Bài giảng Bảo vệ Rơle & tự động hóa - Chương 5: Bảo vệ đường dây

CHƯƠNG 5: BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY1 Khái niệm chung về bảo vệ đường dây2 Bảo vệ quá dòng cực đại [51] kết hợp với bảo vệ kém áp [27] 2.1 Nguyên tắc hoạt động 2.2 Dòng điện và điện áp khởi động3 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) 3.1 Nguyên tắc hoạt động 3.2 Dòng khởi động 1CHƯƠNG 5: BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY4 Phối hợp bảo vệ quá dòng 2 cấp [50] và [51] 4.1 Nguyên tắc hoạt động 4.2 Phối hợp nhiều cấp5 Bảo vệ thứ tự không6 Bảo vệ thứ tự không trung tính có nối đất 6.1 Nguyên tắc hoạt động 6.2 Chọn dòng khởi động 6.3 Chọn thời gian làm việc7 Bảo vệ thứ tự không trung tính không nối đất 6.1 Yêu cầu của bảo vệ chạm đất 6.2 Nguyên tắc hoạt động 6.3 Chọn dòng khởi động2CHƯƠNG 5: BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY 8. Bảo vệ dòng có hướng: 8.1 Nguyên tắc hoạt động 8.2 Dòng khởi động 8.3 Chọn thời gian làm việc của bảo vệ 8.4 Đấu BU,BI9. Bảo vệ khoảng cách [21] 9.1 Nguyên tắc tác động 9.2 Đặc tính khởi động 9.3 Đặc tính thời gian 9.4 Đấu BU,BI 3CHƯƠNG 5: BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY 10. Bảo vệ so lệch: 10.1 Nguyên tắc hoạt động của bảo vệ so lệch dọc 10.2 Nguyên tắc hoạt động của bảo vệ so lệch ngang 10.3 Đấu BI cho bảo vệ so lệch dọc 10.4 Đấu BI cho bảo vệ so lệch ngang 10.5 Đặc điểm 10.6 Dòng không cân bằng và biện pháp nâng cao độ nhay bảo vệ 10.7 Bảo vệ so lệch ngang có hướng 10.8 Chọn dòng khởi động 4Khái niệm chung về bảo vệ đường dâyBảo vệ quá dòng cực đại [51] 1.1 Nguyên tắc hoạt động 1.2 Thời gian làm việc của bảo vệ 1.3 Dòng khởi động 1.4 Đấu BI51.1 NGUYÊN TẮC TÁC ĐỘNG61.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ71.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆĐể bảo đảm tính chọn lọc, thời gian chậm trễ của các bảo vệ được chọn: tA>tB>tC, bảo vệ càng gần nguồn thì có thời gian làm việc càng lớn hơn.Khi ngắn mạch ở N, dòng điện ngắn mạch IN qua các bảo vệ A, B, C, các bảo vệ đều khởi động, nhưng chỉ bảo vệ ở C tác động cắt [52C] sau tC giây81.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆNếu bảo vệ ở C hỏng hay máy ngắt [52C] hỏng, bảo vệ ở B tác động cắt [52B] sau tB giây, (bảo vệ ở A không được tác động).Chọn t nhỏ nhất để giảm thời gian làm việc của bảo vệ nói chung, nhưng phải đủ lớn để bảo đảm chắc chắn tính chọn lọc của bảo vệ.91.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆt = t52(C) + tss(C) + tss(B) + tdt, với t52(C) là thời gian tác động cắt của máy ngắt [52C], tùy loại máy ngắt; tss(C) và tss(B) là tổng thời gian sai số của bảo vệ C và bảo vệ B; tdt là thời gian dự trữ.101.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆTa có: t = 0,15 + 0,125 + 0,125 + 0,1 = 0,5sThông thường t = 0,35 ~ 0,36 s (tùy rơ le và máy cắt).11Ví dụ: rơ le có tss = 0,125sMáy ngắt có t52 = 0,15sTự chọn tdt = 0,1s1.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆỞ hình vẽ 2, nếu tB’ > tB, thì tA = tB’ + t.Từ đặc tính t=f(I) và đặc tính I=f(l), suy ra đặc tính t=f(l) như hình vẽ 3.121.2 THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆKhi ngắn mạch ở N1 (đầu khu vực bảo vệ B ở hình 4) dòng IN1=IN1max qua bảo vệ B và qua bảo vệ A. Khi ngắn mạch ở N2 (xa hơn N1) thì dòng IN2IlvmaxItv>ImmVì luôn luôn Itvkmm.Ilvmax thì cũng thỏa điều kiện Ikđ>IlvmaxCó thể tính Itv=Kat.kmm.Ilvmax (với hệ số an toàn Kat=1,1~1,2).Ta có:151.3 DÒNG KHỞI ĐỘNG CỦA BẢO VỆ161.3 DÒNG KHỞI ĐỘNG CỦA BẢO VỆĐể tính dòng khởi động của rơ le:Với hệ số an toàn Kat=1,1~1,2.Hệ số sơ đồ Ksđ: tùy loại sơ đồ bảo vệ.Tỷ số biến dòng của dòng điện KI tùy loại biến dòng.Hệ số mở máy Kmm=2~3.Hệ số trở về Ktv=0,8~0,85. 171.3 DÒNG KHỞI ĐỘNG CỦA BẢO VỆ Sau khi tính toán và chọn dòng khởi động Ikđ, ta kiểm tra độ nhạy của bảo vệ: Gọi INmin là dòng ngắn mạch nhỏ nhất ở cuối khu bảo vệ ta có độ nhạy: Knh=INmin/Ikđ. Nếu Knh  1,5 là đạt181.4 ĐẤU BICác BI đặt sau máy ngắt, đấu nối theo sơ đồ hình sao, thông số dòng điện Itải qua BI được đưa vào rơ le.Nếu lưới điện trung tính không nối đất: thường dùng sơ đồ sao thiếu 1920Bảo vệ quá dòng cực đại [51] kết hợp với bảo vệ kém áp [27] 2.1 Nguyên tắc hoạt động 2.2 Dòng điện và điện áp khởi động2. BẢO VỆ QUÁ DÒNG CỰC ĐẠI KẾT HỢP VỚI BẢO VỆ KÉM ÁP21 Mục đích để nâng cao độ nhạy của bảo vệ quá dòng điện cực đại.Khi quá tải dòng điện tăng bảo vệ không tác động.Khi ngắn mạch, dòng điện tăng và điện áp giảm, bảo vệ tác động cắt máy ngắt.2.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG22- Khi ngắn mạch, dòng điện tăng nên [51] tác động, và điện áp giảm nên [27] tác động, mạch VÀ (AND) truyền đến rơ le trung gian [51X] cắt [52].2.2 DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI ĐỘNGa. Dòng điện khởi động.Dòng điện khởi động của các rơ le dòng điện được chọn theo công thức Ikđ=Ilv.Kat/Kv, Với Ilv là dòng điện làm việc bình thường. Hệ số an toàn Kat=1,1~1,2. Hệ số trở về Ktv=0,8~0,85.Thực tế dòng điện làm việc cực đại Ilvmax=(2~1,5).Ilv  độ nhạy của bảo vệ khi ngắn mạch luôn luôn đạt yêu cầu.232.2 DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI ĐỘNGb. Điện áp khởi động.Chọn điện áp khởi động Ukđ sao cho rơ le [27] không khởi động khi điện áp làm việc nhỏ nhất và rơ le trở về ngay sau khi cắt ngắn mạch. với Kat=(1,1~1,2). Từ đó ta có điện áp khởi động:242.2 DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI ĐỘNGĐộ nhạy của rơ le kém điện áp phải kiểm tra theo điện áp ngắn mạch cực đại khi ngắn mạch ở cuối khu vực bảo vệ và phải lớn hơn 1,5.Bộ phận khởi động kém điện áp luôn luôn dùng 3 rơ le kém điện áp và nối vào điện áp dây để bảo đảm làm việc khi ngắn mạch 2 pha (không phụ thuộc số lượng rơ le dòng điện).25 3.1 Nguyên tắc hoạt động 3.2 Dòng khởi động263 BẢO VỆ QUÁ DÒNG CẮT NHANH (50) 3.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNGBảo vệ quá dòng điện cắt nhanh [50] khởi động khi thông số dòng điện đầu vào lớn hơn tham số dòng điện khởi động, và tác động tức thời hoặc sau thời gian rất bé (t=0,3~0,6s).27Dòng điện tải Itải qua BI cho dòng thứ cấp là I.Thông số dòng điện I đưa đến đầu vào [50], nếu I>Ikđ50 thì [50] truyền đến rơ le trung gian [50X] cắt [52].Theo điều kiện chọn lọc: khu vực tác động của bảo vệ cắt nhanh phải giới hạn trong phạm vi cần được bảo vệDòng ngắn mạch: dòng điện ngắn mạch tính tại 1 điểm bất kỳ với: Eht : Sức điện động tương đương của hệ thống. Xht : Điện kháng của hệ thống. Xd : Điện kháng của đường dây tính đến điểm ngắn mạch. 283.2 DOØNG KHÔÛI ÑOÄNGKhi ngắn mạch ở xa: chiều dài l tăng, Xd tăng làm cho dòng ngắn mạch IN giảm (đường cong biểu diễn số 1) dòng ngắn mạch tại M gọi là dòng ngắn mạch ngoài cực đại INngmax. Nếu ta chọn dòng khởi động Ikđ=Kat.INngmax thì bảo vệ cắt nhanh chỉ tác động khi ngắn mạch trong phạm vi cần bảo vệ (Kat=1,2~1,3: là hệ số an toàn, nếu rơ le cảm ứng thì Kat=1,4~1.293.2 DOØNG KHÔÛI ÑOÄNG303.2 DOØNG KHÔÛI ÑOÄNG Thực tế ta chọn INngmax tại điểm N thay vì M. Kết luận: Bảo vệ cắt nhanh bao giờ cũng có khu chết (không được bảo vệ), không thể bảo vệ toàn bộ đường dây. 313.2 DOØNG KHÔÛI ÑOÄNG323.2 DOØNG KHÔÛI ÑOÄNG Khi có nguồn cung cấp từ hai phía, bảo vệ cắt nhanh phải đặt cả hai đầu đường dây. Dòng điện khởi động Ikđ của cả hai bảo vệ phải giống nhau và được tính theo dòng INngmax nào lớn hơn.Khi hệ thống làm việc cực tiểu và ngắn mạch không trầm trọng, có thể có một vùng không được bảo vệ (hình a).Trường hợp hình b khi ngắn mạch ở khoảng giữa cả hai bảo vệ đều tác động.333.2 DOØNG KHÔÛI ÑOÄNG 4.1 Nguyên tắc hoạt động 4.2 Phối hợp nhiều cấp344 PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ DÒNG 2 CẤP(50) VÀ (51) Thông số dòng điện I được đưa vào [50] và [51] cùng một lúc, đầu ra của [50] và [51] truyền đến mạch HOẶC (OR) và truyền đến rơ le trung gian [50X] cắt [52].354.1 Nguyeân taéc taùc ñoäng.Đặc tuyến của bảo vệ: Tùy tham số dòng điện I. - Khi I≤Ikđ51: bảo vệ không tác động. - Khi Ikđ510 bảo vệ mới tác động.527.2 Nguyeân taéc taùc ñoäng Giả sử pha A của đường dây D3 bị chạm đất, từ sự phân bố dòng thứ_tự_không, ta có các kết luận: Dòng điện điện dung thứ tự không đi qua tất cả các đường dây (đường dây hư hỏng và đường dây không hư hỏng).Ở những đường dây không hư hỏng dòng qua biến dòng thứ_tự_không là: 3Iod=3UP..Cd (Cd là điện dung pha của đường dây).537.3 Choïn doøng khôûi ñoängđường dây bị hư hỏng, dòng điện qua biến dòng thứ_tự_không là hiệu số dòng điện điện_dung toàn lưới trừ cho dòng điện điện_dung của đường dây bị hư hỏng:3Io–3Iod1=3UP..(C–Cd1), với:C: là điện_dung pha của toàn lưới.Cd1: là điện_dung pha của đường dây bị hư hỏng.Nếu có cuộn dập hồ quang thì dòng tổng qua bảo vệ thứ_tự_không của đường dây hư hỏng là: I =(Up/XL)–3Up..(C–Cd1).547.3 Choïn doøng khôûi ñoäng557.3 Choïn doøng khôûi ñoängIkđ>3Iod  Ikđ=Kat.Ko.3Up..CdVới hệ số an toàn Kat=1,1~1,2, hệ số kể đến ảnh hưởng của dòng điện quá độ khi mới vừa chạm đất Ko=4~5, nếu bảo vệ làm việc có thời gian thì chọn Ko=2~3, Cd là điện_dung pha của từng đường dây.567.3 Choïn doøng khôûi ñoängĐể bảo đảm độ nhạy thì: Ikđ≤I /Knh với Knh=1,25 nếu bảo vệ đường dây cáp và Knh=1,5 nếu bảo vệ đường dây trên không.Dây nối đất của vỏ cáp phải xuyên qua lõi mạch từ. Nếu không bảo vệ có thể tác động nhầm khi chạm đất ở một đường dây bất kỳ.577.3 Choïn doøng khôûi ñoäng8. Baûo veä dòng coù höôùng 8.1 Nguyeân taéc taùc ñoäng 8.2 Doøng ñieän khôûi ñoäng. 8.3 Thôøi gian laøm vieäc cuûa baûo veä 8.4 Ñaáu noái BU,BI58Nguyên tắc tác động: xem chương 2. Nếu rơ le dòng điện không đảm bảo nhạy ta dùng thêm rơ le kém áp.598.1 Nguyeân taéc taùc ñoängTrong lưới trung tính không nối đất có thể dùng sơ đồ sao thiếu để bảo vệ ngắn mạch giữa các pha. Trong lưới trung tính có nối đất sẽ dùng sơ đồ sao đủ hoặc sao thiếu nếu đã có bảo vệ thứ_tự_không (để bảo vệ ngắn mạch 1 pha). Trong sơ đồ bảo vệ thứ_tự_không thì cuộn dòng của rơ le công suất nối vào bộ lọc dòng điện thứ_tự_không, cuộn áp của rơ le công suất nối vào mạch tam giác hở của biến điện áp.608.1 Nguyeân taéc taùc ñoängChọn dòng điện khởi động phải thỏa tất cả các điều kiện:Bảo vệ phải trở về sau khi đã cắt mạch bị ngắn mạch: Ikđ=(Kat.Kmm.Ilvmax)/Kv.Dòng điện làm việc cực đại Ilvmax tính trong trạng thái vận hành bất lợi lớn nhất có thể có.618.2 Doøng ñieän khôûi ñoängKhi làm việc bình thường bảo vệ không được tác động sai. Nếu cầu chì ở mạch biến điện áp bị đứt thì rơ le làm việc nhầm, vậy phải chọn : Ikđ=(Kat.Ilv)/Kv (không kể đến hư hỏng và chiều).628.2 Doøng ñieän khôûi ñoängGiữa các bảo vệ kế nhau, dòng điện khởi động thứ n Ikđ(n)=k.Ikđ(n-1), thứ tự được tính theo chiều về nguồn cung cấp. Thí dụ ở hình 28, nếu chọn Ikđ4Ikđ4 làm cho bảo vệ 2 không cắt mà bảo vệ 4 cắt mặc dù t2Ikđ2.Chênh lệch giữa các dòng điện khởi động của 2 bảo vệ kế nhau thường chọn khoảng 10%.638.2 Doøng ñieän khôûi ñoängChọn thời gian làm việc của bảo vệ phải lưu ý:Từ điều kiện chọn lọc, thời gian làm việc của bảo vệ có hướng cũng theo nguyên tắc bậc thang, nhưng áp dụng theo cùng một chiều.Chênh lệch giữa các dòng điện khởi động của 2 bảo vệ kế nhau thường chọn khoảng 10%.648.3 Thôøi gian laøm vieäc cuûa baûo veäTrên hình vẽ mô tả đấu nối BI, BU cho mạch có rơ le kém áp [27], xem thêm chương 2. 658.4 Ñaáu noái BU, BI 9. Baûo veä khoảng cách[21] 9.1 Nguyeân taéc taùc ñoäng 9.2 Đặc tính khôûi ñoäng. 9.3 Đặc tính thời gian 9.4 Ñaáu noái BU,BI66Xem thêm chương 2. 679.1 Nguyên tắc tác độngTrên hình 33 mô tả nguyên tắc tác động của mạch điện có 2 phần tử [21] là [211] và [212].689.1 Nguyên tắc tác độngRơ le dòng điện [50] làm bộ phận khởi động, ([50] còn kết hợp với các bộ phận khác làm bảo vệ bậc cuối cùng).Các rơ le thời gian [02] để tạo thời gian khác nhau ứng với những khoảng cách đến điểm ngắn mạch khác nhau: t20, dòng điện đi ra IIIIkcbmax. 9710.6 Caùc ñaëc ñieåm9810.6 Caùc ñaëc ñieåmVới bảo vệ so lệch dọc, thông số dòng điện vào rơ le I=IN/KI, do đó, nếu lưới có nguồn cung cấp ở cả hai phía, độ nhạy của bảo vệ sẽ cao hơn nhiều so với bảo vệ quá dòng.Với bảo vệ so lệch ngang, nếu ngắn mạch ở cuối đường dây, thông số dòng điện vào rơ le IIII nên thông số dòng điện vào rơ le [87] là I=I1–I2>Ikđ, trên hình vẽ I lệch U một góc φA.