Các phương pháp bảo vệ các máy biến áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -[\ [\ NGUYỄN THANH HƯƠNG NGUYỄN THANH HƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP KHÓA 2009 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH THIẾT BỊ ĐIỆN –ĐIỆN TỬ Hà Nội, năm 2011 -1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -[\ [\ - NGUYỄN THANH HƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP Chuyên ngành: Thiết bị điện-điện tử LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KTĐ HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM VĂN CHỚI Hà Nội, năm 2011 -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, nội dung trình bày luận văn tìm tòi, nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu trung thực chưa công bố luận văn tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung cam đoan Hà nội, ngày 24 tháng 09 năm 2011 Tác giả Nguyễn Thanh Hương -3- MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP I Định nghĩa vai trò máy biến áp I.1 Định nghĩa I.2.Vai trò máy biến áp hệ thống điện II.Cấu tạo máy biến áp điện lực II.1.Lõi thép II.2.Dây quấn III.Phân loại máy biến áp, xu hướng chế tạo máy biến áp III.1.Máy biến áp III.2.Máy biến áp khô IV.Sử dụng công nghệ chế tạo máy biến áp 11 V.Những nguyên nhân gây cháy, nổ máy biến áp 13 V.1.Nhiệt độ máy biến áp tăng cao mức cho phép hư hỏng trầm trọng xảy mạch từ 13 V.2.Do cuộn dây máy bị chập 13 V.3.Ngắn mạch pha 14 V.4.Đứt mạch pha cuộn dây 14 V.5.Hư hỏng sứ đầu vào máy biến áp 14 V.6.Do tác động thiên nhiên 14 Kết luận chương I 15 CHƯƠNG II CÁC DẠNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP TRONG MÁY BIẾN ÁP 16 I.Mục đích việc bảo vệ máy biến áp 16 I.1 Mục đích bảo vệ 16 I.2.Lựa chọn đặt bảo vệ máy biến áp theo công suất 16 II.Các dạng cố, hư hỏng thường xảy máy biến áp 17 II.1.Sự cố bên máy biến áp điện lực 17 -4- II.1.1.Ngắn mạch vòng dây pha 18 II.1.2.Ngắn mạch pha 18 II.1.3.Ngắn mạch pha máy biến áp ba pha 19 II.2.Sự cố bên ảnh hưởng đến làm việc máy biến áp 19 III.Các loại bảo vệ máy biến áp 19 IV.Phân tích số dạng cố thường gặp máy biến áp phân phối hoàn toàn TIS 21 IV.1.Chảy dầu 22 IV.2.Áp suất cao 22 IV.3.Quá tải 23 IV.4.Sự phối hợp loại bảo vệ 24 Kết luận chương II 24 CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP 25 I.Các phương pháp bảo vệ máy biến áp 25 I.1.Bảo vệ tải rơ le dòng điện 25 I.2.Bảo vệ tải hình ảnh nhiệt 26 I.3 Bảo vệ dòng 26 I.4.Nếu độ nhạy không đạt phải sử dụng BVQI có phận khởi động điện áp (BVQIKU) 28 I.5.Bảo vệ cắt nhanh 29 I.6.Bảo vệ so lệch máy biến áp 30 I.7.Bảo vệ dòng thứ tự nghịch (BVI2) 32 I.8.Bảo vệ dòng điện thứ tự không 33 I.9.Bảo vệ dòng điện thứ tự không hai phía nối đất 34 I.10.Rơ le khí Buchholz (96B) 35 I.11.Bảo vệ nhiệt độ cuộn dây máy biến áp (26W) 36 I.12.Rơ le nhiệt độ dầu (26Q) 38 I.13.Bảo vệ Gas 39 I.14.Bảo vệ chống chạm đất giới hạn 41 I.15.Các nguyên lý khác để phát cố chế độ làm việc không bình thường 43 -5- I.15.1.Biến điện áp 43 I.15.2.Biến dòng điện 43 I.15.3.Các lọc sóng hài 44 II.Giới thiệu số rơ le thông dụng bảo vệ máy biến áp sử dụng hệ thống điện 44 II.1.Rơle số sử dụng bảo vệ so lệch máy biến áp hệ thống điện nước ta 44 II.2 Rơle số sử dụng bảo vệ dòng/quá dòng chạm đất 45 II.3.Giới thiệu rơle RET521 45 II.3.1.Thông số kỹ thuật 45 II.3.2.Các chức 47 Kết luận chương III 54 55 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG I.Giới thiệu chung MATLAB SIMULINK 55 II.Giới thiệu thư viện SIM POWER SYSTEM II.1.Vai trò Sim power system việc thiết kế mô 57 II.2.Thư viện Sim power system 58 III.Mô hình mô thông số mạch điện 59 III.1.Mô hình mạch điện 59 III.1.1 Giới thiệu thiết bị mô hình mô III.2.Mô cố bên máy biến áp 76 III.2.1 Phía cao áp 76 III.2.2.Phía trung áp với trung tính cách đất 84 III.2.3.Phía hạ áp 94 Kết luận chương IV 100 Kết luận 102 Tài liệu tham khảo 10 -6- DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BI Máy biến dòng điện BIG Máy biến dòng trung gian BVCN Bảo vệ cắt nhanh BVIo Bảo vệ dòng điện thứ tự không BU Máy biến điện áp BVQI Bảo vệ dòng HTĐ Hệ thống điện MBA Máy biến áp NM Ngăn mạch -7- DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1 Một số đặc tính vật liệu vô định hình 12 Bảng 2.1 Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp 20 Bảng 4.1 Tổng kết cố phương án bảo vệ máy biến áp 102 -8- DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu tạo máy biến áp Hình 1.2 Sơ đồ mạng truyền tải điện đơn giản Hình 1.3 Kết cấu máy biến áp Hình 1.4 Lõi sắt kiểu bọc Hình Các sơ đồ khác để điều chỉnh điện áp cuộn cao áp Hình 1.6: Khả chống cháy cuộn dây đúc epoxy Hình 1.7: Máy biến áp khô đúc nhựa epoxy 10 Hình 2.1 Ngắn mạch vòng dây pha 18 Hình 2.2 Ngắn mạch pha chạm đất 18 Hình 2.3 Ngắn mạch nhiều pha cuộn dây máy biến áp 19 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý mba hoàn toàn tin cậy TIS 21 Hình 2.5 Đường cong tác động cầu chì 23 Hình 3.1 Bảo vệ tải 25 Hình 3.2 Bảo vệ QI 27 Hình 3.3 Bảo vệ QI có phận khởi động điện áp 28 Hình 3.4 Bảo vệ cắt nhanh 29 Hình 3.5.Cân pha trị số dòng điện thứ cấp BVSL mba cuộn dây BI trung gian 30 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý BVSL có hãm cho mba cuộn dây HM 31 Hình 3.7 BV QI kết hợp với BV I2 32 Hình 3.8 BV I0 mba nối đất phía 33 Hình 3.9 BV dòng ngắn mạch với đất mba dây quấn nối đất 34 Hình 3.10 Nguyên lý cấu tạo (a) vị trí bố trí máy biến áp (b) rơle khí 36 Hình 3.11 Thiết bị thị nhiệt độ cuộn dây 37 Hình 3.12 Cách lắp rơle nhiệt độ máy biến áp 38 Hình 3.13 Bảo vệ gas máy biến áp 40 -9- Hình 3.14 Sơ đồ BV chống CĐ có giới hạn cho máy biến áp 42 Hình 4.1: Biểu tượng chương trình MATLAB 56 Hình 4.2 : Cửa sổ thư viện Simulink 57 Hình 4.3: Cửa sổ thư viện SimPowerSystem 60 Hình 4.4 Chế độ làm việc xác lập phía cao áp 78 Hình 4.5 Dòng điện điện áp ngắn mạch ba pha phía cao áp 79 Hình 4.6 Dòng ngắn mạch ba pha phía cao áp 80 Hình 4.7 Dòng điện điện áp ngắn mạch hai pha phía cao áp 81 Hình 4.8 Dòng điện ngắn mạch hai pha phía cao áp 82 Hình 4.9 Dòng điện điện áp ngắn mạch hai pha chạm đất phía cao áp 83 Hình 4.10 Dòng ngắn mạch hai pha chạm đất phía cao áp 83 Hình 4.11 Dòng điện điện áp ngắn mạch pha phía cao áp 84 Hình 4.12 Dòng ngắn mạch pha phía cao áp 85 Hình 4.13 Dòng điện điện áp chế độ xác lập trung áp 87 Hình 4.14 Ngắn mạch ba pha phía trung áp 88 Hình 4.15 Dòng ngắn mạch ba pha phía trung áp (TA) 88 Hình 4.16 Ảnh hưởng ngắn