Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ XUÂN SỸ

MÔ PHỎNG RƠ LE BẢO VỆ KỸ THUẬT SỐ
DỰA TRÊN BỘ VI ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN ĐỨC HUY

Hà Nội – Năm 2014


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật này hoàn toàn do tôi thực hiện.
Các thông tin, số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chính xác và có
nguồn gốc rõ ràng.
Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2014
HỌC VIÊN

1


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... 9
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ 10
PHẦN 1 : MỞ ĐẦU ............................................................................................. 11
PHẦN 2 : NỘI DUNG ......................................................................................... 13
CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CHUNG................................................................. 13
1.1 Lý thuyết bảo vệ quá dòng điện ................................................................ 13
1.1.1 Bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian trì hoãn ...................................... 13
1.1.2 Bảo vệ dòng cắt nhanh .......................................................................... 20
1.1.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện ............................................................. 23
1.2 Bảo vệ quá dòng có hướng ......................................................................... 23
1.2.1 Bộ phận định hướng công suất .............................................................. 24
1.2.2 Sơ đồ nối rơ le định hướng công suất .................................................... 25
1.2.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng có hướng...................................................... 28
1.3 Bảo vệ khoảng cách.................................................................................... 29
1.3.1 Nguyên lý tổng trở ................................................................................ 29
2.3.2 Vùng tác động của bảo vệ khoảng cách ................................................. 31
1.3.3 Các mạch vòng sự cố ............................................................................ 33
1.3.4 Đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách ....................................... 35
1.3.5 Đánh giá bảo vệ khoảng cách ................................................................ 36
1.4 Nguyên lý đo lường và xử lý tín hiệu kỹ thuật số ..................................... 37
1.4.1 Đo lường sơ cấp điện áp và dòng điện ................................................... 38

2


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
1.4.2 Lọc tương tự ......................................................................................... 41
1.4.3 Phân tích Fourier đo dòng điện và điện áp ............................................. 42

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BẢO VỆ RƠ LE TRÊN NỀN TẢNG VI
ĐIỀU KHIỂN ...................................................................................................... 45
2.1 Xây dựng thuật toán bảo vệ. ..................................................................... 45
2.1.1 Vòng lặp chương trình chính ................................................................. 45
2.1.2 Giải thuật bảo vệ quá dòng .................................................................... 47
2.1.3 Giải thuật bảo vệ quá dòng có hướng .................................................... 48
2.1.4 Giải thuật bảo vệ khoảng cách ............................................................... 50
3.1.5 Cấu trúc bản ghi dữ liệu sự cố ............................................................... 51
2.2 Xây dựng phần cứng. ................................................................................. 52
2.2.1 Lựa chọn vi điều khiển trung tâm .......................................................... 52
2.2.2 Thiết kế khối do dòng điện và điện áp. .................................................. 55
2.2.3 Thiết kế khối lưu thông tin bản ghi sự cố .............................................. 58
2.2.4 Thiết kế khối giao tiếp với máy tính ...................................................... 60
2.2.5 Thiết kế khối giao diện người dùng ....................................................... 61
2.2.6 Thiết kế khối xuất tín hiệu báo hiệu và tác động.................................... 61
2.2.7 Thiết kế mạch in. .................................................................................. 62
2.2.8 Thiết kế khối nguồn cung cấp cho mạch................................................ 63
2.3 Xây dựng phần mềm phân tích bản ghi. ................................................... 64
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC HIỆN............................................................ 67
3.1 Cấu trúc hệ thống ...................................................................................... 67
3.2 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện. ............................................................ 69
3.2.1 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện khi ngắn mạch 1 pha chạm đất. ........ 69
3.2.2 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng điện khi ngắn mạch 3 pha. ....................... 73

3


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
3.3 Thí nghiệm bảo vệ quá dòng có hướng. .................................................... 76
3.3.1 BVQD có hướng ngắn mạch 1 pha chạm đất, hướng công suất thuận. ... 76

3.3.2 BVQD có hướng ngắn mạch 2 pha chạm đất, hướng công suất thuận. ... 79
3.3.3 BVQD có hướng ngắn mạch 1 pha chạm đất, hướng công suất ngược... 82
3.3.4 BVQD có hướng ngắn mạch 3 pha gần điểm đặt rơ le, hướng công suất
thuận .............................................................................................................. 84
3.4 Thí nghiệm bảo vệ khoảng cách. ............................................................... 86
3.4.1 Bảo vệ khoảng cách ngắn mạch 2 pha trong vùng tác động ................... 87
3.4.2 Bảo vệ khoảng cách ngắn mạch 2 pha trong vùng không tác động ........ 90
PHẦN 3: KẾT LUẬN .......................................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 94

4


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
DANH MỤC HÌNH VẼ
Chương 1
Hình 1. 1: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại ...................................... 14
Hình 1. 2: Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố .................................... 14
Hình 1. 3: Bố trí bảo vệ dòng diện cực đại trong mạng điện hình tia 1 nguồn cung
cấp......................................................................................................................... 15
Hình 1. 4: Đặc tuyến dòng điện – thời gian làm việc của rơ le dòng điện ............... 17
Hình 1. 5: Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc................................................... 18
Hình 1. 6: Đồ thị tính toán bảo vệ dòng cắt nhanh không thời gian đối với đường
dây có nguồn cung cấp một phía. ........................................................................... 20
Hình 1. 7: Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh ..................................................... 21
Hình 1. 8: Bảo vệ cắt nhanh trên đường dây có hai nguồn cung cấp ...................... 22
Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ quá dòng có hướng. ...................................... 23
Hình 1. 10: Giản đồ xác định vùng làm việc của phân tử định hướng công suất ..... 24
Hình 1. 11: Các sơ đồ nối rơ le công suất thông dụng ............................................ 26
Hình 1. 12: Đồ thị vec tơ của dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch 3 pha.. 26

Hình 1. 13: Đồ thị vec tơ dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch hai pha ..... 27
Hình 1. 14: a) Vùng biến thiên của tổng trở phụ tải b) Tổng trở sự cố.................... 30
Hình 1. 15: Điện áp, dòng điện, tổng trở nhìn được từ rơle .................................... 31
Hình 1. 16: Đặc tính thời gian nhiều cấp của bảo vệ khoảng cách .......................... 32
Hình 1. 17: Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa 3 vùng tác động
của bảo vệ khoảng cách ......................................................................................... 32
Hình 1. 18: Mạch vòng xác định sự cố................................................................... 34
Hình 1. 19: Các dạng đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách ...................... 35
Hình 1. 20: Cấu trúc phần cứng điển hình của một rơ le số .................................... 37
Hình 1. 21: Sơ đồ nối BI........................................................................................ 39
Hình 1. 22: Cách đấu biến dòng BI kết hợp điện trở Shunt .................................... 40
Hình 1. 23: Sơ đồ mạch do dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall ................................ 40
Hình 1. 24: Bộ lọc thông thấp RC thụ động ........................................................... 41

5


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Hình 1. 25: Bộ lọc thông thấp chủ động có sử dụng opamp ................................... 41
Hình 1. 26: Đáp ứng tần số của phương pháp Fourier ............................................ 43
Chương 2
Hình 2. 1: Lưu đồ thuật toán hoạt động của hệ thống ............................................. 46
Hình 2. 2: Chương trình chính của rơ le bảo vệ ..................................................... 47
Hình 2. 3: Thuật toán bảo vệ quá dòng điện ........................................................... 48
Hình 2. 4: Thuật toán bảo vệ quá dòng điện có hướng ........................................... 49
Hình 2. 5: Thuật toán bảo vệ khoảng cách ............................................................. 50
Hình 2. 6: Các tính năng nổi bật của dòng vi điều khiển Stm32f40x ...................... 53
Hình 2. 7: Kiến trúc ngoại vi bên trong của dòng vi điều khiển Stm32f40x ........... 54
Hình 2. 8: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo điện áp mẫu ................................................. 55
Hình 2. 9: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall ........................... 56

Hình 2. 10: Đáp ứng tần số mạch lọc thụ động mô phỏng bằng Pspise .................. 56
Hình 2. 11: Mạch đo dòng điện kết hợp lọc thông thấp .......................................... 57
Hình 2. 12: Đáp ứng tần số đầu ra mạch đo dòng điện mô phỏng bằng Pspise ....... 57
Hình 2. 13: Sơ đồ nguyên lý mạch tiền xử lý điện áp ............................................. 58
Hình 2. 14: Khối thẻ nhớ lưu thông tin .................................................................. 59
Hình 2. 15: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông không đồng bộ nối tiếp RS232 ..... 60
Hình 2. 16: Sơ đồ nguyên lý khối giao diện người dùng ........................................ 61
Hình 2. 17: Sơ đồ nguyên lý khối xuất tín hiệu báo hiệu và tác động ..................... 62
Hình 2. 18: Mạch in rơ le bảo vệ thiết kế bằng phần mềm Altium Designer .......... 63
Hình 2. 19: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch rơ le ................................. 63
Hình 2. 20: Phần mềm phân tích bản ghi sự cố ...................................................... 65
Chương 3
Hình 3. 2: Sơ đồ bố trí rơ le thí nghiệm ................................................................. 67
Hình 3. 3: Mô hình rơ le số bảo vệ hệ thống điện................................................... 68
Hình 3. 4: Bản ghi sự cố của rơ le P442 sự cố sự cố N(1) tại TP6 .......................... 69
Hình 3. 5: Thời gian phát hiện sự cố sự cố N(1) tại TP6 của rơ le P442 ................. 70
Hình 3. 6: Thời gian phát hiện sự cố sự cố N(1) tại TP6 của mô hình rơ le. ............. 70

