thiết kế và chế tạo rơle bảo vệ sa thải tải theo tần số

MỤC LỤC
Chương I Trang
Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư
I. Đặt vấn đề 1
II. Nhiệm vụ thư 3
Chương II
Tổng quan về Rơle số
I. Khái niệm về Rơle số 4
II. Một số chủng loại Rơle thành bộ ngày nay 6
1. Rơle bảo vệ đường dây truyền tải 6
2. Rơle bảo vệ đường dây phân phối 8
3. Rơle bảo vệ máy biến áp 9
4. Rơle bảo vệ động cơ 10
5. Rơle bảo vệ máy phát 11
6. Rơle bảo vệ thanh cái 12
7. Các loại rơle khác 13
III. Các loại sự cố 14
1. Sự cố quá tải 14
2. Sự cố quá dòng 14
3. Sự cố tần số thấp 17
Chương III
Sơ đồ khối và thiết kế phần cứng
I. Sơ đồ khối 18
II. Thiết kế phần cứng 18
1. Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu 18
2. Khối xử lý và điều khiển 22
2.1 Cổng vào ra song song 22
1
2.2 Cấu trúc bộ nhớ 24
2.3 Một số thanh ghi của AT90S8535 25
2.4 Timer/Counter của AT90S8535 28

2.5 Watchdog Timer của bộ vi điều khiển 30
2.6 Truy cập dữ liệu với EEPROM trong 31
2.7 Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI 31
2.8 UART 32
2.9 Bộ so sánh tương tự 33
2.10 Bộ biến đổi ADC 34
3 Khối ngoại vi (LCD, Phím, RTC, EEPROM) 37
3.1 Phím 37
3.2 Mạch đối thoại LCD 39
3.3 Mạch RTC DS12887 40
3.4 Mạch giao tiếp với EEPROM 24C16 42
4. Khối truyền tin với máy tính 43
5. Khối điều khiển tiếp điểm 45
6. Khối nguồn nuôi 46
Chương IV
Modul phần mềm và lưu đồ thuật toán 49
Chương V
Đánh giá thiết bị 61
Phụ lục
Mã nguồn chương trình của Rơle 63
2
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, khi mà nhu cầu tiêu thụ điện càng cao thì việc bảo
vệ các thiết bị điện tránh khỏi các sự cố là một điều cần thiết. Ở nước ta các nhà
máy ,xí nghiệp càng ngày càng nhiều ,nhu cầu tiêu thụ điện sinh hoạt của người
dân càng ngày càng tăng thì vấn đề bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện lại càng
trở nên cấp bách hơn. Nhưng các thiết bị bảo vệ của nước ta đa số là nhập
ngoại,giá thành của các thiết bị lại cao, đây là một phần nguyên nhân ảnh hưởng
tới giá điện của nước ta. Nếu ta tự sản xuất được thiết bị thì có thể khắc phục
nguyên nhân này.

Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp vừa qua,chúng em đã thiết kế và chế tạo rơle
bảo vệ “sa thải tải theo tần số”. Với mong muốn đem những kiến thức đã học
của mình đóng góp một phần nhỏ vào cuộc sống ,chúng em hy vọng thiết kế này
sẽ được ứng dụng vào lưới điện của nước ta.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths. Nguyễn Tuấn Ninh đã nhiệt tình giúp
đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này.Chúng em xin cám ơn bộ môn
Đo lường và Tin học Công nghiệp đã giúp đỡ chúng em về các thiết bị thí
nghiệm và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án.


3
CHƯƠNG I
ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ
I. Đặt vấn đề
Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá các ngành
sản xuất của nền kinh tế quốc dân. Do đó ngành công nghiệp năng lượng đóng
một vai trò rất quan trọng trong tiến trình đó. Đặc biệt là ngành Điện, một ngành
có vai trò then chốt quyết định sự phát triển của các ngành kinh tế khác. Để thực
hiện được mục đích công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngành điện phải đi trước một
bước, tạo điều kiện tiền đề để các ngành công nghiệp khác phát triển.
Ở nước ta trong suốt một thời gian dài , nhiệm vụ hàng đầu của ngành điện
lực là sản xuất ra điện để sử dụng, yếu tố chất lượng được đặt xuống hàng thứ
hai. Với chính sách đổi mớivà mở cửa của nước ta nền kinh tế phát triển nhanh
đã và đang đặt ra những yêu cầu cấp bách về chất lượng dòng điện và điều này
đòi hỏi ứng dụng rộng rãi hơn vào các thiết bị tự động hoá trong hệ thống điện
với trình độ công nghệ ngày càng tiên tiến hơn.
Rơle bảo vệ là bộ phận quan trọng trong số các thiết bị tự động hoá dùng
trong ngành điện lực. Chúng có vai trò bảo vệ các phần tử của hệ thống điện
trong các điều kiện làm việc bất thường bằng cách cô lập các sự cố càng nhanh
càng tốt thông qua các thiết bị đóng. Khi sự cố xảy ra trong hệ thống mà không

thực hiện các biện pháp phục hồi tức thời và có hiệu quả, từng phần hay toàn bộ
hệ thống có thể ngưng làm việc. Điều này gây ra thiệt hại trực tiếp cho hệ thống
điện và các hộ tiêu thụ đồng thời nhiều khi con để lại hậu quả gián tiếp lớn hơn
cho nền kinh tế do việc ngưng cung cấp năng lượng gây ra. Do đó những thiết bị
bảo vệ này ngày càng phải được cải tiến về chức năng bảo vệ và độ tin cậy.
Do điều kiện lịch sử , cho đến nay các loại rơle bảo vệ ở nước ta phần lớn
có xuất xứ từ các nước xã hội chủ nghĩa cũ (Liên Xô) . Chúng thường là các loại
4
Rơle điện cơ, một số khác là rơle tĩnh. Trong quá trình khai thác và sử dụng các
loại rơle này bộc lộ ít nhiều nhược điểm như:
 Độ nhạy và độ chính xác bảo vệ chưa cao,dễ bị ảnh hưởng của nhiễu
 Chi phí khai thác, sử dụng cao ( chi phí duy trì điều kiện làm việc,
chi ohí kiểm tra, chỉnh lại các tham số bảo vệ thường xuyên theo
định kỳ, hay thiệt hại do việc ngừng cung cấp điện do các công việc
này gây ra).
 Khả năng mềm dẻo kém do các chức năng bảo vệ đã được nối cứng
 Khả năng cung cấp thông tin về hệ thống điện trong chế độ làm việc
bình thường và khi sự cố chưa cao nên gây nhiều khó khăn cho việc
xác định nguyên nhân cũng như vị trí sự cố khi nó xảy ra.
 Tốc độ phát hiện và cách ly sự cố chưa nhanh.
Việc áp dụng rơle số một cách đồng bộ để thay thế rơle kiều cũ cho phép
khắc phục những nhược điểm trên và điều này đặc biệt tỏ ra cấp thiết đối với
lưới truyền tải, nơi mà yều cầu về tốc độ thao tác của thiết bị bảo vệ ngày một
trở nên gay gắt. Nhưng công việc này gặp phải một số vấn đề nan giải. Trước
hết đó là vấn đề phải có số vốn đủ lớn để thay thế đồng loạt các rơle theo thứ tự
ưu tiên từ cấp truyền tải xuống. Thực tế hiện nay, hàng năm ngành Điện đầu tư
hàng ngàn tỷ đồng vào việc nâng cấp hệ thống lưới điện và trạm phân phối. Để
tăng được hiệu quả của đồng vốn đầu tư, ngoài việc tăng cường quản lý tài
chính thì việc giảm bớt tỷ trọng thiết bị nhập ngoại cũng là một yếu tố quyết
định.Các loại rơle mua của những hãng nổi tiếng của nước ngoài có giá thành

rất đắt trung bình là vài ngàn đôla Mỹ, trong đó giá thành các linh kiện điện tử
chỉ chiếm tỷ trọng từ 10% - 15% còn lại là giá thành của phần mềm và thiết kế.
Chính vì lẽ đó việc chế tạo rơle số, các thiết bị đo lường điều khiển trong nước
sẽ làm cho giá thành của thiết bị rẻ hơn, chỉ bằng 1/2 thậm chí bằng 1/3 so với
giá của nước ngoài mà chất lượng vẫn đảm bảo yêu cầu.
5
Đề tài nghiên cứu chế tạo rơle sa thải tải theo tần số trên cơ sở vi xử lý
nhằm phục vụ cho mục đích chung của ngành là từng bước tiến đến chế tạo tất
cả các loại rơle dùng trong ngành.
II. Nhiệm vụ thư:
Với mục đích từng bước tiến đến chế tạo tất cả các loại rơle dùng trong
ngành Điện Thầy Ths Nguyễn Tuấn Ninh đã hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề
tài nghiên cứu và chế tạo rơle bảo vệ đường dây với chức năng chính như sau:
• Sa thải tải tần số.
• Giao tiếp đơn giản dễ dàng với người dùng (đặt các thông số config
và setting nhanh, dễ)
• Lưu giữ lịch sử lịch sử sự cố
• Truyền tin với máy tính chủ
Mặc dù chức năng của rơle này không nhiều nhưng nó cũng mở ra một
hướng đi trong lĩnh vực chế tạo rơle số dùng trong ngành Điện
6
CHƯƠNG II:
TỔNG QUAN VỀ RƠLE SỐ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG CỦA RƠLE SỐ MỚI
CÁC LOẠI SỰ CỐ BẢO VỆ CỦA RƠLE BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY PHÂN
PHỐI
I. khái niệm về rơle số
Rơle số là loại khí cụ điện tử, thiết kế thành bộ từng loại để bảo vệ cho một
loại thiết bị điện bằng cách đóng hay cắt nhứng máy cắt để kịp thời loại trừ một
hoặc nhiều sự cố của thiết bị điện ấy.
Rơle số sử dụng kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển và vi điện tử. Đó là những

