Thiết kế hệ thống bảo vệ trạm biến áp 110kv

Thiết kế hệ thống bảo vệ trạm biến áp 11022kV. Thiết kế hệ thống rơ le bảo vệ cho máy biến áp 3 cuộn dây 11022 kV công suất 40 MVA. Tính toán ngắn mạch, lựa chọn thiết bị và tính toán giá trị bảo vệ cho hệ thống, kiểm tra chức năng bảo vệ của hệ thống đã thiết kế.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP 110/22kV 40MVA

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

ThS Nguyễn Hào Nhán Lê Trường Thuận (MSSV:B1603753)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa: 42

Tháng 1/2021

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP 110/22kV 40MVA

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

ThS Nguyễn Hào Nhán Lê Trường Thuận (MSSV:B1603753)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa: 42

Tháng 1/2021

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2020

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

HỌC KỲ I, NĂM HỌC: 2020– 2021

Email: thuanb1603753@student.ctu.edu.vn ĐT:0366898593

2 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống bảo vệ cho máy biến áp 110/22kV

40MVA

3 Địa điểm thực hiện: Khoa Công nghệ trường Đại học Cần Thơ

4 Họ và tên người hướng dẫn: ThS Nguyễn Hào Nhán

5 Mục tiêu của đề tài: Với mục tiêu chính là bảo vệ cho máy biến áp 110kV trước các sự cố và tình trạng làm việc không bình thường của máy biến áp Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải và an toàn thiết bị, phần tử thiết yếu của trạm

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH CHO MÁY BIẾN ÁP

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG BẢO VỆ

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài:

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài:

DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HĐ LV&TLTN

Luận văn này, với đề tài là “Thiết kế hệ thống bảo vệ cho máy biến áp 110/22kV 40MVA”, do sinh viên Lê Trường Thuận thực hiện theo sự hướng dẫn của giảng viên ThS Nguyễn Hào Nhán Luận văn đã báo cáo và được hội đồng chấm luận văn thông qua ngày 14 tháng 1 năm 2021

Chủ tịch Hội đồng, giảng viên phản biện 2

TS Đỗ Nguyễn Duy Phương

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: ThS Nguyễn Hào Nhán

2 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống bảo vệ cho máy biến áp 110/22kV 40MVA

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày 14 tháng 1 năm 2021

Cán bộ hướng dẫn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 1

1 Cán bộ chấm phản biện: ThS Đào Minh Trung

2 Tên đề tài luận văn tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống bảo vệ cho máy biến áp 110/22kV 40MVA

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày 14 tháng 1 năm 2021

Cán bộ chấm phản biện

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 2

1 Cán bộ chấm phản biện: TS Đỗ Nguyễn Duy Phương

2 Tên đề tài luận văn tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống bảo vệ cho máy biến áp 110/22kV 40MVA

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày 14 tháng 1 năm 2021

Cán bộ chấm phản biện

khoa Công nghệ và các thầy, cô trong bộ môn Kỹ thuật điện đã tận tình hướng dẫn

và chỉ dạy cho em những kiến thức quý báo trong 4,5 năm học vừa qua Giúp em có

được những kiến thức cũng như các kinh nghiệm thực tế trước khi bước ra môi trường

làm việc

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hào Nhán đã luôn

quan sát và hướng dẫn tận tình suốt 15 tuần làm luận văn, đã tạo điều kiện để em có

thể hoàn thành luận văn này hoàn chỉnh nhất Từ đó giúp em có được những kiến

thức lý thuyết và thực tế vô cùng quý báu

Ngoài ra, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã nuôi dưỡng, động viên và tạo

điều kiện học tập tốt nhất cho em và những người bạn đã bên cạnh giúp đỡ em trong

suốt quãng thời gian học tập vừa qua

Với vốn kiến thức vẫn còn hạn chế và chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế nên

luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong sự thông cảm và chỉnh sửa,

góp ý của các thầy trong Bộ môn để luận văn của em có thể được hoàn thiện hơn

Cần Thơ, ngày 4 tháng 1 năm 2021

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Trường Thuận

như trong cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của con người Để đảm bảo chất lượng và sản lượng điện năng cần thiết, tăng cường độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, đảm bảo an toàn cho thiết bị và sự làm việc ổn định trong toàn hệ thống, cần phải

sử dụng một cách rộng rãi và có hiệu quả các phương tiện bảo vệ, thông tin, đo lường, điều khiển và điều chỉnh tự động trong hệ thống điện

Trong số các phương tiện này, rơ le và thiết bị bảo vệ bằng rơ le đóng một vai trò hết sức quan trọng Trong quá trình vận hành hệ thống điện, không phải lúc nào

hệ thống cũng hoạt động ổn định, thực tế chúng ta luôn gặp tình trạng làm việc không bình thường hoặc sự cố như ngắn mạch, quá tải, mà nguyên nhân có thể do chủ quan hoặc khách quan Hệ thống rơ le sẽ phát hiện và tự động loại trừ các sự cố, xử

lý các tình trạng làm việc bất thường của hệ thống

Đề tài bao gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về máy biến áp

Chương 2: Tính toán ngắn mạch cho máy biến áp

Chương 3: Lựa chọn thiết bị cho hệ thống bảo vệ

Chương 4: Tính toán thông số và kiểm tra sự làm việc của rơle

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Cần Thơ, ngày 4 tháng 1 năm 2021

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Trường Thuận

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

MỤC LỤC HÌNH iv

MỤC LỤC BẢNG vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 1

1.1 Giới thiệu về máy biến áp 1

1.1.1 Khái niệm về máy biến áp 1

1.1.2 Cấu tạo máy biến áp 2

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp 4

1.1.4 Phân loại máy biến áp 5

1.1.5 Các dạng sự cố và tình trạng làm việc không bình thường của máy biến áp 6

1.2 Các chức năng bảo vệ cho máy biến áp 7

1.2.1 Các yêu cầu đối với hệ thống bảo vệ 7

1.2.2 Bảo vệ so lệch (87) 7

1.2.3 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không (87N) 9

1.2.4 Bảo vệ quá dòng điện 10

1.2.4.1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) 11

1.2.4.2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51) 12

1.2.4.3 Bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N) 14

1.2.5 Bảo vệ bằng rơ le khí (Buchholz - 96B) 15

1.2.6 Bảo vệ quá nhiệt máy biến áp 16

1.3 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống bảo vệ rơ le cho máy biến áp 18

1.3.1 Máy biến dòng 18

1.3.2 Rơ le kỹ thuật số 20

1.3.3 Máy biến điện áp 21

1.3.4 Máy cắt điện 22

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH CHO MÁY BIẾN ÁP 24

2.1 Mục đích của việc tính toán ngắn mạch 24

2.2 Các giả thiết cơ bản 25

2.3 Giới thiệu về đối tượng được bảo vệ và các thông số chính 25

2.3.2 Các thông số chính 26

2.4 Chọn các đại lượng cơ bản và tính thông số các phần tử 27

2.4.1 Các đại lượng cơ bản 27

2.4.2 Thông số các phần tử: 27

2.5 Tính toán ngắn mạch cho máy biến áp 28

2.5.1 Sơ đồ thay thế tính toán ngắn mạch 29

2.5.2 Tính toán ngắn mạch ở chế độ cực đại SNmax 29

2.5.2.1 Ngắn mạch tại thanh cái 110kV 29

2.5.2.2 Ngắn mạch tại thanh cái 22kV 33

2.5.3 Tính toán ngắn mạch ở chế độ cực tiểu SNmin 35

2.5.3.1 Ngắn mạch tại thanh cái 110kV 36

2.5.3.2 Ngắn mạch tại thanh cái 22kV 39

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG BẢO VỆ 44

3.1 Chọn sơ đồ bảo vệ cho máy biến áp 44

3.2 Chọn máy cắt, máy biến dòng, máy biến điện áp 46

3.2.1 Chọn máy cắt điện 46

3.2.2 Chọn máy biến dòng điện 47

3.2.3 Chọn máy biến điện áp 48

3.3 Chọn rơ le bảo vệ cho máy biến áp 49

3.3.1 Rơ le bảo vệ so lệch MICOM P633 49

3.3.1.1 Giới thiệu tổng quan về rơ le MICOM P633 49

3.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của rơ le MICOM P633 52

3.3.1.3 Một số thông và số kỹ thuật của rơ le MICOM P633 53

3.3.1.4 Cách chỉnh định và cài đặt thông số cho rơ le MICOM P633 56

3.3.1.5 Chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp của rơ le MICOM P633 56

3.3.1.6 Chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF) của rơ le MICOM P633 60

3.3.1.7 Chức năng bảo vệ quá dòng của MICOM P633 62

3.3.1.8 Chức năng bảo vệ chống quá tải của MICOM P633 62

3.3.2 Rơ le bảo vệ quá dòng MICOM P132 63

3.3.2.1 Giới thiệu tổng quan về rơ le MICOM P132 63

3.3.2.2 Các chức năng của rơ le MICOM P132 63

3.3.2.3 Đặc điểm cấu trúc của rơ le MICOM P132 65

3.3.2.4 Chức năng bảo vệ quá dòng điện có thời gian của MICOM P132 69

3.3.2.5 Chức năng tự động đóng lại 71

3.3.2.6 Chức năng bảo vệ quá tải 71

3.3.2.7 Chức năng chống hư hỏng máy cắt 71

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA RƠLE 72

4.1 Tính toán các chức năng bảo vệ sử dụng rơ le MICOM P633 72

4.1.1 Khai báo thông số máy biến áp 72

4.1.2 Tính toán chức năng bảo vệ so lệch có hãm (87T) 73

4.1.3 Tính toán chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế (87N) 75

4.1.4 Kiểm tra độ nhạy và an toàn hãm bảo vệ so lệch 75

4.1.5 Kiểm tra độ nhạy chống chạm đất hạn chế 77

4.2 Tính toán các chức năng bảo vệ sử dụng rơ le MICOM P132 79

4.2.1 Chức năng bảo vệ quá dòng cắt nhanh 79

4.2.2 Chức năng bảo vệ quá dòng có thời gian 79

4.2.2.1 Quá dòng có thời gian (51) 79

4.2.2.2 Chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N) 80

4.2.3 Kiểm tra độ nhạy bảo vệ quá dòng 81

4.2.4 Kiểm tra độ nhạy quá dòng thứ tự không 81

4.3 Cài đặt thông số cho rơ le bằng phần mềm chuyên dụng Easergy Studio 83

4.3.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm Easergy Studio 83

4.3.2 Cài đặt thông số cho rơ le bằng Easergy Studio 84

4.3.2.1 Chỉnh định rơ le so lệch MICOM P633 trên Easergy Studio 85

4.3.2.1 Chỉnh định rơ le quá dòng MICOM P132 trên Easergy Studio 86

4.4 Kiểm tra sự làm việc của rơ le khi có sự cố ngắn mạch 88

4.4.1 Ngắn mạch phía 110kV 88

4.4.2 Ngắn mạch phía 22kV 90

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

5.1 Kết luận 94

5.2 Kiến nghị 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

Hình 1.1 Máy biến áp 3 pha 110/22 kV 40 MVA 1

Hình 1.2 Các loại lõi thép máy biến áp 2

Hình 1.3 Cấu tạo bên trong máy biến áp 3

Hình 1.4 Vỏ máy biến áp thông dụng 4

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động máy biến áp 5

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch 7

Hình 1.7 Nguyên lý làm việc của rơ le so lệch có hãm 8

Hình 1.8 Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dây 9

Hình 1.9 Sơ đồ bảo vệ so lệch thứ tự không cho máy biến áp 3 cuộn dây 10

Hình 1.10 bảo vê quá dòng cắt nhanh 11

Hình 1.11 Đặc tuyến thời gian của rơ le 51 13

Hình 1.12 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cho máy biến áp 14

Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo và bố trí rơ le khí cho máy biến áp 15

Hình 1.14 Sơ đồ bảo vệ quá nhiệt máy biến áp 17

Hình 1.15 Máy biến dòng đo lường 18

Hình 1.16 Cấu tạo máy biến dòng 19

Hình 1.17 Các loại rơle kỹ thuật số 20

Hình 1.18 Cấu trúc rơ le kỹ thuật số 21

Hình 1.19 Máy biến điện áp 22

Hình 1.20 Máy cắt điện cao áp 23

Hình 2.1 Sơ đồ trạm biến áp 26

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí các điểm ngắn mạch 28

Hình 2.3 Sơ đồ thứ tự thuận và thứ tự nghịch 29

Hình 2.4 Sơ đồ thứ tự không 29

Hình 3.1 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp 45

Hình 3.2 Rơ le MICOM P633 50

Hình 3.3 Sơ đồ chức năng của MICOM P633 51

Hình 3.4 Cấu trúc phần cứng của rơ le MICOM P633 53

Hình 3.5 Đặc tính tác động của rơle MICOM P633 57

Hình 3.6 Nguyên tắc hãm của chức năng bảo vệ so lệch trong MICOM P633 58

Hình 3.7 Nguyên lý bảo vệ chống chạm đất hạn chế trong Micom P633 60

Hình 3.8 Đặc tính tác động bảo vệ chống chạm đất hạn chế 61

Hình 3.9 Rơ le MICOM P132 63

Hình 3.10 Sơ đồ chức năng của rơ le MICOM P132 65

Hình 3.11 Cấu trúc phần cứng MICOM P132 66

Hình 4.1 Đặc tính tác động của bảo vệ so lệch có hãm 75

Hình 4.2 Giao diện chính phần mềm Easergy Studio 83

Hình 4.3 Giao diện làm việc của Easergy Studio 84

Hình 4.4 Khai báo thông số máy biến áp cho rơle 85

Hình 4.5 Chỉnh định chức năng bảo vệ cho MICOM P633 86

Hình 4.6 Chỉnh định thông số bảo vệ cho MICOM P132 phía cao áp 87

Hình 4.7 Chỉnh định thông số bảo vệ cho MICOM P132 phía hạ áp 87

Hình 4.8 Sơ đồ các điểm ngắn mạch tính toán 88

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 14

Bảng 2.1 42

Bảng 2.2 42

Bảng 2.3 43

Bảng 3.1 47

Bảng 3.2 48

Bảng 3.3 49

Bảng 4.1 72

Bảng 4.2 78

Bảng 4.3 82

Bảng 4.4 82

Bảng 4.5 88

Bảng 4.6 89

Bảng 4.7 89

Bảng 4.8 90

Bảng 4.9 90

Bảng 4.10 91

Bảng 4.11 91

Bảng 4.12 92

Bảng 4.13 93

American National Standards Institude

Tiếng Việt

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa

Kỳ IEEE Institude of Electrical and

Electronics Engineers

Hội Kỹ sư Điện và Điện tử

BU

SCADA

Voltage Transformer Supervisory control and data acquisition

Máy biến điện áp Điều khiển giám sát và thu thập

dữ liệu

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP

1.1 Giới thiệu về máy biến áp

1.1.1 Khái niệm về máy biến áp

Máy biến áp là một loại thiết bị điện từ tĩnh có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều, truyền tải năng lượng hoặc đưa các tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện (vẫn giữ nguyên tần số) thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ, nó có thể tăng hoặc giảm điện áp tùy theo cấu tạo của nó Máy biến áp ngày nay thường được gọi với tên ngắn gọn là biến áp

Đôi khi, hay có sự nhầm lẫn về chức năng của máy biến áp, trên thực tế máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không làm biến đổi năng lượng

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các thiết bị, máy móc hiện đại, được sản xuất và nhập khẩu từ nước ngoài đang tăng cao Những loại thiết bị này thường có những mức điện áp định mức khác nhau và không giống với điện áp phổ biến ở nước ta Vì vậy, để sử dụng các thiết bị này cần phải sử dụng đến máy biến áp Qua đó, ta thấy được vai trò không thể thiếu của những chiếc máy biến áp trong các hệ thống sử dụng nhiều máy móc

Hình 1.1 Máy biến áp 3 pha 110/22 kV 40 MVA

1.1.2 Cấu tạo máy biến áp

Máy biến áp có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: lõi thép, dây quấn và vỏ máy Lõi thép: Lõi thép gồm có trụ và gông

Trụ là phần để đặt dây quấn còn gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành một mạch từ kín Lõi thép của máy biến áp được chế tạo từ nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau và thường được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt Lõi thép có chức năng dẫn từ thông đồng thời làm khung để đặt dây quấn

Đối với các loại biến áp dùng trong lĩnh vực thông tin, tần số cao thường được cấu tạo bởi các lá thép permally ghép lại Tổn thất điện năng trong mạch từ khoảng 1,1-1,3 W/kg đối với mật độ từ 1 Wb/m2 ở tần số f = 50 Hz Tất cả bu-lông siết chặt mạch từ đều được cách nhiệt bằng ống bakelit

Hình 1.2 Các loại lõi thép máy biến áp Dây quấn hay cuộn dây: thường được chế tạo bằng đồng hoặc nhôm bên ngoài bọc cách điện để nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra

Với biến áp quấn bằng dây đồng thì sẽ dẫn điện tốt hơn, tránh được oxy hóa, tăng tuổi thọ của biến áp Phần có nhiệm vụ nhận năng lượng vào nối với mạch điện xoay chiều được gọi là cuộn dây sơ cấp, còn phần nhiệm vụ nhận năng lượng ra nối với tải tiêu thụ được gọi là cuộn dây thứ cấp Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tùy thuộc vào nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại

Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

Dây máy biến áp có 2 loại chính:

- Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm gồm: Dây quấn hình trụ, dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao

áp, dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập, dây quấn hình xoáy ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật

- Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép

Hình 1.3 Cấu tạo bên trong máy biến áp

Vỏ máy: Tùy theo từng loại máy mà chúng được làm bằng các chất liệu khác nhau Chúng thường được làm từ nhựa, gỗ, thép và tản nhiệt Lúc máy biến áp làm việc, một phần năng lượng tiêu thao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép

và các bộ phận khác nóng lên Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong máy biến áp sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

Nắp thùng máy biến áp: Dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận như:

- Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

- Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

- Ống bảo hiểm: làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thủy tinh Nếu áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hỏng

- Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

- Rơ le hơi dùng để bảo vê máy biến áp

- Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu diều chỉnh điện áp của dây quấn cao

áp

Hình 1.4 Vỏ máy biến áp thông dụng

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp là hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Máy biến áp gồm có một cuộn dây sơ cấp và một hay nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ Theo định luật cảm ứng Faraday trường điện từ tạo ra dòng điện cảm ứng ở các cuộn thứ cấp Mạch dẫn từ được bố trí qua lõi cuộn dây để đảm bảo sự truyền năng lượng Vật liệu dẫn từ được chọn phụ thuộc vào tần

số làm việc

Ở tần số thấp như biến áp điện lực, âm tần thì dùng lá vật liệu từ mềm có độ

từ thẩm cao như thép, permalloy, và mạch từ khép kín như các lõi ghép bằng lá chữ

E, chữ U, chữ I

Ở tần số cao, vùng siêu âm và sóng radio thì dùng lõi ferrit khép kín mạch từ

Ở tần số siêu cao là vùng vi sóng và sóng truyền hình, vẫn có các biến áp dùng lõi không khí và thường không khép mạch từ Tuy nhiên quan hệ điện từ của chúng khác với hai loại nói trên, và không coi là biến áp thật sự

Các cuộn sơ cấp hay thứ cấp có thể cách ly hay nối với nhau về điện, hoặc dùng chung vòng dây như trong máy biến áp tự ngẫu Thông thường tỷ số điện áp trên cuộn thứ cấp với điện áp trên cuộn sơ cấp tỷ lệ với số vòng quấn, và gọi là tỷ số biến áp Khi tỷ số này > 1 thì gọi là hạ áp, ngược lại tỷ số < 1 gọi là tăng áp

Máy biến áp hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lý:

- Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)

- Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra một hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động máy biến áp Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp,

và một từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp một hiệu điện thế thứ cấp Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt

Theo định luật Faraday ta có:

- Up, Us: hiệu điện thế cuộn sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary)

- Np, Ns: số vòng quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp

- 𝛷𝑠, 𝛷𝑝: từ thông trong mạch sơ cấp và thứ cấp

- Ip, Is: dòng điện cuộn sơ cấp và thứ cấp

1.1.4 Phân loại máy biến áp

Máy biến áp được phân loại theo nhiều cách khác nha dựa vào chức năng, ứng dụng và cấu tạo của máy

- Theo chức năng ta có máy biến áp tăng thế và máy biến áp hạ thế: máy biến

áp tăng thế biển đổi điện áp cao ở cuộn sơ cấp sang điện áp thấp ở cuộn thứ cấp Máy biến áp hạ thế biến đổi điện áp thấp ở cuộn sơ cấp sang điện áp cao ở cuộn thứ cấp

- Theo cấu tạo ta có máy biến áp 1 pha và máy biến áp 3 pha: máy biến áp 3 pha thường được dùng trong mạng điện 3 pha và có hiệu quả kinh tế cao hơn máy

biến áp 1 pha Nhưng trong trường yêu cầu kích thước nhỏ gọn, 3 máy biến áp 1 pha

có thể được sử dụng kết hợp để dễ dàng vận chuyển hơn so với máy biến áp 3 pha

- Theo nhiệm vụ ta có máy biến áp điện lực, máy biến áp phân phối, máy biến

áp dân dụng, máy biến áp hàn, máy biến áp xung, máy biến áp điện lực được sử dụng để tăng hoặc hạ áp trong lưới truyền tải trung và cao áp, máy thường có công suất lớn và hoạt động với hiệu suất tối đa Máy biến áp phân phối thường dùng để hạ điện áp từ lưới truyền tải sang lưới phân phối, cung cấp điện cho sản xuất và các hộ tiêu dùng

- Theo mối quan hệ cuộn dây ta có máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp cảm ứng: máy biến áp tự ngẫu là máy biến áp chỉ có một cuộn dây đóng vai trò vừa là cuộn sơ cấp vừa là cuộn thứ cấp Thường được được sử dụng khi tỷ lệ giữa điện áp cuộn sơ cấp và thứ cấp nhỏ hơn 2

- Theo chức năng cách điện và làm mát ta có máy biến áp ngâm dầu mà máy biến áp khô: máy biến áp ngâm dầu được cách điện và làm mát bằng dầu cách điện, máy biến áp khô được làm mát bằng không khí

1.1.5 Các dạng sự cố và tình trạng làm việc không bình thường của máy biến

áp

Để lựa chọn sơ đồ bảo vệ thích hợp cho máy biến áp, ta cần phân tích các hư hỏng và trạng thái làm việc không bình thường của máy Các dạng sự cố thường gặp được chia làm 2 loại: sự cố bên trong và sự số bên ngoài

Các dạng sự cố bên trong máy biến áp gồm:

- Chập chạm giữa các vòng dây trong máy biến áp

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Chậm đất vỏ máy và ngắn mạch chạm đất

- Hư hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp

- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu

Các dạng sự cố bên ngoài máy biến áp gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống

- Quá tải

- Quá bảo hòa mạch từ do điện áp tăng cao hoặc tần số giảm thấp Tùy theo công suất của máy biến áp, vị trí và vai trò của máy biến áp trong hệ thống mà người ta lựa chọn sơ đồ bảo vệ phù hợp cho máy biến áp

1.2 Các chức năng bảo vệ cho máy biến áp

1.2.1 Các yêu cầu đối với hệ thống bảo vệ

Hệ thống bảo vệ máy biến áp hay trạm biến áp đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo cho máy biến áp làm việc ổn định và tránh khỏi các hư hỏng do sự cố

Vì vậy, hệ thống bảo vệ phải đạt được các yêu cầu sau tùy theo chức năng bảo vệ:

- Tác động nhanh: hệ thống bảo vệ phải tác động càng nhanh càng tốt ngay sau khi sự cố xảy ra và được phát hiện, giảm thiểu tối đa các hư hỏng có thể xảy ra với thiết bị

- Tác động chọn lọc: hệ thống bảo vệ phải phát hiện và loại bỏ đúng thành phần thiết bị gặp sự cố ra khỏi hệ thống và vẫn đảm bảo các thành phần khác hoạt động bình thường

- Độ nhạy: các bảo vệ chính cần đảm bảo hệ số có độ nhạy không thấp hơn 1.5, các bảo vệ phụ không thấp thơn 1.2

- Độ tin cậy: khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm

vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ không tác động nhầm khi sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được xác định

1.2.2 Bảo vệ so lệch (87)

Bảo vệ so lệch dùng để bảo vệ cả hai cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp

3 pha chống lại sự cố dây pha chạm đất hoặc sự cố các dây pha chạm nhau Bảo vệ

so lệch được dùng làm bảo vệ chính cho máy biến áp chống lại sự cố giữa các pha Bảo vệ sẽ tác động khi xảy ra ngắn mạch trong khu vực bảo vệ và cắt đi tất cả máy cắt

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch

Bảo vệ so lệch so sánh tín hiệu dòng điện đi vào và đi ra của đối tượng được bảo vệ Trong chế độ vận hành bình thường hoặc khi có sự cố ngoài: dòng điện chạy vào và ra đối tượng bảo vệ bằng nhau, bảo vệ không tác động Khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ thì xảy ra sự mất cân bằng giữa dòng vào/ra khỏi đối tượng, bảo vệ sẽ tác động Khu vực bảo vệ được giới hạn bởi vị trí đặt của biến dòng ở hai đầu phần

tử được bảo vệ, từ đó nhận tín hiệu để so sánh

Khác với bảo vệ so lệch của máy phát điện, dòng điện sơ cấp ở hai (hoặc nhiều) phía của máy biến áp thường khác nhau về trị số (theo tỷ số biến giữa các điện áp các pha) và về góc pha (theo tổ đấu dây: YN, YO; YN, D11; Y, D5 vv…) Vì vậy, để cân bằng dòng điện thứ cấp ở các phía của bảo vệ so lệch trong chế độ làm việc bình thường, người ta sử dụng máy biến dòng trung gian BIG có tổ đấu dây phù hợp với

tổ đấu dây của máy biến áp và tỷ số biến đổi được chọn sao cho các dòng điện đưa vào so sánh trong rơle so lệch có trị số gần bằng nhau Một đặc điểm nữa của bảo vệ

so lệch máy biến áp là dòng điện từ hoá của máy biến áp sẽ tạo nên dòng điện không cân bằng chạy qua rơle Trị số quá độ của dòng điện không cân bằng này có thể rất lớn trong chế độ đóng máy biến áp không tải hoặc cắt ngắn mạch ngoài

Trong thực tế vận hành thiết bị, do có sự sai số của BI đặc biệt là sự bão hòa mạch từ, nên trong chế độ vận hành bình thường cũng như ngắn mạch ngoài vẫn có dòng qua rơle gọi là dòng không cân bằng (Ikcb)

Để tăng khả năng làm việc ổn định và tin cậy của bảo vệ, người ta thường dùng nguyên lý hãm làm bảo vệ Rơle so lệch có hãm so sánh hai dòng điện Dòng điện làm việc (Ilv) và dòng điện hãm (Ih)

Hình 1.7 Nguyên lý làm việc của rơ le so lệch có hãm

Giả sử phía cuộn dây 1 của máy biến áp nối với nguồn cung cấp, phía cuộn dây 2 và 3 nối với phụ tải Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp trong chế độ làm việc bình thường ta có:

IS1 = IS2+ IS3Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc:

Ilv = IT1− (IT2+ IT3) Dòng điện hãm:

IH1 = IT1+ IT2

IH2 = IT3Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm theo quan hệ:

IH = (|IT1+ IT2| + |IT3|) KHTrong đó KH ≤ 0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch

Ngoài ra, để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng từ hóa khi đóng máy biến áp không tải và khi cắt ngắn mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hóa IHM Để đảm bảo được tác động hãm khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện |IH| > |Ilv|

Hình 1.8 Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dây

1.2.3 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không (87N)

Bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không dùng để bảo vệ sự cố chống chạm đất trong máy biến áp có điểm trung tính trực tiếp nối đất Nó cũng có thể sử dụng để bảo

vệ cho máy biến áp có trung tính cách điện hay máy biến áp có cuộn dây nối tam giác khi đó phải sử dụng trung tính nhân tạo

Để bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây nối hình sao của trung điểm nối đất của máy biến áp, người ta dùng sơ đồ bảo vệ chống chạm đất có giới hạn Thực chất đây là loại bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không có miền bảo vệ được giới hạn giữa máy biến dòng đặt ở trung tính máy biến áp và tổ máy biến dòng nối theo bộ lọc điện thứ tự không đặt ở phía đầu ra của cuộn dây nối hình sao của máy biến áp

Vùng bảo vệ được xác định trong phạm vi các biến dòng ở điểm trung tính và các biến dòng ở các pha

Trong điều kiện làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ ta có:

∆I0 = 3I0− IĐ = 0 Trong đó: I0 là dòng thứ tự không chạy trong máy biến áp

IĐ là dòng điện chạy qua dây trung tính máy biến áp Nếu bỏ qua sai số của máy biến dòng ta có dòng điện chạy qua R bằng không

và điện áp đặt trên rơ le cũng bằng không Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ toàn

bộ dòng chạm đất sẽ chạy qua điện trở R tạo nên điện áp đặt trên rơ le so lệch rất lớn,

rơ le sẽ tác động

Hình 1.9 Sơ đồ bảo vệ so lệch thứ tự không cho máy biến áp 3 cuộn dây

1.2.4 Bảo vệ quá dòng điện

Sự phối hợp bảo vệ cho máy biến áp 3 pha lớn hơn 100 kVA thông thường bao gồm bảo vệ so lệch và bảo vệ chống chạm đất Việc ngắt máy biến áp được thông qua các thiết bị đóng cắt, và có thể thêm rơle quá dòng trong sơ đồ bảo vệ để cung cấp sự bảo vệ quá dòng Sự bảo vệ tăng cường này có tác dụng có tác dụng như là

một bảo vệ một bảo vệ dữ trữ chung trong trường hợp bảo vệ chính bị sự cố Bảo vệ quá dòng được nối vào cuộn sơ cấp và điều khiển sự mất kết nối máy biến áp

Bảo vệ quá dòng điện thường được dùng làm bảo vệ chính cho các máy biến

áp có công suất bé và làm bảo vệ dự phòng cho máy biến áp có công suất trung bình

và lớn để chống các dạng ngắn mạch bên trong và bên ngoài máy biến áp Với máy biến áp 2 cuộn dây dùng một bộ bảo vệ đặt ở phía nguồn cung cấp Với máy biến áp nhiều cuộn dây thường mỗi phía đặt một bộ

1.2.4.1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50)

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh là một trong các dạng của bảo vệ chống quá dòng tác động một cách tức thời Khác với bảo vệ quá dòng điện có thời gian (bảo vệ quá dòng điện cực đại), bảo vệ cắt nhanh được đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động không dựa vào dòng điện làm việc mà dựa vào dòng điện ngắn mạch lớn nhất ngoài vùng bảo vệ (như ta đã biết, giá trị của dòng điện ngắn mạch giảm dần khi điểm ngắn mạch càng xa nguồn)

Để ngăn chặn bảo vệ cắt nhanh làm việc sai khi có sét đánh vào đường dây (khi ấy các chống sét van làm việc, tháo dòng điện sét gây ra ngắn mạch tạm thời) hoặc khi đóng các máy biến áp vào đường dây (dòng điện kích từ không tải của máy biến áp có thể vượt quá trị số đặt của bảo vệ cắt nhanh) thông thường người ta cho bảo vệ làm việc với độ trễ khoảng 50-80 mili giây Với lưới điện có trung tính nối đất trực tiếp, để chống cả ngắn mạch 1 pha người ta sử dụng sơ đồ ba máy biến dòng và

ba rơle nối hình sao đầy đủ, hoặc ba máy biến dòng nối theo bộ lọc thứ tự không và một rơle dòng điện phản ứng theo dòng thứ tự không

Với máy biến áp công suất nhỏ, bảo vệ quá dòng cắt nhanh được sử dụng làm bảo vệ chính Với các máy biến áp có công suất trung bình và lớn nó được dùng làm bảo vệ dự phòng chống ngắn mạch giữa các pha của máy biến áp

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có độ nhạy cao, đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng điện lớn hơn dòng điện ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch ở ngoài phần tử được bảo vệ Dòng điện ngắn mạch sẽ lớn hơn dòng điện khởi động, bảo vệ sẽ tác động

Hình 1.10 bảo vê quá dòng cắt nhanh

Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh:

Ikđ = Kat INgmMaxTrong đó:

- INgmMax: Dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất thường được tính theo ngắn mạch ba pha trực tiếp trên thanh cái ở cuối phần tử được bảo vệ với chế độ làm việc cực đại

- Kat: Hệ số an toàn, thường lấy bằng 1,2 – 1,3

Ngoài ra, bảo vệ quá dòng cắt nhanh còn được định theo dòng điện từ hóa nhảy vọt khi đóng máy biến áp:

Ikđ = kat Iμnv

Để thỏa mãn điều kiện này thường chọn:

Kat = (3 ÷ 5)IđmBDòng ngắn mạch lớn nhất là ngay trên thanh góp:

Ikđ = kat IN TG2(max)

Ikđ = kat IN TG3(max)Đối với rơ le quá dòng cắt nhanh khi dòng điện qua bảo vệ tăng đến I > Ikđ bảo

vệ tác động cắt máy cắt tức thời với thời gian t = 0s

Nhược điểm của bảo vệ quá dòng cắt nhanh là thời gian tác động nhanh nhưng không bao giờ bảo vệ được toàn bộ đường dây, chỉ bảo vệ được đến dòng khởi động nên không làm bảo vệ chính cho đường dây mà cần phải đặt thêm bảo vệ quá dòng

có thời gian

1.2.4.2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51)

Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (hay còn gọi là bảo vệ dòng điện cực đại)

là một trong những bảo vệ đơn giản nhất, được xây dựng trên đặc điểm tăng dòng điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch Nếu giá trị của dòng điện chạy trong mạch lớn hơn giá trị dòng điện khởi động, được chỉnh định theo điều kiện làm việc nặng nề nhất của mạng điện thì bảo vệ sẽ tác động

Đối với bảo vệ quá dòng điện, dòng điện khởi động của bảo vệ được tính theo công thức:

INmin > Ikđ =Kat Km

Kv Ilv maxTrong đó:

- INmin: Dòng ngắn mạch cực tiểu đi qua bảo vệ đảm bảo cho rơ le còn khởi động được

- Km: Hệ số mở máy (khởi động) của các phụ tải động cơ có dòng điện chạy qua bảo vệ

- Kat: Hệ số an toàn, thường lấy trong khoảng 1,1 đến 1,2

- Kv: Hệ số trở về, với rơ le cơ khoảng 0.85 – 0.9; rơ le số là 1

Bảo vệ quá dòng điện có thời gian: tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng điện có thời gian dùng bảo vệ cho máy biến áp được đảm bảo bằng cách phối hợp về thời gian với các bảo vệ quá dòng điện có thời gian đặt ở phía trung áp và hạ áp của máy biến áp Bảo vệ quá dòng điện có thời gian đặt ở thanh cái trung và hạ áp có thời gian làm việc phối hợp với bảo vệ ở các lộ đường dây xuất tuyến từ thanh góp và có nhiệm

vụ bảo vệ thanh góp và làm dự phòng cho bảo vệ đường dây Có hai loại đặt tính thời gian làm việc của bảo vệ là: đặc tính độc lập và đặc tính phụ thuộc

Hình 1.11 Đặc tuyến thời gian của rơ le 51 Thời gian làm việc của bảo vệ có đặt tính độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ

Còn của bảo vệ có đặt tính phụ thuộc thì tỷ lệ nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ: dòng điện càng lớn thời gian tác động càng nhanh Đối với các rơle điện cơ thường thấy: ∆t = 0,4 – 0,5 giây, với các rơ le số thì ∆t = 0,2 – 0,3 giây:

t = td k

mn − 1Trong đó:

Knh =INmin

IkđVới INmin: Dòng ngắn mạch nhỏ nhất được tính tại thời điểm cuối của vùng bảo vệ chính và bảo vệ dự phòng

Knh ≥ 1,5 đối với bảo vệ chính

Knh ≥ 1,2 đối với bảo vệ dự phòng

1.2.4.3 Bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N)

Bảo vệ này đặt ở trung tính máy biến áp dùng để chống các dạng ngắn mạch chạm đất các phía Có thể dùng loại có đặc tính thời gian phụ thuộc (tỷ lệ nghịch)

Hình 1.12 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cho máy biến áp

Trong chế độ làm việc bình thường, nếu hệ thống có ba pha hoàn toàn đối xứng và không có thành phần hài bậc cao thì dòng điện đi qua BI0 bằng không

Tuy nhiên điều này không thể thực hiện được nên BI0 luôn có dòng điện không cân bằng (Ikcb) chạy qua Do đó phải chỉnh định rơ le có dòng khởi động Ikđ > Ikcb Trong chế độ sự cố chạm đất, lúc dòng có thứ tự không đi qua bảo vệ sẽ tăng lên nếu

Iasc > Ikđ thì bảo vệ tác động

1.2.5 Bảo vệ bằng rơ le khí (Buchholz - 96B)

Những hư hỏng bên trong thùng của máy biến áp có cuộn dây ngâm trong dầu đều làm cho dầu bốc hơi và chuyển động Các máy biến áp có dầu công suất lớn hơn

500 kVA thường được bảo vệ bằng rơ le khí có cấp tác động (với biến áp từ 500 kVA đến 5 MVA) hoặc 2 cấp tác động (lớn hơn 5 MVA)

Rơ le khí thường đặt trên đoạn ống nối từ thùng dầu đến bình dãn dầu của máy biến áp Rơ le với cấp 2 tác động gồm có 2 phao bằng kim loại mang bầu thuỷ tinh con có tiếp điểm thuỷ ngân hoặc tiếp điểm từ Ở chế độ làm việc bình thường trong bình rơ le đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm của rơ le ở trạng thái hở Khi khí bốc ra yếu, khí tập trung lên phía trên của bình rơ le đẩy phao số 1 xuống, rơ

le gửi tín hiệu cấp 1 cảnh báo Nếu khí bốc ra mạnh, luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình dãn dầu xô phao thứ 2 chìm xuống gửi tín hiệu đi cắt máy biến áp Rơ le khí còn có thể tác động khi mức dầu trong bình rơle hạ thấp do dầu bị rò hoặc thùng biến

áp bị thủng Cấp cảnh báo thường tác động với lượng khí tập trung phía trên bình dầu rơle từ 100 đến 250 cm3, cấp 2 tác động cắt máy biến áp khi tốc độ di chuyển của dầu qua rơ le, chiều dài của đoạn ống từ thùng dầu đến rơ le phải lớn hơn 5 lần đường kính của nó và từ rơ le đến bình dãn dàu phải lớn hơn 3 lần

Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo và bố trí rơ le khí cho máy biến áp

Rơ le khí có thể làm việc khá tin cậy chống tất cả các loại sự cố bên trong thùng dầu, tuy nhiên kinh nghiệm vận hành cũng phát hiện một số trường hợp tác động sai do ảnh hưởng của chấn động cơ học lên máy biến áp (chẳng hạn do động đất, do các vụ nổ gần nơi đặt máy biến áp,…)

Đối với máy biến áp lớn bộ điều chỉnh điện áp dưới tải thường được đặt trong thùng dầu riêng và người ta dùng một bộ rơ le khí riêng để bảo vệ cho bộ điều áp dưới tải

1.2.6 Bảo vệ quá nhiệt máy biến áp

Khi làm việc, tổn thất công suất máy biến áp biến thành nhiệt năng Độ tăng nhiệt độ của dầu lớp trên cùng so với nhiệt độ môi trường làm mát với phụ tải tương đối k có thể xác định theo biểu thức:

- θdđm là độ tăng nhiệt độ của dầu khi phụ tải định mức

- m là số mũ phụ thuộc vào hệ thống làm mát máy biến áp Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên m = 0,8 Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn

tự nhiên có quạt gió m = 0,9 Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn cưỡng bức m = 1,0 Nếu làm mát bằng dầu tuần hoàn cưỡng bức và nước m = 1,0

Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu tỷ lệ với tổn hao công suất trong cuộn dây theo luỹ thừa bậc n Mặt khác tổn hao công suất trong cuộn dây

tỷ lệ với bình phương phụ tải Do đó:

∆θC = ∆θCđmk2nTrong đó:

- ∆θCđm - độ tăng nhiệt độ cuộn dây ở điểm nóng nhất so với nhiệt độ dầu lớp trên cùng khi phụ tải định mức Trong tính toán gần đúng có thể coi n = m

Vậy độ tăng nhiệt độ cuộn dây tại điểm nóng nhất so với nhiệt độ môi trường làm mát với hệ số phụ tải tương đối k bằng:

θC = θd + ∆θCNhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây trong điều kiện vận hành công suất định mức sẽ là 780C + 200C = 980C Với nhiệt độ này máy biến áp có thể làm việc suốt thời gian phục vụ của nó Đối với máy biến áp ngoài công suất định mức còn có khái niệm khả năng tải Chế độ làm việc của máy biến áp không gây ra sự già cỗi

cách điện nhanh chóng và giảm bớt thời gian phục vụ của nó gọi là chế độ làm việc lâu dài cho phép, chế độ làm việc gây ra hao mòn cách điện nhanh chóng và rút ngắn thời hạn phục vụ của máy biến áp gọi là quá tải Khi quá tải nhiệt độ điểm nóng nhất không vượt quá trị số nguy hiểm gọi là quá tải cho phép Để xem xét khả năng phụ tải của máy biến áp trong điều kiện nhất định cần phải xác định nhiệt độ có thể đạt tới của dầu và của cuộn dây

Hình 1.14 Sơ đồ bảo vệ quá nhiệt máy biến áp Khi quá tải bình thường, nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây có thể lớn hơn (trong những giờ phụ tải cực đại) nhưng không vượt quá 1400C và nhiệt độ lớp dầu phía trên không vượt quá 950C Trong điều kiện sự cố cho phép máy biến áp làm việc trong thời gian 5 ngày đêm với hệ số quá tải là 1,4 công suất định mức Dưới đây là

sơ đồ bảo vệ quá nhiệt cho máy biến áp Bộ cảm biến nhiệt độ 1 có thể chế tạo từ chất bán dẫn platin đặt ở phía trên thùng dầu máy biến áp Khi nhiệt độ máy biến áp tăng lên từ 700C đến 750C Bộ khuếch đại 4 đóng quạt gió, nếu nhiệt độ tiếp tục tăng bộ khuếch đại 6 đóng bơm dầu tuần hoàn Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng bộ khuếch đại 3 cho tín hiệu và đo lường nhiệt độ cho nhân viên vận hành biết tìm biện pháp xử lý như giảm bớt phụ tải Sau khi giảm bớt phụ tải mà nhiệt độ máy biến áp tiếp tục tăng đến 1170C tương ứng với nhiệt độ cao nhất ở cuộn dây 1170C + 230C = 1400C, bộ tích phân thời gian sẽ làm việc, trong 6 giờ sẽ cho tín hiệu tới bộ khuếch đại 2 cắt máy biến áp

1.3 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống bảo vệ rơ le cho máy biến áp

1.3.1 Máy biến dòng

a Khái niệm

Dòng điện cũng như điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường có trị

số rất lớn, không thể đưa trực tiếp vào dụng cụ đo hoặc rơle và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ và thiết bị này thường được đấu nối qua máy biến dòng

Máy biến dòng mà chúng ta hay gọi thực ra có tên tiếng Anh là Current Transformer (CT) là một thiết bị đo dòng điện gián tiếp đi qua nguồn cung cấp cho tải hoặc dây động lực của tải Chức năng chính của nó là giám sát nguồn điện cấp vào cho tải đến từng thiết bị Nói một cách dễ hiểu thì máy biến dòng điện là thiết bị điện dùng để biến đổi dòng điện có trị số cao xuống dòng điện có trị số tiêu chuẩn 5A

và 1A

Hình 1.15 Máy biến dòng đo lường

b Cấu tạo máy biến áp

Máy biến dòng bao gồm các phần chính sau đây:

+ Secondary Winding: Cuộn dây thứ cấp

+ Primary Current: Dòng điện sơ cấp

+ Hollow Core: Lõi rỗng

+ Ammeter : Đồng hồ đo dòng

Hình 1.16 Cấu tạo máy biến dòng

c Nguyên lý hoạt động máy biến dòng

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi dòng điện xoay chiều chạy qua 1 dây dẫn, xung quanh nó sẽ xuất hiện một điện trường, điện trường này cảm ứng lên cuộn dây và sẽ xuất hiện một dòng điện trong đó Tỷ lệ dòng điện này được căn cứ vào số vòng dây được cuốn trong cuộn dây biến dòng

d Phân loại máy biến dòng

Phân loại theo cấu tạo: máy biến dòng dạng dây quấn, dạng vòng và thanh khối

- Máy biến dòng dạng dây quấn: Cuộn sơ cấp của máy biến dòng sẽ được kết nối trực tiếp với các dây dẫn để đo cường độ dòng điện chạy trong mạch Cường độ dòng điện trong biến dòng dạng vòng: “Vòng” sẽ không được cấu tạo ở cuộn sơ cấp Thay vào đó, cường độ dòng điện chạy trong mạch sẽ được truyền và chạy thẳng qua khe cửa hay lỗ cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây quấn của máy biến dòng

- Máy biến dòng dạng vòng: Một số máy biến dòng dạng hở hiện nay đã được cấu tạo thêm chi tiết “chốt chẻ”, có tác dụng cho lỗ hổng hay khe cửa của máy biến dòng có thể mở ra, cài đặt và đóng lại, mà không cần phải ngắt mạch cố định

- Máy biến dòng dạng khối: Đây là một trong các loại của máy biến dòng hiện nay được ứng dụng trong các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giống như cuộn sơ cấp, nhưng chỉ có một vòng dây duy nhất Chúng hoàn toàn tách biệt với nguồn điện áp cao vận hành trong hệ mạch và luôn được kết nối với cường độ dòng điện tải trong thiết bị điện

Phân loại theo điện áp sử dụng:

Hình 1.17 Các loại rơle kỹ thuật số

b Cấu tạo rơ le số

Tín hiệu điện áp và dòng điện được đưa vào đầu INPUT của rơle số và được chuyển đổi (converter) đến bộ lấy và giữ mẫu, qua quá trình chuyển đổi tín hiệu bộ ADC được gửi đến bộ vi xử lý đến các bộ lưu trữ chương trình, quá trình tìm lỗi và giải phẫu lỗi được xử lý bằng cách tính giá trị tổng trở được tính liên tục, khi trên hệ thống tính được giá trị tổng trở lệch so với giá trị tổng trở được lưu trữ (giá trị tổng trở coi như chưa có xự cố), rơle sẽ coi đó là sự cố và sẽ ngắt tải phần dưới

Độ tin cậy của rơle được coi là tương đối Đó cũng là lý do tại sao các nhà máy coi đó là giải pháp tốt nhất và là tối ưu để đóng cắt các thiết bị trung và hạ thế trong các trạm điện

Hình 1.18 Cấu trúc rơ le kỹ thuật số Hiện nay trên thị trường, rơ le kỹ thuật số được sản xuất và cung cấp bởi nhiều hãng như: Siemens, Schneider, ABB, Mitsubishi, Hitachi, Fuji, Toshiba, với các chức năng bảo vệ: so lệch, quá dòng, quá nhiệt, khoảng cách, chạm đất, với kỹ thuật ngày càng hiện đại và tiên tiến

1.3.3 Máy biến điện áp

a Khái niệm

Máy biến điện áp được ký hiệu là VT (voltage transformer) hoặc PT (potential transformer) Một số tài liệu ký hiệu là TU, BU… để thống nhất một ký hiệu xuyên suốt luận văn, ta sẽ chỉ sử dụng ký hiệu BU BU được sử dụng trong hệ thống điện

để giảm điện áp hệ thống (điện áp phía sơ cấp) xuống điện áp an toàn (tiêu chuẩn 100 hoặc 110 V) để cấp nguồn cho các đồng hồ và relay công suất thấp Điện áp hệ thống được đặt lên các đầu cuộn dây phía sơ cấp của BU và theo nguyên lý cảm ứng điện

từ, điện áp xuất hiện trên các cuộn dây phía thứ cấp Một BU lý tưởng, khi mắc các phụ tải (mắc song song) định mức vào phía thứ cấp, tỷ số điện áp phía sơ cấp và thứ cấp tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây Nhưng trên thực tế, do tổn hao mạch từ, dây dẫn,… dẫn đến sai số tỷ số về biên độ và góc pha

Nguyên lý làm việc của máy biến điện áp vẫn dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp cao bên cuộn dây sơ cấp sang điện áp thấp bên cuộn thứ cấp

Hình 1.19 Máy biến điện áp

b Phân loại máy biến điện áp

Máy biến điện áp được phân thành các loại như: BU khô, BU dầu, BU 1 pha,

BU 3 pha

- BU khô : thường được sử dụng ở cấp điện áp 35 kV trở xuống

- BU dầu : Sử dụng cho mọi yêu cầu

Với cấp điện áp cao người ta chế tạo theo kiểu phân cấp , phân áp

- Phân cấp bằng cuộn dây: Gồm nhiều tầng lõi từ, cuộn dây sơ cấp được chia đều trên các lõi, cuộn thứ cấp chỉ được cuốn trên lõi cuối cùng

- Phân áp bằng tụ: Dùng bộ phân áp bằng tụ lấy một phần điện áp cao đưa vào cuộn sơ cấp

1.3.4 Máy cắt điện

a Khái niệm

Máy cắt điện là thiết bị điện thuộc công cụ máy cắt chuyên dụng dùng để đóng cắt mạch điện ở các chế độ vận hành khác nhau: chế độ không tải, chế độ tải định mức và chế độ sự cố Trong đó chế độ đóng cắt dòng ngắn mạch điện là chế độ hoạt động nặng nề nhất

Máy cắt điện cao áp hay là máy cắt cao áp là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện có mức điện áp từ 1000V trở lên ở các chế độ vận hành khác nhau Máy ngắt điện cao áp dùng để đóng hay cắt mạch khi xuất hiện dòng phụ tải và khi có dòng ngắn mạch Máy cắt chân không hay còn có tên gọi tắt là VCB (Vacuum Circuit Breaker) là một công cụ dùng để đóng cắt và bảo vệ quá tải cùng ngắn mạch

Hình 1.20 Máy cắt điện cao áp

b Đặc điểm và cấu tạo

Cấu tạo máy cắt chân không bao gồm những bộ phận cơ bản sau:

- Mạch vòng dẫn điện: là bộ phận để dẫn điện vào và đưa điện ra Bộ phận mạch vòng dẫn điện này được cấu tạo gồm 3 thành phần:

+ Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh: hai thanh dẫn này thường có tiết diện hình tròn và hình chữ nhật thường được làm từ đồng

+ Đầu nối: là bộ phận chịu nhiệm vụ tạo lực ép cần thiết để điện trở có thể tiếp xúc nhỏ hơn giá trị cho phép

+ Tiếp điểm: thường ở dạng hình nón cụt và được sản xuất ra từ vật liệu

là đồng cadini đảm bảo việc hoạt động trong dòng điện lớn

- Buồng dập hồ quang: đối với máy cắt điện cao cáp chân không VCB buồng dập hồ quang được xem là quan trọng nhất vì là nơi chứa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động

+ Được cấu tạo là buồng kín chân không để đóng cắt hồ quang phát sinh + Và ứng dụng khí SF6 trong máy cắt điện cao áp đóng vai trò là chất khí dập hồ quang điện hiệu quả

- Cơ cấu truyền động: máy cắt điện dòng này sử dụng cơ cấu truyền động lực kết hợp cùng nam châm điện để đóng ngắt dòng điện