6


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Hình 3. 7: Giá trị hiệu dụng dòng điện 3 pha sự cố N(1)của mô hình rơ le tại TP6 .. 71
Hình 3. 8: Dạng sóng điện áp 3 pha sự cố N(1) của mô hình rơ le tại TP6 ............... 71
Hình 3. 9: Bản ghi sự cố của rơ le P442 sự cố N(3) tại TP6..................................... 73
Hình 3. 10: Dạng sóng dòng điện 3 pha sự cố N(3) của mô hình rơ le tại TP6 ......... 73
Hình 3. 11: Giá trị hiệu dụng dòng điện 3 pha sự cố N(3) của mô hình rơ le tại TP6
.............................................................................................................................. 74
Hình 3. 12: Dạng sóng điện áp 3 pha trong sự cố N(3) của mô hình rơ le tại TP6 .... 74
Hình 3. 13: Bản ghi rơ le P442 sự cố N(1), BVQD có hướng. ................................. 76

Hình 3. 14: Dạng sóng dòng điện sự cố N(1) của mô hình rơ le, BVQD có hướng. . 77
Hình 3. 15: Giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố N(1)của mô hình rơ le, BVQD có
hướng .................................................................................................................... 77
Hình 3. 16: Dạng sóng điện áp sự cố N(1) của mô hình rơ le, BVQD có hướng. ..... 78
Hình 3. 17: Bản ghi rơ le P442 sự cố N(1,1), BVQD có hướng. ............................... 80
Hình 3. 18: Dạng sóng dòng điện sự cố N(1,1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng . 80
Hình 3. 19: Giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố N(1,1)của mô hình rơ le, BVQD có
hướng .................................................................................................................... 81
Hình 3. 20: Dạng sóng điện áp sự cố N(1,1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng. .... 81
Hình 3. 21: Dạng sóng dòng điện sự cố N(1)của mô hình rơ le, BVQD có hướng với
hướng công suất ngược. ......................................................................................... 83
Hình 3. 22: Dạng sóng điện áp sự cố N(3) khi ngắn mạch gần của mô hình rơ le,
BVQD có hướng với hướng công suất thuận. ........................................................ 84
Hình 3. 23: Dạng sóng điện áp pha A sự cố N(3) khi ngắn mạch gần của mô hình rơ
le, BVQD có hướng với hướng công suất thuận..................................................... 85
Hình 3. 24: Dạng sóng dòng điện sự cố N(3)khi ngắn mạch gần của mô hình rơ le,
BVQD có hướng với hướng công suất thuận. ........................................................ 85
Hình 3. 25: Đặc tính tứ giác sử dụng trong thí nghiệm bảo vệ khoảng cách ........... 86
Hình 3. 26: Bản ghi rơ le P442 sự cố N(2) , BVKC. ................................................ 87
Hình 3. 27: Dạng sóng dòng điện sự cố N(2) của mô hình rơ le, BVKC .................. 88
Hình 3. 28: Giá trị hiệu dụng dòng điện sự cố N(2) của mô hình rơ le, BVKC ........ 88
Hình 3. 29: Dạng sóng điện áp sự cố N(2) của mô hình rơ le, BVKC ...................... 89

7


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Hình 3. 30: Sự biến thiên trở kháng pha- pha AB trong sự cố N(2) , BVKC. ........... 89
Hình 3. 31: Dạng sóng dòng điện sự cố N(2) của mô hình rơ le tại TP8, BVKC...... 90
Hình 3. 32: Sự biến thiên trở kháng pha- pha AB trong sự cố N(2) tại TP8 , BVKC.

.............................................................................................................................. 91

8


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Chương 1
Bảng 1. 1: Cấu hình tính toán tổng trở sự cố của rơ le ........................................... 33
Bảng 1. 2: Sơ đồ phân loại sự cố............................................................................ 34
Chương 3
Bảng 3. 1: Giá trị tức thời dòng điện chu kỳ ngay sau sự cố của các pha................ 75
Bảng 3. 2: Bảng thống kê thời gian phát hiện và dòng cực đại sự cố N(1) . ............ 79
Bảng 3. 3: Bảng thống kê thời gian phát hiện sự cố và dòng cực đại của rơ le ....... 82

9


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BVQD : Bảo vệ quá dòng
BVKC : Bảo vệ khoảng cách.
RMS:

Giá trị hiệu dụng (Root mean square).

IC:

Vi mạch tích hợp (Integrated Circuit).

BI :

Máy biến dòng điện

BU :

Máy biến điện áp.

ADC :

Bộ chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter).

S/H:

Trích và giữ mẫu (Sample/ Hold).

10


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
PHẦN 1 : MỞ ĐẦU
Quá trình vận hành hệ thống điện xuất hiện những sự cố ngắn mạch, quá tải,
sự làm việc không bình thường của các phần tử. Khi xảy ra sự cố thường kèm theo
sự tăng đột ngột của dòng điện và sự giảm điện áp trên các pha. Khi dòng điện tăng,
các phần tử có dòng chạy quá có thể bị đốt nóng quá mức cho phép hay bị biến
dạng bởi lực từ gây hư hỏng. Khi điện áp giảm các phụ tải không thể hoạt động bình
thường, các máy phát điện làm việc không ổn định. Vì vậy các sự cố cần được phát
hiện sớm và chính xác để nhanh chóng cắt bỏ đoạn hư hỏng ra khỏi hệ thống, đảm
bảo sự làm việc ổn định, bình thường. Thiết bị có tác dụng theo dõi hệ thống điện,
phát hiện sự cố, lưu thông tin sự cố, xuất cảnh báo và tín hiệu cắt khi hệ thống điện

gặp sự cố là các bảo vệ rơ le.
Hiện tại với sự phát triển của mạng lưới truyền tải và sự đa dạng của các phụ
tải, các yêu cầu bảo vệ cũng đa dạng, các rơ le cơ truyền thống khó có thể đáp ứng
do không linh hoạt trong sự thay đổi thuật toán bảo vệ. Các rơ le số với những ưu
điểm của thiết bị khả trình ngày càng được sử dụng nhiều. Với sự phát triển của
ngành công nghệ bán dẫn, các hệ vi xử lý ngày càng có tốc độ cao, ổn định, giảm
tiêu thụ năng lượng. Việc ứng dụng các hệ vi xử lý vào phát triển rơ le bảo vệ cho
hệ thống điện có ý nghĩa thực tiễn.
Chính vì những ý nghĩa ở trên em đã chọn đề tài “Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ
thuật số trên bộ vi điều khiển”.
Các nghiên cứu về lý thuyết bảo vệ và mô phỏng sự cố trên máy tính đã được
xây dựng chi tiết trong các đề tài khác. Nhưng ứng dụng mô phỏng sự cố trên các hệ
vi xử lý mới tân tiến hơn được thực hiện với mức độ hoàn thiện khác nhau.
Việc thực hiện đề tài sẽ xây dựng một mô hình đơn giản của hệ thống rơ le
bảo vệ kỹ thuật số để có thể chạy mô phỏng các thuật toán bảo vệ trước các sự cố
xảy ra của hệ thống điện. Do được chạy trên mô hình rơ le thực tế, chịu tác động
của các yếu tố bên ngoài nên kết quả thu được có sẽ phản ánh chân thực sự cố.

11


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Để xây dựng một hệ thống rơ le bảo vệ, tác giả đã tiến hành tìm hiểu lý
thuyết về bảo vệ hệ thống điện trong các trường hợp sự cố. Xây dựng thuật toán bảo
vệ. Xây dựng cấu hình phần cứng thu thập và tiền xử lý tín hiệu dòng điện và điện
áp. Lập trình mô phỏng thuật toán bảo vệ ứng với một số trường hợp sự cố, tiến
hành kiểm nghiệm kết quả và so sánh với các rơ le thực tế dựa trên bản ghi thu
được.
Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong được
các thày cô và các bạn góp ý để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa thực tiễn.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Đức Huy và các thày
cô trong bộ môn Hệ thống điện trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp
đỡ và tạo điều kiện giúp em thưc hiện đề tài này.
Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2014
HỌC VIÊN

