Bảo vệ quá dòng

Bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian độc lập:

Ưu điểm của dạng bảo vệ này là cách tính toán và cài đặt của bảo vệ khá đơn giản và dễ áp dụng. Thời gian đặt của các bảo vệ phải được phối hợp với nhau sao cho có thể cắt ngắn mạch một cách nhanh nhất mà vẫn đảm bảo được tính chọn lọc của các bảo vệ.

Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng độc lập (1), phụ thuộc (2) và hỗn hợp (3, 4) (Hình 4.1)

Hiện nay thường dùng 3 phương pháp phối hợp giữa các bảo vệ quá dòng liền kề là phương pháp theo thời gian, theo dòng điện và phương pháp hỗn hợp giữa thời gian và dòng điện.

Bảo vệ quá dòng cực đại với đặc tuyến thời gian phụ thuộc:

Bảo vệ quá dòng có đặc tuyến thời gian độc lập trong nhiều trường hợp khó thực hiện được khả năng phối hợp với các bảo vệ liền kề mà vẫn đảm bảo được tính tác động nhanh của bảo vệ. Một trong những phương pháp khắc phục là người ta sử dụng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc. Hiện nay các phương thức tính toán chỉnh định rơle quá dòng số với đặc tính thời gian phụ thuộc do đa dạng về chủng loại và tiêu chuẩn nên trên thực tế vẫn chưa được thống nhất về mặt lý thuyết điều này gây khó khăn cho việc thẩm kế và kiểm định các giá trị đặt.

Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong lưới điện hình tia cho trường hợp đặc tuyến phụ thuộc(Hình 4.4)

Rơle quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc được sử dụng cho các ĐZ có dòng sự cố biến thiên mạnh khi thay đổi vị trí ngắn mạch. Trong trường hợp này nếu sử dụng đặc tuyến độc lập thì nhiều khi không đam bảo các điều kiện kỹ thuật: thời gian cắt sự cố, ổn định của hệ thống... Hiện nay người ta có xu hướng áp dụng chức năng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc như một bảo vệ thông thường thay thế cho các rơle có đặc tuyến độc lập.

Đối với các rơle quá dòng có đặc tuyến thời gian phụ thuộc có giới hạn loại điện cơ của Liên Xô (cũ) không có các đường đặc tuyến tiêu chuẩn thống nhất, nó thay đổi theo các rơle. Trong tất cả các rơle quá dòng số hiện nay của siemens, ALSTOM, SEL, ABB..., đều tích hợp cả hai đặc tuyến độc lập và phụ thuộc. Giá trị đặt dòng phụ thuộc thời gian có thể được xác định bằng một trong ba cách sau:

Dưới dạng các bảng giá trị số “dòng - thời gian”.

Dưới dạng các đồ thị logarit cơ số 10 (lg).

Dưới dạng các công thức đại số.

Hiện nay trên thực tế tồn tại nhiều tiêu chuẩn đường cong đặc tuyến thời gian phụ thuộc của bảo vệ quá dòng số như: tiêu chuẩn của uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC), của viện kỹ thuật điện-điện tử Mỹ (IEEC), viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (ANSI)..., trong đó tiêu chuẩn IEC (IEC255-3) thường được sử dụng nhất. Tiêu chuẩn IEC255-3 bao gồm các họ đặc tuyến có độ dốc khác nhau: độ dốc chuẩn (IEC255-3A), rất dốc (IEC255-3B), cực dốc (IEC255-3C). Trong trường hợp chung, công thức xác định thời gian tác động và trở về của các họ đường cong như sau:

ttâ=TDKmn−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tđ"} } = ital "TD" { {K} over {m rSup { size 8{n} } - 1} } } {}; ttv=TDK1m2−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tv"} } = ital "TD" { {K rSub { size 8{1} } } over {m rSup { size 8{2} } - 1} } } {} (4-10)

• Trong đó:

t_tđ, t_tv: tương ứng là thời gian tác động và thời gian trở về của bảo vệ ứng với bội số dòng m.

• Giá trị m được xác định bằng công thức: m=INIKĐB size 12{m= { {I rSub { size 8{N} } } over {I rSub { size 8{ ital "KĐB"} } } } } {}
• với I_N: giá trị dòng ngắn mạch chạy qua bảo vệ.
• I_KĐB: dòng điện khởi động của bảo vệ được xác định theo giá trị dòng điện tải, có thể tính theo biểu thức:

IKĐB=(1,1÷1,5)Pdd3.U.cosϕ size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐB"} } = ( 1,1 div 1,5 ) { {P rSub { size 8{ ital "dd"} } } over { sqrt {3} "." U "." "cos"ϕ} } } {} (4-11)

• Trong đó:

P_dd: là công suất tác dụng danh định của tải chạy qua đối tượng được bảo vệ.

U: điện áp dây danh định của lưới điện.

TD: hệ số thời gian (Time Dial) của mỗi đường cong trong bộ đường cong tiêu chuẩn và là giá trị đặt khi ta chọn đường cong đó trong bộ nhớ của rơle.

K, K₁, n: các giá trị phụ thuộc vào loại đường cong đặc tuyến có độ dốc khác nhau. Ví dụ tương ứng với các tiêu chuẩn ta có các giá trị sau: IEC255-3A: K = 0,14, K₁ = - 1,08, n = 0,02; IEC255-3B: K = 13,5, K₁ = - 13,5, n = 1; IEC255-3B: K = 80, K₁ = - 80, n = 2.

Dưới đây sẽ giới thiệu một số đường cong đặc tuyến theo tiêu chuẩn IEC255:

Đường cong dốc chuẩn SIT (standard inverse time): hình 4.5.

Đường cong dốc chuẩn (SIT) theo tiêu chuẩn IEC255-3A (Hình 4.5)

ttâ=TD0,14m0,02−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tđ"} } = ital "TD" { {0,"14"} over {m rSup { size 8{0,"02"} } - 1} } } {}; ttv=−TD1,08m2−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tv"} } = - ital "TD" { {1,"08"} over {m rSup { size 8{2} } - 1} } } {} (4-12)

Đường cong rất dốc VIT (very inverse time) IEC255-3B: hình 4.6

Đường cong rất dốc (VIT) theo tiêu chuẩn IEC255-3B (Hình 4.6)

ttđ=TD13,5m−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tâ"} } = ital "TD" { {"13",5} over {m - 1} } } {}; ttv=−TD13,5m2−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tv"} } = - ital "TD" { {"13",5} over {m rSup { size 8{2} } - 1} } } {} (4-13)

- Đường cong cực dốc EIT (extremely inverse time): hình 4.7

Đường cong cực dốc (EIT) theo tiêu chuẩn IEC255-3C (Hình 4.7)

ttđ=TD80m2−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tđ"} } = ital "TD" { {"80"} over {m rSup { size 8{2} } - 1} } } {};

ttđ=−TD80m2−1 size 12{t rSub { size 8{ ital "tđ"} } = - ital "TD" { {"80"} over {m rSup { size 8{2} } - 1} } } {} (4-14)

Cần chú ý là các hệ số thời gian đặt TD thường chỉ dao động trong khoảng (0,05 ÷ 3), trên đồ thị các đặc tuyến được cho với giá trị TD bằng (0,1 ÷ 1). Ngoài ra tiêu chuẩn IEC255 còn có các họ đặc tuyến khác như họ đường cong siêu dốc UIT, đường cong tác động nhanh ST (short time)... nhưng ít được sử dụng.

Mạng điện hình tia một nguồn cung cấp:

Đối với mạng điện hình tia một nguồn cung cấp (hình 4.8), giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ đặt tại thanh góp A được xác định theo công thức:

IKĐ50A size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{A} } } {} = K_at.I_{Nngoài max} (4-15)

• Trong đó:

K_at: hệ số an toàn, tính đến ảnh hưởng của các sai số do tính toán ngắn mạch, do cấu tạo của rơle, thành phần không chu kì trong dòng ngắn mạch và của các biến dòng. Với rơle điện cơ K_at = (1,2 ÷ 1,3), còn với rơle số K_at = 1,15.

I_{Nngoài max}: dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp lớn nhất qua bảo vệ khi ngắn ngoài vùng bảo vệ. Ở đây là dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp B.

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh ĐZ một nguồn cung cấp (Hình 4.8)

ĐZ có hai nguồn cung cấp:

Xét ĐZ có hai nguồn cung cấp như hình 4.9, để đảm bảo cho bảo vệ 1 (đặt tại thanh góp A) và bảo vệ 2 (đặt tại thanh góp B) tác động đúng thì giá trị dòng điện khởi động của hai bảo vệ này ( IKĐ50A size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{A} } } {}, IKĐ50B size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{B} } } {}) phải được chọn theo điều kiện:

IKĐ50A=IKĐ50B=Kat.Max{INngoàimaxA;INngoàimaxB} size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{A} } =I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{B} } =K rSub { size 8{ ital "at"} } "." ital "Max" lbrace I rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } rSup { size 8{A} } ;I rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } rSup { size 8{B} } rbrace } {} (4-16)

• Trong đó:

INngoàimaxA size 12{I rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } rSup { size 8{A} } } {}: giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp B do nguồn HT1 cung cấp.

INngoàimaxB size 12{I rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } rSup { size 8{B} } } {}: giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp A do nguồn HT2 cung cấp.

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh ĐZ có hai nguồn cung cấp (Hình 4.9)

Nhược điểm của cách chọn dòng điện đặt trong trường hợp này là khi có sự chênh lệch công suất khá lớn giữa hai nguồn A và B thì vùng tác động của bảo vệ đặt ở nguồn có công suất bé hơn sẽ bị thu hẹp lại rất bé thậm chí có thể tiến tới 0. Để khắc phục người ta có thể sử dụng rơle dòng cắt nhanh có hướng đặt ở phía nguồn có công suất bé hơn (hình 4.10). Khi đó chúng ta có thể chọn giá trị dòng điện đặt của bảo vệ quá dòng cắt nhanh như sau:

IKĐ50A=Kat.INngoàimaxA size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{A} } =K rSub { size 8{ ital "at"} } "." I rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } rSup { size 8{A} } } {} (4-17)

IKĐ50B=Kat.INngoàimaxB size 12{I rSub { size 8{ ital "KĐ""50"} } rSup { size 8{B} } =K rSub { size 8{ ital "at"} } "." I rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } rSup { size 8{B} } } {} (4-18)

Từ hình 4.10 chúng ta thấy chiều dài vùng cắt nhanh của bảo vệ đặt tại thanh góp B đã được mở rộng ra rất nhiều. Bảo vệ cắt nhanh là bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nghĩa là nó chỉ tác động khi xảy ra ngắn mạch trong vùng mà nó bảo vệ nên khi tính toán giá trị dòng điện khởi động, trong biểu thức không có mặt của hệ số trở về K_tv.

Về lý thuyết, thời gian tác động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh có thể bằng 0 sec. Tuy nhiên trên thực tế để ngăn chặn bảo vệ có thể làm việc sai khi có sét đánh vào ĐZ gây ngắn mạch tạm thời do van chống sét hoạt động hoặc khi đong MBA không tải (dòng từ hoá không tải của MBA có thể vượt quá trị số đặt của bảo vệ cắt nhanh) hoặc trong các chế độ nhiễu loạn thành phần sóng hài khác với sóng hài có tần số 50Hz lớn, thông thường người ta cho bảo vệ làm việc với thời gian trễ khoảng (0,05 ÷ 0,08) sec đối với rơle cơ và (0,03 ÷ 0,05) sec với rơle số.

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh có hướng ĐZ có hai nguồn cung cấp (Hình 4.10)

Do vùng tác động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh không bao trùm được hoàn toàn ĐZ cần bảo vệ nên nó không thể làm bảo vệ chính hoặc bảo vệ duy nhất. Trong một số trường hợp, ví dụ trong mạng hình tia cung cấp cho một MBA (hình 4.11a) làm việc hợp bộ (ĐZ-MBA), có thể dùng bảo vệ quá dòng cắt nhanh để bảo vệ toàn bộ chiều dài ĐZ nếu ta cho nó tác động khi có sự cố bên trong MBA. Dòng điện đặt của bảo vệ được chọn theo dòng ngắn mạch ba pha cực đại khi ngắn mạch sau MBA (hình 4.11a). Đối với rơle quá dòng cắt nhanh số có tích hợp cả chức năng của bảo vệ quá dòng thông thường (khi đó người ta gọi chức năng cắt nhanh là ngưỡng cao còn chức năng quá dòng thông thường là ngưỡng thấp) nên có thể phối hợp hai chức năng này để bảo vệ cho ĐZ như hình 4.11b.

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh cho sơ đồ hợp bộ ĐZ-MBA (a) và kết hợp với chức năng bảo vệ quá dòng thông thường theo thời gian phụ thuộc (b) trong rơle số (Hình 4.11)

Trên thực tế bảo vệ quá dòng cắt nhanh có thể kết hợp với các thiết bị tự động đóng lặp lại TĐL để vừa có thể cắt nhanh sự cố vừa tăng khả năng tự động hoá trong hệ thống điện, đảm bảo yêu cầu cung cấp điện.

Một nhược điểm cơ bản khác của bảo vệ quá dòng cắt nhanh là nó không áp dụng được nếu dòng sự cố qua bảo vệ khi có ngắn mạch ở đầu ĐZ phía nguồn (ví dụ nguồn HT1 trên hình 4.9 trong chế độ cực tiểu nhỏ hơn dòng sự cố khi ngắn mạch ở cuối ĐZ trong chế độ cực đại, nghĩa là: IN1min<IN2max size 12{I rSub { size 8{N rSub { size 6{1} } "min"} } <I rSub {N rSub { size 6{2} } "max"} } {}. Khi đó ta có:

IN1maxIN2maxIN1minIN2minIN2maxIN2min size 12{ { {I rSub { size 8{N rSub { size 6{1} } "max"} } } over {I rSub {N rSub { size 6{2} } "max"} } } size 12{ approx { {I rSub {N rSub { size 6{1} } "min"} } over { size 12{I rSub {N rSub { size 6{2} } "min"} } } } } size 12{< { {I rSub {N rSub { size 6{2} } "max"} } over { size 12{I rSub {N rSub { size 6{2} } "min"} } } } }} {} (4-19)

Điều này có nghĩa là bảo vệ không áp dụng được nếu tỷ số dòng ngắn mạch khi có sự cố ở hai đầu ĐZ trong chế độ cực đại nhỏ hơn tỷ số dòng ở đầu xa nguồn trong chế độ cực đại (ứng với Z_{nguồn max}) và chế độ cực tiểu, tức là:

Như vậy, khi nguồn điện hệ thống biến động mạnh hay có dao động điện lớn trong hệ thống do ngắn mạch ngoài, bảo vệ quá dòng cắt nhanh hoặc sẽ không thể tác động hoặc sẽ tác động không chọn lọc tuỳ theo giá trị cài đặt của nó trong chế độ làm việc nào. Trong trường hợp ĐZ quá ngắn, nếu giá trị dòng điện khởi động I_{KĐ 50} theo công thức (4-15) lớn hơn dòng ngắn mạch cực đại trong ĐZ, tức là:

IN1max≤IKĐ=Kat.INngoàimax size 12{I rSub { size 8{N rSub { size 6{1} } "max"} } <= I rSub { ital "KĐ"} size 12{ {}=K rSub { ital "at"} } size 12{ "." I rSub { ital "Nngoàimax""} }} {} (4-20)

• với IN1max size 12{I rSub { size 8{N rSub { size 6{1} } "max"} } } {} là dòng ngắn mạch cực đại tại N₁ do nguồn HT1 cung cấp khi có ngắn mạch ba pha trên thanh góp A.

Khi đó chức năng quá dòng cắt nhanh sẽ không bảo vệ được ĐZ. Như vậy khi sử dụng cấp cắt nhanh cần kiểm tra điều kiện (4-19), nếu không thoả mãn điều kiện trên thì chỉ nên đặt cấp quá dòng ngưỡng thấp (quá dòng thông thường) với đặc tính thời gian phụ thuộc. Việc áp dụng các công thức trên còn phụ thuộc vào ĐZ được cung cấp từ một hay hai nguồn và bảo vệ thuộc loại có hướng hay vô hướng. Nếu giữa hai nguồn cung cấp (hình 4.9) ngoài ĐZ liên lạc chính còn có ĐZ liên lạc phụ khác (mạch vòng) thì sau khi bảo vệ một đầu đã tác động cắt máy cắt, dòng ngắn mạch qua bảo vệ ở đầu còn lại có thể tăng lên và bảo vệ sẽ tác động, nghĩa là vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh ở đầu này có thể được mở rộng ra (hiện tượng khởi động không đồng thời).

Mạng điện hình tia có hai nguồn cung cấp:

Chúng ta sẽ xét từng cấp tác động cho sơ đồ mạng điện hình 4.13.

Mạng điện vòng có một nguồn cung cấp:

Đối với mạng điện vòng một nguồn cung cấp (hình 4.14) chúng ta chọn thời gian cho bảo vệ như với mạng hình tia hai nguồn cung cấp, nhưng ở đây thời gian tác động của bảo vệ 2 và 5 (t₂, t₅) không cần phải phối hợp thời gian với bất kì bảo vệ khác vì khi ngắn mạch ở nhánh nguồn (nhánh 7) thì không có dòng ngắn mạch chạy trong mạch vòng.

Dòng điện khởi động của bảo vệ trong trường hợp này phải phối hợp với nhau giữa các bảo vệ cùng hướng để tránh trường hợp bảo vệ có thể tác động nhầm. Ví dụ với mạng điện hình 4.14, dòng điện khởi động của các bảo vệ phải thoả mãn điều kiện:

I_{đặt 1} > I_{đặt 3} > I_{đặt 5}

I_{đặt 6} > I_{đặt 4} > I_{đặt 2} (4-30)

Bảo vệ quá dòng có hướng cho mạng điện vòng một nguồn cung cấp (Hình 4.14)

Khi ngắn mạch xảy ra gần thanh góp nguồn thì có thể xảy ra hiện tượng khởi động không đồng thời, hiện tượng này sẽ làm cho thời gian cắt sự cố tăng lên. Vì bảo vệ sử dụng bộ phận định hướng công suất nên tồn tại “vùng chết” mà khi ngắn mạch tại đó giá trị điện áp đưa vào bảo vệ thấp hơn ngưỡng điện khởi động tối thiểu và khi đó bảo vệ sẽ không thể tác động. Khi tính toán dòng điện khởi động cho bảo vệ trong mạng vòng phải chú ý đến các trường hợp khi có bất kì một máy cắt nào mở, mạng sẽ trở thành sơ đồ hình tia một nguồn cung cấp, lúc đó sự phân bố công suất trong mạng sẽ khác và bảo vệ có thể tác động nhầm.

Bảo vệ quá dòng có hướng cho ĐZ kép và phối hợp thời gian cho các bảo vệ (Hình 4.15)

Đường dây song song:

Khi các bảo vệ được trang bị bộ phận định hướng công suất với chiều tác động ứng với luồng công suất đi từ thanh góp vào ĐZ thì không cần phối hợp thời gian tác động giữa bảo vệ 2 và 4 với bảo vệ 5 (hình 4.15), vì khi ngắn mạch trên ĐZ D3 (điểm N₃) các bảo vệ 2 và 4 không làm việc. Trong trường hợp này bảo vệ 1 và 3 sẽ phối hợp thời gian trực tiếp với bảo vệ 5:

t₁ = t₃ = t₅ + Δt (4-31)

Chỉ cần đặt bộ định hướng công suất cho bảo vệ 2 và 4, thời gian tác động của bảo vệ 2 và 4 có thể chọn nhỏ tuỳ ý (nhưng yêu cầu t₂, t₄ phải nhỏ hơn t₁ và t₃).

Dòng điện khởi động của các bảo vệ được chọn phải đam bảo sao cho khi cắt một ĐZ thì dòng điện làm việc lớn nhất qua các bảo vệ của ĐZ còn lại không làm bảo vệ tác động, nghĩa là:

I_KĐ > I_{lv max}

hay I_KĐ = K_at.I_{lv max} (4-32)

• Trong đó:

I_lvmax: dòng điện làm việc lớn nhất qua bảo vệ khi chỉ vận hành một nhánh ĐZ song song.

K_at: hệ số an toàn, K_at = 1,2 ÷ 1,3.

Bảo vệ quá dòng TTK cho lưới có dòng chạm đất lớn: