Giáo trình Bảo vệ rơ le - Ngành/nghề: Điện công nghiệp

1

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC/ MÔ ĐUN BẢO VỆ RƠ LE

NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

(Áp dụng cho Trình độ cao đẳng)

LƯU HÀNH NỘI BỘ

NĂM 2017

2

LỜI GIỚI THIỆU

Mô đun bảo vệ rơ le hệ trung cấp phù hợp với các yêu cầu bảo vệ

trong nhà máy thủy điện là mô đun cần thiết trong các nhà máy thủy

điện Việc giẳn kết đúng dắn về vấn đề bảo vệ và vận hành các nhà máy

thủy điện và trạm biến áp chúng sẽ mang lại lợi ích không nhỏ đối với

hệ thống kinh tế quốc dân nói chung và hệ thống điện nói riêng. Muốn

giải quyết được vấn đề nêu trên cần có những hiểu biết toàn diện, sâu

sắc không những về nhà máy điện và trạm biến áp mà cả về hệ thống

điện phần nào đáp ứng nhu cầu của bạn đọc, các cán bộ giảng dạy thuộc

khoa điện – điện tử trường Cao đẳng Lao Cai biên soạn cuốn sách này

dựa trên kết quả nghiên cứu, giảng dạy nhiều năm và các tài lệu mới

xuất bản.

Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã tham khảo các tài liệu

và giáo trình khác như ở phần cuối giáo trình đã thống kê.

Lần đầu được biên soạn và ban hành, giáo trình chắc chắn sẽ còn

khiếm khuyết; rất mong các thầy cô giáo và những cá nhân, tập thể của

các trường đào tạo nghề và các cơ sở doanh nghiệp quan tâm đóng góp

để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng được mục tiêu đào tạo

của môn học nói riêng và ngành vận hành thủy điện cũng như các

chuyên ngành kỹ thuật nói chung.

Lao Cai, tháng năm 2018

Nhóm biên soạn

1. Lại Văn Dũng

3

Mục lục

Bài 1: Những khái niệm chung về bảo vệ rơle - các loại rơle.

1.Khái niệm chung

2. Yêu cầu của bảo vệ rơle

3. Các loại rơle

4. Các phương pháp nối rơle và tác động của rơle lên máy cắt;

5. Các nguồn điện thao tác.

Bài 2: Các nguyên lý đo lường và phát hiện hư hỏng trong hệ thống điện.

Bài 3: Bảo vệ đường dây tải điện.

1. Những vấn đề chung;

2. Bảo vệ quá dòng điện

3. Bảo vệ so lệch dòng điện:

4. Bảo vệ khoảng cách

5. Bảo vệ so sánh hướng

6. Bảo vệ chống chạm đất trong lưới điện có dòng chạm đất bé

7. Tự đóng lại

Bài 4: Bảo vệ máy phát điện đồng bộ.

1. Các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của máy phát điện;

2. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stato;

3. Bảo vệ chống ngắn mạch giữa các pha;

4. Bảo vệ chống các vòng dây trong cuộn stato chập nhau;

5. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây rôto;

6. Bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch;

7. Bảo vệ chống mất kích từ;

Bài 5: Bảo vệ máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu.

1. Các dạng hư hỏng và những loại bảo vệ thường dùng

2. Các bảo vệ chống ngắn mạch

3. Bảo vệ chống quá tải

4. Bảo vệ bằng rơle khí (Buchholz);

5. Lựa chọn phương thức bảo vệ máy biến áp;

Bài 6: Bảo vệ bộ máy phát điện – Máy biến áp.

1. Bảo vệ so lệch có hãm;

2. Bảo vệ khoảng cách đặt ở phía cao áp của máy biến áp để làm dự phòng;

3. Bảo vệ chống bão hoà mạch từ máy biến áp;

4. Những bảo vệ khác đặt ở bộ máy phát điện - máy biến áp;

5. Lựa chọn phương thức bảo vệ cho bộ máy phát điện - máy bién áp;

4

Bài 7: Bảo vệ các hệ thống thanh góp và bảo vệ dự phòng máy cắt hỏng.

Bài 8: Bảo vệ các động cơ điện ba pha điện áp cao.

1. Các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của động cơ điện;

2. Bảo vệ quá dòng điện;

3. Bảo vệ so lệch dòng điện;

4. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây Stato;

5. Bảo vệ quá tải cho động cơ;

6. Bảo vệ chống mất đối xứng;

5

Bài 1. Những khái niệm chung về bảo vệ rơ le

1. Khái niệm chung

2.Yêu cầu của bảo vệ rơ le.

2.1. Tính chọn lọc

6

2.2. Tác động nhanh

2.3. Độ nhạy

7

2.4. Tính kinh tế

3. Các loại rơ le

8

4. Các phương pháp và tác động của rơ le lên máy cắt

4.1 Phương pháp thứ nhất

4.2 Phương pháp thứ 2

4.3 Phương pháp nối dây rơ le

9

10

Bài 2. Nguyên lý đo lường và phát hiện hư hỏng trong hệ thống điện

11

Bài 3. Bảo vệ đường dây tải điện.

1. Những vấn đề chung

2. Quá dòng điện

12

13

3. Bảo vệ so lệch dòng điện.

14

15

4. Bảo vệ có khoảng cách

Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ dùng rơ le tổng trở có thời gian làm việc

phụ thuộc vào quan hệ giữa điện áp U_Rvà dòng điện I_Rđưa vào rơle và góc (p_R

giữa chúng:

t = ^,9R ) ¹R

thời gian này tự động tăng lên khi khoảng cách từ chỗ nối bảo vệ đến điểm hư

hỏng tăng lên. Bảo vệ đặt gần chỗ hư hỏng nhất có thời gian làm việc bé nhất

Nếu nối rơle tổng trở của bảo vệ khoảng cách (BVKC) vào hiệu các dòng pha và

điện áp

Nguyên tắc tác động bảo vệ so lệch ngang dựa vào việc so sánh dòng trên 2

đường dây song song, trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch

ngoài các dòng này có trị số bằng nhau và cùng hướng, còn khi phát sinh hư hỏng

trên một đường dây thì chúng sẽ khác nhau.

Bảo vệ được dùng cho 2 đường dây song song nối vào thanh góp qua máy

cắt riêng. Khi hư hỏng trên một đường dây, bảo vệ cần phải cắt chỉ đường dây đó

và giữ nguyên đường dây không hư hỏng lại làm việc. Muốn vậy bảo vệ phải

16

được đặt ở cả 2 đầu đường dây và có thêm bộ phận định hướng công suất để xác

định đường dây bị hư hỏng.

Sơ đồ nguyên lí 1 pha của bảo vệ trên hình 5.9. Các máy biến dòng đặt trên 2

đường dây có tỷ số biến đổi n_Inhư nhau, cuộn thứ của chúng nối với nhau thế nào

để nhận được hiệu các dòng pha cùng tên. Rơle dòng 5RI làm nhiệm vụ của bộ

phận khởi động, rơle 6RW tác động 2 phía là bộ phận định hướng công suất. Khi

chiều dòng điện quy ước như trên hình 5.9, ta có dòng đưa vào các rơle này là I_R

= I_IT- I_IIT.

Ap đưa vào 6RW được lấy từ BU nối vào thanh góp trạm. Rơle 6RW sẽ tác

động đi cắt đường dây có công suất ngắn mạch hướng từ thanh góp vào đường

dây và khi ở cả 2 đường dây đều có công suất ngắn mạch hướng từ thanh góp vào

đường dây thì 6RW sẽ tác động về phía đường dây có công suất lớn hơn.

Trong chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài, dòng IIT ,

IIIT bằng nhau và trùng pha. Dòng vào rơle I_R= I_IT- I_IITgần bằng 0 (I_R= I_KCB),

nhỏ hơn dòng khởi

Hình 5.9 : Bảo vệ so lệch ngang có hướng dùng cho 2 đường dây song song

Khi ngắn mạch trên đường dây I ở điểm N’ (hình 5.9), dòng I_I> I_II. Về phía

trạm A có I_R= I_IT- I_IIT; còn phía trạm B có I_R= 2I_IIT. Rơle 5RI ở cả 2 phía đều

khởi động. Công suất ngắn mạch trên đường dây I phía A lớn hơn trên đường dây

17

II; do vậy 6’RW khởi động về phía đường dây I và bảo vệ cắt máy cắt 1’MC. Về

phía trạm B, công suất ngắn mạch trên đường dây I có dấu dương (hướng từ

thanh góp vào đường dây), còn trên đường dây II - âm. Do đó 6”RW cũng khởi

động về phía đường dây I và cắt máy cắt 1”MC. Như vậy bảo vệ đảm bảo cắt 2

phía của đường dây hư hỏng I.

Khi ngắn mạch trên đường dây ở gần thanh góp (điểm N”), dòng vào rơle

phía trạm B là I_R« 0 và lúc đầu nó không khởi động. Tuy nhiên bảo vệ phía trạm

A tác động do dòng vào rơle khá lớn. Sau khi cắt máy cắt 2’MC, phân bố dòng

trên đường dây có thay đổi và chỉ đến lúc này bảo vệ phía trạm B mới tác động

cắt 2”MC. Hiện tượng khởi động không đồng thời vừa nêu là không mong muốn

vì làm tăng thời gian loại trừ hư hỏng ra khỏi mạng điện.

Nguồn thao tác được đưa vào bảo vệ qua các tiếp điểm phụ của 1MC và

2MC. Khi cắt một máy cắt thì tiếp điểm phụ của nó mở và tách bảo vệ ra. Cần

thực hiện như vậy vì 2 lí do sau:

Sau khi cắt 1 đường dây bảo vệ trở thành bảo vệ dòng cực đại không thời

gian. Nếu không tách bảo vệ ra, nó có thể cắt không đúng đường dây còn lại khi

xảy ra ngắn mạch ngoài.

ũ Bảo vệ có thể cắt đường dây bị hư hỏng không đồng thời. Khi ngắn mạch

tại điểm N”, máy cắt 2’MC cắt trước, sau đó toàn bộ dòng hư hỏng sẽ đi đến chỗ

ngắn mạch qua đường dây I. Nếu không tách bảo vệ phía trạm A ra, nó có thể cắt

không đúng 1’MC của đường dây I không

5. Bảo vệ so sánh hướng.

Bảo vệ dòng cắt nhanh có hướng:

Bảo vệ dòng cắt nhanh có hướng là bảo vệ

có hướng không thời gian mà tính chọn lọc

tác động đạt được bằng cách chọn dòng khởi

động I_KĐlớn hơn giá trị cực đại của dòng

ngắn mạch ngoài Iỵngmax đi theo hướng tác

động của bộ phận định hướng công suất nếu

bảo vệ dòng cắt nhanh có hướng

như điều kiện chỉnh định theo dòng điện khi

dao động (đối với bảo vệ cắt nhanh nối vào dòng pha toàn phần) không phải là

điều kiện tính toán .

18

Trên hình 3.21 là đồ thị biểu diễn sự thay đổi của giá trị dòng điện trên

đường dây AB có 2 nguồn cung cấp khi dịch chuyển điểm ngắn mạch dọc theo

đường dây. Dòng khởi động của bảo vệ cắt nhanh không có hướng đối với đường

dây này được chọn lớn hơn giá trị lớn nhất của các dòng ngắn mạch ngoài, đối với

trường hợp như trên hình 3.21 thì I_KĐ=kat.I_Nngma_xA. Như vậy nối bảo vệ cắt nhanh

về phía trạm B là không có ý nghĩa vì I_KĐluôn luôn lớn hơn dòng ngắn mạch đi

qua bảo vệ đặt phía trạm B.

Nếu ta đưa thêm bộ phận định hướng công suất vào bảo vệ cắt nhanh ở trạm

B, thì có thể chọn dòng khởi động của nó không kể đến dòng INngmaxA. Dòng

khởi động của bảo vệ B sẽ nhỏ hơn so với trường hợp dùng bảo vệ cắt nhanh

không hướng nêu trên và bằng I_{KĐ B}= kat.I_Nngma_xB. Trong trường hợp này bảo vệ

cắt nhanh về phía trạm B sẽ có thể bảo vệ được phần lớn đường dây AB.

6. Bảo vệ chống chạm đất trong lưới điện có dòng chạm đất bé

Bảo vệ dòng thứ tự không Trong mạng có dòng chạm đất lớn:

* Bảo vệ dòng thứ tự không được thực hiện nhờ một rơle RI nối vào bộ lọc

dòng thứ tự không LIo .

Khi chiều của các dòng điện đã chấp nhận như trong sơ đồ hình 4.1 và 4.2,

dòng điện qua rơle RI bằng:

I R = la + I b + I c Dòng thứ

của BI tương ứng với sơ đồ thay thế (hình 2.13) là:

•

I I ra o •

•

It = Is - I*=ras (Is -1 v )

ra

Ví dụ:

la = „ (IA - IA„)

ra

T

Vì vậy:I R = ^(I A + I B + le) -^(I Av+ I Bv + Iev)

ra T ra T

Tổng dòng từ hóa của 3 máy biến dòng quy đổi về phía thứ cấp của

chúng được gọi là dòng không cân bằng thứ cấp của bộ lọc:

(4.1)

I KCBT = (lAv + I Bv + lev) ra T

Tổng: IA + IB + le = 3Io ;—— = n| ra _s

19

Như vậy bảo vệ chỉ tác động đối với các dạng ngắn mạch có tạo nên

dòng I_o(ngắn mạch chạm đất).

Đối với các bộ lọc dùng BI lí tưởng có Iụ, = 0 thì I_KCBT= 0. Tuy nhiên thực

tế các BI luôn luôn có dòng từ hóa và dòng từ hóa ở các pha là khác nhau mặc dù

dòng sơ của các pha có trị số bằng nhau, vì vậy I_KCBT^ 0.

Dòng khởi động của bảo vệ:

Trong tình trạng làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch giữa các pha

(không chạm đất) thì dòng thứ tự không I0 = 0. Do vậy để bảo vệ không tác động

khi ngắn mạch giữa các pha ngoài vùng bảo vệ cần chọn:

IKĐ = kat . IKCBStt

(4.4)

Dòng IKCBStt được tính toán đối với trường hợp ngắn mạch ngoài không

chạm đất và cho dòng lớn nhất.

Đồng thời để phối hợp độ nhạy giữa các bảo vệ thứ tự không thì dòng khởi

động của bảo vệ đoạn sau (gần nguồn hơn) phải chọn lớn hơn bảo vệ đoạn trước

một ít.

Dòng khởi động của bảo vệ thứ tự không thường bé hơn nhiều so với dòng

làm việc cực đại của đường dây nên độ nhạy khá cao.

Thời gian làm việc:

Bảo vệ dòng thứ tự không có đặc tính thời gian độc lập, được chọn theo

nguyên tắc bậc thang. Xét ví dụ đối với mạng hở có một nguồn cung cấp và có

trung tính được nối đất chỉ một điểm ở đầu nguồn (hình 4.3).

Bảo vệ 2a ở các trạm B, C có thể được chỉnh định không thời gian (thực tế

t_2a~ 0,1 giây) và thời gian tác động của các bảo vệ đường dây là:

t3a = t2a + At ;

t4a = t3a + At

Trên đồ thị hình 4.3 cũng vẽ đặc tính thời gian của các bảo vệ 1 ^ 4 làm

nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong mạng.

Từ hình 4.3 và những điều đã trình bày trên đây ta có thể thấy được ưu điểm

chính của bảo vệ dòng thứ tự không so với bảo vệ nối vào dòng pha toàn phần là

thời gian làm việc bé và độ nhạy cao.

20

Hình 4.3 : Đặc tính thời gian của bảo vệ dòng TTK và của bảo vệ

Nối vào dòng pha trong mạng có trung tính nối đất trực tiếp. Bảo vệ dòng

thứ tự không Trong mạng có dòng chạm đất bé:

Trong các mạng có dòng điện chạm đất bé (trung tính không nối đất hoặc nối

đất qua cuộn dập hồ quang) giá trị dòng điện chạm đất một pha thường không quá

vài chục Ampere. Ví dụ như ở mạng cáp, để chạm đất một pha không chuyển

thành ngắn mạch nhiều pha thì chạm đất lớn nhất cho phép vào khoảng 20^30A.

Những bảo vệ dùng rơle nối vào dòng điện pha toàn phần không thể làm việc với

dòng điện sơ cấp bé như vậy, vì thế người ta dùng các bảo vệ nối qua bộ lọc dòng

điện thứ tự không.

Bảo vệ được đặt ở đầu đường dây AB về phía trạm A trong mạng có trung

tính cách đất (hình 4.15).

Dòng khởi động:

Dòng khởi động của bảo vệ được xác định theo điều kiện chọn lọc: Bảo vệ

không được tác động khi chạm đất ngoài hướng được bảo vệ.

@1° i’i^c- J

_c_L—f—Ị^(=h3£^m'

__ 1 B

Hình 4.15 : Chạm đất 1 pha trong mạng có trung tính cách đất

Ví dụ khi pha C của đường dây AC bị chạm đất tại điểm N’ (hình 4.14), qua

bảo vệ đặt trên đường dây AB có dòng 3I₀CD do điện dung C_ODgiữa pha của