Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110/35/22kV

Thiết kế bảo vệ rơle, cho trạm biến áp, 110/35/22kV

Đồ án Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm

biến áp 110/35/22kV

MỤC LỤC

Trang Lời nói đầu 1

Chương 1: Mô tả đối tượng được bảo vệ và các thông số chính 2

1.1 Mô tả đối tượng 2

1.2 Thông số chính 2

1.2.1.Hệ thống điện 2

1.2.2.Đường dây 3

1.2.3.Máy biến áp 3

1.3.Chọn máy cắt ,máy biến dòng điện ,máy biến điện áp 3

1.3.1.Máy cắt điện 3

1.3.2.Máy biến dòng điện 5

1.3.3.Máy biến điện áp 6

Chương 2: Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơ le 7

2.1 Các giả thiết cơ bản 7

2.2.Chọn các đại lượng cơ bản và tính thông số các phần tử 8

2.3.Sơ đồ thay thế tính ngắn mạch 9

2.4.Các phương án( sơ đồ ) tính toán ngắn mạch 10

2.4.1.Sơ đồ 1:SNmax,1 máy biến áp làm việc 10

Bảng tổng kết sơ đồ 2.4.1 19

2.4.2.Sơ đồ 2:SNmax,2máy biến áp làm việc song song 20

Bảng tổng kết sơ đồ 2.4.2 28

2.4.3.Sơ đồ 3:SNmin,1 máy biến áp làm việc 29

Bảng tổng kết sơ đồ 2.4.3 37

2.4.4.Sơ đồ4:SNmin , 2 máy biến áp làm việc song song 38

Bảng tổng kết sơ đồ 2.4.4 47

Chương 3: Lựa chọn phương thức bảo vệ 48

3.1.Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp 48

3.2.Các loại bảo vệ đặt cho máy biến áp 49

3.2.1 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện 49

3.2.2 Bảo vệ chính máy biến áp B1 và B2 50

3.2.3.Bảo vệ dự phòng 53

3.3.Sơ đồ phương thức bảo vệ 56

Chương4: Giới thiệu tính năng và thông số các loại rơle sử dụng 57

4.1.Hợp bộ bảo vệ so lệch 7UT613 57

4.1.1.Giới thiệu tổng quan về rơ le 7UT613 57

4.1.2.Nguyên lý hoạt động chung của rơle 7UT613 59

4.1.3.Một số thông số kỹ thuật của rơle7UT613 61

4.1.4.Các chỉnh định và cài đăt thông số cho rơle 7UT613 63

4.1.5.Chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp 64

4.1.6.Chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế của 7UT613 68

4.1.7 Chức năng bảo vệ quá dòng của rơle 7UT613 71

4.1.8.Chức năng bảo vệ chống quá tải 71

4.2.Hợp bộ bảo vệ quá dòng 7SJ621 72

4.2.1.Giới thiệu tổng quát về rơle 7SJ621 72

4.2.2.Nguyên lý hoạt động chung của rơle 7SJ621 73

4.2.3.Các chức năng bảo vệ trong rơle 7SJ621 75

4.2.4.Một số thông số kỹ thuật của rơle 7SJ621 78

Chương 5: Chỉnh định và kiểm tra sự làm việc của rơle 81

5.1.Tính toán các thông số của bảo vệ 81

5.1.1.Các số liệu cần thiết cho việc tính toán bảo vệ rơle 81

5.1.2.Tính toán các thông số của bảo vệ 81

5.2.Kiểm tra sự làm việc của bảo vệ 85

5.2.1 Bảo vệ so lệch dòng có hãm 85

5.2.2 Bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không 90

5.2.3 Bảo vệ quá dòng có thời gian 91

5.2.4.Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian 92

Tài liệu tham khảo 94

L I NÓI Ờ ĐẦ U

Ngày nay, điện năng là một phần thiết yếu trong mọi hoạt động sản xuất cũng như trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của con người Để đảm bảo sản lượng và chất lượng điện năng cần thiết, tăng cường độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, đảm bảo an toàn cho thiết bị và sự làm việc ổn định trong toàn hệ thống; cần phải sử dụng một cách rộng rãi và có hiệu quả những phương tiện bảo vệ,thông tin ,đo lường ,điều khiển và điều chỉnh tự động trong hệ thống điện

Trong số các phương tiện này, rơle và thiết bị bảo vệ bằng rơle đóng một vai trò hết sức quan trọng Trong quá trình vận hành hệ thống điện, không phải lúc nào hệ thống cũng hoạt động ổn định, thực tế chúng ta luôn gặp tình trạng làm việc không bình thường hoặc sự cố như ngắn mạch, quá tải v.v mà nguyên nhân

có thể do chủ quan hoặc khách quan Hệ thống Rơle sẽ phát hiện và tự động loại trừ các sự cố, xử lý tình trạng làm việc bất thường của hệ thống

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thiết bị bảo vệ rơle ngày càng hiện đại, nhiều chức năng và tác động chính xác hơn Ở nước ta ngày nay,

xu hướng sử dụng rơle kỹ thuật số để dần thay thế cho các rơle điện cơ đang được xúc tiến mạnh mẽ

Bản “ Thiết kế bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110/35/22kV” gồm có 5

chương :

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

- Chương 2 : Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơ le

- Chương 3 : Lựa chọn phương thức bảo vệ

- Chương 4 : Giới thiệu tính năng và thông số rơle được chọn

- Chương 5 : Tính toán các thông số và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

Tuy nhiên, do thời gian thực hiện đề tài có hạn cũng như kiến thức kinh nghiệm về lĩnh vực bảo vệ rơle trong hệ thống điện chưa nhiều, nên tập đề án tốt nghiệp này còn có những sai sót là điều không thể tránh được Em rất mong được

sự nhận xét và đóng góp của quí Thầy Cô

Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của GS.VS.TSKH TRẦN ĐÌNH LONG

CHƯƠNG 1

MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ – THÔNG SỐ CHÍNH

1.1 MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG

Trạm biến áp được bảo vệ gồm hai máy biến áp ba dây quấn B1 và B2 được mắc song song với nhau Hai máy biến áp này được cung cấp từ hai nguồn của HTĐ1 và HTĐ2 Hệ thống điện HTĐ1 cung cấp đến thanh góp 110kV của

trạm biến áp qua đường dây D1, hệ thống điện HTĐ2 cung cấp đến thanh góp 110kV của trạm biến áp qua đường dây D2 Phía trung và hạ áp của trạm có điện

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S1Nmax = 2500 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S1Nmin = 0,7S1Nmax

Điện kháng thứ tự không: X0H1 = 1,2X1H1

2) Hệ thống điện HTĐ2:

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực đại: S2Nmax = 1900 MVA

Công suất ngắn mạch ở chế độ cực tiểu: S2Nmin = 0,75S2Nmax

Điện kháng thứ tự không: X0H2 = 1,35X1H2

1.2.2 Đường dây D1, D2:

1) Đường dây D1:

Chiều dài đường dây: L1 = 60 km

Điện kháng trên một kilômét đường dây: X11 = 0,423 Ω/km

Điện kháng thứ tự không: X0D1 = 2X1D1

2) Đường dây D2:

Chiều dài đường dây: L2 = 45 km

Điện kháng trên một kilômét đường dây: X12 = 0,392 Ω/km

BI2

BI3 BI4 BI5

Tổ đấu dây YN – d11 – yn12

Giới hạn điều chỉnh điện áp: ∆Uđc = ±10%

1.3 CHỌN MÁY CẮT, MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN, MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP

nhđm.tnhđm ≥ BN (BN: là xung lượng nhiệt của dòng ngắn mạch)

Dựa vào cấp điện áp và dòng điện làm việc cưỡng bức lớn nhất của các mạch kết hợp với các giá trị dòng điện ngắn mạch đã tính được ở chương II ta chọn máy cắt của từng mạch cho từng cấp điện áp như ở bảng 1.1

1) Phía điện áp 110kV:

Ilvcb =kqtsc.IđmB = kqtsc ñmB

ñmB

S 3.U = 1,4 Ilvcb =1,4.

63 3.115 = 0,443kA = 443A

I”N = IBI1maxIcb1 = 15,8913 0,3163 = 5,0264 kA ( trang 28 )

+ Điều kiện ổn định lực động điện: iđđmMC ≥12,7951kA

2) Phía điện áp 35kV:

Ilvcb = kqtsc.IđmB = kqtsc ñmB

ñmB

S 3.U = 1,4.

63 3.37,5 = 1,358kA = 1358A

I”N = IBI2maxIcb2=5,7971 0,9699 = 5,6226kA (trang 19 )

63 3.24 = 2,122kA = 2122A

I”N = IBI3maxIcb3 =5,6337 1,5155 = 8,5379kA (trang 19 )

1.3.2 Máy biến dòng điện:

- Điện áp định mức (UđmBI): Điện áp định mức của máy biến dòng được chọn phải lớn hơn hoặc bằng điện áp định mức của lưới điện: UđmBI ≥Uđmlưới

- Dòng điện định mức (IđmBI): Dòng điện định mức của máy biến dòng được chọn phải lớn hơn hoặc bằng dòng điện làm việc cưỡng bức qua BI: I1đmBI ≥Ilvcb

- Phụ tải định mức (Z2đmBI): Phụ tải thứ cấp định mức của máy biến dòng phải lớn hơn hay bằng tổng trở thứ cấp của BI: Z2đmBI ≥Z2

-Điều kiện ổn định lực động điện: dòng điện ổn định lực động điện của máy biến dòng phải lớn hơn dòng ngắn mạch xung kích qua nó: 2kđđmI1đm ≥ixk

- Điều kiện ổn định nhiệt: Dòng ổn định nhiệt của máy biến dòng phải thỏa mãn điều kiện: (I1đmknh)2 ≥BN (BN: là xung lượng nhiệt của dòng ngắn mạch) Dựa vào cấp điện áp và dòng điện làm việc cưỡng bức lớn nhất của các mạch đã được xác định ở phần trên, kết hợp với các giá trị dòng điện ngắn mạch

đã tính được ở chương II ta chọn máy biến dòng của từøng mạch cho từng cấp điện áp như ở bảng 1.2

Bảng 1.2

1.3.3 Máy biến điện áp:

- Điện áp định mức (UđmBU): Điện áp định mức của máy biến điện áp được chọn phải lớn hơn hoặc bằng điện áp của lưới điện: UđmBU ≥Uđmlưới

- Cấp chính xác: Phù hợp với yêu cầu của các dụng cụ đo

- Công suất định mức (S2đmBU): Công suất định mức của máy biến điện áp phải lớn hơn hay bằng tổng công suất mạch thứ cấp của BU: S2đmBU ≥S2

Dựa vào các điều kiện trên, ta chọn máy biến điện áp của từng mạch cho từng cấp điện áp như ở bảng 1.3

Bảng 1.3

Nhà chế tạo ABB GERMANY WATTSUD

CHƯƠNG 2 TÍNH NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE

Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay chập dây trung tính) Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn mạch nhằm xác định các trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua đối tượng được bảo vệ để cài đặt

và chỉnh định các thông số của bảo vệ, trị số dòng ngắn mạch nhỏ nhất để kiểm tra độ nhạy của chúng

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

Trong chế độ cực đại, xét các dạng ngắn mạch ba pha đối xứng, ngắn mạch một pha, ngắn mạch hai pha chạm đất Chế độ cực tiểu xét ngắn mạch hai pha, ngắn mạch hai pha chạm đất và ngắn mạch một pha

2.1 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN

+ Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: nghĩa là góc lệch pha giữa sức từ động của các máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn mạch Nếu góc lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện tăng lên thì dòng trong nhánh sự cố giảm xuống, sử dụng giả thiết này sẽ làm cho việc tính toán đơn giản hơn và trị số dòng điện tại chỗ ngắn mạch là lớn nhất Giả thiết này không gây sai số lớn, nhất là khi tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1 ÷0,2 sec).

+ Bỏ qua các phụ tải

+ Mạch từ không bão hòa, nghĩa là mạch có quan hệ tuyến tính: giả thiết này sẽ làm cho phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch đơn giản hơn rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến tính và có thể dùng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình

+ Bỏ qua điện trở tác dụng: nghĩa là sơ đồ tính toán có tính chất thuần kháng Giả thiết này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch trên đường dây cáp dài hay đường dây trên không tiết diện bé Ngoài ra lúc tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu

kỳ cũng cần phải tính đến điện trở tác dụng

+ Bỏ qua thành phần điện dung dây dẫn – đất: giả thiết này không gây sai

số lớn, ngoại trừ trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét đến dung dẫn của đường dây

+ Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp.

+ Hệ thống điện ba pha lúc bình thường là đối xứng: sự mất đối xứng chỉ xảy ra đối với từng phần tử riêng biệt khi nó bị hư hỏng.Việc tính toán ngắn mạch được thực hiện trong hệ đơn vị tương đối

2.2 CHỌN CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN VÀ TÍNH THÔNG SỐ CÁC PHẦN TỬ

2) Sơ đồ thứ tự không

2.4 CÁC SƠ ĐỒ (PHƯƠNG ÁN) TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

• Sơ đồ 1: SNmax; 1 máy biến áp làm việc

• Sơ đồ 2: SNmax; 2 máy biến áp làm việc

Dạng ngắn mạch cần tính toán: N(3), N(1,1), N(1)

• Sơ đồ 3: SMmin; 1 máy biến áp làm việc

• Sơ đồ 4: SNmin; 2 máy biến áp làm việc

1H2 max

X 0,0332

1D1

X 0,1209

1D2

X 0,084

C

X 0,1075

C

X 0,1075

T

X 0

T

X 0

H

X 0,0625

H

X 0,0625

0H1max

X 0,0302

0H2 max

X 0,0448

0D1

X 0,2418

0D2

X 0,168

C

X 0,1075

C

X 0,1075

T

X 0

T

X 0

H

X 0,0625

110kV

22kV

Sơ đồ thay thế thứ tự không:

1H2 max

X 0,0332

1D1

X 0,1209

1D2

X 0,084

0H2 max

X 0,0448

0D1

X 0,2418

0D2

X 0,168

0,1194 0,10750,1194 0,1075 = 0,0566

X 0,1075

N2

U1N1

X 0,1075

H

X 0,0625

N3

U1N1

N3

0

= & +& +&

BI1 1BI1 2BI1 0BI1

Bảng tổng kết sơ đồ 2.4.1 Dòng điện ngắn mạch qua các BI, trường hợp một máy biến áp làm việc trong chế độ SNmax:

Dạngngắnmạch

1H2 max

X 0,0332

1D1

X 0,1209

1D2

X 0,084

N1

U1N1

0,1194 0,05380,1194 0,0538 = 0,0371

0H2 max

X 0,0448

0D1

X 0,2418

0D2

X 0,168

N1

BI1

C

X 0,1075

BI1

C

X 0,1075

T

X 0

T

X 0

∑

0

X 0,0371

N1

U0N0

c) Ngắn mạch 1 pha N ( 1)

2) Ngắn mạch phía 35 kV:

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(3);

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận:

BI1

1H1max

X 0,0252

1H2 max

X 0,0332

1D1

X 0,1209

1D2

X 0,084

C

X 0,1075

T

X 0

E

1H1max

X 0,0252

E

1H2 max

X 0,0332

1D1

X 0,1209

C

X

X 0,0625

N2

U1N1

U1N1

H

X 0,0625

N3

0

U0N

Dạngngắnmạch

2.4.3 Sơ đồ 3: S Nmin , 1 máy biến áp làm việc.

N1

U1N1

0,285 0,10750,285 0,1075 = 0,0781

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(2).

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch E = 0):

E

∑

1 (N1)

X 0,1569

C

X 0,1075

BI2

X 0,1075

3

H

X 0,0625

N3

U1N1

N2

U1N1

0

U0N

= & +& +&

BI1 1BI1 2BI1 0BI1

I I I I = I1∑ +I2∑ +IOH= 1,3961+1,3961=2,7922

= & +& +& = + + =

BI3 1BI3 2BI3 0BI3 1 2 OH 1

Dạngngắnmạch

1

0,285 0,05380,285 0,0538 = 0,0453

BI1

C

X 0,1075

T

X 0

T

X 0

Điểm N 1 ’:

• = 2 • + • +•

BI1 1(BI1) 2(BI1) 0(BI1)

2) Ngắn mạch phía 35 kV:

Trung điểm không nối đất, chỉ tính N(2):

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (nghịch E = 0):

C

X 0,1075

T

X 0

E

X

X 0,0625

C

X

X 0,0625

C

X

X 0,0625

C

X

X 0,0625

N3

U1N1

H

X 0,0625

N3

0

U0N

1I

Bảng tổng kết sơ đồ 2.4.4 Dòng điện ngắn mạch qua các BI, trường hợp hai máy biến áp làm việc trong chế độ SNmin:

Phía

ngắn

mạch

Điểmngắnmạch

Dạngngắnmạch

3.1 CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH

THƯỜNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

Để lựa chọn được phương thức bảo vệ hợp lý, 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

Những hư hỏng thường gặp trong máy biến áp có thể phân ra thành hai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài

Những hư hỏng bên trong máy biến áp gồm:

- Chạm chập giữa các vòng dây

- Ngắn mạch giữa các cuộn dây

- Chạm đất (vỏ ) và ngắn mạch chạm đất

- Hỏng bộ chuyển đổi đầu phân áp

- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu

Những hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài máy biến

áp bao gồm:

- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống

-Ngắn mạch một pha trong hệ thống

-Quá tải

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

Tùy theo công suất của máy biến áp, vị trí vai trò của 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 để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp được giới thiệu trong bảng 3-1

Bảng 3.1: Những loại hư hỏng thường gặp và các loại bảo vệ cần đặt

L Loại hư hỏng Loại bảo vệ

Ngắn mạch một pha chạm đất So lệch có hãm (Bảo vệ chính).

hoặc nhiều pha chạm đất

Khoảng cách (Bảo vệ dự phòng)

Quá dòng có thời gian ( Chính hoặc dự phòng tùy theo công suất của máy biến áp).Quá dòng thứ tự không

Chạm chập giữa các vòng dây

Thùng dầu thủng hoặc bị rò dầu Rơle khí (BUCHHOLZ).

3.2 CÁC LOẠI BẢO VỆ ĐẶT CHO MÁY BIẾN ÁP

3.2.1 Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện.

Để thực hiện được các chức năng và nhiệm vụ quan trọng của mình, thiết bị bảo vệ phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau đây: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh và độ nhạy

2)Chọn lọc:

Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ 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

3)Tác động nhanh:

Hiển nhiên bảo vệ phát hiện và cách li phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt tiền

4)Độ nhạy :

Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy, tức tỉ số giữa trị số của đại lượng