Ứng dụng rơle siemens siprotec 5 7SS85 để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái trạm biến áp 220kv bảo lộc

Lý do chọn đề tài Trong hệ thống điện, bảo vệ thanh cái của các trạm biến áp truyền tải, đặc biệt là các trạm nút, có vai trò hết sức quan trọng.. Trong điều kiện như vậy, cá

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN HỮU KÍNH

ỨNG DỤNG RƠLE SIEMENS SIPROTECT 5 - 7SS85

ĐỂ CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI

Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ KIM HÙNG

Phản biện 1: PGS.TS ĐINH THÀNH VIỆT

Phản biện 2: TS VŨ PHAN HUẤN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 03 tháng 03 năm 2018

0.00

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống điện, bảo vệ thanh cái của các trạm biến áp truyền tải, đặc biệt là các trạm nút, có vai trò hết sức quan trọng Thanh cái là phần tử rất ít khi xảy ra sự cố nhưng do vị trí và vai trò đặc biệt của thanh cái nên bảo vệ thanh cái cần thỏa mãn những đòi hỏi rất cao về tính chọn lọc, khả năng tác động nhanh và độ tin cậy Khi xảy ra ngắn mạch trên thanh góp, nếu sự cố không được loại trừ một cách nhanh chóng, chọn lọc và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng

Trong điều kiện như vậy, các hệ thống bảo vệ thanh cái thế hệ

cũ có những hạn chế, chưa đáp ứng hoàn toàn được yêu cầu về khả năng tác động nhanh, tính chọn lọc và độ tin cậy Luận văn sẽ xem xét điển hình hệ thống thanh cái của trạm 220kV Bảo Lộc Trạm 220kV Bảo Lộc đóng vai trò rất quan trọng trong lưới điện truyền tải khu vực nam Tây Nguyên, do vậy khi mất điện thanh cái 220kV sẽ gây mất ổn định hệ thống nghiêm trọng và ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp điện cho phụ tải

Hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc được lắp đặt từ năm 2000, thuộc loại bảo vệ tổng trở cao giản đơn gồm các mạch cộng dòng, các điện trở nối tiếp với phần tử tác động

sử dụng các rơle quá dòng MiCOM P121 Hệ thống bảo vệ này có rất nhiều khuyết điểm không đáp ứng được yêu cầu hiện tại nên đã có kế hoạch sẽ thay thế hệ thống bảo vệ cũ bằng loại rơle phù hợp hơn với yêu cầu về an toàn, độ tin cậy, độ nhạy và có cấu hình linh hoạt đáp ứng được yêu cầu hiện tại và mở rộng thêm các ngăn lộ mới trong tương lai; phải tiếp tục sử dụng được khi trạm 220kV Bảo Lộc được chuyển thành trạm tích hợp theo lộ trình và đáp ứng được yêu cầu về

lưới điện thông minh

Trên lưới điện hiện nay, dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5, có cấu trúc hoàn toàn mới và tích hợp mạnh cả ba tính năng bảo vệ, tự động hóa và giám sát, đang dần được đưa vào sử dụng Việc nghiên cứu để làm chủ trong các khâu lựa chọn, cấu hình và tính toán thông số đối với dòng rơle này là rất cần thiết

Vì những lý do trên nên học viên chọn nghiên cứu đề tài “Ứng dụng rơle SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp bảo vệ thanh cái So sánh ưu, khuyết điểm của các phương pháp bảo vệ thanh cái, cập nhật công nghệ mới

Nghiên cứu rơle bảo vệ so lệch thanh cái dòng SIPROTEC 5 - 7SS85 của hãng Siemens và khả năng áp dụng để cải tạo các hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái cũ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Công nghệ bảo vệ so lệch thanh cái đang được áp dụng hiện nay và hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái 220kV hiện hữu của trạm 220kV Bảo Lộc

