Ebook bảo vệ rơ le và tự động hóa trong hệ thống điện (tái bản lần thứ hai, có chỉnh sửa bổ sung) phần 2

Cấp thứ hai của MC dự trữ cho cấp thứ hai nguồn phải lớn hơn thời gian của MC t MBA = t II t MC +∆ = t I t MC +∆Để thực hiện tác động nhanh BVDĐ TC phải khóa rơle đặt tại các nhánh có n

Chương 11

BẢO VỆ THANH CÁI

Sự cố xảy ra trên TC rất ít, nhưng khi NM, TC rất nguy hiểm cho HT nên cần thiết phải BV cho

TC Các nguyên nhân gây sự cố TC:

- Hư cách điện do vật liệu già cỗi

- Quá điện áp

- Máy cắt hư do sự cố ngoài TC

- Thao tác nhầm

- Sự cố ngẫu nhiên do vật dụng rơi chạm TC

Đối với các hệ thống thanh cái (HTTC) phân đoạn hay HT nhiều TC, cần cách ly TC sự cố

ra khỏi HT càng nhanh càng tốt Các dạng HTTC thường gặp:

Hình 11.1 a) Thanh cái đơn; b) Thanh cái đơn có máy cắt phân đoạn

c) Hệ thống hai thanh cái với MC liên lạc; d) Hệ thống hai thanh cái có thanh cái dự phòng

e) Hệ thống hai thanh cái có thanh cái đường vòng f) Hệ thống hai thanh cái sơ đồ 1 1/2 máy cắt; g) Hệ thống thanh cái lưới

Mỗi sơ đồ HTTC có chức năng và tính linh hoạt làm việc khác nhau, HTBV rơle phải thỏa mãn được yêu cầu đó Các dạng hệ thống BVTC như sau:

a) Thanh cái được BV nhờ các phần tử nối kết với TC

b) Bảo vệ chạm đất chống rò HTTC dạng tủ

c) Bảo vệ so lệch (tổng trở cao, tổng trở thấp)

d) Bảo vệ so sánh pha

e) Bảo vệ khóa có hướng

Trong chương này sẽ khảo sát loại a, b, c được dùng cho các trạm nhỏ và vừa, d, e cho các trạm rất lớn

11.1 BẢO VỆ THANH CÁI BẰNG CÁC PHẦN TỬ NỐI KẾT THANH CÁI

Các phần tử nối kết với TC được BV bằng phần tử quá dòng điện hay khoảng cách, nó cũng BV bao phủ cả thanh góp Khi NM trên thanh góp, sự cố được cách ly bằng các BV của các phần tử liên kết qua thời gian của cấp thứ hai

11.1.1 Sơ đồ bảo vệ dòng điện

Bảo vệ dùng các BVDĐ MBA

đường dây và BVDĐ đặt ở thanh góp

như hình 11.2 Khi NM trên TC máy cắt

phân đoạn được cắt trước sau đó đợi thời

gian trễ các máy cắêt nguồn nối với TC

sự cố được cắt BV tại MC cần phối hợp

với thời gian BVĐD nối với TC BVDĐ

của MBA và BVĐD thường dùng BV

dòng cắt nhanh và có thời gian BV máy

cắt dùng hai rơle dòng RI

Bảo vệ máy cắt phối hợp với BVĐD

l

I

MC = +∆với I

l

t là thời gian cắt nhanh đường dây

Cấp thứ hai của MC dự trữ cho cấp thứ hai

nguồn phải lớn hơn thời gian của MC

t MBA = t II t

MC +∆ = t I t

MC +∆Để thực hiện tác động nhanh BVDĐ TC phải

khóa rơle đặt tại các nhánh có nguồn nối với TC;

thực hiện điều này có thể dùng hai phương pháp:

dùng rơle dòng cực đại hay rơle ĐHCS

1- Nguyên tắc thực hiện khóa rơle dòng (H.11.3)

Các phần tử nguồn (MF) có BV dòng cực đại với thời gian t G phối hợp với BV cắt nhanh

Hình 11.3 Bảo vệ dòng điện thanh

cái có tác động liên hợp

~

Khoá

2R I 2

1

Bảo vệ dòng điện MBA Bảo vệ đường dây MC

1RI 2RI

1R 1 I 1RT 2R 1 I 2RT +

1R 1 I 2R 1 I

Hình 11.2 Bảo vệ dòng điện thanh cái

máy phát (như BVSL) Mỗi nhánh đường dây có BVĐD riêng (2RI, 3RI) và tiếp điểm của nó dùng khóa BV thanh góp 1RI Khi NM tại N2 trên đường dây BV 2RI mở máy cắt đường dây 2 và cho tín hiệu khóa cấm mở MC1 Khi NM tại N1 rơle 2RI không khởi động nên không khóa 1RI và

thanh góp sự cố được mở với thời gian của BV t G

2- Dùng rơle ĐHCS khóa bảo vệ nhánh có nguồn nối với thanh cái (H.11.4)

~1RW 1RI

~1RW 1RI

thanh góp được cắt khỏi nguồn

11.1.2 Bảo vệ thanh cái dùng bảo vệ khoảng cách

Quan sát sơ đồ hình 11.5: rơle 2RZ và 3RZ dùng để cắt MC phân đoạn TC khi có NM trên

TC, BV 1RZ và 4RZ sẽ cắt máy cắt ở TC hư hỏng Tổng trở khởi động được chọn theo tổng trở MBA và có thời gian chậm để phối hợp với BV chính MBA và MF, MC1 và 2 được cắt bằng BV dự trữ MF

1RZ1

3RZ1 2RZ1

Cắt MC Cắt MC 3

~

11.2 BẢO VỆ CHỐNG RÒ, CHẠM ĐẤT THANH CÁI TRONG TỦ

Bảo vệ được dùng cho các HTTC được đặt trong tổ BV

11.2.1 Bảo vệ chạm đất thanh cái đơn

Bảo vệ được sử dụng rơle dòng điện cắt nhanh nối qua BI của đường dây dẫn nối đất khung tủ TC như hình 11.6

Hình 11.7 giới thiệu sự phân bố dòng điện khi có sự cố bên ngoài và trong khung tủ TC

11.2.2 Bảo vệ chống chạm đất thanh cái phân đoạn trong tủ

Khi TC có hai phân đoạn, tủ chia đôi có cách điện, mỗi tủ có dây nối đất BI và rơle riêng như hình 11.8 Phương án cách điện giữa các tủ TC khác có phương án BV như hình 11.9

+

Khung tủ thanh cái

Tín hiệu đến tất cả máy cắt

Hình 11.6 Bảo vệ chạm đất thanh cái đơn

Điện trở cách điện

khung với đất

> 10 Ω Điện trở điện cực < 10 Ω

nối đất

I2

Máy phát

I1 + I2

Thanh đất nối khung tủ (thanh đất)

Hình 11.7 Nguyên tắc làm việc của bảo vệ tủ thanh cái đơn

Phân đoạn K Phân đoạn M

cắt K

cắt L

96 96

Cách điện

Khung tủ thanh cái

cắt J

cắt K

96 96

11.2.3 Bảo vệ chống chạm đất hệ thống hai thanh cái (H.11.10)

11.3 BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

11.3.1 Bảo vệ so lệch thanh cái dùng rơle dòng điện

Nguyên lý so lệch cân bằng dòng hay áp thường được dùng BVTC Sơ đồ nguyên lý BVSL dòng TC có bốn mạch như hình 11.11 Vùng BV được giới hạn bởi các BI Dòng điện không cân bằng do NM ngoài trong sơ đồ trên thường rất lớn do:

- Dòng từ hóa BI khác nhau

- Tải mạch thứ cấp BI khác nhau

- Mức độ bão hòa do thành phần DC dòng NM khác nhau

Như đã biết, thành phần DC của dòng điện NM ngoài ảnh hưởng lên dòng không cân bằng trong rơle so lệch dòng nhiều nhất Thời gian suy giảm thành phần DC được đánh giá bằng hằng số thời gian τ, tùy thuộc vào loại phần tử nối kết với TC bị sự cố Một vài trị số hằng số thời gian τ tiêu biểu như sau:

- Máy phát turbine hai cực 0,09S

- Máy phát turbine bốn cực 0,2S

- Máy phát cực lồi có cuộn cảm 0,15S

- Máy phát cực lồi không có cuộn cảm 0,3S

- Máy biến áp 0,04S

- Đường dây 0,05 ÷÷÷÷ 0,03S

M

Khung tủ thanh cái Vách cách điện

Hình 11.10 Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất hệ thống hai thanh cái

j2

G H J

DC thanh cái g1; j1; j2- tiếp điểm phụ của dao cách ly

64 64

Từ các số liệu trên nhận thấy, nếu có MF nối với TC, thành phần DC của dòng NM sẽ tồn tại lâu hơn và BI sẽ bão hòa nhiều hơn Như vậy, việc áp dụng sơ đồ so lệch dòng điện dễ dàng hơn đối với TC nối kết chỉ với các đường dây

Một số đề nghị khi áp dụng rơle dòng điện cho BV so lệch:

- Dùng dây dẫn phụ có tiết diện lớn để giảm tải BI

- Chọn tỷ số BI sao cho biên độ cực đại của dòng NM ngoài nhỏ hơn khoảng 20 định mức BI

- Chọn dòng khởi động rơle ít nhất bằng hai lần dòng nhánh có tải lớn nhất

- Dùng rơle dòng điện có đặc tính phụ thuộc để phối hợp với thời gian giảm dần của thành phần DC dòng NM

Hình 11.11 Sơ đồ so lệch dòng

87

11.3.2 Dùng BI với lõi không là sắt từ (BI tuyến tính)

Để không bị ảnh hưởng hiện tượng bão hòa

lõi thép BI Khi NM ngoài, người ta có thể sử dụng

BI với lõi không phải sắt từ (lõi không khí) Ưu

điểm của BI loại này là:

- Không bị bão hòa

- Đáp ứng nhanh và không bị quá độ

- Tin cậy, dễ chỉnh định

- Không nguy hiểm khi hở mạch thứ cấp

Tuy nhiên, khuyết điểm của loại này là công suất đầu ra thứ cấp thấp bị giới hạn (khoảng

3VA) và giá thành rất đắt Sơ đồ so lệch dùng BI tuyến tính thường là sơ đồ so lệch cân bằng áp hình 11.12 Khi NM ngoài tổng dòng bằng không và điện thế đưa vào rơle bằng không Khi NM bên trong, hiệu điện thế xuất hiện qua rơle tổng trở và làm rơle tác động

Đối với sơ đồ này tổng trở dây dẫn phụ BI không đáng kể so với tổng trở rơle (30 ÷ 80Ω) và tổng trở mỏi BI tuyến tính (2 ÷ 20Ω) Lưu ý, sai số của BI sẽ ảnh hưởng đến điện thế so lệch trên rơle khi có NM ngoài BI tuyến tính có độ chính xác khoảng 1%, trường hợp xấu nhất là tất cả BI của các nhánh không sự cố sai số +1% và BI nhánh bị sự cố sai số –1%, như vậy sai số tổng đưa vào rơle 2% Theo tiêu chuẩn độ nhạy, rơle được chỉnh định tác động với dòng điện bên trong nhỏ

nhất là X ampere thì nó không được tác động khi dòng điện NM ngoài lớn nhất nhỏ hơn 25X

ampere Thường dòng NM ngoài tính toán lớn nhất là NM ba pha còn dòng NM trong nhỏ nhất là dòng chạm đất một pha qua điện trở trung gian

11.3.3 Dùng rơle có tổng trở cao

Sơ đồ này là sơ đồ so lệch cân bằng dòng dùng rơle điện áp Phương pháp này thường dùng là nối tiếp với một cuộn dây rơle điện trở ổn định, hiệu quả việc đặt điện trở nối tiếp với cuộn dây rơle được giải thích như sau

Máy biến dòng được thay thế bằng BI lý tưởng, nhánh tổn thất từ hóa song song Zµ, điện trở

thứ cấp R BI , dây dẫn phụ được đặc trưng bởi R l nối tiếp với R BI(H.11.13) Giả thiết NM ngoài ở

nhánh H làm bão hòa lõi thép BI làm giảm tổng trở từ hóa Z µH , biến dòng bị bão hòa tối đa Z µH

tiến tới 0 có nghĩa là biến dòng H không có tín hiệu đầu ra, tình trạng này được biểu thị nối tắt

tổng trở Z µH , điều này không có nghĩa là ngắn mạch BI, vì sau Z µH còn có điện trở cuộn dây R BIH

dòng qua nhánh G nhỏ. Máy biến dòng G không bị bão hòa cho tín hiệu đầu ra lớn hơn Dòng điện chạm phía thứ cấp I,NM sẽ phân bố qua các tổng trở nhánh gồm R lH , R BIH và nhánh rơle

Dòng điện qua rơle

BIH IH

R

BIH IH

NM

R R I I

++

NM

R R I

,

+

=hay V R = I R R R = I,NM (R IH + R BIH)

so lệch tăng cao Đôi khi một điện trở không tuyến tính ghép song với rơle để hạn chế điện áp

Hình 11.12 Sơ đồ cân bằng áp

Hình 11.13 Sơ đồ thay thế mạch thứ cấp

Sơ đồ BV TC dùng rơle tổng trở cao, thực tế được áp dụng nhiều cho các HTTC có số lượng nhánh nối với TC nhiều Những yêu cầu cơ bản khi sử dụng sơ đồ này là:

- Tỷ số BI của tất cả các nhánh giống nhau

- Điện trở cuộn dây thứ cấp BI thấp

- Điện thế thứ cấp BI ra đủ lớn

- Tải dây dẫn phụ nhỏ

11.3.4 Bảo vệ so lệch TC dùng rơle có hãm (tổng trở thấp)

Để khắc phục dòng điện không cân bằng lớn của BV so lệch TC dùng rơle dòng điện, người

ta cũng có thể dùng rơle so lệch có hãm Loại rơle này cung cấp một đại lượng hãm thích hợp để khống chế dòng không cân bằng do BI bão hòa mạch khi NM ngoài có dòng NM lớn Một phương án là dùng rơle có nhiều cuộn hãm Rơle này có nhiều nhóm phần tử hãm (H) và một phần tử làm việc (LV) (H.11.14) Cuộn hãm không có hướng, nghĩa là dòng điện vào cuộn hãm cũng tác động hãm

I h = k(I1 + I2 +L+ I n)

Cuộn làm việc nhận dòng tổng vectơ các dòng điện các nhánh

I lv = I&1 +I&2 +L+I&n

Để thay thế độ dốc đặc tính hãm, người ta dùng máy biến áp tự ngẫu (H.11.14)

Một phương án khác của rơle so lệch có hãm là dùng cầu chỉnh lưu nửa sóng để tạo thành phần hãm tỷ lệ với tổng số học dòng các nhánh BI, trong khi đó thành phần làm việc là tổng vectơ dòng điện

Sơ đồ nguyên lý, làm việc của rơle này cho ở hình 11.15, hình 11.15a giới thiệu sơ đồ nguyên lý, hình 11.15b giới thiệu phân bố

Hình 11.14 Rơle so lệch nhiều cuộn hãm

a) Sơ đồ nối dây thứ cấp BI

Dòng và dạng trong các cuộn hãm và làm việc khi NM ngoài và hình 11.5c cho trường hợp

NM bên trong

11.3.5 Các sơ đồ bảo vệ so lệch

- Sơ đồ có thể chỉ dùng một rơle nối từ các đầu song song tất cả các máy biến dòng dùng để

BV chạm đất TC (H.11.16)

- Sơ đồ hình 11.17 cho sơ đồ BV chống NM nhiều pha TC

- Các sơ đồ khác

87

Hình 11.16 Sơ đồ bảo vệ so lệch

chống chạm đất

87A

Hình 11.17 Sơ đồ bảo vệ so lệch thanh

cái chống ngắn mạch nhiều pha

A B C D

87B 87C

Dòng trong cuộn làm việc A

Dòng trong cuộn hãm B

Dòng trong cuộn hãm C

Dòng trong cuộn làm việc A

Dòng trong cuộn hãm B

Dòng trong cuộn hãm C

Hình 11.15

b) Khi ngắn mạch bên ngoài

c) Khi ngắn mạch bên trong

b) Pha chạm nhau

Hình 11.18 Sơ đồ dùng 1 rơle tỷ số BI khác nhau, chống NM nhiều pha

87

a) Sơ đồ nối dây: phía thứ pha

C lấy ở điểm giữa

IĐ = IN /387

b) Pha chạm nhau

Hình 11.19 Sơ đồ dùng một rơle, tỷ số BI giống nhau chống NM nhiều pha và một pha

Bằng cách dùng những BI có những tỷ số biến đổi khác nhau: ví dụ 300/1, 400/1 và 500/1 trong mỗi nhóm ba pha, nối song song và nối kết giữa các nhóm bởi chỉ hai TC dây dẫn Sơ đồ này đáp ứng được tất cả các dạng NM; trị số đặt chạm đất thì nhỏ chạm pha thì cao hơn như hình 11.18, do đó sơ đồ này thích hợp cho HT trung tính nối đất qua điện trở và giảm phí tổn của TC dây dẫn phụ, rơle so với sơ đồ hình 11.1 Một sơ đồ khác với sơ đồ trên là dùng các BI là có các tỷ số biến đổi giống nhau và có cách nối như hình 11.19

Sơ đồ này cho tầm trị số đặt gần hơn so với sơ đồ trước, thường được dùng để BV chạm đất và chạm hai pha của HT trung tính nối đất (trong HT trung tính nối đất dòng chạm một pha và dòng chạm nhiều pha cùng cấp độ)

11.3.6 Những yêu cầu thực tế của bảo vệ thanh cái

Sơ đồ BVSL thanh cái cần thỏa mãn đến các yếu tố sau:

- Phân biệt vùng tác động (tính chọn lọc)

- Kiểm tra tính làm việc tin cậy

- Kiểm tra mạch dây nhị thứ BI

1- Phân biệt vùng tác động

Một HTTC gồm có hai hay nhiều TC khác nhau, khi có sự cố trên TC nào, HTBV rơle phải cắt tất cả các máy cắt nối tới TC đó Có thể dễ hiểu cách BV so lệch HTTC có nhiều TC bằng các sơ đồ nguyên lý hình 11.20, hình 11.21, hình 11.22 Mạch thứ cấp của tất cả BI của một TC nối song song và nối với TC dây dẫn phụ, từ đó đưa vào rơle BV cho TC đó, khi nhánh nào được nối với TC nào thì BI của nó sẽ được nối với TC dây dẫn phụ của TC đó bằng tiếp điểm phụ của dao cách ly Để đảm bảo tất cả các điểm trên TC nằm trong vùng BV được giới hạn bởi các BI

2- Kiểm tra tính làm việc tin cậy

Làm việc nhầm của HTBVTC sẽ gây thiệt hại lớn nên hoạt động của sơ đồ BV phải luôn được kiểm tra HT kiểm tra phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Hình 11.20 Vùng bảo vệ hệ thống thanh cái

c1 a1

d1

c1c

c1 m f1 r1

3

Hình 11.22 Bảo vệ so lệch thanh cái

R

- HT kiểm tra được thực hiện bằng rơle khác với rơle chính (rơle K hình 11.21) và rơle số 3 (H.11.22)

- Nó phải tác động với tất cả các loại sự cố

- Tác động nhanh như BV chính

- Nguồn cung cấp cho rơle kiểm tra phải khác với nguồn cung cấp cho BV chính (H.11.21, H.11.22)

- Nó cho tác động khi chạm trong vùng BV và không tác động khi có NM ngoài

Để thực hiện yêu cầu trên có thể dùng các cách:

- Dùng hai rơle so lệch nối tiếp

Hai bộ BI giống nhau, nếu dùng rơle tổng trở cao hai rơle có thể nối song song với TC dây dẫn phụ trị số đặt giống nhau

- Dùng hai bộ BI và rơle riêng biệt

Tiếp điểm của rơle kiểm tra được nối tiếp với tiếp điểm rơle chính Kiểm tra khi NM nhiều pha bên trong và chạm đất một pha bên

ngoài Khi có ba rơle so lệch mỗi rơle trên

một pha, hai trong ba rơle sẽ tác động khi

chạm pha Bằng cách nối tiếp điểm rơle

song song nối tiếp sẽ kiểm tra được hình

11.23 Kiểm tra chạm đất bằng rơle điện áp

thứ tự không

Điện áp thứ tự không được lấy từ MBA nối Y/∆ hở của TC Kiểm tra chạm đất bằng dòng thứ tự không

Kiểm tra dây dẫn phụ thứ cấp BI

Khi dây dẫn mạch thứ cấp BI bị đứt hay chạm sẽ tạo ra dòng không cân bằng chạy vào rơle

so lệch có thể rơle hiểu nhầm đưa tín hiệu đi cắt các MC, đối với BVTC xác suất xảy ra hư hỏng mạch thứ cấp lớn nên HTBVTC cần có bộ phận phát hiện hư hỏng mạch thứ cấp BI Một trong những mạch đơn giản phát hiện đứt mạch thứ cấp là dùng rơle đặt nối tiếp hay song song với mạch điều khiển BVTC (H.11.24, H.11.25)

A B C N

Thanh cái dây dẫn phụ kiểm tra

Hình 11.24 Sơ đồ phát hiện

đứt mạch BI dùng rơle nối tiếp

Hình 11.25 Sơ đồ dùng rơle phát hiện

đứt mạch thứ cấp BI của rơle song song

11.3.7 Tìm hiểu vài sơ đồ bảo vệ thanh cái tiêu biểu

Hình 11.26 và hình 11.27 giới thiệu sơ đồ so lệch dòng tuần hoàn tổng trở cao tiêu biểu để BVHT hai TC Trong sơ đồ có ba vùng BV riêng biệt Mỗi mạch nối với một bộ các BI ba pha tạo thành vùng BV M1 hay M2 hay tới TC dự trữ vùng R phụ thuộc vào cách đấu mạch sơ cấp và dao

Hình 11.23

K: tiếp điểm rơle kiểm tra

cách ly Với cách này, ba bộ TC dây dẫn phụ được hình thành, TC trung tính dây dẫn phụ được nối chung qua đường nối đất Các BI được cung cấp ở mỗi phía của máy cắt phân đoạn và máy cắt ghép TC, ba rơle 87 dùng để chống NM nhiều pha và chạm đất Rơle được nối với điện trở phụ ổn định và song song với điện trở không tuyến tính metrosil Hai bộ BI trong mỗi nhánh riêng biệt được nối tới bộ TC dây dẫn phụ và TC kiểm tra

A

C B A

Tha

nh góp da

dẫn ph

ụ M 2

b1

c 2

M 2

Các ký hiệu được dùng trong sơ đồ hình 11.26 và hình 11.27:

M1, M2 - TC chính 1 và 2; 87CH - rơle kiểm tra tính làm việc tin cậy

a 1 ; b 1 ; c 1 ; c 2 - tiếp điểm phụ của dao cách ly a 1 ; b 1 ; c 1 ; c 2 ; Css - khóa điều khiển

87M1, 87M2, 87R - rơle so lệch bảo vệ TC M1, M2, R; L - đèn báo

95 - rơle kiểm tra mạch dây dẫn thứ cấp BI; R - TC dự trữ

30 - rơle trung gian, chỉ thị vùng tác động; 96 - rơle cắt máy cắt

74 - rơle báo; 80 - rơle kiểm tra đứt mạch thứ cấp dc

96D1 96D2 96E

96F1 96F2 96G

96H1 96H2 80T

95M2X

+

CSS-M1 CSS-M2 CSS-R

87M1 -1 87M2- 1 87R-1

9521-1 95R-1

95CH-1 30M1-1

30M2 1 30R-1

95M1X-1 95M2X-1 95RX-1 95CHX-1

74-2 74-1

L1 L2 L1 L2 L1 L2 80

Mạch điều khiển MC hình 11.27 gồm các tiếp điểm rơle phân biệt vùng BV và rơle kiểm tra ghép nối tiếp Tiếp điểm phân biệt vùng BV đặt phía trái của rơle cắt và tiếp điểm kiểm tra có điện trở nối song song đặt phía cực của nguồn điều khiển DC

87-1 87-2

50B

2

A B C N

Hình 11.28 Sơ đồ dùng rơle dòng điện đặt ở mạch thứ cấp BI

Khi đứt mạch thứ cấp của BI tạo dòng điện không cân bằng chạy HT so lệch, dòng này bằng dòng tải của mạch sơ cấp Trường hợp này được phát hiện bằng rơle báo động nhạy nối với TC dây dẫn phụ của mỗi vùng Rơle phát hiện sự cố mạch thứ cấp 95 được nối với rơle BV Rơle này làm việc có thời gian sau ba giây cung cấp tín hiệu báo động và cách ly phần sự cố ra bằng cách nối tắt TC dây dẫn phụ Một sơ đồ khác được dùng bỏ qua các tiếp điểm phụ trong mạch BI Trong

sơ đồ này dùng tính chất kiểm tra NM một pha và nhiều pha của rơle dòng tuần hoàn bằng cách dùng rơle quá dòng có trị số đặt cao trong tất cả các mạch thứ cấp Khi rơle dòng tuần hoàn tác động, máy cắt phân đoạn bị cắt và bộ phận thời gian bắt đầu làm việc như hình 11.28, tiếp điểm rơle thời gian kiểm tra mạch cắt của các rơle dòng, bằng cách này rơle quá dòng làm việc một cách phân biệt bởi vì tiếp điểm thời gian không cho cắt tới khi máy cắt TC đã hở và rơle quá dòng của TC không bị sự cố đã trở về vị trí ban đầu

62

11.4 SƠ ĐỒ BẢO VỆ THANH CÁI TIÊU BIỂU

1- Bảo vệ thanh cái bằng rơle dòng điện (H.11.29)

Mạch này áp dụng cho mạng phân phối, các TC không quan trọng

52

50/

50N 51N50/

52 50/

50N 51N50/

52 50/

2- Bảo vệ so lệch tổng trở thanh cái đơn (H.11.30)

3- Bảo vệ hệ thống thanh cái với máy cắt phân đoạn (H.11.31)

4- Sơ đồ bảo vệ thanh cái sơ đồ 1 1/2 (H.11.32)

50

87B A Bảo vệ máy phát

và máy biến áp A

500kV

B

Hình 11.32

Câu hỏi chương 11

1-Trình bày các hệ thống thanh cái khác nhau

2-Các nguyên tắc nào thường dùng để bảo vệ thanh cái

3-Các yếu cố cần lưu ý khi bảo vệ thanh cái

4-Trình bày các sơ đồ khối bảo vệ với các hệ thong thanh cái khác nhau

Websides tham khảo

Chương 12

BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Hiện nay, quá trình cung cấp điện trong công nghiệp và các nhà máy đã trở nên mở rộng và phức tạp hơn, yêu cầu độ tin cậy ngày càng cao hơn, điều này làm cho việc BV và điều khiển trong HTĐ công nghiệp (HTĐCN) khó khăn hơn Chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật BV dùng cho các HTĐ cao áp, hoặc câáp điện áp thấp hơn để áp dụng BV cho hệ thống này Tuy nhiên, trong HTĐCN có nhiều vấn đề đặc biệt cần sự quan tâm riêng và phát triển các giải pháp riêng

12.1 PHÂN LOẠI CÁC BẢO VỆ

Trong việc cung cấp điện, hệ thống công nghiệp tiêu biểu sẽ được BV bằng các MC (CB) kết hợp với các rơle chống chạm đất hoặc quá dòng và các CC, có khả năng chọn lọc và cách ly phần tử sự cố của hệ thống

12.1.1 Cầu chì

Bảo vệ mạch điện và các thiết bị điện trong mạng phân phối công nghiệp đơn giản nhất là dùng cầu chì (CC) Thông dụng nhất là các CC dùng trong gia dụng CC có các định mức dòng điện khác nhau tương ứng với dòng điện làm việc liên tục cho phép Các CC này được mắc nối tiếp với tải tiêu thụ và mang dòng điện tải Nếu dòng điện tải qua CC vượt định mức CC hay có chạm trong đường dây dẫn hoặc vật dùng điện thì CC sẽ nóng chảy đứt và cách ly phần tử bị chạm khỏi mạch điện

Cầu chì là phần BVQDĐ và CC bị nóng chảy do nhiệt khi có quá dòng điện qua nó Đối với

CC làm việc ở mạng lưới lớn hơn 600V, CC còn được gọi là CC công suất Theo tiêu chuẩn, người

ta phân biệt CC cho mạng điện thế cao từ 2kV đến 20kV thành hai loại: CC tự rơi (FCO) và CC

công suất

1- Cầu chì tự rơi mạng phân phối

Cầu chì tự rơi được thiết kế cho mạng phân phối có điện thế dưới 35kV thường được gắn

trên trụ đường dây trên không CC công suất cũng được thiết kế cho truyền tải, trong nhà, trạm, nhà máy Cả hai CC này có thể thay thế toàn bộ hay từng phần dây chì sau khi dây chì đứt Dây chì được chế tạo từ thiếc, bạc hay hợp kim để cho ra đặc tính chảy thời gian FCO tiêu biểu dùng cho trạm hay trụ được cho ở hình 12.1 Dây chì được chứa trong ống dài được gọi là bộ giữ dây chì và được làm bằng vật liệu cách điện, ống giữ được thiết kế có thể tháo rời dễ dàng

FCO có thể làm việc như CC bảo vệ và như một dao cách ly thao tác được, cho phép người vận hành mở mạch bằng tay Khi cắt dòng điện tải lớn, FCO được chế tạo bộ phận cơ đặc biệt để phân tán hồ quang tạo ra lúc ngắt mạch

FCO ở hình 12.1 có dạng hở Nhiều dạng FCO được thiết kế ống giữ dây chì tự rơi khi dây chì nóng chảy ngắt mạch điều này rất tiện lợi quan sát vị trí, trạng thái của CC và bảo đảm an toàn cho người vận hành và sửa chữa

Dây chì thay thế được đặt trong ống giữ dây chì Một dạng ống giữ dây chì tiêu biểu được vẽ

ở hình 12.2 Dây chì chảy được tháo ra ở đầu ống giữ Dây chì mới được đưa vào ống giữ thông qua ống phụ, lò xo, dây mềm để đảm bảo chắc phần cơ và tiếp xúc tốt phần điện

2- Các loại dây chì

Cầu chì được thiết kế cho nhiều áp dụng khác nhau với các đặc tính làm việc khác nhau

đáp ứng cho yêu cầu bình thường cũng như đặc biệt

a- Cầu chì ngắt dòng zero

Loại CC phổ thông có thể được mô tả như là bộ phận cắt dòng qua không, vì CC này phải chờ dòng qua zero trước khi việc ngắt hoàn tất Loại này rất thông dụng và ứng dụng tiện lợi dùng cho sơ cấp MBA phân phối, BV phát tuyến, BV động cơ, BV tải công nghiệp

Đầu nối dây điện

Cách điện Đế

sắt

Ống giữ dây chì

Ống giữ chì

Giá gắn Đầu nối dây điện

Đầu nối dây điện Đầu nối dây điện

Cách điện

Hình 12.1 FCO cho trạm (a) và đầu trụ (b)

Hình 12.2 Ống giữ dây chì

ống giữ dây chì

dây nối

lò xo dây chì ống che

Cầu chì dùng trong mạng phân phối thường là một trong hai loại: loại thổi và loại đầy kín

Loại thổi có lỗ để thoát hơi hồ quang Trong CC loại đầy kín hồ quang được dập tắt qua vật liệu làm đầy kín, chẳng hạn như vật liệu dạng hột, lỏng hay rắn Nhà chế tạo thường dùng một trong những nguyên tắc trên để kéo dài và làm nguội hồ quang để ngắt dòng điện an toàn Năng lượng tạo bởi áp suất hồ quang sẽ làm rơi ống giữ dây chì mà mắt thường có thể dễ dàng nhìn thấy khi

CC đã tác động Một trong những ưu điểm của CC là dễ dàng thay thế và giá thành hợp lý Loại này được chế tạo với các giá trị định mức khác nhau và dễ dàng phối hợp với các bộ phận BV khác Ngoài các CC kể trên còn có CC dầu và CC chân không

b- Cầu chì hạn chế dòng

Cầu chì loại này bị nóng chảy khi dòng điện nằm trong những giới hạn dòng điện nhất định cho trước, đột ngột tạo điện thế hồ quang cao để giảm biên độ dòng điện CC này về cơ bản khác với CC cắt dòng zero Nguyên tắc của nó là hạn chế dòng hay hạn chế năng lượng được thực hiện bằng việc tạo điện trở cao trong mạch điện Hình 12.4 cho biết dạng sóng dòng điện ngắt mạch tương đối xứng qua trục thời gian, giá trị dòng qua không bị dời và dòng ngắt của CC Khi

CC tác động dòng điện sẽ xuống 0 lúc điện thế tiến tới 0, do đó nó hạn chế dòng điện cực đại tại trị số gọi là dòng điện đứt

Có ba loại dạng cơ bản của CC hạn chế dòng Loại thứ nhất là CC khả năng cắt cao (HRC)

Loại này rất hiệu quả ở dòng điện sự cố lớn nhưng không có khả năng đứt ở dòng điện thấp nên

phải được kết hợp với phần tử khác để cắt ở dòng điện thấp Loại thứ hai là CC phổ thông, theo

tiêu chuẩn ANSI là loại này có thể ngắt dòng điện mà làm CC tác động trong một giờ hay ngắn

hơn Loại thứ ba là loại tầm rộng được thiết kế để ngắt bất kỳ dòng nào mà làm dây chì chảy dưới

điều kiện dây chì bình thường Phương pháp tốt nhất để tính hiệu quả của CC hạn chế dòng là tính

hệ số I2t Thành phần thứ nhất làm năng lượng nóng chảy I2t có thể xác định bằng tính toán và thành phần thứ hai xảy ra khi hồ quang bắt đầu và tiếp tục tới lúc ngắt dòng điện hoàn toàn Thành phần sau được xác định bằng thực nghiệm Hình 12.4 tương ứng thời gian làm việc của dây chì gồm hai giai đoạn:

- Thời gian để dòng điện sự cố làm nóng chảy dây chì gọi là thời gian trước hồ quang (t1)

- Thời gian để dập tắt hồ quang và cách ly mạch điện gọi là thời gian hồ quang (t2)

7

6

Hình 12.3 Đặc tính cầu chì ngắt dòng zero

1- dòng điện làm việc lúc bình thường; 2- thời điểm bắt đầu sự cố; 3- điểm nóng chảy cầu chì 4- thời gian cầu chì chảy; 5- thời gian hồ quang; 6- thời gian tổng đứt cầu chì; 7- ngắt mạch

Dòng ngắn mạch

Điện thế I(đvtđ)

t1 t2

Thời gian ngắt NM

Hình 12.4 Cầu chì hạn chế dòng điện NM

Cầu chì phải đáp ứng được yêu cầu sau: thứ nhất là dập tắt được hồ quang, thứ hai là phải chịu được điện thế định mức khi dây chì đứt và thứ ba là CC dễ dàng phối hợp với CC khác trong bộ phận BV khác

c- Cầu chì đặc biệt

Cầu chì đặc biệt dùng để đáp ứng trong các trường hợp đặc biệt:

- Dùng cho BV tụ điện chỉ khi đóng ngắt tụ điện sẽ có dòng nhảy tần số cao

- Có thể dùng hai CC làm việc song song Trong thực tế thường không dùng hai CC đấu song song để BV cho mạch điện và không đảm bảo hai CC cùng đặc tính và ngắt chính xác cùng một lúc Loại CC đặc biệt này dùng cho các mạch tăng tải

- Các dòng điện tử dùng mạch tích hợp để tạo cảm ứng dòng điện, đặc tính ngắt TC và mạch điều khiển chức năng như CC bình thường

3- Đặc tính thời gian–dòng điện (T–C) của cầu chì

Một trong những loại CC công suất ký hiệu “E” có đặc tính TC cho ở bảng 12.1

Bảng 12.1 Đặc tính chảy T – C của CC loại E

Dòng điện đường dây Thời gian nóng chảy chì Dòng liên tục

Cầu chì công suất có các giá trị dòng điện liên tục định mức là: 0,5; 1,2; 3,5; 7,10; 15; 20; 30; 40;

50; 65; 80; 100; 125; 150; 200; 300 và 400A Điện thế định mức cực đại cho ở bảng 12.2

Bảng 12.2 Điện thế định mức CC loại E

Điện thế làm việc định mức, (kV) Điện thế cực đại định mức, (kV)

Ghi chú: * chỉ dùng cho trong nhà.

Cầu chì được dùng nơi mà phí tổn của MC và các phụ kiện không kinh tế, có vài yếu tố liên quan đến việc chọn lực CC hơn các thiết bị khác chẳng hạn như chống dao động tần số, thu hồi vốn đầu tư

nhanh CC loại E được dùng nhiều trong các trường hợp:

- Bảo vệ MBA đo lường

- Bảo vệ MBA động lực

- Bảo vệ tụ điện

- Bảo vệ phát tuyến

Cầu chì công suất có thể đặt trong nhà hoặc ngoài trời và loại thổi hay loại hạn chế dòng Việc chọn lựa phụ thuộc vào vị trí và giá trị định mức Loại thổi được đặt ngoài trời nơi có phòng rộng Đặt trong nhà thường chọn loại hạn chế dòng

Loại E là loại CC dòng điện, nghĩa là trị số định mức phải bằng hoặc lớn hơn dòng tải liên tục cực đại Quá tải xảy ra trong khoảng thời gian chảy CC có thể làm CC thay đổi đặc tính Như thế, khi lựa chọn CC cần quan tâm đến thời gian quá tải, chẳng hạn như dòng điện khởi động của động cơ lớn Dòng điện trì hoãn nhảy vọt của MBA có thể chịu ít nhất 12 lần dòng sơ cấp MBA trong khoảng 1/10 giây (xem dòng nóng chảy của CC)

Ở mạng phân phối CC thường được dùng BV các phát tuyến, nhất là có chiều dài tương đối ngắn và phụ tải nhỏ

Dây chì mang phân phối có hai loại ký hiệu là K và T Sự khác nhau của chúng là thời gian

nóng chảy chì tương đối, và được đánh giá bằng tỷ số tốc độ nóng chảy

600s hay 300 ở chảy chì dây làm điện dòng

0,1s ở chảy chì dây làm điện dòng chảy

nóng độ tốc số

Bảng 12.3 Dòng điện nóng chảy dây chì loại K (nhanh)

Dòng định mức

Dòng nóng chảy,

300 và 600s Dòng nóng chảy, 10s

Dòng nóng chảy 0,1s

Tỷ số tốc độ nóng chảy

Dòng nóng chảy 300 và 600s Dòng nóng chảy 10s Dòng nóng chảy 0,1s Tỷ số

tốc độ nóng chảy

1000 t(s)

Hình 12.5 Đường cong nóng chảy nhỏ

nhất loại K và T có cùng định mức

Hình 12.6 Họ đường cong nóng

chảy cầu chì loại K

Đường cong T–C của dây chì có hai dạng: thời gian nóng chảy nhỏ nhất và thời gian đứt tổng (lớn nhất). Đường cong tiêu biểu được vẽ ở hình 12.5, hình 12.6 và hình 12.7 Thời gian nóng chảy nhỏ nhất là thời gian đứt chì trung bình được đo khi thử nghiệm điện thế thấp và không có hồ quang xảy ra Như thế, đối với dòng điện đã cho thời gian để CC ngắt mạch tượng trưng thời gian nóng chảy là phải nằm trong khoảng sai số cho bởi tiêu chuẩn bảng (12.3) và (12.4) Thử nghiệm thứ hai cho

CC làm việc ở điện thế cao (khoảng 7200V) và đo thời gian ngắn tổng bao gồm thời gian chảy dây

chì và thời gian hồ quang Hai thời gian này thể hiện tầm thời gian cắt sự cố đối với dòng điện NM đã biết Đường cong ngắt tổng được dùng để phối hợp với đặc tính nóng chảy nhỏ nhất của CC lớn hơn đặt tại phía đầu nguồn Tương tự đường cong nóng chảy nhỏ nhất sẽ được dùng phối hợp với thời gian ngắt tổng của CC nhỏ đặt ở phía tải

Hình 12.5 so sánh đặc tính T–C nóng chảy nhỏ nhất

của loại K và T có cùng định mức Hình 12.6 cho đặc tính

nóng chảy nhỏ nhất và cắt tổng của CC loại K Hình 12.7

giới thiệu một họ đường cong đường cong nóng chảy nhỏ

nhất CC K Nhận thấy, với bất kỳ dòng lớn hơn dòng khởi

động nhỏ nhất, dây chì T nóng chảy chậm hơn dây chì K Sự

khác nhau của đặc tính dây chì cho ta liên hợp trong việc

chọn lựa để phối hợp cho các mạch BV khác nhau với cái

dòng NM khác nhau

Cầu chì dùng cho mạng phân phối thì có điện áp

định mức thông dụng: 7,2; 14,4 và 17,7kV hay giá trị cực

đại là 7,8; 15 và 18kV khi mở chì Các thiết bị chì sử dụng

trong hộp hay trong các (FCO) thì có định mức thông

thường là 14,4 và 25kV hay tối đa là 15 và 27kV

4- Đặc tính phối hợp dây chì

Theo hình 12.5; hình 12.6; hình 12.7 ta có loại dây

chì được chọn ở đây có hình dạng tương tự và có thể phối

hợp dễ dàng với nhau Khi đó, nếu dùng cùng

lúc loại K và T có thể khó phối hợp với nhau

và việc phối hợp cho các loại chì có cỡ gần

nhau đôi khi không thể thực hiện được Thực

tế, loại chì được cho ở đây có thể phối hợp dễ

dàng với các chì cùng loại Tuy nhiên, vì thời

gian phát hồ quang cũng được tính trong tổng

thời gian cắt để nhằm xác định việc phối hợp

với phía nguồn, có một dòng cực đại để phối hợp cho an toàn, ngay cả đối với chì cùng loại Giới hạn phối hợp này phụ thuộc loại chì sẽ được sử dụng Nhà chế tạo thường cung cấp các đặc tính phối hợp, tương tự như các đặc tính trong bảng 12.5 và 12.6 để chỉ ra các giới hạn phối hợp được

đề nghị khi dùng một loại chì cụ thể nào đó Trong giới hạn này ta tham khảo chọn CC “trên” (gần

nguồn) và CC “dưới” (xa nguồn hơn) hình 12.8

Bảng 12.5 Phối hợp giữa CC loại K

Định mức dây

Dây chì 8 K 10 K 12 K 15 K 20 K 25 K 30 K 40 K 50 K 65 K 80 K 100 K 140 K 200 K Loại chì Dòng sự số lớn nhất qua CC dưới (A)

6K 190 350 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8K 210 440 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200

25 40 65

100140 200t(s)

Hình 12.7 Họ đường cong nóng

chảy nhỏ nhất cầu chì loại K

Về logic thì việc này được diễn giải như sau: khi có NM xảy ra ở phía tải của dây chì

“dưới”, khi đó dây chì “dưới” phải cắt và sự cố được cô lập và không cần thiết phải cắt chì “trên” phía đầu nguồn Dây chì “trên” phải có định mức cao hơn và được phối hợp tốt với chì “dưới” để có sự hoạt động chính xác

Luật phối hợp yêu cầu thời gian cắt tối đa của dây chì “dưới” sẽ không lớn hơn 75% của thời gian nóng chảy tối thiểu của dây chì “trên” Điều này sẽ đảm bảo dây chì “dưới” sẽ tác động đủ nhanh để không làm dây chì “trên” tác động (trong suốt thời gian) do nóng chảy từng phần Hệ số 75% để bù cho những thông số tác động như là tải trước đó, nhiệt độ môi trường và một số yếu tố khác

Ngoài những giá trị phối hợp chì, cũng cần biết đến khả năng dòng liên tục của mỗi cấp dây chì Các giá trị này được cho trong bảng 12.7

Các bảng phối hợp 12.5 và 12.6 cho ta một phương pháp rất tiện lợi phối hợp dây chì Bảng này liệt kê ra dây chì “trên”, dây chì “dưới” và dòng sự cố cực đại để phối hợp tốt cho những dây chì “dưới” và dây chì “trên”

Bảng 12.7 Khả năng dòng liên tục

∗ Chỉ sử dụng với chì 100A hay 200A

+ Chỉ sử dụng với chì 200A

Ví dụ 12.1: Bố trí CC hợp lý cho cùng nhóm phụ tải giống nhau Đảm bảo tính chọn lọc dây chì dưới cắt trước dây chì trên, thường tổng quát dây chì trên được chọn có định mức ít nhất lớn

hơn 1,5 đến 2 CC dưới kế tiếp Trong hình 12.9a, nhánh H được sắp xếp lại như hình 12.9b và các

nhánh có thể phối hợp tốt

400A L

Hình 12.9 Sơ đồ phối hợp cầu chì

Ví dụ 12.2: Khảo sát đường dây phân phối hình tia (H.12.10), phụ tải được cung cấp điện dọc

theo phát tuyến CC A là thiết bị BV chính của tuyến và CC B, C được đặt trên các nhánh rẽ phía

sau nhằm giảm khu vực mất điện do các sự cố ở xa

Chẳng hạn sự cố phía sau B hoặc C

Dòng sự cố cực đại và cực tiểu tính bằng

Ampe tại mỗi vị trí được cho trong khung, ngoài ra

cũng cho dòng định mức tải qua mỗi CC Lựa chọn

phối hợp cho các CC A, B, C

Giải: Đầu tiên ta thử chọn CC C là 15T, dòng

tải là 21A, 15T có khả năng chịu tải là 23A (xem

bảng 12.7) vì vậy chì này có dòng định mức thích

hợp, mặc dù có độ dự trữ nhỏ (2A) Từ bảng 12.6

với loại chì T ta thấy rằng 15T có thể phối hợp với chì 25T tại vị trí B với dòng điện lên tới 730A, nhưng dòng sự cố lớn nhất là 1550A Vì vậy ta chọn chì 30T cho vị trí B Chì 30T có dòng liên tục 45A và từ bảng 12.6 nó phối hợp tốt với chì BV dưới 15T có dòng NM lên tới 1700A

Hình 12.10 Sơ đồ ví dụ 12.2

36A

105A A

1800 650

1550 510

1630 570

B

C 21A Nguồn

Chì 30T phải phối hợp với CC A với dòng sự cố lên tới 1800A Để mang dòng tải tại A, ta chọn chì 80T có dòng định mức dòng 120A Theo bảng 12.6, chì 80T sẽ phối hợp với chì 30T với dòng sự cố lên đến 5000A, và sơ đồ này dòng NM chỉ có 1800A Vì vậy chọn phương án 80T tại A, 30T tại B và 15T tại C Chúng ta cũng có thể chọn dòng định mức CC lớn hơn tại C, tùy thuộc vào

tốc độ gia tăng của phụ tải và như vậy cần chọn lại những chì ở vị trí khác

12.1.2 Các máy cắt trong mạng công nghiệp (CB)

Một số bộ phận trong HTĐCN được BV hiệu quả bằng các CC HRC Nhưng trong một số bộ phận của hệ thống, việc thay thế các CC bị hỏng sẽ không thuận tiện trong những khu vực này, ta có thể dùng các MC BV (CB) thay thế để ngắt các dòng điện sự cố có thể có mà không làm ảnh hưởng hệ thống Ngoài việc ngắt sự cố, CB phải nhanh chóng giải phóng các khí bị ion hóa ra khỏi các tiếp điểm của thiết bị ngắt để ngăn ngừa hồ quang Đối với các CB, các tiếp điểm nối kết và buồng chứa phải được thiết kế chịu các lực cơ học do các trường từ sinh ra khi gặp phải các quá dòng sự cố quá cao Các loại MC thường gặp trong HTĐCN là MCBs, MCCBs, ACB, RCCB

Trong MC (MC) công nghiệp có trang bị bộ phận BVDĐ chống quá tải và NM MC có các

đặc tính sau:

- Máy cắt có khả năng đóng an toàn với bất kì dòng tải nào hay dòng NM trong khả năng làm việc của mình

- Máy cắt mở an toàn bất kì dòng điện qua nó tới giá trị lớn bằng công suất cắt

- Máy cắt có thể tải dòng điện liên tục bằng với dòng định mức của MC

Dòng định mức (I đm) của MC là dòng mà MC có thể tải liên tục hơn 8 giờ Theo một số tiêu chuẩn BS EN 60947-2, BS EN 60898 của Anh, MC không tác động nếu dòng qua nó từ 105% đến

113% dòng định mức MC sẽ cắt sau 1 đến 2 giờ nếu dòng qua nó từ 130% đến 145% I đm

Đối với MC công nghiệp, ngoài dòng định mức còn có hai giá trị cần lưu ý là khả năng cắt và khả năng làm việc của MC Khả năng cắt của MC là dòng điện cực đại (trị hiệu dụng) đi qua

MC và MC có khả năng cắt tại thời điểm xuất hiện hồ quang lúc cắt tại điện thế định mức Khả năng làm việc là dòng điện cực đại đi qua MC và MC có khả năng chịu đựng trong quá trình đóng

MC tại điện thế định mức Khả năng làm việc của MC thường từ 1,4 đến 2,2 lần khả năng cắt MC Bộ phận BV chống quá tải và NM của hầu hết các MC công nghiệp là dùng lưỡng kim nhiệt và cơ cấu rơle điện từ Đặc tuyến thời gian–dòng điện (TC) tiêu biểu của MC công nghiệp được cho ở hình 12.11

Khi dòng quá tải nhỏ, chỉ có bộ phận nhiệt tác động theo đặc tính phụ thuộc Khi dòng điện

NM lớn hơn 4 lần dòng định mức, cơ cấu điện từ sẽ tác động với thời gian 0,05s Với dòng NM lớn hơn, thời gian tác động khoảng 0,01s - 0,05s

10.000 1.000 100 10 1 0,1 0,01

MCB được dùng rộng rãi để BV cho hộ sử dụng điện gia dụng và thương mại

MCB có thể là loại cho mạch ba pha và một pha Trong mạch một pha, MCB một cực được dùng cho dây pha còn MCB hai cực được dùng cho một dây pha và một dây trung tính MCB ba cực hoặc bốn cực được dùng cho mạch ba pha Nếu dòng NM chạy qua một cực của MCB thì tất cả các cực đều mở

Theo các tiêu chuẩn, MCB có định mức tới 125A, khả năng cắt tới 10kA và điện thế định mức tới 415V Dòng điện cắt nhanh của MCB được phân thành ba loại trong bảng 12.8:

Bảng 12.8 Dòng điện cắt nhanh của MCB

Theo tiêu chuẩn châu Âu, MCB được phân thành ba loại: L,G và U Loại L tương tự như loại

1 và loại G và U tương tự như loại 2

Theo tiêu chuẩn BS 3871: 1984 phân loại theo khả năng M1 (1kA), M3 (3kA), M6 (6kA), M9 (9kA)

Đặc tính TC của một MCB không thay đổi được Đặc tính theo tiêu chuẩn BS EN 60898 với nhiệt độ 30o cho ở bảng 12.9

Bảng 12.9 Đặc tính TC của MCB

Loại Dòng qua MCB Điều kiện ban đầu Thời gian có dòng (giờ) Kết quả

B,C,D 1,13I đm Không tải t ≥ 1h (I đm ≤ 63A)

B

C

D

5Iđm10I đm 50I đm

Đặc tính T–C tiêu biểu của MCB loại C từ 5A đến 100A cho ở hình 12.12

Đặc tính T–C tổng quát của loại 1, B, C và 3 được cho ở hình 12.13

Dòng [A]

Tiêu chuẩn Loại C hay

BS 3871 loại 3

t [S]

Hình 12.12 Đặc tính TC của MCB loại C

t [s]

Loại 1 Loại B Loại 3 và loại C

Hình 12.13 Đặc tính TC tổng quát của MCB

2- MCCB

MCCB được dùng ở những vị trí có dòng NM lớn và dòng tải lớn hơn 125A, BV các nhánh cung cấp chính và các mạch động cơ lớn Vì MCCB có các giá trị định mức cao hơn nên nó thường được đặt trong mạng phân phối gần nguồn hơn MCB

b

40 C o

10

6 4 2

1002

4 6

Hình 12.14 Đặc tính T–C của MCCB tiêu biểu

Dòng định mức của các MCCB được chế tạo từ 15A đến 1500A ở điện thế tới 600V, khả năng cắt khoảng từ 10kA đến 65kA Phần tử nhiệt và cơ cấu rơle điện từ bên trong MCCB có thể được điều chỉnh riêng biệt trong một khoảng nào đó

Đặc tính T–C tiêu biểu của MCCB cho hình 12.14 có thể hiện tầm thay đổi đường cong tác

động của phần tử nhiệt và phần tử điện từ cắt nhanh

3-ACB

ACB được hiểu là MC không khí lớn nhưng không cùng họ với MCB và MCCB, mặc dù MCB và MCCB cũng là MC không

khí Một ACB cũng có cơ cấu cơ, tiếp

điểm chính, tiếp điểm hồ quang và

phần tử cắt quá dòng bên trong Bộ

phận BV có thể hiệu chỉnh để chỉnh trị

đặt dòng và thời gian tác động phù

hợp, dạng đường cong đặc tính T–C

cũng có thể thay đổi được

ACB được sử dụng ở tủ điện

chính BV mạch động lực, đầu cực

máy phát dự phòng, phía hạ áp của

MBA phân phối

ACB được chế tạo có dòng định

mức từ 800 đến 5000A, điện áp định

mức tới 700V, khả năng cắt 40kA

đến 120kA, khả năng làm việc từ

84kA đến 220kA (đỉnh) Hình 12.15

cho đặc tính T–C tiêu biểu của ACB

4- RCCB

RCCB được thiết kế chế tạo để BV chống chạm điện gián tiếp Những phụ kiện cho dây dẫn như: cáp, máng, khai, ống bọc được cách điện và tiếp đất Khi chạm đất có dòng điện từ dây dẫn, cáp qua các phụ kiện này rò xuống đất và tạo một điện thế nào đó trên các phụ kiện, nếu

điện thế này lớn hơn 50V có thể gây nguy hiểm cho người tiếp xúc Hay khi dây dẫn điện chạm

đất qua điện trở lớn làm dòng điện chạm đất nhỏ không đủ để bộ phận BV quá dòng tác động, lúc đó dòng chạm nhỏ tiếp tục chạy xuống đất có thể sinh nhiệt gây cháy, nổ

RCCB được chế tạo để phát hiện dòng chạy xuống đất được gọi là dòng rò, và tác động mở mạch khi dòng rò lớn hơn giá trị chỉnh định

Điện thế định mức của RCCB một pha là 230V

Điện thế định mức của RCCB ba pha là 400V

Dòng định mức từ 10 đến 125A

Dòng rò tác động định mức I ∆N từ 0,006 đến 0,01A

Thời gian cắt tối đa: 0,3s khi dòng rò bằng I ∆N ; 0,15s khi dòng rò bằng 2I ∆N

0,04s khi dòng rò bằng 5I ∆N ; 0,004s khi dòng rò bằng 500A

Nguyên tắc để phát hiện dòng rò như sau: Khảo sát hình 12.16 nhận thấy, có dòng rò xuống đất 2A không trở về bằng dây trung tính Sự khác nhau giữa dòng pha và trung tính là dòng điện rò

Điều chỉnh:

Cực đại Trung bình Cực tiểu

Hình 12.16 Dòng điện rò xuống đất

Nguyên lý hoạt động của RCCB một pha và ba pha cho ở hình 12.17 Khi dòng rò có một giá trị đủ lớn sẽ làm cho cuộn cắt trong RCCB mở RCCB

Lõi từ

Nút thử

R RCCB

Cuộn phát điện Lõi từ

Hình 12.17 Nguyên lý phát hiện dòng rò xuống đất

a) Một pha; b) Ba pha

RCCB được chế tạo không có khả năng cắt lớn do đó không thể thay thế các MC BV khác có khả năng cắt lớn Tuy nhiên, RCCB có thể chịu được dòng NM lớn hơn nếu đang ở vị trí đóng,

vì thế RCCB thường được dùng nối tiếp với các MC BV quá dòng khác

Ví dụ 12.3:

RCCB-63A

MCCB-25A MCCB-25A MCCB-25A

Quá tải 28A trong 1 giờ

IN chạm trung tính 2000A

IN chạm đất 63.75A

I ∆ N= 0,03A

Hình 12.18 Sơ đồ tủ phân phối

Một tủ phân phối có sơ đồ như hình 12.18 Xác định thời gian làm việc của MCB và RCCB trong các điều kiện sau:

a- Nhánh 1 quá tải 28A trong 1h

b- Ở nhánh 2 có chạm trung tính một pha, dòng chạm là 2000A

c- Ở nhánh 3 có chạm đất một pha, dòng chạm là 63,75A

Giải: a- RCCB không tác động vì dòng đi và dòng về bằng nhau Từ bảng 12.9 hay hình 12.11

suy ra MCB cũng không tác động dòng quá tải nhỏ hơn 1,13 I đm

b- RCCB không tác động (dòng đi bằng dòng về)

Dòng chạm trung tính = (2000/25)I đm = 80 I đm > 10 I đm, từ bảng 12.9 tìm được thời gian tác động

của MCB nhỏ hơn 0,1s

c- Dòng rò chạm đất bằng (63,75/0,03)I đm = 2125 I ∆N > 5 I ∆nguồn, theo tiêu chuẩn IEC thời gian

cắt tối đa khi dòng rò lớn hơn 5 I ∆N là 0,04s

Nếu RCCB không cắt, theo bảng 12.9 hay hình 12.11, MCB sẽ tác động với thời gian là 60s

vì dòng chạm bằng 2,55 I đm

Ví dụ 12.4:

Cos = 0,85 = 0,95

20kW MC

1MVA

2,2 kv/0,4kv

η ϕ

400

6 2

Dòng NM ba pha qua MC I N( ) 28,867kA

008,03

Máy cắt BV phải được chọn có khả năng cắt lớn hơn 28,867kA Chọn loại 35kA Khi nhiệt độ

môi trường 20oC, thử chọn MCCB-63A

Bội số dòng khởi động m = 3,97

Khi nhiệt độ môi trường 40oC, từ hình 12.14, tương ứng với thời gian tác động 10s thì bội

số dòng khởi động là 2,2 Như thế, trong trường hợp này phải chọn định mức của MCCB lớn hơn

Cho sơ đồ cung cấp điện hình 12.20, có NM 200A xảy ra ở nhánh 2

a- Xác định thời gian tác động của MC ở vị trí 2, nếu MC này là:

- MCB-32A loại B

- MCB-32A loại 3

- RCCB-40A, I ∆N = 0,03A

b- Xác định thời gian tác động của MCCB 300A ở vị trí B

c- Xác định thời gian đứt của CC 400A ở vị trí A

Giải: a- Bội số dòng khởi động: m = 6 , 25

b- MCCB-300A sẽ không tác động

c- CC 400A sẽ không tác động với dòng NM 200A

Ở cấp điện áp từ 3kV trở lên, người ta thường sử dụng các MC dầu, MC chân không, MC

không khí Hệ thống rơle quá dòng điều khiển các MC này được tính toán chọn lựa và phối hợp với các MCBs, MCCBs, CC nối tiếp để đảm bảo tính chọn lọc Các rơle quá dòng được nối theo pha tương ứng với các pha sơ cấp và các giá trị dòng khởi động của nó phải lớn hơn dòng điện làm việc của tải Loại sự cố phổ biến nhất là sự cố chạm đất, các rơle quá dòng nối pha sẽ kiểm tra các dòng sự cố nối đất trên các giá trị đặt của rơle, các giá trị dòng điện chạm này có thể bị hạn chế bởi độ lớn tổng trở nối đất trung tính hay điện trở chạm trung gian

Ta có thể phát hiện sự cố chạm đất tốt hơn bằng cách sử dụng chỉ một rơle đáp ứng với một

dòng điện thứ tự không hệ thống và dòng điện I o này chỉ xuất hiện khi có dòng điện sự cố chạy xuống đất Vì vậy, dòng điện làm việc của rơle BV nối đất được đặt giá trị thấp hơn dòng điện của tải, thành phần dòng điện thứ không được nhận ra bằng cách nối song song giữa các BI Điều quan trọng là việc sắp xếp nối kết các BI và rơle trong một cơ cấu hệ thống đặc biệt, các cách sắp xếp này được mô tả trong hình 12.21

51 51

51 51 51

64

51 51 51

Hệ thống ba pha - ba dây hoặc bốn dây Chống chạm giữa các pha

Chống chạm pha - đất

Hệ thống ba pha - ba dây Chống chạm giữa các pha Chống chạm pha - đất

Hệ thống ba pha - bốn dây Chống chạm giữa các pha Chống chạm pha - đất Chống chạm pha - trung tính

Hệ thống ba pha - ba dây hoặc bốn dây Chống chạm giữa các pha

Chống chạm pha - đất Chống chạm pha - trung tính

Hệ thống ba pha - ba dây hoặc bốn dây Chống chạm pha - đất

Hình 12.21 Sơ đồ nối dây BI và rơle

Trong các HTĐ ba pha ba dây, các rơle quá dòng thường được cấp trên hai pha vì lý do kinh tế Chúng sẽ kiểm tra sự cố giữa các pha ở tất cả rơle, nhưng phải chú ý đến HTĐ ba pha bốn dây, yêu cầu các phần tử quá dòng trên tất cả ba pha bảo đảm hoạt động tối thiểu một phần tử trong khi pha bị các sự cố trung tính Nếu hệ thống này yêu cầu BV sự cố chạm đất độ nhạy cao thì cần có bốn bộ BI để bảo đảm cho các tải không đối xứng hoạt động Có thể sử dụng một rơle chống chạm đất riêng được cấp điện từ một BI

12.2 PHỐI HỢP BẢO VỆ

Để vận hành một HTĐCN hiệu quả, các thiết bị BV cần phân biệt đúng NM từ điểm sử dụng điện đến nguồn điện Các giá trị đặt đúng phải được tính toán cho mỗi rơle và các đường đặc tính của tất cả các thiết bị BV trên cùng mạch nhánh được so sánh để đảm bảo sự phân biệt Quá trình trên gọi là sự phối hợp rơle Để dễ dàng hiểu việc các đặc tính phụ thuộc của rơle dòng điện đảm bảo phối hợp chọn lọc, trong phần này sẽ nhắc lại nguyên tắc chọn lọc và dùng các ví dụ với các rơle của hãng GEC

Như ở phần một ta đã biết, đặc tính thời gian–dòng điện của rơle dòng có đặc tính phụ thuộc có dạng cực dốc, rất dốc và chuẩn, ở mỗi dạng có những thuận lợi khi ứng dụng cho từng sơ đồ cụ thể

Ví dụ 12.6: Phần mạch đóng ngắt hạ

thế trong một mạng điện lớn công nghiệp

và các mạng điện phân phối từ thanh góp

415V được BV bằng một trong các CC

400A hay MCCB 400A, một MBA:

1MVA/3300/415V cấp điện cho mạch

thông qua một MC được điều khiển bởi

một rơle quá dòng có giá trị đặt từ 50 ÷

200% giá trị dòng điện định mức BI và

được cung cấp từ MBI 2000/1A, để có thể

phối hợp: rơle, CC, và MCCB theo mức

dòng NM của mạch là 30kA, các giá trị

phối hợp có thể được tính như hình 12.22

Xác định dòng điện qua rơle: Dòng

điện đặt rơle được chọn sao cho không nhỏ

hơn dòng điện khi đầy tải Dòng điện đầy

tải được xác định từ công suất của MBA

U

S

139373

,1415,0

1000

Giả thiết ban đầu chọn trị số đặt rơle

là 100% dòng định mức BI (I đặt R = 1A)

Đặc tính CC và MCCB: Các đặc tính

dòng điện và thời gian của CC 400A và

MCCB được vẽ trực tiếp trên giấy log–log

Lựa chọn đặc tính rơle: Khi tính các giá trị đặt rơle BV để phân biệt chọn lọc giữa CC và các thiết bị khác cần dựa vào các đặc tính phụ thuộc và độ dốc, thường thì trước tiên chọn một đường đặc tính rơle thuộc loại cực dốc Đối với loại rơle MCGG, đường đặc tính này có được bằng cách chọn đường cong khi chuyển đến vị trí “EI” Từ hình vẽ này, ta có thể thấy các mức dòng

chạm 30kA CC sẽ hoạt động chưa đến 0,01s và MCCB hoạt động 0,016s Nếu áp dụng bậc thời gian ∆t là 0,4s thì thời gian hoạt động của rơle ở dòng NM 30000A sẽ là 0,4 + 0,016 = 0,416s

Hình 12.22 Sự phối hợp đặc tuyến làm việc

Dòng

NM 30kA

MCCB 400A

Cầu chì 400A 2000/1A

1MVA

3300/415V

Rơle MCGG32 50-200%

t 10,0

Nếu tỷ số BI là 2000/1A và có giá trị đặt là 100% thì bội số dòng PSM của rơle là m =

30000/2000 = 15

Từ đường đặc tính rất dốc tại trị số PSM = 15 và đường TSM = 1 tìm được thời gian tác động

rơle là 0,3575 (thời gian này cũng có thể được tính từ phương trình VIT với TSM = 1 và PSM = m

= 15) Thời gian 0,357 < 0,416 quá nhanh không thể đảm bảo sai số chọn lọc và như thế đường cong cực dốc của rơle này là không dùng được cho trường hợp này Chuyển sang đặc tính rất dốc của rơle cùng loại có sẵn trong rơle MCGG khi PSM = 15 và TSM = 1, thời gian hoạt động rơle là =

0,9644s Để đạt được thời gian hoạt động của rơle yếu cầu là 0,416s thì tính giá trị đặt TMS = 0,416/0,964

= 0,431 (chọn TMS = 0,5) Với đặc tính này khi PSM = 2, tương ứng với dòng 4000A rơle sẽ hoạt động trong 13,5 × 0,5 = 6,75s Trường hợp này cũng không chọn lọc Vì vậy, đường đặc tính rơle

cần được di chuyển ra xa đường đặc tính MCCB, ta có được một sự thay đổi bằng cách chọn giá trị dòng đặt của rơle lớn hơn

Nếu giá trị dòng đặt rơle lớn hơn khoảng 140% I đm BI và tỷ số BI là 2000/1A, giá trị PMS

của rơle ở 30000/2800 = 10,7 với giá trị PMS này và TMS = 1 đường cong rất dốc của rơle cho một

thời gian làm việc 1,35s để có được giá trị thời gian hoạt động theo yêu cầu là 0,42s thì giá trị đặt

TMS = 0,42/1,35 = 0,311 (lấy 0,3) Khi rơle đặt ở 140% định mức và TMS = 0,3 các điểm tiếp sau đây có thể tính và được dùng để chọn đường đặc tính rơle yêu cầu (bảng 12.10)

Các điểm trên khi được vẽ theo các đường đặc tính CC và MCCB xác định được đường đặc tính rất dốc của rơle MCGG với một giá trị dòng đặt của rơle bằng 140% dòng định mức BI và

TSM = 0,3 cho ta một sự phân biệt chọn lọc thích hợp ở dòng NM cực đại là 30kA

Sử dụng rơle quá dòng có đặc tính rất dốc sẽ phù hợp trong trường hợp có sự giảm đáng kể dòng sự cố do khoảng cách từ nguồn đến tăng lên Đường đặc tính của rơle có đặc điểm thời gian hoạt động sẽ tăng lên gấp đôi khi dòng sự cố giảm theo tỷ lệ 7 ÷ 4 theo dòng chỉnh định Điều này cho phép chỉnh định cùng một trị số đặt về thời gian cho các rơle nối tiếp nhau

Trị số đặt rơle:

R1 và R 1A 300A 0,2 TMS R2 và R 2A 175A 0,2 TMS

R3 và R 3A 100A 0,2 TMS R4 và R 4A 57,5A 0,2 TMS

Xem xét sự khác biệt khi áp dụng loại rơle CDG11 - rơle có đặc tính phụ thuộc chuẩn - và loại rơle CDG13 - rơle có đặc tính phụ thuộc rất dốc bằng ví dụ sau

Ví dụ 12.7: Từ hình 12.23 nhận thấy rằng, tỷ số dòng NM tại các thanh cái kế tiếp nhau là 7 ÷

4 Giả thiết các rơle đều được chỉnh định với cùng một trị đặt về thời gian TMS = 0,2 Từ giản đồ

phối hợp thời gian trên, nhận thấy rằng thời gian nhảy bậc ∆t của đặc tính phụ thuộc rất dốc là ∆t = 0,33s trong khi rơle phụ thuộc chuẩn là ∆t = 0,24s

Thời gian nhảy bậc ∆t min cho phép sử dụng TMS = 0,2 được tính như sau: ∆t = ∑ sai số

rơle giữa các rơle nối tiếp nhau ước tính với dòng sự cố đã xác định và

TMS = 0,2 + Thời gian mở MC + Thời gian vượt quá của rơle

∆t min = (0,054 + 0,029) + 0,15 + 0,05 = 0,283

trong đó: 0,054 - thời gian sai số của rơle ở 4 lần dòng cài đặt và TMS = 0,2

0,029 - thời gian sai số của rơle ở 7 lần dòng cài đặt và TMS = 0,2

0,15 - thời gian hoạt động của MC

0,05 - thời gian vượt quá của rơle CDG13

với ∆t = 0,33s > ∆t min = 0,283s cho phép rơle phân biệt chọn lọc hoàn toàn đúng

Vì vậy, sử dụng rơle CDG13 là phù hợp Nếu dùng rơle có đặc tính phụ thuộc chuẩn

CDG11 thì ∆t = 0,25s

và ∆tmin = (0,0712 + 0,0525) + 0,15 + 0,04 = 0,3137 s

trong đó: 0,0712 - thời gian sai số của rơle ở 4 lần dòng cài đặt và TMS = 0,2

0,0525 - thời gian sai số của rơle ở 7 lần dòng cài đặt và TMS = 0,2

0,15 - thời gian hoạt động của MC

0,04 - thời gian vượt quá của rơle CDG11

với ∆t = 0,25s < ∆t min = 0,3137s nên rơle có thể chọn lọc không đúng Vì vậy, rơle có đặc

tính phụ thuộc rất dốc thay cho đặc tính phụ thuộc chuẩn sẽ có lợi hơn ở những nơi dòng sự cố có sự giảm đáng kể giữa hai điểm rơle nối tiếp nhau

Đặc điểm của đặc tính cực dốc là thời gian hoạt động gần như tỷ lệ nghịch với bình phương dòng điện Loại đặc tính này rất phù hợp khi sử dụng cho các đường dây phân phối có tải đỉnh, chẳng hạn đường dây cung cấp cho máy bơm, máy nhiệt, máy lạnh phù hợp khi phối hợp với CC Hình 12.24 cho sơ đồ, số liệu và phối hợp đặc tuyến cực dốc của rơle và CC, khoảng thời

gian chênh lệch an toàn là 0,4s giữa rơle và CC 75A (phía 11kV) tại điểm NM cực đại 12000A

Ngoài ra rơle còn được ứng dụng kết hợp với bộ phận tự đóng lại trong mạng phân phối điện áp thấp Phần lớn sự cố đều thoáng qua và vì thế CC không kịp chảy và không cần thiết phải thay

Hình 12.23 Sơ đồ, số liệu và đặc tuyến rơle ví dụ 12.7