3.1.1 Hệ thống vi xử lí 32 bit.
● Thực hiện xử lí hoàn toàn bằng tín hiệu số các quá trình đo lường, lấy mẫu, số hoá các đại lượng đầu vào tương tự.
● Không liên hệ về điện giữa khối xử lí bên trong thiết bị với những mạch bên ngoài nhờ bộ biến đổi DC, các biến điện áp đầu vào tương tự, các đầu vào ra nhị phân.
● Phát hiện quá dòng các pha riêng biệt, dòng điện tổng.
● Chỉnh định đơn giản bằng bàn phím hoặc bằng phần mềm DIGSI4.
● Lưu giữ số liệu sự cố…
Trên hình 3.1 thể hiện cấu trúc phần cứng của rơle 7SJ621:
Bộ biến đổi đầu vào ( MI ) biến đổi dòng điện thành các giá trị phù hợp với bộ vi xử lí bên trong của rơle. Có bốn dòng đầu vào ở MI gồm ba dòng pha, một dòng trung tính, chúng được chuyển tới tầng khuyếch đại.
Tầng khuyếch đại đầu vào IA tạo các tín hiệu tổng trở cao từ các tín hiệu analog đầu vào. Nó có các bộ lọc tối ưu về dải thông và tốc độ xử lí.
Tầng chuyển đổi tương tự - số ( AD ) bao gồm bộ dồn kênh, bộ chuyển đổi tương tự - số ( A/D ) và những modul nhớ để truyền tín hiệu số sang khối vi xử lí.
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc phần cứng role 7SJ62
3.1.2 Khối vi xử lí C bao gồm những chức năng điều khiển sau
● Lọc và sắp xếp các đại lượng đo.
● Liên tục giám sát các đại lượng đo.
● Giám sát các điều kiện làm việc của từng chức năng bảo vệ.
● Kiểm soát các giá trị giới hạn và thứ tự thời gian.
● Thông qua cổng vào ra nhị phân, bộ vi xử lí nhận các thông tin từ hệ thống, từ thiết bị ngoại vi, đưa ra các lệnh đóng cắt cho máy cắt, các tín hiệu gửi đến trạm điều khiển, tín hiệu đến hệ thống hiển thị…
3.1.3 Sơ đồ logic phổ biến của rơ le quá dòng có hƣớng
Hình 3.2 Sơ đồ logic rơ le bảo vệ 67( ngưỡng cắt có thời gian)
Sơ đồ logic của bảo vệ có hướng được thể hiện như trên hình 3.2[6]. Tương tự như bảo vệ quá dòng 50/51, chức năng bảo vệ quá dòng có hướng cũng có thể được chỉnh định để cắt nhanh hoặc cắt có thời gian. Sơ đồ logic của hai chức năng này có một số sai khác nhỏ. Trong sơ đồ logic bảo vệ quá dòng ngưỡng thấp (có thời gian), thường có thêm chức năng phát hiện dòng xung kích (xuất hiện khi đóng
máy biến áp), và khóa chức năng bảo vệ. Bảo vệ quá dòng ngưỡng cắt nhanh thường không đi kèm logic này.
3.2Các chức năng bảo vệ trong rơ le 7SJ621
3.2.1 Chức năng bảo vệ quá dòng và quá dòng có hƣớng
● Người sử dụng có thể chọn bảo vệ quá dòng điện có đặc tính thời gian độc lập hoặc phụ thuộc.
● Các đặc tính có thể cài đặt riêng cho các dòng pha và dòng đất. Tất cả các ngưỡng là độc lập nhau.
● Với bảo vệ quá dòng có thời gian độc lập, dòng điện các pha được so sánh với giá trị đặt chung cho cả ba pha, còn việc khởi động là riêng cho từng pha, đồng hồ các pha khởi động, sau thời gian đặt tín hiệu cắt được gửi đi.
● Với bảo vệ quá dòng có thời gian phụ thuộc, đường đặc tính có thể được lựa chọn.
Rơle 7SJ621:Cung cấp đủ các loại bảo vệ quá dòng như sau:
● 50: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh, có trễ hoặc không trễ.
● 50N: Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh, có trễ hoặc không trễ.
● 51 : Bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian độc lập hoặc phụ thuộc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
● 51N: Bảo vệ quá dòng thứ tự không với đặc tính thời gian độc lập hoặc phụ thuộc.
● 50Ns, 51Ns: Chống chạm đất có độ nhạy cao, cắt nhanh hoặc có thời gian.
● 67: Bảo vệ quá dòng có hướng có đặc tính thời gian độc lập
● 67N : Bảo vệ quá dòng thứ tự không có hướng có đặc tính thời gian độc lập.
Loại bảo vệ quá dòng, quá dòng thứ tự không với đặc tính thời gian phụ thuộc của 7SJ621 có thể hoạt động theo chuẩn đường cong của IEC (hình 3.4)[6], hoặc đường cong do người dùng thiết lập.
Đặc tính dốc bình thường Đặc tính rất dốc Đặc tính cực dốc
Hình 3.4 Đặc tính thời gian tác động của 7SJ621
3.2.2 Các công thức biểu diễn các đƣờng đặc tính
● Đặc tính dốc bình thường (normal inverse)
t (s) ● Đặc tính rất dốc (very inverse) t (s) ● Đặc tính cực dốc (extremely inverse) : t (s) Trong đó:
t : thời gian tác động của bảo vệ (sec)
0,02 P P 0,14 = .t I/I 1 P P 13,5 = .t I/I 1 2 P P 80 = .t I/I 1
3.2.3 Chức năng tự động đóng lại
Người sử dụng có thể đặt số lần đóng lại và khoá nếu sự cố vẫn tồn tại sau lần đóng lại cuối cùng. Nó có những chức năng sau:
● Đóng lại ba pha với tất cả các sự cố.
● Đóng lại từng pha riêng biệt.
● Đóng lại nhiều lần, một lần đóng nhanh, những lần sau có trễ.
● Khởi động của tự động đóng lại phụ thuộc vào loại bảo vệ tác động (ví dụ 46, 50, 51).
a. Chức năng bảo vệ quá tải
Tương tự như chức năng bảo vệ quá tải trong rơle 7UT613, có thể được sử dụng như chức năng bảo vệ dự phòng cho ba phía máy biến áp, có thể điều chỉnh mức nhiệt cảnh báo dựa vào biên độ dòng điện
b. Chức năng chống hƣ hỏng máy cắt
Khi bảo vệ chính phát tín hiệu cắt tới máy cắt thì bộ đếm thời gian của bảo vệ 50BF (T-BF) sẽ khởi động. T-BF vẫn tiếp tục làm việc khi vẫn tồn tại tín hiệu cắt và dòng sự cố. Nếu máy cắt từ chối lệnh cắt (máy cắt bị hỏng) và bộ đếm thời gian T-BF đạt tới ngưỡng thời gian giới hạn thì bảo vệ 50BF sẽ phát tín hiệu đi cắt các máy cắt đầu nguồn có liên quan với máy cắt hỏng để loại trừ sự cố.
Có thể khởi động chức năng 50BF của 7SJ621 từ bên ngoài thông qua các đầu vào nhị phân, do đó có thể kết hợp rơle 7SJ621 với các bộ bảo vệ khác nhằm nâng cao tính chọn lọc, độ tin cậy của hệ thống bảo vệ.
CHƢƠNG 4
MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK
4.1 Tổng quan về Matlab/Simulink
Matlab là ngôn ngữ lập trình cao cấp, nó là môi trường tính toán số được thiết kế bởi công ty Mathworks. Matlab cho phép thực hiện các tính toán số, ma trận, vẽ đồ thị các hàm số, hay biểu diễn thông tin (dưới dạng 2D,3D), thực hiện các thuật toán hoặc giao tiếp với các chương trình ngôn ngữ khác một cách dễ dàng.
Simulink/Simpowersystem là phần mở rộng của Matlab, là công cụ thiết kế mạnh cho phép các nhà khoa học và kỹ sư xây dựng một cách dễ dàng các mô hình mô phỏng hệ thống điện.
4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng
Hình 4.1 Mô hình Matlab - Simulink mô phỏng đường dây (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mô hình mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng hệ thống điện bao gồm đường dây 3 pha được nối từ hai nguồn GridA và GridB với lưới điện truyền tải, điện áp 220kv, công suất ngắn mạch 1020MVA. Các điểm sự cố được xét bao gồm các vị
Các tín hiệu đo lường của biến dòng (BI), và biến áp (BU) được lấy từ thanh cái B1 sẽ làm đầu vào cho các logic thuật toán bảo vệ quá dòng có hướng. Sau khi ghép nối các khối ta lấy ra được trên hình 4.2.
Hình 4.2 Khối mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng
Trên sơ đồ hình 4.2 bảo vệ quá dòng có hướng, tín hiệu dòng điện Iabc_B1, tín hiệu điện áp Vabc_B1, sẽ là đầu vào cho các khối logic thuật toán bảo vệ quá dòng có hướng. R67 khối bảo vệ quá dòng có hướng gồm các thành phần chính.
● Khối bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng.
● Khối bảo vệ quá dòng thứ tự không và quá dòng có hướng thứ tự không.
● Khối bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng.
Hình 4.3 Khối đưa tín hiệu đến máy cắt
4.3 Xây dựng sơ đồ thuật toán bảo vệ quá dòng có hƣớng 4.3.1 Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hƣớng
Bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá dòng có hướng có thuật toán tương tự nhau. Với bảo vệ quá dòng có hướng có thêm điều kiện về hướng của công suất và điều
kiện khởi động của bảo vệ. Về mặt đo lường và tính toán bảo vệ quá dòng có hướng phức tạp hơn khi cần xác định hướng của công suất. Khi có ngắn mạch 1 pha dòng điện pha sự cố tăng cao, nếu nguồn cấp có công suất không đủ lớn sẽ xảy ra hiện tương điện áp pha sự cố sụt rất thấp gây khó khăn cho việc đo lường.
Việc định hướng công suất của rơ le được chọn theo cách có lợi nhất cho đo lường và có độ tin cậy cao. Phương pháp được đề nghị là sử dụng dòng điện của pha sự cố và điện áp dây của 2 pha còn lại để xác định hướng của công suất. Quá trình tính toán cũng thực hiện đồng thời trên cả 3 pha. Khi có sự cố ít nhất 1 trong 3 pha thì bảo vệ tác động. Điều kiện làm việc của bảo vệ là -(90+α) ≤ φR ≤ (90-α) , trong thử nghiệm thực tế giá trị α được chọn là α = 30o.
Các tín hiệu dòng điện, điện áp và góc pha được đưa qua bộ biến đổi Fourier. Khi dòng điện lớn hơn giá trị đặt thì sẽ xuất tín hiệu và kết hợp với góc pha thỏa mãn điều kiện – 30o
≤ φ67A ≤ 120o
thì được xác định ngắn mạch cùng hướng và thỏa mãn hai điều kiện trên thì đưa tín hiệu đi cắt.
Hình 4.5 Sơ đồ khối mô phỏng bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng
Từ sơ đồ logic thiết kế trên Matlab/Simulink các khối mô phỏng bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá dòng có hướng. Ở sơ đồ này ta chỉ lấy tín hiệu R67_pickedup, chức năng bảo vệ có hướng thông thường. Khi có sự cố ngắn mạch ngược hướng với rơ le thì chỉ có bảo vệ quá dòng tác động (51_pickedup), còn bảo vệ quá dòng có hướng không tác động. Khi điểm ngắn mạch nằm trong phạm vi xác định hướng thì bảo vệ quá dòng có hướng mới tác động (R67_pickedup). Tín hiệu mô phỏng được lấy ra quan sát trên hình 4.5.
4.3.2.Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hƣớng thứ tự không
Khi ngắn mạch một pha và hai pha chạm đất thì xuất hiện dòng điện và điện áp thứ tự không, dựa vào đó rơ le xác định sự cố cùng hướng hay ngược hướng như trên hình 4.5.
