Rơ le bảo vệ là gì? Nguyên lý hoạt động và phân loại Rơ le bảo vệ

Rơ le bảo vệ là gì?

Trong kỹ thuật điện, rơ le bảo vệ (a protective relay) là một thiết bị rơ le được thiết kế để ngắt cầu dao khi phát hiện sự cố. Rơ le bảo vệ đầu tiên là các thiết bị điện từ, dựa trên các cuộn dây hoạt động trên các bộ phận chuyển động để phát hiện các điều kiện vận hành bất thường như quá dòng, quá áp, dòng điện ngược, quá tần số và dưới tần số.

Rơ le bảo vệ kỹ thuật số thể rắn dựa trên vi xử lý hiện nay mô phỏng các thiết bị gốc, đồng thời cung cấp các loại bảo vệ và giám sát mà rơ le cơ điện không thể thực hiện được. Rơ le cơ điện chỉ cung cấp dấu hiệu sơ bộ về vị trí và nguồn gốc của sự cố.

Nguyên lý hoạt động

Rơ le bảo vệ cơ điện hoạt động bằng lực hút từ hoặc cảm ứng từ. Không giống như rơ le cơ điện loại đóng cắt với ngưỡng điện áp hoạt động và thời gian hoạt động cố định và thường không được xác định rõ ràng, rơ le bảo vệ có các đặc tính hoạt động về thời gian và dòng điện (hoặc các thông số hoạt động khác) được thiết lập rõ ràng, có thể lựa chọn và điều chỉnh. Rơ le bảo vệ có thể sử dụng các mảng đĩa cảm ứng, cực bóng mờ, nam châm, cuộn dây vận hành và cuộn dây hạn chế, bộ điều khiển kiểu solenoid, tiếp điểm rơ le điện thoại.

Rơ le bảo vệ cũng có thể được phân loại theo loại phép đo mà chúng thực hiện. Rơ le bảo vệ có thể phản hồi với độ lớn của một đại lượng như điện áp hoặc dòng điện. Rơ le cảm ứng có thể phản hồi với tích của hai đại lượng trong hai cuộn dây kích từ.

Các Thuật Ngữ Chính Trong Rơ-le Bảo Vệ 

• Relay : Là thiết bị trong mạch điều khiển, hoạt động như một công tắc tự động đóng hoặc ngắt khi có sự thay đổi của điều kiện đầu vào.
• Protection: Quá trình phát hiện các trạng thái bất thường trong hệ thống điện và thực hiện các biện pháp nhằm ngăn ngừa hư hại hoặc rủi ro an toàn.
• Trip: Là hành động tự động ngắt kết nối mạch hoặc thiết bị khi phát hiện tình trạng bất thường hoặc sự cố.
• Fault: Bất kỳ hiện tượng bất thường nào trong hệ thống điện làm cản trở hoạt động bình thường, chẳng hạn như ngắn mạch, quá tải hoặc chạm đất.
• CT – Current Transformer: Máy biến dòng là thiết bị chuyển đổi dòng điện cao thành dòng điện thấp tỷ lệ thuận, phù hợp cho hoạt động đo lường và bảo vệ của rơ-le.
• VT – Voltage Transformer: Máy biến điện áp thiết bị có chức năng đo và giảm mức điện áp của hệ thống xuống giá trị thích hợp để giám sát và bảo vệ, tương tự như CT.
• Pickup Setting: Ngưỡng khởi động là giá trị ngưỡng mà tại đó rơ-le bảo vệ bắt đầu kích hoạt hành động bảo vệ, ví dụ như ngắt mạch tự động.
• Time Delay: Khoảng thời gian trì hoãn hoạt động của rơ-le bảo vệ nhằm tránh tác động sai do dao động hoặc quá tải tạm thời.
• Fault Clearing Time: Thời gian cắt sự cốtổng thời gian cần thiết để phát hiện, cách ly và xử lý sự cố — thường bao gồm thời gian tác động của rơ-le và thời gian mở của máy cắt.
• Earth Fault: Sự cố chạm đất là sự cố khi một dây dẫn mang điện tiếp xúc không mong muốn với đất hoặc phần nối đất của hệ thống.
• Phase Fault: Sự cố pha là sự cố xảy ra giữa các dây dẫn mang điện, không liên quan đến đất.
• Unit Protection: Bảo vệ vùng là hệ thống bảo vệ chỉ hoạt động trong phạm vi một khu vực xác định bởi giới hạn của các máy biến dòng (CT), và chỉ tác động khi sự cố xảy ra bên trong vùng đó.
• Reach: Tầm tác động khoảng cách hoặc phạm vi trở kháng tối đa mà hệ thống bảo vệ có thể phát hiện và phản ứng với sự cố.

Phân loại theo cấu tạo

• Cơ điện
• Rơ le cơ điện có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như sau:
• phần ứng hút
• cuộn dây chuyển động
• cảm ứng
• động cơ hoạt động
• cơ học
• nhiệt

Rơ le loại “phần ứng” có một cần gạt xoay được đỡ trên một bản lề hoặc một trục lưỡi dao, mang một tiếp điểm động. Các rơ le này có thể hoạt động với dòng điện xoay chiều hoặc một chiều, nhưng đối với dòng điện xoay chiều, một cuộn dây che chắn trên cực được sử dụng để duy trì lực tiếp xúc trong suốt chu kỳ dòng điện xoay chiều.

Vì khe hở không khí giữa cuộn dây cố định và phần ứng động trở nên nhỏ hơn nhiều sau khi rơ le hoạt động, nên dòng điện cần thiết để duy trì rơ le đóng nhỏ hơn nhiều so với dòng điện cần để rơ le hoạt động lần đầu. “Tỷ số hồi tiếp” hay “vi sai” là thước đo mức độ dòng điện cần giảm để đặt lại rơ le.

Rơ le quá dòng đĩa cảm ứng

Đồng hồ đo đĩa “cảm ứng” hoạt động bằng cách tạo ra dòng điện trong một đĩa quay tự do; chuyển động quay của đĩa sẽ tác động lên một tiếp điểm.

Rơ le cảm ứng yêu cầu dòng điện xoay chiều; nếu sử dụng hai hoặc nhiều cuộn dây, chúng phải có cùng tần số, nếu không sẽ không tạo ra lực tác động ròng. Các rơ le điện từ này sử dụng nguyên lý cảm ứng do Galileo Ferraris phát hiện vào cuối thế kỷ 19.

Hệ thống từ tính trong rơ le quá dòng đĩa cảm ứng được thiết kế để phát hiện quá dòng trong hệ thống điện và hoạt động với độ trễ thời gian được xác định trước khi đạt đến một giới hạn quá dòng nhất định.

Rơ le tĩnh

Rơle tĩnh không có hoặc có rất ít bộ phận chuyển động, và trở nên thiết thực với sự ra đời của transistor. Các thành phần đo lường của rơle tĩnh đã được chế tạo thành công và tiết kiệm từ diode, diode zener, diode thác, transistor đơn tiếp điểm, transistor lưỡng cực p-n-p và n-p-n, transistor hiệu ứng trường hoặc kết hợp của chúng.

Rơle tĩnh có ưu điểm là độ nhạy cao hơn so với rơle cơ điện thuần túy, vì nguồn điện để vận hành các tiếp điểm đầu ra được lấy từ nguồn riêng, không phải từ mạch tín hiệu. Rơle tĩnh loại bỏ hoặc giảm thiểu hiện tượng nảy tiếp điểm, cho phép vận hành nhanh, tuổi thọ cao và ít cần bảo trì.

Rơ le bảo vệ kỹ thuật số 

Rơ le bảo vệ kỹ thuật số vẫn còn trong giai đoạn sơ khai vào cuối những năm 1960. Một hệ thống bảo vệ kỹ thuật số thử nghiệm đã được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa vào đầu những năm 1970. Không giống như các rơ le được đề cập ở trên, rơ le bảo vệ kỹ thuật số có hai phần chính: phần cứng và phần mềm.

Rơ le Số

Sự khác biệt giữa rơ le bảo vệ số và kỹ thuật số nằm ở các chi tiết kỹ thuật tinh vi, và hiếm khi được tìm thấy trong các lĩnh vực khác ngoài lĩnh vực Bảo vệ. Rơ le số là sản phẩm của những tiến bộ công nghệ từ rơ le kỹ thuật số.

Nhìn chung, có một số loại rơ le bảo vệ số khác nhau. Tuy nhiên, mỗi loại có kiến ​​trúc tương tự nhau, do đó cho phép các nhà thiết kế xây dựng một giải pháp hệ thống toàn diện dựa trên một số lượng tương đối nhỏ các thành phần linh hoạt. Chúng sử dụng bộ xử lý tốc độ cao thực thi các thuật toán phù hợp.

Phân loại rơ le theo chức năng

Các chức năng bảo vệ khác nhau có sẵn trên một rơ le nhất định được biểu thị bằng số hiệu thiết bị ANSI tiêu chuẩn. Ví dụ, một rơ le có chức năng 51 sẽ là rơ le bảo vệ quá dòng có hẹn giờ.

Rơ le quá dòng

Rơ le quá dòng là một loại rơ le bảo vệ hoạt động khi dòng điện tải vượt quá giá trị ngưỡng. Có hai loại: rơ le quá dòng tức thời (IOC) và rơ le quá dòng thời gian xác định (DTOC).

Số hiệu thiết bị ANSI là 50 cho rơ le IOC hoặc rơ le DTOC. Trong một ứng dụng thông thường, rơ le quá dòng được kết nối với một biến dòng và được hiệu chuẩn để hoạt động ở hoặc cao hơn một mức dòng điện cụ thể.

Rơ le quá dòng thời gian xác định (DTOC) là rơ le hoạt động sau một khoảng thời gian xác định khi dòng điện vượt quá giá trị ngưỡng. Do đó, rơ le này có dải cài đặt dòng điện cũng như dải cài đặt thời gian.

Rơ le quá dòng thời gian nghịch đảo (ITOC) là rơ le quá dòng chỉ hoạt động khi cường độ dòng điện hoạt động của chúng tỷ lệ nghịch với cường độ của các đại lượng được cấp điện. Thời gian hoạt động của rơle giảm khi dòng điện tăng. Hoạt động của rơle phụ thuộc vào cường độ dòng điện.

Rơ le khoảng cách

Rơ le khoảng cách, còn được gọi là rơ le trở kháng, về nguyên lý khác với các dạng bảo vệ khác ở chỗ hiệu suất của chúng không phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện hoặc điện áp trong mạch được bảo vệ mà phụ thuộc vào tỷ số giữa hai đại lượng này. Rơ le khoảng cách thực chất là rơ le đại lượng tác động kép với một cuộn dây được cấp điện áp và cuộn dây còn lại được cấp điện áp.

Phần tử dòng điện tạo ra mô-men xoắn dương hoặc mô-men xoắn kích hoạt, trong khi phần tử điện áp tạo ra mô-men xoắn âm hoặc mô-men xoắn đặt lại. Rơ le chỉ hoạt động khi tỷ số V/I giảm xuống dưới một giá trị định trước (hoặc giá trị cài đặt).

Rơ le định hướng

Rơ le định hướng sử dụng một nguồn điện áp hoặc dòng điện phân cực bổ sung để xác định hướng của sự cố. Các phần tử định hướng phản ứng với sự dịch pha giữa đại lượng phân cực và đại lượng tác động. Sự cố có thể nằm ở phía trước hoặc phía sau vị trí của rơ le, cho phép các thiết bị bảo vệ phù hợp được vận hành bên trong hoặc bên ngoài vùng bảo vệ.

Rơ le kiểm tra đồng bộ

Rơle kiểm tra đồng bộ đóng tiếp điểm khi tần số và pha của hai nguồn tương tự nhau trong một biên độ dung sai nhất định. Rơle “kiểm tra đồng bộ” thường được áp dụng khi hai hệ thống điện được kết nối với nhau, chẳng hạn như tại trạm biến áp nối hai lưới điện, hoặc tại máy cắt máy phát điện để đảm bảo máy phát được đồng bộ với hệ thống trước khi kết nối.

Phân loại rơ le theo nguồn điện

Rơ le cũng có thể được phân loại theo loại nguồn điện.

• Rơ le tự cấp nguồn hoạt động bằng năng lượng lấy từ mạch được bảo vệ, chẳng hạn như thông qua các máy biến dòng được sử dụng để đo dòng điện lưới. Rơ le tự cấp nguồn có lợi thế về chi phí và độ tin cậy vì chúng không yêu cầu nguồn điện riêng.
• Rơ le cấp nguồn phụ sử dụng pin hoặc nguồn AC bên ngoài. Một số rơ le có thể sử dụng cả AC hoặc DC. Nguồn điện phụ phải có độ tin cậy cao khi xảy ra sự cố hệ thống để đảm bảo rơ le có thể hoạt động.
• Rơ le cấp nguồn kép được cấp nguồn bởi mạch được bảo vệ và thông qua một nguồn điện phụ đóng vai trò dự phòng.