Giáo trình Bảo vệ rơ le và tự động hóa: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH

GIÁO TRÌNH

BẢO VỆ RƠ LE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

QUẢNG NINH - 2021


LỜI NĨI ĐẦU
Giáo trình “Bảo vệ rơ le và tự động hóa” được biên soạn với mục đích làm
tài liệu học tập cho sinh viên Đại học chuyên ngành Công nghệ kĩ thuật điện và cũng
có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ tự động hóa,
Cơng nghệ cơ điện mỏ của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, phục vụ cho
sự nghiệp đào tạo sau quá trình chỉnh biên chương trình của nhà trường.
Giáo trình cịn có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ giảng dạy, cán bộ
kỹ thuật, kỹ thuật viên hiện đang công tác trong ngành công nghệ kĩ thuật điện.
Ngày nay, do công nghiệp ngày càng mở rộng và phát triển, các phụ tải điện
ngày càng được đưa vào sử dụng nhiều. Vì vậy, khơng những đảm bảo cho các phụ
tải làm việc liên tục mà còn phải bảo vệ chúng làm việc an toàn, giảm thiểu và tránh
các các sự cố trong quá trình làm việc là cẩn thiết
Để đáp ứng u cầu đó, giáo trình đã giới thiệu một cách có hệ thống các kiến
thức cơ bản, thể hiện tương đối đầy đủ các nội dung, phục vụ cho việc học tập và
nghiên cứu của sinh viên, có khả năng phân tích, tính tốn, lựa chọn các thiết bị bảo
vệ cho hệ thống cung cấp điện.
Giáo trình gồm 2 phần được chia thành 8 chương và 4 bải tập thực hành:
Phần 1. Lý thuyết
Chương 1. Đại cương về bảo vệ rơle

Chương 2. Bảo vệ quá dòng điện
Chương 3. Bảo vệ dòng điện so lệch
Chương 4. Các hình thức bảo vệ khác
Chương 5. Tự động điều chỉnh tần số
Chương 6. Tự động điều chỉnh điện áp
Chương 7. Tự động đóng nguồn dự trữ
Chương 8. Tự động đóng trở lại nguồn điện
Phần 2. Thực hành
Bài 1: Thực hành rơle bảo vệ quá dòng cực đại
Bài 2: Thực hành rơle bảo vệ quá dòng cắt nhanh
Bài 3: Thực hành rơle bảo vệ thấp áp quá áp 1 pha

3


Bài 4: Thực hành rơle bảo vệ thấp áp quá áp 3 pha
Giáo trình do tập thể tác giả: Tiến sĩ Bùi Trung Kiên (chủ biên) và Thạc sĩ
Đoàn Thị Bích Thủy, Bộ mơn Điện khí hố - Trường Đại học Công nghiệp Quảng
Ninh biên soạn.
Tập thể tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Điện,
các giảng viên bộ mơn Điện khí hóa - Trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh
cùng các phịng ban nghiệp vụ, các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ động viên, góp
ý để hồn thành tốt giáo trình này.
Trong q trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng bám sát chương trình mơn
học đã được phê duyệt của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, kết hợp với
kinh nghiệm giảng dạy môn học trong nhiều năm, đồng thời có chú ý đến đặc thù đào
tạo các ngành của trường.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, truy nhiên sai sót trong cuốn giáo trình này là
khó tránh khỏi. Nhóm tác giả mong nhận được bạn đọc đóng góp ý kiến xây dựng để
cuốn giáo trình được hồn thiện hơn trong những lần chỉnh biên sau này. Những ý

kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ mơn Điện khí hố Trường Đại học Cơng nghiệp
Quảng Ninh.
Xin chân thành cảm ơn!
Quảng Ninh, tháng 04 năm 2021
Tác giả.

4


PHẦN 1. LÝ THUYẾT
Chương 1
ĐẠI CƯƠNG VỀ BẢO VỆ RƠLE
1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Sự cố trong hệ thống điện
Trong bất cứ một hệ thống điện nào cũng luôn tồn tại một mối đe doạ đưa hệ thống
đến chế độ làm việc khơng bình thường. Những hỏng hóc dẫn đến sự ngừng làm việc của
các phần tử hệ thống điện gọi là sự cố. Trong các sự cố, sự cố ngắn mạch thường xảy ra
nhiều nhất, các sự cố này kèm theo hiện tượng quá dòng, áp giảm trong mạng điện và tần
số lệch khỏi giá trị cho phép. Các phần tử hệ thống điện khi có dịng ngắn mạch chạy qua
có thể bị phá huỷ do đốt nóng quá mức, bị hỏng cách điện do nhiệt lượng lớn của dòng
điện, hồ quang. Một số dạng sự cố thường xảy ra ở các phần tử mạng điện được thể hiện
trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc khơng bình của các phần tử
hệ thống điện
STT

Các dạng hư hỏng

Máy phát

Biến áp

Đường dây

1

Ngắn mạch một pha

+

+

+

2

Ngắn mạch giữa các vòng dây

+

+

3

Ngắn mạch chạm masse (vỏ hoặc đất)

+

+

+

4

Ngắn mạch cuộn kích từ

+

5

Q tải đối xứng

+

+

+

6

Q tải khơng đối xứng

+

+

+

7

Q áp trên cực máy phát

+

8

Chế độ không đồng bộ

+

9

Mức dầu thấp

10

Đứt dây

+
+

+

+

Các sự cố trong hệ thống điện có thể dẫn đến sự mất ổn định của các nhà máy điện,
làm tan rã hệ thống dẫn đến sự đình trệ cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ gây thiệt hại lớn
cho nền kinh tế quốc dân... hiện tượng tần số hoặc điện áp giảm có thể làm cho các động
cơ ngừng làm việc vì mơmen quay của chúng nhỏ hơn mơmen cản.
Để duy trì được sự làm việc bình thường của hệ thống điện cách tốt nhất nhanh

5


chóng loại các phần tử bị sự cố khỏi hệ thống, nhiệm vụ này chỉ có thể được thực hiện bởi
các thiết bị tự động bảo vệ, gọi là rơle.
1.1.2. Khái niệm về bảo vệ rơle
Rơle là một loại thiết bị điện mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu
đầu vào đạt những giá trị xác định.
Quan hệ đại lượng vào và ra của rơ le như hình 1.1. Khi X biến thiên từ 0 đến
X1 thì Y=Y1, (rơ le chưa tác động) đến khi X=X2 thì Y khơng đổi Y=Y2 (rơ le tác
động). Khi giảm từ X2 đến X= X1 thì Y giảm về Y=Y1 (rơ le trở về trạng thái ban
đầu).
Nếu gọi:
+ X=X2=Xkđ là giá trị khởi động của rơle; giá trị khởi động là giá trị mà tại
đó xuất hiện sự chuyển đổi trng thỏi ca rle.

+ X= X1= Xtv - là giá trÞ trở về của rơle.
Hệ số trở về
k xk 

X1 X tv

X 2 X td

(1.1)

1.1.3. Nhiệm vụ của bảo vệ rơle
Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơle là:
- Phát hiện kịp thời sự cố

Hình 1.1. Đặc tính vào ra của rơ le

- Nhanh chóng tác động cắt các phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống
- Tác động đến các cơ cấu như: Tự động đóng lặp lại, tự động đóng dự phịng... để
duy trì chế độ làm việc bình thường của phần tử hệ thống điện cịn lại.
1.1.4. Một số ký hiệu thường dùng trong sơ đồ bảo vệ rơle
Bảng 1.2. Ký hiệu một số loại rơle thơng dụng
STT

Tên rơle

Ký hiệu VN

1

Rơle dịng

RI hoặc I

PT

2

Rơle điện áp

RU hoặc U

PH

3

Rơle tổng trở

RZ hoặc Z

PC

4

Rơle trung gian

RG

P

6

Ký hiệu của Nga


5

Rơle tín hiệu

TH hoặc Th

PY

6

Rơle thời gian

Rt hoặc Tg

PB

7

Rơle cơng suất

RW hoặc W

PM

8

Rơle nhiệt

RN hoặc R

9

Rơle hơi

RH

P

Bảng 1.3. Kí hiệu của các thiết bị dùng trong các sơ đồ bảo vệ rơle theo uỷ ban kỹ

thuật điện quốc tế
STT

Tên thiết bị

Ký hiệu

1

Rơle thời gian

t

2

Rơle khoá liên động hoặc kiểm tra

KT

3

Rơle tổng trở

Z<

4

Rơle điện áp cực tiểu

U<

5

Rơle tín hiệu

Th

6

Rơle thiếu dịng điện

I<

7

Rơle dòng điện thứ tự nghịch

I2

8

Rơle thiếu áp thứ tự thuận

9

Rơle nhiệt

o

10

Rơle dòng điện cắt nhanh

I>>

11

Bảo vệ so lệch cắt nhanh

I>>

12

Rơle dịng có thời gian

13

Máy cắt

MC

14

Tiếp điểm phụ thường mở của máy cắt

MCa

15

Tiếp điểm phụ thường đóng của máy cắt

MCb

16

Rơle cos

cos

17

Rơle quá điện áp

18

Rơle lệch pha



19

Rơle tần số

F

20

Rơle khoá

K

21

Rơle bảo vệ so lệch

U1<

I>

U>

SL hoặc I

7


22

Rơle cắt

RC

1.2. Các phép Logic dùng trong bảo vệ Rơle
Với việc áp dụng các phép lơgíc có thể đơn giản hoá các sơ đồ bảo vệ rơle và thể
hiện sự làm việc của sơ đồ bảo vệ một cách rõ ràng, do đó có thể thiết lập sơ đồ bảo vệ
chính xác và hồn chỉnh. Trạng thái tiếp điểm đóng trong các sơ đồ của rơle được mô tả
bằng số 1, cịn tiếp điểm mở thì bằng số 0. Các phép lơgíc và sơ đồ tiếp điểm tương ứng
được thể hiện trên hình 1.2.
1.2.1. Phép "HOẶC" (OR)
Phép logic cộng (X=AVB), ký hiệu V đọc là "hoặc" (hay). Phép tính này biểu thị

tín hiệu X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu ở cửa vào có tín hiệu A hoặc tín hiệu B. Điều đó tương
ứng với mạch nối song song của các tiếp điểm.
1.2.2. Phép logic "VÀ" (&)
Phép logic nhân (X=A  B), ký hiệu  đọc là "và". Phép tính này biểu thị tín hiệu
X sẽ xuất hiện ở cửa ra nếu cửa vào có tín hiệu A và tín hiệu B. Điều đó tương ứng với
mạch nối tiếp của các tiếp điểm.
1.2.3. Phép " KHÔNG" (NO)
_

Phép logic âm hay phủ định X  A (X=NA). Phép tính này biểu thị tín hiệu X sẽ
xuất hiện ở cửa ra nếu ở cửa vào khơng có tín hiệu A và ngược lại. Điều đó tương ứng với
mạch có các tiếp điểm đóng khi khơng có tín hiệu A và mở khi có nó.
1.2.4. Phép lơgíc "KHỐ" (BLOCKING)
_

Phép logic khóa X  A  B biểu thị rằng tín hiệu X sẽ xuất hiện khi ở cửa vào có
tín hiệu A và khơng có tín hiệu B. Phép logic này tương đương với phần tử "nhớ".
1.2.5. Phép "TRỄ" (TIME DELAY)
Đối với phép lơgíc "trễ", nếu sau khi truyền tín hiệu A tại đầu vào, tín hiệu X đầu
ra sẽ xuất hiện với sự chậm trễ k giây thì tín hiệu X có thể viết: X= DKA, trong đó: D- tốn
tử trễ; k- số đơn vị làm chậm (s, ms, s).
Ví dụ về phép trễ được thực hiện trên hình 1.2. Ở hình 1.2a tín hiệu X sẽ xuất hiện
chậm 1 đơn vị thời gian so với tín hiệu A; cịn ở hình 1.2b tín hiệu X chậm hơn 4 đơn vị
thời gian. Thời gian trễ được thực hiện bởi rơle thời gian có sự điều chỉnh theo từng nấc
hoặc bởi bản thân rơle tác động với một độ chậm trễ riêng k nhất định nào đó X= DKA.

8


Trong quá trình xây dựng các sơ đồ bảo vệ rơle người ta thường kết hợp nhiều dạng

sơ đồ logic khác nhau để có thể thực hiện nhiệm vụ bảo vệ một cách hiệu quả và tin cậy
nhất. Các phép lơgíc thường được kết hợp với nhau qua sơ đồ khối, biểu thị sự liên hệ và
chức năng của các phần tử lơgíc tham gia trong sơ đồ. Trên cơ sở phân tích sơ đồ lơgíc có
thể chọn các sơ đồ bảo vệ rơle hợp lý, tiết kiệm thiết bị và mang lại hiệu quả cao nhất.

Hình 1.2. Biểu diễn các phép logic ứng dụng trong bảo vệ rơle

Hình 1.3. Ví dụ về sự xuất hiện chậm của tín hiệu
9


a) Với k=1; b) Với k=4
1.3. Các yêu cầu cơ bản đối với bảo vệ rơle
Yêu cầu đối với bảo vệ rơle phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với cùng một sự cố trong
các bảo vệ khác nhau bảo vệ rơle sẽ tác động khác nhau. Chẳng hạn khi có ngắn mạch
chạm đất ở mạng điện trung tính nối đất, bảo vệ rơle sẽ tác động ngay, nhưng ở mạng điện
có trung tính cách ly, bảo vệ rơle sẽ chỉ đưa tín hiệu mà khơng cắt ngay phần tử bị sự cố.
Như vậy tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có các yêu cầu khác nhau đối với bảo vệ rơle.
Phân biệt hai dạng yêu cầu đối với bảo vệ rơle là yêu cầu bảo vệ sự cố ngắn mạch và u
cầu bảo vệ khỏi chế độ khơng bình thường của hệ thống.
1.3.1. Yêu cầu bảo vệ khỏi sự cố ngắn mạch
1.3.1.1. Tác động nhanh
Sự cố cần được loại trừ càng nhanh càng tốt để hạn chế mức độ tối đa thiệt hại, giữ
sự ổn định cho các máy phát làm việc song song trong hệ thống điện. Thời gian cắt sự cố
bao gồm thời gian tác động của bảo vệ (tbv) và thời gian cắt của máy cắt (tMC). Như vậy
yêu cầu tác động nhanh không chỉ phụ thuộc vào thời gian tác động của bảo vệ mà cả thời
gian cắt của máy cắt. Thời gian tác động của bảo vệ rơle hiện đại khoảng 0,02 đến 0,04
giây.

Hình 1.4. Sơ đồ phân bố các vùng tác động của bảo vệ rơle

1.3.1.2. Tính chọn lọc
Tính chọn lọc là khả năng chỉ cắt phần tử bị sự cố và giữ nguyên vẹn cung cấp điện
cho các phần tử khác. Yêu cầu tác động chọn lọc có ý nghĩa quan trọng với việc bảo tồn
cung cấp điện cho các hộ dùng điện.
Ví dụ: Khi có ngắn mạch tại điểm N (hình 1.4), dòng ngắn mạch IN chạy qua cả 3
bảo vệ 1, 2 và 3; cả 3 máy cắt đều có thể tác động, nhưng tính chọn lọc của bảo vệ chỉ cho

10


phép bảo vệ 1 tác động, do đó các hộ tiêu thụ ở 1' sẽ không mất điện. Tuy nhiên trong
trường hợp máy cắt 1 từ chối tác động thì máy cắt 2 sẽ hoạt động cắt mạch, như vậy bảo
vệ 2 làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ 1.
Trong nhiều trường hợp yêu cầu tác động nhanh và yêu cầu chọn lọc mâu thuẫn
nhau, để đảm bảo được tính chọn lọc cần phải có sự tác động chậm trễ của bảo vệ rơle.
Ví dụ: Bảo vệ 2 phải có độ trễ so với bảo vệ 1 (hình 1.4)
Trong thực tế để dung hoà mâu thuẫn giữa hai yêu cầu người ta áp dụng cơ cấu tự
động đóng lặp lại. Đầu tiên bảo vệ rơle cắt nhanh không chọn lọc phần tử có sự cố, sau đó
thiết bị đóng lặp lại sẽ đóng trở lại tất cả các phần tử vừa bị cắt ra, những phần tử bị sự cố
sẽ bị khố và khơng cho đóng lặp lại.
1.3.1.3. Độ nhạy
Độ nhạy là khả năng cắt sự cố với dòng điện nhỏ nhất trong vùng bảo vệ. Độ nhạy
là yêu cầu cần thiết của bảo vệ rơle để phản ứng vớ các chế độ làm việc khơng bình thường
của hệ thống điện dù là nhỏ nhất. Để xác định độ nhạy của bảo vệ rơle trước hết cần thiết
lập vùng bảo vệ của nó.
Ví dụ: Ở hình 1.4 bảo vệ 3 cần phải cắt sự cố trong vùng bảo vệ của mình là trạm
biến áp và cắt sự cố ở vùng dự phịng, tức là khi có ngắn mạch trên đường dây mà bảo vệ
2 từ chối tác động. Độ nhạy được đánh giá bởi hệ số nhạy.
kn 

I nm.min
k kd

(1.2)

Trong đó:
Inmmin - dịng ngắn mạch nhỏ nhất ở cuối vùng bảo vệ;
Ikd - dòng khởi động của rơle.
Độ nhạy được coi là đạt yêu cầu nếu:
+ kn  1,52- đối với rơle bảo vệ dòng cực đại.
+ kn  2- đối với rơle bảo vệ so lệch dọc máy biến áp, máy phát, đường dây truyền
tải và thanh cái; kn 1,21,3 đối với vùng bảo vệ dự phòng.
+ kn  1,5- đối với rơle bảo vệ so lệch dọc máy biến áp khi ngắn mạch xảy ra sau
cuộn kháng đặt ở phía hạ áp máy biến áp trong vùng bảo vệ.
1.3.1.4. Độ tin cậy

11


Độ tin cậy là khả năng bảo vệ làm việc chắc chắn trong mọi điều kiện đối với
bất kỳ một sự cố nào trong vùng bảo vệ, đồng thời không tác động đối với chế độ mà
nó khơng có nhiệm vụ bảo vệ.
Ví dụ: Ở hình 1.4 nếu bảo vệ 1 từ chối tác động thì bảo vệ 2 sẽ tác động, lúc đó
dẫn đến mất điện và gây thiệt hại cho phụ tải ở lộ 1'.
Bởi vậy nếu bảo vệ kém tin cậy thì bản thân nó sẽ là nguồn gây thiệt hại. Để
nâng cao độ tin cậy cần lựa chọn sơ đồ bảo vệ đơn giản, sử dụng các thiết bị có chất
lượng cao, lắp ráp sơ đồ chính xác, chắc chắn đồng thời phải thường xuyên kiểm tra
tình trạng của sơ đồ và các thiết bị.
1.3.1.5. Tính kinh tế
Các bảo vệ rơle cần phải thoả mãn các u cầu kỹ thuật đồng thời phải được tính

tốn sao cho hợp lý về mặt kinh tế. Đối với những thiết bị cao áp, siêu cao áp chi phí
cho trang thiết bị lắp đặt bảo vệ rơle chỉ chiếm một phần nhỏ trong tồn bộ chi phí của
cơng trình, do đại đa số các thiết bị mạng điện cao áp đều rất đắt, vì vậy hệ thống bảo
vệ rơle chỉ cần phải quan tâm sao cho đảm bảo các yêu cầu cao về mặt kỹ thuật. Trong
khi đó ở lưới điện trung áp và hạ áp số lượng các phần tử được bảo vệ rất lớn, mức độ
yêu cầu bảo vệ khơng cao do đó cần phải tính đến kinh tế khi lựa chọn sơ đồ và trang
thiết bị bảo vệ rơle sao cho vừa đảm bảo kỹ thuật, vừa có chi phí thấp đến mức có thể.
1.3.1.6. Nhận xét chung
Những yêu cầu trên có thể mâu thuẫn lẫn nhau, ví dụ bảo vệ có tính chọn lọc và
độ nhạy cao cần sử dụng loại nguyên lý và thiết bị phức tạp, đắt tiền do đó khó thoả
mãn được độ tin cậy. Còn nếu tăng yêu cầu về kỹ thuật thì giá thành sẽ tăng. Do đó cần
dung hồ các yêu cầu ở mức độ tốt nhất trong việc tính toán, lựa chọn sơ đồ và thiết bị
bảo vệ rơle.
1.3.2. u cầu đối với chế độ làm việc khơng bình thường
Đối với chế độ làm việc khơng bình thường như chế độ quá tải, dao động điện
áp trong hệ thống thì u cầu tác động nhanh khơng được đặt ra vì thơng thường các
chế độ này chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn.
Ví dụ: Khi khởi động động cơ cơng suất lớn có thể làm dao động điện áp, trường
hợp này nếu cắt nhanh sẽ làm cho phụ tải bị gián đoạn cung cấp điện.

12


Thông thường rơle sẽ tác động với một thời gian trễ nhất định.
1.4. Sơ đồ nối các máy biến dòng (BI) và rơle
1.4.1. Sơ đồ các BI và rơle nối theo hình Y hồn tồn
Khi đấu theo sơ đồ hình sao đủ các cuộn thứ cấp của BI được lắp đặt trên tất
cả các pha và được nối với nhau theo sơ đồ hình sao, tương tự các rơle cũng được nối
với nhau theo sơ đồ hình sao, các điểm zero được nối lại với nhau bằng dây trung
tính. Sơ đồ nối dây và sự phân bố dòng điện được thể hiện trên Hình 1.5.

Các giá trị dịng điện qua rơ le RI1, RI2, RI3 lần lượt tương ứng sẽ là:
.

.

.

I
I .
I .
Ia  A ; Ib  B ;Ic  C
kI
kI
kI
.

.

.

(1.3)

.

Dịng điện trong dây trung tính: I a  I b  I c  0 đây cũng là đặc điểm của chế
độ làm việc đối xứng.
Trong trường hợp ngắn mạch hai pha, dòng chỉ xuất hiện ở rơle lắp trên các pha
sự cố, có giá trị bằng nhau và hướng ngược chiều nhau nên dòng tổng sẽ bằng không.
Trong thực tế do sự sai lệch giữa các đặc tính của máy biến dịng, tổng dịng thứ
cấp thường khác khơng, khi đó trong dây trung tính sẽ xuất hiện dịng khơng cân bằng

có giá trị dao động trong khoảng 0,010,02A. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch dòng từ hố
sẽ tăng lên dẫn đến dịng cân bằng cũng tăng theo.
Dây trung tính trong sơ đồ hình sao đủ là bộ lọc thứ tự khơng, cịn các thành
phần thứ tự thuận và nghịch có tổng véc tơ bằng khơng nên khơng chạy qua dây trung
tính, cịn ở chế độ hơng đối xứng thì dịng điện chạy trên dây trung tính sẽ bằng ba lần
dịng điện thứ tự khơng:
.

.

.

.

I a  I b  Ic  3 I0

(1.4)

Với sơ đồ nối dây kiểu này, vì rơle được lắp đặt trên tất cả các pha lên sẽ ghi
nhận tất cả các dạng ngắn mạch, dịng điện qua rơle chính là dịng điện trên các pha,
do đó hệ số sơ đồ ksđ= 1.
Sơ đồ nối dây các máy biến dịng theo hình sao đủ được ứng dụng rộng rãi
trong mạng có điểm trung tính nối đất thường xảy ra các dạng ngắn mạch (một pha,
hai pha và ba pha).

13


Nhược điểm: Sơ đồ được đấu theo kiểu này có nhược điểm là chi phí cao do
phải dùng tới 3BI và 3 rơle.

Hình 1.5. Sơ đồ sao hồn tồn

Hình 1.6. Sơ đồ sao thiếu

1.4.2. Sơ đồ các BI và rơle nối theo hình sao thiếu (hình 1.6)
Dịng vào mỗi rơle bằng dòng pha. Dòng trong dây trở về bằng:
.

.

.

.

(1.5)

I v  I b  (I a  Ic ) (khi khơng có dịng Io)

Dây trở về (hình 1.5) cần thiết để đảm bảo cho BI làm việc bình thường. Trong
một số trường hợp ngắn mạch giữa các pha (có Ib ≠ 0) cũng như khi ngắn mạch nhiều
pha chạm đất, dây trở về cần thiết để đảm bảo cho bảo vệ tác động đúng. Khi ngắn
mạch 1 pha ở pha không đặt BI sơ đồ không làm việc do vậy sơ đồ chỉ dùng chống
ngắn mạch nhiều pha.
1.4.3. Sơ đồ 1 rơle nối vào hiệu dòng 2 pha
Dòng vào rơle là hiệu dịng
IA

2 pha (hình 1.7)
.

.

IB

.

IR  Ia  Ic

(1.6)

R I1

Trong tình trạng đối xứng

I

.

IC

R

.

thì IR  3 Ia . Giống như sơ đồ
sao khuyết, sơ đồ số 8 không làm
việc khi ngắn mạch một pha N

BI

Ia

Ic

(1)

đúng vào pha không đặt máy biến
dịng. Tất cả các sơ đồ nói trên đều

Hình 1.7. Sơ đồ hiệu hai dịng

phản ứng với N(3) và ngắn mạch
giữa 2 pha bất kỳ (AB, BC, CA). Vì vậy để so sánh tương đối giữa chúng người ta

14


phải xét đến khả năng làm việc của bảo vệ trong một số trường hợp hư hỏng đặc biệt,
hệ số độ nhạy, số lượng thiết bị cần thiết và mức độ phức tạp khi thực hiện sơ đồ.
1.4.4. Sơ đồ nối máy biến dịng theo hình tam giác và rơle- hình sao

Hình 1.8. Sơ đồ nối máy biến dịng theo hình tam giác và rơle nối hình sao
.

.

Theo sơ đồ này dịng điện đi vào trong các rơle có giá trị I R  3 If do đó hệ
số sơ đồ k sd  3 . Khi có ngắn mạch hai pha dòng điện đi vào một trong các rơle
bằng 2I2, lúc đó hệ số sơ đồ ksđ= 2.

Khi chọn sơ đồ nối các máy biến dòng và các rơle ta cần xét trên các quan
điểm sau:
Số lượng thiết bị cần thiết và đặc tính thực hiện bảo vệ;
Độ nhạy cần thiết của bảo vệ đối với các dạng ngắn mạch khác nhau.
1.5. Các nguyên lý cơ bản thực hiện bảo vệ rơ le
Dòng ngắn mạch thường chạy từ nguồn cung cấp tới điểm ngắn mạch, do đó
nếu bảo vệ được lắp đặt càng gần nguồn cung cấp thì vùng bảo vệ sẽ càng rộng, vì
vậy bảo vệ dịng cực đại thường được lắp đặt ở đầu tuyến dây gần nguồn cung cấp.
Trên hình 1.9 thể hiện các sơ đồ nguyên lý lắp đặt bảo vệ dòng cực đại.
Khi lắp đặt bảo vệ cực đại ở đầu tuyến dây (Hình 1.9a), vùng được bảo vệ sẽ là
đường dây cung cấp, cáp đầu vào, các cuộn dây máy biến áp (T), máy cắt MC2 và thanh
cái hạ áp (T.C.H). Trong khi đó nếu lắp bảo vệ bên phía hạ áp thì vùng bảo vệ chỉ là
MC2 và thanh cái hạ áp. Do đó bảo vệ dịng cực đại đặt càng gần nguồn cung cấp càng
có lợi hơn.

15


Vị trí lắp đặt của bảo vệ cịn phụ thuộc vào sơ đồ nối dây và số lượng các khởi
hành (hình 1.9b). Với đường dây cung cấp riêng cho động cơ thì chỉ cần lắp đặt thiết
bị bảo vệ ở đầu đường dây là đủ. Đối với trạm phân phối hạ áp có nhiều nhánh như Hình
1.9b. (TC2) nếu chỉ đặt một bảo vệ trên đầu đường dây cung cấp chính sẽ khơng hợp
lý, bởi vì nếu ngắt đường dây L2 sẽ dẫn đến cắt điện đồng thời cả động cơ (Đ2) và
máy biến áp (BA) bất kể sự cố xảy ra ở đâu. Do đó trong trường hợp này bảo vệ cần
được lắp đặt cả ở trên đường cung cấp cho động cơ và trên đường dây cung cấp cho
máy biến áp.
Các sơ đồ nối dây hệ thống rơle bảo vệ dịng cực đại được thể hiện trên hình 1.10.

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý lắp đặt bảo vệ dịng cực đại.
Phân tích các sơ đồ bảo vệ trên Hình 1.10 a,b có thể nhận thấy, với tất cả các

dạng ngắn mạch xảy ra dòng sự cố đều chạy qua tất cả các rơle, vì vậy bảo vệ sẽ ghi
nhận tất cả các dạng ngắn mạch với độ nhạy như nhau, hệ số sơ đồ ksđ=1. Khi chạm
đất kép với dịng chạm đất nhỏ cả hai khởi hành có thể đều bị cắt nếu như điểm chạm

16


đất xuất hiện ở các pha khác nhau, điều đó sẽ khơng hợp lý, dịng trong dây trung tính
sẽ là dịng thứ tự khơng (3I0), vì vậy ở chế độ làm việc bình thường dịng trong dây
trung tính là dịng khơng cân bằng, và nếu dây trung tính bị đứt cũng sẽ không làm
ảnh hưởng đến sự làm việc của sơ đồ. Mặc dù vậy các máy biến dòng và rơle được
đấu nối theo sơ đồ này cũng không cho phép được thiếu dây trung tính, vì dịng sự cố
sẽ xuất hiện trong dây trung tính khi xảy ra sự cố chạm đất một pha.

Hình 1.10. Các sơ đồ nối của bảo vệ dòng cực đại các khởi hành
a). Sao đủ; b). Chạm đất kép ở các pha khác nhau; c). Hai pha hai rơle;
d). 2 pha 3 rơle. e). Rơle đấu vào hiện số dòng điện 2 pha
Khi nối theo hình sao khuyết sơ đồ sẽ phản ứng với tất cả các dạng ngắn mạch,
loại trừ trường hợp ngắn mạch một pha qua đất ở pha khơng có lắp máy biến dịng,
vì vậy sơ đồ này chỉ được dùng để bảo vệ ngắn mạch giữa các pha. Trong chế độ đối

17


xứng hệ số sơ đồ ksđ = 1. Dòng trong dây dẫn trở về xuất hiện không những trong các
trường hợp ngắn mạch giữa các pha mà ngay cả trong một số trường hợp chạm đất
một pha, vì vậy việc lắp đặt thêm dây trung tính là cần thiết;
Với sơ đồ thể hiện trên Hình 1.10 e là kinh tế hơn cả, vì chỉ cần lắp đặt hai
máy biến dịng và một rơle. Sơ đồ sẽ ghi nhận tất cả các dạng ngắn mạch trừ ngắn
mạch ở pha không lắp máy biến dịng, do đó sơ đồ này thường chỉ được ứng dụng để

bảo vệ khỏi sự cố hỏng hóc giữa các pha; ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn
mạch ba pha dòng trong cuộn dây rơle sẽ lớn hơn gấp

3 lần dịng pha, do đó hệ số

sơ đồ k sd (3)  3 ; bảo vệ có độ nhạy khác nhau phụ thuộc vào dạng sự cố và tổ hợp
các pha bị sự cố (kém nhạy nhất là khi ngắn mạch giữa các pha A, B hoặc B, C).
Bảo vệ dòng cực đại được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ đường dây trên không và
đường cáp 6-35kV, đặc biệt là ở các mạng có trung tính cách ly khơng xảy ra sự cố ngắn
mạch một pha. Để bảo vệ ngắn mạch giữa các pha có thể sử dụng các sơ đồ hai pha. Các sơ
đồ này cũng có thể được ứng dụng ở mạng có trung tính nối đất để bảo vệ chạm đất một pha
nếu dùng bảo vệ cực đại đấu vào dòng thứ tự khơng.
Trên Hình 1.11 là sơ đồ ngun lý bảo vệ dòng cực đại tác động trực tiếp với
các bộ truyền động bằng tay hoặc lò xo tự động điện áp dưới 35kV.
b)

a)
MC

BI1

RI1

BI2

MC

RI2

BI1

BI2

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng cực đại với rơle tác động trực tiếp
a). Nối theo hình sao khuyết; b). nối vào hiệu số dịng hai pha

18


Hình 1.12. Sơ đồ ngun lý bảo vệ dịng cực đại với dòng thao tác một chiều.
Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dịng cực đại có đặc tính thời gian tác động khơng phụ
thuộc, nguồn thao tác một chiều (Hình 1.12) gồm hai rơle dòng, một rơle thời gian,
một rơle trung gian và một rơle tín hiệu. Đặc điểm của sơ đồ kiểu này là sử dụng thêm
tiếp điểm khoá liên động (KL) của cuộn cắt (đóng khi máy cắt ở trạng thái đóng và
mở khi máy cắt ở trạng thái ngắt): khi máy cắt tác động, tiếp điểm liên động (KL) mở
ra bảo vệ cho cuộn ngắt khỏi bị “om” điện. Cùng lúc đó dịng điện trong cuộn thứ cấp
của máy biến dịng bằng khơng, rơle thời gian mất điện, tiếp điểm gửi trong mạch
cuộn rơle trung gian mở ra và rơle trung gian mất điện.
Sơ đồ nguyên lý bảo vệ cực đại hai pha có đặc tính thời gian phụ thuộc, dòng
thao tác xoay chiều được thể hiện trên Hình 1.13.

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý bảo
vệ cực đại hai pha, dịng thao tác xoay

Hình 1.14. Đặc điểm làm việc của bảo
vệ cực đại định hướng trong mạch vòng.

chiều.

19

Với mạch vịng có nguồn cung cấp từ một phía (Hình1.14) thời gian duy trì
của bảo vệ cực đại được lựa chọn theo nguyên tắc bậc thang ngược chiều. Tuy nhiên
các bảo vệ 2 và 5 lắp đặt cạnh thanh góp B và C có thể tác động tức thời và chỉ phụ
thuộc vào hướng cơng suất tại vị trí đặt bảo vệ. Ở chế độ làm việc bình thường và khi
ngắn mạch ngồi phía sau thanh góp B và C, cơng suất tại vị trí đặt bảo vệ 2 và 5 có
hướng từ đường dây tới thanh góp, vì vậy bảo vệ không tác động.
Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng AB và AC bảo vệ công suất định hướng sẽ
tác động và cắt mạch.
Khi ngắn mạch xuất hiện tại điểm K1 gần sát thanh cái A, phần lớn dòng ngắn
mạch sẽ chạy qua máy cắt 1 và chỉ có một phần dịng rất nhỏ I"nm khép mạch qua vịng
kín nên khơng đủ để bảo vệ 2 tác động. Chỉ sau khi máy cắt 1 tác động, toàn bộ dịng
ngắn mạch sẽ chạy qua bảo vệ 2, lúc đó bảo vệ này mới tác động. Như vậy bảo vệ 2
chỉ tác động sau khi bảo vệ 1 tác động và khơng phụ thuộc vào thời gian duy trì.
1.6. Tóm lược về tính tốn ngắn mạch
Trong hầu hết các bài tốn bảo vệ rơle đều có liên quan đến các thơng số của mạng
điện ở chế độ ngắn mạch, vì vậy trước khi tiếp xúc với các bài tốn đó chúng ta hãy khái
quát lại một số nét cơ bản về tính tốn ngắn mạch trong hệ thống điện.
Bảng 1.4. Công thức xác định điện trở, điện kháng của các phần tử hệ thống điện .
.

TT
1
2

Các phần tử
Hệ thống
Máy phát

X

=
X

U
S .

Máy biến áp

=

Z

=

X

=

X

=

ℎ

= x ′′

R
3

Hệ đơn vị tương đối

Hệ đơn vị có tên, 

.ℎ

U
S

X

S
S .
∗

ℎ ∗

= x ′′

.

ΔP . U
S .

U %. U
100. S .
Z

=

∗

−R

20

R
Z
X

∗

∗

∗

=

=

=

=
.ℎ

S
S

.

ΔP . S
S .

U .S
100. S
Z

∗

.

−R

∗


4

R

=r l

U
U

R

∗

=r l

S
U

X

U
=x l
U

x

∗

=x l

S
U

Đường dây

5

Kháng điện

6

Phụ tải

X

=x .
X

U
√3. I

= x ,, .

U
S

X

∗

X

=x .

∗

I
√3. I

= x ,, .

S
S

Trong đó:
SN.ht - công suất ngắn mạch của hệ thống (nếu không biết trước SN.ht thì có thể
coi SN.ht= Scắt của máy cắt tổng của mạng điện cần tính tốn ngắn mạch), MVA;
Scb - công suất cơ bản tuỳ chọn sao cho các phép tính được chọn đơn giản nhất,
MVA;
Ucb - điện áp cơ bản, thường được chọn cấp điện áp nơi xảy ra ngắn mạch, kV;
Icb - dòng điện cơ bản, kA;
Udm - điện áp định mức của đường dây, kV;
Sdm.mp - công suất định mức của máy phát, MVA;
Sdm.BA - công suất định mức của máy biến áp, MVA;
Udm.BA - điện áp định mức của máy biến áp, kV;
x "d - điện kháng siêu quá độ dọc trục của máy phát;

Un% - điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp, %;
PN - tổn hao công suất ngắn mạch trong máy biến áp, MW;
xdk - điện kháng tương đối của cuộn kháng điện;
r0, x0 - suất điện trở và suất điện kháng của đường dây, /km;
l - chiều dài đường dây, km;
Udmkd, Idmkd - điện áp và dòng điện định mức của kháng điện, kV và kA;
Đối với máy biến áp 3 cuộn dây thì điện áp ngắn mạch của các cuộn cao áp UnC,
trung áp UnT và hạ áp UnH được xác định theo điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây như
sau:
UnC%= 0,5.(UnCH%+UnCT%- UnTH%)

21

(1.7)

UnT%= 0,5.(UnTH%+UNCT%-UnCH%)

(1.8)

UnH%=0,5.(UnCH%+UnTH%- UnCT%)

(1.9)

Để xác định dòng ngắn mạch ba pha sau khi đã thiết lập sơ đồ thay thế cần áp
dụng các phương pháp biến đổi sơ đồ như phân tích mạch nối tiếp, song song, biến đổi
sao - tam giác, biến đổi tương đương... để đưa sơ đồ về dạng đơn giản. Trường hợp
trong mạng điện có nhiều nguồn thì sau khi đưa sơ đồ về dạng đơn giản tiếp tục biến
đổi tương đương để đưa sơ đồ về dạng đơn giản nhất với sức điện động tương đương.
Giá trị dịng ngắn mạch ba pha có thể xác định theo biểu thức:

I (3)
N 

E td
ZN 

Trong đó: Etđ- suất điện động tổng hợp ứng với điện áp pha, E td 

(1.10)
U
;
3

U- điện áp định mức của nguồn;
ZN- tổng trở ngắn mạch.

Nếu tính tốn trong hệ đơn vị tương đối thì các phép tính cũng được thực
hiện tương tự, sau khi đã xác định dòng ngắn mạch cần chuyển đổi giá trị tương đối
sang hệ đơn vị có tên theo biểu thức:
(3)
I (3)
N  I N* I cb

Trong đó: Icb 

(1.11)

Scb
3U cb

Giá trị của dịng điện xung kích được xác định theo biểu thức

i xk  k xk 3I(3)
N

(1.12)

Trong đó: kxk- hệ số xung kích phụ thuộcvào vị trí xảy ra ngắn mạch.
Cơng suất ngắn mạch: SN  3UI (3)
N
Dịng ngắn mạch hai pha được xác định theo dòng ngắn mạch ba pha như sau:

I(2)
N 

3 (3)

IN
2

22

(1.13)


Câu hỏi ơn tập chương 1
Câu 1: Hãy trình bày các chế độ làm việc khơng bình thường của hệ thống
điện và nhiệm vụ của bảo vệ rơle?
Câu 2: Trình bày các phần tử chính của bảo vệ rơle?
Câu 3: Hãy trình bày nguồn thao tác xoay chiều? Nguồn thao tác bằng tụ điện?
Nguồn thao tác chỉnh lưu?
Câu4: Trình bày các sơ đồ lơgíc dùng trong bảo vệ rơle?
Câu 5: Trình bày các yêu cầu cơ bản đối với bảo vệ rơle?
Câu 6: Trình bày tóm lược phương pháp tính tốn ngắn mạch?
Câu 7: Trình bày các sơ đồ nối các máy biến dòng và các rơle dòng?

