Bài giảng hệ thống cung cấp điện chương 9 ts nguyễn đức tuyên

Chương 9: Bảo vệ hệ thống cung cấp điện Bộ môn hệ thống điện Đại học Bách Khoa Hà nội TS.Nguyễn Đức Tuyên tuyen.nguyenduc@hust.edu.vn Chương 9: Bảo vệ hệ thống cung cấp điện §9.1 KHÁI NIỆM CHUNG 9.1.1 Nhiệm vụ thiết bị bảo vệ 9.1.2 Các yêu cầu thiết bị bảo vệ 9.1.3 Các phần tử hệ thống bảo vệ rơ le 9.1.4 Một số cách phân loại bảo vệ §9.2 BẢO VỆ RƠ LE TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 9.2.1 Các loại rơ le bảo vệ 9.2.3 Bảo vệ thiết bị hệ thống cung cấp điện §9.3 CHỐNG SÉT TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 9.3.1 Quá điện áp khí đặc tính sét 9.3.2 Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện 9.3.3 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp Nhiệm vụ thiết bị bảo vệ Nhanh chóng loại trừ phần tử cố Đảm bảo làm việc an toàn Cảnh cáo cho nhân viên vận hành trạng thái làm việc khơng bình thường (q tải, sụt áp, giảm điện trở cách điện,…) Kịp thời xử lý Chống sét đánh trực tiếp hay gián tiếp gây nguy hiểm cho người thiết bị Phải có biện pháp an toàn chống sét Các yêu cầu với thiết bị bảo vệ  Tác động nhanh Sớm thu hẹp phạm vi cố, rút ngắn thời gian cố Đảm bảo ổn định nhiệt, ổn định động HTĐ  Chọn lọc Loại phần tử cố, tránh ảnh hưởng phần tử làm việc B A HT IN.ng IN1 R  Nhậy 𝑘𝑛ℎ = 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 >1; 𝐼𝑝𝑡𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑘đ < 𝐼𝑘đ < R • 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 : Dịng điện ngắn mạch nhỏ • 𝐼𝑘đ : Dịng điện khởi động bảo vệ 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛  Tin cậy Cần tác động, xác có cố Các phần tử bảo vệ rơle Nguồn thao tác Chấp hành TĐ DC BI: Biến dòng điện RI: Rơ le dòng điện CC: Cuộn cắt máy cắt TĐ: Tiếp điểm máy cắt RI Rơ le BI Biến đổi đại lượng đầu vào Ví dụ sơ đồ nguyên lý bảo vệ dùng rơ le tác động gián tiếp  Thiết bị biến đổi đại lượng đầu vào:  Cơ cấu chấp hành Biến dòng điện, biến điện áp: cung cấp Kênh truyền tín hiệu, thiết bị nhận tín hiệu điều khiển từ rơ le thao tác đầu vào tương tự đóng cắt mạch điện, hiển thị cảnh báo  Rơ le (phần tử chính)  Nguồn thao tác: Phân tích đưa ứng xử để điều khiển thiết bị đóng cắt Cung cấp lượng cho thiết bị cảnh báo trạng thái điều khiển bảo vệ, cảnh báo tín hiệu, cấu chấp hành đóng cắt mạch điện Phân loại bảo vệ Theo cách lấy tín hiệu đầu vào Bảo vệ sơ cấp (nối trực tiếp với mạch phần tử bảo vệ: cầu chì, rơle nhiệt rơle điện từ áp tơ mát) Bảo vệ thứ cấp (nối với thứ cấp BU,BI) Theo tham số tác động: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le công suất, rơ le tổng trở Theo công nghệ chế tạo: rơ le điện từ/tĩnh/số Theo chức sơ đồ bảo vệ: rơle trung gian, thời gian, tín hiệu… Bảo vệ dòng điện  Nguyên tắc chung Khi 𝐼𝑅 > 𝐼𝑘đ (quá tải, ngắn mạch) bảo vệ tác động thay đổi trạng thái tiếp điểm Khi 𝐼𝑅 < 𝐼𝑡𝑣 tiếp điểm trở lại trạng thái đầu Hệ số trở về: 𝐾𝑣 = 𝐼𝑡𝑣 𝐼𝑘đ Itv Ikđ Đối với rơle cơ, 𝐾𝑣 ≠ 1, rơle tĩnh rơle số, 𝐾𝑣 = Để đảm bảo tính chọn lọc: 𝐼𝑘đ ≥ 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 ;𝐼𝑡𝑣 ≥ 𝐼𝑠𝑎𝑢.𝑠𝑐 (𝐼𝑠𝑎𝑢.𝑠𝑐 = 𝐾𝑚𝑚 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 ) 𝐾𝑚𝑚 : Hệ số có xét đến việc mở máy phụ tải động có dịng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ sau cố bị loại trừ 𝐾𝑚𝑚 lấy khoảng 2÷5 Bảo vệ q dịng điện 2.1 Protection Principle  Over/Under – Input signal (Current, voltage, frequency) ‒ X Over-protection: Kd < Under-protection: Kd > Drop-out ratio: Y Y=1 Y RL Y Y=1 Drop-out Drop-out Pick-up Pick-up Y=0 Xd Xp Over-protection X Y=0 Xp Xd Under-protection X Bảo vệ dòng điện  Nguyên tắc chung (tiếp) Điều kiện chọn: 𝐼𝑡𝑣 = 𝐾𝑎𝑡 𝐾𝑚𝑚 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐾𝑎𝑡 : Hệ số an toàn (hay hệ số dự trữ) có tính đến sai số bảo vệ 𝐾𝑎𝑡 lấy khoảng 1,1 (với rơle tĩnh) đến 1,2 (với rơle điện cơ)  Dòng khởi động phía sơ cấp 𝐼𝑡𝑣 𝐾𝑎𝑡 𝐾𝑚𝑚 𝐼𝑘đ1 = = 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐾𝑣 𝐾𝑣 Dòng khởi động quy thứ cấp 𝐼𝑘đ2 𝐾𝑠đ 𝐾𝑠đ 𝐾𝑎𝑡 𝐾𝑚𝑚 = 𝐼𝑘đ1 = 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐾𝐵𝐼 𝐾𝐵𝐼 𝐾𝑣 𝐼 • Ksđ: Hệ số sơ đồ 𝐾𝑠đ = 𝐼 𝑅 (𝐼𝑅 : Dòng 𝐵𝐼 điện chạy qua rơ le 𝐼𝐵𝐼 : Dòng điện cuộn thứ cấp biến dịng điện) • 𝐾𝐵𝐼 : Tỷ số biến dòng điện máy biến dòng điện I I kđ I tv I lv I lvmax I sau.sc t sc t t cắt.sc Diễn biến dòng điện cố  Đảm bảo độ nhậy: 𝐾𝑛ℎ = 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 𝐼𝑘đ1 >1 • 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 : Dịng điện ngắn mạch nhỏ qua chỗ đặt bảo vệ • 𝐾𝑛ℎ : Hệ số nhậy bảo vệ Bảo vệ dịng điện  Bảo vệ q dịng điện có thời gian tác động Lưới hở nguồn cấp:  Đảm bảo tính chọn lọc  Càng gần nguồn, t cao  Độc lập:  t không phụ thuộc vào trị số dịng  Đoạn AB có thời gian tác động lớn  Phụ thuộc:  t phụ thuộc vào độ lớn dòng  Dòng lớn t ngắn A B C D HT I> tA I> tB I> td I> tC t tA = const tB = const t tC = const t tD = const t A B C D L t tA(I N ) A tB(I N ) t B tC(I N ) t tD = const t C D L Phối hợp đặc tính thời gian bảo vệ q dịng điện lưới điện hình tia cho trường hợp đặc tính độc lập đặc tính phụ thuộc 10 Chống sét: điện áp khí đặc tính sét  Sét Sét tượng phóng điện khí đám mây mang điện tích trái dấu với với đất Ngun nhân: luồng khơng khí nóng nước bốc lêntích lũy điện tích đám mây: phần âm, dương Khi tích tụ tăng dần vượt 25-30kV/cm, khơng khí mây đất bị ion hóa dẫn điệnphóng điện sét 28 Chống sét: điện áp khí đặc tính sét  Q trình phóng điện sét chia làm ba giai đoạn Giai đoạn thứ - giai đoạn phóng điện tiên đạo bậc Bắt đầu dòng tiên đạo mang điện tích âm (-) từ đám mây phát triển xuống đất với tốc độ 100÷103 km/s Đầu dịng điện tích đạt tới điện hàng triệu vôn Điện trường tia tiên đạo hình thành tập trung điện tích dương (+) lớn tương ứng mặt đất Giai đoạn thứ hai - giai đoạn phóng điện chủ yếu sét Bắt đầu dòng tiên đạo phát triển tới đất Điện tích dương (+) từ đất phát triển ngược lên với tốc độ 6.104÷105 km/s để trung hịa điện tích âm (-) dịng tiên đạo  Sự phóng điện đặc trưng dịng điện lớn qua chỗ sét đánh phát sáng mãnh liệt, khơng khí dịng phóng điện nung nóng đến 10.000oC bị dãn nở đột ngột tạo thành sóng âm Giai đoạn cuối, dịng điện tích dương từ đất phóng ngược lên đám mây, nơi bắt đầu phóng điện Sự lóe sáng dần biến 29 Chống sét: điện áp khí đặc tính sét  Q trình phóng điện sét chia làm ba giai đoạn 30 Chống sét: điện áp khí đặc tính sét  Hai tham số đặc trưng dịng điện sét Biên độ Is Khơng vượt 200-300kA Hiếm vượt 100kA lấy 50-100kA Độ dốc đầu sóng 𝑎 = 𝐼𝑠 𝑎~ 𝜏đ𝑠 𝑑𝑖𝑠 𝑑𝑡 (𝜏đ𝑠 : Độ dài đầu sóng) i (kA) 2: tính tốn Is 1: thực tế a ‫ﺡ‬ t(s) đs Dạng sóng dịng điện sét Khơng q 50kA/µs thường tỷ lệ thuận với biên độ Is Đối với Is ≥ 100kA, lấy a = 30kA/µs Đối với Is < 100kA, lấy a = 10kA/µs 31 Chống sét: điện áp khí đặc tính sét  Quá điện áp khí Định nghĩa: tượng điện áp sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện cảm ứng sét gần nơi đặt thiết bị điện Đặc điểm: Chỉ kéo dài vài chục µs điện áp tăng cao có dạng xung kích Tham số đặc trưng: biên độ điện áp (UM), thời gian đầu đạt tới UM (𝜏đ𝑠 ), độ dài sóng (𝜏𝑠 ): Đến điện áp giảm 50% UM So sánh đặc tính: [sóng q điện áp; vơn-giây thiết bị cách điện] Cách điện: cao tăng giá thành, thấp gây cố bị sét đánh Bảo vệ: hệ thống cột thu lôi, dây thu sét, chống sét van…để hạ thấp điện áp xuống đặc tính chịu cách điện U (kA) U (kA) a) UM Sóng chuẩn để thử nghiệm 𝜏đ𝑠 /𝜏𝑠 =1,2/50 µs b) 0,5.U M t(s) ‫ﺡ‬ đs 1.Đặc tính V-s cách điện thiết bị Dạng sóng điện áp gây phóng điện Dạng sóng điện áp khơng gây phóng điện t(s) ‫ﺡ‬ s Dóng sóng điện áp sét đặc tính V-s cách điện thiết bị điện 32 Bảo vệ chống sét cho đường dây  Yêu cầu bảo vệ chống sét đường dây Đz kéo dài không gian rộngxác suất sét đánh lớn Cách tốt treo dây chống sét toàn tuyến lớn Tốn dùng Đz U≥110kV, treo dây chống sét ĐZ 35kV khơng treo tồn tuyến, cột phải nối đất Tiêu chuẩn nối đất Điện trở suất đất (Ω.cm) 𝜌 ≤104 104< 𝜌 ≤5.104 5.104< 𝜌 ≤105 105< 𝜌 Điện trở nối đất cột điện (Ω) 10 15 20 30 Tăng cường chống sét: đặt thêm chống sét chỗ cách điện yếu, cột vượt cao, gần trạm điện Nơi yêu cầu an toàn cao: sử dụng đường cáp 33 Bảo vệ chống sét cho đường dây  Phạm vi bảo vệ hệ thống dây chống sét Dùng dây chống sét  Dây chống sét treo chiều cao h ℎ𝑥 : 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑐𝑎𝑜 𝑏ả𝑜 𝑣ệ, 𝑏𝑥 : 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑟ộ𝑛𝑔 𝑏ả𝑜 𝑣ệ Khi ℎ𝑥 > ℎ 𝑏𝑥 = 0,6ℎ − Khi ℎ𝑥 ≤ ℎ 𝑏𝑥 = 1,2ℎ ℎ𝑥 ℎ 1− 0,2h ℎ𝑥 0,8ℎ Chiều dài phạm vi bảo vệ chiều dài đường dây có đặt dây chống sét h bx hx 0,6h 1,2h Phạm vi bảo vệ dây thu sét 34 Bảo vệ chống sét cho đường dây  Phạm vi bảo vệ hệ thống dây chống sét Dùng dây chống sét Khơng gian ngồi hai dây chống sét có phạm vi bảo vệ tương tự trường hợp dây chống sét Không gian hai dây chống sét, phạm vi bảo vệ có dạng mặt trụ trịn có mặt cắt đứng qua vị trí treo hai dây chống sét a < 4h : bảo vệ tới điểm ℎ0 = ℎ − 𝑎  Phạm vi bảo vệ biểu góc bảo vệ 𝛼 Góc bảo vệ tới hạn 0,2h 𝑜 𝛼𝑡ℎ = arc𝑡𝑎𝑛 0,6 = 31 Thực tế 𝛼 = 20 ÷ 25𝑜 R h h0 bx hx 0,6h 1,2h a Phạm vi bảo vệ hai dây thu sét 35 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp TBA nằm tập trung thường dùng cột thu sét: cột kim loại dựng cao vật bảo vệ để thu dẫn dòng sét xuống đất Phạm vi bảo vệ cột thu sét Mặt nón trịn xoay: 𝑟𝑥 = 1,6 ℎ 1+ ℎ𝑥.𝑝 (ℎ − ℎ𝑥 ) 0,2h h: Độ cao cột thu sét hx:Độ cao vật cần bảo vệ rx: Bán kính phạm vi bảo vệ độ cao hx p: Hệ số oNếu hx≤ 30m p = oNếu h > 30m 𝑝 = h hx 0,75h 5,5 ℎ 1,5h Tiện thiết kế, phạm vị bảo vệ đơn giản hóa: rx 2h ℎ𝑥 ℎ ℎ𝑥 0,8ℎ rx Nếu ℎ𝑥 > ℎ 𝑟𝑥 = 0,75ℎ 𝑝 − Nếu ℎ𝑥 ≤ ℎ 𝑟𝑥 = 1,5ℎ 𝑝 − Phạm vi bảo vệ cột thu sét 36 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu sét R 7ℎ −𝑎 𝑎 𝑎 a < 7h : ℎ0 = ℎ − , 𝑟0𝑥 = 2𝑟𝑥 14ℎ −𝑎 ; ha= h- hx 𝑎 Phần phạm vi bảo vệ hẹp 2.rox suy từ phạm vi bảo vệ cột thu sét giả tưởng có chiều cao h0 dạng tương tự phạm vi bảo vệ cột Phần khoảng hai cột phạm vi bảo vệ tương tự phạm vi bảo vệ cột Hai cột khác độ cao: trụ tròn qua 2,3 Ba cột thu sét bảo vệ độ cao hx 𝐷 < ℎ − ℎ𝑥 = 8ℎ𝑎 với h ≤ 30m 𝐷 ≤ ℎ − ℎ𝑥 𝑝 = 8ℎ𝑎 𝑝 với h > 30m D đường kính vịng trịn ngoại tiếp đa giác tạo vị trí đặt cột thu sét : Chiều cao hiệu dụng cột thu lôi 0,2h 0,2h h rx h0 hx 0,75h 0,75h a 1,5h 1,5h r0x r a) Phạm vi bảo vệ hai cột độ cao R h1 h2 a a b) Phạm vi bảo vệ hai cột có chiều cao khác a1 r 01 D 8ha r 02 r 03 3 Phạm vi bảo vệ ba cột thu sét 37 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét truyền từ đường dây vào trạm Hiện tượng lan truyền: Sét đánh trực tiếp vào đường dây hay cảm ứng sét đánh gần đường dây  Lan truyền điện áp từ nơi bị sét đánh dọc theo đường dây đến TBA Chọc thủng: điện áp lớn gây phóng điện chọc thủng cách điện thiết bị Dao động: độ dốc đầu sóng lớn tạo dao động điện áp lớn mạch L- điện cảm dây dẫn với điện dung cách điện thiết bịquá điện áp lớn đặt thiết bị điện Thiết bị chống sét: để giảm điện áp đặt lên thiết bị tới trị số an toàn cách điện thiết bị Nguyên lý chống sét: Thiết bị chống sét phóng điện tản dòng điện sét xuống đất, đồng thời tạo nên ngắn mạch chạm đất Khi hết điện áp, phải nhanh chóng dập hồ quang ngắn mạch chạm đất trước bảo vệ hệ thống điện tác động Phóng điện hết, điện áp dư chống sét điện áp giáng nối đất 38 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét truyền từ đường dây vào trạm Khe hở phóng điện Cấu tạo: thiết bị đơn giản gồm điện cực, nối với mạch điện, nối đất Bình thường: cách ly phần tử mang điện với đất Khi sóng điện áp chạy qua chỗ đặt khe hở, phóng điện truyền xuống đất Ưu: đơn giản, rẻ tiền Nhược: không dập hồ quang nên thiết bị bảo vệ rơ le tác động cắt mạch điện Ứng dụng: làm bảo vệ phụ phận loại chống sét khác U Đặc tính V-s bảo vệ Quá điện áp sét Udư= I s.R t Tác dụng bảo vệ khe sét chống sét ống 39 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét truyền từ đường dây vào trạm Chống sét ống – CSO: Hai khe phóng điện S1 S2 S1 đặt ống làm vật liệu sinh khí Trong khe hở S1, hồ quang đốt nóng chất sinh khí sinh nhiều khí Áp lực khí tăng cao tới hàng chục ata thổi tắt hồ quang Chỉ dập dịng hồ quang điện có trị số nhỏ, dòng lớn, gây ngắn mạch tạm thời làm bảo vệ rơ le tác động cắt mạch Bảo vệ đường dây không treo dây chống sét bảo vệ phụ Dây dẫn sơ đồ bảo vệ chống sét trạm biến áp S2 Ống sinh khí Điện cực Cấu tạo chống sét ống S1 Điện cực xuyến 40 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét truyền từ đường dây vào trạm Chống sét van – CSV: Hai phần tử khe hở phóng điện điện trở làm việc phi tuyến Khe hở phóng điện có dạng chuỗi khe hở nối tiếp vừa có tác dụng phóng điện, vừa dập hồ quang Điện trở phi tuyến: oCó trị số lớn điện áp vận hành bình thường oGiảm đến trị số nhỏ có điện áp sét Dòng điện sét tản nhanh đất dễ dàng, tạo điện áp dư nhỏ ổn định tản dòng điện sét đồng thời hạn chế dịng điện ngắn mạch sau 41 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp  Bảo vệ chống sét truyền từ đường dây vào trạm Sơ đồ nguyên lý bảo vệ trạm biến áp: Nếu Đz có DCS  không cần CSO Nếu Đz không DCS  treo DCS đoạn gần vào trạm (1÷2)km đặt CSO đầu đường dây CSO1 cắt giảm biên độ sóng đến mức cách điện đường dây CSO2 dùng để bảo vệ máy cắt MC trạng thái mở tượng phản xạ sóng sét nơi hở mạch làm điện áp đặt vào cách điện máy cắt tăng cao CSV giảm biện độ sóng sét đến điện áp dư thấp mức cách điện thiết bị trạm MBA DCS MC ĐDK Trạm 3÷10kV Khơng DCS đoạn gần trạm CSO2 CSO1 Đặt CSO cách trạm 200m, CSV Đặt CSV hay sát MBA Sơ đồ bảo vệ chống sét truyền vào trạm 35÷kV 42 ... loại bảo vệ ? ?9. 2 BẢO VỆ RƠ LE TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 9. 2.1 Các loại rơ le bảo vệ 9. 2.3 Bảo vệ thiết bị hệ thống cung cấp điện ? ?9. 3 CHỐNG SÉT TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 9. 3.1 Quá điện áp khí.. .Chương 9: Bảo vệ hệ thống cung cấp điện ? ?9. 1 KHÁI NIỆM CHUNG 9. 1.1 Nhiệm vụ thiết bị bảo vệ 9. 1.2 Các yêu cầu thiết bị bảo vệ 9. 1.3 Các phần tử hệ thống bảo vệ rơ le 9. 1.4 Một số... nhiệt rơle điện từ áp tô mát) Bảo vệ thứ cấp (nối với thứ cấp BU,BI) Theo tham số tác động: rơ le dịng điện, rơ le điện áp, rơ le cơng suất, rơ le tổng trở Theo công nghệ chế tạo: rơ le điện từ/tĩnh/số