GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG BẢO VỆ VÀ LỰA CHỌN BI PHỤC VỤ BẢO VỆ
Giới thiệu đối tượng bảo vệ
Đối tượng bảo vệ trong đồ án là đường dây tải điện từ trạm biến áp 110/22kV, cung cấp điện cho các phụ tải P1 và P2 Sơ đồ nối điện rút gọn được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1.1 Sơ đồ nối điện đơn giản của đối tượng bảo vệ
Các thông số bảo vệ
Hệ thống điện có thông số cụ thể như sau:
Trạm gồm 2 máy biến áp B1, B2 với thông số:
U1/U2: 115/24 kV, Tổ đấu dây Yo/Yo – 12 Điện áp ngắn mạch UN% = 13%
Thông số đường dây như sau:
Chiều dài đường dây 1: L1 = 6 km Chiều dài đường dây 2: L2 = 8 km Loại dây AC – 95 với tổng trở zo = 0,33 + j0,414 Ω/km
Thông số phụ tải cụ thể:
Phụ tải P1max = 5 MV Phụ tải P2max = 4 MV
Hệ số công suất được xác định là cos = 0,86 Thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ quá dòng cho phụ tải tp1 và tp2 là 0,5 giây Đặc tính thời gian tác động của bảo vệ quá dòng được tính theo công thức t = x TMS.
Lựa chọn BI phục vụ bảo vệ
Các BI phục vụ bảo vệ được bố trí như sau:
Hình 1.2 Vị trí các máy biến dòng
Do máy biến áp B1 và B2 có thông số giống nhau, chỉ cần chọn tỷ số biến dòng cho một trong hai máy Máy còn lại có thể sử dụng các máy biến dòng tương tự.
Dòng điện định mức phía sơ cấp của máy biến dòng được xác định dựa trên dòng làm việc lớn nhất tại vị trí lắp đặt Đối với máy biến áp, dòng điện làm việc lớn nhất ở cả hai phía được tính toán theo công thức cụ thể.
Ilvmax Dòng điện làm việc lớn nhất phía cao áp:
Ilvmax1 = = = 0,463 kA Dòng điện làm việc lớn nhất phía hạ áp:
Ilvmax2 = = = 2,315 kA Dòng điện làm việc lớn nhất trên đường dây được xác định theo công thức:
Ilvmax Dòng điện làm việc lớn nhất trên đường dây L1:
Ilvmax4 = = = 0,275 kA Dòng điện làm việc lớn nhất trên đường dây L2:
Ilvmax5 = = = 0,122 kA Các tỷ số biến dòng phù hợp được chọn như sau:
PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ
Nhiệm vụ yêu cầu bảo vệ của rơ le
Khi thiết kế hoặc vận hành hệ thống điện, cần chú ý đến khả năng phát sinh hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường Việc này rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Ngắn mạch là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ thống điện Hậu quả của ngắn mạch là:
- Làm giảm thấp điện áp ở phần lớn của hệ thống điện
- Phá hủy các phần tử sự cố bằng tia lửa điện.
- Phá hủy các phần tử có dòng điện ngắn mạch chạy qua do tác dụng của nhiệt và cơ
- Phá vỡ sự ổn định của hệ thống.
Trong hệ thống điện, tình trạng quá tải có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng khi dòng điện tăng cao làm nhiệt độ các phần dẫn điện vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến sự lão hóa và hỏng hóc của cách điện Để duy trì hoạt động liên tục và bảo vệ các phần tử khỏi hư hỏng, cần sử dụng thiết bị phát hiện sự cố với thời gian phản hồi nhanh, giúp nhận diện các phần tử bị hư hỏng và tách chúng ra khỏi hệ thống Thiết bị này được thực hiện thông qua các rơ le tự động, được gọi là thiết bị bảo vệ rơ le.
- Cách ly phần tử sự cố ra khỏi HTĐ
- Ngăn ngừa hư hại do ngắn mạch
- Nâng cao độ tin cậy, ổn định của HTĐ
Các yêu cầu đối với bảo vệ Rơ le
Là tính năng đảm bảo cho các thiết bị làm việc đúng, chắc chắn Phân biệt 2 loại độ tin cậy.