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài nghiên cứu áp dụng rơle bảo vệ so lệch thanh cái thế hệ mới Siprotec 5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết về nguyên lý bảo vệ so lệch thanh cái, các công nghệ rơle số bảo vệ so

lệch thanh cái dựa trên nền tảng vi xử lý hiện đang được áp dụng Phương pháp nghiên cứu thực tế: Khảo sát thực tế hiện trạng hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc Thực nghiệm cấu hình rơle 7SS85 bằng phần mềm DIGSI 5 Phương pháp tổng hợp: mô phỏng bảo vệ để phân tích đánh giá, kết luận và đưa ra đề xuất áp dụng hợp lý

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Đề tài nghiên cứu ứng dụng rơle công nghệ mới trong bảo vệ thanh cái trạm biến áp Dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5 của hãng Siemens đang dần được đưa vào sử dụng do có nhiều ưu điểm vượt trội, phù hợp với hệ thống bảo vệ điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 Tuy nhiên, rơle bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85 cũng chỉ mới được hãng Siemens đưa ra trong những năm gần đây Đề tài đã

đề xuất và giải quyết được về mặt kỹ thuật việc áp dụng một dòng rơle mới để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái cũ của trạm biến áp

6 Cấu trúc của luận văn:

Mở đầu

Chương 1: Kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái

Chương 2: Giới thiệu hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC

5 - 7SS85 của hãng SIEMENS

Chương 3: Ứng dụng hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC

5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo mới bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc

Chương 4: Mô phỏng và phân tích đánh giá hệ thống rơle mới bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc sau khi cải tạo mới

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.1 TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.1.1 Giới thiệu

Bảo vệ thanh cái của hệ thống điện là một trong những ứng

dụng bảo vệ rơle quan trọng nhất Do đó yêu cầu phải đảm bảo an

toàn tối đa cho bảo vệ thanh cái

Sơ đồ bảo vệ so lệch thanh cái so sánh dòng điện đi vào với

dòng điện đi ra khỏi thanh cái Trong trường hợp tải bình thường và

sự cố ngoài, dòng so lệch sẽ bằng 0 Dòng so lệch cao hơn một

ngưỡng đã định là dấu hiệu cho biết có sự cố thanh cái

Trên thực tế thì nếu biến dòng điện bị bão hòa sẽ gây ra dòng so

lệch phía thứ cấp khiến rơle có thể ghi nhận là sự cố nội bộ

1.1.2 Các yêu cầu đối với bảo vệ so lệch thanh cái

a) Đảm bảo an toàn; b) Đảm bảo tính chọn lọc; c) Tác động

nhanh; d) Có chức năng tự giám sát và phát hiện bất thường/hư hỏng

1.2 CÁC KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.2.1 Bảo vệ so lệch dòng

Dòng so lệch bằng tổng đại số dòng điện của tất cả các mạch

1.2.2 Bảo vệ thanh cái sử dụng các Bộ ghép (Coupler) tuyến

tính

Dây quấn thứ cấp của các bộ ghép tuyến tính được đấu nối tiếp

với nhau rồi đấu với một bộ cảm biến điện áp công suất thấp

1.2.3 Bảo vệ so lệch tổng trở cao

Sơ đồ đấu nối CT giống như bảo vệ so lệch dòng nhưng phần

tử bảo vệ (59) có tổng trở rất cao ở ngõ nhận dòng

1.2.4 Bảo vệ so lệch phần trăm (Bảo vệ so lệch có hãm)

Ngoài tín hiệu so lệch, các rơle so lệch phần trăm còn tạo thêm

một tín hiệu hãm và áp dụng một đặc tuyến (hãm) phần trăm

1.2.5 Các rơle vi xử lý và các giải pháp đa tiêu chuẩn

Các rơle vi xử lý bảo vệ thanh cái tổng trở thấp được phát triển

theo một trong hai cấu trúc: Bảo vệ thanh cái kiểu phân tán hoặc Bảo

vệ thanh cái kiểu tập trung (thích hợp với các ứng dụng cải tạo)

1.3 LỰA CHỌN LOẠI RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH THANH

CÁI

1.3.1 So sánh và kết luận

Bảng 1.1: So sánh giữa rơle vi xử lý bảo vệ so lệch thanh cái

loại tổng trở cao và loại tổng trở thấp

Cấu hình lại vùng thanh cái Được nhưng phức tạp,

cần nhiều rơle trung gian hai trạng thái

Được 

Mức độ phức tạp của cài đặt Thấp  Trung bình

Mức độ phức tạp của đấu dây Trung bình Thấp 

Không gian bảng điện cần có Trung bình Trung bình

II Đo lường

Đo riêng từng mạch Không Có 

Phát hiện ngắn mạch CT Không Có, báo động mất

cân bằng  Phát hiện hở mạch CT Có (rơle tác động cắt) Có, báo động mất

An toàn Tốt (tốt hơn với trị đặt

hai mức)

Rất tốt  Logic sự cố phát triển Không yêu cầu  Có 

Phát hiện bão hòa CT Không Có 

Bảo vệ hư hỏng máy cắt Không Có 

Bảo vệ cuối vùng chọn lọc Không Có 

Cắt trực tiếp máy cắt Không (qua các rơle

khóa)

Có  Tích hợp các chức năng bảo vệ

khác riêng từng ngăn lộ

IV Điều khiển và giám sát

Tích hợp chức năng của các

ứng dụng khác nhau như bảo

vệ, điều khiển và ghi nhận sự

cố

Không tích hợp điều khiển được

Có 

Giám sát thường trực các đối

tượng đo và trạng thái thiết bị

nhất thứ

Giám sát các điều kiện khởi

động của riêng từng chức năng

bảo vệ

Các dấu kiểm () cho thấy ý kiến tác giả về sự vượt trội của loại rơle này so với loại rơle kia về một tính năng cụ thể

1.3.2 Lựa chọn rơle để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc

Qua phân tích có thể thấy là loại rơle so lệch thanh cái tổng trở thấp kiểu tập trung phù hợp hơn với yêu cầu cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc Vì vậy rơle bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở thấp dạng tập trung 7SS85 được chọn

1.4 KẾT LUẬN

Trong chương 1 tác giả đã tìm hiểu tổng quan và các yêu cầu quan trọng đối với bảo vệ so lệch thanh cái Chương này cũng đã nghiên cứu về các kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái , nguyên lý làm việc của các kỹ thuật này cũng như xu hướng phát triển của các dòng

rơle vi xử lý hiện đại trong lĩnh vực bảo vệ thanh cái, từ đó đưa ra

định hướng lựa chọn loại bảo vệ so lệch thanh cái phù hợp cho nhu

cầu cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm 220 kV Bảo Lộc

Trên cơ sở đó, đã đưa ra lựa chọn rơle bảo vệ so lệch thanh cái

7SS85 thuộc dòng SIPROTEC 5 của hãng SIEMENS

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH

CÁI SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS

2.1 GIỚI THIỆU DÒNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI

SIPROTEC 5 – 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS

2.1.1 Khái quát

Bảo vệ thanh cái SIPROTEC 7SS85 là một bảo vệ tác động

nhanh, có chọn lọc và an toàn đối với các sự cố ngắn mạch thanh cái

2.1.2 Cấu hình

Bảo vệ 7SS85 phù hợp với nhiều cấu hình hệ thống khác nhau

2.1.3 Các tính năng quan trọng tiêu biểu của SIPROTEC

7SS85

Ngoài chức năng bảo vệ, bảo vệ SIPROTEC 7SS85 có thể tích

hợp nhiều chức năng điều khiển và giám sát

2.2 CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

2.2.1 Tổng quan về chức năng

Có thể sử dụng bảo vệ SIPROTEC 7SS85 cho nhiều cấu hình

thanh cái khác nhau ở các hệ thống trung áp, cao áp và siêu cao áp

Chức năng bảo vệ so lệch Bus zone và Check Zone được sử

dụng kết hợp với nhau để nâng cao độ an toàn

2.2.2 Mô tả chức năng

Bảo vệ so lệch thanh cái được đặc trưng bằng các chức năng:

Ước tính dòng so lệch/dòng hãm; Quyết định cắt dựa trên hai phép

đo độc lập (bus zone và check zone); Cắt nhanh ( 7 ms); Hãm…

2.2.3 Phương pháp đo lường và các đường đặc tuyến

a) Cơ sở

Phương pháp đo lường

dựa trên định luật Kirchhoff

về dòng điện Ở trạng thái

bình thường, công thức (2-1)

áp dụng cho tổng đại số các dòng điện I1, I2, I3 đến In trong các phát tuyến của thanh cái

I1 + I 2 + I 3 In = 0 (2-1) Nếu phương trình trên không được đáp ứng, nghĩa là có sự cố trong vùng bảo vệ Đây là quy tắc cơ sở của bảo vệ so lệch thanh cái Phương trình ứng với trạng thái bình thường:

I1 sec • w1 + I2 sec • w2 + I3 sec • w3 + In sec • wn = 0 (2-2)

I1 sec, I2 sec, In sec : Các dòng thứ cấp

w1, w2, w3 wn : Các tỷ số biến của các biến dòng điện

Dòng điện của tất cả các ngăn lộ phải được quy về một tỷ số biến chung bằng hệ số chuẩn hóa Irated(feeder)/Irated,obj Trong đó Irated (feeder) là dòng định mức phía sơ cấp của CT ngăn lộ, Irated,obj là dòng chuẩn hóa chung của cả hệ thống

Các sai số biến đổi của các biến dòng điện có thể dẫn đến sự cắt điện ngoài ý muốn Vì vậy bảo vệ so lệch thanh cái sử dụng chức năng giữ ổn định (hãm)

b) Chức năng giữ ổn định (Stabilization)

Bảo vệ so lệch thanh cái tính tổng véc tơ dòng thứ cấp của các biến dòng (Idiff = |I1 + I2 + In|) và tổng độ lớn (Irest = |I1| + |I2| +

|In|) của các dòng này Dòng hãm được xử lý trơn (smooth) bằng

Hình 2.2: Thanh cái có n phát tuyến

phần mềm để đảm bảo độ ổn định ngay cả trong trường hợp biến dòng bị bão hòa nặng

c) Các đường đặc tuyến

Đường đặc tuyến chuẩn: được

xác định bằng hai trị đặt là

Stabilization factor k (Hệ số ổn

định k) và Threshold Idiff (Ngưỡng

dòng so lệch) Tiêu chuẩn để một sự

cố trên thanh cái gây khởi động là:

Idiff > k • Irest, mod

Đại lượng hãm được sửa đổi Irest,mod có nguồn gốc từ Irest

Đường đặc tuyến nhạy: Áp dụng đối với các sự cố thanh cái có

dòng sự cố nhỏ

2.2.4 Các đại lượng đo

a) Thành phần DC của dòng ngắn mạch

Nếu ngắn mạch không xảy ra tại thời điểm điện áp đạt giá trị đỉnh trong chu kỳ tuần hoàn, dòng ngắn mạch ban đầu sẽ chứa thành phần DC tắt dần với hằng số thời gian τ = L/R của tổng trở ngoài

b) Tình trạng bão hòa

Thành phần dòng DC gây tình trạng phân cực bất đối xứng trong lõi từ của biến dòng điện, làm nặng thêm tình trạng bão hòa và

có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng, sai số biến đổi dòng

Phần tử phát hiện bão hòa của rơle vận dụng thực tế là bất kỳ biến dòng điện nào cũng sẽ hoạt động đúng trong một khoảng thời gian ngắn ngay sau khi có sự cố, ngay cả trong điều kiện bão hòa rất nặng Sau đó khoảng vài ms, sự bão hòa mới xảy ra

c) Trường hợp ngắn mạch ngoài có bão hòa

Biến dòng điện ở ngăn lộ bị sự cố dẫn toàn bộ dòng ngắn mạch

Hình 2.5: Đường đặc tuyến

chuẩn

và bị bão hòa Nhưng trong vài mili giây ban đầu, biến dòng điện chưa bị bão hòa ngay nên không có dòng so lệch trong khi dòng hãm tăng nhanh Sau đó đại lượng cắt có hai lần vượt quá đại lượng hãm

d) Trường hợp ngắn mạch nội bộ có bão hòa

Dòng so lệch Idiff tăng nhanh và đạt điều kiện cắt ngay từ lúc bắt đầu ngắn mạch Sau đó khoảng vài ms, biến dòng điện bị bão hòa khiến dòng so lệch giảm nhanh và không còn đủ điều kiện cắt Theo thời gian, thành phần DC tắt dần nên dòng so lệch đủ lớn để gây cắt

So sánh các giá trị đo được trong trường hợp ngắn mạch ngoài và ngắn mạch nội bộ làm rõ 2 tính năng thiết yếu được sử dụng để phân biệt hai dạng ngắn mạch này: 1) Lúc bắt đầu ngắn mạch, giá trị

đo đúng được tạo ra trong cả hai trường hợp; 2) Sau vài chu kỳ, các giá trị đo đúng hiện diện trong mỗi nữa sóng dương và âm

2.2.5 Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái

Chức năng bảo vệ so lệch thanh cái có các logic cắt khác nhau:

a) Logic cắt dựa trên các giá trị tức thời

Dòng so lệch và dòng hãm được tính toán dựa trên các giá trị tức thời ngay sau khi xuất hiện sự cố, trong khoảng 6 ms ban đầu Tác động cắt xảy ra khi tất cả các tiêu chí sau đây được thỏa

mãn, cho thấy có sự cố nội bộ (logic phép đo 1 trong 1):

Tốc độ gia tăng dòng hãm dIrest/dt giá trị giới hạn

Idiff Giới hạn đặt và Idiff k • Irest mod

Trường hợp được xác định là sự cố ngoài: Tốc độ gia tăng

dIrest/dt giá trị giới hạn và điều kiện Idiff k • Irest mod không thỏa

Đề phòng sự cố ngoài phát triển thành sự cố nội bộ, rơle sẽ áp

dụng logic đo hai lần (logic phép đo 2 trong 2): Phép đo lần thứ nhất và Phép đo lần thứ hai sau 7 ms đều cho thấy có sự cố nội bộ

b) Logic cắt dựa trên các giá trị đo được lọc

Loại bỏ thành phần DC khỏi dòng so lệch để có được thành phần cơ bản bằng các bộ lọc sine và cosine Dòng hãm được tính bằng tổng các giá trị chỉnh lưu trung bình của các dòng phát tuyến

2.2.6 Thông tin trạng thái của dao cách ly

Việc gán dòng các phát tuyến và việc cắt có chọn lọc thanh cái đều dựa trên thông tin vị trí của dao cách ly

2.2.7 Check Zone (Vùng kiểm tra)

Check zone phát hiện ngắn mạch trên toàn bộ thanh cái Dòng hãm Irest được tính bằng tổng nhỏ hơn trong hai tổng sau:

Σ | Ip | = Tổng độ cường độ các dòng điện chạy vào thanh cái

Σ | In | = Tổng độ cường độ các dòng điện chạy từ thanh cái ra

2.3 CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ PHỤ

2.3.1 Các chức năng bảo vệ luôn đi kèm

Bảo vệ quá dòng chạm đất; Bảo vệ lỗi máy cắt tích hợp…

2.3.2 Các chức năng bảo vệ tùy chọn

Bảo vệ sự cố đầu cuối; Bảo vệ so lệch ngăn nối thanh cái…

2.4 TỔNG QUAN VỀ CÁC CHỨC NĂNG TÍCH HỢP

2.4.1 Chức năng tự động hóa

Mô hình đối tượng của 7SS85 dựa trên tiêu chuẩn IEC 61850

2.4.2 Chức năng giám sát

Các thiết bị SIPROTEC 5 được trang bị một giải pháp giám sát

mở rộng và tích hợp, đa dạng và hoạt động có chọn lọc

2.4.3 Thử nghiệm chức năng

Khi nghiệm thu phải thực hiện nhiều thử nghiệm khác nhau

2.5 PHẦN MỀM CẤU HÌNH DIGSI 5 CỦA HÃNG SIEMENS 2.5.1 Giới thiệu

Phần mềm DIGSI 5 là một chương trình chạy trên máy tính để cấu hình, cài đặt và vận hành tất cả các thiết bị SIPROTEC 5