TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Lưới điện phân phối
1.1.1 Khái niệm lưới phân phối
Lưới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian (hoặc Trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải
Lưới điện phân phối gồm 2 phần:
Lưới phân phối trung áp cung cấp điện với các cấp điện áp 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV và 35 kV, phục vụ cho các trạm phân phối trung áp/hạ áp cũng như các phụ tải trung áp.
+ Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V
Lưới phân phối điện thường có chiều dài ngắn hơn 60 km, kết nối từ thanh cái thứ cấp của trạm biến áp khu vực đến các hộ tiêu thụ như công nghiệp, nông nghiệp và đô thị Các trạm biến áp hạ áp 22 - 35/0,4 kV có công suất nhỏ, từ hàng trăm đến hàng ngàn kVA, chủ yếu cung cấp điện cho khu dân cư hoặc làm trạm biến áp phân xưởng Trong hệ thống điện quốc gia, mạng lưới điện phân phối chiếm tỉ trọng lớn, với số lượng máy biến áp phân phối gấp 2.5 đến 3 lần so với máy biến áp truyền tải, và tổng chiều dài của lưới phân phối gấp 3 lần.
Đường dây truyền tải có chiều dài gấp 4 lần, đi kèm với nhiều thiết bị quan trọng như máy cắt, dao cách ly, thiết bị chống sét, cũng như các thiết bị bảo vệ và đo đếm.
1.1.2 Đặc điểm của lưới phân phối Đặc điểm chính của hệ thống lưới phân phối là cung cấp điện trực tiếp đến người sử dụng Trong công cuộc phát triển đất nước hiện nay, việc cung cấp điện năng là một trong những ngành quan tâm hàng đầu của Chính Phủ nói chung và của Thành Phố nói riêng Vì vậy để đảm bảo chất lượng điện năng thì việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lưới điện phân phối là hết sức quan trọng
Hệ thống phân phối điện năng cần được thiết kế và lắp đặt để nhận điện từ nhiều nguồn cung cấp và phân phối hiệu quả đến các hộ tiêu thụ Để giảm thiểu tình trạng mất điện, hệ thống nên có nhiều nguồn cung cấp, đường dây dự phòng và các nguồn thay thế như máy phát điện.
Lưới điện phân phối được thiết kế để vận hành linh hoạt, phù hợp với sự phát triển của lưới điện trong tương lai Nó đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất với ổn định tần số và điện áp, cho phép độ biến thiên điện áp trong khoảng ± 5% Uđm Đồng thời, lưới điện này cũng tối ưu hóa chi phí duy tu và bảo dưỡng, giữ ở mức tối thiểu.
Hình 1.1 Lưới điện phân phối 22kV
Hệ thống điện bao gồm các thiết bị điện liên kết chặt chẽ, tạo thành một cơ cấu đồng bộ và hoàn chỉnh Việc lựa chọn đúng các thiết bị điện là rất quan trọng để đảm bảo chức năng của sơ đồ cấp điện, từ đó giúp hệ thống cung cấp điện hoạt động hiệu quả, đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật, kinh tế và an toàn.
Thiết bị điện là các công cụ quan trọng trong việc đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ, chuyển đổi, khống chế và kiểm tra hoạt động của hệ thống lưới điện và máy điện Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để kiểm tra, điều chỉnh và biến đổi đo lường nhiều quá trình không điện khác.
Thiết bị điện bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các động cơ, máy phát điện và lưới điện khỏi các sự cố như quá tải, ngắn mạch và sụt áp Các thiết bị này bao gồm rơle, cầu chì và nhiều thiết bị khác, giúp đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.
Các thiết bị bảo vệ chính trong lưới điện phân phối
1.2.1 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện a Tin cậy
Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn b Chọn lọc
Khả năng của hệ thống bảo vệ là phát hiện và loại trừ chính xác các phần tử gặp sự cố ra khỏi mạng lưới Khi cấu hình của hệ thống điện trở nên phức tạp, việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng trở nên khó khăn hơn Do đó, tác động nhanh chóng trong việc xử lý sự cố là rất quan trọng.
Bảo vệ hệ thống cần phát hiện và cách ly sự cố nhanh chóng, tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu này, cần sử dụng các thiết bị bảo vệ phức tạp và tốn kém Độ nhạy của rơle hoặc hệ thống bảo vệ, được thể hiện qua hệ số độ nhạy, cho thấy khả năng cảm nhận sự cố Hệ số này là tỉ lệ giữa giá trị đại lượng vật lý khi có sự cố và ngưỡng tác động của rơle Sự khác biệt lớn giữa giá trị đại lượng vật lý và ngưỡng khởi động giúp rơle dễ dàng phát hiện sự cố, tức là rơle hoạt động càng nhạy Tính kinh tế cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình lựa chọn thiết bị bảo vệ.
Các thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện không hoạt động liên tục như các máy móc khác, mà chủ yếu được thiết kế để sẵn sàng ứng phó với các bất thường và sự cố Đối với thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí mua sắm và lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng giá trị công trình Do đó, giá cả không phải là yếu tố quyết định khi lựa chọn loại thiết bị bảo vệ hoặc nhà cung cấp Bốn yêu cầu kỹ thuật quan trọng cần được đáp ứng, vì nếu không, sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng cho hệ thống điện.
FCO (Fuse-Cut-Out) là cầu dao kèm cầu chì thiết yếu để bảo vệ thiết bị trên lưới trung thế khỏi tình trạng quá tải và ngắn mạch Khi xảy ra quá tải hoặc ngắn mạch, dây chì sẽ chảy và đứt, khiến đầu cầu chì tự động nhả chốt hãm, làm cho ống cầu chì rơi xuống Điều này tạo ra khoảng cách ly, tương tự như việc mở cầu dao, giúp dễ dàng kiểm tra tình trạng đóng cắt của đường dây và đảm bảo an toàn cho người vận hành.
Dây chảy là một phần tử được chế tạo từ nhiều loại vật liệu và kích cỡ khác nhau, nhằm tạo ra các đặc tính thời gian - dòng điện đa dạng Để chịu lực kéo, dây chảy thường đi kèm với một dây chịu lực nối song song Một đầu của dây chảy được thiết kế dạng nút, trong khi đầu còn lại rời, cho phép lắp đặt dễ dàng trong các cầu chì tự rơi hoặc thiết bị khác Phần tử chảy được bao quanh bởi một ống phụ trợ sinh khí, giúp dập tắt các dòng sự cố nhỏ Một số dây chảy đặc biệt sử dụng hai phần tử chảy, giúp giảm dòng điện chảy nhỏ nhất trong thời gian dài mà không ảnh hưởng đến các dòng điện chảy nhỏ nhất trong thời gian ngắn, mang lại ứng dụng quan trọng trong bảo vệ quá dòng.
Mỗi loại dây chảy được sản xuất theo tiêu chuẩn nhất định, với các đặc tính riêng biệt Có hai loại dây chảy thông dụng là dây chảy định mức “N”, cho phép tải liên tục 100% dòng điện định mức và có khả năng chảy ở ít nhất 230% dòng định mức trong 5 phút, và dây chảy loại “K” và “T”, tương ứng với dây chảy nhanh và chậm.
“K” có tỉ số tốc độ là 6-8 và loại “T” là 10-13
Tỉ số tốc độ của dây chảy là tỉ số của dòng điện làm cho dây chảy đứt ở 0,1 giây và
Dây chảy Edison được phân loại theo thời gian hoạt động, với 300 giây dành cho dây chảy có dòng định mức lên đến 100 A và 600 giây cho dây chảy có dòng định mức lớn hơn 100 A.
Cầu chì được phân loại theo cấu tạo và nguyên lý hoạt động hay cách thức dập hồ quang Các loại cầu chì thường dùng bao gồm:
- Cầu chì giới hạn dòng
Hình 1.2 Cầu chì tự rơi 35kV-22kV
1.2.3 Máy cắt tự động đóng lại Automatic Circuit Reclosers (Gọi tắt là Reclosers)
Recloser là thiết bị cắt trung thế tự động, có khả năng tự đóng lại sau khi phát hiện sự cố Khi xảy ra sự cố lần đầu, recloser sẽ cắt điện và mở các tiếp điểm Sau một khoảng thời gian được cài đặt, thiết bị sẽ tự động đóng lại lần đầu Nếu sự cố chỉ là tạm thời, hệ thống sẽ trở lại hoạt động bình thường khi nguyên nhân được khắc phục Ngược lại, nếu sự cố là vĩnh viễn, recloser sẽ cắt điện lần thứ hai, và số lần tự đóng lại tiếp theo được quy định bởi người vận hành.
Máy cắt tự động đóng lại (Recloser) điều khiển điện tử là thiết bị bảo vệ quá dòng tin cậy cho lưới điện phân phối lên đến 38kV Với thiết kế gọn nhẹ, máy cắt dễ dàng lắp đặt trên trụ hoặc trong các trạm Các thiết bị này đã chứng minh độ tin cậy và tuổi thọ cao qua thực tế làm việc Nhờ vào bộ phận điều khiển tự động, máy cắt tự động đóng lại có khả năng phối hợp tốt với các thiết bị rơ le bảo vệ khác trong hệ thống.
Các loại máy cắt tự động đóng lặp lại trên đường dây 472-E11 lưới điện phân phối 22kV Đà nẵng:
Recloser của hãng NOJA-OSM27 và tủ điều khiển RC10-ES
Recloser của hãng NU-LEC và tủ điều khiển ADVC 2-A45-27.01
Các recloser sở hữu dãy thông số định mức đa dạng, phù hợp với nhu cầu khác nhau của hệ thống điện Hơn nữa, các phụ kiện điều khiển đi kèm giúp tối ưu hóa chương trình bảo vệ, mang lại tính linh động tối đa trong quá trình vận hành hệ thống.
Một bộ máy cắt tự động đóng lặp lại điều khiển điện tử gồm các phần sau:
Máy cắt tự động đóng lại và phụ kiện
Bộ điều khiển điện tử và phụ kiện
Cáp nối mạch điều khiển
Phụ kiện treo máy cắt tự động đóng lại (theo yêu cầu)
Hình 1.3 Recloser (a) và lắp đặt Recloser trên lưới (b)
Biến dòng chân sứ lắp bên trong tủ điều khiển của Recloser có nhiệm vụ cảm nhận dòng điện qua recloser ở mỗi pha Khi dòng điện hoặc dòng pha thứ tự không vượt quá giá trị cắt tối thiểu đã lập trình, tủ điều khiển sẽ kích hoạt trình tự cắt cho recloser Nếu sự cố là tạm thời, tủ sẽ ngưng điều khiển recloser sau khi đóng lại thành công và reset về trình tự hoạt động ban đầu sau khoảng thời gian trì hoãn đã định Ngược lại, nếu sự cố là vĩnh viễn, tủ sẽ thực hiện trình tự đã lập trình và khóa recloser khi nó đang mở Sau khi khóa, tủ điều khiển cần được reset về điểm xuất phát và đồng thời đóng recloser lại.
Biến dòng chân sứ được lắp bên trong tủ điều khiển, với mỗi biến dòng cho mỗi pha, sẽ cảm nhận dòng điện qua recloser Khi dòng điện hoặc dòng pha thứ tự không vượt quá giá trị cắt nhỏ nhất đã được lập trình, tủ điều khiển sẽ khởi động trình tự cắt cho recloser Nếu sự cố chỉ là tạm thời, tủ sẽ ngưng điều khiển recloser sau khi đóng lại thành công và tự động reset về trình tự hoạt động ban đầu sau một khoảng thời gian trì hoãn Ngược lại, nếu sự cố là vĩnh viễn, tủ điều khiển sẽ thực hiện trình tự đã được lập trình và khóa recloser khi đang mở Sau khi khóa, tủ phải được reset về điểm xuất phát của trình tự hoạt động và đồng thời đóng recloser lại.
1.2.4.1 Giới thiệu chung Đường dây tải điện là một phần tử quan trọng trong hệ thống điện, nhiệm vụ là truyền tải điện năng đến cho các hộ tiêu thụ điện Ngày nay với sự phát triển không ngừng thì việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp đến hộ tiêu thụ ngày càng cao Chính vì thế việc đảm bảo cho đường dây không bị các sự cố là vấn đề rất quan trọng Những sự cố thường gặp đối với đường dây tải điện như: ngắn mạch (một pha hay nhiều pha), chạm đất một pha, quá điện áp, đứt dây và quá tải
Rơle là thiết bị quan trọng trong việc nhận biết sự cố, định thời gian và điều khiển hoạt động của máy cắt Chúng hoạt động như các thiết bị bên ngoài, vì máy cắt không có khả năng tự cảm nhận sự cố Có nhiều loại rơle như rơle quá dòng, rơle quá áp, rơle so lệch, rơle tổng trở, rơle thứ tự pha và rơle tự đóng lại, mỗi loại được thiết kế để đáp ứng các hệ thống và điều kiện khác nhau Trong lưới phân phối, rơle quá dòng và rơle đóng lại là những loại được sử dụng phổ biến nhất, thường tích hợp cả hai chức năng này Để bảo vệ đường dây trung áp khỏi hiện tượng ngắn mạch, các loại bảo vệ chuyên dụng được áp dụng.
Quá dòng cắt nhanh hoặc có thời gian với đặc tính thời gian độc lập hoặc phụ thuộc 50/51
Bảo vệ chống chạm đất nhạy SEF
Bảo vệ đóng lặp lại F79
Bảo vệ chống chạm đất 50/51N
Bảo vệ thứ tự nghịch I2
Hình 1.4 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50)
Hình 1.5 Mặt trước rơle SEL 751 Hình 1.6 Role kỹ thuật số ABB
1.2.4.2 Khái niệm rơ le kỹ thuật số
Rơ le kỹ thuật số hoạt động dựa trên nguyên tắc đo lường số, với các đại lượng như dòng điện và điện áp được lấy từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện (TI) và máy biến điện áp (TU) và được số hoá Các dữ liệu này sau đó được xử lý bởi một hoặc nhiều bộ vi xử lý, thực hiện các quyết định dựa trên chương trình đã được cài đặt sẵn trong rơ le Nói cách khác, hợp bộ bảo vệ rơ le số có thể được xem như một chiếc máy tính hoàn chỉnh, hoạt động trong thời gian thực.
1.2.4.3Cấu trúc điển hình của rơ le kỹ thuật số ABB
TÍNH TOÁN, PHỐI HỢP BẢO VỆ TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Phối hợp giữa cầu chì với cầu chì
Một nguyên tắc quan trọng trong việc phối hợp giữa các cầu chì là thời gian cắt lớn nhất của cầu chì bảo vệ phía sau không được vượt quá 75% thời gian chảy nhỏ nhất của cầu chì bảo vệ phía trước, đảm bảo sự bảo vệ dự trữ hiệu quả.
Ba phương pháp được sử dụng trong việc phối hợp cầu chì:
Phương pháp dùng đường đặc tuyến TCC
Khi phối hợp cầu chì, cần đảm bảo thời gian giải trừ sự cố của cầu chì phía sau không vượt quá 75% thời gian chảy nhỏ nhất của cầu chì phía trước để đảm bảo an toàn Nếu cầu chì được sử dụng như thiết bị bảo vệ dự phòng, cần đảm bảo dây chảy không bị hư hỏng khi có sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ của thiết bị phía tải Đặc tuyến TCC được thiết lập ở 25°C, nhưng thời gian chảy nhỏ nhất của dây chảy có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường Nhiệt độ tăng do dòng tải trước đó có thể làm giảm thời gian chảy nhỏ nhất, trong khi sự thay đổi môi trường gây khó khăn trong việc đánh giá đặc tuyến Thêm vào đó, sự suy giảm tuổi thọ dây chảy theo thời gian cũng làm giảm thời gian giải trừ sự cố Do đó, nên chọn dây chảy có khả năng chịu đựng dòng trong phạm vi 90% trên đường cong thời gian chảy nhỏ nhất để đảm bảo hiệu suất.
Hình 2.1 Phối hợp bảo vệ giữa các cầu chì
Trong một số trường hợp, việc phối hợp giữa các cầu chì lặp đi lặp lại và các đặc tuyến TCC chồng chéo có thể gặp khó khăn Nếu các cầu chì có cùng hệ số nhân và có thể xác định dòng sự cố, việc sử dụng bảng tra để phối hợp sẽ trở nên dễ dàng hơn Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này thường kém hơn so với việc phối hợp dựa trên các đặc tuyến TCC.
Sự lựa chọn cầu chì như trên đảm bảo thoả mản tỉ số thời gian cắt cực đại/thời gian chảy nhỏ nhất bé hơn 75%
Thông số được cho như bảng 2.1 và 2.2
2.1.3 Phương pháp phối hợp theo kinh nghiệm
Phối hợp theo kinh nghiệm thường dùng để phối hợp các cầu chì dây chảy cùng loại và cùng cấp
Dây chảy loại K cho phép phối hợp linh hoạt giữa các định mức kề cận trong cùng một nhóm, đạt giá trị dòng lên đến 13 lần định mức dây chảy bảo vệ.
Dây chảy loại T cho phép kết hợp linh hoạt giữa các định mức kề cận trong cùng một nhóm, đạt giá trị dòng lên đến 24 lần định mức dây chảy bảo vệ Ứng dụng này mang lại hệ số an toàn cao, lên đến 75% hoặc hơn.
Các dây chảy loại T thông dụng là : 6T, 10T, 15T, 25T, 40T, 65T, 100T, 140T, 200T
Bảng 2.1: Dây chảy loại K EEI-NEMA
K Maximun Fault – Current Protection Provided by Protecting Link –
Bảng 2.2: Dây chảy loại T EEI-NEMA
Maximun Fault – Current Protection Provided by Protecting Link –
Phối hợp giữa RECLOSER với cầu chì
Recloser là thiết bị bảo vệ quá dòng phổ biến, giúp chuyển đổi các sự cố thành sự cố thoáng qua Để sử dụng recloser hiệu quả, cần chú ý đến một số vấn đề quan trọng.
- Thiết bị bảo vệ phía tải phải cắt được sự cố trước khi thiết bị phía nguồn tác động cắt
- Tình trạng cắt điện do sự cố vĩnh cửu phải được cô lập trong phạm vi nhỏ nhất có thể trong hệ thống
Các nguyên tắc này quyết định cách chọn đặc tuyến bảo vệ và thứ tự hoạt động của thiết bị ở phía nguồn và phía tải, cũng như vị trí lắp đặt của chúng trên lưới phân phối Số lượng và vị trí thiết bị được sử dụng để cô lập sự cố được xác định dựa trên quan điểm thiết kế riêng của từng công ty.
Hình 2.2 Phối hợp đặc tính giữa Recloser và cầu chì Đường cong C cầu chì
Giới hạn dòng Đường cong đứt tổng cầu chì C
Giới hạn dòng cực đại
Giới hạn dòng cực tiểu
Phương pháp gần đúng để kiểm tra sự phối hợp giữa Recloser và cầu chì mà không cần phân tích quá trình phát nhiệt và tản nhiệt của cầu chì là sử dụng đường cong hư hỏng của cầu chì, được xác định bằng 75% đường cong thời gian nóng chảy Đường cong 75% này được so sánh với đường cong A’=2xA, và điểm a’ được xác định từ đường cong B’ Nhờ đó, sự phối hợp giữa Recloser và cầu chì sẽ chính xác hơn do đã tính đến cả thời gian tác động của Recloser.
2.2.1 Phối hợp Recloser phía tải cầu chì phía nguồn
Phối hợp giữa recloser và cầu chì dựa trên đường đặc tuyến TCC đã được hiệu chỉnh bởi một hệ số nhân
Cầu chì phía nguồn bảo vệ MBA được xác định dựa vào đặc tuyến của recloser và loại recloser, kết hợp với đặc tuyến TCC của recloser đã được chọn Sau đó, cầu chì phía tải được lựa chọn để phối hợp hiệu quả với recloser.
Hình 2.3 Sơ đồ Phối hợp Recloser với cầu chì phía nguồn
Recloser được lựa chọn phối hợp với cầu chì nguồn để đảm bảo rằng cầu chì không ngắt mạch trong bất kỳ trường hợp dòng điện sự cố nào phía tải Nhiệt độ sinh ra từ hoạt động của recloser cần phải không làm chảy cầu chì, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hệ số nhân (K) để hiệu chỉnh đặc tuyến TCC tại điểm phá hỏng cầu chì Đặc tuyến tác động trễ của recloser phải luôn nằm dưới đặc tuyến nóng chảy nhỏ nhất của cầu chì nguồn để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Để so sánh đặc tuyến TCC của cầu chì và Recloser, cần dịch chuyển các đặc tuyến về cùng cấp điện áp do chúng được lắp đặt ở hai cấp điện áp khác nhau Cầu chì thường được xác định theo dung lượng máy biến áp, vì vậy cần dịch chuyển đặc tuyến TCC của cầu chì theo phương ngang với tỉ số biến áp Kn Sau đó, các đặc tuyến đã dịch chuyển này sẽ được so sánh với đặc tuyến của Recloser để chọn ra Recloser thích hợp Đối với máy biến áp có tổ đấu dây Δ/Y, tỉ số dòng ngắn mạch giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ khác nhau tùy thuộc vào dạng ngắn mạch, và bảng các hệ số chuyển đường cong cầu chì về thứ cấp máy biến áp được trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Giá trị của hệ số K khi phối hợp Recloser với cầu chì phía nguồn [1]
Bảng 2.4 Các hệ số chuyển đường cong cầu chì về thứ cấp máy biến áp
Dạng ngắn mạch Hệ số chuyển đổi
Với Kn là tỉ số biến áp
Hệ số nhân K t đóng lại (s) 2 nhanh 2 chậm 1 nhanh 3 chậm 4 lần chậm
Hình 2.4 Phối hợp Recloser với cầu chì phía nguồn
2.2.2 Phối hợp Recloser với cầu chì phía tải
Khi phối hợp Recloser với cầu chì phía tải cần cài Recloser làm việc ở hai lần cắt nhanh và hai lần cắt chậm
Theo thống kê, khoảng 70% sự cố thoáng qua được loại trừ khi Recloser hoạt động lần đầu và lần hai, trong khi khoảng 10% sự cố còn lại được xử lý khi Recloser hoạt động lần ba và bốn, nếu sự cố vẫn chưa được giải quyết thì cầu chì sẽ cắt sự cố.
Hai quy luật ràng buộc sự phối hợp và chọn lựa thứ tự hoạt động của Recloser và cầu chì:
Khi giá trị dòng sự cố đạt đến ngưỡng làm dây chảy, thời gian dây chảy cần phải lớn hơn thời gian cắt của Recloser theo đặc tuyến nhanh Quy luật này đảm bảo rằng trong trường hợp có sự cố thoáng qua, cầu chì sẽ không bị cắt hoặc bị đốt nóng, với điều kiện t cmin(chì) > K tA(Recloser).
Thời gian chảy xác định của cầu chì, ký hiệu là t cmin(chì), tương ứng với đặc tuyến thời gian nóng chảy tối thiểu Trong khi đó, tA(Recloser) là thời gian cắt tương ứng với đặc tuyến nhanh A của Recloser.
Hệ số K là yếu tố điều chỉnh đặc tuyến của Recloser, ảnh hưởng đến việc phối hợp với cầu chì phụ tải, và nó phụ thuộc vào chu trình làm việc cùng với thời gian đóng lại của Recloser.
Mục đích của việc kết hợp recloser với cầu chì phía tải là để cầu chì có thể giải quyết sự cố ngắn mạch trước khi recloser ngắt hoàn toàn Để đảm bảo rằng recloser có khả năng cắt dòng điện sự cố mà không gây hư hỏng cho cầu chì, cần phải so sánh đường cong chảy nhỏ nhất của cầu chì với đường cong tác động nhanh của recloser đã được hiệu chỉnh.
Bảng 2.5 Bảng hệ số nhân K
Thời gian đóng lại Hệ số hiệu chỉnh K
Recloser một lần cắt nhanh Recloser hai lần cắt nhanh
Hình 2.5 Sơ đồ phối hợp giữa recloser và cầu chì phía tải
Hình 2.6 Phối hợp đặc tuyến giữa Recloser và cầu chì phía tải.
Phối hợp giữa RECLOSER với RECLOSER
Phối hợp recloser được thực hiện bằng cách lựa chọn các giá trị dòng cắt nhỏ nhất phù hợp và dựa vào đặc tuyến TCC Để đạt được phối hợp tốt nhất, các recloser cần có ít nhất một lần tác động nhanh Khi thực hiện phối hợp, cần chú ý đến khoảng thời gian giữa các đặc tuyến của hai recloser để đảm bảo rằng khi xảy ra sự cố, chúng không tác động đồng thời.
Hình 2.7 Minh họa phối hợp đặc tuyến của các RECLOSER
2.3.2 Nguyên tắc phối hợp cơ bản của RECLOSER điện tử
Recloser điện tử được thiết kế để đáp ứng linh hoạt các yêu cầu riêng biệt của từng hệ thống điện Khi phối hợp các recloser, cần chú ý đến dòng cắt tạm thời cho các sự cố chạm đất và chạm pha Ngoài ra, việc lựa chọn đặc tuyến TCC, thứ tự tác động, thời gian tác động và các yếu tố phụ khác cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Thông số chính cần quan tâm khi phối hợp là:
Công suất định mức của recloser điện tử cần được xác định dựa trên giá trị dòng tải đỉnh tại vị trí lắp đặt Điều này đảm bảo rằng recloser có khả năng hoạt động hiệu quả trong mọi tình huống sự cố nằm trong phạm vi bảo vệ.
Recloser phía máy biến áp cần thực hiện ít nhất một lần tác động nhanh do sự cố thoáng qua thường xảy ra Để recloser phía tải có thể phối hợp hiệu quả với recloser phía nguồn, số lần tác động nhanh của chúng cần phải bằng hoặc lớn hơn nhau Đường cong tác động chậm phải được lựa chọn sao cho recloser phía tải có khả năng cắt các sự cố vĩnh cửu mà recloser phía nguồn không thể xử lý sau các lần tác động nhanh Để tránh tác động cắt đồng thời, cần chọn những đặc tuyến phù hợp và sử dụng recloser phối hợp tuần tự.
Hình 2.8 Sơ đồ phối hợp Recloser điều khiển điện tử ở mạng hình tia
Phối hợp giữa RELAY với cầu chì
Phối hợp relay với cầu chì bao gồm hai phần chính:
+ Phối hợp relay với cầu chì phía nguồn
+ Phối hợp relay với cầu chì phía tải
Relay điều khiển máy cắt theo thời gian, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả Khi phối hợp với cầu chì phía nguồn, relay cần cắt trước khi cầu chì bắt đầu chảy Ngược lại, khi phối hợp với cầu chì phía tải, relay phải tác động sau khi cầu chì đã hoạt động.
2.4.1 Phối hợp Rơle với cầu chì phía nguồn
Cầu chì bảo vệ mạch phía sơ cấp MBA cùng với một máy cắt, được điều khiển bằng relay, bảo vệ mạch phía thứ cấp
Hình 2.9 Sơ đồ phối hợp cầu chì phía sơ cấp và Rơle phía thứ cấp
2.4.2 Phối hợp Rơle với cầu chì phía tải
Một rơle quá dòng với đặc tuyến đơn được phối hợp với cầu chì phía tải nhằm đảm bảo rằng đặc tuyến của rơle chậm hơn so với đặc tuyến của cầu chì Mục đích chính là bảo vệ hệ thống điện khỏi các sự cố quá dòng, giúp tăng cường độ tin cậy và an toàn cho thiết bị.
Khi cầu chì hoạt động trong trường hợp sự cố cuối đường dây, máy móc sẽ được bảo vệ khỏi những hư hỏng nghiêm trọng, đồng thời chỉ có một phần nhỏ của đường dây bị mất điện.
Hình 2.10 Sơ đồ phối hợp Rơle với cầu chì
2.4.3 Các phương pháp phối hợp a, Phương pháp tổng thời gian tích luỹ:
Phương pháp đơn giản và kinh điển để đánh giá hiệu suất của cầu chì là thêm vào bộ đếm thời gian các sự cố độc lập nhỏ hơn 10 giây, nhằm làm nguội hoàn toàn Thời gian tổng này sẽ được so sánh với đặc tuyến của cầu chì Để đảm bảo an toàn, một khoảng thời gian dự phòng khoảng 50% của đặc tuyến thời gian chảy nhỏ nhất của cầu chì phía nguồn được cho phép mang tải trước Điều này cần xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh và tính không lặp lại của đặc tính relay Bên cạnh đó, phương pháp hệ số nguội cũng được áp dụng để tối ưu hóa quá trình đánh giá.
Phương pháp này đạt được kết quả phối hợp chính xác hơn so với phương pháp tổng thời gian tích lũy Nó liên quan đến việc sử dụng các hệ số làm nguội của dây chảy và đánh giá khoảng thời gian đóng lại của relay.
Công thức: Teff = TF(N) + TF(N-1) + C(N-1) x C(N) x TF(N-2) + … Với:
+ Teff: khoảng thời gian sự cố ảnh hưởng của relay
+ TF(N): khoảng thời gian của sự cố thứ N của thiết bị đóng lại
+ C(N): hệ số làm nguội của dây chảy trong thời gian đóng lại
Việc sử dụng công thức trên đòi hỏi phải hiểu biết nhiều về đặc tính phục hồi của relay
Bảng 2.6 Bảng hệ số làm nguội của dây chảy
Phối hợp giữa RECLOSER với RELAY
Phối hợp giữa recloser và Relay được thực hiện tương tự như với các thiết bị bảo vệ khác, nhưng cần lưu ý đặc tính của Relay khi phối hợp với Relay bảo vệ quá dòng Đối với Relay tĩnh, thời gian trở về nhanh, do đó thời gian tích lũy khi Recloser đóng lại nhiều lần là không đáng kể, khiến việc phối hợp trở nên đơn giản Chỉ cần chọn đặc tính của Recloser thấp hơn Relay bảo vệ và đảm bảo khoảng cách an toàn giữa hai đường đặc tính để Recloser tác động trước Trong khi đó, đối với Relay điện cơ, cần xem xét nhiều đặc điểm, vì thời gian tác động và trở về có quán tính Khi phối hợp Recloser với Relay điện cơ, cần cộng tất cả các khoảng thời gian tích lũy sai số cho Relay khi Recloser tác động.
Hình 2.11 Phối hợp đặc tính Relay với đặc tính Recloser WVE
Phối hợp giữa Rơle và Rơle
Hiện nay, rơle quá dòng với đặc tính phụ thuộc đang được ưa chuộng hơn rơle độc lập, vì nó không phù hợp với khả năng chịu dòng của thiết bị bảo vệ Khi dòng ngắn mạch thay đổi trong khoảng rộng, rơle vẫn cắt sự cố với thời gian giống nhau Điều này dẫn đến việc rơle không tác động khi dòng ngắn mạch lớn, trong khi lại cắt quá sớm khi dòng nhỏ, gây gián đoạn cho hoạt động liên tục của thiết bị Vì vậy, bài viết này chỉ tập trung vào rơle quá dòng với đặc tính phụ thuộc.
2.6.1 Độ phân cấp thời gian với đặc tuyến phụ thuộc Độ phân cấp về thời gian với đặc tính phụ thuộc giữa 2 rơle liền kề được xác định như sau:
100t n + t MC(n−1) + t qt + t dp Trong đó:
Esr là sai số thời gian tương đối của rơle quá dòng hiện tại và rơle bảo vệ trước, thường dao động từ 3% đến 5% Sai số đo lường giữa hai rơle liền kề ảnh hưởng đến đặc tuyến thời gian dòng, và sai số này phụ thuộc vào độ lớn của dòng tác động.
+ tMC là thời gian cắt của máy cắt cấp bảo vệ trước(về phía tải) có giá trị bằng 0,1
Thời gian cắt của máy cắt không khí là 0,2 giây, máy cắt chân không là 0,06 - 0,08 giây, và máy cắt khí SF6 là 0,04 - 0,05 giây Thời gian này phụ thuộc vào thời gian truyền tín hiệu từ rơle đến máy cắt, thời gian kích hoạt cuộn cắt và thời gian dập hồ quang Thêm vào đó, thời gian sai số do quán tính (tqt) thường nhỏ hơn 0,05 giây, xảy ra khi rơle vẫn ở trạng thái tác động mặc dù dòng ngắn mạch đã bị cắt, do năng lượng điện còn lại trong các mạch dung kháng bên trong rơle.
Hình 2.12 Xác định độ phân cấp về thời gian
+EBI là sai số đo lường của biến dòng
Cần lưu ý rằng sai số của các rơle và BI là biến đổi, phụ thuộc vào dòng ngắn mạch qua rơle, tức là vị trí của điểm ngắn mạch Do đó, việc xác định độ phân cấp về thời gian sẽ phụ thuộc vào dòng ngắn mạch tại các vị trí chuyển tiếp cấp bảo vệ.
2.6.2 Nguyên tắc phối hợp giữa 2 Rơle liền kề
Hình 2.13 Nguyên tắc phối hợp các bảo vệ quá dòng liền kề
- Để phối hợp tốt các rơle quá dòng liền kề với đặc tuyến phụ thuộc, ta cần phải thực hiện các nguyên tắc cơ bản sau:
- Đặc tuyến bảo vệ phải nằm dưới và có độ nghiêng càng gần với đặc tuyến chịu dòng an toàn của đối tượng bảo vệ càng tốt
- Sử dụng các bảo vệ liền kề có độ dốc của đặc tuyến gần giống nhau
- Các bảo vệ càng xa nguồn càng có giá trị đặt dòng nhỏ hơn so với các bảo vệ gần nguồn
- Chọn thời gian đặt phải thực hiện sao cho rơle sẽ tác động với thời gian nhỏ nhất tại điểm cuối đường dây
Khi xảy ra ngắn mạch tại các điểm chuyển tiếp giữa hai bảo vệ liền kề, thời gian tác động của hai bảo vệ này cần phải khác biệt ít nhất bằng độ phân cấp thời gian xác định trong chế độ cực đại của hệ thống.
- Các đặc tuyến được xác định từ bảo vệ xa nguồn nhất đến bảo vệ gần nguồn nhất
Theo đặc tuyến bảo vệ chung, thời gian tác động của hệ thống bảo vệ đối với các sự cố gần nguồn có xu hướng giảm, đồng thời vẫn duy trì độ phân cấp thời gian tại các điểm có khả năng xảy ra tác động nhầm.
Phối hợp giữa cầu chì sơ cấp và aptomat thứ cấp máy biến áp, phối hợp giữa các aptomat nối tiếp
2.7.1 Phối hợp giữa cầu chì sơ cấp và Aptomat thứ cấp MBA Để tránh sự tác động của cầu chì trung thế khi có sự cố phía sau Aptomat tổng hạ thế thì đặc tính vận hành Aptomat phải nằm phía trái đường cong thời gian nóng chảy tối thiểu của cầu chì Đặc tính của Aptomat tổng phía hạ thế:
- Giá trị chỉnh định dòng cắt ngắn mạch lớn nhất của bộ tác động từ
- Giá trị tối đa của độ trễ đưa vào để thực hiện việc chọn lọc theo thời gian
Hình 2.14 Phối hợp đặc tính Aptomat và cầu chì 2.7.2 Phối hợp giữa các Aptomat mắc nối tiếp
Aptomat hạn chế dòng sử dụng điện trở để kiểm soát dòng điện trong các hồ quang ngắn mạch Người dùng có thể lắp thêm các mô-đun hạn chế dòng (kết nối theo kiểu nối tiếp) vào các Aptomat tiêu chuẩn nhằm tối ưu hóa chức năng này.
Mỗi pha của môđun hạn chế dòng có một thanh tiếp điểm, thanh này sẽ nối hai tiếp điểm loại chịu công suất lớn
Khi giá trị dòng điện tăng, lực tác động lên thanh cũng tăng theo, đồng thời điện trở của hồ quang sẽ lớn hơn khi chiều dài của hồ quang kéo dài Điều này cho thấy biên độ dòng sự cố có khả năng tự điều chỉnh.
Aptomat sẽ dễ cắt ở mức dòng thấp, nhất là khi cos𝜑 của mạch vòng sự cố tăng lên do xuất hiện điện trở hồ quang
Khi áp dụng sơ đồ ghép tầng, các tiếp điểm chính của Aptomat giúp hạn chế dòng tác động trễ, cho phép Aptomat tốc độ nhanh ở phía sau cắt dòng sự cố, trong khi Aptomat hạn chế dòng vẫn duy trì trạng thái đóng.
Thanh tiếp điểm của Aptomat hạn chế dòng sẽ tự động trở về trạng thái ban đầu nhờ vào các lò xo nén khi dòng sự cố chấm dứt Nếu Aptomat phía sau không hoạt động, Aptomat hạn chế dòng sẽ kích hoạt sau một khoảng thời gian trễ ngắn.
Sử dụng Aptomat hạn chế dòng giúp tối ưu hóa thiết bị đóng cắt, cáp và các phần tử mạch phía sau, từ đó đơn giản hóa quy trình lắp đặt và giảm chi phí.
Aptomat hạn chế dòng giúp bảo vệ các thiết bị phía sau bằng cách tăng tổng trở nguồn trong trường hợp ngắn mạch, nhưng không làm tăng tổng trở trong các tình huống như khởi động động cơ lớn.
Bảo vệ có thể được chọn lọc một cách tuyệt đối hoặc từng phần, dựa trên nguyên lý mức dòng, thời gian trễ, hoặc sự kết hợp của cả hai, và tuân theo nguyên lý logic.
Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ điểm nào trong hệ thống, Aptomat ngay sau điểm sự cố sẽ tự động ngắt nguồn để giải quyết vấn đề, trong khi các Aptomat khác không bị ảnh hưởng.
Hình 2.15 Chọn lọc tuyệt đối và từng phần
Tính toán ngắn mạch
2.8.1 Phương pháp đơn vị tương đối
Xét phương trình đơn giản giữa điện áp, dòng điện và tổng trở:
E, I, Z được tính theo đơn vị Vôn, Ampe và Ohm Chia cả 2 vế của phương trình trên cho cùng một số do đó sự cân bằng không bị phá vỡ, gọi số này là điện áp cơ bản
(2.2) Xác định dòng điện cơ bản Icb và tổng trở cơ bản Zcb phụ thuộc vào điều kiện:
Cuối cùng, các đại lượng trong đơn vị tương đối được xác định như sau:
Lấy phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa công suất, điện áp và dòng điện
Và xác định công suất cơ bản Scb theo Vôn, Ampe như sau:
Từ đó, công suất trong đơn vị tương đối S được xác định như sau:
Trong hệ thống điện một pha, việc tính toán dòng điện pha, điện áp pha và công suất mỗi pha rất quan trọng Đối với hệ thống điện 1 pha và 3 pha, các thông số này được xác định bằng các công thức cụ thể, giúp đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình sử dụng điện.
𝑆 𝑐𝑏 = 𝑘𝑉𝐴 𝑐𝑏 : Công suất cơ bản mỗi pha hoặc công suất cơ bản 1 pha
𝐸 𝑐𝑏 : Điện áp pha cơ bản, điện áp 1 pha, tính bằng kV
𝐸 𝑐𝑏 : Dòng điện dây cơ bản tính bằng A
𝑆 𝑐𝑏 : Tổng trở cơ bản tính bằng Ω
- Tính toán trong hệ thống điện 3 pha:
𝑆 𝑐𝑏 = 𝑘𝑉𝐴 𝑐𝑏 : Công suất cơ bản 3 pha kVA
𝐸 𝑐𝑏 : Điện áp dây cơ bản, tính bằng kV
√3 𝐸 𝑐𝑏 : Dòng điện pha cơ bản tính bằng A
𝑆 𝑐𝑏 : Tổng trở cơ bản tính bằng Ω
Tổng trở trong đơn vị tương đối của một thành phần trong mạch được tính như sau:
Giá trị cơ bản trong hệ thống điện có thể là điện áp pha và công suất 1 pha, hoặc điện áp dây và tổng công suất 3 pha Để chuyển đổi tổng trở từ hệ đơn vị tương đối theo hệ cơ bản hiện tại sang hệ đơn vị tương đối theo hệ cơ bản mới, cần thực hiện các phép biến đổi phù hợp.
2.8.2 Tổng trở tương đương Thevenin
Hình 2.16 Mạch tương đương Thevenin
2.8.3 Sự cố không đối xứng
- Tổng trở thứ tự và mạng thay thế của đường dây
Hình 2.17 Mạng thứ tự của đường dây
+ 𝑋 𝑠 : Điện kháng thứ tự thuận của đường dây
+ 𝑋 𝑚 : Điện kháng tương hỗ của cặp dây dẫn
- Giả sử đường dây có hoán vị:
+ Kháng trở thứ tự thuận và thứ tự nghịch bằng nhau
+ Kháng trở thứ tự không lớn hơn so với thứ tự thuận và thứ tự nghịch
2.8.4 Xây dựng mạng thứ tự của hệ thống điện
Mạng thứ tự của các phần tử trong hệ thống điện, như động cơ đồng bộ, máy biến áp và đường dây, được sử dụng để xây dựng mạng thứ tự một cách dễ dàng Quá trình bắt đầu bằng việc xây dựng mạng thứ tự thuận từ sơ đồ đơn tuyến của hệ thống Từ mạng thứ tự thuận, có thể dễ dàng suy ra mạng thứ tự nghịch.
Mạng thứ tự không trong hệ thống điện cho phép kết hợp các phần tử như máy phát và máy biến áp để hoàn thiện sơ đồ Tổng trở nối trung tính của máy phát và máy biến áp trong mạng thứ tự không bằng 3 lần giá trị của nó trong mạng thứ tự không Cần lưu ý đặc biệt đến tổ đấu dây của máy biến áp trong mạng thứ tự không để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Từ những mạng trên của hệ thống điện, chúng ta xây dựng ma trận tổng trở thứ tự thanh cái của mạng: [𝑍 𝑏𝑢𝑠 1 ] , [𝑍 𝑏𝑢𝑠 2 ], [𝑍 𝑏𝑢𝑠 0 ]
- Ngắn mạch 1 pha chạm đất:
Hình 2.18 Ngắn mạch 1 pha chạm đất
Hình 2.19 Ngắn mạch 2 pha chạm nhau
2.8.5 Sự cố trên đường dây phân phối hình tia
Hình 2.20 Trạm phân phối và đường dây hình tia Bảng 2.7 Loại sự cố và dòng điện sự cố
Loại sự cố Dòng điện sự cố
+ 𝑉 𝐹 : Điện áp tương đương Thevenin (1÷1,1)
+ 𝑍 𝑆 : Kháng trở tương đương Thevenin của nguồn
+ 𝑍 𝑇 : Kháng trở máy biến áp
+ 𝑍 𝐿 : Kháng trở đường dây phân phối
+ 30÷40 (Ω) cho trường hợp sự cố cực tiểu
+ 0 (Ω) cho trường hợp sự cố cực đại
Bảng 2.8 Giá trị ước lượng của 𝑘 0
𝒌 𝟎 Các điều kiện giữa đất và dây trung tính
4 Dây nối đất cùng cỡ với dây pha 4.6 Dây nối đất một cỡ nhỏ hơn dây pha
