Giới thiệu chung về hệ thống tự động hoá phân vùng sựcố DAS:

3. Các giải pháp nâng cao độ tin cậy cho hệ thống

4.3. Giới thiệu chung về hệ thống tự động hoá phân vùng sựcố DAS:

Hệ thống tự động hoá l−ới điện phân phối (DAS) cung cấp các chức năng điều khiển và giám sát từ xa các dao cách ly phân đoạn tự động (Sectionalizer), phối hợp giữa các điểm phân đoạn trên l−ới phân phối, nhờ đó thực hiện cô lập nhanh đ−ợc phân đoạn sự cố và khôi phục việc cung ứng điện cho phần còn lại của hệ thống không bị sự cố.

Việc triển khai hệ thống DAS th−ờng qua ba giai đoạn: 4.3.1. Giai đoạn 1

Việc tự động hoá l−ới phân phối thực hiện bởi rơle phát hiện sự cố FDR (Fault Detecting Relay) và các dao phân đoạn tự động lắp đặt trên các phân đoạn xuất tuyến phân phối, kết hợp cùng các chức năng tự đóng lặp lại trang bị tại máy cắt xuất tuyến.

4.3.2. Giai đoạn 2

Việc tự động hoá l−ới phân phối kèm theo các chức năng giám sát và điều khiển từ xa các dao cách ly phân đoạn tự động, các chức năng điều khiển giám sát xa thực hiện nhờ các thiết bị đầu cuối điều khiển xa RTU (Remote Terminal Unit) lắp tại các dao cách ly phân đoạn tự động, các thiết bị chủ điều khiển lắp đặt tại các trung tâm điều khiển và các hệ thống thông tin.

4.3.3. Giai đoạn 3

Việc tự động hoá l−ới phân phối đ−ợc vận hành tự động bằng máy tính (Computer - based Distribution Automation System)

Hệ thống DAS đ−ợc nghiên cứu áp dụng cho kết cấu đ−ờng dây tải điện trên không và cáp ngầm trung áp.

4.4. Các thiết bị chính trong hệ thống DAS

Hệ thống DAS chủ yếu sử dụng các máy cắt (CB) hoặc thiết bị tự động đóng lặp lại kết hợp với dao cách ly phân đoạn (Sectionalizer).

Máy cắt là thiết bị thông dụng đi đ−ợc đề cập nhiều trong các giáo trình và tài liệu kỹ thuật nên không nhắc lại trong luận văn này.

4.4.1. Giới thiệu tóm tắt về Recloser

Tên gọi đầy đủ theo tiêu chuẩn ANSI C37.100-1981 là Automatic Circuit Recloser. Tiêu chuẩn ANSI C37.100-1981 định nghĩa Recloser nh− sau:

Recloser là thiết bị tự điều khiển dùng để cắt, đóng lại tự động một mạch điện xoay chiều, với một chu trình mở, đóng lại định tr−ớc, cùng với các chức năng khôi phục, giữ trạng thái đóng hay cắt hẳn.

Về nguyên lý hoạt động, Recloser là một thiết bị tự điều khiển với các mạch chức năng cần thiết để phản ứng khi có quá dòng điện, định thời gian và cắt các sự cố quá dòng điện, sau đó tự động đóng để cấp điện trở lại. Nếu sự cố duy trì, Recloser sẽ cắt hẳn (lock out) sau một số lần thao tác đóng mở cài đặt tr−ớc (nhiều nhất là 4 lần) để cách ly phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống.

Giữa Recloser và máy cắt có những điểm khác nhau cơ bản, cần tránh sự nhầm lẫn về cách gọi tên, cũng nh− trong sử dụng làm ảnh h−ởng đến tính năng, chất l−ợng vận hành và tuổi thọ thiết bị.

* Về tiêu chuẩn áp dụng:

Các tiêu chuẩn ANSI dùng cho Recloser là các tiêu chuẩn ANSI/IEEE C37.60-1981 và C37.61-1981. Ch−a có tiêu chuẩn IEC áp dụng cho Recloser. Các tiêu chuẩn ANSI dùng cho máy cắt là các tiêu chuẩn C37.04- 1979, C37.60-1987 và C37.09-1979. Tiêu chuẩn IEC áp dụng cho máy cắt là IEC56.

Recloser đ−ợc thiết kế là một thiết bị tự điều khiển. Tiêu chuẩn và các đặc tính đ−ợc xác định theo các đặc tính của sơ đồ điều khiển bên trong của Recloser. Các tính năng dòng cắt ngắn mạch, thời gian trễ, đ−ợc xác định bởi các đặc tính dòng - thời gian định tr−ớc và sự cài đặt đóng lại.

Máy cắt đ−ợc thiết kế để sử dụng với các sơ đồ rơle/điều khiển độc lập nên tiêu chuẩn và các quy định về định mức máy cắt phải xác định và cho phép máy cắt làm việc trong một dải các giá trị rộng của các chu trình rơle/điều khiển về thời gian trễ lớn nhất, về khoảng thời gian đóng lại, về dòng ổn định nhiệt.

Recloser có thể xem nh− một thiết bị tự điều khiển hoàn chỉnh gồm hai khối chức năng chính sau: Khối đóng cắt và khối điều khiển.

Khối đóng cắt:

Khối đóng cắt là bộ phận động lực dùng để đóng cắt mạch điện trong vận hành bình th−ờng và cắt dòng ngắn mạch khi sự cố. Khối này bao gồm các buồng cắt chân không đặt trong môi tr−ờng cách điện bằng dầu, bằng khí SF6 hay đ−ợc bọc ngoài bằng cách điện rắn và một cơ cấu truyền động để thực hiện các thao tác đóng cắt.

Với việc sử dụng buồng cắt chân không và các vật liệu cách điện ngoài có đặc tính cách điện −u việt, Recloser có tính năng đóng cắt cao, có kích th−ớc nhỏ gọn, thuận tiện cho lắp đặt và có tuổi thọ vận hành về cơ và điện cao.

Trong đó:

1. Thanh dẫn tĩnh. 6. Vỏ buồng cắt. 2. Thanh dẫn động. 7. Vỏ kim loại. 3. Hệ thống tiếp điểm chính. 8. Bộ tiếp điểm. 4. Tấm ngăn không khí. 9. ống kim loại. 5. Tấm chắn bảo vệ. 10. Nắp kim loại.

Hình 4.2: Buồng cắt chân không

Hình 4.4: Recloser – 27kV - VR 3S

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Recloser – 27kV - VR 3S

Buồng cắt chân không Vật liệu cách điện bằng nhựa tổng hợp Cảm biến dòng điện Cảm biến dòng điện Bộ truyền động cơ khí

Hình 4.5: Hợp bộ Recloser của hing Nuclec

Cơ cấu truyền động th−ờng là loại điện từ gồm các cuộn dây nam châm điện đóng cắt, phối hợp với cơ cấu lò xo đóng cắt và các chốt cố định vị trí đóng cắt. Các Recloser thế hệ mới th−ờng sử dụng cơ cấu truyền động bằng nam châm hai trạng thái ổn định (bi-stable magnetic actuator) sử dụng nam châm loại từ tính cao. Cơ cấu truyền động này có thời gian đóng cắt nhanh và tiêu hao năng l−ợng thấp. Các bộ biến dòng, biến điện áp đ−ợc lắp trên khối đóng cắt, cảm nhận và đ−a tín hiệu dòng, áp về khối điều khiển xử lý qua cáp điều khiển.

Khối điều khiển và bảo vệ:

Khối điều khiển và bảo vệ là bộ phận quyết định tính năng về bảo vệ, đo l−ờng, điều khiển, tự đóng lại đ−ợc đ−a vào một tủ điều khiển. Với nhiều module chức năng bổ sung, tủ điều khiển có thể l−u giữ, truy xuất số liệu, ghép nối với các hệ thống tự động l−ới điện phân phối (DAS). Các chức năng này phụ thuộc vào mức độ xử lý của tủ điều khiển.

Các yêu cầu cơ bản của một tủ điều khiển Recloser là phải thao tác đơn giản và tin cậy, các chức năng xử lý linh hoạt và khả năng thu thập, l−u giữ các dữ liệu phong phú.

Hình 4.6: Khối điều khiển và bảo vệ của Recloser 27kV- VR 3S

Tủ điều khiển, bảo vệ hiện nay th−ờng sử dụng loại điện tử, vi xử lý có tính linh hoạt và độ chính xác cao, dễ điều chỉnh, kiểm tra, giao diện thân thiện với ng−ời sử dụng. Việc cài đặt các chế độ làm việc cho tủ dễ dàng thực hiện từ các phím bấm trên bảng mặt tr−ớc tại tủ, hay có thể cài đặt bằng các máy tính cá nhân sử dụng các phần mềm cài đặt kết nối qua các cổng dữ liệu RS232…

Tủ điều khiển còn gắn các bo mạch vào/ra để tăng c−ờng các chức năng vận hành nh− giám sát, điều khiển từ xa.

Trên bảng mặt tr−ớc của tủ điều khiển đ−ợc lắp đặt các đèn LED chỉ thị trạng thái hoạt động của tủ điều khiển, cũng nh− các chức năng bảo vệ, điều khiển, giám sát… đang đ−ợc kích hoạt.

Bộ phận phụ trợ:

Tùy thuộc vào từng nhà sản xuất, các hợp bộ Recloser còn bao gồm các biến áp cấp nguồn ngoài, cáp điều khiển, cáp đấu nối giao diện với máy tính, các phần mềm cài đặt, truy xuất số liệu…

Một số hợp bộ Recloser có đi kèm các biến áp tự dùng để cấp nguồn cho các bo mạch điều khiển, nạp cho các ắc quy để thực hiện chức năng đóng cắt. Trong lắp đặt, vận hành cần đặt nấc phân áp của máy biến áp tự dùng phù hợp với điện áp l−ới điện để đảm bảo điện áp phía thứ cấp phù hợp với yêu cầu cấp điện cho các bo mạch, cho các bộ nạp ắc quy của tủ. Khi điện áp cấp cho tủ quá thấp sẽ ảnh h−ởng xấu đến chế độ làm việc của các bo mạch điều khiển, ắc quy không đ−ợc nạp đủ có thể bị chai, điện áp cấp cho các cuộn dây đóng không đủ làm cho Recloser đóng không thành công và phải đóng lại nhiều lần, nguy hiểm cho cuộn dây đóng. Điện áp cấp nguồn quá cao sẽ gây nguy hiểm cho vận hành của tủ điều khiển.

Recloser có thể đ−ợc sử dụng ở bất cứ vị trí nào trong hệ thống, miễn là các giá trị định mức của Recloser thích hợp với những yêu cầu của mạng điện. Các vị trí lắp đặt thích hợp của Recloser th−ờng là:

- Lắp trong một trạm phân phối nh− một thiết bị bảo vệ đầu nguồn. - Lắp đặt trên đ−ờng dây, cách trạm một khoảng cách nào đó để phân đoạn những đ−ờng dây cung cấp có chiều dài lớn, ngăn chặn đ−ợc tình trạng mất điện toàn bộ khi có một sự cố kéo dài ở phần cuối của đ−ờng dây. - Lắp đặt trên những nhánh rẽ của đ−ờng dây chính nhằm bảo vệ đ−ờng dây chính khỏi bị mất điện khi có sự cố trên những nhánh rẽ này.

L−u ý khi lắp Recloser ở những đ−ờng dây có hai nguồn cung cấp phải trang bị rơle kiểm tra đồng bộ RKĐ để loại trừ khả năng hoà điện phi đồng bộ giữa hai hệ thống. Đối với l−ới điện trung áp ở khu vực miền Trung, đ−ờng dây có hai nguồn chủ yếu là mạch kết nối giữa l−ới điện quốc gia và các nguồn thuỷ điện vừa và nhỏ cũng nh− một số khu công nghiệp có nguồn phát dự phòng tại chỗ.

Phần điều khiển và bảo vệ của Recloser:

1) Các đ−ờng đặc tính tác động Ampe giây

Các Recloser thế hệ mới sử dụng tủ điều khiển điện tử, vi xử lý có hệ thống các đ−ờng đặc tính Ampe giây (Time Current Characteristic curves) theo các tiêu chuẩn ANSI và các đ−ờng đặc tính lập trình bởi ng−ời dùng để có thể linh hoạt trong phối hợp đặc tính với các Recloser khác hay với các thiết bị bảo vệ nh− rơle máy cắt hay các cầu chì.

2) Chu trình tác động và khoảng thời gian đóng lại:

Chu trình tác động yêu cầu của Recloser phải đ−ợc lựa chọn căn cứ vào thực tế của hệ thống và yêu cầu phối hợp với các thiết bị phân đoạn khác, cũng nh− với hệ thống rơle máy cắt xuất tuyến trạm nguồn.

Chu trình tác động chuẩn của các nhà sản xuất Recloser với các tủ điều khiển điện tử, vi xử lý hầu hết đáp ứng với các chế độ cài đặt và các yêu cầu phối hợp đối với các thiết bị bảo vệ khác trên l−ới phân phối. Recloser có thể cài đặt số lần cắt đi đến cắt hẳn là 4 lần theo chu trình nh− sau:

Mở – t1 - đóng/mở – t2 - đóng/mở – t3 - đóng/mở.

Các khoảng thời gian đóng lại t₁, t₂, t₃ có thể điều chỉnh độc lập với các dải điều chỉnh nh− sau:

Bảng 4.2: Dải thời gian chỉnh định của các loại Recloser

Nhà sản xuất t₁ t₂ t₃

Cooper 0,5 – 45s 1,8 – 45s 1,8 – 45s Nulec 0,5 – 180s 2 – 180s 2 – 180s Whipp & Bourne 0,25 – 180s 0,25 – 180s 0,25 – 180s

4.4.2. Các thiết bị chính theo từng giai đoạn a. Các thiết bị chính của DAS giai đoạn 1: a. Các thiết bị chính của DAS giai đoạn 1:

Thiết bị của DAS ở giai đoạn 1 bao gồm các dao cắt chân không (PVS), rơle phát hiện sự cố (FDR) và biến áp cấp nguồn (SPS) lắp đặt trên cột ở các phân đoạn xuất tuyến phân phối và một bộ chỉ thị phân đoạn sự cố (FSI) lắp đặt tại trạm.

Hình 4.9: Các thiết bị cơ bản của hệ thống DAS ở giai đoạn 1

Trong đó:

CB: Máy cắt trang bị ở đầu xuất tuyến. FSI: Bộ chỉ thị phần tử bị sự cố

PVS: Dao cắt treo trên cột buồng cắt chân không FDR: Rơ le phát hiện sự cố

SPS: Biến áp cấp nguồn

FSI có thể phát hiện vùng sự cố bằng bộ đếm thời gian từ khi MC xuất tuyến tự đóng lại đến khi cắt lại lần thứ hai.

Hợp bộ PVS, FDR và SPS tạo thành một bộ dao cách ly phân đoạn tự động (Sectionalizer) có thể thực hiện chức năng tự động tách phân đoạn đ−ờng dây bị sự cố. Dao cách ly phân đoạn tự động (DPĐTĐ) không có khả năng cắt dòng ngắn mạch nh−ng đóng đ−ợc dòng điện ngắn mạch.

Với nguyên lý phối hợp theo thời gian của FDR, DPĐTĐ sẽ tự động mở tiếp điểm để cách ly phân đoạn sự cố trong lúc máy cắt đầu nguồn đi mở.