23


Chương 2
BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN
2.1. Khái niệm chung
Ngắn mạch trong hệ thống điện sẽ dẫn đến làm dòng điện tăng vọt quá giá trị
định mức, hậu quả là các thiết bị và dây dẫn sẽ chịu tác động cơ và nhiệt và sẽ bị phá
huỷ nếu không ngăn chặn kịp thời. Để loại trừ dòng ngắn mạch cần phải sử dụng hệ
thống bảo vệ dịng cực đại (Hình 2.1).Khi dòng qua dây dẫn là định mức, dòng điện
qua rơle bên phía thứ cấp của máy biến dịng sẽ khơng đủ để rơle tác động. Khi xảy

ra sự cố ngắn mạch dòng tăng vọt, bảo vệ sẽ tác động và truyền lệnh cắt tới máy cắt.
Giá trị dòng để bảo vệ tác động được gọi là dòng tác động của rơle.
Khi sự cố ngắn mạch xảy ra, dòng ngắn mạch có thể phá huỷ cả các phần tử
bị sự cố và các phần tử không bị sự cố trong hệ thống mà nó chạy qua. Do đó bảo vệ
dịng điện cực đại cần phải thoả mãn hai yêu cầu cơ bản sau đây:
a/ Xác định chuẩn xác thời điểm xuất hiện sự cố hỏng hóc và giá trị chỉnh định
để bảo vệ tác động;
b/ Lựa chọn đúng phần tử hỏng hóc.

Hình 2.1. Sơ đồ ngun lý bảo vệ dịng cực đại với nguồn thao tác một chiều.
Để thực hiện các yêu cầu này, hệ thống bảo vệ dòng cực đại cần phải được
trang bị hai phần tử chính: phần tử khởi động để xác định thời điểm xuất hiện ngắn
mạch hoặc chế độ làm việc khơng bình thường và phần tử duy trì thời gian để đảm

24


bảo tính chọn lọc. Các rơle thực hiện có thể dùng loại rơle dòng điện, rơle thời gian,
rơle tổng hợp và các rơle phụ trợ như rơle trung gian và rơle tín hiệu. Rơle trung gian
tạo điều kiện làm việc nhẹ nhàng cho bộ phận bảo vệ chính và làm trễ thời gian tác
động sau thời điểm hoạt động của ống phóng sét. Rơle tín hiệu thơng báo về sự tác
động của bảo vệ.
Rơle dòng cực đại sử dụng trong hệ thống rơle bảo vệ có thể được phân loại thành
bảo vệ dịng cực đại với đặc tính thời gian phụ thuộc và khơng phụ thuộc (Hình 2.2).

Hình 2.2. Các đặc tính thời gian tác động của bảo vệ dịng cực đại
1- khơng phụ thuộc; 2- phụ thuộc.
Bảo vệ dịng cực đại được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ các máy phát, máy biến
áp, động cơ và các tuyến dây được cung cấp từ một phía hoặc có thể từ hai phía.
2.2. Bảo vệ dịng điện cực đại

2.2.1. Ngun lý tác động của bảo vệ dòng điện cực đại
Bảo vệ dòng điện cực đại là một trong những bảo vệ đơn giản nhất, được xây
dựng trên đặc điểm tăng dòng điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Nếu giá trị của dòng
điện chạy trong mạch lớn hơn giá trị dòng khởi động, được chỉnh định theo điều kiện
làm việc nặng nề nhất của mạng điện thì bảo vệ dòng cực đại sẽ tác động.
Sơ đồ bảo vệ dòng điện cực đại đối với mạng điện một nguồn cung cấp được
thể hiện trên Hình 2.3. Giả sử có 3 phần tử cần bảo vệ, mỗi phần tử có một bảo vệ
riêng, đặt ở phía nguồn cung cấp. Khi ngắn mạch xảy ra tại điểm N1, dòng điện ngắn
mạch IN1 sẽ chạy qua cả 3 bảo vệ 1, 2 và 3, để đảm bảo tính chọn lọc, chỉ máy cắt MC1

25


tác động cắt điểm ngắn mạch ra khỏi mạng. Để thực hiện được điều đó cần phải đặt
thời gian tác động của bảo vệ 1 nhỏ hơn của bảo vệ 2 và bảo vệ 3, tức là t1< t2< t3.
Như vậy theo ngun lý tác động thì bảo vệ dịng điện cực đại có 2 tham số
đặc trưng là dịng khởi động Ikd và thời gian duy trì của bảo vệ tbv .
Mặc dù bảo vệ dòng cực đại được áp dụng rộng rãi trong các sơ đồ bảo vệ rơle,
nhưng do cần phải duy trì thời gian để đảm bảo sự chọn lọc, cho nên đôi khi bảo vệ
này không thể đáp ứng được các yêu cầu nhanh nhạy, vì vậy bảo vệ này thường đóng
vai trị phụ trợ cho các bảo vệ khác có độ nhạy cao hơn.

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng cực đại
2.2.2 Lựa chọn và chỉnh định bảo vệ dòng cực đại
2.2.2.1. Dòng điện khởi động của bảo vệ
Bảo vệ dòng cực đại được sử dụng để loại trừ sự cố ngắn mạch nhưng không
thể đồng thời sử dụng để bảo vệ quá tải được, vì thời gian duy trì của bảo vệ quá tải
thường kéo dài. Việc xác định dòng tác động của bảo vệ cần thoả mãn các yêu cầu
sau đây:
1. Khơng tác động với dịng tải cực đại cho phép;

2. Làm việc tin cậy trong vùng bảo vệ chính với hệ số nhạy từ 1,5 trở lên;
3. Làm việc tin cậy trong vùng bảo vệ dự trữ với hệ số nhạy từ 1,2 trở lên.
Để thoả mãn yêu cầu thứ nhất dòng tác động của bảo vệ được xác định theo
biểu thức:
Itđ>Itmax

(2.1)

Trong đó: Itmax - dịng tải cực đại cho phép, A (có thể chọn bằng dịng tải lớn
nhất cho phép của cáp dẫn Itmax = Icf).
Dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại được lựa chọn theo các
điều kiện sau:

26