32
Hình 3.3 Thơng số hệ thống 2
33
Hình 3.5 Thơng số đường dây mạch kép
Các thơng số cần quan tâm đó là:
- Hệ thống: công suất cơ bản, điện áp cơ bản, tần số, điện kháng TTT và TTK.
- MBA tự ngẫu: cơng suất, tần số, điện áp các phía, điện áp ngắn mạch %, tổ đấu dây cuộn thứ ba.
- Đường dây mạch kép: điện kháng TTT và TTK (thành phần điện cảm).
Các thông số điện kháng của phần tử nhập vào trong phần mềm PSCAD được tính trong hệ đơn vị có tên.
34
Mô phỏng ngắn mạch bằng cách nối từng pha tại điểm ngắn mạch tương ứng tới pha đầu vào của khối tạo sự cố, sau đó chọn dạng ngắn mạch cần mơ phỏng. Thời điểm sự cố và thời gian duy trì sự cố được chọn trong khối Timed Fault Logic.
Hình 3.7 Khối lấy tín hiệu hiệu dụng, tín hiệu biên độ, góc pha của dịng điện pha và các thành phần dịng điện đối xứng
Khối RMS có chức năng lấy ra giá trị hiệu dụng của dòng điện được đưa vào; khối Fast Fourier Transform (FFT) có chức năng lấy ra giá trị hiệu dụng pha và giá trị hiệu dụng của ba thành phần dòng điện đối xứng cùng với góc pha tương ứng của chúng. Các tín hiệu lấy ra được đưa vào bộ hiển thị (Control Panel). Trên hình là minh họa cho dịng điện phía 220kV, các phía cịn lại được thực hiện tương tự.
35
Hình 3.8 Mơ phỏng loại trừ thành phần thứ tự không
Việc thực hiện loại trừ thành phần thứ tự không được thực hiện để phục vụ cho mục đích bảo vệ so lệch. Giá trị hiệu dụng được đưa ra hiển thị, còn giá trị được đưa về hệ đơn vị tương đối được sử dụng tính tốn cho bảo vệ so lệch. Trên hình là minh họa cho dịng điện phía 220kV, các phía cịn lại được thực hiện tương tự.
36
3.2. Mô phỏng sự làm việc của bảo vệ so lệch trên PSCAD
Mô phỏng sự làm việc của bảo vệ so lệch MBA trong trường hợp trạm có 1 MBA làm việc, sử dụng sơ đồ mô phỏng bao gồm các phần tử cơ bản của hệ thống đã được trình bày ở trên.
Do phần tử bảo vệ so lệch 87T có trong PSCAD chỉ cho phép tín hiệu từ 2 phía MBA, nên ta chỉ tiến hành mô phỏng bảo vệ so lệch các trường hợp sự cố trong và ngồi hai phía 220kV và 110kV. Khi sự cố tại các điểm này, khơng có tín hiệu dịng chạy qua BI phía 22kV nên ta sẽ chỉ sử dụng tín hiệu dịng từ hai phía 220kV và 110kV để tính tốn.
Hình 3.9 Minh họa xử lý tín hiệu dịng trong rơ le bảo vệ so lệch
Dịng điện từ 2 phía của MBA qua BI được đưa vào trong rơ le bảo vệ, sau đó được quy đổi về 1 phía trong hệ đơn vị tương đối. Trước khi tiến hành tính tốn so sánh dịng so lệch và dịng hãm, các tín hiệu dịng điện sẽ được thơng qua khối loại dịng thứ tự khơng và quy đổi về cùng tổ đấu dây.
37
Hình 3.10 Tín hiệu biên độ và góc của từng pha 2 phía 220kV và 110kV
Sử dụng khối FFT để lấy ra tín hiệu biên độ và góc của từng pha 2 phía MBA. Tín hiệu đầu vào là dịng điện trong hệ đơn vị tương đối đã loại trừ thành phần thứ tự khơng (đã được trình bày ở phần trước) nếu như pha đó được mơ phỏng là bị sự cố. Tín hiệu đầu vào là dịng điện trong hệ đơn vị tương đối không loại trừ thành phần thứ tự không nếu như pha đó được mơ phỏng là khơng bị sự cố (theo lý thuyết, pha không bị sự cố sẽ khơng xuất hiện dịng điện, do đó nếu loại trừ thành phần thứ tự không thủ công cho pha khơng bị sự cố thì sẽ dẫn đến sai lệch giá trị đầu vào của pha này). Tín hiệu đầu ra sử dụng 3 phần tử Data Tap để lấy ra tương ứng giá trị của biên độ và góc pha dịng điện thành phần cơ bản, hài bậc 2 và hài bậc 5 đặc trưng cho bảo vệ so lệch.
38
Hình 3.11 Khối mơ phỏng bảo vệ so lệch 87T
Khối mô phỏng bảo vệ so lệch trong PSCAD chỉ có 4 tín hiệu đầu vào, tương ứng là biên độ và góc của dịng pha 2 phía. Sử dụng 9 khối mơ phỏng, 3 khối riêng biệt tính tốn cho từng pha, cùng với đó là 3 khối tính tốn cho dạng sóng cơ bản, hài bậc 2 và hài bậc 5. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu Trip, biểu thị bởi giá trị 0 (không tác động) và 1 (tác động).
Dịng so lệch (tín hiệu ) và dịng hãm (tín hiệu hay ) trong khối mơ phỏng bảo vệ 87T được tính tốn như sau:
Đặc tính tác động chỉ bao gồm 2 đường thẳng, được xác định bởi 4 thông số:
: dòng so lệch ngưỡng thấp (Differential current threshhold)
: độ dốc của đường đặc tính thứ nhất (Lower percentage bias setting)
: ngưỡng thay đổi hệ số hãm thứ nhất (Bias current threshhold setting)
: độ dốc của đường đặc tính thứ hai (Higher percentage bias setting).
39
Hình 3.12 Đặc tính tác động của rơ le mơ phỏng bảo vệ so lệch trong PSCAD PSCAD
Hình 3.13 Nhập thơng số chỉnh định cho khối mô phỏng so lệch
Đối với đặc tính phổ biến của rơ le Siemens, dịng hãm sẽ được tính là:
40
Nhưng trong khối mô phỏng bảo vệ so lệch trên PSCAD, dịng hãm được tính là:
= ( | | + | | ) / 2
Khi đó, độ dốc của đặc tính sẽ được điều chỉnh cho phù hợp: = 2. SLOPE1 = 2. 0,25 = 0,5
= 2. SLOPE2 = 2. 0,55 = 1.
Hình 3.14 Mơ phỏng khối hãm theo sóng hài
Trong trường hợp đóng khơng tải MBA, hoặc lõi từ MBA bị bão hịa, dẫn tới tín hiệu dịng điện có chứa thành phần sóng hài chiếm tỉ lệ lớn làm cho chức năng bảo vệ so lệch có thể tác động nhầm. Do đó hãm sóng hài là bước thực hiện cần phải làm để logic Trip của rơ le hoạt động chính xác. Đối với chức năng hãm theo sóng hài, tỉ số dịng so lệch hài bậc 2 (hoặc bậc 5) và dòng cơ bản được đưa vào khối mô phỏng 50. Khối 50 trả về giá trị 0 khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn giá trị đã được chỉnh định (ngược lại thì trả về giá trị bằng 1). Khối 50 cho hãm sóng hài bậc 2 được đặt là 0,15, cịn hãm theo sóng hài bậc 5 là 0,3.
Để phù hợp với chức năng hãm theo sóng hài của rơ le, ta đặt thêm phần tử Invert trước tín hiệu đầu ra của khối 50. Nghĩa là khi tỉ số dòng đầu vào vượt quá ngưỡng cho phép, giá trị trả về của khối 50 sẽ là 0, tức là lúc này rơ le đã hãm khi thành phần sóng hài trong dịng điện tăng cao.
41
Hình 3.15 Logic cắt của rơ le bảo vệ so lệch
Sử dụng logic AND cho tín hiệu trip của 3 dạng sóng hài (cơ bản, bậc 2 và bậc 5) ở từng pha. Tín hiệu Trip của dịng điện cơ bản muốn được gửi đi (có giá trị bằng 1) thì phải có cả hai tín hiệu khơng hãm từ tín hiệu Trip của hài bậc 2 và bậc 5 (cũng có cùng tín hiệu là 1). Chỉ cần có một trong hai tín hiệu hãm đến từ tín hiệu hài bậc 2 hoặc bậc 5 (có giá trị 0) thì ngay lập tức tín hiệu Trip của pha sẽ khơng được gửi đi.
Sử dụng logic OR có đầu vào là tín hiệu Trip của từng pha. Nghĩa là chỉ cần có 1 pha Trip tín hiệu (có giá trị là 1) thì lập tức tín hiệu Trip tổng cũng sẽ được gửi đi.
3.2.1. Ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ
3.2.1.1. Ngắn mạch 3 pha
Thực hiện mô phỏng bằng cách tiến hành tạo sự cố ngắn mạch 3 pha tại điểm N1. Ngắn mạch tại điểm N2 và các dạng ngắn mạch khác được thực hiện tương tự.
42
Hình 3.16 Dịng so lệch và dịng hãm trong trường hợp ngắn mạch 3 pha tại N1
43
Hình 3.18 Tín hiệu Trip tổng của rơ le khi ngắn mạch 3 pha ngồi vùng
Có thể thấy rằng trong trường hợp này, dịng so lệch xuất hiện khơng đáng kể, trong khi dịng hãm tăng cao và gấp rất nhiều lần so với dòng so lệch. Khi đó, cả tín hiệu Trip của từng pha lẫn tín hiệu Trip tổng của rơ le đều bằng 0.
Phù hợp với nguyên lý làm việc của rơ le là khơng tác động khi có ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ.
Bên cạnh đó khơng xuất hiện sóng hài bậc 2 và bậc 5 khi có ngắn mạch ngồi vùng.
44
Hình 3.19 Đồ thị về sóng hài (pha A) hai phía khi ngắn mạch 3 pha ngồi vùng bảo vệ vùng bảo vệ
3.2.1.2. Ngắn mạch 1 pha (pha A)
Thực hiện mô phỏng bằng cách tiến hành tạo sự cố ngắn mạch pha A tại điểm N1. Ngắn mạch tại điểm N2 và các dạng ngắn mạch khác được thực hiện tương tự.
45
Hình 3.20 Dịng so lệch và dòng hãm pha A trong trường hợp ngắn mạch pha A tại N1
46
Hình 3.22 Tín hiệu Trip tổng của rơ le khi ngắn mạch pha A ngồi vùng
Có thể thấy rằng trong trường hợp này, dòng so lệch pha A xuất hiện khơng đáng kể, trong khi dịng hãm tăng cao và gấp rất nhiều lần so với dòng so lệch. Khi đó, cả tín hiệu Trip của từng pha lẫn tín hiệu Trip tổng của rơ le đều bằng 0.
Phù hợp với nguyên lý làm việc của rơ le là khơng tác động khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ.
Bên cạnh đó khơng xuất hiện sóng hài bậc 2 và bậc 5 khi có ngắn mạch ngồi vùng.
47
Hình 3.23 Đồ thị về sóng hài (pha A) hai phía khi ngắn mạch pha A ngồi vùng bảo vệ
3.2.2. Ngắn mạch trong vùng bảo vệ
3.2.2.1. Ngắn mạch 3 pha
Thực hiện mô phỏng bằng cách tiến hành tạo sự cố ngắn mạch 3 pha tại điểm N1’. Ngắn mạch tại điểm N2’ và các dạng ngắn mạch khác được thực hiện tương tự.
48
Hình 3.24 Dịng so lệch và dịng hãm trong trường hợp ngắn mạch 3 pha tại N1’
Hình 3.25 Tín hiệu Trip của 3 pha khi ngắn mạch 3 pha trong vùng
49
Có thể thấy rằng trong trường hợp này, có dịng so lệch xuất hiện và giá trị của nó cao gấp khoảng 2 lần so với dòng hãm, phù hợp với cơng thức tính tốn của khối mơ phỏng rơ le. Khi đó, cả tín hiệu Trip của từng pha lẫn tín hiệu Trip tổng của rơ le đều bằng 1 sau khoảng thời gian rất ngắn do điểm làm việc của rơ le đã rơi vào vùng tác động.
Phù hợp với nguyên lý làm việc của rơ le là tác động tức thời khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ.
Bên cạnh đó khơng xuất hiện sóng hài bậc 2 và bậc 5 khi có ngắn mạch trong vùng.
Hình 3.27 Đồ thị về sóng hài (pha A) hai phía khi ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ vùng bảo vệ
50
3.2.2.1. Ngắn mạch 1 pha (pha A)
Thực hiện mô phỏng bằng cách tiến hành tạo sự cố ngắn mạch pha A tại điểm N1’. Ngắn mạch tại điểm N2’ và các dạng ngắn mạch khác được thực hiện tương tự.
Hình 3.28 Dịng so lệch và dịng hãm pha A trong trường hợp ngắn mạch pha A tại N1’
51
Hình 0.30 Tín hiệu Trip tổng của rơ le khi ngắn mạch pha A trong vùng
Có thể thấy rằng trong trường hợp này, có dịng so lệch pha A xuất hiện và giá trị của nó cao gấp khoảng 2 lần so với dịng hãm, phù hợp với cơng thức tính tốn của khối mơ phỏng rơ le. Khi đó, tín hiệu Trip của pha A bằng 1, kéo theo tín hiệu Trip tổng của rơ le bằng 1 sau khoảng thời gian rất ngắn do điểm làm việc của rơ le đã rơi vào vùng tác động, mặc dù tín hiệu pha B và pha C không Trip.
Phù hợp với nguyên lý làm việc của rơ le là tác động tức thời khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ.
Bên cạnh đó khơng xuất hiện sóng hài bậc 2 và bậc 5 khi có ngắn mạch trong vùng.
52
Hình 3.31 Đồ thị về sóng hài (pha A) hai phía khi ngắn mạch pha A trong vùng bảo vệ vùng bảo vệ
53
3.2.3. Đóng khơng tải máy biến áp
Hình 3.32 Sơ đồ mơ phỏng đóng khơng tải MBA
Sơ đồ mơ phỏng đóng khơng tải MBA vẫn sử dụng các phần tử chính và thơng số như sơ đồ mô phỏng ngắn mạch trong trường hợp trạm 1 MBA làm việc. Các thông số ở chế độ khác cho kết quả tương tự.
Ngồi ra, sơ đồ mơ phỏng đóng khơng tải cịn có thêm phần tử khác như:
- Máy cắt 3 pha đặt tại 3 phía của MBA tự ngẫu cùng với khối Timed Breaker Logic có chức năng điều khiển tín hiệu và thời điểm đóng cắt của máy cắt.
- Tải điện trở 3 pha có giá trị rất lớn ( ) đặt ở phía 35kV trước đầu ra của MBA. Việc nối với tải có giá trị điện trở cao tương đương với việc khi đóng MBA thì phía 35kV sẽ hở mạch. Vì vậy khi đó MBA được coi như là đóng khơng tải.
- Thực hiện quá trình quá độ trong sơ đồ bằng cách thay đổi trạng thái của máy cắt ngay sau khi chạy mô phỏng. Để thực hiện đóng khơng tải MBA phía 220kV:
- Máy cắt phía 110kV và 22kV trạng thái đầu (Initial State) là Close, thời điểm máy cắt mở ra (Time of First Breaker Operation) là 0s.
- Máy cắt phía 220kV trạng thái đầu (Initial State) là Open, thời điểm máy cắt được đóng lại (Time of First Breaker Operation) là 0,2s.
54
Hình 3.33 Thơng số điều khiển máy cắt
55
Hình 3.35 Dịng so lệch và dịng hãm trong trường hợp đóng khơng tải MBA
Hình 3.36 Tín hiệu Trip cơ bản của 3 pha khi đóng khơng tải MBA
Có thể thấy được rằng: tại thời điểm t = 0,2s, dòng điện của cả 3 pha (dịng xung kích) bắt đầu tăng vọt lên đáng kể, trong đó dịng pha A là lớn nhất. Cũng trong thời điểm đó, dịng so lệch và dịng hãm được tính tốn cũng tăng lên ở thời điểm quá độ và sau đó có xu hướng giảm dần.
Khi đó, điểm làm việc của rơ le bảo vệ so lệch đã rơi vào vùng tác động, điều đó được thể hiện qua đồ thị tín hiệu Trip cơ bản của 3 pha thay đổi giá trị từ 0 sang 1 ngay sau khi thực hiện đóng khơng tải vào thời điểm
56
0,2s. Nếu khơng có chức năng hãm theo sóng hài bậc 2 thì lúc này rơ le đã tác động nhầm.
Hình 3.37 Ví dụ về sóng hài cơ bản và bậc 2 của pha A khi đóng khơng tải MBA MBA
Hình 3.38 Tỷ lệ giữa sóng hài bậc 2 và sóng cơ bản khi đóng khơng tải MBA MBA
57
Hình 3.39 Tín hiệu hãm theo sóng hài bậc 2
Từ đồ thị so sánh giữa sóng cơ bản và bậc 2 của pha A, thời điểm bắt đầu đóng MBA khơng tải, có một lượng đáng kể sóng hài bậc 2 xuất hiện, khác hẳn so với trường hợp ngắn mạch trong hay ngồi vùng là khơng hề có sự xuất hiện của hài bậc 2.
Cũng sau thời điểm đóng MBA tại 0,2s, tỉ lệ giữa sóng hài bậc 2 và sóng cơ bản tăng lên cao, và luôn lớn hơn giá trị chỉnh định cho chức năng hãm là 15%. Khi đó, tín hiệu Trip của hài bậc 2 thay đổi giá trị từ 1 sang 0, nghĩa là chức năng hãm được kích hoạt. Điều này làm cho tín hiệu Trip cơ bản mặc dù có tác động cắt nhưng do chức năng hãm đã được kích hoạt nên tín hiệu Trip tổng ln được giữ ở giá trị 0.
Phù hợp với nguyên lý hãm theo sóng hài bậc 2 của rơ le là tác động hãm khi đóng máy biến áp khơng tải.
58