TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng Matlab Simulink và ứng dụng mô
phỏng vào mạng lưới Micro Grid
BÙI HUY ANH

Ngành Kỹ thuật điện

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Nguyễn Đức Huy

Bộ môn:

Hệ thống điện

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 6/2020

Chữ ký của GVHD


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Huy Anh
Đề tài luận văn: Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng Matlab Simulink
và ứng dụng mô phỏng vào mạng lưới Micro Grid
Chuyên ngành: Hệ thống điện
Mã số SV: CB180113
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 3/7/2020 với các nội dung sau:
- Sửa lỗi chính tả trong luận văn.
- Bổ sung chú thích trong luận văn.
- Bổ sung phần trích dẫn theo tài liệu tham khảo.

Giáo viên hướng dẫn

Ngày tháng năm
Tác giả luận văn

PGS. TS. Nguyễn Đức Huy

Bùi Huy Anh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS. Lã Văn Út
Mẫu 1c


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn thạc sĩ, em đã
nhận được sự khuyến khích, động viên và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của

các thầy cơ giáo, bạn bè đồng nghiệp và gia đình.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô tại Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là thầy PGS.TS. Nguyễn Đức
Huy - người đã trực tiếp hướng dẫn và đóng góp ý kiến cho em trong suốt q
trình học tập và hồn thành luận văn thạc sĩ.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình vì đã ln hỗ trợ, động
viên em trong suốt những năm tháng học tập, nghiên cứu để đạt được kết quả
này.
Trong q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn thạc sĩ khoa học chuyên
ngành Hệ thống điện khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được các ý kiến đóng góp xây dựng từ các thầy cơ giáo để luận văn được hồn
thiện hơn nữa và có ý nghĩa thiết thực áp dụng trong thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2020
Tác giả

Bùi Huy Anh


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
1. Vấn đề cần thực hiện
Nôi dung của luận văn tập trung nghiên cứu sự phối hợp làm việc các bảo vệ
quá dòng, bảo vệ so lệch dọc cũng như độ chính xác và tin cậy của các rơle
bảo vệ với sự cố từ trên đường dây, nhà máy năng lượng tái tạo điện gió
Micro Grid.
Mô phỏng lại đường dây và sự cố trên đường dây truyền tải bằng phần mềm
Matlab Simulink.
2. Phương pháp nghiên cứu, công cụ nghiên cứu
Việc nghiên cứu dựa trên các tài liệu lí thuyết trong nước và ngồi nước, tiêu
biểu như sách “Design, modeling and evaluation of protective relays for power
systems” của nhóm tác giả M Kezunovic…

Sử dụng phần mềm mơ phỏng Matlab Simulink để xây dựng mơ hình thuật
tốn của các rơle bảo vệ. Từ đó thiết lập mơ phỏng lại đường dây, hệ thống
Micro Grid và sự cố ngắn mạch trên hệ thống. So sánh đối chiếu các kết quả
và đưa ra nhận xét.
3. Kết quả của luận văn
Luận văn đã đưa ra được một số kết quả kết quả cơ bản đánh giá được tính
chọn lọc và thời gian tác động của Rơle bảo vệ quá dòng và Rơle bảo vệ so
lệch dọc ứng dụng trên mạng lưới Micro Grid.
Tuy nhiên, kết quả mơ phỏng cịn một số thiếu sót nhất định như chưa thể lập
trình mơ phỏng hoàn chỉnh đối với một lưới điện Micro Grid với đầy đủ các
chức năng bảo vệ đã đề ra. Đây cũng là yếu tố cần tìm hiểu và nghiên cứu
thêm.
4. Định hướng phát triển
Phát triển mô phỏng các chức năng bảo vệ khác để ứng dụng trên mạng lưới
Micro Grid.
So sánh đặc tính làm việc, độ tin cậy, độ nhạy, tính chọn lọc giữa các bảo vệ.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................ 1
CHƯƠNG 2: BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN ................................................... 3
2.1 Nguyên tắc tác động.................................................................................. 3
2.2 Bảo vệ dịng điện cực đại .......................................................................... 3
2.2.1 Tính tốn dịng khởi động ................................................................... 3
2.2.2 Độ nhạy của bảo vệ ............................................................................. 5
2.2.3 Thời gian tác động của bảo vệ ............................................................ 5
2.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh ...................................................................... 9
2.3.1 Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có một nguồn cung cấp ............... 10
2.3.2 Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có hai nguồn cung cấp ................. 12
2.4 Bảo vệ dòng điện cực đại có kiểm tra áp ................................................ 13

2.5 Bảo vệ dòng điện ba cấp ......................................................................... 15
2.6 Đánh giá bảo vệ quá dòng điện ............................................................... 17
CHƯƠNG 3: BẢO VỆ SO LỆCH ................................................................ 18
3.1 Nguyên tắc tác động................................................................................ 18
3.1.1 Sơ đồ vòng tuần hoàn ....................................................................... 19
3.1.2 Sơ đồ loại cân bằng áp ...................................................................... 20
3.2 Dịng khơng cân bằng trong bảo vệ so lệch ............................................ 21
3.3 Dòng điện khởi động của bảo vệ so lệch dòng điện ............................... 22
3.4 Những biện pháp thường dùng để nâng cao độ nhạy và tính đảm bảo của
bảo vệ ............................................................................................................ 23
3.4.1 Nối các rơle qua máy biến dòng trung gian bão hòa ........................ 24
3.4.2 Rơle so lệch có hãm .......................................................................... 24
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG RƠLE BẢO VỆ TRÊN MATLAB
SIMULINK ..................................................................................................... 33
4.1 Mơ phỏng tính tốn bảo vệ q dịng trên Matlab Simulink .................. 33
4.1.2 Thiết lập thơng số đầu vào và xây dựng sơ đồ mô phỏng ................ 34
4.1.3 Lưu đồ giải thuật bảo vệ quá dòng ................................................... 36


4.1.4 Kết quả mô phỏng ............................................................................. 37
4.2 Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch dọc áp dụng trên mạng lưới Micro Grid 49
4.2.1 Mơ hình mơ phỏng hệ thống Micro Grid ......................................... 49
4.2.3 Lưu đồ giải thuật bảo vệ so lệch ....................................................... 56
4.2.4 Kết quả mô phỏng ............................................................................. 57
4.3 Đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi của tần số lên bảo vệ so lệch .............. 64
4.3.1 Thiết lập thông số đầu vào cho nguồn 220kV .................................. 64
4.3.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................. 65
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ............................................................................. 69
5.1 Các kết luận chính ................................................................................... 69
5.2 Hướng phát triển của luận văn ................................................................ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 71
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 72


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố ................................ 4
Hình 2.2 BVDĐCĐ cho đường dây hình tia một nguồn cung cấp .................... 5
Hình 2.3 Đặc tuyến làm việc dịng điện thời gian của rơle dịng điện .............. 7
Hình 2.4 Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc ................................................ 8
Hình 2.5 Sơ đồ minh họa BVCN của đường dây có một nguồn cung cấp ...... 10
Hình 2.6 Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh ................................................ 11
Hình 2.7 Trường hợp đường dây thành khối với máy biến áp ........................ 12
Hình 2.8 Sơ đồ minh họa BVCN của đường dây có hai một nguồn cung cấp 12
Hình 2.9 Bảo vệ dịng điện cực đại có kiểm tra áp .......................................... 14
Hình 2.10 Mạng hình tia 1 nguồn cung cấp sử dụng bảo vệ dòng điện 3 cấp..26
Hình 2.11 Đặc tính thời gian chọn lọc vủa bảo vệ dịng điện ba cấp .............. 16
Hình 3.1 Nguyên tắc cơ bản của bảo vệ so lệch .............................................. 18
Hình 3.2 Sơ đồ minh họa so lệch dịng tuần hồn ........................................... 19
Hình 3.3 Đồ thị vectơ của dịng điện trong mạch BVSL ................................. 20
Hình 3.4 Sơ đồ do lệch loại cân bằng áp.......................................................... 20
Hình 3.5 Sơ đồ nối rơ le qua MBI bão hòa trung gian (a), MBI bão hòa loại
thường (b) và MBI loại tác động mạnh (c) ...................................................... 24
Hình 3.6 Sơ đồ ngun lí của bảo vệ so lệch dùng rơle có tác động hãm
……...............................................................................................................25
Hình 3.7 Đồ thị véc tơ của dòng điện trong mạch rơle .................................... 26
Hình 3.8 Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch ................................................ 27
Hình 3.9 a) Đặc tính khởi động của rơ le so lệch có hãm đặc tuyến 1 và khơng
hãm đặc tuyến 2................................................................................................ 29
Hình 3.9 b) Đặc tính khởi động của rơ le so lệch có tác động hãm ................. 29
Hình 3.10 Đồ thị xác định độ nhạy của bảo vệ so lệch có tác dụng hãm ....... 30

Hình 3.11 Ngun lí BVSL thứ tự khơng ........................................................ 30
Hình 3.12 Đặc tuyến làm việc của BVSL thứ tự khơng có hãm trong trường
hợp chạm đất bên ngồi ................................................................................... 32
Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng bảo vệ q dịng trong hệ thống điện .................... 33
Hình 4.2 Thơng số Block nguồn 3 pha ............................................................ 34
Hình 4.3 Thơng số đường dây tính trên 100 km .............................................. 34
Hình 4.4 Thơng số Block phụ tải 1 .................................................................. 35
Hình 4.5 Thơng số Block phụ tải 2 .................................................................. 35
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật rơle q dịng xét trên 1 pha ................................. 36
Hình 4.7 Dịng 3 pha qua BV1 khi hệ thống làm việc bình thường ................ 38
Hình 4.8 Dịng 3 pha qua BV2 khi hệ thống làm việc bình thường ................ 38
Hình 4.9 Tín hiệu Trip bảo vệ 1 ....................................................................... 39


Hình 4.10 Tín hiệu Trip bảo vệ 2 ..................................................................... 39
Hình 4.11 Dòng 3 pha qua BV1 khi sự cố ngắn mạch pha A chạm đất trên
đường dây AB .................................................................................................. 40
Hình 4.12 Dòng 3 pha qua BV2 khi sự cố ngắn mạch pha A chạm đất trên
đường dây AB .................................................................................................. 40
Hình 4.13 Tín hiệu Trip BV1 khi xảy ra NM pha A chạm đất trên đường dây
AB .................................................................................................................... 41
Hình 4.14 Tín hiệu Trip BV2 khi xảy ra NM pha A chạm đất trên đường dây
AB .................................................................................................................... 41
Hình 4.15 Tín hiệu khởi động BV1 khi xảy ra NM pha A chạm đất trên đường
dây AB.............................................................................................................. 42
Hình 4.16 Dịng 3 pha qua BV1 khi sự cố ngắn mạch hai pha A và B chạm đất
trên đường dây BC ........................................................................................... 43
Hình 4.17 Dịng 3 pha qua BV2 khi sự cố ngắn mạch hai pha A và B chạm đất
trên đường dây BC ........................................................................................... 43
Hình 4.18 Tín hiệu Trip BV1 khi sự cố NM hai pha A và B chạm đất trên

đường dây BC .................................................................................................. 44
Hình 4.19 Tín hiệu Trip BV2 khi sự cố NM hai pha A và B chạm đất trên
đường dây BC .................................................................................................. 44
Hình 4.20 Dịng 3 pha qua BV1 khi sự cố NM ba pha trên đường dây AB .... 45
Hình 4.21 Dòng 3 pha qua BV2 khi sự cố NM ba pha trên đường dây AB .... 45
Hình 4.22 Tín hiệu Trip BV1 khi sự cố NM ba pha trên đường dây AB ........ 46
Hình 4.23 Tín hiệu Trip BV2 khi sự cố NM ba pha trên đường dây AB ........ 46
Hình 4.24 Dịng 3 pha qua BV1 khi sự cố NM hai pha A và B trên đường dây
BC ..................................................................................................................... 47
Hình 4.25 Dịng 3 pha qua BV2 khi sự cố NM hai pha A và B trên đường dây
BC ..................................................................................................................... 47
Hình 4.26 Tín hiệu Trip BV1 khi sự cố NM hai pha A và B trên đường dây
AB ................................................................................................................... 48
Hình 4.27 Tín hiệu Trip BV2 khi sự cố NM hai pha A và B trên đường dây
AB ................................................................................................................... 48
Hình 4.28 Mơ hình mơ phỏng ứng dụng BVSL dọc trên hệ thống Micro Grid
.......................................................................................................................... 49
Hình 4.29 Thơng số cho khối máy phát khơng đồng bộ .................................. 49
Hình 4.30 Mơ hình mơ phỏng chi tiết máy phát điện gió ................................ 50
Hình 4.31 Mơ hình bộ điều khiển cơng suất và tốc độ tua-bin. ....................... 52
Hình 4.32 Mơ hình bộ điều khiển bộ biến đổi phía rotor ................................ 53
Hình 4.33 Mơ hình bộ điều khiển bộ biến đổi phía lưới. ................................. 54
Hình 4.34 Lưu đồ giải thuật rơle bảo vệ so lệch trên 1 pha ............................. 56


Hình 4.35 Dịng điện qua các bảo vệ. .............................................................. 57
Hình 4.36 Tín hiệu trip của các bảo vệ. ........................................................... 57
Hình 4.37 Dòng điện qua các bảo vệ, sự cố A-g. ............................................ 58
Hình 4.38 Tín hiệu logic cắt của các bảo vệ, sự cố A-g. ................................. 58
Hình 4.39 Dịng điện qua các bảo vệ, sự cố A-B-g. ........................................ 59

Hình 4.40 Tín hiệu logic cắt của các bảo vệ, sự cố A-B-g. ............................. 60
Hình 4.41 Dịng điện qua các bảo vệ, sự cố ba pha. ........................................ 60
Hình 4.42 Tín hiệu logic cắt các bảo vệ, sự cố ba pha. ................................... 61
Hình 4.43 Dòng điện qua các bảo vệ, sự cố B-C. ............................................ 61
Hình 4.44 Tín hiệu logic cắt của bảo vệ so lệch. ............................................. 62
Hình 4.45 Dịng điện qua các bảo vệ, sự cố A-g ngồi vùng. ......................... 62
Hình 4.46 Tín hiệu logic cắt của các bảo vệ. ................................................... 63
Hình 4.47 Thiết lập nguồn điện với tần số thay đổi......................................... 64
Hình 4.48 Dịng điện qua các bảo vệ. .............................................................. 65
Hình 4.49 Tín hiệu logic các bảo vệ, sự cố ngoài vùng. .................................. 65
Hình 4.50 Dịng điện so lệch và dịng điện hãm, sự cố ngồi. ........................ 66
Hình 4.51 Dịng điện qua các bảo vệ, sự cố A-g trong vùng. .......................... 66
Hình 4.52 Tín hiệu logic các bảo vệ, sự cố A-g trong vùng. ........................... 67
Hình 4.53 Dịng điện so lệch và dịng điện hãm trên pha A, sự cố A-g trong
vùng ................................................................................................................. 67


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Quan hệ giữa góc đặt giới hạn φlimit và hệ số hãm k ....................... 32
Bảng 4.1 Tín hiệu Trip logic trên từng pha và Trip tổng. ................................ 37
Bảng 4.2 Thông số bộ điều khiển công suất và tốc độ tua-bin ........................ 53
Bảng 4.3 Thông số bộ điều khiển bộ biến đổi RSC ......................................... 54
Bảng 4.4 Thông số bộ điều khiển bộ biến đổi GSC......................................... 55


CÁC TỪ VIẾT TẮT
BVQDĐ

Bảo vệ quá dòng điện


BVDĐCĐ

Bảo vệ dòng điện cực đại

BVCN

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh

BV

Bảo vệ

BVSL

Bảo vệ so lệch

BI

Máy biến dòng điện

CB

Circuit Breaker

MF

Máy phát

NM


Ngắn mạch

AC

Alternating Current

DC

Direct Current

MBI

Máy biến dòng bão hòa


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Lí do chọn đề tài
Q trình vận hành hệ thống điện xuất hiện những sự cố ngắn mạch, q
tải, sự làm việc khơng bình thường của các phần tử. Khi xảy ra sự cố thường
kèm theo sự tăng đột ngột của dòng điện và sự giảm điện áp trên các pha. Khi
dòng điện tăng, các phần tử có dịng chạy q có thể bị đốt nóng quá mức cho
phép hay bị biến dạng bởi lực từ gây hư hỏng. Khi điện áp giảm các phụ tải
không thể hoạt động bình thường, các máy phát điện làm việc khơng ổn định.
Vì vậy các sự cố cần được phát hiện sớm và chính xác để nhanh chóng cắt bỏ
đoạn hư hỏng ra khỏi hệ thống, đảm bảo sự làm việc ổn định, bình thường.
Thiết bị có tác dụng theo dõi hệ thống điện, phát hiện sự cố, lưu thơng tin sự
cố, xuất cảnh báo và tín hiệu cắt khi hệ thống điện gặp sự cố là các bảo vệ
rơle.
Việc nghiên cứu giải thuật nguyên lý hoạt động của bảo vệ quá dòng và
bảo vệ so lệch dọc bằng cách sử dụng mơ phỏng bằng Matlab/Simulink, người

nghiên cứu có thể xây dựng được mơ hình rơle bảo vệ dựa trên các giải thuật
khác nhau, kết hợp với các khối thiết bị có sẵn trong thư viện mơ phỏng để
tiến hành mơ phỏng các dạng sự cố và phân tích sự làm việc của rơle. Mặt
khác, công cụ mô phỏng giải thuật làm việc của rơle quá dòng và role so lệch
cịn có thể được sử dụng để phân tích các bản ghi sự cố và đối chứng với sự
làm việc của các rơ le so lệch trên thực tế. Từ các kết quả mơ phỏng, người sử
dụng có thể đánh giá lượng hóa được ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến
sự làm việc của rơle bảo vệ, từ đó đưa ra các điều chỉnh phù hợp về mặt chỉnh
định các thông số cài đặt, cũng như lựa chọn hợp lý các thiết bị đo lường và
mạch nhị thứ.
Bên cạnh đó, một vấn đề khác trong lĩnh vực bảo vệ hệ thống điện hiện
nay liên quan đến sự xuất hiện ngày càng nhiều các nhà máy năng lượng tái
tạo như điện gió, điện mặt trời. Vì vậy, cần có các nghiên cứu phân tích đánh
1


giá ảnh hưởng của các nhà máy điện năng lượng mới nói chung, cũng như nhà
máy điện gió nói riêng đến mức độ ổn định tin cậy và các khía cạnh vận hành
khác của hệ thống. Một trong những vấn đề cần quan tâm khi kết nối nhà máy
điện gió là sự phối hợp làm việc các bảo vệ cũng như độ chính xác và tin cậy
của các rơle bảo vệ với sự cố từ nhà máy điện gió. Điểm mới của luận văn tập
trung phân tích đánh giá sự làm việc của rơle bảo vệ so lệch dọc khi có sự cố
trong hệ thống điện có nhà máy điện gió. Phương pháp nghiên cứu dựa trên
mơ phỏng q trình quá độ sự cố trong hệ thống điện có nhà máy điện gió.
Trên cơ sở dạng sóng dịng điện và tín hiệu trip logic thu được từ các mơ
phỏng, tác giả có thể đánh giá và đưa ra các kết luận về sự phối hợp hoạt động
của bảo vệ so lệch dọc khi nối lưới MicroGrid.
1.2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn
Đề tài “Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng Matlab Simulink và ứng
dụng mô phỏng vào mạng lưới Micro Grid” được thực hiện nhằm tìm hiểu

giải thuật số, sơ đồ logic của rơle bảo vệ quá dòng, rơle bảo vệ so lệch dọc và
thực hiện các mô phỏng sự làm việc của rơle bảo vệ quá dòng, rơle bảo vệ so
lệch dọc dựa trên phần mềm MATLAB/Simulink. Từ đó, áp dụng mơ phỏng
bảo vệ so lệch dọc vào hệ thống lưới điện Micro Grid có máy phát điện gió.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung vào phương pháp bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch dọc
trong hệ thống, các trường hợp ngắn mạch, và các giải thuật bảo vệ.
1.4 Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn được chia làm 5 chương
• Chương 1: Tổng quan
• Chương 2: Bảo vệ quá dịng điện
• Chương 3: Bảo vệ so lệch
• Chương 4: Mơ phỏng rơle bảo vệ trên Matlab Simulink
• Chương 5: Kết luận
2


CHƯƠNG 2: BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN
2.1 Nguyên tắc tác động
Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ) là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua
chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước. Có thể chọn BVQDĐ thành
bảo vệ dòng điện cực đại (BVDĐCĐ) hay bảo vệ dòng điện cắt nhanh
(BVCN). Chúng khác nhau ở chỗ cách đảm bảo yêu cầu tác động chọn lọc và
vùng bảo vệ tác động. Để bảo vệ dòng điện cực đại tác động chọn lọc, người
ta tạo cho nó thời gian trì hỗn thích hợp. Để đảm bảo chính xác chọn lọc cho
bảo vệ cắt nhanh cần chọn dòng khởi động thích hợp. Vùng bảo vệ của
BVDCĐ gồm cả phần tử được bảo vệ và các phần tử lân cận. Vùng bảo vệ của
BVCN chỉ một phần của phần tử được bảo vệ.
2.2 Bảo vệ dòng điện cực đại
Với bảo vệ dịng điện cực đại làm việc có thời gian trì hỗn lại được chia

thành 2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trì hỗn. Khi thời gian trì
hỗn được lựa chọn một cách độc lập khơng phụ thuộc vào các thơng số khác
trong q trình hoạt động ta có loại “rơle đặc tính thời gian độc lập”. Khi thời
gian trì hỗn phụ thuộc dịng điện qua bảo vệ ta có loại “rơle đặc tính thời gian
phụ thuộc”. Bảo vệ dòng điện cực đại gồm 2 bộ phận chính:
• Bộ phận khởi động: nhiệm vụ phát hiện ra sự cố q dịng điện vượt q
giá trị đặt.
• Bộ phận tạo thời gian trì hỗn: tạo ra thời gian trì hỗn kể từ lúc phát
hiện sự cố đến khi bảo vệ tác động, đảm bảo cho bảo vệ tác động một
cách chọn lọc.
2.2.1 Tính tốn dịng khởi động
Theo ngun tắc tác động, dòng khởi động I kd của bảo vệ phải lớn hơn
dòng điện phụ tải cực đại qua chỗ đặt bảo vệ, tuy nhiên trong thực tế việc lựa
chọn dòng khởi động còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Đối với các rơle
3


quá dòng điện, dòng điện khởi động I kd của bảo vệ thường được chọn theo
điều kiện:

I NM min >=
I kd

kat × kmm
× I lv max
ktv

(2.1)

Trong đó:

I NM min : dòng cực tiểu đi qua bảo vệ đảm bảo cho rơle còn khởi động được.

Khi xác định trị số của I NM min cần lưu ý đến chế độ làm việc của hệ thống, cấu
hình của lưới điện, vị trí điểm ngắn mạch, dạng ngắn mạch.
I lv max : dòng điện làm việc lớn nhất cho phép đối với phần tử được bảo vệ.
kat : hệ số an toàn, thường lấy khoảng 1.1 (với rơle tĩnh và rơle số) đến 1.2

(với rơle điện cơ).
kmm : hệ số mở máy (khởi động) của phụ tải động cơ có dịng điện chạy qua

chỗ đặt bảo vệ. Hệ số mở máy phụ thuộc vào loại động cơ, vị trí tương đối
giữa chỗ đặt bảo vệ và động cơ, sơ đồ mạng điện và một số yếu tố khác.
Thơng thường, hệ số kmm có thể lấy trong khoảng 2 ÷ 5.
ktv : hệ số trở về đặc trưng cho quan hệ giữa dòng điện khởi động I kd và dòng

điện trở về I tv của rơ le. Với các rơle điện cơ k=
0.8 ÷ 0.95 ; với rơle tĩnh và
tv
rơle số ktv ≈ 1.

Hình 2.1 Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố
4


2.2.2 Độ nhạy của bảo vệ
Vùng tác động của bảo vệ bao gồm phần tử được bảo vệ và các phần tử
lân cận. Phần tử lân cận được bảo vệ thuộc vùng bảo vệ dự trữ. Độ nhạy được
đánh giá bằng hệ số nhạy:

knh =


I N min
I kd

(2.2)

• Khi ngắn mạch ở cuối phần tử được bảo vệ (vùng chính) yêu cầu
knh > 1.5

• Khi ngắn mạch ở vùng dự trữ yêu cầu knh > 1.2
2.2.3 Thời gian tác động của bảo vệ
a) Bậc thời gian
Để đảm bảo tính chọn lọc, thời gian tác động của bảo vệ dòng điện cực đại
được chọn theo nguyên tắc bậc thang. Độ chênh lệch giữa thời gian tác động
của bảo vệ kề nhau được gọi là bậc thời gian hay bậc chọn lọc:
∆t = tn − tn+1

(2.3)

Giá trị của bậc thời gian được chọn sao cho đảm bảo tính chọn lọc, các
bảo vệ gần sự cố sẽ cắt trước khi các bảo vệ xa hơn và gần nguồn kịp tác
động.
Ví dụ: Xét sơ đồ đường dây hình tia một nguồn cung cấp như hình bên
dưới:

Hình 2.2 BVDĐCĐ cho đường dây hình tia một nguồn cung cấp
5


Giá trị của bậc thời gian ∆t được chọn sao cho giả sử khi ngắn mạch tại

N3, bảo vệ 1 không kịp tác động mặc dù đã khởi động. Khi ngắn mạch trên
đoạn đường dây BC, bảo vệ 1 làm việc trong khoảng thời gian ngắn mạch
chạy qua:
T1 = t BV + tss + tMC 2

(2.4)

Trong đó: t BV : thời gian tác động của bảo vệ.
tss : sai số giữa các rơle thời gian.

tMC 2 : thời gian cắt của máy cắt 2.

Như vậy, bảo vệ 1 không kịp tác động khi ngắn mạch trong đoạn BC thì
thời gian tác động của nó phải:
t1 > t2 + t BV + tMC 2

(2.5)

∆t= t BV + tss + tMC 2

(2.6)

Khi chọn ∆t phải phân biệt loại rơle có đặc tính thời gian độc lập và rơle có
đặc tính thời gian phụ thuộc.
b) Rơle dịng điện có đặc tính thời gian độc lập:
Thời gian trì hỗn tác động của bảo vệ được tạo nên nhờ rơle thời gian
hoặc các bộ định thời và khơng phụ thuộc vào dịng ngắn mạch, vì vậy bảo vệ
này được gọi là có đặc tính thời gian độc lập. Đặc tuyến này của rơle dịng có
dạng đường thẳng (đường số 1 – hình 2.3).
Đối với rơle có đặc tính thời gian độc lập, bậc chọn lọc ∆t thường được

chọn từ (0.35 ÷ 0.6s). Thời gian tác động của bảo vệ với đặc tuyến độc lập
được chọn theo nguyên tắc bậc thang:
t=
tn+1 + ∆t
n

(2.7)

6


Hình 2.3 Đặc tuyến làm việc dịng điện thời gian của rơle dịng điện
c) Rơle dịng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc:
Rơle làm việc với thời gian xác định nào đó khi dịng điện vượt q giá trị
khởi động, đặc tính này gọi là phụ thuộc, đường cong 2 và 3 biểu diễn trên
hình 2.3. Rơle có đặc tính phụ thuộc khởi động khi dịng vượt q giá trị khởi
động; thời gian tác động của rơle phụ thuộc vào trị số dòng điện qua rơle.
Thời gian làm việc giảm khi dịng điện tăng cao.
Đặc tính – thời gian phụ thuộc có giới hạn nhỏ nhất (độ dốc chuẩn): Loại
này làm việc theo đặc tính dịng điện – thời gian phụ thuộc ở các giá trị của
dòng điện ngắn mạch nhỏ và đặc tính phụ thuộc có giới hạn khi dịng điện
ngắn mạch lớn. Nói cách khác, khi dịng điện ngắn mạch nhỏ hơn 10 lần dịng
định mức thì rơle làm việc theo đặc tính phụ thuộc. Khi tỉ số dòng ngắn mạch
trên dòng định mức từ 10 đến 20 lần thì đặc tính là đường thẳng, nghĩa là đặc
tính thời gian giới hạn. Đường cong 1 (hình 2.4) đặc trưng cho dạng đặc tính
độ dốc chuẩn. Loại đặc tính này thường được dùng rộng rãi để bảo vệ mạng
phân phối.
Đặc tính thời gian rất dốc (đường cong 2 - hình 2.4): Loại này cho độ dốc
phụ thuộc nhiều hơn loại độ dốc chuẩn. Đặc tính phụ thuộc của nó nằm giữa
đặc tính độ dốc chuẩn (đường cong 1 – hình 2.4) và loại cực dốc như đường

cong 3 – hình 2.4. Đặc tính phụ thuộc nhiều có đặc tính chọn lọc tốt hơn loại
7


dốc chuẩn. Vì thế, đặc tính này được dùng khi đặc tính dốc chuẩn khơng đảm
bảo tính chọn lọc.
Đặc tính thời gian cực dốc (đường cong 3 – hình 2.4): Loại này cho đặc
tính dốc nhiều hơn loại rất dốc và loại dốc chuẩn. Đặc tính này thích hợp để
bảo vệ máy phát, máy biến áp động lực, máy biến áp nối đất, cáp… để chống
quá nhiệt.

Hình 2.4 Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc
Đối với rơle có đặc tính thời gian phụ thuộc thường chọn bậc thời gian

∆=
t (0.3 ÷ 0.5) s ; nếu dùng rơle cảm ứng cần phải thêm thời gian quán tính

8


của bảo vệ mà rơ le tiếp tục làm việc khi dịng ngắn mạch đã được cắt ra

t (0.6 ÷ 1) s
nên người ta thường chọn ∆=
Ưu điểm của bảo vệ có đặc tuyến thời gian phụ thuộc là:
• Có thể phối hợp thời gian làm việc của bảo vệ các đoạn gần nhau để
làm giảm thời gian cắt ngắn mạch của các bào vệ đặt gần nguồn.
• Có thể làm giảm hệ số mở máy kmm khi chọn dòng điện khởi động của
bảo vệ.
Khuyết điểm của loại bảo vệ này là:

• Thời gian cắt ngắn mạch tăng khi dịng điện ngắn mạch có giá trị gần
bằng dịng điện khởi động.
• Đơi khi sự phối hợp các đặc tính thời gian tương đối phức tạp.
2.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh
Bảo vệ dòng điện cắt nhanh (BVCN) là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc
bằng cách chọn dịng khởi động lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt
bảo vệ khi ngắn mạch ở ngoài phần tử được bảo vệ (cuối vùng bảo vệ của
phần tử được bảo vệ). Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện ngắn
mạch sẽ lớn hơn dòng điện khởi động, và bảo vệ sẽ tác động. Bảo vệ dòng cắt
nhanh thường làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé để nâng cao độ nhạy,
mở rộng vùng bảo vệ và đề phịng khả năng bảo vệ mất chọn lọc khi có giông
sét.

9


2.3.1 Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có một nguồn cung cấp

Hình 2.5 Sơ đồ minh họa BVCN của đường dây có một nguồn cung cấp
a) Dịng khởi động của bảo vệ
Muốn bảo vệ không tác động khi ngắn mạch ngồi đường dây bảo vệ AB,
dịng khởi động được chọn như sau:
I kd= kat × I NB max

(2.8)

Trong đó:
I NB max : dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại cuối vùng bảo vệ (xét tại thanh cái

trạm B).

k=
1.2 ÷ 1.3 : hệ số an tồn tính đến sai số trong khi tính tốn dịng ngắn
at

mạch và sai số role.
Để có I NB max cần phải chọn chế độ vận hành của hệ thống cũng như dạng
ngắn mạch thích hợp ( N 3 ) . Vì thời gian tác động của bản thân bảo vệ này
khoảng vài phần trăm của giây nên dịng ngắn mạch được tính ứng với thời
điểm đầu của ngắn mạch (t = 0) .
b) Vùng tác động của bảo vệ
Vùng bảo vệ cắt nhanh có thể xác định bằng phương pháp đồ thị.
10


Từ sơ đồ hình tia của đường dây có một nguồn cung cấp (hình 2.5), ta xây
dựng các đường cong quan hệ I N = f (ln ) đối với chế độ cực đại (đường cong
1 – hình 2.6) và cực tiểu (đường cong 1 – hình 2.6).

Hình 2.6 Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh
Điểm cắt giữa đường thẳng I kd với đường cong 1 xác định điểm cuối vùng
bảo vệ trong chế độ cực đại và điểm cắt giữa điểm cắt đường thẳng I kd với
đường cong 2 ứng với điểm cuối vùng bảo vệ trong chế độ cực tiểu.
Vùng tác động của bảo vệ dòng cắt nhanh còn phụ thuộc vào độ dốc của
đường cong I N = f (ln ) . Dòng I N khi ngắn mạch ở đầu và cuối đường dây
càng khác nhau nhiều thì vùng tác động của bảo vệ càng lớn. Ngoài ra, người
ta cho phép dùng bảo vệ cắt nhanh nếu vùng tác động của nó khơng nhỏ hơn
20% chiều dài đường dây được bảo vệ (đảm bảo độ nhạy).
Nếu đường dây làm việc thành khối với máy biến áp (hình 2.7) thì BVCN
chỉ cần tránh tác động khi ngắn mạch sau máy biến áp tại điểm N. Trong
trường họp này, BVCN rất có hiệu quả vì vùng bảo vệ có thể bao gồm tồn bộ

đường dây. Vì bảo vệ dòng cắt nhanh rất đơn giản nên trong trường hợp vùng
tác động của bảo vệ nhỏ hơn 20%, nó được dùng bổ sung cho bảo vệ chính
của đường dây nếu bảo vệ này có vùng chết ở đầu đường dây.

11


Hình 2.7 Trường hợp đường dây thành khối với máy biến áp
c) Thời gian tác động của bảo vệ
Thời gian tác động của bảo vệ cắt nhanh, gồm thời gian tác động của phần
đo lường và phần logic.
Thời gian tác động của bảo vệ khoảng 0.02 ÷ 0.06s . Đối với các đường
dây trên khơng có đặt chống sét ống để chống quá điện áp, khi làm việc nó tạo
nên ngắn mạch tạm thời trên các đường dây khoảng 0.5 ÷ 1.5 chu kỳ dòng
điện 0.01 ÷ 0.03s . Muốn cho bảo vệ không tác động trong trường hợp này có
thể thêm phần tử trì hỗn thời gian
=
t 0.06 ÷ 0.08s .
2.3.2 Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có hai nguồn cung cấp

Hình 2.8 Sơ đồ minh họa BVCN của đường dây có hai một nguồn cung cấp
12


a) Dòng khởi động của bảo vệ
Giả thiết trên hai đầu đường dây có hai nguồn cung cấp AB có đặt bảo vệ
cắt nhanh CN A và CN B . Để chúng không tác động sai khi ngắn mạch tác động
tại điểm N 1 và N 2 , dòng khởi động của chúng cần được chọn lớn hơn dòng từ
nguồn A khi ngắn mạch tại điểm N 2 ( I AN 2 ) và dòng từ nguồn B khi ngắn
mạch tại điểm N 1 ( I BN 1 ). Giả thiết I AN 2 > I BN 1 . Dòng khởi động của CN A và

CN B chọn theo điều kiện nêu trên sẽ có giá trị bằng nhau:
I kdA
= I kdB
= kat × I AN 2

(2.9)

Ngồi ra, dịng khởi động của bảo vệ dòng cắt nhanh còn cần phải chọn lớn
hơn dịng khơng cân bằng chạy giữa hai nguồn A và B khi nó dao động.

I kdA
= I kdB
= kat × I daodong max

(2.10)

Dịng khởi động của bảo vệ lấy bằng giá trị lớn nhất trong hai giá trị nhận
được từ biểu thức (2.9) và (2.10).
b) Vùng tác động động của bảo vệ
Điểm cắt của các đường cong ngắn mạch với đường thẳng nằm ngang I BN 1
(điểm 1 và 2) trên hình 2.8 xác định vùng bảo vệ.Tùy thuộc vào sự khác nhau
giữa tham số nguồn A và B, vùng bảo vệ cắt nhanh A và B sẽ khác nhau nhiều
hay ít. Cụ thể với trường hợp ứng với hình 2.8, khi ngắn mạch trong vùng l A ,
chỉ có bảo vệ cắt nhanh CN A làm việc; và khi ngắn mạch trong vùng lB , chỉ có
bảo vệ cắt nhanh CN B làm việc. Khi ngắn mạch trong vùng giữa các điểm 1 và
2 thì khơng có bảo vệ nào làm việc.
2.4 Bảo vệ dòng điện cực đại có kiểm tra áp
Dịng khởi động của BVDCĐ chọn theo cơng thức (2.1), vì vậy có giá trị
lớn và bảo vệ nhiều khi có độ nhạy khơng đạt u cầu. Để nâng cao độ nhạy
của bảo vệ người ta dùng rơle điện áp giảm làm bộ phận khởi động (hình 2.9).

Bảo vệ chỉ tác động sau khi rơle giảm áp RU đã tác động. Trị số của rơle này
được chọn sao cho nó tác động khi có ngắn mạch, vì khi đó áp của mạng giảm
13


nhiều, nhưng không tác động đối với áp làm việc nhỏ nhất, mặc dù khi đó rơle
dịng có thể tác động do quá tải.
Dòng khởi động RI được chọn theo điều kiện khơng được tác động đối với
phụ tải bình thường lâu dài I lv :

I kd =

kat
I lv
ktv

(2.11)

Vì dịng I lv thường nhỏ hơn I lv max khoảng 1,5 lần, nên bảo vệ này có độ
nhạy cao hơn. Áp khởi động của rơle giảm áp RU được chọn theo điều kiện
sau:
• Rơle giảm áp RU khơng được tác động đối với áp làm việc tối thiểu.
• Rơle giảm áp RU phải trở về trạng thái bình thường sau khi ngắn mạch
được loại trừ.
Khi yêu cầu 2 thỏa mãn thì yêu cầu 1 cũng thỏa mãn. Vì vậy áp khởi động
của RU được chọn theo điều kiện thứ 2. Thường được chọn như sau:
U=
0.7 ÷ 0.75U lv max . Độ nhạy của bảo vệ được kiểm tra theo giá trị áp đủ
kd


lớn nhất khi ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ. Yêu cầu:

=
knh

U kd
> 1.5
U N max

(2.12)

Hình 2.9 Bảo vệ dịng điện cực đại có kiểm tra áp
14