Bảo vệ hệ thống điện đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động. Hệ thống này giúp phát hiện, cô lập sự cố, đồng thời bảo vệ thiết bị và con người khỏi các nguy cơ tiềm ẩn. Bài viết này sẽ giới thiệu các thành phần chính của hệ thống bảo vệ điện, giúp bạn hiểu rõ chức năng và vai trò của từng bộ phận, từ đó nắm vững cách thức hoạt động và tối ưu hóa hệ thống trong thực tế.
Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì xảy ra khi có sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện? Làm thế nào hệ thống có thể tự động ngắt mạch và bảo vệ các thiết bị khác? Câu trả lời nằm ở hệ thống bảo vệ phức tạp, bao gồm nhiều thành phần như: Rơ le (Relay), Máy biến dòng điện, Bộ chia điện dung…
Hiểu rõ cấu tạo và chức năng của từng thành phần sẽ giúp bạn khám phá thế giới thú vị của bảo vệ hệ thống điện. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về vai trò quan trọng của mỗi bộ phận trong việc duy trì an toàn và hiệu quả của hệ thống điện.
Có thể bạn quan tâm:
Tại Sao Relay Bảo Vệ Quá Dòng 50/51 thường làm bảo vệ chính cho lưới điện
Relay bảo vệ hệ thống điện
Trong hệ thống điện, relay đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị và đảm bảo an toàn cho hệ thống. Ban đầu, relay được sử dụng trong ngành điện báo, với một cuộn dây được kích hoạt bởi dòng điện yếu nhận được. Cuộn dây này sẽ thu hút một phần tử di động để đóng tiếp điểm trong mạch, tạo ra tín hiệu mạnh hơn. Ngày nay, relay đã phát triển với nhiều thiết kế đa dạng nhằm đạt được những kết quả cụ thể. Relay không chỉ hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, mà còn có thể là các thiết bị trạng thái rắn (solid state devices).
Relay trong bảo vệ hệ thống điện được chia thành hai nhóm chính. Nhóm đầu tiên là các relay thiết kế để phát hiện và đo lường các điều kiện bất thường. Khi phát hiện ra các điều kiện này, relay sẽ đóng các tiếp điểm trong mạch phụ để thực hiện một chức năng khác. Loại relay này thường được gọi là ‘comparator’ do chức năng so sánh các đại lượng điện. Ví dụ, trong trường hợp dòng điện vượt quá mức cho phép, relay so sánh sẽ kích hoạt để ngắt mạch và bảo vệ hệ thống khỏi quá tải.
Nhóm thứ hai là các relay phụ trợ, thiết kế để kết nối trong các mạch phụ do các tiếp điểm relay đo lường điều khiển. Những relay này có chức năng đóng (hoặc mở) các tiếp điểm khác, thường trong các mạch dòng điện mạnh hơn nhiều. Loại relay này cũng được gọi là ‘all or nothing’ relay.
Chúng không chỉ giúp tăng cường khả năng bảo vệ mà còn đảm bảo rằng các thiết bị khác trong hệ thống hoạt động một cách hiệu quả. Chẳng hạn, khi relay đo lường phát hiện ra một sự cố, relay phụ trợ sẽ đảm nhận việc ngắt mạch chính để bảo vệ toàn bộ hệ thống.
