đồ án môn học bảo vệ rơ le trong hệ thống điện

đồ án môn học bảo vệ rơ le trong hệ thống điện

Lơì nói đầu

Tình hình hệ thống năng lượng Việt Nam hiện nay có rất nhiều thay đổi so với

trước kia Chúng ta đang đứng trước kỉ nguyên đổi mới và hiện đại hóa đất nước Nhu

cầu năng lượng tăng cao mà đặc biệt trong đó có điện năng – một mặt hàng năng

lượng rẻ tiền và tối quan trong đối với nền công nghiệp và dịch vụ của nước ta Đứng

trước yêu cầu đó thì việc làm sao để đảm bảo cho hệ thống điện vận hành ổn định và

tin cậy là rất quan trọng

Vì vậy đồ án bảo vệ rơ le được thực hiện nhằm mục đích rèn luyện kĩ năng cho sinh

viên chúng em về cách thức thiết kết bảo vệ một lưới điện trong thức tế và đồng thời

cũng là một bước đệm cho những sinh viên sắp ra trường như chúng em hiểu biết sâu

sắc hơn về công việc mình có thể sẽ làm trong tương lai

Đồ án dù đã được làm rất kĩ càng nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót Em rất

mong được sự chỉ bảo và đòng góp quý báu của các thầy cô trong khoa HTĐ và các

bạn trong sinh viên để việc thiết kế bảo vệ trong tương lai được hoàn chỉnh hơn

Trong quá trình thực hiện đồ án bảo vệ rơ le, em đã nhận được sự chỉ bảo và hướng

dẫn quý báu của thầy Nguyễn Sĩ Chương Thông qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân

thành tới thầy!

Sinh viên:

Nguyễn Đình Lý

MỤC LỤC

LƠÌ NÓI ĐầU 1

PHẦN A: LÝ THUYẾT 5

CHƯƠNG 1:NHIệM Vụ VÀ CÁC YÊU CầU CƠ BảN CủA BảO Vệ RƠ LE 5

1 Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơ le 5

2 Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le 5

CHƯƠNG 2: 8

CÁC HƯ HỏNG VÀ TÌNH TRạNG LÀM VIệC KHÔNG BÌNH THƯờNG CủA MBA VÀ ĐƯờNG DÂY VÀ CÁC LOạI BảO Vệ 8

2.1 Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MBA và đường dây 8

2.1.1 Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MBA 8

2.1.2 Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của đường dây. 9 2.2 Các loại bảo vệ cho MBA và đường dây của mạng điện đang thiết kế 10

2.2.1 Bảo vệ cho máy biến áp 10

2.2.1.1 Bảo vệ chính 11

2.2.1.2 Bảo vệ dự phòng 14

2.2.1.3 Bảo vệ chống quá tải 16

2.2.2 Bảo vệ cho đường dây 16

2.2.2.1 Bảo vệ dòng điện cực đại có hướng 16

2.2.2.2 Bảo vệ cắt nhanh 18

PHẦN B: TÍNH TOÁN 20

CHƯƠNG 3: 20

TÍNH TOÁN NGắN MạCH 20

3.1 Tính toán thông số điện kháng của lưới điện 20

3.2 Tính toán dòng điện ngắn mạch 22

3.2.1 Tính ngắn mạch tại điểm N1 22

3.2.1.1 Khi hệ thống cực đại 22

3.2.1.2 Khi hệ thống cực tiểu 23

3.2.2 Tính toán dòng điện ngăn mạch tại cái điểm khác nhau trên đường dây 24 3.2.2.1 Khi hệ thống max: 24

3.2.2.2 Khi hệ thống min: 25

3.3 Tính dòng ngắn mạch có xét đến trường hợp mạch vòng bị hở khi một trong 2 máy cắt ở 2 đầu đường dây cắt – HTmax 29

3.3.1 Dòng ngắn mạch 3 pha N(3) tại điểm N2 29

3.3.2 Dòng ngắn mạch tại các vị trí khác 31

CHƯƠNG 4: 33

CÀI ĐặT CÁC THÔNG Số CHO BảO Vệ MBA VÀ ĐƯờNG DÂY 33

4.1 Thông số cài đặt cho bảo vệ MBA 33

4.2 Thông số cho bảo vệ đường dây 34

4.2.1 Thông số cho bảo vệ dòng điện cực đại có định hướng công suất 34

4.2.1.1 Cài đặt thông số dòng khởi động 34 4.2.2 Thông số cho bảo vệ quá dòng cắt nhanh Error! Bookmark not defined

4.2.2.1 Thông số cài đặt của bảo vệ dòng cắt nhanh trên đường dây L1

Error! Bookmark not defined

4.3 Các vị trí cần đặt rơ le công suất Error! Bookmark not defined.

PHẦN A: LÝ THUYẾT Chương 1: Nhiệm vụ và các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le

1 Nhiệm vụ cơ bản của bảo vệ rơ le

Trong HTĐ luôn tồn tại những nguy cơ gây nghuy hiểm cho hệ thống điện như ngắn mạch, đứt dây hoặc chạm đất.Những nguy cơ này nếu không được phát hiện và loại bỏ kịp thời sẽ gây nên những hậu quả nghiệm trong trong hệ thông điện như:

Ngắn mạch 1 pha với xác xuất xảy ra là 65%

Ngắn mạch 2 pha với xác xuất xảy ra là10%

Ngắn mạch 2 pha chạm đất với xác xuất xảy ra là 20%

Ngắn mạch 3 pha với xác xuất xảy ra là 5%

Ngoài ngắn mạch còn có sự cố chạm đất ở các đường dây trung áp từ 35 kV trở xuống.Để phòng ngừa các sự cố trên người ta dùng bảo vệ rơ le cho mạng điện cao áp

2 Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le

Có 5 yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le Đó là:

Là tính năng đảm bảo cho thiết bị làm việc đúng , chắc chắn Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng các rơ le và hệ thống rơ le có kết cấu đơn giản

chắc chắn đã qua thử thách thực tế cũng như tang cường mức bảo vệ dự phòng trong hệ thống điện

Là khả năng phát hiện và loại trừ đúng phần tử sự cố ra khỏi hệ

thống.Cấu hình hệ thống càng phức tạp thì việc đảm bảo tính chọn lọc càng khó khan

Người ta phân ra làm 2 loại bảo vệ:

- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối

- Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối

Bảo vệ phải đảm bảo tác động loại trừ sự cố càng nhanh càng tốt.Tuy nhiên để đảm bảo tính chọn lọc thì tính tác động nhanh bị giảm xuống.Đặc tính tác động nhanh của bảo vệ còn phụ thuộc vào thời gian làm việc của máy cắt.Máy cắt càng hiện đại thì thời gian tác động càng nhanh

từ 1,2 ÷1,5

 Đối với đường dây cao áp và siêu cao áp, chi phí cho bảo

vệ rơ le chỉ chiếm vài phần tram trong chi phí của toàn bộ công trình Trong khi đó nếu xảy ra sự cố trong hệ thống điện mà một trong số 4 yêu cầu trên không được đảm bảo thì sẽ gây tổn hại lớn về kinh tế

Do vậy ở mạng điện này cần quan tâm chủ yêu vào các yêu cầu kỹ thuật hơn là kinh tế

 Đối với lưới điện cấp trung và hạ áp thì ngược lại Do cấp trung và hạ áp số lượng sự cố xảy ra thường nhiều Tính chất sự cố mạng tính cục bộ nên số lượng các thiết bị bảo vệ thường lớn Yêu cầu về độ tin cậy thấp hơn so với lưới cao áp Do đó khi lực chọn thiết bị bảo vệ phải làm sao đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật với chi phí là thấp nhất

Chương 2:

Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MBA và đường dây

và các loại bảo vệ 2.1 Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MBA và đường dây

2.1.1 Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MBA

Đối với máy biến áp ta có dạng hư hỏng bên trong và bên ngoài

a) Hư hỏng bên trong MBA:

- Chạm chập giữa các vòng dây

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Chạm đất vỏ và ngắn mạch chạm đất

- Thùng dầu bị thủng và dò dầu b) Hư hỏng bên ngoài MBA:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

- Ngắn mạch một pha trong hệ thống

- Chế độ làm việc quá tải

- Quá bão hào mạch từ Trong đó chế độ quá tải thường xảy ra nhất Có 2 dạng quá tải đối với MBA là:

Quá tải bình thường

Là quá tải thường xuyên xảy ra của MBA có tính chu kỳ Quá tải sự cố

Trong trường hợp một máy biến áp trong hệ thống điện có 2 máy biến

áp vận hành song song ngừng hoặt động thì ta có thể cho máy biến áp còn lại vận hành với quá tải 40% trong suất không quá 5 ngày đêm với thời gian quá tải mỗi ngày không quá 6 giờ

Tùy theo các dạng hư hỏng và công suất máy biến áp cùng với vị trí vai trò của MBA trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo

vệ thích hợp để chống lại các sự cố và chế độ làm việc không bình thường của MBA

Ta có bảng sau:

Bảng 2.1.Các loại bảo vệ thường dùng cho MBA

Ngăn mạch 1 pha hoặc nhiều

dò dầu

Rơ le khí

Hình ảnh nhiệt Quá bão hòa mạch từ Chống quá bão hòa

2.1.2 Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của đường dây

a) Ngắn mạch

Các dạng ngắn mạch gồm 4 dạng như kể ở trên Trong đó ngắn mạch 3 pha

có xác xuất xảy ra ít nhất, ngắn mạch 1 pha với xác xuất xảy ra nhiều nhất.Việc tính dòng điện ngắn mạch và điện áp ngắn mạch là cần thiết để cung cấp các thông số đầu vào cho bảo vệ rơ le Trong đó dòng điện ngắn mạch 3 pha

thường có trị số lớn nhất và dòng điện ngắn mạch 2 pha với nhau thời có trị số nhỏ nhất trị số của dòng điện ngắn mạch còn phụ thuộc vào chế độ phụ tải và cấu hình đường dây

b) Chạm đất trong mạng có trung điểm không nối đất hoặc nối qua cuộn dập hồ quang Petersen

Đối mạng điện có trung điểm không nối đất hoặc nối qua cuộn dập hồ quang thì dòng chạm đất tương đối nhỏ.Hiện tượng này chỉ có ở mạng trung áp từ 35

kV trở xuống.Khi có sự cố xảy ra thì máy cắt không cắt ngay mà chỉ đi báo tín hiệu để người vận hành biết và đi tìm điểm bị sự cố.Sau thời gian khoảng 2÷3 giờ nếu không phát hiện được điểm sự cố thì mới cắt máy căt

Khi chạm đất thì điện áp dây không đổi nhưng điện áp của 2 pha không chạm đất tăng lên 3 lần so với trước khi sự cố xảy ra Vì vậy tình trạng làm việc này không thể để xảy ra lâu dài Nếu tình trạng này diễn ra qua lâu thì có thể gây hỏng cách điện ở những chỗ cách điện yếu hoặc có thể gây cháy lập lòe,

gây chọc thủng các pha không chạm đất làm ngăn mạch giữa các pha, việc khắc phục sự cố sẽ khó khăn hơn

c) Đứt dây

Trong thực tế vận hành có thể gây hở mạch 1 hoặc 2 pha do đứt dây hoặc đầu tiếp xúc của máy cắt điện bị hở gây nên chế độ vận hành không đối xứng trong hệ thống điện Chế độ này gây ảnh hưởng xấy tới các máy điện quay, tạo

ra từ thông thứ tự nghịch quay ngược chiều với rô tô với tốc độ tương đối bằng

2 lần tốc độ đồng bộ.Với vận tốc rất lớn này, nó làm xuất hiện trong thân rô tô

và cuộn dây dòng điện cảm ứng lớn đốt nóng rô tô và sta tô của máy điện quay Trong thực tế còn có những trường hợp vừa đứt dây vừa chạm đất là sự cố phức tạp rất nguy hiểm cho đường dây

d) Quá tải

Hiện tượng quá tải đối với các đường dây thường xuất hiện do đường dây kép bị đứt dây gây tăng tải lên gấp đôi đối với đường dây còn lại Nếu nhiệt độ phát nóng quá mức cho phép thì đường dây có thể sẽ bị hỏng

Một trong những nguyên nhân gây quá tải khác là phụ tải điện hoạt động không đồng đều.Trên đồ thị phụ tải có hiện tượng phụ tải đỉnh ở những giờ cao điểm trong ngày cộng thêm vào đó là việc lượng phụ tải điện tăng nhanh hơn

so với nhu cầu dự đoán trong thiết kế đường dây tải điện

Cần chú ý phân biệt quá tải và ngắn mạch trong thiết bị thu nhận tín hiệu của bảo vệ rơ le để rơ le tác động đúng

e) Quá điện áp

Đây là hiện tượng điện áp đường dây tăng cao do đóng dòng điện không tải hoặc do phụ tải ở phía cuối nguồn giảm thấp quá điện áp có thể làm hỏng cách điện trên đường dây Từ đó nó có thể gây ra các hiện tượng ngắn mạch trong mạng điện

2.2 Các loại bảo vệ cho MBA và đường dây của mạng điện đang thiết kế

2.2.1 Bảo vệ cho máy biến áp

Máy biến áp trong đồ án có SđmB1=32MVA Đây là máy biến áp loại

trung bình nhưng thuộc cấp 110kV Do đó để bảo vệ máy biến áp này ta

dùng những bảo vệ dưới đây

Bảo vệ so lệch có hãm dùng 2 biến dòng đó là biến dòng làm việc BL và

biến dòng hãm BH Dòng điện IT1 và IT2 phía sơ cấp được đưa vào các biến

dòng só lệch và biến dòng hãm để cuối cùng ta được dòng làm việc và dòng

hãm vào rơ le như sau:

 Khi làm việc bình thường cũng như khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ

thì I.LV I.H nên bảo vệ sẽ không tác động

 Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ I.LV I.Hnên bảo vệ sẽ tác động

 Trong trường hợp đồ án này thì bảo vệ máy biến áp chỉ có một nguồn

cung cấp nên khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ thì I.LV I.H I.T1 Nên để bảo

vệ tác động được thì dòng làm việc phải chọn lớn hơn dòng hãm:

I K I Trong đó KH là hệ số hãm và thường chọn KH = 0,2÷0,5

Ta có sơ đồ đặc tính tác động của rơ le so lệch:

Hình 2.2 Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch có hãm

Trong đó: K1 = 0,25 là hệ số hãm có xét đến sai số của máy biến dòng

K2 = 0,5 là hệ số hãm có xét đến sự bão hòa mạch từ của máy biến dòng

kd

I - là dòng điện khởi động

at

k - là hệ số an toàn

kcbtt

I - là dòng không cân bằng tính toán max

Với: I kcbttmax  f imaxk dnk kcbI Nngmax Trong đó f imaxlà sai số cực đại cho phép của BI

I K I

  thì đảm bảo độ nhạy cần thiết của bảo vệ

 Chế độ đi cắt máy cắt:

Khi có chạm chập giữa các vòng dây trong rơ le khí thì dòng dầu trong rơ le với một áp xuất lớn do hiện tượng chạm chập gây nên sẽ phụt mạnh lên rơ le khí đẩy quả phao thứ 2 xuống, đồng thời tiếp điểm đóng lại và đưa tín hiệu đi cắt máy cắt

 Vùng tác động:

Rơ le khí tác động với các sự cố xảy ra bên trong thùng máy biến áp

  , trong đó ni là tỷ số biến của máy biến dòng

Do đó dòng điện khởi động của rơ le sẽ được tính theo công thức sau:

kd at KCBStt

I k I Trong đo I KCBStt được tính toán đối với trường hợp ngắn mạch ngoài không chạm đất và cho dòng lớn nhất

2.2.1.2 Bảo vệ dự phòng

I0>

Để bảo vệ dự phòng cho MBA B1 trong đồ án này ta dùng bảo vệ quá dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc

 Sơ đồ

Hình 2.4 Sơ đồ bảo vệ dòng điện cực đại cho MBA

 Nguyên lý làm việc và vùng tác động

Bảo vệ quá dòng làm việc theo nguyên lý quá dòng điện khi

có ngắn mạch trên máy biến áp hoặc trên đường dây thì dòng ngắn mạch IN sẽ thông qua máy biến dòng BI sẽ nhận được dòng điện đầu ra ở phía thứ cấp IT đi vào rơ le quá dòng I>

Và dòng IT > Ikđ → rơ le sẽ đóng tiếp điểm và đi báo tín hiệu tới máy cắt 1MC để cắt

 Thông số khởi động của rơ le

Dòng khởi động của rơ le sẽ được tính theo công thức:

I k I

1MC BI

HT

Do trường hợp này ta chọn bảo vệ quá dòng có đặc tính thời gian phụ thuộc nên thời gian tác động của bảo vệ nhanh hay chậm phụ thuộc vào dòng điện ngắn mạch Việc đặt thời gian cho bảo vệ có sự phối hợp với các bảo vệ lân cận

2.2.1.3 Bảo vệ chống quá tải

Trong MBA thường xảy ra hiện tượng quá tải, khi đó dầu trong máy biến

áp cũng nóng lên cao Để bảo vệ MBA trong trường hợp này ta sử dụng bảo

vệ quá dòng với rơ le quá dòng I≥ và bảo vệ phản ứng theo nhiệt độ Cả 2 loại bảo vệ này tác động đi báo tín hiệu cho người vận hành biết và khởi động hệ thống làm mát

Bảo vệ này sử dụng nguyên lý hình ảnh nhiệt để chống quá tải và tăng nhiệt độ Khi nhiệt độ trong máy biến áp tăng qua mức thì tùy theo mức tăng nhiệt độ mà sẽ có nhiều cấp tác động khác nhau: Cảnh bảo, khởi động các mức làm mát bằng tăng tốc độ tuần hoàn của không khí hoặc dầu, giảm tải MBA Nếu các cấp tác độ này không mang lại hiệu quả mà nhiệt độ MBA vẫn vượt quá giới hạn cho phép

và quá thời gian quy định thì MBA sẽ được cắt ra khỏi hệ thông,

2.2.2 Bảo vệ cho đường dây

Vì đây là đường dây trung áp với cấp điện áp U=22kV mạch vòng nên ta

sử dụng bảo vệ dòng điện cực đại có đặt bộ phận định hướng công suất, bảo

vệ cắt nhanh để nâng cao độ nhạy của bảo vệ đồng thời làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ dòng điện cực đại Do phía hạ trạm biến áp của đường dây 22kV có nối đất trực tiếp nên dòng chạm đất trong trường hợp này biến thành dòng ngắn mạch và có trị số lớn Do đó ta không cần thiết phải sử dụng bảo vệ dòng thứ tự không cho mạng điện này Chúng ta cũng không

sử dụng bảo vệ so lệch ngang hoặc bảo vệ khoảng cách cho mạch đường dây này vì nó tương đối phức tạp và tốn kém về kinh tế Nó chỉ thường được áp dụng đối với đường dây cấp cao áp và siêu cao áp

2.2.2.1 Bảo vệ dòng điện cực đại có hướng

Dòng ngắn mạch lớn hơn dòng khởi động của rơ le

Chiều của dòng công suất ngắn mạch đúng với chiều của rơ le định hướng công suất

Lúc này bảo vệ mới khởi động đưa tín hiệu đi cắt máy cắt bảo vệ này làm việc đảm bảo trong mạch điện vòng nhằm duy trì tính chọn lọc của bảo vệ dòng điện cực đại trong mạng điện kín Trường hợp này ta chọn bảo vệ dòng điện cực đại có đặc tính thời gian phụ thuộc nhằm tăng nhanh thời gian cắt ngắn mạch ở đầu nguồn Đảm bảo được tính cắt nhanh của bảo vệ Ta chọn đường cong với độ dốc chuẩn để cài đặt đặc tính cho bảo vệ

 Thông số của bảo vệ

Dòng điện khởi động của bảo vệ giống như trường hợp của MBA

Để cài đặt thời gian cho bảo vệ ta phải dựa vào thông số cài đặt của bảo vệ lân cận và lấy cấp chọn lọc ∆t = 0,3 s Đồng thời vì là bảo vệ quá dòng có đặc tính thời gian phụ thuộc nên ta cần chú ý tời đường cong với độ dốc chuẩn Thời gian tác động thực tế của bảo vệ được xác định theo công thức:

m – Là bội số dòng điện ,

dR

I m I

 k,n - Là hệ số phụ thuộc vào họ đường cong Trường hợp này với đường cong có độ dốc chuẩn thì k = 0,14 và n = 0,02

max

Nng

I - Dòng ngắn mạch ngoài cực đại

Do có hệ số an toàn và cũng như để đảm bảo tính chọn lọc nên vùng tác động động của bảo vệ không bao chùm toàn bộ đường dây Nó thường chiếm

từ 70÷80% đường dây khi phụ tải cực đại- đoạn max

CN

L như hình vẽ Khi phụ tải giảm thì vùng tác động của bảo vệ còn xuống thấp hơn nữa Khi phụ tải min thì vùng tác động chỉ còn 30÷40% đường dây cần bảo vệ - đoạn min

CN

L