Đồ án thiết kế tính toán thiết kế hệ thống rơ le bảo vệ cho máy biến áp 115 23 11 kv

Các dạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp:...342.. Với đề tài Tính toán thiết kế hệ thống rơ le bảo vệ cho máy biến áp 115/23/11 kV đặt ra yêu cầu phải tính toá

MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG BẢO VỆ VÀ THÔNG SỐ CHÍNH

Mô tả đối tượng

Đối tượng được bảo vệ là máy biến áp 115/23,5/10,5 kV Hệ thống điện cung cấp đến thanh góp 115kV của trạm biến áp qua lộ đường dây, phía hạ áp của trạm có điện áp 23,5kV và 10,5kV để đưa đến các phụ tải.

Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm biến áp

Các thông số chính

Trạm có các thanh góp phía 115kV nối với hệ thống qua lộ đường dây với các thông số như sau:

SN (3) max= 1900; SN (3) min/ SN (3) max = 0,70; X0HT/X1HT = 1,3

Tổ đấu dây: Y0-Y0-11 Điện áp ngắn mạch (%): UN C-T = 10,5%; UN C-H = 17%; UN T-H 6%

Cấp điện áp: UC/UT/UH = 115/23,5/10,5

Phạm vi điều chỉnh đầu phân áp: 9 x 1,78% (phía 110kV)

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

Giới thiệu chung

1.1 Mục đích của tính toán ngắn mạch:

Tính toán ngắn mạch nhằm xác định được dòng điện sự cố lớn nhất và nhỏ nhất có thể chạy qua BI đến rơ le để phục vụ cho:

- Tính toán chỉnh định rơ le và kiểm tra độ an toàn hãm của các rơ le so lệch bảo vệ cho máy biến áp.

- Kiểm tra độ nhạy của các bảo vệ đối với các bảo vệ quá dòng và độ nhạy tác động đối với các bảo vệ so lệch của máy biến áp.

1.2 Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch: Để thiết lập sơ đồ và tiến hành tính toán ngắn mạch, ta cần có những giả thiết đơn giản hóa, nhằm làm giảm đáng kể khối lượng tính toán trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết. Một số giả thiết 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 mô men quay và tốc độ quay bị thay đổi trong quá trình quá độ nên tần số hệ thống bị thay đổi Tuy nhiên việc tính toán ngắn mạch được thực hiện ở giai đoạn đầu nên sự biến thiên tốc độ chưa đáng kể Từ đó giả thiết tần số hệ thống không đổi, không có sai số nhiều, đồng thời làm giảm đáng kể số lượng phép tính.

- Bỏ qua bão hòa mạch từ: Khi ngắn mạch, mức độ bão hòa mạch từ ở một số phần từ có thể tăng cao hơn bình thường Thực tế cho thấy sai số mắc phải do bỏ qua hiện tượng này là không nhiều vì số phần tử mang lõi thép chiếm số lượng ít trong hệ thống điện.

- Bỏ qua sự ảnh hưởng của phụ tải.

- Bỏ qua điện trở của cuộn dây máy phát: Máy biến áp và điện trở đường dây do thành phần này quá nhỏ so với điện kháng của chúng.

- Coi hệ thống sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng: Khi ngắn mạch không đối xứng phản ứng các pha lên từ trường quay không hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên từ trường vẫn được giả thiết quay đều với tốc độ không đổi, khi đó suất điện động ba pha luôn đối xứng Thực tế là hệ số không đối xứng của các suất điện động không đáng kể.

Tính toán ngắn mạch

2.1 Lựa chọn các đại lượng cơ bản:

Tính toán ngắn mạch thường được thực hiện trong đơn vị tương đối và ta chọn các đại lượng cơ bản như sau: Scb = SđmBA

Các dòng điện cơ bản được xác định như sau:

2.2 Tính toán các thông số phần tử:

2.2.1 Điện kháng của hệ thống:

 Chế độ cực đại: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch:

X1maxHT = X2maxHT = SNmaxHT SđmBA = 1900 32 = 0,017 Điện kháng thứ tự không:

 Chế độ cực tiểu: Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch:

X1minHT = X2minHT = SNminHT SđmBA = 1900.0,70 32 = 0,024 Điện kháng thứ thự không:

2.2.2 Tính toán các thông số của máy biến áp:

Theo đề bài, ta có điện áp ngắn mạch các cuộn dây: UN C-T 10,5%; UN C-H = 17%; UN T-H = 6%.

UNH% = ẵ ( UN C-H + UN T-H - UN C-T ) = ẵ ( 17 + 6 - 10,5 ) 6,25% Điện kháng của các cuộn dây máy biến áp trong hệ đơn vị tương đối định mức được xác định như sau:

3 Tính toán ngắn mạch tại điểm N2:

- Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế thứ tự thuận

- Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch:

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch

- Sơ đồ thay thế thứ tự không:

Hình 2.3: Sơ đồ thay thế thứ tự không

Không có dòng ngắn mạch qua BI3, BI01, BI02.

Dòng điện thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch:

Dòng qua các thành phần đối xứng chạy qua BI1 là:

X h+ X oht + X c = 3,436 0,0625+0,022 0,0625 + 0,1075 = 1,118 Dòng điện pha sự cố qua BI1 là:

IfBI1 = I1BI1 + I2BI1 + I0BI1 = 3,436 + 3,436 + 1,118 = 7,990Dòng điện qua BI1 đã loại trừ thành phần thứ tự không là:

Dòng điện các thành phần đối xứng chạy qua BI2 là:

Dòng điện pha qua BI2 là:

IfBI2 = I1BI2 + I2BI2 + I0BI2 = 3,436 + 3,436 + 3,436 = 10,308 Dòng điện qua BI1 đã loại trừ thành phần thứ tự không là:

Dòng điện qua BI01 là: IfBI01 = 3I0BI1 = 3.1,118 = 3,354

Không có dòng chạy qua BI3.

3.1.3 Dạng ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1) :

Các dòng điện thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch:

Dòng điện pha sự cố qua BI1 (dạng phức) là: ´ I fBI1 = a 2 ´ I 1BI1 + a ´ I 2BI1 + ´ I 0BI1 = (e j120 ) 2 6,414 - e j120 1,618 – 1,561

Dòng qua BI1 đã loại thành phần thứ tự không là: ´ I f(-0)BI1 = 8,004-119,647 + 1,5610 = 7,358-109,021

Dòng điện chạy qua BI2 là:

Dòng điện pha qua BI2 (dạng phức) là: ´ I fBI2 = a 2 ´ I 1BI2 + a ´ I 2BI2 + ´ I 0BI2 = (e j120 ) 2 6,414 - e j120 1,618 – 4,796

Dòng qua BI01 là: IfBI01 = 3.I0BI1 = 3.(-1,561) = -4,683

Không có dòng qua BI3.

- Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Hình 2.4: Sơ đồ thay thế thứ tự thuận

- Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch:

Hình 2.5: Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch

- Sơ đồ thay thế thứ tự không:

Hình 2.6: Sơ đồ thay thế thứ tự không

Dòng điện chạy qua các BI1 và BI2 là:

0,1315 +0,1315 = 6,586 Không có dòng ngắn mạch qua BI3, BI01, BI02.

Dòng điện thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch:

Dòng qua các thành phần đối xứng chạy qua BI1 là:

X h+ X oht + X c = 3,268 0,0625+0,031 0,0625 + 0,1075 = 1,016Dòng điện pha sự cố qua BI1 là:

Dòng điện pha qua BI2 là:

Không có dòng chạy qua BI3.

3.2.3 Dạng ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1) :

Các dòng điện thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch:

Dòng điện pha sự cố qua BI1 (dạng phức) là: ´ I fBI1 = a 2 ´ I 1BI1 + a ´ I 2BI1 + ´ I 0BI1 = (e j120 ) 2 6,101 - e j120 1,503 – 1,430

Dòng điện chạy qua BI2 là:

Dòng điện pha qua BI2 (dạng phức) là: ´ I fBI2 = a 2 ´ I 1BI2 + a ´ I 2BI2 + ´ I 0BI2 = (e j120 ) 2 6,101 - e j120 1,503 – 4,598

Không có dòng qua BI3.

4 Ứng dụng phần mềm ETAP cho tính toán ngắn mạch: 4.1 Giới thiệu phần mềm ETAP:

ETAP là phần mềm thương mại thành công nhất và nổi tiếng nhất trong các phần mềm tính toán điện Phần mềm này là giải pháp doanh nghiệp toàn diện nhất cho thiết kế, mô phỏng, vận hành, kiểm soát, tối ưu hóa và tự động hóa của các hệ thống điện công nghiệp, truyền tải và phân phối ETAP được phát triển bởi công ty Operation Technology, Inc (OTI), phần mềm có khả năng tính toán và phân tích tại các bus (thanh cái) của sơ đồ đơn tuyến, nhờ đó chúng ta có thể kiểm soát, sửa chữa và điều chỉnh kịp thời các thông số tránh những tổn thất đáng tiếc xảy ra Các module chức năng trong phần mềm có thể được tùy chỉnh để phù hợp nhu cầu bất kỳ của công ty, với quy mô năng lượng từ nhỏ đến lớn.

Các chức năng của phần mềm ETAP bao gồm:

- Khảo sát và phân tích một hệ thống điện đơn tuyến với nhiều nguồn cung cấp.

- Xây dựng sơ đồ đơn tuyến của hệ thống điện cần phân tích.

- Phân tích phân bố công suất hệ thống điện, phân bố công suất tổn thất trên đường dây, sụt áp trên đường dây, quá tải trên đường dây, hệ số công suất trên tải.

- Phân tích ngắn mạch hệ thống điện: chế độ ngắn mạch đối xứng, chế độ ngắn mạch không đối xứng, ngắn mạch một pha chạm đất, hai pha chạm đất và ngắn mạch giữa hai dây pha, tính toán dòng ngắn mạch.

4.2 Giao diện phần mềm ETAP:

Trên giao diện phần mềm thể hiện các thanh công cụ như Main Menu, Study Veiw, Study Case Toolbar, mỗi thanh công cụ chứa mỗi chức năng và hoạt động khác nhau, để tạo nên một tổng thể mô phỏng lưới điện, cài đặt các thông số cũng như thể hiện giá trị được tính toán bằng các phương pháp khác nhau cụ thể như: Thanh công cụ File Menu: là thanh công cụ có khả năng truy cập các hoạt động của hệ điều hành như mở, lưu in, một sơ đồ đơn tuyến, bao gồm các chức năng như New, Open, Closes Project: tạo, mở hay đóng một dự án mới, ngoài ra còn có chức năng Data Exchange để chuyển đổi đuôi định dạng từ OTI sang dạng có đuôi là EMF

- Thanh công cụ Edit: các chức năng thường xuyên sử dụng để chỉnh sửa sơ đồ như Cut, Copy, Past, Move from: cắt, sao chép, dán hay di chuyển một phần tử đã chọn.

- Thanh công cụ Veiwer: gồm các chức năng như Zoom in, Zoom out, Zoom fit: là thanh công cụ phóng to, thu nhỏ hay để xem tất cả các phần từ trên cửa sổ window ở chế độ tốt nhất, mục Grid để hiển thị lưới trên sơ đồ.

- Thanh công cụ Project: trong đó có Information là hộp thoại chứa các thông tin như tên dự án, vị trí của dự án, mã số hợp đồng, còn Standars là các tiêu chuẩn định dạng cho hệ thống như tần số, đơn vị chiều dài, tháng, năm, Seting là cài đặt chế độ hoạt động của tải như hoạt động theo hiệu suất, theo động cơ hoặc tải ưu tiên, mục Option dùng để cài đặt chế độ save trong bao nhiêu phút, nhắc nhở trước khi save,

- Thanh công cụ Tool: Symbols là dòng lệnh sẽ làm thay đổi tất cả các kí hiệu khi chọn các phần tử từ sơ đồ đơn tuyến với kí hiệu IEC hay ANSI, Orientation là lệch dùng để thay đổi góc quay từng phần tử hay tất cả phần tử được chọn Group và Un Group là lệch dùng để nhóm các phần tử được chọn thành một nhóm, các phần tử chỉ phụ thuộc duy nhất một nhóm, lệnh Un Group thì tách một nhóm thành các phần tử riêng lẻ trên sơ đồ Còn lại Use Default Annotation Position là lệnh dùng để chú thích từng phần tử trong sơ đồ đơn tuyến.

4.3 Tính toán ngắn mạch bằng ETAP:

4.3.1 Vẽ mô phỏng, thiết lập thông số:

 Cài đặt thông số nguồn:

Hình 2.7: Thông số Rated của hệ thống

Sửa thông số công suất hệ thống điện với điện kháng thứ tự không X0HT/X1HT=1,3 và thông số X/R ta đặt bằng vô cùng.

Hình 2.8: Thông số hệ thống ở chế độ cực đại

Hình 2.9: Thông số hệ thống ở chế độ cực tiểu

 Cài đặt thông số cho máy biến áp:

Hình 2.10: Thông số điện áp mỗi cuộn dây cảu máy biến áp

Hình 2.11: Thông số %Z và X/R của máy biến áp

Hình 2.12: Kiểu đấu dây của máy biến áp

 Sơ đồ của hệ thống:

Hình 2.13: Sơ đồ mô phỏng của hệ thống trong ETAP

Ta mở hộp thoại Short Circut Study Case trên thanh công cụ để chọn vị trí ngắn mạch.

Hình 2.14: Hộp thoại Short Circut Study Case

Ta có thể chọn các loại ngắn mạch để tính toán Tính toán, kiểm tra với bảng tính ở trên.

Hình 2.15: Ngắn mạch N (3) ở chế độ cực đại

Hình 2.16: Ngắn mạch N (1) ở chế độ cực đại

Hình 2.17: Ngắn mạch N (1,1) ở chế độ cực đại

Hình 2.18: Ngắn mạch N (2) ở chế độ cực tiểu

Hình 2.19: Ngắn mạch N (1) ở chế độ cực tiểu

Hình 2.20: Ngắn mạch N (1,1) ở chế độ cực tiểu

4.3.3 So sánh kết quả tính toán ngắn mạch bằng tay và kết quả trên ETAP:

Ta có bảng so sánh kết quả giữa tính tay và phần mềm ETAP tại điểm ngắn mạch N2 ở chế độ cực đại và cực tiểu.

Bảng 2.1: So sánh giữa hai phương pháp tính toán bằng tay và ETAP

Kết quả tính bằng tay

Kết quả tính toán theo ETAP

Hệ đơn vị tương đối

Hệ đơn vị có tên

Ta thấy kết quả tính toán ngắn mạch bằng tay và mô phỏng bằng ETAP tương đối giống nhau.

