Mô phỏng và đánh giá sự làm việc của các giải thuật bảo vệ so lệch đường dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN QUANG HƯNG

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ LÀM VIỆC
CỦA CÁC GIẢI THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH ĐƯỜNG DÂY

Chuyên ngành: Hệ Thống Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Đức Huy

Hà Nội – Năm 2017


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan tồn bộ luận văn này do chính bản thân tơi nghiên cứu,
tính tốn và phân tích. Số liệu đƣa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính tốn trung
thực của tơi, khơng sao chép của ai hay số liệu đã đƣợc công bố. Nếu sai với lời
cam kết trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Hƣng

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
LỜI MỞ ĐẦU

Luận văn này nghiên cứu sự làm việc của giải thuật bảo vệ so lệch dùng cho
bảo vệ đƣờng dây. Giải thuật của rơle bảo vệ so lệch đƣợc dựa trên biến đổi Fourier
của các thành phần dòng điện các phía đƣờng dây. Đây là giải thuật đƣợc sử dụng
phổ biến trong các rơle bảo vệ kỹ thuật số.
Giải thuật của rơle bảo vệ so lệch đƣợc kiểm nghiệm bằng số liệu thu đƣợc
từ mơ hình mơ phỏng sự đƣờng dây 220kV với hai nguồn cấp. Để tăng tính thực tế
của mơ phỏng, luận văn đã xét đến mơ hình bão hòa của máy biến dòng, cũng nhƣ
các ảnh hƣởng khác của đƣờng dây tải điện nhƣ điện dung của đƣờng dây hay sai số
do độ trễ đƣờng truyền tín hiệu.
Các kết quả mơ phỏng và phân tích sự làm việc của mơ hình bảo vệ so lệch
cho thấy mơ hình rơle bảo vệ so lệch làm việc đúng và tin cậy, các kết quả thu đƣợc
phù hợp với lý thuyết về bảo vệ so lệch đƣờng dây. Kết quả nghiên cứu có thể đƣợc
ứng dụng để phân tích bản ghi sự cố và kiểm chứng sự làm việc của các rơle bảo vệ

so lệch đƣờng dây trên thực tế.
Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo TS. Nguyễn Đức Huy cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện
Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình trong
suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và có những đóng góp quý báu cho bản luận văn.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................6
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................7
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................8
CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU .............................................................................................10
1.1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................10
1.2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................10
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................11
CHƢƠNG II: BẢO VỆ CHO ĐƢỜNG DÂY ..........................................................12
2.1. Các yêu cầu của hệ thống bảo vệ và tự động hóa cho đƣờng dây cao áp ......12

2.2. Phƣơng thức bảo vệ đƣờng dây......................................................................13
2.2.1. Phƣơng thức bảo vệ cơ bản cho đƣờng dây ............................................13
2.2.2. Các nguyên lý bảo vệ cơ bản cho đƣờng dây .........................................14
2.3. Các ảnh hƣởng làm cho sai số bảo vệ cần quan tâm ......................................26
2.4. Vai trị của tự động hóa và bảo vệ trong hệ thống điện .................................26
CHƢƠNG III: THUẬT TOÁN BẢO VỆ SO LỆCH CHO ĐƢỜNG DÂY ............27
TRÊN MATLAB-SIMPOWERSYSTEMS ..............................................................27
3.1. Mơ hình đƣờng dây ........................................................................................27
3.2. Bảo vệ so lệch theo dòng truyền thống dựa vào giá trị độ lớn của tín hiệu
dịng điện đo đƣợc từ các phía. .............................................................................29
3.3. Bảo vệ so lệch theo góc alpha plane ..............................................................31
CHƢƠNG IV: CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .........................................................35
4.1. Giới thiệu mơ hình mơ phỏng ........................................................................35
4.2. Các kết quả mơ phỏng ....................................................................................36
4.2.1. Mơ hình bảo vệ so lệch đƣờng dây theo alpha plane ..............................36
4.2.2. Mơ hình bảo vệ so lệch đƣờng dây theo dòng điện ................................44
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN........................................................................................53
5.1. Những kết quả đạt đƣợc .................................................................................53
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

5.2. Định hƣớng phát triển đề tài ..........................................................................54
PHỤ LỤC ..................................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BI, CT

Biến dịng điện

TTK

Thứ tự khơng

TTT

Thứ tự thuận

TTN

Thứ tự nghịch

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Phƣơng trình tính tốn các vịng tổng của rơle khoảng cách ...................23
Bảng 2.2: Thời gian loại trừ sự cố trên các phần tử theo quy định ...........................26

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Phƣơng thức bảo vệ cơ bản cho đƣờng dây. .............................................14
Hình 2.2: Nguyên lý bảo vệ so lệch cơ bản. .............................................................15
Hình 2.3: Sự cố ngồi vùng bảo vệ. ..........................................................................15
Hình 2.4: Sự cố trong vùng bảo vệ. ..........................................................................16
Hình 2.5: Đặc tính bảo vệ so lệch theo dịng điện. ...................................................17
Hình 2.6: Bảo vệ so lệch SEL. ..................................................................................18
Hình 2.7: Nguyên lý cơ bản của bảo vệ so lệch theo góc pha. .................................19
Hình 2.8: Đặc tính bảo vệ theo alpha plane. .............................................................19
Hình 2.9: Bảo vệ khoảng cách cho đƣờng dây. .......................................................20

Hình 2.10: Các đặc tính cơ bản của bảo vệ khoảng cách. .........................................21
Hình 2.11: Chỉnh định các vùng bảo vệ cho bảo vệ khoảng cách. ...........................22
Hình 2.12: Minh họa các vùng bảo vệ cho bảo vệ khoảng cách. ..............................22
Hình 2.13: Nguyên lý phân cấp của bảo vệ q dịng...............................................24
Hình 3.1: Mơ hình đƣờng dây ngắn. .........................................................................27
Hình 3.2: Mơ hình thay thế hình PI. .........................................................................28
Hình 3.3: Mơ hình thay thế hình T. ...........................................................................28
Hình 3.4: Phƣơng pháp khảo sát mơ hình đƣờng dây dài. ........................................28
Hình 3.5: Chỉnh định giá trị dịng so lệch theo dịng điện. .......................................30
Hình 3.6: Logic gửi lệnh cắt tới máy cắt theo độ lớn dịng điện. .............................31
Hình 3.7: Ngun lý cơ bản của bảo vệ so lệch góc. ................................................32
Hình 3.8: Loại trừ ảnh hƣởng cho bảo vệ. ................................................................32
Hình 3.9: Logic gửi lệnh cắt tới máy cắt theo Alpha plane. .....................................33
Hình 4.1: Mơ hình mơ phỏng lƣới điện 220kV có 2 nguồn cấp. ..............................35
Hình 4.2: Thơng số đƣờng dây L1 bảo vệ. ...............................................................35
Hình 4.3: Dịng điện làm việc trong chế độ bình thƣờng..........................................36
Hình 4.4: Điểm làm việc trong chế độ bình thƣờng. ................................................36
Hình 4.5: Ngắn mạch pha A khi chƣa có bảo vệ. ....................................................37
Hình 4.6: Độ lệch góc pha dịng điện hai phía trong chế độ bình thƣờng. ...............37
Hình 4.7: Độ lệch góc pha A hai phía khi rơle gửi lệnh cắt máy cắt. .......................38
Hình 4.8: Tín hiệu cắt máy cắt từ mô phỏng.............................................................39
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Hình 4.9: Điểm làm việc tính tốn. ...........................................................................39
Hình 4.10: Điểm làm việc khi có độ trễ đƣờng truyền. ............................................40
Hình 4.11: Ảnh hƣởng độ trễ đƣờng truyền tới alpha plane. ....................................40
Hình 4.12: Điểm làm việc khi tăng điện dung khi tăng chiều dài đƣờng dây: .........41
Hình 4.13: Ảnh hƣởng của điện dung đến đặc tính góc............................................41
Hình 4.14: Điểm làm việc khi xảy ra bão hịa BI. ....................................................42
Hình 4.15: Dịng so lệch và dịng hãm trong chế độ làm việc bình thƣờng. ............44
Hình 4.16: Dịng điện so lệch và dịng hãm. .............................................................45
Hình 4.17: Thời gian cắt của máy cắt. ......................................................................45
Hình 4.18: Điểm làm việc theo dịng hãm và dịng so lệch. .....................................46
Hình 4.19: Dịng so lệch và dòng hãm khi độ trễ đƣờng truyền 2ms. ......................47
Hình 4.20: Tín hiệu máy cắt với độ trễ đƣờng truyền 2ms. ......................................47
Hình 4.21: Dịng so lệch và dịng hãm khi độ trễ đƣờng truyền 4ms. ......................48
Hình 4.22: Tín hiệu máy cắt với độ trễ đƣờng truyền 4ms. ......................................48
Hình 4.23: Tín hiệu máy cắt với độ trễ đƣờng truyền 4ms. ......................................49
Hình 4.23: Dịng so lệch và dịng hãm khi tăng điện dung. ......................................50
Hình 4.24: Tín hiệu cắt khi chỉnh định lại giá trị cài đặt cho rơle. ...........................50
Hình 4.25: Dịng bão hịa của BI. ..............................................................................51
Hình 4.26: Dịng so lệch khi bão hịa BI. ..................................................................51
Hình 4.27: Tác động nhầm của rơle khi có hiện tƣợng bão hịa. ..............................52

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
CHƢƠNG I

MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong sơ đồ bảo vệ đối với các thiết bị điện quan trọng trong hệ thống điện,
nguyên lý bảo vệ so lệch đƣợc sử dụng phổ biến vì nó thỏa mãn tốt nhất tiêu chí
đảm bảo tính chọn lọc, có độ nhạy tốt và độ tin cậy tác động cao.
Với sự phát triển ngày một phát triển của kỹ thuật số hiện đại thì rơle so lệch
cũng đƣợc nghiên cứu, cải tiến phát triển từ các thế hệ rơle điện cơ tới rơle tĩnh và
rơle số nhƣ ngày nay. Có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết nhằm đảm
bảo sự hoạt động tin cậy của bảo vệ so lệch cho đƣờng dây nhƣ đánh giá sai số gây
ra do sự bão hòa BI, ảnh hƣởng của điện dung đƣờng dây, hay độ trễ đƣờng truyền
tín hiệu.
Cùng với đó, hiện nay việc mơ hình hóa các phần tử trong hệ thống điện đã
trở nên cần thiết, nhằm kiểm tra, đánh giá sự làm việc của thiết bị cả trƣớc và sau
khi áp dụng thực tế. Với công cụ mô phỏng hiện đại nhƣ EMTP, Matlab/Simulink,
ngƣời nghiên cứu có thể xây dựng đƣợc mơ hình rơle bảo vệ dựa trên các giải thuật
khác nhau, kết hợp với các khối thiết bị có sẵn trong thƣ viện mô phỏng để tiến
hành mô phỏng các dạng sự cố và phân tích sự làm việc của rơle. Mặt khác, công cụ
mô phỏng giải thuật làm việc của rơle kỹ thuật số cịn có thể đƣợc sử dụng để phân
tích các bản ghi sự cố và đối chứng với sự làm việc của các rơle trên thực tế. Từ các
kết quả mơ phỏng, ngƣời sử dụng có thể đánh giá lƣợng hóa đƣợc ảnh hƣởng của
các yếu tố khác nhau đến sự làm việc của rơle kỹ thuật số, từ đó đƣa ra các điều
chỉnh phù hợp về mặt chỉnh định các thông số cài đặt, cũng nhƣ lựa chọn hợp lý các
thiết bị đo lƣờng và mạch nhị thứ.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng giải thuật của bảo vệ so lệch đƣờng dây”
đƣợc thực hiện nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic của rơle bảo vệ so lệch
dƣờng dây của các hãng cung cấp rơle bảo vệ ngày nay, và thực hiện các mô phỏng
sự làm việc của rơle bảo vệ so lệch dựa trên phần mềm MATLAB Simulink
/Simpowersystems.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu giải thuật của rơle bảo vệ so lệch kỹ thuật số nhằm bảo vệ
các đƣờng dây. Giải thuật bảo vệ so lệch cần xét đến đƣợc sai số do bão hòa BI và
logic khóa khi bão hịa BI, sai số do độ trễ đƣờng truyền tín hiệu hai phía, và
nguyên lý bảo vệ cơ bản của một số hãng nhƣ SIEMENS, SEL.
Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
 Chƣơng I: Mở đầu.
 Chƣơng II: Trình bày lý thuyết cơ bản về bảo vệ so lệch đƣờng dây.
 Chƣơng III: Trình bày sơ đồ thuật tốn của rơle bảo vệ kỹ thuật số sử
dụng cho bảo vệ đƣờng dây.
 Chƣơng IV: Trình bày một số kết quả mơ phỏng sự làm việc của rơle
bảo vệ so lệch.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng
CHƢƠNG II
BẢO VỆ CHO ĐƢỜNG DÂY

2.1. Các yêu cầu của hệ thống bảo vệ và tự động hóa cho đƣờng dây cao áp
Để đảm bảo độ tin cậy tối đa trong vận hành các đƣờng dây, các thiết bị bảo
vệ và tự động đặt cho đƣờng dây cao áp cần phải thỏa mãn các yêu cầu đặc biệt về
tác động nhanh, chọn lọc, nhạy và tin cậy.
Tin cậy: Đó là mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle 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 đƣợc xác định trong nhiệm vụ bảo vệ, cịn độ tin
cậy khơng tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thƣờng
hoặc sự cố xảy ra ngồi phạm vi bảo vệ đã đƣợc quy định.
Chọn lọc: Chọc lọc là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng
phần tử bị sự cố ra khỏi hệ hống. Cấu hình hệ thống điện càng phức tạp, việc đảm
bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn. Theo nguyên lý làm việc, các bảo về
đƣợc phân ra: bảo vệ có sự chọn lọc tuyệt đối và bảo vệ có sự chọn lọc tƣơng đối.
Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có chọn lọc tƣơng 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.
Tác động nhanh: Rơle tác động nhanh (hay cịn gọi là có tốc độ cao) nếu thời
gian tác động không vƣợt quá 50ms (2,5 chu kỳ dao động của dòng điện tần số công
nghiệp 50Hz). Rơle hay bảo vệ đƣợc gọi là tác động tức thời nếu không thông qua
khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động của rơle. Thông thƣờng hai khái niệm tác
động nhanh và tác động tức thời đƣợc dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các bảo vệ có
thời gian tác động khơng q 50ms. Ngồi thời gian tác động của rơle, việc loại
nhanh phần tử bị sự cố còn phụ thuộc vào tốc độ thao tác của máy cắt điện.
Các máy cắt điện tốc độ cao hiện đại có thời gian thao tác từ 20 đến 60ms (từ 1
đến 3 chu kỳ 50Hz). Những máy cắt thông thƣờng có thời gian thao tác khơng qua 5

chu kỳ (khoảng 100 ms ở 50Hz). Nhƣ vậy thời gian loại trừ sự cố (thời gian làm
việc của bảo vệ cộng với thời gian thao tác máy cắt) khoảng từ 2 đến 8 chu kỳ
(khoảng 40 đến 160 ms 50Hz) đối với các bảo vệ tác động nhanh.
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 12


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Bảo vệ phát hiện và cách ly phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt, 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.
Nhạy: Độ nhạy đặc trƣng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơle hoặc hệ
thống bảo vệ, nó đƣợc biểu diễn bằng hệ thống độ nhạy, tức tỉ số giữa trị số của
đại lƣợng vật lý đặt vào rơle có sự cố với ngƣỡng tác động của nó. Sự sai khác giữa
trị số đại lƣợng vật lý đặt vào rơle và ngƣỡng tác động của nó càng lớn, rơle càng dễ
cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, hay ta thƣờng nói rơle tác động càng nhạy. Độ
nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất phải
kể đến chế độ làm việc của hệ thống (mức huy động nguồn) cấu hình của lƣới điện,
dạng ngắn mạch và vị trí điểm ngắn mạch, nguyên lý làm việc của rơle, đặc tính
của q trình q độ trong hệ thống điện ... Tuỳ theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu
về độ nhạy đối với nó cũng khác nhau. Các bảo vệ chính thƣờng u cần phải có hệ
số độ nhạy trong khoảng từ 1,5 đến 2 còn các bảo vệ dự phòng từ 1,2 đến 1,5.
2.2. Phƣơng thức bảo vệ đƣờng dây
2.2.1. Phƣơng thức bảo vệ cơ bản cho đƣờng dây
Đối với các đƣờng dây truyền tải ngày nay đều sử dụng các kênh cáp quang
để trao đổi dữ liệu nên việc phối hợp làm việc các rơle bảo vệ trở nên dễ dàng hơn,

đặc biệt cho bảo vệ so lệch và liên động các bảo vệ khoảng cách.
Phƣơng thức bảo vệ cơ bản cho đƣờng dây tùy thuộc vào mức độ quan trọng
của đƣờng dây ngƣời ta có thể đƣa ra phƣơng thức bảo vệ khác nhau. Xét đƣờng
dây có một sợi cáp quang phƣơng thức bảo vệ cho đƣờng dây nhƣ sau:
Bảo vệ chính tích hợp các chức năng:
87L: Bảo vệ so lệch đƣờng dây
21/21N: Bảo vệ tổng trở thấp
67/67N: Bảo vệ q dịng có hƣớng
50/51: Bảo vệ q dịng cắt nhanh và q dịng có thời gian
50N/51N: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh TTK và quá dòng TTK có thời gian
79/25: Tự đóng lại/kiểm tra và hịa đồng bộ
27/59: Thấp áp/quá áp

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

50BF: Chức năng gửi tín hiệu tới các rơle cấp trên để cách ly sự cố khi máy cắt
chình từ chối làm việc
85, 74: Kênh truyền và giám sát mạch cắt
Bảo vệ dự phịng tích hợp các chức năng: 21/21N, 67/67N,50/51, 50N/51N, 79/25,
27/59, 50BF, 85, 74
Với các chức năng đƣợc tích hợp đầy đủ nhƣ trên đƣờng dây có thể đƣợc bảo vệ
chống lại mọi dạng sự cố có thể xảy ra.

Hình 2.1: Phương thức bảo vệ cơ bản cho đường dây.

2.2.2. Các nguyên lý bảo vệ cơ bản cho đƣờng dây
2.2.2.1. Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch đường dây theo dòng điện
Bảo vệ so lệch làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện hay nguyên lý cân
bằng dòng. Bảo vệ này dựa trên nguyên tắc dòng rời khỏi một đối tƣợng bảo vệ
trong điều kiện bình thƣờng bằng dịng đƣa vào nó. Bất cứ sự sai lệch nào cũng chỉ
thị sự cố bên trong vùng bảo vệ. Các cuộn dây thứ cấp của biến dịng CT1 và CT2
có cùng tỷ số biến, đƣợc nối để có dịng điện nhƣ hình vẽ (hình 2.2). Thành phần đo
M đƣợc nối ở điển cân bằng điện. Trong điều kiện bình thƣờng khơng có dịng điện
chạy qua thành phần đo M.
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

i1

i

i2

i

I

I

I1

I2

CT1

CT2

i1 + i2

M
I1 + I2

Hình 2.2: Nguyên lý bảo vệ so lệch cơ bản.

Đối với các sự cố xảy ra bên ngoài vùng bảo vệ và ở chế độ vận hành bình
thƣờng (hình 2.3), dịng điện đo đƣợc từ rơle bảo vệ là giá trị của dịng điện chênh
lệch từ phía thứ cấp của các máy biến dòng điện đƣợc đấu nối theo kiểu so lệch
nhau. Trong hình vẽ này biểu diễn sự phân bố dòng điện trên mỗi pha. Về trị số
dòng điện, i1 và i2 là dòng điện sơ cấp trên các đƣờng dây đi vào hoặc đi ra khỏi
vùng bảo vệ. I1 và I2 là dịng điện của phía thứ cấp máy biến dịng.
i1

i2

I1

I2

CT2

CT1

M
I1

I2

Hình 2.3: Sự cố ngồi vùng bảo vệ.

Khi có sự cố ngồi vùng gây ra dịng ngắn mạch lớn chảy qua vùng bảo vệ,
các đặc tính từ hóa khác nhau của biến dịng trong điều kiện bão hịa từ hóa gây ra
dịng điện đáng kể chạy qua M. Nếu dòng này nằm trong ngƣỡng tác động, hệ thống
đƣa ra lệnh cắt. Vì vậy cần có cơ chế hạn chế ảnh hƣởng sai số của máy biến dòng
đƣợc gọi là cơ chế hãm. Trong bảo hệ thống bảo vệ so lệch, đối tƣợng bảo vệ với
hai phía dòng điện hãm đƣợc suy ra từ dòng so lệch do vậy dịng hãm đƣợc tính
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

bằng | I1  I2 | (với quy ƣớc chiều dòng điện đi vào đối tƣợng đƣợc bảo vệ), hoặc
bằng | I1 |  | I2 |
Dòng so lệch Isl (làm việc) xác định theo:

ISL  I | I1  I2 | ILV

(2-1)

Cịn dịng hãm đƣợc tính theo cơng thức

IH | I1 |  | I2 |

(2-2)

Giá trị của dòng điện hãm và so lệch trong trƣờng hợp sự cố ngoài vùng,
hoặc trong điều kiện làm việc bình thƣờng: I1 là dịng điện thứ cấp máy biến dòng đi
vào vùng bào vệ, I2 là dòng điện thứ cấp máy biến dòng đi ra khỏi vùng bảo vệ,
trong trƣờng hợp này I2  I1 ; và do đó | I1 || I2 | .

ISL  I1  I2  I1  I1  0

(2 - 3)

IH  I1  I2  I1  I2

(2 - 4)

i1

i2

I1

I2

CT2

CT1

M
I1 + I2

Hình 2.4: Sự cố trong vùng bảo vệ.

Đối với các sự cố xảy ra bên trong vùng bảo vệ, nhƣ đƣợc biểu diễn trong
hình 2.4, dịng điện tác động của rơle bảo vệ so lệch bằng tổng của các dòng điện
đầu vào cấp cho điểm sự cố. Đây là dòng điện sự cố tổng theo đơn vị ampe phía thứ
cấp. Khi có sự cố bên trong phần tử đƣợc bảo vệ, các dòng điện ở mỗi đầu khơng
bằng nhau. Thành phần M đo đƣợc dịng I1  I2 tỷ lệ với dòng i1  i 2 là tổng dịng sự
cố chạy từ hai phía. Nếu dịng điện I1  I2 này đủ lớn, bảo vệ so lệch tác động và cắt
máy cắt ở hai phía của phần tử bảo vệ.
Dòng so lệch ISl (làm việc) xác định theo:
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

ISL  I  I1  I2  ILV

(2-5)

Còn dòng hãm đƣợc tính theo cơng thức

IH  I1  I2

(2-6)

Giá trị của dòng điện so lệch và dòng hãm trong các trƣờng hợp sự cố trong
vùng đƣợc tính nhƣ sau:
Sự cố ngắn mạch trong vùng: Dịng hai phía bằng nhau I2  I1 do đó | I2 || I1 |

ISL | I1  I2 || I1  I1 | 2 | I1 |

(2 -7)

IH | I1 |  | I2 || I1 |  | I1 | 2 | I1 |

(2 -8)

Giá trị tổng đại số dòng so lệch và dòng hãm là bằng nhau
Sự cố ngắn mạch trong vùng: Với dòng chỉ một phía (từ phía cao áp), khi đó

I2  0 .

ISL | I1  I2 || I1  0 || I1 |

(2 -9)

IH | I1 |  | I2 || I1 |

(2 -10)

Hình 2.5: Đặc tính bảo vệ so lệch theo dòng điện.

Ta thấy giá trị tổng đại số dòng so lệch và dòng hãm là bằng nhau. Ảnh
hƣởng tác động giá trị của dòng so lệch và dòng hãm tƣơng đƣơng nhau bằng tổng
dòng điện sự cố chạy qua mỗi phía. Phân tích trên cho thấy rằng với sự cố trong
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

vùng ISL  IH vì vậy đƣờng đặc tính sự cố trong vùng là đƣờng thẳng với độ dốc
=1 (450) trong đặc tính tác động của chức năng bảo vệ so lệch theo hình 2.5.
Theo hình vẽ đƣờng đặc tính tác động gồm 03 đoạn:
Nhánh a mô tả ngƣỡng độ nhạy của bảo vệ so lệch biểu thị dòng điện khởi
động ngƣỡng thấp (IDIFF>). Nhánh này là ngƣỡng tác động thấp của bảo vệ so lệch,
đƣợc xác định dựa trên sai số cố định của dòng điện so lệch. Trong trƣờng hợp bảo
vệ so lệch cho đƣờng dây thƣờng chọn giá trị này là 1p.u theo khuyến cáo của hãng.
Nhánh b đặc tính xem nhƣ là dịng điện tỷ lệ thuận với dòng sự cố, với
nguyên tắc khi dòng sự cố tăng thì sai số do các máy biến dịng cũng tăng lên.
Nhánh này cũng đƣợc sử dụng để ngăn ngừa sự tăng lên của dòng điện so lệch trong
điều kiện làm việc bình thƣờng.
Nhánh c: trong dải dịng điện tăng cao làm tăng độ bão hòa từ máy biến dòng
xuất hiện hiện tƣợng các máy biến dịng bão hịa khơng giống nhau vì vậy có tính

đến chức năng khóa bảo vệ.
2.2.2.2. Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch đường dây theo góc pha dịng điện hai
phía
Ngồi phƣơng pháp sử dụng dòng điện so lệch để bảo vệ so lệch cho đƣờng
dây có thể sử dụng tới góc pha dịng điện vào ra khỏi đối tƣợng. Nguyên lý bảo vệ
này đƣợc tích hợp trong rơle SEL-311L để bảo vệ cho đối tƣợng nhƣ trên hình 2.6

Hình 2.6: Bảo vệ so lệch SEL.

Hình 2.6 giúp hiểu đƣợc phần tử bảo vệ so lệch làm việc bảo vệ cho đƣờng
dây, mặt phẳng alpha thể hiện tỉ số phức của dịng điện phía xa (IR) so với dịng
điện tại vị trí địa phƣơng (IL).
Giả sử phân định dòng điện chảy vào đƣờng đƣợc bảo vệ để có góc bằng 0 ,
và dịng điện chảy ra khỏi đƣờng dây bảo vệ có góc 180O. Dịng tải là 5A thì dịng
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

điện 50 tại rơle địa phƣơng và 5180 tại rơle phía xa (tƣơng ứng với các pha
lệch nhau 120 ). Các tỷ lệ dòng điện từ xa so với tại địa phƣơng là:

Hình 2.7: Nguyên lý cơ bản của bảo vệ so lệch theo góc pha.

Hình 2.8: Đặc tính bảo vệ theo alpha plane.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng


I AR




5180
 1180
50



560
 1180
5  120



5  60
 1180
5120

I AL


I BR


I BL


I CR

I CL

Chế độ làm việc bình thƣờng hay khi bị sự cố ngồi đƣờng dây thì tỷ số xét
là 1180 nên lấy xung quanh điểm 1180 làm vùng hãm. Độ rộng của vùng hãm
phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố nhƣ ảnh hƣởng của điện dung đƣờng dây, sai số
của bão hòa BI, sai số do độ trễ đƣờng truyền … Đặc tính bảo vệ theo nguyên lý
này nhƣ trên hình 2.8.
2.2.2.3. Bảo vệ khoảng cách đường dây
Bảo vệ khoảng cách hay còn gọi là bảo vệ tổng trở thấp, nguyên lý làm việc
theo tổng trở đo đƣợc từ điểm đo đến vị trí sự cố. Thơng thƣờng bảo vệ khoảng
cách thƣờng đặt các vùng bảo vệ và phối hợp thời gian cho các vùng phụ thuộc vào
tổng trở đo đƣợc tại vị trí đặt rơle.
Nguyên lý làm việc của bảo vệ: Bảo vệ khoảng cách dựa trên các giá trị dòng
điện và điện áp tại điểm đặt rơle để xác định tổng trở sự cố. Nếu tổng trở sự cố này
nhỏ hơn giá trị tổng trở đã cài đặt trong rơle thì rơle sẽ tác động nên đƣợc gọi là rơle
tổng trở thấp Z< (hoặc 21). Tổng trở gồm hai thành phần R & X: để thuận tiện phân
tích sẽ sử dụng mặt phẳng tổng trở để biểu diễn sự làm việc của bảo vệ khoảng
cách.

Xét sơ đồ đơn giản nhƣ trên:
ZD

Phía hệ thống
Z sự cố

Z phụ tải

Z<

Hình 2.9: Bảo vệ khoảng cách cho đường dây.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Tổng trở đo đƣợc trong các chế độ: Trong chế độ làm việc bình thƣờng tổng
trở đo đƣợc chính bằng ZD  ZPT , khi bị sự cố trên đƣờng dây tổng trở đo đƣợc của
rơle sẽ có giá trị nhỏ hơn tổng trở ZD .Vì có sai số do thiết bị hay sự cố qua tổng trở
trung gian cho nên các rơle thƣờng xây dựng nên các vùng bảo vệ bằng cách mở
rộng vùng bảo vệ về các phía. Các dạng đặc tính cơ bản gồm có đặc tính MhO, đặc
tính elip, đặc tính đƣờng trịn, và đặc tính đa giác nhƣ trên.

Hình 2.10: Các đặc tính cơ bản của bảo vệ khoảng cách.

