2.8.1 Phương pháp đơn vị tương đối
Xét phương trình đơn giản giữa điện áp, dòng điện và tổng trở:
𝐸 = 𝐼. 𝑍 (2.1)
E, I, Z được tính theo đơn vị Vơn, Ampe và Ohm. Chia cả 2 vế của phương trình trên cho cùng một số do đó sự cân bằng khơng bị phá vỡ, gọi số này là điện áp cơ bản Ecb: 𝐸 𝐸𝑐𝑏 = 𝐼. 𝑍 𝐸𝑐𝑏 (2.2) Xác định dòng điện cơ bản Icb và tổng trở cơ bản Zcb phụ thuộc vào điều kiện:
Suy ra: 𝐸 𝐸𝑐𝑏 = 𝐼. 𝑍 𝐼𝑐𝑏. 𝑍𝑐𝑏 (2.4) Cuối cùng, các đại lượng trong đơn vị tương đối được xác định như sau:
𝐸đ𝑣𝑡đ = 𝐸∗ = 𝐸 𝐸𝑐𝑏 (2.5) 𝐼đ𝑣𝑡đ= 𝐼∗ = 𝐼 𝐼𝑐𝑏 (2.6) 𝑍đ𝑣𝑡đ = 𝑍∗ = 𝑍 𝑍𝑐𝑏 (2.7) Do đó: 𝐸đ𝑣𝑡đ = 𝐼đ𝑣𝑡đ. 𝑍đ𝑣𝑡đ (2.8)
Lấy phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa công suất, điện áp và dòng điện
𝑆 = 𝐸. 𝐼 (2.9)
Và xác định công suất cơ bản Scb theo Vôn, Ampe như sau:
𝑆𝑐𝑏 = 𝐸𝑐𝑏. 𝐼𝑐𝑏 (2.10) Suy ra: 𝑆 𝑆𝑐𝑏 = 𝐸 𝐸𝑐𝑏. 𝐼 𝐼𝑐𝑏 (2.11) Từ đó, cơng suất trong đơn vị tương đối S được xác định như sau:
𝑆đ𝑣𝑡đ = 𝑆
𝑆𝑐𝑏
(2.12)
Do đó: 𝑆đ𝑣𝑡đ = 𝐸đ𝑣𝑡đ. 𝐼đ𝑣𝑡đ (2.13)
- Tính tốn trong hệ thống điện một pha:
Đối với hệ thống điện 1 pha hay hệ thống điện 3 pha, dịng điện pha, điện áp pha và cơng suất mỗi pha được tính như sau:
𝑆𝑐𝑏 = 𝑘𝑉𝐴𝑐𝑏: Cơng suất cơ bản mỗi pha hoặc công suất cơ bản 1 pha.
𝐸𝑐𝑏: Điện áp pha cơ bản, điện áp 1 pha, tính bằng kV.
𝐼𝑐𝑏 = 𝑆𝑐𝑏
𝐸𝑐𝑏: Dịng điện dây cơ bản tính bằng A.
𝑍𝑐𝑏 =1000. 𝐸𝑐𝑏
2
𝑆𝑐𝑏 : Tổng trở cơ bản tính bằng Ω.
- Tính tốn trong hệ thống điện 3 pha:
𝑆𝑐𝑏 = 𝑘𝑉𝐴𝑐𝑏: Công suất cơ bản 3 pha kVA.
𝐸𝑐𝑏: Điện áp dây cơ bản, tính bằng kV.
𝐼𝑐𝑏 = 𝑆𝑐𝑏
√3. 𝐸𝑐𝑏: Dịng điện pha cơ bản tính bằng A.
𝑍𝑐𝑏 =1000. 𝐸𝑐𝑏
2
𝑆𝑐𝑏 : Tổng trở cơ bản tính bằng Ω.
Tổng trở trong đơn vị tương đối của một thành phần trong mạch được tính như sau:
𝑍đ𝑣𝑡đ= (Ω). (𝑘𝑉𝐴)
(𝑘𝑉)2. 1000=
𝑍. 𝑆𝑐𝑏
1000. 𝐸𝑐𝑏2
Với giá trị cơ bản có thể là điện áp pha và cơng suất 1 pha hoặc điện áp dây và tổng công suất 3 pha.
Đổi từ tổng trở trong hệ đơn vị tương đối theo hệ cơ bản đã cho sang tổng trở trong hệ đơn vị tương đối theo hệ cơ bản mới:
𝑍đ𝑣𝑡đ𝑚ớ𝑖 = 𝑍đ𝑣𝑡đ𝑐ũ . ( 𝑈𝑐𝑏 𝑐ũ 𝑈𝑐𝑏𝑚ớ𝑖) 2 . (𝑆𝑐𝑏 𝑚ớ𝑖 𝑆𝑐𝑏𝑐ũ ) (2.15)
2.8.2 Tổng trở tương đương Thevenin.
Hình 2.16 Mạch tương đương Thevenin
𝑉𝑖𝑓 = 𝑉𝑖0− 𝑍𝑖𝑟𝐼𝑓 (𝑖 = 1,2, … , 𝑛) (2.16)
2.8.3 Sự cố không đối xứng
- Tổng trở thứ tự và mạng thay thế của đường dây.
Hình 2.17 Mạng thứ tự của đường dây
𝑍1 = 𝑗(𝑋𝑠− 𝑋𝑚) (2.17)
𝑍2 = 𝑗(𝑋𝑠− 𝑋𝑚) (2.18)
𝑍0 = 𝑗(𝑋𝑠+ 𝑋𝑚) (2.19)
Trong đó:
+ 𝑋𝑠: Điện kháng thứ tự thuận của đường dây.
+ 𝑋𝑚: Điện kháng tương hỗ của cặp dây dẫn.
- Giả sử đường dây có hốn vị:
+ Kháng trở thứ tự thuận và thứ tự nghịch bằng nhau.
2.8.4 Xây dựng mạng thứ tự của hệ thống điện
Người ta sử dụng mạng thứ tự của những phần tử riêng biệt hệ thống điện khác nhau như động cơ đồng bộ, máy biến áp, đường dây, từ đó xây dựng mạng thứ tự của hệ thống điện một cách dễ dàng. Bắt đầu với mạng thứ tự thuận được xây dựng từ sơ đồ đơn tuyến của hệ thống. Từ mạng thứ tự thuận suy ra mạng thứ tự nghịch dễ dàng. Từ mạng thứ tự không của các phần tử trong hệ thống điện có thể dễ dàng kết hợp với nhau để hồn thành sơ đồ mạng thứ tự khơng của hệ thống. Bất kỳ tổng trở nối trung tính nào gồm cả máy phát, máy biến áp có trung tính đều bằng 3 lần giá trị của nó ở mạng thứ tự không. Đặc biệt cần chú ý đến tổ đấu dây của máy biến áp ở mạng thứ tự không.
Từ những mạng trên của hệ thống điện, chúng ta xây dựng ma trận tổng trở thứ tự thanh cái của mạng: [𝑍𝑏𝑢𝑠1 ] , [𝑍𝑏𝑢𝑠2 ], [𝑍𝑏𝑢𝑠0 ].
- Ngắn mạch 1 pha chạm đất: 𝐼𝑎 = 3𝑉𝑓 0 (𝑍𝑘𝑘1+ 𝑍𝑘𝑘2+ 𝑍𝑘𝑘0) + 3𝑍𝑓 (2.20) Hình 2.18 Ngắn mạch 1 pha chạm đất - Ngắn mạch 2 pha: 𝐼𝑏 = −𝐼𝑐 = −𝑗√3𝑉𝑓0 𝑍𝑘𝑘1+ 𝑍𝑘𝑘2+ 𝑍𝑓 (2.21) Hình 2.19 Ngắn mạch 2 pha chạm nhau
2.8.5 Sự cố trên đường dây phân phối hình tia
Hình 2.20 Trạm phân phối và đường dây hình tia Bảng 2.7 Loại sự cố và dòng điện sự cố Loại sự cố Dòng điện sự cố 3 pha 𝐼 = 𝑉𝐹 𝑍𝑆 + 𝑍𝑇+ 𝑍𝐿 + 𝑍𝐹 2 pha 𝐼𝑏 = −𝐼𝑐 = −𝑗√3𝑉𝐹 2(𝑍𝑆 + 𝑍𝑇 + 𝑍𝐿) + 𝑍𝐹 1 pha đất 𝐼𝑎 = 3𝑉𝐹 2𝑍𝑆 + 3𝑍𝑇 + (2 + 𝑘0)𝑍𝐿+ 3𝑍𝐹 Trong đó:
+ 𝑉𝐹 : Điện áp tương đương Thevenin (1÷1,1).
+ 𝑍𝑆: Kháng trở tương đương Thevenin của nguồn.
+ 𝑍𝑇: Kháng trở máy biến áp.
+ 𝑍𝐹: Kháng trở sự cố.
+ 𝑍𝐿: Kháng trở đường dây phân phối.
+ 30÷40 (Ω) cho trường hợp sự cố cực tiểu. + 0 (Ω) cho trường hợp sự cố cực đại. + 𝑘0: Hệ số nhân.
Bảng 2.8 Giá trị ước lượng của 𝑘0
𝒌𝟎 Các điều kiện giữa đất và dây trung tính
1 Đất dẫn điện tốt
4 Dây nối đất cùng cỡ với dây pha 4.6 Dây nối đất một cỡ nhỏ hơn dây pha
2.9 Tính tốn bảo vệ relay cho đường dây
2.9.1 Tính chỉnh định rơle bảo vệ cho lưới trung tính cách điện
a. Trường hợp thiết bị được bảo vệ là máy biến áp trạm trung gian - Lựa chọn dạng và điểm tính ngắn mạch
- Tính dịng ngắn mạch I(3) max tại thanh cái hạ áp sau đó quy đổi về phía cao áp của máy biến áp, trong đó:
+ Giá trị trở kháng của hệ thống: XHTmax
+ Các máy biến áp trong trạm trung gian vận hành độc lập.
Mục đích: tính dịng ngắn mạch đi qua từng máy biến áp để chọn dòng khởi động của bảo vệ q dịng cắt nhanh đặt ở phía cao áp máy biến áp.
- Tính dịng ngắn mạch I(2)min tại thanh cái hạ áp sau đó quy đổi về phía cao áp
của máy biến áp, trong đó:
+ Giá trị trở kháng của hệ thống: XHTmin
+ Trong chế độ bình thường, các máy biến áp vận hành theo phương thức nào thì tính ngắn mạch ở phương thức đó.
Mục đích: tính dịng ngắn mạch đi qua từng máy biến áp, sau đó quy đổi về phía cao áp để kiểm tra độ nhạy của bảo vệ q dịng có thời gian đặt ở phía cao áp máy biến áp.
- Tính dịng ngắn mạch I(2)min tại cuối đường dây dài nhất xuất tuyến từ trạm
trung gian, trong đó:
+ Giá trị trở kháng của hệ thống: XHTmin
+ Các máy biến áp trong trạm trung gian vận hành độc lập, nếu hai máy biến áp có tổng trở khác nhau thì tính với phương thức máy biến áp có tổng trở lớn hơn vận hành.
Mục đích: tính dịng ngắn mạch đi qua từng máy biến áp để kiểm tra độ nhạy của bảo vệ q dịng có thời gian đặt ở phía hạ áp máy biến áp.
- Tính chỉnh định bảo vệ quá tải
- Bảo vệ quá tải làm nhiệm vụ báo tín hiệu hoặc cắt quá tải MBA. Đối với MBA hai cuộn dây bảo vệ quá tải bố trí ở phía sơ cấp. Với MBA ba cuộn dây, bảo vệ quá tải có thể được bố trí ở hai hoặc cả ba cuộn dây.
- Dịng chỉnh định:
Phía nhất thứ: Ikđ = kat *IđmBA/kv (2.22) Trong đó:
kat : hệ số an tồn, lấy bằng 1,05÷1,4 (tùy theo thời gian vận hành).
kv : hệ số trở về của rơle, phụ thuộc vào loại rơle (lấy bằng 0,85 đối với rơle cơ, bằng 0,95 đối với rơle số).
IđmBA : Dịng điện định mức của máy biến áp tính ở phía đặt bảo vệ (A). Thời gian tác động t = 9s
Phía nhất thứ: Ikđ = kat *kmm*IđmBA/kv (2.23) Trong đó:
kat: hệ số an tồn, lấy bằng 1,2
Cho phép điều chỉnh hệ số kat trong phạm vi từ 1,1 ÷ 1,3 cho phù hợp với tỷ số của TI, nấc đặt của role và yêu cầu về độ nhạy của bảo vệ.
kmm: hệ số mở máy khi khởi động cơ, lấy bằng 1 nếu như trên đường dây khơng có động cơ; bằng 1,3 nếu như trên đường dây có động cơ. Hệ số kmm có thể chọn trong phạm vi từ 1,3 ÷ 1,8 nếu trên đường dây có nhiều động cơ, trong q trình vận hành phải thường xuyên theo dõi để hiệu chỉnh hệ số kmm cho phù hợp.
IđmBA: Dòng điện định mức của máy biến áp tính ở phía đặt bảo vệ (A).
kv: hệ số trở về của rơle, phụ thuộc vào loại rơle (lấy bằng 0,85 đối với rơle cơ, bằng 0,95 đối với rơle số).
Phía nhị thứ: IKđR = ksd *Ikđ/nI (2.24)
Trong đó:
ksd: hệ số sơ đồ, với sơ đồ sao đủ và sao thiếu ksđ = 1; sơ đồ số tám ksđ = √3 nI: tỷ số biến của TI
+ Độ nhạy của bảo vệ:
knh = I(2)min/Ikđ (2.25)
Trong đó:
I(2)min : là dịng ngắn mạch hai pha nhỏ nhất khi ngắn mạch cuối vùng bảo vệ
Ikđ: là dịng chỉnh định phía nhất thứ của bảo vệ Yêu cầu độ nhạy: knh ≥ 1,5
+ Thời gian chỉnh định:
t = tsau + ∆t Trong đó:
t: thời gian chỉnh định cắt của bảo vệ.
tsau: thời gian cắt lớn nhất của bảo vệ q dịng phía sau liền kề.
∆t: cấp chọc lọc về thời gian, lấy bằng 0,5 giây đối với rơle cơ, bằng 0,3 giây đối với
rơle số.
- Tính chỉnh định bảo vệ q dịng cắt nhanh
Dịng chỉnh định:
Phía nhất thứ: Ikđ = kat *I(3)max (2.26)
Trong đó:
kat: hệ số an tồn, lấy bằng 1,1 ÷ 1,15 đối với rơle tĩnh hoặc rơle số; bằng 1,2 đối với rơle cảm ứng hoặc rơle điện tử.
I(3)max : dòng ngắn mạch ba pha lớn nhất trên thanh cái thứ cấp.
Phía nhị thứ: IKđR = ksd *Ikđ/nI (2.27)
+ Độ nhạy của bảo vệ:
Knh = INmin/Ikđ (2.28)
Trong đó:
INmin : là dòng ngắn mạch hai pha nhỏ nhất khi ngắn mạch ở đầu khu bảo vệ, thường lấy bằng dòng ngắn mạch 2 pha.
Yêu cầu độ nhạy: knh > 1,0 Thời gian chỉnh định: t= 0
Chú thích: Nếu độ nhạy khơng đạt thì khóa cấp cắt nhanh hoặc chuyển sang bảo vệ cấp
cắt nhanh có thời gian, phối hợp với bảo vệ cắt nhanh phía sau kề nó, dịng khởi động và thời gian được tính như sau:
Ikđ = kat*IkđCNsau*kfm = tCNsau + ∆𝑡 (2.29) Trong đó:
IkđCNsau: dịng điện khởi động của bảo vệ cắt nhanh phía sau liền kề. tCNsau: thời gian chỉnh định của bảo vệ cắt nhanh phía sau liền kề.
kfm: hệ số phân mạch là tỷ số giữa dòng ngắn mạch đi qua bảo vệ trước với bảo về phía sau liền kề khi xảy ra ngắn mạch lớn nhất ở cuối vùng bảo vệ của bảo vệ phía sau.
Đối với máy biến áp, bảo vệ cắt nhanh chỉ đặt ở phía cao áp, khơng đặt ở phía hạ áp.
b. Trường hợp thiết bị được bảo vệ là đường dây
Lựa chọn dạng và điểm tính ngắn mạch:
- Tính dịng ngắn mạch I(3)ngmax tại cuối vùng bảo vệ, trong đó: + Giá trị trở kháng của hệ thống: XHTmax
+ Các máy biến áp đầu nguồn cấp điện cho đường dây bình thường vận hành ở phương thức nào thì tính ngắn mạch ở phương thức đó.
Mục đích: để chọn dịng khởi động bảo vệ q dịng cắt nhanh (50) của máy cắt đầu đường dây.
- Tính dịng ngắn mạch I(2)min tại đầu đường dây, trong đó: + Giá trị trở kháng của hệ thống: XHTmin
+ Các máy biến áp đầu nguồn cấp điện cho đường dây vận hành độc lập, khi đó chọn máy biến áp có trở kháng lớn nhất là máy biến áp cấp điện cho đường dây.
Mục đích: để kiểm tra độ nhạy bảo vệ quá dòng cắt nhanh đặt tại đầu đường dây. - Tính dịng ngắn mạch I(2) tại cuối đường dây, trong đó:
+ Giá trị trở kháng của hệ thống: XHTmin
+ Các máy biến áp đầu nguồn cấp điện cho đường dây vận hành độc lập, khi đó chọn máy biến áp có trở kháng lớn nhất là máy biến áp cấp điện cho đường dây.
Mục đích: để kiểm tra độ nhạy bảo vệ quá dịng có thời gian đặt tại đầu đường dây.
- Tính chỉnh định bảo vệ q dịng có thời gian
Dịng chỉnh định:
Phía thứ nhất: Ikđ = 𝑘𝑎𝑡 ∗𝑘𝑚𝑚
𝑘𝑣 ∗ 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥′ (2.30)
Phía nhị thứ: IKđR = ksd *Ikđ/nI (2.31)
kat : hệ số an tồn, lấy bằng 1,14÷1,15 đối với rơle tĩnh hoặc rơle số, bằng 1,2 đối với rơle cảm ứng hoặc rơ le điện từ.
kmm : hệ số mở máy khi khởi động động cơ, lấy bằng 1 nếu như trên đường dây khơng có động cơ, bằng 1,3 nếu như trên đường dây có động cơ.
Hệ số kmm có thể chọn trong phạm vi từ 1,3 + 1,8 nếu trên đường dây có nhiều động cơ, trong quá trình vận hành phải thường xuyên theo dõi để hiệu chỉnh hệ số kmm cho phù hợp.
kv : hệ số trở về của rơle, phụ thuộc vào loại rơle (lấy bằng 0,85 đối với rơle cơ, bằng 0,95 đối với rơle số).
𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥′ : dòng làm việc lớn nhất của đường dây.
+ Độ nhạy của bảo vệ: knh = Imin/Ikđ (2.32) + Yêu cầu về độ nhạy: 𝑘𝑛ℎ ≥ 1,5
+ Thời gian chỉnh định: thời gian chỉnh định từng cấp bảo vệ tính theo cơng thức: t = tsau + ∆t
- Tính chỉnh định bảo vệ quá dòng cắt nhanh
+ Dòng chỉnh định bảo vệ q dịng cắt nhanh của đường dây tính theo cơng thức: Ikđ = kat *I(3)
max (2.33)
+ Kiểm tra độ nhạy tính theo cơng thức: knh = Imin/Ikđ (2.34)
- Tính chỉnh định bảo vệ cắt chạm đất theo điện áp 3U0
+ Điện áp chỉnh định:
Trong tính tốn, điện áp chỉnh định của rơle điện áp 3U0 được chọn theo công thức:
Ukđ = kat(3U0 + Ukcb) (2.35)
Trong đó:
Ukđ : điện áp chỉnh định của rơle.
kat : hệ số an tồn, lấy trong khoảng từ 1,25 ÷ 1,3.
3U0 : giá trị điện áp TTK chọn theo điều kiện làm việc bình thường, lấy bằng 15 (V).
Ukcb: điện áp không cân bằng của bộ lọc điện áp 3U0, lấy trong khoảng từ (2 ÷ 4) (V).
Trong thực tế, trong lưới điện 35kV trung tính cách đất thì chọn Ukđ = 60V.
+ Thời gian cắt chạm đất:
Định ra thời gian cắt chạm đất của các lộ đường dây: đường dây có xác suất xảy ra sự cố nhiều thì cho cắt trước, đường dây có xác suất xảy ra sự cố ít thì cho cắt sau.
Thời gian cắt (t) của các đường dây đặt lệch nhau 0,5 giây.
+ Thời gian TĐL của các đường dây:
Gọi n là số lộ đường dây có đặt bảo vệ cắt chạm đất đấu cùng thanh cái. Gọi là số thứ tự của các lộ đường dây (I = 1 - n)
i= 1: là đường dây có thời gian cắt chạm đất bé nhất, chọn bằng 0,5 hoặc 1,0 giây.
i=n: là đường dây có thời gian cắt chạm đất lớn nhất.
Chọn đường dây có thời gian cắt chạm đất lớn nhất (i = n) là đường dây TĐL đầu tiên: tTĐL = 0,5 giây.
Thời gian TĐL của đường dây thứ i (với i < n) tính như sau:
tTĐL(i) = 2.tcđ(i+1)+tTĐL(i+1) - 2.tcđ(i) + 0,5 (giây) (2.36)
- Tính chỉnh định bảo vệ cắt chạm đất theo dịng điện 3I0
+ Tính trị số dịng điện điện dung của một lộ đường dây Đối với đường dây trên không:
3I0L = 𝑈𝑛 ∗ 𝐿𝑑
350 (A) (2.37)
Đối với đường cáp ngầm: 3I0L = 𝑈𝑛 ∗ 𝐿𝑐
10 (A) (2.38)
Trong đó:
+ Un : điện áp danh định của lưới mà đường dây đang vận hành, kV.
+ Ld : tổng chiều dài đường dây trên khơng của lộ cần tính dịng chạm đất, km. + Lc : tổng chiều dài đường cáp của lộ cần tính dịng chạm đất, km.
+ Nếu lộ cần tính dịng chạm đất có cả đường dây trên khơng và cáp ngâm thì dịng chạm đất của lộ đường dây này sẽ bằng tổng dịng chạm đất của đường dây trên khơng và cáp ngầm.
- Tính chỉnh định bảo vệ cắt chạm đất theo dịng 3I0 không hướng