Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bảo vệ Rơle cho trạm biến áp Trần Hoàng Hải

Nó được sử dụng hầu hết trong các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như : sản xuất ,giao thông , dịch vụ , sinh hoạt…Chính vì thế nên việc hiểu biết về các hư hỏng cũng như việc làm việc

   0,305

12

/ 0,61 /

 Máy biến áp tự ngẫu MBA1, MBA

Ngày giao nhiệm vụ : ngày 5 tháng 10 năm 2013

Ngày hoàn thành nhiệm vụ :ngày 9 tháng 1 năm 2014

Hà Nội,ngày…tháng…năm 2013

Trưởng khoa Cán bộ hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với cuộc sống con người. 

Nó được sử dụng hầu hết trong các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như : sản xuất ,giao thông , dịch vụ , sinh hoạt…Chính vì thế nên việc hiểu biết về các hư hỏng cũng như việc làm việc không bình thường có thể xảy ra trong hệ thống điện cùng với những phương pháp và thiết bị bảo vệ nhằm phát hiện sớm để cách ly phần tử ra khỏi hệ thống nhằm tránh hư hỏng . Cảnh báo và xử lý khắc phục chế độ không bình thường là mảng kiến thức rất quan trọng của kỹ sư hệ thống điện .  

Điện năng được sản xuất ,truyền tải và phân phối rộng khắp với các cấp điện áp từ 

hạ áp , trung áp, cao áp , đến siêu cao áp với số lượng thiết bị rất lớn.Tỷ lệ thuận với độ phức tạp của lưới điện là khả năng xảy ra các sự cố và hậu quả do các sự cố gây ra

Hà Nội,ngày 15 tháng 10 năm 2013 

       Sinh viên thực hiện 

       Trần Hoàng Hải 

 

CHƯƠNG I 

MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ - THÔNG SỐ CHÍNH CỦA

ĐỐI TƯỢNG I.1 Mô tả đối tượng được bảo vệ. 

Đối tượng bảo vệ là trạm biến áp 220/110/35 KV có hai máy biến áp tự ngẫu vận hành song song,với công suất danh định là 200 MVA .Hai máy náy được cung cấp từ một nguồn của hệ thống điện, hệ thống điện cung cấp đén thanh cái 220 KV , phía trung áp và 

hạ áp của trạm có cấp điện áp là 110KV và 35KV. 

 Hình I - 1: Sơ đồ đối tượng cần được bảo vệ 

I.2 Các thông số chính của đối tượng được bảo vệ

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ

I.1 Mục đích tính toán ngắn mạch

Việc tính toán ngắn mạch trong nội dung đồ án này nhằm các mục đích cơ bản sau: 

- Chọn các khí cụ điện cho các phần tử được bảo vệ sao cho khi có dòng điện chay qua , những thiết bị đó phải thỏa mãn đều kiện làm việc bình thường và có tính ổn định 

khi có dòng điện ngắn mạch 

- Xác định dòng ngắn mạch lớn nhất ( Nmax I ) để phục vụ cho chỉnh định rơle và dòng 

ngắn mạch bé nhất ( Nmin I ) để kiểm cho độ nhạy cho rơle đã được chỉnh định. Trong hệ thống diện (HTĐ ), các dạng ngắn mạch gồm có: 

        - Tính toán thực tế cho thấy hầu như phụ tải không tham gia vào ngắn mạch lúc đầu,do vậy ta bỏ qua phụ tải khi tính ngắn mạch ban đầu. 

        - Hệ thống từ bão hòa : giả thiết này cho phép tính đơn giản đi rất nhiều ,bởi ta cho mạch là tuyến tính nên có thể dung phương pháp xếp chồng để tính toán 

         - Bỏ qua điện trở: 

       - với điện áp lớn hơn 1kv thì bỏ qua điện trở vì R<< X 

      - với điện áp bé hơn 1KV thì R> 1/3 X 

I.2.2.2 Thông số máy biến áp tự ngẫu:

Điện áp ngắn mạch của MBA1, MBA 2

  Điện kháng thứ tự thuận và điện kháng thứ tự nghịch 

200 0,305.120 0,151

- Trường hợp I : HTĐ cung cấp cho 1 MBA làm việc độc lập. 

- Trường hợp II :HTĐ cung cấp cho 2 MBA làm việc song song 

I.3.1 Công suất ngắn mạch hệ thống cực đại – Một MBA làm việc độc lập. 

2 đường dây song song

Các điểm ngắn mạch tính toán 

 I.3.1.1 Ngắn mạch phía 220 KV. 

 

 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản : 

 I.3.1.1.1 Ngắn mạch ba pha N(3)

Dòng điện tại chỗ ngắn mạch 

(3) 1

6, 430,1555

1

2, 230,1555 0, 2925

0 max

0 max

0,096 0,1512

0,195 0,096 0,115 0,1512

d

o HT C

d

X X

Trong hệ đơn vị có tên : 

0C 0C. cb1 0, 989.0, 502 0, 496

  Dòng chạy qua dây trung tính của máy biến áp : 

X X X

1

4,380,1555 0,073

0 0max

0 0max

0, 096 0,151

0,195 0, 096 0,115 0,1512

d HT C

d

X X

2

1

1 3,697

 Dòng thứ tự không chạy về điểm ngắn mạch : 

0 0max

0,195

0,302 0,195 0,096 0,115

2 2

H C

2,8030,2705 0,086

 

0 0max

0,195

0,3020,195 0,096 0,115

22

ngắn 

mạch 

Điểm ngắn mạch 

Dạng ngắn mạch 

 Dòng qua các BI 

N(1,1)  3,589  4,295  0  -4,457  

 N’2 

I.3.2 Hai máy biến áp vận hành song song ở chế độ cực đại:

 I.3.2.1 Ngắn mạch phía 220 KV

6, 431 0,155

1

2, 4630,1555 0, 251

 Dòng thứ tự không từ hệ thống về điểm ngắn mạch : 

0 max

0 max

B tt

I

     Trong hệ đơn vị có tên  

BI c

4, 663 0,1555 0, 059

0 0max

0 0max

0,302 0,096

HT

X X

B tt

1.Điểm ngắn mạch N1 :  1 0

1, 779

0, 89 2

(3) 2 1

0 0max

0, 09752

0 0

0, 485

0, 243

HT C

I

 Dòng thứ tự không chạy qua phía 110KV của mỗi máy biến áp. 

0 0

2 1

0ch 0T. cb2 0C. cb1 1.1, 409 0, 243.0,502 0,927

 Dòng qua dây trung tính của máy biến áp 

       2 1

3

3 2

BI

 Dòng qua BI4 : 

        IBI4  Itt  2,781 KA

 Không có dòng qua BI3 

Dòng qua BI1 : I BI1  2, 243

 Dòng qua BI2 : IBI2   3

 Dòng qua BI4 : I BI4 2, 781KA 

0 0max

0, 09752

0ch 0T cb2 0C cb1 ( 1, 385).0, 954 ( 0, 336).0, 502 1,153

 Dòng qua dây trung tính của máy biến áp : 

Dòng qua BI1  

      IBI1  2, 278

 Dòng qua BI2  

       IBI2  2, 906

 Dòng qua BI4 

       IBI4  Itt   3, 458 KA

 Không có dòng qua BI3 

I.3.2.3 Ngắn mạch phía 35 KV. 

Do phía 35 KV nối tam giác nên chỉ xét trường hợp ngắn mạch 3 pha N(3) 

 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản ta có 

Bảng II-2 kết quả tính toán ngắn mạch khi 2 MBA làm việc độc lập SNmax Phía 

ngắn 

mạch 

Điểm ngắn mạch 

Dạng ngắn mạch 

 Dòng qua các BI 

N(1,1)  2,278  2,906  0  -3,458 

N(1,1)  2,278  2,906  0  -3,458  

 

 

II.1 Công suất ngắn mạch hệ thống cực tiểu – Một MBA làm việc độc lập

1 đường dây làm việc

Các điểm ngắn mạch tính toán : 

 II.1.1 Ngắn mạch phía 220 KV

 

 

 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản : 

 Dòng thứ tự không từ hệ thống chạy về điểm ngắn mạch : 

2,8760,245 0,103

     2.  Điểm ngắn mạch N1’ : 

      Dòng qua BI1: I1 1BI  I1  2,876 

         I2 1BI  I2 1,206 

         I0 1BI  I0HT 0,956 

2

 Biến đổi về sơ đồ về dạng đơn giản ta có :

1,1590,36 0,503

0 0 . 0 1,159.0,143 0,166

U    I  X     

  Dòng thứ tự không chạy qua cuộn trung về điểm ngắn mạch : 

I  I  

 Dòng thứ tự không từ hệ thống về điểm ngắn mạch. 

0 0

0ch 0T. cb2 0C. cb1 1,159.0,954 0,313.0,502 0,949

  Dòng chạy qua dây trung tính của máy biến áp : 

      IBI2  3 I1  3.1,159  3, 477

        Dòng qua BI4 

      IBI4  Itt  2, 846 kA   

Không có dòng ngắn mạch qua các BI còn lại. 

 Dòng thứ tự không chạy qua phía 110kV của máy biến áp 

2

2.Điểm ngắn mạch N’2 

  Dòng ngắn mạch qua BI1 

    IBI1  2, 685

   Dòng qua BI4 

    IBI4  Itt  3,801 kA

 Không có dòng qua BI2 và BI3 

II.1.3 Ngắn mạch phía 35KV : 

Do phía 35KV chỉ nối tam giác,nên ta chỉ xét trường hợp ngắn mạch 2 pha N(2) 

 

 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản : 

 Dòng ngắn mạch 3 pha N(3) 

ngắn 

mạch 

Điểm ngắn mạch 

Dạng ngắn mạch 

 Dòng qua các BI 

N(1,1)  2,685  2,344  0  3,801  

 N’2 

II.2 Hai máy biến áp vận hành song song ở chế độ cực tiểu

1 đường dây làm việc

 II.2.1 Ngắn mạch phía 220 KV

 

 

 Dòng ngắn mạch N(3) chạy qua điểm ngắn mạch : 

       Điện kháng phụ: 

0 0

0 min 0

0,187

0, 452 0,113 0,302

HT

U I

0 0

0min 0

0, 24

0,5780,113 0,302

HT

U I

0

0, 24

1, 5480,155

B

B

U I

0 0

1, 548

0, 774

B C

I

 Trong hệ đơn vị có tên 

0C 0, 774 cb1 0, 774.0, 502 0, 389

 Dòng qua dây trung tính của máy biến áp : 

2.Điểm ngắn mạch N’1 : 

Dòng qua BI1 : 

         I1B I1  I1  3,1 0 2  

      I2B I1  I2   0 , 9 7 9 

       I0BI1  I0HT  I0C   0,578 0, 774    1,352

 

      

2

II.2.2 Ngắn mạch phía 110 kV

 

 

 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản ta có : 

II.2.2.1 Ngắn mạch hai pha N(2)

0 0

0 0

0, 3 6 0 4

0,1 5 3 2

H T C

I

 Dòng thứ tự không chạy qua phía 110kV của mỗi MBA 

I

 Dòng thứ tự không qua cuộn dây trung của MBA trong hệ đơn vị có tên 

0ch 0T cb2 0C cb1 0,729.0,954 0,1532.0,502 0,619

  Dòng chạy qua dây trung tính của máy biến áp : 

0

3 3.0, 619 1, 856

0 0

0 m in

0,1 7 3

0, 3 6 6 0,1 1 3 0, 3 0 2 0, 0 5 8

0ch 0T cb2 0C cb1 ( 1, 08).0, 954 ( 0,183).0, 502 0, 938

 Dòng qua dây trung tính của máy biến áp : 

I

       

2

BI

I  

         4

2,815

BI tt

 II.2.3 Ngắn mạch phía 35 KV

  Do phía 35 KV nối tam giác nên chỉ xét trường hợp ngắn mạch 2 pha N(2) 

 Biến đổi sơ đồ về dạng đơn giản ta có 

ngắn 

mạch 

Điểm ngắn mạch 

Dạng ngắn mạch 

 Dòng qua các BI 

N(1,1)  1,689  2,195  0  -2,815  

 N’2 

N(1,1)  1,689  2,195  0  -2,815  

2,148 (SNmax,2đd//1MBA 

N3(3)) 

3,498 (SNmax,2đd//1MBA 

N2’(1,1)) 

1,082 (SNmin,1đd//1MBA 

N3’(2)) 

0,908 (SNmin,1đd//2MBA 

N1’(1)) II.4 Chọn máy cắt,máy biến dòng điện,máy biến điện áp

         

3.

dmB lvcb qtsc dmB

''

m a x

2 1, 8 '' ''

       Máy biến dòng được chọn theo điều kiện sau 

 Điện áp : UđmBI ≥ Uđm 

 Dòng điện : IđmBI  ≥  Ilvcb 

 Phụ tải Z ≥ Z  – R2 

 Ổn định nhiệt  : (knh.Iđm)2.tnh ≥BN (chỉ kiểm tra với máy cắt có Iđm ≤ 1000A) 

 Ổn định động :  

1d

2 k m Ixk

  Loại BIS  Uđm 

Bảng thông số máy biến dòng điên

3 Máy biến điện áp

Cuộn sơ cấp 

Cuộn thứ cấp 

Cuộn thứ cấp phụ 

CHƯƠNG III LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ

I.Hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của đối tượng được bảo vệ:

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

và chế độ làm việc không bình thường của MBA được giới thiệu trong bảng III- 1 

II Các yêu cầu đối với thiết bị được bảo vệ

Trong quá  trình vận hành, hệ  thống điện có thể  rơi vào tình trạng sự  cố  hoặc tình trạng làm việc không bình thường như: Hư hỏng cách điện, chạm chạp giữ  các vòng dây, tràn dầu trong MBA…

Phần lớn khi xảy ra sự  cố xảy ra kèm theo dòng tăng cao, áp giảm xuống mức quá thấp dẫn tới hư hỏng cách điện trong các thiết bị điện .Do đó cần phải loại trừ ngay sự cốđể đảm bảo cho người vận hành và đảm bảo an toàn cho thiết bị điện. 

Để hạn chế các hậu quả các sự cố và chế độ làm việc không bình thường , người ta sử dụng các rơle làm nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị điện trong hệ thống . Các rơle này phải đáp ứng các yêu cầu sau . 

      1,Tác động nhanh

Khi phát sinh ngắn mạch thiết bị phải chịu tác động của lực điện động và tác động nhiệt do ngắn mạch xảy ra .Vì thế  việc phát hiện sự  cố  ngắn mạch và loại trừ  sự  cố  ra khỏi chế  độ  làm việc không bình thường sẽ  hạn chế  được mức độ  phá hại các thiết bị  , càng giảm được thời gian sụt áp  ở  các hộ  dùng điện , giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn và càng nâng cao khả  năng duy trì  ổn định sự  làm việc của các máy phát điện 

và toàn bộ hệ thống. 

2 ,Tính chọn lọc

       Là khả năng phát hiện và cách ly đúng phần tử bị hư hỏng và đảm bảo các phần tử khác liên tục hoạt động .Lưới có cấu hình phức tạp càng khó đảm bảo tính chọn lọc và làm cho sự cố nặng nề hơn 

3 ,Yêu cầu về độ nhạy

      Là khả năng có thể cảm nhận được sự cố .Được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy (Kn) là tỷ số giữa các đại lượng vật lý đặt vao rơ le khi có sự cố và chỉ số tác động của rơle. 

-  Độ  tin cậy không tác động : là khả  năng tránh tác động nhầm ở  chế  độ  vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài vùng tác động đã được quy định . 

       5 ,Tính kinh tế

      Đối với lưới trung áp và hạ  áp do số  lượng các phần tử  đặt quá lớn và độ  yêu cầu đối với thiết bị  không cao so với các lưới cao áp hoặc siêu cao áp hoặc  nhà máy điện .  

Nên chúng tả phải lựa chọn phù hợp để đảm bảo tính kinh tế và tính kỹ thuật 

III Các loại bảo vệ cần đặt cho MBA tự ngẫu

1,Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (∆I)

     Nguyên lí của bảo vệ so lệch có hãm dùng cho MBATN được trình bày như hình vẽ

HM: Hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá MBA 

Giả  sử  nguồn cung cấp từ  phía 1, còn 2 và 3 là phụ  tải. Bỏ  qua  ảnh  hưởng của tổđấu dây. Tỷ số biến đổi của MBA cũng như BI (coi tỉ số biến đổi bằng 1) 

Ta có trong chế độ làm việc bình thường : 

        Dòng điện đi vào các cuộn dây làm việc 

       Các dòng hãm 

 Trong đó KH=0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch . 

      Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hóa khi đóng MBA không tải,và khi cắt ngắn mạch ngoài,bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc 2 trong thành phần từ hóa IH 

       Để đảm bảo tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện 

       Bảo vệ so lệch làm chức năng bảo vệ chính dùng để cắt nhanh MBA,khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ,nó phải thỏa mãn yêu cầu sau 

 Chỉnh định chắc chắn khỏi dòng điện không cần bằng khi đóng MBA không tải,khi cắt ngắn mạch ngoài và dòng điện từ hóa tăng cao khi có quá điện áp 

 Đảm bảo độ nhạy cao với các dạng ngắn mạch bên trong vùng bảo vệ. 

2 Bảo vệ so lệch thứ tự không (bảo vệ chống chạm đất hạn chế của máy MBATN )

Sơ đồ nguyên lí như trên hình vẽ: 

    bảo vệ không tác động 

      _Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (điểm N2) 

 bảo vệ tác động 

3 ,Rơle hai cấp tác động (RK1/2)

       Rơle hoạt động dựa trên sự bốc hơi của dầu của MBA khi bị sự cố và mức hạ thấp dầu quá mức cho phép. 

 

độ làm việc bình thường, trong bình rơle đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm rơle  ởtrạng thái hở. Khi xuất hiện chế độ không bình thường, rơle sẽ làm việc với 2 cấp: 

      Cấp 1 (cấp cảnh báo): Khi sự  cố  nhẹ  (ví dụ  dầu nóng do quá tải), khí bốc 

ra yếu, tích tụ trên thành bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cảnh báo và tăng cường hệ thống làm mát cưỡng bức. 

      Cấp 2 (cắt MBA): Khi sự  cố  lớn (ví dụ  ngắn mạch trong thùng dầu), khí bốc ra mạnh, luồng dầu vận chuyển từ  thùng lên bình dãn dầu xô phao số  2 chìm xuống, gửi tín hiệu đi cắt máy cắt. 

4,Bảo vệ nhiệt độ dầu

      -  Rơle nhiệt độ đặt tại máy biến áp. 

       -  Rơle nhiệt độ dầu    

Rơle nhiệt độ  dầu gồm các tiếp điểm thường đóng, thường mở  lắp bên trong một nhiệt 

kế có kim chỉ thị nhiệt độ. Nhiệt kế gồm có cơ cấu chỉ thị quay để ghi số đo, một bộ phận cảm biến nhiệt, một ống mao dẫn nối bộ phận cảm ứng nhiệt với cơ cấu chỉ thị. Bên trong ống  mao  dẫn  là  chất  lỏng  (dung  dịch  hữu  cơ)  được  nén  lại.  Sự  co  giãn  của  chất  lỏng (trong  ống mao dẫn) thay đổi theo nhiệt độ  mà bộ  phận cảm biến nhiệt nhận được, 

sẽ  tác động cơ cấu chỉ  thị  và các tiếp điểm. Các tiếp điểm sẽ  đổi trạng thái “mở” thành 

“đóng”, “đóng” thành “mở” khi nhiệt độ  cao hơn trị  số  đặt trước. Bộ  phận cảm biến nhiệt được lắp trong một lỗ  trụ  bọc kín,  ở  phía trên nắp máy biến áp, bao quanh lỗ  trụ  

là dầu, để  đo nhiệt độ  lớp dầu trên cùng của máy biến áp. Thường dùng nhiệt kế  có 2 (hoặc 4) vít điều chỉnh nhiệt độ  để  có thể  đặt sẵn 2 (hoặc 4) trị  số  tác động cho 2 (hoặc 4) bộ  tiếp điểm riêng rẽ  lắp trong nhiệt kế. Khi nhiệt độ  cao hơn trị  số  đặt cấp 1, rơle 

sẽ  đóng tiếp điểm cấp 1 để  báo hiệu sự  cố  “Nhiệt độ  dầu cao” của máy biến áp. Khi nhiệt độ  tiếp tục cao hơn trị  số  đặt cấp 2, rơle sẽ  đóng thêm tiếp điểm  cấp 2 để  tự  động cắt máy cắt, cắt điện máy biến áp, đồng thời cũng có mạch điện báo hiệu sự cố “cắt 

do nhiệt độ dầu cao”. 

cơ cấu chỉ  thị  và các tiếp điểm, còn có một điện trở  nung. Cuộn dây thứ  cấp của một máy biến dòng điện đặt tại chân sứ  máy biến áp được nối với điện trở  nung. Nối song song với điện trở  nung là một biến trở  để  hiệu chỉnh. Tác dụng của điện trở  nung (tùy theo dòng điện qua cuộn dây máy biến áp) và tác dụng của bộ  cảm biến nhiệt lên cơ cấu 

đo cùng các bộ  tiếp điểm sẽ tương ứng với nhiệt độ điểm nóng: nhiệt độ của cuộn dây. 

Có 4 vít điều chỉnh nhiệt độđể  đặt trị  số  tác động cho bốn bộ  tiếp điểm. Tùy theo thiết 

kế, các tiếp điểm rơle nhiệt độcó thể được nối vào các mạch: báo hiệu sự cố “nhiệt độ cuộn dây cao”, mạch tự động mở máy cắt để  cô lập máy biến áp, mạch tự  động khởi động và ngừng các quạt làm mát máy biến áp. 

       Bốn nhóm bảo vệ  trên là nhóm bảo vệ  chính cho MBA và còn có các loại bảo vệ sau :