Ở phía B thì II=III nhưng II ngược chiều nên thông số dòng điện vào rơ le [87] là I=I1+I2=2.IN>Ikđ, trên hình vẽ I lệch U một góc φB.10710.8 Bảo vệ so lệch ngang có hướngb. Nguyên tắc tác động.Khi ngắn mạch ở N2:Ở phía A có dòng I1 và III cùng chiều nhưng IIIkđ, trên hình vẽ I lệch U một góc φA+ .Ở phía B thì II=III nhưng III ngược chiều nên thông số dòng điện vào rơ le [87] là I=I1+I2=2.IN>Ikđ, trên hình vẽ I lệch U một góc φB+ .Ñeán 32, 87IIIIIN2I2I1UIÑeán 32, 87IIIIII2I1UIHình 48: Giaûn ñoà veùc tô khi ngaén maïch N2.ABD2D1522521524523l2l110810.8 Bảo vệ so lệch ngang có hướngKhi ngắn mạch ở N1 hoặc N2, cả 2 bảo vệ ở 2 đầu A và B đều tác động, và nhờ có rơ le công suất [32] nên bảo vệ chọn chỉ cắt đường dây hư hỏng.Đồ thị vectơ dòng điện và điện áp đặt vào rơ le công suất [32] như hình 46, 47, 4810910.8 Bảo vệ so lệch ngang có hướngNgoài vùng chết do I1I2 khi ngắn mạch ở cuối khu vực bảo vệ, còn có vùng chết do điện áp đặt vào rơ le công suất UW0 khi ngắn mạch ở gần điểm nối đất của bảo vệ.11010.9 Chọn dòng khởi động Đối với so lệch ngang:Phải thỏa 2 điều kiện:1. Khi ngắn mạch ngoài, bảo vệ không được tác động: Ikđ>Ikcb  dòng khởi động Ikđ=Kat.Ikcb_ttmax (Ikcb_ttmax là dòng không cân bằng tính toán cực đại), Ikcb phụ thuộc vào:Sai số của biến dòng trong bảo vệ so lệch ngang.Chênh lệch tổng trở các đường dây song song.11110.9 Chọn dòng khởi động Nếu các đường dây có thông số như nhau thì Ikcb_ttmax=Kđn.Kkck.0,1(INngmax/2).(1/KI), với:- Kđn=0,5~1 là hệ số đồng nhấtKKCK=2 là hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ của dòng điện ngắn mạch.0,1 là sai số cực đại cho phép của biến dòng.KI là tỷ số biến dòng.-INngmax/2 là trị số hiệu dụng dòng điện ngắn mạch ngoài cực đại đi qua mỗi một đường dây.11210.9 Chọn dòng khởi động 2. Khi cắt một đường dây ở phía đối diện, bảo vệ so lệch ngang không được cắt nhầm đường dây còn lại. Rơ le khởi động phải trở về sau khi đã cắt ngắn mạch ngoài. Do đó Ikđ>Ilvmax  Ikđ=Kat.Ilvmax/(Kv .KI), với:Kat=1,2 là hệ số an toàn.KI là tỷ số biến dòng.Kv= 0,85 là hệ số trở về.Ilvmax là tổng dòng điện phụ tải cực đại của cả hai đường dây song song.11310.9 Chọn dòng khởi động b.Đối với bảo vệ so lệch dọc:Chọn dòng khởi động chỉ cần theo điều kiện trước, và dòng không cân bằng tính toán cực đại IKCB ttmax IKCB ttmax = Kđn . Kkck . 0,1 INngmax / KITheo nguyên lý làm việc: bảo vệ so lệch không tác động khi có ngắn mạch ngoài, do đó bảo vệ cắt không thời gian nhưng vẫn bảo đảm chọn lọc.11410.10 Độ nhạy của bảo vệ:Knh=IRmin/Ikđ; với IRmin=|(IN1–IN2)|Kiểm tra độ nhạy: Knh  1,5Bài tậpTính toán bảo vệ so lệch dọc cho thanh cái 35kV. Biết dòng ngắn mạch 3 pha ngay phía sau thanh cái là 1,02 kA, dòng ngắn mạch nhỏ nhất bằng 87% dòng ngắn mạch phía thanh cái) dòng điện làm việc cực đại qua thanh cái 258 A, hệ số tin cậy (hệ số an toàn) là 1,25 (Ikcbmax = 51A)Chọn BI 300/5 Cấp chính xác 0,5Dòng khởi động rơle:Chọn dòng khởi động rơle: IkdR= 1,1 ADòng khởi động thực tế của bảo vệ so lệch:Độ nhạy của bảo vệ: