›
›

Bài thí nghiệm với role trên bộ mô phỏng

pdf 45 trang phuongnguyen 6691
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài thí nghiệm với role trên bộ mô phỏng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_thi_nghiem_voi_role_tren_bo_mo_phong.pdf

Nội dung text: Bài thí nghiệm với role trên bộ mô phỏng

  1. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1 PHỐI HỢP TÁC ĐỘNG CỦA CÁC BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN TRONG MẠNG ĐIỆN HÌNH TIA MỘT NGUỒN CUNG CẤP I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Phối hợp các bảo vệ làm việc theo nguyên lý quá dòng điện. 2. Khai thác một số chức năng của rơle số MiCOM P122 và MiCOM P142. II. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 2.1. Mô hình thí nghiệm trên bộ mô phỏng hệ thống điện (PSS) GS GTX DTX1 Relay A Line 2 Relay B ~ Relay C TP2 TP17 TP20 ET R Hình 1.1. Mô hình thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện Trong đó: GS – Thanh cái hệ thống GTX – Máy biến áp lưới TP: Điểm thí nghiệm DTX1 – Máy biến áp phân phối Line 2 – Đường dây số 2 ET – Máy biến áp nối đất Tại A (vị trí RGTB) đặt rơle MiCOM P122, điện áp dây 220 V, BI có tỷ số biến đổi nBI = 10/1. Tại B (vị trí RD1 – A) đặt rơle MiCOM P142, điện áp dây 220 V, BI có tỷ số nBI = 7/1. Tại C (RD1 – B) đặt rơle MiCOM P142, điện áp dây 110 V, BI có tỷ số biến đổi nBI = 14/1. Thông số của các phần tử: GS: 127 V/phase Line 2: Z1=Z2=Z0= 3,70 Ω GTX: 220V/220V, 5 kVA, Δ/Y-11 DTX1: 220V/110V, 2 kVA, Y/Δ-1 Z1=Z2=Z0= 1,38 Ω Z1=Z2=Z0= 3,60 Ω ET: 220V/110V, 2 kVA, tổ đấu dây zig – zag với trung tính nối đất. Z1=Z2=Z0= 0,44Ω Khi thí nghiệm các dạng ngắn mạch pha thì ta không sử dụng máy biến áp nối đất ET. Khi thí nghiệm các dạng ngắn mạch chạm đất thì ta nối thêm ET để tạo đường đi cho dòng điện thứ tự không phía sau DTX1. Dòng điện ngắn mạch một pha chạm đất tại TP20 sẽ tương đối lớn, vì vậy ta cần nối trung tính của ET với điện trở R = 1 Ω để giảm dòng điện ngắn mạch. 1
  2. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Máy biến áp nối đất ET có tổng trở nhỏ nên ta có thể bỏ qua khi tính toán dòng điện ngắn mạch. Ở đây tổng trở của các phần tử trong sơ đồ chỉ có thành phần cảm kháng X, các thông số đã được quy đổi về cấp điện áp 220 V. 2.2. Tính toán dòng điện khi xảy ra các sự cố ngắn mạch Việc tính toán cụ thể do sinh viên chuẩn bị trước khi thí nghiệm. Kết quả tính toán ghi trong Bảng 1.1. Dạng ngắn mạch Dòng điện sơ cấp của các BI, A TP20 TP17 TP2 Vị trí A Dòng điện pha 14,60 25 92 Ngắn mạch ba pha Vị trí B Dòng điện pha 14,60 25 - Vị trí C Dòng điện pha 29,20 - - Dòng điện pha a Vị trí A Dòng điện pha b Dòng điện pha c Dòng điện pha a Ngắn mạch hai pha b – c Vị trí B Dòng điện pha b Dòng điện pha c Dòng điện pha a Vị trí C Dòng điện pha b Dòng điện pha c Dòng điện pha a 10 25,7 97 Dòng điện pha b 0 6,3 5,3 Vị trí A Dòng điện pha c 10 6,3 5,3 Dòng điện thứ tự không 0 13 86 Dòng điện pha a 10 6,3 5,3 Dòng điện pha b 0 6,3 5,3 Ngắn mạch pha a chạm đất Vị trí B Dòng điện pha c 10 6,3 5,3 Dòng điện thứ tự không 0 18,9 16 Dòng điện pha a 30 0 0 Dòng điện pha b 0 0 0 Vị trí C Dòng điện pha c 0 0 0 Dòng điện thứ tự không 30 0 0 Bảng 1.1. Kết quả tính toán dòng điện trên mô hình thí nghiệm 2. 3. Cài đặt chức năng bảo vệ quá dòng điện cho các rơle 2.3.1. Chức năng bảo vệ quá dòng điện pha (I>) 2
  3. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Đối với rơle quá dòng điện, dòng điện khởi động Ikđ của bảo vệ được chọn theo công thức kinh nghiệm: kat .k m Ikđ Ilv max . k v Trong đó: kat - hệ số an toàn, thường lấy trong khoảng 1,1 đến 1,2. km - hệ số mở máy của các phụ tải động cơ có dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ. kv - hệ số trở về, bằng 0,85 0,9 với rơle cơ và bằng 0,95 với rơle số. Ilvmax - dòng làm việc lớn nhất cho phép đối với phần tử được bảo vệ. Trong bài thí nghiệm này ta chỉ kiểm tra hoạt động của các bảo vệ khi xảy ra ngắn mạch nên dòng điện khởi động được đặt thống nhất là 1 A cho các rơle (đây chính là dòng điện thứ cáp của các BI). Dưới đây ta chỉ cài đặt thời gian tác động của các rơle. Đối với rơle MiCOM, ta có thể lựa chọn đặc tính thời gian cắt trong nhiều loại đặc tính khác nhau, ở đây ta chọn thống nhất đặc tính thời gian cắt cho rơle theo chuẩn IEC, loại đặc tính SI (Standard Inverse). Phương trình đặc tính cắt của rơle: 0.14 t TMS I ( )0.02 1 Ikđ Trong đó: Dòng điện khởi động của rơle là Ikđ = 1 A. Dòng điện thứ cấp của BI chạy qua rơle là I, A. TMS (Time Multiplier Setting) là bội số thời gian đặt. I/Ikđ là bội số dòng điện đặt. TMS là giá trị thể hiện tỷ lệ giảm thời gian tác động theo tính toán. Ví dụ thời gian tác động theo tính toán là: 0.14 t t (TMS 1) I tt ( )0.02 1 Ikđ Khi đặt TMS = 0,5 thì thời gian tác động chỉ còn một nửa so với giá trị tính toán: ttđ = 0,5ttt. Bởi vậy TMS là công cụ hữu ích để ta thực hiện cài đặt thời gian tác động của các bảo vệ đảm bảo sự phân cấp thừoi gian tác động. Các đường cong ở hình 1.2. giúp ta tra được thời gian tác động ứng với bội số dòng điện đặt và giá trị TMS cho trước. 3
  4. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 1.2. Đặc tính thời gian cắt loại IEC SI a. Cài đặt cho rơle tại vị trí C Vì rơle C bảo vệ cho phần tử cuối cùng nên ta có thể chọn thời gian tác động nhỏ nhất có thể cho rơle. Ta chọn giá trị TMS nhỏ nhất đối với vơi rơle MiCOM P142 là TMS = 0,025. Theo Bảng 1.1. ta có dòng điện ngắn mạch ở sơ cấp của BI rơle C khi ngắn mạch ba pha tại TP20 là I = 29,20 A. Giá trị dòng điện đi vào rơle là: 29,20/14 = 2,09 A (vì BI có tỷ số 14/1). 4
  5. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Thời gian tác động của rơle tại C là: 0,14 t .0,025 0,24 s 2,090,02 1 (Ta cũng có thể tra đồ thị Hình 1.2 với Multiple of Is = 2,09, TMS = 0,025). b. Cài đặt cho rơle tại vị trí B Rơle tại B làm nhiệm vụ bảo vệ chính cho máy biến áp DTX1 và bảo vệ dự phòng cho rơle C. Do đó khi ngắn mạch tại TP20 thì thời gian tác động của rơle B phải thỏa mãn: tRB tRC t 0,24 0,3 0,54 s Khi sự cố tại TP20, dòng điện sơ cấp của BI của rơle B là 14,60 A, dòng điện đi vào rơle B là 14,60/7 = 2,09 A (BI có tỷ số nBI = 7/1). Giá trị TMS tìm nhờ điều kiện về thời gian tác động như đã nói ở trên: 0,14 t 0,54 TMS TMS 0,057 2,090,02 1 Giá trị TMS gần nhất có thể đặt vào rơle là TMS = 0,05. Khi đó thời gian tác động của rơle tại B khi ngắn mạch tại TP20 là: 0,14 t 0,05 0,48 s 2,090,02 1 Khi ngắn mạch tại TP17, dòng điện ngắn mạch phía sơ cấp của BI của rơle B là 25 A (Bảng 1.1), dòng điện đi vào rơle là 25/7 = 3,57 A. Như vậy, thời gian tác động của rơle B khi ngắn mạch ba pha tại TP17 là: 0,14 t 0,05 0,28 s 3,570,02 1 c. Cài đặt cho rơle tại vị trí A Rơle tại A làm nhiệm vụ bảo vệ chính cho đường dây 2 (line 2) và bảo vệ dự phòng cho rơle B. Do đó khi ngắn mạch tại TP17 thì thời gian tác động của rơle A phải thỏa mãn: tRA tRB t 0,28 0,3 0,58 s Khi sự cố tại TP17, dòng điện sơ cấp của BI của rơle A là 25 A, dòng điện đi vào rơle A là 25/10 = 2,50 A (BI có tỷ số nBI = 10/1). Giá trị TMS tìm nhờ điều kiện về thời gian tác động như đã nói ở trên: 0,14 t 0,58 TMS TMS 0,077 2,50,02 1 Giá trị TMS gần nhất có thể đặt vào rơle là TMS = 0,075. Khi đó thời gian tác động của rơle tại A là: 0,14 t 0,075 0,57 s 2,50,02 1 5
  6. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 2.3.2. Chức năng bảo vệ quá dòng điện thứ tự không (I0 >) Dòng điện thứ tự không ở đây được tính toán nhờ vào các dòng điện pha (tổng của ba dòng điện pha). Giá trị dòng điện khởi động cho chức năng này ta cũng thống nhất đặt là Ikđ = 1 A (phía thứ cấp của BI). Các đặc tính thời gian tác động cũng được chọn thống nhất là IEC SI. Dưới đây ta sẽ đi xác định các giá trị TMS để phối hợp thời gian tác động giữa các rơle. a. Cài đặt cho rơle tại C Khi xét sự cố ngắn mạch một pha chạm đất tại TP20 với điều kiện trung tính máy biến áp ET nối qua điện trở R = 1 Ω ta tính được dòng điện thứ tự không phía sơ cấp của BI của rơle C là 30 A. Giá trị dòng điện phía thứ cấp là 30/14 = 2,1 A. Do rơle C bảo vệ cho phân đoạn cuối cùng nên ta chọn thời gian tác động nhỏ nhất ứng với TMS = 0,025. Thời gian tác động của rơle C (chức năng I0>) khi ngắn mạch một pha chạm đất tại TP20 là: 0,14 t 0,025 0,23 s 2,10,02 1 b. Cài đặt cho rơle tại B Theo Bảng 1.1, khi ngắn mạch một pha chạm đất tại TP20, rơle tại B tính được dòng điện thứ tự không (tổng các vector dòng điện pha) là 0, đồng thời rơle B cũng nhận được các dòng điện pha a và pha c có giá trị phía sơ cấp là 10 A (giá trị phía thứ cấp là 10/7 = 1,43 A). Vì vậy, chức năng bảo vệ quá dòng điện thứ tự không của rơle B không thể dự phòng cho rơle C được. Nếu rơle tại C không tác động (ví dụ như bị khóa tác động), chức năng bảo vệ quá dòng điện pha của rơle B sẽ tác động với thời gian: 0,14 t 0,05 0,97 s 1,430,02 1 Rơle A nhận được dòng điện sơ cấp tương tự như rơle B nhưng vì tỷ số biến đổi của BI là 10/1 nên dòng điện phía sơ cấp là 1 A (giá trị này thực tế nhỏ hơn vì dòng điện ngắn mạch được tính toán thì chỉ xét đến cảm kháng của các phần tử). Như vậy, rơle A có thể sẽ không nhận biết được sự cố đang xảy ra tại TP20. Như vậy để cài đặt chức năng I0> cho rơle B, ta phải dựa vào sự cố tại TP17. Khi ngắn mạch một pha chạm đất tại TP17, dòng điện thứ tự không mà rơle B tính toán được là 18,9 A, giá trị phía thứ cấp của BI là 18,9/7 = 2,7 A. Thời gian tác động của rơle B có thể được tính với TMS = 0,05: 0,14 t 0,05 0,35 s 2,70,02 1 c. Cài đặt cho rơle tại A Rơle tại A làm nhiệm vụ dự phòng cho rơle tại B nên khi ngắn mạch một pha chạm đất tại TP17, thời gian tác động của rơle A là: tRA tRB t 0,35 0,3 0,65 s 6
  7. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Dòng điện thứ tự không đi qua sơ cấp của BI của rơle A là 13 A (Bảng 1.1), giá trị phía thứ cấp là 13/10 = 1,3 A. Giá trị TMS được tìm từ điều kiện thời gian cắt: 0,14 t 0,65 TMS TMS 0,024 1,30,02 1 Giá trị gần nhất có thể chọn là TMS = 0,025. Khi đó thời gian tác động của rơle A khi ngắn mạch một pha chạm đất tại TP17 là: 0,14 t 0,025 0,66 s 1,30,02 1 Khi ngắn mạch một pha chạm đât tại TP2 thì dòng điện thứ tự không phía sơ cấp BI của rơle A là 97 A, giá trị phía thứ cấp là 97/10 = 9,7 A. Thời gian tác động: 0,14 t 0,025 0,07 s 9,70,02 1 Ta nhận thấy dòng điện ngắn mạch khi ngắn mạch chạm đất gần thanh cái hệ thống là rất lớn vì vậy cần thiết phải nối đất các điểm trung tính qua điện trở hoặc điện kháng để giảm dòng điện ngắn mạch. 2.4. Tiến hành thí nghiệm 2.4.1. Cài đặt thông số cho rơle MiCOM P122 và MiCOM P142 a. Cài đặt cho các rơle MiCOM P142 Configuration Settings Active Settings Group 1 Settings Group 1 Enabled Earth Fault 1 Disabled Earth Fault 2 Enabled Trong chức năng Earth Fault 1, dòng điện thứ tự không được đo trực tiếp từ hệ thống qua một máy biến dòng trên dây trung tính nối đất. Trong Earth Fault 2, dòng thứ tự không được tính bằng tổng dòng điện ba pha. Do không có máy biến dòng nối ở dây trung tính nối đất của máy biến áp trên bộ thí nghiệm nên ta chỉ sử dụng Earth Fault 2 (Enable). 7
  8. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 CT and VT Ratios Relay C - RD1B Relay B - RD1A Main VT Primary 110V 220V Main VT Secondary 110V 110V Phase CT Primary 14A 7A Phase CT Secondary 1A 1A Group 1- Overcurrent Function IEC S Inverse IEC S Inverse I> Direction Non Directional Non Directional I>1 Current Set (Prim) 14A 7A I>1 TMS 0,025 0,05 Earth Fault 2 Function IEC S Inverse IEC S Inverse IN>1 Current 1A 1A IN>1 TMS 0,025 0,05 b. Cài đặt cho rơle MiCOM P122 Configuration Settings Group Select Group 1 CT Ratio Line CT primary 10A Line CT Sec 1A Check phase rotation is ABC I>? Yes, I>1,0Tn Earth Fault 2 Function Ie> Yes Ie> 1,0Ien Delay Type IDMT IDMT IEC SI TMS 0,025 8
  9. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 2.4.2. Kiểm tra hoạt động của các bảo vệ a. Sơ đồ nối dây Tiến hành nối dây theo sơ đồ hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ nối dây cho thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện b. Trình tự thí nghiệm Thí nghiệm với các sự cố pha – pha (chức năng I>) 1. Nối đồng hồ đếm thời gian cắt vào điểm TP20 và đặt thời gian tối đa cho đồng hồ là 1,5 sec 2. Khoá các chức năng quá dòng cắt nhanh của rơle D1A và D1B. 3. Mở các máy cắt: CB22, CB24, CB26. 4. Đóng các máy cắt CB23 và CB25. 5. Nối sơ đồ tạo sự cố 3 pha tại điểm TP20 và đóng mắy cắt tạo sự cố (gần vị trí đồng hồ đếm thời gian). 6. Quan sát phản ứng của rơle D1B (tại C) 9
  10. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 7. Truy cập rơle D1B và ghi lại các thông số: a. Chức năng bảo vệ gì đã tác động. b. Độ lớn dòng điện sự cố. c. Thời gian tồn tại sự cố. d. Thời gian làm việc của rơle. e. Thời gian tác động của máy cắt. 8. Khoá tạm thời rơle D1B và tạo sự cố như bước 5. 9. Quan sát phản ửng của rơle D1A (tại B). 10. Truy nhập rơle D1A và ghi lại các thông số như bước 7. 11. Tạo sự cố tại TP17 12. Quan sát phản ửng của rơle D1A. 13. Khoá tạm thời rơle D1A và tạo sự cố một lần nữa tại TP17 14. Quan sát phản ứng của rơle GTB tại A. 15. Lặp lại các thao tác từ bước 5 với các dạng sự cố ngắn mạch 2 pha, ghi lại các thông số và nêu nhận xét về thời gian tác động cũng như sự phân cấp thời gian làm việc giữa các bảo vệ trong trường hợp này có gì thay đổi – Sự làm việc chọn lọc giữa các bảo vệ còn được đảm bảo hay không? Thí nghiệm với các sự cố pha – đất (chức năng I0>) 1. Tạo sự cố 1 pha tại điểm TP20 2. Quan sát phản ứng của rơle D1B. 3. Truy cập rơle D1B và ghi lại các thông số: a. Chức năng bảo vệ gì đã tác động. b. Độ lớn dòng điện sự cố. c. Thời gian tồn tại sự cố. d. Thời gian làm việc của rơle. e. Thời gian tác động của máy cắt. 4. Khoá tạm thời rơle D1B và tạo sự cố 1 pha tại TP20 5. Quan sát phản ứng của rơle D1A. 6. Truy nhập rơle D1A và ghi lại các thông số như bước 3. 7. Tạo sự cố tại TP17 8. Quan sát phản ứng của rơle D1A. 9. Khoá tạm thời rơle D1A và tạo sự cố một lần nữa tại TP17 10. Quan sát phản ứng của rơle GTB tại A. III. YÊU CẦU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Báo cáo thí nghiệm phải bao gồm những nội dung sau: 10
  11. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 1. Mục đích thí nghiệm 2. Sơ đồ nối dây của mạng điện thí nghiệm 3. Tính toán dòng điện ngắn mạch khi xảy ra ngắn mạch tại các điểm TP20, TP17 và TP2 trong mạng điện (ngắn mạch ba pha, ngắn mạch một pha chạm đất, ngắn mạch hai pha). 4. Quá trình cài đặt cho các rơle. 5. Kết quả các dòng điện ngắn mạch do rơle ghi lại. 6. Kết quả kiểm tra thời gian tác động của các rơle. 7. Nhận xét và giải thích về phản ứng của các rơle. 11
  12. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 2 NGHIÊN CỨU BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Tìm hiểu nguyên lý bảo vệ so lệch cho máy biến áp. 2. Cài đặt và kiểm tra hoạt động của rơle số MiCOM P633 với chức năng bảo vệ so lệch và bảo vệ quá dòng điện cho máy biến áp. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đối với các máy biến áp (MBA) công suất lớn, để đảm bảo tính tác động nhanh, nhạy và chọn lọc cao, người ta sử dụng chức năng bảo vệ so lệch (differential protection - 87) làm bảo vệ chính, chức năng bảo vệ quá dòng điện được sử dụng làm bảo vệ dự phòng. Ngoài ra chức năng bảo vệ chống quá tải nhiệt (49), các chức năng bảo vệ không dựa vào đại lượng điện như quá nhiệt thùng dầu, rơle khí (Buchholz), rơle cảnh báo mức dầu thấp luôn được sử dụng đối với các MBA dầu công suất lớn. Trong khuôn khổ thực hiện thí nghiệm và nghiên cứu trên bộ mô phỏng hệ thống điện (PSS – Power System Simulator) chúng ta chỉ xem xét chi tiết việc ứng dụng hai chức năng bảo vệ so lệch và quá dòng dự phòng cho MBA. 2.1. Nguyên lý bảo vệ so lệch Bảo vệ so lệch dựa trên nguyên tắc so sánh biên độ dòng điện giữa hai đầu của một phần tử. Tín hiệu dòng điện đem ra so sánh được lấy từ thứ cấp của các BI nối vào các đầu của phần tử được bảo vệ. Hình 2.1. Minh họa nguyên lý bảo vệ so lệch Dòng điện đi qua rơle bằng: IR = IT1- IT2 Trong đó: IR - Dòng điện chạy qua rơle hay còn gọi là dòng điện so lệch. IT1 - Dòng điện thứ cấp BI1. IT2 - Dòng điện thứ cấp BI2. Vùng tác động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí đặt của các tổ máy biến dòng ở các đầu phần tử được bảo vệ. Trong chế độ làm việc bình thường hoặc sự cố ngoài vùng, trị số dòng điện chạy vào vùng bảo vệ bằng trị số dòng điện chạy ra khỏi vùng bảo vệ. Trên hình vẽ mô tả 18.1 ta thấy rằng dòng điện chạy qua rơle sẽ bằng hiệu hai dòng thứ cấp BI và bằng không, rơle không làm 12
  13. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 việc. Ngược lại nếu có sự cố trong vùng bảo vệ (hình vẽ 18.2), dòng điện chạy qua rơle bằng tổng hai dòng thứ cấp BI và khác không, rơle sẽ tác động cắt máy cắt. Bảo vệ so lệch dòng điện thuộc dạng chọn lọc tuyệt đối (Unit Protection), chúng ta có thể đặt thời gian trễ bằng 0. Hình 2.2. Đường đi của dòng điện khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ so lệch Trong thực tế do có sai số của các thiết bị trong hệ thống bảo vệ so lệch, đặc biệt là các máy biến dòng điện (BI), làm cho việc so sánh trị số dòng điện “vào” và “ra” không thể chính xác tuyệt đối được. Ngay cả trong chế độ làm việc bình thường, hay đặc biệt là khi có sự cố ngắn mạch ngoài, các BI có khả năng bị bão hoà mạch từ, sẽ tồn tại một dòng điện không cân bằng chạy qua rơle và dẫn đến khả năng tác động nhầm của hệ thống bảo vệ. Chính vì lý do trên người ta phải tiến hành hãm không để cho rơle tác động nhầm. Có nhiều phương pháp cũng như cách thức để ngăn chặn tác động nhầm của các rơle so lệch. Đối với hệ thống bảo vệ so lệch sử dụng rơle cơ-điện người ta dùng thêm cuộn hãm, sử dụng sơ đồ tổng trở cao Trong các rơle số người ta sử dụng phần mềm để tạo ra các đặc tính tác động có ý nghĩa tương tự như rơle cơ-điện trước đây. Đặc tính tác động của chức năng bảo vệ so lệch sẽ được xem xét thông qua việc tìm hiểu rơle Areva P632 được trình bày phía sau. Cũng có thể nói thêm rằng đặc tính tác động của các loại rơle số đều khá giống nhau mặc dù được trình bày và sử dụng công nghệ khác nhau. 2.2. Các vấn đề đặt ra khi ứng dụng bảo vệ so lệch cho MBA Khi áp dụng nguyên lý so lệch dòng điện để bảo vệ các máy biến áp và biến áp tự ngẫu, cần lưu ý các vấn đề như sau: 2.2.1. Sự khác biệt về trị số của dòng sơ cấp BI Dòng điện sơ cấp BI ở hai (hoặc nhiều phía) của máy biến áp thường khác nhau về trị số theo tỷ số biến đổi giữa điện áp các phía. Để cân bằng dòng điện thứ cấp của các BI trong chế độ làm việc bình thường, người ta lựa chọn tỷ số biến đổi của BI các phía hoặc nối tiếp qua các BI trung gian BIG sao cho trị số các dòng điện đưa vào so sánh trong rơle phải gần bằng nhau. 13
  14. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 2.3. Điều chỉnh biên độ trong bảo vệ so lệch MBA 2 cuộn dây. Theo hình 2.3, giả sử máy biến áp có điện áp các phía U1/U2 , tỷ số biến đổi của máy biến áp là U 1 n = , tỷ số biến đổi của các biến dòng các phía lần lượt là n1, n2 thì tỷ số biến đổi của máy U 2 biến dòng trung gian BIG là: n1 ntg= n n2 Nếu ntg quá lớn, người ta có thể nối tiếp nhiều biến dòng trung gian để đạt được tỷ số biến đổi mong muốn. 2.2.2. Sự khác biệt về góc pha của dòng sơ cấp BI Máy biến áp thường có tổ đấu dây khác nhau, ví dụ Y/ , Y0/Y0/ . Dòng điện sơ cấp BI ở các phía máy biến áp có thể lệch pha tuỳ theo tổ đấu dây MBA. Để có được dòng thứ cấp đưa vào rơle so sánh có cùng góc pha, biến dòng ở các phía máy biến áp và biến dòng trung gian cần phải có tổ đấu dây phù hợp tuỳ thuộc vào tổ đấu dây của máy biến áp. Đối với hệ thống bảo vệ sử dụng rơle cơ-điện, người ta có thể thực hiện như sau: Nếu tổ đấu dây phía thứ cấp của tất cả BI là nối sao, tổ đấu dây của biến dòng trung gian hướng về phía nối sao của máy biến áp sẽ nối sao và ngược lại, như minh hoạ trên hình vẽ 2.3. Việc đưa thêm biến dòng trung gian đồng thời cũng xử lý được dòng không cân bằng gây ra do thành phần dòng thứ tự không khi trung tính của cuộn dây máy biến áp nối đất mà có ngắn mạch chạm đất xảy ra trong hệ thống. 2.2.3. Hãm bảo vệ so lệch khi đóng máy biến áp không tải Tuỳ vào thời điểm đóng máy biến áp không tải với nguồn điện mà trị số ban đầu của dòng điện từ hoá máy biến áp có thể lớn gấp nhiều lần dòng điện danh định của máy biến áp. Trường hợp xấu nhất tương ứng với dòng từ hoá lớn nhất sẽ xảy ra khi đóng máy cắt vào thời điểm điện áp nguồn có giá trị tức thời qua điểm 0. Khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hoá trở lại trị số xác lập khoảng vài phần trăm dòng danh định. Vì dòng điện từ hoá quá độ (Iinrush) chỉ chạy qua cuộn dây máy biến áp nối với nguồn và biến áp đang ở chế độ không tải, nên dòng điện ở cuộn dây các phía còn lại đều bằng không. Trong trường hợp này, nếu không có biện pháp hãm thích hợp, bảo vệ so lệch có thể tác động nhầm do nhìn nhận hiện tượng 14
  15. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 đóng máy biến áp không tải như có ngắn mạch bên trong máy biến áp. Khi phân tích, người ta thấy rằng dòng từ hoá lõi thép MBA không có dạng sin với thành phần sóng hài bậc hai chiếm tỷ lệ lớn. Nếu thành phần bậc hai được tách ra và đưa vào tăng cường cho dòng hãm của bảo vệ so lệch thì sẽ ngăn chặn được tác động nhầm. 2.2.4. Hãm bảo vệ so lệch khi xảy ra bão hoà mạch từ máy biến áp Khi làm việc trong hệ thống, máy biến áp thường chịu những điện áp xung kích, còn gọi là quá điện áp, có giá trị gấp nhiều lần trị số điện áp định mức, gây hiện tượng quá kích. Nếu mạch từ bị bão hoà thì dòng chạy qua rơle của bảo vệ so lệch sẽ khác không, rơle có nguy cơ tác động nhầm. Tương tự như dòng điện từ hoá xung kích khi đóng MBA không tải, dòng điện chạy qua MBA lực bị bão hoà mạch từ không sin, với tỷ lệ thành phần hài bậc 5 rất lớn. Người ta dựa vào tỷ lệ thành phần dòng điện hài bậc 5 trên dòng điện tần số cơ bản (I5*f/I1*f) để hãm, ngăn chặn tác động nhầm. 2.2.5. Rơle tổng trở cao Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, dòng ngắn mạch quá lớn và duy trì có thể gây nên bão hoà biến dòng, dẫn đên sự tác động nhầm của bảo vệ. Để đảm bảo tác động chọn lọc của bảo vệ so lệch khi có ngắn mạch ngoài, người ta sử dụng nguyên lý bảo vệ so lệch tổng trở cao và trong một số trường hợp ứng dụng, phương thức này có nhiều ưu điểm hơn việc sử dụng cuộn hãm. Nguyên lý bảo vệ so lệch tổng trở cao được sử dụng chủ yếu đối với thanh góp và bảo vệ chống chạm đất hạn chế MBA. Để xem xét đơn giản hơn vấn đề sai số do bão hoà BI, xét trường hợp sơ đồ chỉ có hai phần tử với máy biến dòng có thông số hoàn toàn giống nhau. Dùng sơ đồ thay thế hình của máy biến dòng, ta có mạch đẳng trị như sau: Hình 2.4. Đẳng trị mạch điện bảo vệ so lệch khi không co máy biến dòng bị bão hòa 15
  16. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 2.5. Đẳng trị mạch điện bảo vệ so lệch khi có máy biến dòng bị bão hòa Trong đó: Ri là điện trở cuộn dây của máy biến dòng và dây nối trong bảo vệ. Z là điện kháng của mạch từ hoá. Ở chế độ bình thường và ngắn mạch ngoài, nếu các máy biến dòng không bị bão hoà thì X có trị số khá lớn, dòng điện trong mạch từ hoá nhỏ nên có thể bỏ qua. Dòng điện thứ cấp khép qua vòng 1 và 4. Điện áp đặt trên rơle rất nhỏ. Dòng qua rơle khi đó bằng không, rơle không tác động. Nếu dòng ngắn mạch ngoài quá lớn, biến dòng đặt trên phần tử sự cố bị bão hoà hoàn toàn: có thể xem khi đó X 2 = 0, mạch thứ cấp của BI2 coi như bị nối tắt, điện áp đặt trên rơle rất lớn, rơle sẽ tác động sai. Để khắc phục hiện tượng này có thể thực hiện hãm bằng cách nối tiếp với rơle một điện trở bổ sung Rbs (hay còn gọi là điện trở ổn định) để giảm dòng qua rơle. Khi có thêm điện trở bổ sung, dòng qua rơle lúc đó chưa tới ngưỡng, rơle sẽ không tác động. Hình 2.6.Minh họa rơle so lệch tổng trở cao Giá trị của điện trở bổ sung phải có trị số hợp lý sao cho điện áp giáng trên rơle không vượt quá điện áp khởi động của rơle. Nếu Rbs quá lớn, khi ngắn mạch ở trong vùng bảo vệ, dòng qua rơle quá nhỏ, có thể dưới ngưỡng tác động, rơle lại không tác động. Dòng tác động của rơle được chọn từ 5%-20% dòng thứ cấp BI, mặc dù rơle có thể không ổn định ở ngưỡng thấp. Nếu yêu cầu ngưỡng cao, một điện trở Shunt (điện trở phi tuyến) được nối song song với rơle và điện trở bổ sung để bảo vệ quá áp cho rơle. Cách tính điện trở bổ sung như sau : Từ hình 2.5: VAB= I2.( RD2 + RBI2) Khi có thêm điện trở phụ như hình 2.6: VR= IR.R Trong đó: R=Rbs+RR RR - Điện trở của rơle. 16
  17. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 IR.R I2.( RD2 + RBI2) IR - Dòng điện chạy qua rơle. Suy ra R I2/IR ( RD2 + RBI2) Mà Rbs= R- RR và IR.RR = SR/IR, nên: Rbs = [ VAB - SR/IR] .IR 2.2.6. Sự cố chạm đất cuộn dây máy biến áp Máy biến áp nối tam giác - sao như hình vẽ 18.3. Điểm trung tính cuộn dây đấu sao nối đất qua điện trở R. Khi xảy ra sự cố chạm đất trên một pha của cuộn dây nối sao ở khoảng cách x tính từ điểm trung tính, điện áp tại điểm sự cố so với điểm trung tính là : x.V S 3 Trong đó VS là điện áp dây của phía cuộn dây được nối sao của máy biến áp. Độ lớn dòng ngắn mạch có thể tính theo: x.V S R 3 Quy đổi dòng điện này sang phía nối tam giác của máy biến áp, Id có giá trị: x.V x.V Id= S S R 3 Vd 3 Trong đó Vd là điện áp dây của cuộn dây đấu tam giác. Dòng Id chạy qua các biến dòng ở phía cuộn tam giác, trong khi đó do điểm ngắn mạch nằm phía trước của các BI phía cuộn đấu sao (hay nói cách khác các BI này không nhận ra sự cố) nên các BI phía cuộn đấu sao không hề cung cấp dòng cho rơle. 2 2 x .V S Dòng qua rơle trong truờng hợp này chỉ do BI phía cuộn tam giác cung cấp Ir = , nếu 3RVd ta xét ở phía thứ cấp thì giá trị này cần qui đổi theo tỷ số biến dòng tương ứng 2 2 x .V S 1 Ir = , với k là tỷ số biến dòng phía nối tam giác. 3RVd k Như vậy dòng qua rơle phụ thuộc giá trị điện trở R, nếu R có giá trị khá lớn ví dụ 1pu và với giả thiết đặt dòng khởi động của rơle là 0,2In thì rơle chỉ có thể đủ độ nhạy để bảo vệ khoảng 40% cuộn dây máy biến áp (những sự cố rơi vào vùng từ 0-40% của cuộn dây tính từ trung tính sẽ có dòng sự cố quá nhỏ, rơle không đủ độ nhạy phát hiện). 2.3. Rơle số bảo vệ so lệch Thay vì sử dụng biến dòng trung gian hoặc đấu nối các BI cho phù hợp, trong các rơle số, việc điều chỉnh biên độ, điều chỉnh góc lệch pha, điều chỉnh tỷ số biến đổi, đều thực hiện bằng phần mềm. Chính vì vậy tổ hợp cách nối dây của máy biến áp lực và các biến dòng có thể tuỳ ý. 17
  18. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Tuy nhiên, trang 3-39 Areva P632 Technical Manual đưa ra một cấu hình chuẩn: tất cả các BI được nối sao không phụ thuộc vào tổ đấu dây của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp lực. Cách điều chỉnh biên độ và góc pha (trang 3-95, 3-115) được áp dụng cho cấu hình chuẩn này. Nếu thay đổi cách nối của biến dòng, thì cách điều chỉnh véctơ cũng phải thay đổi. 2.3.1. Điều chỉnh biên độ Cách điều chỉnh biên độ và xác định hệ số điều chỉnh biên độ được đưa ra trong trang 3-97 Areva P632 Technical Manual . Việc điều chỉnh biên độ có thể giải thích đơn giản qua ví dụ sau: Hình 2.7. Điều chỉnh biên độ Giả sử máy biến áp có công suất định mức danh định là Sref, điện áp danh định các phía U1/U2. Dòng điện cơ sở (được rơle tính toán) các phía là: S ref S ref I1 = , I2 = 3U1 3U 2 Dòng thứ cấp của biến dòng: I1 I 2 IT1 = , IT2 = I S1 I S 2 Trong đó : IS1, IS2, là dòng danh định sơ cấp của các máy biến dòng tương ứng. Khi hệ thống cân bằng IT1= IT2 . Nếu nhân ITi với các hệ số k1, k2 trong đó: I S1 I S 2 k1 = , k2 = I1 I 2 khi đó : IT1. k1 = IT2 .k2 =1 k1, k2 gọi là hệ số điều chỉnh biên độ các phía của máy biến áp. Rơle chỉ việc nhân hệ số này với dòng thứ cấp của biến dòng và đem kết quả thu được ra để so sánh. Hệ số điều chỉnh này phải thoả mãn các điều kiện sau đây: k max k 5 3 kmin 0,7 k min 2.3.2 Điều chỉnh góc lệch pha 18
  19. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Điều chỉnh góc lệch pha nhằm đưa dòng điện hai phía sơ và thứ cấp máy biến áp đi vào rơle trùng pha nhau. Việc này được thực hiện bằng cách quay vectơ dòng điện thứ cấp theo vectơ dòng điện sơ cấp, tuỳ theo tổ nối dây của biến áp được bảo vệ. Hình 2.8 Điều chỉnh biên độ. Phần mềm của rơle tính toán Is2a bằng quá trình như minh hoạ trên hình 18.8. Thông tin cài đặt duy nhất được đưa vào rơle là tổ nối dây của máy biến áp, với quy định pha ở cả hai phía máy biến áp cũng được nối theo cấu hình chuẩn. Có 11 nhóm vectơ, được đưa ra từ trang 3-101 tới 3-103 trong Areva P632 Technical Manual. Việc thực hiện điều chỉnh góc pha hoàn toàn không được thực hiện ở phía sơ cấp (phía điện áp cao). 2.3.3 Xử lý dòng điện thứ tự không I1 I1 I2 I2 I1 HTĐ I0 I0 I2 A B I0 R Rơ le Hình 2.9. Lọc thành phần thứ tự không Giả sử cuộn dây sơ cấp máy biến áp được nối sao, điểm trung tính được nối đất. Khi có sự cố chạm đất ngoài vùng bảo vệ, thành phần dòng thứ tự không sẽ khép mạch thông qua nối đất trung tính. Phía còn lại của máy biến áp nối tam giác nên dòng thứ tự không chỉ chạy quẩn bên trong mà không đi qua các BI. Điều này gây nên dòng không cân bằng (dòng so lệch) trong rơle. Kết quả là rơle sẽ tác động sai. Do đó cần phải loại trừ dòng thứ tự không bên phía sơ cấp bằng cách dùng bộ lọc. Thành phần dòng thứ tự không được xác định từ tổng các dòng pha đã được điều chỉnh về biên độ. 19
  20. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Nếu phía thứ cấp nối sao, như máy biến áp trong bộ mô phỏng, bộ lọc thành phần dòng thứ tự không cũng phải được sử dụng. Minh hoạ như trên hình 2.9. Khi ngắn mạch chạm đất trong vùng ở phía nối sao, các thành phần I1, I2, I0 của dòng sự cố đi vào đất. Bên phía sơ cấp dòng I1, I2 tồn tại từ nguồn đến đi qua các biến dòng. Vì không có dòng điện qua các biến dòng phía thứ cấp máy biến áp, nên rơle tác động cắt. Khi ngắn mạch chạm đất ngoài vùng ở phía nối sao, cả ba thành phần I1, I2, I0 đều đi qua biến dòng phía thứ cấp, nhưng chỉ có thành phần I1, I2 qua biến dòng phía sơ cấp. Do đó tồn tại dòng không cân bằng tồn tại trong rơle, kết quả là rơle tác động sai. Để tránh rơle tác động nhầm trong trường hợp này, cần phải lọc dòng thứ tự không bên phía thứ cấp của máy biến áp. Nếu phía thứ cấp máy biến áp được nối tam giác, dòng thứ tự không đã tự động được loại bỏ. 2.3.4. Đặc tính tác động của rơle số Sau khi đã được điều chỉnh về biên độ và góc pha, tổng dòng điện ở tất cả các phía máy biến áp đưa vào rơle đều bằng không trong chế độ vận hành bình thường và các điều kiện khác là lý tưởng. Khi có ngắn mạch trong vùng của bảo vệ so lệch, tổng dòng điện các phía khác không, dòng này được gọi là dòng so lệch Id . Tuy nhiên, trong thực tế, dòng so lệch tồn tại ngay cả trong trường hợp vận hành bình thường chủ yếu do ảnh hưởng của các yếu tố như dòng từ hoá máy biến áp lực (dòng điện không tải), sai số của máy biến dòng và việc thay đổi đầu phân áp trong quá trình điều chỉnh điện áp. Trong khi dòng từ hoá được xác định bởi mức điện áp của hệ thống và do đó có thể xem như bằng hằng số, không phụ thuộc vào tải, sai số biến đổi của các máy biến dòng điện lại là hàm số của dòng điện đi qua phía sơ cấp biến dòng. Giá trị ngưỡng của bảo vệ so lệch máy biến áp do đó không được thực hiện như ngưỡng dòng so lệch cố định, nó được định dạng như một hàm số của dòng hãm IR. Dòng hãm thay đổi theo giá trị dòng điện qua máy biến áp được bảo vệ. Hàm Id=f(IR) mô tả đặc tính tác động của bảo vệ. Đặc tính tác động của bảo vệ so lệch được minh hoạ trong hình 2.10. 20
  21. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 8.00 Id Iref 6.00 Vùng tác động 4.00 0,7 m 2 2.00 0,3 Vùng không m1 tác động I R,m2 4,0 Id 0,2 Iref I ref 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 IR I ref Hình 2.10. Đặc tính tác động của bảo vệ so lệch Dòng so lệch được định nghĩa bằng tổng vectơ dòng điện (đã được điều chỉnh) phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Dòng hãm được định nghĩa bằng một nửa tổng đại số các dòng điện phía sơ và thứ cấp của máy biến áp. Khi dòng đi đến điểm sự cố từ cả hai phía (cao và hạ) bằng nhau cả về biên độ và pha, hai dòng này sẽ triệt tiêu lẫn nhau, và dòng điện hãm bằng không, hiệu ứng hãm do đó bị triệt tiêu. Đây là một kết quả mong muốn vì trong trường hợp này độ nhạy của bảo vệ so lệch là lớn nhất. Phần đầu của đặc tính tác động là vùng có độ nhạy lớn nhất với giá trị ngưỡng so lệch có thể chọn thấp nhất. Ngưỡng 0,2 được lựa chọn dựa theo dòng từ hoá của máy biến áp, dòng này tồn tại trong chế độ không tải và thưòng nhỏ hơn 5% dòng danh định máy biến áp. Phần đầu của đặc tính tác động đi ngang đến khi gặp đặc tính sự cố trong trường hợp hệ thống có nguồn cấp từ một phía. Phần thứ hai của đặc tính tác động không chỉ dựa vào dòng từ hoá máy biến áp mà còn dựa vào dòng so lệch do sai số biến đổi của các máy biến dòng. Điểm gập thứ hai của đặc tính tác động xác định kết thúc vùng quá tải cho phép theo hướng tăng của dòng hãm khi không có sự cố. Nó có thể bằng 4 lần dòng danh định trong trường hợp vận hành nào đó, ví dụ như khi một máy biến áp vận hành song song bị sự cố. Do đó, điểm gập thứ hai có thể được đặt (Ir, m2) mặc định bằng 4I cơ sở. 2.3.5. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế Như đã nêu ở trên, bình thường người ta không thể bảo vệ được toàn bộ cuộn dây máy biến áp bằng chức năng bảo vệ so lệch 87T. Để giảm vùng chết khi xuất hiện các sự cố chạm đất tại 21
  22. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 các vòng dây gần điểm trung tính cuộn dây nối Y0, người ta bổ sung thêm chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế như được mô tả trên hình 2.11. Vùng bảo vệ REF Hình 2.11. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế. Khi xảy ra ngắn mạch chạm đất ngoài vùng bảo vệ, dòng điện tổng của 3 biến dòng trên 3 pha sẽ cân bằng với dòng điện của biến dòng tại dây trung tính nối đất. Do đó, tất cả các biến dòng phải có cùng tỷ số biến đổi. Khi xảy ra ngắn mạch chạm đất trong vùng bảo vệ, sẽ xuất hiện dòng điện thứ tự không khép mạch qua trung tính nối đất của máy biến áp và dòng điện thứ tự không ở các pha khép mạch qua trung tính nối đất của máy biến áp phía sau máy biến áp được bảo vệ, do đó tồn tại dòng điện không cân bằng trong rơle. Rơle có thể cài đặt ngưỡng thấp, bằng 10% dòng định mức MBA, vì hệ thống này không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bất lợi như đối với chức năng 87T bảo vệ chính của máy biến áp. Có thể sử dụng rơle tổng trở cao để ngăn chặn dòng không cân bằng gây ra do các biến dòng bị bão hoà. Bên phía cuộn tam giác cũng có thể sử dụng bảo vệ chống chạm đất hạn chế như bên cuộn sao, khi nối đất được thực hiện qua máy tạo trung tính. Sơ đồ dòng điện dư (dòng điện TTK) đơn giản được nối vào các đường dây bên phía cuộn tam giác như hình 2.12. Vùng bảo vệ Nguồn REF Hình 2.12. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế bên cuộn dây nối tam giác. Dòng điện dư (dòng thứ tự không) sẽ đi qua các đường dây nguồn cấp tới cuộn tam giác khi có sự cố trong cuộn dây này. 22
  23. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Để dự phòng cho bảo vệ chống chạm đất hạn chế, bảo vệ dự phòng chạm đất được đặt ở dây trung tính nối đất. Đây là rơle quá dòng (IDMT) với đặc tính thời gian phụ thuộc phải được phối hợp với các rơle IDMT khác trong hệ thống. 2.2.6. Ứng dụng rơle Areva P632 cho chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế Rơle số như P632, có thể được sử dụng để bảo vệ chống chạm đất hạn chế như minh hoạ trên hình 18.11. Do được thực hiện hãm bằng phần mên nên sơ đồ so lệch được sử dụng không yêu cầu có điện trở bổ sung. Hàm của đặc tính bảo vệ được xác định bằng cách so sánh tổng dòng điện các pha IN của các dòng điện pha cuộn dây máy biến áp với dòng điện ở điểm trung tính IY. P632 tính toán trong phần mềm của nó tổng vectơ của các dòng điện các pha. Dòng hai phía đưa vào bảo vệ so lệch phải được điều chỉnh biên độ, nhưng không cần phải điều chỉnh véctơ. Hệ số điều chỉnh biên độ cũng được tính toán như đã nêu trong bảo vệ so lệch bằng công thức: kamNb=Inom.b/IrefNb và kamYb=Inom.Yb/IrefNb Hệ số bù phải thoả mãn các điều kiện sau đây: k max k 5; 3; kmin 0,5 k min Đặc tính tác động được minh họa trên hình 18.13. Ngưỡng dòng điện IdN bằng với biên độ của tổng vectơ các dòng điện nhận được sau khi điều chỉnh biên độ IamNb , IamYb. Dòng điện hãm, IRNb bằng với biên độ của dòng điện tính toán IamNb. 8.00 Id,N Iref 6.00 Vùng tác động 005 1, 4.00 m 2.00 Vùng không tác động I d,N 0,2 I ref 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 IR,N I ref Hình 2.13. Đặc tính tác động của bảo vệ chống chạm đất hạn chế. III. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 3.1 Giới thiệu sơ lược về rơle P632 23
  24. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 P632 được thiết kế để bảo vệ cho máy biến áp, động cơ và máy phát điện. Các chức năng khác được tích hợp trong P632 làm nhiệm vụ dự phòng như bảo vệ quá dòng, quá tải nhiệt, quá kích thích, chống hư hỏng máy cắt. Rơle số P632 có các chức năng chính như sau: - Bảo vệ so lệch 3 pha với đối tượng bảo vệ 2 cuộn dây. - Điều chỉnh góc pha và điều chỉnh biên độ. - Lọc dòng thứ tự không cho mỗi cuộn dây, có thể không hoạt động. - Đặc tính hãm dốc ba đoạn. - Hãm bổ sung theo hài bậc hai, tuỳ theo ứng dụng, có thể không hoạt động. - Hãm quá từ thông theo hài bậc năm, có thể không hoạt động. - Tăng ổn định với bộ phát hiện bão hoà. - Bảo vệ chống chạm đất hạn chế. - Bảo vệ quá dòng thời gian độc lập. - Bảo vệ quá dòng thời gian phụ thuộc. - BẢo vệ quá tải nhiệt. - Bảo vệ tần số. - Bảo vệ điện áp. - Giám sát giá trị tới hạn. - Lập trình logic. Người sử dụng có thể chọn từng chức năng riêng biệt trong cấu hình của thiết bị hoặc không sử dụng theo yêu cầu. Tuỳ theo cấu hình, người sử dụng có thể thay đổi thiêt bị một cách linh động cho phù hợp yêu cầu bảo vệ trong mỗi ứng dụng riêng biệt. Ngoài ra, P632 còn có một số chức năng khác nữa. 3.2 Sơ đồ nối dây 24
  25. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 2.14. Sơ đồ nối dây trong bài thí nghiệm 3.3 Giới thiệu về máy biến áp được bảo vệ và hệ thống bảo vệ GTX là máy biến áp 3 pha 5kVA, 415/220V có tổ đấu Dy11. Điểm sao của cuộn thứ cấp máy biến áp có thể được nối đất. Sơ đồ đấu nối của máy biến áp và rơle được minh hoạ trên hình 18.15. Cực của biến dòng được đánh dấu bằng chấm nhỏ. Không có máy biến dòng trung gian để điều chỉnh về biên độ và góc lệch pha của dòng điện tuần hoàn giữa các biến dòng. Rơle tự cân bằng thông qua các tính toán dựa trên tỷ số biến đổi của các biến dòng, điện áp và tổ nối dây của máy biến áp. Điều này làm hệ thống trở nên đơn giản hơn, nhưng yêu cầu thông tin khai báo cho rơle phải chính xác. Rơle có một số phần tử bổ sung cho bảo vệ so lệch chính trong trường hợp sự cố pha và sự cố chạm đất. Những phần tử này dùng làm bảo vệ dự phòng. Mức dự phòng thứ nhất là REF (Restricted Earth Fault Protecton) - bảo vệ chống chạm đất hạn chế bên phía nối sao (phía điện áp thấp) của máy biến áp. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế không bảo vệ được toàn bộ cuộn dây bên phía nối sao khi có sự cố ở các vòng dây gần điểm trung tính. Mức dự phòng thứ hai là bảo vệ dự phòng chạm đất Standby Earth Fault. Đây là một rơle quá dòng với thời gian tác động tương đối lớn. Ngoài ra còn có một rơle quá dòn g khác ở phía trước rơle so lệch để dự phòng cho trường hợp có sự cố ở phía hệ thống, dòng sự cố trong trường hợp này có thể khép mạch qua máy biến áp. Một rơle quá dòng P122 được đặt ở phía thứ cấp máy biến áp, ở ngoài vùng bảo vệ của bảo vệ so lệch chính. Tỷ số biến của rơle P122 là 10/1. Rơle này phối hợp thời gian với các rơle P142 trong hệ thống phân phối và sử dụng. Rơle quá dòng P122 là rơle đơn giản nhất trong thiết bị mô phỏng. Sách hướng dẫn kỹ thuật của loại rơle quá dòng này rất rõ ràng. Vì sự đơn giản so với các rơle khác, nên tìm hiểu 25
  26. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 trước tiên về P122. Trong khi tốt nhất là truy cập các rơle khác qua cổng trước và thay đổi các thông số trong PC với phần mếm S1, Menu của P122 khá đơn giản và có thể truy cập dễ dàng bằng các phím phía trước mặt. Tất cả các rơle nói trên khi tác động đều cắt máy cắt CB1 và CB2. BI1 BI2 HTĐ P632 51N 51 87T, 87N Hình 2.15. Máy biến áp và hệ thống bảo vệ của nó. 3.4 Cài đặt Rơle so lệch là loại rơle có Setting Menu phức tạp nhất trong thiết bị mô phỏng. REF2, IMDT2 dùng cho phía nối tam giác (a), IDMT1 dùng cho phía nối sao (b) của MBA. IDMT2 dùng cho chạm đất dự phòng. IDMT1 cho quá dòng dự phòng phía sơ cấp máy biến áp. Các chức năng được truy cập như sau: Rơle sẽ tự tính hệ số điều chỉnh biên độ nhưng các hệ số này cũng phải được tính trước để đảm bảo chúng nằm trong giới hạn cho phép. Vì rơle P632 được sản xuất để sử dụng thực tế trong công nghiệp nên giá trị khai báo công suất cơ sở Sref nhỏ nhất bằng 100kVA, chính vì 26
  27. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 vậy chúng ta không thể cài đặt công suất thật của MBA trên bộ mô phỏng (5kVA) vào rơle được mà sẽ lựa chọn các giá trị sau: Sref = 0,40 MVA Vnom.a = 0,40 kV Vnom.b = 0,20 kV Từ đó ta có : Ia = 400000/( 3 400 ) = 577 A Ib = 400000/( 3 200 ) = 1154 A Nếu tỷ số biến dòng là 1000/1 và 700/1 thay vì 10/1 và 7/1 của thực tế: ka = 1000/1154 = 0,8665 kb = 700/577 = 1,2124 Những giá trị này nằm trong dải giá trị cho phép. Dòng cắt : Itrip = 20% 1 A/1,2124 = 0,165 A khi không lọc thành phần dòng điện thứ tự không. Các rơle được cài đặt như sau: 3.4.1. Cài đặt cho bảo vệ so lệch DIFF Config.parameters/DIFF/Function Group DIFF and enable by entering with Parameters/Function Parameters/Global/MAIN Protection enabled Yes Inom C.T.prim.,end a 700 A Inom C.T.prim.,end b 1000 A Inom C.T.Yprim.,end b 700 A Inom device,end a 1 A Inom device,end b 1 A Các giá trị khác để như mặc định Function Parameters/ General Functions/MAIN Vnom prim.,end a 0.40kV Vnom prim.,end b 0.20kV Các giá trị khác để như mặc định Function Parameters/General Functions/DIFF General enable USER Yes Reference power Sref 0.40 MVA Ref.curr.Iref,a Not measured (0.577 kA) ( ) Ref.curr.Iref,b Not measured (1.154 kA) ( ) 27
  28. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Matching fact.Kam,a Not measured (1.2124 kA) ( ) Matching fact.Kam,b Not measured (0.8665 kA) ( ) Vector grp.ends a-b 11 Các giá trị khác để như mặc định ( ) là giá trị được rơle tự tính Function Parameters/Parameters Subset 1/ DIFF Enable Yes Idiff> PS1 0.20 Iref m1 PS1 0.3 m2 PS1 0.7 Ir, m2 PS1 4.0 Iref 0-seq.filt.B.enable. Yes Các giá trị khác để như mặc định 3.4.2. Cài đặt cho bảo vệ chống chạm đất hạn chế REF2 Tỷ số biến dòng phía nối đất là 700/1 Function Parameters/General Functions/REF2 General enable USER Yes Select.Meas.Input End b Reference power Sref 0.40 MVA Ref.curr.Iref,a Not measured (1.154 kA) ( ) Matching fact.Kam,a Not measured (0.8665 kA) ( ) Matching fact.Kam,b Not measured (0.6066kA) ( ) Các giá trị khác để như mặc định ( ) là giá trị được rơle tự tính 3.4.3. Bảo vệ chạm đất dự phòng Thời gian tác động của bảo vệ chạm đất dự phòng cỡ vài giây. Function Parameters/General Functions/IDM2 General enable USER Yes Function Parameters/Parameters Subset 1/ IDMT2 Enable Yes Ireff, P Blocked Ireff, P dynamic Blocked 28
  29. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Ireff, N 0.2 Inom Ireff, N dynamic 0.2 Inom Characteristic N Standard Inverse Factor kt, N 1.2s Các giá trị khác để như mặc định 3.4.4. Cài đặt cho bảo vệ quá dòng phía sơ cấp MBA, IDMT1 Bảo vệ quá dòng phía sơ cấp MBA làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ so lệch. Function Parameters/General Functions/IDMT1 General enable USER Yes Function Parameters/Parameters Subset 1/ IDMT1 Enable Yes Rush restr.enable Yes Iref, P 1.0 Inom Ireff, P dynamic 1.0 Inom Characteristic P Standard Inverse Factor kt, P 0.07s Min Trip Time 0.05 seconds Các giá trị khác để như mặc định 3.5. Trình tự thí nghiệm Trong quá trình thí nghiệm, để đảm bảo an toàn chúng ta luôn tạo sự cố ngắn mạch thông qua máy cắt có hạn chế thời gian (Timer CB) và cần đặt là 0,25s. 3.5.1. Sự cố pha Tạo sự cố pha - pha và pha - đất tại điểm TP1 trong vùng của bảo vệ so lệch. Sử dụng trở kháng 9,6 khi tạo sự cố để hạn chế dòng ngắn mạch. Kiểm tra các cài đặt đòi hỏi để vận hành các rơle trên 3 pha. Thông số cài đặt của rơle không nên giảm dưới 20% dòng điện định mức của rơle để giữ được sự ổn định trong thời gian sự cố. Trong thời gian sự cố, có thể kiểm tra ổn định bằng cách tạo sự cố ở ngoài vùng bảo vệ so lệch, ở line 2, nhưng phải đảm bảo bảo vệ Grid Bus Protection được đặt chính xác. 3.5.2. Sự cố chạm đất trong cuộn dây của máy biến áp A - Khoá rơle chống chạm đất hạn chế, khoá rơle dự phòng. Rơle quá dòng bên phía sơ cấp máy biến áp có thời gian tác động 0,3s. Nó có chức năng dự phòng cho so lệch. Tạo sự cố chạm đất ở TP1 qua trở kháng 9,6 . Rơle so lệch sẽ tác động. 29
  30. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 B - Cuộn sao có hai điểm để thử nghiệm nối đất: chúng được lấy ra từ điểm 20% và 40% số vòng dây của cuộn sao tính từ điểm trung tính. Tạo sự cố chạm đất ở hai điểm này thông qua trở kháng 9,6 . Rơle so lệch sẽ không tác động. Nếu muốn rơle tác động ta phải thay trở kháng 9,6 bằng một giá tri khác, có thể tính toán được. Với điểm 20% R= 1,35 , với điểm 40% R= 5,41 . Nếu muốn, ta có thể tăng hoặc giảm giá trị điện trở để kiểm tra lý thuyết trên. Sử dụng trở kháng 3 , với điểm 33%. Khi giá trị điện trở quá nhỏ, sẽ rất khó để xác định biên giữa tác động và không tác động. Thử nghiệm tương tự có thể thực hiện đối với bảo vệ chống chạm đất hạn chế với một giá trị điện trở cao hơn có thể sẽ thuyết phục hơn. Lưu ý rằng trở kháng 9,6 không được sử dụng trong trường hợp này. C - Bảo vệ chống chạm đất hạn chế Vì rơle so lệch không thể tác động hiệu quả đối với chạm đất ở 20% các vòng dây đầu tiên, rơle chống chạm đất hạn chế được cài đặt để khắc phục điều này. Tín hiệu dòng cung cấp cho phần tử chống chạm đất hạn chế lấy từ dây nối đất của cuộn sao phía thứ cấp biến áp. Ngưỡng dòng điện được tính như sau: I= Id*Inom/kama= 0,2*1A/0.6066 = 0,33A hay = 2,2A bên phía sơ cấp Suy ra giá trị của điện trở nối đất là: 2,3 A= 124V/R*20% hoặc 40% tuỳ điểm chạm đất. Giá trị thực tế của điện áp thứ cấp thường thấp hơn giá trị danh định khoảng 3% do sự sụt áp khi xảy ra sự cố. Điều này gây nên sự tăng điện trở đối với cả bảo vệ so lệch và hạn chế. R=11 với Tap A 20%. R=22 với Tap B 40%. Nếu cả so lệch và hạn chế không tác động, rơle quá dòng dự phòng sẽ tác động, nhưng sẽ tác động sau RGT khi sự cố ở TP1. Thời gian vận hành dự phòng hay không hạn chế khoảng 10s. 3.5.3. Khai báo sai với rơle - Khai báo tổ đấu dây 2 phía máy biến áp sai cho rơle: phía sơ cấp nối sao, phía thứ cấp nối tam giác. Tạo sự cố ở TP1. Rơle sẽ tác động sai. - Giảm vùng hãm xuống nhỏ nhất có thể. Cho ngắn mạch ngoài vùng tại TP2. Bảo vệ sẽ tác động. - Nếu khai tổ đấu dây của BI sai: Opposite (không phải Standard) thì với điều kiện bình thường bảo vệ so lệch đã tác động. - Không loại trừ dòng thứ tự không và cho ngắn mạch chạm đất phía 110kV (hay phía nối sao). IV. YÊU CẦU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 1. Mục đích thí nghiệm 2. Các thông số cài đặt cơ bản trong thí nghiệm 3. Nhận xét về hoạt động của rơle 30
  31. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3 NGUYÊN LÝ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Tìm hiểu về nguyên lý bảo vệ khoảng cách 2. Ứng dụng cài đặt cho rơle số MiCOM P442 II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảo vệ khoảng cách của các đường dây tải điện có thể coi là bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối hoặc bảo vệ có độ chọn lọc tương đối. Tác động của bảo vệ khoảng cách gần như đồng thời với thời điểm phát hiện sự cố nhưng giống như bảo vệ quá dòng ngưỡng tác động của nó có thể mở rộng sang các vùng khác. Nói chung bảo vệ khoảng cách được xem như bảo vệ có độ chọn lọc tương đối bởi vì không có sự so sánh các đại lượng ở các đầu của phần tử được bảo vệ. 2.1. Nguyên lý tổng trở Nguyên lý đo tổng trở được dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay mất kích thích. Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường bằng tổng trở toàn bộ đường dây phía sau cộng với phụ tải: Zđo = Zdây + Zphụ tải Giá trị tổng trở này cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố. Bình thường Zptải thường lớn hơn nhiều so với Zdây, nên tổng trở đo được phụ thuộc vào góc pha và trị số của dòng điện phụ tải. Trên mặt phẳng phức, khi phụ tải thay đổi, vectơ tổng trở đo được sẽ thay đổi góc nghiêng của nó. Khi có ngắn mạch trên đường dây, tổng trở đo được bằng tổng trở đường dây từ rơle đến chỗ sự cố. Như vậy tổng trở đo được nhỏ đi so với lúc bình thường, và độ nghiêng của vectơ tổng trở sẽ giảm đi. Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường là do điện trở của hồ quang phát sinh tại chỗ ngắn mạch), góc nghiêng của vectơ tổng trở giảm đi nhưng tổng trở đo được có trị số lớn hơn. Dạng đơn giản nhất của rơle khoảng cách gồm một bộ phận thực hiện việc đo tổng trở tại chỗ đặt bảo vệ (bằng thương của điện áp tại chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải sau khi đã được đưa qua các BU, BI). Hình 17.1 minh hoạ chức năng này bằng việc sử dụng loại rơle điện cơ. Thanh cân bằng sẽ chuyển động sang phía tay phải để đóng tiếp điểm đưa đến cắt máy cắt, lúc đó: V V I hoặc Z R Z R I Như vậy, rơle khoảng cách chỉ tác động khi tổng trở của đường dây từ chỗ đặt rơle tới chỗ sự cố nhỏ hơn giá trị tổng trở khởi động. Người ta mong muốn đặt giá trị tổng trở khởi 31
