Hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái

CHUYÊN ĐỀ: HỆ THỐNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống bảo vệ thanh cái là một phần quan trọng trong hệ thống bảo vệ của trạm biến áp bởi vì nó quyết định đến việc phân phối điện năng của toàn trạm và là loại bảo vệ có giá thành cao gấp nhiều lần so với các bảo vệ chính khác. Tuy nhiên, việc lựa trọn hệ thống bảo vệ này chưa được quan tâm đúng mức trong quá trình thiết kế đồng thời với việc chưa có qui định rõ ràng của EVN, tài liệu giảng dậy tại trường đại học trình bầy hệ thống bảo vệ cũ, lạc hậu so với thực tế nên nảy sinh nhiều bất hợp lý khi lựa chọn bảo vệ thanh cái. Chuyên đề này sẽ chủ yếu phục vụ phân tích việc lựa chọn loại bảo vệ thanh cái nhằm nâng cao chất lượng trong quá trình thiết kế. Chuyên đề bao gồm 4 phần chính như sau: Phần 1: Giới thiệu chung Phần 2: Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch Phần 3: Bảo vệ trở kháng cao và thấp Phần 4: Giới thiệu một số bảo vệ được sử dụng phổ biến trong thực tế Mặc dù đã dành nhiều thời gian cho chuyên đề nhưng do khả năng của tác giả còn hạn chế nên chuyên đề không tránh khỏi thiếu sót. Kính mong tập thể phòng Thiết kế trạm quan tâm và góp ý để tôi có thể hoàn thiện chuyên đề này. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả: NGUYỄN VIỆT THANH I. GIỚI THIỆU CHUNG: Hệ thống thanh cái là một trong những phần tử quan trọng trong các trạm điện, là nơi nhận điện năng từ nguồn cung cấp đến và phân phối điện năng cho các hộ tiêu thụ. Một số nguyên nhân gây ra sự cố trên thanh góp có thể là: Hư hỏng cách điện do già cỗi vật liệu. Quá điện áp. Máy cắt hư do sự cố ngoài thanh góp. Thao tác nhầm. Sự cố ngẫu nhiên do vật dụng rơi chạm thanh góp. Sự cố xảy ra với thanh góp rất ít, nhưng vì thanh góp là đầu mối liên hệ của nhiều phần tử trong hệ thống nên khi xảy ra ngắn mạch trên thanh góp nếu không được loại trừ một cách nhanh chóng và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng và làm tan rã hệ thống. Hệ thống bảo vệ thanh cái nhằm loại trừ các sự cố xảy ra trên thanh cái. Khi xảy ra ngắn mạch duy trì trong vùng tác động của bảo vệ thanh cái, bảo vệ sẽ gửi tín hiệu đi cắt tới tất cả các máy cắt nối đến thanh cái bị hư hỏng. Bảo vệ thanh góp cần thoả mãn những đòi hỏi rất cao về chọn lọc, khả năng tác động nhanh và độ tin cậy. Để thực hiện bảo vệ thanh cái người ta thường sử dụng các nguyên lý sau đây: So sánh dòng điện có hãm với nguyên lý rơle tổng trở cao hoặc thấp. II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC: Trên hình vẽ trên trình bầy nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện. Dòng điện so lệch chạy qua rơle. ΔI = It1 – It2 Nếu bỏ qua sai số của biến dòng điện thì trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch N1 ngoài ta có: It1 = It2 → ΔI = 0 → rơle không làm việc Trong trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ ta có: It1 ≠ It2 → ΔI ≠ 0 → rơle tác động III. RƠLE SO LỆCH TRỞ KHÁNG CAO VÀ TRỞ KHÁNG THẤP: Rơle so lệch trở kháng cao: Nguyên lý làm việc: Thành phần chính: Điện trở ổn định Rs Điện trở phi tuyến Rnl Rơle quá dòng F50 Nguyên lý: Sơ đồ trên trình bày phương án thực hiện bảo vệ rơle trở cao đối với thanh cái. Để đơn giản, ta xét trường hợp sơ đồ thanh góp chỉ có hai phần tử (1, 2) và máy biến dòng có thông số giống nhau. Rơle được mắc nối tiếp vời một điện trở ổn định Rs, việc mắc nối tiếp một điện trở ổn định Rs sẽ làm tăng tổng trở mạch rơle nên phần lớn dòng không cân bằng (do sự bão hoà không giống nhau giữa các CT khi ngắn mạch ngoài) sẽ chạy trong mạch CT bị bão hòa có tổng trở thấp hơn, nghĩa là Rs có tác dụng phân dòng qua rơle tránh rơle tác động không mong muốn khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. Nếu xem các máy biến dòng hoàn toàn giống nhau thì Rct1 = Rct2, dây dẫn phụ được đặc trưng bởi Rl1 = Rl2, nếu các máy biến dòng không bị bảo hòa thì trị số điện kháng X1, X2 khá lớn nên dòng điện từ hóa có thể bỏ qua, dòng điện ra vào nút cân bằng nhau (định luật 1 Kirchoff) do đó phía thứ cấp CT không có dòng chạy qua rơle, rơle không tác động. Trường hợp tồi tệ nhất là máy biến dòng đặt trên phần tử có sự cố bão hòa hoàn toàn, giả thiết ngắn mạch ngoài ở nhánh 1 làm CT nhánh 1 bị bão hòa hoàn toàn (X1 = 0) nghĩa là biến dòng 1 không có tín hiệu đầu ra, tình trạng này được biểu thị bằng cách nối tắt X1. Máy biến dòng 2 cho tín hiệu đầu ra lớn hơn, không bị bão hòa. Dòng điện ngắn mạch phía thứ cấp ( Inm) phân bố qua các tổng trở nhánh gồm Rct1, Rl1 và nhánh rơle. Điện áp đặt trên rơle: Ur= Inm.(Rct1 + Rl1).RsRs +Rct1 + Rl1) Dòng điện qua rơle: Id= Inm.(Rct1 + Rl1)Rs +Rct1 + Rl1) Nếu Rs có giá trị nhỏ, I sẽ gần bằng Inm điều này là không cho phép. Mặt khác, nếu Rs lớn khi đó I giảm. Phương trình gần đúng như sau: Id= Inm.(Rct1 + Rl1)Rs Ur = Id.Rs = Inm.(Rct1 + Rl1) Muốn tăng độ nhậy của bảo vệ cần chọn CT có điện trở cuộn Rct nhỏ và giảm điện trở của dây dẫn tới rơle. Khi ngắn mạch điện phía sơ cấp chạy vào thanh góp, ở phía thứ cấp tất cả các dòng điện đều chạy vào rơle tạo nên điện áp đặt trên rơle rất lớn, rơle sẽ tác động, nhưng cũng có thể gây quá điện áp trên cực của rơle nếu điện trở ổn định được sử dụng có giá trị lớn. Để chống quá áp cho rơle có thể mắc song song 1 điện trở phi tuyến với rơle. Tính toán chỉnh định rơle: Bảo vệ so lệch trở kháng cao sẽ tác động khi dòng điện so lệch Id > Ikđ và Ur > Ukđ. Để đảm bảo độ tin cậy, chọn lọc và tránh tác động nhầm do sai số của CT ta chọn dòng khởi động lớn hơn tổng dòng điện từ hóa của các CT tại điện áp khởi động. Ikd = m.Ie m: số CT cấp dòng cho BVTC Ie: dòng điện từ hóa Bảo vệ so lệch trở kháng cao thường được tính toán làm việc ổn định trong trường hợp có dòng sự cố trong vùng bảo vệ với nhiều nhất một CT bị bão hòa hoàn toàn. Ukđ = (Ifm/n).(Rct + Rl) Ifm: dòng sự cố max n: tỷ số CT Trong trường hợp dòng điện làm việc lớn hơn dòng khởi động nhưng điện áp đặt trên rơle nhỏ hơn điện áp khởi động, rơle sẽ được khóa lại. Một yếu tố quan trọng nữa trong quá trình tính toán là thông số Vk của CT (điện áp điểm gập trong đường cong từ hóa V/Ie). Để CT không bị bão hòa trước khi điện áp tăng đến ngưỡng tác động dẫn đến CT tạo ra dòng thứ cấp với sai số lớn, người ta thường phải chọn CT với cấp chính xác Class PX với thông số Vk lớn hơn điện áp lớn nhất đặt trên rơle. Vk > 2.Ithứ_cấp_max.(Rct+Rcable+2.Rrelay) Các yêu cầu chính và phạm vi ứng dụng khi sử dụng rơle so lệch trở kháng cao: Khi trang bị rơle so lệch trở kháng cao cần đáp ứng những yêu cầu sau: Các CT phục vụ cho rơle cần giống nhau vệ: Tỷ số, đường cong từ hóa, điện trở của CT. Điện áp điểm gập Vk của CT phải lớn hơn điện áp khởi động rơle. Để tăng độ nhậy của rơle nên sử dụng CT và dây dẫn với điện trở nhỏ tối đa. Rơle so lệch trở kháng cao thường chỉ được sử dụng trong trường hợp vùng được bảo vệ có dòng điện sự cố nhỏ như bảo vệ chạm đất bên trong MBA vì khả năng làm việc của nó nhậy hơn rơle so lệch trở kháng thấp trong trường hợp nêu trên. Rơle so lệch trở kháng thấp: Nguyên lý làm việc: Cấu tạo: Biến dòng trung gian Mạch chỉnh lưu bằng diôt Biến trở R Rơle quá dòng F50 Nguyên lý: Trên hình vẽ dưới đây trình bầy nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện trở kháng thấp dùng cho thanh cái đơn. Dòng điện làm việc Ilv bằng tổng véc tơ của tất cả các dòng điện thứ cấp của n phần tử nối đến thanh cái. Ilv= 1nIti= It1+It2++Itn Dòng điện hãm Ih tỷ lệ với tổng đại số của tất cả các dòng điện thứ cấp của n phần tử nối đến thanh cái. Ih.=Kh.1nIti= Kh.It1+It2++Itn Kh là hệ số hãm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi trị số của điện trở R. Hệ số hãm để nhằm nâng cao độ nhạy và ngăn chặn tác động nhầm do ảnh hưởng sai số của CT khi có ngắn mạch ngoài. Trong trường hợp bình thường và có ngắn mạch ngoài Ilv Ih, rơle so lệch không làm việc gửi tín hiệu đi cắt tới tất cả các máy cắt liên quan đến thanh cái. Bảo vệ so lệch trở kháng thấp kết hợp công nghệ kỹ thuật số: Ngày nay, các loại rơle điện cơ và rơle tĩnh hầu như không còn được sản suất nữa, thay vào đó là những rơle số với những ưu điểm vượt trội như: Giảm kích thước, tăng độ tin cậy, độ chính xác, công suất bé, lưu giữ được thông tin. Nguyên lý làm việc của rơle số. . Mạch đo lường: Thu thập tín hiệu tương tự . Mạch lọc và khuếch đại tín hiệu . Bộ chuyển đổi tương tự - số . Bộ vi xử lý . Mạch tín hiệu: Đầu vào nhị phân và tiếp điểm điều khiển đầu ra Đặc tính so lệch. Đặc tính bảo vệ so lệch sử dụng 1 đường nghiêng giới hạn để nâng cao độ tin cậy, tránh bảo vệ tác động trong các trường hợp không mong muốn như có ngắn mạch ngoài hoặc CT bị bão hòa khi vận hành hệ thống bảo vệ. Đoạn a: Biểu thị giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ, dòng điện này phụ thuộc vào dòng từ hóa của các CT. Đoạn b: Đoạn đặc tích này xét đến chức năng khóa bảo vệ khi xuất hiện hiện tượng bão hòa ở một vài CT. Khi dòng điện so lệch nằm dưới đường nghiêng giới hạn và dòng hãm lớn hơn điểm gập rơle sẽ cảnh báo có CT bị bão hòa. Để tăng thêm độ chính xác khi phát hiện CT bị bão hòa các rơle số còn kết hợp thêm điều kiện dạng tín hiệu dòng điện từ CT truyền đến. Nếu tín hiệu dòng điện bị biến dạng không còn hình sin thì bảo vệ cũng sẽ cảnh báo CT bị bão hòa. Cấu hình hệ thống bảo vệ thanh cái Cấu hình phân phối: Hệ thống bảo vệ thanh cái với cấu hình phân phối bao gồm 2 thành phần chính là các bộ mức ngăn DAU – DATA ACQUISITION UNIT và bộ xử lý trung tâm CU – CENTRAL UNIT. Bộ DAU có chức năng thu thập tín hiệu của từng ngăn, xử lý dữ liệu và cung cấp tín hiệu điều khiển máy cắt. Bộ CU thu thập tất cả thông tin của các ngăn từ các bộ DAU thông qua cáp quang, xử lý thông tin và cung cấp các tín hiệu điều khiển và cảnh báo Ưu điểm của giải pháp này là: . Giảm số lượng dây dẫn đấu nối của hệ thống bảo vệ. . Kết hợp được thêm các chức năng bảo vệ dự phòng như: bảo vệ quá dòng F50/51, bảo vệ chống hư hỏng máy cắt F50BF. Hệ thống thanh cái với cấu hình phân phối thường được sử dụng trong trường hợp thanh cái có nhiều ngăn lộ vì những ưu điểm vận hành linh hoạt, dễ dàng cách ly các ngăn lộ cần bảo dưỡng và sửa chữa. Cấu hình tập trung: Hệ thống bảo vệ thanh cái với cấu hình tập trung sử dụng dây dẫn đưa tín hiệu từ tất cả các ngăn tới bộ trung tâm. Bộ trung tâm sẽ thực hiện tất cả các chức năng thu thập thông tin, xử lý thông tin và cung cấp các tín hiệu điều khiển và cảnh báo Ưu nhược điểm của giải pháp này là: . Thuận tiện khi mở rộng thêm các ngăn lộ . Sử dụng nhiều dây dẫn . Tốc độ xử lý không bằng cấu hình phân phối vì khối trung tâm thực hiện khối lượng tính toán lớn Hệ thống thanh cái với cấu hình tập trung thường được sử dụng trong trường hợp thanh cái có số ngăn lộ vừa phải để giảm số lượng dây dẫn và giá thành thấp hơn so với loại cấu hình phân phối. Tính toán chỉnh định rơle: Hệ thống bảo vệ thanh cái kỹ thuật số bao gồm rất nhiều thông số cần chỉnh định. Do đó, chuyên đề này chỉ đưa ra phương pháp tính toán những thông số chính là dòng điện khởi động Id và hệ số hãm k. Việc lựa trọn dòng Id sẽ thực hiện sao cho rơle làm việc khi phát hiện dòng ngăn mạch trong nhỏ nhất và không làm việc khi dòng tải max. Để đảm bảo độ tin cậy thông thường Id được chọn như sau: Itải_max < Id < 0.8Ingắn_mạch_min Để lựa chọn hệ số hãm k ta cần quan tâm tới một thành phần quan trọng là hệ số tải thực tế Kb của CT. Kb = Ingắn_mạch_max / Ibắt_đầu_bão_hòa_CT Ibắt_đầu_bão_hòa_CT = Idanh_định_thứ_cấp.ALF’ ALF’ = ALF.[(Rct+Rb)/(Rct+Rrơle+Rcáp)] Nếu Kb < 2 thì ta chọn hệ số hãm k = 0,6 Nếu Kb ≥ 2 thì ta chọn hệ số hãm k > Kb4.Kb-1 Đối với hệ thống có 2 thanh cái trở nên người ta thường đặt thêm 1 vùng kiểm tra (check zone) bao trùm toàn bộ hệ thống thanh cái, kết hợp với vùng bảo vệ so lệch của từng thanh cái để tăng thêm độ tin cậy và chọn lọc của hệ thống bảo vệ thanh cái. Các yêu cầu chính và phạm vi ứng dụng khi sử dụng rơle so lệch trở kháng thấp: Ngày nay, người ta thường lựa trọn rơle so lệch trở kháng thấp trong hầu hết các trường hợp vì những ưu điểm vượt trội so với rơle so lệch trở kháng cao như: . Không yêu cầu cao về CT: Tỷ số, đường cong từ hóa, điện trở của CT, Vk phải giống nhau. . Tích hợp được nhiều chức năng đi kèm: Giám sát CT, 50BF, 50/51, ghi sự cố . Giảm số lượng dây dẫn đấu nối . Thuận tiện khi mở rộng các ngăn lộ Tuy nhiên cùng với nhiều ưu điểm thì giá thành của rơle so lệch trở kháng thấp cũng cao. Việc lựa chọn loại bảo vệ so lệch trở kháng thấp hay cao phụ thuộc vào bài toán cân bằng giữa kinh tế và kỹ thuật. IV. MỘT SỐ LOẠI BẢO VỆ THANH CÁI ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG PHỐ BIẾN TẠI VIỆT NAM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG: Hãng Siemens: 7VH60 (Siemens) Đặc điểm: Trở kháng cao Làm việc ổn định Thời gian tác động 15ms Dải chỉnh định 6÷60V hoặc 24÷240V Ứng dụng: Thanh cái ít xuất tuyến Dòng ngắn mạch nhỏ 7SS60 (Siemens) Đặc điểm: Trở kháng thấp Cấu hình tập trung Thời gian tác động 10ms Dải chỉnh định 0,2÷2,5In Phù hợp với mọi cấp điện áp Có check zone Yêu cầu về CT thấp Ứng dụng: Tối ưu với sơ đồ thanh cái đơn,1½ máy cắt Phù hợp với sơ đồ hai thanh cái có hoặc không phân đoạn Không giới hạn ngăn xuất tuyến 7SS52 (Siemens) Đặc điểm: Trở kháng thấp Cấu hình phân phối Thời gian tác động 15ms Giải chỉnh định 0,2÷4In Có 50BF, 50/51, 50/51N Có check zone Yêu cầu về CT thấp Ứng dụng: Phù hợp với sơ đồ một, hai, 3 thanh cái có hoặc không phân đoạn và mạch vòng Phù hợp với sơ đồ tứ giác không mạch vòng Tối đa 48 ngăn xuất tuyến Tối đa 24 dao cách ly phân đoạn Tối đa 16 phân đoạn Tối đa 12 thanh cái Hãng Areva: P740 (Micom) Đặc điểm: Trở kháng thấp Cấu hình phân phối Thời gian tác động 15ms Dải chỉnh định 0,05÷4In Có 50BF, 50/51, 50/51N Có check zone Yêu cầu về CT thấp Ứng dụng: Phù hợp với sơ đồ một, hai, 3 thanh cái có hoặc không phân đoạn và mạch vòng Phù hợp với sơ đồ tứ giác không mạch vòng Tối đa 24 ngăn Tối đa 8 thanh cái Hãng ABB: RED521 (ABB) Đặc điểm: Trở kháng thấp Cấu hình tập trung Thời gian tác động 10ms Dải chỉnh định 1÷10000A Yêu cầu về CT thấp Ứng dụng: Phù hợp với sơ đồ một thanh cái, tối đa 6 ngăn-3 pha hoặc 18 ngăn-1 pha Phù hợp với sơ đồ hai thanh cái có phân đoạn, tối đa 5 ngăn-3 pha hoặc 8 ngăn-1 pha mỗi thanh cái Phù hợp với sơ đồ 1½ máy cắt, tối đa 6 module-3 pha hoặc 9 module-1 pha REB670 (ABB) Đặc điểm: Trở kháng thấp Cấu hình tập trung Thời gian tác động 12ms Dải chỉnh định 1÷10000A Có 50BF, 50/51, 50/51N Có check zone Yêu cầu về CT thấp Ứng dụng: Phù hợp với sơ đồ 1 thanh cái, 2 thanh cái có phân đoạn/đường vong, 1½ máy cắt, tứ giác. Bao gồm 2 vùng bảo vệ, tối đa 8 ngăn-3 pha hoặc 24 ngăn-1 pha cho mỗi vùng Hãng SEL: SEL487B Đặc điểm: Trở kháng thấp Cấu hình tập trung Thời gian tác động 8ms Giải chỉnh định 0,1÷4In Có 50BF, 50/51, 50/51N Có check zone Yêu cầu về CT thấp Ứng dụng: Phù hợp với sơ đồ 1 thanh cái, 2 thanh cái có phân đoạn/đường vong, 1½ máy cắt. 1 bộ có 2 vùng bảo vệ, tối đa 6 ngăn-3 pha 2 bộ kết hợp có 3 vùng bảo vệ, tối đa 9 ngăn-3 pha 3 bộ kết hợp có 6 vùng bảo vệ, tối đa 18 ngăn-3 pha