Bài giảng Bảo vệ rơle

Chia sẻ: Hứa Tung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:237

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Bảo vệ rơle có nội dung gồm 4 chương: chương I - những vấn đề cơ bản về bảo vệ rơle và tự động hóa; chương II - các nguyên lý thực hiện bảo vệ mạng và phụ tải điện bằng rơle; chương III - bảo vệ các phần tử hệ thống điện trong xí nghiệp công nghiệp; chương IV - tự động hóa trong hệ thống điện... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Bảo vệ rơle

LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế nước ta yêu cầu về chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện ngày càng nghiêm ngặt, điều đó đòi hỏi hệ thống bảo vệ rơle phải luôn được cải tiến và hoàn thiện. Những thành tựu to lớn của khoa học kĩ thuật trong cải cách lĩnh vực khác nhau như vật liệu điện, kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin,…. Cho phép chế tạo các loại rơle hiện đại nhiều tính năng gọn nhẹ nhưng đảm bảo cho hệ thống bảo vệ rơle tác dộng nhanh, nhạy, tin cậy và chọn lọc. Mặc dù có nhiều tính năng hiện đại nhưng với các loại sơ đồ bảo vệ rơle thế hệ mới về cơ bản vẫn hoạt động theo nguyên lý của các hoạt động cổ điển, việc thay thế các loại rơle điện từ bằng rơle kỹ thuật số đang được áp dụng rộng rãi. Bài giảng bảo vệ rơle đã được biên soạn theo chương trình giảng dậy làm tài liệu nghiên cứu cho các giảng viên và sinh viên. Bộ môn kỹ thuật điều khiển đã biên tập môn học làm 4 chương: Chương I: Những vấn đề cơ bản về bảo vệ rơle và tự động hóa Chương II: Các nguyên lý thực hiện bảo vệ mạng và phụ tải điện bằng rơle Chương III: Bảo vệ các phần tử hệ thống điện trong xí nghiệp công nghiệp Chương IV: Tự động hóa trong hệ thống điện Với kinh nghiệm giảng dạy, kiến thức đã được tích lũy nhiều năm các tác giả trong bộ môn “Kỹ thuật điều khiển” đã biên tập nội dung kiến thức cơ bản nhất những vấn đề cập nhật tốt kiến thức và tiến bộ của khoa học kỹ thuật. Nội dung các chương được viết theo tổng thể có bài tập mẫu tạo điều kiện cho các sinh viên tự học và nghiên cứu trong quá trình biên soạn các tác giả đã hết sức tham khảo tài liệu, trao đổi ý kiến chuyên môn với đồng nghiệp song vẫn không tránh khỏi những thiếu sót rất mong các thầy cô và bạn đọc đóng góp ý kiến về bộ môn “Kỹ thuật điều khiển” để cuốn tập bài giảng bảo vệ rơle hoàn thiện hơn. i
ii
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ BẢO VỆ RƠLE ......................... i VÀ TỰ ĐỘNG HÓA .............................................................................................. 1 1.1. Khái quát chung ............................................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm .................................................................................................... 1 1.1.2. Các phép logic dùng trong bảo vệ rơle ......................................................... 3 1.1.3. Các yêu cầu cơ bản đối với bảo vệ rơle ........................................................ 7 1. Yêu cầu chống ngắn mạch .................................................................................. 7 2. Đối với chế độ làm việc bất bình thường ........................................................... 9 1.1.4. Nguồn điện cung cấp cho mạch bảo vệ và thiết bị bảo vệ ........................... 9 1. Nguồn thao tác một chiều. .................................................................................. 9 2. Nguồn thao tác xoay chiều. ............................................................................. 10 3. Nguồn một chiều cho các phần tử thực hiện bằng điện tử, vi mạch. .............. 10 4. Nguồn thao tác bằng tụ tích điện ...................................................................... 10 1.2. Rơle bảo vệ và sơ đồ nối dây với máy biến điện đo lường ........................... 12 1.2.1. Rơle bảo vệ ................................................................................................. 12 1. Rơle điện từ ...................................................................................................... 12 2. Rơle tĩnh (static relay) ...................................................................................... 17 3. Rơle kỹ thuật số được gọi tắt là rơle số ............................................................ 20 1.2.2. Sơ đồ nối dây rơle bảo vệ với máy biến điện đo lường .............................. 26 1. Sơ đồ nối dây sao đủ ......................................................................................... 26 2. Sơ đồ nối sao thiếu ........................................................................................... 26 3. Sơ đồ hiệu dòng hai pha (số 8) ......................................................................... 27 4. Sơ đồ nối máy biến dòng theo hình tam giác và rơle – hình sao ..................... 27 Câu hỏi ôn tập chương .......................................................................................... 29 CHƯƠNG 2: CÁC NGUYÊN LÝ THỰC HIỆN BẢO VỆ MẠNG ................... 30 VÀ PHỤ TẢI ĐIỆN BẰNG RƠLE ..................................................................... 30 2.1. Bảo vệ quá dòng điện .................................................................................... 30 2.1.1. Ý nghĩa của bảo vệ quá dòng điện .............................................................. 30 2.1.2. Bảo vệ dòng điện cực đại ........................................................................... 30 1. Dòng điện khởi động của bảo vệ ...................................................................... 31 2. Độ nhạy của bảo vệ ......................................................................................... 32 3. Đặc tính thời gian của bảo vệ dòng điện cực đại .............................................. 33 4. Sơ đồ thực hiện bảo vệ dòng điện cực đại ........................................................ 38 iii
2.1.3. Bảo vệ dòng cắt nhanh ............................................................................... 41 1. Tính toán bảo vệ cắt nhanh .............................................................................. 41 2. Sơ đồ thực hiện bảo vệ cắt nhanh ..................................................................... 42 2.1.4. Sơ đồ bảo vệ quá dòng điện dùng rơle kỹ thuật số .................................... 45 2.1.5. Đánh giá bảo vệ quá dòng điện .................................................................. 47 2.1.6 Ví dụ ............................................................................................................ 48 2.2. Bảo vệ dòng điện có hướng ........................................................................... 64 2.2.1. Nguyên lý tác động .................................................................................... 64 2.2.2. Rơle công suất trong bảo vệ dòng điện có hướng ...................................... 65 2.2.3. Tính toán bảo vệ có hướng ......................................................................... 66 1. Xác định dòng điện khởi động ......................................................................... 66 2. Thời gian tác động của bảo vệ .......................................................................... 67 3. Vị trí đặt cơ cấu định hướng ............................................................................. 68 4. Độ nhạy ............................................................................................................ 68 5. Vùng chết (blind spot) ...................................................................................... 68 2.2.4. Sơ đồ thực hiện bảo vệ dòng điện có hướng .............................................. 69 2.2.5. Đánh giá và phạm vi áp dụng của bảo vệ dòng điện có hướng .................. 71 1. Tính chọn lọc: ................................................................................................... 71 2. Tác động nhanh: ............................................................................................... 72 3. Độ nhạy: ........................................................................................................... 72 2.2.6. Ví dụ ........................................................................................................... 73 2.3. Bảo vệ so lệch ................................................................................................ 76 2.3.1. Nguyên lý tác động của bảo vệ so lệch ...................................................... 76 1 Sơ đồ dòng tuần hoàn. ....................................................................................... 76 2. Sơ đồ loại cân bằng áp . ................................................................................... 77 3. Nguyên lý bảo vệ so lệch ngang ....................................................................... 78 2.3.2 Các biện pháp nâng cao độ nhạy trong bảo vệ so lệch. ............................... 79 1. Sơ đồ mắc điện trở phụ trong mạch rơle .......................................................... 79 2. Sơ đồ bảo vệ dùng máy biến dòng bão hòa trung gian .................................... 80 3. Bảo vệ dùng rơle so lệch có hãm: .................................................................... 81 2.3.3. Rơle bảo vệ so lệch .................................................................................... 82 1. Rơle bảo vệ so lệch điện từ ............................................................................. 82 2. Rơle so lệch kỹ thuật số ................................................................................... 83 2.3.4. Tính toán bảo vệ so lệch ............................................................................. 86 1. Đối với đường dây ............................................................................................ 87 iv
