THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ GIÁM SÁT TRẠM BIẾN ÁP CHÍNH

Trong những thập kỷ vừa qua, các ngành công nghiệp, khoa học của Việt Nam đã có những bước tiến nhảy vọt về công nghệ cũng như những ứng dụng vào thực tiễn mang lại những lợi ích kinh tế to lớn. Trong vòng quay của sự phát triển như vũ bão của các ngành khoa học công nghệ trong nước như công nghệ thông tin, công nghệ sinh hóa, điện điện tử thì ngành ký thuật điều khiển và tự động hóa đã đạt được những bước tiến không nhỏ. Nhờ những ứng dụng kịp thời và hữu hiệu, tj động hóa đã làm giảm nhẹ sức lao động cho con người, nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm. Do đó yêu cầu đặt ra với ngành tự động hóa cúng hết sức cao, phải nắm bắt công nghệ đưa vào phục vụ sản xuất thay thế cho công nghệ cũ thủ công lạc hậu. Là một sinh viên năm cuối của trường đại học Mỏ Địa chất, với những kiến thức thu được trong giảng đường cùng với kiến thức tìm hiểu trong quá trình thực tập. Sau một thời gian tìm hiểu và nhằm áp dụng các kiến thức , em được hướng dẫn nghiên cứu đề tài: “ Thiết kế hệ thông điều khiển tự động và giám sát trạm biến áp chính ’’ . Sau thời gian nghiên cứu và được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo TS. Phan Minh Tạo và các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa, cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã được hoàn thành.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Nam Ninh

Ngành: Tự động hóa Khóa: 56 Hệ đào tạo: Chính quy

Mã số sinh viên: 1121060116

Thời gian nhận đề tài : Ngày 1 tháng 4 nằm 2017

Thời gian hoàn thành : Ngày tháng nằm

TÊN ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ GIÁM SÁT TRẠM BIẾN

ÁP CHÍNH

Giáo viên hướng dẫn Chủ nhiệm bộ môn

TS Phan Minh Tạo PGS.TS Nguyễn Đức Khoát

Danh Mục Hình Vẽ

2

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những thập kỷ vừa qua, các ngành công nghiệp, khoa học của Việt Nam đã cónhững bước tiến nhảy vọt về công nghệ cũng như những ứng dụng vào thực tiễn mang lạinhững lợi ích kinh tế to lớn

Trong vòng quay của sự phát triển như vũ bão của các ngành khoa học công nghệtrong nước như công nghệ thông tin, công nghệ sinh hóa, điện điện tử thì ngành ký thuậtđiều khiển và tự động hóa đã đạt được những bước tiến không nhỏ Nhờ những ứng dụngkịp thời và hữu hiệu, tj động hóa đã làm giảm nhẹ sức lao động cho con người, nâng caonăng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm Do đó yêu cầu đặt ra với ngành tự độnghóa cúng hết sức cao, phải nắm bắt công nghệ đưa vào phục vụ sản xuất thay thế cho côngnghệ cũ thủ công lạc hậu

Là một sinh viên năm cuối của trường đại học Mỏ - Địa chất, với những kiến thứcthu được trong giảng đường cùng với kiến thức tìm hiểu trong quá trình thực tập Sau mộtthời gian tìm hiểu và nhằm áp dụng các kiến thức , em được hướng dẫn nghiên cứu đề tài :

“ Thiết kế hệ thông điều khiển tự động và giám sát trạm biến áp chính ’’ Sau thời gian nghiên cứu và được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo TS Phan Minh Tạo và

các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa, cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay đồ án tốtnghiệp của em đã được hoàn thành

Tuy nhiên do trình độ còn hạn chế, nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Rấtmong thầy cô và các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện hơn

Nhân dịp này em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo TS Phan

Minh Tạo và toàn thể các thầy cô trong bộ môn tự động hóa cùng ban lãnh đạo Công ty đã

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Nam Nin

Chương I : TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG

Công trình Thuỷ điện Thác Xăng dự kiến xây dựng trên sông Bắc Giang, phụ lưu cấp

1 bờ trái của sông Kỳ Cùng Nhà máy thủy điện bố trí sau đập Tuyến công trình nằm trênđịa phận xã Hùng Việt, huyện Tràng Định tỉnh Lạng Sơn, cách cửa sông Bắc Giang gặp

Kỳ Cùng hơn 3km theo đường sông, cách trị trấn Thất Khê khoảng 10km theo đường

4

thẳng về phía Nam, cách thành phố Lạng Sơn khoảng 60km về phía Tây Bắc Vị trí công trình có toạ độ địa lý như sau:

22o09’40” vĩ độ Bắc - 106o29’30” kinh độ Đông;

Nhà máy thủy điện Thác Xăng là nhà máy sau đập có công suất lắp máy Nlm=20,0MW, điện lượng trung bình năm Eo=90.55x106kWh Hồ chứa của công trình nằm trên địa bàn các xã Tân Việt và Hùng Việt - huyện Tràng Định - tỉnh Lạng Sơn Vị trí tyến công trình nằm ở gần ngã 3 giữa 2 Sông Bắc Giang và Kỳ Cùng, khoảng 10km về phía Tây Nam thị trấn Thất Khê, cách thành phố Lạng Sơn khoảng 60km Đường giao thông bên ngoài công trình chủ yếu là đường bộ dọc theo quốc lộ, tương đối thuận tiện cho việc vận chuyển cung cấp máy móc thiết bị

Quy mô :

- Công suất lắp máy 16 MW

- Công suất đảm bảo 5,07 MW

- Cấp công trình Cấp III

- Mực nước dâng bình thường 182,0 m

- Mực nước chết 181.0 m

- Số tổ máy 02 tổ

- Điện lượng bình quân/năm 65,29 triệu Kwh

- Số giờ sử dụng công suất lắp máy 081 giờ

1.2 Các thiết bị chính nhà máy thủy điện

1.2.1 : Máy phát điện của trạm thủy điện

1.2.1.1 Thông số kỹ thuật máy phát thủy lực SF10-20/3600

2 Nhà chế tạo Zhe Jiang Fu Chun Jiang Hydropower Equiment CO.LTD (DFEM)

STT Thông số Giá trị

11 Tốc độ quay lồng tốc lớn nhất 800 vòng/phút

12 Chiều quay (nhìn từ trên xuống) Theo chiều kim đồng hồ

Hệ thống làm mát này có ưu điển là tổn thất nhỏ, không cần quạt, phân bố lưu lượng đều, nhờ đó nhiệt độ cuộn dây sator và rotor cũng được phân bố đều mà không tạo

ra vùng nhiệt độ cao đặc biệt gây suy giảm tuổi thọ cho cách điện của máy phát

1.2.1.2 : Bộ làm mát không khí máy phát

3 Tổng lưu lượng nước qua 04 bộ làm mát 1350 lít/phút

4 Áp lực định mức của nước vào làm mát 0.15~0.3 MPa

5 Nhiệt độ lớn nhất nước vào làm mát 300C

6

Xung quanh phía ngoài stator có 04 bộ làm mát không khí được bố trí đối xứng nhau Thiết kế bộ làm mát có thể đảm bảo cho máy phát làm việc liên tục trong điều kiện phụ tải định mức khi các bộ làm mát bị bẩn tắc với lưu lượng ≥ 90% lưu lượng định mức.Vật liệu chế tạo các ống dẫn bộ làm mát bằng đồng Áp suất làm việc là 0.15~0.3MPa và lưu lượng nước qua 04 bộ làm mát là 1350 L/ phút

Hình 1 2: Bộ làm mát không khí của máy phát

.

1.2.1.3 : Cấu tạo và nguyên lí làm việc máy phát điện

Cấu tạo tổng thể của máy phát nhà máy thủy điện Thác Xăng được minh họa

Máy phát thủy lực SF 10-20/3600 là máy phát kiểu ô, trục đứng, tự làm mát bằng không khí tuần hoàn kín, ba pha và là máy phát đồng bộ cực lồi

Máy phát cấu tạo bao gồm stator, rotor, giá chữ thập trên và giá chữ thập dưới, ổ hướng trên và ổ hướng dưới Ổ hướng trên và ổ hướng dưới được đỡ bằng bu lông và được định vị ở giữa giá chữ thập trên và giá chữ thập dưới của máy phát

Hình 1 4 : Cấu tạo tổng thể máy phát điện

HT kích từ

4 3

8

Máy phát điện xoay chiều đồng bộ SF 10-20/3600 là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Trong đó lõi thép, cực từ rotor và dây quấn rotor (phần cảm) đặt ở phần quay, còn lõi thép và dây quấn stator (phần ứng) với ba điểmchia đều trên nó nối ra bên ngoài được đặt trên phần tĩnh.

Nguồn cơ năng sơ cấp là nước được tích năng ở hồ thượng lưu, qua hệ thống đường ống áp lực chảy vào tuabin, nhờ áp lực do chênh lệch mức nước thượng lưu và hạ lưu làm tuabin quay

Nguồn một chiều từ hệ thống kích thích được đưa vào các cực từ của rotor thông qua hệ thống chổi than và vành góp Khi đó các cực từ rotor hoạt động như một nam châm điện, xung quanh các cực từ sinh ra một từ trường không đổi

Khi rotor máy phát quay với tốc độ n thì từ trường cực từ (rotor) do dòng điện mộtchiều sinh ra sẽ quét qua dây quấn phần ứng (Stato) và cảm ứng trong dây quấn đó sức điên động xoay chiều có tần số:

f = P.n/60 (1)

Ba điểm bất kỳ cách nhau góc 1200 trên dây quấn phần ứng được nối ra ngoài, chia dây quấn này thành ba dây quấn một pha lệch nhau về không gian góc 1200 và đó chính là dây quấn ba pha Điện áp ba pha được biểu thị bằng ba vectơ bằng nhau về trị số

và lệch nhau về thời gian góc 1200

Hình 1 6 : Bố trí dây quấn stato máy phát

Khi máy làm việc có tải bên ngoài, dòng điện ba pha đối xứng lệch nhau về thời gian góc

1200 chạy trong dây quấn lệch nhau góc 1200 trong không gian sẽ tạo ra từ trường quay

có tốc độ:

n1 = 60 f/P (2)

Hình 1 6

Nước ra

Ghichú:1 - Stator3 - Nan hoa rotor5 - Trục tuabin7 - Cánh hướng

2 - Rotor4 - Trục MFĐ6 - Tuabin8 - Buồng xoắn

Hình 1 5: Nguyên lí làm việc của máy phát điện

So sánh (1) và (2) ta thấy n1= n, nghĩa là tốc độ quay của rotor bằng tốc độ của từ trường quay, vì vậy nó được gọi là máy phát điện đồng bộ.

1.2.2 : Tua bin nước

Hình 1 6 : Tua bin nước

12

1 Stato 2.Rotor 3 Cửa Wicket 4 Cánh tuabin

5 Dòng nước 6 Trục máy phát điện tubin A.Máy phát điện B.Tuabin

1.3 Cách thức hoạt động nhà máy thủy điện

Nhà máy phát điện dùng sức nước ( nhà máy thủy điện) là nơi chuyển đổi sức nước (thủy năng) thành điện năng

Cách thức hoạt đông :

Hình 1 8: Cách thức hoạt động của nhà máy

Nước được tụ lại từ các đập nước với một thế năng lớn Qua một hệ thống ống dẫn, năng

14

lượng dòng chảy của nước được truyền tới tua-bin nước, tua-bin nước được nối với máy phát điện, nơi chúng được chuyển thành năng lượng điện.Từ nhà máy phát điện dòng điện được truyền đi qua các trạm biến áp tới khách hàng.

1.4 Nhận xét

Với công suất lắp máy 20,0MW, công trình thủy điện Thác Xăng sẽ cung cấp sản lượng điện trung bình năm khoảng 90.55.106kWh Nhiệm vụ chính của công trình là phát điện phục vụ cho nhu cầu dùng điện của tỉnh Lạng Sơn đặc biệt là các vùng lân cận khu vực Ngoài ra công trình còn tạo điều kiện thúc đẩy phát triển dân sinh kinh tế của địa phương đồng thời cải tạo môi trường xung quanh, cung cấp nước cho sinh hoạt và nông nghiệp trong mùa kiệt

Sau quá trình thực tập tại đây thì hiện tại em thấy nhà máy do mới hoàn thành đưa vào

sử dụng được một năm khi hoạt động gây ra tiếng ồn lớn,nhà máy chỉ hoạt động được gần một nửa công suất toàn nhà máy, một số thiết bị vẫn còn trong quá trình bảo dưỡng với sửa chữa

Chương 2 TRẠM BIẾN ÁP CHÍNH CỦA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN THÁC XĂNG 2.1 Trạm biến áp chính

2.1.1 : Thông số kĩ thuật các thiết bị TBA chính

2.1.1.1 Thông số kỹ thuật dao cách ly đường dây

Nhiệm vụ của dao cách ly:

Dao cách ly là thiết bị tạo ra khoảng hở cách điện trông thấy được giữa bộ phận đang mang điện và bộ phận cắt điện để đảm bảo an toàn cho người sử dụng

Dao cách ly chỉ được sử dụng để đóng cắt khi dòng điện không tải (không có dòng điện)

Nhờ có dao cách ly nên khi sửa chữa một thiết bị nào đó thì các thiết bị bên cạnh vẫn làmviệc bình thường

áp động cơ 380 VAC

+ Lưỡi tiếp đất điều khiển bằng tay, điện áp

điều khiển 220 VDC

8 Tiếp điểm phụ+ 10NO + 10NC cho lưỡi dao chính

+ 8NO + 8NC cho lưỡi tiếp đất

5000 lần thao tác

2.1.1.2 Thông số dao cách ly ngăn lộ MBA

+ Lưỡi dao chính và lưỡi tiếp đất hai phía vận

hành bằng động cơ, điện áp động cơ 220 VDC

+ Điện áp điều khiển 220 VDC

Động cơ

8 Tuổi thọ vận hành cơ khí

2.1.1.3 Thông số CS171, CS173 và CS1T1( Van chống sét có bản vẽ )

Chống sét van là một thiết bị chống sét hoàn hảo nhất dùng để bảo vệ cho trạm biến

áp, trạm phân phối và các máy điện khác.Cấu tạo của chống sét van gồm hai phần:

- Bên ngoài là một ống sứ hay chất dẻo cách điện có hình dạng và kích thước tùy thuộc cấp điện áp định mức sử dụng

- Bên trong ống chứa hai phần tử chính là khe hở phóng điện và điện trở phi tuyến

16

2.2 : Hệ thống truyền động điện của các thiết bị trong hệ thống

2.2.1 Tủ máy cắt (có bản vẽ )

Máy cắt điện là thiết bị đóng cắt mạch điện cao áp (trên 1000V) Ngoài nhiệm vụ đóng cắt dòng điện phụ tải phục vụ cho công tác vận hành, máy cắt còn có chức năng cắt dòng ngắn mạch để bảo vệ các phần tử của hệ thống điện

2.2.1.1 Thông số kỹ thuật chung của MCĐZ

11 Dòng điện ngắn mạch chịu đựng được trong 3s 40 kA/3s

2.2.1.2 Thông số kỹ thuật máy cắt ngăn lộ MBA

11 Dòng điện ngắn mạch chịu đựng được trong 3s 40 kA/3s

2.3 Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống bảo vệ

2.3.1:Nhiệm vụ

Bảo vệ thiết bị trong Nhà máy nhằm hạn chế các hư hỏng do sự cố điện gây ra

Cô lập sự cố, ngăn chặn sự cố lan tràn về điện trong Nhà máy, giữa Nhà máy và Hệ thốngđiện

3.Đối với các phần tử quan trọng như tổ máy, máy biến áp, trạm 110kV hệ thống được thiết kế bảo vệ độc lập Các hệ thống này cũng được cung cấp bởi các nguồn độc lập;

4.Hệ thống phải được trang bị hệ thống giám sát, điều khiển cho phép giám sát tại chỗ và từ xa;

5.Hệ thống có thể giải trừ được bằng tay sau khi đã khắc phục nguyên nhân sự cố

2.3.3 Cấu tạo hệ thống Rơle bảo vệ

bộ

2.3.3.2 Hệ thống bảo vệ Máy biến áp T1

Bao gồm hợp bộ bảo vệ so lệnh SR745/GE và hợp bộ bảo vệ khoảng cách ( phía 110Kv tính từ MC 931,131 ) L90/GE được bố trí trong tủ TRANSFORMER CONTROL, METERING & PROTECTION PANEL cho máy biến áp T1, đặt tại phòng điều khiển trung tâm trên cao trình 166 m cạnh các các tủ kích từ và tủ TAGP-1 và tủ kích từ +EM

2.3.3.3 Hệ thống bảo vệ thanh cái trạm 110kV – Bảo vệ các lộ đường dây

Bao gồm các hợp bộ bảo vệ quá dòng P141/AREVA và hợp bộ bảo vệ so lệnh

P543/AREVA được bố trí trong các tủ APR 1, cho mạch 1 đi Lạng Sơn, và trong các tủ APR 2 cho mạch 2 đi Quảng Uyên, và tủ CPL cho tổng hợp cả 2 lộ đường dây lắp đặt tạiphòng điều khiển trung tâm trên cao trình 166 m

2.3.4 : Trang bị bảo vệ các thiết bị chính trên trạm biến áp 110kV

- Trạm biến áp 110kV NMTĐ Thác Xăng được trang bị 2 mạch bảo vệ cụ thể:+ Mạch bảo vệ số 1:

- Hợp bộ rơle bảo vệ so lệch dọc, loại kỹ thuật số gồm có các chức năng:

o Bảo vệ so lệch dọc 87L

o Bảo vệ khoảng cách 21/21N

o Bảo vệ quá dòng và quá dòng chạm đất có hướng 67/67N

o Bảo vệ quá dòng cắt nhanh và quá dòng cắt có thời gian 50/51

o Bảo vệ quá áp, kém áp 27/59

o Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 50BF

o Tự động đóng lặp lại có kiểm tra đồng bộ 25/79

o Chức năng phản hồi

o Ghi sự cố và xác định điểm sự cố FR, FL

o Khóa chống dao động công suất

o Mạch tăng tốc bảo vệ khi đóng máy cắt vào điểm ngắn mạch

o Nhận và gửi tín hiệu phối hợp truyền cắt liên động đến đầu đường dây đối diện 85

- Rơle giám sát mạch cắt 74

- Rơle Trip/ lockout 86

+ Mạch bảo vệ số 2:

- Hợp bộ rơle bảo vệ quá dòng có hướng loại kỹ thuật số gồm có các chức năng:

o Bảo vệ quá dòng và quá dòng chạm đất có hướng 67/67N

o Bảo vệ quá dòng cắt nhanh và quá dòng cắt có thời gian 50/51

o Bảo vệ quá dòng chạm đất cắt nhanh và quá dòng chạm đất cắt có thời gian 50/51N

o Bảo vệ quá áp, kém áp 27/59

o Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 50BF

o Ghi sự cố và xác định điểm sự cố FR, FL

- Rơle giám sát mạch cắt 74

- Rơle Trip/ lockout 86

2.3.5 Các bảo vệ đường dây.

Mỗi lộ đường dây L171, L173 của trạm biến áp 110kVđược trang bị bởi 2 hệ thống bảo

vệ chính, mỗi hệ thống gồm có các chức năng sau:

2.3.5.1 Bảo vệ so lệch 87L

a Phạm vi tác động của bảo vệ:

Vùng tác động của bảo vệ trong phạm vi lắp đặt các máy biến dòng TI171, TI173 và máybiến dòng đầu đối diện của đường dây phía trạm Lạng Sơn (TI174), trạm Quảng Uyên - Cao Bằng (TI171)

Quá trình tác động:

 Gửi tín hiệu cắt 171, (173)

 Khởi động chức năng tự động đóng lặp lại có kiểm tra đồng bộ 25/79

 Khởi động bảo vệ dự phòng chống hư hỏng máy cắt 171 (173)

 Khởi động chức năng chống hư hỏng máy cắt 50BF.

 Cấm chức năng Tự động đóng lặp lại máy cắt F79 của rơle

 Gửi tín hiệu tăng tốc thời gian tác động của bảo vệ khoảng cách phía đầu

ĐZ đối diện L171 Lạng Sơn, L173 Quảng Uyên – CB

2.3.5.3 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh và cắt nhanh có thời gian 50/51

 Trang bị bảo vệ 67/67N: Tín hiệu dòng điện đưa đến mạch bảo vệ được lấy

từ các máy biến dòng TI171, TI173 và TU171, TU173

b Quá trình tác động:

 Bảo vệ tác động cắt các máy cắt 171, (173)

 Khởi động bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 171 (173)

 Gửi tín hiệu truyền cắt tới MC đầu ĐZ đối diện

 Khởi động bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 171, (173)

 Cấm chức năng 25/79 của các máy cắt 171, (173)

 Gửi tín hiệu truyền cắt tới MC đầu ĐZ đối diện

e.Giá trị tác động của bảo vệ: 104,546 kV

 Khởi động bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 171, (173)

 Gửi tín hiệu truyền cắt tới MC đầu ĐZ đối diện

c, Giá trị tác động của bảo vệ: 121.077 kV