mạch ba pha phía TA đến dòng điện điện áp phía HA 89 Hình 4.17 Ngắn mạch hai pha phía thứ cấp máy biến áp 90 Hình 4.18 Dòng ngắn mạch hai pha phía thứ cấp 90 Hình 4.19 Ảnh hưởng ngắn mạch hai pha phía TA đến dòng điện điện áp phía hạ áp (HA) 91 Hình 4.20 Ngắn mạch hai pha chạm đất phía thứ cấp 92 Hình 4.21 Dòng ngắn mạch hai pha chạm đất phía thứ cấp 92 Hình 4.22 Ngắn mạch pha phía thứ cấp 93 Hình 4.23 Dòng ngắn mạch pha phía thứ cấp 94 Hình 4.24 Ảnh hưởng ngắn mạch pha phía TA đến dòng điện điện áp phía HA 94 Hình 4.25 Dòng điện điện áp định mức phía thứ cấp 96 Hình 4.26: Ngắn mạch ba pha hạ áp 97 - 10 - Hình 4.17 Ngắn mạch hai pha phía thứ cấp máy biến áp Hình 4.18 Dòng ngắn mạch hai pha phía thứ cấp - 95 - Hình 4.19 Ảnh hưởng ngắn mạch hai pha phía TA đến dòng điện điện áp phía hạ áp (HA) d Ngắn mạch hai pha chạm đất phía thứ cấp Phương trình trạng thái điểm ngắn mạch: INc = UNa = 0, UNb = Khi xảy ngắn mạch ta thấy điện áp pha C tăng lên lần so với chế độ xác lập, phía thứ cấp nối với trung tính cách đất, nên xảy ngắn mạch chạm đất pha A B lúc A B trùng với đất nên điện áp pha C so với đất lúc điện áp dây chế độ xác lập, nên tăng lên lần Nhưng hệ thống điện áp dây lưới không thay đổi Tuy lưới 35 kV có trung tính cách điện, dòng điện trường hợp ngắn mạch hai pha chạm đất dòng ngắn mạch, nên có trị số lớn, cần phải loại trừ nhanh chóng - 96 - Hình 4.20 Ngắn mạch hai pha chạm đất phía thứ cấp Hình 4.21 Dòng ngắn mạch hai pha chạm đất phía thứ cấp e Ngắn mạch pha phía thứ cấp Giả thử cho pha A ngắn mạch khoảng thời gian từ 0.5÷0.6 (s), tượng xảy hoàn toàn với lý thuyết Điện áp pha A giảm 0, - 97 - điện áp pha pha B pha C tăng lên lần Phương trình trạng thái cho điểm ngắn mạch trường hợp tương tự ngắn mạch pha phía sơ cấp : INb = 0, INc = , UNa = Hình 4.22 Ngắn mạch pha phía thứ cấp - 98 - Hình 4.23 Dòng ngắn mạch pha phía thứ cấp Hình 4.24 Ảnh hưởng ngắn mạch pha phía TA đến dòng điện điện áp phía HA Khi chạm đất pha mạng điện có trung tính cách điện với đất (khi tổng trở chỗ chạm đất Zđ = 0) - Điện áp đất pha chạm đất 0; điện áp đất hai pha lại tăng lên điện áp dây Nghĩa tăng lên lần so với làm việc bình thường, gây điện áp mạng điện - Dòng điện điện dung pha chạm đất tăng lên lần, dòng điện điện dung hai pha lại tăng lên lần so với làm việc bình thường Song mạng điện trung áp chiều dài đường dây không lớn, trị số dòng điện điện dung nhỏ so với dòng phụ tải mạng - Nếu làm việc bình thường điểm trung tính có điện áp không mạng có chạm đất pha, điện áp tăng lên điện áp pha Hệ thống điện áp dây mạng điện giữ không đổi giống làm việc bình thường, điện áp đất ba pha thay đổi nhiều Do hệ thống điện áp dây không thay đổi dòng điện điện dung nhỏ nhiều so với dòng điện phụ tải nên phụ tải làm việc bình thường Đây ưu điểm - 99 - bật mạng điện ba pha có trung tính cách điện với đất làm tăng tính liên tục cung cấp điện cho hộ tiêu thụ, đồng thời dòng điện dung nhỏ nên không gây nguy hiểm người thiết bị Nhược điểm mạng điện pha chạm đất, điện áp đất hai pha lại tăng lên điện áp dây Do vậy, để làm việc được, thiết bị phải chọn cách điện theo điện áp dây, làm tăng giá thành thiết bị Khi đường dây có chiều dài lớn, dòng điện điện dung lớn gây hồ quang đốt cháy cách điện chỗ chạm đất, làm hư hỏng thiết bị, gây ngắn mạch nhiều pha Mặt khác, hồ quang cháy không ổn định dẫn đến trình độ mạng, gây điện áp đạt từ 3,5 ÷ 4,5 lần điện áp pha mạng, dễ dàng chọc thủng cách điện gây ngắn mạch pha nguy hiểm Xác suất lớn để có hồ quang cháy lập lòe trị số dòng điện dung vượt trị số ÷ 10 A Nhất với mạng điện 35kV có độ dự trữ cách điện không lớn, điện áp lớn điện áp thí nghiệm Để tránh trường hợp chạm đất pha mạng dẫn đến ngắn mạch nhiều pha, cần có thiết bị kiểm tra cách điện mạng để báo tín hiệu có pha chạm đất mạng, nhanh chóng tìm khắc phục điểm chạm đất Với mạng điện 35kV ta, cho phép làm việc dòng điện điện dung nhỏ 10 A III.2.3 Phía hạ áp a Chế độ làm việc xác lập phía hạ áp Cũng giống phía trung áp, sau đóng tải vào lưới hạ áp xảy trình độ với sơ kiện ban đầu dòng điện điện áp không Nên có sụt áp ba pha giá trị ban đầu kết mô có trình độ dòng điện xảy với giá trị lớn với thời gian ngắn sau dòng điện ba pha lại đạt giá trị xác lập mô - 100 - Hình 4.25 Dòng điện điện áp định mức phía thứ cấp b Ngắn mạch ba pha phía thứ cấp Khi ngắn mạch ba pha phía hạ áp phía trung áp bị sụt áp lớn, trường hợp gây nguy hiểm cho thiết bị điện phía lưới 35 kV Do vậy, ta phải cắt phía thứ cấp khỏi lưới điện máy cắt phía thứ cấp loại tác động điện áp phía thứ cấp lại đạt giá trị xác lập đóng tải vào cũ - 101 - Hình 4.26: Ngắn mạch ba pha hạ áp Hình 4.27 Dòng ngắn mạch ba phía thứ cấp c Ngắn mạch hai pha - 102 - Hình 4.28 Ngắn mạch hai pha phía thứ cấp Hình 4.29 Dòng ngắn mạch hai pha phía thứ cấp d Ngắn mạch hai pha chạm đất phía hạ áp - 103 - Hình 4.30 Ngắn mạch hai pha chạm đất phía hạ áp Hình 4.31 Dòng ngắn mạch hai pha chạm đất e Ngắn mạch chạm đất pha - 104 - Hình 4.32 Ngắn mạch chạm đất pha thứ cấp Hình 4.33 Dòng ngắn mạch pha chạm đất - 105 - Kết luận chương IV: Chương IV giới thiệu chương trình Mô cố máy biến áp phần mềm MATLAB, SUMULINK SIM POWER SYSTEM Chương trình mô dạng cố máy tính giúp cho công việc giảng dậy trực quan sinh động trước, nắm lý thuyết giúp học viên hiểu trình, diễn biến cố xảy Từ mô hình hoá chương trình Matlab giúp ta nhận dạng rõ dạng cố, từ đưa phương án bảo vệ phù hợp, tượng đặc điểm dạng cố phương án bảo vệ tổng kết dạng bảng 4.1 sau: Bảng 4.1 - tổng kết cố phương án bảo vệ máy biến áp Các loại cố Ngắn mạch ba pha - cao áp - trung áp - hạ áp Ngắn mạch hai pha - cao áp - trung áp Hiện tượng xảy - dạng ngắn mạch đối xứng trường hợp nặng nề ảnh hưởng nhiều đến hệ thống - có dòng ngắn mạch lớn - dạng ngắn mạch không đối xứng - Điện áp hai pha ngắn mạch đẳng với dòng điện - 106 - Phương án bảo vệ - Bảo vệ dòng điện cắt nhanh: 67 - Bảo vệ dòng điện cắt nhanh: 67 - bảo vệ dòng - hạ áp biên độ ngược pha Ngắn mạch hai pha - Điện áp hai pha xảy ngắn mạch chạm đất chạm đất - cao áp - Với lưới cao áp trung tính nối - trung áp đất trực tiếp nên điện áp pha pha - hạ áp không xảy cố điện áp pha lưới - Với lưới trung tính cách điện điện áp pha pha không xảy cố lúc điện áp dây tức tăng lên lần so với bình thường - Dòng điện cố lúc dòng ngắn mạch nên có trị số lớn Chạm đất pha - Điện áp pha cố - cao áp - Với lưới trung tính nối đất trực - trung áp tiếp, điện áp hai pha lại - hạ áp điện áp lưới dòng chạm đất lúc dòng ngắn mạch nên có trị số lớn Trong vài trường hợp lớn dòng ngắn mạch ba pha - Với lưới trung tính cách điện, điện áp pha hai pha lại tăng lên lần hệ thống điện áp dây không thay đổi Điện áp điểm trung tính lúc điện áp pha mạng điện Dòng lúc dòng chạm đất nên dòng điện điện dung bé so với dòng phụ tải nên phụ tải làm việc bình thường - 107 - điện có thời gian: 50/51 - Bảo vệ dòng chạm đất cắt nhanh: 67N - Bảo vệ dòng điện có thời gian: 50/51 - Bảo vệ dòng cắt nhanh: 67 - Bảo vệ dòng chạm đất: 50N/51N - Bảo vệ dòng điện chạm đất: 50N/51N - bảo vệ dòng chạm đất cắt nhanh: 67N - Điện áp điểm trung tính: 59N KẾT LUẬN Việc nghiên cứu dạng cố máy biến áp giúp có phương án bảo vệ hiệu quả, đưa dạng bảo vệ phù hợp giảm thiểu thời gian ngừng cấp điện phù hợp với loại công suất khác mà đưa loại bảo vệ cho tối ưu kinh tế tránh lãng phí Luận văn mô cố máy biến áp phần mềm Matlab giúp hình dung trình diễn biến cố xảy nào, mức độ nguy hiểm dạng cố sao, từ đưa phương thức bảo vệ khác cho dạng cố máy biến áp lực Chương trình mô dạng cố máy tính giúp cho công việc giảng dậy trực quan sinh động trước, nắm lý thuyết giúp học viên hiểu trình, diễn biến cố xảy Những tìm tòi, sưu tập luận văn phần đáp ứng nhu cầu tài liệu tham khảo cho người đọc cần tìm hiểu dạng cố máy biến áp phương pháp bảo vệ - 108 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn (2001), Khí cụ điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Lê Văn Doanh, Phạm Văn Chới, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Đình Thiên (2000), Bảo dưỡng & Thử nghiệm thiết bị Hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh (2002), Máy biến áp (lý thuyết, vận hành, bảo dưỡng, thử nghiệm) Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Đình Long (2000), Bảo vệ Hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Phạm Văn Hoà (2006) Ngắn mạch Hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đinh Ngọc Thành, Lưu Mỹ Thuận (1973), Giáo trình Khí cụ điện cao áp, Bộ máy điện – Khí cụ điện, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Phan Tử Thụ (2001), thiết kế máy biến áp điện lực, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đức Sĩ (1995), Công nghệ chế tạo máy điện máy biến áp, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Power System Protection-P.M Anderson-The Institute of Electrical and Electronics Engineer 1998 10 Protective Relay-IEEE Power System Relaying Committee 1990 11 http://www.abb.com 12 http://www.areva-td.com 13 http://www.selinc.com 14 http://www.siemens.com - 109 - ... Trong bảo vệ mba truyền tải ngời ta quy định: + bảo bệ + bảo vệ dự phòng Các bảo vệ gồm: - Rơle bảo vệ so lệch - Rơle gas - Rơle dòng Các bảo vệ dự phòng gồm: - Bảo vệ chống tải - Bảo vệ dòng... máy biến áp nh thiết bị bảo vệ Trong kết hợp chặt chẽ biện pháp bảo vệ, đảm bảo xử lý loại cố bên nh bên máy biến áp, góp phần cải thiện tính an toàn liên tục cung cấp điện bảo vệ môi trờng Các. .. thích hợp cho loại máy cần phải tính đến yếu tố kinh tế kỹ thuật Hiện đặt bảo vệ máy biến áp dựa theo công suất máy biến áp mà đặt bảo vệ cho phù hợp nh sau: * Đối với máy biến áp phân phối 35,