Nghiên cứu phối hợp tối ưu sự làm việc của các thiết bị tự động đóng cắt trong lưới điện phân phối

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

TRƢƠNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU PHỐI HỢP TỐI ƢU SỰ LÀM VIỆC CỦA
CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐÓNG CẮT
TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - Năm 2019


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

TRƢƠNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU PHỐI HỢP TỐI ƢU SỰ LÀM VIỆC CỦA
CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐÓNG CẮT
TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội – Năm 2019


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... v
CHƢƠNG I – GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................... 1
1.1

Tổng quan chung về lƣới điện phân phối .................................................. 1

1.2 Các thiết bị đóng cắt trong lƣới phân phối ................................................ 2
1.2.1 Máy cắt trung áp .................................................................................... 2
1.2.2

Thiết bị tự đóng lại ................................................................................ 3

1.2.3

Cầu dao phân đoạn tự động .................................................................. 4

1.2.4
1.2.5
1.2.6

Cầu chì tự rơi ......................................................................................... 7
Cầu dao phụ tải (Load Break Switch) ................................................. 8

Nhận xét chung ...................................................................................... 8

CHƢƠNG 2 PHƢƠNG THỨC PHỐI HỢP CÁC BẢO VỆ CHO ĐƢỜNG
DÂY TRUNG ÁP .................................................................................................. 10
2.1 Phƣơng thức bảo vệ cho các đƣờng dây trung áp ................................... 10
2.2 Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện .............................................................. 11
2.2.1 Khái niệm về bảo vệ quá dòng .......................................................... 11
2.2.2 Nguyên lý bảo vệ q dịng có thời gian (I>) .................................. 11
2.2.3 Nguyên lý bảo vệ quá dòng cắt nhanh (I>>) .................................... 16
2.2.4 Nguyên lý đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng ................. 18
2.3 Phƣơng thức chỉnh định bảo vệ q dịng điện có thời gian hiện đang
sử dụng và các nhƣợc điểm .................................................................................. 20
2.4 Nghiên cứu đề xuất sử dụng đặc tính thời gian phụ thuộc cho các bảo
vệ q dịng ............................................................................................................ 23
CHƢƠNG 3 THUẬT TỐN PHỐI HỢP CÁC BẢO VỆ Q DỊNG SỬ
DỤNG ĐẶC TÍNH THỜI GIAN PHỤ THUỘC CHO ĐƢỜNG DÂY
TRUNG ÁP ............................................................................................................. 25
3.1 Xác định hàm mục tiêu và ràng buộc ....................................................... 25
3.1.1 Xác định hàm mục tiêu ....................................................................... 25
3.1.2 Xác định các ràng buộc....................................................................... 26
3.2 Cơng cụ tính tốn đƣợc sử dụng ............................................................... 28
3.2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab ............................................................. 28
i


3.2.2

Cơng cụ tính tốn tối ƣu trong Matlab .............................................. 31

3.3 Xây dựng phƣơng trình đặc tính của cầu chì .......................................... 31

CHƢƠNG 4 TÍNH TỐN ÁP DỤNG PHỐI HỢP CÁC BẢO VỆ Q
DỊNG SỬ DỤNG ĐẶC TÍNH THỜI GIAN PHỤ THUỘC CHO ĐƢỜNG
DÂY TRUNG ÁP .................................................................................................. 40
4.1 Xây dựng thuật toán và kịch bản tính tốn .............................................. 40
4.1.1

Xây dựng thuật tốn ............................................................................ 40

4.1.2 Các kịch bản áp dụng tính tốn.......................................................... 42
4.2 Mô tả lƣới điện cần nghiên cứu và chuẩn bị số liệu ............................... 42
4.2.1 Mô tả lƣới điện..................................................................................... 42
4.2.2 Xây dựng phƣơng trình đặc tính của cầu chì ................................... 46
4.3 Đánh giá khả năng phối hợp bảo vệ của lƣới điện hiện có .................... 49
4.4 Các kịch bản tính tốn và kết quả ............................................................. 53
4.4.1 Kịch bản 1: trƣờng hợp các thiết bị bảo vệ đều sử dụng thời gian
phụ thuộc với đặc tính dốc bình thƣờng (dốc tiêu chuẩn) ............................ 53
4.4.2 Kịch bản 2: trƣờng hợp các thiết bị bảo vệ đều sử dụng thời gian
phụ thuộc với đặc tính rất dốc.......................................................................... 56
4.4.3 Kịch bản 3: trƣờng hợp các thiết bị bảo vệ đều sử dụng thời gian
phụ thuộc với đặc tính cực kỳ dốc................................................................... 58
4.4.4
nhau

Kịch bản tổng hợp: các bảo vệ có thể sử dụng các đặc tính khác
59

CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU ............. 62
5.1 Kết luận của luận văn ................................................................................. 62
5.2 Đề xuất hƣớng nghiên cứu tƣơng lai ........................................................ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 64

PHỤ LỤC ................................................................................................................ 65

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử
dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các
trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Trương Hải Nam

iii


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Xuân Tùng,
giảng viên Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà
Nội, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài này.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau
đại học, Viện Điện, thƣ viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trƣờng Đại học
Bách khoa Hà Nội đã hƣớng dẫn tôi trong khóa học và hồn thành đề tài này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và
Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tơi trong q trình học tập tại trƣờng.
Để có đƣợc ngày hơm nay tơi khơng thể khơng nhắc đến những ngƣời thân
trong gia đình đã tạo một hậu phƣơng vững chắc giúp tơi n tâm hồn thành cơng
việc và nghiên cứu của mình.

