Như đã nêu trong mục 1-2, việc sử dụng máy vi tính trong thiết kế, lập chương trình làm việc của các bộ phận bảo vệ tại những điểm khác nhau trong lưới điện đang là vấn đề thời sự đối với chúng ta. Do sự phức tạp của hệ thống điện được bảo vệ cũng như yêu cầu được xử lý những thông tin một cách nhanh chóng và tiếp nhận quyết định cắt máy cắt, nên những nguyên tắc điều khiển học đóng một vai trò rất quan trọng nhằm đảm bảo sự làm việc tốt nhất của bộ phận bảo vệ.
Sau đây, để làm cơ sở cho việc nghiên cứu cụ thể các trường hợp bảo vệ trong lưới điện, chúng tôi xin trình bày một số ví dụ trong việc phân tích và thiết kế sơ đồ bảo vệ bằng điện tử, vi mạch với nhiều đại lượng ngõ vào khá điển hình trong lưới cung cấp điện đó là bảo vệ khoảng cách.
•BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH.
Bảo vệ khoảng cách là bảo vệ rất hay dùng trong bảo vệ đường dây điện áp cao. So sánh với bảo vệ thông qua tần số cao cũng được dùng đối với đường dây này, thì bảo vệ khoảng cách có ưu điểm là nó tác động tuỳ theo giá trị của một số đại lượng (điện áp, dòng điện), được đo ở cùng một điểm (ở điểm đặt của bảo vệ), trong khi bảo vệ thông qua tần số cao tác động tuỳ theo đại lượng ở những đầu khác nhau của đường dây, tức là cần phải có kênh viễn thông để truyền đi những đại lượng xác định nào đó. Trái lại, bảo vệ khoảng cách không thể đảm bảo loại trừ sự cố nhanh chóng ở trên toàn bộ chiều dài của đường dây được bảo vệ, còn bảo vệ thông qua tần số cao có thể đảm bảo loại nhanh sự cố tương tự.
Trong tình hình phát triển hiện nay, do tăng liên tục mức độ nối với hệ thống điện nên hệ thống điện ngày càng mở rộng. Do đó, đặc tính tác động của bảo vệ khoảng cách sẽ đặt ra những điều kiện ngày càng phức tạp nhằm đảm bảo tính chọn lọc và để tránh tác động sai.
Hình vẽ 1-31a
Những điều kiện đảm bảo tính chọn lọc sẽ ngày càng tốt hơn khi diện tích các hình tứ giác tương ứng với tất cả các điểm ngắn mạch trực tiếp hay thông qua hồ quang càng gần bằng diện tích được giới hạn bởi đường đặc tính tác độngtrong mặt phẳng phức (đôi khi hình tứ giác này có tên là hình tứ giác sự cố trong vùng hay tứ giác sự cố).
Ở trường hợp của bảo vệ khoảng cách 1 được đặt ở đầu A của đường dây L-1 (hình 1-31a) để bảo vệ đoạn AB của đường dây, thì hình tứ giác sự cố được giới thiệu ở hình 1-31b.
Hình vẽ 1-31b Hình vẽ 1-31c
Đối với sự cố trực tiếp (không thông qua hồ quang), ở điểm B là điểm giới hạn vùng được bảo vệ, thì tổng trở của đường dây giữa các điểm A và B được giới thiệu ở trong mặt phẳng phức của tổng trở là véc tơ phức Z ngmB. Khi sự cố trực tiếp càng gần điểm A, thì modun của véc tơ phức càng giảm dần và đến trị ׀ Z ngmB = ׀0 ở trường hợp sự cố tại A. Còn ac-gumen sẽ không đổi (trong thực tế nó có giá trị từ 60o - 80o được xác định bởi quan hệ giữa điện kháng và điện trở của đường dây).
Nếu ở điểm B xuất hiện sự cố thông qua hồ quang có điện trở R, hqB vậy ta có tổng trở ZtB của mạch có giá trị bằng tổng véc tơ hình học sau.:
ZtB = ZngmB + R hqB
Mộ cách tương tự, nếu sự cố thông qua hồ quang tại A ta được: ZtA = ZngmA + R hqA = R hqA
KHi sự cố thông qua hồ quang ở giữa điểm A và điểm B, ta sẽ được vectơ phức Zt mà đỉnh của vectơ này nằm trên đường thẳng M’N’.
Hình tứ giác MM’N’N biểu thị tứ giác sự cố. Thực tế ta thấy giá trị R hqA bé hơn giá trị R hqB một ít, còn trong đại đa số các trường hợp giữa môđun R hqB và ZngmB có quan hệ
R hqB = 0.6 ZngmB
Muốn cho bảo vệ tác động đúng ở bất kỳ sự cố nào nằm trong đoạn được bảo vệ AB ( vừa ở sự cố trực tiếp vừa ở sự cố thông qua hồ quang) thì toàn bộ hình tứ giác sự cố phải nằm bên trong vùng tác động của đặc tính bảo vệ khoảng cách 1 (hình 1-31c).
Mặt khác để đạt được xác xuất tác động không chọn lọc (tác động sai) bé nhất của bảo vệ đối với nhiều chế độ sự cố khác nhau ở đoạn được bảo vệ AB (ví dụ các sự cố ngắn mạch bên ngoài vùng, chế độ quá tải, sự cố giao động) thì diện tích chênh lệch của vùng tác động và diện tích hình tứ giác sự cố phải bé nhất. Chính vì vậy, người ta đã thực hiện những rơle tổng trở có đặc tính tác động hình elip (hình 1-31d). Ở hình 1-31d này diện tích đặc tính tác động và diện tích tứ giác sự cố hầu như xếp chồng nhau.
Trong trường hợp tối ưu theo quan điểm của tính lựa chọn, thì đặc tính tác động phải trùng với hình tứ giác sự cố này, tức là loại trừ khả năng một số tác động sai khi không có dòng điện ngắn mạch trong vùng được bảo vệ. Như đã nêu trên, chính vì lý do đó , trong những năm sau này người ta đã cố gắng thực hiện những rơle có đường đặc tính tác động có dạng đường cong đơn (ví dụ: elíp, vòng v.v…), đôi lúc người ta gọi tắt các đường đặc tính đơn, hoặc với những đặc tính có dạng rất
nhiều đường cong. Trong trường hợp trung gian nhiều đường cong, thì vùng tác động sẽ là kết quả của một sự tổ hợp của các vùng tác động được giới hạn bởi nhiều đường đặc tính của mặt phẳng tổng trở phức. Chúng ta sẽ gọi đặc tính này là đặc tính tổ hợp.
Hình vẽ 1-31d
Ví dụ như đặc tính tác động được gạch chéo ở hình 1-32a, đó là đặc tính tổ hợp, vì rằng vùng tác động là kết quả của sự hợp nhất của các vùng tác động được xác định bởi các đường tròn 1 và 2. Đặc tính tổ hợp này có thể có được nhờ hai rơle mà tiếp điểm của chúng được nối song song nhau (ở đây giả thiết với loại rơle điện cơ), hoặc với sơ đồ ‘HOẶC’ ở rơle thực hiện theo mạch logic. Mỗi rơle có một trong hai đặc tính hình vòng. Ở một số trường hợp khác, ví dụ như hình 1-32b, vùng tác động được xác định bởi một dặc tính tổ hợp và nó có thể là: giao tuyến của nhiều đường đặc tính. Những tiếp điểm của hai rơle có các đường đặc tính vòng 1 và 2, được nối tiếp với nhau (sơ đồ mạch ‘VÀ’), là vùng tác động được gạch chéo, biểu thị diện tích chung của cả hai đường đặc tính vòng (hình 1-32b).
Hình vẽ 1-32
Do hình tứ giác sự cố được tạo thành từ 4 đoạn thẳng cho nên hiện nay ta thích dùng các đường đặc tính tác động gồm từ những đường đặc tính tuyến tính. Vì rằng những đặc điểm tính tổ hợp tạo nên từ những đường đặc tính vòng không thể trùng thật khít được với tứ giác sự cố, tức là có thể xảy ra là: ở toàn vùng tác động có thể có những khu vực ngoài tứ giác sự cố và do đó những khu vực nằm ngoài này sẽ không tương ứng với sự cố ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ.
Nếu các đường đặc tính thành phần càng đơn giản thì các đường đặc tính tổ hợp được tạo thành từ các đường đặc tính này cũng đơn giản, do đó có thể thực hiện qua trung gian so sánh biên độ hay trung gian kiểm tra lệch pha. Do vậy, như đã biết, với những số liệu được công bố trong những tài liệu chuyên ngành, cho ta thấy rằng: đối với các rơle điện tử, người ta thích dùng bộ phát hiện pha, vì bộ phát hiện pha cho phép thực hiện dễ dàng đối với các rơle có đường đặc tính tổ hợp. Ưu điểm này sẽ được trình bày rõ hơn khi phân tích thực hiện các đặc tính tổ hợp có hình đa giác. Thêm vào đó, do phẩm chất ưu việt của các phần tử chuyển mạch nên các tranzitror có thể đảm bảo các điều kiện thật tốt trong việc kiểm tra sự lệc pha.
Thông thường, ta muốn chiều dài của vùng AB (hình 1-31a) phải rất gần với chiều dài toàn bộ đường dây L-1 cần được bảo vệ. Nhưng trong thực tế chiều dài của vùng AB (là vùng 1 của đường đặc tính thời gian theo cấp - hình 1-33b) chỉ biểu thị 89-90% chiều dài của đường dây. Điều này đưa đến một số ưu điểm là để tránh được một số tác động không chọn lọc của bảo vệ 1 khi sự cố xuất hiện ở điểm bắt đầu của đường dây L-2 (tác động do sai số của rơle tổng trở). Thật vậy, nếu vùng AB (được tác động nhanh của bảo vệ 1) sẽ kéo dài đến thanh góp C, thì khi sự cố tại K rất gần thanh góp C, sai số đo lường của rơle 1 có thể đưa đến tác động không chọn lọc, cụ thể là: rơle bảo vệ 1 khi đo tổng trở của mình để tác động thì sẽ có một sai số đo lường, chính sai số đo lường đó sẽ làm cho rơle 1 và 2 sẽ tác động nhanhvà sẽ đưa đến khả năng mở máy cắt điện của đường dây L-1 trước khi mở máy cắt điện của đường dây L- 2. Như vậy là đã làm ngưng một cách vô ích sự làm việc của đường dây L-1 và dẫn đến ngừng cung cấp điện cho thanh góp C. (Trong khi ta muốn: nếu sự cố ngắn mạch ở K thì chỉ có rơle 2 tác động mà thôi, đường dây L-2 ngừng cung cấp, song các hộ tiêu thụ được nối với thanh góp C vẫn được cung cấp điện từ đường dây L-1).
của nấc 2 (đường đặc tính thời gian hình 1-33b). Sự kiện này là nhược điểm của bảo vệ khoảng cách so với bảo vệ thông qua tần số cao.
Đồng thời, do đặc tính thời gian theo từng nấc như hình 1-33b, nên bảo vệ khoảng cách còn có ưu điểm như một bảo vệ dự trữ có thời gian trì hoãn cho đường dây bên cạnh.
Thật vậy, như trường hợp ngắn mạch ở K, nếu sự cố không được loại trừ nhanh bởi bảo vệ 2 của đường dây tương ứng (L-2) thì rơle 1 sẽ sau một thời gian trì hoãn taII. Như vậy, rơle khoảng cách Z1 đã tác động sau một thời gian trì hoãn đối với các sự cố xuất hiện bên ngoài đường dây được đặt bảo vệ (đường dây AB).