Dao động điện (dao động công suất) là sự biến động về trào lưu công suất 3 pha diễn ra khi các góc pha rôto MPĐ sớm pha hoặc trễ pha với nhau; có sự biến đổi về chiều và biên độ dòng phụ tải, chuyển mạch đường dây, mất nguồn điện, sự cố, và các kích động khác trong hệ thống. Dao động điện có thể làm một số bảo vệ tác động ngoài mong muốn, chẳng hạn có thể làm cho tổng trở phụ tải (trong chế độ xác lập không nằm trong miền tác động) chuyển vào miền đặc tuyến tác động của bảo vệ khoảng cách. Ngoài ra, hiện tượng dao động phi đồng bộ có thể làm phát sinh các dòng điện lớn trong một phần chu kỳ (nửa chu kỳ) dao động làm ảnh hưởng đến sự làm việc của các bảo vệ quá dòng điện (pha) cắt nhanh. Mặt khác, điện áp thấp ở một phần chu kỳ (nửa chu kỳ) dao động cũng có thể làm ảnh hưởng đến các rơle điện áp thấp loại cắt nhanh hoặc với có thời gian trễ nhỏ tại các nhà máy điện.
Sự chênh lệch tần số trong khi dao động điện phi đồng bộ và sau khi chia cắt HTĐ hợp nhất có thể gây ra các sai số trong phép đo véctơ của các rơle số nếu chúng không bắt được tần số hệ thống. Ngoài ra, các bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số có hằng số thời gian nhớ lớn cũng có thể tác động khi có biến động lớn về tần số.
2.3.1 Sự làm việc của bảo vệ khoảng cách
Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ dùng rơle tổng trở có thời gian làm việc phụ thuộc vào quan hệ giữa điện áp UR và dòng điện IR đưa vào rơle và góc φR giữa chúng. Thời gian này tự động tăng lên khi khoảng cách từ chỗ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng tăng lên. Bảo vệ đặt gần chỗ hư hỏng nhất có thời gian làm việc bé nhất.
Đắc tính của nó là quan hệ giữa thời gian tác động của bảo vệ với khoảng cách hay tổng trở đến chỗ hư hỏng.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 43 Trên hình 2-3 ở vùng 1 bảo vệ tác động gần như tức thời với thời gian t1 rất bé (chỉ gồm thời gian làm việc của bản thân rơle và của máy cắt). Tại vùng 2 thời gian tác động của bảo vệ là: t2 = t1 + ∆t
Khoảng thời gian trễ∆t được chọn lớn hơn thời gian của bảo vệ chính của các phần tử khác được nối trên cùng thanh cái trạm biến áp. Sở dĩ như vậy là vì bảo vệ khoảng cách không được phản ứng với sự cố ở các phần tử khác, thông thường giá trị∆t được chọn bằng 0,4 ÷ 0,5 s. Vùng bảo vệ 3 là vùng dự phòng có thời gian trễ hơn so với bảo vệ 2, tức là: t3 = t2 + ∆t.
Hình 2- 3: Đặc tính nhiều cấp của BVKC
Sau đây xét ví dụ cụ thể về đặc tính thời gian làm việc hình bậc thang có 3 cấp bảo vệ khoảng cách.
Khi xảy ra ngắn mạch ở điểm N, các bảo vệ 3 và 4 của đường dây hư hỏng BC ở gần điểm ngăn mạch nhất (có khoảng cách Ɩ3 và Ɩ4) sẽ tác động với thời gian bé nhất tI. Các bảo vệ 1 và 6 cũng khởi động nhưng chúng ở xa điểm ngắn mạch hơn (Ɩ1 > Ɩ3 và Ɩ6 > Ɩ4) nên chúng chỉ có thể tác động như là một bảo vệ dự phòng trong trường hợp đoạn BC không được cắt ra với các bảo vệ 3 và 4.
Hình 2- 4: Bảo vệ khoảng cách trong mạch hở có nguồn cấp từ hai phía a) Sơ đồ mạng được bảo vệ, b) Đặc tính bảo vệ nhiều cấp
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 44 Các bảo vệ 2 và 5 cũng cách điểm ngắn mạch một khoảng Ɩ3 và Ɩ4 (giống như bảo vệ 3 và 4), muốn chúng không tác động thì các bảo vệ này cũng như tất cả các bảo vệ khác phải có tính định hướng, bảo vệ chỉ tác động khi hướng công suất ngắn mạch đi từ thành góp về phía đường dây được bảo vệ. Tính định hướng tác động của bảo vệ được đảm bảo nhờ bộ phận định hướng công suất riêng biệt hoặc là nhờ một bộ phận chung vừa xác định khoảng cách đến điểm ngắn mạch vừa xác định hướng của dòng công suất ngắn mạch. Bản chất của loại rơle này là rơle tổng trở nên ta có những tìm hiểu và phân tích sau đây:
2.3.1.1 Bảo vệ khoảng cách làm việc khi có dao động điện
Để hiểu được tại sao các bảo vệ khoảng cách tác động khi diễn ra các dao động điện thì trước tiên chúng ta cần xác định tổng trở đo được tại bảo vệ trong chế độ dao động điện phi đồng bộ OOS với hệ thống điện đơn giản 2 nguồn như hình dưới đây:
Hình 2- 5: Hệ thống điện đơn giản hai nguồn
Tổng trở đo được tại rơle khoảng cách đặt tại thanh góp A sẽ là:
(2-2) Chúng ta biết rằng vượt trước một góc δ và tỷ số biên độ điện áp giữa hai nguồn là: . Khi đó chúng ta có:
(2-3) Trong trường hợp biên độ hai nguồn bằng nhau hay k = 1 thì (2-3) có thể viết thành:
) (2-4) Cuối cùng, tổng trở đo được tại rơle l
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 45 (2-5) Hình vẽ 2-5 trên là biểu thức (2-5) được thể hiện trên mặt phẳng tổng trở.
Hình 2- 6: Đường dịch chuyển quỹ tích của dao động khi
Đường dịch chuyển của tổng trở đo được tại rơle (trong khi có dao động điện và cho góc lệch pha giữa 2 điện áp nguồn biến thiên) có dạng đường thẳng cắt đoạn CD tại trung điểm của nó – điểm này được gọi là tâm điện của dao động. Góc tạo bởi 2 đoạn thẳng PC, PD bằng góc δ. Khi δ = 1800 thì tổng trở sẽ chính là tổng trở của tâm điện. Do đó, đường dịch chuyển của tổng trở trong khi có dao động điện sẽ cắt ngang bất cứ đường đặc tuyến bảo vệ nào chứa tâm điện.
Hình 2- 7: Đường dịch chuyển quỹ tích của dao động trường hợp tổng quát Trong các trường hợp mà k # 1 thì đường dịch chuyển của tổng trở sẽ có dạng đường tròn (hình 2-7). Tâm và bán kính của đường tròn là hàm của tỷ số k.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 46
Hình 2- 8: Vùng 1 bảo vệ khoảng cách tác động khi Zapp rơi vào vùng đặc tuyến của nó
Các bảo vệ khoảng cách phản ứng với các thành phần thứ tự thuận. Tổng trở thứ tự thuận đo được tại đầu đường dây trong chế độ dao động điện phi đồng bộ biến thiên dưới dạng hàm của độ lệch góc pha δ giữa 2 điện áp nguồn đẳng trị của hệ thống. Các phần tử của Vùng 1 (tác động tức thời hay không chủ định có thời gian trễ) là các phần tử khoảng cách có nhiều khả năng tác động nhất trong khi xảy ra hiện tượng dao động điện. Ở hình 2-8 cho biết sự tác động của vùng 1 khi quỹ tích dao động đi qua đặc tuyến tác động của nó. Chức năng PSB trong ứng dụng này không được kích hoạt nên làm cho Vùng 1 tác động. Việc ứng dụng và cài đặt phù hợp các phần tử PSB (khóa khi có dao động điện) sẽ ngăn chặn sự làm việc này của đường dây. Các vùng dự phòng của bảo vệ khoảng cách thường không tác động khi xảy ra dao động điện tùy theo việc cài đặt thời gian trễ và thời gian để qũy tích tổng trở dao động đi qua đặc tuyến làm việc của bảo vệ.
