Giới thiệu một số thiết bị đóng cắt tự động

6. Kết cấu của luận văn

2.3. Giới thiệu một số thiết bị đóng cắt tự động

- Máy cắt tự động

Máy cắt điê ̣n cao áp dùng để đóng, cắt ma ̣ch khi có dòng phu ̣ tải và cả khi có dòng ngắn mạch. Thiết bị này chỉ tự động cắt khi có sự cố trên đường dây, thao tác đóng lại sẽ được thao tác bằng tay.

Máy cắt cao áp là cơ cấu đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tu ̣c và cắt dòng điê ̣n trong điều kiê ̣n bình thường và cả trong thời gian giới ha ̣n khi xảy ra điều kiện bất thường trong ma ̣ch (ví du ̣ như ngắn ma ̣ch). Máy cắt được sử du ̣ng để đóng mở đường dây trên không, các nhánh cáp, máy biến áp, cuô ̣n kháng điê ̣n và tu ̣ điê ̣n. Yêu cầu với chúng phải cắt nhanh, khi đóng/cắt không gây nổ hoă ̣c cháy, kích

thước go ̣n nhe ̣, giá thành ha ̣. Trong máy cắt cao áp, vấn đề dâ ̣p tắt hồ quang khi cắt ngắn ma ̣ch rất quan tro ̣ng. Do vâ ̣y thường căn cứ phương pháp dâ ̣p hồ quang để phân loại máy cắt.

- Máy cắt nhiều dầu: Dầu vừa là chất cách điê ̣n đồng thời sinh khí để dâ ̣p tắt hồ quang.

- Máy cắt ít dầu: Lượng dầu ít chỉ đủ sinh khí dâ ̣p tắt hồ quang còn cách điê ̣n là chất rắn.

- Máy cắt không khí: Dùng khí nén để dập tắt hồ quang.

- Máy cắt tự sinh khí: Dùng vâ ̣t liê ̣u cách điê ̣n có khả năng tự sinh khí dưới tác dụng của nhiê ̣t độ cao của hồ quang. Khí tự sinh ra có áp suất cao dâ ̣p tắt hồ quang.

- Máy cắt điện từ: Hồ quang được dâ ̣p trong khe he ̣p làm bằng vâ ̣t liê ̣u rắn chịu được hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe.

- Máy cắt chân không: Hồ quang được dâ ̣p trong môi trường chân không. - Máy cắt SF6: Dùng khí SF6 để dâ ̣p hồ quang.

Nguyên lý cắt của máy cắt đó là việc dập tắt hồ quang. Trong máy ngắt cao áp, thiết bị dập hồ quang là bộ phâ ̣n chính, khi ngắt ma ̣ch điê ̣n ở đó xảy ra các quá trình cơ bản dâ ̣p hồ quang và tiếp theo đó là phu ̣c hồi đô ̣ bền về điê ̣n giữa các khoảng trống tiếp điểm. Quá trình xảy ra rất phức ta ̣p, phu ̣ thuộc vào sự làm viê ̣c của kiểu thiết bi ̣ dâ ̣p hồ quang, phu ̣ thuô ̣c khả năng dâ ̣p hồ quang của thiết bi ̣ và phu ̣ thuộc vào đặc tuyến của quá trình đó. Dạng đă ̣c tuyến của quá trình này phu ̣ thuô ̣c vào nguyên tắc tác đô ̣ng của thiết bi ̣ và vào các đă ̣c điểm kết quả từng chi tiết của máy cắt. Vì vậy việc tính và thiết kế thiết bị dâ ̣p hồ quang là một trong các nhiê ̣m vụ quan trọng khi thiết kế máy cắt. Trong tính toán cần phải xác đi ̣nh các tham số củ a thiết bi ̣ và các đặc tuyến của nó.

- Phạm vi ứng dụng của máy cắt: Máy cắt thường được dùng trong các nhà máy, xí nghiệp, trạm biến áp trung gian nơi có người trực vận hành.