12


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
PHẦN 2 : NỘI DUNG
CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CHUNG
1.1 Lý thuyết bảo vệ quá dòng điện
Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết
bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước. Có thể đảm bảo khả năng tác động chọn lọc
của các bảo vệ bằng hai phương pháp khác nhau về nguyên tắc
 Bảo vệ được thực hiện có thời gian tác động càng lớn khi bảo vệ đặt gần về
phía nguồn cung cấp. Bảo vệ được thực hiện như vậy gọi là “Bảo vệ dòng
điện cực đại làm việc có thời gian trì hoãn”.
 Dựa trên tính chất dòng ngắn mạch đi qua chỗ đặt bảo vệ sẽ giảm xuống khi
hư hỏng càng cách xa nguồn cung cấp. Dòng khởi động được chọn có giá trị
lớn hơn trị số lớn nhất của dòng trên đoạn được bảo vệ khi ngắn mạch xảy ra
ở đoạn kế cận. Nhờ vậy bảo vệ có thể tác động chọn lọc không thời gian.
Bảo vệ loại này được gọi là “Bảo vệ dòng điện cắt nhanh”
Với bảo vệ dòng điện cực đại làm việc có thời gian trì hoãn lại được chia
thành 2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trì hoãn. Khi thời gian trì hoãn
được lựa chọn 1 cách độc lập không phụ thuộc vào các thông số khác trong quá
trình hoạt động ta có loại “rơ le đặc tính thời gian độc lập”. Khi thời gian trì hoãn
phụ thuộc dòng điện qua bảo vệ ta có loại “rơ le đặc tính thời gian phụ thuộc”.
1.1.1 Bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian trì hoãn

Bảo vệ dòng điện cực đại gồm 2 bộ phận chính
 Bộ phận khởi động: nhiệm vụ phát hiện ra sự cố quá dòng điện vượt quá giá
trị đặt.
 Bộ phận tạo thời gian trì hoãn: tạo ra thời gian trì hoãn kể từ lúc phát hiện sự
cố đến khi bảo vệ tác động, đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách chọn lọc.

13


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển

Hình 1. 1: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ dòng điện cực đại
a. Dòng khởi động của bảo vệ

Hình 1. 2: Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố

14


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Theo nguyên tắc tác động, dòng khởi động Ikđ của bảo vệ phải lớn hơn dòng
điện phụ tải cực đại qua chỗ đặt bảo vệ, tuy nhiên trong thực tế việc lựa chọn dòng
khởi động còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Đối với các rơ le quá dòng điện,
dòng điện khởi động Ikđ của bảo vệ thường được chọn theo điều kiện
𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 > 𝐼𝑘đ =

𝐾𝑎𝑡 . 𝐾𝑚
. 𝐼𝑙𝑣 𝑚𝑎𝑥
𝐾𝑣

(1.1)

Trong đó:
 Ilv max : dòng điện làm việc lớn nhất cho phép đối với phần tử được bảo vệ.
 Km : hệ số mở máy (khởi động) của phụ tải động cơ có dòng điện chạy qua
chỗ đặt bảo vệ. Tùy theo tỷ lệ của phụ tải động cơ trong dòng điện tổng qua
chỗ đặt bảo vệ và loại động cơ sử dụng mà hệ số Km có thể lấy trong khoảng
2 ÷ 5.
 Kat : hệ số an toàn, thường lấy khoảng 1,1 (với rơ le tĩnh và rơ le số) đến 1,2
(với rơ le điện cơ).
 Kv : hệ số trở về, với các rơ le điện cơ Kv=0,85 ÷ 0,9 ; với rơ le tĩnh và rơ le
số Kv≈1.
 INmin : dòng cực tiểu đi qua bảo vệ đảm bảo cho rơ le còn khởi động được.
Khi xác định trị số của INmin cần lưu ý đến chế độ làm việc của hệ thống, cấu
hình của lưới điện, vị trí điểm ngắn mạch, dạng ngắn mạch
3''

2''

IN

IN

3'

A

1''

2'

B

1'

N

C

Hình 1. 3: Bố trí bảo vệ dòng diện cực đại trong mạng điện hình tia 1 nguồn cung
cấp
Để tường minh cho việc lựa chọn dòng khởi động cho bảo vệ, ta xét mạng
điện như hình 1.3. Tính toán dòng khởi động cho bảo vệ 3’ đặt tại đầu đường dây.

15


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Khi có ngắn mạch tại N thuộc dường dây BC. Khi các bảo vệ tác động đúng, tức chỉ
có bảo vệ 2’ cắt đoạn hư hỏng BC, bảo vệ 3’ do có thời gian trì hoãn lớn hơn sẽ
không tác động.
Muốn vậy dòng trở về Itv của bảo vệ 3’ phải có trị số lớn hơn trị số tính toán
của dòng mở máy Imm đi qua đoạn AB đến các hộ tiêu thụ của trạm B: Itv > Immmax.
Dòng Immmax thường lớn hơn rất nhiều dòng điện phụ tải cực đại Ilvmax. Đưa
vào hệ số mở máy kmm để tính dòng mở máy cực đại ta có: Immmax=kmm. Ilvmax
Khắc phục sai số của dòng trở về của các bảo vệ và các tính toán không
chính xác, ta có hệ số an toàn kat >1. Từ điều kiện trở về của đoạn AB ta có:
Itv=kat.kmm.Ilvmax
Tỉ số giữa dòng trở về và dòng khởi động của rơ le (hoặc bảo vệ) gọi là hệ số
𝐼

trở về 𝐾𝑣 = 𝐼 𝑡𝑣 . Các rơ le lý tưởng có hệ số Kv=1, nhưng thực tế hệ số này luôn nhỏ
𝑘đ

hơn 1.
Các giá trị dòng điện chạy trên hệ thống điện thường có giá trị lớn, không thể
đưa trực tiếp bằng thiết bị đo mà cần thông qua các thiết bị biến đổi dòng điện là
các biến dòng. Chính vì vậy cần chú ý tới tỷ số biến đổi của biến dòng, cấp chính
xác đo lường, số vòng dây và cách đấu dây biến dòng để xác định đúng các giá trị
đo lường.
b. Thời gian tác động của bảo vệ
1- Bậc thời gian
Để đảm bảo tính chọn lọc, thời gian tác động của bảo vệ dòng điện cực đại
được chọn theo nguyên tắc bậc thang. Độ chênh lệch giữa thời gian tác động của
bảo vệ kề nhau được gọi là bậc thời gian hay bậc chọn lọc: ∆t = tn – t(n-1).
Giá trị của bậc thời gian ∆t được chọn sao cho đảm bảo tính chọn lọc, các
bảo vệ gần sự cố sẽ cắt trước khi các bảo vệ xa hơn và gần nguồn kịp tác động.

16


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
2- Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian độc lập
Thời gian trì hoãn tác động của bảo vệ được tạo nên nhờ rơ le thời gian hoặc
các bộ định thời và không phụ thuộc vào dòng sự cố. Đặc tuyến này của rơle dòng
có dạng đường thẳng .
Đối với rơ le có đặc tính thời gian độc lập, bậc chọn lọc ∆t thường được chọn
từ 0,25÷0,6s.

Hình 1. 4: Đặc tuyến dòng điện – thời gian làm việc của rơ le dòng điện

3- Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc
Dạng đặc tính phụ thuộc cho bởi hình 1.5, trong đó:
 Đặc tính thời gian dốc chuẩn (Đường cong 1 hình 1.5): khi dòng điện ngắn
mạch nhỏ hơn 10 lần dòng định mức thì rơle làm việc theo đặc tính phụ
thuộc. Khi tỷ số dòng ngắn mạch trên dòng định mức 10 đến 20 lần thì đặc
tính là đường thẳng. Đặc tính này được dùng rộng rãi để bảo vệ mạng phân
phối.
 Đặc tính thời gian rất dốc (đường cong 2 hình 1.5): Loại này cho độ dốc phụ
thuộc nhiều hơn loại độ dốc chuẩn, đặc tính phụ thuộc của nó nằm giữa đặc
tính độ dốc chuẩn và loại cực dốc như đường cong 3 ở hình 1.5. Đặc tính này
được dùng khi đặc tính dốc chuẩn không đảm bảo tính chọn lọc.

17


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
 Đặc tính thời gian cực dốc (đường cong 3 hình 1.5): Loại này cho đặc tính
dốc nhiều hơn loại rất dốc và dốc chuẩn. Đặc tính này thích hợp dùng để bảo
vệ máy phát, máy biến áp động lực, máy biến áp nối đất, cáp,... để chống quá
nhiệt.

Hình 1. 5: Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc
Đối với rơ le đặc tính phụ thuộc thường chọn bậc thời gian ∆t = (0,3 ÷ 0,5)s,
nếu dùng rơle cảm ứng cần phải thêm thời gian quán tính của bảo vệ mà rơ le tiếp
tục làm việc khi dòng ngắn mạch đã được cắt ra nên người ta thường chọn
∆t=(0,6÷1)s