2.3.1.2 Sử dụng mặt phẳng phức tổng trở để phân tích sự làm việc của rơle tổng trở[3]
- Góc φR được tính từ trục (+) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, lúc đó véctơ IR xem như là gắn chặt trên trục (+). Hình chiếu của véctơ ZR lên trục j là thành phần phản kháng XR = ZRsinφR và lên trục (+) là thành phần tác dụng rR = ZRcosφR. Đường dây BC được bảo vệ có tổng trở mang tính cảm, biểu diễn trong thành phần thứ tự 1 bằng số phức . Rơle tổng trở đang xét đặt ở đầu đường dây BC về phía trạm B, hình 2-11 b). Đường dây CD có tổng trở nằm ở phần thứ tự 1 trên đường kéo dài của số phức , còn
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 47 đường dây AB có tổng trở nằm ở phần thứ tự 3 trên đường kéo dài về phía ngược lại.
Hình 2- 9: Biểu diễn trong mặt phẳng phức tổng trở a)Tổng trở đầu cực rơle; b) đường dây được bảo vệ
Vùng bảo vệ đường dây BC được đặc trưng bởi tổng trở ≈ 0,85ZƖBC, khi không có những yếu tố làm sai lệch nhiều đến sự làm việc của bảo vệ thì rơle tổng trở cần có đặc tính khởi động bọc lấy số phức như vùng gạch chéo trên hình 2-9.b). Theo dạng đặc tính khởi đổng người ta phân ra một số loại rơle tổng trở sau:
Rơle tổng trở vô hướng:
(2-6) Đặc tính của rơle là vòng tròn có tâm ở gốc tọa độ hình. 2-10 a). Trị số tổng trở khởi động của rơle này không phụ thuộc góc giửa và .
Rơle tổng trở có hướng có đặc tính vòng tròn:
(2-7) Đặc tính của rơle là vòng tròn đi qua gốc tọa độ (hình 2-10.b). Rơle sẽ có độ nhạy lớn nhất đặc trưng bằng ZKĐmax = k khi α = -φ1. Thường chọn α = -φ1 do vậy khi xảy ra ngắn mạch trực tiếp trên đường dây, tương ứng với φR – φ1, bảo vệ sẽ có độ nhạy lớn nhất.
Rơle định hướng công suất được xem như là rơle tổng trở có hướng có đặc tính vòng tròn với bán kính bằng vô cùng (hình 2-10.c). Đặc tính như vậy là đường thẳng qua gốc tọa độ và tạo với trục (+) một góc (900 - α).
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 48
Hình 2- 10: Đặc tính khởi động của rơle tổng trở trong mặt phẳng phức a) Có hướng; b) vô hướng; c) định hướng công suất; d) hỗn hợp;
e) kết hợp rơle tổng trở có hướng và hỗn hợp; f) Phản kháng
Nhược điểm của rơle tổng trở có hướng và rơle định hướng công suất là tồn tại vùng chết không những khi ngắn mạch 3 pha và cả khi ngắn mạch hai pha.
Nguyên nhân là do để rơle tổng trở làm việc đúng và để nhận được ZR tỷ lệ với khoảng cách đến chỗ ngắn mạch, người ta đưa vào rơle dòng các pha hư hỏng và áp dư của các nhánh hư hỏng, nếu ngắn mạch trực tiếp ở gần chỗ đặt bảo vệ thì áp đưa vào rơle có thể tiến đến 0.
Rơle hỗn hợp (tác dụng – Phản kháng):
(2-8) Đặc tính là các đường thẳng cách gốc tọa độ một khoảng bằng k (đường 1 và 2 hình 2-12 d), cắt các trục (+) và (+j) một khoảng tương ứng bằng và . Rơle loại này thường không sử dụng độc lập để làm bộ phận đo khoảng cách. Có thể dùng nó để bảo vệ đường dây dài tải nặng để cắt bớt một phần vùng khởi động.
Ví dụ như cắt bớt vùng khởi động của rơle tổng trở có hướng (hình 2-10 .e) Rơle tổng trở phản kháng:
(2-9) Đặc tính là đường thẳng song song với trục (+) hình 2-10. f) là trường hợp khi , rơle tổng trở có thể là cực đại hoặc cực tiểu, thích hợp là bộ phận
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 49 khởi động và khoảng cách. Sự làm việc của nó là so sánh vùng có chứa với vùng khởi động của bảo vệ.
2.3.1.3 Các yếu tổ ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ khoảng cách
Ảnh hưởng của điện trở quá độ đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách:
Ảnh hưởng của điệ trở quá độ rqđ đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách được xét đối với mạng hở có nguồn cấp từ hai phía (hình 2-11). Ở đầu cực rơle tổng trở đặt ở đường dây AB về phía trạm A (ví dụ, nối với áp dây và hiệu dòng pha) khi
qua ở đầu đường dây BC sẽ có tổng trở bằng:
(2-10) Trong đó: α – góc lệch pha giữa dòng ở điểm hư hỏng và dòng
Hình 2- 11: Ảnh hưởng của điện trở quá độ đến sự làm việc của role tổng trở a)Sơ đồ mạng; b) Tổng trở đầu cực của rơle
Tương tự đối với rơle tổng trở nối vào đường dây BC về phía trạm C khi hư hỏng ở cùng điểm đó:
(2-11)
β – góc lệch pha giữa dòng và dòng trong đường dây BC, nếu β dương và vượt trước , thì góc α sẽ âm vì chậm sau
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 50 Tổng trở ở đầu cực rơle của đường dây BC đặt về phía trạm B, dù khoảng cách từ nó đến điểm ngắn mạch bằng 0, vẫn có một giá trị hữu hạn:
(2-12) Các biểu thức nói trên cho thấy điện trở quá độ rqđ trong trường hợp chung làm sai lệch sự làm việc của các rơle tổng trở, tổng trở ZR ở đầu cực của chúng sẽ không còn tỷ lệ với khoảng cách l đến điểm hư hỏng.
Tổng trở ở đầu cực rơle tăng lên do rqđ làm cho điểm ngắn mạch như là lùi xa hơn và bảo vệ có thể tác động với thời gian lớn hơn của cấp sau, ví dụ cấp II thay vì cấp I. Như vậy, do ảnh hưởng của rqđ bảo vệ khoảng cách sẽ có thể tác động chậm hơn nhưng vẫn không mất tính chọn lọc.
Ảnh hưởng của trạm trung gian:
Hình 2- 12: Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng
đến sự làm việc của role tổng trở đặt tại trạm A. a) KI < 1, b) KI > 1
Trên hình 2-12 a). là một phần của mạng điện, xét ngắn mạch xảy ra ở đoạn BD cách thành góp B một khoảng l. Qua các đoạn AB và CB có dòng IAB và ICB dòng ngắn mạch trên đoạn hư hỏng BD là:
(2-13) Khi ngắn mạch nhiều pha, tổng trở ở đầu cực rơle tổng trở đặt về phía trạm A của đường dây AB là:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 51 (2-14) Trong đó:
Như vậy, tổng trở ở đầu cực rơle A được xác định không những bằng vị trí của điểm hư hỏng, mà bằng hệ số phân bố dòng, hệ số này đặc trưng cho phần dòng của đoạn hư hỏng đi qua đoạn không hư hỏng.
Ảnh hưởng của tổ nối dây máy biến áp:
Vấn đề đáng quan tâm ở đây là trường hợp các MBA có tổ nối dây Y/∆ hoặc
∆/Y, chúng sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của các rơle tổng trở khi xảy ra ngắn mạch hai pha.
Hình 2- 13: Ảnh hưởng của máy biến áp có tổ nối dây Y/∆
đến sự làm việc của rơle tổng trở
Khi ngắn mạch giữa các pha A và C sau MBA nối Y/∆ (hình 2-13), ta có thể tính được tổng trở ở đầu cực các rơle nối vào dòng và áp giữa các pha đặt trên đường dây về phía nguồn cung cấp như sau:
(dòng các pha A,B bằng nhau, )
Trong đó: là tổng trở thứ tự nghịch của nguồn cấp là tổng trở của máy biến áp
là tổng trở đường dây (coi )
Các biểu thức trên cho chúng ta thấy, tổng trở của bảo vệ đường dây có ZR tăng lên so với Z1l + ZB và bảo vệ sẽ không tác động nhầm.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 52 Ảnh hưởng của sai số BI và BU:
Sai số của BI là do mạch từ BI bị bão hòa, làm giảm dòng thứ cấp so với giá trị xác định theo tỷ số biến đổi định mức. Điều đó làm giảm chiều dài vùng bảo vệ.
Vì vậy, BI được kiểm tra theo đường cong sai số 10% đối với giá trị cực đại của dòng điện khi ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ thứ nhất.
Sai số về áp được quyết định bởi độ chính xác của bản thân BU cũng như do áp rơi trên các dây nối. Thường dùng các BU có công suất khả lớn, sai số của chúng nằm trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, nếu từ BU đến chỗ đặt bảo vệ có khoảng cách lớn thì thường phải dùng các dây dẫn phụ tiết diện lớn để giảm tổn thất điện áp trong chúng.
2.3.1.4 Sự làm việc của vùng mở rộng bảo vệ khoảng cách trong chế độ làm việc nặng nề của hệ thống
Các chế độ làm việc nặng nề của hệ thống có đặc điểm là: điện áp thấp, trào lưu công suất lớn trên đường dây truyền tải, dao động điện và tần số hệ thống bất thường. Nhiều tác động của vùng 3 trong các kích động lớn là do chế độ quá tải đường dây và điện áp thấp. Sự tác động ngoài mong muốn của vùng 3 do điện áp thấp và quá tải đường dây là điểm đáng chú ý nhất của bảo vệ khoảng cách đã được đề cập đến sau sự cố mất điện trên diện rộng ngày 14/8/2003 tại Bắc Mỹ. Vì sự tác động của vùng 3 (hoặc tác động của vùng mở rộng khác) là một trong những yếu tố góp phần gây ra các sự cố mất điện trên diện rộng nên thu hút được sự quan tâm, nỗ lực nghiên cứu, tìm hiểu việc cài đặt cũng như phát triển các yêu cầu về khả năng mang tải và các tiêu chuẩn.
Các bảo vệ khoảng cách giám sát chế độ điện áp và dòng điện đường dây sẽ tác động nếu tổng trở biểu kiến đo được tại vị trí đặt bảo vệ rơi vào đặt tuyến tác động của nó. Trên hình 2-14 cho ta thấy khả năng xâm lấn của phụ tải vào vùng 3 trong chế độ làm việc nặng nề của hệ thống.
Lưu ý: trong trường hợp này (hình 2-14) chức năng lấn vùng tải được đặt . Vùng 3 sẽ tác động trong chế độ này do nó không bị khóa bởi chức năng chống lấn vùng của phụ tải; việc cài đặt bán kính cho chức năng lấn vùng của phụ tải là rất quan trọng bởi vì trong trường hợp này cho dù tăng góc cài đặt lên ±450 thì rơle vẫn có thể tác động.
Trên thực tế, tổng trở của phụ tải có thể nhỏ hơn tổng trở của một số sự cố trong chế độ làm việc nặng nề hệ thống hoặc trong các ứng dụng đường dây dài