PHÂN LOẠI CÁC ĐƯỜNG DÂY

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.

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.

Phối hợp các bảo vệ theo dòng điện:

Thông thường ngắn mạch càng gần nguồn thì dòng ngắn mạch càng lớn và dòng ngắn mạch này sẽ giảm dần khi vị trí điểm ngắn mạch càng xa nguồn. Yêu cầu đặt ra ở đây là phải phối hợp các bảo vệ tác động theo dòng ngắn mạch sao cho rơle ở gần điểm ngắn mạch nhất sẽ tác động cắt máy cắt mà thời gian tác động giữa các bảo vệ vẫn chọn theo đặc tính thời gian độc lập. Nhược điểm của phương pháp này là cần phải biết công suất ngắn mạch của nguồn và tổng trở ĐZ giữa hai đầu ĐZ đặt rơle mà ta cần phải phối hợp để đảm bảo tính chọn lọc. Độ chính xác của bảo vệ có thể sẽ không đảm bảo đối với các ĐZ gần nguồn có công suất ngắn mạch biến động mạnh hoặc ngắn mạch qua tổng trở có giá trị lớn. Do những nhược điểm trên mà phương pháp phối hợp theo dòng điện thường sử dụng để bảo vệ các ĐZ có công suất nguồn ít biến động và cho một dạng ngắn mạch.

Phương pháp này tính theo dòng ngắn mạch pha và lựa chọn giá trị đặt của bảo vệ sao cho rơle ở gần điểm sự cố nhất sẽ tác động. Giả sử xét ngắn mạch 3 pha N(3) tại điểm N2 trên hình 4.3, giá trị dòng ngắn mạch tại N2 được xác định theo công thức:

(4-7)

Trong đó:

- Unguồn: điện áp dây của nguồn.

- c: hệ số thay đổi điện áp nguồn, có thể lấy c = 1,1.

- Znguồn: tổng trở nguồn, được xác định bằng:

(4-8)

với SNM là công suất ngắn mạch của nguồn.

Chúng ta nhận thấy các dòng ngắn mạch phía sau điểm N2 (tính về phía tải) sẽ có giá trị nhỏ hơn IN2(bỏ qua trường hợp ngắn mạch qua một tổng trở lớn) do đó giá trị đặt của dòng điện cho bảo vệ đặt tại A có thể chọn lớn hơn dòng IN2. Trong trường hợp tổng quát, giá trị của dòng điện ở cấp thứ n (tính về phía phụ tải) chọn theo phương pháp phối hợp dòng điện sẽ được tính theo công thức:

(4-9)

Trong đó:

- : tổng trở ĐZ tính từ nguồn đến cấp bảo vệ thứ (n -1).

- m: số cấp bảo vệ của toàn ĐZ.

- Kat = (1,1 -> 1,3): hệ số an toàn để đảm bảo không cắt nhầm khi có ngắn mạch ngoài do sai số tính dòng ngắn mạch (kể đến đường cong sai số 10% của BI và 20% do tổng trở nguồn bị biến động).

Chúng ta thấy do có hệ số an toàn Kat > 1 nên bảo vệ sẽ tồn tại vùng chết khi xảy ra ngắn mạch tại các thanh góp. Ưu điểm của phương pháp này là ngắn mạch càng gần nguồn thì thời gian cắt ngắn mạch càng nhỏ.

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.

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 đaøm 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:

; (4-10)

Trong đó:

- ttđ, ttv: 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:

với IN: giá trị dòng ngắn mạch chạy qua bảo vệ.

IKĐB: dòng điện khởi động của bảo vệ được xác định theo giá trị dòng điện tải, có thể tính theo biểu thức:

(4-11)

Trong đó:

- Pdd: 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.

; (4-12)

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

;

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

;

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.

t_tâ(sec)1001010,10,20,30,40,50,60,70,80,91TD110(m)Hçnh 4.6: Âæåìng cong ráút däúc (VIT) theo tiãu chuáøn IEC255-3B0,1t_tâ(sec)1001010,10,20,30,40,50,60,70,80,91TD1510(m)Hçnh 4.7: Âæåìng cong cæûc däúc (EIT) theo tiãu chuáøn IEC255-3C

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:

= Kat.INngoài max (4-15)

Trong đó:

- Kat: 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 Kat = (1,2  1,3), còn với rơle số Kat = 1,15.

- INngoài 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.

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 ( , ) phải được chọn theo điều kiện:

(4-16)

Trong đó:

- : giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp B do nguồn HT1 cung cấp.

- : giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp A do nguồn HT2 cung cấp.

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:

(4-17)

(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 Ktv.

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 đoúng 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.

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.

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: . Khi đó ta có:

(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 Znguồn 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 IKĐ 50 theo công thức (4-15) lớn hơn dòng ngắn mạch cực đại trong ĐZ, tức là:

(4-20)

với 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).