CB ^PVS PVS SPS _SPS FSI FDR FDR (1) ⁽²⁾

Nguyên lý cấu tạo của hợp bộ DPĐTĐ nh− hình vẽ sau:

Hình 4.10: Nguyên lý cấu tạo của hợp bộ DPĐTĐ

DPĐTĐ giữ ở trạng thái đóng khi cuộn dây có điện đ−ợc cấp từ bộ nguồn SPS. Nó giữ nguyên trạng thái đóng khi đ−ờng dây có điện và nó mở ra khi đ−ờng dây bị cắt điện.

Điện áp đ−ợc cung cấp đến cuộn dây của PVS khi SPS có điện và tiếp điểm Y của FDR đóng.

* Điều kiện để tiếp điểm Y đóng: PVS SPS cuộn dây SPS FDR Y SW SW2 Đóng bằng cần của FDR (đóng bằng tay)

a (Đóng sau thời gian X)

Cắt bằng cần của FDR (cắt bằng tay)

Ghi chú: Thời gian X – Time thời gian đóng

- PVS có điện dài hơn 1 khoảng thời gian X (thời gian đóng), tiếp điểm a đ−ợc đóng.

- Cần FDR cài đặt ở vị trí “MANUAL ON”

* Điều kiện để tiếp điểm Y mở:

- Cuộn dây của PVS không có điện. - Cần FDR ở vị trí “MANUAL OFF”

* Các chức năng chính của FDR:

FDR có hai chế độ làm việc, một chế độ khi PVS vận hành ở vị trí th−ờng đóng và một chế độ khi PVS vận hành ở vị trí th−ờng mở. Các chế độ làm việc này có thể chuyển đổi qua lại bằng cần truyền động bằng tay đặt ở bên d−ới FDR. Tính năng này nhằm để cho các PVS thích ứng với các ph−ơng thức vận hành thay đổi th−ờng xuyên của l−ới điện phân phối.

CB ^PVS PVS SPS SPS FSI FDR FDR (1) ⁽²⁾ OFF ^ON PVS_{( 2 )} FDR₍₁₎ PVS₍₁₎ ON Y ON Y CB FDR_{( 2 )} X X hỉ

Hình 4.11: Sơ đồ phối hợp thời gian cài đặt của FDR

X: Thời gian đóng, bắt đầu đếm khi FDR phát hiện có điện áp nguồn. PVS đóng sau thời gian X và khởi động đếm thời gian Y (thời gian phát hiện sự cố). FDR sẽ bị khoá khi nó bị mất điện áp nguồn trong khoảng thời gian Y.

Điều kiện phối hợp thời gian cài đặt:

X > Y > thời gian phát hiện một sự cố cho đến khi MC cắt (bằng thời gian của rơle + thời gian cắt của máy cắt).

*Tr−ờng hợp đ−ờng dây có một nguồn cung cấp:

A a B b C D ^E c e d A _a B _b C ^c D _d E e A _a B C ^c b ^D d ^E e A _a B _b C c D e d E A _a B C c b ^D d E e A _a B _b C c e E D _d c A a B b C D d E ^e (1) Tình trạng bình thuờng (2) Cắt lần đầu (3) Đóng lặp lại lần đầu (4) Tự động đóng cầu dao B (5) Tự động đóng cầu dao D (6) Cắt lần 2 sau khi đóng cầu dao D do có sự cố (7) Đóng lặp lại lần 2 PVS: Cắt FCB: Cắt FCB: Đóng PVS: Đóng (6) Cắt lần 2 sau khi đóng cầu dao C do có sự cố

Hình 4.12: Nguyên tắc hoạt động ở l−ới điện hình tia.

Giải thích nguyên tắc hoạt động tr−ờng hợp mạng 1 nguồn cung cấp: 1. Máy cắt A và tất cả các dao phân đoạn B, C, D, E đ−ợc đóng trong suốt thời gian vận hành bình th−ờng (không sự cố)

2. Khi sự cố xuất hiện trong đoạn C, MC A sẽ cắt, dẫn đến mở tất cả các dao phân đoạn B, C, D, E do mất điện áp nguồn.

3. MC “A” đóng lại lần đầu sau khoảng thời gian đóng lại đầu tiên là