CHƯƠNG 3 : CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ RƠLE HỆ THỐNG ĐIỆN
3.1 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN
3.1.1 Nguyên tắc tác động
Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá một giá trị định trước. Theo phương pháp đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ quá dòng điện được chia làm hai loại:
Bảo vệ dòng điện cực đại, ký hiệu 51, 51N hoặc I>, I0> Bảo vệ dòng điện cắt nhanh, ký hiệu 50, 50N, hoặc I>>, I0>>
3.1.2 Bảo vệ dòng điện cực đại.
3.1.2.1 Chọn dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại.
Theo nguyên lý của bảo vệ, dòng điện khởi động của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại ILv.max của đường dây được bảo vệ. Tuy nhiên việc chọn dòng điện khởi động còn phụ thuộc vào nhiều điều kiện nặng nề hơn.
Xét trường hợp chọn dòng điện khởi động cho bảo vệ số 1 đặt trên đoạn AB của mạng điện trên Hình vẽ 3-1. Bình thường HTĐ làm việc với phụ tải cực đại, dòng điện qua bảo vệ là ILv.max. Tại thời điểm t1 xảy ra ngắn mạch tại điểm N, các bảo vệ 1 và 2 cùng khởi động. Đến thời điểm t2 bảo vệ 2 tác động (vì t2 < tl) cắt ngắn mạch. Điện áp trên thanh góp B được phục hồi, một số động cơ đặt gần đấy tự hãm trong thời gian ngắn mạch do điện áp sụt, lại tự mở máy và qua bảo vệ 1 có dòng điện tự mở máy Im.m.max lớn hơn dòng điện Ilvmax:
Im.m.max = kmm . Ilvmax (3-1) trong đó : kmm: là hệ số tự mở máy của các động cơ có trị số phụ thuộc vào loại động cơ,
vị trí tương đối giữa chỗ đặt bảo vệ và các động cơ, sơ đồ HTĐ và một số yếu tố khác, thông thường kmm = 2 3
Tuy có dịng điện Imm max chạy qua tại thời điểm t2, bảo vệ 1 vẫn phải trở về. Muốn vậy, dòng điện trở về của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện mở máy cực đại, nghĩa là:
Iv = kat .kmm .Ilvmax (3-2) trong đó: kat là hệ số an toàn, thường lấy kat = 1,1 1,2.
Từ quan hệ giữa dòng điện trở về IV và dòng điện khởi động Ikđ:
kđ V trv I
I k . Từ đó tính được dịng điện khởi động của bảo vệ: lvmax
v mm at kđ I k k . k I
Hình vẽ 3-1: Thí dụ về cách tính dịng điện khởi động của bảo vệ dịng điện cực đại a) Sơ đồ nguyên lý, b) Chọn dòng điện khởi động
Hệ số trở về kv của rơ le phụ thuộc tính chất cơ và điện của cấu tạo rơ le. Trong các rơ le lý tưởng kv = 1, nhưng thực tế do ma sát trong phần động và do một số yếu tố khác các rơ le có kv < 1.
Trong một số sơ đồ nối dây dòng điện thứ cấp IT trong biến dịng điện có thể khác với dịng điện IR đi vào rơ le. Ở tình trạng đối xứng sự khác nhau này được đặc trưng bằng hệ số sơ đồ k[3]sđ:
I[3]R = k[3]sđ .I[3]T
Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số biến đổi ni của biến dịng điện thì dịng điện khởi động của IkđR rơ le bằng:
max lv v i sđ ] 3 [ mm at R kđ I k . n k . k . k I (3-3)
Đối với những hệ thống điện phức tạp thì khi tính tốn cần phải quan tâm đến các đặc điểm cụ thể của HTĐ đang xét:
Ví dụ như hệ thống đường dây làm việc song song, thì cần phải quan tâm đến dòng điện làm việc cưỡng bức khi mà một đường dây bị cắt ra, lúc đó đường dây cịn lại sẽ phải mang tải của đường dây kia, lúc đó phải kiểm tra điều kiện q tải và dịng điện khởi động xem có vượt quá ngưỡng tác động hay khơng? Hoặc khi đường dây có trang bị thiết bị đóng lặp lại một lần, hoặc nhiều lần, thì phải đặc biệt quan tâm đến thời gian cắt ngắn mạch và thời gian trở về.
3.1.2.2 Chọn thời gian làm việc
Trong các lưới điện hở có một nguồn cung cấp, độ chọn lọc của bảo vệ dòng điện cực đại được đảm bảo bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc từng cấp. Thời gian làm
việc của hai bảo vệ kề nhau được chọn lớn hơn nhau một lượng Δt. Có thể chọn thời gian theo nguyên tắc độc lập hoặc theo nguyên tắc phụ thuộc.
3.1.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh
Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dịng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua chỗ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở đầu phần tử tiếp theo.
min CN L max CN L
Hình vẽ 3-2: Bảo vệ q dịng điện cắt nhanh, a) Sơ đồ nguyên lý, b) Cách chọn dòng điện khởi động
Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh: Ikđ = kat.INng.max trong đó:
INng.max: là dịng điện ngắn mạch ngồi lớn nhất thường được tính theo ngắn mạch ba pha trực tiếp tại điểm N với chế độ làm việc cực đại của hệ thống. kat: là hệ số an tồn, thường lấy bằng 1,2 ÷ 1,3.
Bảo vệ dòng điện cắt nhanh làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé (0,1s) để tránh cho bảo vệ làm việc mất chọn lọc khi có giơng sét và thiết bị chống sét tác động. Bảo vệ dịng điện cắt nhanh có nhược điểm là khơng bảo vệ được tồn bộ đối tượng, khi có ngắn mạch ở cuối phần tử (N1) bảo vệ cắt nhanh không tác động, mặt khác vùng tác động của bảo vệ LCN có thể thay đổi nhiều khi chế độ của hệ thống và dạng ngắn mạch thay đổi. Nhược điểm chung của nguyên lý quá dòng điện là khơng đảm bảo được tính chọn lọc của bảo vệ trong lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn cung cấp.
3.1.4 Bảo vệ dịng điện cực đại có bộ kiểm tra điện áp
Trong nhiều trường hợp bảo vệ quá dịng điện có thời gian với dịng điện khởi động chọn theo Ilvmax có thể khơng đủ độ nhậy, vì dịng điện làm việc cực đại Ilvmax chạy qua phần tử được bảo vệ có trị số quá lớn, chẳng hạn khi tách mạch vòng của lưới điện, khi cắt một số đường dây hoặc máy biến áp làm việc song song. Trong một số lưới điện với nguồn công suất
ngắn mạch yếu, nếu chọn theo dòng điện Ilvmax ở chế độ này thậm chí bất đẳng thức dưới đây khơng thể thoả mãn được:
max lv trv mm at kđ min N I k k . k I I (3-4)
Trong điều kiện như vậy, để nâng cao độ nhậy của bảo vệ q dịng điện có thời gian, đảm bảo cho bảo vệ có thể phân biệt được ngắn mạch và quá tải, người ta thêm vào sơ đồ bảo vệ bộ phận khố điện áp thấp.
Hình vẽ 3-3: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại có bộ phận kiểm tra điện áp. Bảo vệ quá dòng (I>) sẽ được phối hợp với bộ phận kiểm tra điện áp thấp (U<) theo lơ gích "và" (&). Khi có ngắn mạch dịng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ tăng cao cịn điện áp thì giảm thấp, hai sự kiện này xảy ra đồng thời, bảo vệ sẽ tác động. Còn khi quá tải dòng điện có thể vượt quá giá trị chỉnh định tuy nhiên điện áp chỉ giảm ít, bộ khố điện áp thấp khơng làm việc nên bảo vệ không tác động.
Điện áp khởi động của bộ khoá điện áp thấp chọn theo điều kiện:
U min lv kđ U max NM n U U n U trong đó:
Ulvmin : Điện áp làm việc tối thiểu cho phép tại chỗ đặt bảo vệ trong điều kiện quá tải nặng nề nhất.
UNmax : Điện áp dư lớn nhất tại chỗ đặt bảo vệ khi có ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ của bảo vệ quá dòng.
nU : Tỷ số biến đổi của máy biến điện áp.
Khi có thêm bộ phận khố điện áp thấp dịng điện khởi động của bộ phận q dịng điện có thể chọn theo điều kiện làm việc bình thường mà khơng cần xét đến chế độ quá tải sự cố. Rơ le dòng điện trong trường hợp này làm nhiệm vụ không cho bảo vệ tác động nhầm trong trường hợp đứt cầu chì trong mạch rơ le điện áp.
Thời gian làm việc của bảo vệ được chọn như bảo vệ quá dòng điện có thời gian.
3.1.5 Bảo vệ dịng điện ba cấp
Để phối hợp giữa bảo vệ dòng điện cực đại và bảo vệ dòng điện cắt nhanh cũng như giảm thời gian loại trừ sự cố người ta dùng sơ đồ bảo vệ dòng điện ba cấp như Hình vẽ 3-4
51 I> 27 U< & t I BU
Cấp thứ nhất: Gồm các rơle 3 RI, 4RGT, 9Th, là cấp cắt nhanh không thời gian (tI
0,1s), chỉ bảo vệ được một phần đường dây. Dòng điện khởi động của 3RI chọn tương tự như bảo vệ cắt nhanh, tức là : II
kđ = kat.INng.max với kat =1,31,5
Cấp thứ hai: gồm các rơle 5RI, 6RT, 10Th là cấp cắt nhanh có thời gian, và có thời gian làm việc là tII = tI + t=0,5s 0,6s. Dòng điện khởi động của cấp hai được chọn như sau: III
kđ = kat.IIkđ, với kat = 1,1 1,15.
Cấp thứ ba: gồm các rơle 7RI, 8RT, 11Th là cấp bảo vệ dòng điện cực đại, có thời gian
tIIIchọn theo nguyên tắc từng cấp tIII = tII + t, dịng điện IIII
kđ = kat.Ilvmax
Hình vẽ 3-4: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng ba cấp.
2 BI 1 MC CC 3 RI 5 RI 7 RI 6 RT 8 RT 4RGT - + 10Th 9Th 11Th + + + + + + - - -
Hình vẽ 3-5: Tính dịng điện và thời gian tác động của bảo vệ dòng ba cấp
Bảo vệ dịng điện ba cấp có thể nhanh chóng loại trừ ngắn mạch, với sơ đồ đơn giản, làm việc khá tin cậy. Tuy nhiên, nhược điểm chính của bảo vệ là trong một số trường hợp độ nhạy của các cấp thứ nhất và thứ hai không đủ, chiều dài của các vùng bảo vệ phụ thuộc vào chế độ của hệ thống điện, dạng ngắn mạch. Thường chỉ đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng hở một nguồn cung cấp.
3.1.6 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện
Là loại bảo vệ đơn giản nhất, được sử dụng sớm nhất, do đó nó có những đặc điểm sau: Tính tin cậy: đơn giản, làm việc khá tin cậy
Tính chọn lọc: bảo vệ hồn toàn phần tử được bảo vệ, nhưng đối với bảo vệ dịng điện cắt nhanh cịn có vùng chết. Sự phối hợp làm việc khó khăn nhất là trong các mạch phức tạp như mạch vịng, nhiều nguồn. Là loại bảo vệ có tính chọn lọc tương đối
Tính tác động nhanh: nhìn chung có thời gian tác động lớn
Độ nhạy: Nhìn chung có độ nhạy khơng cao, nhất là khi chọn dòng điện khởi động theo điều kiện dòng mở máy động cơ.
Do đó thơng thường bảo vệ q dịng chỉ làm bảo vệ chính cho các mạch hình tia, ở lưới điện phân phối. Đối với các thiết bị quan trọng như Máy phát điện, máy biến áp, đường dây truyền tải cao áp thì các bảo vệ quá dòng thường chỉ được dùng như bảo vệ dự phòng.
~ A B C N 1MC 2MC 3MC lIA lIB LiA LIIA LIII A INg II kđA III kđA II kđB tI A tII A tIII A tI B tII B l(km)
3.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN CĨ ĐỊNH HƯỚNG CƠNG SUẤT
3.2.1 Ngun tắc tác động
Trong các mạng hình vịng một nguồn cung cấp (Hình vẽ 3-7-a,b) hoặc trong các mạng có hai đầu cung cấp (Hình vẽ 3-7-c) bảo vệ dịng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc từng cấp có thể khơng bảo đảm cắt ngắn mạch một cách chọn lọc.
Hình vẽ 3-6: Bảo vệ q dịng điện có hướng a) Mạch vịng, b) Đường dây song song, c) Đường dây có hai nguồn cung cấp,
Thí dụ khi ngắn mạch trên đoạn AB (tại N'1) của các mạng đó, để bảo đảm tính chọn lọc, bảo vệ 2 phải có thời gian làm việc t2 bé hơn thời gian làm việc t3 của bảo vệ 3. Mặt khác, khi ngắn mạch trên đoạn BC (tại N"2), muốn cắt có chọn lọc lại phải chọn t3 < t2. Cùng một lúc không thể thực hiện được hai u cầu ngược nhau đó. Vì thế bảo vệ dịng điện cực đại khơng thể dùng được trong các mạng kể trên.
Để bảo đảm cắt ngắn mạch có chọn lọc trong các mạng hở hai nguồn cung cấp từ khoảng năm 1910 người ta bắt đầu dùng bảo vệ có hướng:
Bảo vệ dịng điện có định hướng cơng suất là loại bảo vệ làm việc theo trị số của dịng điện qua chỗ đặt bảo vệ và góc lệch pha giữa dịng điện đó với điện áp trên thanh góp của trạm có đặt bảo vệ. Bảo vệ tác động khi dòng điện vượt quá một giá trị định trước (giá trị khởi động) và pha của nó phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ (khi công suất ngắn mạch qua bảo vệ đi từ thanh góp ra đường dây). Về mặt bản chất: bảo vệ dịng điện có định hướng cơng suất là sự kết hợp giữa bảo vệ q dịng và bộ phận định hướng cơng suất ngắn mạch. B C A 1 3 2 4 5 6 N1 N2 ~ I’ I’’N (a) ~ A B N1 N2 (b 1 2 3 4 I’ I’’N ~ A 1 N1 2 B 3 N2 4 C 5 6 D ~ (c)
Hình vẽ 3-7: Bảo vệ q dịng điện có hướng: a) Sơ đồ nguyên lý bảo vệ q dịng, b) Đặc tính pha của bộ phận định hướng công suất
3.2.2 Phần tử định hướng công suất
Là phần tử dùng để xác định chiều của dịng cơng suất ngắn mạch đi qua bảo vệ. Khi có thêm bộ phận định hướng cơng suất, các bảo vệ q dịng được chia làm hai nhóm, mỗi nhóm chỉ tác động theo một hướng cơng suất (dịng điện) nhất định. Ví dụ trên các lưới điện như Hình vẽ 3-6- a,b, các bảo vệ 1, 3, 5 (nhóm lẻ) chỉ phản ứng với dòng ngắn mạch I’N , cịn các bảo vệ 2, 4, 6 (nhóm chẵn) chỉ phản ứng với dịng ngắn mạch I’’N, đều có hướng từ thanh góp ra đường dây.
Trong một số trường hợp ngắn mạch ba pha trực tiếp gần chỗ đặt bảo vệ, điện áp trên thanh góp có thể giảm xuống rất thấp, dưới ngưỡng làm việc của thiết bị định hướng. Khi đó bảo vệ sẽ khơng làm việc được, trường hợp như vậy gọi là ngắn mạch trong vùng chết (theo điện áp) của bảo vệ. Để giảm và loại trừ vùng chết phải chế tạo bộ phận định hướng có độ nhạy cao với ngưỡng làm việc của bộ phận điện áp rất bé, hoặc nối bộ phận định hướng qua thiết bị ghi nhớ điện áp trước khi sự cố.
Trên thực tế để bảo đảm tính chọn lọc trong các lưới điện như Hình vẽ 3-6-a,b,c không phải đặt bộ phận định hướng ở tất cả các bảo vệ. Để đảm bảo tính chọn lọc, bộ phận dịnh hướng công suất chỉ cần đặt ở bảo vệ nào có thời gian làm việc bé hơn. Với một phần tử i, j nào đó trong lưới điện, chẳng hạn ti < tj, bộ phận định hướng công suất sẽ đặt tại bảo vệ i. Nếu ti = tj thì khơng cần đặt ở cả hai đầu.
Để chống ngắn mạch không đối xứng, người ta thường sử dụng những bảo vệ phản ứng theo thành phần đối xứng của dòng (I2, I0), áp (U2, U0) và công suất tương ứng (W2,W0). Các bộ phận định hướng công suất thứ tự nghịch (W2) và thứ tự khơng (W0) được đấu qua bộ lọc dịng và áp thứ tự nghịch và thứ tự khơng tương ứng có xét đến đặc tính khởi động theo góc pha của các thành phần đối xứng.
3.2.3 Lựa chọn thời gian cho bảo vệ dịng điện có định hướng cơng suất
Trong mỗi nhóm bảo vệ, thời gian làm việc được chọn theo nguyên tắc từng cấp, tăng dần từ cuối đến đầu nguồn như đối với các bảo vệ q dịng điện thơng thường. Bộ phận định
W I> & ~ Cắt BU U U B t I I I (d Vùng khởi động Đường độ nhạy cực đại I2=I’N I2=I”N φ φKđ 1800 (e)
hướng công suất làm việc theo góc lệch pha giữa dịng điện (chạy qua phần tử được bảo vệ) và điện áp (trên thanh góp chỗ đặt bảo vệ).
Với các biểu diễn trên Hình vẽ 3-6-a và c, nếu giả thiết tất cả các bảo vệ đều được trang bị bộ phận định hướng cơng suất, thì theo chiều tác động của các bảo vệ được phân thành hai