Đồ án tốt nghiệp tran ngoc truong

Việc hiểu biết 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 nhằm phát hiện đúng và nhanh chóng cách ly

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là nguồn năng lượng rất quan trọng đối với cuộc sống con người Nó 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 Chính vì thế khi thiết kế hay vận hành bất cứ một hệ thống điện nào cũng cần phải quan tâm đến khả năng phát sinh hư hỏng và tình trạng làm việc bình thường của chúng Hệ thống điện là một mạng lưới phức tạp gồm rất nhiều phần tử cùng vận hành nên hiện tượng sự cố xảy

ra rất khó có thể biết trước Vì vậy, để đảm bảo cho lưới điện vận hành an toàn, ổn định thì không thể thiếu các thiết bị bảo vệ, tự động hoá Hệ thống bảo vệ rơle có nhiệm vụ ngăn ngừa sự cố hạn chế tối đa các thiệt hại do sự cố gây nên và duy trì khả năng làm việc liên tục của hệ thống Việc hiểu biết 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 nhằm phát hiện đúng và nhanh chóng cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống, cảnh báo và xử lý khắc phục chế độ không bình thường là mảng kiến thức quan trọng của kỹ sư ngành hệ thống điện

Vì lý do đó, em đã chọn đề tài tốt nghiệp: Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến

áp 220/110/35 kV-2×100 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

Trong thời gian qua, nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo T.S Vũ Thị Thu

Nga, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình Tuy nhiên, với khả năng và trình

độ còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn T.S Vũ Thị Thu Nga và các thầy cô giáo trong bộ

môn Hệ thống điện đã trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành cần thiết trước khi tiếp nhận kiển thức thực tế khi trở thành một kỹ sư

Hà Nội, ngày tháng năm 2014Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Trường

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 B2 mắc 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

1.1.1 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 = 1700 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu:

SN max = 0,8.SN max= 0,81700 = 1360 MVA

' 3

HTÐ

Điện kháng thứ tự không: X0D = 2X1D

Máy biến áp:

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

Công suất: Sdđ B = 100 MVA; SIII = 0,5.Sdđ B = 50 MVA

Tổ đấu dây: Yo -  - 11

Giới hạn điều chỉnh điện áp ±15%

Điện áp ngắn mạch phần trăm các cuộn dây:

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 Min) để kiểm tra độ nhạy của chúng

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

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

Phía III: Vị trí điểm ngắn mạch N , 3 N '3

Thiếu nét vẽ đến MBA1 trong hình

 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

N1

' 2N

' 3

HTÐ

- 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

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

Sơ đồ 3: SN min (2 đường dây song song), 1 MBA làm việc

Sơ đồ 4: SN min (2 đường dây song song), 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 [2]

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

cb 1Hmin 2Hmin

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

E

0,059

X1H max 0,066

' 1

Đổi sang hệ đơn vị có tên:

- Khi ngắn mạch tại N : I1' BI12, 73 kA

Dòng qua các BI còn lại: IBI2 IBI3IBI4 0

0, 077X

22

I I I  ( 1,1).0, 251 0, 276 kA

I BI4 0B Cb

I 3.I I 3.( 1,1).0, 251 0,828 kA 

Dòng điện qua các BI còn lại bằng không

Đổi sang hệ đơn vị có tên: IBI1I I0B Icb 10,306.0, 2512,587 kA

Dòng điện qua BI4:IBI4 0,828 kA

0D 0Hmax

0, 077 X

2 2

I BI4 0B cb

BI1 1BI1 2BI1 0BI1

Đổi sang hệ đơn vị có tên: * I

BI1 BI1 cb

I  I I  9,526.0, 251 2,391 kA 

Dòng điện qua BI4:

I BI4 0B cb

I =3.I I  3.1,123.0, 251 0,846 kA 

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

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

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Ta có:

- Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch

1D 1Σ 2Σ 1Hmax C T

0, 077 0,115 / /0,195 0

20,111

0N 0H 0C

I =1,208 kA

I =I I =1,905.0,251=0,478 kA

I 2BI1 2Σ cb

I =I I =1,905.0,251=0,478 kA

I 0BI1 0H cb

- Ngắn mạch tại '

2

N : BI1

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

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

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

C H 0B

0H 0B 0Σ

- Khi ngắn mạch tại N : I1' BI12, 73 kA

Dòng qua các BI còn lại: IBI2 IBI3IBI4 0

2.2.1.2 Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1)

Điện kháng phụ:

2 0Σ Δ

0N 0Σ 0Σ

U   I X    ( 4,167).0, 074  0, 308

Phân bố dòng điện thứ tự không phía hệ thống và phía MBA:

0 H

0D 0Hmax

0, 077X

22

Dòng thứ tự không chạy qua cuộn cao mỗi MBA:

BI4

I = 0, 697 kA

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

2.2.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2, N ) '2

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Ta có:

Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch:

C T 1D

3

II N

Dòng qua các BI còn lại:IBI3=IBI4= 0

0D C 0Hmax

12

Đổi sang hệ đơn vị có tên: I =I I0C *0C Icb   0,584.0, 251 0,146 kA 

- Dòng điện thứ tự không qua cuộn chung của MBA trong hệ đơn vị có tên:

II I 0ch 0T cb 0C cb

- Dòng điện qua dây trung tính MBA:

0TT 0ch

I =3.I 3.( 0, 482)  1, 446 kA

Phân bố dòng điện đi qua các BI:

0D C 0H max

2.2.3 Ngắn mạch phía III (điểm ngắn mạch N3, N ) '3

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính

I N

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

E

0,074

X1H max 0,066

' 1 N

0, 096X

22

I I I  ( 1, 074).0, 251 0, 270 kA

I BI4 0B Cb

Đổi sang hệ đơn vị có tên: IBI1I I*BI1 Icb 8,880.0, 2512, 229 kA

Dòng điện qua BI4:IBI4 0,809 kA

0N 0H

0D 0Hmin

0, 096 X

2 2

I BI4 0B cb

I =3.I I  3.1, 068.0, 251 0,804 kA 

Dòng qua các BI còn lại bằng 0

2.3.2 Ngắn mạch phía II (điểm ngắn mạch N2,N'2 )

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

' 2 N

Ta có:

- Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch

1D 1Σ 2Σ 1Hmin C T

0, 096 0,115 / /0,195 0

20,114

N2

' 2N

Dòng điện qua dây trung tính của MBA:

I =I I =1,792.0,251=0,450 kA

I 2BI1 2Σ cb

I =I I =1,792.0,251=0,450 kA

I 0BI1 0H cb

0,066

X1D

0,066

X1D

Ta có:

Điện kháng ngắn mạch thứ tự thuận:

1D 1Σ 2Σ 1Hmin C H

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

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

1

N )

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

E

0,074

X1H min 0,066

' 1 N

C H 0B

Phân bố dòng điện đi qua BI:

- Khi ngắn mạch tại N1: IBI1IBI2 IBI3IBI4 0

XC

0, 096X

22

1BI1 1Σ

I = I = 3,413

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

- Sơ đồ thay thế thứ tự không

Ta có:

Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch:

C T 1D

0D 0H 0H min

BI1 cb

*(2)

II N

0D C 0H min

0D C 0H min

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

Do cuộn hạ áp của MBA nối tam giác nên trong trường hợp này ta chỉ cần tính

BI1 cb

*(2)

II N

 Các bảng tổng kết tính toán ngắn mạch Bảng 2-1 Giá trị dòng điện qua các BI khi NM phía 220kV

có 1 MBA

làm việc

N(1,1) -0,276 2,587 0 0 0 0 -0,828 -0,828 N(1) 0,282 2,391 0 0 0 0 0,846 0,846 Chế độ Max

có 2 MBA

làm việc

N(1,1) -0,125 2,591 0 0 0 0 -0,374 -0,374 N(1) 0,232 2,682 0 0 0 0 0,697 0,697 Chế độ Min

có 1 MBA

làm việc

N(1,1) -0,27 2,229 0 0 0 0 -0,809 -0,809 N(1) 0,268 2,082 0 0 0 0 0,804 0,804 Chế độ Min

có 2 MBA

làm việc

N(1,1) -0,124 2,248 0 0 0 0 -0,372 -0,372 N(1) 0,219 2,35 0 0 0 0 0,656 0,656

Bảng 2-2 Giá trị dòng điện qua các BI khi NM phía 110kV

Max có 1

MBA làm

việc

N(3) 1,213 1,213 2,425 0 0 0 0 0 N(1,1) 1,208 1,208 2,771 0 0 0 -2,757 -2,757 N(1) 1,161 1,161 2,869 0 0 0 2,253 2,253 Chế độ

Max có 2

MBA làm

việc

N(3) 0,837 0,837 1,673 0 0 0 0 0 N(1,1) 0,812 0,812 1,967 1,967 0 0 -1,446 -1,446 N(1) 0,799 0,799 2,057 2,057 0 0 1,718 1,718 Chế độ Min

có 1 MBA

làm việc

N(2) 0,979 0,979 1,958 0 0 0 0 0 N(1,1) 1,139 1,139 2,699 0 0 0 -3,01 -3,01 N(1) 1,082 1,082 2,699 0 0 0 2,152 2,152 Chế độ Min

có 2 MBA

làm việc

N(2) 0,659 0,659 1,317 1,317 0 0 0 0 N(1,1) 0,741 0,741 1,818 1,818 0 0 -1,355 -1,355 N(1) 0,729 0,729 1,893 1,893 0 0 1,599 1,599

Bảng 2-3 Giá trị dòng điện qua các BI khi NM phía 35 kV

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ VÀ RƠLE ĐƯỢC

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

Để lựa chọn phương thức bảo vệ hợp lý cho MBA, chúng ta cần phải phân tích những dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của nó

Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của MBA được phân ra làm hai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

Hư hỏng bên trong MBA bao gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây;

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây;

- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất;

- Hư hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp;

- Thùng dầu bị hỏng hoặc rò dầu

Hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài MBA bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống;

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống;

- Quá tải;

- Quá bão hòa mạch từ

Các loại bảo vệ thường dùng cho MBA

Tùy theo công suất của MBA, vị trí và vai trò của MBA trong hệ thống mà người ta có thể chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho MBA Những loại bảo vệ thường dùng để chống các sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp được cho trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Các loại bảo vệ thường dùng cho MBA

Ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha, sự cố

chạm đất

So lệch có hãm (bảo vệ chính)Khoảng cách (bảo vệ dự phòng)Quá dòng có thời gian

Quá dòng thứ tự khôngChạm đất các vòng dây

Thùng dầu thủng hoặc rò dầu

3.2 Các yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ

Trong quá trình vận hành, hệ thống điện (HTĐ) có thể rơi vào tình trạng sự cố

và chế độ làm việc không bình thường như: hư hỏng cách điện, ngắn mạch giữa các vòng dây, vỏ máy biến áp bị rò rỉ, mức dầu trong máy biến áp giảm quá mức cho phép

Phần lớn các sự cố xảy ra thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng cao và điện áp giảm xuống thấp quá mức cho phép dẫn đến phá hủy các thiết bị điện Do

đó sự cố cần được loại trừ nhanh chóng để đảm bảo không làm hư hỏng các phần tử còn tốt trong HTĐ và không gây nguy hiểm cho người vận hành Các thiết bị bảo vệ

có nhiệm vụ phát hiện và loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống càng nhanh càng tốt, nhằm ngăn chặn và hạn chế tối đa những hậu quả của sự cố

Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ cho các HTĐ là các rơle với các tính năng và nhiệm vụ khác nhau Khái niệm rơle được dùng chỉ một tổ hợp thiết bị nhằm thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ hệ thống Các rơle bảo vệ thường phải thỏa mãn các yêu cầu chung như sau: tác động nhanh, tính chọn lọc, yêu cầu về độ nhạy, độ tin cậy và tính kinh tế

3.2.2 Tính chọn lọc

Đây là khả năng phát hiện và cách ly đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ

thống.Cấu hình của HTĐ càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn Theo nguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân thành hai loại:

- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm việc 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 tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận

Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, phải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn

hệ thống

3.2.3 Yêu cầu về độ nhạy

Độ nhạy đặc trưng cho khă năng “cảm nhận” sự cố của hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy, tức là tỷ số giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó Tùy theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy đối với nó cũng khác nhau Các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy trong khoảng từ 1,5 đến 2, các bảo vệ dự phòng từ 1,2 đến 1,5

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

3.3.1 Bảo vệ so lệch có hãm

Đối với MBA công suất lớn làm việc ở lưới cao áp, bảo vệ so lệch (87T- ΔI) được dùng làm bảo vệ chính có nhiệm vụ chống ngắn mạch trong các cuộn dây và đầu ra của MBA

Bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dòng điện ở các đầu của phần tử bảo vệ Bảo vệ sẽ tác động đưa tín hiệu đi cắt các máy cắt khi sự cố xảy ra

trong vùng bảo vệ (vùng bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI mắc vào mạch so lệch)

Một đặc điểm của so lệch MBA là dòng điện từ hóa của MBA sẽ tạo nên dòng điện không cân bằng chạy qua rơle Trị số quá độ của dòng điện không cân bằng này có thể rất lớn trong chế độ đóng MBA không tải hoặc cắt ngắn mạch ngoài Vì vậy, để hãm bảo vệ so lệch của MBA người ta sử dụng dòng điện từ hóa của MBA Nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng điện có hãm cho MBA tự ngẫu được mô tả trên hình sau:

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm dùng cho MBA tự ngẫu

Với nguồn cung cấp từ phía 1, còn phụ tải ở phía 2 và 3 Bỏ qua dòng điện kích

từ của MBA, dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng: