Tai Lieu Dao Tao Chuyen de - Role Bao Ve Trong HTD - EVN (07.2020) [PDF]

Zitiervorschau

CÔNG TY CỔ PHẦN ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - VIỄN THÔNG VIỆT NAM P&3T

Địa chỉ: Số 52/68/66 Đường Ngọc Lâm - Q. Long Biên - TP. Hà Nội Tel: 024 - 3873 6768 Email: [email protected] Fax: 024 - 3650 3404 Homepage: http://www.p-3t.com

TÀI LIỆU ĐÀO TẠO CHUYÊN ĐỀ

‘‘RƠLE BẢO VỆ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN’’ (Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam - Năm: 2020)

Tổng Giám đốc

ThS. Nguyễn Xuân Đạo

Hà Nội, 07/2020

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC

1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

13

Chương 1. MÁY BIẾN DÒNG & MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP DÀNH CHO

15

HỆ THỐNG RƠ LE BẢO VỆ I.1. Tổng quan chung về máy biến dòng điện

15

I.1.1. Nhiệm vụ của máy biến dòng điện

15

I.1.2. Nguyên lý làm việc của máy biến dòng điện

16

I.1.3. Sai số của máy biến dòng điện

16

I.1.4. Hệ số giới hạn dòng điện theo độ chính xác của máy biến dòng điện

17

I.1.5. Thông số của máy biến dòng điện

17

I.2. Hiện tượng hở mạch và bão hòa máy biến dòng điện

22

I.2.1. Nguyên lý hoạt động của BI

22

I.2.2. Tại sao BI bị bão hòa

22

I.2.2.1. Bão hòa đối xứng

24

I.2.2.2. Bão hòa không đối xứng

25

I.2.2.3. Ảnh hưởng của từ dư

27

I.3. Lựa chọn máy biến dòng điện có xét tới hiện tượng bão hòa I.3.1. Tiêu chí lựa chọn để BI không bão hòa với dòng sự cố đối

28 30

xứng I.3.2. Tiêu chí lựa chọn để BI không bão hòa với dòng sự cố không đối xứng

30

I.4. So sánh biến dòng điện theo các tiêu chuẩn IEC và ANSI

31

I.5. Cực tính và nối đất của BI

32

I.5.1. Qui ước cực tính của BI

32

I.5.2. Qui định về nối đất BI

33

I.5.3. So sánh đặc tính của biến dòng dùng cho mục đích đo đếm và rơle bảo vệ

34

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

1 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

I.6. Đặc tính của các biến điện áp dùng cho mục đích bảo vệ rơ le

34

I.6.1. Biến điện áp dùng cho mục đích bảo vệ rơ le

34

I.6.2. Hệ số giới hạn điện áp định mức

35

I.6.3. Tải và cấp chính xác

36

I.7. Biến dòng quang và biến dòng kiểu Rogowski

38

I.7.1. Biến dòng quang (Optical Current Transformers)

38

I.7.2. Biến dòng kiểu Rogowski

42

I.8. Đo lường các thành phần dòng điện và điện áp thứ tự không I.8.1. Nguyên lý đo lường thành phần dòng điện thứ tự không

44 44

(I0) I.8.2. Phương thức đo lường điện áp thứ tự không (U0)

45

Chương 2. CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

46

II.1. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện/ quá dòng điện có hướng

46

II.1.1. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51)

46

II.1.2. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50)

49

II.1.3. Nguyên lý bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N)

52

II.1.4. Nguyên lý bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46)

52

II.1.5. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện có hướng (67)

53

II.1.5.1. Giới thiệu chung

53

II.1.5.2. Sơ đồ đấu nối phần tử định hướng công suất

54

II.1.5.3. Đặc tính hoạt động của rơle định hướng công suất

55

II.1.5.4. Tại sao đặc tính góc θ được sử dụng

56

II.1.6. Nguyên lý hoạt động của bảo vệ quá dòng TTK có hướng (67N)

58

II.1.6.1. Đặc tính hoạt động của rơle định hướng công suất TTK

59

II.1.6.2. Xác định đặc tính góc rơle định hướng công suất TTK cho lưới điện có trung tính cách điện

59

II.1.6.3. Xác định đặc tính góc cho rơle định hướng công suất TTK với lưới điện có trung tính nối đất trực tiếp

62

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

2 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

II.2. Nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện

63

II.2.1. Bảo vệ so lệch dòng điện pha (87)

63

II.2.1.1. Nguyên lý cơ bản

63

II.2.1.2. Nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện có hãm

65

II.2.1.3. Đặc tính làm việc của rơle bảo vệ so lệch dòng điện có hãm

70

II.2.2. Bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự nghịch (87Q)

73

II.2.2.1. Phương pháp tính toán dòng so lệch

74

II.2.2.2. Phương pháp tính toán dòng điện hãm

75

II.2.3. Bảo vệ so lệch tổng trở cao (87H)/ Bảo vệ so lệch tổng trở cao với CT khác tỷ số biến

78

II.2.4. Bảo vệ so sánh pha dòng điện

82

II.2.4.1. Nguyên lý hoạt động

82

II.2.4.2. Đặc điểm của nguyên lý bảo vệ so sánh pha dòng điện

84

II.3. Bảo vệ tổng trở thấp (Bảo vệ khoảng cách)

84

II.3.1. Nguyên lý bảo vệ khoảng cách (21)

84

II.3.2. Giá trị khởi động của các rơle bảo vệ khoảng cách

86

II.3.3. Đặc tính làm việc của các rơle bảo vệ khoảng cách

86

II.3.4. Các dạng đặc tính thường gặp

87

II.4. Bảo vệ dựa trên nguyên lý xếp chồng (Superimposed quantities hoặc Incremental quantity-based protection) Chương 3. BẢO VỆ CÁC MÁY BIẾN ÁP LỰC

88 92

III.1. Giới thiệu chung

92

III.2. Các loại sự cố có thể xảy ra với máy biến áp

93

III.3. Bảo vệ quá dòng điện cho các máy biến áp lực (Phương thức chỉnh định)

94

III.3.1. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50)

94

III.3.2. Bảo vệ quá dòng cho cuộn dây thứ ba (Cuộn tam giác)

95

III.3.3. Bảo vệ quá dòng có thời gian (Dự phòng)

96

III.3.4. Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (TTN)

96

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

3 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

III.4. Bảo vệ so lệch dòng điện cho các máy biến áp

96

III.4.1. Các vấn đề liên quan tới bảo vệ so lệch cho máy biến áp Phương thức xử lý trong các rơle phổ biến

96

III.4.1.1. Ảnh hưởng của tổ đấu dây máy biến áp

96

III.4.1.2. Ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không khi có chạm đất ngoài vùng

97

III.4.1.3. Ảnh hưởng của tỷ số biến dòng các phía không phù hợp

97

III.4.1.4. Ảnh hưởng của dòng từ hóa khi đóng máy biến áp

98

không tải III.4.2. Hiện tượng bão hòa máy biến dòng & Phương pháp chống tác động nhầm trong các rơle phổ biến

102

III.4.3. Hãm theo sóng hài và hiện tượng xung kích đồng điệu (Sympathetic inrush current)

106

III.5. Bảo vệ các máy biến áp tự ngẫu và tổ 3 máy biến áp một pha III.5.1. Bảo vệ dựa trên cân bằng số Ampe-vòng

108 110

III.5.1.1. Bảo vệ các MBA tự ngẫu với cuộn tam giác không mang tải hoặc tải nhẹ

110

III.5.1.2. Bảo vệ các MBA tự ngẫu với cuộn tam giác mang tải

111

III.5.1.3. Trường hợp MBA tự ngẫu được ghép từ 3 MBA một pha

111

III.5.2. Bảo vệ dựa trên định luật Kirchhoff 1

114

III.6. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế 87N (Restricted Earth FaultREF)

116

III.6.1. Lý do sử dụng chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế

116

III.6.2. Chỉnh định và nguyên lý hoạt động của bảo vệ chống chạm đất hạn chế

117

III.7. Bảo vệ so lệch tổng trở cao cho chức năng REF

118

III.8. Bảo vệ chống quá tải (49)

119

III.9. Bảo vệ chống quá kích mạch từ (24)

123

III.10. Bảo vệ các máy biến áp zig - zag

125

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

4 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

III.11. Các bảo vệ khác của máy biến áp

128

III.11.1. Rơle hơi (Rơle Buchholz) và rơle dòng dầu

128

III.11.2. Rơle áp lực

130

III.11.3. Thiết bị chỉ báo mức dầu

131

III.11.4. Thiết bị chỉ báo nhiệt độ dầu và nhiệt độ cuộn dây

132

III.11.4.1. Vai trò và phân loại thiết bị chỉ báo nhiệt độ cho MBA

132

III.11.4.2. Cấu trúc của thiết bị chỉ báo nhiệt độ dầu

133

III.11.4.3. Thiết bị chỉ báo nhiệt độ cuộn dây

135

III.11.4.4. Thiết bị chỉ báo nhiệt độ từ xa

136

Chương 4. BẢO VỆ CÁC ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP VÀ CÁP ĐIỆN

137

IV.1. Bảo vệ quá dòng/ quá dòng có hướng cho các đường dây truyền tải/ Bảo vệ chống tụt lèo (46BC)

137

IV.1.1. Bảo vệ quá dòng/ quá dòng có hướng cho các đường dây truyền tải

137

IV.1.2. Bảo vệ chống tụt lèo (46BC)

137

IV.2. Bảo vệ so lệch dọc cho các đường dây truyền tải

140

IV.2.1. Những vấn đề thực tế khi áp dụng nguyên lý so lệch dòng điện

140

IV.2.1.1. Giới thiệu chung

140

IV.2.1.2. Bảo vệ so lệch dùng phương pháp so sánh điện tích (Charge Comparison)

141

IV.2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch dọc đường dây

143

IV.2.2. Bảo vệ so lệch dọc cho đường dây với sơ đồ thanh góp 1½

151

IV.2.3. Những vấn đề thực tế khi áp dụng nguyên lý bảo vệ so sánh pha dòng điện

156

IV.3. Bảo vệ khoảng cách cho các đường dây truyền tải

158

IV.3.1. Những vấn đề thực tế khi áp dụng nguyên lý bảo vệ tổng

158

trở IV.3.1.1. Ảnh hưởng của điện trở quá độ tại điểm sự cố Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

158 5

Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

IV.3.1.2. Ảnh hưởng của dao động điện

162

IV.3.1.3. Chức năng chống chồng lấn tải

165

IV.3.2. So sánh ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của các phương pháp liên động (POTT, PUTT, …)

167

IV.3.2.1. Tóm tắt về các phương thức liên động giữa các rơle bảo vệ khoảng cách

167

IV.3.2.2. So sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp liên động

170

IV.3.3. Bảo vệ các đường dây song song

171

IV.3.3.1. Ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các đường dây

171

IV.3.3.2. Cắt tuần tự máy cắt và hiện tượng đảo ngược dòng điện với đường dây song song

173

IV.3.4. Bảo vệ các đường dây có rẽ nhánh/rẽ nhánh có nguồn/đường dây có máy biến áp

175

IV.3.5. Bảo vệ các đường dây có tụ bù dọc/Hiện tượng đảo

177

ngược điện áp/Hiện tượng đảo ngược dòng điện IV.3.5.1. Giới thiệu chung

177

IV.3.5.2. Hiện tượng đảo ngược điện áp

178

IV.3.5.3. Hiện tượng đảo ngược dòng điện

180

IV.3.5.4. Các khuyến cáo chỉnh định bảo vệ khoảng cách

183

IV.3.6. Bảo vệ các đường dây ngắn

183

IV.4. Bảo vệ các đường cáp điện cao áp

185

IV.4.1. Các loại cáp cao áp/ Nối đất vỏ cáp

185

IV.4.1.1. Các loại cáp điện cao áp và siêu cao áp

185

IV.4.1.2. Phương thức nối đất của cáp

187

IV.4.2. Phương thức bảo vệ rơle cho cáp cao áp

189

IV.4.2.1. Các vấn đề liên quan tới bảo vệ cho cáp cao áp

189

IV.4.2.2. Các vấn đề liên quan tới phương thức bảo vệ cho một số trường hợp đặc biệt

191

IV.5. Tự đóng lại các đường dây truyền tải IV.5.1. Giới thiệu chung về tự đóng lại

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

192 192

6 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

IV.5.1.1. Giới thiệu chung

192

IV.5.1.2. Các đại lượng thời gian của tự đóng lại

193

IV.5.1.3. Các vấn đề cần quan tâm khi lựa chọn thời gian chết của TĐL

194

IV.5.2. Chức năng tự đóng lại cho đường dây truyền tải

195

IV.5.2.1. Các vấn đề cần quan tâm

195

IV.5.2.2. Các chức năng giám sát khi TĐL

196

IV.6. Định vị sự cố trên đường dây truyền tải

196

IV.6.1. Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện

196

IV.6.2. Tổng hợp về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải

197

IV.6.2.1. Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía

197

IV.6.2.2. Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo

198

lường từ hai phía IV.6.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền Chương 5. BẢO VỆ CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN

200 202

V.1. Từ trường quay và quan hệ giữa rotor và stator trong máy phát điện

202

V.2. Hiện tượng trượt cực từ, dao động điện

207

V.3. Đặc tính công suất phát của máy phát

208

V.4. Nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của bộ PSS

216

V.4.1. Đặc điểm của dao động công suất trong hệ thống điện

216

V.4.1.1. Dao động cục bộ hoặc dao động một hệ thống máy phát (Local, intraplant)

216

V.4.1.2. Dao động liên khu vực (Inter-area)

216

V.4.1.3. Dao động điều khiển

216

V.4.1.4. Dao động xoắn

216

V.4.2. Vai trò và nguyên lý hoạt động của bộ PSS

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

217

7 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

V.4.2.1. Giới thiệu chung

217

V.4.2.2. Cơ sở lý thuyết của PSS

217

V.4.2.3. Đặc điểm và phân loại PSS

218

V.4.2.4. Cấu trúc điển hình của bộ PSS

220

V.5. Bảo vệ so lệch cho máy phát điện. Phân tích chỉnh định

220

V.6. Bảo vệ quá dòng (51&27, 51V). Phân tích chỉnh định

225

V.7. Bảo vệ khoảng cách dự phòng. Ảnh hưởng của tổ đấu dây máy biến áp tăng áp tới tổng trở đo được

226

V.8. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator

230

V.8.1. Sự cần thiết giới hạn dòng chạm đất và các phương pháp nối đất máy phát

230

V.8.2. Bảo vệ chống chạm đất 90 ÷ 95% cuộn dây stator

232

V.8.2.1. Sử dụng các sơ đồ bảo vệ theo điện áp

232

V.8.2.2. Sử dụng các sơ đồ bảo vệ theo dòng điện

236

V.8.3. Bảo vệ chống chạm đất 100% cuộn dây stator

237

V.8.3.1. Bảo vệ chống chạm đất sử dụng thành phần hài điện áp bậc 3

237

V.8.3.2. Bảo vệ chống chạm đất sử dụng nguồn phụ tần số thấp

242

V.9. Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch

244

V.9.1. Ảnh hưởng của dòng điện thứ tự nghịch

244

V.9.1.1. Hiệu ứng về nhiệt

244

V.9.1.2. Hiệu ứng tạo mô men cản

245

V.9.2. Khả năng chịu quá nhiệt do dòng điện TTN của các máy phát đồng bộ và bảo vệ quá dòng TTN V.10. Bảo vệ chống luồng công suất ngược

