Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển

Từ điều kiện trở về của đoạn AB ta có: Giá trị của bậc thời gian ∆t được chọn sao cho đảm bảo tính chọn lọc, các bảo vệ gần sự cố sẽ cắt trước khi các bảo vệ xa hơn và gần nguồn kịp tác

-

VŨ XUÂN SỸ

MÔ PHỎNG RƠ LE BẢO VỆ KỸ THUẬT SỐ

DỰA TRÊN BỘ VI ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN ĐỨC HUY

Hà Nội – Năm 2014

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật này hoàn toàn do tôi thực hiện Các thông tin, số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chính xác và có nguồn gốc rõ ràng

Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2014

HỌC VIÊN

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 10

PHẦN 1 : MỞ ĐẦU 11

PHẦN 2 : NỘI DUNG 13

CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CHUNG 13

1.1 Lý thuyết bảo vệ quá dòng điện 13

1.1.1 Bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian trì hoãn 13

1.1.2 Bảo vệ dòng cắt nhanh 20

1.1.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện 23

1.2 Bảo vệ quá dòng có hướng 23

1.2.1 Bộ phận định hướng công suất 24

1.2.2 Sơ đồ nối rơ le định hướng công suất 25

1.2.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng có hướng 28

1.3 Bảo vệ khoảng cách 29

1.3.1 Nguyên lý tổng trở 29

2.3.2 Vùng tác động của bảo vệ khoảng cách 31

1.3.3 Các mạch vòng sự cố 33

1.3.4 Đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách 35

1.3.5 Đánh giá bảo vệ khoảng cách 36

1.4 Nguyên lý đo lường và xử lý tín hiệu kỹ thuật số 37

1.4.1 Đo lường sơ cấp điện áp và dòng điện 38

3

1.4.2 Lọc tương tự 41

1.4.3 Phân tích Fourier đo dòng điện và điện áp 42

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BẢO VỆ RƠ LE TRÊN NỀN TẢNG VI ĐIỀU KHIỂN 45

2.1 Xây dựng thuật toán bảo vệ 45

2.1.1 Vòng lặp chương trình chính 45

2.1.2 Giải thuật bảo vệ quá dòng 47

2.1.3 Giải thuật bảo vệ quá dòng có hướng 48

2.1.4 Giải thuật bảo vệ khoảng cách 50

3.1.5 Cấu trúc bản ghi dữ liệu sự cố 51

2.2 Xây dựng phần cứng 52

2.2.1 Lựa chọn vi điều khiển trung tâm 52

2.2.2 Thiết kế khối do dòng điện và điện áp 55

2.2.3 Thiết kế khối lưu thông tin bản ghi sự cố 58

2.2.4 Thiết kế khối giao tiếp với máy tính 60

2.2.5 Thiết kế khối giao diện người dùng 61

2.2.6 Thiết kế khối xuất tín hiệu báo hiệu và tác động 61

2.2.7 Thiết kế mạch in 62

2.2.8 Thiết kế khối nguồn cung cấp cho mạch 63

2.3 Xây dựng phần mềm phân tích bản ghi 64

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 67

3.1 Cấu trúc hệ thống 67

3.2 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện 69

3.2.1 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện khi ngắn mạch 1 pha chạm đất 69

3.2.2 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện khi ngắn mạch 3 pha 73

4

3.3 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng có hướng 76

3.3.1 BVQD có hướng ngắn mạch 1 pha chạm đất, hướng công suất thuận 76

3.3.2 BVQD có hướng ngắn mạch 2 pha chạm đất, hướng công suất thuận 79

3.3.3 BVQD có hướng ngắn mạch 1 pha chạm đất, hướng công suất ngược 82

3.3.4 BVQD có hướng ngắn mạch 3 pha gần điểm đặt rơ le, hướng công suất thuận 84

3.4 Thí nghiệm bảo vệ khoảng cách 86

3.4.1 Bảo vệ khoảng cách ngắn mạch 2 pha trong vùng tác động 87

3.4.2 Bảo vệ khoảng cách ngắn mạch 2 pha trong vùng không tác động 90

PHẦN 3: KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Chương 1

Hình 1 1: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại 14

Hình 1 2: Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố 14

Hình 1 3: Bố trí bảo vệ dòng diện cực đại trong mạng điện hình tia 1 nguồn cung cấp 15

Hình 1 4: Đặc tuyến dòng điện – thời gian làm việc của rơ le dòng điện 17

Hình 1 5: Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc 18

Hình 1 6: Đồ thị tính toán bảo vệ dòng cắt nhanh không thời gian đối với đường dây có nguồn cung cấp một phía 20

Hình 1 7: Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh 21

Hình 1 8: Bảo vệ cắt nhanh trên đường dây có hai nguồn cung cấp 22

Hình 1 9: Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ quá dòng có hướng 23

Hình 1 10: Giản đồ xác định vùng làm việc của phân tử định hướng công suất 24

Hình 1 11: Các sơ đồ nối rơ le công suất thông dụng 26

Hình 1 12: Đồ thị vec tơ của dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch 3 pha 26

Hình 1 13: Đồ thị vec tơ dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch hai pha 27

Hình 1 14: a) Vùng biến thiên của tổng trở phụ tải b) Tổng trở sự cố 30

Hình 1 15: Điện áp, dòng điện, tổng trở nhìn được từ rơle 31

Hình 1 16: Đặc tính thời gian nhiều cấp của bảo vệ khoảng cách 32

Hình 1 17: Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa 3 vùng tác động của bảo vệ khoảng cách 32

Hình 1 18: Mạch vòng xác định sự cố 34

Hình 1 19: Các dạng đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách 35

Hình 1 20: Cấu trúc phần cứng điển hình của một rơ le số 37

Hình 1 21: Sơ đồ nối BI 39

Hình 1 22: Cách đấu biến dòng BI kết hợp điện trở Shunt 40

Hình 1 23: Sơ đồ mạch do dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall 40

