mẫu bài đò án bảo vệ rơ le

đồ án bảo vệ rơ le danhf cho cao đẳng chính quy, đại học chính quy và liên thông

LỜI NÓI ĐẦU

rong nền kinh tế hiện đại ngày nay năng lượng điện năng là nguồn năng lượng vôcùng quan trọng, việc xây dựng các nhà máy điện và hệ thống truyền tải đang trởthành gánh nặng của quốc gia Trong các phụ tải điện còn có những phụ tải quan trọngkhông thể mất điện trong thời gian lâu dài, các thiết bị điện đắt tiền cố thể bị hư hỏngnếu xảy ra sự cố và không được loại bỏ ngay phần tử bị sự cố Để thực hiện nhiệm vụloại 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

T

Là một sinh viên chuyên ngành hệ thống điện không thể không nghiên cứu tìm hiểu

bộ môn “ Bảo vệ rơle trong hệ thống điện” Môn học đã mang lại cho sinh viên nhữngkiến thức cơ bản nhất của kỹ tuật bảo vệ hệ thống điện bằng rơle, các nguyên tắc tácđộng, cách thực hiện các bảo vệ thường gặp cũng như các chế độ hư hỏng và làm việckhông bình thường điển hình nhất của hệ thống điện và các loại bảo vệ chính đặt chonó

Đồ án “Bảo vệ rơle” giúp sinh viên hệ thống lại toàn bộ kiến thức được học và tiếpcận với một số loại rơle trong thực tế Những kiến thức này sẽ là nền tảng cho quá trìnhtiếp cận thực tế sau này

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thấy cô giáo trong bộ môn đặc biệt là

sự hướng dẫn tận tình của cô Nguyễn Thị Thanh Loan đã giúp em hoàn thành đồ án

này Do thời gian làm bài không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên bài làm của emkhông thể tránh khỏi những thiếu sót Vậy em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ýcủa các thầy cô cho bài làm của mình hoàn thiện hơn

Hà nội, ngày 9tháng 3 năm 2014Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Cường – Đ7LTH1

MỤC LỤC

A. LÝ THUYẾT

4

I Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle: 4

1 Độ tin cậy 4

2 Tính chọn lọc 4

3 Tính tác động nhanh 4

4 Độ nhạy 5

5 Tính kinh tế 5

II Nguyên lý làm việc của bảo vệ: 5

1 Bảo vệ quá dòng điện 5

2 Bảo vệ so lệch dòng điện 5

3 Bảo vệ khoảng cách 5

4 Bảo vệ dòng điện có hướng 6

5 Bảo vệ dòng thứ tự không 6

III Nhiệm vụ, sơ đồ nguyên lý, thông số khởi động và vùng tác động của từng bảo vệ .6 1 Bảo vệ quá dòng điện 6

2 Bảo vệ so lệch dòng điện 9

3 Bảo vệ khoảng cách 11

4 Bảo vệ dòng thứ tự không 11

B TÍNH TOÁN 13

I Chọn máy biến dòng 14

II Tính toán ngắn mạch 15

1 Vị trí các điểm ngắn mạch 15

2 Tính dòng ngắn mạch của mạng điện ở chế độ cực đại 16

3 Tính dòng ngắn mạch của mạng điện ở chế độ cực tiểu 23III Tính toán thông số khởi động và xác định vùng bảo vệ cho các bảo vệ đường dây 28

1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh(50) 28

2 Bảo vệ quá dòng có thời gian(51) 32

3 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cho đoạn đường dây L1, L2(51N) 36

4 Kiểm tra độ nhạy của quá dòng cực đại có thời gian (51) và quá dòng thứ tựkhông có thời gian (51N) 37

A LÝ THUYẾT

Rơle là tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự độnghóa hệ thống điện(HTĐ), thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm

vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ hệ thống

I Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle:

1 Độ tin cậy

Là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn

+ Độ tin cậy khi tác động: là mức độ chắc chắn rơle hay hệ thống bảo vệrơle(BVRL) sẽ tác động đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã xác định trongnhiệm vụ bảo vệ Kiểm tra tương đối dễ dàng

+ Độ tin cậy không tác động: là mức độ chắc chắn rằng rơle sẽ không làm việc sai

ở chế độ vận hành bình thường hay sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã đượcquy định Rất khó để kiểm tra vì tập hợp những trạng thái vận hành, tình huốngbất thường có thể dẫn đến tác động sai, không thể lường trước được

Để nâng cao độ tin cậy, nên sử dụng hệ thống role có kết cấu đơn giản, chắc chắn,được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng cường mức độ dự phòngtrong hệ thống bảo vệ

+ Bảo vệ có tính chọn lọc tuơng đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượngđược bảo vệ thì còn làm nhiệm vụ bảo vệ dự phòng

 Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc với các bảo vệ có tính chọn lọc tương đối, cầnphải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn

hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất

3 Tính tác động nhanh

Việc cách ly càng nhanh chóng phần tử bị sự cố sẽ càng hạn chế được mức độphá hoại các thiết bị, càng giảm được thời gian sụt áp ở các hộ dung điện, giảmxác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn và nâng cao khả năng duy trì ổn định sự làmviệc của các máy phát điện và toàn HTĐ

Khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc, để thỏa mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải

sự dụng những loại bảo vệ đắt tiền và phức tạp Vậy nên yêu cầu tác động nhanhtùy thuộc vào điều kiện cụ thể của HTĐ và tình trạng làm việc của phần tử đượcbảo vệ trong HTĐ

4 Độ nhạy

Đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của role hay hệ thống BVRL Phụthuộc vào nhiều yếu tố: chế độ làm việc của HTĐ, cấu hình của lưới điện, dạngngắn mạch, vị trí của điểm ngắn mạch…

Đối với các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy từ 1,2÷1,5

5 Tính kinh tế

Tùy thuộc vào thiết bị được bảo vệ là đặc tính bảo vệ mà ta cần cân nhắc kĩ tínhkinh tế trong lựa chọn thiết bị sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật

mà chi phí là nhỏ nhất

II Nguyên lý làm việc của bảo vệ:

1 Bảo vệ quá dòng điện

Là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tử được bảo vệ vượt quá mộtgiá trị định mức Theo nguyên tắc đảm bảo tính chọn lọc, bảo vệ được chia thành

2 loại:

+ Bảo vệ dòng điện cực đại, kí hiệu 51, 51N hay I>, I0>: là loại bảo vệ đảm bảotính chọn lọc bằng cách chọn thời gian làm việc theo nguyên tắc từng cấp, bảo vệcàng gần nguồn cung cấp thì thời gian tác động càng lớn

+ Bảo vệ dòng điện cắt nhanh, kí hiệu 50, 50N hay I>>, I0>>: là loại bảo vệ đảmbảo tính chọn lọc bằng cách chọn giá trị dòng điện tác động lớn hơn giá trị dòngđiện ngắn mạch ngoài lớn nhất

2 Bảo vệ so lệch dòng điện

Là loại bảo vệ làm việc theo nguyên tắc so sánh trực tiếp biên độ dòng điện ở 2đầu phần từ được bảo vệ Nếu như sai lệch vượt quá trị số cho trước thì bảo vệ sẽtác động

3 Bảo vệ khoảng cách

Là loại bảo vệ dùng role tổng trở có thời gian làm việc phụ thuộc vào quan hệđiện áp UR và dòng điện IR đưa vào role và góc pha giữa chúng R

R R

U

t = f ,φI

4 Bảo vệ dòng điện có hướng.

Là loại bảo vệ làm việc theo giá trị dòng điện tại chỗ nối rơle và góc pha giữadòng điện ấy với điện áp trên thanh góp có đặt bảo vệ cung cấp cho rơle Bảo vệsẽ tác động khi dòng điện vào rơle vượt quá giá trị chỉnh định trước và góc phaphù hợp với trường hợp ngắn mạch trên đường dây được bảo vệ

 Ta thấy bảo vệ dòng điện có hướng chính là bảo vệ dòng điện cực đại cộng thêm

bộ định hướng công suất

5 Bảo vệ dòng thứ tự không

Thực chất là bảo vệ quá dòng sử dụng bộ lọc thứ tự không để lấy thành phần thứ

tự không của dòng 3 pha Khi có ngắn mạch 1 pha chạm đất sẽ xuất hiện dòngvào rơle gồm 3 lần thành phần dòng thứ tự không và thành phần dòng không cânbằng

III Nhiệm vụ, sơ đồ nguyên lý, thông số khởi động và vùng tác động của từng bảo vệ

1 Bảo vệ quá dòng điện

a Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50)

 Nhiệm vụ: cắt nhanh (tức thời hoặc cỡ 0,1s) phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thốngđảm bảo cho hệ thống an toàn và vẫn làm việc bình thường

 Nguyên lý làm việc: là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòngđiện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi quachỗ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở phần tử tiếp theo

 Thông số khởi động:

Dòng điện khởi động: Ikđ50 = kat INngmax

Với kat: hệ số an toàn, lấy bằng 1,2÷1,3

INngmax: dòng ngắn mạch ngoài cực đại, thường lấy bằng giá trị dòngngắn mạch lớn nhất tại thanh cái cuối đường dây

 Vùng tác động: không bao trùm toàn bộ chiều dài đường dây được bảo vệ và thayđổi theo dạng ngắn mạch, chế độ vận hành của hệ thống

 Sơ đồ:

b Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh thứ tự không (50N)

 Nhiệm vụ: cắt nhanh (tức thời hay cỡ 0,1s) phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống đảmbảo cho hệ thống an toàn và vẫn làm việc bình thường

 Nguyên lý làm việc: tương tự như bảo vệ quá dòng cắt nhanh nhưng bảo vệ nàyhoạt động dựa trên trị số dòng thứ tự không của đường dây được bảo vệ Khidòng này lớn hơn dòng hỏi động của bảo vệ thì bảo vệ sẽ tác động

 Thông số khởi động:

Dòng điện khởi động: Ikđ50N = kat I0Nngmax

Với kat = 1,2 ÷ 1,3

I0Nngmax: dòng ngắn mạch thứ tự không ngoài cực đại

 Vùng tác động: cũng tương tự như vùng tác động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh,nhưng vùng tác động ổn định hơn khi chế độ vận hành hệ thống thay đổi

c Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51)

 Nhiệm vụ: loại bỏ phần tử bị sự cố sau thời gian t ra khỏi hệ thống nhằm loại bỏdòng điện sự cố đảm bảo hệ thống làm việc bình thường và an toàn

 Nguyên lý làm việc: tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng có thời gian được đảmbảo bằng nguyên tắc phân cấp thời gian tác động Bảo vệ càng gần nguồn cungcấp thì thời gian tác động càng lớn

 Thông số khởi động:

Dòng điện khởi động: I k kmmat .I

kd  kv lvmaxVới: kmm = 2÷3 là hệ số mở máy

Ilvmax : dòng làm việc cực đại

kv = 0,85÷0,95 với rơle cơ; kv = 1 với rơle số

Thời gian làm việc của bảo vệ: có 2 đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quádòng có thời gian:

(a): đặc tính độc lập(b): đặc tính phụ thuộc

I , t 

tC tB

(b): đặc tính thời gian độc lập

(c): đặc tính thời gian phụ thuộc

 Vùng tác động: toàn bộ đường dây

d Bảo vệ quá dòng TTK có thời gian(51N)

 Nhiệm vụ và nguyên lý: cũng tương tự như bảo vệ quá dòng có thời gian nhưng

nó làm việc theo dòng TTK của đường dây được bảo vệ

 Thông số khởi động:

Dòng khởi động của bảo vệ: Ikđ51N = k IdđsBI

Với: k = 0,2

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 phía nguồn cấp hơn bảo vệ phía đường dây là

Dòng vào rơle: IR = Δt.I = IT1 – IT2 (dòng so lệch)

Xét tình trạng làm việc bình thường của bảo vệ

Giả sử ngắn mạch tại N1, dòng ngắn mạch từ A đến Ta có:

IS1 = IS2

IT1 = IT2

IR = 0 (lý tưởng) => rơle không tác động

Khi ngắn mạch tại N2, có IS1 ≠ IS2, nên IT1 ≠ IT2, nên IR ≠ 0

Nếu giá trị IR ≥ Ikđ thì bảo vệ sẽ tác động

 Dòng khởi động:

Để bảo vệ làm việc đúng, ta phải đặt dòng khởi động của bảo vệ lớn hơn dòngkhông cân bằng lớn nhất( Ikcbttmax) khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ

Ikđ = k Ikcbttmax

Trong đó: Ikcbttmax = fimax kđn kkck INngmax

Với: kđn : hệ số kể tới sự đồng nhất của các BI, bằng 0 khi các BI cùng loại, cùngđặc tính từ hóa, hoàn toàn giống nhau, có dòng ISC như nhau; bằng 1 khi các BIkhác nhau nhiều nhất, 1 bộ có sai số, 1 bộ không

kkck : hệ số kể đến thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch ngoài

fimax = 0,1 sai số cực đại cho phép của BI làm việc trong tình trạng ổn định

INngmax: dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất

 Vùng tác động: có vùng tác động giới hạn bởi vị trí đặt của 2 tổ BI ở đầu và cuốiđường dây được bảo vệ, là loại bảo vệ có tính chất chọn lọc tuyệt đối, không cókhả năng làm dự dòng cho các bảo vệ khác.

 Nguyên lý làm việc: bảo vệ khoảng cách gồm các bộ phận chính có các nhiệm vụsau:

+ Bộ phận khởi động: có nhiệm vụ khởi động bảo vệ vào thời điểm phát sinh sự

cố, kết hợp với các bảo vệ khác làm bảo vệ cuối cùng Bộ phận khởi động thườngđược thực hiện nhờ rơle dòng điện cực đại hay rơle tổng trở cực tiểu

+ Bộ phận khoảng cách: đo khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đế điểm hư hỏng, thựchiện nhờ rơle tổng trở

+ Bộ phận tạo thời gian: tạo thời gian làm việc tương ứng với khoảng cách đếnđiểm hư hỏng, được thực hiện bằng một số rơle thời gian khi bảo vệ có đặt tínhthời gian nhiều cấp

+ Bộ phận định hướng công suất: để tránh bảo vệ tác động nhầm khi hướng côngsuất ngắn mạch từ đường dây được bảo vệ đi vào thanh góp của trạm, được thựchiện bằng các rơle định hướng công suất riêng biệt hoặc kết hợp trong bộ phậnkhởi động và khoảng cách

4 Bảo vệ dòng thứ tự không

 Mạng điện có dòng chạm đất lớn: là những mạng có trung tính nối đất trực tiếp.Những mạng này đòi hỏi bảo vệ phải tác động máy cắt khi có ngắn mạch 1 pha.+ Sơ đồ nguyên lý:

Bảo vệ dùng 3 biến dòng đặt ở 3 pha làm đầu vào cho 1 rơle.

không cần bằng, sinh ra do sự không đồng nhất các BI

Sơ đồ chỉ làm việc khi có ngắn mạch 1 pha, khi ngắn mạch giữa các pha thì bảo

kd  ni với ni : thỉ số biến của BI.

+ Thời gian tác động : được chọn theo nguyên tắc từng cấp để đảm bảo tính chọnlọc nhưng chỉ áp dụng trong mạng trung tính nối đất trực tiếp

Bảo vệ chống ngắn mạch 1 pha có thời gian làm việc nhỏ hơn so với bảo vệ quádòng chống ngắn mạch giữa các pha và có độ nhạy cao hơn

+ Áp dụng : trong các mạng có trung tính nối đất trực tiếp

Ở điều kiện bình thường, IA + IB + IC = 0, từ thông trong lõi thép bằng 0, mạch thứcấp không có dòng nên I2 = 0, rơle không tác động.

Khi xảy ra chạm đất, có thành phần 3I0 chạy vào rơle nên rơle tác động

B TÍNH TOÁN

Tính toán bảo vệ dòng điện cắt nhanh, bảo vệ dòng điện cực đại và bảo vệ dòngđiện thứ tự không cho đường dây cung cấp điện L1, L2 trong sơ đồ lưới điện dướiđây

110kV

22kV P1

P2

Các thông số:

+ Hệ thống: SNmax = 2500MVA; SNmin = 2300MVA; X0HT/X1HT = 1

+ Máy biến áp: SBđm = 63MVA; U1/U2 = 115/24 kV; UN% = 12.5

+ Đường dây: L1 = 9km AC-120; L2 = 11km AC-95; X0dây/X1dây = 3

+ Phụ tải: P1 = 6MW; cosφ1 = 0,86; P2 = 5MW; cosφ2 = 0,85; tpt1 = tpt2 = 0,5 (s)

+ Đặc tính thời gian tác động: t 0,020.14 Tp

Tỉ số biến đổi của BI: ISdm

ni I TdmTrong đó: ISđm: dòng điện danh định phía sơ cấp BI, chọn ISđm ≥ Ilvmax = Icb

ITđm: dòng điện danh định phía thứ cấp BI, lấy bằng 5A

 Dòng làm việc trên đường dây L2 là:

) ( 12 , 216 85

, 0 22 3

10 5 4 , 1 cos

3 4 , 1 max 2 4 , 1

3 2

2 2

U

P Ipt

P I

I I

dm lv

pt lv

45 , 472 12 , 216 86 , 0 22 3

10 6

4

,

1

12 , 216 cos

3 4 , 1

4 , 1 3

1

1 max

2 max 1 max

II Tính toán ngắn mạch

1 Vị trí các điểm ngắn mạch

22kV P1

P2 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9

Giả thiết trong quá trình tính toán ngắn mạch ta bỏ qua:

+ Bão hòa từ

+ Dung dẫn kí sinh trên đường dây, điện trở của cả MBA và đường dây

+ Ảnh hưởng của cả phụ tải tới ngắn mạch

a Các đại lượng cơ bản

Tính toán trong hệ đơn vị tương đối ta chọn:

+ Công suất cơ bản Scb = 100MVA

+ Điện áp cơ bản Ucb = Utb các cấp ={23;115}kV ; EHT = 1

b Điện kháng các phần tử

 Hệ thống:

SNmax = 2500MVA; SNmin = 2300MVA; X0HT/X1HT = 1

Giá trị điện kháng thứ tự thuận:

N

cb HT

S

S X

Giá trị điện kháng thứ tự không:

Chế độ max:X0HTmax =1.X1HTmax=1.0,04=0,04Chế độ min: X0HTmin =1.X1HTmin=1.0,043=0,043

Máy biến áp:

100.100

5.12

B

S

S U

X

 Đường dây:

Chia đường dây L1, L2 thành 4 đoạn bằng nhau:

Giá trị điện kháng thứ tự thuận:

1672,023

100.9.393,0.4

1

1 4

1

2 2

0 1 14

1 13 1 12 1 11

cb

cb L

L L

L L

U

S L X X

X X

X

2084,023

100.11.401,0.4

1

4

1

2 2

2

0 2 24

1 23 1 22 1 21

cb

cb L

L L

L L

U

S L X X

X X

X

Giá trị điện kháng thứ tự không:

X0L11 X0L12 X0L13 X0L14  3 X1L11  3 0 , 1672  0 , 5016

X0L21 X0L22 X0L23 X0L24  3 X1L21  3 0 , 2084  0 , 6252

2 Tính dòng ngắn mạch của mạng điện ở chế độ cực đại

Để tính toán dòng ngắn mạch trong chế độ ngắn mạch không đối xứng, ta sử dụng

phương pháp các thành phần đồi xứng Điện áp và dòng điện được chia làm ba

phần: thành phần thứ tự thuận(TTT); thành phần thứ tự nghịch(TTN) và thành

phần thứ tự không(TTK) Ta có sơ đồ thay thế:

0

1 2

B HT

X X

X

X X

X X

 Ngắn mạch N (3)

+ Dòng ngắn mạch: . 1.0.2381 4,202

1

) 3 ( ) 3 (



X

E m

I

cb

cb N

kA

23.3

100.202,4

3

) 3 ( 1 )

3 (

 Ngắn mạch N (1)

) 1 ( ) 1 (

U

s I I

cb

cb N

kA

23.3

100.184,4

3

) 1 ( 1 )

1 (

+ Dòng TTK trong hệ đơn vị có tên:

kA U

S X

E I

I I

cb

cb td

HT cb

ON

kA

23.3

100.717,0

1.3

3 3

3 ( 1 ) 1 )

1 (

 Ngắn mạch N (1,1)

241 0 238 ,0

241 ,0 238 ,0

0 2

0 2

X X X

5 ,1 ) 241 , 0 238 , 0 (

241 , 0 238 , 0 1 3 ) (

1

.

0 2

0 2 )

1 , 1 (

X X m

3577 ,0 1197 ,0 238 ,0

+ Dòng ngắn mạch: 4,1934

3577,0

1.5,1

) 1 , 1 ( ) 1 , 1 (

td

HT N

X

E m I

U

S I

I

cb

cb N

kA

23.3

100.1934,4

3

) 1 , 1 ( 1 )

1 , 1 (

X

X X

E X

X

X I

I I

cb

cb td

HT cb

ON

kA ON

4605 ,

10 241

0 234

0

238

0

23 3

100

3577 ,

0

1

3

3

3

.

3

0 2

2 0

2

2 )

1 , 1 ( 1 )

1 , 1 ( 1

4052,01672,0198,004,0

11 0 0

0

11 1 1

2 1

HT

L B

HT

X X

X X

X X

X X

X

 Ngắn mạch N (3)

4052,0

1.1

1

) 3 ( ) 3 (



X

E m

I

cb

cb N

kA

23.3

100.4679,2

3

) 3 ( 2 )

3 (

2