Bảo Vệ Rơle Và Tự Động Hóa Trong Hệ Thống Điện

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Nguyễn Hoàng Việt

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
(Tái bản lần thứ hai, có sửa chữa bổ sung)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
TP HỒ CHÍ MINH – 2005

CuuDuongThanCong.com

/>

6

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ), chúng ta có thể gặp tình trạng hệ thống điện
làm việc không bình thường, sự cố... Nguyên nhân có thể do chủ quan hoặc khách quan. Hệ thống
bảo vệ rơle sẽ giúp phát hiện các tình trạng đó để đề ra những biện pháp xử lý kòp thời. Một trong
những yêu cầu quan trọng nhất của ngành điện là phải cung ứng cho người tiêu thụ điện năng với
chất lượng tốt nhất. Để thỏa mãn yêu cầu này trong hệ thống điện được thực hiện bằng các bộ phận tự
động chức năng. Cuốn sách BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN nhằm
trang bò cho bạn đọc những kiến thức căn bản nhất trong lónh vực nêu trên. Cuốn sách được viết chủ
yếu cho sinh viên ngành Điện của Trường Đại học Bách khoa, các trường Kỹ thuật điện, học viên sau
đại học và các nhà chuyên môn đang làm việc trong lónh vực liên quan có thể tham khảo. Giáo trình

này được chia làm ba phần:
Phần một: Các nguyên lý bảo vệ rơle

- Tìm hiểu các nguyên lý thực hiện bảo vệ các phần tử hệ thống điện có tình trạng không bình
thường cũng như sự cố xảy ra trong hệ thống điện;
- Tìm hiểu các nguyên tắc công nghệ chế tạo các rơle các thế hệ khác nhau.
Phần hai: Bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện

Tìm hiểu cách thực hiện, sơ đồ bảo vệ các phần tử hệ thống điện như: đường dây, máy biến áp,
máy phát, thanh góp...
Phần ba: Tự động hóa trong hệ thống điện

Tìm hiểu các bộ phận tự động chức năng trong hệ thống điện như: tự động đóng trở lại nguồn
điện, tự động điều chỉnh điện áp, tần số...
Trong lần in này chúng tôi có sửa chữa và bổ sung cũng như thay đổi một số chương mục so
với đợt in đầu tiên.
Để bổ trợ giúp cho sinh viên nắm vững phần lý thuyết đã được trình bày trong cuốn sách này,
chúng tôi đã biên soạn và xuất bản cuốn bài tập CÁC BÀI TOÁN TÍNH NGẮN MẠCH BẢO VỆ
RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN trình bày tóm tắt lý thuyết phần ngắn mạch,
các bài tập ngắn mạch, bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện.
Thành thật cám ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của Thầy Phan Kế Phúc và Cô Phan Thò Thu Vân.
Rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý đồng nghiệp và độc giả. Mọi ý kiến đóng
góp xin gửi về Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Bách khoa - Đại học
Quốc qia TP Hồ Chí Minh - 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP Hồ Chí Minh.
Điện thoại: 8.651801.
Xin chân thành cám ơn.
TS Nguyễn Hoàng Việt

CuuDuongThanCong.com

/>

2

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

6

PHẦN MỘT: CÁC NGUYÊN LÝ THỰC HIỆN BẢO VỆ RƠLE

7

Chương 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ

8

1.1

Nhiệm vụ của bảo vệ

8

1.2

Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống bảo vệ

8

1.3

Các bộ phận của hệ thống bảo vệ

11

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE BẢO VỆ

34

2.1

Bảo vệ được thực hiện bằng các rơle điện cơ

34

2.2

Sử dụng linh kiện bán dẫn, vi mạch trong các sơ đồ bảo vệ

38

2.3

Bảo vệ dùng kỹ thuật số vi xử lý

46

Chương 3 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN

60

3.1

Nguyên tắc tác động

60

3.2

Bảo vệ dòng điện cực đại

60

3.3

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh

65

3.4

Bảo vệ dòng điện cực đại có kiểm tra áp

67

3.5

Bảo vệ dòng điện ba cấp

68

3.6

Đánh giá bảo vệ quá dòng điện

68

Chương 4 BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN CÓ HƯỚNG

70

4.1

Nguyên tắc hoạt động

70

4.2

Phần tử đònh hướng công suất

71

4.3

Bảo vệ dòng điện có hướng ba cấp

75

4.4

Một số lónh vực và lưu ý khi áp dụng bộ phận đònh hướng công suất cho

4.5

bảo vệ dòng điện

77

Đánh giá bảo vệ dòng điện có hướng

80

Chương 5 BẢO VỆ DÒNG ĐIỆN CHỐNG CHẠM ĐẤT

81

5.1

Bảo vệ chống chạm đất trong mạng điện có dòng chạm đất lớn

81

5.2

Bảo vệ chống chạm đất trong mạng có dòng chạm đất nhỏ

88

Chương 6 BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

97

6.1

Nguyên tắc hoạt động

97

6.2

Đặc tuyến khởi động của bảo vệ khoảng cách và biểu diễn chúng
trong mặt phẳng phức tổng trở Z

99

6.3

Nguyên tắc thực hiện rơle khoảng cách

102

6.4

Cách chọn UR, IR đưa vào bộ phận khoảng cách để phản ánh
ngắn mạch giữa các pha

103

CuuDuongThanCong.com

/>

3

6.5

Cách chọn UR, IR đưa vào bộ phận khoảng cách để phản ánh
chạm đất một pha

111

6.6

Chọn các tham số của bảo vệ

114

6.7

Những yếu tố làm sai lệch sự làm việc của rơle khoảng cách

119

6.8

Đánh giá lónh vực ứng dụng của bảo vệ khoảng cách

127

Chương 7 BẢO VỆ SO LỆCH

129

7.1

Nguyên tắc thực hiện

131

7.2

Dòng không cân bằng trong bảo vệ so lệch dòng điện

131

7.3

Dòng điện khởi động của bảo vệ so lệch dòng điện

132

7.4

Những biện pháp thường dùng để nâng cao độ nhạy và tính đảm
bảo của bảo vệ

132

7.5

Bảo vệ so lệch ngang

138

7.6

Đánh giá bảo vệ so lệch

142
143

PHẦN HAI: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương 8 BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY

144

8.1

Tổng quát

144

8.2

Các hệ thống bảo vệ đường dây dài, điện thế cao, công suất lớn

145

8.3

Đường dây song song

168

8.4

Đường dây rẽ nhánh

180

8.5

Bảo vệ bộ đường dây và máy biến áp (MBA)

185

8.6

Bảo vệ đường dây có tụ nối tiếp

188

8.7

Các sơ đồ bảo vệ đường dây tiêu biểu

210

Chương 9 BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP

213

9.1

Các sự cố và chế độ làm việc không bình thường của MBA

213

9.2

Bảo vệ chống sự cố trực tiếp bên trong MBA

216

9.3

Bảo vệ chống sự cố gián tiếp bên trong MBA

232

9.4

Các sơ đồ bảo vệ tiêu biểu các loại máy biến áp

234

Chương 10 BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ BỘ MÁY PHÁT - MÁY BIẾN ÁP

238

10.1 Tổng quát

238

10.2 Bảo vệ stator máy phát

239

10.3 Bảo vệ rotor

245

10.4 Các bảo vệ khác

250

10.5 Bảo vệ bộ máy phát - máy biến áp

251

10.6 Các sơ đồ bảo vệ tiêu biểu

253

CuuDuongThanCong.com

/>

4

Chương 11 BẢO VỆ THANH CÁI

256

11.1 Bảo vệ thanh cái bằng các phần tử nối kết thanh cái

257

11.2 Bảo vệ chống rò, chạm đất thanh cái trong tủ

259

11.3 Bảo vệ so lệch thanh cái

260

11.4 Sơ đồ bảo vệ thanh cái tiêu biểu

272

Chương 12 BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

274

12.1 Phân loại các bảo vệ

274

12.2 Phối hợp bảo vệ

293

12.3 Phân bố dòng sự cố từ các động cơ cảm ứng

298

12.4 Bảo vệ mạng hạ thế

299

12.5 Nâng cao hệ số cosϕ và bảo vệ tụ điện

309

Chương 13 BẢO VỆ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

312

13.1 Dòng khởi động và dòng hãm của động cơ

312

13.2 Những tình trạng làm việc không bình thường của động cơ

313

13.3 Các sơ đồ bảo vệ động cơ điện

319

PHẦN BA: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

320

Chương 14 TỰ ĐỘNG ĐÓNG LẠI ĐƯỜNG DÂY

326

14.1 Tổng quát

326

14.2 Tự đóng lại bằng cách kết hợp MC với hệ thống tự đóng lại (ARS)

330

14.3 Máy cắt tự động đóng lại

345

14.4 Thiết bò phân đoạn tự động

356

14.5 Phối hợp ACR với các thiết bò bảo vệ khác

358
372

2
8
6

14.6 Tự động vận hành mạng kín (LA)
Chương 15 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN
VÀ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT KHÁNG

375

15.1 Tổng quát về hệ thống kích từ

375

15.2 Chức năng điều khiển và bảo vệ

385

15.3 Các bộ hạn chế và bảo vệ

394

15.4 Điều chỉnh điện áp và phân phối công suất kháng giữa các
tổ máy làm việc song song

400

Chương 16 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT THỰC
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

404

16.1 Tổng quát

404

16.2 Ảnh hưởng của tần số lên tổ turbine - máy phát

406

16.3 Điều chỉnh tốc độ turbine sơ cấp

409

CuuDuongThanCong.com

/>

5

16.4 Các tổ máy phát làm việc song song

412

16.5 Mô hình đáp ứng tần số hệ thống

416

16.6 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ lệch tần số

421

16.7 Mô hình cải tiến

427

16.8 Mô hình đáp ứng tần số hệ thống khác

429

16.9 Tốc độ đáp ứng nhu của hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine

430

16.10 Cách thực hiện điều chỉnh tốc độ turbine

431

16.11 Điều khiển tần số thứ cấp

438

Chương 17 BẢO VỆ TẦN SỐ – TỰ ĐỘNG SA THẢI PHỤ TẢI

445

17.1 Mục đích và những đặc điểm của sa thải phụ tải

445

17.2 Bảo vệ tần số turbine hơi

446

17.3 Bảo vệ tần số thấp

447

17.4 Thiết kế bảo vệ cắt tải theo tần số và độ dốc

453

17.5 Sa thải phụ tải theo tần số và thời gian

458

17.6 Các phương pháp khác

460

Chương 18 HÒA ĐIỆN GIỮA CÁC MÁY PHÁT LÀM VIỆC SONG SONG

462

18.1 Khái niệm chung

462

18.2 Hòa điện chính xác

464

18.3 Tự hòa điện

478

MÃ SỐ RƠLE

484

ANH VIỆT ĐỐI CHIẾU

486

TÀI LIỆU THAM KHẢO

490

CuuDuongThanCong.com

/>

7

PHẦN I
CÁC NGUYÊN LÝ
THỰC HIỆN BẢO VỆ RƠLE

CuuDuongThanCong.com

/>

8

Chương

1

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ
1.1 NHIỆM VỤ CỦA BẢO VỆ
Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ) có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ
làm việc không bình thường của các phần tử. Phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng
điện tăng khá cao và điện áp giảm khá thấp. Các thiết bò có dòng điện tăng cao chạy qua có thể bò
đốt nóng quá mức cho phép và bò hư hỏng khi điện áp bò giảm thấp, các hộ tiêu thụ không thể làm
việc bình thường mà tính ổn đònh của các máy phát làm việc song song và của toàn hệ thống bò
giảm. Các chế độ làm việc không bình thường cũng làm cho áp, dòng và tần số lệch khỏi giới hạn
cho phép và nếu để kéo dài tình trạng này có thể xuất hiện sự cố. Có thể nói, sự cố làm rối loạn
các hoạt động bình thường của HTĐ nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng.
Chế độ làm việc không bình thường có nguy cơ xuất hiện sự cố làm giảm tuổi thọ của máy móc.
Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ thì khi xuất hiện sự
cố cần phát hiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố để cách ly nó khỏi phần tử không bò hư hỏng, có
như vậy phần tử còn lại mới duy trì được hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức độ hư hại
của phần bò sự cố. Như vậy, chỉ có các thiết bò tự động bảo vệ (BV) mới có thể thực hiện tốt được
yêu cầu nêu trên. Các thiết bò này hợp thành hệ thống bảo vệ (HTBV).
Các mạng điện hiện đại không thể làm việc thiếu các HTBV, vì chúng theo dõi liên tục tình
trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của HTĐ.
Khi xuất hiện sự cố, BV phát hiện và cho tín hiệu đi cắt các phần tử hư hỏng thông qua các
máy cắt điện (MC). Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, BV sẽ phát hiện và tùy
thuộc theo yêu cầu có thể tác động để khôi phục chế độ làm việc bình thường hoặc báo tín hiệu
cho nhân viên trực.

Hệ thống BV là tổ hợp của các phần tử cơ bản là các rơle, nên còn được gọi là BV rơle.

1.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG BẢO VỆ
1.2.1 Yêu cầu đối với bảo vệ chống ngắn mạch
1- Tính chọn lọc
Khả năng của BV chỉ cắt phần hư hỏng khi NM được gọi là tính chọn lọc.

CuuDuongThanCong.com

/>

9

Đối với ví dụ trên hình 1.1, yêu cầu này được thực hiện như sau: khi NM (NM) tại điểm N1,
máy cắt MC3 là máy cắt ở gần chỗ sự cố nhất được cắt ra, nhờ vậy các phụ tải không nối vào
đường dây hư hỏng vẫn được nhận điện. Khi NM tại điểm N2, đường dây sự cố II được cắt ra từ hai
phía nhờ MC1 và MC2, còn đường dây I vẫn làm việc, vì vậy toàn bộ các hộ tiêu thụ vẫn nhận
được điện. Yêu cầu tác động chọn lọc là yêu cầu cơ bản nhất để đảm bảo cung cấp điện an toàn
cho các hộ tiêu thụ. Nếu BV tác động không chọn lọc, sự cố có thể lan rộng.
B
MC6

MC7

I

I

C

MC8
MC3

N1

MC4
MC5

MC1

II

II

N2

MC2
BV3

D

BV1

BV2

E

Hình 1.1 Cắt chọn lọc phần tử bò hư hỏng khi NM trong mạng

2- Tác động nhanh

Tính tác động nhanh của BV là yêu cầu quan trọng khi có NM bên trong của thiết bò. Bảo vệ
tác động càng nhanh thì:
- Đảm bảo tính ổn đònh làm việc song song của các máy phát trong hệ thống, làm giảm ảnh
hưởng của điện áp thấp lên các phụ tải
- Giảm tác hại dòng NM tới các thiết bò
- Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn
- Nâng cao hiệu quả thiết bò tự đóng lại.
Thời gian cắt hư hỏng t bao gồm thời gian tác động của (BV) tbv và thời gian cắt của MC tMC:
t = tbv + tMC
Đối với các HTĐ hiện đại, thời gian cắt NM lớn nhất cho phép theo yêu cầu đảm bảo tính
ổn đònh rất nhỏ. Ví dụ đối với đường dây tải điện 300 ÷ 500kV, cần phải cắt sự cố trong vòng 0,1 ÷
0,12 giây (s) sau khi NM xuất hiện, còn trong mạng 110 ÷ 220kV thì trong vòng 0,15 ÷ 0,3s. Trong
các mạng phân phối 6, 10, 15kV ở cách xa nguồn thời gian cắt sự cố cho phép lên tới 1,5 ÷ 3s. Muốn
cắt nhanh NM cần giảm thời gian tác động của BV và MC. Hiện dùng phổ biến các MC có tMC = 0,15 ÷
0,06s. Nếu cần cắt NM với thời gian t = 0,12s bằng MC có tMC = 0,08s thì thời gian tác động của
BV không được vượt quá 0,04s (hai chu kỳ). Bảo vệ có thời gian tác động dưới 0,1s được xếp
vào loại tác động nhanh. Loại BV tác động nhanh hiện đại có tBV = 0,01 ÷ 0,04s.
Việc chế tạo BV vừa tác động chọn lọc, vừa nhanh là vấn đề khó. Các BV này phức tạp và
đắt. Để đơn giản, có thể thực hiện cắt nhanh NM không chọn lọc, sau đó dùng thiết bò tự đóng lại
phần bò cắt không chọn lọc.

CuuDuongThanCong.com

/>

10

3- Độ nhạy
Trên hình 1.1 ta thấy mỗi BV cần tác động khi sự cố xảy ra trong vùng BV của mình (để bảo
đảm vừa có BV chính và BV dự trữ tại chỗ). Ví dụ, BV1 và 2 cần tác động khi NM xảy ra trong

đoạn DE. Ngoài ra, nó còn cần tác động khi NM xảy ra trong đoạn BC của BV3. Điều này cần
thiết để dự phòng trường hợp NM trên đoạn BC mà BV3 hoặc MC3 này không làm việc. Tác động
của BV đối với đoạn kế tiếp được gọi là dự phòng xa. Mỗi BV cần tác động không chỉ với trường
hợp NM trực tiếp mà cả khi NM qua điện trở trung gian của hồ quang. Ngoài ra, nó cần tác động
khi NM xảy ra trong lúc hệ thống làm việc ở chế độ cực tiểu (ở chế độ này một số nguồn được cắt
ra và do đó dòng NM có giá trò nhỏ).
Độ nhạy của BV thường được đánh giá bằng hệ số nhạy knh. Đối với BV cực đại tác động,
đại lượng theo dõi tăng khi có hư hỏng (ví dụ quá dòng điện) thì knh được xác đònh
knh =

I N min
I kđbv

với: INmin - dòng NM nhỏ nhất; Ikđbv - giá trò dòng nhỏ nhất mà BV có thể tác động.
Đối với BV cực tiểu tác động khi đại lượng theo dõi giảm khi hư hỏng (ví dụ điện áp cực
tiểu), hệ số knh được xác đònh ngược lại bằng trò số điện áp khởi động chia cho điện áp dư còn lại
lớn nhất khi hư hỏng.
BV cần có độ nhạy sao cho nó tác động chắc chắn khi NM qua điện trở của hồ quang ở cuối
vùng được giao BV trong chế độ cực tiểu của hệ thống.
4- Độ tin cậy
Độ tin cậy thể hiện yêu cầu BV phải tác động chắc chắn khi NM xảy ra trong vùng được giao
BV và không được tác động đối với các chế độ mà nó không có nhiệm vụ tác động. Đây là yêu cầu rất
quan trọng. Một BV nào đó hoặc không tác động hoặc tác động nhầm rất có thể dẫn đến hậu quả là
số phụ tải bò mất điện nhiều hơn hoặc làm cho sự cố lan tràn. Ví dụ, khi NM tại điểm N2 trên hình 1.1
mà BV không tác động cắt MC1 và MC2 được thì các BV dự phòng xa khác số cắt nguồn II MC4,
MC5 và trạm B như vậy BV không tin cậy, làm mất điện nhiều, gây thiệt hại kinh tế.
Để BV có độ tin cậy cao cần dùng sơ đồ đơn giản, giảm số lượng rơle và tiếp xúc, cấu tạo đơn
giản, chế độ và lắp ráp đảm bảo chất lượng, đồng thời kiểm tra thường xuyên trong quá trình vận hành.

1.2.2 Yêu cầu đối với bảo vệ chống các chế độ làm việc không bình thường

Tương tự BV chống NM, các BV này cũng cần tác động chọn lọc, nhạy và tin cậy. Yêu cầu
tác động nhanh không đề ra. Thời gian tác động của BV loại này cũng được xác đònh theo tính
chất và hậu quả của chế độ làm việc không bình thường. Thông thường các chế độ này xảy ra
chốc lát và tự tiêu tan, ví dụ hiện tượng quá tải ngắn hạn khi khởi động động cơ không đồng bộ.
Trường hợp này nếu cắt ngay sẽ làm phụ tải mất điện. Vì vậy, chỉ cần cắt thiết bò khi xuất hiện
chế độ làm việc không bình thường nếu có nguy cơ thực tế đối với thiết bò đó, nghóa là sau khoảng
thời gian nhất đònh. Trong nhiều trường hợp, nhân viên vận hành có nhiệm vụ loại trừ chế độ không
bình thường và như vậy chỉ cần yêu cầu BV báo tín hiệu.

CuuDuongThanCong.com

/>

11

1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ
Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ BV gồm hai phần chính: phần đo lường và phần lôgic (H.1.2).
MC

BU

IR

ĐO LƯỜNG
ĐL

MẠCH LOGIC
LG

THỰC HIỆN

NGUỒN THAO
TÁC

TÍN HIỆU
TH

BI
HIỂN THỊ

Tín hiệu từ
BV khác
Phần đo lường

Phần logic

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống BV một phần tử hệ thống điện

- Phần đo lường (PĐL) liên tục thu nhận tin tức về tình trạng của phần tử được BV, ghi nhận sự
xuất hiện sự cố và tình trạng làm việc không bình thường, đồng thời truyền tín hiệu đến phần lôgic.
Phần đo lường nhận những thông tin của đối tượng được BV qua các bộ biến đổi đo lường sơ cấp máy
biến dòng (BI) và các máy biến điện áp (BU).
- Phần lôgic tiếp nhận tín hiệu từ PĐL. Nếu giá trò, thứ tự và tổng hợp các tín hiệu phù hợp
với chương trình đònh trước nó sẽ phát tín hiệu điều khiển cần thiết (cắt MC hoặc báo tín hiệu) qua
bộ phận thực hiện.
Ngoài phần chính trên, để cung cấp nguồn một chiều DC cho PĐL, phần lôgic, mạch báo
tín hiệu, màn hình thể hiện và bộ phận thực hiện cần nguồn thao tác một chiều.

1.3.1 Đo lường sơ cấp
Máy biến dòng, máy biến điện áp dùng để:

- Giảm dòng điện và điện áp của đối tượng BV đến giá trò thấp đủ để hệ thống BV làm việc an
toàn (dòng thứ cấp BI đònh mức là 5A hoặc 1A, áp thứ cấp BU đònh mức là 100V hoặc 120V)
- Cách ly BV với đối tượng được BV
- Cho phép cùng dòng và áp chuẩn thích ứng với hệ thống BV.
Tổng trở thứ cấp của BI rất thấp, ngược lại tổng trở thứ cấp của BU rất cao. Lõi của BI có
thể được chế tạo bằng thép hay khe hở không khí, BI có lõi thép có công suất ra lớn nhưng có
nhiều sai số cả trong chế độ làm việc bình thường hay quá độ. BI có lõi không khí có công suất ra
thấp thường không đủ cho rơle bán dẫn, vi mạch. Chúng có đặc tính làm việc tuyến tính và không
có sai số trong chế độ quá độ.
Tiêu chuẩn để chọn tỷ số BI là theo dòng điện tải cực đại. Các đối tượng BV có điện thế
cao, có thể sử dụng BU qua bộ chia điện thế bằng tụ điện, để điện thế đến BU chỉ bằng 10% điện
thế hệ thống (H.1.3).

