Thiết kế và chế tạo rơle bảo vệ sa thải tải theo tần số

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 2.2 Cấu trúc bộ nhớ 24 2.3 Một số thanh ghi của AT90S8535 25 2.4 Timer/Counter của AT90S8535 28 2.5 Watchdog Timer của bộ vi điều khiển 30 2.6 Truy cập dữ liệu với EEPROM trong 31 2.7 Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI 31 2.8 UART 32 2.9 Bộ so sánh tương tự 33 2.10 Bộ biến đổi ADC 34 3 Khối ngoại vi (LCD, Phím, RTC, EEPROM) 37 3.1 Phím 37 3.2 Mạch đối thoại LCD 39 3.3 Mạch RTC DS12887 40 3.4 Mạch giao tiếp với EEPROM 24C16 42 4. Khối truyền tin với máy tính 43 5. Khối điều khiển tiếp điểm 45 6. Khối nguồn nuôi 46 Chương IV Modul phần mềm và lưu đồ thuật toán 49 Chương V Đánh giá thiết bị 61 Phụ lục Mã nguồn chương trình của Rơle 63 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, khi mà nhu cầu tiêu thụ điện càng cao thì việc bảo vệ các thiết bị điện tránh khỏi các sự cố là một điều cần thiết. Ở nước ta các nhà máy ,xí nghiệp càng ngày càng nhiều ,nhu cầu tiêu thụ điện sinh hoạt của người dân càng ngày càng tăng thì vấn đề bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện lại càng trở nên cấp bách hơn. Nhưng các thiết bị bảo vệ của nước ta đa số là nhập ngoại,giá thành của các thiết bị lại cao, đây là một phần nguyên nhân ảnh hưởng tới giá điện của nước ta. Nếu ta tự sản xuất được thiết bị thì có thể khắc phục nguyên nhân này. 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. CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ 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 thực hiện các biện pháp phục hồi tức thời và có hiệu quả, từng phần hay toàn bộ hệ thống có thể ngưng làm việc. Điều này gây ra thiệt hại trực tiếp cho hệ thống điện và các hộ tiêu thụ đồng thời nhiều khi con để lại hậu quả gián tiếp lớn hơn cho nền kinh tế do việc ngưng cung cấp năng lượng gây ra. Do đó những thiết bị bảo vệ này ngày càng phải được cải tiến về chức năng bảo vệ và độ tin cậy. Do điều kiện lịch sử , cho đến nay các loại rơle bảo vệ ở nước ta phần lớn có xuất xứ từ các nước xã hội chủ nghĩa cũ (Liên Xô) . Chúng thường là các loại Rơle điện cơ, một số khác là rơle tĩnh. Trong quá trình khai thác và sử dụng các loại rơle này bộc lộ ít nhiều nhược điểm như: Độ nhạy và độ chính xác bảo vệ chưa cao,dễ bị ảnh hưởng của nhiễu Chi phí khai thác, sử dụng cao ( chi phí duy trì điều kiện làm việc, chi ohí kiểm tra, chỉnh lại các tham số bảo vệ thường xuyên theo định kỳ, hay thiệt hại do việc ngừng cung cấp điện do các công việc này gây ra). Khả năng mềm dẻo kém do các chức năng bảo vệ đã được nối cứng Khả năng cung cấp thông tin về hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường và khi sự cố chưa cao nên gây nhiều khó khăn cho việc xác định nguyên nhân cũng như vị trí sự cố khi nó xảy ra. Tốc độ phát hiện và cách ly sự cố chưa nhanh. Việc áp dụng rơle số một cách đồng bộ để thay thế rơle kiều cũ cho phép khắc phục những nhược điểm trên và điều này đặc biệt tỏ ra cấp thiết đối với lưới truyền tải, nơi mà yều cầu về tốc độ thao tác của thiết bị bảo vệ ngày một trở nên gay gắt. Nhưng công việc này gặp phải một số vấn đề nan giải. Trước hết đó là vấn đề phải có số vốn đủ lớn để thay thế đồng loạt các rơle theo thứ tự ưu tiên từ cấp truyền tải xuống. Thực tế hiện nay, hàng năm ngành Điện đầu tư hàng ngàn tỷ đồng vào việc nâng cấp hệ thống lưới điện và trạm phân phối. Để tăng được hiệu quả của đồng vốn đầu tư, ngoài việc tăng cường quản lý tài chính thì việc giảm bớt tỷ trọng thiết bị nhập ngoại cũng là một yếu tố quyết định.Các loại rơle mua của những hãng nổi tiếng của nước ngoài có giá thành 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. 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. 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 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 công cụ thực hiện rất tốt những công việc cơ bản của rơle như: lọc các tín hiệu vào, đo nhanh nhiều biến (ba dòng, ba áp, thời gian, tần số và các đại lượng khác…), tính toán nhanh những xử lý phức tạp (số học, giải tích, đếm, phân tích phổ…), và so nhiều ngưỡng… có thể lưu trữ dữ liệu thu thập với khối lượng lớn. Có thể cài đặt vào máy in để in dữ liệu dạng số hay đồ thị. Rơle số có những bộ phận chính sau: Bộ phận đo canh: Là chức năng đầu tiên và quan trọng nhằm đo, lọc tính ra những thông số mạch điện mà rơle phải canh. Các lượng đầu vào nói chung là: dòng 3 pha, dòng trung tính , áp 3 pha, áp thứ tự zero. Số lượng đầu vào cụ thể tuỳ theo yêu cầu cụ thể của từng kiểu rơle. Những lượng này khi không có sự cố thường là hình sin và cân bằng, dòng trung tính, áp thứ tự zero bằng không. Nhưng khi có sự cố sẽ có biến động mạnh của thành phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng khiến sinh ra các thành phần thứ tự ngược và zero. Một nét đặc biệt quan trọng khác nữa là kèm theo đó thường sinh ra những thành phần quá độ tự do lớn, không chu kỳ, khiến dòng áp quá độ sự cố mất dạng hình sin. Do đó những dòng áp cần đo được : Biến nhỏ bằng những biến dòng CT (current transformer), biến áp VT (voltage transformer) đặc biệt không bão hoà và dải rộng. Lọc thông thấp ra thành phần tần số công nghiệp gồm lọc cứng khi cần kết hợp với lọc mềm, do tất cả các rơle tính toán bằng giá trị hiệu dụng hình sin của U, mà các đại lượng U,I khi sảy ra sự cố đều không có hình sin nên phải lọc để có tín hiệu hình sin. Ví dụ khi đo tần số bằng phương pháp đo chu kỳ thì phải tạo ra xung vuông từ xung hình sin đi qua điểm không. Do đó muốn có kết quả đo chính xác thì phải tiến hành lọc thông thấp.(Những công việc trên chủ yếu thực hiện bằng phần cứng) Bộ phận xử lý tính toán: 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: Khởi động Power – on. Chuẩn hoá đo canh. Xử lý tính toán. Cắt. Đóng lại. Lịch. Truyền tin. Phím. 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. Hình ?: Sơ đồ kết cấu của rơle số Phím Đèn Còi Mạch cắt MẠCH CHUẨN HOÁ ADC VI ĐIỀU KHIỂN INT U , I Truyền tin II. Một số chủng loại rơle thành bộ ngày nay. 1. Rơle bảo vệ đường dây truyền tải. Đường dây truyền tải được chia thành các loại: Cao và siêu cao áp từ 200 đến 500 kV hoặc cao hơn. Trung và cao áp 6 – 22 – 35 – 66 và 110 kV. Trong các bảo vệ đường dây cao áp và siêu cao áp bao gồm các bảo vệ chính sau: - So dọc phương hướng và khoảng cách giữa các miền (có thể từ 3 đến 4 miền). - Quá dòng so lệch từng pha. - Khoá và cắt khi dao động mất đồng bộ. - Chạm đất tức thời. - So lệch pha. Tất cả các bảo vệ trên đều có thể đóng lai và truyền tin về trung tâm. Trong các rơle bảo vệ đường dây trung và cao áp có các loại bảo vệ sau: 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). 