Giáo trình Bảo vệ Rơle và tự động hóa - Chương 6: Bảo vệ khoảng cách

43

Chương 6: BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

I. Nguyên tắc tác động:

Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ dùng rơ le tổng trở có thời gian làm việc phụ

thuộc vào quan hệ giữa điện áp U_Rvà dòng điện I_Rđưa vào rơle và góc ϕ_Rgiữa chúng :

U_R

I _R

t = f (

,ϕ_R)

thời gian này tự động tăng lên khi khoảng cách từ chỗ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng tăng

lên. Bảo vệ đặt gần chỗ hư hỏng nhất có thời gian làm việc bé nhất

Nếu nối rơle tổng trở của bảo vệ khoảng cách (BVKC) vào hiệu các dòng pha và

điện áp dây tương ứng (ví du, 2 pha A,B) thì khi ngắn mạch 2 pha A, B ta có:

Dòng vào rơle:

1

n_I

I _R=

(I _A− I _B)

Ap đặt vào rơle:

1

n_U

1

n_U

U_R=

(U_A− U_B) =

(I _A− I _B)Z₁l

U_R

I _R

Như vậy :

Trong đó :

= Z₁.l

Z₁

: tổng trở thứ tự thuận của 1 km đường dây.

n_I, n_U: tỷ số biến đổi của BI và BU cung cấp cho bảo vệ.

I_A, I_B: dòng chạy qua cuộn sơ cấp của BI đặt ở pha A, B.

U_A, U_B: áp pha A, B tại chỗ nối bảo vệ (chỗ nối BU).

l

: khoảng cách từ chổ đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch

Khi ấy:

U_R

t = f (

,ϕ_R) = f (Z₁.l,ϕ_R)

I _R

Ban đầu để đơn giản, coi bảo vệ có thời gian làm việc không phụ thuộc vào góc ϕ_R:

t = f (Z₁.l) (6.1)

Như vậy thời gian làm việc t của bảo vệ không phụ thuộc vào giá trị của áp và dòng

đưa vào bảo vệ mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ chổ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng.

II. Đặc tính thời gian:

Là quan hệ giữa thời gian tác động của bảo vệ với khoảng cách hay tổng trở đến chổ

hư hỏng.

Hiện nay thường dùng bảo vệ có đặc tính thời gian hình bậc thang (nhiều cấp). Số vùng

và số cấp thời gian thường ≤ 3 để sơ đồ bảo vệ được đơn giản (hình 6.1).

44

Vùng I có thời gian tác động t^I(t^I

xác định bởi thời gian khởi động của các

rơle, nếu không yêu cầu chỉnh định khỏi

thời gian tác động của chống sét ống). Khi

xét đến sai số của bộ phận khoảng cách,

cũng như do một số yếu tố khác, vùng I

được chọn khoảng 80% đến 85% chiều dài

đoạn được bảo vệ.

Vùng II có thời gian tác động t^II,

thời gian t^IIcủa tất cả các bảo vệ đều bằng

nhau và để đảm bảo chon lọc t^IIphải lớn

hơn một bậc ∆t so với thời gian làm việc

của bảo vệ chính đặt ở các phần tử kề.

Hình 6.1 : Đặc tính thời gian nhiều

cấp của bảo vệ khoảng cách

Chiều dài của vùng II phải có giá trị thế nào để đảm bảo bảo vệ tác động chắc chắn

với thời gian t^IIkhi ngắn mạch ở cuối đoạn được bảo vệ. Khi thời gian t^IIđược chọn theo

cách như trên thì chiều dài của vùng II bị giới hạn bởi yêu cầu chọn lọc của các bảo vệ. Xét

đến các sai số đã nêu và tính đến chiều dài của vùng I, vùng II chiếm khoảng 30% đến

40% chiều dài đoạn kề.

Vùng III có thời gian tác động t^IIIdùng làm dự trữ cho các đoạn tiếp theo và bọc

lấy toàn bộ những đoạn nầy. Thời gian t^IIIcủa các bảo vệ được chọn theo nguyên tắc bậc

thang ngược chiều.

Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian r_qđthời gian tác động của các vùng có thể

tăng lên. Ví du, ngắn mạch ở vùng I qua r_qđ, bảo vệ khoảng cách có thể làm việc với thời

gian của cấp II hoặc cấp III (các đường nét chấm trên hình 6.1).

Sau đây xét một ví dụ cụ thể về đặc tính thời gian làm việc hình bậc thang có 3 cấp

của bảo vệ khoảng cách (hình 6.2).