CuuDuongThanCong.com

/>

12
Uht
C1

UT =

L1

U2

C2

UT

Uht.C1
C1 + C2

Uht - điện thế hệ thống
C1, C2 - điện dung của
bộ phận thế
L1 - kháng trở
UT - điện thế thứ cấp của BU

Hình 1.3 Mạch phân thế bằng tụ điện
Máy biến dòng điện (BI, TI, CT)

Tỷ số biến đổi dòng điện của BI theo lý thuyết là nghòch với số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp
của BI. Nhưng thực tế dòng thứ cấp được xác đònh bằng
NI.IT = IS – Iµ
trong đó: IT, IS, Iµ - dòng thứ cấp, dòng sơ cấp, dòng từ hóa; NI - tỷ số dòng quấn.
Dòng từ hóa tỷ lệ với tổng trở của mạch thứ cấp, vì thế sai số của BI tỷ lệ với tổng trở thứ
cấp (phụ tải của BI). Các BI có thể đảm bảo được độ chính xác khi chúng làm việc ở tình trạng gần với
tình trạng nối tắt phía thứ cấp BI, nghóa là khi phụ tải phía thứ cấp BI bé thì lúc đó Iµ bé. Ví dụ, khi phụ
tải 30VA và dòng điện đònh mức 5A, ta có điện thế thứ cấp UT = 6V. Khi điện trở của phụ tải thay đổi
trong một phạm vi giới hạn, dòng điện thứ cấp IT thực tế hầu như không biến đổi vì Iµ rất bé so với dòng
điện sơ cấp IS. Vì thế phụ tải của BI luôn luôn nối tiếp, khác với phụ tải của BU luôn luôn ghép song
song. Nối tắt thứ cấp là trường hợp làm việc bình thường của BI. Không cho phép máy biến dòng làm
việc ở tình trạng hở mạch thứ cấp khi dòng điện sơ cấp đònh mức. Đặc biệt khi NM, dòng sơ cấp lớn,
sức điện động phía thứ cấp (nếu hở mạch) có thể đạt đến hàng chục kilô volt. Cũng cần chú ý rằng, nếu
điện trở của phụ tải ở mạch thứ cấp lớn cũng có thể gây quá điện áp nguy hiểm. Độ chính xác của BI
được tính bằng tỷ số
 N I − Is 
.100

% sai số =  I T
Is


Đối với một số loại rơle độ chính xác 10% đến 15% khi NM có thể chấp nhận được, ví dụ
rơle dòng điện có thời gian. Còn những rơle khác như khoảng cách, so lệch yêu cầu độ chính xác
cao hơn là 2 ÷ 3%. Trong trường hợp tổng quát, có thể dùng độ chính xác là 5%. Sai số cho phép
về góc là δ ≤ 7o.
1- Cách xác đònh phụ tải của BI trong sơ đồ bảo vệ

I

Trong sơ đồ BV phụ tải của BI bao gồm điện trở của các rơle, dây nối
phụ và điện trở tiếp xúc. Giá trò tính toán của phụ tải BI xác đònh như sau:
.
.
UT
Điện áp cuộn thứ cấp
Z pt =
=
IT
Dòng điện cuộn thứ cấp
Đối với dòng điện thứ cấp đã cho, điện áp đầu ra ở cuộn thứ cấp của
BI phụ thuộc vào sơ đồ nối giữa BI và phần đo lường, dạng NM và sự phối
hợp các pha hư hỏng.

CuuDuongThanCong.com

Hình 1.4 Nối tiếp
hai máy biến dòng

/>

13

Trong một số trường hợp để giảm phụ tải của BI người ta giảm UT bằng cách nối tiếp hai
(hay đôi khi ba, bốn) máy biến dòng có hệ số biến đổi giống nhau (H.1.4). Lúc đó
.
.
UT
Z pt =
= 0,5 ( Z R + 2Z dd )
IT
với: ZR - tổng trở của rơle; Zdd - tổng trở của dây dẫn.
2- Cách đánh dấu đầu cuộn dây
Trong các sơ đồ BV cần phải nối đúng đầu các cuộn dây của BI và phần đo lường của BV, vì thế
cần phải biết cách đánh dấu các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của BI.
Các đầu của cuộn sơ cấp chúng ta đánh dấu S1 và S2.
Các đầu của cuộn thứ cấp ta đánh dấu T1 và T2.
Xác đònh đầu dây theo quy tắc sau: chọn đầu S1 của cuộn sơ
cấp tùy ý. Đầu T1 của cuộn thứ cấp được xác đònh theo đầu S1 của
cuộn sơ cấp với quy ước là khi giá trò tức thời của dòng điện sơ
cấp Is đi từ đầu S1 đến S2 dòng điện thứ cấp IT sẽ đi từ T2 đến T1
(H.1.5). Ở các đầu S1 và T1 đôi khi người ta đánh dấu bằng ngôi
sao (*). Nếu chọn đầu dây theo quy ước vừa nêu ra thì hầu như là
dòng điện đi thẳng từ mạch sơ cấp qua rơle không bò đổi chiều.
Vì thế, trên các bản vẽ thường người ta không đánh dấu đầu các
cuộn dây mà chỉ hiểu ngầm rằng các đầu cùng tên S1 và T1 nằm
cạnh nhau.

IS

*

S1
*
T
1

IT

R

T2
S2

Hình 1.5 Cách đánh dấu
các đầu cuộn dây BI

Đối với BI lõi thép, chất lượng lõi thép, đặc tính bão hòa từ
của nó rất quan trọng. Khi dòng điện NM lớn làm lõi thép bão hòa, điều này sẽ gây ảnh hưởng
nhiều hay ít đến BV tùy thuộc nguyên tắc BV, chẳng hạn không ảnh hưởng nhiều đến BV một tín
hiệu đầu vào như BV dòng điện. Mức độ chính xác của BI ảnh hưởng rất lớn đến sơ đồ BV so lệch
vì cần so sánh sự khác nhau giữa các dòng điện. Sự bão hòa của BI có thể được tính phỏng đoán
bằng ba phương pháp sau:
- Phương pháp đường cong từ hóa (đường cong bão hòa)
- Phương pháp công thức
- Phương pháp mô phỏng trên máy tính.
Trong mọi trường hợp, biến dòng có thể được thay thế bằng sơ đồ mạch tương đương như
hình 1.6. Dòng điện sơ cấp BI được biến đổi bằng một máy biến dòng lý tưởng tỷ số 1/n.

Mạch tương đương hình 1.6a có thể đơn giản hóa thành hình 1.6b, trong đó tổng trở thứ cấp
BI và tổn thất nhiệt không kể. BI được đánh giá bằng độ chính xác của tỷ số dòng sơ cấp và dòng
thứ cấp. Điều này được xác đònh bằng điện áp thứ cấp lớn nhất mà BI không bò bão hòa.

CuuDuongThanCong.com

/>

14
2
Z& S n

1:n
a

Z& T
e

c
Rm

b
a)

IS

Xm
f

d

I& T

Is / n

1:n
a

e
I& e

d

ZT

Xm
f

&
V
ef
I& s / n

& = R + jX
Z
T
T
T

c

b

b)

ZL

I& T
I& c

&
V
cd

&
I& T Z
L
I& T RL

j I& T XL

ZS - tổng trở sơ cấp BI; ZT - tổng trở thứ cấp BI; Xm - thành phần từ hóa;
Rm - tổn thất nhiệt lõi thép nhánh từ hóa

Hình 1.6 Mạch tương đương và giản đồ vectơ của BI

Từ hình 1.6b xác đònh điện thế thứ cấp
.
. .
.
.

.
.
Vcd = VT = IT ( ZT + Z L ) = IT Z B
.
.
trong đó: VT - điện thế thứ cấp (V); IT - dòng thứ cấp cực đại (A)
.
.
Z L - tổng trở tải (Ω); ZT - tổng trở thứ cấp BI (Ω)
.
Z B - tổng trở phía thứ cấp (Ω).

(1.1)

Trong mọi trường hợp áp dụng, dòng điện thứ cấp cực đại được tính từ dòng điện NM chia
cho tỷ số của BI.
Cấp chính xác theo tiêu chuẩn ANSI

Loại C: quy đònh tỷ số biến đổi có thể tính toán. Bao gồm các BI sứ có cuộn dây phân bố
không đồng nhất và bất kỳ BI nào mà từ thông tản lõi thép không ảnh hưởng tới tỷ số biến đổi
trong một giới hạn xác đònh.
Loại T: quy đònh tỷ số biến đổi phải xác đònh bằng thử nghiệm. Bao gồm các BI loại dây
quấn và bất kỳ loại nào khác mà từ thông tản lõi thép ảnh hưởng đến tỷ số biến đổi.
Biến dòng loại sứ thường rẻ hơn loại dây quấn nhưng có độ chính xác thấp hơn, thường được
dùng cho BV rơle vì giá thành cũng như độ chính xác thỏa mãn BV. Hơn nữa, loại BI sứ tiện lợi
cho việc đặt ở đầu sứ máy biến áp và máy cắt. BI loại sứ ít chính xác ở dòng điện nhỏ vì có dòng
từ hóa lớn nên ít được dùng cho đo lường ở dòng điện bình thường.
Đồ thò của biến dòng loại C được vẽ ở hình 1.7, biểu hiện điện thế thứ cấp các BI loại C
khác nhau. Đồ thò cho giới hạn (10%) tỷ số của BI theo cấp chính xác và tải BI cho trước.

CuuDuongThanCong.com

/>

15
V
800

Điện thế thứ cấp

C800

700
600
500
400

C400

300

4Ω

200

C200

2Ω

100

C100

1Ω

0
0 510 20 30 40 50 60 70 80 90 100 A

Hình 1.7 Đồ thò chuẩn chính xác ANSI,
máy biến dòng loại C

V
22
B-10
20
18
B-20
16
14
B-40
12
10
8
B-80
6
4
2
0
0 510 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Bội số Iđms

Hình 1.8 Đường cong tỷ số quá dòng
mẫu của BI loại T

Ví dụ, tải BI là 4Ω, đường cong chỉ rằng sai số tỷ số của cấp C400 sẽ không vượt quá (10%)
giữa 1 và 20 lần dòng điện thứ cấp bình thường. Điều này được kiểm tra như sau
VT = 4Ω (100 × 5 A ) = 400V
Cấp chính xác BI cho rơle có thể được cung cấp từ nhà sản xuất. Đối với BI loại T, nhà sản xuất
cung cấp đường cong tỷ số quá dòng mẫu, như hình 1.8.
a- Phương pháp đường cong từ hóa

Phương pháp này yêu cầu phải dùng đường cong từ hóa của biến dòng cần chọn, các đường cong
như thế được cung cấp từ nhà sản xuất. Họ đường cong tiêu biểu cho ở hình 1.9. Đường cong này có thể
được dùng rất đơn giản. Từ (1.1) với dòng chạm và tỷ số BI đã cho, ta có thể xác đònh điện thế thứ cấp.
Từ hình 1.8 đối với điện thế đã tính, ta có thể kiểm tra điểm làm việc của BI, việc chọn sẽ rõ hơn trong
ví dụ quyển bài tập “Tính toán NM và BVRL trong HTĐ”, tác giả Nguyễn Hoàng Việt.

Điện thế từ hóa thứ cấp, Vs

1000

600-5
500-5
450-5
400-5
300-5
250-5
200-5

100

150-5
100-5

10

50-5

1

-1

0,001

0,01

0,1

10

1

Dòng từ hóa thứ cấp, Ie

Hình 1.9 Đường cong từ hóa của BI loại C

CuuDuongThanCong.com

/>
100

16
b- Phương pháp công thức

Phương pháp này đánh giá sự làm việc của BI dựa vào nguyên lý thiết kế BI. Bảng 1.1 cho
quan hệ giữa tải thứ cấp chuẩn của BI và điện thế thứ cấp đònh mức. Điện thế thứ cấp đònh mức là
điện thế của BI loại C sẽ cung cấp cho tải chuẩn với 20 lần dòng đònh mức mà không quá sai số 10%.
Bảng 1.1 Điện thế đònh mức và tải chuẩn của BI loại C
Loại C

Tải chuẩn ZB (1)
(Ω)

Điện thế đònh mức (2)
(V)

Loại C

Tải chuẩn ZB (1)
(Ω)

Điện thế đònh mức (2)
(V)

C100

1

100

C400

4

400

C200

2

200

C800

8

800

(1) - giả thiết góc tổng trở là 60o; (2) - được tính khi 20 × 5A dòng thứ cấp

Điện thế thứ cấp là hàm của dòng điện NM thứ cấp BI IN và tổng tải phía thứ cấp ZB
v =

ndφ
(V )
dt

với: n - số vòng dây phía thứ cấp; φ - từ thông lõi thép (webers).
hay

− Rt 
L 

 − Rt




L

nΦ = ∫ vdt = ∫ Z B iN e
− cos ωt dt = Z B iN
1 − e L  − sin ωt



 R 

o
o





t

t

Lấy trò số cực đại trong dấu ngoặc biểu thức trên ta được
X

nΦ ω = Z B iN 
+ 1
L



Điện thế đònh mức thứ cấp BI là điện thứ cấp cung cấp cho một tải chuẩn 20 lần dòng đònh
mức mà không gây sai số tỷ số quá 10%. Từ điều kiện này ta có thể viết
ZB ≤

20
X


iN 
+ 1
L



Trong đó tải tính trong đơn vò tương đối (ĐVTĐ) với cơ bản là tải BI chuẩn, và dòng NM
trong ĐVTĐ với cơ bản là dòng đònh mức BI. Ví dụ, đối với đường dây truyền tải có X/R là 12 và
dòng NM cực đại là bốn lần dòng đònh mức của BI C800, bão hòa sẽ không xảy ra nếu ZB < 0,38
(ĐVTĐ) của tải chuẩn 8Ω, hay khoảng 3Ω.
c- Phương pháp mô phỏng trên máy tính

Đồ thò 1.8 và 1.9 không cho ta biết chính xác dạng sóng méo dạng khi có dòng sơ cấp lớn

làm bão hòa lõi thép BI. Việc chụp hình dạng sóng thực tế cũng như mô phỏng trên máy tính cho
phép ta đònh được các dạng sóng sơ cấp cũng như thứ cấp lúc có dòng điện sơ cấp rất lớn. Máy
biến dòng làm việc trong chế độ quá độ.
Khi có NM xảy ra, dòng điện NM được xác đònh:
R

t
iNM = Imax sin(ωt + ψ − φ ) + sin(ψ − φ )e − L 



Số hạng đầu của iNM là thành phần chu kỳ đối xứng và số hạng sau là thành phần không chu
kỳ mà bắt đầu có trò số cực đại và giảm dần theo hàm mũ (H.1.10).

CuuDuongThanCong.com

/>

17

2 2I k = 2 2I ’’k

2 2I k

Đường bao trên

A

g

U

t

T

đườ
baodướ
dưới i
Đườnngg bao

ngnsó
gn
dò
g điệ
NM
HìnhHình
1.10.1.10
DạnDạ
g só
gn
dò
gnđiệ
n nngắ
n mạch

Trong phương trình trên, R, L là điện trở và kháng trở, φ là góc pha của mạch sơ cấp và ψ là
thời gian (radian) tính từ thời điểm xảy ra NM đến điện áp thứ cấp vừa qua không. Công thức chỉ
rằng thành phần không chu kỳ giảm chậm hơn nếu R/L nhỏ, nghóa là cảm kháng cao như ở các
mạng có điện thế trên 110kV. Thành phần không chu kỳ sẽ lớn nhất khi ψ = 90o – φ, nghóa là nếu

NM được bắt đầu ở thời điểm khi điện thế quá không.
Thành phần không chu kỳ của dòng điện thứ cấp máy biến dòng được chỉ ở hình 1.11a; ta
thấy rằng thành phần không chu kỳ của dòng điện thứ cấp giảm nhanh hơn của dòng điện sơ cấp,
và đổi chiều sau vài chu kỳ.
Sai số của BI tạo ra do thành phần không chu kỳ có thể suy ra từ hình 1.11b, mà do một
phần dòng điện sơ cấp được dùng để từ hóa lõi thép. Hình 1.12 cho dạng sóng dòng điện sơ cấp và
thứ cấp của BI khi có NM.
Giá trò của X/L tăng theo điện thế mạng điện do khoảng cách dây dẫn tăng lên ở mạng
220kV, X/L là khoảng 10, vì thế từ thông không chu kỳ khoảng 10 lần/từ thông chu kỳ Is.

CuuDuongThanCong.com

/>

18
amps
is

Φ

iµ
iS
iT

0,1

a)
T(s)

0,3

0,2

Is
a)
iϕ

IT

b)

t

b)

Hình 1.11 Thành phần không chu kỳ

Hình 1.12 Dạng sóng của dòng điện sơ cấp
và thứ cấp của BI khi có NM
a) Theo lý thuyết; b) Chụp được bằng dao động

3- Bộ biến đổi dòng điện quang
Để khắc phục hiện tượng bão hòa của lõi thép BI, ta có thể dùng bộ biến đổi dòng điện
quang. Nguyên tắc làm việc của các bộ biến đổi này là đo lường vùng từ trường lân cận của dây
dẫn mang dòng điện. Ưu điểm của phương pháp này là:
- Khoảng làm việc của bộ phận quang lớn hơn nhiều so với loại BI điện từ
- Bộ biến đổi quang gọn nhẹ.
lõi từ

biến dòng

cảm quang

dây dẫn
cáp quang
vào ra

Bộ biến đổi
điện - quang

cảm quang
cảm quang

đường
ánh sáng

cảm quang

dây dẫn
vào ra
cáp quang

vào ra
cáp quang

vào ra
cáp quang

cáp quang
1)

2)

3)

4)

5)

Hình 1.13 Các loại bộ biến đổi dòng điện quang

Khuyết điểm của loại này là tín hiệu đầu ra nhỏ khoảng vài microwatt so với vài watt của
loại cổ điển. Phần cứng của bộ biến đổi dòng điện quang ngày càng phát triển và có năm dạng
khác nhau như:
Loại 1: BI cổ điển kết hợp với bộ biến đổi quang cách điện

CuuDuongThanCong.com

/>

19

Loại 2: dùng mạch từ quanh dây dẫn kết hợp và đo từ trường bên trong lõi thép qua khe hở
không khí
Loại 3: dùng đường đi ánh sáng bên trong khỏi vật liệu quang bao bọc dây dẫn điện
Loại 4: dùng một dây quang quấn quanh dây dẫn
Loại 5: đo từ trường ở tại một điểm gần dây dẫn.
Máy biến điện áp (BU, TU, PT)

Máy biến điện áp được chế tạo chuẩn hóa hơn máy biến dòng điện. Điện thế thứ cấp giữa

các pha thường là 100V (115V). Thường có hai loại là từ và điện dung. Khi điện thế hệ thống lớn
500kV, máy biến áp điện dung hình 1.13 được dùng.
BU khác với máy biến áp điện lực ở chỗ làm nguội, cỡ dây dẫn và độ yêu cầu làm việc
chính xác. Trò số sai số của BU được đònh theo hệ số
% sai số =

NU U T − U S
.100
US

với: NU - hệ số biến đổi điện áp; UT, US - điện áp thứ và sơ cấp.
Sai số này một phần do điện thế sơ cấp tạo dòng điện từ hóa và một phần do tải phía thứ cấp.
Để dùng cho BV, BU được chế tạo thường là ba pha có lõi trụ. Mỗi pha có hai cuộn thứ cấp,
một cuộn nối sao để cho điện thế ba pha cần thiết cho BV và cuộn khác nối nối tiếp thành tam giác
hở dùng để lọc thành phần thứ tự không (H.1.14a). BU một pha cũng được dùng những nơi không cần
điện áp thứ tự không, lúc đó chỉ cần điện áp một pha nối theo kiểu tam giác thiếu (H.1.14b).
US

US
A

B

C

a

b

c

Uo

a)

b)

UT

N

Hình 1.14 Máy biến điện áp
Sơ đồ nối BI, BU với phần đo lường của mạch BV

Phần đo lường của BV nhận thông tin của đối tượng BV từ cuộn dây thứ cấp của BI, BU.
Trạng thái, chế độ đầy đủ của đối tượng BV được xác đònh bằng dòng và áp ba pha tại chỗ đặt
BV. Trong vài trường hợp, để cho BV tác động chỉ cần dòng hai pha hay chỉ cần điện áp giữa các
pha (điện áp dây), trong trường hợp như thế chỉ cần đặt BI ở hai pha và hai biến áp một pha.
Thành phần thứ tự không có thể nhận được bằng cách nối thích hợp giữa các cuộn dây thứ
cấp BI hay BU. Thành phần này cũng có thể nhận được qua bộ lọc của các thành phần thứ tự từ
phần đo lường của BV.

CuuDuongThanCong.com

/>

20

Đối với BV được thực hiện bằng bán dẫn, vi mạch, các thành phần thứ tự của dòng sơ cấp
được tạo bằng phần đo lường của BV, sau khi phần này nhận UT, IT từ BU, BI. Vấn đề kế tiếp được

đặt ra là cần dùng thêm những BI, BU, bộ phận thế, phần dòng trung gian để chuyển dòng và áp
đònh mức từ BI, BU (5A hay 1A và 100V) xuống dòng và áp thích hợp cho phần đo lường bằng bán
dẫn hay vi mạch.
Đối với BV thực hiện bằng vi xử lý, các thành phần và họa tần có thể nhận được bằng cách
tính toán khi đã biết dòng và áp pha.
a- Sơ đồ nối các BI với phần đo lường của BV

I.a

.
Ia
.

.
.

Ib

Ic

Ic

.

Iv

.

Iv
a)

b)

c)

d)

Hình 1.15 Sơ đồ nối BI

Trong mạng có dòng chạm đất bé, BV thường được nối bằng hai BI, thường tất cả các mạch
nối hai pha có cùng tên (ví dụ A và C). Trong mạng điện thế lớn hoặc bằng 100kV, trung tính nối
đất trực tiếp, để BV cần thiết đặt BI cả ba pha. Từ đó có thể có các dạng nối BI như sau:
Hình 1.15a: sơ đồ hình sao khuyết, đường dây khi làm việc bình thường có iv = ia + ic ≠ 0
Hình 1.15b: sơ đồ hình sao hoàn toàn. Đường dây có dòng iv = ia + ib + ic ≠ 0 khi NM một pha
(N ), nghóa là nhận được thành phần thứ tự không 3io = ia + ib + ic
1

Hình 1.15c: sơ đồ số 8; Hình 1.15d: sơ đồ hình tam giác.
Trong sơ đồ hình 1.15c,d, dòng điện chạy vào phần đo lường của BV là iR = ia – ic. Trong tình trạng
đối xứng thì I R = 3 I a = 3 I c .
Ia

Ia

Ia

Ia

Ia
Ib

Ia- Ib

Ib

Ib
Ia

Ic - Ia

Ib- Ic

Ic - Ia

Ib- Ic

Ib
Ic

Ib

Ic

Ic

Ib

Ib

Ic

Ia

Ic

Ic - Ib

Ic

Ia - Ic
Ib
Ic

Ic
Ic - Ib

Ib - Ia

Ia- Ib

Ia - Ic

Ia

Ib - Ia

b)

a)

Hình 1.16 Sơ đồ BI hình tam giác

Sơ đồ đấu BI hình tam giác có thể thực hiện theo hai phương án khác nhau. Hình 1.16 cho
hai cách đấu hình tam giác và giản đồ vectơ tương ứng nhận thấy rằng dòng điện ra thứ cấp của sơ
đồ này không có thành phần thứ tự không. Cách đấu của sơ đồ hình 1.16.a ngược với sơ đồ hình
1.16b. Sơ đồ đấu BI hình tam giác thường được dùng cho BV khoảng cách.

CuuDuongThanCong.com

/>

21

Đối với các BV phản ứng theo các thành phần thứ tự của dòng điện, phần thứ cấp của các
BI đưa qua bộ lọc, ví dụ như bộ lọc thứ tự nghòch như hình 1.17.
Trong trường hợp những BV chống chạm đất có thể dùng cách đấu của các BI để tạo thành bộ
lọc thứ tự không. Sau đây ta khảo sát các bộ lọc thứ tự không cơ bản.
KI2
LI2

RIo

Hình 1.18 Bộ lọc
thứ tự không

Hình 1.17 Bảo vệ nối qua bộ lọc
thứ tự nghòch
Bộ lọc thứ tự không dùng ba máy biến dòng (H.1.18)

Dòng điện đi vào phân tử đo lường của BV là tổng dòng thứ cấp của ba pha. Nếu bỏ qua
dòng từ hóa, ta có

I& + I& B + I&C
3I&o
IR = I& a + I& b + I& c; I& R = A
=
NI
NI

với: I& a, I& b, I& c
I& A, I& B, I& C

- dòng thứ cấp ba pha; NI - tỷ số biến đổi BI
- dòng sơ cấp ba pha.

Khi có NM nhiều pha (không kèm chạm đất), khi có dao động, cũng như đối với dòng phụ tải lúc
&
đó I A + I& B + I& C = 0 và do đó I& o = 0.
Trong thực tế, cần tính đến sai số do BI gây nên bởi dòng từ hóa của chúng. Như vậy ngay
cả khi IA + IB + IC = 0, ta vẫn có Ia + Ib + Ic ≠ 0, nghóa là có dòng điện qua phần đo lường của BV.
Dòng này được gọi là dòng không cân bằng (Ikc).
Nếu kể đến dòng từ hóa (Iµ ) thì dòng qua ĐL là
 I& A − I&µA   I& B − I&µB   I&C − I&µC
+
+
I& R = 
 NI
  NI   NI

 
 
3I&o &

I& R =
− I kc
NI

 I& A + I& B + I&C I&µA + I&µB + I&µC
=
−

NI
NI


I&µA
I&µB
I&µC
với I&kc =
+
+
NI
NI
NI

Tổng các dòng từ hóa thường khác không, vì chúng không có dạng hình sin. Ngoài ra, chúng
khác nhau cả suất lẫn pha gây nên bởi các đặc tuyến từ hóa không tuyến tính không như nhau và
phụ tải thứ cấp các BI không bằng nhau. Giá trò lớn nhất của dòng không cân bằng Ikcmax được tính
ứng với trường hợp NM ba pha. Để hạn chế dòng không cân bằng các BI cần làm việc ở phần
không bão hòa của đặc tuyến từ hóa và cần có dòng từ hóa như nhau, muốn vậy các BI cung cấp
cho BV cần phải:
- Thỏa mãn điều kiện sai số < 10% đối với giá trò dòng NM ba pha
- Có các đặc tuyến từ hóa như nhau ở cả ba pha

- Có phụ tải thứ cấp ở các pha như nhau.

CuuDuongThanCong.com

/>

22

Trong giai đoạn quá độ của NM, dòng Ikc lớn do ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ
của dòng NM, thành phần này làm dòng từ hóa tăng và không giống nhau giữa các BI, khi chọn
các tham số cho các BV tác động tức thời, cần lưu ý đến điều này. Để BV không tác động sai với
dòng không cân bằng, cần chọn dòng tác động của BV lớn hơn Ikc.
Máy biến dòng thứ tự không (BIo)

Trong mạng điện có trung tính không nối đất, thường dòng chạm đất rất bé, nếu dùng bộ lọc
3BI sẽ không đủ độ nhạy để BV tác động. Dòng khởi động sơ cấp của BV này không nhỏ hơn 20 ÷
25A, trong trường hợp này dùng BIo có độ nhạy cao hơn.
Ưu điểm chính của BIo là Ikc rất bé và có khả năng chọn số vòng cuộn thứ cấp tùy điều kiện
bảo đảm cho độ nhạy lớn nhất mà không bò giới hạn bởi phụ tải. Nhờ vậy BIo có khả năng làm cho
BV tác động với dòng sơ cấp 3 ÷ 5A.
Nếu dùng BIo kết hợp với rơle có độ nhạy cao có thể tạo nên BV tác động với dòng sơ cấp 1 ÷ 2A.
iA

iB

iC

1
IV

x

A

x x

B

ĐL

C

ĐL

2
a)

b)

Hình 1.19 Máy biến dòng thứ tự không BIo

Trên hình 1.19a giới thiệu cấu tạo BIo khung từ 1 gồm các lá thép biến áp, có dạng hình
vành khăn hoặc chữ nhật ôm lấy cả ba pha của đường dây được BV, các dây dẫn pha A, B, C chui
qua lỗ của BIo, còn cuộn thứ cấp 2 thì quấn trên khung từ. Các dòng IA, IB, IC tạo trong khung từ từ
thông tương ứng φA, φB, φc. Từ thông tổng của cuộn sơ cấp φΣ = φA + φB + φc
Nếu φΣ ≠ 0: trong cuộn thứ cấp có sức điện động e2 tạo nên dòng trong ĐL. Giá trò từ thông
và dòng tạo ra nó liên hệ qua φ = ωI/R = kI. Khi các dây dẫn các pha có vò trí như nhau đối với
khung từ và cuộn thứ cấp, có thể coi hệ số k của các pha như nhau, khi đó φΣ = φA + φB + φc = k( I& A
+ I& B + I& C)
vì tổng các dòng pha I& A + I& B + I& C = 3Io nên có thể nói là từ thông tổng tạo nên bởi dòng sơ cấp

của BIo tỷ lệ với thành phần thứ tự không φΣ = k3Io

Từ thông tổng φΣ và các đại lượng mà nó tạo nên là SĐĐ thứ cấp e2 và dòng thứ cấp IR chỉ
có thể có khi tổng dòng các pha khác không, hay nói cách khác khi mà trong các dòng pha đi qua
BIo có chứa thành phần thứ tự không.
Trong thực tế, vò trí các dây dẫn pha đối với cuộn thứ không như nhau. Hệ số hỗ cảm các
pha đối với cuộn thứ cấp k có giá trò khác nhau, vì vậy ngay cả khi dòng sơ cấp hoàn toàn cân
bằng, từ thông tổng vẫn khác không. Đó là từ thông không cân bằng tạo nên trong cuộn thứ cấp
sức điện động và dòng không cân bằng. Dòng không cân bằng trong BIo nhỏ hơn rất nhiều so với
bộ lọc dùng ba BI. Trong BIo thực hiện cộng từ thông các dòng Ikc chỉ phụ thuộc vào độ không đối

CuuDuongThanCong.com

/>

23

xứng của vò trí dòng sơ cấp các pha. Để BV đường dây, động cơ, hiện nay người ta chế tạo BIo loại
cáp. Khi cần thiết BV đường dây trên không người ta làm thêm đoạn cáp và đặt BIo trên đoạn đó.
Khi có dòng Iv chạy trở về trong vỏ cáp của đường dây không sự cố mà có đặt BIo, BV đường dây
này có thể tác động sai. Kinh nghiệm vận hành cho biết là theo vỏ cáp bằng thép hay chì có thể có
dòng Iv chạy vòng qua đất. Các dòng này xuất hiện khi chạm đất gần chỗ đặt cáp. Dòng Iv chạy
theo vỏ cáp của đường dây không hư hỏng chạy qua BIo và do đó BV tác động sai.
Để loại trừ điều nêu trên, triệt tiêu ảnh hưởng của dòng đó như sau: vỏ đoạn cáp từ phễu
cho đến BIo đặt cách điện với đất, dây nối đất nối phễu cáp luồn qua lỗ BIo (H.1.19b). Nhờ vậy,
khi có Iv chạy theo vỏ cáp, dòng này qua dây nối đất chạy ngược trở về. Từ thông trong khung từ
của BIo do dòng chạy trong vỏ và dòng nối đất triệt tiêu nhau, nên bằng không. Khung từ của BIo
cũng cần phải cách điện đối với vỏ cáp.
b- Sơ đồ nối BU với phần đo lường của bảo vệ

Sơ đồ cơ bản nối cuộn dây các BU là nối hình sao, tam giác, lọc áp thứ tự không.
Sơ đồ hình sao (có thể dùng ba BU một pha hay BU ba pha)

Sơ đồ ba máy biến áp thường dùng cho mạng từ 35kV trở lên. BU ba pha năm trụ thường
dùng cho mạng dưới 15kV, khi cùng một lúc cần lấy điện áp thứ tự không.
A

B C

a)

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

c)

b)

Hình 1.20 Sơ đồ hình sao

Trong sơ đồ này, cuộn dây sơ cấp BU được nối hình
sao, trung tính nối đất. Bộ phận đo lường của BV có thể
nhận điện áp dây (H.1.20a), điện áp pha (H.1.20b) cũng có
thể nhận áp pha với trung tính giả (H.1.20c), giản đồ vectơ
cho ở (H.1.21).

Uca

Trong trường hợp c, khi tổng trở của các ĐL bằng
nhau thì
U + U ac
U + U ba
U + U cb
U a = ab
; U b = bc
; U c = ca
3
3
3

Uba
N

Ucb

Hình 1.21 Điện áp pha
của hệ thống có trung tính giả

Nếu trung tính của sơ cấp BU không nối đất thì điện
áp trong sơ đồ hình 1.20b sẽ như trong trường hợp c mà trung tính sơ cấp có nối đất.
Sơ đồ tam giác khuyết

Sơ đồ được thực hiện bằng hai biến áp dây (H.1.22). Bộ phận đo lường của BV có thể nối để
nhận điện áp dây và điện áp pha có trung tính giả. Sơ đồ này được dùng khi không cần nhận điện
thế pha với đất.

CuuDuongThanCong.com

/>

24
A

B C

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

ĐL

Hình 1.22 Sơ đồ tam giác khuyết (sơ đồ nối hình chữ V)

Bộ lọc áp thứ tự không: để nhận thành phần điện áp thứ tự không thường dùng ba BU một
pha, hay ba pha năm trụ. Cuộn sơ cấp nối hình sao, trung tính nối đất, cuộn thứ cấp nối tam giác
hở, để nối ĐL vào hình 1.23a.
A

B

C
a
b
c

ĐL
ĐL

b)

a)
Hình 1.23 Sơ đồ nối BU nhận áp thứ tự không

Điện áp nhận được ở ĐL là
U& + U& B + U& C
3U& o
=
U& R = U& a + U& b + U& c ≈ A
kU

kU

Điện áp nhận được tỷ lệ với điện áp thứ tự không, nên sơ đồ này được gọi là bộ lọc áp thứ tự
không.
Điện áp thứ tự không có thể nhận từ trung tính của hệ thống. Ví dụ, trung tính máy phát
(H.1.23b) nối đất qua một máy biến áp một pha. Khi có chạm đất một pha, trung tính có dòng Io và
do đó thứ cấp BU xuất hiện thứ tự không. Để cung cấp áp thứ tự không cho các rơle được cấu tạo
bằng bán dẫn hay vi mạch, người ta có thể nhận áp thứ tự không qua trung gian các bộ lọc thứ cấp
nối vào điện áp pha của cuộn thứ cấp BU (H.1.24). Bộ lọc dùng điện trở (H.1.24a) BU trung gian
tam giác hở (H.1.24b) hay tụ điện.

CuuDuongThanCong.com

/>

25

R
ĐL

a)

ĐL

b)

ĐL

c)

Hình 1.24 Bộ lọc thứ cấp áp thứ tự không

1.3.2 Phần đo lường thứ cấp của bảo vệ - các bộ phận so sánh
Hệ thống BV hình 1.2 gồm có hai phần chính: phần đo lường và lôgic. Phần trên đã khảo sát
các bộ biến đổi đo lường sơ cấp BI, BU. Các đại lượng IR, UR từ các BI và BU đưa vào phần đo
lường thứ cấp của BV (gọi tắt là phần đo lường).
Phần đo lường của BV tùy thuộc vào nguyên tắc tác động của BV mà được thực hiện bằng
một hay nhiều phần tử đo lường. Việc thực hiện những phần tử chức năng của BV phụ thuộc vào
nguyên tắc cấu tạo, thực hiện BV chẳng hạn được thực hiện bằng nguyên tắc điện cơ, linh kiện
bán dẫn, vi mạch hay vi xử lý.
Những thiết bò BV đầu tiên được thực hiện bằng điện cơ, sau đó xuất hiện phần tử điện tử, bán
dẫn, vi mạch. Thời đại ngày nay, việc áp dụng vi xử lý vào lónh vực BV đã rộng rãi. Trong trường
hợp tổng quát, dù BV được thực hiện bằng phương tiện nào, các phần tử của BV cũng có những tính
chất, nguyên tắc chung. Sau đây trình bày những nguyên tắc để thực hiện phần đo lường của BV.
Vì sự xuất hiện các sự cố trong HTĐ sẽ kéo theo biến đổi những đại lượng xoay chiều đặc
trưng cho trạng thái của hệ thống (dòng, áp). Cho nên, một chức năng rất quan trọng trong phạm vi
BV là phát hiện sự thay đổi và đánh giá được tình trạng của đối tượng mình BV mà cho lệnh đi cô
lập sự cố thích hợp.
Ở những BV đơn giản, thực hiện bằng các rơle dòng điện sẽ so sánh dòng điện qua phần tử
BV với giá trò chuẩn không đổi được điều chỉnh bằng tay và rơle sẽ tác động khi dòng điện vượt
quá giá trò chuẩn. Rơle này chỉ có một đại lượng vào là dòng điện còn giá trò chuẩn được thiết lập
qua trung gian của một lò xo, nó còn có tên là giá trò ngưỡng hay mức tới hạn của thông số được
kiểm tra. Những rơle điện tử thỏa mãn một chức năng tương tự như vậy được gọi là bộ phận phát
hiện mức tới hạn, bộ phận phát hiện biên độ, hay bộ phận phân biệt biên độ. Giống như những rơle
dòng điện loại điện cơ, bộ phận phát hiện mức tới hạn chỉ có một đại lượng đi vào và giá trò của
nó sẽ so sánh với giá trò chuẩn và giá trò chuẩn này có thể thực hiện bằng nguồn ổn áp hay nhờ
điod ổn áp (Zener).
Do yêu cầu tính chọn lọc và tác động nhanh, đối với đối tượng được BV có điện áp cao,
công suất lớn, BV khó có thể tác động chọn lọc được nếu chỉ đo một đại lượng vào như dòng, áp
hay góc pha nếu không dùng thời gian trì hoãn, do đó trong những BV tác động nhanh cần phải đo

lường những đại lượng là tổ hợp của những tín hiệu đơn giản là dòng hay áp. Các đại lượng này
được so sánh với đại lượng không chỉ là hằng số mà còn thay đổi phụ thuộc vào chế độ làm việc
của trang thiết bò (ví dụ như BV có hướng khoảng cách...).

CuuDuongThanCong.com

/>