Mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa trên nền matlabsimulink

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ SỸ DŨNG

MÔ PHỎNG RƠ LE BẢO VỆ KỸ THUẬT SỐ DỰA TRÊN NỀN
MATLAB/SIMULINK

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN ĐỨC HUY

Hà Nội: 2015


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi nghiên cứu,
tính toán và phân tích. Có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong
và ngoài nước đã được xuất bản.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng kết quả của người khác.

Tác giả

Lê Sỹ Dũng

1


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................................. 2
CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... 5
PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN ........ 9
1.1 Nhiệm vụ của bảo vệ ........................................................................................9
1.2 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống bảo vệ ....................................................9
1.2.1 Tính chọn lọc .............................................................................................. 9
1.2.2 Tác động nhanh ........................................................................................10
1.2.3 Độ nhạy ....................................................................................................10
1.2.4 Độ tin cậy ................................................................................................. 10
1.2.5 Tính kinh tế .............................................................................................. 11
1.3 Bảo vệ quá dòng điện .....................................................................................11
1.3.1 Nguyên lý bảo vệ quá dòng ......................................................................11
1.3.2 Tính toán dòng khởi động ........................................................................ 12
1.3.3 Thời gian tác động của bảo vệ ..................................................................14
1.4 Bảo vệ dòng cắt nhanh ....................................................................................17
1.4.1 Nguyên lý tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh .......................................17
1.4.2 Tính toán dòng bảo vệ cắt nhanh .............................................................18
1.4.3 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện ................................................................ 21

CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG .................... 22
2.1 Nguyên lý tác động .........................................................................................22
2.2 Bộ phận định hướng công suất ......................................................................23
2.2.1 Xét sơ đồ định hướng góc 90o -30o ...........................................................26
2.2.2 Xét sơ đồ định hướng góc 90o -45o ...........................................................27
2.3 Sơ đồ nối rơ le định hướng công suất ............................................................28
2.3.1 Ngắn mạch ba pha đối xứng .....................................................................29
2.3.2 Ngắn mạch 2 pha ......................................................................................29
2.4 Đánh giá bảo vệ quá dòng có hướng .............................................................30

2


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

2.5 Bảo vệ quá dòng có hướng chạm đất ............................................................31
2.6 Bảo vệ dòng có hướng dự phòng ...................................................................36
2.6.1 Nguyên lý tác động ..................................................................................36
2.6.2 Xác định hướng của rơ le ........................................................................36
CHƢƠNG 3. SƠ ĐỒ LOGIC BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG ............... 38
3.1 Nguyên lí hoạt động chung của rơle 7SJ621 ..................................................38
3.1.1 Hệ thống vi xử lí 32 bit. ........................................................................... 38
3.1.2 Khối vi xử lí C bao gồm những chức năng điều khiển sau ....................39
3.1.3 Sơ đồ logic phổ biến của rơ le quá dòng có hướng ................................. 40
3.2 Các chức năng bảo vệ trong rơ le 7SJ621 ...................................................... 42
3.2.1 Chức năng bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng .................................42
3.2.2 Các công thức biểu diễn các đường đặc tính ............................................43
3.2.3 Chức năng tự động đóng lại ....................................................................44

CHƢƠNG 4. MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG
TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK ..................................................................... 45
4.1 Tổng quan về Matlab/Simulink ......................................................................45
4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng .........................................................................45
4.3 Xây dựng sơ đồ thuật toán bảo vệ quá dòng có hướng ..................................46
4.3.1 Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hướng .............................................................46
4.3.2.Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không ........................................48
4.3.3.Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng .............................................50
4.4 Kết quả mô phỏng ...........................................................................................51
4.4.1 Xét các sự cố khi có ngắn mạch cùng hướng (hướng thuận 0km) ...........51
4.4.2 Xét các điển sự cố không cùng hướng với rơ le (hướng nghịch 0km) .....59
4.4.3 Sự cố ngắn mạch cùng hướng(hướng thuận 30km với Rđ =5Ω) ..............67
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 72
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 73

3


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BVQD: Bảo vệ quá dòng.
BI:

Máy biến dòng.

