Rơ-le bảo vệ kĩ thuật số 7UT 513 của hãng siemens (Đức) là loại bảo vệ tác động nhanh và có chọn lọc cho máy biến áp ở mọi cấp điện áp. Các chức năng bảo vệ riêng rẽ có thể sắp xếp sao cho phù hợp với đối t-ợng đ-ợc bảo vệ.
1. Giới thiệu chung:
- Rơ-le 7UT 513 đ-ợc dùng cho bảo vệ máy biến áp 3 cuộn dây và các sơ đồ có 3 nguồn cấp. Loại này có 5 tiếp điểm điều khiển máy cắt, 10 tiếp điểm cho tín hiệu, 5 đầu vào nhị phân và 14 điốt phát quang (đèn LED) hiển thị các tình trạng làm việc của đối t-ợng đ-ợc bảo vệ.
- bảo vệ so lệch 7UT-513 còn đ-ợc trang bị chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế và chống chạm vỏ cho máy biến áp.
- Đ-ợc trang bị chức năng bảo vệ quá dòng có thể làm dự phòng hay bảo vệ cho bất kì phần tử nào cuả đối t-ợng đ-ợc bảo vệ.
- Chức năng bảo vệ quá tải về nhiệt của rơ-le có thể bảo vệ cho bất kì cuộn dây nào của máy biến áp.
- Ngoài ra, rơ-le 7UT - 513 còn đ-ợc trang bị các bộ phận ghi lại sự cố (l-u giữ đ-ợc biên độ giá trị tức thời trong 5 sec sau sự cố), liên lạc với các thiết bị điều khiển và chứa dữ liệu nh- Pc, bảng điều khiển vv... hoặc nối với hệ thống tự động điều khiển lắp tại trạm.
2. Các đặc điểm:
- Hệ thống xử lý với bộ vi xử lý 16 bít
- Hoàn toàn xử lý tín hiệu số các giá trị đo l-ờng và điều khiển các dữ liệu thu nhận đ-ợc.
- Hoàn toàn chịu đ-ợc các kích động mạnh do mạch cung cấp, đo l-ờng và điều khiển gây ra.
- Có khả năng chống sai số của các máy biến dòng (BI) trong quá trình hãm và khi có các kích động lớn.
- Liên tục tính toán, đo l-ờng các đại l-ợng vận hành và hiển thị chúng trên màn hình.
- Cài đặt đơn giản, có thể liên kết với các khối điều khiển của máy tính cá nhân với các phần mềm thích hợp.
- Có bộ ghi lại sự cố và hiển thị chúng trên màn hình. - Liên tục kiểm soát các phần cứng và phần mềm.
Bảo vệ so lệch máy biến áp:
- ổn định với dòng xung kích dựa vào tác động hãm của các thành phần sóng hài bậc 2.
- Chống sai số của máy biến dòng dựa vào các thành phần sóng hài bậc cao( 3th, 4th hoặc 5th).
- Không phản ứng với hiện t-ợng bão hoà của máy biến dòng . - Cắt nhanh khi có dòng sự cố lớn.
- Phối hợp các đại l-ợng vectơ các phía để so sánh mà không cần dùng máy biến dòng bão hoà trung gian.
Bảo vệ chống chạm đất một điểm:
- Có độ nhạy cao với điểm chạm đất nằm trong vùng bảo vệ . - Không tác động với dòng chạm đất nằm ngoài vùng bảo vệ. Bảo vệ quá dòng có thời gian:
- Có thể làm bảo vệ dự phòng cho bất kì cuộn dây nào của máy biến áp 3 dây quấn.
- Đặc tính thời gian tác động độc lập. - Đặc tính thời gian tác động phụ thuộc. Bảo vệ quá tải về nhiệt.
Bảo vệ chống chạm vỏ 1 điểm.
4. Các thống số kĩ thuật của rơ-le 7ut- 513
a. Mạch đầu vào:
- Dòng vào danh định: In = 1a hoặc 5A - Tần số danh định : FN = 50 /60 Hz - Công suất tiêu thụ:
+ Với IN = 5A: 0,2 VA/1 pha. - Khả năng quá tải về nhiệt:
+ Dòng trong 1/2 sec (nửa chu kỳ): 250 x IN + Dòng trong 1 sec : 100 x In
+ Dòng trong 10 sec : 20 x In + Dòng lâu dài cho phép : 4x IN
b. Điện áp cung cấp 1 chiều:
Điện áp 1 chiều danh định 24/48 Vdc 60/110/125 Udc 220/250 Vdc
Dải thay đổi cho phép 19 58 Vdc 48 144 Vdc 176288 Vdc
- Công suất tiêu thụ : 13w -25 w
c. Các đầu vào nhị phân
- 5 đầu vào.
