Relay bảo vệ là gì?
Relay bảo vệ (protection relay) là thiết bị có nhiệm vụ phát hiện sự cố trong hệ thống điện và ra lệnh cắt máy cắt (circuit breaker) để cô lập vùng sự cố. Đây là xương sống của hệ thống bảo vệ điện lực, từ trạm biến áp hạ thế 22/0,4kV nhỏ nhất đến đường dây truyền tải 500kV.
Relay bảo vệ khác relay điều khiển (relay trung gian, relay thời gian) ở ba điểm:
- Đo lường chính xác: Kết nối với máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU) để đo các đại lượng điện với độ chính xác cao
- Tốc độ tác động: Cần tác động trong vài mili-giây đến vài chục mili-giây, không thể chậm trễ
- Tính chọn lọc (selectivity): Chỉ cắt phần tử bị sự cố, giữ nguyên phần còn lại của hệ thống
Relay bảo vệ hiện đại (IED — Intelligent Electronic Device) là máy tính nhúng tích hợp nhiều chức năng bảo vệ, đo lường, ghi sự cố, và truyền thông SCADA trong một hộp.
Phân loại relay bảo vệ theo chức năng (chuẩn ANSI)
| Mã ANSI | Tên relay | Chức năng | Bảo vệ đối tượng |
|---|---|---|---|
| 21 | Relay khoảng cách (Distance) | Đo trở kháng Z = V/I, tác động khi Z nhỏ hơn ngưỡng (sự cố gần) | Đường dây truyền tải, cáp trung thế |
| 27 | Relay thấp áp (Undervoltage) | Tác động khi điện áp giảm dưới ngưỡng (ví dụ: <80% Uđm) | Motor, tụ bù, thiết bị nhạy điện áp |
| 32 | Relay công suất ngược (Directional power) | Tác động khi công suất chạy ngược chiều (máy phát nhận công suất từ lưới) | Máy phát điện |
| 40 | Relay mất kích từ (Loss of excitation) | Phát hiện máy phát mất kích từ, hoạt động như động cơ đồng bộ | Máy phát điện |
| 46 | Relay mất cân bằng pha / thứ tự nghịch | Tác động khi dòng thứ tự nghịch vượt ngưỡng | Motor, máy phát |
| 49 | Relay nhiệt cuộn dây (Thermal) | Mô hình nhiệt cuộn dây máy biến áp/motor, tác động khi quá nhiệt | Máy biến áp, motor lớn |
| 50 | Relay quá dòng tức thì (Instantaneous OC) | Tác động tức thì khi dòng vượt ngưỡng cao (thường 10–20 × Iđm) | Ngắn mạch gần nguồn |
| 51 | Relay quá dòng có thời gian (Time OC) | Tác động theo đặc tính thời gian-dòng điện (inverse time) | Đường dây, máy biến áp, cáp |
| 59 | Relay quá áp (Overvoltage) | Tác động khi điện áp vượt ngưỡng (ví dụ: >115% Uđm) | Thiết bị đầu cuối, tụ bù |
| 64 | Relay chạm đất (Ground fault) | Phát hiện sự cố chạm đất bằng dòng thứ tự không | Máy phát, máy biến áp, cáp |
| 67 | Relay quá dòng có hướng (Directional OC) | Kết hợp hướng công suất với quá dòng — tác động khi sự cố theo hướng bảo vệ | Lưới vòng, hệ thống phân tán |
| 81 | Relay tần số (Frequency) | Tác động khi tần số lệch khỏi dải cho phép (49–51Hz) | Máy phát, tải quan trọng |
| 87 | Relay so lệch (Differential) | So sánh dòng vào và dòng ra của phần tử bảo vệ, tác động khi lệch > ngưỡng | Máy biến áp, máy phát, thanh cái |
Relay quá dòng ANSI 50/51 — phổ biến nhất trong thực tế VN
Relay quá dòng (overcurrent relay) là loại phổ biến nhất, được lắp hầu hết trong các tủ RMU, tủ hạ thế 0,4kV và tủ phân phối.
ANSI 50 — Instantaneous: Tác động tức thì (thường <50ms) khi dòng vượt ngưỡng đặt cao. Ví dụ: chỉnh 1000A cho đường dây 400A định mức — chỉ tác động khi có ngắn mạch, không tác động quá tải.
ANSI 51 — Time overcurrent: Tác động theo đặc tính inverse time — dòng càng lớn, thời gian tác động càng ngắn. Chuẩn IEC 60255 định nghĩa các đường cong:
- Standard Inverse (SI): t = 0,14 × TDS / (I/Is)^0,02 – 1 — thường dùng cho đường dây phân phối
- Very Inverse (VI): t = 13,5 × TDS / (I/Is – 1) — phân biệt tốt quá tải và ngắn mạch
- Extremely Inverse (EI): t = 80 × TDS / (I/Is)^2 – 1 — phù hợp bảo vệ máy biến áp, fuse coordination
Trong đó: TDS = time dial setting (hệ số thời gian, 0,05–1,0); Is = dòng chỉnh định (pickup current); I = dòng sự cố thực.
Relay so lệch ANSI 87 — bảo vệ máy biến áp
Relay so lệch hoạt động theo nguyên lý Kirchhoff: dòng vào phần tử bảo vệ phải bằng dòng ra. Nếu dòng vào ≠ dòng ra, có nghĩa là có dòng rò trong phần tử (sự cố nội bộ).
Thực tế phức tạp hơn vì: (1) Máy biến áp đổi cấp điện áp nên dòng sơ cấp ≠ dòng thứ cấp; (2) Góc lệch pha Δ-Y 30 độ; (3) Dòng từ hóa khi đóng điện (inrush current) có thể lên 10–15 lần Iđm trong vài chu kỳ đầu.
IED hiện đại xử lý tất cả bằng thuật toán phần mềm: bù tỉ số BI, bù góc pha, lọc sóng hài bậc 2 (đặc trưng inrush) để tránh tác động sai khi đóng điện máy biến áp.
Ứng dụng trong TBA 22/0,4kV tại Việt Nam
Trạm biến áp điển hình 22kV/0,4kV tại khu công nghiệp Việt Nam thường trang bị:
- Phía 22kV (RMU — Ring Main Unit): Relay quá dòng ANSI 50/51 + chạm đất ANSI 51N, thường dùng IED Siemens 7SJ85, ABB REF630, hoặc Schneider Sepam 40
- Máy biến áp: Rơle Buchholz (khí), relay nhiệt độ cuộn dây (winding temperature relay ANSI 49), relay so lệch ANSI 87T cho TBA công suất lớn (>5MVA)
- Phía 0,4kV: MCCB có chức năng bảo vệ điện tử (LSI: Long-Short-Instantaneous), relay thứ tự nghịch ANSI 46 cho motor quan trọng
- Hệ thống chung: Relay tần số ANSI 81 và relay điện áp ANSI 27/59 cho phụ tải ưu tiên
Tiêu chuẩn IEC 60255
IEC 60255 là bộ tiêu chuẩn quốc tế cho relay đo lường và thiết bị bảo vệ, gồm nhiều phần:
- IEC 60255-1: Yêu cầu chung (cơ học, điện, EMC)
- IEC 60255-151: Relay quá dòng có thời gian, định nghĩa các đường cong SI/VI/EI/LTI
- IEC 60255-187-3: Relay so lệch máy biến áp
- IEC 60255-127: Relay khoảng cách
Tiêu chuẩn ANSI/IEEE C37.2 song song tồn tại và phổ biến tại thị trường Mỹ, cũng được dùng rộng rãi ở Việt Nam để đặt tên chức năng (mã số ANSI).