BU:

Máy biến áp.

HTĐ:

Hệ thống điện.

S/H:

Trích và giữ mẫu ( Sample/Hold).

RMS:

Giá trị hiệu dụng (Root mean squane).

MTA: Góc mô men lớn nhất (Maximun Torque Angle)
AD:

Tương tự sang số(Analog to Digital).

BV: Bảo vệ.
I>:

Bảo vệ quá dòng.

I>>: Bảo quá dòng cắt nhanh.

4

Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cắt chọn lọc các phần tử bị hư hỏng khi NM trong mạng ...........................9
Hình 1.2 Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi bị sự cố ...................................12
Hình 1.3 Bảo vệ dòng điện cực đại trong mạng hình tia 1 nguồn cung cấp .............13
Hình 1.4: Đặc tuyến dòng điện - thời gian làm việc của rơ le dòng điện .................14
Hình 1.5 Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc .......................................................15
Hình 1.6. Sơ đồ bảo vệ dòng cắt nhanh đối với đường dây có một nguồn cung cấp
...................................................................................................................................18
Hình 1.7 Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh.........................................................19
Hình 1. 8 Bảo vệ cắt nhanh trên đường dây có hai nguồn cung cấp ........................20
Hình 2.1 Mạng hình tia có hai nguồn cung cấp ........................................................22
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ dòng có hướng .................................................23
Hình 2.3 Đồ thị điện áp và dòng điện, khi chiều công suất ngắn mạch thay đổi ......24
Hình 2.4 Phân bố các thành phần thứ tự thuật và thứ tự nghịch khi có ngắn mạch .25
Hình 2.5 Giản đồ xác định vùng làm việc của phân tử định hướng công suất ........25
Hình 2.6 Sơ đồ 900-300 ............................................................................................26
Hình 2.7 Sơ đồ 900-450 .............................................................................................27
Hình 2.8 Đặc tuyến làm việc của phần tử định hướng công suất .............................27
Hình 2.9 Các sơ đồ nối bộ phận định hướng công suất thông dụng .........................28
Hình 2.10 Đồ thị vectơ của dòng và áp tại chỗ đặt BV khi ngắn mạch 3 pha ..........29
Hình 2.11 Đồ thị véc tơ dòng và áp tại chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch hai pha ........30
Hình 2.12 Sơ đồ véc tơ khi có sự cố chạm đất pha A ...............................................33
Hình 2.13 Xác định hướng sự cố dựa trên điện áp 0 .............................................33
Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống điện và sơ đồ thay thế các thành phần đối xứng với sự cố
một pha ......................................................................................................................34
Hình 2.15 Sơ đồ định hướng bằng các đại lượng thứ tự nghịch ...............................35

Hình 2.16 Nguyên lý định hướng bằng dòng điện thứ tự không. .............................36
Hình 2.17 Sơ đồ bảo vệ quá dòng theo hướng thuận và ngược ..............................36
Hình 2.18 Véc tơ xác định hướng công suất ...........................................................37
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc phần cứng role 7SJ62 ......................................................39
Hình 3.2 Sơ đồ logic rơ le bảo vệ 67( ngưỡng cắt có thời gian) ...............................40
Hình 3.3 Sơ đồ logic rơ le bảo vệ 67 (ngưỡng cắt nhanh) ........................................41
Hình 3.4 Đặc tính thời gian tác động của 7SJ621 ....................................................43
Hình 4.1 Mô hình Matlab – Simulink mô phỏng đường dây ....................................45
Hình 4.2 Khối mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng ...............................................46

5


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Hình 4.3 Khối đưa tín hiệu đến máy cắt ...................................................................46
Hình 4.4 Sơ đồ logic bảo vệ quá dòng có hướng ......................................................47
Hình 4.5 Sơ đồ khối mô phỏng bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng .................48
Hình 4.6 Sơ đồ logic bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không ................................49
Hình 4.7 Khối logic bảo vệ quá dòng chạm đất và quá dòng có hướng chạm đất ...49
Hình 4.8 Sơ đồ logic bảo vệ dự phòng ......................................................................50
Hình 4.9 Khối locgic bảo vệ quá dòng dự phòng .....................................................50
Hình 4.10 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố khi ngắn mạch 1 pha ..51
Hình 4.11 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 1 pha .................52
Hình 4.12 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố ngắn mạch 2 pha ........53
Hình 4.13 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mach hai pha ..............54
Hình 4.14 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố ngắn mạch 2 pha chạm
đất ..............................................................................................................................55

Hình 4.15 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất ...56
Hình 4.16 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố ngắn mạch 3 pha ........57
Hình 4.17 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 3 pha ..................58
Hình 4.18 Dòng điện, điện áp ngắn mạch 1 pha trước và trong sự cố ......................59
Hình 4.19 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 1 pha ..............60
Hình 4.20 Dòng điện và điện áp các pha trước và trong sự cố ngắn mạch 2 ph .......61
Hình 4.21 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 2 pha ..............62
Hình 4.22 Dòng điện và điện áp các pha trước và trong sự cố ngắn mạch 2 pha
chạm đất ....................................................................................................................63
Hình 4.23 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 2 pha cham đất
...................................................................................................................................64
Hình 4.24 Dòng điện và điện áp các pha trước và trong sự cố ngắn mạch 3 pha .....65
Hình 4.25 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 3 pha .............66
Hình 4.26 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố ....................................67
Hình 4.27 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ...............................................68
Hình 4.28 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau ngắn mạch(N(3))...................69
Hình 4.29 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 3 pha ..................70

6


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đất nước, yêu cầu về chất
lượng điện và độ tin cậy ngày càng nghiêm ngặt, điều đó đòi hỏi hệ thống bảo vệ rơ
le phải luôn được cải tiến và hoàn thiện.

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 qua 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.
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 điện 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.
Chính vì những ý nghĩa ở trên tác giả đã chọn đề tài “Mô phỏng rơ le bảo vệ
kỹ thuật số dựa trên nền Matlab/Simulink”.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài “sử dụng công cụ Matlab/Simulink để mô phỏng rơ le bảo vệ kỹ thuật
số” nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic của bảo vệ quá dòng có hướng và thực
hiện tính toán các trường hợp sự cố để mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng trên
Matlab/Simulink _ Simpowersystem.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung vào phương pháp bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá dòng có
hướng, bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không, bảo vệ quá
dòng có hướng dự phòng trong hệ thống và sơ đồ logic của các chức năng bảo vệ
nói trên.

7


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Các trường hợp ngắn mạch xảy ra trên đường dây, để nhận biết được độ
nhạy và chính xác của rơ le, ta dùng công cụ Matlab/Simulink _ Simpowersystem
để mô phỏng các vị trí ngắn mạch khác nhau trên đường dây
4. Nội dung luận văn
Phần nội dung luận văn được chia làm 4 chương:
● Chương1: Các vấn đề chung của bảo vệ hệ thống điện.
● Chương 2: Nguyên lý bảo vệ quá dòng có hướng.
● Chương 3: Sơ đồ logic bảo vệ quá dòng có hướng.
● Chương 4: Mô hình và kết quả bảo vệ quá dòng có hướng trên nền

Matlab/Simulink.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Nguyễn Đức Huy và các
thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình
giúp đỡ và tạo điều kiện.

8


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

CHƢƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 Nhiệm vụ của bảo vệ
Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện sự cố và tình
trạng làm việc không bình thường của các phần tử, phần lớn các sự cố dòng điện
tăng quá cao và điện áp giảm khá thấp. Các thiết bị có dòng điện tăng cao chạy qua

có thể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng khi điện áp giảm thấp.
Muốn duy trì sự hoạt động bình thường của hệ thống thì khi xuất hiện sự
cố cần phát hiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố và cách ly ra khỏi phần tử để không
bị hư hỏng có như vậy phần tử còn lại mới hoạt động bình thường, đồng thời giảm
mức độ hư hại của phần tử bị sự cố.
Các mạng điện hiện đại không thể làm việc thiếu các hệ thống bảo vệ vì
chúng theo dõi liên tục tình trạng làm việc của tất cả các phần tử của HTĐ. Khi xuất
hiện sự cố, bảo vệ phát hiện và cho tín hiệu đi cắt các phần tử hư hỏng thông qua
máy cắt điện. Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, bảo vệ sẽ phát hiện
và tùy thuộc theo yêu cầu có thể tác động để khôi phục chế độ làm việc bình thường
hoặc báo tín hiệu cho nhân viên trực.
1.2 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống bảo vệ
1.2.1 Tính chọn lọc
Khả năng của bảo vệ chỉ cắt phần tử hư hỏng khi ngắn mạch được gọi là
tính chọn lọc, ở hình 1.1 khi bị sự cố tại điển N3: chỉ yêu cầu BV3 tác động, các
bảo vệ còn lại sẽ trở về khi sự cố đã bị loại trừ.

Hình 1.1 Cắt chọn lọc các phần tử bị hư hỏng khi NM trong mạng.
Sự cố tại N2nhánh: chỉ bảo vệ tại nhánh đó tác động, vì vậy sẽ đảm bảo tính chọn lọc.

9


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

1.2.2 Tác động nhanh
Tác động nhanh của bảo vệ là yêu cầu quan trọng khi có ngắn mạch bên
trong của thiết bị. Bảo vệ tác động càng nhanh thì:

● Đảm bảo tính ổn định làm việc song song của các hệ thống, làm giảm ảnh

hưởng của các điện áp thấp lên các phụ tải.
● Giảm tác hại dòng ngắn mạch tới các thiết bị.
● Giảm xắc suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn.
● Nâng cao hiệu quả tác động tự đóng lại.

Thời gian cắt hư hỏng t bao gồm thời gian tác động của bảo vệ và thời gian
cắt của máy cắt t = tbv + tmc .

(1.1)

Đối với các hệ thống điện hiện đại, thời gian cắt NM lớn nhất cho phép theo
yêu cầu đảm bảo tính ổn định rất nhỏ. Đối với đường dây tải điện 300 ÷ 500kv, cần
phải cắt sự cố trong vòng 0,1 ÷ 0,12 giây (s) sau khi ngắn mạch xuất hiện, còn trong
mạng 110 ÷ 220kv, thời gian 0,15 ÷ 0,3s. Trong các mạng phân phối 6, 10, 15kv
cách xa nguồn thời gian cắt cho phép 1,5 ÷ 3s.
1.2.3 Độ nhạy
Đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơ le, độ nhạy của bảo vệ
thường được đánh giá bằng hệ số nhạy Kn:
Giá trị rơ le đo được khi sự cố
Kn =
Giá trị khởi động của rơ le
● Bảo vệ chính:

Knmin = 1,5 ÷ 2

● Bảo vệ dự phòng: Knmin = 1,2 ÷ 1,5

1.2.4 Độ tin cậy

Độ tin cậy yêu cầu bảo vệ phải tác động chắc chắn khi ngắn mạch xảy ra
trong vùng được giao bảo vệ và không được tác động đối với các chế độ mà nó
không có nhiệm vụ tác động. Đây là yêu cầu rất quan trọng, nếu tác động nhầm có
thể dẫn đến hậu quả là số phụ tải bị mất điện nhiều hơn hoặc làm cho sự cố lan tràn.

10


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

1.2.5 Tính kinh tế
Phụ thuộc và các lưới điện mà ta sử dụng các bảo vệ phù hợp, đối với lưới
điện phân phối sử dụng các bảo vệ quá dòng đơn giản. Lưới truyền tải sử dụng bảo
vệ so lệch dọc, bảo vệ khoảng cách. Máy biến áp hạ áp bảo vệ bằng cầu chì, máy
biến áp truyền tải bảo vệ bằng bảo vệ so lệch.
1.3 Bảo vệ quá dòng điện
1.3.1 Nguyên lý bảo vệ quá dòng
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 có thời gian trễ”.
● 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 trễ lại được chia thành
2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trễ. Khi thời gian trễ 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 trễ phụ thuộc dòng điện qua
bảo vệ ta có loại “rơ le đặc tính thời gian phụ thuộc”.
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 trễ: tạo ra thời gian trễ kể từ lúc phát hiện sự cố đến khi

bảo vệ tác động, đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách chọn lọc.

11


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

1.3.2 Tính toán dòng khởi động

Hình 1.2 Đồ thị đặc trưng khi chọn dòng khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại
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.

(1.2)

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).
● Ktv : hệ số trở về, với các rơ le điện cơ

Ktv =

0,85 ÷ 0,9 với rơ le tĩnh và rơ le

số Ktv ≈1.
● INmin : dòng cực tiểu đi qua bảo vệ đảm bảo cho rơ le còn khởi động được.

12


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

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.

Hình 1.3 Bảo vệ dòng điện cực đại trong mạng hình tia 1 nguồn cung cấp
Để chọn dòng khởi động cho bảo vệ, ta xét mạng điện như hình 1.3 khi có
ngắn mạch tại N thuộc đường 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 trễ 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 . Để
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 trở về.

K tv =

I tv
. Các rơ le lý tưởng có trị số Ktv = 1, nhưng thực tế hệ số này luôn
I kd

nhỏ 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.

13


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

1.3.3 Thời gian tác động của bảo vệ
a. 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.
b. Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian độc lập
Thời gian trễ 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
d. Rơ le dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc
Rơ le làm việc với thời gian xác định nào đó khi dòng điện vượt quá giá trị
khởi động, đặc tính này giọi là phụ thuộc, đường cong 2 và 3 như trên hình 1.4. Rơ
le có đặc tính phụ thuộc khởi động khi dòng vượt quá giá trị khởi động, thời gian
tác động của rơ le phụ thuộc vào trị số dòng điện qua rơ le. Thời gian làm việc giảm
khi dòng điện tăng cao.

14


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

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.
● 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

15


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Đối với rơ le đặc tính phụ thuộc thường chọn bậc thời gian ∆t = (0,3 ÷ 0,5)s
Thời gian tác động của bảo vệ với đặc tuyến độc lập được chọn theo nguyên tắc bậc
thang:

t1 = t2 + ∆t.

(1.3)

Thời gian tác động của bảo vệ với đặc tính phụ thuộc có giới hạn cũng cần phải
thỏa mản (1.3) nhưng vì thời gian tác động của rơ le này phụ thuộc vào dòng nên cần
phải xác định giới hạn thay đổi dòng mà điều kiện này cần thỏa mãn.
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 bảo 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.

e. Đánh giá bảo vệ dòng điện có thời gian trễ
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.

16


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Tính chọn lọc: 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.
1.4 Bảo vệ dòng cắt nhanh
1.4.1 Nguyên lý tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh
Bảo vệ cắt nhanh là một trong các dạng bảo vệ chống quá dòng tác động một
cách tức thời. Khác với bảo vệ dòng cực đại, 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.

17


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

1.4.2 Tính toán dòng bảo vệ cắt nhanh

Hình 1. 6. Sơ đồ bảo vệ dòng cắt nhanh đối với đường dây có một nguồn cung cấp
a. Dòng khởi động
Muốn bảo vệ không tác động khi có ngắn mạch ở ngoài vùng bảo vệ, dòng
khởi động của bảo vệ A phải lớn hơn dòng ngắn mạch ngoài. Vậy ta phải chọn dòng
phù hợp.
Ikđ = Kat.INBmax.

(1.4)

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 thời đầu
của dòng xung kích ( t = 0).

18


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

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 1.7). 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.
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. Thời gian tác động của bảo vệ
Thời gian tác động của bảo vệ cắt nhanh, gồm thời gian tác động của phần đo
lường và phần logic.

19


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Thời gian tác động của bảo vệ khoảng 0,02 ÷ 0,06s. Đối với các đường dây trên
không có đặt chống sét ống để chống quá điện áp, khi làm việc nó tạo nên ngắn

mạch tạm thời trên các đường dây khoảng 0,5 ÷ 1,5 chu kỳ dòng điện (0,01 ÷
0.03s). Muốn cho bảo vệ không tác động trong trường hợp này có thể thêm phần tử
trễ thời gian t = 0,06 ÷ 0.08s.
d. Bảo vệ cắt nhanh đƣờng 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 1.8) 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 :
IkđA = IkđB = Kat .IAN2.

(1.5)

20


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

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.
1.4.3 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.

21


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG
2.1 Nguyên lý tác động
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.

Hình 2.1 Mạng hình tia có hai nguồn cung cấp
Trong mạng hình tia hình 2.1. Giả thiết ở mỗi đầu đường dây đặt các bảo vệ
quá dòng điện thông thường được đánh số thứ tự từ 1 đến 6, muốn thực hiện cắt
chọn lọc ngắn mạch tại N1 cần thỏa mãn t3 < t2, nhưng muốn cắt ngắn mạch tại N2
thì yêu cầu ngược lại t2 < t3. Trong thực tế, đồng thời không thể thỏa mãn hai yêu
cầu đó, ta có thể khắc phục tình trạng trên bằng cách chỉ cho bảo vệ tác động khi

công suất ngắn mạch đi từ thanh góp đến đường dây. Muốn vậy, mỗi bảo vệ có
thêm bộ phận định hướng công suất, bộ phận này chỉ cho phép bảo vệ tác động khi
công suất ngắn mạch đi từ thanh góp đến đường dây trên hình 2.1, các mũi tên chỉ
hướng tác động của bảo vệ. Nhờ vậy khi ngắn mạch tại N1 thì BV2 không tác động,
còn ngắn mạch tại N2 thì BV3 không tác động.
Khi dùng bảo vệ dòng điện có hướng, chỉ cần các bảo vệ cùng hướng tác
động : t5 < t3 < t1 và t2 < t4 < t6.

22


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của bảo vệ dòng có hướng
Cấu trúc của hệ thống rơ le bảo vệ quá dòng có hướng cho bởi hình 2.2.
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 trễ. Khi xảy ra quá dòng điện với hướng công
suất phù hợp, bộ phận tạo thời gian trễ sẽ được khởi động. Khi hết thời gian trễ rơ le
sẽ tác động cắt sự cố.
2.2 Bộ phận định hƣớng 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, 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.

23


Lê Sỹ Dũng

Luận văn cao học

Hình 2.3 Đồ thị điện áp và dòng điện, khi chiều công suất ngắn mạch thay đổi
Để phân tích cách làm việc của rơ le định hướng công suất, ta sẽ khảo sát các
đồ thị vectơ tương ứng với chiều khác nhau của công suất ngắn mạch đi qua BV2 trên
hình 2.3. Lấy điện áp đưa vào rơ le là điện áp ở thanh góp trạm B làm gốc, 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 ngắn mạch tại điểm N2 như trên hình 2.3. Giả thiết công suất ngắn

mạch qua BV2 đi từ thanh góp vào đường dây IR = IN2 và φR = (UR ,IR).
● Khi ngắn mạch tại điểm N1, công suất ngắn mạch qua BV2 đi từ đường

dây vào thanh góp B, dòng rơ le IR ( với chiều dương chấp nhận trước) bằng –IN và
φ 2 = φ1 – 180o.
Như vậy khi dời điểm ngắn mạch từ vùng bảo vệ sang vùng không được bảo vệ pha
dòng điện IR đối với điện áp UR đã thay đổi 180o.

24