2. Đối với máy biến áp ......................................................................................... 87 3. Đối với máy phát .............................................................................................. 87 4. Tính toán chỉnh định đối với rơle kỹ thuật số .................................................. 88 2.3.5. Ví dụ ........................................................................................................... 89 2.4. Bảo vệ khoảng cách ....................................................................................... 97 2.4.1. Nguyên tắc hoạt động. ................................................................................ 97 2.4.2. Đặc tính thời gian và vùng tác động của bảo vệ khoảng cách .................. 98 2.4.3. Sơ đồ thực hiện bảo vệ khoảng cách ........................................................ 100 2.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của bảo vệ khoảng cách ................... 101 1. Ảnh hưởng của điện trở quá độ đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách .. 101 2. Ảnh hưởng của dòng điện bổ xung từ trạm biến áp ....................................... 101 3. Ảnh hưởng của tổ nối dây máy biến áp: ......................................................... 102 4. Ảnh hưởng của sai số BI và BU: .................................................................... 103 2.4.5. Đánh giá và phạm vi áp dụng của bảo vệ khoảng cách ........................... 103 1. Tính chọn lọc : ................................................................................................ 103 2. Tác động nhanh : ............................................................................................ 104 3. Độ nhạy : ........................................................................................................ 104 4. Tính đảm bảo : ................................................................................................ 104 2.4.6. Ví dụ : ....................................................................................................... 105 2.5. Bảo vệ cao tần và vô tuyến .......................................................................... 119 2.5.1. Khái quát ................................................................................................... 119 2.5.2. Bảo vệ có hướng dùng khóa cao tần ......................................................... 120 1. Nguyên tắc làm việc: ...................................................................................... 120 2. Sơ đồ thực hiện bảo vệ: .................................................................................. 120 3. Hoạt động của sơ đồ khi ngắn mạch: ............................................................. 121 4. Lí do đặt hai rơle dòng ở bộ phận khởi động: ................................................ 124 5. Đặc điểm làm việc của bảo vệ khi ngắn mạch trên đường dây ở chế độ có nguồn cung cấp một phía: .............................................................................................. 124 2.5.3. Bảo vệ so lệch pha cao tần ....................................................................... 124 1. Nguyên tắc làm việc: ...................................................................................... 124 2. Sơ đồ thực hiện bảo vệ: .................................................................................. 125 3. Hoạt động của bảo vệ khi ngắn mạch: ............................................................ 127 4. Lí do đặt 2 rơle ở bộ phận khởi động của bảo vệ: .......................................... 129 5. Bộ phận điều khiển: ........................................................................................ 129 6. Tính chọn trị số đặt và độ nhạy của bảo vệ: ................................................... 130 v
CHƯƠNG 3: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỆN ........................... 133 TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP ............................................................. 133 3.1. Bảo vệ máy phát và động cơ điện ............................................................... 133 3.1.1. Khái quát .................................................................................................. 133 3.1.2. Bảo vệ sự cố phần tĩnh máy phát điện ..................................................... 133 1. Bảo vệ quá dòng điện ..................................................................................... 133 2. Bảo vệ so lệch ................................................................................................. 135 3. Bảo vệ khoảng cách ........................................................................................ 137 3.1.3. Bảo vệ ngắn mạch chạm mass trong mạch kích từ .................................. 138 1. Chống chạm mass tại một điểm ..................................................................... 138 2. Bảo vệ chống ngắn mạch chạm mass tại hai điểm trong mạch kích từ ......... 139 3.1.4. Bảo vệ chế độ làm việc không bình thường của máy phát ...................... 140 1. Bảo vệ chống quá áp ...................................................................................... 140 2. Bảo vệ chống giảm áp .................................................................................... 141 3. Bảo vệ chống quá tải ...................................................................................... 141 4. Bảo vệ chống dòng công suất ngược .............................................................. 141 5. Bảo vệ chống mất kích từ ............................................................................... 142 3.1.5. Sơ đồ bảo vệ máy phát và động cơ điện ................................................... 142 1. Sơ đồ bảo vệ máy phát ................................................................................... 142 2. Sơ đồ bảo vệ động cơ điện ............................................................................. 147 3.2. Bảo vệ máy biến áp ..................................................................................... 153 3.2.1. Khái quát .................................................................................................. 153 1. Sự cố bên trong MBA: ................................................................................... 153 2. Dòng điện từ hoá tăng vọt khi đóng MBA không tải: .................................... 154 3. Sự cố bên ngoài ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của MBA: .................... 155 3.2.2. Bảo vệ sự cố trong MBA .......................................................................... 155 1. Bảo vệ quá dòng điện: .................................................................................... 155 2. Bảo vệ so lệch dọc: ......................................................................................... 156 3. Bảo vệ MBA ba cuộn dây dùng rơle so lệch có hãm: ................................... 157 4. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây MBA: ....................................................... 158 5. Bảo vệ MBA tự ngẫu: .................................................................................... 160 3.2.3. Bảo vệ dòng điện thứ tự không cho MBA .............................................. 161 3.2.4. Sơ đồ bảo vệ máy biến áp ........................................................................ 162 3.3. Bảo vệ đường dây và thanh cái ................................................................... 164 3.3.1. Khái quát .................................................................................................. 164 vi
3.3.2. Bảo vệ ngắn mạch đường dây .................................................................. 164 1. Bảo vệ quá dòng ............................................................................................. 164 2. Bảo vệ so lệch đường dây và bảo vệ cao tần .................................................. 166 3. Bảo vệ khoảng cách ........................................................................................ 166 3.3.3 Bảo vệ ngắn mạch chạm đất ...................................................................... 168 1. Bảo vệ trong mạng điện có dòng ngắn mạch chạm đất lớn ........................... 168 2. Bảo vệ chống ngắn mạch trong mạng điện có dòng ngắn mạch chạm đất nhỏ ............................................................................................................................. 170 3.3.4. Bảo vệ thanh cái ....................................................................................... 171 1. Bảo vệ so lệch toàn phận ................................................................................ 171 2. Bảo vệ so lệch không toàn phần ..................................................................... 172 Câu hỏi ôn tập chương ........................................................................................ 175 CHƯƠNG 4: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ........................... 176 4.1. Tự động điều chỉnh tần số ........................................................................... 176 4.1.1. Khái quát ................................................................................................... 176 4.1.2. Sơ đồ động học điều chỉnh tần số ............................................................. 177 1. Sơ đồ động học điều chỉnh tần số với đặc tính tĩnh ....................................... 177 2. Sơ đồ động học tự điều chỉnh tần số với đặc tính á tĩnh ............................... 178 4.1.3 Quá trình tự động điều chỉnh tần số .......................................................... 179 1. Điều tần cấp 1 ................................................................................................. 179 2. Điều tần cấp 2 ................................................................................................. 181 3. Điều tần cấp 3 ................................................................................................. 184 4.1.4. Điều chỉnh tần số trong trường hợp sự cố ................................................ 184 4.2. Tự động điều chỉnh điện áp ......................................................................... 187 4.2.1. Khái quát ................................................................................................... 187 1 Đặc điểm tự động điều chỉnh điện áp .............................................................. 187 2. Các loại so đồ điều tự động chỉnh điện áp ...................................................... 187 3. Phạm vi sử dụng cơ cấu điều chỉnh với đặc tính tĩnh và á tĩnh ...................... 187 4.2.2. Tự động điều chỉnh kích từ theo nguyên lý ổn dòng và bù dòng ............. 189 4.2.3. Tự động điều chỉnh kích từ máy phát ....................................................... 191 4.2.4. Điều chỉnh điện áp bằng cơ cấu phức hợp ............................................... 193 4.2.5.Tự động điều áp dưới tải ........................................................................... 197 4.2.6. Tự động điều chỉnh điện áp bằng phương pháp điều chỉnh dung lượng tụ bù ............................................................................................................................ 199 1. Sơ đồ tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù theo điện áp ............................... 199 vii
2. Tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù theo dòng điện ................................... 200 3. Tự động điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên lý thời gian ........................ 201 4. Tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù theo hướng công suất phản kháng ..... 202 5. Tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù bằng thyristor ..................................... 203 4.3. Tự động đóng trở lại nguồn điện ................................................................. 204 4.3.1. Ý nghĩa của tự động đóng trở lại nguồn điện ........................................... 204 4.3.2. Phân loại thiết bị tự động đóng trở lại nguồn điện ................................... 204 4.3.3. Các yêu cầu cơ bản ................................................................................... 205 4.3.4. Tự đóng lại đường dây một nguồn cung cấp ............................................ 205 1. Hoạt động của sơ đồ ....................................................................................... 206 2. Đặc điểm sơ đồ ............................................................................................... 207 4.3.5 Phối hợp tự đóng lại với bảo vệ rơle ......................................................... 208 1. Tăng tốc độ tác động của bảo vệ sau TĐL: .................................................... 208 2. Tăng tốc độ tác động của bảo vệ trước TĐL: ................................................. 209 3. TĐL theo thứ tự: ............................................................................................. 210 4.3.6. Tự đóng lại đường dây hai nguồn cung cấp ............................................. 211 Câu hỏi ôn tập chương ..................................................................................... 213 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 214 viii
CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 1.1. Khái quát chung Hệ thống điện hiện nay luôn tồn tại một chế độ làm việc không bình thường. Những hư hỏng dẫn đến ngừng làm việc của các phần tử trong hệ thống điện gọi là sự cố. Trong số các sự cố, sự cố ngắn mạch thường xảy ra nhiều nhất, các sự cố loại này thường kèm theo theo hiện quá dòng và giảm áp trong mạng điện và tấn số lệch khỏi giá trị cho phép. Khi có dòng điện lớn chạy qua với các phần tử trong hệ thống điện thường bị đốt nóng quá mức dẫn đến phá hủy thiết bị hỏng cách điện do nhiệt lượng của dòng điện do hồ quang hoặc quá điện áp gây nên. Một số dạng sự cố xảy ra ở các phần tử: TT Các sự cố Động cơ Máy phát MBA Đường dây 1 Ngắn mạch các pha x x x x 2 Ngắn mạch các vòng dây x x x 3 Ngắn mạch chạm mát x x x x 4 Ngắn mạch cuộn kích từ x x 5 Quá tải đối xứng x x x x 6 Quá tải không đối xứng x x x x 7 Quá áp trên cực máy phát x 8 Quá tải động cơ x 9 Chế độ động cơ đồng bộ x 10 Đứt dây x x x x 11 Mức dầu thấp x Các sự cố trong hệ thống điện có thể dẫn đến sự mất ổn định của các nhà máy điện, xí nghiệp công nghiệp làm tan rã hệ thống điện dẫn đến sự cung cấp bị đình trệ cho các hộ tiêu thụ gây thiệt hại đến nên kinh tế quốc dân . Hiện tượng điện áp giảm và tần số thay đổi có thể làm cho động cơ ngừng làm việc, mô men quay nhỏ hơn mô men cản. Cách tốt nhất là nhanh chóng cô lập các phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện. Nhiệm vụ này chỉ có thể được giải thực hiện nhờ các thiết bị tự động bảo vệ mà thường gọi là rơle. 1.1.1. Khái niệm - Hiệu ứng rơle: Khả năng thiết bị có thể thay đổi chế độ theo bước nhảy khi tín hiệu đầu vào đạt đến một giá trị nhất định gọi là hiệu ứng rơle. 1
Ir Ir Itv Itv I U IKĐ UKĐ Hình 1.1. Sơ đồ giải thích hiệu ứng rơle Trên hình 1.1. biểu thị tác động rơle phụ thuộc vào tín hiệu vào. Khi tín hiệu vào rơle đạt đến giá trị khởi động IKĐ (UKĐ) thì sẽ xuất hiện tín hiệu ra Ir và sẽ mất khi tín hiệu vào đạt giá trị trở về Itv. Sở dĩ giá trị khởi động và giá trị trở về khác nhau là do tồn tại quán tính trong rơle. Giá trị khởi động (pick-up) là giá trị mà tại đó xuất hiện sự chuyển động trạng thái của rơle. Dòng khởi động rơle là giá trị nhỏ nhất của dòng điện mà làm cho rơle tác động. Thiết bị làm việc theo nguyên tắc của hiệu ứng rơle gọi là rơle. Tập hợp các thiết bị cảm nhận và thu thập thông tin về trạng thái của các phần tử mạch điện nhằm phát hiện và định vệ sự cố và gửi thông tin này đến cơ cấu thừa hành để thực hiện các thao tác cô lập loại sự cố và duy trì chế độ làm việc bình thường của phần tử mạng điện gọi là bảo vệ rơle. Tóm lại: Bảo vệ rơle là hệ thống thiết bị tự động có khả năng phát hiện nhanh chóng các phần tử bị sự cố và cô lập chúng để duy trì hoạt động bình thường cho đối tượng được bảo vệ. - Nhiệm vụ của bảo vệ rơle Phát hiện kịp thời sự cố Nhanh chóng tác động cắt các phần tử bị sự cố ra khỏi lưới điện Tác động đến các cơ cấu khác như tự động đóng lặp lại, tự động đóng dự phòng duy trì chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện còn lại. Như vậy về bản chất, bảo vệ rơle là một hệ thống tự động điều khiển đơn gian mà trong quá trình vận hành không ngừng tiếp nhận thông tin về trạng thái của đối tượng được bảo vệ dưới dạng các dòng điện, điện áp, tần số, … hoặc các giá trị mã hóa, xử lý các thông tin và truyền tín hiệu đến cơ cấu thực hành khi cần thiết để duy trì chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện. 2
1.1.2. Các phép logic dùng trong bảo vệ rơle Để đơn giản hóa các sơ đồ bảo vệ rơle và thể hiện sự làm việc của sơ đồ bảo vệ một cách dễ dàng. Trạng thái tiếp điểm đóng của rơle mô tả bằng số 1, trạng thái tiếp điểm mở của rơle mô tả bằng số 0 - Phép “hoặc” OR: Gọi A và B là 2 biến logic độc lập. Khi A và B kết hợp qua phép toán OR, kết quả X được mô tả như sau: X=A+B Trong biểu thức này, dấu “+” không có nghĩa là phép cộng thuần túy. Nó là phép toán OR, kết quả của phép toán OR được cho trong bảng sự thật sau: Kết luận : • Phép toán OR sẽ có kết quả bằng 1 nếu một hay nhiều biến ngõ vào bằng 1 • Cổng OR chỉ có một ngõ ra và có thể có nhiều hơn hai ngõ vào Ký hiệu và bảng sự thật cho cổng OR 3 ngõ vào Ví dụ :Xác định dạng sóng ngõ ra cổng OR khi ngõ vào A, B thay đổi theo giản đồ sau: X X - Phép logic AND và cổng AND Nếu hai biến logic A và B được kết hợp qua phép AND, kết quả là: X= A.B 3
Bảng sự thật của phép nhân 2 biến A và B như sau: Kết luận • Phép toán AND sẽ có kết quả bằng 0 nếu một hay nhiều biến ngõ vào bằng 0 • Cổng AND chỉ có một ngõ ra và có thể có nhiều hơn hai ngõ vào Ví dụ:AND 3 ngõ vào có bảng sự thật như sau: Ví dụ : Xác định dạng sóng ngõ ra của cổng AND ứng với các ngõ vào như sau: X Trong ví dụ này thấy rằng, ngõ ra X sẽ bằng với ngõ vào A khi B ở mức logic 1. Vì vậy ta có thể xem ngõ vào B như ngõ vào điều khiển, nó cho phép dạng sóng ở ngõ vào A xuất hiện ở ngõ ra hay không. Trong trường hợp này cổng AND được dùng như một mạch cho phép, và đây là ứng dụng rất quan trọng của cổng AND và sẽ được khảo sát sau. - Phép toán NOT và cổng NOT Nếu biến A được đưa qua phép toán NOT, kết quả X sẽ là: XA Ta có: 1  0 và 0  1 ,bảng sự thật cho phép toán NOT như sau: 4
Cổng NOT chỉ có một ngõ vào và một ngõ ra - Mô tả mạch logic bằng phương pháp đại số Bất cứ một mạch logic nào cũng có thể được mô tả bằng cách sử dụng các phép toán Boolean đã đề cập ở trên (cổng OR, AND và NOT là những khối cơ bản trong một hệ thống số). Ví dụ: Xét mạch sau Mạch có 3 ngõ vào A, B và C và một ngõ ra x. Sử dụng các biểu thức Boolean cho mỗi cổng ta xác định được biểu thức ngõ ra x = AB+C. Ví dụ : Ví dụ : Xác định hàm ngõ ra của mạch sau: - Thực hiện các mạch logic từ biểu thức boolean Ví dụ thực hiện biểu thức sau: Y  AC  BC  ABC 5
Bài tập: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện biểu thức sau: X  AB  BC sử dụng các cổng có số ngõ vào nhỏ hơn 3 - Cổng NOR và cổng NAND Cổng NAND và cổng NOR được dùng rất rộng rãi trong các mạch số. Thực sự các cổng này đều được kết hợp từ các phép tóan cơ bản AND, OR và NOT. + Cổng NOR Cổng NOR họat động giống như hai cổng OR và NOT mắc nối tiếp như hình vẽ và biểu thức ngõ ra là X  A  B , bảng sự thật như sau: Ngõ ra cổng NOR là đảo với ngõ ra cổng OR Ví dụ, xác định dạng sóng ngõ ra của cổng NOR ứng với ngõ vào như sau: X X + Cổng NAND Cổng NAND tương đương với AND cộng với NOT, ngõ ra của NAND sẽ là X  AB , bảng sự thật cho như sau: Ngõ ra cổng NAND là đảo với ngõ ra cổng AND Ví dụ, xác định dạng sóng ngõ ra của cổng NAND ứng với ngõ vào như sau: X 6
- Phép toán XOR và cổng XOR Phép toán XOR ( ký hiệu  ) có bảng sự thật như sau: Từ bảng sự thật ta thấy rằng X  Y = 1 khi X  Y và X  Y =0 khi X = Y Biểu thức toán của phép toán XOR: X  Y = XY  Y X - Phép toán tương đương và cổng XNOR Phép toán tương đương (ký hiệu  ) có bảng sự thật như sau: Từ bảng sự thật ta thấy rằng X  Y  X  Y  XY  X Y 1.1.3. Các yêu cầu cơ bản đối với bảo vệ rơle Yêu cầu đối với bảo vệ rơle phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong các điều kiện khác nhau bảo vệ rơle sẽ tác động khác nhau. Chẳng hạn khi có sự cố ngắn mạch chạm đất ở mạng điện có trung tính nối đất, bảo vệ rơle sẽ tác động ngay, nhưng ở mạng điện có trung tính cách ly, bảo vệ rơle chỉ đưa tín hiệu mà không cắt ngay phần tử bị sự cố. Như vậy tùy từng trường hợp cụ thể mà có thể yêu cầu khác nhau đối với bảo vệ rơle. Phân biệt hai dạng yêu cầu đối với bảo vệ rơle là yêu cầu chống ngắn mạch và yêu cầu chống các chế độ làm việc bất bình thường của hệ thống. 1. Yêu cầu chống ngắn mạch MC1 N1 M HT MC3 BA MC2 ~ MC1' CC BA Vùng bảo vệ 3 Vùng bảo vệ 2 Vùng bảo vệ 1 Vùng dự phòng Vùng dự phòng bảo bảo vệ 3 vệ 2 Hình 1.2. Sơ đồ phân bố tác động của bảo vệ rơle 7
- Tác động nhanh Sự cố được trừ nhanh càng tốt để hạn chế đến mức tối đa thiệt hại và giữ sự ổn định cho các máy phát làm việc song song trong hệ thống điện. Thời gian cắt sự cố bao gồm thời gian tác động của bảo vệ (tBV) và thời gian cắt của máy cắt (tMC). Như vậy yêu cầu tác động nhanh không chỉ phụ thuộc vào tốc độ tác động của bảo vệ rơle hiện đại (0,02÷0,04s). - Tính chọn lọc Là khả năng chỉ cắt các phần tử bị sự cố còn phần tử không bị sự cố giữ nguyên vẹn, yêu cầu chọn lọc có ý nghĩa quan trọng đối với việc bảo toàn cung cấp điện cho các hộ dùng điện. Ví dụ: Khi có ngắn mạch tại điểm N1 (hình 1.2) dòng ngắn mạch Ik chạy qua cả 3 bảo vệ 1, 2, 3 cả 3 máy cắt đều có thể tác động nhưng tính chon lọc của bảo vệ chỉ cho phép BV1 tác động do đó các hộ tiêu thụ ở lộ 1’ làm việc bình thường. Tuy nhiên nếu MC1 từ chối tác động thì MC2 sẽ hoạt động cắt mạch như vậy BV2 làm nhiệm vụ dự phòng cho BV1. Trong nhiều trường hợp yêu cầu tác động nhanh và yêu cầu chọn lọc mâu thuẫn. Để đảm bảo được tính chọn lọc cần phải có sự tác động trễ của bảo vệ rơle. Ví dụ hình 1.2 bảo vệ 2 pha có độ trễ so với bảo vệ 1. Trong thực tế để dung hòa mâu thuẫn giữa hai yêu cầu người ta áp dụng cơ cấu tự động đóng lặp lại. Đầu tiên rơle bảo vệ cắt nhanh không chọn lọc phần tử có sự cố. Sau đó thiết bị đóng lặp lại sẽ đóng trở lại các phân tử vừa bị cắt ra nếu là sự cố thoáng qua thì mạng điện sẽ trở lại chế độ làm việc bình thường còn nếu sự cố vẫn tồn tại thì bảo vệ rơle tác động có chọn lọc. - Độ nhạy Là khả năng cắt sự cố với dòng điện nhỏ nhất trong vùng bảo vệ là yêu cầu cần thiết của bảo vệ rơle để phản ứng với chế độ làm việc không bình thường của hệ thống điện dù nhỏ nhất để xác định độ nhạy của bảo vệ rơle thiết lập vùng bảo vệ của nó. Ví dụ hình 1.2 bảo vệ 3 cần phải cắt sự cố ở trong vùng bảo vệ của mình là trạm biến áp và cắt sự cố ở vùng dự phòng, tức là khi có ngắn mạch ở trên đường dây mà bảo vệ 2 từ chối tác động. Độ nhạy được đánh giái bởi hệ số nhạy : I Knh  k min (1.1) I kd Trong đó: IKmin dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất trong vùng bảo vệ IKđ dòng điện khởi động của bảo vệ rơle Để bảo vệ tin cậy của rơle thì Knh > 1 Knh = 1,5 ÷ 2 với vùng bảo vệ chính 8
Knh = 1,2 ÷ 1,3 với vùng bảo vệ dự phòng - Độ tin cậy Là khả năng bảo vệ chắc chắn trong mọi điều kiện đối với bất kỳ một sự cố nào trong vùng bảo vệ, đồng thời không tác động đối với các chế độ mà nó không có nhiệm vụ bảo vệ. Chẳng hạn nếu bảo vệ 1 từ chối tác động thì bảo vệ 2 sẽ tác động → Lộ 1 mất điện và gây thiệt hại cho phụ tải 1’. Bởi vậy nếu bảo vệ kém tin cậy thì bản thân nó sẽ là nguồn gây hại. Để nâng cao độ tin cậy cần lựa chọn sơ đồ bảo vệ đơn giản, sử dụng các thiết bị có chất lượng cao lắp ráp sơ đồ chính xác, chắc chắn, kiểm tra thường xuyên sơ đồ và các thiết bị. - Tính kinh tế Đảm bảo xây dựng sao cho rẻ nhất đến mức tối đa. Đối với các thiết bị cao áp và siêu cao áp chi phí cho bảo vệ rơle chí chiếm một phần nhỏ cho toàn bộ công trinh do đại đa số các thiết bị lắp ở mạng cao áp rất đắt, vì vậy bảo vệ rơle chỉ cần quan tâm sao cho đảm bảo về mặt kỹ thuật ở lưới điện trung áp và hạ áp số lượng các phần tử bảo vệ rất lớn mức độ bảo vệ không cao do đó cần tính đến kinh tế khi lựa chọn sơ đồ. Các yêu cầu trên bảo vệ rơle có mâu thuẫn với nhau cần phải tính chọn cho phù hợp 2. Đối với chế độ làm việc bất bình thường Đối với các chế độ làm việc bất bình thường như chế độ quá tải, dao động điện áp trong hệ thống thì yêu cầu tác động nhanh không được đặt ra vì thông thường các chế độ này chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn.Ví dụ khi khởi động động cơ có công suất lớn có thể làm dao động điện áp, trường hợp này nêu cắt nhanh sẽ làm phụ tải bị gián đoạn cung cấp điện. Thông thường rơle sẽ tác động với một thời gian trễ nhất định. Còn 3 yêu cầu khác vẫn phải được đảm bảo. 1.1.4. Nguồn điện cung cấp cho mạch bảo vệ và thiết bị bảo vệ Dòng điện thao tác dùng để cung cấp cho các rơle trung gian, thời gian, tín hiệu, phân cực các linh kiện điện tử, đóng cắt điều khiển các máy cắt điện và một số mục đích khác. Nguồn dòng điện thao tác cần phải đảm bảo cho bảo vệ làm việc một cách chắc chắn trong trường hợp ngắn mạch, khi mà điện áp chỗ hư hỏng có thể giảm đến không. Vì vậy các máy biến áp tự dùng và các máy biến điện áp không thể là nguồn cung cấp duy nhất cho bảo vệ được. Hiện nay thường dùng các nguồn thao tác một chiều do accu cung cấp và nguồn xoay chiều do máy biến dòng, biến áp mạng điện áp thấp cung cấp. 1. Nguồn thao tác một chiều. Accu điện áp 110 ÷ 220 V, ở các trạm biến áp nhỏ thì accu điện áp 24 ÷ 48 V được dùng làm nguồn một chiều. Accu đảm bảo cung cấp năng lượng điện cần thiết cho các mạch thao tác ở thời điểm bất kỳ, không phụ thuộc vào trạng thái của mạng 9
được bảo vệ, vì vậy nó là nguồn cung cấp bảo đảm nhất. Tuy nhiên nguồn accu đắt hơn nhiều so với các nguồn thao tác khác, nó đòi hỏi thiết bị nạp, phòng riêng và sự bảo trì thường xuyên. 2. Nguồn thao tác xoay chiều. Đối với bảo vệ chống ngắn mạch, máy biến dòng là nguồn cung cấp rất đảm bảo cho các mạch thao tác. Khi có ngắn mạch dòng và áp ở đầu cực của máy biến dòng tăng lên đảm bảo cung cấp năng lượng cần thiết cho các mạch thao tác. Tuy nhiên đối với các sự cố và chế độ không bình thường mà dòng qua phần tử bảo vệ không tăng lên thì máy biến dòng không đảm bảo công suất cần thiết. Máy biến điện áp và máy biến áp tự dùng không thể dùng để cung cấp cho mạch thao tác của bảo vệ chống ngắn mạch khi áp của mạng điện giảm. Nhưng đối với các sự cố và chế độ không bình thường áp không giảm nhiều thì chúng có thể làm việc tốt. Tụ nạp sẵn. Thộng thường tụ được nạp điện sẵn từ mạng trong chế độ bình thường. Khi áp của trạm bị mất, năng lượng trong tụ vẫn được duy trì, vì vậy tụ nạp sẵn được dùng để cung cấp năng luợng cho các BV và thiết bị tự động làm việc khi mất áp của trạm. Tổ cung cấp liên hợp, cung cấp cho ta dòng điện thao tác bằng cách tổng hợp các dòng điện chỉnh lưu từ càc dòng điện (có máy biến dòng) và điện áp (máy biến áp). Trong các tổ liên hợp cần phải chú ý đến việc chọn các pha dòng điện và điện áp như thế nào để có thể nhận được công suất lớn nhất. 3. Nguồn một chiều cho các phần tử thực hiện bằng điện tử, vi mạch. Hệ thống bảo vệ bằng bán dẫn, vi mạch cần nguồn điện áp một chiều ổn định. Trị số điện áp phụ thuộc vào transistor, hay vi mạch. Những điện áp thông dụng cung cấp cho các mạch này là ± 5V, ± 9V, ± 15V. Để cung cấp nguồn một chiều các linh kiện ban dẫn, vi mạch … người ta thường dùng hai phương pháp sau: - Dùng bộ chia thế từ mạng 110V hay 220V - Bộ biến đổi một chiều 110V (220V DC) thành điện một chiều có điện thế ra thích hợp. Phương pháp đầu tiên thường dùng cho các mạch rơle riêng biệt (rơle trung gian, dòng điện, thời gian…) năng lượng tiêu thụ từng phần không lớn. Trong trường hợp nguồn cung cấp cho bảo vệ phức tạp, cùng một lúc cung cấp cho phần đo lường và logic cần thiết dùng phương pháp thứ hai. 4. Nguồn thao tác bằng tụ tích điện Việc tích điên cho tụ thường dùng chỉnh lưu lấy từ máy biến điện áp trung gian BUT hoặc máy biến áp nhu cầu riêng NCR. Bộ tụ điện được đặt gần thanh cái trạm biến áp hay ngay tại thiết bị cần bảo vệ. 10
PC BV BUT Rs RU< KC C PC Cs RU< RU r nạp CL Hình 1.3. Sơ đồ bộ nguồn thao tác bằng tụ Nguyên lý hoạt động: Khi có sự cố, tiếp điểm bảo vệ rơle (bảo vệ) tác động đóng tiếp điểm bảo vệ, tụ điện C được nối tắt với cuộn cắt KC, năng lượng của tụ điện C cung cấp cho cuộn cắt KC làm máy cắt được mở ra. Điện năng nạp của tụ điện C được tính theo biểu thức. C.U C2 A .106 W.s (1.2) 2 Trong đó: C là điện dung của tụ điện ( F ) UC là điện áp đặt lên tụ Năng lượng này được xác định dựa vào công suất tiêu thụ cần thiết của cuộn cắt ở bộ truyền động máy cắt có tính đến tổn hao trong các khâu trung gian và khả năng tụ chưa được tích đầy. Dung lượng cần thiết của tụ C được xác định theo biểu thức: 2A C  2 ktck .106 F (1.3) UC ktc là hệ số tin cậy, thường lấy bằng 1,4 k là hệ số tính đến tổn hao trong mạch, có thể lấy bằng 1,2 Đặc điểm làm việc của tụ là xung điện áp, nên muốn cho tụ làm việc tin cậy, thời gian phóng của xung điện áp phải lớn hơn thời gian tác động của bộ truyền động của máy cắt tx > tMC và dòng điện phóng cũng phải lớn hơn dòng khởi động cuộn cắt. Cuộn sơ cấp của máy biến áp trung gian BUT có 2 ngăn để có thể lấy điện 110 và 220V điện áp cuộn thứ cấp có giá trị khoảng 280V và điện áp chỉnh lưu có giá trị khoảng 400V. Để loại trừ khả năng phóng điện ngược trở lại qua điện trở nạp của chỉnh lưu người ta bố trí các rơle điện áp cực tiểu RU
tiếp điểm ở trạng thái mở, khi tụ bị hỏng hoặc diode bị chọc thủng, thì rơle PC sẽ không làm viêc, trả tiếp điểm về trạng thái đóng gửi tín hiệu về tình trạng của tụ. Tụ shun Cs có nhiệm vụ chống rung do ảnh hưởng của xung điện áp chỉnh lưu. Nguồn thao tác bằng tụ có ưu điểm đảm bảo cung cấp cho mạch thao tác tin cậy mà không phụ thuộc vào nguồn điện chính nhờ điện năng được tích sẵn ở chế độ bình thường. 1.2. Rơle bảo vệ và sơ đồ nối dây với máy biến điện đo lường 1.2.1. Rơle bảo vệ Rơle bảo vệ được phân thành 3 loại chính: Rơle bảo vệ điện từ, rơle tĩnh, rơle kỹ thuật số. Ngoài phân loại theo công nghệ chế tạo còn phân loại - Theo nguyên lý làm việc điện từ, cảm ứng, điện động - Theo lượng đầu vào, dòng điện, điện áp, công suất, tần số - Theo chức năng trong sơ đồ bảo vệ, đo lường, trung gian, thời gian, báo hiệu - Rơle kỹ thuật số được chế tạo vào những năm gần dây và hiện nay được áp dụng rộng rãi - Rơle điện từ tĩnh được chế tạo vào cuối thế kỷ 19 1. Rơle điện từ a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ chúng được chế tạo với hai nhóm cơ bản là rơle sơ cấp (nối trực tiếp vào mạch sơ cấp) và rơle thứ cấp (nối trực tiếp thông qua máy biến đổi đo lường BI, BU), rơle thứ cấp được phân thành 2 loại: Rơle tác động trực tiếp và Rơle tác động gián tiếp Rơle sơ cấp được chế tạo theo cấp điện áp của đối tượng được bảo vệ có độ ổn định nhiệt và ổn định động theo giá trị của dòng ngắn mạch phía sơ cấp. Loại rơle này được sử dụng rộng rãi ở lưới điện 10kV. Rơle thứ cấp không phụ thuộc vào điện áp sơ cấp tác động trực tiếp với lực lớn để giải phóng chốt hãm hoặc tác động gián tiếp bằng cách đóng các tiếp điểm đưa nguồn thao tác vào cuộn cắt của máy cắt. Sau khi tác động không còn dòng điện lớn đi vào rơle nữa. Lúc đó rơle lại trở về trạng thái ban đầu và tiếp điểm của nó lại mở ra. Rơle tác động gián tiếp không yêu cầu lực lớn nên có độ chính xác cao và tiêu thu công suất ít hơn so với rơle tác động trực tiếp. - Cấu tạo gồm các phần chính sau: + Cơ cấu cảm biến nhận tín hiệu về trạng thái của đối tượng bảo vệ. + Cơ cấu phản ứng theo sự thay đổi của các đại lượng như dòng đi qua phần tử bảo vệ hay điện áp tại đầu cực. + Cơ cấu thực hiện (phần logic) làm thay đổi dòng (áp) trong mạch điều khiển bằng cách đóng mở tiếp điểm. + Cơ cấu điều chỉnh dùng để thay đổi thông số khởi động. 12