4. Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây trung áp 2
2.3. Một số giải pháp nâng cao khả năng sẵn sàng của hệ thống bảo vệ
Một hệ thống bảo vệ bao gồm các rơle và các thiết bị phụ trợ khác, khi xảy ra sự cố các rơle sẽ gửi tín hiệu đến cắt các máy cắt để loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống điện. Tùy theo mức độ quan trọng của đối tượng được bảo vệ, cấp điện áp... mà hệ thống bảo vệ có thể sử dụng các thiết bị bảo vệ từ đơn giản như cầu chì, áp tô mát đến các thiết bị bảo vệ hiện đại như các rơle kỹ thuật số.
Hệ thống bảo vệ được thiết kế dựa trên nguyên tắc phải đảm bảo luôn sẵn sàng, phát hiện những trạng thái làm việc không bình thường và loại trừ các sự cố một cách nhanh nhất tránh ảnh hưởng đến các thiết bị được bảo vệ. Để tăng cường mức độ sẵn sàng thì hệ thống rơle thường được thiết kế theo nguyên tắc:
- Sử dụng hệ thống có các rơle tại chỗ dự phòng cho nhau.
- Hệ thống rơle luôn có các bảo vệ dự phòng cấp trên để đảm bảo loại trừ được sự cố khi các bảo vệ tại chỗ bị hư hỏng (có vùng chồng lấn giữa bảo vệ tại chỗ và bảo vệ dự phòng từ xa), hình 2.1.
Giải pháp tăng cường dự phòng của hệ thống bảo vệ: sử dụng thêm một hoặc nhiều các thiết bị bảo vệ dự phòng phối hợp với thiết bị bảo vệ chính để tránh việc hệ thống điện cùng bị một loại sự cố dẫn tới không cắt được máy cắt loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống điện.
Hệ thống bảo vệ có dự phòng được sử dụng chủ yếu ở lưới điện truyền tải vì lý do: Nếu không có hệ thống bảo vệ dự phòng thì khi hư hỏng thiết bị sẽ dẫn tới phải cắt sự cố bằng các bảo vệ cấp trên và dẫn tới kéo dài thời gian loại trừ sự cố. Việc kéo dài thời gian loại trừ sự cố có thể dẫn tới các hậu quả nghiêm trọng như mất ổn định, rã lưới. Hệ thống bảo vệ dự phòng cũng được sử dụng phổ biến đối với máy phát điện và máy biến áp công suất lớn.
Các phương thức thiết kế hệ thống bảo vệ dự phòng bao gồm:
- Sử dụng hai bộ rơle, cùng chức năng để bảo vệ cho một đối tượng (máy biến áp, đường dây, máy phát điện...).
- Sử dụng thêm các kênh thông tin dự phòng.
- Thiết kế các hệ thống mạch dòng điện và mạch điện áp riêng biệt cho hai bộ rơle bảo vệ.
- Sử dụng hệ thống nguồn điện một chiều riêng.
- Sử dụng máy cắt có hai cuộn cắt, các cuộn cắt được điều khiển bằng các mạch cắt riêng với nguồn một chiều độc lập với nhau. Đối với máy cắt điện do không thể đầu tư máy cắt dự phòng nên cần được trang bị bảo vệ dự phòng hư hỏng máy cắt.
- Công nghệ chế tạo rơle kỹ thuật số ngày càng phát triển, cho phép trên cùng một loại rơle tích hợp sẵn nhiều tính năng bảo vệ. Do đó, việc áp dụng hệ thống bảo vệ có dự phòng ở các cấp điện áp khác nhau đã trở nên phổ biến và kinh tế hơn. Tuy nhiên, việc tăng cường các rơle bảo vệ cũng có thể dẫn tới khả năng hệ thống bị mất an toàn do các tác động không mong muốn của hệ thống này. Để tránh các trường hợp này thì với các hệ thống có nhiều rơle cần xem xét thiết kế logic cắt máy cắt chỉ khi có ít nhất hai bảo vệ cùng tác động.
- Sử dụng các rơle của các hãng khác nhau cùng bảo vệ cho một đối tượng (máy biến áp, đường dây tải điện, máy phát điện...) để tránh việc xảy ra cùng một lỗi hư hỏng. Một số kỹ sư cho rằng việc sử dụng các rơle với các nguyên tắc hoạt động khác nhau và sử dụng nền tảng phần cứng khác nhau sẽ làm giảm nguy cơ hoạt động sai của rơle vì thế đã đề nghị khi thiết kế sơ đồ dự phòng thì không sử dụng cùng một loại rơle bảo vệ của cùng một hãng. Tuy nhiên hiện nay các rơle có thể sử dụng chung các thiết bị phần cứng của một số nhà sản xuất dẫn tới việc sử dụng các rơle của các hãng khác nhau có thể không cần thiết, thực tế cho thấy xác suất cùng một phần tử bị hư hỏng cùng một thời điểm với hai rơle giống nhau là rất thấp.
- Trường hợp sử dụng rơle của cùng một hãng sản xuất (giống hệt nhau) trong một hệ thống bảo vệ chính cho một đối tượng được bảo vệ có những ưu điểm sau:
+ Hai hệ thống giống nhau cho phép các kỹ sư thiết kế một hệ thống và sử dụng được hai lần: giảm nhân công khi cài đặt, cấu hình; tránh được các lỗi khi cài đặt; giảm xác suất nhầm lẫn của con người.
+ Đảm bảo sự phối hợp bảo vệ tốt hơn do hai hệ thống bảo vệ giống nhau. + Giảm chi phí và giá thành tích hợp vào hệ thống tự động hóa trạm. + Các nhân viên vận hành sẽ dễ sử dụng do có chung giao diện.
+ Các kỹ sư có thể phân tích dữ liệu với cùng một loại công cụ và kỹ năng.
+ Nhân viên có thể chỉ cần đào tạo chuyên sâu về một loại rơle thay vì phải học cách sử dụng hai rơ le cho cùng một mục đích.
+ Xử lý sự cố đơn giản hơn, dễ dàng hơn cho người sử dụng để so sánh các báo cáo của hai rơle giống hệt nhau cho cùng một sự cố.
Ví dụ minh họa về phương thức bảo vệ máy biến áp không có/ có dự phòng:
Hình 2.2. Hệ thống bảo vệ máy biến áp không có dự phòng
Từ sơ đồ hệ thống bảo vệ máy biến áp không có dự phòng hình 2.2 cho thấy, đối tượng bảo vệ chính là máy biến áp (MBA) và được bảo vệ bởi bảo vệ 1 (BV1), khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ của BV1 giới hạn bởi các máy biến dòng điện (BD1, BD2), BV1 sẽ gửi tín hiệu đến cắt các máy cắt điện ở hai đầu của máy biến áp (MC1, MC2), loại trừ sự cố đảm bảo an toàn cho máy biến áp. Nhưng vì một lý do nào đó, máy biến áp không được cắt ra khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ của BV1 (bảo vệ tác động không đúng, hư hỏng nguồn một chiều DC, máy cắt không cắt...), dòng ngắn mạch tồn tại và tiếp tục làm hư hỏng cách điện của máy biến áp.
Để khắc phục nhược điểm của hệ thống bảo vệ không có dự dòng, người ta sử dụng hệ thống bảo vệ có dự phòng. Sơ đồ hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng được thiết kế như hình 2.3.
MBA
MC1 BD1 BD2 MC2
TC1 TC2
BV1
Hình 2.3. Hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng
Hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng như hình 2.3, sử dụng sơ đồ bảo vệ kép bao gồm hai bảo vệ (BV1 và BV2). Tín hiệu dòng điện cấp cho các bảo vệ BV1, BV2 được lấy từ các cuộn riêng rẽ của máy biến dòng hoặc lấy từ các máy biến dòng khác nhau (BD1, BD2 cho BV1; BD3, BD4 cho BV2). Hệ thống rơle bảo vệ sử dụng hai nguồn điện một chiều độc lập (DC1, DC2) và các máy cắt phía cao áp (MC1) và máy cắt hạ áp (MC2) đều có hai cuộn cắt dự phòng cho nhau. Khi xảy ra sự cố máy biến áp, một hoặc cả hai bảo vệ (BV1, BV2) tác động, gửi lệnh cắt đi cắt cả hai máy cắt phía cao áp và hạ áp, cô lập điểm sự cố.
Trong sơ đồ dự phòng thường giả thiết các thiết bị dự phòng có chất lượng tương đương nhau về các chỉ số như độ nhạy và về tốc độ hoạt động.