5. Bố cục đề tài
2.2 Hệ thống bảo vệ trên lưới điện phân phối phía bắc Quảng Nam
2.2.1. Rơle bảo vệ quá dòng
Bảo vệ quá dòng là loại bảo vệ đơn giản nhất dùng để bảo vệ đường dây, được lựa chọn làm bảo vệ chính cho đường dây phân phối có cấp điện áp từ 35kV trở xuống. Bảo vệ quá dòng tác động khi dòng trong các pha của đường dây vượt quá giá trị cài đặt trước đó. Nó đảm bảo các yêu cầu cơ bản của một hệ thống bảo vệ là tác động hanh, tin cậy, chọn lọc và đảm bảo độ nhạy đối với những sự cố xảy ra trên đường dây phân phối.
Có thể đảm bảo khả năng tác động chọn lọc của các bảo vệ bằng 2 phương pháp khác nhau về nguyên tắc:
- Phương pháp thứ nhất: bảo vệ được thực hiện có thời gian làm việc càng lớn khi bảo vệ càng đặt gần về phía nguồn cung cấp. Bảo vệ được thực hiện như vậy được gọi là bảo vệ dịng điện cực đại làm việc có thời gian.
- Phương pháp thứ hai: dựa vào tính chất dịng ngắn mạch đi qua chỗ nối bảo vệ sẽ giảm xuống khi hư hỏng càng cách xa nguồn cung cấp. Dòng khởi động của bảo vệ (Ikđ) được chọn lớn hơn trị số lớn nhất của dòng trên đoạn được bảo vệ khi xảy ra ngắn mạch ở đoạn kề (cách xa nguồn hơn). Nhờ vậy bảo vệ có thể tác động chọn lọc khơng thời gian. Chúng được gọi là bảo vệ dòng điện cắt nhanh.
a) Bảo vệ dịng điện cực đại có thời gian
Nguyên tắc tác động: bảo vệ quá dòng cực đại là bảo vệ phản ứng với dòng trong phần tử được bảo vệ. Bảo vệ sẽ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá một giá trị định mức đặt trước nào đó.
Vùng tác động của bảo vệ quá dòng cực đại bao gồm cả phần tử được bảo vệ và các phần tử lân cận.
Các bảo vệ dòng điện cực đại làm việc có thời gian chia làm hai loại tương ứng với đặc tính thời gian độc lập và đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn:
- Bảo vệ có đặc tính thời gian độc lập là loại bảo vệ có thời gian tác động khơng đổi, khơng phụ thuộc vào trị số của dòng điện qua bảo vệ.
- Bảo vệ có đặc tính thời gian phụ thuộc là loại bảo vệ có thời gian tác động phụ thuộc giới hạn, phụ thuộc vào dòng điện qua bảo vệ khi bội số của dịng đó so với dịng IKĐ tương đối nhỏ và ít phụ thuộc hoặc khơng phụ thuộc khi bội số này lớn. Ưu điểm của bảo vệ có đặc tính thời gian phụ thuộc là có thể phối hợp thời gian của các bảo vệ gần nhau để giảm thời gian cắt ngắn mạch của các bảo vệ đặt gần nguồn, có thể giảm 𝑘𝑚𝑚 khi chọn dòng khởi động của bảo vệ làm tăng độ nhạy. Tuy nhiên, khuyết điểm là sự phối hợp các đặc tính phức tạp, thời gian cắt ngắn mạch lớn khi
dòng sự cố xấp xỉ dòng khởi động.
Hình 2.8 Đặc tính thời gian tác động của bảo vệ q dịng
Trong đó:
(1): Đặc tính độc lập. (2): Đặc tính phụ thuộc. SI: Đặc tính dốc tiêu chuẩn.
DT: Đặc tính độc lập xác định t=1. VI: Đặc tính rất dốc.
EI: Đặc tính cực dốc.
- Thời gian tác động của đặc tính phụ thuộc được tính theo cơng thức sau:
𝑡 = 𝑇𝑀𝑆. ( 𝐴 ( 𝐼 𝐼𝑘đ) 𝑚 −1 ) + 𝐿 (2-4) Trong đó: I là dịng điện sự cố
Ikđ là dòng điện khởi động của rơle. t là thời gian tác động.
TMS là bội số nhân thời gian. L là hệ số cộng thời gian.
Bảng 2.2 Hệ số tính tốn thời gian tác động của rơle q dịng theo đặc tính phụ thuộc
Dạng đặc tính Tiêu chuẩn A m L
Normally Inverse (Standard Inverse) IEC 0.14 0.02 0
Very Inverse IEC 13.5 1 0
Extremely Inverse IEC 80 2 0
Short Time Inverse IEC 135 1 0
Short Time Very Inverse IEC 0.05 0.04 0
Normally Inverse (Standard Inverse) ANSI/IEEE 0.0515 0.02 0.114
Very Inverse ANSI/IEEE 19.61 2 0.491
Extremely Inverse ANSI/IEEE 28.2 2 0.1217
+ TMS- Time Multiplier Setting là bội số thời gian đặt. TMS là giá trị thể hiện tỷ lệ giảm thời gian tác động theo tính tốn, là cơng cụ hữu hiệu để thực hiện cài đặt thời gian tác động của bảo vệ đảm bảo sự phân cấp về thời gian tác động. Chẳng hạn: chọn TMS = 0.5 thì thời thời gian tác động chỉ cịn bằng một nửa so với giá trị tính tốn ttđ = 0,5 ttt.
+ Dòng khởi động của bảo vệ được xác định theo công thức sau: 𝐼𝑘đ = 𝑘𝑎𝑡∗𝑘𝑚𝑚
𝑘𝑡𝑣 ∗ 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 < 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 (2-5) Trong đó:
Ilvmax là dịng điện làm việc lớn nhất cho phép đối với phần tử được bảo vệ. Kmm là hệ số mở máy (khởi động) của các phụ tải động cơ có dịng điện chạy qua chổ đặt bảo vệ, 𝑘𝑚𝑚= 1.3÷2. (thường chọn 1.5)
kat là hệ số an tồn, 𝑘𝑎𝑡=1.1÷ 1.2. ktv là hệ số trở về, 𝑘𝑡𝑣 = 1.
INmin là dòng ngắn mạch cực tiểu đi qua bảo vệ đảm bảo cho rơle còn khởi động được.
Độ nhạy của bảo vệ: độ nhạy của rơle quá dòng đối với mức tăng dòng điện được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy 𝑘𝑛ℎ:
𝐾𝑛ℎ = 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛
Hình 2.9 Đặc tính thời gian IEC Normally (Standard) Inverse Curves
Với một hệ thống lưới phân phối gồm nhiều phân đoạn, để đảm bảo tính chọn lọc giữa các bảo vệ bằng cách phân cấp thời gian. Nguyên tắc là khi sự cố có thể nhiều bảo vệ cùng khởi động, tuy nhiên bảo vệ gần chỗ sự cố phải tác động trước. Ví dụ có 2 phân đoạn đường dây như hình vẽ, mỗi phân đoạn được bảo vệ bởi một bảo vệ q dịng có thời gian đặt ở đầu phân đoạn. Giả sử sự cố ngắn mạch tại điểm N2 sau phân đoạn 2.
Hình 2.10 Nguyên tắc phối hợp thời gian bảo vệ của các rơle quá dòng
Lúc này cả BV2 khởi động và BV1 cũng có thể khởi động và cùng đếm thời gian. Để đảm bảo tính chọn lọc BV2 phải tác động trước loại trừ sự cố, BV1 trở về, nên khi cài đặt thời gian tác động thì: tBV2 < tBV1 hoặc tBV1 = tBV2 + t
Trong đó: t = 0.2 ÷ 0.25s gọi là bậc chọn lọc về thời gian, phụ thuộc vào các yếu tố:
+ Sai số của rơle: rơle khơng vận hành chính xác đúng đặc tính lý thuyết đã quy định.
+ Thời gian cắt của máy cắt: Do nhà chế tạo quy định
+ Thời gian quá tác động của rơle (overshoot): là hiện tượng rơle đã được ngắt điện nhưng vẫn tiếp tục vận hành thêm một khoảng thời gian ngắn nữa.
+ Sai số của các biến dịng BI: các BI có sai số sẽ khiến cho role vận hành nhanh hơn hoặc chậm hơn (nếu sử dụng đặc tính độc lập thì khơng cần phải xét tới yếu tố này).
Nếu đường dây có nhiều phân đoạn thời gian loại trừ sự cố của bảo vệ gần nguồn sẽ lớn. Đó là một nhược điểm của bảo vệ quá dịng có thời gian.
Ví dụ cho một lưới phân phối gồm 4 phân đoạn và các rẽ nhánh như hình vẽ. Người ta đặt tại đầu mỗi phân đoạn một bảo vệ q dịng có thời gian làm việc tương ứng t1, t2, t3 và tại đầu mỗi nhánh rẽ phụ tải một bảo vệ q dịng có thời gian làm việc tương ứng là tD, tC, tB.
Nếu chọn đặc tính thời gian độc lập, thời gian của các bảo vệ đầu nguồn sẽ được tính chọn và thể hiện trên hình 2.11 sau:
Hình 2.11 Nguyên tắc bảo vệ phối hợp thời gian bảo vệ theo đặc tính độc lập
t2 = max (t3, tC) + t t1 = max (t2, tB) + t
Nếu chọn đặc tính thời gian phụ thuộc, thời gian của các bảo vệ đầu nguồn sẽ được tính chọn và thể hiện trên hình 2.12 sau:
Hình 2.12 Nguyên tắc bảo vệ phối hợp thời gian bảo vệ theo đặc tính phụ thuộc
Sau khi chọn đường đặc tính ta có hệ số A, m và L, chọn đường đặc tính IEC Normally (Standard) Inverse Curves với L=0. Tính tốn bội số thời gian cài đặt của bảo vệ TMS để đảm bảo tính chọn lọc như sau:
- Tìm bộ số thời gian cài đặt cho bảo vệ số 3: t3(LD) = tD + t 𝑡3(𝐿𝐷) = 𝑇𝑀𝑆3∗ 𝐴 (𝐼𝑠𝑐(𝐿𝐷) 𝐼𝑘đ3 ) 𝑚 −1 => 𝑇𝑀𝑆3 =𝑡𝐷+𝑡 𝐴 ∗ {(𝐼𝑠𝑐(𝐿𝐷) 𝐼𝑘đ3 )𝑚− 1} => t3 = f (ISC) = t3(L)
- Tìm bộ số thời gian cài đặt cho bảo vệ số 2: t2(LC) = max {(t3(L), tC}+ t 𝑡2(𝐿𝐶) = 𝑇𝑀𝑆2∗ 𝐴 (𝐼𝑠𝑐(𝐿𝐷) 𝐼𝑘đ2 ) 𝑚 −1 => 𝑇𝑀𝑆2 =𝑚𝑎𝑥 {(𝑡3(L),𝑡𝐶}+𝑡 𝐴 ∗ {(𝐼𝑠𝑐(𝐿𝐶) 𝐼𝑘đ2 )𝑚− 1} => t2 = f (ISC) = t2(L)
- Tìm bộ số thời gian cài đặt cho bảo vệ số 1: t1(LB) = max {(t1(L), tB}+ t 𝑡1(𝐿𝐶) = 𝑇𝑀𝑆1 ∗ 𝐴 (𝐼𝑠𝑐(𝐿𝐷) 𝐼𝑘đ1 ) 𝑚 −1 => 𝑇𝑀𝑆1 =𝑚𝑎𝑥 {(𝑡2(L),𝑡𝐵}+𝑡 𝐴 ∗ {(𝐼𝑠𝑐(𝐿𝐵) 𝐼𝑘đ2 )𝑚− 1} => t1 = f (ISC) = t1(L)
b) Bảo vệ quá dòng cắt nhanh.
Là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất qua chổ đặt bảo vệ khi hư hỏng ở ngoài phần tử được bảo vệ, bảo vệ cắt nhanh thường làm việc khơng thời gian hoặc có thời gian rất bé để nâng cao độ nhạy và mở rộng vùng bảo vệ.
Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh chỉ một phần của phần tử được bảo vệ. Dòng khởi động của bảo vệ:
Ikđ = kat * INngmax (2-7) Trong đó:
+ INngmax : dòng ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ
(thường là dịng N(3)).
+ kat : hệ số an tồn, 𝑘𝑎𝑡 = 1.2 ÷ 1.3.
Độ nhạy của bảo vệ: sự nhạy cảm của rơle quá dòng đối với mức tăng dòng điện được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy 𝑘𝑛ℎ :
𝐾𝑛ℎ = 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛
𝐼𝑘đ ≥ 1.2 (2-8)
Xét một lưới phân phối có 2 phân đoạn, tại đầu mỗi phân đoạn đặt một bảo vệ q dịng cắt nhanh như hình 2.13:
Hình 2.13 Đặc tính cắt nhanh của bảo vệ q dịng cắt nhanh
Dịng khởi động của bảo vệ 1 là Ikđ1được tính theo dịng sự lớn nhất tại điểm N kể từ sau thanh góp số 2. Dịng Ikđ1sẽ giao với đường đặc tính ngắn mạch ở chế độ
I>> I>> Lmin Lmax L Isc.out.max Isc.max Isc.min Isc IP1 L(km) N2 D1 N1 D2 1 2 Unprotected zone
cực đại ISCmax và đường đặc tính ngắn mạch ở chế độ cực tiểu ISCmin xác định phạm vi bảo vệ của rơle bảo vệ quá dòng cắt nhanh ở chế độ max là Lmax và phạm vi bảo vệ của rơle bảo vệ quá dòng cắt nhanh ở chế độ min là Lmin.
Dễ thấy rằng, bảo vệ quá dịng cắt nhanh khơng bảo vệ được tồn bộ đường dây, trên thực tế phạm vi bảo vệ này là 80% đối tượng được bảo vệ.