PHÂN TÍCH PHỐI HỢP BẢO VỆ RƠLE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chức năng cơ bàn của một thiết bị bảo vệ là bảo vệ mạch điện và thiết bị trong điều kiện hoạt động bất bình thường . Vì vậy, cần phải biết giới hạn bảo vệ của thiết bị để có thể xác định những giá trị đặt cần thiết. Dòng tải lớn nhất và dòng ngắn mạch sẽ xác định giới hạn trên lớn nhất của độ nhạy dòng điện mà thiết bị bảo vệ phải làm việc. Các giá trị biên làm việc của thiết bị bảo vệ được xác định theo:•Điều kiện tác động.•Mức bảo vệ tối thiểu.•Mức chịu dựng của thiết bị.

PHỐI HỢP BẢO VỆ RƠLE

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NỘI DUNG

I GIỚI THIỆU 3

1 Tính phối hợp 3

2 Tốc độ 3

3 Độ tin cậy 4

II PHƯƠNG HƯỚNG PHÂN TÍCH 4

III CÁC TIÊU CHUẨN ĐƯỢC THỪA NHẬN 5

1 Điều kiện tác động 5

2 Động cơ không đồng bộ 5

a Quá tải cho phép của động cơ 5

b Dòng khởi động của động cơ không đồng bộ 6

c Yêu cầu bảo vệ tối thiểu 6

d Khả năng chịu đựng của động cơ 6

3 Máy biến áp 7

a Quá tải cho phép của MBA 7

b Dòng xung kích của MBA 7

c Khả năng chịu đựng của MBA 9

4 Cáp 10

IV PHÂN TÍCH SỰ PHỐI HỢP BẢO VỆ VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH 11

1 Máy tính cá nhân 11

2 Hiển thị đồ họa 11

3 Sơ đồ đơn tuyến 11

4 Các file dữ liệu của dự án 11

5 Thư viện các thiết bị 12

6 Nhập dữ liệu tương tác 12

V DỮ LIỆU CẦN CHO PHÂN TÍCH PHỐI HỢP BẢO VỆ 13

1 Dữ liệu cho MBA 13

2 Dữ liệu động cơ 14

3 Dữ liệu cáp 14

4 Dữ liệu CB 15

5 Dữ liệu relay 16

6 Ví dụ 1 19

VI KẾT LUẬN 22

MÃ SỐ CHỨC NĂNG THIẾT BỊ BẢO VỆ THEO TIÊU CHUẨN ANSI 25

BÀI TẬP ÁP DỤNG 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

Tính chọn lọc, tính phối hợp, tốc độ và độ tin cậy là những điểm quan trọng củathiết bị bảo vệ:

Tính chọn lọc - Đối với hệ thống bảo vệ, tính chọn lọc được mô tả bởi mối quan

hệ làm việc giữa các relay và các thiết bị bảo vệ khác là khi có sự cố xảy ra, sốlượng các thiết bị được cô lập khỏi hệ thống đang vận hành sẽ là tối thiểu Tínhchọn lọc là một đặc điểm cần có của bất kỳ sơ đồ bảo vệ nào Tuy vậy, khó có thể

có được sự hoàn hảo giữa yêu cầu của hệ thống và sự chọn lọc của thiết bị bảo vệ.Thường chỉ có thể đạt được một dung hòa giữa các yếu tố vận hành và bảo vệchọn lọc

1 Tính phối hợp

Khái niệm này được dùng để mô tả sự dung hòa, dựa trên sự đánh giá về mặt kỹthuật, giữa hai mục tiêu có bản chất mâu thuẫn: mục tiêu bảo vệ hệ thống tối đa vàmục tiêu cần được cấp điện tối đa Do đó, định mức của thiết bị bảo vệ và giá trịđặt trong thực tế cần cân đối giữa các yếu tố này

3 Độ tin cậy

Độ tin cậy là yếu tố quan trọng trong bảo vệ relay, là khả năng làm việc chính xáckhi có sự cố xảy ra trong hệ thống Bảo vệ relay phải thực sự tin cậy và khôngđược phép tác động sai khi có sự cố trong hệ thống điện

Sau đây là các phương hướng chung khi lắp đặt các thiết bị bảo vệ :

• Vùng bảo vệ sơ cấp hay vùng bảo vệ một sẽ cô lập mạch bị sự cố càngnhanh càng tốt

• Trường hợp bảo vệ sơ cấp không làm việc, bảo vệ dự trữ (back-up) sẽ cô lập

sự cố Chức năng bảo vệ dự trữ được thực hiện với thiết bị bảo vệ đặt ở phíatrước (upstream) thiết bị bảo vệ sơ cấp Do đó, cần phải có sự phối hợpdòng điện giữa thiết bị bảo vệ sơ cấp và bảo vệ dự trữ

• Các giá trị đặt cho thiết bị bảo vệ được chọn riêng biệt, phù hợp với cácthông số của lưới điện Chọn lựa các giá trị này theo dòng điện trong hệthống, các biên hạn cho phép, cũng như các tiêu chuẩn

II PHƯƠNG HƯỚNG PHÂN TÍCH

Phương pháp thuận tiện nhất để xác định các định mức thích hợp và các giá trị đặtcho thiết bị bảo vệ (LVCB, cầu chì, relay) là vẽ đồ thị đường cong thời gian –dòng điện Các đường cong này được vẽ trên hệ trục toạ độ logarith tiêu chuẩn,minh họa đặc tính thời gian-dòng điện của mỗi thiết bị bảo vệ cũng như các chuẩnbảo vệ cần đạt Các đường cong thời gian-dòng điện thường được vẽ sát tới giá trịdòng điện sự cố lớn nhất của hệ thống đang xét Đối với hệ thống điện thực tế, do

sự thay đổi của sơ đồ lưới, dòng sự cố lớn nhất thường có khuynh hướng tăng lên

Vì vậy, cần cập nhật, duyệt lại thường xuyên các kết quả phân tích

Trong trường hợp các thiết bị bảo vệ liên quan đều là relay quá dòng, không nhấtthiết phải vẽ các đặc tính thời gian – dòng điện Thay vào đó, có thể xác định sựchọn lọc bằng cách so sánh 3 giá trị nguy hiểm nhất của dòng sự cố và thời gianhoạt động của relay liên quan Đôi khi, các giá trị đặt của relay được xác định trên

cơ sở tính toán giải tích

động, và đây cũng là giá trị độ nhạy lớn nhất khi tính toán bằng giải tích Đối vớicác relay vi xử lý, có thể cài đặt bất kỳ một giá trị dòng khởi động nào, vấn đề chỉtùy relay cụ thể và trường hợp cụ thể.

III CÁC TIÊU CHUẨN ĐƯỢC THỪA NHẬN

Chức năng cơ bàn của một thiết bị bảo vệ là bảo vệ mạch điện và thiết bị trongđiều kiện hoạt động bất bình thường Vì vậy, cần phải biết giới hạn bảo vệ củathiết bị để có thể xác định những giá trị đặt cần thiết Dòng tải lớn nhất và dòngngắn mạch sẽ xác định giới hạn trên lớn nhất của độ nhạy dòng điện mà thiết bịbảo vệ phải làm việc Các giá trị biên làm việc của thiết bị bảo vệ được xác địnhtheo:

• Điều kiện tác động

• Mức bảo vệ tối thiểu

• Mức chịu dựng của thiết bị

1 Điều kiện tác động

Thiết bị bảo vệ sẽ không làm việc đối với dòng bình thường như dòng định mức,dòng quá tải cho phép và dòng khởi động Những số liệu này được cho trên nhãnthiết bị, hay theo tiêu chuẩn công nghiệp được áp dụng Các số liệu cho nhữngthiết bị điện thông thường được cho sau đây:

2 Động cơ không đồng bộ

Dòng định mức của động cơ có thể được xác định từ phương trình sau đây:

(ct1)

a Quá tải cho phép của động cơ

Thông số này là hàm số theo hệ số làm việc của động cơ (motor service factor) vànhiệt độ Với hệ số làm việc là 1.1, hệ số quá tải sẽ là 1.1 pu

( )

) )(

)(

( 3

) 746 0 ( )

(

kV r PowerFacto Efficiency

hp fullload

b Dòng khởi động của động cơ không đồng bộ

Dòng khởi động của động cơ không đồng bộ sẽ là dòng khi không cho rotor quay( locked rotor current) Thông thường, dòng khởi động bằng khoảng 6 lần dòngđịnh mức Đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, dòng khởi động bằngkhoảng 4 lần dòng định mức

c Yêu cầu bảo vệ tối thiểu

Đối với các động cơ làm việc ở điện áp 600V trở xuống , NEC [3] yêu cầu bảo vệquá tải và quá dòng Bảo vệ quá tải cần thiết cho động cơ được cho như sau :

Động cơ có hệ số làm việc không nhỏ hơn 1.15 = 125 %

Động cơ có độ tăng nhiệt độ không quá 40 độ C = 125 %

Các động cơ khác = 115 %

Đôi khi, cần có các giá trị bảo vệ khác cho động cơ nhiều cấp tốc độ và nhữngđộng cơ đặc biệt khác Thiết bị bảo vệ quá dòng pha sẽ cắt động cơ theo các giá trịsau đây :

CB bảo vệ theo đặc tính bảo vệ ngược= 250 %

3 Máy biến áp

Dòng định mức của MBA được tính theo phương trình :

I (định mức) =

) (

3 kV

kVA

(ct 2)

a Quá tải cho phép của MBA

Khả năng quá tải của MBA phụ thuộc vào kiểu làm mát, các cấp làm mát như sau :

AA - Tự làm mát, đối lưu kiểu khô AFA - Làm mát bằng quạt kiểu khô

OA - Tự làm mát , đối lưu dầu SA - Tự làm mát, đối lưu silicon

VA - Tự làm mát , đối lưu hơi CFA - Làm mát bằng quạt, đối lưudầu

VFA - Làm mát bằng quạt, đối lưu hơi CFOA - Làm mát bằng quạt vàbơm dầu , đối lưu dầu

Khả năng quá tải của MBA là tích số dòng định mức với hệ số làm mát và hệ sốtăng nhiệt độ

b Dòng xung kích của MBA

MBA khi được đóng điện sẽ có dòng xung kích đáng kể Đối với MBA bảo vệ sơcấp dùng day chảy, cầu chì được chọn sao cho không làm việc khi có dòng xungkích Bảng 1 liệt kê giá trị dòng xung kích cho phép của MBA và thời gian xảy ratheo tiêu chuẩn ANSI C57.12

Điều 240-100 của NEC 1999 [3] qui định: để bảo vệ quá dòng cho phát tuyến cóđiện áp định mức trên 600 V, “ trong bất luận trường hợp nào, dòng định mức liêntục của cầu chì được quá 3 lần, hay giá trị dòng cắt lâu dài của CB gấp 6 lần, sovới khả năng tải dòng của dây dẫn” Nội dung của qui định gồm bảng các địnhmức tải dòng được xuất bản bởi Hiệp hội Kỹ thuật Cáp Lực cách điện (IPCEA).Điều 450-3 của NEC 1999 cung cấp chi tiết các yêu cầu cụ thể cho việc bảo vệMBA Các yêu cầu về định mức thiết bị bảo vệ hay giá trị đặt theo bội số của dòngđịnh mức được cho trong bảng 2.

Đường cong theo ANSI, là các đường cong thời gian - dòng điện biễu diễn khảnăng chịu đựng ứng suất cơ học và nhiệt của MBA phân phối mà không bị hưhỏng theo tiêu chuẩn ANSI C57.12, 1973 [4] Tiêu chuẩn ANSI C57.109 [5] địnhnghĩa khả năng thông dòng ngắn mạch và giới hạn thời gian cho 4 chủng lọaiMBA ( xem bảng 3)

Ghi chú :

(1) - Chọn giá trị nhỏ hơn

Zt - Tổng trở của MBA tính theo đvtđ trên cơ sở định mức MBA tự làm mát

Zs - Tổng trở hệ thống tính theo đvtđ trên cơ sở MBA

X - Bình phương dòng điện cơ sở theo đvtđ đã chọn

# - Các điểm này xác định đường cong I2t trong vùng thời gian ngắn, tính từ

70 % đến 100 % của dòng ngắn mạch lớn nhất đối với lọai II, và 50 % đến

100 % đối với lọai III và IV

c Khả năng chịu đựng của MBA

Để biểu thị cho khả năng chịu phá hủy của MBA, cần có giá trị của dòng điện ứngvới các loại sự cố ngắn mạch khác nhau Trong mạch MBA, dòng điện qua cuộndây phụ thuộc vào kiểu đấu nối khác nhau được cho trên hình 4

4 Cáp

Dòng định mức được xác định bởi kích thước phần dẫn điện của cáp và hệ số giảmtải qui định bởi các tiêu chuẩn công nghiệp Khả năng quá tải của cáp phụ thuộcvào phương tiện lắp đặt và hệ số tải Giá trị đặt quá dòng cho phép theo điều 240-

3, 1999 của NEC [3]

IV PHÂN TÍCH SỰ PHỐI HỢP BẢO VỆ VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH.

Hịên nay có nhiều chương trình giúp phân tích việc phối hợp bảo vệ trong hệthống điện Những chương trình này thường gồm phân tích ngắn mạch và các đặctính thời gian – dòng điện của thiết bị Mục đích chính của phần mềm phối hợpbảo vệ là tạo ra sơ đồ đơn tuyến, tính toán các giá trị đặt relay và hiển thị cácđường cong phối hợp thời gian – dòng điện Phần mềm có thể mô hình các thiết bịbảo vệ khác nhau, các đường cong phá hủy của thiết bị điện và lưu trữ dữ liệu choviệc sử dụng trong tương lai Khi sử dụng phần mềm, có thể gọi từ thư viện cácđặc tính bảo vệ và dùng cho việc phối hợp bảo vệ

1 Máy tính cá nhân

Dùng riêng hay được nối mạng với bộ nhớ đủ dùng, với màn hình đồ họa và máy

in laser chất lượng tốt Bằng cách thực hiện các phân tích trên máy tính, có thể thửnghiệm được nhiều sơ đồ bảo vệ khác nhau, trước khi đi đến lời giải cuối cùng

Dữ liệu có thể được lưu trữ trong máy vi tính dùng về sau hay để xác minh lại cáctính toán Bản vẽ sơ đồ đơn tuyến, đường đặc tính thời gian-dòng điện (TCC) và

dữ liệu ra có thể được in thành báo cáo

2 Hiển thị đồ họa

Sơ đồ đơn tuyến của mạch điện và đường cong phối hợp bảo vệ có thể đựơc hiểnthị trên mán hình đồ họa Việc hiển thị các đường cong giúp cho việc phát hiện cáclỗi trước khi in ra sơ đồ hay các đường cong bảo vệ Hơn nữa, bản vẽ đồ họa cóthể phóng to để xem các chi tiết khi dùng chức năng zoom

3 Sơ đồ đơn tuyến

Sơ đồ đơn tuyến của mạch điện dùng để thực hiện phối hợp bảo vệ luôn cần thiết

để chuẩn bị các báo cáo Phần mềm cho phép vẽ sơ đồ đơn tuyến với các thiết bịbảo vệ

4 Các file dữ liệu của dự án

Cơ sở dữ liệu là cách thức để lưu trữ dữ liệu dạng số Cơ sở dữ liệu có thể tạo cấutrúc để lưu trữ tất cả các đặc tính cần thiết của thiết bị, dữ liệu về ngắn mạch, dữ

5 Thư viện các thiết bị

Các phần mềm có thư viện lớn chứa các dữ liệu từ nhiều nhà sản xuất khác nhau,bao gồm các loại relay quá dòng, relay bảo vệ chạm đất, MCCB, dữ liệu đườngcong phá hỏng cáp, đường cong phá hỏng MBA, relay nhiệt bảo vệ quá tải động

cơ và recloser (tự đóng lại) Phần mềm sử dụng kỹ thuật chọn đường cong để môhình các đặc tính phối hợp bảo vệ Những thư viện dữ liệu này rất hữu dụng đểthực hiện phối hợp bảo vệ một khi đã chuẩn bị thật tốt dữ liệu

6 Nhập dữ liệu tương tác

Không phải lúc nào cũng có sẵn dữ liệu trong thư viện thiết bị , khi đó có thể nhập

dữ liệu, dựa vào các phương trình đã cho, hay từ các số liệu của đường cong cóđược Các dữ liệu có thể được nhập từng điểm một và có thể được lưu lại để dùngsau này Phần mềm cũng hỗ trợ việc chỉnh sửa dữ liệu để thay đổi các giá trị đặtcho thiết bị, nhân cho các hệ số mà không cần phải thoát khỏi chương trình Dữliệu sau khi soạn thảo có thể được lưu để sử dụng sau

Vài đặc điểm khác của việc phân tích phối hợp bảo vệ dùng máy tính:

• Hiển thị đường cong TCC và bản vẽ sơ đồ đơn tuyến cùng lúc

• Tự động hiển thị nhãn trong sơ đồ đơn tuyến

• Các thiết bị ở những mức điện áp khác nhau có thể được hiển thị trên cùngmột sơ đồ

• Hiển thị những lỗi chung như là sai điện áp định mức, dòng định mức

• Có thể in đồ thị theo tỉ lệ logarith hay bình thường

V DỮ LIỆU CẦN CHO PHÂN TÍCH PHỐI HỢP BẢO VỆ

Sơ đồ đơn tuyến của một hệ thống điện dùng để nghiên cứu phối hợp bảo vệ cầncũng như phải được xác định rõ ràng các mục sau :

• Sơ đồ mạch điện (incoming circuit)

• Điện áp MBA cùng với công suất biểu kiến, tổ đấu dây (delta/wye v.v ),nối đất và bảo vệ nối đất

• Mã số thiết kế của relay bảo vệ

• Cầu chì hay máy cắt của mạch điện

• Điện áp của bus thứ cấp, máy cắt và cầu chì của mạch thứ cấp

• Các đặc tính kỹ thuật của máy cắt

• Thiết bị bảo vệ của đường dây phân phối và phát tuyến (feeder)

• Các định mức của trung tâm điều khiển dùng động cơ, CB và cầu chì

Việc nghiên cứu phối hợp bảo vệ cần có kết quả của tính toán ngắn mạch Một vàichương trình có thể thực hiện tính toán ngắn mạch và dùng kết quả này cho phốihợp bảo vệ Một vài chương trình lại cần dữ liệu và các biến đổi tương ứng để cóđược dữ liệu phù hợp cho nghiên cứu bảo vệ như dưới đây

1 Dữ liệu cho MBA

Nhãn của MBT có những dữ liệu cần thiết cho phân tích phối hợp bảo vệ Khikhông có dữ liệu đầy đủ, có thể dùng dữ liệu của thư viện theo công suất định mứccủa thiết bị Một ví dụ về dữ liệu của MBA được trình bày trong bảng 5

xung kích của phía sơ và thứ cấp Đường cong phá hỏng của MBT có thể đượcxây dựng dựa trên tiêu chuẩn ANSI C57.109 Một ví dụ về đường cong phá hỏngcủa một MBA 2000 kVA được trình bày trong hình 1 Dòng định mức của MBTnày là 278 A Dòng xung kích của MBA khoảng 20000 A và được cho trong sơđồ.

4 Dữ liệu CB

Đối với hạ thế, có các loại CB như bảo vệ dùng bán dẫn (static trip), bảo vệ chạmđất, MCCB và CB công suất Các đặc tính kỹ thuật trên nhãn của CB được dùngcho nghiên cứu bảo vệ Dữ liệu mẫu cho trên bảng 8

Sử dụng các dữ liệu này cho tính toán bảo vệ relay Có thể dùng relay loại bảo vệquá dòng , bảo vệ chống chạm đất hoặc cả hai Đặc tính mẫu của phối hợp bảo vệthời gian – dòng điện của bảo vệ quá dòng của CB được trình bày trên hình 2

Figure 2 Sample Time Current Coordination Curve of a Circuit Breaker

(Courtesy of SKM System Analysis, Inc., Output from Power Tools for WindowsProgram)

5 Dữ liệu relay

Relay quá dòng là một trong các thiết bị cơ bản dùng trong hệ thống điện cho việcbảo vệ quá tải Relay hoạt động khi dòng qua mạch lớn hơn giá trị đặt Có 2 loạirelay quá dòng cơ bản dùng trong hệ thống điện: relay cắt nhanh và relay cắt có

biến (inverse) như trong hình 3 Các đặc tính theo ANSI C37.90 gồm nghịch biếnvừa phải (moderately inverse), nghịch biến bình thường (normal inverse), nghịchbiến rất dốc (very inverse), nghịch biến cực dốc (extremely inverse) Các ứngdụng và tính toán giá trị đặt relay cho nhiều kiểu relay khác nhau được cho trongtài liệu [6] Dữ liệu relay thông thường bao gồm các mục sau :

• Mạch điện trên đó có máy cắt

• Điện áp định mức của mạch điện

• Mã số relay theo ANSI

• Nhà chế tạo relay

• Mã số kiểu của relay

• Các dãy thông số giá trị đặt relay

• Tỉ số biến dòng

• Bội số M

• Giá trị dòng khởi động ( dòng khởi động = (tỉ số biến dòng) x (M) )

• Thời gian trễ liên quan đến relay cắt nhanh

• Giá trị của dòng cắt nhanh