BÀI GIẢNG CUNG CẤP ĐIỆN 2 ( GV Nguyễn Quang Thuấn ) - CHƯƠNG 8 pps

11/2/2011 29
Chương 8. BẢO VỆ RƠLE VÀ TĐH HTCCĐ
8.1. KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA
1. Khái niệm
Rơle là phần tử chính trong hệ thống thiết bị bảo vệ. Thuật ngữ rơle
được phiên âm từ tiếng nước ngoài: RELAIS-Pháp, RELAY-Anh,
PEE-Nga với nghĩa ban đầu là phần tử làm nhiệm vụ tự động
đóng cắt mạch điện. Ngày nay khái niệm rơle thường dùng để chỉ
một tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ
và tự động hoá hệ thống điện gọi là BVRL
2. Mục đích, ý nghĩa
- Về mặt kỹ thuật: BVRL là thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện và
cách ly các phần tử bị sự cố hoặc hoạt động bất thường ra khỏi HT.
- Về mặt kinh tế: BVRL là thiết bị tự động hoá được dùng trong HTĐ
với mục đích phòng ngừa, ngăn chặn các thiệt hại kinh tế có thể xảy
ra cho chủ đầu tư khi xảy ra sự cố.
11/2/2011 30
8.2. CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI BVRL
Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng kể
trên, thiết bị bảo vệ rơle phải thoả mãn được các yêu cầu cơ bản: tin
cậy, chọn lọc, tác động nhanh và kinh tế.
1. Tin cậy (Reliability): Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ rơle làm
việc đúng, chắc chắn khi xảy ra sự cố trong phạm vi đã được xác định.
2. Chọn lọc (selectivity): là khả năng của bảo vệ rơle có thể phát hiện và
loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống.
3. Tác động nhanh: Bảo vệ rơle cần phải cách ly phần tử bị sự cố càng
nhanh càng tốt. Tuy nhiên cần kết hợp với yêu cầu chọn lọc.
4. Độ nhạy (sensitivity): Phản ánh khả năng phản ứng của bảo vệ với mọi
mức độ sự cố. Độ nhạy được biểu thị bằng tỷ số đại lượng tác động tối
thiểu với đại lượng đặt. Ví dụ: đối với BV quá dòng:
KÐ

Nmin
nh
I
I
k 
Quy định cụ thể với các loại bảo vệ:
- Bảo vệ chính: k
nh
= 1,52
- Bảo vệ dự phòng: k
nh
= 1,21,5.
11/2/2011 31
8.2. CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI BVRL
5. Kinh tế:
- Đối với mạng cao áp và siêu cao áp (U  110 kV): Chi phí để
mua sắm và lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần
trăm giá trị công trình, mặt khác yêu cầu phải được bảo vệ rất chắc
chắn, vì vậy giá cả thiết bị bảo vệ không phải là yếu tố quyết định
trong lựa chọn chủng loại hoặc nhà phân phối thiết bị mà 4 yêu
cầu kỹ thuật kể trên đóng vai trò quyết định.
- Đối với mạng trung áp và hạ áp (U < 110 kV): Vì số lượng các
phần tử được bảo vệ rất lớn, mặt khác các yêu cầu đối với thiết bị
bảo vệ không cao bằng ở mạng cao áp và siêu cao áp cho nên khi
lựa chọn thiết bị bảo vệ cần chú ý đảm bảo được các yêu cầu về
kỹ thuật với chi phí thấp nhất.
11/2/2011 32
3.3. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL
BI - Máy biến dòng điện
BU - Máy biến điện áp

CCh - Cầu chì
K - Khoá điều khiển
N - Nguồn điện thao tác
MC - Máy cắt điện
MC
F
-Tiếp điểm phụ của máy
cắt điện
Thanh góp
BI
MC
MC
F
CC
BU
CCh
- +
K
Rơle
N
Tải ba
Tín hiệu cắt
Mạch điện cần bảo vệ
11/2/2011 33
8.3. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL
1. BI/TI
- Cấu tạo:
Là MBA làm việc ở chế độ NM
- Tỷ số biến đổi n
I

