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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Hà Nội, tháng 9/2023

4.1 Giới thiệu phần mềm ETAP: 21

4.2 Giao diện phần mềm ETAP: 224.3.3 So sánh kết quả tính toán ngắn mạch bằng tay và kết quả trên ETAP: 31

5 Bảng tổng hợp kết quả tính toán ngắn mạch: 31

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP 34

1 Các dạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp: 34

2 Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp: 35

3 Các loại bảo vệ cài đặt cho máy biến áp: 37

3.1 Bảo vệ chính của máy biến áp: 37

3.1.1 Bảo vệ so lệch có hãm I/87T: 37 3.1.2 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không I0/87N ( Bảo vệ chống chạm đất hạn chế: REF – Restricted Earth

3.2.2 Bảo vệ quá dòng có thời gian I>/51:4 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp: 47

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU TÍNH NĂNG VÀ THÔNG SỐ RƠ LE 49

1 Rơ le bảo vệ so lệch 7UT613: 49

1.1 Giới thiệu tổng quan về rơ le 7UT613: 49

1.2 Một số thông số kỹ thuật của rơ le 7UT613: 50

1.3 Giới thiệu các chức năng bảo vệ của rơ le 7UT613:1.3.3 Chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế REF của rơ le 7UT613 57

1.3.4 Chức năng bảo vệ quá dòng của rơ le 7UT613:

2.2.1 Chức năng bảo vệ quá dòng điện

2.3 Một số thông tin kỹ thuật của rơ le 7SJ621 65

CHƯƠNG 5: CHỈNH ĐỊNH THÔNG SỐ VÀ KIỂM TRA SỰ LÀMVIỆC CỦA BẢO VỆ 67

1 Các số liệu phục vụ tính toán và chỉnh định 67

1.1 Số liệu của máy biến áp 67

1.2 Chọn máy biến dòng điện 67

1.2.1 Điều kiện chọn máy biến dòng điện1.3 Chọn máy biến điện áp: 70

2 Cài đặt các chức năng cho rơ le 7UT613 71

2.1 Chức năng bảo vệ so lệch có hãm 71

2.2 Chức năng chống chạm đất hạn chế REF 73

2.3 Bảo vệ chống quá tải máy biến áp 49 73

3 Cài đặt chức năng bảo vệ cho 7SJ612 74

3.1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh I>>/50 phía 115kV .743.2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh I0>>/50N phía 115 kV 75

3.3 Bảo vệ quá dòng có thời gian I>/51: 75

3.4 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian

I0>/51N 774 Kiểm tra độ nhạy của chức năng bảo vệ 774.1 Kiểm tra độ nhạy các chức năng bảo vệ quá dòng

4.2 Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch 87: 804.2.1 Kiểm tra độ an toàn hãm với sự cố ngắn mạch

LỜI MỞ ĐẦU

Trạm biến áp là mắt xích quan trọng trong hệ thống điện, đây là đầu mối liên kết các lưới điện với nhau Các thiết bị lắp đặt trong trạm biến áp, so với đường dây tải điện thì xác suất xảy ra sự cố ở trạm biến áp thấp hơn nhiều Tuy nhiên nếu xảy ra sự cố tại trạm thì sẽ dẫn đến hậu quả rất nghiêm trọng nếu không được loại trừ nhanh chóng.

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 toán thiết

kế chỉnh định rơ le để bảo vệ trạm biến áp trước những sự cố, giảm thiểu những hậu quả rủi ro, đảm bảo cho trạm biến áp hoạt động bình thường và hiệu quả.

Nội dung để tài gồm 6 chương:

- Chương 1: Mô tả đối tượng được bảo vệ và các thông số chính

- Chương 2: Tính toán ngắn mạch phục vụ chỉnh định rơ le - Chương 3: Lựa chọn phương thức bảo vệ máy biến áp - Chương 4: Giới thiệu tính năng và thông số rơ le

- Chương 5: Chỉnh định thông số và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

- Chương 6: Phiếu chỉnh định rơ le bảo vệ

Trong suốt thời gian thực hiện đồ án với sự giúp đỡ tận tình, hướng dẫn cụ thể và chi tiết của cô TS.Nguyễn Thị Anh đã giúp em hoàn thành đồ án này Trong quá trình thực hiện đồ án, do hạn chế về mặt kiến thức và kỹ năng, bản đồ án này có thể còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và giúp đỡ

từ cô để em có thể hoàn thiện, nâng cao vốn kiến thức và kỹ năng của mình.

Em xin chân thành cảm ơn.

Sinh viên thực hiện

Phạ m Minh Tiến

Hình 4.8: Đặc tính tác động thời gian phụ thuộc của

7SJ621 theo tiêu chuẩn

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG BẢO VỆ VÀ THÔNG SỐ CHÍNH

1 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

2 Các thông số chính:2.1 Hệ thống điện:

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

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

1 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.

2 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

2.2.2 Tính toán các thông số của máy biến áp:

Theo đề bài, ta có điện áp ngắn mạch các cuộn dây: UNC-T =

Điện kháng của các cuộn dây máy biến áp trong hệ đơn vị tương đối định mức được xác định như sau:

-Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế thứ tự thuận

Hình 2.3: Sơ đồ thay thế thứ tự không Dòng điện pha sự cố qua BI1 là:

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

If(-0)BI1 = IfBI1 – I0BI1 = 6,872  Dòng qua BI2:

Dòng điện các thành phần đối xứng chạy qua BI2 là: I1BI2 = I2BI2 = I0BI2 = I1 = 3,436

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:

If(-0)BI1 = IfBI1 – I0BI1 = 6,872  Dòng qua BI01:

Dòng điện qua BI01 là: IfBI01 = 3I0BI1 = 3.1,118 = 3,354  Dòng qua BI02:

Dòng điện qua BI02 là: IfBI02 = 3I0BI2 = 3.3,436 = 10,308 Không có dòng chạy qua BI3.

Ia1 = I1BI1 = I1 = 6,414 Ia2 = I2BI1 = I2 = -1,618

Ia0 = I0BI1 = I0.X h+X oht + X cXh = -4,796 0,0625+0,022+0,10750,0625 = -1,561

Dòng điện pha sự cố qua BI1 (dạng phức) là:

´IfBI1 = a2 ´I1BI1 + a.´I2BI1 + ´I0BI1 = (ej120)2.6,414 - ej120.1,618 –

Dòng điện pha qua BI2 (dạng phức) là:

´IfBI2 = a2 ´I1BI2 + a.´I2BI2 + ´I0BI2 = (ej120)2.6,414 - ej120.1,618 –

Dòng qua BI01 là: IfBI01 = 3.I0BI1 = 3.(-1,561) = -4,683  Dòng qua BI02:

Dòng qua BI02 là: IfBI02 = 3.I0BI2 = 3.(-4,796) = -14,388 Không có dòng qua BI3.

3.2 Chế độ cực tiểu:

-Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

Hình 2.4: Sơ đồ thay thế thứ tự thuận

Hình 2.6: Sơ đồ thay thế thứ tự không

IfBI1 = I1BI1 + I2BI1 + I0BI1 = 3,268 + 3,268 + 1,016 = 7,552 Dòng điện qua BI1 đã loại trừ thành phần thứ tự không là:

If(-0)BI1 = IfBI1 – I0BI1 = 6,536  Dòng qua BI2:

Dòng điện các thành phần đối xứng chạy qua BI2 là: I1BI2 = I2BI2 = I0BI2 = I1 = 3,268

Dòng điện pha qua BI2 là:

IfBI2 = I1BI2 + I2BI2 + I0BI2 = 3,268 + 3,268 + 3,268 = 9,804 Dòng điện qua BI1 đã loại trừ thành phần thứ tự không là:

If(-0)BI1 = IfBI1 – I0BI1 = 6,536  Dòng qua BI01:

Dòng điện qua BI01 là: IfBI01 = 3I0BI1 = 3.1,016 = 3,048  Dòng qua BI02:

Dòng điện qua BI02 là: IfBI02 = 3I0BI2 = 3.3,268 = 9,804 Không có dòng chạy qua BI3.

Dòng điện pha sự cố qua BI1 (dạng phức) là:

´IfBI1 = a2 ´I1BI1 + a.´I2BI1 + ´I0BI1 = (ej120)2.6,101 - ej120.1,503 –

Dòng điện pha qua BI2 (dạng phức) là:

´IfBI2 = a2 ´I1BI2 + a.´I2BI2 + ´I0BI2 = (ej120)2.6,101 - ej120.1,503 – 4,598

= 9,296-154,637

Dòng qua BI2 đã loại thành phần thứ tự không là:

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

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

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

Trong hệ thống điện, máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất liên kết với hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối Vì vậy, việc nghiên cứu các tính trạng làm việc

không bình thường, sự cố, xảy ra với máy biến áp là rất cần thiết.

Để bảo vệ cho máy biến áp làm việc an toàn cần phải tính đầy đủ các hư hòng bên trong máy biến áp và các yếu tố bên

ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của máy biến áp Từ đó đề ra các phương án bảo vệ tốt nhất, loại trừ hư hỏng và ngăn ngừa các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sự làm việc của máy biến áp.

Để lựa chọn phương thức bảo vệ hợp lí, chúng ta cần phải phân tích những dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của đối tượng được bảo vệ, cụ thể là máy biến áp.

1 Các dạng sự cố và chế độ làm việc không bình 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: