Tính toán ngắn mạch phục vụ thiết kế hệ thống bảo vệ máy biến áp 220kv

Trang 1

PHẦN THỨ NHẤT

Trang 2

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bảo vệ hệ thống điệnChương I: Tính tốn ngắn mạch phục vụ thiết kế hệ thống

bảo vệ máy biến áp 220kV

1.1 Mục đích, các trường hợp, giả thiết tính tốn ngắn mạch và thông số các phần tử

Để thiết kế bảo vệ cho bất kì một phần tử hay một hệ thống nào ta cần phải xem xétđến sự cố nặng nề nhất, đó là sự cố ngắn mạch Với sơ đồ hệ thống đang xét ta phảichú ý đến các dạng ngắn mạch như sau:

- Ngắn mạch ba pha đối xứng N(3)

- Ngắn mạch hai pha N(2)

- Ngắn mạch hai pha chạm đất N(1,1)

- Ngắn mạch một pha N(1)

Kết quả tính tốn ngắn mạch trên đối tượng được bảo vệ được dùng để tính tốncác thơng số cài đặt cho các rơle.

Dịng điện ngắn mạch phụ thuộc vào chế độ làm việc của hệ thống thể hiện quacông suất ngắn mạch trên thanh cái, cấu hình hệ thống, vị trí điểm ngắn mạch và cácdạng ngắn mạch.

Các điểm cần xét tới ngắn mạch trong sơ đồ bảo vệ:

Đối với ngắn mạch ngoài ta tính tốn tại các điểm N1, N2, N3 và ngắn mạch trong tạicác điểm ngắn mạch N1’, N2’, N3’ như trên sơ đồ hình vẽ sau:

Trang 3

- N1, N2, N3 là các điểm nằm ngoài vùng bảo vệ của bảo vệ so lệch máy biến áp.- N1’, N2’, N3’ là các điểm nằm trong vùng bảo vệ của bảo vệ so lệch máy biến áp.Các trạng thái vận hành của máy biến áp:

- Vận hành 2 máy biến áp làm việc song song.

- Vận hành 1 máy biến áp làm việc độc lập.Mục đích và các trường hợp tính tốn ngắn mạch:

Mục đích:

- Kiểm tra sự làm việc của hệ thống điện (bảo vệ so lệch).+ An toàn đối với ngắn mạch ngoài.

+ Độ nhạy đối với ngắn mạch trong.

- Tính tốn thơng số cài đặt cho các chức năng bảo vệ quá dòng.- Kiểm tra sự làm việc của bảo vệ dự phòng.

Các trường hợp tính tốn ngắn mạch:

Dịng điện ngắn mạch phụ thuộc vào chế độ làm việc thể hiện qua công suất ngắnmạch trên thanh cái, cấu trúc hệ thống, vị trí điểm ngắn mạch và các dạng ngắn mạch.

- Chế độ max:

Điều kiện: hệ thống điện ở chế độ max thì điện kháng của cả hệ thống min Từđiều kiện đó ta xét hai trường hợp với một máy biến áp vận hành độc lập và hai máybiến áp vận hàn song song với mục đích: kiểm tra độ an tồn của bảo vệ so lệch vàtính tốn thơng số đặt của bảo vệ quá dòng dự phòng.

- Chế độ min:

Điều kiện: hệ thống điện chế độ min thì điện kháng của cả hệ thống là max.Trong chế độ min ta xét:

- Hai máy biến áp vận hành song song.

Mục đích: kiểm tra độ nhậy của bảo vệ q dịng.- Một máy biến áp vận hành độc lập.

Mục đích: kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch.Các dạng ngắn mạch phải tính tốn:

- Trong chế độ max phải tính các dạng:+ Ngắn mạch ba pha đối xứng N(3).+ Ngắn mạch hai pha chạm đất N(1,1) + Ngắn mạch một pha N(1)

Trang 4

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bảo vệ hệ thống điện

+ Ngắn mạch hai pha chạm đất N(1,1) + Ngắn mạch một pha N(1)

Dòng điện ngắn mạch hai pha bé hơn dòng điện ngắn mạch ba pha đối xứng ( do ) nên trong các chế độ cực đại ta khơng cần tính đếndịng ngắn mạch hai pha, trong các chế độ cực tiểu ta khơng cần tính đến dịng ngắnmạch ba pha.

Vì cuộn hạ áp đấu tam giác nên khơng cần tính tốn các chế độ sự cố ngắn mạchchạm đất tại điểm N3.

Các giả thiết tính tốn ngắn mạch:

Để thiết lập sơ đồ và tiến hành tính tốn ngắn mạch cần có những giả thiết đơngiản hóa, những giả thiết này làm giảm đáng kể khối lượng tính tốn trong khi vẫnđảm bảo độ chính xác cần thiết cho các ứng dụng thực tế Sau đây là những giả thiếtcơ bản liên quan đến các bước thiết lập sơ đồ thay thế khi tính tốn 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 ngột,dẫn đến mất cân bằng giữa mômen phát động của tuabin và mômen hãm điện từ củamáy phát, tốc độ quay bị thay đổi trong quá trình q độ Tuy nhiên ngắn mạch đượctính tốn ở giai đoạn đầu nên sự biến thiên tốc độ còn chưa đáng kể.

- Bỏ qua bão hòa từ:

Trong trạng thái ngắn mạch mức độ bão hòa từ ở một số phần tử có thể tăng caohơn, tuy nhiên do số phần tử mang lõi thép chỉ chiếm số lượng ít trong hệ thống điệnnên để đơn giản có thể coi mạch từ khơng bão hịa.

- Thay phụ tải bằng tổng trở hằng.

- Bỏ qua các lượng nhỏ trong thông số của một số phần tử.

Trong các bài tốn thiết kế có thể bỏ qua dung dẫn của các đường dây điện ápthấp, mạch không tải của các máy biến áp, điện trở cuộn dây máy phát điện, máy biếnáp…

- Hệ thống sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng.

Thông số các phần tử của sơ đồ:

 Thông số ban đầu:

- Thông số hệ thống:

Trang 5

Chế độ NM min: SNmin = 1722 MVA; X1 = X2; X0 = 1,219X1

+ HTĐ đã tách ra quy về thanh góp 220kV trạm biến áp:

Chế độ NM max: SNmax220kV = 3122 MVA; X1 = X2; X0 = 1,022X1

Chế độ NM min: SNmin220kV = 2173 MVA; X1 = X2; X0 = 1,067X1

+ Đường dây 220kV (dài 65 km): x1(1km) = 0,38 Ω; x0(1km) = 1,2 Ω

- Thông số máy biến áp:

Hãng sản xuất: AEG Kiểu: SDN 6444Điện áp định mức: 225/115/23kV-250MVA

Tần số: 50HZ Tổ đấu dây: Y0Y0∆11

Tổn thất không tải: ∆Po = 94,000W Dịng điện khơng tải: I0% = 0,16%Điện áp ngắn mạch phần trăm:

UN% C-T C-H T-H

11 32 20

 Tính tốn điện kháng của các phần tử:

Để thuận tiện trong việc tính tốn thơng số cài đặt cho máy biến áp, do vậy ta tính tốnđiện kháng trong hệ đơn vị tương đối định mức của máy biến áp.

Điện áp cơ bản: Công suất cơ bản:

Nguồn sức điện động đẳng trị của hệ thống: E*HT= 1

- Điện kháng hệ thống điện 1 (hệ thống điện nối với thanh cái 220kV)Trong chế độ cực đại:

Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ1:

Điện kháng thứ tự không của HTĐ1:Trong chế độ cực tiểu:

Trang 6

- Điện kháng hệ thống điện 2 hệ thống điện nối với thanh cái 110kV)Trong chế độ cực đại:

Điện kháng thứ tự không của HTĐ2:Trong chế độ cực tiểu:

Điện kháng thứ tự không của HTĐ1:- Điện kháng của đường dây:

Đường dây truyền tải là phần tử tĩnh, do vậy điện kháng thứ tự thuận bằng điện khángthứ tự nghịch X1Dd= X2Dd

Điện kháng thứ tự thuận và nghịch: Điện kháng thứ tự không:

Do đường dây là đường dây lộ kép, vì vậy điện kháng của đường dây là:Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch:

Điện kháng thứ tự không:

- Điện kháng các cuộn dây máy biến áp:

Máy biến áp là phần tử không quay, do vậy do vậy điện kháng thứ tự thuận bằng điện kháng thứ tự nghịch: X1mba= X2mba

Trang 7

Điện kháng cuộn cao của máy biến áp là:

1.2 Tính tốn ngắn mạch

1.2.1 Chế độ cực đại với 1 máy biến áp làm việc độc lập và đường dây lộ kép

Điện kháng tổng tính từ HTĐ1 đến thanh góp 220kV của trạm biến áp:

1.2.1.1 Điểm ngắn mạch N1 và N1’

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Điện kháng thay thế thứ tự thuận:

Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch: hoàn toàn tương tự thứ tự thuận.

Điện kháng thay thế thứ tự nghịch bằng điện kháng thay thế thứ tự thuận:

Trang 8

Điện kháng thứ tự không:

Điện kháng thay thế thứ tự không:

 Ngắn mạch ba pha N(3)

Dòng điện ngắn mạch chạy qua điểm ngắn mạch:

Dòng điện ngắn mạch đến từ phía trung áp 110kV:

Dịng điện ngắn mạch đến từ phía cao áp 220kV:

- Dịng điện pha sự cố chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N1:

Khơng có dịng chạy qua BI0 và BI3:

- Dòng điện pha sự cố chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N1’:

Trang 9

Dòng điện qua BI1:

 Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1)

Dòng điện các thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch đến từ bên cao áp 220kV:Dòng điện thứ tự khơng đến từ bên trung áp 110kV:

Dịng điện thứ tụ khơng đến từ bên cao áp 220kV:

- Dịng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N1:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch qua BI1 và BI2:

Dòng điện thứ tự khơng đi qua BI1:Dịng điện thứ tự khơng đi qua BI2:

Dòng điện pha sự cố chạy qua BI1:Dòng điện pha sự cố chạy qua BI2:

Trang 10

Để tránh tác động nhầm thì chức năng bảo vệ so lệch 87T phải loại bỏ thành phần thứtự không khỏi dòng pha để mang ra so sánh.

Dòng điện chạy qua các BI1, BI2, BI3 đã loại bỏ thành phần thứ tự khơng:

Dịng điện thứ tự khơng chạy qua BI0 (dây trung tính của máy biến áp):

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N1’:

Khi có ngắn mạch tại điểm N1’, dịng điện chạy qua BI2 và BI3 là không đổi:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch qua BI1:

Dòng điện thứ tự khơng đi qua BI1:

Dịng điện pha sự cố chạy qua BI1:

Dòng điện chạy qua BI1 đã loại bỏ thành phần thứ tự không:

Trang 11

 Ngắn mạch 2 pha chạm đất

Dòng điện thành phần thứ tự thuận tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dòng điện thành phần thứ tự nghịch tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dịng điện thành phần thứ tự khơng tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:Dòng điện thứ tự thuận đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tự nghịch đến từ bên trung áp 110kV:

Dịng điện thứ tự khơng đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tự thuận đến từ bên cao áp 220kV:

Dòng điện thứ tự nghịch đến từ bên cao áp 220kV:Dịng điện thứ tự khơng đến từ bên cao áp 220kV:

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N1:

Dòng điện thứ tự thuận qua BI1 và BI2: Dòng điện thứ tự nghịch qua BI1 và BI2: Dòng điện thứ tự không qua BI1:

Trang 12

Dòng điện pha sự cố đi qua BI1:

Khơng có dịng qua BI3.

Dịng điện chạy qua các BI1, BI2, BI3 đã loại bỏ thành phần thứ tự khơng:

- Dịng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N1’:

Khi ngắn mạch tại điểm N1’, dòng điện sự cố chạy qua BI2, BI3 là không đổi

Trang 13

Dịng điện thứ tự khơng qua BI1:Dịng điện pha sự cố đi qua BI1:

=

Dòng điện chạy qua các BI1 đã loại bỏ thành phần thứ tự khơng:

Dịng điện thứ tự khơng chạy qua BI0( dây trung tính của MBA):

Bảng tổng hợp kết quả cho trường hợp ngắn mạch tại N1:

Qui ước chiều cho dòng ngắn mạch các thành phần đối xứng khi tính tốn ngắn mạch:Đi ra khỏi điểm ngắn mạch: chiều âm (+)

Đi vào điểm ngắn mạch: chiều dương (-)

Qui ước chiều cho dòng ngắn mạch các thành phần đối xứng chạy trong máy biến áp:Đi vào MBA: chiều dương (+)

Đi ra khỏi MBA: chiều âm (-)

Bảng 1.1 điểm N1

N1

N(3) N(1) N(1,1)

BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3

4,3917 4,3917 0 4,9149 4,1158 0 4,8491 4,5148 0

0 0 0 -2,0217 1,2226 0 -1,8473 1,1171 0

-4,3917 4,3917 0 -2,8932 2,8932 0 -4,2023 4,2023 0

Trang 14

Bảng 1.2 điểm N1’

N1’

N(3) N(1) N(1,1)

7,0872 4,3917 0 5,4807 4,1158 0 6,2097 4,5148 0

0 0 0 1,4435 1,2226 0 -1,3191 -1,1171 0

7,0872 4,3917 0 4,0372 2,8932 0 5,864 4,2023 0

0 1,8254 1,6676

1.2.1.2.Điểm ngắn mạch N2 và N2’

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Trang 15

Điện kháng thay thế thứ tự khơng:

 Ngắn mạch ba pha N(3)

Dịng điện ngắn mạch chạy qua điểm ngắn mạch:

Dịng điện ngắn mạch đến từ phía trung áp 110kV:

Dịng điện ngắn mạch đến từ phía cao áp 220kV:

- Dòng điện pha sự cố chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N2:

Trang 16

Dòng điện qua BI1, BI3, BI0 là không đổi: , , Dòng điện qua BI2:

 Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1)

Dòng điện các thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch đến từ bên cao áp 220kV:

Dịng điện thứ tụ khơng đến từ bên cao áp 220kV:

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N2:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch qua BI1 và BI2:Dịng điện thứ tự khơng đi qua BI2:

Dịng điện thứ tự khơng đi qua BI1:

Trang 17

Khơng có dịng điện chạy qua BI3:

Để tránh tác động nhầm thì chức năng bảo vệ so lệch 87T phải loại bỏ dịng thứ tự khơng để so sánh.

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N2’:

Khi có ngắn mạch tại điểm N1’, dịng điện chạy qua BI1 và BI3 là không đổi:

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch qua BI2: Dòng điện thứ tự khơng đi qua BI2:

Trang 18

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bảo vệ hệ thống điện Ngắn mạch 2 pha chạm đất

Dòng điện thành phần thứ tự thuận tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dòng điện thành phần thứ tự nghịch tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dịng điện thành phần thứ tự khơng tại điểm ngắn mạch của pha sự cố:

Dòng điện thứ tự thuận đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tự nghịch đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tự thuận đến từ bên cao áp 220kV:

Dòng điện thứ tự nghịch đến từ bên cao áp 220kV:

Dịng điện thứ tự khơng đến từ bên cao áp 220kV:

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N1:

Dòng điện thứ tự thuận qua BI1 và BI2: Dòng điện thứ tự nghịch qua BI1 và BI2: Dòng điện thứ tự không qua BI2:

Trang 19

Dòng điện pha sự cố đi qua BI2:=

Khơng có dịng qua BI3

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N2’:

Khi ngắn mạch tại điểm N1’, dòng điện sự cố chạy qua BI1, BI3 là không đổi

Trang 20

Dòng điện thứ tự nghịch qua BI2:Dịng điện thứ tự khơng qua BI2:

Dịng điện ngắn mạch trên pha sự cố đi qua BI2:

Bảng tổng hợp kết quả cho trường hợp ngắn mạch tại N2

Bảng 1.3 điểm N2

N2

N(3) N(1) N(1,1)

3,9028 3,9028 0 3,5021 4,9648 0 3,7098 4,5656 00 0 0 0,7699 -2,2326 0 0,8104 -2,3503 03,9028 -3,9028 0 2,7322 -2,7322 0 3,4556 -3,4556 00 6,9247 7,29Bảng 1.4 điểm N2’N2’N(3) N(1) N(1,1)

3,9028 8,8686 0 3,5021 8,446 0 3,7098 8,6548 0

Trang 21

3,9028 8,8686 0 2,7322 6,2083 0 3,4556 7,8523 0

0 6,9439 7,3099

1.2.1.3 Ngắn mạch tại điểm N3 và N3’

Tại điểm N3 và N3’, cuộn tam giác chặn lại dịng ngắn mạch thứ tự khơng, do vậy chỉ có dịng ngắn mạch thứ tự thuận và thứ tự nghịch chạy qua BI3.

Như vậy để phục vụ cài đặt rơle, ta tính tốn ngắn mạch 3 pha N(3)và N(2) tại điểm N3

và N3’ lần lượt cho chế độ hệ thống điện cực đại và hệ thống điện cực tiểu.Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Sức điện động đẳng trị của 2 nguồn: coi 2 nguồn có cơng suất vơ cùng lớn: Ngắn mạch ba pha N(3)

:

Dịng điện ngắn mạch chạy qua điểm ngắn mạch:

Dòng điện ngắn mạch đến từ phía trung áp 110kV:

Trang 22

- Dòng điện pha sự cố chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N3:

Dòng điện qua BI1, BI2 là khơng đổi: , Dịng điện qua BI3 bằng không do điểm N3’ nằm trước BI3.Bảng kết quả tính tốn:

Bảng 1.5 Điểm N3 và N3’

N3 và N3’

N(3) N(3)

BI1BI2BI3BI1BI2BI3

1,0787 2,4511 3,5298 1,0787 2,4511 0

Trang 23

1.3 Tổng kết kết quả tính tốn ngắn mạch

Bảng 1.6: Cơng suất hệ thống cực đại – 1 máy biến áp làm việc độc lập:

N(3) N(1) N(1,1)4,3917 4,3917 0 4,9149 4,1158 0 4,8491 4,5148 00 0 0 -2,0217 1,2226 0 -1,8473 1,1171 0-4,3917 4,3917 0 -2,8932 2,8932 0 -4,2023 4,2023 00 0,7127 0,65117,0872 4,3917 0 5,4807 4,1158 0 6,2097 4,5148 00 0 0 1,4435 1,2226 0 -1,3191 -1,1171 07,0872 4,3917 0 4,0372 2,8932 0 5,864 4,2023 00 1,8254 1,66763,9028 3,9028 0 3,5021 4,9648 0 3,7098 4,5656 00 0 0 0,7699 -2,2326 0 0,8104 -2,3503 03,9028 -3,9028 0 2,7322 -2,7322 0 3,4556 -3,4556 00 6,9247 7,293,9028 8,8686 0 3,5021 8,446 0 3,7098 8,6548 00 0 0 0,7699 2,2377 0 -0,8104 -2,3556 03,9028 8,8686 0 2,7322 6,2083 0 3,4556 7,8523 00 6,9439 7,3099N(2) tại N3 N(2) tại N3’

BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3

Trang 24

Trang 25

Bảng 1.7: Công suất hệ thống cực đại – 2 máy biến áp làm việc song song:N(3) N(1) N(1,1)2,9394 2,9394 0 3,4186 2,5721 0 3,2009 2,7767 00 0 0 -1,494 0,6475 0 -1,4678 0,6362 0-2,9394 2,9394 0 -1,9246 1,9246 0 -2,5892 2,5892 00 -0,4372 0,42933,5457 2,9394 0 2,9509 2,5721 0 3,2925 2,7767 00 0 0 0,6292 0,6475 0 -0,6181 -0,6362 03,5457 2,9394 0 2,3217 1,9246 0 3,1231 2,5892 00 1,2271 1,20592,5176 2,5176 0 2,2591 3,5073 0 2,3052 3,227 00 0 0 0,3853 -1,6335 0 0,2181 -1,8488 02,5176 -2,5176 0 1,8738 -1,8738 0 2,2439 -2,2439 00 5,4091 6,54162,5176 4,4365 0 2,2591 4,2567 0 2,3052 4,3383 00 0 0 0,3853 0,9545 0 -0,2181 -1,0803 02,5176 4,4365 0 1,8738 3,3022 0 2,2439 3,9541 00 2,8525 3,6479N(3) tại N3 N(3) tại N3’

1,0379 1,8291 2,867 1,0379 1,8291 2,867

Trang 26

Bảng 1.8: Công suất hệ thống cực tiểu – 1 máy biến áp làm việc độc lập

N(2) N(1) N(1,1)3,4873 3,4873 0 4,3021 3,4754 0 4,1626 3,794 00 0 0 -1,7841 0,9574 0 -1,68 0,9016 03,4873 3,4873 0 2,518 2,518 0 3,5373 3,5373 00 0,1714 -0,16163,4977 3,4873 0 3,2633 3,4754 0 3,7277 3,794 00 0 0 0,7377 0,9574 0 -0,6946 -0,9016 03,4977 3,4873 0 2,5256 2,518 0 3,5478 3,5373 00 2,1852 2,0582,4602 2,4602 0 2,4872 3,8843 0 2,671 3,5384 00 0 0 -0,4598 1,8569 0 0,4947 -1,9978 0-2,4602 2,4602 0 -2,0274 2,0274 0 -2,5199 2,5199 00 6,1069 6,57032,4602 5,9724 0 2,4872 6,5396 0 2,671 6,7126 00 0 0 -0,4598 1,6177 0 0,4947 -1,7405 0-2,4602 -5,9724 0 -2,0274 4,9219 0 -2,5199 6,1173 00 5,2062 5,6015N(2) tại N3 N(2) tại N3’

Trang 27

0 0

Bảng 1.9: Công suất hệ thống cực tiểu – 2 máy biến áp làm việc song song

1,9932 1,9932 0 2,8566 2,0517 0 2,636 2,1838 00 0 0 -1,271 0,4661 0 -1,315 0,4822 0-1,9932 1,9932 0 -1,5856 1,5856 0 -2,0349 2,0349 00 0,691 0,71511,9721 1,9932 0 1,8753 2,0517 0 2,1004 2,1838 00 0 0 0,3063 0,4661 0 -0,3169 -0,4822 01,9721 1,9932 0 1,569 1,5856 0 2,0135 2,0349 00 1,1655 1,20581,4698 1,4698 0 1,5098 2,6341 0 1,5546 2,4472 00 0 0 -0,2038 1,3281 0 0,1205 -1,5706 0-1,4698 1,4698 0 -1,306 1,306 0 -1,5196 1,5196 00 4,6085 5,68191,4698 2,985 0 1,5098 3,3041 0 1,5546 3,3656 00 0 0 -0,2038 0,6513 0 0,1205 -0,7702 0-1,4698 -2,985 0 -1,306 2,6528 0 -1,5196 3,0864 00 2,0601 2,6681N(2) tại N3 N(2) tại N3’

Trang 28

0,7153 1,453 2,1684 0,7153 1,453 2,1683

0 0

Chương II: Chọn lựa phương thức bảo vệ và giới thiệu cácloại rơle được sử dụng

2.1 Yêu cầu bảo vệ và các sự cố

2.1.1 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện

Khi thiết kế bảo vệ rơle cho hệ thống điện cần phải kể đến khả năng phát sinhhư hỏng và tình trạng làm việc khơng bình thường của hệ thống

Ngắn mạch là loại hư hỏng thường xảy ra và nguy hiểm nhất, q tải là tìnhtrạng làm việc khơng bình thường, thường gặp trong hệ thống điện

Để ngăn chặn hư hỏng lan tràn, giữ gìn thiết bị phải tìm cách cắt nhanh phần tửbị hư hỏng ra khỏi mạng điện, loại trừ những tình trạng làm việc khơng bình thườngnguy hiểm cho thiết bị va hộ dùng điện.

Nhiệm vụ của bảo vệ rơle là phát hiện và tác động khi có ngắn mạch hoặc tìnhtrạng làm việc khơng bình thường xảy ra trong hệ thống Bảo vệ rơle tác động có thể làcắt máy cắt điện hoặc báo tín hiệu.

Bảo vệ rơle cần phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau đây: Tính chọn lọc :

Là khả năng cắt đúng phần tử bị hư hỏng của hệ thống điện Yêu cầu về tính chọnlọc là điều kiện cơ sở để đảm bảo một cách chắc chắn việc cung cấp điện liên tụccho các hộ tiêu thụ Cắt khơng có chọn lọc thường làm tăng sự cố, gây thêm tổnthất cho các hộ dùng điện.

 Tin cậy :

Là tính năng đảm bảo cho thiết bị làm việc đúng, chắc chắn Người ta phân biệt :- Độ tin cậy tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trongphạm vi đã được xác định.

- Độ tin cậy không tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hànhbình thường hoặc sự cố xảy ra ngồi phạm vi bảo vệ đã được quy định.

 Tác động nhanh :

Trang 30

 Độ nhạy :

Để phát hiện những thay đổi khác với tình trạng làm việc bình thường của mạngđiện, bảo vệ cần phải có một độ nhạy cần thiết Muốn xác định độ nhạy trước tiênphải xác định vùng tác động của bảo vệ Thường thì độ nhạy của bảo vệ được đặc

trưng bằng hệ số nhạy knh. Tính kinh tế :

Đối với lưới trung và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ lớn, yêu cầu bảovệ không cao bằng lưới truyền tải cao áp nên cân nhắc về tính kinh tế sao cho thiếtbị bảo vệ có thể đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật với chi phí nhỏ nhất.

2.1.2 Bảo vệ máy biến áp tự ngẫu

Các dạng hư hỏng và những loại bảo vệ thường dùng:

Những hư hỏng thường xảy ra đối với máy biến áp có thể phân ra làm hai nhóm:hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài.

 Hư hỏng bên trong bao gồm :- Chạm chập giữa các vòng dây.- Ngắn mạch giữa các vòng dây.

- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất - Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp.- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu

 Những hư hỏng và chế độ làm việc khơng bình thường bên ngoài máy biến áp baogồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống.- Ngắn mạch 1 pha trong hệ thống.- Quá tải.

- Quá bão hoà mạch từ.

Trang 31

Loại hư hỏng Loại bảo vệNgắn mạch một pha hoặc nhiều

pha chạm đất.

So lệch có hãm

Bảo vệ so lệch thứ tự không (chống chạm đất hạn chế).

Bảo vệ q dịng, q dịng thứ tự khơng.Chạm chập các vịng dây

Thùng dầu thủng hoặc bị rò dầu Bảo vệ Rơle khí (Buchholz).Q tải Q dịng điệnHình ảnh nhiệt

Q bão hoà mạch từ Chống quá bão hoà.

 Việc lựa chọn phương thức bảo vệ cho trạm biến áp nói riêng và các phần tử tronghệ thống điện nói chung là hết sức quan trọng nhằm loại trừ nhanh phần tử sự cố rakhỏi hệ thống điện, đảm bảo hệ thống làm việc an toàn, ổn định bền vững.

 Để thực hiện được nhiệm vụ quan trọng này thì hệ thống bảo vệ phải thoả mãn cácyêu cầu sau:

- Tác động nhanh.

- Tác động phải chọn lọc.- Tin cậy khi tác động.- Độ nhạy phải đảm bảo.

2.2 Các bảo vệ được sử dụng

2.2.1 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm

Ngun lí của bảo vệ so lệch có hãm dùng cho MBATN được trình bày nhưhình vẽ:IH1H2LVHMLVLVHMH2H1321T1T3S1S2S3IIIIIIIIIT2II

Trang 32

HM: Hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dịng điện từ hố MBA

Giả sử nguồn cung cấp từ phía 1, cịn 2 và 3 là phụ tải Bỏ qua ảnh hưởng củatổ đấu dây Tỷ số biến đổi của MBA cũng như BI (coi tỉ số biến đổi bằng 1).

Ta có: Trong chế độ làm việc bình thường: İS1 = İS2 + İS3

Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc: İLV = İT1 – ( İT2 + İT3 )Các dòng hãm: İH1 = İT1 + İT2, İH2 = İT3

Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệuứng hãm theo quan hệ: İH = kH.(|İT1 + İT2| + |İT3|)

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 dịng điện từ hố khiđóng MBA khơng tải và khi cắt ngắn mạch ngồi, bảo vệ còn được hãm bằng thànhphần hài bậc hai trong dòng điện từ hoá IHM

Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ cần thựchiện điều kiện: | İH | > |İLV|

BVSL làm chức năng bảo vệ chính dùng để cắt nhanh MBA khi có sự cố ngắnmạch xảy ra trong vùng bảo vệ Nó phải thỗ mãn các u cầu sau:

 Chỉnh định chắc chắn khỏi dịng điện khơng cân bằng khi đóng MBA khơngtải, khi cắt ngắn mạch ngồi và dịng điện từ hố tăng cao khi có q điện áp.

 Đảm bảo độ nhạy cao với các dạng ngắn mạch bên trong vùng bảo vệ.

2.2.2 Bảo vệ chống chạm đất hạn chế của MBATNSơ đồ nguyên lí như trên hình vẽ:

ĐII 0IĐ0I I02NN1I0I03I003I ISL

Trang 33

Khi ngắn mạch ngoài (điểm N1) hoặc khi làm việc bình thường:

ISL = IĐ - 3.I0’ = 0 Bảo vệ không tác động.Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (điểm N2):

ISL = IĐ + 3.I0’’ = 3.(I0’ + I0’’) Bảo vệ tác động.

2.2.3 Bảo vệ khí đặt ở MBATN

Rơle khí được đặt ở ống nối từ thùng MBA đến bình dãn dầu Rơle có 2 phaokim loại mang bầu thuỷ tinh con có tiếp điểm thuỷ ngân hoặc tiếp điểm từ Ở chếđộ làm việc bình thường, trong bình rơle đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu,tiếp điểm rơle ở trạng thái hở Khi xuất hiện chế độ khơng bình thường, rơle sẽ làmviệc với 2 cấp:

Cấp 1 (cấp cảnh báo): Khi sự cố nhẹ (ví dụ dầu nóng do q tải), khí bốc rayếu, tích tụ trên thành bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cảnh báo vàtăng cường hệ thống làm mát cưỡng bức.

Cấp 2 (cắt MBA): Khi sự cố lớn (ví dụ ngắn mạch trong thùng dầu), khí bốcra mạnh, luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình dãn dầu xơ phao số 2 chìmxuống, gửi tín hiệu đi cắt máy cắt.

2.2.4 Bảo vệ chống quá tải

Bảo vệ dùng để chống hư hỏng do nhiệt độ MBA tăng cao khi bị quá tải cao vàkéo dài Để thực hiện bảo vệ, dùng nguyên lý hình ảnh nhiệt Bảo vệ phản ánh mứctăng nhiệt độ ở nhiều điểm kiểm tra khác nhau trong MBA và tuỳ theo mức tăng nhiệt độ mà có nhiều cấp tác động khác nhau, thường 2 cấp:

Cấp 1: Gửi tín hiệu cảnh báo và tăng làm mát cưỡng bức.Cấp 2: Gửi tín hiệu cắt máy cắt.

2.3 Sơ đồ phương thức bảo vệ cho máy biến áp 220kV

Để bảo vệ cho hai máy biến áp tự ngẫu với công suất rất lớn (2x250 MVA) ta lựa chọn các bảo vệ sau đây:

- Bảo vệ chính là 2 bộ bảo vệ so lệch P633.

Trang 34

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bảo vệ hệ thống điện676767N87T220 kV110 kV496467N87T4950BF59NBU0 5187NP12222kVP6337UT613BH OT OLP122P143P143

Hình 2.3: Sơ đồ phương thức bảo vệ cho máy biến áp.

Chú thích: Bảo vệ so lệch có hãm (87T).

Bảo vệ so lệch thứ tự không (87N).Bảo vệ quá tải nhiệt (49).

Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF).Bảo vệ rơ le khí (B).

Bảo vệ chống quá áp (59N).

Bảo vệ so lệch dòng có hướng (67,67N).Bảo vệ mức dầu thấp (OL).

Bảo vệ quá tải nhiệt (OT).

Ghi chú:

 Bảo vệ so lệch thứ nhất máy biến áp P633.

Bảo vệ lấy tín hiệu từ các BI chân sứ của máy biến áp Ngoài sử dụng chức năngbảo vệ so lệch (87T) và chống chạm đất hạn chế (87N), ta còn cài đặt thêm chứcnăng bảo vệ quá tải nhiệt (49)

 Bảo vệ so lệch thứ hai máy biến áp 7UT613.

Trang 35

 Bảo vệ so lệch chống chạm đất máy biến áp (64).

Bảo vệ so lệch chống chạm đất máy biến áp dùng rơle so lệch tổng trở cao P122 có khả năng ổn định cao chống ngắn mạch ngồi làm bão hịa BI.

 Bảo vệ chống chạm đất phía 22kV (59N).

Do cuộn dây phía 22kV được đấu tam giác (dịng thứ tự khơng chạy quẩn trongcuộn tam giác) nên chức năng chống chạm đất phía 22kV ta dùng bảo vệ tác độngvới thành phần 3U0 Tín hiệu lấy từ BU 3 pha 5 trụ được đấu sao- sao- tam giác hởđể lọc thành phần thứ tự khơng Khi có sự cố chạm đất, nếu trị số 3U0 vượt quángưỡng Uđặt thì sau thời gian tkđ bảo vệ sẽ tác động, gửi tín hiệu cảnh báo có sự cốchạm đất phía 22kV

 Bảo vệ q dịng có hướng.

Bảo vệ q dịng 67 và 67N có hướng ra ngồi đường dây dùng để bảo vệ dựphòng cho đường dây

 Rơle khí Buchholz, 2 cấp tác động.

Rơle khí làm nhiệm vụ bảo vệ máy biến áp khi có sự cố bên trong thùng dầu Rơlekhí thường được đặt trên ống nối giữa thùng dầu chính và bình dầu phụ Rơle cóhai phao hình trụ thường làm bằng kim loại hoặc chất dẻo mang bầu thủy tinh chứathủy ngân hoặc tiếp điểm từ Ở chế độ làm việc bình thường, rơle khí chứa đầy dầu,phao 1 và 2 nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm rơle ở trạng thái hở Khi xuất hiện sựcố bên trong thùng dầu thì rơle sẽ làm việc với 2 cấp tác động:

Cấp 1 (cấp cảnh báo): Khi mức dầu tụt thấp (rò, thùng bị thủng) hoặc sự cố nhẹ,khí bốc ra yếu (dầu nóng do q tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩyphao 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cảnh báo và tăng cường hệ thống làm mát cưỡngbức

Cấp 2 (cắt máy biến áp): Khi sự cố lớn (chẳng hạn ngắn mạch trong thùng dầu), khíbốc ra mạnh luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình dãn dầu xơ phao 2 chìmxuống gửi tín hiệu đi cắt máy biến áp.

2.4 Giới thiệu tính năng và thơng số các loại rơle được sử dụng

2.4.1 Rơle bảo vệ so lệch Areva P633.

Trang 36

các chức năng tích hợp trong P633 ta có thể đưa ra phương thức bảo vệ phù hợp vàkinh tế cho đối tượng cần bảo vệ Đây là quan điểm chung để chế tạo các rơle số hiênđại ngày nay

 Rơle số P633 là thiết bị với chức năng chính là bảo vệ so lệch tích hợp thêm cácchức năng sau đây :

+ Hệ thống bảo vệ so lệch 3 pha, bảo vệ cho đối tượng 3 cuộn dây.+ Tự cân bằng pha và cân bằng tổ đấu dây.

+ Lọc dòng điện thứ tự khơng cho mỗi cuộn dây, có thể khơng kích hoạt.+ Đặc tính hãm 3 đoạn.

+ Hãm bổ sung phản ứng theo thành phần sóng hài bậc hai (2f0), tuỳ chọn cho cácứng dụng, có thể khơng kích hoạt.

+ Hãm quá từ thông phản ứng theo thành phần sóng hài bậc năm (5f0), có thểkhơng kích hoạt.

+ Tăng tính ổn định với bộ phát hiện bão hồ.+ Bảo vệ so lệch chống chạm đất hạn chế.

+ Bảo vệ q dịng đặc tính thời gian độc lập (3 cấp tác động, tác động theo từngpha, hệ thống đo lường riêng cho từng pha, phản ứng theo thành phần thứ tựnghịch và thành phần thứ tự không (TTK)).

+ Bảo vệ q dịng đặc tính thời gian phụ thuộc (3 cấp tác động, tác động theotừng pha, hệ thống đo lường riêng cho từng pha, phản ứng theo thành phần thứ tựnghịch và thành phần TTK).

+ Bảo vệ quá tải nhiệt.+ Bảo vệ tần số f< >.+ Bảo vệ điện áp V< >.+ Giám sát giá trị tới hạn.+ Lập trình logic.

Các thông số kỹ thuật của rơle P633

Các đại lượng đầu vào, đầu ra.

 Đầu vào đo lường:- Dòng điện:

Dòng danh định: 1A hoặc 5Aac

Tiêu thụ danh định/pha: <0,1VA khi Idđ

Khả năng tải:

Trang 37

Trong 10s: 30 Idđ

Trong 1s: 100 Idđ

Dịng xung kích danh định: 250 Idđ

- Điện áp:

Điện áp danh định: 50 ÷ 130Vac (theo đơn đặt hàng)Tiêu thụ danh định/pha: <0,3VA khi Udđ =130VacKhả năng tải lâu dài: 150Vac

- Tần số:

Tần số danh định fdđ: 50 hoặc 60Hz

Chức năng bảo vệ tần số: dải vận hành 40 ÷ 70HzTất cả các chức năng khác: dải vận hành 0,95 ÷ 1,05fdđ

 Đầu vào tín hiệu nhị phân:

- Điện áp danh định: Uin,dđ = 24 ÷ 250Vdc

- Dải vận hành: 0,8 ÷ 1,1 Uin,dđ (với gợn sóng dư lên đến 12% Uin,dđ)- Cơng suất tiêu thụ trên đầu vào: Vin = 1 ÷ 110Vdc là 0,5W ±30% Vin =110Vdc 0,5 mA ±30%

 Đầu vào dịng một chiều:Dịng đầu vào: 0 ÷ 26mA

- Dải trị số: 0,00 ÷ 1,2 IDCdđ (IDCdđ = 20mA)- Dòng lâu dài lớn nhất cho phép: 50mA- Điện áp đầu vào lớn nhất cho phép: 17V- Tải đầu vào: 100Ω

- Theo dõi quá tải: >24,8mA

- Giải trừ về không: 0,000 ÷ 0,200 IDCdđ (điều chỉnh) Các rơle đầu ra:

- Điện áp định mức: 250Vdc, 250Vac- Dòng lâu dài: 5A

- Khoảng thời gian ngắt dòng điện: 30A cho 0,5s- Dung lượng đóng: 1000W lúc L/R = 40ms

- Dung lượng ngắt: 0,2A tại 220Vdc là L/R = 40ms 4A tại 230Vac và cosφ = 0,4

 Dữ liệu đầu ra mã BCD:

Trang 38

- Dải trị số: 0 ÷ 20mATải cho phép: 0 ÷ 500ΩĐiện áp đầu ra là: 15V

Các tham số khai báo

 Mục chức năng chính (Main function):

Xung đầu ra bé nhất cho một lệnh cắt: 0,1 ÷ 10s (điều chỉnh được).Xung đầu ra cho một lệnh đóng: 0,1 ÷ 10 s (điều chỉnh được). Mục bảo vệ so lệch (Differential protection).

Thời gian tác động nhỏ nhất: 19ms

 Mục bảo vệ quá dòng thời gian độc lập (DTOC) và phụ thuộc (IDMT).Thời gian thao tác bao gồm rơle đầu ra: ≤ 40ms, ≈ 30ms

Thời gian nhả: ≤ 40ms, ≈ 30msHệ số trở về: ≈ 0,95

Các sai số

 Sai số giá trị bảo vệ- Bảo vệ so lệch:

Sai số đo lường: Idiff ≥ 0,2 Iref: ±0,5%Sai số ổn định dịng từ hố: ±10%- Bảo vệ so lệch chống chạm đất hạn chế:

Sai số đo lường Idiff ≥ 0,2 Iref: ±0,5%

- Bảo vệ quá dịng đặc tính thời gian độc lập và phụ thuộc:Sai số đo lường: ±0,5%

- Bảo vệ quá tải nhiệt: ±0,5%- Dòng DC đầu vào: ±1%- Dữ liệu đo lường đầu ra: ±1% Sai số về thời gian:

- Đặc tính thời gian độc lập: 1% hoặc 20 ÷ 40ms

- Đặc tính thời gian phụ thuộc: I ≥ 2Iref là ±5% hoặc từ 10 ÷ 20ms

Các chức năng của rơle P633 được sử dụng để bảo vệ cho MBA tự ngẫu.

Chức năng bảo vệ so lệch (87T)

Trang 39

 Cân bằng sai lệch về biên độ:

Để đảm bảo được sự cân bằng về biên độ, các đại lượng tính toán cần được qui vềcùng một hệ đơn vị cơ sở Với máy biến áp 2 cuộn dây công suất cơ sở là cơng suấtcủa máy biến áp, cịn với máy biến áp có từ 3 cuộn dây trở lên thì cơng suất cơ sở làcơng suất danh định của cuộn dây có cơng suất lớn nhất Điện áp cơ sở là điện áp danhđịnh của cuộn sơ cấp máy biến áp, khi đó dịng cơ sở của mỗi cuộn dây được tính bằngcơng thức.

Trong đó:

Sref: là cơng suất cơ sở.

Unom,i: là điện áp danh định của cuộn dây thứ i máy biến áp Từ đây rơle tính được hệ số cân bằng sai lệch về biên độ.

Trong đó:

Inom,i: là dịng điện phía sơ cấp danh định của BI thứ i.

Dòng điện cơ sở của từng cuộn dây và hệ số cân bằng sai lệch về biên độ sẽ đượcrơle tự tính tốn và hiển thị trong rơle Hệ số cân bằng này phải thoả mãn các điều kiệnsau.

 Cân bằng pha:

Do có sự lệch pha của dịng điện và điện áp các phía của cuộn dây máy biến ápnên trước khi đưa vào để tính tốn so lệch rơle phải cân bằng sự lệch pha của dòngđiện Dựa vào các tham số của đối tượng được bảo vệ đã khai báo trong rơle mà rơlesẽ tính tốn với hệ số cân bằng thích hợp.

 Phối hợp các đại lượng đầu vào:

Mỗi khi nhóm véctơ dịng được nhập vào, thiết bị bảo vệ tự tính tốn và so sánhdịng điện theo cơng thức đã định trước Việc chuyển đổi dịng điện được thực hiệnbằng các ma trận hệ số lập trình được Ma trận này mơ phỏng sự khác nhau của dòngđiện trong các cuộn dây của máy biến áp Bảo vệ có thể nhận biết được tất cả cácnhóm véctơ (kể cả thay đổi góc pha).

Trang 40

Trong đó: - k: hệ số.

- [Im] ma trận dòng điện đã được biến đổi ( IA, IB, IC).- [K] ma trận hệ số phụ thuộc vào tổ nối dây máy biến áp.- [In] ma trận cột dòng điện pha ( IL1, IL2, IL3).

 So sánh các đại lượng đo lường và các đặc tính tác động:

Sau khi dịng đầu vào đã thích ứng với tỉ số biến dịng, tổ đấu dây, xử lí dịng thứtự khơng, các đại lượng cần thiết cho bảo vệ so lệch được tính tốn từ dịng trong cácpha IA, IB và IC, bộ vi xử lí sẽ so sánh về mặt trị số theo các cơng thức sau:

Dịng điện so lệch: Dịng điện hãm:

Trong đó: İ1, İ2, İ3 lần lượt là dòng điện chạy qua các bảo vệ BI1, BI2, BI3 đặt ở cácphía cao, trung và hạ của MBA.

 Đặc tính vùng tác động của bảo vệ so lệch:

Định dạng
Số trang	130
Dung lượng	10,26 MB