Hình 4.6 Sơ đồ logic bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không
Dòng điện, điện áp và góc pha được biến đổi qua chuỗi Fourier, khi có sự cố chạm đất thì dòng điện thứ tự không sẽ tăng đột biến, khi dòng I0 lớn hơn IS và so sánh với góc pha, ở đây ta chọn α = 450
đối với lưới truyền tải. Khi góc pha nằm trong khoảng -450 và 1350 kết hợp với dòng sự cố thỏa mãn điều kiện trên thì đưa tín hiệu tới 67N Pickedup.
Từ sơ đồ logic dùng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink thiết kế sơ đồ khối trên hình 4.7.
Hình 4.7 Khối logic bảo vệ quá dòng chạm đất và quá dòng có hướng chạm đất
Khi có ngắn mạch N(1) và N(1,1) thì sẽ xuất hiện dòng điện thứ tự không và điện áp thứ tự không. Nhờ phép biến đổi Fourier, ta xác định được độ lớn và góc pha của dòng và áp thứ tự không. Ta lấy dòng thứ tự không so sánh với áp thứ tự không, nếu nằm trong khoảng -450 < φ67N < 1350 kết hợp với dòng điện thứ tự không, nếu lớn hơn giá trị cài đặt thì sẽ xuất tín hiệu đến 67N_ pickedup.
4.3.3.Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hƣớng dự phòng
Khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây gần vị trí rơ le, điện áp giữa các pha giảm xuống bằng không, bảo vệ quá dòng có hướng sẽ không còn chính xác. Để xác định được điểm sự cố trong trường hợp này, ta dựa vào dòng điện trước sự cố và dòng điện tại thời điểm xảy ra sự cố như trên hình 4.8.
Hình 4.8 Sơ đồ logic bảo vệ dự phòng
Dựa vào sơ đồ logic dùng phần mềm Matlab/Simulink để ghép nối các khối logic bảo vệ dự phòng như trên hình 4.9.
4.4 Kết quả mô phỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.4.1 Xét các sự cố khi có ngắn mạch cùng hƣớng (hƣớng thuận 0km) a. Ngắn mạch 1 pha N(1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - đất tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R= 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Hình 4.10 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố khi ngắn mạch 1 pha
Hình 4.11 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 1 pha
● Function 67 signal là tín hiệu tác động của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng.
● Function 51 signal là tín hiệu tác động của chức năng bảo vệ quá dòng.
● Function 51N signal và Function 67N signal là tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không.
● Function 67- Backup signal tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng.
Như trên hình 4.1 ta thấy thời gian ngắn mạch là 0,2s, thời gian rơ le phát hiện sự cố là 0,216s, cộng với thời gian cài đặt ( t_ trip) bằng 0,02s. Thời gian đưa tín hiệu đi cắt là 0,236s.
Tín hiệu của chức năng bảo vệ có hướng dự phòng không tác động trong trường hợp ngắn mạch một pha chạm đất.
b. Ngắn mạch 2 pha N(2)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A và pha B tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R= 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Các khối thuật toán logic cho kết quả hình 4.13.
Hình 4.13 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mach hai pha
Kết quả, khi ngắn mạch 2 pha thì chỉ có bảo vệ có hướng Function 67 signal và bảo vệ quá dòng Function 51 signal tác động như trên hình 4.13.
Thời gian ngắn mạch là 0,02s, thời gian rơ le phát hiện sự cố là 0,216s, thời gian đưa tín hiệu đi cắt là 0,236s, nhưng đến thời gian 0,260s mới dập tắt dòng ngắn mạch.
Các tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự không, bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng không tác động.
c. Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B - đất, tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Hình 4.15 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất
Kết quả mô phỏng ngắn mạch 2 pha chạm đất, ta thấy tín hiệu của các chức năng bảo vệ quá dòng, quá dòng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng, bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không đều phát hiện sự cố thời gian là 0,216s, và đưa tín hiệu đi cắt tại 0,236s.
Tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng trong trường hợp ngắn mạch hai pha chạm đất không hoạt động.