Đồ án hệ thống điện nguyễn tất linh

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 phát hiện đúng, nhanh

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, điện năng trở thành dạng năng lượng thiết yếu nhất, phổ biến nhất trong đời sống xã hội cũng như hoạt động lao động sản xuất của con người, công nghiệp điện luôn

là ngành công nghiệp cơ bản, mũi nhọn của nền kình tế quốc gia Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, điện năng được sử dụng trong hầu hết các lĩnh 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 đòi hỏi 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 phát hiện đúng, nhanh chóng cách ly phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống là một mảng kiến thức 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 ”

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 cho trạm biến áp, đồng thời tìm hiểu một số rơle sử dụng trong thực tế Do khả năng và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Em rất mong được

sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Vũ Thị Thu Nga đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Nguyễn Tất Linh

CHƯƠNG 1

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

1.1 Mô tả đối tượng được bảo vệ :

Đối tượng được bảo vệ là trạm biến áp 121/38,5/24 kV có 2 máy biến áp (MBA) B1

và B2 mắc song song với nhau Hai MBA được cấp từ một nguồn của hệ thống điện

(HTĐ) qua đường dây kép D Phía trung áp 110 kV và hạ áp 35kV cấp điện cho phụ tải

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠ LE Ngắn mạch là một hiện tượng các pha chạm chập nhau, pha chạm đất (hay chạm dây trung tính) Trong thiết kế bảo vệ rơ le, việc tính toán ngắn mạch nhằm xác định các trị

số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua đối tượng được bảo vệ để cài đặt và chỉnh định các thông số của bảo vệ, trị số ngắn mạch nhỏ nhất để kiểm tra độ nhạy của chúng Dòng điện ngắn phụ thuộc vào công suất ngắn mạch, cấu hình của hệ thống, vị trí điểm ngắn mạch và dạng ngắn mạch

Trong chế độ cực đại xét các dạng ngắn mạch ba pha đối xứng, ngắn mạch một pha, ngắn mạch hai pha chạm đất Trong chế độ cực tiểu xét ngắn mạch hai pha, ngắn mạch hai pha chạm đất và ngắn mạch một pha

2.1 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN

+ Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: nghĩa là góc lệch pha giữa sức từ động của máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn mạch Nếu góc lệch pha giữa sức điện đông của các máy phát điện tăng lên thì dòng trong nhánh sự cố giảm xuống, sử dụng giả thiết này sẽ làm cho việc tính toán đơn giản hơn và trị số dòng điện tại chỗ ngắn mạch là lớn nhất Giả thiết này không gây sai số lớn, nhất là khi tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1 ÷ 0,2 s)

+ Bỏ qua các phụ tải

+ Mạch từ không bão hòa, nghĩa là mạch có quan hệ tuyến tính: giả thiết này sẽ làm cho phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch đơn giản hơn rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến tính và có thể dùng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình + Bỏ qua điện trở tác dụng: nghĩa là sơ đồ tính toán có tính chất thuần kháng Giả thiết này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch trên đường dây cáp dài hay đường dây trên không tiết diện bé Ngoài ra lúc hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ cũng phải tính đến điện trở tác dụng

+ Bỏ qua thành phần điện dung dây dẫn- đất: giả thiết này không gây sai số lớn, ngoại trừ trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét đến dung dẫn của đường dây

+ Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp

+ Hệ thống điện ba pha lúc bình thường là đối xứng: sự mất đối xứng chỉ xảy ra đối với từng phần tử riêng biệt khi nó bị hư hỏng Việc tính toán ngắn mạch được thực hiện trong hệ đơn vị tương đối

2.2 CHỌN CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁC PHẦN

TỬ

Chọn Scb = SdđB = 31,5 MVA

Ucb = Utb (121/38,5/24) kV Cấp điện áp 110kv có Utb1 = 121 kV

cb N

S

X0H1max = 1,2.X1H1max = 1,2.0,014 = 0,0168 Chế độ min :

SN1min = 0,7.SN1max = 0,7.2250 = 1687,5 (MVA)

X1H1min = X2H1min =

1min

31,5

0,01867 1687,5

cb N

X1H2max = X2H2max =

2max

31,5

0, 0185 1700

cb N

S

X0H2max = 1,35.X1H2max = 1,35.0,0185 = 0,0249 Chế độ min :

SN2min = 0,75.SN2max = 0,75.1700 = 1275

X1H2min = X2H2min =

2min

31,5 0, 02471275

cb N

2.3 SƠ ĐỒ THAY THẾ TÍNH NGẮN MẠCH :

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

2) Sơ đồ thay thế thứ tự không

2.4 CÁC SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH :

 Sơ đồ 1: SNmax 1 máy biến áp làm việc

 Sơ đồ 2: SNmax 2 máy biến áp làm việc

Dạng ngắn mạch cần tính toán N(3) , N(1,1), N(1)

 Sơ đồ 3: SNmin 1 máy biến áp làm việc

 Sơ đồ 4: SNmin 2 máy biến áp làm việc

Dạng ngắn mạch cần tính toán N(2) , N(1,1), N(1)

2.4.1 Sơ đồ 1 : SNmax 1 máy biến áp làm việc :

IN3 = IN.Icb1 = 35,5871.0,1503 = 5,3487 (kA) Điểm N1 : không có dòng ngắm mạch qua các BI

Điểm N1’ có dòng ngắn mạch qua BI1 : IBI1 = IN3 = 5,3487 (kA)

Điểm ngắn mạch N1 :

Điểm ngắn mạch N1 :

IB1 = I0B = 3,5216

IBI4 = 3.I0B = 3.3,5216 = 10,5648 Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 3,5216.0,1503 = 0,5292 (kA)

IBI4 = 3.0,5292 = 1,5878 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

Điểm ngắn mạch N1’ :

IB1 I1 1BI  I2 1BI  I0 1BI  I1 I2 I0H  11, 0619 11, 0619 7, 5358    29, 6596

IBI4 = 3.I0B = 3.3,5216 = 10,5648 Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 29,6596.0,1503 = 4,4578 (kA)

IBI4 = 1,5878 (kA) 2) Ngắn mạch phía 35 kV ( điểm ngắn mạch N3, N3’ ) :

Vì cuộn trung của máy biến áp đấu tam giác tức trung tính cách đất nên dòng ngắn mạch

N(3) lớn nhất Do vậy tính dòng điện ngắn mạch chạy qua BI với dạng ngắn mạch N(3)

1 3

1

17,37460,1356

Điểm ngắn mạch N3’ :

IBI3 = 7,3746 = 3,483 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

a) Ngắn mạch 3 pha :

IN = 1

14,3047

IBI2 = 4,3047.0,7577 = 3,2616 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

Điểm ngắn mạch N2’ :

IBI1 = 3,2616 (kA) b) Ngắn mạch 2 pha chạm đất :

1 1

1

3,5523

0, 2323 0,0492

EI

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 3,9825.0,1503 = 0,5985 (kA)

IBI2 = 5,6152.0,7577 = 4,2546 (kA)

IBI5 = -8,3973.0,7577 = -6,3626 (kA)

Điểm ngắn mạch N2’ :

IBI2 = 5,6152

IBI5 = -6,3626 Đổi sang hệ đơn vị có tên

IBI2 = 5,6152.0,7577 = 4,2546 (kA)

IBI5 = -8,3973.0,7577 = -6,3626 (kA) c) Ngắn mạch 1 pha :

Cấp

điện áp

Dòng qua các BI (kA)

Điểm

ngắn

mạch

Dạng ngắn mạch

0 1max 0 1 0 2max 0 2 0

Điểm N1 không có dòng ngắn mạch qua các BI

Điểm N1’ có dòng ngắn mạch qua BI1 : IBI1 = IN = 35,5871

Đổi sang hệ đơn vị có tên : IBI1 =35,5871.0,1503 = 5,3487 (kA)

Các thành phần đối xứng của các dòng điện tại điểm ngắn mạch

1 1

1

24,09630,0281 0,0134

EI

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = -4,1385.0,1503 = -0,622 (kA)

IBI4 = -12,4156.0,1503 = -1,866 (kA) Điểm ngắn mạch N1’ :

IBI1 = ( 14, 67)  2   ( 30,8768) 2  34,1845

IBI4 = 31

2I0B = 3.1

2.(-8,2771) =-12,4156 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 34,1845.0,1503 = 5,1379 (kA)

IBI4 = (-12,4156).0,1503 = -1,866 (kA) c) Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1) :

B H

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 2,9455.0,1503 = 0,4427 (kA)

IBI4 = 8,8366.0,1503 = 1,3281 (kA) Điểm ngắn mạch N1’ :

IBI1 = I1BI1 + I2BI1 + I0BI1 = I1∑ + I2∑ + I0H +1

2I0B = 12,1802 + 12,1802 + 6,2891 + 1

25,8911

= 33,595

IBI4 = 3.1

2I0B = 3.1

2.5,8911 = 8,8366 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 33,595.0,1503 = 5,0493 (kA)

IBI4 = 1,3281 (kA) 2) Ngắn mạch phía 35 kV ( điểm ngắn mạch N3, N3’ )

Do không có trung điểm nối đất nên chỉ tính N(3)

 1 1max 1 1 1 2max 1 2 1

Đổi về hệ đơn vị có tên :

IBI1 = IBI3 = 6,1124.04723 = 2,8868 (kA) Điểm ngắn mạch N3’ :

IBI1 = 2,8868 (kA)

IBI3 = -2,8868 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

3) Ngắn mạch phía 22kV ( điểm ngắn mạch N2, N2’ )

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

1 1max 1 1 1 2max 1 2 1

a) Ngắn mạch 3 pha ( N(3) )

IN =

1

18,84170,1131

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = IBI2 = 4,4208.0,7577 = 3,3496 (kA) Điểm ngắn mạch N2’ :

IBI1 = 1

2IN = 1

2.8,8417 = 4,4208

IBI2 = - IBI1 = -4,4208 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 4,4208.0,7577 = 3,3496 (kA)

IBI2 = - IBI1 = - 3,3496 (kA) b) Ngắn mạch 2 pha chạm đất ( N(1,1) )

Các thành phần đối xứng của các dòng điện tại điểm ngắn mạch

1 1

0,0313

0,0313 0,1131 0,1131

0,0313 0,1131 0

H

E I

IBI2 = 5,7342.0,7577 = -4,3448 (kA)

IBI5 = -8,5381.0,7577 = -6,4693 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

1

3,8834 0,1131 0,1444

13,8834 3,8834 0 3,8834 2

Bảng 2.4.2 Bảng tổng kết dòng điện ngắn mạch qua các BI, trường hợp 2 MBA làm việc song song trong chế độ SNmax

Ta có : Max{(X1HT1Min + X1D1 );(X1HT2Min + X1D2 )}

= Max{(0,01867+0,0351);(0,0247+0,0474)}

= Max{( 0,0537);(0,0721}

= 0,0721 => (X1HT2Min + X1D2)

Ta thấy (X1HT2Min + X1D2) > (X1HT1Min + X1D1) nên công suất ngắn mạch tính tới thanh

góp 110kv của HT2 nhỏ hơn HT1 Giả thiết HT2 đang vận hành bình thường , HT1

đang bị sự cố (bảo dưỡng)

Do vậy ta tính toán HT2

1) Ngắn mạch phía 110kV ( điểm ngắn mạch N1, N1’ )

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

Sơ đồ thay thế thứ tự không :

E I

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 12,0114.0,1503 = 1,8053 (kA) b) Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1)

0,0721.0,0584

0,03220,0721 0,0584

X XX

0,0584

0,0721 0,05840,0721

0,0721 0,0584

EI

Dòng điện pha chạy qua BI:

Điểm ngắn mạch N1:

IBI1 = I0B = -2,883

IBI4 = 3.I0B = 3.-2,883 = -8,649 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = -2,883.0,1503 = -0,4333 (kA)

IBI4 = -8,649.0,1503 = -1,2999 (kA) Điểm ngắn mạch N1’:

B H

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 2,6837.0,1503 = 0,4033 (kA)

IBI4 = 8,0511.0,1503 = 1,21 (kA) Điểm ngắn mạch N1’ :

I I I I II I

= 4,9358 + 4,9358 + 2,2521 = 12,1237

IBI4 = 3.I0B = 3.2,6837 = 8,0511 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 12,1237.0,1503 = 1,8221 (kA)

IBI4 = 8,0511.0,1503 = 1,21 (kA) 2) Ngắn mạch phía 35kV ( điểm ngắn mạch N3, N3’ )

Vì cuộn trung của MBA đấu tam giác tức trung tính cách đất nên dòng ngắn mạch N(2)

nhỏ nhất Do vậy tính toán dòng điện ngắn mạch chạy qua BI với dạng ngắn mạch N(2)

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

Điện kháng phụ : X∆ = X2∑ = 0,1796

Các thành phần đối xứng của dòng điện tại chỗ ngắn mạch :

1 1

1

2, 7839 0,1796 0,1796

2,7839

E I

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = IBI3 = 4,8218.0,4723 = 2,2773 (kA) Điểm ngắn mạch N3’ :

IBI1 = IN = 4,8218 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 2,2773 (kA) 3) Ngắn mạch phía 22kV ( điểm ngắn mạch N2, N2’ )

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

Sơ đồ thay thế thứ tự không :

0 0 0

0,0625 0,06250,1281 0,1075 0

Điểm ngắn mạch N2 :

IBI1 = IBI3 = IN = 3,577 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = IBI3 = 3,577.0,7577 = 2,7102 (kA) Điểm ngắn mạch N2’ :

IBI1 = IN = 3,577 Dòng qua các BI khác bằng 0

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 2,7102 (kA) b) Ngắn mạch 2 pha chạm đất ( N(1,1) )

0,2421.0,0625

0,04960,2421 0,0625

X XX

IBI1 = 3,8284.0,7577 = 2,9007 (kA)

IBI5 = -8,2278.0,7577 = -6,2342 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

1

1,8291

0, 2421 0, 3046 0

2,7718( ) 4,1577( )

BI BI

2.4.4 Sơ đồ 4 : SNmin, 2 máy biến áp làm việc song song :

0 0 0

0,0224 0,0702 0,09260,1075 0

0,05375

0,03390,0926 0,05375

1 1

1

9,3109 0,0537 0,0537

9,3109

E I

Dòng điện pha chạy qua BI :

Điểm N1 : không có dòng qua BI

0,020780,0537 0,0339

X XX

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

Điện kháng phụ : X∆ = X2∑ = 0,1075

Các thành phần đối xứng của dòng điện tại điểm ngắn mạch

1 1

1

4,6511 0,1075 0,1075

4, 6511

E I

Đổi sang hệ đơn vị có tên

IBI1 = 4,0279.0,4723 = 1,9023 (kA)

IBI3 = 4,0279.0,4723 = 1,9023 (kA) Điểm ngắn mạch N3’ :

IBI1 = IN = 4,0279

IBI3 = -IN = -4,0279

Dòng qua các BI khác bằng

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 1,9023 (kA)

IBI3 = -1,9023 (kA) 3) Ngắn mạch phía 22kV ( điểm ngắn mạch N2, N2’ )

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

3, 6049 0,1387 0,1387

3, 6049

E I

Đổi sang hệ đơn vị có tên :

IBI1 = 3,1219.0,7577 = 2,3654 (kA)

IBI2 = 3,1219.0,7577 = 2,3654 (kA) Điểm ngắn mạch N2’ :

IBI1 = 2,3654 (kA)

IBI2 = - IN = - 2,3654 (kA) Dòng qua các BI khác bằng 0

b) Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1) :

Điện kháng phụ : 2 0

0,1387.0,0313

0,02550,1387 0,0313

X XX

0,0313

0,0313 0,1387 0,1387

0, 0313 0,1387 0

H

E I

IBI1 = 3,3605.0,7577 = 2,5462 (kA)

IBI2 = 4,7595.0,7577 = -3,6062 (kA)

IBI5 = -7,4532.0,7577 = -5,6472 (kA) c) Ngắn mạch 1 pha chạm đất :

Điện kháng phụ : X∆ = X2∑ + X0∑ = 0,1387 + 0,0313 = 0,17

Các thành phần đối xứng của dòng điện tại điểm ngắn mạch :

1 0

1

5,8823 0,1387 0,17

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

Chọn máy cắt cho từng cấp điện áp như sau :

dm lvcb qtsc dmB qtsc

- Điện áp đinh mức: UđmMC ≥ Uđmlưới = 110 (kV)

- Dòng điện định mưc: IđmMC ≥ Ilvcb = 210,4 (A)

- Dòng cắt định mức: ICđm ≥ IN” = 5,3478 (kA)

- Điều kiện ổn định lực động điện: iđđmMC ≥ Ixk = 13,6132 (kA)

2) Phía 35kV :

dm lvcb qtsc dmB qtsc

- Điện áp đinh mức: UđmMC ≥ Uđmlưới = 35 (kV)

- Dòng điện định mưc: IđmMC ≥ Ilvcb = 661,3 (A)

dm lvcb qtsc dmB qtsc

- Điện áp đinh mức: UđmMC ≥ Uđmlưới =22 (kV)

- Dòng điện định mưc: IđmMC ≥ Ilvcb = 1060 (A)

- Dòng cắt định mức: ICđm ≥ IN” = 3,483(kA)

- Điều kiện ổn định lực động điện: iđđmMC≥ 8,8662(kA)

Từ các điều kiện trên ta có bảng chọn máy cắt như sau :

2.5.2 Chọn máy biến dòng điện :

- Điện áp định mức (UđmMC): Điện áp định mức của máy biến dòng phải chọn lớn hoặc bằng điện áp của lưới điện (Uđmlưới)

- Dòng điện định mức (IđmMC): Dòng điện định mức của máy biến dòng được chọn phải lớn hơn hoặc bằng dòng điện làm việc cưỡng bức qua BI (Ilvcb)

- Phụ tải định mức( ZđmBI): Phị tải định mức thứ cấp của máy biến dòng phải lớn hơn hoạc bằng tổng trở thứ cấp

- Điều kiện ổn định lực động điện : Dòng điện ổn định lực động điện của máy biến dòng phải lớn hơn hoặc bằng dòng ngắn mạch xung kích đi qua nó

- Điều kiện ổn định nhiệt : Dòng ổn định nhiệt của máy biến dòng phải thỏa mãn điều kiện (I1đm.k)2 ≥ BN

Từ các điều kiện trên ta có bảng chọn máy biến dòng điện như sau :

2.5.3 Chọn máy biến điện áp :

- Điện áp định mức (UđmMC): Điện áp định mức của máy biến điện áp phải chọn lớn hoặc bằng điện áp của lưới điện

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

- Công suất định mức: Công suất định mức của máy biến điện áp lớn hơn hoặc bằng tổng công suất mạch thứ cấp của BU

Từ các điều kiện trên ta có bảng chọn máy biến điện áp như sau :

Bảng 1.2: