Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần tử không hư hỏng trong hệ thống điện cần có các thiết bị phát ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất, phát hiện ra các phần
NHIỆM VỤ VÀ CÁC YÊU CẦU BẢO VỆ RƠLE
Nhiệm vụ của bảo vệ rơle
Khi thiết kế hoặc vận hành bất kì 1 hệ thống điện nào cũng phải kể đến các khả năng phát sinh các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường trong hệ thống điện ấy
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 sự cố bằng tia lửa điện
- Phá hủy các phần tủ có dòng điện ngắn mạch chạy qua do tác dụng của nhiệt và cơ
- Phá vỡ sự ổn định của hệ thống
Ngoài các loại hư hỏng, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường như là quá tải Khi quá tải, dòng điện tăng cao làm nhiệt độ của các phần dẫn điện vượt quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi bị phá hỏng Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần tử không hư hỏng trong hệ thống điện cần có các thiết bị phát ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất, phát hiện ra các phần tử bị hư hỏng và cắt nó ra khỏi hệ thống điện Thiết bị này được thực hiện nhờ các khí cụ tự động gọi là rơ le Thiết bị bảo vệ thực hiện nhờ những rơ le gọi là thiết bị bảo vệ rơ le
Như vậy, nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ rơ le là tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện Ngoài ra, còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện Tùy mức độ mà bảo vệ rơ le có thể tác động hoặc báo tín hiệu đi cắt máy cắt Để giảm thời gian cắt ngắn mạch cần phải giảm thời gian tác động của thiết bị bảo vệ rơ le Tuy nhiên trong một số trường hợp để thực hiện yêu cầu tác động nhanh thì không thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc Hai yêu cầu này đôi khi mâu thuẫn nhau, vì vậy tùy điều kiện cụ thể cần xem xét kỹ càng hơn về 2 yêu cầu này
• Tính chọn lọc: là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống Theo nguyên lý làm việc có thể phân ra:
+ Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm việc khi có sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận
+ Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận
• Độ nhạy: Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy kn min
Yêu cầu: k n ≥ 2: đối với bảo vệ chính k n ≥1,5: đối với bảo vệ dự phòng
• Độ tin cậy: là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn
+ Độ tin cậy tác động: là 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
+ Độ tin cậy không tác động: là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được quy định
• Tính kinh tế: Đối với lưới điện trung, hạ áp vì số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, yêu cầu đối với thiết bị không cao bằng thiết bị bảo vệ ở cá nhà máy điện lớn hoặc lưới truyền tải cao áp và siêu cao áp do vậy cần chú ý tới tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật với chi phí nhỏ nhất.
Các yêu cầu đối với bảo vệ rơle
ĐIỆN 2.1 Bảo vệ quá dòng điện
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
2.2 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
2.3 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
2.4 Bảo vệ so lệch dòng điện
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.
CÁC NGUYÊN TẮC BẢO VỆ RƠ LE TRONG HỆ THỐNG
Bảo vệ quá dòng điện
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 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.
Bảo vệ so lệch dòng điện
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.
Bảo vệ khoảng cách
Bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ dùng rơ le tổng trở có thời gian làm việc phụ thuộc vào quan hệ giữa điện áp UR và dòng điện IR đưa vào rơ le và góc pha giữa chúng t = f( UR IR , φ R)
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.
NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, THÔNG SỐ KHỞI ĐỘNG VÀ VÙNG TÁC ĐỘNG CỦA TỪNG BẢO VỆ ĐẶT CHO ĐƯỜNG DÂY
Bảo vệ quá dòng có thời gian
- Nhiêm vụ: Dùng để bảo vệ cho các lưới hở có 1 nguồn cung cấp, chống ngắn mạch giữa các pha
- Sơ đồ nguyên lý làm việc: Chia làm 2 loại
+ Bảo vệ quá dòng có đặc tính thời gian độc lập
- Đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc từng cấp. Bảo vệ gần nguồn có thời gian làm việc chậm nhất
Giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ IKĐ trong trường hợp này được xác định bởi:
I KĐ RL = Kat Kmm Ktv ∋¿ ¿ Ilvmax
Ilvmax: dòng điện làm việc lớn nhất kat: hệ số an toàn để đảm bảo cho bảo vệ không cắt nhầm khi có ngắn mạch ngoài do sai số khi tính dòng ngắn mạch (kể đến đường cong sai số 10% của BI và 20% do tổng trở nguồn bị biến động) kmm: hệ số mở máy, có thể lấy Kmm= (1.5 ÷ 2,5) ktv: hệ số trở về của chức năng bảo vệ quá dòng, có thể lấy trong khoảng (0,85 ÷ 0,95)
Sở dĩ phải sử dụng hệ số Ktv ở đây xuất phát từ yêu cầu đảm bảo sự làm việc ổn định của bảo vệ khi có các nhiễu loạn ngắn (hiện tượng tự mở máy của các động cơ sau khi TĐL đóng thành công) trong hệ thống mà bảo vệ không được tác động
Phối hợp các bảo vệ theo thời gian: Đây là phương pháp phổ biến nhất thường được đề cập trong các tài liệu bảo vệ rơle hiện hành Nguyên tắc phối hợp này là nguyên tắc bậc thang, nghĩa là chọn thời gian của bảo vệ sao cho lớn hơn một khoảng thời gian an toàn Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấpt so với thời gian tác động lớn nhất của cấp bảo vệ liền kề trước nó (tính từ phía phụ tải về nguồn) tn = t(n-1)max + ∆ t
Trong đó: tn: thời gian đặt của cấp bảo vệ thứ n đang xét t(n-1) max: thời gian tác động cực đại của các bảo vệ của cấp bảo vệ đứng trước nó (thứ n). Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấpt: bậc chọn lọc về thời gian
+ Bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian phụ thuộc
Bảo vệ quá dòng có đặc tuyến thời gian độc lập trong nhiều trường hợp khó thực hiện được khả năng phối hợp với các bảo vệ liền kề mà vẫn đảm bảo được tính tác động nhanh của bảo vệ Một trong những phương pháp khắc phục là người ta sử dụng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc Hiện nay các phương thức tính toán chỉnh định rơle quá dòng số với đặc tính thời gian phụ thuộc do đa dạng về chủng loại và tiêu chuẩn nên trên thực tế vẫn chưa được thống nhất về mặt lý thuyết điều này gây khó khăn cho việc thẩm kế và kiểm định các giá trị đặt.
Hình 3.1: Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong lưới điện hình tia cho trường hợp đặc tuyến phụ thuộc và đặc tính độc lập
Rơle quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc được sử dụng cho các đường dây có dòng sự cố biến thiên mạnh khi thay đổi vị trí ngắn mạch Trong trường hợp này nếu sử dụng đặc tuyến độc lập thì nhiều khi không đảm bảo các điều kiện kỹ thuật: thời gian cắt sự cố, ổn định của hệ thống Hiện nay người ta có xu hướng áp dụng chức năng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc như một bảo vệ thông thường thay thế cho các rơle có đặc tuyến độc lập
Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian được tính theo công thức:
Ikđ-51 = k Ilvmax Trong đó: k – hệ số chỉnh định (k=1,6)
Thời gian bảo vệ được chọn theo công thức: t = I 0,02∗− 0,14 1 Tp ; t = I 13,5 ∗−1 Tp ,S
Vùng tác động của rơ le bảo vệ quá dòng có thời gian là toàn bộ phần đường dây tính từ vị trí đặt bảo vệ về phía tải Bảo vệ đặt gần nguồn có khả năng làm dự phòng cho bảo vệ đặt phía sau với thời gian cắt sự cố chậm hơn 1 cấp thời gian là Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấpt.
Bảo vệ quá dòng cắt nhanh
Đối với bảo vệ quá dòng thông thường càng gần nguồn thời gian cắt ngắn mạch càng lớn, thực tế cho thấy ngắn mạch gần nguồn thường thì mức độ nguy hiểm cao hơn và cần loại trừ càng nhanh càng tốt Để bảo vệ các đường dây trong trường hợp này người ta dùng bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50), bảo vệ cắt nhanh có khả năng làm việc chọn lọc trong lưới có cấu hình bất kì với một nguồn hay nhiều nguồn cung cấp Ưu điểm của nó là có thể cách ly nhanh sự cố với công suất ngắn mạch lớn ở gần nguồn Tuy nhiên vùng bảo vệ không bao trùm được hoàn toàn đường dây cần bảo vệ, đây chính là nhược điểm lớn nhất của loại bảo vệ này Để đảm bảo tính chọn lọc, giá trị đặt của bảo vệ quá dòng cắt nhanh phải được chọn sao cho lớn hơn dòng ngắn mạch cực đại (ở đây là dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp) đi qua chỗ đặt rơle khi có ngắn mạch ở ngoài vùng bảo vệ Sau đây chúng ta sẽ đi tính toán giá trị đặt của bảo vệ cho mạng điện trong đồ án Đối với mạng điện hình tia một nguồn cung cấp giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ đặt tại thanh góp A được xác định theo công thức:
Ikđ = kat INngmax Trong đó: kat: hệ số an toàn, tính đến ảnh hưởng của các sai số do tính toán ngắn mạch, Ưu điểm: Làm việc 0 giây đối với ngắn mạch gần thanh góp
• Chỉ bảo vệ được 1 phần đường dây 70 – 80%
• 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
1 phần tử nào đó mà chỉ có thể kết hợp với bảo vệ khác
Hình 3.2: Bảo vệ dòng điện cắt nhanh đường dây một nguồn cung cấp
Bảo vệ dòng thứ tự không trong mạng có dòng chạm đất lớn
Những mạng có dòng chạm đất lớn là những mạng có trung tính nối đất trực tiếp Những mạng này đòi hỏi bảo vệ phải tác động cắt máy cắt khi có ngắn mạch 1 pha
Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ được trình bày như hình vẽ sau:
Ta thấy bảo vệ dùng ba biến dòng đặt ở 3 pha làm đầu vào cho 1 rơ le
Dòng vào rơ le bằng:
Ia = (IA – IA μ) WT WS
IR = Ia + Ib + Ic = (IA + IB + IC) WT WS - (IAμ + IBμ + ICμ) WT WS
Với: Ikcb = (IAμ + IBμ + ICμ) WT WS : là thành phần dòng không cân bằng, sinh ra do sự không đồng nhất của các BI
Sơ đồ chỉ làm việc khi xảy ra ngắn mạch 1 pha Còn khi ngắn mạch giữa các pha thì bảo vệ không tác động do thành phần 3 I0 bằng 0
Dòng khởi động được chọn như sau:
IkđR = kat Ikcbtt ¿ , ni: tỉ số biến của BI
Thời gian làm việc của bảo vệ cũng được chọn theo nguyên tắc từng cấp để đảm bảo tính chọn lọc nhưng chỉ áp dụng trong mạng trung tính nối đất trực tiếp
→Bảo vệ chống ngắn mạch 1 pha có thời gian làm việc bé hơn so với bảo vệ quá dòng chống ngắn mạch giữa các pha và có độ nhạy cao hơn
- Áp dụng: trong các mạng có trung tính nối đất trực tiếp
Vì giá trị dòng chạm đất bé nên những bảo vệ nối pha rơ le toàn phần không thể làm việc với những dòng chạm đất nhỏ như vậy Nên thực tế người ta phải dùng các bộ lọc thành phần thú tự không như hình vẽ sau: Ở điều kiện bình thường, ta có: IA + IB + IC = 0, từ thông trong lõi thép bằng 0 và mạch thứ cấp không có dòng điện nên I2 = 0, rơ le không làm viêc
Khi xảy ra chạm đất, có thành phần 3I0 chạy vào rơ le nên rơ le tác động
3.5 Bảo vệ so lệch dòng điện
-Nhiệm vụ: làm bảo vệ chính cho các đường dây, đặc biệt là các đường dây quan trọng, làm nhiệm vụ chống ngắn mạch
- Sơ đồ nguyên lý làm việc:
Sơ đồ nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch dòng điện có dạng như sau:
IR =Isl = ∆ I = IT1 - IT2 , gọi là dòng so lệch
Xét tình trạng làm việc bình thường của bảo vệ Giả sử ngắn mạch tại N1: dòng ngắn mạch từ A đến Ta có:
IR = 0 (trường hợp lý tưởng) Rơ le không tác động
Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ N2 Ta có: IS1 ≠ IS2, nên IT1 ≠IT2, nên IR = IT1 – IT2
≠0 Nếu |IR| > IKĐ thì rơ le không tác động.
- Dòng khởi động: Để bảo vệ so lệch làm việc đúng ta phải chỉnh định dòng khởi động của bảo vệ lớn hơn dòng không cân bằng lớn nhất khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ Tức là:
Ikcbttmax = kđn kkck fimax INMNmax
Với: kđn: hệ số kể tới sự đồng nhất của các BI, bằng 0 khi các BI cùng loại, và có cùng đặc tính từ hóa, hoàn toàn giống nhau, có dòng ISC như nhau kđn = 1 khi các BI khác nhau nhiều nhất, 1 bộ có sai số, 1 bộ không kkck: hệ số kể đến thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch ngoài
INMNmax: thành phần chu kì của dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất fimax = 0,1: sai số cực đại cho phép của BI làm việc trong tình trạng ổn định
Bảo vệ so lệch có vùng tác động được giới hạn bởi vị trí đặt của 2 tổ BI ở đầu và cuối đường dây được bảo vệ, là loại bảo vệ có tính chất tác động chọn lọc tuyệt đối, không có khả năng làm dự phòng cho các bảo vệ khác
- Sơ đồ nguyên lý làm việc:
Trong trường hợp chung, bảo vệ khoảng cách có các bộ phận chính sau:
-Bộ phận khởi động: có nhiệm vụ khởi động bảo vệ vào thời điểm phát sinh sự cố, kết hợp với các bảo vệ khác làm bậc bảo vệ cuối cùng Bộ phận khởi động thường được thực hiện nhờ rơ le dòng cực đại hoặc rơ le tổng trở cực tiểu
-Bộ phận khoảng cách: đo khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến điểm hư hỏng, thực hiện nhờ
-Bộ phận định hướng công suất: để tránh bảo vệ tác động nhầm khi hướng công suất ngắn mạch từ đường dây được bảo vệ đi vào thanh góp của trạm, được thực hiện bằng các rơ le định hướng công suất riêng biệt hoặc kết hợp trong bộ phận khởi động và khoảng cách.
Bảo vệ so lệch dòng điện
-Nhiệm vụ: làm bảo vệ chính cho các đường dây, đặc biệt là các đường dây quan trọng, làm nhiệm vụ chống ngắn mạch
- Sơ đồ nguyên lý làm việc:
Sơ đồ nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch dòng điện có dạng như sau:
IR =Isl = ∆ I = IT1 - IT2 , gọi là dòng so lệch
Xét tình trạng làm việc bình thường của bảo vệ Giả sử ngắn mạch tại N1: dòng ngắn mạch từ A đến Ta có:
IR = 0 (trường hợp lý tưởng) Rơ le không tác động
Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ N2 Ta có: IS1 ≠ IS2, nên IT1 ≠IT2, nên IR = IT1 – IT2
≠0 Nếu |IR| > IKĐ thì rơ le không tác động.
- Dòng khởi động: Để bảo vệ so lệch làm việc đúng ta phải chỉnh định dòng khởi động của bảo vệ lớn hơn dòng không cân bằng lớn nhất khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ Tức là:
Ikcbttmax = kđn kkck fimax INMNmax
Với: kđn: hệ số kể tới sự đồng nhất của các BI, bằng 0 khi các BI cùng loại, và có cùng đặc tính từ hóa, hoàn toàn giống nhau, có dòng ISC như nhau kđn = 1 khi các BI khác nhau nhiều nhất, 1 bộ có sai số, 1 bộ không kkck: hệ số kể đến thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch ngoài
INMNmax: thành phần chu kì của dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất fimax = 0,1: sai số cực đại cho phép của BI làm việc trong tình trạng ổn định
Bảo vệ so lệch có vùng tác động được giới hạn bởi vị trí đặt của 2 tổ BI ở đầu và cuối đường dây được bảo vệ, là loại bảo vệ có tính chất tác động chọn lọc tuyệt đối, không có khả năng làm dự phòng cho các bảo vệ khác.
Bảo vệ khoảng cách
- Sơ đồ nguyên lý làm việc:
Trong trường hợp chung, bảo vệ khoảng cách có các bộ phận chính sau:
-Bộ phận khởi động: có nhiệm vụ khởi động bảo vệ vào thời điểm phát sinh sự cố, kết hợp với các bảo vệ khác làm bậc bảo vệ cuối cùng Bộ phận khởi động thường được thực hiện nhờ rơ le dòng cực đại hoặc rơ le tổng trở cực tiểu
-Bộ phận khoảng cách: đo khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến điểm hư hỏng, thực hiện nhờ
-Bộ phận định hướng công suất: để tránh bảo vệ tác động nhầm khi hướng công suất ngắn mạch từ đường dây được bảo vệ đi vào thanh góp của trạm, được thực hiện bằng các rơ le định hướng công suất riêng biệt hoặc kết hợp trong bộ phận khởi động và khoảng cách.
CHỌN CÁC THÔNG SỐ MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN
Chọn tỷ số biến đổi của các BI: Chọn tỷ số biến đổi của máy biến dòng điện BI1, BI2 và BI3 dùng cho bảo vệ đường dây L1, L2 Dòng điện sơ cấp danh định của BI chọn theo quy chuẩn lấy theo giá trị lớn Dòng thứ cấp lấy bằng 5A
Tỷ số biến đổi của máy biến dòng BI: ni= I ddBI ITdd
+ Chọn IddBI ≥ Ilvmax= Icb: dòng điện làm việc lớn nhất đi qua BI
Dòng điện làm việc trên đường dây 3:
√3 22 0,9.10 3 ,477A Dòng điện làm việc trên đường dây 2:
Dòng điện làm việc trên đường dây 1:
Tỷ số của máy biến dòng điện: ni= IddBI ITdd với Itdd = 1A
Dòng điện sơ cấp danh định của BI1 là: I1= 204,113A
Tỷ số biến dòng n2= IddBI ITdd 2=150 5
Dòng điện sơ cấp danh định của BI3 là: I3= 87,477A
Tỷ số biến dòng n3= IddBI ITdd 3=50 5 (100/5)
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ LỰA CHỌN THÔNG SỐ CÀI ĐẶT VÀ KIỂM TRA ĐỘ NHẠY CỦA CÁC BẢO VỆ 1 &2
Mục đích và yêu cầu của việc tính toán ngắn mạch
- Lựa chọn các trang thiết bị điện phù hợp, chịu được dòng ngắn mạch trong thời gian tồn tại sự cố.
- Tính toán, hiệu chỉnh thiết bị bảo vệ rơle, tự động cắt phần tử sự cố ra khỏi HTĐ.
- Lựa chọn sơ đồ thích hợp, lựa chọn các thiết bị như kháng điện, máy biến áp nhiều cuộn dây….để hạn chế dòng điện ngắn mạch. b, Yêu cầu
Phải xác định được dòng điện ngắn mạch lớn nhất (I max ) để phục vụ cho việc chỉnh định rơle và dòng ngắn mạch nhỏ nhất để kiểm tra độ nhậy cho rơle đã chỉnh định Trong HTĐ ta xét các dạng ngắn mạch:
- Ngắn mạch 2 pha chạm đất N (1,1)
Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch
- Các máy phát điện không có hiện tượng dao động công suất nghĩa là góc lệch pha giữa các vectơ sức điện động của máy phát là không thay đổi và xấp xỉ bằng không.
