MỤC LỤC
Chương I Trang
Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư
I. Đặt vấn đề 1
II. Nhiệm vụ thư 3
Chương II
Tổng quan về Rơle số
I. Khái niệm về Rơle số 4
II. Một số chủng loại Rơle thành bộ ngày nay 6
1. Rơle bảo vệ đường dây truyền tải 6
2. Rơle bảo vệ đường dây phân phối 8
3. Rơle bảo vệ máy biến áp 9
4. Rơle bảo vệ động cơ 10
5. Rơle bảo vệ máy phát 11
6. Rơle bảo vệ thanh cái 12
7. Các loại rơle khác 13
III. Các loại sự cố 14
1. Sự cố quá tải 14
2. Sự cố quá dòng 14
3. Sự cố tần số thấp 17
Chương III
Sơ đồ khối và thiết kế phần cứng
I. Sơ đồ khối 18
II. Thiết kế phần cứng 18
1. Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu 18
2. Khối xử lý và điều khiển 22
2.1 Cổng vào ra song song 22
1
2.2 Cấu trúc bộ nhớ 24
2.3 Một số thanh ghi của AT90S8535 25
2.4 Timer/Counter của AT90S8535 28

Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp vừa qua,chúng em đã thiết kế và chế tạo rơle
bảo vệ “sa thải tải theo tần số”. Với mong muốn đem những kiến thức đã học
của mình đóng góp một phần nhỏ vào cuộc sống ,chúng em hy vọng thiết kế này
sẽ được ứng dụng vào lưới điện của nước ta.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths. Nguyễn Tuấn Ninh đã nhiệt tình giúp
đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này.Chúng em xin cám ơn bộ môn
Đo lường và Tin học Công nghiệp đã giúp đỡ chúng em về các thiết bị thí
nghiệm và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án.3
CHƯƠNG I
ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ
I. Đặt vấn đề
Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá các ngành
sản xuất của nền kinh tế quốc dân. Do đó ngành công nghiệp năng lượng đóng
một vai trò rất quan trọng trong tiến trình đó. Đặc biệt là ngành Điện, một ngành
có vai trò then chốt quyết định sự phát triển của các ngành kinh tế khác. Để thực
hiện được mục đích công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngành điện phải đi trước một
bước, tạo điều kiện tiền đề để các ngành công nghiệp khác phát triển.
Ở nước ta trong suốt một thời gian dài , nhiệm vụ hàng đầu của ngành điện
lực là sản xuất ra điện để sử dụng, yếu tố chất lượng được đặt xuống hàng thứ
hai. Với chính sách đổi mớivà mở cửa của nước ta nền kinh tế phát triển nhanh
đã và đang đặt ra những yêu cầu cấp bách về chất lượng dòng điện và điều này
đòi hỏi ứng dụng rộng rãi hơn vào các thiết bị tự động hoá trong hệ thống điện
với trình độ công nghệ ngày càng tiên tiến hơn.
Rơle bảo vệ là bộ phận quan trọng trong số các thiết bị tự động hoá dùng
trong ngành điện lực. Chúng có vai trò bảo vệ các phần tử của hệ thống điện
trong các điều kiện làm việc bất thường bằng cách cô lập các sự cố càng nhanh
càng tốt thông qua các thiết bị đóng. Khi sự cố xảy ra trong hệ thống mà không

rất đắt trung bình là vài ngàn đôla Mỹ, trong đó giá thành các linh kiện điện tử
chỉ chiếm tỷ trọng từ 10% - 15% còn lại là giá thành của phần mềm và thiết kế.
Chính vì lẽ đó việc chế tạo rơle số, các thiết bị đo lường điều khiển trong nước
sẽ làm cho giá thành của thiết bị rẻ hơn, chỉ bằng 1/2 thậm chí bằng 1/3 so với
giá của nước ngoài mà chất lượng vẫn đảm bảo yêu cầu.
5
Đề tài nghiên cứu chế tạo rơle sa thải tải theo tần số trên cơ sở vi xử lý
nhằm phục vụ cho mục đích chung của ngành là từng bước tiến đến chế tạo tất
cả các loại rơle dùng trong ngành.
II. Nhiệm vụ thư:
Với mục đích từng bước tiến đến chế tạo tất cả các loại rơle dùng trong
ngành Điện Thầy Ths Nguyễn Tuấn Ninh đã hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề
tài nghiên cứu và chế tạo rơle bảo vệ đường dây với chức năng chính như sau:
• Sa thải tải tần số.
• Giao tiếp đơn giản dễ dàng với người dùng (đặt các thông số config
và setting nhanh, dễ)
• Lưu giữ lịch sử lịch sử sự cố
• Truyền tin với máy tính chủ
Mặc dù chức năng của rơle này không nhiều nhưng nó cũng mở ra một
hướng đi trong lĩnh vực chế tạo rơle số dùng trong ngành Điện
6
CHƯƠNG II:
TỔNG QUAN VỀ RƠLE SỐ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG CỦA RƠLE SỐ MỚI
CÁC LOẠI SỰ CỐ BẢO VỆ CỦA RƠLE BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY PHÂN
PHỐI
I. khái niệm về rơle số
Rơle số là loại khí cụ điện tử, thiết kế thành bộ từng loại để bảo vệ cho một
loại thiết bị điện bằng cách đóng hay cắt nhứng máy cắt để kịp thời loại trừ một
hoặc nhiều sự cố của thiết bị điện ấy.
Rơle số sử dụng kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển và vi điện tử. Đó là những

