Tính toán ngắn mạch phục vụ thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 1103522 kV

Đồ án Ngắn Mạch phục vụ thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 1103522 kV một cách chi tiết và đầy đủ nhất. Tính toán ngắn gọn, rành mạch dễ hiểu.Bố cục một cách khoa học, chỉ cần thay đổi số liệu là sẽ có một bài đồ án môn học chất lượng, dễ dàng đạt điểm số cao.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ CÁC ĐÔI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ VÀ CÁC THÔNG SỐ

CHÍNH 3

1.1 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG 3

1.2 CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 3

1.2.1 Hệ thống điện HTĐ1, HTĐ2 3

1.2.2 Đường dây D1, D2 4

1.2.3 Máy biến áp 4

CHƯƠNG 2: TÍNH NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE 5

2.1 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN 5

2.2 CHỌN CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN VÀ TÍNH THÔNG SỐ CÁC PHẦN TỬ 6

2.3 SƠ ĐỒ THAY THẾ TÍNH NGẮN MẠCH 8

2.4 CÁC SƠ ĐỒ (PHƯƠNG ÁN) TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 9

2.4.1 Sơ đồ 1: SNmax, 1 máy biến áp làm việc 9

2.4.2 Sơ đồ 2: SNmax, 2 máy biến áp làm việc song song 17

2.4.3 Sơ đồ 3: SNmin, 1 máy biến áp làm việc 26

2.4.4 Sơ đồ 4: SNmin, 2 máy biến áp làm việc song song 35

2.5 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ 45

2.5.1 Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp 45

2.5.2 Các loại bảo vệ đặt cho máy biến áp 46

2.6 SƠ ĐỒ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ 54

KẾT LUẬN 55

LỜI NÓI ĐẤU

Ngày nay, điện năng là một phần thiết yếu trong mọi hoạt động sản xuất cũng như trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của con người Để đảm bảo sản lượng và chất lượng điện năng cần thiết, tăng cường độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, đảm bảo an toàn cho thiết bị và sự làm việc ổn định trong toàn hệ thống; cần phải sử dụng một cách rộng rãi và có hiệu quả những phương tiện bảo vệ, thông tin, đo lường, điều khiển và điều chỉnh tự động trong hệ thống điện

Trong số các phương tiện này, rơle và thiết bị bảo vệ bằng rơle đóng một vai trò hết sức quan trọng Trong quá trình vận hành hệ thống điện, không phải lúc nào hệ thống cũng hoạt động ổn định, thực tế chúng ta luôn gặp tình trạng làm việc không bình thường hoặc sự cố như ngắn mạch, quá tải v.v mà nguyên nhân có thể do chủ quan hoặc khách quan Hệ thống Rơle sẽ phát hiện và tự động loại trừ các sự cố, xử lý tình trạng làm việc bất thường của hệ thống

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thiết bị bảo vệ rơle ngày càng hiện đại, nhiều chức năng và tác động chính xác hơn Ở nước ta ngày nay, xu hướng sử dụng rơle kỹ thuật số để dần thay thế cho các rơle điện cơ đang được xúc tiến mạnh mẽ

Bản đồ án “Tính toán ngắn mạch phục vụ thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110/35/22kV” gồm có 2 chương:

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

Chương 2: Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơ le và lựa chọn phương thức bảo vệ

.Tuy nhiên, do thời gian thực hiện đề tài có hạn cũng như kiến thức kinh nghiệm về lĩnh vực bảo vệ rơle trong hệ thống điện chưa nhiều, nên bản đồ án này còn có những sai sót là điều không thể tránh được Em rất mong được sự nhận xét và đóng góp của quý Thầy Cô

Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy TS Đoàn Văn Điện

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thực Thừa

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ CÁC ĐÔI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ

VÀ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH

1.1 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG

Trạm biến áp được bảo vệ gồm hai máy biến áp ba dây quấn B1 và B2 được mắc song song với nhau Hai máy biến áp này được cung cấp từ hai nguồn của HTĐ1 và HTĐ2 Hệ thống điện HTĐ1 cung cấp đến thanh góp 110kV của trạm biến áp qua đường dây D1, hệ thống điện HTĐ2 cung cấp đến thanh góp 110kV của trạm biến áp qua đường dây D2 Phía trung và hạ áp của trạm có điện áp 35kV và 22kV để đưa đến các 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 1.2 CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2.1 Hệ thống điện HTĐ1, HTĐ2

Có trung tính nối đất

1) Hệ thống điện HTĐ1:

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S1Nmax = 2400 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S1Nmin = 0,70S1Nmax

2) Hệ thống điện HTĐ2:

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S2Nmax = 2200 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S2Nmin = 0,75S2Nmax

Điện kháng thứ tự không: X0H2 = 1,35X1H2

1.2.2 Đường dây D1, D2

1) Đường dây D1:

Chiều dài đường dây: L1 = 62 km

Điện kháng trên một kilômét đường dây: X11 = 0,423 Ω/km

Điện kháng thứ tự không: X0D1 = 2X1D1

2) Đường dây D2:

Chiều dài đường dây: L2 = 55 km

Điện kháng trên một kilômét đường dây: X12 = 0,392 Ω/km

T

H

H

C C T

CHƯƠNG 2: TÍNH NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE

Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay chập dây trung tính) Trong thiết kế bảo vệ rơle, 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 dòng ngắn mạch nhỏ nhất để kiểm tra độ nhạy của chúng

Dòng điện ngắn mạch 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 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 các máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn mạch Nếu góc lệch pha giữa sức điện động 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 sec)

+ 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 tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ cũng cần 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 THÔNG SỐ CÁC PHẦN TỬ

S1Nmin = 0,7S1Nmax = 0,7.2400 = 1680 MVA

S2Nmin = 0,75S2Nmax = 0,75.2200 = 1650 MVA

2.4 CÁC SƠ ĐỒ (PHƯƠNG ÁN) 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: SMmin; 1 máy biến áp làm việc

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

OH OB 0

E I

ON OH

OH

U I

X

0,340

3,095 1,100

ON OB

OB

U I

ON OH

OH

U I

X

   = 4,141

0,3480,110

ON OB

OB

U I

N 2 ’

N 2 BI2

E

N 2

U 1N

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

Dạng ngắn mạch

OH OB 0

E I

ON OH

OH

U I

X

N 1

U 0N

0, 299

5, 445 0,055

ON OB

OB

U I

3,236 0,084

ON OH

OH

U I

X

0, 272

4,943 0,055

ON OB

OB

U I

2) Ngắn mạch phía 35 kV

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(3)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

E I

I   I I  I

1

12

Dạng ngắn mạch

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, đường dây điện ĐD1và ĐD2 có thể xảy ra

sự cố, hư hỏng hay bảo dưỡng.Do đó, do yêu cầu sửa chữa, bảo dưỡng đường dây nên ta

sử dụng hệ thống nào có điện kháng tổng nhỏ hơn và tính toán ngắn mạch trong trường hợp đó Ta có:

Min{(X1H1min + X1D1);(X1H2min + X1D2)} = Min{(0,024 + 0,079) ; (0,024 + 0,065} = Min(0,103;0,089) = 0,089

Do vậy ta tính toán cho hệ thống 2

E I

1

1

8, 209 0,089 0,033

E I

ON OH

OH

U I

X

0, 269

2,750 0,098

ON OB

OB

U I

ON OH

OH

U I

X

   = 2,220

0, 218 0,11

ON OB

OB

U I

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(2)

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

E

BI1

N 1

N 2 ’ BI2

E I

Bảng 1.3 Phân bố dòng điện ngắn mạch qua các BI, trường hợp một máy biến áp làm việc trong chế độ SNmin:

Phía

ngắn

mạch

Điểm ngắn mạch

Dạng ngắn mạch

OH OB 0

E I

E I

0, 227

1, 207 0,188

ON OH

OH

U I

X

0, 227

4,127 0,055

ON OB

OB

U I

2  = -2,064

IBI4 = 3.1

2 IOB= 3.

1.( 4,127)

2  = -6,191 Dòng qua các BI khác bằng không

Phân bố dòng I0:

0,169 0,188

ON OH

OH

U I

X

   = 0,901

0,169 0,055

ON OB

OB

U I

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(2)

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

E

BI1

N 1

N 2 BI1

E I

E I

E I

Dạng ngắn mạch

2.5 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ

2.5.1 Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp

Để lựa chọn được phương thức bảo vệ hợp lý, chúng ta cần phải phân tích những dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của đối tượng được bảo vệ, cụ thể là máy biến áp

Những hư hỏng thường gặp trong máy biến áp có thể phân ra thành hai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

Những hư hỏng bên trong máy biến áp gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất

- Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp

- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu

Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài máy biến áp bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

-Ngắn mạch một pha trong hệ thống

-Quá tải

-Quá bão hòa mạch từ do điện áp tăng cao hoặc tần số giảm thấp

Tùy theo công suất của máy biến áp, vị trí vai trò của máy biến áp trong hệ thống

mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho máy biến áp Những loại bảo vệ thường dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến

áp được giới thiệu trong bảng 3-1

Bảng 2.1 Những loại hư hỏng thường gặp và các loại bảo vệ cần đặt

Loại hư hỏng Loại bảo vệ

Quá tải Quá dòng điện hoặc hình ảnh nhiệt

Quá bão hòa mạch từ Chống quá bão hòa

2.5.2 Các loại bảo vệ đặt cho máy biến áp

2.5.2.1 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện

Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng của mình, thiết bị bảo vệ phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau đây: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh và độ nhạy

Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự

cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ, còn độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy

ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được quy định

2) Chọn lọc

Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi

hệ thống Cấu hình của hệ thống càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn

3) Tác động nhanh

Hiển nhiên bảo vệ phát hiện và cách li phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền

4) Độ nhạy

Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ,

nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy, tức tỉ số giữa trị số của đại lượng vật lí đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lí đặt vào rơle và ngưỡng khởi động của nó càng lớn, rơle càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự

cố, hay như thường nói rơle tác động càng nhạy

2.5.2.2 Bảo vệ chính máy biến áp B1 và B2

1) Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm: I

Nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm dùng cho máy biến áp ba cuộn dây được trình bày như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm sử dụng rơle điện cơ

Cuộn dây cao áp của máy biến áp nối với nguồn cấp, cuộn trung áp và hạ áp nối với phụ tải Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường

ta có:

İS1 = İS2 + İS3 Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng:

İLV = İT1 – (İT2 + İT3)

Các dòng điện hãm:

İH1 = İT1 + İT2 İH2 = İT3 Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm theo quan hệ:

İH = ( İT1 + İT2  +  İT3 ).KH Trong đó KH <0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch

Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hóa khi đóng máy biến áp không tải và cắt ngắn mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hóa IHM

Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện:

 İH    İLV 

I

Bảo vệ so lệch làm chức năng bảo vệ chính dùng để cắt nhanh máy biến áp khi có

sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ Nó phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Chỉnh định chắc chắn khỏi dòng điện không cân bằng khi đóng máy biến áp không tải, khi cắt ngắn mạch ngoài và dòng điện từ hóa tăng cao khi có quá điện áp

Đảm bảo độ nhạy cao với các dạng ngắn mạch bên trong vùng bảo vệ

2) Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không:I0 (Bảo vệ chống chạm đất hạn chế:REF)

Nguyên lý bảo vệ chống chạm đất hạn chế dùng cho máy biến áp ba cuộn dây được trình bày như hình 2.2

Hình 2.2 Bảo vệ chống chạm đất hạn chế của máy biến áp ba cuộn dây

Để bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây nối hình sao có trung điểm nối đất của máy biến áp, người ta dùng sơ đồ bảo vệ chống chạm đất có giới hạn Thực chất đây là loại bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không có miền bảo vệ được giới hạn giữa máy biến dòng đặt ở trung tính máy biến áp và tổ máy biến dòng nối theo bộ lọc dòng điện thứ tự không đặt ở phía đầu ra của cuộn dây nối hình sao của máy biến áp

Nếu bỏ qua sai số của các máy biến dòng, trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch chạm đất ngoài vùng bảo vệ (điểm N1), tacó:

I0 =3I0-IĐ=0 Trong đó: I0 là dòng điện thứ tự không chạy trong cuộn dây máy biến áp

IĐ là dòng điện chạy qua dây trung tính máy biến áp Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (điểm N2): I0 =3I0-IĐ ≠0, sẽ có dòng qua rơle và rơle sẽ tác động

3) Bảo vệ bằng rơle khí (BUCHHOLZ)

IÑ

I0

N2

N1

Rơ le khí thường đặt trên đoạn ống nối từ thùng dầu đến bình dãn dầu của MBA Rơle với 2 cấp tác động gồm cĩ 2 phao bằng kim loại mang bầu thủy tinh con cĩ tiếp điểm thủy ngân hoặc tiếp điểm từ Ở chế độ làm việc bình thường trong bình rơle đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm của rơle ở trạng thái hở

Thù ng biế n á p

Chỗ đặ t rơle khí

Bình dã n dầ u

Hình 2.3 Vị trí đặt rơ le khí ở máy biến áp

Khi khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nĩng do quá tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cấp 1 cảnh báo Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch trong thùng dầu) luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình dãn dầu xơ phao thứ 2 chìm xuống gửi tín hiệu đi cắt MBA

Kí hiệu rơle khí:

hoặc

4) Bảo vệ chống quá tải:I ≥

Quá tải làm cho nhiệt độ của máy biến áp tăng cao quá mức cho phép, nếu thời gian kéo dài sẽ làm giảm tuổi thọ máy biến áp Để bảo vệ chống quá tải ở máy biến áp cơng suất bé dùng loại bảo vệ quá dịng điện thơng thường, với máy biến áp lớn, người ta dùng nguyên lí hình ảnh nhiệt để thực hiện bảo vệ chống quá tải Bảo vệ loại này phản ánh mức tăng nhiệt độ ở những điểm kiểm tra khác nhau trong máy biến áp và tuỳ theo mức tăng nhiệt độ mà cĩ nhiều cấp tác động khác nhau: cảnh báo, khởi động các mức làm mát bằng cách tăng tốc độ tuần hồn của dầu, giảm tải máy biến áp Nếu các cấp tác động