TÍNH TOÁN BẢO VỆ RƠLE CHO TRẠM 110 KV

Thiết kế bảo vệ trạm biến áp 110kV” làm đề tài tốt nghiệp Chương I : Mô tả đối tượng bảo vệ, thông số chính. Chương II : Tính toán ngắn mạch phục vụ cho bảo vệ rơle. Chương III: Chọn máy biến dòng điện, máy biến điện áp, máy cắt điện. Chương IV: Lựa chọn phương thức bảo vệ. Chương V : Tính năng và thông số của rơle đã sử dụng. Chương VI: Tính toán thông số và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ rơle

Tập đoàn điện lực việt nam cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Trờng đại học điện lực độc lập-tự do-hạnh phúc

Khoa điện

đề tài thiết kế tốt nghiệp

Họ và tên : đỗ việt hùng

Lớp : C4H3 Khóa học : 2005- 2008 Hệ : Cao ĐẳngNgành học : Hệ Thống Điện

Tên đề tài thiết kế :

tính toán bảo vệ rơle cho trạm 110 kV

1/ Các số liệu ban đầu : Xem bản vẽ

2/ Nội dung các phần thuyết minh và thông số chính :

a Mô tả đối tợng đợc bảo vệ, thông số chính

b Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơle

c Lựa chọn và kiểm tra thiết bị điện

d Lựa chọn và phơng thức bảo vệ

e Tính năng và thông số các loại rơle định sử dụng

f Tính toán các thông số của bảo vệ, kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

 Chế độ max : X1,2max/X0max = 0.35/0.39

 Chế độ min : X1,2min/X0min = 0.41/0.65

110 kV

10 kV

22 kV

Ngµy giao nhiÖm vô : 07/07/2008

Ngµy hoµn thµnh : 22/08/2008

Hµ Néi, ngµy 22 th¸ng 07 n¨m 2008.

Phã hiÖu trëng Trëng khoa Ngêi híng dÉn Th.s NguyÔn V¨n HiÕu PGS.TS Ph¹m V¨n Hoµ Th.s NguyÔn V¨n §¹t §¸nh gi¸ vµ nhËn xÐt cña gi¸o viªn ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, điện năng đã và đang đóng vai trò quan trọng đối với đời sống con ngời cũng nh phát triển kinh tế của các nớc trên thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng Đảng và chính phủ đã xác định

“Điện năng giữ vai trò hàng đầu trong quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá của cả nớc” Chính vì vậy, việc ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật vào phục

vụ cho quá trình sản suất, điều khiển và vận hành hệ thống điện không ngừng đợc cải tiến

Tuy nhiên trong khi thiết kế và vận hành có thể xảy ra những tình trạng làm việc không bình thờng và những h hỏng ngẫu nhiên Vì vậy cần phải trang bị các thiết bị bảo vệ rơle cho các phần tử trong hệ thống điện để ngăn ngừa sự cố tới mức thấp nhất Giúp cho hệ thống điện luôn ổn định và đảm bảo cung cấp liên tục

Sau 3 năm học tập và rèn luyện trong Khoa Hệ Thống Điện _ Trờng ĐH

Điện Lực em đã nhận đợc đề tài: “Thiết kế bảo vệ trạm biến áp 110kV” làm đề tài tốt nghiệp Đồ án bao gồm 6 chơng:

Chơng I : Mô tả đối tợng bảo vệ, thông số chính

Chơng II : Tính toán ngắn mạch phục vụ cho bảo vệ rơle

Chơng III: Chọn máy biến dòng điện, máy biến điện áp, máy cắt điện Chơng IV: Lựa chọn phơng thức bảo vệ

Chơng V : Tính năng và thông số của rơle đã sử dụng.

Chơng VI: Tính toán thông số và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ rơle.Trong quá trình làm đồ án, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bản đồ

án không thể tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong nhận đợc sự giúp, chỉ bảo của các thầy cô để bản đồ án của em đợc hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo – Th.s Nguyễn Văn Đạt đã trực tiếp tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án Đồng thời em xin trân thành cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong trờng, gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện

và động viên em hoàn thành tốt bản đồ án tốt nghiệp này

1 Nhiệm vụ của bảo vệ rơ le

Khi thiết kế hoặc vận hành bất kỳ một hệ thống điện (HTĐ) nào cũng phải kể

đến khả năng phát sinh các h hỏng và các tình trạng làm việc không bình thờng trong hệ thống điện ấy

Ngắn mạch là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ thống điện

Hậu quả của ngắn mạch là :

o Làm giảm thấp điện áp ở phần lớn của hệ thống điện

o Phá huỷ các phần tử bị sự cố bằng tia lửa điện

o Phá huỷ các phần tử có dòng điện ngắn mạch chạy qua do tác dụng nhiệt và cơ

o Phá vỡ sự ổn định của hệ thống

Các dạng ngắn mạch thờng gặp trong HTĐ là:

o Ngắn mạch ba pha (chiếm khoảng 5%)

o Ngắn mạch hai pha (chiếm khoảng 10%)

o Ngắn mạch hai pha chạm đất (chiếm khoảng 20%)

o Ngắn mạch một pha (chiếm khoảng 65%)

Phân theo thiết bị trong HTĐ , tỷ lệ h hỏng nh sau:

o Đờng dây tải điện trên không chiếm khoảng 50% số trờng hợp h hỏng trong HTĐ

o Đờng dây cáp chiếm khoảng 10%

o Máy phát điện chiếm khoảng 15%

o Máy biến áp chiếm khoảng 12%

o Máy biến dòng điện, biến điện áp chiếm khoảng 2%.

o Thiết bị đo lờng, điều khiển, bảo vệ chiếm khoảng 3%

o Các loại khác chiếm khoảng 3%

Ngoài các h hỏng, trong hệ thống điện (HTĐ) còn có các tình trạng làm việc không bình thờng Một trong những tình trạng làm việc không bình thờng là quá tải Dòng điện quá tải làm tăng nhiệt độ của các phần dẫn điện quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi bị phá hỏng

Để ngăn ngừa sự phát sinh sự cố và sự phát triển của chúng có thể thực hiện cácbiện pháp để cắt nhanh phần tử bị h hỏng ra khỏi mạng điện, loại trừ những tình trạng làm việc không bình thờng có khả năng gây nguy hiểm cho các thiết bị điện

và các hộ tiêu dùng

Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần tử không h hỏng trong HTĐ cần

có những thiết bị ghi nhận sự phát sinh những h hỏng với thòi gian bé nhất, phát hiện ra phần tử h hỏng và tách ra khỏi HTĐ Thiết bị này đợc thực hiện nhờ những khí cụ tự động gọi là rơle Thiết bị bảo vệ đợc thực hiện nhờ những rơle đợc gọi là thiết bị bảo vệ rơle

Nh vậy nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ rơle là tự động cắt các phần tử h hỏng ra khỏi HTĐ Ngoài ra còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thờng của các phần tử trong HTĐ Tuỳ mức độ bảo vệ mà bảo vệ đi báotín hiệu hoặc đi cắt máy cắt

2 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ rơle

Để hệ thống làm việc chắc chắn thì phải thoả mãn điều kiện :

Theo nguyên lý làm việc các bảo vệ đợc phân ra:

- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối là những bảo vệ chỉ làm nhiệm vụ khi sự cố xảy ra trong phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ

đặt ở các phần tử lân cận

- Bảo vệ có độ chọn lọc tơng đối ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tợng ợng đợc bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho các bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận

đ-2.3 Tác động nhanh

Phần tử bị ngắn mạch càng đợc cắt nhanh, càng hạn chế đợc mức độ phá hoại các thiết bị, càng giảm đợc thời gian sụt áp ở các hộ dùng điện và càng có khả năngduy trì đớcự làm việc ổn định của các máy phát điện và toàn bộ hệ thống 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 Vì vậy yêu cầu tác động nhanhchỉ đề ra tuỳ thộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làm việc bình thờng của phần tử đợc bảo vệ trong hệ thống điện

Rơle hay bảo vệ đợc gọi là tác động nhanh (có tốc độ cao) nếu thời gian tác

động không vợt quá 50ms (2,5 chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz) Rơle hay bảo vệ

đợc gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu tạo thời gian trong rơle Hai khái niệm tác động nhanh và tác động tức thời đợc dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơle hoặc bảo vệ có thời gian tác động không vợt quá 50ms

Thời gian cắt sự cố t C gồm hai thành phần: thời gian tác động của bảo vệ (t BV)

và thời gian tác động của máy cắt (t MC):

o tMC là thời gian cắt của máy cắt Đợc tính từ khi cuộn cắt của máy cắt có

điện cho đến khi thực hiện xong thao tác cắt MC

2.4 Độ nhạy

Độ nhạy đặc trng cho khả năng “ cảm nhận “ sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo

vệ Độ nhạy của bảo vệ đựơc đặc trng bằng hệ số độ nhạy (k n) , nó là tỉ số của đại lợng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngỡng tác động của nó Sự sai khác giữa trị

số của đại lợng vật lý đặt vào rơle và ngỡng tác động của nó càng lớn thi rơle càng

dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, nghĩa là rơle tác động càng nhạy

Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh : chế độ làm việc của

hệ thống ( mức độ huy động nguồn ), cấu hình của lới điện, dạng nhắn mạch, vị trí của điểm ngắn mạch…

Đối với các bảo vệ chính k  n 1.5 2  còn các bảo vệ dự phòng k  n 1.2 1.5 

Đối với lới diện trung áp và hạ áp, số lợng các phần tử cần đợc bảo vệ rất lớn vàyêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện l-

ới truyền tải cao áp Vì vậy cần phải cân nhắc kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo đợc các yêu cầu kĩ thuật và chi phí thấp nhất

3 Mô tả đối tợng bảo vệ

Đối tợng bảo vệ là trạm biến áp 110/22/10 kV làm việc với 1 máy biến áp Trạm sử dụng loại MBA 3 dây quấn với cấp điện áp tơng ứng là : cao áp 110kV, trung áp 22kV, hạ áp 10kV Cuộn cao áp đợc cấp từ hệ thống qua thanh cái 110kV,phía trung áp nối lên thanh cái 22kV để cung cấp cho phụ tải 22kV, phía hạ áp nối vào thanh cái 10kV để cung cấp cho phụ tải 10kV Cuộn cao áp và cuộn trung áp đ-

ợc nối theo kiểu trung tính trực tiếp nối đất (Y0), cuộn hạ áp nối theo kiểu tam giác (  )

Thông số của hệ thống:

o Chế độ max : X1.2max/X0max  0.35 / 0.39

o Chế độ min : X1.2min/X0min 0.41/ 0.65

Sơ đồ đấu dây một sợi của trạm nh hình vẽ

TC 6kV

MC3 BI3

1 Mục đích tính toán ngắn mạch

Tính toán ngắn mạch là công đoạn rất quan trọng trong thiết kế bảo vệ rơle Độtin cậy các tham số chỉnh định bên trong rơle bảo vệ phụ thuộc rất lớn vào quá trìnhnày

Ngoài ra tính toán ngắn mạch còn nhằm để lựa chọn các thiết bị phù hợp, lựa chọn sơ đồ thích hợp để giảm dòng ngắn mạch

Việc tính toán bảo vệ rơle thờng đợc tiến hành trong hai trờng hợp điển hình làcác ngắn mạch 3 pha, chạm đất 1 pha trong các chế độ cực đại và cực tiểu; ngoài ra

có thể xét thêm ngắn mạch 2 pha Các đại lợng ngắn mạch cần tính toán là: dòng ngắn mạch pha, các loại tổng trở ngắn mạch…

Nh vậy công đoạn tính toán ngắn mạch là rất quan trọng đối với bảo vệ rơle

2 Các giả thiết để đơn giản hoá việc tính toán ngắn mạch

- Mạch từ của MBA là không bão hoà, nên tổng trở tơng đơng của nó đợc coi làtuyến tính và bỏ qua dòng điện từ hoá của nó Vì vậy có thể dùng phơng pháp xếp chồng để phân tích quá trình

- Coi tổng trở tơng đối có giá trị nhỏ của 1 trong 3 cuộn dây MBA 3 dây quấn bằng không

- Các máy phát không có dao động công suất, nên góc lệch giữa các suất điện

động giữ không đổi trong suốt quá trình ngắn mạch và góc này nhỏ không đáng kể ( =0)

- Coi tổng trở của các phần tử trong HTĐ là thuần trở kháng, loại bỏ thành phần

điện trở và làm tròn các phép tính để giảm bớt khối lợng tính toán

- Loại bỏ bớt các nút đóng vai trò không quan trọng trong đờng truyền công suất ngắn mạch từ nguồn đến điểm sự cố, đặc biệt là các nhánh có cấp điện áp thấp hơn cấp điện áp của điểm ngắn mạch

- Coi điện áp thực tế của điểm ngắn mạch trong điều kiện bình thờng bằng điện

áp danh định của phần tử hệ thống

- Bỏ qua điện dungvà xét phụ tải gần đúng

- Hệ thống điện 3 pha là đối xứng

a

E I

E I

E I

E I

Vậy: Dòng điện thứ tự thuận của một dạng ngắn mạch không đối xứng bất kì

đều có thể tính đợc dòng điện 3 pha ở sơ đồ thứ tự thuận nhng tại một điểm xa hơn 1điện kháng X( )n Trị số của điện kháng X( )n phụ thuộc vào trị số của điện kháng tổng hợp của các sơ đồ thứ tự nghịch và thứ tự không, với biểu thức hoàn toàn xác

định phụ thuộc vào dạng ngắn mạch (n)

Bảng điện kháng X( )n phụ thuộc vào dạng ngắn mạch:

Dạngngắnmạch

(1)

( )n m

- Dựa vào sơ đồ thứ tự thuận và X( )n đi xác định dòng ngắn mạch thứ tự thuận

4 Tính toán ngắn mạch

Tính ngắn mạch ở 2 chế độ:

_ Chế độ max: để chọn dòng lớn nhất tính toán thông số khởi động

_ Chế độ min: để chọn dòng kiểm tra độ nhạy

4.1 Tính toán các thông số

Các thông số cơ bản:

Chọn U cb U tbcác cấp

S I

cb

S I

cb

S I

dm

S X

S U

1HT X HT

1 2.857 0.35

a

HT N

kA

E I

0.531 0.39

a a

HT

N HT

N

U I

0.35 0.183 0.35

E I

0

0.656 0.39

a a

HT

N HT

N

U I

   

2 120 3

E HT

X1 HT0.35

(3)

1 (3) (3) 110

1 2.857 0.35

a

a

HT HT N

kA HT

E I

(1) (1)

0

0.531 0.39

a a

HT

N HT

N

U I

0.35 0.183 0.35

E I

(1,1) (1,1)

0

0.656 0.39

a a

HT

N HT

N

U I

X2 C0.195 0.35

2 HT X

Sơ đồ thứ tự không:

n4

u0 H 0.148

1 1.835 0.545

a

HT N

E I X

0.545 0.084 0.545

E I

HT N

E I X

E I

(1) (1)

0

0.331 0.65

a a

HT

N HT

N

U I

0.41 0.225 0.41

E I

(1,1) (1,1)

0

0.403 0.65

a a

HT

N HT

N

U I

1.22 0

a

a a a

HT N

N

E I

(1) (1)

0

0.331 0.65

a a

HT

N HT

N

U I

0.41 0.225 0.41

E I

(1,1) (1,1)

0

0.403 0.65

a a

HT

N HT

N

U I

X2 T0

X2 C0.195 0.41

2 HT X

0.826 0

a

a

HT N

N

E I

1 2 (1) (1) (1)

0.605 0.084 0.605

E I

Ta thấy cuộn dây phía 10kV của MBA nối tam giác cho nên không có thành phần thứ tự không chạy tới điểm ngắn mạch N6 Do đó ta chỉ xét ngắn mạch N(3)

0.644 0

N

E I

Dßng ®iÖn max vµ min ®i qua c¸c BI

TC 6kV

MC3 BI3

= 7.937

max N-BI3

I

IN-BI2min = 3.589 (IN-N4(2) )

) (IN-N4(1,1)

= 6.619

max N-BI2

I

IN-BI5min = 5.821 (IN-N3(1))

) (IN-N3(1,1)

= 10.565

max N-BI5

I

IN-BI4min = 0.943 (I(1)N-N2)

) (IN-N2(1,1)

= 1.117

max N-BI4

I

Chơng III Chọn máy cắt, máy biến điện áp, máy biến dòng điện

1 Máy biến dòng điện

ddBI lvmax thu

I là dòng điện danh định phía sơ cấp của BI

thu ddBI

I là dòng điện danh định phía thứ cấp của BI

lvmax

I là dòng điện danh định lớn nhất chạy qua các BI

BI phía 110kV

110 443

ddBI so ddBI

ddBI so ddBI

ddBI so ddBI



 5

thu ddBI

I  A

Cấp chính xác 0.5

BI phía 10kV

10 4850

ddBI so ddBI

ddBI so ddBI thu ddBI





3 Lựa chọn máy cắt điện (MCĐ)

3.1 MCĐ đợc lựa chọn theo điều kiện

Loại MCĐ: trên cùng một cấp điện áp nên chọn cùng một loại máy cắt, nhất

là thiết bị phân phối 35kV trở lên

Điện áp định mức: điện áp định mức của máy cắt đợc chọn tơng ứng với điện

áp của lới điện

1 (3)

110

0.443 1.434

22 2.214 6.619

10

4.85 7.937

1 Ph¬ng thøc b¶o vÖ cho m¸y biÕn ¸p

Trong truyÒn t¶i vµ ph©n phèi ®iÖn n¨ng, m¸y biÕn ¸p (MBA) lµ mét trong nh÷ng thiÕt bÞ quan träng nhÊt mµ còng lµ kh©u yÕu nhÊt dÔ x¶y ra h háng MBA rÊt ®a d¹ng, cã nhiÒu cÊp ®iÖn ¸p kh¸c nhau, c«ng suÊt cña m¸y còng kh¸c nhau vµ

thay đổi trong phạm vi rộng từ một vài kVA cho đến hàng trăm MVA Do vậy, việctính toán và lựa chọn hình thức bảo vệ thích hợp cho từng loại MBA cần phải tính

đến yếu tố kinh tế và kĩ thuật

Ví dụ nh bảo vệ cho máy biến áp có công suất nhỏ có thể dùng cầu chì đủ thoả mãn yêu cầu Cầu chì là loại bảo vệ đơn giản nhất và rẻ tiền nhất Còn đối với MBA

có công suất lớn hơn phải thiết kế và lựa chọn các bảo vệ phức tạp hơn dẫn đến giá thành các thiết bị bảo vệ cao hơn

Muốn MBA làm việc an toàn cần phải tính đầy đủ các h hỏng bên trong MBA

và các yếu tố bên ngoài ảnh hởng đến sự làm việc bình thờng của MBA Từ đó đề

ra các phơng án bảo vệ tốt nhất, loại trừ các h hỏng và ngăn ngừa đợc các yếu tố bên ngoài ảnh hởng đến sự làm việc của MBA

2 Các dạng h hỏng và những bảo vệ thờng dùng cho MBA

2.1 Các dạng h hỏng trong MBA

Những h hỏng thờng xảy ra đối với MBA có thể phân ra thành hai nhóm: h hỏng bên trong và h hỏng bên ngoài

H hỏng bên trong bao gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây của một cuộn dây

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất

- H hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp

- Thùng dầu bị hỏng hoặc rò dầu

Những h hỏng và chế độ làm việc không bình thờng bên ngoài MBA bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống

- Quá tải

- Quá bão hoà mạch từ

Tuỳ theo công suất của MBA, vị trí của vai trò của MBA trong hệ thống mà

ng-ời ta lựa chọn phơng thức bảo vệ thích hợp cho MBA Những loại bảo vệ thờng dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thờng của MBA đợc nêu trong bảng dới đây:

Ngắn mạch một pha hoặc nhiều

pha chạm đất + So lệch hãm ( bảo vệ chính).+Khoảng cách (bảo vệ dự phòng)

+ Quá dòng có thời gian (bảo vệ chính hoặc dự phòng theo công thức)

Báo hoà mạch từ Chống quá bão hào

2.2 Các bảo vệ thờng dùng cho MBA

2.2.1 Bảo vệ so lệch có hãm

Dòng điện sơ cấp ở các phía của MBA khác nhau về trị số và về góc pha, vì vậy khi sử dụng rơle cơ, để cân bằng dòng điện thứ cấp ở các phía của bảo vệ so lệch trong chế độ làm việc bình thờng, ngời ta sử dụng máy biến dòng trung gian BIG có tổ đấu dây phù hợp với tổ đấu dây của MBA và tỉ số biến đổi đợc chọn sao cho các dòng điện đa vào so sánh trong rơle so lệch có trị số gần bằng nhau Đối với rơle số, ngời ta có thể thực hiện việc cân bằng pha và trị số dòng điện thứ cấp ở các phía của MBA ngay trong rơle so lệch