(hoặc k
I
):
- Chức năng:
- Ký hiệu:
I
A
I
B
I
C
RƠLE
I
R
2
1
I
I
I
n 
Dùng biến đổi dòng lớn xuống dòng nhỏ 5A hoặc 1A cấp cho TBBV và đo lường
11/2/2011 34
2. BU/TU
- Cấu tạo:
Là MBA làm việc ở chế độ hở mạch
- Tỷ số biến đổi n
U
(hoặc k
U
):

- Chức năng:
- Ký hiệu:
2
1
U
U
U
n 
Dùng biến đổi áp lớn xuống áp nhỏ cấp cho TBBVRL và đo lường
8.3. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL
11/2/2011 35
8.3. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL
3. Nguồn thao tác N
a. Khái niệm: Tất cả các mạch của sơ đồ điều khiển máy cắt, bảo vệ
rơle, đo lường, tín hiệu được gọi là sơ đồ nhị thứ. Nguồn điện
cung cấp cho việc thao tác các phần tử trong sơ đồ này gọi là
nguồn thao tác. N nguồn điện thao tác riêng độc lập với phần tử
được bảo vệ.
b. Phân loại nguồn điện thao tác: Nguồn thao tác có thể là nguồn
một chiều hoặc xoay chiều.
• Có thể Dùng Ắc quy (DC). Nếu cần nguồn AC (Nghịch lưu).
• Có thể dùng năng lượng tích sẵn trên tụ điện (thường được nạp
điện DC).
• Có thể lấy từ BI và BU sau chỉnh lưu thành nguồn DC.
Để tăng độ tin cậy của nguồn thao tác, người ta thường dùng kết
hợp dự các nguồn kể trên.
11/2/2011 36
8.3. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HTBVRL
4. Rơle
Rơle là phần tử chính trong hệ thống thiết bị bảo vệ. Phần tử

Rơle nhận một (X) hoặc 1 số đầu vào (X
1
, X
2
,…X
n
) tương tự,
biến đổi và so sánh tín hiệu này với ngưỡng tác động để cho tín
hiệu ra Y dưới dạng các xung rời rạc với 2 trạng thái đối lập: 1
(có xung) và 0 (không có xung):
X
RL
X
1
Y
X
n
…
RL
Y
~
~
• Rơle chia thành 3 nhón chính:
RL
Điện từ Tĩnh KT số
11/2/2011 37
4. Rơle
a. Rơle điện từ (electromagnetic relay): Nguyên lý làm việc dựa trên
nguyên lý điện từ (có các tiêp điểm đóng mở cơ khí).
- Ưu điểm: Dễ chế tạo, rẻ tiền

- Nhược điểm: Tiêu thụ công suất lớn, quán tính cao đôi khi tác động
không chuẩn xác, khó mở rộng ghép nối với máy tính.
b. Rơle tĩnh (static relay): Là rơle bán dẫn không có phần động. Rơle
tĩnh gồm các khối chính sau:
Tín
hiệu
vào
Tiền
xử lý
Bộ
lọc
Cơ cấu
Chấp
hành
Xử lý
Thông
tin
BI
BU
- Ưu: Không có tiếp điểm → quán tính nhỏ và làm việc êm dịu. So với RL
điện từ, tiêu tốn ít năng lượng, kích thước nhỏ gọn hơn
- Nhược: Bị ảnh hưởng nhiều bởi môi trường xung quanh, đòi hỏi chất
lượng nguồn thao tác cao, đòi hỏi sự bảo quản và chăm sóc chu đáo.
11/2/2011 38
4. Rơle
c. Rơle KT số (digital relay):
I
U
A
B

C
O
O
B
A
C
Tín hiệu
đầu vào
I
max
=100I
kđ
1 sec
U
max
=140V
Lâu dài
A
D
~
01
Máy tính, thiết bị tự động
Giao diện Bàn phím
Bộ xử
lý
Bộ nhớ
RAM
EEPROM
Cổng
vào - ra

Tương tự Tương tự Số Xung điều khiển
100 V, 110 V; 10V đầu ra - vào
1 A, 5 A
Lọc tín
hiệu vào
Khuếch
đại
Chuyển đổi
tương tự -số
Tín hiệu
nhị phân

