đồ án bảo vệ rơ le trong hệ thống điện

Nên việc hiểu biết về những hư hỏng và hiện tượng khôngbình thường có thể xảy ra trong hệ thống điện cùng với những phương pháp vàthiết bị bảo vệ nhằm phát hiện đúng và nhanh chóng cách

Lời nói đầu

Điện năng là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với cuộc sống conngười Nó được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như:công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt, dịch vụ Chính vì thế đểđảm bảo cung cấp điện một cách liên tục và đảm bảo với chất lượng cao thì hệthống bảo vệ rơle là không thể thiếu trong mỗi hệ thống điện Hệ thống bảo vệ cóthể coi như người gác đền trung thành trong việc đảm bảo cho hệ thống điện hoạtđộng một cách tốt nhất Nên việc hiểu biết về những hư hỏng và hiện tượng khôngbình thường có thể xảy ra trong hệ thống điện cùng với những phương pháp vàthiết bị bảo vệ nhằm phát hiện đúng và nhanh chóng cách ly phần tử hư hỏng rakhỏi hệ thống, cảnh báo và xử lý khắc phục chế độ không bình thường là mảngkiến thức quan trọng của kỹ sư ngành hệ thống điện

Khi làm Đồ án môn học “Bảo vệ Rơle” đã giúp em có thêm thời gian cũngnhư việc tìm hiểu thêm được rất nhiều kiến thức về phương thức bảo vệ trong hệthông điện bằng các Rơle

Trong thời gian qua, nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo ThS.Tạ Tuấn

Hữu, em đã hoàn thành bản đồ án này Tuy nhiên, với khả năng và trình độ còn

hạn chế nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mongnhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy trong những lần sau

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2010

Sinh viên:

Đậu Viết Cường

A PHẦN LÝ THUYẾT

1 Nhiệm vụ :

Khi thiết kế và vận hành bất kì một Hệ thống điện (HTD) nào cần phải kẻ đến

khả năng phát sinh hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường củaHTD ấy Ngắn mạch là sự cố nguy hiểm nhất trong HTD, hậu quả của nó là :

Để ngăn ngừa sự phát sinh sự cố và sự phát triển của chúng có thể thực hiện cácbiện pháp cắt nhanh phần tử bị sự cố, hư hỏng ra khỏi mạng điện, để loại trừ nhữngtình trạng làm việc không bình thường có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị và hộdùng điện Và các phần tử còn lại vẫn duy trì hoạt động bình thường và giảm mức

độ hư hại của phần tử bị sự cố Như vậy chỉ có thiết bị tự động bảo vệ mới thựchiện được yêu cầu trên, các mạng điện hiện đại không thể làm việc nếu thiếu các

hệ thống bảo vệ tự động vì nó theo dõi liên tục tình trạng làm việc và chế độ làmviệc của các phần tử trong HTD Thiết bị đó được gọi là rơle

Vậy rơle phát hiện cho tín hiệu đi cắt các phần tử bị hư hỏng thông qua các máycắt(MC) và ghi nhận và phát hiện các tình trạng làm việc không bình thường củacác phân tử trong HTD, tùy theo yêu cầu có thể tác động để khôi phục chế độ vậnhành bình thường hoặc báo tín hiệu cho nhân viên trực vận hành hoặc đi cắt máycắt

2 Yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle.

a Tính chọn lọc :

Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị hư hỏng, sự

cố ra khỏi HTD Khi có nguồn dự trữ cho hộ tiêu thụ, tác động như vậy tảo khảnăng cho hộ tiêu thụ tiếp tục được cung cấp điện

Theo nguyên lý làm việc, chia làm các loại bảo vệ sau :

 Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối : là ngoài việc tác động trong vùng quy

 Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối : chỉ tác động duy nhất trong vùng quy định,không có nhiệm vụ dự phòng.

Ví Dụ : Cho mạch điện sau :

Do đó yêu cầu về chọn lọc là yêu cầu cơ bản nhất để đảm bảo cung cấp điện antoàn cho hộ tiêu thụ Nếu bảo vệ tác động không có chọn lọc thì sự cố có thể lanrộng

b Tác động nhanh.

Càng cắt nhanh phần tử bị sự cố càng hạn chế được mức độ phá hoại phần tử đó,càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ tiêu thụ và càng tăng khả năng giữ ổnđịnh của HTD

Để giảm thời gian tác động nhanh cần phải giảm thời gian tác động của thiết bịbảo vệ Tuy nhiên khi kết hợp chọn lọc phải thỏa mãn yêu cầu tác động nhanh, haiđiều kiện này đôi khi mâu thuẫn nhau và nếu kết hợp thì phải sử dụng các thiết bịbảo vệ phức tạp và đắt tiền Vì vậy yêu cầu tác động nhanh chỉ đề ra tùy thuộc vàonhững điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làm việc của các phần tử đượcbảo vệ trong HTD

Thời gian cắt sự cố : tC = tBV+ tMC

Trong đó: tBC : thời gian tác động của bảo vệ

tMC : thời gian tác động của máy cắt

c Độ nhạy.

Là khả năng bảo vệ “ cảm nhận” được chế độ làm việc bình thường hoặc khôngbình thường hoặc sự cố trong HTD

Thường độ nhạy được đặc trưng bởi hệ số độ nhạy:

Đại lượng tác động tối thiểu

Kn =

Đại lượng đặt

Độ nhạy của bảo vệ thường được đánh giá bởi hệ số Kn

+ Đối với bảo vệ cực đại tác động đại lượng theo dõi tăng khi có hư hỏng thì Knđược xác định :

min

N n

kd

I K

I



INmin : dòng NM nhỏ nhất qua bảo vệ

Ikd : giá trị dòng nhỏ nhất mà bảo vệ có thể tác động

+ Đối với bảo vệ tác động theo đại lượng giảm ( vd : bảo vệ áp ), khi đại lượngtheo dõi giảm, hệ số Kn được xác định

max

kd n

N

U K

U



Ukd : điện áp dư còn lại lớn nhất khi hư hỏng

UNmax : điện áp khởi động của bảo vệ

sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được quy định

e Tính kinh tế

- Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt

yêu cầu về kinh tế không đề ra, mà bốn yêu cầu kỹ thuật trên đóng vai trò quyếtđịnh, vì nếu không thoả mãn được các yêu cầu này sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho

hệ thống điện

- Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rấtlớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhàmáy điện hoặc lưới truyền tải cao áp Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế tronglựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và chiphí thấp nhất

- Năm yêu cầu trên trong nhiều trường hợp mâu thuẫn nhau, ví dụ muốn có đượctính chọn lọc và độ nhạy cao cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp, bảo vệcàng phức tạp, càng khó thỏa mãn yêu cầu về độ tin cậy; hoặc những yêu cầu cao

về kỹ thuật sẽ làm tăng chi phí cho thiết bị bảo vệ Vì vậy trong thực tế cần dunghòa ở mức tốt nhất các yêu cầu trên trong quá trình lựa chọn các thiết bị riêng lẻcũng như tổ hợp toàn bộ các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động trong hệ thốngđiện

1.2 Các nguyên tắc của bảo vệ đã học :

+ Bảo vệ dòng điện cực đại.

+ Bảo vệ dòng điện cắt nhanh.

1 Bảo vệ dòng điện cực đại :

a, Chọn dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện cực đại

Theo nguyên tắc tác động, dòng điện khởi động của bảo vệ phải lớn hơn dòngđiện phụ tải cực đại ILv.max của đường dây được bảo vệ Tuy nhiên việc chọn dòngđiện khởi động còn phụ thuộc vào nhiều điều kiện nặng nề hơn

Dòng điện tự mở máy Im.m.max > Ilvmax :

Im.m.max = km.m Ilvmax ;Trong đó : km.m - hệ số tự mở máy của các động cơ có trị số phụ thuộc vào loạiđộng cơ, vị trí tương đối giữa chỗ đặt bảo vệ và các động cơ, sơ đồ mạng điện vàmột số yếu tố khác Thường km.m = 2  3

Dòng điện trở về của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện mở máy cực đại, nghĩalà:

ITrV = kat km.m Ilv.max

Trong đó kat - hệ số an toàn, thường lấy kat = 1,1  1,2

Từ quan hệ giữa dòng điện trở về IV và dòng điện khởi động Ikđ :

IKđ = TV

m m at TV

V

k

k k k

0

I>

t2I>

t'2I>

Thời gian MC1 cắt NM

Thời gian MC2 cắt NM

Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số biến đổi ni của biến dòng điện thì dòng điện

Hình 1 Thí dụ về cách tính dòng điện khởi động của bảo vệ dòng điện

cực đại

(a) Sơ đồ nguyên lý

(b) Chọn dòng điện khởi động

max

.