Cuối cùng tơi xin gửi tới toàn thể bạn bè và đồng nghiệp lời biết ơn chân
thành về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi ngƣời đã dành
cho tôi trong suốt thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Trương Hải Nam

iv


MỞ ĐẦU
Lƣới điện phân phối có chiều dài đƣờng dây và số lƣợng phụ tải rất lớn, do
vậy yêu cầu đảm bảo cung cấp điện liên tục là bài toán phức tạp, cần có sự phối hợp
đồng bộ của nhiều giải pháp. Hệ thống rơle bảo vệ và các thiết bị đóng cắt trên lƣới
có nhiệm vụ đảm bảo nhanh chóng cơ lập phân đoạn đƣờng dây sự cố, duy trì tối đa
số lƣợng phụ tải khơng bị mất điện. Để đảm bảo điều này cần phối hợp chỉnh định
các thiết bị đóng cắt trên lƣới theo phƣơng thức tối ƣu nhất.
Do số lƣợng đƣờng dây lớn nên trong lƣới phân phối chỉ đƣợc trang bị các
bảo vệ quá dòng đơn giản, phối hợp bảo vệ chỉ dựa theo phối hợp thời gian. Mặt
khác do các thông tin cần thiết để chỉnh định bảo vệ thƣờng thay đổi (công suất
ngắn mạch của nguồn, số lƣợng phụ tải) nên các điện lực chủ yếu sử dụng đặc tính
thời gian độc lập cho các bảo vệ q dịng.
Ƣu điểm của đặc tính thời gian độc lập là chỉnh định dễ dàng, giá trị dòng
khởi động và thời gian làm việc của bảo vệ có thể chỉnh định riêng rẽ; tuy nhiên
dạng đặc tính này có nhiều hạn chế nhƣ khi phải phối hợp nhiều thiết bị đóng cắt sẽ
dẫn tới thời gian làm việc của các bảo vệ gần nguồn bị kéo dài, tăng mức độ phá
hoại của dòng sự cố. Mặt khác do yêu cầu của điều độ A1 thì thời gian của bảo vệ
cho máy cắt tổng các phía 22kV, 35kV là cố định, dẫn tới phải giảm bậc phân cấp
thời gian của các bảo vệ phía sau nếu có nhiều thiết bị trên cùng xuất tuyến. Khi
giảm bậc phân cấp thời gian sẽ làm các bảo vệ dễ bị tác động vƣợt cấp.
Xuất phát từ các nhận định trên đây, nội dung của luận văn sẽ tập trung vào
nghiên cứu sử dụng đặc tính thời gian phụ thuộc cho các bảo vệ q dịng. Đặc tính

thời gian phụ thuộc có ƣu điểm là đảm bảo thời gian làm việc của các bảo vệ khi có
sự cố gần nguồn sẽ nhỏ, tuy nhiên khi chỉnh định cần xem xét đồng thời hai đại
lƣợng là dòng khởi động và hệ số nhân thời gian của đặc tính đƣợc chọn. Bài tốn
sẽ trở lên phức tạp hơn nếu xét tới ràng buộc về thời gian do điều độ A1 qui định và
xét tới trƣờng hợp cấu hình lƣới có thay đổi khi có sự cố, cần cấp điện ngƣợc cho
các phụ tải ở xuất tuyến lân cận.
v


Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn áp dụng với đƣờng dây 22kV
thuộc lƣới điện có trung tính nối đất trực tiếp và tính tốn với chức năng bảo vệ q
dịng có thời gian (I>). Chức năng bảo vệ q dịng chạm đất có thời gian đƣợc tính
tốn chỉnh định tƣơng tự nên sẽ không đề cập tới trong luận văn này do giới hạn về
thời gian nghiên cứu.
Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
Chƣơng 1: Tổng quan chung về các cấu hình lƣới phân phối điện và các thiết
bị đóng cắt. Giới thiệu chung về lƣới phân phối và các thiết bị đóng cắt phổ biến
trên lƣới, ƣu điểm và hạn chế của các thiết bị này.
Chƣơng 2: Phƣơng thức bảo vệ đƣờng dây trung áp thuộc lƣới điện phân
phối. Các nguyên lý bảo vệ đƣợc sử dụng. Phƣơng thức chỉnh định phối hợp bảo vệ
trong lƣới phân phối hiện đang đƣợc sử dụng. Đánh giá các vấn đề còn tồn tại và đề
xuất hƣớng nghiên cứu.
Chƣơng 3: Các vấn đề khó khăn khi tính tốn chỉnh định bảo vệ q dịng sử
dụng đặc tính thời gian phụ thuộc. Đề xuất bài toán tối ƣu cần giải quyết và các
ràng buộc khi phối hợp chỉnh định. Lựa chọn công cụ phù hợp để giải bài tốn tối
ƣu.
Chƣơng 4: Tính tốn kiểm chứng đề xuất nghiên cứu với một xuất tuyến lƣới
điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La, đánh giá kết quả nhận đƣợc và khả năng áp
dụng thực tế.
Chƣơng 5: Kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TĐL

