Đồ án thiết kế trạm biến áp 220kV

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển kinh tế, nhu cầu về điện cũng tăng lên không ngừng đòi hỏi ngày càng cao về số lượng cũng như chất lượng điện năng Để đáp ứng với những thách thức đó thì hệ thống điện Việt Nam cũng không ngừng phát triển nhất là khi những thành tựu khoa học công nghệ hiện đại trong ngành điện được đưa vào ứng dụng Hệ thống điện bao gồm nhiều phân tử khác nhau từ máy phát điện, máy biến áp truyền tải, máy biến áp phân phối, các đường dây, các động cơ Tuy nhiên những hư hỏng và.

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển kinh tế, nhu cầu về điện cũng tăng lênkhông ngừng đòi hỏi ngày càng cao về số lượng cũng như chất lượngđiện năng Để đáp ứng với những thách thức đó thì hệ thống điện ViệtNam cũng không ngừng phát triển nhất là khi những thành tựu khoahọc công nghệ hiện đại trong ngành điện được đưa vào ứng dụng

Hệ thống điện bao gồm nhiều phân tử khác nhau từ máy phátđiện, máy biến áp truyền tải, máy biến áp phân phối, các đường dây,các động cơ…Tuy nhiên những hư hỏng và hiện tượng không bìnhthường có thể xảy ra bất kì lúc nào trong hệ thống điện, nếu khôngphát hiện kịp thời và khắc phục sự cố có thể làm cho HTĐ mất ổnđịnh, thậm chí là làm tan rã lưới làm ảnh hưởng rất nghiêm trọng trongđời sống nhân dân, nền kinh tế quốc dân vì vậy cần nhanh chóng pháthiện và cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi lưới để có thể ngăn chặn hạnchế thấp nhất các ảnh hưởng của sự cố đến hệ thống Một trong nhữngthiết bị bảo vệ đó làm nhiệm vụ đó là Rơle

Đồ án môn học bảo vệ Rơle trong hệ thống cung cấp cho chúng

em một cái nhìn tổng quan về Rơle thiết bị bảo vệ hệ thống điện trướcnhững sự cố để HTĐ làm việc an toàn, phát triển liên tục và bền vững

Sinh viên thực hiện

Phan Thanh Giang

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TRẠM BIẾN ÁP

1.1 Giới thiệu các phần tử chính và nguyên lí hoạt động của trạm biến áp

Sự phát triển của một đất nước, trước tiên phải công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước và xã hội phát triển văn minh thì vấn đề nănglượng điện phải đi trước một bước Nói đến năng lượng điện chính lànói đến ngành năng lượng điện chính là nói đến ngành điện lực, điệnlực giữ một vai trò rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến cácngành khác như: công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ,… và kể cả nhucầu sinh hoạt của con người cũng cần có điện Để xây dựng một nhàmáy, một khu công nghiệp hay một đô thị mới thì giải quyết một hệthống cung cấp điện với chất lượng và độ tin cậy cao, đáp ứng mọi nhucầu sử dụng điện là một vấn đề hết sức quan trọng và phức tạp

Một hệ thống điện hoàn chỉnh gồm nhà máy điện (NMĐ), trạmbiến áp (TBA), đường dây tải điện, mạng phân phối và các hộ tiêudùng Trong đó TBA giữ vai trò trung gian giữa nguồn và tải, giữa đầuvào và ra, biến đổi điện áp từ cấp này sang cấp khác, cho nên nó là mộtkhâu quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện Ngày nay với kỹthuật hiện đại, ngày càng có nhiều TBA với công suất lớn Việc giảiquyết đúng đắn về kinh tế kỹ thuật trong thiết kế và vận hành phảimang lợi ích cho nền kinh tế quốc dân

Trạm biến áp được bảo vệ gồm hai máy biến áp (MBA) hai cuộndây T1 và T2 được mắc song song với nhau Hai MBA này được cungcấp từ hai nguồn Hai nguồn điện áp cung cấp đến hệ thống thanh góp

121 kV của trạm và sau đó điện áp 121 kV được biến đổi thông qua haiMBA giảm áp để cung cấp cho các phụ tải phía hạ áp của trạm có điện

áp 24.5 kV

1.2 Tính toán thông số trong trạm biến áp

1.2.1 Tính toán thông số máy biến áp

Kí hiệu Sơ đồ thay thế

 Thông số của máy biến áp:

Bảng 1.1: Thông số hai máy biến áp

1.2.2 Tính toán thông số cân thiết trong sơ đồ

- Sơ đồ thay thế

- Điện trở của máy biến áp.

Từ thông số của máy biến áp cho trước ta tính các tổng trở của máy biến áp

2 3

N dm

dm 2

N dm B

S (MVA)Z%=Z

U (kV)

Ta tính toán giá trị trở của MBA T1(110/24)

Ta tính toán tương tự cho T2 ta được bảng sau

BẢNG 1.3 điện trở điện kháng của MBA T1

~

BẢNG 1.4 điện trở điện kháng của MBA T2

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

2.1 Khái niệm cơ bản, nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch

2.1.1 Ngắn mạch

Ngắn mạch là dạng sự cố tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua tổng trở giữa haiđiểm của hệ thống điện thông thường có điện áp là khác nhau Ví dụ giữa 2 dâydẫn của đường dây hoặc máy biến áp hoặc giữa một dây dẫn và đất, hoặc giữamột dây dẫn và bộ phận cách điện có nối đất như dây nối đất của đường dây trênkhông hoặc khung vỏ của máy điện

Phân tích dòng ngắn mạch, điện áp liên quan cũng như công suất được sửdụng cho:

- Cài đặt các thiết bị bảo vệ để phát hiện sự cố trong các phần tử như đườngdây, máy biến áp, máy phát, động cơ

- Kiểm tra (xác định) công suất ngắt của máy cắt

- Thay đổi cấu trúc của lưới điện, hạn chế dòng ngắn mạch

- Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chạp một pha haynhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch

Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiệntượng chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất Dòng chạm đất chủ yếu

là do điện dung các pha với đất

Các dạng ngắn mạch được xét đến là ngắn mạch 3 pha đối xứng N(3), ngắnmạch hai pha N(2), ngắn mạch một pha N(1) và ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1).

2.1.2 Nguyên nhân gây ra ngắn mạch

- Quá điện áp do sét hoặc do đóng cắt

- Nứt sứ do nóng, ẩm hoặc môi trường

- Tác động cơ học (đứt dây dẫn, sự cố tiếp xúc điện giữa hai dây dẫn)

2.1.3 Hậu quả của ngắn mạch

* Ở chỗ sự cố, phát sinh hồ quang điện, gây nên:

- Hư hỏng cách điện

- Nóng chảy dây dẫn

- Cháy và gây nguy hiểm cho người

* Trong mạch sự cố:

- Lực điện động tăng cao, làm biến dạng thanh cái, phá hỏng cáp

- Nhiệt độ tăng cao, gây nguy cơ phá hỏng cách điện

* Ở những mạch khác nhau trong hệ thống hoặc gần đó :

- Điện áp bị giảm xuống trong thời gian cắt sự cố từ vài ms đến hàng trăm

ms

- Tan rã một phần của hệ thống, mức độ phụ thuộc vào thiết kế hệ thống vàmức chọn lọc của thiết bị bảo vệ

- Mất ổn định động hoặc mất đồng bộ máy điện

- Nhiễu loạn mạch điều khiển hoặc các thiết bị hiển thị,…

Thông thường, các dòng điện cực đại chạy vào hàng loạt phần tử trong hệ thốngtrong mạch vòng ngắn mạch Các dòng điện này có giá trị rất cao cũng có ảnhhưởng xấu đến các phần tử khác của hệ thống (các phần tử không chỉ liên quantrực tiếp với điểm ngắn mạch) và hoạt động của hệ thống Các ảnh hưởng chínhlà:

- Các ảnh hưởng nhiệt, đó là làm nhiệt độ dây dẫn tăng cao dẫn tới tăng tổnthất theo hướng Joule, ảnh hưởng tiêu cực này dựa trên cả cường độ và thời giancủa dòng điện

- Tăng lực điện động giữa các dây dẫn của cùng một phân tử (đường dây,máy biến áp, động cơ, máy phát) dựa trên khoảng cách giữa chúng.

- Dao động công suất, trong mạch vòng ngắn mạch nếu xảy ra nhiễu loạnlớn có thể gây mất đồng bộ của một hay nhiều máy phát, phân tách hệ thống điệnthành hai hay nhiều phần

2.2 Tính toán ngắn mạch

2.2.1 Mục đích và yêu cầu tính ngắn mạch

Khi thiết kế và vận hành các hệ thống điện, nhằm giải quyết nhiều vấn đề

kỹ thuật yêu cầu tiến hành hàng loạt các tính toán sơ đồ, trong đó có tính toánngắn mạch

Tính toán ngắn mạch thường là những tính toán dòng, áp lúc xảy ra ngắnmạch tại một số điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét Những tính toán nhưvậy là cần thiết để giải quyết các vấn đề sau:

- So sánh, đánh giá, chọn lựa sơ đồ nối điện

- Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện

- Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ

- Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng

Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch một cách chính xácrất khó khăn Do vậy tùy thuộc yêu cầu tính toán mà trong thực tế thường dùngcác phương pháp thực nghiệm, gần đúng với các điều kiện đầu khác nhau để tínhtoán ngắn mạch

Chẳng hạn để tính chọn máy cắt điện, theo điều kiện làm việc của nó khingắn mạch cần phải xác định ngắn mạch lớn nhất có thể có Muốn vậy, người tagiả thiết rằng ngắn mạch xảy ra lúc hệ thống điện có số lượng máy phát làm việcnhiều nhất, dạng ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất …

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn lựa và chỉnh định thiết bịbảo vệ role thường phải tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất Lúc đó cần phải sử dụngnhững điều kiện tính toán hoàn toàn khác với những điều kiện nêu trên

2.2.2 Các giả thiết cơ bản khi tính toán ngắn mạch

Tiêu chuẩn IEC 60909 được áp dụng để tính dòng điện ngắn mạch Để đơngiản hóa việc tính toán dòng điện ngắn mạch một số giả thiết được sử dụng:

- Ngắn mạch ba pha được giả định xảy ra đồng thời trên cả ba pha

- Trong khi ngắn mạch, số lượng các pha liên quan không thay đổi

- Trong suốt thời gian ngắn mạch, điện áp đóng vai trò phân bố dòng điện

và tổng trở không thay đổi

- Bộ điều chỉnh điều áp hay ngăn điều áp của máy biến áp được giả thiết là

để ở nấc trung bình (nếu ngắn mạch xảy ra từ máy phát, vị trí thực tế của bộ điềuchỉnh điện áp hoặc ngăn điều áp không cần đưa vào tính toán)

- Điện trở hồ quang không đưa vào tính toán

- Tất cả điện dung được bỏ qua

- Các dòng tải được bỏ qua

- Tất cả thành phần TTK được đưa vào tính toán

2.2.3 Dự kiến các vị trí ngắn mạch

Vì trạm biến áp có 2 MBA T1 và T2 làm việc Trong trường hợp làm việc songsong thì máy cắt sẽ đóng Trong trường hợp 2 MBA làm việc độc lập thì máy cắt

sẽ mở Do thông số 2 MBA là giống nhau nên ta dự kiến các điểm ngắn mạch làtrên thanh góp 1, 2, 3

2.2.3 Thiết lập sơ đồ và tính toán ngắn mạch bằng phần mềm ETAP.

Từ sơ đồ và các thông số ở trên ta thiết lập và cài đặt được sơ đồ bằng phần mềmETAP như hình 2.2 dưới đây:

Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng mạng điện bằng phần mềm ETAP.

Sử dụng công cụ tính ngắn mạch trên các thanh cái, xuất ra được bản báo cáo tính toán dòng ngắn mạch như dưới đây:

- Tính ngắn mạch tại N1:

+ Ngắn mạch 3 pha:

- Tính ngắn mạch tại N1:+ Ngắn mạch 3 pha:

+ Ngắn mạch 1 pha nối đất:

+ Ngắn mạch 2 pha :

+ Ngắn mạch 2 pha nối đất:

- Tính ngắn mạch tại N2:

- + Ngắn mạch 3 pha:

+ Ngắn mạch 1 pha nối đất:

+ Ngắn mạch 2 pha:

+ Ngắn mạch 2 pha nối đất:

- Tính ngắn mạch tại N3:

+ Ngắn mạch 3 pha:

+ Ngắn mạch 1 pha nối đất:

+ Ngắn mạch 2 pha:

+ Ngắn mạch 2 pha nối đất:

- Tính ngắn mạch tại N4:

+ Ngắn mạch 3 pha:

+ Ngắn mạch 1 pha nối đất:

+ Ngắn mạch 2 pha:

+ Ngắn mạch 2 pha nối đất:

CHƯƠNG 3 DỰ KIẾN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ RƠ LE CHO MÁY BIẾN ÁP VÀ HỆ

THỐNG THANH CÁI

3.1 Chế độ làm việc bất thường và các loại sự cố thường gặp trong máy biến áp

Sự cố máy biến áp thường được chia thành 4 loại chính:

- Sự cố cuộn dây và đầu cực

- Sự cố lõi thép.

- Sự cố chạm vỏ

- Sự cố đầu điều chỉnh điện áp dưới tải

Để đơn giản cho việc phân tích và lựa chọn phương thức bảo bảo vệ,

có thể chia các loại sự cố máy biến áp ra làm 2 loại chính: Sự cố trong máybiến áp và sự cố ngoài máy biến áp

a) Sự cố trong.

* Sự cố chạm đất cuộn dây máy biến áp.

Độ lớn của dòng điện ngắn mạch cũng như mức độ nguy hiểm của loại

sự cố gây ra phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tổng trở nguồn

- Tổng trở trung tính

* Trung tính cuộn dây nối qua điện trở/tổng trở.

* Trung tính cuộn dây nối đất trực tiếp.

- Điện kháng rò

- Điện áp ngắn mạch

- Kiểu nối dây các cuộn

Độ lớn của dòng điện chạm đất phụ thuộc vào kiểu tổ đấu dây máybiến áp (sao hay tam giác), phương thức nối đất của điểm trung tính và vị trí

sự cố Người ta thường quy ước vị trí sự cố theo khoảng cách hay phần trămcuộn dây tính từ điểm trung tính tới đầu cực máy biến áp Do vậy, điện áp sự

cố càng xa điểm trung tính càng tăng nên dòng điện sự cố cũng tỉ lệ với mứcđiện áp này

Quá tải

Quá tải máy biến áp có thể do cắt các máy biến áp làm việc song song,

phân bố tải trên các máy biến áp làm việc song song không đồng đều hay mấtcân bằng tải trên các pha Quá tải máy biến áp thường dẫn đến quá nhiệt trongmáy biến áp có nguy cơ hư hỏng vĩnh viễn hoặc làm giảm tuổi thọ của các bộphận bên trong Mỗi máy loại máy biến áp thường có khả năng chịu quá tảiriêng, và thời gian chịu quá tải dài có thể vài giờ hay quá tải lâu dài tùy từngđiều kiện cụ thể Phần lớn các trường hợp thì không cần trang bị bảo vệ cắtmáy biến áp quá tải Tuy nhiên, cần phải trang bị các cảnh báo quá tải như:đèn, còi…

Quá điện áp.

Có thể là quá điện áp tạm thời (ngắn hạn) do quá điện áp khí quyển gây

ra và quá điện áp nội bộ (quá điện áp dài hạn) Quá áp nội bộ có thể do cắtđường dây không tải điện áp cao, cắt đột ngột tải lớn dẫn đến điện áp tăngcao, dẫn đến quá từ trong lõi thép và uy hiếp cách điện cuộn dây Quá từ lõithép gây tăng tổn hao lõi thép và có thể tăng vọt dòng từ hóa có thể gây quánhiệt mạch từ của máy biến áp Nếu không có biện pháp hạn chế hay bảo vệgây lên hư hỏng cách điện lõi thép thậm chí gây hư hỏng cách điện cuộn dây

Tần số thấp

Tần số giảm thấp gây ra bởi sự mất cân bằng lượng lớn công suất giữanguồn và tải Cũng giống như quá áp nội bộ, tình trạng này gây tăng dòng từhóa Phần lớn các trường hợp, máy biến áp vẫn tiếp tục làm việc với mộttrong hai trường hợp này Tuy nhiên, nếu cả 2 tình trạng xuất hiện đồng thời

sẽ rất nguy hiểm Thông thường tỉ lệ điện áp và tần số không được vượt quá1,1, thường được gọi là giới hạn “Vol trên Hertz”

