4.1 Cơ sở khoa học của việc lựa chọn thiết bị bảo vệ chạm đất một pha Nội dung chính của phương pháp là so sánh pha của dòng thứ tự không của các khởi hành khi có chạm đất một pha với pha của điện áp thứ tự không khi có sự cố chạm đất một pha. Nếu kết quả nhận được là chậm pha – khởi hành có chạm đất, còn ngược lại nếu kết quả nhận được là ngược pha – khởi hành không có chạm đất.
Hình 4.1 : Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện mạng hình tia có nguồn cung cấp từ một phía.
Để xây dựng thuật toán bảo vệ chạm đất một pha ứng dụng kỹ thuật số, dựa trên mô hình mạng cung cấp điện hình tia có một đầu cấp nguồn.
1 2 3 n
K1 K2 K3 Kn
HTMИ-6
QF1 QF2 QF3 QFn QFc QFT
QF0
BI0
BI1 BI2 BI3 BIn
BIC BA1
Lưới điện 35kV
Thanh cái 6-10 kV
K1
Trong đó :
I1, I2, I3 ..., In – hướng dòng thứ tự không của các khởi hành chạm đất ( hướng từ thanh cái đến cuối khởi hành theo qui ước – các biến logic Ij = 1; j = 1 n)
I 1 ; I 2 ; I 3 ...I n hướng dòng thứ tự không của các khởi hành không chạm đất ( hướng từ cuối các khởi hành đến thanh cái – các biến logic I j =0 ; j = 1
n)
IC - Hướng của dòng điện dung nhân tạo ( luôn có hướng đi trở về thanh cái của trạm phân phối IC = 0 )
Để xác định khởi hành chạm đất, sử dụng hai tín hiệu là dòng điện thứ tự không và dòng điện dung nhân tạo, hệ phương trình thuật toán để xác định khởi hành chạm đất như sau :
n C n
C C C
I I z
I I z
I I z
I I z
2 3
2 2
1 1
Trong đó dấu - phép cộng hai mô đun không nhớ
Dạng tổng quát khi có chạm đất ở khởi hành thứ I, hệ phương trình sẽ có dạng như sau :
j C j
i C i
I I z
I I
z ( I = 1 n; j = 1 n ; i j )
Để loại trừ tác động của bảo vệ khi có chạm đất thoảng qua, tự phụ hổi thiết bị bảo vệ cần gửi tín hiệu cắt qua khâu trễ thời gian:
Fj = Zj.t = Uj.Ij.t
Như vậy với thông tin về góc lệch pha của các đại lượng dòng điện thứ tự không và dòng điện dung nhân tạo, cho phép xây dựng sơ đồ thiết bị bảo vệ chạm đất một pha chọn lọc, ứng dụng kỹ thuật số nhằm nâng cao độ chọn lọc, nhạy và tin cậy.
4.2 Ứng dụng cơ sở kỹ thuật điện tử số vào thiết bị bảo vệ chạm đất một pha chọn lọc
Từ cơ sở lý luận khoa học trên, với mục đích thiết lập ra thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha trong hệ thống phân phối điện cao áp mỏ, vận dụng lý thuyết đại số logic và các phần tử logic vào thực hiện hàm của bảo vệ như sau.
4.2.1 Cơ sở đại số logic
- Nhóm quy tắc phép cộng logic
x + 0 = x x + x = x
x + 1 = 1 x + x = 1
- Nhóm quy tắc phép nhân logic
x . 0 = 0 x . x = x
x . 1 = x x . x = 0
- Luật hoán vị x + y = y + x x . y = y . x - Luật kết hợp
x + y + z = (x + y) + z = x + (y + z) x . y . z = (x . y) . z = x . (y . z) - Luật phân bố
(x + y) . z = x . z + y . z - Luật phủ định
(x) = x (x) = x - Định lý Dmorgan
(x + y) = x . y (x . y) = x + y
4.2.2 Một số phần tử logic cơ bản, logic thông dụng
Để có cơ sở thiết lập sơ đồ thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc, một số phần tử logic với ký hiệu và hàm toán học của chúng được mô tả như sau sau:
- Phần tử phủ định NO là phần tử logic có một đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phủ định giá trị của biến.
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử phủ định F(x) = x
- Phần tử và AND là phần tử logic có nhiều đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phép nhân logic các biến.
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử VÀ F = x1.x2.. xn
- Phần tử và đảo NAND là phần tử logic có nhiều đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phủ định phép nhân logic các biến
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử VÀ-ĐẢO F = x1.x2.. xn
- Phần tử hoặc OR là phần tử logic có nhiều đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phép cộng logic các biến
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử HOẶC F = x1+x2+..+ xn
- Phần tử hoặc đảo NOR là phần tử logic có nhiều đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phủ định phép cộng logic các biến
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử HOẶC-ĐẢO F = x1+x2+..+ xn
x F(x)
x1 F(x)
x2
xn
x1 F(x)
x2
xn
x1 F
x2
xn
x1 F
x2
xn
1
- Phần tử đồng dấu là phần tử logic có nhiều đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phủ định phép cộng logic các biến
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử ĐỒNG DẤU F = x1 x2
- Phần tử khác dấu là phần tử logic có nhiều đầu vào biến và một đầu ra hàm thực hiện chức năng phủ định phép cộng logic các biến
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử KHÁC DẤU F = x1 x2
- Phần tử nửa tổng là phần tử logic có hai đầu vào biến và hai đầu ra hàm thực hiện chức năng phép cộng hai số nhị phân một bít có nhớ
Tên gọi Ký hiệu Hàm toán học
Phần tử NỬA TỔNG S = x1 x2
P = x1.x2
Sử dụng lý thuyết đại số logic và phương pháp tối thiểu hoá hàm logic bằng bìa Cacnaugh, có thể thiết lập được sơ đồ logic của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc với sử dụng dòng điện dung nhân tạo.
4.3 Xây dựng sơ đồ khối chức năng của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha sử dụng dòng điện dung nhân tạo
Căn cứ vào mức độ phức tạp của giải pháp kỹ thuật và khả năng ứng dụng của lĩnh vực kỹ thuật điện tử số vào mục đích bảo vệ chống chạm đất một pha có độ chọn lọc và tin cậy cao, tác giả của luận văn đề xuất sơ đồ khối chức năng của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc. Cấu trúc sơ đồ khối của thiết bị được trình bày trên hình vẽ sau (hình 4.2 )
x1 F
x2
xn
x1 F
x2
xn
x1 S
x2
P
Hình 4.2 Sơ đồ khối thiết bị bảo vệ chạm đất chọn lọc định hướng
- Khối 1 - khối tạo dòng điện dung nhân tạo Ioc. Cấu tạo chính của khối được xây dựng từ 03 tụ điện có điện dung C mắc theo hình sao. Điểm trung tính của bộ này được nối đất qua điện trở R. Tín hiệu dòng điện dung nhân tạo được lấy trên điện trở nối đất R. Để hạn chế điện áp quá mức đầu vào, cần mắc thêm đi ốt ổn áp Dz song song với điện trở R.
- Khối 2 – là các biến dòng thứ tự không BI được lắp đặt trên các đầu cáp nối với các khởi hành của trạm phân phối. Để tăng mức độ an toàn cho thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha, phía sau biến dòng thứ tự không BI có lắp đặt thêm biến áp cách ly.
- Khối 3 và 4 là các khối biến đổi tín hiệu. Nhiệm vụ của các khối này là khuếch đại tín hiệu dòng thứ tự không 3I0 và dòng diện dung nhân tạo I0C đủ mức yêu cầu rồi chuyển thành các mức tín hiệu số với các giá trị logíc 0 và 1 tương ứng với các nửa chu kỳ âm và dương của các đại lượng dòng thứ tự không và dòng điện dung nhân tạo.
- Khối 5 – là khối thực hiện chức năng của phần tử nửa tổng. Vai trò của khối 5 nhận dạng được dấu hiệu có sự cố chạm đất hay không có sự cố chạm đất xảy ra với khởi hành mà thiết bị bảo vệ chống chạm đất thực hiện kiểm soát.
Khi khong có sự cố trạm đất một pha trong vùng bảo vệ, thì khối này cho tín hiệu ở mức logic 0, ngược lại nếu trong vùng bảo vệ có xuất hiện sự cố chạm đất thì tín hiệu cho ra ở mức logic 1.
- Khối 6 là khối tạo khoảng thời gian trễ tác động của bảo vệ. Tuỳ theo yêu cầu vận hành hệ thống điện mà khoảng trễ thời gian tác động cắt của thiết bị
3
2 4
5 6
7
8
3IOC
3IO
Tín hiệu khóa liên động các khởi hành khác Tín hiệu đi từ các khởi hành
1
9 +VDC
bảo vệ có thể điều chỉnh trong phạm vi cần thiết từ 0 đến 15 giây mới cho phép cắt khởi hành bị sự cố ra khỏi lưới điện.
- Khối 7 là khối thực hiện chức năng khoá liên động với các thiết bị bảo vệ khác trong trạm phân phối. Nhằm mục đích chống tác động nhầm và tăng khả năng tác động tin cậy của thiết bị, khối 7 có nhiều đầu vào để nhận tín hiệu logic (dạng nhị phân) từ các thiết bị bảo vệ khác để khoá chức năng tác động cắt của thiết bị khi cần thiết.
- Khối 8 là khối thừa hành chức năng tác động cắt của bảo vệ. Khối 8 gồm có một tầng khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ra của khối 7 tạo ra dòng điện đủ lớn để điều khiển rơ le đóng cắt tiếp điểm của cuộn cắt máy cắt dầu.
- Khối 9 là khối nguồn một chiều cung cấp năng lượng cho thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha hoạt động. Nguồn được cấp từ máy biến áp đo lường ba pha HTMИ.
4.4 Nguyên lý làm việc của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc sử dụng dòng điện dung nhân tạo
Hình 4.3 mô tả sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị bảo vệ chống chạm đất ứng dụng kỹ thuật điện tử số. Thiết bị này gồm có 2 kênh đầu vào:
kênh thứ nhất nhận tín hiệu dòng điện dung nhân tạo từ bộ tụ điện mắc theo hình sao nối đất qua điện trở R còn kênh thứ hai nhận tín hiệu từ máy biến dòng thứ tự không qua biến áp cách ly.
HÌnh 4.3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc sử dụng dòng điện dung nhân tạo
Tín hiệu từ các khởi hành khác đến Tín hiệu đi khóa liên động các khởi hành khác
Chú thích:
Khối 3 và 4 – Khối xử lý tín hiệu dòng thứ tự không và dòng điện dung nhân tạo ;
5 – Bộ nửa tổng;
6 – Khối tạo trễ;
7 – Khối khóa liên động 8 – Khối thừa hành 9 – Khối nguồn nuôi DC.
- +
3Io
R1 R2
R5 R6
R7
R8
R9
Dz1
Dz2
D1
c2
c1
IC1 uA741
DD 1
x1
x2 S
P 5
DD 4
6
C R
DD 6.2
DD 6.3
VD2
R C
8,9
R DD 6.4
DD 7.1
DD 7..2
DD 8
K
1K 4
- +
3Ioc
R1 R2
R3 R4
R5 R6
R7
R8
R9
Dz1
Dz2
VD1
c2
c1
c3
IC1 uA741
Dz3
V
DD 1
Ở đầu vào kênh thứ nhất, dòng điện dung nhân tạo đi qua điện trở nối đất R tạo nên điện áp đồng pha với dòng điện dung nhân tạo. Tín hiệu này được đưa tới đầu vào của bộ chuyển đổi tín hiệu 3. Bộ chuyển đổi tín hiệu được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại thuật toán khuếch đại chọn lọc được điều hưởng ở tần số công nghiệp 50 Hz.
Hình 4.4 Nguyên lý khối xử lý tín hiệu dòng thứ tự không
Hình 4.5 Nguyên lý khối xử lý tín hiệu dòng điện dung nhân tạo
4
- + 3Io
R1 R2
R3 R4
R5 R6
R7 R8
R9
Dz1
Dz2
D1
c2
c1
c3
+U
0 3
- + 3Ioc
R1 R2
R3 R4
R5 R6
R7
R8
R9
Dz1
Dz2 D1
c2 c1
c3
+U
0
Mục đích của việc kết hợp bộ khuếch đại - bộ lọc nhằm loại trừ nhiễu tần số khác tần số công nghiệp ảnh hưởng đến sự làm việc của thiết bị, từ đó tăng được độ tin cậy tác động cũng như tăng tính chống nhiễu.
Sau khi qua bộ khuếch đại - bộ lọc, tín hiệu dòng điện dung nhân tạo được đưa tới mạch biến đổi. Mạch này có chức năng của Trigger Smit. Tín hiệu vào là dạng hình sin thì tại cửa ra ta nhận được tín hiệu là chuỗi các xung vuông có độ rộng cỡ 10 ms tương ứng với các nửa chu kỳ dương của tín hiệu dòng điện dung nhân tạo. Các xung vuông này tương đương với giá trị logic 1 và được đưa tới đầu vào của bộ nửa tổng (khối 5). Sơ đồ nguyên lý của khối 3, 4 và biểu đồ tín hiệu theo thời gian được mô tả trên hình ...
Ở đầu vào kênh thứ hai, tín hiệu dòng thứ tự không 3Io được lấy ra từ các biến dòng thứ tự không (TTK), qua biến áp cách ly (BA) đến bộ chuyển đổi tín hiệu 4. Vai trò chức năng của khối 4 hoàn toàn tương tự như khối 3 vì thế tín hiệu lấy ra tại khối 4 cũng là chuỗi các xung vuông có độ rộng 10 ms (bằng độ rộng của nửa chu kỳ tín hiệu dòng điện TTK 3Io. Các xung vuông này cũng được đưa tới cửa vào của bộ nửa tổng (khối 5).
Hình 4.6 Nguyên lý làm việc của bộ nửa tổng
Khối 5 được xây dựng trên cơ sở sử dụng phần tử logic thông dụng nửa tổng. Nhiệm vụ của khối này là thực hiện phép toán cộng hai đại lượng số nhị
xj
xc xj
xC
x‟C
x‟j
1
0 1 0
phân một bit có nhớ chuyển đi. Thuật toán cộng hai số nhị phân một bít sẽ cho kết quả cửa ra hàm tổng S chỉ bằng 1 khi cả hai đầu vào khác nhau (x1≠x2) và bằng 0 khi cả hai đầu vào bằng nhau (x1=x2). Đầu ra nhớ chuyển tiếp P chỉ bằng 1 khi cả hai đầu vào bằng 1 và luôn bằng 0 với mọi trường hợp khác còn lại. Sơ đồ nguyên lý của khối 5 và biểu đồ tín hiệu theo thời gian được mô tả trên hình 4.6
Để tạo thời gian trễ cần thiết cho thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha, tín hiệu xác nhận có chạm đất được đưa qua bộ trễ thời gian (khối 6). Bộ tạo thời gian trễ được xây dựng trên cơ sở sử dụng kết hợp hai phần tử VÀ có đầu vào là trigger Smit. Khâu tạo trễ được thực hiện bằng phương pháp sử dụng mạch nạp tụ (mạch tích phân) R-C mắc vào đàu vào của phần tử VÀ thứ nhất còn cửa ra của nó được nối với một trong hai đầu vào của phần tử VÀ thứ hai. Vì thế tại đầu ra cuối của bộ này, thì tín hiệu bị khống chế một khoảng thời gian trễ là t. Sơ đồ nguyên lý của khối 6 và biểu đồ tín hiệu theo thời gian được mô tả trên hình 4.7
Hình 4.7 Mạch nguyên lý khối tạo trễ
Nhằm mục đích tăng độ tin cậy tác động của bảo vệ chống chạm đất một pha, trong sơ đồ nguyên lý của thiết bị có khối 7 là khối chức năng khoá liên động. Trong khối này sử dụng kết hợp các phần tử HOẶC-ĐẢO, phần tử VÀ với
&
C R
IC2 IC1
D 6
1 0 x
t
t1 1
0 y
t t1 t2
t y
x
&
khâu duy trì tín hiệu trong khoảng thời gian. Sơ đồ nguyên lý của khối này được mô tả trên hình 4.8
Hình 4.8 Nguyên lý làm việc của khối khóa liên động Nguyên lý làm việc của thiết bị như sau
Khi chưa có sự cố chạm đất, mạng cung cấp điện cao áp mỏ ở chế độ đối xứng vì thế trên các đầu ra của biến dòng thứ tự không và điện áp trên điện trở R nối trung tính của bộ tụ điện với đất luôn bằng không, thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha ở trạng thái chờ (trạng thái sẵn sàng hoạt động)
Khi có sự cố chạm đất xảy ra trong mạng, quá trình diễn biến như sau:
Khi xuất hiện hiện tượng chạm đất trong hệ thống cung cấp điện cao áp mỏ, có 2 khả năng vùng chạm đất có thể xảy ra:
- Chạm đất xảy ra ngoài vùng bảo vệ của thiết bị - Chạm đất xảy ra trong vùng bảo vệ của thiết bị
Khi chạm đất xảy ra ở ngoài vùng bảo vệ của thiết bị, lập tức tại các đầu ra của các biến dòng thứ tự không và bộ tạo tín hiệu dòng điện dung nhân tạo xuất hiện tín hiệu có chạm đất. Do hiện tượng chạm đất xảy ra ở ngoài vùng bảo vệ của thiết bị, nên tín hiệu dòng thứ tự không và dòng điện dung nhân tạo có tính chất giống nhau (mang tính điện dung), nên các đại lượng này có đặc điểm đồng pha. Kết quả là tại cửa ra của bộ xác nhận có chạm đất (bộ nửa tổng) có giá trị
1
& 1
D
R C
IC1
IC3 IC4
1 IC2
logic 0 vì thế các thiết bị bảo vệ này không tác động (kể cả chạm đất trên thanh cái hay phía đầu nguồn).
Hình 4.9 Tác dụng của bộ nửa tổng khi có tín hiệu chạm đất a- Sơ đồ nguyên lý; b - đồ thị thời gian
Khi chạm đất xảy ra ở trong vùng bảo vệ của thiết bị (chạm đất trên mạng cáp phía sau khởi hành), lập tức tại các đầu ra của các biến dòng thứ tự không và bộ tạo tín hiệu dòng điện dung nhân tạo xuất hiện tín hiệu có chạm đất.
x1
x2
S
P
x1
x2
P
S
t t t t 1
1
1
1 0 0 0 0
5
x1 = x2 x1 x2
a)
b)
Hình 4.10 Biểu đồ tín hiệu khi có chạm đất 1 pha
ioc
Xo
Xoc
y‟
+Im
-Im
+Icm
-Icm
1
1
1
0 0 0
t
t
t
t
t
0 0
Do dòng chạm đất trên khởi hành sự cố bằng tổng các dòng thứ tự không của các khởi hành còn lại không có sự cố chạm đất, nên tín hiệu dòng chạm đất tại khởi hành ấy và dòng điện dung nhân tạo có tính chất không giống nhau (dòng thứ tự không tại khởi hành chạm đất có tính điện cảm còn dòng điện dung nhân tạo mang tính điện dung), nên các đại lượng này có đặc điểm ngược pha nhau. Kết quả là tại cửa ra của bộ xác nhận có chạm đất (bộ nửa tổng) có giá trị logic 1. Các thiết bị còn lại đặt trên các khởi hành không chạm đất nhận giá trị logic 0 vì thế các thiết bị bảo vệ này không tác động. Tín hiệu mức logic 1 từ khối nửa tổng được chuyển đến đầu vào của khối tạo thời gian trễ. Qua khoảng thời gian t theo yêu cầu, tại cửa ra của khối này xuất hiện tín hiệu mức logic 1.
tín hiệu này tiếp tục đi qua khối khoá liên động rồi chuyển đến khối thừa hành.
Nếu các đầu vào nhận tín hiệu của khối này không nối với các thiết bị khác thì khối thừa hành sẽ đóng tiếp điểm rơ le của nó nhằm cấp điện cho cuộn cắt để cắt máy cắt. Còn nếu các đầu vào khoá liên động được nối với các thiết bị bảo vệ khác thì chỉ khi nào các tín hiệu khoá liên động có mức logic 0 thì khối thừa hành mới cho phép cấp điện cho cuộn cắt của máy cắt ( hình 4.8).
Như vậy, với nguyên lý hoạt động của thiết bị như trên nó có thể bảo vệ chắc chắn các khởi hành khi có sự cố chạm đất xảy ra trong vùng bảo vệ. Mặt khác với nguyên lý làm việc của thiết bị như trên, ưu điểm của nó nổi trội ở khả năng bảo vệ cho các khởi hành mà ít phụ thuộc vào tham số chiều dài cũng như số lượng khởi hành làm việc. Biểu đồ tín hiệu của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc sử dụng dòng điện dung nhân tạo được mô tả trên hình 4.10 4.5 Ứng dụng phần mềm tin học mô phỏng mạng và thiết bị bảo vệ chạm đất một pha
Để đánh giá và kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha, sử dụng phần mềm Multisim 10 để xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị bảo vệ chống chạm đất một pha. Phần mềm do hãng xây dựng nên sử dụng rất thuận tiện cho các bài toán mô phỏng mạch điện tử tương tự và điện tử số.