Bảo vệ so lệch dòng điện

Giới thiệu chung:

Ngày nay ở Việt Nam bảo vệ so lệch dòng điện không chỉ sử dụng để bảo vệ máy phát, máy biến áp mà nó đã được sử dụng khá phổ biến để bảo vệ lưới truyền tải. Để nâng cao độ nhạy của bảo vệ so lệch dòng điện các hãng chế tạo rơle số đã phát minh ra loại rơle so lệch dòng điện có hãm, cộng với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống truyền tín hiệu mà loại rơle này đã dần khắc phục được các nhược điểm cơ bản của mình bằng phương pháp so sánh tín hiệu dòng điện ở hai đầu ĐZ thông qua các I_1SI_2Sthiết bị truyền tin thay cho việc dùng dây dẫn phụ.

Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm (Hình 4.21)

Điều này không những nâng cao độ tin cậy mà còn nâng cao độ nhạy của bảo vệ. Trên thực tế có nhiều mô hình sơ đồ nguyên lý của rơle so lệch có hãm, mỗi hãng có thể đưa ra một mô hình khác nhau sao cho từ đó họ có thể chế tạo ra phần cứng và chương trình hoá được các thuật toán logic để cài đặt vào bộ nhớ của rơle. Trên hình 4.21 trình bày một trong các dạng sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng điện có hãm.

Ở đây chúng ta không đi sâu vào cấu tạo của rơle so lệch dòng điện mà chỉ từ nguyên lý làm việc của nó chúng ta sẽ ứng dụng để bảo vệ ĐZ trong hệ thống điện. Từ sơ đồ nguyên lý trên hình 4.21 ta có:

Trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài: Dòng điện so lệch I_SL (chính là dòng làm việc) của bảo vệ được xác định theo công thức:

I . SL = Δ I . = I . 1T − I . 2T = I . LV size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "SL"} } =Δ {I} cSup { size 8{ "." } } = {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1T} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2T} } = {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "LV"} } } {}

=1nI.[(I.1S−I.2S)−(I.1μ−I.2μ)]1nI.(I.1S−I.2S)−I.KCBT≈−I.KCBTalignl { stack { size 12{ {}= { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] } {} # = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "KCBT"} } approx - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "KCBT"} } {} } } {} (4-48)

Dòng điện hãm:

I.H=I.1T+I.2T=1nI.[(I.1S+I.2S)−(I.1μ+I.2μ)] size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{H} } = {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1T} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2T} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] } {} (4-49)

• Trong đó:

I_KCBT: dòng không cân bằng thứ cấp BI, giá trị của dòng này phụ thuộc vào độ sai lệch giữa các BI và thành phần không chu kì trong dòng điện chạy qua đối tượng được bảo vệ. Dòng không cân bằng thứ cấp có thể được xác định theo biểu thức sau:

I.KCBT=Kđn.KKCK.fi.I.Nngoàimax size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "KCBT"} } =K rSub { size 8{ ital "đn"} } "." K rSub { size 8{ ital "KCK"} } "." f rSub { size 8{i} } "." {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "Nngoàimax""} } } {} (4-50)

I_1S, I_2S, I_1T, I_2T, I_1μ, I_2μ: lần lượt là dòng điện sơ cấp, thứ cấp và dòng từ hoá của BI.

n_I: hệ số biến đổi của các BI.

Trong chế độ này dòng điện vào cuộn hãm I_H lớn hơn dòng vào cuộn làm việc I_LV nên bảo vệ không tác động (hình 4.22a).

Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ:

Trường hợp ĐZ có một nguồn cung cấp: giả sử HT2 trên hình 4.21 được cắt ra. Khi đó:

I.LV=I.1S=1nI.(I.1S−I.1μ) size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "LV"} } = {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } ) } {} (4- 51)

Để bảo vệ có thể làm việc đúng trong trường hợp này thì giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ I_LV phải chọn lớn hơn giá trị dòng điện hãm I_H, nghĩa là:

I_LV = I_H/K_H (4- 52)

Với K_H là hệ số hãm, thường chọn K_H = (0,2 ÷ 0,5).

Giới hạn dưới của hệ số hãm được chọn cho miền có dòng ngắn mạch bé để nâng cao độ nhạy của bảo vệ, còn ở miền có dòng ngắn mạch lớn thường chọn hệ số K_H cao để ngăn chặn bảo vệ có thể tác động nhầm.

Trường hợp ĐZ có hai nguồn cung cấp: (hình 4.21)

Dòng điện I.1S size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } } {} ngược hướng với I.2S size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } } {} nên I.1T size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1T} } } {} cũng sẽ ngược hướng với I.2T size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2T} } } {}. Khi đó:

I.SL=1nI.[(I.1S+I.2S)−(I.1μ+I.2μ)] size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "SL"} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] } {} (4-53)

I.H=1nI.[(I.1S−I.2S)−(I.1μ−I.2μ)] size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{H} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] } {} (4-54)

Như vậy, trong trường hợp này dòng I_SL >> I_H (hình 4.22b) do đó bảo vệ sẽ tác động.

Độ nhạy của bảo vệ được xác định theo công thức:

Kn=INminIđặt87 size 12{K rSub { size 8{n} } = { {I rSub { size 8{N"min"} } } over {I rSub { size 8{ ital "đăt""87"} } } } } {} (4-55)

Bảo vệ so lệch dòng điện có tính chọn lọc tuyệt đối do đó yêu cầu độ nhạy của bảo vệ K_n ≥ 2. Đối với rơle điện cơ để đảm bảo được yêu cầu về độ nhạy người ta phải sử dụng các biện pháp nhằm hạn chế thành phần dòng không cân bằng như mắc nối tiếp với cuộn dây rơle một điện trở phụ, sử dụng máy biến dòng bão hoà trung gian... Còn với rơle số do được trang bị bộ lọc số có thể lọc nhanh được thành phần sóng hài khác tần số cơ bản 50 Hz trong dòng sự cố kết hợp với chức năng khoá khi có sóng hài nên rơle so lệch số có độ nhạy khá cao.

Đồ thị véctơ dòng điện khi có ngắn mạch ngoài (a) và trong (b) vùng bảo vệ (Hình 4.22)

Như đã nói ở trên, bảo vệ so lệch có tính chọn lọc tuyệt đối nên thời gian tác động của bảo vệ không cần phải phối hợp với các bảo vệ khác, tức là về nguyên tắc bảo vệ có thể tác động không thời gian.

Sau đây chúng ta sẽ xét một số phương án ứng dụng nguyên lý so lệch để bảo vệ cho một số ĐZ trong hệ thống điện.

Bảo vệ so lệch dọc cho ĐZ đơn:

Để bảo vệ ĐZ đơn một hoặc hai nguồn cung cấp người ta thường sử dụng bảo vệ so lệch dọc có hãm. Từ nguyên lý so lệch chúng ta nhận thấy: để có thể so sánh dòng điện ở hai đầu ĐZ thì ngoài ĐZ truyền tải chính ra phải bố trí thêm ĐZ dẫn phụ để truyền tín hiệu dòng điện giữa hai đầu ĐZ cho bảo vệ so lệch dọc. ngày nay, đối với rơle số người ta thường thay thế dây dẫn phụ bằng việc truyền tín hiệu thông qua đường dây thông tin, điều này không những nâng cao độ tin cậy, độ nhạy của bảo vệ mà còn tăng khả năng tự động hoá trong hệ thống điện đặc biệt là khi hệ thống scada được đưa vào sử dụng. Trên hình 4.23 trình bày nguyên lý bảo vệ ĐZ dùng rơle so lệch có hãm truyền tín hiệu dùng thiết bị truyền tin.

Bảo vệ so lệch dòng có hãm truyền tín hiệu hai đầu bảo vệ bằng phương pháp truyền tin (Hình 4.23)

Đối với các ĐZ có chiều dài ngắn (< 25 km) người ta vẫn sử dụng dây dẫn phụ để truyền tín hiệu dòng điện giữa hai đầu đường dây (hình 4.21). Khi đó để giảm bớt số lượng dây dẫn phụ dùng trong sơ đồ ba pha người ta dùng phương pháp cộng dòng điện pha thông qua các máy biến dòng cộng (hình 4.24). Hệ số biến đổi pha trong máy biến dòng cộng phải được chọn sao cho dòng điện ở đầu ra không bị triệt tiêu đối với bất kỳ một dạng ngắn mạch nào. Chẳng hạn với sơ đồ hình 4.24, tỉ số vòng dây giữa các cuộn là: W₁ : W₂ : W₃ = 2 : 1 : 3 và dòng điện đầu ra của máy biến dòng là:

I.ra=2.I.a+I.c+3.I.N size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "ra"} } =2 "." {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{a} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } +3 "." {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{N} } } {} (4-56)

• với I.N size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{N} } } {} là dòng điện chạy trong dây trung tính của tổ máy biến dòng đấu hình sao.

Bảo vệ so lệch ĐZ song song:

Bảo vệ so lệch ngang có hướng được dùng để bảo vệ cho ĐZ song song nối vào thanh góp qua các máy cắt riêng (hình 4.25). Bảo vệ so lệch ngang có hướng làm việc dựa theo nguyên tắc so sánh dòng điện trên hai đường dây song song. Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài (giả sử tại N₁), các dòng điện chạy trên hai nhánh ĐZ cùng chiều và có giá trị gần bằng nhau nên dòng điện vào rơle:

Cộng dòng điện để giảm bớt dây dẫn phụ trong sơ đồ bảo vệ so lệch dòng điện (Hình 4.24)

Bộ phía thanh góp A:

I.SL=1nI.[(I.1S−I.2S)−(I.1μ−I.2μ)]≈I.KCBT size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "SL"} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] approx {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "KCBT"} } } {}< I_KĐR (4-57)

• bảo vệ không tác động trong trường hợp này.

Bộ phía thanh góp B: sẽ bị khoá do chiều dòng điện đi từ ĐZ vào thanh góp. Như vậy bảo vệ không tác động trong trường hợp này.

Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch ngang có hướng (Hình 4.25)

Khi xảy ra ngắn mạch tại N₂ (giả sử phía phụ tải không có nguồn truyền ngược về), dòng ngắn mạch tại điểm N₂ được cung cấp từ hai phía: dòng cung cấp trực tiếp theo đường A1N₂ và dòng đổ về theo đường vòng A34B2N₂ (thường dòng ngắn mạch do nhánh A1N₂ có giá trị lớn hơn so với dòng do nhánh kia cung cấp do tổng trở mạch vòng thường lớn). Dòng ngắn mạch trên đi qua hai bộ bảo vệ so lệch ở hai đầu thanh góp.

Bộ phía thanh góp A: Chiều dòng điện đi từ thanh góp vào đường dây sẽ làm cho chức năng định hướng công suất của rơle làm việc để xác định điểm ngắn mạch nằm trên nhánh đường dây nào có luồng công suất lớn hơn (nhánh I), đồng thời dòng điện so lệch vào rơle xác định theo công thức:

I.SL=1nI.[(I.1S−I.2S)−(I.1μ−I.2μ)]>IKÂR size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "SL"} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] >I rSub { size 8{ ital "KĐR"} } } {} (4-58)

Các dữ liệu trên sẽ được tổng hợp và so sánh với các giá trị cài đặt. Trong trường hợp này bộ phía A sẽ đưa tín hiệu đi cắt máy cắt 1.

Bộ phía thanh góp B: Dòng điện chạy trên hai nhánh I_1S và I_2S có chiều ngược nhau. Khi đó dòng điện so lệch được xác định theo công thức sau:

I.SL=1nI.[(I.1S+I.2S)−(I.1μ+I.2μ)]>IKÂR size 12{ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{ ital "SL"} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } "." [ ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1S} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2S} } ) - ( {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1μ} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2μ} } ) ] >I rSub { size 8{ ital "KĐR"} } } {} (4-59)

Các số liệu thu được sẽ được bộ phía thanh góp B tổng hợp và đưa tín hiệu đi cắt máy cắt 2 (dòng I_2S có chiều hướng từ đường dây II vào thanh góp B, còn dòng I_1S hướng từ thanh góp B ra đường dây I). Như vậy sự cố sẽ được cắt bởi bảo vệ so lệch ở hai phía thanh góp và nhánh đường dây còn lại tiếp tục vận hành nhưng khi đó chức năng so lệch sẽ bị khoá để tránh bảo vệ có thể tác động nhầm khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ vì lúc đó bảo vệ so lệch ngang trở thành bảo vệ quá dòng có hướng.

Khi xảy ra ngắn mạch tại N₃ (gần thanh góp A), do tổng trở đoạn từ thanh góp A đến điểm ngắn mạch nhỏ hơn rất nhiều so với tổng trở mạch vòng dẫn đến dòng ngắn mạch hầu như đổ dồn hoàn toàn qua nhánh A3N₃ làm cho bảo vệ phía A tác động cắt máy cắt 3 còn dòng trong mạch vòng rất nhỏ nên bảo vệ phía B không tác động. Chỉ khi máy cắt 3 bị cắt ra, dòng ngắn mạch đổ dồn về nhánh vòng và khi đó bảo vệ phía B mới tác động cắt máy cắt 4. Trường hợp này được gọi là hiện tượng khởi động không đồng thời, hiện tượng này sẽ làm tăng thời gian cắt ngắn mạch lên gây ảnh hưởng đến tính tác động nhanh của bảo vệ.

Trong trường hợp xảy ra đứt dây kèm theo chạm đất một nhánh đường dây thì bảo vệ so lệch ngang có hướng sẽ tác động không đúng cắt cả hai nhánh đường dây. Đây chính là một nhược điểm rất lớn của bảo vệ so lệch ngang có hướng. Để khắc phục người ta dựa vào khoảng thời gian từ lúc đứt dây đến khi chạm đất để khoá chức năng so lệch của bảo vệ.