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 : Quá dòng thời gian. Quá dòng tức thời Bảo vệ công suất có hướng. Quá áp và thấp áp Sa thải theo tần số Đóng lặp lại Tự động phục hồi điện áp thấp Tự động phục hồi khi tần số thấp Báo hư hỏng máy cắt Đóng máy bằng tay Chức năng đo lường giám sát có thể có chức năng sau: Báo vùng sự cố, ghi lại sự cố Vận hành máy cắt khi hư hỏng Đầu vào tương tự Dòng hồ quang tổng của máy cắt Ghi lại các sự kiện Màn hình hiển thị Đo các đại lượng U, I, Hz, Var, MVA, MW Nhật kí dữ liệu Giao diện người sử dụng: Bàn phím hoặc phím số Màn hình hiển thị Các đèn led chỉ thị Truyền thông RS 232 hay RS 485, RS 422 Truyền thông tin bằng cáp quang 3. Rơle bảo vệ máy biến áp. Bao gồm các bảo vệ sau: Bảo vệ so lệch Quá tải và quá dòng thời gian 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: 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 Giảm dòng Ngược pha Quá áp và thấp áp So lệch pha Giảm công suất khi mất tải Cuộn dây điều khiển máy cắt điện Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau: Dòng motor (ampe, % tải) Dung lượng nhiệt của motor Ghi lại giá trị trước khi cắt sự cố của motor Ghi lại trạng thái dữ liệu của motor Liên tục tự kiểm tra Dòng chạm đất Lựa chọn các loại đo chất lượng của năng lượng như: V, W, Var, Hz, MWh… Giao diện người dùng: Các đèn Led chỉ thị trạng thái của motor Màn hình hiển thị thông tin. Bàn phím và phím điều khiển. Cổng truyền thông RS 232 , RS 485. Truyền thông tin bằng cáp quang. 5. Rơle bảo vệ máy phát. Bao gồm các bảo vệ sau: So lệch Công suất ngược Quá dòng tức thời Hạn chế điện áp pha quá dòng Khống chế quá dòng liên tiếp Quá kích thích Mất từ trường Quá áp và thấp áp Ngược pha điện áp Chạm đất Stato Vượt và thấp tần Quá nhiệt độ Stato 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 Ổn định điện trở Công suất ngược Chức năng nhạy cảm so lệch dòng Chạm đất Quá dòng, ngắn mạch Các lựa chọn chức năng báo hư hỏng máy cắt Các lựa chọn giám sát điều khiển quá dòng Cắt độc lập và báo động đầu ra Đo lường và giám sát có các chức năng sau: Ghi lại sự kiện Giám sát các chức năng Đo điện áp và dòng điện Tự kiểm tra Đầu vào IRIG – B Giao diện người dùng: Màn hình hiển thị và bàn phím Lựa chọn hệ thống bảo vệ và kiểm tra Truyền thông RS 232, RS 485… Có thể truyền thông tin bằng cáp quang 7. Rơle bảo vệ từng chức năng riêng rẽ khác. Bảo vệ tần số, bảo vệ quá dòng, bảo vệ công suất có xu hướng, bảo vệ chạm đất…Nói chung các rơle cơ khí có loại nào thì rơle số có loại đó. Xu hướng chung là tổng hợp chúng thành bộ như trên song trên thực tế vẫn còn nhiều nơi cần những bảo vệ đơn lẻ hoặc các bảo vệ để liên kết các bộ lớn, do vậy hiện nay người ta vẫn chế tạo song song hai loại. III. Các loại sự cố bảo vệ của rơle số hoá bảo vệ đường dây phân phối. Rơle số làm việc dựa trên nguyên tắc đo lường số. Các trị số của đại lượng tương tự dòng, áp nhận được từ phía thứ cấp của máy biến dòng và biến điện áp là những đầu vào của rơle. Rơle số hoạt động theo hệ thời gian thực, cứ 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: Ngắn mạch giữa các pha với nhau.( giữa hai pha ab, bc,ca, hai ba pha abc.) Ngắn mạch giữa hai pha với đất, ba pha với đất.( không có ngắn mạch 1 pha với đất). b. Đối với mạng trung tính nối đất, có các loại sự cố sau: Chập mạch giữa các pha với nhau Một pha chạm đất, hai pha chạm đất, ba pha chạm đất. *. Nguyên nhân của chập mạch : Nguyên nhân chung và chủ yếu của chập mạch là do cách điện của lưới điện bị hỏng hoặc cách điện giữa các pha với nhau không đảm bảo (hoặc bị phá vỡ). Lý do cách điện bị hỏng là do già cỗi do làm việc lâu ngày, chịu tác động cơ khí gây vỡ nát, bị tác động của nhiệt độ gây phá huỷ môi chất. Xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc. Những nguyên nhân tác động cơ khí có thể do con người, loài vật, hay do bão làm gãy cây đổ cột, dây dẫn chập nhau… Sét đánh gây phóng điện cũng là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng chập mạch (tạo ra hồ quang dẫn điện giữa các dây dẫn). Chập mạch còn có thể do thao tác nhầm, ví dụ như đóng điện sau khi sửa chữa mà quên tháo dây nối đất… *. Hậu quả của chập mạch: Chập mạch là loại sự cố nguy hiểm, vì khi chập mạch dòng điện đột ngột tăng lên rất lớn (2 ÷ 20) Iđm chạy trong các phần tử của hệ thống điện. Dòng điện chập mạch có thể gây ra các hậu quả sau: Phần tử hư hỏng bị tia hồ quang và nhiệt lượng của dòng ngắn mạch phá huỷ. Ngắn mạch càng tồn tại lâu thì mức độ phá huỷ càng lớn vì nhiệt lượng toả ra trên một phần tử bằng Q = KI2Nrt. Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần tử của thiết bị điện, làm biến dạng hoặc phá huỷ các bộ phận như: Sứ đỡ thanh dẫn….. 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 vật lớn quá thì một lần đốt vật gây chập mạch đó chưa cháy hết thì cần phải tiến hành đốt nhiều làn theo chu trình: Trip1 ® t1 ® close1 ® Trip2 ® t2 ® close2 ® Trip3 ® t3® close3 Số lần đóng lại người dung có thể đặt, thông thường khoảng 3 lần. Nếu sau 3 lần mà vẫn phát hiện thấy có sự cố thì cắt hoàn toàn đường dây bị sự cố. 3. Sự cố tần số thấp. Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất của nguồn phát ra tức là thiếu hụt công suất làm cho tần số lưới điện giảm xuống thấp – đó là sự cố tần số thấp. Khi tần số không ổn định ở 50Hz làm cho chất lượng vận hành kém đi, gây hư hỏng thiết bị như: máy phát điện bị nóng, động cơ không đồng bộ quay không đúng tốc độ… Do đó rơle trung áp làm nhiệm vụ phát hiện tần số thấp (thấp hơn so với ngưỡng của người lập trình) thông báo cho người sử dụng biết và có thể cắt máy cắt nếu người dùng muốn. CHƯƠNG III SƠ ĐỒ KHỐI VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I. Sơ đồ khối Rơle sa thải tải tần số được thiết kế như sau: Mạch lọc 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 II. Thiết kế phần cứng 1. Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu Rơle làm việc với những tín hiệu điện nối với hệ thống thông qua máy biến dòng biến áp. Chúng còn được gọi là máy biến đổi đại lượng đầu vào hoặc máy biến đổi đo lường, có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía hệ thống, đồng thời giảm biên độ của điện áp và dòng điện của hệ thống xuống đến những trị số chuẩn ở phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng các thiết bị bảo vệ đo lường và điều khiển. 1.1 Mạch lọc và chuẩn hoá điện áp Tín hiệu vào của rơle là áp từ: 0 ¸ 220V. 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: Lọc thông thấp Mạch chuẩn hoá Ura 1 chiều 5V Tần số lưới Hình 3: Sơ đồ khối mạch lọc và chuẩn hoá Biến áp 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 = 2P*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. Hình 4: Mạch lọc và chuẩn hoá điện áp 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: Tc = 2P*(R4+R5)*C1 Wc = Hàm truyền đạt của mạch lọc : Vậy ta có : ; . Với w nhỏ, khi đó coi như bằng không. K1 = 1 ; K = K0 = Với w = wc , khi đó : K1 = ; K = K0 Vì trong mạch cho phép tần số công nghiệp đi qua nên ta chọn fc = 50Hz. Khi đó wc = 2.P.fc = 2.P.50 = 314 (rad) Mà theo công thức Vậy R4.C1 = = 3,2 (ms) Từ đó ta chọn C1 = 220 nF R4 = 15 kW 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: Vậy để áp ra khỏi mạch chuyển đổi chuẩn hoá này đạt được 5V thì hệ số khuếch đại của mạch lọc này là . Khi đó áp ra là 2,16.3,2 = 6,9V. Và sau đó điện áp này được đưa qua biến trở để hiệu chỉnh thành 5V. Sở dĩ phải làm như vậy vì điện trở được dùng có độ chính xác không cao, nên cần loại bỏ sai số do điện trở gây ra. Điện áp ra khỏi mạch lọc được đưa vào mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ sau đó lọc san phẳng bằng 1 tụ hoá C2 = 4.7(mF). Cũng từ điện áp ra khỏi mạch lọc này được đưa vào mạch biến đổi điện áp hình sin ra thành xung vuông có cả phần âm và phần dương. Hoạt động của mạch là so sánh điện áp vào với 0 nhờ một mạch so sánh LM393. Khi Uvào > 0 thì Ura của LM393 là +5V Khi Uvào < 0 thì Ura của LM393 là -5V Hình 5: Mạch tạo xung vuông Tần số của xung vuông này chính bằng tần số đầu vào từ máy biến áp của mạch. Để cắt bỏ phần âm của tín hiệu ta dùng một diode. Vì trong đồ án này sử dụng phương pháp đo tần số bằng cách đo chu kỳ do đó tìn hiệu xung vuông tần số được đưa vào chân ngắt INT0 để khởi động timer sau đó ta đếm thời gian của 2 lần ngắt chính là chu kỳ cần đo. Và ta có tần số f = 1/T. 2. Khối xử lý và điều khiển Dòng vi điều khiển AVR là dòng xử lý 8 bit với cấu trúc havard, tập lệnh RISC với 118 lệnh, phần lớn là lệnh thực hiện trong một chu kỳ. Nhằm tìm hiểu những tính năng mạnh của dòng vi điều khiển này, trong đồ án này đã sử dụng loại vi điều khiển AT90S8535. Đây là sản phẩm của hãng Atmel và nó có những đặc tính như sau: Bao gồm: 32 thanh ghi đa chức năng 8 bít. Có thể đạt tới tốc độ 8 triệu lệnh/ giây với tần số đạt vào là 8 MHz. 8k bộ nhớ chưng trình flash có giao tiếp SPI ghi xoá được 1000 lần. 512 byte EEPROM ghi xoá 100,000 lần. 512 byte SRAM trong. Chức năng ngoại vi gồm có : 1 ADC 10 bit 8 kênh. 2 Timer 8 bit các tần số định trước, và chế độ so sánh. 1 Timer 16 bit với tần số định trước có chế độ compare và capture. Lập trình cho watchdog timer với tần số trên chíp Có bộ so sánh tưng tự trên chíp. Và có một số chức năng đặc biệt khác như : Khởi động bằng mạch khởi động. Có mạch Realtime clock với mạch dao động riêng và chế độ đếm. Các nguồn ngắt trong và ngắt ngoài. Ba chế độ ngủ: Idle, power save, power down. 2.1 Cổng vào ra song song: Vi điều khiển AT90S8535 có 4 cổng và ra song song đó là PortA, PortB, PortC, PortD. Mỗi cổng của AVR có 3 thanh ghi đó là thanh ghi điều khiển hướng vào ra của dữ liệu (Data Direction Register), thanh ghi dữ liệu (Data Register), và thanh ghi PIN (Port Input Adress) khi đọc dữ liệu vào từ port thì ta chỉ việc đọc giá trị từ PIN. Port A: Là cổng 8 bit 2 chiều. Các chân của cổng có sẵn điện trở treo cao bên trong. Đệm đầu ra cổng A có dòng sink 20mA và có thể điều khiển LED trực tiếp.Port A cũng có thể được dùng như các đầu vào của ADC. Các chân cổng A là 3 trạng thái khi Reset, và khi không có clock. Port B Là cổng 8 bit 2 chiều. Các chân của cổng có sẵn điện trở treo cao bên trong. Đệm đầu ra cổng A có dòng sink 20mA và có thể điều khiển LED trực tiếp. Các chân cổng B còn có các chức năng khác như : Các chân Chức năng PB0 T0 (đầu vào ngoài của T/C 0) PB1 T1 (đầu vào ngoài của T/C 1) PB2 AIN0(đầu vào dương của bộ so sánh tương tự) PB3 AIN1(đầu vào âm của bộ so sánh tương tự) PB4 (SPI slave select input) PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) PB7 SCK (SPI Bus Serial Clock) Port C: Là cổng 8 bit 2 chiều vào ra, các thanh ghi điều khiển là DDRC, PORTC, PINC. Cũng như các cổng khác bộ đệm vào của port C có khả năng hút dòng tới 20mA nên có thể điều khiển trực tiếp LED. Còn hai chân PC6 và PC7 được nối với một bộ tạo dao động thạch anh 32.768 kHz để làm tần số hoạt động cho timer2 hoạt động như một bộ RTC. Khi đó hai chân này không còn chức năng là chân vào ra của cổng này nữa. Port D Là cổng 8 bit 2 chiều vào ra, các thanh ghi điều khiển là DDRD, PORTD, PIND. Cũng như các cổng khác bộ đệm vào của port C có khả năng hút dòng tới 20mA nên có thể điều khiển trực tiếp LED. Ngoài ra các chân của Port D còn có các chức năng khác như sau: Các chân Chức năng PD0 RxD (UART Input Line) PD1 TxD (UART Output Line) PD2 INT0 (đầu vào ngắt ngoài 0) PD3 INT1 (đầu vào ngắt ngoài 1) PD4 OC1B (Timer/Counter1 output compare B match output) PD5 OC1A (Timer/Counter1 output compare A match output) PD6 ICP (Timer/Counter1 input capture pin) PD7 OC2 (Timer/Counter2 output compare match output) 2.2 Cấu trúc bộ nhớ: Bộ nhớ chương trình là bộ nhớ Flash, dung lượng là 8k, được tổ chức 4kx16 bit. Bộ nhớ chương trình được truy nhập theo từng chu kỳ đồng hồ, và một lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh. Thanh ghi lệnh nối với tệp 32 thanh ghi bằng cách lựa chọn xem thanh ghi nào sẽ được ALU sử dụng để thực thi lệnh. Lối ra của thanh ghi lệnh được giải mã bằng bộ giải mã lệnh để quyết định chọn tín hiệu nào sẽ được kích hoạt để hoàn thành lệnh hiện tại. Bộ nhớ chương trình bên cạnh các lệnh lưu trữ, cũng chứa các vector ngắt bắt đầu từ địa chỉ $0000h. Chưong trình hiện tại sẽ bắt đầu ở vị trí phía bên kia vùng dùng cho các vetor ngắt. AVR có 13 vector ngắt như sau: Địa chỉ Vector Giải thích $0000 Reset ;Reset handler $0001 EXT_INT0 ;IRQ0 handler $0002 XT_INT1 ;IRQ1 handler $0003 ETIM_CAPT ;Timer1 capture handler $0004 TIM1_COMA ;Timer1 compareA handler $0005 TIM1_COMB ;Timer1 compareB handler $0006 TIM1_OVF ;Timer1 over flow handler $0007 TIM0_OVF ;Timer0 oveflow handler $0008 SPI_STC ;SPI transfer complate handler $0009 UART_RxC ;UART Rx complate ;handler $000A UART_DRE ;UART UDR empty handler $000B UART_TxC ;UART Tx complate handler $000C ANA_COMP ;Analog compare handler Bộ nhớ dữ liệu có tất cả 5 phần khác nhau: Một tệp thanh ghi (register file) với 32 thanh ghi 8 bit từ R0¸R31. 64 thanh ghi vào ra (I/O), mỗi thanh 8 bit. Bộ nhớ SRAM bên trong, có dung lượng 512 byte. Bộ nhớ SRAM được sử dụng cho ngăn xếp cũng như để lưu trữ các biến. Trong thời gian ngắt và đoạn gọi chưng trình con, giá trị hiện tại của con trỏ chưng trình được lưu trữ trong ngăn xếp. Kích thước của ngăn xếp phụ thuộc vào SRAM trên chip. Vị trí của ngăn xếp được chỉ bởi con trỏ ngăn xếp. Con trỏ ngăn xếp là thanh ghi có độ dài 2 byte. Con trỏ ngăn xếp cần được khởi tạo sau khi reset, và trước khi ngăn xếp được sử dụng. Bộ nhớ SRAM bên ngoài, sử dụng các cổng để truy nhập bộ nhớ và dữ liệu bên ngoài. EEPROM được truy nhập ._.