Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110 kV

Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110 kV

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với cuộc sống con người Nó được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như: công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt, dịch vụ Những

hư hỏng và chế độ không bình thường trong hệ thống điện gây hậu quả tai hại đối với kinh tế và xã hội Chính vì thế nên việc hiểu biết về những hư hỏng và hiện tượng không bình thường có thể xảy ra trong hệ thống điện cùng với những phương pháp và thiết bị bảo vệ nhằm phát hiện đúng và nhanh chóng cách ly phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống, cảnh báo và xử lý khắc phục chế độ không bình thường là mảng kiến thức quan trọng của kỹ sư ngành hệ thống điện.

Vì lý do đó, em đã chọn đề tài tốt nghiệp :“Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến

áp 110 kV ” Đồ án gồm 5 chương:

Chương 1 : Giới thiệu đối tượng được bảo vệ, các thông số chính.

Chương 2 : Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơle.

Chương 3 : Lựa chọn phương thức bảo vệ.

Chương 4 : Giới thiệu tính năng và thông số của các loại rơle sử dụng.

Chương 5 : Tính toán các thông số của rơle, kiểm tra sự làm việc của bảo vệ.

Trong thời gian qua, nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TH.s Nguyễn

Xuân Tùng, em đã hoàn thành bản đồ án này Tuy nhiên, với khả năng và trình

độ còn hạn chế nên bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo.

Sinh viên

Phạm Minh Truyền

Chương 1

GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG BẢO VỆ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH

1.1 ĐỐI TƯỢNG BẢO VỆ :

Đối tượng bảo vệ là trạm biến áp 110kV có cấp điện áp 115 / 38,5 / 23 kV có hai máy làm việc song song, công suất mỗi máy là 40 MVA và có tổ đấu dây Y0 /

 / Y0 Trạm biến áp này được cung cấp điện từ hai hệ thống có công suất là:

S1Nmax = 2500 MVA

S2Nmax = 2000 MVA

Các thông số chính:

 Thông số hệ thống

 Thông số máy biến áp T 1 ; T 2

Sdđ = 40 MVA, tổ đấu dây Yo- 11- Yo, cấp điện áp UC/UT/UH = 115/38,5/23 kV

U (C - T = 10,5 , C - H = 17 , T - H = 6 )

Giới hạn điều chỉnh Uđc = 9x1,78 %

 Thông số của đường dây:

1.2 CHỌN MÁY CẮT, MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP, MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN CHO TRẠM BIẾN ÁP:

I’’-dòng ngắn mạch ba pha hiệu dụng toàn phần lớn nhất khi ngắn mạch tại N’1

( trường hợp Smax,ngắn mạch bảng 2.9 trang 22)

I’’ = 4,45 kA

ixk = 1,8.I’’ = 1,8.4,45 = 11,33 kA

Với máy cắt có Iđm  1000 A thì không phải kiểm tra ổn định nhiệt

Chọn máy cắt điện: BBY- 110 - 40/2000

( trường hợp Smax, ngắn mạch bảng 2.9 trang 22).

I’’ = 3,95 kA

ixk = 1,8.I’’ = 1,8.3,95 = 10,05 kA

Với máy cắt có Iđm  1000 A thì không phải kiểm tra ổn định nhiệt

Chọn máy cắt điện: BBY-35-40/3200

I’’-dòng ngắn mạch ba pha hiệu dụng toàn phàn lớn nhất khi ngắn mạch tại N2

( trường hợp Smax, ngắn mạch ,bảng 2.9, trang 22)

I’’ = 4,64 kA

ixk = 1,8.I’’ = 1,8.4,46 = 11,81 kA

Với máy cắt có Iđm  1000 A thì không phải kiểm tra ổn định nhiệt

Chọn máy cắt điện: BM-22-40/1200Y3

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

- Công suất định mức: S2đmBU S2

24000/ :10 0/ :100

CS định

mức, MVA

 Dòng ngắn mạch cực đại qua vị trí đặt bảo vệ được xác định cho trường

hợp hệ thống điện có công suất ngắn mạch cực đại và trạm có 1 máy biến

áp làm việc Trường hợp này, ta dùng để kiểm tra độ an toàn của bảo vệ so lệch

và tính toán các thông số cài đặt cho bảo vệ quá dòng cắt nhanh dự phòng

- Tính ngắn mạch tại ba điểm N1, N2, N3

- Tính các dạng ngắn mạch N(3), N(1,1), N(1)

