Phần 2 tìm hiểu các chức năng bảo vệ đối với đường dây truyền tải từ các chức năng chính như so lệch đường dây, khoảng cách đường dây tới các chức năng dự phòng như bảo vệ dòng điện, điệ
GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG VÀ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
Giới thiệu đối tượng và hệ thống rơle bảo vệ
Đối tượng cần thiết kế hệ thống rơle bảo vệ là đường dây truyền tải cấp
220 kV dài 95 km, nối giữa 2 trạm điện là trạm A và trạm B Hai trạm A và B có sử dụng sơ đồ thanh góp 3/2 kết giữa thanh góp và đường dây
Hình 1.1 Sơ đồ 1 sợi đường dây cần bảo vệ
Giá trị thứ tự thuận:
• Điện trở riêng thứ tự thuận: R 1 =0.178598 10 (Ω / m) − 4
• Điện kháng riêng thứ tự thuận: X 1 =0.31388 10 (Ω / m) − 3
• Điện dung riêng thứ tự thuận: C1 1
= 2 fC Giá trị thứ tự không:
• Điện trở riêng thứ tự không: R 0 =0.295220 10 (Ω / m) − 3
• Điện kháng riêng thứ tự không: X 0 =0.1039898 10 (Ω / m) − 2
• Điện dung riêng thứ tự không: X C0 A4.1642(MΩ.m)
▪ Dòng ngắn mạch thanh góp
Dòng ngắn mạch tại thanh góp 220 kV trạm A
Dòng ngắn mạch tại thanh góp 220 kV trạm B
1.1.2 Các rơle bảo vệ o Rơle bảo vệ so lệch đường dây RED670 của hãng ABB o Rơle bảo vệ khoảng cách đường dây 7SA522 của hãng Siemens o Rơle điều khiển ngăn lộ 6MD664 của hãng Siemens.
Tính toán ngắn mạch
Ngắn mạch là sự cố nghiêm trọng trong hệ thống điện, thường xảy ra do tác động của con người, động vật, hoặc thiên tai như gió bão Ngoài ra, sự cố này cũng có thể phát sinh từ hỏng hóc trong cách điện, sét đánh, hoặc do thao tác không đúng quy trình.
Dòng điện ngắn mạch cực lớn có thể gây nóng cục bộ nhanh chóng và tạo ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị, dẫn đến sụt áp lưới điện và dòng điện không đối xứng Điều này có thể làm mất ổn định hệ thống điện và gián đoạn cung cấp điện Do đó, việc loại trừ dòng ngắn mạch cần được thực hiện nhanh chóng trong khoảng thời gian từ 3-5 chu kỳ (60-100 ms) đối với lưới điện truyền tải.
Phần này sẽ thực hiện tính toán ngắn mạch các điểm trên đường dây truyền tải 220 kV để phục vụ tính toán cài đặt cho vùng bảo vệ rơle
Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch:
• Tần số hệ thống không thay đổi
• Bỏ qua bão hòa mạch từ
• Bỏ qua thành phần điện trở của đường dây và các trạm
• Sức điện động của hệ thống không đổi và đối xứng kể cả khi có sự cố
1.2.2 Lựa chọn các điểm tính toán ngắn mạch
Việc lựa chọn các điểm tính toán ngắn mạch là rất quan trọng để xác định các giá trị Imax và Imin cho việc chỉnh định rơle bảo vệ Các rơle bảo vệ dựa vào tín hiệu dòng điện đo được từ máy biến dòng BI để phát hiện sự cố Do đó, các điểm tính toán ngắn mạch thường được chọn là những điểm nằm trước và sau máy biến dòng BI để đảm bảo tính chính xác trong quá trình chỉnh định.
Xét các điểm chọn ngắn mạch trong trạm biến áp A (sẽ tương tự với trạm
Hình 1.2 Các điểm cần tính toán ngắn mạch trong trạm biến áp
Trong quá trình phân tích, chúng ta cần xác định các điểm ngắn mạch trong và ngoài vùng bảo vệ của đối tượng, cụ thể là đường dây Điều này giúp nhận diện rõ ràng các điểm ngắn mạch có thể ảnh hưởng đến an toàn và hiệu suất của hệ thống.
N1 là điểm ngắn mạch trong vùng, các điểm ngắn mạch còn lại là ngoài vùng
Trong việc phân tích các điểm ngắn mạch ngoài vùng, chúng ta coi vai trò của chúng là tương đương với giá trị dòng ngắn mạch đồng nhất Do đó, chỉ cần tính toán một điểm ngắn mạch trong vùng N1 và một điểm ngắn mạch ngoài vùng N2 cho mỗi trạm, tương ứng với các điểm NA và NA’ trong hình 1.3.
Cần tính toán các điểm ngắn mạch trước và ngay sau biến dòng điện tại mỗi trạm Đối với trạm biến áp A và B, máy biến dòng ở đầu mỗi trạm thực chất là hai máy biến dòng kết nối với ngăn lộ đường dây Máy cắt ở đầu đường dây cũng tương ứng với hai máy cắt trong sơ đồ thanh góp 3/2 Các điểm ngắn mạch cần tính toán sẽ được xác định từ những thông tin này.
Hình 1.3 Các điểm tính toán ngắn mạch trên đường dây truyền tải
Tính toán ngắn mạch bằng tay tại 1 điểm ngắn mạch N A
Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện tính toán ngắn mạch bằng tay tại điểm NA, trong khi các điểm ngắn mạch khác sẽ được tính toán qua phần mềm ETAP sau đó Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng ta giả định điện áp tại thanh cái của hai trạm biến áp khi xảy ra ngắn mạch có giá trị trung bình là 230 kV Chúng ta sẽ bỏ qua các thành phần điện trở và điện dung của dây truyền tải, chỉ sử dụng giá trị điện kháng, đồng thời loại bỏ điện trở tại điểm ngắn mạch chạm đất.
• Chọn đại lượng cơ bản:
Chọn S cb 0 MVA; U cb #0 kV.
• Tìm điện kháng thứ tự thuận và thứ tự không của trạm A, B tới thanh cái
Trạm A: Độ lớn dòng ngắn mạch tại thanh góp trạm biến áp A:
Công suất ngắn mạch 3 pha bằng: max max
S − = 3.U.I − = 3.230.2559MVAs Điện kháng thứ tự thuận của hệ thống trạm A: max cb
= = Điện kháng thứ tự nghịch và thứ tự không của trạm A: max max
1ph 1 max 3ph max max
= = = − = − So sánh với kết quả tính toán điện kháng trong ETAP:
Hình 1.4 Kết quả điện kháng trạm A tính toán trong ETAP
Ta thấy kết quả tính toán tính tay bằng với kết quả tính toán điện kháng trong phần mềm ETAP
Tương tự, ta sẽ dùng kết quả tính toán điện kháng ở trạm B với hỗ trợ của phần mềm ETAP
• Điện kháng đường dây: Điện kháng riêng trên đơn vị độ dài của đường dây là: Điện kháng riêng thứ tự thuận:
= − Điện kháng riêng thứ tự không:
Điện kháng thứ tự thuận, nghịch, không của cả đường dây là: o X 1L =X 2L =X l 1 =0,31388.95),82( ) o 1L(pu ) 1L( ) cb 2 2 cb
= = Tại điểm ngắn mạch NA có sơ đồ thuận, nghịch, không là:
Hình 1.5 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận, nghịch, không để tính toán ngắn mạch
Các giá trị dòng điện đối xứng của ngắn mạch 3 pha là:
• Dòng điện ngắn mạch 3 pha qua rơle phía trạm A, B:
Rơle phía trạm A nhận tín hiệu dòng điện qua BI-A, rơle phía trạm B nhận tín hiệu dòng điện qua BI-B
Cách tính dòng pha A, B, C khi biết các dòng thứ tự đối xứng theo công thức sau:
• Xét phía máy biến dòng BI-A
Dòng điện thứ tự thuận qua BI-A:
Dòng điện thứ tự nghịch, không qua BI-A bằng 0:
Dòng điện ngắn mạch 3 pha BI-A đo được bằng nhau:
N/BI A 1N/BI A 2 N/BI A 0 N/BI A cb
= + + = = Không có dòng thứ tự không qua BI-A do đây là ngắn mạch đối xứng:
• Xét phía máy biến dòng BI-B:
Dòng điện thứ tự thuận qua BI-B:
Dòng điện thứ tự nghịch, không qua BI-B bằng 0:
Dòng điện ngắn mạch 3 pha BI-B đo được bằng nhau:
N/BI B 1N/BI B 2 N/BI B 0 N/BI B cb
= + + = = Không có dòng thứ tự không qua BI-B do đây là ngắn mạch đối xứng:
I − (kA)=0 b Ngắn mạch 1 pha chạm đất (pha A):
• Dòng điện các thứ tự thuận, nghịch, không trong ngắn mạch 1 pha chạm đất bằng nhau:
• Xét phía máy biến dòng BI-A:
Dòng điện thứ tự thuận qua BI-A:
Dòng điện thứ tự nghịch qua BI-A:
Dòng điện thứ tự không qua BI-A:
Ngắn mạch 1 pha(A) thì BI-A đo được dòng ngắn mạch qua pha A:
N/BI A 1N/BI A 2 N/BI A 0 N/BI A cb
= + + = = Dòng chạm đất 3I0 mà BI-A đo được: cb
− = − = • Xét phía máy biến dòng BI-B:
Dòng điện thứ tự thuận qua BI-B:
Dòng điện thứ tự nghịch qua BI-B:
Dòng điện thứ tự không qua BI-B:
Dòng ngắn mạch qua pha A mà BI-B đo được:
N/BI B 1N/BI B 2 N/BI B 0 N/BI B cb
= + + = = Dòng chạm đất 3I0 mà BI-B đo được:
− = − = c Ngắn mạch 2 pha chạm đất (pha B, C):
Dòng điện thứ tự thuận, nghịch, không rút gọn là:
• Xét dòng đo được phía BI-A:
Dòng thứ tự thuận, nghịch, không qua BI-A là:
Dòng ngắn mạch BI-A đo được là dòng ở pha B, C (độ lớn bằng nhau):
N/BI A 1N/BI A 2 N/BI A 0 N/BI A cb
= + + = = Dòng chạm đất BI-A đo được là: cb
− = − = • Xét dòng đo được phía BI-B:
Dòng thứ tự thuận, nghịch, không qua BI-B là:
Dòng ngắn mạch BI-B đo được là dòng ở pha B, C (độ lớn bằng nhau):
N/BI B 1N/BI B 2 N/BI B 0 N/BI B cb
= + + = = Dòng chạm đất BI-B đo được là: cb
− = − = Ta có bảng kết quả tính tay dòng ngắn mạch của điểm N2 chế độ max:
Bảng 1.1 Kết quả tính toán ngắn mạch bằng tay Đơn vị(kA) I N/BI A − I N/ BI B − 3I 0/BI A − 3I 0/BI B −
Sử dụng phần mềm ETAP tính toán ngắn mạch
1.4.1 Giới thiệu phần mềm ETAP
ETAP là một công cụ tính toán và phân tích hệ thống điện mạnh mẽ, được phát triển bởi Operation Technology, Inc (OTI) của Mỹ
1.4.2 Quá trình xây dựng sơ đồ lưới điện để tính toán ngắn mạch trong phần mềm ETAP
Ta sẽ xây dựng sơ đồ lưới 1 sợi như hình sau:
Hình 1.6 Sơ đồ 1 sợi xây dựng trong ETAP
Nhập thông số và cài đặt để tính toán dòng ngắn mạch tại nút NA ở chế độ max Các bus khác cũng thực hiện tương tự và sẽ ghi lại kết quả sau.
• Kết quả hiển thị dòng điện ngắn mạch 3 pha:
• Kết quả hiển thị dòng ngắn mạch 1 pha chạm đất (pha A):
• Kết quả hiển thị dòng ngắn mạch 2 pha chạm đất (pha B, C):
Qua đây, ta có bảng so sánh giá trị giữa kết quả tính toán bằng tay và kết quả tính toán bằng ETAP:
Bảng 1.2 Kết quả so sánh giữa tính toán bằng tay và tính toán bằng phần mềm Đơn vị(kA) N (3) N (1) N (1,1)
Kết quả tính toán bằng tay cũng khá sát với kết quả tính toán bằng ETAP Sai số cao nhất là 10,4%
Thực hiện tương tự với các điểm ngắn mạch khác chế độ max:
(Với các giá trị dòng thứ tự nghịch, tính với cả trường hợp ngắn mạch 2 pha vì dòng thứ tự nghịch khi này thường lớn.)
Bảng 1.3 Kết quả tính toán ngắn mạch chế độ max Điểm
Ta có bảng kết quả tính toán chế độ min sau:
(Bỏ qua trường hợp ngắn mạch 3 pha vì cần lấy các giá trị dòng nhỏ nhất)
Bảng 1.4 Kết quả tính toán ngắn mạch chế độ min Điểm
GIỚI THIỆU CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ ĐỐI VỚI ĐƯỜNG DÂY VÀ CÁC RƠLE BẢO VỆ
Bảo vệ so lệch đường dây 87L
Nguyên lý bảo vệ so lệch đường dây 87L dựa trên nguyên lý bảo vệ so lệch cơ bản, trong đó tổng dòng điện vào và ra của đối tượng bảo vệ được so sánh Theo định luật Kirchhoff 1, tổng đại số dòng điện tại một nút phải bằng 0.
Sau đây là những vấn đề cần xét xung quanh bảo vệ so lệch đường dây:
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch đường dây
2.1.2 Giao tiếp giữa các rơle trên tất cả các đầu đường dây Để thực hiện nguyên lý bảo vệ so lệch, dòng điện ở 2 đầu đường dây bảo vệ phải được đo và so sánh với nhau ở cùng 1 thời điểm Đường dây truyền tải điện có 2 đầu đường dây thì cần sử dụng 2 bộ rơle bảo vệ, mỗi bộ để tác động đóng/cắt máy cắt ở đầu đường dây tương ứng
Các rơle bảo vệ này được nối với nhau qua các kênh giao tiếp: dây dẫn phụ, cáp thông tin, dây tải ba PLC, vi ba hoặc cáp quang
2.1.3 Đồng bộ thời gian trong việc bảo vệ so lệch đường dây
Mặc dù tín hiệu truyền qua kênh giao tiếp rất nhanh với thời gian truyền nhận dưới 5 ms, nhưng thời gian trễ không thể bị bỏ qua khi so sánh giá trị dòng điện nhận được ở đầu dây này với giá trị dòng điện hiện tại ở đầu dây kia Theo khảo sát, sai số 0,1 ms có thể dẫn đến sai số độ lớn dòng điện lên tới 3%, trong khi sai số 1 ms có thể gây ra sai số lên tới 31% Do đó, mục tiêu của bộ đồng bộ thời gian là thực hiện so sánh các giá trị dòng điện với cùng mã thời gian để đảm bảo độ chính xác cao.
Mỗi rơle ở đầu dây được trang bị đồng hồ đồng bộ với tín hiệu thời gian từ hệ thống GPS, đảm bảo độ chính xác lên tới 1 μs Đồng hồ trong các thiết bị rơle có khả năng đo các khoảng thời gian nhỏ trong quá trình gửi và nhận tín hiệu cũng như thời gian xử lý bên trong rơle.
Hình 2.3 Bộ đồng bộ thời gian với GPS
Bài viết cho thấy rằng hệ thống có khả năng đo thời gian truyền tín hiệu và thời gian sai lệch giữa các đồng hồ của các trạm Điều này cho phép đưa ra mẫu bảo vệ chính xác cho sự sai lệch tại cùng một thời điểm.
2.1.4 Dòng so lệch tự nhiên do điện dung của đường dây gây ra
Giữa các dây pha và giữa dây pha với đất luôn tồn tại điện dung, tạo ra dòng điện dung trong chế độ vận hành bình thường Dòng điện này có thể gây ra sự so lệch cho hệ thống bảo vệ đường dây Để ngăn chặn rơle tác động do dòng điện dung, cần tăng dòng khởi động cho chức năng bảo vệ, nhưng điều này lại làm giảm độ nhạy của hệ thống bảo vệ.
Hình 2.4 Dòng điện bơm lên do điện dung đường dây
2.1.5 Bảo vệ so lệch có hãm
Ngoài dòng điện dung gây ra dòng điện so lệch, một số yếu tố khác cũng góp phần vào hiện tượng này Sai số của máy biến dòng, đặc biệt là do hiện tượng bão hòa trong mạch từ, dẫn đến sự khác biệt trong dòng điện phía thứ cấp của hai tổ máy biến dòng BI1 và BI2 trong cả chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài.
Dòng điện không cân bằng ∆I có thể đạt giá trị lớn trong một số tình huống, đặc biệt khi xảy ra ngắn mạch ngoài Dòng sự cố qua các biến dòng (BI) có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng.
Để ngăn ngừa hiện tượng bão hòa trong mạch từ, cần áp dụng nguyên lý hãm bảo vệ bằng dòng điện pha hoặc sóng hài bậc cao (bậc 2, bậc 5) Điều này giúp bảo vệ so lệch khỏi việc làm việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của dòng ∆I, đặc biệt trong quá trình quá độ khi mạch từ bị bão hòa.
Dưới đây trình bày nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm
Dòng điện so lệch được xác định theo:
Khi hiểu rõ về dòng so lệch và dòng hãm, chúng ta có thể xác định điểm làm việc trong đặc tính bảo vệ so lệch có hãm Rơle số có hệ số hãm tự động thay đổi theo trạng thái hoạt động của đối tượng bảo vệ, với ba hệ số hãm khác nhau có độ dốc (Slope) 1, 2, 3 Trong vùng vận hành có điều kiện, nếu điểm làm việc nằm trong vùng hãm, rơle sẽ không tác động trip; ngược lại, nếu điểm nằm trên đường đặc tính, rơle sẽ tác động trip Trong vùng vận hành không điều kiện, rơle sẽ tự động tác động trip mà không cần xét tới dòng hãm.
Chức năng tác động khi thỏa mãn bất phương trình sau:
Với k là hệ số hãm tương ứng độ lớn của dòng hãm
Hình 2.5 Đặc tính bảo vệ sô lệch có hãm của rơle số
2.1.6 Có máy biến áp xuất hiện trong vùng bảo vệ
Hình 2.6 Bảo vệ so lệch cho đường dây và máy biến áp
Bảo vệ so lệch đường dây là phương pháp quan trọng để đảm bảo an toàn cho máy biến áp trong vùng bảo vệ Để thực hiện bảo vệ so lệch dòng điện cho máy biến áp, cần xem xét tỉ số máy biến áp, góc dịch pha giữa hai bên sơ cấp và thứ cấp, cũng như sự khác biệt về tỉ số biến dòng điện ở các đầu dây Việc nhập các biến số này vào phần mềm của rơle giúp tính toán và điều chỉnh sự khác biệt, đảm bảo hiệu quả bảo vệ cho máy biến áp trong khu vực được chỉ định.
Một vấn đề quan trọng trong bảo vệ so lệch cho máy biến áp là khi xảy ra ngắn mạch chạm đất ngoài vùng bảo vệ, dòng điện thứ tự không có thể chỉ chạy qua một phía của máy biến áp, trong khi phía còn lại không có dòng thứ tự không Điều này đặc biệt xảy ra trong các cấu hình máy biến áp kiểu Y-∆ hoặc ∆-Y Để tránh việc chức năng so lệch thứ tự không bị tác động nhầm trong tình huống này, cần áp dụng thuật toán loại bỏ dòng thứ tự không ở đầu đường dây trong rơle.
Khi máy biến áp gặp hiện tượng quá từ thông hoặc khi có xung kích, sẽ phát sinh thành phần sóng hài Rơle sẽ thực hiện việc đo đếm và xác định thành phần sóng hài bậc 2 và 5 trong dòng điện so lệch Nếu giá trị dòng sóng hài vượt quá ngưỡng cho phép, rơle sẽ kích hoạt chức năng bảo vệ 87L.
2.1.7 Tín hiệu giao tiếp cho bảo vệ so lệch đường dây
Chức năng bảo vệ so lệch đường dây sử dụng kênh giao tiếp kỹ thuật số để truyền nhận điện tín giữa các rơle bảo vệ Tín hiệu này bao gồm giá trị dòng điện, thông tin thời gian, tín hiệu trip, tín hiệu khóa, tín hiệu cảnh báo và các tín hiệu nhị phân khác.
Hình 2.7 Kênh giao tiếp giữa 2 đầu đường dây
Dòng điện tại chỗ được nhập vào rơle dưới dạng tín hiệu tương tự qua mô đun đầu vào Sau đó, tín hiệu này được chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số và được gửi đến chức năng bảo vệ so lệch của rơle Tín hiệu số tiếp tục được truyền đến rơle ở xa thông qua mô đun giao tiếp, nơi rơle này cũng nhận tín hiệu dòng điện số và xử lý tại chức năng bảo vệ của nó.
2.1.8 Phát hiện sự cố ngoài
Hình 2.8 Phát hiện sự cố ngoài
Bảo vệ khoảng cách đường dây 21/21N
Trong chế độ vận hành bình thường, tổng trở được xem bởi rơle khoảng cách thường lớn Trong khi với điều kiện sự cố, tổng trở lại rất nhỏ
Để phân biệt giữa điều kiện vận hành bình thường và sự cố, zone vận hành (hay còn gọi là tripping zone) được sử dụng Nếu tổng trở mà rơle nhìn thấy nằm ngoài zone vận hành, rơle sẽ không thực hiện việc trip Ngược lại, khi tổng trở nằm trong zone vận hành, rơle sẽ trip để bảo vệ hệ thống.
Hình 2.9 Một đường dây bảo vệ bởi rơle khoảng cách R1 và R2 Tổng trở đường dây là
Z L và trở tải là Z load , tổng trở giữa đầu A và điểm sự cố F là Z f
Hình 2.9 minh họa sự kết nối giữa máy phát và tải qua đường dây truyền tải, được bảo vệ bởi rơle khoảng cách R1 và R2 Hình 2.10 thể hiện đặc tính vận hành của rơle khoảng cách Dưới điều kiện bình thường, tổng trở nhìn thấy bởi R1 gần bằng giá trị Zload Điểm vận hành trong chế độ bình thường nằm khá xa khỏi vùng vận hành Khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại điểm F, tổng trở Z nhìn từ R1 giảm xuống bên trong vùng vận hành, dẫn đến việc rơle trip.
Hình 2.10 Sơ đồ đặc tính R-X cho rơle khoảng cách R1 Điểm 1 chỉ chế độ vận hành bình thường, điểm 2 chỉ chế độ vận hành sự cố trên đường dây
Luôn có sự không chính xác trong thông số liên quan tới hệ thống bảo vệ
Tổng trở của đường dây có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và sự méo mó của điện áp phân cực Do đó, vùng bảo vệ của rơle không thể bao quát toàn bộ đường dây, vì nếu vùng bảo vệ của rơle R1 bao trùm toàn bộ đường dây, sẽ dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng.
Dây 21 có khả năng cắt nhanh chóng sự cố gần đường dây, dẫn đến mất chọn lọc Thông thường, khu vực vận hành chỉ bao phủ 80%-85% đường dây Để bảo vệ toàn bộ hệ thống, các khu vực bổ sung với độ trễ thời gian lớn hơn được áp dụng.
Hình 2.11 Độ dài vận hành của các zone khác nhau trong rơle khoảng cách
Zone 1 thường được cài đặt với 80% độ dài của đường dây, trong khi Zone 2 được cài đặt ở mức 120% độ dài đường dây Đối với Zone 3, cài đặt cũng là 120%, bao gồm cả dây được bảo vệ và dây dài nhất sau đó.
2.2.2 Đặc tính bảo vệ khoảng cách
Hình dạng của đặc tính bảo vệ khoảng cách phát triển qua từng năm Hình
3.15 bao gồm các đặc tính bảo vệ khác nhau:
Hình 2.12 Sự phát triển của bảo vệ khoảng cách qua sự thay đổi của đặc tính bảo vệ
2.2.3 Ảnh hưởng của điện trở hồ quang tới tổng trở khoảng cách
Hầu hết các sự cố trên đường dây đều liên quan đến hồ quang khi xảy ra ngắn mạch, và điện trở hồ quang có ảnh hưởng lớn đến tổng trở từ rơle tới điểm sự cố.
Điểm làm việc dịch sang phía trục R thêm 1 đoạn giá trị bằng điện trở hồ quang, được tính theo công thức kinh nghiệm của Warrington.
Trong đó, L(m) là độ dài hồ quang
I(A) là độ lớn dòng ngắn mạch
Hình 2.13 Ảnh hưởng của điện trở hồ quang tới điểm làm việc của rơle khoảng cách
2.2.4 Ảnh hưởng của nguồn đối diện
Hình 2.14 Ngắn mạch ở đường dây truyền tải
Tất cả lưới điện truyền tải và bán truyền tải hoạt động dưới dạng lưới kín Khi xảy ra sự cố giữa các đường dây, dòng điện ngắn mạch sẽ chảy từ các đầu đường dây vào điểm ngắn mạch, dẫn đến sự thay đổi tổng trở ngắn mạch đo được của rơle ở các đầu đường dây so với tổng trở thực tế.
Tổng trở tăng lên so với tổng trở dây từ điểm đầu dây tới điểm sự cố ảnh hưởng đáng kể đến tổng trở ngắn mạch mà rơle nhận thấy Do đó, cần mở rộng vùng bảo vệ sang phía R để cải thiện chức năng bảo vệ khoảng cách.