- Tính toán thực tế cho thấy phụ tải hầu như không tham gia vào dòng ngắn mạch quá độ ban
- Dung dẫn ký sinh trên đường dây, điện trở máy biến áp và cả đường dây.
- Hệ thống điện 3 pha là đối xứng.
Tính toán ngắn mạch
Chọn vị trí các điểm tính ngắn mạch:
Ta chia mỗi đoạn đường dây thành 4 đoạn bằng nhau Ta cần tính dòng ngắn mạch tại 9 điểm như hình vẽ sau:
Hình 2.3.1: Vị trí các điểm ngắn mạch a) Chọn các đại lượng cơ bản
Tính toán trong hệ đơn vị tương đối, gần đúng với các đại lượng cơ bản:
Công suất cơ bản: Scb = SBđm= 20 (MVA) Điện áp cơ bản: Ucb = Utb các cấp (115kV; 24kV)
√3.24 = 0,4811 (kA) Chọn EHT = 1 b) Điện khang của các phần tử trên sơ đồ
+, trị điện kháng thứ tự thuận:
HT max = 2000 20 = 0,01 Chế độ cực tiểu:
HT min = 1600 20 = 0,012 +, Giá trị điện kháng thứ tự không:
X0HT max = 0,80 X1HT max= 0,80 0,01 = 0,008 Chế độ cực tiểu:
Chế độ cực tiểu (1 máy biến áp):
Ta chia L1 và L2 lần lượt thành 4 đoạn bằng nhau Ta có:
+ Điện kháng thứ tự thuận:
= 0,0694 +, Điện kháng thứ tự không:
= 0,1736 c) Tính dòng ngắn mạch của mạng điện ở chế độ cực đại 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.
Sơ đồ thứ tự thuận dạng tổng quát:
Sơ đồ thứ tự nghịch dạng tổng quát:
Sơ đồ thứ tự không dạng tổng quát:
Dòng điện ngắn mạch thứ tự thuận pha A của mọi dạng ngắn mạch đều có tính theo công thức :
X 1 ∑ +X ∆ (n ) (vì E ∑ =1) với X (n) ∆ là điện kháng phụ của loại ngắn mạch
=> Trị số dòng điện ngắn mạch tổng tại các pha được tính theo công thức :
Dạng ngắn mạch n X (n) Δ m (n) Tính toán
I I d) Chế độ dòng điện làm việc cực đại
Tính ngắn mạch ở chế độ MAX:
+ 2MBA làm việc song song
Sơ đồ thay thế và thông số của lưới ở chế độ MAX:
Hình 2.3.2: Giá trị điện kháng tại các điểm ngắn mạch
Ta tiến hành các dạng ngắn mạch lần lượt cho 9 điểm N 1 -N 9
Tính X 1∑ ; X 2∑ ; X 0∑ tại các điểm ngắn mạch trong chế độ max:
Tương tự với các điểm còn lại ta có công thức tính:
Kết quả tính cho bảng sau:
Bảng 2.3: Tổng giá trị điện kháng thứ tự thuận nghịch, không của mạng điện ở chế độ cực
Dòng điện pha A thành phần thứ tự thuận, không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ:
Dòng điện pha A thành phần thứ tự thuận, thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ:
Dòng điện ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
+) Ngắn mạch 2 pha chạm đất pha N (1,1) :
Dòng điện pha A thành phần thứ tự thuận, thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ:
Dòng điện ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
- Các điểm NM từ N2 đến N9:
Tính toán tương tự như điểm N1
Ta có bảng kết quả tính toán NM ở chế độ MAX như sau:
- Tính ngắn mạch ở chế độ MIN:
Tính X 1∑ ; X 2∑ ; X 0∑ tại các điểm ngắn mạch trong chế độ min
Kết quả tính cho bảng sau:
- Tính ngắn mạch tại điểm N1:
Dòng điện pha A thành phần thứ tự thuận, không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ:
Dòng điện pha A thành phần thứ tự thuận, thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ:
Dòng điện ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện pha A thành phần thứ tự thuận, thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ:
Dòng điện ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch:
- Các điểm NM từ N2 đến N9:
Tính toán tương tự như điểm N1
Ta có bảng kết quả tính toán NM ở chế độ MIN như sau :
Từ bảng trên ta tổng hợp sau:
TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA CÁC BẢO VỆ SỬ DỤNG CHO ĐƯỜNG DÂY
Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50 - I≫)
Trị số dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh được lựa chọn theo công thức
kat - Hệ số an toàn Chọn kat = 1,2
INngmax - Dòng ngắn mạch ngoài cực đại là dòng ngắn mạch lớn nhất thường lấy bằng giá trị dòng ngắn mạch trên thanh cái cuối đường dây. a, Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng cắt nhanh trên đoạn đường dây D2 là:
I (50) kd 1 = kat INngmax = 1,2 1,369= 1,643 (kA) b, Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng cắt nhanh trên đoạn đường dây D1 là:
4.2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh (50N- I 0 ≫)
Trị số dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh được lựa chọn theo công thức
I (50) kd2 = Kat.3.I0N9max =1,2.3 0,792 = 2,851 (kA) b, Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh trên đường dây L1:
4.3 Bảo vệ quá dòng có thời gian (51 - I≫)
Dòng bảo vệ quá dòng có thời gian được lựa chọn theo công thức sau:
I kd 51 =k at k mm k v I lv max [2]
+ kat - hệ số an toàn, kat = 1,1-1,3
+ kmm - hệ số mở máy của các phụ tải động cơ có dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ. + ktv - hệ số trở về, kv = 0,85÷0,95 với rơle cơ; kv = 1 với rơle số
+ Ilvmax - dòng điện làm việc lớn nhất trên đường dây L
Chọn Kat = 1, 20 ; K mm = 1,8; Kv = 1( K at ∗ K K mm v
=1,6) a, Chọn dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng có thời gian trên đoạn đường dây L2
∗I lvmax 1 = 1,2 1 1,8 204,133 = 326,613 ≈ 0,327 (kA) b, Chọn dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng có thời gian trên đoạn đường dây L1:
∗I lvmax 2 = 1,2.1,8 1 145,795 = 233,272 (A )≈ 0,230 (kA) Đặc tính thời gian của relay: t = I 13,5 ¿−1 T p (s) I ¿¿I N
I kd c, Chọn thời gian làm việc của bảo vệ
* Chế độ làm việc cực đại
- Xét điểm ngắn mạch N9 có IN9max = 1,369 (kA)
I kdd 2 = 1.369 0,327 = 4,186 kA t 2 9 =t pt 2 +¿ Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấpt = 1,5 + 0,3= 1,8 (s)
- Xét điểm ngắn mạch N8 có IN8max = 1,508 (kA)
Tính toán tương tự cho các điểm ngắn mạch còn lại ta được bảng sau:
Thời gian bảo vệ làm việc tại điểm N5 trên đường dây 1 là: t 1 5 =t BV N 5 2 +Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấpt = 1.036 + 0,3 = 1,336 (s)
- Xét điểm ngắn mạch N5 có IN5max = 2,137 (kA)
- Xét điểm ngắn mạch N4 có IN4max = 2,637 (kA)
Tính toán tương tự cho các điểm ngắn mạch còn lại ta được bảng sau:
Bảng 4.3.2: Bảng chọn thời gian làm việc của bảo vệ 51 trên đường dây D1
Vậy ta chọn: I kđ1-51 = 0,230 (kA) ; T p1 = 0,820 (s)
Hình 4.3.1: Đặc tính thời gian của bảo vệ 51 trong chế độ làm việc cực đại
* Chế độ làm việc cực tiểu:
Tính toán tương tự như ở chế độ làm việc cực đại
Ta có kết quả tính toán như sau:
Bảng 4.4.4: Bảng chọn thời gian làm việc của bảo vệ 51 trên đường dây L1
Hình 4.3.2: Đặc tính thời gian của bảo vệ 51 trong chế độ làm việc cực tiểu
4.4 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian (51N - I 0 >) không có thời gian:
Trong đó: k 0 : Hệ số chỉnh định; k0 = 0,3
I dđ BI : Dòng điện danh định phía sơ cấp của BI. a, Dòng điện khởi động trên đoạn đường dây D1:
I kd 1¿ ¿ b, Dòng điện khởi động trên đoạn đường dây D2:
I kd 2¿ ¿ c, Chọn thời gian làm việc của bảo vệ
Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng TTK có thời gian: được chọn theo từng cấp t2 = tpt2 + ∆t = 1,5 + 0,3 =1,8 (s) t1 = max (t2, tpt1) + ∆t = 1,8 + 0,3 = 2,1 (s) Đặc tính thời gian của BV 51N :
Hình 4.4: Đặc tính thời gian của bảo vệ 51N
4.5 Kiểm tra sự làm việc của bảo vệ
*Kiểm tra sự làm việc của bảo vệ cắt nhanh (50)
Xác định vùng bảo vệ a, Tính chính xác theo phương pháp đồ thị
Hình 4.4: Vùng bảo vệ của BV quá dòng cắt nhanh cho đường dây L1và L2
Hình 4.5: Vùng bảo vệ của BV quá dòng cắt nhanh cho đường dây L1và L2
- Vùng bảo vệ lớn nhất (Lmax) khi ngắn mạch 3 pha
Trong đó: X LCN = x 1 ∗L max ∗S cb
Khi đó ta suy ra, vùng bảo vệ lớn nhất:
Lmax = = [ I kđL 1 1 50 √ 3 S U cb cb − ( X HT + X 2 B ) ] x 1 S cb
=> Bảo vệ được 67,056% đường dây
Xét bảo vệ 2: Điện kháng đơn vị của đường dây L2 ở hệ đơn vị tương đối cơ bản
- Vùng bảo vệ lớn nhất (Lmax) khi ngắn mạch 3 pha
Trong đó: X LCN = x 1 ∗L max ∗S cb
Khi đó ta suy ra, vùng bảo vệ lớn nhất:
Lmax = [ I kđL 1 2 50 √ 3 S U cb cb − ( X HT + X L1 + X 2 B ) ] x 0 S cb
- Vùng bảo vệ nhỏ nhất – vùng chắc bảo vệ chắc chắn (Lmin ):khi ngắn mạch 2 pha chạm nhau N(2).
Trong đó: X LCN =x 1 ∗L max ∗S cb
Lmin = [ 2 I kđL √ 3 1 50 √ 3 S U cb cb − ( X HT + X B ) ] x 1 S cb
25 100 %=¿ 41,356 % Bảo vệ được 41,356%đường dây.
Trong đó: X LCN =x 1 ∗L min ∗S cb
Bảo vệ được 20,97% đường dây
*Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ quá dòng có thời gian (51)
- Độ nhạy được xác định theo công thức: k n =I Nmin
Relay bảo vệ của đường dây L1:
Nên độ nhạy của bảo vệ trên L1 thỏa mãn
Relay bảo vệ của đường dây L2
Nên độ nhạy của bảo vệ trên L2 không thỏa mãn
*Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian (51N) Độ nhạy của relay bảo vệ được cho bởi công thức: k n =I Nmin
Relay bảo vệ của đường dây D1
Nên độ nhạy của bảo vệ trên D1 thỏa mãn
Relay bảo vệ của đường dây D2
Qua bốn chương của đồ án, ta đã có thêm kiến thức về các loại role bảo vệ đường dây trong hệ thống điện; tính toán, cài đặt, khảo sát các bảo vệ của đường dây L1 và L2. Đồ án môn học bảo vệ rơle này cung cấp thêm kinh nghiệm, tài liệu về các loại bảo vệ rơle Đồng thời đây cũng là cuốn cẩm nang bỏ túi cho sinh viên kỹ thuật điện để củng cố lại tay nghề, kỹ năng tính toán, thiết kế bảo vệ cho hệ thống điện.
