Đồ án bảo vệ rơle cho trạm biến áp và đường dây

Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn mạch nhằm xác định các trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua đối tượng được bảo vệ để cài đặt và chỉnh định các thông số của bảo vệ,

Phần I THIẾT KẾ BẢO VỆ CHO TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ – THÔNG SỐ CHÍNH 1.1 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG

Trạm biến áp được bảo vệ gồm hai máy biến áp ba dây quấn B1 và B2 được mắc song song với nhau Hai máy biến áp này được cung cấp từ hai nguồn của HTĐ1 và HTĐ2 Hệ thống điện HTĐ1 cung cấp đến thanh góp 220kV của trạm biến áp qua đường dây D1, hệ thống điện HTĐ2 cung cấp đến thanh góp 220kV của trạm biến áp qua đường dây D2 Phía trung và hạ áp của trạm có điện áp 110kV và 35kV để đưa đến các phụ tải

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S1Nmax = 1750 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S1Nmin = 0,9S1Nmax

Điện kháng thứ tự không: X0H1 = 1,5X1H1

2 Hệ thống điện HTĐ2:

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S2Nmax = 1680 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S2Nmin = 0,8S2Nmax

Chiều dài đường dây: L2 = 80 km

Điện kháng đường dây: X12 = 0,401

CHƯƠNG 2: TÍNH NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE

Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay chập dây trung tính) Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn mạch nhằm xác định các trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua đối tượng được bảo vệ để cài đặt và chỉnh định các thông

số của bảo vệ, trị số dòng ngắn mạch nhỏ nhất để kiểm tra độ nhạy của chúng

2.1 MỤC ĐÍCH TÍNH NGẮN MẠCH:

Tính ngắn mạch tại các vị trí trên sơ đồ nhằm tìm ra dòng ngắn mạch Max và Min

đi qua vị trí đặt bảo vệ phục vụ việc chỉnh định và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

Để tìm dòng ngắn mạch chạy qua các BI phục vụ cho bảo vệ ta phải xét 2 chế độ:

Chế độ max: Điều kiện hệ thống điện ở chế độ max và điện kháng ở chế độ min,

từ điều kiện đó trong chế độ max ta xét trường hợp:

+ Hệ thống max với 2 máy biến áp vận hành song song

+ Hệ thống max với 1 máy biến áp vận hành độc lập

Ở chế độ này ta đi xét 3 dạng ngắn mạch đó là: N(3), N(1,1), N(1)

Chế độ min:

Điều kiện ngược lại so với chế độ max Tức là hệ thống điện ở chế độ min, điện kháng của hệ thống max Ta xét các trường hợp:

+ Hệ thống Min với 2 máy biến áp vận hành song song

+ Hệ thống Min với 1 máy biến áp vận hành độc lập

Trong chế độ này ta chỉ xét 3 dạng ngắn mạch đó là: N(2), N(1,1), N(1)

2.2 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN

+ Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: nghĩa là góc lệch pha giữa sức từ động của các máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn mạch Nếu góc lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện tăng lên thì dòng trong nhánh

sự cố giảm xuống, sử dụng giả thiết này sẽ làm cho việc tính toán đơn giản hơn và trị số dòng điện tại chỗ ngắn mạch là lớn nhất Giả thiết này không gây sai số lớn, nhất là khi tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1 0,2 sec)

+ Bỏ qua các phụ tải

+ Mạch từ không bão hòa, nghĩa là mạch có quan hệ tuyến tính: giả thiết này sẽ làm cho phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch đơn giản hơn rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến tính và có thể dùng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình

+ Bỏ qua điện trở tác dụng: nghĩa là sơ đồ tính toán có tính chất thuần kháng Giả thiết này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn

mạch trên đường dây cáp dài hay đường dây trên không tiết diện bé Ngoài ra lúc tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ cũng cần phải tính đến điện trở tác dụng

+ Bỏ qua thành phần điện dung dây dẫn – đất: giả thiết này không gây sai số lớn, ngoại trừ trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét đến dung dẫn của đường dây

+ Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp

+ Hệ thống điện ba pha lúc bình thường là đối xứng: sự mất đối xứng chỉ xảy ra đối với từng phần tử riêng biệt khi nó bị hư hỏng