- Điện áp điểu khiển : 24 250 Vdc. - Dòng tiêu thụ : 1,7 mA.
d. Các tiếp điểm tín hiệu:
- 11 tiếp điểm. - Dung l-ợng đóng cắt : 20 w/VA - Điện áp đóng cắt : 250 V - Dòng cho phép : 1A e. Các tiếp điểm cắt: - 5 tiếp điểm . - Dung l-ợng đóng cắt : + Đóng : 1000 W/VA
- Điện áp đóng cắt : 250 V - Dòng cho phép :
+ Liên tục : 5 A + 0,5 sec: 30 A
f. Các cổng giao tiếp:
Giao tiếp qua bàn phím, máy tính cá nhân (PC) hay sử dụng đ-ờng cáp quang nối với trung tâm điều khiển có các phần mềm t-ơng ứng.
g. Điốt phát quang: (đèn LED)
Để phản ánh chế độ làm việc và các tình trạng cắt trong rơ-le có bố trí sẵn các kênh hiển thị dùng điốt phát quang:
- Khi đèn LED màu xanh : Hiển thị tình trạng sẵn sàng làm việc của rơ-le.
- Khi đèn LED màu đỏ: Hiển thị tình trạng sự cố .
- Ngoài ra còn có 14 đèn LED để báo tín hiệu khi có các loại sự cố khác nhau.
5. Nguyên lý hoạt động:
Rơ-le kĩ thuật số 7UT- 513 đ-ợc trang bị bộ vi xử lý 16 bít cho phép xử lý bằng kĩ thuật số các chức năng từ thu nhận dữ liệu các giá trị đo l-ờng đến việc cho tín hiệu đi cắt máy cắt.
(Hình 3.1 minh họa cấu trúc phần cứng của bảo vệ ở trang sau)
Khối ME có nhiệm vụ biến đổi giá trị dòng điện đo l-ờng của các BI sao cho phù hợp với giá trị cần thiết của bộ vi xử lý. Sau đó các giá trị này đ-ợc đ-a qua khối chuyển đổi đầu vào t-ơng tự AE. Khối AE có nhiệm vụ khuyếch đại các giá trị đầu vào, lấy mẫu, tổ hợp và l-u giữ các giá trị đầu vào, chuyển đổi tín hiệu từ t-ơng tự sang dạng số tới bộ vi xử lý. Ngoài chức năng điều khiển và giám sát các giá trị đo l-ờng bộ vi xử lý còn có các chức năng sau:
+ Xử lý các đại l-ợng đo l-ờng sao cho phù hợp với tổ đấu dây của máy biến áp, với tỷ số biến áp và biến dòng.
+ Tính toán các đại l-ợng đo l-ờng (thành phần so lệch và hãm) + Phân tích tần số của giá trị đo l-ờng.
+ Tính toán giá trị hiệu dụng phục vụ bảo vệ quá tải. + Đ-a ra lệnh cắt.
+ L-u trữ và đ-a ra các thông số phục vụ cho mục đích tính toán, phân tích sự cố.
Các đầu vào và đầu ra nhị phân đ-ợc nối với các thiết bị vào/ra. Qua đó, bộ vi xử lý nhận thông tin từ máy cắt và các thiết bị khác. Các tín hiệu bao gồm các lệnh cắt đ-a tới máy cắt. Các tín hiệu điều khiển từ xa cũng nh- các thiết bị hiển thị tình trạng làm việc của rơ-le (các đèn LED) và màn hình tinh thể lỏng.
- Khối đầu vào t-ơng tự : 15V
- Các thiết bị ngoại vi : 5 V
Các chức năng bảo vệ đ-ợc miêu tả chi tiết trong những phần sau đây:
a. Bảo vệ so lệch máy biến áp:
Nguyên lý chung:
bảo vệ so lệch dòng điện là loại bảo vệ dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dòng điện ở 2 đầu phần tử đ-ợc bảo vệ.
Các máy biến dòng BI1 và BI2 đặt ở 2 đầu phần tử đ-ợc bảo vệ có tỷ số biến đổi nI t-ơng đ-ơng nhau.
Nối sơ đồ của bảo vệ nh- hình 3.1:
Dòng chạy qua rơ-le (dòng điện so lệch) bằng: T 2 T 1 R I I I
Trong đó: I1S, I2S: Dòng điện sơ cấp của máy biến dòng. I1T, I2T: Dòng điện thứ cấp của máy biến dòng. - Tình trạng làm việc bình th-ờng và ngắn mạch ngoài: T 2 T 1 S 2 S 1 I nênI I I
Dòng vào rơ le: IR I1T I2T 0 nên bảo vệ so lệch không tác động Đối t-ợng đ-ợc bảo vệ I1S I2S I1T I2T BI2 I1T-I2T RL BI1 N
0 I I I I I I I1S 2S 1T 2T R 1T 2T
Nếu IR Ikhởidộng thì bảo vệ sẽ tác dụng cắt máy cắt của phần tử đ-ợc bảo vệ.
Phối hợp các đại l-ợng đo:
Trong máy biến áp nói chung, dòng thứ cấp cấp các máy biến dòng phụ thuộc vào các yếu tố nh-: Tỷ số biến đổi, tổ đấu dây của máy biến áp, dòng điện danh định của BI ở các phía của máy biến áp. Do vậy, dòng thứ cấp ở các phía khác nhau phải đ-ợc biến đổi về cùng một phía để so sánh chúng về mặt trị số.
Sự sai khác của các dòng điện này đ-ợc biểu diễn bởi các ph-ơng trình ma trận nh- sau:
(Im ) = K.(K).(In).
Trong đó:
(Im) : Ma trận của các dòng đã đ-ợc biến đổi : IA, IB, IC. K: Hệ số
(K): Ma trận hệ số, phụ thuộc vào tổ đấu dây của máy biến áp. (In): Ma trận dòng các pha: IL1, IL2, IL3 của các cuộn dây.
Sau đó bộ vi xử lý sẽ so sánh các thành phần IA, IB, IC ở các phía để đ-a ra thao tác.
So sánh các giá trị đo l-ờng:
Sau khi đã thực hiện việc phối hợp chuyển đổi các đại l-ợng đo l-ờng ở các phía về cùng dạng IA, IB, IC thì tiếp sau đó, bộ vi xử lý sẽ so sánh chúng về mặt trị số.
Qui -ớc gọi:
I3: Dòng điện phía cuộn hạ áp của máy biến áp
- Đối với máy biến áp 2 cuộn dây:
+ Dòng so lệch: ISL = | I1 + I2 | +Dòng hãm: IH = | I1 | + | I2 |
- Đối với máy biến áp 3 cuộn dây: + Dòng so lệch : ISL = | I1+ I2 + I3 | + Dòng hãm : IH = | I1 |+| I2 |+| I3 |.
Để làm rõ hơn, ta xét 3 chế độ vận hành quan trọng của máy biến áp : -Tr-ờng hợp máy biến áp làm việc bình th-ờng hoặc khi có ngắn mạch ngoài.
Khi đó I2 ng-ợc chiều I1 và cùng độ lớn: I2= - I1 | I2 |= | I1 |.
ISL = | I1 + I2 | = | I1 - I1 | = 0 IH = | I1 |+| I2 | = 2. | I1|
-Tr-ờng hợp ngắn mạch bên trong vùng đ-ợc bảo vệ , nguồn cấp từ 2 phía :
Khi đó I1 = I2 ( cùng chiều và cùng độ lớn ). ISL = | I1 + I2 | = | I1+ I1| = 2.| I1 |
IH = | I1 | + | I2 | = | I1 | + | I1 | = 2. | I1 |.
-Tr-ờng hợp ngắn mạch bên trong vùng đ-ợc bảo vệ, nguồn cấp từ 1 phía Khi đó : I2 = 0 .
ISL = | I1 + I2 | = | I1 + 0 | = | I1 |. IH = | I1 | + | I2 | = | I1 | + 0 = | I1 |.
Từ các kết quả trên cho thấy rằng với tr-ờng hợp sự cố xẩy ra trong vùng bảo vệ thì ISL = IH. Do vậy, đ-ờng đặc tính sự cố là một đ-ờng thẳng có
Hình 4-3: Đặc tính tác động của bảo vệ so lệch 7UT -513
+ Đoạn a: Biểu diễn ng-ỡng nhạy của bảo vệ so lệch có kể đến sai số dòng đo (Ví dụ các dòng điện từ hóa của máy biến dòng).
+ Đoạn b: Là đ-ờng đặc tính có kể đến sai số t-ơng đối của các máy biến dòng đo l-ờng và các máy biến áp trung gian trong rơ-le, tính đến sự thay đổi đầu phân áp ở các máy biến áp có trang bị bộ phận điều áp d-ới tải. + Đoạn c: Là đoạn kể đến chức năng hãm với hiện t-ợng bão hòa của các máy biến dòng.
