Giáo trình Bảo vệ rơle và tự động hóa - Chương 3: Bảo vệ dòng có hướng

 : góc phụ của rơle, tùy thuộc cấu trúc của rơle α
nU : tỷ số biến đổi của BU 
Như vậy : l n
Z
U
Ix
U KÂR
R
=
3 1
3. .cos .
min
( ) ϕ α 
VIII. Đặc tính của rơle định hướng công suất: 
Trong tr.hợp lí tưởng, sự làm việc của rơle định hướng công suất thực hiện theo 
nguyên tắc điện cơ (ví dụ, rơle cảm ứng) cũng như theo các nguyên tắc khác (ví dụ, rơle so 
sánh trị tuyệt đối các đại lượng điện) được xác định bằng biểu thức: 
 cos(ϕR + α) ≥ 0 (3.1) 
Như vậy phạm vi góc ϕR mà rơle có thể khởi động được là: 
90o ≥ (ϕR+α) ≥ -900 
hay (90o - α) ≥ ϕR ≥ -(900 + α) (3.2) 
 27
Hình 3.7 : Đặc tính góc của rơle 
định hướng công suất trong mặt 
phẳng phức tổng trở 
Hình 3.8 : Đặc tính góc của rơle định 
hướng công suất trong mặt phẳng phức 
tổng trở khi cố định vectơ áp UR
Đặc tính của rơle theo biểu thức (3.2) được gọi là đặc tính góc, có thể biểu diễn trên 
mặt phẳng phức tổng trở ZR = U
.
R/ I
.
R (hình 3.7) 
Góc ϕR được tính từ trục thực (+) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Vectơ dòng 
IR được giả thiết là cố định trên trục (+), còn vectơ UR và ZR quay đi một góc ϕR so với 
vectơ IR. Trong mặt phẳng phức, đặc tính góc theo biểu thức (3.2) được biểu diễn bằng 
đường thẳng đi qua gốc tọa độ nghiêng một góc (90o - α) so với trục (+). Đường thẳng này 
chia mặt phẳng phức thành 2 phần, phần có gạch chéo (hình 3.7) tương ứng với các góc ϕR 
mà lúc đó rơle định hướng công suất có thể khởi động được. 
Biểu diễn đặc tính góc trên mặt phẳng phức tổng trở rất tiện lợi để khảo sát sự làm 
việc của rơle định hướng công suất đối với các dạng ngắn mạch khác nhau trong mạng 
điện. Trong một số trường hợp, người ta cố định hướng vectơ áp UR (hình 3.8). Phạm vi 
tác động được giới hạn bởi một đường thẳng còn gọi là đường độ nhạy bằng 0 (vì cos(ϕR + 
α) = 0). Đường thẳng này lệch so với UR một góc (90o -α) theo chiều kim đồng hồ. Đường 
độ nhạy cực đại (tương ứng với cos(ϕR + α) = 1) thẳng góc với đường độ nhạy bằng 0 và 
lệch so với UR một góc α ngược chiều kim đồng hồ, góc tương ứng với nó ϕR = ϕRn max = - 
α được gọi là góc độ nhạy cực đại. 
IX. NỐI RƠLE ĐỊNH HƯỚNG CÔNG SUẤT VÀO 
DÒNG PHA VÀ ÁP DÂY THEO SƠ ĐỒ 90O: 
 28
Bảng 3.1: 
STT của rơle IR UR
1 
2 
3 
Ia
Ib 
Ic
Ubc
Uca
Uab
Hình 3.9 : Đồ thị véctơ áp và dòng khi nối 
rơle định hướng công suất theo sơ đồ 900
Hình 3.10 : Ngắn mạch trên 
đường dây 
Trong sơ đồ này (bảng 3.1 và hình 3.9), đưa đến các đầu cực rơle là dòng một pha (ví 
dụ đối với rơle số 1, dòng IR= Ia) và áp giữa hai pha khác (tương ứng UR = Ubc ) chậm sau 
dòng pha đó một góc 900 với giả thiết là dòng (Ia) trùng pha với áp pha cùng tên (Ua). Qua 
khảo sát cho thấy rằng, để sơ đồ làm việc đúng đắn cần có góc lệch của rơle α ≈ 300 ÷ 450, 
do đó rơle sẽ phản ứng với cos[ϕR+ (30÷450)]. Việc kiểm tra hoạt động của sơ đồ đối với 
các dạng ngắn mạch khác nhau có thể thực hiện bằng cách cho vị trí của véctơ UR cố định 
và véctơ dòng IR xoay quanh nó. Đường độ nhạy bằng 0 lúc đó lệch so với véctơ điện áp 
UR một góc 900- α (về phía chậm sau), còn đường độ nhạy cực đại vượt trước UR một góc 
α. 
IX.1. Ngắn mạch 3 pha đối xứng: 
Tất cả các rơle của sơ đồ đều làm việc trong những điều kiện giống nhau. Vì vậy ta 
chỉ khảo sát sự làm việc của một rơle (rơle số 1) có I1R = Ia(3) và U1R = Ubc(3). Đồ thị véctơ 
áp Ubc(3) ở chỗ nối rơle và véctơ dòng Ia(3) như trên hình 3.11a. Đường độ nhạy bằng 0 lệch 
với điện áp Ubc(3) một góc 900 - 450 = 450 (giả thiết rơle có góc α = 45o). Góc ϕN(3) giữa 
Ia(3) và Ua(3) được xác định bằng tổng trở thứ tự thuận một pha của phần đường dây trước 
điểm ngắn mạch N và điện trở quá độ rqđ ở chỗ hư hỏng (hình 3.10). 
Giá trị ϕN(3) nằm trong phạm vi 0 ≤ ϕN(3) ≤ 900. Từ đồ thị hình 3.11a ta thấy ở các 
giá trị ϕN(3) bất kỳ trong phạm vi trên, rơle sẽ làm việc đúng nếu Ubc(3) có giá trị đủ để rơle 
làm việc. Khi góc ϕN(3) = 450 hướng véctơ dòng điện trùng với đường độ nhạy cực đại và 
do đó sơ đồ sẽ làm việc ở điều kiện thuận lợi nhất. Khi chọn α = 0 sơ đồ có thể không tác 
động khi ngắn mạch ở đầu đường dây qua điện trở quá độ rqđ. 
 29
Hình 3.11 : Đồ thị véctơ áp và dòng 
 ở chỗ nối rơle đối với các 
dạng ngắn mạch khác nhau 
a) Ngắn mạch 3 pha 
b) Ngắn mạch 2 pha B,C 
c)Ngắn mạch pha A chạm đất 
IX.2. Ngắn mạch giữa 2 pha: 
Điều kiện làm việc của các rơle nối vào dòng các pha hư hỏng là không giống nhau. 
Vì vậy, chẳng hạn như khi ngắn mạch giữa hai pha B, C cần xét đến sự làm việc của rơle 
số 2 có I2R = Ib(2) và U2R = Uca(2) cũng như của rơle số 3 có I3R = Ic(2) và U3R = Uab(2) . Vấn 
đề cũng trở nên phức tạp hơn so với N(3) do góc pha giữa UR và IR thay đổi khi dịch 
chuyển điểm ngắn mạch N dọc theo đường dây. Trên hình 3.11b là đồ thị véctơ áp và dòng 
đối với trường hợp điểm ngắn mạch N nằm ở khoảng giữa đường dây (hình 3.10). Các 
đường độ nhạy bằng 0 lệch với các áp Uca(2) ,Uab(2) một góc 450. Vị trí véctơ dòng Ib(2) lệch 
với sức điện động Ebc một góc ϕN(2). Góc ϕN(2) được xác định bằng tổng trở từ nguồn sức 
điện động đến chỗ ngắn mạch kể cả rqđ ; trị số của nó có thể thay đổi trong phạm vi 0 ≤ 
ϕN(2) ≤ 900 . Từ đồ thị ta thấy, trị số của điện áp U2R và U3R luôn luôn lớn và cả hai rơle (số 
2 và 3) đều làm việc đúng đắn ở giá trị ϕN(2) bất kỳ. 
IX.3. Ngắn mạch một pha trong mạng có trung tính nối đất trực tiếp: 
Ta khảo sát sự làm việc của rơle nối vào dòng pha hư hỏng (rơle số 1 khi ngắn mạch 
pha A). Đường độ nhạy bằng 0 lệch 450 so với véctơ áp giữa 2 pha không hư hỏng Ubc(1) 
(hình 3.11c). Góc ϕN(1) giữa sức điện động Ea và dòng Ia(1) có thể thay đổi trong phạm vi 
0≤ϕN(1)≤ 900. Qua đồ thị ta thấy, rơle nối vào dòng pha hư hỏng luôn luôn làm việc đúng. 
Từ những phân tích trên có thể rút ra kết luận như sau đối với sơ đồ 900: 
1) Sơ đồ có thể xác định đúng hướng công suất ngắn mạch trong các pha bị hư hỏng 
đối với tất cả các dạng hư hỏng cơ bản. Để được như vậy rơle định hướng công suất cần 
phải có góc lệch α ≈450. 
 30
2) Vùng chết chỉ có thể xảy ra khi ngắn mạch 3 pha gần chỗ nối bảo vệ (UR gần 
bằng không). 
3) Khi N(2) và N(1), các rơle nối vào dòng pha không hư hỏng có thể làm việc không 
đúng do tác dụng của dòng phụ tải và dòng hư hỏng trong các pha này. Vì vậy cần phải 
làm thế nào để sơ đồ vẫn làm việc đúng dù cho có một vài rơle tác động nhầm do dòng các 
pha không hư hỏng. 
Cũng có một số sơ đồ khác để nối rơ le định hướng công suất như sơ đồ 300 (ví dụ, 
IR= Ia và UR = Uab), hoặc sơ đồ 600 (ví dụ, IR= Ia và UR = -Ub). Tuy nhiên các sơ đồ này có 
một số nhược điểm so với sơ đồ 900, do vậy sơ đồ 900được sử dụng rộng rãi hơn. 
X. 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 IKĐ lớn hơn giá trị 
cực đại của dòng ngắn mạch ngoài INngmax 
đi theo hướng tác động của bộ phận định 
hướng công suất nếu 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 . 
Hình 3.21 : Đồ thị tính toán 
bảo vệ dòng cắt nhanh có hướng 
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 
IKĐ=kat.INngmaxA. Như vậy nối bảo vệ cắt nhanh về phía trạm B là không có ý nghĩa vì IKĐ 
luôn 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 IKĐ B = 
kat.INngmaxB. Trong trường hợp này bảo vệ cắt nhanh về phía trạm B sẽ có thể bảo vệ được 
phần lớn đường dây AB. 
XI. Đánh giá và phạm vi ứng dụng của Bảo vệ dòng có 
hướng: 
XI.1. Tính chọn lọc: 
Tính chọn lọc tác động của bảo vệ đạt được nhờ chọn thời gian làm việc theo nguyên 
tắc bậc thang ngược chiều nhau và dùng các bộ phận định hướng công suất. 
Tính chọn lọc được đảm bảo trong các mạng vòng có một nguồn cung cấp khi không 
có những đường chéo không qua nguồn (hình 3.22a,b) và trong các mạng hình tia có số 
nguồn cung cấp tùy ý (hình 3.22c). 
 31
Hình 3.22 : Các sơ đồ mạng mà 
Bảo vệ dòng có hướng đảm bảo 
cắt chọn lọc khi ngắn mạch 
Trong các mạng vòng có số nguồn cung cấp lớn hơn một (hình 3.23a), tính chọn lọc 
không thể đảm bảo vì không thể chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc bậc thang. Bảo vệ 
cũng không đảm bảo chọn lọc trong các mạng vòng có một nguồn cung cấp có đường chéo 
không đi qua nguồn (hình 3.23b), trường hợp này phần mạng giới hạn bởi đường chéo có 
thể xem như có hai nguồn cung cấp. 
XI.2. Tác động nhanh: 
Giống như bảo vệ dòng cực đại (chương 2), trong đa số trường hợp bảo vệ có thời 
gian làm việc lớn. 
Hình 3.23 : Các sơ đồ mạng mà Bảo vệ dòng có hướng 
không đảm bảo cắt chọn lọc khi ngắn mạch 
XI.3. Độ nhạy: 
Độ nhạy của bảo vệ bị giới hạn bởi dòng khởi động của bộ phận khởi động. Trong 
các mạng hở có 2 hay nhiều nguồn cung cấp, ở một số chế độ ví dụ như sau khi cắt một 
 32
trong các nguồn cung cấp có công suất lớn và cưỡng bức kích từ máy phát của các nguồn 
còn lại thì dòng phụ tải cực đại có thể đạt tới giá trị lớn. Dòng khởi động được chỉnh định 
khỏi dòng phụ tải này thường làm cho bảo vệ hoàn toàn không đủ độ nhạy. Để tăng độ 
nhạy đôi khi người ta dùng những bộ phận khởi động liên hợp dòng và áp. 
Từ những nhận xét trên ta thấy rằng bảo vệ dòng có hướng có thể sử dụng làm bảo 
vệ chính trong các mạng phân phối điện áp dưới 35kV khi nó đảm bảo được tính chọn lọc 
và tác động nhanh. 
Bảo vệ dòng có hướng cũng được sử dụng rộng rãi làm bậc dự trữ trong các bảo vệ 
có đặc tính thời gian nhiều cấp.