Hình 1 24: Bộ lọc thông thấp RC thụ động 41

6

Hình 1 25: Bộ lọc thông thấp chủ động có sử dụng opamp 41

Hình 1 26: Đáp ứng tần số của phương pháp Fourier 43

Chương 2 Hình 2 1: Lưu đồ thuật toán hoạt động của hệ thống 46

Hình 2 2: Chương trình chính của rơ le bảo vệ 47

Hình 2 3: Thuật toán bảo vệ quá dòng điện 48

Hình 2 4: Thuật toán bảo vệ quá dòng điện có hướng 49

Hình 2 5: Thuật toán bảo vệ khoảng cách 50

Hình 2 6: Các tính năng nổi bật của dòng vi điều khiển Stm32f40x 53

Hình 2 7: Kiến trúc ngoại vi bên trong của dòng vi điều khiển Stm32f40x 54

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo điện áp mẫu 55

Hình 2 9: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall 56

Hình 2 10: Đáp ứng tần số mạch lọc thụ động mô phỏng bằng Pspise 56

Hình 2 11: Mạch đo dòng điện kết hợp lọc thông thấp 57

Hình 2 12: Đáp ứng tần số đầu ra mạch đo dòng điện mô phỏng bằng Pspise 57

Hình 2 13: Sơ đồ nguyên lý mạch tiền xử lý điện áp 58

Hình 2 14: Khối thẻ nhớ lưu thông tin 59

Hình 2 15: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông không đồng bộ nối tiếp RS232 60

Hình 2 16: Sơ đồ nguyên lý khối giao diện người dùng 61

Hình 2 17: Sơ đồ nguyên lý khối xuất tín hiệu báo hiệu và tác động 62

Hình 2 18: Mạch in rơ le bảo vệ thiết kế bằng phần mềm Altium Designer 63

Hình 2 19: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch rơ le 63

Hình 2 20: Phần mềm phân tích bản ghi sự cố 65

Chương 3 Hình 3 2: Sơ đồ bố trí rơ le thí nghiệm 67

Hình 3 3: Mô hình rơ le số bảo vệ hệ thống điện 68

Hình 3 4: Bản ghi sự cố của rơ le P442 sự cố sự cố N(1) tại TP6 69

Hình 3 5: Thời gian phát hiện sự cố sự cố N(1) tại TP6 của rơ le P442 70

Hình 3 6: Thời gian phát hiện sự cố sự cố N(1) tại TP6 của mô hình rơ le 70

7

Hình 3 7: Giá trị hiệu dụng dòng điện 3 pha sự cố N của mô hình rơ le tại TP6 71

Hình 3 8: Dạng sóng điện áp 3 pha sự cố N(1) của mô hình rơ le tại TP6 71

Hình 3 9: Bản ghi sự cố của rơ le P442 sự cố N(3) tại TP6 73

Hình 3 10: Dạng sóng dòng điện 3 pha sự cố N(3) của mô hình rơ le tại TP6 73

Hình 3 11: Giá trị hiệu dụng dòng điện 3 pha sự cố N(3) của mô hình rơ le tại TP6 74

Hình 3 12: Dạng sóng điện áp 3 pha trong sự cố N(3) của mô hình rơ le tại TP6 74

Hình 3 13: Bản ghi rơ le P442 sự cố N(1), BVQD có hướng 76

Hình 3 14: Dạng sóng dòng điện sự cố N(1) của mô hình rơ le, BVQD có hướng 77

Hình 3 15: Giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố N(1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng 77

Hình 3 16: Dạng sóng điện áp sự cố N(1) của mô hình rơ le, BVQD có hướng 78

Hình 3 17: Bản ghi rơ le P442 sự cố N(1,1), BVQD có hướng 80

Hình 3 18: Dạng sóng dòng điện sự cố N(1,1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng 80 Hình 3 19: Giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố N(1,1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng 81

Hình 3 20: Dạng sóng điện áp sự cố N(1,1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng 81

Hình 3 21: Dạng sóng dòng điện sự cố N(1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng với hướng công suất ngược 83

Hình 3 22: Dạng sóng điện áp sự cố N(3) khi ngắn mạch gần của mô hình rơ le, BVQD có hướng với hướng công suất thuận 84

Hình 3 23: Dạng sóng điện áp pha A sự cố N(3) khi ngắn mạch gần của mô hình rơ le, BVQD có hướng với hướng công suất thuận 85

Hình 3 24: Dạng sóng dòng điện sự cố N(3)khi ngắn mạch gần của mô hình rơ le, BVQD có hướng với hướng công suất thuận 85

Hình 3 25: Đặc tính tứ giác sử dụng trong thí nghiệm bảo vệ khoảng cách 86

Hình 3 26: Bản ghi rơ le P442 sự cố N(2) , BVKC 87

Hình 3 27: Dạng sóng dòng điện sự cố N(2) của mô hình rơ le, BVKC 88

Hình 3 28: Giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố N(2) của mô hình rơ le, BVKC 88

Hình 3 29: Dạng sóng điện áp sự cố N(2) của mô hình rơ le, BVKC 89

8

Hình 3 30: Sự biến thiên trở kháng pha- pha AB trong sự cố N , BVKC 89Hình 3 31: Dạng sóng dòng điện sự cố N(2) của mô hình rơ le tại TP8, BVKC 90Hình 3 32: Sự biến thiên trở kháng pha- pha AB trong sự cố N(2) tại TP8 , BVKC 91

10

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BVQD : Bảo vệ quá dòng

BVKC : Bảo vệ khoảng cách

RMS: Giá trị hiệu dụng (Root mean square)

IC: Vi mạch tích hợp (Integrated Circuit)

BI : Máy biến dòng điện

BU : Máy biến điện áp

ADC : Bộ chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter) S/H: Trích và giữ mẫu (Sample/ Hold)

11

PHẦN 1 : MỞ ĐẦU

Quá trình vận hành hệ thống điện xuất hiện những sự cố ngắn mạch, quá tải,

sự làm việc không bình thường của các phần tử Khi xảy ra sự cố thường kèm theo

sự tăng đột ngột của dòng điện và sự giảm điện áp trên các pha Khi dòng điện tăng, các phần tử có dòng chạy quá có thể bị đốt nóng quá mức cho phép hay bị biến dạng bởi lực từ gây hư hỏng Khi điện áp giảm các phụ tải không thể hoạt động bình thường, các máy phát điện làm việc không ổn định Vì vậy các sự cố cần được phát hiện sớm và chính xác để nhanh chóng cắt bỏ đoạn hư hỏng ra khỏi hệ thống, đảm bảo sự làm việc ổn định, bình thường Thiết bị có tác dụng theo dõi hệ thống điện, phát hiện sự cố, lưu thông tin sự cố, xuất cảnh báo và tín hiệu cắt khi hệ thống điện gặp sự cố là các bảo vệ rơ le

Hiện tại với sự phát triển của mạng lưới truyền tải và sự đa dạng của các phụ tải, các yêu cầu bảo vệ cũng đa dạng, các rơ le cơ truyền thống khó có thể đáp ứng

do không linh hoạt trong sự thay đổi thuật toán bảo vệ Các rơ le số với những ưu điểm của thiết bị khả trình ngày càng được sử dụng nhiều Với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn, các hệ vi xử lý ngày càng có tốc độ cao, ổn định, giảm tiêu thụ năng lượng Việc ứng dụng các hệ vi xử lý vào phát triển rơ le bảo vệ cho

hệ thống điện có ý nghĩa thực tiễn

Chính vì những ý nghĩa ở trên em đã chọn đề tài “Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số trên bộ vi điều khiển”

Các nghiên cứu về lý thuyết bảo vệ và mô phỏng sự cố trên máy tính đã được xây dựng chi tiết trong các đề tài khác Nhưng ứng dụng mô phỏng sự cố trên các hệ

vi xử lý mới tân tiến hơn được thực hiện với mức độ hoàn thiện khác nhau

Việc thực hiện đề tài sẽ xây dựng một mô hình đơn giản của hệ thống rơ le bảo vệ kỹ thuật số để có thể chạy mô phỏng các thuật toán bảo vệ trước các sự cố xảy ra của hệ thống điện Do được chạy trên mô hình rơ le thực tế, chịu tác động của các yếu tố bên ngoài nên kết quả thu được có sẽ phản ánh chân thực sự cố

12

Để xây dựng một hệ thống rơ le bảo vệ, tác giả đã tiến hành tìm hiểu lý thuyết về bảo vệ hệ thống điện trong các trường hợp sự cố Xây dựng thuật toán bảo

vệ Xây dựng cấu hình phần cứng thu thập và tiền xử lý tín hiệu dòng điện và điện

áp Lập trình mô phỏng thuật toán bảo vệ ứng với một số trường hợp sự cố, tiến hành kiểm nghiệm kết quả và so sánh với các rơ le thực tế dựa trên bản ghi thu được

Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong được các thày cô và các bạn góp ý để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa thực tiễn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Đức Huy và các thày

cô trong bộ môn Hệ thống điện trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp

đỡ và tạo điều kiện giúp em thưc hiện đề tài này

Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2014

HỌC VIÊN

13

PHẦN 2 : NỘI DUNG CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CHUNG

1.1 Lý thuyết bảo vệ quá dòng điện

Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết

bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước Có thể đảm bảo khả năng tác động chọn lọc của các bảo vệ bằng hai phương pháp khác nhau về nguyên tắc

 Bảo vệ được thực hiện có thời gian tác động càng lớn khi bảo vệ đặt gần về phía nguồn cung cấp Bảo vệ được thực hiện như vậy gọi là “Bảo vệ dòng điện cực đại làm việc có thời gian trì hoãn”

 Dựa trên tính chất dòng ngắn mạch đi qua chỗ đặt bảo vệ sẽ giảm xuống khi

hư hỏng càng cách xa nguồn cung cấp Dòng khởi động được chọn có giá trị lớn hơn trị số lớn nhất của dòng trên đoạn được bảo vệ khi ngắn mạch xảy ra

ở đoạn kế cận Nhờ vậy bảo vệ có thể tác động chọn lọc không thời gian Bảo vệ loại này được gọi là “Bảo vệ dòng điện cắt nhanh”

Với bảo vệ dòng điện cực đại làm việc có thời gian trì hoãn lại được chia thành 2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trì hoãn Khi thời gian trì hoãn được lựa chọn 1 cách độc lập không phụ thuộc vào các thông số khác trong quá trình hoạt động ta có loại “rơ le đặc tính thời gian độc lập” Khi thời gian trì hoãn phụ thuộc dòng điện qua bảo vệ ta có loại “rơ le đặc tính thời gian phụ thuộc”

1.1.1 Bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian trì hoãn

Bảo vệ dòng điện cực đại gồm 2 bộ phận chính

 Bộ phận khởi động: nhiệm vụ phát hiện ra sự cố quá dòng điện vượt quá giá trị đặt

 Bộ phận tạo thời gian trì hoãn: tạo ra thời gian trì hoãn kể từ lúc phát hiện sự

cố đến khi bảo vệ tác động, đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách chọn lọc

14

Hình 1 1: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại

a Dòng khởi động của bảo vệ

Hình 1 2: Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố

15

Theo nguyên tắc tác động, dòng khởi động Ikđ của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại qua chỗ đặt bảo vệ, tuy nhiên trong thực tế việc lựa chọn dòng khởi động còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Đối với các rơ le quá dòng điện, dòng điện khởi động Ikđ của bảo vệ thường được chọn theo điều kiện

𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛> 𝐼𝑘đ =𝐾𝑎𝑡𝐾 𝐾𝑚

𝑣 𝐼𝑙𝑣 𝑚𝑎𝑥 (1.1)

Trong đó:

 Ilv max : dòng điện làm việc lớn nhất cho phép đối với phần tử được bảo vệ

 Km : hệ số mở máy (khởi động) của phụ tải động cơ có dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ Tùy theo tỷ lệ của phụ tải động cơ trong dòng điện tổng qua chỗ đặt bảo vệ và loại động cơ sử dụng mà hệ số Km có thể lấy trong khoảng

Hình 1 3: Bố trí bảo vệ dòng diện cực đại trong mạng điện hình tia 1 nguồn cung

2''

2'

1''

1' N

I

16

Khi có ngắn mạch tại N thuộc dường dây BC Khi các bảo vệ tác động đúng, tức chỉ

có bảo vệ 2’ cắt đoạn hư hỏng BC, bảo vệ 3’ do có thời gian trì hoãn lớn hơn sẽ không tác động

Muốn vậy dòng trở về Itv của bảo vệ 3’ phải có trị số lớn hơn trị số tính toán của dòng mở máy Imm đi qua đoạn AB đến các hộ tiêu thụ của trạm B: Itv > Immmax

Dòng Immmax thường lớn hơn rất nhiều dòng điện phụ tải cực đại Ilvmax Đưa vào hệ số mở máy kmm để tính dòng mở máy cực đại ta có: Immmax=kmm Ilvmax

Khắc phục sai số của dòng trở về của các bảo vệ và các tính toán không chính xác, ta có hệ số an toàn kat >1 Từ điều kiện trở về của đoạn AB ta có:

Giá trị của bậc thời gian ∆t được chọn sao cho đảm bảo tính chọn lọc, các bảo vệ gần sự cố sẽ cắt trước khi các bảo vệ xa hơn và gần nguồn kịp tác động

17

2- Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian độc lập

Thời gian trì hoãn tác động của bảo vệ được tạo nên nhờ rơ le thời gian hoặc các bộ định thời và không phụ thuộc vào dòng sự cố Đặc tuyến này của rơle dòng

có dạng đường thẳng

Đối với rơ le có đặc tính thời gian độc lập, bậc chọn lọc ∆t thường được chọn

từ 0,25÷0,6s

Hình 1 4: Đặc tuyến dòng điện – thời gian làm việc của rơ le dòng điện

3- Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc

Dạng đặc tính phụ thuộc cho bởi hình 1.5, trong đó:

 Đặc tính thời gian dốc chuẩn (Đường cong 1 hình 1.5): khi dòng điện ngắn mạch nhỏ hơn 10 lần dòng định mức thì rơle làm việc theo đặc tính phụ thuộc Khi tỷ số dòng ngắn mạch trên dòng định mức 10 đến 20 lần thì đặc tính là đường thẳng Đặc tính này được dùng rộng rãi để bảo vệ mạng phân phối

 Đặc tính thời gian rất dốc (đường cong 2 hình 1.5): Loại này cho độ dốc phụ thuộc nhiều hơn loại độ dốc chuẩn, đặc tính phụ thuộc của nó nằm giữa đặc tính độ dốc chuẩn và loại cực dốc như đường cong 3 ở hình 1.5 Đặc tính này được dùng khi đặc tính dốc chuẩn không đảm bảo tính chọn lọc

Hình 1 5: Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc

Đối với rơ le đặc tính phụ thuộc thường chọn bậc thời gian ∆t = (0,3 ÷ 0,5)s, nếu dùng rơle cảm ứng cần phải thêm thời gian quán tính của bảo vệ mà rơ le tiếp tục làm việc khi dòng ngắn mạch đã được cắt ra nên người ta thường chọn

∆t=(0,6÷1)s

19

Ưu điểm của bảo vệ có đặc tuyến thời gian phụ thuộc là:

 Có thể phối hợp thời gian làm việc của bảo vệ các đoạn gần nhau để làm giảm thời gian cắt ngắn mạch của các bào vệ đặt gần nguồn

 Có thể giảm hệ số mở máy Kmm khi chọn dòng điện khởi động của bảo vệ Khuyết điểm của loại bảo vệ này là:

 Thời gian cắt sự cố tăng khi dòng điện sự cố có giá trị gần bằng dòng điện khởi động

 Đôi khi sự phối hợp các đặc tính thời gian tương đối phức tạp

c Đánh giá bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian trì hoãn

 Tính chọn lọc: bảo vệ dòng điện cực đại chỉ đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng điện hình tia có 1 nguồn cung cấp bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc bậc thang tăng dần theo hướng từ xa đến gần nguồn Khi có

2 nguồn cung cấp, yêu cầu chọn lọc không được thỏa mãn

 Tác động nhanh: càng gần nguồn thời gian làm việc của bảo vệ càng lớn Ở các đoạn gần nguồn cần cắt nhanh ngắn mạch để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần còn lại của hệ thống điện, trong khi đó thời gian tác động của các bảo vệ ở các đoạn này lại lớn nhất Thời gian tác động chọn theo nguyên tắc bậc thang có thể vượt quá giới hạn cho phép

 Độ nhạy: Độ nhạy làm việc của bảo vệ bị hạn chế do phải chọn dòng khởi động lớn hơn dòng điện làm việc cực đại có kể đến hệ số mở máy của các động cơ Khi công suất nguồn thay đổi nhiều, cũng như khi bảo vệ làm nhiệm vụ dự trữ trong trường hợp ngắn mạch ở đoạn kề, độ nhạy có thể không đạt yêu cầu

 Tính đảm bảo: Theo nguyên tắc làm việc và cấu tạo, bảo vệ dòng điện cực đại được xem là bảo vệ đơn giản nhất và làm việc khá đảm bảo

Bảo vệ được dùng rộng rãi trong các mạng điện phân phối hình tia điện áp nhỏ hơn 35KV có một nguồn cung cấp khi thời gian làm việc trong giới hạn cho phép

20

1.1.2 Bảo vệ dòng cắt nhanh

Bảo vệ dòng cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt bảo vệ khi hư hỏng ở ngoài phần tử được bảo vệ Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện ngắn mạch sẽ lớn hơn dòng điện khởi động, và bảo vệ sẽ tác động Bảo vệ dòng cắt nhanh thường làm việc không thời gian hoặc có thời gian rất bé để nâng cao độ nhạy, mở rộng vùng bảo vệ và đề phòng khả năng bảo vệ mất chọn lọc khi có giông sét

Hình 1 6: Đồ thị tính toán bảo vệ dòng cắt nhanh không thời gian đối với đường

dây có nguồn cung cấp một phía

a Dòng khởi động của bảo vệ

Muốn bảo vệ không tác động khi ngắn mạch ngoài đường dây được bảo vệ, cần chọn dòng khởi động phù hợp

𝐼𝑘đ = 𝐾𝑎𝑡 𝐼𝑁𝑛𝑔𝑚𝑎𝑥 (1.2)

21

Trong đó:

 INngmax : dòng điện ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ

 Kat = 1,2 ÷ 1,3 : hệ số an toàn, xét tới ảnh hưởng của thành phần không chu

kỳ, việc tính toán không chính xác dòng ngắn mạch và sai số của rơ le

Để có INngmax cần phải chọn chế độ vận hành của hệ thống cũng như dạng ngắn mạch thích hợp (N3) Vì thời gian tác động của bản thân bảo vệ này khoảng vài phần trăm của giây, nên dòng ngắn mạch được tính ứng với thời điểm đầu của ngắn mạch (t = 0)

b Vùng tác động của bảo vệ

Hình 1 7: Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh

Vùng tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh có thể xác định bằng phương pháp

đồ thị (hình 2.7) Xây dựng các đường cong quan hệ In = f(lN) đối với chế độ cực đại

và cực tiểu Điểm cắt giữa đường thẳng Ikđ với đường cong 1 xác định điểm cuối vùng bảo vệ trong chế độ cực đại, điểm cắt đường cong 2 ứng với điểm cuối vùng bảo vệ trong chế độ cực tiểu

22

Vùng tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh còn phụ thuộc vào độ dốc của đường cong IN = f(lN) Dòng IN khi ngắn mạch ở đầu và cuối đường dây càng khác nhau nhiều thì vùng tác động của bảo vệ càng lớn

Người ta cho phép dùng bảo vệ dòng cắt nhanh, nếu vùng tác động của nó không nhỏ hơn 20% chiều dài đường dây được bảo vệ Vì bảo vệ dòng cắt nhanh rất đơn giản nên trong trường hợp vùng tác động của bảo vệ nhỏ hơn 20%, nó được dùng bổ sung cho bảo vệ chính của đường dây nếu bảo vệ này có vùng chết ở đầu đường dây

c Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp

Hình 1 8: Bảo vệ cắt nhanh trên đường dây có hai nguồn cung cấp

Giả thiết trên hai đầu đường dây có hai nguồn cung cấp AB (hình 2.8) có đặt bảo vệ dòng cắt nhanh CNA và CNB Để chúng không tác động sai khi ngắn mạch tác động tại điểm N1 và N2, dòng khởi động của chúng cần được chọn lớn hơn dòng từ nguồn A khi ngắn mạch tại N2 (IAN2) và dòng từ nguồn B khi ngắn mạch tại N1 (IBN1) Giả thiết IAN2 > IBN1 Dòng khởi động của CNA và CNB chọn theo điều kiện nêu trên sẽ có giá trị bằng nhau :

23

𝐼𝑘đ𝐴 = 𝐼𝑘đ𝐵 = 𝐾𝑎𝑡 𝐼𝐴𝑁2 (1.3)

Ngoài ra, dòng khởi động của bảo vệ dòng cắt nhanh còn cần phải chọn lớn hơn dòng không cân bằng chạy giữa hai nguồn A và B khi nó dao động Dòng khởi động của bảo vệ lấy bằng giá trị lớn nhất trong hai giá trị nhận được

Điểm cắt của các đường cong ngắn mạch với đường thẳng nằm ngang Ikđ

(điểm 1 và 2) xác định vùng bảo vệ

1.1.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện

Ưu điểm của bảo vệ dòng điện cực đại là đơn giản, độ tin cậy cao Bảo vệ tác động chọn lọc trong mạng hình tia với một nguồn cung cấp Khuyết điểm là thời gian ngắn mạch khá lớn, nhất là các đoạn ở gần nguồn trong khi đó ngắn mạch ở gần nguồn cần được cắt nhanh để đảm bảo ổn định hệ thống, và có độ nhạy kém trong mạng phân nhiều nhánh và phụ tải lớn, vùng tác động của bảo vệ không bao gồm toàn bộ đường dây

Để tăng độ nhạy có thể kết hợp rơ le quá dòng điện với rơ le điện áp làm bộ phận khởi động Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp tại điểm đặt bảo vệ sẽ giảm, bảo vệ chỉ tác động khi điện áp giảm quá một giá trị đặt cho trước

1.2 Bảo vệ quá dòng có hướng

Hình 1 9: Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ quá dòng có hướng

24

Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, hiện nay người ta thường thiết kế các mạng hình vòng và mạng có hai nguồn cung cấp Đối với loại mạng điện này, bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp không thể đảm bảo cắt ngắn mạch một cách chọn lọc

Cấu trúc của hệ thống rơ le bảo vệ quá dòng có hướng cho bởi hình 1.9 Trong đó RI là bộ phận phát hiện quá dòng điện, RW là bộ phận phát hiện hướng công suất, RT là bộ phận tạo thời gian trì hoãn Khi xảy ra quá dòng điện với hướng công suất phù hợp, bộ phận tạo thời gian trì hoãn sẽ được khởi động Khi hết thời gian trì hoãn rơ le sẽ tác động cắt sự cố

1.2.1 Bộ phận định hướng công suất

Rơ le định hướng công suất làm việc trên cơ sở góc pha tương đối giữa dòng

và áp tại chỗ đặt bảo vệ Rơ le định hướng công suất có thể làm việc theo dòng và

áp toàn phần hay dòng và áp các thành phần thứ tự Góc lệch pha φ giữa dòng điện

và điện áp có giá trị dương nếu vectơ dòng điện chậm sau điện áp và âm nếu ngược lại Khi chọn và nối sơ đồ của rơ le định hướng, phải lưu ý theo chiều công suất của dòng toàn phần hay theo các thành phần thứ tự, nếu phần tử định hướng công suất làm việc theo dòng và áp toàn phần và thứ tự thuận thì chiều công suất ngắn mạch

là từ thanh góp vào chỗ ngắn mạch, còn làm việc theo thành phần thứ tự nghịch và không thì chiều công suất ngắn mạch đi từ chỗ ngắn mạch đến thanh góp

Hình 1 10: Giản đồ xác định vùng làm việc của phân tử định hướng công suất

25

Để xác định hướng công suất, người ta dùng bộ so sánh pha để xác định quan

hệ giữa hai đại lượng 𝑈𝑅̇ và 𝐼𝑅̇ Đặc tính làm việc của phân tử định hướng công suất được đặc trưng bằng phương trình:

−(90 + 𝛼) ≤ 𝜑𝑅 ≤ (90 − 𝛼) (1.4) Với UR, IR là vectơ điện áp và dòng điện đưa vào rơle Nếu một trong hai tín hiệu đưa vào UR = 0 hay IR = 0 có thể bộ phận so sánh không đủ độ nhạy để tác động hoặc tác động nhầm Từ đó đối với RW có khái niệm góc có độ nhạy cực đại

φR = φnhmax, tại góc này RW làm việc với độ nhạy cao nhất Người ta thường chọn α=-φnhmax

1.2.2 Sơ đồ nối rơ le định hướng công suất

Phần tử định hướng công suất loại nối vào áp và dòng toàn phần, cần chọn áp

và dòng đưa vào rơle sao cho nó xác định đúng hướng của công suất ngắn mạch đối với dạng ngắn mạch bất kỳ và sao cho rơ le có độ nhạy cao nhất

Khi ngắn mạch gần chỗ đặt bảo vệ, UR có thể có giá trị gần bằng không, cũng như khi ngắn mạch có góc bất lợi rơ le công suất có thể không tác động được

Từ điều kiện trên có thể rút ra kết luận là cần phải nối rơle vào áp nào sao cho khi ngắn mạch gần, áp không giảm tới không và tổ hợp áp và dòng đưa vào mỗi rơle cần được chọn sao cho ngắn mạch góc φR không có giá trị bất lợi Yêu cầu đầu tiên trong hai yêu cầu trên chỉ có thể thực hiện được đối với ngắn mạch hai pha và một pha Khi có ngắn mạch ba pha, tất cả các áp pha cũng như áp dây có thể giảm tới không

Trong các sơ đồ bảo vệ dòng điện có hướng, ngày nay người ta thường nối

RW theo sơ đồ 90°,60° loại 1, 60° loại 2 và sơ đồ 30°(Tên gọi trên mang tính chất quy ước) Sơ đồ được đặt tên theo góc giữa áp và dòng đưa vào rơle trong chế độ đối xứng với điều kiện dòng trong các pha trùng với áp các pha cùng tên

Loại sơ đồ thông dụng nhất là sơ đồ 90°, ta tìm hiểu cách làm việc của sơ đồ này trong các dạng ngắn mạch khác nhau và chọn lựa φnhmax

26

Hình 1 11: Các sơ đồ nối rơ le công suất thông dụng

a Ngắn mạch ba pha đối xứng

Khi ngắn mạch ba pha đối xứng, tất cả các rơle của sơ đồ bảo vệ làm việc

trong những điều kiện giống nhau, vì thế chỉ cần khảo sát cách làm việc của rơle

pha A có UR = Ubc và IR = Ia Góc lệch pha φN3giữa dòng điện pha Ia và áp pha khi

ngắn mạch ba pha là góc của tổng trở đoạn dây

Hình 1 12: Đồ thị vec tơ của dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch 3 pha

Từ hình 1.12 ta thấy rằng, đối với bất cứ giá trị nào của I3

a rơle cũng tác động đảm bảo nếu giá trị của điện áp đặt vào U3

bc đủ để khởi động

27

b Ngắn mạch 2 pha

Điều kiện làm việc của các rơle trong trường hợp này không giống nhau Ví

dụ, ngắn mạch hai pha BC rơle pha A không làm việc vì I(2)

a≈0

Bằng đồ thị vectơ, ta sẽ khảo sát cách làm việc của rơle pha B và rơle pha C Trong trường hợp này, góc φ2

N là góc giữa áp dây và dòng pha

Trên hình 1.13 là đồ thị vectơ làm việc của rơ le pha B và C Ta nhận thấy, nếu α=45°thì vectơ IR nằm trong vùng tác động chắc chắn ở bất kỳ giá trị nào của 0≤ φ2

N≤90

Hình 1 13: Đồ thị vec tơ dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch hai pha

c Ngắn mạch một pha chạm đất trong mạng có trung tính với đất trực tiếp

Giả thiết ngắn mạch xảy ra ở pha A, khảo sát cách làm việc của rơle pha A nối vào dòng điện pha hư hỏng Trong trường hợp này, rơle pha A làm việc giống như trong trường hợp ngắn mạch ba pha đối xứng Còn rơ le pha B và pha C không làm việc Từ những trường hợp đã phân tích trên đây, có thể rút ra những kết luận đối với sơ đồ 90°

 Sơ đồ có thể làm việc tốt trong các trường hợp có sự cố cơ bản nếu như 30°<-φnhmax< 60° Góc tối ưu nhất là a = -φnhạy= 45°

 Khi ngắn mạch (không đối xứng) sau máy biến áp nối Y/∆ hay ∆/Y do lệch pha giữa BI và BU có thể làm bộ phận định hướng công suất tác động sai

1.2.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng có hướng

Bảo vệ dòng điện có hướng đơn giản và đảm bảo tác động chọn lọc đối với mạng điện được cung cấp từ hai phía Sử dụng kết hợp cắt nhanh có hướng với bảo

vệ dòng điện có hướng, ta nhận được bảo vệ trong nhiều trường hợp có độ nhạy cũng như thời gian tác động thỏa mãn yêu cầu

Dựa trên sự kết hợp của rơ le quá dòng điện và rơ le định hướng công suất nên dòng khởi động và thời gian tác động của rơ le quá dòng có hướng tương tự như với rơ le quá dòng cực đại

Bảo vệ có một số nhược điểm như sau:

 Thời gian tác động khá lớn, nhất là đối với bảo vệ gần nguồn

 Có độ nhạy kém trong mạng với phụ tải lớn và bội số dòng ngắn mạch nhỏ

 Có vùng chết khi ngắn mạch ba pha

Bảo vệ quá dòng điện có hướng dùng rộng rãi làm bảo vệ chính trong mạng điện tới 35kV được cung cấp từ hai phía Trong mạng điện 110kV và 220kV, nó chủ yếu làm bảo vệ dự trữ và đôi khi nó được sử dụng kết hợp với cắt nhanh có hướng làm bảo vệ chính

29

1.3 Bảo vệ khoảng cách

Bảo vệ khoảng cách là bảo vệ được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện Bảo vệ dòng điện cực đại, có hướng và không hướng, có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp, đôi khi quá lớn và trong mạng vòng có số nguồn lớn hơn hai, hoặc mạng vòng có một nguồn nhưng có những đường chéo không qua nguồn, không thể đảm bảo cắt chọn lọc những phần tử hư hỏng Như vậy, cần phải tìm các nguyên tắc bảo vệ khác vừa đảm bảo tác động nhanh, vừa chọn lọc và có độ nhạy tốt đối với mạng phức tạp bất kỳ Một trong các bảo vệ đó là bảo vệ khoảng

cách

Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ có bộ phận cơ bản là bộ phận đo khoảng cách, làm nhiệm vụ xác định tổng trở từ chỗ đặt bảo vệ tới điểm ngắn mạch Thời gian làm việc của bảo vệ phụ thuộc vào quan hệ giữa điện áp UR, dòng điện IR đưa vào phần đo lường của bảo vệ và góc lệch pha φR giữa chúng Thời gian này tăng lên, khi tăng khoảng cách từ chỗ hư hỏng đến chỗ đặt bảo vệ

Người ta dùng rơ le tổng trở làm bộ phận đo khoảng cách Khoảng cách sẽ tỷ

lệ với tổng trở đo được Nó phản ứng trực tiếp theo tổng trở, điện trở hoặc kháng trở của đường dây Bảo vệ khoảng cách được dùng thông dụng nhất là loại tổng trở

1.3.1 Nguyên lý tổng trở

Nguyên lý tổng trở được dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống truyền tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay mất kích thích Đối với hệ thống truyền tải điện, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường bằng tổng trở toàn bộ đường dây phía sau cộng với phụ tải

𝑍̇đ𝑜 = 𝑍̇𝑑â𝑦+ 𝑍̇𝑝𝑡 (1.5) Tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường của

hệ thống lớn hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố, giá trị tổng trở

đo được này phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải Trên mặt phẳng phức, ở chế độ dòng điện tải cực đại I𝑚𝑎𝑥 khi cosφ của phụ tải thay đổi Nút vec tơ

D jX

Hình 1 14: a) Vùng biến thiên của tổng trở phụ tải b) Tổng trở sự cố

Khi xẩy ra ngắn mạch trên đường dây, tổng trở đo được bằng tổng trở đường dây từ rơ le đến điểm sự cố Tổng trở đo được sẽ nhỏ đi so với lúc bình thường, và

độ nghiêng vectơ tổng trở sẽ giảm đi Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường do hồ quang phát sinh tại chỗ ngắn mạch), góc nghiêng của vec tơ tổng trở

sẽ giảm đi và trị số tổng trở sẽ lớn lên

Bảo vệ khoảng cách là bảo vệ dùng rơle tổng trở có thời gian làm việc vào quan hệ giữa điện áp UR và dòng điện IR và góc φR giữa chúng

𝑡 = 𝑓 (𝑈𝑅

𝐼𝑅 , 𝜑𝑅) (1.6) Thời gian này tăng lên khi khoảng cách từ chỗ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng tăng lên Bảo vệ đặt gần chỗ hư hỏng nhất có thời gian làm việc bé nhất

Xét hệ thống sự cố tại điểm N, rơle khoảng cách đặt tại vị trí A đầu đường dây, dòng điện và điện áp tại vị trí đặt rơ le được tính như sau:

ZR =UR

IR (1.7)

ne (1.8)

ZR = ZN ni

ne = kZN (1.9) Trong đó:

 ne, ni là tỉ số biến đổi của mày biến dòng điện BI, và máy biến điện áp BU

 U, I, UR, IR lần lượt là điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp BU, BI

 ZN, ZR lần lượt là điện kháng của đoạn sự cố và của rơle đo được

2.3.2 Vùng tác động của bảo vệ khoảng cách

Rơ le khoảng cách dùng để bảo vệ các đường dây tải điện thường có nhiều vùng tác động (ba vùng phía trước, một vùng phía sau hiểu theo hướng tác động từ thanh góp vào đường dây tại nơi đặt rơle khoảng cách) Các vùng phía trước làm nhiệm vụ dự phòng cho nhau và cho bảo vệ đoạn liền kề

Thời gian giữa các vùng bảo vệ được chọn theo đặc tính thời gian hình bậc thang Độ chênh lệch thời gian giữa các vùng bảo vệ liền kề nhau là ∆t, được chọn trong khoảng ∆t = 0,3s ÷ 0,5s

Hình 1 17: Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa 3 vùng tác động

của bảo vệ khoảng cách

Vùng I là vùng bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối, nên chỉ cần sự cố trong xảy

ra trong vùng này, bảo vệ sẽ tác động mà không cần phối hợp với các bảo vệ khác Khi xét đến sai số của các bộ phận khoảng cách, các biến dòng BI, các biến điện áp

BU, ngắn mạch qua điện trở hồ quang, ảnh hưởng bởi chiều dài đường dây… có thể làm rơle tác động nhầm khi thực tế sự cố nằm ngoài vùng I Vì thế vùng I được chọn khoản 80%-85% chiều dài đường dây được bảo vệ

33

Vùng II có thời gian tác động tII và phải lớn hơn một bậc ∆t so với thời gian làm việc vủa bảo vệ chính đặt ở các phần tử kề Tổng trở khởi động của vùng II sẽ bao trùm 20% chiều dài còn lại của đường dây và phần đầu của đường dây tiếp theo Tổng trở khởi động vùng II của bảo vệ đầu A cần được phối hợp với vùng I của bảo vệ đầu B

Vùng III có thời gian tác động tIII làm dự trữ cho các đoạn tiếp theo và bọc lấy toàn bộ những đoạn này Tương tự tổng trở khởi động vùng III được chọn phối hợp với vùng II của bảo vệ đặt tại đầu B và vùng I của bảo vệ đặt tại đầu C, làm dự phòng cho bảo vệ tai B và C

1.3.3 Các mạch vòng sự cố

Dòng điện IR và áp UR nhận từ BI và BU phải được chọn đưa vào rơle tổng trở để cho tổng trở ZR đo được ở hai đầu cực rơ le khoảng cách phải tỷ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch và không phụ thuộc vào dạng ngắn mạch Để thỏa mãn được yêu cầu đó, điện áp 𝑈𝑅̇ phải bằng điện áp giáng tính đến điểm ngắn mạch , còn dòng IR bằng dòng ngắn mạch

Khi hệ thống chỉ có một nguồn, điện trở sự cố bằng không, ta có thể tính toán tổng trở sự cố như bảng sau

34

Bộ phận khoảng cách phải nối vào áp và dòng của vòng ngắn mạch Trong trường hợp tổng quát cần lấy áp và dòng của cả 3 pha để xác định tính toán ngắn mạch tính toán thuộc loại sự cố nào Các tính toán được thực hiện cho các mạch vòng sự cố, chỉ một trong những sự cố xảy ra có thể khởi động rơ le

Tổng hợp các sự cố xảy ra với hệ thống điện ta có 6 mạch vòng sự cố như sau

Khi xẩy ra ngắn mạch 6 mạch vòng sẽ được rơle tính toán đồng thời, để tìm ra

Z1N tương ứng với từng trường hợp trên Bảng 1.1 từ đó phân biệt và xác định được các dạng sự cố khác nhau có thể xẩy ra

35

1.3.4 Đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách

Đặc tuyến khởi động của bảo vệ là đường biên xác định điều kiện tác động của mỗi bảo vệ được biểu diễn trong mặt phẳng tạp Z

Hình 1 19: Các dạng đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách

Hình 1.19 giới thiệu các loại đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách thông dụng Đặc tuyến của mỗi rơle là quỹ tích của những điểm thỏa điều kiện

𝑍𝑅̇ = 𝑍𝑘đ𝑅̇ Phần gạch nghiêng của đặc tuyến mà trong đó 𝑍𝑅̇ < 𝑍𝑘đ𝑅̇ ứng với vùng tác động của rơ le Ngoài vùng này rơ le không tác động Đặc tuyến khởi động được biểu diễn bằng phương trình đặc tính 𝑍𝑘đ̇ = 𝑓(𝜑𝑅, 𝐼𝑅, 𝑈𝑅) trong mặt phẳng phức Z

 Hình 1.19a: đặc tuyến khởi động là vòng tròn tâm O, Zkđ = k = hằng số Bảo

vệ tác động khi ZR < ZkđR không phụ thuộc vào góc φR Đặc tuyến này gọi là tổng trở không có hướng Loại đặc tuyến này thường được áp dụng cho mạng điện dưới 35kV

 Hình 1.19b: đặc tuyến là vòng tròn đi qua gốc 0 Điện trở khởi động của BV phụ thuộc vào góc φR Tổng trở khởi động có độ nhạy cực đại khi φR= φRn Bảo vệ không khởi động đối với ZR nằm trong phần tư thứ ba của mặt phẳng

36

phức nên được gọi là bảo vệ tổng trở có hướng Đặc tuyến thực tế không đi qua gốc tọa độ 0 do bản thân bộ phận so sánh không đủ nhạy Vì thế, ngắn mạch đầu đường dây gần chỗ đặt bảo vệ có thể bảo vệ không làm việc tạo ra vùng chết

 Hình 1.19c: đặc tuyến khởi động là đường thẳng song song với trục R đặc tuyến khởi động được biểu diễn bằng phương trình xR= k hằng số, gọi là đặc tuyến điện kháng Bảo vệ với đặc tuyến này làm việc không phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch trung gian

 Hình 1.19d: đặc tuyến có dạng hình ellip Đây là đặc tuyến của bảo vệ tổng trở có hướng, có tính chọn lọc cao

 Hình 1.19e: đặc tuyến có dạng hình đa giác Đặc tuyến này có thể trùng khít với tứ giác sự cố, nhưng cấu trúc các bộ phận của bảo vệ có đặc tuyến này rất phức tạp, nên chỉ được dùng cho đường dây quan trọng, điện thế cao, công suất lớn chống chạm đất

1.3.5 Đánh giá bảo vệ khoảng cách

Các ưu điểm chính của bảo vệ khoảng cách

 Đảm bảo tính chọn lọc trong mạng có cấu trúc bất kỳ và số nguồn cung cấp tùy ý

 Vùng I của bảo vệ chiếm gần 80 ÷ 90% độ dài phần tử được bảo vệ và có thời gian làm việc rất bé Điều này rất quan trọng đối với điều kiện ổn định

hệ thống là phải cắt nhanh phần tử sự cố gần thanh góp nhà máy điện và các trạm điểm nút công suất lớn

 Có độ nhạy cao đối với ngắn mạch

Các nhược điểm của bảo vệ khoảng cách

 Phức tạp về mặt sơ đồ cũng như bản thân của các rơle thuộc về sơ đồ bảo vệ Bảo vệ khoảng cách dùng rơle điện cơ là loại bảo vệ có nhiều rơle vì cần nhiều tiếp điểm nhất

37

 Các sơ đồ bảo vệ không tiếp điểm dùng bán dẫn, vi mạch thì phức tạp về mặt

sơ đồ logic và có rất nhiều phần tử chức năng

 Không đảm bảo cắt tức thời ngắn mạch trên toàn bộ đường dây được bảo vệ

 Phản ứng theo dao động và phụ tải, vì vậy việc tránh phụ tải làm giảm độ nhạy bảo vệ, giảm tác dụng dự trữ cho phần tử kế Để chống dao động phải dùng thiết bị khóa và bảo vệ càng trở nên phức tạp

Tuy còn những khuyết điểm, nhưng hiện nay bảo vệ khoảng cách vẫn là bảo

vệ thông dụng nhất dùng để bảo vệ chính hay dự trữ cho các đường dây cao áp hay trung áp

1.4 Nguyên lý đo lường và xử lý tín hiệu kỹ thuật số

Hình 1 20: Cấu trúc phần cứng điển hình của một rơ le số

Hình 1.20 minh hoạ cấu trúc điển hình phần cứng của một rơ le số Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào của rơ le được lấy qua các BU và BI từ đối tượng bảo

vệ Lưu ý tín hiệu tương tự chỉ chuyển sang tín hiệu số đối với điện áp nên đối với các tín hiệu dòng điện thì trước tiên phải biến đổi nó sang điện áp theo nhiều cách Sau đó các tín hiệu này được lọc bằng bộ lọc giải mã

38

Hoạt động của rơ le kỹ thuật số: Tín hiệu từ BI, BU sau khi được biến đổi thành tín hiệu phù hợp Các tín hiệu đã được biến đổi này được đưa vào bộ chọn kênh Bộ xử lý trung tâm sẽ gửi tín hiệu mở kênh mong muốn Đầu ra của bộ chọn kênh đưa vào bộ biến đổi tương tự sang số (ADC) để biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và đưa vào bộ vi xử lý Nguyên lý biến đổi tín hiệu phải thông qua

bộ lấy và giữ mẫu (S/H) Vì các bộ chuyển đổi ADC thường rất đắt nên khi thiết kế người ta cố gắng tinh giản chỉ sử dụng một bộ ADC trong một rơle số, chính vì lý

do đó mà trong bộ vi xử lý có đặt một bộ dồn kênhđể lựa chọn các tín hiệu cần thiết cung cấp cho đầu vào các bộ ADC

1.4.1 Đo lường sơ cấp điện áp và dòng điện

Do giá trị điện áp và dòng điện của hệ thống điện thường không phù hợp với đầu vào của thiết bị do lường số vì vậy không thể đo lường trực tiếp Khi đó cần sử dụng máy biến dòng và máy biến điện áp để tạo dạng tín hiệu phù hợp và cách ly bảo vệ với đối tượng được bảo vệ

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 bảo

vệ có điện thế cao, có thể sử dụng BU qua bộ chia điện thế bằng tụ điện

1 Sơ đồ nối BI, BU với phần đo lường của mạch bảo vệ

Phần đo lường của bảo vệ nhận thông tin của đối tượng bảo vệ từ cuộn dây thứ cấp của BI, BU Tỷ số biến đổi của BU, BI sẽ giúp xác định giá trị điện áp, dòng điện từ các giá trị đo được Trạng thái, chế độ đầy đủ của đối tượng bảo vệ được xác định bằng dòng và áp ba pha tại chỗ đặt bảo vệ

39

Trong vài trường hợp, để cho bảo vệ 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 bảo vệ

Đối với bảo vệ được thực hiện bằng bán dẫn, vi mạch, các thành phần thứ tự của dòng sơ cấp được tạo bằng phần đo lường của bảo vệ, sau khi phần này nhận

UT, IT 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

Hình 1 21: Sơ đồ nối BI

2 Tiền xử lý dòng điện trong đo lường số

Các hệ thống đo lường số chỉ có khả năng đo được điện áp với giá trị phù hợp, để đo dòng điện cần biến đổi dòng điện thành giá trị điện áp bằng nhiều phương pháp khác nhau Có thể đề xuất 2 phương pháp là :

 Sử dụng điện trở Shunt chính xác

 Sử dụng cảm biến dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall

Phương pháp dùng điện trở Shunt mắc vào thứ cấp đầu ra của biến dòng, điện áp rơi trên 2 đầu điện trở tuân theo định luật Ohm URS=IRS * RS Dạng điện áp