+ Đoạn d: Là đoạn đặc tính khi kể đến các bộ phận lọc sóng hài các thành phần ISL và IH đ-ợc so sánh với IN (dòng danh định) và nếu tọa độ rơi vào vùng tác động thì rơ-le sẽ cho tín hiệu cắt.
Rơ-le 7UT-513 so sánh dòng so lệch ISL và dòng hãm IH theo đặc tính tác động trên hình 3.3. Nếu kết quả tính toán nằm trong vùng tác động thì rơ- le sẽ cho tín hiệu cắt máy cắt.
Chức năng hãm các thành phần sóng hài bậc cao:
Dòng so lệch đo đ-ợc có thể không chỉ do ngắn mạch trong vùng bảo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 IH ISL d c Vùng tác động a b Vùng khoá Vùng hãm bổ xung Đặc tính sự cố
kích thích của máy biến áp. Các tr-ờng hợp này đ-ợc phát hiện dựa vào các thành phần sóng hài có chứa trong chúng. Dòng từ hóa có thể đ-ợc phân tích thành nhiều thành phần sóng hài bậc 2,3,4,5. Trong đó, thành phần sóng hài bậc 2 đ-ợc lựa chọn cho mục đích ổn định bởi thành phần này không có trong dòng ngắn mạch. Khi thành phần sóng hài bậc 2 v-ợt quá giá trị đặt thì bảo vệ cho lệch khóa máy cắt.
Bên cạnh thành phần sóng hài bậc 2, các thành phần sóng hài khác cũng có thể đ-ợc lựa chọn để phục vụ cho mục đích hãm nh- các thành phần sóng hài bậc 3,4,5.
Thành phần sóng hài bậc 4, cũng nh- bậc 2, đ-ợc phát hiện khi có sự cố không đối xứng. Các thành phần sóng hài bậc lẻ (3 và 5) th-ờng xuất hiện khi máy biến áp bị quá kích thích. Vì máy biến áp có cuộn đấu nên thành phần bậc 3 bị chặn lại, còn thành phần bậc 5 th-ờng đ-ợc dùng cho mục đích hãm.
Bộ lọc kĩ thuật số phân tích các sóng thành chuỗi Furie và khi có thành phần nào đó v-ợt quá giá trị cài đặt, bảo vệ sẽ gửi tín hiệu tới các khối chức năng để thực hiện khóa hoặc trễ.
Chức năng hãm khi bão hòa máy biến dòng:
Trong suốt quá trình sự cố xảy ra ở ngoài vùng đ-ợc bảo vệ, dòng ngắn mạch chạy qua làm bão hòa máy biến dòng. Do vậy dòng so lệch có thể bị sai khác, đặc biệt khi mức độ bão hòa của các máy biến dòng là khác nhau. Nếu các giá trị đo đ-ợc ISL và IH cho điểm hoạt động trên đồ thị đặc tính rơi vào vùng tác động thì bảo vệ sẽ cho tín hiệu cắt nếu không có biện pháp ngăn chặn lại.
Rơ-le 7UT - 513 đ-ợc trang bị chức năng chỉ mức độ bão hòa, phát hiện hiện hiện t-ợng này và thực hiện chức năng hãm. Mức độ bão hòa đ-ợc thể hiện trên vùng hãm bổ sung (Add - on Stabilization) trên hình 3.3. Độ dốc của đặc tính này bằng 1/2 độ dốc của đ-ờng b.
Sự bão hòa của máy biến dòng trong suốt thời gian xẩy ra ngắn mạch ngoài đ-ợc phát hiện bởi trị số dòng hãm có giá trị lớn. Trị số này dã chuyển điểm hoạt động trên đồ thị đặc tính tác động sang vùng hãm bổ sung. Ng-ợc lại, khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ thì điểm hoạt động sẽ ngay lập tức chuyển sang đ-ờng đặc tính sự cố bởi vì trị số dòng hãm ít khi lớn hơn trị số dòng so lệch. Chức năng phát hiện hiện t-ợng bão hòa có quyết định ngay trong 1/2 chu kỳ đầu xảy ra sự cố. Khi sự cố ngoài vùng đ-ợc xác định, bảo vệ so lệch đ-ợc khóa trong một thời gian lựa chọn (lớn nhất là ở chu kỳ t-ơng đ-ơng với khoảng thời gian là 160 ms ở tần số 50 Hz ). Lệnh khóa đ-ợc hủy bỏ ngay sau khi điểm hoạt động chuyển sang đ-ờng đặc tính sự cố.
Tăng tốc độ cắt với sự cố của máy biến dòng lớn:
Dòng ngắn mạch lớn trong máy biến áp có thể đ-ợc loại trừ ngay lập