Đồ án môn bảo vệ rơle trong hệ thống điện

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 lâu dài, các thiết bị điện đắt tiền cố 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 hệ thống cần có hệ thống bảo vệ rơ le làm việc an toàn

LỜI NÓI ĐẦU

rong nền kinh tế hiện đại ngày nay năng lượng điện năng là nguồn năng lượng vôcùng quan trọng, việc xây dựng các nhà máy điện và hệ thống truyền tải đang trởthành gánh nặng của quốc gia Trong các phụ tải điện còn có những phụ tải quan trọngkhông thể mất điện trong thời gian lâu dài, các thiết bị điện đắt tiền cố thể bị hư hỏngnếu xảy ra sự cố và không được loại bỏ ngay phần tử bị sự cố Để thực hiện nhiệm vụloại bỏ một cách nhanh nhất phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệ thống cần có hệ thống bảo

vệ rơ le làm việc an toàn

T

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

bộ môn “ Bảo vệ rơle trong hệ thống điện” Môn học đã mang lại cho sinh viên nhữngkiến thức cơ bản nhất của kỹ tuật bảo vệ hệ thống điện bằng rơle, các nguyên tắc tácđộng, cách thực hiện các bảo vệ thường gặp cũng như các chế độ hư hỏng và làm việckhông bình thường điển hình nhất của hệ thống điện và các loại bảo vệ chính đặt chonó

Đồ án “Bảo vệ rơle” giúp sinh viên hệ thống lại toàn bộ kiến thức được học và tiếpcận với một số loại rơle trong thực tế Những kiến thức này sẽ là nền tảng cho quá trìnhtiếp cận thực tế sau này

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

sự hướng dẫn tận tình của thầy Tạ Tuấn Hữu đã giúp em hoàn thành đồ án này Do

thời gian làm bài không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em không thểtránh khỏi những thiếu sót Vậy em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của cácthầy cô cho bài làm của mình hoàn thiện hơn

Hà nội, tháng 4 năm 2017Sinh viên thực hiện

Hoàng Anh Tuấn

MC2 BI2

Các thông số:

+ Hệ thống: SNmax = 2500MVA; SNmin = 0,7 SNmax = 1750MVA; X0HT/X1HT = 1,2

+ Máy biến áp: SBđm = 15MVA; U1/U2 = 115/24 kV; UN% = 10,5

+ Đường dây: L1 = 10km, AC-75; L2 = 15km, AC-175

Giả thiết trong quá trình tính toán ngắn mạch ta bỏ qua:

+ Bão hòa từ

+ Dung dẫn kí sinh trên đường dây, điện trở của cả MBA và đường dây

+ Ảnh hưởng của cả phụ tải tới ngắn mạch

a Các đại lượng cơ bản

Tính toán trong hệ đơn vị tương đối ta chọn:

+ Công suất cơ bản Scb = 100MVA

+ Điện áp cơ bản Ucb = Utb các cấp ={23;115}kV ; EHT = 1

b Điện kháng các phần tử

 Hệ thống:

SNmax = 2500MVA; SNmin = 1750MVA; X0HT/X1HT = 1,2

Giá trị điện kháng thứ tự thuận:

Giá trị điện kháng thứ tự không:

Chế độ max: X0HTmax 1,2.X1HTmax 1, 2.0, 04 0,048Chế độ min: X0HTmin 1,2.X1HTmin 1, 2.0, 057 0, 068

Máy biến áp:

Chia đường dây L1, L2 thành 4 đoạn bằng nhau:

Giá trị điện kháng thứ tự thuận:

2 Tính dòng ngắn mạch của mạng điện ở chế độ cực đại

Để tính toán dòng ngắn mạch trong chế độ ngắn mạch không đối xứng, ta sử dụng

phương pháp các thành phần đồi xứng Điện áp và dòng điện được chia làm ba

phần: thành phần thứ tự thuận(TTT); thành phần thứ tự nghịch(TTN) và thành

phần thứ tự không(TTK) Ta có sơ đồ thay thế:

+ Trong hệ đơn vị có tên: I(3)kAN1 I(3)N1 3.U. Scbcb 2,56. 1003.236, 436kA

N2

EHT

N2

Xtđ

+ Trong hệ đơn vị có tên: I(1,1)kA (1,1)N2 =IN2 . Scb 1,617. 100 4,06(kA)

3.Ucb  3.23+ Dòng điện TTK trong hệ đơn vị có tên:

c Tính toán tương tự cho các điểm ngắn mạch còn lại.

Tính toán dòng ngắn mạch tương tự như điểm N1, N2 ta có bảng kết quả:

X1∑ X0∑ IN(3)kA IN(1)kA IN(1,1)kA I0N(1)kA I0N(1,1)kA max IN max

I0NN1 0.390 0.398 6.4365 6.3927 6.4149 6.3927 6.3496 6.44 6.39N2 0.583 0.880 4.3057 3.6807 4.0604 3.6807 3.2141 4.31 3.68N3 0.776 1.362 3.2348 2.5843 3.0009 2.5843 2.1516 3.23 2.58N4 0.969 1.844 2.5905 1.9912 2.3847 1.9912 1.6171 2.59 1.99N5 1.162 2.326 2.1603 1.6195 1.9798 1.6195 1.2953 2.16 1.62N6 1.424 3.013 1.7628 1.2849 1.6081 1.2849 1.0108 1.76 1.28N7 1.686 3.700 1.4889 1.0649 1.3544 1.0649 0.8288 1.49 1.06N8 1.948 4.387 1.2886 0.9092 1.1699 0.9092 0.7024 1.29 0.91N9 2.210 5.074 1.1358 0.7932 1.0298 0.7932 0.6094 1.14 0.79

Đồ thị dòng ngắn mạch ở chế độ phụ tải cực đại:

3 Tính dòng ngắn mạch của mạng điện ở chế độ cực tiểu.

+ Trong hệ đơn vị có tên: I(2)kAN1 I(2)N1 3.U. Scbcb 2,127. 1003.235,341kA

b Tính toán tương tự cho các điểm ngắn mạch còn lại

Tính toán dòng ngắn mạch tương tự như điểm N1 ta có bảng kết quả:

X1∑ X0∑ IN(2)kA IN(1)kA IN(1,1)kA I0N(1)kA I0N(1,1)kA min IN min I0NN1 0.407 0.418 5.3413 6.1125 6.1405 6.1125 6.0585 5.34 6.06N2 0.600 0.900 3.6232 3.5860 3.9483 3.5860 3.1378 3.59 3.14N3 0.793 1.382 2.7414 2.5373 2.9387 2.5373 2.1171 2.54 2.12N4 0.986 1.864 2.2048 1.9632 2.3450 1.9632 1.5975 1.96 1.60N5 1.179 2.346 1.8439 1.6009 1.9522 1.6009 1.2827 1.60 1.28N6 1.441 3.033 1.5086 1.2731 1.5898 1.2731 1.0032 1.27 1.00N7 1.703 3.720 1.2765 1.0568 1.3413 1.0568 0.8237 1.06 0.82N8 1.965 4.407 1.1063 0.9033 1.1602 0.9033 0.6986 0.90 0.70N9 2.227 5.094 0.9762 0.7887 1.0222 0.7887 0.6066 0.79 0.61

Đồ thị dòng ngắn mạch ở chế độ cực tiểu:

Điều kiện chọn máy cắt như sau :

+ Điện áp định mức của máy cắt : UđmMC ≥ Umạng

+ Dòng điện định mức của máy cắt : IđmMC ≥ Ilv

2 Chọn máy biến dòng điện.

 Chọn tỉ số cho máy biến dòng(BI) : BI1 và BI2 dùng cho bảo vệ đường dây L1,L2 Dòng điện sơ cấp của BI được chọn theo dòng công suất của phụ tải Dòngthứ cấp lấy bằng 5A

Tỉ số biến đổi của BI: ISdm

ni I TdmTrong đó: ISđm: dòng điện danh định phía sơ cấp BI, chọn ISđm ≥ Ilvmax = Icb

ITđm: dòng điện danh định phía thứ cấp BI, lấy bằng 5A

 Chọn BI có tỉ số biến dòng trên đường dây L2 là:

 Chọn BI có tỉ số biến dòng trên đường dây L1 là:

3 Chọn máy biến điện áp.

BU được chọn theo theo điều kiện:

- Sơ đồ nối dây và kiểu nối BU phải chọn phù hợp với nhiệm vụ của nó Để cấp cho

BU ta dùng hai BU một pha nối hình V/V, để kiểm tra cách điện trên mạch 22kV ta dùng loạimáy biến điện áp 3 pha 5 trụ Y0/Y0/

Điều kiện chọn: UđmBU  Umạng

- Cấp chính xác: chọn phù hợp với nhiệm vụ của BU

- Công suất định mức tổng phụ tải nối vào biến điện áp S2 bé hơn hay bằng công suất định mức của biến điện áp với cấp chính xác đã chọn

S2  SđmBU+ Chọn dây dẫn nối giữa BU và các dụng cụ đo: tiết diện dây dẫn được chọn sao chotổng tổn thất điện áp không quá 5%Uđm thứ cấp khi có công tơ và 3% khi không có công tơ.+Theo điều kiện bền cơ: tiết diện tối thiểu là 1,5mm2 đối với dây đồng và 2,5 mm2 đốivới dây nhôm

+ Căn cứ vào các điều kiện trên và sơ đồ bố trí thiết bị đo lường ta chọn BU cho cấpđiện áp 22kV như sau:

Tên đồng hồ Kí hiệu Phụ tải BU pha AB Phụ tải BU pha BC

Cuộn thứ cấpphụ Cấp 0,5 Cấp 1 Cấp 3

Chọn dây nối từ BU đến đồng hồ đo

Xác định dòng điện trong các dây dẫn

Để đơn giản ta coi Ia=Ic=0,2A; cosab=cosbc=1

Như vậy dòng Ib= 3.Ia  3.0, 20, 34A

Điện áp giáng trong dây a và b bằng

(0, 34 0, 2) 0, 0175 40S

CHƯƠNG III: LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO

I0

IZ<

B2

I Bảo vệ cho máy biến áp.

-Bảo vệ chống quá tải :

+ 4: bảo vệ phản ứng theo nhiệt độ

+ 6: bảo vệ quá dòng cắt nhanh

II Bảo vệ cho đường dây.

-7: bảo vệ khoảng cách

- 8: bảo vệ quá dòng cắt nhanh

CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU TÍNH NĂNG VÀ THÔNG SỐ

RƠLE ĐƯỢC SỬ DỤNG

I Nguyên lý quá dòng điện :

1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50)

 Nhiệm vụ: cắt nhanh (tức thời hoặc cỡ 0,1s) phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thốngđảm bảo cho hệ thống an toàn và vẫn làm việc bình thường

 Nguyên lý làm việc: là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòngđiện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi quachỗ đặt bảo vệ khi có hư hỏng ở phần tử tiếp theo

 Thông số khởi động:

Dòng điện khởi động: I = k I

Với kat: hệ số an toàn, lấy bằng 1,2÷1,3

INngmax: dòng ngắn mạch ngoài cực đại, thường lấy bằng giá trị dòngngắn mạch lớn nhất tại thanh cái cuối đường dây

 Vùng tác động: không bao trùm toàn bộ chiều dài đường dây được bảo vệ và thayđổi theo dạng ngắn mạch, chế độ vận hành của hệ thống

2 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh thứ tự không (50N)

 Nhiệm vụ: cắt nhanh (tức thời hay cỡ 0,1s) phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống đảmbảo cho hệ thống an toàn và vẫn làm việc bình thường

 Nguyên lý làm việc: tương tự như bảo vệ quá dòng cắt nhanh nhưng bảo vệ nàyhoạt động dựa trên trị số dòng thứ tự không của đường dây được bảo vệ Khidòng này lớn hơn dòng hỏi động của bảo vệ thì bảo vệ sẽ tác động

 Vùng tác động: cũng tương tự như vùng tác động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh,nhưng vùng tác động ổn định hơn khi chế độ vận hành hệ thống thay đổi.

3 Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51)

 Nhiệm vụ: loại bỏ phần tử bị sự cố sau thời gian t ra khỏi hệ thống nhằm loại bỏdòng điện sự cố đảm bảo hệ thống làm việc bình thường và an toàn

 Nguyên lý làm việc: tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng có thời gian được đảmbảo bằng nguyên tắc phân cấp thời gian tác động Bảo vệ càng gần nguồn cungcấp thì thời gian tác động càng lớn

 Thông số khởi động:

Dòng điện khởi động: I k kmmat .I

kd  kv lvmaxVới: kmm = 2÷3 là hệ số mở máy

Ilvmax : dòng làm việc cực đại

kv = 0,85÷0,95 với rơle cơ; kv = 1 với rơle số

Thời gian làm việc của bảo vệ: có 2 đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quádòng có thời gian:

(a): đặc tính độc lập(b): đặc tính phụ thuộc

I , t 

tC tB

tA

t

 t

(b): đặc tính thời gian độc lập

(c): đặc tính thời gian phụ thuộc

 Vùng tác động: toàn bộ đường dây

4 Bảo vệ quá dòng TTK có thời gian(51N)

 Nhiệm vụ và nguyên lý: cũng tương tự như bảo vệ quá dòng có thời gian nhưng

nó làm việc theo dòng TTK của đường dây được bảo vệ

 Thông số khởi động:

Dòng khởi động của bảo vệ: Ikđ51N = k IdđsBI

Với: k = 0,2

IdđsBI: dòng điện sơ cấp định mức BI

Thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng TTK có thời gian: được chọn theo từng

cấp, thời gian làm việc của bảo vệ phía nguồn cấp hơn bảo vệ phía đường dây là

Δt

 Vùng tác động: toàn bộ đường dây

II Nguyên lý của bảo vệ khoảng cách :

1 Nguyên lý làm việc.

Bộ phận đo khoảng cách làm việc như 1 ôm kế: R R

R

U Z I



Với ZR là tổng trở mà rơle đo được

UR là điện áp trên cực của rơle

IR là dòng điện qua rơle

Sơ đồ nguyên lý:

~

Z<

A

BN

-Xác định dòng vào rơle:

R I

I I n

U U

 Khi có ngắn mạch trên đường dây tổng trở Z giảm xuống ZN << Z:

2 Đặc tính của bảo vệ khoảng cách.

Trên thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phép đo khoảng cách, nên để bảo vệkhoảng cách tác động đúng ta phải mở rộng miền tác động của rơle khoảng cách,

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ khoảng cách.

a) Sai số của BU, BI

+ Rhq là điện trở của hồ quang ở chỗ bị ngắn mạch.

+ Rđ là điện trở của đất và các thiết bị nối đất, được quy định cho từng cấpđiện áp

Rqđ thường mang tính tác dụng làm tăng thành phần điện trở của điện trở đođược ZR tăng dẫn đến thời gian làm việc tăng

Được khắc phục bằng cách sử dụng các đặc tính thích hợp

c) Phân bố của dòng ngắn mạch

Khi sự cố xảy ra trong vùng 2 và 3 tùy theo cấu hình lưới điện có dòng điệnngắn mạch IN và dòng đi qua rơle có thể có trị số khác Như vậy gây sai số chophép đo khoảng cách

d) Ảnh hưởng của dao động điện

Xuất hiện trong chế độ làm việc không bình thường, khi các máy phát điện bịmất đồng bộ, có thể khắc phục bằng các giải pháp vận hành

4 Phạm vi ứng dụng của bảo vệ khoảng cách.

Bảo vệ khoảng cách được sử dụng phổ biến để bảo vệ các đường dây tải điện, làbảo vệ chính hoặc bảo vệ dự phòng cho các máy phát điện, máy biến áp công suấtlớn

- Có nhiều ưu điểm:

+ Không phụ thuộc vào chế độ tải của hệ thống

+ Có tính dự phòng rất cao, cấp sau có thể làm dự phòng cho cấp trước, cụ thểtrong cùng 1 bảo vệ thì cấp 2 dự phòng cho cấp 1, cấp 3 dự phòng cho cấp 1

và 2 Đối với các bảo vệ lân cận nhau thì bảo vệ sau dự phòng cho bảo vệtrước, hầu hết đường dây có điện áp 110kV trở lên thì bảo vệ khoảng cáchđược sử dụng như 1 bảo vệ chính

III Nguyên lý so lệch dòng điện:

 Nhiệm vụ: làm bảo vệ chính cho các đường dây, đặc biệt là các đường dây quantrọng, làm nhiệm vụ chống ngắn mạch

 Sơ đồ nguyên lý làm việc:

Dòng vào rơle: IR = ΔI = IT1 – IT2 (dòng so lệch)

Xét tình trạng làm việc bình thường của bảo vệ

Giả sử ngắn mạch tại N1, dòng ngắn mạch từ A đến Ta có:

IS1 = IS2

IT1 = IT2

IR = 0 (lý tưởng) => rơle không tác động

Khi ngắn mạch tại N2, có IS1 ≠ IS2, nên IT1 ≠ IT2, nên IR ≠ 0

Nếu giá trị IR ≥ Ikđ thì bảo vệ sẽ tác động

 Dòng khởi động:

Để bảo vệ làm việc đúng, ta phải đặt dòng khởi động của bảo vệ lớn hơn dòngkhông cân bằng lớn nhất( Ikcbttmax) khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ

Ikđ = k Ikcbttmax

Trong đó: Ikcbttmax = fimax kđn kkck INngmax

Với: kđn : hệ số kể tới sự đồng nhất của các BI, bằng 0 khi các BI cùng loại, cùngđặc tính từ hóa, hoàn toàn giống nhau, có dòng ISC như nhau; bằng 1 khi các BIkhác nhau nhiều nhất, 1 bộ có sai số, 1 bộ không

kkck : hệ số kể đến thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch ngoài

fimax = 0,1 sai số cực đại cho phép của BI làm việc trong tình trạng ổn định

INngmax: dòng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất

 Vùng tác động: có vùng tác động giới hạn bởi vị trí đặt của 2 tổ BI ở đầu và cuốiđường dây được bảo vệ, là loại bảo vệ có tính chất chọn lọc tuyệt đối, không cókhả năng làm dự dòng cho các bảo vệ khác.

 Độ nhạy: N min

n kd

I K

I



INmin là dòng ngắn mạch cực tiểu khi có sự cố trong vùng bảo vệ

Vì Ikđ lớn nên Kn giảm nên thường phải sử dụng các biện pháp để nâng cao độnhạy và tăng độ tin cậy của bảo vệ so lệch bằng cách sử dụng nguyên lý của rơle

so lệch có hãm hoặc sử dụng rơle so lệch tổng trở cao

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA BẢO VỆ,

KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ

I Tính toán thông số khởi động

Để bảo vệ cho đường dây, ta sử dụng 2 phương án bảo vệ sau:

+ Bảo vệ quá dòng cắt nhanh dòng pha

+ Bảo vệ quá dòng có thời gian dòng pha Tính toán thời gian tác động của bảo vệ quádòng cực đại với đặc tính thời gian phụ thuộc IN

I* I kd và Tp là hằng số thời gian, vớithời gian cắt của các phụ tải tpt11(s); tpt2 1,5(s)

Sơ đồ bố trí thiết bị:

1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh(50)

 Trị số dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng cắt nhanh dòng pha được lựa chọntheo công thức:

50

Ikđ  k Iat Nngmax

Với kat: hệ số an toàn, lấy bằng 1,1÷1,2

INngmax: dòng ngắn mạch ngoài cực đại, thường lấy bằng giá trị dòng ngắn mạchlớn nhất tại thanh cái cuối đường dây

+ Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng cắt nhanh trên đoạn đường dây L2 là:

2 Bảo vệ quá dòng có thời gian(51)

 Dòng khởi động của bảo vệ quá dòng có thời gian được tính theo:

Ilvmax : dòng làm việc cực đại

kv = 0,85÷0,95 với rơle cơ; kv = 1 với rơle số

 Dòng khởi động cho bảo vệ quá dòng trên đoạn đường dây L2 là:

1, 2.251

 Với bảo vệ 2 (đường dây L2):

Chọn đặc tính thời gian phụ thuộc có độ dốc tiêu chuẩn t I2801.Tp

*





+ Tại điểm ngắn mạch N9: Ta có:

 Với bảo vệ 1 (đường dây L1):

+ Thời gian bảo vệ làm việc tại điểm N5 trên đường dây L1 là:

Chọn đặc tính thời gian phụ thuộc có độ dốc tiêu chuẩn

80

p2

I* 1



+ Tại điểm ngắn mạch N9:

 Với bảo vệ 1 (đường dây L1):

+ Thời gian bảo vệ làm việc tại điểm N5 trên đường dây L1 là:

t1N5 max t2N5 pt1; t   t max 0,986;1 0,5 1 0,5 1,5(s)  

+ Tại điểm ngắn mạch N4:

Ta có:

 Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng đường dây trong chế độ cực tiểu:

3 Kiểm tra độ nhạy của quá dòng cực đại có thời gian (51)

Độ nhạy được xác định theo công thức:

Ikd



 Đối với bảo vệ trên đường dây L1:

+ Bảo vệ quá dòng cực đại (51):

 Đối với bảo vệ trên đường dây L2:

+ Bảo vệ quá dòng cực đại (51):