Máy biến dòng điện
Trong hệ thống điện, việc bảo vệ đòi hỏi phải phát hiện và đo lường chính xác dòng điện, đặc biệt là dòng điện sự cố Tuy nhiên, việc đo trực tiếp các dòng điện này không chỉ nguy hiểm mà còn tốn kém, vì chúng thường có cường độ rất lớn và ở điện áp cao Giải pháp hiệu quả cho vấn đề này là sử dụng máy biến dòng (CT)
Máy biến dòng là thiết bị biến đổi dòng điện lớn thành dòng điện nhỏ hơn, dễ quản lý Nó tạo ra một bản sao thu nhỏ của dòng điện trong hệ thống, cho phép đo lường an toàn trong cả điều kiện bình thường và sự cố
Cấu tạo của máy biến dòng:
Lõi từ: Làm bằng vật liệu có tính từ, được từ hóa bởi dòng điện sơ cấp
Cuộn sơ cấp: Mang dòng điện cần đo
Cuộn thứ cấp: Tạo ra dòng điện thu nhỏ từ lõi từ hóa
Lớp cách điện: Bảo vệ giữa các bộ phận, phù hợp với điện áp hệ thống
Đặc điểm của máy biến dòng bảo vệ:
Dòng điện thứ cấp chuẩn: 5A hoặc 1A
Khả năng tái tạo chính xác: Cả về biên độ và pha, ngay cả khi dòng điện sự cố cao hơn nhiều so với bình thường
Phạm vi hoạt động rộng: Khác với máy biến dòng đo lường, loại này phải hoạt động chính xác ở mức dòng điện cao hơn nhiều so với tải bình thường
Máy biến dòng giúp các thiết bị bảo vệ như rơle có thể phát hiện và phản ứng nhanh chóng với các sự cố, đảm bảo an toàn cho hệ thống và người vận hành Chúng cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng hệ thống, cho phép các biện pháp bảo vệ được kích hoạt kịp thời khi cần thiết
Hiểu rõ về máy biến dòng và vai trò của chúng sẽ giúp bạn nắm vững hơn về cách hệ thống bảo vệ điện hoạt động, từ đó có thể tối ưu hóa việc sử dụng và bảo trì chúng trong thực tế.
Máy biến điện áp
Trong hệ thống điện cao áp (từ 650 V trở lên), không thể kết nối trực tiếp các cuộn điện áp của thiết bị bảo vệ vào hệ thống do nguy cơ cao và khó quản lý. Do đó, cần phải biến đổi điện áp xuống mức an toàn hơn và cách ly các thiết bị bảo vệ khỏi hệ thống điện. Các thiết bị biến đổi điện áp (Voltage Transforming Devices) được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ này.
Chúng không khác nhiều so với các thiết bị thường dùng cho đo lường; thực tế, cùng một thiết bị thường phục vụ cả hai mục đích, nhưng thường cần thêm một cuộn thứ cấp để bảo vệ. Điện áp ở phía thứ cấp (cuộn relay) thường là 110 V giữa các pha và 63,5 V giữa pha và trung tính.
Bộ chia tụ điện
Trong hệ thống bảo vệ điện cao áp, các bộ chia tụ điện (Capacitor Dividers) đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và bảo vệ hệ thống. Một trong những vấn đề nghiêm trọng gặp phải trong ứng dụng bảo vệ khoảng cách tốc độ cao là hiệu suất thoáng qua của các thiết bị biến điện áp tụ điện (capacitor voltage transformers – CVTs) sau khi phát hiện sự cố có thể gây ra các lỗi nghiêm trọng trong quá trình biến đổi điện áp.
Nguyên nhân chính của những lỗi này là do CVT là một thiết bị được điều chỉnh tần số hệ thống; việc sử dụng một bộ chia tụ điện loại bỏ mạch điều chỉnh này và mang lại hiệu suất thoáng qua chính xác.
Bộ chia tụ điện hoạt động bằng cách chia nhỏ điện áp cao thành các phần nhỏ hơn và an toàn hơn. Điện áp đầu ra từ bộ chia tụ điện vẫn được lấy từ tụ điện thấp hơn nhưng được kết hợp với một bộ khuếch đại điện áp để cung cấp mức điện áp và công suất chính xác cho thiết bị relay.
Điều này thay thế cho cuộn cảm và biến áp kiểu cuộn dây của CVT thông thường. Ví dụ, khi sử dụng bộ chia tụ điện trong hệ thống bảo vệ, các thiết bị relay có thể nhận được tín hiệu điện áp chính xác và đáng tin cậy, giúp bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố có thể xảy ra một cách hiệu quả.
Một ưu điểm lớn của bộ chia tụ điện là khả năng loại bỏ mạch điều chỉnh tần số, từ đó giảm thiểu các lỗi thoáng qua trong quá trình đo lường điện áp. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống bảo vệ khoảng cách tốc độ cao, nơi yêu cầu sự chính xác và nhanh chóng trong việc phát hiện và phản ứng với các sự cố. Bộ chia tụ điện cung cấp một giải pháp hiệu quả và đáng tin cậy để duy trì độ chính xác của hệ thống bảo vệ ngay cả trong những tình huống biến động đột ngột.
Hơn nữa, việc sử dụng bộ chia tụ điện trong các hệ thống bảo vệ điện áp cao còn mang lại lợi ích về an toàn. Vì không cần sử dụng cuộn cảm và biến áp cuộn dây truyền thống, nguy cơ gặp phải các vấn đề liên quan đến dầu cách điện và cuộn dây cao áp được giảm thiểu. Điều này giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn và giảm thiểu rủi ro hỏng hóc hoặc tai nạn.
Line trap (Bẫy dòng)
Trong hệ thống điện, line traps đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và quản lý dòng điện tần số cao (high-frequency – h.f.) trên các đường dây cao áp (h.v.). Line traps được kết nối nối tiếp với đường dây cao áp nhằm dẫn hướng tín hiệu tần số cao dọc theo đường dây đến trạm xa và ngăn không cho tín hiệu này bị tiêu hao tại các thiết bị đầu cuối, bao gồm các đường dây lân cận ở mỗi đầu địa phương.
Để đạt được điều này, line trap được điều chỉnh bằng cách kết nối song song với một tụ điện để đạt tới tần số của dòng h.f. được cung cấp, tạo ra một trở kháng cao đối với dòng h.f. nhưng lại có trở kháng thấp đối với dòng điện ở tần số công suất.
Cấu trúc của line trap bao gồm một cuộn dây lõi không khí quấn bằng dây dẫn có tiết diện đủ lớn để chịu được tải dòng điện và các dòng ngắn mạch của đường dây. Thông thường, line trap được gắn cùng với tụ điện điều chỉnh tích hợp ở trên đỉnh của ngăn tụ điện cao áp của bộ ghép nối.
Tuy nhiên, ở mức điện áp 400 kV, kích thước và trọng lượng của line trap khiến việc lắp đặt riêng biệt trở nên cần thiết. Ví dụ, một line trap được thiết kế cho hệ thống điện 400 kV có thể nặng tới hàng trăm kilogram và đòi hỏi các biện pháp lắp đặt đặc biệt để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Một lợi ích chính của line trap là khả năng duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu tần số cao trong hệ thống bảo vệ và điều khiển từ xa. Khi tín hiệu tần số cao được cung cấp vào đường dây để truyền thông tin hoặc lệnh điều khiển, line trap đảm bảo rằng tín hiệu này không bị suy giảm hay nhiễu loạn bởi các thiết bị khác trong hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống bảo vệ khoảng cách tốc độ cao, nơi yêu cầu độ chính xác và nhanh chóng trong việc phát hiện và phản ứng với các sự cố.
Line traps cũng đóng vai trò trong việc giảm thiểu nhiễu loạn và bảo vệ hệ thống điện khỏi các tác động bên ngoài. Với khả năng cung cấp trở kháng cao đối với tín hiệu tần số cao và trở kháng thấp đối với dòng điện tần số công suất, line trap giúp duy trì sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điện. Chúng ngăn chặn sự xâm nhập của các tín hiệu không mong muốn và bảo vệ thiết bị khỏi các sự cố có thể gây hại.
Máy cắt
Circuit-breakers, hay còn gọi là máy cắt điện, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi các sự cố. Chúng có nhiệm vụ ngắt kết nối các phần bị lỗi ra khỏi hệ thống điện để ngăn chặn thiệt hại lan rộng. Mặc dù cấu trúc chi tiết của máy cắt điện vượt ra ngoài phạm vi của bài viết này, nhưng chúng có một số đặc điểm chung quan trọng đối với kỹ sư bảo vệ.
Cơ chế mở của máy cắt điện được thiết kế sao cho khi cần mở (cắt), một cuộn cắt sẽ được kích hoạt, giải phóng năng lượng dự trữ trong cơ chế này, làm cho các tiếp điểm chính tách ra. Cuộn cắt thường được kích hoạt từ một pin bằng cách đóng các tiếp điểm relay bảo vệ, trực tiếp hoặc thông qua một relay phụ.
Đối với các máy cắt điện nhỏ hơn, nơi dòng hoạt động của cuộn cắt không lớn hơn mức định mức của các tiếp điểm relay bảo vệ, relay bảo vệ sẽ được sử dụng để kích hoạt cuộn cắt trực tiếp. Khi cần cắt nhiều hơn một máy cắt, hoặc khi dòng cuộn cắt vượt quá mức định mức của tiếp điểm relay, một relay trung gian (relay phụ trợ) có định mức tiếp điểm cần thiết phải được sử dụng.
Cuộn cắt có thể được vận hành bằng dòng điện một chiều (d.c.) hoặc xoay chiều (a.c.), tuy nhiên, d.c. thường được sử dụng phổ biến hơn, đặc biệt là trong các hệ thống phân phối ít quan trọng. Ở Vương quốc Anh, điện áp cắt danh định thường là 110 V hoặc đôi khi 240 V d.c. cho các trạm truyền tải và phát điện lớn, và 30 V cho các trạm phân phối nhỏ hơn.
Cuộn cắt có tính cảm cao nhưng khi được kích hoạt không gây nhiệm vụ nặng nề cho các tiếp điểm relay. Tuy nhiên, nếu các tiếp điểm này được sắp xếp để ngắt dòng cuộn cắt, thiệt hại đáng kể có thể xảy ra.
Do đó, một công tắc phụ trợ, được vận hành bởi cơ chế liên kết cơ học của máy cắt điện, được kết nối nối tiếp với cuộn cắt và các tiếp điểm relay. Công tắc phụ trợ này mở ra khi máy cắt điện mở, trước khi các tiếp điểm relay mở, và đóng lại khi máy cắt điện đóng. Công tắc phụ trợ cũng có thể được sử dụng trong các mạch bảo vệ, và trong các mạch báo động và chỉ báo.
Điều quan trọng là phải đảm bảo rằng thứ tự đóng hoặc ngắt của các công tắc phụ trợ, liên quan đến máy cắt điện và các tiếp điểm relay, là chính xác cho nhiệm vụ yêu cầu.
Một vấn đề khác cần được xem xét là thời gian mở của máy cắt điện, tức là khoảng thời gian giữa khi cuộn cắt được kích hoạt và khi hồ quang được dập tắt. Thời gian này thường từ 0,05 đến 0,25 giây, tùy thuộc vào thiết kế của máy cắt, và phải được tính đến trong việc tính toán thời gian loại trừ sự cố cuối cùng.
Tripping và Các Nguồn Phụ.
Trong hệ thống bảo vệ điện, việc tripping (kích hoạt ngắt mạch) và các nguồn phụ trợ khác đóng vai trò thiết yếu để đảm bảo hệ thống luôn sẵn sàng loại bỏ các phần tử lỗi khỏi hệ thống điện. Độ tin cậy của các thiết bị bảo vệ không thể được nhấn mạnh đủ, và điều này sẽ không đạt được nếu không có một nguồn cung cấp tuyệt đối đáng tin cậy để kích hoạt các cuộn ngắt của máy cắt và các relay phụ trợ liên quan.
Tại các trạm phát điện và các trạm biến áp lớn, nguồn cung cấp cho tripping thường là một pin chì-axit có điện áp danh định 110 V và dung lượng ampere-giờ (Ah) phù hợp. Pin này được kết nối song song với một bộ sạc. Trước đây, bộ sạc này bao gồm hai phần: phần đầu tiên đủ cho tải đứng (như đèn chỉ thị) và các tổn thất bình thường của pin, trong khi phần thứ hai được chuyển đổi riêng và sử dụng khi sạc tăng cường. Loại bộ sạc này đã được thay thế bằng bộ sạc điện áp không đổi, tự động đáp ứng nhu cầu thoát khẩn cấp lớn trên pin.
Pin có thể được sử dụng cho cả việc tripping và đóng mạch, và trong các trường hợp này, yêu cầu đóng mạch thường quyết định dung lượng ampere-giờ của pin cần thiết. Ví dụ, một trạm biến áp với các máy cắt điện khối dầu 132 kV được vận hành bằng solenoid có dung lượng điển hình là 250 Ah. Nếu chỉ sử dụng cho tripping, dung lượng có thể là 150 Ah.
Ở các trạm biến áp nhỏ hơn, nguồn cung cấp tripping thường được lấy từ pin chì-axit hoặc pin niken-sắt 30 V. Loại pin niken-sắt được ưa chuộng hơn do nhu cầu bảo trì thấp hơn. Những pin này có thể hoặc không được cung cấp với các phương tiện sạc liên tục.
Toàn bộ nguồn cung cấp tripping, bao gồm pin và các phương tiện sạc, thường được sắp xếp để hoạt động mà không có kết nối trực tiếp với đất. Lợi ích của việc nối đất cực dương của nguồn d.c. là giảm nguy cơ hỏng hóc của các cuộn dây relay mảnh do tác động điện phân. Mặt khác, hoạt động không nối đất giảm nguy cơ mất nguồn cung cấp tripping do các lỗi trên các mạch tripping.
Nguyên tắc của phân cực âm sẽ rõ ràng. Với phân cực âm trên pin 110 V, điện áp cực dương của pin sẽ khoảng -30 V đối với đất và cực âm sẽ khoảng -140 V đối với đất. Hệ thống phân cực âm cũng cung cấp giám sát lỗi nối đất cho dây d.c.
Trong các trường hợp có ít máy cắt điện cần tripping, việc tripping có thể được thực hiện bằng cách lấy nguồn từ một tụ điện điện phân thường được giữ ở trạng thái nạp từ nguồn a.c. địa phương qua một bộ chỉnh lưu. Độ tin cậy của nguồn cung cấp tripping là rất quan trọng, vì vậy các biện pháp giám sát thường được thực hiện để nhận cảnh báo sớm về sự cố.
Fuses, Small Wiring, Terminals và Test Links.
Trong hệ thống bảo vệ điện, các thành phần như fuses (cầu chì), small wiring (dây dẫn nhỏ), terminals (đầu nối) và test links (liên kết kiểm tra) đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo độ tin cậy và an toàn của hệ thống. Mặc dù có vẻ đơn giản, nhưng nếu không được chọn lựa, lắp đặt và bảo dưỡng cẩn thận, chúng có thể trở thành điểm yếu gây ra sự cố trong hệ thống.
Fuses (Cầu Chì): Cầu chì có hai nhiệm vụ chính trong bảo vệ hệ thống điện. Thứ nhất, chúng được sử dụng để bảo vệ nguồn cung cấp điện áp a.c. từ các mạch 400 V. hoặc từ các biến áp điện áp cho các relay yêu cầu điện áp này, chẳng hạn như relay định hướng và relay khoảng cách. Chức năng chính của cầu chì là bảo vệ nguồn cung cấp và dây dẫn khỏi các lỗi, và thứ hai, là phương tiện tiện lợi để cô lập các mạch phụ khi kiểm tra hoặc thực hiện công việc khác trên bảng relay.
Các cầu chì phải được thiết kế an toàn và được phê duyệt cho mục đích này. Thứ hai, cầu chì được sử dụng trong dây dẫn cung cấp tripping, và chức năng của chúng tương tự như đối với các mạch a.c. Độ tin cậy là yêu cầu quan trọng nhất. Cầu chì kiểu rewiring đã được sử dụng trong nhiều năm vì chúng đáng tin cậy hơn loại cầu chì HRC cartridge sớm. Tuy nhiên, loại cầu chì HRC cartridge hiện đại đã thay thế cầu chì rewiring trong các hệ thống hiện đại.
Small Wiring (Dây Dẫn Nhỏ): “Dây dẫn nhỏ” bao gồm số lượng lớn các kết nối cần thiết giữa relay, biến dòng và biến áp điện áp, cuộn cắt và các mạch phụ trợ. Dây dẫn trong bảng phải có chất lượng cao và được lắp đặt sao không có nguy cơ bị hư hại. Đặc biệt cần chú ý đến các điểm nơi dây dẫn đi qua bản lề của bảng điều khiển.
Ngày nay, các công ty truyền tải và phân phối điện đã chứng minh độ tin cậy qua thời gian dài, là sử dụng dây dẫn bện 32/0-20 mm hoặc 7/0.67 mm tùy thuộc vào yêu cầu định mức. Trong các lắp đặt lớn, dây dẫn nhỏ liên quan đến thiết bị bảo vệ rất rộng rãi, và việc nhận dạng bằng cách sử dụng màu sắc, hoặc vòng số, hoặc cả hai là cần thiết để kiểm tra từng dây ban đầu, trong việc dò lỗi dây dẫn có thể xảy ra sau này, và cho bất kỳ thử nghiệm hoặc sửa đổi nào.
Terminals (Đầu Nối): Số lượng đầu nối rất lớn, và mỗi cái cần được đánh số để nhận dạng, tránh việc nối đất hoặc cấp nguồn không đúng có thể gây hậu quả nghiêm trọng. Các đầu nối phải đủ mạnh về mặt cơ học để không bị đứt hoặc hư hại khi siết chặt các đai ốc giữ đầu nối. Các relay thường được gắn trên bảng và kết nối phía sau thường có nhiều đầu nối.
Hiện nay là cung cấp đầu nối tại các điểm nơi dây dẫn vào và ra khỏi bảng relay, tại các đầu của cáp đa lõi, và tại các điểm trên thiết bị chuyển mạch nơi các kết nối thứ cấp vào và ra, hoặc kết nối với các đầu nối của biến dòng và biến áp điện áp. Các đầu nối thường được nhóm trên các bảng đầu nối tiêu chuẩn hóa bằng nhựa đúc, với các rào chắn giữa các đầu nối để giảm nguy cơ tiếp xúc vô tình khi làm việc với cờ lê.
Test Links (Liên Kết Kiểm Tra): Liên kết kiểm tra là một tính năng quý giá cần thiết cho việc kiểm tra thiết bị bảo vệ một cách nhanh chóng và không gặp rắc rối. Liên kết kiểm tra được thiết kế để cho phép chèn các bộ nguồn kiểm tra (nguồn dòng kiểm tra có thể điều chỉnh di động) vào các mạch dòng mà không có nguy cơ mở mạch các biến dòng. Điều này không chỉ nguy hiểm do điện áp cao mà mở mạch có thể gây ra, mà còn có nguy cơ làm hỏng các biến dòng và gây kích hoạt không mong muốn các relay dòng không.
Các bảng liên kết kiểm tra thường có nắp bảo vệ để chống can thiệp trái phép và được dán nhãn rõ ràng để chỉ ra mạch mà chúng được kết nối. Một phương pháp khác sử dụng các khối kiểm tra có chức năng tương tự nhưng cũng bao gồm các biện pháp bảo vệ tích hợp chống sử dụng sai.