đồ án môn học bảo vệ rơ le trong hệ thống điện

Để đảm bảo sφự làm việc liên tục của các phần không hư hỏng trong hệ thốngđiện cần có những thiết bị ghi nhận sφự phát sφinh của hư hỏng với thời gian bé nhất,phát hiện ra phần tử bị hư

A SỐ LIỆU BAN ĐẦU

I Lý thuyết.

Câu 1: Nêu nhiệm vụ và các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le?

Trả lời:

Khi thiết kế và vận hành bất kỳ một hệ thống điện nào cần phải kể đến khảnăng phát sφinh hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường trong hệthống điện ấy Ngắn mạch là loại sφự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệthống điện

Hậu quả của ngắn mạch là:

a) Tụt thấp điện áp ở một phần lớn của hệ thống điện

b) Phá hủy các phần tử bị sφự cố bằng tia lửa điện

c) Phá hủy các phần tử có dòng ngắn mạch chạy qua do tác động nhiệt và cơ d) Phá hủy ổn định của hệ thống điện

Ngoài các loại hư hỏng, trong hệ thống điện còn có các tình trạng việc khôngbình thường Một trong những tình trạng việc không bình thường là quá tải Dòngđiện quá tải làm tăng nhiệt độ các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép làm cáchđiện của chúng bị già cỗi hoặc đôi khi bị phá hủy

Để ngăn ngừa sφự phát sφinh sφự cố và sφự phát triển của chúng có thể thực hiệncác biện pháp để cắt nhanh phần tử bị hư hỏng ra khỏi mạng điện, để loại trừ nhữngtình trạng làm việc không bình thường có khả năng gây nguy hiểm cho thiết bị và

hộ dùng điện

Để đảm bảo sφự làm việc liên tục của các phần không hư hỏng trong hệ thốngđiện cần có những thiết bị ghi nhận sφự phát sφinh của hư hỏng với thời gian bé nhất,phát hiện ra phần tử bị hư hỏng và cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điện.Thiết bị này được thực hiện nhờ những khí cụ tự động có tên gọi là rơle Thiết bịbảo vệ được thực hiện nhờ những rơle được gọi là thiết bị bảo vệ rơle (BVRL)

Như vậy nhiệm vụ chính của thiết bị BVRL là tự động cắt phần tử hư hỏng

ra khỏi hệ thống điện Ngoài ra thiết bị BVRL còn ghi nhận và phát hiện nhữngtình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện, tùymức độ mà BVRL có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc đi cắt máy cắt Những thiết

bị BVRL phản ứng với tình trạng làm việc không bình thường thường thực hiện tác

động sφau một thời gian duy trì nhất định (không cần phải có tính tác động nhanhnhư ở các thiết bị BVRL chống hư hỏng).

- Tính chọn lọc:

Tác động của bảo vệ đảm bảo chỉ cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống điệnđược gọi là tác động chọn lọc Khi có nguồn cung cấp dự trữ cho hộ tiêu thụ, tácđộng như vậy tạo khả năng cho hộ tiêu thụ tiếp tục được cung cấp điện

Yêu cầu tác động chọn lọc cũng không loại trừ khả năng bảo vệ tác động như

là bảo vệ dự trữ trong trường hợp hỏng hóc bảo vệ hoặc máy cắt của các phần tửlân cận

Cần phân biệt 2 khái niệm chọn lọc:

 Chọn lọc tương đối: theo nguyên tắc tác động của mình, bảo vệ cóthể làm việc như là bảo vệ dự trữ khi ngắn mạch phần tử lân cận

 Chọn lọc tuyệt đối: bảo vệ chỉ làm việc trong trường hợp ngắn mạch

ở chính phần tử được bảo vệ

- Tác động nhanh:

Càng cắt nhanh phần tư bị ngắn mạch sφẽ càng hạn chế được mức độ phá hoạiphần tử đó , càng giảm được thời gian trụt thấp điện áp ở các hộ tiêu 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 của thiết bịbảo vệ rơ le Tuy nhiên trong một sφố trường hợp để thực hiện yêu cầu tác độngnhanh thì không thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc Hai yêu cầu này đôi khi mâu thuẫnnhau, vì vậy tùy điều kiện cụ thể cần xem xét kỹ càng hơn về 2 yêu cầu này

- Độ nhạy

Bảo vệ rơle cần phải đủ độ nhạy đối với những hư hỏng và tình trạng làmviệc không bình thường có thể xuất hiện ở những phần tử được bảo vệ trong hệthống điện

Thường độ nhạy được đặc trưng bằng hệ sφố nhạy Kn Đối với các bảo vệ làmviệc theo các đại lượng tăng khi ngắn mạch (ví dụ, theo dòng), hệ sφố độ nhạy đượcxác định bằng tỷ sφố giữa đại lượng tác động tối thiểu (tức dòng ngắn mạch bé nhất)khi ngắn mạch trực tiếp ở cuối vùng bảo vệ và đại lượng đặt (tức dòng khởi động)

min

N

I K

Thường yêu cầu Kn = 1,5 ÷ 2.

- Tính bảo đảm

Bảo vệ phải luôn luôn sφẵn sφàng khởi động và tác động một cách chắc chắntrong tất cả các trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ và các tình trạng làm việckhông bình thường đã định trước

Mặc khác bảo vệ không được tác động khi ngắn mạch ngoài Nếu bảo vệ cónhiệm vụ dự trữ cho các bảo vệ sφau nó thì khi ngắn mạch trong vùng dự trữ bảo vệnày phải khởi động nhưng không được tác động khi bảo vệ chính đặt ở gần chỗngắn mạch hơn chưa tác động

Để tăng tính đảm bảo của bảo vệ cần:

 Dùng những rơle chất lượng cao

 Chọn sφơ đồ bảo vệ đơn giản nhất (sφố lượng rơle, tiếp điểm ít)

 Các bộ phận phụ (cực nối, dây dẫn) dùng trong sφơ đồ phải chắc chắn,đảm bảo

 Thường xuyên kiểm tra sφơ đồ bảo vệ

Câu 2: Nêu nguyên tắc tác động của các bảo vệ được sử dụng.

Trả lời:

Nguyên tắc tác động của các bảo vệ được sφử dụng:

Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính thời gian độc lập không phụ thuộcvào trị sφố dòng ngắn mạch hay vị trí ngắn mạch, còn đối với bảo vệ có đặc tính thờigian phụ thuộc thì thời gian tác động tỉ lệ nghịch với dòng điện chạy 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 I R I kdRvà bảo

- 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 cắtnhanh và quá dòng điện có thời gian

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 vệ khá đơngiản và dễ áp dụng Thời gian đặt của các bảo vệ phải được phối hợp với nhau sφaocho có thể cắt ngắn mạch một cách nhanh nhất mà vẫn đảm bảo được tính chọn lọccủa các bảo vệ

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

max

at mm lv kd

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

áp

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 thờigian của bảo vệ sφao cho lớn hơn một khoảng thời gian an toàn Δt so với thời giant sφo với thời giantác động lớn nhất

của cấp bảo vệ liền kề trước nó (tính từ phía phụ tải về nguồn)

( 1) ax

n n m

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 so với thời giant: 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 hợp khóthực

hiện được khả năng phối hợp với các bảo vệ liền kề mà vẫn đảm bảo được tính tácđộng

nhanh của bảo vệ Một trong những phương pháp khắc phục là người ta sφử dụngbảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc Hiện nay các phương thức tínhtoán chỉnh định rơle quá dòng sφố với đặc tính thời gian phụ thuộc do đa dạng vềchủng loại và tiêu chuẩn nên trên thực tế vẫn chưa được thống nhất về mặt lýthuyết điều này gây khó khăn cho 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 sφử dụng cho các đườngdây có dòng sφự cố biến thiên mạnh khi thay đổi vị trí ngắn mạch Trong trường hợpnày nếu sφử dụng đặc tuyến độc lập thì nhiều khi không đam bảo các điều kiện kỹthuật: thời gian cắt sφự cố, ổn định của hệ thống Hiện nay người ta có xu hướng ápdụng chức năng bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc như một bảo vệthông 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 côngthức:

Thời gian bảo vệ được chọn theo công thức:

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh.

Chúng ta nhận thấy rằng đối với bảo vệ quá dòng thông thường càng gầnnguồn thời

gian cắt ngắn mạch càng lớn, thực tế cho thấy ngắn mạch gần nguồn thường thìmức độ nguy hiểm cao hơn và cần loại trừ càng nhanh càng tốt Để bảo vệ cácđường 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 vớimột nguồn hay nhiều nguồn cung cấp Ưu điểm của nó là có thể cách ly nhanh sφự

cố với công sφuất 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 đượcchọn

sφao 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 sφẽ đi tínhtoán 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 độngcủa bảo vệ đặt tại thanh góp A được xác định theo công thức:

INngoài max: dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp lớn nhất qua bảo vệ khi ngắnngoài 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 làbảo vệ chính của 1 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

INmax

INminI

kd

LCNmax

LCNmin

INngoaimax

II Tính toán.

CHƯƠNG I CHỌN MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN

Chọn tỷ sφố biến đổi của máy biến dòng BI1,BI2 dùng cho bảo vệ đường dây D1,

D2 Dòng điện sφơ cấp danh định của BI chọn theo quy chuẩn lấy theo giá trị lớn.Dòng thứ cấp lấy bằng 5A

Tỷ sφố biến đổi của máy biến dòng BI:

Sdd dd

I

T

I n

(10-12,5-15-20-25-30-40-50-Dòng làm việc Ilvmax(BI2) = 119 nên ta chọn Isφdđ(BI2) = 125 A

Vậy tỷ sφố biến đổi BI2: 2

125

255

I

.Dòng làm việc lớn nhất qua BI1:

1 1

Ilvmax(BI1) = 1,4.(Ilv1+ Ilv2)= 1,4.(142+80) = 310,8A

Dòng làm việc Ilvmax(BI1) = 310,8 nên ta chọn Isφdđ(BI1) = 400A

Vậy tỷ sφố biến đổi BI1: 1

400

805

I

Tính toán trong hệ đơn vị tương đối gần đúng:

Scb = SđmB = 30 MVA; Ucb = Utb tại các cấp điện áp {115,24}

UcbI = Utb = 24 kV

 UcbII = UcbI/k = 24.115

24 = 115 kV Dòng điện cơ bản trên các đoạn :

30

0,722

cb cbI

cbII

U E

300,021500

cb HT N

S X

cb HT N

S X

Sơ đồ thay thế thứ tự không:

0,305

0,076

D D

X

1 2 2/ 4

0,203

0,051

D D

X

 Sơ đồ thay thế dạng tương đối cơ bản.

115 kV 24 kV

BI1 MC1 D11

BI2 MC2

Tính tương tự cho các điểm còn lại ta có bảng sau:



 Với E =1 , Dòng ngắn mạch tổng tại các pha :

Ta có dòng thành phần thứ tự không của 1 pha : = = 4,008

Suy ra thành phần dòng thứ tự không tại điểm ngắn mạch :

I0 = .Icb = 4,008.0,722 = 2,894 kA

Tính toán cho các điểm còn lại tương tự :

2

X

 0.0825 0.1585 0.2345 0.3105 0.3865 0.4375 0.4885 0.5395 0.5905(1,1)

0

X

 0.0845 0.2765 0.4688 0.6605 0.8525 0.9805 1.1085 1.2365 1.3645(1,1)

0.2345

0.3105

0.3865

0.4375

0.4885

0.5395

0.5905(2)

0.2345

0.3105

0.3865

0.4375

0.4885

0.5395

0.5905(2)

0.4688

0.6605

0.8525

0.9805

1.1085

1.2365

1.3645(2)

X 0.082

5

0.1585

0.2345

0.3105

0.3865

0.4375

0.4885

0.5395

0.5905

(2)

1 1N

I

 Sơ đồ thay thế dạng tương đối cơ bản.

0,305

0,076

D D

1

1

2,8250,12 0,12 0,114

Tính tương tự cho các điểm còn lại ta có bảng sau:

CHƯƠNG III

TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHO BẢO VỆ CẮT NHANH, QUÁ DÒNG VÀ

BẢO VỆ QUÁ DÒNG THỨ TỰ KHÔNG

1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh.

Trị sφố dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh được lựa chọn theocông thức

Trị sφố dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh trên đoạn đường dây

1 đuợc chọn như sφau:

Ikđ1 = kat.IN5max = 1,2.1,957 = 2,3484 kA

2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh.

Trị sφố dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh được chọntương tự như trên

 Lựa chọn trị sφố dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian

Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian được lựa chọn theo công thức :

Ikđ = K.Ilvmax

Trong đó :

K: hệ sφố chỉnh định Chọn K = 1,6

Ilvmax: dòng điện làm việc lớn nhất

Theo tính toán ở phần trên ta có :

 Thời gian làm việc của bảo vệ:

Từ đặc tính thời gian của Rơ le

*

2

NM kd

I I

0,821

4,5870,179

t29 = tpt2 + ∆t = 1,25+0,3 = 1,55 sφ Vậy ta có :

N kd

I I

N kd

I I

I I

I

Tổng hợp cả 2 trường hợp ta có đồ thị như sau:

Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian chọn theo đặctính độc lập

t02 = tpt2 + ∆t = 1,25+0,3 = 1,55 sφ

t01 = max(tpt1,t02) + ∆t = 1,55+0,3 = 1,85 sφ

CHƯƠNG IV

XÁC ĐỊNH PHẠM VI BẢO VỆ VÀ KIỂM TRA ĐỘ NHẠY

1 Xác định phạm vi của bảo vệ quá dòng cắt nhanh.

 Ta có dòng khởi động cắt nhanh của các bảo vệ:

Ikđ1-50 = 1,2.1,957 = 2,348 kA

Ikđ2-50 = 1,2.0,821 = 0,985 kA

Xác định phạm vi của bảo vệ này dựa trên hình vẽ sφau

Theo như hình vẽ thì phạm vi của bảo vệ 1 và 2 là khoảng

L = 5 km của đường dây 2

 Phạm vi bảo vệ của quá dòng cắt nhanh TTK.

Phạm vi bảo vệ của quá dòng cắt nhanh TTK là cả tuyến đường dây

2 Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ quá dòng có thời gian.

 Với đường dây 1.

Ta có

min 5 1

kd

I k

I

Nên bảo vệ 1 đạt yêu cầu

min 9 2

2

0,537

30,179

N nhay

kd

I k

I

Nên bảo vệ 2 đạt yêu cầu

- Đối với đường dây 1

1 0

min 5 0 1

0

kd

N nhay

k    1,5 nên bảo vệ được chọn thỏa mãn

- Đối với đường dây 2

2 0

min 9 0 2

0

kd

N nhay