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

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

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

- Ngắn mạch ba pha đối xứng N (3)

- Ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1)

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

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

Các điểm cần xét tới ngắn mạch trong sơ đồ bảo vệ: Đối với ngắn mạch ngoài ta tính toán tại các điểm N1, N2, N3 và ngắn mạch trong tại các điểm ngắn mạch N1’, N2’, N3’ như trên sơ đồ hình vẽ sau:

Hình 1.1: Sơ đồ các điểm cần tính ngắn mạch.

- 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 toán ngắn mạch:

- 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 toán thông 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 toán ngắn mạch:

Dòng điện ngắn mạch phụ thuộc vào chế độ làm việc thể hiện qua công suất ngắn mạch 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 Từ điều kiện đó ta xét hai trường hợp với một máy biến áp vận hành độc lập và hai máy biến áp vận hàn song song với mục đích: kiểm tra độ an toàn của bảo vệ so lệch và tính toán thông 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 quá dòng.

- 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 toán:

- 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)

- Trong chế độ min phải tính các dạng:

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

Dòng điện ngắn mạch hai pha bé hơn dòng điện ngắn mạch ba pha đối xứng

 2 do X1  X2  ) nên trong các chế độ cực đại ta không cần tính đến dòng ngắn mạch hai pha, trong các chế độ cực tiểu ta không cần tính đến dòng ngắn mạch ba pha.

Vì cuộn hạ áp đấu tam giác nên không cần tính toán các chế độ sự cố ngắn mạch chạm đất tại điểm N3.

Các giả thiết tính toán ngắn mạch: Để thiết lập sơ đồ và tiến hành tính toán ngắn mạch cần có những giả thiết đơn giản hóa, những giả thiết này làm giảm đáng kể khối lượng tính toán trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết cho các ứng dụng thực tế Sau đây là những giả thiết cơ bản liên quan đến các bước thiết lập sơ đồ thay thế 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 ngột, dẫn đến mất cân bằng giữa mômen phát động của tuabin và mômen hãm điện từ của máy phát, tốc độ quay bị thay đổi trong quá trình quá độ Tuy nhiên ngắn mạch được tính toán 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 cao hơn, tuy nhiên do số phần tử mang lõi thép chỉ chiếm số lượng ít trong hệ thống điện nên để đơn giản có thể coi mạch từ không bão hòa.

- Thay phụ tải bằng tổng trở hằng.

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

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

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

Thông số các phần tử của sơ đồ:

+ HTĐ đã tách ra quy về thanh góp 110kV trạm biến áp:

Chế độ NM max: SNmax 110kV = 2219 MVA; X1 = X2; X0 = 1,189X1

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: SNmax 220kV = 3122 MVA; X1 = X2; X0 = 1,022X1

Chế độ NM min: SNmin 220kV = 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 6444 Điện áp định mức: 225/115/23kV-250MVA

Tần số: 50HZ Tổ đấu dây: Y0Y0∆11

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

 Tính toán điện kháng của các phần tử: Để thuận tiện trong việc tính toán thông số cài đặt cho máy biến áp, do vậy ta tính toán điện kháng trong hệ đơn vị tương đối định mức của máy biến áp. Điện áp cơ bản: Ucb  UdmMBA  225 kV

Công suất cơ bản: Scb  SdmMBA  250 MVA

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:

1HT1max 2HT1max ax

 S   Điện kháng thứ tự không của HTĐ1:

Trong chế độ cực tiểu: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ1:

1HT1min 2HT1 min ax

- Điện kháng hệ thống điện 2 hệ thống điện nối với thanh cái 110kV)

Trong chế độ cực đại: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ2:

1HT2max 2HT2max ax

Trong chế độ cực tiểu: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ2:

1HT2min 2HT2 min ax

- Điện kháng của đường dây: Đường dây truyền tải là phần tử tĩnh, do vậy điện kháng thứ tự thuận bằng điện kháng thứ tự nghịch X1Dd= X2Dd Điện kháng thứ tự thuận và nghịch: 1Dd 2Dd l0 250 2

  225  Điện kháng thứ tự không: 0Dd l0 2 2

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: 1D 2D 1 0,122

    Điện kháng thứ tự không: 0D 0 0,3852

- 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 Điện kháng cuộn cao của máy biến áp là:

    Điện kháng cuộn cao của máy biến áp là:

    Điện kháng cuộn cao của máy biến áp là:

Tính toán 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:

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:

Sức điện động đẳng trị của 2 nguồn: coi 2 nguồn có công suất vô cùng lớn

Sơ đồ thay thế thứ tự không: Điện kháng thứ tự không:

  Điện kháng thay thế thứ tự không:

Dòng điện ngắn mạch chạy qua điểm ngắn mạch:

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

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

- Dòng điện pha sự cố chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N 1 :

Không có dòng chạy qua BI0 và BI3:

- Dòng điện pha sự cố chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N 1 ’ :

Dòng điện qua BI2, BI3, BI0 là không đổi: I f BI ( 2)  4,3921, I BI 0( kA )  0, I f BI ( 3)  0

 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 không đến từ bên trung áp 110kV:

Dòng điện thứ tụ không đến từ bên cao áp 220kV:

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N 1 :

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

Dòng điện thứ tự không đi qua BI1:

Dòng điện pha sự cố chạy qua BI1:

Không có dòng điện chạy qua BI3: I f BI ( 3) 0 Để tránh tác động nhầm thì chức năng bảo vệ so lệch 87T phải loại bỏ thành phần thứ tự không khỏi dòng pha để mang ra so sánh.

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

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

BI kV kV BI cb kV BI cb kV

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N 1 ’:

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

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch qua BI1:

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

 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:

Dòng điện thành phần thứ tự không 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:

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

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N 1 :

Dòng điện thứ tự thuận qua BI1 và BI2: I 1( BI 1)  I 2( BI 1)  I 1(110 kV )  3,0568

Dòng điện thứ tự nghịch qua BI1 và BI2: I 2( BI 1)  I 2( BI 2)  I 2(110 kV )  1,7351

Dòng điện thứ tự không qua BI1:

Dòng điện pha sự cố đi qua BI1:

Không có dòng qua BI3.