Độ tin cậy tác động là khả năng bảo vệ hoạt động hiệu quả trong các tình huống sự cố xảy ra, đảm bảo an toàn trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ.
Độ tin cậy không tác động là khả năng của hệ thống bảo vệ để ngăn ngừa sai sót trong quá trình vận hành bình thường và khi xảy ra sự cố ngoài dự kiến Để cải thiện độ tin cậy, việc sử dụng rơ le và hệ thống rơ le có cấu trúc đơn giản, chắc chắn, đã được kiểm nghiệm qua thực tế là rất quan trọng Ngoài ra, cần tăng cường mức độ dự phòng trong hệ thống để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện.
Theo nguyên lí làm việc, các bảo vệ được phân ra:
Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối chỉ hoạt động khi có sự cố xảy ra trong một khu vực cụ thể, không đảm nhiệm vai trò dự phòng cho các khu vực lân cận.
Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối không chỉ thực hiện nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng mà còn có khả năng thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ ở các phần tử lân cận.
Là yêu cầu quan trọng nhằm cách ly càng nhanh chóng phần tử bị ngắn mạch
- Hạn chế được mức độ phá hoại các thiết bị
- Giảm được thời gian sụt áp ở phụ tải
- Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn
- Nâng cao khả năng duy trì ổn định HTĐ
Nếu kết hợp với yêu cầu chọn lọc => phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền
Thời gian tác động của bảo vệ: tC = tBV + tMC
Bảo vệ tác động nhanh (tức thời) => thời gian cắt không quá 50ms
2.2.4 Độ nhạy: Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơ le hoặc hệ thống bảo vệ Độ nhạy được đặc trưng bằng hằng số độ nhạy Kn là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le khi có sự cố và ngưỡng tác động của nó Hệ số nhạy:
Yêu cầu: 1,5 ≤ Kn ≤ 2: đối với bảo vệ chính.
1,2 ≤ Kn ≤ 1,5: đối với bảo vệ dự phòng. Độ nhạy thực tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
2.2.5 Tính kinh tế: Đối với các trang thiết bị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị công trình Vì vậy yêu cầu về kinh tế không đề ra, mà bốn yêu cầu kĩ thuật trên đóng vài trò quyết định, vì nếu không thỏa mãn các yêu cầu này sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho hệ thống điện. Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện hoặc lưới truyền tải cao áp Vì vậy cần phải tính toán kinh tế kĩ thuật trong việc lựa chọn các thiết bị bảo vệ.
Phương pháp bảo vệ cho máy biến áp
2.3.1 Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp Để lựa chọn phương thức bảo vệ hợp lý, cần phải phân tích những dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của đối tượng bảo vệ, cụ thể là máy biến áp tự ngẫu.
Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp được phân thành: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài.
Hư hỏng bên trong gồm:
- Chạm chập giữa các vòng dây
- Ngắn mạch giữa các cuộn dây
- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất
- Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu
Sự cố bên ngoài và chế độ làm việc bất thường của máy biến áp:
- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống
- Ngắn mạch một pha trong hệ thống
- Quá bão hoà mạch từ (do dòng quá độ lớn khi đóng máy biến áp không tải)
Tùy thuộc vào công suất, vị trí và vai trò của máy biến áp (MBA) trong hệ thống, việc lựa chọn phương thức bảo vệ phù hợp là rất quan trọng Các loại bảo vệ thường được sử dụng nhằm chống lại các sự cố và chế độ làm việc bất thường của MBA.
Bảng 2.1 Các bảo vệ thường dùng trong máy biến áp
Loại hư hỏng Loại bảo vệ
Ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha chạm đất So lệch hãm ( bảo vệ chính )
Khoảng cách ( bảo vệ dự phòng )
Quá dòng có thời gian (chính hoặc dự phòng tuỳ theo công suất )
Quá dòng thứ tự không Chạm chập các vòng dây, thùng dầu thủng hoặc bị rò dầu
Quá tải Quá tải dòng điện
Quá bão hoà mạch từ Chống quá bão hoà
2.3.2 Phương thức bảo vệ máy biến áp
Hình 2.1 Phương thức bảo vệ máy biến áp
Trong đó: 1 Bảo vệ so lệch (87T)
4 Quá dòng có thời gian (51)
2.3.3 Phương thức bảo vệ đường dây
Hình 2.2 Phương thức bảo vệ đường dây
Trong đó: (1) Bảo vệ quá dòng có thời gian - 51
(2) Quá dòng thứ tự không - 51N
(3) Quá dòng cắt nhanh có thời gian - 50
(4) Quá dòng thứ tự không cắt nhanh - 50N
Các nguyên lý bảo vệ
Bảo vệ quá dòng điện là hệ thống bảo vệ hoạt động khi dòng điện vượt quá mức quy định Theo phương pháp đảm bảo tính chọn lọc, bảo vệ quá dòng điện được phân thành hai loại.
- Bảo vệ quá dòng điện có thời gian, ký hiệu 51, 51N, hoặc I>, Io>
- Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh, ký hiệu 50, 50N hoặc I>>, Io>>
* Bảo vệ quá dòn g có thời gian
Nhiệm vụ chính là loại bỏ các phần tử gặp sự cố sau khoảng thời gian t đã định, nhằm ngăn chặn dòng sự cố và đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động bình thường mà không bị gián đoạn.
Bảo vệ quá dòng điện có thời gian là nguyên tắc quan trọng giúp đảm bảo tính chọn lọc trong hệ thống bảo vệ Nguyên tắc này hoạt động bằng cách phối hợp thời gian tác động giữa các thiết bị bảo vệ lân cận, theo cơ chế bậc thang, nhằm tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ và giảm thiểu rủi ro.
Dòng điện khời động của bảo vệ được lựa chọn theo công thức:
Trong đó: Hệ số an toàn Kat = 1,1÷1,3
Hệ số mở máy Kmm phụ thuộc vào loại động cơ, vị trí của động cơ…
Hệ số trở về Ktv = Ilv/Ikđ
Nếu xét đến hệ số sơ đồ và hệ số biến đổi ni của biến dòng điện thì dòng điện khởi động Ikđ R của Rơ le bằng:
Hệ số dơ đồ là yếu tố quan trọng, phụ thuộc vào sơ đồ đấu nối giữa BI và rơ le ni, đồng thời tỷ số biến của máy biến dòng điện cũng cần được xem xét Đối với các hệ thống điện phức tạp, việc tính toán cần chú ý đến các đặc điểm cụ thể của hệ thống điện đang được khảo sát.
Trong các lưới điện hở với một nguồn cung cấp, để đảm bảo độ chọn lọc của bảo vệ cực đại, cần lựa chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc nhất định.
Khi có sự cố, có thể nhiểu bảo vệ cùng khởi động
Bảo vệ gần chỗ sự cố nhất sẽ phải tác động trước
Khi xảy ra sự cố tại N2:
BV1 và BV2 cùng khởi động và đếm thời gian
BV2 tác động loại trừ sự cố, khi đó BV1 sẽ trở về
Lựa chọn thời gian tác động tBV2 < tBV1 hay tBV1 = tBV2 + t
Có hai loại đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng điện: đặc tính độc lập và đặc tính phụ thuộc. a Độc lập b Phụ thuộc
Hình 2.3 Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện
Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng điện, trong khi bảo vệ có đặc tính thời gian phụ thuộc lại tỉ lệ nghịch với dòng điện: dòng điện lớn hơn sẽ làm giảm thời gian tác động của bảo vệ.
(b) - T/h đặc tuyến độc lập; (c) - T/h đặc tuyến phụ thuộc
Vùng tác động: Toàn bộ đường dâyHình 2.4 Phối hợp thời gian tác động giữa các bảo vệ Đánh giá:
Độ tin cậy: Cấu tạo đơn giản, tác động chắc chắn, độ tin cậy cao
Tính chọn lọc: Đảm bảo chọn lọc bằng nguyên tắc bậc thang từng cấp, chỉ chọn lọc với lưới điện hình tia một nguồn cung cấp
Tính tác động nhanh: Thời gian tác động của bảo vệ ở đầu nguồn lớn, khắc phục bằng cách chọn đặc tính thời gian phụ thuộc
Độ nhạy:Bị hạn chế vì tính dòng khởi động theo dòng làm việc cực đại
Phạm vi ứng dụng:Bảo vệ chính cho đường dây phân phối
* Bảo vệ quá dông cắt nhanh
Nhiệm vụ chính là cắt nhanh chóng (trong vòng 0,1 giây) phần tử gặp sự cố ra khỏi hệ thống, nhằm loại bỏ dòng sự cố, đảm bảo an toàn cho hệ thống và duy trì hoạt động bình thường.
Bảo vệ dòng điện cắt nhanh là hệ thống bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách thiết lập dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn giá trị dòng ngắn mạch tối đa có thể xảy ra tại vị trí lắp đặt khi có sự cố ở đầu phần tử tiếp theo.
Dòng điện khởi động của bảo vệ:
Trong đó: Kat: hệ số an toàn, thường lấy kat = 1,2÷1,3
INngmax: dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất.
Hình 2.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh đối với đường dây một nguồn cung cấp Đánh giá:
Độ tin cậy: Cấu tạo đơn giản, tác động chắc chắn, độ tin cậy cao, cắt nhanh được những trường hợp ngắn mạch trầm trọng nhất
Tính chọn lọc: Làm việc chọn lọc với mạng điện có hình dáng bất kỳ
Tính tác động nhanh: Tác động không thời gian
Hệ thống bảo vệ quá dòng cắt nhanh chỉ có khả năng bảo vệ 70-80% đường dây, và vùng bảo vệ phụ thuộc vào chế độ vận hành của hệ thống Do đó, nó không thể hoạt động như bảo vệ chính cho bất kỳ phần tử nào mà cần phải kết hợp với các phương thức bảo vệ khác.
2.4.2 Bảo vệ so lệch dòng điện
Bảo vệ so lệch dòng điện hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh biên độ dòng điện tại hai đầu của phần tử cần bảo vệ Khi sự sai lệch vượt quá giá trị khởi động đã định, bảo vệ sẽ được kích hoạt với điều kiện ΔI > Ikđ.
Bảo vệ so lệch là một loại bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối, với vùng tác động được xác định bởi vị trí của hai tổ máy biến dòng ở đầu và cuối phần tử cần bảo vệ Từ đó, nó nhận tín hiệu dòng điện để thực hiện so sánh và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng điện
Dòng điện so lệch chạy qua rơ le:
Bảng 2.2 Đồ thị véc tơ dòng điện
Trường hợp các BI lý tưởng
Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (N1):
I Ngắn mạch trong vùng bảo vệ (N2):
Trường hợp các BI không lý tưởng
Ikcb: Dòng điện không cân bằng
Dòng điện khởi động sẽ được tính toán như sau:
Với Ikcbttmax = fimax.Kđn.Kkck.INngmax
Trong đó: fimax: là sai số cực đại cho phép của BI (fimax %)
Kđn: Hệ số đồng nhất của BI (0÷1)
Kkck là hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch (Kkck = 1,8)
I Nngmax : dòng ngắn mạch ngoài chu kỳ lớn nhất Các biện pháp nâng cao độ nhạy:
- Tăng thời gian tác động của bảo vệ (do Ikcb chỉ tồn tại trong thời gian ngắn)
Hình 2.7 Sơ đồ bảo vệ so lệch dùng điện trở phụ
+ Làm giảm ảnh hưởng của I kcb khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ
+ Giảm dòng điện so lệch đi vào rơ le khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ
Tuy nhiên mức độ giảm thấp đối với 2 thành phần dòng điện này là khác nhau Bảo vệ so lệch trở kháng cao (dùng cho MBA tự ngẫu)
- Dùng bảo vệ so lệch có hãm: SL = T1 - T2 ; H = T1 + T2
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý BVSL có hãm và đồ thị vectơ dòng điện
- Ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ N2: → bảo vệ không tác động (hình a)
- Ngắn mạch trong vùng bảo vệ N1: → bảo vệ tác động (hình b)
- Một nguồn cung cấp: → bảo vệ tác động.
- Điều kiện khởi động: ISL > Ikđ = KH.IH Đánh giá
Tính tin cậy của hệ thống làm việc khá cao, nhưng độ chính xác lại phụ thuộc nhiều vào giá trị của dòng điện không cân bằng cũng như vào hệ thống dây dẫn phụ và hệ thống truyền tin.
Tính chọn lọc: chọn lọc tuyệt đối với các mạng điện khác nhau
Tính tác động nhanh: có khả năng cắt ngắn mạch nhanh
Độ nhạy: không đảm bảo nếu có dây dẫn phụ với tổng trở lớn, hoặc dòng không cân bằng lớn → khắc phục bằng so lệch có hãm
Phạm vi ứng dụng: được dùng làm bảo vệ chính cho máy phát điện, máy biến áp, thanh góp, động cơ công suất lớn.
Khi xảy ra tình trạng quá tải, hiện tượng chạm chập giữa các vòng dây hoặc sự cố bên trong máy biến áp sẽ dẫn đến việc tăng nhiệt độ dầu trong máy biến áp Sự gia tăng nhiệt độ này khiến dầu bốc hơi và tạo ra chuyển động trong thùng dầu.
Rơ le Buchholz hoạt động dựa vào áp suất khí bốc hơi và vận tốc dòng chảy của dầu Thiết bị này được lắp đặt trên đoạn ống nối giữa thùng dầu chính và bình dãn dầu.
Máy biến áp có công suất < 5MVA: Dùng rơ le 1 cấp tác động (cảnh báo)
> 5MVA: rơ le Buchholz hai cấp tác động Cấu trúc: Gồm 2 quả cầu thủy tinh chưa tiếp điểm thủy ngân trôi lơ lửng trong dầu
Quá tải: Lượng khí bốc hơi yếu đầy quả cầu thứ nhất chìm xuống, đóng tiếp điểm.
Rơ le phát tín hiệu cảnh báo.
Ngắn mạch xảy ra khi lượng dầu bốc hơi mạnh, tạo ra dòng dầu di chuyển nhanh, khiến bình dãn dầu đẩy tiếp điểm thứ 2 chìm xuống Hệ thống rơ le tác động cắt máy cắt, tách máy biến áp ra khỏi mạch điện.
- Ưu điểm: Tác động với mọi loại sự cố bên trong máy biến áp
- Nhược điểm: Có thể tác động nhầm khi chịu các lực cơ khí, ví dụ như động đất hoặc nổ bom…
2.4.4 Bảo vệ chống quá tải máy biến áp
Sử dụng rơ le Buchholz (cấp tác động thứ nhất)
Sử dụng rơ le quá tải dòng điện
Sử dụng rơ le nhiệt với nhiều cấp tác động khác nhau:
Phát tín hiệu cảnh báo
Tác động cắt máy biến áp ra khỏi hệ thống điện
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ
Mục đích tính toán ngắn mạch
Tính toán ngắn mạch giúp xác định dòng điện sự cố lớn nhất (INmax) và nhỏ nhất (INmin) có thể chạy qua BI đến rơ le, nhằm đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả cho hệ thống.
- Tính toán chỉnh định rơ le và kiểm tra độ nhạy/ độ an toàn hãm của các rơ le so lệch bảo vệ cho máy biến áp.
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hoạt động của máy biến áp, việc tính toán dòng điện khởi động là rất quan trọng Đồng thời, cần kiểm tra độ nhạy của các thiết bị bảo vệ đối với tình trạng quá dòng, nhằm đảm bảo rằng các bảo vệ này có thể phản ứng kịp thời với các mức quá dòng đã được thiết lập.
Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch
Để thiết lập sơ đồ và thực hiện tính toán ngắn mạch, cần áp dụng những giả thiết đơn giản hóa giúp giảm khối lượng tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết.
Một số gả thiết cơ bản khi tính toán ngắn mạch:
- Tần số hệ thống không thay đổi
Sau khi xảy ra ngắn mạch, công suất của các máy phát thay đổi đột ngột, gây mất cân bằng momen quay và làm thay đổi tốc độ quay trong quá trình quá độ, dẫn đến dao động tần số hệ thống Tuy nhiên, do việc tính toán ngắn mạch được thực hiện ở giai đoạn đầu, sự biến thiên tốc độ chưa đáng kể, vì vậy có thể giả định tần số hệ thống không đổi mà không mắc sai số lớn.
- Bỏ qua bão hòa mạch từ
Khi xảy ra ngắn mạch, mức độ bão hòa của mạch từ có thể tăng cao hơn mức bình thường Tuy nhiên, sai số do bỏ qua hiện tượng này thường không đáng kể, bởi vì số lượng phần tử có lõi thép trong hệ thống điện là tương đối ít.
- Bỏ qua sự ảnh hưởng của phụ tải
- Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát
Máy biến áp và điện trở cuộn dây do thành phần này quá nhỏ so với điện kháng của chúng.
- Coi hệ thống sức điện động của nguồn là đối xứng Để xác định dòng ngắn mạch lớn nhất, ta tính toán với:
- Công suất ngắn mạch của hệ thống là lớn nhất SNmax
- Tính cho trường hợp 2 máy biến áp làm việc song song
- Tính cho các dạng ngắn mạch: N (3) ; N (1) ; N (1,1) Để xác định dòng ngắn mạch lớn nhất, ta tính toán với:
- Công suất ngắn mạch của hệ thống là nhỏ nhất SNmin
- Tính cho trường hợp 1 máy biến áp làm việc độc lập
- Tính cho các dạng ngắn mạch: N (2) ; N (1) ; N (1,1)
Ta chia mỗi đoạn đường dây thành 4 phần bằng nhau thành điểm N1 đến N9 và tính ngắn mạch tại các điểm này.
Hình 3.1 Các điểm ngắn mạch tính toán
Tính toán điện kháng các phần tử
Tính toán trong hệ đơn vị tương đối ta chọn:
+ Công suất cơ bản: Scb = 63MVA
+ Điện áp cơ bản: Ucb = Utb = 110; 22kV
Dòng điện cơ bản các cấp được tính theo công thức:
Dòng điện phía 110kV: = = 0,331 kA
Dòng điện phía 22kV: = = 1,653 kA
Các điện kháng tương đương:
Khi công suất ngắn mạch hệ thống cực đại: S = 1900 MVA
X0HTmax = 1,1.X1HTmax = 1,1.0,018 = 0,036 Khi công suất ngắn mạch hệ thống cực tiểu: SNmin = 1700 MVA
X0HTmin = 1,1.X1HTmin = 1,1.0,02 = 0,041 Máy biến áp: Điện kháng máy biến áp:
XB = = = 0,13 Đường dây: Đường dây L1:
Các sơ đồ thay thế tương đương cho việc tính toán dòng ngắn mạch được trình bày dưới đây Những sơ đồ thay thế thứ tự nghịch có điện kháng tương tự như sơ đồ thứ tự thuận, nhưng không bao gồm nguồn điện.
Hình 3.2 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự thuận tính dòng ngắn mạch cực đại
Hình 3.3 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự không tính dòng ngắn mạch cực đại
Hình 3.4 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự thuận tính dòng ngắn mạch cực tiểu
Hình 3.5 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự không tính dòng ngắn mạch cực tiểu
Tính dòng ngắn mạch cực đại
Để xác định dòng ngắn mạch cực đại, cần tính toán cho các dạng ngắn mạch ba pha N (3), một pha N (1) và hai pha chạm đất N (1,1) Đồng thời, hệ thống phát điện phải hoạt động với công suất ngắn mạch cực đại SNmax và hai máy biến áp hoạt động song song.
Giá trị dòng ngắn mạch được tính theo công thức:
Trong đó: : dòng ngắn mạch m (n) : hệ số mũ : tổng trở phụ Bảng 3.1 Tổng trở phụ và hệ số mũ của từng dạng ngắn mạch
3.4.1 Tính toán ngắn mạch tại điểm N 1
Hình 3.6 Sơ đồ thay thế khi ngắn mạch cực đại tại điểm N 1 a) Thứ tự thuận (nghịch) b) Thứ tự không
Giá trị điện kháng tương đương:
X0 = X0HTmax + = 0,036 + = 0,101 Tính toán ngắn mạch 3 pha N (3) m (3) = 1
Tính toán ngắn mạch 1 pha N (1) m (1) = 3
Tính toán ngắn mạch 1 pha chạm đất N (1,1) m (1,1) = = = 1,5
3.4.2 Tính toán ngắn mạch tại các điểm còn lại
Tại điểm ngắn mạch N2 ta có sơ đồ: a, b,
Hình 3.7 Sơ đồ thay thế khi ngắn mạch cực đại tại điểm N 2 a) Thứ tự thuận (nghịch) b) Thứ tự không
Giá trị điện kháng tương đương:
Các giá trị điện kháng tại các điểm ngắn mạch còn lại được tính toán tương tự như tại điểm N2, với mỗi điểm tiếp theo sẽ cộng thêm điện kháng của đường dây tương ứng Dòng ngắn mạch cực đại tại các điểm này cũng được tính theo phương pháp tương tự như tại điểm N1.
Bảng 3.2 Kết quả tính toán dòng ngắn mạch cực đại Điểm ngắn mạch N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9
Ngắn mạch 3 pha Ngắn mạch 1 pha chạm đấtNgắn mạch 2 pha chạm đất
Hình 3.8 Biểu đồ biến thiên dòng ngắn mạch cực đại
3.5 Tính dòng ngắn mạch cực tiểu Để tính dòng ngắn mạch cực tiểu, ta tính toán cho các dạng ngắn mạch hai pha N (2) , ngắn mạch một pha N (1) , ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1) , đồng thời hệ thống phát với công suất ngắn mạch cực tiểu SNmin và một máy biến áp làm việc độc lập
3.5.1 Tính toán ngắn mạch tại điểm N 1
Hình 3.9 Sơ đồ thay thế khi ngắn mạch cực tiểu tại điểm N 1 a) Thứ tự thuận (nghịch) b) Thứ tự không
Giá trị điện kháng tương đương:
X0 = X0HTmin + XB = 0,041 + 0,13 = 0,171 Tính toán ngắn mạch 2 pha N (2) m (2) =
Tính toán ngắn mạch 1 pha N (1) m (1) = 3
Tính toán ngắn mạch 1 pha chạm đất N (1,1) m (1,1) = = = 1,5
3.5.2 Tính toán ngắn mạch tại các điểm còn lại
Tại điểm ngắn mạch N2 ta có sơ đồ: a, b,
Hình 3.10 Sơ đồ thay thế khi ngắn mạch cực tiểu tại điểm N 2 a) Thứ tự thuận (nghịch) b) Thứ tự không
Giá trị điện kháng tương đương:
Tại các điểm ngắn mạch còn lại, giá trị điện kháng được tính toán tương tự như tại điểm N2, với mỗi điểm tiếp theo sẽ cộng thêm điện kháng của đường dây tương ứng Dòng ngắn mạch cực tiểu tại các điểm này cũng được tính toán tương tự như tại điểm N1.
Bảng 3.3 Kết quả tính toán dòng ngắn mạch cực tiểu Điểm ngắn mạch
Ngắn mạch 2 pha Ngắn mạch 1 pha chạm đất Ngắn mạch 2 pha chạm đất
Hình 3.11 Biểu đồ biến thiên dòng ngắn mạch cực tiểu
So sánh kết quả tính toán dòng ngắn mạch từ bảng 3.2 và 3.3 cho thấy dòng ngắn mạch lớn nhất và nhỏ nhất Dưới đây là bảng thể hiện các giá trị này.
Bảng 3.4 Dòng ngắn mạch cực đại và cực tiểu Điểm ngắn mạch N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9
Hình 3.12 Biểu đồ biến thiên dòng ngắn mạch
Bảng 3.5 Dòng ngắn mạch thứ tự không cực đại và cực tiểu Điểm ngắn mạch N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9
Hình 3.13 Biểu đồ biến thiên dòng ngắn mạch thứ tự không
TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ
Bảo vệ quá dòng có thời gian 51
Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian được tính theo công thức sau: Dòng khởi động phía sơ cấp: Ikđs51 = Ilvmax
Dòng khởi động phía sơ cấp: Ikđt51 = Ilvmax = Ikđs51
Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L1 được tính toán dựa trên các hệ số an toàn (kat = 1,11), hệ số mở máy (kmm = 2), hệ số trở về (ktv = 0,85 đến 0,95 với rơ le cơ và ktv = 1 với rơ le số), cùng với tỷ số biến dòng (nI) Hệ số sơ đồ được xác định là 1.
I4kđt51 = Ikđs4(51) = 0,659 = 0,011 kA Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L2 là:
4.1.2 Độ nhạy của bảo vệ
Công thức tính độ nhạy : kN = Điều kiện yêu cầu: kN ≥ 1,5
Với: INmin: dòng ngắn mạch cực tiểu
Ikđ: dòng điện khởi động Dòng điện ngắn mạch cực tiểu tại N5 và N9 trong hệ đơn vị có tên:
= IN5min = 1,583 = 2,617 kA = IN9min = 0,8 = 1,323 kA Độ nhạy của bảo vệ đường dây L1: k4N51 = 3,971 > 1,5 (Thoả mãn) Độ nhạy của bảo vệ đường dây L2: k5N51 = 4,516 > 1,5 (Thoả mãn)
4.1.3 Thời gian tác động của bảo vệ Để vẽ được đặc tính thời gian tác động, cần xác định hằng số thời gian của bảo vệ. Khi ngắn mạch tại N9, bảo vệ đường dây L2 tác động với thời gian: tL2N9 = tp + t = 0,5 + 0,5 = 1s Thay vào phương trình đặc tính thời gian tác động ta có: tL2N9 = TMS5 = 1
Phương trình đặc tính thời gian tác động của bảo vệ đường dây L2 được xác định khi xảy ra ngắn mạch tại N5 Thời gian tác động của bảo vệ đường dây L2 tại điểm này là tL2N5 = TMS5 = 0,275 x 0,723 = 0,723 giây.
Như vậy tL2N5 < tp, khi ngắn mạch tại điểm N5, bảo vệ đặt trên đường dây L1 tác động với thời gian: tL1N5 = tp + t = 0,5 + 0,5 = 1s
Tính toán tương tự ta có:
Phương trình đặc tính thời gian tác động của bảo vệ đường dây L1 được biểu diễn là tBV4 Bằng cách sử dụng các đặc tính thời gian này, chúng ta có thể tính toán thời gian tác động của bảo vệ dựa trên chiều dài của đường dây.
Bảng 4.1 Thời gian tác động của bảo vệ quá dòng có thời gian theo chiều dài đường dây Điểm ngắn mạch N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9
Hình 4.1 Thời gian tác động của bảo vệ 4
Hình 4.2 Thời gian tác động của bảo vệ 5
Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian 51N
Dòng điện khởi động của bảo vệ 51N được xác định bằng công thức:
Với hệ số an toàn kat = 0,3
Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L1 là:
I4kđ51N = kat IđmBI = 0,3.300 = 90 A Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L2 là:
4.2.2 Độ nhạy của bảo vệ Độ nhạy của bảo vệ được xác định theo công thức: kN Dòng điện ngắn mạch thứ tự không cực tiểu tại N5 và N9 trong hệ đơn vị có tên:
= I0N5min = 1,294 = 2,139 kA = I0N9min = 0,634 = 1,048 kA Độ nhạy của bảo vệ đường dây L1 và L2: k4N51N = 23,766 > 1,5 (Thoả mãn) k5N51N = 23,288 > 1,5 (Thoả mãn)
4.2.3 Thời gian tác động của bảo vệ
Thời gian tác động chọn theo đặc tính độc lập.
Thời gian tác động trên đường dây L2: t2-51N = tp2 + t = 0,5 + 0,5 = 1s Thời gian tác động trên đường dây L1: t1-51N = t2-51N + t = 1 + 0,5 = 1,5s
Hình 4.3 Đặc tính thời gian của bảo vệ 51N
Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 50
Công thức tính dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh:
Trong đó: kat: hệ số an toàn, kat = 1,2
INng max: dòng ngắn mạch ngoài cực đại Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L1 là:
I4kđ50 = kat = 1,2 3,923 = 4,707 kA Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L2 là:
I5kđ50 = kat = 1,2 1,939 = 2,327 kA Thời gian tác động của bảo vệ: t50 = 0s
4.3.2 Xác định vùng bảo vệ
Vùng bảo vệ lớn nhất LCNmax được xác định với dạng ngắn mạch 3 pha thông qua giải phương trình:
Vùng bảo vệ nhỏ nhất LCNmin được xác định với dạng ngắn mạch 2 pha thông qua giải phương trình:
= 4,696 km Vùng bảo vệ nhỏ nhất của đường dây L1:
Suy ra: km Vùng bảo vệ lớn nhất của đường dây L2:
Vùng bảo vệ nhỏ nhất của đường dây L2:
Hình 4.4 Phạm vi bảo vệ của quá dòng cắt nhanh