 Dòng ngắn mạch cực tiểu qua vị trí đặt bảo vệ được xác định cho trường

hợp hệ thống điện có công suất ngắn mạch cực tiểu và trạm có 2 máy biến

áp làm việc song song Trường hợp này, ta dùng để kiểm tra độ nhậy của bảo vệ

- Tính ngắn mạch tại ba điểm N1, N2, N3

- Tính các dạng ngắn mạch N(2), N(1,1), N(1)

 Một số giả thiết khi tính toán ngắn mạch:

+ Coi tần số không đổi khi ngắn mạch

+ Bỏ qua hiện tượng bão hoà của mạch từ trong lõi thép của các phầntử

+ Bỏ qua điện trở của các phần tử

+ Bỏ qua ảnh hưởng của các phụ tải đối với dòng ngắn mạch

Việc tính toán ngắn mạch được thực hiện trong hệ đơn vị tương đối

2.2 TÍNH TOÁN ĐIỆN KHÁNG CỦA HỆ THỐNG:

2.2.1 Sơ đồ các điểm ngắn mạch và sơ đồ thay thế.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và các điểm ngắn mạch

N 2

22 kV

BI 1N 1 ’

BI 3

BI 4 BI 5

BI 1

BI 3

BI 4

BI 5

xtb

115 kV

38,5 kV

23 kV

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế 2.2.2 Chọn các đại lượng cơ bản.

Điện kháng các cuộn dây

XT = 0

2.2.5 Điện kháng của đường dây :

Đường dây D1: L =70 km ; AC-240

0,04 x0,2 1d1

0,05

x 1d 2

0,0

3 0,51x0d1

n1

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế thứ tự không

Điện áp chỗ ngắn mạch

Phân bố dòng điện trên các nhánh

Dòng điện thành phần TTK chạy qua BI1 :

Trong hệ đơn vị có tên :

kATrị số dòng điện chạy qua BI4 là :

IBI4= 3.I0(BI1) = 3 0,65 = 1,95 kA

c) Dòng điện ngắn mạch hai pha chạm đất N (1,1) :

Điện kháng thứ tự không tổng Xo = 0,12

Dòng điện pha sự cố chạy qua BI1 :

Vì I1BI1 = 0 = I2BI2 nên ta có

Trong hệ đơn vị có tên :

kADòng điện chạy qua BI4:

0,04 x0,2 1d1

0,05

x 1d 2

0,16x1h2

n 1 N 1 ’

N' 1

xbc

x0h 1

0,0

3 0,51x0d1

x0d 2

x0h 2

Trong hệ đơn vị có tên :

kA

b) Ngắn mạch N (1) :

Dòng điện thành phần thứ tự chạy qua BI1 :

Dòng điện pha chạy qua BI1 :

Trong hệ đơn vị có tên:

kADòng điện chạy qua BI4 :

Dòng điện pha sự cố chạy qua BI1 :

= = 1,995 kA

Bảng 2.4

Điểm ngắn

mạch

Dạng ngắnmạch

Hình 2.9 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận và thứ tự nghịch

Từ sơ đồ thay thế trên tính được:

Vì cuộn trung của máy biến áp đấu ( ), do vậy ta không có sơ đồ thay thế TTK.Tính toán dòng điện ngắn mạch chạy qua BI1 và BI2 với dạng ngắn mạch

Dòng điện 3 pha tại điểm ngắn mạch:

Dòng điện pha chạy qua BI1 và BI2:

Trong hệ đơn vị có tên:

Trị số dòng điện chạy qua BI1 là dòng qu abảo vệ BI1 khi ngắn mạch tại thanh cái 35 kV được quy về cấp điện áp 110 kV

Trị số dòng điện chạy qua BI2 là:

Sơ đồ thay thế TTT, TTN ở điểm ngắn mạch giống sơ đồ thay thế ở điểm

ngắn mạch N2 nên cách tính toán các dòng điện qua BI1 và BI2 ở điểm ngắn mạch

tương tự như ở điểm ngắn mạch N2

Điểm ngắn mạch N2’ ở trước BI2 nên không có dòng chạy qua BI2

Hình 2.10 Sơ đồ thay thế tại điểm N2’

BI2

E HT

N 2 ’

X 1

Bảng 2.6

Điểm ngắn

mạch

Dạng ngắnmạch

b

xH

xh20,05

xd2 0,16

xd10,2

0,04

xh1

n3

0,27

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế thứ tự không:

Từ sơ đồ thay thế trên tính được:

0,32

x0d 1

0,51

0,03

x0h 1

0,16

b

xH

n3

0,27

Dòng điện pha chạy qua BI1 :

Dòng điện các thành phần thứ tự chạy qua BI3 :

I1(BI2)=I2(BI2)= I0(BI2)=

Dòng điện pha chạy qua BI3 :

Trong hệ đơn vị có tên :

kA kATrị số dòng điện chạy qua BI4 là :

IBI4=3.I0(BI1).Icb1 =3 0,77 0,5 = 1,155 kATrị số dòng điện chạy qua BI5 là :

IBI5=If(BI3) = 2,43 kA

Dòng điện các thành phần thứ tự chạy qua BI1 là:

Dòng điện pha chạy qua BI1:

= 0,46 – j 1,6 = 1,66

Dòng điện các thành phần thứ tự chạy qua BI3 là:

Dòng điện pha chạy qua BI2:

= - 0,275 – j 1,6 = -1,8

Trong hệ đơn vị có tên :

Trị số dòng điện chạy qua BI1 là :

kATrị số dòng điện chạy qua BI3 là :

kATrị số dòng điện chạy qua BI4 là :

IBI4 = 3.I0(BI1).Icb1 = 3 0,55 0,5 = 0,825 kATrị số dòng điện chạy qua BI5 là :

IBI5 = 3.I0(BI2).Icb2 = 3 0,55 2,51 = 4,14 kA

Bảng 2.7

Điểm ngắn

mạch

Dạng ngắnmạch

Vì sơ đồ thay thế TTT,TTN,TTK ở điểm ngắn mạch giống sơ đồ thay

thế ở điểm ngắn mạch N2 nên cách tính toán các dòng điện qua BI1 và BI3 ở điểm

ngắn mạch tương tự như ở điểm ngắn mạch N3

2.4 TÍNH DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH :

 Chế độ S min

 Trường hợp 2 máy biến áp làm việc song song.

Max{(XH1max + X D1) ;( XH2max + X D2)} = max {(0,04+ 0,02) ; (0,16+0,05)} = max {0,24 ; 0,21} = 0,24

Ta thấy (XH1max + X D1 ) (XH2max + X D2 ) nên công suất ngắn mạch tính tới thanhgóp 110 kV của HT1 nhỏ hơn HT2 Giả thiết HT 1 đang vận hành bình thường còn HT2 đang bị sự cố (bảo dưỡng)

N 2

22 kV

BI 1N 1 ’

BI 3

BI 4 BI 5

BI 1

BI 3

BI 4

BI 5

HT1

D1

2.4.1 Ngắn mạch phía 110 kV:

* Điểm ngắn mạch N 1 :

Hình 2.14 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận và thứ tự nghịch

Hình 2.15 Sơ đồ thay thế thứ tự không

Từ sơ đồ thay thế trên tính được:

- Dòng điện thành phần TTT, TTN qua BI1

- Dòng điện thành phần TTK chạy qua BI1 :

Hình 2.16 Sơ đồ phân tích dòng TTK

- Dòng TTK do hệ thống cung cấp tới điểm ngắn mạch là:

- Dòng TTK từ MBA tới điểm ngắn mạch là:

- Dòng điện thành phần TTK chạy qua BI1

- Dòng pha chạy qua BI1

Trong hệ đơn vị có tên :

kATrị số dòng điện chạy qua BI4 là :

IBI4= 3.I0(BI1) = 3 0,338 = 1,014 kA

Hình 2.17 Sơ đồ phân tích dòng TTK

- Dòng TTK do hệ thống cung cấp tới điểm ngắn mạch là:

- Dòng TTK từ MBA tới điểm ngắn mạch là:

- Dòng điện thành phần TTK chạy qua BI1

- Dòng điện pha sự cố chạy qua BI1 :

= 0 + 0 + 0,87 = 0,87Trong hệ đơn vị có tên :

Trị số dòng điện chạy qua BI1 :

kADòng điện chạy qua BI4:

N1’

BI1 Bi1

- Dòng điện thành phần TTT, TTN chạy qua BI1 :

- Dòng điện thành phần TTK qua điện kháng hệ thống :

- Dòng điện pha chạy qua BI1 :

= 1,7 + 1,7 + 1,016 = 4,416

Trong hệ đơn vị có tên:

- Trị số dòng điện chạy qua BI1 là

kA kA

- Trị số dòng điện chạy qua BI4 :

- Trị số dòng điện qua BI1 là :

kA kA

- Trị số dòng điện chạy qua BI4:

b

x

Bi1

x1h10,04

x1d10,2

0,27

Từ sơ đồ thay thế trên tính được:

Vì cuộn trung của máy biến áp đấu ( ), do vậy ta không có sơ đồ thay thế TTK.Tính toán dòng điện ngắn mạch chạy qua BI1 và BI2 với dạng ngắn mạch

- Dòng điện pha tại điểm ngắn mạch:

- Dòng điện pha chạy qua BI1 và BI2:

Trong hệ đơn vị có tên:

- Trị số dòng điện chạy qua BI1 là :

Dòng qua chỗ đặt BI (kA)

* Điểm ngắn mạch N 2 ’:

Vì sơ đồ thay thế TTT,TTN ở điểm ngắn mạch giống sơ đồ thay thế ở điểm

ngắn mạch N2 nên cách tính toán các dòng điện qua BI1 và BI2 ở điểm ngắn mạch

tương tự như ở điểm ngắn mạch N2, chỉ khác là dòng điện qua BI2 đổi chiều

x1d 1

0,04

x1h 1

Bi1

c

0,27

0,27b

xc

Hình 2.23 Sơ đồ thay thế thứ tự không

Từ sơ đồ thay thế trên tính được

Vì XT = 0 nên

a) Ngắn mạch N (2) :

- Dòng điện tại điểm ngắn

- Dòng điện pha chạy qua BI1 và BI3:

Trong hệ đơn vị có tên :

7

b c

Bi3

0,1 6

- Trị số dòng điện chạy qua BI1 là :

Hình 2.24 Phân bố dòng TTK

Dòng qua BI3 :

Dòng qua BI1 : vì XT = 0

- Dòng điện pha chạy qua BI1 :

- Dòng điện pha chạy qua BI3 :

- Trị số dòng điện qua BI1 là :

- Dòng điện các thành phần thứ tự chạy qua BI1 là:

- Dòng điện pha chạy qua BI1:

= = - 0,406 – j 0,95 = -1,033

- Dòng điện các thành phần thứ tự chạy qua BI3 là:

- Dòng điện pha chạy qua BI3:

= = - 1,2- j 0,95 = 1,55

Trong hệ đơn vị có tên :

- Trị số dòng điện chạy qua BI1 là :

kA

- Trị số dòng điện chạy qua BI3 là :

kA

- Trị số dòng điện chạy qua BI4 là :

I0BI4 = 3.I0BI1 = 0

- Trị số dòng điện qua BI2 là :

IBI2 = 0

- Trị số dòng điện chạy qua BI5 là :

IBI5 = 3.I0(BI3).Icb3 = 30,8132,5 = 6,1 kA

Bảng 2.14

Dòng qua chỗ đặt BI (kA)

Vì sơ đồ thay thế TTT,TTN,TTK ở điểm ngắn mạch giống sơ đồ thay

thế ở điểm ngắn mạch N3 nên cách tính toán các dòng điện qua BI1 và BI3 ở điểm

ngắn mạch tương tự như ở điểm ngắn mạch N3, chỉ khác là dòng điện qua BI3

Điểm ngắn

mạch

Dạng ngắnmạch

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ

3.1 BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP BA PHA BA CUỘN DÂY.

1 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 thành hainhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

* Sự cố bên trong máy biến áp có các trường hợp sau:

- Các vòng dây trong cùng một pha trạm chập với nhau

- Chạm đất (vỏ) và ngắn mạch chạm đất

- Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp

- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu

* Sự cố bên ngoài máy biến áp có các trường hợp sau:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống

- Quá tải

- Quá bão hoà mạch từ

Các tình trạng làm việc không bình thường của máy biến áp :

Dòng điện trong các cuộn dây tăng cao do ngắn mạch ngoài và quá tải, nếudòng này tăng quá mức cho phép trong một thời gian dài sẽ làm lão hóa cách điện dẫn đến giảm tuổi thọ của máy biến áp

2 Các yêu cầu đối với hệ thống bảo vệ :

1- Tác động nhanh: Hệ thống bảo vệ tác động càng nhanh càng tốt nhằm

loại trừ sự cố một cánh nhanh nhất, giảm được mức đọ hư hỏng của thiết bị

2- Chọn lọc: Các bảo vệ cần phảI phát hiện và loại trừ đúng phần thiết bị

sự cố ra khỏi hệ thống

3- Độ nhậy: Các bảo vệ chính cần đảm bảo hệ số có độ nhạy không thấp

hơn 1,5 Các bảo vệ phụ (dự phòng) có độ nhạy không thấp hơn 1,2

4- Độ tin cậy: Khẩ năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong

phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ không tác động nhầm khi

sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được xác định

Tùy theo công suất vị trí vai trò của máy biến áp trong hệ thống mà lựa chọn phương thức bảo vệ cho thích hợp Những loại bảo vệ thường được dùng đểchống lại sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp Trạm biến áp cần bảo vệ là trạm biến áp phân phối với hai máy biến áp 3 pha 3 cuộn cấp điện áp 150/38,5/23 kV, làm việc độc lập có công suất mỗi máy là 40 MVA

3.2.1 Tính năng của các loại bảo vệ đặt cho máy biến áp:

1 - Bảo vệ Rơle khí:

Chống lại hư hỏng bên trong thung dầu như: chạm chập các vòng dây đặt trong thung dầu, rò dầu Bảo vệ làm việc theo mức độ bốc hơi và chuyển động dòng dầu trong thung

2- Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm tác động nhanh : (87T/ I)

Được sử dụng làm bảo vệ chính cho máy biến áp, chống lại ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha, chạm đất Bảo vệ cần thỏa mãn các điều kiện sau:

- Đảm bảo độ nhậy với các sự cố trong khu vực bảo vệ

- Có biện pháp ngăn chặn tác động nhầm của bảo vệ so lệch khi dòng điện

từ hóa tăng cao

- Làm việc với dòng không cân bằng xuất hiên khi đóng máy biến áp

không tải vào lưới điện hoặc cắt ngắn mạch ngoài, bão hòa mạch từ của BI

3- Bảo vệ quá dòng điện: (51/I  ; 50/I)

Bảo vệ phía 110 kV làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch, làm việc với

2 cấp tác động Cấp tác động cắt nhanh và cấp tác đông có thời gian Cấp tác động có thời gian phải phối hợp tác động với các bảo vệ phía 35 kV, 22 kV

Bảo vệ quá dòng đặt ở phía 35 kV và 22 kV làm việc có thời gian và được phối hợp với bảo vệ quá dòng phía 110 kV

4- Bảo vệ chống quá tải:

Bảo vệ được đặt ở các phía của máy biến áp nhằm chống lại quá tải cho các cuộn dây

Rơle làm vệc với đặc tính thời gian phụ thuộc và có nhiều cấp tác động Cảnh báo, khởi động các mức làm mát bằng tăng tốc tuần hoàn của không khí hoặc dầu, giảm tải máy biến áp, cắt máy biến áp ra khỏi hệ thống nếunhiệt độ củamáy biến áp tăng quá mức cho phép

5- Bảo vệ qú dòng thứ tự không:

Đặt ở trung tính máy biến áp Bảo vệ này dung để chống ngắn mạch chạm đất phía 110 kV, thời gian tác động của bảo vệ chọn theo nguyên tắc bậc thang 51N

3.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO TRẠM BIẾN ÁP:

Hình 3.1 Sơ đồ phương thức bảo vệ cho máy biến áp.

8 - Rơle nhiệt

9 - Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt

3.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI BẢO VỆ

1 Bảo vệ bằng rơle khí (Buchholz):

Rơle khí làm việc theo mức độ bốc hơi và chuyển động dầu trong thùngdầu Rơle khí thường được đặt trên đoạn nối thùng dầu đến bình giãn nở dầu

7SJ 621

50B F

35

kV

22 kV

1 2 RL

(hình 3.2 ) Tùy theo rơle có 1 cấp hay 2 cấp tác động mà có 1 hay 2 phao kim loạimang bầu thủy tinh con có tiếp điểm từ hoặc thủy ngân.

Hình 3.2 Nơi đặt rơle khí và cấu tạo rơle khí

Cấp 1 bảo vệ thường đưa tín hiệu cảnh báo

Cấp 2 của bảo vệ tác động cắt máy bién áp ra khỏi hệ thống

Trong chế độ làm việc bình thường, trong bình rơ le đầy dầu, tiếp diểm rơle ởtrạng thái hở Khi khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nóng do quá tải), khí tậptrung lên phía trên của bình Rơle đẩy phao số 1 xuống, Rơle gửi tín hiệu cấp 1cảnh báo Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch bên trong thùng dầu),luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình giãn dầu xô phao số 2 xuống gửi tín hiệu

đi cắt máy biến áp Rơle khí còn có thể tác độngkhi mức dầu trong bình rơle

Nơi đặt rơle khí

Thùng dầu máy biến áp