Việc tính toán ngắn mạch được thực hiện trong hệ đơn vị tương đối

2.4 CHỌN CÁC ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN VÀ TÍNH THÔNG SỐ CÁC PHẦN

2.5 CÁC SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

Tính toán dòng ngắn mạch trong chế độ cực đại và chế độ cực tiểu bao gồm 4 sơ đồ:

Sơ đồ 1 : SNmax; 1 máy biến áp làm việc

Sơ đồ 2 : SNmax; 2 máy biến áp làm việc

Dạng ngắn mạch cần tính toán: N(3), N(1,1); N(1)

Sơ đồ 3 : SNmin; 1 máy biến áp làm việc

Sơ đồ 4 : SNmin; 2 máy biến áp làm việc

18,868

0, 039 0, 014

E I

0 0

H

U I

X

0 0

0

0, 264

1, 459 0,181

N B

B

U I

U I

0

0, 22

1, 2150,181

N B

B

U I

Điểm N1’:

IBI1= I1BI1+ I2BI1+I0BI1=2I1+I0H =2.10+8,8 = 28,8

IBI4= 3,645 Dòng qua các BI khác bằng không

2 Ngắn mạch phía 110kV:

Sơ đồ thay thê thứ tự thuận :

X 1∑ (N1) X C X T E

Điểm N3’:

IBI1 = IN = 7,042 Dòng qua các BI khác bằng không

5, 2080,142 0, 05

E I

1 2 0

1

1

2, 7620,142 0, 22

3 Ngắn mạch phía 35kV:

Quận dây được đấu tam giác,trung tính cách đất chỉ tính N(3)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Điểm N2:

1 2

1

14,545

Bảng tổng kết sơ đồ 2.5.1: S Nmax ,1 Máy biến áp làm việc

Dạngngắnmạch

Dòng qua các BI

ở dạng đơn vị tương đối

Dòng qua các BI

ở dạng đơn vị có tên (kA)

2.5.2 Sơ đồ 2: SNmax ,2 máy biến áp làm việc song song

19, 231

0, 039 0, 013

E I

0 0

H

U I

X

0 0

B

U I

U I

B

U I

IBI3= -IBI1 = -5,495 Dòng qua các BI khác bằng không

8, 4750,91 0, 027

E I

c Ngắn mạch 1 pha N(1):

Điện kháng phụ :

2 0 0, 091 0, 039

X X X   = 0,13 Các thành phần đối xứng của dòng điện tại chỗ ngắn mạch:

Bảng tổng kết sơ đồ 2.5.2: S Nmax ,2 Máy biến áp làm việc song song

Dạngngắnmạch

Dòng qua các BI

ở dạng đơn vị tương đối

Dòng qua các BI

ở dạng đơn vị có tên (kA)

2.5.3 Sơ đồ 3: SNmin, 1 máy biến áp làm việc

0 0

0,138.0,181

0, 078 0,138 0,181

7, 634

0, 089 0, 042

E I

0 0

0

0, 321

2, 326 0,138

N H

H

U I

X

0 0

0

0,321

1, 773 0,181

N B

B

U I

0,305

2, 2080,138

N H

H

U I

0

0,305

1, 6830,181

N B

B

U I

Điểm N1’:

IBI1= I1BI1+ I2BI1 +I0BI1=2I1+I0H

IBI1 =2.3,906+2,208 = 10,02

IBI4= 5,049 Dòng qua các BI khác bằng không

1,852

0, 089 0, 27

E I

Điểm N3’: IBI1=IN = 3,208

Dòng qua các BI khác bằng không

b Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1):

3, 021

0, 27 0, 061

E I

Quận dây máy biến áp nối tam giác trung tính cách đất, chỉ tính N(2)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

X1∑ (N1) XC XHE

N2

X1∑

E

N2

11,8522.0, 27

E I

Điểm N2’: IBI1=IN = 3,208

Dòng qua các BI khác bằng không

Bảng tổng kết sơ đồ 2.5.3: S Nmin , 1 Máy biến áp làm việc

Dạngngắnmạch

Dòng qua các BI

ở dạng đơn vị tương đối

Dòng qua các BI

ở dạng đơn vị có tên (kA)

