6 Các nguyên lý cơ bản thực hiện bảo vệ rơle
1.2 Bảo vệ quá dòng có thời gian
Đây là chức năng đặc thù của rơle quá dòng được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Ưu điểm của chức năng này là cách tính toán và cài đặt của bảo vệ khá đơn giản và dễ áp dụng.
Giá trị đặt I> của bảo vệ là ngưỡng dòng chỉnh định trong bộ nhớ rơle mà khi dòng sự cố vượt quá nó trong thời gian xác định t> thì bảo vệ sẽ tác động. Giá trị này trong trường hợp chung được xác định tuỳ thuộc vào cách chọn phương pháp phối hợp giữa các cấp bảo vệ. Trong rơle số, đại lượng này có thể được cho theo giá trị sơ cấp hay bội số của giá trị danh định của biến dòng hay bội số của dòng danh định qua đối tượng bảo vệ.
Thời gian đặt t> của bảo vệ được chọn xuất phát từ yêu cầu sau:
• Phải đủ nhỏ để thấp hơn thời gian chịu quá dòng an toàn của đối tượng bảo vệ; thời gian cho trong các tài liệu kỹ thuật đi kèm theo thiết bị.
• Phải đủ lớn để phối hợp tốt với các bảo vệ quá dòng của các cấp phía sau liền kề để đảm bảo độ chọn lọc.
1.2.1 Các phương thức phối hợp bảo vệ quá dòng
Tồn tại 3 phương pháp phối hợp giữa các bảo vệ quá dòng liền kề là phương pháp theo thời gian, theo dòng và phương pháp hỗn hợp giữa thời gian và dòng.
• Phối hợp các bảo vệ theo thời gian
Đây là phương pháp phổ biến nhất thường được đề cập trong các tài liệu bảo vệ rơle hiện nay. Nguyên tắc của phương pháp này là chọn thời gian của bảo vệ sao cho lớn hơn một khoảng an toàn ∆t so với thời gian tác động lâu nhất của cấp bảo vệ liền kề trước nó tn = t(n-1)max +∆t, trong đó: tn là thời gian đặt đang xét của cấp bảo vệ thứ n tính từ phía tải (bảo vệ 3); t(n-1)max thời gian tác động cực đại của các bảo vệ của cấp bảo vệ đứng trước nó tính từ phía tải (bảo vệ 2’); ∆t là độ phân cấp về thời gian, được xác định bởi công thức:
( ) ( ) ( ) ( ) R 1 ax 1 R 1 ax 1 100 2 100 n qt dp n m MC n qt dp n m MC n E t t t t t t E t t t t − − − − ∆ = + + + + ≈ ≈ + + +
với ER sai số thời gian tương đối của chức năng quá dòng rơle cấp đang xét (có thể gây tác động sớm hơn) và cấp bảo vệ trước (kéo dài thời gian tác động của bảo vệ trước); tMC(n-1) - thời gian cắt của máy cắt cấp bảo vệ trước (về phía tải), có giá trị bằng 0,1-0,2s đối với máy cắt không khí, bằng 0,06-0,08s đối với máy cắt chân không, bằng 0,04-0,05s đối với máy cắt khí SF6; tqt - thời gian sai số do quán tính khiến cho rơle vẫn ở trạng thái tác động mặc dù ngắn mạch đã bị cắt, đối với rơle số thường nhỏ hơn 0,05s; tdp - thời gian dự phòng. Đối với rơle điện cơ độ phân cấp về thời gian ∆t thường chọn bằng 0,5s, rơle tĩnh khoảng 0,4s. Đối với rơle số, giá trị này còn hạ thấp hơn tuỳ theo loại máy cắt được sử dụng, thường là 0,2-0,35s.
Giá trị đặt dòng I> trong trường hợp sử dụng phương pháp phối hợp theo thời gian được xác định theo điều kiện làm việc cực đại của đối tượng bảo vệ, tức là dòng duy trì cho phép cực đại mà đối tượng bảo vệ có thể làm việc lâu dài: ax . hc lvm tv k I I k > =
Trong đó: khc là hệ số điều chỉnh, thường không vượt quá 1,3 để giảm thiểu khả năng quá tải; ktv- hệ số trở về của chức năng bảo vệ quá dòng, có thể đạt tới 0,98.
Giá trị dòng đặt của bảo vệ cần phải lớn hơn chế độ dòng tải cực đại qua đối tượng bảo vệ, đồng thời phải nhỏ hơn dòng sự cố nhỏ nhất. Dòng làm việc cực đại của đối tượng bảo vệ thường xác định trong chế độ cực đại của hệ thống và thường bằng 1,05-1,2 dòng tải danh định.
Trong một vài rơle số người ta yêu cầu phải cài đặt giá trị dòng thứ cấp của bảo vệ. Khi đó giá trị này sẽ được tính theo công thức:
. sd tc I k I I n > > = 2 1 3 ˜ t3 t2’ t2 t1’ 2’ 1’ B A C
Trong đó: nI là hệ số biến dòng; ksd hệ số sơ đồ phụ thuộc vào cách mắc các biến dòng.
• Phối hợp các bảo vệ theo dòng
Phối hợp các bảo vệ liền kề chỉ theo giá trị dòng dựa trên nguyên tắc là dòng sự cố giảm dần theo khoảng cách từ điểm ngắn mạch tới nguồn tăng lên.
Phương pháp này dựa trên cách tính dòng ngắn mạch pha và lựa chọn giá trị đặt của các bảo vệ theo kết quả nhận được sao cho rơle ở gần điểm sự cố nhất sẽ cắt máy cắt.
Trong trường hợp chung, giá trị đặt dòng của cấp bảo vệ thứ n tính từ phía tải chọn bởi phương pháp phối hợp theo dòng sẽ có dạng như sau:
( ) ( ax 1 ) . 3. nguon n at nguonm n cU I k Z Z − = +∑
Trong đó: ∑Zn-1 là tổng trở đường dây từ nguồn đến đầu cấp bảo vệ thứ n-1; kat =1,1÷1,3 là hệ số an toàn để đảm bảo bảo vệ không cắt nhầm khi có ngắn mạch ngoài do sai số tính dòng ngắn mạch (10% do các biến dòng và độ thiếu chính xác về thông số đường dây, và 20% do tổng trở nguồn bị biến động), hệ số này được chọn theo chế độ hệ thống điện và tương quan giữa tổng trở đường dây với tổng trở nguồn; Znguonmax là tổng trở của nguồn trong chế độ cực đại.
Ta thấy rằng do có hệ số an toàn nên giá trị đặt dòng của bảo vệ lớn hơn so với dòng NM ngoài cực đại.
1.2.2 Cách cài đặt các giá trị chỉnh định trong role quá dòng số
Khi cài đặt các giá trị chỉnh định vào bộ nhớ của rơle, trước hết ta cần nhập các mật khẩu để có thể truy nhập và thay đổi các giá trị chỉnh định bên trong rơle. Sau đó, ta có thể sử dụng các phím chữ số để nhập các giá trị bất kỳ hay các phím mũi tên để lựa chọn theo giá trị có sẵn trong rơle. Việc thay đổi bộ thông số chỉnh định có thể do người sử dụng trực tiếp lựa chọn hay được điều khiển từ xa qua các đầu vào số hoặc truyền tin.
Đối với rơle quá dòng số ta cần chú ý các đại lượng dòng sau đây đặc trưng cho đối tượng bảo vệ và chức năng quá dòng:
• Dòng sơ cấp IBIsc và thứ cấp IBItc danh định hay hệ số của biến dòng được lựa cho rơle theo danh mục thiết bị có sẵn. Các giá trị này phù hợp với rơle bảo vệ, trên thực tế rơle thường làm việc dòng thứ cấp là 1A hay 5A tuỳ theo đơn vị đặt hàng.
• Dòng danh định Id hoặc dòng làm việc cực đại Ilvmax của đối tượng bảo vệ, thường được quy về giá trị bội số hay phần trăm giá trị dòng danh định sơ cấp hay thứ cấp của biến dòng.
Trong trường hợp không thoả mãn các điều kiện ràng buộc trên, giá trị vừa nhập sẽ nhấp nháy không ổn định báo hiệu việc cài đặt không có hiệu lực.
• Giá trị đặt của bảo vệ quá dòng I>, I>>,I0>, I0>> thường được chọn đa dạng theo các giá trị dòng sơ cấp, thứ cấp hay bội số của giá trị danh định sơ cấp hay thứ cấp của biến dòng tuỳ theo loại rơle được sử dụng.
• Các thời gian đặt của bảo vệ cũng phải được chọn trong miền giá trị cho trước của rơle.
1.3 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh
Trong các rơle số, chức năng bảo vệ cắt nhanh thường có dạng đặc tuyến độc lập với giá trị thời gian đặt thay đổi được trong khoảng rộng. Chức năng của nó nói chung giống bảo vệ quá dòng cắt nhanh trong các rơle cổ điển. Tuy nhiên, nó còn có thể được sử dụng như là một bảo vệ dự phòng cho chức năng ngưỡng thấp, khi được cài đặt với dòng lớn hơn giá trị ngưỡng thấp và thời gian lâu hơn bảo vệ cắt nhanh.
Chức năng này có khả năng làm việc có chọn lọc trong lưới cấu hình bất kỳ, với một hay nhiều nguồn cung cấp. Ưu điểm của nó là cách ly nhanh sự cố với công suất ngắn mạch lớn ở gần nguồn hay thanh cái trạm biến áp.
1.3.1 Tính toán giá trị đặt của bảo vệ
Để đảm bảo độ chọn lọc, giá trị đặt của bảo vệ cắt nhanh phải được chọn sao cho lớn hơn dòng ngắn mạch cực đại (ngắn mạch 3 pha) đi qua chỗ đặt rơle khi có ngắn mạch ở ngoài đối tượng bảo vệ.
Giá trị đặt cắt nhanh I>> được xác định theo điều kiện I>>= kat .Imax ngoài
Trong đó: kat là hệ số an toàn được đưa vào để tính đến ảnh hưởng của các sai số do tính toán ngắn mạch, do cấu tạo rơle, do thành phần không chu kỳ trong dòng NM và các biến dòng, nó có giá trị từ 1,2÷1,3 đối với rơle điện cơ và 1,15 đối với rơle số. Hệ số này cần được chọn càng nhỏ càng tốt để tăng vùng bảo vệ của chức năng cắt nhanh. Imax ngoài là dòng ngắn mạch ngoài cực đại ở đường biên của bảo vệ.
Cuối cùng, giá trị đặt của chức năng cắt nhanh phải lớn hơn so với dòng xung kích khi đóng mạch nguồn cung cấp hay cắt NM ngoài.
Thời gian đặt t>> của bảo vệ quá dòng cắt nhanh thường cho bằng 0. Tuy nhiên, trong một số trường hợp để tránh rơle tác động nhầm trong các chế độ nhiễu loạn khi thành phần khác với 50Hz vượt quá giá trị nào đó, đại lượng này có thể đặt bằng 1 vài chu kỳ tần số công nghiệp để rơle có thời gian lọc các tín hiệu nhiễu ra khỏi thành phần dòng đầu vào. Trên thực tế, thời gian cắt nhanh của bảo vệ t>> có giá trị khoảng 0,03÷0,05s tuỳ theo từng loại rơle.
1.3.2 Lĩnh vực ứng dụng của bảo vệ quá dòng cắt nhanh
Trong trường hợp chung, bảo vệ quá dòng cắt nhanh được sử dụng để cắt các dòng ngắn mạch lớn trong giới hạn của đối tượng được bảo vệ. Do vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh chỉ bao trùm một phần đường dây được bảo vệ nên nó không thể làm bảo vệ chính hoặc duy nhất. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc thù, như trong mạng hình tia cung cấp cho máy biến áp làm việc hợp bộ, có thể sử dụng bảo vệ quá dòng cắt nhanh để bảo vệ toàn bộ đường dây nếu ta cho phép nó tác động khi có sự cố bên trong máy biến áp.
Bảo vệ quá dòng cắt nhanh còn kết hợp với thiết bị tự đóng lại (TĐL). Đây là thiết bị được sử dụng để duy trì sự làm việc của hệ thống khi ngắn mạch thoáng qua. Trong trường hợp này, độ chọn lọc của bảo vệ không quan trọng bằng tốc độ cách ly sự cố nhanh. Bình thường thì vùng tác động của chức năng cắt nhanh được đặt ngắn hơn các bảo vệ phía trước. Nhưng với TĐL nó có thể được chọn dài hơn, như trường hợp “tiết kiệm cầu chì”. Khi đó bảo vệ cắt nhanh sẽ bao trùm từ các cầu chì của trạm phía trước cho đến tận thiết bị TĐL đầu tiên. Giá trị đặt dòng thực tế sẽ được chọn căn cứ vào điều kiện đảm bảo độ chọn lọc với các bảo vệ phía trước.
Một trong những ứng dụng khác của chức năng quá dòng này là làm việc với các sơ đồ liên động ngược bảo vệ thanh cái cho các xuất tuyến. Khi đó, các giá trị đặt dòng của bảo vệ cắt nhanh I>> và bảo vệ quá dòng có thời gian I> được bằng nhau, chỉ có thời gian đặt là khác nhau. Cấp cắt nhanh để cách ly nhanh sự cố trên thanh cái, còn quá dòng có thời gian để dự phòng cho các sự cố trên các xuất tuyến đi từ thanh cái.
Đối với các đường dây dài có tổng trở đường dây lớn hơn nhiều so với tổng trở nguồn, chức năng cắt nhanh làm việc kết hợp với chức năng quá dòng có thời gian có đặc tuyến phụ thuộc. Cấp cắt nhanh để bảo vệ đoạn đầu phía nguồn của đường dây với dòng ngắn mạch lớn, còn bảo vệ quá dòng có thời gian cho phép rơle tác động với thời gian lâu hơn ở các vị trí sự cố phía cuối đường dây.
1.3.3 Các trường hợp không sử dụng bảo vệ cắt nhanh
Bảo vệ cắt nhanh khá nhạy cảm với sự biến động của chế độ hệ thống điện. Nó không áp dụng nếu dòng sự cố khi có ngắn mạch ở đầu đường dây phía nguồn trong chế độ cực tiểu nhỏ hơn dòng sự cố khi có ngắn mạch ở cuối đường dây trong chế độ cực đại, nghĩa là IA1min< IK1. Khi đó ta có:
1m ax 1min 1 1 1min 1min A A K K K K I I I I ≈ I p I
Điều này có nghĩa là bảo vệ không áp dụng được nếu tỉ số dòng NM khi có sự cố ở hai đầu đường dây trong chế độ cực đại nhỏ hơn tỉ số dòng ở đầu xa nguồn trong chế độ cực đại ứng với Znguồn min và cực tiểu ứng với Znguồn max:
ax ax
ax min
nguonm day nguonm day nguonm nguon day
Z Z Z Z
Z Z Z
+ +
+
p
Như vậy, khi nguồn điện hệ thống biến động mạnh hay có dao động điện trong hệ thống do có ngắn mạch ngoài, bảo vệ cắt nhanh hoặc sẽ không tác động, hoặc sẽ tác động không chọn lọc tuỳ theo giá trị cài đặt của nó được xác định trong chế độ làm việc nào.
Trong trường hợp dây quá ngắn, nếu giá trị dòng đặt I>> lớn hơn dòng ngắn mạch cực đại trong đường dây, tức là: IA1 max ≤ I>>=kat . Imax, với IA1 max dòng NM cực đại từ nguồn 1 tới khi có NM ba pha trên thanh cái trạm A, thì chức năng cắt nhanh sẽ không tác động bảo vệ đường dây này.
Như vậy, khi sử dụng quá dòng cắt nhanh cần phải kiểm tra các điều kiện đã nêu trên. Nếu chúng xảy ra thì khi đó chỉ nên cài đặt cấp bảo vệ quá dòng có thời gian với thời gian phụ thuộc. Việc áp dụng các công thức trên phụ thuộc vào đường dây được cung cấp nguồn từ một hay hai đầu và bảo vệ thuộc loại vô hướng hay có hướng.