Đồ Án Bảo Vệ RơLe

Nhiệm vụ và các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle: a/ Nhiệm vụ của bảo vệ rơle Các thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện và loại trừ càng nhanh càng tốtphần tử bị sự cố hoặc tình trạng làm

A LÝ THUYẾT

1 Nhiệm vụ và các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle:

a/ Nhiệm vụ của bảo vệ rơle

Các thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện và loại trừ càng nhanh càng tốtphần tử bị sự cố hoặc tình trạng làm việc không bình thường ra khỏi hệthống

 Nguyên nhân gây ra hư hỏng, sự cố đối với các phần tử trong hệ thốngđiện:

 Do các hiện tượng thiên nhiên như biến đổi thời tiết, giông bão,động đất, lũ lụt

 Do máy móc thiết bị bị hao mòn, già cỗi

 Do các tai nạn ngẫu nhiên

 Do nhầm lẫn trong thao tác của nhân viên vận hành

Nhanh chóng phát hiện và cách ly phần tử hư hỏng khỏi hệ thống có thểngăn chặn và hạn chế những hậu quả nghiêm trọng của sự cố, trong đó phầnlớn là các dạng ngắn mạch:

+ Dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử trên đường từnguồn đến điểm ngắn mạch có thể gây ra tác động nhiệt và các lực cơ họclàm phá hủy các phần từ bị ngắn mạch và các phần tử lân cận

+ Hồ quang tại chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết

bị và gây hỏa hoạn

+ Ngắn mạch làm cho điện áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lậncận bị giảm thấp, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của hộ dùng điện

+ Nghiêm trọng nhất là gây mất ổn định và tan rã hệ thống điện.Ngoài ra còn phải xét đến tình trạng làm việc không bình thường như quátải Khi quá tải dòng điện tăng cao gây hỏng cách điện, giảm tuổi thọ củathiết bị điện

b/ Các yêu cầu đối với Bảo vệ rơle

 Tác động nhanh:

Càng cắt nhanh phần tư bị ngắn mạch sẽ càng hạn chế được mức độphá hoại phần tử đó , càng giảm được thời gian tụt thấp điện áp ở các hộtiêu thụ và càng có khả năng giữ được ổn định của hệ thống điện

Để giảm thời gian cắt ngắn mạch cần phải giảm thời gian tác động củathiết bị bảo vệ rơ le Tuy nhiên trong một số trường hợp để thực hiện yêucầu tác động nhanh thì không thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc Hai yêu cầunày đôi khi mâu thuẫn nhau, vì vậy tùy điều kiện cụ thể cần xem xét kỹ cànghơn 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 phânra:

+ 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 chođối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệđặt 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

kđ

N n I



n

k : 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 ởchế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đãđược 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 vậycần chú ý tới tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảmbảo các yêu cầu kỹ thuật với chi phí nhỏ nhất

2 Nguyên tắc tác động của các bảo vệ được sử dụng

Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính thời gian độc lập không phụthuộc vào trị số dòng ngắn mạch hay vị trí ngắn mạch, còn đối với bảo vệ cóđặc tính thời gian phụ thuộc thì thời gian tác động tỉ lệ nghịch với dòng điệnchạy qua bảo vệ, dòng ngắn mạch càng lớn thì thời gian tác động càng bé

- Khi làm việc bình thường hoặc khi có ngắn mạch ngoài khi đó

- Quá dòng điện cắt nhanh hoặc quá thời gian

- Quá dòng điện có hướng

- So lệch dùng cấp thứ cấp chuyên dùng

- Khoảng cách

Trong nhiệm vụ thiết kế bảo vệ của đồ án ta xét bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh và quá dòng điện có thời gian

3.1 Bảo vệ quá dòng có thời gian

a Quá dòng cắt nhanh với đặc tính thời gian độc lập

Ưu điểm của dạng bảo vệ này là cách tính toán và cài đặt của bảo vệkhá đơn giản và dễ áp dụng Thời gian đặt của các bảo vệ phải được phốihợp với nhau sao cho có thể cắt ngắn mạch một cách nhanh nhất mà vẫnđảm bảo được tính chọn lọc của các bảo vệ

Giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ IKĐ trong trường hợp này đượcxác định bởi:

max

.

at mm lv kd

tv

k k I I

k

Trong đó:

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 congsai 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 lấytrong khoảng (0,85 ÷ 0,95) Sở dĩ phải sử dụng hệ số Ktv ở đây xuất phát từyêu 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

Giá trị dòng khởi động của bảo vệ cần phải thoả mãn điều kiện:

Phối hợp các bảo vệ theo thời gian:

Đây là phương pháp phổ biến nhất thường được đề cập trong các tàiliệu bảo vệ rơle hiện hành Nguyên tắc phối hợp này là nguyên tắc bậcthang, nghĩa là chọn thời gian của bảo vệ sao cho lớn hơn một khoảng thờigian an toàn Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấp bảo vệ liền kềtrước nó (tính từ phía phụ tải về nguồn)

( 1) ax

t t   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 : bậc chọn lọc về thời gian

b 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 hợpkhó thực hiện được khả năng phối hợp với các bảo vệ liền kề mà vẫn đảmbảo được tính tác động nhanh của bảo vệ Một trong những phương phápkhắc phục là người ta sử dụng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụthuộc 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 trênthực tế vẫn chưa được thống nhất về mặt lý thuyết điều này gây khó khăncho việc thẩm kế và kiểm định các giá trị đặt.

Hình 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 cácđường 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 khôngđam 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 đặctuyến thời gian phụ thuộc như một bảo vệ thông thường thay thế cho cácrơle có đặc tuyến độc lập

Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian được tính theocông thức:

Ikđ-51 = k.IlvmaxTrong đó:

* 



3.2

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.INngmaxTrong đó:

kat: hệ số an toàn, tính đến ảnh hưởng của các sai số do tính toán ngắn mạch, do cấu tạo của rơle, thành phần không chu kì trong dòng ngắn mạch và của các biến dòng Với rơle điện cơ Kat = (1,2 ÷ 1,3), còn với rơle

số kat = 1,15

INng max: dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp lớn nhất qua bảo vệ khi ngắn ngoài vùng bảo vệ Ở đây là dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp B

 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

Hình 2: Bảo vệ dòng điện cắt nhanh đường dây một nguồn cung cấp

INmaxI

BI2 MC2 D2

1.Chọn tỷ số biến đổi của các BI

Chọn tỷ số biến đổi của máy biến dòng BI1, BI2 dùng cho bảo vệ

đường dây D1, D2.Dòng điện sơ cấp danh định của BI chọn theo quy chuẩn lấy theo giá trị lớn.Dòng thứ cấp lấy bằng 1A

Tỷ số biến đổi của máy biến dòng BI: ni =

Tdd

Sdd

I I

+ Chọn ISdd ≥ Ilvmax=Icb :dòng điện làm việc lớn nhất đi qua BI

+ Chọn ITdd=1A

Dòng điện làm việc trên đường dây 2

I2=Ipt2 =

2 đm

2

cos U 3

cos U 3

In

I với Itd® 1ADòng điện sơ cấp danh định của BI 1 là:

1

I 397,041(A)chọn Isd® 397,041(A)

Tỷ số biến dòng:  sd®

i td®

InIDòng điện sơ cấp danh định của BI 2 là: I1 278,913(A) ta chọn Isd® (A)

Tỷ số biến dòng: i  sd® 

td®

InI

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH, XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA DÒNG

ĐIỆN NGẮN MẠCH VỚI CHIỀU DÀI ĐƯỜNG DÂY TRONG CÁC

- Dung dẫn ký sinh trên đường dây, điện trở của MBA và cả đường dây

- Ảnh hưởng của phụ tải

2.1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

Tính trong hệ đơn vị tương đối, gần đúng

Công suất cơ bản: Scb = S dđB = 125 MVA

S X

max N

cb max

HT

Chế độ cực tiểu: 0 , 155

805

125 S

S X

min N 1

cb min

HT

Giá trị điện kháng thứ tự không

Chế độ hệ thống cực đại: X0HTmax = 1,2.X 1HTmax = 1,2.0,109= 0,13

Chế độ hệ thống cực tiểu: X0HTmin = 1,2.X 1HTmin = 1,2.0,155 = 0,186

+ Máy biến áp B1 và B2

105 , 0 125

125 100

5 , 10 S

S 100

U X

X

đmB

cb N 2 B 1

U

S L X 5

1

045 , 0 115

125 55 43 , 0 5

U

S L X 5

1

035 , 0 115

125 45 41 , 0 5

1

2 

Giá trị điện kháng thứ tự không :

15 D 0 14 D 0 13 D 0 12 D 0 11

2.2 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 phápcác thành phần đối xứng Điện áp và dòng điện được chia thành 3 thành

Ta tiến hành các dạng ngắn mạch lần lượt cho 11 điểm N1-N11

=> Tính X1∑ ; X2∑ ; X0∑ tại các điểm ngắn mạch trong chế độ max:

X 0∑max 0,182 0,272 0,362 0,452 0,542 0,632 0,702 0,772 0,842 0,912 0,982

=>Dòng điện ngắn mạch thứ tự thuận của mọi dạng ngắn mạch đều

được tính theo công thức: ( n )

1

) n ( N 1

X X

1 I



 

 (vì E∑=1) 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 : ( n )

N 1 ) n ( ) n (

0 2

) X X

(

X X 1

3

0 N 1 N

X.II

2 N 1 N

0

XX

X.II

6 , 211

161 , 0

1 X

1 I

1

) 3 ( 1 N



; ( 3 ) 1 N 2

1 N

0 

Trong hệ đơn vị có tên:

898 , 3 115 3

125 211 , 6 1 U 3

S I m I

cb

cb ) 3 ( 1 N 1 ) n ( )

3 ( kA 1

+) Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1)

Ta có:

343 ,0 182 ,0 161 ,0 X X

1 ( 1 N 0 ) 1 ( 1 N 2 ) 1 ( 1 N 1

X

E I

I

504 , 0

1



Dòng ngắn mạch siêu quá độ dạng có tên là:

735 , 3 115 3

125 984 , 1 3 U 3

S I m I

cb

cb ) 1 ( 1 N 1 ) n ( )

125 984 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb )

1 ( 1 N 0 )

182 ,0 161

,0 X

X

X X X

0 2

0 2

908 ,1 161 , 0 182 , 0

161 , 0 065 , 4 X

X

X

I

I

2 0

2 )

182 , 0 065 ,

4 X

X

X I I

2 0

0 )

1 , 1 ( 1 N 1 ) 1 , 1 ( 1 N

829 , 3 115 3

125 101 , 6 U 3

S I I

cb

cb ) 1 , 1 ( 1 N )

125 908 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb ) 1 , 1 ( 1 N 0 )

X1  2  ; X0  0 , 272

a) Ngắn mạch 3 pha N(3)

854 , 4 206 , 0

1 X

E I

1

HT )

3 ( 2 N



; ( 3 ) 1 N 2

I =I ( 3 ) 0

1 N

0 Trong hệ đơn vị có tên:

046 , 3 115 3

125 854 , 4 U 3

S I I

cb

cb )

3 ( 2 N 1 ) 3 ( kA 2

b) Ngắn mạch 1 pha N(1)

Ta có:

478 ,0 272 ,0 206 ,0 X X

1 ( 2 N 0 ) 1 ( 2 N 2 ) 1 ( 2 N 1

X

E I

I

684 , 0

1



Dòng ngắn mạch siêu quá độ dạng có tên là:

752 , 2 115 3

125 462 , 1 3 U 3

S I m I

cb

cb )

1 ( 2 N 1 ) n ( )

125 462 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb )

1 ( 1 N 0 )

272 ,0 206

,0 X

X

X X X

0 2

0 2

334 ,1 206 , 0 272 , 0

206 , 0 096 , 3 X

X

X

I

I

2 0

2 )

272 , 0 096 ,

3 X

X

X I I

2 0

0 )

1 , 1 ( 2 N 1 ) 1 , 1 ( 2 N

924 , 2 115 3

125 659 , 4 U 3

S I I

cb

cb ) 1 , 1 ( 2 N )

125 334 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb ) 1 , 1 ( 2 N 0 )

0

kA , N

kA , N

kA , 0

kA , N

kA , N

2.3TÍNH DÒNG NGẮN MẠCH CỦA MẠNG ĐIỆN Ở CHẾ ĐỘ CỰC TIỂU

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

BI2 MC2

Ta tiến hành các dạng ngắn mạch lần lượt cho 11 điểm N1-N11

=> Tính X1∑ ; X2∑ ; X0∑ tại các điểm ngắn mạch trong chế độ min:

N 1 N 2 N 3 N 4 N 5 N 6 N 7 N 8 N 9 N 10 N 11

X 1∑mix 0,26 0,305 0,35 0,395 0,44 0,485 0,52 0,555 0,59 0,625 0,66

X 0∑mix 0,291 0,381 0,471 0,561 0,651 0,741 0,811 0,881 0,951 1,021 1,091

=>Dòng điện ngắn mạch thứ tự thuận của mọi dạng ngắn mạch đều

được tính theo công thức: ( n )

1

) n ( N 1

X X

1 I



 

 (vì E∑=1) 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 : ( n )

N 1 ) n ( ) n (

0 2

) X X

(

X X 1

3

0 N 1 N

2

XX

X.II

2 N 1 N

X.II

X      = 0,155 + 0 , 105 = 0,26

1 B HT 0

1 X

1 I

1 N

0 

Trong hệ đơn vị có tên:

413 , 2 115 3

125 846 , 3 1 U 3

S I m I

cb

cb ) 3 ( 1 N 1 ) n ( )

3 ( kA 1

+) Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1)

Ta có:

551 ,0 291 ,0 26 ,0 X X

1 ( 1 N 0 ) 1 ( 1 N 2 ) 1 ( 1 N 1

X

E I

I

811 , 0

1



Dòng ngắn mạch siêu quá độ dạng có tên là:

321 , 2 115 3

125 233 , 1 3 U 3

S I m I

cb

cb )

1 ( 1 N 1 ) n ( )

125 233 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb )

1 ( 1 N 0 )

291 ,0 26

,0 X

X

X X X

0 2

0 2

189 ,1 26 , 0 291 , 0

26 , 0 519 , 2 X

X

X

I

I

2 0

2 )

291 , 0 519 , 2 X

X

X I I

2 0

0 )

1 , 1 ( 1 N 1 ) 1 , 1 ( 1 N

372 , 2 115 3

125 78 , 3 U 3

S I I

cb

cb ) 1 , 1 ( 1 N )

125 189 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb ) 1 , 1 ( 1 N 0 )

X1  2  ; X0  0 , 381

a) Ngắn mạch 3 pha đối xứng N(3)

279 , 3 305 , 0

1 X

E I

1

HT )

3 ( 2 N



; ( 3 ) 1 N 2

I =I ( 3 ) 0

1 N

0 Trong hệ đơn vị có tên:

058 , 2 115 3

125 279 , 3 U 3

S I I

cb

cb ) 3 ( 2 N 1 ) 3 ( 2

b) Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1)

Ta có:

686 ,0 381 ,0 305 ,0 X X

1 ( 2 N 0 ) 1 ( 2 N 2 ) 1 ( 2 N 1

X

E I

I

991 , 0

1



Dòng ngắn mạch siêu quá độ dạng có tên là:

9 , 1 115 3

125 009 , 1 3 U 3

S I m I

cb

cb )

1 ( 2 N 1 ) n ( )

125 009 , 1 3 U 3

S I 3 I

cb

cb )

1 ( 2 N 0 )

381 ,0 305

,0 X

X

X X X

0 2

0 2

938 , 0 305 , 0 381 , 0

305 , 0 109 , 2 X

X

X

I

I

2 0

2 )

381 , 0 109 ,

2 X

X

X I I

2 0

0 )

1 , 1 ( 1 N 1 ) 1 , 1 ( 1 N

989 , 1 115 3

125 17 , 3 U 3

S I I

cb

cb ) 1 , 1 ( 1 N )

125 938 , 0 3 U 3

S I 3 I

cb

cb ) 1 , 1 ( 1 N 0 )

0

kA , N

kA , N

kA , 0

kA , N

kA , N

Quan hệ dòng ngắn mạch với chiều dài đường dây

0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4

N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11

L(km)

I(kA)

N(3) N(1)

Tổng hợp cả hai chế độ cực đại và cực tiểu :

Phân bố dòng ngắn mạch ba pha theo chiều dài đường dây

Quan hệ dòng ngắn mạch với chiều dài đường dây

0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 3.1 3.6 4.1

N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11

L(km) I(kA)

Phân bố dòng ngắn mạch thứ tự không theo chiều dài đường dây