Rơle
cảnh báo

Rơle
Cắt
Điốt phát
quang (LED)
11/2/2011 39
Gồm các khối chính sau:
• Khối đo lường (tín hiệu vào): có nhiệm vụ đo lường các trị số của đại
lượng tương tự là dòng và áp (nhận được từ phía thứ cấp của của
máy biến dòng điện và máy biến điện áp) làm biến đầu vào của rơle.
• Khối lọc tín hiệu, lấy mẫu và chuyển đổi A/D: Sau khi tín hiệu qua các
bộ lọc tương tự, bộ lấy mẫu (chặt hoặc băm đại lượng tương tự theo
một chu kỳ nào đó), các tín hiệu này sẽ được chuyển thành các tín
hiệu số và so sánh với đại lượng chuẩn.
• Khối xử lý (dùng bộ vi xử lý): Sau khi so sánh với đại lượng chuẩn, bộ
VXL sẽ cho tín hiệu đóng hoặc mở các tiếp điểm RL và điều khiển

máy cắt (có thể lưu trữ, kết nối với máy tính,…)
• Khối đầu ra (tín hiệu ra): gồm các rơle và mạch điều khiển đóng cắt
MC
* Cấu trúc và nguyên lý của RL số
11/2/2011 40
* Cấu trúc và nguyên lý của RL số
A
D
Bộ xử lý
Rơle
BI
BU
Mạch đo lường
Bộ chuyển đổi tương tự /số
Mạch rơle
Bộ vi xử lý
Mạch điều khiển máy cắt
Máy cắt điện
Sơ đồ tự kiểm tra các khối chức năng
trong rơle số
11/2/2011 41
* Ưu điểm của RL KT số
• Chức năng hoạt động của rơle số được mở rộng rất nhiều so với các thế hệ
rơle trước đây, dễ dàng mở rộng khả năng đo lường, biến dổi tín hiệu, so
sánh và tổ hợp lôgíc trong cấu trúc của rơle. Có thể kết hợp nhiều nguyên
lý phát hiện sự cố và bảo vệ trong một hệ thống rơle.
• Ngoài chức năng bảo vệ và cảnh báo, rơle số hiện đại còn có thể thực hiện
nhiều nhiệm vụ quan trọng khác như: ghép nối các thông số vận hành và
sự cố; xác định vị trí sự cố; thực hiện liên động với thiết bị bảo vệ và tự
động của các phần tử lân cận; đóng trở lại máy cắt;

• Dễ dàng ghép nối với nhau và với các thiết bị bảo vệ, tự động, thông tin và
đo lường khác trong hệ thống; dễ ghép nối với hệ thống máy tính.
• Thông số của bảo vệ có thể chỉnh định đơn giản với độ chính xác cao và dễ
dàng thực hiện việc chỉnh định thông số từ xa hoặc chỉnh định tự động theo
nguyên lý thích nghi.
• Công suất tiêu thụ nhỏ, kích thước gọn nhẹ.
• Giá thành tương đối tính theo tương quan giữa chi phí và chức năng của hệ
thống bảo vệ kỹ thuật số rẻ hơn các hệ thống rơle điện cơ thông thường.
11/2/2011 42
* Ký hiệu các phần tử và chức năng bảo vệ theo ASNI
Bằng chữBằng số
Rơle quá dòng có thời gian (AC)
Rơle quá dòng cắt nhanh
Rơle quá nhiệt
Rơle định hướng công suất: - Thuận
- Nghịch
Rơle tín hiệu
Rơle bảo vệ thiếu áp
Rơle kiểm tra hoặc hoà đồng bộ
Rơle bảo vệ quá kích từ
Rơle khoảng cách (tổng trở)
Công tác tơ chính
Rơle thời gian (đóng hoặc mở chậm)
Loại thiết và chức năng
51
50
49
32
30
27

25
24
21
4
2
I>
I>>
θ
0
hoặc
hoặc
Th
U<
s
Z<
KM
t
Ký hiệu

P

w

P

w
11/2/2011 43
* Ký hiệu các phần tử và chức năng bảo vệ theo ASNI
90Chức năng tự động điều chỉnh điện áp
50/87Rơle bảo vệ so lệch cắt nhanh

Bằng chữBằng số
Rơle cắt
Rơle bảo vệ so lệch
Rơle tần số
Chức năng tự động đóng trở lại
Rơle bảo vệ chống chạm đất
Rơle bảo vệ quá áp
Rơle hệ số công suất
Máy cắt điện (AC)
Rơle bảo vệ quá dòng tổng 3 pha có thời gian
(quá dòng thứ tự không)
Rơle bảo vệ quá dòng chạm đất có thời gian
Loại thiết và chức năng
94
87
81
79
64
59
55
52
51N
51G
SL (ΔI)
f
TĐL
U>
cosφ
MC
I

0
>
Ký hiệu
11/2/2011 44
8.5. SƠ ĐỒ NỐI BI VỚI RL
1
I
I
k
2
R
sd

BI
I
A
I
B
I
C
RI
RI RI
I
A
I
B
I
C
BI
RI

RI
I
A
I
B
I
C
BI
RI
- Sơ đồ sao đủ:
- Sơ đồ sao khuyết:
- Sơ đồ hiệu 2 dòng pha:
1
I
I
k
2
R
sd

3
I
I
k
2
R
sd

+ N
(3)

:
+ N
(2)
(A và C):
2
I
I
k
2
R
sd

+ N
(2)
(A và B):
1
I
I
k
2
R
sd

11/2/2011 45
8.6. BẢO VỆ QUÁ DÒNG (overcurrent protection)
1. Nguyên lý tác động
BVQD là bảo vệ tác động khi giá trị dòng điện chạy qua bảo vệ
I
BV
vượt quá ngưỡng nào đó I

KĐ
: I
BV
≥ I
KĐ
Như vậy để đảm bảo tính chọn lọc, dòng I
KĐ
của bảo vệ có thể thực
hiện theo 2 cách (Xét ví dụ mạch hình tia như hình vẽ):
~
1
1’
2
2’
3’
3
A
B
C
N
I
N
- BV đặt càng xa nguồn có thời gian tác động càng lớn → BVQD có thời gian
- BV đặt càng xa nguồn có I
KĐ
càng nhỏ → BVQD cắt nhanh
11/2/2011 46
8.6. BẢO VỆ QUÁ DÒNG tiếp)
2. BVQD có thời gian I> (51)
Là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chỉnh định thời gian tác động

a. Dòng khởi động I
KĐ
(pick-up current):
• I
KĐR
được xác định như sau:
Nminlvmax
v
mat
sd
IKÐR
KÐ
I .I
K
.KK
k
.nI
I 
• I
KĐ
được chọn theo các điều kiện sau:
lvmax
vI
msdat
KÐR
.I
Kn
.K.KK
I 
Trong đó:

- K
at
: hệ số an toàn, tính đến khả năng tác động thiếu chính xác của BV.
Thường lấy: K
at
 1,1 đối với rơle tĩnh và rơle số
K
at
 1,2 đối với rơle điện cơ
- K
m
= 2-4: hệ số mở máy của các phụ tải ĐC có dòng điện chạy qua chỗ đặt BV
KÐ
TV
TV
I
I
K - 
: hệ số trở về (với I
TV
= K
at
.K
m
.I
lvmax
),
K
TV
 1 với RL tĩnh và RL số

K
TV
= 0,85  0,9 đối với RL điện cơ.
- I
lvmax
: dòng điện làm việc lớn nhất có thể chạy qua bảo vệ
11/2/2011 47
2. BVQD có thời gian I> (51)
Nminlvmax
v
mat
sd
IKÐR
KÐ
I .I
K
.KK
k
.nI
I 
→ Đồ thị đặc trưng chọn dòng khởi động của BV quá dòng có thời gian:
I
I
KĐ
I
TV
I
lvmax
I
mmmax

I
lv
Thời gian dòng
ngắn mạch đi qua bảo vệ
t
0
I
mm
I
N
I
lv
t
1
t
2
t
1
-thời điểm ngắn mạch
t
2
-thời điểm MC cắt
b. Độ nhạy (sensitivity):
Được đánh giá bởi k
nh
:
KÐ
Nmin
nh
I

I
k 
Quy định: - Bảo vệ chính: k
nh
= 1,52
- Bảo vệ dự phòng: k
nh
= 1,21,5.
11/2/2011 48
2. BVQD có thời gian I> (51)
c. Đặc tính thời gian:
0
t
I
KĐ
I
t = const
Đặc tính độc lập
Đặc tính phụ thuộc
0
t
I
KĐ
I
t
11/2/2011 49
c. Đặc tính thời gian của BV 51:
Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong mạng điện hình tia
(a), cho đặc tuyến độc lập (b) và đặc tuyến phụ thuộc (c)
L (km)

~
B
C
2
D
A
t
1
t
2
t
3
t
t
HT
3
1
4
t
t
4 =
t
pt
t
L (km)
t
1
t
2
t

3
t
t
t
t
0
0
pt
t
4 =
t
pt
a)
b)
c)
Thường t = 0,25  0,6 sec
11/2/2011 50
c. Đặc tính thời gian của BV 51:
t = t
MC (n-1)
+ s
t
.t
(n-1)
+ t
qt
+ t
dt
t
MC (n-1)

: thời gian tác động của MC ở BV trước đó
0,04  0,050,06  0,080,1  0,20,08  0,12
t
MC
, s
SF6Chân khôngKhông khíDầuLoại MC
s
t
: tổng giá trị sai số về thời giancủa BV trước đó và bản thân BV đang
xét;
(RL điện từ s
t
= 0,1s; RL số 0,03  0,05s)
t
(n-1)
: thời gian tác động của bảo vệ trước đó
t
qt
: sai số do quán tính, thường t
qt
= 0,03  0,1s
t
dt
: thời gian dự trữ, t
dt
= 0,06  0,2s
Vì vậy, trong chỉnh định RL thường lấy: t = 0,25  0,6 sec
11/2/2011 51
d. Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của BV51
• Ưu điểm: Chế tạo, lắp đạt và thực hiện BV đơn giản, giá thành rẻ

• Nhược: Thực hiện đảm bảo tính chọn lọc theo nguyên tắc chọn
thời gian tăng dần từng cấp t (cấp chọn lọc về thời gian), càng
phía gần nguồn tời gian tác động càng lớn do đó khó đảm bảo
được tính tác động nhanh.
• Phạm vi áp dụng: Dùng làm BV chính trong các mạng điện có một
nguồn cấp đến 35kV (mạng cung cấp). Đối với mạng điện áp cao
hơn chỉ được dùng làm BV dự phòng.
11/2/2011 52
3. BVQD cắt nhanh I>> (50)
Là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động
lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt bảo vệ khi hư hỏng ở
ngoài phần tử được bảo vệ.
a. Dòng khởi động I
KĐ
(pick-up current):
I
KĐ
được xác định như sau: I
KĐ
= K
at
.I
Nng max
~
A B
N
l
l
I
1

2
I
KĐ
L
CN2
L
CN1
I
Nng max
Vùng chết
maxNng
I
sdat
KÐR
.I
n
.KK
I 
11/2/2011 53
3. BVQD cắt nhanh I>> (50)
b. Độ nhạy (sensitivity):
2
I
I
KÐ
Nmin

nh
k
c. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của BV50

• Ưu điểm: Chế tạo, lắp đạt và thực hiện BV đơn giản, giá thành rẻ
làm việc tức thời (hoặc trễ rất nhỏ cỡ 0,1s)
• Nhược: Không bảo vệ được toàn bộ đối tượng, khi NM ở cuối phần
tử, BVCN không tác động. Hơn nữa vùng BVCN L
CN
có thể thay đổi
nhiều khi NM hệ thống thay đổi
• Phạm vi áp dụng: Dùng để BV các mạng điện có một nguồn cấp
đến 35kV (mạng cung cấp). Không đảm bảo được tính chọn lọc
trong lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn cấp.