Bảo vệ số lệch máy biến áp part5 pot

• Khối xử lý: Bên cạnh việc giám sát giá trị đo, nó cần thực hiện các chức năng sau: - Xử lý các đại lượng sao cho phù hợp với tổ nối dây của MBA, phù hợp với tỷ số biến đổi của MBA được

giá trị tương tự thích hợp, khi đó được đưa sang phần tiếp nhận các giá trị vào tương tự AE

Việc điều chỉnh cho phù hợp với MBA có công suất và tổ nối dây khác nhau và các tỉ số biến dòng khác được thực hiện bằng toán học hoàn toàn Thường thường không đòi hỏi biến dòng trung gian

• Khối AE làm nhiệm vụ: Khếch đại, lấy mẫu, và lưu giữ các đại lượng đầu vào, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và đưa tới khối xử lý

• Khối xử lý: Bên cạnh việc giám sát giá trị đo, nó cần thực hiện các chức năng sau:

- Xử lý các đại lượng sao cho phù hợp với tổ nối dây của MBA, phù hợp với tỷ số biến đổi của MBA được bảo vệ và các biến dòng

- Tính toán các giá trị đo như thành phần dòng điện so lệch và dòng điện lấy mẫu

- Phân tích tần số các đại lượng đo

- Tình toán các giá trị hiệu dụng của dòng điện phục vụ cho bảo vệ quá tải

và kiểm tra độ tăng nhiệt của cuộn dây

- Kiểm soát các giá trị giới hạn và thứ tự thời gian

- Đưa ra các lệnh cắt

- Lưu giữ và đưa ra các thông số sự cố phục vụ cho việc tính toán và phân tích sự cố

Các đầu vào nhị phân đến và đi từ bộ vi xử lý qua các kênh vào và ra Từ các kênh này bộ vi xử lý nhận thông tin từ các bộ chuyển mạch (giải trừ từ xa) hoặc từ các thiết bị khác (như tín hiệu khóa) Các đầu ra thông thường bao gồm các lệnh cắt cho MC, tín hiệu biểu thị cho các sự kiện và trạng thái quan trọng

được hiểu thị thông qua các đèn LED và chỉ số ở màn hiển thị trước rơle

Rơle cũng được trang bị một bàn phím tích hợp được kết nối với màn hiển thị tinh thể lỏng Tất cả các số liệu vận hành như: các giá trị đặt, thông số thiết bị vv…được đưa vào thông qua bàn phím này Từ bàn phím, có thể được gọi ra các thông số cần thiết cho việc đánh giá sự cố khi có sự cố xảy ra

Việc giao tiếp với rơle có thể được thực hiện thông qua cổng nối tiếp ở mặt trước rơle bằng bảng vận hành hoặc bằng máy tính cá nhân PC

Các khối chức năng của rơle được cung cấp bởi nguồn điện áp 1 chiều 24V cho các rơle đầu ra, ±15V cho đầu vào tương tự, trong khi bộ vi xử lý và các thiết bị trong chuyển của nó dùng nguồn 5V

3/ Nguyên lý của bảo vệ so lệch máy biến áp

3.1/ Nguyên lý đo

Bảo vệ so lệch dựa trên nguyên tắc so sánh dòng điện giữa hai đầu của một phần tử bảo vệ có sơ đồ như hình vẽ

Hình 3 - 2: Nguyên lý cơ bản của bảo vệ so lệch

Theo sơ đồ trên thì dòng điện qua rơle (87) bằng IR=i1 - i2

Dòng IR: Gọi là dòng so lệch nó bằng hiệu số dòng điện thứ cấp ở hai đầu của cùng một phần tử được bảo vệ

Trong điều kiện bình thường cũng như ngắn mạch ngoài (điểm N2) không

có dòng chảy qua (87) tức IR = 0

Còn khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ (vùng bảo vệ là vùng nằm giữa các máy biến dòng của sơ đồ bảo vệ so lệch) điểm N1, khi đó dòng i2 đổi chiều, lúc này dòng tổng qua rơle là: IR = i1+i2 (3-1)

Nếu dòng điện này đủ lớn thì rơle sẽ tác động loại bỏ sự cố

3.2/ Làm phù hợp các giá trị đo được

Trong máy biến áp thông thường các dòng thứ cấp của các BI không bằng nhau khi có dòng chảy qua máy biến áp, nó phụ thuộc vào tỉ số biến đổi, tổ nối dây của máy biến áp và dòng định mức của các biến dòng ở hai đầu máy biến áp Vì vậy cần phải làm phù hợp các giá trị dòng điện này để có thể so sánh được

Việc điều chỉnh cho phù hợp với các máy biến áp có công suất và tổ đấu dây khác nhau, tỉ số biến dòng khác nhau (cho bảo vệ máy biến áp) được thực hiện bằng toán học hoàn toàn, thông thường nó không đòi hỏi biến dòng trung gian

Các dòng đưa vào được chuyển đổi theo dòng định mức của MBA Điều này có được bằng cách đưa các thông số định mức của MBA vào trong rơle như: công suất định mức, điện áp định mức, dòng điện định mức của biến dòng

Vì tổ đấu dây đã được vào nên rơle có khả năng so sánh theo dòng với công thức cố định

Việc chuyển đổi dòng được thực hiện bằng các ma trận hệ số được lập trình mô phỏng các dòng so lệch trong các cuộn dây MBA Tất cả các tổ đấu dây, rơle đều có thể hiểu được (kể khi ta đảo pha)

Hình 3 - 3: Mô tả một ví dụ cho máy biến áp có tổ đấu dây Y(N)d5 Hình

vẽ chỉ ra sơ đồ góc pha của các cuộn dây MBA và phương trình ma trận của chúng

Hình 3 - 3: Minh họa tính ma trận dòng điện MBA tổ nối dây Y(n)/d5

Dạng chung của phương trình này là:

Trong đó: [Im]-Ma trận các dòng IA, IB, IC

k- Là hằng số

[K]-Ma trận hệ số, nó phụ thuộc vào tổ đấu dây MBA

[In]-Ma trận của các dòng điện pha

Bình thường, các dòng thứ tự không được loại trừ (như ma trận bên trái hình 3 - 3) Vì vậy các dòng sự cố chảy qua MBA khi có dòng chạm đất trong hệ thống trong trường hợp có điểm đấu đất bên trong vùng bảo vệ (điểm đấu sao của MBA hoặc trước điểm đấu sao) không có tác dụng mà không có bất cứ biện pháp đặc biệt nào từ bên ngoài (hình 3 - 4)

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

3 2 L1

I 2 1 1

-1 2 1

-1 1 2 3 1

L L C

B A

I

I I

I I

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡ư

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

3 2 L1

I 1 1 0

0 1 1

1 0 1 3 1

L L C

B A

I

I I

I I

Hình 3 - 4: Sự cố chạm đất ngoài vùng bảo vệ

Bất lợi của việc loại trừ dòng thứ tự không là làm cho bảo vệ trở nên kém nhạy hơn trong trường hợp có sự cố chạm đất bên ngoài vùng bảo vệ

Trong hệ thống có trung tính cách ly hoặc bù, không cần thiết phải loại trừ dòng thứ tự không khi điểm đấu sao của MBA không nối đất (không qua cuộn kháng Pertecson) Lúc đó phương trình ma trận cho cuộn đấu sao (Y) là:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

3 2 L1

I 1 0 0

0 1 0

0 0 1 1

L L C

B A

I

I I

I

I

Khi có một sự cố chạm đất kép tại một điểm bên trong vùng bảo vệ, trong trường hợp này MBA luôn được cắt ra, không tính đến sự ưu tiên sự cố chạm đất kép của hệ thống

Dòng thứ tự không phải được loại trừ trong các hệ thống có trung tính nối

đất khi có một điểm đấu sao nằm trong vùng được bảo vệ (điểm đấu sao hoặc trung tính giả nối đất) Độ nhậy sự cố chạm đất cao hơn nếu có dòng điện qua

điểm đấu sao và có biến dòng thứ tự không như hình 3 - 5

Hình 3 - 5: Tăng độ nhậy với sự cố chạm đất

Phương trình ma trận của cuộn dây đấu sao lúc này là:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡ +

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

st st st

L3 L2 L1

I I

I 3 1 I I

I 1 0 0

0 1 0

0 0 1 1 IC IB

IA

(3-4)

Trong đó Ist: Là dòng trung tính của cuộn dây đấu đất

Dòng thứ tự không bị loại trừ khi có sự cố bên ngoài, nhưng có thể nhận

được nếu gặp sự cố bên trong

3.3/ Đánh giá các giá trị đo được

Sau khi các dòng điện được làm phù hợp có tính đến tỷ số bién dòng, nhóm véc tơ và dòng thứ tự không, các đại lượng cần thiết cho bảo vệ so lệch

được tính toán từ IA, IB, IC cho từng cuộn dây

Để đơn giản ta dùng các chỉ số để phân biệt

1: Cho cuộn sơ cấp (có điện áp cao) của máy biến áp

2: Cho cuôn thứ cấp (có điện áp thấp hơn)

3: Cho cuôn dây thứ ba nếu là máy biến áp ba cuộn dây

Trong các hệ thống bảo vệ so lệch cho đối tượng hai phía, một đại lượng hãm thường lấy từ dòng sai lệch I ư1 I2 hoặc từ tổng số học I +1 I2 Cả hai phương pháp đều như nhau ở một số dải thích hợp của đặc tính hãm

Trong các hệ thống bảo vệ so lệch cho các đối tượng được bảo vệ ba phía như máy biến áp ba cuộn dây, việc hãm chỉ có thể được thực hiện với tổng số học I1+ I2+ I3 Phương pháp này được sử dụng trong rơle 7UT51* cho tất cả các

đối tượng được bảo vệ Nó đòi hỏi tạo ra tổng véc tơ và tổng số học cho các dòng

điện cho từng cuộn dây

Ta có dòng điện so lệch:

2 1

I = + cho máy biến áp hai cuộn dây

3 2 1

I = + + cho máy biến áp ba cuộn dây

Còn dòng điện hãm:

2 1

I = + cho máy biến áp hai cuộn dây

3 2 1

I = + + cho máy biến áp ba cuộn dây

Vậy tại sao người ta phải sử dụng dòng điện hãm trong bảo vệ so lệch? vì trên thực tế, do sai số của máy biến dòng đặc biệt do hiện tượng bão hòa của mạch từ, nên trong chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài, các dòng điện phía thứ cấp của hai tổ biến dòng CT1 và CT2 sẽ khác nhau và khi đó:

kcb 2

1 i i i

Dòng không cân bằng ikcb trong một số trường hợp có thể co trị số rất lớn,

đặc biệt khi ngắn mạch ngoài, dòng sự cố qua các biến dòng có thể làm cho chúng bị bão hòa Để ngăn ngừa bảo vệ so lệch có thể làm việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của dòng ikcb người ta thường sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ

bằng dòng điện pha hoặc sử dụng các hài bậc cao (bậc 2, bậc 5) xuất hiện trong quá trình quá độ và khi mạch từ bị bão hòa

Một số trường hợp sự cố có thể xảy ra:

• Trong vận hành bình thường hoặc khi có ngắn mạch ngoài:

Hình 3-6: Sơ đồ bảo vệ so lệch MBA

Dòng I2 đảo chiều vì vậy nó đổi dấu

Bảo vệ sẽ tác động khi: Isl > Ih còn dòng điện hãm Ih tỷ lệ với 2 lần dòng chảy qua nó

• Khi ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ, mỗi phía được cấp bởi các nguồn dòng như nhau từ hai phía, trong trường hợp này:

1 2 1

1 1

Các thành phần dòng so lệch và dòng hãm bằng nhau và tỷ lệ với hai lần dòng sự cố

• Khi sự cố bên trong, chỉ cấp dòng từ một phía:

Các thành phần dòng so lệch và dòng hãm bằng nhau và tỷ lệ với dòng sự

cố

Từ các kết quả trên cho thấy rằng với dòng sự cố bên trong thì dòng điện

so lệch và dòng điện hãm bằng nhau (Isl = Ih) Vì vậy đặc tính sự cố bên trong là một đường thẳng với độ rốc bằng 1

Hình 3 - 7: Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch

Đặc tính sự cố và đặc tính tác động của rơle được vẽ trên hình 3 - 7

Nhánh a: biểu thị giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ, với mỗi máy biến áp coi như là hằng số Dòng điện này phụ thuộc vào dòng từ hóa MBA và sai số không đổi của biến dòng

Nhánh b: Đoạn đặc tính có kể đến sai số biến đổi của máy biến dòng, các sai số của bản thân rơle do sự điều chỉnh điện áp dưới tải của MBA tạo nên, sai

số của các BI đầu vào rơle

Nhánh c: Đoạn đặc tính có tính đến chức năng khóa bảo vệ khi xuất hiện hiện tượng bão hào không giống nhau ở các máy biến dòng

Nhánh d: Là giá trị dòng điện khởi động ngưỡng cao của bảo vệ so lệch Khi dòng điện so lệch Isl vượt quá giá trị ngưỡng cao này, lệnh cắt được triển khai mà không phụ thuộc vào dòng điện hãm Ih Các dòng điện Isl, Ih được biểu diễn trên trục tọa độ theo hệ tương đối định mức Nếu tọa độ được tính rơi vào vùng tác động thì rơle sẽ cho tín hiệu cắt, ngược lại sẽ không cho tín hiệu cắt nếu tọa độ được tính rơi vào vùng khóa trên đồ thị đặc tính

Hãm các thành phần sóng hài bậc cao

Giá trị của dòng điện so lệch không chỉ do ngắn mạch ngoài mà còn do một số nguyên nhân như:

- Do dòng điện xung kích từ hóa khi đóng máy biến áp không tải gây ra

- Do hiện tượng quá kích thích máy biến áp

3.4/ Hãm cộng thêm khi máy biến dòng bị bão hòa

Khi xảy ra ngắn ngoài vùng bảo vệ, ở thời điểm ban đầu giá trị dòng điện ngắn mạch có thể có trị số rất lớn làm cho máy biến dòng bị bão hòa dẫn đến xuất hiện dòng điện không cân bằng rất lớn, có thể có giá trị cao hơn ngưỡng tác

động nhỏ nhất (nhánh a) của đặc tính khởi động dẫn đến bảo vệ tác động nhầm

Để loại trừ hiện tượng này đối với rơle số 7UT51* có trang bị bộ phận phát hiện hiện tượng bão hòa, nó sẽ khóa bảo vệ trong vùng “hãm cộng thêm” (add-on stabiliztion)

Độ rốc của đường đặc tính “hãm cộng thêm” bằng 1/2 độ rốc đường đặc tính nhánh b

Thời gian mở khóa của bảo vệ bằng 1/2 chu kỳ đầu tiên sau thời điểm bắt

đầu sợ cố Mặt khác khi phát hiện một sự cố bên ngoài, bảo vệ bị khóa trong một thời gian có thể lựa chọn (lâu nhất là 8 chu kỳ tương đương với 160 ms ở tần số 50Hz)

Việc khóa bị xóa bỏ ngay khi điểm làm việc dịch chuyển chắc chắn (quá 2 chu kỳ) vào đặc tính sự cố

Hãm cộng thêm nó cho phép phát hiện một cách tin cậy sự cố diễn biến bên trong máy biến áp và ngay cả khi có sự cố bên ngoài, máy biến dòng bị bão hòa

3.5/ Hãm hài

Giá trị dòng điện so lệch không chỉ do sự cố bên trong MBA mà còn do một sồ thành phần dòng điện khác tạo nên:

• Do dòng điện xung kích từ hóa khi đóng MBA không tải gây nên

• Do hiện tượng quá kích thích MBA (quá điện áp)

Các nguyên nhân này khi phân tích thành phần dòng điện đều có chứa các thành phần sóng hài bậc cao như phân tích dòng từ hóa MBA người ta thấy có các thành phần hài bậc 2, 3, 4, 5 vv… Nhưng trong đó thành phần sóng hài bậc 2 chiếm tỷ lệ lớn hơn cả Hơn nữa khi phân tích dòng điện ngắn mạch thì thành phần sóng hài bậc 5 không có nên sóng hài bậc 2 được sử dụng cho mục đích ổn

định bảo vệ chống lại hiện tượng quá dòng xung kích từ hóa khi đóng MBA không tải, khi thành phần sóng hài bậc 2 lớn hơn giá trị đặt, bảo vệ sẽ bị khóa

Còn khi xuất hiện hiện tượng quá kích thích (quá điện áp) có thành phần sóng hài bậc 5 chiếm phần lớn, do đó thành phần này được sử dụng cho mục

đích ổn định Bảo vệ sẽ bị khóa khi thành phần sóng hài bậc 5 lớn hơn giá trị đặt

Các đặc tính khóa bảo vệ được vẽ trên hình 3 - 8

Hình 3 - 8: Đồ thị ổn định sóng hài bậc 2 và sóng hài bậc 5

3.6/ Tác động cắt

Ngay khi sóng cơ bản của dòng điện so lệch đạt 85% giá trị đặt hoặc dòng hãm vượt quá 4 lần dòng định mức của MBA, bảo vệ tác động Vì vậy tác

động xảy ra ngay cả khi có sự cố bên ngoài do đó ghi sự cố và chỉ số bão hòa có thể làm việc

Tác động không được nhận ra khi dòng điện so lệch giảm xuống 70% giá trị đặt

Nếu lệnh cắt không được đưa ra thì sự cố coi như đã qua

Nếu đã có lệnh cắt, khi đó bộ đếm thời gian được khởi động

3.7/ Sử dụng ở máy biến áp đơn pha

Trong các máy biến áp 1 pha, nó được thiết kế với một hoặc hai pha trên một cuôn dây, trong trường hợp có hai pha, các cuộn dây có thể được quấn trên một hoặc hai lõi thép

Để đảm bảo các dòng điện sẽ được làm phù hợp một cách tối ưu, người

ta luôn sử dụng hai đầu vào dòng điện ngay cả khi chỉ có một biến dòng trên một pha

Hai pha cuộn dây có thể được đấu nối tiếp (tương ứng với cuộn dây đấu sao Y) hoặc song song (tương ứng với cuộn dây đấu tam giác Góc lệch pha giữa các cuộn dây chỉ có thể là 0 hoặc 1800

Hình 3 - 9: Ví dụ của MBA lực 1 pha

Giống như các máy biến áp ba pha các dòng điện được làm cho phù hợp bởi các ma trận hệ số Dạng chung của phương trình này là:

[ ] [ ][ ]Im = k K In (3-14) Trong đó: [Im]- Là ma trận dòng điện đã được biến đổi phù hợp (IA, IC)

k- Hệ số không đổi

[K]- Ma trận hệ số, phụ thuộc vào tổ nối dây MBA

[In]- Ma trận dòng điện (IL1, IL3)

Vì góc lệch pha giữa các cuộn dây chỉ có thể là 0 hoặc 1800 việc điều chỉnh này chỉ thích hợp đối với cách đối sử với dòng thứ tự không Nếu điểm đấu sao của máy biến áp được bảo vệ không nối đất (hình 3-9) thì phương trình ma trận khi đó là:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

L2 L1 B

A

I

I 1 0

0 1 1.

I

I

(3-15)

Nếu điểm đấu sao của máy biến áp được nối đất, lúc này dòng thứ tự không phải được loại trừ, bằng cách tạo ra các sai lệch dòng Phương trình ma trận khi đó là:

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ư

ư

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

L2 L1 B

A

I

I 1 1

1 1 2

1 I

I

Điều bất lợi của việc loại trừ dòng thứ tự không là làm cho bảo vệ kém nhạy hơn (hệ số 1/2) Trong trường hợp có một sự cố chạm đất bên trong vùng

được bảo vệ Độ nhạy với sự cố chạm đất cao hơn có thể đạt được nếu có được dòng trung tính bằng cách đặt máy biến dòng trung tính cho máy biến áp như hình vẽ: