Bảo vệ quá dòng có hướng 67
0 Đối với một số cấu hình lưới điện như mạng vòng, mạnh hình tia có nhiều nguồn cung cấp..., bảo vệ quá dòng điện với thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc bậc thang không đảm ...
Đối với một số cấu hình lưới điện như mạng vòng, mạnh hình tia có nhiều nguồn cung cấp..., bảo vệ quá dòng điện với thời gian làm việc chọn theo nguyên tắc bậc thang không đảm bảo được tính chọn lọc hoặc thời gian tác động của các bảo vệ gần nguồn quá lớn không cho phép. Để khắc phục người ta dùng bảo vệ quá dòng có hướng. Thực chất đây cũng là một bảo vệ quá dòng thông thường nhưng có thêm bộ phận định hướng công suất để phát hiện chiều công suất qua đối tượng được bảo vệ. Bảo vệ sẽ tác động khi dòng điện qua bảo vệ lớn hơn dòng điện khởi động IKĐ và hướng công suất ngắn mạch đi từ thanh góp vào đường dây. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ quá dòng có hướng được trình bày trên hình 4.13a.
Ngày nay hầu hết các rơle quá dòng có hướng số được tích hợp thêm nhiều chức năng như: chức năng cắt nhanh, quá dòng với đặc tuyến thời gian độc lập và phụ thuộc, nhờ đó một số rơle quá dòng có hướng có cả tính chọn lọc tuyệt đối và tương đối, nghĩa là có thể vừa đảm bảo chức năng cắt nhanh vừa đóng vai trò như một bảo vệ dự trữ. Một trong những rơle vừa nêu trên là rơle quá dòng có hướng ba cấp tác động. Để hiểu rõ hơn về loại rơle này chúng ta sẽ đi phân tích chọn thời gian làm việc và dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng có hướng ba cấp tác động cho một số mạng điện điển hình trong hệ thống điện.
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.
. Bảo vệ quá dòng có hướng cấp I:
Bảo vệ dòng điện có hướng cấp I làm việc như một bảo vệ quá dòng cắt nhanh có hướng, do đó dòng điện khởi động IKĐ 67 của bảo vệ rơle cho cấp này được xác định theo công thức:
IKĐ 67 = Kat.INngoài max (4- 24)
Vì bảo vệ cấp I có tính chọn lọc tuyệt đối nên thời gian tác động của bảo vệ (tIđặt) có thể chọn 0 sec. Tuy nhiên để tránh trường hợp bảo vệ có thể tác động nhầm khi có sét đánh vào ĐZ gây ngắn mạch tạm thời hoặc ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ có xung dòng lớn người ta cho bảo vệ tác động có thời gian trễ khoảng (0,01 0,05) sec.
. Bảo vệ quá dòng có hướng cấp II:
Vùng bảo vệ cấp II đóng vai trò dự trữ cho bảo vệ cấp I. Dòng điện đặt của rơle IIIđặt được chọn theo sự phối hợp với dòng khởi động cấp I của bảo vệ kế tiếp (liền kề) thông qua hệ số phân dòng Kpd¬.
Xét bảo vệ 1 đặt tại thanh góp A. Dòng điện khởi động cấp II của bảo vệ tại thanh góp A được chọn phụ thuộc vào sự phân bố dòng điện tại thanh góp B.
Trường hợp tại thanh góp B có rẽ nhánh, dòng điện khởi động cấp II của bảo vệ 1 xác định theo công thức:
(4-25)
Trong đó:
- Kpd: hệ số phân dòng.
- INT: dòng ngắn mạch khi ngắn mạch sau MBA tại nhánh rẽ thanh góp B.
Trường hợp tại thanh góp B có nguồn công suất nối vào, dòng điện khởi động lúc đó được xác định theo công thức:
(4-26)
với : dòng điện đặt cấp I của bảo vệ 3 tại thanh góp B; KpdF: hệ số phân dòng do nguồn máy phát nối vào thanh góp B cung cấp.
Thời gian tác động cấp II được chọn theo điều kiện:
(4-27)
Thông thường thời gian đặt cấp II bảo vệ được chọn trong khoảng (0,3 0,5) sec.
Bảo vệ quá dòng có hướng cấp III:
Thực chất ở vùng này bảo vệ làm việc như một bảo vệ quá dòng cực đại có hướng dự trữ cho cấp I và cấp II. Dòng điện khởi động cấp bảo vệ này được chọn theo công thức:
(4-28)
Với mạng điện hình 4.13. Để chọn thời gian làm việc của vùng bảo vệ cấp III, theo hướng tác động chúng ta chia ra làm hai nhóm:
- Nhóm 1: gồm các bảo vệ có hướng tác động từ trái sang phải: 1, 3, 5.
- Nhóm 2: gồm các bảo vệ có hướng tác động từ phải sang trái: 2, 4, 6.Thời gian làm việc của mỗi nhóm được chọn theo nguyên tắc bậc thang giống như với một bảo vệ quá dòng thông thường, nghĩa là thời gian làm việc của bảo vệ thứ n được xác định theo công thức (4-1).
(4-29)
Trong đó:
-
: thời gian đặt của bảo vệ thứ n đang xét.
- t(n-1) max: thời gian làm việc lớn nhất của các bảo vệ liền kề trướcbảo vệ đang xét.
- deltat: bậc chọn lọc về thời gian, với rơle số Δt = (0,2 0,3) sec.
Đối với rơle số thường tích hợp cả hai chức năng của quá dòng có thời gian độc lập và phụ thuộc nên tuỳ vào từng trường hợp và từng chế độ vận hành mà chúng ta sử dụng một trong hai hoặc kết hợp cả hai đặc tuyến trên cho hợp lý. Trên hình 4.13 trình bày phương án phối hợp thời gian tác động cấp III cho các bảo vệ theo đặc tuyến thời gian độc lập.
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:
Iđặt 1 > Iđặt 3 > Iđặt 5
Iđặt 6 > Iđặt 4 > Iđặt 2 (4-30)
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.
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 đaøm 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:
IKĐ > Ilv max
hay IKĐ = Kat.Ilv max (4-32)
Trong đó:
- Ilvmax: dòng điện làm việc lớn nhất qua bảo vệ khi chỉ vận hành một nhánh ĐZ song song.
- Kat: hệ số an toàn, Kat = 1,2 1,3.
Độ lớn của dòng chạm đất phụ thuộc vào chế độ làm việc của điểm trung tính hệ thống điện. Trong lưới điện có trung tính cách điện với đất, dòng chạn đất thường không vượt quá vài chục ampe (thường ≤ 30 A). Còn trong lưới có điểm trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang (cuộn Peterson), dòng chạm đất được giảm đi rất nhiều. Sự nguy hiểm của tình trạng chạm đất của lưới có trung tính cách đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang là điện áp ở hai pha còn lại không chạm đất tăng lên bằng điện áp dây và có thể chuyển thành sự cố ngắn mạch nhiều pha tại những chỗ có vấn đề về cách điện trên ĐZ. Tuy nhiên ở lưới này khi xảy ra chạm đất người ta vẫn cho phép vận hành nhưng bảo vệ phải báo tín hiệu để nhân viên vận hành tìm biện pháp khắc phục. Vì dòng chạm đất của mạng có trung tính cách đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang có giá trị khá nhỏ nên đòi hỏi bảo vệ dòng thứ tự không phải có độ nhạy khá cao.
Trong hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất, khi xảy ra chạm đất một pha cũng chính là ngắn mạch một pha, dòng thứ tự không (TTK) phần lớn đến từ điểm trung tính của hai trạm ở hai đầu ĐZ, còn từ các trạm khác thì khá bé. Điều này cho phép đảm bảo sự phối hợp tốt theo dòng của bảo vệ TTK. Các bảo vệ trong trường hợp này thường được phối hợp theo nguyên tắc phân cấp như đối với bảo vệ quá dòng pha.
Trong rơle số tồn tại ba dạng sơ đồ sử dụng biến dòng đối với bảo vệ quá dòng chống sự cố chạm đất. Đó là các biến dòng pha mắc theo sơ đồ tổng ba pha, biến dòng TTK cho bảo vệ chống dòng chạm đất lớn và biến dòng TTK có độ nhạy cao.
Sơ đồ thứ nhất thường dùng cho lưới có trung tính nối đất trực tiếp hay qua tổng trở thấp, khi dòng chạm đất qua các pha có giá trị lớn nên gọi là bảo vệ dòng TTK cho lưới có dòng chậm đất lớn. Khi đó rơle thường được nối với tổng các dòng pha từ ba biến dòng riêng biệt nên có độ chính xác thấp.
Bảo vệ dùng biến dòng TTK thường được sử dụng cho mọi trường hợp có sự cố chạm đất, đặc biệt sử dụng trong các lưới có dòng chạm đất bé (lưới có trung tính cách đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang).
Biến dòng TTK độ nhạy cao phát hiện dòng chạm đất thường có giá trị danh định nhỏ hơn nhiều so với biến dòng TTK cho bảo vệ có dòng chạm đất lớn và được nối với rơle số theo các đầu vào riêng biệt.
Trong rơle số ngoài các biến dòng người ta có thể sử dụng thêm các biến điện áp với các sơ đồ khác nhau. Sơ đồ biến điện áp kiểu Y0-Y0 thường để xác định chiều công suất của dòng ngắn mạch dùng trong bảo vệ có hướng. Còn sơ đồ tam giác hở là để xác định điện áp TTK, nó thường làm việc kết hợp với chức năng quá dòng chạm đất độ nhạy cao trong lưới có trung tính cách đất hoặc nối đất qua một tổng trở.
Dòng TTK (I0) chỉ có thể chạy từ điểm trung tính nối đất của MBA phía nguồn tới điểm có sự cố chạm đất. Giá trị của dòng chạm đất có thể xác định theo biểu thức:
(4-33)
với: Z0, Z1, Z2: tương ứng là tổng trở TTK, thứ tự thuận (TTT) và thứ tự nghịch (TTN) nhìn từ điểm sự cố.
Vì dòng TTK không thể đi qua cuộn tam giác của MBA nên việc phối hợp giữa các bảo vệ theo dòng TTK sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với quá dòng pha. Nếu chọn dòng điện khởi động không chính xác thì bảo vệ quá dòng TTK có thể tác động nhầm nếu sử dụng sơ đồ mắc song song các biến dòng pha do sự không đồng nhất của chúng, nó cũng có thể cắt nhầm nếu mạch biến dòng bị đứt.
Ở Việt Nam, trước đây lưới có trung tính cách đất thường là lưới phân phối trung áp nhỏ hơn 35 kV nhưng với việc đưa lưới 22 kV có trung tính nối đất trực tiếp vào vận hành sẽ làm cho các loại bảo vệ chống chạm đất ở lưới này sẽ đa dạng hơn. Tuy nhiên trong các rơle số hiện nay các chức năng bảo vệ này đã được tích hợp sẵn nên không gây khó khăn cho việc sử dụng.
Trong các sơ đồ bảo vệ ĐZ cao áp từ 110 kV trở lên dùng rơle điện cơ và rơle tĩnh của Liên Xô cũ, người ta hay sử dụng bảo vệ quá dòng TTK bốn cấp với đặc tuyến thời gian độc lập như một bảo vệ chính.
Trong đó:
- Cấp I là cấp ngưỡng cao cắt nhanh, được xác định theo điều kiện chạm đất ở cuối ĐZ hay chế độ không toàn pha của máy cắt ĐZ đang bảo vệ.
- Cấp II và III là cấp ngưỡng cao có thời gian, xác định theo điều kiện phối hợp với cấp một của ĐZ lân cận, theo dòng chạm đất sau MBA hoặc theo chế độ không toàn pha của máy cắt ĐZ lân cận cũng như các điều kiện bất thường khác như dao động điện, sự không đồng bộ...
- Cấp IV là cấp ngưỡng thấp có thời gian xác định theo điều kiện dòng không cân bằng trong dây trung tính BI khi có ngắn mạch ba pha sau MBA hay ở cấp điện áp thấp MBA tự ngẫu.
Việc sử dụng nhiều cấp bảo vệ TTK theo trường phái Liên Xô cũ như trên xuất phát từ một thực tế là trong sơ đồ bảo vệ không có kiểu đặc tuyến phụ thuộc với thời gian tác động khác nhau cho các dòng chạm đất khác nhau. Do vậy, kiểu bốn cấp sẽ cho đặc tuyến dạng bậc thang có chất lượng bảo vệ tốt hơn so với loại hai cấp đặc tuyến độc lập, nhưng vẫn không đạt được chất lượng như của loại bảo vệ quá dòng TTK với đặc tuyến phụ thuộc. Mặt khác, do trong các bảo vệ ĐZ ở rơle số thường có kèm theo chức năng phát hiện các sự cố chạm đất nên bảo vệ quá dòng TTK bốn cấp chỉ đóng vai trò như bảo vệ dự phòng hoặc có thể thay nó bằng một bảo vệ quá dòng TTK hai ngưỡng.
Chức năng quá dòng chạm đất trong rơle số thường có hai ngưỡng là ngưỡng cao và ngưỡng thấp. Ngưỡng cao cắt nhanh thường được xác định tương tự như các rơle cổ điển. Để giảm thiểu xác xuất cắt nhầm do các cực máy cắt không đồng thời, người ta thường giới hạn thời gian tác động của cấp cắt nhanh khoảng dưới hai chu kỳ tần số công nghiệp đối với các máy cắt một pha. Còn cấp ngưỡng thấp cũng có thể có dạng đặc tuyến độc lập hay phụ thuộc, trong đó nên sử dụng loại đặc tuyến thứ hai để tăng khả năng bảo vệ. Khi sử dụng chức năng quá dòng chống chạm đất trong rơle số, ta cần phải phân biệt hai loại bảo vệ với các giá trị đặt được xác định xuất phát từ những cơ sở lập luận khác nhau. Bảo vệ quá dòng TTK cho lưới có dòng chạm đất lớn thường được hiệu chỉnh theo dòng không cân bằng cực đại và dòng thứ tự không đi qua chỗ đặt bảo vệ. Còn bảo vệ dòng TTK cho lưới có dòng chạm đất bé thường xác định theo dòng điện dung. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt xét các loại bảo vệ này.
Bảo vệ quá dòng TTK cho lưới có dòng chạm đất lớn:
Đặc tuyến độc lập hai cấp:
Các rơle quá dòng số do có ứng dụng đa năng nên thường được tích hợp cả hai cấp bảo vệ là ngưỡng cao và ngưỡng thấp. Điều này có thể thấy rõ trong các loại rơle do Châu Âu sản xuất.
Trong chế độ tải bình thường và khi có ngắn mạch ngoài, trong dòng tổng ba pha thứ cấp ( chạy qua rơle thường chứa thành phần TTK và dòng không cân bằng đặc trưng bởi sự không đồng nhất của các biến dòng pha và do tải bất đối xứng:
(4-34)
Trong đó:
- : dòng điện ba pha sơ cấp chạy qua đối tượng được bảo vệ.
- nI: tỉ số biến đổi của biến dòng BI.
- : dòng điện không cân bằng thứ cấp, phụ thuộc vào thành phần sóng hài có trong dòng ngắn mạch, sự không đồng nhất và sai số của BI. Dòng không cân bằng thứ có thể được xác định theo công thức sau:
(4-35)
- KKCK gọi là hệ số không chu kỳ.
- fi: hệ số sai số (mức độ từ hoá) của các biến dòng (fi = 0,05 0,1).
- Kđn: hệ số đồng nhất giữa các biến dòng Kđn (Kđn = 0,5 1).
- : thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất.
Giá trị đặt của bảo vệ ngưỡng thấp (I0>) được chọn theo 3 điều kiện sau:
I0> = Khc.(3.I0 - k.fi.I1) (4-36)
Trong đó:
- Khc: hệ số hiệu chỉnh, Khc = (1,5 2).
- k: hệ số được cài đặt trong rơle số để tính đến thành phần sai số cực đại do dòng thứ tự thuận I1 qua rơle trong chế độ tải bất đối xứng.
Dòng điện đặt thứ cấp của bảo vệ cần phải chọn lớn hơn dòng IKCBT nói trên.
Không được tác động đối với dòng làm việc lớn nhất chạy trên ĐZ do tải bất đối xứng, nghĩa là:
Phải tác động khi có chạm đất ở cuối ĐZ liền kề với độ nhạy vừa đủ (bằng 1,12 đối với rơle số) để đảm bảo việc dự phòng xa. Ví dụ rơle đặt tại thanh góp (TG) A phải tác động khi có chạm đất một pha tại TG C (hình 4.16), tức là giá trị dòng điện khởi động của nó phải thoả mãn điều kiện:
Giá trị dòng điện đặt cấp ngưỡng thấp được chọn theo giá trị lớn nhất thoả mãn 3 điều kiện trên và thường được lấy trong khoảng (0,2 0,8) dòng danh định của biến dòng.
Thời gian tác động tđặt ở cấp bảo vệ này được phối hợp như đối với bảo vệ quá dòng pha. Tuy nhiên như đã nói ở phần đầu, bảo vệ TTK thường xét bắt đầu từ MBA có cuộn tam giác hoặc cuộn sao không nối đất, nên bảo vệ quá dòng TTK cấp ngưỡng thấp trước MBA (ở đây là trạm C hình 4.16) có thể đặt loại cắt nhanh. Do vậy bảo vệ TTK với đặc tuyến độc lập thường có thời gian tác động nhỏ hơn so với bảo vệ quá dòng pha đặt trên cùng một trạm, tuy vậy điều này có thể sẽ không đúng đối với MBA tự ngẫu.
Giá trị đặt dòng ngưỡng cao (I0>>) được chọn theo các điều kiện sau:
Theo điều kiện dòng TTK cực đại khi có chạm đất ngoài vùng bảo vệ:
I0>> = Khc.3.I0ngoài max (4-38)
Hệ số hiệu chỉnh Khc được cho bằng (1,15 1,2) đối với rơle số.
Theo điều kiện không toàn pha (KTP) tạm thời do máy cắt đóng mạch không đồng nhịp hay do trình tự TĐL một pha của bảo vệ trên ĐZ đang xét:
I0>> = Khc.3.I0KTP (4-39)
Với I0KTP là dòng TTK cực đại qua bảo vệ trong chế độ không toàn pha.
Giá trị dòng ngưỡng cao được chọn theo giá trị lớn nhất từ hai điều kiện trên.
Thời gian cắt nhanh của bảo vệ ngưỡng cao thường chọn bằng 0,05 sec.
Bảo vệ quá dòng chạm đất ba hay bốn cấp:
Trong một số loại rơle theo trường phái Mỹ, đặc biệt là các loại rơle bảo vệ tổng hợp ĐZ như SEL-321 (SEL) hay ALPS (GE Multilin), các chức năng bảo vệ quá dòng TTK với đặc tuyến độc lập như một bảo vệ dự phòng có thể có tới ba hay bốn cấp có hướng. Tuy nhiên khác với rơle của Liên Xô, chúng còn được tích hợp thêm đặc tính phụ thuộc. Điều này cho phép rơle bảo vệ ĐZ với các thời gian tác động khác nhau tuỳ theo cấu hình của lưới và vị trí sự cố mà loại bảo vệ hai cấp với thời gian độc lập không thực hiện được.
Các cấp I và IV thường được chọn giống như cấp ngưỡng cao và thấp đã đề cập ở trên. Sau đây chúng ta sẽ xét kỹ hơn các cấp II và III là loại bảo vệ quá dòng ngưỡng cao tác động có thời gian và chỉ giới hạn với dạng đặc tuyến độc lập.
Cấp II: dòng khởi động cấp II của trạm B (hình 4.17) được chọn theo các điều kiện sau:
Suy ra từ dòng tổng ba pha qua bảo vệ khi có chạm đất sau MBA tự ngẫu của bảo vệ liền kề về phía tải (ở cấp điện áp thấp hơn), tức là tại điểm N1:
III0> B = Khc.3.I0N1¬ (4-40)
Ở đây hệ số Khc có thể lấy bằng 1,15 đối với rơle số.
Từ điều kiện phối hợp với cấp một của bảo vệ liền kề:
III0> B = Khc.3.I0Btt (4-41)
Trong đó:
- Khc có thể lấy bằng 1,1.
- I0Btt: dòng TTK tính toán, được xác định theo dòng TTK qua rơle B khi có chạm đất tại điểm tính toán N2 trên ĐZ liền kề CD, N2 là điểm mà dòng tổng ba pha qua rơle C bằng giá trị dòng điện đặt của nó (hình 4.17).
Theo điều kiện hiệu chỉnh từ dòng tổng ba pha của chế độ không toàn pha trong ĐZ liền kề, hay dòng KCB khi có dao động hay sự mất đồng bộ các máy phát (trong trường hợp thời gian tác động của bảo vệ lớn hơn 1 sec).
Cấp III: Được sử dụng khi cấp II tỏ ra không đủ độ nhạy (yêu cầu Kn ≈ 1,2) khi có chạm đất một điểm hay chạm đất kép tại các vị trí nhạy cảm cấp III, được chọn giống như cấp II, ngoài ra còn có điều kiện tính toán theo dòng KCB trong dây trung tính các biến dòng khi có ngắn mạch ba pha sau MBA thường hoặc MBA tự ngẫu nối vào TG của các trạm hai đầu ĐZ được bảo vệ.
Thời gian tác động của bảo vệ được phối hợp giống như đối với bảo vệ quá dòng pha thông thường.
Đặc tuyến phụ thuộc:
Phương pháp phối hợp các bảo vệ quá dòng TTK theo đặc tuyến thời gian phụ thuộc tương tự như đối với bảo vệ quá dòng pha. Tuy nhiên cần chú ý là đối với bảo vệ quá dòng TTK còn có một số loại đặc tuyến phụ thuộc chỉ có cho bảo vệ chạm đất như đặc tuyến thời gian tác động lâu, đặc tuyến kiểu RI...
Bảo vệ quá dòng thứ tự không cho lưới có dòng chạm đất bé:
Các dòng đặt của bảo vệ quá dòng TTK cho lưới có dòng chạm đất bé thường có giá trị nhỏ vì chúng không chịu ảnh hưởng của các dòng điện tải mà chịu tác động của các dòng điện dung. Để hiểu rõ hơn về bản chất của dòng chạm đất liên quan đến dòng điện dung, sau đây chúng ta sẽ xem xét chế độ sự cố của hệ thống điện có trung tính cách đất khi chạm đất tại một điểm.
Trong lưới điện xoay chiều với chế độ làm việc bình thường, trên các pha ngoài các dòng tải còn có các dòng điện dung xác định bởi điện dung đối với đất phân bố theo dọc chiều dài ĐZ. Nếu không có dòng tải, điện áp của tất cả các điểm trên lưới có thể coi là bằng nhau vì dòng dung kháng này rất nhỏ do vậy sự sụt áp do chúng gây ra có thể bỏ qua. Khi đó điện áp các pha so với đất tương ứng sẽ bằng điện áp pha UA, UB, UC và các điện dung phân tán của các pha có thể thay bằng các điện dung tập trung CA= CB= CC = C (hình 4.18a). Các véctơ dòng IA, IB, IC và áp sẽ có dạng đối xứng như trên hình 4.18b. Như vậy, tổng các véctơ dòng và áp sẽ bằng không và không có dòng chạy qua đất.
Khi có một pha nào đó chạm đất, điện áp các pha so với đất sẽ thay đổi. Ví dụ khi pha A chạm đất trực tiếp, điện áp UA của nó sẽ giảm xuống 0, còn điện áp hai pha kia sẽ tăng lên tới điện áp dây UBA và UCA. Vì điện áp dây không thay đổi nên điện áp các pha B, C so với đất sẽ tăng lên lần, còn điện áp điểm trung tính N của hệ thống so với đất sẽ bằng - UA.
Dòng chạm đất tại điểm sự cố khi đó sẽ bằng: (hình 4.19)
(4-42)
Khi tính toán dòng này người ta thường xét đến điện dung (C) của lưới theo điện dung đơn vị c (μF/km) đối với từng loại dây dẫn, do đó công thức (4-42) có thể viết thành:
(4-43)
Trong đó:
- l: tổng chiều dài của lưới điện nối với nhau trực tiếp không qua MBA (lưới có cùng cấp điện áp).
- a=3ωCUpha10-6 và điện dung đơn vị c phụ thuộc vào loại dây dẫn trên không hay cáp ngầm... thường dao động trong khoảng rộng. Tuy nhiên, khi tính toán sơ bộ chúng ta có thể lấy giá trị trung bình nào đó. Nếu thay ω = 2.Π.50 rad/sec vào (4-43) thì có thể tính gần đúng:
- Đối với ĐZ trên không:
(A) (4-44)
- Đối với ĐZ cáp: 
(A) (4-45)
Với U là điện áp dây của lưới đang xét.
Khi tính dòng dung kháng để chỉnh định giá trị đặt cho rơle cần phải chú ý là dòng dung kháng của ĐZ được bảo vệ sẽ chạy quẩn bên trong phạm vi ĐZ này mà không qua chỗ đặt rơle (hình 4.20). Do đó ở các công thức (4-43), (4-44), (4-45), trong giá trị tổng độ dài đường dây l không được tính đến chiều dài ĐZ được bảo vệ. Điều này cũng có nghĩa là, nếu xuất tuyến của MBA hay máy phát chỉ có một ĐZ thì ở đây không được phép đặt bảo vệ quá dòng TTK có độ nhạy cao.
Để tính toán giá trị chỉnh định cho bảo vệ TTK ví dụ đường dây AB (hình 4.17), ta có thể xuất phát từ dòng dung kháng tổng cực tiểu IC min của các ĐZ bên ngoài cùng nối vào trạm đặt rơle khi có chạm đất tại điểm N1 theo công thức:
(4-46)
Trong đó:
- khc = (1,2 1,5).
- l(tong): độ dài tổng của lưới nối với nhau trực tiếp không qua MBA cung cấp cho TG trạm trong cấu hình ngắn nhất của lưới.
Ngoài ra, nếu rơle là loại vô hướng thì nó không được phép tác động khi có chạm đất ngoài ĐZ được bảo vệ (điểm N2), tức là khi có dòng dung kháng từ hướng ĐZ được bảo vệ chạy qua rơle theo chiều ngược lại. Vì vậy giá trị đặt của rơle phải thoả mãn điều kiện:
I0> = Kat.a.lAB (4-47)
với Kat = (2 2,5).
Nếu đây là một xuất tuyến, thì độ dài lAB phải được coi là tổng các đoạn ĐZ cùng cấp điện áp về phía tải so với điểm đặt rơle, khi đó Kat có thể chọn nhỏ hơn từ (1,5 2). Tuy nhiên, nếu rơle là loại có hướng thì không phải kiểm tra điều kiện (4-47).
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 thiết bị truyền tin thay cho việc dùng dây dẫn phụ. 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 ISL (chính là dòng làm việc) của bảo vệ được xác định theo công thức:
(4-48)
Dòng điện hãm:
(4-49)
Trong đó:
- IKCBT: 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:
(4-50)
- I1S, I2S, I1T, I2T, I1μ, I2μ: lần lượt là dòng điện sơ cấp, thứ cấp và dòng từ hoá của BI.
- nI: hệ số biến đổi của các BI.
Trong chế độ này dòng điện vào cuộn hãm IH lớn hơn dòng vào cuộn làm việc ILV 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:
(4- 51)
Để bảo vệ có thể làm việc đúng trong trường hợp này thì giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ ILV phải chọn lớn hơn giá trị dòng điện hãm IH, nghĩa là:
ILV = IH/KH (4- 52)
Với KH là hệ số hãm, thường chọn KH = (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 KH cao để ngăn chặn bảo vệ có thể tác động nhầm.
Trường hợp ĐZ có hai nguồn cung cấp: (hình 4.21)
Dòng điện ngược hướng với nên cũng sẽ ngược hướng với . Khi đó:
(
Như vậy, trong trường hợp này dòng ISL >> IH (hình 4.22b) do đó bảo vệ sẽ tác động.
Độ nhạy của bảo vệ được xác định theo công thức:
(4-55)
Bảo vệ so lệch dòng điện có tính chọn lọc tuyệt đối do đó yêu cầu độ nhạy của bảo vệ Kn >= 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.
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.
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:
(4-56)
với 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:
Bộ phía thanh góp A:
< IKĐR
(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.
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 lệûch 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:
(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 I1S và I2S có chiều ngược nhau. Khi đó dòng điện so lệch được xác định theo công thức sau:
(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 I2S có chiều hướng từ đường dây II vào thanh góp B, còn dòng I1S 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.
