Ảnh hưởng của bão hòa máy biến dòng đến rơ le so lệch máy phát điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
DƯƠNG TRẦN PHÚ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

DƯƠNG TRẦN PHÚ

ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO HÒA MÁY BIẾN DÒNG ĐẾN RƠLE
KỸ THUẬT ĐIỆN

SO LỆCH MÁY PHÁT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

KHÓA 2015B
Hà Nội – Năm 2018


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................................ 1
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................ 1
1.3 NỘI DUNG LUẬN VĂN .................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ SO LỆCH CHO MÁY PHÁT ĐIỆN........... 3
2.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHƠNG BÌNH

THƯỜNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ................................................................... 3
2.2 BẢO VỆ SO LỆCH MÁY PHÁT ĐIỆN ............................................................. 4
2.2.1 Bảo vệ so lệch dọc ....................................................................................... 4
2.2.2 Bảo vệ so lệch ngang ................................................................................. 14
2.3 Các nguyên nhân làm sai số bảo vệ so lệch Bộ MÁY PHÁT ĐIỆN - máy
biến áp ................................................................................................................ 19
2.3.1 Dịng từ hóa mạch từ trong q trình đóng điện máy biến áp ................... 19
2.3.2 Các thành phần sóng hài trong q trình đóng xung kích máy biến áp .... 20
2.3.3 Dịng từ hóa trong q trình sự cố ngồi vùng .......................................... 21
2.3.4 Q kích thích máy biến áp ....................................................................... 22
2.3.5 Tỉ số biến đổi máy biến áp ........................................................................ 22
2.3.6 Bão hòa máy biến dòng ............................................................................. 23
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY BIẾN DỊNG ĐIỆN ............................. 24
3.1 Mơ hình mạch điện thay thế và đường cong kích thích của máy biến dịng
điện

................................................................................................................. 24

3.2 Phương pháp xây dựng mơ hình máy biến dịng điện........................................ 26


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
3.2.1 Đơn giản hóa đường cong kích thích máy biến dịng................................ 26
3.2.2 Đặc tính từ hóa của lõi thép máy biến dịng điện ...................................... 27
3.2.3 Xác định tham số của đặc tính từ hóa lõi thép máy biến dịng điện.......... 28
3.3 Xây dựng mơ hình máy biến dịng từ kết quả thí nghiệm .................................. 30
3.3.1 Thơng số máy biến dịng từ thí nghiệm ..................................................... 30
3.3.2 Xác định tham số ....................................................................................... 31
CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN BẢO VỆ SO LỆCH BỘ MÁY PHÁT - MÁY

BIẾN ÁP.................................................................................................. 32
4.1 QUY ĐỔI DÒNG ĐIỆN THEO TỔ ĐẤU DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP .......... 32
4.2 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TÍNH TỐN DỊNG SO LỆCH ..................................... 35
CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG TÍNH TỐN BẢO VỆ SO LỆCH BỘ MÁY PHÁT –
MÁY BIẾN ÁP SỬ DỤNG SIMULINK ................................................ 37
5.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG MÁY BIẾN DỊNG ĐIỆN .............................................. 37
5.1.1 Sơ đồ mơ phỏng ......................................................................................... 37
5.1.2 Kết quả mơ phỏng máy biến dịng điện ..................................................... 38
5.2 MÔ PHỎNG BẢO VỆ SO LỆCH BỘ MÁY PHÁT – MÁY BIẾN ÁP ........... 39
5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................................... 45
5.3.1 Sự cố trong vùng bảo vệ tại đầu cực máy phát (Điểm N1) ........................ 45
5.3.2 Sự cố trong vùng bảo vệ phía 220kV (Điểm N2) ...................................... 48
5.3.3 Sự cố ngồi vùng bảo vệ phía 220kV (Điểm N3) ..................................... 54
5.3.4 Sự cố ngồi vùng bảo vệ phía 19kV (Điểm N4) ........................................ 60
KẾT LUẬN ...............................................................................................................63
PHỤ LỤC ..................................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................67


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2-1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn Stator máy phát điện ................................5
Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch .................................................................6
Hình 2-3: Đồ thị vectơ của dịng điện trong mạch BVSLD .......................................7

Hình 2-4: Bảo vệ so lệch có hãm cuộn dây Stator MFĐ ...........................................8
Hình 2-5: Đặc tính bảo vệ so lệch và đặc tính sự cố ..................................................9
Hình 2-6: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ cơng suất lớn .............11
Hình 2-7: Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao .....................................................12
Hình 2-8: Bảo vệ so lệch ngang có hãm(a) và đặc tính khởi động(b) .....................14
Hình 2-9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho các pha MFĐ ........................................16
Hình 2-10: Sơ đồ bảo vệ bộ máy phát - máy biến áp 1 ............................................18
Hình 2-11: Sơ đồ bảo vệ bộ máy phát - máy biến áp 2 ............................................18
Hình 2-12: Liên kết từ thơng trong lõi thép máy biến áp ........................................19
Hình 2-13: Dịng từ hóa của máy biến áp trong q trình đóng xung kích .............20
Hình 2-14: Dạng sóng dịng xung kích khi đóng MBA khơng tải ...........................21
Hình 2-15: Mối quan hệ dịng xung kích trong hịa máy biến áp song song ...........22
Hình 2-16: Dịng từ hóa trong q trình q kích thích ...........................................22
Hình 2-17: Dạng sóng dịng điện trong q trình bão hịa biến dịng ......................23
Hình 3-1: Mơ hình mạch thay thế máy biến dịng điện ...........................................25
Hình 3-2: Đường cong kích thích máy biến dịng điện ............................................25
Hình 3-3: Phương pháp xác định thông số Vs và S của mơ hình ............................26
Hình 3-4: Đặc tính đơn giản hóa của đường cong kích thích ..................................26
Hình 3-5: Đặc tính từ hóa .........................................................................................27


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
Hình 3-6: So sánh biên độ và giá trị hiệu dụng của sóng dạng sin và khơng sin .....29
Hình 3-7: Đặc tính kích thích thí nghiệm của máy biến dịng 10P20, 4000/5 .........30
Hình 4-1: Sơ đồ mơ phỏng tính tốn dịng so lệch pha A ........................................36
Hình 4-2: Sơ đồ mơ phỏng tính tốn dịng hãm pha A ............................................36
Hình 5-1: Sơ đồ mơ phỏng máy biến dịng điện ......................................................37
Hình 5-2: Đặc tính từ hóa máy biến dịng điện mơ phỏng .......................................37
Hình 5-3: Kết quả so sánh đường đặc tính máy biến dịng mơ phỏng và thí nghiệm

thực tế BI 4000:5 ....................................................................................38
Hình 5-4: Thơng số cài đặt máy phát điện trong Simulink ......................................39
Hình 5-5: Thơng số cài đặt bộ kích từ máy phát điện trong Simulink .....................40
Hình 5-6: Thông số cài đặt máy biến áp đầu cực trong Simulink ...........................41
Hình 5-7: Thơng số cài đặt máy biến áp kích từ trong Simulink .............................41
Hình 5-8: Thơng số cài đặt máy máy biến dòng đầu cực máy phát điện trong
Simulink ..................................................................................................42
Hình 5-9: Thơng số cài đặt máy máy biến dịng phía 220kV trong Simulink .........42
Hình 5-10: Thơng số hệ thống điện nối với bộ máy phát điện – máy biến áp .........43
Hình 5-11: Sơ đồ khối vật lý mơ phỏng bảo vệ so lệch bộ máy phát điện máy biến
áp. ............................................................................................................43
Hình 5-12: Sơ đồ mơ phỏng bảo vệ so lệch bộ máy phát - máy biến áp trên
Simulink. .................................................................................................44
Hình 5-13: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 2 pha tại điểm N1 ..................45
Hình 5-14: Dịng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 2 pha tại điểm N1 ................46
Hình 5-15: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 2 pha tại điểm N1 .............46
Hình 5-16: Dịng điện thứ cấp pha A phía 220kV qua BI lý tưởng và BI thực tế ...47


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
Hình 5-17: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 3 pha tại điểm N1 ..................47
Hình 5-18: Dịng điện so lệch và dịng hãm khi sự cố 3 pha tại điểm N1 ................47
Hình 5-19: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 3 pha tại điểm N1 .............48
Hình 5-20: Dịng điện thứ cấp pha A phía 220kV qua BI lý tưởng và BI thực tế ...48
Hình 5-21: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 1 pha tại điểm N2 ..................49
Hình 5-22: Dịng điện so lệch và dịng hãm khi sự cố 1 pha tại điểm N2 ................49
Hình 5-23: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 1 pha tại điểm N2 .............49
Hình 5-24: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 2 pha tại điểm N2 ..................50
Hình 5-25: Dịng điện so lệch và dịng hãm khi sự cố 2 pha tại điểm N2 ................50

Hình 5-26: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 2 pha tại điểm N2 .............51
Hình 5-27: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 2 pha – đất tại điểm N2 .........51
Hình 5-28: Dịng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 2 pha – đất tại điểm N2 .......52
Hình 5-29: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 2 pha – đất tại điểm N2 ....52
Hình 5-30: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 3 pha tại điểm N2 ..................53
Hình 5-31: Dòng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 3 pha tại điểm N2 ................53
Hình 5-32: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 3 pha tại điểm N2 .............53
Hình 5-33: Dịng điện thứ cấp pha A phía 220kV qua BI lý tưởng và BI thực tế ...54
Hình 5-34: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 1 pha tại điểm N3. .................54
Hình 5-35: Dòng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 1 pha tại điểm N3 ................55
Hình 5-36: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 1 pha tại điểm N3 .............55
Hình 5-37: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 2 pha tại điểm N3 ..................56
Hình 5-38: Dòng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 2 pha tại điểm N3 ................56
Hình 5-39: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 2 pha tại điểm N3 .............57


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
Hình 5-40: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 2 pha – đất tại điểm N3 .........57
Hình 5-41: Dịng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 2 pha – đất tại điểm N3 .......58
Hình 5-42: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 2 pha – đất tại điểm N3 ....58
Hình 5-43: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 3 pha tại điểm N3 ..................59
Hình 5-44: Dòng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 3 pha tại điểm N3 ................59
Hình 5-45: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 3 pha tại điểm N3 .............59
Hình 5-46: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 2 pha tại điểm N4 ..................60
Hình 5-47: Dòng điện so lệch và dòng hãm khi sự cố 2 pha tại điểm N4 ................60
Hình 5-48: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 2 pha tại điểm N4 .............61
Hình 5-49: Dạng sóng dịng điện các phía khi sự cố 3 pha tại điểm N4 ..................61
Hình 5-50: Dịng điện so lệch và dịng hãm khi sự cố 3 pha tại điểm N4 ................62
Hình 5-51: Dịng điện so lệch và đặc tính cắt khi sự cố 3 pha tại điểm N4 .............62

Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3-1: Thông số thí nghiệm của máy biến dịng điện .........................................30
Bảng 4-1: Ma trận tính tốn dịng so lệch .................................................................33


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Máy phát điện đồng bộ là một trong những phần tử quan trọng nhất trong hệ
thống điện, sự làm việc tin cậy của máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến độ
tin cậy của tồn hệ thống. Vì vậy, đối với máy phát điện, đặc biệt là máy có cơng
suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống lại tất cả các loại sự cố
và chế độ làm việc khơng bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên
ngoài máy phát. Trong đó, bảo vệ so lệch thường được sử dụng làm bảo vệ chính
cho máy phát điện. Bảo vệ so lệch dòng điện là loại bảo vệ làm việc dựa trên
nguyên tắc so sánh trực tiếp biên độ dòng điện lấy từ các tổ máy biến dòng điện ở 2
đầu phần tử được bảo vệ.
Mặc dù là nguyên lý bảo vệ có độ tin cậy cao, bảo vệ so lệch cho máy phát,
máy biến áp có những đặc thù riêng như: dòng ngắn mạch lớn, thành phần một

chiều lớn và thời gian tắt dài, mức độ méo sóng hài cao của dịng ngắn mạch khơng
đối xứng máy phát. Các yếu tố trên dẫn dến mức độ sai số tăng cao của nguyên lý
bảo vệ so lệch. Nếu các thông số máy biến dịng, đặc tính bảo vệ được lựa chọn
khơng chính xác có thể dẫn đến tác động khơng chọn lọc của bảo vệ.
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích của đề tài là xây dựng mơ hình máy biến dịng điện, mô phỏng sự
làm việc của bảo vệ so lệch bộ máy phát – máy biến áp khi bão hòa máy biến dòng
dựa trên phần mềm MATLAB.
Đề tài nghiên cứu xây dựng mơ hình máy biến dịng điện dựa trên đặc tính
kích thích thu được từ các thơng số thí nghiệm và mô phỏng bảo vệ so lệch bộ máy
phát – máy biến áp khi có sai số của máy biến dòng điện.

1


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
1.3 NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn bao gồm 5 chương:
-

Chương 1: Tổng quan.

-

Chương 2: Phương thức bảo vệ so lệch cho máy phát điện.

-

Chương 3: Xây dựng mơ hình máy biến dịng điện.

-

Chương 4: Sơ đồ thuật toán bảo vệ so lệch bộ máy phát – máy biến áp.

-

Chương 5: Mơ phỏng tính tốn bảo vệ so lệch bộ máy phát – máy biến áp
sử dụng Simulink.

2


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ SO LỆCH CHO
MÁY PHÁT ĐIỆN

2.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHƠNG BÌNH
THƯỜNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
Đối với máy phát điện (MFĐ), tồn tại các dạng sự cố điển hình được trình bày
trong phần này. Đối với cuộn dây Stato, các sự cố điển hình gồm có:
-

Sự cố ngắn mạch giữa các cuộn dây (các pha).

-

Các vòng dây chạm nhau.

-

Cuộn dây bị chạm đất (chạm vỏ). Mạng điện cấp điện áp thơng thường là
mạng điện có trung tính cách điện, do vậy sự cố chạm đất một điểm khó
phát hiện được bằng ngun lý dịng điện.

Đối với cuộn dây rơ to, các sự cố điển hình gồm có:
-

Chạm đất 1 điểm.

-

Chạm đất 2 điểm.

Những hư hỏng và chế độ làm việc khơng bình thường xảy ra bên ngoài cuộn
dây máy phát điện bao gồm:
-

Sự cố ngắn mạch.

-

Vận hành với tải khơng đối xứng.

-

Mất kích thích.

-

Mất đồng bộ.

-

Q tải cuộn dây Stato.

-

Quá tải cuộn dây Roto.

-

Quá điện áp.

3


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

-

Tần số thấp.

-

Máy phát điện làm việc ở chế độ động cơ.

Tùy theo công suất của máy phát điện, vai trò của máy phát trong hệ thống,
loại máy phát điện và sơ đồ đấu dây của nhà máy điện mà người ta lựa chọn phương
thức bảo vệ thích hợp. Để bảo vệ cho MFĐ chống lại các dạng sự cố nêu trên, người
ta thường dùng các loại bảo vệ sau:
-

Bảo vệ so lệch dọc: phát hiện và xử lý khi xảy ra sự cố ngắn mạch giữa
các pha.

-

Bảo vệ so lệch ngang cho sự cố: các vòng dây chạm nhau.

-

Bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator.

-

Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ cho sự cố: chạm đất 1 điểm, 2 điểm.

-

Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải.

-

Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao.

Ngồi ra có thể dùng: Bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so
lệch, bảo vệ chống quá nhiệt rotor do dịng máy phát khơng cân bằng, bảo vệ chống
mất đồng bộ, ...
2.2 BẢO VỆ SO LỆCH MÁY PHÁT ĐIỆN
2.2.1 Bảo vệ so lệch dọc
1.

Nhiệm vụ và sơ đồ nguyên lý
BVSL được dùng làm bảo vệ chính cho máy phát điện (MFĐ). Bảo vệ so lệch

dọc (BVSLD) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator máy
phát.

4


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

Hình 2-1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn Stator máy phát điện

-

Rf: dùng để hạn chế dịng điện khơng cân bằng (Ikcb), nhằm nâng cao độ
nhạy của bảo vệ.

-

1RI, 2RI, 4Rth: phát hiện sự cốvà đưa tín hiệu đi cắt máy cắt đầu cực máy

phát không thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec).

-

3RI, 5RT: báo tín hiệu khi xảy ra đứt mạch thứ sau một thời gian cần
thiết (thông qua 5RT) để tránh hiện tượng báo nhầm khi ngắn mạch ngoài
mà tưởng đứt mạch thứ.

2.

Nguyên lý làm việc
BVSL làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp biên độ dòng điện ở 2

đầu phần tử được bảo vệ. Nếu sai lệch giữa 2 dòng điện vượt quá trị số đặt trước
(giá trị khởi động) thì bảo vệ sẽ tác động.

