Bảo vệ đường dây: Các phương pháp hiện đại

Phần này trình bày nguyên tắc hoạt động của bảo vệ quá dòng cực đại, chú trọng vào tính chọn lọc. Thời gian hoạt động của các thiết bị bảo vệ được lựa chọn theo nguyên tắc bậc thang: t_A > t_B > t_C, đảm bảo rằng rơ le càng gần nguồn thì thời gian hoạt động càng dài. Điều này giúp tránh tình trạng bảo vệ ở đoạn xa nguồn hoạt động trước, gây mất chọn lọc trong hệ thống. Nếu có hai rơ le cùng loại nhưng điểm đặt khác nhau, chênh lệch thời gian (Δt) sẽ càng lớn khi dòng ngắn mạch (I_N) càng nhỏ. Nguyên tắc này đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của hệ thống bảo vệ quá dòng, hạn chế sự cố lan rộng và bảo vệ thiết bị.

Sau khi tính toán và chọn dòng khởi động (I_kñ), độ nhạy của bảo vệ được kiểm tra. Độ nhạy (K_nh) được định nghĩa là tỷ số giữa dòng ngắn mạch nhỏ nhất ở cuối khu vực bảo vệ (I_Nmin) và dòng khởi động (I_kñ): K_nh = I_Nmin / I_kñ. Điện áp khởi động (U_kñ) cũng cần được chọn sao cho rơ le không hoạt động khi điện áp làm việc nhỏ nhất và trở lại trạng thái bình thường ngay sau khi cắt ngắn mạch. Độ nhạy của rơ le kèm điện áp phải được kiểm tra theo điện áp ngắn mạch cực đại khi ngắn mạch ở cuối khu vực bảo vệ và phải lớn hơn 1.5. Việc xác định chính xác thời gian làm việc và độ nhạy là yếu tố then chốt để bảo đảm hiệu quả hoạt động của hệ thống bảo vệ quá dòng.

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh ([50]) hoạt động khi dòng điện đầu vào lớn hơn tham số dòng điện khởi động, và tác động tức thời hoặc sau thời gian rất ngắn (t = 0,3~0,6s). Khu vực tác động của bảo vệ cắt nhanh phải giới hạn trong phạm vi cần được bảo vệ. Dòng khởi động (I_kñ) thường được chọn là I_kñ = K_at * I_Nngmax, với K_at là hệ số an toàn (1.2~1.3). Khi ngắn mạch ở xa, chiều dài đường dây tăng, dẫn đến dòng ngắn mạch (I_N) giảm. Dòng ngắn mạch cực đại ở xa nguồn được ký hiệu là I_Nngmax. Với nguồn cung cấp từ hai phía, bảo vệ cắt nhanh phải đặt cả hai đầu đường dây, và dòng khởi động (I_kñ) của cả hai bảo vệ phải giống nhau và được tính theo I_Nngmax lớn hơn. Phối hợp giữa bảo vệ quá dòng [51] và bảo vệ cắt nhanh [50] là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Phần này tập trung vào việc xác định dòng khởi động (I_kñ) thích hợp cho bảo vệ cắt nhanh nhằm đáp ứng yêu cầu chọn lọc và hiệu quả bảo vệ ngắn mạch. Dòng khởi động được tính toán dựa trên dòng ngắn mạch cực đại (I_Nngmax) và hệ số an toàn (K_at), với công thức I_kñ = K_at * I_Nngmax. Hệ số an toàn K_at thường nằm trong khoảng 1.2 đến 1.3, tùy thuộc vào loại rơ le sử dụng (ví dụ rơ le cảm ứng). Khi xảy ra ngắn mạch ở xa nguồn, chiều dài đường dây (l) và điện trở dọc (X_d) tăng, làm giảm dòng ngắn mạch (I_N). Dòng ngắn mạch cực đại ở vị trí xa nguồn được ký hiệu là I_Nngmax. Việc lựa chọn dòng khởi động chính xác là rất quan trọng để đảm bảo bảo vệ cắt nhanh chỉ hoạt động khi có sự cố ngắn mạch thực sự trong phạm vi cần bảo vệ, tránh tình trạng hoạt động sai lệch.

Trong trường hợp đường dây có nguồn cấp từ hai phía, việc bảo vệ ngắn mạch trở nên phức tạp hơn. Để đảm bảo độ tin cậy, bảo vệ cắt nhanh phải được lắp đặt ở cả hai đầu đường dây. Dòng khởi động (I_kñ) cho cả hai bảo vệ phải giống nhau và được tính toán dựa trên giá trị I_Nngmax lớn hơn. Điều này đảm bảo rằng, bất kể ngắn mạch xảy ra ở phía nào, hệ thống bảo vệ đều có thể phản ứng kịp thời và hiệu quả. Sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ ở hai đầu đường dây là rất quan trọng để tránh hoạt động chồng chéo hoặc thiếu sót, đảm bảo tính toàn vẹn của hệ thống điện.

Bảo vệ quá dòng [51] và bảo vệ cắt nhanh [50] cần được phối hợp chặt chẽ để tạo nên một hệ thống bảo vệ toàn diện và hiệu quả. Khu vực bảo vệ và thời gian tác động của hai loại bảo vệ này phải được cân nhắc kỹ lưỡng. Thời gian tác động của bảo vệ [51] (t_51) được tính toán dựa trên thời gian tác động của bảo vệ cắt nhanh [50] (t_50) và một khoảng thời gian chênh lệch (Δt): t_51 = t_50 + Δt. Trong thực tế, tổng thời gian t_51 không được vượt quá 0.5 đến 0.6 giây. Dòng khởi động của bảo vệ [51] thường được chọn lớn hơn dòng khởi động của bảo vệ [50] đặt ở phía xa nguồn. Sự phối hợp này đảm bảo tính chọn lọc và hiệu quả bảo vệ, tránh tình trạng hoạt động trùng lặp hoặc thiếu sót trong các trường hợp ngắn mạch khác nhau.

Để bảo vệ đường dây khỏi các sự cố ngắn mạch không đối xứng như ngắn mạch một pha hoặc hai pha chạm đất, người ta sử dụng bộ lọc thứ tự không. Loại sự cố này tạo ra hệ thống đối xứng thứ tự không. Bộ lọc này thường được cấu tạo từ ba biến dòng, tạo ra một tín hiệu dòng thứ tự không (I_0). Khi có sự cố ngắn mạch một pha hay hai pha chạm đất, dòng I_0 xuất hiện, và bảo vệ thứ tự không ([51N]) sẽ tác động để cắt mạch ([52]). Việc sử dụng bộ lọc thứ tự không giúp tăng độ chọn lọc của hệ thống bảo vệ, chỉ tác động khi có sự cố không đối xứng thực sự xảy ra, tránh nhầm lẫn với các hiện tượng khác trong hệ thống.

Dòng khởi động (I_kñ) cho bảo vệ thứ tự không ([51N]) được xác định dựa trên dòng không cân bằng cực đại (I_kcbmax) và hệ số an toàn (K_at): I_kñ = K_at * I_kcbmax. Hệ số an toàn K_at thường nằm trong khoảng 1.3 đến 1.5. Độ nhạy của bảo vệ thứ tự không được xác định bởi công thức K_nh = 3I_0min / I_kñ, với I_0min là dòng thứ tự không nhỏ nhất khi ngắn mạch một pha (hoặc hai pha chạm đất). Tại cuối khu vực bảo vệ, hệ số K_nh phải lớn hơn hoặc bằng 1.5 để đảm bảo độ nhạy cần thiết. Việc lựa chọn dòng khởi động phù hợp đảm bảo hệ thống bảo vệ hoạt động chính xác và hiệu quả, phát hiện và xử lý sự cố không đối xứng một cách kịp thời.

Thời gian tác động của bảo vệ thứ tự không cũng tuân theo nguyên tắc bậc thang, nhưng áp dụng riêng cho từng cấp điện áp. Trong lưới điện có máy biến áp nối Y/Δ hoặc Y/Y, bảo vệ thứ tự không có thể được thiết kế để tác động tức thời, vì bảo vệ sẽ không hoạt động khi ngắn mạch nối đất sau máy biến áp. Do đó, thời gian tác động của bảo vệ thứ tự không thường nhỏ hơn so với bảo vệ quá dòng chống ngắn mạch giữa các pha. Tuy nhiên, trong lưới điện có máy biến áp tự ngẫu, dòng I_0 vẫn đi qua máy biến áp, do đó thời gian tác động của bảo vệ thứ tự không cần phải căn cứ vào các bảo vệ khác trong toàn lưới, ví dụ như bảo vệ quá dòng. Điều này cho thấy sự linh hoạt và tính thích ứng cao của bảo vệ thứ tự không trong các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống điện.

Phần này đề cập đến nguyên lý hoạt động của bảo vệ so lệch, một phương pháp bảo vệ đường dây điện, đặc biệt hữu ích khi nguồn cấp từ hai phía. Bảo vệ so lệch dựa trên việc so sánh dòng điện trên các pha hoặc các đoạn dây khác nhau. Khi hệ thống hoạt động bình thường, dòng điện trên các pha cân bằng. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố ngắn mạch, sự cân bằng này bị phá vỡ, dẫn đến sự xuất hiện dòng không cân bằng. Bảo vệ so lệch sẽ phát hiện sự không cân bằng này và tác động để bảo vệ hệ thống. Có hai loại bảo vệ so lệch chính là bảo vệ so lệch ngang và bảo vệ so lệch dọc, mỗi loại có nguyên lý hoạt động và ứng dụng riêng.

Do sự không hoàn toàn giống nhau giữa các biến dòng, dòng không cân bằng xuất hiện. Đây là một yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của bảo vệ so lệch. Để nâng cao độ nhạy, cần hạn chế sự xuất hiện dòng không cân bằng bằng cách giảm trở kháng phụ tải (Z_pt) và tăng tỷ số biến dòng (K_I). Giảm trở kháng phụ tải sẽ làm giảm ảnh hưởng của dòng không cân bằng lên tín hiệu đầu vào của rơ le, giúp tăng độ nhạy của hệ thống. Tăng tỷ số biến dòng cũng góp phần làm tăng độ nhạy, giúp phát hiện sớm hơn các sự cố ngắn mạch. Việc tối ưu hóa các thông số này giúp cải thiện đáng kể hiệu quả hoạt động của bảo vệ so lệch.

Bảo vệ so lệch ngang có hướng được sử dụng để bảo vệ đường dây khi có nguồn cấp từ hai phía. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc so sánh dòng điện trên các đường dây ở hai đầu. Khi ngắn mạch, các bảo vệ ở hai đầu đều tác động. Dòng khởi động (I_kñ) được tính toán để đảm bảo bảo vệ không tác động khi ngắn mạch bên ngoài vùng bảo vệ. Công thức tính dòng khởi động phụ thuộc vào dòng không cân bằng tính toán cực đại (I_kcb_ttmax) và các hệ số khác như hệ số an toàn (K_at), hệ số tính đến ảnh hưởng của thành phần không tuần hoàn của dòng ngắn mạch (K_KCK), và sai số cực đại cho phép của biến dòng. Nếu các đường dây có thông số như nhau, I_kcb_ttmax có thể được tính toán đơn giản hơn. Việc lựa chọn dòng khởi động phù hợp đảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy của hệ thống bảo vệ.