đồ án môn học bảo vệ rơ le

Các yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ Trong quá trình vận hành, hệ thống điện HTĐ có thể rơi vào tình trạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường như: hư hỏng cách điện, ngắn mạch giữ

MỤC LỤC

PHẦN LÝ THUYẾT 2

1 CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI THIẾT BỊ BẢO VỆ 2

1.1 Tác động nhanh 2

1.2 Tính chọn lọc 2

1.3 Yêu cầu về độ nhạy 3

1.4 Độ tin cậy 3

1.5 Tính kinh tế 3

2 NGUYÊN LÝ BẢO VỆ VÀ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA TỪNG LOẠI BẢO VỆ 3

2.1 Bảo vệ so lệch có hãm 3

2.2 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không 5

2.3 Bảo vệ bằng rơle khí (BUCHHOLZ) 6

2.4 Bảo vệ bằng rơle nhiệt 7

2.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 8

2.6 Bảo vệ quá dòng có thời gian 8

2.7 Bảo vệ quá dòng thứ tự không 10

2.8 Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch 10

2.9 Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 11

3 SƠ ĐỒ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY L1 VÀ L2 11

3.1 Các bảo vệ cho máy biến áp 11

3.2 Bảo vệ cho đường dây L 1 và L 2 12

PHẦN TÍNH TOÁN 13

1 ĐỐI TƯỢNG BẢO VỆ 13

2 CÁC SỐ LIỆU 13

3 CHỌN BI 13

4 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH NGẮN MẠCH 15

4.1 Tính toán thông số điện kháng của các phần tử trong hệ đơn vị tương đối cơ bản 15

4.2 Xác định dòng ngắn mạch của các dạng ngắn mạch cần tính toán 15

4.3 TÍNH TOÁN CÀI ĐẶT THÔNG SỐ CHO CHỨC NĂNG 50, 50N, 51 VÀ 51N 28 4.4 XÁC ĐỊNH VÙNG BẢO VỆ CẮT NHANH CỦA BẢO VỆ 50 VÀ KIỂM TRA ĐỘ NHẠY CỦA BẢO VỆ 32

PHẦN LÝ THUYẾT

1 Các yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ

Trong quá trình vận hành, hệ thống điện (HTĐ) có thể rơi vào tình trạng sự cố và chế

độ làm việc không bình thường như: hư hỏng cách điện, ngắn mạch giữa các vòng dây, vỏmáy biến áp bị rò rỉ, mức dầu trong máy biến áp giảm quá mức cho phép

Phần lớn các sự cố xảy ra thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng cao và điện ápgiảm xuống thấp quá mức cho phép dẫn đến phá hủy các thiết bị điện Do đó sự cố cần đượcloại trừ nhanh chóng để đảm bảo không làm hư hỏng các phần tử còn tốt trong HTĐ vàkhông gây nguy hiểm cho người vận hành Các thiết bị bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện và loạitrừ sự cố ra khỏi hệ thống càng nhanh càng tốt, nhằm ngăn chặn và hạn chế tối đa những hậuquả của sự cố

Thiết bị tự động được dùng phổ biến nhất để bảo vệ cho các HTĐ là các rơle với cáctính năng và nhiệm vụ khác nhau Khái niệm rơle được dùng chỉ một tổ hợp thiết bị nhằmthực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn

bộ hệ thống Các rơle bảo vệ thường phải thỏa mãn các yêu cầu chung như sau: tác độngnhanh, tính chọn lọc, yêu cầu về độ nhạy, độ tin cậy và tính kinh tế

1.1 Tác động nhanh

Khi phát sinh ngắn mạch, thiết bị điện phải chịu tác động của lực động điện và tácdụng nhiệt do dòng ngắn mạch gây ra Vì thế việc phát hiện và cắt nhanh phần tử bị ngắnmạch sẽ hạn chế được mức độ hư hỏng của các phần tử đó, nâng cao hiệu quả của thiết bị tựđộng đóng lại mạng lưới điện và hệ thống thanh cái, rút ngắn được thời gian sụt áp ở các hộtiêu thụ và tăng khả năng giữ ổn định cho HTĐ Hiển nhiên bảo vệ phát hiện và cách ly phần

tử bị sự cố càng nhanh càng tốt

1.2 Tính chọn lọc

Đây là khả năng phát hiện và cách ly đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống Cấuhình của HTĐ càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn Theonguyên lý làm việc, các bảo vệ được phân thành hai loại:

- Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm việc khi sự cố xảy ra trongphạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lâncận

- Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được

Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, phải

có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống

1.3 Yêu cầu về độ nhạy

Độ nhạy đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của hệ thống bảo vệ, nó được biểudiễn bằng hệ số độ nhạy, tức là tỷ số giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cốvới ngưỡng tác động của nó Tùy theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy đối với nócũng khác nhau Các bảo vệ chính thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy trong khoảng từ 1,5đến 2, các bảo vệ dự phòng từ 1,2 đến 1,5

Đặc biệt chú ý đối với lưới trung, hạ áp, số lượng các phần tử bảo vệ lớn, yêu cầu bảo

vệ không cao nên cần cân nhắc về kinh tế sao cho thiết bị bảo vệ có thể đảm bảo được cácyêu cầu về kỹ thuật với chi phí nhỏ nhất

2 Nguyên lý bảo vệ và các thông số chính của từng loại bảo vệ

2.1 Bảo vệ so lệch có hãm

Đối với MBA công suất lớn làm việc ở lưới cao áp, bảo vệ so lệch (87T- ΔII) đượcdùng làm bảo vệ chính có nhiệm vụ chống ngắn mạch trong các cuộn dây và đầu ra củaMBA

Bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dòng điện ở các đầu của phần

tử bảo vệ Bảo vệ sẽ tác động đưa tín hiệu đi cắt các máy cắt khi sự cố xảy ra trong vùng bảo

vệ (vùng bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI mắc vào mạch so lệch)

Một đặc điểm của bảo vệ so lệch MBA là dòng điện từ hóa của MBA sẽ tạo nên dòngđiện không cân bằng chạy qua rơle Trị số quá độ của dòng điện không cân bằng này có thểrất lớn trong chế độ đóng MBA không tải hoặc cắt ngắn mạch ngoài Vì vậy, để hãm bảo vệ

so lệch của MBA người ta sử dụng dòng điện từ hóa của MBA

Nguyên lý của bảo vệ so lệch dòng điện cho MBA được mô tả trên hình sau:

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch cho MBA

Với nguồn cung cấp từ phía 1, còn phụ tải ở phía 2 và 3 Bỏ qua dòng điện kích từcủa MBA, dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng:

I I I ICác dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãmtheo quan hệ:

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

H LV

I  I

2.2 Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không

Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không (87N- ΔII0) còn gọi là bảo vệ chống chạm đất hạnchế - Restricted Earth Fault), sử dụng để bảo vệ chống các sự cố chạm đất trong các cuộndây đấu sao có trung tính nối đất

Hình 1.2 Bảo vệ chống chạm đất hạn chế cho MBA

Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ (điểm N1) ta có:

I : Dòng thứ tự không chạy từ phía hệ thống về MBA;

' 0

I : Dòng thứ tự không chạy trong cuộn dây MBA;

Đ

I : Dòng chạy qua dây trung tính MBA.

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ (điểm N2) toàn bộ dòng chạm đất sẽ chạy qua điện

trở R tạo nên điện áp đặt trên rơle so lệch rất lớn, rơle sẽ tác động

2.3 Bảo vệ bằng rơle khí (BUCHHOLZ)

Những hư hỏng của máy biến áp có cuộn dây ngâm trong dầu đều làm cho dầu bốchơi và chuyển động Các máy biến áp dầu có công suất lớn hơn 5MVA được bảo vệ bằng

rơle khí B21 , rơle hoạt động dựa vào sự bốc hơi dầu MBA khi bị sự cố và mức độ hạ thấpdầu quá mức cho phép, có hai cấp tác động: cấp 1 báo tín hiệu, cấp 2 cắt các máy cắt nối vớimáy biến áp.

