Mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp

Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này do chính tôi nghiên cứu, tính
toán và phân tích.
Số liệu đƣa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi,
không sao chép của ai hay lấy số liệu đã đƣợc công bố.
Nếu sai với lời cam đoan trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Tác giả

Bùi Vĩnh Quý

1


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
MỞ ĐẦU

Ngày nay rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp kỹ thuật số đã thay thế hoàn toàn rơ
le bảo vệ so lệch kiểu điện cơ. Các loại rơ le này thƣờng sử dụng giải thuật dựa trên
biến đổi Fourier của các thành phần dòng điện các phía của máy biến áp. Nội dung
luận văn này là nghiên cứu sự làm việc của giải thuật bảo vệ so lệch máy biến áp lực.
Giải thuật của rơ le bảo vệ so lệch đƣợc kiểm nghiệm bằng số liệu thu đƣợc từ
mô hình mô phỏng sự cố máy biến áp ba 110/35/22 kV với một nguồn cấp phía 110kV.
Để tăng tính thực tế của mô phỏng, luận văn đã xét đến mô hình bão hòa của máy biến
áp lực, cũng nhƣ mô hình bão hòa của máy biến dòng điện. Đặc tính bão hòa của máy
biến dòng điện đƣợc xây dựng dựa trên giá trị thí nghiệm thực tế của các máy biến

dòng dùng cho bảo vệ.
Từ kết quả mô phỏng và những phân tích đặc tính làm việc của mô hình bảo vệ
so lệch cho thấy mô hình rơ le bảo vệ so lệch làm việc đúng và tin cậy, các kết quả thu
đƣợc phù hợp với lý thuyết về bảo vệ so lệch máy biến áp. Từ đó có thể sử dụng kết
quả nghiên cứu để ứng dụng phân tích bản ghi sự cố và kiểm nghiệm sự làm việc của
các loại rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp trên thực tế.
Do thời gian có hạn, luận văn chƣa xét đến một số yếu tố khác có ảnh hƣởng
đến sai số của bảo vệ so lệch, ví dụ nhƣ thay đổi nấc phân áp, sự không đồng nhất của
máy biến dòng, và đặc biệt là mô hình mô phỏng các sự cố chạm chập bên trong vòng
dây của máy biến áp. Các nội dung này có thể đƣợc triển khai trong các nghiên cứu
tiếp theo.
Để hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS
Nguyễn Đức Huy cùng toàn thể thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện –
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dành nhiều thời gian và tâm huyết để hƣớng dẫn tôi
hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

2


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 1
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 2
CHƢƠNG I ................................................................................................................. 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9
1.1 Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 9
1.2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn ................................................................................ 10

1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 10
1.4 Nội dung của luận văn ........................................................................................ 10
CHƢƠNG II ............................................................................................................. 11
NGUYÊN LÝ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP ............................................... 11
2.1 Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch máy biến áp (87T) ......................................... 11
2.1.1 Đánh giá giá trị đo đƣợc .................................................................................. 12
2.1.2 Hãm hài: ...................................................................................................... 16
2.1.3 Hãm cộng thêm (Add-on stabillization) khi biến dòng bị bão hoà: ............ 17
2.1.4 Cắt nhanh không hãm với sự cố máy biến áp có dòng lớn: ........................ 18
2.2 Bảo vệ chạm đất có giới hạn: ............................................................................ 18
2.2.1 Nguyên lý: ................................................................................................... 18
2.2.2 Đánh giá các đại lƣợng đo đƣợc: ................................................................ 21
2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến bảo vệ so lệch máy biến áp ...................................... 23
2.3.1 Dòng từ hóa mạch từ trong quá trình đóng điện máy biến áp .................. 23
2.3.2 Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích máy biến áp ..... 25
2.3.3 Dòng từ hóa trong quá trình sự cố ngoài vùng........................................... 25
2.3.4 Quá kích thích máy biến áp ........................................................................ 26
2.3.5 Tỉ số biến đổi máy biến áp ......................................................................... 27
2.3.6 Bão hòa máy biến dòng .............................................................................. 27
CHƢƠNG III ............................................................................................................ 29
SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN BẢO VỆ SO LỆCH .......................................................... 29

3


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

3.1 Quy đổi dòng điện theo tổ đấu dây của máy biến áp ......................................... 29

CHƢƠNG IV ............................................................................................................ 35
MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN SO LỆCH SỬ DỤNG SIMULINK ............................... 35
4.1 Mô hình mô phỏng ............................................................................................. 35
4.1.1 Khối vật lý ................................................................................................... 35
4.1.2 Khối sự cố ................................................................................................... 36
4.2 Mô hình máy biến dòng ...................................................................................... 37
4.3 Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 37
4.3.1 Đóng xung kích phía 110kV máy biến áp ................................................... 37
4.3.2 Sự cố ngoài vùng bảo vệ ............................................................................. 41
4.3.2.1 Sự cố ngắn mạch pha A phía 22kV ngoài vùng bảo vệ ..................... 41
4.3.2.2 Ngắn mạch 2 pha chạm đất phía 22kV (A-B-N) ngoài vùng bảo vệ . 47
4.3.2.3 Kết luận ......................................................................................... 52
4.3.3 Sự cố trong vùng bảo vệ .............................................................................. 53
4.2.3.1 Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 110kV ............................... 53
4.2.3.2 Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất trong vùng phía 110kV................. 56
4.2.3.3 Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 22kV ................................. 59
4.2.3.4 Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất trong vùng phía 22kV .................. 61
4.2.3.5 Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 35kV ................................. 64
CHƢƠNG V ............................................................................................................. 66
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 66
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................74

4


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Ma trận tính toán dòng so lệch………………………………………….32

5


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp ................................................. 11
Hình 2.2: Nguyên lý của bảo vệ so lệch ...................................................................... 14
Hình 2.3 : Đặc tính làm việc....................................................................................... 15
Hình 2.4: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn sử dụng một biến dòng trung tính và các
biến dòng 3 pha. ........................................................................................................ 19
Hình 2.5: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn cuộn dây máy biến áp đấu tam giác, sử
dụng một biến dòng vào điểm trung tính giả và các biến dòng 3 pha. ........................... 19
Hình 2.6: Sơ đồ đấu TI, Rơ le khi cuộn dây máy biến áp đấu tam giác, có điểm trung
tính giả. ..................................................................................................................... 20
Hình 2.7: Nguyên lý của bảo vệ chạm đất giới hạn ...................................................... 21
Hình 2.8 Đặc tính làm việc của bảo vệ chạm đất giới hạn ............................................ 22
Hình 2.9 Liên kết từ thông lõi máy biến áp ................................................................. 23
Hình 2.10: Dòng từ hóa của máy biến áp trong quá trình đóng xung kích .................... 24
Hình 2.11: Dạng sóng dòng xung kích khi đóng MBA không tải. ................................ 25
Hình 2.12: Mối quan hệ dòng xung kích trong hòa máy biến áp song song ................... 26
Hình 2.13: Dòng từ hóa trong quá trình quá kích thích. ............................................... 27
Hình 2.14 dạng sóng dòng điện trong quá trình bão hòa biến dòng............................... 28
Hình 3.1 Sơ đồ khối tính toán dòng so lệch ................................................................. 33
Hình 3.2 Sơ đồ khối tính toán dòng hãm ..................................................................... 33

Hình 3.3 Sơ đồ khối tính toán dòng hãm hài bậc 2 ...................................................... 34
Hình 3.4 Sơ đồ khối tính toán dòng hãm hài bậc 5 ...................................................... 34
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng bảo vệ so lệch MBA ....................................................... 35
Hình 4.2 Đặc tính bão hòa máy biến dòng đƣợc sử dụng trong mô phỏng .................... 37
Hình 4.3 Dạng sóng dòng điện các phía khi đóng xung kích phía 110kV...................... 38
Hình 4.4 Đặc tính làm việc của dòng so lệch 87T ........................................................ 39

6


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Hình 4.5 Đặc tính làm việc của dòng so lệch 87N ....................................................... 40
Hình 4.6 Dòng so lệch pha A và logic hãm hài bậc 2 bậc 5 .......................................... 41
Hình 4.7 Mô phỏng ngắn mạch pha A phía 22kV ngoài vùng bảo vệ ........................... 42
Hình 4.8 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch pha A ...................................... 42
Hình 4.9 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T ..................................................... 43
Hình 4.10 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N ................................................... 43
Hình 4.11 Dòng điện so lệch pha A và đặc tính hãm sóng hài bậc 2 ............................. 44
Hình 4.12 Quỹ đạo làm việc của rơ le so lệch 87T ...................................................... 45
Hình 4.13 Qũy đạo làm việc của rơ le so lệch 87N ...................................................... 45
Hình 4.14 Quỹ đạo làm việc của rơ le so lệch 87T ...................................................... 46
Hình 4.15 Quỹ đạo làm việc của rơ le so lệch 87N ...................................................... 47
Hình 4.16 Mô phỏng ngắn mạch pha AB-N phía 22kV ngoài vùng bảo vệ ................... 47
Hình 4.17 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B-N ngoài
vùng phía 22kV ......................................................................................................... 48
Hình 4.18 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T ................................................... 49
Hình 4.19 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N ................................................... 49

Hình 4.20 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B-N ngoài
vùng phía 22kV ......................................................................................................... 50
Hình 4.21 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T ................................................... 50
Hình 4.22 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N ................................................... 51
Hình 4.23 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B-N ngoài
vùng phía 22kV ......................................................................................................... 51
Hình 4.24 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T ................................................... 52
Hình 4.25 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N ................................................... 52
Hình 4.26 Mô phỏng ngắn mạch 3 pha phía 110kV ..................................................... 53
Hình 4.27 Dòng điện các phía của máy biến áp ........................................................... 53
Hình 4.28 Đặc tính làm việc của rơ le so lệch ............................................................. 54

7


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Hình 4.29 Dòng điện so lệch pha A và đặc tính hãm hài bậc 2 ..................................... 55
Hình 4.29 Đặc tính làm việc của bảo vệ 87N .............................................................. 55
Hình 4.30 Mô phỏng ngắn mạch 2 pha chạm đất phía 110kV ...................................... 56
Hình 4.31 Dạng sóng dòng điện các phía của máy biến áp ........................................... 56
Hình 4.32 Đặc tính làm việc của rơ le so lệch 87T ...................................................... 57
Hình 4.33 Dòng điện so lệch pha B và đặc tính hãm hài bậc 2 ..................................... 58
Hình 4.34 Đặc tính làm việc của bảo vệ 87N .............................................................. 58
Hình 4.35 Ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 22kV .......................................... 59
Hình 4.36 Dạng sóng dòng điện ở 3 phía máy biến áp ................................................. 59
Hình 4.37 Đặc tính làm việc của bảo vệ 87T ............................................................... 60
Hình 4.38 Dòng so lệch pha A và đặc tính hãm sóng hài bậc 2 .................................... 60

Hình 4.39 Đặc tính làm việc của 87N ......................................................................... 61
Hình 4.40 Ngắn mạch 2 pha chạm đất trong vùng bảo vệ phía 22kV ............................ 62
Hình 4.41 Dạng sóng dòng điện ở 3 phía máy biến áp ................................................. 62
Hình 4.42 Đặc tính làm việc của 87T .......................................................................... 63
Hình 4.43 Dòng so lệch pha A và đặc tính hãm hài bậc 2 ............................................ 63
Hình 4.44 Mô phỏng ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 35kV ..................................... 64
Hình 4.45 Dạng sóng dòng điện 3 phía máy biến áp .................................................... 64
Hình 4.46 Đặc tính làm việc của rơ le so lệch 87T ...................................................... 65
Hình 4.47 Dòng so lệch pha B và đặc tính hãm hài bậc 2............................................. 65

8


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
CHƢƠNG I
MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài
Điện năng là một nguồn năng lƣợng thiết yếu trong cuộc sống, nó tham gia vào mọi
lĩnh vực từ công nghiệp đến sinh hoạt. Bởi điện năng có ƣu thế là: dễ chuyển đổi thành
những dạng năng lƣợng khác, không gây ô nhiễm môi trƣờng, dễ truyền tải và phân
phối…
Trong quá trình vận hành trạm biến áp thì vấn đề bảo vệ các thiết bị điện khỏi
các sự cố trên lƣới điện rất đƣợc quan tâm đầu tƣ, đặc biệt là bảo vệ máy biến áp. Hệ
thống bảo vệ máy biến áp bao gồm nhiều loại bảo vệ khác nhau trong đó bảo vệ so lệch
máy biến áp đƣợc sử dụng là bảo vệ chính. Bảo vệ so lệch máy biến áp phải thỏa mãn
tiêu chí vừa có độ nhạy cao để bảo vệ máy biến áp khỏi các sự cố, vừa đảm bảo tính
chọn lọc để trách những tác động nhầm gây mất điện. Để giải quyết những vấn đề này

thì ngày nay các hãng thiết bị điện lớn nhƣ Siemens, Schneider, ABB, Sel… đã tiến
hành nghiên cứu chế tạo các loại rơ le so lệch kỹ thuật số có độ tin cậy cao.
Việc nghiên cứu giải thuật nguyên lý hoạt động của bảo vệ so lệch máy biến áp
bằng cách sử dụng mô phỏng bằng Matlab/Simulink ngƣời nghiên cứu có thể xây dựng
đƣợc mô hình rơle bảo vệ dựa trên các giải thuật khác nhau, kết hợp với các khối thiết
bị có sẵn trong thƣ viện mô phỏng để tiến hành mô phỏng các dạng sự cố và phân tích
sự làm việc của rơle. Mặt khác, công cụ mô phỏng giải thuật làm việc của rơ le so lệch
kỹ thuật số còn có thể đƣợc sử dụng để phân tích các bản ghi sự cố và đối chứng với sự
làm việc của các rơ le so lệch trên thực tế. Từ các kết quả mô phỏng, ngƣời sử dụng có
thể đánh giá lƣợng hóa đƣợc ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhau đến sự làm việc của
rơ le kỹ thuật số, từ đó đƣa ra các điều chỉnh phù hợp về mặt chỉnh định các thông số
cài đặt, cũng nhƣ lựa chọn hợp lý các thiết bị đo lƣờng và mạch nhị thứ.

9


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

1.2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn
Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng giải thuật của bảo vệ rơ le kỹ thuật số” đƣợc thực
hiện nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic của rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp, và
thực hiện các mô phỏng sự làm việc của rơ le bảo vệ so lệch dựa trên phần mềm
MATLAB Simulink. Từ đó đƣa ra các đánh giá, góp ý đến các thông số cài đặt chỉnh
định rơ le.
1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu là nguyên lý hoạt động các chức năng bảo vệ so lệch
máy biến áp ( 87T) và bảo vệ chống chạm đất hạn chế (64REF), ngoài ra còn xét đến
các yếu tố ảnh hƣởng đến sai số của bảo vệ so lệch nhƣ sự bảo hòa của máy biến dòng,

sự thay đổi nấc của máy biến áp. Đồng thời còn xét đến logic khóa bảo vệ so lệch khi
có sóng hài bậc 2, bậc 5 và các thành phần không chu kỳ nhằm tránh bảo vệ tác động
nhầm khi đóng xung kích máy biến áp
1.4 Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng
 Chƣơng I: Mở đầu
 Chƣơng II Nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp
 Chƣơng III Sơ đồ thuật toán bảo vệ so lệch
 Chƣơng IV Mô phỏng tính toán bảo vệ so lệch sử dụng Matlab/Simulink

10


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
CHƢƠNG II

NGUYÊN LÝ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP
2.1 Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch máy biến áp (87T)
Các hệ thống bảo vệ so lệch làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện và vì vậy
cũng đƣợc hiểu nhƣ hệ thống cân bằng dòng.
Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp:
i

i
i2

i1
Đối tƣợng bảo vệ

I1

I2

I

i1+i2

I

M

I1+I2

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp
Bảo vệ so lệch sử dụng nguyên tắc trên thực tế (hình vẽ) là dòng I rời khỏi một
đối tƣợng bảo vệ trong điều kiện bình thƣờng phải bằng dòng đƣa vào nó. Bất cứ sự sai
lệch nào cũng chỉ thị sự cố bên trong vùng bảo vệ. Các cuộn dây thứ cấp của các biến
dòng CT1 và CT2 có cùng tỷ số biến có thể đƣợc nối để có đƣợc các dòng điện nhƣ
hình vẽ.
Thành phần đo M đƣợc nối tại điểm cân bằng điện. Trong điều kiện vận hành
bình thƣờng sẽ không có dòng chảy qua thành phần đo M. Khi có sự cố bên trong các
biến dòng, các dòng điện ở mỗi đầu không bằng nhau, thành phần đo M đo đƣợc dòng

11


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

i1+i2 tỷ lệ với I1 +I2 tổng của hai dòng sự cố chảy qua. Nếu dòng điện i1+i2 này đủ lớn
cho thành phần đo M, hệ thống này sẽ cung cấp một bảo vệ đơn giản phân biệt đƣợc
dòng sự cố.[1][4]
Khi có một sự cố bên ngoài gây ra dòng ngắn mạch lớn chảy qua vùng bảo vệ,
các đặc tính từ hoá khác nhau của các máy biến dòng trong điều kiện bão hoà có thể
gây ra dòng đáng kể chảy qua M. Nếu độ lớn của dòng này nằm trên ngƣỡng tác động,
hệ thống có thể đƣa ra lệnh cắt. Việc hãm chống lại việc tác động sai của bảo vệ.
Ở các máy biến áp thông thƣờng các dòng thứ cấp của các biến dòng không bằng
nhau khi một dòng chảy qua máy biến áp, nhƣng tuỳ thuộc vào tỷ số biến và tổ đấu dây
của máy biến áp đƣợc bảo vệ và dòng điện định mức của các máy biến dòng ở hai phía
của máy biến áp. Các dòng, vì vậy phải đƣợc làm phù hợp để có thể so sánh đƣợc.
Việc điều chỉnh cho phù hợp với các máy biến áp có công suất và tổ đấu dây khác
nhau (cho bảo vệ máy biến áp) đƣợc thực hiện bằng toán học hoàn toàn. Thông thƣờng
không đòi hỏi các biến dòng trung gian.
Các dòng đƣa vào đƣợc chuyển đổi theo dòng định mức của máy biến áp. Điều
này có đƣợc bằng cách đƣa số liệu định mức của máy biến áp vào rơle, đó là: Công
suất định mức, điện áp định mức và dòng điện định mức của các biến dòng.
Vì tổ đấu dây đã đƣợc đƣa vào nên rơle có khả năng so sánh dòng theo công thức
cố định.
Việc chuyển đổi dòng đƣợc thực hiện bằng các ma trận, hệ số đƣợc lập trình mô
phỏng các dòng điện so lệch trong các cuộn dây máy biến áp. Tất cả các tổ đấu dây
rơle đều có thể hiểu đƣợc (bao gồm đổi pha).
2.1.1 Đánh giá giá trị đo đƣợc
Sau khi các dòng nhận vào đƣợc làm cho phù hợp có tính đến tỷ số biến nhóm
véc tơ và cách đối xử với các dòng thứ tự không, các bảo vệ cần thiết cho bảo vệ so
lệch đƣợc tính toán từ IA , IB , IC của từng cuộn dây. Trong các phần chú giải sau các
chỉ số sẽ đƣợc dùng để phân biệt các cuộn dây: 1 cho cuộn sơ cấp (điện áp cao hơn)

12


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

của máy biến áp, 2 cho cuộn thứ cấp (điện áp thấp hơn) và 3 cho cuộn thứ 3 đối với
máy biến áp 3 cuộn dây nếu sử dụng.
Trong các hệ thống bảo vệ so lệch cho các đối tƣợng bảo vệ hai phía, một đại
lƣợng hãm thƣờng đƣợc lấy từ dòng sai lệch I1 - I2 hoặc từ tổng số học I1 + I2 . Cả 2
phƣơng pháp đều nhƣ nhau ở một số giải thích hợp của các đặc tính hãm. Trong các hệ
thống bảo vệ so lệch cho đối tƣợng bảo vệ 3 phía, máy biến áp 3 cuộn dây việc hãm
chỉ có thể thực hiện với tổng số học I1 + I2+I3 . Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng trong
rơle cho tất cả các đối tƣợng bảo vệ (máy biến áp 2 hoặc 3 cuộn dây). Nó đòi hỏi tạo
ra tổng véc tơ và tổng đại số của các dòng điện cho từng cuộn dây.
Các định nghĩa sau đƣợc sử dụng:
Dòng so lệch hoặc tác động cắt
Idiff = I1 + I2 (2 cuộn dây).
Hoặc Idiff = I1 + I2+I3 (3 cuộn dây).
Và dòng làm ổn định hoặc hãm (hài):
Istab = I1 + I2 (2 cuộn dây).
Hoặc Istab = I1 +I2+I3 (3 cuộn dây).
Idiff đƣợc lấy từ các sóng cơ bản và sản sinh ra đại lƣợng gây ra lện cắt, I stab chống
lại ảnh hƣởng này.

13


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
i2

i1
Đối tƣợng bảo vệ

I1

I2

M

I1+I2

Hình 2.2: Nguyên lý của bảo vệ so lệch
Để làm sáng tỏ 3 điều kiện vận hành quan trọng sẽ đƣợc xem xét[4]:
a. Dòng chảy qua máy biến áp vận hành bình thƣờng hoặc khi có sự cố bên ngoài.
I2 đổi hƣớng của nó vì vậy đổi dấu, I2 =- I1 do vậy I2 = I1
Idiff = I1 + I2= I1 -I1 = 0
Istab = I1 + I2 = I1 + I1= 2.I1
Không tác cắt (Idiff = 0) hãm (Istab) tỷ lệ với 2 lần dòng chảy qua.
b. Ngắn mạch bên trong mỗi phía đƣợc cấp bởi các dòng giống nhau:
Trong trƣờng hợp này: I2 = I1 do vậy I2 = I1
Idiff = I1 + I2= I1 + I1=2.I1
Istab = I1 +  I2 = I1 + I1 = 2.I1
Các thành phần tác động cắt (Idiff) và hãm (Istab) bằng và tỷ lệ với tổng dòng sự cố.
c. Ngắn mạch bên trong chỉ cấp dòng từ một phía:
Trong trƣờng hợp này I2 = 0
Idiff = I1 + I2= I1 + 01= I1

14


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Istab = I1 +  I2 = I1 + 0 = I1
Các thành phần tác động cắt (Idiff) và hãm (Istab) bằng và tỷ lệ với dòng sự cố cấp
từ một phía.
Kết quả này cho thấy rằng với sự cố bên trong Idiff = Istab. Vì vậy đặc tính sự cố
bên trong là một đƣờng thẳng với độ dốc bằng 1.
Trên sơ đồ hoạt động minh hoạ ở hình 2-3. Hình vẽ đƣa ra đặc tính làm việc đầy
đủ của rơle. Nhánh a thể hiện ngƣỡng nhậy của bảo vệ rơle so lệch và xét đến dòng sai
số không đổi, dòng từ hoá. Nhánh b xét đến sai số tỷ lệ theo dòng có thể gây ra bởi sai
số của biến dòng chính, các máy biến dòng đầu vào của rơle hoặc từ vị trí bộ chuyển
nấc máy biến áp.
Ở dải dòng điện lớn có thể làm tăng bão hoà cho biến dòng, nhánh c gây hãm
nhiều hơn. Các đánh giá thêm, trong trƣờng hợp cực bão hoà nhánh c (hãm cộng thêm add-on stabilization) đƣợc mô tả phần sau.
Các dòng Idiff và Istab đƣợc so sánh bằng bảo vệ so lệch với đặc tính làm việc (hình
vẽ). Nếu các dòng nằm trong vùng cắt, lệnh cắt đƣợc đƣa ra.

IDiff
IN
d

sự
tín
h

ặc

2
Vùng tác
ốc
d
g
động
ờn
ư
Đ

Đ

4
3
2
1

cố

7
6
5

c

a

dốc 1

g
n
ờ
Đư

1 2

3

4

5

b

Irest
IN
6 7

8

9 10 11 12 13 14

Hình 2.3 : Đặc tính làm việc

15


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

2.1.2 Hãm hài
Khi các dòng so lệch có thể gây ra không chỉ từ các sự cố bên trong máy biến áp
mà còn từ dòng từ hoá máy biến áp khi đóng máy biến áp , nối song song máy biến áp
hoặc một máy biến áp bị quá điện áp, chúng sinh ra các thành phần sóng hài.
Dòng từ hoá có thể lớn gấp nhiều lần dòng định mức và thành phần chủ yếu là
sóng hài bậc 2 (gấp đôi tần số định mức). Trên thực tế nó không có mặt trong các
trƣờng hợp có ngắn mạch. Nếu thanh phần bậc hai vƣợt quá ngƣỡng (có thể chọn), lệnh
cắt bị khoá.
Vì hãm dòng từ hoá làm việc độc lập cho từng pha, bảo vệ vẫn làm việc hoàn
toàn ngay cả khi đóng máy biến áp vào sự cố một pha, khi đó dòng từ hoá có thể xuất
hiện chỉ ở các pha không có sự cố. Tuy vậy cũng có thể đặt bảo vệ để không chỉ pha có
dòng từ hoá chứa sóng hài vƣợt quá ngƣỡng cho phép đƣợc hãm mà những pha khác
của cấp bảo vệ so lệch Idiff, cũng bị khoá (đƣợc gọi là "chức năng khoá chéo"). Chức
năng khoá chéo này có thể bị giới hạn trong khoảng thời gian chọn trƣớc.
Bên cạnh sóng hài bậc 2, sóng hài khác cũng có thể đƣợc lựa chọn để khoá bảo
vệ. Có thể chọn sóng hài bậc 3, 4 và 5.
Sóng hài bậc 4 có thể thấy giống nhƣ sóng hài bậc 2 trong các dòng từ hoá không
đối xứng.
Quá từ hoá lõi thép máy biến áp đặc trƣng bởi sự xuất hiện các thành phần sóng
hài bậc lẻ trong dòng điện. Vì vậy sóng hài bậc 3 và bậc 5 thích hợp để phát hiện ra
những hiện tƣợng này. Nhƣng vì thành phần sóng hài bậc 3 thƣờng bị loại trừ ở các
máy biến áp lực (bằng cuộn dây đấu ) sóng hài bậc 5 thƣờng đƣợc sử dụng.
Hơn nữa, ở các máy biến áp tự ngẫu các sóng hài bậc lẻ tìm thấy không thấy xuất
hiện trong các sự cố bên trong máy biến áp.
Sóng hài làm việc độc lập cho từng pha. Tuy vậy, cũng có thể đặt bảo vệ để
không chỉ để pha có dòng từ hoá chứa sóng hài vƣợt quá ngƣỡng cho phép đƣợc hãm
mà những pha khác của cấp bảo vệ Idiff> cũng bị khoá (đƣợc gọi là "chức năng khoá
chéo"). Chức năng khoá chéo này có thể bị giới hạn trong khoảng thời gian chọn trƣớc.

16


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Các bộ lọc số đƣợc sử dụng để thực hiện các phân tích Fourier cho dòng so lệch.
Ngày khi thành phần sóng hài vƣợt quá các giá trị đặt, rơle hãm ở pha tƣơng ứng.
Thuật toán học đƣợc tối ƣu có xét đến các trạng thái thoáng qua để loại bỏ hãm không
cần thiết trong các điều kiện động.
2.1.3 Hãm cộng thêm (Add-on stabillization) khi biến dòng bị bão hoà
Bão hoà của các máy biến dòng gây ra bởi các dòng sự cố lớn và/hoặc các hằng
số thời gian hệ thống dài không thích hợp với các sự cố bên trong (sự cố bên trong máy
biến áp đƣợc bảo vệ). Vì vậy các dòng so lệch cũng nhƣ dòng hãm đo đƣợc bị biến
dạng đến cùng một ngƣỡng. Đặc tính sự cố đƣợc minh hoạ trên hình 3-5 là cùng cơ sở
chính trong trƣờng hợp này. Tất nhiên, thành phần sóng cơ bản của dòng so lệch cũng
phải ít nhất vƣợt quá giá trị tác động (nhánh a trong hình vẽ 3-5).
Trong một sự cố ngắn mạch ngoài vùng gây ra dòng ngắn mạch lớn làm bão hoà
biến dòng, một dòng so lệch đáng kể có thể đƣợc tạo ra, đặc biệt khi mức độ bão hoà
khác nhau giữa hai điểm đo. Nếu đại lƣợng Idiff/Istab nằm trong vùng cắt của đặc tính
làm việc (hình vẽ 3-5), lệnh cắt sẽ đƣợc đƣa ra nếu không có biện pháp đặc biệt nào.
Rơ le cung cấp một chỉ số bão hoà nó phát hiện những hiện tƣợng nhƣ vậy và
khởi động các biện pháp hãm cộng thêm (add-on stabillization). Chỉ số bão hoà làm
việc trong vùng đƣợc đặt tên là "hãm cộng thêm". Trên hình vẽ độ dốc của đặc tính này
tỷ lệ bằng nửa độ dốc của nhánh b.
Bão hoà khi có sự cố bên ngoài đƣợc phát hiện bằng dòng khỏi động hãm lớn
dịch chuyển điểm làm việc vào vùng "hãm cộng thêm". Ngƣợc lại điểm làm việc dịch
chuyển ngay lập tức theo đặc tính sự cố khi có sự cố nội bộ bởi vì dòng hãm sẽ lớn hơn

dòng so lệch. Chỉ số bão hoà đƣa ra quyết định trong nửa chu kỳ đầu tiên sau thời điểm
bắt đầu sự cố.
Khi phát hiện một sự cố bên ngoài, bảo vệ so lệch bị khoá trong một thời gian có
thể lựa chọn (lâu nhất là 8 chu kỳ tƣơng đƣơng với 160ms ở tần số 50Hz,khi rơle xuất
xƣởng). Việc khoá bị xoá bỏ ngay khi điểm làm việc dịch chuyển chắc chắn (quá 2 chu

17


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

kỳ) vào đặc tính sự cố. Nó cho phép phát hiện một cách tin cậy sự cố diễn biến bên
trong máy biến áp đƣợc bảo vệ trong hki có sự cố bên ngoài và biến dòng bị bão hoà.
2.1.4 Cắt nhanh không hãm với sự cố máy biến áp có dòng lớn
Các sự cố có dòng lớn trong máy biến áp đƣợc bảo vệ có thể đƣợc giải trừ ngay
lập tức mà không cần xét đến độ lớn của dòng hãm, khi độ lớn của các dòng so lệch có
thể đƣợc loại trừ đó là sự cố bên ngoài. Điều này xảy ra trong trƣờng hợp dòng ngắn
mạch lớn hơn 1/Uk lần dòngđịnh mức của máy biến áp .
Bảo vệ so lệch máy biến áp cung cấp bảo vệ dòng lớn không hãm này. Nó có thể
làm việc ngay cả khi dòng so lệch có chứa mộtphần đáng kể sóng hài bậc 2 gây ra bởi
việc biến dòng bị bão hoà bởi thành phần một chiều trong dòng ngắn mạch có thể bị
chức năng dòng hãm từ hoá coi nhƣ dòng từ hoá máy biến áp.
Cấp dòng điện lớn này đánh giá sóng cơ bản các dòng điện cũng nhƣ các giá trị
tức thời bảo đảm cắt nhanh ngay cả khi sóng cơ bản giảm mạnh do biến dòng bị bão
hoà.
2.2 Bảo vệ chạm đất có giới hạn
2.2.1 Nguyên lý
Bảo vệ chạm đất có giới hạn phát hiện các sự cố chạm đất trong các máy biến áp

