›
›

Bài giảng Bảo vệ Rơle trong hệ thống điện - Nguyễn Văn Đạt

pdf 158 trang huongle 50
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Bảo vệ Rơle trong hệ thống điện - Nguyễn Văn Đạt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_bao_ve_role_trong_he_thong_dien_nguyen_van_dat.pdf

Nội dung text: Bài giảng Bảo vệ Rơle trong hệ thống điện - Nguyễn Văn Đạt

  1. TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC GIÁO TRÌNH ĐẠI HỌC BẢO VỆ RƠLE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Tài liệu tham khảo nội bộ dùng trong Khoa Hệ thống điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CÁC TÁC GIẢ THs. Nguyễn Văn Đạt Khoa Hệ thống điện TS. Nguyễn Đăng Toản Khoa Hệ thống điện Hà nội 2010
  2. LỜI TỰA Giáo trình “Bảo vệ rơle trong hệ thống điện” được dùng để giảng dạy cho sinh viên ngành Hệ thống điện trường Đại học Điện lực và làm tài liệu tham khảo cho những người làm công tác kỹ thuật và vận hành các thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện. Giáo trình đưa ra một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật bảo vệ hệ thống điện bằng rơle, các nguyên tắc tác động và cách thực hiện các loại bảo vệ thường gặp. Đối với mỗi phần tử trong hệ thống điện, giáo trình trình bày tóm tắt các chế độ làm việc, tình trạng hư hỏng và làm việc không bình thường, mô tả nguyên lý làm việc và chức năng các phần tử chính trong sơ đồ bảo vệ. Giáo trình giới thiệu và xem xét việc bảo vệ các phần tử chính trong hệ thống điện bao gồm: đường dây truyền tải, máy phát điện, máy biến áp, thanh góp, động cơ điện, tụ điện, kháng điện, cáp điện. Toàn bộ cuốn sách chia làm 8 chương. Đây là lần tái bản thứ nhất, các tác giả đã cố gắng chỉnh sửa những thiếu sót của lần xuất bản trước và cập nhật thêm một số kiến thức mới, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Những nhận xét và góp ý của bạn đọc xin gửi cho Khoa Hệ thống điện – Trường Đại học Điện lực – 235 Hoàng Quốc Việt - Hà Nội. Email. Tel : iii
  3. LỜI CẢM ƠN iv
  4. MỤC LỤC LỜI TỰA iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG xv PHẦN I: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ xvi CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1 1.1 NHIỆM VỤ BẢO VỆ RƠ LE 1 1.2 YÊU CẦU CỦA BẢO VỆ RƠ LE 2 1.2.1 Tính tin cậy 2 1.2.2 Tính chọn lọc 2 1.2.3 Tính tác động nhanh 3 1.2.4 Độ nhạy 4 1.2.5 Tính kinh tế 4 1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE 4 1.4 MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN (BI, CT) 7 1.4.1 Khái niệm về máy biến dòng điện 7 1.4.2 Sơ đồ thay thế và ký hiệu máy biến dòng điện 7 1.4.3 Sai số của máy biến dòng và yêu cầu về độ chính xác 8 1.4.4 Tính toán phụ tải của máy biến dòng điện 10 1.4.5 Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện 10 1.4.6 Các sơ đồ nối máy biến dòng điện 11 1.5 MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP (BU, VT, PT) 14 1.5.1 Khái niệm về máy biến điện áp 14 1.5.2 Sai số của máy biến điện áp và yêu cầu về độ chính xác 15 1.5.3 Các sơ đồ nối máy biến điện áp 16 1.6 NGUỒN ĐIỆN THAO TÁC 18 1.6.1 Nguồn điện thao tác một chiều 18 1.6.2 Nguồn điện thao tác xoay chiều 19 1.7 KÊNH THÔNG TIN TRUYỀN TÍN HIỆU 21 1.7.1 Các loại kênh truyền tín hiệu 21 1.7.2 Yêu cầu đối với kênh truyền tín hiệu 23 1.7.3 Môi trường truyền tín hiệu và nhiễu 23 1.8 THÔNG TIN CẦN THIẾT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN BẢO VỆ RƠLE 25 1.8.1 Nguyên lý đó lường dùng trong mục đích bảo vệ 25 1.8.2 Tính toán ngắn mạch/sự cố 27 v
  5. 1.9 CÂU HỎI ÔN TẬP 28 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE 29 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA RƠLE 29 2.2 PHÂN LOẠI RƠLE 30 2.3 RƠLE ĐIỆN CƠ 34 2.3.1 Rơle dòng điện kiểu điện từ 34 2.4 RƠLE DÒNG ĐIỆN KIỂU CẢM ỨNG 37 2.4.1 Nguyên tắc tác động 37 2.4.2 Lĩnh vực ứng dụng: 39 2.4.3 Rơle điện áp 39 2.4.4 Rơle thời gian 40 2.4.5 Rơle trung gian 40 2.4.6 Rơle tín hiệu 41 2.5 RƠLE ĐIỆN TỬ 41 2.6 RƠLE KỸ THUẬT SỐ 44 2.7 CÂU HỎI ÔN TẬP 46 CHƯƠNG 3: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ RƠ LE HỆ THỐNG ĐIỆN 47 3.1 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 47 3.1.1 Nguyên tắc tác động 47 3.1.2 Bảo vệ dòng điện cực đại 47 3.1.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh 49 3.1.4 Bảo vệ dòng điện cực đại có bộ kiểm tra điện áp 49 3.1.5 Bảo vệ dòng điện ba cấp 50 3.1.6 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện 52 3.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN CÓ ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT 53 3.2.1 Nguyên tắc tác động 53 3.2.2 Phần tử định hướng công suất 54 3.2.3 Lựa chọn thời gian cho bảo vệ dòng điện có định hướng công suất 54 3.2.4 Lựa chọn dòng điện khởi động 55 3.2.5 Bảo vệ dòng điện có hướng ba cấp 56 3.2.6 Đánh giá bảo vệ dòng điện có định hướng công suất 56 3.3 NGUYÊN LÝ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 57 3.3.1 Nguyên tắc tác động 57 3.3.2 Các đặc tính khởi động của bảo vệ khoảng cách 59 3.3.3 Nguyên tắc thực hiện rơle khoảng cách 60 3.3.4 Lựa chọn giá trị khởi động 60 3.3.5 Những yếu tố làm sai lệch đến sự làm việc của rơle khoảng cách 61 3.3.6 Đánh giá về bảo vệ khoảng cách 62 vi
  6. 3.4 BẢO VỆ SO LỆCH 62 3.4.1 So lệch dòng điện 62 3.4.2 So sánh pha của dòng điện 65 3.4.3 Đánh giá về bảo vệ so lệch 66 3.5 CÂU HỎI ÔN TẬP 66 PHẦN II: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 67 CHƯƠNG 4: BẢO VỆ CÁC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 68 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 68 4.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 69 4.2.1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh 69 4.2.2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian 70 4.2.3 Bảo vệ quá dòng có khoá điện áp thấp 71 4.2.4 Bảo vệ quá dòng điện có hướng 72 4.2.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có hướng 74 4.3 BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 75 4.3.1 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm 75 4.3.2 Bảo vệ so lệch dùng dây dẫn phụ 77 4.3.3 Bảo vệ so sánh pha dòng điện 78 4.4 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 81 4.4.1 Chọn giá trị khởi động và thời gian làm việc rơ le khoảng cách 81 4.4.2 Bảo vệ khoảng cách ở các đường dây có đặt tụ điện bù dọc : 83 4.5 BẢO VỆ SO SÁNH HƯỚNG 85 4.6 NGUYÊN LÝ BẢO CHỐNG CHẠM ĐẤT 87 4.6.1 Nguyên tắc tác động 87 4.6.2 Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không 88 4.6.3 Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không có hướng 88 4.6.4 Bảo vệ chống chạm đất “chập chờn” 91 4.7 CÂU HỎI ÔN TẬP 92 CHƯƠNG 5: BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 93 5.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 93 5.2 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CUỘN DÂY STATO 94 5.3 BẢO VỆ CHỐNG NGẮN MẠCH GIỮA CÁC PHA 98 5.3.1 Bảo vệ so lệch hãm 99 5.3.2 Bảo vệ khoảng cách 101 5.3.3 Bảo vệ quá dòng điện 102 5.4 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM CHẬP CÁC VÒNG DÂY TRONG MỘT PHA CỦA CUỘN STATO 103 vii
  7. 5.5 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CUỘN DÂY RÔ TO 105 5.6 BẢO VỆ CHỐNG DÒNG ĐIỆN THỨ TỰ NGHỊCH 109 5.7 BẢO VỆ CHỐNG MẤT KÍCH TỪ 110 5.8 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ TẢI CHO CUỘN DÂY STATO VÀ RÔTO MÁY PHÁT ĐIỆN 112 5.9 BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP 113 5.10 BẢO VỆ CHỐNG TẦN SỐ GIẢM THẤP 114 5.11 BẢO VỆ CHỐNG LUỒNG CÔNG SUẤT NGƯỢC 115 5.12 CÂU HỎI ÔN TẬP 116 CHƯƠNG 6: BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP 117 6.1 CÁC HƯ HỎNG VÀ NHỮNG LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG DÙNG 117 6.2 BẢO VỆ SO LỆCH DỌC 117 6.3 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 119 6.4 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 120 6.5 BẢO VỆ BẰNG RƠ LE KHÍ (BUCHHOLZ) 121 6.6 BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP 122 6.7 BẢO VỆ QUÁ NHIỆT CHO MÁY BIẾN ÁP 123 6.8 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP 126 6.9 CÂU HỎI ÔN TẬP 127 CHƯƠNG 7: BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG THANH GÓP 115 7.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG 115 7.1.1 Những trường hợp không cần đặt bảo vệ riêng 115 7.1.2 Những trường hợp cần đặt bảo vệ riêng cho thanh góp 116 7.2 CÁC LOẠI SƠ ĐỒ THANH GÓP 116 7.2.1 Sơ đồ một hệ thống thanh góp 116 7.2.2 Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có một máy cắt trên mạch 117 7.2.3 Sơ đồ thanh góp mỗi mạch điện được nối với hệ thống thanh góp qua hai máy cắt điện 119 7.3 BẢO VỆ SO LỆCH TOÀN PHẦN THANH GÓP 120 7.3.1 Những đặc điểm khi thực hiện bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp 120 7.3.2 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm 122 7.3.3 Bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơ le tổng trở cao 124 7.3.4 Bảo vệ thanh góp dùng nguyên lý so sánh pha dòng điện 126 7.4 BẢO VỆ SO LỆCH KHÔNG TOÀN PHẦN THANH GÓP 127 viii
  8. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ 1-1: Ví dụ về tính chọn lọc của bảo vệ rơle 3 Hình vẽ 1-2: Cấu trúc tổng quát của hệ thống bảo vệ 5 Hình vẽ 1-3: Vì dụ về một cấu trúc của hệ thống bảo vệ 6 Hình vẽ 1-4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng để tăng cường độ tin cậy 6 Hình vẽ 1-5: Máy biến dòng cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến dòng 7 Hình vẽ 1-6: Sai số của BI và sơ đồ thay thế của BI dùng trong bảo vệ 9 Hình vẽ 1-7: Nối tiếp hai máy biến dòng 10 Hình vẽ 1-8: Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F, 11 Hình vẽ 1-9: Các nối BI và rơle theo sơ đồ hình sao 11 Hình vẽ 1-10: Sơ đồ nồi một rơle vào hiệu dòng điện hai pha và sơ đồ véc tơ của dòng điện thứ cấp qua rơle khi ngắn mạch 2 pha và ba pha 12 Hình vẽ 1-11: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không: a) sơ đồ nguyên lý, b) bộ lọc dùng ba máy biến dòng, c) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây trên không, d) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây cáp ngầm 13 Hình vẽ 1-12: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI2: a) Sơ đồ cấu trúc, b) mạch điện, c) Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự thuận, d) đồ thị véc tơ thành phần thứ tự nghịch 14 Hình vẽ 1-13: Máy biến điện áp cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến điện áp 15 Hình vẽ 1-14: Sơ đồ nối các BU theo hình sao: a nối vào điện áp dây, b) nối vào điện áp pha, c) điện áp ba pha và dây trung tính của HTĐ 16 Hình vẽ 1-15: Sơ đồ nối các BU theo hình V/V 16 Hình vẽ 1-16: Các sơ đồ bộ lọc thứ tự không, a) cuộn tam giác hở, b) bộ lọc điện áp thứ tự không ở trung tính máy phát điện 17 Hình vẽ 1-17: Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch 18 Hình vẽ 1-18: Sơ đồ dùng rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn làm việc với dòng điện thao tác một chiều 19 Hình vẽ 1-19: Sơ đồ bảo vệ dòng điện dùng nguồn thao tác xoay chiều theo phương pháp khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt 20 Hình vẽ 1-20: Sơ đồ bảo vệ dòng điện nối vào dòng điện thao tác xoay chiều qua biến dòng bão hoà trung gian 20 Hình vẽ 1-21: Sơ đồ bộ cung cấp liên hợp 21 Hình vẽ 1-22: Sơ đồ nguồn cung cấp bằng bộ tụ nạp sẵn 21 Hình vẽ 1-23: Liên hệ giữa các thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu 22 Hình vẽ 1-24: Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng đầu vào 26 Hình vẽ 1-25: Nguyên lý so sánh pha (a) và biểu đồ so sánh hai tín hiệu đầu vào hình sin lệch pha nhau (b) 27 Hình vẽ 2-1: So sánh giữa rơle số và rơle thông thường 30 ix
  9. Hình vẽ 2-2: Phân loại rơle theo các đại lượng đầu vào 31 Hình vẽ 2-3: Các loại sơ đồ của hệ thống bảo vệ rơle 32 Hình vẽ 2-4: Một số loại rơle điện từ: a) Rơle điện từ có phần động đóng mở, b) Có phần động quay, c) phần chuyển động tịnh tiến 35 Hình vẽ 2-5: Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay Mt và các thành phần của nó với thời gian đối với rơle dòng điện điện từ 36 Hình vẽ 2-6: Vòng ngắn mạch của rơle và đồ thị véc tơ 36 Hình vẽ 2-7: Rơle dòng điện: a) có vòng cảm ứng ngắn mạch, b) và đồ thị véc tơ 38 Hình vẽ 2-8: Rơ le thời gian 40 Hình vẽ 2-9: Các sơ đồ nối rơ le trung gian: a)Sơ đồ nối các rơle RG song song, b) nối tiếp, c) song song có tự giữ bằng cuộn dây nối tiếp 41 Hình vẽ 2-10: Sơ đồ nối dây của rơle tín hiệu, a) nối tiếp, b) song song 41 Hình vẽ 2-11: Rơle dòng điện chỉnh lưu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) dòng điện chỉnh lưu [I] 42 Hình vẽ 2-12: Các sơ đồ san bằng dòng điện chỉnh lưu, 43 Hình vẽ 2-13: Sơ đồ so sánh dòng điện Iđ với đại lượng chuẩn Ich 44 Hình vẽ 2-14: Sơ đồ khối của rơ le số 45 Hình vẽ 2-15: Sơ đồ tự kiểm tra các khối chức năng trong rơle số 46 Hình vẽ 3-1: Thí dụ về cách tính dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại a) Sơ đồ nguyên lý, b) Chọn dòng điện khởi động 48 Hình vẽ 3-2: Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh, a) Sơ đồ nguyên lý, b) Cách chọn dòng điện khởi động 49 Hình vẽ 3-3: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại có bộ phận kiểm tra điện áp. 50 Hình vẽ 3-4: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng ba cấp. 51 Hình vẽ 3-5: Tính dòng điện và thời gian tác động của bảo vệ dòng ba cấp 52 Hình vẽ 3-6: Bảo vệ quá dòng điện có hướng a) Mạch vòng, b) Đường dây song song, c) Đường dây có hai nguồn cung cấp, 53 Hình vẽ 3-7: Bảo vệ quá dòng điện có hướng: a) Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá dòng, b) Đặc tính pha của bộ phận định hướng công suất 54 Hình vẽ 3-8: Phối hợp thời gian tác động của bảo vệ quá dòng điện có hướng với thanh góp có nhiều mạch đường dây 55 Hình vẽ 3-9: Các cấu hình lưới điện phức tạp bảo vệ quá dòng có hướng không đảm bảo tính chọn lọc: a) Mạng vòng có nhiều nguồn cung cấp. b) Mạng vòng có một nguồn cung cấp khi có liện hệ ngang không có nguồn (Đường dây BD) 57 Hình vẽ 3-10: Nguyên lý đo tổng trở, a) Sơ đồ lưới điện; b) Vùng biến thiên của tổng trở phụ tải; c)Tổng trở đo trong điều kiện sự cố; d) Đặc tính khởi động của bộ phận khoảng cách 58 Hình vẽ 3-11: Các đặc tuyến tổng trở khởi động thường gặp: a) Tổng trở không hướng (ZKđ=const); b) Tổng trở có hướng (vòng tròn qua gốc toạ độ); c) Vòng tròn lệch tâm; d) Hình thấu kính, e,g) Hình đa giác; h) 7SA513 59 x
  10. 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 60 Hình vẽ 3-13: Sự phân bố dòng điện trên các nhánh của đường dây mạch kép 61 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. 63 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 65 Hình vẽ 3-16: Bảo vệ so sánh pha dòng điện: a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tính góc pha bảo vệ. 66 Hình vẽ 4-1: Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp 69 Hình vẽ 4-2: Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện, a) Độc lập, b) Phụ thuộc. 70 Hình vẽ 4-3: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện trong lưới điện hình tia (a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (b) và đặc tuyến phụ thuộc (c) 71 Hình vẽ 4-4: Bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp 71 Hình vẽ 4-5: Bảo vệ quá dòng điện có hướng: a) đường dây hai mạch song song, b) cách chọn thời gian làm việc của bảo vệ 73 Hình vẽ 4-6: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện có hướng trong lưới điện có hai nguồn cung cấp 74 Hình vẽ 4-7: Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh không có hướng (a) và có hướng (b) 75 Hình vẽ 4-8: Bảo vệ so lệch dọc có hãm, a) Sơ đồ nguyên lý, b) đồ thị véc tơ của dòng điện làm việc ILV và dòng điện hãm IH khi có ngắn mạch ngoài (b) và trong vùng (c) 76 Hình vẽ 4-9: Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch có hãm (1) và tương quan giữa dòng điện làm việc Ilv và dòng điện hãm IH khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ và nguồn cung cấp từ một phía (2) 76 Hình vẽ 4-10: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm, dùng dây dẫn phụ 77 Hình vẽ 4-11: Cộng dòng điện để giảm bớt dây dẫn phụ trong sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện 78 Hình vẽ 4-12: Sơ đồ khối bảo vệ so sánh pha dòng điện từng pha riêng biệt 79 Hình vẽ 4-13: Tín hiệu so sánh pha dòng điện cho trường hợp ngắn mạch ngoài vùng (a) và trong vùng (b) bảo vệ 80 Hình vẽ 4-14: Sơ đồ dùng tổ hợp máy biến dòng BI để nhận điện áp đầu ra một pha U từ dòng điện 3 pha 80 Hình vẽ 4-15: Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa ba vùng tác động của bảo vệ khoảng cách, a) Sơ đồ lưới điện, b) Phối hợp đặc tính khởi động và thời gian 82 Hình vẽ 4-16: Phối hợp các vùng bảo vệ khoảng cách trong trường hợp từ thanh cái cuối đường dây có nhiều dây ra 83 Hình vẽ 4-17: Điện kháng đường dây phụ thuộc vào dung kháng và vị trí đặt tụ bù dọc 84 Hình vẽ 4-18: Bảo vệ khoảng cách trên đường dây có bù dọc, a) Sơ đồ nguyên lý, b) khi bộ tụ làm việc bình thường, c) khi bộ tụ bị nối tắt 85 Hình vẽ 4-19: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ theo hướng công suất thứ tự không 86 xi
  11. Hình vẽ 4-20: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so sánh hướng công suất thứ tự không truyền tín hiệu cho phép 86 Hình vẽ 4-21: Sự biến thiên của dòng (a) và áp (b) tại chỗ đặt bảo vệ trước và sau thời điểm sự cố (t = 0) 87 Hình vẽ 4-22: Phân bố dòng điện sự cố (điện dung) khi có chạm đất trên các đường dây khác nhau trong lưới điện hình tia có trung tính không nối đất. (a) Chạm đất đường dây D3; (b) Chạm đất đường dây D1 89 Hình vẽ 4-23: Sơ đồ xác định góc lệch pha 0 giữa dòng (I0) và áp (U0) thứ tự không 89 Hình vẽ 4-24: Sơ đồ nguyên lý sử dụng chung cho toàn trạm một bộ xác định hướng công suất thứ tự không, có đổi nối trong mạch dòng điện thứ tự không của các đường dây 90 Hình vẽ 4-25: Mắc điện trở song song với cuộn Petersen để tăng độ nhạy của bảo vệ chống chạm đất 91 Hình vẽ 4-26: Nguyên lý của sơ đồ bảo vệ chống chạm đất “chập 92 Hình vẽ 5-1: Chạm đất trong cuộn dây Stato máy phát điện 95 Hình vẽ 5-2: Bảo vệ có hướng chống chạm đất cuộn dây stato máy phát điện đấu trực tiếp với thanh góp điện áp máy phát: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véc tơ 95 Hình vẽ 5-3: Phân bố thành phần hài bậc ba dọc theo cuộn dây stato máy phát điện, a) chế độ bình thường; b) khi chạm đất ở trung điểm; c) ở đầu cực máy phát điện. 96 Hình vẽ 5-4: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stato chống chạm đất theo hài bậc 3: a) sơ đồ nguyên lý, b) đồ thị véc tơ trong chế độ vận hành bình thường, c) khi có chạm đất gần trung điểm máy phát điện 97 Hình vẽ 5-5: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stato chống chạm đất có đưa thêm điện áp hãm 20Hz vào trung điểm máy phát điện 98 Hình vẽ 5-6: Ngắn mạch ba pha trong cuộn dây stato máy phát điện đồng bộ, a) sơ đồ nguyên lý, b) phân bố sức điện động theo số vòng của cuộn dây, c) và quan hệ giữa dòng sự cố với số vòng dây bị ngắn mạch 100 Hình vẽ 5-7: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm cuộn dây stato máy phát 100 Hình vẽ 5-8: Bảo vệ so lệch dùng rơ le tổng trở cao đặt cho máy phát điện: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp trong chế độ làm việc bình thường, c) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp khi có ngắn mạch ngoài và nhóm BI2 bị bão hoà hoàn toàn 101 Hình vẽ 5-9: Bảo vệ khoảng cách cho bộ MPĐ-MBA: a) Sơ đồ nguyên lý, b) đặc tính thời gian 102 Hình vẽ 5-10: Đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách dùng làm bảo vệ cho máy phát điện 102 Hình vẽ 5-11: Bảo vệ quá dòng có khóa điện áp thấp làm bảo vệ dự phòng cho máy phát điện 103 Hình vẽ 5-12: Bảo vệ so lệch ngang chống ngắn mạch giữa các vòng dây của máy phát điện công suất lớn: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đặc tính khởi động 104 Hình vẽ 5-13: Bảo vệ cuộn dây máy phát điện có hai nhánh song song chống chạm chập giữa các vòng dây 104 Hình vẽ 5-14: Chạm đất trong cuộn dây roto MPĐ, a) Chạm đất một điểm, b) Hai điểm 105 xii
  12. Hình vẽ 5-15: Bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây roto máy phát điện dùng điện áp phụ một chiều: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Dòng điện qua rơ le theo vị trí điểm chạm đất và khi dùng nguồn điện phụ xoay chiều: c) Sơ đồ nguyên lý, d) Dòng điện qua rơ le 105 Hình vẽ 5-16: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn dây roto máy phát điện có hệ thống kích từ không chổi than với điốt chỉnh lưu lắp trực tiếp trên thân roto dựa trên nguyên lý đo điện dẫn 106 Hình vẽ 5-17: Đặc tính biến thiên của tổng trở đối với đất của mạch kích thích Hình vẽ 5-16 và đặc tính tác động của rơ le đo điện dẫn để chống chạm đất mạch roto máy phát điện đồng bộ: 1) Đặc tính cắt, 2) Đặc tính cảnh báo 107 Hình vẽ 5-18: Sơ đồ nguyên lý phát hiện chạm đất trong cuộn dây roto máy phát điện dùng nguồn điện phụ 1Hz có dạng sóng chữ nhật (a) và dạng sóng đặt vào bộ phận đo UM đối với các điện trở chạm đất khác nhau (b và c) 108 Hình vẽ 5-19: Bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch đặt ở máy phát điện, a) sơ đồ nguyên lý, b) đặc tính thời gian phụ thuộc tỷ lệ nghịch, c) độc lập có 2 cấp 109 Hình vẽ 5-20: Bảo vệ chống mất kích từ máy phát điện, a) Thay đổi hướng công suất phản kháng Q, b) Thay đổi tổng trở đo được ở cực MFĐ, c) Giới hạn thay đổi của công suất MPĐ 111 Hình vẽ 5-21: Sơ đồ bảo vệ chống mất kích thích ở máy phát điện sử dụng rơ le điện kháng cực tiểu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) Đồ thị véc tơ, c) Các dạng sóng của các đại lượng tương ứng 111 Hình vẽ 5-22: Quan hệ giữa mức quá tải và thời gian quá tải cho phép của các cuộn dây MPĐ 113 Hình vẽ 5-23: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống quá tải cuộn dây máy phát điện với 2 kênh đo lường độc lập 113 Hình vẽ 5-24: Bảo vệ chống quá điện áp hai cấp đặt ở máy phát điện 114 Hình vẽ 5-25: Thời gian tích hợp cho phép vận hành máy phát điện ở tần số cao 115 Hình vẽ 5-26: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống công suất ngược 116 Hình vẽ 6-1: Cân bằng pha và trị số của dòng điện thứ cấp trong bảo vệ so lệch máy biến áp 2 và 3 cuộn dây bằng máy biến dòng trung gian BIG 118 Hình vẽ 6-2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dây HM- hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá MBA 118 Hình vẽ 6-3: Sơ đồ nguyên lý (a) và đặc tính thời gian (b) của bảo vệ khoảng cách đặt ở MBA hai cuộn dây (hoặc MBA tự ngẫu) 120 Hình vẽ 6-4: Ví dụ về rơ le khí đặt cho máy biến áp 122 Hình vẽ 6-5: Bảo vệ chống chạm đất có giới hạn dùng cho máy biến áp : a) MBA hai cuộn dây, b) MBA tự ngẫu 122 Hình vẽ 6-6: Sự phụ thuộc độ tăng nhiệt độ của dầu so với nhiệt độ môi trường làm mát và độ tăng nhiệt độ cuộn dây so với nhiệt độ của dầu vào phụ tải xác lập 124 Hình vẽ 6-7: Sơ đồ bảo vệ quá nhiệt máy biến áp 126 Hình vẽ 6-8: Phương thức bảo vệ máy biến áp hai cuộn dây công suất bé 126 Hình vẽ 6-9: Phương thức bảo vệ máy biến áp ba cuộn dây công suất lớn 127 Hình vẽ 6-10: Phương thức bảo vệ máy biến áp tự ngẫu công suất lớn 127 xiii
  13. Hình vẽ 7-1: Thí dụ các sơ đồ nối điện không cần đặt bảo vệ thanh góp riêng 115 Hình vẽ 7-2: Thí dụ các sơ đồ nối điện cần bảo vệ riêng cho thanh góp 116 Hình vẽ 7-3: Các loại sơ đồ một hệ thống thanh góp 117 Hình vẽ 7-4: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có một máy cắt trên một mạch 119 Hình vẽ 7-5: Sơ đồ hai thanh góp mỗi mạch được nối với hai hệ thống thanh góp qua hai máy cắt điện 119 Hình vẽ 7-6: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có ba máy cắt trên hai mạch 119 Hình vẽ 7-7: Sơ đồ hai hệ thống thanh góp có bốn máy cắt trên ba mạch 120 Hình vẽ 7-8: Sơ đồ bố trí hệ thống thanh góp theo hình đa giác 120 Hình vẽ 7-9: Bảo vệ so lệch toàn phần của thanh góp đơn 121 Hình vẽ 7-10: Bảo vệ so lệch toàn phần thanh góp có phân đoạn với các phần tử phân bố lên cả hai phân đoạn 121 Hình vẽ 7-11: Sơ đồ nguyên lý so lệch dòng điện có hãm để bảo vệ thanh góp đơn 122 Hình vẽ 7-12:Đặc tính bảo vệ thanh góp dùng dòng điện hãm 123 Hình vẽ 7-13: Sơ đồ bảo vệ một hệ thống thanh góp có phân đoạn 123 Hình vẽ 7-14: Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm hệ thống hai thanh góp 124 Hình vẽ 7-15: Bảo vệ thanh góp bằng rơ le tổng trở cao 124 xiv
  14. DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Một số ví dụ về các tỉ số của BI 8 Bảng 1-2: Cấp chính xác của một số loại máy biến dòng điện 8 Bảng 1-3: Giới hạn sai số của BI có cấp chính xác 5P và 10P 9 Bảng 1-4: Giới hạn sai số của BU dùng cho bảo vệ 16 Bảng 2-1: Các ký hiệu và loại rơle 32 Bảng 6-1: Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp 117 xv
  15. PHẦN I: CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ xvi
  16. CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 NHIỆM VỤ BẢO VỆ RƠ LE Khi thiết kế hoặc vận hành bất kỳ một hệ thống điện (HTĐ) nào, chúng ta cũng đều mong muốn HTĐ đó phải được vận hành ở chế độ an toàn, tin cậy, và kinh tế nhất. Một HTĐ thường rộng lớn về qui mô, trải dài trong không gian với nhiều thiết bị điện khác nhau từ phần phát điện, truyền tải và phân phối điện năng. Do đó, trong bất cứ HTĐ nào cũng có thể phát sinh các hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường đối với các phần tử trong HTĐ đó. Nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng, hay sự cố đối rất đa dạng: Do các hiện tượng thiên nhiên: như giông bão, động đất, lũ lụt, núi lửa Do con người: sai sót trong tính toán thiết kế, sai lầm trong công tác vận hành, thiếu sót trong bảo dưỡng thiết bị điện Các yếu tố ngẫu nhiên khác: già cỗi cách điện, thiết bị quá cũ, những hư hỏng ngẫu nhiên, tình trạng làm việc bất thường của HTĐ Các sự cố nguy hiểm nhất có thể xảy ra trong HTĐ thường là các dạng ngắn mạch. Khi ngắn mạch, dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử trên đường từ nguồn đến điểm ngắn mạch có thể gây ra những tác động nhiệt và cơ nguy hiểm cho các phần tử nó chạy qua. Hồ quang tại chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết bị, gây hỏa hoạn. Ngắn mạch cũng làm cho điện áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lân cận bị giảm thấp, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của các hộ tiêu dùng điện. Trường hợp nguy hiểm nhất, ngắn mạch có thể dẫn đến mất ổn định và tan rã hoàn toàn HTĐ. Các dạng ngắn mạch thường gặp trong HTĐ: Ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5% Ngắn mạch hai pha chiếm khoảng 10% Ngắn mạch hai pha nối đất chiếm khoảng 20% Ngắn mạch một pha chiếm khoảng 65% Phân loại hư hỏng theo thiết bị trong HTĐ, với tỷ lệ hư hỏng: Đường dây tải điện trên không chiếm khoảng 50% Đường dây cáp chiếm khoảng 10% Máy cắt điện chiếm khoảng 15% Máy biến áp chiếm khoảng 12% Máy biến dòng điện, biến điện áp chiếm khoảng 2% Thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ chiếm khoảng 3% Các loại khác chiếm khoảng 8% Ngoài các loại ngắn mạch, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường. Phổ biến nhất là hiện tượng quá tải, lúc đó dòng điện tải tăng, làm tăng nhiệt độ của các phần dẫn điện. Nếu tình trạng quá tải kéo dài, làm cho thiết bị điện bị phát nóng quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi bị phá hỏng dẫn đến các sự cố nguy hiểm như ngắn mạch. Chính vì vậy mà trong khi tính toán thiết kế và vận hành 1
  17. HTĐ, người ta cũng rất phải quan tâm đến các tình trạng làm việc không bình thường, vì nó chính là các nguyên nhân dẫn đến các sự cố nguy hiểm. Do đó, nhiệm vụ của các thiết bị bảo vệ rơle là phát hiện và nhanh chóng loại trừ phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện nhằm ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả tai hại của sự cố. Ngoài ra, thiết bị bảo vệ còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong HTĐ. Tuỳ mức độ quan trọng của thiết bị điện mà bảo vệ rơle có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt điện. Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ các HTĐ hiện đại là các rơle. Ngày nay, khái niệm rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hóa HTĐ, thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ hệ thống. 1.2 YÊU CẦU CỦA BẢO VỆ RƠ LE 1.2.1 Tính tin cậy Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn. Cần phân biệt hai khái niệm sau: Độ tin cậy khi tác động: là mức độ chắc chắn rơle hoặc hệ thống bảo vệ rơle sẽ tác động đúng. Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ. Độ tin cậy không tác động: là mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ không làm việc sai. Nói cách khác, độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được qui định. Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể được kiểm tra tương đối dễ dàng bằng tính toán thực nghiệm, còn độ tin cậy không tác động rất khó kiểm tra vì tập hợp những trạng thái vận hành và tình huống bất thường có thể dẫn đến tác động sai của bảo vệ không thể lường trước được. Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơle và hệ thống rơle có kết cấu đơn giản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo vệ. Qua số liệu thống kê vận hành cho thấy, hệ thống bảo vệ trong các hệ thống điện hiện đại có xác suất làm việc tin cậy khoảng (95  99)%. 1.2.2 Tính chọn lọc Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện. Xét ví dụ đối với mạng điện cho ở Hình vẽ 1-1. Khi ngắn mạch tại điểm N1 trên đường dây BC, để đảm bảo tính chọn lọc thì bảo vệ phải cắt máy cắt 5 ở đầu đường dây bị hư hỏng BC. Như vậy tất cả các hộ tiêu thụ điện (trừ những hộ nối vào thanh góp C) sẽ tiếp tục làm việc bình thường sau khi máy cắt 5. 2
  18. Hình vẽ 1-1: Ví dụ về tính chọn lọc của bảo vệ rơle Khi ngắn mạch tại điểm N2, để bảo đảm tính chọn lọc thì bảo vệ cần phải cắt các máy cắt 1 và 2 ở hai đầu đường dây bị hư hỏng và việc cung cấp điện cho trạm B vẫn được duy trì. Theo nguyên lý làm việc, tính chọn lọc của các bảo vệ được phân ra: Bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm nhiệm vụ khi sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận (ví dụ như bảo vệ so lệch dọc cho máy phát điện hoặc máy biến áp (MBA)). Bảo vệ có tính chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho phần tử lân cận (ở ví dụ trên: Bảo vệ 5 có thể làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ 6). Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có tính chọn lọc tương đối, cần phải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện. 1.2.3 Tính tác động nhanh Tính tác động nhanh của bảo vệ rơle là yêu cầu quan trọng vì việc cách ly càng nhanh chóng phần tử bị ngắn mạch, sẽ càng hạn chế được mức độ phá hoại các thiết bị, càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ dùng điện, giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn và càng nâng cao khả năng duy trì ổn định sự làm việc của các máy phát điện và toàn bộ HTĐ. Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc, để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền. Vì vậy yêu cầu tác động nhanh chỉ đề ra tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể của HTĐ và tình trạng làm việc của phần tử được bảo vệ trong HTĐ. Bảo vệ rơle được gọi là tác động nhanh (có tốc độ cao) nếu thời gian tác động không vượt quá 50ms (2,5 chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz). Bảo vệ rơle được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động rơle. Hai khái niệm tác động nhanh và tác động tức thời được dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơle hoặc bảo vệ có thời gian tác động không quá 50ms. Thời gian cắt sự cố tC gồm hai thành phần: thời gian tác động của bảo vệ tBV và thời gian tác động của máy cắt tMC : t C t BV t MC Với HTĐ hiện đại, yêu cầu thời gian loại trừ sự cố rất nhỏ, để đảm bảo tính ổn định. Đối với các máy cắt điện có tốc độ cao hiện đại tMC = (20  60)ms (từ 1  3 chu kỳ 50Hz). Những máy cắt thông thường có tMC ≤ 5 chu kỳ (khoảng 100ms ở 50Hz). Vậy thời gian loại trừ sự cố tC khoảng từ 2  8 chu kỳ ở tần số 50Hz (khoảng 40160ms) đối với bảo vệ tác động nhanh. 3
  19. Đối với lưới điện phân phối thường dùng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ chính thông thường có thời gian cắt sự cố khoảng (0,21,5) giây, bảo vệ dự phòng khoảng (1,52,0) giây. 1.2.4 Độ nhạy Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ. Độ nhạy của bảo vệ được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy Kn là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó. Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơle và ngưỡng tác động của nó càng lớn, rơle càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, nghĩa là rơle tác động càng nhạy. Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độ làm việc của HTĐ (mức độ huy động nguồn max hay min), cấu hình của lưới điện (các đường dây làm việc song song, hay đơn lẻ), dạng ngắn mạch (ba pha, một pha, ), vị trí của điểm ngắn mạch (gần nguồn, hay xa nguồn), . . . Đối với các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy từ 1,52,0 còn đối với bảo vệ dự phòng hệ số độ nhạy từ 1,21,5. 1.2.5 Tính kinh tế Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong HTĐ không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, mà ở chế độ luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra để có những tác động chuẩn xác. Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị của công trình. Vì vậy yêu cầu về kinh tế không đề ra, mà bốn yêu cầu kỹ thuật trên đóng vai trò quyết định, vì nếu không thoả mãn được các yêu cầu này sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho hệ thống điện. Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện hoặc lưới truyền tải cao áp. Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và chi phí thấp nhất. Năm yêu cầu trên trong nhiều trường hợp mâu thuẫn nhau, ví dụ muốn có được tính chọn lọc và độ nhạy cao cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp, bảo vệ càng phức tạp, càng khó thỏa mãn yêu cầu về độ tin cậy; hoặc những yêu cầu cao về kỹ thuật sẽ làm tăng chi phí cho thiết bị bảo vệ. Vì vậy trong thực tế cần dung hòa ở mức tốt nhất các yêu cầu trên trong quá trình lựa chọn các thiết bị riêng lẻ cũng như tổ hợp toàn bộ các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động trong hệ thống điện. 1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE Trong trường hợp tổng quát gồm, một hệ thống bảo vệ rơle được mô tả trong Hình vẽ 1-2, bao gồm các bộ phận chính như sau: 4
  20. Các phần từ trong hệ thống điện ~ M F BU Đ/D Đ/C Đo lường và xử lý Phân tích, so sánh Mạch điều khiển tín hiệu logic phát hiện sự các tín hiệu, mạch (BI, BU, cố máy cắt, AC/DC ) Gôm các loại rơle ~ 21, 50, 51, 87 = Hiển thị và ghi nhớ sự kiện Nguồn một chiều Hình vẽ 1-2: Cấu trúc tổng quát của hệ thống bảo vệ 1 Bộ phận đo lường: gồm các máy biến dòng điện (BI hoặc là CT), máy biến điện áp (BU hoặc là VT), các thiết bị đo lường khác để làm nhiệm vụ đo lường các đại lượng dòng điện, điện áp, tần số Các tín hiệu sơ cấp có thể được đưa vào các bộ lọc các thành phần đối xứng, hoặc các thiết bị biến đổi AC/DC để đưa tín hiệu vào hệ thống các rơle 2 Bộ phận phân tích và so sánh logic: gồm các rơle có nhiệm vụ là phân tích và so sánh các tín hiệu đưa vào với các giá trị khởi động cho trước để đánh giá tình trạng làm việc của HTĐ là bình thường, không bình thường (quá tải) hay là sự cố. Tương ứng với các tình trạng đó, rơle sẽ gửi tín hiệu đến cơ cấu thực hiện. Đối với mỗi nguyên tắc bảo vệ khác nhau thì sẽ có các loại rơle với phương pháp tính toán khác nhau. 3 Bộ phận thực hiện: gồm các rơle trung gian, máy cắt (MC) có nhiệm vụ thực hiện việc báo tín hiệu, hoặc cắt máy cắt trong các trường hợp sự cố 4 Hệ thống nguồn điện một chiều: có nhiệm vụ là cung cấp nguồn cho hệ thống các rơle, cuộn cắt của MC, chuông, đèn 5 Kênh thông tin truyền tín hiệu: dùng để truyền tín hiệu điều khiển, phối hợp bảo vệ, thông tin Trong Hình vẽ 1-3, tiếp điểm phụ MCF của máy cắt điện (hoặc của rơle phản ánh vị trí của máy cắt) có khả năng cắt dòng điện lớn để ngắt mạch dòng điện cung cấp cho cuộn cắt trước khi tiếp điểm của rơle trở về, đảm bảo cho tiếp điểm của rơle khỏi bị cháy vì phải ngắt dòng điện lớn. Những năm trước đây sơ đồ bảo vệ rơle thường được tổ hợp từ nhiều rơle và nhiều thiết bị riêng lẻ, mỗi phần tử hoặc nhóm phần tử thực hiện một chức năng nhất định trong sơ đồ bảo vệ. Ngày nay mỗi đối tượng cần được bảo vệ chỉ cần dùng một bộ bảo vệ. Để tăng cường độ tin cậy có thể đặt thêm một bộ thứ hai với tính năng tương đương nhưng hoạt động theo một nguyên lý khác hoặc do nhà sản suất khác chế tạo. 5
  21. Thanh góp BI Máy cắt điện Mạch điện được bảo vệ MCF CC Nguồn KĐK - + RL BU Cầu chì Tín hiệu cắt Hình vẽ 1-3: Vì dụ về một cấu trúc của hệ thống bảo vệ Nguyên lý dự phòng này còn được áp dụng cho mạch máy biến dòng điện và điện áp, cho nguồn điện thao tác và cho cả cuộn cắt của máy cắt điện như Hình vẽ 1-4. Máy cắt điện BI1 BI2 Mạch được bảo vệ MC MC CC CC2 N2 KĐK + N1 + CCh1 BV BU CCh BV2 Hình vẽ 1-4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng để tăng cường độ tin cậy 6
  22. 1.4 MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN (BI, CT) 1.4.1 Khái niệm về máy biến dòng điện Máy biến dòng điện (BI, CT= Current Transformer) là một loại thiết bị điện dùng để biến đổi dòng điện lớn ở phía mạch sơ cấp về các dòng điện thứ cấp tiêu chuẩn (1A, hoặc 5A) dùng cho mục đích bảo vệ và đo lường. Đồng thời các máy biến dòng còn làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch sơ cấp có dòng điện lớn, điện áp cao khỏi mạch bảo vệ ở phía thứ cấp. Điều này cho phép chế tạo theo qui chuẩn các thiết bị bảo vệ và đo lường, cũng như các thiết bị tự động khác. 1.4.2 Sơ đồ thay thế và ký hiệu máy biến dòng điện Đối với một số thiết bị đo lường và bảo vệ làm việc theo góc lệch pha của dòng điện cần phải nối đúng đầu các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến dòng. Các đầu cuộn dây sơ cấp được ký hiệu S1 và S2, còn các đầu cuộn dây thứ cấp T1 và T2. Các đầu cùng tên (đôi khi là S1 và T1) đôi khi được đánh dấu (*) hoặc nếu trên hình vẽ không ghi ký hiệu thì được hiểu là đầu cùng tên (S1 và T1 hoặc S2 và T2) nằm cạnh nhau. Các đầu dây được xác định theo quy tắc sau: Chọn đầu S1 của cuộn sơ cấp với qui ước là khi giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp IS đi từ đầu S1 đến S2 còn dòng điện thứ cấp IT sẽ đi từ T2 đến T1 (Hình vẽ 1-5 - a). Hình vẽ 1-5: Máy biến dòng cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến dòng Các đầu dây của máy biến dòng có thể được kiểm tra bằng thực nghiệm. Theo sơ đồ đơn giản gồm một Miliampemet có thang đo về hai phía và một bộ pin hoặc ắc quy như Hình 7
  23. vẽ 1-5 - b. Nếu các đầu dây đấu đúng như hình vẽ thì khi công tắc K đóng kim của mA lệch về phía cực dương (+), còn khi công tắc K mở thì kim sẽ lệch về phía cực âm (-). 1.4.3 Sai số của máy biến dòng và yêu cầu về độ chính xác Các cuộn sơ cấp của BI thường có một đến hai vòng, trong khi đó cuộn dây phía thứ cấp của BI thường có nhiều vòng dây. Nếu bỏ qua tổn thất thì IS IT n I trong đó: IT: Dòng điện phía thứ cấp của BI. IS: Dòng điện phía sơ cấp của BI. nI: Tỷ số biến đổi của máy biến dòng. Các tỉ số biến đổi thường có của BI cho trong bảng sau Bảng 1-1: Một số ví dụ về các tỉ số của BI Dòng điện 50:5 100:5 200:5 400:5 600:5 1000:5 2000:5 Tỉ số 10 20 40 80 120 200 400 Tuy nhiên thì bao giờ các máy biến dòng điện cũng có tổn thất, có dòng điện từ hóa I . Dòng điện từ hóa tỉ lệ với tổng trở mạch của mạch thứ cấp vì thế sai số của BI tỉ lệ với tổng trở thứ cấp của BI. Các loại sai số của BI gồm có: 1 Sai số về trị số dòng điện: bằng hiệu số giữa biên độ dòng điện sơ cấp sau khi đã tính n .I I đổi (I’S) và dòng điện thứ cấp IT. sai số % = I T S .100 IS 2 Sai số góc i: bằng góc lệch pha  giữa véc tơ dòng điện sơ cấp và véc tơ dòng điện thứ cấp. 3 Sai số phức hợp Fi: bằng trị số hiệu dụng của dòng điện “thứ cấp lý tưởng” với dòng điện thứ cấp thực tế, nó bao gồm các sai số về trị số và sai số về góc pha có kết hợp xét đến ảnh hưởng của các hài bậc cao trong dòng điện từ hoá. 1 T (n i i )2 dt i T S T 0 Fi% = 100. IS trong đó: Fi%: Sai số phức hợp tính bằng %. T: Chu kỳ của dòng điện xoay chiều S. ni: Tỷ số biến đổi của máy biến dòng. iT: Giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp. IS và iS tương ứng là giá trị hiệu dụng và tức thời của dòng điện sơ cấp Cấp chính xác của máy biến dòng dùng cho đo lường và bảo vệ theo Bảng 1-2. Bảng 1-2: Cấp chính xác của một số loại máy biến dòng điện Theo tiêu chuẩn Lĩnh vực áp dụng EEC VCD ANSI (Châu Âu) (Đức) (Mỹ) 8
  24. Lấy chuẩn dụng cụ đo đồng hồ mẫu 0,1 0,1 0,2 Đo chính xác 0,2 0,2 0,3 Đo đếm điện năng 0,5 0,5 0,6 Đo lường công nghiệp đại lượng U,I,P,Q 1,0 1,0 1,2 Mạch Ampemet, Volmet, rơle quá dòng quá áp 3,5 3,0 1,2 Lõi từ dùng cho bảo vệ 5P, 10P 5P, 10P C, T Các thiết bị bảo vệ rơle phải làm việc trong điều kiện sự cố với dòng điện sơ cấp vượt nhiều lần so với dòng điện định mức, tuy vậy vẫn phải đảm bảo độ chính xác cần thiết. Trị số dòng điện sơ cấp mà ở đó BI còn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu được gọi là dòng điện giới hạn theo độ chính xác. Tỷ số dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng điện định mức gọi là hệ số giới hạn theo độ chính xác. Các BI dùng cho thiết bị bảo vệ có cấp chính xác 5P và 10P, sai số cho phép về trị số (fi); góc pha (i, phút) và sai số phức hợp (Fi%) theo Bảng 1-3 Bảng 1-3: Giới hạn sai số của BI có cấp chính xác 5P và 10P Cấp chính xác fi% i, phút Fi% 5P ±1 5 ±60 10P ±3 10 Hệ số giới hạn theo độ chính xác: 5, 10, 15, 20 và 30 Fi 5% Fi 10%   Hình vẽ 1-6: Sai số của BI và sơ đồ thay thế của BI dùng trong bảo vệ Thông số của BI dùng trong đo lường thường được ký hiệu theo phụ tải định mức và cấp chính xác, chẳng hạn 15VA; 0,5; còn BI dùng trong bảo vệ được ký hiệu theo phụ tải định mức, cấp chính xác và hệ số giới hạn theo độ chính xác, chẳng hạn 10VA, cấp 10P10 (số 10 sau cùng là hệ số giới hạn theo độ chính xác). Trên Hình vẽ 1-6 giải thích sai số và sơ sơ đồ thay thế của của BI dùng trong bảo vệ. 9
  25. 1.4.4 Tính toán phụ tải của máy biến dòng điện Trong sơ đồ bảo vệ, phụ tải của máy biến dòng điện có thể được đặc trưng bằng công suất đầu ra phía thứ cấp Spt(VA) hoặc tổng trở phía phụ tải Zpt (). Tổng trở phía thứ cấp của BI gồm có điện trở của rơle, điện trở dây nối phụ và điện trở tiếp xúc. Tổng trở phụ tải càng lớn thì công suất tiêu thụ ở phía thứ cấp càng cao, và sai số của biến dòng càng lớn. U S T pt Zpt 2 IT I T Ví dụ nếu BI có công suất là 10VA, nếu dòng điện danh định thứ cấp là 5A thì phụ tải 2 phía thứ cấp là: Z5A = 10/5 =0,4 , nếu dòng điện danh định phía thứ cấp là 1A thì phụ tải 2 phía thứ cấp là : Z1A = 10/1 =10  Trong một số trường hợp để giảm sai số của biến dòng, người ta giảm điện áp ở đầu ra cuộn thứ cấp bằng cách nối tiếp hai cuộn biến dòng có cùng tỉ số lại với nhau như hình vẽ: IS UT1 UT2 IT Utải Z Hình vẽ 1-7: Nối tiếp hai máy biến dòng Khi đó phụ tải phía thứ cấp sẽ giảm xuống một nửa và được tính toán như sau: U I Z U pt T T 2 2 Và phụ tải của mỗi biến dòng là U T IT Z 1 Z Zpt . IT 2 IT 2 1.4.5 Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện Từ sơ đồ thay thế của BI trên Hình vẽ 1-6 khi mạch thứ cấp của BI bị hở, nếu phía sơ cấp có dòng điện thì toàn bộ dòng điện sơ cấp ấy sẽ làm nhiệm vụ từ hoá, từ cảm Bm tăng lên đột ngột gây bão hoà cho mạch từ nên các đường cong biến thiên theo thời gian của độ từ cảm B và từ thông F có dạng bằng đầu. Khi dòng điện sơ cấp qua trị số không, sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng có dạng đỉnh nhọn với biên độ rất lớn (Hình vẽ 1-8). Đặc biệt trong chế độ sự cố, khi dòng điện sơ cấp đạt bội số lớn, sức điện động cảm ứng phía thứ cấp có thể đến hàng chục kilôvôn, rất nguy hiểm cho người và thiết bị bên thứ cấp. Vì vậy không được để hở mạch phía thứ cấp của BI trong khi phía sơ cấp có dòng điện chạy qua. Trong trường hợp cần thực hiện đổi nối phía thứ cấp khi có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp thì phải nối tắt các cực thứ cấp của BI trước khi tiến hành đổi nối. Chế độ làm việc với cuộn thứ cấp bị nối ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của máy biến dòng. 10
  26. eT ,, B  ()B I  Hình vẽ 1-8: Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F, từ cảm B và sức điện động thứ cấp eT theo thời gian (b) 1.4.6 Các sơ đồ nối máy biến dòng điện 1.4.6.1 Sơ đồ nối các BI theo hình sao đầy đủ Trong sơ đồ này các biến dòng điện đặt trên cả ba pha, cuộn dây của rơle được nối vào dòng điện ba pha toàn phần (Hình vẽ 1-9 - a). Dây trung tính (dây về) bảo đảm sự làm việc đúng của sơ đồ khi ngắn mạch chạm đất. Khi hệ thống làm việc bình thường và khi ngắn  mạch không chạm đất dòng điện 3I0 0 và trong dây trung tính, về nguyên tắc, không có dòng điện. Khi ngắn mạch chạm đất dòng điện chạy trên dây trung tính là:     3I 0 I a I b Ic Sơ đồ hình sao hoàn toàn có thể làm việc cả khi ngắn mạch một pha. Tuy nhiên, hiện nay để bảo vệ chống ngắn mạch một pha, người ta thường dùng sơ đồ hoàn hảo hơn có bộ lọc thành phần thứ tự không. a) Sơ đồ hình sao đầy đủ b) Sơ đồ hình sao khuyết Hình vẽ 1-9: Các nối BI và rơle theo sơ đồ hình sao 11
  27. 1.4.6.2 Sơ đồ nối các BI theo hình sao khuyết Các biến dòng điện chỉ đặt trên hai pha, cuộn dây của rơle cũng nối vào dòng điện pha toàn phần (Hình vẽ 1-9-b). Khi không có thành phần dòng điện thứ tự không, dòng điện trên dây về bằng:      I v I a Ic hay I v Ib Như vậy trong sơ đồ này dòng điện IV tồn tại cả trong tình trạng làm việc bình thường và dây về bảo đảm sự làm việc bình thường của các biến dòng điện trong tình trạng này. Dây về còn bảo đảm sự tác động đúng của bảo vệ khi ngắn mạch hai pha trong đó một pha không đặt biến dòng điện (pha B) và khi ngắn mạch nhiều pha chạm đất. Khi ngắn mạch một pha ở pha không đặt biến dòng điện (pha B ở Hình vẽ 1-9 - b), sơ đồ hình sao khuyết sẽ không làm việc, vì vậy sơ đồ này chỉ dùng để chống ngắn mạch nhiều pha. 1.4.6.3 Sơ đồ nối một rơle vào hiệu số dòng điện hai pha Sơ đồ này còn được gọi là sơ đồ hình số 8 (Hình vẽ 1-10), dòng điện đi vào rơle là:    IR Ia Ic Ở tình trạng làm việc đối, hoặc ngắn mạch đối xứng thì dòng điện đi vào rơle là:    IR 3Ia 3Ic . Như vậy, hệ số sơ đồ là: k sđ 3 . Sơ đồ dùng một rơle nối vào hiệu số dòng điện hai pha có độ nhạy phụ thuộc vào dạng IR ngắn mạch: k n Ikđđ Hình vẽ 1-10: Sơ đồ nồi một rơle vào hiệu dòng điện hai pha và sơ đồ véc tơ của dòng điện thứ cấp qua rơle khi ngắn mạch 2 pha và ba pha (3) (3) Khi ngắn mạch ba pha dòng điện trong rơle I R 3I NT (Hình vẽ 1-10), trong đó (3) I NT là dòng điện ngắn mạch ba pha đã quy đổi về phía thứ cấp của biến dòng điện. (2) (2) Khi ngắn mạch hai pha có đặt biến dòng điện (AC) I RAC 3I NT . Khi ngắn mạch hai pha, trong đó một pha không đặt biến dòng điện (AB hoặc BC): (2) (2) (2) I RAB I RBC 3I NT . Giả sử khi ngắn mạch 2 pha và 3 pha giá trị dòng điện ngắn mạch bằng nhau: (3) (2) (3) (2) (2) (2) I NT I NT ta có: k n : k nAC : k nAB : k nBC 3 : 2 :1:1 12
  28. Như vậy ở hai trong ba trường hợp ngắn mạch hai pha, sơ đồ có độ nhạy 3 lần bé hơn khi ngắn mạch hai pha. Đây là khuyết điểm của sơ đồ nối một rơle vào hiệu số dòng điện hai pha. 1.4.6.4 Bộ lọc dòng điện thứ tự không Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không được vẽ ở Hình vẽ 1-11. Để lọc dòng điện thứ tự không có thể cộng trực tiếp dòng điện thứ cấp của ba pha ( Hình vẽ 1-11- b) hoặc cộng từ thông của ba pha dòng điện xoay chiều (Hình vẽ 1-11-c,d) 3o Hình vẽ 1-11: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không: a) sơ đồ nguyên lý, b) bộ lọc dùng ba máy biến dòng, c) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây trên không, d) bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây cáp ngầm Đối với sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không như Hình vẽ 1-11-b thường được dùng trong lưới điện có dòng chạm đất lớn. Nhược điểm của sơ đồ này là có dòng không cân bằng ở đầu ra của bộ lọc lớn ở chế độ làm việc bình thường do đặc tính của các BI trong bộ lọc có thể khác nhau.       IA IB IC 3Io IR Ia Ib Ic n i n i Trong lưới có dòng chạm đất bé (trung tính cách điện hoặc nối đất qua điện kháng lớn) dùng các bộ lọc thứ tự không làm việc theo nguyên lý cộng từ thông của ba pha dòng điện sơ cấp (Hình vẽ 1-11-c,d). Chú ý: Khi lắp biến dòng thứ tự không ở đầu cáp, dây nối đất vỏ cáp phải xuyên lõi mạch từ để khử thành phần từ thông do dòng điện phân bố trong đất có thể chạy qua vỏ cáp và dây nối đất gây nên. 1.4.6.5 Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2) Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2) như Hình vẽ 1-12. Dòng điện thứ cấp của BI pha A là ITA chạy qua R1, dòng điện thứ cấp của BI pha C là ITC chạy qua R2 13
  29. và X nối tiếp nhau. Các dòng điện này gây nên các thành phần điện áp giáng tương ứng: UR1, UR2, UX.    Ở đầu ra của bộ lọc LI2 Hình vẽ 1-12-b ta có: Unm UR1 UXR 2    trong đó: UXR 2 UR 2 UX Trị số của các điện trở R1, R2 và cảm kháng X được chọn sao cho trong chế độ đối xứng ta có (Hình vẽ 1-12-c): UR1 = UR2 và Umn = 0 Khi xuất hiện dòng thứ tự nghịch, điện áp ở đầu ra của bộ lọc Umn có trị số lớn (Hình vẽ 1-12-d). Hình vẽ 1-12: Các sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI2: a) Sơ đồ cấu trúc, b) mạch điện, c) Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự thuận, d) đồ thị véc tơ thành phần thứ tự nghịch 1.5 MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP (BU, VT, PT) 1.5.1 Khái niệm về máy biến điện áp Máy biến điện áp (BU, VT= Voltage Transformer hoặc PT= Potential Transformer) làm nhiệm vụ biến đổi điện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn 100V hoặc 110V để dùng cho mục đích bảo vệ và đo lường, đồng thời cách ly các thiết bị ở mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp. Các máy biến điện áp cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý được trình bày như ở Hình vẽ 1-13 14
  30. S1* T1* Tải T2 S2 Hình vẽ 1-13: Máy biến điện áp cao áp, hạ áp và sơ đồ nguyên lý của máy biến điện áp Cách đánh dấu các đầu dây của các cuộn sơ cấp và thứ cấp của BU cũng hoàn toàn tương tự như đối với cách đánh dấu các đầu dây của BI. Các đầu cuộn dây sơ cấp được ký hiệu S1 và S2, còn các đầu cuộn dây thứ cấp T1 và T2. Các đầu cùng tên (đôi khi là S1 và T1) đôi khi được đánh dấu (*) hoặc nếu trên hình vẽ không ghi ký hiệu thì được hiểu là đầu cùng tên (S1 và T1 hoặc S2 và T2) nằm cạnh nhau. 1.5.2 Sai số của máy biến điện áp và yêu cầu về độ chính xác Cũng tương tự như BI, các BU cũng có các sai số. 1 Sai số về trị số điện áp được tính theo công thức: n U U T US FU % .100% U S Trong đó: FU%: Sai số tính bằng %. nU: Tỷ số biến đổi của BU, nU=USdđ/ UTdđ US, UT: Giá trị tương ứng của điện áp đo được trên cực của cuộn sơ cấp và thứ cấp. 2 Sai số góc U: bằng góc lệch pha  giữa véc tơ điện áp sơ cấp và véc tơ điện áp thứ cấp. 3 Các BU được phân loại theo cấp chính xác dùng cho bảo vệ được cho ở bảng dưới: 15
  31. Bảng 1-4: Giới hạn sai số của BU dùng cho bảo vệ Cấp chính xác fu (%) u (phút) 3P ±3 ±120 6P ±6 ±240 Ghi chú: Điện áp thay đổi trong giới hạn (0,051)Umcp (quá điện áp lớn nhất cho phép). Phụ tải thay đổi trong giới hạn (0,251)SPtđm với cosφ = 0,8. 1.5.3 Các sơ đồ nối máy biến điện áp 1.5.3.1 Sơ đồ nối các máy biến điện áp BU theo hình sao Có thể dùng ba biến điện áp một pha hoặc một biến điện áp ba pha như hình vẽ RL RL RL RL RL RL RL RL RL (a) (b) (c) Hình vẽ 1-14: Sơ đồ nối các BU theo hình sao: a nối vào điện áp dây, b) nối vào điện áp pha, c) điện áp ba pha và dây trung tính của HTĐ Sơ đồ có thể cung cấp cho rơle các điện áp dây, các điện áp pha và các điện áp giữa các pha và điểm trung tính của hệ thống điện áp dây. Trên Hình vẽ 1-14 điện áp đặt vào các rơle: U U U U U U U ab ac ; U ba bc ; U ca cb a0 3 b0 3 c0 3 Để thực hiện sơ đồ này cũng có thể dùng máy biến áp ba pha năm trụ. 1.5.3.2 Sơ đồ nối các máy biến điện áp BU theo hình V Sơ đồ nối máy biến điện BU theo hình V (sao khuyết) như Hình vẽ 1-15. Sơ đồ được tạo thành bởi hai biến điện áp một pha nối vào hai điện áp dây bất kỳ của mạng sơ cấp và được dùng rộng rãi trong các hệ thống điện áp dưới 35kV khi không cần phải nhận điện áp pha đối với đất. RL RL RL RL RL RL Hình vẽ 1-15: Sơ đồ nối các BU theo hình V/V 16
  32. 1.5.3.3 Sơ đồ lọc điện áp thứ tự không (LU0) Sơ đồ được tạo thành bởi ba biến điện áp một pha hoặc một biến điện áp ba pha năm trụ có hai cuộn dây thứ cấp, một cuộn dây nối hình sao có trung tính nối đất, một cuộn nối hình tam giác hở. Điện áp đặt vào rơle nối vào hai đầu tam giác hở Hình vẽ 1-16 –a     1    3  U R U a U b U c = ()UUUABC = U O nU nU Hình vẽ 1-16: Các sơ đồ bộ lọc thứ tự không, a) cuộn tam giác hở, b) bộ lọc điện áp thứ tự không ở trung tính máy phát điện Cũng có thể nhận nhận được điện áp U0 bằng cách nối đất điểm trung tính của hệ thống, thí dụ của máy phát điện Hình vẽ 2-3- b qua một biến điện áp một pha. Rơle được nối vào cuộn thứ cấp của biến điện áp. Khi chạm đất sẽ có dịch chuyển điện áp 1 U0 của điểm trung tính và trên các cực của rơle có điện áp là UUR 0 . nu 1.5.3.4 Sơ đồ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) như Hình vẽ 1-17 Ůa m C Ů a 1 R Ů b 1 U LU2 ZPT Ůb mn Ů c C2 n R2 Ůc a) Sơ đồ nguyên lý b) sơ đồ nối các tụ 17
  33. A B 2 1 U U mB Ů Bn ŮAB BC U n mn m ŮmB ŮBn U nC U BC U AB B ŮCA C U Am C A U Am U nC U CA U mn=0 c) Khi không có dòng thứ tự nghịch d) Khi có dòng thứ tự nghịch Hình vẽ 1-17: Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch Các điện trở tác dụng R1, R2 và tụ C1, C2 được nối vào điện áp dây phía thứ cấp của máy biến điện áp. Thông số của tụ điện và điện trở được chọn theo quan hệ: 3 1 C1 và C2 R1 3.R2 Ở chế độ điện áp đối xứng bình thường (chỉ có thành phần điện áp thứ tự thuận U1), điện áp đầu ra của bộ lọc Umn = 0 (Hình vẽ 1-17 -c). Đối với điện áp ba pha thứ tự nghịch U2, ( Hình vẽ 1-17 -d) điện áp đầu ra của bộ lọc LU2 bằng:Umn = 3 .UT. Trong đó UT là điện áp dây phía thứ cấp của biến điện áp. 1.6 NGUỒN ĐIỆN THAO TÁC Các nguồn điện thao tác dùng để cung cấp điện cho hệ thống rơle bảo vệ, điều khiển, và báo tín hiệu, để thao tác đóng và cắt máy cắt và dùng vào một số mục đích khác trong các nhà máy điện, trạm biến áp, trung tâm vận hành điều khiển HTĐ Nguồn điện thao tác cần bảo đảm các yêu cầu sau: Độc lập hoàn toàn với chế độ làm việc xoay chiều Đủ năng lượng cung cấp cho hệ thống bảo vệ, điều khiển, tín hiệu, và làm việc chắc chắn trong quá trình làm việc An toàn, tin cậy và kinh tế Hiện nay thường dùng nguồn điện một chiều do ắc quy cung cấp và nguồn điện xoay chiều do biến dòng điện, biến điện áp và mạng điện áp thấp cung cấp. 1.6.1 Nguồn điện thao tác một chiều Thường dùng các bộ ắc quy có điện áp định mức tùy theo mô hình trạm, và điện áp định mức của các thiết bị bảo vệ. Thông thường điện áp của các thiết bị từ 24, 48, 110 hoặc 220V. Thiết bị bảo vệ cần phải làm việc chắc chắn khi điện áp của nguồn ắc quy dao động trong khoảng (0,8 - 1,1 )Uđm. Ưu điểm của các nguồn điện thao tác một chiều là sự độc lập hoàn toàn của chúng đối với điện áp và tình trạng làm việc của hệ thống được bảo vệ. 18
  34. Tuy nhiên chúng cũng có một số khuyết điểm lớn sau: Độc hại (nhất là các ắc qui chì) Cần đặt và chăm sóc ắc quy Mạng thao tác của các phần tử liên hệ với nhau, khó phát hiện điểm chạm đất. Ví dụ: Sơ đồ nguyên lý một pha dùng rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn được trình bày trên Hình vẽ 1-18 CC 2MC N2 Tín hiệu N1 1RIT 4RG T 5 3BI Từ bộ ắc qui 6 + - Hình vẽ 1-18: Sơ đồ dùng rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc có giới hạn làm việc với dòng điện thao tác một chiều Khi bảo vệ khởi động rơle dòng điện 1 RIT khép tiếp điểm và đầu dương của nguồn điện thao tác một chiều đặt vào cuộn cắt CC của máy cắt 2MC. Sau khi máy cắt mở, tiếp điểm BT của bộ phận truyền động máy cắt mở ra, ngắt mạch dòng điện thao tác trước khi tiếp điểm của rơle RIT mở để tránh hư hỏng tiếp điểm của rơle do dòng điện qua cuộn cắt lớn. Rơle trung gian 4 RG dùng để kiểm tra mạch cắt. Khi có hư hỏng trong mạch này, tiếp điểm 4 RG đóng lại và cho tín hiệu. Điện trở 5 làm giảm dòng điện qua cuộn cắt đến trị số bé hơn trị số dòng điện làm việc của nó. Trong mạch một chiều có khi chạm đất tại hai điểm (thí dụ tại N1 và N2 trên Hình vẽ 1-18 tiếp điểm của rơle bị nối tắt làm cho bảo vệ tác động nhầm. Vì vậy cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm tác động báo tín hiệu trong mạch một chiều. 1.6.2 Nguồn điện thao tác xoay chiều Xu hướng dùng nguồn điện thao tác xoay chiều được đặc biệt chú ý trong những năm gần đây. Sau đây ta sẽ xét một số sơ đồ thường dùng. 1.6.2.1 Sơ đồ khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt. Cuộn cắt của máy cắt bình thường bị nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng của rơle 1RIT như Hình vẽ 1-19. Khi bảo vệ tác động, rơle thay đổi trạng thái của các tiếp điểm và khử nối tắt cuộn cắt máy cắt. Công suất của cuộn cắt khá lớn. Vì vậy khi cắt biến dòng điện có thể bị quá tải và sai số sẽ tăng lên. Tuy nhiên đối với bảo vệ điều này không ảnh hưởng gì, nếu không vì sai số tăng lên mà dòng điện qua rơle giảm xuống thấp hơn dòng điện trở về. 19
  35. Hình vẽ 1-19: Sơ đồ bảo vệ dòng điện dùng nguồn thao tác xoay chiều theo phương pháp khử nối tắt cuộn cắt của máy cắt 1.6.2.2 Sơ đồ dùng biến dòng bão hoà trung gian. Khi khởi động rơle RIT đóng tiếp điểm thường mở đưa dòng điện thao tác từ biến dòng bão hoà trung gian 3 BIBH vào cuộn cắt CC (Hình vẽ 1-20-a). Nhờ bão hoà nên 3BIBH bảo đảm được dòng điện thứ cấp gần như không đổi, đủ cho bộ phận truyền động của máy cắt làm việc khi dòng điện sơ cấp vượt quá giá trị tối thiểu đã cho. Hình vẽ 1-20: Sơ đồ bảo vệ dòng điện nối vào dòng điện thao tác xoay chiều qua biến dòng bão hoà trung gian Thực tế vận hành cho thấy trong sơ đồ này khi bội số dòng điện ngắn mạch tăng, do mạch thứ cấp của BIBH hở, hiện tượng hở mạch phía thứ cấp của biến dòng điện có thể rất nguy hiểm. Để khắc phục khuyết điểm này người ta dùng sơ đồ với rơle RIT có tiếp điểm chuyển tiếp (Hình vẽ 1-20-b). Trong sơ đồ này, bình thường cuộn thứ cấp của 3BIBH được nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng của rơle RIT. 1.6.2.3 Bộ cung cấp liên hợp. Bộ cung cấp liên hợp dùng cho dòng điện thao tác bằng cách tổng hợp các dòng điện chỉnh lưu từ các nguồn dòng điện (biến dòng điện) và điện áp (biến điện áp). Tụ điện 3 dùng để giảm bớt phụ tải của biến dòng điện (bù thành phần phản kháng) và để ổn định điện áp trên bộ chỉnh lưu như Hình vẽ 1-21. Trong các bộ cung cấp liên hợp cần chọn pha của dòng điện và điện áp sao cho công suất nhận được là lớn nhất. 20
  36. Hình vẽ 1-21: Sơ đồ bộ cung cấp liên hợp 1.6.2.4 Dùng những tụ điện đã được nạp sẵn. Nguồn của dòng điện thao tác là là bộ tụ điện 1 đã được nạp điện qua biến điện áp 2 và chỉnh lưu 3 (Hình vẽ 1-22). Năng lượng CU2/2 tích trên tụ điện phải lớn hơn năng lượng làm việc của cuộn cắt máy cắt. Máy biến áp tăng 4 (từ 100V lên 400V) dùng để giảm bớt điện dung C của tụ điện. Điện trở 5 dùng để hạn chế dòng điện nạp của tụ điện và dòng điện qua nó khi chỉnh lưu 3 bị chọc thủng. Tuy nhiên điện trở này lại làm tăng thời gian nạp của tụ điện, gây trở ngại lớn cho các thiết bị tự động đóng trở lại tác động nhanh. Rơle điện áp 6RU có tác dụng ngăn chặn dòng điện ngược qua chỉnh lưu khi điện áp phía sơ cấp sụt xuống. Ưu điểm của nguồn điện thao tác dùng tụ điện đã được tích điện trước là sự độc lập của nó đối với các dạng hư hỏng của phần tử được bảo vệ. Tuy nhiên nguồn điện thao tác này chỉ có thể tác động trong thời gian ngắn nên không thể dùng để cung cấp cho các bộ phận của bảo vệ tác động có thời gian (như rơle thời gian chẳng hạn). Hình vẽ 1-22: Sơ đồ nguồn cung cấp bằng bộ tụ nạp sẵn 1.7 KÊNH THÔNG TIN TRUYỀN TÍN HIỆU 1.7.1 Các loại kênh truyền tín hiệu Để phục vụ cho việc truyền dữ liệu, thông tin liên lạc, điều khiển, bảo vệ và tự động hoá, hệ thống điện có thể dùng nhiều loại kênh truyền tín hiệu khác nhau. Dây dẫn phụ/cáp thông tin của ngành điện hoặc mạng bưu chính viễn thông Kênh tải ba (PLC): Tải tín hiệu tần số cao bằng dây dẫn của đường dây tải điện Kênh thông tin vô tuyến siêu cao tần (viba) Cáp quang 21
  37. Đối với hệ thống bảo vệ rơ le, kênh truyền tín hiệu được sử dụng trong các sơ đồ bảo vệ so lệch hoặc trong các sơ đồ điều khiển liên động các bảo vệ lân cận nhau nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy của các bảo vệ trong việc loại trừ sự cố, hoặc tác động nhầm. Ví dụ như trong sơ đồ bảo vệ so lệch (so lệch pha hoặc so lệch dòng điện), tín hiệu ở hai đầu phần tử được bảo vệ (góc pha của các dòng điện hoặc biên độ và góc pha của các dòng điện tuỳ theo phân loại bảo vệ) được truyền qua kênh dẫn để tiến hành so sánh tại vị trí đặt thiết bị bảo vệ rơ le. Đường dây tải điện U I U I Cắt C ắt Cắt liên động Cắt liên động Cho phép Cho phép Khoá Khoá Sơ đồ Tín hiệu điều khiển KÊNH Tín hiệu điều khiển Sơ đồ bảo vệ (Phát) TRUYỀN (Thu) bảo vệ rơ le rơ le TÍN HIỆU Đo xa Đo xa Điều khiển xa Điều khiển xa Thoại Thoại Dữ liệu Dữ liệu Thông tin Thông tin Hình vẽ 1-23: Liên hệ giữa các thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu Thường dùng ba loại tín hiệu điều khiển sau: Tín hiệu cắt liên động: để cắt đồng thời các máy cắt ở các phía khác nhau của phần tử được bảo vệ hoặc máy cắt lân cận với máy cắt bị hư hỏng. Tín hiệu cho phép: Máy cắt chỉ có thể được cắt ra khi nhận được tín hiệu cho phép đồng thời với sự tác động của thiết bị bảo vệ rơ le làm nhiệm vụ bảo vệ chính chống lại các sự cố đang xét. Tín hiệu khoá: Máy cắt chỉ có thể được cắt ra khi không có tín hiệu khoá đồng thời với sự tác động của thiết bị bảo vệ rơ le làm nhiệm vụ bảo vệ chính chống lại loại sự cố đang xét. Liên hệ giữa các thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu được minh hoạ trên Hình vẽ 1-23 22
  38. 1.7.2 Yêu cầu đối với kênh truyền tín hiệu Thời gian loại trừ sự cố bao gồm thời gian tác động của rơ le, thời gian truyền tín hiệu và thời gian cắt của máy cắt. Thời gian loại trừ sự cố được xác định từ điều kiện đảm bảo cho sự ổn định của hệ thống, hạn chế hậu quả của ngắn mạch, nhanh chóng phục hồi việc cung cấp điện cho hộ tiêu thụ Thông thường thời gian truyền tín hiệu cũng gần bằng thời gian làm việc của bảo vệ rơ le, đối với các lưới điện cao áp và siêu cao áp thời gian này vào khoảng (15 ÷ 40)ms tùy từng loại bảo vệ. Các kênh truyền thường bị ảnh hưởng của các nhiễu khác nhau tuỳ theo loại kênh truyền. Các nhiễu này có thể làm cho bảo vệ tác động sai hoặc mất tín hiệu điều khiển. Để đặc trưng cho tính năng truyền đối với từng loại tín hiệu điều khiển, thường dùng ba thông số sau Thời gian làm việc cực đại Tac. Xác suất hiện tín hiệu lạ PVC. Độ an toàn  (1- PVC). 100% Xác suất mất tín hiệu điều khiển PMC. Độ phụ thuộc  (1- PMC). 100% 1.7.3 Môi trường truyền tín hiệu và nhiễu 1.7.3.1 Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin điện lực thường được đặt cùng rãnh với cáp cao áp hoặc trong rãnh cáp riêng hay bằng dây trần trên cột. Vì các dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin được đặt song song với đường dây tải điện nên có sức điện động cảm ứng. Điện áp cảm ứng tần số công nghiệp thường được tính toán sao cho các thiết bị thứ cấp có thể chịu đựng được. Để hạn chế điện áp cảm ứng dùng các van chống quá điện áp để nối tắt các dây dẫn phụ trong trường hợp điện áp tăng cao (khi xuất hiện quá trình quá độ), nhưng nó có thể làm cho bảo vệ không tác động trong trường hợp quá điện áp gây nên bởi sự cố chính mà bảo vệ phải tác động. Các thiết bị thứ cấp phải chịu đựng nổi điện áp cảm ứng khi có sét đánh hoặc khi đóng cắt bên phía sơ cấp của hệ thống điện. Dây dẫn phụ và cáp thông tin dùng cho bảo vệ được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, tuy nhiên phạm vi sử dụng bị hạn chế vì độ tin cậy thấp và giá chi phí tương đối cao. Đối với các hệ thống điện tập trung, khoảng cách giữa các đầu phát và thu tín hiệu không lớn, có thể dùng dây phụ hoặc cáp thông tin riêng. Nếu dùng kênh truyền tin của hệ thống viễn thông thì khả năng quá điện áp ở phía thứ cấp có thể thấp hơn vì lộ trình của kênh thông tin khác với lộ trình đường dây tải điện, tuy nhiên các thiết bị phía thứ cấp cũng phải có khả năng chịu một mức độ quá điện áp nhất định. Trong một số trường hợp sự cố chạm đất, thế ở điểm nối đất của nhà máy điện và trạm biến áp có thể khá cao, vì vậy cần phải dùng biến áp phân cách để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị của hệ thống bưu chính viễn thông. Các biến áp phân cách phải chịu đựng được điện áp khá cao (đến 15kV). Dây dẫn phụ và cáp thông tin làm việc với tín hiệu truyền dẫn từ một chiều đến 200Hz xoay chiều, với bán kính 11km, thích hợp với bảo vệ so lệch. Trong lưới 110kV thường không yêu cầu thời gian tác động của bảo vệ thật nhanh, các kênh thuê bao có thể dùng chung cho điện thoại, đo lường và bảo vệ do đó chi phí thuê bao tương đối thấp. 23
  39. Với lưới điện 220 ÷ 500kV, yêu cầu về thời gian của bảo vệ phải nhanh hơn và kênh truyền phải có độ tin cậy cao hơn nên phải thuê bao riêng các kênh truyền dùng cho bảo vệ. 1.7.3.2 Các kênh tải ba (PLC) Đối với những đường dây dài hoặc đi qua những địa hình phức tạp việc lắp đặt dây dẫn phụ gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Trong trường hợp này sử dụng dây dẫn của chính đường dây tải điện để truyền tín hiệu cao tần dùng cho bảo vệ và thông tin liên lạc. Ưu điểm là dây dẫn chắc chắn hơn, tổn hao trong truyền tín hiệu sẽ thấp hơn, kênh truyền hoàn toàn nằm dưới quyền kiểm soát của công ty điện lực. Có thể sử dụng một hay hai pha của đường dây tải điện bằng cách đặt các bộ chắn ở hai đầu đường dây được bảo vệ. Các bộ chắn này có tổng trở rất bé đối với dòng điện tần số công nghiệp nhưng rất lớn đối với tín hiệu cao tần dùng cho thông tin bảo vệ để các tín hiệu này không lan truyền ra ngoài phạm vi đường dây bảo vệ. Sơ đồ hai pha tuy có tốn kém hơn so với sơ đồ pha - đất, nhưng mức tổn hao khi truyền tín hiệu sẽ thấp hơn và không bị phụ thuộc vào điện trở đất cũng như nối đất vì vậy được dùng rộng rãi. Tổn hao tín hiệu trên đường dây ít phụ thuộc vào mưa ẩm. Công suất đầu ra của thiết bị phát cao tần thường từ 2 ÷ 100W (+50dBm) tuỳ từng tương quan giữa tín hiệu – nhiễu. Mức tín hiệu truyền cao nhất hoặc thời gian truyền tín hiệu dài nhất tuỳ thuộc vào từng quốc gia để không ảnh hưởng đến hệ thống thông tin và truyền thông toàn quốc. Khi có sét đánh vào đường dây hoặc đường dây bị sự cố hay thao tác dóng cắt, có thể gây nhiễu mạnh đến kênh thông tin. Mặc dù những nhiễu này chỉ xảy ra trong thời gian ngắn (khoảng vài ms) nhưng nó có thể làm cho thiết bị thu cao tần bị quá tải. Các thiết bị thuộc hệ thống cắt liên động phải được chỉnh định để không xảy ra tác động nhầm. Cần chú ý trường hợp dùng nguyên lý truyền tín hiệu cho phép vì tín hiệu cho phép được truyền qua đoạn đường dây bị sự cố. Mức độ tắt dần của tín hiệu cao tần truyền qua kenh dẫn phụ thuộc vào loại sự cố, tuy nhiên thường chọn trong giới hạn giữa 20 đến 30dB. 1.7.3.3 Các kênh vô tuyến vi ba Các kênh vi ba cho phép truyền tín hiệu trong một dải khá rộng và sử dụng các modem với năng lực truyền rất lớn. Tín hiệu bảo vệ và điều khiển có thể truyền nối tiếp với độ dài đủ lớn và độ mã hoá phức tạp để đảm bảo độ tin cậy của truyền tin nhưng vẫn phải giã được tốc độ truyền rất cao. Trên thực tế, có thể dùng chung các thiết bị vô tuyến tiêu chuẩn trong thông tin vào mục đích truyền tín hiệu bảo vệ và điều khiển trong hệ thống điện. Thường các thiết bị vi ba làm việc với tần số từ 0,2 ÷ 10GHz vì các thiết bị vi ba làm việc có định hướng và dải tần số đã được định trước nên ít bị nhiễu, cho phép sử dụng đồng thời nhiều kênh thông tin và mở rộng dải tần số của tín hiệu truyền để dùng cho cả mục đích thông tin (thoại) lẫn truyền dữ liệu. Hệ thống truyền tín hiệu bằng kênh vô tuyến siêu cao tần (vi ba) được sử dụng rộng rãi để liên hệ các trung tâm điều khiển với nhau. Khi lộ trình của các kênh vi ba trùng hợp với lộ trình của đường dây tải điện, có thể sử dụng các kênh vi ba vào mục đích truyền tín hiệu bảo vệ. Trên thực tế các trạm vi ba không trùng hợp với các trạm đầu và cuối của đường dây tải điện nên khả năng sử dụng các kênh vi ba trực tiếp để truyền tín hiệu bảo vệ thấp hơn so với các kênh tải ba của hệ thống. Mức độ tắt dần của tín hiệu vi ba không phụ thuộc sự cố trên đường dây tải điện nhưng bị ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến, nhiễu này thường do bản thân các thiết bị vô tuyến gây nên. Chiều cao của các cột ăng ten vi ba được hạn chế để ảnh hưởng của gió bão và thay đổi nhiệt không tác động nhiều đến sự làm việc của ăng ten. 24
  40. 1.7.3.4 Các kênh cáp quang Cáp quang là những sợi thuỷ tinh nhỏ có khả năng truyền ánh sáng đi xa. Trong hệ thống điện cáp quang thường được chế tạo kết hợp bên trong dây nhôm lõi thép để làm nhiệm vụ chống sét trên các đường dây tải điện. So với cáp thông tin dùng tín hiệu điện, cáp quang có ưu điểm là năng lực truyền tải rất lớn và không bị nhiễu bởi sóng điện từ. Tín hiệu quang sau khi được mã hoá, được truyền theo sợi quang đến đầu nhận, tại đây sẽ phải giải mã để chuyển thành những thông tin cần thiết. Thiết bị để mã hoá và giải mã thường được sử dụng có tần số tương ứng với bước sóng 850, 1300, 1550 nanomet. Khoảng cách có thể truyền tín hiệu quang trực tiếp phụ thuộc vào mức độ suy giảm và tán xạ của tín hiệu trong hệ truyền dẫn ánh sáng, phụ thuộc vào chủng loại, chất lượng của sợi quang và bước sóng của nguồn phát tín hiệu. Với các kênh truyền tín hiệu quang ở tần số hàng trăm megahec khoảng cách truyền hàng chục kilomet, khi khoảng cách lớn hơn cần có những trạm lặp trung gian. Các kênh truyền bằng cáp quang hiện đại có khả năng truyền tải lớn các tín hiệu thoại, đo lường, điều khiển và bảo vệ. Hiện nay cáp quang được chế tạo kết hợp với cáp lực để giảm giá thành và tăng tính bền vững, an toàn của tuyến cáp quang và được sử dụng rộng rãi không những trong các hệ truyền tải cao áp và siêu cao áp mà còn được dùng đối với lưới điện trung áp và hạ áp. 1.8 THÔNG TIN CẦN THIẾT PHỤC VỤ TÍNH TOÁN BẢO VỆ RƠLE 1.8.1 Nguyên lý đó lường dùng trong mục đích bảo vệ 1.8.1.1 Đo lường một đại lượng đầu vào Đại lượng đầu vào X của rơle thường là những đại lượng tương tự (dòng điện, điện áp ) được lấy ra từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và máy biến điện áp. Trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lượng đầu vào được so sánh với ngưỡng tác động của rơle (còn gọi là trị số chỉnh định của rơle). Nếu đại lượng đầu vào biến thiên vượt quá (đối với rơle cực đại) hoặc thấp hơn (đối với rơle cực tiểu) ngưỡng chỉnh định thì rơle sẽ tác động. Sau khi tác động xong nếu đại lượng đầu vào biến thiên theo chiều ngược lại và vượt quá trị số trở về XTV, rơle sẽ trở về trạng thái ban đầu trước lúc khởi động. Trị số XTV được gọi là ngưỡng trở về hoặc trị số trở về. Trị số trở về và trị số khởi động được liên hệ với nhau qua hệ số trở về kV: X TV k V X kđ Đối với các rơle điện cơ kV ≠ 1, thông thường kV = 0,85 ÷ 0,9 đối với rơle cực đại. kV = 1,1 ÷ 1,15 đối với rơle cực tiểu. Đối với rơle tĩnh và rơle số kV ≈ 1. Khái niệm rơle cực đại (tác động khi đại lượng đầu vào tăng) và rơle cực tiểu (tác động khi đại lượng đầu vào giảm) có ảnh hưởng đến cấu trúc của rơle điện cơ (cuộn dây, lò xo, tiếp điểm). Đối với rơle tĩnh và rơle số chức năng cực đại và cực tiểu dễ dàng đổi chỗ cho nhau bằng phép nghịch đảo tín hiệu lô gic đầu ra của rơle. 25
  41. 1.8.1.2 So sánh nhiều đại lượng đầu vào Rơle có thể tác động trên cơ sở so sánh nhiều đại lượng đầu vào như rơle khoảng cách, so lệch, định hướng công suất v.v làm việc với hai đại lượng đầu vào. Trong trường hợp tổng quát, hai đại lượng đầu vào X1, X2 là tổ hợp của dòng điện I và điện áp U của phần tử bảo vệ: X K U K I 1 1 2      X 2 K 3U K 4I Ở đây các hệ số tỷ lệ K1, K2, K3, K4 là những hệ số phức. Tùy từng loại bảo vệ (loại rơle) có thể chọn những trị số thích hợp cho những hệ số này. Như rơle so lệch dòng điện, hai   đại lượng dùng để so sánh là véc tơ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ I1 và I2 , khi ấy chọn K1 = K3 = 0 và K2 = K4 = 1. Đối với rơle khoảng cách, hai đại lượng dùng để so sánh là điện áp chỗ đặt bảo vệ và dòng điện chạy qua phần tử được bảo vệ nên ta chọn K1 = K4 = 1 và K2 = K3 = 0. Với các rơle làm việc theo hai đại lượng đầu vào thường người ta dùng hai nguyên lý so sánh: so sánh biên độ và so sánh pha. 1.8.1.3 So sánh biên độ Trong các rơle làm việc theo hai đại lượng đầu vào (chẳng hạn X1) tác động theo chiều hướng làm cho rơle khởi động còn đại lượng kia (X2) tác động theo chiều hướng ngược lại (hãm, cản trở sự tác động của rơle).   Tín hiệu đầu ra Y sẽ xuất hiện khi: X1 X 2   trong đó: X1 tín hiệu đầu vào khởi động, X 2 tín hiệu đầu vào hãm Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng điện được sử dụng trong bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách như Hình vẽ 1-24. Hình vẽ 1-24: Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng đầu vào 1.8.1.4 So sánh pha. So sánh pha phản ánh góc lệch pha giữa các đại lượng đầu vào, nếu góc lệch pha vượt quá (lớn hơn hay bé hơn) trị số pha định trước rơle sẽ tác động. Các đại lượng tương tự đầu vào X1, X2 qua các bộ biến đổi BD1, BD2 biến thành các xung chữ nhật X’1, X’2 với thời gian trùng pha là tK được gọi là so sánh thời gian trùng hợp pha. Nếu thời gian trùng hợp pha tK lớn hơn thời gian đặt t của bộ phận thời gian thì sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra (Y = 1). 26
  42. K ,t KK Hình vẽ 1-25: Nguyên lý so sánh pha (a) và biểu đồ so sánh hai tín hiệu đầu vào hình sin lệch pha nhau (b) Trên Hình vẽ 1-25 trình bày biểu đồ so sánh nửa chu kỳ dương của hai đại lượng đầu vào hình sin X1 và X2. Cũng có thể tiến hành so sánh cả nửa chu kỳ âm để tăng mức độ tác động nhanh của bộ phận so sánh. Để tăng độ chính xác của bộ phận so sánh pha có thể lọc và khử thành phần một chiều cũng như các sóng hài bậc cao trong các đại lượng đầu vào X1 và X2 trước khi đưa vào bộ so sánh. 1.8.2 Tính toán ngắn mạch/sự cố 1.8.2.1 Chế độ hệ thống điện Sự cố nguy hiểm nhất trong HTĐ đó chính là sự cố ngắn mạch. Hậu quả của ngắn mạch lại phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc, hay chế độ huy động công suất của HTĐ. Ngắn mạch ở các thời điểm vận hành HTĐ khác nhau sẽ cho kết quả tính toán khác nhau. Nếu chế độ huy động công suất max và min chênh lệch nhau lớn, thì dòng điện ngắn mạch sẽ khác nhau rất nhiều. Thông thường khi tính toán đặt thông số người ta thường tính cho chế độ huy động công suất max (các máy phát, máy/thiết bị bù huy động hết công suất, phụ tải trong hệ thống là lớn nhất). Còn chế độ huy động công suất min (một số máy phát có thể bị cắt ra để bảo dưỡng, sửa chữa ) thì dùng để kiểm tra độ nhạy của các bảo vệ. 1.8.2.2 Cấu hình hệ thống Cấu hình hệ thống có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tính toán bảo vệ cho HTĐ, Cấu hình hệ thống cần thiết cho việc lựa chọn phương thức bảo vệ, cũng như loại bảo vệ. Ví dụ đường dây hình tia, một nguồn thì chỉ cần đặt một bảo vệ phía đầu nguồn, nhưng đường dây kép, hoặc mạch vòng thì có thể phải đặt thêm bộ phận định hướng công suất. Hơn nữa, trong HTĐ vận hành theo cơ chế thị trường, hoặc với sự có mặt với dung lượng lớn của hệ thống điện phân tán, thì dòng công suất/dòng điện có thay đổi liên tục, do đó cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn thông số bảo vệ, chiều/hướng tác động của bảo vệ. Các sơ đồ hệ thống thanh góp khác nhau, đường dây tải điện nhiều nhánh rẽ, hoặc có thiết bị bù, FACTS, hay HVDC cũng sẽ được quan tâm rất nhiều khi tính toán bảo vệ rơle. 27
  43. 1.8.2.3 Dạng/loại sự cố Khi tính toán một hệ thống bảo vệ, người ta mong muốn nó sẽ bảo vệ được tất cả các dạng/loại sự cố có thể xảy ra trong hệ thống. Do đó các dạng/loại sự cố sẽ cần phải được quan tâm, nghiên cứu, tìm hiểu nguyên nhân, và cơ chế xảy ra đề từ đó có các phương thức bảo vệ tương ứng và hiệu quả. Có thể kể ví dụ ở đây một số sự cố như: Đối với đường dây trên không/cáp ngầm: Các dạng ngắn mạch: ba pha (N3), hai pha (N2), hai pha nối đất (N1-1), chạm đất một pha Đối với máy phát điện: Ngắn mạch giữa các pha, ngắn mạch giữa các vòng dây trong một pha, quá tải, quá điện áp, mất cân bằng pha, mất kích thích, quá tốc độ, suy giảm tần số, chạm đất cuộn dây roto, hư hỏng hệ thống làm mát Đối với máy biến áp: Ngắn mạch giữa các pha, ngắn mạch giữa các vòng dây trong một pha, thủng thùng dầu, Đối với động cơ điện: Ngắn mạch giữa các pha, chạm đất vỏ động cơ 1.8.2.4 Tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn Thông thường việc tính toán ngắn mạch được thực hiện bởi các công cụ trợ giúp, thường là các phần mềm máy tính chuyên dụng, và việc tính toán ngắn mạch cũng cần phải tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế. Hiện nay hay dùng tiêu chuẩn quốc tế IEC: 60909-0, 1, 2, 4. 1.9 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Hãy nêu nhiệm vụ và các yêu cầu của hệ thống bảo vệ rơ le? 2 Nêu định nghĩa về máy biến dòng điện? Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý làm việc và điều kiện chọn máy biến dòng điện là gi? Cách đánh dấu các đầu dây và các chú ý khi nối máy biến dòng điện? 3 Nêu định nghĩa về máy biến điện áp? Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý làm việc và điều kiện chọn máy biến điện áp là gi? Cách đánh dấu các đầu dây và các chú ý khi nối máy biến điện áp? 4 Các yêu cầu đối với nguồn điện thao tác? Nêu ưu nhược điểm của từng loại nguồn thao tác? 5 Nêu nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống kênh thông tin liên lạc? 6 Vì sao phải tính toán ngắn mạch để phục vụ tính toán bảo vệ rơ le? 28
  44. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA RƠLE Những rơle đầu tiên được chế tạo dựa trên nguyên lý điện cơ và được sử dụng cho điện báo vào những năm 30 của thế kỷ 19. Ngày nay, thuật ngữ rơle dùng để chỉ tập hợp các thiết bị tự động để bảo vệ HTĐ, để điều khiển và điều chỉnh tự động, để làm nhiệm vụ chuyển mạch trong các hệ thống thông tin, Cuối thế kỷ 19, rơle bắt đầu được sử dụng để bảo vệ các phần tử trong HTĐ dưới dạng cơ cấu cấu điện từ tác động trực tiếp lắp sẵn ở máy cắt điện. Tuy nhiên chỉ ở thế kỷ 20 khi các HTĐ đã phát triển, kỹ thuật bảo vệ rơle mới được áp dụng rộng rãi. Có thể nêu một số mốc thời gian đáng lưu ý: Năm 1901: Xuất hiện rơle cảm ứng dòng điện. Năm 1908: Bảo vệ so lệch dòng điện. Năm 1910: Rơle hướng công suất và bảo vệ quá dòng có hướng. Đầu những năm 1920: Bảo vệ khoảng cách. Cuối những năm 1920: Bảo vệ dùng tín hiệu tần số cao truyền theo dây dẫn của mạch điện được bảo vệ (PLC). Những năm 1960: Rơle tĩnh (không có tiếp điểm động) điện tử và bán dẫn. Những năm 1970: Rơle số, hệ thống bảo vệ dùng kỹ thuật vi xử lý và máy tính. Ngày nay các nhà chế tạo và sản xuất rơle trên thế giới đều đã chuyển hướng sang kỹ thuật số. Tuy nhiên ở nước ta số lượng rơle điện cơ và rơle điện tử còn đang được sử dụng khá nhiều trong hệ thống điện do điều kiện lịch sử. Đối với các công trình mới được xây dựng thì chủ yếu sử dụng rơle số do các ưu điểm sau: Chức năng hoạt động của rơle được mở rộng ra rất nhiều so với các thế hệ rơle trước đây, dễ dàng mở rộng khả năng đo lường, biến đổi tín hiệu, so sánh và tổ hợp lô gíc trong cấu trúc của rơle. Có thể kết hợp nhiều nguyên lý phát hiện sự cố và bảo vệ trong một hệ thống rơle. Ngoài chức năng bảo vệ và cảnh báo, rơle số hiện đại còn có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng khác như: Ghi chép các thông số vận hành và sự cố Xác định vị trí sự cố Thực hiện liên động với thiết bị bảo vệ và tự động của phần tử lân cận Đóng trở lại máy cắt điện Dễ dàng ghép nối với nhau và với các thiết bị bảo vệ, tự động, thông tin và đo lường khác trong hệ thống, dễ dàng ghép nối với hệ thống máy tính. 29
  45. Đầu tư Rơle thông thường chi phí Rơle số 200 100 Chức năng n ẩ u ể ng ộ r c thù i thi ở ặ ố M Đ T Tiêu chu Hình vẽ 2-1: So sánh giữa rơle số và rơle thông thường Thông số của bảo vệ có thể chỉnh định giản tiện với độ chính xác cao và dễ dàng thực hiện công việc chỉnh định thông số từ xa hoặc chỉnh định tự động theo nguyên lý tự thích nghi. Công suất tiêu thụ bé, kích thước gọn nhẹ, dễ dàng chuẩn hoá kích thước. Giá thành tương đối tính theo tương quan giữa chi phí và chức năng của hệ thống bảo vệ thì rơle kỹ thuật số và máy tính rẻ hơn hệ thống rơle điện cơ. 2.2 PHÂN LOẠI RƠLE Rơle là thiết bị chính trong hệ thống thiết bị bảo vệ Rơle để chỉ tác động chuyển mạch, chuyển trạng thái. Phần tử rơle nhận một tín hiệu đầu vào (X) hay một số tín hiệu đầu vào (X1, X2, X3, ) thường là những tín hiệu tương tự, biến đổi và so sánh tín hiệu này với ngưỡng tác động để cho tín hiệu đầu ra (Y) dưới dạng xung rời rạc với hai trạng thái đối lập: có xung (trạng thái 1) và không có xung (trạng thái 0). (a): Ký hiệu rơle làm việc với một đại lượng đầu vào (b): Ký hiệu rơle làm việc với nhiều đại lượng đầu vào (c,d): Đặc tính khởi động, trở về của rơle cực đại với một đại lượng đầu vào (e,g): Đặc tính khởi động, trở về của rơle cực tiểu với một đại lượng đầu vào Ngoài cách phân loại theo công nghệ chế tạo, rơle còn được phân loại theo: Nguyên tắc hoạt động (đối với rơle điện cơ) : Điện từ, cảm ứng . . . Đại lượng đầu vào: Rơle dòng điện RI Rơle điện áp RU Rơle công suất RW 30
  46. Rơle khoảng cách RZ, Z< Rơle tần số Rf Các rơle với các đầu vào vật lý khác: nhiệt độ, tần số, tốc độ . Chức năng trong sơ đồ Rơle trung gian RG Rơle thời gian RT Rơle tín hiệu Rth Y Y RI RW I~ I U X1 ~ RL X2 RL X~ Y Xn Y (a) (b) Y Y 1 1 X X 0 Xtv Xkđ 0 Xkđ Xtv (c) (e) Y Y X X X Khởi động Trở về Xkđ Xtv Trở về Khởi động Xtv Xkđ 1 Y 1 0 0 t t (d) (g) Hình vẽ 2-2: Phân loại rơle theo các đại lượng đầu vào Tuỳ theo biểu diễn sơ đồ (cấu trúc, chức năng, tổng hợp hoặc khai triển) mà cách biểu diễn rơle khác nhau. Trong sơ đồ cấu trúc hoặc chức năng, rơle được biểu diễn như Hình vẽ 2-2, a và b, trên đó ghi rõ đại lượng vật lý đầu vào của rơle. Trong sơ đồ tổng hợp rơle được biểu diễn như một thiết bị thống nhất là một hình vuông, úp trên nó là một nửa hình tròn, trong hình vuông đặt cuộn dây và dùng chữ để chỉ loại rơle, trên nửa hình tròn đặt tiếp điểm của rơle như Hình vẽ 2-2,a và b. Ký hiệu tiếp điểm của rơle: 31
  47. Tiếp điểm thường mở (hở): Tiếp điểm thường đóng (kín): Tiếp điểm thường mở đóng có thời gian: Tiếp điểm thường đóng mở có thời gian (mở chậm): Trong sơ đồ khai triển hoặc sơ đồ lôgíc, các cực đầu vào và đầu ra của rơle có thể được biểu diễn tách rời nhau trên các mảng sơ đồ hoặc sơ đồ khác nhau. Chú ý: Trạng thái đầu ra của rơle (đối với rơle điện cơ là các tiếp điểm thường mở hoặc thường đóng) được biểu diễn với qui ước cho trường hợp đại lượng đầu vào bằng không. BI RI (b) + + + + MC MC _ RI RT Rth RG + RI RT BI RT Rth RG (c) - - (a) RG MC + Rth (d) Hình vẽ 2-3: Các loại sơ đồ của hệ thống bảo vệ rơle Tín hiệu (a) Sơ đồ tổng hợp (b) Sơ đồ khai triển mạch dòng điện xoay chiều (c) Sơ đồ khai triển mạch thao tác (d) Sơ đồ khai triển mạch tín hiệu Ký hiệu các loại thiết bị và rơle dùng trong sơ đồ bảo vệ như Bảng 2-1. Bảng 2-1: Các ký hiệu và loại rơle Ký hiệu Bằng số Bằng chữ Loại bảo vệ 2 t Rơle thời gian, rơle đóng hoặc mở chậm 3 KT Rơle khoá liên động hoặc kiểm tra 4 C Công tắc tơ chính 21 Z< Rơle khoảng cách (tổng trở) 32
  48. 21N Rơle khoảng cách chống chạm đất 24 Rơle quá từ 25 S Rơle hoà hoặc kiểm tra đồng bộ 27 U > Rơle dòng điện cắt nhanh 51 I> Rơle quá dòng có thời gian 51N I0> hoặc IE> Rơle quá dòng điện thứ tự không có thời gian 52 MC Máy cắt điện 52a MCa Tiếp điểm phụ thường hở của máy cắt điện 52b MCb Tiếp điểm phụ thường kín của máy cắt điện 55 Cos Rơle Cos 59 U> Rơle quá điện áp 60 U hoặc I Rơle cân bằng điện áp hoặc dòng điện 64 I0 Rơle bảo vệ chống chạm đất 67 Rơle quá dòng xoay chiều có hướng I 68 LĐ Rơle liên động 74 BĐ Rơle báo động (cảnh báo) 76 I=> Rơle quá dòng một chiều 78 δ Rơle lệch pha hoặc bảo vệ mất đồng bộ 79 TĐL (AR) Rơle tự đóng lại 81 f R le tần số 85 P/T Rơle phát và nhận tín hiệu kênh truyền 86 K Rơle khoá 87 SL ( I) Rơle bảo vệ so lệch 87G Rơle so lệch MPĐ 87T Rơle so lệch MBA 87B Rơle so lệch thanh góp 87L Rơle so lệch MPĐ 87M Rơle so lệch động cơ điện 96 Rơle hơi 33
  49. 2.3 RƠLE ĐIỆN CƠ 2.3.1 Rơle dòng điện kiểu điện từ 2.3.1.1 Nguyên tắc tác động Rơle dòng điện kiểu điện từ làm việc dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa phần động làm bằng chất sắt từ và từ trường của cuộn dây có dòng điện chạy qua. Về cấu tạo rơle điện từ được chia thành ba loại: Rơle điện từ có phần động đóng mở (Hình vẽ 2-4- a) Rơle điện từ có phần động quay (Hình vẽ 2-4-b) Rơle điện từ có phần động chuyển động tịnh tiến (Hình vẽ 2-4-c ) Mỗi loại đều có lõi sắt 3 trên đó có quấn cuộn dây 5, phần động 1, các tiếp điểm 4 và lò xo cản 2. Dòng điện iR chạy trong cuộn dây gây nên từ thông  đi qua lõi sắt và khe hở không khí . Khi hệ thống từ không bão hoà trị số tức thời của mô men quay tỷ lệ với bình phương của trị số tức thời của từ thông t hay của dòng điện iR: 2 2 Mt = k1. t = k2. iR Từ biểu thức này ta thấy dấu của mô men quay không phụ thuộc vào dấu của dòng điện tạo nên mô men đó. Như vậy các rơle điện từ làm việc được với cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều. 2.3.1.2 Dòng điện khởi động và dòng điện trở về Để rơle tác động được (phần động bị hút vào lõi sắt và tiếp điểm 4 đóng lại ) phải tăng dòng điện iR đến trị số sao cho mô men quay điện từ Mt thắng được mô men cản cơ khí khởi động Mckđ : Mt Mckđ Mô men cản cơ khí khi rơle khởi động gồm mô men cản của lò xo Mlx, mô men ma sát Mms và mô men do trọng lượng của phần động Mp. Vậy ở điều kiện khởi động: Mkđ = Mckđ = Mlx + Mms + Mp 34
  50. 4a 4b đ 3 3 5 5 c 2 1 1 3 4 4 2 2 1 5 Hình vẽ 2-4: Một số loại rơle điện từ: a) Rơle điện từ có phần động đóng mở, b) Có phần động quay, c) phần chuyển động tịnh tiến Tương ứng với Mkđ có một giá trị xác định của dòng điện iR cần thiết cho sự khởi động. a) Dòng điện bé nhất tương ứng với điều kiện khởi động gọi là dòng điện khởi động của rơle IkđR. Sau khi rơle đã tác động, để phần động của rơle có thể trở về vị trí ban đầu phải giảm dòng điện iR sao cho mô men quay điện từ M phải nhỏ hơn mô men cản cơ khí. Cần chú ý rằng mô men ma sát cản trở phần động khi trở về nên dấu của nó ngược với dấu của mô men cản của lò xo và mô men do trọng lượng. Vậy mô men cản cơ khí khi trở về Mcv là: Mcv = Mlx - Mms + Mp Điều kiện để rơle trở về: M = Mv < Mlx - Mms + Mp Tương ứng với mô men về Mv có một giá trị xác định của dòng điện IR bảo đảm cho rơle trở về. b) Dòng điện lớn nhất tương ứng với điều kiện trở về, gọi là dòng điện trở về IvR của rơle. Tỷ số giữa dòng điện trở về với dòng điện khởi động gọi là hệ số trở về kvR của Iv rơle: k vR . Vì Mckđ và Mcv khác nhau khá nhiều nên IkđR và IvR cũng khác nhau khá IkđR nhiều và hệ số trở về của rơle bé. Đây là khuyết điểm đáng kể của rơle có phần động đóng mở. c) Hiện tượng phần động rung của rơle điện từ Khi rơle làm việc với dòng điện xoay chiều iR = IRm sint thì trị số của mô men quay Mt bằng: 35
  51. 2 2 2 2 2 Mt = k2.i R = k2 I Rm.sin t = k2.I R - k2 I Rm.cos2t Số hạng thứ nhất của biểu thức trên không phụ thuộc vào thời gian cho giá trị trung bình trong một chu kỳ của mô men quay. Số hạng thứ hai biến thiên theo quy luật hình sin với tần số gấp đôi. Kết quả là phần động của rơle dòng điện xoay chiều chịu tác động của mô men biến thiên với tần số gấp đôi từ tr ị số không đến cực đại (Hình vẽ 2-5). Sau khi rơle đã tác động, tại những thời điểm Mt MC. Phần động rung làm cho các tiếp điểm rung theo và có thể bị đốt cháy bằng tia lửa điện. M t IR M t 2 k2 I R t 2 -k2 I R cos2 t IR 2 T=  Hình vẽ 2-5: Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay Mt và các thành phần của nó với thời gian đối với rơle dòng điện điện từ Để loại trừ hiện tượng rung cần phải có biện pháp làm giảm sự đập mạch của mô men quay theo thời gian. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tạo ra hai từ thông lệch pha nhau. Phương pháp thường dùng để tạo ra hai từ thông lệch pha nhau là dùng vòng ngắn mạch (thường là một vòng đồng) bọc lấy một phần cực của rơle (Hình vẽ 2-6). EN ,, IN EN ,, IN -I 'N II IR 1 900 I 'N E N Hình vẽ 2-6: Vòng ngắn mạch của rơle và đồ thị véc tơ. Từ thông chạy trong lõi sắt gồm hai thành phần: I qua vòng ngắn mạch, II không qua vòng ngắn mạch. Từ thông I cảm ứng ra trong vòng ngắn mạch suất điện động EN có chiều o xác định theo quy tắc vặn nút chai chậm pha sau từ thông I một góc 90 . Suất điện động EN gây ra trong vòng ngắn mạch dòng I’N (đã tính đổi về số vòng của cuộn dây của rơle) coi như 36
  52. trùng pha với EN (Hình vẽ 2-6) vì góc tổng trở của vòng ngắn mạch rất bé. Nếu bỏ qua tổn    hao trong lõi thép, từ thông I đồng pha với dòng điện từ hoá: I IR I N Từ thông II tỷ lệ và đồng pha với dòng điện IR. Đồ thị véc tơ ở Hình vẽ 2-6 cho thấy vòng ngắn mạch đã làm cho các từ thông I và II lệch nhau một góc . Trị số tức thời của mô men quay tổng Mt gồm hai thành phần MIt và MIIt do hai từ thông I và II gây nên: 2 2 2 2 Mt = MIt + MIit = kI.  I. sin t + kII.  II. sin ( t+ ). Khi hai từ thông I và II có trị số gần bằng nhau và góc lệch pha giữa chúng gần bằng 90o thì độ đập mạch theo thời gian của mô men tổng sẽ giảm đi rất nhiều và giá trị tức thời có thể luôn luôn lớn hơn mô men cản cơ khí, lúc này phần động sẽ không rung nữa d) Lĩnh vực ứng dụng Hiện nay nguyên tắc điện từ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các rơle làm việc theo một đại lượng điện (dòng điện, điện áp) và cả một số tác động rơle phụ khác (rơle trung gian, tín hiệu vv ) Khi lựa chọn được cấu tạo hợp lý, rơle có phần động quay có thể chế tạo được các rơle có hệ số trở về cao, thời gian trở về bé, sai số quán tính nhỏ, công suất tiêu thụ không lớn lắm và có độ chính xác cần thiết. 2.4 RƠLE DÒNG ĐIỆN KIỂU CẢM ỨNG 2.4.1 Nguyên tắc tác động Rơle cảm ứng là loại rơle dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa các từ thông do dòng điện chạy trong cuộn dây đứng yên gây nên với các dòng điện cảm ứng gây ra bởi các từ thông đó trong phần động của rơle. Do vậy, các rơle cảm ứng chỉ làm việc được với dòng điện xoay chiều. Muốn tạo được mô men quay các rơle cảm ứng phải có ít nhất là hai từ thông lệch pha nhau về không gian và về thời gian. Các dòng điện cảm ứng trong phần động của rơle chỉ tạo nên những thành phần mô men quay với các từ thông không sinh ra chúng. 37
  53. 2 II b I (b) II 3 φ E I b I N N 90º 2 1 b 90º II III b Chiều quay dương của đĩa EI (a) MIIt 3 EII b 1. Lõi thép Trục của II EII III 2. Vòng ngắn 2 6b 3. Đĩa quay 5 4 4. Nam châm vĩnh cửu EM b 6a IM 5. Lò xo cản 1 b 6. Cuộn dây EI II 7. Nam châm Trục của I MIt Hình vẽ 2-7: Rơle dòng điện: a) có vòng cảm ứng ngắn mạch, b) và đồ thị véc tơ. Các rơle dòng điện cảm ứng thường dùng có bộ phận động là những đĩa quay. Để tạo nên hai từ thông, phương pháp đơn giản nhất là dùng vòng ngắn mạch. Rơle dòng điện cảm ứng có vòng ngắn mạch có mạch từ khá đơn giản (Hình vẽ 2-7-a) gồm lõi sắt 1, các vòng ngắn mạch 2 bằng đồng đặt trên một phần của cực từ xẻ đôi và đĩa quay 3. Các vòng ngắn mạch làm cho các từ thông I (xuyên qua vòng ngắn mạch) và II (không xuyên qua vòng ngắn mạch) lệch pha nhau một góc , giống như vòng ngắn mạch làm nhiệm vụ chống rung trong rơle điện từ. Các từ thông I và II gây nên trong đĩa các suất điện động cảm ứng EI và EII không phụ thuộc vào trạng thái của đĩa (quay hay không quay). Ngoài ra, khi đĩa quay cắt các từ thông I và II, trong đĩa sẽ xuất hiện thêm các suất điện động cắt và các dòng điện tác dụng tương hỗ với các từ thông đó và gây nên mô men Mcắt chống lại chiều quay của đĩa. Các suất điện động EI và EII sinh ra trong đĩa các dòng điện II và III tương ứng đồng pha (vì góc tổng trở của đĩa rất bé). Với chiều dương của các từ thông, suất điện động và dòng điện như đã chấp nhận trên Hình vẽ 2-7-a có thể vẽ được đồ thị véc tơ của chúng trên Hình vẽ 2-7-b. Chọn chiều quay ngược chiều kim đồng hồ làm chiều dương thì mô men quay MIt do từ thông It và dòng điện III sinh ra có chiều dương, còn mô men quay MIIt do IIt và dòng II sinh ra có chiều âm (xác định theo quy tắc bàn tay trái). Về trị số: MIt = kI. It .iII và: MIIt = kII. IIt.iI Trị số tức thời của mô men quay tổng: Mt = MIt + MIIt = kI. It .iII - kII. IIt.iI Kết quả tính toán cho trị số trung bình của mô men quay tổng của rơle cảm ứng trong một chu kỳ: M = kI. I. II. sin Nếu hệ thống từ không bão hoà, trong rơle có vòng ngắn mạch cả hai từ thông I và II đều tỷ lệ với dòng điện IR đã sinh ra chúng cho nên: 38
  54. 2 M = k2. I R Từ đó có thể rút ra những kết luận: Mô men quay phụ thuộc vào góc lệch pha giữa các từ thông, tần số của dòng điện xoay chiều và nhiệt độ của môi trường xung quanh (liên quan đến sự thay đổi điện trở của đĩa). Mô men quay luôn luôn hướng theo con đường ngắn nhất từ của từ thông vượt trước đến trục của từ thông chậm sau. Trong rơle có vòng ngắn mạch từ thông vượt trước là từ thông không qua vòng ngắn mạch, vì vậy đĩa luôn luôn quay theo con đường ngắn nhất từ trục của phần không có vòng ngắn mạch đến trục của phần có vòng ngắn mạch. Các mô men hãm do các dòng điện cắt và nam châm vĩnh cửu 4 gây ra không ảnh hưởng đến dòng điện khởi động của rơle vì chúng chỉ xuất hiện khi đĩa bắt đầu quay. Trong rơle mô men cản thường được tạo ra bởi một lò xo hình xoắn ốc 5 nối với trục của đĩa. Trong trường hợp này, khi tính đến cả mô men ma sát Mms, điều kiện khởi động là: M Mlx + Mms Khi khởi động đĩa quay được một góc nào đó thì đầu tiếp xúc động 6a gắn trên trục của đĩa hoặc ngay trên đĩa sẽ đóng vào đầu tiếp xúc cố định 6b. Dùng nguyên tắc cảm ứng có thể kết hợp được cả bộ phận khởi động và bộ phận thời gian vào cùng một rơle dòng điện. Các rơle cảm ứng thường gặp có thời gian tác động từ 0,5 đến 10 - 15 giây. 2.4.2 Lĩnh vực ứng dụng: Rơle dòng điện cảm ứng bảo đảm được thời gian làm việc cần thiết mà không cần rơle thời gian riêng. Nếu chế tạo tốt rơle có hệ số trở về khá cao, độ chính xác đầy đủ, sai số do quán tính bé và công suất tiêu thụ thích hợp. Các rơle dòng điện cảm ứng thường dùng để bảo vệ các mạng điện áp thấp (đến 10 kV) không đòi hỏi rơle thời gian riêng và có thể làm việc với dòng điện thao tác xoay chiều. Tuy nhiên rơle dòng điện cảm ứng không thể thay thế cho rơle dòng điện điện từ có công suất tiêu thụ bé hơn và độ nhạy cao hơn. 2.4.3 Rơle điện áp Nối cuộn dây của rơle trực tiếp hoặc gián tiếp qua biến điện áp, vào điện áp U của mạng ta được rơle làm việc theo trị số điện áp của mạng. 2 U R Vì M = k'. I R mà dòng điện qua rơle bằng: IR zR trong đó, ZR - tổng trở của cuộn dây rơle U R UR - điện áp đặt vào rơle UR nu 2 Do vậy: M = k'.U R Hay nếu xét đến quan hệ: M = k''.UR Biểu thức trên cho thấy rơle làm việc theo điện áp của mạng. Các rơle điện từ có cấu tạo giống như các rơle dòng điện điện từ, chỉ khác là cuộn dây điện áp có số vòng nhiều hơn và tiết diện dây nhỏ hơn. 39
  55. 2.4.4 Rơle thời gian Rơle thời gian dùng để tạo thời gianlàm việc cần thiết cho bảo vệ rơle và tự động hoá. Nguyên lý cấu tạo của rơle được trình bày trên Hình vẽ 2-8. Khi cuộn dây 1 có dòng điện, phần động 2 bị hút tức thời, cần động 4 được tự do và dưới tác động của lò xo 3 nó sẽ quay chậm nhờ có cơ cấu đặc biệt định thời gian giữ lại. Sau một thời gian tR nào đó tuỳ thuộc vào khoảng cách l (hoặc góc ) và tốc độ chuyển động cần 4 hoàn thành góc quay và đóng tiếp điểm 8 lại. Như vậy rơle thời gian tác động với thời gian: t R . Cơ cấu định thời gian thường là một cơ cấu đồng hồ. Khi cắt mạch cuộn R dây phần động 2 và cần 4 trở về ngay vị trí ban đầu nhờ lò xo 3, tiếp điểm 8 mở ra tức thời. Muốn điều chỉnh thời gian tR, ta thay đổi góc quay bằng cách thay đổi vị trí của tiếp điểm 8. Trong một vài loại rơle thời gian còn có thêm tiếp điểm đóng ngay 9 cho phép đóng mạch với thời gian bé (khoảng 0,15 - 0,2 giây) và không điều chỉnh được. a) Nguyên lý cấu tạo của rơle thời gian b) Ổn định nhiệt cho rơle thời gian Hình vẽ 2-8: Rơ le thời gian Để giảm kích thước của rơle, cuộn dây của rơle thường được tính toán thiết kế theo chế độ làm việc ngắn hạn. Do vậy, để ổn định nhiệt cho cuộn dây cần nối lâu dài vào điện áp của nguồn thao tác, phải mắc một điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây như trên Hình vẽ 2-8-b. Bình thường điện trở phụ rP bị nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng mở ngay (tiếp điểm trên. Sau khi rơle tác động, tiếp điểm này mở ra và điện trở phụ được đưa vào mạch cuộn dây để hạn chế dòng điện đến trị số cho phép theo điều kiện phát nóng, đồng thời đủ để duy trì rơle ở trạng thái tác động. 2.4.5 Rơle trung gian Rơle trung gian là một loại rơle phụ được sử dụng khi cần đóng, cắt đồng thời nhiều mạch điện độc lập hoặc khi cần đến các rơle có tiếp điểm công suất đủ lớn để đóng cắt mạch có dòng điện lớn như Hình vẽ 2-9: 40
  56. Hình vẽ 2-9: Các sơ đồ nối rơ le trung gian: a)Sơ đồ nối các rơle RG song song, b) nối tiếp, c) song song có tự giữ bằng cuộn dây nối tiếp 2.4.6 Rơle tín hiệu Rơle tín hiệu báo hiệu sự tác động của bảo vệ hoặc của một phần tử bất kỳ của mạch điện. Khi bảo vệ tác động, trong cuộn dây của rơle có tín hiệu dòng điện chạy qua, rơle đóng tiếp điểm để cho con bài tín hiệu rơi xuống vị trí trông thấy được qua nắp vỏ trong suốt của rơle. Do dòng điện chỉ chạy qua rơle trong một thời gian rất ngắn nên rơle tín hiệụ được chế tạo sao cho con bài tín hiệu và tiếp điểm của rơle vẫn được giữ ở trạng thái tác động cho đến khi nhân viên vận hành phục hồi lại trạng thái ban đầu của chúng. Hình vẽ 2-10: Sơ đồ nối dây của rơle tín hiệu, a) nối tiếp, b) song song 2.5 RƠLE ĐIỆN TỬ Việc sử dụng các dụng cụ bán dẫn (điốt và triốt) cho phép giảm kích thước của rơle, giảm công suất tiêu thụ từ các máy biến áp đo lường, nâng cao độ nhạy, cải thiện các đặc tính và chế tạo được các rơle không tiếp điểm và không có phần động. Các rơle đơn giản làm việc theo một đại lượng điện - dòng điện hoặc điện áp, sử dụng dòng điện chỉnh lưu bằng điốt. Trong trường hợp này bộ phận thực hiện thường là các rơle điện từ có độ nhạy cao, rơle phân cực hay rơle từ điện. Các rơle phức tạp hơn như rơle công 41
  57. suất, rơle tổng trở làm việc theo hai đại lượng điện (dòng điện và điện áp) có thể thực hiện bằng cách ứng dụng một trong các nguyên tắc sau đây:   So sánh các giá trị tuyệt đối của hai đại lượng U I và U II . Trong các rơle này các điện   áp xoay chiều U I và U II được chỉnh lưu rồi sau đó được so sánh với nhau về trị số tuyệt đối   nhờ một rơle đặc biệt. So sánh pha của các trị số tức thời của hai đại lượng điện U I và U II . Các rơle này được thực hiện bằng một sơ đồ so sánh pha cho phép xác định góc lệch pha giữa   U I và U II . Hình vẽ 2-11: Rơle dòng điện chỉnh lưu: a) Sơ đồ nguyên lý, b) dòng điện chỉnh lưu [I] Trong cả hai trường hợp, các đại lượng cần so sánh đều là những hàm số tuyến tính của dòng điện IR và điện áp UR đặt vào rơle:           U I k1U R k 2IR và UII k 3UR k 4 IR trong đó:       k1,k 2 và k 3 , k 4 là các hệ số không đổi phụ thuộc vào UR , IR Thay đổi các hệ số k1, k2 sẽ chế tạo được các rơle khác nhau có đặc tính khác nhau. Các rơle công suất có hướng rơle tổng trở đều thuộc loại này. Các rơle dòng điện và điện áp thuộc loại rơle làm việc theo một đại lượng điện. Thường dùng nhiều nhất là các rơle nối vào dòng điện hoặc điện áp của mạng điện qua chỉnh lưu CL bằng điốt bán dẫn , nối theo sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (Hình vẽ 2-11-Hình vẽ 2-11a ). Bộ phận thực hiện RL là rơle dòng điện điện từ, từ điện hoặc rơle phân cực được nối vào dòng điện chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. Dòng điện chỉnh lưu I có các trị số tức thời tỷ lệ với các trị số tức thời tương ứng của  dòng điện xoay chiều i = Im.sin t. Bởi vậy đường biểu diễn I = f(t) có dạng đập mạch, biến thiên từ không đến cực đại và không đổi dấu (Hình vẽ 2-11-b). Dòng điện này bằng tổng của thành phần không đổi Id và các thành phần điều hoà bậc chẵn. Vì trị số trung bình của các thành phần điều hoà trong một chu kỳ bằng không, nên thành phần không đổi Id bằng dòng điện trung bình Itb của dòng điện chỉnh lưu I . Các điều hoà bậc bốn và cao hơn rất bé, có thể bỏ qua, nên có thể coi thành phần biến đổi của dòng điện chỉnh lưu chỉ có điều hoà bậc hai biến thiên với tần số 2. = 100Hz ( như  trong Hình vẽ 2-11-b). Do vậy I = Id = I2 cos2t 42
  58. trong đó Id = 0,63 Im = Itb I2 = 0,425 Im (I2 là biên độ của điều hoà bậc hai), Im - biên độ dòng điện xoay chiều. RL RL RL C L L C (c) (a) (b) I3 L RL I2 I1 C R (d) Hình vẽ 2-12: Các sơ đồ san bằng dòng điện chỉnh lưu, a) Với điện cảm L mắc nối tiếp, b) Với điện dung C mắc song song, c) Dùng vòng cộng hưởng LC, d) Bằng cách phân tách dòng điện chỉnh lưu thành ba thành phần I1,,I2,I3 Tính chất đập mạch của dòng điện chỉnh lưu gây nên hiện tượng rung của các tiếp điểm của bộ phận thực hiện. Để loại trừ hiện tượng này cần phải có biện pháp san bằng đường cong dòng điện chỉnh lưu (hạn chế các thành phần biến đổi của dòng dòng điện đi vào rơle). Muốn vậy có thể dùng một trong các sơ đồ sau: Sơ đồ mắc nối tiếp điện cảm L rơle (Hình vẽ 2-12-a). Sơ đồ mắc song song điện dung C (Hình vẽ 2-12b). Sơ đồ dùng bộ lọc cộng hưởng LC đối với điều hoà bậc hai của dòng điện chỉnh lưu (Hình vẽ 2-12-c). Các sơ đồ trên các Hình vẽ 2-12-a và b có hiệu quả tốt đối với nguồn dòng điện xoay chiều có tổng trở bé so với phụ tải (rơle RL), còn sơ đồ trên Hình vẽ 2-12-c , khi nguồn có tổng trở lớn so với phụ tải. Điện cảm và điện dung trong sơ đồ trên,nhất là trong các sơ đồ trên các Hình vẽ 2-12-a và b, làm chậm trễ sự tăng lên của thành phần không đổi qua cuộn dây của rơle, gây nên sự tác động chậm. Khi cần phải giảm thời gian tác động, thì thường dùng sơ đồ phức tạp hơn (hình 1-16,d) trong đó dòng điện cần chỉnh lưu được phân tách ra làm ba thành phần I1, I2 và I3 lệch pha nhau 1200 nhờ các điện cảm và điện dung. Dòng điện chỉnh lưu tổng đi vào rơle bằng tổng ba dòng điện chỉnh lưu thành phần sẽ rất gần dòng điện không đổi. Phương án thứ hai để thực hiện các rơle dòng điện và điện áp làm việc theo dòng điện chỉnh lưu (Hình vẽ 2-11-a) được tiến hành bằng cách so sánh đại lượng cần đo Uđ với một đại lượng chuẩn Uch không đổi (như 43