Bài giảng bảo vệ rơle và tự động hoá trong hệ thống điện (cao đẳng chính quy)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN: HỆ THỐNG ĐIỆN
***    ***

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN

Giáo viên: Nguyễn Thị Khánh
Hưng Yên, tháng 6 năm 2015

1


PHẦN I: BẢO VỆ RƠ LE
CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ
1.1 Khái niệm chung
1.1.1 Nhiệm vụ của BVRL
Khi thiết kế hoặc khi vận hành bất kỳ một hệ thống điện (HTĐ) nào cũng phải kể đến khả
năng phát sinh các hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường trong hệ thống điện ấy.
Nhiệm vụ của các thiết bị bảo vệ nói chung và bảo vệ rơle nói riêng là phát hiện và loại trừ
càng nhanh càng tốt phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện. Nguyên nhân gây hư hỏng, sự cố đối
với các phần tử trong hệ thống điện rất đa dạng: Do các hiện tượng thiên nhiên như giông bão, động
đất, lũ lụt, do máy móc thiết bị bị hao mòn, già cỗi, do các tai nạn ngẫu nhiên, do nhầm lẫn trong
thao tác của nhân viên vận hành v.v…
Nhanh chóng phát hiện và cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện có thể ngăn chặn và
hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả tai hại của sự cố, trong đó phần lớn là các dạng ngắn
mạch. Dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử trên đường từ nguồn đến điểm ngắn
mạch có thể gây ra những tác động nhiệt và cơ nguy hiểm cho các phần tử nó chạy qua. Hồ quang
tại chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết bị gây hỏa hoạn. Ngắn mạch làm cho điện
áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lân cận bị giảm thấp, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường

của các hộ tiêu dùng điện. Tồi tệ hơn, ngắn mạch có thể dẫn đến mất ổn định và tan rã hệ thống.
Các dạng ngắn mạch thường gặp trong hệ thống điện là:
- Ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5% số trường hợp ngắn mạch trong HTĐ.
- Ngắn mạch hai pha chiếm khoảng 10% số trường hợp ngắn mạch trong HTĐ.
- Ngắn mạch hai pha nối đất chiếm khoảng 20% số trường hợp ngắn mạch.
- Ngắn mạch một pha chiếm khoảng 65% số trường hợp ngắn mạch trong HTĐ.
Phân theo dạng thiết bị trong hệ thống điện, tỷ lệ hư hỏng như sau:
- Đường dây tải điện trên không chiếm khoảng 50% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
- Đường dây cáp chiếm khoảng 10% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
- Máy cắt điện chiếm khoảng 15% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
- Máy biến áp chiếm khoảng 12% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
- Máy biến dòng điện, biến điện áp chiếm khoảng 2% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
- Thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ chiếm khoảng 3% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
- Các loại khác chiếm khoảng 8% số trường hợp hư hỏng trong HTĐ.
Ngoài các loại hư hỏng, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường.
Một trong những tình trạng làm việc không bình thường là quá tải. Dòng điện quá tải làm tăng nhiệt
độ của các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi
bị phá hỏng.
Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ các hệ thống điện hiện đại là các rơle. Ý
nghĩa ban đầu của rơle là phần tử làm nhiệm vụ tự động chuyển (đóng, cắt) mạch điện. Ngày nay,
khái niệm rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo
vệ và tự động hóa hệ thống điện, thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ
cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ hệ thống.

2


Như vậy, nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ rơ le là tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống
điện. Ngoài ra còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần
tử trong hệ thống điện. Tuỳ mức độ mà bảo vệ rơ le có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt.

1.1.2 Yêu cầu cơ bản của mạch bảo vệ
Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng trên, thiết bị bảo vệ phải thoả mãn
những yêu cầu cơ bản sau: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh, nhạy và kinh tế.
a/ Tin cậy
Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn. Cần phân biệt:
- Độ tin cậy khi tác động là mức độ chắc chắn rơ le hoặc hệ thống rơ le sẽ tác động đúng. Nói
cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm
vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ.
- Độ tin cậy không tác động là mức độ chắc chắn rằng rơ le hoặc hệ thống rơ le sẽ không làm
việc sai. Nói cách khác, độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận
hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được qui định.
Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể được kiểm tra tương đối dễ dàng bằng tính toán thực
nghiệm, còn độ tin cậy không tác động rất khó kiểm tra vì tập hợp những trạng thái vận hành và tình
huống bất thường có thể dẫn đến tác động sai của bảo vệ không thể lường trước được.
Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơ le và hệ thống rơ le có kết cấu đơn giản, chắc chắn, đã
được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo
vệ. Qua số liệu thống kê vận hành cho thấy, hệ thống bảo vệ trong các hệ thống điện hiện đại có xác
suất làm việc tin cậy khoảng (95  99)%.
b/ Tính chọn lọc
Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống
điện.
Xét một thí dụ cụ thể: đối với
A
C
mạng điện đã cho
(hình 1-1)
~
N1
khi ngắn mạch tại điểm N1 bảo vệ
5

4
3
N2
phải cắt máy cắt 5 ở đầu đường dây
bị hư hỏng BC. Như vậy tất cả các
~
hộ tiêu thụ, trừ những hộ nối vào
1
2
thanh góp C sẽ tiếp tục làm việc bình
thường sau khi máy cắt cắt.
Hình 1-1
Thí dụ về tính chọn lọc của bảo vệ rơ le
Khi ngắn mạch tại điểm N2, để bảo đảm tính chọn lọc, bảo vệ cần phải cắt các máy cắt 1 và 2
ở hai đầu đường dây bị hư hỏng và việc cung cấp điện cho trạm B vẫn được duy trì.
Theo nguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân ra:
- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối là những bảo vệ chỉ làm nhiệm vụ khi sự cố xảy ra trong một
phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận.
- Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ
còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho các bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận.

3


Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, phải có sự phối
hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ
liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện.
c) Tác động nhanh
Phần tử bị ngắn mạch càng được cắt nhanh, càng hạn chế được mức độ phá hoại các thiết bị,
càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ dùng điện và càng có khả năng duy trì được ổn định sự

làm việc của các máy phát điện và toàn bộ hệ thống . Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để
thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền. Vì vậy
yêu cầu tác động nhanh chỉ đề ra tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng
làm việc của phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện.
Rơ le hay bảo vệ được gọi là tác động nhanh (có tốc độ cao) nếu thời gian tác động không
vượt quá 50ms (2,5 chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz). Rơ le hay bảo vệ được gọi là tác động tức
thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động rơ le. Hai khái niệm tác động nhanh
và tác động tức thời được dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơ le hoặc bảo vệ có thời gian tác động
không quá 50ms.
Thời gian cắt sự cố tC gồm hai thành phần: thời gian tác động của bảo vệ tBV và thời gian tác
động của máy cắt t MC
tC = tBV + tMC
Đối với các máy cắt điện có tốc độ cao hiện đại tMC = (20  60)ms (từ 1  3 chu kỳ 50Hz).
Những máy cắt thông thường có tMC ≤ 5 chu kỳ (khoảng 100ms ở 50Hz). Vậy thời gian loại trừ sự
cố tC khoảng từ 2  8 chu kỳ ở tần số 50Hz (khoảng 40 160ms) đối với bảo vệ tác động nhanh.
Đối với lưới điện phân phối thường dùng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ chính
thông thường có thời gian cắt sự cố khoảng (0,2  1,5) giây, bảo vệ dự phòng khoảng
(1,5  2,0) giây.
d/ Độ nhạy
Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơ le hoặc hệ thống bảo vệ. Độ nhạy
của bảo vệ được đặc trưng bằng hệ số độ nhạy Kn là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le khi có sự
cố với ngưỡng tác động của nó. Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le và ngưỡng
tác động của nó càng lớn, rơ le càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, nghĩa là rơ le tác động
càng nhạy.
Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độ làm việc của hệ thống
(mức độ huy động nguồn), cấu hình của lưới điện, dạng ngắn mạch, vị trí của điểm ngắn mạch, . . .
Đối với các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy từ 1,5 2,0 còn đối với bảo
vệ dự phòng hệ số độ nhạy từ 1,2  1,5.
e/ Tính kinh tế
Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong hệ thống điện không phải để làm việc thường xuyên

trong chế độ vận hành bình thường, luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể
xảy ra và có những tác động chuẩn xác.
Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo
vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị của công trình. Vì vậy yêu cầu về kinh tế không đề ra,

4


mà bốn yêu cầu kỹ thuật trên đóng vai trò quyết định, vì nếu không thoả mãn được các yêu cầu này
sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho hệ thống điện.
Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu
đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện hoặc lưới truyền tải cao
áp. Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được
các yêu cầu kỹ thuật và chi phí thấp nhất.
Năm yêu cầu trên trong nhiều trường hợp mâu thuẫn nhau, ví dụ muốn có được tính chọn lọc
và độ nhạy cao cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp, bảo vệ càng phức tạp, càng khó thỏa
mãn yêu cầu về độ tin cậy; hoặc những yêu cầu cao về kỹ thuật sẽ làm tăng chi phí cho thiết bị bảo
vệ. Vì vậy trong thực tế cần dung hòa ở mức tốt nhất các yêu cầu trên trong quá trình lựa chọn các
thiết bị riêng lẻ cũng như tổ hợp toàn bộ các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động trong hệ thống
điện.
1.1.3 Cơ cấu của hệ thống bảo vệ
Rơ le làm việc theo tín hiệu điện thường được nối với hệ thống điện thông qua các máy biến
dòng điện (BI), các máy biến điện áp (BU), có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía
hệ thống và giảm biên độ của dòng điện, điện áp của hệ thống xuống đến trị tiêu chuẩn ở phía thứ
cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng các thiết bị bảo vệ, đo lường và điều khiển.
Tín hiệu dòng điện và điện áp đưa vào rơ le sẽ được so sánh với ngưỡng tác động của nó, nếu
vượt quá ngưỡng này rơ le sẽ tác động “tức thời” hoặc có thời gian gửi tín hiệu đi cắt máy cắt điện
của phần tử được bảo vệ.
Để cung cấp năng lượng cho việc thao tác máy cắt điện, rơ le và các thiết bị phụ khác, sử
dụng nguồn điện thao tác riêng độc lập với phần tử được bảo vệ.

Thanh góp
Máy cắt điện

BI

Mạch điện được bảo vệ
MCF

CC

Nguồn
-

KĐK
+

RL
BU

Cầu chì

Tải ba
Tín hiệu cắt

Hình 1-2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ
Cấu trúc tổng thể của hệ thống bảo vệ như hình 1-2, Tiếp điểm phụ MCF của máy cắt điện
(hoặc của rơ le phản ánh vị trí của máy cắt) có khả năng cắt dòng điện lớn để ngắt mạch dòng điện

5

cung cấp cho cuộn cắt trước khi tiếp điểm của rơ le trở về, đảm bảo cho tiếp điểm của rơ le khỏi bị
cháy vì phải ngắt dòng điện lớn.
Những năm trước đây sơ đồ bảo vệ rơ le thường được tổ hợp từ nhiều rơ le và nhiều thiết bị
riêng lẻ, mỗi phần tử hoặc nhóm phần tử thực hiện một chức năng nhất định trong sơ đồ bảo vệ.
Ngày nay mỗi đối tượng cần được bảo vệ chỉ cần dùng một bộ bảo vệ. Để tăng cường độ tin
cậy có thể đặt thêm một bộ thứ hai với tính năng tương đương nhưng hoạt động theo một nguyên lý
khác hoặc do nhà sản suất khác chế tạo.
Nguyên lý dự phòng này còn được áp dụng cho mạch máy biến dòng điện và điện áp, cho
nguồn điện thao tác và cho cả cuộn cắt của máy cắt điện như hình 1-3.

BI1

BI2

Máy cắt điện

Mạch được bảo vệ

MC1
MC2
CC1

CC2

KĐK

N2

+

N1

+

CCh1

BV1

CCh2

BV2

BU

Hình 1-3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bảo vệ có dự phòng ðể tãng
cýờng ðộ tin cậy
1.1.4 Những thông tin cần thiết cho lựa chọn và tính toán
- Cấu hình của hệ thống
- Sơ đồ nối dây các thiết bị sơ cấp và tổng trở của chúng, điện áp, tần số và thứ tự pha
- Tổ đấu dây
- Yêu cầu về tính toán ngắn mạch
- Xác định thời gian tác động tối đa cho phép
- Yêu cầu kỹ thuật đối với bảo vệ
- Thông tin về hệ thống bảo vệ hiện hữu và yêu cầu nâng cấp, mở rộng
1.2 Các chế độ hư hỏng và làm việc không bình thường của hệ thống điện
1.2.1. Ngắn mạch

