Phân loại rơ le so lệch
Rơ le so lệch được phân thành hai loại: Rơ le so lệch dòng (Current-differential) và Rơle so lệch tổng trở cao (High-impedance differential).
Rơ le so lệch dòng
Rơ le so lệch dòng thường được sử dụng để bảo vệ máy biến áp lớn, máy phát điện và động cơ. Đối với thiết bị này cần bảo vệ chống chạm đất để tránh hư hỏng thiết bị. Rơle so lệch dòng thường được trang bị cuộn dây nối với đầu vào máy biến dòng.
Với rơ le so lệch dòng cơ điện mã số 87, dòng qua cuộn dây hạn chế mỗi pha được gộp lại đưa tới cuộn dây điều hành. Dòng qua cuộn dây điều hành sẽ cao hơn (từ 15-50%) dòng qua cuộn dây hạn chế để vận hành rơ le.
Với rơ le điện tử trạng thái rắn hoặc mã 87 dùng vi xử lý, cuộn dây điều hành chỉ tồn tại trên mô hình logic chứ không phải là cuộn dây vật lý.
Ứng dụng điển hình rơ le so lệch dòng bảo vệ máy biến áp thể hiện trong hình 1. Trong hình, các cuộn dây hạn chế được ký hiệu "R" và các cuộn dây điều hành ký hiệu "O." Bởi vì nối dây máy biến áp kiểu delta gây ra lệch pha nên biến dòng được nối vào delta để bù lại lệch pha cho kết nối đến rơ le.
Với tải lớn lên biến áp, sẽ cần tính toán thêm thông số lệch pha giữa biến dòng sơ cấp và thứ cấp trong thiết lập so lệch. Bởi vì tỷ lệ biến dòng sơ cấp và thứ cấp không chuẩn với dòng từ trong cuộn dây vận hành tại điều kiện bình thường nên rơ le có thêm bộ điều chỉnh bên trong để thay đổi mức dòng so sánh.
Hình 1 – Ứng dụng điển hình của rơle so lệch dòng trong bảo vệ máy biến áp nối delta.
Với rơ le dùng bộ vi xử lý hoặc điện tử trạng thái rắn, dịch pha được thực hiện bên trong rơ le và biến dòng được lắp ở sơ cấp và thứ cấp của biến áp, không phụ thuộc kết nối cuộn dây máy biến áp.
Tài liệu thiết bị nhà sản xuất đi kèm sẽ tư vấn cách kết nối biến dòng.
Đặc tính phần trăm so lệch có thể là phần trặm cố định hoặc phần trăm thay đổi. Sự khác nhau do rơ le phần trăm cố định thì cuộn kháng phần trăm cố định, và rơle phần trăm thay đổi phần trăm cuộn kháng tăng dần với độ tăng dòng cuộn kháng.
Với rơle cơ điện, đặc tính phần trăm tùy theo mỗi rơle; với rơle điện tử trạng thái rắn hoặc dùng bộ vi xử lý đặc tính điều chỉnh được. Với rơ le máy biến áp sẽ có thêm cuộn kháng điều hòa bổ sung.
Điều hòa là đặc tính của máy biến áp khi chịu dòng xung kích và nếu không có cuộn điều hòa máy biến áp có thể bị hư hỏng khi đóng điện không tải.
Một khái niệm quan trọng trong ứng dung rơ le so lệch là rơ le thường phát hiện lỗi cả hai phía của máy biến áp. Nguyên nhân là động cơ và máy phát điện ở phía thứ cấp thiết bị được bảo vệ cũng gây nên dòng tiếp mát gây hư hỏng thiết bị.
Sơ đồ bảo vệ so lệch máy biến áp trong hình 1 được thể hiện trong hình 2 dưới đây:
Hình 2 - Ứng dụng rơ le so lệch từ hình 1
Thiết bị bảo vệ thứ cấp trên hình là máy cắt công suất hạ thế. Điều quan trọng là thiết bị bảo vệ cả hai phía máy biến áp có khả năng ngắt khi có lỗi và truyền tín hiệu tripping.
Trong hình 2 là rơ le khóa dùng trip cả thiết bị quá dòng sơ cấp và thứ cấp. Rơ le khóa này thiết kế kiểu 86T dùng trip máy biến áp, và rơ le so lệch được ký hiệu 87T dùng bảo vệ máy biến áp.
Một khái niệm quan trong với rơ le bảo vệ là vùng bảo vệ. Vùng bảo vệ là vùng có sự bảo vệ của rơ le và / hoặc thiết bị quá dòng được bảo vệ. Vùng bảo vệ với rơ le so lệch là vùng xác định bởi vị trí biến dòng.
Trong hình 2 vùng bảo vệ của rơ le 87T được xác định bằng đường đứt đoạn xung quanh máy biến áp. Khi ngắn mạch xuất hiện trong vùng bảo vệ, dòng trong biến dòng sẽ tổng khác không tại cuộn dây vận hành rơ le và làm rơ le hoạt động.
Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ dòng cuộn dây vận hành vẫn bằng không do đó rơ le không hoạt động.
Một phân loại khác của rơ le so lệch là rơ le so lệch trở kháng cao (high-impedance differential relays), có cơ chế hoạt động hoàn toàn khác. Rơ le có thành phần trở kháng cao, dùng đo điện thế.
Do cách kết nối của biến dòng điện nên trong trường hợp vận hành bình thường hoặc chạm mát bên ngoài dòng qua trở kháng bằng không. Nhưng khi chạm mát trong vùng bảo vệ, dòng chay qua trở kháng cao khác không, gây tăng nhanh điện thế đầu vào, kích hoạt rơ le hoạt động.
Mô hình đơn giản của rơ le so lệch trở kháng cao được thể hiện trong hình 3. Lưu ý là rơ le chỉ có một loạt các đầu vào mà không có cuộn kháng. Số biến dòng lắp thêm mở rộng được khi cần mở rộng vùng bảo vệ, theo điều kiện dòng qua biến dòng bằng không trong điều kiện vận hành bình thường.
Thiết bị giới hạn điện thế MOV được lắp hai đầu đầu vào trở kháng cao. Việc này giúp bảo vệ điện thế đầu vào khi có dòng ngắn mạch chạy qua không gây hư hỏng thiết bị.
Hình 3 - mô hình rơ le so lệch trở kháng cao
Rơ le so lệch trở kháng cao còn hay được gọi là bộ bảo vệ bus. Bảo vệ bus là ứng dụng yêu cầu sử dụng nhiều bộ biến dòng, biến dòng không đồng nhất và biên độ dòng lỗi bên ngoài lớn. Rơ le so lệch tổng trở cao đáp ứng được các yêu cầu này.
Hình 4 giới thiệu ứng dụng rơ le so lệch bus bảo vệ mạch chọn sơ cấp.
Lưu ý trong hình 4 vùng bảo vệ Bus #1 và Bus #2 chồng lấn nhau. Rơ le 86 sử dụng sử dụng rất hiệu quả do số lượng lớn máy cắt sử dụng. Tất cả máy cắt kết nối với bus được bảo vệ được trang bị biến dòng so lệch và ngắt bằng rơ le 86 tương ứng.
Rơ le 87 được ký hiệu thành 87B khi dùng bảo vệ bus. Ký hiệu tương tự như vậy với rơ le 86B. Lưu ý là vùng bảo vệ chồng lấn nhau. Đây là ví dụ thực tế điển hình để đảm bảo tất cả các phần bus hoạt động đều được bảo vệ.
Rơ le so lệch trở kháng cao thường được xác định qua điện thế đầu vào.
Điện thế được thiết lập sao cho nếu một biến dòng bão hòa và các biến dòng còn lại không thì rơ le không hoạt động. Tất nhiên, rơ le so lệch trở kháng cao sẽ kém nhạy hơn rơ le so lệch dòng, như do áp dụng để bảo vệ bus, nơi có dòng ngắn mạch thường cao, độ nhạy là không cần thiết.
Hình 4 - Ứng dụng rơle so lệch trở kháng cao bảo vệ hệ thống lựa chọn sơ cấp.