Sơ đồ bảo vệ trạm

Sơ đồ bảo vệ trạm

CHƯƠNG 4

SƠ ĐỒ BẢO VỆ TRẠM

3.1 YÊU CẦU CHUNG

Mục tiêu bảo vệ trong ngành năng lượng điện là đảm bảo an toàn cho người, bảo vệ chống những mối nguy hiểm hoặc hư hại tài sản, nhà máy và các thiết bị.

Có thể sắp xếp các mục tiêu này như sau:

•Bảo vệ ngưới và vật chống nguy hiểm do qúa điện áp và điên giật cháy nổ và hơi độc v.v…

•Bảo vệ nhà máy thiết bị và các thành phần kháctrong hệ thống điện chống nguy hiểm do ngắn mạch, sét đánh trực tiếp và sự không ổn định hệ thống ( mất đồng bộ)v.v…

•Bảo vệ người và nhà máy không bị nguy hiểm do vận hành sai hệ thống điện bằng cách sử dụng các khoá liên động cơ hay điện Tất cả các thiết bị đóng cắt(gồm cả bộ chỉnh đầu phân áp máy biền áp)phải có các giới hạn vận hành rõ ràng, có nghĩa là thứ tự thao tác của các thiết bị đóng tắt khác nhau để đảm bảo an toàn khi đóng hay mơ ûphải được tuân thủn ghiêm ngặt Các khoá liên động và các mạch điện điều khiển tương tự thường dùng để đảm bảo các thao tác vận hành theo thứ tự chính xác

3.2.1 Bảo vệ chống điện giật

Biện pháp bảo vệ chống điện giật nhằm loại trừ các mối nguy hiểm dẫn đến do : + Chạm trực tiếp vào dây mang điện

+ Chạm gián tiếp(chạmvào vỏ thiết bị bị hư cách điện) + Đi vào vùng có dòng chạy vào đất.

+ Tiếp xúc vào vỏ thiết bị đặt trong vùng có đường phân bố thế

1-Bảo vệ chống điện giật do chạm trực tiếp

Biện pháp chủ yếu chống chạm điện trực tiếp là đặt tất cả phần dẫn điện trong vỏ bọc cách

điện hoặc ngoài tầm với tới(đặt sau rào chắn cách điện hoặc trên cao) hoặc dùng vật chắn.

Khi các thiết bị như máy biến áp,động cơ,các thiết bị điện dân dụng khác có phần vỏ bằng kim loại,vỏ kim loại này sẽ được nối vào dây nối đất bảo vệ của mạng điện.Đối với thiết bị gia dụng hạ áp,điều này được thực hiện bằng ổ cắm ba chấu

2 Bảo vệ chống điện giật do chạm gián tiếp

Người chạm vào vỏ thiết bị bị chạm(hỏng cách điện) là chạm điện gián tiếp Lúc này sẽ xuất hiện dòng đi qua người, song song với dòng rò đi trong dây nối đất vỏ các thiết bị.

Trong mạng hạ áp, các thiết bị cho thấy rằng nếu điện áp so với đất<=50V ở nơi khô ráo, hoặc 25V nơi ẩm ướt như phòng tắm sẽ không gây nguy hiểm.

Trong mạng cao và trung áp không thể giảm điện áp so với đất của các vỏ thiết bị khi có hiện tượng chạm vỏ xuống thấp hơn 50V bằng cách thực hiện các điện cực nối đất,mà phải thực hiện lưới đẳng thế.

3.2.2-Bảo vệ chống qúa điện áp

Qúa điện áp có thể xảy ra do hư hỏng cách điện phía trung thế làm xuất hiện điện áp thứ cấp

Ngoài ra còn có thề kể một số tình trạng sau: -Sóng qúa điện áp khí quyển

-Chạm đất một pha trong mạngù trung tính không nối đất hoặc nối đất qua điện trở lớn -Cộng hưởng sắt từ.

-Đóng bộ tụ bù.

