Mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp

Do thời gian có hạn, luận văn chưa xét đến một số yếu tố khác có ảnh hưởng đến sai số của bảo vệ so lệch, ví dụ như thay đổi nấc phân áp, sự không đồng nhất của máy biến dòng, và đặc biệ

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này do chính tôi nghiên cứu, tính toán và phân tích

Số liệu đƣa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không sao chép của ai hay lấy số liệu đã đƣợc công bố

Nếu sai với lời cam đoan trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả

Bùi Vĩnh Quý

2

MỞ ĐẦU

Ngày nay rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp kỹ thuật số đã thay thế hoàn toàn rơ

le bảo vệ so lệch kiểu điện cơ Các loại rơ le này thường sử dụng giải thuật dựa trên biến đổi Fourier của các thành phần dòng điện các phía của máy biến áp Nội dung luận văn này là nghiên cứu sự làm việc của giải thuật bảo vệ so lệch máy biến áp lực

Giải thuật của rơ le bảo vệ so lệch được kiểm nghiệm bằng số liệu thu được từ

mô hình mô phỏng sự cố máy biến áp ba 110/35/22 kV với một nguồn cấp phía 110kV

Để tăng tính thực tế của mô phỏng, luận văn đã xét đến mô hình bão hòa của máy biến

áp lực, cũng như mô hình bão hòa của máy biến dòng điện Đặc tính bão hòa của máy biến dòng điện được xây dựng dựa trên giá trị thí nghiệm thực tế của các máy biến dòng dùng cho bảo vệ

Từ kết quả mô phỏng và những phân tích đặc tính làm việc của mô hình bảo vệ

so lệch cho thấy mô hình rơ le bảo vệ so lệch làm việc đúng và tin cậy, các kết quả thu được phù hợp với lý thuyết về bảo vệ so lệch máy biến áp Từ đó có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để ứng dụng phân tích bản ghi sự cố và kiểm nghiệm sự làm việc của các loại rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp trên thực tế

Do thời gian có hạn, luận văn chưa xét đến một số yếu tố khác có ảnh hưởng đến sai số của bảo vệ so lệch, ví dụ như thay đổi nấc phân áp, sự không đồng nhất của máy biến dòng, và đặc biệt là mô hình mô phỏng các sự cố chạm chập bên trong vòng dây của máy biến áp Các nội dung này có thể được triển khai trong các nghiên cứu tiếp theo

Để hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Đức Huy cùng toàn thể thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện –

Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dành nhiều thời gian và tâm huyết để hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I 6

MỞ ĐẦU 9

1.1 Lý do chọn đề tài 9

1.2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn 10

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

1.4 Nội dung của luận văn 10

CHƯƠNG II 11

NGUYÊN LÝ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP 11

2.1 Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch máy biến áp (87T) 11

2.1.1 Đánh giá giá trị đo được 12

2.1.2 Hãm hài: 16

2.1.3 Hãm cộng thêm (Add-on stabillization) khi biến dòng bị bão hoà: 17

2.1.4 Cắt nhanh không hãm với sự cố máy biến áp có dòng lớn: 18

2.2 Bảo vệ chạm đất có giới hạn: 18

2.2.1 Nguyên lý: 18

2.2.2 Đánh giá các đại lượng đo được: 21

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch máy biến áp 23

2.3.1 Dòng từ hóa mạch từ trong quá trình đóng điện máy biến áp 23

2.3.2 Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích máy biến áp 25

2.3.3 Dòng từ hóa trong quá trình sự cố ngoài vùng 25

2.3.4 Quá kích thích máy biến áp 26

2.3.5 Tỉ số biến đổi máy biến áp 27

2.3.6 Bão hòa máy biến dòng 27

CHƯƠNG III 29

SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN BẢO VỆ SO LỆCH 29

4

3.1 Quy đổi dòng điện theo tổ đấu dây của máy biến áp 29

CHƯƠNG IV 35

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN SO LỆCH SỬ DỤNG SIMULINK 35

4.1 Mô hình mô phỏng 35

4.1.1 Khối vật lý 35

4.1.2 Khối sự cố 36

4.2 Mô hình máy biến dòng 37

4.3 Kết quả mô phỏng 37

4.3.1 Đóng xung kích phía 110kV máy biến áp 37

4.3.2 Sự cố ngoài vùng bảo vệ 41

4.3.2.1 Sự cố ngắn mạch pha A phía 22kV ngoài vùng bảo vệ 41

4.3.2.2 Ngắn mạch 2 pha chạm đất phía 22kV (A-B-N) ngoài vùng bảo vệ 47 4.3.2.3 Kết luận 52

4.3.3 Sự cố trong vùng bảo vệ 53

4.2.3.1 Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 110kV 53

4.2.3.2 Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất trong vùng phía 110kV 56

4.2.3.3 Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 22kV 59

4.2.3.4 Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất trong vùng phía 22kV 61

4.2.3.5 Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 35kV 64

CHƯƠNG V 66

KẾT LUẬN 66

PHỤ LỤC 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

5 DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Ma trận tính toán dòng so lệch……….32

6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp 11

Hình 2.2: Nguyên lý của bảo vệ so lệch 14

Hình 2.3 : Đặc tính làm việc 15

Hình 2.4: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn sử dụng một biến dòng trung tính và các biến dòng 3 pha 19

Hình 2.5: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn cuộn dây máy biến áp đấu tam giác, sử dụng một biến dòng vào điểm trung tính giả và các biến dòng 3 pha 19

Hình 2.6: Sơ đồ đấu TI, Rơ le khi cuộn dây máy biến áp đấu tam giác, có điểm trung tính giả 20

Hình 2.7: Nguyên lý của bảo vệ chạm đất giới hạn 21

Hình 2.8 Đặc tính làm việc của bảo vệ chạm đất giới hạn 22

Hình 2.9 Liên kết từ thông lõi máy biến áp 23

Hình 2.10: Dòng từ hóa của máy biến áp trong quá trình đóng xung kích 24

Hình 2.11: Dạng sóng dòng xung kích khi đóng MBA không tải 25

Hình 2.12: Mối quan hệ dòng xung kích trong hòa máy biến áp song song 26

Hình 2.13: Dòng từ hóa trong quá trình quá kích thích 27

Hình 2.14 dạng sóng dòng điện trong quá trình bão hòa biến dòng 28

Hình 3.1 Sơ đồ khối tính toán dòng so lệch 33

Hình 3.2 Sơ đồ khối tính toán dòng hãm 33

Hình 3.3 Sơ đồ khối tính toán dòng hãm hài bậc 2 34

Hình 3.4 Sơ đồ khối tính toán dòng hãm hài bậc 5 34

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng bảo vệ so lệch MBA 35

Hình 4.2 Đặc tính bão hòa máy biến dòng đƣợc sử dụng trong mô phỏng 37

Hình 4.3 Dạng sóng dòng điện các phía khi đóng xung kích phía 110kV 38

Hình 4.4 Đặc tính làm việc của dòng so lệch 87T 39

7

Hình 4.5 Đặc tính làm việc của dòng so lệch 87N 40

Hình 4.6 Dòng so lệch pha A và logic hãm hài bậc 2 bậc 5 41

Hình 4.7 Mô phỏng ngắn mạch pha A phía 22kV ngoài vùng bảo vệ 42

Hình 4.8 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch pha A 42

Hình 4.9 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T 43

Hình 4.10 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N 43

Hình 4.11 Dòng điện so lệch pha A và đặc tính hãm sóng hài bậc 2 44

Hình 4.12 Quỹ đạo làm việc của rơ le so lệch 87T 45

Hình 4.13 Qũy đạo làm việc của rơ le so lệch 87N 45

Hình 4.14 Quỹ đạo làm việc của rơ le so lệch 87T 46

Hình 4.15 Quỹ đạo làm việc của rơ le so lệch 87N 47

Hình 4.16 Mô phỏng ngắn mạch pha AB-N phía 22kV ngoài vùng bảo vệ 47

Hình 4.17 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B-N ngoài vùng phía 22kV 48

Hình 4.18 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T 49

Hình 4.19 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N 49

Hình 4.20 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B-N ngoài vùng phía 22kV 50

Hình 4.21 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T 50

Hình 4.22 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N 51

Hình 4.23 Dòng điện các phía của MBA khi ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B-N ngoài vùng phía 22kV 51

Hình 4.24 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87T 52

Hình 4.25 Quỹ đạo làm việc của bảo vệ so lệch 87N 52

Hình 4.26 Mô phỏng ngắn mạch 3 pha phía 110kV 53

Hình 4.27 Dòng điện các phía của máy biến áp 53

Hình 4.28 Đặc tính làm việc của rơ le so lệch 54

8

Hình 4.29 Dòng điện so lệch pha A và đặc tính hãm hài bậc 2 55

Hình 4.29 Đặc tính làm việc của bảo vệ 87N 55

Hình 4.30 Mô phỏng ngắn mạch 2 pha chạm đất phía 110kV 56

Hình 4.31 Dạng sóng dòng điện các phía của máy biến áp 56

Hình 4.32 Đặc tính làm việc của rơ le so lệch 87T 57

Hình 4.33 Dòng điện so lệch pha B và đặc tính hãm hài bậc 2 58

Hình 4.34 Đặc tính làm việc của bảo vệ 87N 58

Hình 4.35 Ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 22kV 59

Hình 4.36 Dạng sóng dòng điện ở 3 phía máy biến áp 59

Hình 4.37 Đặc tính làm việc của bảo vệ 87T 60

Hình 4.38 Dòng so lệch pha A và đặc tính hãm sóng hài bậc 2 60

Hình 4.39 Đặc tính làm việc của 87N 61

Hình 4.40 Ngắn mạch 2 pha chạm đất trong vùng bảo vệ phía 22kV 62

Hình 4.41 Dạng sóng dòng điện ở 3 phía máy biến áp 62

Hình 4.42 Đặc tính làm việc của 87T 63

Hình 4.43 Dòng so lệch pha A và đặc tính hãm hài bậc 2 63

Hình 4.44 Mô phỏng ngắn mạch 3 pha trong vùng phía 35kV 64

Hình 4.45 Dạng sóng dòng điện 3 phía máy biến áp 64

Hình 4.46 Đặc tính làm việc của rơ le so lệch 87T 65

Hình 4.47 Dòng so lệch pha B và đặc tính hãm hài bậc 2 65

9

CHƯƠNG I

MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Điện năng là một nguồn năng lượng thiết yếu trong cuộc sống, nó tham gia vào mọi lĩnh vực từ công nghiệp đến sinh hoạt Bởi điện năng có ưu thế là: dễ chuyển đổi thành những dạng năng lượng khác, không gây ô nhiễm môi trường, dễ truyền tải và phân phối…

Trong quá trình vận hành trạm biến áp thì vấn đề bảo vệ các thiết bị điện khỏi các sự cố trên lưới điện rất được quan tâm đầu tư, đặc biệt là bảo vệ máy biến áp Hệ thống bảo vệ máy biến áp bao gồm nhiều loại bảo vệ khác nhau trong đó bảo vệ so lệch máy biến áp được sử dụng là bảo vệ chính Bảo vệ so lệch máy biến áp phải thỏa mãn tiêu chí vừa có độ nhạy cao để bảo vệ máy biến áp khỏi các sự cố, vừa đảm bảo tính chọn lọc để trách những tác động nhầm gây mất điện Để giải quyết những vấn đề này thì ngày nay các hãng thiết bị điện lớn như Siemens, Schneider, ABB, Sel… đã tiến hành nghiên cứu chế tạo các loại rơ le so lệch kỹ thuật số có độ tin cậy cao

Việc nghiên cứu giải thuật nguyên lý hoạt động của bảo vệ so lệch máy biến áp bằng cách sử dụng mô phỏng bằng Matlab/Simulink người nghiên cứu có thể xây dựng được mô hình rơle bảo vệ dựa trên các giải thuật khác nhau, kết hợp với các khối thiết

bị có sẵn trong thư viện mô phỏng để tiến hành mô phỏng các dạng sự cố và phân tích

sự làm việc của rơle Mặt khác, công cụ mô phỏng giải thuật làm việc của rơ le so lệch

kỹ thuật số còn có thể được sử dụng để phân tích các bản ghi sự cố và đối chứng với sự làm việc của các rơ le so lệch trên thực tế Từ các kết quả mô phỏng, người sử dụng có thể đánh giá lượng hóa được ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến sự làm việc của

rơ le kỹ thuật số, từ đó đưa ra các điều chỉnh phù hợp về mặt chỉnh định các thông số cài đặt, cũng như lựa chọn hợp lý các thiết bị đo lường và mạch nhị thứ

10

1.2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn

Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng giải thuật của bảo vệ rơ le kỹ thuật số” được thực hiện nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic của rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp, và thực hiện các mô phỏng sự làm việc của rơ le bảo vệ so lệch dựa trên phần mềm MATLAB Simulink Từ đó đưa ra các đánh giá, góp ý đến các thông số cài đặt chỉnh định rơ le

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là nguyên lý hoạt động các chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp ( 87T) và bảo vệ chống chạm đất hạn chế (64REF), ngoài ra còn xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của bảo vệ so lệch như sự bảo hòa của máy biến dòng,

sự thay đổi nấc của máy biến áp Đồng thời còn xét đến logic khóa bảo vệ so lệch khi

có sóng hài bậc 2, bậc 5 và các thành phần không chu kỳ nhằm tránh bảo vệ tác động nhầm khi đóng xung kích máy biến áp

1.4 Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương

 Chương I: Mở đầu

 Chương II Nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp

 Chương III Sơ đồ thuật toán bảo vệ so lệch

 Chương IV Mô phỏng tính toán bảo vệ so lệch sử dụng Matlab/Simulink

11

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP 2.1 Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch máy biến áp (87T)

Các hệ thống bảo vệ so lệch làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện và vì vậy cũng được hiểu như hệ thống cân bằng dòng

Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp:

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp

Bảo vệ so lệch sử dụng nguyên tắc trên thực tế (hình vẽ) là dòng I rời khỏi một đối tượng bảo vệ trong điều kiện bình thường phải bằng dòng đưa vào nó Bất cứ sự sai lệch nào cũng chỉ thị sự cố bên trong vùng bảo vệ Các cuộn dây thứ cấp của các biến dòng CT1 và CT2 có cùng tỷ số biến có thể được nối để có được các dòng điện như hình vẽ

Thành phần đo M được nối tại điểm cân bằng điện Trong điều kiện vận hành bình thường sẽ không có dòng chảy qua thành phần đo M Khi có sự cố bên trong các biến dòng, các dòng điện ở mỗi đầu không bằng nhau, thành phần đo M đo được dòng

12

i1+i2 tỷ lệ với I1 +I2 tổng của hai dòng sự cố chảy qua Nếu dòng điện i1+i2 này đủ lớn cho thành phần đo M, hệ thống này sẽ cung cấp một bảo vệ đơn giản phân biệt được dòng sự cố.[1][4]

Khi có một sự cố bên ngoài gây ra dòng ngắn mạch lớn chảy qua vùng bảo vệ, các đặc tính từ hoá khác nhau của các máy biến dòng trong điều kiện bão hoà có thể gây ra dòng đáng kể chảy qua M Nếu độ lớn của dòng này nằm trên ngưỡng tác động,

hệ thống có thể đưa ra lệnh cắt Việc hãm chống lại việc tác động sai của bảo vệ

Ở các máy biến áp thông thường các dòng thứ cấp của các biến dòng không bằng nhau khi một dòng chảy qua máy biến áp, nhưng tuỳ thuộc vào tỷ số biến và tổ đấu dây của máy biến áp được bảo vệ và dòng điện định mức của các máy biến dòng ở hai phía của máy biến áp Các dòng, vì vậy phải được làm phù hợp để có thể so sánh được Việc điều chỉnh cho phù hợp với các máy biến áp có công suất và tổ đấu dây khác nhau (cho bảo vệ máy biến áp) được thực hiện bằng toán học hoàn toàn Thông thường không đòi hỏi các biến dòng trung gian

Các dòng đưa vào được chuyển đổi theo dòng định mức của máy biến áp Điều này có được bằng cách đưa số liệu định mức của máy biến áp vào rơle, đó là: Công suất định mức, điện áp định mức và dòng điện định mức của các biến dòng

Vì tổ đấu dây đã được đưa vào nên rơle có khả năng so sánh dòng theo công thức

cố định

Việc chuyển đổi dòng được thực hiện bằng các ma trận, hệ số được lập trình mô phỏng các dòng điện so lệch trong các cuộn dây máy biến áp Tất cả các tổ đấu dây rơle đều có thể hiểu được (bao gồm đổi pha)

2.1.1 Đánh giá giá trị đo được

Sau khi các dòng nhận vào được làm cho phù hợp có tính đến tỷ số biến nhóm véc tơ và cách đối xử với các dòng thứ tự không, các bảo vệ cần thiết cho bảo vệ so lệch được tính toán từ IA , IB , IC của từng cuộn dây Trong các phần chú giải sau các chỉ số sẽ được dùng để phân biệt các cuộn dây: 1 cho cuộn sơ cấp (điện áp cao hơn)

ra tổng véc tơ và tổng đại số của các dòng điện cho từng cuộn dây

Các định nghĩa sau được sử dụng:

Dòng so lệch hoặc tác động cắt

Idiff = I1 + I2 (2 cuộn dây)

Hoặc Idiff = I1 + I2+I3 (3 cuộn dây)

Và dòng làm ổn định hoặc hãm (hài):

Istab = I1+ I2 (2 cuộn dây)

Hoặc Istab = I1+I2+I3 (3 cuộn dây)

Idiff được lấy từ các sóng cơ bản và sản sinh ra đại lượng gây ra lện cắt, Istab chống lại ảnh hưởng này

Hình 2.2: Nguyên lý của bảo vệ so lệch

Để làm sáng tỏ 3 điều kiện vận hành quan trọng sẽ được xem xét[4]:

a Dòng chảy qua máy biến áp vận hành bình thường hoặc khi có sự cố bên ngoài

I2 đổi hướng của nó vì vậy đổi dấu, I2 =- I1 do vậy I2= I1

Idiff = I1 + I2= I1 -I1= 0

Istab = I1+ I2 = I1 + I1= 2.I1

Không tác cắt (Idiff = 0) hãm (Istab) tỷ lệ với 2 lần dòng chảy qua

b Ngắn mạch bên trong mỗi phía được cấp bởi các dòng giống nhau:

Trong trường hợp này: I2 = I1 do vậy I2= I1

Idiff = I1 + I2= I1 + I1=2.I1

Istab = I1+ I2= I1+ I1= 2.I1

Các thành phần tác động cắt (Idiff) và hãm (Istab) bằng và tỷ lệ với tổng dòng sự cố

c Ngắn mạch bên trong chỉ cấp dòng từ một phía:

Trong trường hợp này I2 = 0

Idiff = I1 + I2= I1 + 01= I1

Trên sơ đồ hoạt động minh hoạ ở hình 2-3 Hình vẽ đưa ra đặc tính làm việc đầy

đủ của rơle Nhánh a thể hiện ngưỡng nhậy của bảo vệ rơle so lệch và xét đến dòng sai

số không đổi, dòng từ hoá Nhánh b xét đến sai số tỷ lệ theo dòng có thể gây ra bởi sai

số của biến dòng chính, các máy biến dòng đầu vào của rơle hoặc từ vị trí bộ chuyển nấc máy biến áp

Ở dải dòng điện lớn có thể làm tăng bão hoà cho biến dòng, nhánh c gây hãm nhiều hơn Các đánh giá thêm, trong trường hợp cực bão hoà nhánh c (hãm cộng thêm -

add-on stabilization) được mô tả phần sau

Các dòng Idiff và Istab được so sánh bằng bảo vệ so lệch với đặc tính làm việc (hình vẽ) Nếu các dòng nằm trong vùng cắt, lệnh cắt được đưa ra

16

2.1.2 Hãm hài

Khi các dòng so lệch có thể gây ra không chỉ từ các sự cố bên trong máy biến áp

mà còn từ dòng từ hoá máy biến áp khi đóng máy biến áp , nối song song máy biến áp hoặc một máy biến áp bị quá điện áp, chúng sinh ra các thành phần sóng hài

Dòng từ hoá có thể lớn gấp nhiều lần dòng định mức và thành phần chủ yếu là sóng hài bậc 2 (gấp đôi tần số định mức) Trên thực tế nó không có mặt trong các trường hợp có ngắn mạch Nếu thanh phần bậc hai vượt quá ngưỡng (có thể chọn), lệnh cắt bị khoá

Vì hãm dòng từ hoá làm việc độc lập cho từng pha, bảo vệ vẫn làm việc hoàn toàn ngay cả khi đóng máy biến áp vào sự cố một pha, khi đó dòng từ hoá có thể xuất hiện chỉ ở các pha không có sự cố Tuy vậy cũng có thể đặt bảo vệ để không chỉ pha có dòng từ hoá chứa sóng hài vượt quá ngưỡng cho phép được hãm mà những pha khác của cấp bảo vệ so lệch Idiff, cũng bị khoá (được gọi là "chức năng khoá chéo") Chức năng khoá chéo này có thể bị giới hạn trong khoảng thời gian chọn trước

Bên cạnh sóng hài bậc 2, sóng hài khác cũng có thể được lựa chọn để khoá bảo

Hơn nữa, ở các máy biến áp tự ngẫu các sóng hài bậc lẻ tìm thấy không thấy xuất hiện trong các sự cố bên trong máy biến áp

Sóng hài làm việc độc lập cho từng pha Tuy vậy, cũng có thể đặt bảo vệ để không chỉ để pha có dòng từ hoá chứa sóng hài vượt quá ngưỡng cho phép được hãm

mà những pha khác của cấp bảo vệ Idiff> cũng bị khoá (được gọi là "chức năng khoá chéo") Chức năng khoá chéo này có thể bị giới hạn trong khoảng thời gian chọn trước

17

Các bộ lọc số được sử dụng để thực hiện các phân tích Fourier cho dòng so lệch Ngày khi thành phần sóng hài vượt quá các giá trị đặt, rơle hãm ở pha tương ứng Thuật toán học được tối ưu có xét đến các trạng thái thoáng qua để loại bỏ hãm không cần thiết trong các điều kiện động

2.1.3 Hãm cộng thêm (Add-on stabillization) khi biến dòng bị bão hoà

Bão hoà của các máy biến dòng gây ra bởi các dòng sự cố lớn và/hoặc các hằng

số thời gian hệ thống dài không thích hợp với các sự cố bên trong (sự cố bên trong máy biến áp được bảo vệ) Vì vậy các dòng so lệch cũng như dòng hãm đo được bị biến dạng đến cùng một ngưỡng Đặc tính sự cố được minh hoạ trên hình 3-5 là cùng cơ sở chính trong trường hợp này Tất nhiên, thành phần sóng cơ bản của dòng so lệch cũng

phải ít nhất vượt quá giá trị tác động (nhánh a trong hình vẽ 3-5)

Trong một sự cố ngắn mạch ngoài vùng gây ra dòng ngắn mạch lớn làm bão hoà biến dòng, một dòng so lệch đáng kể có thể được tạo ra, đặc biệt khi mức độ bão hoà khác nhau giữa hai điểm đo Nếu đại lượng Idiff/Istab nằm trong vùng cắt của đặc tính làm việc (hình vẽ 3-5), lệnh cắt sẽ được đưa ra nếu không có biện pháp đặc biệt nào

Rơ le cung cấp một chỉ số bão hoà nó phát hiện những hiện tượng như vậy và khởi động các biện pháp hãm cộng thêm (add-on stabillization) Chỉ số bão hoà làm việc trong vùng được đặt tên là "hãm cộng thêm" Trên hình vẽ độ dốc của đặc tính này

tỷ lệ bằng nửa độ dốc của nhánh b

Bão hoà khi có sự cố bên ngoài được phát hiện bằng dòng khỏi động hãm lớn dịch chuyển điểm làm việc vào vùng "hãm cộng thêm" Ngược lại điểm làm việc dịch chuyển ngay lập tức theo đặc tính sự cố khi có sự cố nội bộ bởi vì dòng hãm sẽ lớn hơn dòng so lệch Chỉ số bão hoà đưa ra quyết định trong nửa chu kỳ đầu tiên sau thời điểm bắt đầu sự cố

Khi phát hiện một sự cố bên ngoài, bảo vệ so lệch bị khoá trong một thời gian có thể lựa chọn (lâu nhất là 8 chu kỳ tương đương với 160ms ở tần số 50Hz,khi rơle xuất xưởng) Việc khoá bị xoá bỏ ngay khi điểm làm việc dịch chuyển chắc chắn (quá 2 chu

18

kỳ) vào đặc tính sự cố Nó cho phép phát hiện một cách tin cậy sự cố diễn biến bên trong máy biến áp được bảo vệ trong hki có sự cố bên ngoài và biến dòng bị bão hoà

2.1.4 Cắt nhanh không hãm với sự cố máy biến áp có dòng lớn

Các sự cố có dòng lớn trong máy biến áp được bảo vệ có thể được giải trừ ngay lập tức mà không cần xét đến độ lớn của dòng hãm, khi độ lớn của các dòng so lệch có thể được loại trừ đó là sự cố bên ngoài Điều này xảy ra trong trường hợp dòng ngắn mạch lớn hơn 1/Uk lần dòngđịnh mức của máy biến áp

Bảo vệ so lệch máy biến áp cung cấp bảo vệ dòng lớn không hãm này Nó có thể làm việc ngay cả khi dòng so lệch có chứa mộtphần đáng kể sóng hài bậc 2 gây ra bởi việc biến dòng bị bão hoà bởi thành phần một chiều trong dòng ngắn mạch có thể bị chức năng dòng hãm từ hoá coi như dòng từ hoá máy biến áp

Cấp dòng điện lớn này đánh giá sóng cơ bản các dòng điện cũng như các giá trị tức thời bảo đảm cắt nhanh ngay cả khi sóng cơ bản giảm mạnh do biến dòng bị bão hoà

2.2 Bảo vệ chạm đất có giới hạn

2.2.1 Nguyên lý

Bảo vệ chạm đất có giới hạn phát hiện các sự cố chạm đất trong các máy biến áp lực, các cuộn kháng bù ngang, các máy biến áp trung tính nối đất hoặc các máy điện quay, mà điểm sao của chúng nối đất [4][6][7]

Nó cũng thích hợp khi có một điểm trung tính giả bên trong vùng bảo vệ của một máy biến áp không nối đất

Biến dòng trung tính và biến dòng 3 pha xác định các giới hạn của vùng bảo vệ Hình 2-4 đến hình 2-6 là các ví dụ minh hoạ của bảo vệ chạm đất có giới hạn

19

Hình 2.4: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn sử dụng một biến dòng trung tính và

các biến dòng 3 pha

Hình 2.5: Sơ đồ bảo vệ chạm đất có giới hạn cuộn dây máy biến áp đấu tam giác,

sử dụng một biến dòng vào điểm trung tính giả và các biến dòng 3 pha

21

2.2.2 Đánh giá các đại lượng đo được

Hình 2.7: Nguyên lý của bảo vệ chạm đất giới hạn

Bảo vệ chạm đất có giới hạn so sánh dòng cơ bản của dòng điện chảy qua dây điểm đấu sao được gọi là 3I0', với sóng cơ bản của tổng các dòng pha được gọi là 3I0" 3I0'=ISP , 3I0"= IL1 + IL2 + IL3

Chỉ có I0' làm việc như có một ảnh hưởng đến lệnh cắt khi có sự cố bên trong vùng bảo vệ, có dòng chạm đất khác I0" chảy qua các dòng biến dòng pha Nó phía sơ cấp ngược pha với dòng điểm đấu sao và có cùng độ lớn Thông tin lớn nhất của các dòng điệnđược xem xét cho việc hãm Độ lớn của các dòng điện và vị trí pha của chúng xác định theo các tham số sau[6]:

IREST chống lại ảnh hưởng này

Để làm sáng tỏ 3 điều kiện vận hành quan trọng sẽ được xem xét

a Dòng chảy khi có chạm đất bên ngoài:

3I0" ngược pha nhưng có cùng độ lớn với 3I0' (3I0"= - 3I0')

b Ngắn mạch bên trong vùng bảo vệ

Trong trường hợp này: 3I0' và 3I0'' có cùng pha với nhau nhưng khác về độ lớn

Độ lớn của 3I0' và 3I0'' khác nhau do phụ thuộc vào tổng trở thứ tự không của hai phía của điểm sự cố

IREF = 3I0'+3I0''

IREST = (3I0'') Dòng tác động cắt bằng IREF bằng tổng dòng chảy qua điểm trung tính và dòng điện các pha Thành phần hãm IREST bằng tổng dòng điện các pha, nhạy hoàn toàn khi

có sự cố chạm đất bên trong

1 2 3 4 5 6 7

23

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch máy biến áp

2.3.1 Dòng từ hóa mạch từ trong quá trình đóng điện máy biến áp

Xem xét sự cấp điện không tải mô tả ở hình dưới hình 2.9 Máy cắt coi như là đang đóng nguồn áp cấp đến máy biến áp dòng từ hóa lấy từ nguồn Nguồn áp cấp là e(t) = Emaxcos(ωt-j)

Hình 2.9 Liên kết từ thông lõi máy biến áp

Nếu chúng ta bỏ qua điện trở của nguồn cấp và độ tự cảm rò rỉ trong các mạch từ, các từ thông liên kết vòng của lõi máy biến áp được xác định bởi

L(t) = Lmaxcos(ωt-j) + Lmaxsinj Lưu ý rằng các từ thông liên kết vòng và do đó dòng từ hóa là liên tục tại t = 0, khi máy cắt được đóng Phương trình trên giả định rằng không có từ dư còn lại trong lõi thép Bất kỳ từ dư cũng phải được thêm vào phía bên phải của phương trình này

24

Hình 2.10: Dòng từ hóa của máy biến áp trong quá trình đóng xung kích

Trong thực tế độ tự cảm từ hóa trong máy biến áp là phi tuyến Xem xét hai độ dốc của một đặc tính từ hóa thể hiện trong hình 2.10 xấp xỉ nhau Nhƣ là độ liên kết từ thông chạy trên điểm gẫy bão hòa, xuất hiện một dòng điện lớn hơn rất nhiều đƣợc lấy ra từ nguồn Độ lớn (biên độ) của dòng điện này đƣợc xác định bởi độ dốc của đặc tính từ hóa trong khu vực bão hòa và bởi điện cảm rò rỉ (dòng điện rò) của máy biến

áp Rõ ràng thấy dòng mở máy biến áp có thể là một dạng gây ra dòng sự cố bởi vì có tổn thất trong mạch từ dòng từ hóa sẽ suy giảm nhỏ hơn giá trị dòng danh định đƣợc thể hiện ở hình 2.10(b) Hằng số thời gian vài giây là phổ biến trong một số máy biến

áp lực hiện đại

Trong h ầu hết các máy biến áp hiện đại dòng xung kích khi đóng máy biến áp

có thể đạt giá trị rất lớn, độ lớn này phụ thuộc vào thời điểm đóng không tải và độ dƣ

từ thông trong lõi biến áp Kể từ khi có dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp mà chƣa có dòng chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến áp Nó tạo ra dòng so lệch khoảng 200% của dòng điện hãm và nó là nguyên nhân gây ra hoạt động sai của bảo

vệ

25

2.3.2 Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích máy biến áp

Để ngăn ngừa bảo vệ tác động nhầm bằng cách tận dụng thực tế là dòng khởi động máy biến áp rất giàu thành phần sóng hài Dòng sự cố này thuần túy là một thành phần tần số cơ bản thuần túy (ngoại trừ một thành phần rất nhỏ là DC)

Hình 2.11 là dạng sóng dòng điện đặc trưng khi đóng máy biến áp không tải Có thể thấy do hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp, dạng sóng dòng điện của phía

sơ cấp máy biến áp có thể đạt giá trị khá cao, và có độ méo (không sin) lớn

Hình 2.11: Dạng sóng dòng xung kích khi đóng MBA không tải

2.3.3 Dòng từ hóa trong quá trình sự cố ngoài vùng

Khi có một sự cố bên ngoài, nhưng gần các máy biến áp được tách ra bằng máy cắt thích hợp, các điều kiện bên trong lõi sắt biến áp là khá tương tự như trong từ hóa của máy biến áp Như là khi điện áp được cấp cho cuộn dây máy biến áp nhảy từ một giá trị thấp (điểm sự cố đầu) tăng đến giá trị bình thường (hoặc lớn hơn), các từ thông liên kết trong lõi biến áp một lần nữa lại buộc phải thay đổi từ một giá trị (vị trí sự cố đầu) thấp đến một giá trị gần với bình th ường điểm (vị trí sự cố) Tùy thuộc vào thời điểm mà tại đó các sự cố được lấy ra, quá trình chuyển đổi có thể mạnh phụ thuộc một

độ lệch dòng một chiều DC trong từ thông liên kết vòng, và dạng sóng dòng điện trong cuộn sơ cấp như gặp phải trong quá trình đóng điện máy biến áp sẽ cho kết quả tương

27

Hình 2.13: Dòng từ hóa trong quá trình quá kích thích

2.3.5 Tỉ số biến đổi máy biến áp

Để bảo vệ so lệch máy biến áp làm việc được, dòng điện các phía của máy biến

áp cần phải được quy đổi về cùng một phía để so sánh Hệ số quy đổi này phụ thuộc vào tỉ số vòng dây của máy biến áp Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, tỉ số vòng dây của các máy biến áp có thể thay đổi được (với các máy biến áp có đầu phân áp và điều áp dưới tải) Khi đầu phân áp không ở vị trí định mức, sẽ tạo ra thêm một sai số nhỏ nữa trong tính toán dòng điện so lệch

2.3.6 Bão hòa máy biến dòng

Với những sự cố ngoài vùng, ở đó dòng sự cố lớn, có khả năng là một trong những biến dòng có thể bão hòa Kết quả dạng sóng dòng điện của biến dòng cuộn dây thứ cấp được thể hiện trong hình 2.14 Dòng so lệch chạy trong rơle sẽ tương đương với khu vực gạch chéo, đó là sự khác biệt giữa các dạng sóng dòng điện chưa bão hòa

và các dạng sóng dòng điện bão hòa

28 Hình 2.14 dạng sóng dòng điện trong quá trình bão hòa biến dòng

29

CHƯƠNG III

SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN BẢO VỆ SO LỆCH

Trong máy biến áp lực nói chung, dòng điện thứ cấp của các máy biến dòng là không bằng nhau khi khi có dòng chạy qua máy biến áp Nhưng chúng phụ thuộc vào

tỷ số biến đổi điện áp, tổ đấu dây của bảo vệ máy biến áp lực vào phụ thuộc vào tỷ số biến dòng của máy biến dòng điện Các dòng điện phải phù hợp, kết hợp để so sánh Kết hợp giá trị máy biến áp lực và tỷ số máy biến dòng điện và sự biến đổi pha theo nhóm véc tơ của bảo vệ máy biến áp được thực hiện thuần túy toán học

Các dòng đầu vào được biến đổi liện quan đến tỷ lệ dòng điện máy biến áp lực Điều này thực hiện bằng cách đưa dữ liệu tỷ lệ biến đổi như tỷ lệ công suất, tỷ lệ điện

áp, tỷ lệ dòng sơ cấp của máy biến dòng điện vào thiết bị bảo vệ

3.1 Quy đổi dòng điện theo tổ đấu dây của máy biến áp[4][6][7]

Các phía máy biến áp đều đặt máy biến dòng điện, dòng điện thứ cấp của các máy biến dòng này không hoàn toàn bằng nhau Sự sai khác này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tỷ số biến đổi, tổ đấu dây, sự điều chỉnh nấc điện áp của máy biến áp, sự không đồng nhất, sai số do bão hòa từ của máy biến dòng Do vậy để tiện so sánh dòng điện thứ cấp của máy biến dòng ở các phía máy biến áp chúng ta quy đổi chúng về cùng một phía, thường chọn về phía có điện áp cao

Đối với máy biến áp lực 3 pha, hay máy biến áp tự ngẫu, các dòng điện thứ cấp

đo được ở các phía được quy đổi theo các ma trận hệ số Ma trận quy đổi K được xác định tùy thuộc vào tổ đấu dây sơ cấp của máy biến áp Công thức chung cho quy đổi dòng điện được tính như sau:

[Im] = k.[K].[In] (3-1)

Trong đó: - [Im] ma trận dòng điện đã được biến đổi (IA, IB, IC)

- [In] ma trận dòng điện pha (IL1, IL2, IL3]

- [K] ma trận hệ số dòng điện phụ thuộc vào tổ đấu dây

- k hệ số quy đổi biến đổi dòng điện (phụ thuộc vào tỷ số biến áp)

30

SC

TC

U k U

Ma trận quy đổi không khử dòng thứ tự không

Ma trận của cuộn tham

Ma trận cho cuộn chậm pha

Ma trận cho cuộn chậm pha

Ma trận cho cuộn sớm pha

Ma trận cho cuộn sớm pha

Công thức áp dụng cho tính toán dòng so lệch máy biến áp ba cuộn dây quy đổi

+ ISLB dòng điện so lệch pha B + ISLC dòng điện so lệch pha C + UW1 điện áp dây tỷ lệ biến đổi của cuộn sơ cấp (W1) + UW2 điện áp dây tỷ lệ biến đổi của cuộn sơ cấp (W2) + UW3 điện áp dây tỷ lệ biến đổi của cuộn sơ cấp (W3) + A, B, C ba ma trận hệ số biến đổi phụ thuộc tổ đấu dây Với máy biến áp mô phỏng 110/35/22kV với tổ đấu dây Y0/Y/D-11 ta áp dụng

Sơ đồ đấu dây:

+ Cao áp: Đấu sao + Trung áp: Đấu tam giác + Hạ áp: Đấu sao

+ Sơ đồ vecto: Yndyn-11-12 Máy biến áp có 19 đầu phân áp

tả các hiện tƣợng ngắn mạch trong và ngoài vùng

Khối phụ tải: đƣợc nối vào cuộn dây 22kV và 35kV

Khối bảo vệ so lệch bao gồm các chức năng sau:

+ Khối so lệch 87T: tính toán dòng so lệch cho từng pha

+ Khối so lệch 87N: Tính toán dòng so lệch 87N

+ Khối hãm tính toán dòng điện hãm cho từng pha

+ Khối hãm hài bậc 2: khối này tính toán tỷ lệ giữa biên độ của thành phần hài bậc hai và biên độ của thành phần cơ bản

37

4.2 Mô hình máy biến dòng

Hình 4.2 Đặc tính bão hòa máy biến dòng đƣợc sử dụng trong mô phỏng

Để tăng tính chính xác của kết quả mô phỏng, mô hình các máy biến dòng điện trong sơ đồ mô phỏng có xét đến đặc tính bão hòa của máy biến dòng điện Đặc tính bão hòa của máy biến dòng điện đƣợc xây dựng gần nhất có thể với đặc tính bão hòa của máy biến dòng thực tế đo đƣợc bằng thiết bị thí nghiệm, hình 4.2 minh họa đặc tính bão hòa của các biến dòng đƣợc sử dụng trong mô phỏng, với điểm gãy tại điện áp khoảng 117V Trong các mô phỏng, phụ tải ở phía thứ cấp của máy biến dòng là 1Ω

4.3 Kết quả mô phỏng

4.3.1 Đóng xung kích phía 110kV máy biến áp

Khi đóng máy biến áp không tải, dạng sóng dòng điện các phía đƣợc thể hiện ở hình 4.3