Nguyên tắc thực hiện rơle khoảng cách

L ỜI CẢM ƠN

3.3.3 Nguyên tắc thực hiện rơle khoảng cách

3.3.4 Lựa chọn giá trị khởi động

Xét một hệ thống điện như Hình vẽ 3-12:

Hình vẽ 3-12: Sơ đồ phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa ba vùng của bảo vệ khoảng cách.

Việc lựa chọn thời gian cho bảo vệ khoảng cách cũng được chọn theo nguyên tắc từng cấp như bảo vệ quá dòng điện cực đại. Tức là độ lệch về thời gian làm việc giữa các vùng bảo vệ liền kề nhau t chọn bằng: t = 0,3 ÷ 0,5 s,

Vùng I: bảo vệ khoảng 80-90% chiều dài đường dây được bảo vệ. Thời gian khởi động chọn tAI = 0 (s) ,

Tổng trở khởi động: ví dụ bảo vệ A đặt đầu đường dây AB, tổng trở khởi động sẽ được chọn như sau: ZAIkat.ZAB,

trong đó: kat< 1 có xét đến sai số của các mạch đo lường, bản thân rơ le khoảng cách và của việc xác định thông số tổng trở đường dây ŻAB .Với các rơ le điện cơ có thể lấy kat = 0,8, với các rơ le số có độ chính xác cao hơn có thể lấy kat = 0,85; nếu tổng trở của đường dây được đo trực tiếp và sử dụng rơ le số thì kat có thể lấy bằng 0,9.

Vùng II: Cần phải phối hợp với bảo vệ cấp I của đường dây tiếp theo (đầu B), thông thường vùng II sẽ bảo vệ toàn bộ đường dây AB và khoảng 20% chiều dài đường dây tiếp theo, cụ thể chọn các thông số như sau:

Thời gian khởi động chọn tAII = tAI +t (s) Tổng trở khởi động:  I B AB at II A k .Z Z Z     RZA RZB RZC MCA A ZAB MCB B C D MCC ZBC ZCD ~ A B C D ZAI =0,8Z ZBI =0,8Z ZCI ZAII =0,8(Z +Z i) ZAIII =0,8[ZAB+0,8(ZBC +Zi )] N1 N2 tIA tIB tIC tIIA tIIB tIIC tIIIA tIIIB

trong đó: ZBI - Tổng trở khởi động vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu B đường của đường dây tiếp theo. kat : được chọn như trên nhằm phối hợp chọn lọc giữa hai vùng thứ II của bảo vệ A và B liền kề.

Vùng III: cũng chọn tương tự như vùng II với vùng khởi động thứ III thường bao lấy toàn bộ chiều dài đường dây dài nhất tiếp theo để làm bảo vệ dự phòng cho đường dây này

Thời gian khởi động chọn tAIII = tAII +t (s)

Tổng trở khởi động:   I C BC at AB at III A k .Z k .Z Z Z      

trong đó: ZCI - Tổng trở khởi động vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu C đường của đường dây tiếp theo. kat : được chọn như trên nhằm phối hợp chọn lọc giữa hai vùng thứ II của bảo vệ A và B liền kề.

3.3.5 Những yếu tố làm sai lệch đến sự làm việc của rơle khoảng cách

3.3.5.1 Ảnh hưởng của điện trở quá độ

Điện trở quá độ tại chỗ sự cố làm cho tổng trở đường dây nhỏ hơn tổng trở sự cố. Ví dụ cách tính điện trở hồ quang có thể được tính theo công thức kinh nghiệm: Ra=8750/I1,4(ohm)

trong đó:

L là chiều dài hồ quang (ft) L=3V t +L0

V : Tốc độ gió (Mile/h)

t : Thời gian tồn tại hồ quang (s) L0 : Chiều dài hồ quang sơ cấp(feet) I là dòng điện hồ quang

Sự xuất hiện của hồ quang tại chỗ ngắn mạch cũng đồng thời làm cho thời gian của bảo vệ khoảng cách tăng lên vì phải tính đến thời gian tắt hồ quang tại chỗ ngắn mạch

3.3.5.2 Ảnh hưởng của dòng điện trong các nhánh

Vì tổng trở đo được bởi rơle là tỉ số giữa điện áp và dòng điện đưa vào rơle:

R R R I V Z    

tuy nhiên dòng điện đi vào rơ le khoảng cách lại phụ thuộc vào các nhánh nhất là trong các hệ thống có đường dây kép như trên Hình vẽ 3-13

Hình vẽ 3-13: Sự phân bố dòng điện trên các nhánh của đường dây mạch kép

N A B C D ICD IAB HTĐ 1 HTĐ 2

3.3.5.3 Ảnh hưởng sai số các thiết bị đo lường

Các thiết bị đo lường BU, BI có ảnh hưởng khá lớn đến sự làm việc của rơ le khoảng cách. Vì tổng trở rơ le đo được phụ thuộc vào giá trị điện áp và dòng điện đo được. Do đó các BU, BI cần phải đảm bảo nhỏ hơn sai số cho phép.

3.3.5.4 Các ảnh hưởng khác

Tổng trở đo được bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố khác như: dao động công suất (Power Swing), khi ngắn mạch gần nguồn có thể làm cho điện áp giàm quá thấp và các rơ le có thể không khởi động được, tổng trở của đường dây thay đổi khi có thiết bị bù (tụ bù dọc, kháng bù dọc, thiết bị bù ngang)và ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các đường dây.

3.3.6 Đánh giá về bảo vệ khoảng cách

Bảo vệ khoảng cách có các đặc điểm sau đây:

Tính tin cậy: làm việc khá tin cậy, tuy nhiên bộ phận tính toán khoảng cách phức tạp hơn so với các bảo vệ trước, nhất là khi cần có thêm thêm bộ định hướng công suất. Sự làm việc chính xác phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống đo lường, tính toán tổng trở, đặc biệt là khi phát sinh hồ quang tại chỗ ngắn mạch, các đường dây có thiết bị bù, sự dao động công suất trong mạch, sự hỗ cảm giữa các đường dây.

Tính chọn lọc: Đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng khác nhau, là loại bảo vệ có tính chọn lọc tương đối.

Tính tác động nhanh: Có khả năng cắt ngắn mạch khá nhanh, đặc biệt là khi dùng các hệ thống thông tin và truyền tin tốc độ cao với các tín hiệu cho phép cắt, và cho phép khóa liên động.

Độ nhạy: Độ nhạy khá cao

Do đó thông thường bảo vệ khoảng cách được làm bảo vệ chính cho các đường dây cao áp, làm dự phòng cho bảo vệ MBA hoặc MPĐ.

3.4 BẢO VỆ SO LỆCH

3.4.1 So lệch dòng điện

3.4.1.1 Nguyên tắc tác động

Bảo vệ so lệch dòng điện là loại bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp biên độ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ. Nếu sự sai lệch giữa hai dòng điện vượt quá trị số cho trước (giá trị khởi động) thì bảo vệ sẽ tác động.

Là loại bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối, vùng tác động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí đặt của hai tổ máy biến dòng ở đầu và cuối phần tử được bảo vệ, từ đó nhận tín hiệu dòng điện để so sánh. Sơ đồ nối các phần tử như Hình vẽ 3-14 còn được gọi là sơ đồ dòng điện tuần hoàn hay dòng điện so lệch.

I  T1 I  T2 I  R T1 T2 I I I I         T1 I  T2 I  T1 I  T2 I 

Hình vẽ 3-14: Bảo vệ so lệch dòng điện a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véctơ dòng điện khi ngắn mạch ngoài vùng và trong chế độ bình thường, c) Khi ngắn mạch trong vùng. Dòng điện so lệch chạy qua rơ le: ISL IIT1IT2 IR

Tình trạng làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N1).

Trong trường hợp lý tưởng (giả sử các biến dòng điện giống hệt nhau và không có sai số) ta có: IS1IS2 nên 2 T 1 T I I 

  và dòng điện đi vào rơle: I I I 0

2 T 1 T R    nên bảo vệ so lệch

dòng điện không tác động (đồ thị véc tơ Hình vẽ 3-14-b).

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (N2)

Trường hợp có hai nguồn cung cấp thì IS1IS2cả về trị số và góc pha, do đó các dòng

điện thứ cấp cũng khác nhau IT1IT2 và dòng điện vào rơ le: I I I 0

2 T 1 T R     .

Nếu IR Ikđđ  bảo vệ sẽ tác động cắt các máy cắt của phần tử được bảo vệ. Đồ thị véc tơ dòng điện như Hình vẽ 3-14-c.

Trường hợp nguồn chỉ có từ một phía (SB = 0)

Khi đó dòng điện chạy qua rơ le là:IR IT1, nếu

kđ

R I

I  thì bảo vệ sẽ tác động.

3.4.1.2 Chọn dòng điện khởi động

Trong các sơ đồ bảo vệ so lệch, các cuộn dây thứ cấp của các biến dòng điện phải nối sao cho khi bình thường và khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ dòng điện qua rơ le IR = 0, còn khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ dòng điện qua rơ le IR bằng dòng điện ngắn mạch tổng ở phía thứ cấp IN.

Trên thực tế, do sai số của máy biến dòng, đặc biệt do hiện tượng bão hoà của mạch từ, nên trong chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài, dòng điện phía thứ cấp của hai tổ máy biến dòng BI1 và BI2 sẽ khác nhau và:

0 I I I IR T1T2  Kcb  

Do đó dòng điện khởi động sẽ được tính toán như sau: max Kcbtt at kđ k I I 

trong đó: dòng điện không cân bằng phụ thuộc các yếu tố sau: Ikcbttmax =fimax.kđn.kkck.INngoàimax

fimax: là sai số cực đại cho phép của BI (fimax =10%) kđn: Hệ số đồng nhất của BI (=0÷1)

kkck là hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch

INngoàimax là thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch lớn nhất

3.4.1.3 Các biện pháp nâng cao độ nhạy

Để ngăn ngừa bảo vệ so lệch làm việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của IKcb, thường dùng các biện pháp để giảm dòng điện không cân bằng như dùng biến dòng bão hoà trung gian, sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ bằng dòng điện pha hoặc các hài bậc cao (xuất hiện trong quá trình quá độ và khi mạch từ bị bão hoà).

Khi sử dụng nguyên lý so lệch dòng điện để bảo vệ máy biến áp và biến áp tự ngẫu, cần chú ý đến khả năng bảo vệ so lệch có thể làm việc sai khi đóng máy biến áp không tải.

Tuỳ thuộc thời điểm đóng máy cắt nối máy biến áp không tải với nguồn điện mà trị số ban đầu (xung kích) của dòng điện từ hoá máy biến áp có thể đạt trị số lớn gấp nhiều lần dòng điện định mức của máy biến áp. Trường hợp xấu nhất (I lớn nhất) sẽ xảy ra khi đóng máy cắt điện vào thời điểm điện áp nguồn có trị số tức thời qua điểm 0. Khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hoá (I) trở lại trị số bình thường (khoảng vài phần trăm dòng điện định mức).

Do dòng điện từ hoá chỉ chạy ở phía cuộn dây máy biến áp nối với nguồn khi máy biến áp đang ở chế độ không tải nên dòng điện ở cuộn dây bên kia bằng không. Bảo vệ so lệch máy biến áp có thể tác động nhầm (lúc này tương đương với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp có nguồn cung cấp từ một phía).

Để phân biệt trường hợp đóng máy biến áp không tải với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp, người ta dựa vào tính chất của dòng điện từ hoá xung kích và dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp.

Qua phân tích sóng hài của hai dòng điện này ta thấy: Dòng điện từ hoá xung kích chứa phần lớn hài bậc hai (khoảng 70% so với hài cơ bản) và có thể đạt trị số cực đại đến khoảng 30% trị số của dòng sự cố. Do đó có thể sử dụng hãm bổ sung bằng hài bậc hai (f2 = 100Hz) của dòng điện quá độ đưa vào bảo vệ so lệch cho máy biến áp. Sơ đồ nguyên lý như Hình vẽ 3-15 dùng ba biến dòng phụ:

trong đó:

BILV : để lấy ra dòng điện làm việc (hay dòng điện so lệch : ISL IT1IT2) BIH : để lấy ra dòng điện hãm (IH IT1IT2)

BIL : để lọc hài bậc hai trong dòng điện so lệch đưa vào hãm bổ sung trong bộ so sánh pha.

Nguyên lý hãm bổ sung bằng hài bậc hai hiện nay đang được sử dụng để chế tạo các rơ le bảo vệ máy biến áp.

Hình vẽ 3-15: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm bổ sung bằng dòng điện hài bậc hai dùng cho bảo vệ máy biến áp hai dây quấn

3.4.2 So sánh pha của dòng điện

Bảo vệ so sánh góc pha làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh pha của hai dòng điện ở hai đầu của phần tử được bảo vệ. Pha của dòng điện được truyền qua kênh truyền để so sánh với nhau, sơ đồ nguyên lý như Hình vẽ 3-16.

