Bài tập lớn môn: BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN

Bài toán: Hãy tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện 100 kV gồm các đường dây và trạm biến áp với sơ đồ cho trên hình 1. Máy biến áp mã hiệu , có công suất định mức S¬¬nB ( MVA), máy có bộ phận tự động điều chỉnh điện áp với . Tổ nối dây của máy biến áp là , hệ số tin cậy bằng 1,3. Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ thống là Sk.HT (MVA). Dây dẫn thuộc loại ACO với tiết diện F,mm2 khoảng cách trung bình giữa các dây dẫn là a=5m, chiều dài của các đoạn dây l (km). Tốc độ gió lớn nhất của môi trường xung quanh là v (m/s), thời gian tác động của bảo vệ nhanh nhất là t1= 0,03s , phân cấp thời gian của các bảo vệ tiếp theo là . Dữ liệu bài toán được cho trong bảng 1. Ghi chú:Dữ liệu được lấy theo hai số cuối của mã sinh viên ( 0 và 7

Lời nói đầu

Trong nền kinh tế hiện đại ngày nay năng lượng điện năng là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng, việc xây dựng các nhà máy điện và hệ thống truyền tải đang trở thành gánh nặng của Quốc gia Trong các phụ tải điện còn có những phụ tải quan trọng không thể mất điện trong thời gian dài, các thiết bị điện đắt tiền có thể bị hư hỏng nếu xảy ra sự cố và không được loại bỏ ngay phần tử bị sự cố Để thực hiện nhiệm vụ loại

bỏ một cách nhanh nhất phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệt hống cần có hệ thống bảo vệ rơle làm việc an toàn

Là một sinh viên chuyên nghành hệ thống điện không thể không nghiên cứu, tìm hiểu

bộ bôn “Bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện” Môn học đã mang lại cho sinh

viên những kiến thức cơ bản nhất của kĩ thuật bảo vệ hệ thống điện bằng rơle, các nguyên tắc tác động, cách thực hiện các bảo vệ thường gặp cũng như các chế dộ hư hỏng và làm việc không bình thường điển hình nhất của hệ thống điện và các loại bảo

vệ chính đặt cho nó

Bài tập lớn “Bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện” giúp sinh viên hệ thống lại

toàn bộ kiến thức đã học và tiếp cận với một số loại rơle trong thực tế Những kiến thức này sẽ là nền tảng cho quá trình tiếp cận thực tế sau này

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là

sự tận tình của thầy Trần Quang Khánh đã giúp em hoàn thành bài tập lớn này Do

thời gian làm bài không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em không thể tránh những thiếu sót, vậy em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô cho bài làm của em được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015 Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Tài Tuấn

BÀI TẬP LỚN MÔN

BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn :TS TRẦN QUANG KHÁNH

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN TÀI TUẤN

Mã sinh viên : 0841240207

Lớp : ĐIỆN CLC-K8

Khoa:ĐIỆN

Bài toán: Hãy tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện 100 kV gồm các đường dây và

trạm biến áp với sơ đồ cho trên hình 1 Máy biến áp mã hiệu TPДH , có công suất định mức SnB ( MVA), máy có bộ phận tự động điều chỉnh điện áp với Udc  10%

Tổ nối dây của máy biến áp là    , hệ số tin cậy bằng 1,3 Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ thống là Sk.HT (MVA) Dây dẫn thuộc loại ACO với tiết diện F,mm2 khoảng cách trung bình giữa các dây dẫn là a=5m, chiều dài của các đoạn dây l (km) Tốc độ gió lớn nhất của môi trường xung quanh là v (m/s), thời gian tác động của bảo

vệ nhanh nhất là t1= 0,03s , phân cấp thời gian của các bảo vệ tiếp theo là  t 0,5s

Dữ liệu bài toán được cho trong bảng 1

Ghi chú:Dữ liệu được lấy theo hai số cuối của mã sinh viên ( 0 và 7 )

Bảng 1. Dữ liệu bài tập lớn Bảo vệ rơle và Tự động hóa HTĐ

N 0

Chỉ số thứ nhất Chỉ số thứ hai

Dữ liệu đường dây Công suất mba, MVA

l0 F0 l1 F1 l2 F2 l3 F3 SnB1 SnB2 SnB3 Sk.HT v

0 75 300 56 240 62 300 43 240

Hình 1 Sơ đồ mạng điện bài tập dài tính toán bảo vệ rơ le

CHƯƠNG 1: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ THAY THẾ TÍNH TOÁN VÀ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TẠI CÁC ĐIỂM CẦN CHO BẢO VỆ RƠLE

I SƠ ĐỒ THAY THẾ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH.

- Sơ đồ thay thế tính toán là sơ đồ điện mà trong đó các phần tử của mạng điện được thay bằng một tổng trở tương ứng, riêng máy phát và phụ tải được thay bằng 1 điện trở

và một suất điện động Đối với sơ đồ thay thế tính toán ngắn mạch ta chỉ cần quan tâm đến các phần tử có liên quan đến tính toán ngắn mạch

- Từ sơ đồ mạng điện đề bài ta có thể thay thế các phần tử như sau:

+) Nguồn cấp HT: EHT, XHT

+) Đoạn dây AB : RAB ,XAB

+) Đoạn dây BC : RBC , XBC

+) Đoạn dây BD : RBD , XBD

+) Đoạn dây BE : RBE , XBE

+) Máy biến áp BA1: RBA1 , XBA1

+) Máy biến áp BA2: RBA2 , XBA2

+) Máy biến áp BA3: RBA3 ,XBA3

- Các biểu thức tính toán điện trở được thực hiện trong hệ đơn vị có tên được thực hiện

ở dưới

1 Tóm lược về tính toán ngắn mạch

Các biểu thức tính toán điện trở được thực hiện trong hệ đơn vị có tên được thực hiện ở dưới:

2

CB HT

k HT

U X

S



2 2

BA

nBA

P U R

S





2

100

BA

n BA

U U Z

S



XBA=

Rd=

Xd=

2 Tính toán ngắn mạch tại các điểm cần cho bảo vệ role.

- Điện trở của hệ thống:

.

110 6,54 1850

HT

k HT

S

- Điện trở của các đoạn dây: Tra phụ lục 18.pl giáo trình Cung cấp điện - TS.Trần

Quang Khánh Đoạn AB sử dụng dây ACO-240 có r0 = 0,12 và x0 = 0,4 (/km)

RAB = l0 r0= 75.0,12 = 9

XAB = l0 x0 = 75 0,4 = 30

Tính toán tương tự cho các đoạn BC, BD, BE ghi trong bảng 1.1

Đoạn Loại dây dẫn F(mm 2 ) r 0 (/km)km) x 0 (/km)km) l (km) R X

- Điện trở ngắn mạch tại thanh cái B:

9

- Dòng ngắn mạch tại thanh cái B:

3 (3)

.

110.10

k B

kB

U

Z

- Điện trở ngắn mạch tại thanh cái C:

- Dòng ngắn mạch tại thanh cái C:

3 (3)

.

.

110.10

0,947

k C

k C

U

kA Z

- Điện trở ngắn mạch tại thanh cái D:

- Dòng ngắn mạch tại thanh cái D:

3 (3)

.

.

110.10

0,977

k D

k D

U

kA Z

Máy biến áp BA1 loại TPДH 25000/110 có UДH 25000/110 có UH 25000/110 có U

k = 10,5%, PДH 25000/110 có U

k

= 120kW

- Điện trở BA1:

1

120.10 37

1,643 (10.10 )

BA

nBA

P U R

S



1

10,375

100 100.25.10 10

k BA

nBA

U U X

Tính toán tương tự với BA2, BA3 trong bảng 1.2

k

BA

() X BA ()

1 TPДH 25000/110 có UДH 25000/110 có UH 25000/110 120 10,5 1,643 10,375

2 TPДH 25000/110 có UДH 25000/110 có UH 10000/110 60 10,5 0,821 10,375

3 TPДH 25000/110 có UДH 25000/110 có UH 10000/110 60 10,5 0,321 8,984

- Điện trở ngắn mạch tại K1:

Z  R  R  R  X  X  X  X

- Dòng ngắn mạch tại

K1 :

3 (3)

1

.

37.10

0, 299

k K

k K

U

kA Z

Tính toán tương tự với các điểm K2, K3 ghi trong bảng 1.3

Điểm ngắn mạch Z k () I k

(3)

(kA)

Tổng hợp các kết quả tính toán ở trên ghi trong bảng 1.4

Điểm ngắn mạch I k

(3)

(kA)

CHƯƠNG 2: BẢO VỆ CHO ĐƯỜNG DÂY

I.BẢO VỆ QUÁ DÒNG CỰC ĐẠI

Tính toán dòng làm việc trên các trên các đoạn dây

3 1

0

10.10

52, 486

3 110 3

BA BC

S I

U

Tính toán tương tự ta có IBD = 52,486 (A)

IBE= 83,978 (A)

Từ đó suy ra : IAB = IBC + IBE + IBD = 83,978 + 252,486 = 188,95 (A)

Bảo vệ 1:

Căn cứ vào dòng làm việc trên đoạn dây IBC = 52,486 (A) ta chọn máy biến dòng BI có dòng định mức In1BI = 100A và dòng định mức phía thứ cấp In2BI = 5A, máy biến dòng mắc theo sơ đồ sao thiếu có hệ số sơ đồ ksđ = 1, dự định chọn rơle số có hệ số trở về ktv

= 0,98; chế độ mở máy nhẹ với kmm =1,6

- Hệ số biến dòng

1 2

100

20 5

nBI i

nBI

I n I

- Dòng khởi động của bảo vệ 1 là:

.

1,3 1, 6.52, 486 111,399( )

0,98

tc mm

tv

k

- Dòng khởi động của rơle bảo vê 1 là:

1

111,399

20

kđ sđ

kđ R

i

I

n

Căn cứ vào dòng khởi động của rơle vừa tính toán được để chọn dòng đặt của rơle IdR theo giá trị gần nhất của thang dòng điện về phía trên: IdR = 7(A)

- Dòng khởi động thực tế của bảo vệ rơle1 :

20.7

140( ) 1

kdI

sđ

n

A

I

I  k  

- Độ nhạy của bảo vệ:

(2) (3) min 0,87 0,87.947

5,88 1,5 140

nh

I

 Vậy bảo vệ đáp ứng độ nhạy cần thiết

- Kiểm tra máy biến dòng theo điều kiện làm việc tin cậy của cuộn cắt:

I

n1BI = 100 > I

cc = 0,05.I

k(3)

=0,05.947 = 47,35 (A)

 Vậy máy biến dòng đã chọn đảm bảo yêu cầu làm việc của cuộn cắt

Bảo vệ 2:Tính toán tương tự với bảo vệ 1 ta xác định giá trị các tham số của bảo vệ 2

- Dòng làm việc I

AB = 188,95(A)

- Dòng sơ cấp của máy biến dòng : I

n1BI = 250(A), hệ số biến dòng n

i = 50

- Dòng khởi động rơle : I

kd.R2

= 8,021 (A)

- Dòng đặt của rơle : I

dR2

= 8,5 (A)

- Dòng khởi động thực tế: I

kdI>

= 425 (A)

- Độ nhạy của bảo vệ : k

nh2 = 3,14

- Dòng tin cậy của cuộn cắt I

cc = 76,7 (A)

* Tính toán thời gian của bảo vệ theo đặc tính độc lập

- Thời gian tác động của bảo vệ 1: t

1 = 0,03s

- Độ phần cấp thời gian t= 0,5s

- Thời gian tác động của bảo vệ 2: t

2 = t 1 + t = 0,03 + 0,5 = 0,53 (s)

* Xét nhánh AE: Tính toán tương tự như nhánh AC.

Tham số tính toán Ký hiệu

Bảo vệ 1 Bảo vệ 2 Bảo vệ 1 Bảo vệ 2

Dòng làm việc, A I

lv.M

52,486 188,95 83,978 216,188 Dòng sơ cấp BI, A I

n1BI

Hệ số biến dòng n

i

Dòng khởi động của

kdR

Dòng đặt của rơle, A I

dR

Dòng khởi động của

bào vê, A I

kdI>

nh

Dòng tin cậy của

cuộn cắt, A

I

cc

* Chú ý:Bảo vệ 2 tức là bảo vệ đặt tại A dùng chung cho cả hai nhánh.

II BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH CHO ĐƯỜNG DÂY

Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ thống là Sk.HT = 1850 (MVA), hệ số tin cậy ktc = 1,3; hệ số mở máy trung bình kmm = 1,6; thời gian tác động của bảo vệ nhanh nhất là t1= 0,03 (s), phân cấp thời gian cho các bảo vệ tiếp theo là t= 0,5 (s) khoảng cách trung bình giữa các dây dẫn là a=5m.Tốc độ gió lớn nhất của môi trường xung quanh là  = 35 (m/s)

- Vùng 1 của bảo vệ A:

Điện trở khởi động vùng I của bảo vệ A:

+) Xác định điện trở quá độ đoạn dây AB:

*) Vùng 1: d 1,4

28700.( ) 28700.(5 35*0,05)

7,5748( )

1407, 47

k

q AB

kB

a v t R

I

+) Điện trở khởi động của vùng I của bảo vệ A khi xét đến điện trở quá độ:

(Ω)

Chọn máy biến áp có (kV) và (V) , tức hệ số biến áp

Điện trở khởi động của rơle:

D.RI.A D.I.A

80

1100

i

u

n

n

D.RI.A D.I.A

80

1100

i

u

n

n

Tổng trở khởi động của rơle:

= 1,897 (Ω)

Ta chọn tổng trở đặt của rơle là (Ω)

Tổng trở thực tế của bảo vệ khoảng cách sẽ là :

D .

1100

80

u

K KCI A D R A

i

n

n

Độ nhạy của bảo vệ khoảng cách vùng I :

39,1695

1, 4243 27,5

AB nh

K

Z

k

Z

*) Vùng 2 của bảo vệ A:

Thời gian tác động của vùng 2: (s)

Trong số các đoạn dây phía sau đoạn AB đoạn BC có giá trị điện trở nhỏ nhất

vì vậy điện trở khởi động của vùng 2 của bảo vệ A được xác định:

28700.( ) 28700.(5 35*0,05)

17,3005( )

780, 25

k

q AB

kB

a v t R

I

(Ω)

Điện trở khởi động của rơle:

D D.I.A

80

1100

i

K RII A K

u

n

n

D D.I.A

80

1100

i

u

n

n

Tổng trở khởi động của rơle:

= 3,5736 (Ω)

Ta chọn tổng trở đặt của rơle là (Ω)

*) Vùng 3 của bảo vệ A:

Trong số các tổng trở đến sau các máy biến áp (Ki) giá trị điện trở của nhánh dây A-K3 vì vậy điện trở khởi động của vùng 3 được xác định:

= 0,7.(9,5+ 0,7.(9,35+0,5.16,5592+0,8.7,26) (Ω)

= 0,7.(38+ 0,7.(22,33+0,8.126,842) (Ω)

Điện trở khởi động của rơle:

(Ω)

(Ω)

Tổng trở khởi động của rơle:

CHƯƠNG 3 : BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP

I.THỰC HIỆN BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP

1 BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHO MÁY BIẾN ÁP

 Bảo vệ cắt nhanh :

*) Đối với máy biến áp 1 :

- Trước hết ta xác định dòng điện định mức ở hai phía của máy biến áp :

1

1

1

10000

52, 49( )

nBA

n

n

S

U

1

2

1

10000

262, 43( )

nBA

n

n

S

U

Dựa vào dòng điện định mức ta chọn các máy biến dòng bão hoà nhanh

(A), và dòng định mức thứ cấp là (A), vậy tỷ số biến dòng sẽ

là :

1

100

20 5

i

60 5

i

Dòng khởi động của bảo vệ cắt nhanh được chọn từ 1 trong 2 điều kiện

+) Lớn hơn dòng ngắn mạch ngoài, (A)

=1,3.79,3= 103,9

+) Lớn hơn dòng đột biến từ hoá máy biến áp :

(A)

Do dòng nên dòng khởi động của bảo vệ cắt nhanh được chọn theo điều kiện thứ 2 :

(A)

Dòng khởi động của rơle bảo vệ cắt nhanh được xác định theo biểu thức :

335,9128

40

CN

i

I

n

Chọn rơle với dòng đặt của rơle (A)

Dòng khởi động thực tế của bảo vệ cắt nhanh:

R

d

d

360( ) 1

d CN i

k CN

s

k

Tỷ lệ vùng tác động cắt nhanh

3 d

HT

E

Vậy bảo vệ đảm bảo yêu cầu cần thiết

2 BẢO VỆ SO LỆCH CHO MÁY BIẾN ÁP

Tính toán bảo vệ so lệch cho BA1: biến áp loại TPДH 25000/110 có UДH 25000/110 có UH 25000/110, điện áp định mức

110/22 kV, máy có bộ phận điều chỉnh điện áp với U

dc = 10%; Tổ nối máy biến áp là Y/ Hệ số tin cậy k

tc = 1,3 ; dòng ngắn mạch 3 pha tại thanh cái phía thứ cấp I

k(3)

=

299 (A)

- Trước hết xác định dòng điện định mức ở 2 phía của máy biến áp

1

1

10000

52, 49( )

n n

n

S

U

2

2

10000

156,04( )

n n

n

S

U

Dựa vào dòng định mức trên chọn máy biến dòng loại bão hòa nhanh có dòng định mức phía sơ cấp lần lượt là I

nI = 100 (A);I

nII = 200 (A); dòng định mức thứ cấp là I

n2 = 5(A)

- Hệ số biến dòng là:

1

100

20;

5

i

40 5

i

Chọn sơ đồ nối dây máy biến dòng: vì sơ đồ nối dây của máy biến áp là Y/ nên ta chọn sơ đồ nối các máy biến dòng của máy biến dòng phía sơ cấp nối theo hình tam

giác (), còn phía sơ cấp nối heo sơ đồ sao đủ (Y), như vậy hệ số sơ đồ phía thứ cấp là k

sd2

=1và hệ số sơ đồ sơ cấp là k sd1  3

- Giá trị dòng điện phía thứ cấp ở hai phía của máy biến dòng ở chế độ định mức là

1 1

2

1

52, 49 3

4,546( );

20

I

i

I k

n

2

6,757( ) 40

II

i

I k

n

Ta thấy sự chênh lệch điện áp phía thứ cấp của máy biến dòng khá lớn nên ta chọn lại máy biến dòng phía thứ cấp InII = 300 (A); ni2 = 60 Khi đó :

2 2 2

2

4,504( ) 60

II

i

I k

n

- Sai số do sự chênh lệch dòng điện phía thứ cấp:

2 2 2

2

4,546 4,504

0,00923 4,546

i

I

s

I

Các máy biến dòng bão hòa nhanh nên k

a = 1; các máy biến dòng khác nhau nên

k

cl

= 1; sai số máy biến dòng s

i = 0,1 Như vậy dòng không cân bằng có giá trị là:

Ikcb.M = (ka .kcl.si + Udc + s2i) IkMax.ng = (1.1.0,1+0,1+0,00923) 299 = 62,562(A)

- Dòng khởi động của rơle

2

2

1

60

sd

i

k

n

- Chọn rơle có dòng đặt là I

dR = 1A

- Dòng khởi động thực tế của bảo vệ so lệch

1.60

60( ) 1

dR i kdSL

sd

I n

k

- Hệ số nhạy của bảo vệ so lệch

(2) (3) min 0,87 0,87.299

4,336 2 60

nhSL

k

 Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết

Với số vòng dây cuộn cân bằng 

n = 20 Chọn số vòng dây san bằng dòng điện thứ cấp:

2

2

4,546

4,504

II

n

I

I

vòng I

Chọn số vòng dây mắc thêm vào phía sơ cấp 

c = 1 vòng