Hình 2-11: Máy cắt trung thế

2.3.2. Thiết bị đóng lặp lại tự động Autoreclosers

Phần lớn sự cố trong hệ thống phân phối điện là sự cố thoáng qua. Vì vậy, để tăng cường độ liên tục cung cấp điện cho phụ tải, thay vì sử dụng máy cắt người ta sử dụng máy cắt thường đóng lại (Recloser). Thực chất máy cắt tự đóng lại là máy cắt có kèm thêm bộ điều khiển cho phép người ta lập trình số lần đóng cắt lập đi lập lại theo yêu cầu đặt trước. Đồng thời đo và lưu trữ 1 số đại lượng cần thiết như: U, I, P, thời điểm xuất hiện ngắn mạch. Khi xuất hiện ngắn mạch Recloser mở ra (cắt mạch) sau một thời gian t1 nó sẽ tự đóng mạch. Nếu sự cố còn tồn tại nó sẽ cắt mạch, sau thời gian t2, Recloser sẽ tự đóng lại mạch. Và nếu sự cố vẫn còn tồn tại nó sẽ lại cắt mạch và sau thời gian t3 nó sẽ tự đóng lại mạch một lần nữa và nếu sự cố vẫn còn tồn tại thì lần này Recloser sẽ cắt mạch luôn. Số lần và thời gian Recloser đóng cắt do người vận hành lập.

Nguyên lý làm việc: Khi đường dây đang tải bình thường, trong khoảng cho phép của dòng điện làm việc đối với các thiết bị, RC không có bất kỳ một tác động nào, các tiếp điểm của RC liền mạch (CLOSE), đột nhiên có dòng sự cố đi qua đường dây các tiếp điểm của RC sẽ hở mạch (RC sẽ TRIP). Nếu là sự cố thoáng qua, giả sử như có sự va chạm dây pha với đất (do cây va vào, rắn bò,…) khi bị cúp điện hồ quang tại nơi sự cố coi như bị dập tắt, sau thời gian cúp điện đường dây trở

lại bình thường ở dạng vật lý, theo quy định, đường dây sẽ được cung cấp điện trở lại, nếu dòng điện trên đường dây không bị vượt quá mức cho phép, hộ tiêu thụ điện sẽ được cung cấp điện liên tục trở lại, nếu sự cố vẫn tiếp tục duy trì RC. Sẽ cắt (TRIP) tiếp tục, sau số lần đóng lại (theo lập trình) mà vẫn không phục hồi được sự cố RC sẽ cắt vĩnh viễn (look out) chờ người sửa chữa đến kiểm tra phục hồi sự cố.

Phạm vi ứng dụng:

- Recloser thường được trang bị cho những đường trục chính công suất lớn và đường dây dài đắt tiền.

- Ngoài ra thiết bị trên còn cho phép các nhà kỹ thuật theo dõi một cách tin cậy nhất các tình trạng tác động của thiết bị, tình trạng hoạt động của phụ tải trong một khoảng thời gian lớn, nhờ vào bộ phận lưu trữ dữ liệu sự cố, tin cậy đảm bảo thông tin không bị mất đi khi xảy ra bất cứ trường hợp nào.

Mô hình thiết bị:

Hình 2-12: Autorecloser trung thế

2.3.3. Dao phân đoạn tự động

Áp dụng cho lưới hình tia một nguồn cung cấp có phân nhánh.

Ở đầu đường dây ta sử dụng máy cắt có trang bị rơle tự đóng lại hoặc sử dụng Recloser. Tại đầu mỗi phân nhánh, ta đặt một dao cách ly tự động (DCLTĐ). Khi xảy ra sự cố trên một nhánh rẽ nào đó, máy cắt đầu đường dây sẽ cắt. Trong khoảng thời gian không điện dao cách ly tự động ở đầu nhánh rẽ bị sự cố được tự động cắt ra, tách phần tử sự cố ra khỏi lưới điện.

Sau khi dao cách ly tự động đã tách nhánh sự cố, rơle tự đóng lại đặt ở đầu đường dây đóng trở lại máy cắt nguồn, khôi phục cấp điện cho các nhánh không bị sự cố.

Các dao ngắn mạch (DNM) được dùng để gây ngắn mạch nhân tạo phía trước máy biến áp với mục đích tăng độ nhậy cho bảo vệ đầu đường dây.

Hình 2-13: Sơ đồ sử dụng TĐL để loại trừ sự cố

Thời gian mất điện của phụ tải được giảm xuống nhiều lần so với phương pháp thủ công.

2.4. Kết luận chương 2

Nội dung chương 2 tác giả đã cơ bản giới thiệu được mô hình và nguyên lý làm việc của hệ thống tự động phân phối điện DAS. Để đánh giá được hiệu quả của hệ thống này ta cần dựa vào các chỉ tiêu đánh giá đối với hệ thống cung cấp điện, cụ thể là độ tin cậy hay tính liên tục cung cấp điện khi áp dụng DAS.

Chương 3

CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG

3.1. Độ tin cậy cung cấp điện

Độ tin cậy là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định [2].

