Các loại bảo vệ cần đặt

CHƯƠNG III LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ

3.2. Các loại bảo vệ cần đặt

3.2.1. Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện

Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng của mình, thiết bị bảo vệ phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau đây:

a. Tin cậy:

Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn. Người ta phân biệt:

- Độ tin cậy khi tác động: (dependability) được định nghĩa như “mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ tác động đúng”

- Độ tin cậy không tác động: (security) “mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ không làm việc sai”

Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ, còn độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được qui định.

Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng các rơle và hệ thống rơle có kết cấu đơn giản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng cũng như tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo vệ.

b. Chọn lọc:

Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống. Cấu hình của hệ thống điện càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn.

Theo nguyên lý làm việc các bảo vệ được phân ra:

- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối là những bảo vệ chỉ làm việc khi sự cố xảy ra trong phạm vi hoàn toàn xác định do đó không làm được nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phân tử lân cận.

- Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối là những bảo vệ mà ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận.

- Để thực hiện các yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối phải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế tới mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện.

c. Tác đông nhanh:

Bảo vệ rơ-le càng cắt nhanh phần tử bị hư hỏng càng hạn chế được mức độ phá hoại, càng giảm được thời gian sụt điện áp ở các hộ dùng điện. Yêu cầu tác động nhanh tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làm việc của phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện. Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại rơ le phức tạp đắt tiền.

Bảo vệ được gọi là tác động nhanh (tốc độ cao) nếu thời gian tác động không quá 50 ms (2,5 chu kỳ của dòng công nghiệp 50 Hz)

Bảo vệ được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động của rơ le.

d. Độ nhạy:

Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơ le hoặc hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhậy, tức tỷ số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le và ngưỡng khởi động của nó. Sự sai khác giữa đại lượng vật lý đặt vào rơ le và ngưỡng khởi động của nó càng lớn thì rơ le càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, hay rơ le tác động càng nhạy.

Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất phải kể đến:

- Chế độ làm việc của hệ thống (mức độ huy động nguồn).

- Cấu hình của lưới điện.

- Dạng ngắn mạch và vị trí của điểm ngắn mạch.

- Nguyên lý làm việc của rơ le.

- Đặc tính của quá trình quá độ trong hệ thống điện.

Tuỳ theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy đối với nó cũng khác nhau.

e. Tính kinh tế:

Các thiết bị bảo vệ được thiết kế và lắp đặt trong hệ thống điện khác với máy móc và thiết bị khác, không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường. Nhiệm vụ chủ yếu là phải luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra bất cứ lúc nào và có những tác động chuẩn xác. Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm thiết bị lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chiếm một vài phần trăm giá trị của công trình. Vì vậy thông thường giá cả thiết bị bảo vệ không phải là yếu tố quyết định trong việc lựa chọn chủng loại hoặc nhà cấp hàng thiết bị bảo vệ.

Đối với lưới trung áp và hạ áp do số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, hơn nữa yêu cầu đối thiết bị bảo vệ không cao bằng yêu cầu ở các thiết bị bảo vệ nhà máy lớn hoặc lưới truyền tải cao áp hoặc siêu cao áp. Do vậy cần cân nhắc đến tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật với chi phí thấp nhất.

3.2.2. Các bảo vệ chính

a. Bảo vệ dòng điện so lệch có hãm: ∆I

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm sử dụng rơle điện cơ

Cuộn dây cao áp của máy biến áp nối với nguồn cấp, cuộn trung áp và hạ áp nối với phụ tải. Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường ta có: IS1 IS2IS3

Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng: ILV IT1IT2IT3

Các dòng điện hãm: IH1IT1IT2

IH2 IT3

Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm theo quan hệ:

IH  IT1  IT2  IT3 .KH, Trong đó: KH  0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch.

Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hóa khi đóng máy biến áp không tải và cắt mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hóa IHM.

Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện: IH  ILV

Bảo vệ so lệch làm chức năng bảo vệ chính dùng để bảo vệ máy biến áp khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ.

b. Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không: I0

Bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không dùng để bảo vệ chống sự cố chạm đất trong máy biến áp có điểm trung tính trực tiếp nối đất. Nó cũng có thể sử dụng để bảo vệ cho máy biến áp có trung tính cách điện hay máy biến áp có cuộn dây nối tam giác khi đó phải sử dụng trung tính nhân tạo

Sơ đồ nguyên lý :

Hình 3.2: Bảo vệ chống chạm đất hạn chế của máy biến áp ba cuộn dây Vùng bảo vệ được xác định trong phạm vi các biến dòng ở điểm trung tính và các biến dòng ở các pha.Trong điều kiện làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ ta có:  I0 3I0IĐ0

Trong đó: I0 - dòng thứ tự không chạy trong cuộn dây máy biến áp;

IĐ - dòng điện chạy qua dây trung tính máy biến áp.

Nếu bỏ qua sai số của máy biến dòng, ta có dòng điện chạy qua R bằng không và điện áp đặt trên rơle so lệch cũng bằng không.

Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ toàn bộ dòng chạm đất sẽ chạy qua điện trở R tạo nên điện áp đặt trên rơle so lệch rất lớn, rơle sẽ tác động.

N1 I0 N1'

Iẹ

I0 I0

c. Bảo vệ bằng rơle khí (Buchholz):

Khi có những hư hỏng hay ngắn mạch bên trong thùng dầu sẽ có luồng khí nóng đi lên tác động vào rơle. Các máy biến áp dầu có công suất lớn hơn 5MVA được bảo vệ bằng rơle khí có hai cấp tác động: cấp 1 báo tín hiệu cảnh báo, cấp hai cắt các máy cắt nối với máy biến áp. Rơle khí với hai cấp tác động gồm hai phao bằng kim loại mang bầu thủy tinh con có tiếp điểm thủy ngân hoặc tiếp điểm từ. Trong chế độ làm việc bình thường, trong bình rơle đầy dầu, tiếp điểm rơle ở trạng thái hở. Khi khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nóng do quá tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gởi tín hiệu cấp 1 cảnh báo. Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch bên trong thùng dầu), luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình giãn dầu xô phao số 2 xuống gởi tín hiệu đi cắt máy biến áp. Rơle khí còn có thể tác động khi mức dầu trong bình rơle giảm thấp do dầu bị rò rỉ hoặc do thùng biến áp bị thủng.

Để rơle khí làm việc được dễ dàng người ta tạo ra một độ nghiêng nhất định của ống dẫn so với mặt phẳng ngang ( từ 2 đến 50 với rơle có một phao;  từ 3 đến 70 đối với rơle có 2 phao).

Rơle khí có thể làm việc khá tin cậy chống lại tất cả các sự cố bên trong thùng dầu máy biến áp. Tuy nhiên kinh nghiệm vận hành cũng phát hiện ra một số trường hợp tác động sai do ảnh hưởng của chấn động cơ học lên máy biến áp (như động đất, các vụ nổ gần nơi đặt máy biến áp…). Đối với máy biến áp lớn, bộ điều chỉnh điện áp dưới tải thường được đặt trong thùng dầu riêng và người ta dùng một bộ rơle khí riêng để bảo vệ cho bộ điều áp dưới tải.

12

B

Ký hiệu rơle số

Thùng Dầu MBA

Rơle khí

Bình dầu phụ

Hình 3.3: Vị trí đặt rơle khí ở máy biến áp

d. Bảo vệ chống quá tải:

Quá tải làm tăng nhiệt độ của máy biến áp, nếu mức quá tải cao và kéo dài, máy biến áp bị tăng nhiệt độ quá mức cho phép, tuổi thọ của máy biến áp bị suy giảm nhanh chóng.

Để bảo vệ chống quá tải ở các máy biến áp có công suất bé dùng loại bảo vệ quá dòng điện thông thường, với máy biến áp công suất lớn, người ta sử dụng nguyên lí hình ảnh nhiệt để thực hiện bảo vệ chống quá tải. Bảo vệ loại này phản ánh mức tăng nhiệt độ ở những điểm kiểm tra khác nhau trong máy biến áp và tùy theo mức tăng nhiệt độ mà có nhiều cấp tác động khác nhau: cảnh báo, khởi động các mức làm mát bằng cách tăng mức độ tuần hoàn của dầu, giảm tải máy biến áp. Nếu các cấp tác động này không mang lại hiệu quả và nhiệt độ của máy biến áp vẫn vượt quá giới hạn cho phép và kéo dài quá thời gian quy định thì máy biến áp sẽ được cắt ra khỏi hệ thống.

Cảm biến nhiệt độ

Bộ phân tích thời gian quá nhiệt

Cắt máy biến áp Quạt gió Bơm dầu

Tín hiệu cảnh báo

Sơ đồ khối bảo vệ quá nhiệt cho máy biến áp

3.2.3. Bảo vệ dự ph ng

a. Bảo vệ quá dòng có thời gian: I >

I >

t3

3 I

D3

D2 I >

t2

2

I >

t1

1 D1

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý

Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường được dùng làm bảo vệ chính cho các máy biến áp có công suất bé và làm bảo vệ dự phòng cho các máy biến áp có công suất trung bình và lớn để chống các dạng ngắn mạch biến trong và bên ngoài máy biến áp.

Đối với máy biến áp hai cuộn dây dùng một bộ bảo vệ đặt ở phía nguồn cung cấp.

Với máy biến áp nhiều cuộn dây thường mỗi phía đặt một bộ.

Dòng điện khởi động của bảo vệ được chọn theo 2 điều kiện:

+ Bảo vệ không được làm việc trong chế độ bình thường Ikđ > Ilvmax

Ilvmax: dòng làm việc cực đại (xảy ra trong các chế độ quá tải) Thường chọn: Ikđ = k. Idđ

Idđ: dòng danh định của phần tử được bảo vệ k: hệ số chỉnh định (thường chọn k = 1,5  1,6)

+ Bảo vệ phải đảm bảo được độ nhạy khi có ngắn mạch

n Nmin kủ

k I

 I

INmin: dòng ngắn mạch cực tiểu qua bảo vệ khi có sự cố trong miền bảo vệ Ilvmax < Ikđ < INmin

Thời gian làm việc của bảo vệ chọn theo nguyên tắc bậc thang, phối hợp với thời gian làm việc của các bảo vệ lân cận trong hệ thống. Thời gian làm việc có hai loại:

+ Thời gian độc lập: thời gian làm việc không phụ thuộc vào trị số dòng ngắn mạch đi qua bảo vệ: tn = max{tn-1} + t

tn : thời gian làm việc của bảo vệ thứ n

tn-1: thời gian làm việc của bảo vệ thứ (n-1) xa nguồn hơn

t: sai số về thời gian làm việc của rơle và máy cắt

+ Thời gian phụ thuộc: thời gian làm việc phụ thuộc tỉ lệ nghịch với dòng ngắn mạch đi qua bảo vệ. Có nhiều mức độ phụ thuộc khác nhau:

* Theo IEC: 

  

 

 

m ủ

kủ

t A .T

I 1

I

Tđ: đại lượng đặt( Tđ = const)

I, Ikđ: dòng điện qua rơle, dòng khởi động rơle A, m: các hệ số

Có 3 mức phụ thuộc:

- Dốc bình thường - Rất dốc

- Cực dốc

Theo ANSI: có 8 mức phụ thuộc khác nhau.

I

t

I k®

I V

I LvMax

Dòng khởi động

Dòng trở về

Dòng mở máy

K m.ILv Max

t 2

I N

0 t a t b

Thêi ®iÓm ngắn mạch

Thêi ®iÓm MC2 cắt ngắn mạch

Hình 3.5: Chọn d ng khởi động

b. Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian: I0 >

Bảo vệ này dùng để chống các dạng ngắn mạch chạm đất các phía. Có thể dùng loại có đặc tính thời gian phụ thuộc (tỉ lệ nghịch).

Bảo vệ sẽ tác động khi dòng điện chạm đất chạy qua chỗ đặt bảo vệ vượt quá giá trị chỉnh định.

Dòng điện thứ tự không: I0 1. I A IB IC

3

   

  

Khi làm việc bình thường:

   

   

A B C 0

I I I 3.I 0, bảo vệ không làm việc Khi có ngắn mạch chạm đất:

   

   

A B C 0

I I I 3.I 0, bảo vệ làm việc

Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không có thời gian được đấu qua bộ lọc dòng thứ tự không bằng cách cộng dòng thứ cấp của ba pha như hình dưới

3I0

I0>

A B C

IA

IB

IC

Ia

Ib

Ic

nI

Hình 3.6: Bộ lọc d ng điện thứ tự không

A B C 0

U

U U U 3.U

n

   

   

   

  

A 0

I I I I

I I I 3.I

n n n n

 S

I T

n I

I : tỉ số biến của máy biến dòng

   

 a b c  0

I

I I I 3.I n

Thực tế do có dòng không cân bằng ở đầu ra của bộ lọc nên dòng khởi động của bảo vệ được tính:

I0>kđ = k.Idđ

Idđ: hệ số chỉnh định (thường chọn k = 0,20,3)

c. Bảo vệ quá dòng điện pha cắt nhanh: I >>

Bảo vệ quá dòng điện pha cắt nhanh thường làm bảo vệ dự phòng để chống ngắn mạch. Dòng khởi động của bảo vệ phải đảm bảo khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ thì bảo vệ không được tác động.

Ikđ>> = kat.INngmax

INngmax : dòng ngắn mạch ngoài cực đại qua bảo vệ, thường được tính theo ngắn mạch ba pha trên thanh cái cuối phần tử được bảo vệ.

kat : hệ số an toàn (thường chọn kat = 1,21,3)

Bảo vệ quá dòng pha cắt nhanh không bảo vệ được toàn bộ đối tượng, khi ngắn mạch cuối phần tử, bảo vệ cắt nhanh không tác động.

Vùng bảo vệ của bảo vệ cắt nhanh có thể thay đổi nhiều khi chế độ làm việc của hệ thống và dạng ngắn mạch thay đổi.

Hình 3.7: Bảo vệ quá d ng cắt nhanh d. Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không cắt nhanh:

Bảo vệ quá dòng điện thứ tự không cắt nhanh thường dùng làm bảo vệ dự phòng để chống ngắn mạch chạm đất. Dòng khởi động của ngắn mạch được tính:

I0kđ>> = k0at.I0Nngmax

I0Nngmax: dòng ngắn mạch ngoài thứ tự không cực đại qua bảo vệ k0at: hệ số an toàn (thường chọn k0at = 1,21,3)

e. Bảo vệ chống máy cắt hỏng:

Máy cắt là phần tử thừa hành cuối cùng trong hệ thống bảo vệ có nhiệm vụ cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống. Nếu máy cắt từ chối tác động thì hệ thống bảo vệ dự phòng phải tác động cắt tất cả những máy cắt lân cận với chỗ hư hỏng nhằm loại trừ dòng ngắn mạch đến chỗ sự cố. Hệ thống bảo vệ này có tên gọi là bảo vệ chống máy cắt hỏng.

Khi xảy ra sự cố, nếu bảo vệ ở phần tử bị hư hỏng đã gửi tín hiệu đi cắt máy cắt, nhưng sau một khoảng thời gian nào đó dòng điện dòng điện sự cố vẫn còn tồn tại, có nghĩa là máy cắt đã từ chối tác động. Dòng điện sự cố sẽ liên tục đưa vào bảo vệ chống máy cắt hỏng HMC, rơle quá dòng được giữ ở trạng thái tác động, sau khoảng thời gian 100ms bảo vệ HMC gửi tín hiệu đi cắt tất cả các máy cắt lân cận nối với chỗ hư hỏng.

f. Bảo vệ cảnh báo chạm đất:

Bảo vệ cảnh báo chạm đất thường dùng để phát hiện chạm đát ở hệ thống có trung tính cách điện. Để lọc điện áp thứ tự không thường dùng máy biến điện áp 3 pha 5 trụ với các cuộn thứ cấp được đấu thành hình tam giác hở (hình 3.8)

A B C 0

U U U U

U U U U

n n n 3.n

   

  

U S T

n U

 U : tỉ số biến của máy biến điện áp

Hình 3.8: Bảo vệ cảnh báo chạm đất