Trong môi trường công nghiệp ngày nay, việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống phân phối điện là vô cùng quan trọng. Để đạt được mục tiêu này, một hệ thống bảo vệ relay hiệu quả phải được thiết kế sao cho chỉ cô lập được chính xác phần bị lỗi mà không ảnh hưởng đến các phần khác của hệ thống.
Để tối ưu hóa hiệu quả của các relay này, việc phối hợp chính xác giữa các relay phía thượng nguồn và hạ nguồn là cần thiết, đảm bảo rằng rơle thượng nguồn sẽ chậm trễ hơn so với rơle hạ nguồn.
Điều này không chỉ giúp cô lập nhanh chóng và chính xác khu vực bị lỗi mà còn hạn chế tối đa thiệt hại cho thiết bị và nguy cơ cháy nổ. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá sâu hơn về các nguyên tắc và tiêu chí cho một hệ thống bảo vệ relay, cũng như các thách thức và giải pháp trong việc thiết kế hệ thống điện hiệu quả.
Tiêu chí đảm bảo tính chọn lọc
Khi thiết kế một hệ thống bảo vệ relay hiệu quả cho lưới điện phân phối, việc lựa chọn thời gian độ trễ phù hợp giữa hai relay là rất quan trọng. Thời gian độ trễ này, thường được gọi là khoảng thời gian phối hợp (△t), được điều chỉnh một cách chính xác để đảm bảo rằng trong trường hợp xảy ra sự cố, relay gần sự cố nhất sẽ hoạt động trước.
Phương thức này ngăn ngừa việc phải mất điện toàn bộ hệ thống một cách không cần thiết, từ đó nâng cao cả an toàn và hiệu quả. Ví dụ, nếu sự cố xảy ra gần phía tải của nhánh, relay tại nhánh đó phải gửi tín hiệu ngắt trước khi relay thượng nguồn cô lập sự cố một cách hiệu quả.
Thời gian độ trễ cho mỗi relay được thiết lập dựa trên đường đặc tính thời gian-dòng của relay. Đường đặc tính này quy định thời gian chờ trước khi ngắt sau khi phát hiện tình trạng quá dòng. Đường đặc tính này thường là nghịch đảo, nghĩa là thời gian ngắt giảm khi dòng điện tăng. Mối quan hệ này có thể được biểu diễn bằng các đặc tính của nó.
Các đặc tính relay bảo vệ quá dòng theo tiêu chuẩn IEC và IEEE được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu khác nhau của hệ thống điện, từ bảo vệ cơ bản đến phức tạp. Dưới đây là một số đặc tính rơ le phổ biến theo hai tiêu chuẩn này.
Đặc tính theo IEC:
Đặc tính Thời gian Độc lập (Definite Time – DT):
Đặc tính Nghịch đảo Chuẩn (Standard Inverse – SI):
Đặc tính Nghịch đảo Mạnh (Very Inverse – VI):
Đặc tính Nghịch đảo Cực mạnh (Extremely Inverse – EI):
Đặc tính Nghịch đảo xác định (Inverse Definite Minimum Time – IDMT):
Đặc tính theo IEEE:
Đặc tính Thời gian Độc lập (Definite Time – DT):
Đặc tính Nghịch đảo Mạnh (Very Inverse – VI):
Đặc tính Nghịch đảo Cực mạnh (Extremely Inverse – EI):
Tiêu chí tốc độ nhanh
Hư hại của sự cố đối với các thành phần hệ thống điện và sự ổn định giữa các máy phát đồng bộ và hệ thống liên kết liên quan đến tốc độ hoạt động của hệ thống bảo vệ relay Nếu tất cả các sự cố có thể được khắc phục ngay lập tức, thiệt hại thiết bị cũng như nguy cơ cháy nổ do hồ quang sẽ ở mức tối thiểu. Do đó, có một mối liên hệ trực tiếp giữa việc giới hạn nguy cơ cháy nổ hồ quang và thiệt hại thiết bị.
Hiệu quả của cách tiếp cận này được lượng hóa trong các nghiên cứu cho thấy sự giảm đáng kể về thiệt hại và rủi ro an toàn khi thời gian phản ứng của các hệ thống này được cải thiện. Ví dụ, việc chuyển thời gian phản ứng sự cố từ vài giây xuống vài mili giây có thể giảm thiệt hại do hồ quang điện gây ra lên đến 80%. Phản ứng nhanh này rất quan trọng vì thời gian tồn tại của hồ quang trực tiếp ảnh hưởng đến lượng năng lượng được giải phóng và do đó, mức độ thiệt hại tỉ lệ thuận với thời gian này.
Trong thức tế việc ứng dụng bảo vệ tức thì được sử dụng ở các Relay bảo vệ quá dòng có chức năng 50, hay còn gọi là “instantaneous overcurrent relay”, là một tính năng thiết yếu trong việc phát hiện và cô lập lỗi ngay lập tức trong hệ thống điện. Khi dòng điện vượt quá một ngưỡng nhất định, relay sẽ hoạt động tức thời mà không có độ trễ thời gian, cho phép ngắt mạch điện ngay tức khắc.
Việc này giúp hạn chế tối đa thiệt hại do lỗi điện gây ra và giảm nguy cơ xảy ra hỏa hoạn hoặc các mối nguy hiểm khác. Cô lập sự cố nhanh chóng không chỉ bảo vệ thiết bị điện mà còn đảm bảo an toàn cho người, là một phần không thể thiếu trong các biện pháp bảo vệ an toàn hệ thống điện hiện đại.
Tiêu chí về độ tinh cậy
Độ tin cậy trong hệ thống điện không chỉ liên quan đến khả năng phản ứng nhanh chóng và chính xác trước các sự cố mà còn phải đảm bảo không xảy ra những tác động sai lệch trong các điều kiện vận hành bình thường. Sự cân bằng giữa hai yếu tố này đòi hỏi một thiết kế kỹ lưỡng và chi tiết, nhằm mục tiêu vận hành hệ thống một cách an toàn và hiệu quả.
Độ phụ thuộc và độ an toàn là hai chỉ số quan trọng đánh giá độ tin cậy của bảo vệ hệ thống điện. Độ phụ thuộc đề cập đến khả năng của hệ thống bảo vệ relay phản ứng nhanh chóng và chính xác khi có sự cố xảy ra trong khu vực bảo vệ của nó. Ngược lại, độ an toàn lại nhấn mạnh đến khả năng của hệ thống không phản ứng “nhầm” trong những điều kiện không phải sự cố, chẳng hạn như khi có biến động lớn về dòng điện hoặc điện áp do thay đổi nhu cầu tải, dòng khởi động.
Khi các thiết bị như máy biến áp, động cơ và tụ điện khởi động, chúng tạm thời tạo ra một lượng lớn dòng điện. Dòng điện này có thể vượt xa dòng điện hoạt động bình thường, có khả năng gây hư hại hoặc kích hoạt các thiết bị bảo vệ nếu không được quản lý đúng cách.
Các tiêu chí khác cho bảo vệ relay
Ngoài các tiêu chí trên trong thiết kế hệ thống bảo vệ relay, việc đảm bảo các tiêu chí như đơn giản, kinh tế và khả năng bảo trì là vô cùng quan trọng để đạt được hiệu quả và độ tin cậy cao. Dưới đây là một số yếu tố cần xem xét khi thiết kế dựa trên các tiêu chí này:
Đơn giản (Simplicity): Hệ thống bảo vệ cần được thiết kế sao cho dễ hiểu và dễ vận hành. Một hệ thống đơn giản giúp giảm thiểu rủi ro sai sót trong quá trình lắp đặt và vận hành. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống khẩn cấp, nơi mà sự phức tạp có thể dẫn đến chậm trễ trong việc xử lý sự cố.
Kinh tế (Economics): Chi phí của hệ thống relay không chỉ bao gồm chi phí ban đầu mà còn bao gồm chi phí vận hành và bảo trì trong suốt vòng đời của nó. Thiết kế kinh tế nghĩa là tối ưu hóa hiệu quả chi phí bằng cách sử dụng các thành phần có giá cả phải chăng, đồng thời đảm bảo chất lượng và độ tin cậy không bị ảnh hưởng.
Khả năng bảo trì (Maintainability): Mặc dù yếu tố này đôi khi được xem nhẹ, nhưng một hệ thống dễ bảo trì có thể đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả lâu dài. Thiết kế phải đảm bảo rằng các thành phần có thể dễ dàng được truy cập và thay thế khi cần. Điều này giúp giảm thời gian ngừng hoạt động do bảo trì và sửa chữa, đồng thời kéo dài tuổi thọ của thiết bị.