Nghiên ứu, thiết kế rơ le bảo vệ và sa thải thải theo tần số

Bản vẽ câc Module mạch của rơ le bảo vệ vă sa thải tải theo tần số 67 KẾT LUẬN VĂ KIẾN NGHỊ 75 Tăi liệu tham khảo 76 Phụ lục Trang 5 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đề tăi luận văn cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGƯỜI THỰC HIỆN: PHẠM DUY QUYẾT

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ RƠ LE BẢO VỆ VÀ SA THẢI TẢI

THEO TẦN SỐ

Chuyên ngành: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hà Nội Năm 2014 –

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGƯỜI THỰC HIỆN: PHẠM DUY QUYẾT

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ RƠ LE BẢO VỆ VÀ SA THẢI TẢI

THEO TẦN SỐ

Chuyên ngành: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đo lường và các hệ thống điều khiển

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS, TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội Năm 2014 –

MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG

1.4.7 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 19 CHƯƠNG 2 RƠ LE BẢO VỆ VÀ SA THẢI TẢI THEO TẦN SỐ 20 2.1 Sự cần thiết của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 20 2.2 Các thế hệ rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 22 2.2.1 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số kiểu cũ 22 2.2.2 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số dùng kỹ thuật số 24

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ RƠ LE BẢO VỆ VÀ SA

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 30 3.2 Cấu trúc rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 32

4.1 Bản vẽ cơ khí của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 62 4.2 Bản vẽ các Module mạch của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số 67

Phụ lục

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đề tài luận văn cao học : “Nghiên cứu, thiết kế rơ le bảo vệ

và sa thải tải theo tần số” là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hướng dẫn của PGS, TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực, có nguồn tham khảo và trích dẫn được ghi trong phần tài liệu tham khảo Kết quả luận văn là trung thực, và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 201 4

Tác giả

Phạm Duy Quyết

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các chữ viết tắt :

AC BUS: Alternating current BUS

ADC: Analog to digital converter

ANSI: American National Standards Institute

ANSI 81H: Over Frequency

ANSI 81L: Under Frequency

ANSI 81R: Rate of change of Frequency

BPS: Bit per secon

INT0: External Interrupt 0

INT1: External Interrupt1

I2C: Inter-Integrated Circuit, referred to as I-squared-C, I-two-C, or IIC Kb: Kilobyte

LCD: Liquid crystal display

MIPS: Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages

SCL: Serial clock

SDA: Serialdata

SRAM: Static random access memory

USART: Universal asynchronous receiver/transmitter

Ub: Điện áp pha B

Uc: Điện áp pha C

ω : Tần số góc

ωc: Tần số cắt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3 1 Bảng chân lý của mạch vào số

-Bảng 3 2 -Bảng mã phím và đầu vào số

-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2- 1: Sơ đồ khối rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số kiểu cũ

Hình 2- 2 Sơ đồ đấu dây của rơ le UFD 14

Hình 2- 3 Sơ đồ chức năng của rơ le BE1 -81O/U

Hình 2- 4 Sơ đồ đấu nối tín hiệu tần số của rơ le BE1 -81O/U

Hình 2- 5 Sơ đồ chức năng của rơ le DFF -GEK106166

Hình 2- 6 Sơ đồ đấu dây của rơ le DFF -GEK106166

Hình 3- 1 Sơ đồ khối rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Hình 3- 2 Sơ đồ kết nối tín hiệu với thiết bị ngoại vi

Hình 3- 3 Sơ đồ kết nối tín hiệu với lưới điện

Hình 3- 4 Mạch đo điện áp ba pha

Hình 3- 13 Giao diện truyền thông

Hình 3-14 Mạch xử lý trung tâm - mạch vào số - giao diện truyền thông và hiển thị Hình 3- 15 Lưu đồ chương trình chính

Hình 3- 16 Lưu đồ thuật toán Mode 1

Hình 3- 17 Lưu đồ thuật toán Mode 2

Hình 3- 18 Lưu đồ thuật toán Mode 3

Hình 3- 19 Lưu đồ thuật toán Mode 4

Hình 3- 20 Lưu đồ chương trình ngắt phím

Hình 3- 21 Lưu đồ thuật toán chương trình phím Menu

Hình 3- 22 Lưu đồ thuật toán chương trình phím INC (tăng)

Hình 3- 23 Lưu đồ thuật toán chương trình phím DEC (giảm)

Hình 3- 24 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt truyền tin USART

Hình 4.1 Hình dạng của FPLSR-01

Hình 4.2 Hình dạng mặt trước của FPLSR -01

Hình 4.3 Kích thước mặt trước của FPLSR-01

Hình 4.4 Kích thước mặt đáy của FPLSR-01

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý của Module mạch xử lý

Hình 4.6 Sơ đồ mạch in mặt trên của Module mạch xử lý

Hình 4.7 Sơ đồ mạch in mặt dưới của Module mạch xử lý

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý của Module mạch đo Điện áp Tần số -

Hình 4.9 Sơ đồ mạch in mặt trên của Module mạch đo Điện áp Tần số - Hình 4.10 Sơ đồ mạch in mặt dưới của Module mạch đo Điện áp Tần số - Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý của Module mạch Hiển thị

Hình 4.12 Sơ đồ mạch in mặt trên của Module mạch Hiển thị

Hình 4.13 Sơ đồ mạch in mặt dưới của Module mạch Hiển thị

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý của Module mạch chấp hành Rơ le

Hình 4.15 Sơ đồ mạch in mặt dưới của Module mạch chấp hành Rơ le

MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Nước ta đang bắt đầu công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước,

do đó nhu cầu năng lượng để cung cấp cho sự phát triển là vô cùng lớn đặc biệt là năng lượng điện Trong nền kinh tế quốc dân, ngành điện đóng vai trò then chốt và quyết định sự phát triển của các ngành kinh tế khác Để thực hiện thành công và nhanh chóng quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước thì ngành điện phải ưu tiên phát triển, tạo điều kiện tiền đề cho các ngành kinh tế khác

Hiện nay ngành điện đang được quan tâm đầu tư phát triển các nhà máy điện

sử dụng cả năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo, đồng thời với việc phát triển nguồn điện là sự cải tạo các nhà máy điện cũng như hệ thống truyền tải điện Tuy nhiên do hệ thống điện đã được xây dựng cách đây vài ba thập kỷ và hệ thống lưới điện không phát triển theo kịp sự phát triển của các ngành kinh tế khác trong nền kinh tế quốc dân do đó hệ thống lưới điện luôn trong tình trạng quá tải Chính

vì lẽ đó các sự cố về điện thường xuyên xảy ra gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất của các ngành kinh tế khác Một số nhà máy điện đã được xây dựng xong và đưa vào hoạt động hòa với lưới điện quốc gia, một số khác đang được đầu tư xây dựng, do

đó tình trạng mất điện kéo dài không còn xảy ra thương xuyên nữa Tuy nhiên chất lượng nguồn điện cũng như việc đảm bảo cung cấp điện một cách thường xuyên liên tục thì chưa được giải quyết triệt để do việc cải tạo và nâng cấp hệ thống điện chưa được đầu tư đúng mức Nguyên nhân của thực trạng này là do thiếu vốn đầu

tư, trong quá trình cải tạo nâng cấp hệ thống điện cũng như đầu tư xây mới các nhà máy điện và lưới điện ngành điện đều phải nhập khẩu phần lớn các thiết bị từ nước ngoài , do đó việc triển khai lắp đặt hiệu chỉnh và chuyển giao công nghệ gặp nhiều , khó khăn Chính vì vậy mà giá thành rất cao và yêu cầu một nguồn vốn lớn Nếu chúng ta tự chế tạo được thiết bị thì chúng ta sẽ làm chủ được công nghệ, chủ động trong quá trình lắp đặt, hiệu chỉnh cũng như việc bảo trì bảo dưỡng thiết bị do đó giá thành sẽ giảm đi một cách đáng kể

Mỗi năm ngành điện đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để cải tạo và nâng cấp hệ thống lưới điện và các trạm phân phối điện cho phù hợp với yêu cầu phát triển của nền kinh tế Trong hệ thống điện các thiết bị đo lường, bảo vệ cũng như các thiết bị điều khiển đóng một vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng cung cấp điện năng, đồng thời cũng chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng giá thành đầu tư Một rơ le

số của các hãng nổi tiếng giá trung bình khoảng vài nghìn đô la Mỹ, như chúng ta

đã biết trong giá cấu thành rơ le thì chi phí linh kiện chiếm tỷ lệ rất khiêm tốn khoảng 10%, còn lại là chi phí thiết kế và phần mềm điều khiển Như vậy nếu chúng ta chế tạo được các rơ le này thì giá thành sẽ giảm rất nhiều so với giá nhập ngoại, chưa tính đến các chi phí khác như là bảo hành, bảo trì, bảo dưỡng … Mặt khác khi chúng ta chế tạo được các thiết bị điều khiển, đo lường bảo vệ … chúng ta

sẽ làm chủ được công nghệ đồng thời phát triển nền công nghiệp chế tạo của trong nước, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế đất nước

Qua khảo sát thì ngành điện đang có nhu cầu lắp đặt rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số trong hệ thống lưới điện, và hiện nay trong hệ thống lưới điện số lượng các trạm đặt rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số mới đạt khoảng 10% Như vậy số lượng rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số cần phải được lắp đặt là rất lớn

Đề tài “ nghiên cứu, thiết kế rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số” đáp ứng một phần mục tiêu đã nêu trên Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số được thiết kế dựa trên cơ sở vi điện tử và vi xử lý nhằm phục vụ mục đích chung của ngành điện

là từng bước chế tạo từng loại rơ le và tiến đến chế tạo toàn bộ các loại rơ le dùng trong ngành cũng như các thiết bị đo lường, bảo vệ và điều khiển khác

Luận văn nghiên cứu, thiết kế rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số bao gồm bốn chương:

Chương 1 ổng quan về rơ le T

1.1 Rơ le Cơ Điện –

1 2 Rơ le Điện tử

1.3 Rơ le số

1 4 Các chủng loại rơ le hợp bộ

Chương 2 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

2.1 Sự cần thiết của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

2.2 Các thế hệ rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Chương 3 Nghiên cứu, thiết kế rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

3.2 Cấu trúc rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

3.3 Thiết kế phần cứng

3.4 Thuật toán điều khiển và chương trình

Chương 4 Kết quả và hướng phát triển

4.1 Bản vẽ cơ khí của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

4.2 Bản vẽ các module mạch của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục 1 Chương trình lập trình

CHƯƠNG 1 TỔ NG QUAN V Ề RƠ LE

1.1 RƠ LE CƠ ĐIỆN –

Đặc điểm

Cho đến những năm 70 của thế kỷ XX các thiết bị đo lường bảo vệ rơ le chủ yếu thực hiện bằng cơ cấu đo và cơ cấu so sánh điện từ hoặc cơ khí, cơ cấu chấp hành là tiếp điểm hợp kim

Cơ cấu đo và so sánh kiểu điện từ có những đặc điểm sau:

Việc ứng dụng kỹ thuật điện tử đã đẩy thiết bị đo lường và bảo vệ bước sang một trang mới, kích thước thiết bị đã giảm xuống, độ chính xác và thời gian tác động được tăng lên đồng thời trong một rơ le có thể tích hợp nhiều chức năng bảo

vệ khác nhau… Tuy nhiên rơ le điện tử vẫn còn bộc lộ một số hạn chế nhất định như là:

- Cài đặt thông số bảo vệ

- Cài đặt thời gian tác động

- Khả năng giao tiếp

- Khả năng lưu trữ dữ liệu

1.3 RƠ LE SỐ

1.3.1 Tổng quan

Vào những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển ra đời và phát triển không ngừng, đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp làm thay đổi nhiều ngành công nghiệp trong đó có lĩnh vực đo lường điều khiển –

Kỹ thuật vi điện tử và vi xử lý đã được áp dụng vào việc chế tạo rơ le và cho

ra đời các loại rơ le số với rất nhiều tính năng cũng như nhiều chức năng bảo vệ được tích hợp trong một rơ le

Rơ le số có những ưu tính năng ưu việt sau:

- Tốc độ đo và xử lý thông tin nhanh, với độ chính xác và tin cậy cao

- Có khả năng thu thập và lưu trữ dữ liệu lớn, có thể truyền tin đi xa

- Một rơ le có thể tích hợp nhiều chức năng bảo vệ khác nhau trên cùng một đối tượng, do đó một rơ le số có thể thay thế một tủ bảo vệ dùng rơ le điện từ trước đây để thực hiện cùng một chức năng bảo vệ cho đối tượng

- Kích thước rơ le nhỏ gọn.

- Có khả năng ghi lại lịch sử vận hành của rơ le

- Thí nghiệm và hiệu chỉnh rơ le đơn giản, nhanh chóng.

Rơ le số được phân loại thành bộ theo các nhóm chức năng bảo vệ bao gồm:

a Rơ le bảo vệ mô tơ

t

b Rơ le bảo vệ máy phá

c Rơ le bảo vệ máy biến áp

d Rơ le bảo vệ đường dây

e Rơ le bảo vệ thanh cái

f Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số…

1.3 2 Chức năng

Rơ le số có những chức năng sau

Đo lường: Là chức năng quan trọng, nhằm lọc, đo và tính ra những thông số mạch điện mà rơ le phải canh Các đại lượng đầu vào là dòng điện, điện áp… Số lượng đầu vào tùy vào yêu cầu cầu của từng kiểu rơ le Những đại lượng này khi không có sự cố thường là hình sine và cân bằng, dòng trung tính và áp thứ tự zêrô bằng không Nhưng khi có sự cố sẽ có biến động mạnh của thành phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng và sinh ra các thành phần thứ tự ngược và thứ tự không Một đặc điểm quan trọng nữa kèm theo là có những thành phần quá

độ tự do lớn không chu kỳ khiến cho dòng điện và điện áp quá độ mất dạng hình sine Do đó dòng điện và điện áp đo trong các rơ le bảo vệ cần phải:

- Được cung cấp thông qua các máy biến dòng (TI) và máy biến áp (TU), các

TI, TU này không bão hòa và dải làm việc rộng

- Mạch đo phải lọc ra các thành phần có tần số công nghiệp và phải chuẩn hóa để có giá trị phù hợp với các mạch ADC và mạch xử lý phía sau.

Chức năng lấy mẫu, canh sự cố và khởi động rơ le gồm các công việc sau:

- Lấy mẫu dòng điện, điện áp, tần số và thứ tự pha

Chức năng đóng lại, tùy thuộc vào từng chủng loại rơ le mà chức năng này

có thể được cài đặt

Chức năng kiểm tra thiết bị ngoại vi như: Kiểm tra các TU, TI, Máy cắt… hoặc tự kiểm tra mạch đo.

1.4 CÁC CHỦNG LOẠI RƠ LE HỢP BỘ

1.4 1 Rơ le bảo vệ Mô tơ

Rơ le bảo vệ mô tơ được chia làm hai loại: Rơ le bảo vệ mô tơ hạ áp và rơ le bảo vệ mô tơ cao áp Bao gồm các bảo vệ:

- Bảo vệ quá dòng thứ tự dương: Là bảo vệ khi có chập mạch 3 pha Rơle sẽ tác động ở bảo vệ này khi một trong hai dòng IA, IC lớn hơn ngưỡng đặt I+ng , bên ngoài thời gian khởi động và chờ một khoảng thời hạn đặt cho bảo vệ quá dòng dương tdg thì rơle sẽ cắt (nhảy máy cắt) môtơ

- Bảo vệ quá dòng thứ tự âm (I ): Là bảo vệ khi môtơ bị đứt một pha điện

áp, hoặc bị chập mạch hai pha, hoặc bị kẹt máy Ở bảo vệ này, rơle sẽ tác động khi

n ó đo và tính thấy có thành phần dòng thứ tự âm I lớn hơn một ngưỡng đã đặt quãng 2Iđm Rơle chờ qua hết thời gian khởi động và thêm một thời gian đặt tam nữa sẽ cắt môtơ

- Bảo vệ khi môtơ bị kẹt (I ): Thường sau khi khởi động xong >tkđộng) mà - ( môtơ vẫn bị kẹt hoặc do tải môtơ bị kẹt bất thường khi đang làm việc thì thành phần dòng thứ tự âm sẽ lớn lên quãng 0,4 Iđm Khi đó, rơle sẽ chờ thêm một khoảng thời gian (thời gian kẹt mô tơ), nó sẽ ra lệnh cắt nguồn cung cấp cho môtơ.

- Bảo vệ một pha chạm đất: Là bảo vệ khi một dây quấn môtơ chạm đất một pha và biến dòng thứ tự zero cho ra tín hiệu về I0 Lúc này, rơle sẽ tác động khi nó canh và đo thấy dòng điện thứ tự Zero I0 lớn hơn ngưỡng đặt và chờ qua một thời hạn đặt tzerosẽ có thể cho cắt môtơ.

- Bảo vệ quá tải Sau khi môtơ khởi động xong và làm việc bình thường, nếu

vì một nguyên nhân nào đó khiến mômen tải tăng lên trên định mức thì dòng điện trong rôto và trong stato sẽ tăng lên quá định mức Trong đó có hai thành phần dòng thứ tự dương và dòng thứ tự âm Thành phần dòng thứ tự dương gây từ trường quay thuận mà phát nóng, thành phần dòng thứ tự âm gây thêm một từ trường quay ngược với rôto tốc độ quay tương đối rất lớn) cho nên phát nóng nhiều hơn Hai ( thành phần này gây phát nóng nhiều ở r ôto v à toàn môtơ nói chung.

Thời gian tác động do sự cố quá tải để cắt máy được tính theo I++/Iđm và Iâm/Iđmức có dạng:

2 2 2 1

1

05.1

I

IKI

IK

Trong đó: tqt thời gian tác động cắt sự cố quá tải: τ1 là hằng số thời gian phát nóng của môtơ; K1 là hệ số phát nóng bởi dòng điện và từ trường quay thuận ( trong thời gian khởi động ta chọn K1= 0÷1 và sau khi khởi động chọn bằng 1); K2 là hệ

số phát nhiệt do dòng điện và từ trường quay ngược (khi khởi động và sau khi khởi động đều chọn K2 = 0÷1) Khi thử nghiệm quá tải ở đây chủ yếu chỉ xét ảnh hưởng của dòng điện thuận (K1 = 1), mà không xét đến ảnh hưởng của dòng điện ngược (K2=0)

- Bảo vệ điện áp thấp Khi điện áp tụt thấp, vì mômen quay tỉ lệ U2 nên giảm xuống nhiều khiến thời gian khởi động bị kéo dài mà gây phát nóng nhiều Mặt khác khi áp tụt xuống, dòng stato và roto đều tăng lên dẫn tới công suất phát nhiệt tăng theo Vì vậy khi áp lưới tụt xuống một ngưỡng nào đó và quá một thời hạn đã đặt tu, rơle sẽ phải cắt nguồn cung cấp cho mô tơ

Ngưỡng áp đó thường đặt trong khoảng 75÷80% và thời hạn cắt của môto từ 1s đến 5s

1.4 2 Rơ le bảo vệ máy phát

má á ó nhi u lo i do nhi ãng s n xu t khá

- Rơ le MiCOM P342, P343, P344 ủa h ng ALSTOM C ã

- SEL 300G Generator Relay của h ng SCHWEITZER ENGINEERING - ã LABORATORIES

Bao gồm các bảo vệ sau:

- So lệch

- Công suất ngược

- Quá kích thích

- Mất từ trường.

- Quá áp, thấp áp

- Chạm đất Stator

- Quá nhiệt

- Quá tần số…

1.4 3 Rơ le bảo vệ máy biến áp

Bao gồm các bảo vệ sau:

- Bảo vệ so lệch

- Quá tải và quá dòng có thời gian

- Bảo vệ nhiệt độ

- Bảo vệ áp suất dầu

1.4 4 Rơ le bảo vệ đường dây phân phối

Bao gồm các bảo vệ sau:

- Quá dòng có thời gian

- Quá dòng tức thời (Quá dòng cắt nhanh)

- Bảo vệ công suất có hướng

- Quá áp và thấp áp

- Sa thải tải theo tần số

- Đóng lặp lại

- Báo hư hỏng máy cắt.

1.4 5 Rơ le đường dây truyền tải

ng dây có nhi u lo i và do nhi u hãng ch t

- Sepam series 20, 40, 80, 100 c ủa h ãng Merlin Gerin

Đường dây truyền tải được chia làm các loại sau:

- Khóa và cắt khi dao động mất đồng bộ

- Chạm đất tức thời

- So lệch pha

Tất cả các sự cố trên đều có thể đóng lặp lại và báo về trung tâm điều độ

Trong các loại rơ le bảo vệ đường dây trung và cao áp có thể có các loại bảo vệ sau:

- Khoảng cách giữa các miền, giữa pha và từng pha

- Quá dòng 4 đoạn thứ tự không

- So dọc khoảng cách có hướng

- Quá dòng cắt nhanh và quá dòng cắt có thời gian

- Sa thải tải theo tần số

- Quá áp và thấp áp

- Chạm đất

- Đóng lặp lại

- Báo hư hỏng của biến dòng, biến áp, máy cắt

1.4.6 Rơ le bảo vệ từng chức năng riêng rẽ

Ngoài các loại rơ le tích hợp nhiều chức năng bảo vệ trong một rơ le, thì trong thực tế có nhiều rơ le bảo vệ chỉ một chức năng trong số các chức năng đã trình bày ở trên (quá dòng cắt nhanh, quá dòng cắt có thời gian, quá áp, thấp áp, quá tải, chạm đất, quá nhiệt )

1.4.7 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số có nhiệm vụ canh đo tần số, tốc độ biến thiên của tần số, điện áp và so sánh với ngưỡng đặt trước để ra lệnh cắt tải khi tần số vượt quá ngưỡng quy định Chức năng bảo vệ và sa thải tải theo tần số có thể được chế tạo thành một rơ le riêng rẽ hoặc được tích hợp với các chức năng bảo vệ khác trong cùng một rơ le

Trong hệ thống điện rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số đóng vai trò rất quan trọng, rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số thường được lắp đặt trong các trạm điện trung áp ấn đề này sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau V

CHƯƠNG II RƠ LE BẢ O V VÀ SA TH I T I THEO T N S Ệ Ả Ả Ầ Ố

2.1 Sự cần thiết của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Ngày nay khi nền công nghiệp ngày càng phát triển, tự động hóa ngày càng chiếm vai trò quan trọng và không thể thiếu được trong sản xuất Các thiết bị công nghiệp ngày càng tinh vi hiện đại, do đó yêu cầu về điện năng cung cấp ngày càng phải đảm bảo liên tục và chất lượng cao Trong đó yêu cầu về chất lượng điện năng như điện áp, tần số ngày càng nghiêm ngặt Nếu điện năng cung cấp không đảm bảo chất lượng yêu cầu sẽ gây thiệt hại rất lớn cho các hộ tiêu dùng điện trong công nghiệp Chính vì lẽ đó ở các nước công nghiệp phát triển hợp đồng cung cấp điện bao giờ cũng có điều khoản qui định về điện áp và tần số

Ở nước ta hiện nay hệ thống sản xuất và phân phối điện ngày càng phát triển, việc cung cấp điện liên tục cho sản xuất đã trở thành hiện thực, việc cắt điện tùy ý không báo trước cũng như các sự cố gây mất điện đã giảm hẳn gần như không còn Người sử dụng điện đến nay có thể kỳ vọng đến việc được cung cấp điện đảm bảo chất lượng theo yêu cầu của dây truyền sản xuất Để thực hiện được điều đó, tức là duy trì điện áp, tần số ổn định trong mọi điều kiện Như vậy ngành điện phải giải quyết tất cả các vấn đề: Hệ thống các nhà máy phát điện phải đảm bảo công suất theo yêu cầu, hệ thống truyền tải phân phối điện điện phải đủ năng lực làm việc liên tục, an toàn Trong quy hoạch chung về tổng thể sơ đồ phát triển của ngành điện, theo khả năng phát triển của nhu cầu sử dụng điện trong sản xuất và kinh doanh, công suất của các nhà máy điện đã và đang được xây dựng đáp ứng được các nhu cầu đó Tuy nhiên chúng ta cũng thấy rõ là trong một chu kỳ có thể là vài năm tùy theo từng giai đoạn khi khánh thành đưa một nhà máy điện tương đối lớn vào hoạt động thì khả năng đáp ứng công suất điện phát lên lưới tăng lên đảm bảo và có thể

có dư thừa, sau đó một vài năm nhu cầu dùng điện tăng lên do vậy công suất phát lại bị thiếu hụt, lúc đó đòi hỏi một hay nhiều nhà máy điện mới phải được đưa vào hoạt động Mặc dù công tác quy hoạch và dự báo phát triển phụ tải điện và nguồn điện có chính xác đi chăng nữa thì việc có thể có một thời gian nguồn điện bị thiếu hụt công suất là không thể tránh khỏi, hơn nữa việc dự báo và quy hoạch không bao

giờ có thể kỳ vọng đúng hoàn toàn, đồng thời việc triển khai xây dựng các nhà máy điện mới còn có thể gặp rất nhiều lý do về tiền vốn, giải phóng mặt bằng, di dân, đền bù ảnh hưởng đến tiến độ thi công Ngoài ra nhìn vào tỷ trọng các nhà máy phát điện chúng ta thấy các nhà máy thủy điện chiếm đến 60% công suất phát, điều này có nghĩa là công suất phát điện sẽ phụ thuộc vào thời tiết, phụ thuộc vào lượng mưa và vào mùa Mùa mưa công suất phát điện sẽ đảm bảo cung cấp và có dự phòng, còn mùa khô phụ thuộc vào lượng nước tích trữ trong các hồ và phụ thuộc vào điều hành cũng như khả năng phát điện của các nhà máy nhiệt điện, phong điện Hơn nữa nhìn vào biểu đồ phụ tải ta thấy phụ tải thấp điểm và phụ tải cao điểm trong ngày của lưới điện chênh nhau hơn 2 lần, do đó tại thời điểm cao điểm thì công suất phát không đủ còn tại thời điểm thấp điểm công suất phát lại quá dư thừa Tất cả các nguyên nhân trên đều gây ra hiện tượng tăng giảm điện áp và tần số trên lưới điện mỗi khi sự cân bằng giữa công suất phát và thu bị phá vỡ Chính vì lẽ

đó đã xảy ra hiện tượng thiếu điện và điện năng không đảm bảo chất lượng ở nhiều nơi và nhiều thời điểm Để hạn chế hiện tượng trên ngoài việc dự báo phát triển và quy hoạch phải đi trước một bước, việc đầu tư xây dựng các nguồn điện phải được đẩy mạnh và phát triển hơn nữa, thì việc củng cố và cải tạo lưới điện truyền tải và phân phối cũng rất quan trọng Việc nâng cấp chất lượng điện không thể tách rời với việc lắp đặt và hoàn thiện hệ thống rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số Tùy theo mức độ quan trọng của từng phụ tải cũng như yêu cầu mà ta có thể đặt các mức

sa thải cũng như tự đống đóng lại theo tần số khác nhau Điều này sẽ làm cho lưới điện luôn đảm bảo chất lượng về tần số cũng như điện áp

Tuy nhiên việc trang bị cho các trạm trung gian các rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số đòi hỏi một kinh phí tương đối lớn do: Số lượng các trạm trung gian trong hệ thống điện Việt Nam là rất lớn dẫn tới số lượng rơ le cần lắp đặt rất lớn;

R ơ le do các hãng nước ngoài chế tạo và chào bán thường rất đắt, hơn nữa việc bảo hành sửa chữa không thuận lợi cho người sử dụng Chính vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số là rất quan trọng và nó sẽ khắc phục được những khó khăn trên, đồng thời giá thành của rơ le sẽ giảm xuống nhưng chất

lượng vẫn đảm bảo Một điều quan trọng nữa khi chế tạo thành công rơ le bảo vệ và

sa thải tải theo tần số sẽ mở ra một khả năng phát triển của lĩnh vực chế tạo các thiết

bị rơ le bảo vệ và tự động hóa cho ngành điện cũng như các nghành công nghiệp khác

2.2 Các thế hệ rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số thường được chế tạo với các chức năng bảo vệ sau:

- Bảo vệ tần số thấp

- Bảo vệ tần số cao

- Bảo vệ theo gia tốc tần số

- Bảo vệ tần số kết hợp với giám sát điện áp

- Bảo vệ điện áp thấp

- Bảo vệ quá áp

2.2.1 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số kiểu cũ

Từ trước đến nay các trạm điện trung áp, cao áp trong lưới điện của nước ta

đã và đang sử dụng rơ le bảo vệ tần số của Liên Xô sản xuất Loại rơ le này là dạng

rơ le bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý điện kháng của mạch điện phụ thuộc vào tần số Để thực hiện chức năng bảo vệ cần phải có 2 rơ le: Một chiếc bảo vệ tần

số cao, một chiếc bảo vệ tần số thấp Mỗi rơ le cũng chỉ có một cấp bảo vệ tần số có đặt thời gian

Sơ đồ khối:

Hình 2- 1: Sơ đồ khối rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số kiểu cũ

I III

IV

V VI

VII

II TU

Sơ đồ trên mô tả các khối của rơ le tần số bao gồm:

- Khối I là biến áp hạ áp

- Khối II là khối mạch nguồn cấp cho rơ le

- Khối III là mạch lọc tần số thấp

- Khối IV, V là hai mạch đo lường

- Khối VI, VII là hai mạch tạo xung

- Khối VIII là mạch lọc nhạy pha

- Khối I là mạch khuếch đại X

Nếu tần số nhỏ hơn 50Hz dòng điện chậm pha hơn điện áp và khi tần số lớn hơn 50Hz thì dòng điện sẽ sớm pha hơn điện áp

Tần số cộng hưởng của mạch phụ thuộc vào điện dung và điện cảm Nếu giữ nguyên điện dung và tăng điện cảm thì tần số cộng hưởng sẽ giảm

Trong sơ đồ rơ le tần số mạch đo có một cuộn cảm và một tụ điện mắc nối tiếp nhau gọi là mạch đo lường (Khối III) Sự thay đổi pha của dòng điện trong mạch này phụ thuộc vào điện áp được cố định trong mạch sơ đồ mạch nhạy pha Rơ

le sẽ đưa tín hiệu tác động cơ cấu chấp hành để tác động khi đòng điện trong mạch

đo lường lớn hơn hoặc bằng dòng điện được đặt cố định trong mạch nhạy pha Do vậy khi giảm tần số trong mạch, sự tác động của rơ le được thực hiện khi tần số bằng tần số cộng hưởng của mạch đo Khi tần số tiếp tục giảm rơ le vẫn giữ trạng thái tác động của nó

Ưu nhược điểm:

Rơ le tần số với cấu tạo như trên có nhược điểm là việc khống chế tần số chỉ thực hiện được với một tần số nào đó, do vậy muốn sa thải 2 hay nhiều hơn 2 phụ tải với các mức ưu tiên khác nhau phải dùng nhiều hơn 2 rơ le Ngoài ra rơ le này cũng phải thường xuyên hiệu chỉnh lại và công việc hiệu chỉnh gặp nhiều khó khăn

do phải thực hiện tại phòng thí nghiệm

2.2.2 Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số dùng kỹ thuật số

Hiện nay trong lưới điện của nước ta có sử dụng một số loại rơ le bảo vệ và

sa thải tải theo tần số dùng vi xử lý, trong đó thông dụng là loại UFD 14 do hãng Micro Ener chế tạo, loại BE1 81O/U do hãng Basler Electric company chế tạo và - loại DFF GEK106166F do hãng GEMultilin chế tạo Các loại rơ le này đều dùng vi -

-xử lý trong việc tính toán điều khiển đóng cắt các tiếp điểm khống chế các phụ tải

Để hiển thị kết quả đo tần số dùng màn hiển thị tinh thể lỏng LCD Ngoài ra

rơ le còn có thể đặt các chức năng bảo vệ tần số cao hay bảo vệ tần số thấp, bảo vệ gia tốc dương hay gia tốc âm hoặc cả hai

Sơ đồ đấu dây của rơ le UFD 14

Hình 2-2 Sơ đồ đấu dây của rơ le UFD 14 Loại rơ le này vận hành tương đối ổn định song nó có một số khuyết điểm như: Phần tử bảo vệ theo gia tốc chỉ có 2, trong khi có bốn lộ phụ tải có thể cần khống chế do đó việc bảo vệ 4 lộ phụ tải th eo các giá trị gia tốc khác nhau là không thực hiện được, hơn nữa việc sử dụng cài đặt và vận hành cũng rất khó khăn

2.2.2.2 Rơ le kiểu BE1-81O/U

Rơ le này do hãng Basler chế tạo, không có màn hình hiển thị tần số tức thời cũng như các thông số cần quan tâm khác Việc cài đặt thông số cần khống chế được thực hiện thông qua các phím số Rơ le cũng có 4 đầu ra khống chế 4 lộ phụ tải , các ph ụ tải được chia làm hai nhóm Nhóm 1 khống chế phụ tải 1 và 2 độc lập nhau, có thể chọn chức năng bảo vệ tần số thấp hoặc cao Nhóm 2 bảo vệ phụ tải 4 hàn toàn phụ thuộc vào việc đặt tần số bảo vệ của phụ tải 3 Nếu chọn bảo vệ tần số thấp 48,5Hz cho phụ tải 3 thì phụ tải 4 phải bảo vệ tần số thấp hơn giá trị trên

Hình 2-3 Sơ đồ chức năng của rơ le BE1 -81O/U

Hình 2-4 Sơ đồ đấu nối tín hiệu tần số của rơ le BE1 -81O/U

Rơ le BE1 81O/U có kết cấu và lắp đặt đơn giản song trước khi lắp đặt vận hành thì công tác thí nghiệm hiệu chỉnh rất quan trọng vì việc đặt giá trị khống chế không có giá trị đo hiện tại để so sánh, hơn nữa rơ le không có khả năng lưu trữ lịch

-sử của nó, việc hiệu chỉnh định kỳ cho rơ le cũng gặp nhiều khó khăn do phải được thực hiện tại phòng thí nghiệm

2.2.2.3 Rơ le kiểu DFF-GEK106166

-Rơ le DFF GEK106166 do hãng GEMultilin chế tạo, nó sử dụng công nghệ mới trong việc đo lường và sử lý tín hiệu điện Rơ le này tích hợp nhiều chức năng bảo vệ và điều khiển khác nhau, đồng thời bao gồm hệ thống đèn tín hiệu báo trạng

thái của rơ le DFF là một rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số đa vi xử lý trong hệ thống điện bao gồm:

Trạng thái và giá trị hoạt động

- Đo điện áp pha và điện áp không

- Đo tần số

- Đo tốc độ thay đổi tần số

- 17 LEDs hiện thị trạng thái

- Có khả năng tự kiểm tra và giám sát

Hình 2- 6 Sơ đồ đấu dây của rơ le DFF -GEK106166 Tóm lại các loại rơ le trên đều có những ưu khuyết điểm khác nhau, song nổi bật nhất là việc vận hành khó khăn, giá thành cao, chi phí hiệu chỉnh rơ le lớn.

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨ U, THI T K Ế Ế RƠ LE BẢ O V VÀ SA TH I Ệ Ả

T I THEO T N S Ả Ầ Ố

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số được lắp đặt tại các trạm trung gian trong hệ thống điện để cắt tải trong trường hợp công suất nguồn cung cấp nhỏ hơn công suất tải yêu cầu

Theo tiêu chuẩn ANSI thì rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số có các chức năng sau:

- Bảo vệ quá tần số (ANSI 81H)

- Bảo vệ tần số thấp (ANSI 81L)

- Bảo vệ theo sự thay đổi gia tốc tần số (ANSI 81R)

Ngoài ba chức năng chính trên thì một rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

sử dụng kỹ thuật số phải có các chức năng sau:

- Hiển thị được tần số tức thời và điện áp lưới.

- Số lượng đầu ra sa thải tải.

- Ghi lại được các sự kiện như sự cố tần số, sự cố điện áp, thời điểm xảy ra

sự cố

- Có giao diện người máy.

- Có khả năng truyền tin.

- Chức năng tự kiểm tra.

- Kết cấu nhỏ, gọn, dễ thao tác cài đặt, hiệu chỉnh và vận hành.

Từ các yêu cầu kỹ thuật như trên đối với rơ le tần số, tác giả lựa chọn các yêu cầu cho việc nghiên cứu, thiết kế rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số với các thông số kỹ thuật và chức năng bảo vệ như sau:

3.1.1 Nguồn cung cấp và tín hiệu

- Ngu n nuôi ồ cho Rơ le: Nguồ n m t chi u ho c xoay chi ộ ề ặ ều từ 90V-250V

- Ngu n tín hi u và ồ ệ o: Điệ n áp 3 ϕ/8 0V 250V ÷

3.1.2 Ch ức năng bảo vệ

- L ựa chọ n c ắt đượ c 6 ph t i tù ụ ả y v ào m ức ưu tiên

- Cà i đặt được ngưỡng t c độ á ng v t n s ho c t ề ầ ố ặ ốc độ thay đổ ần số i t

- Cà i đặt đượ c th i gian tá ờ c độ ng khi phát hi n s c ệ ự ố

- Cà i đặt được ngưỡng t c độ á ng v t s ề ỷ ố điệ n áp/t n s ầ ố

- B o v th ả ệ ấp điệ n áp

- B o v quá ả ệ điệ n áp

- Tự kiểm tra mạch đo

- T ki m tra và giám sát ự ể mạch đo

3.1.4 Ch ức năng truyền thông

KHỐI CHẤP HÀNH

- RƠ LE

KHỐI HIỂN THỊ LCD

KHỐI HIỆN THỊ TRẠNG THÁI LED

KHỐI TRUYỀN THÔNG

KHỐI NGUỒN CUNG CẤP

Hình 3-1 Sơ đồ khối rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số

Hình 3- 2 Sơ đồ kết nối tín hiệu với thiết bị ngoại vi

3.2.2 Nguyên lý làm việc

- Kh ối nguồn cung cấp: C ó nhi ệm vụ cung cấp nguồ ổn định cho sự n ho t ạ

độ ng c ủa rơ le Nguồn đầu vào được cấp từ nguồn 90÷220VAC, sau đó được biến đổi thành nguồn một chiều với độ ổn định cao với các cấp điện áp: Nguồn + 5V và – 5 V cấp cho mạch đo và chuẩn hóa; Nguồn +5V cấp cho mạch vào số, mạch xử lý

và hiển thị; Nguồn +12V cấp cho mạch chấp hành rơ le

- Kh ối t n hiệu v o tương tự: C í à ó nhi ệm vụ ấy t n hiệu điện p ba pha từ lướ l í á i vào bi n á ế p hạ áp và c p tín hi u cho kh i m ấ ệ ố ạch đo v à chu n hóa ẩ

- Kh ối t n hiệu v o số: C í à ó nhi ệm vụ ấy t n hiệu từ l í cá c tiếp điểm của m y á

- Mạch phân áp có điện áp vào = 12V, điện áp ra 2,1V

- Mạch lọc thông thấp có tần số cắt 50Hz

- Mạch chỉnh lưu có điện áp vào 2,1VAC điện áp ra 2 VDC

Điện áp ở lưới điện được qua biến áp đo lường, điện áp thứ cấp của biến áp

đo lường nằm trong khoảng [80V – 220V], trong thiết kế tác giả chọn biến áp đo lường có điện áp thứ cấp = 220V sau đó được đưa vào biến áp có tỷ số biến là 220V/12V và cấp ch mạch phân áp với tỷ số o n =

2674710007,

264,7 100034

28

=

=x

xR

vào mạch lọc Điện áp này cho vào mạch lọc thông thấp để chặn lại những tín hiệu

có tần số cao Với sơ đồ trên thì tần số cắt của mạch lọc là:

Tc = 2Π*R27*C20 =>Wc=

20

27*

1CR

Vì trong mạch cho phép tần số công nghiệp đi qua nên ta chọn fc = 50Hz Khi đó Wc=2Π*fc =2Π*50 = 314 rad

Vậy: R27*C20 = 1/314 = 3,2 ms

Chọn: R27 = 68k => C20 =47nF

Tín hiệu điện áp sau lọc được đưa vào mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ lấy đỉnh Điện áp sau chỉnh lưu được điều chỉnh khoảng 2VDC bằng cách điều chỉnh các biến trở R31; R41; R49

Hằng số thời gian của mạch lọc lấy đỉnh điện áp được tính:

10

* 20

* 10

3

3

uF F

số phép đo lớn, và ngược lại nếu chọn các tụ trên có giá trị lớn hơn 10μF thì số đo

ổn định tuy nhiên khả năng đáp ứng với sự thay đổi của tín hiệu chậm

Điện áp đo ba pha sau khi được chỉnh lưu và lọc được hiệu chỉnh bởi các biến trở R31; R41; R49 để được giá trị là 2VDC ứng với điện áp pha đầu vào 220V Tín hiệu điện áp này được đưa vào các kênh ADC0, ADC1, ADC2 của vi điều khiển ATMEGA16

Hình 3-4 Mạch đo điện áp ba pha 3.3.1 .2 Mạch đo tần số

Điện áp ở lưới điện được qua biến áp đo lường, sau đó được đưa vào mạch phân áp với tỷ số n =

267

47 1000 7 , 26

1000 7 , 4

34

x

x R

và pha c đồng thời lọc thông thấp để chặn lại những tín hiệu có tần số cao Với sơ

Vì trrong mạch cho phép tần số công nghiệp đi qua nên ta chọn fc = 50Hz Khi đó Wc=2Π*fc =2Π*50 = 314 rad

Vậy R39*C26 = 1/314 = 3,2 ms

Chọn R39 = 68k => C26 =47nF

Tín hiệu pha A và pha C được đưa vào mạch cộng đảo để được điện áp dây =

Ua + Uc, sau đó tín hiệu điện áp này được so sánh với một điện áp chuẩn

)(877,0517,4

156

sine thành xung vuông cùng tần số

Hình 3-5 Mạch đo tần số Điện áp đầu ra có biên độ đối xứng qua trục 0V (có thành phần âm), do đó trước khi được đưa vào vi điều khiển nó được qua một mạch phân áp gồm R48 và

R54để cắt phần âm của tín hiệu xung vuông

Điện áp ra của mạch so sánh có giá trị đỉnh đỉnh V – pp = Vcc – (-Vcc) = 2Vcc =

10 V Do đó điện giá trị xung ra được tính:

out Uc

RR

RV

48 54

54+

=+

Trong đó:

- Voutlà điện áp ra ở chân số 1 của vi mạch so sánh LM393 (U14A)

- R48, R54là các điện trở phân áp đầu ra

2

1 )

(

48 54

54

out cc out

out cc Uc

R R

- Khi Vout = -Vcc thì VXungUa + Uc = 21(Vcc −Vout)= 21[Vcc −Vcc]= 0

- Khi Vout = Vcc thì VXungUa+Uc = Vcc +Vout =[Vcc +Vcc] =Vcc

2

1)(

21

Dạng điện áp vào/ra của mạch so sánh thể hiện trên đồ thị sau

Hình 3-6 Dạng điện áp vào/ra của mạch đo tần số Trong mạch điện áp và đo tần số sử dụng IC khuếch đại thuật toán (OPAM) loại OP07 và IC so sánh chuyên dụng LM393, hai IC này có thông số kỹ thuật như sau:

a Thông số kỹ thuật của OP07

- Nguồn cung cấp: ±3V ÷ ±18V

- Điện áp Offset siêu nhỏ: 10μV

b Thông s ố kỹ thuật của LM393

- Nguồn cung cấp một vế (Single Supply): 2V ÷ 36VDC

- Nguồn cung cấp đối xứng (Dual supply): ± 1V ÷ ± 18V

- Dòng điện Offset vào nhỏ: ± 5nA

- Đầu ra tương thích với các hệ thống logic TTL, CMOS…