Rơle khí với 2 cấp tác động gồm hai phao bằng kim loại mang bầu thủy tinh con cótiếp điểm thủy ngân hoặc tiếp điểm từ Trong chế độ làm việc bình thường, trong bình rơleđầy dầu, tiếp điểm rơle ở trạng thái hở Khi khí bốc ra yếu (chẳng hạn vì dầu nóng do quátải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gửi tín hiệu cấp 1cảnh báo (Alarm circuit) Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch bên trong thùngdầu), luồng dầu vận chuyển từ thùng lên bình giãn dầu xô phao số 2 xuống gửi tín hiệu đi cắtmáy biến áp (trip circuit) Rơle khí còn có thể tác động khi mức dầu trong bình rơle giảmthấp do dầu bị rò rỉ hoặc thùng biến áp bị thủng

Phao 1

Phao 2

Tới bình dầu phụ

Tới thùng dầu thân máy

Cắt máy cắt

Báo tín hiệu Van xả khí

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo rơle khí

Rơle khí có thể làm việc khá tin cậy chống lại tất cả các sự cố bên trong thùng dầumáy biến áp, tuy nhiên kinh nghiệm vận hành cũng phát hiện một số trường hợp tác động sai

do ảnh hưởng của chấn động cơ học lên máy biến áp (như động đất, các vụ nổ gần nơi đặtmáy biến áp …)

Đối với máy biến áp lớn, bộ điều chỉnh điện áp dưới tải thường được đặt trong thùngdầu riêng và người ta dùng 1 bộ rơle khí riêng để bảo vệ cho bộ điều áp dưới tải

Rơle khí được đặt trên đoạn nối từ thùng dầu đến bình dãn dầu của MBA Dựa vàothành phần và khối lượng hơi sinh ra ta có thể xác định được tính chất mức độ sự cố Do đótrên rơle khí còn có thêm van để lấy hỗn hợp khí sinh ra nhằm phục vụ cho việc phân tích sự

cố Rơle khí tác động chậm, thời gian làm việc tối thiểu là 0,1s, trung bình là 0,2s

2.4 Bảo vệ bằng rơle nhiệt

Quá tải làm cho nhiệt độ của máy biến áp tăng cao quá mức cho phép, nếu thời giankéo dài sẽ làm giảm tuổi thọ máy biến áp Để bảo vệ chống quá tải ở máy biến áp công suất

bé dùng loại bảo vệ quá dòng điện thông thường, với máy biến áp lớn, người ta dùng nguyên

lí hình ảnh nhiệt để thực hiện bảo vệ chống quá tải Bảo vệ loại này phản ánh mức tăng nhiệt

độ ở những điểm kiểm tra khác nhau trong máy biến áp và tuỳ theo mức tăng nhiệt độ mà cónhiều cấp tác động khác nhau: cảnh báo, khởi động các mức làm mát bằng cách tăng tốc độtuần hoàn của dầu, giảm tải máy biến áp Nếu các cấp tác động này không mang lại hiệu quả,nhiệt độ máy biến áp vẫn vượt quá giới hạn cho phép và kéo dài quá thời gian quy định thì

sẽ cắt máy biến áp ra khỏi hệ thống Mức quá tải cho phép thường do nhà sản xuất thiết bịquy định Bảo vệ quá tải MBA có 2 cấp tác động:

- Cấp 1: cấp cảnh báo,  0kđ 90 C0

- Cấp 2: cấp tác động cắt MBA,  0kđ 100 C0

2.5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 50 tác động khi dòng điện qua rơle vượt quá trị số địnhtrước và tác động cắt máy cắt ngay lập tức

Để đảm bảo tính chọn lọc, tránh tác động sai khi ngắn mạch ngoài vùng được bảo vệ,dòng điện khởi động được chọn như sau:

kđ at Nng.max

I  K I

Trong đó:

I : dòng điện khởi động của rơle.

Khi IN Ikđ thì 50 tác động cắt tức thời đối tượng được bảo vệ

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có nhược điểm là không bảo vệ được toàn bộ đối tượng,khi ngắn mạch ở cuối phần tử, bảo vệ cắt nhanh không tác động Hơn nữa, vùng bảo vệ cóthể thay đổi nhiều khi chế độ làm việc của hệ thống và dạng ngắn mạch thay đổi Do đó, 50không thể thực hiện vai trò bảo vệ chính cho các đối tượng, nó thường làm nhiệm vụ dựphòng do khả năng cắt nhanh

2.6 Bảo vệ quá dòng có thời gian

Rơle quá dòng có thời gian 51 tác động khi dòng điện qua rơle vượt quá trị số địnhtrước và sau một khoảng thời gian đặt trước Rơle quá dòng có thời gian gồm 2 loại cơ bản:

- Rơle quá dòng có thời gian với đặc tuyến thời gian độc lập

- Rơle quá dòng có thời gian với đặc tuyến thời gian phụ thuộc

Dòng điện khởi động được xác định như sau:

I



Hệ số độ nhạy phụ thuộc vào vai trò của bảo vệ, bảo vệ chính Kn 1,5 2 , bảo vệ dựphòng Kn 1,2 1,5

Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng có thời gian được chia làm hai loại: thời gianlàm việc độc lập và thời gian làm việc phụ thuộc

- Thời gian làm việc độc lập: thời gian được cài đặt t=const và không phụ thuộc vàodòng điện

- Thời gian làm việc phụ thuộc: t phụ thuộc (tỷ lệ nghịch vào dòng điện qua bảo vệ).Mức độ phụ thuộc được xác định theo tiêu chuẩn bảo vệ

Theo IEC:

đ b

kđI,I : dòng điện qua bảo vệ và dòng khởi động của bảo vệ

a,b: các hệ số

đ

T : trị số đặt của thời gian

Tùy theo a, b mà có mức độ phụ thuộc (đường cong) khác nhau IEC phân biệt 3 loại độdốc của đường cong t(I):

- Độ dốc bình thường (Nomal Inverse) có a  0 , 14; b 0 , 02

- Rất dốc (Very Inverse) có a  13 , 5; b  1

- Cực dốc (Extremely Inverse) có a  80; b 2

Các loại rơ le quá dòng hiện đại cho phép người sử dụng tự chọn quan hệ phụ thuộc (độdốc)

2.7 Bảo vệ quá dòng thứ tự không

Bảo vệ quá dòng thứ tự không 50N, 51N thường đặt ở phía cuộn dây có trung tínhnối đất, dự phòng cho bảo vệ so lệch thứ tự không và các bảo vệ chống chạm đất Trongthực tế trị số dòng điện của các chức năng được cài đặt như sau:

- Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh 50N:

- Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian 51N:

Dòng điện khởi động: I51Nkđ  k I0 dđ.BI

Trong đó: k0 là hệ số chỉnh định, k0  0 , 2  0 , 3

dđ.BI

I : dòng danh định của BIThời gian làm việc của 51N có thể chọn 1 trong 2 loại: đặc tính thời gian độc lậphoặc đặc tính thời gian phụ thuộc

2.8 Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch

Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch 46 là loại rơle bảo vệ mất cân bằng pha khi hệ thốngkhông đối xứng, thường là đứt dây hoặc ngắn mạch không đối xứng Khi hệ thống mất cânbằng pha, xuất hiện dòng thứ tự nghịch I2 sinh ra từ thông thứ tự nghịch quay với tốc độbằng 2 lần tốc độ đồng bộ, đốt nóng thiết bị Thông số chỉnh định:

Thời gian được chọn theo đặc tính thời gian phụ thuộc

Người ta dựa vào tỷ lệ dòng điện thứ tự nghịch trên dòng điện thứ tự thuận để xácđịnh hiện tượng đứt dây:

2

1

I0,2

I  : đứt dây

2.9 Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt

Bảo vệ chống hư hòng máy cắt 50BF là một bảo vệ dự phòng được đặt ở 3 phía củaMBA Khi bảo vệ chính phát tín hiệu cắt tới máy cắt thì bộ đếm thời gian của bảo vệ 50BF

sẽ khởi động Bộ đếm thời gian sẽ tiếp tục làm việc khi vẫn tồn tại tín hiệu cắt và dòng sự

cố Nếu máy cắt từ chối lệnh cắt (máy cắt bị hỏng) và bộ đếm thời gian đạt đến ngưỡng thờigian giới hạn thì bảo vệ 50BF sẽ phát tín hiệu đi cắt các máy cắt đầu nguồn có liên quan đếnmáy cắt hỏng để loại trừ sự cố

~

BI5

50 50N 51 51N HBQD

50 50N 51 51N HBQD

3 4

87T 87N

50 50N

51 51N

49 50BF

HBQD

46 HBQD

5 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh

6 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh thứ tự không

7 Bảo vệ quá dòng pha có thời gian

8 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian

9 Bảo vệ chống quá tải

10 Bảo vệ khi máy cắt từ chối làm việc

11 Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịchDùng một bộ rơle bảo vệ so lệch có hãm là 7UT613 của SIEMENS.Rơle 7UT613được lấy tín hiệu dòng điện từ BI ngăn máy cắt đầu các phía MBA Các chức năng bảo vệ đề

xuất sử dụng: chức năng bảo vệ so lệch có hãm (87T), bảo vệ chống chạm đất hạn chế (87N)

và bảo vệ chống quá tải nhiệt (49)

Rơle 7SJ612 là rơle đa chức năng của hãng SIEMENS với các chức năng cơ bản: 50,

51, 50N, 51N và 50BF:

- Chức năng chống hư hỏng máy cắt (50BF) tác động khi có sự cố hỏng ở máy cắt nhậnđược lệnh cắt

- Chức năng bảo vệ quá dòng (50/51) và bảo vệ quá dòng điện thứ tự không (50N/51N)

là chức năng bảo vệ dự phòng cho MBA

Rơle khí (Buchholz) 2 cấp tác động có tác dụng cảnh báo hoặc tác động máy cắt khi

có sự cố hoặc tụt dầu quá giới hạn cho phép bên trong máy biến áp

3.2 Bảo vệ cho đường dây L1 và L2

Bảo vệ chính

1 Bảo vệ quá dòng pha có thời gian

2 Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời

gian

Bảo vệ dự phòng

3 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh

4 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh thứ tự không

PHẦN TÍNH TOÁN

1 Đối tượng bảo vệ

TG1

51 51N 50 50N

51 51N 50 50N

Hệ thống: SN max = 2100 MVA; SN min = 1900 MVA; X0H/ X1H = 1,1

Máy biến: S = 40 MVA; U1/U2 = 115/24 kV; UN% = 11,5 %

Đường dây:

L1 = 10 + n = 10 + 27 = 37 km;loại dây AC-120;Z = 0,27 + j0,408 (Ω/km);

X0L/ X1L = 3L2 = 5 + n = 5 + 27 = 29 km; loại dây AC-95; Z = 0,33 + j0,414 (Ω/km);

 Điều kiện chon BI :







đm BI đ

Uđm BI, Iđm BI : điện áp và dòng điện định mức của lưới điện

 Tính dòng cưỡng bức của các phía MBA :

Chọn BI2 có dòng định mức sơ cấp Isc = 1500 (A)

 Tính dòng cưỡng bức cho đường dây L 1 và L 2 :

c Điện kháng đường dây L1

d Điện kháng đường dây L2

4.2 Xác định dòng ngắn mạch của các dạng ngắn mạch cần tính toán

Chia mỗi đường dây làm thành 8 phần bằng nhau Như vậy ta sẽ tính toán dòng ngắnmạch tại 9 điểm ngắn mạch từ : N1 đến N9 với sơ đồ như hình vẽ

* Sơ đồ thay thế ngắn mạch:

Điện kháng ngắn mạch thứ tự thuận và thứ tự nghịch tại điểm N1 ở chế độ max:

Điện kháng ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch N1 ở chế độ max:

Điện kháng ngắn mạch thứ tự thuận và thứ tự nghịch tại điểm N1 ở chế độ min:

Điện kháng ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch N1 ở chế độ min:

Vậy tương tự điện kháng ngắn mạch thứ tự thuận, nghịch, không cho các điểm ngắn mạch

từ N2 đến N5 được tính theo công thức sau:

với i = 1,2,3,4

Điện kháng ngắn mạch tại điểm N2:

* Đoạn đường dây L2 sẽ có 4 điểm tính toán ngắn mạch là N6, N7, N8 và N9

- Tại điểm ngắn mạch N 6 :

Điện kháng ngắn mạch thứ tự không tại điểm ngắn mạch N6:

Vậy điện kháng ngắn mạch thứ tự thuận, nghịch, không cho các điểm ngắn mạch từ N7 đếnN9 được tính theo công thức sau:

* Chế độ min:

0,341 0,996 1,651 2,306 2,961 3,536 4,111 4,686 5,2610,341 0,996 1,651 2,306 2,961 3,536 4,111 4,686 5,2610,346 2,312 4,278 6,244 8,21 9,935 11,66 13,385 15,11

4.2.1 Tính toán ngắn mạch cho chế độ cực đại