  32. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 động bằng với tổng trở của đường dây được bảo vệ. Tuy nhiên, do sai số của các mạch đo lường, của bản thân rơle nên điều này không thể thực hiện được. Xét đường dây có chiều dài 20km với tổng trở trên một đơn vị chiều dài là 0,37 Ω. Tổng trở từ chỗ đặt rơle tới cuối đường dây là: ZL=20.0,37=7,4 Ω. Sai số 1% sẽ tương ứng với chiều dài: 1/100.20=200m. Do đó, khi có sự cố trong phạm vi 200m đầu tiên của đường dây sẽ gây nên hiện tượng tác động vượt phạm vi bảo vệ. Điều này là không thể chấp nhận được. Do đó, thông thường giá trị tổng trở khởi động của vùng thứ nhất chỉ bao trùm khoảng 80% chiều dài đường dây được bảo vệ. Tuy nhiên, các bộ so sánh kiểu biên độ không có đặc tính hướng. Khi dòng điện đi từ thanh góp vào đường dây hoặc từ đường dây tới thanh góp thì rơle đều hoạt động. Do đó, cần phải thêm bộ phận định hướng công suất. Rơle khoảng cách với đặc tuyến khởi động “MHO” đã kết hợp đồng thời cả bộ phận đo khoảng cách và bộ phận định hướng công suất. Rơle MHO không đơn giản so sánh V/I với ZR mà so sánh (V/I-ZR) hay (ZF-ZR) với ZR. ZR là tổng trở đặt của rơle. ZF là tổng trở sự cố. Ngưỡng khởi động của rơle xảy ra khi (ZF-ZR)=ZR và quỹ tích ngưỡng khởi động là một đường tròn bán kính ZR (Hình 17.2). Điểm ngưỡng Rơle khoảng cách Đường dây 20 km V.T. DR 80% Đầu đường dây Máy biến dòng Đường dây được bảo vệ Tổng trở đường dây X Máy biến điện áp Rơle khoảng cách R Đặc tính rơle trên mặt phẳng Z Hình 3.1. Chức năng của rơle khoảng cách 32
  33. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 X ZFR - Z Z R Z F R Hình 3.2. Quỹ tích ngưỡng khởi động Góc pha λ giữa hai đại lượng ZF và (2ZR-ZF) được so sánh như hình 17.3. Ngưỡng khởi o động tương ứng với λ=90 . Rơle sẽ hoạt động khi λ > 90o . Rơle tĩnh và rơle số thực hiện việc so sánh pha. Trong những rơle này, có hai đại lượng đầu vào là S1 và S2, trong đó: S1n V I.Z SV2 I là dòng điện sự cố. Zn là tổng trở đặt của rơle và bằng 2ZR. X 2ZR-ZF 2Z R ZF = Góc đặc tính của rơle = Góc đường dây R Hình 3.3. So sánh góc pha λ giữa hai đại lượng. Một số trường hợp ngắn mạch không phải trực tiếp mà thông qua điện trở trung gian (thường dưới dạng hồ quang). Điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch làm tăng trị số tổng trở đo được và giảm góc pha của vectơ tổng trở. Yếu tố tăng tổng trở đo được làm cho rơle khoảng cách cảm 33
  34. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 nhận điểm ngắn mạch xa hơn thực tế và có thể làm tăng thời gian làm việc của bảo vệ. Người ta khắc phục điều này bằng cách dùng rơle điện kháng chỉ đo điện kháng của đường dây. Ngày nay, rơle điện kháng đã được thay thế bằng rơle có đặc tuyến hình tứ giác (Hình 17.4). Hầu hết các rơle số thế hệ mới đều sử dụng dạng đặc tuyến này. Với đặc tuyến này, người ta có thể đặt ngưỡng điện trở và điện kháng một cách độc lập. Ngoài ra, đặc tuyến điện kháng của vùng 1 và 2 có thể dao động về điểm ngưỡng để bù ảnh hưởng của dòng tải trước sự cố và làm chính xác các kết quả đo vùng 1. Rơle khoảng cách thường có ba vùng tác động cho phía trước và một vùng cho phía sau (Hình 17.5). 2.2. Sơ đồ ba vùng tác động Những rơle khoảng cách kinh tế nhất chỉ bao gồm các bộ phận đo vùng 1. Những bộ phận này sẽ tác động tức thời (t 0). Vì lý do sai số của các phần tử trong hệ thống bảo vệ nên vùng thứ nhất của bảo vệ khoảng cách bao trùm khoảng 80% - 85% chiều dài đường dây được bảo vệ. Để bảo vệ nốt 20% chiều dài còn lại của đường dây, trong các rơle khoảng cách có thêm bộ phận khởi động để mở rộng vùng tác động tới cuối đường dây tiếp theo. Bộ phận khởi động không tác động cắt ngay mà sẽ khởi động bộ định thời gian và thường chỉ tác động sau 0,4s với ngưỡng mở rộng của bộ phận đo, nếu các rơle phía sau vẫn chưa làm việc. Quá trình mở rộng vùng tác động sẽ làm tăng ngưỡng của bộ phận đo tới 120-150% chiều dài đường dây. Vùng 2 này sẽ bao trùm 20% chiều dài còn lại của đường dây và phần đầu của đường dây tiếp theo. Khi xảy ra ngắn mạch trên phần đầu của đường dây B trong vùng 1 của rơle khoảng cách RZB, bảo vệ sẽ cắt máy cắt MCB với thời gian t 0. Nếu vùng 1 của rơle RZB từ chối tác động thì vùng 2 của rơle RZA tác động cắt máy cắt MCA với thời gian tA . Như vậy, RZA làm nhiệm vụ dự phòng cho RZB. 34
  35. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 3.4. Đặc tuyến hình tứ giác. Vùng 3 400 ms 200 ms Vùng 2 120% A 0-60 ms B P Vùng 1 80% C Hình 3.5. Bảo vệ khoảng cách ba vùng tác động. Nguyên lý tổng trở có thể được sử dụng để bảo vệ lưới điện phức tạp có nhiều nguồn với hình dạng bất kỳ. Tuy nhiên một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến số đo của bộ phận khoảng cách như sai số của máy biến dòng điện, biến điện áp, điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch, hệ số phân bố dòng điện trong nhánh bị sự cố với dòng điện qua chỗ đặt bảo vệ và đặc biệt là quá trình dao động điện. 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc của rơle khoảng cách 2.3.1. Sai số của máy biến dòng điện, máy biến áp Giả thiết bộ phận đo tổng trở được đấu vào điện áp pha và dòng điện pha (hoặc điện áp dây và hiệu số dòng điện các pha tương ứng): Tổng trở đo được trên cực của rơle bằng: ZR= UR/IR= (U/nU)/(I/nI)= (nU/nI).(U/I) Trong đó: U, I tương ứng là điện áp và dòng điện phía sơ cấp. nI, nU tỷ số biến đổi của máy biến dong điện và máy biến điện áp. Trong trường hợp máy biến dòng và biến áp là lý tưởng, các hệ số biến đổi nU, nI là hằng số và nU/nI = nZ = const. Trong đó nZ là tỷ số biến đổi của tổng trở: nZ=(U/I)/ZR= Z/ZR Z - tổng trở phía sơ cấp của rơle. Trong trường hợp máy biến dòng và máy biến áp có sai số nI, nU, nZ ≠ const, nghĩa là tổng trở (hay khoảng cách) mà rơle đo được không phản ánh trung thực tổng trở phía sơ cấp, tức là tổng trở của đường dây bị sự cố. 2.3.2. Điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch Một số trường hợp không phải ngắn mạch trực tiếp mà thông qua điện trở trung gian (thường ở dạng hồ quang). Điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch làm tăng trị số tổng trở đo được và giảm góc pha của vectơ tổng trở. Yếu tố tăng tổng trở đo được làm cho rơle khoảng cách cảm nhận điểm ngắn mạch xa hơn thực tế và có thể làm tăng thời gian làm việc của bảo vệ gây hiện tượng co vùng tác động. Chẳng hạn khi ngắn mạch xảy ra ở gần cuối vùng 1 nhưng vì rơle 35
  36. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 khoảng cách đo đựơc tổng trở lớn hơn, có thể cảm nhận như sự cố xảy ra ở đầu vùng II và tác động với thời gian cấp II. Điện trở hồ quang điện mang tính tác dụng và có thể được xác định theo công thức Warrington: 1,4 Rhq= 2870.Lhq/IN hoặc theo công thức gần đúng: Rhq= 2.Lhq/INmin 2.3.3. Hệ số phân bố dòng điện Số đo tổng trở vùng II và vùng III của rơle khoảng cách có thể chịu ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng (nghĩa là sự khác nhau giữa dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ và dòng điện trên nhánh đường dây bị sự cố). A IAB B IBN C a IFB RZ ZAB ZBN A IAB B IBN C IBN b RZ Hình vẽ 3.6. Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện KI . a - KI > 1: ZR > Zthực tế ; b - KI < 1: ZR < Zthực tế Tổng trở của rơle khoảng cách đặt ở đầu A của đường dây AB đo được khi ngắn mạch 3 pha trực tiếp xảy ra trên đường dây BC tiếp theo bằng : U R U A U AB U BN I AB .Z AB I BN .Z BN I BN ZR= = = = = Z AB Z BN I R I AB I AB I AB I AB ZR= ZAB+kI.ZBN I BN Trong đó: kI = I AB Khi hệ số phân bố dòng kI ≠ 1, tổng trở ZR mà rơle khoảng cách đo được khác với tổng trở thực tế từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch (ZAN=ZAB+ZBN). 36
  37. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Đối với sơ đồ hình vẽ 17.6a, nguồn điện nối vào thanh cái B đã làm cho IBN > IAB và kI > 1, nghĩa là rơle sẽ đo được một tổng trở lớn hơn tổng trở thực tế ZAN. Đối với sơ đồ hình vẽ 17.6b, sự có mặt của đường dây thứ hai song song với đường dây sự cố làm rẽ mạch dòng điện từ nguồn đến chỗ ngắn mạch (IBN= IAB – I’BN) nên kI 1200 thường không đủ khả năng giữ đồng bộ, sẽ thay đổi thành nhiều chu trình 3600. Nếu lấy EA làm chuẩn nhìn sự chuyển động tương đối của EB so với EA, EB sẽ vẽ nên quỹ đạo một vòng tròn với tâm ở gốc EB và bán kính bằng EB . Khi có dao động điện, rơle đo được điện áp và dòng điện thay đổi liên tục. Khi hai sức điện động lệch nhau đến 1800, điện áp giảm rất thấp mà dòng điện lại rất lớn (có thể cao hơn dòng ngắn mạch), rơle có thể sẽ tác động vì cảm nhận như có ngắn mạch trên đường dây. Do đó phải phân biệt sự khác biệt giữa dao động điện và ngắn mạch. Để phát hiện dao động (để khoá bảo vệ khoảng cách khi có dao động điện) có thể căn cứ vào tốc độ biến thiên tổng trở đo được. Khi dao động điện, dòng điện và điện áp tại chỗ đặt bảo vệ biến thiên với tốc độ giới hạn, còn khi ngắn mạch hầu như các đại lượng này biến thiên 37
  38. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 dZ tức thời. Nếu lấy đạo hàm theo thời gian của tổng trở , trong trường hợp ngắn mạch trị số dt này tiến tới vô cùng còn khi dao động điện các đạo hàm này có trị số hữu hạn. Khi ngắn mạch, tổng trở sự cố lọt ngay vào vùng tác động, còn khi dao động tổng trở đo được chuyển động theo quỹ đạo dao động và đi vào các vùng tác động. 2.3.5. Cảm ứng giữa các dây khi bị sự cố Khi sự cố ngắn mạch chạm đất xảy ra trên đường dây nhiều mạch như mạch kép, vận hành song song, do tác động tương hỗ thứ tự không của các đường dây, bảo vệ khoảng cách có thể đo sai giá trị của điện trở. Tác động tương hỗ thứ tự thuận và nghịch không ảnh hưởng lớn đến mạch đo tổng trở của bảo vệ. 2.3.6. Bù với sự cố chạm đất Đối với các sự cố ba pha hoặc hai pha chạm nhau, bộ phận đo khoảng cách có thể thực hiện việc đo tổng trở một cách dễ dàng. Tổng trở này cũng được coi là tổng trở thứ tự thuận Z1 VVab ZZseen 1 IIab Đối với các sự cố chạm đất, việc xác định Zseen khác so với sự cố pha-pha. Dòng điện trong mạch sự cố phụ thuộc vào tổng trở của mạch sự cố, phương thức nối đất, số điểm nối đất và các tổng trở thứ tự của mạch sự cố. Điện áp tại điểm đặt rơle được xác định theo công thức: Va I 1 .Z L1 I 2 .Z L2 I o .Z Lo Dòng điện trong mạch vòng sự cố được xác định như sau: IIIIa 1 2 o Và dòng điện dư IN tại điểm đặt rơle được cho bởi: IN I a I b I c 3I o Trong đó: Ia, Ib, Ic là dòng điện pha tại điểm đặt rơle. Từ các biểu thức trên, ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp Va và các dòng điện Ia, Ib, Ic như sau: K1 Va Z L1 I a (I a I b I c ). 3 ZLo Trong đó: K= ZL1 K1 Biểu thức trên cho thấy nếu tỷ lệ K của dòng điện dư I được cộng vào dòng N 3 N điện Ia thì tổng trở đo được sẽ không phụ thuộc vào đường dây và sự nối đất. Hầu hết các rơle khoảng cách thực hiện bù đối với các sự cố chạm đất bằng việc đưa thêm vào một tổng trở mô hình (Hình 17.8). 38
  39. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 A B C Z Z Z 1 2 3 for A-N fault I N Relay comparator ZN circuits VA Relay replica circuits Hình 3.8. Mạch điện áp và dòng điện với sự cố chạm đất 2.4. Tiến hành thí nghiệm 2.4.1. Giới thiệu sơ lược về rơle P442 Các rơle số ngày nay thường được chế tạo theo hướng hợp bộ, kết hợp nhiều chức năng bảo vệ trong một rơle, cho một đối tượng bảo vệ. Rơle bảo vệ đường dây P442 tổ hợp các chức năng bảo vệ sau: - Bảo vệ khoảng cách. - Bảo vệ khoảng cách dùng tín hiệu liên động. - Bảo vệ quá dòng cắt nhanh. - Bảo vệ chống sự cố chạm đất qua điện trở cao (chống chạm đất có độ nhậy cao). - Bảo vệ điện áp. - Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt. - Bảo vệ quá dòng dự phòng. - Tự đóng lại. - Kiểm tra đồng bộ. Ngoài ra P442 còn có nhiều chức năng khác nữa. Trong các rơle khoảng cách hiện đại như MICOM P442, mỗi vùng có 6 bộ phận đo: 3 bộ phận cho các sự cố pha-pha, 3 bộ phận cho các sự cố chạm đất. Vì vậy rơle khoảng cách có 18 bộ phận đo khoảng cách. Nó cho ta có được rất nhiều đặc tuyến khác nhau, thông tin về các tham số sự cố và khoảng cách tới điểm sự cố. Điều này đem lại tính linh động và tốc độ tác động cao. 2.4.2. Sơ đồ nối dây Sơ đồ nối dây như trong Hình 3.9. 39
  40. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 3.9. Sơ đồ nối dây bảo vệ khoảng cách trong thí nghiệm 40
  41. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 2.4.3. Tính toán các thông số cài đặt a. Sự cố pha-pha Cài đặt tổng trở khởi động Line 6 Line 4 G GTX 0.1 pu 0.1 pu 0.1 pu 0.1 pu 0.1 pu S35 Grid Supply Relay P442 TP6 TP7 TP8 TP9 Hình 3.10. Sơ đồ lưới điện. Xét hai phần của đường dây 6 với chiều dài 100 km. Tổng trở của đường dây bằng 4,8 Ω. Góc đường dây bằng 80o. Tổng trở khởi động của vùng 1 (là tổng trở phía sơ cấp): o Z1 (80%.4,8 ) 3,84 80 Rơle sẽ tính toán giá trị tổng trở phía thứ cấp bằng cách nhân giá trị tổng trở sơ cấp với tỷ lệ (CT/VT). Tỷ số biến đổi CT của máy biến dòng bằng 10/1. Tỷ số biến đổi VT của máy biến điện áp bằng 220V/110V. Vì vậy, tỷ lệ CT/VT=5. Có thể sử dụng giá trị phía sơ cấp hoặc thứ cấp để cài đặt cho rơle. Nếu sử dụng giá trị phía sơ cấp thì rơle sẽ tự tính toán giá trị phía thứ cấp từ các tỷ số CT và VT. Ở đây ta sẽ sử dụng giá trị phía sơ cấp để cài đặt cho rơle. Tổng trở khởi động của vùng 2 là: o Z2 (150%.4,8 ) 7,20 80 Tổng trở khởi động của vùng 3 là: o Z3 (220%.4,8 ) 10,56 80 Tính toán ngưỡng điện trở Tất cả các bộ phận tác động của bảo vệ khoảng cách đều phải tránh hiện tượng mang tải quá nặng. Khi giá trị dòng tải lớn nhất phía thứ cấp của CT bằng 1 A, tổng trở tải nhỏ nhất đối với rơle sẽ là: Vnn (ph n) / I Thông thường các vùng đối với sự cố pha-pha phải tránh tổng trở tải nhỏ nhất với độ dự trữ 40%. Các vùng đối với sự cố chạm đất sẽ có độ dữ trữ 20%. Điều này dẫn đến ngưỡng điện trở lớn nhất là 38 và 50,8 . Nhưng nó liên quan đến phần cài đặt nữa, nên không bỏ được. Nếu được cài đặt ở phía sơ cấp, các giá trị trên được chia theo tỷ lệ CT/VT=5. Do đó, giá trị điện trở 41
  42. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 sơ cấp lớn nhất được yêu cầu là 7,6 và 10,16 . Giá trị nhỏ nhất tuỳ thuộc vào điện trở hồ quang. Vì vậy, giá trị điện trở được lựa chọn như bảng dưới đây: Nhỏ nhất Lớn nhất Vùng 1 Vùng 2 Vùng 3 Rph 0 7,6 R1Ph=3 R2Ph=5 R3Ph=7 RG 0 10,2 R1G=1 R2G=2 R3G=3 Bảng 3.1. Trong đó: RPh là điện trở tương ứng với sự cố pha-pha. RG là điện trở tương ứng với sự cố chạm đất. b. Sự cố chạm đất Như đã trình bày ở phần trên, đối với các sự cố chạm đất cần thực hiện việc bù dư. Hệ số bù dư bằng: K1 Zo KZO , với K 3 Z1 Khi Zo=Z1 thì KZO=0. Tuy nhiên trong thực tế, đối với các đường dây trên không, K thông thường bằng 2,5. Để có thể thực hiện mô phỏng điều này trên bộ PSS, chúng ta mắc thêm vào một tổng trở phụ, ZE, vào mạch giữa điểm sự cố và đất. ZE có thể xác định theo cách dưới đây: Ta có: Zo=K.Z1=(K-1)Z1+Z1 Vì vậy tổng trở cần thêm vào là: (K-1)Z1. Do Io chạy qua Z1 còn 3Io chạy qua ZE nên (K- 1)Z1=3ZE. K1 Suy ra: Z .Z E13 Từ biểu thức trên, nếu K=2,5 thì ZE=Z1/2. Vì vậy, với đường dây có đang xét có Z1=0,2 pu thì ZE=0,1 pu. Thực hiện điều này trên bộ mô phỏng bằng cách chèn đường dây 1 (Line 1) vào giữa điểm sự cố và điểm đất tại TP17. Chú ý rằng đối với sự cố một pha chạm đất, chỉ một pha của đường dây 1 được nối tới đất. Để thực hiện cài đặt bù dư, cần phải đưa vào Menu của rơle hệ số: KZO=0,50 (góc 0 độ) (K=2,5). c. Khoá khi có dao động công suất Phương pháp chung để xác định hiện tượng dao động công suất là đo thời gian tồn tại biến thiên của tổng trở mà rơle đo được thông qua R và X. Ví dụ như khi thời gian này vượt quá 5ms thì rơle sẽ khóa chức năng bảo vệ khoảng cách tạm thời. Thông thường thì R và X được lấy bằng 10 – 30 % R3ph. 42
  43. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Hình 3.11. Đặc tính phát hiện dao động công suất. 2.4.4. Cài đặt Configuration Active Setting Group 1 Setting Group 1 Enable Disable 2, 3 và 4 Power swing Enable Setting values Primary Các hệ số CT và VT Main VT Primary 220 V Main VT Secondary 110 V Phase CT Primary 10,0 A Phase CT Secondary 1,0 A C/S Input A – B Main Vt Location line 43
  44. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 Group 1 Distance Group 1 Line Setting Line length 100,0 km Line Impedance 4,800 Line Angle 80,00 deg Group 1 Zone Setting Zone Status 01010 kZ1 Res Comp 0,5 kZ1 Angle 0 deg Z1 3,840 Ohm R1G 1,0 Ohm R1ph 3,0 Ohm tZ1 0,060 s kZ2 Res Comp 0,5 kZ2 Angle 0 deg Z2 7,200 Ohm R2G 2,0 Ohm R2ph 5,0 Ohm tZ2 0,20 s kZ3/4 Res Comp 0,5 kZ3/4 Angle 0 deg Z3 10,56 Ohm R3G – R4G 3,0 Ohm R3ph – P4ph 7,0 Ohm tZ3 0,4 s 2.4.5. Trình tự thí nghiệm 1. Tạo sự cố ở TP6 2. Xác định vị trí của điểm sự cố (khoảng 50 km) 3. Tạo các sự cố 3 pha ở TP7 và TP8. Rơle sẽ tác động ở vùng 2 với sự cố TP7, vùng 2/vùng 3 với sự cố TP8 và vùng 3 với sự cố TP9 nhưng không thể tác động tới S35 vì nó nằm ngoài vùng với. 44
  45. Bộ môn Hệ thống điện Phòng thí nghiệm mô phỏng Hệ thống điện C1 – 116 4. Với sự cố chạm đất ở TP7, rơle sẽ xác định vị trí điểm sự cố cỡ khoảng 100km trên đường dây 6. III. YÊU CẦU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Báo cáo phải bao gồm những nội dung chính sau: 1. Mục đích thí nghiệm 2. Tính toán các thông số cài đặt cho bảo vệ khoảng cách trong bài thí nghiệm 3. Nhận xét về hoạt động của các bảo vệ 45