- Đặc tính MhO: đƣợc trang bị cho các rơle thế hệ cũ do vấn đề hạn chế về
cơng nghệ chế tạo.
- Rơle đời mới: đặc tính làm việc chia ra nhiều vùng hơn, bám sát đặc tính của
đối tƣợng cần bảo vệ.
- Cùng một đƣờng dây cần bảo vệ & điện trở hồ quang: đặc tính tứ giác hoạt
động chọn lọc hơn.
Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Việc tính toán chỉnh định cho các giá trị của bảo vệ khoảng cách (xét bảo vệ có 3
vùng tác động).
Xét đối tƣợng đƣợc bảo vệ nhƣ hình 2.11:
B

A

R3

F1

R1

R2

C

F3

R5

R4

F2

E

F4

R7

D
R6

R8

Hình 2.11: Chỉnh định các vùng bảo vệ cho bảo vệ khoảng cách.

- Vùng I:
Tác động tức thời khi sự cố xảy ra trong vùng I, do sai số đo nên không thể cài
đặt bảo vệ 100% đƣờng dây nên vùng I bảo vệ khoảng 80  90% đƣờng dây đƣợc
bảo vệ(AB).
- Vùng II:
Đƣợc chỉnh định tối thiểu từ 120 150% giá trị tối thiểu để đảm bảo sự cố trên
thanh góp B sẽ không rơi vào vùng I của bảo vệ 1. Vùng II của bảo vệ 1 không thể

vƣợt quá vùng I của bảo vệ liền kề thƣờng thì đặt bằng 50% của đƣờng dây ngắn
nhất.
- Vùng III:
Vùng III của bảo vệ 1 sẽ đƣợc cài đặt để bao trùm đƣờng dây dài nhất từ thanh
góp B và khơng vƣợt q vùng II của các bảo vệ chính cho đƣờng dây đó. Vùng này
tính tới khả năng tải của đƣờng dây và trƣờng hợp xảy ra dao động công suất.
Đường dây 1
A

Vùng I – Bảo vệ 1

Đường dây 2
B
10-15%

Vùng I – Bảo vệ 2

Đường dây 3
C

Vùng I – Bảo vệ 3

10-15%

D
10-15%

Nguồn

Hình 2.12: Minh họa các vùng bảo vệ cho bảo vệ khoảng cách.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Khi chỉnh định bảo vệ cho vùng 3 còn đƣợc chỉnh định thêm vùng hƣớng
ngƣợc để gia tăng hiệu quả của bảo vệ, bảo vệ dự phịng cho thanh góp, giá trị chỉnh
định khoảng 25% tổng trở vùng I có thể dung đặc tính vơ hƣớng.
Hình 2.12 minh họa cho việc chỉnh định các vùng cho bảo vệ khoảng cách
Rơle khoảng cách tính tốn tổng trở nhƣ trong bảng:
Bảng 2.1: Phương trình tính tốn các vịng tổng của rơle khoảng cách

Vịng sự cố

Phƣơng trình tính tốn

Sự cố pha đất

ZAG  VA / (1  k 0 )I A

A-G, B-G, C-G

ZBG  VB / (1  k 0 )I B
ZCG  VC / (1  k 0 )IC

Sự cố 3 pha ABC

ZABC  VA/B/C / IA/B/C

Sự cố 2 pha

ZAB   VA  VB  / (I A  I B )

A-B, A-C, B-C

ZAC   VA  VC  / (I A  IC )
ZBC   VB  VC  / (I B  IC )

Các yếu tố ảnh hƣởng tới bảo bệ khoảng cách có thể liệt kê gồm có:
-

Ảnh hƣởng của điện trở sự cố: Sự cố trên đƣờng dây tải điện thƣờng kèm
theo hồ quang (có tính chất điện trở) làm cho tổng trở đo đƣợc bị sai lệch,
điểm sự cố có xu hƣớng tăng theo chiều tăng của điện trở trên trục tham
chiếu R – X làm vùng rơle nhìn thấy có thể bị sai dẫn tới thời gian cắt những
sự cố gần bị trễ. Có thể khắc phục bằng cách sử dụng đặc tính tác động có
thể mở rộng theo chiều R.

-

Ảnh hƣởng của dao động điện: hiện tƣợng dao động của công suất tác động
cà công suất phản kháng thƣờng xảy ra khi thệ thống chịu những kích động
lớn (ví dụ ngắn mạch). Dao động cơng suất có thể thể hiện nhƣ dao động
tổng trở nếu khơng có các biện pháp can thiệp thì dao động cơng suất có thể
làm rơle tác động gây nên các hậu quả ngiêm trọng cho lƣới điện. Để phát

hiện hiện tƣợng này các rơle sử dụng những nguyên lý khác nhau nhƣng
truyền thống nhất là đo tốc độ thay đổi tổng trở để phát hiện. Khi sự cố tốc
độ biến thiên dZ / dt rất lớn có thể coi là vơ cùng cịn khi dao động điện thì
giá trị này là giới hạn.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Ảnh hƣởng của phụ tải: Tải của đƣờng dây cũng có thể biểu diễn dƣới dạng
tổng trở, trên mặt phẳng tổng trở, vùng tải đƣợc ở rộng hay co hẹp tùy theo
hệ số công suất của tải. Trƣờng hợp đƣờng dây dài, mang tải nặng, vùng tải
có thể chồng lấn vào đặc tính tác động. Chồng lấn tải ảnh hƣởng tới vùng 3
của bảo vệ khoảng cách.

-

Sự cố gần điện áp xấp xỉ bằng 0 rơle làm việc khơng chính xác. Giải pháp
dùng các mẫu trƣớc đó rơle đo đƣợc phục vụ tính tốn.

-

Bảo vệ các đƣờng dây song song: Các đƣờng dây làm việc song song với
nhau có thể gặp hiện tƣợng hỗ cảm khi xảy ra sự cố không đối xứng từ

đƣờng này sang đƣờng khác. Tổng trở tƣơng hỗ TTT và TTN thƣờng nhỏ có
thể bỏ qua nhƣng tổng trở tƣơng hỗ TTK có giá trị lớn (có thể tới 50  70%
tổng trở đƣờng dây).

-

Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dịng: Khi có phân bố dịng có thể làm co vùng
tác động hoặc mở rộng vùng tác động.
Việc phối hợp các rơle khoảng cách sao cho thời gian loại trừ sự cố nhanh

nhất tƣơng đối phức tạp, trong khuôn khổ luận văn này chỉ đƣa ra một số khái
niệm cơ bản về bảo vệ khoảng cách cho đƣờng dây.
2.2.2.4. Bảo vệ quá dòng điện
Bảo vệ quá dòng có thời gian
Bảo vệ q dịng có chức năng chống lại các dạng ngắn mạch trên lƣới, bảo
vệ khởi động khi dòng điện đo đƣợc của một pha, hai pha hay cả ba pha vƣợt quá
giới hạn chỉnh định, phối hợp giữa các bảo vệ theo phân cấp thời gian, thời gian trễ
phụ thuộc vào đặc tính làm việc của rơle và độ lớn dòng điện đo đƣợc.
Việc phối hợp bảo vệ 1 và 2 ngƣời ta phân cấp thời gian sao cho khi sự cố tại
N2 thì cả hai bảo vệ cùng khởi động nhƣng thời gian tác động của bảo vệ 2 sẽ
nhanh hơn để rơle tác động có tính chọn lọc, tránh gây mất điện diện rộng.

N2

I> 1

I> 2

Hình 2.13: Nguyên lý phân cấp của bảo vệ quá dòng.

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 24


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HV: Nguyễn Quang Hƣng

Giá trị khởi động của bảo vệ là:

Ikd  K.Ilv max
Theo kinh nghiệm thì K  1.5
Thời gian bảo vệ 1 tác động khi bảo vệ 2 không cắt là:

t bv1  t bv2  t
Trong đó t là bậc phân cấp thời gian t  0.3  0.6 giây.
Bảo vệ quá dịng cắt nhanh
Thay vì bảo vệ q dịng có thời gian là phối hợp bảo vệ bằng phân cấp thời gian
thì bảo vệ q dịng cắt nhanh phân cấp theo dòng điện, sự cố tại phân đoạn nào
chỉ bảo vệ tại đó đƣợc phép tác động.
Dịng khởi động của bảo vệ đƣợc tính theo cơng thức:

Ikd  K at .I Nngoai max
K at  1.1  1.2
Nhƣợc điểm của bảo vệ là tồn tại vùng chết nên không bảo vệ đƣợc tồn bộ đối
tƣợng.
Bảo vệ q dịng có hướng
Đa số các đƣờng dây trên lƣới truyền tải đang đƣợc nối vịng để nâng cao độ
tin cậy. Tuy nhiên, điều đó khiến cho việc kiểm sốt trào lƣu cơng suất trong hệ

thống, phối hợp các rơle bảo vệ quá dòng gặp nhiều khó khăn.
Bảo vệ q dịng có hƣớng cũng làm việc nhƣ bảo vệ quá dòng nhƣng thêm
điều kiện là dịng điện chảy theo hƣớng đã cài đặt thì rơle sẽ tác động. Nhƣợc điểm
của bảo vệ q dịng vơ hƣớng là với lƣới điện phức tạp có 2 nguồn cấp hay khép
vịng thì khơng phối hợp đƣợc thời gian các bảo vệ với nhau.
Nguyên lý làm việc của các phần tử định hƣớng: Các phần tử định hƣớng
công suất có thể lấy thành phần điện áp để làm đại lƣợng tham chiếu. Rơle đƣợc
đấu nối đảm bảo rơle có đủ độ nhạy và tác động đúng trong mọi trƣờng hợp. Sơ đồ
đấu nối tiêu chuẩn đối với các rơle số và rơle tĩnh là sơ đồ 90 .
Ngoài điện áp để tham chiếu ra cịn có thể sử dụng dòng điện và điện áp các
thành phần thứ tự để tham chiếu hay tổng trở đo đƣợc để tham chiếu…

Lớp CH2016A-KTĐ

Trang 25