Đồ án môn học bảo vệ rơ le

- Độ tin cậy tác động: mức độ chắc chắn rơle/ hệ thống bảo vệ rơle sẽ tác động đúng ➔ khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo

Mục Lục

Chương 1 : Giới thiệu đối tượng bảo vệ và lựa chọn BI phục vụ bảo vệ 7

1.1 Giới thiệu đối tượng bảo vệ 9

1.2 Các thông số bảo vê 9

1.3 Tính toán lựa chọn BI phục vụ bảo vệ 9

Chương 2 : Phương thức bảo vệ 10

2.1 Các yêu cầu đối với bảo vệ rơ le: 10

2.1.1 Độ tin cậy 10

2.1.2 Tính chọn lọc 11

2.1.3 Tính tác động nhanh 11

2.1.4 Độ nhạy 11

2.2 Phương thức bảo vệ cho máy biến áp 11

2.2.1 Các sự cố và chế độ làm việc bất thường của máy biến áp 11

2.2.2 Các phương thức bảo vệ máy biến áp 12

2.2.3 Các phương thức bảo vệ cho đường dây 12

2.3 Các nguyên lý bảo vệ 13

2.3.1 Bảo vệ quá dòng 13

2.3.2 Bảo vệ so lệch dòng điện 16

2.3.3 Rơ le khí Buchholz 17

2.3.4 Bảo vệ chống quá tải máy biến áp 18

Chương 3 : Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ 19

3.1 Mục đích tính toán ngắn mạch 19

3.2 Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch 19

3.3 Tính toán điện kháng của các phần tử 20

3.4 Tính dòng ngắn mạch cực đại 23

3.5 Tính dòng ngắn mạch cực tiểu 28

Chương 4 : Tính toán và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ 31

4.1 bảo vệ quá dòng có thời gian 51 31

4.1.1 Dòng điện khởi động: 31

4.1.2 Độ nhạy của bảo vệ 32

4.1.3 Thời giác tác động của các bảo vệ 32

4.2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian 51N 35

4.2.1 Dòng điện khởi động 35

4.2.2 Kiểm tra độ nhạy 35

4.2.3 Thời gian tác động 35

4.3 Bảo vệ quá dòng cát nhanh 50 36

4.3.1 dòng điện khởi động 36

4.3.2 Xác định vùng bảo vệ 36

Tài liệu tham khảo 38

Danh mục bảng và hình ả

Hình 1 1 Sơ đồ nối điện rút gọn 9

Hình 1 2 Sơ đồ đặt bảo vệ BI 10

Y Hình 2 1 Sơ đồ bảo vệ máy biến áp 12

Hình 2 2 Sơ đồ bảo vệ đường dây 12

Hình 2 3 Thời gian tác động của quá dòng có thời gian 13

Hình 2 4 Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh 16

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lí bảo vệ so lệch có hãm 17

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và vị trí đặt Rơ le khí trên MBA 18

Hình 3 1 Các điểm ngắn mạch tính toán 20

Hình 3 2 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự thuận tính dòng ngắn mạch cực đại.22 Hình 3 3 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự không tính dòng ngắn mạch cực đại 22

Hình 3 4 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự thuận tính dòng ngắn mạch cực tiểu 23

Hình 3 5 Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự không tính dòng ngắn mạch cực tiểu 23

Hình 3 6 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch) khi ngắn mạch tại điểm N1 24

Hình 3 7 Sơ đồ tương đương ngắn mạch 3 pha tại điểm N1 24

Hình 3 8 Sơ đồ tương đương ngắn mạch một pha 25

Hình 3 9 sơ đồ tương đương tính toán ngắn mạch hai pha chạm đất 26

Hình 3 10 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch) khi ngắn mạch tại điểm N2 27

Hình 3 11 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch) khi ngắn mạch tại điểm N1 28

Hình 3 12 Sơ đồ thay thế thứ tự không khi ngắn mạch tại điểm N1 29

Hình 3 13 Sơ đồ tương đương tính toán ngắn mạch hai pha 29

Hình 3 14 Biến thiên dòng điện ngắn mạch theo chiều dài đường dây đường dây 31

Hình 4 1 Thời gian tác động của bảo vệ đường dây L1 34

Hình 4 2 Thời gian tác động của bảo vệ đường dây L2 34

Bảng 3 1 Kết quả tính toán ngắn mạch cực đại 27

Bảng 3 2 Kết quả tính toán ngắn mạch cực tiểu 30Bảng 3 3 Dòng ngắn mạch cực đại và cực tiểu 30Bảng 4 1 Thời gian tác động của bảo vệ quá dòng có thời gian theo chiều dài đường dây 33

ĐỒ ÁN MÔN HỌC BẢO VỆ RƠ LE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

II Nội dung

Tính toán bảo vệ cho lưới điện đã cho

4 Tính toán ngắn mạch ngắn mạch phục vụ bảo vệ đường dây tải điện

5 Tính toán bảo vệ quá dòng cắt nhanh, quá dòng có thời gian, quá dòng thứ tựkhông đặt cho đoạn đường dây L

6 Kiểm tra sự làm việc của các bảo vệ cho các đối tượng nói trên

Chương 1 : Giới thiệu đối tượng bảo vệ và lựa chọn

BI phục vụ bảo vệ.

1.1 Giới thiệu đối tượng bảo vệ

Đối tượng được bảo vệ trong đồ án là đường dây tải điện, đi ra từ trạm biến áp110/22kV và cấp điện cho các phụ tải P1,P2 Sơ đồ nối điện rút gọt được thểhiện như sau

Hình 1 1 Sơ đồ nối điện rút gọn

1.2 Các thông số bảo vê

 Hệ thống điện có thông số cụ thể như sau:

SNmax= 2000 MVASNmin= 1800 MVAX0HT/X1HT= 1.4

 Thông số máy biến áp:

SBdm= 25 MVAUN(%)= 9

 Thông số đường dây:

L1 = 6 KmL2 = 8 KmAC-95 X0L/X1L= 2.3

 Thông số phụ tải:

P1Max = 6 MWP2max = 7 MWCosϕ = 0.93TP=0.5s

1.3 Tính toán lựa chọn BI phục vụ bảo vệ

- Sơ đồ đặt BI bảo vệ:

Hình 1 2 Sơ đồ đặt bảo vệ BI

-Dòng điện sơ cấp của BI: Chọn theo dòng làm việc lớn nhất của thiết bị (Ilvmax):

- Đối với máy biến áp: I lvmax=k qt S B

 I lvmax 3=I lvmax 1=0.183 ➔ Chọn máy biến áp BI3 là 200/5

Chương 2 : Phương thức bảo vệ.

2.1 Các yêu cầu đối với bảo vệ rơ le:

2.1.1 Độ tin cậy

- Độ tin cậy là tính năng đảm bảo cho thiết bị lam việc đúng, chắc chắn

- Độ tin cậy tác động: mức độ chắc chắn rơle/ hệ thống bảo vệ rơle sẽ tác động đúng ➔ khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ

- Độ tin cậy không tác động: mức độ chắc chắn rằng rơle/ hệ thống rơle sẽ không làm việc sai

➔ Khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy rangoài phạm vi bảo vệ đã được qui định

- Chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ có thể thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho phần tử lân cận.

2.1.3 Tính tác động nhanh

- 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 + tMC2.1.4 Độ nhạy

Đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của role - hệ thống bảo vệ

Hệ số độ nhạy Kn : tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố - ngưỡng tácđộng

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độ làm việc của hệ thống điện, cấu hình của lưới điện, dạng ngắn mạch, vị trí của điểm ngắn mạch…

Bảo vệ chính: Kn từ 𝟏 𝟓 ÷ 𝟐

Bảo vệ dự phòng: Kn từ 𝟏 𝟐 ÷ 𝟏 𝟓

2.2 Phương thức bảo vệ cho máy biến áp

2.2.1 Các sự cố và chế độ làm việc bất thường của máy biến áp

- Sự cố bên trong máy biến áp

 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 tải

 Quá bão hòa mạch từ ( do dòng quá độ lớn khi đóng mãy biến áp không tải)2.2.2 Các phương thức bảo vệ máy biến áp

- Sơ đồ phương thức bảo vệ máy viến áp:

Hình 2 1 Sơ đồ bảo vệ máy biến áp.

- Các phương thức bảo vệ :

1 Bảo vệ so lệch (87T)

2 Rơ Le khí Buchholz (96)

3 Quá dòng thứ tự không (51N)

4 Quá dòng có thời gian(51)

5 Quá tải dòng điện (49)

6 Rơ Le nhiệt (49)

2.2.3 Các phương thức bảo vệ cho đường dây

- Sơ đồ phương thức bảo vệ đường dây:

Hình 2 2 Sơ đồ bảo vệ đường dây.

- Các phương thức bảo vệ:

(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)

2.3 Các nguyên lý bảo vệ

2.3.1 Bảo vệ quá dòng

2.3.1.1 Bảo vệ quá dòng có thời gian (51)

Bảo vệ quá dòng có thời gian là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt bảo

vệ vượt quá một giá trị cài đặt trước cho bảo vệ Thời gian của bảo vệ được xácđịnh theo nguyên tắc từng cấp để đảm bảo được tính chọn lọc nhưng càng gầnnguồn thì thời gian tác động càng lớn

Hình 2 3 Thời gian tác động của quá dòng có thời gian

Dòng khởi động của bảo vệ:

Giá trị dòng khởi động được tính dựa trên các yếu tố:

 Dòng làm việc lớn nhất của lưới điện, I lvmax

 Dòng mở máy của động cơ I mmmax=k mm I lvmax

 Sự làm việc chọn của các rơle phía đầu nguồn khi có sự cố ở phía tải sẽ hãmlại sự tác động của role, vì vậy dòng trở về của bảo vệ phải lớn hơn dòng mởmáy cực đại I tv=k at k mm I lvmax

 Vì vậy dòng khởi động của rơle phải lớn hơn dòng trở về với k tv=I tv

I kđ

Từ đó ta có dòng khởi động của rơle là:

 Đối với rơle cơ: k tv=0,85 ÷ 0,9

 Đối với rơle số : k tv=1

k sđ: hệ số sơ đồ mắc BI

n i: tỉ số biến đổi của BI

Thời gian tác động của bảo vệ:

Các bảo vệ liền kề nhau phối hợp bảo vệ theo nguyên tắc từng cấp với thời gianphối hợp:

t i=t(i+1)max+∆ t với ∆ t=0,3 ÷ 0,5 s

Bảo vệ có thể bảo vệ được toàn bộ thiết bị nhưng rất nguy hiểm nếu gần nguồn

vì ở gần nguồn thời gian tác động càng lớn

Nếu có nhiều nguồn cung cấp thì cần lắp thêm bộ phận định hướng công suất đểchọn lọc và chỉ đặt ở những vị trí có thời gian tác động nhỏ

Đối với MBA thì dòng khởi động bảo vệ chọn theo dòng danh định của MBA phối hợp làm việc với các bảo vệ liền kề Nếu MBA nối từ nguồn từ nhiều phía cầnđặt bộ phận định hướng công suất ở phía nối với nguồn có thời gian tác động nhỏ hơn

2.3.1.2 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50)

Chúng ta nhận thấy rằng đối với bảo vệ quá dòng thông thường càng gầnnguồn thời gian cắt ngắn mạch càng lớn, thực tế cho thấy ngắn mạch gần nguồnthường thì mức độ nguy hiểm cao hơn và cần loại trừ càng nhanh càng tốt Để bảo

vệ các đường dây trong trường hợp này người ta dùng bảo vệ quá dòng cắt nhanh(50), bảo vệ cắt nhanh có khả năng làm việc chọn lọc trong lưới có cấu hình bất kì

với một nguồn hay nhiều nguồn cung cấp Ưu điểm của nó là có thể cách ly nhanh

sự cố với công suất ngắn mạch lớn ở gần nguồn Tuy nhiên vùng bảo vệ không baotrùm được hoàn toàn đường dây cần bảo vệ, đây chính là nhược điểm lớn nhất củaloại bảo vệ này

Để đảm bảo tính chọn lọc, giá trị đặt của bảo vệ quá dòng cắt nhanh phải đượcchọn sao cho lớn hơn dòng ngắn mạch cực đại (ở đây là dòng ngắn mạch 3 phatrực tiếp) đi qua chỗ đặt rơle khi có ngắn mạch ở ngoài vùng bảo vệ Sau đâychúng ta sẽ đi tính toán giá trị đặt của bảo vệ cho mạng điện trong đồ án

Đối với mạng điện hình tia một nguồn cung cấp giá trị dòng điện khởi độngcủa bảo vệ đặt tại thanh góp A được xác định theo công thức:

Ikd =kat INngoai max

Trong đó:

Kat: hệ số an toàn, tính đến ảnh hưởng của các sai số do tính toán ngắnmạch, do cấu tạo của rơle, thành phần không chu kì trong dòng ngắn mạch và củacác biến dòng Với rơle điện cơ Kat = (1,2 ÷ 1,3), còn với rơle số Kat = 1,15

INngoài max: dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp lớn nhất qua bảo vệ khi ngắnngoài vùng bảo vệ Ở đây là dòng ngắn mạch 3 pha trực tiếp tại thanh góp B

mà chỉ có thể kết hợp với bảo vệ khác

Hình 2 4 Vùng tác động của bảo vệ cắt nhanh

Đối với lưới điện nhiều nguồn cung cấp ta cần đặt thêm bộ phận định hướng côngsuất để tăng tính chọn lọc cũng như giảm thiểu vùng chết của bảo vệ Đặt bộ phậnđịnh hướng công suất ở nguồn có công suất nhỏ hơn

IdđSBI: dòng điện sơ cấp định mức BI

- Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng TTK có thời gian: được chọn theo từng cấp Thời gian làm việc của bảo vệ về phía nguồn cấp hơn bảo vệ phía đường dây

Vùng tác động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí đặt của hai tổ máy biến dòng ở đầu và ở cuối phần tử được bảo vệ , từ đó nhận được tín hiệu dòng điện để so sánh

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lí bảo vệ so lệch có hãm

Dòng điện so lệch: ISL = IT1 – IT2

Dòng điện hãm : IH = IT1 + IT2

Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ

{¿I SL=I T 1 – I T 2

¿|I H|>|I SL| ⇒ bảo vệ không tác động Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ

{¿I SL=I T 1 – I T 2

¿|I H|<|I SL| ⇒ bảo vệ sẽ tác động

2.3.3 Rơ le khí Buchholz

Thùng MBA

96B Bình dầu phụ

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và vị trí đặt Rơ le khí trên MBA

Ở trong chế độ làm việc bình thường trong bình rơ le đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm của rơ le ở trạng thái hở Khi khí bốc ra yếu , khí tập trung lên phía trên của bình rơ le dẩy phao số 1 xuống, rơ le gửi tín hiệu cấp 1 cảnhbáo Nếu khí bốc ra mạnh luồng dầu vận chuyển từ bình lên thùng dãn dầu xô phaothứ 2 chìm xuống gửi tín hiệu đi cắt máy biến áp

Rơ le khí còn có thể tác động khi mức dầu trong bình rơ le hạ xuống thấp do dầu bị dò dỉ hoặc thùng biến áp bị thủng Để rơ le khí làm việc được dễ dàng người

ta tạo một độ nghiêng nhất định của ống dẫn dầu so với mặt phẳng nằm ngang Goc nghiêng ở khoảng từ 2- 50 đối với rơ le khí có 1 phao, từ 3-70 đối với rơ le có

2 phao Cấp cảnh báo thường tác động với lượng khí tập trung phía trên bình dầu

rơ le từ 100- 250cm3, cấp 2 tác động cắt máy biến áp khi tốc độ di chuyển của dầu qua rơ le

2.3.4 Bảo vệ chống quá tải máy biến áp

a) Sử dụng rơ le quá tải dòng điện,

Là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá 1 giá trịđịnh trước

Thời gian tác động phụ thuộc vào dòng điện quá tải t=f(I), nếu dòng điện quá tải càng lờn thì thời gian tác động cang ngắn

Không phản ánh được trạng thái của máy biến áp trước khi quá tải

b) Sử dụng rơ le nhiệt

Phản ánh được trạng thái nhiệt độ của máy biến áp

Có các cảm biến do nhiệt độ, để đo nhiệt độ ở những chỗ nóng nhất trong cuộn dây, dầu, tùy theo mức độ tăng nhiệt mà nó có các cấp tác động khác nhau:

Khởi động quạt gió

Khởi động bơm dầu

3.2 Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch

Để thiết lập sơ đồ và tính toán ngắn mạch, ta cần có những giả thiết đơn giản hóa, nhàm làm giảm đáng kể khối lượng tính toán trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết

Một số giả thiết cơ bane khi tính toán ngắn mạch:

 Tần số hệ thống không thay đổi

Thực tế sau khi xảy ra ngắn mạch, công suất của các máy phát thay đổi đột ngộtdẫn đến mất cân bằng momen quay và tốc dộ quay bị thay đổi trong quá trình quá độ nên tần số hệ thống bị giao động Tuy nhiên viêc tính toán ngắn mạch được thực hiện ở giai đoạn đầu nên sự biến thiên tốc độ chưa đáng kể Từ đó, giả thiết tần số hệ thống không đổi không mắc sai số nhiều , đồng thời làm giảmđáng kể lượng phép tính

 Bỏ qua bão hòa từ mạch

Khi ngắn mạch, muccws dộ bão hòa mạch từ ở một số phần tử có thể tang cao hơn bình thường Thực tế cho thấy sai số mắc phải do bỏ qua hiện tượng này là không nhiều vì số phần tử mạng lõi thép chiếm số lượng ít trong hệ thống điện

 Bỏ qua sự ảnh hưởng của phụ tải

 Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát

Máy biến áp và điện trở của đường dây do thành phần này quá nhỏ so với điện kháng của chúng

 Coi 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 quaykhông hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên từ trường vẫn đc giả thiết quay đều vớitốc độ không đổi khi đó sdd 3 pha luông đối xứng Thực tế là hệ số không đối xứng của các sdd không đáng kể.

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 nhỏ 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 các điểm từ N1 đến N9

và tính ngắn mạch cho các điểm này

Hình 3 1 Các điểm ngắn mạch tính toán.

3.3 Tính toán điện kháng của các phần tử

Việc tính toán ngắn mạch được thực hiện trong hệ đơn vị cơ bản Chọn công suất

cơ bản Scb= 25 MVA và điện áp cơ bản lấy theo điện áp trung bình danh định từng cấp

Ucb=Utb= 110kv ; 22kvDòng điện cơ bản các cấp được tính theo công thức :