3.4.1 Bảo vệ quá dòng điện
-Nguyên tắc bảo vệ:
Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ) là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước. Có thể chọn BVQDĐ thành bảo vệ dòng điện cực đại hoặc bảo vệ dòng điện cắt nhanh.
-Chức năng bảo vệ quá dòng điện cực đại (BVDCĐ) (BV51).
Khảo sát một đường dây hình tia như hình 3.8, có một nguồn cung cấp, được đặt BVDCĐ tại phía nguồn mỗi đoạn đường dây.
Hình 3.8 Bảo vệ quá dòng cực đại
Mỗi đoạn đường dây được bảo vệ bơi một máy cắt riêng. Khi có ngắn mạch tại cuối đường dây N4 sẽ có dòng sự cố chạy qua cả 4 máy cắt, tức là cả 4 máy cắt sẽ khơi động. Tuy nhiên để đảm bảo tính chọn lọc thì chỉ có một mình máy cắt 4 tác động cắt phần tử sự cố ra khỏi mạng. Vậy phải phối hợp thời gian tác động giữa các rơle (tR) theo nguyên tắc:
tR1 > tR2 > tR3 > tR4 [3]
Khi ngắn mạch tại N4 thì bảo vệ 4 tác động trước, các bảo vệ còn lại khơi động nhưng không tác động, sau đó trơ lại trạng thái bình thường.
-Dòng điện khơi động
BVDCĐ sẽ khơi động khi dòng điện chạy qua rơle lớn hơn dòng khơi động rơle (Ikđ). Như vậy để tránh BV tác động nhầm thì dòng khơi động cài đặt cho rơle phải lớn hơn dòng phụ tải cực đại qua chỗ đặt thiết bị: Ikđ > Ilv, max. Trong thực tế để tránh tác động nhầm người ta xác định dòng khơi động Ikđ phía sơ cấp theo công thức sau: [3]
Kat × Kmm
Ikđ = K
t v
× Ilv,max
Đây là dòng khơi động sơ cấp của BV, dòng thứ cấp của BV được xác định: [3]
Kat × Kmm × Ksđ Trong đó: I> = K t v × nBI × Ilv,max
Kat – Hệ số an toàn tính đến sai số trong khi tính toán dòng ngắn mạch và sai số rơle, có giá trị từ 1.2 đến 1.3.
Ktv – Hệ số trơ về, đảm bảo rơle quay về trạng thái ban đầu để tránh tác động nhầm các đoạn đường dây không hư hỏng. Đối với rơle điện cơ, ktv có giá trị từ 0.85 đến 0.9, còn đối với rơle tĩnh hay kỹ thuật số thì ktv = 1.
Kmm – Hệ số mơ máy, phụ thuộc vào loại động cơ, vị trí tương đối của rơle và động cơ, sơ đồ mạng điện cùng nhiều yếu tố khác, có giá trị từ 1.3 đến 3.
Ilv,max – Dòng làm việc cực đại qua thiết bị được bảo vệ.
nBI – Tỷ số biến dòng.
Ksd – Hệ số sơ đồ.
-Độ nhạy bảo vệ: Độ nhạy của BV thể hiện khả năng nhận biết sự cố:[3]
INM,min
Knh = Ikđ
INM,min: là dòng ngắn mạch cực tiểu khi ngắn mạch xảy ra ơ cuối vùng BV. Với vùng BV chính, độ nhạy yêu cầu Knh ≥ 1.5
Với vùng BV dự trữ, độ nhạy yêu cầu Knh ≥ 1.2 -Thời gian tác động của bảo vệ.
Để BV1 không kịp tác động khi có NM trong đoạn BC thì thời gian tác động của nó phải thỏa: tR1 > tR2
- Rơle có đặc tính độc lập.
Đây là dạng rơle có thời gian trì hoãn tác động không phụ thuộc vào dòng NM. Chính vì vậy nó được gọi là có đặc tính thời gian độc lập. Đặc tuyến này có dạng đường thẳng, xem hình 3.9
Hình 3.9 Đặc tính thời gian độc lập
Thời gian tác động được chỉnh định ít nhất là 0.05s trơ lên để tránh tác động khi có sự cố sét đánh trên đường dây [3].
- Rơle có đặc tính thời gian phụ thuộc
Ngược lại với đặc tính độc lập, rơle có đặc tính phụ thuộc sẽ có thời gian tác động phụ thuộc vào dòng NM. Khi giá trị dòng ngắn mạch càng lớn thì thời gian tác động của BV càng nhỏ.
Với đặc tính phụ thuộc, đặc tính rơle được chia ra làm 3 dạng:
Dạng đặc tính có độ dốc chuẩn (Standard inverse).
Dạng đặc tính rất dốc (Very inverse).
Dạng đặc tính cực dốc (Extremely inverse). Các dạng đặc tính này được thể hiện trong hình 3.10
Hình 3.10 Đường đặc tính thời gian (tiêu chuẩn IEC 60255)
Mỗi đường cong của đặc tính đều có phương trình đặc tính phụ thuộc riêng theo tiêu chuẩn IEC được cho ơ bảng 3.10.
Bảng 3.10 Công thức đặc tính thời gian
Đặc tính thời gian Công thức
Standard Inverse (SI)
0.14
t = × Kt
I 2
(Ikđ) − 1
Standard Inverse (SI)
13.5
t = × Kt
I 2
(Ikđ) − 1
Extremely Inverse (EI)
80
t = × Kt
I 2
Với t là thời gian tác động, I là dòng điện ngắn mạch chạy qua biến dòng, Ikđ là thời gian cài đặt cho rơle (Ikđ và I phải cùng một phía sơ cấp hoặc thứ cấp của biến dòng),
Kt là hệ số nhân thời gian.
- Chức năng bảo vệ quá dòng cắt nhanh (BVCN) (BV50).
Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng điện khơi động lớn hơn dòng điện ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch ơ ngoài phần tử được bảo vệ. Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện ngắn mạch sẽ lớn hơn dòng khơi động và bảo vệ sẽ tác động. Bảo vệ cắt nhanh thường làm việc tức thời với thời gian rất bé.
Khảo sát một tuyến đường dây hình tia như hình 3.11 có 1 nguồn cung cấp như sau:
Hình 3. 11 Bảo vệ cắt nhanh
Dựa theo đường cong IN = f(lN), thấy rằng để BVCN không tác động khi có ngắn mạch ơ ngoài đoạn AB thì dòng khơi động Ikđ phải lớn hơn dòng ngắn mạch INB (Ikđ >INB). Khi đó vùng bảo vệ của BVCN chỉ là một phần của đoạn AB chứ không phải toàn bộ đoạn AB.
-Dòng khơi động cắt nhanh
Để BV không tác động khi có ngắn mạch ơ ngoài vùng BV thì cần chọn dòng khơi động Ikđ > INB. Thực tế sẽ chọn dòng khơi động sơ cấp Ikđ-sc = kat×INB, max
Trong đó:
INB, max : là dòng ngắn mạch lớn nhất tại cuối vùng BV. kat :là hệ số an toàn (kat = 1.2 – 1.3)
-Vùng bảo vệ tác động
Vùng bảo vệ của BVCN có thể được xác định bằng phương pháp đồ thị. Bằng cách xây dựng mối quan hệ giữa IN và khoảng cách xảy ra ngắn mạch IN = f(lN) ứng với chế độ ngắn mạch cực đại (đường cong 1) và chế độ ngắn mạch cực tiểu (đường cong 2) sẽ xác định được vùng bảo vệ của BVCN. Điểm cắt giữa đường thẳng Ikđ và đường cong số 1 chính là điểm cuối vùng bảo vệ trong chế độ ngắn mạch cực đại và điểm cắt giữa đường thẳng Ikđ với đường cong số 2 chính là điểm cuối vùng bảo vệ trong chế độ ngắn mạch cực tiểu, xem hình 3.12
Hình 3. 12 Vùng bảo vệ của BVCN.
-Thời gian tác động của bảo vệ:
Thời gian tác động của BVCN được chỉnh định ít nhất là 0.05s trơ lên để tránh tác động khi có sét đánh [3].
3.4.2 Bảo vệ dòng điện chạm đất
-Nguyên tắc bảo vệ
Bảo vệ chống chạm đất là dạng bảo vệ lấy tín hiệu dòng và áp thứ tự không I0 và V0. Khi mạng điện vận hành bình thường, thành phần thứ tự không rất nhỏ (xuất hiện khi các dòng 3 pha không cân bằng) nên bảo vệ sẽ không tác động. Khi có ngắn mạch chạm đất 1 pha hoặc 2 pha thì dòng điện sẽ đổ dồn về điểm ngắn mạch nên thành phần thứ tự không sẽ lớn, bảo vệ sẽ phát hiện và tác động.
Chức năng bảo vệ dòng cực đại thứ tự không (51N) -Dòng không cân bằng
Đối với các bảo vệ phản ứng theo các thành phần thứ tự của dòng điện, phần thứ cấp của các biến dòng được đưa qua bộ lọc. Trong trường hợp bảo vệ chống chạm đất có thể sử dụng cách đấu của các biến dòng để tạo thành bộ lọc thứ tự không như sơ đồ sau:
Hình 3. 13 Bộ lọc thành phần thứ tự không
Trong dòng Ikcb là dòng không cân bằng sinh ra bơi các thành phần:
3I0 do tải sinh ra (do sự không cân bằng giữa 3 pha của tải).
Dòng từ hóa: là dòng điện đi qua mạch từ của biến dòng. Dòng điện từ hóa càng lớn thì sai số của biến dòng càng cao.
Do tỷ số biến dòng, xảy ra sai số theo cấp chính xác của biến dòng. Dòng điện không cân bằng cực đại được xác định theo 2 trường hợp:
Nếu thời gian tác động của chức năng 51N lớn hơn BVCĐ thì Ikcb, max được tính theo điều kiện làm việc cực đại:
Ikcb-max = (0.1 – 0.2)×Iđm-2 Với: Iđm-2là dòng điện định mức phía thứ cấp của biến dòng.
Nếu ngược lại điều kiện trên, dòng không cân bằng cực đại được tính theo công thức:
Ikcb-max = (0.3 – 0.6)× Iđm-2
Hay cũng có thể tính dòng không cân bằng cực đại theo công thức: Ikcb-max = Kđn×Kss×Inm-max
Trong đó:
Kđn : hệ số đồng nhất của các biến dòng, có giá trị từ 0.1 – 1. Kss : sai số của biến dòng, có giá trị 10%
Inm-max : dòng điện ngắn mạch 3 pha cực đại tại cuối đối tượng bảo vệ. -Dòng khơi động
Dòng điện khơi động của chức năng 51N được xác định dựa vào dòng điện không cân bằng cực đại đã đề cập như trên.
Dòng khơi động sơ cấp:
Ikđ-sc = kat×Ikcb-max (Với kat có giá trị từ 1.2 – 1.3) Dòng khơi động thứ cấp:
Ikđ-tc = Ikđ-sc.ksđ/nBI -Độ nhạy:
Độ nhạy Knh được xác định theo công thức: Knh = 3I0-min/Ikđ-sc ≥ 1.5
Với 3I0-min là dòng điện ngắn mạch TTK cực tiểu khi ngắn mạch chạm đất xảy ra tại cuối đối tượng bảo vệ.
-Thời gian tác động
Chỉnh định thời gian tác động cho chức năng 51N giống như chức năng 51, nhưng thay I bằng 3I0
Chức năng bảo vệ cắt nhanh thứ tự không (50N) -Dòng khơi động:
Dòng điện khơi động chức năng 50N được xác định dựa vào dòng điện ngắn mạch thứ tự không cực đại, xem sơ đồ hình 3.14.
Dòng khơi động sơ cấp: Ikđ-sc = kat×3I0-max. Với kat có giá trị từ 1.2 – 1.3. Dòng khơi động thứ cấp: Ikđ-tc = Ikđ-sc.ksđ/nBI
-Thời gian tác động
Đặc tính thời gian được dùng là độc lập và được chỉnh định như chức năng 50
3.5 Phối hợp bảo vệ cầu chì
Cầu chì – Cầu chì: Phối hợp bảo vệ cầu chì – cầu chì theo tiêu chuẩn IEEE Std
C37.48.1™-2002 [7] như sau: Yêu cầu tổng thời gian xóa sự cố của đường cong cầu
của tuyến dưới ít hơn 75% thời gian nóng chảy tối thiểu của đường cong cầu chì tuyến trên, xem hình 3.14.
Hình 3. 14 Phối hợp bảo vệ cầu chì – cầu chì
Tiêu chuẩn nêu trên có nghĩa là: tại một vị trí ngắn mạch nào đó mà cả 2 cầu chì cùng tác động, để thỏa điều kiện phối hợp bảo vệ thì t1/t2 ≤ 75%
Rơle – Cầu chì Phối hợp bảo vệ rơle - cầu chì theo tiêu chuẩn IEEE Std 242-2001
[8] như sau: độ chênh lệch thời gian tác động giữa rơle và tổng thời gian xóa sự cố của cầu chì không nhỏ hơn 0.12 s, xem hình 3.15.
Hình 3. 15 Phối hợp thời gian bảo vệ rơle – cầu chì
Tiêu chuẩn nêu trên có nghĩa là: tại một vị trí ngắn mạch nào đó mà rơle và cầu chì cùng tác động, để thỏa điều kiện phối hợp bảo vệ thì t2 – t1 ≥ 0.12 s [8].
Kết luận: Ở chương này ta đã hoàn thành việc lựa chọn chì và tìm hiểu lý thuyết cơ
bản về rơle, ta sẽ tiến hành tính toán, lựa chọn và cài đặt các thông số rơle và phối hợp bảo vệ cho xuất tuyến trung thế ơ chương sau, chương số IV.
CHƯƠNG IV
TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÀI ĐẶT RƠLE CHO MÁY CẮT ĐẦU XUẤT TUYẾN
Chương này sẽ vận dụng lý thuyết và kết quả chọn dây dẫn của chương III để tiến hành cài đặt rơle bảo vệ cho xuất tuyến trung áp thỏa mãn tính dự phòng, tính chọn lọc và tin cậy của hệ thống.
4.1 Chọn biến dòng bảo vệ cho hệ thống bảo vệ rơle phía 22 kV
- Chọn biến dòng theo tiêu chuẩn IEC, các công thức đã được nêu ơ chương IV. Trong một số trường hợp sự cố dòng ngắn mạch lớn, tỉ số biến dòng sẽ không còn đúng nữa. Do vậy nên kiểm tra khi có sự cố, đối với biến dòng đã chọn, tỉ số này còn đảm bảo cho tín hiệu khi truyền đến rơle là chính xác, tránh tác động nhầm trên đường dây.
- Chọn sơ đồ biến dòng hình sao 4 dây dẫn, xem hình 4.1
Hình 4.1 Sơ đồ nối dây của biến dòng (BI)
Dòng điện qua biến dòng bằng với dòng điện đi vào rơle, vậy Ksd =IR /IBI = 1 Chọn biến dòng dựa trên tiêu chuẩn IEC
Dòng điện làm việc cực đại:
Ilv max = Smax √3 × Uđm 10 × 103 = √3 × 22 = 262.432 (A)
Ta có dòng điện cưỡng bức: Icb = 150% Ilv max = 1.5×262.432 = 363.648 (A) Chọn biến dòng 5VA 5P20 có tỉ số biến dòng 500 : 1
Trong đó: 5VA là công suất của biến dòng
-Tổng trơ phụ tải định mức thứ cấp đầu cực biến dòng: Zđm−b = 2Sđm đm− 2 5 = 12 = 5 (Ω)
-Tổng trơ phụ tải thứ cấp định mức của biến dòng:
Zđm−2 = ZMBDĐ + Zđm−b = 3.3 + 5 = 8.3 (Ω)
-Điện áp từ hóa giới hạn cấp chính xác ơ định mức:
Vegiới hạn = Kgiới hạn × Iđm−2 × Zđm−2 = 20 × 1 × 8.3 = 166 (V) Xác định tổng phụ tải của biến dòng:
-Biến dòng có tổng trơ ZMBDĐ = 3.3 Ω
-Chọn dây dẫn đồng → ρ = 2.6×10-8 Ω.m, có tiết diện 4mm2 kết nối giữa rơle và biến dòng dài 20 m Zdd = Rdd = ρ × Kdd×l = S 2.16 × 10−2 × 1.1 × 20 4 × 10−6 = 0.12 (Ω)
-Tổng trơ rơle phản ứng dòng pha hay dòng TTK, với công suất tiêu thụ tại dòng điện định mức của rơle là SR = 0.3 VA
SR
ZRa = RRa = 2
=
đm−2
-Tổng trơ phụ tải khi ngắn mạch ba pha:
0.3
12 = 0.3 (Ω)
Z2 = ZMBDĐ + 2 × Zdd + ZRa + ZRn = 3.3 + 2 × 0.12 + 2 × 0.3 = 4.14 (Ω) Điện áp nhánh từ hóa thứ cấp của biến dòng khi có dòng điện ngắn mạch 3 pha lớn
nhất là dòng ngắn mạch 3 pha tại nút 2, I (3) = 10.1 (kA) (bảng 2.2).
Z × I(3) V = = NBI 3.72 × 10100 500: 1 = 75.144 < Ve giới hạn = 166 V → Thỏa mãn
-Điện áp từ hóa thứ cấp của biến dòng khi có dòng điện ngắn mạch 1 pha lớn nhất là dòng ngắn mạch 1 pha tại bút 2, I (1) = 7.048 (kA) (bảng 2.2).
Z × I(1) V = = NBI 3.72 × 7048 500: 1 = 42.437 < Ve giới hạn = 166 V → Thỏa mãn I I N N 2 N e 2 N e
-Do không có bảng đường cong từ hóa của biến dòng nên cần so sánh Ve và Ve giới hạn như đã tính toán ơ trên.
IN(3) : Ve =75.144 (V) < Vegiới hạn = 166 (V) IN(1) : Ve =42.437 (V) < Vegiới hạn = 166 (V)
4.2 Tính toán các thống số cài đặt
4.2.1 Chức năng bảo vệ quá dòng cực đại (BV51)
Dòng khơi động:
-Dòng làm việc cực đại: Với Smax = 10 MVA, Uđm = 22 kV
Ilv max = Smax √3 × Uđm 10 × 103 = √3 × 22 = 262.432 (A)
-Dòng khơi động sơ cấp tính toán: Chọn Kat = 1.2, Kmm = 1.6, Ktv = 1, Ksđ = 1
kat × kmm I = × I =1.2 × 1.6× 262.432 = 503.8(A) kđ−sc ktv lv max 1 -Dòng khơi động thứ cấp tính toán: I = Ikđ−sc × ksđ = 503.8 × 1 = 1 (A) kđ−tc nBI 500: 1
→ Dòng cài đặt cho BI: I> = 1 (A)
-Dòng khơi động sơ cấp: I> thứ cấp = I> × nBI =1×500 = 500 (A)
-Độ nhạy: Knh được tính toán theo dòng ngắn mạch nhỏ nhất tại cuối vùng bảo vệ tức là dòng ngắn mạch 1 pha, I (1) tại nút số 14, theo bảng 2.4.
INM, min = 2.3742 (kA)
Knh = INM,mi n Ikđ
2472.38
= mục 3.2) 503.8= 4.9 > 1.5 (thỏa lý thuyết chương III,
Thời gian tác động:
Phối hợp thời gian giữa rơle 51 và FCO đầu nhánh: khi có ngắn mạch phía sau mỗi FCO đầu nhánh thì FCO này phải tác động trước rơle 51 một khoảng thời gian ∆t là 0.12s (theo tiêu chuẩn phối hợp rơle – cầu chì, mục 3.3, xem hình 3.15). Xét dòng ngắn mạch lớn nhất phía sau mỗi FCO đầu nhánh – đó là dòng ngắn mạch 3 pha ngay