Giáo trình Bảo vệ Rơle và tự động hóa - Chương 5: Bảo vệ dòng so lệch

36

Chương 5: BẢO VỆ DÒNG SO LỆCH

I. Nguyên tắc làm việc:

Bảo vệ dòng so lệch là loại bảo vệ dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dòng điện

ở hai đầu phần tử được bảo vệ.

Các máy biến dòng BI được đặt ở hai đầu phần tử được bảo vệ và có tỷ số biến đổi n_I

như nhau (hình 5.1). Quy ước hướng dương của tất cả các dòng điện theo chiều mũi tên

như trên sơ đồ hình 4.1, ta có :

.

I_R= I_IT− I_IIT

(5.1)

Dòng vào rơle bằng hiệu hình học dòng điện của hai BI, chính vì vậy bảo vệ có tên

gọi là bảo vệ dòng so lệch.

Hình 5.1 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ dòng so lệch

a) Trong tình trạng làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài (ở điểm N’):

Trường hợp lí tưởng (các BI không có sai số, bỏ qua dòng dung và dòng rò của đường dây

được bảo vệ) thì:

.

I

_IS= I_IIS

⇒

I_IT= I_IIT

⇒

I_R= I_IT− I_IIT= 0

và bảo vệ sẽ không tác động.

b) Khi ngắn mạch trong (ở điểm N”): dòng I_ISvà I_IISkhác nhau cả trị số và góc pha.

Khi hướng dòng quy ước như trên thì dòng ở chỗ hư hỏng là:

.

I_N

n_I

I_N= I_IS− I_IIS

⇒

I_R= I_IT− I_IIT=

Nếu dòng I_Rvào rơle lớn hơn dòng khởi động I_KĐRcủa rơle, thì rơle khởi động và cắt

phần tử bị hư hỏng.

Khi nguồn cung cấp là từ một phía (I_IIS= 0), lúc đó chỉ có dòng I_IT, dòng I_R= I_ITvà

bảo vệ cũng sẽ khởi động nếu I_R> I_KĐR

.

37

Như vậy theo nguyên tắc tác động thì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối và để đảm

bảo tính chọn lọc không cần phối hợp về thời gian. Vùng tác động của bảo vệ được giới

hạn giữa hai BI đặt ở 2 đầu phần tử được bảo vệ.

II. Dòng không cân bằng:

Khi khảo sát nguyên tắc tác động của bảo vệ dòng so lệch ta đã giả thiết trong tình

trạng làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài, lí tưởng ta có I_IT= I_IIT. Tuy nhiên

trong thực tế :

.

I_IT= I'_IS− I'_Iµ;

I_IIT= I'_IIS− I'_IIµ

Như vậy, dòng trong rơle (khi không có ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng trong

rơle được gọi là dòng không cân bằng I_KCB) bằng:

.

I_R= I_KCB= I_IT− I_IIT= I'_IIµ− I'_Iµ

(5.2)

Ngay cả khi kết cấu của hai BI giống nhau, dòng từ hóa I’_IIµvà I’_Iµcủa chúng thực tế

là không bằng nhau. Vì vậy dòng không cân bằng có một giá trị nhất định nào đó.

Vẫn chưa có những phương pháp phù

hợp với thực tế và đủ chính xác để tính toán

dòng không cân bằng quá độ. Vì vậy để

đánh giá đôi khi người ta phải sử dụng

những số liệu theo kinh nghiệm. Trên hình

5.3b là quan hệ i_KCB= f(t), khảo sát đồ thị

đó và những số liệu khác người ta nhận thấy

rằng :

i_KCBquá độ có thể lớn hơn nhiều

lần trị số xác lập của nó và đạt đến trị số

thậm chí lớn hơn cả dòng làm viêc cực đại.

i_KCBđạt đến trị số cực đại không

phải vào thời điểm đầu của ngắn mạch mà

hơi chậm hơn một ít.

Hình 5.3 : Đồ thị biểu diễn quan hệ

theo thời gian của trị số tức thời

của dòng ngắn mạch ngoài (a) và

dòng không cân bằng trong mạch

rơle của bảo vệ so lệch (b)

trị số i_KCBxác lập sau ngắn mạch

có thể lớn hơn rất nhiều so với trước ngắn

mạch do ảnh hưởng của từ dư trong lõi

thép.thời gian tồn tại trị số i_KCBlớn không

quá vài phần mười giây.

III. Dòng khởi động và độ nhạy:

III.1. Dòng điện khởi động:

Để đảm bảo cho bảo vệ so lệch làm việc đúng khi ngắn mạch ngoài, dòng khởi động

của rơle cần phải chỉnh định tránh khỏi trị số tính toán của dòng không cân bằng:

I_KĐR≥ k_at.I_KCBmaxtt

(5.3)

I_KCBmaxtt: trị hiệu dụng của dòng không cân bằng cực đại tính toán tương ứng với

dòng ngắn mạch ngoài cực đại.

Tương ứng dòng khởi động của bảo vê là:

I_KĐ≥ k_at.I_KCBSmaxtt

(5.4)

trong đó I_KCBSmaxttlà dòng không cân bằng phía sơ cấp của BI tương ứng với I_KCBmaxtt

và được tính toán như sau:

I_KCBSmaxtt= f_imax.k_đn.k_kck. I_{N ngmax}

(5.5)

38

với: f_imax- sai số cực đại cho phép của BI, f_imax= 10%.

k_đn- hệ số đồng nhất của các BI, (k_đn= 0 ÷ 1), k_đn= 0 khi các BI hoàn toàn giống

nhau và dòng điện qua cuộn sơ cấp của chúng bằng nhau, k_đn= 1 khi các BI khác nhau

nhiều nhất, một BI làm việc không có sai số (hoặc sai số rất bé) còn BI kia có sai số cực

đại.

k_kck- hệ số kể đến thành phần không chu kỳ trong dòng điện ngắn mạch.

I

_{N ngmax}- thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất.

III.2. Độ nhạy:

Độ nhạy của bảo vệ được đánh giá thông qua hệ số độ nhạy:

I_{N min}

I_KÂ

K _n=

(5.6)

I_Nmin: dòng nhỏ nhất có thể có tại chỗ ngắn mạch khi ngắn mạch trực tiếp trong vùng

bảo vệ.

Yêu cầu độ nhạy của bảo vệ dòng so lệch K_n≥ 2

IV. Các biện pháp nâng cao độ nhạy:

Cho bảo vệ làm việc với thời gian

khoảng 0,3 đến 0,5 sec để tránh khỏi những trị số

quá độ lớn của dòng không cân bằng.

Nối nối tiếp với cuộn dây rơle một điện

trở phụ (hình 5.4). Tăng điện trở mạch so lệch sẽ

làm giảm thấp dòng không cân bằng cũng như

dòng ngắn mạch thứ cấp (khi hư hỏng trong vùng

bảo vệ). Tuy nhiênmức độ giảm thấp này không

như nhau do tính chất khác nhau của dòng không

cân bằng quá độ và của dòng ngắn mạch. Mức độ

giảm dòng không cân bằng nhiều hơn do trong nó

có chứa thành phần không chu kỳ nhiều hơn. Do

sơ đồ rất đơn giản nên biện pháp này được sử

dụng để thực hiện bảo vệ cho một số phần tử

trong hệ thống điện.

Nối rơle qua máy biến dòng bão hòa

trung gian (BIG).

Dùng rơle có hãm.

Hình 5.4 : Bảo vệ dòng so lệch

dùng điện trở phụ trong mạch rơle

V. Bảo vệ so lệch dùng rơle nối qua BIG:

Sơ đồ nguyên lí của bảo vệ có rơle nối qua BIG trên hình 5.5a. Hoạt động của sơ đồ

dựa trên cơ sở là trong dòng không cân bằng quá độ khi ngắn mạch ngoài (hình 5.3)

thường có chứa thành phần không chu kỳ đáng kể làm dịch chuyển đồ thị biểu diễn trị tức

thời của dòng i_KCBvề 1 phía của trục thời gian.

Thông số của BI bão hòa được lựa chọn thế nào để nó biến đổi rất kém thành phần

không chu kỳ chứa trong i_KCBđi qua cuộn sơ của nó. Dùng sơ đồ thay thế của BI để phân

tích, có thể thấy rằng phần lớn thành phần không chu kỳ đi qua nhánh từ hóa làm bão hòa

39

mạch từ (giảm Z_µ). Trong điều kiện đó thành phần chu kỳ của i_KCBchủ yếu khép mạch qua

nhánh từ hóa mà không đi vào rơle.

Điều kiện làm việc của BIG rất phức tạp bởi vì quan hệ phi tuyến khi biến đổi qua BI

chính xếp chồng với quan hệ phi tuyến khi biến đổi i_KCBqua BIG. Phần tiếp theo ta sẽ

khảo sát đồ thị vòng từ trễ của BIG và sự thay đổi trị tức thời của dòng theo thời gian (hình

5.5).

a)

b)

c)

Hình 5.5 : Bảo vệ dòng so lệch dùng rơle nối qua BI bão hòa trung gian

a) sơ đồ nguyên lí của bảo vệ

b) hoạt động của sơ đồ khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ

c) hoạt động của sơ đồ khi ngắn mạch ngoài

VI. Bảo vệ dùng rơle so lệch có hãm:

Dòng so lệch thứ hay còn gọi là dòng làm việc bằng hiệu các dòng thứ I_LV= I_SLT= I_IT

- I_IITvà dòng hãm bằng 1/2 tổng dòng thứ I_H= 0,5*(I_IT+ I_IIT). Khi ngắn mạch ngoài, trị

tuyệt đối của hiệu dòng luôn luôn nhỏ hơn 1/2 tổng dòng thứ, tức là:

.

I_IT− I_IIT< 0,5I_IT+ I_IIT

hay :

I_LV< I_H

(5.7)

Khi ngắn mạch trong, trị tuyệt đối của hiệu có thể xem là lớn hơn 1/2 tổng:

.

I_IT− I_IIT> 0,5I_IT+ I_IIT

hay :

I_LV> I_H

(5.8)

Khi ngắn mạch trong và có nguồn cung cấp chỉ từ một phía thì I_IIT= 0 ; I_LV= I_IT; I_H

= 0,5I_IT.

Biểu thức (5.7) và (5.8) có thể được coi là cơ sở để thực hiện rơle có hãm. Các rơle

này dựa vào việc so sánh 2 đại lượng:

.

I_IT− I_IITvà 0,5 I_IT+ I_IIT

Sơ đồ nối BI với rơle như hình 5.7b qua BIG có tỉ số biến đổi n_I= 1, cuộn sơ của

BIG chia thành 2 phần bằng nhau, cuộn thứ có dòng hãm đưa vào bộ phận hãm của rơle;

40

dòng so lệch cung cấp cho bộ phận làm việc của rơle được lấy từ điểm giữa của cuộn sơ

BIG.

Hình 5.7 : Bảo vệ dòng so lệch có hãm

a) Đồ thị véc tơ dòng thứ trong mạch bảo vệ

b) Sơ đồ nguyên lí một pha của bảo vệ

VII. Đánh giá bảo vệ so lệch dọc:

VII.1. Tính chọn lọc:

Theo nguyên tắc tác động, bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối. Khi trong hệ thống điện

có dao động hoặc xảy ra tình trạng không đồng bộ, dòng ở 2 đầu phần tử được bảo vệ luôn

bằng nhau và không làm cho bảo vệ tác động mất chọn lọc.

VII.2. Tác động nhanh:

Do bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên không yêu cầu phải phối hợp về thời gian

với bảo vệ các phần tử kề. Bảo vệ có thể được thực hiện để tác động không thời gian.

VII.3. Độ nhạy:

Bảo vệ có độ nhạy tương đối cao do dòng khởi động có thể chọn nhỏ hơn dòng làm

việc của đường dây.

VII.4. Tính đảm bảo:

Sơ đồ phần rơle của bảo vệ không phức tạp lắm và làm việc khá đảm bảo.

Nhược điểm chủ yếu của bảo vệ là có dây dẫn phụ . Khi đứt dây dẫn phụ có thể làm

kéo dài thời gian ngừng hoạt động của bảo vệ, hoặc bảo vệ có thể tác động không đúng

(nếu bộ phận kiểm tra đứt mạch thứ không làm việc).

Giá thành của bảo vệ được quyết định bởi giá thành của dây dẫn phụ và chi phí lắp

đặt chúng, do vậy đường dây dài giá thành sẽ rất cao.

Từ những phân tích trên cho thấy chỉ nên đặt bảo vệ so lệch dọc cho những đường

dây có chiều dài không lớn chủ yếu là trong mạng ≥ 110kV khi không thể áp dụng các bảo

vệ khác đơn giản và tin cậy hơn. Lúc ấy nên dùng chung cáp làm dây dẫn phụ của bảo vệ,

đồng thời để thực hiện điều khiển xa, đo lường xa, thông tin liên lạc...

41

Bảo vệ so lệch dọc được áp dụng rộng rãi để bảo vệ cho máy phát, máy biến áp,

thanh góp, ... do không gặp phải những khó khăn về dây dẫn phụ.

VIII. Bảo vệ so lệch ngang có hướng:

Nguyên tắc tác động bảo vệ so lệch ngang dựa vào việc so sánh dòng trên 2 đường

dây song song, trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài các dòng này

có trị số bằng nhau và cùng hướng, còn khi phát sinh hư hỏng trên một đường dây thì

chúng sẽ khác nhau.

Bảo vệ được dùng cho 2 đường dây song song nối vào thanh góp qua máy cắt riêng.

Khi hư hỏng trên một đường dây, bảo vệ cần phải cắt chỉ đường dây đó và giữ nguyên

đường dây không hư hỏng lại làm việc. Muốn vậy bảo vệ phải được đặt ở cả 2 đầu đường

dây và có thêm bộ phận định hướng công suất để xác định đường dây bị hư hỏng.

Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ trên hình 5.9. Các máy biến dòng đặt trên 2 đường

dây có tỷ số biến đổi n_Inhư nhau, cuộn thứ của chúng nối với nhau thế nào để nhận được

hiệu các dòng pha cùng tên. Rơle dòng 5RI làm nhiệm vụ của bộ phận khởi động, rơle

6RW tác động 2 phía là bộ phận định hướng công suất. Khi chiều dòng điện quy ước như

trên hình 5.9, ta có dòng đưa vào các rơle này là I_R= I_IT- I_IIT.

Ap đưa vào 6RW được lấy từ BU nối vào thanh góp trạm. Rơle 6RW sẽ tác động đi

cắt đường dây có công suất ngắn mạch hướng từ thanh góp vào đường dây và khi ở cả 2

đường dây đều có công suất ngắn mạch hướng từ thanh góp vào đường dây thì 6RW sẽ tác

động về phía đường dây có công suất lớn hơn.

Trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài, dòng I_IT, I_IITbằng

nhau và trùng pha. Dòng vào rơle I_R= I_IT- I_IITgần bằng 0 (I_R= I_KCB), nhỏ hơn dòng khởi

động I_KĐRcủa bộ phận khởi động 5RI và bảo vệ sẽ không tác động.

Hình 5.9 : Bảo vệ so lệch ngang có hướng dùng cho 2 đường dây song song

Khi ngắn mạch trên đường dây I ở điểm N’ (hình 5.9), dòng I_I> I_II. Về phía trạm A

có I_R= I_IT- I_IIT; còn phía trạm B có I_R= 2I_IIT. Rơle 5RI ở cả 2 phía đều khởi động. Công

suất ngắn mạch trên đường dây I phía A lớn hơn trên đường dây II; do vậy 6’RW khởi

động về phía đường dây I và bảo vệ cắt máy cắt 1’MC. Về phía trạm B, công suất ngắn

42

mạch trên đường dây I có dấu dương (hướng từ thanh góp vào đường dây), còn trên đường

dây II - âm. Do đó 6”RW cũng khởi động về phía đường dây I và cắt máy cắt 1”MC. Như

vậy bảo vệ đảm bảo cắt 2 phía của đường dây hư hỏng I.

Khi ngắn mạch trên đường dây ở gần thanh góp (điểm N”), dòng vào rơle phía trạm

B là I_R≈ 0 và lúc đầu nó không khởi động. Tuy nhiên bảo vệ phía trạm A tác động do dòng

vào rơle khá lớn. Sau khi cắt máy cắt 2’MC, phân bố dòng trên đường dây có thay đổi và

chỉ đến lúc này bảo vệ phía trạm B mới tác động cắt 2”MC. Hiện tượng khởi động không

đồng thời vừa nêu là không mong muốn vì làm tăng thời gian loại trừ hư hỏng ra khỏi

mạng điện.

Nguồn thao tác được đưa vào bảo vệ qua các tiếp điểm phụ của 1MC và 2MC. Khi

cắt một máy cắt thì tiếp điểm phụ của nó mở và tách bảo vệ ra. Cần thực hiện như vậy vì 2

lí do sau:

Sau khi cắt 1 đường dây bảo vệ trở thành bảo vệ dòng cực đại không thời gian.

Nếu không tách bảo vệ ra, nó có thể cắt không đúng đường dây còn lại khi xảy ra ngắn

mạch ngoài.

Bảo vệ có thể cắt đường dây bị hư hỏng không đồng thời. Khi ngắn mạch tại điểm

N”, máy cắt 2’MC cắt trước, sau đó toàn bộ dòng hư hỏng sẽ đi đến chỗ ngắn mạch qua

đường dây I. Nếu không tách bảo vệ phía trạm A ra, nó có thể cắt không đúng 1’MC của

đường dây I không hư hỏng.