Thiết bị tự đóng lại

BV

Bảo vệ

TSM

Time Setting Multiplier – Bội số nhân thời gian

PS

Plug Setting – Bội số dòng khởi động

STI

Safety Time Interval – Bậc phân cấp thời gian

ESS

Sum of Square Residual - tổng các độ lệch bình phƣơng của phần dƣ

TSS

Total Sum of Squares - tổng độ lệch bình phƣơng của tồn bộ

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.3.1 Bảng đặc tính dịng điện – thời gian của cầu chì 3A ..................... 34
Bảng 4.2.1 Tính tốn dịng làm việc lớn nhất lộ 476 E17.1 ............................. 45
Bảng 4.2.2 Tính tốn dịng khởi động cho các thiết bị bảo vệ lộ 476 E17.1 .... 46
Bảng 4.2.3 Đặc tính dịng điện – thời gian của dây chảy ................................ 48
Bảng 4.4.1 Dòng điện khởi động của các thiết bị bảo vệ trên lộ 476 E17.1 theo
kịch bản 1 ........................................................................................................... 54
Bảng 4.4.2 So sánh giữa tính tốn với giá trị Điện lực đang sử dụng của kịch
bản 1 ................................................................................................................... 55
Bảng 4.4.3 Bậc phân cấp thời gian đạt được của kịch bản 1 ........................... 55
Bảng 4.4.4 So sánh giữa tính tốn với giá trị Điện lực đang sử dụng của kịch
bản 2 ................................................................................................................... 57
Bảng 4.4.5 Bậc phân cấp thời gian đạt được của kịch bản 2 ........................... 57
Bảng 4.4.6 So sánh giữa tính tốn với giá trị Điện lực đang sử dụng của kịch
bản 3 ................................................................................................................... 58
Bảng 4.4.7 Bậc phân cấp thời gian đạt được của kịch bản 3 ........................... 59
Bảng 4.4.8 Hàm mục tiêu theo kịch bản tổng hợp ............................................ 60

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.1 Một xuất tuyến của lưới điện phân phối trung áp .............................. 2

Hình 1.2.1 Máy cắt trung áp ................................................................................ 2
Hình 1.2.2 Thiết bị tự đóng lại trung áp .............................................................. 4
Hình 1.2.3 Cấu trúc cầu dao phân đoạn tự động ................................................ 5
Hình 1.2.4 Cấu tạo chi tiết của cầu dao phân đoạn tự động ............................... 5
Hình 1.2.5 Cầu dao phân đoạn tự động loại 1 pha và 3 pha ............................... 6
Hình 1.2.6 Vị trí lắp đặt của cầu dao phân đoạn tự động ................................... 6
Hình 1.2.7 Cầu chì tự rơi ..................................................................................... 7
Hình 1.2.8 Cầu dao phụ tải .................................................................................. 8
Hình 2.1.1 Phương thức bảo vệ đường dây trung áp lưới điện có trung tính nối
đất trực tiếp ........................................................................................................ 10
Hình 2.2.1 Đường dây hình tia một nguồn cấp.................................................. 11
Hình 2.2.2 Đặc tính thời gian làm việc độc lập và phụ thuộc của rơle q dịng
............................................................................................................................ 14
Hình 2.2.3 Các dạng đặc tính của rơ le ............................................................. 14
Hình 2.2.4 Sơ đồ lưới điện với bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh ....................... 16
Hình 2.2.5 Phạm vi bảo vệ của bảo vệ q dịng điện cắt nhanh ...................... 17
Hình 2.2.6 Ví dụ đảm bảo tính chọn lọc bằng phân cấp thời gian .................... 18
Hình 2.2.7 Ví dụ đảm bảo tính chọn lọc bằng phân cấp dịng điện................... 19
Hình 2.2.8 Đặc tính làm việc của hai bảo vệ quá dòng liền kề với đặc tính thời
gian phụ thuộc .................................................................................................... 20
Hình 2.3.1 Ngưỡng khởi động của rơ le ............................................................ 21
Hình 2.3.2 Phối hợp các bảo vệ xuất phát từ cuối nguồn .................................. 21
Hình 2.3.3 Ràng buộc thời gian làm việc của bảo vệ theo quy định của A1 ..... 21
Hình 2.3.4 Phối hợp bảo vệ từ đầu nguồn ......................................................... 22
Hình 3.2.1 Giao diện chính của Matlab ............................................................. 30
Hình 3.2.2 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh......................................... 30
Hình 3.3.1 Vị trí tương đối của cầu chì trong lưới điện .................................... 31
ix

Hình 3.3.2 Đặc tính làm việc của cầu chì WBTG-3/3; 4; 6 của hãng ABB ...... 32
Hình 3.3.3 Đường đặc tính của cầu chì 3A, 4A, 6A ........................................... 34
Hình 3.3.4 Dữ liệu đầu vào cho phần mềm Matlab ........................................... 34
Hình 3.3.5 Giao diện đồ họa của công cụ Curve Fiting Tool .......................... 35
Hình 3.3.6 Xây dựng đường đặc tính cầu chì trên Matlab ............................... 35
Hình 3.3.7 Kết quả mơ phỏng đặc tính cầu chì trên Matlab khi sử dụng phương
trình mơ tả sử dụng 1 phần tử ............................................................................ 36
Hình 3.3.8 Kết quả mơ phỏng đặc tính cầu chì trên Matlab khi sử dụng phương
trình mơ tả sử dụng 2 phần tử ............................................................................ 38
Hình 4.1.1 Sơ đồ một sợi lưới điện xây dựng thuật tốn ................................... 40
Hình 4.2.1 Sơ đồ thực địa lưới điện lộ 476 E17.1 ............................................. 43
Hình 4.2.2 Sơ đồ một sợi đơn giản lộ 476 E17.1 ............................................... 44
Hình 4.2.3 Phạm vi bảo vệ của từng loại thiết bị lộ 476 E17.1 ......................... 44
Hình 4.2.4 Dịng ngắn mạch tại các nút của lộ 476 E17.1 ................................ 45
Hình 4.2.5 Phân tích theo cơng suất MBA lộ 476 E17.1 ................................... 45
Hình 4.2.6 Đặc tính cầu chì của nhà sản xuất ................................................... 47
Hình 4.2.7 Kết quả mơ phỏng đường đặc tính dây chảy 10A trên Matlab ........ 49
Hình 4.2.8 Kết quả mơ phỏng đường đặc tính dây chảy 15A trên Matlab ........ 49
Hình 4.3.1 Dịng ngắn mạch tại các nút của lộ 476 E17.1 ................................ 50
Hình 4.3.2 Phiếu chỉnh định của rơle đầu xuất tuyến lộ 476 E17.1 .................. 50
Hình 4.3.3 Phiếu chỉnh định của TĐL1 lộ 476 E17.1 ........................................ 51
Hình 4.3.4 Phiếu chỉnh định của TĐL2 lộ 476 E17.1 ........................................ 52
Hình 4.3.5 Đặc tính phối hợp thời gian theo chiều dài đường dây ................... 53
Hình 4.4.1 Phối hợp đặc tính bảo vệ của kịch bản 1 ......................................... 55
Hình 4.4.2 Phối hợp đặc tính bảo vệ của kịch bản 2 ......................................... 57
Hình 4.4.3 Phối hợp đặc tính bảo vệ của kịch bản 3 ......................................... 58

x

CHƢƠNG I – GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Tổng quan chung về lƣới điện phân phối
Lƣới điện phân phối là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân
phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà
máy điện cấp điện cho phụ tải. Lƣới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ
thống điện đƣa điện năng trực tiếp đến ngƣời tiêu dùng. Lƣới điện phân phối
bao gồm lƣới điện trung áp và lƣới điện hạ áp.
Lƣới điện phân phối gồm hai phần:
- Lƣới điện phân phối trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6,3kV; 10,5kV;
23kV; 35kV phân phối cho các trạm phân phối trung áp/ hạ áp và các phụ tải
trung áp.
- Lƣới điện phân phối hạ áp có cấp điện áp 380/220V cấp điện cho các
phụ tải hạ áp.
Nhiệm vụ của lƣới điện phân phối:
Lƣới điện phân phối có nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung
gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải.
Lƣới điện phân phối đƣợc xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng
từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ.
Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, lƣới phải
đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải.
Đảm bảo chất lƣợng điện năng trong giới hạn cho phép.

1


PHỤ TẢI

PHỤ TẢI

0,4kV

0,4kV

PHỤ TẢI
PHỤ TẢI

0,4kV

0,4kV
Máy cắt
đường
dây
23kV

Cầu chì
tự rơi

MC
Máy cắt
tổng
110kV
MC

Máy cắt
tổng
23kV
MC

Cầu chì
tự rơi

Cầu chì
tự rơi

Thiết
bị TĐL

Cầu chì
tự rơi

Cầu ch ì
tự rơi

R

Cầu chì
tự rơi

Cầu chì
tự rơi

Cầu chì
tự rơi

0,4kV

0,4kV
0,4kV

PHỤ TẢI

PHỤ TẢI

0,4kV

Cầu ch ì
tự rơi

PHỤ TẢI

Cầu chì
tự rơi

PHỤ TẢI

Cầu chì
tự rơi

Cầu chì
tự rơi

Cầu chì
tự rơi

0,4kV

Cầu chì
tự rơi
0,4kV

0,4kV
0,4kV

PHỤ TẢI

PHỤ TẢI

PHỤ TẢI

Cầu ch ì
tự rơi

0,4kV
PHỤ TẢI

Cầu chì
tự rơi

0,4kV
PHỤ TẢI

0,4kV
PHỤ TẢI

PHỤ TẢI
0,4kV
PHỤ TẢI

Hình 1.1.1 Một xuất tuyến của lưới điện phân phối trung áp

Các lƣới điện phân phối thƣờng đƣợc thiết kế mạch vòng, nhƣng vận hành
hở; việc thiết kế mạch vịng để có thể nhanh chóng chuyển đổi phƣơng thức cấp
điện khi có sự cố trên một phân đoạn nào đó, đồng thời việc vận hành hở sẽ làm
đơn giản công tác điều độ lƣới điện.
1.2 Các thiết bị đóng cắt trong lƣới phân phối
1.2.1

Máy cắt trung áp

Hình 1.2.1 Máy cắt trung áp

Máy cắt điện là thiết bị đóng cắt điện áp cao ngay khi có dòng điện phụ tải
hoặc dòng điện ngắn mạch chạy qua. Ngồi khả năng đóng cắt máy cắt điện
bằng tay, bao giờ đi kèm với nó, cũng có một mạch điện điều khiển, để có thể
tự động cắt dịng điện ngắn mạch đƣờng dây. Vì vậy máy cắt điện khơng những
là một thiết bị đóng cắt thơng thƣờng mà cịn là thiết bị bảo vệ đƣờng dây khi bị
2


ngắn mạch. Khi đóng cắt mạch điện áp cao, hồ quang sinh ra ở các tiếp điểm rất
lớn, mặc dầu cơng suất đóng cắt nhỏ. Do đó vấn đề kỹ thuật chủ yếu cần giải
quyết trong máy cắt điện là việc dập tắt hồ quang ở các tiếp điểm.
Nếu phân loại máy cắt theo mơi trƣờng dập hồ quang thì có các loại thơng
thƣờng sau:
- Máy cắt nhiều dầu: dầu vừa là chất cách điện đồng thời sinh khí để dập
tắt hồ quang.
- Máy cắt ít dầu: lƣợng dầu ít chỉ đủ để sinh khí dập tắt hồ quang cịn cách
điện là chất rắn.
- Máy cắt khơng khí: dùng khí nén để dập tắt hồ quang.
- Máy cắt tự sinh khí: dùng vật liệu cách điện có khả năng tự sinh khí dƣới

tác động của nhiệt độ cao của hồ quang. Khí tự sinh ra có áp suất cao dập tắt hồ
quang.
- Máy cắt điện từ: hồ quang đƣợc dập trong khe hẹp làm bằng vật liệu rắn
chịu đƣợc hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe.
- Máy cắt chân không: hồ quang đƣợc dập trong môi trƣờng chân khơng.
- Máy cắt SF6: dùng khí SF6 để dập hồ quang.
1.2.2

Thiết bị tự đóng lại

Phần lớn sự cố trong hệ thống điện là sự cố thống qua. Vì vậy, để tăng
cƣờng độ liên tục cung cấp điện cho phụ tải, thay vì sử dụng máy cắt ngƣời ta
sử dụng máy cắt có thiết bị tự đóng lại (TĐL). Thực chất thiết bị tự đóng lại là
máy cắt có kèm thêm rơle có chức năng bảo vệ và điều khiển. Ngƣời sử dụng
có thể lập trình các chức năng bảo vệ nhƣ bảo vệ quá dòng cắt nhanh, bảo vệ
quá dịng có thời gian, bảo vệ q dịng pha/q dịng chạm đất. Chức năng điều
khiển tự đóng lại cho phép cài đặt nhiều tham số nhƣ số lần tự đóng lại, thời
gian tự đóng lại, thời gian phục hồi… theo u cầu. Thiết bị này cịn có thể đo
và lƣu trữ một số thông số vận hành cần thiết nhƣ U, I, P, Q…và lƣu trữ các bản
ghi sự cố.

3


Hình 1.2.2 Thiết bị tự đóng lại trung áp

Khi trên đƣờng dây xảy ra sự cố, thiết bị tự đóng lại sẽ cắt và sau một
khoảng thời gian đặt trƣớc rơle điều khiển sẽ ra lệnh đóng lại máy cắt. Nếu là sự
cố thống qua, tự đóng lại thành cơng thì đƣờng dây sẽ có điện trở lại. Trong
trƣờng hợp sự cố vẫn tồn tại (sự cố duy trì hoặc bán duy trì) thì thiết bị tự đóng

lại có thể tự đóng lại thêm 1 hoặc 2 lần tùy theo cài đặt; sau đó sẽ tự khóa để
tránh gây hƣ hỏng máy cắt. Trong trƣờng hợp này các phụ tải ở phía sau điểm
đặt TĐL sẽ bị mất điện. Thiết bị TĐL thƣờng đƣợc trang bị trên đƣờng trục
chính của xuất tuyến trung áp của lƣới điện phân phối (Hình 1.1.1). Do giá
thành của thiết bị này khá cao nên các thiết bị TĐL chủ yếu đƣợc lắp đặt cho
các đƣờng dây cung cấp cho phụ tải quan trọng, số lƣợng và công suất phụ tải
lớn.
1.2.3

Cầu dao phân đoạn tự động

Về mặt hình thức thì cầu dao phân đoạn tự động khá tƣơng tự với các cầu
chì tự rơi. Cầu dao phân đoạn tự động bao gồm hai phần chính: cơ cấu đỡ tƣơng
tự nhƣ cầu chì tự rơi gồm có sứ cách điện và các hệ thống ngàm cơ khí và ống
dẫn điện (vai trị tƣơng tự nhƣ dao cách ly) và một mô-đun điều khiển điện tử.

4


Hình 1.2.3 Cấu trúc cầu dao phân đoạn tự động

Cấu tạo chi tiết nhƣ sau:

Hình 1.2.4 Cấu tạo chi tiết của cầu dao phân đoạn tự động

Ngoài ra một số loại đƣợc trang bị thêm hệ thống dập hồ quang để tăng
cƣờng khả năng cắt; trên thị trƣờng có cả loại 3 pha và 1 pha phù hợp với các
ứng dụng khác nhau.

5

Hình 1.2.5 Cầu dao phân đoạn tự động loại 1 pha và 3 pha

Vị trí lắp đặt: thƣờng lắp đặt sau thiết bị TĐL và tại đầu các nhánh rẽ
(minh họa với cầu dao phân đoạn tự động Autolink của ABB).

Hình 1.2.6 Vị trí lắp đặt của cầu dao phân đoạn tự động

Cầu dao phân đoạn tự động hoạt động trên ngun tắc nhƣ sau: mơ đun
điện tử có trang bị các biến dòng điện để đo lƣờng dòng điện chạy qua dao và
để cung cấp năng lƣợng cho các hệ thống mạch điện tử và cơ cấu chấp hành
(dạng cuộn hút). Khi có sự cố xảy ra ở phía sau vị trí đặt cầu dao phân đoạn thì
dịng điện qua dao tăng cao, nếu dòng điện này vƣợt giá trị ngƣỡng đã cài đặt
trong bộ điều khiển thì bộ điều khiển sẽ đếm là 1 lần sự cố. Sau đó máy cắt
hoặc TĐL sẽ cắt sự cố và thực hiện tự đóng lại. Nếu TĐL thành cơng thì bộ
đếm của dao cách ly sẽ tự giải trừ sau một khoảng thời gian; trƣờng hợp TĐL
khơng thành cơng thì bộ đếm sẽ ghi nhận đƣợc số lần đóng vào sự cố này. Nếu
số lần đóng vào sự cố vƣợt quá giá trị đặt trƣớc (ví dụ 3 lần) thì trong khoảng
thời gian không điện giữa các lần TĐL bộ điều khiển điện tử sẽ cấp điện cho

6


cuộn hút để kéo các lẫy của cơ cấu tự rơi và ống dao sẽ rơi khỏi vị trí đóng,
cách ly phần đƣờng dây phía sau cầu dao.
Để phối hợp sự làm việc của các cầu dao phân đoạn tự động cần cài đặt số
lần đếm sự cố của thiết bị theo bậc phân cấp: các cầu dao càng gần nguồn sẽ có
số lần đếm càng lớn hơn.
Việc sử dụng cầu dao phân đoạn này sẽ tự động cách ly đƣợc phân đoạn

sự cố, không cần đội thao tác phải đi đến hiện trƣờng; do vậy giảm đƣợc thời
gian mất điện của các phụ tải lân cận nhánh sự cố.
1.2.4

Cầu chì tự rơi

Hình 1.2.7 Cầu chì tự rơi

Một trong những thiết bị đóng cắt đóng vai trị quan trọng trong việc bảo
vệ và cải thiện độ tin cậy trên đƣờng dây lƣới phân phối đó là cầu chì tự rơi
(Hình 1.2.7).
Cầu chì tự rơi chủ yếu đƣợc dùng để bảo vệ máy biến áp phân phối hoặc
sử dụng tại đầu đƣờng nhánh rẽ từ trục chính. Cầu chì tự rơi là thiết bị bảo vệ
đơn giản trong lƣới phân phối với đặc tính thời gian phụ thuộc, có khả năng cắt
dòng điện cực đại từ 5 đến 8 kA ở cấp điện áp 11 hoặc 22 kV. Cầu chì tự rơi có
nhƣợc điểm là có thể gây nên tình trạng hở mạch một pha trong vận hành nếu
sự cố xảy ra ở 1 pha.
7


1.2.5

Cầu dao phụ tải (Load Break Switch)

Cầu dao phụ tải có cơng dụng nhƣ một cầu dao liên động. Tuy nhiên nó có
ƣu việt hơn hẳn cầu dao thƣờng đó chính là khả năng đóng/cắt đƣợc khi có tải.
Việc lắp đặt tại đầu các nhánh rẽ sẽ thu hẹp khu vực bị mất điện khi thực hiện
cắt điện theo kế hoạch để công tác, hay phân đoạn để xử lý sự cố trên đƣờng
dây.