Thỉnh thoảng, tổng trở của tải có thể rơi vào vùng bảo vệ mà không gặp sự cố nào Hiện tượng này được gọi là chồng lấn tải, xảy ra khi đã loại trừ các sự cố bên ngoài và tải lớn dòng điện đi qua đường dây.
Hình 2.15 Hiện tượng chồng lấn tải và hình đặc tính khi đã xét loại trừ vùng có tải
Việc áp dụng tính năng loại trừ vùng chồng lấn tải là rất quan trọng cho các đường dây dài có tải nặng, nhằm tránh xung đột giữa nhu cầu truyền tải và độ nhạy bảo vệ khoảng cách Chức năng này hoạt động hiệu quả hơn trên các đường dây vừa và tải nặng, trong khi với đường dây ngắn, vấn đề chồng lấn tải không còn đáng lo ngại Người dùng có thể tùy chọn bật hoặc tắt tính năng này, nhưng với đường dây ngắn, cần chú ý đến việc đảm bảo đủ điện trở sự cố Độ dài của đường dây được xác định dựa trên hệ số SIR (source impedance ratio), được tính bằng tổng trở nguồn chia cho tổng trở đường dây, với các phân loại như sau: SIR < 0.5 cho đường dây dài, 0.5 < SIR < 4 cho đường dây trung bình, và SIR > 4 cho đường dây ngắn.
Bảo vệ quá dòng điện
Có 3 dạng cho bảo vệ quá dòng: ngắn mạch (quá dòng pha), chạm đất và quá tải Nguyên lý làm việc cho bảo vệ quá dòng là dòng điện nhìn bởi rơle với dòng điện cài đặt Khi dòng điện vượt khởi giá trị cài đặt, rơle sẽ vận hành gửi trip tới máy cắt Có kiểu cắt nhanh và cắt có thời gian trễ trong bảo vệ quá dòng
Bảo vệ quá dòng mang lại lợi ích về sự đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao Tuy nhiên, phương pháp này không có tính chọn lọc khi áp dụng cho cấu hình đường dây lưới kín Để khắc phục điều này, rơle hiện đại được trang bị chức năng phát hiện hướng dòng điện, nhằm nâng cao tính chọn lọc trong bảo vệ quá dòng.
2.3.1 Bảo vệ quá dòng pha
Trong các tình huống sự cố, dòng điện thường có xu hướng tăng lên đáng kể so với mức vận hành bình thường Sự gia tăng này không chỉ là dấu hiệu của sự cố mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các vấn đề trong hệ thống điện.
Để bảo vệ quá dòng pha hiệu quả, rơle quá dòng R1, R2, R3 cần đảm bảo rằng dòng vận hành nhận được lớn hơn giá trị dòng quá tải tối đa Điều này đồng nghĩa với việc dòng điện vận hành bình thường phải luôn nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất Để tính toán dòng ngắn mạch nhỏ nhất, có thể thực hiện bằng cách xác định dòng ngắn mạch pha-pha tại đầu dây xa nhất, với điều kiện nguồn đầu dây có công suất ngắn mạch tối thiểu.
Để tăng tính chọn lọc cho các rơle bảo vệ quá dòng, cần phối hợp thời gian cài đặt giữa chúng Rơle bus xa nhất có thời gian tác động ngắn nhất, trong khi các rơle phía trước sẽ có độ trễ tác động tăng dần Đặc tính thời gian này được gọi là đặc tính thời gian độc lập Tuy nhiên, thường thì đặc tính thời gian phụ thuộc được sử dụng cho rơle bảo vệ quá dòng.
Với đặc tính thời gian phụ thuộc, dòng vận hành càng lớn thì thời gian tác động càng nhỏ
Hình 2.17 Phối hợp đặc tính thời gian bảo vệ giữa các rơle bảo vệ quá dòng pha
Bảo vệ quá dòng pha có nhược điểm là cần điều chỉnh giá trị dòng cài đặt khi điều kiện vận hành thay đổi Tại những vị trí có nguồn yếu, dòng điện ngắn mạch thường thấp, dẫn đến khả năng rơle tác động nhầm khi dòng điện lớn do công suất phản kháng gây ra, đặc biệt trong tình huống mất ổn định điện áp hoặc dao động công suất Hơn nữa, trong hệ thống truyền tải dạng lưới kín phức tạp, bảo vệ quá dòng pha không đáp ứng đủ yêu cầu.
25 năng làm việc chọn lọc Vì thế, rơle bảo vệ quá dòng pha thường là bảo vệ chính cho lưới phân phối có cấu trúc đơn giản
Hình 2.18 Đặc tính thời gian phụ thuộc theo IEC
2.3.2 Bảo vệ quá dòng chạm đất
Hệ thống điện hoạt động bình thường luôn duy trì sự cân bằng và đối xứng của dòng điện 3 pha, dẫn đến dòng chạm đất thường rất nhỏ Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố chạm đất, dòng chạm đất có thể tăng lên đáng kể Điều này khiến dòng điện thứ tự không thể được sử dụng để phát hiện loại sự cố này Một trong những ưu điểm chính của bảo vệ quá dòng chạm đất là dòng thứ tự không nhạy cảm với dòng tải, nghĩa là ngay cả khi dòng tải lớn, sự cố chạm đất vẫn có thể có dòng thứ tự không lớn.
Thành phần dòng thứ tự không thể đo được qua kết nối đặc biệt của các máy biến dòng, như thể hiện trong hình 2.19 Một số rơle hiện đại cho phép tính toán dòng chạm đất bằng tổng đại số của ba dòng pha Nguyên lý hoạt động của bảo vệ là so sánh dòng chạm đất với dòng cài đặt, trong đó đặc tính thời gian có thể độc lập hoặc phụ thuộc Tại Thụy Điển, chức năng bảo vệ quá dòng chạm đất có hướng được xem là một trong những bảo vệ quan trọng nhất Đặc tính bảo vệ cho đường dây truyền tải tại Thụy Điển được minh họa trong hình 2.20.
Hình 2.19 Kết nối máy biến dòng cho bảo vệ quá dòng chạm đất
Hình 2.20 Bốn đường đặc tính bảo vệ quá dòng chạm đất của Thụy Điển
Bên cạnh việc bảo vệ quá dòng pha và quá dòng chạm đất, còn có cơ chế bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch liên quan đến đại lượng I2.
Chức năng bảo vệ quá tải tương tự như chức năng bảo vệ quá dòng pha, nhưng có sự khác biệt ở giá trị dòng cài đặt và thời gian trễ Cụ thể, dòng cài đặt cho bảo vệ quá tải thường lớn hơn từ 10% đến 50% so với giá trị định mức, trong khi thời gian trễ thường kéo dài nhiều giây.
Bảo vệ quá tải hoạt động hiệu quả trong các điều kiện đường dây chịu áp lực từ dòng điện lớn Chẳng hạn, khi đường dây có dòng công suất phản kháng lớn do mất ổn định điện áp, điều này có thể dẫn đến việc trip Mặc dù đây là hành vi không mong muốn, nhưng rơle bảo vệ vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ đường dây khỏi tổn hại do quá tải.
2.3.4 Bảo vệ quá dòng có hướng
Bảo vệ quá dòng thông thường không hiệu quả cho hệ thống truyền tải lưới kín phức tạp do thiếu tính chọn lọc Để nâng cao tính chọn lọc, cần áp dụng chức năng bảo vệ quá dòng có hướng, bao gồm cả bảo vệ quá dòng pha.
27 quá dòng chạm đất, quá dòng thứ tự nghịch)+ chức năng phát hiện hướng dòng điện
Chức năng định hướng dòng điện sử dụng điện áp làm tham chiếu để xác định hướng dòng điện Bằng cách phân tích góc pha của điện áp và dòng điện, ta có thể xác định được hướng thuận hoặc nghịch của dòng điện Rơle hiện đại có khả năng ghi nhớ điện áp gần thời điểm xảy ra sự cố khi điện áp giảm do ngắn mạch, giúp xác định hướng công suất Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống bảo vệ quá dòng có hướng là yêu cầu thêm chi phí cho biến điện áp.
Hình 2.21 Đặc tính định hướng dòng dựa vào góc của điện áp và dòng điện tham chiếu
Bảo vệ điện áp 27/59
Rơle sẽ tác động nếu điện áp đo được quá thấp hoặc quá cao Điện áp cài đặt cho chức năng bảo vệ điện áp là:
(%)>100% là giá trị điện áp phần trăm so với định mức cài đặt cho bảo vệ quá áp U( )% UBase(kV)
(%)