Hình 6.2 : Bảo vệ khoảng cách trong mạng hở có nguồn cung cấp từ 2 phía

a) Sơ đồ mạng được được bảo vệ

b) Đặc tính thời gian nhiều cấp

Khi xảy ra ngắn mạch ở điểm N, các bảo vệ 3 và 4 của đường dây hư hỏng BC ở gần

điểm ngắn mạch nhất (có khoảng cách l₃và l₄) sẽ tác động với thời gian bé nhất t^I. Các bảo

vệ 1 và 6 cũng khởi động nhưng chúng ở xa điểm ngắn mạch hơn (l₁> l₃và l₆> l₄) nên

45

chúng chỉ có thể tác động như là một bảo vệ dự trữ trong trường hợp đoạn BC không được

cắt ra bởi các bảo vệ 3 và 4.

Các bảo vệ 2 và 5 cũng cách điểm ngắn mạch một khoảng l₃và l₄(giống như bảo vệ

3 và 4), muốn chúng không tác động thì các bảo vệ này cũng như tất cả các bảo vệ khác

phải có tính định hướng, bảo vệ chỉ tác động khi hướng công suất ngắn mạch đi từ thanh

góp về phía đường dây được bảo vệ. Tính định hướng tác động của bảo vệ được đảm bảo

nhờ bộ phận định hướng công suất riêng biệt hoặc là nhờ một bộ phận chung vừa xác định

khoảng cách đên điểm ngắn mạch vừa xác định hướng của dòng công suất ngắn mạch.

III. Sơ đồ bảo vệ khoảng cách:

Trong trường hợp chung, bảo vệ khoảng cách có các bộ phận chính như sau:

* Bộ phận khởi động: có nhiệm vụ :

- Khởi động bảo vệ vào thời điểm phát sinh hư hỏng.

- Kết hợp với các bộ phận khác làm bậc bảo vệ cuối cùng.

Bộ phận khởi động thường được thực hiện nhờ rơle dòng cực đại hoặc rơle tổng trở

cực tiểu.

* Bộ phận khoảng cách : đo khoảng cách từ chổ nối bảo vệ đến điểm hư hỏng, thực

hiện bằng rơle tổng trở.

* Bộ phận tạo thời gian: tạo thời gian làm việc tương ứng với khoảng cách đến điểm

hư hỏng, được thực hiện bằng một số rơle thời gian khi bảo vệ có đặc tính thời gian nhiều

cấp.

* Bộ phận định hướng công suất: để ngăn ngừa bảo vệ tác động khi hướng công suất

ngắn mạch từ đường dây được bảo vệ đi vào thanh góp của trạm, được thực hiện bằng rơle

định hướng công suất riêng biệt hoặc kết hợp trong bộ phận khởi động và khoảng cách,

nếu các bộ phận này thực hiện bằng rơle tổng trở có hướng.

Trên hình 6.3 là sơ đồ nguyên lí một pha của bảo vệ khoảng cách có đặc tính thời

gian nhiều cấp, có bộ phận khởi động dòng điện, không có các phần tử nào thực hiện

chung nhiệm vụ của một số bộ phận.

Bộ phận khởi động dùng rơle dòng 3RI, bộ phận định hướng công suất - 4RW, bộ

phận khoảng cách - cấp I: 5RZ, cấp II: 6RZ, và bộ phận tạo thời gian - cấp I: 8RGT, cấp II:

10RT, cấp III: 7RT.

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, 3RI và 4RW sẽ khởi động và khép tiếp điểm của

chúng, cực (+) của nguồn thao tác được đưa đến tiếp điểm của 5RZ, 6RZ và đến cuộn dây

của 7RT.

Nếu ngắn mạch xảy ra trong phạm vi vùng I, các rơle 5RZ, 8RGT sẽ khởi động và

qua rơle 9Th sẽ đưa xung đi cắt 1MC với thời gian t^I. Nếu xảy ra hư hỏng ở xa hơn trong

vùng II, rơle 5RZ không khởi động, các rơle 6RZ và 10RT tạo thời gian t^IIcủa cấp thứ II

sẽ khởi động và cho xung đi cắt 1MC qua rơle 11Th. Khi ngắn mạch xa hơn nữa trong

vùng III, các rơle 5RZ và 6RZ sẽ không khởi động, 1MC bị cắt với thời gian t^IIItạo nên bởi

7RT qua 12Th. Như vậy, trong sơ đồ đang xét bộ phận khoảng cách không kiểm soát vùng

III và khi ngắn mạch trong vùng đó bảo vệ (theo hình 6.3) sẽ làm việc như là một bảo vệ

dòng cực đại có hướng.

46

Hình 6.3 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ khoảng cách

IV. Tổng trở trên các cực của bộ phận khoảng cách:

Để thuận tiện cho tính toán và phân tích sự làm việc của các bộ phận khoảng cách,

người ta đưa ra khái niệm về tổng trở trên các cực rơle.

Tổng trở giả tưởng này trong trường hợp chung không có ý nghĩa vật lí, nó chính là

tỷ số giữa áp U_Rvà dòng I_Rđưa vào rơle. Thực tế, khái niệm này được áp dụng rộng rãi do

khi chọn đúng U_R& I_R(ví du, áp dư của nhánh ngắn mạch và dòng gây nên áp dư đó) thì

tổng trở giả tưởng trên các cực của rơle sẽ tỷ lệ với khoảng cách từ thanh góp của trạm có

đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch trên đường dây.