Như vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể, trong một thời gian nhất định và trong một hoàn cảnh nhất định.

Mức đo độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định và xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống hay phần tử.

Đối với hệ thống hay phần tử không phục hồi, xác suất là đại lượng thống kê, do đó độ tin cậy là khái niệm có tính thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của hệ thống hay phần tử.

Đối với hệ thống hay phần tử phục hồi như hệ thống điện và các phần tử của nó, khái niệm khoảng thời gian không có ý nghĩa bắt buộc, vì hệ thống làm việc liên tục. Do đó độ tin cậy được đo bởi đại lượng thích hợp hơn, đó là độ sẵn sàng.

Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống hay phần tử hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ.

Độ sẵn sàng cũng là xác suất để hệ thống ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động.

Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, nó là xác suất để hệ thống hoặc phần tử ở trạng thái hỏng.

3.1.1. Độ tin cậy của hệ thống

Như đã giới thiệu ở phần trên, hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhiều phần tử, các phần tử liên kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp. Hệ thống điện thường nằm trên địa bàn rộng của một quốc gia hay vùng lãnh thổ. Khi các phần tử của hệ thống hư hỏng có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho từng vùng hoặc toàn hệ thống.

Khi xảy ra sự cố hệ thống sẽ gây mất điện trên diện rộng, một số sự cố nguy hiểm và lan rộng do lụt, bão, khi đó các đơn vị điện lực không đủ người, phương tiện, máy móc, thiết bị để phục hồi nhanh lưới điện trên một vùng địa lý rộng lớn và phức tạp.

3.1.2. Độ tin cậy của phần tử

Độ tin cậy của phần tử có ý nghĩa quyết định độ tin cậy của hệ thống. Các khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử cũng đúng cho hệ thống. Do đó nghiên cứu kỹ những khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần thiết. Ở đây sẽ xét cụ thể độ tin cậy của phần tử phục hồi và phần tử không phục hồi.

3.1.2.1. Phần tử không phục hồi

Phần tử phục hồi chỉ làm việc đến phần hỏng đầu tiên. Thời gian làm việc của phần tử từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi hỏng hay còn gọi là thời gian phục vụ T là đại lượng ngẫu nhiên, vì thời điểm hỏng của phần tử là ngẫu nhiên không biết trước.

Ta có hàm phân bố là FT(t) 2:

FT(t) = P (T  t) (3.1) P (T  t) là xác suất để phần tử làm việc từ thời điểm 0 đến thời điểm t bất kỳ; t là biến số. Đó cũng là xác suất để phần tử hỏng trước hoặc đúng thời điểm t.

Hàm mật độ là fT(t) 2: 0 1 ( ) lim ( ) T t f t P t T t t t         (3.2)

fT(t). t là xác suất để thời gian phục hồi T nằm trong khoảng (t, t + t) với

t đủ nhỏ.

Theo lý thuyết xác suất ta có:

  t T dt T t f t F 0 . ) ( ( ) (3.3) ( ) T ( ) T dF t f t dt 

Hàm phân bố và hàm mật độ là hai đặc trưng cơ bản của mỗi đại lượng ngẫu nhiên. Bây giờ ta xét các đại lượng cơ bản khác đặc trưng cho độ tin cậy của phần tử.

- Độ tin cậy R(t).

Theo định nghĩa độ tin cậy thì hàm tin cậy R(t) có dạng:

R(t) = P (T  t) (3.4) P (T > t) là xác suất để thời gian phục vụ lớn hơn t, cũng tức là hỏng hóc xảy ra ở sau thời điểm t.

So sánh (3.1) và (3.4) ta có:

R(t) = 1 - FT(t) (3.5) Hàm tin cậy R(t) có tính chất biến thiên từ 1 đến 0 (Hình3.1).

Hình 3.1: Hàm tin cậy R(t)

- Cường độ hỏng hóc (t).

Cường độ hỏng hóc được định nghĩa như sau: Với t đủ nhỏ thì chính là xác suất để phần tử đã phục vụ đến thời điểm (t).t sẽ hỏng trong khoảng tiếp theo [6].

) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( t t t R t t F f f T T T     (3.6) Công thức (3.6) cho quan hệ giữa các đại lượng: Hàm phân bố, hàm mật độ, độ tin cậy và cường độ hỏng hóc.

Nếu lấy logarit của R(t) rồi đạo hàm theo t, sẽ được [2]. 1 0 t FT(t) R(t) F(t) R(t)

   t dt t e t R 0 ) ( ) (  (3.7) Công thức (3.7) là công thức cơ bản cho phép tính được độ tin cậy của phần tử khi biết cường độ hỏng hóc của nó, còn cường độ hỏng hóc được xác định nhờ thống kê quá trình hỏng trong quá khứ của phần tử.

Trong hệ thống điện thường sử dụng điều kiện đầu: (t) =  = hằng số. Do đó:

R(t) = e-t ; FT(t) = 1 - e-t ; fT(t) = .e-t (3.8) Luật phân bố này gọi là luật phân bố mũ.

Thời gian làm việc trung bình [2]:

         0 0 0 ). ( ) ( . ). ( . dt R t dt dt t dR t dt t f t T LV T Với (t) = hằng số; R(t) = e-t do đó:  1  TLV (3.9) Công thức (3.9) cho quan hệ giữa thời gian làm việc và cường độ hỏng hóc của các phần tử có luật phân bố mũ.

Với phần tử không phục hồi, độ tin cậy được mô tả nhờ hoặc là (t) hoặc là R(t). Trong thực tế, các phần tử không phục hồi, (t) có dạng hình chậu (Hình3.2a), có thể chia làm 3 miền theo các thời kỳ sau:

- Thời kỳ I: Thời kỳ phần tử mới bắt đầu làm việc hay xảy ra hỏng do các khuyết tật khi lắp ráp, (t) giảm dần (thời kỳ chạy roda).

- Thời kỳ II: Thời kỳ làm việc bình thường của phần tử: (t) là hàng số. - Thời kỳ III: Thời kỳ già cỗi, (t) tăng dần.

Hình 3.2: Cường độ hỏng hóc (t)

Đối với các phần tử phục hồi như hệ thống điện, các phần tử này có các bộ phận luôn bị già hóa, do đó (t) luôn là hàm tăng, bởi vậy người ta phải áp dụng biện pháp bảo dưỡng định kỳ làm cho cường độ hỏng hóc có giá trị quanh một giá trị trung bình tb(Hình3.2b).

Khi xét khoảng thời gian dài, với các phần tử phục hồi có thể xem như (t) là hằng số và bằng tb để tính toán độ tin cậy.

3.1.2.2. Phần tử phục hồi

a. Sửa chữa sự cố lý tưởng, có thời gian phục hồi  = 0

Trong thực tế, đây là các phần tử hỏng được thay thế rất nhanh bằng phần tử mới (ví dụ như MBA). Phần tử được xem như luôn ở trong trạng thái tốt. Đại lượng đặc trưng cho hỏng hóc của loại phần tử này là:

Thông số của dòng hỏng hóc (t) [2]: 0 1 ( ) lim t t P t    

 (hỏng xảy ra trong khoảng (t, t + t) (3.10)

So với định nghĩa (t), ở đây không đòi hỏi điều kiện phần tử phải làm việc tốt từ đầu cho đến t, mà chỉ cần thời điểm t nó đang làm việc, điều kiện này luôn đúng vì phần tử luôn làm việc, khi hỏng nó được phục hồi tức thời.

Tương tự như (t) đại lượng (t).t là xác suất để hỏng hóc xảy ra trong khoảng (t, t + t). (t) tb t (t) I II II I t

b) Thời điểm bảo dưỡng

Với luật phân bố mũ, thông số dòng hỏng hóc (t) là hằng số và bằng cường độ hỏng hóc của phần tử: (t) =  [2].

Vì lý do này mà cường độ hỏng hóc và thông số của dòng hỏng hóc thường hiểu là một, trừ các trường hợp riêng khi thời gian làm việc không tuân theo luật mũ thì phải phân biệt.

b. Sửa chữa sự cố thực tế, thời gian phục hồi 

Phần tử chịu một quá trình ngẫu nhiên hai trạng thái: Trạng thái làm việc và trạng thái hỏng (Hình3.3).

Nếu khởi đầu phần tử ở trạng thái làm việc, thì sau thời gian làm việc TLV, phần tử phần tử bị hỏng và chuyển sang trạng thái hỏng phải sửa chữa. Sau thời gian sửa chữa xong , phần tử trở lại trạng thái làm việc.

Hình 3.3: Mô hình và giản đồ chuyển trạng thái (LV-làm việc, H-hỏng)

Ta cũng giả thiết rằng sau khi sửa chữa sự cố, phần tử được phục hồi như mới. Ở đây cần hai hàm phân bố xác suất: Hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái làm việc FLV(t) và hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái hỏng FH(t). Đó là sự khác nhau cơ bản giữa phần tử không phục hồi và phần tử phục hồi (Đối với phần tử