Thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện

Thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện

Trong những năm gần đây, sự phát triển trong ngành công nghiệp cũng như điện lực cho phép ta thiết kế và xây dựng các hệ thống điện kinh tế và tin cậy nhằm đáp ứng một cách tốt nhất nhu cầu dùng điện ngày càng tăng của xã hội. Trong sự phát triển của các hệ thống điện lực, ngoài thiết bị đóng cắt ra thì các phần tử bảo vệ đóng một vai trò hết sức quan trọng, nó đảm bảo cho các thiết bị điện chủ yếu như máy phát điện, máy biến áp, đường dây trên không, cáp ngầm, thanh cái, động cơ... và toàn bộ hệ thống điện làm việc an toàn, phát triển liên tục và bền vững.
Các thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện và loại trừ càng nhanh càng tốt những phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện. Nhanh chóng phát hiện và cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện có thể ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả do sự cố gây ra, trong đó phần lớn là các dạng ngắn mạch. Dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử trên đường dây từ nguồn đến điểm ngắn mạch sẽ gây những tác động nhiệt và cơ nguy hiểm cho các phần tử mà nó chạy qua. Hồ quang tại chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết bị và gây hoả hoạn. Ngắn mạch làm cho điện áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lân cận bị giảm thấp ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của các hộ dùng điện. Tồi tệ hơn, ngắn mạch có thể dẫn đến mất ổn định và tan rã hệ thống.
Thiết bị bảo vệ đơn giản nhất và được sử dung sớm nhất trong hệ thống điện là cầu chì, tuy nhiên trong các lưới điện hiện đại đối với các phần tử quan trọng như máy phát điện, máy biến áp công suất lớn, các hệ thống thanh góp và đường dây tải điện thì không thể dùng cầu chì để bảo vệ được vì những nhược điểm rất cơ bản của nó:
- Dòng tác động (chảy) không chính xác, mà nó phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ chế tạo dây chảy.
- Khó phối hợp để tác động trong những hệ thống lưới điện phức tạp.
- Chỉ bảo vệ được một lần, thời gian thay dây chảy gây mất điện kéo dài cho các hộ tiêu thụ.
- Không thể thực hiện việc ghép nối và liên động với các thiết bị bảo vệ khác trong hệ thống.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ đã cho ra đời những thiết bị bảo vệ tin cậy, chúng có thể hỗ trợ lẫn nhau để phát hiện ra sự cố đang xảy ra thuộc phạm vi bảo vệ của phần tử nào. Điều này sẽ tránh được hiện tượng tác động nhầm trong hệ thống lưới điện phức tạp có nhiều nguồn cung cấp. Ngày nay, khái niệm rơ le thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị thực hiện một hay một nhóm chức năng bảo vệ trong hệ thống điện. Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng đã đề cập ở trên, các thiết bị bảo vệ phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:
- Tin cậy là tính năng đảm bảo cho thiết bảo vệ làm việc đúng, nói cách khác độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định, còn độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm của rơ le ở chế độ vận hành bình thường hoặc có sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được xác định.
- Chọn lọc là khả năng của bảo vệ có thể và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống. Cấu hình hệ thống điện càng phức tạp thì việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn. Theo nguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân ra bảo vệ có chọn lọc tuyệt đối và bảo vệ có chọn lọc tương đối. Bảo vệ có chọn lọc tuyệt đối là những bảo vệ chỉ làm việc khi sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ bảo vệ dự phòng cho các phần tử ở vùng lân cận. Bảo vệ có tính chọn tương đối, ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ nó còn có thể thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ ở vùng lân cận. Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối thì phải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện.
- Tác động nhanh: Hiển nhiên bảo vệ, phát hiện và cách ly những phần từ bị sự cố càng nhanh càng tốt. Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc mà để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh thì cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền. Ngày nay các rơ le kỹ thuật số hiện đại có thể làm được việc này khá dễ dàng. Ngoài thời gian tác động nhanh của rơ le bảo vệ, việc loại nhanh phần tử bị sự cố còn phụ thuộc vào tốc độ đóng cắt của máy cắt. Các máy cắt hiện đại ngày nay có thời gian thao tác đóng cắt từ 20 - 60ms (từ 1 đến 3 chu kỳ 50Hz).
- Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơ le hoặc hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy, tức là tỷ số giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó. Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le và ngưỡng khởi động của nó càng lớn thì rơ le càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố. Độ nhạy thực tế của rơ le phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất phải kể đến chế độ làm việc của hệ thống, cấu hình của lưới điện, dạng ngắn mạch và vị trí điểm ngắn mạch, đặc tính của quá trình quá độ trong hệ thống điện...
- Tính kinh tế: Các thiết bị bảo vệ được thiết kế và lắp đặt trong hệ thống điện khác với các máy móc và thiết bị khác, chúng không phải để thường xuyên làm việc trong chế độ vận hành bình thường. Nhiệm vụ chủ yếu của chúng là phải luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố xảy ra bất kỳ lúc nào để đưa ra những tác động chuẩn xác, chính vì những lý do kể trên nên giá thành của rơ le kỹ thuật số ngày nay cũng khá đắt tiền. Vì vậy để thoả mãn được yêu cầu về độ tin cậy hoặc những yêu cầu cao về kỹ thuật thì sẽ làm tăng chi phí cho thiết bị bảo vệ. Trong thực tế cần dung hoà ở mức tốt nhất các yêu cầu nêu trên trong quá trình lựa chọn các thiết bị riêng lẻ cũng như tổ hợp toàn bộ các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động trong hệ thống điện.
Xem tiếp: http://vnelectricinfo.net