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 UR và dòng điện IR đưa vào rơle và góc R giữa chúng :

t = f ( U R I R , j R ) size 12{t=f ( { {U rSub { size 8{R} } } over {I rSub { size 8{R} } } } ,j rSub { size 8{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:

I R = 1 n I ( I A − I B ) size 12{I rSub { size 8{R} } = { {1} over {n rSub { size 8{I} } } } ( I rSub { size 8{A} } -I rSub { size 8{B} } ) } {}

Ap đặt vào rơle:

U R = 1 n U ( U A − U B ) = 1 n U ( I A − I B ) Z 1 l size 12{U rSub { size 8{R} } = { {1} over {n rSub { size 8{U} } } } ( U rSub { size 8{A} } -U rSub { size 8{B} } ) = { {1} over {n rSub { size 8{U} } } } ( I rSub { size 8{A} } -I rSub { size 8{B} } ) Z rSub { size 8{1} } l} {}

Như vậy : URIR=Z1.l size 12{ { {U rSub { size 8{R} } } over {I rSub { size 8{R} } } } =Z rSub { size 8{1} } "." l} {}

Trong đó :

Z1 : tổng trở thứ tự thuận của 1 km đường dây.

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

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

UA, UB : 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:

t = f ( U R I R , j R ) = f ( Z 1 . l , j R ) size 12{t=f ( { {U rSub { size 8{R} } } over {I rSub { size 8{R} } } } ,j rSub { size 8{R} } ) =f ( Z rSub { size 8{1} } "." l,j rSub { size 8{R} } ) } {}

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

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).

Chiều dài của vùng II phải có giá trị thế nào để đảm bảo bảo vệ tác động chắc chắn với thời gian tII khi ngắn mạch ở cuối đoạn được bảo vệ. Khi thời gian tII được 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 tIII dùng làm dự trữ cho các đoạn tiếp theo và bọc lấy toàn bộ những đoạn nầy. Thời gian tIII của các bảo vệ được chọn theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều.

Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian rqđ thời gian tác động của các vùng có thể tăng lên. Ví du, ngắn mạch ở vùng I qua rqđ, 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 : 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 l3 và l4) sẽ tác động với thời gian bé nhất tI. Các bảo vệ 1 và 6 cũng khởi động nhưng chúng ở xa điểm ngắn mạch hơn (l1 > l3 và l6 > l4) nên 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 l3 và 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.

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 tI. Nếu xảy ra hư hỏng ở xa hơn trong vùng II, rơle 5RZ không khởi động, các rơle 6RZ và 10RT tạo thời gian tII của 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 tIII tạo 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.

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 6.3 : Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ 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 UR và dòng IR đưa vào rơle. Thực tế, khái niệm này được áp dụng rộng rãi do khi chọn đúng UR & IR (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.

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 :

ZRT=URTIRT=nInU.URSIRS=nInUZRS size 12{Z rSub { size 8{R rSub { size 6{T} } } } = { {U rSub {R rSub { size 6{T} } } } over { size 12{I rSub {R rSub { size 6{T} } } } } } size 12{ {}= { {n rSub {I} } over { size 12{n rSub {U} } } } } size 12{ "." { {U rSub {R rSub { size 6{S} } } } over { size 12{I rSub {R rSub { size 6{S} } } } } } } size 12{ {}= { {n rSub {I} } over { size 12{n rSub {U} } } } } size 12{Z rSub {R rSub { size 6{S} } } }} {} (6.2)

Khi nI = nU thì ZRT=ZRS size 12{Z rSub { size 8{R rSub { size 6{T} } } } =Z rSub {R rSub { size 6{S} } } } {}. Để đơn giản, coi tổng trở thứ cấp bằng tổng trở sơ cấp, tức là coi các hệ số biến đổi nI và nU bằng nhau (coi nI = nU = 1).

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

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 ZR = (UR/IR).ejR (hình 6.5a). Góc R được tính từ trục (+) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, lúc đó vector IR xem như là gắn chặt trên trục (+). Hình chiếu của vector ZR lên trục j là thành phần phản kháng xR = ZRsinR và lên trục (+) là thành phần tác dụng rR = ZRcosR.

Đường dây BC được bảo vệ có tổng trở mang tính cảm, biễu diễn trong phần tư thứ 1 bằng số phức ZlBC =Z1.lBC.ej l size 12{ {} rSub { size 8{l} } } {}. Rơle tổng trơ đang xét đặt ở đầu đường dây BC về phía trạm B được xem như nằm ở gốc tọa độ (hình 6.5 b). Đường dây CD có tổng trở ZlCD =Z1.lCD.ej l size 12{ {} rSub { size 8{l} } } {}nằm ở phần tư thứ 1 trên đường kéo dài của số phức ZlBC ,còn đường dây AB có tổng trở ZlAB =Z1.lAB.ej l size 12{ {} rSub { size 8{l} } } {} nằm ở phần tư thứ 3 trên đường kéo dài về phía ngược lại.

Vùng I cuả bảo vệ đường dây BC được đặc trưng bởi tổng trở  0,85 ZlBC, 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 ZlBC như 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 ZKĐ= f(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 :

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 :

IR(3) = 3I(3),UR(3)=3.I(3).Z1.l,ZR(3)=UR(3)IR(3)=Z1.l size 12{ sqrt {3} I rSup { size 8{ ( 3 ) } } , {} rSup {} U rSub { size 8{R} rSup { size 8{ ( 3 ) } } } = sqrt {3} "." I rSup { size 8{ ( 3 ) } } "." Z rSub { size 8{1} } "." l, {} rSup {} Z rSub { size 8{R} rSup { size 8{ ( 3 ) } } } = { {U rSub { size 8{R} rSup { size 8{ ( 3 ) } } } } over {I rSub { size 8{R} rSup { size 8{ ( 3 ) } } } } } =Z rSub {1} size 12{ "." l}} {}

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 :

I R2 ( 2 ) = 2I ( 2 ) , U R2 ( 2 ) = U bc ( 2 ) = 2I ( 2 ) Z 1 l , Z R2 ( 2 ) = Z 1 l = Z R ( 3 ) size 12{I rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 2 ) } } =2I rSup { size 8{ ( 2 ) } } , {} cSup {} U rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 2 ) } } =U rSub { size 8{ ital "bc"} } rSup { size 8{ ( 2 ) } } =2I rSup { size 8{ ( 2 ) } } Z rSub { size 8{1} } l {} cSup {} , {} cSup {} Z rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 2 ) } } =Z rSub { size 8{1} } l=Z rSub { size 8{R} } rSup { size 8{ ( 3 ) } } } {}

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

U R2 ( 1,1 ) = ∣ U . b ( 1,1 ) − U . c ( 1,1 ) ∣ size 12{U rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } = lline {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } - {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } rline } {}

trong đó : U.b(1,1)=I.b(1,1).ZL.l+I.c(1,1).ZM.lU.c(1,1)=I.c(1,1).ZL.l+I.b(1,1).ZM.lalignl { stack { size 12{ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } = {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } "." Z rSub { size 8{L} } "." l+ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } "." Z rSub { size 8{M} } "." l} {} # {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } = {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } "." Z rSub { size 8{L} } "." l+ {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } "." Z rSub { size 8{M} } "." l {} } } {}

Khi thay ZL - ZM = Z1, ta có :

Z R2 ( 1,1 ) = U R2 ( 1,1 ) I R2 ( 1,1 ) = ∣ I . b ( 1,1 ) − I . c ( 1,1 ) ∣ ∣ I . b ( 1,1 ) − I . c ( 1,1 ) ∣ Z 1 l = Z 1 l = Z R ( 3 ) size 12{Z rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } = { {U rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } } over {I rSub { size 8{R2} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } } } = { { lline {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } rline } over { lline {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{b} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } - {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{c} } rSup { size 8{ ( 1,1 ) } } rline } } Z rSub { size 8{1} } l=Z rSub { size 8{1} } l=Z rSub { size 8{R} } rSup { size 8{ ( 3 ) } } } {}

Như vậy, sơ đồ đang xét đảm bảo tổng trở ZR giống 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.

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 Ua là tác động đúng. Với:

U . a = U . 1 + U . 2 + U . 0 size 12{ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{a} } = {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1} } + {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2} } + {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0} } } {}

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:

U . 0 = U . 0N + I . 0 Z 0 l size 12{ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0} } = {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0N} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0} } Z rSub { size 8{0} } l} {}

Vì vậy: U.a=U.1N+I.1Z1l+U.2N+I.2Z2l+U.0N+I.0Z0l size 12{ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{a} } = {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1N} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1} } Z rSub { size 8{1} } l+ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2N} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2} } Z rSub { size 8{2} } l+ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0N} } + {I} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0} } Z rSub { size 8{0} } l} {}

Tổng U.N=U.1N+U.2N+U.0N=0 size 12{ {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{N} } = {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{1N} } + {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{2N} } + {U} cSup { size 8{ "." } } rSub { size 8{0N} } =0} {} vì đó là áp tại điểm hư hỏng. Đối với đường dây thì Z1 = Z2 . Do vậy :

U . a = I . 1 Z 1 l + I . 2 Z 1 l + I . 0 Z 0 l I . 1 Z 1 l + I . 2 Z 1 l + I . 0 Z 0 l + ( I . 0 Z 1 l − I . 0 Z 1 l ) I . a