lực, các cuộn kháng bù ngang, các máy biến áp trung tính nối đất hoặc các máy điện
quay, mà điểm sao của chúng nối đất. [4][6][7]
Nó cũng thích hợp khi có một điểm trung tính giả bên trong vùng bảo vệ của một
máy biến áp không nối đất.
Biến dòng trung tính và biến dòng 3 pha xác định các giới hạn của vùng bảo vệ.
Hình 2-4 đến hình 2-6 là các ví dụ minh hoạ của bảo vệ chạm đất có giới hạn.

18


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Hình 2.4: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn sử dụng một biến dòng trung tính và
các biến dòng 3 pha.

Hình 2.5: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn cuộn dây máy biến áp đấu tam giác,
sử dụng một biến dòng vào điểm trung tính giả và các biến dòng 3 pha.

19


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Hình 2.6: Sơ đồ đấu TI, Rơ le khi cuộn dây máy biến áp đấu tam giác, có điểm
trung tính giả
Trong điều kiện vận hành bình thƣờng, không có dòng điện đấu sao ISP chảy qua

dây trung tính, tổng các dòng I1 + I2 + I3 cũng bằng 0.
Khi có một sự cố bên trong vùng đƣợc bảo vệ, có dòng ISP xuất hiện. Tuỳ theo các
điều kiện nối đất của hệ thống có thể nhận ra thêm dòng dƣ trên dây trung tính của các
biến dòng pha. Vì tất cả các dòng chảy vào vùng bảo vệ đƣợc định nghĩa là dƣơng,
góc dòng dƣ từ hệ thống sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn góc pha của dòng điểm đấu sao.
Khi một sự cố chạm đất xảy ra bên ngoài vùng bảo vệ, dòng điểm đấu sao và
dòng dƣ của các máy biến dòng sẽ giống nhau về độ lớn nhƣng ngƣợc pha với nhau.
Khi có một sự cố pha không chạm đât bên ngoài vùng bảo vệ, các biến dòng bị
bão hoà có thể gây ra dòng dƣ trên dây trung tính của các biến dòng. Dòng điện này có
thể mô phỏng một sự cố bên trong vùng đƣợc bảo vệ. Bảo vẹ phải tránh đƣợc cắt sai
trong trƣờng hợp này. Với những trƣờng hợp nhƣ vậy, bảo vệ chạm đất có giới hạn
cung cấp các biện pháp làm ổn định hoàn toàn khác với biện pháp thƣờng đƣợc sử
dụng cho các sơ đồ bảo vệ so lệch.

20


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

2.2.2 Đánh giá các đại lƣợng đo đƣợc

Hình 2.7: Nguyên lý của bảo vệ chạm đất giới hạn
Bảo vệ chạm đất có giới hạn so sánh dòng cơ bản của dòng điện chảy qua dây
điểm đấu sao đƣợc gọi là 3I0', với sóng cơ bản của tổng các dòng pha đƣợc gọi là 3I0"
3I0' =ISP , 3I0" = IL1 + IL2 + IL3 .
Chỉ có I0' làm việc nhƣ có một ảnh hƣởng đến lệnh cắt khi có sự cố bên trong
vùng bảo vệ, có dòng chạm đất khác I0" chảy qua các dòng biến dòng pha. Nó phía sơ
cấp ngƣợc pha với dòng điểm đấu sao và có cùng độ lớn. Thông tin lớn nhất của các

dòng điệnđƣợc xem xét cho việc hãm. Độ lớn của các dòng điện và vị trí pha của
chúng xác định theo các tham số sau[6]:
Dòng tác động cắt : IREF = 3I0' + 3I0"
Dòng hãm:

IREST = 3I0"

Trong đó:
IREF đƣợc lấy từ sóng cơ bản và tạo ra đại lƣợng gây ảnh hƣởng đến
lệnh cắt.
IREST chống lại ảnh hƣởng này.
Để làm sáng tỏ 3 điều kiện vận hành quan trọng sẽ đƣợc xem xét.
a. Dòng chảy khi có chạm đất bên ngoài:
3I0" ngƣợc pha nhƣng có cùng độ lớn với 3I0' (3I0" = - 3I0' )

21


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học
IREF = 0
IREST = - 3I0"  = 3I0'

Dòng tác động bằng 0, dòng hãm bằng dòng điện chảy qua điểm trung tính nối
đất.
b. Ngắn mạch bên trong vùng bảo vệ.
Trong trƣờng hợp này: 3I0' và 3I0'' có cùng pha với nhau nhƣng khác về độ lớn.
Độ lớn của 3I0' và 3I0'' khác nhau do phụ thuộc vào tổng trở thứ tự không của hai phía
của điểm sự cố

IREF = 3I0'+3I0''
IREST = (3I0'')
Dòng tác động cắt bằng IREF bằng tổng dòng chảy qua điểm trung tính và dòng
điện các pha . Thành phần hãm IREST bằng tổng dòng điện các pha, nhạy hoàn toàn khi
có sự cố chạm đất bên trong.

ộn

g

IDiff
IN

3
2
1

V

ùn

g

tá
cđ

7
6
5
4

Vùng hãm
a

1 2 3 4

5 6 7

8 9 10 11 12 13 14

Hình 2.8 Đặc tính làm việc của bảo vệ chạm đất giới hạn

22

Irest
IN


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến bảo vệ so lệch máy biến áp
2.3.1 Dòng từ hóa mạch từ trong quá trình đóng điện máy biến áp
Xem xét sự cấp điện không tải mô tả ở hình dƣới hình 2.9. Máy cắt coi nhƣ là
đang đóng nguồn áp cấp đến máy biến áp dòng từ hóa lấy từ nguồn. Nguồn áp cấp là
e(t) = Emaxcos(ωt-j)

Hình 2.9 Liên kết từ thông lõi máy biến áp
Nếu chúng ta bỏ qua điện trở của nguồn cấp và độ tự cảm rò rỉ trong các mạch từ,

các từ thông liên kết vòng của lõi máy biến áp đƣợc xác định bởi
L(t) = Lmaxcos(ωt-j) + Lmaxsinj
Lƣu ý rằng các từ thông liên kết vòng và do đó dòng từ hóa là liên tục tại t = 0,
khi máy cắt đƣợc đóng. Phƣơng trình trên giả định rằng không có từ dƣ còn lại trong
lõi thép. Bất kỳ từ dƣ cũng phải đƣợc thêm vào phía bên phải của phƣơng
trình này.

23


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

Hình 2.10: Dòng từ hóa của máy biến áp trong quá trình đóng xung kích
Trong thực tế độ tự cảm từ hóa trong máy biến áp là phi tuyến. Xem xét hai độ dốc của
một đặc tính từ hóa thể hiện trong hình 2.10 xấp xỉ nhau. Nhƣ là độ liên kết từ thông
chạy trên điểm gẫy bão hòa, xuất hiện một dòng điện lớn hơn rất nhiều đƣợc
lấy ra từ nguồn. Độ lớn (biên độ) của dòng điện này đƣợc xác định bởi độ dốc của đặc
tính từ hóa trong khu vực bão hòa và bởi điện cảm rò rỉ (dòng điện rò) của máy biến
áp. Rõ ràng thấy dòng mở máy biến áp có thể là một dạng gây ra dòng sự cố bởi vì có
tổn thất trong mạch từ dòng từ hóa sẽ suy giảm nhỏ hơn giá trị dòng danh định đƣợc
thể hiện ở hình 2.10(b). Hằng số thời gian vài giây là phổ biến trong một số máy biến
áp lực hiện đại.
Trong h ầu hết các máy biến áp hiện đại dòng xung kích khi đóng máy biến áp
có thể đạt giá trị rất lớn, độ lớn này phụ thuộc vào thời điểm đóng không tải và độ dƣ
từ thông trong lõi biến áp. Kể từ khi có dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp mà chƣa có
dòng chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến áp. Nó tạo ra dòng so lệch
khoảng 200% của dòng điện hãm và nó là nguyên nhân gây ra hoạt động sai của bảo
vệ.

24


Bùi Vĩnh Quý

Luận văn cao học

2.3.2 Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích máy biến áp
Để ngăn ngừa bảo vệ tác động nhầm bằng cách tận dụng thực tế là dòng khởi
động máy biến áp rất giàu thành phần sóng hài. Dòng sự cố này thuần túy là một thành
phần tần số cơ bản thuần túy (ngoại trừ một thành phần rất nhỏ là DC).
Hình 2.11 là dạng sóng dòng điện đặc trƣng khi đóng máy biến áp không tải. Có
thể thấy do hiện tƣợng bão hòa mạch từ của máy biến áp, dạng sóng dòng điện của phía
sơ cấp máy biến áp có thể đạt giá trị khá cao, và có độ méo (không sin) lớn.

Hình 2.11: Dạng sóng dòng xung kích khi đóng MBA không tải.
2.3.3 Dòng từ hóa trong quá trình sự cố ngoài vùng
Khi có một sự cố bên ngoài, nhƣng gần các máy biến áp đƣợc tách ra bằng máy
cắt thích hợp, các điều kiện bên trong lõi sắt biến áp là khá tƣơng tự nhƣ trong từ hóa
của máy biến áp. Nhƣ là khi điện áp đƣợc cấp cho cuộn dây máy biến áp nhảy từ một
giá trị thấp (điểm sự cố đầu) tăng đến giá trị bình thƣờng (hoặc lớn hơn), các từ thông
liên kết trong lõi biến áp một lần nữa lại buộc phải thay đổi từ một giá trị (vị trí sự cố
đầu) thấp đến một giá trị gần với bình th ƣờng điểm (vị trí sự cố). Tùy thuộc vào thời
điểm mà tại đó các sự cố đƣợc lấy ra, quá trình chuyển đổi có thể mạnh phụ thuộc một
độ lệch dòng một chiều DC trong từ thông liên kết vòng, và dạng sóng dòng điện trong
cuộn sơ cấp nhƣ gặp phải trong quá trình đóng điện máy biến áp sẽ cho kết quả tƣơng

25