Bài giảng Cung cấp điện - Chương 10: Bảo vệ rơ le và tự động hóa trong hệ thống cung cấp điện - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST)

Le Viet Tien, Ph.D EPSD, SEE, HUST CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Khái niệm chung 2. Các nguyên tắc bảo vệ trong hệ thống CCĐ NỘI DUNG 3. Bảo vệ các thiết bị trong hệ thống CCĐ 4. Tự động hóa trong hệ thống CCĐ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Khái niệm chung • Đặc điểm của hệ thống điện • Trải trên một diện tích rộng • Nhiều thiết bị làm việc ở chế độ khác nhau. • Nhằm phát hiện ra những hỏng hóc, sự cố, duy trì sự làm việc an toàn và tin cậy của hệ thống cần một hệ thống bảo vệ. • Chế độ làm việc của hệ thống: – Chế độ làm việc bình thường – Chế độ làm việc không bình thường – Chế độ sự cố ngắn mạch CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Khái niệm chung • Chế độ làm việc bình thường: Các thông số chế độ và thông số hành vi của các thiết bị nằm trong phạm vi cho phép và các thiết bị có thể làm việc dài trong chế độ này. Các thiết bị bảo vệ không được phép tác động. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Khái niệm chung • Chế độ làm việc không bình thường: một số thông số chế độ và thông của thiết bị hoặc của hệ thống nằm ngoài giới hạn cho phép nhưng vẫn được phép tồn tại trong một khoảng thời gian. Các thiết bị bảo vệ có thể cảnh báo xong không được phép tác động khi thời gian cho phép chưa hết ( ví dụ: quá trình khởi động động cơ). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Khái niệm chung • Chế độ sự cố: là chế độ mà một số thông số chế độ hoặc thông số hành vi đã vượt xa chế độ cho phép ảnh hưởng đến các thiết bị lân cận. Hệ thống không cho phép làm việc trong chế độ này vì vậy cần loại trừ thiết bị hoặc phần bị sự cố của hệ thống ra khỏi lưới càng nhanh càng tốt để hạn chế tối đa tác hại của nó. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Khái niệm chung 1.1. Conceptions • Ngắn mạch và những sự cố bất thường xảy ra trong hệ thống điện: – Ngắn mạch + Gây ra tác động nhiệt + Gây ra tác động cơ – Điều kiện hoạt động khác thường: + Quá tải + Quá điện áp + Dao động công suất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.1. Nhiệm vụ của thiết kế bảo vệ + Nhanh chóng loại trừ phần tử bị sự cố để đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện làm việc an toàn. + Cảnh báo cho nhân viên vận hành về các trạng thái làm việc không bình thường (quá tải, sụt áp, giảm điện trở cách điện ) để kịp thời xử lý; + Kết hợp với các thiết bị tự động hóa để thược hiện thay đổi các phương thức vận hành trong hệ thống CCĐ. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị bảo vệ • Các bảo vệ đều có giới hạn và không thể ngăn chặn được sự cố mà chỉ có thể làm giảm sự ảnh hưởng của sự cố và thời gian tác động. • Hệ thống bảo vệ thường chia đối tượng bảo vệ riêng rẽ (VD., động cơ, cáp, đường dây, thanh cái, máy biến áp hoặc máy phát). •Bảo vệ chính tác động khi sự cố xảy ra và cô lập một phần của hệ thống (do đó có thể trùng một số điểm bảo vệ khác) •Bảo vệ dự phòng được sư dụng khi bảo vệ chính không tác động. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị bảo vệ -Tác động nhanh: Thiết bị cần phải tác động đủ nhanh để sớm thu hẹp phạm vi sự cố, rút ngắn thời gian xảy ra sự cố. -Chọn lọc: phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi lưới và giảm thiểu ảnh hưởng tới các phần tử đang vận hành bình thường khác. -Độ nhạy: khả năng cảm nhận sự cố của thiết bị bảo vệ, (được tính bằng tỉ số giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động đã được cài đặt của nó). Hệ số độ nhạy càng lớn thì rơle càng nhạy (knh=INmin/Ikđ). - Độ tin cậy: là tính năng đảm bảo cho thiết bị làm việc đúng, chắc chắn. Thiết bị bảo vệ phải tác động khi có sự cố xảy ra trong phạm vi bảo vệ của nó và không được tác động khi không có sự cố xảy ra trong phạm vi bảo vệ của nó. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.3. Các phần tử chính trong hệ thống bảo vệ rơ le CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.3. Các phần tử chính trong hệ thống bảo vệ rơ le • Thiết bị biến đổi đầu vào bao gồm biến dòng điện, biến điện áp, cung cấp các đầu vào tương tự cho các rơ le. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.3. Các phần tử chính trong hệ thống bảo vệ rơ le • Rơ le là phần tử chính trong các bộ bảo vệ, thực hiện phân tích và đưa ra các ứng xử để điều khiển các thiết bị đóng cắt hoặc cảnh báo. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.3. Các phần tử chính trong hệ thống bảo vệ rơ le • Cơ cấu chấp hành bao gồm các kênh truyền tính hiệu, thiết bị nhận tín hiệu điều khiển từ rơ le và thao tác đóng cắt mạch điện, hiển thị cảnh báo. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Generality 1.3. Các phần tử chính trong hệ thống bảo vệ rơ le • Nguồn thao tác cung cấp năng lượng cho các thiết bị điều khiển và bảo vệ. Nguồn thao tác cấp điện cho các thiết bị rơ le bảo vệ, thiết bị cảnh báo tín hiệu và các cơ cấu chấp hành đóng cắt mạch điện. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Giới thiệu chung 1.4. Một số cách phân loại bảo vệ Tùy theo đặc điểm của phần tử trong hệ thống bảo vệ rơ le có thể có rất nhiều cách phân loại các bộ bảo vệ rơ le • Theo tham số tác động có rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le công suất, rơ le tổng trở • Theo công nghệ chế tạo có rơ le điện từ, rơ le tĩnh và rơ le số. • Theo chức năng trong sơ đồ bảo vệ có rơ le trung gianm thời gian, tín hiệu . CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện • Nguyên tắc chung - Khi dòng điện chạy qua bảo vệ tăng vượt quá dòng điện khởi động Ikđ, bảo vệ sẽ tác động thay đổi trạng thái tiếp điểm - Khi dòng điện chạy qua bảo vệ thấp hơn dòng điện trở về Itv, tiếp điểm của bảo vệ sẽ trở lại trạng thái ban đầu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện • Nguyên tắc chung - Quan hệ giữa dòng điện khởi động Ikđ và dòng điện trở về Itv được đặc trưng bởi hệ số trở về: - Đối với rơ le điện cơ, Kv ≠ 1. Đối với rơ le tĩnh và rơ le số, Kv = 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện • Nguyên tắc chung (đảm bảo tính chọn lọc) - Để đảm bảo được chọn lọc, Ikđ và Itv của bảo vệ được chọn theo các điều kiện sau: Ilvmax, dòng điện làm việc cho phép lớn nhất của phần tử được bảo vệ. - Sau khi sự cố được loại trừ, một số phụ tải độc lực được cấp điện qua mạch có đặt bảo vệ sẽ khởi động trở lại. Do đó: Kmm: Hệ số có xét đến việc mở máy của các phụ tải động có dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ khi sự cố bị loại trừ, có thể lấy trong khoảng 2-5. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện • Nguyên tắc chung (đảm bảo tính chọn lọc) - Dòng điện trở về Itv: - Dòng khởi động Ikđ phía sơ cấp của biến dòng điện: Kat: Hệ số an toàn (dự trữ) tính đến sai số của bảo vệ, từ 1,1 (đối với rơ le tĩnh) đến 1,2 (đó với rơ le điện cơ) Ksd, hệ số sơ đồ = IR/IBI KBI, tỷ số biến dòng điện của biến dòng điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện • Nguyên tắc chung (đảm bảo độ nhạy) - Dòng điện khởi động của bảo vệ phải thỏa mãn Ikđ: KNmin: Dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất đi qua chỗ đặt bảo vệ Knh: Hệ số nhạy của bảo vệ Một số trường hợp, khó phân biệt bảo vệ quá tải và ngắn mạch, nên để đảm bảo độ nhạy thì phải đặt Ikđ khá thấp, dẫn đến yêu cầu chọn lọc không đảm bảo. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (có thời gian) • Nguyên tắc chung - Đối với lưới điện hởn có một nguồn cấp - Tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng được đảm bảo theo nguyên tắc chọn thời gian tác động: bảo vệ càng gần nguồn thì thời gian tác động càng lớn - Thời gian tác động của bảo vệ: độc lập hoặc phụ thuộc dòng chạy qua bảo vệ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (có thời gian) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (có thời gian) • Nguyên tắc chung - Đối với bảo vệ quá dòng có thời gian độc lập, thời gian tác động không phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (có thời gian) • Nguyên tắc chung - Đối với bảo vệ quá dòng có đặc tính phụ thuộc, thời gian tác động sẽ phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (cắt nhanh) • Nguyên tắc chung - Độ chọn lọc của bảo vệ quá dòng điện cũng có thể được đảm bảo nếu đặt Ikđ sao cho bảo vệ chỉ tác động khi ngắn mạch chỉ xảy ra trong vùng bảo vệ. IN.ng.max, dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất (dòng NM ba pha) Kat, Hệ số an toàn Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh làm việc: tức thời hoặc với một đỗ trễ rất nhỏ (cỡ 0,1 s) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (cắt nhanh) Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh có nhược điểm: + Không bảo vệ được toàn bộ đối tượng (khi ngắn mạch xảy ra ở cuối phần tử bảo vệ không tác động). + LCN thay đổi nhiều khi chế độ làm việc và dạng NM thay đổi. + Không đảm bảo tính chọn lọc trong các lưới phức tạp, có nhiều nguồn cấp. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (chống chạm đất) • Nguyên tắc chung - Khi sự cố NM chạm đất, dòng ngắn mạch có thể thay đổi trong một dải rộng từ vài chục A đến hàng chục kA. Dòng thứ tự không sinh ra do ngắn mạch sẽ được lọc bởi: -Bộ 3 máy biến dòng BI một pha. - Một máy biến dòng thứ tự không (Thường hay dùng cho các đường dây cáp) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ quá dòng điện (chống chạm đất) • Dòng điện đi trong rơ le - Đối với sơ đồ (a): - Đối với sơ đồ (b): - Nếu bỏ qua sai số BI Trong chế độ làm việc bình thường: - Ngắn mạch không chạm đất thì I0 = 0 và rơ le không tác động. -Ngắn mạch chạm đất, I0 ≠ 0, rơ le tác động CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ so lệch dòng điện • Nguyên tắc chung - Là loại bảo vệ cắt nhanh - Biên độ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ được so sánh với nhau. - Nếu sai lệch vượt quá trị số cho trước bảo vệ sẽ tác động CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Các nguyên tắc bảo vệ 2.1. Bảo vệ so lệch dòng điện • Dòng điện so lệch đi qua rơ le - Chế độ làm việc bình thường hoặc ngoài vùng bảo vệ (N1): Không tác động. - Trong vùng bảo vệ (N2): Tác động nếu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.1. Bảo vệ các đường dây phân phối điện • Bảo vệ lưới điện trung áp: - Lưới trung tính nối đất trực tiếp hoặc điện kháng nhỏ: Thiết bị bảo vệ là cầu chì cao áp, máy cắt hợp bộ hoặc máy cắt được điều khiển bởi rơ le quá dòng điện thời gian phụ thuộc, bảo vệ quá dòng điện chống chạm đất, bảo vệ cắt nhanh. - Lưới trung tính cách đất (dòng ngắn mạch một pha rất bé): cần thiết bị cảnh báo (tín hiệu cảnh báo lấy từ BI thứ tự không) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.1. Bảo vệ các đường dây phân phối điện • Bảo vệ lưới điện hạ áp: - Dòng điện tăng cao do: quá tải, ngắn mạch, khởi động các thiết bị động lực. - Các thiết bị bảo vệ: cầu chì, áp tô mát CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.1. Bảo vệ các đường dây phân phối điện • Bảo vệ bằng cầu chì - Chỉ tác động do dòng điện tăng cao do ngắn mạch, không tác động khi các động cơ khởi động. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.1. Bảo vệ các đường dây phân phối điện • Bảo vệ bằng áp tô mát: - Đoạn ab dùng bảo vệ quá tải (rơ le nhiệt). - Đoạn cd dùng bảo vệ ngắn mạch (rơ le điện từ). - Dòng điện khởi động của rơ le điện từ có thể là một dai rộng (20-50) Iđm - Áp tô mát vận hành tin cậy, đa năng, giá cao hơn cầu chì. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.1. Bảo vệ các đường dây phân phối điện • Bảo vệ bằng áp tô mát (phối hợp bảo vệ cùng cầu chì hạ áp): - Tính chọn lọc có thể không đảm bảo khi đặc tính cầu chì cắt đặc tính bảo vệ của áp tô mát (I≤I1 hoặc I2 ≤I ≤I3) - Phải chọn áp tô mát có đặc tính nằm trên đặc tính của cầu chì. - Khi động cơ khởi động, áp tô mát không được tác động. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.2. Bảo vệ máy biến áp lực • Một số loại sự cố chính trong MBA: - Quá tải MBA - Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu - Ngắn mạch giữa các pha hoặc pha với vỏ ở bên trong hoặc tại đầu cực MBA - Chập giữa các vòng dây trên cùng một pha - Tùy theo công suất MBA, vị trí và vai trò trong hệ thống điện để lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.2. Bảo vệ máy biến áp lực • Bảo vệ chống ngắn mạch trong MBA: - Quá tải MBA - Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu - Ngắn mạch giữa các pha hoặc pha với vỏ ở bên trong hoặc tại đầu cực MBA - Chập giữa các vòng dây trên cùng một pha - Tùy theo công suất MBA, vị trí và vai trò trong hệ thống điện để lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.2. Bảo vệ máy biến áp lực • Bảo vệ chống ngắn mạch trong MBA: - Đối với trạm biến áp phân phối, công suất nhỏ: cầu chì cao áp (cầu chì tự rơi hoặc thạch anh dạng ống có lắp kèm cầu dao cách ly) - Đối với máy biến áp trung gian (tùy vai trò), các bảo vệ gồm: - Bảo vệ so lệch có hãm (bảo vệ chính) - Bảo vệ quá dòng có thời gian (dự phòng cho so lệch) - Bảo vệ quá dòng tránh quá tải MBA - Bảo vệ chống chạm đất sử dụng rơ le quá dòng (b) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.2. Bảo vệ máy biến áp lực • Bảo vệ chống chạm chập các vòng dây, thủng thùng dầu: Rơ le hơi (rơ le Buchholz) - Những hư hỏng: quá tải, chạm chập các vòng dây, thủng thùng dầu thường làm cho thùng dầu bốc hơi và chuyển động. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.2. Bảo vệ máy biến áp lực • Bảo vệ chống chạm chập các vòng dây, thủng thùng dầu: Rơ le hơi (rơ le Buchholz) - Đối với MBA có công suất từ 500kVA đến 5MVA, sử dụng rơ le khí cấp 1 tác động. - MBA công suất trên 5MVA sử dụng 2 cấp tác động, cấp 1 báo tín hiệu cảnh báo sự làm việc không bình thường (quá tải, cạn dầu), cấp 2 tác động đi cắt các máy cắt. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.3. Bảo vệ động cơ • Loại sự cố trong động cơ: ngắn mạch giữa các cuộn dây pha, chập các vòng dây hoặc cuộn dây chạm vỏ (đất). Sự cố bê ngoài (thường là ngắn mạch hoặc sụt giảm điện áp, các chế độ không đối xứng) - Bảo vệ quá tải (rơ le nhiệt hoặc bảo vệ quá dòng điện), động cơ hạ áp dùng khởi động từ bảo vệ quá tải, cao áp (công suất lớn) dùng rơ le quá dòng điện thời gian phụ thuốc. Lưu ý thời gian cắt của bảo vệ phải lớn hơn thời gian mở máy - Bảo vệ tránh ngắn mạch dùng cầu chì hoặc áp tô mát có rơ le quá dòng cắt nhanh. Động cơ có công suất nhỏ hơn 200kW sử dụng cầu chì. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Bảo vệ các thiết bị 3.3. Bảo vệ động cơ - Bảo vệ tránh sụt áp, của mạng cung cấp điện cho động cơ dùng rơ le điện áp thấp (cắt động cơ ra khỏi lưới do: yêu cầu công nghệ hoặc cần cắt một số động cơ không quan trọng). - Bảo vệ chống mất đồng bộ, dùng bảo vệ động cơ điện đồng bộ. Các phương pháp phát hiện: động cơ tiêu thụ công suất hoặc có xuất hiện dòng điện dao động trong mạch kích thích. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4. Tự động hóa trong hệ thống CCĐ • Tự động hóa nhằm • Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện • Chất lượng điện năng • Tối ưu hóa việc vận hành các thiết bị điện • Các biện pháp • Tự động đóng lại (TĐL) • Tự động đó nguồn dự trữ (TĐD) • Tự động điều chỉnh điện áp • Tự động sa thải phụ tải theo tần số CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4. Tự động hóa trong hệ thống CCĐ 4.1. Tự động đóng lại (TĐL) • Loại sự cố trong mạng điện áp định mức 35kV , 60-80% là sự cố thoảng qua (sét đánh, gió, cây rơi ) - Thời gian tồn tại sự cố ngắn - TĐL có thể tác động 1 hoặc nhiều lần - Thời gian đóng lại thường lấy bằng 0,2 giây. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4. Tự động hóa trong hệ thống CCĐ 4.1. Tự động đóng lại dự trữ (TĐD) - Thời gian đóng lại thường lấy bằng 0,5 đến 1,5 giây. Nếu chậm hơn thì các phụ tải động sẽ khởi động khó khăn hơn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt