bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện

Giáo trình này được chia làm ba phần: Phần một: Các nguyên lý bảo vệ rơle - Tìm hiểu các nguyên lý thực hiện bảo vệ các phần tử hệ thống điện có tình trạng không bình thường cũng như s

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Nguyễn Hoàng Việt

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

(Tái bản lần thứ hai, có sửa chữa bổ sung)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

TP HỒ CHÍ MINH – 2005

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ), chúng ta có thể gặp tình trạng hệ thống điện làm việc không bình thường, sự cố Nguyên nhân có thể do chủ quan hoặc khách quan Hệ thống bảo vệ rơle sẽ giúp phát hiện các tình trạng đó để đề ra những biện pháp xử lý kịp thời Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của ngành điện là phải cung ứng cho người tiêu thụ điện năng với chất lượng tốt nhất Để thỏa mãn yêu cầu này trong hệ thống điện được thực hiện bằng các bộ phận tự động chức năng Cuốn sách BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN nhằm

trang bị cho bạn đọc những kiến thức căn bản nhất trong lĩnh vực nêu trên Cuốn sách được viết chủ yếu cho sinh viên ngành Điện của Trường Đại học Bách khoa, các trường Kỹ thuật điện, học viên sau đại học và các nhà chuyên môn đang làm việc trong lĩnh vực liên quan có thể tham khảo Giáo trình này được chia làm ba phần:

Phần một: Các nguyên lý bảo vệ rơle

- Tìm hiểu các nguyên lý thực hiện bảo vệ các phần tử hệ thống điện có tình trạng không bình thường cũng như sự cố xảy ra trong hệ thống điện;

- Tìm hiểu các nguyên tắc công nghệ chế tạo các rơle các thế hệ khác nhau

Phần hai: Bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện

Tìm hiểu cách thực hiện, sơ đồ bảo vệ các phần tử hệ thống điện như: đường dây, máy biến áp, máy phát, thanh góp

Phần ba: Tự động hóa trong hệ thống điện

Tìm hiểu các bộ phận tự động chức năng trong hệ thống điện như: tự động đóng trở lại nguồn điện, tự động điều chỉnh điện áp, tần số

Trong lần in này chúng tôi có sửa chữa và bổ sung cũng như thay đổi một số chương mục so với đợt in đầu tiên

Để bổ trợ giúp cho sinh viên nắm vững phần lý thuyết đã được trình bày trong cuốn sách này, chúng tôi đã biên soạn và xuất bản cuốn bài tập CÁC BÀI TOÁN TÍNH NGẮN MẠCH BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN trình bày tóm tắt lý thuyết phần ngắn mạch, các bài tập ngắn mạch, bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện

Thành thật cám ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của Thầy Phan Kế Phúc và Cô Phan Thị Thu Vân Rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp và độc giả Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc qia TP Hồ Chí Minh - 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP Hồ Chí Minh

Điện thoại: 8.651801

TS Nguyễn Hoàng Việt

MỤC LỤC

PHẦN MỘT: CÁC NGUYÊN LÝ THỰC HIỆN BẢO VỆ RƠLE 7

1.2 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống bảo vệ 8

2.1 Bảo vệ được thực hiện bằng các rơle điện cơ 34 2.2 Sử dụng linh kiện bán dẫn, vi mạch trong các sơ đồ bảo vệ 38

4.4 Một số lĩnh vực và lưu ý khi áp dụng bộ phận định hướng công suất cho

5.1 Bảo vệ chống chạm đất trong mạng điện có dòng chạm đất lớn 81 5.2 Bảo vệ chống chạm đất trong mạng có dòng chạm đất nhỏ 88

6.2 Đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách và biểu diễn chúng

6.4 Cách chọn UR, IR đưa vào bộ phận khoảng cách để phản ánh

6.5 Cách chọn UR, IR đưa vào bộ phận khoảng cách để phản ánh

6.7 Những yếu tố làm sai lệch sự làm việc của rơle khoảng cách 119 6.8 Đánh giá lĩnh vực ứng dụng của bảo vệ khoảng cách 127

7.2 Dòng không cân bằng trong bảo vệ so lệch dòng điện 131 7.3 Dòng điện khởi động của bảo vệ so lệch dòng điện 132 7.4 Những biện pháp thường dùng để nâng cao độ nhạy và tính đảm

PHẦN HAI: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỆN 143

8.2 Các hệ thống bảo vệ đường dây dài, điện thế cao, công suất lớn 145

8.5 Bảo vệ bộ đường dây và máy biến áp (MBA) 185

9.1 Các sự cố và chế độ làm việc không bình thường của MBA 213 9.2 Bảo vệ chống sự cố trực tiếp bên trong MBA 216 9.3 Bảo vệ chống sự cố gián tiếp bên trong MBA 232 9.4 Các sơ đồ bảo vệ tiêu biểu các loại máy biến áp 234

Chương 11 BẢO VỆ THANH CÁI 256 11.1 Bảo vệ thanh cái bằng các phần tử nối kết thanh cái 257 11.2 Bảo vệ chống rò, chạm đất thanh cái trong tủ 259

12.3 Phân bố dòng sự cố từ các động cơ cảm ứng 298

13.2 Những tình trạng làm việc không bình thường của động cơ 313

PHẦN BA: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 320

14.2 Tự đóng lại bằng cách kết hợp MC với hệ thống tự đóng lại (ARS) 330

14.5 Phối hợp ACR với các thiết bị bảo vệ khác 358 14.6 Tự động vận hành mạng kín (LA) 372

Chương 15 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN

15.4 Điều chỉnh điện áp và phân phối công suất kháng giữa các

Chương 16 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT THỰC

16.2 Ảnh hưởng của tần số lên tổ turbine - máy phát 406

16.4 Các tổ máy phát làm việc song song 412

16.6 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ lệch tần số 421

16.9 Tốc độ đáp ứng nhu của hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine 430

17.1 Mục đích và những đặc điểm của sa thải phụ tải 445

17.4 Thiết kế bảo vệ cắt tải theo tần số và độ dốc 453

Chương 18 HÒA ĐIỆN GIỮA CÁC MÁY PHÁT LÀM VIỆC SONG SONG 462

PHẦN I CÁC NGUYÊN LÝ THỰC HIỆN BẢO VỆ RƠLE

Chương 1

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ

1.1 NHIỆM VỤ CỦA BẢO VỆ

Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ) có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của các phần tử Phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao và điện áp giảm khá thấp Các thiết bị có dòng điện tăng cao chạy qua có thể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng khi điện áp bị giảm thấp, các hộ tiêu thụ không thể làm việc bình thường mà tính ổn định của các máy phát làm việc song song và của toàn hệ thống bị giảm Các chế độ làm việc không bình thường cũng làm cho áp, dòng và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép và nếu để kéo dài tình trạng này có thể xuất hiện sự cố Có thể nói, sự cố làm rối loạn các hoạt động bình thường của HTĐ nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng

Chế độ làm việc không bình thường có nguy cơ xuất hiện sự cố làm giảm tuổi thọ của máy móc Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ thì khi xuất hiện sự cố cần phát hiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố để cách ly nó khỏi phần tử không bị hư hỏng, có như vậy phần tử còn lại mới duy trì được hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức độ hư hại của phần bị sự cố Như vậy, chỉ có các thiết bị tự động bảo vệ (BV) mới có thể thực hiện tốt được yêu cầu nêu trên Các thiết bị này hợp thành hệ thống bảo vệ (HTBV)

Các mạng điện hiện đại không thể làm việc thiếu các HTBV, vì chúng theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của HTĐ

Khi xuất hiện sự cố, BV phát hiện và cho tín hiệu đi cắt các phần tử hư hỏng thông qua các máy cắt điện (MC) Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, BV sẽ phát hiện và tùy thuộc theo yêu cầu có thể tác động để khôi phục chế độ làm việc bình thường hoặc báo tín hiệu cho nhân viên trực

Hệ thống BV là tổ hợp của các phần tử cơ bản là các rơle, nên còn được gọi là BV rơle

1.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG BẢO VỆ

1.2.1 Yêu cầu đối với bảo vệ chống ngắn mạch

1- Tính chọn lọc

Khả năng của BV chỉ cắt phần hư hỏng khi NM được gọi là tính chọn lọc

Đối với ví dụ trên hình 1.1, yêu cầu này được thực hiện như sau: khi NM (NM) tại điểm N1, máy cắt MC3 là máy cắt ở gần chỗ sự cố nhất được cắt ra, nhờ vậy các phụ tải không nối vào đường dây hư hỏng vẫn được nhận điện Khi NM tại điểm N2, đường dây sự cố II được cắt ra từ hai phía nhờ MC1 và MC2, còn đường dây I vẫn làm việc, vì vậy toàn bộ các hộ tiêu thụ vẫn nhận được điện Yêu cầu tác động chọn lọc là yêu cầu cơ bản nhất để đảm bảo cung cấp điện an toàn cho các hộ tiêu thụ Nếu BV tác động không chọn lọc, sự cố có thể lan rộng

I

II

D

C B

E

N2

N1I

Hình 1.1 Cắt chọn lọc phần tử bị hư hỏng khi NM trong mạng

2- Tác động nhanh

Tính tác động nhanh của BV là yêu cầu quan trọng khi có NM bên trong của thiết bị Bảo vệ

tác động càng nhanh thì:

- Đảm bảo tính ổn định làm việc song song của các máy phát trong hệ thống, làm giảm ảnh hưởng của điện áp thấp lên các phụ tải

- Giảm tác hại dòng NM tới các thiết bị

- Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn

- Nâng cao hiệu quả thiết bị tự đóng lại

Thời gian cắt hư hỏng t bao gồm thời gian tác động của (BV) t bv và thời gian cắt của MC t MC:

t = t bv + t MC

Đối với các HTĐ hiện đại, thời gian cắt NM lớn nhất cho phép theo yêu cầu đảm bảo tính ổn định rất nhỏ Ví dụ đối với đường dây tải điện 300 ÷500kV, cần phải cắt sự cố trong vòng 0,1÷

0,12 giây (s) sau khi NM xuất hiện, còn trong mạng 110 ÷ 220kV thì trong vòng 0,15÷0,3s Trong

các mạng phân phối 6,10,15kV ở cách xa nguồn thời gian cắt sự cố cho phép lên tới 1,5 ÷ 3s Muốn cắt nhanh NM cần giảm thời gian tác động của BV và MC Hiện dùng phổ biến các MC có t MC = 0,15 ÷

0,06s Nếu cần cắt NM với thời gian t = 0,12s bằng MC có t MC = 0,08s thì thời gian tác động của

BV không được vượt quá 0,04s (hai chu kỳ) Bảo vệ có thời gian tác động dưới 0,1s được xếp vào loại tác động nhanh Loại BV tác động nhanh hiện đại có t BV = 0,01 ÷0,04s

Việc chế tạo BV vừa tác động chọn lọc, vừa nhanh là vấn đề khó Các BV này phức tạp và đắt Để đơn giản, có thể thực hiện cắt nhanh NM không chọn lọc, sau đó dùng thiết bị tự đóng lại phần bị cắt không chọn lọc

3- Độ nhạy

Trên hình 1.1 ta thấy mỗi BV cần tác động khi sự cố xảy ra trong vùng BV của mình (để bảo đảm vừa có BV chính và BV dự trữ tại chỗ) Ví dụ, BV1 và 2 cần tác động khi NM xảy ra trong đoạn DE Ngoài ra, nó còn cần tác động khi NM xảy ra trong đoạn BC của BV3 Điều này cần thiết để dự phòng trường hợp NM trên đoạn BC mà BV3 hoặc MC3 này không làm việc Tác động của BV đối với đoạn kế tiếp được gọi là dự phòng xa Mỗi BV cần tác động không chỉ với trường hợp NM trực tiếp mà cả khi NM qua điện trở trung gian của hồ quang Ngoài ra, nó cần tác động khi NM xảy ra trong lúc hệ thống làm việc ở chế độ cực tiểu (ở chế độ này một số nguồn được cắt

ra và do đó dòng NM có giá trị nhỏ)

Độ nhạy của BV thường được đánh giá bằng hệ số nhạy k nh Đối với BV cực đại tác động,

đại lượng theo dõi tăng khi có hư hỏng (ví dụ quá dòng điện) thì k nh được xác định

với: I Nmin - dòng NM nhỏ nhất; I kđbv - giá trị dòng nhỏ nhất mà BV có thể tác động

Đối với BV cực tiểu tác động khi đại lượng theo dõi giảm khi hư hỏng (ví dụ điện áp cực

tiểu), hệ số k nhđược xác định ngược lại bằng trị số điện áp khởi động chia cho điện áp dư còn lại lớn nhất khi hư hỏng

BV cần có độ nhạy sao cho nó tác động chắc chắn khi NM qua điện trở của hồ quang ở cuối vùng được giao BV trong chế độ cực tiểu của hệ thống

4- Độ tin cậy

Độ tin cậy thể hiện yêu cầu BV phải tác động chắc chắn khi NM xảy ra trong vùng được giao

BV và không được tác động đối với các chế độ mà nó không có nhiệm vụ tác động. Đây là yêu cầu rất quan trọng Một BV nào đó hoặc không tác động hoặc tác động nhầm rất có thể dẫn đến hậu quả là số phụ tải bị mất điện nhiều hơn hoặc làm cho sự cố lan tràn Ví dụ, khi NM tại điểm N2 trên hình 1.1 mà BV không tác động cắt MC1 và MC2được thì các BV dự phòng xa khác số cắt nguồn II MC4,MC5 và trạm B như vậy BV không tin cậy, làm mất điện nhiều, gây thiệt hại kinh tế

Để BV có độ tin cậy cao cần dùng sơ đồ đơn giản, giảm số lượng rơle và tiếp xúc, cấu tạo đơn giản, chế độ và lắp ráp đảm bảo chất lượng, đồng thời kiểm tra thường xuyên trong quá trình vận hành

1.2.2 Yêu cầu đối với bảo vệ chống các chế độ làm việc không bình thường

Tương tự BV chống NM, các BV này cũng cần tác động chọn lọc, nhạy và tin cậy Yêu cầu tác động nhanh không đề ra Thời gian tác động của BV loại này cũng được xác định theo tính chất và hậu quả của chế độ làm việc không bình thường Thông thường các chế độ này xảy ra

chốc lát và tự tiêu tan, ví dụ hiện tượng quá tải ngắn hạn khi khởi động động cơ không đồng bộ

Trường hợp này nếu cắt ngay sẽ làm phụ tải mất điện Vì vậy, chỉ cần cắt thiết bị khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường nếu có nguy cơ thực tế đối với thiết bị đó, nghĩa là sau khoảng thời gian nhất định Trong nhiều trường hợp, nhân viên vận hành có nhiệm vụ loại trừ chế độ không bình thường và như vậy chỉ cần yêu cầu BV báo tín hiệu

1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ

Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ BV gồm hai phần chính: phần đo lường và phần lôgic (H.1.2)

ĐO LƯỜNG

ĐL MẠCH LOGIC LG THỰC HIỆN

NGUỒN THAO TÁC

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống BV một phần tử hệ thống điện

- Phần đo lường (PĐL) liên tục thu nhận tin tức về tình trạng của phần tử được BV, ghi nhận sự

xuất hiện sự cố và tình trạng làm việc không bình thường, đồng thời truyền tín hiệu đến phần lôgic Phần đo lường nhận những thông tin của đối tượng được BV qua các bộ biến đổi đo lường sơ cấp máy biến dòng (BI) và các máy biến điện áp (BU)

- Phần lôgic tiếp nhận tín hiệu từ PĐL Nếu giá trị, thứ tự và tổng hợp các tín hiệu phù hợp

với chương trình định trước nó sẽ phát tín hiệu điều khiển cần thiết (cắt MC hoặc báo tín hiệu) qua bộ phận thực hiện

Ngoài phần chính trên, để cung cấp nguồn một chiều DC cho PĐL, phần lôgic, mạch báo tín hiệu, màn hình thể hiện và bộ phận thực hiện cần nguồn thao tác một chiều

1.3.1 Đo lường sơ cấp

Máy biến dòng, máy biến điện áp dùng để:

- Giảm dòng điện và điện áp của đối tượng BV đến giá trị thấp đủ để hệ thống BV làm việc an

toàn (dòng thứ cấp BI định mức là 5A hoặc 1A, áp thứ cấp BU định mức là 100V hoặc 120V)

- Cách ly BV với đối tượng được BV

- Cho phép cùng dòng và áp chuẩn thích ứng với hệ thống BV

Tổng trở thứ cấp của BI rất thấp, ngược lại tổng trở thứ cấp của BU rất cao Lõi của BI có thể được chế tạo bằng thép hay khe hở không khí, BI có lõi thép có công suất ra lớn nhưng có nhiều sai số cả trong chế độ làm việc bình thường hay quá độ BI có lõi không khí có công suất ra thấp thường không đủ cho rơle bán dẫn, vi mạch Chúng có đặc tính làm việc tuyến tính và không có sai số trong chế độ quá độ

Tiêu chuẩn để chọn tỷ số BI là theo dòng điện tải cực đại Các đối tượng BV có điện thế cao, có thể sử dụng BU qua bộ chia điện thế bằng tụ điện, để điện thế đến BU chỉ bằng 10% điện thế hệ thống (H.1.3)

Hình 1.3 Mạch phân thế bằng tụ điện

U - điện thế hệ thống

C , C - điện dung của bộ phận thế

UT U Cht 1

= +

Máy biến dòng điện (BI, TI, CT)

Tỷ số biến đổi dòng điện của BI theo lý thuyết là nghịch với số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp của BI Nhưng thực tế dòng thứ cấp được xác định bằng

N I I T = I S – Iµ

trong đó: I T , I S , Iµ - dòng thứ cấp, dòng sơ cấp, dòng từ hóa; N I- tỷ số dòng quấn

Dòng từ hóa tỷ lệ với tổng trở của mạch thứ cấp, vì thế sai số của BI tỷ lệ với tổng trở thứ cấp (phụ tải của BI) Các BI có thể đảm bảo được độ chính xác khi chúng làm việc ở tình trạng gần với

tình trạng nối tắt phía thứ cấp BI, nghĩa là khi phụ tải phía thứ cấp BI bé thì lúc đó Iµ bé Ví dụ, khi phụ

tải 30VA và dòng điện định mức 5A, ta có điện thế thứ cấp U T = 6V Khi điện trở của phụ tải thay đổi trong một phạm vi giới hạn, dòng điện thứ cấp I T thực tế hầu như không biến đổi vì Iµ rất bé so với dòng

điện sơ cấp I S Vì thế phụ tải của BI luôn luôn nối tiếp, khác với phụ tải của BU luôn luôn ghép song song Nối tắt thứ cấp là trường hợp làm việc bình thường của BI Không cho phép máy biến dòng làm việc ở tình trạng hở mạch thứ cấp khi dòng điện sơ cấp định mức Đặc biệt khi NM, dòng sơ cấp lớn, sức điện động phía thứ cấp (nếu hở mạch) có thể đạt đến hàng chục kilô volt Cũng cần chú ý rằng, nếu điện trở của phụ tải ở mạch thứ cấp lớn cũng có thể gây quá điện áp nguy hiểm Độ chính xác của BI được tính bằng tỷ số

I

I I N

Đối với một số loại rơle độ chính xác 10% đến 15% khi NM có thể chấp nhận được, ví dụ rơle dòng điện có thời gian Còn những rơle khác như khoảng cách, so lệch yêu cầu độ chính xác cao hơn là 2÷3% Trong trường hợp tổng quát, có thể dùng độ chính xác là 5% Sai số cho phép về góc là δ ≤ 7o

1- Cách xác định phụ tải của BI trong sơ đồ bảo vệ

Trong sơ đồ BV phụ tải của BI bao gồm điện trở của các rơle, dây nối

phụ và điện trở tiếp xúc Giá trị tính toán của phụ tải BI xác định như sau:

Z.pt =

cấp thứ cuộn điện Dòng

cấp thứ cuộn áp Điện I

U

T

T =

Đối với dòng điện thứ cấp đã cho, điện áp đầu ra ở cuộn thứ cấp của

BI phụ thuộc vào sơ đồ nối giữa BI và phần đo lường, dạng NM và sự phối

hợp các pha hư hỏng

Hình 1.4 Nối tiếp

hai máy biến dòng

I

Trong một số trường hợp để giảm phụ tải của BI người ta giảm UT bằng cách nối tiếp hai (hay đôi khi ba, bốn) máy biến dòng có hệ số biến đổi giống nhau (H.1.4) Lúc đó

Z.pt = 0,5( 2 )

dd R

với: Z R - tổng trở của rơle; Z dd- tổng trở của dây dẫn

2- Cách đánh dấu đầu cuộn dây

Trong các sơ đồ BV cần phải nối đúng đầu các cuộn dây của BI và phần đo lường của BV, vì thế cần phải biết cách đánh dấu các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của BI

Các đầu của cuộn sơ cấp chúng ta đánh dấu S1 và S2

Các đầu của cuộn thứ cấp ta đánh dấu T1 và T2

Xác định đầu dây theo quy tắc sau: chọn đầu S1 của cuộn sơ

cấp tùy ý Đầu T1 của cuộn thứ cấp được xác định theo đầu S1 của

cuộn sơ cấp với quy ước là khi giá trị tức thời của dòng điện sơ

cấp Is đi từ đầu S1 đến S2 dòng điện thứ cấp IT sẽ đi từ T2 đến T1

(H.1.5) Ở các đầu S1 và T1 đôi khi người ta đánh dấu bằng ngôi

sao (*) Nếu chọn đầu dây theo quy ước vừa nêu ra thì hầu như là

dòng điện đi thẳng từ mạch sơ cấp qua rơle không bị đổi chiều

Vì thế, trên các bản vẽ thường người ta không đánh dấu đầu các

cuộn dây mà chỉ hiểu ngầm rằng các đầu cùng tên S1 và T1 nằm

cạnh nhau

Đối với BI lõi thép, chất lượng lõi thép, đặc tính bão hòa từ

của nó rất quan trọng Khi dòng điện NM lớn làm lõi thép bão hòa, điều này sẽ gây ảnh hưởng nhiều hay ít đến BV tùy thuộc nguyên tắc BV, chẳng hạn không ảnh hưởng nhiều đến BV một tín hiệu đầu vào như BV dòng điện Mức độ chính xác của BI ảnh hưởng rất lớn đến sơ đồ BV so lệch

vì cần so sánh sự khác nhau giữa các dòng điện Sự bão hòa của BI có thể được tính phỏng đoán

bằng ba phương pháp sau:

- Phương pháp đường cong từ hóa (đường cong bão hòa)

- Phương pháp công thức

- Phương pháp mô phỏng trên máy tính

Trong mọi trường hợp, biến dòng có thể được thay thế bằng sơ đồ mạch tương đương như

hình 1.6 Dòng điện sơ cấp BI được biến đổi bằng một máy biến dòng lý tưởng tỷ số 1/n

Mạch tương đương hình 1.6a có thể đơn giản hóa thành hình 1.6b, trong đó tổng trở thứ cấp

BI và tổn thất nhiệt không kể BI được đánh giá bằng độ chính xác của tỷ số dòng sơ cấp và dòng thứ cấp Điều này được xác định bằng điện áp thứ cấp lớn nhất mà BI không bị bão hòa

Hình 1.5 Cách đánh dấu

các đầu cuộn dây BI

a)

b)

1 : n a b

c d

a b

c d

e f

e f

RT

Z&T = +

n /

Z - tổng trở sơ cấp BI; Z - tổng trở thứ cấp BI; X - thành phần từ hóa;

R - tổn thất nhiệt lõi thép nhánh từ hóa

m

T

Hình 1.6 Mạch tương đương và giản đồ vectơ của BI

Từ hình 1.6b xác định điện thế thứ cấp

V.cd = V.T = I.T(Z.T + Z.L) = I.T Z.B (1.1) trong đó: V.T - điện thế thứ cấp (V); I.T - dòng thứ cấp cực đại (A)

Z.L - tổng trở tải (Ω); Z.T - tổng trở thứ cấp BI (Ω)

Z.B - tổng trở phía thứ cấp (Ω)

Trong mọi trường hợp áp dụng, dòng điện thứ cấp cực đại được tính từ dòng điện NM chia cho tỷ số của BI

Cấp chính xác theo tiêu chuẩn ANSI

Loại C: quy định tỷ số biến đổi có thể tính toán Bao gồm các BI sứ có cuộn dây phân bố không đồng nhất và bất kỳ BI nào mà từ thông tản lõi thép không ảnh hưởng tới tỷ số biến đổi trong một giới hạn xác định

Loại T: quy định tỷ số biến đổi phải xác định bằng thử nghiệm Bao gồm các BI loại dây quấn và bất kỳ loại nào khác mà từ thông tản lõi thép ảnh hưởng đến tỷ số biến đổi

Biến dòng loại sứ thường rẻ hơn loại dây quấn nhưng có độ chính xác thấp hơn, thường được dùng cho BV rơle vì giá thành cũng như độ chính xác thỏa mãn BV Hơn nữa, loại BI sứ tiện lợi cho việc đặt ở đầu sứ máy biến áp và máy cắt BI loại sứ ít chính xác ở dòng điện nhỏ vì có dòng từ hóa lớn nên ít được dùng cho đo lường ở dòng điện bình thường

Đồ thị của biến dòng loại C được vẽ ở hình 1.7, biểu hiện điện thế thứ cấp các BI loại C khác nhau Đồ thị cho giới hạn (10%) tỷ số của BI theo cấp chính xác và tải BI cho trước

22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

4Ω 2Ω 1Ω

B-10 B-20

B-40

B-80

Bội số Iđms

Hình 1.7 Đồ thị chuẩn chính xác ANSI,

máy biến dòng loại C

Hình 1.8 Đường cong tỷ số quá dòng

mẫu của BI loại T

Ví dụ, tải BI là 4Ω, đường cong chỉ rằng sai số tỷ số của cấp C400 sẽ không vượt quá (10%) giữa 1 và 20 lần dòng điện thứ cấp bình thường Điều này được kiểm tra như sau

V T = 4Ω(100× 5A) = 400V

Cấp chính xác BI cho rơle có thể được cung cấp từ nhà sản xuất Đối với BI loại T, nhà sản xuất cung cấp đường cong tỷ số quá dòng mẫu, như hình 1.8

a- Phương pháp đường cong từ hóa

Phương pháp này yêu cầu phải dùng đường cong từ hóa của biến dòng cần chọn, các đường cong như thế được cung cấp từ nhà sản xuất Họ đường cong tiêu biểu cho ở hình 1.9 Đường cong này có thể được dùng rất đơn giản Từ (1.1) với dòng chạm và tỷ số BI đã cho, ta có thể xác định điện thế thứ cấp Từ hình 1.8 đối với điện thế đã tính, ta có thể kiểm tra điểm làm việc của BI, việc chọn sẽ rõ hơn trong

ví dụ quyển bài tập “Tính toán NM và BVRL trong HTĐ”, tác giả Nguyễn Hoàng Việt

Hình 1.9 Đường cong từ hóa của BI loại C

0,001 -1 1 10 100 1000

50-5

b- Phương pháp công thức

Phương pháp này đánh giá sự làm việc của BI dựa vào nguyên lý thiết kế BI Bảng 1.1 cho quan hệ giữa tải thứ cấp chuẩn của BI và điện thế thứ cấp định mức Điện thế thứ cấp định mức là điện thế của BI loại C sẽ cung cấp cho tải chuẩn với 20 lần dòng định mức mà không quá sai số 10%

Bảng 1.1 Điện thế định mức và tải chuẩn của BI loại C

Loại C Tải chuẩn Z B (1)

(Ω)

Điện thế định mức (2)

Tải chuẩn Z B (1) (Ω)

Điện thế định mức (2)

(V)

(1) - giả thiết góc tổng trở là 60 o; (2) - được tính khi 20 × 5A dòng thứ cấp

Điện thế thứ cấp là hàm của dòng điện NM thứ cấp BI I N và tổng tải phía thứ cấp Z B

t o

L Rt N

B L

Rt N

R

L i Z dt t e

i Z vdt

=ω

L

X i Z

Z

N B

Trong đó tải tính trong đơn vị tương đối (ĐVTĐ) với cơ bản là tải BI chuẩn, và dòng NM

trong ĐVTĐ với cơ bản là dòng định mức BI Ví dụ, đối với đường dây truyền tải có X/R là 12 và dòng NM cực đại là bốn lần dòng định mức của BI C800, bão hòa sẽ không xảy ra nếu Z B < 0,38 (ĐVTĐ) của tải chuẩn 8Ω, hay khoảng 3Ω

c- Phương pháp mô phỏng trên máy tính

Đồ thị 1.8 và 1.9 không cho ta biết chính xác dạng sóng méo dạng khi có dòng sơ cấp lớn làm bão hòa lõi thép BI Việc chụp hình dạng sóng thực tế cũng như mô phỏng trên máy tính cho phép ta định được các dạng sóng sơ cấp cũng như thứ cấp lúc có dòng điện sơ cấp rất lớn Máy biến dòng làm việc trong chế độ quá độ

Khi có NM xảy ra, dòng điện NM được xác định:

−ψ+ω

R

Số hạng đầu của i NM là thành phần chu kỳ đối xứng và số hạng sau là thành phần không chu kỳ mà bắt đầu có trị số cực đại và giảm dần theo hàm mũ (H.1.10)

Trong phương trình trên, R, L là điện trở và kháng trở, φ là góc pha của mạch sơ cấp và ψ là

thời gian (radian) tính từ thời điểm xảy ra NM đến điện áp thứ cấp vừa qua không Công thức chỉ

rằng thành phần không chu kỳ giảm chậm hơn nếu R/L nhỏ, nghĩa là cảm kháng cao như ở các mạng có điện thế trên 110kV Thành phần không chu kỳ sẽ lớn nhất khi ψ = 90o –φ, nghĩa là nếu

NM được bắt đầu ở thời điểm khi điện thế quá không

Thành phần không chu kỳ của dòng điện thứ cấp máy biến dòng được chỉ ở hình 1.11a; ta thấy rằng thành phần không chu kỳ của dòng điện thứ cấp giảm nhanh hơn của dòng điện sơ cấp, và đổi chiều sau vài chu kỳ

Sai số của BI tạo ra do thành phần không chu kỳ có thể suy ra từ hình 1.11b, mà do một phần dòng điện sơ cấp được dùng để từ hóa lõi thép Hình 1.12 cho dạng sóng dòng điện sơ cấp và thứ cấp của BI khi có NM

Giá trị của X/L tăng theo điện thế mạng điện do khoảng cách dây dẫn tăng lên ở mạng 220kV, X/L là khoảng 10, vì thế từ thông không chu kỳ khoảng 10 lần/từ thông chu kỳ I s

đường bao dưới

Hình 1.10 Dạng sóng dòng điện ngắn mạch

Đường bao trên

Đường bao dưới

Hình 1.10 Dạng sóng dòng điện NM

Hình 1.11 Thành phần không chu kỳ

Hình 1.12 Dạng sóng của dòng điện sơ cấp

và thứ cấp của BI khi có NM a) Theo lý thuyết; b) Chụp được bằng dao động

3- Bộ biến đổi dòng điện quang

Để khắc phục hiện tượng bão hòa của lõi thép BI, ta có thể dùng bộ biến đổi dòng điện quang Nguyên tắc làm việc của các bộ biến đổi này là đo lường vùng từ trường lân cận của dây

dẫn mang dòng điện Ưu điểm của phương pháp này là:

- Khoảng làm việc của bộ phận quang lớn hơn nhiều so với loại BI điện từ

- Bộ biến đổi quang gọn nhẹ

Hình 1.13 Các loại bộ biến đổi dòng điện quang

Khuyết điểm của loại này là tín hiệu đầu ra nhỏ khoảng vài microwatt so với vài watt của

loại cổ điển Phần cứng của bộ biến đổi dòng điện quang ngày càng phát triển và có năm dạng

khác nhau như:

Loại 1: BI cổ điển kết hợp với bộ biến đổi quang cách điện

Bộ biến đổi

điện - quang

dây dẫn

lõi từ biến dòng

cáp quang

cảm quang cảm quang

cáp quang vào ra

đường ánh sáng

vào ra cáp quang cáp quangvào ra

cảm quang

dây dẫn

vào ra cáp quang cảm quang

Loại 2: dùng mạch từ quanh dây dẫn kết hợp và đo từ trường bên trong lõi thép qua khe hở

không khí

Loại 3: dùng đường đi ánh sáng bên trong khỏi vật liệu quang bao bọc dây dẫn điện

Loại 4: dùng một dây quang quấn quanh dây dẫn

Loại 5: đo từ trường ở tại một điểm gần dây dẫn

Máy biến điện áp (BU, TU, PT)

Máy biến điện áp được chế tạo chuẩn hóa hơn máy biến dòng điện Điện thế thứ cấp giữa

các pha thường là 100V (115V) Thường có hai loại là từ và điện dung Khi điện thế hệ thống lớn 500kV, máy biến áp điện dung hình 1.13 được dùng

BU khác với máy biến áp điện lực ở chỗ làm nguội, cỡ dây dẫn và độ yêu cầu làm việc chính xác Trị số sai số của BU được định theo hệ số

S

S T U

U

U U

với: N U - hệ số biến đổi điện áp; U T , U S - điện áp thứ và sơ cấp

Sai số này một phần do điện thế sơ cấp tạo dòng điện từ hóa và một phần do tải phía thứ cấp Để dùng cho BV, BU được chế tạo thường là ba pha có lõi trụ Mỗi pha có hai cuộn thứ cấp, một cuộn nối sao để cho điện thế ba pha cần thiết cho BV và cuộn khác nối nối tiếp thành tam giác hở dùng để lọc thành phần thứ tự không (H.1.14a) BU một pha cũng được dùng những nơi không cần điện áp thứ tự không, lúc đó chỉ cần điện áp một pha nối theo kiểu tam giác thiếu (H.1.14b)

Uo

USB

Hình 1.14 Máy biến điện áp

Sơ đồ nối BI, BU với phần đo lường của mạch BV

Phần đo lường của BV nhận thông tin của đối tượng BV từ cuộn dây thứ cấp của BI, BU Trạng thái, chế độ đầy đủ của đối tượng BV được xác định bằng dòng và áp ba pha tại chỗ đặt

BV Trong vài trường hợp, để cho BV tác động chỉ cần dòng hai pha hay chỉ cần điện áp giữa các pha (điện áp dây), trong trường hợp như thế chỉ cần đặt BI ở hai pha và hai biến áp một pha Thành phần thứ tự không có thể nhận được bằng cách nối thích hợp giữa các cuộn dây thứ cấp BI hay BU Thành phần này cũng có thể nhận được qua bộ lọc của các thành phần thứ tự từ phần đo lường của BV

Đối với BV được thực hiện bằng bán dẫn, vi mạch, các thành phần thứ tự của dòng sơ cấp

được tạo bằng phần đo lường của BV, sau khi phần này nhận U T , I T từ BU, BI Vấn đề kế tiếp được đặt ra là cần dùng thêm những BI, BU, bộ phận thế, phần dòng trung gian để chuyển dòng và áp

định mức từ BI, BU (5A hay 1A và 100V) xuống dòng và áp thích hợp cho phần đo lường bằng bán

dẫn hay vi mạch

Đối với BV thực hiện bằng vi xử lý, các thành phần và họa tần có thể nhận được bằng cách tính toán khi đã biết dòng và áp pha

a- Sơ đồ nối các BI với phần đo lường của BV

Ia

Ic

Iv

Hình 1.15 Sơ đồ nối BI

Trong mạng có dòng chạm đất bé, BV thường được nối bằng hai BI, thường tất cả các mạch

nối hai pha có cùng tên (ví dụ A và C) Trong mạng điện thế lớn hoặc bằng 100kV, trung tính nối

đất trực tiếp, để BV cần thiết đặt BI cả ba pha Từ đó có thể có các dạng nối BI như sau:

Hình 1.15a: sơ đồ hình sao khuyết, đường dây khi làm việc bình thường có i v = i a + i c≠ 0

Hình 1.15b: sơ đồ hình sao hoàn toàn Đường dây có dòng i v = i a + i b + i c ≠ 0 khi NM một pha

(N1), nghĩa là nhận được thành phần thứ tự không 3i o = i a + i b + i c

Hình 1.15c: sơ đồ số 8; Hình 1.15d: sơ đồ hình tam giác

Trong sơ đồ hình 1.15c,d, dòng điện chạy vào phần đo lường của BV là i R = i a – i c Trong tình trạng đối xứng thì I R = 3 I a = 3 I c

Hình 1.16 Sơ đồ BI hình tam giác

Sơ đồ đấu BI hình tam giác có thể thực hiện theo hai phương án khác nhau Hình 1.16 cho hai cách đấu hình tam giác và giản đồ vectơ tương ứng nhận thấy rằng dòng điện ra thứ cấp của sơ đồ này không có thành phần thứ tự không Cách đấu của sơ đồ hình 1.16.a ngược với sơ đồ hình 1.16b Sơ đồ đấu BI hình tam giác thường được dùng cho BV khoảng cách

Đối với các BV phản ứng theo các thành phần thứ tự của dòng điện, phần thứ cấp của các

BI đưa qua bộ lọc, ví dụ như bộ lọc thứ tự nghịch như hình 1.17

Trong trường hợp những BV chống chạm đất có thể dùng cách đấu của các BI để tạo thành bộ lọc thứ tự không Sau đây ta khảo sát các bộ lọc thứ tự không cơ bản

Bộ lọc thứ tự không dùng ba máy biến dòng (H.1.18)

Dòng điện đi vào phân tử đo lường của BV là tổng dòng thứ cấp của ba pha Nếu bỏ qua dòng từ hóa, ta có

I R = I& a + I& b + I& c;

I

o I

C B A

I N

I I I

I& & & & 3&

=++

=

với: I& a, I& b , I& c - dòng thứ cấp ba pha; N I - tỷ số biến đổi BI

I& A, I& B , I& C - dòng sơ cấp ba pha

Khi có NM nhiều pha (không kèm chạm đất), khi có dao động, cũng như đối với dòng phụ tải lúc

đó I& A + I& B+ I& C = 0 và do đó I& o = 0

Trong thực tế, cần tính đến sai số do BI gây nên bởi dòng từ hóa của chúng Như vậy ngay

cả khi I A + I B + I C = 0, ta vẫn có I a + I b + I c ≠ 0, nghĩa là có dòng điện qua phần đo lường của BV

Dòng này được gọi là dòng không cân bằng (I kc)

Nếu kể đến dòng từ hóa (Iµ ) thì dòng qua ĐL là

I

C B A I

C B A I

C C I

B B I

A A

I I I N

I I I N

I I N

I I N

I I

−++

B I

A

I N

I N

I

++

= & & &

- Thỏa mãn điều kiện sai số < 10% đối với giá trị dòng NM ba pha

- Có các đặc tuyến từ hóa như nhau ở cả ba pha

- Có phụ tải thứ cấp ở các pha như nhau

Trong giai đoạn quá độ của NM, dòng I kclớn do ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ của dòng NM, thành phần này làm dòng từ hóa tăng và không giống nhau giữa các BI, khi chọn các tham số cho các BV tác động tức thời, cần lưu ý đến điều này Để BV không tác động sai với

dòng không cân bằng, cần chọn dòng tác động của BV lớn hơn I kc

Máy biến dòng thứ tự không (BI o )

Trong mạng điện có trung tính không nối đất, thường dòng chạm đất rất bé, nếu dùng bộ lọc 3BI sẽ không đủ độ nhạy để BV tác động Dòng khởi động sơ cấp của BV này không nhỏ hơn 20÷

25A, trong trường hợp này dùng BIo có độ nhạy cao hơn

Ưu điểm chính của BIo là I kc rất bé và có khả năng chọn số vòng cuộn thứ cấp tùy điều kiện bảo đảm cho độ nhạy lớn nhất mà không bị giới hạn bởi phụ tải Nhờ vậy BIo có khả năng làm cho

BV tác động với dòng sơ cấp 3÷5A

Nếu dùng BIo kết hợp với rơle có độ nhạy cao có thể tạo nên BV tác động với dòng sơ cấp 1÷2A

ĐL

ĐL A

B Cx

xx1

2

IV

Hình 1.19 Máy biến dòng thứ tự không BI o

Trên hình 1.19a giới thiệu cấu tạo BIo khung từ1 gồm các lá thép biến áp, có dạng hình vành khăn hoặc chữ nhật ôm lấy cả ba pha của đường dây được BV, các dây dẫn pha A, B, C chui qua lỗ của BIo, còn cuộn thứ cấp 2 thì quấn trên khung từ Các dòng I A , I B , I C tạo trong khung từ từ thông tương ứng φA, φB, φc Từ thông tổng của cuộn sơ cấp φΣ =φA + φB + φc

Nếu φΣ ≠ 0: trong cuộn thứ cấp có sức điện động e2 tạo nên dòng trong ĐL Giá trị từ thông

và dòng tạo ra nó liên hệ qua φ = ωI/R = kI Khi các dây dẫn các pha có vị trí như nhau đối với khung từ và cuộn thứ cấp, có thể coi hệ số k của các pha như nhau, khi đó φΣ = φA + φB + φc = k( I& A + I& B+ I& C)

vì tổng các dòng pha I& A + I& B+ I& C = 3I o nên có thể nói là từ thông tổng tạo nên bởi dòng sơ cấp của BIo tỷ lệ với thành phần thứ tự không φΣ = k3I o

Từ thông tổng φΣ và các đại lượng mà nó tạo nên là SĐĐ thứ cấp e2 và dòng thứ cấp I R chỉ có thể có khi tổng dòng các pha khác không, hay nói cách khác khi mà trong các dòng pha đi qua

BIo có chứa thành phần thứ tự không

Trong thực tế, vị trí các dây dẫn pha đối với cuộn thứ không như nhau Hệ số hỗ cảm các

pha đối với cuộn thứ cấp k có giá trị khác nhau, vì vậy ngay cả khi dòng sơ cấp hoàn toàn cân

bằng, từ thông tổng vẫn khác không Đó là từ thông không cân bằng tạo nên trong cuộn thứ cấp sức điện động và dòng không cân bằng Dòng không cân bằng trong BIo nhỏ hơn rất nhiều so với bộ lọc dùng ba BI Trong BIo thực hiện cộng từ thông các dòng I kc chỉ phụ thuộc vào độ không đối

xứng của vị trí dòng sơ cấp các pha Để BV đường dây, động cơ, hiện nay người ta chế tạo BIo loại cáp Khi cần thiết BV đường dây trên không người ta làm thêm đoạn cáp và đặt BIo trên đoạn đó

Khi có dòng I v chạy trở về trong vỏ cáp của đường dây không sự cố mà có đặt BIo, BV đường dây này có thể tác động sai Kinh nghiệm vận hành cho biết là theo vỏ cáp bằng thép hay chì có thể có

dòng I v chạy vòng qua đất Các dòng này xuất hiện khi chạm đất gần chỗ đặt cáp Dòng I v chạy theo vỏ cáp của đường dây không hư hỏng chạy qua BIo và do đó BV tác động sai

Để loại trừ điều nêu trên, triệt tiêu ảnh hưởng của dòng đó như sau: vỏ đoạn cáp từ phễu cho đến BIo đặt cách điện với đất, dây nối đất nối phễu cáp luồn qua lỗ BIo (H.1.19b) Nhờ vậy,

khi có I v chạy theo vỏ cáp, dòng này qua dây nối đất chạy ngược trở về Từ thông trong khung từ của BIo do dòng chạy trong vỏ và dòng nối đất triệt tiêu nhau, nên bằng không Khung từ của BIo

cũng cần phải cách điện đối với vỏ cáp

b- Sơ đồ nối BU với phần đo lường của bảo vệ

Sơ đồ cơ bản nối cuộn dây các BU là nối hình sao, tam giác, lọc áp thứ tự không

Sơ đồ hình sao (có thể dùng ba BU một pha hay BU ba pha)

Sơ đồ ba máy biến áp thường dùng cho mạng từ 35kV trở lên BU ba pha năm trụ thường dùng cho mạng dưới 15kV, khi cùng một lúc cần lấy điện áp thứ tự không

A B C

Hình 1.20 Sơ đồ hình sao

Trong sơ đồ này, cuộn dây sơ cấp BU được nối hình

sao, trung tính nối đất Bộ phận đo lường của BV có thể

nhận điện áp dây (H.1.20a), điện áp pha (H.1.20b) cũng có

thể nhận áp pha với trung tính giả (H.1.20c), giản đồ vectơ

;3

cb ca c ba bc b ac ab

Nếu trung tính của sơ cấp BU không nối đất thì điện

áp trong sơ đồ hình 1.20b sẽ như trong trường hợp c mà trung tính sơ cấp có nối đất

Sơ đồ tam giác khuyết

Sơ đồ được thực hiện bằng hai biến áp dây (H.1.22) Bộ phận đo lường của BV có thể nối để nhận điện áp dây và điện áp pha có trung tính giả Sơ đồ này được dùng khi không cần nhận điện thế pha với đất

Uca

Uba

UcbN

Hình 1.21 Điện áp pha

của hệ thống có trung tính giả

A B C ĐL ĐL ĐL ĐL ĐL ĐL

Hình 1.22 Sơ đồ tam giác khuyết (sơ đồ nối hình chữ V)

Bộ lọc áp thứ tự không: để nhận thành phần điện áp thứ tự không thường dùng ba BU một pha, hay ba pha năm trụ Cuộn sơ cấp nối hình sao, trung tính nối đất, cuộn thứ cấp nối tam giác hở, để nối ĐL vào hình 1.23a

A B C

a b

ĐL

Hình 1.23 Sơ đồ nối BU nhận áp thứ tự không

Điện áp nhận được ở ĐL là

U

o U

C B A c b a

U k

U U U U U U

U& & & & & & & 3&

=++

≈++

=

Điện áp nhận được tỷ lệ với điện áp thứ tự không, nên sơ đồ này được gọi là bộ lọc áp thứ tự không

Điện áp thứ tự không có thể nhận từ trung tính của hệ thống Ví dụ, trung tính máy phát

(H.1.23b) nối đất qua một máy biến áp một pha Khi có chạm đất một pha, trung tính có dòng I o và

do đó thứ cấp BU xuất hiện thứ tự không Để cung cấp áp thứ tự không cho các rơle được cấu tạo bằng bán dẫn hay vi mạch, người ta có thể nhận áp thứ tự không qua trung gian các bộ lọc thứ cấp nối vào điện áp pha của cuộn thứ cấp BU (H.1.24) Bộ lọc dùng điện trở (H.1.24a) BU trung gian tam giác hở (H.1.24b) hay tụ điện

a) b) c)

R

Hình 1.24 Bộ lọc thứ cấp áp thứ tự không

1.3.2 Phần đo lường thứ cấp của bảo vệ - các bộ phận so sánh

Hệ thống BV hình 1.2 gồm có hai phần chính: phần đo lường và lôgic Phần trên đã khảo sát các bộ biến đổi đo lường sơ cấp BI, BU Các đại lượng I R , U R từ các BI và BU đưa vào phần đo lường thứ cấp của BV (gọi tắt là phần đo lường)

Phần đo lường của BV tùy thuộc vào nguyên tắc tác động của BV mà được thực hiện bằng một hay nhiều phần tử đo lường Việc thực hiện những phần tử chức năng của BV phụ thuộc vào nguyên tắc cấu tạo, thực hiện BV chẳng hạn được thực hiện bằng nguyên tắc điện cơ, linh kiện bán dẫn, vi mạch hay vi xử lý

Những thiết bị BV đầu tiên được thực hiện bằng điện cơ, sau đó xuất hiện phần tử điện tử, bán dẫn, vi mạch Thời đại ngày nay, việc áp dụng vi xử lý vào lĩnh vực BV đã rộng rãi Trong trường hợp tổng quát, dù BV được thực hiện bằng phương tiện nào, các phần tử của BV cũng có những tính chất, nguyên tắc chung Sau đây trình bày những nguyên tắc để thực hiện phần đo lường của BV

Vì sự xuất hiện các sự cố trong HTĐ sẽ kéo theo biến đổi những đại lượng xoay chiều đặc trưng cho trạng thái của hệ thống (dòng, áp) Cho nên, một chức năng rất quan trọng trong phạm vi

BV là phát hiện sự thay đổi và đánh giá được tình trạng của đối tượng mình BV mà cho lệnh đi cô lập sự cố thích hợp

Ở những BV đơn giản, thực hiện bằng các rơle dòng điện sẽ so sánh dòng điện qua phần tử

BV với giá trị chuẩn không đổi được điều chỉnh bằng tay và rơle sẽ tác động khi dòng điện vượt quá giá trị chuẩn Rơle này chỉ có một đại lượng vào là dòng điện còn giá trị chuẩn được thiết lập qua trung gian của một lò xo, nó còn có tên là giá trị ngưỡng hay mức tới hạn của thông số được

kiểm tra Những rơle điện tử thỏa mãn một chức năng tương tự như vậy được gọi là bộ phận phát

hiện mức tới hạn, bộ phận phát hiện biên độ, hay bộ phận phân biệt biên độ Giống như những rơle dòng điện loại điện cơ, bộ phận phát hiện mức tới hạn chỉ có một đại lượng đi vào và giá trị của nó sẽ so sánh với giá trị chuẩn và giá trị chuẩn này có thể thực hiện bằng nguồn ổn áp hay nhờ

điod ổn áp (Zener)

Do yêu cầu tính chọn lọc và tác động nhanh, đối với đối tượng được BV có điện áp cao, công suất lớn, BV khó có thể tác động chọn lọc được nếu chỉ đo một đại lượng vào như dòng, áp hay góc pha nếu không dùng thời gian trì hoãn, do đó trong những BV tác động nhanh cần phải đo lường những đại lượng là tổ hợp của những tín hiệu đơn giản là dòng hay áp Các đại lượng này được so sánh với đại lượng không chỉ là hằng số mà còn thay đổi phụ thuộc vào chế độ làm việc của trang thiết bị (ví dụ như BV có hướng khoảng cách )

Những bộ phận làm thỏa

mãn chức năng so sánh những

đại lượng đưa vào, với những

đại lượng khác theo chương

trình định sẵn được gọi là bộ so

sánh Như vậy khâu quan trọng

của phần đo lường là bộ so

sánh, nó có thể có một, hay

nhiều tín hiệu từ các BI, BU

đưa vào Bộ phận đo lường xác định phạm vi tác động của BV Ta có thể biểu diễn phạm vi tác động của BV bằng hình vẽ đặc tuyến Đối với bộ phận đo lường có một đại lượng đầu vào, phạm

vi tác động được biểu diễn là một điểm trên một trục tọa độ (H.1.25a) Đối với bộ phận có hai tín hiệu đầu vào, đặc tính khởi động được diễn tả trên mặt phẳng như hình 1.25b Còn đối với các bộ phận với ba hay lớn hơn được diễn tả trong không gian ba chiều hay nhiều hơn Trong hầu hết các

sơ đồ BV, bộ phận so sánh diễn ra so sánh biên độ, góc pha hay vừa biên độ (suất) và góc pha của các đại lượng

Khi so sánh giá trị tuyệt đối (biên độ, suất) của hai đại lượng, bộ so sánh sẽ khởi động nếu

B và sẽ không khởi động khi A. không vượt qua giá trị B.

Trong phương trình trên, với A. và B. là giá trị tuyệt đối của hai đại lượng đưa vào bộ so sánh, hay của một đại lượng đưa vào và một đại lượng chuẩn

Khi so sánh góc pha giữa hai đại lượng, bộ so sánh sẽ khởi động nếu ϕ1 ≤ (A.,B.) ≤ ϕ2 và sẽ không khởi động khi điều kiện này không thỏa Phương trình trên với A.,B. là

hai vectơ biểu diễn hai đại lượng điện (A.,B.) là góc giữa hai vectơ, B. trễ pha so với A. ϕ1 và

ϕ2 là hai góc pha cho sẵn, thường ϕ1 – ϕ2 = 180o

a- Bộ phận so sánh với một đại lượng đầu vào

Như trên đã nói, trong bộ phận này tiến hành so sánh một đại lượng vào cần quan sát theo dõi với đại lượng chuẩn, chẳng hạn như mômen của lò xo (rơle điện cơ), điện áp chuẩn (rơle điện tử), chương trình so sánh phần mềm của rơle kỹ thuật số Thực tế đại lượng đầu vào là hàm số của dòng điện hay điện áp của đối tượng được BV:

Sơ đồ cấu trúc của loại này cho ở hình 1.26

Hình 1.25 Đặc tuyến tác động của bộ phận đo lường

Vùng tác động

Vùng không tác động Vùng không

tác động

Vùng tác động B& A&

b- Bộ phận so sánh với hai đại lượng đầu vào

Trong bộ phận này, sự so sánh được diễn ra giữa hai đại lượng thay đổi A. và B. mà các đại lượng này là tổ hợp từ hai tín hiệu đầu vào là I.R và (U.R):

với k1, k2, k3, k4 là các hệ số, trong trường hợp tổng quát là số phức

Sơ đồ cấu trúc của bộ đo lường với hai tín hiệu vào cho ở hình 1.27

Khi đầu ra của phần tử 4 thay đổi trạng thái (tiếp điểm rơle đang mở sẽ đóng hay ngược lại, điện thế mức thấp 0 chuyển sang cao 1 hay ngược lại) được gọi là khởi động Đặc tuyến khởi động của bộ so sánh này là đường cong nằm trên mặt phẳng (H.1.25)

c- Dùng mặt phẳng phức để khảo sát sự làm việc của bộ phận so sánh

Đại lượng điện có thể biểu diễn dưới dạng hàm mũ, vectơ Để biểu diễn sự làm việc của các bộ

so sánh, người ta dùng mặt phẳng phức để khảo sát

Dùng mặt phẳng phức W để khảo sát quan hệ hai đại lượng A. và B. Dùng mặt phẳng tổng

trở Z để khảo sát quan hệ hai đại lượng U.R và I.R Các đặc tuyến làm việc của hầu hết các BV

phức, người ta thường biểu diễn trên mặt phẳng tổng trở Z

So sánh hai đại lượng A. và B. cho ta đặc tuyến khởi động trong mặt phẳng phức W, mà A.

và B. là hàm của U.R và I.R nên ta dễ dàng tìm đặc tuyến khởi động của BV trong mặt phẳng

tổng trở Z

So sánh hai đại lượng phức A. và B. trong mặt phẳng phức

R R

R R

I k U k

I k U k B

A W

2 1

k z I k

k k z I k W

+

=

3 4 3

1 2 1

&

&

4 1

2

3

B&

) U ( R

R&

& A&

1- A & = ( )I & R ; 2- đại lượng chuẩn;

3- phần tử chỉnh định giá trị khởi động

4- mạch so sánh

Hình 1.26 Cấu trúc của bộ so sánh có

một tín hiệu đầu vào

4 1

2 3

1, 2- mạch tổ hợp tín hiệu; 4- mạch so sánh

3- phần tử điều chỉnh các hệ số K

Hình 1.27 Sơ đồ cấu trúc của bộ đo

lường với hai tín hiệu đầu vào

với

1

4 3

4 1

k

k k k

k a k

k w k z

3 1

2 4

vùng và đặc tuyến này không trùng nhau mà liên hệ thông qua các hệ số k1, , k4

d- Đặc tuyến làm việc của bộ so sánh trị số tuyệt đối của hai đại lượng điện trong mặt phẳng phức và mặt phẳng tổng trở

Đặc tuyến khởi động của sự so sánh trị số tuyệt đối của hai đại lượng A và B (không phụ thuộc vào góc pha giữa A và B) được xác định bằng phương trình w =A /B = 1

Đặc tuyến này là vòng tròn tâm O, bán kính là 1 trong mặt phẳng phức

Vùng làm việc (khởi động) được xác định bằng bất phương trình Ví dụ, khởi động theo điều

kiện w =A /B ≤ 1 là phần nằm trong vòng tròn (phần gạch chéo (H.1.28a))

Tương ứng với đặc tuyến và vùng khởi động trong mặt phẳng phức W, bằng quan hệ (1.4) ta có thể xác định đặc tuyến khởi động và vùng khởi động trong mặt phẳng Z cho ở (H.1.28b) và

Hình 1.28 Đặc tuyến khởi động trong mặt phẳng phức W (a) và mặt phẳng tổng trở Z (b, c)

Trong trường hợp so sánh trị số tuyệt đối hai đại lượng tương ứng với đặc tuyến vòng tròn

tâm O, bán kính 1 trong mặt phẳng phức W là vòng tròn tâm Z o và bán kính R o trong mặt phẳng

tổng trở Z với

12 2

- Nếu k ≠ 1: đặc tuyến trong mặt phẳng Z là vòng tròn tâm Z−o bán kính R oxác định bởi (1.6) và (1.7)

- Nếu k = 1: đặc tuyến trong mặt phẳng Z là đường thẳng 1, trung tuyến của đoạn thẳng

b

a, , còn vùng khởi động là nửa mặt phẳng có chứa điểm a

- Nếu k > 1: tương ứng với vùng khởi động nằm bên trong vòng tròn tâm O bán kính l thì

vùng khởi động trong mặt phẳng tổng trở cũng nằm bên trong vòng tròn (Z−o,R−o)

- Nếu k < 1 thì ngược lại, nghĩa là vùng khởi động trong mặt phẳng Z nằm ngoài vòng tròn

e- Đặc tuyến khởi động của bộ so sánh góc pha giữa hai đại lượng A và B trong mặt phẳng phức

Được xác định bằng hai phương trình (A.,B.) = ϕ1 và (A.,B.) = ϕ2

Vùng khởi động được xác định bằng bất phương trình: ϕ1 < (A.,B.) < ϕ2

Đặc tuyến khởi động trong mặt phẳng phức chính là hai nửa đường thẳng 1 và 2 qua gốc O

và tạo với trục hoành góc ϕ1 và ϕ2 Vùng khởi động tương ứng với phần gạch chéo (H.1.29), nếu

ϕ1 –ϕ2 = 180o thì đặc tuyến là đường 3

jX j

a

O

Hình 1.29 Đặc tuyến khởi động trong mặt phẳng phức W (a) và mặt phẳng tổng trở Z (b)

trong trường hợp so sánh góc pha giữa hai đại lượng điện

Hầu hết trong các BV, người ta thường dùng đặc tuyến là đường thẳng 3, nghĩa là lúc đó ϕ1

–ϕ2 = 180o nên trong phần này khảo sát trường hợp đặc biệt này

Nếu ϕ1 – β ≠ 0 và ϕ2 – β ≠ 180o thì đặc tuyến là vòng tròn đường kính với β = argk3/ k1 thì đặc tuyến trong mặt phẳng tổng trở Z tương ứng với đường thẳng 3 trong mặt phẳng

W là vòng tròn qua hai điểm a, b (đường 4 (H.1.29b))

Nếu ϕ1 – β = 90o và ϕ2 – β = 270o thì đặc tuyến là vòng tròn đường kính a, b (đường 5 (H.1.29b))

Nếu ϕ1 – β = 0 và ϕ2 – β = 180o, đặc tuyến khởi động tương ứng là đường thẳng 3 trong mặt

phẳng tổng trở Z vùng tác động nằm phía trái đường thẳng 3 đi từ b đến a

Sự liên hệ giữa so sánh trị số tuyệt đối và góc pha của hai đại lượng điện

Bộ so sánh trị số tuyệt đối có thể trở thành bộ so sánh pha của hai tín hiệu đại lượng, và ngược lại nếu thay đổi tổ hợp của tín hiệu vào Nói cách khác, so sánh trị số tuyệt đối của hai đại lượng A. và B. A& thì tương ứng so sánh góc pha của hai tín hiệu U.R và I.R

Ví dụ, quan sát hình 1.30, ta nhận thấy so sánh trị số tuyệt đối hai đại lượng

R R R

Hình 1.30 Giản đồ vectơ của bộ so sánh trị số tuyệt đối dùng cho so sánh pha

g- Trường hợp rơle có dạng đặc tuyến đặc biệt

Người ta sử dụng các bộ so sánh nhiều tín hiệu đầu vào, có thể so sánh suất hay pha, hay tổ hợp so sánh cả suất và pha

1.3.3 Phần lôgic của bảo vệ

Phần lôgic nhận tín hiệu phản ảnh tình trạng của đối tượng BV từ phần đo lường Phần lôgic có thể là tổ hợp các rơle trung gian (rơle điện cơ, bán dẫn ) hay mạch lôgic tín hiệu (0 - 1), rơle thời gian, phần tử điều khiển máy cắt Phần này hoạt động theo chương trình đã định sẵn đi điều khiển máy cắt

Như trên đã khảo sát, phần đo lường đã diễn ra so sánh các đại lượng đo lường với nhau hay

với đại lượng chuẩn Trường hợp tổng quát có thể biểu diễn phần đo lường bằng n hàm số chức

năng có dạng: φi(A , i B j) =

j i

B A khi

B A khi

01

1

Hàm số L liên hệ các phần tử lôgic chuẩn, phần tử thời gian, tín hiệu Trạng thái của L phụ

thuộc vào phần đo lường Để thực hiện chương trình làm việc của phần lôgic có thể dùng tiếp điểm của các rơle trung gian hay phần tử lôgic cơ bản

Với ba toán tử lôgic cơ bản OR (y = x1 + x2 + x3), AND (y = x1.x2.x3) và NO (y = x ) và các phần tử

thời gian, báo tín hiệu ta có thể thực hiện phần lôgic của bất kỳ mạch BV nào

Hình 1.31 giới thiệu các toán tử lôgic cơ bản thực hiện bằng tiếp điểm rơle và ký hiệu: Trong số mạch BV, phần lôgic có thêm phần tử CẤM (khóa) hay cần duy trì tín hiệu thời gian cùng phần tử tự giữ (NHỚ) Ký hiệu và cách thực hiện cho ở hình 1.32

R R R R o

R R R R o

R R R R o

I U I U khi , 90 ) c

I U I U khi , 90 ) b

; I U I U khi , 90 ) a

Cách làm việc của mạch tự giữ như sau: khi x1 = 1 (cuộn x1 có điện) thì y = 1 (y có điện do dòng đi qua tiếp điểm x1 và tiếp điểm thường đóng x2) Trạng thái y = 1 vẫn được tiếp tục giữ (mặc dù x1 trở về 0) nhờ tiếp điểm tự giữ y và y trở về không khi x2 hở ra nghĩa là x2 = 1 Trong thực tế có những sơ đồ mạch BV phức tạp Để có thể đơn giản hóa mạch lôgic, tùy theo công cụ chế tạo

BV, người ta có thể dùng các quy luật biến đổi đại số lôgic cơ bản

1.3.4 Mạch thực hiện điều khiển máy cắt

BI

1 BU1 accu BI2 BU2

rơle 1 rơle 2

cuộn cắt 1 cuộncắt 2 Máy cắt 3)

BI

1 BU1 accu1 accu2 BI2 BU2

rơle 1

cuộn cắt 2 cuộncắt 2

Máy cắt

rơle 2

4)

Hình 1.33 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy cắt tiêu biểu

Hệ thống mạch điều khiển máy cắt phải đảm bảo làm việc tin cậy Hình 1.33 giới thiệu sơ đồ khối các dạng hệ thống điều khiển thường được dùng trong hệ thống BV

Dạng 1: hệ thống hai rơle nhận điện từ một nguồn thao tác một chiều và các máy biến điện

Dạng 2: được làm tin cậy hơn bằng cách dùng hai bộ biến điện riêng biệt cung cấp cho hai

rơle

Dạng 3: dùng máy cắt có hai cuộn cắt, mỗi rơle đưa tín hiệu đến một cuộn cắt riêng

Dạng 4: hai hệ thống BV riêng biệt điều khiển một máy cắt

Nhận xét: dạng 2 được tin cậy hơn vì có hai bộ biến điện riêng biệt cung cấp cho hai rơle Dạng 4

là dạng đắt nhất và tin cậy nhất vì có hai hệ thống BV riêng biệt điều khiển một máy cắt

1.3.5 Các nguồn thao tác

Dòng điện thao tác dùng để cung cấp cho các rơle trung gian, thời gian, tín hiệu, phân cực các linh kiện điện tử, đóng cắt điều khiển các máy cắt điện và một số mục đích khác

Nguồn dòng điện thao tác cần phải đảm bảo cho BV làm việc một cách chắc chắn trong trường hợp NM, khi mà điện áp chỗ hư hỏng có thể giảm đến không Vì vậy, các máy biến áp tự dùng và các máy biến điện áp không thể là nguồn cung cấp duy nhất cho BV được

Hình 1.31 Những bài toán tử logic cơ bản

y +

x1 x2

S

R T

x1 x2

Hiện nay, thường dùng các nguồn thao tác một chiều do accu cung cấp và nguồn xoay chiều

do các máy biến dòng, biến áp mạng điện áp thấp cung cấp

a- Nguồn thao tác một chiều

Accu điện áp 110÷220V, ở các trạm biến áp nhỏ thì accu điện áp 24÷48V được dùng làm nguồn

một chiều Accu bảo đảm cung cấp năng lượng điện cần thiết cho các mạch thao tác ở thời điểm bất kỳ không phụ thuộc vào trạng thái của mạng được BV, vì vậy nó là nguồn cung cấp bảo đảm nhất Tuy nhiên, nguồn accu đắt hơn nhiều so với các nguồn thao tác khác, nó đòi hỏi thiết bị nạp, phòng riêng và sự bảo trì thường xuyên

b- Nguồn thao tác xoay chiều

Đối với BV chống NM, máy biến dòng là nguồn cung cấp rất bảo đảm cho các mạch thao tác Khi có NM, dòng và áp ở đầu cực của máy biến dòng tăng lên đảm bảo cung cấp năng lượng cần thiết cho các mạch thao tác Tuy nhiên, đối với các sự cố và chế độ không bình thường mà dòng qua phần tử BV không tăng lên thì máy biến dòng không đảm bảo công suất cần thiết Máy biến điện áp và máy biến áp tự dùng không thể dùng để cung cấp cho mạch thao tác của

BV chống NM khi áp của mạng điện giảm Nhưng đối với các sự cố và chế độ không bình thường áp không giảm nhiều thì chúng có thể làm việc tốt

Tụ nạp sẵn, thông thường tụ được nạp điện sẵn từ mạng trong chế độ bình thường Khi áp của trạm bị mất, năng lượng trong tụ vẫn được duy trì, vì vậy tụ nạp sẵn được dùng để cung cấp năng lượng cho các BV và thiết bị tự động làm việc khi mất áp của trạm

Tổ cung cấp liên hợp, cung cấp cho ta dòng điện thao tác bằng cách tổng hợp các dòng điện chỉnh lưu từ các nguồn dòng điện (có máy biến dòng) và điện áp (máy biến áp) Trong các tổ liên hợp cần phải chú ý đến việc chọn các pha dòng điện và điện áp như thế nào để có thể nhận được công suất lớn nhất

c- Nguồn một chiều cho các phần tử thực hiện bằng điện tử, vi mạch

Hệ thống BV bằng bán dẫn, vi mạch cần nguồn điện áp một chiều ổn định Trị số điện áp này phụ thuộc vào transistor, hay vi mạch Những điện áp thông dụng cung cấp cho các mạch này

là ± 5V, ± 9V, ± 15V Để cung cấp nguồn một chiều các linh kiện bán dẫn, vi mạch người ta

thường dùng hai phương pháp sau:

- Dùng bộ chia thế từ mạng 110V hay 220V

- Bộ biến đổi một chiều 110V (220V DC) thành điện một chiều có điện thế ra thích hợp

Phương pháp đầu tiên thường dùng cho các

mạch có rơle riêng biệt (rơle trung gian, dòng điện,

thời gian ) năng lượng tiêu thụ từng phần không

lớn Sơ đồ nguyên lý đơn giản của phương pháp

này ở hình 1.34

Trong trường hợp nguồn cung cấp cho BV

phức tạp, cùng một lúc cung cấp cho phần đo lường

và lôgic cần thiết dùng phương pháp thứ hai

1.3.6 Các ký hiệu thường gặp trong sơ đồ bảo vệ rơle

1- Cuộn dây rơle (ngõ vào của rơle)

2- Tiếp điểm rơle (ngõ ra của rơle)

Dạng 1 Dạng 2 Dạng 3 Dạng 4 Dạng 5

Tiếp điểm thường

mở đóng chậm

Tiếp điểm thường mơ û (“a”) cho biết tiếp điểm này mở khi cuộn dây của nó không có điện

(rơle chưa tác động)

Tiếp điểm thường đóng (“b”) cho biết tiếp điểm này đóng khi cuộn dây của nó không có điện

Khi rơle tác động thì trạng thái của tiếp điểm sẽ thay đổi

Trong quyển sách này sử dụng ký hiệu d) cho ngõ vào rơle và ký hiệu tiếp điểm theo dạng 1

Câu hỏi chương 1

1- 1- Các yêu cầu cơ bản của hệ thống bảo vệ hệ thống điện

2- 2- Phân tích các tổ đấu dây của máy biến dòng điện và máy biến điện áp

3- 3- Cách chọn các thông số máy biến dòng và máy biến áp

Websides tham khảo :

Chương 2

CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE BẢO VỆ

2.1 BẢO VỆ ĐƯỢC THỰC HIỆN BẰNG CÁC RƠLE ĐIỆN CƠ

Rơle điện cơ được sử dụng để thực hiện các phần chức năng của bảo vệ Rơle điện cơ làm việc trên cơ sở lực cơ dưới tác dụng của dòng điện chạy trong rơle, rơle điện cơ biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu trạng thái là sự đóng, mở của tiếp điểm Trong rơle điện cơ, năng lượng điện từ được chuyển đổi thành năng lượng cơ, làm chuyển đổi phần động của rơle

Nếu gọi ϕ là góc quay của phần động do tác dụng của lực điện từ thì phương trình mômen quay điện từ có dạng

n p

25

,

trong đó: i R , i R - dòng điện vào rơle; L R , M R - hệ số tự cảm và hỗ cảm của các dòng điện

Có thể chế tạo rơle điện cơ với một đại lượng, hai hay nhiều đại lượng đầu vào Rơle với

một tín hiệu vào, làm việc bằng cách so sánh mômen quay M đt với mômen cản M c Thường là lò

xo và mômen ma sát M ms

Để rơle khởi động và trở về, trên phần

chuyển động của rơle luôn luôn thỏa mãn điều

kiện

ms c

M kđ ≥ + và M đt tv ≤ M c −M ms

Trên hình 2.1, ta quan sát các mômen rơle

điện cơ theo góc di chuyển α của phần động

Mômen ma sát là hằng số không phụ thuộc vào

góc quay:

M c = M co + k(α – α o)

Mômen cản là đường thẳng và tăng theo

α Mômen điện từ tăng nhanh hơn mômen cản,

tại vị trí α = α1 có lượng mômen thừa là M∆, lượng mômen thừa này cũng xác định lực giữ chặt tiếp điểm của rơle, nhưng lượng này làm ảnh hưởng sự trở về của rơle vì muốn rơle trở về trạng thái cũ thì M đt ≤ M c −M ms

Hình 2.1 Quan hệ các mômen

theo góc di chuyển

Đánh giá sự trở về của rơle bằng hệ số trở về k tv, xác định bằng đại lượng trở về trên đại lượng khởi động Ví dụ, đối với rơle cực đại

∆++

−

=

=

M M

M

M M M

M k

ms c

ms c

đt

đv tv

kđ tv

Đối với rơle điện cơ hệ số này thường nhỏ

Dùng rơle điện cơ trong phần đo lường, người ta tìm nhiều cách để nâng hệ số k tv lên gần

bằng 1 bằng cách giảm M c và M∆

Sau đây giới thiệu vài loại cấu trúc rơle điện cơ thường gặp

Hình 2.2 Các cấu trúc rơle điện cơ thông dụng

a) Loại điện từ có phần động di chuyển thẳng; b) Loại điện từ có phần động đóng, mở

c) Loại điện từ có cần cân bằng; d) Loại điện từ có phân cực bằng nam châm

e) Loại có cuộn dây quay; f, g) Loại cảm ứng có phần quay là hình trống

h, i) Loại cảm ứng có phần quay là đĩa

2.1.1 Sử dụng nguyên tắc điện từ để chế tạo rơle

Rơle điện từ làm việc trên nguyên tắc tác động của lực điện từ sinh ra từ cuộn dây phần tĩnh lên phần động là sắt từ Mômen quay được xác định từ (2.2) với số hạng thứ hai bằng không

Ví dụ : Cho dòng điện i R vào cuộn dây của rơle điện từ, năng lượng từ trường nhận được là

W đt =0,5i R2.L

Dòng điện i R từ biến dòng là nguồn dòng không phụ thuộc vào thông số của mạch từ và vị

trí phần động, nên mômen quay chỉ phụ thuộc vào hệ số L, nghĩa là

−α

=αω

=

d

dL t I

k d

dL I k d

dL t

I R

e) d)

i)

Số hạng thứ nhất của M dtkhông phụ thuộc vào thời gian, còn số hạng thứ hai có tần số gấp đôi Để giảm phần động rung đối với thành phần thứ hai, người ta dùng vòng NM bọc lấy một

phần cực của rơle Hình 2.3 biểu diễn M đttheo thời gian

Mđt

L = k NR 2

k I12n dL dα

iR

K 1 R I cos2 t2 ω dL

dα

Hình 2.3 Mômen điện từ trong rơle điện từ

Do quán tính của hệ thống chuyển động, gần đúng có thể phân tích mômen quay bằng mômen trung bình

α

=

d

dL I k

Trị số L tỷ lệ với số vòng dây quấn N trong rơle: L = k R N2

với k R là hệ số cấu trúc của rơle

Từ đó tb 0,5 R2 2 R k.N2.I2R

d

dk N I

α

trong đó k R là hằng số tỷ lệ tùy vào cấu trúc của rơle

Quan sát sự làm việc của rơle điện từ bằng sơ đồ cấu trúc Khi quan sát một sơ đồ bảo vệ, cũng như trong trường hợp nghiên cứu hệ thống điều khiển, người ta sử dụng rộng rãi sơ đồ cấu trúc Trên sơ đồ này, những khâu cơ bản của bảo vệ được trình bày và những quan hệ giữa chúng với nhau Đối với mỗi khâu của sơ đồ cấu trúc được mô tả bằng phương trình liên hệ giữa đầu ra và vào Trên quan điểm này, rơle điện từ cũng có thể được mô tả bằng sơ đồ cấu trúc

Hình 2.4 Rơle điện từ và sơ đồ cấu trúc của nó

Ta biết mômen quay là M đt = k.I R(1−2cosωt)= M o+M≈

x d

trong đó: M thừa - mômen thừa; M đt - mômen điện từ; M Σc - tổng mômen cản

m, n, q - hằng số; x - biến số biểu diễn sự di chuyển của phần động rơle

=

p T T

k

p W

Đây là hàm số truyền của một phần tử quán tính bậc hai và tương ứng với bộ lọc tần số thấp

Sơ đồ cấu trúc của rơle dòng điện điện từ cho ở hình 2.4 Phần tử 1 và 2 biểu diễn biến đổi dòng thành từ thông và mômen quay Những phần tử này không quán tính và có tính chất là bộ lọc

tần số Thực tế M không ảnh hưởng nên tín hiệu ra x o chỉ phụ thuộc vào M o

2.1.2 Sử dụng nguyên tắc của cảm ứng để chế tạo rơle

Rơle cảm ứng làm việc trên cơ sở tác động của từ trường xoay chiều sinh ra do cuộn dây quấn trên phần tĩnh với dòng điện cảm ứng bởi từ trường trong phần động không sắt từ (đĩa quay hay vành hình trống)

Mômen quay được xác định bằng số hạng tứ hai của (2.2) Do không có cảm ứng L khi phần

động di chuyển, để sinh ra mômen quay hệ thống cảm ứng phải có ít nhất hai từ thông lệch pha trong không gian và thời gian, do đó rơle chỉ làm việc với dòng điện xoay chiều

Trong hệ thống chỉ có một dòng điện đưa vào, để tạo ra hai từ thông lệch pha nhau người ta dùng vòng ngắn mạch được gắn vào ở một phần của cực từ (H.2.2h, i)

Trong hệ thống rơle cảm ứng bốn cực từ, hai cuộn dây như hình 2.2f có dòng i1 và i2 vào thì năng lượng từ trường và mômen quay được xác định theo (2.1) và (2.2) là

=

d

dM dt

di i d

dM dt

di i dt

di i M dt

di i M

2 12 2

1 1 2 21 2

1 12

di i k

1

1 2

Nếu hệ thống từ của rơle không bão hòa (từ thông φ tỷ lệ với dòng điện) và dòng điện i1 và

i2 là hình sin cùng tần số và lệch nhau một góc γ thì

1 1

dt

d dt

di t I

dt

d dt

di

m

Từ đó M đt = k.I 1m I 2msin γ

Nếu trong trường hợp hệ thống cảm ứng chỉ do một dòng điện tạo nên thì mômen quay M đt =

k /I m2 Như vậy, mômen tỷ lệ với góc lệch pha γ giữa hai dòng điện Người ta thường dùng hệ thống

cảm ứng để chế tạo bộ so sánh pha giữa hai đại lượng điện A và B Trong trường hợp lý tưởng, hệ

thống sẽ khởi động khi 0o ≤ γ ≤ 180o

Hệ thống cảm ứng có phần quay hình trống, cực từ nhiều cực quấn hai cuộn dây thường được dùng chế tạo rơle với thời gian khởi động rất nhanh còn hệ thống cảm ứng dùng phần quay là đĩa, một đại lượng điện vào thường dùng để chế tạo rơle làm việc có thời gian Quan sát sự làm việc của rơle cảm ứng bằng sơ đồ cấu trúc

Trường hợp tổng quát có thể viết mômen quay của hệ thống cảm ứng dưới dạng

M đt= φ1m.φ2m sin γ

Dưới tác dụng của hai từ thông φ1 = φ1msinωt và φ2 = φ2m sin(ωt + γ) hai dòng cảm ứng i1 và i2

có thể vẽ sơ đồ cấu trúc như hình 2.5

e i1,1 4

x x

e i2,2

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cảm ứng có hai tín hiệu vào là U R và I R

Giả thuyết hai tín hiệu vào là U R và I Rở đây từ thông φ1 được tạo ra bằng dòng I chạy qua

cuộn dây điện áp U R

Do

dt

di L R

U R = i ÷ với R, L là thông số cuộn dây điện áp nên hàm số truyền của phần tử

p

i

Phần tử 2 : biến I thành từ thông φ1, đây là phần tử không quán tính

Phần tử 3: là vi phân để tạo dòng cảm ứng của từ thông φ1:

1

1 1 1

R

e i dt k

2.2 SỬ DỤNG LINH KIỆN BÁN DẪN, VI MẠCH TRONG CÁC SƠ ĐỒ BẢO VỆ

Giai đoạn đầu tiên, linh kiện bán dẫn dùng trong hệ thống bảo vệ rất ít và chủ yếu là trong rơle điện cơ, nhưng càng về sau tỷ lệ sử dụng các phần tử bán dẫn, vi mạch trong các hệ thống bảo vệ tăng dần lên, và trong nhiều trường hợp chỉ có phần tử cuối cùng mới dùng rơle điện cơ

Trong những sơ đồ bảo vệ bằng điện tử, hiện nay người ta đã dùng những linh kiện bán dẫn khác nhau Đó là diod, transistor, thiristor, phần tử Hall, khuếch đại thuật toán Các linh kiện này có thể được dùng để tạo thành những phần tử chức năng khác nhau của bảo vệ Cấu trúc và sự làm việc của từng linh kiện nêu trên được trình bày trong hàng loạt những tài liệu kỹ thuật Trong phần này, sẽ trình bày vắn tắt những đặc tính, chức năng cơ bản của các linh kiện nêu trên Vì vậy, việc giới thiệu này sẽ góp phần thiết kế và giải thích dễ dàng sự làm việc của các bộ phận chức năng của hệ thống bảo vệ

2.2.1 Diod bán dẫn

Trong bảo vệ bằng bán dẫn, diod có một ứng dụng rộng rãi Chúng vừa được làm chỉnh lưu, vừa dùng để ổn định điện áp

Diod chỉnh lưu dùng để đổi điện áp xoay chiều Đặc trưng của một diod bán dẫn được cho ở hình 2.6a và ký hiệu dùng trong các sơ đồ cho ở hình 2.6b

I(A) 0,3 0,2 0,1

Hình 2.6 Đặc tính và ký hiệu của diod chỉnh lưu

Từ hình 2.6 ta nhận thấy là khi cực tính thuận, quan hệ giữa điện áp u và dòng điện i (tức là

điện trở thuận) rất bé; trong khi đó cực tính ngược thì quan hệ này (tức là điện trở ngược) rất lớn

Đánh giá một diod là xét quan hệ M giữa điện trở ngược và điện trở thuận Nếu M càng lớn thì diod

càng tốt Diod chỉnh lưu được đặc trưng bởi hàng loạt giá trị giới hạn và giá trị làm việc nhất định

Những số liệu đặc trưng hay dùng nhất đối với diod chỉnh lưu là như sau:

- Dòng điện thuận tương ứng với một điện áp cực tính thuận nhất định (kết quả là điện trở thuận đối với giá trị tương ứng của điện áp)

- Dòng điện ngược tương ứng với điện áp cực tính ngược (kết quả là điện trở ngược)

- Dòng điện thuận lớn nhất

- Điện áp ngược lớn nhất

- Công suất tiêu tán

- Dải nhiệt làm việc cho phép

- Phạm vi tần số làm việc

- Điện dung trong chế độ cực tính ngược

Diod điều áp được dùng là diod Zener; đặc tính và ký hiệu của diod Zener cho ở hình 2.7 Trong các sơ đồ bảo vệ, những diod Zener thường được sử dụng để làm điện áp chuẩn, phục vụ cho việc so sánh với điện áp thay đổi khác

(

U (V)ng

10 5

Ing(A)

Ith(A)

Hình 2.7 Đặc tính và ký hiệu của diod Zener

Những diod ổn áp được chế tạo để ổn định điện áp bao gồm giữa 1V và 1000V

Những số liệu rất hay dùng đối với diod ổn áp như sau:

- Điện áp ổn định

- Điện trở động (là quan hệ giữa sự biến thiên điện áp u và sự biến thiên dòng điện ∆ i) trong chế độ ổn định, ở đây điện trở này có giá trị rất bé

- Công suất tiêu tán lớn nhất max

- Dòng điện ổn áp max, được xác định bởi công suất tiêu tán max

- Dòng điện thuận max

- Hệ số nhiệt độ của điện áp ổn định, đặc trưng sự thay đổi theo phần trăm của điện áp ổn định với nhiệt độ

- Dải nhiệt độ làm việc

- Điện dung của diod, xảy ra ở vùng điện áp ngược đến khi xuyên thủng, điện dung của diod ổn áp trong chế độ làm việc này lớn hơn rất nhiều so với điện dung của diod chỉnh lưu có cùng công suất

2.2.2 Transistor

Trong sơ đồ bảo vệ, transistor có thể được dùng như phần tử tương tự hay phần tử logic Trong trường hợp đầu, transistor làm việc ở chế độ tuyến tính, trong trường hợp sau transistor làm việc ở chế độ chuyển mạch Trong những sơ đồ bảo vệ, ở phần tương tự cũng như ở phần logic, cách mắc hay nhiều nhất đối với transistor là cách mắc cực phát chung EC

Cách mắc này có một số ưu điểm sau:

- Tín hiệu đưa đến ngõ vào sẽ được khuếch đại vừa dòng, vừa áp, với sự đảo pha, trong khi cách mắc cực góp chung BC không có khuếch đại dòng, còn cách mắc cực góp chung CC không có khuếch đại áp

- Khuếch đại công suất sẽ đạt lớn hơn so với cách mắc khác

- Điện trở ngõ vào lớn, ngõ ra nhỏ rất thích ứng để dễ dàng giữa những phần tử được ghép nối tiếp

Hình 2.8 giới thiệu sơ đồ đơn giản của cách mắc cực phát chung EC đối với một transistor pnp và đặc tính làm việc của nó