giáo trình thí nghiệm hệ thống rơ le bảo vệ

CƠ QUAN HỢP TÁC QUỐC TẾ NHẬT BẢN
TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
DỰ ÁN ĐÀO TẠO GIÁO VIÊN/HƯỚNG DẪN VIÊN NGÀNH ĐIỆN

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY

CHUY£N §Ò HÖ THèNG
R¥LE B¶O VÖ (C¥ B¶N)
(Mã số: JE-TRF-RY-01/02)

Ngành: Trạm biếp áp
Phiên bản 2.0

Hà Nội, tháng 3 năm 2006


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, Đất nước ta đang trong quá trình hội nhập kinh tế thế giới và phát
triển kinh tế trong nước với tốc độ rất cao. Chính vì thế khiến cho nhu cầu sử dụng
điện năng ngày càng tăng với một tốc độ chóng mặt. Xu hướng hiện này của nền
kinh tế là đang chuyển mình sang hình thức cổ phần hóa, cho nên khiến cho sự cạnh
tranh ngày càng lớn đã khiến cho yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng cao và
khắt khe hơn. Có nghĩa là Ngành điện lực phải cung cấp điện với một chất lượng
điện năng đảm bảo về tính ổn định, liên tục và tin cậy.
Như chúng ta đã biết, Hệ thống điện của chúng ta được kết cấu bởi rất nhiều các
các nhà máy điện, các thiết bị điện, đường dây truyền tải, đường dây phân phối...v.v.
và luôn phải vận hành liên tục và ở chế độ đầy tải. Do đó, có thể sảy ra những sự cố
bất thường vào bất cứ lúc nào, và có thể làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng
điện năng cung cấp cho khách hàng. Do vậy, để đảm bảo được chất lượng điện năng
cho khách hàng đòi hỏi chúng ta phải có một biện pháp bảo vệ hệ thống điện sao
cho có thể phát hiện ngăn chặn kịp thời những hiện tượng bất thường và sự cố xảy

ra trong hệ thống điện. Chính vì lẽ đó Hệ thống rơ le bảo vệ đóng một vai trò hết
sức quan trọng. Do vậy việc trang bị kiến thức nhằm giúp bạn hiểu được và có thể
tự mình vận dụng lý thuyết kết hợp với sử dụng các thiết bị rơ le bảo vệ để nhằm
phán đoán, ngăn chặn kịp thời và sự lý sự cố cũng như phân tích và truy tìm sự cố là
hết sức cần thiết.
Tài liệu về hệ thống rơ le bảo vệ này được Nhóm Trạm biến áp biên dịch dưới
sự hỗ trợ kỹ thuật của các chuyên gia Điện lực Nhật Bản cộng với sự đóng góp ý
kiến của các chuyên gia đến từ các đơn vị trực thuộc Tổng công ty Điện lực Việt
Nam. Tài liệu được phân ra làm hai tập:
-

Tập một “Hệ thống rơ le bảo vệ (cơ bản)”

-

Tập hai “Hệ thống rơ le bảo vệ (nâng cao)”

Cuốn tài liệu tập 1 chủ yếu trang bị cho bạn lý thuyết căn bản về hệ thống rơ le
bảo vệ đang được ứng dụng trong thực tế nhằm củng cố nền tảng kiến thức cho các
đồng chí kỹ sư mới ra trường và các đồng chí công nhân làm việc trong nghành điện.


Cuốn tài liệu tập 2 được xây dựng tiếp theo dựa trên nền tảng kiến thức của tập
1, nhằm bổ xung kiến thức về cách thức thí nghiệm hệ thống rơ le bảo vệ trong thực
tế và kiến thức về công nghệ rơ le số. Cuốn tài liệu này rất hữu ích cho các đồng chí
kỹ sư từ 1 đến 3 năm kinh nghiệm và các đồng chí công nhân và thợ bậc cao đang
đảm đương công tác vận hành cũng như sửa chữa tại các Nhà máy điện hoặc các
Trạm biến áp.
Tài liệu này được thiết kế và biên soạn lần đầu tiên dưới sự hợp tác của hai
chính phủ Việt Nam – Nhật Bản về đào tạo nguồn nhân lực cho Ngành điện Việt

Nam. Do đó chắc hẳn sẽ có nhiều thiếu sót, vì thế bước đầu tài liệu này phát hành
với vai trò làm tài liệu tham khảo.
Chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp quí báu của bạn đọc nhằm
giúp cho chúng tôi trong quá trình hoàn thiện và nâng cấp tài liệu lần sau được tốt
hơn.
Ý kiến của bạn đọc xin gửi về theo địa chỉ: “Trường cao đẳng điện lực – 235
Hoàng Quốc Việt - Từ Liêm – Hà Nội”.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 3 năm 2006

NHÓM BIÊN SOẠN


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

MỤC LỤC:
Chương 1: NHỮNG NÉT CHÍNH VỀ RƠ LE BẢO VỆ

6

1-1 Hệ thống điện và các sự cố xảy ra trong hệ thống điện

6

1-1-1 Ảnh hưởng của các sự cố xảy ra trong hệ thống điện

6

1-1-2 Các nguyên nhân gây ra sự cố trong hệ thống điện

6

1-1-3 Pha sự cố trong hệ thống điện

7

1-2 Vai trò và điều kiện của thiết bị rơle bảo vệ

8

1-2-1 Vai trò của thiết bị rơle bảo vệ

8

1-2-2 yêu cầu đặt ra đối với thiết bị rơ le bảo vệ

9

Chương 2: THIẾT BỊ MÔ PHỎNG LÀ GÌ?

11

2-1 Thông tin tổng quát về thiết bị mô phỏng

11

2-1-1 Những nét chính về thiết bị mô phỏng

11

2-1-2 Phân loại thiết bị mô phỏng

12

2-1-3 Thiết bị mô phỏng dùng để đào tạo về rơ le bảo vệ

12

2-1-4 Thiết bị mô phỏng có phạm vi lớn

13

Chương 3: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI MANG TẢI

14

(Tải Thuần trở/Thuần kháng/Thuần dung)
3-1 Nguyên lý của dòng điện xoay chiều

14

3-1-1 Dòng điện xoay chiều hình sin

14

3-1-2 Sự lệch pha

15

3-2 Biểu diễn mạch điện xoay chiều theo sơ đồ véc tơ

17

3-2-1 Đại lượng véc tơ và đại lượng vô hướng

17

3-2-2 Biểu diễn véc tơ

17

3-2-3 Tổng của các véc tơ

17

3-2-4 Hiệu của các véc tơ

18

3-3 Mạch điện xoay chiều cơ bản

19
1

Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)

Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

3-3-1 Mạch điện thuần trở (R)

19

3-3-2 Mạch điện thuần cảm (L)

19

3-3-3 Mạch điện thuần dung (C)

20

3-3-4 Mạch điện mắc nối tiếp R và L

21

3-3-5 Mạch điện mắc R và C nối tiếp

22

3-3-6 Mạch mắc nối tiếp R, L và C

22

Chương 4: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI SỰ CỐ

24

(Sự cố chạm đất, Sự cố ngắn mạch)
4-1

Phân tích sự cố trong hệ thống điện

24

4-1-1 Mục đích của việc phân tích sự cố

24

4-1-2 Các thành phần đối xứng

24

4-1-2-1

Các thành phần đối xứng của điện áp xoay chiều 3 pha

24

4-1-2-2

Mạch điện của thành phần thứ tự không

27

(1) Mạch điện thành phần thứ tự không của Máy phát điện

27

(2) Mạch điện thành phần thứ tự không của Máy biến áp

29

4-1-2-3

32

Mạch điện thành phần thứ tự thuận / thành phần thứ tự nghịch

(1) Mạch điện thành phần thứ tự thuận / thành phần thứ tự nghịch của MPĐ 32
(2) Mạch điện thành phần thứ tự thuận/thành phần thứ tự nghịch của MBA 33
4-1-3 Phân tích sự cố của MPĐ không tải

34

4-1-3-1

Phương trình cơ bản của MPĐ

34

4-1-3-2

Sự cố chạm đất 3 pha (3LG)

35

4-1-3-3

Sự cố ngắn mạch 2 pha (2LS)

37

4-1-3-4

Sự cố ngắn mạch chạm đất 1 pha (1LG)

41

4-1-3-5

Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất (2LG)

47

4-2

Phân tích sự cố cùng với cả điện trở tại điểm sự cố

52

4-3

Sự cố hở mạch (đứt dây)

54

4-3-1 Các biểu thức cơ bản của điện áp và dòng điện tại điểm sự cố

54

4-3-2 Sự cố hở mạch một pha

57
2

Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

4-3-3
4-4

JE-TRF-RY-01

Sự cố hở mạch 2 pha

59

Sơ đồ véc tơ khi sự cố chạm đất

62

4-4-1 Hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp

62

4-4-2 Hệ thống không có trung tính nối đất

63

4-5

Sơ đồ véc tơ khi ngắn mạch 2 pha

64

4-6

Sơ đồ véc tơ khi sự cố chạm đất 2 pha

65

4-7

Sơ đồ véc tơ khi sự cố ngắn mạch 3 pha

66

Chương 5: VÉC TƠ KHI TẢI KHÔNG CÂN BẰNG

32

5-1

Các nguyên nhân gây mất cân bằng điện áp

67

5-1-1 Các nguyên nhân gây ra do phía phụ tải

68

5-1-2 Các nguyên nhân gây ra do nguồn cung cấp điện

68

5-1-2-1

Sơ đồ đấu nối các MBA 1 pha theo hình chữ V

71

5-1-2-2

Sơ đồ đấu nối đối với hệ thống điện hạ áp

74

Chương 6: RƠ LE BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN

77

6-1

77

6-2

Những nét chính về rơle bảo vệ quá dòng điện
6-1-1 Ứng dụng

77

6-1-2 Ưu điểm

77

6-1-3 Nhược điểm

77

Nguyên lý của rơle bảo vệ quá dòng điện

78

6-2-1 Các sự cố ngắn mạch và Bảo vệ chống sự cố ngắn mạch

78

6-2-1-1 Bảo vệ không có hướng

78

6-2-1-2

Ứng dụng của rơ le bảo vệ quá dòng với các thành phần tức thời 80

6-2-1-2 Phương pháp định hướng

81

Chương 7: RƠ LE BẢO VỆ CHỐNG SỰ CỐ CHẠM ĐẤT CÓ HƯỚNG

83

7-1 Rơ le bảo vệ chống chạm đất có hướng

83

7-1-1 Tổng quan

83
3

Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

7-2 Nguyên lý của bảo vệ chống chạm đất có hướng

83

7-2-1 Bảo vệ chống sự cố chạm đất có hướng là gì? (Nguyên lý cơ bản)

83

7-2-2 Sơ đồ véc tơ Vo và Io trong lưới điện có trung tính cách ly

84

7-2-2-1 Sơ đồ véc tơ Vo và Io trong tình trạng lưới điện vận hành bình thường
84
7-2-2-2 Đặc tính ảnh hưởng bởi góc pha của rơ le bảo vệ chống chạm đất có
hướng

87

Chương 8: RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH CÓ HƯỚNG (1)

91

8-1

91

8-2

những Nét chính về rơ le bảo vệ khoảng cách có hướng
8-1-1 Rơ le bảo vệ khoảng cách có hướng là gì?

91

8-1-2 Uu điểm của Rơ le bảo vệ khoảng cách có hướng

91

nguyên lý tác động

92

8-2-1 Mối quan hệ giữa tổng trở tính tới điểm sự cố, điện áp và dòng điện sự cố
92
8-3

8-4

Mạch điện xoay chiều

93

8-3-1 Mạch điện của CT và PT

93

8-3-1-1 Giới thiệu tổng quan về các loại rơ le khoảng cách

93

8-3-2 Điện áp và dòng điện đầu vào của rơ le

94

Mạch điện một chiều (DC)

96

8-4-1 Mạch cơ bản
8-4-2

96

Biện pháp khắc phục hiện tượng tác động nhầm (tác động ngoài vùng

bảo vệ: vượt vùng) rơ le của pha vượt trước về góc
(1) Hiện tượng tác động nhầm của pha vượt trước

97
97

(2) Biện pháp khắc phục chống lại hiện tượng tác động nhầm vượt vùng bảo vệ
của rơ le của pha vượt trước về góc pha

98

8-5

103

Rơ le khoảng cách chống sự cố ngắn mạch
8-5-1 Mạch CT và PT của rơ le khoảng cách chống sự cố ngắn mạch

103

8-5-2 Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào của các rơ le

103

4
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

8-5-2 So sánh giữa Bảo vệ khoảng cách chống ngắn mạch và Bảo vệ quá dòng
điện
8-6

106
Phối hợp thời gian loại trừ sự cố giữa các bảo vệ khoảng cách

110

Chương 9: RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

112

9-1

112

Những nét chính về bảo vệ so lệch
9-1-1 Tổng quan

112

9-1-2 Nguyên lý tác động của rơ le so lệch

112

9-2

Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch phần trăm

114

9-2-1 So sánh với hệ thống bảo vệ so lệch dòng điện

114

9-2-2 Nguyên lý làm việc của rơ le so lệch phần trăm

114

Chương 10: BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP

116

10-1 Tổng quan về bảo vệ máy biến áp

116

10-1-1 Bảo vệ máy biến áp là gì?

116

10-1-1-1 Các sự cố xảy ra với máy biến áp

116

10-1-1-2 Các loại bảo vệ của máy biến áp

117

10-1-2 Nguyên lý của các rơ le so lệch phần trăm
10-1-2-1

Hệ thống rơ le so lệch

117
117

Các thiết bị bảo vệ MBA trong thực tế

119

10-2-1 Các kiểu đấu dây của các máy biến dòng điện

119

10-2-1-1

119

10-2

Sự dịch chuyển pha của các MBA (Sự di dịch góc)

(a) Khi một tổ đấu dây Y-Y được sử dụng cho mạch thứ cấp của CT

120

(b) Khi tổ đấu dây ∆-Y được dùng cho mạch thứ cấp của CT

122

10-3

124

Những trục trặc trong bảo vệ MBA và các giải pháp khắc phục

10-3-1 Bù dòng điện

124

10-3-2 Các phương pháp để chống lại dòng điện xung từ hoá MBA

125

10-3-2-1

Diện mạo của dòng điện xung từ hoá MBA

125

10-3-2-2

Hiện tượng dòng điện xung từ hoá trong các MBA làm việc song song
129
5
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

Chương 1: NHỮNG NÉT CHÍNH VỀ RƠ LE BẢO VỆ

1-1

Hệ thống điện và các sự cố xảy ra trong hệ thống điện

1-1-1 Ảnh hưởng của các sự cố xảy ra trong hệ thống điện:
Thiết bị điện được kết nối với nhau một cách chắc chắn (về cơ khí, từ, hoặc về
điện) và tác động lẫn nhau.
Do đó, khi có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong các thiết bị của hệ thống điện, thì
điểm sự cố phải được tách rời ra khỏi hệ thống điện một cách nhanh chóng hoặc nếu

không sẽ gây hư hỏng lan tràn (do sự cố gây ra cho thiết bị đang làm việc bình
thường) hoặc các sự cố này sẽ làm mất đồng bộ lan tràn. Vùng được tách ly phải
bao gồm cả điểm sự cố và phải càng nhỏ càng tốt.
Khi mà sự cân bằng giữa tải và nguồn cấp của hệ thống điện trở nên mất cân
bằng quá mức do đường dây truyền tải đó ngừng làm việc, thì toàn bộ hệ thống điện
có thể sẽ mất điện nếu như tình trạng này không được kiểm tra. Do đó, việc xa thải
phụ tải và việc xa thải nguồn phải được thực hiện một cách nhanh chóng để lập lại
sự cân bằng.
Khi tách thiết bị sự cố ra khỏi HTĐ bị chậm trễ hoặc xảy ra mất đồng bộ, thì hệ
thống phải được tách ly bằng cách tập hợp các thiết bị đồng bộ hoá có các góc pha
nhỏ hơn để ngăn chặn việc phá vỡ toàn bộ hệ thống điện.

1-1-2 Các nguyên nhân gây ra sự cố trong hệ thống điện:
Các nguyên nhân chính gây ra sự cố trong hệ thống điện là như sau:
(1) Gây ra bởi một hệ thống bên ngoài:
(a) Do Hiện tượng tự nhiên chẳng hạn như sấm, tuyết, muối, gió, nước, động
đất, v.v.
(b) Do Bám bụi bẩn, đặc biệt là các chất dẫn được điện.
(c) Do chạm phải con người, động vật, hoặc cây cối.
(2) Gây ra bởi bản thân hệ thống:
6
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

(a) Do sự lão hoá cách điện tự nhiên.
(b) Do các lỗi vi phạm quy trình chẳng hạn như vận hành không đúng.

(c) Do lỗi chế tạo hoặc thiết kế thiết bị.
(d) Do vận hành, bảo dưỡng hoặc kiểm tra sự cố.
(e) Do điện áp bất thường bên trong hệ thống
Trong quá trình định cấu hình hệ thống điện, thì việc thiết kế, chế tạo và xây
dựng phải được thực hiện có tính toán đến các nguyên nhân của các sự cố này;
ngoài ra việc vận hành và bảo dưỡng phải được thực hiện đầy đủ. Tuy nhiên, đối với
hiện tượng tự nhiên, thì việc thiết kế sơ đồ của hệ thống điện sẽ phải được thực hiện
theo một sự tính toán tổng hợp về mặt kinh tế của thiết bị và tầm quan trọng về sự
ảnh hưởng của các sự cố của thiết bị, theo kích cỡ và khả năng có thể xảy ra sự cố.

1-1-3 Các dạng sự cố trong hệ thống điện:
Các loại sự cố thường xảy ra trong hệ thống điện như được trình bày dưới đây:

A
B
C
Ngắn mạch
2 pha

Ngắn mạch
3 pha

Sự cố chạm đất
1 pha

Sự cố chạm đất
2 pha

Sự cố chạm đất
3 pha

Hình 1.1: Các dạng sự cố đơn giản

ABC

(a) Sự cố chạm đất ở các pha khác nhau nhưng cùng tại 1 điểm

7
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

ABC

(b) Sự cố chạm đất ở các pha khác nhau nhưng khác điểm
Hình 1.2: Sự cố chạm đất tại các pha khác nhau

(a) Đứt (hở) mạch 1 pha

(b) Đứt (hở) mạch 2 pha

Hình 1.3: Các sự cố đứt mạch

Đây là các trường hợp đơn giản, nhưng cũng có các trường hợp chẳng hạn như
sau:
(1) Có điện trở tại điểm sự cố chẳng hạn như một sự cố gây ra hồ quang điện.
(2) Một sự cố tiến triển trong đó điểm sự cố hoặc tình trạng sự cố thay đổi theo

thời gian, hoặc tại đó sự cố biến mất một cách tự nhiên.
(3) Các hiệu ứng về cảm ứng không cân bằng được tạo ra bởi các đường dây
điện khác được bắc trên cùng một cột thép.

1-2

Vai trò và điều kiện của thiết bị rơle bảo vệ

1-2-1 Vai trò của thiết bị rơle bảo vệ
Vai trò của thiết bị rơ le bảo vệ là để thực hiện những giải pháp nhằm để giảm
thiểu hoá những hư hỏng và để ngăn chặn hư hỏng hỏng lan tràn nếu như có bất kỳ
8
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

tình trạng bất thường hoặc sự cố nào xảy ra trong phần tử cấu hình của hệ thống
điện.
(a) Để tách ly các phần tử đang làm việc bình thường ra khỏi các phần tử đang
làm việc bất thường sao cho phần các phần tử đang làm việc bình thường sẽ không
bị ảnh hưởng bởi các phần tử đang làm việc bất thường.
(b) Để ngừng vận hành các phần tử đang làm việc bất thường.
(c) Để khôi phục các phần tử đang làm việc bất thường trở nên bình thường.

1-2-2

yêu cầu đặt ra đối với thiết bị rơ le bảo vệ:

Vì thiết bị rơ le bảo vệ có một vai trò vô cùng quan trọng như vậy, nên có rất
nhiều yêu cầu được đòi hỏi để nhằm thực hiện nhiệm vụ này. Các yêu cầu chính
được trình bày dưới đây:

(1) Độ tin cậy:
Thiết bị rơ le bảo vệ được yêu cầu không được tác động trong trường hợp hệ
thống điện đang làm việc bình thường nhưng sẽ phải tác động chính xác khi xảy ra
bất kỳ tình trạng bất thường hoặc sự cố nào. Do đó, nếu thiết bị rơ le bảo vệ bị lỗi
không tác động được khi cần thiết hoặc nếu như chúng tác động sai, thì việc lắp đặt
các thiết bị rơ le bảo vệ sẽ không có ý nghĩa gì cả.
Để ngăn chặn những tác động không mong muốn, thì phải sử dụng một sơ đồ rơ
le bảo vệ phù hợp với mục đích của bảo vệ và phải có các đặc tính thoả mãn đầy đủ
từng tình huống sự cố có thể xảy ra. Hơn nữa bản thân thiết bị bảo vệ không được
phát sinh lỗi và các đường đặc tính của chúng không được thay đổi.

(2) Tính chọn lọc:
Khi tách ly các phần tử sự cố thông qua sự tác động của thiết bị rơ le bảo vệ, thì
phải hạn chế được vùng cách ly cần thiết tối thiểu và phải ngăn chặn cắt các phần tử
đang làm việc bình thường. Điều này có đạt được nhờ vào độ nhạy của rơ le bảo vệ,
tính chọn lọc về thời gian tác động, và/hoặc nhờ vào việc áp dụng một sự phối hợp
9
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

về tác động bằng rơ le bảo vệ sao cho có tính chọn lọc. Do vậy, áp dụng một sự phối

hợp qua lại nhiều thành phần của thiết bị rơ le bảo vệ với nhau là điều đặc biệt quan
trọng. Còn đối với thành phần riêng lẻ của thiết bị rơ le bảo vệ, điều vô cùng quan
trọng là sự sai lệch về giá trị tác động và giới hạn về thời gian tác động là phải nhỏ
và tác động mong muốn phải được đảm bảo chắc chắn.

(3) Tính tác động nhanh:
Để hạn chế được sự ảnh hưởng của các sự cố và duy trì được tính ổn định của
hệ thống điện thống, nhìn chung mong muốn sự tác động của rơ le bảo vệ phải
nhanh hơn. Tuy nhiên, về mặt khác, rơ le bảo vệ cần phải tác động theo một thời
gian hợp lý có cân nhắc đến mối quan hệ qua lại của nó với tính chọn lọc và các đặc
tính của các thiết bị có liên quan. Khi có nhiều rơ le bảo vệ được sử dụng kết hợp
với nhau, thì việc phối hợp về thứ tự tác động và thời gian tác động giữa chúng là
rất cần thiết. Do vậy, thời gian tác động của rơ le bảo vệ phải hợp lý để nhằm đáp
ứng được mục đích của nó và thời gian tác động cũng phải ổn định.

(4) Độ nhạy: định nghĩa độ nhạy là gì? Kn=?
Bởi vì các yêu cầu về vận hành và kết cấu của hệ thống điện thay đổi liên tục và
điểm xảy ra sự cố và loại sự cố luôn không ổn định, nên các tình trạng về phần điện
mà thiết bị rơ le bảo vệ lệ thuộc vào sẽ không xác định rõ. Do đó, nó phải có độ
nhạy để có thể phản ứng được trong những tình trạng tồi tệ nhất có thể xảy ra.

(5) Các yêu cầu khác:
Yêu cầu kết cấu và các nguyên lý tác động của rơ le bảo vệ phải đơn giản, việc
bảo dưỡng và kiểm tra phải dẽ dàng, tải tiêu thụ thấp, và chịu dựng được các tín
hiệu đầu vào quá mức, tuổi thọ lâu và phải kinh tế.

10
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)

Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

Chương 2: THIẾT BỊ MÔ PHỎNG LÀ GÌ?

2-1

Thông tin tổng quát về thiết bị mô phỏng
2-1-1 Những nét chính về thiết bị mô phỏng:
Trong thiết bị mô phỏng hệ thống điện, các đường dây truyền tải và phụ tải

được làm từ các cuộn dây và điện trở. Trong trường hợp cần thiết có thể lắp thêm
vào một máy phát điện và máy biến áp nhỏ vào trong hệ thống này.

Power
system
Hệ thống
điện
TrMáy
ansformer
biến áp

Đường
dây truyền tảiline
Power
transmission

Máy
phát điện

Generator

Ｇ
Phụ
tải
Load

Power
supply
Nguồn cung
cấp
Modeling
Tạo mẫu
Thiết
bị mô phỏng
Simulator

Transformer
Máy biến áp

Cuộn
Coildây

Coil
Cuộn
dây

Generator
Máy
phát điện

Ｇ
Power
supply
Nguồn
cung cấp
Điện trở
Resistor

Thiết bị mô phỏng dạng tín hiệu tương tự này sẽ đưa điện áp vào một mạch điện
để tạo ra dòng điện trong mạch. Có một công tắc sự kiện được sử dụng để tạo ra sự
cố nhằm cho phép quan sát được điện áp và dòng điện cũng như tác động của rơ le
bảo vệ theo thời gian thực. Các thiết bị mô phỏng dạng tín hiệu tương tự dùng để
mô phỏng các hệ thống điện thực thường bị hạn chế về công suất của chúng do
phạm vi hẹp về tổng trở của chúng và các hằng số khác của hệ thống.
11
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

WaKhối
veform
hiển thịdisplay
dạng sóngunit
RRơ
elay
le

Voltage
Điện áp
Current
Dòng
điện

Công tắcswitch
sự kiện
Event

2-1-2 Phân loại thiết bị mô phỏng:

Thiết bị mô phỏng có thể được phân làm 2 loại theo phạm vi của thiết bị.
Phân loại
Cấu hình
Thiết bị mô
Có số lượng nhỏ các máy phát,
phỏng có phạm các mô hình phụ tải, các đường
vi nhỏ
dây truyên tải, và các máy biến áp
được sử dụng. Một số thiết bị mô
phỏng chỉ bao gồm một nguồn cấp
và các đường dây truyền tải.
Thiết bị mô
Có rất nhiều các máy phát, các
phỏng có phạm mô hình phụ tải, các đường dây
vi lớn
truyên tải, và các máy biến áp
được sử dụng.

Chú ý khi sử dụng
Thực hiện đào tạo
về rơ le bảo vệ trên các
rơ le bảo vệ.

Phân tích tính ổn
định của hệ thống điện
Phân tích về hiện
tượng
bất
thường
thường.

2-1-3 Thiết bị mô phỏng dùng để đào tạo về rơ le bảo vệ:

Thiết bị mô phỏng về rơ le sẽ mô phỏng các dòng điện và điện áp sự cố trong hệ
thống điện. Các học viên sẽ học xem các rơ le bảo vệ làm việc như thế nào, các độ
lớn và góc pha của dòng điện và điện áp gây ra bởi sự cố ra làm sao?
Thiết bị mô phỏng về rơ le bảo vệ sẽ cho phép các học viên biết được những
thay đổi về độ lớn và góc pha của dòng điện và điện áp, mà chúng phụ thuộc vào vị
trí và loại sự cố (1 pha, 2 pha, hoặc 3 pha). Các học viên tại thời điểm này có thể
học xem các rơ le bảo vệ này làm việc như thế nào trong thời gian xảy ra sự cố.
12
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

2-1-4 Thiết bị mô phỏng có phạm vi lớn:

Thiết bị mô phỏng có phạm vi lớn có rất nhiều các máy phát, các mô hình phụ
tải, các đường dây truyên tải, và các máy biến áp để thực hiện một sự mô phỏng gần
đúng như các hệ thống điện thực tế.
Các khả năng khác bao gồm: phân tích giao động điện (hoặc tính ổn định), điều
chỉnh tần số, các thành phần sóng hài, và nhiều đặc tính khác nữa.

13
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

Chương 3: VÉC TƠ CỦA ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN KHI MANG TẢI
(Tải Thuần trở/Thuần kháng/Thuần dung)

3-1

Nguyên lý của dòng điện xoay chiều

3-1-1 Dòng điện xoay chiều hình sin:

Dòng điện xoay chiều hình sin có nghĩa là hướng của điện áp và dòng điện thay
đổi theo một chu kỳ đều đặn. Dòng điện xoay chiều thông thường được sử dụng
trong điện năng như được trình bày trong hình 1.1, nó được gọi là sóng hình sin. Sin
chính là hàm Sin trong lượng giác được sử dụng trong toán học, và sinθ trình bày

trong hình 1.2 có nghĩa là b/a. Trong đó góc θ là nằm trên trục x và sin là nằm trên
trục y, như được biểu diễn trong hình 1.3. Vì sóng hình sin này giống như dòng điện
xoay chiều được sử dụng trong điện năng, nên dòng điện xoay chiều này được gọi

sinθ

Điện áp , Dòng điện

và được miêu tả như là một sóng hình sin.

Thời gian

a

θ

b

θ

c
Hình 1.1

Hình 1.2

Hình 1.3

Như được trình bày ở trên, sóng hình sin này là chiều dài của đường thẳng
vuông góc kéo từ đầu của mũi tên bán kính quay theo một tốc độ góc không đổi lên
trên trục x, như được biểu diễn trong hình 1.4. (Khi đầu mũi tên đi xuống phía bên

dưới trục x, giá trị sẽ mang dấu âm).

14
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

Điện áp,
Dòng điện
ϕ

Thời gian

Hình 1.4

Một đại lượng có độ lớn và có hướng được gọi là đại lượng véc tơ; giống như
véc tơ này có cả độ lớn và hướng, nên nó là một véc tơ. (Trong trường hợp nếu một
đại lượng chỉ có mỗi độ lớn mà không có hướng, thì nó được gọi là một đại lượng
vô hướng.)
Trong đó góc tại thời điểm t=0 là ϕ (rad), và tốc độ góc của véc tơ quay là ω
(rad/s), thì góc của véc tơ sayu t giây sẽ là ωt + ϕ (rad).
Cụ thể là, khi mà giá trị cực đại của điện áp dòng điện xoay chiều là Em, thì giá
trị tức thời e sẽ là:
e=Em sin (ω t + ϕ)
e=Em sin (2 π f t + ϕ)
Góc ϕ khi t=0 được gọi là góc pha.

3-1-2

Sự lệch pha:

(1) Điện áp có góc pha trùng nhau:

Khi có 2 điện áp xoay chiều và góc pha được biểu thị ở trên là như nhau, điều
đó có nghĩa là, khi đó 2 véc tơ điện áp xếp chồng lên nhau khi chúng quay, miêu tả
theo cùng một phương thức chung. Hãy xem hình 1.5. Trường hợp này cũng gống
như trường hợp của dòng điện.

15
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

Điện áp

e2
e1
Thời gian

Hình 1.5

(2) Điện áp có góc pha lệch nhau:

Khi có hai điện áp xoay chiều e1 và e2, và góc pha của chúng là khác nhau, thì

chúng được biểu diễn như sau:
e1=Em1 sin (ω t + ϕ1)
e2=Em2 sin sin (ω t + ϕ2)
Trong trường hợp như vậy, sự lệch về góc pha của 2 điện áp xoay chiều được
gọi là góc lệch pha. Góc lệch pha θ sẽ là:
θ = ϕ1 − ϕ2 [rad]

Hãy xem hình 1.6. Điều này cũng giống như trong trường hợp của dòng điện.

Điện áp

e2
e1

ϕ1 θ

Thời gian
ϕ2

Hình 1.6

16
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

3-2

JE-TRF-RY-01

Biểu diễn mạch điện xoay chiều theo sơ đồ véc tơ

Không giống như dòng điện một chiều, đối với dòng điện xoay chiều ta không
dễ dàng gì có thể tính toán được tổng hoặc độ chênh lệch của dòng điện xoay chiều
bằng một công thức, vậy liệu có cách nào để tính toán theo một cách đơn giản hơn
không?. Sử dụng sơ đồ véc tơ là một cách trong số đó.

3-2-1 Đại lượng véc tơ và đại lượng vô hướng:
r

r

Đại lượng véc tơ: Có độ lớn và cả hướng và được xác định rõ như là E and I .
Đại

lượng vô hướng: Chỉ có mỗi độ lớn, không quan tâm đến hướng và được xác

định như là |E| and |I|.

3-2-2 Biểu diễn véc tơ

Trong hình 2.1, A là một véc tơ, OX là đường tham chiếu, và θ là góc nghiêng.
Bất kỳ một đường nào quay ngược chiều kim đồng hồ từ OX thì có một giá trị
dương cho θ. Các véc tơ cũng có thể được biểu thị bằng một chữ cái.
Trong trường hợp này, khi độ lớn của OP là A trong hình 2.1, để biểu thị hướng

r

của nó cùng một lúc, thì một mũi tên được đặt ở bên trên chữ cái này “ A ”, mà chữ

cái này (A) dùng để chỉ độ lớn của véc tơ.
Các véc tơ có thể được biểu diễn một cách đơn giản bằng một chữ cái A và độ
lớn tuyệt đối của nó có thể được biểu diễn là |A|.
Để chỉ rõ độ lớn và hướng của véc tơ, cả độ lớn tuyệt đối A và góc nghiêng (góc
pha) θ sẽ được đặt cùng nhau chẳng hạn như A∠θ . Một góc nghiêng được đo
ngược chiều kim đồng hồ so với đường tham chiếu sẽ được biểu diễn là ∠θ và
được đo cùng chiều kim đồng hồ sẽ được biểu diễn là ∠ − θ .

3-2-3

Tổng của các véc tơ

Phương pháp tính tổng của các véc tơ sử dụng sơ đồ véc tơ bằng hình bình hành
(trong hình 2.2), và bằng hình bình tam giác (trong hình 2.3).
17
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

r r r
C=A+B

a

c

r

C

b

r
B

O

a

c

r
C

r
A

r r r
C=A+B

r
B

O

Hình 2.2: Tổng của các véc tơ (1)

r

A
b

Hình 2.3: Tổng của các véc tơ (2)

Trong hình 2.3, Vì độ lớn và hướng của các véc tơ không thay đổi nếu được di
chuyển song song, thì véc tơ

r

v

r

r

bằng A , do đó tổng của A và B bằng C , như đã

được trình bày trong hình vẽ.

3-2-4

Hiệu của các véc tơ

Sự chênh lệch giữa các véc tơ có thể được tính toán theo cùng một cách như khi

r

r

r

r

r

r

r

r

cộng các véc tơ. Nếu sự chênh lệch của A và B là C , thì C = A − B = A + (− B) .

r

Như trình bày trong hình 2.4, khi hướng của véc tơ B bị đảo ngược lại, thì nó trở

r

r

r

thành − B . Véc tơ được kết hợp lại C có thể được tìm thấy bằng cách cộng − B và

r
A.

r

B

r
A

r
B

a

b

r

O

r

r

c A−B=C

r
−B
Hình 2.4: Hiệu của các véc tơ (1)

r
A
r r r
C=A−B

Hình 2.5: Hiệu của các véc tơ (2)

r
r
r
→
Trong hình 2.5, vì véc tơ ac bằng − B , thì sự chênh lệch của A và B là

r
C , như được trình bày trong hình vẽ ở trên.
18

Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

3-3

JE-TRF-RY-01

Mạch điện xoay chiều cơ bản
3-3-1 Mạch điện thuần trở (R)

Khi một điện áp xoay chiều có dạng sóng hình sin

e = Em ⋅ sin ωt
i=

(3-1)

Em
sin ωt = Im⋅ sin ωt
R

được đặt vào các đầu cực của điện trở R (Ω) như trong hình 3.1:
R

Em

e

i
Time

i

r
I

r
E

e
Hình 3.1: Điện áp xoay chiều được đặt vào một điện trở

Thì không có sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong bất kỳ trường hợp nào,
nó tuân theo định luật ohm, và giống như mạch điện một chiều.

3-3-2 Mạch điện thuần cảm (L)

Khi dòng điện xoay chiều trong công thức (3 –1) được áp dụng cho mạch thuần
cảm L (H) trình bày trong hình 3.2, thì điện áp và dòng điện được xác định theo
hướng của mũi tên:
i = Im⋅ sin ωt

e = −L

(3-2)

di
dt

= −ωL ⋅ Im⋅ cos ωt
π
= −ωL ⋅ Im⋅ sin(ωt + )
2

(3-3)

Khi so sánh công thức (3-2) và (3-3) với nhau, thì góc pha của điện áp vượt
19
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

trước dòng điện một góc 900. Khi được biểu diễn một cách tượng trưng thì:

r
r
r
E = j ωL I
Ù
E = XL I

r

r

hằng số tỷ lệ X L = jωL của E và I này được gọi là Cảm kháng và được xác
định bằng một con số ảo.
L

r
r
E = jωL I

e
i

i

Thời

r
I
π
2

e

Hình 3.2: Dòng điện được đặt vào mạch tự cảm

3-3-3 Mạch điện thuần dung (C)

Khi điện áp trong công thức (3-1) được đặt vào tụ điện C (F) như được trình bày
trong hình 3.3, thì dòng điện chạy trong mạch bằng với tốc độ thay đổi của điện tích
Q được tích trong tụ điện C.
i=
=

de
dQ d (Ce)
=
=C
dt
dt
dt

Cd (Em ⋅ sin ωt )
= ωC ⋅ Em ⋅ cos ωt
dt

π
= ωC ⋅ Em ⋅ sin(ωt + )
2

(3-4)

Do đó dòng điện vượt trước điện áp một góc 900. Khi được trình bày một cách
tượng trưng thì:
r
r
I
E = −j
ωC

Ù

Hằng số tỷ lệ X C = − j

r
r
E = XC I
1
được gọi là Dung kháng và luôn luôn là một số ảo.
ωC

20
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

C

r
I

i

i

Time
e

→

→

E=−j

π
2

e

I
ωc

Hình 3.3: Một điện áp xoay chiều được đặt vào điện dung

3-3-4 Mạch điện mắc nối tiếp R và L
Khi

r

dòng điện I được đặt vào mạch điện có một điện trở và một điện cảm mắc

r

r

nối tiếp, thì điện áp rơi trên điện trở là R I và điện áp rơi trên cảm kháng là jωL I

r

và bởi vì điện áp của nguồn điện là E chính là bằng tổng của các điện áp rơi, nên ta
có:

r
r
r
r
E = R I + jωL I = (R + jωL) I
r
I=

E
R + jω L

(3-5)

Vì mẫu số của công thức này là một số phức, mẫu số này được đặt là Z:

r

Z = R + j ωL

Trong đó giá trị tuyệt đối của Z và góc nghiêng là:

Z = R 2 + ( ωL ) 2
tan θ =

ωL
R

Vì công thức (3-5) mẫu số là một số phức, nên giá trị bình phương trung bình
của dòng điện là:

I=

E
Z

Trong đó dòng điện bị trễ so với điện áp một góc θ.
21
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)


Hệ thống rơ le bảo vệ (phần cơ bản)

JE-TRF-RY-01

3-3-5 Mạch điện mắc R và C nối tiếp

Trong trường hợp điện trở và tụ điện mắc nối tiếp, cũng tương tự như trường

hợp ở trên:

r
r
1 r ⎛
1 ⎞r
E = RI − j
I = ⎜R − j
⎟I
ωC
ωC ⎠
⎝

(3-6)

Tổng trở Z sẽ là:

r
1
Z=R − j
ωC

C

R
i

Giá trị tuyệt đối và góc lệch sẽ là:

⎛ 1 ⎞

Z= R +⎜
⎟
⎝ ωC ⎠
2

2

e

1
tan θ =
RωC

Hình 3.5: Mạch R và C mắc nối tiếp

3-3-6 Mạch mắc nối tiếp R, L và C:
Phần này cũng tương tự như trường hợp trước:

r ⎧
E = ⎨R +
⎩

1 ⎞⎫r r r
⎛
j⎜ ωL −
⎟⎬ I = Z I
ωC ⎠ ⎭
⎝

(3-7)

Giá trị tuyệt đối của Z và góc lệch là:

1 ⎞
⎛
Z = R + ⎜ ωL −
⎟
ωC ⎠
⎝
2

tan θ =

ωL −

C

L

R

2

i

1
ωC

e

R

Hình 3.6: Mạch RLC mắc nối tiếp

Trong trường hợp có một góc lệch pha θ mà:

ωL =

1
ωC

=>

f1 =

1
2π LC

Trường hợp ở trên chính là hiện tượng cộng hưởng của mạch R, L và C mắc
nối tiếp. Trong trường hợp này, f1 được xác định bằng hằng số của mạch điện và đó
22
Dự án đào tạo giáo viên/hướng dẫn viên ngành điện (JICA-EVN)