Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110/35/22 kV

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,

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 1

CHƯƠNG 1

MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ, CÁC THÔNG SỐ

CHÍNH

1.1 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG

Trạm biến áp (TBA) được bảo vệ là trạm biến áp giảm áp gồm hai máy biến áp (MBA) ba dây quấn B1 và B2 được mắc song song với nhau Máy biến áp có cuộn dây cao áp và hạ áp đấu sao trung điểm nối đất; cuộn dây trung áp đấu tam giác Hai máy biến áp này được cấp điện từ hai nguồn của HTĐ1(hệ thống điện) và HTĐ2 đưa đến thanh cái 110kV qua đường dây D1 và D2

Hệ thống điện HTĐ1 và hệ thống điện HTĐ2 có trung tính nối đất và làm việc độc lập với nhau Phía cao áp 110kV cả hai máy biến áp đều lấy điện từ thanh cái 110kV Phía trung áp 35kV hai máy biến áp đều đưa điện trực tiếp đến thanh cái 35kV

để cấp cho phụ tải Phía hạ áp của trạm đưa điện đến thanh cái 22kV để đưa đến các phụ tải

Hình 1.1 Sơ đồ đấu dây trạm biến áp

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

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S1Nmin = 0,7S1Nmax

Điện kháng thứ tự không: X0H1 = 1,2X1H

2) Hệ thống điện HTĐ2

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S2Nmax = 2100 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S2Nmin = 0,75S2Nmax

Điện kháng thứ tự không: X0H2 = 1,35X2H

1.2.2 Đường dây D1, D2

1) Đường dây D1

Chiều dài đường dây: L1 = 60 km

Điện kháng trên một kilômét đường dây: X1 = 0,401 Ω /km

Điện kháng thứ tự không: X0D1 = 2X1D1

2) Đường dây D2

Chiều dài đường dây: L2 = 65 km

Điện kháng trên một kilômét đường dây: X12 = 0.392 Ω/km

Tổ đấu dây YN – d11 – yn12

Giới hạn điều chỉnh điện áp: DUđc = ±15%

1.3 CHỌN MÁY CẮT, MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN, MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP 1.3.1 Máy cắt điện

Máy cắt điện (MC) là thiết bị đóng cắt mạch điện cao áp (trên 1000V)

· Phía điện áp 110 kV

Ilvcb = kqtsc.IđmB = kqtsc dmB

dmB

S3.U = 1,4.

Từ bảng 1.1 trên ta chọn máy cắt có các thông số sau:

Chọn máy cắt cấp 110kV l máy cắt 3AQ1-FE có thông số:

- Điện áp định mức: UđmMC =123³ 110kV

- Dòng điện định mức: IđmMC = 3150 ³ Ilvcb = 534,4A

- Dòng cắt định mức: ICđm = 31,5kA³ 4,3081kA

- Điều kiện ổn định lực động điện: iđđmMC = 80kA ³ 10,9666 kA

Chọn tương tự cho cấp 35kV, 22kV ta có bảng thông số các loại máy cắt sau:

1.3.2 Máy biến dòng điện

Biến dòng điện (BI) dùng để biến đổi dòng điện từ trị số lớn xuống trị số thích hợp (thường là 1A hoặc 5A ) phù hợp với các dụng cụ đo và rơ-le, tự động hoá

Cuộn dây sơ cấp của biến dòng có số vòng rất nhỏ, có khi chỉ một vài vòng, còn cuộn dây thứ cấp có số vòng nhiều hơn và luôn được nối đất để đề phòng khi cách điện giữa sơ và thứ cấp bị chọc thủng thì không nguy hiểm cho dụng cụ phía thứ cấp

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 5

và người phục vụ Phụ tải thứ cấp của biến dòng điện rất nhỏ Vì vậy, có thể coi biến dòng làm việc ở gần trạng thái ngắn mạch

Máy biến dòng điện được chọn theo điều kiện sau:

- Điện áp định mức (UđmBI): UđmBI³Uđmlưới

- Dòng điện định mức (IđmBI): IđmBI³Ilvcb

- Phụ tải thứ cấp (Z2đmBI): Z2đmBI³Z2

Sơ cấp (A) Thứ cấp (A)

1.3.3 Máy biến điện áp

Nhiệm vụ của máy biến điện áp:

- Biến đổi điện áp từ trị số lớn xuống trị số thích hợp để cung cấp cho các dụng

cụ đo lường, rơ-le và tự động hoá

- Cách ly các dụng cụ thứ cấp khỏi mạch điện cao áp nên rất an toàn cho người

và thiết bị Cũng vì mục đích an toàn, một trong những đầu ra của cuộn dây thứ cấp phải được nối đất Các dụng cụ phía thứ cấp của BU có điện trở rất lớn, nên có thể coi

BU làm việc ở chế độ không tải

Máy biến điện áp được chọn theo điều kiện sau:

- Điện áp định mức (UđmBU): UđmBU³Uđmlưới

- Cấp chính xác: Phù hợp với yêu cầu của các dụng cụ đo

- Công suất định mức (S2đmBU): S2đmBU³S2

Dựa vào các điều kiện trên, ta chọn máy biến điện áp của từng mạch cho từng cấp điện áp như ở bảng 1.4

Công suất

VA

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 7

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN 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

Dòng điện ngắn mạch phụ thuộc vào công suất ngắn mạch, cấu hình của hệ thống, vị trí điểm ngắn mạch và dạng ngắn mạch

2.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

Mục đích tính toán dòng điện ngắn mạch là để lựa chọn các khí cụ điện và các phần tử khi có dòng điện chạy qua, những thiết bị đó phải thoả mãn điều kiện làm việc bình thường và có tính ổn định khi có dòng điện ngắn mạch Do vậy việc tính toán ngắn mạch chính là để lựa chọn các khí cụ điện và các phần tử có dòng điện chạy qua.Trong chương này, ta phải tính toán ngắn mạch tại các vị trí trên sơ đồ nhằm tìm

ra dòng ngắn mạch cực đại và cực tiểu đi qua các vị trí đặt bảo vệ Để phục vụ việc chỉnh định và kiểm tra sự làm việc của các bảo vệ

Để tính được dòng điện ngắn mạch trước hết phải thành lập sơ đồ thay thế, chọn các đại lượng cơ bản như: Công suất cơ bản và điện áp cơ bản, tính điện kháng các phần tử

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

· Chế độ max: Tính toán ngắn mạch trong hai trường hợp sau:

- Sơ đồ 1: Hệ thống điện max với hai đường dây song song và một máy biến áp vận hành độc lập

- Sơ đồ 2: Hệ thống điện max với cả hai đường dây và hai máy biến áp làm việc song song

Tại chế độ này, ta tính toán các dạng ngắn mạch sau: N(3), N(1,1), N(1)

· Chế độ min: Tính toán ngắn mạch trong hai trường hợp sau:

- Sơ đồ 3: HTĐ min với một đường dây và hai MBA làm việc song song

- Sơ đồ 4: HTĐ min với một đường dây và một MBA vận hành độc lập

Tại chế độ này, ta xét các dạng ngắn mạch sau: N(2), N(1,1), N(1)

2.2 CÁC GIẢ THIẾT TRONG TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

Khi xảy ra ngắn mạch (NM) sự cân bằng công suất từ điện, cơ điện bị phá hoại, trong hệ thống điện đồng thời xảy ra nhiều yếu tố làm các thông số biến thiên mạnh và ảnh hưởng tương hỗ nhau Nếu kể đến tất cả những yếu tố ảnh hưởng, thì việc tính

2 Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp: Ngoại trừ trường hợp máy biến áp

3 pha 3 trụ nối Yo/Yo

3 Hệ thống điện 3 pha là đối xứng: Sự mất đối xứng chỉ xảy ra đối với từng phần tử riêng biệt khi nó bị hư hỏng hoặc do cố ý có dự tính

4 Bỏ qua dung dẫn của đường dây: 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

5 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

6 Xét đến phụ tải một cách gần đúng: Tùy thuộc giai đoạn cần xét trong quá trình quá độ có thể xem gần đúng tất cả phụ tải như là một tổng trở không đổi tập trung tại một nút chung

7 Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: Nghĩa là góc lệch pha giữa sức điện 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)

2.3 CHỌN CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN VÀ TÍNH THÔNG SỐ CÁC PHẦN

XH = 0,0625

2.4 SƠ ĐỒ CÁC ĐIỂM TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH CHO MÁY BIẾN ÁP

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và các vị trí đặt máy biến dòng điện dùng cho bảo vệ của

BI2

BI3 BI4 BI5

0H2 max

X0,0514

0D1X0,263

0D2

X0,2784

CX0,1075

C

X0,1075

T

X0

T

X0

HX0,0625

H

X0,0625110kV

1H2max

X0,0381

1D1

X0,1315

1D2

X0,1392

C

X0,1075

C

X0,1075

T

X0

T

X0

H

X0,0625

H

X0,0625110kV

35kV

22kV

X0,0886å

0H1maxX

0D2X0,2784

T

X

0 D

U0N

å 0

X0,0646

N1

U0N

0

I å

2.5.2 Ngắn mạch phía 35 kV

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(3)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

T X 0

1

X 0,1961 å

0,1075

X å =Xå +X +X = 0,0886 + 0,1075 + 0 = 0,1961 Điểm N2:

2.5.3 Ngắn mạch phía 22 kV

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch E = 0):

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 16

( )

1 N1 X

0, 0886

0,0625 C

X 0,1075

Điểm N3’:

IBI1 = IN = 3,867 Dòng qua các BI khác bằng không

X0,2586

N3

U1N

1

Iå

1D2

X 0,1392

X0,05480H2max

X0,0514

0D1

X0,2630D2

X0,2784

N1 BI1

C

X0,1075

BI1

C

X0,1075

T

X0T

X0

E

å 1

X

U1N 1

Iå

ON OH

X0,0404

N1

U0N

0

I å

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 22

ON OB

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(3);

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

N1

N2

T

X0

E

BI1

1H1max

X0,0457

1H2max

X0,0381

1D1

X0,1315

1D2

X0,1392

C

X0,1075

T

X0

E

å 1

X0,1423

N2

UN1

1

Iå

E

1H2max

X0,0381

1D1

X0,13151D2

C

X

X0,0625

N3

E

å 1

X0,1736

N3

U1N

1

Iå

D

H

X0,0625

HX0,0625T

X0

D

å 0

1I

BI1

110 kV

X

U1N 1

I å

0,3414 0,1075 0,08170,3414 0,1075

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 31

IBI1 = IOB = -2,1098

IBI4 = 3.IOB = 3.(-2,1098) = -6,3294 Dòng qua các BI khác bằng không

Điểm N1’:

IBI1 = I1BI1 + I2BI1 + I0BI1 = 2.I1å +IOH= 2 2,1039 + 0,5035

IBI1 = 4,7113

IBI4 = 3 IOB = 3 1,5991 = 4,7113 Dòng qua các BI khác bằng không

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 32

2.7.2 Ngắn mạch phía 35 kV

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(2)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch E = 0):

T

X0

1

X 0,3043 å

0,1075

Xå =X å +X +X = 0,1968 + 0,1075 + 0 = 0,3043 Điện kháng phụ:

Điểm N2’:

IBI1 = IN = 2,8459 Dòng qua các BI khác bằng không

2.7.3 Ngắn mạch phía 22 kV

Sơ đồ thay thế tứ tự thuận (nghịch E = 0)

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 33

( )

1 N1

X 0,1968

0,0625

C

X 0,1075

X0,0625

X0,3668

N3

UN1 1

Iå

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 34

Các thành phần đối xứng của dòng điện tại chỗ ngắn mạch:

å

D å

Điểm N1’:

IBI1 = IN = 2,3610 Dòng qua các BI khác bằng không

BI1

110 kV

å 0

BI1

C

X0,1075

T

X0

T

X0

E

å 1

X0,1968

N1

U1N 1

Iå

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(2):

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch E = 0):

1H1min

X

X0,1315

C

X0,1075

T

X0å

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 41

Điểm N2:

N BI1 BI2

C

X

X0,0625

C

X

X0,0625

C

X

X0,0625

C

X

X0,0625

N3

E

å 1

X

UN1 1

Iå

b Ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1)

å 0

D

H

X0,0625

H

X0,0625T

X0

D

1I

Dạng ngắn mạch

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 46

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ 3.1 NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI THIẾT BỊ BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN

Nhằm đáp ứng nhu cầu thiết kế và xây dựng hệ thống điện tin cậy và kinh tế,những năm gần đây ngành điện đã có nhiều thành tựu trong việc nghiên cứu các thiết bị bảo vệ Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng, nó đảm bảo cho các thiết bị điện chủ yếu như máy biến áp, đường dây,máy phát điện, thanh góp và các động cơ cỡ lớn và toàn bộ hệ thống điện làm việc an toàn phát triển liên tục và bền vững

Các thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện nhanh chóng,loại trừ càng nhanh càng tốt các phần tử sự cố ra khỏi hệ thống

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

sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ

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

sẽ không làm việc sai Hay nói cách khác là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi đã xác định trong nhiệm vụ bảo vệ Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể được kiểm tra tương đối dễ dàng, bằng cách tính toán thực nghiệm, còn độ tin cậy không tác động khó kiểm tra vì tập hợp những trạng thái làm việc bất thường có thể dẫn đến tác động sai cả bảo vệ không lường trước được

Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơ le và hệ thống rơ le dơn giản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo vệ Số liệu thống kê của hệ thống vận hành cho thấy, hệ thống điện hiện đại

có xác suất làm việc tin cậy của hệ thống bảo vệ là (90÷95)%

3.1.2 Tính chọn lọc

Khái niệm: Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử sự cố ra khỏi hệ thống điện

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 47

- Nguyên lý làm việc: các bảo vệ phân làm hai loại

+ Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối : hay còn gọi là bảo vệ cục bộ là loại dùng để

bảo vệ ở những khu vực có giới hạn rõ ràng, thường xác định bởi các biến dòng Chúng

có ưu điểm là tác động nhanh, có độ nhạy cao và không cần phải phân cấp theo thông số điện và thời gian so với bảo vệ liền kề cũng như các chế độ tải Ưu điểm này đồng thời cũng là nhược điểm nếu xét theo khía cạnh khác, thí dụ chúng không bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ lân cận, nên thường dùng thêm các bảo vệ kép cho các bảo vệ khác nhau

+ Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối: hay còn gọi là bảo vệ không cục bộ là loại bảo

vệ không có vùng tác động giới hạn rõ ràng mà vùng này thường lấn sang các khu vực khác Vì vậy chúng được phân cấp theo các thông số điện và thời gian với các bảo vệ lân cận khác cũng như phải phân biệt được chế độ sự cố với chế độ tải Nhược điểm của loại bảo vệ này là thời gian tác động lâu hơn, có độ chọn lọc kém hơn,nhưng bù lại chúng có khả năng dự phòng tốt hơn cho các bảo vệ liền kề

3.1.3 Tính tác động nhanh

Hiển nhiên bảo vệ phát hiện và cách ly phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thỏa mãn nhu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng các thiết bị phức tạp và đắt tiền Vì vậy yêu cầu tác động nhanh chỉ đề tùy thuộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làm việc của phần tử được bảo

vệ

Bảo vệ rơ le được gọi là tác động nhanh ( tốc độ cao) nếu thời gian tác động không quá 50ms (2,5 chu kỳ tần số công nghiệp f=50 Hz) Bảo vệ rơ le được gọi là tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động rơ le Hai khái niệm này được dùng thay thế cho nhau khi rơ le hay bảo vệ có thời gian tBV ≤ 50ms

Ngoài thời gian tác động của bảo vệ rơ le (tBV) việc loại trừ nhanh phần tử sự cố còn phụ thuộc vào thời gian cắt của máy cắt điện (tMC) Do đó thời gian cắt sự cố:

tc= tBV+ tMC

- Với hệ thống điện hiện đại tMC = (20÷60) ms, bằng (1÷3) chu kỳ tần số công nghiệp

- Với hệ thống điện thông thường tMC≤ 100ms( không quá 5 chu kỳ tần số công nghiệp f= 50Hz)

Do đó thời gian cắt sự cố : tC =(40÷160) ms, bằng (2÷8) chu kỳ tần số 50Hz đối với bảo vệ tác động nhanh

Đối với lưới phân phối thường dùng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối và phải phối hợp thời gian tác động giữa các bảo vệ

- Bảo vệ chính: tC = (0,2÷1,5) s

- Bảo vệ dự phòng: tC= (1,5÷2) s

SVTH: Phạm Thanh Huyền Lớp Đ3H1 48

3.1.4 Độ nhạy

Khái niệm: Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơ le hay bảo vệ,

nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy (kn)

Trên thực tế độ nhạy phụ thuộc nhiều yếu tố:

- Chế độ làm việc (mức độ huy động nguồn)

- Cấu hình của mạng điện

- Vị trí điểm ngắn mạch

- Nguyên lý làm việc của bảo vệ rơ le

- Đặc tính quá độ trong hệ thống điện

Tùy theo yêu cầu của bảo vệ mà rơ le có kn khác nhau:

kỹ thuật: tin cậy,tác động nhanh, chọn lọc, độ nhạy

- Đối với các thiết bị trung áp và hạ áp: mức độ quan trọng ít hơn nên cần cân nhắc tính kinh tế Cần cân bằng giữa tính kinh tế và các yêu cầu kỹ thuật, để vừa đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật vừa có chi phí thấp nhất

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

Để lựa chọn phương thức bảo vệ hợp lý thì cần phải tìm hiểu để biết được những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp

Những hư hỏng thường xảy ra với máy biến áp có thể phân ra làm hai nhóm:

hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

Hư hỏng bên trong bao gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp