Bài giảng bảo vệ các hệ thống điện phần 1 trường đại học thái bình

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH THÁI BÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH BÀI GIẢNG MƠN BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN BẬC ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CUNG CẤP ĐIỆN Thái Bình, năm 2021 LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình vận hành hệ thống điện, gặp tình trạng hệ thống làm việc khơng bình thường, cố…Nguyên nhân chủ quan khách quan Hệ thống bảo vệ rơle giúp phát tình trạng để đề biện pháp xử lý kịp thời Một yêu cầu quan trọng ngành điện phải cung ứng cho người tiêu thụ điện với chất lượng tốt Để thỏa mãn yêu cầu hệ thống điện thực phận tự động chức Bài giảng Bảo vệ hệ thống điện nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức lĩnh vực Nội dung giảng gồm chương: CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN CHƯƠNG 2: BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN CHƯƠNG 3: BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH CHƯƠNG 4: BẢO VỆ SO LỆCH CHƯƠNG 5: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CHƯƠNG 6: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU NỘI DUNG CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Nhiệm vụ bảo vệ 1.2 Các yêu cầu hệ thống bảo vệ 1.2.1 Các yêu cầu chống ngắn mạch 1.2.2 Yêu cầu bảo vệ chống chế độ làm việc khơng bình thường 1.3 Các phận hệ thống bảo vệ 1.3.1 Đo lường sơ cấp 1.3.2 Phần logic bảo vệ 1.3.3 Mạch thực điều khiển máy cắt 1.3.4 Các nguồn thao tác 1.3.5 Các ký hiệu thường gặp sơ đồ BV rơle 1.4 Các dạng rơle 1.4.1 Các rơle điện 1.4.2 Bảo vệ thực điện tử 1.4.3 Bảo vệ dùng kỹ thuật số vi xử lý CHƯƠNG 2: BẢO VỆ Q DỊNG ĐIỆN 2.1 Bảo vệ q dịng điện vô hướng 2.1.1 Nguyên tắc tác động 2.1.2 Bảo vệ dòng điện cực đại 2.1.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh 2.1.4 Bảo vệ dòng điện ba cấp 2.1.5 Đánh giá bảo vệ dòng 2.2 Bảo vệ dòng điện có hướng 2.2.1 Nguyên tắc hoạt động 2.2.2 Phần tử định hướng cơng suất 2.2.3 Bảo vệ dịng điện có hướng cấp 2.2.4 Một số lĩnh vực lưu ý áp dụng phận định hướng công suất cho bảo vệ dòng điện 2.2.5 Đánh giá bảo vệ dịng điện có hướng 2.3 Bài tập áp dụng CHƯƠNG 3: BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 3.1 Nguyên tắc hoạt động 3.2 Chọn tham số bảo vệ 3.3 Đánh giá lĩnh vực ứng dụng bảo vệ khoảng cách 3.4 Bài tập áp dụng CHƯƠNG 4: BẢO VỆ SO LỆCH 4.1 Nguyên tắc thực 4.2 Bảo vệ so lệch dọc 4.2.1 Bảo vệ so lệch dọc theo sơ đồ dịng tuần hồn 1 1 3 9 10 10 10 11 12 12 12 12 16 16 17 17 17 18 18 21 21 22 25 25 25 28 28 30 30 30 30 4.2.2 Bảo vệ so lệch dọc theo sơ đồ cân áp 4.3 Bảo vệ so lệch ngang 4.4 Bài tập áp dụng CHƯƠNG 5: BẢO VỆ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 5.1 Giới thiệu chung 5.2 Bảo vệ đường dây 5.2.1 Đại cương 5.2.2 Bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha đường dây 5.3 Bảo vệ máy biến áp 5.3.1 Đại cương 5.3.2 Bảo vệ chống cố MBA 5.4 Bảo vệ máy phát 5.4.1 Khái niệm chung 5.4.2 Bảo vệ chống cố phần tĩnh máy phát điện 5.5 Bảo vệ 5.6 Bảo vệ động 5.6.1 Chế độ cố làm việc khơng bình thường động điện 5.6.2 Bảo vệ dòng bảo vệ so lệch dòng điện 5.6.3 Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stato 5.6.4 Một số phương thức bảo vệ khác CHƯƠNG 6: TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 6.1 Tự động đóng lại đường dây 6.1.1 Tổng qt 6.1.2 Những u cầu tự đóng lại 6.1.3 Phân loại thiết bị TĐL 6.1.4 Tự đóng lại tốc độ cao Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ tự đóng lại 6.2 Tự động điều chỉnh tần số công suất thực hệ thống điện 6.3 Tự động điều chỉnh điện áp công suất phản kháng hệ thống điện 6.4 Bảo vệ tần số tự động sa thải phụ tải 6.4.1 Mục đích đặc điểm sa thải phụ tải 6.4.2 Sa thải phụ tải theo tần số thời gian 6.5 Hòa điện máy phát làm việc song song 6.5.1 Khái niệm chung 6.5.2 Hồ điện xác 6.5.3 Tự hòa điện TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 34 34 36 36 36 36 36 37 37 37 37 37 37 38 39 39 39 40 41 43 43 43 43 45 45 47 47 47 47 48 50 50 52 54 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Nhiệm vụ bảo vệ Trong trình vận hành hệ thống điện xuất trình trạng cố chế độ làm việc khơng bình thường phần tử Phần lớn cố thường kèm theo tượng dòng điện tăng cao điện áp giảm thấp Các thiết bị có dịng điện tăng cao chạy qua bị đốt nóng mức cho phép dẫn đến hư hỏng Muốn trì hoạt động bình thường hệ thống hộ tiêu thụ điện xuất cố cần phát nhanh tốt chỗ cố để cách ly khỏi phần tử khơng bị hư hỏng, có phần tử cịn lại trì hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức độ hư hỏng cố Như cócác thiết bị tự động bảo vệ thực tốt yêu cầu nêu Các thiết bị hợp thành hệ thống bảo vệ Các mạng điện đại làm việc thiếu hệ thống bảo vệ, theo dõi liên tục trình trạng làm việc tất phần tử hệ thống điện Khi xuất cố, bảo vệ phát cho tín hiệu cắt phần tử hư hỏng thông qua máy cắt điện (MC) Khi xuất chế độ làm việc khơng bình thường, bảo vệ phát tuỳ thuộc theo yêu cầu tác động để khơi phục chế độ làm việc bình thường báo tín hiệu cho nhân viên trực Hệ thống bảo vệ tổ hợp phần tử rơle, nên gọi bảo vệ rơle 1.2 Các yêu cầu hệ thống bảo vệ 1.2.1 Các yêu cầu chống ngắn mạch a Tính chọn lọc Khả bảo vệ cắt phần tử bị cố cố xảy gọi tính chọn lọc u cầu thực hình 1.1 b Tác động nhanh Tính tác động nhanh bảo vệ yêu cầu quan trọng có ngắn mạch bên thiết bị Bảo vệ tác động nhanh thì: - Đảm bảo tính ổn định làm việc song song máy phát hệ thống, làm giảm ảnh hưởng điện áp thấp lên phụ tải - Giảm tác hại dòng ngắn mạch tới thiết bị Hình 1.1 Cắt chọn lọc phần tử bị hư hỏng NM mạng điện - Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng - Nâng cao hiệu thiết bị tự đóng lại Thời gian cắt hư hỏng t bao gồm thời gian tác động bảo vệ (tbv ) thời gian cắt máy cắt (tmc ), tmc số máy cắt t= tbv + tmc c Độ nhạy Trên hình 1.1 ta thấy bảo vệ cần tác động cố xảy vùng bảo vệ (để bảo đảm vừa có bảo vệ vừa có bảo vệ dự trữ chỗ) Ví dụ bảo vệ cần tác động NM xảy đoạn DE Ngoài bảo vệ cần tác động cố xảy đoạn BC bào vệ (bảo vệ gọi bảo vệ dự trữ cho bảo vệ 3) Điều cần thiết để dự phòng trường hợp NM đoạn BC mà BV3 MC3 không làm việc Tác động BV đoạn gọi dự phòng xa Mỗi bảo vệ cần tác động không với trường hợp NM trực tiếp mà NM qua điện trở trung gian hồ quang điện Ngồi cịn tác động NM xảy lúc hệ thống làm việc chế độ cực tiểu (ở chế độ này, số nguồn cắt dịng NM có gía trị nhỏ) Độ nhạy bảo vệ thường đánh giá hệ số nhạy knh Đối với bảo vệ cực đại tác động, đại lượng theo dõi tăng có cố hư hỏng (ví dụ q dịng điện) knh xác định: k nh  IN I kdbv với INmin – dòng NM nhỏ nhất; Ikdbv – giá trị dòng nhỏ mà BV tác động Đối với bảo vệ cực tiểu tác động đại lượng theo dõi giảm hư hỏng (ví dụ điện áp cực tiểu) hệ số knh xác định ngược lại trị số điện áp khởi động chia cho điện áp dư lại lớn hư hỏng Bảo vệ cần có độ nhạy cho tác động chắn NM qua điện trở hồ quang cuối vùng giao bảo vệ chế độ cực tiểu hệ thống d Độ tin cậy Độ tin cậy thể yêu cầu bảo vệ phải tác động chắn NM xảy vùng giao bảo vệ không tác động chế độ mà khơng có nhiệm vụ tác động Để bảo vệ có độ tin cậy cao cần dùng sơ đồ đơn giản, giảm số rơle tiếp xúc, cấu tạo đơn giản, chế độ lắp ráp đảm bảo chất lượng, đồng thời kiểm tra thường xuyên trình vận hành 1.2.2 Yêu cầu bảo vệ chống chế độ làm việc khơng bình thường Tương tự bảo vệ chống NM, bảo vệ cần tác động chọn lọc, nhạy tin cậy Yêu cầu tác động nhanh không đề Thời gian tác động bảo vệ loại xác định theo tính chất hậu chế độ làm việc không bình thường Thơng thường chế độ xảy chốc lát tự tiêu tán, ví dụ tượng tải ngắn hạn khởi động động không đồng Trường hợp cắt làm phụ tải điện Trong nhiều trường hợp, nhân viên vận hành có nhiệm vụ loại trừ chế độ khơng bình thường cần u cầu bảo vê báo tín hiệu 1.3 Các phận hệ thống bảo vệ Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ bảo vệ gồm hai phần chính: phần đo lường phần lơgic (hình 1.2) Phần đo lường (PĐL) liên tục thu nhập tin tức tình trạng phần tử bảo vệ, ghi nhận xuất cố tình trạng làm việc khơng bình thường đồng thời truyền tín hiệu đến phần lơgic PĐL nhận thông tin đối tượng bảo vệ qua biến đổi đo lường sơ cấp máy biến dòng (BI) máy biến điện áp (BU) Phần lơgic tiếp nhận tín hiệu từ PĐL Nếu giá trị, thứ tự tổng hợp tín hiệu phù hợp với chương trình định trước phát tín hiệu điều khiển cần thiếc (cắt MC báo tín hiệu ) qua phận thực 1.3.1 Đo lường sơ cấp Máy biến dòng (BI), máy biến điện áp (BU) dùng để: - Giảm dòng điện điện áp đối tượng bảo vệ đến giá trị thấp đủ để hệ thống bảo vệ làm việc an tồn (dịng thứ cấp BI định mức 5A 1A, áp thứ cấp BU định mức 100V 120V) - Cách ly bảo vệ với đối tượng bảo vệ - Cho phép dịng áp chuẩn thích ứng với hệ thống bảo vệ Tổng trở thứ cấp BI thấp, ngược lại tổng trở BU cao Lõi BI chế tạo thép hay khe hở khơng khí, BI có lõi thép có cơng suất lớn có nhiều sai số chế độ làm việc bình thường hay độ BI có lõi khơng khí có cơng suất thấp thường khơng đủ cho rơle, vi mạch Chúng có đặc tính làm việc tuyến tính khơng có sai số chế độ độ a Cách xác định phụ tải BI sơ đồ BV Trong sơ đồ BV phụ tải BI bao gồm điện trở rơle, dây nối phụ điện trở tiếp xúc Giá trị tính tốn phụ tải BI xác định sau: Z  pt UT IT Đối với dòng điện thứ cấp cho, điện áp đầu cuộn thứ cấp BI phụ thuộc vào sơ đồ nối BI phần đo lường, dạng NM phối hợp pha hư hỏng Trong số trường hợp để giảm phụ tải BI, người ta giảm UT cách nối tiếp hai (hay ba bốn) máy biến dịng có hệ số biến đổi giống (như hình 1.3) I Hình 1.3 Nối tiếp hai máy biến dịng R Lúc đó: Z pt  T U T  0.5(ZR  2Zdd ) I với ZR – tổng trở rơle; Zdd – tổng trở dây dẫn b Cách đánh dấu cuộn dây Hình 1.4 Cách đánh dấu đầu cuộn dây BI Trong sơ đồ bảo vệ cần phải nối đầu cuộn dây BI phần đo lường BV, cần phải biết cách đánh dấu cuộn dây sơ cấp thứ cấp BI Các đầu cuộn sơ cấp đánh dấu S1 S2 Các đầu cuộn thứ cấp ta đánh dấu T1 T2 Xác định đầu dây theo quy tắc sau: chọn đầu dây S1 cuộn sơ cấp tuỳ ý, đầu lại cuộn sơ cấp S2 Đầu T1 cuộn thứ cấp xác định theo đầu S1 cuộn sơ cấp với qui ước giá trị tức thời dòng điện sơ cấp IS từ đầu S1 đến S2 dòng điện thứ cấp IT từ T2 đến T1 Sự bão hồ BI tính đốn ba phương pháp sau: - Phương pháp đường cong từ hố hay cịn gọi đường cong bão hồ - Phương pháp cơng thức - Phương pháp mơ máy vi tính (Các phương pháp trình bày rõ giáo trình bảo vệ rơle tự động hoá tác giả Ts Nguyễn Hồng Việt.) c Bộ biến đổi dịng điện quang Để khắc phục tượng bão hoà lõi thép BI, ta dùng biến đổi dịng điện quang Nguyên tắc làm việc biến đổi đo lường vùng từ trường lân cận dây dẫn mang dòng điện Ưu điểm phương pháp là: - Khoảng làm việc phận quang lớn nhiều so với loại BI điện từ - Bộ biến đổi quang gọn nhẹ Khuyết điểm: Loại tín hiệu đầu nhỏ khoảng vài microwatt so với vài watt loại cổ điển Phần cứng biến đổi dòng điện quang ngày phát triển có dạng khác sau: - Loại 1: BI cổ điển kết hợp với biến đổi điện - quang - Loại 2: dùng mạch từ quang dây dẫn kết hợp đo từ trường bên lõi thép qua khe hở khơng khí - Loại 3: dùng đường ánh sáng bên khỏi vật liệu quang bao bọc dây dẫn điện - Loại 4: dùng dây quang quấn quanh dây dẫn - Loại 5: đo từ trường điểm gấn dây dẫn Hình 1.5 Các loại biến đổi dòng điện quang d Máy biến điện áp (BU, TU, PT) Máy biến điện áp chế tạo chuẩn hố máy biến dịng điện Điện thứ cấp pha thường 100V (115V) Thường có loại từ điện dung (dùng tụ phân thế) Khi điện hệ thống lớn 500 kV máy biến áp điện dung dùng BU khác với máy biếm áp điện lực chỗ làm nguội, cỡ dây dẫn độ yêu cầu làm việc xác Trị số sai BU định theo hệ số: % sai số = %saiso  NUUT  US *100 US Để dùng cho bảo vệ, BU chế tạo thường ba pha có lõi trụ Mỗi pha có cuộn thứ cấp, cuộn nối điện ba pha cần thiết cho bảo vệ cuộn lại nối tiếp thành tam giác hở dùng để lọc thành phần thứ tự không (H.1.6a) BU pha dùng nới khơng cần điện áp thứ tự khơng, lúc cần điện áp pha nối theo kiểu tam giác thiếu (H.1.6b) Sơ đồ nối BI, BU với phần đo lường mạch bảo vệ Hình 1.6 Máy biến điện áp Trong mạng điện có trung tính khơng nối đất, thường dòng chạm đất bé, dùng lọc BI không đủ độ nhạy để BV tác động, dịng khởi động sơ cấp BV khơng nhỏ 20 đến 25A, trường hợp dùng BI0 có độ nhạy cao Ưu điểm BI0 Ikc (dịng khơng cân bằng) bé có khả chọn số vịng cuộn thứ cấp tuỳ điều kiện bảo đảm cho độ nhạy lớn mà không bị giới hạn phụ tải Nhờ BI0 có khả làm cho BV tác động với dịng sơ cấp đến A Hình 1.7 Máy biến dịng thứ tự khơng BI0 Trong suốt vùng mà hai bảo vệ A B làm việc (đường dây B H.2.6a), bảo vệ A cần có tác động lớn bảo vệ B t Để đảm bảo yêu cầu chọn lọc, thời gian tác động bảo vệ A NM điểm N2 phải thoả mãn điều kiện: t1  t1 + t (2.5) Như ta xác định điểm A1 H.2.6c đặc tuyến bảo vệ A Hình 2.6 Chọn thời gian tác động BV có đặc tính thời gian phụ thuộc - Ưu điểm bảo vệ có đặc tuyến thời gian phụ thuộc là: + Có thể phối hợp với thời gian làm việc BV đoạn gần để làm giảm thời gian cắt NM bảo vệ đặt gần nguồn + Có thể giảm hệ số mớ máy Kmm chọn dòng điện khởi động bảo vệ Điều cắt nghĩa sau: sau cắt ngắn mạch, dòng điện mở máy qua đoạn lại giảm xuống nhanh bảo vệ khơng kịp làm việc giá trị dòng điện mở máy nho (thường dòng điện khởi động bảo vệ), thời gian làm việc bảo vệ tương đối lớn - Khuyết điểm loại bảo vệ là: + Thời gian cắt NM tăng dịng điện NM có giá trị gần dịng điện khởi động + Đơi phối hợp đặc tính thời gian tương đối phức tạp 2.1.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh Bảo vệ dòng điện cắt nhanh loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc cách: chọn dòng điện khởi động lớn dòng điện ngắn mạch lớn qua chỗ đặt bảo vệ ngắn mạch phần tử bảo vệ (cuối vùng bảo vệ phần tử bảo vệ) 2.1.4 Bảo vệ dòng điện ba cấp 16 Bảo vệ dòng điện cấp gồm cắt nhanh tức thời (cấp 1), cắt nhanh có thời gian (cấp 2) dòng điện cực đại (cấp 3) Ta quan sát ví dụ hình 2.11, giả thiết BV đặt đường dây BV dòng điện cấp Thời gian tác động cấp thời gian làm việc BV thời gian cắt MC Đối với đường dây cao áp t1  0.01s hay có từ 0.01 đến 0.02s -Vùng BV cấp đoạn đường dây AB (ký hiệu lA1) Dòng khởi động cấp I =k I kđA at NBmax -Vuøng bảo vệ cấp (l A2 ) đoạn AB phần đoạn kế nối vào trạm B, cấp BV dự trữ cho cấp - BV cấp BV dòng cực đại Thời gian tác động chọn theo nguyên tắc bậc thang: t =t + t A A Hình 2.11 Bảo vệ dòng điện ba cấp Dòng khởi động chọn (2.1) Như BV dòng điện cấp bảođảm cắt nhanh đường dây BV, đồng thời dự trữ cho đường dây mìnhBV trạm hay đường dây phía sau 2.1.5 Đánh giá bảo vệ q dịng - Ưu điểm BV dòng điện cực đại đơn giản, độ tin cậy cao BV tác động chọn lọc mạng hình tia với nguồn cung cấp - Khuyết điểm thời gian cắt ngắn mạch lớn, đoạn gần nguồn NM gần nguồn cần cắt nhanh để đảm bảo ổn định hệ thống, có độ nhạy mạng phân nhiều nhánh có phụ tải lớn 2.2 Bảo vệ dịng điện có hướng 17 2.2.1 Ngun tắc hoạt động Hình 2.12 Mạng hình tia có hai nguồn cung cấp (a) mạng vịng (b) Ví dụ mạng hình tia (hình 2.12), giả thiết đầu đường dây đặt BV dòng điện thông thường đánh số thứ tự từ đến Nhờ NM N1 BV không tác động, cịn NM N2 BV khơng tác động Khi dùng BV dịng điện có hướng cần BV hướng tác động t5