Bảo vệ rơ le và tự động hóa hệ thống điện GVHD BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN CÓ HƯỚNG I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, hiện nay người ta thường thiết kế các mạng.
Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện GVHD: BẢO VỆ DỊNG ĐIỆN CĨ HƯỚNG I NGUN TẮC HOẠT ĐỘNG Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho hộ tiêu thụ, người ta thường thiết kế mạng hình vịng mạng có hai đầu cung cấp Đối với loại mạng điện này, BV dịng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc cấp đảm bảo cắt NM cách chọn lọc Ví dụ, mạng hình tia (H.4.1), giả thiết đầu đường dây đặt BV q dịng điện thơng thường đánh số thứ tự từ đến Muốn thực cắt chọn lọc NM N1 cần thỏa mãn t3 < t2 Nhưng muốn cắt chọn lọc NM N2 yêu cầu ngược lại t2 < t3 Trong thực tế, khơng thể đồng thời thỏa mãn hai u cầu Ta khắc phục khó khăn cách, cho BV tác động công suất NM từ góp đến đường dây Muốn vậy, BV cần có thêm phận định hướng cơng suất, phận cho phép BV tác động cơng suất NM từ góp đến đường dây Trên hình 4.1, mũi tên hướng tác động BV Nhờ NM N1 BV2 không tác động, cịn NM N2 BV3 khơng tác động Khi dùng BV dịng điện có hướng, cần BV hướng tác động: t5 < t3 < t1 t2 < t4 < t6 Trong BV dòng điện có hướng, rơle cơng suất làm nhiệm vụ phận định hướng cơng suất Trên hình 1cho sơ đồ cấu trúc BV dịng điện có hướng: RI - rơle dịng điện; AND - mạch lơgic “VÀ” RW - phần tử định hướng công suất 1|Page II PHẦN TỬ ĐỊNH HƯỚNG CƠNG SUẤT Để phân tích cách làm việc rơle định hướng công suất, khảo sát đồ thị vectơ tương ứng với chiều khác công suất NM qua BV2 hình 4.3 Lấy điện áp đưa vào rơle RW điện áp góp trạm B, lấy UB làm gốc Góc lệch pha dịng điện điện áp có giá trị dương vectơ dịng điện chậm sau điện áp âm ngược lại - Khi NM điểm N2 (H.4.3), giả thiết công suất NM qua BV2 từ góp vào đường dây IR = IN2 jR = (UR, IR) - Khi NM điểm N1, công suất NM qua BV2 từ đường dây vào góp B, dịng rơle IR (với chiều dương chấp nhận trước) - IN1 j2 = j1 – 180° Như vậy, dời điểm NM từ vùng BV sang vùng không BV pha dòng điện IR điện áp UR thay đổi 180° giống chiều công suất NM Như rơle định hướng công suất làm việc sở góc pha tương đối dịng áp chỗ đặt BV Rơle định hướng cơng suất làm việc theo dịng áp tồn phần hay dịng áp thành phần thứ tự Để cho rơle làm việc theo hướng mong muốn, ta quan sát phân bố áp thành phần thứ tự có NM hình 4.4, ta nhận xét cơng suất NM toàn phần thứ tự thuận từ nguồn đến chỗ NM, công suất thứ tự nghịch từ chỗ NM đến nguồn, cịn cơng suất thứ tự khơng từ chỗ NM đến góp (trung tính nối đất máy biến áp (MBA) Do chọn nối sơ đồ rơle định hướng, phải lưu ý theo chiều cơng suất dịng tồn phần hay theo thành phần thứ tự, phần tử định hướng cơng suất làm việc theo dịng áp tồn phần thứ tự thuận chiều cơng suất NM từ góp 2|Page Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện GVHD: vào chỗ NM, làm việc theo thành phần thứ tự nghịch khơng chiều cơng suất NM từ chỗ NM đến góp Đặc tính làm việc phần tử định hướng công suất: Để xác định hướng công suất, người ta dùng so sánh pha để xác định quan hệ hai đại lượng đưa vào rơle dùng so sánh trị số tuyệt đối hai đại lượng tổ hợp hai tín hiệu cho ta quan hệ góc pha Người ta dùng giản đồ sau để biểu diễn làm việc phần tử định hướng cơng suất (H.4.5) Đặc tính làm việc phân tử định hướng công suất (RW) đặc trưng phương trình: * với URIR, UR, IR vectơ áp dịng đưa vào role Từ (*) ta xác định vùng tác động không tác động phần tử định hướng công suất (H.4.5a) Nếu hai tín hiệu đưa vào UR = hay IR = hay vectơ IR nằm gần biên giới tác động phận so sánh khơng đủ độ nhạy để tác động tác động nhầm Từ RW có khái niệm góc có độ nhạy cực đại jR = jnhmax, góc RW làm việc với độ nhạy cao Người ta thường chọn a = –jnhmax Phương trình khởi động RW trở thành: 3|Page Đặc tính làm việc RW đặc tính góc U kđR = f(jR) IkđR số (H.4.6a), đặc tính volt-ampe U kđR = f(IkđR) jR số (H.4.6b) Các đặc tuyến rơle xây dựng điều kiện jkđR = jnhmax Chất lượng RW đánh giá giá trị khởi động U kđmin, Ikđmin Dạng đặc tuyến cho hình 4.6 dạng gần lý tưởng Đặc tuyến thực tế khác so với đặc tính nhiều hay ít, tùy thuộc RW cấu tạo loại (điện cơ, điện tử ) Ta xem phần tử định hướng cơng suất trường hợp riêng phần tử xác định tổng trở đối tượng BV Khi biểu diễn đặc tính làm việc đường thẳng qua gốc O mặt phẳng tổng trở Z Đường chia mặt phẳng tổng trở thành hai vùng, vùng tác động vùng khơng tác động (H.4.6b) Nếu chiều cơng suất tổng trở đối tượng BV nằm vùng tác động ngược lại Điện áp UR, IR đưa vào rơle áp, dịng tồn phần hay thành phần thứ tự, tùy theo yêu cầu BV Sơ đồ nối rơle định hướng công suất Phần tử định hướng công suất loại nối vào áp dịng tồn phần, cần chọn áp dịng đưa vào rơle cho xác định dấu cơng suất NM dạng NM cho rơle có độ nhạy cao (jRN gần trùng jnhmax) Khi NM gần chỗ đặt BV, UR có giá trị gần khơng, NM có gốc bất lợi rơle cơng suất khơng tác động Từ điều kiện rút kết luận cần phải nối rơle vào áp cho NM gần, áp không giảm tới khơng tổ hợp áp dịng đưa vào rơle cần chọn cho NM góc jR khơng có giá trị bất lợi Lẽ dĩ nhiên, yêu cầu hai yêu cầu thực NM hai pha pha Khi có NM ba pha, tất áp pha áp dây giảm tới khơng Trong sơ đồ BV dịng điện có hướng, ngày người ta thường nối RW theo sơ đồ 90°, 60° loại 1, 60° loại sơ đồ 30° Tên gọi mang tính chất quy ước Sơ đồ đặt tên theo góc áp dịng đưa vào rơle chế độ đối xứng với điều kiện dòng pha trùng với áp pha tên (xem bảng 4.1 hình 4.7) 4|Page Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện GVHD: Bảng 4.1 Sơ đồ 90° Sơ đồ 60° Loại UR IR Ubc Uca Uab Ia Ib Ic A Uac Iab B C Uba Ucb Ibc Ica Rơle pha A B C Sơ đồ 60° Loại Sơ đồ 30° UR IR Ia Ib Ic A B – Vc – Va – Vb Vac Vba C Vcb Ic Rơle pha A B C Ia Ib Loại sơ đồ thông dụng sơ đồ 90°, ta tìm hiểu cách làm việc sơ đồ dạng NM khác chọn lựa jnhmax 1- Ngắn mạch ba pha đối xứng Khi NM ba pha đối xứng, tất rơle sơ đồ BV làm việc điều kiện giống nhau, cần khảo sát cách làm việc rơle pha A có UR = Ubc IR = Ia Góc lệch pha N3 dòng điện pha Ia áp pha NM ba pha góc tổng trở đoạn dây Từ chỗ NM đến chỗ BV điện trở độ (rt) chỗ NM Góc có độ nhạy cực đại tính: Giả thiết chọn α = 45 N3 = 45o , phương vectơ dòng điện trùng với đường có độ 5|Page nhạy cực đại rơle làm việc điều kiện thuận lợi Từ đồ thị hình 4.8 ta thấy rằng, giá trị I3a, rơle tác động đảm bảo giá trị điện áp đặt vào U3bc đủ để khởi động 2- Ngắn mạch hai pha Điều kiện làm việc rơle trường hợp khơng giống Ví dụ, NM hai pha BC rơle pha A khơng làm việc Ia(2) = Bằng đồ thị vectơ, ta khảo sát cách làm việc rơle pha B rơle pha C Lưu ý trường hợp này, N2 góc N2 góc áp dây dịng pha Trên hình 4.9a đồ thị vectơ làm việc rơle pha B hình 4.9b đồ thị vectơ làm việc rơle pha C Ta nhận thấy, α = 45° vectơ IR nằm vùng tác động chắn giá trị ≤ N2 ≤ 90° 3- Ngắn mạch pha chạm đất mạng có trung tính với đất trực tiếp Giả thiết NM xảy pha A, khảo sát cách làm việc rơle pha A nối vào dòng điện pha hư hỏng Trong trường hợp này, rơle pha A làm việc giống trường hợp NM ba pha đối xứng Cịn rơle pha B pha C khơng làm việc Từ trường hợp phân tích đây, có thểrút kết luận sơ đồ 90° - Sơ đồ làm việc tốt trường hợp có cố 30° < –nhmax < 60° Góc tối ưu a = –nhạy = 45° - Vùng chết xảy trường hợp NM ba pha trực tiếp gần chỗ đặt BV UR - Khi NM hai pha pha, tác dụng dòng điện phụ tải dòng cố, rơle nối tiếp vào dịng điện pha khơng cố tác động nhầm Khi NM (khơng đối xứng) sau MBA nối Y/ hay /Y lệch pha BI BU làm phận định hướng công suất tác động sai 6|Page Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện III GVHD: BẢO VỆ DỊNG ĐIỆN CĨ HƯỚNG BA CẤP Bảo vệ dịng điện có hướng cấp I Bảo vệ có hướng cấp I BV cắt nhanh, thông thường kèm thêm phận định hướng cơng suất Quan sát hình 4.10a, dịng khởi động BV cắt nhanh, thơng thường đường dây A B D C cung cấp từ hai phía, ~ ~ cần chọn lớn dòng I lớn qua BV xét NM góp trạm đối diện với nguồn i I (mục hai phần 3.3) Dòng I kđ1 Hình 4.10 Ikđ2 khởi động chọn nhiều lớn BV không đủ độ nhạy N Rơle định hướng cơng suất BV cắt nhanh có hướng không cho phép tác động công suất NM hướng tới góp Vì vậy, dịng khởi động BV cần chọn lớn dòng NM từ góp trạm đó, điểm khác BV cắt nhanh có hướng thơng thường Dịng khởi động BV cắt nhanh có hướng nhỏ Vì vậy, vùng tác động lớn nhiều so với BV cắt nhanh thông thường Dòng khởi động chọn Ikđ = kat.INngmax với INngmax dịng NM cực đại từ góp trạm xét Ví dụ, BV1 hình 4.10: IIkđ1 = kat.INbmax; IIkđ2 = kat.INAmax Khi có dao động dịng khơng cân bằng, Ikcb lớn dịng NM ngồi cực đại Những trường hợp không cho phép BV làm việc Phân tử định hướng cơng suất tác động sai dao động Do dịng khởi động cấp I kèm theo điều kiện: IIkđ = kat.Ikcbmax Bảo vệ dịng điện có hướng cấp II Bảo vệ dịng điện có hướng cấp II BV cắt nhanh có hướng Việc chọn thời gian tII dịng khởi động IIIkđ tính tương tự trường hợp cấp II khơng có hướng để ý đến hệ số phân dòng kpd 7|Page A B A ~ ~ C B INA INB ~ C ~ ~ INA INT INB NT II I kđ1 I I kđ1 Hình 4.11 Chọn dịng khởi động cấp II có rẽ nhánh Hình 4.12 Chọn dịng khởi động cấp II trạm B có nguồn Trường hợp trạm B có rẽ nhánh (H.4.11), dịng khởi động cấp II đặt trạm A chọn Trường hợp trạm B có nguồn (H.4.12), dịng khởi động cấp II đặt trạm A chọn Bảo vệ dòng điện có hướng cấp III Bảo vệ dịng điện có hướng cấp III BV dịng điện cực đại có hướng Dòng khởi động BV cần chọn theo điều kiện sau: - Bảo vệ phải trở sau NM loại trừ Để tăng độ nhạy BV, khơng cần xét đến phụ tải cực đại với hướng 8|Page Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện GVHD: từ đường dây vào góp, lúc phần tử cơng suất khơng tác động - Dịng khởi động BV phải lớn dịng điện pha khơng hư hỏng Trong số dạng NM, ví dụ NM pha mạng có trung tính nối đất trực tiếp, dịng điện pha khơng hư hỏng tổng dịng điện phụ tải Dịng điện hư hỏng đơi có giá trị lớn, làm cho BV có hướng tác động nhầm Vì thế, dịng khởi động BV cần phải chọn lọc lớn giá trị cực đại dịng điện pha khơng hư hỏng Ikđ = kat Ikh với: Ik = Ipt ¸ kIN; IN - phần dòng NM kat = 1,15 ¸ 1,3 - tùy thuộc vào độ xác đánh giá lượng Ikh Đối với mạng có dịng chạm đất nhỏ (Ikh = Ipt) mạng có trung tính trực tiếp nối đất, BV khóa có NM chạm đất, dịng khởi động BV cần chọn theo điều kiện đầu Để BV chống chạm đất người ta dùng BV có hướng thứ tự không đặc biệt - Phải phối hợp độ nhạy với BV lân cận Ngoài hai điều kiện nêu trên, mạng vịng có nguồn cung cấp cịn phải thực phối hợp BV tác động theo hướng Điều kiện để thực phối hợp sau (H.4.1b) Cần đảm bảo cho dịng khởi động BV kề theo hướng phải khác 10% Điều kiện nêu giải thích sau Trong mạng vịng có nguồn cung cấp (H.4.1b) quan sát dòng INI IIIN ngược với quan hệ tổng trở nhánh tướng ứng: Như vậy, NM gần nguồn (điểm N2), ZINnhỏ so với ZIIN , INII nhỏ I I IN Nếu IN nhỏ đến mức gần Ikđ2, BV1 tác động trước (mặc dầu t1 > t2) máy cắt đặt phía đầu nguồn đường dây cố Chỉ sau dịng tăng vọt lên BV2 tác động cắt máy cắt đầu đường dây cố Hiện tượng tác động chờ nối tiếp gọi tượng khởi động không đồng thời Khi NM xảy biên giới vùng này, INI = Ikđ2 khơng thực phối hợp theo (4.3) (ví dụ ta có Ikđ4 > Ikđ2) BV4 tác động vượt cấp, kết đường dây AB BC bị điện 9|Page Thời gian tác động BV cấp III chọn theo nguyên tắc bậc thang Theo hướng tác động chia BV thành hai nhóm (H4.13) - Các BV1, 3, 5, tác động hướng công suất NM theo chiều mũi tên từ trái sang phải - Các BV0, 2, 4, tác động hương công suất NM theo chiều ngược lại Theo yêu cầu tác động chọn lọc, thời gian tác động BV nhóm cần thỏa mãn: t7 < t5 < t3 < t1 ; to < t2 < t4 < t6 Nguyên tắc gọi nguyên tắc bậc thang ngược chiều Cần lưu ý, BV xét cần phối hợp thời gian với BV đặt đường trục mạng mà với BV phần tử từ góp trạm đối diện (ví dụ t7 to) Xét đặc tuyến thời gian hình 4.13 ta thấy, không thiết tất BV cần phận định hướng cơng suất Ví dụ, theo hình vẽ ta có t3 > t2, BV3 khơng cần phận định hướng công suất mà không tác động sai Quy tắc chung để xét vấn 10 | P a g e Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện GVHD: đề sau: phận định hướng công suất cần đặt cho BV mà hướng công suất NM từ đường dây đến góp BV tác động sai Để xét xem BV cần đặt phận định hướng công suất, trước tiên phải chọn thời gian tác động BV theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều IV MỘT SỐ LĨNH VỰC VÀ LƯU Ý KHI ÁP DỤNG BỘ PHẬN ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT CHO BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN Hai đường song song Khi dùng rơle dòng điện BV hai đường song song, cần thiết phải đặt phận định hướng công suất tất vị trí máy cắt hình 4.14 Đường dây có hai nguồn cung cấp từ hai phía Việc định chọn phận định hướng thường xác định tỷ số dòng điện chạy qua rơle hai đầu đường dây Từ hình 4.15, theo yêu cầu thực tế, cần phận định hướng công suất (ĐHCS) đặt vị trí 1, dịng tải dòng NM N1, N2, N3 thỏa: IN1max ³ 0,25 IN2min; IN1max ³ 0,25 IN3min; Ilvmax ngược ³ 0,25 Ilvmax thuận với IN1, IN2, IN3, Ilvmax ngược, Ilvmax thuận dòng điện NM N1, N2, N3 dòng điện tải vào A Dòng NM N1 chạy ngược từ đường dây vào A dòng NM N2, N3 chạy từ đường dây Nếu dòng NM hay dịng tải chạy phía trái vượt q dịng khởi động rơle dịng điện cần 11 | P a g e thiết phải đặt phận ĐHCS Nếu dòng tải từ B tới A ( Ilv max ngược ) lớn dòng tải từ A tới B ( Ilv max thuận ) dùng phận ĐHCS cho phép chỉnh định trị số đặt dịng để có độ nhạy cao Giả sử rơle BV dự trữ từ xa cho rơle có cố đường dây BC Mạng vịng kín hai nguồn Từ mạng vịng kín nguồn hình 4.16 ta nhận thấy: vị trí 10 khơng cần đặt RW, NM A khơng có dịng NM qua vị trí 10 Trong mạng, có máy cắt mở, mạng trở thành sơ đồ hình tia nguồn Đối với rơle phía phải B E, dịng điện tải chảy theo hai hướng tùy thuộc vào tải điều phải lưu ý tính tốn trị số khởi động tất rơle, dòng điện qua rơle có hai hướng Khi NM A khơng có dịng cố đường dây AB Khi điểm NM dời phía phải, dịng điện NM rơle tăng lên đến trị số NM B Vì trị số dịng NM qua rơle từ nên rơle chỉnh định tác động tức thời với dòng khởi động nhỏ Điều rơle rơle cắt nhanh khơng có phận thời gian Tương tự cho rơle số Khi điểm NM di chuyển từ A đến B, dòng điện NM bắt đầu tăng từ 0, rơle từ trị số dòng NM cực đại giảm dần điểm cố gần tới B Vì dịng NM lớn nên rơle chỉnh để cắt đầu tiên, mạng vịng hở tạo mạng hình tia ngược chiều kim đồng hồ từ rơle 10 đến Điều làm tăng dòng NM qua rơle 2, 4, 6, 8, 10 Chúng ta lưu ý phối hợp rơle giống mạng hình tia Ví dụ sau làm rõ dịng phân bố mạng vòng (H.4.16), giả sử tất 12 | P a g e Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện GVHD: đường dây cótổng trở tương đối 0,1 ĐVĐ (chỉ tính kháng trở), kháng trở máy phát tương đương 0,1 ĐVTĐ Từ đây, tính dòng NM tổng B C, phân bố dòng NM thay đổi dòng đường dây rơle không hướng 10 cắt Giải: Kết tính dịng NM cho bảng 4.2 Đầu tiên khảo sát NM B Dòng rơle đường dây AB tăng từ 4,44 vịng kín tới 5,0 ĐVTĐ đường dây AB mở (tại máy cắt 3) Dòng rơle đường dây BC tăng từ 1,11 tới 2,00 đường dây AB mở (tại máy cắt1) nhận thấy rơle tăng lên sau mạng hở Đối với rơle dịng điện, đặc tính thời gian phụ thuộc điều kiện phối hợp ln ln tình trạng dịng điện lớn nhất, điều kiện phối hợp rơle dòng mạng vòng nguồn sau: - Khảo sát tình trạng cực đại - Chỉnh rơle đầu mạng vòng (2 hay 9) cắt tức thời - Mở vịng đầu (2 hay 9) - Tính dịng cực đại B hay E - Phối hợp rơle mạng hở - Lặp lại cho hướng khác Lưu ý, rơle không thời gian khơng thể tác động sai dịng điện chạm A zero Do đó, rơle chỉnh định dòng khởi động 13 | P a g e nhỏ nhỏ dòng tải Để xác định dịng khởi động, tính dịng điện tải cực đại lưu ý đến hệ số an tồn; tính dịng khởi động mạng vịng hở Vì NM cực đại chảy qua vị trí rơle khảo sát mạng vòng hở, cho phép ta nên phối hợp rơle điều kiện này, nghĩa mạng mở đầu Sự phối hợp điều kiện dòng cực chắn bậc thời gian phối hợp tác động hai BV gần lớn (Dt) Trong mạng hình tia, rơle phối hợp cặp máy cắt mở, phối hợp với 4, với 4, với 10 với 8; tương tự, phối hợp hướng lại Mạng vịng có nhiều nguồn cung cấp Phối hợp mạng loại phức tạp nhiều Tất rơle dịng điện cần có phận RW vàtừng cặp rơle phải phối hợp với xoay vòng cho hai hướng Hơn nữa, nút có nguồn liên kết với mạng vòng, rơle nguồn phối hợp với rơle mạng vịng Q trình phối hợp rơle dòng điện mạng nhiều nguồn phức tạp Thơng thường, mạng vịng, người ta dùng loại rơle làm việc theo nguyên tắc chọn lọc tốt BV khoảng cách hay so lệch 14 | P a g e Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện V GVHD: ĐÁNH GIÁ BẢO VỆ DỊNG ĐIỆN CĨ HƯỚNG Bảo vệ dịng điện có hướng đơn giản đảm bảo tác động chọn lọc mạng điện cung cấp từ hai phía Sử dụng kết hợp cắt nhanh có hướng với BV dịng điện có hướng, ta nhận BV nhiều trường hợp có độ nhạy thời gian tác động thỏa mãn yêu cầu Kinh nghiệm vận hành cho thấy BV làm việc chắn Bảo vệ có số nhược điểm sau: - Thời gian tác động lớn, BV gần nguồn - Có độ nhạy mạng với phụ tải lớn bội số dòng NM nhỏ - Có vùng chết NM ba pha Bảo vê dịng điện có hướng dùng rộng rãi làm BV mạng điện tới 35kV cung cấp từ hai phía Trong mạng điện 110kV 220kV, chủ yếu làm BV dự trữ đơi sử dụng kết hợp với cắt nhanh có hướng làm BV 15 | P a g e