.

b, Chọn thời gian làm việc

Trong các lưới điện hở có một nguồn cung cấp, độ chọn lọc của bảo vệ dòngđiện cực đại được đảm bảo bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc từngcấp Thời gian làm việc của hai bảo vệ kề nhau được chọn lớn hơn nhau một lượng

|t, trong đó bảo vệ đặt ở gần nguồn có thời gian làm việc lớn hơn

2 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh :

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cáchchọn dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất

đi qua chỗ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở đầu phần tử tiếp theo

theo ngắn mạch ba pha trực tiếp tại điểm N với chế độ làm việccực đại của hệ thống

kat- Hệ số an toàn, thường lấy bằng 1,2 ÷ 1,3

Hình 2 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh

(a) Sơ đồ nguyên lý

(b) Chọn dòng điện khởi động

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé (0,1s)

để tránh cho bảo vệ làm việc mất chọn lọc khi có giông sét và thiết bị chống sét tácđộng

Bảo vệ dòng điện cắt nhanh có nhược điểm là không bảo vệ được toàn bộ đốitượng, khi có ngắn mạch ở cuối phần tử (N1) bảo vệ cắt nhanh không tác động, mặtkhác vùng tác động của bảo vệ LCN có thể thay đổi nhiều khi chế độ của hệ thống

và dạng ngắn mạch thay đổi

Nhược điểm chung của nguyên lý quá dòng điện là không đảm bảo được tínhchọn lọc của bảo vệ trong lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn cung cấp

1.3.Bảo vệ đường dây tải điện :

Phương pháp và chủng loại thiết bị bảo vệ các đường dây tải điện phụ thuộc

nhiều yếu tố như: Đường dây trên không hay dây cáp, chiều dài đường dây, côngsuất truyền tải và tầm quan trọng của đường dây, số mạch truyền tải và vị trí củađường dây …

Theo cấp điện áp người ta phân biệt:

U < 1 kV - Đường dây hạ áp

1 kV  U  35 kV - Đường dây trung áp

66 kV  U  220 kV - Đường dây cao áp

330 kV  U  1000 kV - Đường dây siêu cao áp

U > 1000 kV - Đường dây cực cao áp

Đuờng dây cấp điện áp danh định từ 220 kV trở lên được gọi là đường dâytruyền tải và từ 110 kV trở xuống được gọi là đường dây phân phối

Những sự cố thường gặp đối với đường dây tải điện là ngắn mạch (Nhiều phahoặc một pha), chạm đất một pha (trong lưới điện có trung điểm cách điện hoặcnối qua cuộn PETERSEN) quá điện áp (khí quyển hoặc thao tác ), đứt dây và quátải

Để chống các dạng ngắn mạch trong lưới hạ áp thường người ta dùng cầuchảy hoặc áp tô mát

Để bảo vệ các đường dây trung áp (U≤35kV) chống ngắn mạch, người tadùng các loại bảo vệ sau:

- Quá dòng điện cắt nhanh hoặc có thời gian (với đặc tính độc lập hoặc phụthuộc)

- Quá dòng điện có hướng

- So lệch dùng cáp thứ cấp chuyên dùng

- Khoảng cách

Đối với đường dây cao áp (66÷220kV) và siêu cao áp (330÷1000kV) thườngdùng các loại bảo vệ :

- So lệch dòng điện

- Khoảng cách

- So sánh tín hiệu

- So sánh pha

- So sánh hướng (công suất hoặc dòng điện)

1.3.1 Bảo vệ quá dòng điện :

1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50/I>>) :

Từ nguyên tắc chọn dòng điện khởi động để đảm bảo tính chọn lọc, vùng tácđộng của bảo vệ không thể bao trùm toàn bộ chiều dài đường dây được bảo vệ vàthay đổi theo trị số của dòng điện ngắn mạch và bảo vệ (tức là thay đổi theo dạngngắn mạch và theo chế độ vận hành của hệ thống)

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, hoặc khi đóng máy biến áp có thể vượt quá trị

số đặt của bảo vệ cắt nhanh) thông thường người ta cho bảo vệ làm việc chậm lạikhoảng 50 - 80 mi li giây

Với lưới điện có trung điểm nối đất trực tiếp, để chống cả ngắn mạch 1 phangười ta sử dụng sơ đồ ba máy biến dòng và ba rơ le nối hình sao đủ, hoặc ba máybiến dòng nối theo bộ lọc thứ tự không và một rơ le dòng điện làm việc theo dòngthứ tự không Io

Bảo vệ cắt nhanh thứ tự không thường có độ nhậy cao hơn và vùng bảo vệ ổnđịnh hơn khi chế độ vận hành của hệ thống thay đổi

Đối với các đường dây có hai nguồn cung cấp, nếu bảo vệ cắt nhanh đặt ở haiđầu đường dây không có bộ phận định hướng công suất thì dòng điện khởi động ở

cả hai đầu phải chọn theo dòng điện ngắn mạch lớn nhất xảy ra trên một trong haithanh góp đầu đường dây

Chẳng hạn, khi hệ thống A có công suất lớn hơn hệ thống B thì dòng khởiđộng phải chọn theo điều kiện ngắn mạch 3 pha trực tiếp trên đầu đường dây B.Nếu chênh lệch công suất giữa hai hệ thống quá lớn, vùng tác động của bảo vệ cắtnhanh phía hệ thống công suất bé sẽ rất hạn chế, để khắc phục nhược điểm này cầnđặt bộ phận định hướng công suất ở đầu có nguồn dòng ngắn mạch bé hơn

mở rộng ra (đây là hiện tượng khởi động không đồng thời của bảo vệ cắt nhanh).

2 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian :

Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường dùng để bảo vệ các đường dâytrung áp hình tia Tính chọn lọc của bảo vệ được đảm bảo bằng nguyên tắc phâncấp việc chọn thời gian tác động Bảo vệ càng gần nguồn cung cấp thời gian tácđộng càng lớn

Có hai loại đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng điện: đặc tính độclập và đặc tính phụ thuộc

t

I 0

Hình 7 Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện a) Độc lập;

b) Phụ thuộc.

I>, t51A I>, t51B I>, t51C tpt

Hình 8 Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện trong lưới điện hình tia

(a) cho trường hợp đặc tuyến độc lập (b) và đặc tuyến phụ thuộc (c)

Đối với các rơ le điện cơ thường lấy t = 0,4 - 0,5 giây

Với các rơ le số t = 0,2 - 0,3 giây

Bảo vệ quá dòng thứ tự không có độ nhạy cao hơn (vì không phải chỉnh địnhtheo dòng phụ tải cực đại), thời gian làm việc bé hơn so với bảo vệ quá dòng cùngcấp (vì số cấp chỉnh định thời gian trong mạng thứ tự không ít hơn nhiều so với sốcấp trong mạng thứ tự thuận)

3 Bảo vệ quá dòng có khoá điện áp thấp :

Trong nhiều trường hợp bảo vệ quá dòng điện có thời gian với dòng điện khởiđộng chọn theo ILvmax có thể không đủ độ nhậy, vì dòng điện làm việc cực đại ILvmaxchạy qua phần tử được bảo vệ có trị số quá lớn, chẳng hạn khi tách mạch vòng củalưới điện, khi cắt một số đường dây hoặc máy biến áp làm việc song song Trongmột số lưới điện với nguồn công suất ngắn mạch yếu, nếu theo dòng điện ILvmax ởchế độ này thậm chí bất đẳng thức

51 I>

27 U<

& t I

BU

INmin > IKđ = V

m at

K

K

K

.ILvmaxkhông thể thoả mãn được

Trong điều kiện như vậy, để nâng cao độ nhậy của bảo vệ quá dòng điện cóthời gian, đảm bảo cho bảo vệ có thể phân biệt được ngắn mạch và quá tải, người

ta thêm vào sơ đồ bảo vệ bộ phận khoá điện áp thấp

Bộ phận khoá điện áp thấp (U<) sẽ làm việc phối hợp với bộ phận quá dòng(I>) theo lô gích "và" (&) Khi có ngắn mạch dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệtăng cao còn điện áp thì giảm thấp, hai sự kiện này xảy ra đồng thời, bảo vệ sẽ tácđộng Còn khi quá tải dòng điện có thể vượt quá giá trị chỉnh định tuy nhiên điện

áp chỉ giảm ít, bộ khoá điện áp thấp không làm việc nên bảo vệ không tác động.Điện áp khởi động của bộ khoá điện áp thấp chọn theo điều kiện:

U Lvmin - Điện áp làm việc tối thiểu cho phép tại chỗ đặt bảo vệ trong điều kiện quá tải nặng nề nhất.

U Nmax - Điện áp dư lớn nhất tại chỗ đặt bảo vệ khi có ngắn mạch ở cuối vùng bảo vệ của bảo vệ quá dòng.

n u - Tỷ số biến đổi của máy biến điện áp.

Rơ le dòng điện trong trường hợp này làm nhiệm vụ không cho bảo vệ tácđộng nhầm trong trường hợp đứt cầu chì trong mạch rơ le điện áp

B.PHẦN BÀI TẬP Chương 1 : Chọn Máy Biến Dòng Điện

Tính toán bảo vệ cho đường dây L1 như sơ đồ :

Cho các thông số dưới đây :

 Hệ thống điện : SNmax = 2000 MVA ,SNmin = 0,7 SNmax

I.Tính toán lựa chọn tỷ số biến đổi của biến dòng BI 1 ,BI 2 :

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

n BI=I S

I T

Trong đó: IT – dòng điện thứ cấp qua BI, IT = 1A

IS – dòng điện sơ cấp qua BI

Cách tính IS:

IS được chọn theo điều kiện:

I S≥lvBImax¿ ¿

Với I lvBImax dòng điện làm việc lớn nhất qua BI

Các BV1 và BV2 làm việc ở điện áp trung bình U tb22=24 kV .

1.1 Chọn tỉ số biến đổi cho BI 2 :

Dòng làm việc lớn nhất của BI2:

2 2

Nên ta chọn IS2 =200(A)

Như vậy tỉ số biến đổi của BI2 là: 2

200 200 1

BI

1.2 Chọn tỉ số biến đổi cho BI 1 :

Dòng làm việc lớn nhất của BI1:

1 1

n

Chương II : Tính toán ngắn mạch

Giả thiết quá trình tính toán ngắn mạch ta bỏ qua:

+ Bão hoà từ

+ Dung dẫn ký sinh trên đường dây, điện trử của MBA và cả đường dây.+ Ảnh hưởng của phụ tải…

2.1 Tính toán chính xác trong hệ đơn vị tương đối với:

Scb= SdđB= 30MVA; UcbI= Utb = 24kV khi đó ta có:

115 / 24 115( )

Máy biến áp là phần tử đứng yên nên: X1B=X2B=XB; X0B phụ thuộc vào sơ đồđấu dây.

cbI

cb D

24

30 1,02.10 0,531

24

cb D

cbI

cb D

X1= X1D1/4=XD1/4=0,305/4=0,076X01= X0D1/4=X0D1/4=0,766/4=0,192X2= X2D2/4=XD2/4=0,214/4=0,0535X02= X0D2/4=X0D2/4=0,531/4=0,133

Ta tiến hành tính toán các dạng ngắn mạch lần lượt cho 9 điểm N1 ÷ N9 Dòng điện ngắn mạch thứ tự thuận của mọi dạng ngắn mạch đều được tínhtheo công thức:

với X|(n) là điện kháng phụ của loại ngắn mạch n

Trị số dòng điện ngắn mạch tổng tại các pha được tính theo công thức IN(n) =m.I1N(n)

X2∑N1= X1∑N1=0,0775