Thiết kế hệ thống đo lường và bảo vệ

Thiết kế hệ thống bảo vệ trạm biến áp . Thiết kế bảo vệ cắt nhanh Thiết kế hệ thống bảo vệ trạm biến áp 1000 KVA - 35/0,4

PhÇn V

ThiÕt kÕ hÖ thèng

®o l-êng vµ b¶o vÖ

Đặt vấn đề

Máy biến áp là một phần tử quan trọng trong l-ới điện Nếu máy biến áp bị sự cố thì sẽ dẫn đến ngừng cung cấp điện cho toàn bộ hoặc mộ t phần hộ tiêu thụ làm ảnh h-ởng tới sản xuất, có thể nguy hiểm cho ng-ời

và thiết bị Mặt khác giá thành máy biến áp so với các thiết bị khác trong

hệ thống cung cấp điện cao hơn rất nhiều, chi phí sửa chữa lớn và thời gian sửa chữa lâu Do vậy máy biến áp cần đ-ợc bảo vệ Tuy nhiên còn phụ thuộc vào công suất của máy biến áp mà thiết kế bảo vệ cho thích hợp

Thiết kế bảo vệ cho MBA 1000 - 35/0,4 cần trang bị các loại bảo vệ sau :

+ Bảo vệ cắt nhanh + Bảo vệ dòng cực đại + Bảo vệ rơle hơi

Thiết kế hệ thống bảo vệ cho máy biến áp 1000 KVA - 35/0,4

I Chọn sơ đồ bảo vệ

Mạng điện 35 KV là mạng điện có trung tính cách điện với đất, nên sử dụng sơ đồ 2 máy biến dòng, 2 rơle (sơ đồ sao thiếu) Với sơ đồ này có thể bảo vệ đ-ợc tất cả các dạng ngắn mạch giữa các pha Tr-ờng hợp ngắn mạch một pha phía hạ áp của máy biến áp, nếu khi kiểm tra độ nhậy của bảo vệ dòng cực đại không đảm bảo thì sử dụng thêm một rơle mắc vào tổng dòng của 2 rơle Nếu sử dụng sơ đồ 2 máy biến dòng, 3 rơle vẫn không đảm bảo thì phải dùng thêm rơle thứ tự không Nguồn thao tác cho bảo vệ dùng nguồn điện áp một chiều có điện áp 220 (V)

II Thiết kế bảo vệ cắt nhanh

1 Sơ đồ bảo vệ

Sử dụng 2 rơle PT1, rơle tín hiệu PY1 và rơle trung gian P

TC-35 Kv

P

MC CC (+) PY1 (-)

(-) PT1 PT1

BI

BA

ATM

2 Chọn máy biến dòng cho bảo vệ

Điều kiện chọn :

UđmBI  Uđm mang

IđmBI  Ilvmax

Ilvmax =

k

qt SdmBA U dm

1 4 1000

3 35

, = 23,09 (A)

Tra bảng 5 - 33 (Trang 280 - TKCCĐ) chọn máy biến dòng có số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 27

Bảng 27

(kV)

I đm

(A)

Bội số ổn

định nhiệt (s)

Bội số ổn

định động

Phụ tải thứ cấp với cấp chính xác

1

Bội số giới hạn khi tải

định mức

T  H

35-

/0,5

3 Chọn rơle dòng điện

Xác định dòng khởi động của rơle :

IkđR = Ikdbv

n BI

k sd

Ikđbv = kkđ.I’’nmmax : dòng khởi động của bảo vệ

I’nmmax : dòng ngắn mạch cực đại ở đầu ra MBA quy đổi về phía sơ cấp

Kdt = 1,25 : hệ số phụ thuộc cấp chính xác của rơle dòng

ksd = 1 : hệ số sơ đồ

Vậy :

Ikđbv = kdt.IN2(3)

U U

2 1

= 1,25.19,34.103.0 4

35

, = 267,3 (A)

