Đồ án thiết kế bảo vệ rơle

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC BẢO VỆ RƠ LE Sinh viên thực hiện Mai Xuân Minh Mã sinh viên 18810110128 Giảng viên hướng dẫn TS Vũ Thị Thu Nga Lớp D13H1 Khoá 2018 Hà Nội, thán.

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC BẢO VỆ RƠ LE

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN ===================

t =

I∗2−1 Tp (s) Trong đó: Δt = 0,3 (s) I* = IN / Ikđ

II Yêu cầu:

1 Đặt phương thức bảo vệ cho MBA

2 Tính toán bảo vệ cho đường dây cung cấp điện hình tia

GV hướng dẫn

TS Vũ Thị Thu Nga

SVTH: MAI XUÂN MINH 1

LỜI MỞ ĐẦU

Sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá của nước ta trong giai đoạn hiện nay yêu cầu tăng không ngừng sản lượng điện Để thực hiện điêu đó cần phát triển và mở rộng các nhà máy điện cũng như các mạng và hệ thống điện công suất lớn Do nhu cầu về điện năng ngày càng tăng, hệ thống điện ngày càng mở rộng, phụ tải tiêu thụ tăng thêm cũng đồng nghĩa với việc khả năng xảy ra sự cố như chạm chập, ngắn mạch cũng tăng theo Chính vì vậy phải tăng cường các thiết bị bảo vệ cho hệ thống điện để có thể giảm thiểu, ngăn chặn các hậu quả của sự cố có thể gây ra.Điều này đặt ra những nhiệm vụ quan trọng đối với các kỹ sư ngành hệ thống điện Một trong những nhiệm vụ đó là thiết kế các hệ thống bảo vệ rơ le Thiết kế hệ thống rơ le đòi hỏi phải biết vận dụng tốt những kiến thức lý thuyết và kinh nghiệm để giải quyết những vấn đề có tính chất tổng hợp, phức tạp thường gặp trong thực tế

Đồ án môn học Bảo vệ Rơ le giúp cho sinh viên chúng em củng cố được các kiến thức cơ bản về bảo vệ rơ le Từ đó có thể đánh giá đúng đắn về từng loại bảo vệ Nội dung đồ án của em gồm 3 chương chính sau:

• Chương 1: Lý thuyết

• Chương 2: Tính toán ngắn mạch

• Chương 3: Sơ đồ phương thức bảo vệ và tính toán cài đặt rơ le

Trong quá trình làm đồ án này, em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy

cô bộ môn, đặc biệt là cô giáo TS Vũ Thị Thu Nga Dù đã cố gắng nhưng do kiến

thức của em còn hạn chế, kinh nghiệm tích lũy còn ít nên bản đồ án khó tránh khỏi những sai sót Em mong nhận được sự đánh giá, nhận xét, góp ý của các thầy cô để bản đồ án cũng như kiến thức của bản thân em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 5 năm 2021 Sinh viên thực hiện

Mai Xuân Minh

SVTH: MAI XUÂN MINH 2

MỤC LỤC:

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: PHẦN LÝ THUYẾT 4

A LÝ THUYẾT: 4

1 Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơ-le: 4

2 Yêu cầu cơ bản của bảo vệ Rơ-le: 5

3 Nguyên tắc các bảo vệ đã học: 6

B PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 7

I Phương thức bảo vệ cho máy biến áp: 7

1 Mục đích đặt bảo vệ: 7

2 Mục đích và tình trạng làm việc không bình thường xảy ra với MBA: 7

3 Phương án bảo vệ cho MBA: 7

II Phương thức bảo vệ cho đường dây tia: 8

1 Nguyên tác tác động của bảo vệ được sử dụng: 8

2 Nhiệm vụ ,sơ đồ, nguyên lý làm việc, thông số khởi động và vùng tác động

của từng bảo vệ đặt cho đường dây : 9

III Chọn tỷ số máy biến dòng: 12

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 13

A/Tính toán thông số: 13

I/ Hệ thống điện: 13

II/Giá trị các điện kháng của lưới: 13

B/Tính toán ngắn mạch cho từng điểm ngắn mạch: 15

I/ Tính trong chế độ cực đại 16

II/ Tính trong chế độ cực tiểu: 20

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ VÀ TÍNH TOÁN CÀI ĐẶT RƠ LE 26

1.Sơ đồ phương thức bảo vệ: 26

1.1.Sơ đồ phương thức bảo vệ cho máy biến áp: 26

1.2.Sơ đồ phương thức bảo vệ cho đường dây 26

SVTH: MAI XUÂN MINH 3

2.Tính toán cài đặt rơ le: 27

2.1.Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (I≫);(50) 27

2.2.Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh (I0≫);(50N) 27

2.3.Bảo vệ quá dòng có thời gian (I≫);(51) 27

2.4.Chọn thời gian làm việc của bảo vệ 28

2.5.Bảo vệ quá dòng TTK có thời gian (I0>);(51N) 31

3.Kiểm tra độ nhạy của các bảo vệ 32

3.1.Bảo vệ quá dòng có thời gian (I>);(51) 33

3.2.Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian (I0>);(51N) 33

4.Xác định phạm vi bảo vệ của bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) và bảo vệ quá dòng cắt nhanh thứ tự không (50N) 33

4.1.Bảo vệ cắt nhanh theo dòng điện pha (50) 33

4.2.Bảo vệ quá dòng cắt nhanh theo dòng thứ tự không (50N) 35

SVTH: MAI XUÂN MINH 4

CHƯƠNG I: PHẦN LÝ THUYẾT

A LÝ THUYẾT:

1 Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơ-le:

Khi thiết kế hoặc vận hành bất kỳ một hệ thống điện nào cũng phải kể đến khả năng phát sinh những sự cố và các tình trạng làm việc không bình thường trong hệ

thống đó

Ngắn mạch là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ thống điện Hậu quả của ngắn mạch là:

- Làm giảm thấp điện áp ở phần lớn của hệ thống điện

- Phá hủy các phần tử bị sự cố bằng tia lửa điện

- Phá hủy các phần tử có dòng ngắn mạch chạy qua do tác dụng nhiệt và cơ

- Phá vỡ sự ổn định của hệ thống

Ngoài các loại sự cố do ngắn mạch, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường như chế độ quá tải Dòng điện quá tải làm tăng nhiệt độ của các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi

và đôi khi bị phá hỏng

Để ngăn ngừa sự phát sinh sựcố và sự phát triển của chúng có thể thực hiện các biện pháp loại bỏ nhanh phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống ,loại trừ những tình trạng làm việc không bình thường có kả năng gây hư hại cho thiết bị và hộ dùng điện

Như vậy: nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ rơle là tự động loại bỏ phần tử

gặp sự cố dảm bảo cho hệ thống vẫn làm việc bình thường Ngoài ra còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tự trong hệ thống điện Tùy mức độ mà bảo vệ rơle có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt

SVTH: MAI XUÂN MINH 5

2 Yêu cầu cơ bản của bảo vệ Rơ-le:

Để thực hiện các chức năng và nhiệm vụ quan trọng trên, thiết bị bảo vệ phải thỏa

mạn những yệu cầu cơ bản sau:

- Độ tin cậy không tác động là mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle

sẽ không làm việc sai

b/ Tính chọn lọc

Khả năng của bảo vệ chỉ cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện còn các phần

tử khác vẫn tiếp tục làm việc gọi là tác động chọn lọc

c/ Tác động nhanh

Phần tử bị ngắn mạch càng được cắt nhanh, càng hạn chế mức độ phá hoại các thiết bị, càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ dùng điện và càng có khả năng duy trì ổn định của sự làm việc của các máy phát điện và toàn bộ hệ thống

SVTH: MAI XUÂN MINH 6

3 Nguyên tắc các bảo vệ đã học:

- Bảo vệ quá dòng điện: là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được

bảo vệ vượt quá một giá trị định trước Theo nguyên tắc đảm bảo tính chọn lọc chia thành 2 loại:

- Bảo vệ dòng điện cực đại

- Bảo vệ dòng điện cắt nhanh

+ Bảo vệ dòng điện cực đại: là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn thời

gian làm việc theo nguyên tắc từng cấp, bảo vệ càng gần nguồn cung cấp thì thời gian tác động càng lớn

+ Bảo vệ dòng điện cắt nhanh: là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn

giá trị dòng điện tác động lớn hơn giá trị dòng điện ngắn mạch ngoài max

- Bảo vệ so lệch dòng điện: là loại bảo vệ làm việc theo nguyên tắc so sánh trực tiếp

biên độ dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ Nếu sự sai lệch vượt quá trị số cho trước thì bảo vệ sẽ tác động

Thời gian này tự động tăng lên khi khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ đặt bảo vệ tăng lên Bảo vệ đặt gần chỗ hư hỏng nhất có thời gian làm việc bé nhất

- Bảo vệ dòng điện có hướng:

- Là loại bảo vệ làm việc theo giá trị dòng điện tại chỗ nối rơ le và góc pha giữa dòng điện ấy vơi điện áp trên thanh góp có đặt bảo vệ cung cấp cho rơ le Bảo vệ sẽ tác động khi dòng điện vào rơ le vượt quá giá trị chỉnh định trước và góc pha phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ

→ Từ đó, thấy rằng bảo vệ dòng điện có hướng chính là bảo vệ dòng điện cực đại cộng thêm bộ phận làm việc theo góc lệch pha giữa dòng điện và áp vào rơ le

- Bảo vệ dòng thứ tự không trong mạng có dòng chạm đất bé:

- Thực chất là bảo vệ quá dòng sử dụng bộ lọc thứ tự không để lấy thành phần thứ tự không của dòng 3 pha Khi có ngắn mạch 1 pha chạm đất sẽ xuất hiện dòng thứ

tự không vào rơ le Nếu dòng này lớn hơn giá trị đặt của rơ le thì sẽ tác động cắt máy cắt

- Bảo vệ dòng thứ tự không trong mạng có dòng chạm đất lớn:

- Bảo vệ này lấy dòng điện làm việc vào rơ le là dòng tổng của 3 BI đặt ở 3 pha Khi có ngắn mạch 1 pha dòng vào rơ le bao gồm 3 lần thành phần dòng thứ tự không

và thành phần dòng không cân bằng Người ta chọn dòng khởi động của rơ le lớn hơn dòng không cân bằng tính toán nhân với 1 hệ số kat nào đó Nên khi có ngắn mạch 1 pha chạm đất thì dòng vào rơ le lớn hơn dòng khởi động và bảo vệ tác động cắt máy cắt Khi xảy ra các loại ngắn mạch khác thì thành phần 3 I0 không tồn tại và rơ le không tác động

SVTH: MAI XUÂN MINH 7

B PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY

I Phương thức bảo vệ cho máy biến áp:

1 Mục đích đặt bảo vệ:

Trong hệ thống điện, máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất liên kết hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối Vì vậy, việc nghiên cứu các tình trạng làm việc không bình thường, sự cố xảy ra với MBA là rất cần thiết

Để bảo vệ cho MBA làm việc an toàn cần phải tính đầy đủ các hư hỏng bên trong MBA và các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của máy biến

áp Từ đó đề ra các phương án bảo vệ tốt nhất, loại trừ các hư hỏng và ngăn ngừa các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc của MBA

2 Mục đích và tình trạng làm việc không bình thường xảy ra với MBA:

a) Sự cố trong MBA

Sự cố bên trong được chia làm hai nhóm sự cố trực tiếp và sự cố gián tiếp

Sự cố trực tiếp là ngắn mạch các cuộn dây, hư hỏng cách điện làm thay đổi đột ngột các thông số điện

Sự cố gián tiếp diễn ra từ từ nhưng sẽ trở thành sự cố trực tiếp nếu không phát hiện và xử lý kịp thời (như quá nhiệt bên trong MBA, áp suất dầu tăng cao )

Vì vậy yêu cầu bảo vệ sự cố trực tiếp phải nhanh chóng cách ly MBA bị sự cố ra khỏi hệ thống điện để giảm ảnh hưởng đến hệ thống Sự cố gián tiếp không đòi hỏi phải cách ly MBA nhưng phải được phát hiện, có tín hiệu báo cho nhân viên vận hành biết để xử lý

b) Sự cố bên ngoài máy biến áp

- Dòng điện tăng cao do ngắn mạch ngoài và quá tải

- Mức dầu bị hạ thấp do nhiệt độ không khí xung quanh MBA giảm đột ngột

- Quá điện áp khi ngắn mạch một pha trong hệ thống điện

3 Phương án bảo vệ cho MBA:

SVTH: MAI XUÂN MINH 8

o Bảo vệ quá dòng (51) ⇒ Cắt điện các phía có thời gian

o Bảo vệ nhiệt độ dầu tăng cao (26O) ⇒ Báo tín hiệu, khởi động quạt gió

Hình 1.1: Sơ đồ phương thức bảo vệ cho máy biến áp

II Phương thức bảo vệ cho đường dây tia:

1 Nguyên tác tác động của bảo vệ được sử dụng:

Vì ta đang thực hiện thiết kế BV cho đường dây nên ta sẽ sử dụng các loại BV sau: + Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50)

+ Bảo vệ quá dòng TTK cắt nhanh (50N)

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

+ Bảo vệ quá dòng TTK có thời gian (51N)

Nguyên tắc tác động của các bảo vệ trên đều có chung 1 nguyên tắc đó là bảo vệ

quá dòng điện Bảo vệ sẽ tác động khi có dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá một giá trị định trước gọi là dòng điện khởi động của BV ( Ikđ )

• Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50) và quá dòng TTK cắt nhanh (50N) :

- 2 loại bảo vệ này làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé (0,1s)

• Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51) và quá dòng TTK có thời gian (51N)

- Khi có dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ lớn hơn Ikđ thì 2 loại bảo vệ này

sẽ bắt đầu đếm thời gian t sau khi đếm hết thời gian (đã được xác định bằng các công thức có sẵn) mà dòng trên phần tử đó vẫn còn lớn hơn Ikđ thì bảo vệ sẽ phát tín hiệu cho máy cắt làm việc

SVTH: MAI XUÂN MINH 9

Bảo vệ quá dòng TTK cắt nhanh (50N) và quá dòng TTK có thời gian (51N) có đối tượng tác động là dòng TTK khi có sự cố như NM 1 pha chạm đất , NM 2 pha chạm đất

2 Nhiệm vụ, sơ đồ, nguyên lý làm việc, thông số khởi động và vùng tác động của từng bảo vệ đặt cho đường dây :

a) Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50):

+ Nhiệm vụ: Cắt nhanh (tức thời hoặc cỡ 0,1s) phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống loại bỏ dòng sự cố đảm bảo an toàn cho hệ thống và vẫn làm việc bình thường + Nguyên lý làm việc: Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng ngắn điện mạch lớn nhất đi qua chỗ dặt bảo vệ khi có hư hỏng ỏ đầu phần tử tiếp theo

+ Thông số khởi động :

Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh:

Ikđ_50 = kat IN.ng max

Với: kat : hệ số an toàn Lấy kat = 1,2 ÷ 1,3

INng max : dòng ngắn mạch ngoài cực đại Thường lấy bằng giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất tại thanh cái cuối đường dây

+ Vùng tác động : Vùng tác động của bảo vệ không bao trùm toàn bộ chiều dài

đường dây được bảo vệ và thay đổi theo dạng ngắn mạch ,chế độ vận hành của hệ thống Phạm vi bảo vệ không cố định phụ thuộc vào chế độ ngắn mạch và chế độ làm việc hệ thống Chính vì vậy bảo vệ quá dòng cắt nhanh không thể là bảo vệ chính của một phần tử nào đó mà chỉ có thể kết hợp với bảo vệ khác

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh : Sơ đồ nguyên lý ,phạm vi bảo vệ , chọn Ikđ

b) Bảo vệ quá dòng điện TTK cắt nhanh (50N):

SVTH: MAI XUÂN MINH 10

+ Nhiệm vụ : Cắt nhanh (tức thời hoặc cỡ 0,1s) phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống loại bỏ dòng sự cố đảm bảo hệ thống vẫn làm việc bình thường và không bị hư hại

+ Nguyên lý làm việc: tương tự như BV quá dòng cắt nhanh nhưng bảo vệ này hoạt động dựa trên trị số dòng TTK Io của đường dây được bảo vệ Khi dòng này lớn

hơn Ikđ của BV thì BV sẽ tác động cắt máy cắt

+ Thông số khởi động :

Dòng điện khởi động của BV:

Ikđ_50N = kat .I0Nng max

Với: kat : hệ số an toàn Lấy kat = 1,2 ÷ 1,3

I0Nng max: dòng ngắn mạch TTK ngoài cực đại

+ Vùng tác động : Cũng tương tự như BV quá dòng cắt nhanh nhưng vùng bảo vệ ổn

định hơn khi chế độ vận hành hệ thống thay đổi

c) Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51):

+ Nhiệm vụ :Loại bỏ phần tử bị sự cố sau thời gian t (đã đặt) ra khỏi hệ thống nhằm

loại bỏ dòng sự cố đảm bảo hệ thống vẫn làm việc bình thường không bị gián

đoạn

+ Nguyên lý làm việc :Tính chọn lọc của BV dòng điện có thời gian được đảm bảo

bằng nguyên tắc phân cấp chọn thời gian tác động Bảo vệ càng gần nguồn cung

Ilvpt max: dòng làm việc max

- Thời gian làm việc của bảo vệ : Có 2 loại đặc tính thời gian làm việc của bảo

vệ quá dòng có thời gian :(a) - Đặc tính độc lập

(b)- Đặc tính phụ thuộc

Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính độc lập không phụ thuộc vào trị số

dòng điện chạy qua bảo vệ ,còn của bảo vệ đặc tính thời gian phụ thuộc thì tỉ lệ

nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ: dòng càng lớn thì thời gian tác động càng

SVTH: MAI XUÂN MINH 11

(b) - T/h đặc tuyến độc lập ; (c) - T/h đặc tuyến phụ thuộc

+ Vùng tác động : Toàn bộ đường dây

d) Bảo vệ quá dòng TTK có thời gian (51N):

Nhiệm vụ và nguyên lý làm việc cũng tương tự như BV quá dòng điện có thời gian nhưng nó làm việc theo dòng TTK của đường dây được bảo vệ

SVTH: MAI XUÂN MINH 12

III Chọn tỷ số máy biến dòng:

Tỷ số biến đổi của các máy biến dòng được chọn theo công thức :

I sdd

tdd

I

n =IChọn Itdd = 5 A

Dòng Isdd được chọn theo công thức:

SVTH: MAI XUÂN MINH 13

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

A/Tính toán thông số:

Chọn hệ đơn vị tương đối cơ bản:

Ta có : SNmin = 0,85 SNmax =0,85.2000 =1700 (MVA)

+ Một máy biến áp làm việc

SVTH: MAI XUÂN MINH 14

Ta chia mỗi đoạn đường dây thành 4 đoạn bằng nhau Ta cần tính dòng ngắn mạch

tại 9 điểm như hình vẽ sau:

SVTH: MAI XUÂN MINH 15

B/Tính toán ngắn mạch cho từng điểm ngắn mạch:

Để tính toán chế độ ngắn mạch không đối xứng ta sử dụng phương pháp các thành phần đối xứng.Điện áp và dòng điện được chia thành 3 thành phần:thành phần thứ tự thuận,thành phần thứ tự nghịch và thành phần thứ tự không

Dòng điện ngắn mạch thứ tự thuận pha A của mọi dạng ngắn mạch đều có tính theo công thức :

=

+

Trong đó X( )n là điện kháng phụ của loại ngắn mạch n

Trị số dòng điện ngắn mạch siêu quá độ có thể tính theo công thức:

0 2

)XX

(

X.X1

.3

SVTH: MAI XUÂN MINH 16

I/ Tính trong chế độ cực đại

- Tính ngắn mạch ở chế độ MAX:

+ Tính các dạng NM: N(3) N(1) N(1,1)

+ 2MBA làm việc song song

Sơ đồ thay thế và thông số của lưới ở chế độ MAX: