Tính toán chỉnh định bảo vệ rơle

Hệ thống điện bao gồm nhiều phần tử khác nhau từ máy phát điện, máy biến áp truyền tải, máy biến áp phân phối, các đường dây, các động cơ...Tuy nhiên những hư hỏng và hiện tượng không bì

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển kinh tế, nhu cầu về điện cũng tăng lên không ngừng đòi hỏi ngày càng cao về số lượng cũng như chất lượng điện năng.Để đáp ứng với những thách thức đó thì hệ thống điện Việt Nam cũng không ngừng phát triển nhất là khi những thành tựu khoa học công nghệ hiện đại trong ngành điện được được đưa vào ứng dụng

Hệ thống điện bao gồm nhiều phần tử khác nhau từ máy phát điện, máy biến áp truyền tải, máy biến áp phân phối, các đường dây, các động cơ Tuy nhiên những hư hỏng và hiện tượng không bình thường có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong hệ thống điện, nếu không phát hiện kịp thời và khắc phục sự cố có thể làm cho HTĐ mất ổn định, thậm chí là tan rã ảnh hưởng rất nghiêm trong cho đời sống nhân dân, nền kinh tế quốc dân vì thế cần nhanh chóng phát hiện và cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống để có thể ngăn chặn và hạn chế thấp nhất những tác hại của hệ thống.Một trong những thiết bị bảo

vệ làm nhiệm vụ đó là Rơle

Đồ án môn học bảo vệ rơle trong hệ thống điện cung cấp cho chúng em một cái nhìn tổng quan về Rơle thiết bị bảo vệ hệ thống điện trước những kích động để HTĐ có thể làm việc an toàn, phát triển liên tục và bền vững

Nội dung của đồ án bao gồm:

Phần I: Lý thuyết

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

2 Các nguyên lí bảo vệ đã học

Phần II: Tính toán chỉnh định bảo vệ rơle

1 Tính toán chọn các máy biến dòng điện BI trong sơ đồ bảo vệ

Mong nhận được sự góp ý từ thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

A Phần Lý Thuyết:

CHƯƠNG I:NHIỆM VỤ VÀ CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA BẢO VỆ RƠLE

1 Nhiệm vụ của bảo vệ rơle

Trong bất cứ một HTĐ nào cũng không thể không tránh khỏi những hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong HTĐ đó Nguyên nhân xảy

ra các dạng hư hỏng hay sự cố rất đa dạng:

- Do thiên nhiên: Động đất, núi lửa,lũ lụt, dông bão…

- Do con người: Sai sót trong quá trình tính toán thiết kế, vận hành, bảo dưỡng…

- Do ngẫu nhiên: Già cỗi cách điện, thiết bị quá cũ, những hư hỏng ngẫu nhiên, tình trạng làm việc bất thường của hệ thống…

Các sự cố nguy hiểm nhất xảy ra trong HTĐ thường là các dạng ngắn mạch Khi ngắn mạch dòng điện tăng cao tại chỗ sự cố và trong các phần tử từ nguồn đến điểm ngắn mạch có thể gây tác dụng nhiệt và cơ nguy hiểm cho phần tử mà nó chạy qua Hồ quang tại chỗ sự cố nếu tồn tại lâu có thể đốt cháy thiết bị, gây hỏa hoạn.Ngắn mạch cũng làm điện áp tại chỗ sự cố và khu vực lưới điện lân cận giảm thấp, ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của hộ tiêu thụ điện Trường hợp nguy hiểm nhất có thể dẫn đến mất ổn định

và tan rã hệ thống

Ngoài ngắn mạch thì hệ thống điện còn có tình trạng làm việc không bình thường, phổ biến nhất là hiện tượng quá tải, khi đó dòng điện tải tăng làm tăng nhiệt độ của các phần tử dẫn điện gây già cỗi cách điện làm giảm tuổi thọ thiết bị đôi khi bị phá hỏng dẫn đến các sự cố nguy hiểm như ngắn mạch

Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần tử không hư hỏng trong hệ thống điện cần có những thiết bị ghi nhận sự phát sinh 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 tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ các hệ thống điện hiện tại là các Rơle Ngày nay, khái niệm Rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hoá hệ thống điện thoả mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như toàn hệ thống điện Thiết bị bảo vệ được thực hiện nhờ những Rơle được gọi là thiết bị bảo vệ Rơle

Như vậy nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ Rơle là tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện Ngoài ra thiết bị bảo vệ Rơle còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện, tuỳ mức độ mà bảo vệ Rơle có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc đi cắt máy cắt Những thiết bị bảo vệ Rơle phản ứng với tình trạng làm việc không bình thường thường thực hiện tác động sau một thời gian duy trì nhất định (không cần phải có tính tác động nhanh như ở các thiết bị bảo vệ Rơle chống hư hỏng)

Để thực hiện được những chức năng và nhiệm vụ của rơle trong HTĐ thì rơle phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:

a, Tin cậy

Là tính năng đảm bảo cho các thiết bị làm việc đúng và chắc chắn

Phân loại:

+ Độ tin cậy tác động: đảm bảo cho bảo vệ làm việc đúng

+ Độ tin cậy không tác động: đảm bảo cho bảo vệ không làm việc sai (không tác động nhầm khi bảo vệ không thuộc phạm vi hoạt động của nó)

b, Chọn lọc

Là tính năng bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi HTĐ Phân loại:

 Chọn lọc tuyệt đối: Các bảo vệ làm nhiệm vụ chính cho các phần tử bảo vệ

 Chọn lọc tương đối: Các bảo vệ ngoài làm nhiệm vụ bảo vệ chính còn làm nhiệm

vụ dự phòng cho các phần tử lân cận Để thực hiện được nhiệm vụ này thì thời gian của các bảo vệ phải được phối hợp với nhau

c, Tác động nhanh

Phát hiện và loại trừ nhanh sự cố của hệ thống càng nhanh càng tốt, khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc đòi hỏi thiết phải sử dụng các hệ thống bảo vệ làm việc tin cậy và đắt tiền

Rơle gọi là tác động nhanh nếu tRL ≤ 50 ms, các rơle thông thường từ 60 ÷ 100 ms

d, Độ nhạy

Đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của hệ thống bảo vệ:

Kn= Đại lượng vật lý đi qua bảo vệ khi bị sự cốĐại lượng đặt

Bảo vệ dự phòng có Kn = 1,2 ÷ 1,5, bảo vệ chính thường có Kn = 1,5 ÷ 2 Độ nhạy của

hệ thống bảo vệ phụ thuộc vào những yếu tố sau:

- Đối với lưới phân phối do phần tử nhiều ,hơn nữa yêu cầu của hệ thống bảo vệ thường không cao bằng các thiết bị bảo vệ cao áp và siêu cao áp do đó khi thiết

kế ta phải cân nhắc các chi phí kinh tế sao cho vừa đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật và có chi phí nhỏ nhất

CHƯƠNG II:NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CÁC BẢO VỆ RƠLE ĐÃ HỌC

2.1 Nguyên lý quá dòng điện

Nguyên tắc tác động: Nguyên lý quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng

điện đi qua phần tử bảo vệ vượt quá giá trị dòng điện lâu dài cho phép Quá dòng điện có thể do ngắn mạch hoặc quá tải

Theo phương pháp đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ quá dòng chia làm hai loại:

- Bảo vệ quá dòng cực đại – kí hiệu 51,51N hoặc I> , I0>

- Bảo vệ quá dòng cắt nhanh – kí hiệu 50, 50N hoặc I>>, I0>>

 Bảo vệ quá dòng cực đại:

Hình: Bảo vệ quá dòng cực đại (a- sơ đồ nguyên lý; b- chọn dòng điện khởi động)

+) Dòng điện khởi động của rơle quá dòng có thời gian được chọn theo Ilvmax đi qua phần

- kat : là hệ số an toàn , thường lấy kat = 1,1 ÷ 1,2

- kmm : là hệ số mở máy, thường lấy kmm = 2 ÷ 5

I> t 1

t 0

K t

I

I

I I

N

kd V

b)

- Ilvmax : dòng điện cực đại của đường dây bảo vệ

Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số máy biến dòng điện TI thì dòng điện khởi động của rơle bằng:

max

.

.

 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh

Hình: bảo vệ quá dòng cắt nhanh ( a- sơ đồ nguyên lý;b- cách chọn dòng điện khởi động)

+) Dòng điện khởi động của quá dòng cắt nhanh : I kd k I at. Nngmax

Trong đó:

- kat : là hệ số an toàn, thường lấy 1,2 ÷ 1,3

- INngmax : là dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất thường được tính theo ngắn mạch

ba pha trực tiếp tại điểm N với chế độ làm việc cực đại của hệ thống

+) Bảo vệ quá dòng cắt nhanh làm việc tức thời với thời gian rất bé 0,1s

2.2 Bảo vệ quá dòng điện có định hướng công suất

max

L

L CN min CN

Nguyên tắc tác động:là loại bảo vệ làm việc theo trị số dòng điện qua chỗ đặt bảo vệ và

góc lệch pha của dòng điện đó với điện áp trên thanh góp của trạm có đặt bảo vệ Bảo vệ tác động khi dòng điện vượt quá một giá trị định mức ( giá trị khởi động) và pha của nó phù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ ( khi công suất ngắn mạch qua bảo vệ đi từ thanh góp qua đường dây) Về mặt bản chất: bảo vệ quá dòng điện

có định hướng công suất là sự kết hợp của bảo vệ quá dòng và cộng thêm bộ phận làm việc theo góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp

Hình: bảo vệ quá dòng có hướng (a – mạch vòng; b- đường dây song song; c- đường dây

có hai nguồn cung cấp)

1

4 5 6

N

a)

N2 N1

3 5

I''NI'N

Hình: Bảo vệ quá dòng có hướng

a – Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá dòng; b – Đặc tính pha của bộ định hướng công suất

Dòng khởi động và thời gian làm việc được chọn tương tự như bảo vệ quá dòng cực đại

N1

N2

N3 1

4 3

2 D1

D2

D3

t

L B A

Bảo vệ dòng điện có hướng đường dây 2 mạch song song (a)

Cách chọn thời gian làm việc của bảo vệ ( b )

Với sơ đồ trên, nếu sử dụng bảo vệ quá dòng điện thông thường thời gian làm việc

của các bảo vệ được chọn như sau :

t2 = t4 = t5 + Δt

t1 = t3 = t2 + Δt

Δt = ( 0,3 ÷ 0,5 )

Khi các bảo vệ 2 và 4 có trang bị bộ phân định hướng công suất đi từ thanh góp vào

đường dây thì không cần phối hợp thời gian tác động giữa BV5, vì khi ngắn mạch trên

D3< N3, các bảo vệ 2 và 4 sẽ không làm việc Trong trường hợp này các bảo vệ 1 và 3

sẽ phối hợp thời gian trực tiếp với BVS

Vì vậy thời gian làm việc của các bảo vệ này sẽ được giảm đi còn thời gian t2 và t4

Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng điện có hướng trong lưới điện có hai nguồn cung cấp

Phạm vi ứng dụng : bảo vệ quá dòng điện có hướng được sử dụng trong các mạng kín có một nguồn cung cấp, mạng hở có 2 nguồn cung cấp, còn đối với các mạng phức tạp như mạng kín có 2 nguồn cung cấp trở nên hoặc mạng vòng có một nguồn cung cấp cho đường chéo không qua nguồn thì không thể dùng bảo vệ này được

2.3 Bảo vệ khoảng cách

Nguyên tắc tác động: Dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy

phát điện khi mất đồng bộ hoặc thiếu (mất) kích thích Làm việc dựa trên tổng trở đo được tại chỗ sự cố

Ta xét một trường hợp bảo vệ khoảng cách đặt trên đường dây như hình vẽ 1.5:

- Trong chế độ bình thường: Tổng trở đo được tại chổ bảo vệ bằng tỉ số điện áp tại thanh cái chỗ đặt bảo vệ và dòng điện phụ tải

R R R

U Z I

 



Tổng trở trên đường dây AB: ZAB = RAB + j XAB

- Khi có ngắn mạch trực tiếp tại điểm N trên đường dây tổng trở đo được tại chỗ

sự cố: ZAN = RAN +j XAN Trị số tổng trở đọ được giảm đột ngột so với trường hợp bình thường nhưng độ nghiêng của vectơ tổng trở không đổi

A

A A

Vùng tổng trở phụ tải

R qđ

0

(d)

Đối với các bảo vệ khoảng cách có thời gian làm việc nhỏ ( không thời gian) để tránh trường hợp rơle tác động nhầm khi có ngắn mạch đầu cực phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của bộ phần khoảng cách phải chọn bé hơn tổng trở của đường dây

Zkđ = k ZD

Hệ số k thường được chọn khoảng 0,8 ÷ 0,85

Nguyên lý đo tổng trở thường được sử dụng kết hợp với các nguyên lý khác như nguyên lý quá dòng điện, quá điện áp, thiếu điện áp để thực hiện những bảo vệ đa chức năng hiện đại Thường được dùng để bảo vệ lưới điện phức tạp nhiều nguồn với hình dạng bất kì

2.4 Nguyên lý so lệch dòng điện

- Nguyên tắc tác động: là loại bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tác so sánh biên

độ của dòng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ Nếu biên độ của dòng điện vượt quá giá trị cho trước thì bảo vệ sẽ tác động

Vùng tác động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí của hai tổ máy biến dòng điện

ở đầu và cuối của phần tử được bảo vệ từ đó nhận tín hiệu dòng điện để so sánh (thể hiện

ở hình 1.6)

I



T1 I



T2 I



T2 I



T1 I



T2 I



Hình: Bảo vệ so lệch dòng điện

a) Sơ đồ nguyên lý; b) đồ thị véctơ của dòng điện khi ngắn mạch ngoài vùng và trong chế độ bình thường; c) khi ngắn mạch trong vùng

Do làm việc tin cậy nên nên bảo vệ so lệch thường được dùng để bảo vệc các phần

tử quan trọng trong HTĐ ( MPĐ, các động cơ lớn…) trong các mạng điện trung áp nên so sánh các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật để chọn BVSL

2.5 Nguyên lý so sánh pha dòng điện

Nguyên tác tác động: so sánh góc pha giữ dòng điện đi vào và dòng điện đi ra của

hệ thống bảo vệ

Pha của dòng điện được truyền qua kênh tín hiệu để so sánh với nhau (hình 1.7) Độ lệch pha được tính như sau:   12( trong đó φ1, φ2 tương ứng là dòng điện đi vào và đi ra khỏi hệ thống bảo vệ)

1

Hình: Bảo vệ so sánh pha dòng điện

a) Sơ đồ nguyên lý; b) đặc tính góc của bảo vệ

+ Khi làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài:

      bảo vệ không tác động

+ Khi ngắn mạch trong vùng:12 kd 12 0 nên bảo vệ tác động

Trong thực tế để tránh trường hợp bảo vệ so sánh pha dòng điện tác động nhầm do điện dung kí sinh trên đường dây thì góc khởi động của bộ so sánh pha được chọn:

Mức độ dao động cho phép của điện áp ±ΔUcp phụ thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế

và điều kiện vận hành của từng lưới điện.Nếu U > Ucp hoặc U < Ucp chứng tỏ chế độ làm việc không bình thường hoặc ngắn mạch

Trong thực tế các bảo vệ quá áp hoặc kém áp thường kết hợp với bảo vệ tần số, quá áp thường xảy ra ở đầu cực máy phát điện hoặc trong mạng truyền tải và phân phối hoặc do sa thải phụ tải gây nên Bảo vệ kém áp thường kết hợp với bảo vệ quá dòng điện

để phân biệt giữa ngắn mạch và quá tải

1 7 AC-120 1,89 + j2,961 5,67 + j8,883

Đường dây 1: Phụ tải có P = 9 MW; cosφ = 0,87

Đường dây 2: Phụ tải có P = 8MW; cosφ = 0,85

Đường dây L1, L2 là đường dây trung áp nên ta sử dụng các loại bảo vệ sau để chống các dạng ngắn mạch:

- Quá dòng cắt nhanh hoặc có thời gian ( với đặc tính độc lập và phụ thuộc)

- Quá dòng điện có hướng

CHƯƠNG I CHỌN MÁY BIẾN DÒNG

Dòng điện cũng như điện áp của các phần tử trong HTD thường có trị số rất lớn, khổng thể đưa trực tiếp vào dụng cụ đo hoặc rơle và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ và thiết bị này thường được đấu nối qua máy biến dòng hay máy biến áp

Máy biến dòng điện có cuộn dây sơ cấp đấu nối tiếp vào mạch sơ cấp

Chọn tỷ số biến đổi máy biến dòng BI1, BI2 dùng cho bảo vệ đường dây D1, D2 Dòng điẹn 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:

3 2

1,4 345, 793 725,867 A 3.22.0,87

I

I

n  với ITdđ = 1A Dòng điện sơ cấp danh định của BI1 là: I1 = 800A

Tỷ số biến dòng: Sdd

1 Tdd

n

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 2.1 Vị trí các điểm ngắn mạch:

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

- Bão hoà từ

- Dung dẫn ký sinh trên đường dây, điện trở của máy biến áp 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 ta chọn:

Công suất cơ bản: Scb = SđmB = 63 MVA Điện áp cơ bản: Ucb = Utb các cấp = 1,05Uđm i = (115; 23)

Giá trị điện kháng thứ tự không:

Chế độ cực đại: X0HTmax 1, 4.X1HTmax 1, 4.0, 0350, 049

Chế độ cực tiểu: X0HTmin1, 4.X1HTmin1, 4.0, 0390, 0552

Chia đường dây D1, D2 lần lượt thành 4 đoạn bằng nhau Ta có:

Giá trị điện kháng thứ tự thuận:

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 pháp các thành phần đối xứng Điện áp và dòng điện được chia thành ba thành phần: thành phần thứ tự thuận, thành phần thứ tự nghịch và thành phần thứ tự không

Ta có sơ đồ thay thế thứ tự thuận, nghịch và không:

1

I =

X + X

với: XΔ(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:

0 2

)X(X

.XX1.3

2 1

X X

X I