Độ lệch pha được tính như sau: 1 2 .

trong đó: φ1, φ2 tương ứng là góc pha của dòng điện đi vào và đi ra khỏi phần tử được bảo vệ.

Ở chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài (điểm N1), góc pha dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ gần như nhau nên 00.

Khi ngắn mạch trong vùng được bảo vệ (điểm N2), dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ ngược pha nhau nên ≈ 1800.

Trên thực tế, do ảnh hưởng của điện dung phân bố của phần tử được bảo vệ nên trong chế độ làm việc bình thường cũng như khi có ngắn mạch ngoài thì  ≠ 0. Để cho bảo vệ không tác động nhầm cần phải chọn góc khởi động (kđ) lớn hơn một giá trị nào đó, thường chọn Kđ bằng khoảng  (300 ÷ 600) như Hình vẽ 3-16-b.

1

 2



 

Hình vẽ 3-16: Bảo vệ so sánh pha dòng điện: a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tính góc pha bảo vệ.

3.4.3 Đánh giá về bảo vệ so lệch

Bảo vệ so lệch có các đặc điểm sau đây:

Tính tin cậy: làm việc khá tin cậy, tuy nhiên sự làm việc chính xác phụ thuộc rất nhiều vào giá trị của dòng điện không cân bằng, và hệ thống dây dẫn phụ, hay hệ thống truyền tin.

Tính chọn lọc: đảm bảo tính chọn lọc trong các mạng khác nhau, là loại bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối.

Tính tác động nhanh: có khả năng cắt ngắn mạch nhanh,

Độ nhạy: đôi khi không đảm bảo nếu có dây dẫn phụ với tổng trờ lớn, hoặc dòng không cân bằng lớn

Do đó thông thường bảo vệ khoảng cách được làm bảo vệ chính cho các đường dây cao áp với hệ thống truyền tin hiện đại, các MBA, các MPĐ, thanh góp, động cơ điện công suất lớn.

3.5 CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Nguyên tắc tác động của bảo vệ quá dòng điện? Chọn dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ dòng điện cắt nhanh? Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của bảo vệ dòng điện cực đại và bảo vệ dòng điện cắt nhanh?

2 Bảo vệ quá dòng điện có hướng công suất? Phạm vi ứng dụng?

3 Nguyên lý khoảng cách, những đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách?

4 Nguyên tắc tác động của bảo vệ so lệch dòng điện? Sự làm việc của bảo vệ khi có ngắn mạch ngoài và trong vùng bảo vệ?

CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CÁC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Phương pháp và chủng loại thiết bị bảo vệ các đường dây tải điện phụ thuộc nhiều yếu tố như: Đường dây trên không hay dây cáp, chiều dài đường dây, công suất truyền tải và tầm quan trọng của đường dây, số mạch truyền tải và vị trí của đường dây …

Theo cấp điện áp người ta phân biệt:

U < 1 kV Đường dây hạ áp 1kV  U  35 kV Đường dây trung áp 66 kV  U  220 kV Đường dây cao áp 330 kV  U  1000 kV Đường dây siêu cao áp U > 1000 kV Đường dây cực cao áp

Đường dây cấp điện áp danh định từ 220 kV trở lên được gọi là đường dây truyền tải và từ 110 kV trở xuống được gọi là đường dây phân phối.

Những sự cố thường gặp đối với đường dây tải điện là ngắn mạch (Nhiều pha hoặc một pha), chạm đất một pha (trong lưới điện có trung điểm cách điện hoặc nối qua cuộn PETERSEN) quá điện áp (khí quyển hoặc thao tác), đứt dây và quá tải.

Để chống các dạng ngắn mạch trong lưới hạ áp thường người ta dùng cầu chảy hoặc áp tô mát.

Để bảo vệ các đường dây trung áp (U≤35kV) chống ngắn mạch, người ta dùng các loại bảo vệ sau:

Quá dòng điện cắt nhanh hoặc có thời gian (với đặc tính độc lập hoặc phụ thuộc) Quá dòng điện có hướng

So lệch dùng cáp thứ cấp chuyên dùng Khoảng cách

Đối với đường dây cao áp (66÷220kV) và siêu cao áp (330÷1000kV) thường dùng các loại bảo vệ:

So lệch dòng điện