6

Trong hệ thống có dòng điện nối đất lớn, có các loại ngắn mạch sau đây:
- Ngắn mạch ba pha, tức ba pha chập nhau, ký hiệu N(3)
- Ngắn mạch hai pha, tức hai pha chập nhau, ký hiệu N(2)
- Ngắn mạch một pha, tức một pha chập đất, ký hiệu N(1)
- Ngắn mạch hai pha nối đất, tức hai pha chập nhau, đồng thời chập đất ( Tại cùng điểm đó ) ký hiệu
N(1,1)
Ngắn mạch ba pha là loại ngắn mạch đơn giản nhất, ta gọi là ngắn mạch đối xứng, vì lúc đó
tất cả ba pha đều được đặt dưới điện áp và dòng điện như nhau và lệch nhau một góc1200. Còn các
loại ngắn mạch khác gọi là ngắn mạch không đối xứng, vì lúc đó điện áp các pha khác nhau do đó
dòng điện cũng khác nhau và lệch pha nhau nói chung một góc khác 1200.
Trường hợp hệ thống có dòng điện nối đất bé thì một pha chạm đất không tạo thành ngắn
mạch, ta không xét ở đây, còn ngắn mạch hai pha nối đất sẽ biến thành ngắn mạch hai pha (vì dòng
điện ngắn mạch không đi qua đất). Như vậy trong hệ thống có dòng điện nối đất bé chỉ có hai trường
hợp ngắn mạch ba pha và ngắn mạch hai pha. Hình qui ước và xác suất xảy ra các loại ngắn mạch ta
ghi ở bảng 1.1.
Bảng 1.1 cho thấy rằng ngắn mạch một pha xảy ra nhiều nhất, còn ngắn mạch ba pha xảy ra
ít nhất, nhưng chúng ta vấn phải nghiên cứu ngắn mạch ba pha vì :
- Nó vẫn có thể xảy ra.
- Có lúc nó quyết định sự làm việc của hệ thống điện, nhất là về mặt ổn định.
- Ngoài ra nó còn có một tầm quan trọng đặc biệtlà tất cả các loại ngắn mạch không đối xứng
có thể dùng phương pháp thành phần đối xứng để đưa về ngắn mạch ba pha đối xứng.
a.Nguyên nhân của ngắn mạch
Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là do các điện bị hỏng. Lý do cách điện bị
hỏng có thể là: bị già cỗi khi làm việc lâu ngày, chịu tác động cơ khí gây vỡ nát, bị tác động của
nhiệt độ phá huỷ môi chất, xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc... Những
nguyên nhân tác động cơ khí có thể do con người ( như đào đất, thả diều....), do loài vật (rắn bò,
chim đậu...), hoặc do gió bão làm gẫy cây, đổ cột, dây dẫn chập nhau... Sét đánh gây phóng điện
cũng là một nguyên nhân đáng kể gây hiện tượng ngắn mạch (tạo ra hồ quang điện giữa các dây
dẫn). Ngắn mạch còn có thể do thao tác nhầm, ví dụ phóng điện sau sửa chữa quên thao dây nối
đất...

b.Hậu quả của ngắn mạch
Ngắn mạch là một loại sự cố nguy hiểm vì khi ngắn mạch dòng điện đột ngột tăng lên rất
lớn, chạy trong các phần tử của hệ thống điện và chúng có thể gây ra:
- Phát nóng cục bộ rất nhanh, nhiệt độ lên cao có thể gây cháy nổ.
- Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị điện, làm biến dạng hoặc gây vỡ các bộ
phận như sứ đỡ, thanh dẫn...
- Gây sụt áp lưới điện làm động cơ ngừng quay, ảnh hưởng đén năng suất làm việc của máy
móc, thiết bị...
- Gây mất ổn định của hệ thống điện do các máy phát bị mất cân bằng công suất quay theo
những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ.
- Tạo ra các thành phần dòng điện không đối xứng, gây nhiễu các đường dây thông tin ở gần.

7


- Nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, làm gián đoạn việc cung
cấp điện.

Bảng 1.1 : Hình qui ước và xác suất xảy ra các loại ngắn mạch
Loại ngắn mạch
Hình qui ước

Ký
hiệu

Xác
xuất xảy
ra%
5

Ngắn mạch ba

N(3)

Ngắn mạch hai

N(2)

10

Ngắn mạch một

N(1)

65

N(1,1)

20

pha

pha

pha

Ngắn mạch hai
pha nối đất pha

1.2.2. Chạm đất trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ

quang
Chạm đất trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang hầu như
không làm thay đổi hệ thống điện áp dây của lưới điện.

8


Hình 1-4 Chạm đất một pha trong lưới điện có trung điểm không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dập
hồ quang
a.
Sơ đồ nguyên lý
b. Hệ thống điện áp khi chạm đất 1 pha
c. Dòng điện khi một pha
chạm đất
1.2.3. Đứt dây ( hoặc hở mạch) một pha
Thực tế vận hành cho thấy có thể xảy ra trường hợp hở mạch một hoặc hai pha do đứt dây (
tụt lèo) hoặc đầu tiếp xúc của máy cắt điện bị hở, gây nên chế độ vận hành không toàn pha trong hệ
thống. Thường gặp nhất là chế độ đứt dây một pha.
Ở chế độ vận hành không đủ cả ba pha sẽ xuất hiện chế độ không cân bằng và thành phần
dòng điện thứ tự nghịch chạy vào các máy điện quay, tạo nên từ thông thứ tự nghịch quay ngược
9


chiều với roto với tốc độ tương đối bằng 2 lần tốc độ đồng bộ. Vận tốc cắt roto rất lớn này làm xuất
hiện trong thân roto và cuộn dây roto dòng điện cảm ứng rất lớn đốt nóng roto và stato của máy điện
quay.
Biên độ của thành phần thứ tự nghịch trong dòng điện stato của máy phát điện đồng bộ phụ
thuộc cấu hình của hệ thống điện. Với trường hợp đường dây truyền tải đơn trên hình 1. 5a thành
phần thứ tự nghịch có thể xác định theo sơ đồ phức hợp trên hình 1.5b. Khi đứt dây pha A và máy
biến áp có tổ đấu dây Y/Δ- 11 ta có:

Hình 1. 5-Đứt dây một pha trên đường dây truyền tải (a) và sơ đồ đẳng trị phức hợp (b)
1.2.4. Các vòng dây trong máy điện chập nhau
Các vòng dây trong máy điện ( máy phát điện, máy biến áp, động cơ điện…) có thể bị chập
nhau ở một pha nào đó hoặc ở các cuộn dây song song trong cùng một pha. Nguyên nhân làm cho
các vòng dây chập nhau là cách điện bị hỏng do tác động cơ giới từ bên ngoài hoặc sét đánh.
a.
Đối với máy phát điện đồng bộ
Hư hỏng cách điện thường làm cho các vòng dây chạm nhau hoặc chạm thân máy. Dòng
điện trong các vòng dây bị chập có thể đạt trị số rất lớn làm hỏng cuộn dây. Trong máy phát điện với
cuộn dây stato có hai nhánh song song trong một cuộn kép, khi có một số vòng dây chập nhau, sức

10


điện động cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dòng điện cân bằng chạy quẩn trong mạch
vòng sự cố, đốt nóng cuộn dây và có thể gây hư hỏng nghiêm trọng ( Hình 1.6b). Các vòng dây
chập nhau trong rãnh thân stato của máy phát điện thường chỉ xảy ra đối với máy phát có công suất
vừa và nhỏ, ở các máy phát này, trong một rãnh người ta có thể đặt nhiều thanh dẫn thuộc các vòng
dây khác nhau. Ở những máy phát điện công suất lớn trong mỗi rãnh thường chỉ đặt một thanh dẫn (
rỗng, làm mát từ bên trong) vì vậy khả năng các vòng dây bị chập nhau chỉ xảy ra khi cách điện bị
hỏng ở hai rãnh khác nhau hoặc các vòng dây ở phần ngoài thân stato bị chập nhau ( ở vành nối giữa
các thanh dẫn với nhau).

Hình 1.6 – Chạm chập các vòng dây trong mạch stato máy phát điện đồng bộ với các cuộn dây đơn
(a), cuộn dây kép (b)
Về lý thuyết cũng có thể xảy ra ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stato của máy phát điện
đồng bộ, tuy nhiên thống kê thực tế cho thấy rất ít xảy ra trường hợp này. Tính toán dòng điện sự cố
cho trường hợp các vòng dây bị chập nhau hoặc ngắn mạch nhiều pha trong cuộn stato rất phức tạp.

Hình 1.7 – Chạm đất 1 điểm (a) và chạm đất hai điểm (b) trong cuộn dây roto máy phát điện đồng
bộ
b. Đối với máy biến áp
Chạm chập các vòng dây trong máy biến áp có thể xảy ra do quá điện áp khí quyển hoặc
cách điện bị già cỗi. Dòng điện sự cố chạy trong mạch vòng bị chập có thể lớn gấp nhiều lần dòng
điện danh định của máy biến áp tùy theo số vòng bị chập ( Hình 1.8). Dòng điện này tạo ra xung lực
lớn xô đẩy các vòng dây của máy biến áp trong nhiều trường hợp có thể làm hỏng cuộn dây. Bảo vệ
quá dòng điện đặt ở máy biến áp thường khó phát hiện sự cố chập các vòng dây, vì theo quan hệ
cân bằng sức từ động, dòng điện pha sự cố có thể tăng lên không đáng kể so với trị số danh định.

11


Tuy nhiên sự cố các vòng dây chạm nhau có liên quan tới thay đổi áp suất dầu ( do lực điện động
khi các vòng dây bị xô đẩy tạo nên, do hồ quang tại chỗ bị chạm chập làm dầu bốc hơi….) hoặc làm
nhiệt độ dầu tăng cao, khi ấy role khí hoặc role quá nhiệt có thể tác động cắt máy biến áp ra khỏi
hệ thống.
Cũng tương tự như đối với các sự cố chạm chập vòng dây của kháng điện cao áp công suất
lớn ngâm trong dầu.

Hình 1.8. Các vòng dây bị chập nhau trong máy biến áp
1.2.5. Quá tải
Các thiết bị điện thường bị phát nóng quá mức cho phép dòng điện tăng cao lâu dài quá giới
hạn quy định, hoặc hệ thống làm mát kém hiệu quả hoặc không hoạt động. Đối với các máy điện
quay, cần đặc biệt quan tâm tới hiện tượng quá nhiệt độ do ảnh hưởng của dòng điện thứ tự nghịch
xuất hiện trong chế độ không đối xứng, ngắn mạch không đối xứng hoặc vận hành không toàn pha (
xem phần đứt dây)
Máy điện quay có công suất càng lớn thì khả năng chịu quá tải theo dòng điện thứ tự nghịch
( tính trong hệ đơn vị tương đối) càng thấp.
1.3. Các phần tử chính của bảo vệ

1.3.1. Máy biến dòng điện
a. Cách đánh dấu đầu dây của máy biến dòng điện
Biến dòng điện làm nhiệm vụ cách ly mạch thứ cấp nối vào các rơ le khỏi điện áp cao của
mạch sơ cấp và đảm bảo trị số tiêu chuẩn các dòng điện thứ cấp (1A, 5A) khi dòng điện sơ cấp định
mức có trị số khác nhau. Ngoài ra biến dòng điện còn tạo khả năng phối hợp các pha một cách hợp
lý theo yêu cầu của bảo vệ.
Đối với một số thiết bị đo lường và bảo vệ làm việc theo góc lệch pha của dòng điện cần phải
nối đúng đầu các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến dòng. Các đầu cuộn dây sơ cấp được ký
hiệu S1 và S2, còn các đầu cuộn dây thứ cấp T1 và T2. Các đầu dây được xác định theo quy tắc sau:
Chọn đầu S1 của cuộn sơ cấp với qui ước là khi giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp IS đi từ đầu S1
đến S2 còn dòng điện thứ cấp IT sẽ đi từ T2 đến T1 (hình 1-9,a).
Các đầu cùng tên (đôi khi là S1 và T1) đôi khi được đánh dấu (*) hoặc nếu trên hình vẽ không
ghi ký hiệu thì được hiểu là đầu cùng tên (S1 và T1 hoặc S2 và T2) nằm cạnh nhau.
Các đầu dây của máy biến dòng có thể được kiểm tra bằng thực nghiệm. Theo sơ đồ đơn giản
gồm một Miliampemet có thang đo về hai phía và một bộ pin hoặc ắc quy như hình 1-9,b.

12


Hình 1-9: Đánh dấu đầu các cuộn dây của máy biến dòng
(a) Sơ đồ nguyên lý

(b) Bằng thực nghiệm

Nếu các đầu dây đấu đúng như hình vẽ thì khi công tắc K đóng kim của mA lệch về phía cực
dương (+), còn khi công tắc K mở thì kim sẽ lệch về phía cực âm (-).
b. Sai số của máy biến dòng.
- Sai số về trị số dòng điện: bằng hiệu số giữa biên độ dòng điện sơ cấp sau khi đã tính đổi
’
(I S) và dòng điện thứ cấp IT.

- Sai số góc i: bằng góc lệch pha  giữa véc tơ dòng điện sơ cấp và véc tơ dòng điện thứ cấp.
- Sai số phức hợp Fi: bằng trị số hiệu dụng của dòng điện “thứ cấp lý tưởng” với dòng điện
thứ cấp thực tế, nó bao gồm các sai số về trị số và sai số về góc pha có kết hợp xét đến ảnh hưởng
của các hài bậc cao trong dòng điện từ hoá.

Fi% = 100.

1T
(niiT  iS )2 dt

T0
IS

Trong đó:

Fi%: Sai số phức hợp tính bằng %.
T: Chu kỳ của dòng điện xoay chiều S.
ni: Tỷ số biến đổi của máy biến dòng.
iT: Giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp.
IS và iS tương ứng là giá trị hiệu dụng và tức thời của dòng điện sơ cấp
Cấp chính xác của máy biến dòng dùng cho đo lường và bảo vệ theo bảng 1.
Bảng 1: Cấp chính xác của máy biến dòng
Theo tiêu chuẩn
Lĩnh vực áp dụng
EEC
VCD
ANSI
(Châu Âu)
(Đức)
(Mỹ)

Lấy chuẩn dụng cụ đo đồng hồ mẫu
0,1
0,1
0,2
Đo chính xác
0,2
0,2
0,3
Đô đếm điện năng
0,5
0,5
0,6
Đo lường công nghiệp đại lượng U,I,P,Q
1,0
1,0
1,2
Mạch Ampemet, Volmet, rơ le quá dòng quá áp
3,5
3,0
1,2
Lõi từ dùng cho bảo vệ
5P, 10P
5P, 10P
C, T
13


c. Yêu cầu về độ chính xác của máy biến dòng dùng trong mục đích bảo vệ rơ le.
Các thiết bị bảo vệ rơ le phải làm việc trong điều kiện sự cố với dòng điện sơ cấp vượt nhiều
lần so với dòng điện định mức, tuy vậy vẫn phải đảm bảo độ chính xác cần thiết.

Trị số dòng điện sơ cấp mà ở đó BI còn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu được gọi là dòng
điện giới hạn theo độ chính xác.
Tỷ số dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng điện định mức gọi là hệ số giới hạn theo độ
chính xác.
Các BI dùng cho thiết bị bảo vệ có cấp chính xác 5P và 10P, sai số cho phép về trị số (fi); góc
pha (i, phút) và sai số phức hợp (Fi%) theo bảng 2.
Bảng 2: Giới hạn sai số của BI có cấp chính xác 5P và 10P
Cấp chính xác
fi%
Fi%
i, phút
5P
±1
±60
10P
±3
Hệ số giới hạn theo độ chính xác: 5, 10, 15, 20 và 30

5
10

Fi  5%

Fi  10%




Hình 1-10 Đồ thị minh hoạ ký hiệu BI dùng trong bảo vệ

Thông số của BI dùng trong đo lường thường được ký hiệu theo phụ tải định mức và cấp chính
xác, chẳng hạn 15VA; 0,5; còn BI dùng trong bảo vệ được ký hiệu theo phụ tải định mức, cấp chính
xác và hệ số giới hạn theo độ chính xác, chẳng hạn 10VA, cấp 10P10 (số 10 sau cùng là hệ số giới
hạn theo độ chính xác). Trên hình 1-20, giải thích cách ký hiệu của BI dùng trong bảo vệ.
d. Chế độ hở mạch thứ cấp của máy biến dòng điện
Từ sơ đồ thay thế của BI trên (Hình 1-10) khi mạch thứ cấp của BI bị hở, nếu phía sơ cấp có
dòng điện thì toàn bộ dòng điện sơ cấp ấy sẽ làm nhiệm vụ từ hoá, từ cảm Bm tăng lên đột ngột gây
bão hoà cho mạch từ nên các đường cong biến thiên theo thời gian của độ từ cảm B và từ thông F có
dạng bằng đầu. Khi dòng điện sơ cấp qua trị số không, sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp
của máy biến dòng có dạng đỉnh nhọn với biên độ rất lớn (hình 1-11). Đặc biệt trong chế độ sự cố,
khi dòng điện sơ cấp đạt bội số lớn, sức điện động cảm ứng phía thứ cấp có thể đến hàng chục ki lô
vôn, rất nguy hiểm cho người và thiết bị bên thứ cấp. Vì vậy không được để hở mạch phía thứ cấp
của BI trong khi phía sơ cấp có dòng điện chạy qua. Trong trường hợp cần thực hiện đổi nối phía
thứ cấp khi có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp thì phải nối tắt các cực thứ cấp của BI trước khi tiến

14


hành đổi nối. Chế độ làm việc với cuộn thứ cấp bị nối ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường
của máy biến dòng.
eT , B, 

( B)

I

Hình 1-11. Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F,
từ cảm B và sức điện động thứ cấp eT theo thời gian (b)
e. Sơ đồ nối các máy biến dòng và rơ le
* Sơ đồ nối các BI theo hình sao hoàn toàn.

Trong sơ đồ này các biến dòng điện đặt trên cả ba pha, cuộn dây của rơ le được nối vào dòng
điện ba pha toàn phần (hình 1-12). Dây trung tính (dây về) bảo đảm sự làm việc đúng của sơ đồ khi
ngắn mạch chạm đất. Khi hệ thống làm việc bình thường và khi ngắn mạch không chạm đất dòng


điện 3 I 0 = 0 và trong dây trung tính, về nguyên tắc, không có dòng điện.
Khi ngắn mạch chạm đất dòng điện chạy trên dây trung tính là








3I 0  I a  I b  I c

Hình 1-12
Sơ đồ nối các biến dòng điện và rơ le

Hình 1-13
Sơ đồ nối các biến dòng điện và rơ le
theo hình sao khuyết

Sơ đồ hình sao hoàn toàn có thể làm việc cả khi ngắn mạch một pha. Tuy nhiên, hiện nay để
bảo vệ chống ngắn mạch một pha, người ta thường dùng sơ đồ hoàn hảo hơn có bộ lọc thành phần
thứ tự không.
15

* Sơ đồ nối các biến dòng điện và rơ le theo hình sao khuyết
Các biến dòng điện chỉ đặt trên hai pha, cuộn dây của rơ le cũng nối vào dòng điện pha toàn
phần (hình 1-13).
Khi không có thành phần dòng điện thứ tự không, dòng điện trên dây về bằng








I V  ( I a  I c )

hay



IV  I b

Như vậy trong sơ đồ này dòng điện IV tồn tại cả trong tình trạng làm việc bình thường và dây
về bảo đảm sự làm việc bình thường của các biến dòng điện trong tình trạng này. Dây về còn bảo
đảm sự tác động đúng của bảo vệ khi ngắn mạch hai pha trong đó một pha không đặt biến dòng điện
(pha B) và khi ngắn mạch nhiều pha chạm đất.
Khi ngắn mạch một pha ở pha không đặt biến dòng điện (pha B ở hình 1-13), sơ đồ hình sao
khuyết sẽ không làm việc, vì vậy sơ đồ này chỉ dùng để chống ngắn mạch nhiều pha.
* Sơ đồ nối một rơ le vào hiệu số dòng điện hai pha (hình 1-14)
Sơ đồ này còn được gọi là sơ đồ hình số 8. Dòng điện đi vào rơ le là:
.

.

.

IR  Ia Ic
.

.

.

ở tình trạng đối xứng

IR  3 Ia  3 Ic

Như vậy, hệ số sơ đồ

k sd  3

Sơ đồ dùng một rơ le nối vào hiệu số dòng điện hai pha có độ nhạy phụ thuộc vào
dạng ngắn mạch.

kn =

IR
I KdR

Hình 1-14
Sơ đồ nối một rơ le vào hiệu số dòng điện hai pha (a)
và đồ thị véc tơ của dòng điện thứ cấp và dòng điện qua rơ le

ở các dạng ngắn mạch ba pha (c) và hai pha (b)

+ Khi ngắn mạch ba pha dòng điện trong rơ le I(3)R =  3.I(3)NT (hình 1-24,b), trong đó I(3)NT
là dòng điện ngắn mạch ba pha đã quy đổi về phía thứ cấp cua biến dòng điện.
+ Khi ngắn mạch hai pha có đặt biến dòng điện (A.C) I(2)R.AC = 2 I(2)NT .

16


+ Khi ngắn mạch hai pha, trong đó một pha không đặt biến dòng điện
( AB và BC
(2)
): I R.ab = I NT ( hình 2-8,c ).
Giả sử khi ngắn mạch 2 pha và 3 pha giá trị dòng điện ngắn mạch bằng nhau : I(3)NT = I(2)NT ta
có:
(2)

(2)
(2)
(2)
k n(3) : knAC
: knAB
: knBC
 3 : 2 :1:1

Như vậy ở hai trong ba trường hợp ngắn mạch hai pha, sơ đồ có độ nhạy 3 lần bé hơn khi
ngắn mạch hai pha. Đây là khuyết điểm của sơ đồ nối một rơ le vào hiệu số dòng điện hai pha.
* Bộ lọc dòng điện thứ tự không
Để lọc dòng điện thứ tự không có thể cộng trực tiếp dòng điện thứ cấp của ba pha (hình 115,b) hoặc cộng từ thông của ba pha dòng điện xoay chiều (hình 1-15,c,d)
Đối với sơ đồ bộ lọc dòng điện thứ tự không như hình 1-25,b thường được dùng trong lưới

điện có dòng chạm đất lớn. Nhược điểm của sơ đồ này là có dòng không cân bằng ở đầu ra của bộ
lọc lớn ở chế độ làm việc bình thường do đặc tính của các BI trong bộ lọc có thể khác nhau.






I A  I  I C 3I 0

IR = I a  I b  I c 
ni
ni






3 o

Hình 1-15 Bộ lọc dòng điện thứ tự không
a, Sơ đồ cấu trúc;

b, Bộ lọc dùng ba máy biến dòng

c, Bộ lọc một máy biến dòng dùng cho đường dây trên không

Trong lưới có dòng chạm đất bé (trung tính cách điện hoặc nối đất qua điện kháng lớn) dùng
các bộ lọc thứ tự không làm việc theo nguyên lý cộng từ thông của ba pha dòng điện sơ cấp (Hình 115,c,d).

17


Chú ý: Khi lắp biến dòng thứ tự không ở đầu cáp, dây nối đất vỏ cáp phải xuyên lõi mạch từ
để khử thành phần từ thông do dòng điện phân bố trong đất có thể chạy qua vỏ cáp và dây nối đất
gây nên.
* Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2)
Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch (LI2) như hình 1-16.
Dòng điện thứ cấp của BI pha A là ITA chạy qua R1, dòng điện thứ cấp của BI pha C là ITC
chạy qua R2 và X nối tiếp nhau. Các dòng điện này gây nên các thành phần điện áp giáng tương
ứng: UR1, UR2, UX.
Ở đầu ra của bộ lọc LI2 (hình 1-16,b) ta có:






U mn  U R1  U XR 2






Trong đó
U XR 2  U R 2  U X
Trị số của các điện trở R1, R2 và cảm kháng X được chọn sao cho trong chế độ đối xứng ta có:
UR1 = UR2 và Umn = 0 (hình 1-16,c)

Khi xuất hiện dòng thứ tự nghịch, điện áp ở đầu ra của bộ lọc Umn có trị số lớn (hình 1-16,d).

Hình 1-26 Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI2
a, Sơ đồ cấu trúc - b, Mạch điện - c, Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự thuận, d, Đồ thị véc tơ đối với thành phần thứ tự nghịch
1.3.2. Biến điện áp
Máy biến điện áp làm nhiệm vụ giảm điện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu
chuẩn 100V hoặc 110V đồng thời cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp.
Đầu các cuộn dây máy biến điện áp cũng được đánh dấu tương tự như đã xét đối với máy biến
dòng điện.
Giới hạn sai số của máy biến điện áp dùng trong bảo vệ theo bảng sau:
Cấp chính xác

fu (%)

3P

±3

u (phút)
±120
18


6P

±6

±240

Ghi chú: Điện áp thay đổi trong giới hạn (0,05

1)Umcp (quá điện áp lớn nhất cho phép).
Phụ tải thay đổi trong giới hạn (0,25
1)SPtđm với cosφ = 0,8.
a. Sơ đồ nối các cuộn dây của máy biến điện áp
*) Sơ đồ nối các cuộn dây theo hình sao.
Có thể dùng ba biến điện áp một pha hoặc một biến điện áp ba pha

Hình 1-17
Sơ đồ nối các biến điện áp theo hình sao với các rơ le nối vào
điện áp dây (a) , điện áp pha (b) và điện áp giữa ba pha
và điểm trung tính của hệ thống điện áp dây (c)

Sơ đồ có thể cung cấp cho rơ le các điện áp dây, các điện áp pha và các điện áp giữa các pha
và điểm trung tính của hệ thống điện áp dây (hình 1-17,a,b,c). Trên hình 1-17,c điện áp đặt vào các
rơ le:












U ab  U ac
U ba  U bc
U ca  U cb

Ua0 =
;
Ub0 =
; Uc0 =
3
3
3
Để thực hiện sơ đồ này cũng có thể dùng máy biến áp ba pha năm trụ.
* Sơ đồ nối các cuộn dây theo hình chữ V (sao khuyết) (Hình 1-18)

Hình 1-18
Sơ đồ nối các cuộn dây của hai máy biến điện áptheo hình V/V
19


Sơ đồ được tạo thành bởi hai biến điện áp một pha nối vào hai điện áp dây bất kỳ của mạng sơ cấp
và được dùng rộng rãi trong các hệ thống điện áp dưới 35kV khi không cần phải nhận điện áp pha
đối với đất.
*, Sơ đồ bộ lọc điện áp thứ tự không (LU0) (Hình 1-19)

Sơ đồ được tạo thành bởi
ba biến điện áp một pha hoặc
một biến điện áp ba pha năm trụ
có hai cuộn dây thứ cấp, một
cuộn dây nối hình sao có trung
tính nối đất, một cuộn nối hình
tam giác hở. Điện áp đặt vào rơ
le nối vào hai đầu tam giác hở
(hình 1-29,a):


Hình 1-19





Các bộ lọc điện áp thứ tự không



U R  U aUbU c

=



1 
(U A  U B  U C )
nU

3 
UO
nU

=

Cũng có thể nhận nhận được điện áp UO bằng cách nối đất điểm trung tính của hệ thống, thí dụ
của máy phát điện (hình 1-19,b) qua một biến điện áp một pha. Rơ le được nối vào cuộn thứ cấp của
biến điện áp. Khi chạm đất sẽ có dịch chuyển điện áp

1
UO của điểm trung tính và trên các cực của rơ le có điện áp U R  U 0 .
nu
*, Bộ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) (hình 1-20)
Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch (LU2) như hình 1-20.
Ůa

(a)

C1

m

Ůa

R1

Ůb

Ůb
Ůc

C2

ZPT

LU2

R2

Ůc

n

Umn

A
B
1

ŮBC

ŮAB

U

ŮmB ŮBn

(c)


U

C



U

Am

Bn



U mn=0

nC

U mB



U mn

n

ŮCA

B

2








U nC
C

m


U BC

U AB

(d)

A



U



U Am

CA

Hình 1-20 Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc điện áp thứ tự nghịch

20


Các điện trở tác dụng R1, R2 và tụ C1, C2 được nối vào điện áp dây phía thứ cấp của máy biến

điện áp.
Thông số của tụ điện và điện trở được chọn theo quan hệ:

C1 

3
R1

và C2 

1
3.R2

Ở chế độ điện áp đối xứng bình thường (chỉ có thành phần điện áp thứ tự thuận U1), điện áp
đầu ra của bộ lọc Umn = 0 (hình 1-20,c). Đối với điện áp ba pha thứ tự nghịch U2, (hình 1-30,d) điện
áp đầu ra của bộ lọc LU2 bằng:
Umn = 3 .UT
Trong đó UT là điện áp dây phía thứ cấp của biến điện áp.
1.3.3. Rơle
1.3.3.1. Rơ le dòng điện kiểu điện từ
aNguyên tắc tác động
Rơ le dòng điện kiểu điện từ làm việc dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa phần động
làm bằng chất sắt từ và từ trường của cuộn dây có dòng điện chạy qua.
Về cấu tạo rơ le điện từ được chia thành ba loại:
- Rơ le điện từ có phần động đóng mở
( Hình 1- 21,a )
- Rơ le điện từ có phần động quay
( Hình 1- 21,b )
- Rơ le điện từ có phần động chuyển động tịnh tiến
( Hình 1- 21,c )

Mỗi loại đều có lõi sắt 3 trên đó có quấn cuộn dây 5, phần động 1, các tiếp điểm 4 và lò xo cản
2.
Dòng điện iR chạy trong cuộn dây gây nên từ thông  đi qua lõi sắt và khe hở không khí  .
Khi hệ thống từ không bão hoà trị số tức thời của mô men quay tỷ lệ với bình phương của trị số tức
thời của từ thông t hay của dòng điện iR :
Mt = k1. t2 = k2. iR2
Từ biểu thức này ta thấy dấu của mô men quay không phụ thuộc vào dấu của dòng điện tạo
nên mô men đó. Như vậy các rơ le điện từ làm việc được với cả dòng điện một chiều và dòng điện
xoay chiều.
b) Dòng điện khởi động và dòng điện trở về
Để rơ le tác động được ( phần động bị hút vào lõi sắt và tiếp điểm 4 đóng lại ) phải tăng dòng
điện iR đến trị số sao cho mô men quay điện từ Mt thắng được mô men cản cơ khí khởi động Mckđ :
Mt  Mckđ
Mô men cản cơ khí khi rơ le khởi động gồm mô men cản của lò xo Mlx, mô men ma sát Mms
và mô men do trọng lượng của phần động Mp. Vậy ở điều kiện khởi động:
Mkđ = Mckđ = Mlx + Mms + Mp

21


(a)

(c)
4b

4a

đ
Ip
3

3

5

c
5
1

2

1

4
(b)

5

2
2

4

1
5

3
Hình 1 - 21:
Rơ le điện từ có phần động đóng mở (a),
Có phần động quay (b), phần chuyển

động tịnh tiến (c).

Tương ứng với Mkđ có một giá trị xác định của dòng điện iR cần thiết cho sự khởi động.
Dòng điện bé nhất tương ứng với điều kiện khởi động gọi là dòng điện khởi động của rơ le
IkđR.
Sau khi rơ le đã tác động, để phần động của rơ le có thể trở về vị trí ban đầu phải giảm dòng
điện iR sao cho mô men quay điện từ M phải nhỏ hơn mô men cản cơ khí. Cần chú ý rằng mô men
ma sát cản trở phần động khi trở về nên dấu của nó ngược với dấu của mô men cản của lò xo và mô
men do trọng lượng. Vậy mô men cản cơ khí khi trở về Mcv là:
Mcv = Mlx - Mms + Mp
Điều kiện để rơ le trở về :
M = Mv < Mlx - Mms + Mp
Tương ứng với mô men về Mv có một giá trị xác định của dòng điện IR bảo đảm cho rơ le trở
về .
Dòng điện lớn nhất tương ứng với điều kiện trở về, gọi là dòng điện trở về IVR của rơ le.
Tỷ số giữa dòng điện trở về với dòng điện khởi động gọi là hệ số trở về kvR của rơ le:
kvR 

I vR
I KdR

22


Vì Mckđ và Mcv khác nhau khá nhiều nên IkđR và IvR cũng khác nhau khá nhiều và hệ số trở về
của rơ le bé. Đây là khuyết điểm đáng kể của rơ le có phần động đóng mở.
c) Hiện tượng phần động rung của rơ le điện từ
Khi rơ le làm việc với dòng điện
I
M

xoay chiều iR = IRm sint thì trị số của
mô men quay Mt bằng:
M
Mt = k2.i2R = k2 I2Rm.sin2t
kI
= k2.I2R - k2 I2Rm.cos2t
Số hạng thứ nhất của biểu thức trên
t
không phụ thuộc vào thời gian cho giá
-k I cos2 t
I
trị trung bình trong một chu kỳ của mô
men quay. Số hạng thứ hai biến thiên
2
T=

theo quy luật hình sin với tần số gấp
đôi. Kết quả là phần động của rơ le
Hình 1 -22
dòng điện xoay chiều chịu tác động của
Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay Mt
mô men biến thiên với tần số gấp đôi
và các thành phần của nó với thời gian đối với rơ le dòng
từ tr ị số không đến
cực đại (hình 1 -22). Sau khi rơ le đã tác động, tại những thời điểm Mt < MC, phần động có khuynh
hướng bị kéo ra khỏi lõi rồi sau đó lại bị hút vào khi Mt > MC . Phần động rung làm cho các tiếp
điểm rung theo và có thể bị đốt cháy bằng tia lửa điện.
Để loại trừ hiện tượng rung cần phải có biện pháp làm giảm sự đập mạch của mô men quay
theo thời gian. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tạo ra hai từ thông lệch pha nhau. Phương
pháp thường dùng để tạo ra hai từ thông lệch pha nhau là dùng vòng ngắn mạch (thường là một

vòng đồng) bọc lấy một phần cực của rơ le (hình 1-23).
Từ thông chạy trong lõi sắt gồm hai thành phần: I qua vòng ngắn mạch, II không qua
vòng ngắn mạch. Từ thông I cảm ứng ra trong vòng ngắn mạch suất điện động EN có chiều xác
định theo quy tắc vặn nút chai chậm pha sau từ thông I một góc 90o.
Suất điện động EN gây ra trong vòng ngắn mạch dòng I'N ( đã tính đổi về số vòng của cuộn
dây của rơ le ) coi như trùng pha với EN ( hình 1 - 24 ) vì góc tổng trở của vòng ngắn mạch rất bé.
Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép, từ thông I đồng pha với dòng điện từ hoá
t

R

t

2
2 R

R





2
2 R



I  IR IN

Từ thông II tỷ lệ và đồng pha với dòng điện IR. Đồ thị véc tơ ở hình 1 - 24 cho thấy vòng

ngắn mạch đã làm cho các từ thông I và II lệch nhau một góc .
Trị số tức thời của mô men quay tổng Mt gồm hai thành phần MIt và MIIt do hai từ thông I
và II gây nên.
Mt = MIt + MIIt
= kI. 2I. sin2t + kII. 2II. sin2( t+ ).
Khi hai từ thông I và II có trị số gần bằng nhau và góc lệch pha giữa chúng gần bằng 90o thì
độ đập mạch theo thời gian của mô men tổng sẽ giảm đi rất nhiều và giá trị tức thời có thể luôn luôn
lớn hơn mô men cản cơ khí, lúc này phần động sẽ không rung nữa .

23


EN ,, IN

EN ,, IN

II



-I 'N
IR
I

900
I 'N

EN
Hình 1-23 :
Rõ le ðiện từ có vòng ngắn mạch

Hình 1-24: Đồ thị véc tơ đối với rơ le
có vòng ngắn mạch ở hình 1 - 24

d) Lĩnh vực ứng dụng.
Hiện nay nguyên tắc điện từ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các rơ le làm việc theo một đại
lượng điện (dòng điện, điện áp) và cả một số tác động rơ le phụ khác (rơ le trung gian, tín hiệu vv. . .
)
Khi lựa chọn được cấu tạo hợp lý, rơ le có phần động quay có thể chế tạo được các rơ le có hệ
số trở về cao, thời gian trở về bé, sai số quán tính nhỏ, công suất tiêu thụ không lớn lắm và có độ
chính xác cần thiết .
1.3.3.2. Rơ le dòng điện kiểu cảm ứng.
a)
Nguyên tắc tác động
Rơ le cảm ứng là loại rơ le dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa các từ thông do dòng
điện chạy trong cuộn dây đứng yên gây nên với các dòng điện cảm ứng gây ra bởi các từ thông đó
trong phần động của rơ le. Do vậy, các rơ le cảm ứng chỉ làm việc được với dòng điện xoay chiều.
Muốn tạo được mô men quay các rơ le cảm ứng phải có ít nhất là hai từ thông lệch pha nhau
về không gian và về thời gian. Các dòng điện cảm ứng trong phần động của rơ le chỉ tạo nên những
thành phần mô men quay với các từ thông không sinh ra chúng.

24


II
φ

I

I

90º

II
II
EN

IN

90º

III
EII

Chiều quay dương của đĩa
MIIt
Trục của II

EII III

Hình 1-25

6
b

Rơ le dòng điện có vòng
cảm ứng ngắn mạch (a)

EM

5

IM

MIt
Trục của I

EI II

4

và đồ thị véc tơ (b)

6
a

Các rơ le dòng điện cảm ứng thường dùng có bộ phận động là những đĩa quay. Để tạo nên
hai từ thông, phương pháp đơn giản nhất là dùng vòng ngắn mạch.
Rơ le dòng điện cảm ứng có vòng ngắn mạch có mạch từ khá đơn giản (hình 1- 25,a) gồm lõi
sắt 1, các vòng ngắn mạch 2 bằng đồng đặt trên một phần của cực từ xẻ đôi và đĩa quay 3. Các vòng
ngắn mạch làm cho các từ thông I (xuyên qua vòng ngắn mạch) và II (không xuyên qua vòng
ngắn mạch) lệch pha nhau một góc , giống như vòng ngắn mạch làm nhiệm vụ chống rung trong rơ
le điện từ. Các từ thông I và II gây nên trong đĩa các suất điện động cảm ứng EI và EII không phụ
thuộc vào trạng thái của đĩa (quay hay không quay). Ngoài ra, khi đĩa quay cắt các từ thông I và
II,trong đĩa sẽ xuất hiện thêm các suất điện động cắt và các dòng điện tác dụng tương hỗ với các từ
thông đó và gây nên mô men Mcắt chống lại chiều quay của đĩa.
Các suất điện động EI và EII sinh ra trong đĩa các dòng điện II và III tương ứng đồng pha (vì
góc tổng trở của đĩa rất bé). Với chiều dương của các từ thông, suất điện động và dòng điện như đã
chấp nhận trên hình 1-25,a có thể vẽ được đồ thị véc tơ của chúng trên hình 1-25,b.
Chọn chiều quay ngược chiều kim đồng hồ làm chiều dương thì mô men quay MIt do từ

thông It và dòng điện III sinh ra có chiều dương, còn mô men quay MIIt do IIt và dòng II sinh ra
có chiều âm (xác định theo quy tắc bàn tay trái).
Về trị số
MIt = kI. It .iII
và
MIIt = kII. IIt.iI
Trị số tức thời của mô men quay tổng:

25