ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUỐC TRUNG

PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA
RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUỐC TRUNG

PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA
RƠLE SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MBA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. LÊ KIM HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2017

của rơ le.
Từ khóa – sự cố MBA; rơ le bảo vệ so lệch MBA; các yếu tố ảnh hưởng; hãng sản xuất
rơle; Matlab-Simulink.

ANALYSING FUNCTIONS AND FACTORS AFFECTING THE
TRANSFORMER DIFFERENTIAL PROTECTION RELAY ‘S
PERFORMANCE CHARACTERISTICS
Abstract – In the transformer protection relay system, the differential protection relay
plays a very important role, it contributes to the problem isolation in the transformer quickly as
well as ensuring the safety of the system. Nowadays, transformer differential protection relay
have been perfected with many outstanding features, however there are many external factors
which can cause the relay to malfunction. Therefore, there is a need for specialized research
into transformer differential protection relay and factors affecting the performance
characteristics of the relay in various cases. This thesis presents an overview of the transformer
protection relay system, factors affecting the relay's performance characteristics, and provides
analysis, compares the solutions that relay manufacturers are applying today to ensure the relay
to operate reliably. The model that simulates the transformer differential protection relay in a
real station is built with Matlab-Simulink Software. By the software, the thesis presents some
results obtained when simulating the operation of the relay in cases of faults and when there are
external factors affecting the operation of the relay.
Key words – transformer faults; transformer differential protection relay; affecting
factors; relay manufacturers; Matlab-Simulink.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 1
3. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ......................................................................... 2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 2


2.4.1. Bộ điều áp dưới tải (OLTC)........................................................................ 20
2.4.2. Ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải đến đặc tính bảo vệ so lệch MBA ...... 20
2.4.3. Nhận xét ...................................................................................................... 22
2.5. ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THỨ TỰ KHÔNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA RƠ LE SO LỆCH MBA....................................................................................... 23
2.5.1. Dòng thứ tự không ...................................................................................... 23
2.5.2. Ảnh hưởng của dòng thứ tự không đến đặc tính bảo vệ so lệch MBA. ..... 24
2.5.3. Nhận xét ...................................................................................................... 24
2.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 25
CHƯƠNG 3. CÁC GIẢI PHÁP NHẰM ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY LÀM VIỆC
RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH MBA............................................................................... 26
3.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 26
3.2. GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG TỪ HÓA QUÁ ĐỘ MBA ..... 26
3.2.1. Phát hiện dòng từ hóa bằng cách phân tích các thành phần sóng hài trong
dòng so lệch MBA ......................................................................................................... 26
3.2.2. Phân tích dạng sóng của dòng so lệch MBA .............................................. 27
3.2.3. Tăng giá trị khởi động của chức năng bảo vệ so lệch khi đóng điện trở lại
MBA. ............................................................................................................................. 28
3.2.4. Nhận xét ...................................................................................................... 29
3.3. GIẢI PHÁP ĐỂ CẢI THIỆN SAI SỐ TI VÀ BÃO HÒA TI ................................ 29
3.3.1. Giải pháp nhằm hạn chế các lỗi trong mạch dòng nhị thứ vào rơ le .......... 29
3.3.2. Sử dụng đặc tính hãm ................................................................................. 31
3.3.3. Giải pháp hạn chế bão hòa TI ..................................................................... 32
3.4. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THỨ TỰ KHÔNG
TRONG DÒNG SO LỆCH MBA. ................................................................................ 37
3.5. GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU ÁP DƯỚI TẢI ĐẾN
ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA RƠ LE BẢO VỆ SO LỆCH MBA .............................. 38
3.5.1. Giải pháp hạn chế ảnh hưởng của bộ điều áp mà hãng ABB sử dụng ....... 38
3.5.2. Hãng sản xuất rơ le bảo vệ Siemens và các hãng khác .............................. 39

Bảo vệ so lệch máy biến áp
Chức năng giám sát mạch dòng điện nhị thứ vào role
Dòng điện không cân bằng

ITTK
ITTN

Dòng điện thứ tự không
Dòng điện thứ tự nghịch

ITTT

Dòng điện thứ tự thuận

MC

Máy cắt

OLTC
TI
TU

Bộ điều áp dưới tải
Máy biến dòng điện (Current Transfomer)
Máy biến điện áp (Voltage Transfomer)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
2.12.
2.13.
2.14.
2.15.
2.16.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.

Tên hình
Các sự cố bên trong MBA
Sơ đồ phương thức bảo vệ của một MBA thường dùng
Nguyên lý bảo vệ so lệch MBA
Bảo vệ so lệch MBA 3 cuộn dây
Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch MBA
Các chức năng trong rơ le so lệch MBA SEL 487E


Trang
3
6
7
8
8
9
10
10
11
14
14
14
15
15
16
17
18
18
19
19
20
20
21
24
24
27
28
29

4.15.
4.16.
4.17.
4.18.
4.19.
4.20.
4.21.

Tên hình

Trang

Đặc tính hướng phân biệt sự cố bên trong và bên ngoài
Dòng thứ tự nghịch khi sự cố bên trong (A) và sự cố bên ngoài (B)
Đặc tính làm việc hãng SEL khi sự cố bên ngoài gây bão hòa TI
Dạng sóng của dòng so lệch trong trường hợp bão hòa TI
Dòng thứ tự không khi có sự cố chạm đất bên ngoài vùng bảo vệ
Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch MBA trước (a) và sau (b)
khi bù sai lệch OLTC
Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp
Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch 7UT633
Các thông số cài đặt cho rơ le bảo vệ so lệch MBA
Khối xử lý dòng điện 3 phía
Khối tính toán giá trị dòng so lệch và dòng hãm
Sơ đồ tổng thể mô phỏng rơle bảo vệ so lệch máy biến áp
Mô phỏng sự cố bên trong MBA
Dòng đo lường ở TI 3 phía khi sự cố chạm đất pha A bên trong
vùng bảo vệ
Đặc tính sự cố và lệnh Trip từ rơ le so lệch khi sự cố pha A MBA
Dòng đo lường ở TI 3 phía khi sự cố 3 pha trong vùng bảo vệ

45
46
47
48
49
49
50
51
51
52
52
53
54
56
57
58
59
60
61


Số hiệu
hình
4.22.
4.23.
4.24.
4.25.
4.26.
4.27.
4.28.

Trong hệ thống điện, máy biến áp và hệ thống bảo vệ đóng một vai trò cực kỳ quan
trọng, nó đóng góp một phần rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cung cấp điện, trong đó
bảo vệ so lệch MBA là một trong những bảo vệ chính. Sự làm việc tin cậy của bảo vệ
so lệch MBA giúp phát hiện sớm và cô lập các sự cố một cách nhanh chóng, giúp duy
trì tình trạng vận hành an toàn cho hệ thống.
Với vai trò quan trọng truyền tải công suất giữa nguồn và phụ tải, các hư hỏng
trong máy biến áp lực sẽ làm ảnh hưởng đến việc cung cấp điện năng đến hộ tiêu thụ.
Vì vậy việc nghiên cứu chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp và các tình trạng làm việc
không bình thường, sự cố xảy ra với máy biến áp là rất cần thiết. Để bảo vệ cho máy
biến áp làm việc an toàn, cần phải tính toán đầy đủ các yếu tố gây hư hỏng bên trong và
các yếu tố bên ngoài gây ảnh hưởng đến đặc tính làm việc bình thường của bảo vệ so
lệch máy biến áp. Từ đó đề ra phương án bảo vệ, loại trừ các hư hỏng và sự cố không
mong muốn.
Hiện nay, sự phát triển trong lĩnh vực công nghệ số đã cho phép chế tạo các loại
rơle so lệch máy biến áp kỹ thuật số với nhiều tính năng vượt trội so với các loại rơle
trước đây. Các nhà sản xuất đã cho phép tích hợp nhiều chức năng bảo vệ và nhiều giải
pháp nhằm giảm sự tác động không mong muốn. Tuy nhiên, nhiều sự cố tác động không
đúng của bảo vệ so lệch máy biến áp và bảo vệ so lệch hạn chế REF như khi sự cố ngắn
mạch ngoài, đóng điện xung kích máy biến áp, hoặc do lỗi cài đặt cấu hình, các lỗi TU,
TI đã gây nên mất điện hệ thống, ảnh hưởng đến công tác vận hành và thời gian khôi
phục sự cố.
Với yêu cầu đặt ra như trên nên cần có sự nghiên cứu sâu sắc về rơle bảo vệ so
lệch kỹ thuật số MBA. Đây cũng chính là lý do để học viên chọn đề tài “Phân tích
chức năng và các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơ le số bảo vệ so lệch
MBA”.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp của các hãng ABB, SEL, SIEMENS,
AREVA, TOSHIBA… được sử dụng phổ biến trên các lưới truyền tải cao áp có cấp
điện áp từ 110kV đến 500kV thuộc khu vực miền Trung và Tây Nguyên.

nhân viên thí nghiệm khi kiểm định, phân tích sự cố rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp,
giúp rút ngắn thời gian và tiến độ theo yêu cầu cung cấp điện liên tục. Đồng thời cung
cấp kiến thức trong công tác vận hành, xử lý sự cố, nâng cao hiệu quả sử dụng rơle.
5. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan hệ thống rơ le bảo vệ MBA
Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle số bảo vệ so lệch MBA
Chương 3: Các giải pháp nhằm đảm bảo độ tin cậy làm việc rơ le bảo vệ so lệch MBA
Chương 4: Mô phỏng rơ le số bảo vệ so lệch MBA
Kết luận và kiến nghị


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MBA
1.1. MỞ ĐẦU
Trước khi đi vào nghiên cứu vấn đề bảo vệ rơ le MBA, ta cần có những hiểu biết
về đối tượng bảo vệ là MBA, các chế độ làm việc bình thường, không bình thường, các
dạng sự cố thường xảy ra trong MBA. Đồng thời khái quát các loại rơ le chính bảo vệ
MBA thường dùng hiện nay. Đó là cơ sở để nghiên cứu thử nghiệm, mô phỏng và ứng
dụng rơ le số cho các chương sau.
1.2. CÁC DẠNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP ĐỐI VỚI MBA
Các nguyên nhân chính gây nên hư hỏng trong máy biến áp thường được thống kê
theo các nguyên nhân do:
+ Điểm yếu về tính năng kỹ thuật, thiết kế, chế tạo kém hiệu quả
+ Lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng kém
+ Các điều kiện vận hành bất lợi
+ Quá trình lão hóa.

Còn khi xảy ra sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây trong cùng 1 pha MBA. Điều
này sẽ dẫn đến 1 sự thay đổi nhỏ trong các dòng pha nhưng dòng sự cố giữa các vòng dây
lại lớn sẽ dẫn đến phá hủy nghiêm trọng MBA nếu không được cách ly kịp thời. Sự cố
này sẽ được phát hiện thông qua chức năng bảo vệ so lệch thứ tự nghịch MBA [9].
Đối với sự cố ngắn mạch giữa các pha MBA với nhau, dòng pha trong các cuộn
dây MBA sẽ tăng lên, dòng so lệch sinh ra và được bảo vệ so lệch pha MBA phát hiện
kịp thời.
1.2.2. Sự cố bên ngoài MBA
Sự cố bên ngoài là các sự cố và nhiễu loạn xuất hiện bên ngoài MBA. Các nhiễu
loạn này gây nên các ứng suất trong MBA và làm giảm tuổi thọ của MBA. Các sự cố
này thường là:
+ Quá tải: quá tải làm cho MBA trở nên quá nhiệt và gây nên các hư hỏng vĩnh
viễn và giảm tuổi thọ của MBA. Nếu thời gian quá tải lớn có thể dẫn tới các hư hỏng
trầm trọng. Trong tất cả các trường hợp, không có bảo vệ nào được sử dụng để cô lập
đối với sự cố quá tải mà chỉ là một cảnh báo cho nhân viên vận hành được biết và xử lý.
Các nguyên nhân gây ra tình trạng quá tải là do sự phân chia tải không đều trong các
MBA vận hành song song hoặc sự không cân bằng tải trong hệ thống mạch ba pha.
+ Quá áp: quá áp xuất hiện trên hệ thống khi điện áp vượt quá điện áp định mức
cho phép. Quá áp có thể xuất hiện do một số nguyên nhân như mất tải đột ngột, thao tác
đóng cắt đường dây, các sự cố ngắn mạch chạm đất kèm theo hồ quang, sét đánh trên
đường dây, các lỗi trong bộ điều chỉnh điện áp, sự cố mở cuối đường dây dài. Các điều
kiện này có thể dẫn tới quá kích thích MBA và tăng áp lực lên cách điện cuộn dây. Quá
kích thích làm tăng tổn thất sắt từ và dẫn đến sự tăng cao trong dòng từ hóa MBA. Điều
này sẽ dẫn đến sự tăng nhiệt nhanh trong mạch từ MBA và dẫn đến phá hủy cách điện
trong cuộn dây MBA.
+ Kém tần số: kém tần số được sinh ra do nhiễu loạn hệ thống mà nguyên nhân là
sự mất cân bằng giữa nguồn và tải. Tình trạng này tương tự như quá áp mà trong đó
dòng từ hóa tăng lên rất lớn ở tần số thấp, gây ra quá kích thích trong mạch sắt từ MBA.
MBA có thể hoạt động tiếp tục trong hai trường hợp quá áp hoặc kém tần số, tuy nhiên


- Bảo vệ chạm đất hạn chế MBA (87N)
- Bảo vệ quá dòng pha (50/51), quá dòng chạm đất (50/51N)
- Bảo vệ quá tải (49)
- Bảo vệ quá, kém áp (27/59)
- Bảo vệ quá kích thích MBA (24)
- Bảo vệ tần số (81)
- Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 50BF.


6
1.3.3. Sơ đồ phương thức bảo vệ MBA.

Hình 1.2. Sơ đồ phương thức bảo vệ của một MBA thường dùng
1.3.4. Nguyên lý làm việc của chức năng so lệch MBA
Đối với MBA, người ta sử dụng chức năng bảo vệ so lệch MBA (87T) làm bảo vệ
chính, còn các bảo vệ như bảo vệ quá dòng, bảo vệ điện áp… làm bảo vệ dự phòng.
Trong phạm vi của đề tài, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu chức năng chính là bảo vệ so
lệch MBA.
+ Bảo vệ so lệch MBA
Là loại bảo vệ dùng nguyên tắc so sánh sự khác nhau giữa chiều dòng điện đi vào
và dòng điện ra khỏi vùng bảo vệ. Vùng bảo vệ được giới hạn bởi các biến dòng mắc
vào mạch so lệch. Thứ cấp của biến dòng được đấu theo nguyên tắc là các cực phía trong
vùng bảo vệ đấu với nhau, các cực phía ngoài đấu vào rơle so lệch dòng điện [2] (xem


7
*

*


*

*

*

*

*

I  I1  I 2
*

 I  I1 I 2

Hình 1.3. Nguyên lý bảo vệ so lệch MBA
Đối với bảo vệ so lệch MBA, người ta thường dùng bảo vệ so lệch có cuộn hãm.
Hình 1.4 trình bày sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch MBA 3 cuộn dây có nguồn cung cấp
từ phía cao.
•

•

•

Dòng so lệch được xác định: I diff  I 1  I 2  I 3
•

•


•

•

•

I bias  I 1  I 2  I 3  2. I 1

Trong trường hợp ngắn mạch này, bảo vệ không
tác động vì dòng so lệch Idiff bằng không trong khi dòng
hãm Ibias lớn, đặc tính sự cố nằm trong vùng hãm của
đặc tính làm việc bảo vệ so lệch MBA (hình 1.5).
Trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ, MBA
•

Hình 1.4. Bảo vệ so lệch
MBA 3 cuộn dây

•

được cấp nguồn từ phía cao áp nên ( I 2  I 3  0 ), do đó:
•

•

•

•

I diff  I 1  I 2  I 3  I 1

chức năng chính như so lệch, bảo vệ quá dòng, bảo vệ điện áp, bảo vệ quá tải… rơ le
còn được trang bị các chức năng phụ khác như chức năng đo lường (MET), kiểm tra
đồng bộ (25), ghi sự cố (DFR, SER), giám sát cấu hình phần cứng và phần mềm (SBM,
TRM), giám sát lỗi TU, TI, giám sát máy cắt (BMR), điều khiển (HMI), tự động hóa
(RTU, PMU, LGC) …. Các chức năng của rơ le được thể hiện như trên hình 1.6.

Hình 1.6. Các chức năng trong rơ le so lệch MBA SEL 487E
1.4.2. Cấu trúc phần cứng và nguyên lý làm việc của rơ le số
Cấu trúc phần cứng của rơ le số (hình 1.7) bao gồm các phần tử đầu vào, bộ vi xử
lý CPU, các phần tử đầu ra. Phần tử đầu vào gồm có: đầu vào digital, đầu vào ảo, đầu
vào analog, đầu vào dòng, đầu vào áp, đầu vào từ xa, đầu vào trực tiếp. Các phần tử đầu
ra gồm có: đầu ra digital, đầu ra ảo, đầu ra analog, đầu ra qua truyền thông, đầu ra trực
tiếp.
Rơ le làm việc theo nguyên tắc các phần tử đầu vào tiếp nhận và xử lý các thông
tin rồi đưa vào bộ xử lý trung tâm CPU Module. Tại đây, bộ CPU Module sẽ xử lý thông
tin đầu vào qua các cổng logic, các phần tử bảo vệ rồi đưa các tín hiệu đầu ra tương ứng.
Ngoài ra, các rơ le đều có cổng giao tiếp truyền thông dùng để kết nối với hệ thống giám
sát điều khiển hoặc giao diện với người sử dụng thông qua các cổng như RS485, RS232,


10
Ethernet… bằng các giao thức IEC 60870-5-101/104, IEC61850, Modbus, DNP3 ….

Hình 1.7. Cấu trúc phần cứng của rơ le số

Hình 1.8. Các rơ le bảo vệ so lệch MBA thường dùng
Mặt trước của các rơ le có giao diện như hình 1.8, chúng đều có màn hình chính để
hiển thị các thông tin (giá trị cài đặt, vận hành, tác động, cảnh báo...), các phím bấm, các
đèn LED cảnh báo và cổng giao diện với máy tính (cổng RS232, Ethernet). Người sử dụng
có thể giao điện với rơ le qua cổng RS232 hoặc cổng Ethernet, cổng quang.

Easergy studio

02

387,487,787/ SEL

AcSELeratoQuickSet

03

7UTx/SIEMENS

Digsi 5

Ver. 5.8

04

RET6x/ABB

PCM600

Ver. 2.7

Ver. 7.0
Ver. 5031

1.5. KẾT LUẬN
Qua các mục đã nêu ở trên, nhận thấy rằng để ứng dụng hiệu quả hệ thống rơ le
bảo vệ MBA, yêu cầu cần có sự hiểu biết sâu sắc về các chế độ làm việc bình thường

SEL

Rơle bảo vệ
RET670, RET650, RET521 …
P631, P632, P633, P634, P641, P642, P643, P645, KBCH …
SEL387, SEL387E, SEL487E, SEL587, SEL787

SIEMENS

7UT512, 7UT513, 7UT61, 7UT63, 7UT85….

TOSHIBA

GRT100, GRT200

NARI

RCS9679C1, PCS978

Với các rơle bảo vệ so lệch MBA (bảng 2.1), yêu cầu rơle phải làm việc tin cậy,
chính xác nhằm cô lập sự cố một cách nhanh chóng, đảm bảo an toàn cho MBA và thiết
bị trong trạm. Tuy nhiên, trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và
sự làm việc tin cậy của rơle như sai số TI, ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải, dòng thứ
tự không khi chạm đất 1 pha, dòng từ hóa quá độ khi đóng xung kích MBA, tổ đấu dây
MBA làm cho rơ le trong nhiều trường hợp không còn đảm bảo được sự tin cậy và chắc
chắn nữa. Chương này sẽ phân tích các yếu tố trên một cách rõ ràng và được trình bày
cụ thể trong các phần dưới đây.
2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG TỪ HÓA QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG XUNG KÍCH MBA
2.2.1. Dòng từ hóa quá độ
Dòng từ hóa quá độ là dòng điện sinh ra trong các quá trình quá độ điện từ có liên