bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Quang Thuấn Nguyễn Văn Hùng...  Cung cấp điện thường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn:

Nguyễn Quang Thuấn Nguyễn Văn Hùng

L ỜI MỞ ĐẦU

Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới hai thầy giáo

đã trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tập này Thầy Nguyễn Quang Thuấn và Thầy Nguyễn Văn Hùng

Năng lượng nói chung điện năng nói riêng đóng vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển của đất nước, trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa,đồng thời điện năng được xem là nguồn năng lượng sạch Trong tất cả các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt của nhân dân đều cần đến điện Đều đó dẫn đến ngành công nghiệp điện phải phát triển đi trước một bước

Quá trình điện năng xảy ra rất nhanh Do đó đòi hỏi các thiết bị trong quá trình vận hành và điều khiển phải đáp ứng nhanh

Ngành công nghiệp điện có liên quan đến hầu hết các ngành kinh tế quốc dân Đó là động lực để thúc đẩy sự phát triển của đất nước

Việc thiết kế mạng phân phối đòi hỏi phải đảm bảo một số yêu cầu:

 Đảm bảo độ bền cơ học cho đường dây để làm việc vững chắc và an toàn

 Cung cấp điện thường xuyên và liên tục

 Điện năng cung cấp có chất lượng tốt, độ lệch điện áp nằm trong giới hạn cho phép

 Giới hạn vị trí sử dụng để sữa chữa bằng các thiết bị bảo vệ có tính chất chọn lọc

 Hiệu suất cao

 Bảo đảm điều kiện kinh tế, vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành là ít nhất

 Có khả năng phát triển trong tương lai

Môn học “Bảo vệ rơle và Tự động hóa Hệ thống điện” thuộc khoa Điện – Trường ĐHCN Hà Nội Cung cấp cho ta cái nhìn chi tiết về bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện, các dạng sự cố trong hệ thống và cách khắc phục những sự cố đó Nhằm đảm bảo việc cung cấp điện thường xuyên và liên tục Trong quá trình học tập, chúng em đã được các thầy hướng dẫn chỉ dạy rất tận tình Ngoài ra các thầy đã giới thiệu cho chúng em những giáo trình tham khảo rất bổ ích cho quá trình học tập và nghiên cứu Do trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bài tập này không khỏi có những thiếu sót Chúng em mong có được giúp đỡ chỉ bảo của các thầy để em bài tập của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em một lần nữa xin được gửi lời cảm ơn tới hai Thầy giáo:

Thầy Nguyễn Quang Thuấn và Thầy Nguyễn Văn Hùng đã hướng dẫn chúng em hoàn thành bài tập này

Tài liệu học tập:

- Nguyễn Quang Thuấn

Đề cương bài giảng môn học: Bảo Vệ Rơle và Tự Động Hóa, Khoa Điện – ĐHCN HN Tài liệu tham khảo:

- GS Trần Đình Long

Bảo vệ các hệ thống điện, NXBKHKT 2003

- Lê Kim Hùng – Đoàn Ngọc Minh Tú

Bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện, NXBGD 1998

- TS Trần Quang Khánh

Bảo vệ rơle và Tự động hóa hệ thống điện, NXBGD 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

………

BÀI TẬP LỚN 2

Môn học: Bảo vệ rơle và Tự động hóa Hệ thống điện

Họ và Tên: Nguyễn Văn Ly

Nguyễn Trần Nghĩa

Nguyễn Văn Toàn

Lớp: CĐ KTĐ 8– K12

I.Đề bài: Tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện hình tia như hình vẽ (Trang 2).

II Số liệu: Trang 2

III Nội dung:

1 Chọn các máy biến dòng cho các bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5

3 Tính toán các thông số đặt cho các bảo vệ 1, 2, 3 ,4 và 5, kiểm tra độ nhạy của các bảo

vệ và xác định vùng bảo vệ của các bảo vệ cắt nhanh

- Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 27 tháng 11 năm 2012.

- Ngày nộp và bảo vệ: Ngày tháng năm 2012.

Hà Nội, ngày 27 tháng 11 năm 2012

Giáo Viên Hướng Dẫn

Nguyễn Quang Thuấn

Nguyễn Văn Hùng

SƠ ĐỒ MẠNG ĐIỆN

HTĐ

B1

D1 1

A

2

D2

D3

115kV 24kV

0.4kV

3

PT

6kV

THÔNG SỐ BAN ĐẦU

1 Hệ thống: SNmax = 1000 MVA

SNmin = 0,7 SNmax = 700 MVA

2 Trạm biến áp:

- B1: Sđm = 2 x 30 MVA

U1/U2 = 115/24 kV

UN% = 10%

- B2: Sđm = 15 MVA

U1/U2 = 24/6 kV

UN% = 8,5%

- B3: Sđm = 3 MVA

U1/U2 = 24/0,4 kV

UN% = 5,5%

3 Đường dây: Khoảng cách giữa các dây: D = 2(m)

Đường dây Loại dây dẫn Chiều dài Z0 (Ω/km)

4 Phụ tải: Pđm = 5 MW; cosφ = 0,9

5 Giả thiết:

- Bào vệ đường dây D1 dùng bảo vệ cắt nhanh;

- Bảo vệ máy biến áp B2 dùng bảo vệ so lệch;

- Bảo vệ đường dây D2 và D3 dùng bảo vệ quá dòng có thời gian;

- Thời gian làm việc của bảo vệ 3 là t3 = 2s.

PHẦN BÀI TẬP

1 Chọn BI cho các bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5

1.1 Lý Thuyết

a, Khái niệm: Máy biến dòng BI (TI)

Máy biến dòng là một máy biến áp dùng để biến đổi dòng điện sơ cấp ở mọi cấp điện áp thành dòng điện có trị số bé (thường là 5A hoặc 1A) để cung cấp cho các thiết bị đo lường, bảo vệ rơle và tự động hóa

b, Công dụng:

Trong chế độ làm việc của mạng điện không thể tránh khỏi các sự cố như ngắn mạch, quá tải Khiến cho mạng điện làm việc không ổn định Nếu tình trạng này kéo dài có thể gây ra

hư hỏng cho các phần tử trong hệ thống, nguy hiểm cho con người, và có thể gây sập toàn

bộ hệ thống điện Do vậy cần phải phát hiện vị trí xảy ra sự cố càng nhanh càng tốt và cách

li nó ra khỏi hệ thống Để những phần tử khác vẫn có thể làm việc bình thường

Chỉ có những thiết bị tự động bảo vệ mới có thể thực hiện tốt những yêu cầu trên Thiết

bị này được gọi là bảo vệ rơle

Bảo vệ rơle sẽ theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử trong

hệ thống Nếu xảy ra sự cố, bảo vệ rơle phát hiện và cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện bằng máy cắt điện Nếu xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, bảo vệ rơle phát hiện tín hiệu và tùy theo yêu cầu sẽ cắt bỏ hoặc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường hay báo tín hiệu cho nhân viên trực

c, Cấu tạo:

BI thực chất là một máy biến áp làm việc trong chế độ ngắn mạch Gồm 1 mạch từ trên đó quấn cuộn dây sơ cấp và được mắc nối tiếp với với mạng điện Và 1 hay nhiều cuộn sơ cấp

để lấy tín hiệu ra cho các thiết bị đo lường, bảo vệ

Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng

d, Nguyên lý làm việc:

BI làm việc dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ, thông qua mạch từ lõi kép biến đổi dòng điện lớn phía sơ cấp thành dòng điện nhỏ bên thứ cấp cung cấp cho các phụ tải BI phải luôn làm việc trong chế độ ngắn mạch vì nếu mạch thứ cấp hở sẽ xuất hiện điệp áp rất cao gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành

e, Các thông số lựa chọn BI:

- Tỷ số biến dòng được xác định theo công thức:

nI =

Trong đó : Iscdđ : là dòng điện ở cuộn dây sơ cấp

Itcdđ : là dòng điện ở cuộn thứ cấp( thường lấy là 1A hoặc 5A)

- Sai số của BI:

+ Sai số về giá trị: ∆I%=

1

1 2

.

I

I I n

I 

+ Sai số về góc δi : là góc lệch pha giữa dòng sơ cấp và thứ cấp của BI

- Cấp chính xác: là sai số lớn nhất của BI làm việc trong điều kiện :

f = 50Hz Phụ tải thứ cấp biến thiên tứ 0.26 tới định mức

1.2 Bài Tập

Chọn Iscdđ = 5 (A)

Itcdđ = Ilvmax = kqt.Iđm

- Chọn tỷ số cho BI 1 :

Ta có

Iđm1 = Ipt + IB2 + IB3

Ipt =

 cos

3 đm

đm

U

P

= 35..2410.30,9 = 133,6 (A)

IB2scđm =

scdm B

đm B

U

S

2

2

24 3

10

15 3

= 360,8 (A)

IB3scđm =

scdm B

đm B

U

S

3

3

24 3

10

3 3

= 72,16 (A)

=> Iđm1 = 133,6 + 360,8 + 72,16 = 566,56 (A)

=> I1 lvmax = kqt.I1đm = 1,4.566,56 = 793,18 (A + Như vậy chọn I1scdd = 800 (A)

=> nI1 = = 160

- Chọn tỷ số cho BI 2 :

Ta có

I2đm = Ipt + IB3đm = 133,6 + 72,16 = 205,76 (A)

=> I2lvmax = 205,76.1,4 = 288 (A)

+ Như vậy chọn I2scdd = 300(A)

=> nI 2 = = 60

- Chọn tỷ số cho BI 3 :

Ta có

I3đm = Ipt = 133,6 (A)

=> I3lvmax = 1,4.133.6 = 187,04 (A)

+ Như vậy chọn I3scdd = 200 (A)

=> nI3 = = 40

- Chọn tỷ số cho BI 4 :

Ta có

I4đm = IB2scdm = 360,8 (A)

=> I4 lvmax = 1,4.360.5 = 505.12 (A)

+ Như vậy chọn I4scdm = 550 (A)

=> nI4 = = 110

- Chọn tỷ số cho BI 5 :

Ta có

I5đm = IB2tcdm =

tcdm B

đm B

U

S

2

2

6 3

10

15 3

= 1443,37 (A)

=> I5 lvmax = 1,4.1443,37 = 2020,7 (A)

+ Như vậy chọn I5scdm = 2500 (A)

=> nI5 = = 500

2 Tính toán ngắn mạch.

2.1 Lý thuyết

2.1.1Khái niệm

Ngắn mạch là chỉ hiện tượng các dây pha dẫn chạm nhau, chạm đất hoặc chạm dây trung tính

Khi xảy ra ngắn mạch : tổng trở của mạch nhỏ đi ( do mạch điện bị ngắn lại) Dòng điện tăng nhanh (gọi là điện ngắn mạch)

Ký hiệu và xác suất các loại ngắn mạch được trình bày bảng trên :

3 pha 5

2 pha 10

2 pha –đất 20

1 pha 65

2.1.2 Hậu quả và mục đích tính toán của NM

+ Hậu quả của ngắn mạch:

- Phát nóng cục bộ gây cháy nổ

- Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần tử của thiết bị điện làm biến dạng hoặc gây vỡ các phần tử này (Ví dụ: sứ đỡ, thanh dẫn biến dạng …)

- Gây sụt áp trên lưới điện, làm động cơ ngừng quay

- Gây mất ổn định hệ thống điện do các máy phát điện bị mất cân bằng công suất quay theo những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ

- Tạo ra các thành phần dòng không đối xứng gây nhiễu của đường dây thông tin ở gần

- Làm gián đoạn hệ thống điện do nhiều phần tử bị cắt ra để loại trừ ngắn mạch Đây cũng là hậu quả nặng nề nhất Nếu sự cố không được loại bỏ nó có thể gây sập toàn bộ hệ thống

+ Mục đích của việc tính toán ngắn mạch:

- Để lựa chọn các phần tử trong hệ thống điện đảm bảo chịu đựng được trong thời gian tồn tại ngắn mạch

- Để tính toán hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ ( Cầu chì, Attomat, rơle, )

- Lựa chọn tối ưu sơ đồ (có dòng ngắn mạch nhỏ) giảm đáng kể về chi phí đầu tư xây

- Lựa chọn các thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch (kháng điện, máy biến áp nhiều dây quấn)

2.1.3 Dòng điện ngắn mạch

Thường được dùng làm căn cứ để lựa chọn, chỉnh định cho các phần tử bảo vệ trong hệ thống điện

2.2 Tính toán ngắn mạch.

Tính toán ngắn mạch trong hệ có tên

Chọn điện áp cơ sở là 115 kV

Sơ đồ thay thế

Pt

Xd3 Xd2

HTĐ

Điện kháng hệ thống X ht :

HT

max

2

N

đm S

U

=

1000

115 05 ,

= 13,88 ()

Điện kháng MBA B1 X B1 :

X B1 =

100

%

N U

đm

đm S

U

1

2

=10010

30 2

115 2

= 22,04 ()

Điện kháng đường dây D1 X D1 :

Ta có x o= 0,371 (/km)

1

D

1

1

k l

2 24

115











Điện kháng đường dây D2 X D2 :

Ta có x o= 0,382 (/km)

2

D

1

2 l k

24

115











Điện kháng đường dây D3 X D3 :

Ta có x o= 0,382 (/km)

3

D

X = 2

1

3

k l

2 24

115











Điện kháng MBA B2 X B2 :

2

B

100

%

N U

đm

đm S

U

2

2

2 1

k =

100

5 , 8

15

24 2

2 24

115











- Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N1: N N(31)

Sơ đồ

N1 HTĐ

Xd1 Xb1

Xht

)

3

(

) 115

(

1 kV

N

= = 0,228 (kA)

)

3

(

) 24

(

1 kV

N

) 115 (

1 kV N

24

115

= 1,092 (kA)

- Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N2: ( 3 )

2

N N

Sơ đồ

HTĐ

Xd2 Xd1

Xb1 Xht

N2

)

3

(

) 115

(

2 kV

N

= = 0,142 (kA)

)

3

(

) 24

(

2 kV

N

) 115 (

2 kV N

24

115

= 0,68 (kA)

- Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N3: ( 3 )

3

N I

Sơ đồ

Pt HTĐ

Xd3 Xd2

Xd1 Xb1

Xht

N3

)

3

(

) 115

(

3 kV

N

= = 0,119 (kA)

)

3

(

) 24

(

3 kV

N

) 115 (

3 kV N

- Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N4: ( 3 )

4

N I

Sơ đồ

HTĐ

Xb2 Xd1

Xb1 Xht

N4

) 3 (

) 115 (

4 kV N

= = 0,181 (kA)

) 3 (

) 24 (

4 kV N

) 115 (

4 kV N

) 3 (

) 6 (

4 kV N

) 115 (

4 kV N

I k1 k2= 0,181 11524 246 = 3,468 (kA)

Bảng tổng kết

) 3 ( ) 115 ( kV N

) 24 ( kV N

) 6

( kV

N

3 Tính toán các thông số đặt cho các bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5, kiểm tra độ nhạy cho các bảo vệ và xác định vùng bảo vệ của các bảo vệ cắt nhanh.

3.1 Tính toán chỉnh định cho bảo vệ cắt nhanh của đường dây D1.

BVQD cắt nhanh I>> (50) là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng cách sử dụng dòng khởi động (I KĐ) lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất ngoài vùng bảo vệ qua chỗ đặt bảo vệ

Tính toán

Dòng khởi động I KĐ K at I Nngmax

Trong đó:

I Nngmax- dòng NM ngoài vùng bảo vệ lớn nhất ( tính theo N( 3 ) trên thanh cái ở cuối phần tử được bảo vệ )

K at - hệ số an toàn ( thường lấy K at  1  , 2 1 , 3)

Thông số tính toán:

Ta chọn K at  1 , 3

Ta có INngmax = ( 3 )

) 24 (

1 kV N

Dòng khởi động

max

Nng

at

Dòng khởi động của rơle:

I

sđ KĐ KDR

n

k I

Trong đó: n I - tỷ số biến đổi của BI

k sđ- chọn k sđ  1 Tính dòng khởi động của rơle 1:

1

.

I

sđ KĐ

k I

160

1 296

= 1,85 (A)

Vùng tác động











 HTBV

KĐ ptBV

Z I

E

100















 13 , 88 22 , 04 255 , 5 296

10 115 05 , 1 5 255

= 45,6%

3.2 Tính toán chỉnh định cho bảo vệ so lệch bảo vệ máy biến áp B2

- Tính toán chọn BI 4 và 5 như trên ta có

+ Chọn tỷ số cho BI 4 :

Ta có

I4đm = IB2scdm = 360,8 (A)

=> I4 lvmax = 1,4.360.5 = 505.12 (A)

Như vậy chọn I4scdm = 550 (A)

=> nI4 = = 110

+ Chọn tỷ số cho BI 5 :

Ta có

I5đm = IB2tcdm =

tcdm B

đm B

U

S

2

2

6 3

10

15 3

= 1443,37 (A)

=> I5 lvmax = 1,4.1443,37 = 2020,7 (A)

Như vậy chọn I5scdm = 2500 (A)

=> nI5 = = 500

- Chọn sơ đồ nối dây cho các BI:

ksđ = (Theo đề ra)

- Dòng thứ cấp của các BI 4 và 5:

Itc4 =

4

n

I đm

=

110

3 12 , 505

= 7,95 (A)

Itc5 =

5

n

I đm

=

500

3 37 , 1443

= 4,99998 (A) ≈ 5(A) Nhận thấy dòng thứ cấp của 2 BI chênh lệch nhau quá lớn

Nên cần chọn lại BI 1: nI4 = = 110 bằng nI4 = = 180

Và dòng thứ cấp Itc4 lúc này bằng: Itc4 =

180

3 12 ,

- Sự chênh lệch dòng điện thứ cấp của BI:

S2i =

4

5 4

tc

tc tc

I

I

I 

= 5  54,86 = 0,028

- Dòng không cân bằng trực tiếp lớn nhất: I kcbttmax

max 2

max

kcbtt K K f s s I

I    

Trong đó: I kckttmax- dòng không cân bằng tính toán lớn nhất tương ứng với dòng ngắn mạch ngoài cực đại

K đn- hệ số đồng nhất của các BI, thường K đn  0  1

K đn  0 khi các BI hoàn toàn giống nhau va dòng điện qua cuộn sơ cấp của chúng bằng nhau

K đn  1 khi các BI khác nhau nhiều nhất

f , max- sai số lớn nhất cho phép của BI, f i,max  10 %

s2i - sai số tương đối do sự chênh lệch các dòng điện thứ cấp của các BI

Số liệu tính toán

Chọn k kck  1; k đn  1, f i,max  0 , 1, s2i = 0,028, k at  1 25

Ta có dòng ngắn mạch tại điểm ( 3 )

4

N (6kV) = 3,468 (kA)

Ikcbttmax = (1.1.0,1 + 0,1 + 0,028).3468 = 790,7 (A)

- Dòng khởi động của bảo vệ: ∆IKĐ = kat Ikcbttmax = 1,25.790,7 = 988 (A)

- Độ nhạy của bảo vệ:

knh =

KĐ

Nmin

I

I

988 2

3468 3

= 3 > knhyc (knhyc = 2) Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết

3.3 Tính toán chỉnh định dùng bảo vệ quá dòng có thời gian cho đường dây

D2 và D3.

BVQD có thời gian I > ( 51) là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng khoảng cách chỉnh định thời gian tác động

BVQD có thời gian được đặt càng gần nguồn thì có thời gian tác động càng lớn

Xác định dòng khởi động I KĐ:

tv

mm at

k

k k

Trong đó:

k at- hệ số an toàn, tính đến khả năng tác động thiếu chính xác của BV

1 , 1



at

2 , 1



at

k mm- hệ số mở máy của phụ tải ĐC có dòng điện chạy qua chỗ đặt BV (k mm  2  4)

I lvmax- dòng điện làm việc lớn nhất có thể chạy qua chỗ đặt bảo vệ

KĐ

tv tv

I

I

k  : hệ số trở về ( với I tv k at.k mm.I lvmax)

k tv  1 với rơle tĩnh và rơle số

k tv  0 , 85  0 , 9 đối với rơle điện cơ

I Nmin- dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất chạy qua chỗ đặt bảo vệ

Thông số tính toán trong bài:

Chọn k at  1 , 3; k mm  2; I tv  1

Theo tính toán trước ta có:

I2lvmax= 288 (A)

I3lvmax = 187,04 (A)

)

3

(

) 24 (

2 kV

N

)

3

(

) 24 (

3 kV

N

∆t = 0,25s (theo yêu cầu)

t3 = 2s (theo yêu cầu)

+ Tính toán chỉnh định cho bảo vệ 3:

- Dòng khởi động:

) ( 24 , 487 4 , 187 1

2 3 , 1

.

max 3

k

k k

tv

mm at

- Kiểm tra độ nhạy:

knh =

2

min

KĐ

N

I

I

=

2

) 3 ( 2

2

3

KĐ

N I

I

= 2

3 487570,24 = 1 < knhyc = 1,5 Vậy độ nhạy của Rơle không đạt yêu cầu

- Thời gian tác động của bảo vệ t3: 2 (giây)

+ Tính toán chỉnh định cho bảo vệ 2:

- Dòng khởi động:

) ( 8 , 748 288 1

2 3 , 1

.

max 2

k

k k

tv

mm at

- Kiểm tra độ nhạy:

knh =

2

min

KĐ

N

I

I

=

2

) 3 ( 2

2

3

KĐ

N I

I

= 2

3 748680,8 = 0,78 < knhyc = 1,5 Vậy độ nhạy của Rơle không đạt yêu cầu

- Thời gian tác động của t2: t3 + ∆t = 2+0,25 =2,25 (giây)