CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RƠ LE 1. RƠ LE CƠ – ĐIỆN Đặc điểm Cho đến những năm 70 của thế kỷ XX các thiết bị đo lường bảo vệ rơ le chủ yếu thực hiện bằng cơ cấu đo và cơ cấu so sánh điện từ hoặc cơ khí, cơ cấu chấp hành là tiếp điểm hợp kim Cơ cấu đo và so sánh kiểu điện từ có những đặc điểm sau: - Thời gian tác động chậm - Độ chính xác không cao. - Kích thước lớn - Tốn năng lượng - Ít chức năng, các loại rơ le này có tính chất đơn biến, một dòng hoặc một áp, rất khó thực hiện các phép toán phức tạp.
Do đó trong một tủ bảo vệ của nhà máy hoặc một trạm điện thông thường có rất nhiều phần tử rơ le, kèm theo một sơ đồ đấu nối dây phức tạp, dẫn đến chi phí cao mà độ tin cậy, độ chính xác cũng như chức năng bảo vệ rất khiêm tốn. RƠ LE ĐIỆN TỬ Từ những năm 70 của thế kỷ XX kỹ thuật điện tử phát triển và xâm nhập vào các ngành sản xuất. Người ta thấy rằng việc áp dụng kỹ thuật điện tử vào rơ le bảo vệ có nhiều ưu việt, các cơ cấu đo, cơ cấu so ngưỡng tác động được thay thế bàng các mạch điện tử hoặc các vi mạch (IC). Các phép xử lý như cộng, trừ, đạo hàm, tích phân, trễ… cũng được thực hiện bằng các mạch điện tử.
Việc ứng dụng kỹ thuật điện tử đã đẩy thiết bị đo lường và bảo vệ bước sang một trang mới, kích thước thiết bị đã giảm xuống, độ chính xác và thời gian tác động được tăng lên đồng thời trong một rơ le có thể tích hợp nhiều chức năng bảo vệ khác nhau… Tuy nhiên rơ le điện tử vẫn còn bộc lộ một số hạn chế nhất định như là: - Cài đặt thông số bảo vệ - Cài đặt thời gian tác động 13 - Khả năng giao tiếp - Khả năng lưu trữ dữ liệu 1. Tổng quan Vào những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển ra đời và phát triển không ngừng, đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp làm thay đổi nhiều ngành công nghiệp trong đó có lĩnh vực đo lường – điều khiển. Kỹ thuật vi điện tử và vi xử lý đã được áp dụng vào việc chế tạo rơ le và cho ra đời các loại rơ le số với rất nhiều tính năng cũng như nhiều chức năng bảo vệ được tích hợp trong một rơ le. Rơ le số có những ưu tính năng ưu việt sau: - Tốc độ đo và xử lý thông tin nhanh, với độ chính xác và tin cậy cao - Có khả năng thu thập và lưu trữ dữ liệu lớn, có thể truyền tin đi xa - Một rơ le có thể tích hợp nhiều chức năng bảo vệ khác nhau trên cùng một đối tượng, do đó một rơ le số có thể thay thế một tủ bảo vệ dùng rơ le điện từ trước đây để thực hiện cùng một chức năng bảo vệ cho đối tượng.
- Kích thước rơ le nhỏ gọn. - Có khả năng ghi lại lịch sử vận hành của rơ le - Thí nghiệm và hiệu chỉnh rơ le đơn giản, nhanh chóng. Rơ le số được phân loại thành bộ theo các nhóm chức năng bảo vệ bao gồm: a. Rơ le bảo vệ mô tơ b.
Rơ le bảo vệ máy phát c. Rơ le bảo vệ máy biến áp d. Rơ le bảo vệ đường dây e. Rơ le bảo vệ thanh cái f.
Rơ le bảo vệ và sa thải tải theo tần số… 1. Chức năng Rơ le số có những chức năng sau 14 Đo lường: Là chức năng quan trọng, nhằm lọc, đo và tính ra những thông số mạch điện mà rơ le phải canh. Các đại lượng đầu vào là dòng điện, điện áp… Số lượng đầu vào tùy vào yêu cầu cầu của từng kiểu rơ le. Những đại lượng này khi không có sự cố thường là hình sine và cân bằng, dòng trung tính và áp thứ tự zêrô bằng không.
Nhưng khi có sự cố sẽ có biến động mạnh của thành phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng và sinh ra các thành phần thứ tự ngược và thứ tự không. Một đặc điểm quan trọng nữa kèm theo là có những thành phần quá độ tự do lớn không chu kỳ khiến cho dòng điện và điện áp quá độ mất dạng hình sine. Do đó dòng điện và điện áp đo trong các rơ le bảo vệ cần phải: - Được cung cấp thông qua các máy biến dòng (TI) và máy biến áp (TU), các TI, TU này không bão hòa và dải làm việc rộng. - Mạch đo phải lọc ra các thành phần có tần số công nghiệp và phải chuẩn hóa để có giá trị phù hợp với các mạch ADC và mạch xử lý phía sau.
Chức năng lấy mẫu, canh sự cố và khởi động rơ le gồm các công việc sau: - Lấy mẫu dòng điện, điện áp, tần số và thứ tự pha - Lọc tín hiệu - Xử lý số liệu - Tính các biểu thức đặc trưng của sự cố và so sánh ngưỡng để phát hiện sự cố. Chức năng bảo vệ rơ le và lịch sử sự cố: Khi xảy ra sự cố thì rơ le sẽ thực hiện các chức năng bảo vệ, việc tác động sẽ được thực hiện tức thời hoặc có thời gian tùy thuộc vào từng chủng loại rơ le và từng loại chức năng bảo vệ. Đồng thời với việc tác động cắt sự cố là rơ le sẽ lưu lại lịch sử sự cố vào bộ nhớ và người vận hành có thể kiểm tra trong quá trình vận hành. Chức năng đóng lại, tùy thuộc vào từng chủng loại rơ le mà chức năng này có thể được cài đặt.
Chức năng kiểm tra thiết bị ngoại vi như: Kiểm tra các TU, TI, Máy cắt…hoặc tự kiểm tra mạch đo. CÁC CHỦNG LOẠI RƠ LE HỢP BỘ 1. Rơ le bảo vệ Mô tơ Rơ le bảo vệ mô tơ được chia làm hai loại: Rơ le bảo vệ mô tơ hạ áp và rơ le bảo vệ mô tơ cao áp. Bao gồm các bảo vệ: - Bảo vệ quá dòng thứ tự dương: Là bảo vệ khi có chập mạch 3 pha.
Rơle sẽ tác động ở bảo vệ này khi một trong hai dòng IA, IC lớn hơn ngưỡng đặt I +ng , bên ngoài thời gian khởi động và chờ một khoảng thời hạn đặt cho bảo vệ quá dòng dương tdg thì rơle sẽ cắt (nhảy máy cắt) môtơ. - Bảo vệ quá dòng thứ tự âm (I--): Là bảo vệ khi môtơ bị đứt một pha điện áp, hoặc bị chập mạch hai pha, hoặc bị kẹt máy. Ở bảo vệ này, rơle sẽ tác động khi nó đo và tính thấy có thành phần dòng thứ tự âm I-- lớn hơn một ngưỡng đã đặt quãng 2Iđm. Rơle chờ qua hết thời gian khởi động và thêm một thời gian đặt tam nữa sẽ cắt môtơ.
- Bảo vệ khi môtơ bị kẹt (I-): Thường sau khi khởi động xong ( >tkđộng) mà môtơ vẫn bị kẹt hoặc do tải môtơ bị kẹt bất thường khi đang làm việc thì thành phần dòng thứ tự âm sẽ lớn lên quãng 0,4 Iđm. Khi đó, rơle sẽ chờ thêm một khoảng thời gian (thời gian kẹt mô tơ), nó sẽ ra lệnh cắt nguồn cung cấp cho môtơ. - Bảo vệ một pha chạm đất: Là bảo vệ khi một dây quấn môtơ chạm đất một pha và biến dòng thứ tự zero cho ra tín hiệu về I 0. Lúc này, rơle sẽ tác động khi nó canh và đo thấy dòng điện thứ tự Zero I 0 lớn hơn ngưỡng đặt và chờ qua một thời hạn đặt tzero sẽ có thể cho cắt môtơ.
- Bảo vệ quá tải. Sau khi môtơ khởi động xong và làm việc bình thường, nếu vì một nguyên nhân nào đó khiến mômen tải tăng lên trên định mức thì dòng điện trong rôto và trong stato sẽ tăng lên quá định mức. Trong đó có hai thành phần dòng thứ tự dương và dòng thứ tự âm. Thành phần dòng thứ tự dương gây từ trường quay thuận mà phát nóng, thành phần dòng thứ tự âm gây thêm một từ trường quay ngược với rôto (tốc độ quay tương đối rất lớn) cho nên phát nóng nhiều hơn.
Hai thành phần này gây phát nóng nhiều ở rôto và toàn môtơ nói chung. 16 Thời gian tác động do sự cố quá tải để cắt máy được tính theo I++/Iđm và Iâm/Iđmức có dạng: τ1 tqt = 2 2 I dg I K1 + K2 âm − (1.05)2 I đm I đm Trong đó: tqt thời gian tác động cắt sự cố quá tải: τ1 là hằng số thời gian phát nóng của môtơ; K 1 là hệ số phát nóng bởi dòng điện và từ trường quay thuận ( trong thời gian khởi động ta chọn K1 = 0÷1 và sau khi khởi động chọn bằng 1); K2 là hệ số phát nhiệt do dòng điện và từ trường quay ngược (khi khởi động và sau khi khởi động đều chọn K2 = 0÷1). Khi thử nghiệm quá tải ở đây chủ yếu chỉ xét ảnh hưởng của dòng điện thuận (K1 = 1), mà không xét đến ảnh hưởng của dòng điện ngược (K2=0). - Bảo vệ điện áp thấp.
Khi điện áp tụt thấp, vì mômen quay tỉ lệ U 2 nên giảm xuống nhiều khiến thời gian khởi động bị kéo dài mà gây phát nóng nhiều. Mặt khác khi áp tụt xuống, dòng stato và roto đều tăng lên dẫn tới công suất phát nhiệt tăng theo. Vì vậy khi áp lưới tụt xuống một ngưỡng nào đó và quá một thời hạn đã đặt t u, rơle sẽ phải cắt nguồn cung cấp cho mô tơ. Ngưỡng áp đó thường đặt trong khoảng 75÷80% và thời hạn cắt của môto từ 1s đến 5s.
Rơ le bảo vệ máy phát Rơ le bảo vệ máy phát có nhiều loại do nhiều hãng sản xuất khác nhau như: - Rơ le MiCOM P342, P343, P344 Của hãng ALSTOM - SEL-300G Generator Relay của hãng SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES Bao gồm các bảo vệ sau: - So lệch - Công suất ngược - Quá kích thích - Mất từ trường. 17 - Quá áp, thấp áp - Chạm đất Stator - Quá nhiệt - Quá tần số… 1. Rơ le bảo vệ máy biến áp Bao gồm các bảo vệ sau: - Bảo vệ so lệch - Quá tải và quá dòng có thời gian - Bảo vệ nhiệt độ - Bảo vệ áp suất dầu 1. Rơ le bảo vệ đường dây phân phối Bao gồm các bảo vệ sau: - Quá dòng có thời gian - Quá dòng tức thời (Quá dòng cắt nhanh) - Bảo vệ công suất có hướng - Quá áp và thấp áp - Sa thải tải theo tần số - Đóng lặp lại - Báo hư hỏng máy cắt.