Bảo vệ rơ le và tự động hóa cho nhà máy điện

Tính kinh tế : - Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong hệ thống điện không phải để làm việcthường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, luôn luôn sẵn sàng chờ đónnhững bất thường và

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA CÁC LOẠI BẢO

VỆ RƠ LE

I KHÁI NIỆM VÀ NHIỆM VỤ CỦA RƠ LE:

- Rơle là một trong những thiết bị có thể bảo vệ được máy phát, máy biến áp,đường dây, thanh góp và toàn bộ hệ thống điện làm việc an toàn, phát triển liêntục, bền vững

- Nó là một thiết bị có nhiệm vụ phát hiện và loại trừ càng nhanh càng tốt phần tử

bị sự cố ra khỏi hệ thống điện để hạn chế đến mức thấp nhất có thể của các hậu quả

do sự cố gây ra Các nguyên nhân gây sự cố hư hỏng có thể do các hiện tượng thiênnhiên như giông bão, dộng đất, lũ lụt do các thiết bị hao mòn, già cỗi gây chạmchập, đôi khi do công nhân vận hành thao tác sai

- Những thiết bị BVRL phản ứng với tình trạng làm việc không bình thườ ngthường thực hiện tác động sau một thời gian duy trì nhất định (không cần phải cótính tác động nhanh như ở các thiết bị BVRL chống hư hỏng)

II CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA BẢO VỆ RƠ LE:

+ Chọn lọc tương đối: Là bảo vệ ngoài chức năng bảo vệ cho phần tử chínhđặt bảo vệ còn có thể thực hiện nhiệm vụ bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ ởcác phần tử lân cận

3 Độ nhạy:

- Đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố

- Hệ số độ nhạy:

o Bảo vệ chính Kn 2

o Bảo vệ dự phòng Kn 1,5

4 Độ tin cậy:

- Là tính năng bảo đảm cho thiết bị làm việc đúng và chắc chắn

- Và được phân chia làm 2 lĐộ tin cậy tác động và độ tin cậy không tác động + Độ tin cậy tác động là mức độ đảm bảo rơle hay hệ thống rơle có tácđộng khi có sự cố, và chỉ được tác động trong khu vực đặt bảo vệ đã địnhtrước

+ Độ tin cậy không tác động là mức độ đảm bảo rơle hay hệ thống rơlekhông làm việc sai, tức là tránh tác động nhầm khi đang làm việc bình thườnghoặc có sự cố xảy ra ở ngoài phạm vi muốn bảo vệ

5 Tính kinh tế :

- Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong hệ thống điện không phải để làm việcthường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, luôn luôn sẵn sàng chờ đónnhững bất thường và sự cố có thể xảy ra và có những tác động chuẩn xác

- Đối với các trang thiết bị điện áp cao và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặtthiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị công trình Vì vậyyêu cầu về kinh tế không đề ra , mà bốn yêu cầu về kĩ thuật trên đóng vai tròquyết định, vì nếu không thỏa mãn được các yêu này sẽ dẫn đến hậu quả tai hạicho hệ thống điện

- Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở nhà máyđiện hoặc lưới chuyển tải cao áp Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kĩ thuật mà chi phí thấp nhất

• Tuỳ theo phạm vi , mức độ và đối tượng được bảo vệ, chỉ danh rơle có thể cóphần mở rộng Sau đây là một số chỉ danh rơle có phần mở rộng thông dụng

Rơ leRơle nhiệt độ cuộn dây máy biến áp 26.W

Rơle nhiệt độ dầu (máy biến áp, bộ đổi nấc máy biến áp) 26.O

Rơle quá dòng điện định thì phía sơ cấp, thứ cấp MBA 51P,51S

Rơle quá dòng tức thì chống chạm đất trong thiết bị (MBA) 50REF

Rơle quá dòng chạm đất có hướng 67N

Rơle so lệch dọc bảo vệ thanh cái 87B

Rơle so lệch dọc bảo vệ máy biến áp 87T

Rơle hơi cấp 1(chỉ báo tín hiệu) 96-1

Rơle hơi cấp 2 (tác động cắt máy cắt điện) 96-2

CHƯƠNG 2 CÁC NGUYÊN TẮC BẢO VỆ RƠ LE

I BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN:

1 Nguyên tắc bảo vệ dòng điện:

- Là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượtquá một giá trị định trước

- Ưu điểm: đơn giản ,độ tin cậy cao.bảo vệ tác động chọn lọc trong mạng

hình tia với 1 nguồn cung cấp

- Nhược điểm :thời gian ngắn mạch lớn,và có độ nhạy kém trong mạng phân

nhiều nhánh và phụ tải lớn

- Theo nguyên tắc đảm bảo tính chọn lọc chia thành 2 loại:

+ Bảo vệ dòng điện cực đại+ Bảo vệ dòng cắt nhanh

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí bảo vệ dòng cực đại

2 Bảo vệ dòng điện cực đại:

- Được dựa trên nguyên tắc chọn thời gian trì hoãn tác động ( thời gian tác động )

- Dòng khởi động của bảo vệ IKĐ, tức là dòng nhỏ nhất đi qua phần tử được bả o vệ

mà có thể làm cho bảo vệ khởi động, cần phải lớn hơn dòng phụ tải cực đại của phần

tử được bảo vệ để ngăn ngừa việc cắt phần tử khi không có hư hỏng

• Ktv: Hệ số trở về Ktv = 0,8 0,9 đối với rơ le cơ.Trong thực tế Hệ

số trở về luôn luôn nhỏ hơn 1

• Ktv = 1 đối với rơ le tĩnh (Rơ le lí tưởng)

- Dòng khởi động IKĐR của rơle khác với dòng khởi động IKĐ của bảo vệ do hệ sốbiến đổi NBI của BI và sơ đồ nối dây giữa các rơle dòng và BI

- Trong một số sơ đồ nối rơ le, dòng đi vào rơle không bằng dòng thứ cấp của cácBI Sự khác biệ t của dòng trong rơle trong tình trạng đối xứng và dòng thứ cấp

BI được đặc trưng bằng hệ số sơ đồ:

IR(3)=Ksd(3) IT(3)

( Với Ksđ : hệ số sơ đồ )

- Do vậy :

IkdR=

a) Độ nhạy của bảo vệ:

- Độ nhạy được xác định : Knhạy=

- Với : + INmin là dòng ngắn mạch cực tiểu khi ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ.

• Khi NM ở cuối vùng bảo vệ thì Knhạy > 1,5

• Khi NM tại cuối vùng dự trữ Knhạy >1,2

b) Thời gian tác động của bảo vệ :

 Bậc thời gian: Độ chênh lệch giữa thời gian tác đôngk BV kề nhau

được gọi là bậc thời gian hay bậc chọn lọc = t1-t2

- Khi chọn phải phân biệt rơ le có đặc tính thời gian độc lập hay phụ thuộc

 Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian độc lập : Có đặc điểm là nhờ rơ

le thời gian tạo nên thời gian trì hoãn và không phụ thuộc vào dòng ngắn mạch

 Rơ le có đặc tính thời gian phụ thuộc : Rơ le có đặc tính phụ thuộc khởi

động khi dòng vượt quá giá trị khởi động ; thời gian tác đọng của rơ le phụthuộc vào trị số dòng điện qua rơ le Thời gian làm việc giảm khi dòng điệntăng cao

- Có 3 dạng đặc tính thời gian : (Hình 3.5)

+ Đặc tính thời gian rất dốc + Đặc tính thời gian cực dốc + Đặc tính TG phụ thuộc có giới hạn nhỏ nhất ( độ dốc chuẩn )

• Ưu điểm : + Có thể giảm hệ số mở máy khi chọn dòng điện của BV

+ Có thể phối hợp thời gian làm việc của BV các đoạn gần nhau

để làm giảm thời gian cắt NM của các bảo vệ đặt gần nguồn

• Nhược điểm: + Sự phối hợp giữa các đặc tính thời gian còn phức tạp

+ Thời gian cắt NM tăng khi dòng điện NM có giá trị bằng

dòng

3 Bảo vệ dòng cắt nhanh ( 50 hay I >>)

- Là loại bảo vệ có thời gian tác động xấp xỉ bằng 0 giây (thường từ 20 đến 60 ms)

- Nguyên tắc : Đảm bảo tính chọn lọc bằng phân cấp dòng điện

- Sự cố tại phân đoạn nào : chỉ bảo vệ tại đó được phép khởi động

- Các bảo vệ không cần phối hợp thời gian

- Không bảo vệ được toàn bộ đối tướng

 Cho một nguồn cấp:

a) Dòng khởi động :

- Do cách chọn lọc bằng dòng điện nên dòng khởi động tính:

- Dòng ngắn mạch giảm dần khi điểm ngắn mạch đi xa nguồn

- Độ lớn dòng ngắn mạch phụ thuộc vào chế độ của hệ thống

c) Thời gian tác động của bảo vệ :

o Thời gian tác động BV khoảng 0.02 0.06s

o Đối với đường dây trên không không đặt chống sét ,muốn cho bảo vệ cắt nhanh không tác động trong TH này có thể thêm phần tử trì hoãn thời gian ( t = 0,06 0,08 s)

 Cho 2 nguồn cấp :

- Dòng khởi động của Bảo vệ lấy bằng giá trị lớn nhất trong 2 giá trị dòng bảo

vệ cực đại và dòng bảo vệ cắt nhanh

+ Dòng khởi động sẽ lớn khi mang tải nặng

- Vì vậy để giải quyết người ta sử dụng thêm khâu phân biệt giữa sự cố vàquá tải bằng điện áp ( hay khóa điện áp thấp )

• Khi sự cố điện : điện áp giảm thấp hơn

• Khi quá tải ( nặng ): điện áp vẫn nằm trong ngưỡng cho phép.

Giá trị dòng khởi động:

Ikđ =

• Ưu điểm : + Dòng khởi động nhỏ hơn

+ Độ nhạy cao hơn

6 Bảo vệ quá dòng thứ tự không ( I 0 hay 51N )

- Sử dụng bộ lọc dòng điện thứ tự không

g

a) Giá trị dòng khởi động :

 Ở chế độ bình thường

- Về lí thuyết dòng qua rơ le bằng 0 nhưng trong thực tế dòng điện qua các rơ

le khác không do sai số của các máy biến dòng ( BI)

- Để rơ le không tác động : Đặt dòng khởi động lớn hơn dòng điện sinh ra do sai số này

- Giá trị cài đặt của dòng khởi động:

Ikhởi động 51N = (0,1÷0,3)Iđịnh mức B

 Chế độ sự cố:

- Dòng điện qua rơ le tăng gấp nhiều lần làm cho bảo vệ tác động

 Ưu điểm : Bảo vệ có độ nhạy cao do giá trị dòng khởi động đặt thấp

b) Thời gian làm việc :

- Phối hợp với các bảo vệ dòng thứ tự không khác

7 Bảo vệ quá dòng có hướng (67 )

a) Nguyên tắc tác động :

- Bảo vệ dòng điện có hướng là loại bảo vệ phản ứng theo giá trị dòng điện tại chỗ nối bảo vệ và góc pha giữa dòng điện đó với điện áp trên thanh góp của trạm có đặt bảo vệ

- Bảo vệ sẽ tác động nếu dòng điện vượt quá giá trị định trước (dòng khởi động IKĐ) và góc pha phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ

- Dòng điện chạy qua bảo vệ theo hướng quy định ( hướng dương – thường quy ước từ thanh góp đến đường dây )

b) Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hướng :

- Bảo vệ quá dòng có hướng gồm 3 bộ phận chính : Khởi động, định hướng công suất và thời gian

 Bộ định hướng công suất:

- Được đấu nối đảm bảo: rơle có đủ độ nhạy và tác động đúng trong mọi trường hợp

- Sơ đồ đấu nối tiêu chuẩn đối với các rơle số và rơle tĩnh là sơ đồ 900, chi tiết phương thức đấu nối như sau:

- Dòng điện từ một pha

- Điện áp dây của hai pha còn lại

Hình 7.1 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ dòng có hướng

c) Thời gian làm việc

- Được xác định theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều nhau

Hình 7.2 : Đặc tính thời gian làm việc của các bảo vệ dòng có hướng

Về phương diện bảo vệ rơ le : Đường dây 2 nguồn cấp ta sẽ phân chia thành 2 mạch hình

Bảo vệ so lệch dòng điện hoạt động trên nguyên tắc so sánh các giá trị biên

độ dòng điện đi vào và đi ra của các phần tử được bảo vệ Nếu sự sai khácgiữa hai dòng điện vượt quá giá trị nào đó thì bảo vệ sẽ cảm nhận đó là sự

cố trong khu vực bảo vệ và sẽ tác động

- Khu vực bảo vệ được giới hạn bởi vị trí đặt của biến dòng ở hai đầu phần tửđược bảo vệ, từ đó nhận tín hiệu dòng để so sánh

- Khi làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài thì dòng so lệch (ISL) qua

rơ le bằng không, rơ le không làm việc

- Nếu bỏ qua sai số của BI thì khi làm việc bình thường hoặc ngắn mạchngoài tại N1 (H.3.5.2) dòng so lệch qua rơ le sẽ là: ISL = I=IT1-IT2 = 0

- Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (tại N2) dòng một phía (IT2) sẽ thay đổi

cả chiều lẫn trị số Khi đó dòng so lệch qua rơ le sẽ là: ISL = I = IT1 - IT2 >>0

- Nếu ISL = I lớn hơn một giá trị nào đó của (IKđ) dòng khởi động thì bảo vệ sẽtác động tách phần tử bị sự cố ra

- Trên thực tế do sai số của BI, đặc biệt là sự bão hoà mạch từ, do đó trong chế

độ bình thường cũng như ngắn mạch ngoài vẫn có dòng qua rơle, gọi là dòngkhông cân bằng (Ikcb)

- Dòng khởi động của bảo vệ phải định sao cho lớn hơn dòng không cân bằng

Ikđbv > Ikcb

- Để tăng khả năng làm việc ổn định và tin cậy của bảo vệ, thường người ta sửdụng nguyên lý hãm bảo vệ Rơ le so lệch có hãm so sánh hai dòng điện, dònglàm việc (ILV) và dòng hãm (IH) Rơ le sẽ tác động khi ILV>IH.

- Trong trường hợp ngắn mạch ngoài và chế độ làm việc bình thường, dòng điệnlàm việc sẽ bé hơn nhiều so với dòng điện hãm ILV < IH bảo vệ không tácđộng

 Như vậy ILV > IH bảo vệ tác động

- Tổ hợp dòng điện cho bảo vệ rơle so lệch có hãm

+ Sử dụng các biến dòng trung gian (BITG) + Tổ hợp thêm ra dòng điện hãm (Ih)

Đặc tính làm việc của rơ le bảo vệ so lệch:

 Rơle cơ: hệ số hãm là cố định

 Rơle số: hệ số hãm tự động thay đổi theo chế độ vận hành

Hình 8.1 Đặc tính của rơ le bảo vệ so lệch loại điện cơ

Hình 8.2 Đặc tính của rơ le bảo vệ so lệch loại kỹ thuật số

Dòng điện khởi động:

- Để đảm bảo cho bảo vệ so lệch làm việc đúng khi ngắn mạch ngoài, dòng khởi động của rơle cần phải chỉnh định tránh khỏi trị số tính toán của dòng không cân bằng:

IKCBSmaxtt = fimax.kđn.Kkck IN ngmax

với:+ fimax - sai số cực đại cho phép của BI, fimax = 10%

+ kđn - hệ số đồng nhất của các BI, (kđn = 0 ÷ 1), kđn = 0 khi các BI hoàn toàn giống nhau và dòng điện qua cuộn sơ cấp của chúng bằng nhau, kđ n = 1 khi các BI khác nhau nhiều nhất, một BI làm việc không có sai số (hoặc sai số rất bé) còn BI kia có sai số cực đại

+ Kkck - hệ số kể đến thành phần không chu kỳ trong dòng điện ngắn mạch

+ IN ngmax - thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất

- Yêu cầu độ nhạy của bảo vệ dòng so lệch Kn ≥ 2

• Để nâng cao độ nhạy ta có các biện pháp:

+ Nối rơle qua máy biến dòng bão hòa trung gian (BIG)

+ Dùng rơle có hãm

Sơ đồ nối đất BI với bảo vệ so lệch:

 Bảo vệ so lệch máy phát điện:

 Bảo vệ so lệch máy biến áp

b) Bảo vệ so lệch tổng trở cao (87H)

- Phạm vi áp dụng : các trường hợp dễ xảy ra bão hòa BI

+ Bảo vệ so lệch thnah góp

+ Bảo vệ chống chạm đất hạn chế ( Bảo vệ so lệch thứ tự không – 87N)

Hình 8b.1 Sơ đồ nguyên lí bảo vệ so lệch tổng trở cao

9) Nguyên lí bảo vệ so sánh pha dòng điện ( 87PC)

- Rơle chỉ trao đổi thông tin về pha dòng điện

- Chỉ trao đổi cho nhau hai trạng thái: dòng điện đang ở chu kì âm hay dương (logic 0 và 1)

- Với các rơle hiện đại: so sánh riêng biệt ba pha (cáp quang)

- Khi sử dụng kênh truyền băng thông thấp (ví dụ: tải ba PLC):

+ Sử dụng các thành phần đối xứng

+ Tổ hợp các thành phần đối xứng theo tỷ lệ nhất định

Các yếu tố ảnh hưởng:

- Ở chế độ non tải hoặc không tải: dòng điện dung có thể làm bảo vệ tácđộng nhầm

+ Giải pháp: sử dụng bộ phận phát hiện sự cố (phần tử quá dòng) 

khởi động truyền tin

- Với các rơle kỹ thuật số: sai số về góc pha do việc lấy mẫu tín hiệu

- Do ảnh hưởng của dòng điện dung: góc cài đặt cho BV so lệch pha phảităng lên

+ BV so lệch pha chỉ nên áp dụng cho đường dây tới 400km

- Tính tới dao động góc pha do ảnh hưởng của dao động điện

- Như vậy thời gian làm việc t của bảo vệ không phụ thuộc vào giá trị của

áp và dòng đưa vào bảo vệ mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ chổ nốibảo vệ đến điểm hư hỏng

Đặc tính thời gian

- Là quan hệ giữa thời gian tác động của bảo vệ với khoảng cách hay tổng trở đến chổ hư hỏng

Hình 10.1 Bảo vệ khoảng cách trong mạng hở có nguồn cung cấp từ 2 phía

a) Sơ đồ mạng được được bảo vệ b)Đặc tính thời gian nhiều cấp

Sơ đồ bảo vệ khoảng cách:

Bảo vệ khoảng cách có các bộ phận chính như sau :

- Bộ phận khởi động :

+ Khởi động bảo vệ vào thời điểm phát sinh hư hỏng

+ Kết hợp với các bộ phận khác làm bậc bảo vệ cuối cùng.+ Bộ phận khởi động thường được thực hiện nhờ rơle dòngcực đại hoặc rơle tổng trở cực tiểu

- Bộ phận khoảng cách : đo khoảng cách từ chổ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng, thực

hiện bằng rơle tổng trở

- Bộ phận tạo thời gian: tạo thời gian làm việc tương ứng với khoảng cách đến điểm

hư hỏng, được thực hiện bằng một số rơle thời gian khi bảo vệ có đặc tính thời giannhiều cấp

- Bộ phận định hướng công suất: để ngăn ngừa bảo vệ tác động khi hướng công suất

ngắn mạch từ đường dây được bảo vệ đi vào thanh góp của trạm, được thực hiệnbằng rơle định hướng công suất riêng biệt hoặc kết hợp trong bộ phận khởi động vàkhoảng cách, nếu các bộ phận này thực hiện bằng rơle tổng trở có hướng

Hình 10.2 Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ khoảng cách

 Đặc tính làm việc của rơ le khoảng cách

- Điểm làm việc lúc bình thường và khi sự cố: khi sự cố điểm làm việc luôn rơi vàođường tổng trở đường dây -> có thể chỉ cần chế tạo đặc tính tác động của rơle làmột đường thẳng trùng với đường tổng trở đường dây

- Do sai số, do sự cố có thể xảy ra qua các tổng trở trung gian nên giá trị rơle đo đượckhi sự cố có thể rơi ra lân cận đường tổng trở đường dây

- Nếu chỉ chế tạo đặc tính tác động là một đường thẳng thì rơle có thể sẽ không làmviệc trong các trường hợp này Để khắc phục thì các nhà chế tạo thường cố { mởrộng đặc tính tác động về cả hai phía của đường dây -> trở thành vùng tác động