5


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

BI1

N1

IS1

IT1

BI2

IS2

N2

IT2
RL

Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch

Dòng điện so lệch chạy qua rơle:
ISL =∆I =IT1 − IT 2 =I R

(2-1)

Trong trạng thái làm việc bình thường và ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ
(N2):
Trường hợp lý tưởng (các BI giống hệt nhau và khơng có sai số), dịng điện đi
vào rơle I R = IT1 − IT 2 = 0 nên bảo vệ so lệch khơng tác động.
Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ (N1):
Dòng điện đi vào rơle:
I R = IT1 − IT 2 ≠ 0

(2-2)

Nếu I R ≥ I kđ thì bảo vệ sẽ tác động cắt các máy cắt của phần tử được bảo vệ.
Trên thực tế, do sai số của máy biến dòng, đặc biệt do hiện tượng bão hòa của
mạch từ, nên trong chế độ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngồi, dịng
điện phía thứ cấp của 2 máy biến dòng BI1 và BI2 sẽ khác nhau và dòng qua rơle

I R = IT1 − IT 2 = I kcb ≠ 0 . Do đó có thể rơle sẽ tác động sai. Để ngăn ngừa BVSL làm

việc không chọn lọc dưới ảnh hưởng của dòng điện Ikcb, thường dùng các biện pháp
để giảm dòng khơng cân bằng như dùng biến dịng bão hịa trung gian, sử dụng
nguyên lý hãm bảo vệ bằng dòng điện pha hoặc các hài bậc cao.

6


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
Khi xảy ra chạm chập giữa các pha trong cuộn dây stator, dòng điện vào các
rơle 1RI, 2RI:
ISL = IT1 − IT 2 = I N > I kđ
ni

(2-3)

Trong đó:
-

IN: dịng điện ngắn mạch.

-

nI: tỷ số máy biến dịng điện.

Hình 2-3: Đồ thị vectơ của dịng điện trong mạch BVSLD
a) Bình thường và khi ngắn mạch ngoài
b) Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ

Trường hợp đứt mạch nhị thứ của BI, dòng vào rơle là:
ISL = I F
ni

(2-4)

Dịng điện này có thể làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc đó chỉ có 3RI khởi
động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh hiện tượng báo nhầm trong
quá trình quá độ khi ngắn mạch ngồi có xung dịng lớn.
Ở sơ đồ hình 2-1, các BI nối theo sơ đồ sao khuyết nên bảo vệ so lệch dọc sẽ
không tác động khi xảy ra ngắn mạch một pha ở pha không đặt BI. Tuy nhiên, các
bảo vệ khác sẽ tác động.

7


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

3.

Bảo vệ so lệch có hãm

Hình 2-4: Bảo vệ so lệch có hãm cuộn dây Stator MFĐ

Sơ đồ bảo vệ như hình 2-4, rơle gồm có hai cuộn dây: cuộn hãm và cuộn làm
việc. Rơle làm việc trên nguyên tắc so sánh dòng điện giữa ILV và IH.
Dòng điện vào cuộn làm việc:
I LV = IT1 − IT2 = ISL

(2-5)

Dòng điện vào cuộn hãm:
I=
IT1 + IT2
H

(2-6)

Khi làm việc bình thường hay ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ: dòng điện IT1
cùng chiều với dòng IT2: IT1 ≈ IT 2
ISL = I LV = IT1 − IT2 = I KCB

(2-7)

I H = IT1 + IT2 ≈ 2 IT1 > I LV

(2-8)

 Bảo vệ không tác động.
Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: dòng điện IT1 ngược pha với IT2:
IT1 ≈ −IT2
I H = IT1 − IT2 ≈ 0

(2-9)

8

Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

ISL = I LV = IT1 + IT2 ≈ 2. IT1 > I H

(2-10)

 Bảo vệ tác động.

Hình 2-5: Đặc tính bảo vệ so lệch và đặc tính sự cố

Đường đặc tính tác động gồm các đoạn sau:
-

Đoạn a: biểu thị giá trị dòng điện khởi động ngưỡng thấp ISL> của bảo vệ.
Đoạn này biểu thị ngưỡng nhạy của bảo vệ so lệch. Đường a cao quá sẽ
làm giảm độ nhạy, nếu đặt thấp quá sẽ gây tác động nhầm, chẳng hạn như
khi khởi động động cơ,…

-

Đoạn b: đoạn đặc tính xem như là dịng điện tỷ lệ thuận với dòng sự cố,
với nguyên tắc khi dịng sự cố tăng thì sai số do các máy biến dòng cũng
tăng lên. Nhánh này cũng được sử dụng để ngăn ngừa sự tăng lên của
dòng điện so lệch trong điều kiện làm việc bình thường.

-

Đoạn c: đoạn đặc tính có tính đến chức năng khóa bảo vệ khi xuất hiện
hiện tượng bão hịa khơng giống nhau ở các máy biến dòng. Trong phạm

vi này, độ bão hòa của các máy biến dòng ở mức cao nên nhánh c có độ
dốc cao hơn nhánh b.

9


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

-

Đoạn d: là giá trị dòng điện khởi động ngưỡng cao ISL>> của bảo vệ. Khi
dịng so lệch ISL vượt q ngưỡng cao này thì bảo vệ sẽ tác động không
thời gian mà không quan tâm tới dịng điện hãm IH và các sóng hài dùng
để hãm bảo vệ.

Độ lớn dòng so lệch và dòng hãm được so sánh bởi bảo vệ so lệch với đặc tính
làm việc theo hình 2-5. Nếu dịng này đủ lớn đi vào một vị trí trong khu vực tác
động, tín hiệu đi tác động được đưa ra. Nếu các điều kiện dịng điện ISL /IH xuất hiện
gần đặc tính sự cố (≥ 90% độ dốc của đặc tính sự cố) sẽ cho ra ngay tín hiệu tác
động đi cắt.
Vùng hãm bổ sung:
Đây là vùng hãm khi máy biến dòng bão hịa. Khi xảy ra ngắn mạch ngồi
vùng bảo vệ, ở thời điểm ban đầu dòng điện ngắn mạch lớn làm cho máy biến dòng
bão hòa mạnh. Điểm làm việc có hành trình như đường ABC. Tại thời điểm xảy ra
sự cố, do BI bị bão hòa làm dòng hãm IRest tăng lên rất lớn, điểm làm việc di chuyển
từ A sang B. Sau đó, do 2 BI có mức độ bão hịa khác nhau, thậm chí có BI phía xa
khơng bị bão hịa làm giá trị dịng so lệch IDeff lớn lên, điểm làm việc tiếp tục di
chuyển từ B sang C. Điểm C sẽ nằm trong vùng tác động, tuy nhiên rơle sẽ khơng
gửi tín hiệu trip. Bởi vì, khi điểm làm việc chuyển tới điểm B nằm trong vùng hãm

bổ sung rơle sẽ bị khóa cho tới khi điểm làm việc quay lại xác lập (vị trí A).
Chức năng hãm sóng hài:
Khi đóng xung kích máy biến áp (bộ máy phát – máy biến áp), dòng từ hóa rất
lớn, lúc đó dịng so lệch giống như sự cố 1 phía máy biến áp. Hay trong trường hợp
2 máy biến áp làm việc song song, việc quá từ thơng 1 máy biến áp có thể làm dịng
so lệch tiến tới ngưỡng tác động gây tác động nhầm. Tuy nhiên thành phần sóng hài
bậc 2 trong dịng từ hóa rất lớn, khi giá trị sóng hài bậc 2 lớn hơn giá trị tác động thì
bảo vệ so lệch sẽ bị khóa lại.
Khi sự cố xảy ra bên ngồi máy biến áp thường xuất hiện thành phần sóng hài
bậc lẻ, đặc biệt là sóng hài bậc 5. Trong khi đó, các thành phần này lại xuất hiện rất
10


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
ít khi sự cố xảy ra bên trong máy biến áp. Để tránh cho bảo vệ tác động nhầm khi sự
cố ngoài vùng bảo vệ, rơle được kích hoạt chức năng hãm sóng hài bậc 5.
Nhận xét:
-

Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dòng điện giữa ILV và IH, nên
độ nhạy của bảo vệ rất cao và khi xảy ra ngắn mạch thì bảo vệ tác động
một cách chắc chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷20) msec.

-

Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle có hãm có thể ngăn chặn bảo vệ tác động
nhầm do ảnh hưởng bão hoà của BI.

-

Đối với các máy phát điện có cơng suất lớn có thể sử dụng sơ đồ bảo vệ
so lệch hãm tác động nhanh.

Hình 2-6: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ công suất lớn

Ở chế độ làm việc bình thường, dịng điện thứ cấp IT1 và IT2 của các nhóm biến
dịng 1BI, 2BI chạy qua điện trở hãm RH, tạo nên điện áp hãm UH, còn hiệu dòng
thứ cấp (dòng so lệch) ISL chạy qua biến dòng trung gian BIG, cầu chỉnh lưu CL và
điện trở làm việc RLV tạo nên điện áp làm việc ULV. Giá trị điện áp UH>ULV, bảo vệ
không tác động.

11


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, điện áp ULV>>UH, dòng điện chạy qua rơle
RL1 làm rơle này tác động đóng tiếp điểm RL1 lại. Dòng điện làm việc sau khi nắn
chạy qua rơle RL2, RL2 đóng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu ra sẽ được cấp nguồn thao
tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL1 và RL2 đi cắt máy cắt đầu cực máy phát. Ngồi
ra, người ta cịn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện
(hình 2-6). Rơle so lệch RU trong sơ đồ có tổng trở khá lớn sẽ tác động theo điện áp
so lệch USL, ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ngồi, các biến dịng
1BI, 2BI (được chọn giống nhau) có cùng dịng điện máy phát đi qua do đó các sức
điện động E1 và E2 bằng nhau và ngược pha nhau, L1= L2, phân bố điện áp trong
mạch như hình 2-7b.

Hình 2-7: Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao
a) Sơ đồ nguyên lý

b) Mạch điện đẳng trị và phân phối điện áp trong chế độ làm việc bình thường
c) Nhóm 2BI bị bão hịa khi ngắn mạch ngoài và hoàn toàn
d) Ngắn mạch trong

Trị số điện áp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ giữa các điện trở
R1 và R2. Điện trở R1, R2 gồm điện trở cuộn dây thứ cấp và dây dẫn phụ nối giữa hai
nhóm biến dịng 1BI và 2BI, với R1= R2 ⇒USL= 0.

12


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ:
-

Trường hợp máy phát làm việc biệt lập với hệ thống: dòng điện qua 1BI
là dòng của máy phát. Dịng điện qua 2BI bằng khơng E2= 0. Điện áp đặt
lên rơle so lệch RU hình 2-6c:
USL1 =

I"N .(R1 + R 2 )
nI

(RSL>>R2)

(2-11)

Trong đó:

- I"N : trị hiệu dụng của dòng siêu quá độ khi ngắn mạch trên đầu cực
máy phát.
(3)
I"N I=
I(3)
=
Nng max
Nđầu cực MF

- nI: tỷ số biến dòng của BI.
- RSL: điện trở mạch so lệch (gồm rơle và dây nối)
-

Trường hợp máy phát nối với hệ thống: khi đó tại điểm ngắn mạch,
ngồi dịng điện do bản thân máy phát cung cấp I"NF cịn có thêm thành
phần dòng điện do hệ thống đổ về I"NH . Mạch điện đẳng trị và phân bố
điện áp như hình 2-6d. Giá trị điện áp đặt lên rơle so lệch RU:
USL2 =

(I"NF + I"NH ).(R1 + R 2 )
nI

(2-12)

Để đảm bảo tính chọn lọc, điện áp khởi động của rơle so lệch RU phải
chọn lớn hơn min{USL1; U SL2}, nghĩa là:
=
U KÑR K=
.U SL1
at

K at .I"N .(R1 + R 2 )
nI

Với Kat = (1,15 ÷1,2) là hệ số an toàn.
Thời gian tác động của bảo vệ thường: t = (15 ÷20) msec.

13

(2-13)


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

Nhận xét:
-

Đối với các MFĐ có cơng suất lớn, hằng số thời gian tắt dần của thành
phần một chiều trong dịng điện ngắn mạch có thể đạt đến hàng trăm
msec, gây bão hòa mạch từ của các máy biến dòng và làm chậm tác động
của bảo vệ khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ. Vì vậy cần phải sử dụng
sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước khi xảy ra bão hòa mạch từ của máy
biến dòng, tức là: tbão hòa> tbảo vệ.

2.2.2 Bảo vệ so lệch ngang
Các vòng dây của MFĐ chập nhau thường do nguyên nhân hư hỏng cách điện
của dây quấn. Có thể xảy ra chạm chập giữa các vịng dây trong cùng một nhánh
(cuộn dây đơn) hoặc giữa các vòng dây thuộc hai nhánh khác nhau trong cùng một
pha, dòng điện trong các vịng dây bị chạm chập có thể đạt đến trị số rất lớn. Đối

với máy phát điện mà cuộn dây stator là cuộn dây kép, khi có một số vòng dây
chạm nhau sức điện động cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dòng điện
cân bằng chạy quẩn trong các mạch vòng sự cố và đốt nóng cuộn dây có thể gây ra
hư hỏng nghiêm trọng. Trong nhiều trường hợp, khi xảy ra chạm chập giữa các
vịng dây trong cùng một pha nhưng BVSLD khơng thể phát hiện được, vì vậy cần
phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng sự cố này.

Hình 2-8: Bảo vệ so lệch ngang có hãm(a) và đặc tính khởi động(b)

14


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú
Đối với MFĐ công suất vừa và nhỏ chỉ có cuộn dây đơn, lúc đó chạm chập
giữa các vòng dây trong cùng một pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống
chạm đất tác động (trường hợp này không cần đặt bảo vệ so lệch ngang).
Với MFĐ công suất lớn, cuộn dây stator làm bằng thanh dẫn và được quấn
kép, đầu ra các nhánh đưa ra ngoài nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ
dàng. Người ta có thể dùng sơ đồ bảo vệ riêng hoặc chung cho các pha.
1.

Sơ đồ bảo vệ riêng cho từng pha
Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, sức điện động

trong các nhánh cuộn dây stator bằng nhau nên IT1= IT2. Khi đó:
I H = IT1 + IT 2 = 2.IT1

(2-14)

ISL = I LV = IT1 − IT 2 = I KCB

(2-15)

 IH > ILV nên bảo vệ không tác động.
Khi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây của hai nhánh khác nhau cùng một
pha, giả thiết ở chế độ máy phát chưa mang tải, ta có: IT1 = -IT2.
I H = IT1 − IT2 = I KCB

(2-15)

ISL = I LV = IT1 + IT2 = 2.IT1

(2-16)

 IH < ILV nên bảo vệ tác động.
2.

Sơ đồ bảo vệ chung cho các pha
Trong sơ đồ, BI được đặt ở giữa hai điểm nối trung tính của 2 nhóm nhánh của

cuộn dây stator, thứ cấp của BI nối qua bộ lọc sóng hài bậc ba L3f dùng để giảm
dịng khơng cân bằng đi vào rơle.

15


Luận văn tốt nghiệp
Dương Trần Phú

Hình 2-9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho các pha MFĐ

Cầu nối bình thường ở vị trí 1 và bảo vệ tác động không thời gian. Khi máy
phát đã chạm đất 1 điểm mạch kích từ (khơng nguy hiểm), cầu nối được chuyển
sang vị trí 2 lúc đó bảo vệ sẽ tác động có thời gian để tránh tác động nhầm khi chạm
đất thống qua điểm thứ 2 mạch kích từ.
3.

Ngun lý hoạt động
Bảo vệ hoạt động trên nguyên lý so sánh thế V1 và V2 của trung điểm O1 và O2

giữa 2 nhánh song song của cuộn dây.
-

Ở chế độ bình thường hoặc ngắn mạch ngoài:
U12 = V1 − V2 ≈ 0

(2-17)

 Khơng có dịng qua BI do đó bảo vệ khơng tác động (cầu nối ở vị trí 1).
-

Khi xảy ra chạm chập 1 điểm mạch kích từ, máy phát vẫn được duy trì
vận hành nhưng phải chuyển cầu nồi sang vị trí 2 để tránh trường hợp bảo
vệ tác động nhầm khi ngắn mạch thoáng qua điểm thứ 2 mạch kích từ.

-

Khi sự cố (chạm chập giữa các vịng dây):
U12 = V1 − V2 ≠ 0

(2-18)

 Có dịng qua BI, bảo vệ tác động cắt máy cắt.
Nhận xét:
-

Bảo vệ so lệch ngang cũng có thể làm việc khi ngắn mạch nhiều pha
trong cuộn dây stator. Tuy nhiên, nó khơng thể thay thế hoàn toàn cho
16