8. TÍNH TOÁN CHỈNH ĐỊNH VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA CÁC RƠLE BẢO VỆ
8.3. Tính toán chỉnh định các bảo vệ solệch dòng điện thứ tự không ∆I0 (bảo vệ chống
chạm đất hạn chế REF) 8.3.1. Lý do cần sử dụng bảo vệ chống chạm đất hạn chế REF IN 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dòng điện qua trung tính Dòng điện pha
Khoảng cách từ trung tính đến điểm sự cố (theo %) Dòng điện (trong hệ đơn vị tương đối) 2 4 6 8 10 12 14
Hình 8.13 Diễn biến dòng chạm đất theo vị trí chạm đất trên cuộn dây MBA
Khi sự cố chạm đất xảy ra tại điểm gần trung tính cuộn dây: dòng điện chạy quẩn trong các vòng dây có thể có giá trị rất lớn (Hình 8.13). Tuy nhiên dòng điện sự cố lớn này chỉ chạy qua một số vòng dây rất nhỏ so với tổng số vòng của cả cuộn dây; điều này dẫn tới dòng điện trên các pha tăng lên không đáng kể và bảo vệ so lệch dòng điện có thể không đủ độ nhạy để phát hiện sự cố (bảo vệ so lệch thông thường có thể không bảo vệ được khoảng 20÷30% cuộn dây tính từ điểm trung tính).
Dòng điện lớn trong các vòng dây sự cố có thể phá hủy cách điện và làm lan tràn sự cố, do đó cần phải có bảo vệ chống lại dạng sự cố này.
Cách đơn giản nhất là đặt bảo vệ quá dòng tại trung tính của máy biến áp; ở chế độ bình thường dòng điện qua trung tính xấp xỉ bằng 0, khi xảy ra sự cố chạm đất gần trung tính thì toàn bộ dòng sự cố lớn sẽ chạy qua trung tính và bảo vệ sẽ phát hiện được sự cố (Hình 8.14). Nhược điểm của giải pháp này là bảo vệ đặt tại trung tính phải phối hợp thời gian với các bảo vệ cấp dưới, do vậy cần đặt với thời gian trễ nhất định; khi sự cố xảy ra bảo vệ sẽ không thể cắt nhanh sự cố.
71
Hình 8.14 Bảo vệ chống chạm đất bằng rơle quá dòng tại trung tính
Để đảm bảo cắt nhanh được sự cố, cần sử dụng nguyên lý bảo vệ so lệch với tín hiệu lấy từ trung tính và các BI đầu cực (lấy theo phương pháp cộng tổng dòng điện 3 pha). Đây là bảo vệ so lệch hoạt động theo dòng thứ tự không nên còn có tên gọi là bảo vệ so lệch TTK. Vùng bảo vệ giới hạn từ trung tính cuộn dây tới vị trí đặt BI đầu cực MBA, ngoài ra bảo vệ có độ nhạy cao nhất với các sự cố gần trung tính; đó cũng là một phần lý do bảo vệ này còn có tên gọi là bảo vệ chống chạm đất hạn chế (Restricted Earth Fault – REF).
Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống chạm đất hạn chế như Hình 8.15:
3I0
TT
3I0=IA+IB+IC ΔI0
Vùng bảo vệ
Hình 8.15 Phương thức đấu nối bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF)
8.3.2. Nguyên lý hoạt động của bảo vệ chống chạm đất hạn chế
a. Chế độ bình thường: không có dòng chạy qua dây trung tính và tổng dòng ba pha bằng 0, dẫn tới dòng so lệch TTK đưa vào rơle bằng 0 và rơle không tác động.
IC A B C 3I0TT IC A B C 3I0TT
Hình 8.16 Phân bố dòng điện khi có sự cố chạm đất trong/ngoài vùng
Nguồn 115kV 10,5kV 23kV I0> max{tBV đ/d 1;...tBV đ/d n} + t I0> tBV đ/d 1 I0> tBV đ/d 1 I0> + t
72 b. Chế độ sự cố chạm đất ngoài vùng: dòng điện chạy qua dây trung tính và dòng TTK trên ba pha có giá trị bằng nhau, dẫn tới tổng dòng đưa vào rơle bằng 0 và rơle sẽ không tác động
c. Chế độ sự cố chạm đất trong vùng: dòng điện TTK chạy qua BI trung tính và các BI đầu cực có giá trị khác nhau và ngược chiều. Dòng điện chạy qua rơle 87N là tổng vector của hai dòng điện này và có giá trị lớn dẫn tới rơle sẽ tác động.
8.4. Các bảo vệ khác của máy biến áp
Hình 8.17 Các phần tử chính của máy biến áp
8.4.1. Bảo vệ chống quá tải (49)
Chức năng này sử dụng để bảo vệ các phần tử của hệ thống điện khỏi bị quá nhiệt khi dòng tải tăng cao. Chức năng này có thể áp dụng để bảo vệ cho bất cứ cuộn dây nào của máy biến áp (thường sử cho cuộn dây có công suất lớn nhất).
Nguyên lý hoạt động: có 3 phương pháp được sử dụng trong các rơle kỹ thuật số hiện nay.
a. Phương pháp hình ảnh nhiệt không tính tới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên
ngoài
Phương pháp này coi cả máy biến áp là một đối tượng đồng nhất, dòng điện chạy qua sẽ gây ra một nhiệt lượng tỷ lệ với bình phương dòng điện chạy qua đối tượng. Nhiệt lượng này sẽ chia ra hai phần: một phần tỏa nhiệt vào môi trường, một phần làm tăng nhiệt của bản thân đối tượng, tỷ lệ của hai phần nhiệt lượng này phụ thuộc vào phương thức làm mát, hình dáng, vật liệu...của đối tượng được bảo vệ. Ví dụ: với các máy biến áp nhỏ, làm mát tự nhiên thì phần nhiệt lượng tỏa ra môi trường sẽ chiếm phần nhỏ, còn lại sẽ gây phát nóng và ngược
Thùng dầu phụ Chỉ báo mức dầu Van ngắt Rơle hơi Hệ thống lọc ẩm của ống thở Hệ thống lọc ẩm của ống thở Chỉ báo nhiệt độ Sứ xuyên Biến dòng chân sứ Van giảm áp Hệ thống làm mát Quạt làm mát Tản nhiệt Bơm dầu Thùng dầu
73 lại với máy biến áp có hệ thống làm mát cưỡng bức. Khả năng tăng nhiệt nhanh hay chậm
của đối tượng được đặc trưng bởi hệ số gọi là hằng số quán tính nhiệt th(hằng số này có thể tính toán được – qui trình tính toán được thể hiện chi tiết trong hướng dẫn sử dụng rơle). Trình tự tính toán nhiệt độ sẽ là: đo được dòng điện chạy qua đối tượng tính được nhiệt lượng tỏa ra biết giá trị th tính được độ tăng nhiệt của đối tượng.
Dựa theo phương thức trên, rơle tính được độ tăng nhiệt của đối tượng so với nhiệt độ chuẩn. Nhiệt độ chuẩn ở đây được rơle coi là nhiệt độ lớn nhất cho phép ứng với tải cho phép liên tục lớn nhất của máy biến áp. Phương trình vi phân tính toán độ tăng nhiệt như sau: 2 1 1 1 th th Nobj d dt k I
Trong đó: θ - mức độ tăng nhiệt so với nhiệt độ chuẩn của đối tượng (bao nhiêu % của nhiệt độ cho phép cuối cùng)
k- hệ số thể hiện dòng điện lớn liên tục lớn nhất cho phép của đối tượng, nếu không có thông số thì có thể lấy k=1,1.
Độ tăng nhiệt của đối tượng tính theo phương trình trên sẽ là một hàm mũ. Chức năng này thường có hai cấp bảo vệ: cấp cảnh báo ứng với giá trị θcảnh báo và cấp thứ hai ứng với θtác động sẽ cắt tải của máy biến áp để tránh hư hỏng.
b. Phương pháp hình ảnh nhiệt có kể tới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên ngoài
Phương pháp này dựa trên nguyên lý của phương pháp hình ảnh nhiệt kể trên, điểm khác biệt ở đây là nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ được đưa vào trong phương trình tính toán độ tăng nhiệt. Nhiệt độ môi trường xung quanh (thực ra là nhiệt độ của môi chất làm mát) sẽ được đo bởi các cảm biến, có thể đặt tới 12 điểm đo và thông qua bộ chuyển đổi (RTD) thành tín hiệu đưa vào rơle, người sử dụng sẽ lựa chọn nhiệt độ của một trong các điểm này đưa vào tính toán.
c. Phương pháp dựa theo nhiệt độ điểm nóng và có tính toán tốc độ già hóa cách điện
Phương pháp này dựa vào thông tin do các cảm biến nhiệt độ đặt ở đối tượng được bảo vệ đưa về. Rơle sẽ dựa vào phương thức làm mát của máy biến áp, nhiệt độ cao nhất của môi chất làm mát (dầu máy biến áp), dòng điện chạy qua cuộn dây để tính toán nhiệt độ cuộn dây (nhiệt độ theo độ C), phương thức bảo vệ này cũng có hai ngưỡng nhiệt độ: cảnh báo và tác động.
Ngoài ra còn có các bảo vệ khác có thể làm chức năng bảo vệ chống quá tải cho máy biến áp như: rơle hơi hoặc rơle nhiệt độ.
74
8.4.2. Rơle hơi (rơle Buchholz) và rơle dòng dầu
Hình 8.18 Rơle hơi của máy biến áp (rơle Buchholz)
Rơle được chế tạo và lắp đặt sẵn với máy biến áp (Hình 8.18). Rơle hơi là loại rơle cơ khí có khả năng chống được hầu hết các sự cố xảy ra trong thùng dầu máy biến áp (rơle này còn có tên gọi khác là rơle Buchholz, lấy tên của người phát minh).
Rơle hơi được lắp đặt trên đường ống nối từ thùng dầu chính máy biến áp lên thùng dầu phụ. Rơle gồm có hai tổ hợp phao nằm lơ lửng trong dầu, mỗi phao có kèm theo một bộ tiếp điểm thủy ngân hoặc tiếp điểm từ. Bình thường các tiếp điểm này đều ở trạng thái hở mạch. Khi phao bị chìm xuống, thủy ngân sẽ tràn vào và nối tắt tiếp điểm đưa tín hiệu tới các mạch điều khiển tương ứng (với tiếp điểm từ thì khi phao chìm xuống sẽ làm tiếp điểm tiến gần lại một nam châm, nam châm sẽ hút làm tiếp điểm đóng lại).
Hoạt động:
- Khi có hiện tượng quá tải máy biến áp, nhiệt độ dầu tăng lên làm phát sinh khí trong thùng dầu máy biến áp, khí này tích tụ lên trên bề mặt thùng dầu và theo ống dẫn dầu lên thùng dầu phụ. Khi đi qua rơle hơi khí sẽ bị bẫy lại và đẩy mức dầu trong rơle hơi giảm dần. Đến một mức độ nào đó sẽ làm phao thứ nhất chìm xuống, đóng tiếp điểm, khởi động cảnh báo quá tải để thực hiện quá trình giảm tải cho máy biến áp.
Khí phát sinh trong thùng dầu máy biến áp có thể do các lý do sau:
+ Phân rã, xuống cấp của cách điện rắn học lỏng trong MBA do quá nhiệt hoặc hồ
75
+ Do xâm nhập từ ngoài vào trong trường hợp các van của đường ống dầu không kín
khít.
+ Do bản thân trong dầu vẫn còn khí: đây có thể là hệ quả của quá trình hút chân không chưa đúng theo qui định trước khi nạp dầu cho MBA.
- Khi sự cố giữa các vòng dây hoặc giữa các pha sản sinh ra lượng khí lớn, dầu bay hơi cục bộ. Điều này làm tăng nhanh áp lực cục bộ và có thể đẩy dầu chuyển động theo đường ống lên thùng dầu phụ, đi qua rơle hơi. Dòng dầu và dòng khí mạnh chạy qua rơle hơi tác động vào tấm chắn làm phao thứ hai bị chìm xuống, đóng tiếp điểm và thường đưa tín hiệu đi cắt máy biến áp khỏi vận hành.
Các thí nghiệm cho thấy thời gian tác động của rơle khí thường khoảng từ 50ms÷100ms. Thời gian tác động của rơle này không nên vượt quá 300ms.
Do các khí phát sinh trong quá trình vận hành MBA tích tụ một phần trong rơle hơi nên trên rơle còn có một van trích khí, cho phép trích khi ra với mục đích thí nghiệm đánh giá tình trạng của máy biến áp.
Rơle hơi còn phát hiện được hiện tượng mức dầu hạ thấp do có rò rỉ thùng dầu.
Với các máy biến áp có bộ chuyển đổi đầu phân áp (OLTC) đặt trong thùng dầu riêng: thường được trang bị một rơle hơi khá tương tự để bảo vệ chống các sự cố trong thùng dầu chứa bộ OLTC này. Rơle hơi trang bị cho bộ OLTC chỉ có một phao (tương ứng với phao thứ hai của rơle hơi cho thùng dầu chính); do đó rơle này chỉ phản ứng với dòng dầu chạy qua và rơle loại này cũng được gọi là rơle dòng dầu (Oil Surge) để phân biệt với rơle hơi ở trên.
Lý do rơle cho bộ OLTC chỉ có 1 phao là do trong quá trình vận hành bình thường của bộ OLTC có thể làm sản sinh ra các khí (do dầu bị bay hơi khi tiếp điểm chuyển mạch hoặc do phát nóng của các điện trở, kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch), các khí này tích lũy có thể làm rơle tác động nhầm mặc dù không có bất cứ sự cố nào trong thùng dầu bộ OLTC. Vì vậy rơle dòng dầu chỉ có một phao để tác động với dòng dầu chuyển động nhanh, là kết quả của sự cố thực.
76
8.4.3. Rơle áp lực
Hình 8.19 Rơle giảm áp của máy biến áp (Pressure Relief Relay)
Có hai loại rơle áp lực: rơle áp lực phản ứng theo áp lực trong thùng dầu MBA (rơle giảm áp – Oil Pressure Relief Devices) và rơle áp lực phản ứng theo tốc độ thay đổi áp lực (Rate of Rise of Pressure Relay hoặc Sudden Pressure Relay).
- Rơle giảm áp:
Thường được lắp đặt trên nắp của máy biến áp hoặc trên thành máy biến áp. Rơle gồm một đĩa bằng inox được ép chặt bằng lò xo để làm kín. Khi có sự cố trầm trọng xảy ra, dầu bị gia tăng áp lực, tác động làm đĩa bị nâng lên và mở cho dầu thoát ra ngoài giảm áp cho thùng dầu. Điều này tránh gây nổ thùng dầu và giảm nguy cơ gây hỏa hoạn. Đồng thời khi đĩa bị nâng lên sẽ tác động đóng các tiếp điểm để đi cắt MBA. Rơle sẽ hoạt động khi áp lực lớn hơn 10 psi và tự đóng lại khi áp lực giảm thấp hơn ngưỡng này. The discharge oil can be ducted to a catchment pit where random discharge of oil is to be avoided. Rơle giảm áp thường sử dụng cho các máy biến áp có công suất từ 2MVA trở lên, tuy nhiên cũng có thể trang bị cho các máy biếp áp phân phối từ 200kVA và lớn hơn. Với các MBA nhỏ, đơn giản thì rơle có thể chỉ là dạng ống có các điểm dễ vỡ nổ để thoát dầu.
- Rơle áp lực đột biến
Khi áp lực dầu tăng cao quá một mức nào đó, áp lực tác động lên piston lớn hơn lực nén của lò xo và làm piston chuyển động lên trên, đóng tiếp điểm đưa tín hiệu tới mạch điều khiển tương ứng
Thiết bị này có khả năng phát hiện việc tăng áp lực nhanh trong thùng dầu MBA, thiết bị này có khả năng vận hành nhanh hơn rơle giảm áp. Rơle loại này thường sử dụng đối với máy biến áp kiểu kín hoặc có gối hơi (It is employed in transformers which are provided with gas cushions instead of conservators.
77
Hình 8.20 Rơle áp lực đột biến (Sudden Pressure Relay)
Fig. 1 shows a modern sudden pressure relay which contains a metallic bellows full of silicone oil.
Rơle được lắp đặt ở vị trí đáy của thùng dầu để tiện cho việc kiểm tra, bảo dưỡng. Khi hoạt động rơle đưa tín hiệu đi cắt máy biến áp.
Trong một số trường hợp sự cố ngoài với dòng ngắn mạch lớn có thể làm rơle tác động nhầm, do vậy một số sơ đồ chỉ cho phép rơle đưa tín hiệu đi cảnh báo thay vì cắt máy cắt. Một số sơ đồ khác vẫn cho phép rơle cắt MBA, tuy nhiên chỉ khi dòng điện ở dưới ngưỡng có thể tác động của bảo vệ so lệch.
8.4.4. Thiết bị chỉ báo mức dầu
Thiết bị chỉ báo mức dầu được lắp đặt tại khu vực thùng dầu phụ. Thiết bị gồm có một phao nằm trong thùng dầu thông qua cơ cấu tay đòn và cơ cấu liên kết từ để chỉ thị và đóng tiếp điểm cảnh báo khi mức dầu cao/thấp (Hình 8.21).
78
8.4.5. Thiết bị chỉ báo nhiệt độ dầu và nhiệt độ cuộn dây
a. Vai trò và phân loại thiết bị chỉ báo nhiệt độ cho MBA
Thiết bị chỉ báo nhiệt độ của MBA được thiết kế để bảo vệ MBA bên cạnh chức năng chỉ báo nhiệt độ và điều khiển hệ thống làm mát. Các chức năng chính của thiết bị này như sau:
- Chỉ báo nhiệt độ tức thời của dầu và cuộn dây MBA. - Ghi lại nhiệt lớn nhất của dầu và cuộn dây
- Cảnh báo quá nhiệt theo giá trị cài đặt trước - Cắt MBA khi mức quá nhiệt vượt qui định
- Điều khiển hệ thống làm mát MBA (đóng/cắt các quạt làm mát)
Có hai loại thiết bị chỉ báo nhiệt độ dùng cho MBA, về mặt nguyên lý vận hành của hai loại thiết bị này giống nhau, tuy nhiên một thiết bị dùng đo nhiệt độ dầu (Oil temperature indicator - OTI) và một thiết bị đo nhiệt độ cuộn dây (Winding temperature indicator - WTI) (Hình 8.22). Ngoài ra còn có loại chỉ báo nhiệt độ khác dùng cho các hệ thống đo xa, điều