Giáo trình Bảo vệ rơle và tự động hóa - Lê Kim Hùng

116 trang ngocly 250

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Bảo vệ rơle và tự động hóa - Lê Kim Hùng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_bao_ve_role_va_tu_dong_hoa_le_kim_hung.pdf

Nội dung text: Giáo trình Bảo vệ rơle và tự động hóa - Lê Kim Hùng

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HĨA PGS.TS LÊ KIM HÙNG, THS. ĐỒN NGỌC MINH TÚ
3 Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ BẢO VỆ RƠLE I. Khái niệm chung: I.1. Nhiệm vụ của bảo vệ rơle: Khi thiết kế và vận hành bất kỳ một hệ thống điện nào cần phải kể đến khả năng phát sinh hư hỏng và các tình trạng làm việc khơng bình thường trong hệ thống điện ấy. Ngắn mạch là loại sự cố cĩ thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ thống điện . Hậu quả của ngắn mạch là: a) Trụt thấp điện áp ở một phần lớn của hệ thống điện b) Phá hủy các phần tử bị sự cố bằng tia lửa điện c) Phá hủy các phần tử cĩ dịng ngắn mạch chạy qua do tác động nhiệt và cơ. d) Phá hủy ổn định của hệ thống điện Ngồi các loại hư hỏng, trong hệ thống điện cịn cĩ các tình trạng việc khơng bình thường. Một trong những tình trạng việc khơng bình thường là quá tải. Dịng điện quá tải làm tăng nhiệt độ các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép làm cách điện của chúng bị già cỗi hoặc đơi khi bị phá hủy. Để ngăn ngừa sự phát sinh sự cố và sự phát triển của chúng cĩ thể thực hiện các biện pháp để cắt nhanh phần tử bị hư hỏng ra khỏi mạng điện, để loại trừ những tình trạng làm việc khơng bình thường cĩ khả năng gây nguy hiểm cho thiết bị và hộ dùng điện. Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần khơng hư hỏng trong hệ thống điện cần cĩ những thiết bị ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất, phát hiện ra phần tử bị hư hỏng và cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện. Thiết bị này được thực hiện nhờ những khí cụ tự động cĩ tên gọi là rơle. Thiết bị bảo vệ được thực hiện nhờ những rơle được gọi là thiết bị bảo vệ rơle (BVRL). Như vậy nhiệm vụ chính của thiết bị BVRL là tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện. Ngồi ra thiết bị BVRL cịn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc khơng bình thường của các phần tử trong hệ thống điện, tùy mức độ mà BVRL cĩ thể tác động đi báo tín hiệu hoặc đi cắt máy cắt. Những thiết bị BVRL phản ứng với tình trạng làm việc khơng bình thường thường thực hiện tác động sau một thời gian duy trì nhất định (khơng cần phải cĩ tính tác động nhanh như ở các thiết bị BVRL chống hư hỏng). I.2. Yêu cầu cơ bản của mạch bảo vệ: I.2.1. Tính chọn lọc: Tác động của bảo vệ đảm bảo chỉ cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện được gọi là tác động chọn lọc. Khi cĩ nguồn cung cấp dự trữ cho hộ tiêu thụ, tác động như vậy tạo khả năng cho hộ tiêu thụ tiếp tục được cung cấp điện.
4 Hình 1.1 : Cắt chọn lọc trong mạng cĩ một nguồn cung cấp Yêu cầu tác động chọn lọc cũng khơng loại trừ khả năng bảo vệ tác động như là bảo vệ dự trữ trong trường hợp hỏng hĩc bảo vệ hoặc máy cắt của các phần tử lân cận. Cần phân biệt 2 khái niệm chọn lọc: Chọn lọc tương đối: theo nguyên tắc tác động của mình, bảo vệ cĩ thể làm việc như là bảo vệ dự trữ khi ngắn mạch phần tử lân cận. Chọn lọc tuyệt đối: bảo vệ chỉ làm việc trong trường hợp ngắn mạch ở chính phần tử được bảo vệ. I.2.2. Tác động nhanh: Càng cắt nhanh phần tư bị ngắn mạch sẽ càng hạn chế được mức độ phá hoại phần tử đĩ , càng giảm được thời gian trụt thấp điện áp ở các hộ tiêu thụ và càng cĩ khả năng giữ được ổn định của hệ thống điện. Để giảm thời gian cắt ngắn mạch cần phải giảm thời gian tác động của thiết bị bảo vệ rơ le. Tuy nhiên trong một số trường hợp để thực hiện yêu cầu tác động nhanh thì khơng thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc. Hai yêu cầu này đơi khi mâu thuẫn nhau, vì vậy tùy điều kiện cụ thể cần xem xét kỹ càng hơn về 2 yêu cầu này. I.2.3. Độ nhạy: Bảo vệ rơle cần phải đủ độ nhạy đối với những hư hỏng và tình trạng làm việc khơng bình thường cĩ thể xuất hiện ở những phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện. Thường độ nhạy được đặc trưng bằng hệ số nhạy Kn. Đối với các bảo vệ làm việc theo các đại lượng tăng khi ngắn mạch (ví dụ, theo dịng), hệ số độ nhạy được xác định bằng tỷ số giữa đại lượng tác động tối thiểu (tức dịng ngắn mạch bé nhất) khi ngắn mạch trực tiếp ở cuối vùng bảo vệ và đại lượng đặt (tức dịng khởi động). đại lượng tác động tối thiểu Kn = đại lượng đặt Thường yêu cầu Kn = 1,5 ÷ 2. I.2.4. Tính bảo đảm: Bảo vệ phải luơn luơn sẵn sàng khởi động và tác động một cách chắc chắn trong tất cả các trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ và các tình trạng làm việc khơng bình thường đã định trước. Mặc khác bảo vệ khơng được tác động khi ngắn mạch ngồi. Nếu bảo vệ cĩ nhiệm vụ dự trữ cho các bảo vệ sau nĩ thì khi ngắn mạch trong vùng dự trữ bảo vệ này phải khởi động nhưng khơng được tác động khi bảo vệ chính đặt ở gần chỗ ngắn mạch hơn chưa tác động. Để tăng tính đảm bảo của bảo vệ cần: Dùng những rơle chất lượng cao. Chọn sơ đồ bảo vệ đơn giản nhất (số lượng rơle, tiếp điểm ít) Các bộ phận phụ (cực nối, dây dẫn) dùng trong sơ đồ phải chắc chắn, đảm bảo.
5 Thường xuyên kiểm tra sơ đồ bảo vệ. II. Sơ đồ nối các máy biến dịng và rơle: II.1. Sơ đồ các BI và rơle nối theo hình Y hồn tồn: Dịng vào mỗi rơle bằng dịng pha (hình 1.2). Trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch 3 pha thì : . IIab++Ic=30Io= trong dây trung tính (dây trở về) khơng cĩ dịng. Nhưng dây trung tính vẫn cần thiết để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của sơ đồ khi ngắn mạch chạm đất. Sơ đồ cĩ thể làm việc đối với tất cả các dạng ngắn mạch . Tuy nhiên để chống ngắn mạch một pha N(1) thường dùng những sơ đồ hồn hảo hơn cĩ bộ lọc dịng thứ tự khơng LI0. II.2. Sơ đồ các BI và rơle nối theo hình sao khuyết: Dịng vào mỗi rơle bằng dịng pha. Dịng trong dây trở về bằng: IIva=−()+IchayIv=Ib (khi khơng cĩ Io) Dây trở về (hình 1.3) cần thiết ngay trong tình trạng làm việc bình thường để đảm bảo cho BI làm việc bình thường .Trong một số trường hợp ngắn mạch giữa các pha (cĩ Ib ≠ 0) cũng như khi ngắn mạch nhiều pha chạm đất, dây trở về cần thiết để đảm bảo cho bảo vệ tác động đúng. Khi ngắn mạch 1 pha ở pha khơng đặt BI sơ đồ khơng làm việc do vậy sơ đồ chỉ dùng chống ngắn mạch nhiều pha. Hình 1.2 : Sơ đồ sao hồn tồn Hinh 1.3 : Sơ đồ sao khuyết II.3. Sơ đồ 1 rơle nối vào hiệu dịng 2 pha (số8): Dịng vào rơle là hiệu dịng 2 pha (hình 1.4) : IIRa=−Ic Trong tình trạng đối xứng thì IR = 3Ia . Giống như sơ đồ sao
6 khuyết, sơ đồ số 8 khơng làm việc khi ngắn mạch một pha N(1) đúng vào pha khơng đặt máy biến dịng. Tất cả các sơ đồ nĩi trên đều phản ứng với N(3) và ngắn mạch giữa 2 pha bất kỳ (AB, BC, CA). Vì vậy để so sánh tương đối Hình 1.4 : Sơ đồ số 8 giữa chúng người ta phải xét đến khả năng làm việc của bảo vệ trong một số trường hợp hư hỏng đặc biệt, hệ số độ nhạy, số lượng thiết bị cần thiết và mức độ phức tạp khi thực hiện sơ đồ. II.4. Khả năng làm việc của các sơ đồ : II.4.1. Khi chạm đất: Khi chạm đất 2 pha tại 2 điểm trong các mạng điện hở cĩ dịng chạm đất bé, ví dụ điểm chạm đất thứ nhất NB trên pha B và điểm chạm đất thứ hai NC trên pha C (hình 1.5), nếu bảo vệ của các đường dây nối theo sơ đồ sao hồn tồn và cĩ thời gian làm việc như nhau thì chúng sẽ tác động, cả 2 đường dây đều bị cắt ra. Nếu các bảo vệ nối theo sơ đồ Y khuyết hay số 8 (BI đặt ở 2 pha A & C) thì chỉ cĩ một đường dây bị cắt. Để bảo vệ cĩ thể tác động một cách hợp lí, BI phải đặt ở các pha cùng tên nhau (ví dụ A, C). Khi xuất hiện hư hỏng trên hai đoạn kề nhau của đường dây hình tia (hình 1.6), nếu các bảo vệ nối Y hồn tồn thì đoạn xa nguồn hơn sẽ bị cắt vì cĩ thời gian bé hơn. Nếu nối Y khuyết hay số 8 thì đoạn gần nguồn hơn bị cắt ra , điều đĩ khơng hợp lí. Hình 1.5 : Chạm đất kép trên Hình 1.6 : Chạm đất kép trên hai các đường dây khác nhau đoạn nối tiếp nhau của đường dây II.4.2. Khi ngắn mạch hai pha sau máy biến áp nối Y/∆ hoặc ∆/Y và ngắn mạch 1 pha sau máy biến áp nối Y/Y0 : Khi ngắn mạch 2 pha sau máy biến áp nối Y/∆-11, sự phân bố dịng hư hỏng trong các pha như trên hình 1.7 (giả thiết máy biến áp cĩ tỷ số biến đổi nB = 1). Dịng của 1 pha
7 2 (2) (pha B, khi ngắn mạch 2 pha ở pha A,B) bằng I N , dịng ở hai pha kia (A và C) trùng 3 1 (2) pha nhau và bằng I N . Đối với máy biến áp nối ∆/Y, phân bố dịng ở các pha cũng 3 tương tự như vậy. Phân tích sự làm việc của các bảo vệ trong trường hợp hư hỏng nĩi trên ta thấy: Bảo vệ nối theo sơ đồ sao hồn tồn luơn luơn làm việc vì cĩ dịng ngắn mạch lớn qua một trong các rơle của bảo vệ. 1 (2) Bảo vệ nối theo sơ đồ hình sao khuyết với BI đặt ở các pha cĩ dịng bằng I N 3 thì cĩ độ nhạy giảm đi 2 lần so với sơ đồ sao hồn tồn. Bảo vệ dùng 1 rơle nối vào hiệu dịng 2 pha trong trường hợp này sẽ khơng làm việc, bởi vì dịng trong nĩ IR = Ia - Ic = 0. Tất nhiên điều này xảy ra ở 1 trong 3 trường hợp N(2) cĩ thể cĩ sau máy biến áp đang xét. Khi ngắn mạch 1 pha sau máy biến áp nối Y/Y0 ta cũng cĩ quan hệ tương tự. Hình 1.7: Ngắn mạch giữa 2 pha sau máy biến áp cĩ tổ nối dây Y/∆-11 III. Các phần tử chính của bảo vệ: Trường hợp chung thiết bị bảo vệ rơle bao gồm các phần tử cơ bản sau : các cơ cấu chính và phần logic. Các cơ cấu chính kiểm tra tình trạng làm việc của đối tượng được bảo vệ, thường phản ứng với các đại lượng điện. Chúng thường khởi động khơng chậm trễ khi tình trạng làm việc đĩ bị phá hủy. Như vậy các cơ cấu chính cĩ thể ở trong hai trạng thái: khởi động và khơng khởi động. Hai trạng thái đĩ của các cơ cấu chính tương ứng với những trị số nhất định của xung tác động lên phần logic của bảo vệ. Khi bảo vệ làm việc phần logic nhận xung từ các cơ cấu chính, tác động theo tổ hợp và thứ tự của các xung. Kết quả của tác động này hoặc là làm cho bảo vệ khởi động kèm theo việc phát xung đi cắt máy cắt và báo tín hiệu hoăc là làm cho bảo vệ khơng khởi động.
8 Chương 2: BẢO VỆ DỊNG ĐIỆN CỰC ĐẠI I. Nguyên tắc tác động: Bảo vệ dịng điện cực đại là loại bảo vệ phản ứng với dịng trong phần tử được bảo vệ. Bảo vệ sẽ tác động khi dịng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá một giá trị định trước nào đĩ. Ví dụ khảo sát tác động của các bảo vệ dịng điện cực đại đặt trong mạng hình tia cĩ 1 nguồn cung cấp (hình 2.1), các thiết bị bảo vệ được bố trí về phía nguồn cung cấp của tất cả các đường dây. Mỗi đường dây cĩ 1 bảo vệ riêng để cắt hư hỏng trên chính nĩ và trên thanh gĩp của trạm ở cuối đường dây. Hình 2.1: Bố trí các bảo vệ dịng cực đại trong mạng hình tia cĩ 1 nguồn cung cấp Dịng khởi động của bảo vệ IKĐ, tức là dịng nhỏ nhất đi qua phần tử được bảo vệ mà cĩ thể làm cho bảo vệ khởi động, cần phải lớn hơn dịng phụ tải cực đại của phần tử được bảo vệ để ngăn ngừa việc cắt phần tử khi khơng cĩ hư hỏng. Cĩ thể đảm bảo khả năng tác động chọn lọc của các bảo vệ bằng 2 phương pháp khác nhau về nguyên tắc: Phương pháp thứ nhất - bảo vệ được thực hiện cĩ thời gian làm việc càng lớn khi bảo vệ càng đặt gần về phía nguồn cung cấp. Bảo vệ được thực hiện như vậy được gọi là BV dịng điện cực đại làm việc cĩ thời gian. Phương pháp thứ hai - dựa vào tính chất: dịng ngắn mạch đi qua chỗ nối bảo vệ sẽ giảm xuống khi hư hỏng càng cách xa nguồn cung cấp. Dịng khởi động của bảo vệ IKĐ được chọn lớn hơn trị số lớn nhất của dịng trên đoạn được bảo vệ khi xảy ra ngắn mạch ở đoạn kề (cách xa nguồn hơn). Nhờ vậy bảo vệ cĩ thể tác động chọn lọc khơng thời gian. Chúng được gọi là bảo vệ dịng điện cắt nhanh. Các bảo vệ dịng điện cực đại làm việc cĩ thời gian chia làm hai loại tương ứng với đặc tính thời gian độc lập và đặc tính thời gian phụ thuộc cĩ giới hạn. Bảo vệ cĩ đặc tính thời gian độc lập là loại bảo vệ cĩ thời gian tác động khơng đổi, khơng phụ thuộc vào trị số của dịng điện qua bảo vệ. Thời gian tác động của bảo vệ cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc giới hạn, phụ thuộc vào dịng điện qua bảo vệ khi bội số của dịng đĩ so với dịng IKĐ tương đối nhỏ và ít phụ thuộc hoặc khơng phụ thuộc khi bội số này lớn. Các bộ phận chính của BV dịng cực đại: Bảo vệ dịng cực đại cĩ hai bộ phận chính : Bộ phận khởi động (ví dụ, sơ đồ bảo vệ như hình 2.2, bộ phận khởi động là các rơle dịng 3RI và 4RI) và bộ phận tạo thời gian làm việc (rơle thời gian 5RT). Bộ phận khởi động phản ứng với các hư hỏng và tác động đến
9 bộ phận tạo thời gian. Bộ phận tạo thời gian làm nhiệm vụ tạo thời gian làm việc đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách cĩ chọn lọc. Các rơle dịng điện được nối vào phía thứ cấp của BI theo sơ đồ thích hợp (xem mục II - chương 1). Hinh 2.2 : Sơ đồ nguyên lí của bảo vệ dịng cực đại II. Bảo vệ dịng cực đại làm việc cĩ thời gian: II.1. Dịng khởi động của BV: Theo nguyên tắc tác động, dịng khởi động IKĐ của bảo vệ phải lớn hơn dịng điện phụ tải cực đại qua chổ đặt bảo vệ, tuy nhiên trong thực tế việc chọn IKĐ cịn phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác. Để xác định dịng khởi động ta xét sơ đồ mạng điện trên hình 2.1, giả sử chọn IKĐ cho bảo vệ 3’ đặt ở đầu đoạn đường dây AB, trước hết ta khảo sát trạng thái của nĩ khi hư hỏng ở điểm N trên đoạn BC kề phía sau nĩ (tính từ nguồn cung cấp). Khi các bảo vệ làm việc đúng thì trong trường hợp này máy cắt của đoạn hư hỏng BC sẽ bị cắt ra. Bảo vệ 3’ của đoạn khơng hư hỏng AB cĩ thời gian lớn hơn sẽ khơng kịp tác động và cần phải trở về vị trí ban đầu của mình. Nhưng điều này sẽ xảy ra nếu dịng trở về của bảo vệ Itv lớn hơn trị số tính tốn của dịng mở máy Imm (hình 2.3) đi qua đoạn AB đến các hộ tiêu thụ của trạm B. Dịng Itv là dịng sơ cấp lớn nhất mà ở đĩ bảo vệ trở về vị trí ban đầu. Để an tồn, lấy trị số tính tốn của dịng mở máy Immtt = Immmax , như vậy điều kiện để đảm bảo chọn lọc là : Itv > Immmax. Khi xác định dịng Immmax cần phải chú ý là đường dây BC đã bị cắt ra, cịn các động cơ nối ở trạm B đã bị hãm lại do điện áp giảm thấp khi ngắn mạch và khi điện áp được khơi phục dịng mở máy của chúng tăng lên rất cao. Vì vậy dịng Immmax thường lớn hơn nhiều so với dịng phụ tải cực đại Ilvmax. Đưa vào hệ số mở máy kmm để tính đến dịng mở máy của các động cơ ở trạm B và việc cắt phụ tải của trạm C. Ta cĩ Immmax = kmm.Ilvmax.
10 Hinh 2.3 : Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi ngắn mạch ngồi Sai số của dịng trở về của bảo vệ và các tính tốn khơng chính xác được kể đến bởi hệ số an tồn kat > 1 (vào khoảng 1,1 ÷1,2). Từ điều kiện đảm bảo sự trở về của bảo vệ đoạn AB, cĩ thể viết : Itv = kat.kmm.Ilvmax (2.1) Tỉ số giữa dịng trở về của rơle (hoặc của bảo vệ) đối với dịng khởi động của rơle (hoặc của bảo vệ) gọi là hệ số trở về ktv. I tv k tv = (2.2) I KÂ k at .k mm Như vậy: I KÂ = ⋅I lvmax (2.3) k tv Các rơle lí tưởng cĩ hệ số trở về ktv = 1; thực tế luơn luơn cĩ ktv < 1. Dịng khởi động IKĐR của rơle khác với dịng khởi động IKĐ của bảo vệ do hệ số biến đổi nI của BI và sơ đồ nối dây giữa các rơle dịng và BI. Trong một số sơ đồ nối rơle, dịng đi vào rơle khơng bằng dịng thứ cấp của các BI. (3) Ví dụ như khi nối rơle vào hiệu dịng 2 pha, dịng vào rơle IR trong tình trạng đối xứng (3) bằng 3 lần dịng thứ cấp IT của BI. Sự khác biệt của dịng trong rơle trong tình trạng đối xứng và dịng thứ cấp BI được đặc trưng bằng hệ số sơ đồ: ()3 ()3 I R ksâ = ()3 (2.4) I T ()3 I KÂ Kể đến hệ sơ đồ, cĩ thể viết : IkKÂR = sâ (2.5) nI ()3 kkat mm ksâ Do vậy : I KÂR = I lvmax (2.6) kntv I
11 II.2. Thời gian làm việc: II.2.1. Bảo vệ cĩ đặc tính thời gian độc lập: Thời gian làm việc của bảo vệ cĩ đặc tính thời gian độc lập (hình 2.4) được chọn theo nguyên tắc bậc thang (từng cấp) , làm thế nào để cho bảo vệ đoạn sau gần nguồn hơn cĩ thời gian làm việc lớn hơn thời gian làm việc lớn nhất của các bảo vệ đoạn trước một bậc chọn lọc về thời gian ∆t. Xét sơ đồ mạng như hình 2.5, việc chọn thời gian làm việc của các bảo vệ được bắt đầu từ bảo vệ của đoạn đường dây xa nguồn cung cấp nhất, tức là từ các bảo vệ 1’ và Hinh 2.4 : Các dạng đặc tính 1” ở trạm C. Giả thiết thời gian làm thời gian của bảo vệ dịng cực đại việc của các bảo vệ này đã biết, 1- độc lập; 2- phụ thuộc tương ứng là t1’ và t1”. Hinh 2.5 : Phối hợp đặc tính thời gian độc lập của các bảo vệ dịng cực đại Thời gian làm việc t2’ của bảo vệ 2’ tại trạm B được chọn lớn hơn thời gian làm việc lớn nhất của các bảo vệ tại trạm C một bậc ∆t. Nếu t1’ > t1” thì t2’ = t1’+ ∆t. Thời gian làm việc t3 của bảo vệ 3 ở trạm A cũng tính tốn tương tự, ví dụ nếu cĩ t2” > t2’ thì t3 = t2” + ∆t. Trường hợp tổng quát, đối với bảo vệ của đoạn thứ n thì: tn = t(n-1)max + ∆t (2.7) trong đĩ: t(n-1)max - thời gian làm việc lớn nhất của các bảo vệ ở đoạn thứ n-1 (xa nguồn hơn đoạn thứ n).
12 II.2.2. Bảo vệ cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc cĩ giới hạn: Khi chọn thời gian làm việc của các bảo vệ cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc cĩ giới hạn (hình 2.4) cĩ thể cĩ 2 yêu cầu khác nhau do giá trị của bội số dịng ngắn mạch ở cuối đoạn được bảo vệ so với dịng khởi động : 1. Khi bội số dịng lớn, bảo vệ làm việc ở phần độc lập của đặc tính thời gian: lúc ấy thời gian làm việc của các bảo vệ được chọn giống như đối với bảo vệ cĩ đặc tính thời gian độc lập. 2. Khi bội số dịng nhỏ, bảo vệ làm việc ở phần phụ thuộc của đặc tính thời gian: trong trường hợp này, sau khi phối hợp thời gian làm việc của các bảo vệ kề nhau cĩ thể giảm được thời gian cắt ngắn mạch. Hình 2.6 : Phối hợp các đặc tính của bảo vệ dịng cực đại cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc giới hạn. N : Điểm ngắn mạch tính tốn Xét sơ đồ mạng hình 2.6, đặc tính thời gian của bảo vệ thứ n trên đoạn AB được lựa chọn thế nào để nĩ cĩ thời gian làm việc là tn lớn hơn thời gian t(n-1)max của bảo vệ thứ (n- 1) trên đoạn BC một bậc ∆t khi ngắn mạch ở điểm tính tốn - đầu đoạn kề BC - gây nên dịng ngắn mạch ngồi lớn nhất cĩ thể cĩ I’N max. Từ thời gian làm việc tìm được khi ngắn mạch ở điểm tính tốn cĩ thể tiến hành chỉnh định bảo vệ và tính được thời gian làm việc đối với những vị trí và dịng ngắn mạch khác. Ngắn mạch càng gần nguồn dịng ngắn mạch càng tăng, vì vậy khi ngắn mạch gần thanh gĩp trạm A thời gian làm việc của bảo vệ đường dây AB giảm xuống và trong một số trường hợp cĩ thể nhỏ hơn so với thời gian làm việc của bảo vệ đường dây BC. Khi lựa chọn các đặc tính thời gian phụ thuộc thường người ta tiến hành vẽ chúng trong hệ tọa độ vuơng gĩc (hình 2.7), trục hồnh biểu diễn dịng trên đường dây tính đổi về cùng một cấp điện áp của hệ thống được bảo vệ, cịn trục tung là thời gian.
13 Dùng bảo vệ cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc cĩ thể giảm thấp dịng khởi động so với bảo vệ cĩ đặc tính thời gian độc lập vi hệ số mở máy kmm cĩ thể giảm nhỏ hơn. Điều này giải thích như sau: sau khi cắt ngắn mạch, dịng Imm đi qua các đường dây khơng hư hỏng sẽ giảm xuống rất nhanh và bảo vệ sẽ khơng kịp tác động vì thời gian làm việc tương ứng với trị số của dịng Imm (thường gần Hình 2.7 : Phối hợp đặc tính thời gian làm việc bằng IKĐ của bảo vệ) là tương đối phụ thuộc cĩ giới hạn của các bảo vệ dịng cực lớn. đại trong hệ tọa độ dịng - thời gian. Nhược điểm của bảo vệ cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc là : Thời gian cắt ngắn mạch tăng lên khi dịng ngắn mạch gần bằng dịng khởi động (ví dụ, khi ngắn mạch qua điện trở quá độ lớn hoặc ngắn mạch trong tình trạng làm việc cực tiểu hệ thống). Đơi khi sự phơi hợp các đặc tính thời gian tương đối phức tạp. II.2.3. Bậc chọn lọc về thời gian: Bậc chọn lọc về thời gian ∆t trong biểu thức (2.7) xác định hiệu thời gian làm việc của các bảo vệ ở 2 đoạn kề nhau ∆t = tn - t(n-1)max. Khi chọn ∆t cần xét đến những yêu cầu sau : ∆t cần phải bé nhất để giảm thời gian làm việc của các bảo vệ gần nguồn. ∆t cần phải thế nào để hư hỏng ở đoạn thứ (n-1) được cắt ra trước khi bảo vệ của đoạn thứ n (gần nguồn hơn) tác động. ∆t của bảo vệ đoạn thứ n cần phải bao gồm những thành phần sau : * Thời gian cắt tMC(n - 1) của máy cắt đoạn thứ (n-1). * Tổng giá trị tuyệt đối của sai số dương max tss(n-1) của bảo vệ đoạn thứ n và của sai số âm max tssn của bảo vệ đọan thứ n (cĩ thể bảo vệ thứ n tác động sớm) * Thời gian sai số do quán tính tqtn của bảo vệ đoạn thứ n. * Thời gian dự trữ tdt. Tĩm lại: ∆t = tMC(n - 1) + tss(n - 1) + tssn + tqtn + tdt (2.8) Thường ∆t vào khoảng 0,25 - 0,6sec. II.3. Độ nhạy của bảo vệ: Độ nhạy của bảo vệ dịng max đặc trưng bằng hệ số độ nhạy Kn. Trị số của nĩ được xác định bằng tỉ số giữa dịng qua rơle IR khi ngắn mạch trực tiếp ở cuối vùng bảo vệ và dịng khởi động rơle IKĐR. I R K n = (2.9) I KÂR
14 Dạng ngắn mạch tính tốn là dạng ngắn mạch gây nên trị số Kn nhỏ nhất. Để đảm bảo cho bảo vệ tác động khi ngắn mạch qua điện trở quá độ, dựa vào kinh nghiệm vận hành người ta coi rằng trị số nhỏ nhất cho phép là Knmin≈1,5. Khi Kn nhỏ hơn trị số nêu trên thì nên tìm cách dùng một sơ đồ nối rơle khác đảm bảo độ nhạy của bảo vệ lớn hơn. Nếu biện pháp này khơng đem lại kết quả khả quan hơn thì cần phải áp dụng các bảo vệ khác nhạy hơn. Trường hợp tổng quát, yêu cầu đối với bảo vệ đặt trong mạng là phải tác động khơng những khi hư hỏng trên chính đoạn được nĩ bảo vệ, mà cịn phải tác động cả khi hư hỏng ở đoạn kề nếu bảo vệ hoặc máy cắt của đoạn kề bị hỏng hĩc (yêu cầu dự trữ cho bảo vệ của đoạn kề). Trong trường hợp này khi ngắn mạch trực tiếp ở cuối đoạn kề, hệ số độ nhạy khơng được nhỏ hơn 1,2. Để so sánh độ nhạy của một sơ đồ bảo vệ ở những dạng ngắn mạch khác nhau người ta cịn dùng hệ số độ nhạy tương đối Kntđ , đo là tỷ số giữa Kn ở dạng ngắn mạch đang khảo (3) sát với K n khi ngắn mạch 3 pha với điều kiện là dịng ngắn mạch cĩ giá trị như nhau: K n I R K ntâ =()3=()3 (2.10) K n I R (3) (3) Trong đĩ IR và IR là dịng qua rơle ở dạng ngắn mạch khảo sát và N khi dịng ngắn mạch sơ cấp cĩ giá trị như nhau. III. Đánh giá bảo vệ dịng cực đại làm việc cĩ thời gian: III.1. Tính chọn lọc: Bảo vệ dịng cực đại chỉ đảm bảo được tính chọn lọc trong các mạng hình tia cĩ một nguồn cung cấp bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc bậc thang tăng dần theo hướng từ xa đến gần nguồn. Khi cĩ 2 nguồn cung cấp, yêu cầu chọn lọc khơng được thỏa mãn cho dù máy cắt và bảo vệ được đặt ở cả 2 phía của đường dây. III.2. Tác động nhanh: Càng gần nguồn thời gian làm việc của bảo vệ càng lớn. Ở các đoạn gần nguồn cần phải cắt nhanh ngắn mạch để đảm bảo sự làm việc liên tục của phần cịn lại của hệ thống điện, trong khi đĩ thời gian tác động của các bảo vệ ở các đoạn này lại lớn nhất. Thời gian tác động chọn theo nguyên tắc bậc thang cĩ thể vượt quá giới hạn cho phép. III.3. Độ nhạy: Độ nhạy của bảo vệ bị hạn chế do phải chọn dịng khởi động lớn hơn dịng làm việc cực đại Ilv max cĩ kể đến hệ số mở máy kmm của các động cơ. Khi ngắn mạch trực tiếp ở cuối đường dây được bảo vệ, độ nhạy yêu cầu là ≥ 1,5 (khi làm nhiệm vụ bảo vệ chính). Độ nhạy như vậy trong nhiều trường hợp được đảm bảo. Tuy nhiên khi cơng suất nguồn thay đổi nhiều, cũng như khi bảo vệ làm nhiệm vụ dự trữ trong trường hợp ngắn mạch ở đoạn kề , độ nhạy cĩ thể khơng đạt yêu cầu. Độ nhạy yêu cầu của bảo vệ khi làm nhiệm vụ dự trữ là ≥ 1,2
15 III.4. Tính đảm bảo: Theo nguyên tắc tác động, cách thực hiện sơ đồ, số lượng tiếp điểm trong mạch thao tác và loại rơle sử dụng , bảo vệ dịng cực đại được xem là loại bảo vệ đơn giản nhất và làm việc khá đảm bảo . Do những phân tích trên, bảo vệ dịng cực đại được áp dụng rộng rãi trong các mạng phân phối hình tia điện áp từ 35KV trở xuống cĩ một nguồn cung cấp nếu thời gian làm việc của nĩ nằm trong giới hạn cho phép. Đối với các đường dây cĩ đặt kháng điện ở đầu đường dây, cĩ thể áp dụng bảo vệ dịng cực đại được vì khi ngắn mạch dịng khơng lớn lắm, điện áp dư trên thanh gĩp cịn khá cao nên bảo vệ cĩ thể làm việc với một thời gian tương đối lớn vẫn khơng ảnh hưởng nhiều đến tình trạng làm việc chung của hệ thống điện . IV. Bảo vệ dịng cắt nhanh: IV.1. Nguyên tắc làm việc: Bảo vệ dịng cắt nhanh (BVCN) là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dịng khởi động lớn hơn dịng ngắn mạch lớn nhất qua chổ đặt bảo vệ khi hư hỏng ở ngồi phần tử được bảo vệ, BVCN thường làm việc khơng thời gian hoặc cĩ thời gian rất bé để nâng cao nhạy và mở rộng vùng BV. Hình 2.15 : Đồ thị tính tốn bảo vệ dịng cắt nhanh khơng thời gian đối với đường dây cĩ nguồn cung cấp một phía Xét sơ đồ mạng trên hình 2.15, BVCN đặt tại đầu đường dây AB về phía trạm A. Để bảo vệ khơng khởi động khi ngắn mạch ngồi (trên các phần tử nối vào thanh gĩp trạm B), dịng điện khởi động IKĐ của bảo vệ cần chọn lớn hơn dịng điện lớn nhất đi qua đoạn AB khi ngắn mạch ngồi. Điểm ngắn mạch tính tốn là N nằm gần thanh gĩp trạm B phía sau máy cắt. IKĐ = kat. INngmax (2.13) Trong đĩ :
16 INngmax: Là dịng ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ (thường là dịng N(3) ) kat: hệ số an tồn; xét tới ảnh hưởng của thành phần khơng chu kỳ, việc tính tốn khơng chính xác dịng ngắn mạch và sai số của rơle. Thường kat= 1,2 ÷1,3. Khơng kể đến ktv vì khi ngắn mạch ngồi bảo vệ khơng khởi động. IV.2. Vùng tác động của BV: Khi hư hỏng càng gần thanh gĩp trạm A thì dịng điện ngắn mạch sẽ càng tăng theo đường cong 1 (hình 2.15). Vùng bảo vệ cắt nhanh lCN được xác định bằng hồnh độ của giao điểm giữa đường cong 1 và đường thẳng 2 (đường thẳng 2 biểu diễn dịng điện khởi (3) động IKĐ). Vùng l CN chỉ chiếm một phần chiều dài của đường dây được bảo vệ. Dịng ngắn mạch khơng đối xứng thường nhỏ hơn dịng khi ngắn mạch 3 pha. Vì vậy, đường cong IN (đường cong 3) đối với các dạng ngắn mạch khơng đối xứng trong tình trạng cực (3) tiểu của hệ thống cĩ thể nằm rất thấp so với đường cong 1; vùng bảo vệ lCN INngmax . Trong trường hợp đang xét (hình 2.16), INngmaxA > INngmaxB , vì vậy dịng tính tốn INngmax = INngmaxA . Dịng điện khởi động của bảo vệ chọn giống nhau cho cả hai phía: IKĐ = kat.INngmaxA Vùng bảo vệ lCNA và lCNB được xác định bằng hồnh đơ giao điểm của các đường cong 1 (INA = f(l)) và 3 (INB = f(l)) với đường thẳng 2 (IkĐ), gồm 3 đoạn: * Ngắn mạch trong đoạn lCNA chỉ cĩ BVCN phía A tác động * Ngắn mạch trong đoạn lCNB chỉ cĩ BVCN phía B tác động * Khi ngắn mạch trong đoạn giữa thì khơng cĩ BVCN nào tác động. Tuy nhiên nếu (lCNA + lCNB) > l thì khi ngắn mạch ở đoạn giữa cả hai BVCN sẽ cùng tác động. Hiện tượng khởi động khơng đồng thời: Nếu giữa các trạm A,B ngồi đường dây được bảo vệ ra cịn cĩ các mạch liên lạc vịng phụ khác thì cĩ thể xảy ra hiện tượng khởi động khơng đ.thời giữa các bảo vệ đặt ở 2 đầu A,B của đường dây và chiều dài vùng bảo vệ cĩ thể tăng lên. Hiện tượng mà một bảo vệ chỉ bắt đầu khởi động sau khi một bảo vệ khác đã khởi động và cắt máy cắt được gọi là hiện tượng khởi động khơng đồng thời. Khi kể đến tác động khơng đồng thời, BVCN thậm chí cĩ thể bảo vệ được tồn bộ đường dây cĩ nguồn cung cấp 2 phía.
17 Hinh 2.16 : Đồ thị tính tốn bảo vệ dịng cắt nhanh đối với đường dây cĩ nguồn cung cấp từ 2 phía V. Bảo vệ dịng cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp: Bảo vệ dịng cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp (hay cịn gọi là đặc tính thời gian phụ thuộc nhiều cấp) là sự kết hợp của các bảo vệ dịng cắt nhanh khơng thời gian, bảo vệ dịng cắt nhanh cĩ thời gian và bảo vệ dịng cực đại. Sơ đồ nguyên lí một pha của bảo vệ như trên hình 2.18, đặc tính thời gian trên hình 2.19. Hình 2.18 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ dịng cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp Nguyên tắc làm việc của bảo vệ được khảo sát thơng qua sơ đồ mạng hình tia cĩ nguồn cung cấp 1 phía như hình 2.20. Các bảo vệ A và B đặt ở đầu đường dây AB và BC. Sự thay đổi giá trị của dịng ngắn mạch theo khoảng cách từ thanh gĩp trạm A đến điểm hư hỏng được đặc trưng bằng đường cong IN = f(l). * Cấp Thứ Nhất của các bảo vệ A và B (rơle 3RI, 4RGT và 5Th trên hình 2.18) là cấp cắt nhanh khơng thời gian (tI ≤ 0,1 giây). Để đảm bảo chọn lọc, dịng khởi I I I động I KĐA và I KĐB được chọn lớn hơn dịng ngắn mạch ngồi cực đại. Phần l A
18 I và l B của đường dây (xác định bằng đồ thị trên hình 2.20) là vùng thứ nhất của bảo vệ A và B, chúng chỉ chiếm một phần chiều dài của đường dây AB và BC. * Cấp Thứ Hai (rơle 6RI, 7RT và 8Th) là cấp cắt nhanh cĩ thời gian, để đảm bảo chọn lọc được chọn với thời gian tII lớn hơn thời gian tác động tI của cấp thứ nhất và của bảo vệ khơng thời gian đặt ở các máy biến áp trạm B và C một bậc ∆t. Khi chọn thời gian tII như vậy, dịng khởi II II động I KĐA và I KĐB của cấp thứ hai được chọn lớn hơn dịng ngắn mạch cực đại khi hư hỏng ngồi vùng tác động của bảo vệ khơng thời gian đặt ở các phần tử kề trước II (ví dụ, I KĐA được chọn lớn hơn dịng ngắn I mạch cực đại khi hư hỏng ở cuối vùng l B của cấp thứ nhất bảo vệ B hoặc hư hỏng trên Hình 2.19 : Đặc tính thời gian thanh gĩp điện áp thấp của trạm B). của bảo vệ trên hình 2.18 Đối với bảo vệ A, nếu trường hợp tính tốn là chỉnh định khỏi dịng ngắn mạch ở I cuối vùng l B của cấp thứ nhất bảo vệ B (dịng ngắn mạch lúc đĩ bằng dịng khởi động I I KĐB) thì ta cĩ : II I I KĐA = kat.I KĐB Hình 2.20 : Đồ thị tính tốn bảo vệ dịng cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp
19 Hệ số an tồn Kat tính đến sai số của rơle và máy biến dịng, lấy bằng 1,1÷1,15.Vùng bảo vệ của cấp thứ hai bao gồm phần cuối đường dây, thanh gĩp của trạm và một phần các II phần tử kề nối vào thanh gĩp này. Vùng thứ hai l A của bảo vệ A được xác định bằng đồ II thị trên (hình 2.20), trong trường hợp đang xét l A chứa phần cuối đường dây AB, thanh gĩp B và phần đầu đường dây BC. Độ nhạy cấp thứ hai của bảo vệ A và B được kiểm tra theo ngắn mạch trực tiếp ở II cuối đường dây được bảo vệ AB và BC tương ứng. Yêu cầu hệ số K n khơng được nhỏ hơn 1,3 ÷ 1,5. * Cấp Thứ Ba của bảo vệ A và B (rơle 9RI, 10RT, 11Th) là bảo vệ dịng cực đại, cĩ III III dịng khởi động I KĐA và I KĐB lớn hơn dịng điện làm việc cực đại. Tác động chọn lọc III III của chúng được đảm bảo nhờ chọn thời gian t A và t B theo nguyên tắc bậc thang. III III Vùng bảo vệ của cấp thứ ba l A và l B bắt đầu từ cuối vùng hai trở đi. Nhiệm vụ của cấp thứ ba là dự trữ cho hỏng hĩc máy cắt hoặc bảo vệ của các phần tử kề, cũng như cắt ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ khi 2 cấp đầu khơng tác động, ví dụ khi ngắn mạch qua điện trở quá độ lớn. Độ nhạy của cấp thứ ba được kiểm tra với ngắn mạch ở cuối phần III tử kề. Yêu cầu hệ số Kn khơng được nhỏ hơn 1,2. Ưu điểm cơ bản của bảo vệ dịng điện cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp là bảo đảm cắt khá nhanh ngắn mạch ở tất cả các phần của mạng điện. Nhược điểm chính là độ nhạy thấp, chiều dài vùng bảo vệ phụ thuộc vào tình trạng làm việc của hệ thống và dạng ngắn mạch, chỉ đảm bảo tính chọn lọc trong mạng hở cĩ một nguồn cung cấp. VI. Bảo vệ dịng cĩ kiểm tra áp: Để phân biệt giữa ngắn mạch và quá tải, đồng thời nâng cao độ nhạy về dịng của bảo vệ dịng cực đại, người ta dùng sơ đồ bảo vệ dịng cĩ kiểm tra áp (hình 2.21). Khi ngắn mạch thì dịng điện tăng và điện áp giảm xuống do vậy cả rơle dịng RI và rơle áp RU đều khởi động dẫn đến cắt máy cắt. Trong trường hợp này, dịng khởi động của bảo vệ được tính theo biểu thức: Hinh 2.21 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của kat bảo vệ dịng cĩ kiểm tra áp I KÂ = I lvmax k tv Trong biểu thức trên khơng cần kể đến kmm vì sau khi cắt ngắn mạch ngồi các động cơ tự khởi động nhưng khơng làm điện áp giảm nhiều, các rơle RU khơng khởi động và bảo vệ khơng thể tác động được. Rõ ràng là khi khơng kể đến hệ số kmm thì dịng khởi động của bảo vệ dịng cĩ kiểm tra áp sẽ nhỏ hơn nhiều so với dịng khởi động của bảo vệ dịng cực đại và tương ứng độ nhạy được nâng cao đáng kể.
21 Chương3: BẢO VỆ DỊNG CĨ HƯỚNG I. Nguyên tắc tác động: Hình 3.1 : Mạng hở cĩ nguồn cung cấp 2 phía. Để đảm bảo cắt chọn lọc hư hỏng trong mạng hở cĩ một vài nguồn cung cấp, cũng như trong mạng vịng cĩ một nguồn cung cấp từ khoảng năm 1910 người ta bắt đầu dùng bảo vệ dịng cĩ hướng. Bảo vệ dịng điện cĩ hướng là loại bảo vệ phản ứng theo giá trị dịng điện tại chỗ nối bảo vệ và gĩc pha giữa dịng điện đĩ với điện áp trên thanh gĩp của trạm cĩ đặt bảo vệ. Bảo vệ sẽ tác động nếu dịng điện vượt quá giá trị định trước (dịng khởi động IKĐ) và gĩc pha phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ. Hình 3.2 : Mạng vịng cĩ 1 nguồn cung cấp II. Sơ đồ BV dịng cĩ hướng: Trường hợp tổng quát, bảo vệ dịng điện cĩ hướng gồm 3 bộ phận chính: khởi động, định hướng cơng suất và tạo thời gian (hình 3.3). Bộ phận định hướng cơng suất của bảo vệ được cung cấp từ máy biến dịng (BI) và máy biến điện áp (BU). Để bảo vệ tác động đi cắt, tất cả các bộ phận của bảo vệ cần phải tác động. Bằng việc khảo sát sự làm việc của rơle định hướng cơng suất khi hư hỏng trong và ngồi vùng bảo vệ ta sẽ rút ra được những tính chất mới của bảo vệ dịng cĩ thêm rơle định hướng cơng suất. Khi ngắn mạch trên đoạn AB (tại điểm N’ gần thanh gĩp B, hình 3.2) trong vùng tác động của bảo vệ 2, đồ thị véctơ các dịng điện I’N , I”N và IN = I’N +I”N như trên hình 3.4a.
22 Các dịng điện này chậm sau sức điện động Ep của nguồn cung cấp một gĩc ϕHT và chúng tạo nên một gĩc ϕD so với áp dư UpB trên thanh gĩp trạm B. Khi ngắn mạch trên đoạn BC gần thanh gĩp B (điểm N”, hình 3.2), đồ thị véctơ các dịng điện đĩ thực tế vẫn giống như đối với điểm N’ (hình 3.4b). Ap dư UpB khơng thay đổi về gĩc pha. Nếu chọn dịng IR2 của bảo vệ 2 cĩ hướng từ thanh gĩp B vào đường dây AB (hình 3.2) và lấy UR2 = UPB thì cĩ thể xác định được quan hệ gĩc pha giữa IR2 và UR2 khi ngắn mạch ở điểm N’ và N”. Hình 3.3 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ dịng cĩ hướng. Lấy véctơ điện áp UR2 làm gốc để xác định gĩc pha của IR2. Gĩc lệch pha được coi là dương khi dịng chậm sau áp và âm khi vượt trước. Khi ngắn mạch ở N’, cơng suất ngắn mạch hướng từ thanh gĩp B vào đường dây AB, lúc ấy I’R2 = I’N và ϕ‘R2 = gĩc (UR2,IR2) = ϕD. Khi ngắn mạch ở N” cơng suất ngắn 0 mạch hướng từ đường dây AB đến thanh gĩp B, I”R2 = - I”N và ϕ“R2 = ϕD- 180 . Như vậy khi dịch chuyển điểm hư hỏng từ vùng được bảo vệ ra vùng khơng được bảo vệ, gĩc pha 0 của IR2 đặt vào rơle của bảo vệ 2 so với UR2 đã thay đổi 180 (giống như sự đổi hướng của cơng suất ngắn mạch). Nối rơle định hướng cơng suất thế nào để nĩ khởi động khi nhận được gĩc ϕ‘R2 (cơng suất ngắn mạch hướng từ thanh gĩp vào đường dây) và khơng khởi 0 động khi nhận được gĩc ϕ‘’R2 khác với ϕ‘R2 một gĩc 180 (cơng suất ngắn mạch hướng từ đường dây vào thanh gĩp) và như vậy ta cĩ thể thực hiện được bảo vệ cĩ hướng. Hình 3.4 : Đồ thị vectơ áp và dịng khi hướng cơng suất NM đi từ thanh gĩp vào đường dây (a) và từ đường dây vào thanh gĩp (b)
23 III. Thời gian làm việc: Bảo vệ dịng cĩ hướng thường được thực hiện với đặc tính thời gian độc lập, thời gian làm việc của các bảo vệ được xác định theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều nhau. Tất cả các bảo vệ của mạng được chia thành 2 nhĩm theo hướng tác động của bộ phận định hướng cơng suất. Thời gian làm việc của mỗi nhĩm được chọn theo nguyên tắc bậc thang như đã xét đối với bảo vệ dịng cực đại. Xét ví dụ về nguyên tắc chọn thời gian làm việc của các bảo vệ trong mạng hở cĩ nguồn cung cấp 2 phía (hình 3.5a). Hình 3.5 : Đặc tính thời gian làm việc của các bảo vệ dịng cĩ hướng Bộ phận định hướng cơng suất chỉ làm việc khi hướng cơng suất ngắn mạch đi từ thanh gĩp vào đường dây được bảo vệ (quy ước vẽ bằng mũi tên ở bảo vệ). Các bảo vệ được chia thành 2 nhĩm : 2, 4, 6, và 5, 3, 1. Mỗi nhĩm bảo vệ cĩ thể chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc bậc thang khơng phụ thuộc vào thời gian làm việc của nhĩm kia. Trên hình 3.5b là đặc tính thời gian của các bảo vệ được chọn theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều nhau. Tương tự cũng cĩ thể chọn thời gian làm việc của bảo vệ dịng cực đại cĩ hướng cho mạng vịng cĩ một nguồn cung cấp (hình 3.2). Điểm khác biệt là thời gian làm việc của bảo vệ 2 và 5 cĩ thể chọn ≈ 0. IV. Hiện tượng khởi động khơng đồng thời: Khi ngắn mạch, ví dụ ở đoạn AB rất gần thanh gĩp trạm A (điểm N’’’ - hình 3.2), hầu như tồn bộ dịng ngắn mạch đều hướng đến điểm ngắn mạch qua máy cắt 1, cịn phần dịng chạy theo mạch vịng ngang qua máy cắt 6 rất bé (gần bằng 0). Kết quả là bảo vệ 2 sẽ khơng tác động được vào thời điểm đầu của ngắn mạch (dù rằng nĩ cĩ thời gian làm việc bé nhất). Bảo vệ 1 của đường dây AB sẽ tác động trước cắt máy cắt 1, lúc ấy bảo vệ 2 mới cĩ thể làm việc. Hiện tượng 1 trong 2 bảo vệ ở hai phía của một đường dây chỉ cĩ thể bắt đầu làm việc sau khi bảo vệ kia đã tác động và cắt máy cắt của mình được gọi là hiện tượng khởi động khơng đồng thời của các bảo vệ.
24 Phần chiều dài của đường dây được bảo vệ mà khi ngắn mạch trong đĩ sẽ xảy ra hiện tượng khởi động khơng đồng thời được gọi là vùng khởi động khơng đồng thời. Khởi động khơng đồng thời các bảo vệ là hiện tượng khơng tốt vì làm tăng thời gian loại trừ hư hỏng ở các mạng vịng. V. Dịng khởi động của bảo vệ: V.1. Chỉnh định khỏi dịng quá độ sau khi cắt ngắn mạch ngồi: kkat . mm IKĐ ≥ ⋅I lvmax k tv Trong đĩ: Ilvmax là dịng làm việc cực đại đi qua bảo vệ theo hướng phù hợp với hướng tác động của bộ phận định hướng cơng suất. Một số bảo vệ dịng cĩ hướng cĩ thể khơng cĩ bộ phận định hướng cơng suất (sẽ xét đến ở mục VI). Khi chọn dịng khởi động của các bảo vệ đĩ phải lấy Ilvmax khơng kể đến dấu của cơng suất phụ tải đi ngang qua bảo vệ. Chính vì vậy trong một số trường hợp để nâng cao độ nhạy của các bảo vệ, người ta vẫn đặt bộ phận định hướng cơng suất mặc dù về mặt thời gian để đảm bảo chọn lọc bảo vệ khơng cần phải cĩ bộ phận này. V.2. Chỉnh định khỏi dịng phụ tải: Mạch điện áp của bảo vệ được cung cấp từ các BU cĩ khả năng bị hư hỏng trong quá trình vận hành. Trị số và gĩc pha của điện áp UR đặt vào rơle khi đĩ thay đổi và rơle định hướng cơng suất cĩ thể xác định hướng khơng đúng. Để bảo vệ khơng tác động nhầm, dịng khởi động của bảo vệ cần chọn lớn hơn dịng phụ tải Ilv của đường dây được bảo vệ khơng phụ thuộc vào chiều của nĩ : kat IKĐ ≥ ⋅ I lv k tv Trong một số trường hợp dịng khởi động chọn theo điều kiện này cĩ thể lớn hơn theo điều kiện (a). Chẳng hạn như đối với bảo vệ 2 của đoạn gần nguồn trong mạng vịng (hình 3.2), cơng suất phụ tải luơn luơn hướng từ đường dây vào thanh gĩp, nếu khơng quan tâm đến hư hỏng trong mạch điện áp cĩ thể chọn IKĐ < Ilv. Để tăng độ nhạy của bảo vệ trong những trường hợp như vậy đơi khi cho phép chọn IKĐ theo dịng phụ tải bình thường chứ khơng phải theo dịng làm việc cực đại với giả thiết là khơng hư hỏng mạch điện áp vào lúc phụ tải cực đại. V.3. Chỉnh định khỏi dịng các pha khơng hư hỏng: (1) Đối với một số dạng hư hỏng, ví dụ N trong mạng cĩ trung tính nối đất trực tiếp, dịng các pha khơng hư hỏng bao gồm dịng phụ tải và dịng hư hỏng. Dịng này cĩ thể rất lớn, rơle định hướng cơng suất nối vào dịng pha khơng hư hỏng cĩ thể xác định khơng đúng dấu cơng suất ngắn mạch. Vì vậy dịng khởi động bảo vệ cần chọn lớn hơn giá trị cực đại của dịng các pha khơng hư hỏng. Để tránh tác động nhầm người ta cũng cĩ thể thực hiện sơ đồ tự động khĩa bảo vệ khi trong mạng xuất hiện dịng thứ tự khơng. Để chống ngắn mạch chạm đất người ta dùng bảo vệ cĩ hướng thứ tự khơng đặc biệt.
25 V.4. Phối hợp độ nhạy của bảo vệ các đoạn kề nhau: Để phối hợp về độ nhạy giữa các bảo vệ cần chọn dịng khởi động của bảo vệ sau (thứ n - gần nguồn hơn) lớn hơn dịng cực đại đi qua nĩ khi ngắn mạch trong vùng tác động của bảo vệ trước (thứ n-1) kèm theo dịng ngắn mạch IN = IKĐn-1, với IKĐn-1 là dịng khởi động của bảo vệ thứ n-1. Việc phối hợp được thực hiện đối với các bảo vệ tác động theo cùng một hướng. Đối với mạng vịng (hình 3.2) khơng thực hiện điều kiện này cĩ thể làm cho bảo vệ tác động khơng đúng khi cắt hư hỏng khơng đồng thời. Trong mạng vịng cĩ một nguồn cung cấp việc phối hợp về độ nhạy thực tế dẫn đến điều kiện chọn: IKĐn ≥ kat.IKĐn-1 Hệ số an tồn kat kể đến sai số của BI và rơle dịng cũng như kể đến ảnh hưởng của dịng phụ tải ở các trạm trung gian. VI. Chỗ cần đặt bảo vệ cĩ bộ phận định hướng cơng suất: Khi chọn thời gian làm việc của bảo vệ dịng cĩ hướng, chúng ta đã giả thiết tất cả các bảo vệ đều cĩ bộ phận định hướng cơng suất. Tuy nhiên trong thực tế chúng chỉ cần thiết khi tính chọn lọc khơng thể đảm bảo được bằng cách chọn thời gian làm việc. Hay nĩi cách khác, bảo vệ sẽ khơng cần phải cĩ bộ phận định hướng cơng suất nếu thời gian làm việc của nĩ lớn hơn thời gian làm việc của bảo vệ tất cả các phần tử khác trong trạm. Ví dụ như khảo sát tác động của các bảo vệ trên hình 3.5 ta thấy rằng bảo vệ 6 cĩ thể khơng cần bộ phận định hướng cơng suất, vì tính chọn lọc tác động của nĩ khi ngắn mạch ở các phần tử khác của trạm D được đảm bảo bằng thời gian làm việc t6 > tD. Cũng cĩ thể thấy rằng bảo vệ 5 đặt ở đầu kia của đường dây CD cĩ thời gian t5 < t6 và cần phải cĩ bộ phận định hướng cơng suất. Như vậy ở mỗi một đường dây của mạng chỉ cần đặt bộ phận định hướng cơng suất cho bảo vệ ở đầu cĩ thời gian làm việc bé hơn. Khi thời gian làm việc của cả 2 bảo vệ của một đường dây bằng nhau thì cả 2 khơng cần đặt bộ phận định hướng cơng suất. Do vậy trong một số trường hợp, bằng cách tăng thời gian làm việc của các bảo vệ so với trị số tính tốn, cĩ thể khơng cần đặt bộ phận định hướng cơng suất ở phần lớn các bảo vệ của mạng. VII. Độ nhạy của bảo vệ : Độ nhạy của bảo vệ dịng cực đại cĩ hướng được quyết định bởi hai bộ phận: khởi động dịng và định hướng cơng suất. Độ nhạy về dịng của bảo vệ được tính tốn giống như đối với bảo vệ dịng cực đại. Điều cần quan tâm đối với bảo vệ dịng cĩ hướng là độ nhạy của bộ phận định hướng cơng suất. Khi xảy ra N(3) ở đầu đường dây được bảo vệ gần chỗ nối bảo vệ, điện áp từ các BU đưa vào bảo vệ cĩ giá trị gần bằng khơng. Trong trường hợp này, bảo vệ và rơle định hướng cơng suất sẽ khơng khởi động. Vì vậy độ nhạy của bộ phận định hướng cơng suất được đặc trưng bằng vùng chết. Vùng chết là phần chiều dài đường dây được bảo vệ mà khi ngắn mạch trực tiếp trong đĩ bảo vệ sẽ khơng khởi động do áp đưa vào rơle định hướng cơng suất bé hơn áp khởi động tối thiểu UKĐRmin của nĩ.
26 Kinh nghiệm vận hành cho thấy ở mạng điện trên khơng vùng chết ít xuất hiện hơn so với ở mạng cáp, vì trong các mạng cáp thường xảy ra N(3) hơn. Xét sơ đồ hình 3.6, gọi chiều dài vùng chết là lx , áp dư tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch 3 pha tại điểm N (điểm giới hạn của vùng chết) là: (3) (3) U d = 3.I .Z1.lx trong đĩ Z1 : tổng trở thứ tự thuận của 1Km đường dây. Hình 3.6 : Ngắn mạch 3 pha trực tiếp ở biên giới của vùng chết Trường hợp bộ phận định hướng dùng rơle điện cơ, để rơle cĩ thể khởi động ở giới hạn của vùng chết cần cĩ : UR.cos(ϕ R + α ) = UKĐRmin ()3 Ud 3 ()3 Mặt khác ta cĩ: U R ==IZ 1 lx nnUU Với ϕ R : gĩc giữa UR và IR α : gĩc phụ của rơle, tùy thuộc cấu trúc của rơle nU : tỷ số biến đổi của BU nUKU ÂRmin Như vậy : l x = . ()3 3Z1 I .cosϕαR. VIII. Đặc tính của rơle định hướng cơng suất: Trong tr.hợp lí tưởng, sự làm việc của rơle định hướng cơng suất thực hiện theo nguyên tắc điện cơ (ví dụ, rơle cảm ứng) cũng như theo các nguyên tắc khác (ví dụ, rơle so sánh trị tuyệt đối các đại lượng điện) được xác định bằng biểu thức: cos(ϕR + α) ≥ 0 (3.1) Như vậy phạm vi gĩc ϕR mà rơle cĩ thể khởi động được là: o 0 90 ≥ (ϕR+α) ≥ -90 o 0 hay (90 - α) ≥ ϕR ≥ -(90 + α) (3.2)
27 Hình 3.7 : Đặc tính gĩc của rơle Hình 3.8 : Đặc tính gĩc của rơle định định hướng cơng suất trong mặt hướng cơng suất trong mặt phẳng phức phẳng phức tổng trở tổng trở khi cố định vectơ áp UR Đặc tính của rơle theo biểu thức (3.2) được gọi là đặc tính gĩc, cĩ thể biểu diễn trên . . mặt phẳng phức tổng trở ZR = U R/ I R (hình 3.7) Gĩc ϕR được tính từ trục thực (+) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Vectơ dịng IR được giả thiết là cố định trên trục (+), cịn vectơ UR và ZR quay đi một gĩc ϕR so với vectơ IR. Trong mặt phẳng phức, đặc tính gĩc theo biểu thức (3.2) được biểu diễn bằng đường thẳng đi qua gốc tọa độ nghiêng một gĩc (90o - α) so với trục (+). Đường thẳng này chia mặt phẳng phức thành 2 phần, phần cĩ gạch chéo (hình 3.7) tương ứng với các gĩc ϕR mà lúc đĩ rơle định hướng cơng suất cĩ thể khởi động được. Biểu diễn đặc tính gĩc trên mặt phẳng phức tổng trở rất tiện lợi để khảo sát sự làm việc của rơle định hướng cơng suất đối với các dạng ngắn mạch khác nhau trong mạng điện. Trong một số trường hợp, người ta cố định hướng vectơ áp UR (hình 3.8). Phạm vi tác động được giới hạn bởi một đường thẳng cịn gọi là đường độ nhạy bằng 0 (vì cos(ϕR + o α) = 0). Đường thẳng này lệch so với UR một gĩc (90 -α) theo chiều kim đồng hồ. Đường độ nhạy cực đại (tương ứng với cos(ϕR + α) = 1) thẳng gĩc với đường độ nhạy bằng 0 và lệch so với UR một gĩc α ngược chiều kim đồng hồ, gĩc tương ứng với nĩ ϕR = ϕRn max = - α được gọi là gĩc độ nhạy cực đại. IX. NỐI RƠLE ĐỊNH HƯỚNG CƠNG SUẤT VÀO DỊNG PHA VÀ ÁP DÂY THEO SƠ ĐỒ 90O:
28 Bảng 3.1: STT của rơle IR UR 1 Ia Ubc 2 Ib Uca 3 Ic Uab Hình 3.9 : Đồ thị véctơ áp và dịng khi nối Hình 3.10 : Ngắn mạch trên rơle định hướng cơng suất theo sơ đồ 900 đường dây Trong sơ đồ này (bảng 3.1 và hình 3.9), đưa đến các đầu cực rơle là dịng một pha (ví dụ đối với rơle số 1, dịng IR= Ia) và áp giữa hai pha khác (tương ứng UR = Ubc ) chậm sau 0 dịng pha đĩ một gĩc 90 với giả thiết là dịng (Ia) trùng pha với áp pha cùng tên (Ua). Qua khảo sát cho thấy rằng, để sơ đồ làm việc đúng đắn cần cĩ gĩc lệch của rơle α ≈ 300 ÷ 450, 0 do đĩ rơle sẽ phản ứng với cos[ϕR+ (30÷45 )]. Việc kiểm tra hoạt động của sơ đồ đối với các dạng ngắn mạch khác nhau cĩ thể thực hiện bằng cách cho vị trí của véctơ UR cố định và véctơ dịng IR xoay quanh nĩ. Đường độ nhạy bằng 0 lúc đĩ lệch so với véctơ điện áp 0 UR một gĩc 90 - α (về phía chậm sau), cịn đường độ nhạy cực đại vượt trước UR một gĩc α. IX.1. Ngắn mạch 3 pha đối xứng: Tất cả các rơle của sơ đồ đều làm việc trong những điều kiện giống nhau. Vì vậy ta (3) (3) chỉ khảo sát sự làm việc của một rơle (rơle số 1) cĩ I1R = Ia và U1R = Ubc . Đồ thị véctơ (3) (3) áp Ubc ở chỗ nối rơle và véctơ dịng Ia như trên hình 3.11a. Đường độ nhạy bằng 0 lệch (3) 0 0 0 o (3) với điện áp Ubc một gĩc 90 - 45 = 45 (giả thiết rơle cĩ gĩc α = 45 ). Gĩc ϕN giữa (3) (3) Ia và Ua được xác định bằng tổng trở thứ tự thuận một pha của phần đường dây trước điểm ngắn mạch N và điện trở quá độ rqđ ở chỗ hư hỏng (hình 3.10). (3) (3) 0 Giá trị ϕN nằm trong phạm vi 0 ≤ ϕN ≤ 90 . Từ đồ thị hình 3.11a ta thấy ở các (3) (3) giá trị ϕN bất kỳ trong phạm vi trên, rơle sẽ làm việc đúng nếu Ubc cĩ giá trị đủ để rơle (3) 0 làm việc. Khi gĩc ϕN = 45 hướng véctơ dịng điện trùng với đường độ nhạy cực đại và do đĩ sơ đồ sẽ làm việc ở điều kiện thuận lợi nhất. Khi chọn α = 0 sơ đồ cĩ thể khơng tác động khi ngắn mạch ở đầu đường dây qua điện trở quá độ rqđ.
29 Hình 3.11 : Đồ thị véctơ áp và dịng ở chỗ nối rơle đối với các dạng ngắn mạch khác nhau a) Ngắn mạch 3 pha b) Ngắn mạch 2 pha B,C c)Ngắn mạch pha A chạm đất IX.2. Ngắn mạch giữa 2 pha: Điều kiện làm việc của các rơle nối vào dịng các pha hư hỏng là khơng giống nhau. Vì vậy, chẳng hạn như khi ngắn mạch giữa hai pha B, C cần xét đến sự làm việc của rơle (2) (2) (2) (2) số 2 cĩ I2R = Ib và U2R = Uca cũng như của rơle số 3 cĩ I3R = Ic và U3R = Uab . Vấn (3) đề cũng trở nên phức tạp hơn so với N do gĩc pha giữa UR và IR thay đổi khi dịch chuyển điểm ngắn mạch N dọc theo đường dây. Trên hình 3.11b là đồ thị véctơ áp và dịng đối với trường hợp điểm ngắn mạch N nằm ở khoảng giữa đường dây (hình 3.10). Các (2) (2) 0 (2) đường độ nhạy bằng 0 lệch với các áp Uca ,Uab một gĩc 45 . Vị trí véctơ dịng Ib lệch (2) (2) với sức điện động Ebc một gĩc ϕN . Gĩc ϕN được xác định bằng tổng trở từ nguồn sức điện động đến chỗ ngắn mạch kể cả rqđ ; trị số của nĩ cĩ thể thay đổi trong phạm vi 0 ≤ (2) 0 ϕN ≤ 90 . Từ đồ thị ta thấy, trị số của điện áp U2R và U3R luơn luơn lớn và cả hai rơle (số (2) 2 và 3) đều làm việc đúng đắn ở giá trị ϕN bất kỳ. IX.3. Ngắn mạch một pha trong mạng cĩ trung tính nối đất trực tiếp: Ta khảo sát sự làm việc của rơle nối vào dịng pha hư hỏng (rơle số 1 khi ngắn mạch 0 (1) pha A). Đường độ nhạy bằng 0 lệch 45 so với véctơ áp giữa 2 pha khơng hư hỏng Ubc (1) (1) (hình 3.11c). Gĩc ϕN giữa sức điện động Ea và dịng Ia cĩ thể thay đổi trong phạm vi (1) 0 0≤ϕN ≤ 90 . Qua đồ thị ta thấy, rơle nối vào dịng pha hư hỏng luơn luơn làm việc đúng. Từ những phân tích trên cĩ thể rút ra kết luận như sau đối với sơ đồ 900: 1) Sơ đồ cĩ thể xác định đúng hướng cơng suất ngắn mạch trong các pha bị hư hỏng đối với tất cả các dạng hư hỏng cơ bản. Để được như vậy rơle định hướng cơng suất cần phải cĩ gĩc lệch α ≈450.
30 2) Vùng chết chỉ cĩ thể xảy ra khi ngắn mạch 3 pha gần chỗ nối bảo vệ (UR gần bằng khơng). 3) Khi N(2) và N(1), các rơle nối vào dịng pha khơng hư hỏng cĩ thể làm việc khơng đúng do tác dụng của dịng phụ tải và dịng hư hỏng trong các pha này. Vì vậy cần phải làm thế nào để sơ đồ vẫn làm việc đúng dù cho cĩ một vài rơle tác động nhầm do dịng các pha khơng hư hỏng. Cũng cĩ một số sơ đồ khác để nối rơ le định hướng cơng suất như sơ đồ 300 (ví dụ, 0 IR= Ia và UR = Uab), hoặc sơ đồ 60 (ví dụ, IR= Ia và UR = -Ub). Tuy nhiên các sơ đồ này cĩ một số nhược điểm so với sơ đồ 900, do vậy sơ đồ 900được sử dụng rộng rãi hơn. X. Bảo vệ dịng cắt nhanh cĩ hướng: Bảo vệ dịng cắt nhanh cĩ hướng là bảo vệ cĩ hướng khơng thời gian mà tính chọn lọc tác động đạt được bằng cách chọn dịng khởi động IKĐ lớn hơn giá trị cực đại của dịng ngắn mạch ngồi INngmax đi theo hướng tác động của bộ phận định hướng cơng suất nếu như điều kiện chỉnh định theo dịng điện khi dao động (đối với bảo vệ cắt nhanh nối vào dịng pha tồn phần) khơng phải là điều kiện tính tốn . Hình 3.21 : Đồ thị tính tốn bảo vệ dịng cắt nhanh cĩ hướng Trên hình 3.21 là đồ thị biểu diễn sự thay đổi của giá trị dịng điện trên đường dây AB cĩ 2 nguồn cung cấp khi dịch chuyển điểm ngắn mạch dọc theo đường dây. Dịng khởi động của bảo vệ cắt nhanh khơng cĩ hướng đối với đường dây này được chọn lớn hơn giá trị lớn nhất của các dịng ngắn mạch ngồi, đối với trường hợp như trên hình 3.21 thì IKĐ=kat.INngmaxA. Như vậy nối bảo vệ cắt nhanh về phía trạm B là khơng cĩ ý nghĩa vì IKĐ luơn luơn lớn hơn dịng ngắn mạch đi qua bảo vệ đặt phía trạm B. Nếu ta đưa thêm bộ phận định hướng cơng suất vào bảo vệ cắt nhanh ở trạm B, thì cĩ thể chọn dịng khởi động của nĩ khơng kể đến dịng INngmaxA. Dịng khởi động của bảo vệ B sẽ nhỏ hơn so với trường hợp dùng bảo vệ cắt nhanh khơng hướng nêu trên và bằng IKĐ B = kat.INngmaxB. Trong trường hợp này bảo vệ cắt nhanh về phía trạm B sẽ cĩ thể bảo vệ được phần lớn đường dây AB. XI. Đánh giá và phạm vi ứng dụng của Bảo vệ dịng cĩ hướng: XI.1. Tính chọn lọc: Tính chọn lọc tác động của bảo vệ đạt được nhờ chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều nhau và dùng các bộ phận định hướng cơng suất. Tính chọn lọc được đảm bảo trong các mạng vịng cĩ một nguồn cung cấp khi khơng cĩ những đường chéo khơng qua nguồn (hình 3.22a,b) và trong các mạng hình tia cĩ số nguồn cung cấp tùy ý (hình 3.22c).
31 Hình 3.22 : Các sơ đồ mạng mà Bảo vệ dịng cĩ hướng đảm bảo cắt chọn lọc khi ngắn mạch Trong các mạng vịng cĩ số nguồn cung cấp lớn hơn một (hình 3.23a), tính chọn lọc khơng thể đảm bảo vì khơng thể chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc bậc thang. Bảo vệ cũng khơng đảm bảo chọn lọc trong các mạng vịng cĩ một nguồn cung cấp cĩ đường chéo khơng đi qua nguồn (hình 3.23b), trường hợp này phần mạng giới hạn bởi đường chéo cĩ thể xem như cĩ hai nguồn cung cấp. XI.2. Tác động nhanh: Giống như bảo vệ dịng cực đại (chương 2), trong đa số trường hợp bảo vệ cĩ thời gian làm việc lớn. Hình 3.23 : Các sơ đồ mạng mà Bảo vệ dịng cĩ hướng khơng đảm bảo cắt chọn lọc khi ngắn mạch XI.3. Độ nhạy: Độ nhạy của bảo vệ bị giới hạn bởi dịng khởi động của bộ phận khởi động. Trong các mạng hở cĩ 2 hay nhiều nguồn cung cấp, ở một số chế độ ví dụ như sau khi cắt một
32 trong các nguồn cung cấp cĩ cơng suất lớn và cưỡng bức kích từ máy phát của các nguồn cịn lại thì dịng phụ tải cực đại cĩ thể đạt tới giá trị lớn. Dịng khởi động được chỉnh định khỏi dịng phụ tải này thường làm cho bảo vệ hồn tồn khơng đủ độ nhạy. Để tăng độ nhạy đơi khi người ta dùng những bộ phận khởi động liên hợp dịng và áp. Từ những nhận xét trên ta thấy rằng bảo vệ dịng cĩ hướng cĩ thể sử dụng làm bảo vệ chính trong các mạng phân phối điện áp dưới 35kV khi nĩ đảm bảo được tính chọn lọc và tác động nhanh. Bảo vệ dịng cĩ hướng cũng được sử dụng rộng rãi làm bậc dự trữ trong các bảo vệ cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp.
32 Chương 4: BẢO VỆ CHỐNG CHẠM ĐẤT I. Bảo vệ dịng thứ tự khơng Trong mạng cĩ dịng chạm đất lớn: Bảo vệ dịng thứ tự khơng được thực hiện nhờ một rơle RI nối vào bộ lọc dịng thứ tự khơng LIo . Hình 4.1 : Sơ đồ nối rơle vào Hình 4.2 : Kết hợp sơ đồ bộ lọc - rơle dịng bộ lọc dịng thứ tự khơng gồm 3BI thứ tự khơng với sơ đồ sao khuyết I.1. Dịng qua rơle: Khi chiều của các dịng điện đã chấp nhận như trong sơ đồ hình 4.1 và 4.2, dịng điện qua rơle RI bằng: IIR=+abcI+I Dịng thứ của BI tương ứng với sơ đồ thay thế (hình 2.13) là: . . . ' ' ωS IITS=−Iµ = ()IS−Iµ ω T ωS Ví dụ: IIa =−()A IAµ ω T ωS ωS Vì vậy: IIR =+()ABI+IC−(IABµµ+I+ICµ) ω T ω T Tổng dịng từ hĩa của 3 máy biến dịng quy đổi về phía thứ cấp của chúng được gọi là dịng khơng cân bằng thứ cấp của bộ lọc: ωS IIKCBT =+(ABµµI+ICµ) (4.1) ω T . ω T Tổng: IIAB++IC=3I0 ; =nI ωS . . . 3I 0 Vậy: I R =−I KCBT (4.2) nI Như vậy bảo vệ chỉ tác động đối với các dạng ngắn mạch cĩ tạo nên dịng Io (ngắn mạch chạm đất).
33 Đối với các bộ lọc dùng BI lí tưởng cĩ Iµ = 0 thì IKCBT = 0. Tuy nhiên thực tế các BI luơn luơn cĩ dịng từ hĩa và dịng từ hĩa ở các pha là khác nhau mặc dù dịng sơ của các pha cĩ trị số bằng nhau, vì vậy IKCBT ≠ 0. I.2. Dịng khởi động của bảo vệ: Trong tình trạng làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch giữa các pha (khơng chạm đất) thì dịng thứ tự khơng I0 = 0. Do vậy để bảo vệ khơng tác động khi ngắn mạch giữa các pha ngồi vùng bảo vệ cần chọn: IKĐ = kat . IKCBStt (4.4) Dịng IKCBStt được tính tốn đối với trường hợp ngắn mạch ngồi khơng chạm đất và cho dịng lớn nhất. Đồng thời để phối hợp độ nhạy giữa các bảo vệ thứ tự khơng thì dịng khởi động của bảo vệ đoạn sau (gần nguồn hơn) phải chọn lớn hơn bảo vệ đoạn trước một ít. Dịng khởi động của bảo vệ thứ tự khơng thường bé hơn nhiều so với dịng làm việc cực đại của đường dây nên độ nhạy khá cao. I.3. Thời gian làm việc: Bảo vệ dịng thứ tự khơng cĩ đặc tính thời gian độc lập, được chọn theo nguyên tắc bậc thang. Xét ví dụ đối với mạng hở cĩ một nguồn cung cấp và cĩ trung tính được nối đất chỉ một điểm ở đầu nguồn (hình 4.3). Bảo vệ 2a ở các trạm B, C cĩ thể được chỉnh định khơng thời gian (thực tế t2a ≈ 0,1 giây) và thời gian tác động của các bảo vệ đường dây là: t3a = t2a + ∆t ; t4a = t3a + ∆t Trên đồ thị hình 4.3 cũng vẽ đặc tính thời gian của các bảo vệ 1 ÷ 4 làm nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong mạng. Từ hình 4.3 và những điều đã trình bày trên đây ta cĩ thể thấy được ưu điểm chính của bảo vệ dịng thứ tự khơng so với bảo vệ nối vào dịng pha tồn phần là thời gian làm việc bé và độ nhạy cao. Hình 4.3 : Đặc tính thời gian của bảo vệ dịng TTK và của bảo vệ
34 nối vào dịng pha trong mạng cĩ trung tính nối đất trực tiếp II. Bảo vệ dịng thứ tự khơng Trong mạng cĩ dịng chạm đất bé: Trong các mạng cĩ dịng điện chạm đất bé (trung tính khơng nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang) giá trị dịng điện chạm đất một pha thường khơng quá vài chục Ampere. Ví dụ như ở mạng cáp, để chạm đất một pha khơng chuyển thành ngắn mạch nhiều pha thì chạm đất lớn nhất cho phép vào khoảng 20÷30A. Những bảo vệ dùng rơle nối vào dịng điện pha tồn phần khơng thể làm việc với dịng điện sơ cấp bé như vậy, vì thế người ta dùng các bảo vệ nối qua bộ lọc dịng điện thứ tự khơng. Bảo vệ được đặt ở đầu đường dây AB về phía trạm A trong mạng cĩ trung tính cách đất (hình 4.15). II.1. Dịng khởi động: Dịng khởi động của bảo vệ được xác định theo điều kiện chọn lọc: Bảo vệ khơng được tác động khi chạm đất ngồi hướng được bảo vệ. Hình 4.15 : Chạm đất 1 pha trong mạng cĩ trung tính cách đất Ví dụ khi pha C của đường dây AC bị chạm đất tại điểm N’ (hình 4.14), qua bảo vệ đặt trên đường dây AB cĩ dịng 3I0CD do điện dung COD giữa pha của đường dây được bảo vệ đối với đất. Đồ thị dịng điện dung trong các pha của đường dây AB và thành phần thứ tự khơng của chúng như trên hình 4.16. Để bảo vệ khơng tác động cần chọn: IKĐ ≥ kat . 3IoCD (4.7) kat: hệ số an tồn, cĩ kể đến ảnh hưởng của dịng dung quá độ vào thời điểm đầu chạm đất (cĩ thể lớn hơn giá trị ổn định rất nhiều). Đối với bảo vệ tác động khơng thời gian cần phải chọn kat = 4 ÷ 5, bảo vệ tác động cĩ thời gian cĩ thể chọn kat bé hơn. Tuy nhiên chạm đất thường lặp đi lặp lại và rơle phải chịu tác động của những xung dịng điện liên tiếp, cho nên dù bảo vệ tác động cĩ thời gian cũng khơng thể chọn kat thấp hơn 2 ÷ 2,5. II.2. Thời gian làm việc: Khi bảo vệ tác động báo tín hiệu thì khơng cần chọn thời gian làm việc theo điều kiện chọn lọc, bảo vệ thường làm việc khơng thời gian. Cĩ một số bảo vệ theo điều kiện an tồn cần phải tác động khơng cĩ thời gian đi cắt chạm đất, cịn lại nĩi chung bảo vệ tác động đi cắt với thời gian được chọn theo nguyên tắc bậc thang.
35 II.3. Độ nhạy: Khi chạm đất trong vùng bảo vệ, ví dụ tại điểm N” trên pha C của đường dây AB (hình 4.15), để bảo vệ cĩ thể tác động cần phải thực hiện điều kiện: IBV ≥ IKĐ Trong đĩ : IBV - là dịng điện đi qua bảo vệ. Dịng qua bảo vệ IBV sinh ra là do điện dung các pha của phần khơng hư hỏng trong hệ thống (đĩ chính là điện dung đẳng trị C0đt): IBV = 3I0Cđt = 3ω C0đt.Up Điện dung tổng CoΣ của các pha trong tồn hệ thống đối với đất là: CoΣ = C0đt + C0D do vậy: IBV = 3ω(CoΣ - C0D).Up (4.8) Vị trí điểm chạm đất N” trên đường dây được bảo vệ khơng ảnh hưởng đến trị số dịng IBV, vì trở kháng và cảm kháng của đường dây rất nhỏ so với dung kháng. Độ nhạy của bảo vê được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy: I BV 3ω()CC00Σ − DpU K n == I KÂ I KÂ Khi chạm đất qua điện trở trung gian cần phải cĩ Kn ≥ 1,25 ÷ 1.5. Hình 4.19 : Bố trí các bảo vệ chống chạm đất Để nhanh chĩng phát hiện phần tử bị chạm đất nên đặt bảo vệ báo tín hiệu ở tất cả các đầu đường dây (hình 4.19). Khi xuất hiện chạm đất (ví dụ ở điểm N) bằng cách kiểm tra dần tín hiệu của các bảo vệ từ đầu nguồn A đến trạm C cĩ thể xác định được đoạn đường dây bị chạm đất.
36 Chương 5: BẢO VỆ DỊNG SO LỆCH I. Nguyên tắc làm việc: Bảo vệ dịng so lệch là loại bảo vệ dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dịng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ. Các máy biến dịng BI được đặt ở hai đầu phần tử được bảo vệ và cĩ tỷ số biến đổi nI như nhau (hình 5.1). Quy ước hướng dương của tất cả các dịng điện theo chiều mũi tên như trên sơ đồ hình 4.1, ta cĩ : IIR =−IT IIIT (5.1) Dịng vào rơle bằng hiệu hình học dịng điện của hai BI, chính vì vậy bảo vệ cĩ tên gọi là bảo vệ dịng so lệch. Hình 5.1 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ dịng so lệch a) Trong tình trạng làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngồi (ở điểm N’): Trường hợp lí tưởng (các BI khơng cĩ sai số, bỏ qua dịng dung và dịng rị của đường dây được bảo vệ) thì: IIIS =⇒IIS IIT =IIIT ⇒ IR =IIT −IIIT =0 và bảo vệ sẽ khơng tác động. b) Khi ngắn mạch trong (ở điểm N”): dịng IIS và IIIS khác nhau cả trị số và gĩc pha. Khi hướng dịng quy ước như trên thì dịng ở chỗ hư hỏng là: . I N IIN =−IS IIIS ⇒ IR =IIT −IIIT = nI Nếu dịng IR vào rơle lớn hơn dịng khởi động IKĐR của rơle, thì rơle khởi động và cắt phần tử bị hư hỏng. Khi nguồn cung cấp là từ một phía (IIIS = 0), lúc đĩ chỉ cĩ dịng IIT, dịng IR = IIT và bảo vệ cũng sẽ khởi động nếu IR > IKĐR.
37 Như vậy theo nguyên tắc tác động thì bảo vệ cĩ tính chọn lọc tuyệt đối và để đảm bảo tính chọn lọc khơng cần phối hợp về thời gian. Vùng tác động của bảo vệ được giới hạn giữa hai BI đặt ở 2 đầu phần tử được bảo vệ. II. Dịng khơng cân bằng: Khi khảo sát nguyên tắc tác động của bảo vệ dịng so lệch ta đã giả thiết trong tình trạng làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngồi, lí tưởng ta cĩ IIT = IIIT. Tuy nhiên trong thực tế : . IIIT =−''IS IIµµ; IIIT =I'IIS−I'II Như vậy, dịng trong rơle (khi khơng cĩ ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dịng trong rơle được gọi là dịng khơng cân bằng IKCB) bằng: . . IIR =KCB =IIT −IIIT =I'IIµ−I'Iµ (5.2) Ngay cả khi kết cấu của hai BI giống nhau, dịng từ hĩa I’IIµ và I’Iµ của chúng thực tế là khơng bằng nhau. Vì vậy dịng khơng cân bằng cĩ một giá trị nhất định nào đĩ. Vẫn chưa cĩ những phương pháp phù hợp với thực tế và đủ chính xác để tính tốn dịng khơng cân bằng quá độ. Vì vậy để đánh giá đơi khi người ta phải sử dụng những số liệu theo kinh nghiệm. Trên hình 5.3b là quan hệ iKCB = f(t), khảo sát đồ thị đĩ và những số liệu khác người ta nhận thấy rằng : iKCB quá độ cĩ thể lớn hơn nhiều lần trị số xác lập của nĩ và đạt đến trị số thậm chí lớn hơn cả dịng làm viêc cực đại. iKCB đạt đến trị số cực đại khơng phải vào thời điểm đầu của ngắn mạch mà Hình 5.3 : Đồ thị biểu diễn quan hệ hơi chậm hơn một ít. theo thời gian của trị số tức thời trị số iKCB xác lập sau ngắn mạch của dịng ngắn mạch ngồi (a) và cĩ thể lớn hơn rất nhiều so với trước ngắn dịng khơng cân bằng trong mạch mạch do ảnh hưởng của từ dư trong lõi rơle của bảo vệ so lệch (b) thép.thời gian tồn tại trị số iKCB lớn khơng quá vài phần mười giây. III. Dịng khởi động và độ nhạy: III.1. Dịng điện khởi động: Để đảm bảo cho bảo vệ so lệch làm việc đúng khi ngắn mạch ngồi, dịng khởi động của rơle cần phải chỉnh định tránh khỏi trị số tính tốn của dịng khơng cân bằng: IKĐR ≥ kat.IKCBmaxtt (5.3) IKCBmaxtt : trị hiệu dụng của dịng khơng cân bằng cực đại tính tốn tương ứng với dịng ngắn mạch ngồi cực đại. Tương ứng dịng khởi động của bảo vê là: IKĐ ≥ kat.IKCBSmaxtt (5.4) trong đĩ IKCBSmaxtt là dịng khơng cân bằng phía sơ cấp của BI tương ứng với IKCBmaxtt và được tính tốn như sau: IKCBSmaxtt = fimax.kđn.kkck. IN ngmax (5.5)
38 với: fimax - sai số cực đại cho phép của BI, fimax = 10%. kđn - hệ số đồng nhất của các BI, (kđn = 0 ÷ 1), kđn = 0 khi các BI hồn tồn giống nhau và dịng điện qua cuộn sơ cấp của chúng bằng nhau, kđn = 1 khi các BI khác nhau nhiều nhất, một BI làm việc khơng cĩ sai số (hoặc sai số rất bé) cịn BI kia cĩ sai số cực đại. kkck - hệ số kể đến thành phần khơng chu kỳ trong dịng điện ngắn mạch. IN ngmax - thành phần chu kỳ của dịng điện ngắn mạch ngồi lớn nhất. III.2. Độ nhạy: Độ nhạy của bảo vệ được đánh giá thơng qua hệ số độ nhạy: I N min K n = (5.6) I KÂ INmin : dịng nhỏ nhất cĩ thể cĩ tại chỗ ngắn mạch khi ngắn mạch trực tiếp trong vùng bảo vệ. Yêu cầu độ nhạy của bảo vệ dịng so lệch Kn ≥ 2 IV. Các biện pháp nâng cao độ nhạy: Cho bảo vệ làm việc với thời gian khoảng 0,3 đến 0,5 sec để tránh khỏi những trị số quá độ lớn của dịng khơng cân bằng. Nối nối tiếp với cuộn dây rơle một điện trở phụ (hình 5.4). Tăng điện trở mạch so lệch sẽ làm giảm thấp dịng khơng cân bằng cũng như dịng ngắn mạch thứ cấp (khi hư hỏng trong vùng bảo vệ). Tuy nhiênmức độ giảm thấp này khơng như nhau do tính chất khác nhau của dịng khơng cân bằng quá độ và của dịng ngắn mạch. Mức độ giảm dịng khơng cân bằng nhiều hơn do trong nĩ cĩ chứa thành phần khơng chu kỳ nhiều hơn. Do sơ đồ rất đơn giản nên biện pháp này được sử dụng để thực hiện bảo vệ cho một số phần tử trong hệ thống điện. Nối rơle qua máy biến dịng bão hịa trung gian (BIG). Dùng rơle cĩ hãm. Hình 5.4 : Bảo vệ dịng so lệch dùng điện trở phụ trong mạch rơle V. Bảo vệ so lệch dùng rơle nối qua BIG: Sơ đồ nguyên lí của bảo vệ cĩ rơle nối qua BIG trên hình 5.5a. Hoạt động của sơ đồ dựa trên cơ sở là trong dịng khơng cân bằng quá độ khi ngắn mạch ngồi (hình 5.3) thường cĩ chứa thành phần khơng chu kỳ đáng kể làm dịch chuyển đồ thị biểu diễn trị tức thời của dịng iKCB về 1 phía của trục thời gian. Thơng số của BI bão hịa được lựa chọn thế nào để nĩ biến đổi rất kém thành phần khơng chu kỳ chứa trong iKCB đi qua cuộn sơ của nĩ. Dùng sơ đồ thay thế của BI để phân tích, cĩ thể thấy rằng phần lớn thành phần khơng chu kỳ đi qua nhánh từ hĩa làm bão hịa
39 mạch từ (giảm Zµ). Trong điều kiện đĩ thành phần chu kỳ của iKCB chủ yếu khép mạch qua nhánh từ hĩa mà khơng đi vào rơle. Điều kiện làm việc của BIG rất phức tạp bởi vì quan hệ phi tuyến khi biến đổi qua BI chính xếp chồng với quan hệ phi tuyến khi biến đổi iKCB qua BIG. Phần tiếp theo ta sẽ khảo sát đồ thị vịng từ trễ của BIG và sự thay đổi trị tức thời của dịng theo thời gian (hình 5.5). a) b) c) Hình 5.5 : Bảo vệ dịng so lệch dùng rơle nối qua BI bão hịa trung gian a) sơ đồ nguyên lí của bảo vệ b) hoạt động của sơ đồ khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ c) hoạt động của sơ đồ khi ngắn mạch ngồi VI. Bảo vệ dùng rơle so lệch cĩ hãm: Dịng so lệch thứ hay cịn gọi là dịng làm việc bằng hiệu các dịng thứ ILV = ISLT = IIT - IIIT và dịng hãm bằng 1/2 tổng dịng thứ IH = 0,5*(IIT + IIIT). Khi ngắn mạch ngồi, trị tuyệt đối của hiệu dịng luơn luơn nhỏ hơn 1/2 tổng dịng thứ, tức là: IIIT − IIT 05, IIT +IIIT hay : ILV > IH (5.8) Khi ngắn mạch trong và cĩ nguồn cung cấp chỉ từ một phía thì IIIT = 0 ; ILV = IIT ; IH = 0,5IIT. Biểu thức (5.7) và (5.8) cĩ thể được coi là cơ sở để thực hiện rơle cĩ hãm. Các rơle này dựa vào việc so sánh 2 đại lượng: IIT − IIIT và 0,5 IIT + IIIT Sơ đồ nối BI với rơle như hình 5.7b qua BIG cĩ tỉ số biến đổi nI = 1, cuộn sơ của BIG chia thành 2 phần bằng nhau, cuộn thứ cĩ dịng hãm đưa vào bộ phận hãm của rơle;
40 dịng so lệch cung cấp cho bộ phận làm việc của rơle được lấy từ điểm giữa của cuộn sơ BIG. Hình 5.7 : Bảo vệ dịng so lệch cĩ hãm a) Đồ thị véc tơ dịng thứ trong mạch bảo vệ b) Sơ đồ nguyên lí một pha của bảo vệ VII. Đánh giá bảo vệ so lệch dọc: VII.1. Tính chọn lọc: Theo nguyên tắc tác động, bảo vệ cĩ tính chọn lọc tuyệt đối. Khi trong hệ thống điện cĩ dao động hoặc xảy ra tình trạng khơng đồng bộ, dịng ở 2 đầu phần tử được bảo vệ luơn bằng nhau và khơng làm cho bảo vệ tác động mất chọn lọc. VII.2. Tác động nhanh: Do bảo vệ cĩ tính chọn lọc tuyệt đối nên khơng yêu cầu phải phối hợp về thời gian với bảo vệ các phần tử kề. Bảo vệ cĩ thể được thực hiện để tác động khơng thời gian. VII.3. Độ nhạy: Bảo vệ cĩ độ nhạy tương đối cao do dịng khởi động cĩ thể chọn nhỏ hơn dịng làm việc của đường dây. VII.4. Tính đảm bảo: Sơ đồ phần rơle của bảo vệ khơng phức tạp lắm và làm việc khá đảm bảo. Nhược điểm chủ yếu của bảo vệ là cĩ dây dẫn phụ . Khi đứt dây dẫn phụ cĩ thể làm kéo dài thời gian ngừng hoạt động của bảo vệ, hoặc bảo vệ cĩ thể tác động khơng đúng (nếu bộ phận kiểm tra đứt mạch thứ khơng làm việc). Giá thành của bảo vệ được quyết định bởi giá thành của dây dẫn phụ và chi phí lắp đặt chúng, do vậy đường dây dài giá thành sẽ rất cao. Từ những phân tích trên cho thấy chỉ nên đặt bảo vệ so lệch dọc cho những đường dây cĩ chiều dài khơng lớn chủ yếu là trong mạng ≥ 110kV khi khơng thể áp dụng các bảo vệ khác đơn giản và tin cậy hơn. Lúc ấy nên dùng chung cáp làm dây dẫn phụ của bảo vệ, đồng thời để thực hiện điều khiển xa, đo lường xa, thơng tin liên lạc
41 Bảo vệ so lệch dọc được áp dụng rộng rãi để bảo vệ cho máy phát, máy biến áp, thanh gĩp, do khơng gặp phải những khĩ khăn về dây dẫn phụ. VIII. Bảo vệ so lệch ngang cĩ hướng: Nguyên tắc tác động bảo vệ so lệch ngang dựa vào việc so sánh dịng trên 2 đường dây song song, trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngồi các dịng này cĩ trị số bằng nhau và cùng hướng, cịn khi phát sinh hư hỏng trên một đường dây thì chúng sẽ khác nhau. Bảo vệ được dùng cho 2 đường dây song song nối vào thanh gĩp qua máy cắt riêng. Khi hư hỏng trên một đường dây, bảo vệ cần phải cắt chỉ đường dây đĩ và giữ nguyên đường dây khơng hư hỏng lại làm việc. Muốn vậy bảo vệ phải được đặt ở cả 2 đầu đường dây và cĩ thêm bộ phận định hướng cơng suất để xác định đường dây bị hư hỏng. Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ trên hình 5.9. Các máy biến dịng đặt trên 2 đường dây cĩ tỷ số biến đổi nI như nhau, cuộn thứ của chúng nối với nhau thế nào để nhận được hiệu các dịng pha cùng tên. Rơle dịng 5RI làm nhiệm vụ của bộ phận khởi động, rơle 6RW tác động 2 phía là bộ phận định hướng cơng suất. Khi chiều dịng điện quy ước như trên hình 5.9, ta cĩ dịng đưa vào các rơle này là IR = IIT - IIIT . Ap đưa vào 6RW được lấy từ BU nối vào thanh gĩp trạm. Rơle 6RW sẽ tác động đi cắt đường dây cĩ cơng suất ngắn mạch hướng từ thanh gĩp vào đường dây và khi ở cả 2 đường dây đều cĩ cơng suất ngắn mạch hướng từ thanh gĩp vào đường dây thì 6RW sẽ tác động về phía đường dây cĩ cơng suất lớn hơn. Trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngồi, dịng IIT , IIIT bằng nhau và trùng pha. Dịng vào rơle IR = IIT - IIIT gần bằng 0 (IR = IKCB), nhỏ hơn dịng khởi động IKĐR của bộ phận khởi động 5RI và bảo vệ sẽ khơng tác động. Hình 5.9 : Bảo vệ so lệch ngang cĩ hướng dùng cho 2 đường dây song song Khi ngắn mạch trên đường dây I ở điểm N’ (hình 5.9), dịng II > III . Về phía trạm A cĩ IR = IIT - IIIT ; cịn phía trạm B cĩ IR = 2IIIT. Rơle 5RI ở cả 2 phía đều khởi động. Cơng suất ngắn mạch trên đường dây I phía A lớn hơn trên đường dây II; do vậy 6’RW khởi động về phía đường dây I và bảo vệ cắt máy cắt 1’MC. Về phía trạm B, cơng suất ngắn
42 mạch trên đường dây I cĩ dấu dương (hướng từ thanh gĩp vào đường dây), cịn trên đường dây II - âm. Do đĩ 6”RW cũng khởi động về phía đường dây I và cắt máy cắt 1”MC. Như vậy bảo vệ đảm bảo cắt 2 phía của đường dây hư hỏng I. Khi ngắn mạch trên đường dây ở gần thanh gĩp (điểm N”), dịng vào rơle phía trạm B là IR ≈ 0 và lúc đầu nĩ khơng khởi động. Tuy nhiên bảo vệ phía trạm A tác động do dịng vào rơle khá lớn. Sau khi cắt máy cắt 2’MC, phân bố dịng trên đường dây cĩ thay đổi và chỉ đến lúc này bảo vệ phía trạm B mới tác động cắt 2”MC. Hiện tượng khởi động khơng đồng thời vừa nêu là khơng mong muốn vì làm tăng thời gian loại trừ hư hỏng ra khỏi mạng điện. Nguồn thao tác được đưa vào bảo vệ qua các tiếp điểm phụ của 1MC và 2MC. Khi cắt một máy cắt thì tiếp điểm phụ của nĩ mở và tách bảo vệ ra. Cần thực hiện như vậy vì 2 lí do sau: Sau khi cắt 1 đường dây bảo vệ trở thành bảo vệ dịng cực đại khơng thời gian. Nếu khơng tách bảo vệ ra, nĩ cĩ thể cắt khơng đúng đường dây cịn lại khi xảy ra ngắn mạch ngồi. Bảo vệ cĩ thể cắt đường dây bị hư hỏng khơng đồng thời. Khi ngắn mạch tại điểm N”, máy cắt 2’MC cắt trước, sau đĩ tồn bộ dịng hư hỏng sẽ đi đến chỗ ngắn mạch qua đường dây I. Nếu khơng tách bảo vệ phía trạm A ra, nĩ cĩ thể cắt khơng đúng 1’MC của đường dây I khơng hư hỏng.
43 Chương 6: BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH I. Nguyên tắc tác động: Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ dùng rơ le tổng trở cĩ thời gian làm việc phụ thuộc vào quan hệ giữa điện áp UR và dịng điện IR đưa vào rơle và gĩc ϕR giữa chúng : UR tf= (,ϕ R ) I R thời gian này tự động tăng lên khi khoảng cách từ chỗ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng tăng lên. Bảo vệ đặt gần chỗ hư hỏng nhất cĩ thời gian làm việc bé nhất Nếu nối rơle tổng trở của bảo vệ khoảng cách (BVKC) vào hiệu các dịng pha và điện áp dây tương ứng (ví du, 2 pha A,B) thì khi ngắn mạch 2 pha A, B ta cĩ: Dịng vào rơle: 1 I R =−()IIAB nI Ap đặt vào rơle: 11 U R =−()UUAB=(IIAB−)Z1l nU nU U R Như vậy : = Zl1. I R Trong đĩ : Z1 : tổng trở thứ tự thuận của 1 km đường dây. nI, nU : tỷ số biến đổi của BI và BU cung cấp cho bảo vệ. IA, IB : dịng chạy qua cuộn sơ cấp của BI đặt ở pha A, B. UA, UB : áp pha A, B tại chỗ nối bảo vệ (chỗ nối BU). l : khoảng cách từ chổ đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch Khi ấy: UR tf=(,ϕR)=fZ(1.l,ϕR) I R Ban đầu để đơn giản, coi bảo vệ cĩ thời gian làm việc khơng phụ thuộc vào gĩc ϕR: t = f (Z1.l) (6.1) Như vậy thời gian làm việc t của bảo vệ khơng phụ thuộc vào giá trị của áp và dịng đưa vào bảo vệ mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ chổ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng. II. Đặc tính thời gian: Là quan hệ giữa thời gian tác động của bảo vệ với khoảng cách hay tổng trở đến chổ hư hỏng. Hiện nay thường dùng bảo vệ cĩ đặc tính thời gian hình bậc thang (nhiều cấp). Số vùng và số cấp thời gian thường ≤ 3 để sơ đồ bảo vệ được đơn giản (hình 6.1).
44 Vùng I cĩ thời gian tác động tI (tI xác định bởi thời gian khởi động của các rơle, nếu khơng yêu cầu chỉnh định khỏi thời gian tác động của chống sét ống). Khi xét đến sai số của bộ phận khoảng cách, cũng như do một số yếu tố khác, vùng I được chọn khoảng 80% đến 85% chiều dài đoạn được bảo vệ. Vùng II cĩ thời gian tác động tII , thời gian tII của tất cả các bảo vệ đều bằng nhau và để đảm bảo chon lọc tII phải lớn hơn một bậc ∆t so với thời gian làm việc Hình 6.1 : Đặc tính thời gian nhiều của bảo vệ chính đặt ở các phần tử kề. cấp của bảo vệ khoảng cách Chiều dài của vùng II phải cĩ giá trị thế nào để đảm bảo bảo vệ tác động chắc chắn với thời gian tII khi ngắn mạch ở cuối đoạn được bảo vệ. Khi thời gian tII được chọn theo cách như trên thì chiều dài của vùng II bị giới hạn bởi yêu cầu chọn lọc của các bảo vệ. Xét đến các sai số đã nêu và tính đến chiều dài của vùng I, vùng II chiếm khoảng 30% đến 40% chiều dài đoạn kề. Vùng III cĩ thời gian tác động tIII dùng làm dự trữ cho các đoạn tiếp theo và bọc lấy tồn bộ những đoạn nầy. Thời gian tIII của các bảo vệ được chọn theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều. Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian rqđ thời gian tác động của các vùng cĩ thể tăng lên. Ví du, ngắn mạch ở vùng I qua rqđ, bảo vệ khoảng cách cĩ thể làm việc với thời gian của cấp II hoặc cấp III (các đường nét chấm trên hình 6.1). Sau đây xét một ví dụ cụ thể về đặc tính thời gian làm việc hình bậc thang cĩ 3 cấp của bảo vệ khoảng cách (hình 6.2). Hình 6.2 : Bảo vệ khoảng cách trong mạng hở cĩ nguồn cung cấp từ 2 phía a) Sơ đồ mạng được được bảo vệ b) Đặc tính thời gian nhiều cấp Khi xảy ra ngắn mạch ở điểm N, các bảo vệ 3 và 4 của đường dây hư hỏng BC ở gần I điểm ngắn mạch nhất (cĩ khoảng cách l3 và l4) sẽ tác động với thời gian bé nhất t . Các bảo vệ 1 và 6 cũng khởi động nhưng chúng ở xa điểm ngắn mạch hơn (l1 > l3 và l6 > l4) nên
45 chúng chỉ cĩ thể tác động như là một bảo vệ dự trữ trong trường hợp đoạn BC khơng được cắt ra bởi các bảo vệ 3 và 4. Các bảo vệ 2 và 5 cũng cách điểm ngắn mạch một khoảng l3 và l4 (giống như bảo vệ 3 và 4), muốn chúng khơng tác động thì các bảo vệ này cũng như tất cả các bảo vệ khác phải cĩ tính định hướng, bảo vệ chỉ tác động khi hướng cơng suất ngắn mạch đi từ thanh gĩp về phía đường dây được bảo vệ. Tính định hướng tác động của bảo vệ được đảm bảo nhờ bộ phận định hướng cơng suất riêng biệt hoặc là nhờ một bộ phận chung vừa xác định khoảng cách đên điểm ngắn mạch vừa xác định hướng của dịng cơng suất ngắn mạch. III. Sơ đồ bảo vệ khoảng cách: Trong trường hợp chung, bảo vệ khoảng cách cĩ các bộ phận chính như sau: * Bộ phận khởi động: cĩ nhiệm vụ : - Khởi động bảo vệ vào thời điểm phát sinh hư hỏng. - Kết hợp với các bộ phận khác làm bậc bảo vệ cuối cùng. Bộ phận khởi động thường được thực hiện nhờ rơle dịng cực đại hoặc rơle tổng trở cực tiểu. * Bộ phận khoảng cách : đo khoảng cách từ chổ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng, thực hiện bằng rơle tổng trở. * Bộ phận tạo thời gian: tạo thời gian làm việc tương ứng với khoảng cách đến điểm hư hỏng, được thực hiện bằng một số rơle thời gian khi bảo vệ cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp. * Bộ phận định hướng cơng suất: để ngăn ngừa bảo vệ tác động khi hướng cơng suất ngắn mạch từ đường dây được bảo vệ đi vào thanh gĩp của trạm, được thực hiện bằng rơle định hướng cơng suất riêng biệt hoặc kết hợp trong bộ phận khởi động và khoảng cách, nếu các bộ phận này thực hiện bằng rơle tổng trở cĩ hướng. Trên hình 6.3 là sơ đồ nguyên lí một pha của bảo vệ khoảng cách cĩ đặc tính thời gian nhiều cấp, cĩ bộ phận khởi động dịng điện, khơng cĩ các phần tử nào thực hiện chung nhiệm vụ của một số bộ phận. Bộ phận khởi động dùng rơle dịng 3RI, bộ phận định hướng cơng suất - 4RW, bộ phận khoảng cách - cấp I: 5RZ, cấp II: 6RZ, và bộ phận tạo thời gian - cấp I: 8RGT, cấp II: 10RT, cấp III: 7RT. Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, 3RI và 4RW sẽ khởi động và khép tiếp điểm của chúng, cực (+) của nguồn thao tác được đưa đến tiếp điểm của 5RZ, 6RZ và đến cuộn dây của 7RT. Nếu ngắn mạch xảy ra trong phạm vi vùng I, các rơle 5RZ, 8RGT sẽ khởi động và qua rơle 9Th sẽ đưa xung đi cắt 1MC với thời gian tI. Nếu xảy ra hư hỏng ở xa hơn trong vùng II, rơle 5RZ khơng khởi động, các rơle 6RZ và 10RT tạo thời gian tII của cấp thứ II sẽ khởi động và cho xung đi cắt 1MC qua rơle 11Th. Khi ngắn mạch xa hơn nữa trong vùng III, các rơle 5RZ và 6RZ sẽ khơng khởi động, 1MC bị cắt với thời gian tIII tạo nên bởi 7RT qua 12Th. Như vậy, trong sơ đồ đang xét bộ phận khoảng cách khơng kiểm sốt vùng III và khi ngắn mạch trong vùng đĩ bảo vệ (theo hình 6.3) sẽ làm việc như là một bảo vệ dịng cực đại cĩ hướng.
46 Hình 6.3 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ khoảng cách IV. Tổng trở trên các cực của bộ phận khoảng cách: Để thuận tiện cho tính tốn và phân tích sự làm việc của các bộ phận khoảng cách, người ta đưa ra khái niệm về tổng trở trên các cực rơle. Tổng trở giả tưởng này trong trường hợp chung khơng cĩ ý nghĩa vật lí, nĩ chính là tỷ số giữa áp UR và dịng IR đưa vào rơle. Thực tế, khái niệm này được áp dụng rộng rãi do khi chọn đúng UR & IR (ví du, áp dư của nhánh ngắn mạch và dịng gây nên áp dư đĩ) thì tổng trở giả tưởng trên các cực của rơle sẽ tỷ lệ với khoảng cách từ thanh gĩp của trạm cĩ đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch trên đường dây. Tương tự như quan hệ vật lí đặc trưng bởi tam giác điện áp rơi, người ta phân ra (hình 6.4) tổng trở giả tưởng ZR = UR/IR , điện trở giả tưởng tác dụng rR = UR/IR cosϕR và phản kháng xR =UR/IR sinϕR . Tùy thuộc vào việc thực hiện bộ phận khoảng cách mà người ta dùng một Hình 6.4 : Đồ thị vectơ áp và dịng đưa trong các đại lượng giả tưởng nĩi vào các cực của bộ phận khoảng cách trên. Các bộ phận khoảng cách và khởi động luơn luơn dùng các rơle thứ cấp mà áp và dịng đưa đến chúng thơng qua các máy biến đổi đo lường. Liên hệ giữa tổng trở sơ và thứ cấp, ví dụ đối với rơle tổng trơ, như sau : U U RT nI RS nI Z RT ==. =Z RS (6.2) I RT nU I RS nU Khi nI = nU thì Z= Z. Để đơn giản, coi tổng trở thứ cấp bằng tổng trở sơ cấp, RT RS tức là coi các hệ số biến đổi nI và nU bằng nhau (coi nI = nU = 1).
47 V. Sử dụng mặt phẳng phức tổng trở để phân tích sự làm việc của rơle tổng trở : Hình 6.5 : Biểu diễn trong mặt phẳng phức tổng trở a) tổng trở ở đầu cực rơle b) đường dây được bảo vệ Việc nghiên cứu sự làm việc của rơle tổng trở nối vào một điện áp và một dịng điện jϕR được tiến hành rất tiện lợi trong mặt phẳng phức tổng trở ZR = (UR/IR).e (hình 6.5a). Gĩc ϕR được tính từ trục (+) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, lúc đĩ vector IR xem như là gắn chặt trên trục (+). Hình chiếu của vector ZR lên trục j là thành phần phản kháng xR = ZRsinϕR và lên trục (+) là thành phần tác dụng rR = ZRcosϕR. Đường dây BC được bảo vệ cĩ tổng trở mang tính cảm, biễu diễn trong phần tư thứ 1 jϕ bằng số phức ZlBC =Z1.lBC.e l . Rơle tổng trơ đang xét đặt ở đầu đường dây BC về phía trạm B được xem như nằm ở gốc tọa độ (hình 6.5 b). Đường dây CD cĩ tổng trở ZlCD jϕ =Z1.lCD.e l nằm ở phần tư thứ 1 trên đường kéo dài của số phức ZlBC ,cịn đường dây AB jϕ cĩ tổng trở ZlAB =Z1.lAB.e l nằm ở phần tư thứ 3 trên đường kéo dài về phía ngược lại. Vùng I cuả bảo vệ đường dây BC được đặc trưng bởi tổng trở ≈ 0,85 ZlBC, khi khơng cĩ những yếu tố làm sai lệch nhiều đến sự làm việc của bảo vệ thì rơle tổng trở cần cĩ đặc tính khởi động bọc lấy số phức 0,85 ZlBC như vùng gạch chéo trên hình 6.5b. Thực tế để đảm bảo sự làm việc chắc chắn của bảo vệ, vùng khởi động của rơle tổng trở được mở rộng đáng kể (tất nhiên vị trí xác định điểm cuối của vùng bảo vệ thì khơng thể mở rộng). Đặc tính khởi động ZKĐ= f(ϕR) biễu diễn trong mặt phẳng phức là đường cong bọc lấy vùng khởi động. Theo dạng đặc tính khởi động người ta phân ra một số loại rơle tổng trở sau : V.1. Rơle tổng trở vơ hướng: ZKĐ = k = const (6.3) Đặc tính của rơle là vịng trịn cĩ tâm ở gốc tọa độ (hình 6.6 a). Trị số tổng trở khởi động của rơle này khơng phụ thuộc gĩc ϕR giữa UR và IR . V.2. Rơle tổng trở cĩ hướng cĩ đặc tính vịng trịn: ZKĐ = kcos(ϕR + α) (6.4) Đặc tính của rơle là vịng trịn đi qua gốc tọa độ (hình 6.6 b). Rơle sẽ cĩ độ nhạy lớn nhất đặc trưng bằng ZKĐmax = k khi α = -ϕR. Thường chọn α = - ϕl do vậy khi xảy ra ngắn mạch trực tiếp trên đường dây, tương ứng với ϕR = ϕl, bảo vệ sẽ cĩ độ nhạy lớn nhất.
48 Rơle định hướng cơng suất được xem như là rơle tổng trở cĩ hướng cĩ đặc tính vịng trịn với bán kính bằng vơ cùng (hình 6.6c). Đặc tính như vậy là đường thẳng qua gốc o tọa độ và tạo với trục (+) một gĩc (90 - α). Nhược điểm của rơle tổng trở cĩ hướng và rơle định hướng cơng suất là tồn tại vùng chết khơng những khi ngắn mạch ba pha mà cả khi ngắn mạch hai pha. Nguyên do là để rơle tổng trở làm việc đúng và để nhận được ZR tỷ lệ với khoảng cách đến chổ ngắn mạch, người ta đưa vào rơle dịng các pha hư hỏng và áp dư của các nhánh hư hỏng, nếu ngắn mạch trực tiếp ở gần chỗ đặt bảo vệ thì áp đưa vào rơle cĩ thể tiến đến 0. Hình 6.6 : Đặc tính khởi động của rơle tổng trở trong mặt phẳng phức a) vơ hướng b) cĩ hướng c) định hướng cơng suất d) hỗn hợp e) kết hợp rơle tổng trở cĩ hướng và hỗn hợp f ) phản kháng V.3. Rơle hỗn hợp (tác dụng - phản kháng): 1 ZkKÂ = (6.5) cos(ϕαR + ) Đặc tính của rơle là các đường thẳng cách gốc tọa độ một khoảng bằng k (đường 1 và 2 - hình 6.6d ). Đường 1 ứng với giá trị α nằm trong khoảng (-π , -π/2), đường 2 - trong khoảng (0 , π/2). Gĩc độ nhạy bé nhất của rơle là ϕR = - α. Đặc tính của rơle cắt các trục (+) và (+j) một khoảng tương ứng bằng k k va cosααsin Rơle loại này thường khơng sử dụng độc lập để làm bộ phận đo khoảng cách. Cĩ thể dùng nĩ cho bảo vệ đường dây dài tải nặng để cắt bớt một phần vùng khởi động, ví dụ như cắt bớt một phần vùng khởi động của rơle tổng trở cĩ hướng (hình 6.6 e). V.4. Rơle tổng trở phản kháng: XKĐ = k = const (6.6)
49 Đặc tính của rơle là đường thẳng song song với trục (+) (hình 6.6 f). Đây là trường hợp riêng của rơle hỗn hợp khi α = - π/2. Rơle tổng trở cĩ thể là cực đại hoặc cực tiểu. Loại rơle tổng trở cực tiểu thích hợp hơn để làm bộ phận khởi động và khoảng cách. Chế độ làm việc của đường dây được bảo vệ cĩ thể đặc trưng bằng tổng trở phức ZR trên đầu cực rơle tổng trở. Số phức ZR này được biểu diễn ở một vị trí xác định trên mặt phẳng phức tổng trở. Vì vậy phân tích sự làm việc của rơle tổng trở nối vào một áp và một dịng cĩ thể thực hiện bằng phương pháp đồ thị khi so sánh vùng cĩ chứa ZR với vùng khởi động của bảo vệ. VI. Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp dây và hiệu dịng pha : Tổ hợp các dịng và áp ở đầu cực của 3 rơle tổng trở nối theo sơ đồ hình 6.9 được đưa ra trong bảng 6.1 Khi N(3) tai điểm N (hình 6.10) cách chổ đặt bảo vệ một khoảng l, ta cĩ : ()3 (3) ()3 ()3 ()3 ()3 UR IR = 33IU,.RR==I.Z1.l,Z ()3 =Zl1. I R Trong đĩ: Z1 - tổng trở thứ tự thuận của 1 Km đường dây quy về phía thứ cấp của các máy biến đổi đo lường theo (6.2). Khi N(2) , ví dụ B và C, chỉ cĩ rơle 2RZ nhận điện áp của nhánh ngắn mạch là làm việc đúng. Đối với nĩ : (22) () ()22() ()2 ()2 (3) IIRR2 ==22,,U2 Ubc=IZ12lZR=Z1l=ZR Hình 6.9 : Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp dây và hiệu dịng pha a) khi các BI nối ∆ b) khi dùng BI trung gian khơng bảo hịa Bảng 6.1 . . Rơle I R UR . 1RZ IIab− Uab . 2RZ IIbc− Ubc . 3RZ IIca− Uca
50 Đưa vào đầu cực các rơle 1RZ và 3RZ là dịng điện I(2) và điện áp lớn hơn (2) Ubc . Vì vậy, tổng trở trên các cực của rơle 1RZ và 3RZ tăng lên và bảo vệ sẽ khơng tác động nhầm. Khi ngắn mạch 2 pha chạm đất (ví dụ B và C) trong mạng cĩ dịng chạm đất Hình 6.10 : Ngắn mạch trên đường lớn, cũng chỉ cĩ 2RZ làm việc đúng. Đối dây với nĩ: được bảo vệ . (,11) . (,11) (,11) UUR2 =−bcU . (,11) . (,11) . (,11) UIbb=+ ZlIc .Z.l trong đĩ : L M . (,11) . (,11) . (,11) UIcc=+ ZL lIb .ZM .l Khi thay ZL - ZM = Z1, ta cĩ : . (,11) . (,11) IIbc− (,11) (,11) U R2 (3) Z R2 == Zl11==Zl ZR (,11) . (,11) . (,11) I R2 IIbc− Như vậy, sơ đồ đang xét đảm bảo tổng trở ZR giống nhau đối với tất cả các dạng ngắn mạch nhiều pha ở một điểm. Sơ đồ nối rơle vào hiệu dịng pha cịn được thực hiện qua máy biến dịng trung gian khơng bảo hịa cĩ 2 cuộn sơ (hình 6.9b). Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ là phải dùng 3 rơle tổng trở chỉ để chống ngắn mạch nhiều pha ở một điểm. Để khắc phục, người ta dùng chỉ 1 rơle tổng trở và thiết bị tự động chuyển mạch áp và dịng đối với các dạng ngắn mạch khác nhau. VII. Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp pha và dịng pha cĩ bù thành phần thứ tự khơng - Sơ đồ bù dịng : Tổ hợp các dịng và áp ở đầu cực ba rơle tổng trở cho trong bảng 6.2. Khi N(1) chạm đất, ví dụ pha A, tại điểm N của đường dây (hình 6.10), chỉ cĩ rơle 1RZ (hình 6.11) nối vào áp của nhánh ngắn mạch Ua là tác động đúng. Với: UUa =+12U+U0 Ap của một thứ tự bất kỳ được xác định bằng tổng của áp ở điểm ngắn mạch N và áp rơi trên chiều dài l, vídụ: UU00=+N I0Z0l . . . . Vì vậy: UaN=+U11IZ1lU+22N+IZ2lU+00N+IZ0l . Tổng UUUNN=+12N+U0N=0 vì đĩ là áp tại điểm hư hỏng. Đối với đường dây thì Z1 = Z2 . Do vậy :
51 . . UIa =+1 Z1lI2 Z1l+I0 Z0l . =+I1 Z1l I2 Zl1 +I0 Z0l+()I0 Zl1 −I0 Z1l =+IZa 1l I0()Z01−Zl. Hình 6.11 : Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp pha và dịng pha cĩ bù thành phần dịng điện thứ tự khơng Bảng 6.2 Rơle IR UR . 1RZ Ia+ k.I0 Ua . 2RZ Ib + k.I0 Ub . 3RZ Ic+ k.I0 Uc . Z0− Z1 Nếu chon hệ số bù k = . thì tổng trở trên các cực của rơle 1RZ sẽ là: Z1 . . . ZZ01− I a + . I 0 Ua Z Z()1 = = 1 .Zl= Zl R1 11 Ika + I0 Ika + I0 Tổng trở trên các cực của rơle tổng trở 2RZ , 3RZ của các pha khơng hư hỏng tăng lên, vì vậy bảo vệ sẽ khơng tác động nhầm. Gĩc tổng trở Z0 và Z1 là khơng như nhau, do vậy trong trường hợp tổng quát hệ số k là một số phức. Để thuận tiện, người ta bỏ qua sự khác biệt của gĩc tổng trở Z1, Z0 và chọn k = (Z0-Z1)/Z1 hay k =(x0-x1)/x1. Trường hợp này tương ứng với sơ đồ hình 6.11, rơle tổng trở được cung cấp bằng dịng điện qua BI trung gian khơng bão hịa. Ví dụ : lấy Z0 ≈ 3,5Z1 (đối với đường dây trên khơng cĩ dây chống sét), ta sẽ cĩ k = 2,5. Để tạo nên lực từ hĩa tổng tỷ lệ với Ip + kI0, quan hệ của số vịng Wp và W0 của hai cuộn sơ cĩ dịng Ip và 3I0 cần phải tương ứng với biểu thức : Wp : W0 = 1 : k/3 ≈ 1 : 0,83.
52 Sơ đồ cĩ thể tác động đúng khơng những khi ngắn mạch một pha mà cả khi ngắn mạch hai pha chạm đất và khi chạm đất kép ở các phần tử cĩ I0 ≠ 0 trong mạng cĩ dịng chạm đất bé. Để kết luận, cần lưu ý rằng khi loại trừ sự bù dịng khỏi sơ đồ đã xét trên, tức là IR là dịng pha thì : ZR = Z1.l + (I0/IR).(Z0 - Z1).l . Lúc đĩ tổng trở ZR phụ thuộc khơng những vào khoảng cách l mà cịn vào tỷ số I0/Ip. Tỷ số này cĩ thể thay đổi trong phạm vi rộng khi thay đổi chế độ làm việc của hệ thống. Chính điều đĩ làm cho hạn chế khả năng ứng dụng của sơ đồ. VIII. Sơ đồ sử dụng một rơle tổng trở cĩ chuyển mạch ở mạch điện áp để tác động khi ngắn mạch nhiều pha : Sơ đồ được thực hiện nhờ rơle tổng trở 1RZ nối vào hiệu dịng hai pha (theo hình 6.12, IIRa=−Ic) và điện áp tỷ lệ hoặc bằng áp dư của nhánh ngắn mạch khi ngắn mạch giữa các pha. Các bộ phận khởi động dịng 2RI và 3RI nối vào dịng pha làm nhiệm vụ xác định dạng ngắn mạch và tự chuyển mạch điện áp. (3) (2) Khi N hay N AC, rơle 2RI và 3RI khởi động đưa áp Uac đến rơle 1RZ. Vì vậy: ()3 3IZ1l Z()3 ==Zl. R 3I ()3 1 2IZ()2 l Z()2 ==1 Zl. Rac 2I ()2 1 ()2(2) Khi NAB , NBC đưa đến 1RZ là dịng 1 pha, tương ứng là IIac, − . Để ZR cĩ được giá trị tỷ lệ với khoảng cách l, áp đưa đến rơle phải giảm 2 lần nhờ điện trở phụ (hình 6.12a) hoặc biến áp tự ngẫu (hình 6.12b). Sơ đồ hình 6.12b cần thiết đối với những rơle tổng trở làm việc theo cả giá trị và gĩc lệch pha giữa UR và IR (ví dụ rơle tổng trở cĩ hướng, hình 6.6b). Hình 6.12 : Sơ đồ nối một rơle tổng trở cĩ chuyển mạch ở mạch điện áp để tác động khi ngắn mạch giữa các pha. a. dùng điện trở phụ b. dùng biến áp tự ngẫu (2) Như vậy, khi N AB ta cĩ:
53 ()2 ()2 ()2 05, Uab 2IZa 1l Z Rab ==()2 05, ()2 =Zl1 I a I a Như vậy, cĩ thể đảm bảo ZR như nhau đối với tất cả những dạng ngắn mạch giữa các (2) (2) pha. Tuy nhiên , khi N AB hoặc N BC thì dịng phụ tải qua pha khơng hư hỏng (tương ứng là dịng pha C hoặc A) sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của rơle. Trị số ZR cũng cĩ thể sai lệch do bộ phận khởi động làm việc khơng đúng (chỉ cĩ một rơle RI khởi động) trong trường hợp dịng ngắn mạch gần với dịng khởi động của chúng. Lúc đĩ, tổng trở ZR cĩ thể giảm nhiều do đưa tới rơle tổng trở một điện áp giảm thấp (trường hợp giới hạn giảm hai lần). Ưu điểm của sơ đồ là tương đối đơn giản và chỉ dùng một rơle tổng trở. Tuy nhiên, xét đến những nhược điểm nêu trên và nhiều nhược điểm khác, sơ đồ chỉ hạn chế áp dụng, chẳng hạn như, cho bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha đường dây cụt. IX. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ khoảng cách: IX.1. Ảnh hưởngcủa điện trở quá độ đến đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách : Anh hưởng của điện trở quá độ rqđ đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách được xét đối với mạng hở cĩ nguồn cấp từ hai phía (hình 6.13) Ở đầu cực rơle tổng trở đặt ở đường dây AB về phía trạm A (ví du, nối với áp dây và (2) hiệu dịng pha) khi N qua rqđ ở đầu đường dây BC sẽ cĩ tổng trở bằng : . . Ud IZNAB 1lAB + IN rqâ I N Z RA ==. . =+Zl1 AB . rqâ I d I NAB I NAB (6.13) I N jα =+Zl1 AB reqâ I NAB trong đĩ: α - gĩc lệch pha giữa dịng IN ở điểm hư hỏng và dịng INAB. Hình 6.13 : Ảnh hưởng của điện trở quá độ đến sự làm việc của rơle tổng trở. a) sơ đồ mạng b) tổng trở ở đầu cực rơle
54 Tương tự đối với rơle tổng trở nối vào đường dây BC về phía trạm C khi hư hỏng ở cùng điểm đĩ : . I N I N jβ ZZRC =+1lBC . rZqâ =1lBC +reqâ I NBC I NBC β - gĩc lệch pha giữa dịng IN và dịng INBC trong đường dây BC, nếu β dương và IN vượt trước INBC , thì gĩc α sẽ âm vì IN chậm sau INAB . Tổng trở ở đầu cực rơle của đường dây BC đặt về phía trạm B, dù khoảng cách từ nĩ đến điểm ngắn mạch bằng 0, vẫn cĩ một giá trị hữu hạn: . I N Z RB = . rqâ I NAB Các biểu thức nĩi trên cho thấy điện trở qúa độ rqđ trong trường hợp chung làm sai lệch sự làm việc của các rơle tổng trở, tổng trở ZR ở đầu cực của chúng sẽ khơng cịn tỷ lệ với khoảng cách l đến điểm hư hỏng. Tổng trở ở đầu cực rơle tăng lên do rqđ làm cho điểm ngắn mạch như là lùi xa hơn và bảo vệ cĩ thể tác động với thời gian lớn hơn của cấp sau, ví dụ cấp II thay vì cấp I. Như vậy, do ảnh hưởng của rqđ bảo vệ khoảng cách sẽ cĩ thể tác động chậm hơn nhưng vẫn khơng mất tính chọn lọc. IX.2. Ảnh hưởng của trạm trung gian: Trên hình 6.17a là một phần của mạng điện, xét ngắn mạch xảy ra ở đoạn BD cách thanh gĩp B một khỏang l. Qua các đoạn AB và CB cĩ dịng IAB và ICB. Dịng ngắn mạch trên đoạn hư hỏng BD là: IIBD =+AB ICB Khi ngắn mạch nhiều pha, tổng trở ở đầu cực rơle tổng trở đặt về phía trạm A của đường dây AB là : . IZAB 11lAB + IBD Zl I BD Z RA = . =+Zl11 AB . Zl. I AB I AB (6.14) 1 =+Zl11 AB . Zl. K I trong đĩ: KIIA= B/ IBD Như vậy, tổng trở ở đầu cực rơle A được xác định khơng những bằng vị trí của điểm hư hỏng, mà cịn bằng hệ số phân bố dịng, hệ số này đặc trưng cho phần dịng của đoạn hư hỏng đi qua đoạn khơng hư hỏng. Trong tính tốn thực tế, thường bỏ qua gĩc lệch pha giữa các dịng và coi KI là số thực. Lúc ấy, nếu KI 1, ví dụ khi đường dây đơn nối với hai đường dây song song (hình 6.17b), bảo vệ A cĩ thể tác động nhầm; để đảm bảo tác động chọn lọc của bảo vệ A trong trường hợp này, tổng trở khởi động của rơle tổng trở cấp II cần được tính chọn cĩ xét đến sự giảm thấp của ZRA do ảnh hưởng của trạm trung gian.
55 Hình 6.17 : Anh hưởng của hệ số phân bố dịng KI đến sự làm việc của rơle tổng trở đặt tại trạm A. a) KI 1 IX.3. Ảnh hưởng của tổ nối dây máy biến áp: Khi giữa chỗ nối bảo vệ và điểm ngắn mạch cĩ thêm các máy biến áp cĩ tổ nối dây Y/Y (hay máy biến áp tự ngẫu), rơle tổng trở sẽ làm việc đúng, chỉ khác là giá trị ZR ở đầu cực rơle là tổng của tổng trở các đoạn đường dây và các máy biến áp tương ứng. Vấn đề đáng quan tâm ở đây là trường hợp các máy bién áp cĩ tổ nối dây Y/∆ hoặc ∆/Y, chúng sẽ cĩ ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của các rơle tổng trở khi xảy ra ngắn mạch hai pha. Hình 6.18 : Anh hưởng của máy biến áp cĩ tổ nối dây Y/∆ đến sự làm việc của rơle tổng trở. Khi ngắn mạch giữa các pha A và C sau máy biến áp nối Y/∆ -11 (hình 6.18), ta cĩ thể tính được tổng trở ở đầu cực các rơle nối vào dịng và áp giữa các pha đặt trên đường dây về phía nguồn cung cấp như sau : ZRab = ∞ (dịng các pha A,B bằng nhau, Iab = 0) 3 ZRbc = Z1l + ZB - j ()ZZ++lZ 3 21HB 3 ZRca = Z1l + ZB + j ()ZZ++lZ 3 21HB trong đĩ :Z2H - tổng trở thứ tự ngịch của nguồn cung cấp ZB - tổng trở của máy biến áp Z1l - tổng trở đường dây (coi Z1 = Z2). Các biểu thức trên cho thấy, rơle tổng trở của bảo vệ đường dây cĩ ZR tăng lên (so với Z1l + ZB) và bảo vệ sẽ khơng tác động nhầm.
56 IX.4. Ảnh hưởng của sai số BI và BU: Sai số của BI là do mạch từ BI bị bảo hịa, làm giảm dịng thứ cấp so với giá trị xác định theo tỷ số biến đổi định mức. Điều đĩ làm giảm chiều dài vùng bảo vệ. Vì vậy, BI được kiểm tra theo đường cong sai số 10% đối với giá trị cực đại của dịng điện khi ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ thứ nhất. Sai số về áp được quyết định bởi độ chính xác của bản thân BU cũng như do áp rơi trên các dây nối. Thường dùng các BU cĩ cơng suất khá lớn, sai số của chúng nằm trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, nếu từ BU đến chổ đặt bảo vệ cĩ khoảng cách lớn thì thường phải dùng các dây dẫn phụ tiết diện lớn để giảm tổn thất điện áp trong chúng. X. Đánh giá và lãnh vực ứng dụng của bảo vệ khoảng cách : X.1. Tính chọn lọc : Theo nguyên tắc tác động của mình, bảo vệ đảm bảo cắt chọn lọc hư hỏng trong các mạng cĩ hình dáng bất kỳ với số nguồn cung cấp tùy ý. X.2. Tác động nhanh : Tác động khơng thời gian chỉ được thực hiện đối với cấp I của bảo vệ, bao bọc khơng quá 85% chiều dài phần tử được bảo vệ. Khi tính đến tác động của các bảo vệ về hai phía của đường dây, sẽ cĩ khơng ít hơn 30% chiều dài của đường dây mà khi hư hỏng xảy ra trong đĩ được cắt về một trong hai phía với thời gian của cấp II (thường là vào khoảng 0,5 sec). Thời gian cắt ngắn mạch kéo dài như vậy, dù là ngắn mạch ở xa thanh gĩp của trạm, đơi khi là khơng cho phép. Để đánh giá khả năng cho phép cắt ngắn mạch với thời gian làm việc của cấp II, cĩ thể sử dụng tiêu chuẩn điện áp dư Udư trên thanh gĩp của trạm. Cắt với thời gian cấp II được coi là cho phép, nếu trong tình trạng cắt khơng đồng thời ngắn mạch 3 pha (hình 6.27) ở đầu vùng II của bảo vệ cĩ : ()3 ()3 UZdỉ =≥08,.5 3.1.l.IN 0,6.Uâm X.3. Độ nhạy : Độ nhạy của bảo vệ trước hết được xác định bởi các bộ phận khởi động của nĩ. Trong đa số trường hợp, độ nhạy đối với ngắn mạch trên đoạn được bảo vệ là đảm bảo được. Tuy nhiên, độ nhạy của bảo vệ khi làm nhiệm vụ dự trữ cho các hư hỏng ở đoạn kề cĩ thể khơng đạt yêu cầu. Hình 6.27 : Điều kiện tính tốn để kiểm tra điện áp dư khi cĩ ngắn mạch trong mạng điện
57 X.4. Tính đảm bảo : Ngay cả những sơ đồ bảo vệ hiện đại đều bao gồm một số lượng đáng kể các bộ phận phức tạp cần thiết cho việc khởi động nhằm để bảo vệ làm việc đúng đắn. Điều đĩ sẽ làm phức tạp sự vận hành các bảo vệ và cĩ thể làm mất khả năng làm việc đúng đắn của bảo vệ. Mặc dù cĩ một số nhược điểm đã phân tích ở trên, nguyên tắc khoảng cách vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế để thực hiện các bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha. Điều này được giải thích là do chỉ cĩ sử dụng nguyên tắc này mới cĩ thể thực hiện được các bảo vệ cắt chọn lọc các đoạn đường dây và thanh gĩp của các trạm kề khi ngắn mạch nhiều pha trong các mạng cĩ hình dáng bất kỳ. Bảo vệ khoảng cách cũng được dùng làm dự trữ khi sử dụng các bảo vệ dọc (như bảo vệ so lệch dọc, bảo vệ tần số cao) làm nhiệm vụ bảo vệ chính tác động khơng thời gian trên tồn bộ chiều dài của phần tử được bảo vệ.
58 Chương 7 : BẢO VỆ TẦN SỐ CAO VÀ VƠ TUYẾN I. Các phương pháp thực hiện bảo vệ dọc: Muốn cắt nhanh đường dây bị hư hỏng cĩ thể sử dụng bảo vệ dọc dựa trên nguyên tắc so sánh các đại lượng điện ở hai đầu của đường dây. Việc liên lạc giữa hai đầu đường dây cĩ thể thực hiện bằng dây dẫn phụ, kênh tần số cao, kênh vơ tuyến Bảo vệ dọc thực hiện SO SÁNH TRỰC TIẾP các đại lượng ở hai đầu đường dây nếu các đại lượng cần so sánh được truyền qua kênh liên lạc, và SO SÁNH GIÁN TIẾP nếu truyền qua kênh liên lạc là các tín hiệu khĩa hoặc cho phép tác động. Bảo vệ dịng so lệch dùng dây dẫn phụ (chương 5) là một loại bảo vệ dọc trong đĩ so sánh trực tiếp dịng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ. Trong mạng điện áp cao, bảo vệ khoảng cách và bảo vệ dịng cĩ hướng thường khơng đảm bảo yêu cầu tác động nhanh. Các bảo vệ so lệch dọc dùng dây dẫn phụ khi xét về mặt kinh tế - kỹ thuật chỉ được dùng đối với đường dây cĩ chiều dài ngắn. Ở mạng 110KV trở lên, người ta sử dụng BẢO VỆ TẦN SỐ CAO, đĩ là loại bảo vệ dọc mà việc liên lạc giữa hai đầu đường dây được thực hiện bằng tín hiệu tần số cao (khoảng 50 ÷ 300 KHz) truyền theo dây dẫn của chính đường dây đĩ. Cĩ nhiều phương pháp thực hiện bảo vệ tần số cao. Những phương pháp chủ yếu là : 1) BẢO VỆ TẦN SỐ CAO CĨ HƯỚNG :dựa vào việc so sánh gián tiếp dấu cơng suất ở hai đầu đường dây. 2) BẢO VỆ SO LỆCH PHA : dựa vào việc so sánh trực tiếp gĩc pha của dịng điện ở hai đầu đường dây được bảo vệ. BẢO VỆ VƠ TUYẾN là loại bảo vệ dọc mà liên lạc giữa các đầu đường dây được thực hiện bằng tín hiệu vơ tuyến sĩng cực ngắn. Các loại bảo vệ cĩ hướng và so lệch pha nĩi trên nếu khơng dùng kênh liên lạc tần số cao, mà là kênh vơ tuyến thì chúng sẽ khơng phải là bảo vệ tần số cao, mà là bảo vệ vơ tuyến. Do tính chất khác nhau của kênh tần số cao và kênh vơ tuyến nên sơ đồ thực hiện của các bảo vệ tương ứng cũng khác nhau. Trường hợp tổng quát kênh tần số cao và vơ tuyến cĩ thể được dùng để truyền tín hiệu KHĨA hoặc CHO PHÉP. Khi cĩ tín hiệu khĩa từ đầu kia của đường dây truyền đến, thì bảo vệ ở đầu này sẽ bị ngăn cấm tác động và ngược lại, nhận được tín hiệu cho phép sẽ làm cho bảo vệ cĩ thể tác động và cắt ngắn mạch. Tín hiệu cĩ thể truyền qua kênh liên lạc một cách liên tục hoặc chỉ vào lúc phát sinh ngắn mạch. Trên hình 7.1 là sơ đồ mạng điện được bảo vệ bằng các bảo vệ dọc. Các nửa bộ bảo vệ được đặt ở hai đầu mỗi đoạn đường dây. Giả sử xét ngắn mạch ở điểm N trên đoạn BC. Khi sử dụng bảo vệ tần số cao cĩ tín hiệu cho phép thì trên đoạn hư hỏng tín hiệu phải truyền qua chỗ ngắn mạch. Lúc ấy độ tin cậy tác động của bảo vệ cĩ thể bị giảm thấp. Nếu sử dụng tín hiệu khĩa, thì trên đọan khơng hư hỏng AB và CD tín hiệu được truyền đi một cách chắc chắn. Cịn ở đoạn hư hỏng BC lúc này khơng yêu cầu phải truyền tín hiệu khĩa và bảo vệ của đoạn này sẽ đảm bảo khởi động được. Như vậy, đối với bảo vệ tần số cao thì sử dụng tín hiệu khĩa sẽ hợp lí hơn.
59 Hình 7.1: Mạng cĩ nguồn cung cấp từ hai phía được bảo vệ bằng bảo vệ dọc Kênh vơ tuyến khơng cĩ những nhược điểm nêu trên, do vậy cĩ thể được sử dụng để truyền tín hiệu khĩa cũng như tín hiệu cho phép. Kênh vơ tuyến và kênh tần số cao cũng cĩ thể sử dụng đồng thời cho bảo vệ rơle, điều khiển xa, đo lường xa và thơng tin liên lạc. II. Bảo vệ cĩ hướng cĩ khĩa tần số cao: II.I. Nguyên tắc làm việc: Bảo vệ cĩ hướng và cĩ khĩa làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh gián tiếp hướng (dấu) của cơng suất ngắn mạch ở hai đầu đoạn đường dây được bảo vệ. Bảo vệ chỉ tác động khi cơng suất ngắn mạch ở hai đầu đường dây cĩ hướng từ thanh gĩp vào đường dây (đối với cơng suất thứ tự nghịch và thứ tự khơng - từ đường dây vào thanh gĩp) Xét sơ đồ mạng điện hình 7.4, giả sử ngắn mạch tại điểm N trên đoạn đường dây BC. Ở cả hai phía của đoạn này cơng suất ngắn mạch cĩ hướng từ thanh gĩp về phía đường dây (đến chỗ ngắn mạch). Các bảo vệ 3,4 sẽ khơng gửi tín hiệu khĩa đi và sẽ tác động cắt khơng thời gian máy cắt hai đầu đoạn BC. Ở các đoạn AB, CD khơng hư hỏng, cơng suất một phía cĩ hướng từ đường dây vào thanh gĩp. Các bảo vệ 2 và 5 sẽ xác định cơng suất ngược hướng nên chúng khơng tác động, đồng thời sẽ gửi tín hiệu khĩa đến các bảo vệ 1 và 6 ở đầu kia của đường dây làm cho các bảo vệ 1 và 6 cũng khơng tác động được. Hình 7.4: Mạng cĩ nguồn cung cấp từ hai phía được bảo vệ bằng bảo vệ cĩ hướng cĩ khĩa Theo nguyên tắc làm việc, bảo vệ đảm bảo tác động chọn lọc mà khơng yêu cầu phải phối hợp về thời gian với các bảo vệ khác. Do vậy bảo vệ được thực hiện để làm việc khơng thời gian. Đây là loại bảo vệ cĩ tính chọn lọc tuyệt đối, nên khơng thể sử dụng để làm dự trữ khi ngắn mạch ở phần tử kề. II.2. Sơ đồ thực hiện bảo vệ: Xét sơ đồ bảo vệ như hình 7.5, trong sơ đồ này các bộ phận chính của bảo vệ cĩ thể nối vào dịng và áp pha tồn phần hoặc các thành phần đối xứng của chúng. Đối với mỗi nữa bộ bảo vệ, bộ phận khởi động gồm hai rơle dịng: 1RI và 2RI cĩ độ nhạy khác nhau. Rơle 1RI cĩ dịng khởi động bé hơn, làm nhiệm vụ khởi động máy phát tín hiệu khĩa tần số cao. Rơle 2RI để tác động cắt máy cắt thơng qua rơle định hướng cơng suất 3RW, và các rơle trung gian 4RG, 6RG. Rơle 4RG cĩ hai cuộn dây: làm việc và hãm. Cuộn làm việc nhận nguồn thao tác khi rơle 2RI và 3RW khởi động. Cuộn hãm được cấp dịng chỉnh lưu từ máy thu tần số cao khi cĩ tín hiệu khĩa tần số cao ở đầu vào của nĩ. Rơle 4RG tác động khi chỉ cĩ dịng trong cuộn làm việc. Khi cĩ dịng trong cuộn hãm hoặc trong cả hai cuộn dây thì rơle 4RG sẽ