Đồ án tốt nghiệp nguyen thi van

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 220/110/35 kV-2×125 MVA”

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

Hà Nội, tháng 01 năm 2015 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Vân

LỜI CẢM ƠN

Trong đồ án này, em xin trình bày về 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, một mảng kiến thức quan trọng của kỹ sư điện nói chung và kỹ sư hệ thống điện nói riêng Đề hoàn thành đồ án này em đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của thầy cô hướng dẫn và các anh chị khóa trước, cũng như các bạn trong nhóm

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn của em là : TS Vũ Thị Thu Nga, cô đã hướng dẫn em rất nhiều trong phương hướng tiếp cận và xử lý những khó khăn em gặp phải trong quá trình làm đồ án

Em xin cảm ơn những thầy cô đã dạy dỗ em trong suốt năm năm học qua, các thầy cô

đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản rất hữu ích để em có thể nghiên cứu và phát triển đề tài của mình

Em cũng xin được cảm ơn các anh chị khóa trước, các bạn trong nhóm đã hỗ trợ, chia

sẻ những kinh nghiệm quý báu để hoàn thiện đồ án này

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

CHƯƠNG 1 1

MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ VÀ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH 1

1.1 Mô tả đối tượng được bảo vệ 1

1.2 Các thông số chính 1

CHƯƠNG 2 3

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE 3

2.1 Sơ đồ 1: SNmax (2 đường dây song song), 1 MBA làm việc 7

2.1.1 Ngắn mạch phía I (điểm ngắn mạch N1, N1') 7

2.1.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2, N2') 100

2.1.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3, N3') 133

2.2 Sơ đồ 2: SNmax (2 đường dây song song), 2 MBA làm việc 144

2.2.1 Ngắn mạch phía I (điểm ngắn mạch N1, N1') 144

2.2.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2, N2') 187

2.2.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3, N3') 221

2.3 Sơ đồ 3: SNmin (1 đường dây), 1 MBA làm việc 233

2.3.1 Ngắn mạch phía I (điểm ngắn mạch N1, N1') 233

2.3.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2, N2') 265

2.3.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3, N3') 29

2.4 Sơ đồ 4: SNmin (1 đường dây), 2 MBA làm việc 310

2.4.1 Ngắn mạch phía I (điểm ngắn mạch N1, N1') 310

2.4.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2, N2') 343

2.4.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3, N3') 397

CHƯƠNG 3 411

LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ VÀ RƠLE ĐƯỢC SỬ DỤNG 411

3.1 Hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của MBA 411

3.2 Các yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ 422

3.2.1 Tác động nhanh 422

3.2.2 Tính chọn lọc 422

3.2.3 Yêu cầu về độ nhạy 433

3.2.4 Độ tin cậy 433

3.2.5 Tính kinh tế 433

3.3 Nguyên lý bảo vệ và các thông số chính của từng loại bảo vệ 433

3.3.1 Bảo vệ so lệch có hãm 433

3.3.2 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không 444

3.3.3 Bảo vệ bằng rơle khí (BUCHHOLZ) 455

3.3.4 Bảo vệ bằng rơle nhiệt 477

3.3.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 477

3.3.6 Bảo vệ quá dòng có thời gian 488

3.3.7 Bảo vệ quá dòng thứ tự không 49

3.3.8 Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch 49

3.3.9 Bảo vệ cảnh báo chạm đất 500

3.3.10.Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 500

3.4 Sơ đồ phương thức bảo vệ cho MBA 500

CHƯƠNG 4 52

GIỚI THIỆU TÍNH NĂNG VÀ THÔNG SỐ CÁC LOẠI RƠLE SỬ DỤNG 4.1 Rơ le bảo vệ so lệch SEL-387 52

4.1.1 Giới thiệu tổng quan về rơle SEL – 387 52

4.1.2 Giới thiệu về rơle SEL-387-6 56

4.2 Rơ le bảo vệ quá dòng SEL-451 66

4.2.1 Giới thiệu tổng quan về rơle SEL-451 66

4.2.2 Giới thiệu về rơle SEL- 451-5 67

CHƯƠNG 5 81

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ 81

5.1 Chọn máy cắt, máy biến dòng điện, máy biến điện áp 81

5.1.1 Máy cắt điện 81

5.1.2 Máy biến dòng điện 82

5.1.3 Máy biến điện áp 83

5.2 Tính toán thông số của bảo vệ 83

5.2.1 Bảo vệ so lệch có hãm 87T 83

5.2.2 Bảo vệ so lệch thứ tự không 87N 84

5.2.3 Bảo vệ quá dòng pha cắt nhanh 50 85

5.2.4 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh 50N 85

5.2.5 Bảo vệ quá dòng pha có thời gian 51 85

5.2.6 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian 51N 86

5.3 Kiểm tra sự làm việc của bảo vệ 86

5.3.1 Bảo vệ so lệch có hãm 87T 86

5.3.2 Bảo vệ so lệch thứ tự không 87N 91

5.3.3 Bảo vệ quá dòng 51 91

5.3.4 Bảo vệ quá dòng thứ tự không 51N 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

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 bảo vệ là trạm biến áp 220/110/35 kV có 2 máy biến áp (MBA) B1 và B2mắc song song với nhau Hai MBA được cấp từ một nguổn của hệ thống điện (HTĐ) qua đường dây kép D Phía trung áp 110kV và hạ áp 35kV cấp điện cho 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 chính

Hệ thống điện:

Hệ thống điện có trung tính nối đất

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: SN max = 1800 MVA Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu:

SN max = 0,8.SN max= 0,81800 = 1440 MVA

X0H = 1,25.X1HĐường dây:

Chiều dài đường dây: L = 70 km Điện kháng thứ tự thuận: X1D = 0,401 Ω/km Điện kháng thứ tự không: X0D = 2X1D

Máy biến áp:

Máy biến áp tự ngẫu 3 cuộn dây, có 3 cấp điện áp 230/121/38,5 kV

Công suất: 125/125/62,5 MVA

Tổ đấu dây: Yo- Auto-d11 (Yo -  - 11)

Giới hạn điều chỉnh điện áp ±10%

Điện áp ngắn mạch phần trăm các cuộn dây:

UN C T = 10,5

UN C H = 18

UN T H = 8

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE

Mục đích của việc tính toán ngắn mạch: Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn

mạch nhằm xác định các trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất (INM max) 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 (INM max) để kiểm tra độ nhạy của chúng

Phương pháp thực hiện: Ta xét tất cả các phương án ngắn mạch của hệ thống điện

 Chế độ làm việc: Công suất ngắn mạch lớn nhất (SN max) hoặc công suất ngắn mạch bé nhất (SN min)

 Cấu hình của lưới điện: đặc trưng bằng số phần tử làm việc song song

SN max: 2 máy biến áp (MBA), 2 đường dây làm việc song song

SN min: 1 MBA, 1 đường dây làm việc

- Vị trí điểm ngắn mạch:

Phía I: Vị trí điểm ngắn mạch N1, N1'

Phía II: Vị trí điểm ngắn mạch N2, N'2

Phía III: Vị trí điểm ngắn mạch N3, N3'

- Dạng ngắn mạch:

- Để xác định dòng điện ngắn mạch cực đại (INM max) ta xét các dạng ngắn mạch

ba pha đối xứng, ngắn mạch một pha, ngắn mạch hai pha chạm đất

- Để xác định dòng điện ngắn mạch cực tiểu (INM min) ta xét các dạng ngắn mạch hai pha, hai pha chạm đất và ngắn mạch một pha

Từ đó ta có các sơ đồ tính toán như sau:

Sơ đồ 1: SN max (2 đường dây song song), 1 MBA làm việc

1

N

' 1

N N2'

' 3

Sơ đồ 2: SN max (2 đường dây song song), 2 MBA làm việc

Sơ đồ 3: SN min (1 đường dây), 1 MBA làm việc

Sơ đồ 4: SN min (1 đường dây), 2 MBA làm việc

Giả thiết cơ bản để tính toán ngắn mạch

1) Tần số của hệ thống không đổi

Thực tế sau khi xảy ra ngắn mạch công suất của các máy phát thay đổi đột ngột, dẫn đến mất cân bằng mô men quay, tốc độ quay bị thay đổi trong quá trình quá

độ Tuy nhiên ngắn mạch được tính toán ở giai đoạn đầu nên sự biến thiên tốc độ còn chưa đáng kể Giả thiết tần số hệ thống không đổi không mắc sai số nhiều, đồng thời làm đơn giản đáng kể phép tính

2) Bỏ qua bão hòa từ

Để đơn giản ta coi mạch từ của các thiết bị điện không bão hòa, khi đó điện cảm của phần tử là hằng số và mạch điện là tuyến tính Thực tế cho thấy sai số mắc phải là không nhiều

3) Bỏ qua phụ tải trong tính toán ngắn mạch

Khi bỏ qua phụ tải trong tính toán ngắn mạch thì kết quả tính toán cho ta trị số dòng ngắn mạch lớn hơn, chấp nhận được để lựa chọn thiết bị

4) Bỏ qua các lượng nhỏ trong thông số của một số phần tử

Nói chung trong bài toán thiết kế đòi hỏi độ chính xác không cao ta có thể:

- Bỏ qua dung dẫn đường dây

- Bỏ qua mạch không tải của các MBA

- Bỏ qua điện trở MBA, đường dây

5) Hệ thống sức điện động 3 pha của nguồn là đối xứng

Khi ngắn mạch không đối xứng, phản ứng phần ứng các pha lên từ trường quay không hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên, từ trường vẫn được giả thiết quay đều với tốc độ không đổi Khi đó sức điện động 3 pha luôn đối xứng Thực tế hệ số không đối xứng của các sức điện động không đáng kể

Để cho việc tính toán đơn giản ta dùng hệ đơn vị tương đối cơ bản

IcbI = Scb

UcbI =

125 √3 = 0,328 kA Phía II: cấp điện áp 110 kVcó UcbII = UddII = 110 kV

IcbII = Scb

UcbII =

125 √3 = 0,656 kA Phía III: cấp điện áp 35 kVcó UcbIII = UdđIII = 35 kV

IcbIII = Scb

UcbIII =

125 √3 =2,062 kA

Tính thông số các phần tử trong hệ đơn vị tương đối cơ bản

- Cuộn cao:

XC = UN

C100

Scb

Sdđđ =

10,25100

Scb

Sdđđ =

0100

Scb

Sdđđ =

7, 5100

125

62 5 = 0,155

Sơ đồ thay thế của hệ thống

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Tính toán các phương án ngắn mạch

2.1 Sơ đồ 1: S N max (2 đường dây song song), 1 MBA làm việc

2.1.1 Ngắn mạch phía I (điểm ngắn mạch N 1 , N 1 )

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Đổi sang hệ đơn vị có tên:

X0D

N1'

I1 = E

X1 X =

10,10625 0,046 = 6,57

I0B = U0N

XC XH =

0,3020,1025 0,155 = 1,1728

Phân bố dòng điện đi qua các BI

X1 X2 X0 =

10,10625 0,10625 0,0812 = 3,4048 Lại có

I0B = U0N

XC XH =

0,27620,1025 0,155 = 1,074

Phân bố dòng điện đi qua các BI

IBI1 = I1BI1 I2BI2 I0BI1= 3,4048 3,4048 1,7317 = 8,5413

Đổi sang hệ đơn vị có tên:

IBI1 8,5413×0,328=2,802kA

Dòng điện qua BI4:

IBI4 = 1,05 kA

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

2.1.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N 2 , N 2 )

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

X0D

I1 = E

X1 X =

10,20875 0,0664 = 3,634

I2 = I1 X0

X2 X0 = 3,634

0,09740,20875 0,0974 = 1,16

I0 = I1 X2

X2 X0 = 3,634

0,208750,20875 0,0974 = 2,48 Điện áp thứ tự không:

Dòng qua BI2:

I1BI2 = I1 = 3,634

I2BI2 = I2 = -1,19

Đổi sang hệ đơn vị có tên: IBI2 5,5725×0,656=3,656kA

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không

I0ch = I0T.IcbII I0C.Icb I = 1,943 0,656 0,7 0,3 = 1,038 kADòng điện qua dây trung tính của MBA:

2.1.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N 3 , N 3 )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toán dạng ngắn mạch 3 pha

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

X1D

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Phân bố dòng điện đi qua BI:

XC

- Khi ngắn mạch tại N1' : IBI

1 = 8,13 Đổi sang đơn vị có tên:

I0 = I1 X2

X2 X0 = 5,592

0,1230,123 0,07 4 = 3,538 Điện áp thứ tự không:

I0B = U0N

X0B =

0,2530,129 = 1,961

Phân bố dòng điện đi qua các BI

- Ngắn mạch tại N1'

Dòng điện qua BI1:

IBI1 = |a2.İ1 a.İ2 İ0H İ0B

2 | = |( 1

Đổi sang hệ đơn vị có tên:

I0B = U0N

X0B =

0,2250,129 = 1,744 Dòng thứ tự không chạy qua cuộn cao mỗi MBA:

I0C = I0B

2 =

1,744

2 = 0,872 Dòng điện chạy qua trung tính mỗi MBA:

IBI1 = I1BI1 I2BI1 I0BI1= 3,1506 3,1506 2,278 =

Đổi sang hệ đơn vị có tên:

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

X0 = (X0H XC

2 ) // XH

2 =

(0,16 0,051) 0,0780,1 0,051 0,078 = 0,056

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

I1 = E

X1 X =

10,158 0,041 = 5,025

I2 = I1 X0

X2 X0 = 5,025

0,0560,158 0,056 = 1,315

I0 = I1 X2

X2 X0 = 5,025

0,1580,158 0,056 = 3,71 Điện áp thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía 220kV của MBA:

I0C = I0H

2 =

0,987

2 = 0,4935 Dòng điện thứ tự không qua cuộn chung của MBA trong hệ đơn vị có tên:

0,087 0,145

2 0,1025

2 = 0,712 Dòng thứ tự không chạy qua phía 220kV của mỗi MBA:

I0C = I0H

2 =

0,712

2 = 0,356 Dòng thứ tự không chạy qua phía 110 kVcủa mỗi MBA:

I0T = I0

2 =

2,688

2 = 1,344 Dòng thứ tự không qua cuộn chung MBA

IBI4

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không

2.2.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N 3 , N 3 )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toán dạng ngắn mạch 3 pha

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

Bảng 2.2 Bảng tổng kết tính ngắn mạch cho sơ đồ 2

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

IN(3) = E

X1E =

10,16 = 6,25 Dòng ngắn mạch 2 pha:

IN(2) = √3

2 IN

(3) = √3

I1 = E

X1 X =

10,16 0,064 = 4,464

Phân bố dòng điện đi qua các BI

I0 = I1 = I2 = 2,345

I0B = U0N

XC XH =

0,250,1025 0,155 = 0,971

Phân bố dòng điện đi qua các BI

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

IN(2) = √3

2 IN

(3) = √3

I1 = E

X1 X =

10,3345 0,082 = 2,401

N2

N2'0,109

I2 = I1 X0

X2 X0 = 2,401

0,1080,334 0,108 = 0,586

I0 = I1 X2

X2 X0 = 2,401

0,33450,3345 0,108 = 1, Điện áp thứ tự không:

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không

IBI1 = 0,972kA

IBI4 = I0MBA = kA

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

2.3.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N 3 , N 3 )

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính toán dạng ngắn mạch 2 pha

IN(2) = √3

2 IN

(3) = √3

X1D

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

XH0,1025

XC

I1 = E

X1 X =

10,16 0,056 = 4,63

I2 = I1 X0

X2 X0 = 4,63

0,0860,1 0,08 = 1,6

I0 = I1 X2

X2 X0 = 4,63

0,160,16 0,086= 3,011 Điện áp thứ tự không:

I0B = U0N

X0B =

0,2590,129 = 2,008

Phân bố dòng điện đi qua các BI

- Ngắn mạch tại N1'

Dòng điện qua BI1:

IBI1 = |a2.İ1 a.İ2 İ0H İ0B

2 | = |( 1