Ngắn mạch ngoài

Các sự cố ngắn mạch có dòng lớn có thể xảy ra ngoài vùng bảo vệ máybiến áp có thể gây nguy hiểm cho các cuộn dây máy biến áp Nguy hiểm chủyếu là do lực từ lớn xuất hiện trên các cuộn dây ngay ở chu kỳ đầu tiên củadòng điện ngắn mạch Với một khoảng thời gian ngắn như vậy thì khó có thểthiết kế vệ bảo rơ le đáp ứng được, mà thông thường người ta tính toán khithiết kế máy biến áp

3.2 Các loại bảo vệ đặt cho máy biến áp.

Tương ứng với các hư hỏng trên người ta thường đặt các loại bảo vệ ứng với từng chức năng theo bảng sau:

Loại sự cố

Loại bảo vệ

Sự cố pha- pha

cuộn dây sơ cấp

So lệch 87T BV khi NM giữa các pha phía bên trong các CTQuá dòng 50/5 1 BV NM và sự cố trong vùng BV, dự phòng cho

87T

Sự cố pha-đất

cuộn dây sơ cấp

So lệch 87N BV khi NM chạm đất cuộn dây và chạm chập

các vòng dây phía cuộn dây TT nối đất TTQuá dòng

50N/51N

BV khi NM và sự cố trong vùng BV, dự phòng cho 87N

51N BV khi NM giữa các pha phía bên trong các BI

Sự cố các vòng

dây

So lệch 87T BV khi NM giữa các pha phía bên trong các BI

63 BV khi rò rỉ, cạn dầu và dự phòng cho 87N

Sự cố thùng dầu

So lệch 87T BV khi NM giữa các pha phía bên trong các BI

63 BV khi rò rỉ, cạn dầu và dự phòng cho 87NChạm đất

thùng dầu 51N

BV khi NM và sự cố trong vùng BV, dự phòng cho 87N

Quá nhiệt Bảo vệ quá

nhiệt 49 BV khi quá tải theo nhiệt độ

3.3 Cơ sở lựa chọn phương thức bảo vệ máy biến áp

Việc lựa chọn phương thức bảo vệ thường được căn cứ trên các cơ sở sau:

 Kích cỡ máy biến áp:

 Công suất 3 pha tới 2,5 MVA bảo vệ bằng cầu chì (cầu chảy),

 Công suất 3 pha từ 2,5 MVA tới 5 MVA bảo vệ bằng cầu chì cắt tức thời (cầu chì chảy nhanh) hoặc bảo vệ quá dòng,

 Công suất 3 pha từ 5 MVA đến 10 MVA bảo vệ quá dòng nhiều cấp,

 Công suất trên 10 MVA sử dụng bảo vệ chính là so lệch phối hợp với bảo vệ khoảng cách, quá dòng pha/đất và bảo vệ rơ le hơi, rơ le nhiệt…

 Vị trí và chức năng máy biến áp:

 Những vị trí quan trọng như nguồn, trung gian có nhiều đường dây vào và ra thì yêu cầu các rơ le có độ tin cậy, độ dự phòng cao hơn, và sơ

 Cấp điện áp của máy biến áp

 Cấp điện áp cao đòi hỏi phương thức bảo vệ chặt chẽ hơn, phức tạp và đắt tiền hơn,

 Cân nhắc giữa đầu tư thiết bị bảo vệ với thiệt hại do sự cố gây

ra như thời giảm hoặc ngừng cung cấp điện, sửa chữa hoặc thay thế máy biến áp,

 Tổ đấu dây và chủng loại máy biến áp:

 Dựa trên sơ đồ đấu dây của các cuộn dây các phía máy biến áp,

 Chú ý đến phương thức bảo vệ của máy biến áp tự ngẫu,

 Qua tâm đến điểm trung tính của máy biến áp

Máy biến áp trong sơ đồ bảo vệ gồm hai máy biến áp 2 cuộn dây có:

- Công suất trên mỗi máy: Sđm = 40 MVA

- Tỷ số biến đổi điện áp: 115/23 kV

- Tổ đấu dây: Y/∆

- Vị trí: máy biến áp ở trạm biến áp phân phối

3.4 Dự kiến phương thức bảo vệ máy biến áp

Từ nguyên tắc, khi MBA trong chế độ làm việc không bình thường haychế độ sự cố sẽ biểu hiện qua những thông số trạng thái nào, BVRL sẽ thực