2.5.4 Sơ đồ 4: SNmin, 2 máy biến áp làm việc song song

Dạng ngắn mạch cần tính toán: N(2), N(1,1); N(1)

1 Ngắn mạch phía 220kV (điểm ngắn mạch N1)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

X 1h2 X 1D2 E

0 0

0,14.0,181

0, 055 0,14 0,181

12.0, 089

E I

1

8,13

0, 089 0, 034

E I

0 0

H

U I

X

0 0

B

U I

X

0, 236

1, 6860,14

N H

H

U I

B

U I

X



Điểm N1:

I BI1 =1

2I 0B =

1(2,594) 1, 297

E I

Điểm N3’:

IBI1=IN = 6,142

IBI3= -IBI1 =-6,142 Dòng qua các BI khác bằng không

1

5,8140,141 0, 031

E I

U0N = I1.X= 5,814.0,331 = 0,18 Điểm N3:

2, 7782.0,18

E I

Điểm N2’:

IBI1=IN = 2,406

IBI2=- IBI1= -2,406 Dòng qua các BI khác bằng không

Bảng tổng kết sơ đồ 2.5.4: S Nmin , 2 Máy biến áp làm việc song song

Dạngngắnmạch

Dạng ngắn mạch

Phía ngắn mạch

CHƯƠNG 3: CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 3.1 CHỌN MÁY CẮT, MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN, MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

Dựa vào cấp điện áp và dòng điện làm việc cưỡng bức lớn nhất của các mạch kết hợp với các giá trị dòng điện ngắn mạch đã tính được ở chương II ta chọn máy cắt của từng mạch cho từng cấp điện áp như ở bảng 1.1

1 Phía điện áp 220kV:

Ilvcb = kqtsc.IđmB = kqtsc ñmB

ñmB

S3.U

= 1.4 63

3.220= 0,231 kA = 231 A I”N = IBI1maxIcb1 = 35,587 0,165 = 5,872 kA (Bảng 2.4.2, trang)

2 Phía điện áp 110kV:

Ilvcb = kqtsc.IđmB = kqtsc ñmB

ñmB

S3.U

= 1.4 63

3.110 = 0,463 kA = 463 A I”N = IBI3maxIcb2=8,286 0,331 = 2,743 kA (Bảng 2.4.1, trang)

= 1.4 63

3.35 = 1,455kA = 1455 A I”N = IBI2maxIcb3 =4,545 1,039 = 4,722 kA (Bảng 2.4.3, trang)

3.3.2 Máy biến dòng điện:

Máy biến dòng điện được chọn theo điều kiện sau:

- Điện áp: UdmBI≥ Udm lưới

3.3.3 Máy biến điện áp:

Máy biến điện áp được chọn theo điều kiện sau:

cực đại (VA)

Cuộn sơ cấp

Cuộn thứ cấp

Cuộn thứ cấp phụ

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ

4.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

Để lựa chọn được phương thức bảo vệ hợp lý, chúng ta cần phải phân tích những dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của đối tượng được bảo vệ, cụ thể là máy biến áp

Những hư hỏng thường gặp trong máy biến áp có thể phân ra thành hai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

Những hư hỏng bên trong máy biến áp gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Chạm đất (vỏ ) và ngắn mạch chạm đất

- Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp

- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu

Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài máy biến áp bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống

- Quá tải

- Quá bão hòa mạch từ do điện áp tăng cao hoặc tần số giảm thấp

Tùy theo công suất của máy biến áp, vị trí vai trò của máy biến áp trong hệ thống

mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho máy biến áp Những loại bảo vệ thường dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến

áp được giới thiệu trong bảng 4-1

Bảng 4.1: Những loại hư hỏng thường gặp và các loại bảo vệ cần đặt

Ngắn mạch một pha chạm đất hoặc nhiều

Chạm chập giữa các vòng dây Thùng

dầu thủng hoặc bị rò dầu Rơle khí (BUCHHOLZ)

Hình ảnh nhiệt

4.2 CÁC LOẠI BẢO VỆ ĐẶT CHO MÁY BIẾN ÁP

4.2.1 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện

Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng của mình, thiết bị bảo vệ phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau đây: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh và độ nhạy

1 Tin cậy: là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn

Người ta phân biệt :

Độ tin cậy khi tác động: (dependability) được định nghĩa như “mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ tác động đúng”

Độ tin cậy không tác động: (security) “mức độ chắc chắn rằng rơle hoặc hệ thống rơle sẽ không làm việc sai”

Nói cách khác, độ tin cậy khi 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, còn 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

2 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 Cấu hình của hệ thống càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn Theo nguyên lý làm việc các bảo vệ được phân ra thành hai loại:

Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối: chỉ làm việc khi 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 thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận

3 Tác động nhanh: hiển nhiên bảo vệ phát hiện và cách li phần tử bị sự cố càng

nhanh càng tốt Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền Bảo vệ được gọi là tác động nhanh nếu thời gian tác động không vượt quá 50ms (2,5 chu kì của dòng công nghiệp 50Hz)

4 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, tức tỉ số giữa trị số của đại lượng vật

lí đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lí đặt vào rơle và ngưỡng khởi động của nó càng lớn, rơle càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, hay như thường nói rơle tác động càng nhạy

Tuỳ theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy đối với nó cũng khác nhau Các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy trong khoảng từ 1,5 đến 2, các bảo vệ dự phòng từ 1,2 đến 1,5

4.2.2 Bảo vệ chính máy biến áp B1 và B2

1 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm: I

Nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm dùng cho máy biến áp ba cuộn dây được trình bày như hình 4.1

Hình 4.1.Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm sử dụng rơ le điện cơ

Cuộn dây cao áp của máy biến áp nối với nguồn cấp, cuộn trung áp và ha áp nối với phụ tải Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường

ta có:

I

(hài bậc hai)

Trongđó KH 0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch

Để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hóa khi đóng máy biến

áp không tải và cắt ngắn mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hóa IHM

Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện:

IH  ILV

Bảo vệ so lệch làm chức năng bảo vệ chính dùng để bảo vệ máy biến áp khi có sự

cố ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ

2 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không:I 0 (Bảo vệ chống chạm đất hạn chế-REF- Restricted Earth Fault)

Nguyên lý bảo vệ chống chạm đất hạn chế dùng cho máy biến áp ba cuộn dây được trình bày như hình 4.2

Hình 4.2.Bảo vệ chống chạm đất hạn chế của máy biến áp ba cuộn dây

I0 I0

IĐ

I0

N2

N1

Để bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây nối hình sao có 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 dòng điện thứ tự không đặt ở phía đầu ra của cuộn dây nối hình sao của máy biến áp

Nếu bỏ qua sai số của các máy biến dòng,trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch chạm đất ngoài vùng bảo vệ (điểm N1),tacó:

I0 =3I0-IĐ=0 Trong đó: I0 là dòng điện thứ tự không chạy trong cuộn dây máy biến áp

IĐ là dòng điện chạy qua dây trung tính máy biến áp

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (điểm N2): I0 =3I0-IĐ ≠0, sẽ có dòng qua rơle và rơle sẽ tác động

3 Bảo vệ bằng rơle khí (Buchholz)

Những hư hỏng của máy biến áp có cuộn dây ngâm trong dầu đều làm cho dầu bốc hơi và chuyển động Các máy biến áp dầu có công suất lớn hơn 5MVA được bảo vệ bằng rơle khí có hai cấp tác động: cấp 1 báo tín hiệu, cấp 2 cắt các máy cắt nối với máy biến áp

Rơle khí với 2 cấp tác động gồm hai phao bằng kim loại mang bầu thuỷ tinh con

có tiếp điểm thuỷ ngân hoặc tiếp điểm từ Trong chế độ làm việc bình thường, trong bình

rơ le đầy dầu, tiếp điểm rơle ở trạng thái hở Khi khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nóng

do quá tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cấp 1 cảnh báo Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch bên trong thùng dầu), luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình giãn dầu xô phao số 2 xuống gửi tín hiệu đi cắt máy biến áp Rơle khí còn có thể tác động khi mức dầu trong bình rơle giảm thấp do dầu

bị rò rỉ hoặc thùng biến áp bị thủng

Rơle khí có thể làm việc khá tin cậy chống lại tất cả các sự cố bên trong thùng dầu máy biến áp, 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 (như động đất, 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 1 bộ rơle khí riêng để bảo vệ cho bộ điều áp dưới tải