CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠLE KỸ THUẬT SỐ 1.1 Khái niệm hệ thống điện Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tạo nên hệ thống bao gồm: hệ thống sản xuất, truyền tải, phân phối, các thiết bị đo lường, giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện. Thuật ngữ "hệ thống điện" được dùng để chỉ tập hợp các thiết bị cấu tạo nên hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, "I&C" (Instrumentation and Control) được dùng để chỉ cho tập hợp các thiết bị giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện. Còn "IEDs" (Intelligent Electronic Devices) dùng để chỉ các thiết bị điện tử thông minh vẫn thường được dùng trong các mục đích bảo vệ, đo lường và lưu giữ sự kiện. Hệ thống điện Việt Nam là một hệ thống phức tạp bởi nó có một số đặc điểm cơ bản: • Nhiều phần tử ghép nối với nhau tạo thành một hệ thống lớn và có kết cấu rất phức tạp.
• Chiếm một phạm vi rộng khắp cả nước. • Có ảnh hưởng đến mọi hoạt động của nền kinh tế quốc dân. Trong hệ thống điện, hệ thống các nhà máy điện gọi là “nguồn”, phần còn lại là “lưới” và “phụ tải”. Đầu tiên, điện có điện áp cao (500KV, 220KV, …) được sản xuất từ các nhà máy điện, sau đó thông qua lưới truyền tải điện cao áp tới các -2- máy biến áp tại các trạm điện (trạm 500KV, 220KV, 110KV, …) để hạ áp xuống cấp điện áp thấp hơn (35KV, 22KV, 10KV, 6KV).
Nguồn điện này lại thông qua lưới điện phân phối cung cấp trực tiếp cho khách hàng (các nhà máy, xưởng sản xuất, …) hoặc qua các MBA nhỏ hạ xuống điện áp 0.4KV để cung cấp cho mạng điện tiêu dùng. Như vậy, để đưa được điện từ nhà máy điện tới cung cấp cho phụ tải phải thông qua hệ thống truyền tải và các trạm biến áp. Quãng đường truyền tải điện năng thường xa, đi qua nhiều loại địa hình khác nhau như đồi núi, khu dân cư,. Thêm nữa, kết cấu lưới tại các trạm điện lại tương đối phức tạp.
Do khách quan cũng như chủ quan, trên lưới thường xảy ra nhiều loại sự cố điện như cây đổ vào đường dây, con người vi phạm hành lang an toàn lưới điện, động vật xâm nhập vào trong các máy cắt điện, … Sự cố điện xảy ra, nhẹ thì làm mất điện, gián đoạn sản xuất, nặng thì làm hư hỏng thiết bị, hoặc ả nh hưởng trực tiếp đến tính mạng con người. Nhiều trường hợp sự cố nặng nề, gây rã lưới, làm mất điện cả một vùng rộng, thiệt hại rất lớn về kinh tế. Yêu cầu đặt ra là trong trường hợp xảy ra sự cố trên lưới điện, các thiết bị bảo vệ phải nhanh chóng tác động, loại trừ vùng bị sự cố mà không làm ảnh hưởng tới hoạt động của các vùng khác. Đó chính là nhiệm vụ của hệ thống rơle bảo vệ.2 Hệ thống rơle trong bảo vệ lưới điện 1.1 Đặc điểm Rơle là một trong những thiết bị quan trọng trong số các thiết bị tự động hoá dùng trong ngành điện.
Rơle có nhiệm vụ bảo vệ các phần tử của hệ thống điện trong các điều kiện làm việc không bình thường bằng cách cô lập các sự cố một cách nhanh chóng thông qua các thiết bị đóng cắt. Trước đây các rơle bảo vệ -3- trong hệ thống điện ở nước ta chủ yếu do các nước XHCN sản xuất, thường là các loại rơle điện cơ. Trong quá trình sử dụng các loại rơle này có một số nhược điểm sau: Chi phí sử dụng cao: bao gồm chi phí để duy trì điều kiện làm việc (chiếm diện tích lớn .), chi phí kiểm tra, chỉnh định lại các thông số bảo vệ với tần suất lớn, do vậy ảnh hưởng tới việc cung cấp điện gây thiệt hại về kinh tế (trong lưới điện do Công ty Điện lực Hà Nội quản lý các hệ thống rơle điện cơ cũ phải tiến hành thí nghiệm, hiệu chỉnh định kỳ một năm một lần). Độ nhạy và độ chính xác của bảo vệ chưa cao, dễ bị ảnh hưởng của các nhiễu loạn bên ngoài do phương thức truyền và sử lý tín hiệu tương tự.
Các phần tử bảo vệ được nối cứng nên khả năng thay đổi cấu hình cũng như các tham số bảo vệ không linh hoạt, kèm theo các chi phí lớn. Khả năng cung cấp thông tin về hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường và khi có sự cố chưa cao (không có bản ghi thông số sự cố, định vị sự cố,.) nên khó xác định được nguyên nhân và vị trí sự cố một cách chính xác. Tốc độ phát hiện và cách ly sự cố chưa cao, làm ảnh hưởng đến sự làm việc ổn định của hệ thống (hệ số trở về thấp, thời gian trễ lớn,. Để khắc phục các nhược điểm này, người ta đã sử dụng các rơle số một cách đồng bộ được tích hợp nhiều chức năng thay thế các rơle kiểu cũ.
Rơle số có các ưu điểm sau: Tích hợp được nhiều chức năng vào một bộ bảo vệ, có kích thước gọn, giảm được diện tích phòng máy, tiết kiệm được kinh phí. Độ tin cậy, chính xác và độ sẵn sàng cao, giảm được tần suất thí nghiệm định kỳ (thời gian để thí nghiệm định kỳ từ 03 đến 06 năm), do vậy cung cấp điện được ổn định và liên tục. -4- Công suất tiêu thụ bé: khoảng 0. Thực hiện được chức năng đo lường, hiển thị các thông số của hệ thống ở chế độ làm việc bình thường và lưu giữ các dũ liệu cần thiết khi sự cố giúp cho việc phân tích, tìm nguyên nhân và vị trí sự cố được chính xác.
Dễ dàng lấy được các thông tin trong rơle và cài đặt thông qua cổng giao tiếp của rơle với máy vi tính. Dễ dàng liên kết với các thiết bị bảo vệ khác và với mạng thông tin đo lường, điều khiển toàn hệ thống (Kết nối hệ thống SCADA, hệ thống điều khiển trạm bằng máy tính,.2 Nguyên lý làm việc của rơle số Nguyên lý làm việc của rơle số dựa trên nguyên tắc đo lường số. Các giá trị của đại lượng tương tự dòng và áp được nhận từ thứ cấp của máy biến dòng và biến điện áp là những biến đầu vào của rơle số. Sau khi qua các bộ lọc tương tự, bộ lấy mẫu các tín hiệu này sẽ được chuyển thành các tín hiệu số.
Tuỳ theo yêu cầu của các loại bảo vệ, tần số lấy mẫu có thể thay đổi trong khoảng từ 12 đến 20 mẫu trong một chu kỳ của dòng điện công nghiệp (khoảng 0. Nguyên lý làm việc của rơle dựa trên giải thuật tính toán theo chu kỳ các đại lượng điện, từ trị số của dòng và áp đã lấy mẫu. Trong quá trình tính toán liên tục này sẽ phát hiện ra chế độ sự cố (bất bình thường) sau một vài phép tính nối tiếp nhau, khi đó bộ phận bảo vệ sẽ khởi động, tác động (không thời gian hoặc có thời gian), bộ sử lý sẽ gửi tín hiệu đến các rơle đầu ra để điều khiển các thiết bị đóng cắt để khoanh vùng cô lập sự cố. Rơle số có thể thực hiện việc tự kiểm tra (Self test) và cảnh báo trạng thái của từng khối chức năng trong rơle: như trị số của đại lượng tương tự đầu vào đến bộ chuyển đổi tương tự -số, bộ vi sử lý (phần cứng và phần mềm, kể cả bộ nhớ và -5- bộ vi sử lý), rơle đầu ra, đèn tín hiệu và mạch điều khiển thiết bị đóng cắt (máy cắt, contactor.1: Sơ đồ khối của rơle số -6- Hình 1.2: Sơ đồ tự kiểm tra các khối chức năng của rơle số Các thông số chỉnh định được lưu giữ vào bộ nhớ EEPROMS để đề phòng khả năng mất số liệu chỉnh định khi mất nguồn cung cấp cho rơle.
Việc lưu giữ các số liệu sự cố trong rơle được sắp xếp theo trình tự thời gian với độ chính xác cỡ miligiây. Để tiết kiệm bộ nhớ các nhà chế tạo thường cho rơle lưu giữ từ 8 đến 30 bản ghi thông số sự cố. Khi vượt quá số lần thì bản ghi sự cố cũ nhất sẽ tự động bị xoá khỏi bộ nhớ dể lưu sự cố mới. Các đèn tín hiệu LED chỉ thị các trạng thái cũng như các thao tác mà rơle đã tiến hành.
Các rơle số thường có các phần mềm rất thuận tiện cho việc cài đặt, chỉnh định, lấy thông số sự cố .bằng máy vi tính. -7- Các cổng vào ra của các rơle số cho phép dễ dàng ghép nối với các thiết bị thông tin, đo lường, điều khiển và bảo vệ. bằng các cổng RS 232, RS 485 hoặc cổng quang .3 Các khái niệm và thuật ngữ trong hệ thống rơle bảo vệ 1.1 Một số khái niệm và thuật ngữ Bảo vệ chính (main protection): bảo vệ dự kiến sẽ tác động khi có sự cố trong vùng bảo vệ. Bảo vệ dự phòng (backup protection): bảo vệ để dùng thay thế hệ thống bảo vệ chính trong trường hợp bảo vệ chính không làm việc hoặc để loại trừ các sự cố không nằm trong vùng tác động của bảo vệ chính.
Bảo vệ chống chạm đất độ nhạy cao (s ensitive earth fault protection): bảo vệ quá dòng thứ tự không sử dụng biến dòng thứ tự không độ chính xác cao cho lưới có điểm trung tính cách đất hay nối đất qua tổng trở cao, hay còn gọi là bảo vệ thứ tự không cho lưới có dòng chạm đất bé. Bảo vệ hạn chế chống chạm đất (restricted earth fault protection): bảo vệ chống sự cố chạm đất (chỉ hạn chế cho cuộn có điểm trung tính nối đất) dựa trên nguyên lý so lệch giữa dòng qua dây trung tính nối đất và dòng tổng 3 pha. Đầu vào nhị phân hay đầu vào số (binary input): các đầu vào tín hiệu áp một chiều của rơle, cung cấp thông tin trạng thái hoặc điều khiển từ đối tượng điều khiển, thiết bị đóng cắt hoặc các đối tượng khác. Đặc tuyến thời gian phụ thuộc có giới hạn hay đặc tuyến nghịch chuyển với thời gian cực tiểu xác định (inverse time with definite minimum time-IDMT): đặc tuyến thời gian tác động của rơle phụ thuộc nghịch chuyển với đại lượng điện đầu vào và có xu hướng đạt giá trị cực tiểu xác định khi đại lượng này tăng cao.
-8- Đường cong (thời gian tác động) dốc chuẩn (standard inverse time-SIT curve): dạng đặc tuyến IDMT của rơle quá dòng theo tiêu chuẩn của Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) có thời gian tác động phụ thuộc nghịch chuyển với bội số dòng đặt. Đường cong (thời gian tác động) rất dốc (very inverse time-VIT curve): dạng đặc tuyến IDMT của rơle quá dòng theo tiêu chuẩn của Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) có thời gian tác động phụ thuộc nghịch chuyển với bội số dòng đặt.