Tương tự như quan hệ vật lí

đặc trưng bởi tam giác điện áp rơi,

người ta phân ra (hình 6.4) tổng trở

giả tưởng Z_R= U_R/I_R, điện trở giả

tưởng tác dụng r_R= U_R/I_Rcosϕ_Rvà

phản kháng x_R=U_R/I_Rsinϕ_R. Tùy

thuộc vào việc thực hiện bộ phận

Hình 6.4 : Đồ thị vectơ áp và dòng đưa

vào các cực của bộ phận khoảng cách

khoảng cách mà người ta dùng một

trong các đại lượng giả tưởng nói

trên.

Các bộ phận khoảng cách và khởi động luôn luôn dùng các rơle thứ cấp mà áp và

dòng đưa đến chúng thông qua các máy biến đổi đo lường. Liên hệ giữa tổng trở sơ và thứ

cấp, ví dụ đối với rơle tổng trơ, như sau :

U_R

n_I

n_U

T

S

Z_R

=

.

=

Z_R

S

(6.2)

T

I_R

n_UI_R

T

S

Khi n_I= n_Uthì

_.Để đơn giản, coi tổng trở thứ cấp bằng tổng trở sơ cấp,

Z_RT= Z_RS

tức là coi các hệ số biến đổi n_Ivà n_Ubằng nhau (coi n_I= n_U= 1).

47

V. Sử dụng mặt phẳng phức tổng trở để phân tích sự làm

việc của rơle tổng trở :

Hình 6.5 : Biểu diễn trong mặt phẳng phức tổng trở

a) tổng trở ở đầu cực rơle

b) đường dây được bảo vệ

Việc nghiên cứu sự làm việc của rơle tổng trở nối vào một điện áp và một dòng điện

được tiến hành rất tiện lợi trong mặt phẳng phức tổng trở Z_R= (U_R/I_R).e^jϕR(hình 6.5a).

Góc ϕ_Rđược tính từ trục (+) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, lúc đó vector I_Rxem

như là gắn chặt trên trục (+). Hình chiếu của vector Z_Rlên trục j là thành phần phản kháng

x_R= Z_Rsinϕ_Rvà lên trục (+) là thành phần tác dụng r_R= Z_Rcosϕ_R.

Đường dây BC được bảo vệ có tổng trở mang tính cảm, biễu diễn trong phần tư thứ 1

bằng số phức Z_lBC=Z₁.l_BC.e^jϕ. Rơle tổng trơ đang xét đặt ở đầu đường dây BC về phía

l

trạm B được xem như nằm ở gốc tọa độ (hình 6.5 b). Đường dây CD có tổng trở Z_lCD

=Z₁.l_CD.e^jϕnằm ở phần tư thứ 1 trên đường kéo dài của số phức Z_lBC,còn đường dây AB

l

có tổng trở Z_lAB=Z₁.l_AB.e^jϕnằm ở phần tư thứ 3 trên đường kéo dài về phía ngược lại.

l

Vùng I cuả bảo vệ đường dây BC được đặc trưng bởi tổng trở ≈ 0,85 Z_lBC, khi không

có những yếu tố làm sai lệch nhiều đến sự làm việc của bảo vệ thì rơle tổng trở cần có đặc

tính khởi động bọc lấy số phức 0,85 Z_lBCnhư vùng gạch chéo trên hình 6.5b. Thực tế để

đảm bảo sự làm việc chắc chắn của bảo vệ, vùng khởi động của rơle tổng trở được mở

rộng đáng kể (tất nhiên vị trí xác định điểm cuối của vùng bảo vệ thì không thể mở rộng).

Đặc tính khởi động Z_KĐ= f(ϕ_R) biễu diễn trong mặt phẳng phức là đường cong bọc

lấy vùng khởi động. Theo dạng đặc tính khởi động người ta phân ra một số loại rơle tổng

trở sau :

V.1. Rơle tổng trở vô hướng:

Z_KĐ= k = const

(6.3)

Đặc tính của rơle là vòng tròn có tâm ở gốc tọa độ (hình 6.6 a). Trị số tổng trở khởi

động của rơle này không phụ thuộc góc ϕ_Rgiữa U_Rvà I_R.

V.2. Rơle tổng trở có hướng có đặc tính vòng tròn:

Z_KĐ= kcos(ϕ_R+ α)

(6.4)

Đặc tính của rơle là vòng tròn đi qua gốc tọa độ (hình 6.6 b). Rơle sẽ có độ nhạy lớn

nhất đặc trưng bằng Z_KĐmax= k khi α = -ϕ_R. Thường chọn α = - ϕ_ldo vậy khi xảy ra ngắn

mạch trực tiếp trên đường dây, tương ứng với ϕ_R= ϕ_l, bảo vệ sẽ có độ nhạy lớn nhất.

