Thiết kế mạng bảo vệ rơ le cho trạm biến áp 22011035 kv

Phía I: cấp điện áp 220kVcó Phía II: cấp điện áp 110 kVcó Phía III: cấp điện áp 35 kVcó Tính thông số các phần tử trong hệ đơn vị tương đối cơ bản Điện áp ngắn mạch phần trăm của các cuộ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, điện năng trở thành dạng năng lượng thiết yếu nhất, phổ biến nhất trongđời sống xã hội cũng như hoạt động lao động sản xuất của con người, công nghiệp điệnluôn là ngành công nghiệp cơ bản, mũi nhọn của nền kình tế quốc gia Cùng với sự pháttriển công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, điện năng được sử dụng trong hầu hết cáclĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như: công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,sinh hoạt, dịch vụ… nhu cầu về điện năng luôn tăng trưởng không ngừng Điều này đòihỏi độ an toàn và tin cậy cung cấp điện rất cao

Vì vậy, việc tìm hiểu về những hư hỏng và hiện tượng không bình thường có thể xảy

ra trong hệ thống điện cùng với những phương pháp và thiết bị bảo vệ cần thiết để pháthiện đúng, nhanh chóng cách ly phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống là một mảng kiếnthức quan trọng của kỹ sư điện nói chung và kỹ sư hệ thống điện nói riêng Để tìm hiểu

sâu hơn về vấn đề đó, em chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung “Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 220/110/35 kV-2×100 MVA”

Đồ án bao gồm 5 chương:

- Chương 1: Mô tả đối tượng bảo vệ và các thông số chính

- Chương 2: Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơle

- Chương 3: Lựa chọn phương thức bảo vệ và rơle được sử dụng

- Chương 4: Giới thiệu tính năng và thông số các loại rơle sử dụng

- Chương 5: Tính toán các thông số và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

Đồ án tốt nghiệp này nhằm áp dụng những kiến thức đã học để thiết kế bảo vệ chotrạm biến áp, đồng thời tìm hiểu một số rơle sử dụng trong thực tế Do khả năng và kiếnthức còn hạn chế nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Em rất mongđược sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS.Ngô Thị Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn,

giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2015Sinh viên thực hiện

Trần Văn Thủy

MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ VÀ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH

Đối tượng bảo vệ là trạm biến áp 220/110/35 kV có 2 máy biến áp (MBA) B1 và B2

mắc song song với nhau Hai MBA được cấp từ một nguổn của hệ thống điện (HTĐ) quađường dây kép D Phía trung áp 110kVvà hạ áp 35kVcấp điện cho phụ tải

Hình 1.1.Sơ đồ nguyên lý và các vị trí đặt máy biến dòng dùng cho bảo vệ của trạm

biến áp

Hệ thống điện:

Hệ thống điện có trung tính nối đất

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: SN max = 2500 MVACông suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: SN min = 1850 MVA

X0H = 1,1.X1H

Đường dây:

Chiều dài đường dây: L = 120 kmĐiện kháng thứ tự thuận: X1D = 0,305 Ω/kmĐiện kháng thứ tự không: X0D = 0,61

Máy biến áp:

Công suất: Sdđ B = 100 MVA; SIII = 0,5;

Tổ đấu dây: Yo - ∆ - 11Giới hạn điều chỉnh điện áp ±10%

Điện áp ngắn mạch phần trăm các cuộn dây:

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE

Mục đích của việc tính toán ngắn mạch: Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn

mạch nhằm xác định các trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất (INM max) đi qua đối tượngđược bảo vệ để cài đặt và chỉnh định các thông số của bảo vệ, trị số dòng ngắn mạch nhỏnhất (INM max) để kiểm tra độ nhạy của chúng

Phương pháp thực hiện: Ta xét tất cả các phương án ngắn mạch của hệ thống điện.

