Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110Kv

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 nh

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 1GIỚI 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 haimáy 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

2.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN.

Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay chập dây trungtính) Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn mạch nhằm xác định các trị sốdòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua đối tượng được bảo vệ để lắp đặt và chỉnh địnhcác thông số của bảo vệ, trị số dòng ngắn mạch nhỏ nhất để kiểm tra độ nhạy củachúng

Dòng điện ngắn mạch phụ thuộc vào công suất ngắn mạch, cấu hình của hệ thống,

vị trí điểm ngắn mạch và dạng ngắn mạch

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

việc Trường hợp này, ta dùng để kiểm tra độ an toàn của bảo vệ so lệch và tính toáncác 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 làmviệc 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 phần tử + 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

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

Chọn Scb =100 MVA

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

UNC-T% = 10,5% ; UNC-H % = 17% ; UNT-H % = 6%

Điện kháng các cuộn dây

XT = 0

2.2.5 Điện kháng của đường dây :

Đường dây D1: L1=70 km ; AC-240

n 1 Bi1

0,05

x 1d 2 0,16x1h2

3 0,51x0d1

x0d 2

x0h 2

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

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:

IBI4 =3 I0(BI1) = 3 0,665 = 1,995 kA

Bảng 2.3

Điểm ngắn

mạch

Dạng ngắnmạch

eht

N’ 1 Bi1

eHt1

eHt2

x 1h 1 0,04 x0,2 1d1

0,05

x 1d 2 0,16x1h2

n 1 N 1 ’

xbc

x0h 1

0,0

3 0,51x0d1

x0d 2

x0h 2

Dòng điện thành phần thứ tự chạy qua BI1 :

Dòng điện pha chạy qua BI1 :

Trong hệ đơn vị có tên:

Dòng điện thành phần thứ tự thuận, nghịch, không chạy qua BI1 :

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:

eht

eht

x 1h 1 0,04 0,2 x1d1

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:

Dòng qua chỗ đặt BI (kA)

* Điểm ngắn mạch N 2 ’ :

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

n30,2

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế thứ tự không:

Từ sơ đồ thay thế trên tính được:

x0h 2

0,32

x0d 1

0,51

0,03

x0h 1

0,16

b

xH

n30,2

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:

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 thanh góp 110 kV của HT1 nhỏ hơn HT2 Giả thiết HT 1 đang vận hành bình thường còn HT2 đang bị sự cố (bảo dưỡng)

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý còn 1 HT cung cấp.

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 c

n 2

Bi2

eht

xcb 0,27

0

b x 0

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

b

xH

H 0,16 0,2

x1d 1 0,04

x1h 1

Bi1

c 0,27

0,27

b

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 :

- Trị số dòng điện chạy qua BI1 là :

3

x 0d 2

7

b c

Bi3

0,1 6 H

x Hb

X TB

0

U 0N3 Bi3

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 :

Trong hệ đơn vị có tên :

- 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 đổi

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 hai nhóm: 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, nếu dòng 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

3.2 CÁC BẢO VỆ ĐẶT CHO MÁY BIẾN ÁP :

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 để chống 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 của máy biến áp tăng quá mức cho phép

6 - Bảo vệ quá dòng thứ tự không

7 - Bảo vệ chống quá tải