18

Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Ưu điểm của bảo vệ có đặc tuyến thời gian phụ thuộc là:
 Có thể phối hợp thời gian làm việc của bảo vệ các đoạn gần nhau để làm
giảm thời gian cắt ngắn mạch của các bào vệ đặt gần nguồn.
 Có thể giảm hệ số mở máy Kmm khi chọn dòng điện khởi động của bảo vệ.
Khuyết điểm của loại bảo vệ này là:
 Thời gian cắt sự cố tăng khi dòng điện sự cố có giá trị gần bằng dòng điện
khởi động
 Đôi khi sự phối hợp các đặc tính thời gian tương đối phức tạp.
c. Đánh giá bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian trì hoãn
 Tính chọn lọc: bảo vệ dòng điện cực đại chỉ đảm bảo tính chọn lọc trong các
mạng điện hình tia có 1 nguồn cung cấp bằng cách chọn thời gian làm việc
theo nguyên tắc bậc thang tăng dần theo hướng từ xa đến gần nguồn. Khi có
2 nguồn cung cấp, yêu cầu chọn lọc không được thỏa mãn.
 Tác động nhanh: càng gần nguồn thời gian làm việc của bảo vệ càng lớn. Ở
các đoạn gần nguồn cần cắt nhanh ngắn mạch để đảm bảo sự làm việc liên
tục của các phần còn lại của hệ thống điện, trong khi đó thời gian tác động
của các bảo vệ ở các đoạn này lại lớn nhất. Thời gian tác động chọn theo
nguyên tắc bậc thang có thể vượt quá giới hạn cho phép.
 Độ nhạy: Độ nhạy làm việc của bảo vệ bị hạn chế do phải chọn dòng khởi
động lớn hơn dòng điện làm việc cực đại có kể đến hệ số mở máy của các
động cơ. Khi công suất nguồn thay đổi nhiều, cũng như khi bảo vệ làm
nhiệm vụ dự trữ trong trường hợp ngắn mạch ở đoạn kề, độ nhạy có thể
không đạt yêu cầu.
 Tính đảm bảo: Theo nguyên tắc làm việc và cấu tạo, bảo vệ dòng điện cực
đại được xem là bảo vệ đơn giản nhất và làm việc khá đảm bảo.
Bảo vệ được dùng rộng rãi trong các mạng điện phân phối hình tia điện áp nhỏ
hơn 35KV có một nguồn cung cấp khi thời gian làm việc trong giới hạn cho phép.

19

Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
1.1.2 Bảo vệ dòng cắt nhanh
Bảo vệ dòng cắt nhanh là loại bảo vệ 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. Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện ngắn
mạch sẽ lớn hơn dòng điện khởi động, và bảo vệ sẽ tác động. Bảo vệ dòng cắt
nhanh thường làm việc không thời gian hoặc có thời gian rất bé để nâng cao độ
nhạy, mở rộng vùng bảo vệ và đề phòng khả năng bảo vệ mất chọn lọc khi có giông
sét.

Hình 1. 6: Đồ thị tính toán bảo vệ dòng cắt nhanh không thời gian đối với đường
dây có nguồn cung cấp một phía.
a. Dòng khởi động của bảo vệ
Muốn bảo vệ không tác động khi ngắn mạch ngoài đường dây được bảo vệ,
cần chọn dòng khởi động phù hợp.
𝐼𝑘đ = 𝐾𝑎𝑡 . 𝐼𝑁𝑛𝑔𝑚𝑎𝑥

20

(1.2)


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Trong đó:
 INngmax : dòng điện ngắn mạch lớn nhất khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ.
 Kat = 1,2 ÷ 1,3 : hệ số an toàn, xét tới ảnh hưởng của thành phần không chu
kỳ, việc tính toán không chính xác dòng ngắn mạch và sai số của rơ le.
Để có INngmax cần phải chọn chế độ vận hành của hệ thống cũng như dạng

ngắn mạch thích hợp (N3). Vì thời gian tác động của bản thân bảo vệ này khoảng
vài phần trăm của giây, nên dòng ngắn mạch được tính ứng với thời điểm đầu của
ngắn mạch (t = 0).
b. Vùng tác động của bảo vệ

Hình 1. 7: Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh
Vùng tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh có thể xác định bằng phương pháp
đồ thị (hình 2.7). Xây dựng các đường cong quan hệ In = f(lN) đối với chế độ cực đại
và cực tiểu. Điểm cắt giữa đường thẳng Ikđ với đường cong 1 xác định điểm cuối
vùng bảo vệ trong chế độ cực đại, điểm cắt đường cong 2 ứng với điểm cuối vùng
bảo vệ trong chế độ cực tiểu.

21


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Vùng tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh còn phụ thuộc vào độ dốc của
đường cong IN = f(lN). Dòng IN khi ngắn mạch ở đầu và cuối đường dây càng khác
nhau nhiều thì vùng tác động của bảo vệ càng lớn.
Người ta cho phép dùng bảo vệ dòng cắt nhanh, nếu vùng tác động của nó
không nhỏ hơn 20% chiều dài đường dây được bảo vệ. Vì bảo vệ dòng cắt nhanh rất
đơn giản nên trong trường hợp vùng tác động của bảo vệ nhỏ hơn 20%, nó được
dùng bổ sung cho bảo vệ chính của đường dây nếu bảo vệ này có vùng chết ở đầu
đường dây.
c. Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp

Hình 1. 8: Bảo vệ cắt nhanh trên đường dây có hai nguồn cung cấp
Giả thiết trên hai đầu đường dây có hai nguồn cung cấp AB (hình 2.8) có đặt
bảo vệ dòng cắt nhanh CNA và CNB. Để chúng không tác động sai khi ngắn mạch
tác động tại điểm N1 và N2, dòng khởi động của chúng cần được chọn lớn hơn

dòng từ nguồn A khi ngắn mạch tại N2 (IAN2) và dòng từ nguồn B khi ngắn mạch tại
N1 (IBN1). Giả thiết IAN2 > IBN1. Dòng khởi động của CNA và CNB chọn theo điều
kiện nêu trên sẽ có giá trị bằng nhau :

22


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
𝐼𝑘đ𝐴 = 𝐼𝑘đ𝐵 = 𝐾𝑎𝑡 . 𝐼𝐴𝑁2

(1.3)

Ngoài ra, dòng khởi động của bảo vệ dòng cắt nhanh còn cần phải chọn lớn
hơn dòng không cân bằng chạy giữa hai nguồn A và B khi nó dao động. Dòng khởi
động của bảo vệ lấy bằng giá trị lớn nhất trong hai giá trị nhận được.
Điểm cắt của các đường cong ngắn mạch với đường thẳng nằm ngang Ikđ
(điểm 1 và 2) xác định vùng bảo vệ.
1.1.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện
Ưu điểm của bảo vệ dòng điện cực đại là đơn giản, độ tin cậy cao. Bảo vệ tác
động chọn lọc trong mạng hình tia với một nguồn cung cấp. Khuyết điểm là thời
gian ngắn mạch khá lớn, nhất là các đoạn ở gần nguồn trong khi đó ngắn mạch ở
gần nguồn cần được cắt nhanh để đảm bảo ổn định hệ thống, và có độ nhạy kém
trong mạng phân nhiều nhánh và phụ tải lớn, vùng tác động của bảo vệ không bao
gồm toàn bộ đường dây.
Để tăng độ nhạy có thể kết hợp rơ le quá dòng điện với rơ le điện áp làm bộ
phận khởi động. Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp tại điểm đặt bảo vệ sẽ giảm, bảo vệ
chỉ tác động khi điện áp giảm quá một giá trị đặt cho trước.
1.2 Bảo vệ quá dòng có hướng

Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ quá dòng có hướng.

23


Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên bộ vi điều khiển
Để tăng cường tính đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, hiện nay
người ta thường thiết kế các mạng hình vòng và mạng có hai nguồn cung cấp. Đối
với loại mạng điện này, bảo vệ dòng điện cực đại có thời gian làm việc chọn theo
nguyên tắc từng cấp không thể đảm bảo cắt ngắn mạch một cách chọn lọc.
Cấu trúc của hệ thống rơ le bảo vệ quá dòng có hướng cho bởi hình 1.9.
Trong đó RI là bộ phận phát hiện quá dòng điện, RW là bộ phận phát hiện hướng
công suất, RT là bộ phận tạo thời gian trì hoãn. Khi xảy ra quá dòng điện với hướng
công suất phù hợp, bộ phận tạo thời gian trì hoãn sẽ được khởi động. Khi hết thời
gian trì hoãn rơ le sẽ tác động cắt sự cố.
1.2.1 Bộ phận định hướng công suất
Rơ le định hướng công suất làm việc trên cơ sở góc pha tương đối giữa dòng
và áp tại chỗ đặt bảo vệ. Rơ le định hướng công suất có thể làm việc theo dòng và
áp toàn phần hay dòng và áp các thành phần thứ tự. Góc lệch pha φ giữa dòng điện
và điện áp có giá trị dương nếu vectơ dòng điện chậm sau điện áp và âm nếu ngược
lại. Khi chọn và nối sơ đồ của rơ le định hướng, phải lưu ý theo chiều công suất của
dòng toàn phần hay theo các thành phần thứ tự, nếu phần tử định hướng công suất
làm việc theo dòng và áp toàn phần và thứ tự thuận thì chiều công suất ngắn mạch
là từ thanh góp vào chỗ ngắn mạch, còn làm việc theo thành phần thứ tự nghịch và
không thì chiều công suất ngắn mạch đi từ chỗ ngắn mạch đến thanh góp.

Hình 1. 10: Giản đồ xác định vùng làm việc của phân tử định hướng công suất

24