IkđR =

I kdbv n BI

k sd

= 267 3

600 5

, 1 = 2,3 (A)

Tra bảng 7 - 31 (Trang 345 - TKCCĐ) chọn đ-ợc rơle có thông số kỹ thuật ghi trong bảng 28

Bảng 28

suất

tiêu thụ

Giới hạn dòng

điểm

Dòng (A)

áp (V)

Công suất (W)

4 Chọn rơle trung gian cho bảo vệ cắt nhanh

Rơle trung gian của bảo vệ cắt nhanh đ-ợc dùng cho cả bảo vệ dòng cực đại, bảo vệ thứ tự không và cả bảo vệ rơle hơi

UđmP = Uđm nguồn thao tác

Ngoài ra phải có ít nhất 2 tiếp điểm th-ờng mở, một tiếp điểm có khả năng đóng cắt dòng định mức của cuộn cắt

Tra bảng 7 - 33 (Trang 350 - TKCCĐ) chọn đ-ợc rơle trung gian có số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 29

Bảng 29

Công suất tiêu thụ (KW)

Giới hạn U (V) ttđ (s) Số tiếp điểm Dòng 1 chiều

(A)

5 Chọn rơle tín hiệu cho bảo vệ cắt nhanh

Dòng điện định mức của rơle trung gian là :

IđmP =

P P U dm

  5

220 = 0,023 (A)

Lấy IđmPY = IđmP = 0,023 (A)

Tra bảng 1 - 6 (Trang 273 - CCĐT3) chọn rơle có các thông số kỹ thuật ghi trong bảng 30

Bảng 30

Kiểu rơle Iđm (A) Icp ngan han (A) R cuộn dây ( )

6 Kiểm tra khởi động của rơle trung gian

Điều kiện kiểm tra : UđmP  0,5.Uđm = 0,5.220 = 110 (V)

* Xác định sụt áp đặt lên P :

- Điện trở của cuộn dây rơle trung gian là :

RP =

U dmP P P





2 2202 5

 = 9680 ()

- Dòng điện chạy qua P và PY là :

I =

U dmnguonthaotac R

R  R PY





220

9680 320 = 0,022 (A)

- Sụt áp trên P :

U P = I.R P = 0,022.9680 = 212,96 (V) Vậy U P = 212,96 (V) > 0,5.Uđm = 110 (V)

Do đó rơle trung gian P thoả mãn điều kiện kiểm tra

7 Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ cắt nhanh

Điều kiện kiểm tra :

knh =

I NM I kdbv

min  3

INMmin : Dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất khi xảy ra ngắn mạch tại cuối vùng bảo vệ (đầu vào MBA)

Với mạng 35 (KV) :

INMmin = 3

2 .IN1

(3) = 3

2 .4,19 = 3,63 (KA)

Do đó: knh = 3 63103

276 3

, , = 13 > 3

Vậy bảo vệ cắt nhanh đảm bảo độ nhậy khi cắt ngắn mạch

III Thiết kế bảo vệ cực đại

1 Sơ đồ bảo vệ

TC-35 Kv

PY2 P

MC CC (+)

(-) PT2 PT2 PB (-)

BA

ATM

2 Chọn rơle dòng điện

Tính dòng khởi động của rơle :

IkđR =

I kdbv n BI

k sd

ksd = 1 : hệ số sơ đồ

Ikđbv = Dòng khởi động của bảo vệ cực đại

Ikđbv =

k

dt k kd I lv k tv

max

kdt = 1,15 : là hệ số dự trữ tính tới sai số dòng trở về của rơle

kkđ = 1,5 : hệ số kể tới sự tăng dòng điện do các động cơ tự khởi

động

ktv = 0,85 : hệ số trở về của rơle

Ikđbv = 1151 5 23 09

0 85

, , , , = 46,86 (A)

Vậy IkđR = 46 86

600 5

, 1 = 0,39 (A)

Tra bảng 7 - 31 (Trang 345 - TKCCĐ) chọn đ-ợc rơle có thông số kỹ thuật ghi trong bảng 31

Bảng 31

suất

tiêu thụ

điểm

Dòng (A)

áp (V)

Công suất (W)

PT-40/0,6 0,2 1,6  3,2 0,15  0,6 0,8  0,85 0,03  0,1 1Đ+1M 2 220 60

3 Chọn rơle thời gian

Điều kiện chọn :

+ UđmPB = UđmNTT = 220 (V)

+ Có tiếp điểm th-ờng mở đóng chậm

+ Có thể chỉnh định đ-ợc thời gian theo yêu cầu của bảo vệ

* Xác định thời gian duy trì của bảo vệ dòng cực đai cho MBA :

tmaxBA = tmaxdd + t

tmaxdd : Thời gian duy trì của bảo vệ dòng cực đại cho các lộ đ-ờng dây đi ra từ thanh cái hạ áp MBA

ở đây dùng áp tô mát AC - 25 để bảo vệ đầu ra MBA, do đó :

tmaxdd = tATM

tmaxBA = tATM + t = 0,18 + 0,5 = 0,68 (s) Mặt khác :

tmaxBA = tPT2 + tPB + tP Vậy: tPB = tmaxBA - (tPT2 + tP) = 0,68 - (0,05 + 0,1) = 0,53 (s)

Tra bảng 7 - 32 (Trang 349 - TKCCĐ) chọn đ-ợc rơle thời gian có số liệu

kỹ thuật ghi trong bảng 32

Bảng 32

Kiểu rơle Công suất tiêu thụ (W) Uđm (V) Ukđ (V) ttđ (s) Số tiếp điểm

4 Chọn rơle tín hiệu, rơle trung gian

- Rơle tín hiệu chọn giống nh- rơle tín hiệu của bảo vệ cắt nhanh

- Rơle trung gian đã chọn ở bảo vệ cắt nhanh (Bảng 29)

5 Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ dòng cực đại

Điều kiện kiểm tra là :

knh =

I N I kdR

min  1,5

INmin : Dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất chạy qua rơle

- Với sơ đồ 2BI + 2R :

INmin = 1

.I ( )

BA n BI

IN2 (1) : Dòng ngắn mạch nhỏ nhất ở cuối vùng bảo vệ (là dòng ngắn mạch 1 pha ở đầu ra MBA)

34938

0 4 35

5 600 , = 0,157 (A)

knh = 0 157

0 39

, , = 0,4

Sơ đồ 2BI + 2R không đủ độ nhậy, ta sử dụng rơle thứ 3 mắc vào tổng dòng 2 rơle Khi đó độ nhậy tăng gấp 2 :

knh = 2 0,4 = 0,8 < 1,5

Ta thấy, Sơ đồ 2BI + 3R cũng không đủ độ nhậy

Bảo vệ dòng cực đại ch-a đủ độ nhậy, ta phải khắc phục bằng cách dùng thêm bảo vệ thứ tự không

IV Thiết kế bảo vệ thứ tự không

1 Chọn biến dòng thứ tự không

Dòng không cân bằng trong MBA ở chế độ quá tải đ-ợc xác định nh- sau :

Ikcb = 0,5.Ilvmax = 0,5.1 4 1000

3 0 4

, , = 1010,36 (A)

Điều kiện chọn BI là :

UđmBI  Uđmmang = 0,4 (KV)

IđmBI  Ikcb = 1010,36 (A) Tra bảng 5 - 33 (Trang 280 - TKCCĐ) chọn máy biến dòng có số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 33

Bảng 33

(Kv)

Iđm (A)

Bội số

ôđn (1s)

Bội

số

ôđđ

Phụ tải thứ cấp với cấp chính xác 1

m(kg)

2 Chọn rơle dòng điện bảo vệ thứ tự không

IkđR =

k

dt I kdbv n BI

=

k

dt k sd I kcb n

BI

= 1 311010 36

1500 5

, ,

= 4,38 (A)

kdt : Hệ số dự trữ phụ thuộc cấp chính xác của rơle dòng

ksd = 1

Tra bảng 7 - 31 (Trang 345 - TKCCĐ) chọn đ-ợc rơle dòng điện có số liệu kỹ thuật trong bảng 34

Bảng 34

suất tiêu

thụ

điểm

Dòng (A)

áp (V)

Công suất (W)

Iđm Ikđ

PT-40/6 0,5 10  20 1,5  6 0,8  0,85 0,03  0,1 1Đ+1M 2 220 60

3 Chọn rơle tín hiệu bảo vệ thứ tự không

Rơle tín hiệu đ-ợc chọn theo dòng điện định mức qua cuộn dây của nó Dòng này bằng dòng định mức của cuộn dây rơle thời gian

IđmB =

P B U dm

 = 30

220 = 0,14 (A) Căn cứ vào điều kiện chọn rơle tín hiệu IđmPY = IđmB

Tra bảng 1 - 6 (Trang 273 - TKCCĐ) chọn rơle có các số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 35

Bảng 35

Kiểu rơle Iđm (A) Dòng cho phép ngắn hạn (A) R cuộn dây ( )

4 Kiểm tra độ nhậy, điều kiện khởi động của rơle thời gian

* Kiểm tra điều kiện khởi động của rơle thời gian :

Điều kiện kiểm tra :

UB > Ukđ = 0,7.Uđm = 0,7.220 = 154 (V)

- Điện trở cuộn dây rơle thời gian

RB =

U

dm B P B







2 2202

30 = 1613 ()

- Dòng điện chạy qua rơle tín hiệu và rơle thời gian :

I =

U dmNTT P

B P PY

 





220

1613 8 = 0,135 (A)

- Sụt áp trên cuộn dây rơle thời gian :

UB = I.RB = 0,135.1613 = 218,91 (V)

Vậy UB = 218,91 (V) > Ukđ = 154 (V)

Rơle thời gian thoả mãn điều kiện khởi động

* Kiểm tra độ nhậy của rơ le thời gian :

Điều kiện kiểm tra :

knh =

I N I kdbv

min  1,5

INmin = IN2(1) = 4,938 (KA) = 4938 (A)

Ikđbv = 0,5.Ilvmax = 0,5.2020,7 = 1010,36 (A)

knh = 4938

1010 36, = 4,98 > 1,5

Vậy rơle thời gian đủ độ nhậy

V Thiết kế và bảo vệ rơle hơi

Sơ đồ bảo vệ nh- hình vẽ :

TC-35 Kv

CD

(-) Tín hiệu P 

(+)

P (-)

BA

ATM

TC-0,4KV

Sơ đồ bảo vệ bao gồm : rơle hơi PT, rơle tín hiệu PY và rơle P

PY3

- Rơle PT dùng để bảo vệ sự cố ngay bên trong máy biến áp, khi ngắn mạch giữa các vòng dây, giữa các pha và quá tải, dầu giảm d-ới mức cho phép, lõi thép phát nóng do cách điện giữa các lá thép bị h- hỏng Rơle hơi là thiết bị chế tạo hợp bộ với MBA

- Rơle tín hiệu đ-ợc chọn cùng loại với rơle tín hiệu của bảo vệ cắt nhanh và bảo vệ dòng cực đaị

VI Bảo vệ quá điện thế

Để bảo vệ trạm biến áp khi có dòng sét lan truyền từ đ-ờng dây và trạm ta sử dụng chống sét van Căn cứ vào Điện áp mạng là 35(KV) Tra bảng 8-7(Trang 360-TKCCĐ).Chọn đ-ợc chống sét van có số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 36

Bảng 36

Kiểu

chống

sét van

Uđm

(KV)

Ucpmax (KV)

Uchoc thung (KV) Uxung

chọc thủng

Utan đáp ứng CSV với dòng điện xung

có độ dài đầu sóng 10  s với biên

độ

Khối l-ợng (kg)

trong

1000 (A)

3000 (A)

5000 (A)

10000 (A)

VII Kiểm tra máy biến dòng dùng cho bảo vệ cắt nhanh và cực đại

1 Kiểm tra phụ tải thứ cấp của BI với cấp chính xác 1

Điều kiện kiểm tra :

Z2đm  Z2tt

S2đm  S2tt

Z2tt = rcd + rdd + rtx (*)

rcd = rcd bvcn + rcd bvcd =

S cn I dmBI

S cd I dmBI

2

2 2

2

0 8 52

0 5 52

  ,  , = 0,052 ()

rtx = 0,1 () : Điện trở tiếp xúc giữa các tiếp điểm

Nếu lấy Z2tt = Z2đm = 0,8 () thì từ (*) suy ra :

rdd = Z2tt - (rcd + rtx) = 0,8 - (0,052 + 0,1) = 0,648 ()

Để cho Z2tt luôn nhỏ hơn Z2đm thì tiết diện nhỏ nhất của dây dẫn đ-ợc chọn là :

Smin = 

l tt r dd

 = 0,018 (mm2/m) : Điện trở suất của dây đồng nối BI với rơle

L = 10 (m)

ltt = 3.l = 3.10 = 17,31 (m) Vậy :

Smin = 0,018.17 32

0 648

, , = 0,48 (mm

2 )

Để đảm bảo yêu cầu độ bền về cơ học thì chọn dây đồng có tiết diện 1,5 (mm2) Với dây dẫn đ-ợc chọn nh- vậy ta luôn có Z2đm > Z2tt

2 Kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định động

Điều kiện kiểm tra là :

kođnBI  kođntt

kođđBI  kođđtt

kođntt =

gt I

dmBI t odn

I

I dmBI t odn



, 1

1

4190 1 35

600 1 = 9,4

kođđtt =

i xk I dmBI

i xkN I dmBI

2 1

1 2 1

10 660

2 600

Do đó :

kođnBI = 65 > kođntt = 9,4

kođđBI = 150 > kođđtt = 12,56 Vậy biến dòng đã chọn thoả mãn điều kiện kiểm tra

VIII Kiểm tra BI của bảo vệ thứ tự không

1 Kiểm tra phụ tải thứ cấp của BI với cấp chính xác 1

Điều kiện kiểm tra :

Z2đm  Z2tt

Z2tt = rcdPTo + rdd + rtx + Lấy rtx = 0,1 ()

+ rcdPTo =

P PTo I

dmBI

2

2

0 5 52

 , = 0,02 ()

+ rdd = 

l tt S

min

,

0 018 3 10

1 5 = 0,208 ()

Ztt2 = 0,02 + 0,208 + 0,1 = 0,31 ()

Z2đm = 0,8 () > Z2tt = 0,31 () thoả mãn điều kiện kiểm tra

2 Kiểm tra ổn định nhiệt và ổn định động

Điều kiện kiểm tra :

kođnBI  kođntt

kođđBI  kođđtt

kođntt =

1 1500

85 , 0 19340 odn

t dmBI 1 I

2 gtN t 2 N I odn t dmBI 1 I

gt t I









= 11,89

kođđtt =

i xk I dmBI

i xkN I dmBI

2 1

2 2 1

41570

2 1500

Vậy :

kođnBI = 50 > kođntt = 11,89

kođđBI = 50 > kođđtt = 19,6 Vậy biến dòng đã chọn thoả mãn điều kiện kiểm tra

3 Thiết kế hệ thống đo l-ờng

Đặt vấn đề

Việc bố trí các thiết bị đo l-ờng trong hệ thống cung cấp điện nhằm mục đích theo dõi, kiểm tra sự làm việc của các nhà máy Từ đó

định ra ph-ơng thức vận hành hợp lý, phân bố phụ tải và tính điện năng

Sơ đồ đo l-ờng sẽ đặt ở phía hạ áp vì thiết kế nh- vậy sẽ không phải sử dụng MBA đo l-ờng Việc mua sắm các thiết bị hạ áp sẽ rẻ hơn

các thiết bị đo l-ờng cao áp, thuận tiện cho việc thay thế và sửa chữa thiết

bị

Hệ thống đo l-ờng phía hạ áp đ-ợc đặt ở buồng phân phối của trạm biến áp gồm các thiết bị sau :

* 3 đồng hồ Ampemét dùng để đo dòng điện 3 pha

* 1 đồng hồ Vônmét có khoá chuyển để đo điện áp giữa các pha

* 1 Varmét để đo công suất phản kháng

* 1 Watmét để đo công suất tác dụng

* 1 Công tơ tác dụng để đo năng l-ợng tác dụng

* 1 Công tơ phản kháng để đo năng l-ợng phản kháng

Sơ đồ nguyên lý nh- hình vẽ :

II Chọn các thiết bị đo l-ờng

1 Chọn máy biến dòng

Điều kiện chọn :

UđmBI  Uđm mang = 380 (V)

IđmBI  Ilvmax = 1 4 1000

3 0 38

, , = 2127 (A) Tra bảng 5 - 33 (Trang 280 - TKCCĐ) chọn máy biến dòng có thông số

kỹ thuật trong bảng 37

Bảng 37

(KV)

Iđm (A)

kođn (1s)

kođđ Phụ tải thứ cấp

với cấp chính xác 1

kgioi han khi tải

định mức

Khối l-ợng (kg)

2 Chọn Ampemét

Ampemét đo dòng thứ cấp MBA có Ilvmax = 2127 (A) Do vậy ta phải đo gián tiếp qua máy biến dòng

Tra bảng 7 - 13 (Trang 343 - TKCCĐ) chọn đ-ợc Ampemét điện từ kiểu  - 377, số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 38

3 Chọn Vônmét

Vônmét dùng để đo thứ cấp MBA có Uđm = 0,4 (KV) Dùng khoá chuyển đổi để đo điện áp giữa các pha Tra tài liệu chọn đ-ợc Vônmét

điện từ kiểu  - 377, số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 38

4 Chọn Watmét và Varmét

Watmét và Varmét dùng để đo công suất tác dụng và công suất phản kháng, nó dùng làm căn cứ để vẽ đồ thị phụ tải Cuộn dòng của Watmét và Varmét đ-ợc nối nối tiếp với cuộn dòng của máy biến dòng, cuộn áp đ-ợc nối trực tiếp vào mạng hạ áp

Tra tài liệu chọn đ-ợc Watmét - 335/1 và Varmét - 335/1,

số liệu kỹ thuật ghi trong bảng 38

5 Chọn công tơ tác dụng và công tơ phản kháng

Công tơ tác dụng và công tơ phản kháng dùng để đo năng l-ợng

và xác định costb , làm căn cứ để tính tiền điện cho các hộ tiêu thụ Chọn t-ơng tự nh- Watmét và Varmét

Tra bảng 7 - 12 (Trang 342 - TKCCĐ) chọn công tơ tác dụng và công tơ phản kháng có thông số kỹ thuật ghi trong bảng 38

Bảng 38

chính xác

suất tiêu thụ (VA)

Số l-ợng (chiếc)

Ampemét

điện từ

Vôn mét

điện từ

Watmet sắt

điện động

335/1

800(MW)

Varmet sắt

điện động

335/1

 800(Mvar)

Công tơ

tác dụng

CA3 1 220  380 5  10 220  380 10 2000

5

Công tơ

phản kháng

CP4 1 220  380 5  10 220  380 10 2000

5