Tài liệu Phân tích cấu hình, thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái p746 sử dụng giao thức iec 61850 tại trạm biến áp 220kv ngũ hành sơn

MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: BẢO VỆ SO LỆCH TRONG TRẠM BIẾN ÁP ................................. 4 1.1 Chức năng bảo vệ so lệch dọc đường dây ................................................................. 4 1.2 Chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp ..................................................................... 6 1.3 Chức năng bảo vệ so lệch thanh cái .......................................................................... 6 1.3.1 Bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơle tổng trở thấp (có hãm) ............................. 7 1.3.2 Bảo vệ so lệch thanh cái dùng rơle tổng trở cao (không hãm) .......................... 7 1.4 Kết luận...................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 2: RƠ LE SCHNEIDER P746, P849 BẢO VỆ THANH CÁI ................ 9 2.1 Các chức năng chính trong rơle P746 ....................................................................... 9 2.1.1 Bảo vệ so lệch thanh cái..................................................................................... 9 2.1.2 Các bảo vệ bổ sung .......................................................................................... 12 2.1.3 Chức năng giám sát trạng thái dao cách ly, máy cắt ...................................... 15 2.1.4 Các bản ghi nhiễu loạn .................................................................................... 17 2.1.5 Minh họa một số ứng dụng bảo vệ so lệch P746 ............................................. 18 2.1.6 Ưu nhược điểm của rơle P746 ......................................................................... 22 2.2 Chức năng rơle P849 ............................................................................................... 24 2.2.1 Ứng dụng bảo vệ .............................................................................................. 25 2.2.2 Ứng dụng điều khiển ........................................................................................ 25 2.3 Giao thức truyền thông IEC 61850 và mô hình GOOSE ........................................ 26 2.3.1 Giới thiệu giao thức truyền thông IEC 61850 ................................................. 26 2.3.2 Mô hình GOOSE .............................................................................................. 26 2.4 Kết luận.................................................................................................................... 28 CHƢƠNG 3: CẤU HÌNH VÀ THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG BẢO VỆ SO ............ 30 LỆCH THANH CÁI TBA 220KV NGŨ HÀNH SƠN 3.1 Cấu hình rơle P746 .................................................................................................. 30 3.1.1 Cài đặt thông số mục Settings .......................................................................... 30 3.1.2 Cấu hình Programmable Scheme Logic (PSL) ................................................ 34 3.1.3 Cấu hình Micom Configuration Language (MCL) .......................................... 40 3.2 Thí nghiệm hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái ........................................................ 43 3.2.1 Thí nghiệm ban đầu .......................................................................................... 44 3.2.2 Thí nghiệm chức năng bảo vệ .......................................................................... 45 3.2.3 Kiểm tra mang tải............................................................................................. 51 3.3 Kết luận.................................................................................................................... 51 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI .............................. 53 4.1 Xây dựng chương trình mô phỏng rơle số với Simulink/Simpowersystem ........... 53 4.1.1 Xây dựng mô hình bảo vệ so lệch thanh cái .................................................... 53 4.1.2 Mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch thanh cái ......................................................... 54 4.2 Kết luận.................................................................................................................... 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 62 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) PHỤ LỤC Phụ lục 1: Sơ đồ nhất thứ trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn Phụ lục 2: Chương trình mô phỏng bảo vệ bằng Matlab/Simulink PHÂN TÍCH CẤU HÌNH, THÍ NGHIỆM RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI P746 SỬ DỤNG GIAO THỨC IEC 61850 TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV NGŨ HÀNH SƠN Học viên: Nguyễn Xuân Đạt Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái dùng P746 sử dụng giao thức truyền thông IEC 61850 mới được ứng dụng tại TBA 220kV Ngũ Hành Sơn. Điều này đòi hỏi nhân viên thí nghiệm, vận hành phải hiểu rõ cài đặt, cấu hình, phương pháp thí nghiệm để đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy, rút ngắn thời gian thí nghiệm trong yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian cắt điện. Với hệ thống bảo vệ thanh cái này, P849 nhận các trạng thái dao cách ly, máy cắt sau đó truyền tin nhắn GOOSE đến ba P746 tương ứng ba pha A, B, C để thực hiện các chức năng bảo vệ so lệch, lỗi hư hỏng máy cắt. Bảo vệ so lệch gồm đặc tính phân cực, thành phần so sánh pha, thành phần kiểm tra vùng đảm bảo rơle làm việc an toàn trong các chế độ vận hành. Bảo vệ lỗi hư hỏng máy cắt được khởi tạo từ các bảo vệ bên trong cũng như khởi tạo từ bên ngoài. Ngoài ra còn có các thông tin đo lường, ghi sự cố, bản ghi nhiễu loạn giúp xác định nguyên nhân xảy ra sự cố. Từ nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch thanh cái tác giả mô phỏng nguyên lý làm việc của rơle bằng Matlab để minh họa trực quan hơn về bảo vệ so lệch. Thông qua luận văn giúp cấu hình, thí nghiệm được tất cả các rơle bảo vệ so lệch thanh cái sử dụng giao thức IEC 61850. Từ khóa - P746, thí nghiệm, so lệch thanh cái, IEC 61850, GOOSE. THE ANALYSIS OF CONFIGURATION AND TESTS OF P746 BUSBAR DIFFERENTIAL PROTECTION RELAY USING IEC 61850 PROTOCOL AT 220KV NGU HANH SON SUBSTATION Abstract - The P746 busbar differential protection system uses IEC 61850 communication protocol applied at 220kV Ngu Hanh Son substation. This method requires testers and operators to comprehend the installation, the configuration, and the testing methods, relying on that the safeness, the reliability of the operation and a short timing can be ensured when a stringent electricity cutting time is involved. Thanks to the busbar protection system, the P849 receives the status of isolators and circuit breakers, and then transmiting GOOSE messages to three P746s corresponding to three phases A, B and C in order to perform the functions of busbar differential protection and circuit breaker fail protection. The function of differential protection includes the bias characteristic, a phase comparator and check zone components, which ensures the relays to work safely in various operating modes. The function of circuit breaker fail protection is initiated from internal protection as well as from the outside. Moreover, there are measurement informations, fault records, disturbance recorders that help determine the causes of the fault. Based on the principle of busbar differential protection, the author simulates the working principle of the relays by Matlab to visually illustrate the differential protection. The thesis can provide us the foundation to configure and test all busbar differential protection of relays using the IEC 61850 protocol. Keywords - P746, testing relays, busbar differential, IEC 61850, GOOSE. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU : 52a Tiếp điểm phụ thường hở của máy cắt 52b Tiếp điểm phụ thường kín của máy cắt 50BF Bảo vệ lỗi hư hỏng máy cắt DDB Biến gán trong phần mềm Easergy Studio CÁC CHỮ VIẾT TẮT BB1 Thanh cái 1 BB2 Thanh cái 2 CT (TI) Máy biến dòng điện (Current Transfomer) CZ Check Zone GOOSE Generic Object Oriented Substation Event GSE Generic Substation Event IEC Tiêu chuẩn của Uỷ ban kỹ thuật điện Quốc tế IED Thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Device) IEEE Tiêu chuẩn của Viện kỹ thuật điện-điện tử Mỹ IO Input output MBA Máy biến áp MC Máy cắt MCL Micom Configuration Language PSL Programmable Scheme Logic TBA Trạm biến áp DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Rơle kỹ thuật số ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam 4 2.1 Đầu vào 52a và 52b 17 3.1 Sai số cho phép của nhà chế tạo 45 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ 1.1 Nguyên lý bảo vệ so lệch Trang 5 1.2 Đặc tính tác động bảo vệ so lệch 5 1.3 Đặc tính phân cực bảo vệ so lệch 6 1.4 Bảo vệ so lệch thanh cái thông thường 7 1.5 Đặc tính hãm so lệch 7 1.6 Sự cố ngoài vùng bảo vệ thanh cái dùng rơle tổng trở cao 8 2.1 Tổng quan ứng dụng P746 9 2.2 Nguyên lý bảo vệ so lệch thanh cái 10 2.3 Đặc tính phân cực bảo vệ so lệch 11 2.4 Vùng chết của xuất tuyến 12 2.5 Sơ đồ logic lỗi hư hỏng máy cắt 14 2.6 Thanh cái phân đoạn, dao cách ly nối đóng 19 2.7 Thanh cái phân đoạn, dao cách ly nối cắt 19 2.8 Thanh cái phân đoạn, máy cắt nối đóng, một CT phân đoạn 20 2.9 Thanh cái phân đoạn, máy cắt nối cắt, một CT phân đoạn 20 2.10 Thanh cái phân đoạn, máy cắt nối đóng, hai CT phân đoạn 21 2.11 Thanh cái phân đoạn, máy cắt nối cắt, hai CT phân đoạn 21 2.12 Thanh cái phân đoạn, máy cắt nối đóng,dao cách ly mở 22 2.13 Thanh cái phân đoạn, máy cắt nối mở,dao cách ly mở 22 2.14 Ứng dụng rơle P849 24 2.15 Truyền thông Ethenet P849 25 2.16 P849 kết nối với 3 rơle P746 25 2.17 Kết nối dùng truyền thông kép 26 2.18 Khả năng của IEC 61850 26 2.19 Cơ chế xuất/ nhận GSE 27 2.20 Cơ chế lặp lại của GOOSE 27 3.1 Cài đặt mục Configuration 31 3.2 Cài đặt mục CT and VT ratios 31 3.3 Kích hoạt khối điều khiển GOOSE 32 3.4 Cài đặt Disturb Recorder 33 3.5 Cài đặt Group 1 system config 33 3.6 Cài đặt thông số mục Diff Protection và CB Fail 34 3.7 Thanh công cụ logic 35 3.8 Đặc tính đầu vào cách ly quang 35 3.9 Đặc tính tín hiệu đầu vào 35 3.10 Đặc tính tín hiệu đầu ra 35 3.11 Đặc tính đầu vào GOOSE 35 3.12 Đặc tính đầu ra GOOSE 36 3.13 Đặc tính Led 36 3.14 Đặc tính Contact Conditioner 36 3.15 Lựa chọn chế độ pick-up hoặc drop-off 37 3.16 Cấu hình trạng thái các máy cắt đóng 37 3.17 Cấu hình các dao cách ly đóng và led hiển thị 38 3.18 Cấu hình khởi tạo 50BF từ bên ngoài 39 3.19 Cấu hình cho đầu ra ngăn 176 39 3.20 Cấu hình ghi sự cố và khóa so lệch 40 3.21 Cấu hình đèn led mặt trước rơle 40 3.22 Tạo file MCL và mở khóa 41 3.23 Cấu hình Communication 41 3.24 Tạo dataset 42 3.25 Chọn các dataset cần dùng 42 3.26 Cấu hình Goose Publishing 43 3.27 Cấu hình Goose Subscribing 43 3.28 Chọn tín hiệu đến đầu vào ảo 1 44 3.29 Sơ đồ đấu nối mạch nhị thứ đo lường 46 3.30 Kiểm tra ngưỡng so lệch 46 3.31 Bản ghi sự cố bảo vệ so lệch thanh cái tác động 48 3.32 File tính toán giá trị thí nghiệm 49 3.33 Thí nghiệm bảo vệ 50BF máy cắt 131 50 3.34 Bản ghi sự cố bảo vệ 50BF máy cắt 112 khởi tạo từ bên ngoài 51 4.1 Sơ đồ phương thức bảo vệ so lệch F87B 54 4.2 Khối tính toán so lệch 55 4.3 Sơ đồ tổng thể mô phỏng rơle bảo vệ so lệch thanh cái 55 4.4 Khối máy biến dòng 56 4.5 Bộ cài đặt thông số bảo vệ 56 4.6 Khối tính toán bảo vệ so lệch 57 4.7 Sơ đồ truyền tải công suất khi vận hành bình thường 58 4.8 Dòng so lệch, dòng hãm trên thanh cái 1 58 4.9 Dòng so lệch, dòng hãm trên thanh cái 2 58 4.10 Sự cố trong vùng bảo vệ thanh cái 2 59 4.11 Sự cố ngoài vùng bảo vệ thanh cái 1 60 4.12 Sự cố ngoài vùng bảo vệ thanh cái 1, 2 60 PL1 Sơ đồ nhất thứ TBA 220kV Ngũ Hành Sơn Chương trình mô phỏng bảo vệ so lệch thanh cái bằng Matlab/Simulink PL2 -1- MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Hệ thống điện là một mạng lưới phức tạp gồm rất nhiều phần tử cùng vận hành. Vì vậy để đảm bảo cho lưới điện vận hành an toàn, ổn định thì không thể thiếu các thiết bị bảo vệ. Hệ thống bảo vệ rơle có nhiệm vụ ngăn ngừa sự cố, hạn chế tối đa các thiệt hại và duy trì khả năng làm việc liên tục của hệ thống. Trong các trạm biến áp, hệ thống thanh cái là một trong những phần tử quan trọng, là nơi nhận và phân phối điện năng từ nguồn cung cấp đến các hộ tiêu thụ. Một số nguyên nhân gây ra sự cố trên thanh cái có thể là: hư hỏng cách điện do già cỗi vật liệu, hư hỏng máy cắt, dao cách ly làm việc không đúng do thao tác nhầm, sự cố ngẫu nhiên do vật dụng rơi chạm thanh cái, máy biến dòng hư hỏng … Những sự cố này rất ít xảy ra nhưng vì thanh cái là đầu mối liên hệ của nhiều phần tử trong hệ thống nên khi xảy ra ngắn mạch trên thanh cái nếu không được loại trừ một cách nhanh chóng và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng và có thể làm tan rã hệ thống. Hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái nhằm loại trừ các sự cố xảy ra trên thanh cái chính vì vậy đòi hỏi rất cao về tính chọn lọc, khả năng tác động nhanh, độ nhạy và độ tin cậy. Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất rơle hàng đầu như Sel, Siemen, ABB, Schneider (trước đây là Areva), Toshiba … Tại các trạm biến áp thuộc khu vực miền Trung-Tây Nguyên, rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider chủ yếu dùng rơle P740 gồm khối trung tâm chính P741 và khối mức ngăn P742 (P743), hệ thống bảo vệ này đòi hỏi phải có nhiều rơle tương ứng cho từng ngăn lộ làm cho việc thiết kế, thi công, cấu hình trở nên phức tạp. Hiện nay hãng Schneider mới đưa vào sử dụng rơle bảo vệ so lệch thanh cái P746 kết hợp mở rộng input, output dùng rơle P849 theo giao thức truyền thông IEC 61850. Điều này làm thay đổi thiết kế hệ thống bảo vệ từ cáp nhị thứ bằng các tin nhắn truyền thông của các tín hiệu nhị phân giữa các thiết bị bảo vệ. Với việc cải tiến rơle bảo vệ so lệch thanh cái cùng giao thức truyền thông IEC 61850 đòi hỏi nhân viên thí nghiệm cần có nghiên cứu cài đặt, cấu hình và phương pháp thí nghiệm rơle đồng thời nhân viên vận hành cần hiểu biết thông số cài đặt, thông tin bản ghi sự cố để vận hành tin cậy, an toàn. 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu Rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider P746 kết hợp mở rộng input, output dùng rơle P849 sử dụng giao thức truyền thông IEC 61850. Áp dụng cho hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái 110kV tại trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn. 2.2. Phạm vi nghiên cứu - Hệ thống bảo vệ so lệch trong trạm biến áp. -2- Nghiên cứu cài đặt, cấu hình rơle Schneider P746, P849 kết nối theo giao thức truyền thông IEC 61850. - Xây dựng phương pháp thí nghiệm rơle bảo vệ Schneider P746, P849. Lập file excel tính toán vùng tác động phục vụ công tác thí nghiệm. - Phần mềm mô phỏng các chế độ vận hành và sự cố của hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái. 3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI - Mục tiêu: Nghiên cứu cài đặt, cấu hình và thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider P746, P849 dùng giao thức IEC 61850, ứng dụng đưa vào vận hành tại trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn, giúp kiểm định chất lượng hệ thống bảo vệ nhanh chóng, chính xác, an toàn. - Nhiệm vụ chính: + Phân tích hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái trong trạm biến áp. + Phân tích cài đặt, cấu hình rơle Schneider P746, P849. Kết nối theo giao thức truyền thông IEC 61850. + Xây dựng phương pháp thí nghiệm hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái dùng rơle Schneider P746. Lập file excel tính toán vùng tác động của bảo vệ. + Nghiên cứu mô phỏng các chế độ vận hành và sự cố của hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái bằng phần mềm Matlab Simulink. + Cài đặt, cấu hình, thí nghiệm áp dụng cho trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn và đưa ra các ý kiến áp dụng cho các trạm khác. 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng, mặc dù trạm biến áp với hệ thống bảo so lệch thanh cái đưa vào vận hành trong hệ thống điện từ nhiều năm qua nhưng ở khu vực miền Trung-Tây Nguyên thì rơle Schneider P746, P849 kết nối theo giao thức truyền thông IEC 61850 chưa được sử dụng. Với ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã giúp nhân viên thí nghiệm nắm rõ về rơle bảo vệ P746, P849 qua đó thuận lợi khi kiểm định chất lượng hệ thống bảo vệ trong môi trường công tác nghiêm ngặt về thời gian và tiến độ theo yêu cầu cung cấp điện liên tục, đồng thời giúp người vận hành hệ thống có thể vận hành một cách an toàn, tin cậy. 5. ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI Từ những lý do đã nêu ở trên. Đề tài được chọn có tên là: “Phân tích cấu hình, thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái P746 sử dụng giao thức IEC 61850 tại trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn ” 6. BỐ CỤC LUẬN VĂN Luận văn gồm có 4 chương Mở đầu -3Chương 1: Bảo vệ so lệch trong trạm biến áp. 1.1. Chức năng bảo vệ so lệch dọc đường dây. 1.2. Chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp. 1.3. Chức năng bảo vệ so lệch thanh cái. 1.4. Kết luận. Chương 2: Rơle Schneider P746, P849 bảo vệ thanh cái. 2.1. Các chức năng chính trong rơle P746. 2.2. Chức năng rơle P849. 2.3. Giao thức truyền thông IEC 61850 và mô hình GOOSE. 2.4. Kết luận. Chương 3: Cấu hình và thí nghiệm hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái TBA 220kV Ngũ Hành Sơn. 3.1. Cấu hình rơle P746. 3.2. Thí nghiệm hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái. 3.3. Kết luận. Chương 4: Mô phỏng bảo vệ so lệch thanh cái. 4.1. Xây dựng chương trình mô phỏng rơle số với Simulink/Simpowersystem. 4.2. Kết luận. Kết luận và kiến nghị -4- CHƢƠNG 1 BẢO VỆ SO LỆCH TRONG TRẠM BIẾN ÁP Khi thiết kế và vận hành bất kỳ một trạm biến áp cần phải kể đến khả năng phát sinh hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường. Ngắn mạch là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất. Ngoài các loại hư hỏng các tình trạng làm việc không bình thường. Một trong những tình trạng không bình thường là quá tải. Dòng điện quá tải làm tăng nhiệt độ các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép làm cách điện của chúng bị già cỗi hoặc đôi khi bị phá hủy. Để ngăn ngừa sự phát sinh sự cố và sự phát triển của chúng có thể thực hiện các biện pháp để cắt nhanh phần tử bị hư hỏng ra khỏi mạng điện, để loại trừ những tình trạng làm việc không bình thường có khả năng gây nguy hiểm cho thiết bị và hộ dùng điện. Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần tử trong hệ thống điện cần có những thiết bị rơle ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất, phát hiện ra phần tử bị hư hỏng và cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện. Trong hệ thống điện Việt Nam hiện nay sử dụng phổ biến rơle kỹ thuật số chủ yếu của các hãng như SEL, SIEMEN, ABB, TOSHIBA, SCHNEIDER (trước đây là AREVA) (xem bảng 1.1). Bên cạnh các chức năng bảo vệ, rơle số cho phép tích hợp thêm các chức năng không phải là chức năng bảo vệ như chức năng đo lường, giám sát cấu hình phần cứng, phần mềm, điều khiển máy cắt, ghi bản tin nhiễu loạn … Các rơle số có thể làm việc đơn lẻ hoặc kết hợp nhiều rơle khác nhau mà không làm thay đổi độ tin cậy chức năng bảo vệ của chúng. Bảng 1.1: Rơle kỹ thuật số ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam Hãng Rơle Schneider Siemens Sel ABB Toshiba Loại Rơle P123, P127, P132, P443, P543, P632 … 7SJ64, 7SJ80, 7SA522, 7SD522, 7UT613 … 351, 451, 421, 487B, 487E, 411, 411L, 787, 751 … REL 511, REL 670, RET 670, REG 670, REF 610 … GRD100,GRE110, GBU200, GRZ200 … Trong chương này sẽ phân tích nguyên lý một số chức năng bảo vệ so lệch cơ bản trong rơle số được sử dụng phổ biến tại các trạm biến áp hiện nay. 1.1. CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƢỜNG DÂY Bảo vệ so lệch dọc đường dây, cũng như các bảo vệ so lệch khác, dựa trên nguyên tắc so sánh dòng [3], [6]. Trong quá trình vận hành bình thường, bỏ qua ảnh hưởng của dòng dung, dòng điện sơ cấp CT1 và CT2 là i (hình 1.1). Nếu tỷ số biến dòng là như nhau, cuộn dây nhị thứ của các biến dòng CT1 và CT2 tại các đầu đường dây có thể được nối trực tiếp tạo thành một mạch điện kín với dòng điện nhị thứ là I. Như vậy trong điều kiện vận hành bình thường dòng điện chảy qua phần tử đo lường M là zero. -5Khi một sự cố xuất hiện trong vùng bảo vệ, xuất hiện dòng sự cố từ trạm 1 đến điểm ngắn mạch là i1, từ trạm 2 là i2, tương ứng dòng nhị thứ là I1 và I2. Lúc đó dòng chảy qua phần tử đo lường M là I1 + I2 làm tác Hình 1.1: Nguyên lý bảo vệ so lệch động phần tử M. Với bảo vệ so lệch dọc đường dây, để thay thế việc đấu nối mạch dòng điện nhị thứ bằng dây dẫn phụ người ta sử dụng các đường truyền thông tin như cáp quang và các bộ giao diện. Tín hiệu dòng điện tại một đầu được rơle thu nhận và xử lý số hóa. Mỗi rơle tại một đầu sẽ đo lường dòng điện tại chỗ và gởi thông tin về độ lớn và góc pha của dòng điện đến rơle phía đối diện qua các bộ giao diện dữ liệu bảo vệ và đường thông tin. Để bảo vệ so lệch làm việc đúng, điều kiện đầu tiên là tổng dòng điện vào thiết bị bảo vệ bằng không trong điều kiện vận hành bình thường. Tuy nhiên trong thực tế luôn có xuất hiện dòng không cân bằng do những nguyên nhân sau: - Dòng dung đường dây: tạo ra do dung dẫn đường dây so với đất và giữa các pha với nhau, dòng này được xác định theo điện áp và dung đường dây. Idiff(Iso lệch) Điều này cần lưu ý khi tính toán giá trị chỉnh định của rơle so lệch. Với một số rơle hiện nay đã có hỗ trợ cho việc cài đặt dòng so lệch phù hợp khi đưa vào các thông số điện áp và dung đường dây. - Lỗi biến dòng điện: gây ra Ibias(Iphân cực ) Hình 1.2: Đặc tính tác động bảo vệ so lệch bởi sự đáp ứng đặc tính của biến dòng điện với mạch đầu vào của thiết bị. Để giảm ảnh hưởng của chúng, rơle tính toán dòng điện ổn định ∆I từ các thông số của biến dòng điện và độ lớn dòng điện đo được. - Ngoài ra, sai số dòng điện còn chịu ảnh hưởng của sai số tính toán, các thành phần sóng hài, sai lệch tần số, chất lượng đường truyền … Để tránh các ảnh hưởng gây ra tác động nhầm cho rơle so lệch, các rơle hiện nay đều sử dụng các đặc tính phân cực. Hình 1.2 giới thiệu đặc tính tác động của bảo vệ so lệch đường dây 7SD52 hãng SIEMENS [14]. Idiff = |I1 + I2|: dòng so lệch. I-DIFF>: Giá trị cài đặt để hạn chế tác động không mong muốn do dòng không -6cân bằng. Ibias = |I1| + |I2|: dòng phân cực. 1.2. CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP Nguyên tắc làm việc của bảo vệ so lệch máy biến áp dựa trên nguyên tắc so sánh dòng như đã trình bày trong phần 1.1. Các nguyên nhân sinh ra dòng không cân bằng trong quá trình vận hành bình thường như tổ đấu dây MBA, tỷ số biến dòng điện khác Idiff/Inom nhau … đều được xử lý bằng (Isolệch/Iđịnh mức) các giá trị cài đặt phù hợp đối Is_HS2 với rơle kỹ thuật số. Ngoài ra, rơle kỹ thuật số còn có chức năng hãm sóng hài để ngăn Is_HS1 ngừa sự mất cân bằng dòng điện gây ra tác động nhầm khi Vùng làm việc Vùng hãm đóng xung kích MBA (thành phần sóng hài bậc 2) hoặc khi Is_CTS hòa song song hai MBA, hoặc Is_1 Is-cctfail khi quá kích thích MBA (thành Ibias/Inom Is2 (Iphân cực/Iđịnh mức) phần sóng hài bậc lẻ). Để tránh Hình 1.3: Đặc tính phân cực bảo vệ so lệch tình trạng dòng so lệch tăng cao gây ra do sai số biến dòng điện khi dòng nhất thứ lớn, đặc biệt là khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, các rơle bảo vệ so lệch máy biến áp hiện nay đều sử dụng đặc tính phân cực. Hình vẽ 1.3 thể hiện đặc tính phân cực của rơle P643 – SCHNEIDER [9]. Vùng Is_1: ngưỡng độ nhạy bảo vệ. Vùng độ dốc 1 (K1): tránh các sai số của các biến dòng nhất thứ, đầu vào nhị thứ biến dòng rơle, ảnh hưởng do thay đổi nấc phân áp MBA … Vùng độ dốc 2 (K2): tránh sai số do biến dòng bão hòa khi dòng lớn. Dòng so lệch Is_HS2 được sử dụng để cắt không hãm khi dòng ngắn mạch vượt quá dòng ngắn mạch cho phép của MBA. Ngoài ra còn có vùng ổn định phụ để xác định các biến dòng bị bão hòa khi sự cố bên ngoài vùng bảo vệ có dòng ngắn mạch lớn gây nên. Is-cctfail: ngưỡng dòng cảnh báo lỗi mạch CT. K-cctfail: độ dốc của chức năng cảnh báo lỗi mạch CT. Is_CTS: ngưỡng độ nhạy bảo vệ, khi có tín hiệu cảnh báo lỗi mạch CT thì ngưỡng độ nhạy bảo vệ sẽ tăng từ Is_1 lên Is_CTS. 1.3. CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI Sự cố xảy ra với thanh cái là rất ít, nhưng vì thanh cái là đầu mối liên hệ của nhiều phần tử trong hệ thống nên khi xảy ra ngắn mạch trên thanh cái nếu không loại trừ một cách nhanh chóng và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng và làm tan -7rã hệ thống. Với thanh cái có thể không cần xét đến quá tải vì khả năng tải của thanh cái là rất lớn [3]. Để bảo vệ thanh cái thường chúng ta sử dụng rơle bảo vệ so lệch phổ biến là bảo vệ so lệch tổng trở thấp hoặc tổng trở cao. 1.3.1. Bảo vệ so lệch thanh góp dùng rơle tổng trở thấp (có hãm) Hệ thống bảo vệ thanh cái dựa trên nguyên lý tập trung tổng các dòng điện đưa vào rơle so lệch thanh cái (hình 1.4). Dòng điện so lệch được xác định như sau: Idiff(t) = i1 + i2 + … + in. Nguyên lý này đơn giản nhưng đòi hỏi tất cả các biến dòng phải đồng nhất vì dễ bị ảnh hưởng bởi sự bão hòa biến dòng khi dòng sự cố ngoài lớn. Hình 1.4: Bảo vệ so lệch thanh cái thông thường Các rơle bảo vệ thanh cái tổng trở thấp với các đầu vào hãm đã giảm đáng kể tác động của sự bão hòa biến dòng và cho phép sử dụng các biến dòng có tỉ số khác nhau. Các rơle này hoạt động trên các đặc tính một hay nhiều độ dốc (hình 1.5) với dòng so lệch và dòng phân cực được xác định như sau: Idiff(t) = | i1+ i2…+ in | Hình 1.5: Đặc tính phân cực so lệch Ibias(t) = |i1| + |i2| +…+ |in| 1.3.2. Bảo vệ so lệch thanh cái dùng rơle tổng trở cao (không hãm) Bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở cao được sử dụng khi phụ tải của TBA có dòng thứ tự không (I0) bé, các ngăn lộ có cùng tỷ số biến CT và điện trở cuộn dây thứ cấp CT nhỏ. Sơ đồ bảo vệ là sơ đồ so lệch cân bằng dòng dùng điện trở ổn định có giá trị lớn mắc nối tiếp với cuộn dây của rơle điện áp. Hiệu quả việc đặt điện trở nối tiếp với cuộn dây rơle điện áp được giải thích dựa trên hình 1.6 [5]. Sơ đồ thanh góp chỉ có hai ngăn lộ và máy biến dòng có thông số giống nhau và có điện trở thứ cấp RCT, dây dẫn phụ đặc trưng bởi RL mắc nối tiếp với RCT. Rơle 87B được mắc nối tiếp với một điện trở ổn định RR, việc mắc nối tiếp một điện trở ổn định RR sẽ làm tăng tổng trở mạch rơle nên phần lớn dòng không cân bằng (do sự bão hoà không giống nhau giữa các CT khi ngắn mạch ngoài) sẽ chạy trong mạch CT bị bão hòa có tổng trở thấp hơn, nghĩa là RR có tác dụng phân dòng qua rơle [13]. -8- Trường hợp lý tưởng Trường hợp CT bị bão hòa Hình 1.6: Sự cố ngoài vùng bảo vệ thanh cái dùng rơle tổng trở cao Nếu xem các máy biến dòng hoàn toàn giống nhau thì khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, hầu hết dòng ngắn mạch sẽ chạy qua điện trở RR tạo nên điện áp đặt trên rơle rất lớn, rơle sẽ tác động. Còn ở chế độ làm việc bình thường hoặc chế độ ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N1), dòng điện ra vào nút cân bằng nhau (định luật Kirchoff 1) dòng điện thứ cấp của các CT chạy qua điện trở RR có thể xem bằng không, ta có: IR = ICT1 − ICT2 = 0, UR = 0, rơle không tác động. Trường hợp có ngắn mạch ngoài tại N2 và giả sử CT2 có sự cố bão hòa hoàn toàn, nghĩa là biến dòng CT2 không có tín hiệu đầu ra, với tình trạng này hoàn toàn được biểu thị bằng cách nối tắt CT. Lúc này U R  I R .R R  I SC .(R CT  R L )  0 , rơle tác động. 1.4. KẾT LUẬN : Chương 1 đã trình bày nguyên lý làm việc của một số chức năng so lệch cơ bản trên rơle kỹ thuật số, qua đó cho ta thấy rơle kỹ thuật số ngày nay được tích hợp nhiều chức năng bảo vệ với khả năng chỉnh định thông số cài đặt và lập trình được nên có độ linh hoạt cao, dễ dàng sử dụng cho các đối tượng bảo vệ khác nhau. Trên cơ sở đó đi sâu vào phân tích các chức năng của rơle P746 trong chương 2. -9- CHƢƠNG 2 RƠLE SCHNEIDER P746, P849 BẢO VỆ THANH CÁI 2.1. CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH TRONG RƠLE P746 Rơle bảo vệ so lệch thanh cái P746 được thiết kế cho bảo vệ thanh cái các cấp điện áp từ phân phối đến truyền tải. Rơle bao gồm nhiều tính năng không bảo vệ để hỗ trợ chẩn đoán và phân tích sự cố hệ thống. P746 tích hợp so lệch thanh cái, lỗi máy cắt, vùng chết, bảo vệ quá dòng và thích hợp ứng dụng cho hệ thống nối đất trực tiếp. Hình 2.1 mô tả tổng quan ứng dụng P746, rơle bao gồm các chức năng bảo vệ như so lệch thanh cái, quá dòng, lỗi hư hỏng máy cắt, giám sát mạch dòng (CTS), giám sát mạch áp (VTS), cảnh báo trạng thái thiết bị không tương ứng (ISL), ngoài ra còn có thêm các chức năng đo lường, ghi sự cố, ghi bản ghi nhiễu loạn. Mạch dòng điện nhị thứ, trạng thái máy cắt, dao cách ly được đưa vào rơle, khi bảo vệ tác động sẽ gửi tín hiệu đầu ra đến máy cắt. DCL Cổng truyền Truyền thông thông từ xa tại chỗ Tự giám sát Ghi sự cố Đo lường Bộ ghi nhiễu loạn MC Đầu vào Đầu ra Sơ đồ bảo vệ P746 Hình 2.1: Tổng quan ứng dụng P746 Tác giả sẽ nghiên cứu một số chức năng bảo vệ chính của P746. 2.1.1. Bảo vệ so lệch thanh cái Thành phần bảo vệ chính là bảo vệ so lệch dòng phân cực riêng từng pha. Phương pháp được dùng là thuần túy số và phân tích điểm nút trong toàn bộ sơ đồ, trong mỗi vùng và sơ đồ cơ sở. a. Nguyên lý làm việc (hình 2.2) Nguyên lý làm việc chính của bảo vệ so lệch được ứng dụng theo định luật Kirchhoff. So sánh tổng dòng vào và ra của vùng bảo vệ và vùng kiểm tra. Khi vận hành bình thường, tổng dòng chạy vào trong vùng và vùng được kiểm tra bằng tổng dòng chạy ra -10khỏi vùng. Do đó dòng điện bị triệt tiêu. Khi xảy ra sự cố dòng so lệch tăng bằng dòng nhánh sự cố [10]. Hình 2.2: Nguyên lý bảo vệ so lệch thanh cái Một vài công thức tổng có thể được dùng cho sơ đồ bảo vệ so lệch:  Tổng vector  Tổng tức thời Thuật toán được ứng dụng dùng công thức tổng vector (trên Fourier). Các công thức tổng tức thời có thuận lợi là loại bỏ sóng hài và thành phần DC của nguồn bên ngoài trong tính toán và trong thực tế dưới điều kiện xung kích máy biến áp. Dòng phân cực là tổng dòng điện vô hướng trong vùng bảo vệ và vùng kiểm tra. Mỗi tính toán được thực hiện trên mỗi pha riêng biệt cho từng nhánh và được tổng lại. b. Đặc tính phân cực và dòng so lệch Bảo vệ so lệch thanh cái làm việc dựa trên ứng dụng thuật toán có đặc tính phân cực, so sánh giữa dòng so lệch và phân cực hoặc dòng hãm. Sự cố được phát hiện nếu dòng so lệch vượt quá độ dốc của đặc tính phân cực được cài đặt. Đặc tính này nhằm đảm bảo độ ổn định của bảo vệ khi ngắn mạch ngoài trong sơ đồ có máy biến dòng với đặc tính khác nhau. Thuật toán làm việc theo: |∑ ⃗|  Dòng so lệch: Idiff(t) ∑|⃗|  Dòng hãm hoặc phân cực: Ibias(t)  Độ dốc đặc tính phân cực: kx Tác động được cho phép bằng thành phần phân cực theo: Idiff(t) > kx . Ibias(t) Thành phần dòng so lệch chính của bảo vệ thanh cái chỉ có thể vận hành nếu dòng so lệch vượt ngưỡng ID>2 (ngưỡng cài đặt trong rơle). Nhìn chung, giá trị cài đặt này sẽ được điều chỉnh trên dòng tải định mức bình thường. -11Hình 2.3 thể hiện đặc tính của thành phần dòng so lệch pha. Đặc tính so lệch pha được xác định theo cài đặt bảo vệ là vùng nằm trên ngưỡng cài đặt dòng so lệch ID>2 và độ dốc đặc tính phân cực (k2 x Ibias) (k2 là giá trị phần trăm độ dốc phân cực). c. Giám sát bằng thành phần “Kiểm tra vùng” Thành phần “kiểm tra vùng” được dựa trên nguyên lý trong trường hợp sự cố trên một phần của hệ thống thanh cái, dòng so lệch được đo lường trong vùng sự cố sẽ bằng dòng được đo lường trong toàn hệ thống. Một trong những lí do thường Hình 2.3: Đặc tính phân cực bảo vệ so lệch xuyên gây ra tác động nhầm của bảo vệ so lệch thanh cái là lỗi vị trí thực tế của dao cách ly hoặc máy cắt trong trạm được phản hồi (tiếp điểm phụ không đúng). Điều này làm xuất hiện dòng so lệch trong một hoặc nhiều nhánh. Để an toàn, bảo vệ thanh cái chỉ tác động vùng thanh cái sự cố nếu thành phần vùng so lệch và vùng kiểm tra đồng thời cùng tác động. Ưu điểm chính của phần này là không nhạy nếu sơ đồ thực tế không phù hợp. Trong những trường hợp như vậy thành phần “kiểm tra vùng” sẽ nhìn hai dòng bằng độ lớn nhưng ngược hướng trong vùng lân cận. Đặc tính kiểm tra vùng được xác định dựa trên cài đặt bảo vệ: Vùng trên ngưỡng cài đặt dòng so lệch IDCZ>2 và độ dốc đặc tính phân cực (kCZ x Ibias) (kCZ là giá trị phần trăm độ dốc phân cực cho vùng kiểm tra). Vùng kiểm tra được giới hạn bởi dòng tất cả các nhánh vào và ra toàn bộ thanh cái: Idiff(t)CZ = |∑Idiff| Vùng kiểm tra sẽ làm việc giống thành phần vùng bảo vệ. d. Sự giám sát bởi thành phần so sánh pha Khi sự cố bên ngoài gây bão hòa máy biến dòng, dòng so lệch sẽ xuất hiện và bằng dòng điện qua CT bị bão hòa. Dòng so lệch được đo lường có thể phát hiện sự cố bên trong và khởi tạo tác động không mong muốn trên thanh cái. Để tránh rủi ro tác động trong trường hợp này, hầu hết bảo vệ thanh cái dùng thuật toán so sánh pha để nhận biết sự cố bên ngoài hay bên trong. Đặc tính của thuật toán là: - Làm việc không dựa vào điện áp - Góc pha được lưu trong mỗi chu kỳ -12- Chỉ dòng điện có độ lớn chắc chắn được đưa vào tính toán (đặt theo phần trăm dòng định mức của mỗi biến dòng). - Khi tất cả các góc của dòng điện nằm trong vùng ±90o sẽ không khóa bảo vệ so lệch thanh cái. - Nếu chỉ có một dòng được đưa vào tính toán thì xem như sự cố bên trong. Do đó, khi thành phần so sánh pha tính toán có hơn một dòng điện có độ lớn lớn hơn ngưỡng đặt (đặt theo phần trăm dòng định mức của mỗi biến dòng) và tất cả các góc dòng điện này không nằm trong vùng ±90o thì sẽ khóa bảo vệ so lệch. e. Tiêu chuẩn tác động Tín hiệu tác động cho từng vùng là: nếu sự cố được phát hiện trong vùng và được chắc chắn bởi vùng kiểm tra đồng thời thành phần so sánh pha không khóa bảo vệ so lệch. - Cho vùng bảo vệ: Nếu tính toán 2 lần liên tục dòng Idiff(t) vượt ngưỡng ID>2 và k x Ibias. - Cho vùng kiểm tra: Nếu tính toán 2 lần liên tục dòng Idiff(t)CZ vượt ngưỡng IDCZ>2 và kCZ x Ibias. f. Mạch giám sát dòng điện Trong vận hành bình thường, dòng so lệch sẽ bằng không hoặc không đáng kể (do dòng không cân bằng). Bất kỳ sự bất thường được phát hiện thông qua ngưỡng ID>1. Thành phần so lệch phân cực được dùng để giám sát mạch dòng điện. Dòng so lệch sẽ có nếu mạch nhị thứ của máy biến dòng bị hở mạch, ngắn mạch; độ lớn của dòng này tỉ lệ với dòng điện tải đang chạy trong mạch được giám sát bởi mạch dòng sự cố. Giá trị ID>1 chọn nhỏ nhất có thể (giá trị đề nghị tối thiểu là 2% dòng lớn nhất qua cuộn sơ cấp máy biến dòng, 5-20% thường được ứng dụng). Thời gian trễ chuẩn là 5 giây (cài đặt lớn hơn thời gian lớn nhất để loại trừ sự cố bên ngoài). 2.1.2. Các bảo vệ bổ sung a. Bảo vệ vùng chết (hình 2.4) Trong một xuất tuyến, nếu dao cách ly hoặc máy cắt mở thì vùng chết là vùng giữa thành phần được mở và máy biến dòng. Nếu máy cắt mở, bảo vệ vùng chết có thể không cắt máy cắt. Rơle P746 có thể bảo vệ vùng này với chức năng bảo vệ vùng chết. Đây đơn giản là bảo vệ quá dòng có thời gian trễ chỉ tác động khi vùng chết được nhận dạng trong cấu Hình 2.4: Vùng chết của xuất tuyến trúc liên kết nội bộ. b. Bảo vệ hư hỏng máy cắt (50BF) Phần cứng của P746 đáp ứng tối đa 7 hoặc 21 máy cắt (7 cho chế độ 3 pha, 21 cho chế độ 1 pha) và có thể tác động một hoặc hai cuộn cắt máy cắt. Hơn nữa có thể từng