công cụ thực hiện rất tốt những công việc cơ bản của rơle như: lọc các tín hiệu
vào, đo nhanh nhiều biến (ba dòng, ba áp, thời gian, tần số và các đại lượng
khác…), tính toán nhanh những xử lý phức tạp (số học, giải tích, đếm, phân tích
phổ…), và so nhiều ngưỡng… có thể lưu trữ dữ liệu thu thập với khối lượng lớn.
Có thể cài đặt vào máy in để in dữ liệu dạng số hay đồ thị.
Rơle số có những bộ phận chính sau:
• Bộ phận đo canh:
Là chức năng đầu tiên và quan trọng nhằm đo, lọc tính ra những thông số
mạch điện mà rơle phải canh. Các lượng đầu vào nói chung là: dòng 3 pha, dòng
trung tính , áp 3 pha, áp thứ tự zero.
Số lượng đầu vào cụ thể tuỳ theo yêu cầu cụ thể của từng kiểu rơle. Những
lượng này khi không có sự cố thường là hình sin và cân bằng, dòng trung tính,
áp thứ tự zero bằng không. Nhưng khi có sự cố sẽ có biến động mạnh của thành
phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng khiến sinh ra các thành
phần thứ tự ngược và zero. Một nét đặc biệt quan trọng khác nữa là kèm theo đó
thường sinh ra những thành phần quá độ tự do lớn, không chu kỳ, khiến dòng áp
quá độ sự cố mất dạng hình sin.
Do đó những dòng áp cần đo được :
7
- Biến nhỏ bằng những biến dòng CT (current transformer), biến áp
VT (voltage transformer) đặc biệt không bão hoà và dải rộng.
- Lọc thông thấp ra thành phần tần số công nghiệp gồm lọc cứng khi
cần kết hợp với lọc mềm, do tất cả các rơle tính toán bằng giá trị hiệu
dụng hình sin của U, mà các đại lượng U,I khi sảy ra sự cố đều không có
hình sin nên phải lọc để có tín hiệu hình sin. Ví dụ khi đo tần số bằng
phương pháp đo chu kỳ thì phải tạo ra xung vuông từ xung hình sin đi
qua điểm không. Do đó muốn có kết quả đo chính xác thì phải tiến hành
lọc thông thấp.(Những công việc trên chủ yếu thực hiện bằng phần
cứng)
• Bộ phận xử lý tính toán:

Đây là bộ phận nhận số liệu từ bộ phận canh đo để:
Lọc số tiếp nếu cần
Tnh toán phân tích ra các số liệu cần như dòng, áp hiệu dụng, thứ tự pha,
góc lệch pha dòng áp.
Tính các biểu thức đặc trưng sự cố, so ngưỡng để phát hiện sự cố.
Cắt hay không cắt trong khoảng bao nhiều thời gian. (Tất cả những công
việc sử lý tính toán trên được thực hiện bằng phần mềm).
• Bộ phận máy cắt : Đây là bộ phận theo dõi việc cắt máy (thời gian
chuẩn bị cắt máy cắt, thời gian tác động máy cắt).
• Bộ phận đóng lại.
• Bộ phận lịch thời gian.
• Bộ phận ghi chép sự cố, đèn báo, còi báo.
• Bộ phận đối thoại phím.
• Bộ phận truyền tin, đối thoại đọc viết của PC.
• Bộ phận nguồn cung cấp ổn áp một chiều hoặc từ xoay chiều.
Phần lớn các bộ phận ấy chạy bằng phần mềm theo các modul:
8
Truyền tin
Khởi động Power – on.
o Chuẩn hoá đo canh.
o Xử lý tính toán.
o Cắt.
o Đóng lại.
o Lịch.
o Truyền tin.
o Phím.
o Một số modul khác.
Rơle số hoạt động theo nguyên tắc thời gian thực nên các modul này được
gọi bằng các ngắt khác nhau.
II. Một số chủng loại rơle thành bộ ngày nay.

1. Rơle bảo vệ đường dây truyền tải.
Đường dây truyền tải được chia thành các loại:
- Cao và siêu cao áp từ 200 đến 500 kV hoặc cao hơn.
- Trung và cao áp 6 – 22 – 35 – 66 và 110 kV.
Hình ?: Sơ đồ kết cấu của rơle số
Phím
Đèn
Còi
Mạch
cắt
MẠCH
CHUẨN
HOÁ
ADC
VI
ĐIỀU
KHIỂN
INT
U , I
9
Trong các bảo vệ đường dây cao áp và siêu cao áp bao gồm các bảo vệ chính
sau:
- So dọc phương hướng và khoảng cách giữa các miền (có thể từ 3 đến 4
miền).
- Quá dòng so lệch từng pha.
- Khoá và cắt khi dao động mất đồng bộ.
- Chạm đất tức thời.
- So lệch pha.
Tất cả các bảo vệ trên đều có thể đóng lai và truyền tin về trung tâm. Trong các
rơle bảo vệ đường dây trung và cao áp có các loại bảo vệ sau:

− Khoảng cách giữa các miền, giữa pha và từng pha
− Quá dòng 4 đoạn thứ tự không
− So dọc khoảng cách có hướng.
− Quá dòng cắt nhanh, quá dòng định thời gian.
− Quá và thấp áp
− Sa thải theo tần số.
− Đóng lại.
− Chạm đất.
− Báo hư hỏng biến điện áp, biến dòng, cầu chì.
Các chức năng đo lường và giám sát, có thể có một vài hoặc tất cả các chức
năng sau:
− Đo tổng hợp các thông số
− Báo vùng sự cố
− Ghi lại các sự cố trước đó
− Ghi lại các sự kiện(có thể từ vài chục đến 100 sự kiện trước đó).
− Giám sát dòng cắt
− Flexible oscillography (vẽ hình dáng của dòng chạm đất).
10
− Tự kiểm tra chuẩn đoán
− Giám sát liên tục.
Giao diện người sử dụng có thể có các khả năng sau:
− Bàn phím.
− Màn hình tinh thể lỏng hay LED 7 thanh.
− Đèn led hiển thị trạng thái rơle.
− Đèn led hiển thị trạng thái báo động.
− Cổng truyền thông nối tiếp RS 232 hoặc RS 485
− Protocols ASCII hoặc tuỳ theo từng hãng chế tạo.
− Đầu vào IRIG-B
2. Rơle bảo vệ đường dây phân phối.
Bao gồm bảo vệ chính :

− Quá dòng thời gian.
− Quá dòng tức thời
− Bảo vệ công suất có hướng.
− Quá áp và thấp áp
− Sa thải theo tần số
− Đóng lặp lại
− Tự động phục hồi điện áp thấp
− Tự động phục hồi khi tần số thấp
− Báo hư hỏng máy cắt
− Đóng máy bằng tay
Chức năng đo lường giám sát có thể có chức năng sau:
− Báo vùng sự cố, ghi lại sự cố
− Vận hành máy cắt khi hư hỏng
− Đầu vào tương tự
11
− Dòng hồ quang tổng của máy cắt
− Ghi lại các sự kiện
− Màn hình hiển thị
− Đo các đại lượng U, I, Hz, Var, MVA, MW
− Nhật kí dữ liệu
Giao diện người sử dụng:
− Bàn phím hoặc phím số
− Màn hình hiển thị
− Các đèn led chỉ thị
− Truyền thông RS 232 hay RS 485, RS 422
− Truyền thông tin bằng cáp quang
3. Rơle bảo vệ máy biến áp.
Bao gồm các bảo vệ sau:
− Bảo vệ so lệch
− Quá tải và quá dòng thời gian

− Bảo vệ nhiệt độ
− Bảo vệ rơle ga (do ngắn mạch trong cuộn dây biến áp)
− Kìm hãm thành phần điều hoà
Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau:
− Ghi lại sự kiện
− Đo và ghi lại các thông số: V, I, Hz, MVAR
− Kiểm tra và chuẩn đoán
− Phân tích thành phần điều hoà
− Biên độ nhiệt độ
− Bộ biến đổi tương tự đầu vào
Giao diện người sử dụng:
12
− Bàn phím
− Màn hình hiển thị thông tin
− Đèn led hiển thị trạng thái
− Cổng truyền tin RS 232, RS 485.
− Truyền thông tin bằng cáp quang
4. Rơle bảo vệ động cơ.
Bao gồm các bảo vệ sau:
− Quá dòng.
− Quá tải
− 8 tiêu chuẩn của đường cong quá tải
− Người sử dụng xác định đường cong quá tải mềm dẻo.
− Ngắn mạch
− Chạm đất
− Nhiệt độ vòng dây Stato
− Dáng điệu của quá nhiệt độ
− Hãm roto
− Ngắn nhanh / kẹt phần cơ
− Không cân bằng/đơn pha

− Giảm dòng
− Ngược pha
− Quá áp và thấp áp
− So lệch pha
− Giảm công suất khi mất tải
− Cuộn dây điều khiển máy cắt điện
Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau:
− Dòng motor (ampe, % tải)
− Dung lượng nhiệt của motor
13
− Ghi lại giá trị trước khi cắt sự cố của motor
− Ghi lại trạng thái dữ liệu của motor
− Liên tục tự kiểm tra
− Dòng chạm đất
− Lựa chọn các loại đo chất lượng của năng lượng như: V, W, Var, Hz,
MWh…
Giao diện người dùng:
− Các đèn Led chỉ thị trạng thái của motor
− Màn hình hiển thị thông tin.
− Bàn phím và phím điều khiển.
− Cổng truyền thông RS 232 , RS 485.
− Truyền thông tin bằng cáp quang.
5. Rơle bảo vệ máy phát.
Bao gồm các bảo vệ sau:
− So lệch
− Công suất ngược
− Quá dòng tức thời
− Hạn chế điện áp pha quá dòng
− Khống chế quá dòng liên tiếp
− Quá kích thích

− Mất từ trường
− Quá áp và thấp áp
− Ngược pha điện áp
− Chạm đất Stato
− Vượt và thấp tần
− Quá nhiệt độ Stato
14
− Dáng điệu của quá nhiệt độ và độ rung
− Sự tiếp thêm năng lượng máy phát một cách không thận trọng
− Logic đóng ngắt thường xuyên
− Quá tốc độ
− Dò tìm hư hỏng máy cắt
− Dò tìm hư hỏng biến dòng
− Cuộn dây quản lý đóng cắt
Chức năng đo lường và giám sát:
− Đo : A, V, Hz, MW, MVAr…
− Ghi lại các sự kiện
− Ghi lại các sự cố
− Tự kiểm tra và chuẩn đoán
− Giám sát dòng cắt
Giao diện người sử dụng:
− Bàn phím
− Màn hình hiển thị thông tin, đồ thị…
− Đèn LED chỉ thị các trạng thái
− Cổng truyền thông RS 232, RS 485…
− Cổng nối máy in
− Đầu vào IRIG – B
6. Rơle bảo vệ thanh cái.
Gồm có thể có các chức năng bảo vệ sau:
− So lệch quá dòng với phần trăm hạn chế

− Ổn định điện trở
− Công suất ngược
− Chức năng nhạy cảm so lệch dòng
15
− Chạm đất
− Quá dòng, ngắn mạch
− Các lựa chọn chức năng báo hư hỏng máy cắt
− Các lựa chọn giám sát điều khiển quá dòng
− Cắt độc lập và báo động đầu ra
Đo lường và giám sát có các chức năng sau:
− Ghi lại sự kiện
− Giám sát các chức năng
− Đo điện áp và dòng điện
− Tự kiểm tra
− Đầu vào IRIG – B
Giao diện người dùng:
− Màn hình hiển thị và bàn phím
− Lựa chọn hệ thống bảo vệ và kiểm tra
− Truyền thông RS 232, RS 485…
− Có thể truyền thông tin bằng cáp quang
7. Rơle bảo vệ từng chức năng riêng rẽ khác.
Bảo vệ tần số, bảo vệ quá dòng, bảo vệ công suất có xu hướng, bảo vệ
chạm đất…Nói chung các rơle cơ khí có loại nào thì rơle số có loại đó. Xu
hướng chung là tổng hợp chúng thành bộ như trên song trên thực tế vẫn còn
nhiều nơi cần những bảo vệ đơn lẻ hoặc các bảo vệ để liên kết các bộ lớn, do
vậy hiện nay người ta vẫn chế tạo song song hai loại.
III. Các loại sự cố bảo vệ của rơle số hoá bảo vệ đường dây phân phối.
Rơle số làm việc dựa trên nguyên tắc đo lường số. Các trị số của đại
lượng tương tự dòng, áp nhận được từ phía thứ cấp của máy biến dòng và biến
điện áp là những đầu vào của rơle. Rơle số hoạt động theo hệ thời gian thực, cứ

16
50ms nó thực hiện việc đo các biến đầu vào để phát hiện sự cố trên đường dây,
nó có thể bảo vệ các loại sự cố sau:
+ Bảo vệ quá tải
+ Bảo vệ quá dòng, tự động đóng lại.
+ Bảo vệ sa thải theo tần số
+ bảo vệ chạm đất.
Rơle này có thể bảo vệ tất cả các sự cố trên hay một trong những sự cố trên
tuỳ vào người thiết kế và điều kiện lưới điện.
1. Sự cố quá tải.
Sự cố này xảy ra khi dòng điện trên đường truyền lớn hơn giá trị định
mức,dòng quá tải thường quy định trong khoảng (1,2÷1,7)Iđm.
Khi xảy ra quá tải, nhiệt độ đường dây tải sẽ tăng lên, làm cho dây yếu đi
về mặt cơ khí, gây hư hỏng đường dây, đồng thời tăng tổn thất nhiệt trên đường
dây.
Do công suất yêu cầu ở Việt Nam trong những năm gần đây tăng lên
nhiều, cho nên thường xảy ra tình trạng quá tải. Do đó rơle trung áp này chỉ báo
cho người trực biết mà không thực hiện việc cắt máy cắt.
Do vậy những người trực vận hành ở các lưới điện khu vực phải theo dõi
các thông số trên thiết bị và đường dây truyền tải thuộc khu vực mình quản lý để
phát hiện sự cố quá tải, thông báo cho điều phối viên hệ thống điện quốc gia biết
để xử lý, đưa ra phương thức vận hành hợp lý hơn với kết cấu điện hiện tại
nhằm giảm thiểu tình trạng quá tải các đường dây truyền tải.
2. Sự cố quá dòng.
Là sự cố xảy ra khi có sự ngắn mạch với nhau giữa các pha và giữa các pha với
đất.
a. Đối với mạng trung tính cách điện đối với đất, có các loại sự cố sau:
17
− Ngắn mạch giữa các pha với nhau.( giữa hai pha ab, bc,ca, hai ba pha
abc.)

− Ngắn mạch giữa hai pha với đất, ba pha với đất.( không có ngắn mạch 1
pha với đất).
b. Đối với mạng trung tính nối đất, có các loại sự cố sau:
− Chập mạch giữa các pha với nhau
− Một pha chạm đất, hai pha chạm đất, ba pha chạm đất.
*. Nguyên nhân của chập mạch :
Nguyên nhân chung và chủ yếu của chập mạch là do cách điện của lưới
điện bị hỏng hoặc cách điện giữa các pha với nhau không đảm bảo (hoặc bị phá
vỡ). Lý do cách điện bị hỏng là do già cỗi do làm việc lâu ngày, chịu tác động
cơ khí gây vỡ nát, bị tác động của nhiệt độ gây phá huỷ môi chất. Xuất hiện điện
trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc.
Những nguyên nhân tác động cơ khí có thể do con người, loài vật, hay do
bão làm gãy cây đổ cột, dây dẫn chập nhau… Sét đánh gây phóng điện cũng là
một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng chập mạch (tạo ra hồ quang
dẫn điện giữa các dây dẫn).
Chập mạch còn có thể do thao tác nhầm, ví dụ như đóng điện sau khi sửa
chữa mà quên tháo dây nối đất…
*. Hậu quả của chập mạch:
Chập mạch là loại sự cố nguy hiểm, vì khi chập mạch dòng điện đột ngột
tăng lên rất lớn (2 ÷ 20) Iđm chạy trong các phần tử của hệ thống điện. Dòng
điện chập mạch có thể gây ra các hậu quả sau:
− Phần tử hư hỏng bị tia hồ quang và nhiệt lượng của dòng ngắn
mạch phá huỷ. Ngắn mạch càng tồn tại lâu thì mức độ phá huỷ càng lớn vì nhiệt
lượng toả ra trên một phần tử bằng Q = KI
2
N
rt.
− Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần tử của thiết bị điện, làm biến
dạng hoặc phá huỷ các bộ phận như: Sứ đỡ thanh dẫn…..
18

− Gây sụt áp lưới điện, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng các phụ tải
tiêu thụ điện như : làm động cơ ngừng quay…
− Gây mất ổn định hệ thống do công suất phát của các máy phát
điện và công suất tiêu thụ của lưới điện bị mất cân bằng gây phá huỷ máy phát.
− Tạo ra các thành phần dong điện không đối xứng, gây nhiễu các
đường dây thông tin ở gần.
− Khi bảo vệ tác động, nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại
trừ điểm ngắn mạch, vì thế làm gián đoạn việc cung cấp điện.
Do các hậu quả như trên mà các sự cố chập mạch luôn được ưu tiên trước
hết. Khi xảy ra chập mạch, tuỳ theo điểm chập mạch xảy ra ở xa hay gần nguồn
mà có thể có dòng chập mạch lớn hay nhỏ.
Chập mạch thường xảy ra bên ngoài máy cắt của các lộ. Trong trường hợp đó,
hệ thống rơle của đường dây sự cố và của máy cắt tổng đều phát hiện ra sự cố
(pick up) và phải đảm bảo tính lựa chọn, chỉ cắt nhanh lộ của đường dây phân
phối mà không cắt ngay lộ tổng, đồng thời ở các lộ nhánh cũng phải có sự lựa
chọn, lộ nào có dòng điện lớn hơn thì sẽ cắt trước.
*. Đóng lặp lại:
Sự cố quá dòng ( hay chập mạch trên đường dây) có thể là sự cố thoảng
qua giữa các pha do sứ bị phóng điện bề mặt, do sét đánh, do gió mạnh làm dây
dẫn chập nhau, vật có thể bắc qua như cành cây, rắn bò chim đậu… gây chập
mạch.
Khi đó với những chập mạch do vật thể lạ (cây cối, rắn rết, dây diều…)vắt
qua đường dây gây ngắn mạch sẽ được loại trừ sau khi tia lửa điện (hồ quang)
đã đốt cháy vật lạ. Nếu vật thể nhỏ thì dòng chập mạch lúc đó có thể đốt cháy
vật thể và hết sự cố chập mạch. Như vậy đa số trường hợp hỏng hóc trên đường
dây tải điện trên không nếu sau kh cắt máy một khoảng thời gian đủ để cho môi
trường chỗ hư hỏng khôi phục lại tính chất cách điện, ta lại đóng đường dây thì
đường dây lại hoạt động bình thường, nhanh chóng khôi phục lại cung cấp điện
cho hộ tiêu thụ, giữ vững chế độ đồng bộ và ổn địnhcảu hệ thống. Tuy nhiên nếu
19

vật lớn quá thì một lần đốt vật gây chập mạch đó chưa cháy hết thì cần phải tiến
hành đốt nhiều làn theo chu trình:
Trip1 → t1 → close1 → Trip2 → t2 → close2 → Trip3 → t3→ close3
Số lần đóng lại người dung có thể đặt, thông thường khoảng 3 lần. Nếu
sau 3 lần mà vẫn phát hiện thấy có sự cố thì cắt hoàn toàn đường dây bị sự cố.
3. Sự cố tần số thấp.
Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất của nguồn phát ra tức là thiếu
hụt công suất làm cho tần số lưới điện giảm xuống thấp – đó là sự cố tần số thấp.
Khi tần số không ổn định ở 50Hz làm cho chất lượng vận hành kém đi, gây hư
hỏng thiết bị như: máy phát điện bị nóng, động cơ không đồng bộ quay không
đúng tốc độ…
Do đó rơle trung áp làm nhiệm vụ phát hiện tần số thấp (thấp hơn so với
ngưỡng của người lập trình) thông báo cho người sử dụng biết và có thể cắt máy
cắt nếu người dùng muốn.
20
CHƯƠNG III
SƠ ĐỒ KHỐI VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
I. Sơ đồ khối
Rơle sa thải tải tần số được thiết kế như sau:
II. Thiết kế phần cứng
1. Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu
Rơle làm việc với những tín hiệu điện nối với hệ thống thông qua máy
biến dòng biến áp. Chúng còn được gọi là máy biến đổi đại lượng đầu vào hoặc
máy biến đổi đo lường, có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía
hệ thống, đồng thời giảm biên độ của điện áp và dòng điện của hệ thống xuống
đến những trị số chuẩn ở phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng
các thiết bị bảo vệ đo lường và điều khiển.
1.1 Mạch lọc và chuẩn hoá điện áp
Tín hiệu vào của rơle là áp từ: 0 ÷ 220V.
Mạch lọc

thông thấp
và Mạch
chuẩn hoá
tín hiệu đo
Vi
Điều
khiển
AT90S8535
LCD
RTC
Phím
EEPROM
Hình 2: Sơ đồ khối của Relay
Rơle
U, f
Truyền tin máy tính RS 232
21
Tín hiệu ra : 0 ÷ 5V
Điện áp vào này được đưa thẳng vào ADC của vi điều khiển AT90S8535 để
hiển thị giá trị điện áp của lưới.
Sơ đồ khối:
Để loại bỏ thành phần nhiễu, trước khi tín hiệu vào mạch chuẩn hoá ta
cho đi qua mạch lọc thông thấp. Điện áp ra của biến áp là 220/12V được đưa
qua mạch lọc thông thấp dùng vi mạch LM 324 với tần số cắt Tc = 2Π*R*C.
Sau đó tín hiệu điện áp này được đưa qua mạch chỉnh lưu thành điện áp một
chiều giá trị 0 ÷ 5V tương ứng với điện áp vào từ 0 ÷ 220V.
Mạch lọc thông thấp: Có tác dụng chặn lại những tín hiệu có tần số cao
làm méo tín hiệu hình sin. với sơ đồ trên thì tần số cắt của mạch lọc là:
Lọc
thông

thấp
Mạch
chuẩn
hoá
Ura 1 chiều 5V
Tần số lưới
Hình 3: Sơ đồ khối mạch lọc và chuẩn hoá
Biến áp
22
R 6
5 . 6 K
R 2
2 . 2 K
R 7
4 . 7 K
T 1
T R A N S F O R M E R
1 5
4 8
- 1 2 V
R 9 4 . 7 K
+ 1 2 V
C 2
4 . 7 u F
1 . 6 2 3 V
R 3
4 . 7 K
- 1 2 V
R 1 0
1 0 K

R 1
1 0 K
D 1
K = 2 . 1 3 - - > 3 . 2
R 8
2 . 2 K
D 2
-
+
U 1 A
L M 3 2 4 A
3
2
1
4 1 1
R 4
1 0 K
+ 1 2 V
-
+
U 1 B
L M 3 2 4 A
5
6
7
4 1 1
R 5
5 K
C 1
2 2 0 n F

Hình 4: Mạch lọc và chuẩn hoá điện áp
Tc = 2Π*(R4+R5)*C1
Wc =
1*)54(
1
CRR
+
Hàm truyền đạt của mạch lọc :
4.11
4
3
14
3
3
1
14
1
RpC
g
g
pCg
g
g
pCg
K
+
=
+
=
+

=
4.11
1
*
3
4
RpCR
R
K
+
=
Vậy ta có :
10
2
.
1
1
*
3
4
KK
w
w
R
R
K
c
=









+
=
3
4
0
R
R
K
=
;
2
1
1
1








+
=

c
w
w
K








−=
c
w
w
acrtg
ϕ
.
Với w nhỏ, khi đó
c
w
w
coi như bằng không.
K
1
= 1 ; K = K
0
=
3

4
R
R
Với w = w
c
, khi đó :
K1 =
2
1
;
K =
2
1
K
0
Vì trong mạch cho phép tần số công nghiệp đi qua nên ta chọn f
c
= 50Hz.
Khi đó w
c
= 2.Π.f
c
= 2.Π.50 = 314 (rad)
23
Mà theo công thức
1.4
1
CR
w
c

=
Vậy R4.C1 =
314
1
= 3,2 (ms)
Từ đó ta chọn C1 = 220 nF
R4 = 15 kΩ
Theo tính toán điện áp ra khỏi biến áp là 12V( máy biến áp có hệ số biến áp
220/12). Sau đó điện áp này được qua một bộ phân áp bởi R1 và R2 để áp trên
R2 là:
V
RR
R
UU
vao
16,2
2,210
2,2
.12
21
2
.
R2
=
+
=
+
=
Vậy để áp ra khỏi mạch chuyển đổi chuẩn hoá này đạt được 5V thì hệ số
khuếch đại của mạch lọc này là

2,3
7,4
15
3
4
−=
Ω
Ω
−=−
k
k
R
R
. Khi đó áp ra là 2,16.3,2
= 6,9V.
Và sau đó điện áp này được đưa qua biến trở để hiệu chỉnh thành 5V. Sở dĩ
phải làm như vậy vì điện trở được dùng có độ chính xác không cao, nên cần loại
bỏ sai số do điện trở gây ra.
Điện áp ra khỏi mạch lọc được đưa vào mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ sau
đó lọc san phẳng bằng 1 tụ hoá C2 = 4.7(µF).
Cũng từ điện áp ra khỏi mạch lọc này được đưa vào mạch biến đổi điện áp
hình sin ra thành xung vuông có cả phần âm và phần dương. Hoạt động của
mạch là so sánh điện áp vào với 0 nhờ một mạch so sánh LM393.
 Khi U
vào
> 0 thì U
ra
của LM393 là +5V
 Khi U
vào

< 0 thì U
ra
của LM393 là -5V
24
X u n g v u o n g
0 - 5 V
R 1 1
4 . 7 K
R 1 2
4 . 7 K
R 1 34 . 7 K
C 4
2 2 0 n F
+ 5 V
R 1 4
1 0 K
D 5
U v a o
- 5 V
-
+
U 2 A
L M 3 9 3
3
2
1
84
C 3
2 2 0 n F
Hình 5: Mạch tạo xung vuông

Tần số của xung vuông này chính bằng tần số đầu vào từ máy biến áp của
mạch. Để cắt bỏ phần âm của tín hiệu ta dùng một diode. Vì trong đồ án này sử
dụng phương pháp đo tần số bằng cách đo chu kỳ do đó tìn hiệu xung vuông tần
số được đưa vào chân ngắt INT0 để khởi động timer sau đó ta đếm thời gian của
2 lần ngắt chính là chu kỳ cần đo. Và ta có tần số f = 1/T.
2. Khối xử lý và điều khiển
Dòng vi điều khiển AVR là dòng xử lý 8 bit với cấu trúc havard, tập lệnh
RISC với 118 lệnh, phần lớn là lệnh thực hiện trong một chu kỳ. Nhằm tìm hiểu
những tính năng mạnh của dòng vi điều khiển này, trong đồ án này đã sử dụng
loại vi điều khiển AT90S8535. Đây là sản phẩm của hãng Atmel và nó có những
đặc tính như sau:
Bao gồm:
 32 thanh ghi đa chức năng 8 bít.
 Có thể đạt tới tốc độ 8 triệu lệnh/ giây với tần số đạt vào là 8 MHz.
 8k bộ nhớ chưng trình flash có giao tiếp SPI ghi xoá được 1000 lần.
 512 byte EEPROM ghi xoá 100,000 lần.
 512 byte SRAM trong.
Chức năng ngoại vi gồm có :
 1 ADC 10 bit 8 kênh.
 2 Timer 8 bit các tần số định trước, và chế độ so sánh.
 1 Timer 16 bit với tần số định trước có chế độ compare và capture.
 Lập trình cho watchdog timer với tần số trên chíp
 Có bộ so sánh tưng tự trên chíp.
Và có một số chức năng đặc biệt khác như :
25