Bảng tổng hợp kết quả tính toán ngắn mạch

Bảng 2.2: Kết quả tính toán ngắn mạch tại các điểm ở chế độ cực đại Điểm

Dòng điện qua các BI (kA)

BI 1 BI 2 BI 3 BI 01 BI 02

Bảng 2.3: Kết quả tính toán ngắn mạch tại các điểm ở chế độ cực tiểu Điểm

Dòng điện qua các BI (kA)

BI 1 BI 2 BI 3 BI 01 BI 02

LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP

Các dạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp

thường của máy biến áp:

Những sự cố thường gặp trong máy biến áp có thể phân ra làm 2 nhóm: Sự cố bên trong máy biến áp và sự cố bên ngoài máy biến áp.

 Sự cố bên trong máy biến áp:

Sự cố bên trong máy biến áp được chia làm 2 nhóm sự cố trực tiếp và sự cố gián tiếp.

- Sự cố trực tiếp bao gồm sự cố ngắn mạch cuộn dây, chạm đất vỏ máy biến áp, ngắn mạch chạm đất gây hư hỏng cách điện làm thay đổi đột ngột các thông số điện.

- Sự cố gián tiếp diễn ra từ từ nhưng sẽ dần phát triển thành sự cố trực tiếp nếu không kịp phát hiện và xử lí kịp thời (ví dụ như áp suất thùng dầu tăng, thùng dầu bị rỏ, hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp, ).

Vì vậy sự cố bên trong máy biến áp cần phải được cách ly và xử lý nhanh chóng để giảm ảnh hưởng đến hệ thống điện.

 Sự cố bên ngoài và các chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp:

- Dòng điện tăng cao do ngắn mạch nhiều pha hoặc 1 pha trong hệ thống hoặc do quá tải.

- Qua bão hòa mạch từ do điện áp tăng cao hoặc tần số giảm thấp.

- Mức dầu bị hạ thấp do nhiệt độ không khí xung quanh máy biến áp giảm đột ngột.

Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp

Tùy theo công suất máy biến áp, vị trí và vai trò máy biến áp trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho máy biến áp Những loại bảo vệ thường dùng cảu máy biến áp được giới thiệu trong bảng 3.1.

Bảng 3.1: Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp

Loại bảo vệ Loại sự cố

Ngắn mạch 1 pha hoặc nhiều pha ở cuộn dây

- Bảo vệ so lệch có hãm

- Bảo vệ khỏng cách (dự phòng)

- Bảo vệ quá dòng (chính hoặc dự phòng tùy vào công suất máy biến áp)

- Bảo vệ quá dòng thứ tự không (bảo vệ chống chạm đất hạn chế)

Sự cố giữa các vòng dây

Sự cố thùng dầu máy biến áp

- Bảo vệ chống chạm đất thùng máy biến áp

Quá nhiệt - Bảo vệ chống quá tải

Quá từ thông - Bảo vệ chống quá từ thông

Bảng 3.2: Các yêu cầu với hệ thống bảo vệ:

Yêu cầu với hệ thống bảo vệ

Mô tả Độ tin cậy

Là tính năng đảm bảo cho thiết bị làm việc đúng, chắc chắn Độ tin cậy được phân biệt:

- Độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng của rơ le khi có sự cố xảy ra trong phạm vi bảo vệ đã được qui định.

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

Là khả năng của hệ thống bảo vệ có thể loại trừ phát hiện đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống Cấu hình của hệ thống càng phức tạp, việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn.

Hệ thống bảo vệ phát hiện và cách ly phần tự sự cố càng nhanh càng tốt, giảm được mức độ hư hỏng của thiết bị Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc, cần sử dụng nhiều chức năng bảo vệ phức tạp và làm tăng chi phí. Độ nhạy Độ nhạy đặc trưng bởi hệ số độ nhạy, tức là chỉ số giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó Sự sai khác này càng lớn, rơ le tác động càng nhạy Các bảo vệ chính cần đảm bảo hệ số độ nhạy không thấp hơn 1,5, các bảo vệ phụ (dự phòng) không thấp hơn 1,2.

Tính kinh tế Đối với lưới trung áp, 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 cần cân nhắc thêm về tính kinh tế sao cho thiết bị bảo vệ đảm bảo được yêu cầu kĩ thuật với chi phí tối thiểu.

Các loại bảo vệ cài đặt cho máy biến áp

3.1 Bảo vệ chính của máy biến áp:

3.1.1 Bảo vệ so lệch có hãm I/87T:

Bảo vệ so lệch hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh tổng dòng điện đi vào và đi ra của đối tượng được bảo vệ, nếu tổng dòng điện khác không thì bảo vệ sẽ tác động Trong thực tế, các rơ le sử dụng bảo vệ so lệch có hãm hay còn gọi là bảo vệ so lệch phần trăm có cấu trúc nguyên lí như hình:

Hình 3.1: Cấu trúc nguyên lí của bảo vệ so lệch có hãm

Rơ le bảo vệ so lệch có hãm hoạt động dựa trên sự tương quan của hai loại dòng điện:

- Dòng điện hãm IH chạy vào cuộn hãm, có tác dụng cản trở,hãm lại hoạt động của bảo vệ.

- Dòng điện so lệch ISL có xu hướng làm rơ le hoạt động, đóng tiếp điểm máy cắt. Để đảm bảo hoạt động trong mọi chế độ thì yêu cầu đối với dòng điện hãm và so lệch như sau:

- Dòng điện hãm IH sẽ phải được tổng hợp sao cho có giá trị lớn ở chế độ bình thường và khi xảy ra sự cố ngoài vùng bảo vệ để hãm tốt Ngoài ra, phải có giá trị nhỏ khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ để đảm bảo không cản trở hoạt động bảo vệ của rơ le.

- Dòng điện so lệch ISL ngược lại, phải có giá trị lớn khi có sự cố trong vùng và có giá trị nhỏ khi có sự cố ngoài cùng để đảm bảo rơ le không tác động nhầm.

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm dùng rơ le điện tử

Cuộn dây cao áp của máy biến áp nối với nguồn cáp, cuộn trung và hạ áp nối với phụ tải Bỏ qua dòng điện kích từ máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường, ta có: ´ I S1 = ´ I S2 + ´ I S3

Dòng điện so lệch được tính theo công thức: ´ I SL = ´ I T1 – ( ´ I T2 + ´ I T3 )

Với dòng điện hãm, các dòng điện được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm theo quan hệ: ´ I H = ( | ´ I T1 | + ¿ ´ I T2 | + | ´ I T3 |) * KH

Trong đó KH là hệ số hãm của bảo vệ so lệch có hãm (KH < 0,5).

Ngoài ra, để ngăn sự tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hóa khi đóng máy biến áp không tải và cắt ngắn mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần sóng hài bậc hai vốn đặc trưng cho dòng điện từ hóa IHM, ngoài ra khi ngắn mạch thành phần sóng hài bậc hai không tồn tại Nếu hàm lượng sóng hài bậc hai vượt quá ngưỡng đã cài đặt trước thì tín hiệu cắt sẽ bị khóa.

3.1.2 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không I 0 /87N ( Bảo vệ chống chạm đất hạn chế: REF – Restricted

Khi có sự cố chạm đất xảy ra tại điểm gần trung tính của cuộn dây, dòng điện chạy trong các vòng dây có thể có giá trị rất lớn Tuy nhiên do dòng điện sự cố lớn này chỉ chạy trong một số vòng dây rất nhỏ so với tổng số vòng của cả cuộn dây nên dòng điện các pha tăng lên không đáng kể và bảo vệ so lệch có thể không đủ độ nhạy để phát hiện sự cố.

Dòng điện sự cố lớn chạy trong các vòng dây có thể phá hủy cách điện và làm lan rộng sự cố Do đó để chống lại dạng sự cố này, người ta dùng sơ đồ bảo vệ so lệch dòng thứ tự không hay bảo vệ chống chạm đất hạn chế Đây là loại bảo vệ so lệch có miền bảo vệ được giới hạn giữa máy biến dòng đặt ở trung tính máy biến áp và tổ máy biến dòng nối theo bộ lọc dòng điện thứ tự không đặt ở phía đầu ra của cuộn dây nối hình sao của máy biến áp.

Hình 3.3: Bảo vệ chống chạm đất hạn chế của máy biến áp ba cuộn dây

Nguyên lí của bảo vệ chống chạm đất hạn chế là so sánh giữa trị số dòng điện thứ tự không lấy từ trung tính và trị số dòng thứ tự không tổng hợp từ các BI đầu cực theo phương pháp cộng tổng dòng điện 3 pha Tổng dòng đưa vào rơ le I0 được tính theo công thức:

I0: là dòng điện thứ tự không chạy trong cuộn dây máy biến áp.

ID: là dòng điện chạy qua trung tính máy biến áp.

Hình 3.4: Phân bố dòng điện trong chế độ bình thường và sự cố chạm đất ngoài vùng

Trong chế độ bình thường: không có dòng chạy qua dây trung tính (ID = 0) và tổng dòng 3 pha bằng 0 (3I0 = 0) nên I0 = 0 Do vậy, rơ le không tác động.

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N1), dòng điện chạy qua dây trung tính và dòng thứ tự không trên ba pha có giá trị bằng nhau (3I0 = ID) nên I0 = 0 Do vậy, rơ le không tác động.

Hình 3.5: Phân bố dòng điện khi có sự cố chạm đất trong vùng bảo vệ

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (điểm N2), dòng điện thứ tự không chạy qua BI trung tính và dòng điện chạy qua các BI đầu cực ngược chiều và có giá trị khác nhau nên I0 = 3I0 – ID khác 0 Do có sự sai lệch nên rơ le sẽ tác động.

3.1.3 Bảo vệ bằng rơ le khí (Buchholz):

Rơ le khí thường đặt trên đoạn ống nối từ thùng dầu đến bình dãn dầu của máy biến áp Rơ le với 2 cấp tác động gồm có 2 phao bằng kim loại macng bầu thủy tinh con có tiếp điểm thủy ngân hoặc tiếp điểm từ (Hình 3.6).

Hình 3.6: Vị trí đặt và nguyên lí hoạt động của rơ le khí ở máy biến áp

Kí hiệu rơ le khí: hoặc

- Ở chế độ làm việc bình thường, trong bình rơ le đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm của rơ le ở trạng thái hở.

- Nếu khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nóng do quá tải), khí này tích tụ lên trên bề mặt thùng dầu và theo ống dẫn dầu lên thùng dầu phụ Khi đi qua rơ le sẽ bị giữ lại và dần đẩy mức dầu trong rơ le hơi giảm dần Đến mức độ nhất định sẽ làm phao thứ nhất chìm xuống, rơ le gửi tín hiệu cấp 1 cảnh báo.

- Nếu khí bốc ra mạnh hơn (chẳng hạn do sự cố ngắn mạch trong thùng dầu), mức dầu trong rơ le bị đẩy xuống thấp hơn làm phao thứ 2 chìm xuống, rơ le lúc này sẽ gửi tín hiệu đi cắt máy biến áp khỏi vận hành.

3.2.1 Bảo vệ chống quá tải 49:

Quá tải làm cho nhiệt độ của máy biến áp tăng cao quá mức cho phép, nếu thời gian kéo dài sẽ làm giảm tuổi thọ máy biến áp Chức năng này sử dụng để bảo vệ các phần tử của hệ thống điện khỏi bị quá nhiệt khi dòng tải tăng cao Chức năng này có thể áp dụng để bảo vệ cho bất cứ cuộn dây nào của máy biến áp, thường sử dụng cho cuộn dây có công suất lớn nhất.

Có 3 phương pháp bảo vệ chống quá tải được sử dụng trong rơ le kĩ thuật số hiện nay:

 Phương pháp hình ảnh nhiệt không tính tới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên ngoài

GIỚI THIỆU TÍNH NĂNG VÀ THÔNG SỐ RƠ LE

Rơ le bảo vệ so lệch 7UT613

Hình 4.1: Rơ le 7UT613 và 7UT612

1.1 Giới thiệu tổng quan về rơ le 7UT613:

Rơ le số 7UT613 do tập đoàn Siemens AG 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 Rơ le này cũng có thể dùng để bảo vệ cho các loại máy điện quay như máy phát điện, động cơ, các đường dây ngắn hoặc các thanh cái cỡ nhỏ (có từ 3-5 lộ ra) Các chức năng khác được tích hợp trong rơ le 7UT613 làm nhiệm vụ dự phòng như bảo vệ quá dòng, quá tải nhiệt, bảo vệ chống hư hỏng máy cắt Bằng cách phối hợp các chức năng tích hợp trong 7UT613 ta có thể đưa ra phương thức bảo vệ phù hợp và kinh tế cho đối tượng cần bảo vệ mà chỉ cần sử dụng 1 rơ le Đây là quan điểm chung để chế tạo các rơ le số hiện đại ngày nay.

Rơ le 7UT613 được trang bị hệ thống vi xử lí 32 bit Quá trình xử lí hoàn toàn tín hiệu số từ đo lường, lấy mẫu, số hóa các đại lượng đầu vào tương tự đến việc xử lí tính toán và tạo các lệnh, các tín hiệu đầu ra Cách li hoàn toàn về điện giữa mạch xử lí bên trong của 7UT613 với các mạch đo lường điều khiển và nguồn điện do các cách sắp xếp đầu vào tương tự của các bộ chuyển đổi, các đầu vào, đầu ra nhị phân, các bộ chuyển đổi DC/AC hoặc AC/DC Hoạt động đơn giản, điều khiển thông qua sử dụng panel tích hợp hoặc máy tính cá nhân sử dụng phần mêm DIGSI.

1.2 Một số thông số kỹ thuật của rơ le 7UT613:

Bảng 4.1: Mạch đầu vào của rơ le 7UT613

Tần số định mức fN 50/60/16,7 Hz

Công suất tiêu thụ mỗi đầu vào

IN = 0,1A Xấp xỉ 1 mVA Đầu vào độ nhạy cao ở 1A

Dung lượng quá tải dòng điện

Xung 1250A (nửa chu kì) Dung lượng quá tải dòng điện đầu vào độ nhạy cao

Xung 750A (nửa chu kì) Điện áp một chiều 24 đến 48 V

100 đến 250 V Điện áp xoay chiều 115V (fP/60Hz)

Khoảng cho phép làm việc ±20% (DC)

Bảng 4.2: Đầu vào nhị phân của rơ le 7UT613

Số lượng 5 Điện áp danh định 24 đến 250 VDC

Dòng tiêu thụ 1,8 mA Điện áp lớn nhất cho phép 300VDC

Bảng 4.3: Đầu ra nhị phân của rơ le 7UT613

Số lượng tiếp điểm 8 tiếp điểm thường và 1 tiếp điểm cảnh báo Khả năng đóng cắt Đóng: 1000W/VA Cắt: 30W/VA Cắt với tải điện trở: 40W Cắt với tải L/R: 250W (≤50ms) Điện áp đóng cắt 250V

Dòng đóng cắt cho phép

30A cho 0,5s 5A không hạn chế thời gian

1.3 Giới thiệu các chức năng bảo vệ của rơ le 7UT613: 1.3.1 Chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp:

Hình 4.2: Nguyên lí bảo vệ so lệch dòng điện trong rơ le

 Phối hợp các đại lượng đo lường:

Các phía của máy biến áp đều đặt máy biến dòng, dòng điện thứ cấp của các máy biến dòng này không hoàn toàn bằng nhau Sự sai khác này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỉ số biến đổi, tổ nối dây, sự điều chỉnh điện áp cảu máy biến áp, dòng điện định mức, sai số, sự bão hòa của máy biến dòng Do vậy để tiện so sánh dòng điện thứ cấp máy biến dòng ở các phía máy biến áp thì phải biến đổi chúng về cùng một phía, ví dụ như phía sơ cấp.

Việc phối hợp giữa các đại lượng đo lường ở các phía được thực hiện như sau:

[Im] là ma trận dòng điện đã được biến đổi (IA, IB, IC). k là hệ số

[K] là ma trận hệ số phụ thuộc vào tổ nối dây máy biến áp [In] là ma trận dòng điện pha (IL1, IL2, IL3)

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

Sau khi dòng điện đầu vào đã thích ứng với tỉ số biến dòng, tổ đấu dây xử lý dòng thứ tự không, các đại lượng cần thiết cho bảo vệ so lệch được tính toán từ dòng trong các pha IA, IB, IC Bộ vi xử lí sẽ so sánh về mặt trị số:

Có 2 trường hợp xảy ra:

- Trường hợp sự cố ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ hoặc ở chế độ làm việc bình thường Khi đó ´ I 1 ngược chiều với ´ I 2, ´ I

- Trường hợp sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ, nguồn cung cấp từ phía cao áp nên:

Kết quả trên cho thấy khi sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ thì

ISL = IH, do vậy đường đặc tính sự cố trong vùng bảo vệ là đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ dốc bằng 45 o như hình 4.3.

Hình 4.3: Đặc tính tác động của rơ le 7UT613 Để đảm bảo bảo vệ so lệch tác động chắc chắn khi có sự cố bên ngoài, ta cần chỉnh định các trị số tác động cho phù hợp với yêu cầu cụ thể Rơ le 7UT613 được sử dụng có đường đặc tính tác động cho chức năng bảo vệ so lệch thỏa mãn yêu cầu bảo vệ.

- Đoạn a: Biểu thị giá trị dòng điện khởi động ngưỡng thấp

Idiff>> của bảo vệ (địa chỉ 1221), với mỗi máy biến áp xem như hằng số Dòng điện này phụ thuộc dòng điện từ hóa máy biến áp Khi dòng điện qua đối tượng nhỏ, sai số BI nằm trong ngưỡng cho phép, do vậy không cần hãm để tăng độ nhạy nên ta có đoạn a.

- Đoạn b: Đoạn đặc tính có kể đến sai số biến đổi của máy biến dòng và sự thay đổi đầu phân áp của máy biến áp Khi dòng điện qua đối tượng tăng lên tiếp (ví dụ như do quá tải): sai số BI tăng, dòng cân bằng lớn, bảo vệ có thể tác động nhầm nên ta cần hãm Do vậy, ta có đoạn b có độ dốc SLOPE 1 (địa chỉ 1241) với điểm bắt đầu là BASE POINT 1 (địa chỉ 1242).

- Đoạn c: Đoạn đặc tính có tính đến chức năng bảo vệ khi xuất hiện hiện tượng bão hòa không giống nhau ở các máy biến dòng Khi dòng điện qua đối tượng tăng lên vượt qua ngưỡng quá tải, đến giai đoạn sự cố ngoài, lúc này dòng cân bằng đạt giá trị rất lớn, bảo vệ có thể tác động nhầm, nên ta cần hãm mạnh hơn Do vậy, ta có đoạn c có độ dốc SLOPE 2 (địa chỉ 1243) dốc hơn SLOPE 1 với điểm bắt đầu BASE POINT 2 (địa chỉ 1244).

- Đoạn d: Là giá trị dòng điện khởi động ngưỡng cao Idiff>> của bảo vệ (địa chỉ 1231) Khi dòng điện so lệch Isl vượt quá ngưỡng cao này, bảo vệ sẽ tác động không có thời gian mà không quan tâm đến dòng điện hãm IH và các sóng hài dùng để hãm bảo vệ.

Qua hình vẽ ta thấy đường đặc tính sự cố luôn nằm trong vùng tác động Các dòng điện ISL và IH được biểu diễn trên trục tọa độ theo hệ tương đối định mức Nếu tọa độ điểm hoạt động (ISL, IH) xuất hiện gần đường đặc tính sự cố thì sẽ tác động.

Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, thời điểm ban đầu dòng điện ngắn mạch lớn làm cho máy biến dòng bão hòa mạnh Hằng số thời gian của hệ thống dài, hiện tượng này không xuất hiện khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ.

Các giá trị đo được bị biến dạng trong cả thành phần so lệch cũng như thành phần hãm Hiện tượng bão hòa máy biến dòng dẫn đến dòng điện so lệch ISL đạt trị số khá lớn, đặc biệt khi mức độ bão hòa của các máy biến dòng là khác nhau Trong thời gian đó, nếu điểm hoạt động (ISL, IH) rơi vào vùng tác động thì bảo vệ sẽ tác động nhầm.

Rơ le 7UT613 cung cấp chức năng tự động phát hiện hiện tượng bão hòa và sẽ tạo ra vùng hãm bổ sung Sự bão hòa của máy biến dòng trong suốt thời gian xảy ra ngắn mạch ngoài được phát hiện bởi trị số dòng hãm có giá trị lớn hơn trị số này sẽ di chuyển điểm hoạt động đến vùng hãm, bổ sung giới hạn bởi đoạn đặc tính b và trục IH Từ hình 4.4, ta thấy:

Hình 4.4: Vùng hãm bổ sung của chức năng bảo vệ so lệch

Tại điểm bắt đầu xảy ra sự cố (điểm A), dòng sự cố tăng nhanh sẽ tạo nên thành phần hãm lớn BI lập tức bị bão hòa (điểm B) Sau đó, thành phần so lệch được tạo thành và thành phần hãm giảm xuống, kết quả là điểm hoạt động (ISL, IH) chuyển dịch sang vùng tác động (điểm C) Khi có vùng hãm bổ sung, bảo vệ so lệch sẽ bị khóa trong khoảng thời gian T ADD ON-STAB (địa chỉ 1262) ngay cả khi điểm làm việc chuyển từ điểm B ở vùng hãm sang điểm C ở vùng tác động.

CHỈNH ĐỊNH THÔNG SỐ VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ

Các số liệu phục vụ tính toán và chỉnh định

1.1 Số liệu của máy biến áp

Bảng 5.1: Thông số ban đầu của máy biến áp

Công suất danh định (MVA) 32 32 32 Điện áp trung bình (kV) 115 23,5 10,5

Dòng điện danh định (kA) 0,161 0,786 1,760

Giới hạn điều chỉnh điện áp

1.2 Chọn máy biến dòng điện

1.2.1 Điều kiện chọn máy biến dòng điện

- Ổn định nhiệt: (knh.I1đm)2 * tnh ≥ BN

(chỉ kiểm tra với máy cắt có Iđm ≤ 1000A)

- Ổn định động: √ 3 * k 1dđ * Iđm ≥ ixk

IdđBI là dòng điện danh định của BI

Ilvcb là dòng làm việc cưỡng bức của phụ tải

UdđBI là điện áp danh định của BI

Udđl là điện áp danh định của lưới

Ta chọn dòng định mức phía sơ cấp cao hơn 40% so với dòng làm việc cưỡng bức của phụ tải:

IdđBI ≥ Ilvcb = 1,4 * IđmBA = 1,4 * S i đmBA/√3U i đmBA

S i đmBA là công suất định mức của cuộn dây i (cuộn cao, trung, hạ) của MBA

U i đmBA là điện áp định mức của cuộn dây i

1.2.2 Chọn BI phía 110kV: Điện áp UđmBI ≥ 115kV

Chọn BI loại IMB123 của ABB

Chọn hệ số giới hạn dòng điện ALF

- Dòng ngắn mạch lớn nhất qua BI1 là INmax = 9,471

- Xét tỉ số INmax/IđmBI = 9,471/0,72 = 13,154

Vậy chọn hệ số giới hạn dòng điện của BI1 là 20.

- Ổn định nhiệt: 31,5kA trong 1s

1.2.3 Chọn BI phía 23,5kV: Điện áp UđmBI ≥ 23,5kV

Chọn BI loại 4ME34 của SIEMENS

- Xét tỉ số INmax/IđmBI = 8,324/2,5 = 3,330

- Ổn định nhiệt: 31,5kA trong 1s

1.2.4 Chọn BI phía 10,5kV: Điện áp UđmBI ≥ 10,5kV

Chọn BI loại 4ME32 của ABB

- Xét tỉ số INmax/IđmBI = 9,417/5 = 1,883

- Ổn định nhiệt: 500kA trong 1s

Ta có bảng thông số kĩ thuật:

Bảng 5.2: Thông số các BI được chọn

Thông số Cấp điện áp

Loại BI IMB123 4ME34 4ME32 Điện áp định mức (kV) 123 24 12

Dòng điện sơ cấp định mức (A)

Dòng điện thứ cấp định mức (A)

Dồng ổn định nhiệt trong

1.3 Chọn máy biến điện áp:

Máy biến điện áp được chọn theo những điều kiện sau:

- Cấp chính xác phù hợp với yêu cầu của dụng cụ đo

- Hệ số điện áp danh định

- Tỷ số biến điện áp

Dựa vào các điều kiện ta chọn máy biến áp với các thông số như sau:

Bảng 5.3: Thông số các BU được chọn

Loại BU EMF-E123 4MR54 4MFC52 Điện áp định mức

Cài đặt các chức năng cho rơ le 7UT613

2.1 Chức năng bảo vệ so lệch có hãm Đặc tính làm việc của rơ le 7UT613 có dạng:

Hình 5.1: Đặc tính tác động của rơ le 7UT613 Đoạn a: Ngưỡng tác động cấp 1: Idiff> của bảo vệ Dòng so lệch ngưỡng thấp được xác định theo dòng không cân bằng IKCB trong chế độ làm việc bình thường Idiff>IKCB

Với Idiff= (0,1~0,5)IdđBI thì ta chọn Idiff = 0,3IdđBI. Đoạn b: Đoạn đặc tính có kể đến sai số biến đổi của máy biến dòng và sự thay đổi đầu phân áp của máy biến áp Đoạn b có độ dốc SLOPE 1 (địa chỉ 1241) với điểm bắt đầu là BASE

Thường chọn BASEPOINT 1= 0 (đoạn b đi qua gốc tọa độ) và SLOPE 1= 0,25 hay tan𝑎1= 0,25 ứng với 𝑎1= 14,04 o Ngưỡng thay đổi hệ số hãm thứ nhất:

IH1 = Idiff>/KHB = 0,3/0,25 = 1,2. Đoạn c (SLOPE 2): Đoạn đặc tính có tính đến chức năng khóa bảo vệ khi xuất hiện hiện tượng bão hòa không giống nhau ở các máy biến dòng Đoạn c có độ dốc SLOPE 2 (địa chỉ

1243) với điểm bắt đầu BASE POINT 2 (địa chỉ 1244)

Có độ dốc lớn hơn nhằm đảm bảo cho rơ le làm việc trong điều kiện dòng không cân bằng lớn, BI bị bão hòa khi có ngắn mạch ngoài Độ dốc này được xác định theo độ lớn góc 𝑎2: tan

𝑎2 = 0,3~0,75 Chọn SLOPE 2= 0,5 tương ứng với 𝑎2= 26,56 o Dòng hãm cơ sở IHCS2 = 2~2,5 Chọn IHCS2= 2,5. Đoạn d: Là giá trị dòng điện khởi động ngưỡng cao Idiff>> của bảo vệ (địa chỉ 1231) Khi dòng điện so lệch ISL vượt quá ngưỡng cao này, bảo vệ sẽ tác động không có thời gian mà không quan tâm đến dòng điện hãm IH và các sóng hài để hãm bảo vệ.

Dòng so lệch ngưỡng cao Idiff>> Đoạn này đặc tính phụ thuộc vào giá trị dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại đầu cực máy biến áp Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện so lệch lớn hơn Idiff>>, rơ le sẽ tác động Ngưỡng này thường được chỉnh định ở mức khi ngắn mạch ở đầu ra máy biến áp và dòng sự cố xuất hiện lớn hơn 1/UNmin% lần dòng danh định máy biến áp.

UNmin%= Min (UN C-H%; UN C-T%) = Min (10,5%; 17%) = 10,5%

Ngưỡng thay đổi hệ số hãm thứ hai:

IH2= SLOPE IHCS 2∗SLOPE 2−SLOPE 2 1 = 0,5−0,25 2,5∗0,5 = 5

Dòng điện so lệch tương ứng với ngưỡng thay đổi hệ sộ hãm thứ hai:

ISL2 = IH2 * SLOPE1 = 5*0,25 = 1,25 Ngưỡng thay đổi hệ số hãm thứ ba:

Phạm vi hãm bổ sung nhằm tránh cho rơ le tác động nhầm khi BI bão hòa mạnh khi ngắn mạch ngoài lấy bằng 7.

Thời gian trễ của cấp ISL> là 0s

Thời gian trễ của cấp ISL>> là 0s

2.2 Chức năng chống chạm đất hạn chế REF

Dòng khởi động của bảo vệ chống chạm đất hạn chế:

Chọn hệ số chỉnh định k0= 0,3.

Thời gian trễ của bảo vệ: t87N = 0s Độ dốc của đặc tính tác động: SLOPE = 0

2.3 Bảo vệ chống quá tải máy biến áp 49

Bảo vệ quá tải cho máy biến áp dùng chức năng bảo vệ quá tải theo nhiệt độ của rơ le số 7UT613

Hệ số quá tải lâu dài cho phép: kqt = IđmBA Icp

Icp là dòng điện quá tải lâu dài cho phép kqt do nhà sản xuất máy biến áp qui định, thường lấy kqt 1,1

Hằng số thời gian nhiệt độ đốt nóng cuộn dây τ = tmax 60 ( Imax Icp ) 2

Với Imax là dòng lớn nhất cho phép trong thời gian quá tải cho phép tmax (s).

Máy biến áp được cho phép quá tải không quá 40% trong 5 ngày đêm, mỗi ngày không quá 6 giờ tức là tmax = 6.60.60 21600 (s).

Vậy τ = tmax 60 ( Imax Icp ) 2 = 21600 60 ( 1,4 1,1 ) 2 = 583 (phút) Để tăng nhiệt độ báo tín hiệu theo phần trăm của nhiệt độ tăng cắt ϕwarm⁄ϕϕtrip lấy bằng 90%.

Cài đặt chức năng bảo vệ cho 7SJ612

3.1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh I>>/50 phía 115kV

Thời gian tác động đặt xấp xỉ 0 giây (thường từ 50-80 ms)

Dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh được tính theo công thức: Ikđ = kat * INngmax

Trong đó: kat là hệ số an toàn (kat = 1,1~1,2), chọn kat = 1,2

INngmax là trị số dòng ngắn mạch lớn nhất qua BI khi có ngắn mạch ngoài

INngmax = max{IN2max; IN3max} = 1,319 kA Dòng điện cài đặt cho chức năng 50 của BI1:

Ikđ = 1,2.INngmax = 1,2.1,319 = 1,583 kA Thời gian trễ của bảo vệ: t50 = 0s.

3.2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh

Trong đó: I0Nngmax = max{I0N1max; I0N2max} = 0,348 kA

Dòng điện cài đặt cho chức năng 50N của BI1:

Ikđ = kat.3I0Nngmax = 1,2.3.0,348 = 1,253 kA Thời gian tác động thường lấy t = 0,05s

3.3 Bảo vệ quá dòng có thời gian I>/51:

Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng được tính theo công thức sau:

Ikđ = kat km ktv IđmBA

Trong đó: kat là hệ số an toàn km là hệ số mở máy ktv là hệ số trở về của rơ le

IđmBA là dòng làm việc lớn nhất đi qua bảo vệ

Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng cũng có thể chỉnh định theo công thức sau: Ikđ = K.IđmBA

Trong đó K là hệ số chỉnh định, thường lấy K bằng 1,5~1,6.

Chức năng 51 của bảo vệ 2 phải phối hợp với chức năng bảo vệ 51 của phía đường dây 22kV Giả sử thời gian cắt lớn nhất với sự cố ngắn amchj pha-đất của các lộ đường dây 22kV nối vào thanh cái 22kV của máy biến áp tDZ23,5 = 1s Để đảm bảo tính chọn lọc, ta chọn cấp thời gian Δt = 0,3s Thời gian tác t = 0,3s Thời gian tác động của chức năng 51 của bảo vệ 2 là: t23,5 = tDZ23,5 + Δt = 0,3s Thời gian tác t = 1 + 0,3 = 1,3 s

Cũng tương tự như bảo vệ 2, chức năng 51 của bảo vệ 3 phải phối hợp với chức năng bảo vệ 51 của phía đường dây Giả sử thời gian cắt lớn nhất với sự cố ngắn mạch của các lộ đường dây 10,5 kV nối vào thanh cái 10,5 kV của máy biến áp tDZ10,5 1,2 s Để đảm bảo khả năng chọn lọc đúng thời gian tác động của chức năng 51 của bảo vệ 3 là: t10,5 = tDZ10,5 + Δt = 0,3s Thời gian tác t = 1,2 + 0,3 = 1,5 s

Bảo vệ quá dòng sử dụng đặc tính thời gian độc lập, thời gian tác động của bảo vệ được chọn: t115 = max{t23,5; t10,5} + Δt = 0,3s Thời gian tác t = max {1,3; 1,5} + Δt = 0,3s Thời gian tác t = 1,5 + 0,3

3.4 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian

Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng thứ tự không được chọn theo công thức: Ikđ = (0,1~0,3).IđmBI

Trong đó IđmBI là dòng điện định mức phía sơ cấp của BI đấu với 51N.

IđmBI23,5 là dòng điện định mức của bảo vệ phía 23,5 kV đấu với 51N bằng với dòng điện định mức của bảo vệ phía 23,5 kV đấu với 50 là 2,5 kA.

Ikđ = 0,3 IđmBI23,5 = 0,3.2,5 = 0,75 kA Thời gian tác động của bảo vệ quá thứ tự không phía phụ tải t0 = 1 s

Suy ra tkđ = t0 + Δt = 0,3s Thời gian tác t = 1 + 0,3 = 1,3 s.

IđmBI115 là dòng điện định mức của bảo vệ phía 115 kV đấu với 51N bằng với dòng điện định mức của bảo vệ phía 115 kV đấu với 50 là 0,72 kA.

Thời gian tác động của bảo vệ quá thứ tự không phía phụ tải t0 = 1 s

Suy ra tkđ = t0 + Δt = 0,3s Thời gian tác t = 1 + 0,3 = 1,3 s.

Kiểm tra độ nhạy của chức năng bảo vệ

4.1 Kiểm tra độ nhạy các chức năng bảo vệ quá dòng Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơ le

Hệ số độ nhạy là:

Kn = INmin Ikđ Trong đó:

INmin là dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất mà rơ le đo được khi sự cố

Ikđ là dòng điện khởi động của rơ le.

Với bảo vệ chính: Kn = 1,5~2

Với bảo vệ dự phòng: Kn = 1,2~1,5

Bảo vệ phía 115 kV dùng bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch máy biến áp đồng thời làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ phía 10,5 kV và 23,5 kV.

Kn51 = INmin Ikđ 51 Trong đó INmin là dòng ngắn mạch cực tiểu đi qua BI1.

INmin = min{IN2min; IN3min} = 0,825 kA Dòng khởi động của chức năng 51 là: Ikđ51 = 0,258 kA

Hệ số nhạy: Kn51 = INmin Ikđ 51 = 0,825 0,258 = 3,198 > 1,5 => Đạt

Kn51N = Ikđ INmin 51 N = 3 Ikđ I 0 min 51

Trong đó I0min là dòng ngắn mạch thứ tự không cực tiểu đi qua

BI1 khi ngắn mạch tại N2.

INmin = 3I0min = 3.0,164 = 0,492 kA Dòng khởi động của chức năng 51N là: Ikđ51N = 0,216 kA

Hệ số nhạy: Kn51N = Ikđ INmin 51 N = 0,492 0,216 = 2,278 > 1,5 => Đạt

Trong đó INmin là dòng ngắn mạch cực tiểu đi qua BI3 khi ngắn mạch tại N3

INmin = 9,041 kA Dòng khởi động của chức năng 51 là: Ikđ51 = 2,816 kA

Trong đó INmin là dòng ngắn mạch cực tiểu đi qua BI2 khi ngắn mạch tại N2:

INmin = 5,275 kA Dòng khởi động của chức năng 51 là: Ikđ51 = 1,258 kA

Kn51N = Ikđ INmin 51 N = 3 Ikđ I 0 min 51

Trong đó I0min là dòng ngắn mạch thứ tự không cực tiểu đi qua

BI2 khi ngắn mạch tại N2.

Dòng khởi động của chức năng 51N là: Ikđ51N = 0,75 kA

Hệ số nhạy: Kn51N = Ikđ INmin 51 N = 7,896 0,75 = 10,528 > 1,5 => Đạt

4.2 Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch 87: Để kiểm tra độ nhạy của chức năng 87 thì cần thiết phải loại bỏ thành phần dòng điện thứ tự không trong thành phần dòng ngắn mạch (việc này để tránh cho rơ le tác động nhầm khi có sự cố chạm đất phía ngoài vùng bảo vệ).

4.2.1 Kiểm tra độ an toàn hãm với sự cố ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ: Để kiểm tra độ nhạy của bảo vệ ta xét dòng ngắn mạch lớn nhất Imax khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ tại các điểm ngắn mạch N1, N2, N3.

Dòng điện đưa vào rơ le gồm có 2 thành phần được tính theo công thức:

ISL = Icao – Itrung – Iha = IquaBI1 – IquaBI2 – IquaBI3

IH = |Icao| + |Itrung| + |Iha| = |IquaBI1| + |IquaBI2| + |IquaBI3|

Theo lí thuyết, khi sự cố ngoài vùng bảo vệ hoặc chế độ làm việc bình thường thì tổng dòng điện đi vào máy biến áp bằng tổng dòng điện đi ra khỏi máy biến áp nên dòng so lệch phải bằng 0:

ISL = Icao – Itrung – Iha = 0Nhưng thực tế do các biến dòng BI không phải là lí tưởng nên các đặc tính của chúng không giống nhau hoàn toàn Chính do sự sai khác về đặc tính của BI dẫn tới sẽ có một dòng không cân bằng chạy qua rơ le trong chế độ sự cố ngoài vùng:

ISL = Icao – Itrung – Iha khác 0

Giá trị dòng điện không cân bằng này có xu hướng làm cho rơ le tác động nhầm, để tránh cho rơ le làm việc nhầm trong trường hợp này ta phải kiểm tra xem dòng điện hãm khi có đủ khả năng hãm rơ le (nghĩa là có thắng được tác động của dòng không cân bằng) hay không.

Giá trị dòng điện không cân bằng rất khó xác định chính xác, nhưng một cách gần đúng có thể được xác định theo công thức:

IKCB = ISL = (kkck.kđn.fi + Δt = 0,3s Thời gian tác U).INngmax

Trong đó: kkck = 1 là hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần dòng điện không chu kì trong dòng điện ngắn mạch đến đặc tính làm việc của BI. kđn là hệ số thể hiện sự đồng nhất về đặc tính làm việc của các BI.

- kđn = 1 nghĩa là đặc tính làm việc của các BI khác nhau hoàn toàn.

- kđn = 0 nghĩa là đặc tính làm việc của các BI giống nhau hoàn toàn (điều này thực tế không xảy ra). fi là sai số cho phép lớn nhất của BI dùng cho mục đích bảo vệ rơ le. Δt = 0,3s Thời gian tác U là độ thay đổi điện áp do việc điều chỉnh điện áp đến độ lớn dòng điện không cân bằng chạy qua rơ le Theo đề thì phía

110 kV có phạm vi điều chỉnh đầu phân áp là±9x1,78% Do đó có thể tính Δt = 0,3s Thời gian tác U theo công thức: Δt = 0,3s Thời gian tác U = 9.1,78/100 = 0,16

INngmax là dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất có thể chạy qua máy biến áp (nên qui đổi về cùng một cấp điện áp, ví dụ quy đổi về phía cao áp).

Giá trị dòng điện không cân bằng lớn nhất có thể là:

IKCB = ISL = (kkck.kđn.fi + Δt = 0,3s Thời gian tác U).INngmax = (1,1.0,1+0,16)INngmax 0,26INngmax

Trong đó: kkck = 1 là hệ số kể đến ảnh hưởng của thành phần dòng điện không chu kỳ trong dòng điện ngắn mạch đến đặc tính làm việc của BI. kđn = 1 là hệ số đồng nhất của BI. fi là sai số cho phép lớn nhất của BI, fi = 10% = 0,1. Δt = 0,3s Thời gian tác U là phạm vi điều chỉnh đầu phân áp: Δt = 0,3s Thời gian tác U = 0,16.

INngmax là dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất đã qui đổi về phía 110kV.

- Phía 115 kV (điểm ngắn mạch N1)

Với sự cố 3 pha, 2 pha: không có dòng điện chạy qua các BI nên rơ le không nhận bất cứ giá trị dòng điện nào cả nên không tác động Với sự cố 1 pha, 2 pha chạm đất: chỉ có thành phần dòng điện thứ tự không chạy qua BI1, không có dòng chạy qua

BI2 và BI3 Nhưng do rơ le đã được thiết kế để luôn luôn loại trừ thành phần dòng thứ tự không chạy qua nó nên dù BI1 không có dòng thứ tự không chạy qua nhưng dòng điện này cũng bị loại trừ trong rơ le, trường hợp này rơ le không tác động vì cũng có dòng điện chạy qua.

- Phía 23,5 kV (điểm ngắn mạch N2)

Vì ngắn mạch phái 23,5 kV trung tính nối đất trực tiếp, nhưng do rơ le luôn loại trừ dòng thứ tự không nên phải tìm dòng lớn nhất khi đã loại trừ dòng thứ tự không Điều này dẫn đến dòng ngắn mạch 3 pha thường là dòng ngắn mạch lớn nhất.

Dòng ngắn mạch 3 pha tại N2 đã được tính trong chương 2, kết quả ngắn mạch 3 pha tại N2 với chế độ cực đại, ta có:

Dạng ngắn mạch BI1 BI2 BI3

Dòng điện so lệch được tính:

ISL = 0,26INngmax = 0,26.8,209 = 2,134 Dòng điện hãm:

Vậy tại N2 thì rơ le nhận được bộ giá trị (IH; ISL) = (16,402; 2,134).

Kiểm tra độ an toàn hãm:

Căn cứ vào đặc tính làm việc của rơ le mà ta đã chỉnh định, cần xem tọa độ của điểm sự cố N2 mà rơ le nhận được sẽ nằm tại vùng hãm hay vùng tác động Từ đường đặc tính tác động tìm được điểm N2 là điểm làm việc của rơ le khi xảy ra sự cố ngoài vùng tại N2, điểm làm việc thuộc vùng hãm dẫn đến rơ le không tác động điều này chứng tỏ đảm bảo yêu cầu. Độ an toàn hãm được tính theo công thức: Kath = IH/IHtt

Do 1,25 ≤ ISL ≤ 9,524 nên giao điểm của đường ISL = 2,134 và đường đặc tính tác động sẽ nằm trên đoạn c và được tính theo công thức:

Hệ số an toàn hãm: Kath = IH/IHtt = 16,402/6,768 = 2,423 > 1,5 => Đạt

- Phía 10,5 kV (điểm ngắn mạch N3):

Phía 10,5 kV có trung tính cách điện nên dòng điện sự cố lớn nhất là dòng ngắn mạch 3 pha tại N3 ở chế độ cực đại.

Theo kết quả tính toán ngắn mạch phục vụ cho rơ le bảo vệ máy biến áp, phía 10,5 kV có trung tính cách điện nên dòng điện sự cố lớn nhất là ứng với dòng điện ngắn mạch 3 pha tại N3 trong chế độ 1 máy biến áp vận hành độc lập dòng ngắn mạch ngoài lớn hơn nên tính toán hệ số an toàn với chế độ này Kết quả dòng ngắn mạch tại N3 ở chế độ cực đại là:

Dạng ngắn mạch BI1 BI2 BI3

Dòng điện so lệch được tính:

ISL = 0,26INngmax = 0,26.5,351 = 1,391Dòng điện hãm:

Vậy tại N3 thì rơ le nhận được bộ giá trị (IH; ISL) = (10,693; 1,391).

Kiểm tra độ an toàn hãm:

Tiêu đề	Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Rơ Le Bảo Vệ Cho Máy Biến Áp 115/23/11 kV
Tác giả	Phạm Minh Tiến
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thị Anh
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	đồ án thiết kế
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	2 MB