Đây là bộ phận nhận số liệu từ bộ phận canh đo để:
Lọc số tiếp nếu cần
Tnh toán phân tích ra các số liệu cần như dòng, áp hiệu dụng, thứ tự pha,
góc lệch pha dòng áp.
Tính các biểu thức đặc trưng sự cố, so ngưỡng để phát hiện sự cố.
Cắt hay không cắt trong khoảng bao nhiều thời gian. (Tất cả những công
việc sử lý tính toán trên được thực hiện bằng phần mềm).
• Bộ phận máy cắt : Đây là bộ phận theo dõi việc cắt máy (thời gian
chuẩn bị cắt máy cắt, thời gian tác động máy cắt).
• Bộ phận đóng lại.
• Bộ phận lịch thời gian.
• Bộ phận ghi chép sự cố, đèn báo, còi báo.
• Bộ phận đối thoại phím.
• Bộ phận truyền tin, đối thoại đọc viết của PC.
• Bộ phận nguồn cung cấp ổn áp một chiều hoặc từ xoay chiều.
Phần lớn các bộ phận ấy chạy bằng phần mềm theo các modul:
8
Truyền tin
Khởi động Power – on.
o Chuẩn hoá đo canh.
o Xử lý tính toán.
o Cắt.
o Đóng lại.
o Lịch.
o Truyền tin.
o Phím.
o Một số modul khác.
Rơle số hoạt động theo nguyên tắc thời gian thực nên các modul này được
gọi bằng các ngắt khác nhau.
II. Một số chủng loại rơle thành bộ ngày nay.

− Khoảng cách giữa các miền, giữa pha và từng pha
− Quá dòng 4 đoạn thứ tự không
− So dọc khoảng cách có hướng.
− Quá dòng cắt nhanh, quá dòng định thời gian.
− Quá và thấp áp
− Sa thải theo tần số.
− Đóng lại.
− Chạm đất.
− Báo hư hỏng biến điện áp, biến dòng, cầu chì.
Các chức năng đo lường và giám sát, có thể có một vài hoặc tất cả các chức
năng sau:
− Đo tổng hợp các thông số
− Báo vùng sự cố
− Ghi lại các sự cố trước đó
− Ghi lại các sự kiện(có thể từ vài chục đến 100 sự kiện trước đó).
− Giám sát dòng cắt
− Flexible oscillography (vẽ hình dáng của dòng chạm đất).
10
− Tự kiểm tra chuẩn đoán
− Giám sát liên tục.
Giao diện người sử dụng có thể có các khả năng sau:
− Bàn phím.
− Màn hình tinh thể lỏng hay LED 7 thanh.
− Đèn led hiển thị trạng thái rơle.
− Đèn led hiển thị trạng thái báo động.
− Cổng truyền thông nối tiếp RS 232 hoặc RS 485
− Protocols ASCII hoặc tuỳ theo từng hãng chế tạo.
− Đầu vào IRIG-B
2. Rơle bảo vệ đường dây phân phối.
Bao gồm bảo vệ chính :

− Bảo vệ nhiệt độ
− Bảo vệ rơle ga (do ngắn mạch trong cuộn dây biến áp)
− Kìm hãm thành phần điều hoà
Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau:
− Ghi lại sự kiện
− Đo và ghi lại các thông số: V, I, Hz, MVAR
− Kiểm tra và chuẩn đoán
− Phân tích thành phần điều hoà
− Biên độ nhiệt độ
− Bộ biến đổi tương tự đầu vào
Giao diện người sử dụng:
12
− Bàn phím
− Màn hình hiển thị thông tin
− Đèn led hiển thị trạng thái
− Cổng truyền tin RS 232, RS 485.
− Truyền thông tin bằng cáp quang
4. Rơle bảo vệ động cơ.
Bao gồm các bảo vệ sau:
− Quá dòng.
− Quá tải
− 8 tiêu chuẩn của đường cong quá tải
− Người sử dụng xác định đường cong quá tải mềm dẻo.
− Ngắn mạch
− Chạm đất
− Nhiệt độ vòng dây Stato
− Dáng điệu của quá nhiệt độ
− Hãm roto
− Ngắn nhanh / kẹt phần cơ
− Không cân bằng/đơn pha

− Mất từ trường
− Quá áp và thấp áp
− Ngược pha điện áp
− Chạm đất Stato
− Vượt và thấp tần
− Quá nhiệt độ Stato
14
− Dáng điệu của quá nhiệt độ và độ rung
− Sự tiếp thêm năng lượng máy phát một cách không thận trọng
− Logic đóng ngắt thường xuyên
− Quá tốc độ
− Dò tìm hư hỏng máy cắt
− Dò tìm hư hỏng biến dòng
− Cuộn dây quản lý đóng cắt
Chức năng đo lường và giám sát:
− Đo : A, V, Hz, MW, MVAr…
− Ghi lại các sự kiện
− Ghi lại các sự cố
− Tự kiểm tra và chuẩn đoán
− Giám sát dòng cắt
Giao diện người sử dụng:
− Bàn phím
− Màn hình hiển thị thông tin, đồ thị…
− Đèn LED chỉ thị các trạng thái
− Cổng truyền thông RS 232, RS 485…
− Cổng nối máy in
− Đầu vào IRIG – B
6. Rơle bảo vệ thanh cái.
Gồm có thể có các chức năng bảo vệ sau:
− So lệch quá dòng với phần trăm hạn chế

16
50ms nó thực hiện việc đo các biến đầu vào để phát hiện sự cố trên đường dây,
nó có thể bảo vệ các loại sự cố sau:
+ Bảo vệ quá tải
+ Bảo vệ quá dòng, tự động đóng lại.
+ Bảo vệ sa thải theo tần số
+ bảo vệ chạm đất.
Rơle này có thể bảo vệ tất cả các sự cố trên hay một trong những sự cố trên
tuỳ vào người thiết kế và điều kiện lưới điện.
1. Sự cố quá tải.
Sự cố này xảy ra khi dòng điện trên đường truyền lớn hơn giá trị định
mức,dòng quá tải thường quy định trong khoảng (1,2÷1,7)Iđm.
Khi xảy ra quá tải, nhiệt độ đường dây tải sẽ tăng lên, làm cho dây yếu đi
về mặt cơ khí, gây hư hỏng đường dây, đồng thời tăng tổn thất nhiệt trên đường
dây.
Do công suất yêu cầu ở Việt Nam trong những năm gần đây tăng lên
nhiều, cho nên thường xảy ra tình trạng quá tải. Do đó rơle trung áp này chỉ báo
cho người trực biết mà không thực hiện việc cắt máy cắt.
Do vậy những người trực vận hành ở các lưới điện khu vực phải theo dõi
các thông số trên thiết bị và đường dây truyền tải thuộc khu vực mình quản lý để
phát hiện sự cố quá tải, thông báo cho điều phối viên hệ thống điện quốc gia biết
để xử lý, đưa ra phương thức vận hành hợp lý hơn với kết cấu điện hiện tại
nhằm giảm thiểu tình trạng quá tải các đường dây truyền tải.
2. Sự cố quá dòng.
Là sự cố xảy ra khi có sự ngắn mạch với nhau giữa các pha và giữa các pha với
đất.
a. Đối với mạng trung tính cách điện đối với đất, có các loại sự cố sau:
17
− Ngắn mạch giữa các pha với nhau.( giữa hai pha ab, bc,ca, hai ba pha
abc.)

− Gây sụt áp lưới điện, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng các phụ tải
tiêu thụ điện như : làm động cơ ngừng quay…
− Gây mất ổn định hệ thống do công suất phát của các máy phát
điện và công suất tiêu thụ của lưới điện bị mất cân bằng gây phá huỷ máy phát.
− Tạo ra các thành phần dong điện không đối xứng, gây nhiễu các
đường dây thông tin ở gần.
− Khi bảo vệ tác động, nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại
trừ điểm ngắn mạch, vì thế làm gián đoạn việc cung cấp điện.
Do các hậu quả như trên mà các sự cố chập mạch luôn được ưu tiên trước
hết. Khi xảy ra chập mạch, tuỳ theo điểm chập mạch xảy ra ở xa hay gần nguồn
mà có thể có dòng chập mạch lớn hay nhỏ.
Chập mạch thường xảy ra bên ngoài máy cắt của các lộ. Trong trường hợp đó,
hệ thống rơle của đường dây sự cố và của máy cắt tổng đều phát hiện ra sự cố
(pick up) và phải đảm bảo tính lựa chọn, chỉ cắt nhanh lộ của đường dây phân
phối mà không cắt ngay lộ tổng, đồng thời ở các lộ nhánh cũng phải có sự lựa
chọn, lộ nào có dòng điện lớn hơn thì sẽ cắt trước.
*. Đóng lặp lại:
Sự cố quá dòng ( hay chập mạch trên đường dây) có thể là sự cố thoảng
qua giữa các pha do sứ bị phóng điện bề mặt, do sét đánh, do gió mạnh làm dây
dẫn chập nhau, vật có thể bắc qua như cành cây, rắn bò chim đậu… gây chập
mạch.
Khi đó với những chập mạch do vật thể lạ (cây cối, rắn rết, dây diều…)vắt
qua đường dây gây ngắn mạch sẽ được loại trừ sau khi tia lửa điện (hồ quang)
đã đốt cháy vật lạ. Nếu vật thể nhỏ thì dòng chập mạch lúc đó có thể đốt cháy
vật thể và hết sự cố chập mạch. Như vậy đa số trường hợp hỏng hóc trên đường
dây tải điện trên không nếu sau kh cắt máy một khoảng thời gian đủ để cho môi
trường chỗ hư hỏng khôi phục lại tính chất cách điện, ta lại đóng đường dây thì
đường dây lại hoạt động bình thường, nhanh chóng khôi phục lại cung cấp điện
cho hộ tiêu thụ, giữ vững chế độ đồng bộ và ổn địnhcảu hệ thống. Tuy nhiên nếu
19

thông thấp
và Mạch
chuẩn hoá
tín hiệu đo
Vi
Điều
khiển
AT90S8535
LCD
RTC
Phím
EEPROM
Hình 2: Sơ đồ khối của Relay
Rơle
U, f
Truyền tin máy tính RS 232
21
Tín hiệu ra : 0 ÷ 5V
Điện áp vào này được đưa thẳng vào ADC của vi điều khiển AT90S8535 để
hiển thị giá trị điện áp của lưới.
Sơ đồ khối:
Để loại bỏ thành phần nhiễu, trước khi tín hiệu vào mạch chuẩn hoá ta
cho đi qua mạch lọc thông thấp. Điện áp ra của biến áp là 220/12V được đưa
qua mạch lọc thông thấp dùng vi mạch LM 324 với tần số cắt Tc = 2Π*R*C.
Sau đó tín hiệu điện áp này được đưa qua mạch chỉnh lưu thành điện áp một
chiều giá trị 0 ÷ 5V tương ứng với điện áp vào từ 0 ÷ 220V.
Mạch lọc thông thấp: Có tác dụng chặn lại những tín hiệu có tần số cao
làm méo tín hiệu hình sin. với sơ đồ trên thì tần số cắt của mạch lọc là:
Lọc
thông

R 1
1 0 K
D 1
K = 2 . 1 3 - - > 3 . 2
R 8
2 . 2 K
D 2
-
+
U 1 A
L M 3 2 4 A
3
2
1
4 1 1
R 4
1 0 K
+ 1 2 V
-
+
U 1 B
L M 3 2 4 A
5
6
7
4 1 1
R 5
5 K
C 1
2 2 0 n F

=
4.11
1
*
3
4
RpCR
R
K
+
=
Vậy ta có :
10
2
.
1
1
*
3
4
KK
w
w
R
R
K
c
=



c
w
w
K








−=
c
w
w
acrtg
ϕ
.
Với w nhỏ, khi đó
c
w
w
coi như bằng không.
K
1
= 1 ; K = K
0
=
3

=
Vậy R4.C1 =
314
1
= 3,2 (ms)
Từ đó ta chọn C1 = 220 nF
R4 = 15 kΩ
Theo tính toán điện áp ra khỏi biến áp là 12V( máy biến áp có hệ số biến áp
220/12). Sau đó điện áp này được qua một bộ phân áp bởi R1 và R2 để áp trên
R2 là:
V
RR
R
UU
vao
16,2
2,210
2,2
.12
21
2
.
R2
=
+
=
+
=
Vậy để áp ra khỏi mạch chuyển đổi chuẩn hoá này đạt được 5V thì hệ số
khuếch đại của mạch lọc này là

< 0 thì U
ra
của LM393 là -5V
24
X u n g v u o n g
0 - 5 V
R 1 1
4 . 7 K
R 1 2
4 . 7 K
R 1 34 . 7 K
C 4
2 2 0 n F
+ 5 V
R 1 4
1 0 K
D 5
U v a o
- 5 V
-
+
U 2 A
L M 3 9 3
3
2
1
84
C 3
2 2 0 n F
Hình 5: Mạch tạo xung vuông