Giáo trình Bảo vệ rơ le và tự động hóa: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Bảo vệ rơ le và tự động hóa" cung cấp cho học viên những nội dung về: đại cương bảo vệ rơle; bảo vệ quá dòng điện; bảo vệ dòng điện so lệch; sơ đồ nối các máy biến dòng (BI) và rơle; các nguyên lý cơ bản thực hiện bảo vệ rơ le;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Bảo vệ rơ le và tự động hóa: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH BẢO VỆ RƠ LE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2021
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Bảo vệ rơ le và tự động hóa” được biên soạn với mục đích làm tài liệu học tập cho sinh viên Đại học chuyên ngành Công nghệ kĩ thuật điện và cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ tự động hóa, Công nghệ cơ điện mỏ của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, phục vụ cho sự nghiệp đào tạo sau quá trình chỉnh biên chương trình của nhà trường. Giáo trình còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ giảng dạy, cán bộ kỹ thuật, kỹ thuật viên hiện đang công tác trong ngành công nghệ kĩ thuật điện. Ngày nay, do công nghiệp ngày càng mở rộng và phát triển, các phụ tải điện ngày càng được đưa vào sử dụng nhiều. Vì vậy, không những đảm bảo cho các phụ tải làm việc liên tục mà còn phải bảo vệ chúng làm việc an toàn, giảm thiểu và tránh các các sự cố trong quá trình làm việc là cẩn thiết Để đáp ứng yêu cầu đó, giáo trình đã giới thiệu một cách có hệ thống các kiến thức cơ bản, thể hiện tương đối đầy đủ các nội dung, phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên, có khả năng phân tích, tính toán, lựa chọn các thiết bị bảo vệ cho hệ thống cung cấp điện. Giáo trình gồm 2 phần được chia thành 8 chương và 4 bải tập thực hành: Phần 1. Lý thuyết Chương 1. Đại cương về bảo vệ rơle Chương 2. Bảo vệ quá dòng điện Chương 3. Bảo vệ dòng điện so lệch Chương 4. Các hình thức bảo vệ khác Chương 5. Tự động điều chỉnh tần số Chương 6. Tự động điều chỉnh điện áp Chương 7. Tự động đóng nguồn dự trữ Chương 8. Tự động đóng trở lại nguồn điện Phần 2. Thực hành Bài 1: Thực hành rơle bảo vệ quá dòng cực đại Bài 2: Thực hành rơle bảo vệ quá dòng cắt nhanh Bài 3: Thực hành rơle bảo vệ thấp áp quá áp 1 pha 3
Bài 4: Thực hành rơle bảo vệ thấp áp quá áp 3 pha Giáo trình do tập thể tác giả: Tiến sĩ Bùi Trung Kiên (chủ biên) và Thạc sĩ Đoàn Thị Bích Thủy, Bộ môn Điện khí hoá - Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh biên soạn. Tập thể tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Điện, các giảng viên bộ môn Điện khí hóa - Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh cùng các phòng ban nghiệp vụ, các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ động viên, góp ý để hoàn thành tốt giáo trình này. Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng bám sát chương trình môn học đã được phê duyệt của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học trong nhiều năm, đồng thời có chú ý đến đặc thù đào tạo các ngành của trường. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, truy nhiên sai sót trong cuốn giáo trình này là khó tránh khỏi. Nhóm tác giả mong nhận được bạn đọc đóng góp ý kiến xây dựng để cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn trong những lần chỉnh biên sau này. Những ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Điện khí hoá Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. Xin chân thành cảm ơn! Quảng Ninh, tháng 04 năm 2021 Tác giả. 4
PHẦN 1. LÝ THUYẾT Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ BẢO VỆ RƠLE 1.1. Khái niệm chung 1.1.1. Sự cố trong hệ thống điện Trong bất cứ một hệ thống điện nào cũng luôn tồn tại một mối đe doạ đưa hệ thống đến chế độ làm việc không bình thường. Những hỏng hóc dẫn đến sự ngừng làm việc của các phần tử hệ thống điện gọi là sự cố. Trong các sự cố, sự cố ngắn mạch thường xảy ra nhiều nhất, các sự cố này kèm theo hiện tượng quá dòng, áp giảm trong mạng điện và tần số lệch khỏi giá trị cho phép. Các phần tử hệ thống điện khi có dòng ngắn mạch chạy qua có thể bị phá huỷ do đốt nóng quá mức, bị hỏng cách điện do nhiệt lượng lớn của dòng điện, hồ quang. Một số dạng sự cố thường xảy ra ở các phần tử mạng điện được thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình của các phần tử hệ thống điện STT Các dạng hư hỏng Máy phát Biến áp Đường dây 1 Ngắn mạch một pha + + + 2 Ngắn mạch giữa các vòng dây + + 3 Ngắn mạch chạm masse (vỏ hoặc đất) + + + 4 Ngắn mạch cuộn kích từ + 5 Quá tải đối xứng + + + 6 Quá tải không đối xứng + + + 7 Quá áp trên cực máy phát + 8 Chế độ không đồng bộ + 9 Mức dầu thấp + 10 Đứt dây + + + Các sự cố trong hệ thống điện có thể dẫn đến sự mất ổn định của các nhà máy điện, làm tan rã hệ thống dẫn đến sự đình trệ cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân... hiện tượng tần số hoặc điện áp giảm có thể làm cho các động cơ ngừng làm việc vì mômen quay của chúng nhỏ hơn mômen cản. Để duy trì được sự làm việc bình thường của hệ thống điện cách tốt nhất nhanh 5
chóng loại các phần tử bị sự cố khỏi hệ thống, nhiệm vụ này chỉ có thể được thực hiện bởi các thiết bị tự động bảo vệ, gọi là rơle. 1.1.2. Khái niệm về bảo vệ rơle Rơle là một loại thiết bị điện mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Quan hệ đại lượng vào và ra của rơ le như hình 1.1. Khi X biến thiên từ 0 đến X1 thì Y=Y1, (rơ le chưa tác động) đến khi X=X2 thì Y không đổi Y=Y2 (rơ le tác động). Khi giảm từ X2 đến X= X1 thì Y giảm về Y=Y1 (rơ le trở về trạng thái ban đầu). Nếu gọi: + X=X2=Xkđ là giá trị khởi động của rơle; giá trị khởi động là giá trị mà tại đó xuất hiện sự chuyển đổi trạng thái của rơle. + X= X1= Xtv - lµ gi¸ trÞ trở về của rơle. Hệ số trở về X1 X tv k xk   (1.1) X 2 X td 1.1.3. Nhiệm vụ của bảo vệ rơle Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơle là: - Phát hiện kịp thời sự cố Hình 1.1. Đặc tính vào ra của rơ le - Nhanh chóng tác động cắt các phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống - Tác động đến các cơ cấu như: Tự động đóng lặp lại, tự động đóng dự phòng... để duy trì chế độ làm việc bình thường của phần tử hệ thống điện còn lại. 1.1.4. Một số ký hiệu thường dùng trong sơ đồ bảo vệ rơle Bảng 1.2. Ký hiệu một số loại rơle thông dụng STT Tên rơle Ký hiệu VN Ký hiệu của Nga 1 Rơle dòng RI hoặc I PT 2 Rơle điện áp RU hoặc U PH 3 Rơle tổng trở RZ hoặc Z PC 4 Rơle trung gian RG P 6
5 Rơle tín hiệu TH hoặc Th PY 6 Rơle thời gian Rt hoặc Tg PB 7 Rơle công suất RW hoặc W PM 8 Rơle nhiệt RN hoặc R 9 Rơle hơi RH P Bảng 1.3. Kí hiệu của các thiết bị dùng trong các sơ đồ bảo vệ rơle theo uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế STT Tên thiết bị Ký hiệu 1 Rơle thời gian t 2 Rơle khoá liên động hoặc kiểm tra KT 3 Rơle tổng trở Z< 4 Rơle điện áp cực tiểu U< 5 Rơle tín hiệu Th 6 Rơle thiếu dòng điện I< 7 Rơle dòng điện thứ tự nghịch I2 8 Rơle thiếu áp thứ tự thuận U1< 9 Rơle nhiệt o 10 Rơle dòng điện cắt nhanh I>> 11 Bảo vệ so lệch cắt nhanh I>> 12 Rơle dòng có thời gian I> 13 Máy cắt MC 14 Tiếp điểm phụ thường mở của máy cắt MCa 15 Tiếp điểm phụ thường đóng của máy cắt MCb 16 Rơle cos cos 17 Rơle quá điện áp U> 18 Rơle lệch pha  19 Rơle tần số F 20 Rơle khoá K 21 Rơle bảo vệ so lệch SL hoặc I 7
22 Rơle cắt RC 1.2. Các phép Logic dùng trong bảo vệ Rơle Với việc áp dụng các phép lôgíc có thể đơn giản hoá các sơ đồ bảo vệ rơle và thể hiện sự làm việc của sơ đồ bảo vệ một cách rõ ràng, do đó có thể thiết lập sơ đồ bảo vệ chính xác và hoàn chỉnh. Trạng thái tiếp điểm đóng trong các sơ đồ của rơle được mô tả bằng số 1, còn tiếp điểm mở thì bằng số 0. Các phép lôgíc và sơ đồ tiếp điểm tương ứng được thể hiện trên hình 1.2. 1.2.1. Phép "HOẶC" (OR) Phép logic cộng (X=AVB), ký hiệu V đọc là "hoặc" (hay). Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu ở cửa vào có tín hiệu A hoặc tín hiệu B. Điều đó tương ứng với mạch nối song song của các tiếp điểm. 1.2.2. Phép logic "VÀ" (&) Phép logic nhân (X=A  B), ký hiệu  đọc là "và". Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu cửa vào có tín hiệu A và tín hiệu B. Điều đó tương ứng với mạch nối tiếp của các tiếp điểm. 1.2.3. Phép " KHÔNG" (NO) _ Phép logic âm hay phủ định X  A (X=NA). Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu ở cửa vào không có tín hiệu A và ngược lại. Điều đó tương ứng với mạch có các tiếp điểm đóng khi không có tín hiệu A và mở khi có nó. 1.2.4. Phép lôgíc "KHOÁ" (BLOCKING) _ Phép logic khóa X  A  B biểu thị rằng tín hiệu X sẽ xuất hiện khi ở cửa vào có tín hiệu A và không có tín hiệu B. Phép logic này tương đương với phần tử "nhớ". 1.2.5. Phép "TRỄ" (TIME DELAY) Đối với phép lôgíc "trễ", nếu sau khi truyền tín hiệu A tại đầu vào, tín hiệu X đầu ra sẽ xuất hiện với sự chậm trễ k giây thì tín hiệu X có thể viết: X= DKA, trong đó: D- toán tử trễ; k- số đơn vị làm chậm (s, ms, s). Ví dụ về phép trễ được thực hiện trên hình 1.2. Ở hình 1.2a tín hiệu X sẽ xuất hiện chậm 1 đơn vị thời gian so với tín hiệu A; còn ở hình 1.2b tín hiệu X chậm hơn 4 đơn vị thời gian. Thời gian trễ được thực hiện bởi rơle thời gian có sự điều chỉnh theo từng nấc hoặc bởi bản thân rơle tác động với một độ chậm trễ riêng k nhất định nào đó X= DKA. 8
Trong quá trình xây dựng các sơ đồ bảo vệ rơle người ta thường kết hợp nhiều dạng sơ đồ logic khác nhau để có thể thực hiện nhiệm vụ bảo vệ một cách hiệu quả và tin cậy nhất. Các phép lôgíc thường được kết hợp với nhau qua sơ đồ khối, biểu thị sự liên hệ và chức năng của các phần tử lôgíc tham gia trong sơ đồ. Trên cơ sở phân tích sơ đồ lôgíc có thể chọn các sơ đồ bảo vệ rơle hợp lý, tiết kiệm thiết bị và mang lại hiệu quả cao nhất. Hình 1.2. Biểu diễn các phép logic ứng dụng trong bảo vệ rơle Hình 1.3. Ví dụ về sự xuất hiện chậm của tín hiệu 9
a) Với k=1; b) Với k=4 1.3. Các yêu cầu cơ bản đối với bảo vệ rơle Yêu cầu đối với bảo vệ rơle phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với cùng một sự cố trong các bảo vệ khác nhau bảo vệ rơle sẽ tác động khác nhau. Chẳng hạn khi có ngắn mạch chạm đất ở mạng điện trung tính nối đất, bảo vệ rơle sẽ tác động ngay, nhưng ở mạng điện có trung tính cách ly, bảo vệ rơle sẽ chỉ đưa tín hiệu mà không cắt ngay phần tử bị sự cố. Như vậy tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có các yêu cầu khác nhau đối với bảo vệ rơle. Phân biệt hai dạng yêu cầu đối với bảo vệ rơle là yêu cầu bảo vệ sự cố ngắn mạch và yêu cầu bảo vệ khỏi chế độ không bình thường của hệ thống. 1.3.1. Yêu cầu bảo vệ khỏi sự cố ngắn mạch 1.3.1.1. Tác động nhanh Sự cố cần được loại trừ càng nhanh càng tốt để hạn chế mức độ tối đa thiệt hại, giữ sự ổn định cho các máy phát làm việc song song trong hệ thống điện. Thời gian cắt sự cố bao gồm thời gian tác động của bảo vệ (tbv) và thời gian cắt của máy cắt (tMC). Như vậy yêu cầu tác động nhanh không chỉ phụ thuộc vào thời gian tác động của bảo vệ mà cả thời gian cắt của máy cắt. Thời gian tác động của bảo vệ rơle hiện đại khoảng 0,02 đến 0,04 giây. Hình 1.4. Sơ đồ phân bố các vùng tác động của bảo vệ rơle 1.3.1.2. Tính chọn lọc Tính chọn lọc là khả năng chỉ cắt phần tử bị sự cố và giữ nguyên vẹn cung cấp điện cho các phần tử khác. Yêu cầu tác động chọn lọc có ý nghĩa quan trọng với việc bảo toàn cung cấp điện cho các hộ dùng điện. Ví dụ: Khi có ngắn mạch tại điểm N (hình 1.4), dòng ngắn mạch IN chạy qua cả 3 bảo vệ 1, 2 và 3; cả 3 máy cắt đều có thể tác động, nhưng tính chọn lọc của bảo vệ chỉ cho 10
phép bảo vệ 1 tác động, do đó các hộ tiêu thụ ở 1' sẽ không mất điện. Tuy nhiên trong trường hợp máy cắt 1 từ chối tác động thì máy cắt 2 sẽ hoạt động cắt mạch, như vậy bảo vệ 2 làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ 1. Trong nhiều trường hợp yêu cầu tác động nhanh và yêu cầu chọn lọc mâu thuẫn nhau, để đảm bảo được tính chọn lọc cần phải có sự tác động chậm trễ của bảo vệ rơle. Ví dụ: Bảo vệ 2 phải có độ trễ so với bảo vệ 1 (hình 1.4) Trong thực tế để dung hoà mâu thuẫn giữa hai yêu cầu người ta áp dụng cơ cấu tự động đóng lặp lại. Đầu tiên bảo vệ rơle cắt nhanh không chọn lọc phần tử có sự cố, sau đó thiết bị đóng lặp lại sẽ đóng trở lại tất cả các phần tử vừa bị cắt ra, những phần tử bị sự cố sẽ bị khoá và không cho đóng lặp lại. 1.3.1.3. Độ nhạy Độ nhạy là khả năng cắt sự cố với dòng điện nhỏ nhất trong vùng bảo vệ. Độ nhạy là yêu cầu cần thiết của bảo vệ rơle để phản ứng vớ các chế độ làm việc không bình thường của hệ thống điện dù là nhỏ nhất. Để xác định độ nhạy của bảo vệ rơle trước hết cần thiết lập vùng bảo vệ của nó. Ví dụ: Ở hình 1.4 bảo vệ 3 cần phải cắt sự cố trong vùng bảo vệ của mình là trạm biến áp và cắt sự cố ở vùng dự phòng, tức là khi có ngắn mạch trên đường dây mà bảo vệ 2 từ chối tác động. Độ nhạy được đánh giá bởi hệ số nhạy. I nm.min kn  (1.2) k kd Trong đó: Inmmin - dòng ngắn mạch nhỏ nhất ở cuối vùng bảo vệ; Ikd - dòng khởi động của rơle. Độ nhạy được coi là đạt yêu cầu nếu: + kn  1,52- đối với rơle bảo vệ dòng cực đại. + kn  2- đối với rơle bảo vệ so lệch dọc máy biến áp, máy phát, đường dây truyền tải và thanh cái; kn 1,21,3 đối với vùng bảo vệ dự phòng. + kn  1,5- đối với rơle bảo vệ so lệch dọc máy biến áp khi ngắn mạch xảy ra sau cuộn kháng đặt ở phía hạ áp máy biến áp trong vùng bảo vệ. 1.3.1.4. Độ tin cậy 11
Độ tin cậy là khả năng bảo vệ làm việc chắc chắn trong mọi điều kiện đối với bất kỳ một sự cố nào trong vùng bảo vệ, đồng thời không tác động đối với chế độ mà nó không có nhiệm vụ bảo vệ. Ví dụ: Ở hình 1.4 nếu bảo vệ 1 từ chối tác động thì bảo vệ 2 sẽ tác động, lúc đó dẫn đến mất điện và gây thiệt hại cho phụ tải ở lộ 1'. Bởi vậy nếu bảo vệ kém tin cậy thì bản thân nó sẽ là nguồn gây thiệt hại. Để nâng cao độ tin cậy cần lựa chọn sơ đồ bảo vệ đơn giản, sử dụng các thiết bị có chất lượng cao, lắp ráp sơ đồ chính xác, chắc chắn đồng thời phải thường xuyên kiểm tra tình trạng của sơ đồ và các thiết bị. 1.3.1.5. Tính kinh tế Các bảo vệ rơle cần phải thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật đồng thời phải được tính toán sao cho hợp lý về mặt kinh tế. Đối với những thiết bị cao áp, siêu cao áp chi phí cho trang thiết bị lắp đặt bảo vệ rơle chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bộ chi phí của công trình, do đại đa số các thiết bị mạng điện cao áp đều rất đắt, vì vậy hệ thống bảo vệ rơle chỉ cần phải quan tâm sao cho đảm bảo các yêu cầu cao về mặt kỹ thuật. Trong khi đó ở lưới điện trung áp và hạ áp số lượng các phần tử được bảo vệ rất lớn, mức độ yêu cầu bảo vệ không cao do đó cần phải tính đến kinh tế khi lựa chọn sơ đồ và trang thiết bị bảo vệ rơle sao cho vừa đảm bảo kỹ thuật, vừa có chi phí thấp đến mức có thể. 1.3.1.6. Nhận xét chung Những yêu cầu trên có thể mâu thuẫn lẫn nhau, ví dụ bảo vệ có tính chọn lọc và độ nhạy cao cần sử dụng loại nguyên lý và thiết bị phức tạp, đắt tiền do đó khó thoả mãn được độ tin cậy. Còn nếu tăng yêu cầu về kỹ thuật thì giá thành sẽ tăng. Do đó cần dung hoà các yêu cầu ở mức độ tốt nhất trong việc tính toán, lựa chọn sơ đồ và thiết bị bảo vệ rơle. 1.3.2. Yêu cầu đối với chế độ làm việc không bình thường Đối với chế độ làm việc không bình thường như chế độ quá tải, dao động điện áp trong hệ thống thì yêu cầu tác động nhanh không được đặt ra vì thông thường các chế độ này chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn. Ví dụ: Khi khởi động động cơ công suất lớn có thể làm dao động điện áp, trường hợp này nếu cắt nhanh sẽ làm cho phụ tải bị gián đoạn cung cấp điện. 12
Thông thường rơle sẽ tác động với một thời gian trễ nhất định. 1.4. Sơ đồ nối các máy biến dòng (BI) và rơle 1.4.1. Sơ đồ các BI và rơle nối theo hình Y hoàn toàn Khi đấu theo sơ đồ hình sao đủ các cuộn thứ cấp của BI được lắp đặt trên tất cả các pha và được nối với nhau theo sơ đồ hình sao, tương tự các rơle cũng được nối với nhau theo sơ đồ hình sao, các điểm zero được nối lại với nhau bằng dây trung tính. Sơ đồ nối dây và sự phân bố dòng điện được thể hiện trên Hình 1.5. Các giá trị dòng điện qua rơ le RI1, RI2, RI3 lần lượt tương ứng sẽ là: . . . . I . I . I Ia  A ; Ib  B ;Ic  C (1.3) kI kI kI . . . Dòng điện trong dây trung tính: I a  I b  I c  0 đây cũng là đặc điểm của chế độ làm việc đối xứng. Trong trường hợp ngắn mạch hai pha, dòng chỉ xuất hiện ở rơle lắp trên các pha sự cố, có giá trị bằng nhau và hướng ngược chiều nhau nên dòng tổng sẽ bằng không. Trong thực tế do sự sai lệch giữa các đặc tính của máy biến dòng, tổng dòng thứ cấp thường khác không, khi đó trong dây trung tính sẽ xuất hiện dòng không cân bằng có giá trị dao động trong khoảng 0,010,02A. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch dòng từ hoá sẽ tăng lên dẫn đến dòng cân bằng cũng tăng theo. Dây trung tính trong sơ đồ hình sao đủ là bộ lọc thứ tự không, còn các thành phần thứ tự thuận và nghịch có tổng véc tơ bằng không nên không chạy qua dây trung tính, còn ở chế độ hông đối xứng thì dòng điện chạy trên dây trung tính sẽ bằng ba lần dòng điện thứ tự không: . . . . I a  I b  Ic  3 I0 (1.4) Với sơ đồ nối dây kiểu này, vì rơle được lắp đặt trên tất cả các pha lên sẽ ghi nhận tất cả các dạng ngắn mạch, dòng điện qua rơle chính là dòng điện trên các pha, do đó hệ số sơ đồ ksđ= 1. Sơ đồ nối dây các máy biến dòng theo hình sao đủ được ứng dụng rộng rãi trong mạng có điểm trung tính nối đất thường xảy ra các dạng ngắn mạch (một pha, hai pha và ba pha). 13
Nhược điểm: Sơ đồ được đấu theo kiểu này có nhược điểm là chi phí cao do phải dùng tới 3BI và 3 rơle. Hình 1.5. Sơ đồ sao hoàn toàn Hình 1.6. Sơ đồ sao thiếu 1.4.2. Sơ đồ các BI và rơle nối theo hình sao thiếu (hình 1.6) Dòng vào mỗi rơle bằng dòng pha. Dòng trong dây trở về bằng: . . . . I v  I b  (I a  Ic ) (khi không có dòng Io) (1.5) Dây trở về (hình 1.5) cần thiết để đảm bảo cho BI làm việc bình thường. Trong một số trường hợp ngắn mạch giữa các pha (có Ib ≠ 0) cũng như khi ngắn mạch nhiều pha chạm đất, dây trở về cần thiết để đảm bảo cho bảo vệ tác động đúng. Khi ngắn mạch 1 pha ở pha không đặt BI sơ đồ không làm việc do vậy sơ đồ chỉ dùng chống ngắn mạch nhiều pha. 1.4.3. Sơ đồ 1 rơle nối vào hiệu dòng 2 pha Dòng vào rơle là hiệu dòng IA IB IC 2 pha (hình 1.7) . . . IR  Ia  Ic (1.6) R I1 Trong tình trạng đối xứng I R . . thì IR  3 Ia . Giống như sơ đồ sao khuyết, sơ đồ số 8 không làm BI Ia Ic (1) việc khi ngắn mạch một pha N đúng vào pha không đặt máy biến dòng. Tất cả các sơ đồ nói trên đều Hình 1.7. Sơ đồ hiệu hai dòng phản ứng với N(3) và ngắn mạch giữa 2 pha bất kỳ (AB, BC, CA). Vì vậy để so sánh tương đối giữa chúng người ta 14
phải xét đến khả năng làm việc của bảo vệ trong một số trường hợp hư hỏng đặc biệt, hệ số độ nhạy, số lượng thiết bị cần thiết và mức độ phức tạp khi thực hiện sơ đồ. 1.4.4. Sơ đồ nối máy biến dòng theo hình tam giác và rơle- hình sao Hình 1.8. Sơ đồ nối máy biến dòng theo hình tam giác và rơle nối hình sao . . Theo sơ đồ này dòng điện đi vào trong các rơle có giá trị I R  3 If do đó hệ số sơ đồ k sd  3 . Khi có ngắn mạch hai pha dòng điện đi vào một trong các rơle bằng 2I2, lúc đó hệ số sơ đồ ksđ= 2. Khi chọn sơ đồ nối các máy biến dòng và các rơle ta cần xét trên các quan điểm sau: Số lượng thiết bị cần thiết và đặc tính thực hiện bảo vệ; Độ nhạy cần thiết của bảo vệ đối với các dạng ngắn mạch khác nhau. 1.5. Các nguyên lý cơ bản thực hiện bảo vệ rơ le Dòng ngắn mạch thường chạy từ nguồn cung cấp tới điểm ngắn mạch, do đó nếu bảo vệ được lắp đặt càng gần nguồn cung cấp thì vùng bảo vệ sẽ càng rộng, vì vậy bảo vệ dòng cực đại thường được lắp đặt ở đầu tuyến dây gần nguồn cung cấp. Trên hình 1.9 thể hiện các sơ đồ nguyên lý lắp đặt bảo vệ dòng cực đại. Khi lắp đặt bảo vệ cực đại ở đầu tuyến dây (Hình 1.9a), vùng được bảo vệ sẽ là đường dây cung cấp, cáp đầu vào, các cuộn dây máy biến áp (T), máy cắt MC2 và thanh cái hạ áp (T.C.H). Trong khi đó nếu lắp bảo vệ bên phía hạ áp thì vùng bảo vệ chỉ là MC2 và thanh cái hạ áp. Do đó bảo vệ dòng cực đại đặt càng gần nguồn cung cấp càng có lợi hơn. 15
Vị trí lắp đặt của bảo vệ còn phụ thuộc vào sơ đồ nối dây và số lượng các khởi hành (hình 1.9b). Với đường dây cung cấp riêng cho động cơ thì chỉ cần lắp đặt thiết bị bảo vệ ở đầu đường dây là đủ. Đối với trạm phân phối hạ áp có nhiều nhánh như Hình 1.9b. (TC2) nếu chỉ đặt một bảo vệ trên đầu đường dây cung cấp chính sẽ không hợp lý, bởi vì nếu ngắt đường dây L2 sẽ dẫn đến cắt điện đồng thời cả động cơ (Đ2) và máy biến áp (BA) bất kể sự cố xảy ra ở đâu. Do đó trong trường hợp này bảo vệ cần được lắp đặt cả ở trên đường cung cấp cho động cơ và trên đường dây cung cấp cho máy biến áp. Các sơ đồ nối dây hệ thống rơle bảo vệ dòng cực đại được thể hiện trên hình 1.10. Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý lắp đặt bảo vệ dòng cực đại. Phân tích các sơ đồ bảo vệ trên Hình 1.10 a,b có thể nhận thấy, với tất cả các dạng ngắn mạch xảy ra dòng sự cố đều chạy qua tất cả các rơle, vì vậy bảo vệ sẽ ghi nhận tất cả các dạng ngắn mạch với độ nhạy như nhau, hệ số sơ đồ ksđ=1. Khi chạm đất kép với dòng chạm đất nhỏ cả hai khởi hành có thể đều bị cắt nếu như điểm chạm 16
đất xuất hiện ở các pha khác nhau, điều đó sẽ không hợp lý, dòng trong dây trung tính sẽ là dòng thứ tự không (3I0), vì vậy ở chế độ làm việc bình thường dòng trong dây trung tính là dòng không cân bằng, và nếu dây trung tính bị đứt cũng sẽ không làm ảnh hưởng đến sự làm việc của sơ đồ. Mặc dù vậy các máy biến dòng và rơle được đấu nối theo sơ đồ này cũng không cho phép được thiếu dây trung tính, vì dòng sự cố sẽ xuất hiện trong dây trung tính khi xảy ra sự cố chạm đất một pha. Hình 1.10. Các sơ đồ nối của bảo vệ dòng cực đại các khởi hành a). Sao đủ; b). Chạm đất kép ở các pha khác nhau; c). Hai pha hai rơle; d). 2 pha 3 rơle. e). Rơle đấu vào hiện số dòng điện 2 pha Khi nối theo hình sao khuyết sơ đồ sẽ phản ứng với tất cả các dạng ngắn mạch, loại trừ trường hợp ngắn mạch một pha qua đất ở pha không có lắp máy biến dòng, vì vậy sơ đồ này chỉ được dùng để bảo vệ ngắn mạch giữa các pha. Trong chế độ đối 17
xứng hệ số sơ đồ ksđ = 1. Dòng trong dây dẫn trở về xuất hiện không những trong các trường hợp ngắn mạch giữa các pha mà ngay cả trong một số trường hợp chạm đất một pha, vì vậy việc lắp đặt thêm dây trung tính là cần thiết; Với sơ đồ thể hiện trên Hình 1.10 e là kinh tế hơn cả, vì chỉ cần lắp đặt hai máy biến dòng và một rơle. Sơ đồ sẽ ghi nhận tất cả các dạng ngắn mạch trừ ngắn mạch ở pha không lắp máy biến dòng, do đó sơ đồ này thường chỉ được ứng dụng để bảo vệ khỏi sự cố hỏng hóc giữa các pha; ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ba pha dòng trong cuộn dây rơle sẽ lớn hơn gấp 3 lần dòng pha, do đó hệ số sơ đồ k sd (3)  3 ; bảo vệ có độ nhạy khác nhau phụ thuộc vào dạng sự cố và tổ hợp các pha bị sự cố (kém nhạy nhất là khi ngắn mạch giữa các pha A, B hoặc B, C). Bảo vệ dòng cực đại được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ đường dây trên không và đường cáp 6-35kV, đặc biệt là ở các mạng có trung tính cách ly không xảy ra sự cố ngắn mạch một pha. Để bảo vệ ngắn mạch giữa các pha có thể sử dụng các sơ đồ hai pha. Các sơ đồ này cũng có thể được ứng dụng ở mạng có trung tính nối đất để bảo vệ chạm đất một pha nếu dùng bảo vệ cực đại đấu vào dòng thứ tự không. Trên Hình 1.11 là sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng cực đại tác động trực tiếp với các bộ truyền động bằng tay hoặc lò xo tự động điện áp dưới 35kV. a) b) MC RI1 RI2 MC BI1 BI2 BI1 BI2 Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng cực đại với rơle tác động trực tiếp a). Nối theo hình sao khuyết; b). nối vào hiệu số dòng hai pha 18
Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng cực đại với dòng thao tác một chiều. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng cực đại có đặc tính thời gian tác động không phụ thuộc, nguồn thao tác một chiều (Hình 1.12) gồm hai rơle dòng, một rơle thời gian, một rơle trung gian và một rơle tín hiệu. Đặc điểm của sơ đồ kiểu này là sử dụng thêm tiếp điểm khoá liên động (KL) của cuộn cắt (đóng khi máy cắt ở trạng thái đóng và mở khi máy cắt ở trạng thái ngắt): khi máy cắt tác động, tiếp điểm liên động (KL) mở ra bảo vệ cho cuộn ngắt khỏi bị “om” điện. Cùng lúc đó dòng điện trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng bằng không, rơle thời gian mất điện, tiếp điểm gửi trong mạch cuộn rơle trung gian mở ra và rơle trung gian mất điện. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ cực đại hai pha có đặc tính thời gian phụ thuộc, dòng thao tác xoay chiều được thể hiện trên Hình 1.13. Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý bảo Hình 1.14. Đặc điểm làm việc của bảo vệ cực đại hai pha, dòng thao tác xoay vệ cực đại định hướng trong mạch vòng. chiều. 19
Với mạch vòng có nguồn cung cấp từ một phía (Hình1.14) thời gian duy trì của bảo vệ cực đại được lựa chọn theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều. Tuy nhiên các bảo vệ 2 và 5 lắp đặt cạnh thanh góp B và C có thể tác động tức thời và chỉ phụ thuộc vào hướng công suất tại vị trí đặt bảo vệ. Ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ngoài phía sau thanh góp B và C, công suất tại vị trí đặt bảo vệ 2 và 5 có hướng từ đường dây tới thanh góp, vì vậy bảo vệ không tác động. Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng AB và AC bảo vệ công suất định hướng sẽ tác động và cắt mạch. Khi ngắn mạch xuất hiện tại điểm K1 gần sát thanh cái A, phần lớn dòng ngắn mạch sẽ chạy qua máy cắt 1 và chỉ có một phần dòng rất nhỏ I"nm khép mạch qua vòng kín nên không đủ để bảo vệ 2 tác động. Chỉ sau khi máy cắt 1 tác động, toàn bộ dòng ngắn mạch sẽ chạy qua bảo vệ 2, lúc đó bảo vệ này mới tác động. Như vậy bảo vệ 2 chỉ tác động sau khi bảo vệ 1 tác động và không phụ thuộc vào thời gian duy trì. 1.6. Tóm lược về tính toán ngắn mạch Trong hầu hết các bài toán bảo vệ rơle đều có liên quan đến các thông số của mạng điện ở chế độ ngắn mạch, vì vậy trước khi tiếp xúc với các bài toán đó chúng ta hãy khái quát lại một số nét cơ bản về tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện. Bảng 1.4. Công thức xác định điện trở, điện kháng của các phần tử hệ thống điện . . TT Các phần tử Hệ đơn vị có tên,  Hệ đơn vị tương đối U S 1 Hệ thống X = ℎ = X ∗ = ℎ ∗ = S . .ℎ S . .ℎ U S 2 Máy phát X = x ′′ X ∗ = x ′′ S . S . ΔP . U ΔP . S R = R ∗ = S . S . U %. U U .S 3 Máy biến áp Z = Z ∗ = 100. S . 100. S . X = Z −R X ∗ = Z ∗ −R ∗ 20
U S R =r l R ∗ =r l U U 4 Đường dây U S X =x l x ∗ =x l U U U I 5 Kháng điện X =x . X ∗ =x . √3. I √3. I U S 6 Phụ tải X = x ,, . X ∗ = x ,, . S S Trong đó: SN.ht - công suất ngắn mạch của hệ thống (nếu không biết trước SN.ht thì có thể coi SN.ht= Scắt của máy cắt tổng của mạng điện cần tính toán ngắn mạch), MVA; Scb - công suất cơ bản tuỳ chọn sao cho các phép tính được chọn đơn giản nhất, MVA; Ucb - điện áp cơ bản, thường được chọn cấp điện áp nơi xảy ra ngắn mạch, kV; Icb - dòng điện cơ bản, kA; Udm - điện áp định mức của đường dây, kV; Sdm.mp - công suất định mức của máy phát, MVA; Sdm.BA - công suất định mức của máy biến áp, MVA; Udm.BA - điện áp định mức của máy biến áp, kV; x "d - điện kháng siêu quá độ dọc trục của máy phát; Un% - điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp, %; PN - tổn hao công suất ngắn mạch trong máy biến áp, MW; xdk - điện kháng tương đối của cuộn kháng điện; r0, x0 - suất điện trở và suất điện kháng của đường dây, /km; l - chiều dài đường dây, km; Udmkd, Idmkd - điện áp và dòng điện định mức của kháng điện, kV và kA; Đối với máy biến áp 3 cuộn dây thì điện áp ngắn mạch của các cuộn cao áp UnC, trung áp UnT và hạ áp UnH được xác định theo điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây như sau: UnC%= 0,5.(UnCH%+UnCT%- UnTH%) (1.7) 21