Hình 1.2.8 Cầu dao phụ tải

Cầu dao phụ tải là thiết bị có buồng dập hồ quang, chính vì vậy thiết bị có
thể cắt đƣợc dịng điện bình thƣờng. Thiết bị có tiếp điểm chính và tiếp điểm
phụ (tiếp điểm phụ đƣợc thiết kế nằm trong buồng dập hồ quang). Khi muốn cắt
dịng điện thì tiếp điểm chính sẽ mở trƣớc, sau đó tiếp điểm phụ mới mở. Do
tiếp điểm phụ đƣợc thiết kế nằm trong buồng dập hồ quang nên khi hồ quang
sinh ra sẽ đƣợc dập tắt. Ngƣợc lại khi muốn đóng điện trở lại thì tiếp điểm phụ
sẽ đóng trƣớc, sau đó tiếp điểm chính mới đóng.
1.2.6

Nhận xét chung

Lƣới điện phân phối đƣợc trang bị nhiều loại thiết bị giúp nâng cao mức
độ tự động hóa và nhanh chóng loại trừ, cơ lập đƣợc phân đoạn sự cố. So sánh
chung về các loại thiết bị đóng cắt thƣờng gặp có thể thấy hiệu quả của các loại
thiết bị này tƣơng ứng với chi phí đầu tƣ. Máy cắt và thiết bị tự đóng lại có hiệu
quả sử dụng cao nhất do có thể đóng cắt khi có sự cố, giúp giảm thiểu thời gian
ngừng cung cấp điện, đặc biệt trong các trƣờng hợp có sự cố thoáng qua, giúp
8


nâng cao các chỉ tiêu về chất lƣợng điện năng của lƣới. Tuy nhiên cần đảm bảo
phối hợp chính xác các thiết bị tự động đóng cắt này để tránh trƣờng hợp tác
động nhầm gây mất điện không cần thiết.

9


CHƢƠNG 2 PHƢƠNG THỨC PHỐI HỢP CÁC BẢO VỆ CHO

ĐƢỜNG DÂY TRUNG ÁP
2.1 Phƣơng thức bảo vệ cho các đƣờng dây trung áp
Các đƣờng dây trung áp có cấu trúc đơn giản, lƣới điện đƣợc thiết kế kín
nhƣng vận hành hình tia, do vậy chỉ sử dụng các bảo vệ q dịng làm bảo vệ
chính.

Hình 2.1.1 Phương thức bảo vệ đường dây trung áp lưới điện
có trung tính nối đất trực tiếp

Hình 2.1.1 thể hiện phƣơng thức bảo vệ chính cho các đƣờng dây trung
áp trong lƣới điện có trung tính nối đất trực tiếp (22kV), trong đó chức năng
bảo vệ q dịng có thời gian (I>) là bảo vệ chính, chức năng bảo vệ q dịng
cắt nhanh là dự phịng vì khơng bảo vệ đƣợc tồn bộ phân đoạn. Chức năng tự
đóng lại đƣợc trang bị để nhanh chóng tự động đóng điện trở lại cho đƣờng dây,
khơi phục cấp điện với các trƣờng hợp sự cố thoáng qua.
Với đƣờng dây thuộc lƣới điện có trung tính cách điện (35kV) sẽ chỉ
trang bị các chức năng bảo vệ quá dịng, khơng sử dụng chức năng bảo vệ q

10


dịng chạm đất do dịng chạm đất có giá trị nhỏ; thay vào đó sẽ có chức năng
báo chạm đất sử dụng điện áp 3U0.
Tùy theo chức năng đƣợc trang bị trong rơle, có thể sử dụng thêm các
chức năng bảo vệ dự phòng sau:
- Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (I2>): bảo vệ khi có sự cố khơng đối
xứng hoặc khi mức độ mất đối xứng tăng cao.
- Bảo vệ quá tải (I≥): có nhiệm vụ bảo vệ chống quá tải cho đƣờng dây.
Chức năng này có thời gian làm việc phụ thuộc, tùy theo mức độ quá tải thì thời
gian tác động có thể dài hoặc ngắn.

- Bảo vệ sa thải phụ tải theo tần số (f<): chức năng này tự động cắt
đƣờng dây trong trƣờng hợp xảy ra biến động thiếu công suất trên hệ thống, tần
số giảm dƣới ngƣỡng cài đặt trong một khoảng thời gian định trƣớc.
2.2 Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện
2.2.1 Khái niệm về bảo vệ quá dòng
Bảo vệ quá dòng dùng để chống lại các dạng sự cố quá dòng một pha,
hai pha & ba pha. Bảo vệ sẽ khởi động khi dòng điện của một pha, hai pha hoặc
cả ba pha vƣợt quá giá trị khởi động đã đƣợc cài đặt trƣớc trong rơle. Do bảo vệ
hoạt động theo dòng điện của riêng từng pha nên còn đƣợc gọi là bảo vệ quá
dòng điện pha.
Tùy thuộc thiết kế mà rơle có thể gửi tín hiệu cắt riêng pha bị sự cố hoặc
cắt cả ba pha (việc cắt riêng một pha thƣờng chỉ áp dụng với đƣờng dây 500kV
và một số đƣờng dây 220kV quan trọng).
2.2.2 Nguyên lý bảo vệ q dịng có thời gian (I>)
Xét đƣờng dây đơn giản có hai phân đoạn, tại đầu mỗi đoạn đƣờng dây
đều trang bị các bảo vệ q dịng điện (Hình 2.2.1):

Hình 2.2.1 Đường dây hình tia một nguồn cấp

11


Khi sự cố xảy ra tại N2: dòng điện sự cố chạy từ nguồn tới điểm sự cố
qua cả BV1 & BV2. Cả hai bảo vệ đều cảm nhận đƣợc sự cố và cùng khởi động
đếm thời gian. Do sự cố xảy ra tại phân đoạn 2 nên BV2 cần phải tác động
trƣớc và cắt máy cắt phân đoạn 2 loại trừ sự cố (khi sự cố tại N2 đƣợc loại trừ
thì BV1 sẽ trở về, bộ đếm thời gian sẽ trả về 0); do vậy cần chỉnh định thời gian
của BV2 ngắn hơn của BV1. Có thể viết thời gian chỉnh định của hai bảo vệ này
nhƣ sau:
tBV1 = tBV2 + ∆t

trong đó ∆t là bậc phân cấp thời gian giữa các bảo vệ.
Một cách tổng quát: thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng cấp trên cần
lớn hơn so với các bảo vệ cấp dƣới, mức độ chênh lệch thời gian tối thiểu là ∆t.
Công thức tổng quát:
tbảo vệ cấp trên = max{tcác bảo vệ cấp dƣới liền kề}+∆t
với ∆t=0,3÷0,6 giây (thƣờng chọn mức 0,5 giây)
Các bảo vệ quá dòng này đảm bảo khả năng làm việc chọn lọc dựa theo
việc phân cấp thời gian, do đó cịn đƣợc gọi là bảo vệ q dịng có thời gian (để
phân biệt với một dạng bảo vệ khác là bảo vệ quá dòng cắt nhanh).
Bậc phân cấp thời gian ∆t nếu lựa chọn quá nhỏ thì các bảo vệ có thể dễ
tác động nhầm, nếu lựa chọn lớn sẽ làm chậm thời gian tác động của bảo vệ cấp
trên. Bậc phân cấp ∆t đƣợc lựa chọn dựa trên các yếu tố sau đây:
- Thời gian cắt của máy cắt: thƣờng do các nhà sản xuất cung cấp.
- Sai số về thời gian của rơle (timing error): rơle không thể vận hành
chính xác đúng theo đặc tuyến lý thuyết đã đƣợc xây dựng.
- Hiện tƣợng quá tác động của rơle (overshoot): là hiện tƣợng rơle đã
đƣợc ngắt điện nhƣng vẫn tiếp tục vận hành thêm một khoảng thời gian rất ngắn
nữa. Lý do của việc này là do các rơle vẫn còn lƣu trữ năng lƣợng: rơle cơ loại
đĩa quay, cốc quay có qn tính, rơle tĩnh có các tụ điện vẫn cịn tích lũy năng
lƣợng …

12


- Sai số của biến dịng: các biến dịng có sai số và sai số này có thể làm
rơle vận hành nhanh hơn hoặc chậm hơn so với lý thuyết, nếu rơle sử dụng đặc
tính độc lập thì khơng cần xét tới yếu tố này.
- Thời gian dự phòng (safety margin).
Thông thƣờng giá trị ∆t=0,5 giây là đủ để đảm bảo các yếu tố trên.
Nhƣ vậy bảo vệ quá dòng thƣờng làm việc có thời gian trễ theo chỉnh

định, tuy vậy ngƣời chỉnh định phải lựa chọn thêm một mục nữa là đặc tính thời
gian trễ của bảo vệ nhƣ sau (Hình 2.2.2):
- Bảo vệ q dịng với đặc tính thời gian độc lập: khi đã khởi động thì
thời gian làm việc (trễ) của bảo vệ không phụ thuộc vào độ lớn dịng ngắn
mạch.
Ví dụ bảo vệ được chỉnh định như sau:
o Dòng khởi động là 1kA
o Thời gian làm việc là 1 giây
o Dùng đặc tính thời gian độc lập
Khi dịng sự cố là 2kA thì rơle tác động sau khoảng thời gian là 1 giây như đã
đặt, với dịng sự cố dù tăng lên tới 20kA thì thời gian tác động của rơle không đổi và
vẫn là 1 giây.

- Bảo vệ q dịng với đặc tính thời gian phụ thuộc: khi bảo vệ đã
khởi động thì thời gian làm việc sẽ phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện ngắn
mạch, dịng điện ngắn mạch càng lớn thì thời gian tác động của bảo vệ càng nhỏ
và ngƣợc lại. Đặc tính này có thể hiểu tƣơng tự nhƣ đặc tính của cầu chì hoặc
đặc tính chống q tải của áp tơ mát.
Trong thực tế thì thời gian tác động tỷ lệ với tỷ số giữa dòng ngắn mạch
và dòng khởi động của rơle.

13