-Cắt ngắn mạch bằng máy cắt hay đứt cầu chì Qúa điện áp được phâm loại theo tính chất sau:

-Theo thời gian tồn tại: lâu dài, qúa độ, nhất thời(thoáng qua)

-Theo tần số: tần số hệ thống, tần số sóng hài, tần số cao, sóng một hướng(unidirectional).

1.Qúa điện áp khí quyển:

Bảo vệ chống dạng qúa điện áp này phải được thực hiện khi trạm được cấp nguồn trực tiếp bằng đường dây trên không Biện pháp thường sử dụng nhất là thiết bị chống sét (Lightning Arrestor-LA) ,thực chất là các điện trở phi tuyến Các LA được nối song song từ các dây pha xuống đất(hệ thống nối đất của trạm) và đặt càng gần điểm vào trạm càng tốt.

Đối với các trạm biến áp khách hàng, bảo vệ này được thực hiện nhờ:

+ LA (đặt trên từng pha) và đôi khi các LA này được mắc nối tiếp với một thiết bị để tác động tự động cắt máy cắt

+ Giảm điện trở nối đất của trạm xuống mức thấp nhất có thể để tránh hiện tượng chọc thủng cách điện phía hạ do việc tăng điện thế của hệ thống nối đất khi có dòng điện xung sét đi vào đất.

Để tránh sét đánh trực tiếp, nên sử dụng điện cực phóng điện (loại Franklin) hoặc dây chống sét nối vào hệ thống nối đất của trạm.

Chú ý rằng đối với cấp điện áp U<=35kv, sóng điện áp xuất hiện do sự đóng cắt các máy cắt ít nguy hiểm hơn xung xét vì vậy các thiết bị bảo vệ sét cảm ứng có thể đảm bảo chống xung qúa điện áp do đóng cắt.

2 Sự cố chạm đất trong mạng trung tính không nối đất hay nối đất qua điện trở lớn (mạng IT)

Trong tình trạng làm việc bình thường, các pha đều có cùng điện thế so với đất và bằng điện áp pha Giá trị này phụ thuộc vào điện dung và điện trở cách điện của các dây pha so với đất Khi hệ thống không có sự cố, các thông số này là bằng nhau cho cả 3 pha và điểm trung tính của thứ cấp máy biến áp sẽ có thể xấp xỉ bằng không so với đất.

Khi một pha bị chạm đất, điện áp giữûa các pha không đổi, điện áp các pha so với đất sẽ thay đổi Sự bảo toàn vectơ điện áp dây và dòng chạm đất có trị số nhỏ làm cho mạng IT được áp dụng ở những nơi cần đảm bảo liên tục cung cấp điện ngay cả khi có chạm đất một điểm.

Chú ý: Khi có chạm đất một điểm trong mạng IT và điểm trung tính của máy biến áp cách ly:

-Thế của trung tính sẽ tăng lên bằng điện áp pha so với đất -Điện áp pha bị sự cố sẽ bằng không so với đất;

-Điện áp pha không bị sự cố tăng lên 3 lần so với điện áp pha so với đất.

Do các thiết bị như máy biến áp, cáp và các thiết bị khác phải có mức cách điện bằng 3 Upha so với đất khi được sử dụng ở mạng IT điện trởcách điện dung dẫncủa dây

N

Hình 3.1 Sự cố chạm đất trong mạng IT

3 Cộng hưởng sắt từ

Đây là hiện tượng tự phát, nó xảy ra do tác động phức tạp giữa điện dung nội tại trong hệ thống và cảm kháng phi tuyến của máy biến áp hay cuộn kháng phụ thuộc phi tuyến theo điện áp khi mạch từ của các thiết bị này ở trạng thái bão hoà từ cao(do sự cố hay vận hành không bình thường) Hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra ở nhiều tần số khác nhau, và có thể là cộng hưởng nối tiếp hay song song.

Ngoài ra, cộng hưởng còn có thể xảy ra trên 1 hoặc 2 hay ở cả 3 pha của hệ thống.

Tất cả các máy biến áp của hệ thống đều bị ảnh hưởng, kể cả các máy biến áp đo lường(voltage transformater VT) VT kiểu tụ đặc biệt dễ gây cộng hưởng ở sóng hài bậc phụ(1/3 tần số cơ bản) VT kiểu điện từ( rất thường dùng ở trung thế) tránh được khả năng cộng hưởng trên do:

+ Lõi của các VT được thiết kế để làm việc ở ức độ có mật độ trừ thông thấp + Có các điện trở cản thứ cấp hoặc tam cấp của VT.

tình trạng điện áp và dòng chạykhi có sự cố chạm đất trên hệ

Ngoài khả năng cung cấp tín hiệu đo lường sai do hiện tượng cộng hưởng, các VT còn có thể bị qúa áp lâu dài.

Hình 3.2 Giản đồ vectơ trình bày sự dịch chuyển điểm trung tính do hiện tượng cộng hưởng sắt từ ở tần số công nghiệp

Ngoài các điều lưu ý nói trên, tình trạng sau đây có thể xuất hiện Điều này liên quan đến kiểu mạng IT, trung tính cóø thể bị dịch ( so với đất) do đó địên áp của các pha có thể tăng giá trị vượt Upha (xem hình 3.2) Điều kiện bão hoà 2 trong 3 lõi sắt của VT loại 1 pha(xem hình 3.3), có thể do qúa áp tạm thời như đã mô tả trong hình 3.1(như ngắn mạch thoáng qua do chim chóc, cành cây,do gió thổiv.v…)

Sự qúa áp làm bão hoà hai lõi sắt của VT một pha do đó sẽ tạo ra điện cảm phi tuyến có già trị thấp hơn giá trị bình thường.

Sự kết hợp song song giữa điện dung pha-đấtvà điện cảnm pha đất trong điều kiện làm việc bình thường được xem như một điện dungK cì giá trị dung kháng nhỏ hơn giá trị cảm kháng Khi hai VT một pha bị bão hoà, sự kết hợp này sẽ biến trị số điện dung K thành điện cảm H trên hai

a mạch khi bình thường

ở tần số hệ thống bình thường

X > X ở tần số cộng hưởngH K

Hình 3.3 Mạch tương đương ở điều kiện cộng hưởng sắt từ

Trên hình 3.3(a 1)ba điện kháng và ba dung kháng nối tiếp theo hình Y độc lập nhau nên không có dòng chạy quẩn giữa chúng với nhau.

Trên hình 3.3(b2) có thể thấy rằng hai điện cảm và một điện dung liên kết thành một nhóm 3 pha không cân bằng điểm chung là đất.Do đó với tải ba pha không cân bằng, mạng 3 pha nối Y sẽ có trung tính thả nổi và trong trường hợp này trung tính sẽ bị lệch so với đất.

Lưu ý vectơ biểu diễn ở hình 3.2 là gần đúng, nhưng đủ hữu ích, mô tả cho hiện tượng thực tế vì cùng biểu diễn các sóng hài dòng và áp Tuy nhiên, trong điều kiện cộng hưởng ở tần số 50Hz(60Hz), các giá trị tần số công nghiệp chiếm ưu thế Do vậy, đặc tính mạch chủ yếu tuân theo các đại lượng tần số công nghiệp và cho sự biểu diễn xấp xỉ bằng vectơ.

3.3 BẢO VỆ ĐIỆN

Mạng điện và các thiết trong trạm phải được bảo vệ sao cho tình trạng qúa dòng và áp phải được nhanh chóng loại ra khỏi hệ thống trước khi gây ra nguy hiểm và hư hỏng Các thiết bị sử dụng trong trạm biến áp có các định mức về khả năng chịu qúa dòng và qúa áp trong khoảng thời gian rất ngắn , vì vậy các quy tắc bảo vệ là để đảm bảo các mức chịu đựng và không bị vượt qúa.Tổng quát , điều này có nghĩa là các tình trạng sự cố phải được xoá nhanh tới mức cò thể,trong giới hạn cho phép, nhằm đạt độ tin cậy cao nhất.

Qúa dòng do qúa tải thường cho phép kéo dài lâu hơn qúa dòng do ngắn mạch và thiết bị bảo vệ được thiết kế làm việc theo sự tăng tốc độ tăng của dòng (ví dụ đặc tuyến thời gian-nghịch/dòng của rơle qúa dòng).

Ngoài bảo vệ qúa áp như đã trình bày trong mục trước, các bảo vệ về điện được cung cấp để tránh các tình trạng sau:

-Qúa tải (có nghĩa dòng tăng cao nhưng không phải do sự cố ngắn mạch); -Sự cố máy biến áp;

-Ngắn mạch giữa các pha; -Ngắn mạch chạm đất Thường được bảo vệ bằng: -CB đầu ra máy biến áp;

-Các thiết bị kiễm tra lắp sẵn trong máy biến áp;

-Máy cắt hay cầu chì(có hoặc không kết hợp với LBS)phía sơ cấp của MBA.

Việc chọn các bảo vệ thích hợp phụ thuộc tính chất của trạm được bảo vệ và các thiết bị bảo vệ phía trung áp phải phối hợp bảo vệ với phía hạ áp.

1 Bảo vệ qúa tải

Qúa tải thường là do nhu cầu ngẫu nhiên của một số các phụ tải nhỏ,do sự tăng nhu cầu phụ tải của mạng ,do mở rộng xí nghiệp, công trình v v Sự tăng tải làm tăng nhiệt độ của các dây dẫn và của máy biến áp.

Khi nhiệt độ vượt qúa giới hạn cho phép của thiết bị, nó sẽ làm tăng tốc độ già cỗi của cách điện,giảm tuổi thọ của thiết bị Thiết bị chống qúa tải thường được đặt ở phía sau máy biến áp đối với trạm biến áp khách hàng,nhưng thường được đặt ở phía trước các trạm biến áp công cộng.

Đối với máy biến áp:Bảo vệ chống qúa tải được thực hiện bằng cách sử dụng rơle qúa tải

có trễ (hoặc là loại rơle nhiệt có thanh lưỡng kim hoặc thiết bị điện tử).Bảo vệ này sẽ tác động cắt

mạch phía đầu ra của máy biến áp.Thời gian trễ này nhằm bảo đảm không cắt nhầm máy biến áp trong trường hợp qúa tải ngắn hạn.

Các hình thức bảo vệ khác:

+ Đối với loại máy biến áp kiểu treo,rơle nhiệt thường được sử dụng.Các rơle này cảm nhận nhiệt độ cuộn dây MBA với mức chính xác đủ để đảm bảo an toàn cho cách điện;

+ Đối với máy biến áp khô sẽ sử dụng bộ cảm biến nhiệt độ được cài ở phần nóng nhất của cách điện các cuộn dây để báo tín hiệu và tác động cắt máy biến áp.

+ Các máy biến áp làm mát bằng dầu có công suất lớn thường có các thermostat với hai chỉ số đặt,một để báo tín hiệu và một để cắt máy biến áp.

2.Bảo vệ sự cố máy biến áp

Bảo vệ máy biến áp chống các dạng sự cố bên trong thùng dầu máy biến áp được thực hiện đối với máy biến áp có thùng dầu phụ và thường sử dụng rơle cơ loại Buchholz Các rơle này có thể kiễm tra sự tích tụ chậm hơi do dầu máy biến áp bốc do hồ quang xuất hiện chỗ chạm các cuộn dây do hư hỏng cách điện, hoặc do sự xâm nhập của không khí khi dầu bị rò.

Rơle hơi mức một thường cho tín hiệu báo động ,mức hai sẽ tác động cắt máy cắt phía sơ cấp.

Khả năng kiễm tra đột biến về sự bốc hơi của dầu máy biến áp trong rơle Buchholz cho phép cắt máy cắt nằm phía sơ cấp máy biến áp một cách tức thời nếu xung dầu xảy ra trong ống nối thùng dầu phụ và chính.

Sự đột biến về xung do dịch chuyển dầu chỉ có thể xảy ra do sự tạo bọt khí gây ra bởi hồ quang dòng ngắn mạch trong dầu.

Tất cả máy biến áp đều được lắp vài loại rơle bổ sung loại qúa áp suất nhằm giới hạn sự tăng áp suất dầu tới mức lớn có thể gây phá hủy thùng máy biến áp.

Với loại máy biến áp công suất lớn≥10MVA hiện nay, hệ thống tản nhiệt,làm mát được thiết kế kiểu đối lưu Do đó sự dãn dầu sẽ không gây nên tăng áp suất, nhờ các cánh tản nhiệt(xem hình 3.4).Trong trường hợp này rơle hơi kiểu Buchholz không áp dụng được,mà phải sử dụng thiết bị bảo vệ “DGPT” gồm các chức năng:

-Kiểm tra lượng hơi bốc ra; -Kiểm tra qúa áp suất; -Kiểm tra quá nhiệt độ.

Hai điều kiện đầu sẽ tác động máy cắt phía sơ cấp biến áp còn điều kiện thứ b asẽ cắt máy cắt phía thứ cấp.

Hình 3.4 Máy biến áp đầy dầu

3.Bảo vệ ngắn mạch

Ngắn mạch có thể xảy ra giữa các dây pha , pha-đất, hoặc giữa 3 pha.Sự cố ngắn mạch giữa cuộn dây sơ và cuộn dây thứ sẽ tạo thành dạng ngắn mạch chạm đất đối với cuộn dây sơ nếu cuộn dây thứ nối đất(thường rất phổ biến).Khi cuộn hạ áp của máy biến áp nối sao có trung tính không nối đất,máy biến áp cung cấp điện cho mạng kiểu IT thường có thiết bị bảo vệ chống qúa địên áp.Thiết bị này sẽ có tác động để nối trung tính cuộn hạ của máy biến áp trực tiếp xuống đất.Sự cố chạm đất phía cuộn dây sơ cấp có thể gây nguy hiểm do điện áp lan truyền sinh ra …Vì lý do này,bảo vệ chóng chạm đất có độ nhạy và tốc độ cao được coi là tiêu chuẩn đối với phía sơ cấp của máy biến áp phân phối công cộng và biến áp phân phối khách hàng.Sơ đồ trên hình 3.5 có thể áp dụng đối với máy biến áp có cuộn sơ cấp nối tam giác hoặc sao trung tính không nối đất Sơ đồ này được gọi là”Bảo vệ chống chạm đất có giới hạn”(Restricted Earth Fault-REF).

Sơ đồ REF sẽ phát hiện sự cố chạm đất chỉ khi nào có sự cố này xảy ra ở cuộn sơ cấp hay ở phía sau của biến dòng tới đầu cuộn dây.

Ưu điểm của sơ đồ bảo vệ này là: + Đơn giản và giá lắp đặt thấp; + Tác động tức thời;

+ Độ nhạy cao;

+ Hạn chế tới mức thấp nhất mối nguy hiểm của điện áp lan truyền(do tác động cắt mạch tức thời);

+ Không cần phải phối hợp với các bảo vệ phía sau:sự cố chạm đất xảy ra phía hạ áp coi như ngắn mạch trên pha-pha phía sơ cấp.Do đó,bảo vệ REF sẽ không làm việc

Thường trên mạng công cộng không có máy cắt phía hạ áp (CB) mà chỉ đơn giản là cầu dao phụ tải LBS(Load break switch).Rơle bảỏ vệ qúa dòng(chỉ cần 2 bộ)được nối nối tiếp với các biến dòng trên mạch nối REF ,như hình vẽ phần đứt nét ở trên hình 3.5.Những rơle qúa dòng này đảm bảo nhiệm vụ chống ngắn mạch và qúa tải phía sau của máy biến dòng.Tuy nhiên cần phải phối hợp chặt chẽ với các thiết bị bảo vệ qúa dòng phía hạ áp.

Ghi chú:

Khi dòng ngắn mạch đạt trị số thấp,nên đặt 3 rơle qúa dòng vì đối với máy biến áp có tổ đấu dây ∆/Y ,ngắn mạch pha-pha phía hạ áp sẽ cho phân bố dòng trên phía sơ cấp theo tỷ lệ 2:1:1

Do tính hiệu qủa của sơ đồ bảo vệ REF để bảo vệ chống nguy hiễm do sự lan truyền điện áp và do tính đơn giản của sơ đồ,người ta khuyến cáo nên sử dụng sơ đồ này kể cả trong trường hợp phía trung áp có đặt máy cắt.

a Chọn thiết bị bảo vệ đặt phía trước máy biến áp cho trạm biến áp

Theo tiêu chuẩn của một vài quốc gia ,sự lựa chọn này được thực hiện theo hai trị số dòng điện:

*Dòng chuẩn I , giá trị của nó sẽ là:b

+ Nếu được đo phía thứ cấp,đây sẽ là dòng định mức thông thườnh của máy biến áp; + Nếu được đo phía sơ cấp,dòng này sẽ là tổng của dòng định mức thông thường của máy biến áp và của các máy móc khác làm việc ở mức điện áp trung áp khác (ví dụ các động cơ,v v), giá trị nhỏ nhất của dòng ngắn mạch 3 pha trung áp tại điểm lắp đặt.

Khi dòng chuần nhỏ hơn 45A và chỉ có môt máy biến áp, có thể thực hiện bảo vệ bằng cầu chì hoặc máy cắt.

Khi dòng chuẩn bằng hoặc lớn hơn 45A hoặc khi có nhiều máy biến áp ,sẽ cần phải sử dụng máy cắt để thực hiện nhiệm vụ bảo vệ.

Căn cứ theo dòng đầy tải phía sơ cấp của máy biến áp xét theo điều kiện <45A,trị số định mức kVA chuẩn của các máy biến áp theo tiêu chuẩn IEC được cho trong bảng 3.6.

Bảng 3.6 :Công suất giới hạn của các máy biến áp khi dòng sơ cấp tối đa không vượt qúa 45A Điện áp sơ cấp(kV) Công suất tối đa của máy biến áp

theotiêu chuẩn IEC(kVA)

b.Bảo vệ bằng cầu chì

Mối liên quan giữa dòng chuẩn Ib,dòng định mức của cầu chì In và dòng ngắn mạch phía sơ cấp của máy biến áp Ic được xác định theo tiêu chuẩn quốc gia và có thể theo quan hệ sau:

-Khi trạm chỉ có một máy biến áp,dòng định mức của cầu chì In phải thỏa mãn các quan hệ sau:

Ở đây In là dòng định mức của cầu chì, Ib là dòng định mức sơ cấp của biến áp,Ic là dòng nhỏ nhất phía sơ cấp khi có ngắn mạch trên đầu cuộn thứ cấp

-Khi trạm được cung cấp bằng đường dây trên không ,hoặc khi mạng hạ áp rất nhạy với điều kiện áp bị mất đối xứng(khi mạng có nhiều tải động cơ ba pha,khi xảy ra hư hỏng của một cầu chì nên

cắt cả ba pha nhờ tác động của hệ thống tự động cắt mạch của LBS trung áp, (ví dụ tổ hợp dao cắt- cầu chì).

Cần chú ý là sau khi có một hoặc vài cầu chì tác động cắt ngắn mạch hoặc qúa tải,cả ba cầu chì trên ba pha nên được thay vì có thể các cầu chì không đứt trong qúa trình xảy ra sự cố đã bị xuống cấp do phải chịu dòng điện lớn đi qua

Dòng định mức(A) của cầu chì trung thế để bảo vệ máy biến áp theo tiêu chuẩn IEC