Đồ án bảo vệ rơ le máy biến áp

Trong nền kinh tế hiện đại ngày nay năng lượng điện là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng, việc xây dựng các nhà máy điện và hệ thống truyền tải đang trở thành gánh nặng của quốc gia. Trong các phụ tải điện còn có các phụ tải quan trọng không thể mất điện trong thời gian lâu dài, các thiết bị điện đắt tiền có thể bị hư hỏng nếu xảy ra sự cố và không được loại bỏ ngay phần tử bị sử cố. Để thực hiện nhiệm vụ loại bỏ một cách nhanh nhất phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống cần có hệ thống bảo vệ rơ le làm việc an toàn.Để bảo vệ cho MBA làm việc an toàn cần phải tính đầy đủ các hư hỏng bên trong MBA và các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của máy biến áp. Từ đó đề ra các phương án bảo vệ tốt nhất, loại trừ các hư hỏng và ngăn ngừa các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc của MBA.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG ĐIỆN

TÌM HIỂU HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠ LE

MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

Ths Nguyễn Hào Nhán Lê Trường Thuận (MSSV: B1603753)

Tháng 6/2020

LỜI NÓI ĐẦU

rong nền kinh tế hiện đại ngày nay năng lượng điện là nguồn năng lượng vôcùng quan trọng, việc xây dựng các nhà máy điện và hệ thống truyền tảiđang trở thành gánh nặng của quốc gia Trong các phụ tải điện còn có cácphụ tải quan trọng không thể mất điện trong thời gian lâu dài, các thiết bị điện đắt tiền

có thể bị hư hỏng nếu xảy ra sự cố và không được loại bỏ ngay phần tử bị sử cố Đểthực hiện nhiệm vụ loại bỏ một cách nhanh nhất phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thốngcần có hệ thống bảo vệ rơ le làm việc an toàn

T

Trong hệ thống điện, máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhấtliên kết hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối Vì vậy, việc nghiên cứu các tìnhtrạng làm việc không bình thường, sự cố xảy ra với MBA là rất cần thiết

Để bảo vệ cho MBA làm việc an toàn cần phải tính đầy đủ các hư hỏng bên trongMBA và các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của máy biến

áp Từ đó đề ra các phương án bảo vệ tốt nhất, loại trừ các hư hỏng và ngăn ngừa cácyếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc của MBA

Đồ án “Tìm hiểu hệ thống bảo vệ rơ le máy biến áp 3 pha” giúp sinh viên hệthống lại toàn bộ kiến thức được học Những kiến thức này sẽ là nền tảng cho quá trìnhthực tế sau này

Cần Thơ, ngày tháng nămSinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

ua đồ án này, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy trong bộmôn đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Hào Nhán đã giúp

em hoàn thành đồ án này Giúp em hiểu rõ hơn về máy biến áp 3 pha, các sự

cố thường gặp và trạng thái làm việc không bình thường của máy biến áp 3 pha, cácloại rơ le và phương pháp bảo vệ bằng rơ le cho máy biến áp 3 pha Qua đó, giúp emtích lũy thêm nhiều kiến thức mới về bảo vệ rơ le trong hệ thống điện Do thời gianlàm bài không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em không thể tránh khỏinhững thiếu sót Vậy em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cho bàilàm của mình được hoàn thiện hơn

Q

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản vẽ máy biến áp 3 pha

Hình 1.2 Tổ đấu dây YY0

Hình 1.3 Tổ đấu dây ΔΔ6

Hình 1.4 Tổ đấu dây YΔ11

Hình 1.5 Máy biến áp 3 pha thực tế của hãng Sanaky

Hình 2.1 Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây máy biến áp

Hình 2.2 Ngắn mạch 1 pha chạm đất

Hình 2.3 Đồ thị quan hệ dòng sự cố theo vị trí điểm ngắn mạch

Hình 2.4 Ngắn mạch giữa các vòng dây trong cùng một pha

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch

Hình 3.2 Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dây

Hình 3.3 Sơ đồ bảo vệ quá dòng máy biến áp

Hình 3.4 Sơ đồ bảo vệ khoảng cách đặt ở máy biến áp 2 cuộn dây

Hình 3.5 Rơ le khí đặt cho máy biến áp

Hình 3.6 Bảo vệ chống chạm đất có giới hạn dùng cho máy biến áp

Hình 3.7 Sự phụ thuộc độ tăng nhiệt độ của dầu so với nhiệt độ môi trường làm mát và

độ tăng nhiệt độ cuộn dây so với nhiệt độ của dầu vào phụ tải xác lập

Hình 3.8 Sơ đồ bảo vệ quá nhiệt máy biến áp

Hình 4.1 Sơ đồ bảo vệ máy biến áp 2 cuộn dây tiêu biểu

Hình 4.3 Sơ đồ bảo vệ máy biến áp 3 cuộn dây công suất lớn

Hình 4.4 Sơ đồ bảo vệ máy biến áp tự ngẫu công suất lớn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

1.1 Giới thiệu máy biến áp 3 pha

Máy biến áp 3 pha là một loại thiết bị điện từ tĩnh được chế tạo ra để truyền tải năng lượng hoặc đưa các tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện ( vẫn giữ nguyêntần số) thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ Máy biến áp 3 pha thường được sử dụng để tăng áp trong quá trình truyền tải điện năng đến nơi phân phối, điện áp được giảm xuống 220-380V/3pha Vì vậy, máy biến áp 3 pha đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống truyền tải điện năng

Cấu tạo máy biến áp 3 pha gồm:

-Lõi thép: có 3 trụ để quấn dây (trụ từ) và gông từ để khép kín mạch từ Lõi thép được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, hai mặt phủ sơn cách điện và ghép lại thành hình trụ Các lá thép từ tính có hàm lượng silic 1-4%, dày 0.35 đến 0.5mm,

và được tráng verni hoặc lót giấy mỏng

-Dây quấn: có 3 dây quấn (bằng đồng) được bọc cách điện và quấn quanh trụ:

+ Ba dây quấn nhận điện vào (AX, BY, CZ) gọi là dây quấn sơ cấp

+ Ba dây quấn nhận điện ra (ax, by, cz) gọi là dây quấn thứ cấp

Tổn thất điện năng trong mạch từ khoảng 1,1-1,3W/kg đối với mật độ từ 1

Wb/m2 ở tần số f = 50Hz Tất cả bu-lông siết chặc mạch từ đều được cách nhiệt bằng ống bakelit

Tóm lại, máy biếp áp 3 pha hoạt động dựa trên 2 hiện tượng vật lý đó là dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường và sự biến thiên từ thông bên trong cuộn dây tạo ra hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện từ)

1.3 Tổ đấu dây máy biến áp 3 pha

1.3.1 Định nghĩa

Để máy biến áp ba pha có thể làm việc được, các dây quấn phía sơ cấp hoặc thứ cấp phải được nối với nhau theo một quy luật nhất định Ngoài ra, sự phối hợp kiểu nốidây quấn sơ cấp với kiểu nối dây quấn thứ cấp cũng hình thành các tổ đấu dây quấn khác nhau

Tổ đấu dây của máy biến áp ba pha hình thành do sự phối hợp giữa kiểu nối dây

sơ cấp với kiểu nối dây thứ cấp Biểu thị góc lệch pha của sức điện động giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, nó phụ thuộc vào:

- Chiều quấn dây

- Cách ký hiệu đầu dây

- Kiểu nối dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp

Tùy theo các yếu tố trên ta có các dạng tổ đấu dây của máy biến áp ba pha: YY(m), DD(m) hoặc YD(n)

Với m: chỉ số chẳn: 2, 4, 6, 8, 10, 12 (hoặc 0)

Vơi n: chỉ số lẻ: 1, 3, 5, 7, 9,11

1.3.2 Một số tổ đấu dây của máy biến áp 3 pha

a. Tổ đấu dây Y/Y0 của máy biến áp

Ký hiệu Yy0 có nghĩa như sau:

- Phía sơ cấp đấu hình sao không nối đất.

- Phía thứ cấp đấu hình sao không nối đất

- Góc lệch pha giữa sức điện động phía sơ cấp và phía thứ cấp của máy biến

áp là 0 giờ (00)

Hình 1.2 Tổ đấu dây YY0

b. Tổ đấu dây ΔΔ6 của máy biến áp

Ký hiệu ΔΔ6 (Dd6) có nghĩa như sau:

- Phía sơ cấp của máy biến áp đấu hình tam giác

- Phía thứ cấp của máy biến áp đấu hình tam giác

- Góc lệch pha giữa sức điện động phía sơ cấp và phía thứ cấp của máy biến áp

là 6 giờ (1800)

Hình 1.3 Tổ đấu dây ΔΔ6

c. Tổ đấu dây YΔ11 của máy biến áp

Ký hiệu YΔ11 (Yd11) có nghĩa như sau

- Phía sơ cấp của máy biến áp đấu hình sao không nối đất

- Phía thứ cấp của máy biến áp đấu hình tam giác

- Góc lệch pha giữa sức điện động phía sơ cấp và phía thứ cấp của máy biến áp

3 pha có cấu tạo tương đối phức tạp

Có rất nhiều loại máy biến áp 3 pha trên thị trường hiện nay, nhưng người

ta vẫn thường sử dụng 3 loại máy biến áp 3 pha phổ biến nhất, đó là:

• Máy biến áp 3 pha cách ly: Biến áp cách ly là loại biến áp có cuộn dây sơ cấp

và (các) cuộn dây thứ cấp chỉ ghép với nhau bằng từ, không ghép bằng điện, nên cách biệt và độc lập nhau về điện ( các cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp rời nhau) Trong biến áp cách ly, điện áp xoay chiều sơ cấp đi vào cuộn sơ cấp và sinh ra từ

trường biến thiên Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng ở các cuộn thứ cấp Tùy vào sự chênh lệch số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và các cuộn thứ cấp mà có tương quan điện áp khác nhau, có thể tăng thế hay hạ thế (so với điện áp sơ cấp).

• Máy biến áp 3 pha ngâm dầu: Các loại máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điệnxoay chiều ba pha và ngâm trong dầu đều gọi là máy biến áp ba pha ngâm dầu.Đây là một trong những loại máy biến áp được biết đến đầu tiên là biến áp dầu,khi sử dụng máy biến áp này sẽ làm mát các lõi dây bên trong và tăng thêm độbền và có tính điện của chúng Đây là một trong những sản phẩm được nhiềungười sử dụng lựa chọn khi muốn có hệ thống mạng lưới điện ổn định Máy biến

áp ngâm dầu là một trong các thành phần chủ yếu của các hệ thống điện và cótính kinh tế cao Trong các hệ thống điện ngày nay, cứ mỗi KW công suất nguồnđiện cần phải có khoảng 5 – 6KVA công suất máy biến áp Điều này cho thấy tổnthất điện năng trong các máy biến áp chiếm tới gần 30% toàn bộ tổn thất điệnnăng trong các lưới điện

• Máy biến áp 3 pha tự ngẫu: Biến áp tự ngẫu là máy biến áp có cuộn sơ cấp và thứ cấp có liên quan về điện , không có tính năng chống giật Trên thực tế, máy biến áp hay máy biến thế tự ngẫu được sử dụng nhiều hơn máy biến áp cách ly, chiếm khoảng 82% thị phần bởi giá thành hợp lý hơn máy biến áp cách ly!

Hình 1.5 Máy biến áp 3 pha thực tế của hãng Sanaky

CHƯƠNG II CÁC DẠNG SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP

2.1 Sự cố bên trong máy biến áp

Sự cố bên trong được chia làm 2 nhóm sự cố trực tiếp và sự cố gián tiếp:

- Sự cố trực tiếp: ngắn mạch các cuộn dây, hư hỏng cách điện làm thay đổiđột ngột các thông số điện

- Sự cố gián tiếp: diễn ra từ từ nhưng sẽ trở thành sự cố trực tiếp nếu không phát hiện và xử lý kịp thời (như quá nhiệt bên trong máy biến áp, áp suấtdầu tăng cao, )

Vì vậy, yêu cầu bảo vệ trực tiếp phải nhanh chóng cách ly máy biến áp bị sự cố

ra khỏi hệ thống điện để giảm ảnh hưởng đến hệ thống Sự cố gián tiếp không đòi hỏi phải cách ly máy biến áp nhưng phải được phát hiện, có tín hiệu báo cho nhân viên vận hành biết để xử lý Sau đây phân tích một số sự cố bên trong thường gặp

2.1.1 Ngắn mạch giữa các pha

Là sự cố chạm giữa 2 hoặc 3 pha của máy biến áp Dạng ngắn mạch nàyrất hiếm khi xảy ra, nhưng nếu xảy ra dòng ngắn mạch sẽ rất lớn so với dòngmột pha

Hình 2.1 Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây máy biến áp

2.1.2 Ngắn mạch 1 pha

Có thể là chạm vỏ hoặc chạm lõi thép máy biến áp Dòng ngắn mạch 1 pha lớnhay nhỏ phụ thuộc vào chế độ làm việc của điểm trung tính máy biến áp đối với đất và

tỷ lệ vào khoảng cách từ điểm chạm đất đến điểm trung tính

Dưới đây là đồ thị dòng điện sự cố theo vị trí điểm ngắn mạch (hình 1.5) Từ đồthị ta thấy khi điểm sự cố dịch chuyển xa điểm trung tính tới đầu cực máy biến áp,dòng điện sự cố càng tăng

Hình 2.2 Ngắn mạch 1 pha chạm đất

Hình 2.3 Đồ thị quan hệ dòng sự cố theo vị trí điểm ngắn mạch

2.1.3 Ngắn mạch giữa các vòng dây của cùng 1 pha

Khoảng 70-80% hư hỏng máy biến áp là do chạm chập giữa các vòng dây của cùng một pha bên trong máy biến áp

Trường hợp này, dòng điện tại chỗ ngắn mạch rất lớn vì một số vòng dây

bị nối ngắn mạch, dòng điện này phát nóng đốt cháy cách điện cuộn dây và dầu máy biến áp, nhưng dòng điện từ nguồn tới máy biến áp Is có thể vẫn nhỏ (vì tỷ

số máy biến áp rất lớn so với số vòng dây bị ngắn mạch) không đủ cho bảo vệ

rơ le tác động

Ngoài ra, còn có các sự cố như hư thùng dầu, hư sứ dẫn, hư bộ phận điều chỉnh đầu phân áp,

Hình 2.4 Ngắn mạch giữa các vòng dây trong cùng một pha

2.2 Dòng điện từ hóa tăng vọt khi đóng máy biến áp không tải

Dòng điện luôn chạy trong cuộn sơ cấp máy biến áp ngay cả khi cuộn thứ cấp hở.Dòng điện này tạo ra từ thông (ᶲ) để máy biến áp hoạt động nên còn được gọi là dòngkích từ hoặc dòng từ hóa IM

Hiện tượng nhảy vọt từ hóa máy biến áp là một hiện tượng tức thời rất thườngxảy ra mỗi khi máy biến áp được cung cấp điện Cường độ của dòng điện từ hóa phụthuộc vào từ dư ᶲR và góc pha của dạng sóng điện áp tại thời điểm máy biến áp đượccấp điện Hai thông số này sẽ xác định được mức độ tăng cao của từ thông và dòngđiện từ hóa khi máy biến áp được cấp điện Trường hợp xấu nhất khi hai thông số ᶲR vàgóc pha của dạng sóng điện áp thích hợp dẫn đến dòng nhảy vọt từ hóa khá cao Cáctrường hợp còn lại đều dẫn đến cường độ của dòng điện từ hóa nhảy vọt thấp hơn Do

đó biên độ của dòng điện từ hóa tại thời điểm máy biến áp được cấp điện là không biếttrước Khi hiện tượng nhảy vọt từ hóa thấp, nó giống như dòng điện từ hóa ở trạng tháithường trực Mặt khác, dòng từ hóa có thể lớn hơn 10 hoặc 100 lần dòng IM khi dòngđiện từ hóa là đáng kể Nói cách khác, dòng điện từ hóa có thể là một phần nhỏ củadòng định mức máy biến áp hoặc lớn hơn nhiều

Hiện tượng dòng điện tự hóa tăng vọt có thể xuất hiện vào thời điểm đóng máy biến áp không tải Dòng điện này chỉ xuất hiện trong cuộn sơ cấp máy biến áp Nhưng đây không phải là dòng điện ngắn mạch do đó yêu cầu bảo vệ không được tác động

2.3 Sự cố bên ngoài ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy biến áp

- Dòng điện tăng cao do ngắn mạch ngoài và quá tải

- Mức dầu bị hạ thấp do nhiệt độ xung quanh máy biến áp bị giảm đột ngột

CHƯƠNG III CÁC CHỨC NĂNG RƠ LE BẢO VỆ MÁY

BIẾN ÁP3.1 Bảo vệ so lệch

Hệ thống bảo vệ so lệch được dùng để bảo vệ cuộn dây quấn stator của máy phátđiện xoay chiều đồng bộ 3 pha, cũng có thể được dùng để bảo vệ cả hai cuộn sơ cấp vàthứ cấp của máy biến áp 3 pha chống lại sự cố dây pha chạm đất hoặc sự cố các dâypha chạm nhau

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệchKhác với bảo vệ so lệch của máy phát điện, dòng điện sơ cấp ở hai (hoặc nhiều)phía của máy biến áp thường khác nhau về trị số (theo tỷ số biến giữa các điện áp cácpha) và vềg óc pha (theo tổ đấu dây: YN, YO; YN, D11; Y, D5 vv…) Vì vậy để cânbằng dòng điện thứ cấp ở các phía của bảo vệ so lệch trong chế độ làm việc bìnhthường, người ta sử dụng máy biến dòng trung gian BIG có tổ đấu dây phù hợp với tổđấu dây của máy biến áp và tỷ số biến đổi được chọn sao cho các dòng điện đưa vào sosánh trong rơle so lệch có trị số gần bằng nhau Một đặc điểm nữa của bảo vệ so lệchmáy biến áp là dòng điện từ hoá của máy biến áp sẽ tạo nên dòng điện không cân bằngchạy qua rơle Trị số quá độ của dòng điện không cân bằng này có thể rất lớn trong chế

độ đóng máy biến áp không tải hoặc cắt ngắn mạch ngoài

Vì vậy, để hãm bảo vệ so lệch của máy biến áp người ta sử dụng dòng điện từ hoá của máy biến áp

Hình 3.2 Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm cho máy biến áp 3 cuộn dâyGiả sử phía cuộn dây 1 của máy biến áp nối với nguồn cung cấp, phía cuộn dây 2

và 3 nối với phụ tải Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường ta có:

Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng:

Các dòng điện hãm:

Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm

theo quan hệ:

trong đó: kH ≤ 0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch

Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hoá khi máy biến

áp không tải và khi cắt mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm thành hài bậc hai trong dòngđiện từ hoá IHM

Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện:

Khi bảo vệ máy biến áp 3 pha, phải tính toán thêm một vài điều kiện sau:

- Có sự lệch pha 300 giữa dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp trong máy biến

áp ba pha được nối ∆/Y hoặc nối Y/∆ khi cung cấp tới một tải cân bằng

- Khi máy biến áp công suất ba pha được nối theo kiểu ∆/Y hoặc nối Y/∆, dòng thứ tự không bên phía Y thì không giống như bên phía ∆

Trong thực tế, rất khó để duy trì sự cân bằng hoàn hảo của dòng điện trong hệ thống bảo vệ so lệch dùng bảo vệ cho máy biến áp ba pha, đó là do các nguyên nhân chính sau:

- Sự thay đổi các tỉ số vòng dây máy biến áp

- Sai số của máy biến dòng

- Dòng từ hóa máy biến áp

Các nhân tố này gây ra mất cân bằng hệ thống bảo vệ so lệch và sinh ra một dòng

rò IR chạy trong cuộn dây của rơ le so lệch Dòng rò này tăng khi dòng điện dây chạy qua máy biến áp 3 pha tăng Do đó, phải điều chỉnh dòng điện của rơ le so lệch tăng lên để ngăn ngừa sự ngắt không mong muốn, và kết quả độ nhạy của hệ thống bị giảm

Rơ le bảo vệ so lệch có cuộn hãm thường được sử dụng trong hệ thống bảo vệ so lệch máy biến áp để giảm ảnh hưởng của dòng không cân bằng đến độ nhạy của hệ thống

3.2 Bảo vệ quá dòng điện

Sự phối hợp bảo vệ cho máy biến áp 3 pha lớn hơn 100kVA thông thường baogồm bảo vệ so lệch và bảo vệ chống chạm đất Việc ngắt máy biến áp được thông qua