng điện hãm: + dòng điện so lệch: Trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, dòng điện so lệch sẽ bé hơn nhiều so với dòng điện hãm nên role so lệch (so sánh biên độ của Ilv và IH) không làm việc. Khi có ngắn mạch trong vòng bảo vệ thì dòng điện ở 1 đầu sẽ đổi chiều và khi đó: ISL>IH nên role so lệch sẽ làm việc. H T1 T2I I I      SL T1 T2I I I I         55 Hình 2-14 Đồ thị vecto của dòng điện so lệch và dòng điện hãm trong các trường hợp sự cố trong và ngoài vùng bảo vệ  Mô hình role cơ: Hình 2-15 Mô hình role cơ bảo vệ so lệch có hãm Dòng so lệch: SL T1 T 2I I I      Dòng hãm IH xác định qua cân bằng sức từ động của BIH. Ở phía sơ cấp, sức từ động của 2 nửa cuộn dây: T1 T2 H H T1 T2I .0,5W I .0,5W I .W I 0,5 I I                 Tác động hãm bằng dòng pha. Role số thì thường hãm bằng hài bậc cao (hài bậc 2 tần số 100Hz; hài bậc 4, 5 tần số 250Hz). Hài bậc cao thường xuất hiện trong các dòng điện quá độ (dòng kích từ) và được thể hiện rõ khi đóng máy biến áp không tải, cắt dòng ngắn mạch ngoài, mạch từ bão hòa, thành phần phi chu kỳ trong dòng quá độ.  Sơ đồ hãm: - Để thực hiện hãm hài bậc cao, ta đặt thêm 1 máy biến dòng BIf để lọc dòng điện có tần số cao, nó được đưa qua bộ lọc tần số cao và được sử dụng để hãm bổ sung. 56 Hình 2-16 Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm bổ sung bằng role tần số cao 2.4.4. Bảo vệ so sánh pha dòng điện Bảo vệ so sánh góc pha làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh pha của hai dòng điện ở hai đầu của phần tử được bảo vệ. Pha của dòng điện được truyền qua kênh truyền để so sánh với nhau, sơ đồ nguyên lý như hình 2-17. Độ lệch pha: Δφ = φ1 – φ2 =  Trong đó φ1, φ2 tương ứng là góc pha của dòng điện đi vào và đi ra khỏi phần tử được bảo vệ. Ở chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài (điểm N1), góc pha dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ gần như nhau nên   00. Khi ngắn mạch trong vùng được bảo vệ (điểm N2), dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ ngược pha nhau nên  ≈ 1800 Trên thực tế, do ảnh hưởng của điện dung phân bố của phần tử được bảo vệ nên trong chế độ làm việc bình thường cũng như khi có ngắn mạch ngoài thì  ≠ 0. Để cho bảo vệ không tác động nhầm cần phải chọn góc khởi động (Kđ) lớn hơn một giá trị nào đó, thường chọn Kđ bằng khoảng  (300 ÷ 600) như hình 2-17,b. 57 1 2   2.4.5. Các nguyên lý khác a. Nguyên lý thành phần đối xứng * Thành phần thứ tự nghịch U2, I2, W2 - Chống quá tải không đối xứng (của máy điện quay); - Chống các dạng ngắn mạch không đối xứng. *. Thành phần thứ tự không U0, I0, W0 - Chống các sự cố chạm đất N(1), N(1,1) - Nâng độ cao nhạy của các bảo vệ chống sự cố. b. Nguyên lý điện áp tăng cao – điện áp giảm thấp *. Nguyên nhân - Do trục trặc trong hệ thống điều khiển điện áp (điện áp tăng lên hoặc giảm xuống gây nên hiện tượng không bình thường). - Do mất cân bằng công suất phản kháng: + hệ thống thừa công suất phản kháng thì điện áp tăng cao + hệ thống thiếu công suất phản kháng thì điện áp giảm thấp. - Do quá trình quá độ: + giông sét, gây quá điện áp khí quyển + do thao tác đóng cắt trong hệ thống (đóng cắt các phần tử lớn) gây quá điện áp nội bộ. * Khắc phục Hình 2-17 Bảo vệ so sánh pha dòng điện a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tính góc pha bảo vệ 58 - Dùng các role đơn giản (role quá áp: bảo vệ chống quá áp và bảo vệ điện áp cực tiểu) c. Tần số tăng và tần số giảm * Nguyên nhân - Do trục trặc trong hệ thống điều khiển tần số (máy điều tốc tuabin), tần số góc ω = 2πf. + khi ω tăng thì tần số f tăng + khi ω giảm thì tần số f giảm. - Do mất cân bằng công suất tác dụng. + thừa công suất P thì tần số f tăng cao nên dùng role bảo vệ tần số cao. + thiếu công suất P thì tần số f giảm thấp nên dùng role bảo vệ tần số thấp. *. Khắc phục - Dùng role bảo vệ tần số cao: thường khi tác động thì hệ thống thừa công suất phát điện nên trước khi tác động thì cắt máy phát điện ra khỏi hệ thống hoặc giảm công suất tuabin. - Dùng role bảo vệ tần số thấp: thường khi thiếu công suất tác dụng, ta huy động công suất dự phòng (nóng, quay) trong hệ thống điện. + để tạo dự phòng nóng thì thường các tổ máy phát 80÷85% công suất và dòng điện còn 15÷20% là công suất dự phòng nóng. + dự phòng quay là khi nếu công suất dự phòng nóng không đủ để dự phòng thì phải sa thải một số phụ tải xung quanh. d. Nguyên lý nhiệt động tăng cao Sử dụng để bảo vệ chống quá tải cho các phần tử của hệ thống điện. Để thực hiện bảo vệ theo nhiệt độ thì thực hiện như sau: - Phản ứng trực tiếp theo nhiệt độ (đo nhiệt độ ở những điểm nóng nhất của thiết bị - hot spot). Ví dụ: trong cuộn dây làm việc, lõi thép, thùng dầu ta đặt ở điểm nóng nhất những cảm biến nhiệt và đo nhiệt độ, nếu θ>θcp thì có thể cảnh báo hoặc tác động cắt. - Mô hình hình ảnh nhiệt (nhiệt độ và dòng điện tải có mối liên hệ với nhau trong thiết bị điện). Ví dụ: máy biến áp có dòng tải lớn thì nhiệt độ càng cao và thông qua mô hình nhiệt ta có thể xác định nhiệt độ θ thông qua dòng tải Itải và cho mô hình ảnh của nhiệt độ thông qua dòng tải (gián tiếp). e. Các loại khác *Theo áp suất, thể tích hoặc tốc độ khí khi hư hỏng trong thùng dầu máy biến áp. - Thùng dầu phụ: giữ mức dầu trong máy biến áp lúc nào cũng đầy, tùy theo áp suất, tốc độ di chuyển của dòng dầu khí mà đặt một role khí để tác động. * Theo các thông số cơ (độ xung, độ di trục). 59 CHƯƠNG 3: BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY *Những sự cố thường gặp đối với đường dây tải điện - Ngắn mạch giữa các pha ( ngắn mạch ba pha; ngắn mạch hai pha; hai pha chạm đất; - Ngắn mạch một pha; - Chạm đất một pha; - Quá điện áp ( khí quyển hoặc thao tác); - Đứt dây và quá tải. * Để bảo vệ đường dây trung áp chống ngắn mạch, người ta dùng các loại bảo vệ: - Quá dòng cắt nhanh hoặc có thời gian; - Quá dòng có hướng; - So lệch dùng cáp thứ cấp chuyên dùng; - Khoảng cách. * Đối với các đường dây cao áp và siêu cao áp, người ta dùng các loại bảo vệ: - So lệch dòng điện; - Khoảng cách; - So sánh tín hiệu; - So sánh pha; - So sánh hướng (công suất hoặc dòng điện) - Bảo vệ quá dòng * Chú ý: - Đối với đường dây có chiều dài ngắn người ta sử dụng bảo vệ so lệch dòng có hãm( không quá 25km) tải công suất lớn; bảo vệ khoảng cách; - Đối với đường dây dài người ta sử dụng bảo vệ so sánh pha của dòng điện;bảo vệ khoảng cách; so sánh tín hiệu; so sánh hướng kết hợp với các kênh truyền hiện đại như cáp quang, viba, PLC. 3.1 CÁC HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY DÀI Đối với các đường dây dài hệ thống bảo vệ là hệ thống rơ le pilot. Hệ thống pilot là hệ thống sử dụng một đường thông tin để gửi tín hiệu role tại một đầu đường dây đến đầu kia. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ pilot 60 Thuật ngữ pilot chỉ cách thông tin: pilot dây dẫn phụ, pilot vi sóng, pilot sóng mang trên đường dây truyền tải (tần số cao), pilot cáp quang. * Phân loại bảo vệ pilot Sơ đồ pilot không toàn phần Các sơ bảo vệ pilot khong toàn phần có 2 sơ đồ quan trọng : Sơ đồ truyền cắt và sơ đồ truyền khóa. A BZ I B Z IA Z IIA Z IIIA Z IIB Z IIIB OR RR Hình 3.2: Sơ đồ truyền cắt quá tầm cho phép dùng role cấp II khởi động tín hiệu truyền OR RR ZA I ZA III TZA III AND ZA II TZA II AND AND Bộ thu Bộ phát ZB I ZB III TZB III AND ZB II TZB II AND AND Bộ thu Bộ phát Cắt B Cắt A 61 Nhận xét: Đối với các kênh truyền tần số cao trên đường dây tải điện hoặc kênh PLC ( tín hiệu PLC được truyền tải trên đường dây tải điện). ở chế độ làm việc bình thường: một tần số kiểm soát được gửi tới hai đầu đường dây, chứng tỏ kênh truyền đang làm việc tốt Khi sự cố trên đường dây, một tín hiệu cắt cho phép được gủi bởi một tần số mới gọi là tần số cắt Vậy: role khoảng cách sẽ nhận được tín hiệu kiểm soát hoặc tín hiệu cắt Khi tín hiệu cắt bị mất, vì thế MC ở đầu kia không cắt. Để khắc phục hiện tượng này, khi tần số kiểm soát mất (có NM) và không nhận được tần số cắt ( kênh truyền hỏng), role sẽ bỏ ngỏ (không khóa)một khoảng 150ms và cho phép tác động cắt MC giống như tín hiệu cắt đang nhận được. Để đánh giá các trạng thái làm việc khác nhau, hai tín hiệu vào role cần thiết để tổ hợp tín hiệu kênh truyền đến và mất kiểm soát. Tổ hợp các trạng thái được cho trong bảng 3.1 Bang 3.1 Tình trạng Nhận được tần số cắt Mất tần số kiểm soát Cắt MC Báo hỏng Đường dây tốt Không Không mất Không Không Sự cố trên đường dây Nhận được Mất Cắt Không Không khóa Không ( Kênh truyền hỏng) Mất ( có sự cố trên đường dây) Cắt, trong khoảng thười gian 150ms Có, sau 150ms Tín hiệu không bình thường có Không mất Không Có, sau 150ms Mất tín hiệu sóng mang: kênh thông tin liên tuc truyền dữ liệu khi đường dây đang làm việc. Khi sự cố trên đường dây tín hiệu cắt cho phépđược giữ thêm vào sóng mang, như vậy MC sẽ mở ra khi nhận được đồng thời cả hai tín hiệu. Mất