Nghiên cứu tích hợp hệ thống rơle SEL tại phòng thí nghiệm Khoa Điện trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng

Đối tƣợng nghiên cứu Hệ thống rơ le bảo vệ của hãng SEL được lắp đặt sẵn tại PTN Bảo vệ Rơle của khoa Điện thuộc trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng.. Các môđun nguồn, máy phát đ

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Kim Hùng

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ Kỹ thuật Điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày … …

tháng … … năm … …

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu và Truyền thông tại Trường Đại học Bách khoa –

ĐHĐN

 Thư viện Khoa Điện, Trườn

PGS.TS Đinh Thành Việt

TS Lê Thị Tịnh Minh

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Hệ thống rơ le bảo vệ của hãng SEL được lắp đặt sẵn tại PTN Bảo vệ Rơle của khoa Điện thuộc trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

2.2 Phạm vi nghiên cứu

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

3.1 Mục tiêu của đề tài

3.2 Nhiệm vụ chính

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

5 ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI

Từ những lý do đã nêu ở trên Đề tài được chọn có tên là: “Nghiên

cứu tích hợp hệ thống rơle SEL tại phòng thí nghiệm Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng”

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm các phần chính sau:

Chương 1 KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ HIỆN CÓ TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM RƠLE 1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các môđun đã được đầu tư

1.2.1 Các môđun nguồn, máy phát đồng bộ và động cơ kéo, máy biến

áp, thanh cái, đường dây, phụ tải, máy biến dòng điện và máy biến điện

áp

* Môđun nguồn (Power Supply):

Nhiệm vụ của môđun này cấp nguồn cho mạch lưới điện cần thí nghiệm và nguồn điều khiển cho các thiết bị rơ le

Hình 1.1: Bộ cấp nguồn xoay chiều 3 pha 380/220V (Power supply)

* Môđun các thiết bị mô phỏng phụ tải điện

Các môđun tải trở, tải dung và tải cảm (hình 1.6) được dùng thay thế cho các loại phụ tải tiêu thụ điện năng thực tế trong hệ thống điện Từ ba loại phụ tải này có thể dùng riêng hoặc kết hợp với nhau sẽ tạo ra tính chất đặc trưng của các loại phụ tải: tải thuần trở, tải thuần dung, tải thuần cảm và tải hỗn hợp

Hình 1.8: Rơle so lệch SEL 300G

Hình 1.6: Các mô đun Tải trở (Resistive Load), Tải dung (Capacitive Load) và

Tải cảm (Inductive Load)

* Môđun biến dòng điện và biến điện áp (Current transformer; Voltage transformer)

Trong mô hình thí nghiệm hệ thống điện đa chức năng, biến dòng điện (TI) và biến điện áp (TU) (hình 1.7) có chức năng chuyển đổi các giá trị dòng điện từ 0,5A thành dòng điện 5A và giá trị điện áp từ 380VAC xuống điện áp 120VAC phù hợp với yêu cầu đầu vào của các loại rơ le

Hình 1.7: Các mô đun biến dòng điện và biến điện áp

1.2.2 Các rơ le SEL 311L, SEL 387A, SEL 300G, SEL 551, SEL

351, SEL 451

* Rơle so lệch kỹ thuật số cho máy phát điện

Rơ le này có chức năng chính là bảo

vệ so lệch máy phát điện (87), chuyên

dùng bảo vệ cho máy phát điện

Hình 1.9: Rơle so lệch SEL 387A

Hình 1.13: Rơle SEL451

* Rơle so lệch máy biến áp

Chức năng chính của SEL 387A

là bảo vệ so lệch dòng điện (87) cho

các đối tượng như là máy biến áp, máy

phát, đường dây ngắn,…

* Rơle giám sát điều khiển trung tâm SEL 451

Rơle giám sát điều khiển trung tâm

SEL 451 (hình 1.13) được dùng để thực

hiện chức năng giám sát điều khiển trung

tâm cho các bảo vệ chính như bảo vệ quá

dòng, bảo vệ kém áp, bảo vệ công suất

1.2.3 Các môđun tạo sự cố, môđun cấp nguồn một chiều cho các rơ le 1.2.3.1 Các môđun tạo sự cố

1.2.3.2 Môđun cấp nguồn một chiều cho các rơle

1.3 Thiết kế tủ gá thiết bị

1.4 Các bài thí nghiệm và một số hạn chế trong PTN

Với các trang thiết bị sẵn có như trên thì khoa Điện đã xây dựng được các bài thí nghiệm như sau: [14]

- Bài 1: Bảo vệ khoảng cách (cho đường dây, dùng rơ le SEL 311L)

- Bài 2: Bảo vệ quá dòng (cho đường dây, dùng rơ le SEL 311L)

- Bài 3: Bảo vệ so lệch máy phát (cho máy phát điện, dùng rơ le SEL 300G)

- Bài 4: Bảo vệ quá dòng điện (cho máy phát điện, dùng rơ le SEL 300G)

- Bài 5: Bảo vệ quá dòng máy biến áp (cho máy biến áp, dùng rơ le SEL 387A)

- Bài 6: Bảo vệ so lệch máy biến áp (cho máy biến áp, dùng rơ le SEL 387A)

Ta thấy rằng quá mất thời gian để hoàn thành nội dung 1 bài thí nghiệm Trên thực tế thì 1 buổi thí nghiệm của các em không đủ thời gian để thao tác từng bước một, dẫn đến hiệu quả nghiên cứu thí nghiệm không chuyên sâu, khó có thể nắm rõ phương thức vận hành của mỗi một chức năng bảo vệ là như thế nào

1.5 Kết luận chương

Qua chương này, chúng ta sẽ có một cái nhìn bao quát và nắm

rõ về tất cả các thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm Bảo vệ rơle trong

hệ thống điện thuộc Trung tâm Thí nghiệm Điện – Khoa Điện Tất cả đều được trang bị nhằm tạo điều kiện để mô phỏng và xây dựng các bài thí nghiệm theo một sơ đồ hệ thống điện một cách chi tiết hơn, cũng như giúp người học có thể học hỏi, nghiên cứu, thực nghiệm, vận hành các

rơ le bảo vệ hệ thống điện lúc ở tình trạng làm việc bình thường và lúc

sự cố cụ thể như thế nào Hiện tại tuy còn một vài hạn chế trong triển khai việc thí nghiệm hai hay nhiều rơ le cùng một lúc, tốn thời gian trong việc đấu nối sơ đồ cũng như cài đặt thông số cho rơ le, tất cả đều phải thao tác bằng tay, nhưng các thiết bị trong phòng vẫn vận hành bình thường

Để tìm hiểu kỹ hơn cách thức tính toán cài đặt và đặc tính tác động của các rơ le tại phòng thí nghiệm này thì chúng ta sẽ xem tiếp nội dung ở chương tiếp theo

Chương 2 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÀI ĐẶT CHO CÁC RƠ LE SEL 2.1 Bảo vệ khoảng cách cho đường dây dùng rơle SEL – 311L

2.1.1 Đặc tính tác động

3

HÌNH 2.1: Đặc tính tác động MHO của SEL-311L

Chức năng bảo vệ khoảng cách trong rơle SEL – 311L tác động theo đặc tính tổng dẫn MHO với 4 vùng bảo vệ được cài đặt một cách độc lập

3.1.2 Mô tả cài đặt

* Chức năng quá dòng cắt nhanh – Instantaneous/Definite – Time Overcurrent Enable Settings

* Chức năng quá dòng cực đại có đặc tính thời gian phụ thuộc

3.2 Bảo vệ so lệch cho máy phát điện dùng rơle SEL – 300G

Đoạn a: Biểu thị dòng điện khởi động ngưỡng thấp Idiff> của bảo

vệ, với mỗi máy biến áp coi như là hằng số Dòng điện này phụ thuộc dòng từ hóa của máy biến áp

Đoạn b: Đoạn đặc tính có kể đến sai số biến đổi của máy biến dòng

và sự thay đổi đầu phân áp của máy biến áp

Đoạn c: Đoạn đặc tính có tính đến chức năng khóa bảo vệ khi xuất hiện hiện tượng quá bão hòa không giống nhau ở các máy biến dòng

3.1.4 Mô tả cài đặt

3.2 Bảo vệ so lệch máy biến áp dùng rơle SEL-387A

3.2.1 Nguyên lý làm việc và đặc tính tác động

2.4.1.1 Nguyên lý làm việc [9]

Hình 2.4: Nguyên lý của bảo vệ so lệch MBA dùng SEL-387A

a Ở chế độ làm việc bình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ tại N1 trên hình 2.4:

b Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ tại N2 trên hình 2.4:

c Các ảnh hưởng đến khả năng tác động đúng của bảo vệ so lệch cho MBA

2.4.1.2 Đặc tính tác động

Rơle SEL-387A sử dụng các đại lượng tác động (IOP - Operate Quantities) và đại lượng hãm (IRT-Restraint Quantities), rơle tính toán dựa vào việc phân tích các giá trị dòng điện đầu vào từ 1BI và 2BI Đặc tính tác động của rơle SEL-387A được trình bày trên hình 2.5[1]

Hình 2.5: Đặc tính tác động của rơle SEL-387A

2.4.2 Tính toán cài đặt

2.4.2.1 Mô tả cài đặt cho rơle SEL-387A

2.4.2.2 Tính toán các thông số cài đặt cho rơle SEL-387A

a Tính toán bù dòng điện thứ cấp cho các máy biến dòng BI ở hai phía sơ cấp và thứ cấp của MBA

b Tính dòng điện cơ bản – Current TAP

c Tính toán độ dốc của các đường đặc tính hãm

2.5 Kết luận chương

Qua chương này có thể sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn các đặc tính tác động và phương thức tính toán các thông số cài đặt cho mỗi một rơle (SEL311L, SEL300G, SEL387A) Mỗi chức năng bảo vệ của rơ le

có một đặc tính riêng, được thiết kế nhằm bảo vệ an toàn cho hệ thống

điện trong bất kỳ trường hợp sự cố nào xảy ra Muốn rơ le vận hành thì chúng ta phải tính toán các thông số cài đặt ban đầu như dòng khởi động (IKĐ), tổng trở khởi động (Z1P,Z2P),…

Nếu như cài đặt sai thì kết quả thu được sẽ không chính xác, dẫn đến bảo vệ tác động nhầm, không đảm bảo được tính chọn lọc cũng như

độ tin cậy trong việc bảo vệ vận hành an toàn hệ thống điện và hậu quả gây thiệt hại lớn cho hệ thống Vì vậy, để rơ le vận hành tối ưu nhất thì chúng ta phải nắm rõ đặc tính tác động của từng rơ le, cài đặt các thông

số hợp lý Mỗi một rơ le ngoài chức năng bảo vệ chính thì còn có nhiều chức năng bảo vệ phụ khác

Chương tiếp theo sẽ giúp chúng ta tìm hiểu cụ thể hơn về từng chức năng bảo vệ của các rơ le và việc tích hợp các bảo vệ như thế nào

Chương 3 TÍCH HỢP HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠ LE SEL BẰNG MÁY TÍNH 3.1 Giới thiệu chung

3.1.1 Rơle bảo vệ so lệch dòng điện SEL-387A

SEL-387A được áp dụng cho bảo vệ, giám sát điều khiển máy biến

áp lực, kháng điện, máy phát, theo nguyên lý so lệch dòng điện

Hình 3.1: Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-387A

Chức năng chính của SEL-387A là chức năng 87 – bảo vệ so lệch

3.1.2 Rơle bảo vệ khoảng cách cho đường dây dùng rơle SEL-311L

SEL-311L được áp dụng cho bảo vệ đường dây truyền tải và phân phối theo nguyên lý so lệch dòng điện với khả năng điều khiển giám sát tích hợp

 50 P,G,Q : BVQD cắt nhanh (pha-pha, chạm đất, TTN- TTT)

 50 P,G,Q : BVQD có thời gian (pha-pha, chạm đất, TTN- TTT)

 50G: BVQD chạm đất tức thời

 51G: BVQD chạm đất có thời gian

 67G: BVQD chạm đất có hướng

 87: Bảo vệ so lệch

Hình 3.5: Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-311L

Chức năng chính của SEL-311L là chức năng 21 – bảo vệ khoảng cách

3.1.3 Rơle bảo vệ máy phát điện SEL- 300G

SEL-300G được áp dụng cho bảo vệ và giám sát máy phát điện

Hình 3.8: Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-300G

 25: Chức năng kiểm tra đồng bộ

 50 P,G,Q : BVQD cắt nhanh (pha, chạm đất, TTK)

TTN- 24: Chức năng quá kích từ

 25: Chức năng kiểm tra đồng bộ

 27: Bảo vệ kém áp

 59 P,G,Q : Bảo vệ quá áp (pha, chạm đất, TTN-TTK)

 81 O,U : Bảo vệ tần số (quá tần số, kém tần số)

 87: Bảo vệ so lệch

 49: Bảo vệ quá nhiệt

 32: Bảo vệ định hướng công suất

 60: Bảo vệ cân bằng điện áp hoặc dòng điện

 64G: Bảo vệ chống chạm đất cho cuộn stator

 59N: Bảo vệ quá áp dây trung tính

 87N: BV so lệch dây trung tính

 51N: BVQD có thời gian dây trung tính

 50N: Bảo vệ cắt nhanh dây trung tính

Chức năng chính của SEL-300G là chức năng 87 – bảo vệ so lệch

3.1.4 Rơle giam sát và điều khiển trung tâm SEL- 451

SEL-451 được áp dụng cho bảo vệ, điều khiển và giám sát đường dây

Hình 3.10: Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-451

Chức năng chính của SEL-451 là chức năng 67 – bảo vệ quá dòng

có hướng

3.2 Tích hợp và điều khiển rơ le SEL bằng máy tính

3.2.1 Giới thiệu chung

3.2.2 Giải pháp kết nối giữa rơ le SEL với máy tính

Gồm 14 bước Chi tiết xem trong cuốn luận văn (từ trang 40 đến 44

3.2.3 Giải pháp tích hợp hệ thống bảo vệ rơle trong phòng thí nghiệm:

 79: Chức năng định hướng công suất

 81 O,U : Bảo vệ tần số (quá tần số, kém tần số)

 85/RIO: Rơle nhận thông tin phối hợp tác động từ bảo vệ đầu đối diện

 16: Chức năng dự phòng cho tương lai hiện chưa sử dụng

 Giải pháp kết nối tích hợp:

- Bước 1: Kết nối 3 con rơ le SEL300G, SEL311L, SEL387A với

bộ Switch qua bộ chuyển đổi từ RS232 sang Ethernet (EKI 1524) bằng các dây cáp RS232 theo hình 3.24

- Bước 2: Kết nối con rơ le SEL387E với bộ Switch bằng dây cáp mạng RJ45 theo hình 3.24

- Bước 3: Từ con rơ le SEL451 kết nối với bộ Switch bằng dây cáp mạng RJ45 theo hình 3.24

- Bước 4: Từ bộ Switch kết nối với máy tính PC bằng dây cáp mạng RJ45 theo hình 3.24

Ngoài ra ta có thể kết nối các con rơ le khác với bộ Switch bằng dây cáp mạng RJ45 theo hình 3.24

Để thực hiện các kết nối thì chúng ta cần phải chuẩn bị đầy đủ các thiết bị cần thiết nhất như bộ Switch, bộ chuyển đổi EKI-1524, các dây cáp mạng RJ, các dây cáp mạng RS232, bộ nguồn điện một chiều,…

Và chúng ta sẽ sử dụng phần mềm AcSELerator QuickSet đã cài đặt trong máy vi tính để điều khiển và thu thập dữ liệu của các rơle một cách rất tiện lợi và hữu ích

Với sơ đồ hình 3.24 ta thấy rằng các rơ le vừa có thể vận hành độc lập và cũng có thể vận hành song song với nhau khi được kết nối với nhau Ta chỉ cần dùng máy tính thì có thể giám sát và điều khiển các

rơ le mà không cần phải thao tác bằng tay như phần trình bày ở mục 1.4 chương 1 Hơn nữa, ta sẽ đọc được các dữ liệu trong rơ le và đồng thời cũng có thể lưu dữ các dữ liệu đó trong máy tính Điều này giúp ta có thể rút ngắn thời gian thực hiện các bước trong bài thí nghiệm, lấy thông tin của rơ le và xử lý các thông tin này để hoàn thành bài thực hành của mình

Hình 3.24: Sơ đồ kết nối tích hợp điều khiển các bảo vệ rơ le SEL

3.3 Mô phỏng chức năng bảo vệ của các rơ le SEL

3.3.1 Xây dựng mô hình đường dây và trạm biến áp

Rơle SEL 387E

Hình 3.25: Mô hình nguyên lý bảo vệ của các rơ le SEL

3.3.2 Cấu hình tin nhắn GOOSE cho các rơ le SEL

a Cấu hình tin nhắn GOOSE truyền từ SEL451 đến SEL387E:

b Cấu hình GOOSE Receive bằng công cụ acSELerator

Architect SEL-5032

3.3.3 Mô phỏng và đánh giá

Ta tiến hành thí nghiệm với một số trường hợp sự cố ngắn mạch trình tự như sau:

a Sơ đồ nối dây:

b Giả thiết các thống số ban đầu của hệ thống:

PC thu thập dữ liệu và điều khiển

SWITCH

SEL451

Kết nối bằng cổng RJ45(cáp mạng)

SEL 387E

MBA (2) (5)

(11)

(10)

c Trình tự thí nghiệm:

d Phân tích các trường hợp sự cố:

Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm hệ thống như hình 3.32:

Hình 3.32: Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

d.1 Sự cố chạm đất 1 pha A phía sau MBA (tại điểm N1)

=> Hình 3.33 mô phỏng kết quả đo được về các thông số đầu vào của

các TI:

- Véctơ màu đỏ là giá trị của dòng điện (điện áp) pha A

- Véctơ màu xanh dương là giá trị của dòng điện (điện áp) pha B

- Véctơ màu xanh lá là giá trị của dòng điện (điện áp) pha C

=> Giá trị dòng điện qua TI lúc hệ thống làm việc bình thường đo được

Hình 3.33: Mô phỏng lúc làm việc bình thường của hệ thống từ rơle SEL387E

Theo kết quả đo được từ sơ đồ hình 3.33 thì ta thấy lúc hệ thống đang làm việc bình thường thì giá trị dòng và áp trên các pha A, B, C chạy qua rơ le được thể hiện tương ứng qua 3 vectơ IA, IB, IC đối xứng nhau, lệch nhau 120° và giá trị đọc được lúc này khoảng 0,95 A và điện

áp nguồn vào rơ le là 110V DC Vì đây là loại rơ le SEL387E với chức năng chính là bảo vệ so lệch, nên ta chỉ cần đọc được các giá trị dòng

điện đang chạy qua rơ le để từ đó ta có thể so sánh với kết quả thu được sau khi tạo sự cố ngắn mạch

Sau khi tiến hành thí nghiệm tạo lỗi sự cố tại điểm N1 như sơ đồ hình 3.32, ta thu thập được kết quả mô phỏng quá trình diễn ra sự cố như hình 3.34 Ta thấy được rằng, trước khi sự cố xảy ra (trước thời điểm t = 800 ms) thì dòng và áp mô phỏng được gần bằng với giá trị lúc bình thường, sau thời điểm sự cố xảy ra (t > 800 ms) và chức năng REF của rơ le SEL387E đã tác động cắt điểm sự cố ra hoàn toàn thì ta thấy rằng các giá trị dòng và áp lúc này đã có sự thay đổi rõ rệt, dòng pha bị

sự cố (pha A) đã tăng lên rất lớn Và sau thời điểm sự cố được giải trừ hoàn toàn thì hệ thống bắt đầu trở lại làm việc bình thường, dòng và áp chạy qua rơ le lúc này trở về có giá trị gần bằng với lúc bình thường trước đó

Hình 3.34: Kết quả mô phỏng sau sự cố tại điểm N1

Xem các chú thích trong hình 3.34, gồm có:

(