Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ BẢO VỆ RƠLE 1. Khái niệm chung 1. Sự cố trong hệ thống điện Trong bất cứ một hệ thống điện nào cũng luôn tồn tại một mối đe doạ đưa hệ thống đến chế độ làm việc không bình thường. Những hỏng hóc dẫn đến sự ngừng làm việc của các phần tử hệ thống điện gọi là sự cố.
Trong các sự cố, sự cố ngắn mạch thường xảy ra nhiều nhất, các sự cố này kèm theo hiện tượng quá dòng, áp giảm trong mạng điện và tần số lệch khỏi giá trị cho phép. Các phần tử hệ thống điện khi có dòng ngắn mạch chạy qua có thể bị phá huỷ do đốt nóng quá mức, bị hỏng cách điện do nhiệt lượng lớn của dòng điện, hồ quang. Một số dạng sự cố thường xảy ra ở các phần tử mạng điện được thể hiện trong bảng 1. Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình của các phần tử hệ thống điện STT Các dạng hư hỏng Máy phát Biến áp Đường dây 1 Ngắn mạch một pha + + + 2 Ngắn mạch giữa các vòng dây + + 3 Ngắn mạch chạm masse (vỏ hoặc đất) + + + 4 Ngắn mạch cuộn kích từ + 5 Quá tải đối xứng + + + 6 Quá tải không đối xứng + + + 7 Quá áp trên cực máy phát + 8 Chế độ không đồng bộ + 9 Mức dầu thấp + 10 Đứt dây + + + Các sự cố trong hệ thống điện có thể dẫn đến sự mất ổn định của các nhà máy điện, làm tan rã hệ thống dẫn đến sự đình trệ cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân.
hiện tượng tần số hoặc điện áp giảm có thể làm cho các động cơ ngừng làm việc vì mômen quay của chúng nhỏ hơn mômen cản. Để duy trì được sự làm việc bình thường của hệ thống điện cách tốt nhất nhanh 5 chóng loại các phần tử bị sự cố khỏi hệ thống, nhiệm vụ này chỉ có thể được thực hiện bởi các thiết bị tự động bảo vệ, gọi là rơle. Khái niệm về bảo vệ rơle Rơle là một loại thiết bị điện mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Quan hệ đại lượng vào và ra của rơ le như hình 1.
Khi X biến thiên từ 0 đến X1 thì Y=Y1, (rơ le chưa tác động) đến khi X=X2 thì Y không đổi Y=Y2 (rơ le tác động). Khi giảm từ X2 đến X= X1 thì Y giảm về Y=Y1 (rơ le trở về trạng thái ban đầu). Nếu gọi: + X=X2=Xkđ là giá trị khởi động của rơle; giá trị khởi động là giá trị mà tại đó xuất hiện sự chuyển đổi trạng thái của rơle. + X= X1= Xtv - lµ gi¸ trÞ trở về của rơle.
Hệ số trở về X1 X tv k xk (1. Nhiệm vụ của bảo vệ rơle Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơle là: - Phát hiện kịp thời sự cố Hình 1. Đặc tính vào ra của rơ le - Nhanh chóng tác động cắt các phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống - Tác động đến các cơ cấu như: Tự động đóng lặp lại, tự động đóng dự phòng. để duy trì chế độ làm việc bình thường của phần tử hệ thống điện còn lại.
Một số ký hiệu thường dùng trong sơ đồ bảo vệ rơle Bảng 1. Ký hiệu một số loại rơle thông dụng STT Tên rơle Ký hiệu VN Ký hiệu của Nga 1 Rơle dòng RI hoặc I PT 2 Rơle điện áp RU hoặc U PH 3 Rơle tổng trở RZ hoặc Z PC 4 Rơle trung gian RG P 6 5 Rơle tín hiệu TH hoặc Th PY 6 Rơle thời gian Rt hoặc Tg PB 7 Rơle công suất RW hoặc W PM 8 Rơle nhiệt RN hoặc R 9 Rơle hơi RH P Bảng 1. Kí hiệu của các thiết bị dùng trong các sơ đồ bảo vệ rơle theo uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế STT Tên thiết bị Ký hiệu 1 Rơle thời gian t 2 Rơle khoá liên động hoặc kiểm tra KT 3 Rơle tổng trở Z< 4 Rơle điện áp cực tiểu U< 5 Rơle tín hiệu Th 6 Rơle thiếu dòng điện I< 7 Rơle dòng điện thứ tự nghịch I2 8 Rơle thiếu áp thứ tự thuận U1< 9 Rơle nhiệt o 10 Rơle dòng điện cắt nhanh I>> 11 Bảo vệ so lệch cắt nhanh I>> 12 Rơle dòng có thời gian I> 13 Máy cắt MC 14 Tiếp điểm phụ thường mở của máy cắt MCa 15 Tiếp điểm phụ thường đóng của máy cắt MCb 16 Rơle cos cos 17 Rơle quá điện áp U> 18 Rơle lệch pha 19 Rơle tần số F 20 Rơle khoá K 21 Rơle bảo vệ so lệch SL hoặc I 7 22 Rơle cắt RC 1. Các phép Logic dùng trong bảo vệ Rơle Với việc áp dụng các phép lôgíc có thể đơn giản hoá các sơ đồ bảo vệ rơle và thể hiện sự làm việc của sơ đồ bảo vệ một cách rõ ràng, do đó có thể thiết lập sơ đồ bảo vệ chính xác và hoàn chỉnh.
Trạng thái tiếp điểm đóng trong các sơ đồ của rơle được mô tả bằng số 1, còn tiếp điểm mở thì bằng số 0. Các phép lôgíc và sơ đồ tiếp điểm tương ứng được thể hiện trên hình 1. Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu ở cửa vào có tín hiệu A hoặc tín hiệu B. Điều đó tương ứng với mạch nối song song của các tiếp điểm.
Phép logic "VÀ" (&) Phép logic nhân (X=A B), ký hiệu đọc là "và". Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu cửa vào có tín hiệu A và tín hiệu B. Điều đó tương ứng với mạch nối tiếp của các tiếp điểm. Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu ở cửa vào không có tín hiệu A và ngược lại.
Điều đó tương ứng với mạch có các tiếp điểm đóng khi không có tín hiệu A và mở khi có nó. Phép lôgíc "KHOÁ" (BLOCKING) _ Phép logic khóa X A B biểu thị rằng tín hiệu X sẽ xuất hiện khi ở cửa vào có tín hiệu A và không có tín hiệu B. Phép logic này tương đương với phần tử "nhớ". Ví dụ về phép trễ được thực hiện trên hình 1.2a tín hiệu X sẽ xuất hiện chậm 1 đơn vị thời gian so với tín hiệu A; còn ở hình 1.2b tín hiệu X chậm hơn 4 đơn vị thời gian.
Thời gian trễ được thực hiện bởi rơle thời gian có sự điều chỉnh theo từng nấc hoặc bởi bản thân rơle tác động với một độ chậm trễ riêng k nhất định nào đó X= DKA. 8 Trong quá trình xây dựng các sơ đồ bảo vệ rơle người ta thường kết hợp nhiều dạng sơ đồ logic khác nhau để có thể thực hiện nhiệm vụ bảo vệ một cách hiệu quả và tin cậy nhất. Các phép lôgíc thường được kết hợp với nhau qua sơ đồ khối, biểu thị sự liên hệ và chức năng của các phần tử lôgíc tham gia trong sơ đồ. Trên cơ sở phân tích sơ đồ lôgíc có thể chọn các sơ đồ bảo vệ rơle hợp lý, tiết kiệm thiết bị và mang lại hiệu quả cao nhất.
Biểu diễn các phép logic ứng dụng trong bảo vệ rơle Hình 1. Ví dụ về sự xuất hiện chậm của tín hiệu 9 a) Với k=1; b) Với k=4 1. Các yêu cầu cơ bản đối với bảo vệ rơle Yêu cầu đối với bảo vệ rơle phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với cùng một sự cố trong các bảo vệ khác nhau bảo vệ rơle sẽ tác động khác nhau. Chẳng hạn khi có ngắn mạch chạm đất ở mạng điện trung tính nối đất, bảo vệ rơle sẽ tác động ngay, nhưng ở mạng điện có trung tính cách ly, bảo vệ rơle sẽ chỉ đưa tín hiệu mà không cắt ngay phần tử bị sự cố.
Như vậy tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có các yêu cầu khác nhau đối với bảo vệ rơle. Phân biệt hai dạng yêu cầu đối với bảo vệ rơle là yêu cầu bảo vệ sự cố ngắn mạch và yêu cầu bảo vệ khỏi chế độ không bình thường của hệ thống. Yêu cầu bảo vệ khỏi sự cố ngắn mạch 1. Tác động nhanh Sự cố cần được loại trừ càng nhanh càng tốt để hạn chế mức độ tối đa thiệt hại, giữ sự ổn định cho các máy phát làm việc song song trong hệ thống điện.
Thời gian cắt sự cố bao gồm thời gian tác động của bảo vệ (tbv) và thời gian cắt của máy cắt (tMC). Như vậy yêu cầu tác động nhanh không chỉ phụ thuộc vào thời gian tác động của bảo vệ mà cả thời gian cắt của máy cắt. Thời gian tác động của bảo vệ rơle hiện đại khoảng 0,02 đến 0,04 giây. Sơ đồ phân bố các vùng tác động của bảo vệ rơle 1.
Tính chọn lọc Tính chọn lọc là khả năng chỉ cắt phần tử bị sự cố và giữ nguyên vẹn cung cấp điện cho các phần tử khác. Yêu cầu tác động chọn lọc có ý nghĩa quan trọng với việc bảo toàn cung cấp điện cho các hộ dùng điện. Ví dụ: Khi có ngắn mạch tại điểm N (hình 1.4), dòng ngắn mạch IN chạy qua cả 3 bảo vệ 1, 2 và 3; cả 3 máy cắt đều có thể tác động, nhưng tính chọn lọc của bảo vệ chỉ cho 10 phép bảo vệ 1 tác động, do đó các hộ tiêu thụ ở 1' sẽ không mất điện. Tuy nhiên trong trường hợp máy cắt 1 từ chối tác động thì máy cắt 2 sẽ hoạt động cắt mạch, như vậy bảo vệ 2 làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ 1.
Trong nhiều trường hợp yêu cầu tác động nhanh và yêu cầu chọn lọc mâu thuẫn nhau, để đảm bảo được tính chọn lọc cần phải có sự tác động chậm trễ của bảo vệ rơle. Ví dụ: Bảo vệ 2 phải có độ trễ so với bảo vệ 1 (hình 1.4) Trong thực tế để dung hoà mâu thuẫn giữa hai yêu cầu người ta áp dụng cơ cấu tự động đóng lặp lại. Đầu tiên bảo vệ rơle cắt nhanh không chọn lọc phần tử có sự cố, sau đó thiết bị đóng lặp lại sẽ đóng trở lại tất cả các phần tử vừa bị cắt ra, những phần tử bị sự cố sẽ bị khoá và không cho đóng lặp lại. Độ nhạy Độ nhạy là khả năng cắt sự cố với dòng điện nhỏ nhất trong vùng bảo vệ.
Độ nhạy là yêu cầu cần thiết của bảo vệ rơle để phản ứng vớ các chế độ làm việc không bình thường của hệ thống điện dù là nhỏ nhất. Để xác định độ nhạy của bảo vệ rơle trước hết cần thiết lập vùng bảo vệ của nó.