• Chế độ làm việc: Công suất ngắn mạch lớn nhất (SN max) hoặc công suất ngắn mạch

bé nhất (SN min)

• Cấu hình của lưới điện: đặc trưng bằng số phần tử làm việc song song

SN max: 2 máy biến áp (MBA), 2 đường dây làm việc song song

SN min: 1 MBA, 1 đường dây làm việc

- Vị trí điểm ngắn mạch:

Phía I: Vị trí điểm ngắn mạch N , 1 '

1

NPhía II: Vị trí điểm ngắn mạch N , 2 N'2

Phía III: Vị trí điểm ngắn mạch N , 3 N'3

1

N

' 1

' 3

- Để xác định dòng điện ngắn mạch cực đại (INM max) ta xét các dạng ngắn mạch

ba pha đối xứng, ngắn mạch một pha, ngắn mạch hai pha chạm đất

- Để xác định dòng điện ngắn mạch cực tiểu (INM min) ta xét các dạng ngắn mạchhai pha, hai pha chạm đất và ngắn mạch một pha

Từ đó ta có các sơ đồ tính toán như sau:

Sơ đồ 2: SN max(2 đường dây song song), 2 MBA làm việc

Sơ đồ 3: SN min (1 đường dây), 1 MBA làm việc

Sơ đồ 4: SN min (1 đường dây), 2 MBA làm việc

Giả thiết cơ bản để tính toán ngắn mạch

Thực tế sau khi xảy ra ngắn mạch công suất của các máy phát thay đổi đột ngột,dẫn đến mất cân bằng mô men quay, tốc độ quay bị thay đổi trong quá trình quá

độ Tuy nhiên ngắn mạch được tính toán ở giai đoạn đầu nên sự biến thiên tốc độcòn chưa đáng kể.Giả thiết tần số hệ thống không đổi không mắc sai số nhiều,đồng thời làm đơn giản đáng kể phép tính

Để đơn giản ta coi mạch từ của các thiết bị điện không bão hòa, khi đó điện cảmcủa phần tử là hằng số và mạch điện là tuyến tính Thực tế cho thấy sai số mắcphải là không nhiều

Khi bỏ qua phụ tải trong tính toán ngắn mạch thì kết quả tính toán cho ta trị sốdòng ngắn mạch lớn hơn, chấp nhận được để lựa chọn thiết bị

Nói chung trong bài toán thiết kế đòi hỏi độ chính xác không cao ta có thể:

- Bỏ qua dung dẫn đường dây

- Bỏ qua mạch không tải của các MBA

- Bỏ qua điện trở MBA, đường dây

Khi ngắn mạch không đối xứng, phản ứng phần ứng các pha lên từ trường quaykhông hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên, từ trường vẫn được giả thiết quay đều vớitốc độ không đổi Khi đó sức điện động 3 pha luôn đối xứng Thực tế hệ số khôngđối xứng của các sức điện động không đáng kể [2]

Để cho việc tính toán đơn giản ta dùng hệ đơn vị tương đối cơ bản

Phía I: cấp điện áp 220kVcó

Phía II: cấp điện áp 110 kVcó

Phía III: cấp điện áp 35 kVcó

Tính thông số các phần tử trong hệ đơn vị tương đối cơ bản

Điện áp ngắn mạch phần trăm của các cuộn dây MBA:

Điện kháng của các cuộn dây:

- Cuộn cao:

- Cuộn trung:

- Cuộn hạ:

Sơ đồ thay thế của hệ thống

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

0,0069 X1D

0,04 X1Hmax

0 XT

0,195 XH

0,115 XC

0,069

X1D

0,115XC

0

XT0,195

XH0,054

0,115

XH

0,059 X0H min

X0H max

0,138X0D

0,115XC

0

XT0,195

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

0,044 X0H max

0,138

X0D

0,115 XC

0,195 XH

BI1

N1

U0N

0,138X0D

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Phân bố dòng điện thứ tự không phía hệ thống và phía MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI

Ngắn mạch tại N:

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không.

N2 0,044

U0N

0,138X0D

2.1.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2 , )

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

2.1.2.2 Ngắn mạch 2 pha chạm đất

Điện kháng phụ:

Các thành phần dòng điện:

Điện áp thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không phía trung áp MBA (điện áp 110kV):

Dòng điện thứ tự không từ hệ thống về điểm ngắn mạch:

Dòng điện thứ tự không qua cuộn chung của MBA trong hệ đơn vị có tên:

Dòng điện qua dây trung tính MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn trung về điểm ngắn mạch:

Dòng thứ tự không chạy từ hệ thống qua cuộn cao về điểm ngắn mạch:

Dòng thứ tự không qua cuộn chung MBA

Dòng điện qua dây trung tính của MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

E X1H max 0,04

0,069 X1D

0,115 XC

0,195 XH

BI3 N3

0,069X1D

2.1.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3 , )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toándạng ngắn mạch 3 pha

0,044 X0H max

0,138

X0D

0,115 XC

0,195 XH

BI1

N1

U0N

0,138X0D

0,195XH

0,115XC

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Phân bố dòng điện thứ tự không phía hệ thống và phía MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI

- Ngắn mạch tại N1:

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không

- Ngắn mạch tại

Dòng điện qua BI1:

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn cao mỗi MBA:

Dòng điện chạy qua trung tính mỗi MBA:

N2 0,044

U0N

0,138

X0D

0,115XC

0,195XH

0XT

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Dòng điện thứ tự không phía trung áp MBA (điện áp 110kV):

Dòng điện thứ tự không từ hệ thống về điểm ngắn mạch:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía 220kV của MBA:

Dòng điện thứ tự không qua cuộn chung của MBA trong hệ đơn vị có tên:

Dòng điện qua dây trung tính MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

- Ngắn mạch tại N2

Dòng qua BI1:

Dòng qua BI2:

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không.

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn trung về điểm ngắn mạch:

Dòng thứ tự không chạy qua phía 220kV của mỗi MBA:

Dòng thứ tự không chạy qua phía 110 kVcủa mỗi MBA:

Dòng thứ tự không qua cuộn chung MBA

Dòng điện qua dây trung tính của MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

- Ngắn mạch tại N2:

Dòng qua BI1:

Dòng qua BI2:

Dòng qua BI4:

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không

- Ngắn mạch tại :

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

2.2.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3 , )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toándạng ngắn mạch 3 pha

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

0,059 X0H min

0,138

X0D

0,115 XC

0,195 XH

Phân bố dòng điện đi qua các BI

X0H min 0,138 X0D 0,115 XC 0 XT BI2

0,195 XH

U0N

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

2.3.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2 , )

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Các thành phần dòng điện:

Điện áp thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không phía trung áp MBA (điện áp 110kV):

Dòng điện thứ tự không từ hệ thống về điểm ngắn mạch:

Dòng điện thứ tự không qua cuộn chung của MBA trong hệ đơn vị có tên:

Dòng điện qua dây trung tính MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

Các thành phần dòng điện tại điểm ngắn mạch:

Điện áp thứ tự không:

Phân bố dòng thứ tự không:

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn trung về điểm ngắn mạch:

Dòng thứ tự không chạy từ hệ thống qua cuộn cao về điểm ngắn mạch:

Dòng thứ tự không qua cuộn chung MBA

Dòng điện qua dây trung tính của MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

2.3.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3 , )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toándạng ngắn mạch 2 pha

- Sơ đồ thay thế

E X1H min 0,054

0,115 XC

0,195 XH

BI3 N3

0,069X1D

X0D

0,115 XC

0,195 XH

BI1

N1

U0N

0,195XH

0,115XC

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Phân bố dòng điện thứ tự không phía hệ thống và phía MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn cao mỗi MBA:

Dòng điện chạy qua trung tính mỗi MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

N2 0,059

X0H min

0,138 X0D

U0N

0,115XC

0,195XH

0XT

Điện áp thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không phía trung áp MBA (điện áp 110kV):

Dòng điện thứ tự không từ hệ thống về điểm ngắn mạch:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía 220kV của MBA:

Dòng điện thứ tự không qua cuộn chung của MBA trong hệ đơn vị có tên:

Dòng điện qua dây trung tính MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn trung về điểm ngắn mạch:

Dòng thứ tự không chạy qua phía 220kV của mỗi MBA:

Dòng thứ tự không chạy qua phía 110 kVcủa mỗi MBA:

Dòng thứ tự không qua cuộn chung MBA

Dòng điện qua dây trung tính của MBA:

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

E X1Hmin 0,054

0,069 X1D

2.4.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3 , )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toándạng ngắn mạch 2 pha

Bảng 2.4 Bảng tổng kết tính ngắn mạch cho sơ đồ 4

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

I2

nhđm.tnhđm ≥ BN (BN:là xung lượng nhiệt của dòng ngắn mạch)

Dựa vào điện áp và dòng điện làm việc cưỡng bức lớn nhất của các mạch, kết hợpvới các giá trị dòng điện ngắn mạch đã tính được ở chương II, ta chọn máy cắt của từngmạch cho từng cấp điện áp như ở bảng 3.1

* Phía điện áp 220kV:

Ilvcb = kqtsc IđmB =

dmB qtsc

dmB

3U = 3.115 =

ixk = 2.1,8 2,951 = 7,512kA

* Phía điện áp 35kV:

Ilvcb = kqtsc IđmB =

dmB qtsc

dmB

3U = 3.35 =I"N = IBI3=2,597.1,5=3,896kA

Điệnápxung

3.2 Máy biến dòng điện:

Máy biến dòng điện được chọn theo điều kiện sau:

- Điện áp định mức (UđmBI): Điện áp định mức của máy biến dòng được chọnphải lớn hơn hoặc bằng điện áp định mức của lưới điện:

Điều kiện ổn định nhiệt: Dòng ổn định nhiệt của máy biến dòng phải thỏa mãn điều kiện:

Bảng 3.2: Thông số máy biến dòng

3.3 Máy biến điện áp.

Máy biến điện áp được chọn theo điều kiện sau:

- Điện áp định mức (UđmBU): Điện áp định mức của máy biến điện áp được chọnphải lớn hơn hoặc bằng điện áp của lưới điện: UđmBU≥Uđmlưới

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

- Công suất định mức (S2đmBU): Công suất định mức của máy biến điện áp phảilớn hơn hay bằng tổng công suất mạch thứ cấp của BU: S2đmBU≥S2

Bảng 3.3:Thông số máy biến điện áp

thứ cấp

Cuộn thứcấp phụ

CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ VÀ RƠLE ĐƯỢC SỬ DỤNG

4.1.Hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của MBA

Để lựa chọn phương thức bảo vệ hợp lý cho MBA, chúng ta cần phải phân tích nhữngdạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của nó

Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của MBA được phân ra làmhai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

Hư hỏng bên trong MBA bao gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây;

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây;

- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất;

- Hư hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp;

- Thùng dầu bị hỏng hoặc rò dầu

Hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài MBA bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống;

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống;

- Quá tải;

- Quá bão hòa mạch từ

Các loại bảo vệ thường dùng cho MBA

Tùy theo công suất của MBA, vị trí và vai trò của MBA trong hệ thống mà người ta

có thể chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho MBA Những loại bảo vệ thường dùng đểchống các sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp được cho trongbảng 4.1

Bảng 4.1 Các loại bảo vệ thường dùng cho MBA

Ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha, sự cố

chạm đất

So lệch có hãm (bảo vệ chính)Khoảng cách (bảo vệ dự phòng)Quá dòng có thời gian

Quá dòng thứ tự khôngChạm đất các vòng dây

Thùng dầu thủng hoặc rò dầu

4.2.Các yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ

Trong quá trình vận hành, hệ thống điện (HTĐ) có thể rơi vào tình trạng sự cố và chế

độ làm việc không bình thường như: hư hỏng cách điện, ngắn mạch giữa các vòng dây,

vỏ máy biến áp bị rò rỉ, mức dầu trong máy biến áp giảm quá mức cho phép

Phần lớn các sự cố xảy ra thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng cao và điện ápgiảm xuống thấp quá mức cho phép dẫn đến phá hủy các thiết bị điện Do đó sự cố cầnđược loại trừ nhanh chóng để đảm bảo không làm hư hỏng các phần tử còn tốt trongHTĐ và không gây nguy hiểm cho người vận hành Các thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ pháthiện và loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống càng nhanh càng tốt, nhằm ngăn chặn và hạn chếtối đa những hậu quả của sự cố

Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ cho các HTĐ là các rơle với cáctính năng và nhiệm vụ khác nhau.Khái niệm rơle được dùng chỉ một tổ hợp thiết bị nhằmthực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như chotoàn bộ hệ thống Các rơle bảo vệ thường phải thỏa mãn các yêu cầu chung như sau: tácđộng nhanh, tính chọn lọc, yêu cầu về độ nhạy, độ tin cậy và tính kinh tế

4.2.1 Tác động nhanh

Khi phát sinh ngắn mạch, thiết bị điện phải chịu tác động của lực động điện và tácdụng nhiệt do dòng ngắn mạch gây ra Vì thế việc phát hiện và cắt nhanh phần tử bị ngắnmạch sẽ hạn chế được mức độ hư hỏng của các phần tử đó, nâng cao hiệu quả của thiết bị

tự động đóng lại mạng lưới điện và hệ thống thanh cái, rút ngắn được thời gian sụt áp ởcác hộ tiêu thụ và tăng khả năng giữ ổn định cho HTĐ Hiển nhiên bảo vệ phát hiện vàcách ly phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt

4.2.2 Tính chọn lọc

Đây là khả năng phát hiện và cách ly đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống.Cấu hìnhcủa HTĐ càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn Theonguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân thành hai loại:

- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm việc khi sự cố xảy ratrong phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ởcác phần tử lân cận

- Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượngđược bảo vệ còn thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lâncận

Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, phải có

sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống