Đồ án Rơle

Chương I Giới thiệu chung về rơle. I.1. Nhiệm vụ của bảo vệ rơle: Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ) có thể xuất hiện các tình trạng sự cố và các chế độ làm việc không bình thường của các phần tử. Phần lớn các sự cố kèm theo hiện tượng dòng điện tăng cao, điện áp giảm thấp. Các thiết bị có dòng điện lớn chạy qua đều bị đốt nóng có thể vượt quá mức cho phép dẫn đến hư hỏng. Khi điện áp giảm quá thấp các hộ tiêu thụ điện không thể làm việc bình thường nên tính ổn định của hệ thống giảm, nếu tình trạng kéo dài có thể xuất hiện thêm sự cố. Muốn quy trì sự hoạt động bình thường của HTĐ khi xuất hiện sự cố, cần phát hiện nhanh chóng chỗ sự cố và tách nó ra khỏi hệ thống. Thiết bị bảo vệ rơle là thiết bị tự động thực hiện tốt nhiệm vụ nói trên. Đối với hệ thống mà chúng ta đang thiết kế bảo vệ rơle thì: ở chế độ phụ tải cực đại nhà máy thuỷ điện A vận hành 3 tổ máy 3x32MW, nhà máy nhiệt điện B vận hành 2 tổ máy 2x50MW. ở chế độ phụ tải cực tiểu nhà máy thuỷ điện A vận hành 2 tổ máy 2x32MW, nhà máy nhiệt điện B vận hành 1 tổ máy 1x50MW. I.2. Yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơle: I.2.1. Tính chọn lọc: Khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố. Yêu cầu này là điều kiện để đảm bảo 1 cách chắc chắn việc cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ. I.2.2. Tác động nhanh: Khi xảy ra sự cố thiết bị bảo vệ tác động càng nhanh càng tốt để hạn chế mức độ phá hoại, giảm thời gian cắt điện ở các hộ tiêu thụ điện và có khả năng giữ sự làm việc ổn định cho hệ thống điện. I.2.3. Độ nhạy: Để phát hiện những hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của mạng điện, bảo vệ cần có độ nhạy cần thiết để phát hiện sự cố kịp thời. Độ nhạy của bảo vệ đặt trưng bởi hệ số độ nhạy KN. I.2.4. Tính đảm bảo: Bảo vệ phải luôn luôn sẵn sàng khởi động và tác động 1 cách chắc chắn trong tất cả các trường hợp sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ và các tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử bảo vệ. Để tăng cường tính đảm bảo của bảo vệ cần dùng rơle có chất lượng cao, làm việc chắc chắn đảm bảo, chọn sơ đồ bảo vệ đơn giản với rơle ít tiếp điểm nhất nhưng vẫn đảm bảo sự làm việc tốt chắc chắn. các thiết bị như cực nối, dây dẫn dùng đấu nối với các rơle lại với nhau phải chắc chắn đảm bảo, thường xuyên kiểm tra sơ đồ bảo vệ. I.3. Nhiệm vụ thiết kế được giao: I.3.1. Bảo vệ bộ máy phát - máy biến áp của nhà máy nhiệt điện B với công suất định mức P = 50MW. I.3.2. Bảo vệ thanh góp cao áp 110KV của nhà máy nhiệt điện B. I.3.3. Bảo vệ đường dây kép B-4. Chương II Bảo vệ bộ máy phát - máy biến áp. II.1. Đặc điểm về bộ máy phát - máy biến áp và kiểu bảo vệ. II.1.1. Các số liệu kỹ thuật: II.1.1.1. Máy phát nhiệt điện P = 50 MW. Bảng II.1 Loại S(MVA) P(MW) U(KV) cosj I(KA) xd” xd’ xd TB-50-2 62,5 50 10,5 0,8 3,437 0,135 0,3 0,84 II.1.1.2. Máy biến áp nối bộ với máy phát nhiệt điện P = 50 MW. Bảng II.2 Sđm(MVA) UC(KV) UH(KV) DP0(KW) DPN(KW) UN(%) I0(%) 63 121 10,5 70 245 10,5 0,65 II.1.2. Các hư hỏng và tình trạng làm việc không thể bình thường của máy phát và máy biến áp: II.1.2.1. Máy phát điện: II.1.2.1.1. Các sự cố trong máy phát điện: Ngắn mạch giữa các pha trong cuộn dây Stato. Ngắn mạch một pha chạm đất cuộn dây Stato. Chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một pha. Chạm đất 1 điểm hoặc 2 điểm mạch kích từ của máy phát. II.1.2.1.2. Tình trạng làm việc không bình thường của máy phát điện: Dòng điện tăng cao do ngắn mạch ngoài hoặc quá tải. Điện áp ở đầu cực máy phát tăng cao do mất tải đột ngột hoặc khi cắt ngắn mạch ngoài. Ngoài ra còn có các tình trạng làm việc không bình thường khác như: tải không đối xứng, mất kích từ, mất đồng bộ, tần số thấp, máy phát làm việc ở chế độ động cơ. II.1.2.2. Máy biến áp: II.1.2.2.1. Các sự cố trong máy biến áp: Ngắn mạch giữa các pha với nhau. Ngắn mạch 1 pha chạm đất. Chạm chập giữa các vòng dây trong cùng 1 pha. II.1.2.2.2. Tình trạng làm việc không bình thường của máy biến áp: Dòng điện tăng cao do ngắn mạch ngoài hoặc quá tải. Quá điện áp khi ngắn mạch 1 pha trong hệ thống điện. Dầu máy biến áp tụt dưới mức cho phép do nhiệt độ không khí xung quanh MBA giảm đột ngột. II.1.3. Đặc điểm các bảo vệ máy phát - máy biến áp: Bảo vệ bộ máy phát - máy biến áp nhằm loại trừ các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường nói trên. Đối với bộ máy phát - máy biến áp ta có thể phối hợp nó vào loại bảo vệ nào đó dùng chung cho toàn khối, điều đó có ưu điểm là giảm số lượng thiết bị bảo vệ so với trường hợp máy phát - máy biến áp làm việc độc lập. II.1.3.1. Bảo vệ chung cho toàn bộ máy phát - máy biến áp: Vì sơ đồ nối điện của nhà máy là nối bộ máy phát - máy biến áp nên ta có thể dùng chung cho cả bộ. Bảo vệ so lệch dọc chống ngắn mạch 1 pha, nhiều pha. Bảo vệ quá dòng chống ngắn mạch ngoài và quá tải. II.1.3.2. Bảo vệ riêng cho máy phát: Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây Stato. Bảo vệ mạch kích từ chống chạm đất 1 điểm cuộn kích từ. II.1.3.3. Bảo vệ riêng cho máy biến áp: Bảo vệ thứ tự không chống ngắn mạch 1 pha phía điện áp cao. Bảo vệ rơle hơi chống hư hỏng bên trong máy biến áp. II.2. Tính toán các bảo vệ đặt chung cho cả bảo vệ: II.2.1. Bảo vệ so lệch: II.2.1.1. Đặc điểm sơ đồ bảo vệ: Bảo vệ so lệch đặt chung cho bộ máy phát - máy biến áp có tác dụng loại trừ các sự cố sau: Ngắn mạch 1 pha hoặc nhiều pha trong cuộn dây máy biến áp. Ngắn mạch 1 pha hoặc nhiều pha trong cuộn dây Stato máy phát điện cần phải được cắt nhanh ở tất cả các phía và bảo vệ so lệch dọc đảm bảo cắt nhanh các phần tử trong vùng bảo vệ. Để tăng độ nhạy của bảo vệ ta dùng loại rơle có máy biến dòng bảo hoà trung gian và sơ đồ bảo vệ so lệch 3 pha. Tổ nối dây máy biến dòng phía cao áp (110KV) là D, phía hạ áp là Y. Ta sử dụng sơ đồ nối dây như vậy để bù lại sự chênh lệch pha giữa dòng sơ cấp phía cao áp và dòng thứ cấp phía hạ áp của máy biến áp động lực nối theo tổ nối dây Y0/D -11. II.2.1.2. Xác định dòng sơ cấp ở các phía của bảo vệ rơle tương ứng với công suất của biến áp, chọn máy biến dòng cho bảo vệ và xác định dòng thứ cấp tương ứng trong các nhánh bảo vệ và xác định tổ nối dây BI: Các loại biến dòng có tổ nối dây D có dòng sơ cấp chọn theo .Uđm do đó chúng ta chọn tỷ số của BI sao cho để dòng thứ cấp trong nhánh bảo vệ không được lớn hơn 5A quá nhiều. Dòng sơ cấp: IS = Với Sđm = 63MVA : Công suất định mức của máy biến áp nối bộ với máy phát. Dòng thứ cấp: IT = Kết quả tính toán ở bảng sau: Bảng II.3 STT Các đại lượng Giá trị bằng số ở các phía 110 KV 10,5 KV 1 Dòng sơ cấp ở các phía của bộ MF nhiệt điện MBA tương ứng công suất định mức của nó = 300,604 A = 3464,102 A 2 Hệ số biến đổi BI 600/5 4000/5 3 Tổ nối dây của BI D Y 4 Dòng điện thứ cấp trong các nhánh của bảo vệ ứng với công suất định mức = = 4,34 A = 4,33 A II.2.1.3. Xác định dòng không cân bằng tính toán: Phía sơ cấp chưa kể đến thành phần không cân bằng hoàn toàn Ikhi ngắn mạch ngoài ở nhánh tự dùng. Ikcbtt = I+ I Trong đó: * I : Thành phần không cân bằng do máy biến dòng gây ra. I= fImax. Kđn. Kkck. INngmax Với : fImax : Sai số lớn nhất cho phép của BI, fImax = 10%. Kđn : Hệ số đồng nhất của các BI, Kđn = (0,5 á 1). Kkck : Hệ số ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ trong dòng điện ngắn mạch, Kkck = 1. N Hình II.1 2720 A 1279 A Dòng ngắn mạch 3 pha tại điểm N1: I = + = + = 2,72 + 1,279 = 2720 + 1279 = 3999 A. INngmax : Thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất. Tra theo phụ lục tính ngắn mạch II.1.1 ta có: INngmax  = 3999 A. * I= DU. IaNngmax : Thành phần không cân bằng do việc điều chỉnh điện áp ở phía cao áp. Với : DU : Sai số tương đối do việc điều chỉnh điện áp ở phía cao áp của máy biến áp, do máy biến áp có mức điều chỉnh (2x2,5)% nên DU = 5% = 0,05. IaNngmax : Thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch chạy qua phía điều chỉnh điện áp. Tra theo phụ lục tính ngắn mạch II.1.1 ta có: IaNngmax = 1279 A Vậy Ikcbtt = I+ I= 1.1.0,1.3999 + 0,05.1279 = 463,85 A. II.2.1.4. Sơ bộ xác định dòng khởi động sơ cấp của bảo vệ: II.2.1.4.1. Theo điều kiện chỉnh định dòng không cân bằng cực đại: Ikđ > Kat.Ikcbtt. Trong đó: Kat : Hệ số an toàn(tin cậy) kể đến sai số của rơle và độ dự trữ Kat=1,3 ị Ikđ > Kat.IKcbtt = 1,3.463,85 = 603,005 A. II.2.1.4.2. Theo điều kiện chỉnh định dòng từ hoá nhảy vọt khi đóng máy biến áp không tải: Ikđ > Khc.IđmBA. Trong đó: IđmBA : Dòng điện định mức tương ứng với công suất định mức của máy biến áp ở phía điện áp 110 KV. IđmBA = = 300,604 A. Khc : Hệ số hiệu chỉnh chọn trong khoảng (1á1,3). Khi tính toán bảo vệ với máy biến dòng bảo hoà trung gian. Lấy Khc = 1,3. ị Ikđ > Khc.IđmBA = 1,3.300,604 = 390,785 A. * Từ hai điều kiện ta chọn điều kiện II.2.1.4.1 và II.2.1.4.2 ta chọn giá trị: Ikđ = 603,005 A. II.2.1.5. Sơ bộ kiểm tra độ nhạy của bảo vệ: * Hệ số độ nhạy của bảo vệ được xác định theo công thức: Kn = Trong đó: IRS : Dòng điện trong cuộn dây rơle. KkdR : Dòng khởi động của rơle tương ứng với số vòng dây ở phía có dòng IR chạy qua. Ta kiểm tra độ nhạy trong hai trường hợp: Khi ngắn 2 pha phía 10,5KV trong tình trạng hệ thống làm việc cực tiểu. Khi ngắn mạch 2 pha phía 10,5KV (ngắn mạch tại điểm N1). N Hình II.2 1352 A 243 A Dòng ngắn mạch 2 pha tại N1: I=.I = .() = 2,763 KA = 2763 A Tra theo phụ lục tính ngắn mạch II.1.2 ta có: I = 2763 A. Dòng qua rơle: IR = = . = 21,829 A. Khi ngắn mạch 1 pha chạm đất phía 110KV khi máy cắt ở phía này cắt ra, nghĩa là ngắn mạch xảy ra trong trường hợp đóng thử máy biến áp. Giả thiết rằng trong các trường hợp trên toàn bộ dòng ngắn mạch chạy qua máy biến dòng đặt ở phía máy phát. N Hình II.3 UN0 Hình II.4 Dòng ngắn mạch 1 pha khi ngắn mạch 1 pha chạm đất: I= m(1) = 3.= 1,786 KA = 1786 A. Tra theo phụ lục tính ngắn mạch II.1.3 ta có: I = 1786 A. Dòng qua rơle: IR = . = 14,117 A. Sơ bộ xác định dòng khởi động của rơle tính đổi về phía thứ cấp của máy biến dòng đặt ở máy phát. Dòng qua khởi động rơle: IkđR = . = . = 8,255 A. * Xác định độ nhạy của bảo vệ: + Khi ngắn mạch 2 pha phía 10,5KV(N1). K = = = 2,53 > 2. + Khi ngắn mạch 1 pha chạm đất phía 110KV(N2). K = = = 1,72 < 2. Qua tính toán ta thấy độ nhạy của bảo vệ phía 10,5KV có Kn > 2 nên tiếp tục tính toán bảo vệ rơle loại PHT-562 vì hệ số độ nhạy khi ngắn mạch 2 pha ở phía điện áp máy phát lớn hơn giá trị tối thiểu. Để tăng độ nhạy của bảo vệ rơle khi ngắn mạch 1 pha chạm đất phía 110KV khi đóng thử máy biến áp thì có thể không tính đến thành phần dòng điện không cân bằng I(Do điều chỉnh đầu phân áp gây nên) với điều kiện thay đổi đầu phân áp chỉ thực hiện khi cắt MBA và khi thay đổi các đại lượng đặt của rơle PHT-562. Sau đây ta tiến hành tính toán cho đầu phân áp của máy biến áp thường đang vận hành của nhà máy B là +2,5%. II.2.1.6. Tính toán dòng điện khởi động sơ cấp của bảo vệ không kể đến thành phần I: Ikcbtt = I= fImax. Kđn. Kkck. INngmax = 1.1.0,1.3999 = 399,9 A. Xác định dòng khởi động sơ cấp của bảo vệ Ikđ theo điều kiện chỉnh định dòng không cân bằng cực đại: Ikđ ³ kat. Ikcbtt = 1,3.399,9 = 519,87 A. Như vậy dòng điện khởi động sơ cấp của bảo vệ tính toán theo trường hợp này được chọn làm điều kiện tính toán: Ikđ = 519,87 A. II.2.1.7. Xác định số vòng dây của cuộn dây máy biến dòng bảo hoà trung gian: Xác định dòng thứ cấp của máy biến dòng đặt ở phía 110KV tương đương với công suất định mức của máy biến áp được bảo vệ: IT = = = 4,23 A. Dòng điện thứ cấp trong mạch bảo vệ phía 10KV tương ứng với công suất định mức của máy biến áp là: IT = ICBT = = = 4,33 A. Xác định số vòng dây các cuộn dây của máy biến dòng bảo hoà trung gian phía cơ bản là phía có dòng thứ cấp lớn hơn, ở đây là phía cơ bản 10KV và không cơ bản là phía 110KV theo công thức: Wcbtt = Trong đó: FkđR : Sức từ động khởi động của Rơle, loại PHT-562 thì FkđR = 60 A/V Wcbtt: Số vòng của cuộn dây máy biến dòng bảo hoà trung gian ở phía cơ bản tính toán. IkđRcb: Dòng điện khởi động rơle tính đổi về phía cơ bản, nó bằng tỷ số biến đổi của máy biến dòng ở phía cơ bản có tính đến sơ đồ đấu dây. Số vòng dây từ phía khác được xác định từ điều kiện cân bằng các sức từ động trong máy biến dòng bảo hoà trung gian khi máy biến áp được bảo vệ làm việc bình thường và khi có ngắn mạch ngoài theo biểu thức: WItt = Wcb. Trong đó: WItt : Số vòng dây tính toán phía không cơ bản của cuộn dây máy biến dòng bảo hoà trung gian. Wcb : Số vòng của cuộn dây máy biến dòng bảo hoà trung gian ở phía cơ bản sau khi đã lấy tròn, tương ứng với số vòng thực tế có được của máy biến dòng bảo hoà trung gian. IcbT, IIT : Dòng điện thứ cấp cơ bản và không cơ bản với công suất định mức. * Số liệu tính toán cụ thể ở bảng sau: Bảng II.4 Tên các đại lượng tính toán Ký hiệu và tính toán Giá trị bằng số Dòng khởi động của rơle phía cơ bản (10KV) IkđRcb = . .= 7,295 A Số vòng dây tính toán của cuộn dây máy biến dòng bảo hoà trung gian phía cơ bản Wcbtt = = 8,22 vòng. Số vòng dây ở phía cơ bản sơ bộ chấp nhận Wcb 7 vòng. Dòng khởi động của rơle phía cơ bản IkđR = = 8,57 A. Số vòng dây tính toán của cuộn dây máy biến dòng bảo hoà trung gian phía 110KV WItt = Wcb. = 7,165 vòng. Sơ bộ chấp nhận số vòng dây phía 110KV W110 7 vòng. Thành phần dòng không cân bằng tính toán cho việc chọn lấy tròn số vòng phía 110KV (khi cắt máy cắt ở điểm tính toán) I= .INngmax .1279 = 29,45 A. Dòng điện không cân bằng sơ cấp tính toán có kể đến thành phần I Ikcbtt = I+ I 399,9 + 29,45 = 429,35 A. Giá trị chính xác của dòng khởi động sơ cấp của bảo vệ Ikđ > Kat.Ikcbtt 1,3. 429,35 = 558,155 A. Giá trị chính xác của dòng khởi động rơle phía cơ bản Ikđcb = . = 8,03 A Số vòng dây của các cuộn dây của máy biến dòng bảo hoà cuối cùng được chấp nhận Phía 10,5KV : Wcb 7 vòng Phía 110KV : W110 7 vòng II.2.1.8. Tính toán độ nhạy của bảo vệ: Những trường hợp ngắn mạch tính toán để kiểm tra độ nhạy của bảo vệ được tính toán trong phụ lục II. Độ nhạy sẽ tính cho trường hợp máy biến áp làm việc ở đầu phân áp +2,5% N Hình II.5 2342 A II.2.1.8.1. Dòng trong máy biến dòng bảo hoà trung gian khi ngắn mạch 2 pha phía điện áp máy phát: Dòng thứ cấp phía điện áp máy phát: IRcb = . I = .= . = 2342 A. Tra theo phụ lục tính ngắn mạch II.2.3 ta được: I = I = 2342 A. ị IRcb = .= .= 32,865 A. Dòng thứ cấp phía điện áp 110KV: IR(110) = .= 33,8 A. Hệ số độ nhạy: Kn = = = = 5,56 > 2. II.2.1.8.2. Dòng trong máy biến dòng bảo hoà trung gian khi ngắn mạch 1 pha phía 110KV trong trường hợp máy cắt ở phía này đã cắt: Theo phụ lục tính toán ngắn mạch II.1.3 tương tự như II.2.1.5: I= 1786 A. Dòng điện chạy qua rơle phía cơ bản lúc này là: IRcb = .= .= 14,47 A. Độ nhạy: Kn = = = 1,33 < 2. Qua kết quả trên ta thấy rằng bảo vệ so lệch dùng rơle loại PHT - 562 có độ nhạy tốt khi ngắn mạch xảy ra ở chế độ vận hành bình thường nhưng khi ngắn mạch 1 pha chạm đất phía 110KV trong chế độ đóng thử máy biến áp ( khi máy cắt phía 110KV cắt ra) bảo vệ tác động không được tốt. Trong trường hợp này các bảo vệ khác như bảo vệ rơle hơi, bảo vệ dự trữ máy biến áp sẽ tác động loài trừ ngắn mạch nói trên II.2.2. Bảo vệ quá dòng chống ngắn mạch ngoài và quá tải. II.2.2.1. Đặc điểm sơ đồ bảo vệ: Máy phát có công suất bé, do đó ta dùng bảo vệ quá dòng có bộ lọc áp thứ tự nghịch LU2 để nâng cao độ nhạy về áp. II.2.2.1.1. Nhiệm vụ của sơ đồ: Chống ngắn mạch trên các phần tử lân cận khi bảo vệ của các phần tử này không tác động. Bảo vệ quá tải đối xứng hoặc không đối xứng. Làm nhiệm vụ dự trữ cho bảo vệ so lệch dọc.