Relay quá dòng là một thiết bị bảo vệ điện quan trọng, được thiết kế để ngăn chặn hư hại do dòng điện cao không mong muốn gây ra trong hệ thống điện. Chúng hoạt động bằng cách theo dõi liên tục dòng điện qua mạch và ngắt mạch khi phát hiện dòng điện vượt quá ngưỡng an toàn đã cài đặt.
Relay quá dòng có thể sử dụng các đặc tính thời gian phản ứng khác nhau như đặc tính nghịch đảo, đặc tính thời gian xác định, và đặc tính tức thời để phù hợp với các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng, từ bảo vệ máy biến áp đến đường dây.
Relay quá dòng tức thời (Instantaneous Overcurrent Relays)
Relay quá dòng tức thời (Instantaneous Overcurrent Relays) là một thiết bị bảo vệ điện rất quan trọng trong hệ thống phân phối điện. Chức năng chính của nó là phản ứng nhanh chóng và cắt nguồn điện khi dòng điện trong mạch vượt quá giá trị cài đặt trước mà không cần độ trễ thời gian.
Thông thường, thời gian phản ứng của Relay quá dòng tức thời được cài đặt dưới 3 chu kỳ (khoảng 0,06 giây). Tuy nhiên, đối với các bảo vệ chính được đảm bảo tin cậy cho hệ thống điện, việc áp dụng cắt dưới 3 chu kỳ chưa phù hợp, vì vậy có thể duy trì thời gian cao hơn. Theo Thông tư 39 của Bộ Công Thương, thời gian loại trừ sự cố cho bảo vệ chính là 500 mili giây với dòng ngắn mạch trung áp lớn nhất là 25kA.
Relay quá dòng tức thời thường được ghi nhận trong các tài liệu kỹ thuật với các mã số như 50 cho dòng quá dòng tức thời pha và 50N cho dòng quá dòng tức thời trung tính. Số 50 chỉ định loại relay phản ứng với điều kiện quá dòng trên một hoặc nhiều pha, trong khi 50N đặc biệt phản ứng với điều kiện quá dòng trên dây trung tính, thường liên quan đến các lỗi đất.
Relay quá dòng tức thời hoạt động dựa trên nguyên tắc đo dòng điện qua các cuộn dây của relay. Khi dòng điện vượt quá giá trị ngưỡng cài đặt, mạch điều khiển của relay được kích hoạt ngay lập tức để mở mạch, ngăn không cho dòng điện cao gây hại. Giá trị ngưỡng này được cài đặt dựa trên các tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống mà không gây ra các tác động không mong muốn như ngắt mạch không cần thiết.
Thông số cài đặt đặt trưng của một hãng relay
Tripping curve (Đặt tuyến kích hoạt): Đặt tuyến này quyết định khi nào relay sẽ kích hoạt dựa trên các điều kiện dòng điện.
- OFF: Relay được cài đặt để không kích hoạt.
- DT (Definite Time): Relay kích hoạt sau một khoảng thời gian xác định không đổi, không phụ thuộc vào mức độ dòng điện.
- INST (Instantaneous): Relay kích hoạt ngay lập tức khi dòng điện vượt qua một giá trị nhất định (điểm đặt
Set point (Điểm đặt): Áp dụng cho đường cong INST hoặc DT.
- Phạm vi giá trị từ 0.1 đến 20 In, trong đó In có thể là giá trị dòng điện định mức của hệ thống hoặc thiết bị được bảo vệ.
Time delay (Thời gian trễ): Áp dụng cho đặt tuyến DT.
- Khoảng thời gian từ 0.05 giây đến 300 giây, được chia thành các bước cụ thể:
- 0.01s, từ 0.05 đến 9.99 giây.
- 0.1s, từ 10.0 đến 99.9 giây.
- 1s, từ 100 đến 300 giây.
Relay quá dòng thời gian nghịch đảo (Inverse-Time Overcurrent Relay)
Relay quá dòng thời gian nghịch đảo (Inverse-Time Overcurrent Relay) chỉ danh 51 và 51N, đây là một loại relay bảo vệ được thiết kế để phản ứng với các tình huống quá dòng trong hệ thống điện bằng cách ngắt kết nối tải hoặc phần của mạng lưới điện ra khỏi nguồn điện khi dòng điện vượt quá mức an toàn. Đặc tính của loại relay này là thời gian kích hoạt giảm khi mức dòng điện tăng lên, tức là càng có dòng điện lớn, thời gian để relay phản ứng càng nhanh.
Nguyên tắc hoạt động của relay quá dòng thời gian nghịch đảo dựa trên mối quan hệ giữa dòng điện và thời gian kích hoạt. Khi dòng điện vượt quá giá trị dòng định mức, mạch điện trong relay sẽ phát hiện và bắt đầu tính toán thời gian đến khi cần ngắt mạch. Đường cong đặc tính của relay mô tả mối quan hệ này, và có thể được cài đặt phù hợp với các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
Công thức xác định thời gian kích hoạt
Tiêu chuẩn IEC và ANSI cung cấp các đặc tính khác nhau cho các loại relay này, điều chỉnh thời gian phản ứng của chúng dựa trên tình trạng dòng điện. Các công thức toán học phức tạp dưới dạng các tham số ( A ), ( B ), ( P ), và ( Tm ) giúp xác định thời gian hoạt động cụ thể cho từng loại sự cố, từ đó cải thiện khả năng phối hợp và hiệu quả của hệ thống bảo vệ.
Theo IEC
Công thức tính toán thời gian hoạt động của relay quá dòng theo tiêu chuẩn IEC. Các ký hiệu IEC-NI, IEC-VI, IEC-EI, và IEC-LTI tương ứng với các đặc tính của relay quá dòng: Nominal Inverse (NI), Very Inverse (VI), Extremely Inverse (EI), và Long-Time Inverse (LTI).
Công thức:
Trong đó:
- t_op là thời gian hoạt động của relay.
- K là hằng số phụ thuộc vào loại relay và được chọn để phù hợp với mỗi đặc tính nghịch đảo (inverse characteristic).
- I là dòng điện thực tế đi qua relay tại thời điểm xảy ra sự cố.
- Is là dòng điện cài đặt, nghĩa là giá trị dòng điện mà tại đó relay bắt đầu phản ứng.
- ɑ là hệ số mũ phụ thuộc vào loại đặc tính đảo của relay.
- Tm là Hệ số nhân thời gian, thường được sử dụng để điều chỉnh thời gian phản ứng của relay cho phù hợp với các yêu cầu cụ thể của hệ thống.
Thông số cụ thể cho từng loại đường cong:
Theo IEEE/ANSI
Công thức và thông số để tính thời gian hoạt động (t_op) của các loại relay quá dòng theo tiêu chuẩn ANSI. Các loại relay này bao gồm Moderately Inverse (MI), Very Inverse (VI), và Extremely Inverse (EI), mỗi loại có đặc tính đáp ứng khác nhau dựa vào mức độ tăng dòng điện.
Công thức chung:
Trong đó:
- t_op là thời gian hoạt động của relay.
- A , B , và P là các hệ số đặc trưng cho mỗi loại đường cong ANSI, xác định hình dạng của đường cong đáp ứng thời gian so với dòng điện.
- I là dòng điện thực tế đi qua relay.
- Is là giá trị cài đặt dòng điện mà relay bắt đầu phản ứng.
- Tm là hệ số nhân thời gian, cho phép điều chỉnh khoảng thời gian phản ứng của relay để phù hợp với các yêu cầu cụ thể của hệ thống.
Thông số cụ thể cho từng loại đường cong:
Chức năng của các đặc tính bảo vệ
Relay quá dòng thời gian định trước (Definite Time Overcurrent Relay)
Loại Relay quá dòng thời gian định trước (Definite Time Overcurrent Relay) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như đường dây phân phối. Đặc trưng nổi bật của loại Relay này là chúng hoạt động độc lập với biến thiên trở kháng nguồn và tính chọn lọc dựa trên thời gian định trước.
Trong trường hợp trở kháng nguồn dao động trong phạm vi lớn, việc sử dụng Relay quá dòng thời gian định trước giúp đảm bảo tính chọn lọc và tin cậy của hệ thống bảo vệ. Khi sự cố xảy ra, Relay sẽ kích hoạt sau một khoảng thời gian cố định đã được thiết lập trước, không phụ thuộc vào biến thiên trở kháng nguồn.
Relay quá dòng nghịch đảo vừa phải (Moderately Inverse Overcurrent Relay)
Relay quá dòng nghịch đảo vừa phải (Moderately Inverse Overcurrent Relay) được sử dụng rộng rãi trong bảo vệ đường dây phân phối. Loại Relay này đặc biệt phù hợp khi trở kháng nguồn có sự biến đổi vừa phải và trong bảo vệ song song các đường dây.
Đặc trưng độc đáo của Relay quá dòng nghịch đảo vừa phải là khả năng điều chỉnh thời gian hoạt động phù hợp với mức độ quá dòng. Khi dòng điện tăng cao, thời gian kích hoạt của Relay sẽ ngắn hơn, ngược lại, với dòng điện thấp hơn, thời gian kích hoạt sẽ dài hơn. Điều này giúp đảm bảo tính chọn lọc và phối hợp tối ưu giữa các Relay trong hệ thống.
Ngoài ra, loại Relay này cũng thích hợp để bảo vệ song song các đường dây do khả năng tự điều chỉnh thời gian hoạt động theo mức độ quá dòng. Điều này giúp tránh hiện tượng Relay cắt đường dây không đúng khi xảy ra sự cố trên đường song song.
Rơ-le quá dòng thời gian rất dốc (Very Inverse Time-Overcurrent Relays)
Rơ-le quá dòng thời gian rất dốc (Very Inverse Time-Overcurrent Relays) là loại được sử dụng phổ biến trong bảo vệ hệ thống điện nó là sự lựa chọn ưu tiên cho việc phối hợp với cầu chì và reclosers trên các đường dây phân phối.
Đặc tính của loại rơ-le này cho phép phản ứng nhanh với dòng lỗi lớn và chậm hơn đối với dòng lỗi nhỏ, cân bằng giữa bảo vệ nhanh để ngăn ngừa hư hại do ngắn mạch và duy trì ổn định hệ thống. Sự phối hợp này không chỉ bảo vệ các tải nhỏ hơn mà còn đảm bảo hoạt động liên tục của mạng lưới điện, giảm thiểu sự cắt gián đoạn không cần thiết.
Relay quá dòng nghịch đảo cực đại (Extremely Inverse Relays)
Relay quá dòng nghịch đảo cực đại (Extremely Inverse Relays) là lựa chọn tốt để cung cấp khả năng cắt nhanh với phân vùng thời gian phối hợp tối ưu giữa các Relay liền kề, đặc biệt khi có sự sụt giảm đáng kể dòng ngắn mạch từ vị trí Relay này đến vị trí Relay khác.
Loại Relay này hoạt động theo nguyên lý nghịch đảo cực đại, trong đó thời gian kích hoạt sẽ giảm nhanh hơn so với các loại nghịch đảo khác khi mức quá dòng tăng lên. Điều này giúp Relay phản ứng nhanh chóng với các sự cố nghiêm trọng có dòng ngắn mạch lớn.
Đồng thời, khi dòng ngắn mạch giảm đi đáng kể tại vị trí Relay tiếp theo, việc sử dụng đặc tính nghịch đảo cực đại sẽ tạo ra phân vùng thời gian phối hợp rõ ràng giữa các Relay. Điều này đảm bảo rằng Relay gần sự cố sẽ kích hoạt trước, sau đó là Relay kế tiếp với thời gian trễ phù hợp, tránh hiện tượng cắt quá mức không cần thiết