NGUYÊN LÝ BẢO VỆ RELAY TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN: I.Bảo vệ quá dòng điện, Bảo vệ so lệch, .....................................................................................................................................................................................................................................
NGUYÊN LÝ BẢO VỆ RELAY TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN I Bảo vệ dòng điện Bảo vệ dòng điện có thời gian (51/I>) a Dịng khởi động bảo vệ q dịng có thời gian: I Nmin > I kđ = K at K M I lvmax KV Trong đó: - Ilmmax: dịng điện làm việc lớn cho phép phần tử bảo vệ - KM: Hệ số mở máy (2 ÷ 5) - Kat: Hệ số an toàn, lấy 1,1 (role số); 1,2 (role cơ) - Kv: Hệ số trở về, lấy 0,85 ÷ 0,9 (role cơ); (role số) - INmin: Dòng ngắn mạch cực tiểu qua bảo vệ đảm bảo role khởi động (phụ thuộc chế độ làm việc, cấu hình lưới, vị trí điểm ngắn mạch) b Thời gian làm việc bảo vệ: Thời gian làm việc bảo vệ chia thành loại: - Đặc tính độc lập: thời gian khơng phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ - Đặc tính phụ thuộc: thời gian tỷ lệ nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ, dòng điện lớn, thời gian tác động nhanh Hình Đặc tính thời gian bảo vệ dòng điện - Các đặc tính thời gian phụ thuộc bảo vệ dòng điện thường gặp: Độ dốc tiêu chuẩn: t= 0,14 I ¿ 0,02−1 Rất dốc: t= 13,5 I ¿ −1 Cực dốc: t= 80 I ¿ 2−1 Bảo vệ dự phòng chống ngắn mạch chạm đất: t= 120 I ¿ −1 Hình Đặc tính thời gian phụ thuộc thường gặp bảo vệ dòng điện Bảo vệ dòng cắt nhanh (50/I>>) a Dòng khởi động bảo vệ dòng cắt nhanh: I kđ =K at I Nngmax Trong đó: - INngmax: Dịng điện ngắn mạch ngồi lớn thường tính theo ngắn mạch ba pha trực tiếp cuối phần tử bảo vệ với chế độ làm việc cực đại hệ thống - Kat: Hệ số an tồn (thường lấy 1,2 ÷ 1,3) b Thời gian làm việc bảo vệ dòng cắt nhanh: Bảo vệ dòng cắt nhanh thường làm việc tức thời với độ trễ bé (~0,1 giây) đề phịng khả bảo vệ làm việc chọn lọc có giơng sét thiết bị chống sét tác động Hình 3: Bảo vệ dịng cắt nhanh Bảo vệ q dịng điện có hướng (67) a Bộ phận định hướng công suất: W đưa vào bảo vệ để bảo vệ làm viêc Bộ phận định hướng công suất ⃗ theo hướng cơng suất (hoặc dịng điện) đinh, vd: từ góp vào đường dây Bộ phận định hướng cơng suất làm việc theo góc lệch pha dịng (chạy qua phần tử bảo vệ) áp (trên góp chỗ đặt bảo vệ) Trong số trường hợp ngắn mạch trực tiếp ba pha gần chỗ dặt bảo vệ, điện áp góp giảm xuống thấp, ngưỡng làm việc thiết bị định hướng công suất, trường hợp gọi ngắn mạch vùng chết (theo điện áp) bảo vệ b Thời gian làm việc bảo vệ dòng có hướng: Thời gian làm việc bảo vệ chọn theo nguyên tắc bậc thang bảo vệ dịng có thời gian Trên góp có nhiều đường dây thời gian làm việc bảo vệ dòng đoạn sau (gần nguồn hơn) phải phối hợp với thời gian làm việc lớn bảo vệ dịng đặt đường dây nối với góp liền kề, nghĩa là: t n=max ( t n−1 ) +∆ t Trong đó: - tn: thời gian làm việc bảo vệ dòng gần nguồn - tn-1: thời gian làm việc bảo vệ dòng đường dây nối với góp liền kề (xa nguồn hơn) - ∆t: cấp chọn lọc thời gian Hình Phối hợp thời gian làm việc bảo vệ q dịng có hướng Bảo vệ so lệch dịng điện (87) a Nguyên tắc chung: Vùng tác động bảo vệ so lệch giới hạn vị trí đặt hai tổ máy biens dòng đầu cuối phần tử bảo vệ, từ nhận tín hiệu dịng điện để so sánh Hình Sơ đồ ngun lý bảo vệ so lệch Sơ đồ gọi sơ đồ dịng điện tuần hồn - Trong chế độ làm việc bình thường có ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ: Dòng điện so lệch chạy qua role: ∆ I = ´I T 1− ´I T Nếu bỏ qua sai số máy biến dòng BI1, BI2 chế độ làm việc bình thường ngắn mạch ngồi ta có: ´I T 1= ´I T , ∆ I =0 - Khi có ngắn mạch vùng bảo vệ, dịng điện phía (IT2) thay đổi chiều lẫn trị số: ´I T ≠ ´I T , ∆ I =´I T 1−´I T ≠ b Nguyên lý hãm bảo vệ so lệch Do sai số máy biến dòng, đặc biệt tượng bão hòa mạch từ, nên chế độ làm việc bình thường có ngắn mạch ngồi, dịng điện phía thứ cấp hai tổ máy biến dòng BI1 BI2 khác và: ∆ I = ´I T 1− ´I T =I kcb Dịng điện khơng cân Ikcb số trường hợp có trị số lớn, đặc biệt có ngắn mạch ngồi, dịng cố qua BI làm cho chúng bị bão hịa Để ngăn ngừa bảo vệ so lệch làm việc không chọn lọc ảnh hưởng dòng Ikcb, thường sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ dòng điện pha hài bậc cao (bậc 2, bậc 5) xuất trình độ mạch từ bị bão hịa Hình Ngun lý bảo vệ so lệch hãm bổ sung dòng điện hài bậc Hình Sơ đồ nguyên lý đồ thị vecto dòng điện làm việc dòng điện hãm có ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ c Bảo vệ so lệch máy biến áp (87T) Dịng điện sơ cấp hai phía MBA thường khác trị số góc pha, để cân dịng điện thứ cấp phía bảo vệ chế độ làm việc bình thường người ta dùng máy biến dịng trung gian BIG, có tổ đấu dây phù hợp tổ đấu dây MBA Dòng điện từ hóa MBA tạo nên dịng điện khơng cân chạy qua relay, để hãm bảo vệ so lệch MBA người ta sử dụng dịng điện từ hóa MBA Hình Đặc tính làm việc relay so lệch có hãm máy biến áp - Đoạn a: Biểu thị dòng điện khởi động ngưỡng thấp Idiff> bảo vệ, với máy biến áp coi số Dịng điện phụ thuộc dịng từ hóa máy biến áp - Đoạn b: Đoạn đặc tính kể đến sai số biến đổi máy biến dòng thay đổi đầu phân áp máy biến áp - Đoạn c: Đoạn đặc tính có tính đến chức khóa bảo vệ xuất hiện tượng q bão hịa khơng giống máy biến dòng - Đoạn d: Đoạn biểu thị giá trị khởi động ngưỡng cao Idiff>> bảo vệ Khi dòng so lệch Isl vượt ngưỡng cao bảo vệ tác động khơng có thời gian khơng quan tâm đến dịng điện hãm sóng hài sử dụng để bảo vệ Bảo vệ khoảng cách (21) a Nguyên lý khoảng cách: Trong chế độ làm việc bình thường tổng trở đo chỗ đặt bảo vệ phụ thuộc vào trị số góc pha dòng điện phụ tải Trên mặt phẳng phức số, chế độ dòng điện cực đại IAmax cosφ phụ tải thay đổi nút vecto tổng trở phụ tải cực tiểu ZAmin vẽ nên cung trịn có tâm gốc tọa độ mặt phẳng tổng trở phức Hình Sơ đồ lưới điện, vùng biến thiên tổng trở phụ tải đặc tính khởi động phận khoảng cách Tổng trở đường dây tải điện AB biểu diễn vecto ZAB mặt phẳng phức Độ nghiêng vecto tổng trở ZAB so với trục hoành (điện trở tác dụng R) phụ thuộc vào tương quan điện kháng đường dây XAB điện trở tác dụng đường dây RAB ta có: φ D =arctan X AB R AB ( ) Khi ngắn mạch trực tiếp xảy điểm N đường dây, tổng trở đo chỗ đặt bảo vệ: Z AN =R AN + j X AN Trị số tổng trở đo giảm đột ngột, độ nghiêng vecto tổng trở không thay đổi Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường điện trở hồ quang Rqđ phát sinh chỗ ngắn mạch), tổng trở đo chỗ đặt bảo vệ: Z AN ' =R AN + j X AN + R qđ Tổng trở đo có trị số lớn góc nghiêng vecto tổng trở giảm Đối với bảo vệ khoảng cách làm việc khơng có thời gian, để tráng tác động nhầm có ngắn mạch đầu phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động phận khoảng cách phải chọn bé tổng trở đường dây: Z kđ =K Z D Hệ số K thường chọn khoảng (0,8 ÷ 0,85) có xét đến sai số máy biến dòng điện, máy biến điện áp số sai số khác b Chọn tổng trở khởi động thời gian làm việc bảo vệ khoảng cách - Vùng thứ bảo vệ với thời gian làm việc tI = bao trùm khoảng 80 – 90% chiều dài đường dây bảo vệ, nghĩa tổng trở khởi động Z1A vùng thứ bảo vệ đầu A đường dây AB chọn theo biểu thức: Z IA =K at Z AB Ở Kat < có xét đến sai số mạch đo lường (dòng áp), thân relay việc xác định thông số tổng trở đường dây Hình 10 Phối hợp tổng trở khởi động đặc tính thời gian vùng tác động bảo vệ khoảng cách - Tổng trở khởi động vùng thứ II bảo vệ đầu A cần phối hợp với vùng thứ II bảo vệ đoạn (đầu B) theo biểu thức: Z IIA =K at ( Z AB + Z IB ) Trong đó: Z1B tổng trở khởi động vùng I bảo vệ đặt đầu B đường dây tiếp theo, Kat chọn nhằm phối hợp chọn lọc hai vùng thứ II hai bảo vệ A B liền kề - Tổng trở vùng thứ 3: I Z III A =K at Z AB + K at ( Z BC + ZC ) [ ] Trong đó: Z1C tổng trở khởi động vùng I bảo vệ đặt đầu C đường dây c Các yếu tố ảnh hưởng đến làm việc bảo vệ khoảng cách - Sai số máy biến dòng điện, máy biến điện áp Tổng trở đo cực relay: U U n n U Z R= R = U = I IR I nU I nI Trong đó: U,I tương ứng điện áp dịng điện phía sơ cấp; nI, nU tương ứng tỷ số biến đổi máy biến dòng điện máy biến điện áp Trong trường hợp máy biến dòng điện máy biến điện áp bị bão hịa tổng trở relay đo không phản ánh trung thành tổng trở (hay khoảng cách) phía sơ cấp (tức đường dây bị cố) - Điện trở độ Rqđ chỗ ngắn mạch: Một số TH ngắn mạch thông qua điện trở trung gian (vật lạ rơi vào đường dây, hồ quang chỗ ngắn mạch) Điện trở độ chỗ ngắn mạch làm tăng trị số tổng trở đo giảm góc pha vecto tổng trở Yếu tố làm tăng tổng trở đo làm cho relay khoảng cách cảm nhận điểm ngắn mạch xa thực tế làm tăng thời gian làm việc bảo vệ gây nên tượng co vùng tác động (Underreaching) - Hệ số phân bố dòng điện Số đo tổng trở vùng II vùng III relay khoảng cách chịu ảnh hưởng hệ số phân bố dòng (nghĩa khác dòng điện chạy qua chỗ đặt relay dòng điện nhánh đường dây bị cố) Hình 11 Ảnh hưởng hệ số phân bố dòng điện KI lên số đo relay khoảng cách Tổng trở khoảng cách RZ đặt đầu A đường dây AB đo ngắn mạch pha trực tiếp xảy đường dây BC tiếp theo: Z R= U R U A U AB +U BN I AB Z AB+ I BN Z BN I = = = =Z AB + BN Z BN I R I AB I AB I AB I AB Z R=Z AB + K I Z BN I BN Trong đó: K I = I gọi hệ số phân bố dòng điện Với KI ≠ 1, tổng trở relay AB khoảng cách đo khác với thực tế Với lưới điện có cấu hình phức tạp, hệ số phân bố dịng điện thay đổi theo chế độ làm việc lưới điện, điểm ngắn mạch nằm xa chỗ đặt bảo vệ khoảng cách ảnh hưởng hệ số phân bố dịng điện lớn Vì thông thường bảo vệ khoảng cách chỉnh định với vùng tác động Vùng thứ II thứ II chịu ảnh hưởng mạnh mẽ hệ số phân bố dòng điện - Ảnh hưởng dao động điện: Dao động điện chế độ làm việc không bình thường hệ thống điện, trị số dòng điện qua phần tử đặt bảo vệ (iR) điện áp chỗ đặt bảo vệ (uR) có biên độ góc pha biến đổi liên tục theo chu kì dao động Relay khoảng cách dùng hai relay tổng trở đặc tính hình trịn đa giác với tổng trở đặt khởi động khác để phát dao động điện Hình 12 Phát dao động điện hai relay tổng trở có đặc tính hình hình đa giác Khi ngắn mạch tổng trở cố lọt vào vùng tác động hai relay RZ1 RZ2 dao động tổng trở đo chuyển động theo quỹ đạo dao động đầu rơi vào vùng khởi động RZ1 (vùng ngồi) sau tiến vào vùng khởi động RZ2 (vùng trong) Trị số chỉnh định tổng trở khởi động RZ2 lấy khoảng 20 – 40% lớn tổng trở đường dây bảo vệ, hiệu số thời gian thời điểm khởi động RZ1 RZ2 lấy khoảng 60ms - Ảnh hưởng tụ bù dọc Đối với đường dây có đặt tụ bù dọc, hành vi bảo vệ khoảng cách bị sai lệch ngắn mạch xảy vị trí khác đường dây Ví dụ relay khoảng cách RZ1 đặt đầu A khơng thể nhìn thấy ngắn mạch N1 sau tụ XCA phần đường dây gần tổng trở tụ phần đường dây nằm phía “sau lưng” ngồi vùng tác động relay khoảng cách RZ1 Ngược lại RZ3 làm nhiệm vụ bảo vệ đoạn đường dây trước phản ứng sai, tác động chọn lọc điểm N1 lại rơi vào miền tác động RZ3 Để ngăn chặn tác động sai dùng phương pháp nối tắt tụ xảy ngắn mạch cho vùng I relay khoảng cách tác động với độ trễ chừng 0,1 – 0,15s => làm ảnh hưởng sai lệch đến làm việc bảo vệ Do thường dùng bảo vệ so lệch, so sánh pha làm bảo vệ song song với bảo vệ khoảng cách Hình 13 Bảo vệ khoảng cách đường dây có tụ bù dọc Relay gửi, nhận thông tin phối hợp tác động với relay đầu đối diện (85) a Sơ đồ truyền tín hiệu cho phép PUTT (Permissive Underreach Transfer Trip) Nguyên lý PUTT: Cắt có điều kiện cho phép, ứng dụng kết hợp với chức Z1B (vùng mở rộng) BVKC: - Trong sơ đồ bảo vệ trạm A, B ban đầu sử dụng vùng Z1 thơng thường BVKC (có phối hợp tự chuyển sang vùng Z1B có tín hiệu cho phép) - Khi cố nằm vùng Z1 thơng thường rơle đầu A, B lúc rơle đầu A, B cắt với thời gian Z1 - Khi cố nằm vùng Z1 đầu A không thuộc Z1 đầu B (vị trí cố nằm sát đầu A) Rơle đầu A phát tín hiệu cho phép đến đầu B xuất tín hiệu cắt máy cắt đầu A Đầu B nhận tín hiệu cho phép đầu A chuyển từ vùng Z1 sang Z1B, vùng Z1B rơle đầu nhận cố thuộc phạm vị nên xuất tín hiệu cắt máy cắt đầu B - Nếu cố ngồi ĐZ AB hai rơle không phát cố nên không tác động Hình 14 Sơ đồ truyền tín hiệu cho phép PUTT a Sơ đồ truyền tín hiệu cho phép POTT (Permissive Overreach Transfer Trip) - Khác với sơ đồ PUTT, sơ đồ POTT ban đầu bảo vệ đầu A, B vùng Z1B (vùng nằm bao trùm ĐZ AB) - Khi cố nằm ĐZ AB: rơle đầu A, B nhận cố đồng thời gửi tín hiệu cho phép đến đầu đối diện hai rơle xuất lệnh cắt - Khi cố nằm ĐZ AB thuộc vùng Z1B rơle đầu A (sát đầu trạm B, ĐZ AB): rơle đầu A phát tín hiệu cho phép đến đầu B, đầu B nhận tín hiệu đầu A không phát cố (do ngược hướng) nên khơng gửi tín hiệu cho phép lại đầu A Tại đầu A phát cố khơng có tín hiệu cho phép từ đầu B nên không xuất lệnh cắt ĐZ đảm bảo khơng cắt nhầm có cố ngồi Hình 15 Sơ đồ truyền tín hiệu cho phép POTT Relay giám sát mạch cắt – Trip Circuit Supervision (74) Hình 16 Mạch relay giám sát mạch cắt 7PA30 Siemens a Giám sát máy cắt đóng: Mạch cắt giám sát từ dương nguồn qua cầu chì, qua K1, qua tiếp điểm thường mở cuộn cắt K2 khơng có điện tiếp điểm thường đóng máy cắt mở b Giám sát trường hợp bảo vệ tác động cắt máy cắt: Trong trường hợp này, tiếp điểm ralay bảo vệ 52a đóng, K1 K2 điện c Giám sát trường hợp máy cắt trạng thái cắt relay trạng thái đóng Tiếp điểm relay đóng 52b đóng, K1 điện K2 có điện Mạch giám sát báo bình thường, mạch cắt bảo vệ đầu qua relay lockout (86) tiếp điểm đóng đến nhân viên vận hành ấn nút RESET d Giám sát trường hợp máy cắt vị trí cắt: Trong trường hợp này, tiếp điểm bảo vệ relay tiếp điểm 52a mở tiếp điểm 52b đóng, K1 K2 nối tiếp với nguồn nên relay báo trạng thái mạch cắt bình thường Relay Trip – Lockout (86) Hình 17 Mạch relay Trip – Lockout BJ8RP (Arteche) Khi bảo vệ relay tác động, tiếp điểm phụ relay 86 đóng (hoặc mở) khơng tự trở trạng thái ban đầu dù relay khơng cịn cung cấp điện Để đưa tiếp điểm trạng thái ban đàu, phải thực thao tác “Reset” (bằng tay điện) Relay khóa dùng chủ yếu mạch bảo vệ máy biến áp, bảo vệ dự phòng đường dây (liền kề) bảo vệ xác định chắn đối tượng bị cố nhằm cắt khóa máy cắt khơng cho đóng lại chưa khắc phục xong cố Đặc tính relay khóa: - Là loại relay có hai cuộn hút (cuộn hút cuộn hút tác động, cuộn hút cuộn hút giải trừ) - Không tự trở trạng thái ban đầu khơng cịn điện cung cấp cho cuộn Set, muốn trở phải cấp điện cho cuộn Reset - Thời gian tác động nhanh 10ms (Các cơng tắc tơ, relay trung gian có thời gian tác động lâu 100ms nên hệ thống bảo vệ người ta tránh sử dụng mà làm nhiệm vụ nhân tiếp điểm cho hệ thống tín hiệu) - Khả chịu đựng tiếp điểm lớn (khoảng 10A) Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF) Tin hieu cat tu ro le B/F Start >1 Lenh cat tu ben ngoai & S B/F Trip T - B/F R Lenh cat cac MC lien quan B/F Start I< B/F & Off B/F ro le B/F Off Hình 18 Sơ đồ mạch logic relay chống hư hỏng máy cắt 50BF Chức 50BF làm việc hai chế độ: Chế độ làm việc phụ thuộc (External CBF) chế độ làm việc độc lập (Internal CBF) kết hợp chế độ nêu (On, int or Ext) - Chế độ làm việc phụ thuộc: Là khởi tạo từ tác nhân bên ngồi đưa tới Lúc chức tác động cắt MC vô điều kiện sau thời gian BF - Chế độ làm việc độc lập cần thỏa mãn điều kiện sau: Giám sát dòng chạy qua MC bảo vệ Bảo vệ có cài đặt 50BF xuất lệnh cắt nguyên nhân Sau khoảng thời gian BF dòng chạy qua MC nhỏ ngưỡng đặt chức 50BF bảo vệ xác nhận MC cắt trở Nếu dòng chạy qua MC vượt ngưỡng đặt kết hợp thời gian BF chức 50BF tác động cắt MC liền kề trước sau máy cắt bị lỗi - Phạm vi tác động: Tùy theo chức 50BF khởi tạo từ bảo vệ ĐZ hay MBA đối tượng cắt khác Khi chức 50BF tác động cắt MC liền kề trước sau MC bị lỗi vùng bảo vệ sơ cấp Có thể hiểu khái niệm vùng bảo vệ sơ cấp vùng bảo vệ mà relay tác động cắt MC xảy cố chức cài đặt khác chức 50BF Phạm vi tác động chức 50BF thường rộng, gây gián đoạn cung cấp điện