246 249

V.10.1. Ảnh hưởng tới tuabin hơi và các loại tuabin khác

249

V.10.2. Các bảo vệ cơ khí với tuabin hơi

250

V.10.3. Các bảo vệ theo đại lượng điện

250

V.11. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây rotor

251

V.11.1. Phương pháp bơm nguồn phụ xoay chiều (ac) Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

251 8

Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

V.11.2. Phương pháp bơm nguồn phụ một chiều (dc) V.12. Bảo vệ quá từ thông lõi từ (V/f)

253 255

V.12.1. Nguyên nhân gây quá từ thông mạch từ và hệ quả

255

V.12.2. Các bảo vệ và tính toán chỉnh định

256

V.12.2.1. Các bộ giới hạn tỷ số V/f

256

V.12.2.2. Rơle tác động theo tỷ số V/f (Chức năng 24)

257

V.13. Bảo vệ theo tần số (81O, 81U)

257

V.13.1. Ảnh hưởng của tần số tới máy phát và tuabin và hệ thống kích từ

257

V.13.1.1. Ảnh hưởng tới các máy phát điện

257

V.13.1.2. Ảnh hưởng tới các tuabin hơi

258

V.13.1.3. Ảnh hưởng tới các tuabin khí

258

V.13.1.4. Ảnh hưởng tới các tuabin máy phát thủy điện

258

V.13.1.5. Ảnh hưởng của tần số tới hệ thống kích từ

259

V.13.2. Bảo vệ theo tần số

259

V.14. Bảo vệ thấp kích từ

260

V.15. Hiện tượng mất đồng bộ

261

V.16. Bảo vệ khi mất kích từ (40)

264

V.16.1. Nguyên nhân và phân tích ả̉̉̉nh hưởng tới máy phát

264

V.16.2. Bảo vệ mất kích từ (Loss of field - 40)

266

V.16.2.1. Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở âm

267

V.16.2.2. Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở kết hợp phần tử định hướng

269

V.17. Hòa đồng bộ các máy phát điện

270

V.17.1. Các ảnh hưởng tới máy phát và máy biến áp tăng áp

270

V.17.2. Rơle kiểm tra đồng bộ (25)

272

V.17.3. Bảo vệ khi máy cắt đóng chậm (Breaker failure-to-close or Slow close protection)

275

V.18. Bảo vệ chống đóng điện không mong muốn (Accidental Energization Protection)

276

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

9 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

V.18.1. Nguyên nhân và các hệ quả

276

V.18.2. Các bảo vệ

278

Chương 6. BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG THANH GÓP

280

VI.1. Giới thiệu chung về bảo vệ thanh góp

280

VI.2. Bảo vệ so lệch tổng trở thấp cho các hệ thống thanh góp

283

VI.2.1. Giới thiệu về các cấu hình bảo vệ so lệch thanh góp

283

VI.2.2. Các vấn đề cần quan tâm với bảo vệ so lệch thanh góp

284

VI.2.2.1. Chọn tín hiệu dòng điện cho vùng bảo vệ

284

VI.2.2.2. Giải quyết các vấn đề liên quan tới trạng thái tiếp

285

điểm phụ của dao cách ly VI.2.2.3. Vị trí của BI và ảnh hưởng tới bảo vệ so lệch thanh góp VI.2.3. Các vấn đề cần quan tâm khác

290 293

VI.2.3.1. Các vấn đề cần chú ý

293

VI.2.3.2. Vùng kiểm tra (Check Zone) của bảo vệ so lệch

294

thanh góp VI.3. Bảo vệ so lệch tổng trở cao cho các hệ thống thanh góp

295

VI.4. So sánh ưu nhược điểm của bảo vệ so lệch tổng trở cao và tổng trở thấp

298

VI.5. Chức năng bảo vệ 50-Stub (End-zone protection)

298

VI.6. Phương thức bảo vệ các thanh góp trung áp

300

Chương 7. BẢO VỆ CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN

302

VII.1. Giới thiệu chung về các động cơ điện

302

VII.2. Đặc tính chịu nhiệt và mô hình nhiệt của động cơ

304

VII.3. Bảo vệ chống hiện tượng khởi động nhiều lần

308

VII.4. Bảo vệ chống quá tải

311

VII.5. Bảo vệ chống quá nhiệt

312

VII.6. Bảo vệ chống thất tốc

312

VII.7. Bảo vệ chống ngắn mạch

313

VII.8. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator

313

VII.9. Bảo vệ quá dòng/ quá áp thứ tự nghịch

315

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

10 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

VII.10. Bảo vệ quá áp/ thấp áp

315

VII.11. Bảo vệ chống đóng điện trở lại không đồng pha

315

VII.12. Bảo vệ khi mất tải

317

VII.13. Bảo vệ các động cơ đồng bộ

317

Chương 8. BẢO VỆ CÁC KHÁNG ĐIỆN

318

VIII.1. Giới thiệu chung về kháng điện

318

VIII.2. Đóng cắt các kháng điện

321

VIII.2.1. Quá trình đóng điện

321

VIII.2.2. Quá trình cắt điện

321

VIII.3. Bảo vệ các kháng điện

322

VIII.3.1. Các dạng sự cố với kháng điện

322

VIII.3.2. Phương thức bảo vệ các kháng điện

323

VIII.3.2.1. Sơ đồ phương thức bảo vệ chung với kháng điện nối thanh góp hoặc đường dây

323

VIII.3.2.2. Sơ đồ phương thức bảo vệ với kháng khô nối tại

324

cuộn tam giác các MBA truyền tải VIII.3.3. Một số lưu ý đối với chỉnh định rơle bảo vệ các kháng điện

325

VIII.3.3.1. Bảo vệ so lệch dòng điện pha (87P)

325

VIII.3.3.2. Bảo vệ quá dòng điện (50/51)

325

Chương 9. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SÓNG HÀI TỚI BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY, MÁY BIẾN ÁP, MÁY PHÁT ĐIỆN IX.1. Mô tả hiện tượng và các chỉ tiêu đánh giá sóng hài

327 327

IX.1.1. Mô tả hiện tượng sóng hài

327

IX.1.2. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong lưới điện

330

IX.1.2.1. Tổng độ méo sóng hài (Áp dụng cho điện áp và dòng điện, ký hiệu là THDv và THDi)

330

IX.1.2.2. Tổng độ méo nhu cầu (Ký hiệu TDDv và TDDi)

331

IX.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong lưới điện

331

IX.2.1. Tổng quan về các nguồn phát sinh sóng hài và cơ chế lan truyền sóng hài trong lưới điện

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

331

11 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

IX.2.2. Các nguồn phát sinh sóng hài chính trong lưới điện

332

IX.2.2.1. Các máy biến áp

332

IX.2.2.2. Các động cơ

334

IX.2.2.3. Các thiết bị điện tử công suất

334

IX.2.2.4. Các thiết bị hồ quang

336

IX.3. Ảnh hưởng của sóng hài tới thiết bị và vận hành lưới điện

337

IX.3.1. Tổng quan về các ảnh hưởng của sóng hài

337

IX.3.2. Sóng hài và hiện tượng cộng hưởng

337

IX.3.2.1. Hiện tượng cộng hưởng song song

337

IX.3.2.2. Hiện tượng cộng hưởng nối tiếp

340

IX.3.2.3. Vai trò của điện trở và tải thuần trở với hiện tượng cộng hưởng sóng hài

341

IX.3.3. Ảnh hưởng của sóng hài tới các động cơ và máy biến áp

343

IX.3.4. Sóng hài làm giảm hệ số công suất

344

IX.3.5. Ảnh hưởng của sóng hài tới các bộ tụ bù

344

IX.3.6. Ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ

345

IX.3.7. Ảnh hưởng tới thiết bị đo đếm

345

IX.4. Các biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện

346

IX.4.1. Hiện tượng tự loại trừ sóng hài

346

IX.4.2. Sử dụng các bộ chỉnh lưu loại nhiều xung

347

IX.4.3. Sử dụng các cuộn kháng nối tiếp

348

IX.4.4. Sử dụng các máy biến áp với tổ đấu dây tam giác

348

IX.4.5. Sử dụng các bộ lọc sóng hài

349

IX.4.5.1. Bộ lọc sóng hài thụ động

349

IX.4.5.2. Các bộ lọc sóng hài tích cực

349

IX.4.5.3. Các bộ lọc hỗn hợp (Kiểu lai ghép)

350

IX.4.5.4. So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động

351

IX.4.6. Sử dụng các máy biến áp nối zig - zag

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

351

12 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Dưới đây là một số chữ viết tắt thường hay sử dụng trong tài liệu: - AC: Xoay chiều - ALF: Accuracy Limit Factor - AVR: Automatic Voltage Regulator (Tự động điều chỉnh điện áp) - BCU: Khối điều khiển ngăn lộ - BI: Biến dòng điện - BU: Biến điện áp - BV: Bảo vệ - BVSL: Bảo vệ so lệch - CPU: Bộ xử lý trung tâm - CT: Máy biến dòng điện (Current Transformer) - DAU: Data Acquisition Unit - DC: Một chiều - DCB: Directional Comparison Blocking - DCUB: Directional Comparison Unblocking - DTT: Truyền cắt trực tiếp - DUTT: Direct Underreaching Transfer Trip - DZK: Đường dây không - GPS: Hệ thống định vị toàn cầu (Global positioning system) - HTĐ: Hệ thống điện - HVDC: - IEC: Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (International Electrotechnical Commission) - MBA: Máy biến áp - MC: Máy cắt - MFĐ: Máy phát điện - MTA: Maximum Torque Angle - OTI: Oil temperature indicator - OTLC: Onload Tap changer (Bộ điều chỉnh điện áp dưới tải) - POTT: Permissive Overreaching Transfer Trip Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

13 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

- PSB: Power Swing Blocking - PSS: Ổn định hệ thống điện - PUTT: Permissive Underreaching Transfer Trip - RCA: Relay Characteristic Angle - REF: Restricted Earth Fault - RTI: Remote temperature indicator - SF: Safety Factor - SVC: Static Var Compensator - TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam - TDD: Total Demand Distortion (Tổng độ méo nhu cầu) - TĐL: Tự đóng lại - THD: Total Harmonic Distortion (Tổng độ méo sóng hài) - TI: Biến dòng điện - TTK: Thành phần thứ tự không - TTN: Thành phần thứ tự nghịch - TTT: Thành phần thứ tự thuận - TU: Máy biến điện áp - WTI: Winding temperature indicator

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

14 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Chương 1. MÁY BIẾN DÒNG & MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP DÀNH CHO HỆ THỐNG RƠ LE BẢO VỆ I.1. Tổng quan chung về máy biến dòng điện I.1.1. Nhiệm vụ của máy biến dòng điện Máy biến dòng điện có các nhiệm vụ chính sau: - Biến đổi tỷ lệ dòng điện sơ cấp có giá trị cao xuống dòng điện thứ cấp có giá trị tiêu chuẩn (1A hoặc 5A). - Cách ly giữa mạch sơ cấp điện áp cao và mạch thứ cấp. Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và trang thiết bị thì phía thứ cấp của BI bắt buộc phải nối đất. - Tạo sự phối hợp dòng điện giữa các pha theo yêu cầu (Ví dụ để cộng các dòng điện theo các sơ đồ lọc dòng điện thứ tự không). Máy biến dòng điện được viết tắt là BI (Theo TCVN) hoặc còn được biết với tên gọi khác là TI (Tên phiên âm từ tiếng Nga) và CT (Tên tiếng Anh viết tắt của Currrent Transformer).

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của BI và ký hiệu theo các tiêu chuẩn IEEE và IEC

Hình 1.2. Máy biến dòng điện & máy biến điện áp Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

15 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

I.1.2. Nguyên lý làm việc của máy biến dòng điện Máy biến dòng điện làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ tương tự như các máy biến áp, tuy nhiên có sự khác biệt như sau: Dòng điện sơ cấp trong các máy biến áp thay đổi tùy theo tải (Hoặc dòng điện) phía thứ cấp. Với máy biến dòng điện thì dòng sơ cấp là dòng của hệ thống cần đo và dòng thứ cấp phụ thuộc vào dòng sơ cấp này. Với các máy biến áp: Trong chế độ không tải, chỉ có dòng từ hóa chạy trong cuộn sơ cấp, cuộn sơ cấp sẽ lấy dòng điện từ phía hệ thống tương ứng với tải cần ở phía thứ cấp. Với máy biến dòng điện: Cuộn sơ cấp được đấu nối tiếp với thiết bị cần đo dòng điện và dòng chạy qua phía sơ cấp chính là dòng của thiết bị này. Do đó dòng điện phía sơ cấp của BI không phụ thuộc vào tải nối vào phía thứ cấp; vì vậy phương trình mô tả nguyên lý làm việc của BI sẽ dựa theo sự cân bằng số ampe - vòng của phía sơ cấp và thứ cấp của BI: Isơ cấp * wsơ cấp = Ithứ cấp * wthứ cấp I.1.3. Sai số của máy biến dòng điện Nếu bỏ qua dòng từ hóa lõi thép, biến dòng điện sẽ biến đổi một cách lý tưởng dòng sơ cấp sang phía thứ cấp theo phương trình sau đây: I2 

N2 .I1 N1

Trong thực tế, luôn có dòng từ hóa và đó là một trong những nguyên nhân gây ra sai số của biến dòng điện. Xét sơ đồ thay thế tương đương của BI tại hình 1.3 (Thông số các phần tử trên sơ đồ giả thiết được qui đổi về phía thứ cấp):

Hình 1.3. Sơ đồ thay thế tương đương của BI

Sơ đồ thay thế cho thấy dòng điện phía sơ cấp (Đã qui đổi) không hoàn toàn chạy sang thứ cấp mà có một phần chạy vào mạch từ hóa gây ra sai số của BI; có thể viết quan hệ giữa các dòng điện này như sau: I2 

N2 .I1  I e N1

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

16 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Sai số do dòng từ hóa gây ra bao gồm cả sai số độ lớn (Sai số về tỷ số) và sai số về góc pha (Có dịch pha giữa dòng sơ cấp và thứ cấp của BI). I.1.4. Hệ số giới hạn dòng điện theo độ chính xác của máy biến dòng điện Dòng điện lớn nhất (Ips) mà tại đó biến dòng thể hiện sai số tới hạn theo tiêu chuẩn qui định được gọi là: - Dòng điện an toàn đối với các biến dòng dùng cho mục đích đo đếm. - Dòng điện giới hạn theo độ chính xác với các BI dùng cho mục đích bảo vệ rơle. - Tỷ số giữa dòng điện Ips với dòng định mức của BI được gọi là: + Hệ số an toàn (Safety Factor - SF) với các biến dòng dùng cho mục đích đo đếm (Thường có các giá trị 5 hoặc 10 theo tiêu chuẩn IEC) + Hệ số giới hạn dòng điện theo độ chính xác (Accuracy Limit Factor - ALF) với các BI dùng cho mục đích bảo vệ rơle (Thường có các giá trị 5 - 10 - 15 - 20 30 theo tiêu chuẩn IEC). I.1.5. Thông số của máy biến dòng điện Biến dòng điện được cho bởi các thông số như tỷ số biến, công suất và cấp chính xác. Cấp chính xác (Là một hàm số phụ thuộc vào tải của BI và dòng điện chạy qua biến dòng) được lựa chọn tùy theo mục đích sử dụng của máy biến dòng điện. - Biến dòng điện dùng cho mục đích bảo vệ rơle phải có điện áp bão hòa đủ lớn để có thể đo tương đối chính xác dòng điện sự cố. Các biến dòng loại này thường có hệ số giới hạn độ chính xác ALF khá cao. Tuy nhiên cũng cần đảm bảo rằng các thiết bị nối tới biến dòng này (Ví dụ các rơle) phải có khả năng chịu dòng điện lớn tương ứng. - Biến dòng dùng cho mục đích đo đếm yêu cầu có độ chính xác cao hơn khi làm việc với dòng điện lân cận giá trị định mức. Các thiết bị đo đếm thường có khả năng chịu dòng lớn kém hơn so với rơle, do đó các biến dòng dùng cho mục đích đo, đếm phải có điện áp bão hòa thấp để nhanh chóng bão hòa khi dòng điện tăng cao do sự cố, mục đích để bảo vệ các thiết bị đo đếm. - Hệ số an toàn (Safety Factor - SF) đối với biến dòng dùng cho đo đếm: Là tỷ số giữa dòng điện sơ cấp giới hạn và dòng định mức của BI. Dòng điện giới hạn là dòng điện lớn nhất cho phép mà tại đó sai số của máy biến dòng là 10%. Giá trị thông dụng của SF là 5 hoặc 10.

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

17 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Hình 1.4. Định nghĩa hệ số an toàn với biến dòng dùng cho đo, đếm

Một máy biến dòng có thể có nhiều lõi: Có các lõi dùng cho ứng dụng rơle bảo vệ và có các lõi dùng cho mục đích đo đếm. Ví dụ về thông số của BI:

+ Dòng điện định mức sơ cấp: 200A + Dòng điện định mức thứ cấp: 5A + Tải định mức: 15VA + Hệ số giới hạn dòng điện theo độ chính xác ALF = 10; Cấp chính xác 5P + Khi dòng điện tăng tới ALF lần dòng định mức thì sai số về tỷ số biến tối đa là 5%.

Hình 1.5. Ví dụ thông số máy biến dòng điện

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

18 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Một số định nghĩa liên quan tới máy biến dòng: - Dòng định mức sơ cấp (I1): Được chế tạo theo tiêu chuẩn với các ngưỡng 10 - 12.5 - 15 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 - 60 - 75 A và các bội số nhân 10, 100 của các giá trị này (Theo tiêu chuẩn IEC 60044-1). - Theo hệ tiêu chuẩn ANSI/IEEE thì các giá trị dòng sơ cấp này được qui định rõ với BI có một tỷ số biến. Các giá trị dòng sơ cấp tiêu chuẩn là 10; 15; 25; 40; 50; 75; 100; 200; 300; 400; 600; 800; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 12000A. - Dòng định mức thứ cấp (I2): Có giá trị tiêu chuẩn 1A hoặc 5A - Tải đảm bảo chính xác: Giá trị tải của biến dòng mà tại đó độ chính xác vẫn đảm bảo. - Công suất định mức đảm bảo chính xác: Được cho theo VA và có các giá trị thông dụng 1 - 2.5 - 5 - 10 - 15 - 30 VA. Đây là công suất mà máy biến dòng có thể cấp với dòng định mức và vẫn đảm bảo sai số trong giới hạn cho phép. - Công suất của máy biến dòng nên chọn phù hợp với tải yêu cầu, chọn công suất lớn sẽ gây tốn kém về chi phí và nguy hiểm cho các thiết bị đo do điện áp bão hòa cao. - Cấp chính xác (class): Định rõ giới hạn sai số về tỷ số biến và góc pha của BI tại các giá trị công suất và dòng điện nhất định. - Cấp chính xác X (class X): Được định nghĩa trong tiêu chuẩn British Standard BS 3938. Cấp chính xác này tương ứng với cấp PX trong tiêu chuẩn IEC 60044-1. Các biến dòng thuộc cấp chính xác X có thông số được cho đầy đủ hơn các cấp chính xác khác bao gồm: Giá trị nhỏ nhất của điện áp điểm gập Vk (Knee point voltage); giá trị điện trở lớn nhất của mạch thứ cấp có thể nối vào; và có thể có thêm giá trị lớn nhất của dòng từ hóa lõi thép (Ie) tại mức điện áp Vk.

Hình 1.6. Ví dụ thông số của biến dòng cấp chính xác X Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

19 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Máy biến dòng cấp X có độ chính xác cao hơn so với cấp 5P và 10P: Do đặc tính từ hóa của loại biến dòng cấp X được cho đầy đủ nên các máy biến dòng loại này thường được sử dụng cho bảo vệ so lệch, đặc biệt đối với bảo vệ so lệch thanh góp khi số lượng máy biến dòng lớn để giảm thành phần dòng điện không cân bằng trong chế độ bình thường. Hiện nay do phát triển công nghệ trong rơle nên các bảo vệ so lệch không yêu cầu sử dụng biến dòng cấp X. - Điện áp điểm gập Vk: Khi phân tích trong miền thời gian thì BI bị bão hòa nếu trong một giai đoạn nào đó của dạng sóng nếu từ thông không đổi và dòng điện thứ cấp giảm tới 0 (A). Khái niệm trên đây đúng trong miền thời gian, tuy nhiên trong nhiều trường hợp cần định nghĩa sự bão hòa theo giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp để có thể thuận tiện khi làm việc với các sơ đồ thay thế tương đương và đặc tính từ hóa của BI. Tiêu chuẩn IEEE không định nghĩa cụ thể điểm bão hòa, tuy nhiên có định nghĩa về điểm gập trên đặc tính từ hóa của BI là điểm mà tại đó đường tiếp tuyến tạo một góc 450.

Hình trên thể hiện điểm gập trên đặc tính từ hóa của BI loại 2000/5 với điện áp điểm gập là 200 V. Điểm gập trên đặc tính từ hóa thể hiện điểm mà các BI bắt đầu hoạt động không tuyến tính do lõi từ bắt đầu bị bão hòa. Tuy nhiên khi phân tích sử dụng các giá trị hiệu dụng thì không thể biểu diễn điểm trên dạng sóng mà BI bắt đầu bão hòa. Thay vào đó có thể hiểu điểm bão hòa là khi BI bắt đầu thể hiện sai số lớn hơn 10%. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

20 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Như vậy điểm bão hòa và điểm gập trên đặc tính từ hóa không phải là một mà là các điểm khác nhau. Điện áp điểm gập thường khoảng 46% của điện áp bão hòa. So sánh tiêu chuẩn ANSI/IEEE và IEC: - Tiêu chuẩn ANSI/IEEE: Điểm gập trên đặc tính từ hóa của BI là điểm mà tại đó đường tiếp tuyến tạo một góc 450. - Tiêu chuẩn IEC: Điểm gập là giao điểm của hai đường thẳng kéo dài từ phần không bão hòa và phần bão hòa của đường cong đặc tính từ hóa. Với các định nghĩa trên thì điện áp điểm gập theo tiêu chuẩn IEC cao hơn so với tiêu chuẩn ANSI/IEEE:

Hình 1.7. Điểm gập theo định nghĩa của tiêu chuẩn ANSI/IEEE và IEC

- Hệ số giới hạn chính xác thực tế: Là tỷ số giữa dòng điện lớn nhất cho phép theo độ chính xác và dòng định mức của BI khi tải thực tế của BI khác với tải định mức. Hệ số giới hạn độ chính xác của BI thay đổi tùy theo mức độ tải, với BI mang tải thấp hơn định mức thì hệ số giới hạn độ chính xác có thể được tính toán cao hơn so với giá trị định mức mà nhà sản xuất đã cho và ngược lại nếu BI mang tải lớn hơn định mức. - Hệ số giới hạn độ chính xác (ALF): Là tỷ số giữa dòng điện cho phép lớn nhất (Ví dụ 10 lần dòng định mức) mà tại đó BI vẫn đảm bảo độ chính xác theo qui định và dòng định mức của BI. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

21 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

- Dòng điện ổn định nhiệt cho phép: Tương ứng với dòng điện lớn nhất mà BI có thể chịu được trong 1 giây (Tính theo kA) khi phía thứ cấp của BI được nối ngắn mạch. - Điện áp định mức của BI: Là điện áp định mức của phía sơ cấp của BI. Thông thường nhà sản xuất còn chỉ rõ thêm về điện áp chịu đựng lớn nhất trong một phút tại tần số cơ bản và điện áp xung. Các giá trị điện áp này được tiêu chuẩn hóa. Ví dụ: Với BI có điện áp định mức 24 kV thì BI phải chịu được 50 kV tại tần số 50Hz trong 1 phút và 125kV điện áp xung. I.2. Hiện tượng hở mạch và bão hòa máy biến dòng điện Để hiểu được hiện tượng bão hòa BI sẽ cần phân tích về sự hoạt động của BI và hiện tượng gì xảy trong lõi từ khi khi BI bị bão hòa do dòng điện đối xứng, dòng không đối xứng (Có chứa thành phần DC) và do từ dư. Sau đó là sự liên hệ giữa hoạt động của lõi từ và sơ đồ thay thế của BI. I.2.1. Nguyên lý hoạt động của BI Cấu trúc đơn giản nhất của BI gồm 2 cuộn dây quấn quanh một lõi từ, thông thường cuộn sơ cấp chỉ là một thanh dẫn chạy xuyên qua lõi. Khi một từ thông biến chạy qua cuộn dây sẽ sinh ra điện áp cảm ứng (Từ thông là lượng từ trường chạy thông qua một vật liệu nào đó, ví dụ lõi từ). Dòng xoay chiều sơ cấp IP chạy qua cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên H và tương ứng là từ thông Φ qua (quanh) lõi từ, từ thông biến thiên này móc vòng qua cuốn thứ cấp. Quá trình diễn biến tiếp theo sẽ phụ thuộc vào tải nối vào cuộn thứ cấp này. Nếu cuộn thứ cấp nối tới tải thì từ thông biến thiên trong lõi từ sẽ cảm ứng một điện áp Vs trên cuộn thứ cấp, điện áp Vs này tạo ra một dòng điện xoay chiều Is chạy trong cuộn thứ cấp. Dòng điện trong cuộn thứ cấp tạo ra một từ trường biến thiên của riêng nó và tương ứng là từ thông biến thiên chạy trong lõi từ, từ thông này có chiều ngược lại so với từ thông sơ cấp. Từ thông sơ cấp và từ thông thứ cấp triệt tiêu nhau, do đó từ thông trong lõi từ có giá trị rất nhỏ cho đến khi lõi từ bị bão hòa. Nếu cuộn thứ cấp bị hở mạch thì không có dòng điện thứ cấp nên không thể tạo ra từ thông thứ cấp ngược chiều, do đó từ thông trong lõi từ bằng với từ thông tạo ra bởi dòng điện sơ cấp và có giá trị rất lớn. Từ thông rất lớn này sẽ cảm ứng một điện áp thứ cấp rất lớn trên cuộn thứ cấp, điện áp cảm ứng đó sẽ gây nguy hiểm cho các trang thiết bị trong mạch thứ cấp và cho nhân viên vận hành. I.2.2. Tại sao BI bị bão hòa Một cách lý tưởng thì dòng điện thứ cấp có dạng sóng hoàn toàn giống dòng

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

22 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

điện sơ cấp, chỉ khác về độ lớn tùy theo tỷ số vòng dây. Tuy nhiên khi BI bị bão hòa thì Is không giống so với Ip. Lý do BI bị bão hòa liên quan tới các hiện tượng vật lý bên trong BI trong quá trình từ hóa. Lõi từ được tạo thành bởi vô số các phần tử lưỡng cực từ, có thể được coi như các các phân tử nam châm.

Bình thường các phân tử nam châm này sắp xếp một cách hỗn độn trong lõi từ như trong hình dưới đây:

Khi dòng điện sơ cấp (IP) chạy qua cuộn sơ cấp tạo ra từ trường H, độ lớn của từ trường này ảnh hưởng tới các phân tử nam châm trong lõi từ và bắt buộc các nam châm này phải bắt đầu sắp xếp theo chiều của từ trường bên ngoài, từ đó tạo ra từ thông Φ trong lõi từ. Dòng điện IP càng lớn thì từ trường H càng mạnh và càng có nhiều phân tử nam châm sắp xếp cùng hướng. Số phân tử nam châm xếp cùng hướng tại một thời điểm chính là giá trị mật độ từ thông (B). Khi tất cả các phân tử nam châm đã xếp cùng hướng thì mật độ từ thông của lõi từ đã đến tới hạn và khi đó lõi từ coi là bị bão hòa. Quan hệ giữa cường độ của từ trường (H) và mật độ từ trường (B) thể hiện bởi đường cong B-H của lõi từ. Các vật liệu từ khác nhau sẽ có đặc tính B-H khác nhau tùy theo khả năng của vật liệu tương tác với từ trường. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

23 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Ma gn eti c Flu 1 x De nsi ty 0 (B)

–1

–10

–5

0

5

10

Magnetic Field Strength (H)

Hoạt động của các phân từ nam châm sẽ quyết định khả năng của BI để sinh ra dòng thứ cấp: Khi các nam châm thay đổi chiều, sắp xếp vào cùng hướng sẽ dẫn tới từ thông trong lõi từ tăng lên, từ thông tăng lên sẽ cảm ứng ra điện áp V S ở cuộn thứ cấp. Điện áp VS này lại sinh ra dòng điện IS chạy trong mạch thứ cấp. Khi lõi từ đạt tới mật độ từ thông tối đa thì tất cả các nam châm đã xếp cùng hướng, từ thông trong lõi từ không thể biến thiên nữa, điện áp cảm ứng VS bị giảm tới 0 và dòng điện IS không thể chạy qua mạch nữa (Vì không có điện thế để đẩy các điện tích tuần hoàn trong mạch). Bão hòa BI có thể xảy ra với 2 trường hợp: Bão hòa đối xứng và bão hòa không đối xứng. I.2.2.1. Bão hòa đối xứng Bão hòa đối xứng xảy ra do dòng điện đối xứng sơ cấp quá lớn chạy qua BI (Dòng điện này có dạng sóng đối xứng trong các nửa chu kỳ dương và âm của dòng điện).

Hình 1.8. Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hòa đối xứng

Hình trên cho thấy dạng sóng của dòng điện sơ cấp IP và dòng điện thứ cấp IS khi bão hòa đối xứng. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

24 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Một cách lý tưởng, trước khi có dòng điện sơ cấp tại thời điểm a thì các phân tử nam châm sắp xếp một cách hỗn độn, trong lõi từ không có từ dư. Giữa a và b: Dòng điện IP bắt đầu chạy qua cuộn sơ cấp ở nửa chu kỳ dương, các phân tử nam châm bắt đầu xếp hàng theo hướng dương của từ trường này. Khi các phân tử lần lượt sắp xếp cùng hướng thì từ thông trong lõi từ biến thiên và sinh ra dòng thứ cấp IS hoàn toàn giống IP (Giả thiết tỷ số biến là 1:1). Trước khi hết nửa chu kỳ dương, thì tại thời điểm b tất cả các phân tử nam châm trong lõi đã xếp cùng hướng dương, lõi từ đạt tới ngưỡng mật độ từ thông lớn nhất (Bão hòa). Tại thời điểm này dù dòng IP có tiếp tục chạy qua cuộn sơ cấp thì sẽ không có thêm bất cứ phân tử nam châm nào xếp hàng thêm, từ thông không đổi và VS giảm tới 0 và IS cũng giảm tới 0. Dòng điện IS sẽ duy trì bằng 0 cho tới khi IP đổi chiều, đảo ngược từ trường từ thời điểm c. Khi từ trường đảo chiều sẽ làm các phân tử nam châm bắt đầu xếp hàng theo chiều ngược lại, từ thông trong lõi từ lại biến thiên sinh ra dòng IS. Cho tới thời điểm d thì toàn bộ nam châm đã xếp hàng theo chiều ngược lại, mật độ từ thông đạt ngưỡng lớn nhất và không thể tăng thêm; điện áp VS và dòng điện IS giảm đến 0. Trong hình trên đây thì độ lớn dòng điện sơ cấp đang giảm dần, tương ứng với đó là thời gian bão hòa của BI trong từng chu kỳ cũng giảm đi. Chu kỳ thứ hai dòng điện IP có biên độ thấp hơn tạo ra từ trường yếu hơn và yêu cầu mật độ từ thông nhỏ hơn để tạo ra dòng điện thứ cấp, do chỉ yêu cầu ít phân tử nam châm sắp xếp hàng nên dòng điện IS lặp lại được đúng dạng sóng của IP trong khoảng thời gian dài hơn. Đến chu kỳ thứ ba thì độ lớn của dòng sơ cấp IP đã đủ thấp không gây bão hòa và dòng thứ cấp IS hoàn toàn giống dòng sơ cấp IP. I.2.2.2. Bão hòa không đối xứng

Hình 1.9. Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hòa không đối xứng

Bão hòa không đối xứng xảy ra do thành phần DC trong dòng điện sơ cấp quá Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

25 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

lớn, giá trị đỉnh dòng điện ở các chu kỳ dương và âm không đối xứng. Thành phần DC tắt dần làm diện tích các nửa chu kỳ dương và âm của dòng điện không bằng nhau. Từ điểm a tới b: Các nam châm đều xếp hàng theo chiều dương từ trường và BI không bị bão hòa. Khi dòng IP đổi sang chiều âm (Từ b đến c), các nam châm bắt đầu xếp theo chiều ngược lại, do diện tích phần âm của dòng điện giữa b và c rất nhỏ nên chỉ có một số ít nam châm đảo chiều. Từ thời điểm c tất cả các nam châm lại phải xếp hàng lại theo chiều dương, tuy nhiên hầu như các nam châm đã xếp hàng theo chiều dương rồi nên chỉ đến d là toàn bộ nam châm đã xếp cùng hướng và lõi từ bão hòa. Trong trường hợp này chính thành phần DC tắt dần là tác nhân gây ra bão hòa lõi từ chứ không phải độ lớn dòng điện sự cố. Thực tế là dòng điện I P không tồn tại ở nửa chu kỳ âm đủ lâu để giải trừ toàn bộ các nam châm theo hướng âm, do đó gây ra bão hòa ở nửa chu kỳ dương tiếp theo. Mức độ bão hòa của BI cũng giảm dần khi dòng DC tắt dần. Thời gian để BI rơi vào trạng thái bị bão hòa tùy thuộc độ lớn dòng điện, độ lớn thành phần DC, tỷ số X/R của mạch, tải và từ dư trong lõi. Bão hòa đối xứng thường xuất hiện trong nửa chu kỳ đầu tiên của dòng sự cố, trong khi đó bão hòa không đối xứng có thể xảy ra sau một vài chu kỳ từ khi sự cố xảy ra. Dạng sóng dòng điện trình bày trong các hình trên tương ứng với tình huống BI bị bão hòa hoàn toàn. Với mức độ bão hòa thấp thì dạng sóng dòng điện khi bão hòa cũng khó nhận dạng hơn.

Hình 1.10. Dạng sóng dòng điện khi BI bị bão hòa với mức độ khác nhau

Dạng sóng của dòng điện thứ cấp IS khi bão hòa cũng đồng thời phụ thuộc vào loại tải thứ cấp (Tải thuần trở, thuần kháng hay hỗn hợp). Dạng sóng dòng điện khác nhau vì với tải thuần kháng thì dòng điện qua điện kháng không thể đột ngột giảm tới 0, do đó khi bị bão hòa dòng điện sẽ giảm từ từ tới 0. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

26 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Hình 1.11. Dạng sóng khi bão hòa với các loại tải thuần trở (a) và thuần kháng (b)

I.2.2.3. Ảnh hưởng của từ dư Dòng điện sự cố được cắt tại thời điểm dòng điện đi qua 0; tuy nhiên tại thời điểm dòng điện đi qua 0 thì trong lõi từ vẫn có một mật độ từ thông dương hoặc âm dù dòng điện là đối xứng hay không đối xứng. Mật độ từ thông này có thể có giá trị rất lớn nếu dòng sự cố lớn có kèm thành phần dc, mật độ từ thông còn lại trong lõi từ khi đã cắt dòng sự cố được gọi là từ dư. Từ dư sẽ gây ảnh hưởng đến sự làm việc của BI trong lần đóng điện tiếp theo. BI sẽ lâu bão hòa nếu từ dư ngược cực tính với dòng điện khi đóng điện, và ngược lại sẽ nhanh chóng bão hòa nếu từ dư và dòng điện cùng chiều. Một hiện tượng nữa cũng gây ra từ dư trong lõi từ là ảnh hưởng của từ trễ:

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

27 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Đường cong B-H của lõi từ cho thấy mật độ từ thông B luôn trễ sau cường độ từ trường H, nghĩa là khi cường độ từ trường H bằng 0 thì mật độ từ thông vẫn đang duy trì một giá trị nào đó. Cách duy nhất có thể loại trừ từ dư là áp dụng biện pháp khử từ. Quá trình khử từ có thể thực hiện bằng cách đưa vào dòng sơ cấp bằng dòng định mức, sau đó thay đổi tải thứ cấp. Bắt đầu với tải với điện trở lớn để BI bão hòa hoàn toàn ở cả chu kỳ dương và âm. Sau đó giảm mức độ bão hòa bằng cách từ từ giảm tải (Và cũng là giảm điện áp thứ cấp) tới 0. Quá trình này có thể thực hiện trong giai đoạn bảo dưỡng hoặc thí nghiệm BI, tuy nhiên thực tế hầu như không thực hiện thao tác này.

Hình 1.12. Ảnh hưởng của từ dư tới bão hòa BI

Ảnh hưởng của từ dư có thể làm BI bị bão hòa ngay nửa chu kỳ đầu tiên của dòng điện. Do ảnh hưởng của từ dư chỉ diễn ra trong thời gian ngắn, tồn tại trong khoảng nửa chu kỳ đầu tiên nên hầu như không ảnh hưởng tới sự làm việc của các bảo vệ, do đó thường bỏ qua trong các tính toán về bão hòa BI. Tuy nhiên với các bảo vệ hoạt động dựa theo thuật toán tính toán nhanh trong nửa chu kỳ đầu tiên thì cần có các giải pháp tích hợp trong rơle để chống ảnh hưởng của bão hòa do từ dư. I.3. Lựa chọn máy biến dòng điện có xét tới hiện tượng bão hòa Sơ đồ thay thế của BI (Loại C) như hình 1.13. (BI loại C chỉ có một vòng dây sơ cấp chạy xuyên qua lõi từ, cuộn thứ cấp quấn phân bố đều trên lõi. BI loại C có từ thông rò rất nhỏ, do đó có thể đánh giá sai số của BI thông qua tính toán (C: Calculation) sử dụng các đặc tính từ hóa tiêu chuẩn. Ngược lại các BI loại T số vòng cuộn dây sơ cấp nhiều hơn, cuộn thứ cấp quấn tập trung chứ không phân bố đều trên lõi, do đó có từ thông rò lớn và chỉ có thể đánh giá sai số thông qua thí nghiệm (T: Test)).

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

28 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Hình 1.13. Biến dòng điện kiểu C và sơ đồ thay thế tương đương

Trong đó Rs là điện trở của cuộn thứ cấp BI, ZB là tổng trở tải của BI (Gồm rơle và các dây nối nhị thứ). Phản ứng từ hóa của lõi từ được thể hiện bằng điện kháng ZE, giá trị điện kháng này thay đổi khi lõi từ bị bão hòa và dẫn tới điện áp thứ cấp VS và dòng điện từ hóa IE thay đổi (Thực tế giá trị ZE gồm cả thành phần điện kháng và điện trở, tuy nhiên trong các tính toán bỏ qua thành phần điện trở từ hóa). Thành phần ZE thay đổi theo mật độ từ thông trong lõi từ. Dòng điện IST là dòng sơ cấp qui đổi về phía thứ cấp qua tỷ số biến lý tưởng. Dòng điện từ hóa IE thể hiện thành phần dòng điện tổn hao qua nhánh từ hóa và tương ứng với sai số của BI, do đó còn có thể gọi là dòng điện sai số. IE có giá trị nhỏ khi ZE lớn (Chế độ bình thường), IE có giá trị lớn khi ZE rất nhỏ (Khi lõi từ bão hòa).

Hình 1.14. Quan hệ giữa dòng sơ cấp, từ thông lõi từ và dòng từ hóa (Dòng sai số)

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

29 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Từ đặc tính trên có thể thấy giai đoạn đường cong từ hóa nằm ngang tương ứng với điện áp từ hóa (VE) tăng chậm nhưng dòng điện từ hóa tăng nhanh (IE) tương ứng với tỷ số ZE = VE / IE rất nhỏ  khi lõi từ bão hòa thành phần ZE có giá trị nhỏ. Giai đoạn lõi từ bão hòa thì độ từ thẩm của lõi từ rất thấp, xấp xỉ bằng độ từ thẩm của không khí. Khi BI bị bão hòa sẽ cung cấp thông tin không chính xác cho rơle và có thể dẫn tới hoạt động sai của hệ thống bảo vệ; do vậy khi lựa chọn BI cho rơle bảo vệ cần đảm bảo BI không bị bão hòa do dòng sự cố trong hệ thống cần bảo vệ. I.3.1. Tiêu chí lựa chọn để BI không bão hòa với dòng sự cố đối xứng Công thức đánh giá:

I FAULT Z B  RS   20 I PRI Z BSTD  RS Trong đó IFAULT và IPRI là dòng sự cố và dòng đinh mức sơ cấp của BI; ZB là tải thực tế phía nhị thứ (Bao gồm cả dây nối nhị thứ); ZBSTD là tải nhị thứ định mức. Giá trị 20 áp dụng với các BI theo tiêu chuẩn IEEE, với các BI theo tiêu chuẩn IEC thì giá trị này chính là hệ số giới hạn dòng điện theo độ chính xác (Ví dụ 5P20). Công thức trên đảm bảo BI không bị bão hòa khi có dòng sự cố đối xứng, tuy nhiên dòng sự cố luôn không đối xứng do có thành phần DC tắt dần nên công thức này không có nhiều ý nghĩa thực tế. Khi BI nối hình sao (Y) và tính toán với sự cố 1 pha (Nếu dòng sự cố một pha là lớn nhất), điện trở dây dẫn nhị thứ phải nhân 2 lần do dòng sự cố cần chạy qua mạch nhị thứ và trở về. Tuy nhiên nếu BI cũng nối hình sao (Y) và tính toán dòng ngắn mạch 3 pha là lớn nhất thì chỉ cần lấy giá trị điện trở dây dẫn nhị thứ một lần do dòng 3 pha triệt tiêu tại tại điểm nối chung và không trở về qua dây trung tính. ZBSTD là tải tiêu chuẩn của BI ứng với tỷ số biến cao nhất, khi dùng với tỷ số biến thấp hơn cần phải hiệu chỉnh lại tải tiêu chuẩn bằng cách nhân với tỷ số của đầu đang sử dụng chia cho tỷ số biến cao nhất. Ví dụ biến dòng điện loại C800, 2000/5 và đang dùng đầu 1200/5 thì tải tiêu chuẩn chỉ là:

Z BSTD 

800V 1,200A   4.8() 20lÇn  5A 2,000A

Hay lúc này BI chỉ hoạt động tương tự như loại C480 (4.8Ω * 5A * 20lần = 480V). I.3.2. Tiêu chí lựa chọn để BI không bão hòa với dòng sự cố không đối xứng Trong thực tế dòng sự cố luôn chứa thành phần DC tắt dần, thành phần DC này tắt nhanh hay chậm phụ thuộc vào tỷ số X/R tương đương của lưới; do đó công Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

30 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

thức tính toán để tranh BI bão hòa khi dòng sự cố không đối xứng sẽ gồm cả thành phần X/R:

IFAULT ZB  RS  X    1  20 IPRI ZB sin  RS  R  Với trường hợp lõi từ còn có từ dư: Không thể biết trước được trong lõi từ còn bao nhiêu từ dư và cực tính của từ dư như thế nào; trong trường hợp xấu nhất nếu từ dư có thể làm BI nhanh chóng bị bão hòa. Tuy nhiên từ dư chỉ ảnh hưởng trong nửa chu kỳ đầu tiên, do đó trong thực tế không xét đến ảnh hưởng này khi lựa chọn BI. I.4. So sánh biến dòng điện theo các tiêu chuẩn IEC và ANSI Theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE có hai loại BI thông dụng là kiểu C và kiểu T. Các BI kiểu T chỉ có thể đánh giá được sai số thông qua đặc tính từ hóa mà nhà sản xuất cung cấp; BI kiểu C có thể tính toán được sai số. Theo sau các chữ số chỉ kiểu BI (C hoặc T) là số chỉ điện áp thứ cấp khi: - Tải là định mức - Dòng điện trong mạch gấp 20 lần dòng định mức thứ cấp - Sai số tỷ số không vượt quá 10%

Hình 1.15. Quan hệ giữa dòng sơ cấp và thứ cấp của biến dòng kiểu T

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

31 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Với BI dùng cho rơle thì các giá trị điện áp thông dụng là 100, 200, 400 và 800 tương ứng với tải tiêu chuẩn ký hiệu B-1, B-2, B-4, B-8 (Tại hệ số công suất 0.5), tải tiêu chuẩn tính theo Ω. Như vậy BI loại C800 với tải tương ứng B-8 và tỷ số biến 2000/5 sẽ có điện áp thứ cấp là 8Ω * 5A * 20 lần = 800V. So sánh với tiêu chuẩn IEC, biến dòng được cho với thông số như sau: 30 VA Class 10 P 30 2000/5 Hệ số giới hạn độ chính xác: 30 lần Dùng cho các thiết bị bảo vệ (Không dùng cho đo đếm) Cấp chính xác 10P: Tải định mức cho phép: 30VA Do vậy điện áp thứ cấp tại tải định mức và dòng thứ cấp định mức là: 30VA/5A = 6 V Sai số của BI sẽ không quá 10% khi dòng điện thứ cấp gấp 20 lần dòng định mức. Vậy BI này tương ứng với loại C180 theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE. I.5. Cực tính và nối đất của BI I.5.1. Qui ước cực tính của BI Cực tính của BI có ý nghĩa quan trọng đối với các thiết bị đo đếm điện năng và với các loại rơle bảo vệ có sử dụng tới hướng của dòng điện (Dòng công suất). Cực tính cùng tên của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được đánh dấu bằng các ký hiệu như hình sao, chấm tròn, chấm vuông, ... trên bản vẽ thì các cực tính cùng tên được qui định vẽ cạnh nhau, do đó trên sơ đồ không cần thiết phải đánh dấu cực tính. Việc chỉ báo rõ dấu cực tính trên sơ đồ chỉ áp dụng với các trường hợp đặc biệt. Theo tiêu chuẩn IEC 60044-1: cực tính của các BI được trong hình 1.8 và hình 1.9 có các cực P1; S1; C1 là có cùng cực tính.

Hình 1.16. Qui ước cực tính đối với biến dòng có một và hai cuộn thứ cấp Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

32 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Hình 1.17. Qui ước cực tính với biến dòng có cuộn thứ cấp với hai tỷ số biến

I.5.2. Qui định về nối đất BI Lý do cần nối đất phía thứ cấp của BI: - Phía thứ cấp của BI được nối đất để đảm bảo an toàn, tránh nguy hiểm trong trường hợp điện áp cao áp phía sơ cấp lan truyền sang phía thứ cấp do hư hỏng cách điện. - Giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp luôn tồn tại một điện dung nhất định, điện dung này sẽ hình thành nên điện thế cảm ứng trên cuộn thứ cấp, tùy theo giá trị của điện dung này mà điện thế với đất do tĩnh điện sinh ra trên cuộn thứ cấp có thể tăng tới mức gây nguy hiểm cho thiết bị và con người. - Nguyên tắc chung là mạch dòng phía thứ cấp nên được nối đất tại một điểm tại cực S1 hoặc S2. Lý do chỉ nên nối đất tại một điểm có thể giải thích như sau: + Khi có sự cố chạm đất dòng chạm đất chạy trong hệ thống nối đất và các điểm khác nhau của hệ thống nối đất có thể có điện thế khác nhau. Nếu mạch dòng được nối đất tại nhiều hơn một điểm có thể dẫn tới có dòng điện quẩn chạy qua rơle và các thiết bị đo đếm, dẫn tới sự làm việc sai lệch của hệ thống rơle bảo vệ và các đồng hồ đo. + Nếu dây chung của mạch nhị thứ (Dây nối từ điểm đấu sao của các pha của các BI về) được nối đất tại nhiều điểm có thể dẫn tới có dòng điện lớn chạy trong dây này và gây quá tải. + Thuận tiện cho việc kiểm tra cách điện: Trong trường hợp cần thiết phải kiểm tra cách điện của mạch nhị thứ thì việc nối đất tại một điểm sẽ làm công tác cách ly điểm nối đất này dễ dàng hơn khi thực hiện việc kiểm tra. - Với BI dùng cho mục đích bảo vệ: Nối đất tại vị trí gần nhất với đối tượng được bảo vệ. - Với BI dùng cho mục đích đo đếm: Nối đất tại vị trí gần nhất với phía khách hàng. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

33 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

- Khi các thiết bị đo đếm và rơle bảo vệ dùng chung cuộn dây BI thì vị trí nối đất quyết định theo yêu cầu về rơle bảo vệ. - Với cuộn dây BI có nhiều đầu ra: Các đầu không sử dụng phải để hở - Nếu các cuộn dây của các BI khác nhau được nối chung về điện (Ví dụ trong các sơ đồ bảo vệ so lệch) thì chỉ sử dụng một điểm nối đất chung cho toàn mạch, tránh việc nối đất hai điểm sẽ có thể gây dòng quẩn trong mạch do sự khác nhau về điện thế giữa các điểm nối đất. - Nếu một cuộn dây của BI không sử dụng: Phải nối tắt và nối đất. I.5.3. So sánh đặc tính của biến dòng dùng cho mục đích đo đếm và rơle bảo vệ Bảng 1.1 so sánh đặc tính của hai loại BI dùng cho mục đích đo đếm và bảo vệ. Bảng 1.1. So sánh đặc tính biến dòng dùng cho rơle bảo vệ và đo, đếm

Hạng mục

BI dùng cho đo lường

so sánh

BI dùng cho bảo vệ rơle

Phạm vi (0,05 ÷ 1,2) x Iđịnh mức tới (10-20-30-…) x Iđịnh mức hoạt động (đo dòng tải bình thường hoặc quá tải (đảm bảo đo được dòng sự cố) chính xác cho phép) Bão hòa nhanh để bảo vệ các dụng cụ Điện áp bão hòa cao hơn (VK) đo khi có sự cố, dòng điện qua BI tăng (BI khó bị bão hòa)

Lõi từ

cao Cấp xác

chính

Thiết bị

Độ chính xác cao - 0.2 hoặc 0.5 (theo IEC) - 0.15 hoặc 0.3 hoặc 0.6 (theo IEEE)

Độ chính các thấp hơn - 5P hoặc 10P theo chuẩn IEC

kW, KVar, A, kWh, kVArh, …

Rơle, bộ ghi sự cố

I.6. Đặc tính của các biến điện áp dùng cho mục đích bảo vệ rơ le I.6.1. Biến điện áp dùng cho mục đích bảo vệ rơ le Biến điện áp dùng trong hệ thống điện thường có hai loại: - Loại cảm ứng điện từ thông thường: Thường dùng cho cấp trung áp trở xuống. - Loại kiểu tụ phân áp: Thường sử dụng với cấp điện áp từ 110kV trở lên vì lý do kinh tế. Máy biến điện áp kiểu tụ phân áp có thể sử dụng kết hợp với các thiết bị thông tin tải ba (PLC). Hoàn toàn tương tự như với máy biến dòng điện: Các máy biến điện áp dùng cho mục đích bảo vệ rơle có dải làm việc chính xác rộng hơn so với máy biến điện áp dùng cho đo đếm. Tuy nhiên cấp chính xác của biến điện áp dùng cho mục đích Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

34 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

bảo vệ rơle thấp hơn so với BU dùng cho mục đích đo đếm. Thông thường BU dùng cho mục đích đo đếm có phạm vi làm việc chính xác trong dải từ 80% ÷ 120% điện áp định mức; BU dùng cho mục đích bảo vệ rơle có dải làm việc chính xác trong khoảng từ 5% tới 150% (1,5 lần) hoặc 190% (1,9 lần) điện áp định mức.

Hình 1.18. Nguyên lý của biến điện áp kiểu tụ phân áp

I.6.2. Hệ số giới hạn điện áp định mức Các máy biến điện áp thường được nối vào điện áp pha, khi xảy ra sự cố trong lưới có thể dẫn tới điện áp pha bị tăng lên tới giá trị Vf lần giá trị điện áp định mức. Máy biến điện áp phải chịu được giá trị điện áp lớn gấp Vf lần này trong khoảng thời gian đủ để loại trừ sự cố, được qui định như sau: Bảng 1.2. Qui định về hệ số giới hạn điện áp của BU

Rated Voltage factor 1.2

Rated time

Primary winding connection method

Network earthing system

continuous

phase to phase

any

1.2

continuous

between the neutral point of a star transformer and earth

any

1.2

continuous phase to earth

directly earthed neutral

1.5

30 seconds

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

35 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

1.2

continuous

1.9

30 seconds

1.2

continuous

1.9

8 hours

1.2

continuous

1.9

8 hours

phase to earth

limiting resistance earthing with automatic earth fault clearance (tripping upon first fault)

phase to earth

earthed neutral without automatic earth fault clearance (no tripping upon first fault)

phase to earth

tuned limiting reactance (or Petersen coil) earthing without automatic earth fault clearance (no tripping upon first fault)

Tiêu chuẩn IEC qui định hệ số giới hạn điện áp như sau: - 1,9 lần đối với lưới điện có trung tính cách điện. - 1,5 lần đối với lưới điện có trung trính nối đất trực tiếp. Thời gian chịu đựng giới hạn điện áp này là 30 giây đối với các lưới điện có trang bị các bảo vệ chống sự cố chạm đất và tới 8 giờ với các lưới không trang bị bảo vệ chạm đất. I.6.3. Tải và cấp chính xác Cấp chính xác của BU được lựa chọn tùy theo ứng dụng đo, đếm hay ứng dụng rơle bảo vệ. BU với mục đích sử dụng cho các trường hợp đo đếm thương mại phải đảm bảo làm việc chính xác trong dải nhiệt độ đã thiết kế. Để đảm bảo điều này, phương tiện cách điện trong các bộ tụ sử dụng hai loại vật liệu có đặc tính nhiệt ngược nhau (Ví dụ giấy và màng nhựa Polypropylene) để đảm bảo giá trị điện dung ít thay đổi theo nhiệt độ. Với các BU có nhiều cuộn thứ cấp, các cuộn thứ cấp chịu ảnh hưởng lẫn nhau vì điện áp rơi trên cuộn sơ cấp phụ thuộc vào tải của tất cả các cuộn thứ cấp (Trong khi đó các cuộn thứ cấp của BU được quấn trên các lõi khác nhau và không phụ thuộc nhau). Do đó các cuộn thứ cấp BU dùng cho đo đếm và BU dùng cho bảo vệ nên lựa chọn cùng nhau. Cấp chính xác và tải được lựa chọn như sau: - Khi tải của BU gồm cả đo đếm và bảo vệ rơle thì cấp chính xác được lựa chọn theo yêu cầu của hệ thống đo đếm. - Công suất của BU phải đáp ứng công suất của tất cả các trang thiết bị có nối tới. Ví dụ: Dụng cụ đo 25 VA Cấp chính xác: 0,5 Rơle 100 VA Cấp chính xác: 3P Như vậy BU nên lựa chọn có khả năng cấp công suất tới 100VA và cấp chính Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

36 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

xác tương ứng nên là 0.5. Cuộn thứ cấp dùng cho đo, đếm đảm bảo chính xác với điện áp trong khoảng 80-120% điện áp định mức và tải trong khoảng 25 ÷ 100% của tải định mức. Cuộn thứ cấp dùng cho rơle bảo vệ đảm bảo chính xác với điện áp trong khoảng từ 5% ÷ Vf lần điện áp định mức và tải trong khoảng 25 ÷ 100% của tải định mức. Tuy nhiên với BU thì cấp chính xác có thể cho theo kiểu tổ hợp như 0.5/3P, điều này có nghĩa là cấp chính xác 0,5 cho mục đích đo và đếm sẽ được đảm bảo trong khoảng của 80 ÷ 120% điện áp định mức và cấp chính xác 3P đối với rơle bảo vệ được đảm bảo khi điện áp trong khoảng 5% ÷ 80% và 120% ÷ Vf của điện áp định mức. Cấp độ chính xác theo tiêu chuẩn IEC 60044-2 Phạm vi

Giới hạn sai số

Cấp chính xác

Tải (%)

Điện áp (%)

Sai số độ lớn (%)

Sai số góc (phút)

0.1

25-100

80-120

0.1

5

0.2

25-100

I0>

2 Tổng 3 BI

Ichạm đất

I0>

Ichạm đất

3 BI xuyến (BI0)

Ichạm đất Hình 1.22. Các phương pháp đo lường thành phần dòng điện TTK

- Phương pháp 1: Sử dụng BI đặt tại trung tính của cuộn dây đấu Y0 của máy biến áp. Phương pháp này chỉ sử dụng một BI do vậy có độ chính xác cao, sai số đo lường nhỏ. Tuy nhiên chỉ áp dụng được với trạm biến áp; khi cần đo thành phần dòng điện TTK trên đường dây thì không thể sử dụng phương pháp này. Mặt khác dòng điện chạm đất còn trở về qua trung tính của các máy biến áp lân cận, do vậy phương pháp này có thể không đo được toàn bộ dòng điện chạm đất. - Phương pháp 2: Sử dụng sơ đồ đấu nối lấy tổng dòng điện từ ba BI pha (Pha A, pha B, pha C). Do sử dụng 3 BI riêng biệt nên sai số của phép đo lớn, do vậy chỉ thích hợp để đo dòng điện chạm đất trong các các mạng có dòng điện chạm đất lớn (Mạng điện có trung tính nối đất trực tiếp). - Phương pháp 3: Sử dụng một BI lấy tổng từ thông (Còn được gọi là BI0). BI0 là loại BI có một lõi từ và lõi từ này đủ lớn để bao cả ba pha dòng điện cần đo. Do chỉ sử dụng một lõi từ nên sai số của phép đo nhỏ, thích hợp để đo các thành phần Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

44 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

dòng điện TTK nhỏ; nói cách khác BI0 thường được sử dụng để đo dòng chạm đất trong các mạng có trung tính cách điện (Dòng điện dung). I.8.2. Phương thức đo lường điện áp thứ tự không (U0) Các phương pháp đấu BU để lọc được thành phần điện áp thứ tự không được liệt kê trong hình 1.23 dưới đây:

Hình 1.23. Sơ đồ đấu nối bộ lọc điện áp thứ tự không

Có thể sử dụng 3 máy biến điện áp một pha để đấu nối bộ lọc điện áp thứ tự không hoặc sử dụng biến điện áp loại ba pha 5 trụ với cuộn tam giác hở. Phía sơ cấp của các BU cần được đấu theo sơ đồ Y0 để tạo đường dẫn tho thành phần TTK đi vào. Với các máy phát điện có trung tính nối đất qua tổng trở có thể đo điện áp thứ tự không tại cuộn thứ cấp của máy biến áp nối đất:

Hình 1.24. Điện áp thứ tự không tại phía thứ cấp máy biến áp nối đất của máy phát điện

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

45 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Chương 2. CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN II.1. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện/ quá dòng điện có hướng II.1.1. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51) Bảo vệ quá dòng dùng để chống lại các dạng sự cố quá dòng một pha, hai pha & ba pha. Bảo vệ sẽ khởi động khi dòng điện của một pha, hai pha hoặc cả ba pha vượt quá giá trị khởi động đã được cài đặt trước trong rơle. Do bảo vệ hoạt động theo dòng điện của riêng từng pha nên còn được gọi là bảo vệ quá dòng điện pha. Tùy thuộc thiết kế mà rơle có thể gửi tín hiệu cắt riêng pha bị sự cố hoặc cắt cả ba pha (Việc cắt riêng một pha thường chỉ áp dụng với đường dây 500kV và một số đường dây 220kV quan trọng, đi kèm với yêu cầu về máy cắt phải là loại một pha). Xét đường dây đơn giản có hai phân đoạn, tại đầu mỗi đoạn đường dây đều trang bị các bảo vệ quá dòng điện (Hình 2.1): Phân đoạn 1

Phân đoạn 2

Nguồn I> BV1 tBV1=0 giây

I>

BV2 tBV2=0 giây

N2

Hình 2.1. Đường dây hình tia một nguồn cấp

Khi sự cố xảy ra tại N2: Dòng điện sự cố chạy từ nguồn tới điểm sự cố qua cả BV1 & BV2. Cả hai bảo vệ đều cảm nhận được sự cố và cùng khởi động đếm thời gian. Do sự cố xảy ra tại phân đoạn 2 nên BV2 cần phải tác động trước và cắt máy cắt phân đoạn 2 loại trừ sự cố (Khi sự cố tại N2 được loại trừ thì BV1 sẽ trở về, bộ đếm thời gian sẽ trả về 0); do vậy cần chỉnh định thời gian của BV2 ngắn hơn của BV1. Có thể mô tả quan hệ thời gian chỉnh định của hai bảo vệ này như sau: tBV1 = tBV2 + ∆t Trong đó ∆t là bậc phân cấp thời gian giữa các bảo vệ. Một cách tổng quát: Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng cấp trên cần trễ hơn so với các bảo vệ cấp dưới, mức độ chênh lệch thời gian tối thiểu là ∆t. Công thức tổng quát: tbảo vệ cấp trên = max{tcác bảo vệ cấp dưới liền kề} + ∆t Với ∆t = 0,3 ÷ 0,6 giây (Thường chọn mức 0,5 giây) Các bảo vệ quá dòng này đảm bảo khả năng làm việc chọn lọc dựa theo việc phân cấp thời gian, do đó còn được gọi là bảo vệ quá dòng có thời gian (Để phân biệt với một dạng bảo vệ khác là bảo vệ quá dòng cắt nhanh).

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

46 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Lựa chọn bậc phân cấp thời gian ∆t: Bậc phân cấp thời gian ∆t nếu lựa chọn quá nhỏ thì các bảo vệ có thể dễ tác động nhầm, nếu lựa chọn lớn sẽ làm chậm thời gian tác động của bảo vệ cấp trên. Bậc phân cấp ∆t được lựa chọn có xét tới các yếu tố sau đây: - Thời gian cắt của máy cắt: Thường do các nhà sản xuất cung cấp; - Sai số về thời gian của rơle (Timing error): Rơle không thể vận hành chính xác đúng theo đặc tuyến lý thuyết đã được xây dựng; - Hiện tượng quá tác động của rơle (Overshoot): Là hiện tượng rơle đã được ngắt điện nhưng vẫn tiếp tục vận hành thêm một khoảng thời gian rất ngắn nữa. Lý do của việc này là do các rơle vẫn còn lưu trữ năng lượng: Rơle cơ loại đĩa quay, cốc quay có quán tính; rơle tĩnh có các tụ điện vẫn còn tích lũy năng lượng. Với các rơle số hiện nay thì không cần xét tới thời gian quá tác động này; - Sai số của biến dòng: Các biến dòng có sai số và sai số này có thể làm rơle vận hành nhanh hơn hoặc chậm hơn so với lý thuyết, nếu rơle sử dụng đặc tính độc lập thì không cần xét tới yếu tố này; - Thời gian dự phòng (Safety margin); Thông thường giá trị ∆t = 0,3 ÷ 0,6 giây là đủ để đảm bảo các yếu tố trên. Như vậy bảo vệ quá dòng thường làm việc có thời gian trễ theo chỉnh định, tuy vậy cần phải chọn thêm một phần nữa là đặc tính thời gian trễ của bảo vệ như sau (Hình 2.2): Thời gian

Thời gian Dòng điện qua rơle nhỏ hơn dòng khởi động  vùng rơle không khởi động

Dòng điện qua rơle nhỏ hơn dòng khởi động  vùng rơle không khởi động

tlàm việc Ikhởi động

Dòng điện

Đặc tính thời gian độc lập

Ikhởi động

Dòng điện

Đặc tính thời gian phụ thuộc

Hình 2.2. Đặc tính thời gian làm việc độc lập và phụ thuộc của rơle quá dòng

Bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian độc lập: Khi bảo vệ đã khởi động thì thời gian làm việc (trễ) của bảo vệ không phụ thuộc vào độ lớn dòng ngắn mạch. Ví dụ bảo vệ được chỉnh định như sau: - Dòng khởi động là 1kA - Thời gian làm việc là 1 giây - Sử dụng đặc tính thời gian độc lập Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

47 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Khi dòng sự cố là 2kA thì rơle tác động sau khoảng thời gian là 1 giây như đã đặt, với dòng sự cố dù tăng lên tới 20kA thì thời gian tác động của rơle không đổi và vẫn là 1 giây. Bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian phụ thuộc: Khi bảo vệ đã khởi động thì thời gian làm việc sẽ phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch càng lớn thì thời gian tác động của bảo vệ càng nhỏ và ngược lại. Đặc tính này có thể hiểu tương tự như đặc tính của cầu chì hoặc đặc tính chống quá tải của áp tô mát. Trong thực tế thì thời gian tác động sẽ tỷ lệ với tỷ số giữa dòng ngắn mạch và dòng khởi động của rơle. Các đặc tính phụ thuộc của bảo vệ quá dòng được chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn chung, tuy nhiên người sử dụng có thể tự tạo ra đặc tính phụ thuộc với độ dốc tùy chọn. Theo tiêu chuẩn IEC 60255 có định nghĩa các đặc tính sau:

Theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE ở khu vực Bắc Mỹ:

Trong đó TD là hệ số đặt thời gian (Time Dial setting). Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

48 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Phạm vi sử dụng khuyến cáo với các dạng đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng: Đặc tính dốc tiêu chuẩn: Trong hầu hết các trường hợp sử dụng đặc tính dốc tiêu chuẩn (SI) sẽ đảm bảo được sự phối hợp bảo vệ, tuy nhiên nếu không đạt được thì xem xét chuyển sang đặc tính rất dốc (VI) và cực kỳ dốc (EI) hoặc đặc tính do người dùng tự tạo lập. Đặc tính rất dốc: Phù hợp để sử dụng khi dòng ngắn mạch giảm mạnh tới cuối nguồn. Đặc tính cực kỳ dốc: Thời gian tác động gần như tỷ lệ nghịch với bình phương của dòng điện. Đặc tính này phù hợp khi cần bảo vệ cho lưới phân phối với các đặc điểm như dòng lớn đột biến khi đóng điện đường dây, hoặc khi đóng điện các máy bơm, máy nén. Đặc tính này có thời gian tác động khá chậm khi dòng điện xấp xỉ dòng định mức, phù hợp để phối hợp với các cầu chì. Đặc tính EI có thể sử dụng cho các thiết bị tự đóng lại hoạt động theo sơ đồ tiết kiệm cầu chì. Đặc tính thời gian độc lập: Phù hợp sử dụng khi dòng sự cố ít thay đổi dọc đường dây. II.1.2. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50) Tính chọn lọc là khả năng của bảo vệ rơle loại trừ đúng và chỉ riêng phần tử bị sự cố, không gây ảnh hưởng đến các phần tử khác. Các bảo vệ quá dòng có thời gian (I>) đảm bảo tính chọn lọc bằng cách phân cấp thời gian làm việc giữa các bảo vệ (Chọn lọc theo thời gian); loại bảo vệ này có nhược điểm là thời gian làm việc của các bảo vệ cấp trên có thể tăng cao. Mong muốn là có thể đặt bảo vệ quá dòng với thời gian tác động bằng 0 giây, tuy nhiên nếu đặt thời gian bằng 0 giây sẽ gặp các vấn đề sau: Phân đoạn 1

Phân đoạn 2

Nguồn I> BV1 tBV1=0 giây

N4 I> BV2 tBV2=0 giây

N3

N2

Hình 2.3. Sơ đồ lưới điện với bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh

Xét sơ đồ lưới điện tương tự như trên, chỉ khác là các bảo vệ quá dòng được đặt thời gian là 0 giây để đảm bảo cắt nhanh (Hình 2.3): Khi sự cố tại N2: Cả hai bảo vệ BV1 & BV2 cùng khởi động và tác động tức thời vì thời gian đều đặt là 0 giây. Như vậy BV1 tác động không chọn lọc vì chỉ cần BV2 tác động cắt máy cắt là đủ để loại trừ sự cố. Để BV1 không làm việc sai trong trường hợp này thì phải chỉnh định sao cho BV1 không khởi động, suy ra dòng khởi Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

49 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

động của BV1 phải đặt lớn hơn dòng ngắn mạch IN2 do sự cố tại N2; có thể viết: Ikhởi động BV1 > IN2 Lý luận tương tự khi có sự cố tại các điểm N3, N4, … thuộc phân đoạn 2 và dẫn tới yêu cầu phải chỉnh định: Ikhởi động BV1 > Ingắn mạch ngoài phân đoạn 1 Từ đó xây dựng thành công thức tính toán dòng khởi động của bảo vệ quá dòng loại này: Ikhởi động = Kan toàn * Ingắn mạch ngoài vùng max Loại bảo vệ chỉnh định như vậy có đặc điểm: - Thời gian tác động là 0 giây: Do đó có tên gọi là bảo vệ quá dòng cắt nhanh - Dòng khởi động có giá trị lớn vì tính theo độ lớn dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất, do vậy ký hiệu là I>> để ngụ ý là dòng khởi động lớn. Hệ số an toàn Kat có thể chọn từ 1,1 ÷ 1,3 (Giá trị tối thiểu nên chọn là 1,1 do tính tới sai số 10% của máy biến dòng điện). Các rơle số hiện nay đều cho phép chỉnh định bảo vệ quá dòng điện với hai cấp tác động (Hình 2.4): Cấp có thời gian (I>) và cấp cắt nhanh (I>>). Phân đoạn 1

Phân đoạn 2

Nguồn I> ttrễ I>> t=0 giây

I> ttrễ I>> t=0 giây

Hình 2.4. Các bảo vệ quá dòng điện pha

Phạm vi bảo vệ của bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh: Do cách chỉnh định dòng khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh nên chức năng này không bảo vệ được toàn bộ đối tượng, về lý thuyết sẽ có một vùng chết ở cuối đối tượng cần bảo vệ (Hình 2.5). Vì lý do luôn có vùng chết cuối vùng bảo vệ nên bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (I>>) không được dùng làm bảo vệ chính cho đối tượng. Kết hợp bảo vệ quá dòng có thời gian và bảo vệ quá dòng cắt nhanh Các bảo vệ quá dòng sử dụng đặc tính thời gian phụ thuộc có ưu điểm là thời gian tác động với các sự cố gần nguồn ngắn; tuy nhiên nên sử dụng kết hợp với bảo vệ quá dòng cắt nhanh để tăng khả năng phối hợp bảo vệ (Nên kết hợp sử dụng khi tổng trở nguồn là nhỏ so với tổng trở của đường dây cần bảo vệ, dòng ngắn mạch đầu nguồn lớn). Việc cài đặt thêm chức năng BV quá dòng cắt nhanh cho phép cải thiện khả năng phối hợp bảo vệ do có thể hạ thấp các đặc tính phía sau đặc tính cắt nhanh. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

50 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Phân đoạn 1

Nguồn

I>> t=0 giây BV1

Phân đoạn 2 I>> t=0 giây BV2

Ingắn mạch Dòng ngắn mạch max dọc đường dây

Ikhởi động I>> (BV1) Ingắn mạch max

ngoài vùng phân đoạn 1

Ingắn mạch max

ngoài vùng phân đoạn 2

Dòng ngắn mạch min dọc đường dây

0 Vùng chết của BV1

L (km)

Vùng chết của BV2

Hình 2.5. Phạm vi bảo vệ của bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh

Xét ví dụ lưới điện sau:

Các rơle dùng đặc tính phụ thuộc kết hợp đặc tính cắt nhanh:

Phối hợp các đặc tính như sau:

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

51 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Phối hợp giữa R2 và R3 chỉ cần đến mức dòng điện 500 A thay vì đến mức 1100 A, do đó đặc tính của R2 có thể hạ thấp hơn (Giảm hệ số nhân thời gian); đảm bảo phân cấp thời gian giữa R2 và R3 là 0,4 giây. Tương tự R1 phối hợp với R2 chỉ đến ngưỡng dòng điện 1400 A thay vì phải phối hợp tới 2300 A. Khi sử dụng bảo vệ quá dòng cắt nhanh cũng cần lưu ý ảnh hưởng của thành phần dc có thể làm bảo vệ tác động vượt vùng. Dòng ngắn mạch ban đầu có thể rất lớn do ảnh hưởng của thành phần dc và lớn hơn cả dòng khởi động làm rơle tác động, hiện tượng này có thể xảy ra dù giá trị dòng hiệu dụng tính toán khi sự cố ngoài vùng nhỏ hơn dòng khởi động. II.1.3. Nguyên lý bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N) Là loại bảo vệ được sử dụng để bảo vệ chống lại các dạng sự cố chạm đất. Bảo vệ sẽ tác động khi dòng TTK qua nó vượt quá ngưỡng chỉnh định. Nguyên lý hoạt động và đặc tính thời gian của bảo vệ này hoàn toàn tương tự các bảo vệ quá dòng pha đã trình bày ở trên. Nguyên lý đo lường thành phần thứ tự không dựa trên phương trình: IA + IB + IC = 3I0 Trong đó: IA; IB; IC là các dòng điện pha Chọn giá trị dòng điện khởi động cho bảo vệ quá dòng điện TTK: Về mặt lý thuyết, dòng điện chạy qua rơle ở chế độ bình thường bằng 0, tuy nhiên do sai số của các máy biến dòng nên luôn tồn tại một dòng không cân bằng chạy qua. Để các bảo vệ không tác động ở chế độ bình thường cần chọn dòng khởi động lớn hơn dòng không cân bằng này. Thông thường giá trị chỉnh định cho các bảo vệ quá dòng TTK chọn trong khoảng: Ikhởi động = (0,1 ÷ 0,3) * Iđịnh mức BI Giá trị chỉnh định của các rơle quá dòng TTK rất thấp so với các bảo vệ quá dòng pha thông thường, do đó bảo vệ quá dòng TTK có độ nhạy cao. Tuy nhiên bảo vệ TTK mặc dù có độ nhạy cao nhưng chỉ bảo vệ được khi có các sự cố chạm đất xảy ra, bảo vệ sẽ không hoạt động khi có sự cố pha - pha không chạm đất. Một trong các vấn đề cần chú ý đối với bảo vệ theo dòng TTK là ảnh hưởng của các thành phần sóng hài bậc 3, thành phần sóng hài này có tính chất tương tự như thành phần dòng điện TTK và rơle sẽ có thể tác động nhầm nếu thành phần sóng hài này đủ lớn (Các rơle hiện nay đều đã tự động lọc các sóng hài và chỉ làm việc với thành phần tần số cơ bản nên không bị ảnh hưởng bởi thành phần hài bậc ba này). II.1.4. Nguyên lý bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46) Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (TTN) thường được sử dụng làm bảo vệ dự Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

52 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

phòng cho các bảo vệ quá dòng pha. Chức năng bảo vệ này phát hiện hiện tượng mất cân bằng tải và cũng được sử dụng để phát hiện hiện tượng mất pha tới tải, sự cố không đối xứng hoặc hiện tượng đấu sai cực tính máy biến dòng. Có thể thấy rằng bảo vệ quá dòng thứ tự không có độ nhạy cao, tuy nhiên chỉ hoạt động với các sự cố chạm đất; trong trường hợp xảy ra sự cố hai pha ở cuối vùng bảo vệ với dòng điện sự cố nhỏ thì các bảo vệ quá dòng pha có thể không đủ độ nhạy để tác động. Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch hoạt động dựa trên thành phần dòng thứ tự nghịch có trong dòng điện sự cố hoặc ở chế độ tải mất cân bằng. Ở chế độ bình thường với tải đối xứng thì thành phần dòng điện TTN bằng không, do đó về lý thuyết có thể đặt dòng khởi động của bảo vệ này bằng 0 và như vậy bảo vệ sẽ có độ nhạy rất cao (Tương tự như bảo vệ quá dòng TTK). Trong thực tế giá trị cài đặt của rơle thường chỉnh định theo giá trị lớn hơn của hai trường hợp sau: - Chọn theo Ikhởi động ≥ (0,1 ÷ 0,3) * Iđịnh mức BI - Hoặc chọn lớn hơn giá trị dòng điện TTN xuất hiện lúc bình thường do tải bị mất cân bằng. Tuy nhiên cần kiểm tra để đảm bảo giá trị khởi động nhỏ hơn 50% độ lớn của dòng thứ tự nghịch nhỏ nhất có thể xuất hiện khi có sự cố cuối đối tượng cần bảo vệ. Bảo vệ quá dòng TTN được sử dụng phổ biến cho các máy điện quay (Động cơ, máy phát điện) để phát hiện các chế độ làm việc mất cân bằng (Tải mất cân bằng, mất pha, sự cố không đối xứng). II.1.5. Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện có hướng (67) II.1.5.1. Giới thiệu chung Với các cấu hình lưới điện phức tạp, dòng điện có thể chạy qua rơle quá dòng theo cả hai hướng thì các bảo vệ quá dòng thông thường có thể không đủ khả năng để đảm bảo tính chọn lọc. Để khắc phục hiện tượng này thì cần sử dụng các rơle quá dòng có hướng (67); các rơle quá dòng có hướng thực chất là một bảo vệ quá dòng kết hợp với phần tử định hướng công suất. Phần tử định hướng công suất hoạt động dựa trên hai thành phần: Thành phần tham chiếu và thành phần cần xác định hướng; ví dụ nếu điện áp được chọn là đại lượng tham chiếu thì dòng điện sẽ là đại lượng cần xác định góc so với điện áp và ngược lại. Điện áp được sử dụng để làm thành phần tham chiếu thay vì dòng điện với lý do là điện áp ít biến đổi trong quá trình sự cố; nếu chọn dòng điện là đại lượng tham chiếu thì ở chế độ không tải hoặc non tải dòng điện bằng 0 hoặc rất thấp sẽ không sử dụng được. Việc định hướng công suất chính là việc xác định xem véc

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

53 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

tơ dòng điện nằm ở phía nào so với véc tơ điện áp tham chiếu, thực chất là xác định góc giữa dòng điện và vec tơ điện áp tham chiếu. Nguồn 1

Nguồn 2

Hình 2.6. Sơ đồ lưới điện phức tạp yêu cầu có bảo vệ có hướng

II.1.5.2. Sơ đồ đấu nối phần tử định hướng công suất Việc lựa chọn tổ hợp các tín hiệu dòng và áp đưa vào rơle định hướng phải đảm bảo rơle có đủ độ nhạy và hoạt động đúng trong mọi trường hợp. Sơ đồ đấu nối tiêu chuẩn đối với các rơle số và rơle tĩnh là sơ đồ 900, chi tiết như hình hình 2.7:

UA IA cosφ=1

UC

900 UBC

UB

Hình 2.7. Dòng điện và điện áp tham chiếu của bộ phận định hướng công suất

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

54 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Trong sơ đồ này, nếu phần tử định hướng của rơle lấy dòng điện từ pha A thì điện áp tham chiếu sẽ lấy từ pha B & C (Là điện áp dây UBC), tương tự với phần tử định hướng lấy dòng pha C thì điện áp sẽ là VAB. Do cách đấu nối như vậy thì ở chế độ bình thường (Với giả thiết cosφ = 1 hay φ = 00) điện áp tham chiếu và dòng điện tạo với nhau góc 900, từ đó hình thành nên tên gọi của sơ đồ. Với các rơle cơ hoặc rơle tĩnh trước đây còn tồn tại các sơ đồ đấu nối kiểu 300, 600. Với các rơle hiện nay không cần phải thực hiện việc đấu dây cho các phần tử định hướng, do vậy tên gọi của sơ đồ đấu nối này cũng ít được nhắc đến. Lý do lựa chọn điện áp tham chiếu là điện áp dây từ hai pha còn lại là do: - Khi xảy ra sự cố ba pha: Điện áp có thể giảm rất thấp, nếu sử dụng điện áp pha thì rơle định hướng có thể không đủ độ nhạy, sử dụng điện áp dây sẽ tăng được giá trị điện áp đưa vào rơle. - Khi xảy ra sự cố pha-pha ví dụ giữa pha 1 & 2: Điện áp U12 có thể rất thấp (Có thể bằng 0 nếu sự cố gần bảo vệ) và rơle định hướng không đủ độ nhạy; trong khi đó điện áp U23 vẫn còn đủ lớn, do vậy nên sử dụng điện áp dây với pha không sự cố còn lại để làm điện áp tham chiếu. II.1.5.3. Đặc tính hoạt động của rơle định hướng công suất Bảo vệ quá dòng có hướng sẽ hoạt động nếu đảm bảo hai điều kiện sau đây: - Dòng điện qua rơle vượt ngưỡng khởi động. - Góc pha của dòng điện so với điện áp tham chiếu nằm trong vùng cho phép của phần tử định hướng. Đặc tính hoạt động của phần tử định hướng được chia ra thành hai vùng: Vùng khóa và vùng cho phép như trong hình 2.8:

IA IA

VÙNG CHO PHÉP

IA 900

VÙNG KHÓA

UBC

θ=450

IA

IA

U’BC

Hình 2.8.

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

55 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Biên giới giữa hai vùng được được xác định như sau: (1) Lấy vecto điện áp tham chiếu (Ví dụ UBC) làm chuẩn (2) Xác định đường thẳng tạo với vecto điện áp tham chiếu một góc θ0 (Góc θ0 được gọi là góc đặc tính của phần tử định hướng và thường lấy một trong các giá trị 300, 450 hoặc 600, trong đó góc 450 được sử dụng mặc định trong hầu hết các rơle số). Đường thẳng này còn gọi là đường có độ nhạy lớn nhất, trong các tài liệu tiếng Anh còn được gọi là “Maximum Torque Angle” hay MTA. Khái niệm đường có mô men quay lớn nhất (Maximum Torque Angle) thừa hưởng từ nguyên lý hoạt động của các bộ phận định hướng trong các rơle điện cơ đời cũ. Lưu ý các giá trị góc trình bày ở đây là góc của đặc tính chứ không phải góc của sơ đồ đấu dây. (3) Xác định đường thẳng vuông góc với đường có độ nhạy lớn nhất này. Đường vuông góc này chính là biên giới của vùng cho phép và vùng tác động. (4) Nếu vecto dòng điện IA nằm trong vùng cho phép thì đầu ra của phần tử định sẽ là lôgic 1 (Cho phép) và ngược lại sẽ là lôgic 0 (Trạng thái khóa). Tổng kết: Phần tử định hướng (Ví dụ pha A) được cung cấp tín hiệu dòng điện pha IA và điện áp tham chiếu là UBC nhưng dịch pha đi một góc là θ0 (Điện áp U’BC trên hình vẽ 2.8). Tương tự cho phần tử định hướng ở các pha còn lại. II.1.5.4. Tại sao đặc tính góc θ được sử dụng Khi xem xét phần tử định hướng có thể thấy rằng việc sử dụng vecto điện áp tham chiếu là điện áp dây của các pha còn lại sẽ đảm bảo rơle có đủ độ nhạy để hoạt động, tuy nhiên nếu sử dụng chỉ sơ đồ đấu nối đơn giản như vậy sẽ không cho độ nhạy tối đa trong các trường hợp sự cố. Do đó, thay vì sử dụng điện áp tham chiếu nguyên thủy với góc 900 so với dòng điện thì vecto điện áp này lại được làm lệch pha đi một lượng θ0 trước khi đưa vào bộ phận định hướng. Lý do làm lệch vecto điện áp một lượng θ0 liên quan đến vấn đề: Dòng điện sẽ bị dịch pha (So với chế độ bình thường) trong khi xảy ra sự cố. Để đơn giản, xét sự cố đối xứng 3 pha xảy ra với lưới điện sau:

Nguồn

A

B

67 Hình 2.9.

- Thông thường với lưới trung áp thì tỷ lệ R/X từ nguồn đến điểm ngắn mạch Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

56 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

thường trong khoảng 0,05 ÷ 0,3; do đó góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện khi ngắn mạch 3 pha là trong khoảng 730 ÷ 870 (Đây là góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha);

UA

3÷17 độ

IA

73÷87 độ

Điện áp tham chiếu

UC

UB Hình 2.10.

- Bộ phận định hướng sử dụng lấy điện áp tham chiếu là điện áp dây nên góc lệch pha của điện áp tham chiếu này và dòng điện sẽ là từ 30 ÷ 170; - Tính toán tương tự cho các trường hợp sự cố không đối xứng khác với điểm sự cố giả thiết “Di chuyển” từ vị trí A đến vị trí B (Từ đầu đường dây tới cuối đường dây). Xác định góc giữa dòng điện sự cố và vecto điện áp tham chiếu trong các trường hợp đó, kết quả cuối cùng được biểu diễn như sau

Hình 2.11.

Nhận xét: Khi sự cố xảy ra thì góc pha của dòng điện sự cố luôn nằm gần như đối xứng hai bên của đường thẳng 450 (So với điện áp tham chiếu), do đó sử dụng Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

57 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

sơ đồ với góc đặc tính 450 sẽ đảm bảo phần tử định hướng có độ nhạy lớn nhất Thông thường sơ đồ 450 có thể sử dụng cho mọi trường hợp, trong một số trường hợp cụ thể có thể sử dụng các sơ đồ khác: - Sơ đồ 300: Sử dụng cho các xuất tuyến có tỷ số X/R cao (Ví dụ tuyến cáp với tiết diện lớn). - Sơ đồ 600: Sử dụng cho các xuất tuyến có tỷ số X/R thấp (Tuyến cáp với tiết diện nhỏ…). II.1.6. Nguyên lý hoạt động của bảo vệ quá dòng TTK có hướng (67N) Nguyên lý hoạt động của bảo vệ quá dòng chạm đất có hướng hoàn toàn tương tự với nguyên lý quá dòng pha có hướng, cụ thể bảo vệ sẽ tác động khi: - Độ lớn của dòng TTK vượt quá ngưỡng khởi động - Góc pha của dòng điện so với điện áp tham chiếu nằm trong vùng cho phép Điện áp tham chiếu dùng cho bảo vệ rơle quá dòng TTK có hướng là điện áp TTK.

Hình 2.12.

Dòng điện TTK chậm pha sau điện áp TTK, do đó cần chỉnh định góc đặc tính phù hợp. Phương thức nối đất của lưới điện cũng ảnh hưởng tới việc lựa chọn góc đặc tính (Relay Characteristic Angle - RCA), các lựa chọn thông dụng là như sau: (i) Lưới điện có trung tính nối đất qua điện trở: Góc RCA nên chọn là 00 (ii) Lưới điện phân phối có trung tính nối đất trực tiếp: Góc RCA nên đặt -450 (iii) Lưới điện truyền tải, trung tính nối đấ trực tiếp: Góc RCA nên đặt -600 Lưới phân phối và lưới truyền tải điện có các giá trị đặt khác nhau do tỷ số X/R của đường dây khác nhau. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

58 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

II.1.6.1. Đặc tính hoạt động của rơle định hướng công suất TTK Hoàn toàn tương tự bảo vệ quá dòng có hướng, đặc tính hoạt động của phần tử định hướng TTK được chia ra hai vùng chia ra hai vùng: Vùng khóa và vùng cho phép.

VÙNG KHÓA

900

Góc đặc tính θ

I0

U0 Điện áp tham chiếu

VÙNG CHO PHÉP

I0 Hình 2.13.

Trong hình trên đây nếu I0 nằm trong vùng cho phép, bộ phận định hướng sẽ hoạt động ở trạng thái cho phép, ngược lại bộ phận định hướng sẽ ở trạng thái khóa. II.1.6.2. Xác định đặc tính góc rơle định hướng công suất TTK cho lưới điện có trung tính cách điện Xét trường hợp sự cố chạm đất 1 pha xảy ra tại một xuất tuyến trong lưới điện có trung tính cách điện:

IC1+IC2+IC3 Cf

IC1 C1

IC2

IC1

C2

IC3

IC2

C3

IC3

Hình 2.14.

Dòng sự cố là dòng điện dung: I f  I cf  I c1  I c 2  I c3 Dòng sự cố chạy trở về thông qua điện dung của các xuất tuyến không bị sự Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

59 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

cố, bộ phận định hướng phải phân biệt được dòng điện dung trên xuất tuyến sự cố và dòng điện dung trên các xuất tuyến không sự cố. Với lưới điện có trung tính cách điện, khi xảy ra chạm đất một pha A thì điện áp TTK đo được sẽ là U0=Upha A+ Upha B + Upha C = -3Upha A, điều này có thể được giải thích bằng đồ thị vecto: UA

UA=0

UB

UC UN=UA+UB+UC=U0=0

N

N

U0=UA+UB+UC=3Upha

UC

UB

Bình thường

Hình 2.15.

Dòng điện dung đo được bởi bảo vệ tại xuất tuyến sự cố là: ICf = IC1+IC2+IC3 Theo công thức tính toán dòng điện dung nói chung ICi = 3jωCiUpha Vậy có thể viết: ICf = 3jωCiUpha = jω(C1+C2+C3)(3Upha) = -jω(C1+C2+C3)(U0)  ICf và U0 lệch nhau 900 như sau:

U0 90

0

ICf Dòng điện dung đo được bởi các bảo vệ trên các xuất tuyến không sự cố có chiều ngược lại và tính theo: ICi = -3jωCiUpha = -jωCi{3Upha} = jωCi{U0}  ICi và U0 lệch nhau -90 độ.   I sù cè   j (C1  C2  C3 ) U 0 So sánh ta có    I kh«ng sù cè  jCi U 0 Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

60 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Thiết lập đồ thị vecto:

ICi =jωCi{U0} VÙNG KHÓA

-900

U0

900 VÙNG CHO PHÉP

ICf =-jω{C1+C2+C3}{U0} Hình 2.16.

Đồ thị vecto cho thấy rằng dòng điện trên đường dây sự cố và không sự cố luôn ngược pha nhau, do đó sử dụng rơle định hướng công suất với đặc tính góc θ = 900 sẽ luôn cho độ nhạy lớn nhất.

ICi Đường có độ nhạy bằng 0

VÙNG KHÓA

U0

VÙNG CHO PHÉP

Đại lượng tham chiếu

ICf

θ=900

Hình 2.17.

Tính toán dòng điện khởi động Bảo vệ quá dòng TTK có hướng nên đặt dòng khởi động càng nhỏ càng tốt. Dòng điện chạy qua bảo vệ khi sự cố chạm đất là: |ICf| = ω{C1+C2+C3}{U0} Giá trị cài đặt phải đảm bảo nhỏ hơn giá trị dòng sự cố này để bảo vệ có đủ độ nhạy tác động và lớn hơn giá trị dòng điện dung của bản thân đường dây đang được bảo vệ. Với các loại bảo vệ này tốt nhất nên thử nghiệm thực tế để tìm dòng điện khi có chạm đất 1 pha. Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

61 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Trong trường hợp các xuất tuyến đường dây có chiều dài ngắn, giá trị dòng điện dung nhỏ có thể sẽ không tìm được dòng đặt cho rơle (Mỗi rơle có một ngưỡng dòng đặt tối thiểu). Mặt khác khi một đường dây tách khỏi vận hành sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạm đất và có thể ảnh hưởng đến độ nhạy của bảo vệ. II.1.6.3. Xác định đặc tính góc cho rơle định hướng công suất TTK với lưới điện có trung tính nối đất trực tiếp Giả thiết hệ thống đường dây đang không tải và sự cố xảy ra trên pha A. Thành phần dòng diện TTK: 3I0 = Ia+ Ib +Ic = Ia + 0 + 0 = Ia Khi xảy ra sự cố của pha A thì điện áp pha A giảm thấp và điện áp hai pha B, C còn lại không đổi.

Ia=3I0 Vag

Vbg

Vcg Hình 2.18.

Điện áp thứ tự không được xác định theo: 3V0 = Vag+Vbg+Vcg; biểu diễn đồ thị véc tơ của điện áp 3V0 này như sau:

Ia=3I0

Ia=3I0

Vag

Vcg

Vag

Vbg

3V0 Vbg Vcg Hình 2.19.

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

62 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Thành phần điện áp TTK này cùng phương và ngược pha so với điện áp pha A; do đó lấy điện áp -3V0 làm điện áp tham chiếu. - Trong trường hợp sự cố thuần kháng (Điện trở của mạch vòng sự cố rất nhỏ): Góc lệch giữa -3V0 và 3I0 tối đa là 900. - Trong trường hợp sự cố thuần trở (Điện trở của mạch vòng sự cố rất nhỏ): góc lệch giữa -3V0 và 3I0 là 00. - Tuy nhiên 2 trường hợp cực đoan trên hầu như không xảy ra, tùy theo tổng trở đường dây (Khác nhau giữa đường dây truyền tải và đường dây phân phối) thì dòng sự cố sẽ nằm trong một phạm vi như hình sau:

Ia=3I0 -3V0 Ia=3I0 -3V0

Đường độ nhạy cực đại

Vùng khóa

450/600

Đường độ nhạy cực đại

Vùng cho phép

450/600

Đường độ nhạy bằng 0 Hình 2.20.

Thống kê cho thấy đường độ nhạy cực đại nên được chọn chậm pha 450 so với véc tơ điện áp tham chiếu -3V0 với các đường dây phân phối trung áp hoặc 600 (Với các đường dây truyền tải). Trong thực tế khi điện áp tham chiếu quá thấp (Ví dụ dưới 0,5 ÷ 2%) thì chức năng định hướng không thể hoạt động, trong trường hợp này các hãng rơle thường có các giải pháp như: Sử dụng điện áp nhớ trước sự cố; khóa chức năng bảo vệ có hướng; cho phép hoạt động như bảo vệ vô hướng. II.2. Nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện II.2.1. Bảo vệ so lệch dòng điện pha (87) II.2.1.1. Nguyên lý cơ bản Bảo vệ so lệch hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh tổng dòng điện đi vào và đi ra của đối tượng được bảo vệ, nếu tổng dòng điện này khác 0 thì bảo vệ sẽ tác động. Nguyên lý này được minh họa dựa trên sơ đồ hình 2.21 ở trang sau. Lựa chọn cực tính của các BI sao cho ở chế độ bình thường và khi sự cố ngoài thì dòng điện chạy qua rơle như hình 2.21, dòng chạy qua rơle là hiệu của các dòng điện thứ cấp; có thể thấy dòng điện chạy qua rơle là dòng điện sai lệch giữa đầu vào Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

63 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

và đầu ra của đối tượng cần bảo vệ, đó là lý do bảo vệ có tên là bảo vệ so lệch (So sánh, tìm sự sai lệch): Irơle = I1tc - I2tc I1

Thiết bị cần bảo vệ

* *

I1tc

Rơle

* *

I2

I2tc

Hình 2.21. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng điện

Ở chế độ bình thường dòng điện đi vào (I1) bằng dòng điện đi ra (I2), do vậy dòng điện chạy qua rơle theo lý thuyết bằng không; tuy nhiên do sự sai khác về đặc tính của BI nên vẫn có một dòng so lệch nhỏ chạy qua rơle: Irơle = I1tc - I2tc = Iso lệch Ở chế độ sự cố ngoài vùng (Hình 2.22): Dòng điện đi vào và đi ra khỏi đối tượng vẫn bằng nhau; tuy nhiên do dòng sự cố có giá trị lớn nên sai số của các BI cũng tăng lên, dẫn tới dòng điện so lệch có giá trị lớn hơn. I1sc

* *

I2sc

Thiết bị cần bảo vệ

Rơle

I1tc(sc)

* *

I2tc (sc)

Hình 2.22. Bảo vệ so lệch với sự cố ngoài vùng

Ở chế độ sự cố trong vùng (Hình 2.23): Dòng điện một phía đổi chiều  dòng điện chạy qua rơle so lệch bằng tổng dòng điện thứ cấp của các BI và có giá trị rất lớn, dẫn tới rơle sẽ tác động. I1sc

* *

I2sc

Thiết bị cần bảo vệ

I1tc(sc)

Rơle

* *

I2tc (sc)

Hình 2.23. Bảo vệ so lệch với sự cố trong vùng

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

64 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Vùng bảo vệ của bảo vệ so lệch (Hình 2.24) được giới hạn bởi vị trí đặt các BI. Bảo vệ so lệch là loại bảo vệ tuyệt đối (Unit Protection), không cần phối hợp với các bảo vệ khác, do đó thời gian tác động có thể đặt xấp xỉ 0 giây. Nhược điểm của bảo vệ so lệch dựa theo nguyên lý này là dòng điện khởi động phải đặt lớn hơn dòng không cân bằng ở chế độ sự cố ngoài với dòng sự cố lớn nhất. Dòng khởi động chọn theo nguyên tắc này thường có giá trị lớn (Vì tính theo phần trăm của dòng điện sự cố ngoài lớn nhất) và hệ quả là giảm độ nhạy của bảo vệ; thêm vào đó rất khó xác định chính xác độ lớn của dòng điện sự cố lớn nhất. Vì những lý do đó nguyên lý bảo vệ so lệch này chỉ sử dụng để minh họa, trong thực tế các rơle sử dụng nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm.

Vùng bảo vệ

I1

Thiết bị cần bảo vệ

* *

* *

I2

Rơle

Hình 2.24. Vùng bảo vệ của bảo vệ so lệch dòng điện

II.2.1.2. Nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện có hãm Rơle bảo vệ so lệch có hãm hay còn gọi là bảo vệ so lệch phần trăm (Dòng hãm tính theo phần trăm của dòng điện đo được) có nguyên lý hoạt động như hình 2.25:

Mhãm cơ

Ihãm Điều chỉnh hệ số hãm

Lò xo hãm

Mtác động Mhãm điện

Cuộn so lệch (cuộn tác động)

Cuộn hãm

Iso lệch Hình 2.25. Cấu trúc nguyên lý của rơle bảo vệ so lệch có hãm

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

65 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Rơle bảo vệ so lệch có hãm hoạt động dựa trên tương quan của hai loại dòng điện: Dòng điện hãm chạy vào cuộn hãm, có tác dụng cản trở, hãm lại sự hoạt động của bảo vệ; dòng điện so lệch có xu hướng làm rơle hoạt động, đóng tiếp điểm cắt máy cắt. Để đảm bảo hoạt động trong mọi chế độ thì yêu cầu đối với dòng điện hãm và so lệch như sau: - Dòng điện hãm (Ký hiệu Ih trong hình 2.25): Sẽ có tác dụng hãm lại sự hoạt động của rơle. Như vậy dòng hãm sẽ phải được tổ hợp sao cho có giá trị lớn ở chế độ bình thường & khi sự cố ngoài để hãm tốt và phải có giá trị nhỏ khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ để đảm bảo không cản trở sự hoạt động của bảo vệ. - Dòng điện so lệch (Ký hiệu Isl): Với cách lý luận tương tự thì dòng điện so lệch phải có giá trị lớn khi sự cố trong vùng và có giá trị nhỏ khi sự cố ngoài vùng để đảm bảo rơle không tác động nhầm.

Hình 2.26. Rơle bảo vệ so lệch có hãm thế hệ cũ

Với các thế hệ rơle điện cơ: Dòng điện so lệch và dòng điện hãm được tổ hợp bằng các biến dòng điện trung gian, việc điều chỉnh hiệu quả hãm được thực hiện bằng cách thay đổi số vòng dây của cuộn hãm của rơle (Hình 2.25). Các rơle kỹ thuật số thực hiện việc tổ hợp dòng điện so lệch và dòng điện hãm bằng thuật toán, do đó không cần thiết phải có biến dòng trung gian. Dòng điện hãm có thể được tổ Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

66 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

hợp theo nhiều cách tùy theo hãng sản xuất rơle, nhưng vẫn đảm bảo nguyên lý chung: Nếu dòng hãm lấy nhỏ thì hệ số hãm được đặt cao hơn và ngược lại để đảm bảo được hiệu quả hãm cần thiết. Lò xo có tác dụng cung cấp mô men hãm cơ không phụ thuộc dòng điện, đảm bảo rơle không tự đóng tiếp điểm và tác động nhầm trong chế độ không tải hoặc chế độ bình thường. Trong các rơle số, mô men hãm cơ này tương đương với hiệu quả hãm của thành phần dòng điện so lệch ngưỡng thấp. Ví dụ về dòng điện hãm và dòng điện so lệch được sử dụng trong các rơle của hãng Siemens. Isl =(I1 -I2 )  Ih =  I1 + I 2 

Trong đó I1, I2 là dòng điện đi vào và đi ra khỏi thiết bị cần bảo vệ. Nguyên lý hoạt động của bảo vệ so lệch có hãm cùng với vai trò của hệ số hãm được giải thích rõ hơn thông qua ví dụ sau đây: Ví dụ: Giả thiết chọn hệ số hãm là 0,5 (Chỉ lấy tới 50% hiệu ứng hãm) 1. Chế độ hoạt động bình thường: Dòng sơ cấp có giá trị xấp xỉ dòng điện định mức, dòng điện sơ cấp đi ra và vào đối tượng có giá trị bằng nhau. Về nguyên tắc dòng điện thứ cấp của các BI cũng bằng nhau, tuy nhiên do các BI có sai số nên các dòng điện thứ cấp này có thể sai khác nhau một chút về độ lớn và góc pha. 100% Ihãm

* *

Thiết bị cần bảo vệ

* *

I2

50%

I1

Iso lệch I2tc

Isl =(I1tc -I2tc )  Ih =K h   I1tc + I2tc 

I1tc

I2tc

50%

I1tc

Rơle

Kh*Ihãm = 50%Ihãm

Hình 2.27. Phân tích hoạt động của BV so lệch có hãm ở chế độ bình thường

Có thể thấy {Kh*Ihãm >>Iso lệch} nên rơle bị hãm không thể tác động nhầm ở chế độ bình thường (Hình 2.27). 2. Chế độ sự cố ngoài vùng: Dòng sơ cấp đi vào và đi ra đối tượng vẫn có giá trị bằng nhau, tuy nhiên độ lớn tăng lên tới mức dòng điện sự cố. Khi dòng điện sơ cấp tăng cao tới dòng sự cố thì sai số của các BI cũng tăng lên, dẫn tới dòng điện thứ cấp của các BI sai khác nhau nhiều hơn so với ở chế độ bình thường.

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

67 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

100% Ihãm I2sc

Thiết bị cần bảo vệ

* *

50%

I1sc

* *

Iso lệch I1tc(sc)

Rơle

I1tc

I2tc (sc)

I2tc 50%

Isl =(I1tc -I2tc )  Ih =K h   I1tc + I2tc 

Kh*Ihãm = 50%Ihãm

Hình 2.28. Phân tích hoạt động của BV so lệch có hãm ở chế độ sự cố ngoài vùng

Trong trường hợp này {Kh * Ihãm > Iso lệch} nên rơle bị hãm không tác động nhầm ở chế độ sự cố ngoài. Có thể thấy khi sự cố ngoài thì dòng điện so lệch đã tăng lên đáng kể, tuy nhiên thành phần hãm vẫn đủ lớn để hãm bảo vệ (Hình 2.28). 3. Chế độ sự cố trong vùng & hệ thống có một nguồn cấp: Chỉ có dòng điện đi vào đối tượng, dòng điện đi ra khỏi đối tượng bằng 0. 100% Ihãm I1tc I1sc Nguồn 1

* *

Thiết bị cần bảo vệ

* *

I2sc=0

Iso lệch=I1tc

50% I1tc(sc)

Rơle

I2tc (sc)=0

Isl =(I1tc -I2tc )  Ih =K h   I1tc + I2tc 

I2tc=0 Kh*Ihãm = 50%Ihãm

Hình 2.29. Hoạt động của BV so lệch có hãm ở chế độ sự cố trong vùng với một nguồn cấp

Khi sự cố trong vùng: {Iso lệch > Kh * Ihãm} do đó rơle sẽ tác động (Hình 2.29). 4. Chế độ sự cố trong vùng & hệ thống có hai nguồn cấp: Dòng điện sự cố do cả hai nguồn cấp tới.

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

68 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

I1sc

I2sc

Thiết bị cần bảo vệ

I1tc(sc)

Rơle

* *

Nguồn 2

I1tc

I2tc (sc)

50%

* *

Nguồn 1

50%

100% Ihãm

Isl =(I1tc -I2tc )  Ih =K h   I1tc + I2tc 

Iso lệch

Kh*Ihãm = 50%Ihãm I2tc

Hình 2.30. Hoạt động của BV so lệch có hãm ở chế độ sự cố trong vùng với hai nguồn cấp

Khi sự cố trong vùng: {Iso lệch >> Kh * Ihãm} do đó rơle sẽ tác động (Hình 2.30). 5. Vai trò của hệ số hãm với sự làm việc của bảo vệ so lệch có hãm Nếu chọn hệ số hãm nhỏ: Thành phần hãm sẽ có giá trị nhỏ, rơle sẽ dễ dàng tác động. Nói theo cách khác là rơle sẽ nhạy hơn với sự cố trong vùng; tuy nhiên cũng dễ tác động nhầm trong chế độ sự cố ngoài vùng. Hình 2.31 minh họa sự thay đổi của thành phần hãm khi giảm hệ số hãm theo các ngưỡng 0,5; 0,25 và 0,1. Sự cố ngoài vùng bảo vệ Kh=0,5

Kh=0,25

90%

100% Ihãm

75%

100% Ihãm

50%

100% Ihãm

Kh=0,1

Iso lệch

Iso lệch

I1tc

Iso lệch

I1tc I2tc

I2tc

Kh*Ihãm = 50%Ihãm

10%

25%

50%

I2tc

I1tc

Kh*Ihãm = 25%Ihãm

Rơle hãm tốt (an toàn)

Thành phần hãm chỉ lớn hơn một chút so với thành phần so lệch. Rơle hãm kém hơn (kém an toàn)

Kh*Ihãm = 25%Ihãm

Thành phần hãm nhỏ hơn thành phần so lệch. Rơle không hãm được, tác động nhầm (mất an toàn).

Hình 2.31. Ảnh hưởng của hệ số hãm tới bảo vệ so lệch dòng điện

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

69 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

Việc lựa chọn đúng hệ số hãm theo yêu cầu là bài toán phức tạp, không có tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn chính thức, thường được chọn theo kinh nghiệm. Các hãng sản xuất rơle hiện nay đều khuyến cáo các giá trị hệ số hãm và đặt mặc định trong rơle, người sử có thể điều chỉnh nếu cần. II.2.1.3. Đặc tính làm việc của rơle bảo vệ so lệch dòng điện có hãm Xem xét lại nguyên lý của rơle bảo vệ so lệch có hãm như dưới đây:

Mhãm cơ

Ihãm Điều chỉnh hệ số hãm

Lò xo hãm

Mtác động Mhãm điện

Cuộn so lệch (cuộn tác động)

Cuộn hãm

Iso lệch Hình 2.32. Cấu trúc nguyên lý của rơle bảo vệ so lệch có hãm

Theo cấu trúc này, rơle sẽ tác động mô men tác động thắng được các mô men cản bao gồm mô men hãm điện của cuộn hãm và mô men hãm cơ của lò xo hãm. Có thể viết điều kiện tác động của rơle như sau: Mtác động > {Mhãm điện + Mhãm cơ} Mô men tác động tỷ lệ với dòng điện so lệch; mô men cản điện tỷ lệ với dòng điện hãm và hệ số hãm đã chọn (Là số vòng dây trong sơ đồ trên), mô men hãm cơ của lò xo được coi là không đổi và để đơn giản coi như tỷ lệ với một dòng điện hãm lò xo nào đó. Có thể viết lại điều kiện tác động của rơle theo dòng điện như sau: Iso lệch > {Khãm * Ihãm + Ilò xo} Rơle so lệch có hãm tác động theo cả 2 đại lượng là Iso lệch và Ihãm, do vậy một cách thuận tiện nhất để biểu diễn điều kiện tác động là sử dụng mặt phẳng biểu diễn gồm hai trục {Ihãm & Iso lệch} Có thể thấy bất phương trình thể hiện điều kiện tác động của rơle tương đồng với bất phương trình y > {a.x+b}; trong đó y tương ứng với Iso lệch; x tương ứng với Ihãm; b tương ứng với Ilò xo là hằng số không đổi. Phương trình y = a.x+b là đường thẳng đi qua điểm b trên trục y và có độ dốc tùy thuộc độ lớn của a.

Thực hiện tại: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) - Năm: 2020 Biên soạn: TS. Nguyễn Xuân Tùng Email: [email protected]

70 Homepage: http://www.p-3t.com

Tài liệu đào tạo chuyên đề “Rơle bảo vệ trong Hệ thống điện”

y

Iso lệch

VÙNG TÁC ĐỘNG

y>a.x+b

Iso lệch>{Khãm.Ihãm+Ilò xo}

b

y0 & X>0} tương đương với việc sự cố xảy ra phía đường dây trước mặt rơle; hoặc có thể tác động cả khi {RIN Mức nhiệt khi khởi động

θP θB I