xác định sự phân bố dòng điện khi ngắn mạch sau máy biến áp

Xác định hướng và độ lớn của vectơ dòng điện ngắn mạch pha phía sơ cấp của máy biến áp hai cuộn dây khi xảy ra ngắn mạch ở phía còn lại.. Xác định độ lớn của dòng điện ngắn mạch Việc xá

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1 XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ DÒNG ĐIỆN KHI NGẮN MẠCH

SAU MÁY BIẾN ÁP

I Mục tiêu

Sau khi thực hiện bài thí nghiệm này, sinh viên có khả năng:

1 Xác định hướng và độ lớn của vectơ dòng điện ngắn mạch pha phía sơ cấp của máy biến áp hai cuộn dây khi xảy ra ngắn mạch ở phía còn lại

2 So sánh độ nhạy của các kiểu sơ đồ bảo vệ đối với các dạng ngắn mạch

II Cách xác định vectơ dòng điện ngắn mạch

1 Xác định độ lớn của dòng điện ngắn mạch

Việc xác định độ lớn của dòng điện ngắn mạch có thể được

thực hiện thông qua các máy biến dòng điện (BI) và các

đồng hồ đo dòng điện

IN – Dòng điện ngắn mạch cần đo

IT – Dòng điện phía thứ cấp của BI

Hình 1.1 Các xác định độ lớn của dòng điện ngắn mạch

2 Xác định hướng của dòng điện ngắn mạch

2.1 Biểu diễn vectơ trong hệ tọa độ

B C

Hình 1.2 Xác định vectơ khi biết

hình chiếu lên hai trục

Hình 1.3 Xác định vectơ trên các trục

A, B, C

Trong hệ tọa độ Đề các xOy như hình 1.2, vectơ a

được xác định bởi hai hình chiếu trên hai trục Ox, Oy là x0, y0 Nếu biết được x0, y0 ta hoàn toàn dựng lại được vectơ a

Tương tự như vậy, trong hệ trục tọa độ OABC (có các trục lệch nhau 1200

trên cùng một mặt phẳng), vectơ I

cũng được xác định bởi các hình chiếu giả sử là a, b, c Ta có thể chứng minh được:

0cb

Do đó ta chỉ cần biết hai hình chiếu thì có thể suy ra hình chiếu còn lại Vậy vectơ I

có thể được xác định thông qua một cặp hình chiếu Giả sử cặp hình chiếu đó là I1 và I2 như hình 1.3 thì: I1 = Icosφ1, φ1 là góc lệc giữa hai vectơ I

2.2 Xác định hướng của dòng điện bằng Oát mét

Nếu ta chọn hệ tọa độ điện áp Uab, Ubc, Uca như hệ trục OABC ở hình 1.3 với ba vectơ

1 1

cosUIP

cosUIP

Giả thiết ta có Oát mét loại một pha Sử dụng Oát mét này có thể nhanh chóng xác định được các giá trị công suất trên Nếu cuộn dòng của Oát mét nối vào mạch có dòng điện cần xác định, còn cuộn áp được cấp các vectơ điện áp Uab, Ubc, Uca đối xứng nhau (bằng nhau

về độ lớn và lệch nhau 1200) thì số đo của Oát mét tương ứng là P1, P2, P3 và:

0PP

ca 3

2 2

bc 2

1 1

ab 1

cos UI cos I U P

cos UI cos I U P

cos UI cos I U P



5 , 4

P1 

5 , 1

P2

3

P3

Hướng của vector I

Hình 1.4 Dựng lại vector dòng điện từ các giá trị công suất

Về phương diện lý thuyết, phương pháp trên có thể xác định cả độ lớn của vectơ I, nhưng trong bài thí nghiệm này ta sẽ sử dụng Ampe mét để xác định độ lớn của I

III Mô hình thí nghiệm

1 Máy biến áp và các thiết bị đo

Ta sẽ sử dụng các đồng hồ đo dòng điện và các đông hồ đo công suất như hình 1.9

A

0 4 8 12

16 20

A

0 4 8 12

8 10

A

0 2 4 6

0 1 2 3

A B C O Nguồn áp đưa vào OÁT MÉT

K

Nút tạo ngắn mạch với đất Chốt ngắn mạch

( 3 tiếp điểm nối liền khi khoá ngắn mạch đóng)

Nút tạo các dạng ngắn mạch Các đầu ra của BI

Khoá tạo nối đất trung tính cuộn dây máy biến áp

Hình 1.6 Sơ đồ mặt bàn thí nghiệm

Tổ nối dây của máy biến áp điện lực là Y/-11

Khóa ngắn mạch xoay theo chiều ngược của chiều kim đồng hồ Khóa ngắn mạch nằm ngang là ở trạng thái cắt Khóa ngắn mạch thẳng đứng là ở trạng thái đóng

2 Các sơ đồ nối BI

Để đưa các dòng điện ngắn mạch vào các cơ cấu đo lường, ta phải sử dụng các BI Sơ đồ nối các BI trên các pha với nhau sẽ ảnh hưởng đến vectơ dòng điện ngắn mạch và vì vậy cũng sẽ ảnh hưởng đến độ nhạy của các bảo vệ Có ba sơ đồ nối BI cơ bản là sơ đồ sao hoàn toàn, sơ đồ sao thiếu và sơ đồ hiệu dòng pha (sơ đồ số 8)

Với các rơ le số hiện nay, sơ đồ nối của các BI được quy định thống nhất là sơ đồ sao hoàn toàn Tuy vậy để hiểu rõ sự ảnh hưởng của các sơ đồ nối BI đến tác động của các bảo vệ, bài thí nghiệm này vẫn tiến hành với đủ ba loại sơ đồ nối trên

2.1 Sơ đồ sao hoàn toàn

Sơ đồ nối các máy biến dòng điện và rơle theo hình sao hoàn toàn (Hình 1.7) cần ba máy

biến dòng điện và ba rơle, cho phép phản ứng với mọi loại ngắn mạch

Ở chế độ đối xứng dòng điện trong dây chung ITT  Ia Ib Ic 0, còn trong chế độ không đối xứng thì dòng trong dây chung ITT = 3I0, với I0 là thành phần thứ tự không của các dòng điện trong các pha

Nếu ta gọi ksđ là một hệ số biễu diễn quan hệ giữa độ lớn dòng điện đi vào rơ le và dòng điện thứ cấp của BI thì:

T

R sđI

 IR: dòng điện chạy qua Rơle

 IT: dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng

Trong sơ đồ sao hoàn toàn, dòng điện chạy qua các rơle cũng bằng dòng điện các pha tương ứng nên ksđ = 1

2.2 Sơ đồ sao khuyết

Sơ đồ sao khuyết dùng hai máy biến dòng điện và hai rơle, sơ đồ này phản ứng với mọi loại ngắn mạch trừ ngắn mạch chạm đất ở pha không mắc BI Sơ đồ này cho phép tiết kiệm một BI so với sơ đồ sao hoàn toàn

Trong sơ đồ này ksđ = 1 và ITT  Ia Ic (giả sử pha B không mắc BI)

Hình 1.8 Nối dây và biểu diễn các véc tơ dòng điện trong sơ đồ sao khuyết

2.3 Sơ đồ hiệu hai dòng pha

Trong sơ đồ này dòng điện chạy qua các rơle có dạng:IR IcIa

 Ở chế độ đối xứng: 3

I

I3I

IkI3I

3I

a

a

T

R sđ c

a

 Khi có ngắn mạch pha B thì sơ đồ không phản ứng

 Khi ngắn mạch 2 pha A, C thì IR = 2Ia = 2Ic nên ksđ = 2

 Khi ngắn mạch 2 pha A, B hay B, C thì ksđ = 1

I I I

I

I I I

 Khi có ngắn mạch hai pha ksđ = 2

Ngoài các sơ đồ nêu trên, đối với máy biến áp giảm áp trung tính nối đất trực tiếp ta còn có

thể sử dụng sơ đồ biểu diễn trên hình 1.10

Sơ đồ này cũng sử dụng ba rơle và ba máy biến dòng điện nhưng khác với sơ đồ sao hoàn toàn ở chỗ phía thứ cấp các máy biến dòng điện sẽ được đấu tam giác Mục đích của việc làm này là loại bỏ thành phần thứ tự không chạy qua rơle khi xảy ra ngắn mạch chạm đất trong mạng

Hình 1.10 Sơ đồ các BI đấu tam giác còn rơ le đấu sao

Xét ví dụ: Sơ đồ mạng điện với máy biến áp hạ áp

Khi xảy ra ngắn mạch chạm đất bên nhánh 2 sẽ xuất hiện dòng điện thứ tự không chạy qua

biến dòng phía đấu Y 0 của máy biến áp Nếu phía thứ cấp biến dòng đấu sao thì thành phần thứ tự không sẽ đi vào rơle và có thể làm cho rơle quá dòng bảo vệ máy biến áp tác động

sai.Việc sử dụng sơ đồ biến dòng như Hình 1.10 có thể khắc phục được việc rơle tác động

sai như trên

Trên đây là bốn dạng sơ đồ đấu nối máy biến dòng thường gặp khi sử dụng rơle cơ điện Trong bài thí nghiệm này chúng ta sẽ khảo sát xem khi xảy ra sự cố tại một phía máy biến

áp thì rơle đặt tại phía còn lại sẽ nhận được dòng điện ngắn mạch như thế nào nếu sơ đồ

đấu nối giữa BI và rơle lần lượt là các dạng sơ đồ 1.7 ; 1.8 , 1.9

IV Nội dung thí nghiệm

1 Thí nghiệm với sơ đồ sao hoàn toàn

1.1 Đo dòng điện làm việc lớn nhất

1.2 Xác định độ lớn và hướng của dòng điện ngắn mạch

* Xác định độ lớn và hướng của dòng điện pha a trong tính trạng ngắn mạch ba pha sau máy biến áp

1 Nối các BI phía thứ cấp theo sơ đồ sao hoàn toàn như hình 1.7 Trong đó các RI được thay bởi các Ampe mét đo dòng lớn ở hình 1.6

2 Tạo dạng ngắn mạch ba pha phía sau máy biến áp

3 Nối nối tiếp đầu vào dòng điện của đồng hồ công suất với đồng hồ Ampe ở pha a

4 Đưa điện áp Uab vào đồng hồ đo công suất

Chú ý không được để ngắn mạch tồn tại quá lâu gây hư hỏng các thiết bị

Số chỉ của các đồng hồ Ampe được ghi vào cột dòng điện ngắn mạch tương ứng ở bảng 1.1 Số chỉ của đồng hồ công suất ghi vào ô giá trị công suất tương ứng với điện áp cấp vào đồng hồ là Uab, dòng điện cấp vào là Ia

Nếu kim của đồng hồ công suất có chiều hướng chỉ âm, ta thực hiện tiếp các bước 8, 9 Sau

đó đảo cực tính điện áp ở bước 4 rồi thực hiện như trình tự đã nêu Giá trị công suất được ghi vào bảng lúc này là giá trị âm

Tiếp tục đưa Ubc vào đầu vào điện áp của đồng hồ đo công suất với các bước thực hiện như

đã làm với Uab

Ta không cần thiết phải thực hiện với Uca vì: P1 + P2 + P3 = 0

Các trường hợp còn lại được tiến hành tương tự Kết quả ghi vào bảng 1.1

Bảng 1.1 Số liệu kết quả thí nghiệm sơ đồ sao hoàn toàn

2 Thí nghiệm với sơ đồ sao khuyết

Sơ đồ nối BI như hình 1.8 Chú ý rằng BI ở pha B không được sử dụng nên ta phải nối tắt đầu ra Cách thực hiện tương tự như đã làm với sơ đồ sao hoàn toàn Kết quả được ghi vào bảng 1.2

Dòng điện làm việc max: Ia = ……… ; Ic = …………

Dạng Pha ngắn mạch Dòng ngắn mạch IW

UW P1, 2, 3 Vẽ đồ thị

Bảng 1-2 Số liệu kết quả thí nghiệm sơ đồ sao khuyết

3 Thí nghiệm với sơ đồ hiệu dòng pha

Sơ đồ nối BI như hình 1.9 Chú ý rằng BI ở pha B không được sử dụng nên ta phải nối tắt đầu ra Cách thực hiện tương tự như đã làm với sơ đồ sao hoàn toàn Kết quả được ghi vào bảng 1.3

Dòng điện làm việc max IR= Ia –Ic = ………

Với kat = 1,2 kmm = 1,3 ktv = 0,85

Hệ số sơ đồ đối với sơ đồ sao hoàn toàn: ksđ = ………

Dòng điện khởi động đặt vào rơ le (chọn lấy giá trị trong dải ngưỡng khởi động lớn hơn, gần nhất so với Ikđtt): IkđR = ………

Dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất đọc được nhờ đồng hồ Ampe (đây cũng chính là dòng điện

đi vào rơ le bảo vệ) trong bảng 1.1 khi ngắn mạch ba pha là ( 3 )

min R

Độ nhạy của sơ đồ sao hoàn toàn khi ngắn mạch ba pha:  

kđ

) 3 ( min R ) 3 ( nh

k

k

1.2 Biểu diễn hướng của vectơ dòng điện

Dựa theo các trị số công suất đã đo được ở bảng 1.1, ta biểu diễn hướng của các vectơ

dòng điện trên các hệ trục tọa độ điện áp

kkk

Với kat = 1,2 kmm = 1,3 ktv = 0,85

Hệ số sơ đồ đối với sơ đồ sao khuyết: ksđ = ………

Dòng điện khởi động đặt vào rơ le IkđR = ………

k

k

2.2 Biểu diễn hướng của vectơ dòng điện

Dựa theo các trị số công suất đã đo được ở bảng 1.2, ta biểu diễn hướng của các vectơ dòng điện trên các hệ trục tọa độ điện áp

kkk

Với kat = 1,2 kmm = 1,3 ktv = 0,85

Hệ số sơ đồ đối với sơ đồ hiệu dòng pha (trong chế độ đối xứng): ksđ = ………

Dòng điện khởi động đặt vào rơ le IkđR = ………

k

k

3.2 Biểu diễn hướng của vectơ dòng điện

Dựa theo các trị số công suất đã đo được ở bảng 1.3, ta biểu diễn hướng của các vectơ dòng điện trên các hệ trục tọa độ điện áp

VI Một số câu hỏi kiểm tra

1 Ý nghĩa của hệ số Ksđ trong công thức tính dòng điện khởi động của rơle

2 Vectơ dòng khi ngắn mạch ba pha sẽ thay đổi như thế nào nếu chiều dương quy ước của pha A hướng từ chỗ ngắn mạch đến nguồn?

3 Có thể dùng áp từ nguồn không đồng bộ với dòng đang nghiên cứu đưa vào OÁT mét

không?

4 Có được lấy áp dư gần chỗ ngắn mạch đưa vào OÁT mét để xây dựng các vectơ dòng

không?

5 Tại sao sơ đồ hiệu dòng pha không thể dùng để bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha sau

máy biến áp nối Y/Δ ?

6 Sơ đồ như thế nào để rơle không phản ứng theo dòng thứ tự không?

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 2 PHỐI HỢP SỰ LÀM VIỆC GIỮA CÁC BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN

CÓ ĐẶC TUYẾN THỜI GIAN PHỤ THUỘC TRONG MẠNG ĐIỆN

HÌNH TIA CÓ MỘT NGUỒN CUNG CẤP

I Mục tiêu

Sau khi thực hiện bài thí nghiệm này, sinh viên có khả năng:

1 Tính toán, cài đặt dòng điện khởi động cho các bảo vệ quá dòng điện

2 Tính toán, phối hợp thời gian làm việc cho các bảo vệ quá dòng điện đặc tính phụ thuộc trong mạng điện hình tia một nguồn cung cấp

3 Kiểm tra sự chính xác của các bảo vệ đã cài đặt

II Giới thiệu về rơ le dòng điện GL – 11

Rơ le GL – 11 là rơ le cơ điện do Trung Quốc sản xuất, làm việc theo nguyên lý cảm ứng

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0,5 1 Đường cong mẫu Chỉnh định thời gian đặt Vị trí chỉnh định dòng khởi động

Đĩa quay

2 3 4 Chốt chỉnh định

Hình 2-1 Mặt trước của rơle GL-11

1 Đặt dòng điện khởi động

Dòng điện khởi động của rơ le được đặt bằng các chốt chỉnh định Có bảy vị trí của chốt ứng với bảy giá trị của dòng điện khởi động: 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 A

2 Chỉnh định thời gian đặt cho rơ le

2.1 Đặc tính quá dòng điện cắt nhanh

Chức năng này được cài đặt bằng cách xoay vị trí của núm điều chỉnh sang vị trí cắt nhanh

2.2 Đặc tính quá dòng điện phụ thuộc

Đặc tính tác động của rơ le biểu diễn quan hệ giữa thời gian làm việc của rơ le và bội số của dòng điện ngắn mạch so với dòng điện khởi động: m = IN/Ikđ, trong đó IN là dòng điện ngắn mạch đi qua rơ le, Ikđ là dòng điện khởi động cài đặt cho rơ le Đặc tính này có dạng như hình 2.2

Từ giá trị m = 10 trở đi, đặc tính có dạng độc lập (không phụ thuộc vào m) Đường cong tác động được cài đặt thông qua giá trị tđặt Đây là thời gian cắt của rơ le khi m10 Giá trị này được đặt vào thang chỉnh định thời gian đặt của rơ le

Trên mặt của rơ le đã có sẵn hai đường cong chuẩn, như hình vẽ 2.2, ứng với tđặt = 4 giây (đường phía trên) và tđặt = 0,5 giây (đường phía dưới)

Hình 2-2 Đường cong mẫu của rơle GL-11

Nếu 0,5tđăt 4 thì đường cong tác động sẽ nằm giữa hai đường cong chuẩn và xác định theo nguyên tắc:

“ Một điểm bất kỳ trên đường cong ứng với t đặt ≠ 0,5; 4 đều tạo ra các đoạn thẳng

A i B i và A i C i đảm bảo: n const

CA

BA

i i

i

i   ”

5 10

4 s 6,5

0,9

R kđ

khoảng thời gian bao lâu để phát tín hiệu cắt dòng điện I N = 14 A?

Trả lời Vì tđặt = 1,5 giây nên tại m = 10 ta có tỷ số: 2,5

5,05,1

5,145,0t

t4n

Im

Theo nguyên tắc xác định đường cong ở trên, ta có: 2,5 t 2,5

0,9-t

t-6,5hay AC

AB

giây

Vậy rơ le sẽ làm việc trong 2,5 giây để phát tín hiệu cắt đối với dòng điện IN = 14 A

Im

5,25,6AC

t4

đat đăt





giây

Vậy cần đặt giá trị tđặt = 1,5 giây vào rơ le để thỏa mãn yêu cầu đề ra

III Mô hình thí nghiệm

1 Mô hình đường dây thực

Mô hình sử dụng trong bài thí nghiệm này mô tả đường dây hình tia một nguồn cung cấp gồm ba phân đoạn như hình vẽ 2.4

Vùng bảo vệ chính của 2BV là toàn bộ đoạn đường dây từ thanh cái B đến thanh cái C, vùng bảo vệ dự phòng là các đường dây từ thanh cái C trở đi

Vùng bảo vệ chính của 3BV là toàn bộ đoạn đường dây từ thanh cái C đến thanh cái D, vùng bảo vệ dự phòng là các đường dây từ thanh cái D trở đi

Đặc tính cắt của các bảo vệ cũng đã được biểu diễn trên hình 2.4

2 Cài đặt cho các bảo vệ

2.1 Cài đặt dòng điện khởi động

Dòng điện khởi động của các bảo vệ được tính theo công thức:

max lv tv

mm at tt

k

kk

Sau khi tính được giá trị Ikđtt ta đối chiếu với các giá trị có thể cài đặt trên rơ le như trong

mục II.1 để chọn lấy giá trị lớn hơn gần nhất làm IkđR cài đặt vào rơ le

2.2 Cài đặt thời gian tác động

Để cài đặt thời gian tác động của các bảo vệ, ta cần biết một số thông số sau nhằm giải bài

toán nghịch như ví dụ trong mục II.2.2.2:

 Giá trị dòng điện khởi động đặt vào rơ le: IkđR, A

 Dòng điện ngắn mạch đi qua bảo vệ khi ngắn mạch ở cuối phân đoạn bảo vệ

 Thời gian cắt yêu cầu cảu bảo vệ khi ngắn mạch ở cuối phân đoạn bảo vệ

Với 3BV:

Thời gian cắt khi ngắn mạch ở cuối phân đoạn CD (ngắn mạch ở thanh cái D) là:

 t tmax

Với tnhD – thời gian cắt của các bảo vệ trên thanh góp D

Δt = 0,5 giây – độ phân cấp thời gian giữa các bảo vệ

Với 2BV:

Thời gian cắt khi ngắn mạch ở cuối phân đoạn BC (ngắn mạch ở thanh cái C) là:

t t  tmax

Với: tnhC – thời gian cắt của các bảo vệ trên thanh góp C

Δt = 0,5 giây – độ phân cấp thời gian giữa các bảo vệ

t3BVC – thời gian cắt của 3BV khi ngắn mạch sát vị trí đặt 3BV (coi như ngắn mạch trên thanh cái C) Để tính được t3BVC ta phải giải bài toán thuận như ví dụ trong

mục II.2.2.2 với chú ý rằng dòng ngắn mạch đi qua 3BV khi ngắn mạch sát vị trí

đặt 3BV cũng bằng dòng ngắn mạch đi qua 2BV khi ngắn mạch trên thanh góp C Với 1BV:

Thời gian cắt khi ngắn mạch ở cuối phân đoạn AB (ngắn mạch ở thanh cái B) là:

t t  tmax

Với: tnhB – thời gian cắt của các bảo vệ trên thanh góp B

Δt = 0,5 giây – độ phân cấp thời gian giữa các bảo vệ

t2BVB – thời gian cắt của 2BV khi ngắn mạch sát vị trí đặt 2BV (coi như ngắn mạch trên thanh cái B) Để tính được t2BVB ta phải giải bài toán thuận như ví dụ trong

mục II.2.2.2 với chú ý rằng dòng ngắn mạch đi qua 2BV khi ngắn mạch sát vị trí

đặt 2BV cũng bằng dòng ngắn mạch đi qua 1BV khi ngắn mạch trên thanh góp B