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N 1 ’:

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

Dòng điện thứ tự thuận qua BI1: I 1( BI 1)  I 1(220 kV )  4, 2657

Dòng điện thứ tự nghịch qua BI1: I 2( BI 1)  I 2(220 kV )  2, 4212

Dòng điện thứ tự không qua BI1: I 0( BI 1)  I 0(220 kV )  1,3191

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

Dòng điện thứ tự không 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 toán 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 (-)

BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận: Điện kháng thay thế thứ tự thuận:

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

Sức điện động đẳng trị của 2 nguồn: coi 2 nguồn có công suất vô cùng lớn:

Sơ đồ thay thế thứ tự không: Điện kháng thay thế thứ tự không:

Không có dòng chạy qua BI0 và BI3:

Dòng điện qua BI1, BI3, BI0 là không đổi: I f BI ( 1)  3,9028 , I BI 0( kA )  0 , I f BI ( 3)  0 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:

Dòng điện thứ tụ không đến từ bên cao áp 220kV:

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N 2 :

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

Không có dòng điện chạy qua BI3: I f BI ( 3)  0 Để tránh tác động nhầm thì chức năng bảo vệ so lệch 87T phải loại bỏ dòng thứ tự không để so sánh.

- Dòng điện chạy qua các BI khi ngắn mạch tại N 2 ’:

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

Dòng điện thứ tự thuận và nghịch qua BI2: I 1( BI 2)  I 2( BI 2)  I 1(220 kV )  3,1041

Dòng điện thứ tự không đi qua BI2: I 0( BI 2)  I 0(220 kV )  2, 2377

 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:

Dòng điện thành phần thứ tự không 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:

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

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N 1 :

Dòng điện thứ tự thuận qua BI1 và BI2: I 1( BI 1)  I 1( BI 2)  I 1(110 kV )  2,6704

Dòng điện thứ tự nghịch qua BI1 và BI2: I 2( BI 1)  I 2( BI 2)  I 1(110 kV )  1, 2324

Không có dòng qua BI3

- Dòng điện đi qua các BI khi ngắn mạch tại điểm N 2 ’:

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

Dòng điện thứ tự thuận qua BI2: I 1( BI 2)  I 1(220 kV )  6,0682

Dòng điện thứ tự nghịch qua BI2: I 2( BI 1)  I 2(220 kV )  2,8004

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

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

BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3

1.2.1.3 Ngắn mạch tại điểm N 3 và N 3 ’

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

Như vậy để phục vụ cài đặt rơle, ta tính toán 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: Điện kháng thay thế thứ tự thuận:

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

Sức điện động đẳng trị của 2 nguồn: coi 2 nguồn có công suất vô cùng lớn:

Dòng điện qua BI1, BI2 là không đổi: I f BI ( 1)  1,0787, I f BI ( 2)  2, 4511

Dòng điện qua BI3 bằng không do điểm N3 ’ nằm trước BI3.

Bảng kết quả tính toán:

BI1 BI2 BI3 BI1 BI2 BI3

Tổng kết kết quả tính toán ngắn mạch

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

BI1 BI 2 BI 3 BI 1 BI 2 BI 3 BI 1 BI 2 BI 3

Bảng 1.7: Công suất hệ thống cực đại – 2 máy biến áp làm việc song song:

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

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

Chọn lựa phương thức bảo vệ và giới thiệu các loại rơle được sử dụng

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 sinh hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của hệ thống

Ngắn mạch là loại hư hỏng thường xảy ra và nguy hiểm nhất, quá tải là tình trạng làm việc không 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 tử bị hư hỏng ra khỏi mạng điện, loại trừ những tình trạng làm việc không bình thường nguy 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 tình trạng làm việc không bình thường xảy ra trong hệ thống Bảo vệ rơle tác động có thể là cắt máy cắt điện hoặc báo tín hiệu.

Bảo vệ rơle cần phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau đây:

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

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 trong phạm vi đã được xác định.

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

Bảo vệ rơle càng cắt nhanh phần tử bị hư hỏng càng hạn chế được mức độ phá hại,càng giảm được thời gian sụt điện áp ở các hộ dùng điện Yêu cầu tác động nhanh tùy thuộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làm việc của phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện.

 Độ nhạy : Để phát hiện những thay đổi khác với tình trạng làm việc bình thường của mạng điện, bảo vệ cần phải có một độ nhạy cần thiết Muốn xác định độ nhạy trước tiên phải xác định vùng tác động của bảo vệ Thường thì độ nhạy của bảo vệ được đặc trưng bằng hệ số nhạy k nh

 Tính kinh tế : Đối với lưới trung và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ lớn, yêu cầu bảo vệ không cao bằng lưới truyền tải cao áp nên cân nhắc về tính kinh tế sao cho thiết bị 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 không bình thường bên ngoài máy biến áp bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống.

- Ngắn mạch 1 pha trong hệ thống.

- Quá bão hoà mạch từ.

Tuỳ theo công suất của máy biến áp, vị trí, vai trò của máy biến áp trong hệ thống mà lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp Những loại bảo vệ thường dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm viêc không bình thường của máy biến áp được giới thiệu trong bảng sau:

Loại hư hỏng Loại bảo vệ

Ngắn 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 quá dòng, quá dòng thứ tự không. Chạm chập các vòng dây

Thùng dầu thủng hoặc bị rò dầu Bảo vệ Rơle khí (Buchholz).

Quá tải Quá dòng điện

Hình ảnh nhiệt Quá 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 trong hệ thống điện nói chung là hết sức quan trọng nhằm loại trừ nhanh phần tử sự cố ra khỏi 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 các yêu cầu sau:

- Tác động phải chọn lọc.

- Tin cậy khi tác động.

- Độ nhạy phải đảm bảo.

Các bảo vệ được sử dụng

2.2.1 Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm

Nguyên lí của bảo vệ so lệch có hãm dùng cho MBATN được trình bày như hình vẽ:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện có hãm dùng cho MBATN. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bảo vệ hệ thống điện

HM: Hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá MBA

Giả sử nguồn cung cấp từ phía 1, còn 2 và 3 là phụ tải Bỏ qua ảnh hưởng của tổ 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 hiệu ứng 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 dòng điện từ hoá khi đóng MBA không tải và khi cắt ngắn mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hoá IHM Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện: | İH | > |İLV|

BVSL làm chức năng bảo vệ chính dùng để cắt nhanh MBA khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ Nó phải thoã mãn các yêu cầu sau:

 Chỉnh định chắc chắn khỏi dòng điện không cân bằng khi đóng MBA không tải, khi cắt ngắn mạch ngoài và dòng điện từ hoá tăng cao khi có quá 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 MBATN

Sơ đồ nguyên lí như trên hình vẽ:

I SL Hình 2.2: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất hạn chế dùng cho MBATN.

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 phao kim loại mang bầu thuỷ tinh con có tiếp điểm thuỷ ngân hoặc tiếp điểm từ Ở chế độ 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 không bình thường, rơle sẽ làm việc với 2 cấp:

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

Cấp 2 (cắt MBA): Khi sự cố lớn (ví dụ ngắn mạch trong thùng dầu), khí bốc ra mạnh, luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình dãn dầu xô phao số 2 chìm xuống, 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 và kéo dài Để thực hiện bảo vệ, dùng nguyên lý hình ảnh nhiệt Bảo vệ phản ánh mức tăng 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.

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.

- Bảo vệ quá dòng có hướng (67, 67N) ở phía cao áp, trung áp và bảo vệ qua dòng (51, 51N) ở phía hạ áp dùng để dự phòng cho đường dây và thanh cái ở các phía tương ứng Do vậy bảo vệ quá dòng có hướng 67, 67N ở phía 220kV và 110kV của máy biến áp được đặt với hướng ra phía đường dây.

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).

 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 năng bảo vệ so lệch (87T) và chống chạm đất hạn chế (87N), ta còn cài đặt thêm chức năng bảo vệ quá tải nhiệt (49)

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

Bảo vệ lấy tín hiệu từ các BI ngoài thanh cái Bảo vệ so lệch thứ hai làm việc song song với bảo vệ so lệch thứ nhất và dự phòng lẫn cho nhau Hai bảo vệ chỉ khác nhau vùng tác động và mạch đầu ra Chức năng bảo vệ chống hư hỏng máy cắt50BF được đặt ở cả 3 phía của máy biến áp làm nhiệm vụ phát hiện và tác động khi máy cắt hỏng.

 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 ngoài làm bão hòa BI.

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

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

 Bảo vệ quá dòng có hướng.

Bảo vệ quá dòng 67 và 67N có hướng ra ngoài đường dây dùng để bảo vệ dự phòng 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 Rơle khí thường được đặt trên ống nối giữa thùng dầu chính và bình dầu phụ Rơle có hai phao hình trụ thường làm bằng kim loại hoặc chất dẻo mang bầu thủy tinh chứa thủy 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 sự cố 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 quá tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩy phao 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cảnh báo và tăng cường hệ thống làm mát cưỡng bức

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

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

2.4.1 Rơle bảo vệ so lệch Areva P633.

Rơle số P633 do hãng Areva chế tạo, được sử dụng để bảo vệ chính cho máy biến áp 3 cuộn dây hoặc máy biến áp tự ngẫu ở tất cả các cấp điện áp Rơle này cũng có thể dùng để bảo vệ cho các loại máy điện quay như máy phát điện, động cơ Các chức năng khác được tích hợp trong rơle P633 làm nhiệm vụ dự phòng như bảo vệ quá dòng, quá tải nhiệt, bảo vệ quá kích thích, chống hư hỏng máy cắt Bằng cách phối hợp các chức năng tích hợp trong P633 ta có thể đưa ra phương thức bảo vệ phù hợp và kinh tế cho đối tượng cần bảo vệ Đây là quan điểm chung để chế tạo các rơle số hiên đại ngày nay

 Rơle số P633 là thiết bị với chức năng chính là bảo vệ so lệch tích hợp thêm các chức 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 không cho mỗi cuộn dây, có thể không kích hoạt.

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

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

+ Tăng tính ổn định với bộ phát hiện bão hoà.

+ Bảo vệ so lệch chống chạm đất hạn chế.

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

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

+ Bảo vệ quá tải nhiệt.

+ Giám sát giá trị tới hạn.

Các thông số kỹ thuật của rơle P633

Các đại lượng đầu vào, đầu ra.

Dòng danh định: 1A hoặc 5Aac

Tiêu thụ danh định/pha: Điểm gập thứ hai được xác định bằng hệ số chỉnh định dòng điện hãm DIFF: IR,m2

 Phương trình đặc tính cho 3 dải so lệch:

Phương trình đặc tính cho dải: 0 ≤ IR ≤ 0,5Id> d d>

Phương trình đặc tính cho dải: 0,5Idiff > < IR ≤ IR,m2

Id = m1IR + Id> (1 - 0,5m1) Phương trình đặc tính cho dải: IR,m2 < IR

Id = m2IR + Id> (1 - 0,5m1) + 4(m1 – m2) Trong đó: m1: là hệ số góc của đặc tính trong dải 0,5Id > < IR ≤ IR,m2 m2: là hệ số góc của đặc tính trong dải IR,m2 < IR

Ngưỡng điều chỉnh xác định DIFF: Id> xác định theo dòng qua máy biến áp trong chế độ làm việc bình thường nhằm tránh tác động nhầm do dòng không cân bằng sinh ra bởi sai số của thiết bị đo lường.

Trên ngưỡng điều chỉnh DIFF: Id>> rơle sẽ tác động không cần tính toán đến hãm hài bậc cao.

Trên ngưỡng điều chỉnh DIFF: Id>>> dòng hãm và bộ phát hiện bão hoà không còn được tính đến, lúc đó rơle sẽ tác động mà không cần quan tâm đến biến hãm và bộ phát hiện bão hoà.

 Hãm bổ sung phản ứng theo thành phần sóng hài bậc hai (2f0):

Khi đóng máy biến áp không tải hay cắt dòng điện ngắn mạch ngoài sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua mạch từ máy biến áp được gọi là dòng điện từ hoá Dòng điện này có thể có giá trị lớn gấp nhiều lần dòng điện danh định của máy biến áp Trường hợp xấu nhất (tương ứng với dòng từ hoá lớn nhất) sẽ xảy ra khi đóng máy cắt điện vào thời điểm điện áp nguồn có giá trị tức thời qua điểm 0.

Khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hoá trở lại trị số xác lập chừng vài phần trăm dòng điện danh định.

Vì dòng điện từ hoá chỉ chạy phía cuộn dây máy biến áp nối với nguồn và biến áp đang ở chế độ không tải, nên dòng điện ở cuộn dây bên kia bằng không Bảo vệ so lệch máy biến áp trong trường hợp này có thể cảm nhận việc đóng máy biến áp không tải như khi có ngắn mạch bên trong máy biến áp, với nguồn cung cấp từ một phía và nếu không có giải pháp ngăn chặn bảo vệ, bảo vệ có thể tác động nhầm cắt máy biến áp. Để phân biệt trường hợp đóng máy biến áp không tải với trường hợp ngắn mạch trong máy biến áp, người ta căn cứ vào tính chất của dòng điện từ hoá xung kích và dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp.

Phân tích thành phần sóng hài của hai dòng điện này ta thấy, dòng điện từ hoá xung kích có chứa một phân lượng rất lớn hài bậc hai (khoảng 70% so với hài cơ sở) và có thể đạt tới giá trị cực đại đến khoảng 30% trị số dòng điện sự cố Nếu thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hoá được tách ra và đưa vào tăng cường cho dòng điện hãm của bảo vệ so lệch thì sẽ ngăn chặn được tác động nhầm khi đóng máy biến áp không tải.

Tính toán thông số cài đặt cho rơle

Tính toán thông số cài đặt cho rơle P633

Do trạm cần thiết kế đã có sẵn các máy biến dòng với nhiều tỉ số biến khác nhau ta chỉ cần chọn lựa tỉ số biến nI phù hợp ,phục vụ cho mục đích bảo vệ. Điều kiện chọn:

Dòng sơ cấp qua BI phải thỏa mãn: i dmB ddBI lv max i dmB

Trong đó : S i dmB : Công suất định mức phía i (cao, trung, hạ) của máy biến áp.

U i dmB : Điện áp định mức phía i.

Chọn biến dòng phía 220kV (BI1): lv max

 1 Dòng điện sơ cấp là: I sc dmBI 1000A

Dòng điện thứ cấp là: I tc dmBI 1A Độ chính xác: 5P20

Dòng điện thứ cấp là: I tc dmBI 1A Độ chính xác: 5P20.

Ta chọn các loại BU có các thông số sau: Điện áp định mức: Uđm $2 kV Điện áp sơ cấp: 225000

3 V Điện áp thứ cấp đấu sao: 100

3 V Điện áp thứ cấp đấu tam giác hở: 100

Ta chọn các loại BU có các thông số sau: Điện áp định mức: Uđm 3 kV Điện áp sơ cấp: 115000

Ta chọn các loại BU có các thông số sau: Điện áp định mức: Uđm # kV Điện áp sơ cấp: 23000

Các số liệu cần thiết để phục vụ cho việc cài đặt

Công suất danh định (MVA) 250 250 85 Điện áp định mcác phía (kV) 225 115 23

Tỉ số máy biến dòng 1000/1 2000/1 3000/1

3 2 Tính toán thông số cài đặt cho rơle so lệch P633

3.2.1 Chức năng bảo vệ so lệch (87T)

 Xây dựng đường đặc tính tác động của bảo vệ so lệch Đoạn 1

Dòng so lệch mức thấp Idiff> là giá trị khởi động của đoạn 1, giá trị này phải đảm bảo cho rơle không tác động khi xuất hiện dòng không cân bằng lớn nhất trong chế độ làm việc bình thường của MBA. diff at kcb

Với: kat: hệ số an toàn, kat = 1,2  1,3

Ikcb: dòng không cân bằng, gây ra bởi sai số của BI và do điều chỉnh điện áp dưới tải. kcb n kck i d B

Với: kđn: hệ số đồng nhất của máy biến dòng, kđn = 1 kkck: hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch trong quá trình quá độ, kkck = 1 fi: sai số tương đối cho phép của BI; fi = 0,1

U: phạm vi điều chỉnh điện áp về một phía đầu phân áp, với phạm vi điều chỉnh  81,25% = 10,00% ta có U = 0,1

IdđB: dòng điện danh định của máy biến áp.

Do đó: Idiff  (1,2 1,3) 1.1.0,1 0,1 I    đ mB (0,24 0,26)I đ mB

Vì là máy biến áp điều chỉnh điện áp dưới tải nên ta chọn I * diff  0,3 Đoạn 2:

  Đặt IR, m2 = 4, hệ số góc m1 = 0,4 Đoạn 3:

Nằm trong dải: IR IR ,m2 Đặt hệ số góc m2 = 0,8

Dòng so lệch mức cao Idiff>> là giới hạn phía trên của đường đặc tính, đoạn đặc tính này phụ thuộc vào giá trị dòng ngắn mạch của MBA Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng so lệch lớn hơn Idiff>>, rơle tác động tức thời mà không quan tâm đến giá trị hãm, ngưỡng này thường được chỉnh định ở mức khi ngắn mạch ở đầu MBA và dòng sự cố xuất hiện lớn hơn min

U % lần dòng danh định MBA. min C T

Hình 3.1: Đặc tính vùng tác động của bảo vệ so lệch.

 Hãm theo sóng hài bậc cao

Tỷ lệ theo sóng hài bậc 2 trong dòng so lệch: I2.f 0 / I f 0 15%

Tỷ lệ theo sóng hài bậc 5 trong dòng so lệch: I5.f 0 / I f 0 30%

 Thời gian tác động của bảo vệ

3.2.2 Chức năng chống chạm đất hạn chế (87N)

Các thông số của đặc tính tác động:

Dòng so lệch ngưỡng thấp: Id,N 0,3.IđmB

Hệ số góc đặc tính: m = 1,005.

Xác định các thông số cài đặt cho rơle dự phòng P143

Hình 3.2: Sơ đồ đặt các bảo vệ 1, 2, 3.

Do máy biến áp 220/110/22kV được bảo vệ bằng 2 bộ bảo vệ so lệch và bộ bảo vệ so lệch tổng trở cao nên độ tin cậy cao, vì vậy ta sử dụng bảo vệ quá dòng ở 3 phía của máy biến áp để bảo vệ dự phòng cho thanh góp và đường dây ở phía tương ứng.

Do có nguồn tới từ 2 phía (220kV và 110kV) nên sử dụng bảo vệ quá dòng có hướng (chức năng 67, 67N) với hướng đặt ra phía đường dây Phía 22kV chỉ sử dụng bảo vệ quá dòng không hướng (chức năng 51).

3.3.1 Bảo vệ quá dòng có hướng đặc tính thời gian độc lập

Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian được xác định theo công thức sau: at m kd lv max v

Trong đó: kat: hệ số an toàn, kat = 1,2 km: hệ số mở máy, km = 1 kv: hệ số trở về của bảo vệ, kv = 0,95

Ilvmax: dòng làm việc cho phép max của cuộn dây MBA, được xác định theo công thức: lv max dmB dm

Sđm: công suất các phía của MBA.

Uđm: điện áp định mức các phía.

 Dòng khởi động của BV1 (phía 220 kV)

Dòng khởi động sơ cấp:

Dòng khởi động cài đặt: * kd kd dm

Thời gian tác động, để đảm bảo tính chọn lọc, thời gian tác động (BV1) phải phối hợp với thời gian tác động lớn nhất của các bảo vệ quá dòng phía đường dây 220 kV.

    tl,max: thời gian tác động lớn nhất của đường dây 220 kV dd 220kV,max t 1, 4 s

t: cấp chọn lọc (lấy bằng 0,4 s).

    tl,max: thời gian tác động lớn nhất của đường dây 110 kV dd110kV,max t 1, 4

t: cấp chọn lọc (chọn bằng 0,4 s)

3.3.2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có hướng đặc tính thời gian độc lập

Dòng khởi động của bảo vệ được xác đinh theo công thức sau:

I đ  0,3.I đ Trong đó: IđmBI: dòng danh định BI

Dòng khởi động sơ cấp: I0 kd  0,3.1000 300 A

Dòng khởi động cài đặt: kd

I0  0,3 Thời gian tác động của bảo vệ

I0 0dd220 ,max t  t kV  t t0l,max:thời gian tác động lớn nhất của đường dây 220 kV.

t: cấp chọn lọc (chọn bằng 0,4 s)

Dòng khởi động sơ cấp: I0 kd  0,3.2000 600 A

Dòng khởi động cài đặt: kd

I0  0,3 Thời gian tác động của bảo vệ

I0 0dd110 ,max t  t kV  t t0l,max:thời gian tác động lớn nhất của đường dây 110 kV

t: cấp chọn lọc (chọn bằng 0,4 s).

Xác định thông số cài đặt cho rơ le dự phòng P122 phía 22kV

Thời gian tác động: tI tMBATD,max t

TMBATD,max: thời gian tác động lớn nhất của MBA tự dùng.

t: cấp chọn lọc (lấy bằng 0,4 s).

Tính tóan thông số cài đặt cho rơle bảo vệ chống chạm đất phía 22kV

Rơle bảo vệ chống chạm đất phía 22kV (chức năng 59) có tác dụng cảnh báo chạm đất ở phía 22kV.

 Điện áp đặt cho bảo vệ: Uđặt = 30V

 Thời gian tác động: tkđ = 1s

Xác định các thông số cài đặt cho rơle dự phòng bảo vệ so lệch tổng trở cao

Vì máy biến áp tự ngẫu 250 MVA liên lạc giữa hai hệ thống 220 kV và 110 kV là phần tử rất quan trọng trong hệ thống, ta sử dụng thêm một rơle bảo vệ so lệch tổng trở cao ngoài bảo vệ trong hợp bộ rơle P633.

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch chống chạm đất hạn chế tổng trở cao. Tuy nhiên trong việc bảo vệ máy biến áp tự ngẫu 250 MVA sử dụng rơle P122 ta sử dụng sơ đồ đấu dây sau:

Hình 3.4: Sơ đồ nối dây bảo vệ so lệch chống chạm đất hạn chế tổng trở cao. Trong chế độ hoạt động bình thường của máy biến áp, dòng qua dây trung tính bằng 0, dòng thứ cấp của BI1 và BI2 chạy quẩn trong 2 BI.

Khi sự cố, dòng qua 2 BI đổi hướng và chạy qua rơle RSTAB có tác dụng hạn chế dòng thứ tự không qua rơle nằm trong giới hạn đặt của rơle.

Bảo vệ chống chạm đất hạn chế có thể bảo vệ được với các sự cố chạm đất có dòng sự cố nhỏ Đảm bảo độ an toàn hãm và nhạy cao.

Máy biến dòng điện CLASS X: n1 = 1200/5 Điện trở mạch thứ cấp RBI = 1,9 

Dòng điện từ hoá ở điện áp đặt I = 0,05 A Điểm bão hoà thực tế 700 V Điện trở dây dẫn phụ (l = 300 m):

Chỉnh định thông số của rơle:

Dòng điện khởi động của rơle: I k R đ x%.I d đ 0,1.5 0,5 A

Số lượng lõi của máy biến dòng đấu song song n = 7

Dòng điện khởi động của bảo vệ phía sơ cấp:

I đ (n.I I đ ).n  7.0, 05 0,5 1200 / 5 204 A Kiểm tra điều kiện ngắn mạch ngoài:

Dòng ngắn mạch ngoài cực đại: Là dòng ngắn mạch ngoài tại N2 trong chế độ cực đại -1 máy biến áp.

Dòng điện sự cố chạm đất qua các BI lớn nhất:

     Điện áp bão hoà tối thiểu: Ubhmin 4.U đ 4.102,51 410,04 V

Thoả mãn điều kiện: Ubhmin Ubh 700 V Điện trở ổn định: bh min R s

Kiểm tra theo điều kiện cách điện của rơle:

Dòng ngắn mạch trong thứ tự không lớn nhất:

Là dòng ngắn mạch trong tại N2’ trong chế độ cực đại - 1 máy biến áp:

I0∑max= 3.2,3556.1,2551+ 3.0,8104.0,6415+7,3099= 17,739( kA). Điện áp lý thuyết đặt trên rơle:

1200 / 5    Điện áp cực đại đặt trên rơle: max bh bh

Vì Umax > 3000 V nên phải đặt điện trở phi tuyến chống quá áp trên rơle

 Lựa chọn điện trở phi tuyến (Metrosil): Điện trở phi tuyến được mắc song song vào mạch rơle, để giảm điện áp đặt lên rơle khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ. Điện trở phi tuyến cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- ở điện áp làm việc, dòng điện qua Metrosil nhỏ hơn 100mA.

- ở sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ lớn nhất, điện áp đặt trên Metrosil được giới hạn nhỏ hơn 1500V ở trong 0,25s đầu tiên Trong khoảng thời gian tiếp theo, điện áp đặt trên Metrosil có thể tăng cao hơn 1500V.

Dựa trên các điều kiện và tính toán như trên (dùng BI có tỉ số n= 1200/5), ta chọn Metrosil như sau:

Dòng thứ cấp của BI khi ngắn mạch trong lớn nhất:

Chọn Metrosil: 600A/S2/P/S1217 có C= 470/540, dòng điện rò qua Metrosil trong chế độ làm việc bình thường: 35mA.

Kiểm tra sự làm việc của rơle

Kiểm tra độ an toàn của bảo vệ so lệch (87T)

Id kđ = Idiff = 0,3 Đoạn 2: 0,5.Idiff>  IR  IR,m2

 Chế độ cực đại - một máy biến áp làm việc

Ta lấy sai số 10% của biến dòng và 10% của việc thay đổi đầu phân áp máy biến áp:

Vì Id < 1,84 nên dòng hãm ngưỡng được xác định theo công thức: d,kđ R

Hệ số an toàn: at R

- Ngắn mạch một pha chạm đất N :

- Ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1) :

Xét tương tự với điểm N2 và N3.

Bảng kết quả kiểm tra hệ số an toàn.

Bảng 4.1: Hệ số an toàn trong chế độ cực đại – 1 máy biến áp.

Hình 4.1: Đặc tính an toàn hãm khi ngắn mạch ngắn mạch ngòai vùng bảo vệ.

 Chế độ cực đại hai máy biến áp làm việc song song

Tính toán tương tự như trong chế độ cực đại - 1 máy biến áp làm việc độc lập, ta lập được bảng sau:

Bảng 4.2: Hệ số an toàn trong chế độ cực đại – 2 máy biến áp.

Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch (87T)

Để kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch ta tính toán hệ số knh đối với những điểm ngắn mạch trong vùng bảo vệ (N1’, N2’, N3’) khi máy biến áp làm việc ở chế độ cực tiểu.

Hệ số độ nhạy xác định theo biểu thức: nh d d,kd k I

Trong đó: Id là dòng so lệch Id İ1İ2İ3

Id,kđ: dòng so lệch ngưỡng tuỳ thuộc vào giá trị dòng hãm IR được xác định theo biểu thức.

 Chế độ cực tiểu - một máy biến áp làm việc

Dòng ngắn mạch qua BI1: I(BI1) = 3,4977 Dòng ngắn mạch qua BI2: I(BI2) = 3,4873 Dòng ngắn mạch qua BI3: I(BI3) = 0 d

Vì IR > 4 nên dòng so lệch ngưỡng được xác định theo công thức: d,kđ R

Hệ số độ nhạy: nh d d,kd

- Ngắn mạch một pha chạm đất N (1) :

Vì IR < 4 nên dòng so lệch ngưỡng được xác định theo công thức: d,kđ R

- Ngắn mạch hai pha chạm đất N :

Vì IR < 4 nên dòng so lệch ngưỡng được xác định theo công thức: d,kđ R

Xét tương tự với điểm N’2 và N’3

Bảng kết quả kiểm tra độ nhạy:

Bảng 4.3: Độ nhạy trong chế độ cực tiểu – 1 máy biến áp.

Hình 4.2: Đặc tính độ nhạy khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ.

 Chế độ cực tiểu - hai máy biến áp làm việc song song

Tính toán tương tự như trong chế độ cực tiểu máy – 1máy biến áp làm việc độc lập, ta lập được bảng sau:

Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch tổng trở cao

Bảo vệ chống chạm đất REF. Đặt: Idff,N> = 0,2.IđmB m = 1,005

Vì máy biến áp tự ngẫu có liên hệ với nhau về điện giữa 2 cấp điện áp nên các dòng điện phải chuyển về đơn vị có tên.

Dòng so lệch xác định theo công thức:

Dòng hãm ngưỡng xác định theo công thức:

I İ 3 I (BI1) I (BI1)  Dòng so lệch ngưỡng xác định theo công thức: d,N diff ,N R ,N

Ta có hệ số độ nhạy: nh d,N d,N k I

 Để kiểm tra knh của bảo vệ REF, ta xét các trường hợp ngắn mạch chạm đất tại các điểm N1 ’, N2 ’ khi máy biến áp làm việc trong chế độ min.

 Chế độ cực tiểu - một máy biến áp làm việc

- Ngắn mạch một pha chạm đất N (1) :

I 2,1852 kA Dòng so lệch: d,N N Y 0(BI1) 0(BI2) 0(BI0)

Hệ số độ nhạy: nh d,N d,N

Các trường hợp khác tính tương tự, ta được bảng kết quả như sau:

 Chế độ cực tiểu - hai máy biến áp làm việc

Tính toán tương tự như trong chế độ cực tiểu - 1máy biến áp làm việc độc lập, ta lập được bảng sau:

 Chế độ cực đại - 1 máy biến áp làm việc song song

Bảng 4.5: Độ nhạy trong chế độ cực đại – 1 máy biến áp.

Bảo vệ quá dòng có hướng dùng để bảo vệ dự phòng cho đường dây, do vậy ta không tiến hành tính độ nhạy tại đây

Tất cả các bảo vệ được tính toán thiết kế cho máy biến áp đều đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật cần thiết.

TÍNH TOÁN BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY

Tính toán phục vụ bảo vệ đường dây

Tính toán điện kháng của các phần tử

Xét ngắn mạch tại điểm N

3 trường hợp 2 lộ đường dây – 2 máy biến áp – chế độ cực đại.

Chọn hệ đơn vị tương đối cơ bản giống như phần 1: bảo vệ máy biến áp 220/110/22kV.

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)

 Chế độ cực đại: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ1: X1HT1max X2HT1max 0,0801 Điện kháng thứ tự không của HTĐ1: X0HT1max 0,0819

 Chế độ cực tiểu: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ1: X1HT1min X2HT1min 0,115 Điện kháng thứ tự không của HTĐ1: X0HT1min 0,1227

 Điện kháng hệ thống điện 2 (hệ thống điện nối với thanh cái 110kV)

 Chế độ cực đại: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ2: X1HT2max X2HT2max 0,1127 Điện kháng thứ tự không của HTĐ2: X0HT2max 0,134

 Chế độ cực tiểu Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của HTĐ2: X1HT2min X2HT2min 0,145 Điện kháng thứ tự không của HTĐ2: X0HT2min 0,177

 Điện kháng của đường dây 273: Điện kháng thứ tự thuận: X1Dd X2Dd 0,122 Điện kháng thứ tự không: X0Dd 0,3852

Do đường dây là lộ kép, vậy điện kháng là: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch: 1D 2D 1 0,122

    Điện kháng thứ tự không: 0D 0 0,3852

 Điện kháng các cuộn dây MBA: Điện kháng cuộn cao của máy biến áp là: XC 0,115 Điện kháng cuộn trung của máy biến áp là: XT 0 Điện kháng cuộn hạ của máy biến áp là: XH 0,205

 Chế độ max: 2 lộ đường dây và 2 máy biến áp vận hành song song, điểm N3.

Do đường dây có 2 lộ song song, hiện tượng hỗ cảm xảy ra khi có ngắn mạch chạm đất Đối với thứ tự thuận và thứ tự nghịch, hiện tượng hỗ cảm là nhỏ và có thể bỏ qua. Riêng đối với thứ tự không, điện kháng hỗ cảm là đáng kể, ta cần phải kể đến khi tính toán.

 Tính toán điện kháng thứ tự thuận:

Biến đổi tam giác - sao cho các điện kháng X11, X21, X1D ta có:

 Tính toán điện kháng thứ tự nghịch: hoàn toàn tương tự thứ tự thuận.

 Tính toán điện kháng thứ tự không: Điện kháng hỗ cảm của 1km đường dây 2 lên đường dây 1:

+ Dd: khoảng cách giữa dây dẫn thật và dây dẫn ảo (đối xứng với dây dẫn thật qua đất) Coi điện dẫn đất bằng vô cùng, Dd= 2.h (h: chiều cao của dây dẫn so với đất, h=8m).

+ DI-II: khoảng cách trung bình nhân giữa các dây dẫn lộ I và các dây dẫn lộ II.

I II 9 aA aB aC bA

D   d d d d .d d d d d bB bC cA cB cC Để đơn giản trong tính toán, ta lấy tỷ số giữa điện kháng hỗ cảm và điện kháng đường dây thứ tự không như sau: 0

(Theo chương 13: bảo vệ các mạch truyền tải phức tạp – Network protection & automation guide – Areva)

XM0 0,5.0,3852 0,1926 Điện kháng thứ tự không của đường dây về 2 phía của điểm ngắn mạch:

Biến đổi tam giác- sao cho các điện kháng X10, X20, X0D ta có:

Tính toán ngắn mạch

Dòng điện tại điểm ngắn mạch:

Dòng điện qua các BI phục vụ bảo vệ:

 Ngắn mạch 1 pha chạm đất N(1):

Dòng điện các thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch:

Dòng điện các thành phần đối xứng chạy trên các nhánh:

Thành phần thứ tự thuận:

Thành phần thứ tự nghịch:

Thành phần thứ tự không:

Dòng điện pha đi qua BI

 Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1):

Dòng điện các thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch:

Dòng điện các thành phần đối xứng chạy trên các nhánh:

2 2 2 2 fBI fBI BI BI BI

Bảng kết quả tính toán

Bảng 5.1: 1 lộ đường dây - 1 máy biến áp - chế độ cực tiểu.

Bảng 5.2: 1 lộ đường dây - 2 máy biến áp - chế độ cực đại.

Bảng 5.3: 2 lộ đường dây – 1 máy biến áp - chế độ cực tiểu.

Bảng 5.4: 2 lộ đường dây – 2 máy biến áp - chế độ cực đại.

 Bảng tổng kết tính toán ngắn mạch cho đường dây:

Bảng 5.5: Chế độ cực đại. Điểm NM BV41

Bảng 5.6: Chế độ cực tiểu. Điểm NM BV41

 Đồ thị dòng điện ngắn mạch theo khoảng cách của đường dây:

Lựa chọn phương thức bảo vệ và giới thiệu các rơle được sử dụng

Lựa chọn phương thức bảo vệ

Hình 6.1: Phương thức bảo vệ của đường dây. Đường dây kép 220kV được bảo vệ chính bằng 2 rơle khoảng cách P442 (của hãng Areva) và 7SA533 ( của hãng Siemen) với các chức năng sau đây:

- Bảo vệ khoảng cách chống sự cố pha – pha (21).

- Bảo vệ khoảng cách chống sự cố pha – đất (21N).

- Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF).

Sử dụng bảo vệ quá dòng P143 làm bảo vệ dự phòng với các chức năng sau:

- Bảo vệ quá dòng pha có hướng (67).

- Bảo vệ quá dòng chạm đất có hướng (67N).

- Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46).

Rơle P442 là một trong các sản phẩm của tập đoàn ALSTOM T&D, sử dụng công nghệ số tiên tiến Rơle được thiết kế nhằm cung cấp các bảo vệ cho đường dây trên không và cáp ngầm có cấp điện áp từ lưới phân phối đến lưới truyền tải.

Rơle có các chức năng chính sau:

Bảo vệ khoảng cách nhiều cấp chống sự cố pha – pha và pha - đất.

Bảo vệ quá dòng nhiều cấp.

Bảo vệ chạm đất có hướng.

Bảo vệ thiếu điện áp và quá điện áp.

Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch có hướng và vô hướng.

Bảo vệ chống đóng máy cắt vào đường dây sự cố.

Giám sát mạch áp và mạch dòng.

Chống sự cố đứt dây.

Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt.

Rơle có các chức năng phụ sau:

Tự động đóng lại có kiểm tra đồng bộ.

Chức năng ghi sự cố/sự kiện/nhiễu loạn.

Chức năng định vị khoảng cách sự cố.

Chức năng giám sát trạng thái máy cắt. Điều khiển máy cắt.

Chức năng phụ dùng để hỗ trợ việc phân tích hệ thống và phân tích sự cố.

Các thông số kỹ thuật của rơle P442

6.2.1 Các đại lượng định mức

Loại biến dòng Dải vận hành

Khoảng thời gian Ngưỡng chịu đựng

 Điện áp định mức Điện áp danh định Dải vận hành

Khoảng thời gian Ngưỡng chịu đựng

Lâu dài (2Vn) 240Vph-phrms

Rơle sử dụng 3 dải điện áp thao tác chủ yếu sau:

Dải định mức Dải vận hành dc Dải vận hành ac

Tần số danh định: 50/60 Hz.

Rơle P442 có 16 đầu vào logic độc lập và được cách điện

Tổn thất công suất trên BI ( lúc dòng danh định)

Mạch điện áp chuẩn (Vn)

Cỡ hộp ( case size) Danh định Maximum

Size 8 15 VA dc 16 W ac 20 VA dc 20 W ac

 Các đầu vào quang học cách điện

5 mA trên 1 đầu (dòng lúc điện áp định mức)

2,5 mA lúc điện áp min.

Các dải chỉnh định bảo vệ

Chỉnh định Dải Bước chỉnh định

Chiều dài đường dây (Ln) 0,6  100 Km 0,01 Km

Tổng trở thứ tự thuận (Z1) 0,001500  0,001 0,002199,8  0,002 

Ngưỡng tổng trở tác động ( vùng 1, vùng

Ngưỡng tổng trở tác động ( vùng 1, vùng 2, vùng 3, vùng 4)

Trở kháng vươn tới cho sự cố pha đất

Góc bù thứ tự không (vùng 1, vùng

Hệ số bù thứ tự không (vùng 1, vùng 2, vùng 3&4, vùng p) 07 0,001

Thời gian tác động vùng 1/1X 0  10s 0,002s

Thời gian tác động cho vùng 2, vùng 3, vùng p và vùng 4 0 10s 0,01s

 Chỉnh định dao động điện ( power-swing settings)

Chỉnh định Dải Bước Dải Bước

Biên giới phát hiện dao động điện

Thời gian trễ huỷ lệnh khoá 030s 0,1s

Biên giới phát hiện dao động điện 025 0,01

6.2.2 Các chức năng bảo vệ

Bảo vệ khoảng cách ngắn mạch pha (21)

Rơle P442 có 5 vùng bảo vệ chống ngắn mạch pha với đặc tính hình tứ giác và định hướng như sau:

 Vùng 1, 2 và 3: Các vùng bảo vệ hướng về phía trước Vùng 1 có thể mở rộng tới vùng 1X khi có yêu cầu mở rộng sơ đồ bảo vệ.

 Vùng P: Có thể lập trình được, để bảo vệ hướng thuận hoặc hướng ngược tùy theo lựa chọn.

 Vùng 4: Vùng bảo vệ hướng ngược

Hình 6.2: Các đặc tính khởi động của bảo vệ khoảng cách chống sự cố pha.

Bảo vệ khoảng cách ngắn mạch chạm đất (21)

Hình 6.3: Các đặc tính khởi động của bảo vệ khoảng cách chống sự cố chạm đất. Chú thích:

- Trong sơ đồ bảo vệ Ω/ph, giá trị R được chia cho 1+KZ.

- Góc nghiêng của đặc tính tứ giác là góc của 2Z1+Z0 (Z1, Z0: tổng trở thứ tự thuận và nghịch của đường dây) Đặc tính khởi động trong trường hợp này tương tự như ở bảo vệ khoảng cách chống sự cố pha Tổng trở khởi động của từng vùng lại được hiệu chỉnh bằng các hệ số bù thứ tự không như sau: kZ1: cho vùng 1 và 1X. kZ2: cho vùng 2 kZ3/4: cho vùng 3 và 4. kZp: cho vùng P.

 Mối quan hệ giữa các thông số đặt

Nếu vùng 4 là vùng bảo vệ hướng ngược:

R1G < R2G < R4G < R3G R1Ph < R1extPh < R2Ph < R4Ph < R3Ph

 Nếu vùng 4 là vùng bảo vệ hướng thuận:

Z1

Định dạng
Số trang	126
Dung lượng	5,67 MB