Tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện hình tia như hình vẽ

BI là thiết bị có tác dụng cách ly phần sơ cấp và thứ cấp, có nhiệm vụ dung để biến đổi dòng điện từ trị số lớn xuống trị số nhỏ hơn để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ, tự động

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 Hoàng Hải

Nguyễn Đình Nhân Trịnh Thế Văn

I ĐẦU ĐỀ

Tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện hình tia như hình vẽ

II SỐ LIỆU BAN ĐẦU

SƠ ĐỒ MẠNG ĐIỆN

Pt

6 115kV B1 24kV

D3 D2

D1

0,4kV

6kV 5 4

C

B

A

3 2

1

SỐ LIỆU BAN ĐẦU

1 Hệ thống:

max

N

S = 300 MVA

min

N

S = 0,7SN max

2 Trạm biến áp:

- B1: S đm= 2 x 30 MVA

1

U /U2= 115/24 kV

%

N

- B2: S đm= 10 MVA

1

U /U2= 24/6 kV

%

N

U = 10,5%

- B3: S đm= 2 MVA

1

U /U2= 24/0,4 kV

%

N

U = 8,5%

3 Đường dây:

- D1: L1= 20 km; AC-95

- D2: L2 = 15 km; AC-75

- D3: L3 = 15km; AC-75

4 Phụ tải:

đm

P = 4 MW, cosϕ = 0,85

5 Giả thiết:

- Bảo 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 = 1,5s

III NỘi DUNG:

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

2 Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơle

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

IV NỘi DUNG TÍNH TOÁN:

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

+Lý thuyết:

a, Định nghĩa BI – Máy biến dòng

BI là thiết bị có tác dụng cách ly phần sơ cấp và thứ cấp, có nhiệm vụ dung để biến đổi dòng điện từ trị số lớn xuống trị số nhỏ hơn để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ, tự động…

Thường BI có dòng định mức thứ cấp là 1.5A hoặc 10A

b, Cấu tạo

BI thực chất là 1 MBA làm việc ở chế độ NM Gồm 1 mạch từ trên đó quấn cuộn dây sơ cấp nối tiếp với mạng điện cao thế, và một hay vài cuộn thứ cấp để lấy tín hiệu ra cung cấp cho các thiết bị đo lường, bảo vệ

c, Nguyên lý làm việc

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, thông qua mạch từ lõi kép biến đổi dòng điện lớn phía cao áp sang dòng điện nhỏ cung cấp cho các phụ tải thứ cấp Tổng trở mạc ngoài của BI rất bé lên có thể xem như BI luôn làm việc trong chế độ ngắn mạch

d, Các thông số để lựa chọn BI

Tỷ số biến đổi dòng điện :

= với , là dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp của BI Sai số của BI :

+ Về giá trị : ΔI % = .100

+ Sai số góc : là góc lệch pha giữa dòng điện sơ cấp và

thứ cấp của BI ( có thể âm hoặc dương) + Cấp chính xác : là sai số lớn nhất về giá trị dòng điện khi

BI làm việc trong điều kiện :

• f = 50HZ

• phụ tải thứ cấp biến thiên từ 0.25 đến định mức

+Tính toán:

Tỷ số biến đổi của các máy biến dòng được chọn theo công thức:

I

n =

TCDĐ

SCDĐ

I

I

(1.1) Trong đó:

SCDĐ

I - dòng sơ cấp danh định (A)

TCDĐ

I - dòng thứ cấp danh định (A) Chọn I TCDĐ = 5 A

Dòng I SCDĐ= I lvmax= k qt.I đm

Trong đó:

max

lv

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

đm

I - dòng định mức của phụ tải

qt

k - hệ số quá tải (k qt = 1,4) Dòng định mức I đm =

đm

đm

U

S

3

• Chọn tỷ số biến đổi của BI4 và BI5

Tính dòng định mức của hai phía MBA 2:

- Chọn tỷ số biến đổi của BI4:

đm

I4 =

đm

đm

B

U

S

4

2

24 3

10

10 3

= 240,56 A

max

4lv

I = 1,4.240,56 = 336,78 A

Như vậy ta chọn I4SCDĐ= 400 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI4 là n I4=

5

400

=80

- Chọn tỷ số biến đổi của BI5:

đm

I5 =

đm

đm

B

U

S

5

2

3 =

6 3

10

10 3

= 962,25A

max

5lv

I = 1,4.962,25 = 1347,15 A

Như vậy ta chọn chọn I5SCDĐ= 1500 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI5 là n I5=

5

1500

= 300

• Chọn tỷ số biến đổi của BI6:

đm

I6 =

đm

đm

B

U

S

6

3

3 =

24 3

10

2 3

= 48,11A

max

6lv

I = 1,4.48,11 = 67,35 A

Như vậy ta chọn chọn I6SCDĐ= 120 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI6 là n I6=

5

120

= 24

• Chọn tỷ số biến đổi của BI3:

Tính toán dòng điện phụ tải:

3

pt

I = 3 3đm.cosϕ

đm

U

P

=

85 , 0 24 3

10

4 3

= 113,21 A

3

max

lv

I = 1,4 I pt3= 1,4.113,21 = 158,49A

Như vậy ta chọn I3SCDĐ = 150A

Vậy tỷ số biến đổi của BI3 là n I3 =

5

150

= 30

• Chọn tỷ số biến đổi của BI2:

Ta có:

2

pt

I = I pt3+ I6đm = 113,21 + 48,11 = 161,32 A

I lvmax 2= 1,4 I pt2= 1,4.161,32 = 225,85 A

Như vậy ta chọn I2SCDĐ = 300 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI2 là n I2 =

5

300

= 60

• Chọn tỷ số biến đổi của BI1:

Ta có:

1

pt

I = I pt+ I pt3+ I6đm = 161,32 + 113,21 + 48,11 = 322,64 A

1

max

lv

I = 1,4 I pt1= 1,4.358,16 = 451,7 A

Như vậy ta chọn I1SCDĐ = 600 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI1 là n I1 =

5

600

= 120

2 Tính toán ngắn mạch bảo vệ rơle

+Lý thuyết:

+ NM là chỉ hiện tượng các dây pha dẫn chạm nhau, chạm đất hoặc chạm dây trung tính

+ Khi xảy ra NM : tổng trở của mạch nhỏ đi ( do mạch điện bị ngắn lại)

 Dòng điện lớn lên (gọi là điện NM)

+ Ký hiệu và xác suất các loại NM được trình bày bảng trên :

Dạng ngắn mạch Hình vẽ quy ước Ký hiệu Xác suất xảy ra

%

+ Hậu quả của ngắn mạch

 Phát song cục bộ gây cháy nổ

 Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần tử của TBĐ làm biến dạng hoặc gây vỡ các phần tử này (VD : sứ đỡ, than dẫn biến dạng …)

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

 Gây mất ổn định HTĐ do các MFĐ 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

ĐD thông tin ở gần

 Làm gián đoạn HTĐ do nhiều phần tử bị cắt ra để loại trừ NM

* Trong các dạng NM, thì pha gây hậu quả nặng nề nhất

=> dung làm căn cứ để lựa chọn, chỉnh định phần tử bảo vệ trong HTĐ Xét một mạch điện đối xứng đơn giản như hình vẽ :

= sin Ʊt

= sin (Ʊt - )

sin (Ʊt + )

Thông số L, R, R’, L’ đặc trưng cho phần mạch từ điểm NM đến nguồn và đặc trưng cho phụ tải các pha

Vì mạch 3 pha đối xứng nên khi xảy ra từ chỗ NM trở về nguồn cũng đối xứng Ta có thể tách pha A để nghên cứu :

= sin (Ʊt - ) + A

= sin(Ʊt - ) + A.

= +

Nhận xét dòng điện NM gồm 2 thành phần : thành phần dòng điện chu kỳ

và thành phần dòng điện không chu kỳ

- Thành phần dòng điện chu kỳ xác định ở chế độ xác lập

- Thành phần không chu kỳ mang tính ngẫu nhiên

- Giá trị cực đại cảu dòng điện NM gọi là dòng điện xung kích

nằm trong phạm vi : 1 ≤ ≤ 2 phụ thuộc

= 1 khi L = 0 – mạch có tính thuần trở

= 2 khi R = 0 – mạch có tính thuần cảm

* Các bước để tính toán ngắn mạch 3 pha :

: vẽ sơ đồ thay thế và xác định các thông số tong sơ đồ thay thế

: tính tổng ngắn mạch từ nguồn (MF và HT) đến điểm NM quan tâm

=

: Tính dòng ngắn mạch quan tâm =

+Tính toán:

• Sơ đồ thay thế cho hệ thống:

Pt

Xd3 Xd2

HTĐ

Tính trong hệ có tên: Chọn điện áp cơ sở là 115kV

• Điện kháng hệ thống:

max

2

N

đm

S

U

= 380

115 05 ,

= 36,54Ω

• Điện kháng MBA B1 (quy về cấp cơ sở):

Hai máy biến áp làm việc song song

Ta có X B1=

100

%

N

U

đm

đm

S

U

1

2

= 100

10 30 2

1152

= 22,04Ω

• Đường dây D1 (qui đổi về cấp cơ sở):

Với đường dây D1: L1= 20 km; AC-95

Ta có x o= 0,385 (Ω/km)

1

D

1

1

k l

x o = 0,385.20

2

24

115











 = 176,79Ω

• Đường dây D2 (qui về phía cơ sở):

Với đường dây D2: L2= 15 km; AC-70

Ta có x o= 0,396 (Ω/km)

2

D

1

2

k l

x o =0,396.15

2

24

115











 = 136,38Ω

• Đường dây D3 (qui về phía cơ sở):

Với đường dây D3: L3= 15 km; AC-70

Ta có x o= 0,396 (Ω/km)

3

D

1

3

k l

x o =0,396.15

2

24

115











 = 136,38Ω

• Điện kháng MBA B2 (quy về cấp cơ sở):

Ta có X B2=

100

%

N

U

đm

đm

S

U

2

2

2 1

k = 100

5 , 8 10

242

2

24

115











 = 112,41Ω

• Điện kháng MBA B3 (quy về cấp cơ sở):

Ta có X B3=

100

%

N

U

đm

đm

S

U

3

2

2 1

k = 100

5 , 8 3

242

2

24

115











 = 374,71Ω Tính toán ngắn mạch:

Chọn vị trí các điểm ngắn mạch

• Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N1: ( 3 )

1

N

N

N1 HTĐ

Xd1 Xb1

Xht

)

3

(

)

115

(

1 kV

N

I = 3.( HT B1 D1)

cs

X X X

U

+ + = 3.(36,54 22,04 176,79)

115 +

)

3

(

)

24

(

1 kV

N

I = ( 3 )

) 115 (

1 kV N

N k1= 0,28

24

115

= 1,34 kA

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

2

N

N

HTĐ

Xd2 Xd1

Xb1 Xht

N2

)

3

(

)

115

(

2 kV

N

I = 3.( HT B1 D1 D2)

cs

X X X X

U

+ + + = 3.(36,54+22,04115+176,79+136,38)= 0,18kA

)

3

(

)

24

(

2 kV

N

I = I N(32)( 115kV).k1= 0,18

24

115 = 0,86 kA

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

3

N

I

Pt HTĐ

Xd3 Xd2

Xd1 Xb1

Xht

N3

)

3

(

)

115

(

3 kV

N

I = 3.( HT B1 D1 D2 D3)

cs

X X X X X

U

+ + + + =

) 38 , 136 38 , 136 79 , 176 04 , 22 54 , 36 (

3

115

+ +

+

)

3

(

)

24

(

3 kV

N

I = I N(33)( 115kV).k1= 0,13

24

115

= 0,62 kA

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

4

N

I

HTĐ

Xb2 Xd1

Xb1 Xht

N4

)

3

(

)

24

(

4 kV

N

I = 3.( HT B1 D1 B2)

cs

X X

X X

U

+ +

+ =

) 41 , 112 79 , 176 04 , 22 54 , 36 (

3

115

+ +

)

3

(

)

6

(

4 kV

N

I = ( 3 )

) 24 (

4 kV N

I k1.k2= 0,19

24

115 6

24

= 3,64 kA

• Lập bảng tổng kết

N1 N2 N3 N4

3

(

)

115

( kV

N

I N(3()24kV) kA 1,34 0,86 0,62 0,19 ( 3 )

)

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 sự 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)

Ta chọn K at =1,3

Ta có I Nng I N( 3 ) kV 1,34kA

) 24 ( 1

Tính dòng khởi động

I KĐ =K at I Nngmax= 1,3 1,34 = 1,742kA

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 KDR

n

k I

120

1 742 , 1

= 0,01 kA

• Độ nhạy của BV:

Độ nhạy yêu cầu: = min ≥2

KĐ

N nh

I

I k

min

N

I - dòng NM nhỏ nhất trong vùng bảo vệ Xác định vùng tác động của BVQD cắt nhanh rơle 1:

3.2 Tính toán chỉnh định dùng BVSL cho máy biến áp B2

• Xác định dòng định mức của hai phía MBA B2:

đm

I4 =

đm

đm

B

U

S

4

2

24 3

10

10 3

= 240,56 A

max

4lv

I = 1,4.240,56 = 336,78 A

Như vậy ta chọn I4SCDĐ= 400 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI4 là n I4=

5

400

=80

- Chọn tỷ số biến đổi của BI5:

đm

I5 =

đm

đm B

U

S

5

2

3 =

6 3

10

10 3

= 962,25A

max

5lv

I = 1,4.962,25 = 1347,15 A

Như vậy ta chọn chọn I5SCDĐ= 1500 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI5 là n I5=

5

1500

= 300

• Chọn sơ đồ nối dây các BI : chọn k sđ1 = 3và k sđ2 =1

• Vậy dòng điện thứ cấp của các BI là:

A n

k I

I

I

sđ đm

80

3 56 , 240

4

1 4

A n

k I

I

I

sđ đm

300

1 25 , 962

5

2 5

Nhận thấy, các dòng thứ cấp của hai BI chênh lệch nhau quá lớn

⇒ Nên cần chọn lại BI4 thay 80

5

400

I

5

600

I

n

n

k I I

I

sđ đm

120

3 56 , 240

4

1 4

• Sự chênh lệch dòng điện thứ cấp của hai BI là:

0,075

47 , 3

21 , 3 47 , 3

4

5 4

I

II I i

I

I I s

• Xác định dòng không cân bằng tt lớn nhất

max 2

max

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 Chọn k kck =1; k đn =1, f i,max =0,1, s2i =0,1, k at =1.25

Dòng ngắn mạch tại điểm N5: I N(3( kV)6 )= 20,09 kV

max 2

max

• Dòng điện khởi động của BV:

A I

k

I KĐ = at kcbttmax =1,25.5524,75=6905,94

∆

• Độ nhạy của BV:

Độ nhạy yêu cầu: = min ≥2

KĐ

N nh

I

I k

min

N

I - dòng NM nhỏ nhất trong vùng bảo vệ

KĐ

N

I

I

∆

94 , 6905

20090 87 , 0

min

• 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 xa nguồn thì có thời gian tác động càng nhỏ

• 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

k đối với rơle tĩnh và rơle số 2

, 1

≈

at

k đối với rơle điện cơ

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 Chọn k at =1,3, k mm =2, I lvmax =1

• Tính toán cho bảo vệ 4:

A I

k

k

k

tv

mm

at

1

2 3 , 1

max 4

α 5 , 1 7

, 6 85 , 651

5020 87 , 0

2

3

2

) 3 ( 2 4

KĐ

N KĐ

N

I

I I

I

k

Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết

A I

k

k

k

tv

mm

at

1

2 3 , 1

max 3

α 5 , 1 2

, 3 67 , 1303

4990 87 , 0

2

3

3

) 3 ( 3 3

KĐ

N KĐ

N

I

I I

I

k

Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết

• Tính toán thời gian chỉnh định cho bảo vệ

s t

t t s t

t= MC(n 1) + t.(n 1) + qt + dt =0,25

Thời gian làm việc cho bảo vệ 3 là t3 =1,5s

Thời gian tác động của BV1 là t1 =0s ( do BV1 là bảo vệ cắt nhanh )

Thời gian tác động của BV2 là t2 =t3 +∆t =1,5+0,25=1,75s

Thời gian tác động của BV4 và BV5 là t4 =t5 =0s ( do BV4 và BV5 là bảo vệ

cắt nhanh )