48

Rơle định hướng công suất được xem như là rơle tổng trở có hướng có đặc tính

vòng tròn với bán kính bằng vô cùng (hình 6.6c). Đặc tính như vậy là đường thẳng qua gốc

tọa độ và tạo với trục (+) một góc (90^o- α).

Nhược điểm của rơle tổng trở có hướng và rơle định hướng công suất là tồn tại vùng

chết không những khi ngắn mạch ba pha mà cả khi ngắn mạch hai pha. Nguyên do là để

rơle tổng trở làm việc đúng và để nhận được Z_Rtỷ lệ với khoảng cách đến chổ ngắn mạch,

người ta đưa vào rơle dòng các pha hư hỏng và áp dư của các nhánh hư hỏng, nếu ngắn

mạch trực tiếp ở gần chỗ đặt bảo vệ thì áp đưa vào rơle có thể tiến đến 0.

Hình 6.6 : Đặc tính khởi động của rơle tổng trở trong mặt phẳng phức

a) vô hướng

d) hỗn hợp

f ) phản kháng

b) có hướng

e) kết hợp rơle tổng trở có hướng và hỗn hợp

c) định hướng công suất

V.3. Rơle hỗn hợp (tác dụng - phản kháng):

1

Z_KÂ= k

(6.5)

cos(ϕ_R+ α)

Đặc tính của rơle là các đường thẳng cách gốc tọa độ một khoảng bằng k (đường 1

và 2 - hình 6.6d ). Đường 1 ứng với giá trị α nằm trong khoảng (-π , -π/2), đường 2 - trong

khoảng (0 , π/2). Góc độ nhạy bé nhất của rơle là ϕ_R= - α. Đặc tính của rơle cắt các

trục (+) và (+j) một khoảng tương ứng bằng

k

va

cosα sinα

Rơle loại này thường không sử dụng độc lập để làm bộ phận đo khoảng cách. Có thể

dùng nó cho bảo vệ đường dây dài tải nặng để cắt bớt một phần vùng khởi động, ví dụ như

cắt bớt một phần vùng khởi động của rơle tổng trở có hướng (hình 6.6 e).

V.4. Rơle tổng trở phản kháng:

X_KĐ= k = const

(6.6)

49

Đặc tính của rơle là đường thẳng song song với trục (+) (hình 6.6 f). Đây là trường

hợp riêng của rơle hỗn hợp khi α = - π/2.

Rơle tổng trở có thể là cực đại hoặc cực tiểu. Loại rơle tổng trở cực tiểu thích hợp

hơn để làm bộ phận khởi động và khoảng cách.

Chế độ làm việc của đường dây được bảo vệ có thể đặc trưng bằng tổng trở phức Z_R

trên đầu cực rơle tổng trở. Số phức Z_Rnày được biểu diễn ở một vị trí xác định trên mặt

phẳng phức tổng trở. Vì vậy phân tích sự làm việc của rơle tổng trở nối vào một áp và một

dòng có thể thực hiện bằng phương pháp đồ thị khi so sánh vùng có chứa Z_Rvới vùng

khởi động của bảo vệ.

VI. Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp dây và hiệu dòng pha :

Tổ hợp các dòng và áp ở đầu cực của 3 rơle tổng trở nối theo sơ đồ hình 6.9 được

đưa ra trong bảng 6.1

Khi N⁽³⁾tai điểm N (hình 6.10) cách chổ đặt bảo vệ một khoảng l, ta có :

(3)

U_R

I_R

(3)

I_R

=

3I⁽³⁾, U_R= 3.I⁽³⁾.Z₁.l, Z_R

=

= Z₁.l

(3)

Trong đó: Z₁- tổng trở thứ tự thuận của 1 Km đường dây quy về phía thứ cấp của

các máy biến đổi đo lường theo (6.2).

Khi N⁽²⁾, ví dụ B và C, chỉ có rơle 2RZ nhận điện áp của nhánh ngắn mạch là làm

việc đúng. Đối với nó :

(2)

R2

(2)

I

= 2I⁽²⁾, U = U = 2I⁽²⁾Z₁l , Z⁽_R²₂⁾= Z₁l = Z⁽_R³⁾

R2 bc

Hình 6.9 : Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp dây và hiệu dòng pha

a) khi các BI nối ∆ b) khi dùng BI trung gian không bảo hòa

Bảng 6.1

.

Rơle

1RZ

2RZ

3RZ

I_R

U_R

.

I _a− I _b

U_ab

.

I _b− I _c

U_bc

.

I _c− I _a

U_ca

50

Đưa vào đầu cực các rơle 1RZ và

3RZ là dòng điện I⁽²⁾và điện áp lớn hơn

(2)

U_bc. Vì vậy, tổng trở trên các cực của

rơle 1RZ và 3RZ tăng lên và bảo vệ sẽ

không tác động nhầm.

Khi ngắn mạch 2 pha chạm đất (ví

dụ B và C) trong mạng có dòng chạm đất

lớn, cũng chỉ có 2RZ làm việc đúng. Đối

với nó:

Hình 6.10 : Ngắn mạch trên đường

dây

được bảo vệ

(1,1)

.

(1,1)

R2

U

= U_b− U_c

(1,1)

.

U_b= I _b.Z_L.l + I_c.Z_M.l

trong đó :

(1,1)

.

U_c= I_c.Z_L.l + I_b.Z_M.l

Khi thay Z_L- Z_M= Z₁, ta có :

(1,1)

.

I_b− I_c

(1,1)

U

I

(1,1)

R2

Z₁l = Z₁l = Z⁽_R³⁾

R2

Z

=

(1,1)

.

R2

I_b− I_c

Như vậy, sơ đồ đang xét đảm bảo tổng trở Z_Rgiống nhau đối với tất cả các dạng

ngắn mạch nhiều pha ở một điểm. Sơ đồ nối rơle vào hiệu dòng pha còn được thực hiện

qua máy biến dòng trung gian không bảo hòa có 2 cuộn sơ (hình 6.9b).

Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ là phải dùng 3 rơle tổng trở chỉ để chống ngắn mạch

nhiều pha ở một điểm. Để khắc phục, người ta dùng chỉ 1 rơle tổng trở và thiết bị tự động

chuyển mạch áp và dòng đối với các dạng ngắn mạch khác nhau.

VII. Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp pha và dòng pha có

bù thành phần thứ tự không - Sơ đồ bù dòng :

Tổ hợp các dòng và áp ở đầu cực ba rơle tổng trở cho trong bảng 6.2. Khi N⁽¹⁾chạm

đất, ví dụ pha A, tại điểm N của đường dây (hình 6.10), chỉ có rơle 1RZ (hình 6.11) nối

vào áp của nhánh ngắn mạch U_alà tác động đúng. Với:

.

U_a= U₁+ U₂+ U₀

Ap của một thứ tự bất kỳ được xác định bằng tổng của áp ở điểm ngắn mạch N và áp

rơi trên chiều dài l, vídụ:

.

U₀= U_0N+ I₀Z₀l

.

Vì vậy:

U_a= U_1N+ I₁Z₁l + U_2N+ I ₂Z₂l + U_0N+ I₀Z₀l

.

Tổng U_N= U_1N+ U_2N+ U_0N= 0 vì đó là áp tại điểm hư hỏng. Đối với đường dây

thì Z₁= Z₂. Do vậy :

51

.

U_a= I₁Z₁l + I ₂Z₁l + I₀Z₀l

.

= I₁Z₁l + I ₂Z₁l + I₀Z₀l + (I₀Z₁l − I₀Z₁l)

.

= I_aZ₁l + I₀(Z₀− Z₁)l.

Hình 6.11 : Sơ đồ nối rơle tổng trở vào áp pha và dòng pha

có bù thành phần dòng điện thứ tự không

Bảng 6.2

Rơle

I_R

U_R

.

1RZ

I_a+ k.I₀

U_a

.

2RZ

I_b+ k.I₀

U_b

.

U_c

.

3RZ

I_c+ k.I₀

.

Z₀− Z₁

Nếu chon hệ số bù k =

thì tổng trở trên các cực của rơle 1RZ sẽ là:

.

Z₁

.

Z₀− Z

I_a+

¹I₀

.

U_a

Z₁

. .

(1)

Z

=

.Z₁l = Z₁l

R1

.

. .

.

I_a+ kI₀

Tổng trở trên các cực của rơle tổng trở 2RZ , 3RZ của các pha không hư hỏng

tăng lên, vì vậy bảo vệ sẽ không tác động nhầm.

Góc tổng trở Z₀và Z₁là không như nhau, do vậy trong trường hợp tổng quát hệ số k

là một số phức. Để thuận tiện, người ta bỏ qua sự khác biệt của góc tổng trở Z₁, Z₀và chọn

k = (Z₀-Z₁)/Z₁hay k =(x₀-x₁)/x₁. Trường hợp này tương ứng với sơ đồ hình 6.11, rơle tổng

trở được cung cấp bằng dòng điện qua BI trung gian không bão hòa. Ví dụ : lấy Z₀≈ 3,5Z₁

(đối với đường dây trên không có dây chống sét), ta sẽ có k = 2,5. Để tạo nên lực từ hóa

tổng tỷ lệ với I_p+ kI₀, quan hệ của số vòng W_pvà W₀của hai cuộn sơ có dòng I_pvà 3I₀cần

phải tương ứng với biểu thức :

W_p: W₀= 1 : k/3 ≈ 1 : 0,83.

52

Sơ đồ có thể tác động đúng không những khi ngắn mạch một pha mà cả khi ngắn

mạch hai pha chạm đất và khi chạm đất kép ở các phần tử có I₀≠ 0 trong mạng có dòng

chạm đất bé.

Để kết luận, cần lưu ý rằng khi loại trừ sự bù dòng khỏi sơ đồ đã xét trên, tức là I_Rlà

dòng pha thì : Z_R= Z₁.l + (I₀/I_R).(Z₀- Z₁).l . Lúc đó tổng trở Z_Rphụ thuộc không những

vào khoảng cách l mà còn vào tỷ số I₀/I_p. Tỷ số này có thể thay đổi trong phạm vi rộng khi

thay đổi chế độ làm việc của hệ thống. Chính điều đó làm cho hạn chế khả năng ứng dụng

của sơ đồ.

VIII. Sơ đồ sử dụng một rơle tổng trở có chuyển mạch ở

mạch điện áp để tác động khi ngắn mạch nhiều pha :

Sơ đồ được thực hiện nhờ rơle tổng trở 1RZ nối vào hiệu dòng hai pha (theo hình

.

6.12, I_R= I_a− I_c) và điện áp tỷ lệ hoặc bằng áp dư của nhánh ngắn mạch khi ngắn mạch

giữa các pha. Các bộ phận khởi động dòng 2RI và 3RI nối vào dòng pha làm nhiệm vụ xác

định dạng ngắn mạch và tự chuyển mạch điện áp.

(3)

(2)

AC

Khi N hay N , rơle 2RI và 3RI khởi động đưa áp U_acđến rơle 1RZ. Vì vậy:

3I⁽³⁾Z₁l

3I⁽³⁾

Z⁽_R³⁾

=

= Z₁l.

2I⁽²⁾Z₁l

(2)

Z

=

= Z₁l.

Rac

2I⁽²⁾

.

(2)

AB

(2)

BC

N

, N

Khi

đưa đến 1RZ là dòng 1 pha, tương ứng là .

I , − I

a

c

Để Z_Rcó được giá trị tỷ lệ với khoảng cách l, áp đưa đến rơle phải giảm 2 lần nhờ

điện trở phụ (hình 6.12a) hoặc biến áp tự ngẫu (hình 6.12b). Sơ đồ hình 6.12b cần thiết đối

với những rơle tổng trở làm việc theo cả giá trị và góc lệch pha giữa U_Rvà I_R(ví dụ rơle

tổng trở có hướng, hình 6.6b).

Hình 6.12 : Sơ đồ nối một rơle tổng trở có chuyển mạch ở mạch điện áp

để tác động khi ngắn mạch giữa các pha.

a. dùng điện trở phụ

b. dùng biến áp tự ngẫu

(2)

Như vậy, khi N ta có:

AB

53

(2)

ab

I⁽_a²⁾

0,5U

2I⁽_a²⁾Z₁l

I⁽_a²⁾

(2)

Z

=

= 0,5

= Z₁l

Rab

Như vậy, có thể đảm bảo Z_Rnhư nhau đối với tất cả những dạng ngắn mạch giữa các

(2)

AB

(2)

BC

pha. Tuy nhiên , khi N

hoặc N

thì dòng phụ tải qua pha không hư hỏng (tương ứng

là dòng pha C hoặc A) sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của rơle.

Trị số Z_Rcũng có thể sai lệch do bộ phận khởi động làm việc không đúng (chỉ có

một rơle RI khởi động) trong trường hợp dòng ngắn mạch gần với dòng khởi động của

chúng. Lúc đó, tổng trở Z_Rcó thể giảm nhiều do đưa tới rơle tổng trở một điện áp giảm

thấp (trường hợp giới hạn giảm hai lần).

Ưu điểm của sơ đồ là tương đối đơn giản và chỉ dùng một rơle tổng trở. Tuy nhiên,

xét đến những nhược điểm nêu trên và nhiều nhược điểm khác, sơ đồ chỉ hạn chế áp dụng,

chẳng hạn như, cho bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha đường dây cụt.

IX. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ

khoảng cách:

IX.1. Ảnh hưởngcủa điện trở quá độ đến đến sự làm việc của bộ phận

khoảng cách :

Anh hưởng của điện trở quá độ r_qđđến sự làm việc của bộ phận khoảng cách được

xét đối với mạng hở có nguồn cấp từ hai phía (hình 6.13)

Ở đầu cực rơle tổng trở đặt ở đường dây AB về phía trạm A (ví du, nối với áp dây và

hiệu dòng pha) khi N⁽²⁾qua r_qđở đầu đường dây BC sẽ có tổng trở bằng :

.

I _NABZ₁l_AB+ I_Nr_qâ

U_d

I_N

Z_RA

=

= Z₁l_AB

+

r_qâ

.

I_d

I_NAB

I _NAB

(6.13)

I _N

= Z₁l_AB

+

r_qâe^jα

I _NAB

trong đó: α - góc lệch pha giữa dòng I_Nở điểm hư hỏng và dòng I_NAB.

Hình 6.13 : Ảnh hưởng của

điện trở quá độ đến sự làm

việc của rơle tổng trở.

a) sơ đồ mạng

b) tổng trở ở đầu cực rơle

54

Tương tự đối với rơle tổng trở nối vào đường dây BC về phía trạm C khi hư hỏng ở

cùng điểm đó :

.

I_N

I_NBC

I_N

Z_RC= Z₁l_BC

+

r_qâ= Z₁l_BC

+

r_qâe^jβ

.

I_NBC

β - góc lệch pha giữa dòng I_Nvà dòng I_NBCtrong đường dây BC, nếu β dương và I_Nvượt

trước I_NBC, thì góc α sẽ âm vì I_Nchậm sau I_NAB

.

Tổng trở ở đầu cực rơle của đường dây BC đặt về phía trạm B, dù khoảng cách từ

nó đến điểm ngắn mạch bằng 0, vẫn có một giá trị hữu hạn:

.

I_N

Z_RB

=

r_qâ

.

I _NAB

Các biểu thức nói trên cho thấy điện trở qúa độ r_qđtrong trường hợp chung làm sai

lệch sự làm việc của các rơle tổng trở, tổng trở Z_Rở đầu cực của chúng sẽ không còn tỷ lệ

với khoảng cách l đến điểm hư hỏng.

Tổng trở ở đầu cực rơle tăng lên do r_qđlàm cho điểm ngắn mạch như là lùi xa hơn và

bảo vệ có thể tác động với thời gian lớn hơn của cấp sau, ví dụ cấp II thay vì cấp I. Như

vậy, do ảnh hưởng của r_qđbảo vệ khoảng cách sẽ có thể tác động chậm hơn nhưng vẫn

không mất tính chọn lọc.

IX.2. Ảnh hưởng của trạm trung gian:

Trên hình 6.17a là một phần của mạng điện, xét ngắn mạch xảy ra ở đoạn BD cách

thanh góp B một khỏang l. Qua các đoạn AB và CB có dòng I_ABvà I_CB. Dòng ngắn mạch

trên đoạn hư hỏng BD là:

.

I_BD= I_AB+ I_CB

Khi ngắn mạch nhiều pha, tổng trở ở đầu cực rơle tổng trở đặt về phía trạm A của

đường dây AB là :

.

I

_AB.Z₁.l_AB+ I_BD.Z₁.l

I _BD

Z_RA

=

= Z₁.l_AB

+

.Z₁.l

.

I_AB

(6.14)

1

= Z₁.l_AB

+

.Z₁.l

.

K_I

.

trong đó:

K_I= I_AB/ I_BD

Như vậy, tổng trở ở đầu cực rơle A được xác định không những bằng vị trí của

điểm hư hỏng, mà còn bằng hệ số phân bố dòng, hệ số này đặc trưng cho phần dòng

của đoạn hư hỏng đi qua đoạn không hư hỏng.

Trong tính toán thực tế, thường bỏ qua góc lệch pha giữa các dòng và coi K_Ilà số

thực. Lúc ấy, nếu K_I<1 thì tổng trở Z_RAsẽ tăng lên, nghĩa là rơle tại trạm A sẽ đo được

một tổng trở lớn hơn tổng trở thực tế và bảo vệ sẽ không tác động nhầm. Tuy nhiên nếu K_I

>1, ví dụ khi đường dây đơn nối với hai đường dây song song (hình 6.17b), bảo vệ A có

thể tác động nhầm; để đảm bảo tác động chọn lọc của bảo vệ A trong trường hợp này, tổng

trở khởi động của rơle tổng trở cấp II cần được tính chọn có xét đến sự giảm thấp của Z_RA

do ảnh hưởng của trạm trung gian.

55

Hình 6.17 : Anh hưởng của hệ số phân bố dòng K_Iđến

sự làm việc của rơle tổng trở đặt tại trạm A.

a) K_I< 1

b) K_I> 1

IX.3. Ảnh hưởng của tổ nối dây máy biến áp:

Khi giữa chỗ nối bảo vệ và điểm ngắn mạch có thêm các máy biến áp có tổ nối dây

Y/Y (hay máy biến áp tự ngẫu), rơle tổng trở sẽ làm việc đúng, chỉ khác là giá trị Z_Rở đầu

cực rơle là tổng của tổng trở các đoạn đường dây và các máy biến áp tương ứng.

Vấn đề đáng quan tâm ở đây là trường hợp các máy bién áp có tổ nối dây Y/∆ hoặc

∆/Y, chúng sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của các rơle tổng trở khi xảy ra ngắn

mạch hai pha.

Hình 6.18 : Anh hưởng của máy biến áp có tổ nối dây Y/∆

đến sự làm việc của rơle tổng trở.

Khi ngắn mạch giữa các pha A và C sau máy biến áp nối Y/∆ -11 (hình 6.18), ta có

thể tính được tổng trở ở đầu cực các rơle nối vào dòng và áp giữa các pha đặt trên đường

dây về phía nguồn cung cấp như sau :

Z_Rab= ∞ (dòng các pha A,B bằng nhau, I_ab= 0)

3

Z_Rbc= Z₁l + Z_B- j

(Z_2H+ Z₁l + Z_B)

3

Z_Rca= Z₁l + Z_B+ j

(Z_2H+ Z₁l + Z_B)

trong đó :Z_2H- tổng trở thứ tự ngịch của nguồn cung cấp

Z_B- tổng trở của máy biến áp

Z₁l - tổng trở đường dây (coi Z₁= Z₂).

Các biểu thức trên cho thấy, rơle tổng trở của bảo vệ đường dây có Z_Rtăng lên (so

với Z₁l + Z_B) và bảo vệ sẽ không tác động nhầm.

56

IX.4. Ảnh hưởng của sai số BI và BU:

Sai số của BI là do mạch từ BI bị bảo hòa, làm giảm dòng thứ cấp so với giá trị xác

định theo tỷ số biến đổi định mức. Điều đó làm giảm chiều dài vùng bảo vệ. Vì vậy, BI

được kiểm tra theo đường cong sai số 10% đối với giá trị cực đại của dòng điện khi ngắn

mạch ở cuối vùng bảo vệ thứ nhất.

Sai số về áp được quyết định bởi độ chính xác của bản thân BU cũng như do áp

rơi trên các dây nối. Thường dùng các BU có công suất khá lớn, sai số của chúng nằm

trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, nếu từ BU đến chổ đặt bảo vệ có khoảng cách lớn

thì thường phải dùng các dây dẫn phụ tiết diện lớn để giảm tổn thất điện áp trong

chúng.

X. Đánh giá và lãnh vực ứng dụng của bảo vệ khoảng

cách :

X.1. Tính chọn lọc :

Theo nguyên tắc tác động của mình, bảo vệ đảm bảo cắt chọn lọc hư hỏng trong các

mạng có hình dáng bất kỳ với số nguồn cung cấp tùy ý.

X.2. Tác động nhanh :

Tác động không thời gian chỉ được thực hiện đối với cấp I của bảo vệ, bao bọc không

quá 85% chiều dài phần tử được bảo vệ. Khi tính đến tác động của các bảo vệ về hai phía

của đường dây, sẽ có không ít hơn 30% chiều dài của đường dây mà khi hư hỏng xảy ra

trong đó được cắt về một trong hai phía với thời gian của cấp II (thường là vào khoảng 0,5

sec). Thời gian cắt ngắn mạch kéo dài như vậy, dù là ngắn mạch ở xa thanh góp của trạm,

đôi khi là không cho phép. Để đánh giá khả năng cho phép cắt ngắn mạch với thời gian

làm việc của cấp II, có thể sử dụng tiêu chuẩn điện áp dư U_dưtrên thanh góp của trạm.

Cắt với thời gian cấp II được coi là cho phép, nếu trong tình trạng cắt không đồng thời

ngắn mạch 3 pha (hình 6.27) ở đầu vùng II của bảo vệ có :

(3)

dæ

U

= 0,85. 3.Z₁.l.I⁽_N³⁾≥ 0,6.U_{â m}

X.3. Độ nhạy :

Độ nhạy của bảo vệ trước hết được xác định bởi các bộ phận khởi động của nó.

Trong đa số trường hợp, độ nhạy đối với ngắn mạch trên đoạn được bảo vệ là đảm bảo

được. Tuy nhiên, độ nhạy của bảo vệ khi làm nhiệm vụ dự trữ cho các hư hỏng ở đoạn kề

có thể không đạt yêu cầu.

Hình 6.27 : Điều kiện tính toán để kiểm tra điện áp dư

khi có ngắn mạch trong mạng điện

57

X.4. Tính đảm bảo :

Ngay cả những sơ đồ bảo vệ hiện đại đều bao gồm một số lượng đáng kể các bộ phận

phức tạp cần thiết cho việc khởi động nhằm để bảo vệ làm việc đúng đắn. Điều đó sẽ làm

phức tạp sự vận hành các bảo vệ và có thể làm mất khả năng làm việc đúng đắn của bảo

vệ.

Mặc dù có một số nhược điểm đã phân tích ở trên, nguyên tắc khoảng cách vẫn được

sử dụng rộng rãi trong thực tế để thực hiện các bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha. Điều

này được giải thích là do chỉ có sử dụng nguyên tắc này mới có thể thực hiện được các bảo

vệ cắt chọn lọc các đoạn đường dây và thanh góp của các trạm kề khi ngắn mạch nhiều pha

trong các mạng có hình dáng bất kỳ. Bảo vệ khoảng cách cũng được dùng làm dự trữ khi

sử dụng các bảo vệ dọc (như bảo vệ so lệch dọc, bảo vệ tần số cao) làm nhiệm vụ bảo vệ

chính tác động không thời gian trên toàn bộ chiều dài của phần tử được bảo vệ.