Bài tập lớn môn: BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN

Lời nói đầu
Trong nền kinh tế hiện đại ngày nay năng lượng điện năng là nguồn năng lượng vô
cùng quan trọng, việc xây dựng các nhà máy điện và hệ thống truyền tải đang trở
thành gánh nặng của Quốc gia. Trong các phụ tải điện còn có những phụ tải quan trọng
không thể mất điện trong thời gian dài, các thiết bị điện đắt tiền có thể bị hư hỏng nếu
xảy ra sự cố và không được loại bỏ ngay phần tử bị sự cố. Để thực hiện nhiệm vụ loại
bỏ một cách nhanh nhất phần tử bị hư hỏng ra khỏi hệt hống cần có hệ thống bảo vệ
rơle làm việc an toàn.
Là một sinh viên chuyên nghành hệ thống điện không thể không nghiên cứu, tìm hiểu
bộ bôn “Bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện”. Môn học đã mang lại cho sinh
viên những kiến thức cơ bản nhất của kĩ thuật bảo vệ hệ thống điện bằng rơle, các
nguyên tắc tác động, cách thực hiện các bảo vệ thường gặp cũng như các chế dộ hư
hỏng và làm việc không bình thường điển hình nhất của hệ thống điện và các loại bảo
vệ chính đặt cho nó.
Bài tập lớn “Bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện” giúp sinh viên hệ thống lại
toàn bộ kiến thức đã học và tiếp cận với một số loại rơle trong thực tế. Những kiến
thức này sẽ là nền tảng cho quá trình tiếp cận thực tế sau này.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là
sự tận tình của thầy Trần Quang Khánh đã giúp em hoàn thành bài tập lớn này. Do
thời gian làm bài không nhiều, kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em không thể
tránh những thiếu sót, vậy em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô
cho bài làm của em được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Tài Tuấn

BÀI TẬP LỚN MÔN


BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn :TS. TRẦN QUANG KHÁNH
Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN TÀI TUẤN

Mã sinh viên

: 0841240207

Lớp

: ĐIỆN CLC-K8

Khoa:ĐIỆN

Bài toán: Hãy tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện 100 kV gồm các đường dây và
trạm biến áp với sơ đồ cho trên hình 1. Máy biến áp mã hiệu TPДH , có công suất
định mức SnB ( MVA), máy có bộ phận tự động điều chỉnh điện áp với ∆U dc = 10% .
Tổ nối dây của máy biến áp là Υ / ∆ , hệ số tin cậy bằng 1,3. Công suất ngắn mạch trên
thanh cái A của hệ thống là Sk.HT (MVA). Dây dẫn thuộc loại ACO với tiết diện F,mm2
khoảng cách trung bình giữa các dây dẫn là a=5m, chiều dài của các đoạn dây l (km).
Tốc độ gió lớn nhất của môi trường xung quanh là v (m/s), thời gian tác động của bảo
vệ nhanh nhất là t1= 0,03s , phân cấp thời gian của các bảo vệ tiếp theo là ∆t = 0,5s .
Dữ liệu bài toán được cho trong bảng 1.
Ghi chú:Dữ liệu được lấy theo hai số cuối của mã sinh viên ( 0 và 7 )
Bảng 1. Dữ liệu bài tập lớn Bảo vệ rơle và Tự động hóa HTĐ
N

0

0
7

l0
75

F0
300

Chỉ số thứ nhất
Dữ liệu đường dây
l1
F1
l2
F2
56 240 62 300

l3
43

F3
240

Chỉ số thứ hai
Công suất mba, MVA
SnB1 SnB2 SnB3 Sk.HT
v
10

10

16

1850

42


Hình 1. Sơ đồ mạng điện bài tập dài tính toán bảo vệ rơ le

CHƯƠNG 1: THIẾT LẬP SƠ ĐỒ THAY THẾ TÍNH TOÁN VÀ TÍNH
TOÁN NGẮN MẠCH TẠI CÁC ĐIỂM CẦN CHO BẢO VỆ RƠLE
I. SƠ ĐỒ THAY THẾ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH.
- Sơ đồ thay thế tính toán là sơ đồ điện mà trong đó các phần tử của mạng điện được
thay bằng một tổng trở tương ứng, riêng máy phát và phụ tải được thay bằng 1 điện trở
và một suất điện động. Đối với sơ đồ thay thế tính toán ngắn mạch ta chỉ cần quan tâm
đến các phần tử có liên quan đến tính toán ngắn mạch.
- Từ sơ đồ mạng điện đề bài ta có thể thay thế các phần tử như sau:
+) Nguồn cấp HT: EHT, XHT.
+) Đoạn dây AB : RAB ,XAB .
+) Đoạn dây BC : RBC , XBC .
+) Đoạn dây BD : RBD , XBD .
+) Đoạn dây BE : RBE , XBE .
+) Máy biến áp BA1: RBA1 , XBA1
+) Máy biến áp BA2: RBA2 , XBA2
+) Máy biến áp BA3: RBA3 ,XBA3
-

Các biểu thức tính toán điện trở được thực hiện trong hệ đơn vị có tên được thực hiện
ở dưới.

II.

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

1. Tóm lược về tính toán ngắn mạch

Các biểu thức tính toán điện trở được thực hiện trong hệ đơn vị có tên
được thực hiện ở dưới:
TT
1

Các phần tử

Hệ đơn vị có tên
X HT

Hệ thống

2
U CB
=
S k .HT

2
∆PK .U CB
RBA =
2
SnBA

2

Z BA

Máy biến áp

2
U K .U CB
=
100.Sn.BA

XBA=
Rd=
3

Đường dây

Xd=

2. Tính toán ngắn mạch tại các điểm cần cho bảo vệ role.
- Điện trở của hệ thống: X HT

= U
S

2

k . HT

=

1102
= 6,54 Ω
1850


- Điện trở của các đoạn dây: Tra phụ lục 18.pl giáo trình Cung cấp điện - TS.Trần
Quang Khánh. Đoạn AB sử dụng dây ACO-240 có r0 = 0,12 và x0 = 0,4 (Ω/km)
RAB = l0. r0= 75.0,12 = 9Ω
XAB = l0. x0 = 75. 0,4 = 30Ω
Tính toán tương tự cho các đoạn BC, BD, BE ghi trong bảng 1.1

Đoạn

Loại dây
dẫn

AB
BC
BD
BE

ACO
ACO
ACO
ACO

r0(Ω/km
F(mm2) )

240
240
185
240

0,12
0,12
0,162
0,12

x0(Ω/km
)

l (km)

R

X

0,4
0,4
0,413
0,4

75
56
62
43

9

6,72
10,044
5,16

30
22,4
25,606
17,2

- Điện trở ngắn mạch tại thanh cái B:

Z k .B =

R

2
AB

+(X

+X

HT

AB

) 2 = 92+(6,54+30) 2 =37,632Ω

- Dòng ngắn mạch tại thanh cái B:

U
110.103
I k .B = 3.Z = 3.37, 632 = 1534 A = 1,534kA
kB
(3)

- Điện trở ngắn mạch tại thanh cái C:

Z k .C = ( RAB + RBC )2 + ( X HT +

X

AB

+

X

BC

) 2 = (9 + 6,72) 2 + (6,54 + 30 + 22, 4) 2 = 61Ω

- Dòng ngắn mạch tại thanh cái C:

U
110.103
I k .C = 3.Z = 3.61 = 0,947kA
k .C
(3)

- Điện trở ngắn mạch tại thanh cái D:
Z k .C = ( RAB + RBD ) 2 + ( X HT +

X

AB

+

X

BD

) 2 = (9 + 10,044) 2 + (6,54 + 30 + 25,606) 2 = 65Ω


- Dòng ngắn mạch tại thanh cái D:
(3)

I k .D =

U
110.103
=
= 0,977kA
3.Z k .D
3.65
k

k

Máy biến áp BA1 loại TPДH 25000/110 có U = 10,5%, ∆P = 120kW
- Điện trở BA1:

RBA1 =
X BA1 =

∆Pk .U cb2 120.103.37 2
=
= 1, 643Ω
2
3 2
S nBA
(10.10
)
1

U k .U 2
10,5.37 2
=
= 10,375Ω
100.S nBA1 100.25.103.10−3

Tính toán tương tự với BA2, BA3 trong bảng 1.2
BA

Loại

1

k

k

BA

BA

∆ P (kW)

U (%)

R (Ω )

X (Ω )

TPДH 25000/110

120

10,5

1,643

10,375

2

TPДH 10000/110

60

10,5

0,821

10,375

3

TPДH 10000/110

60

10,5

0,321

8,984

1

- Điện trở ngắn mạch tại K :

Z k .K 1 = ( RAB + RBC + RBA1 ) 2 + ( X

HT

+X

AB

+X

BC

+ X BA1 ) 2

= (9 + 6, 72 + 1, 643) 2 + (6,54 + 30 + 22, 4 + 10,375) 2 = 71, 46Ω
- Dòng ngắn mạch tại
1

K :

U
37.103
I k .K 1 = 3.Z = 3.71, 46 = 0, 299kA
k . K1
(3)

2

3

Tính toán tương tự với các điểm K , K ghi trong bảng 1.3


k

k

Điểm ngắn mạch

(3)

Z (Ω )

I (kA)

K

1

71,460

0,299

K

2

75,193

0,284

K

3

64,374

0,332

Tổng hợp các kết quả tính toán ở trên ghi trong bảng 1.4

k

(3)

Điểm ngắn mạch

I (kA)

B

1,534

C

0,947

D

0,977

K

1

0,299

K

2

0,284

K

3

0,332


CHƯƠNG 2: BẢO VỆ CHO ĐƯỜNG DÂY
I.BẢO VỆ QUÁ DÒNG CỰC ĐẠI
Tính toán dòng làm việc trên các trên các đoạn dây
I BC

S BA1
10.103
=
=
= 52, 486 (A)
3.U 0 110. 3

Tính toán tương tự ta có IBD = 52,486 (A)
IBE= 83,978 (A)
Từ đó suy ra : IAB = IBC + IBE + IBD = 83,978 + 2×52,486 = 188,95 (A)
Bảo vệ 1:

Căn cứ vào dòng làm việc trên đoạn dây IBC = 52,486 (A) ta chọn máy biến dòng BI có
dòng định mức In1BI = 100A và dòng định mức phía thứ cấp In2BI = 5A, máy biến dòng
mắc theo sơ đồ sao thiếu có hệ số sơ đồ ksđ = 1, dự định chọn rơle số có hệ số trở về ktv
= 0,98; chế độ mở máy nhẹ với kmm =1,6.
- Hệ số biến dòng

ni =
- Dòng khởi động của bảo vệ 1 là:

I1nBI 100
=
= 20
I 2 nBI
5


I

kđ

= k tc .kmm .I lv.M =

k

tv

1,3
.1, 6.52, 486 = 111,399( A)
0,98

- Dòng khởi động của rơle bảo vê 1 là:

I

= ksđ .
kđ . R1

I kđ
111,399
= 1.
= 5,57( A)
ni
20

Căn cứ vào dòng khởi động của rơle vừa tính toán được để chọn dòng đặt của rơle I

dR

dR

theo giá trị gần nhất của thang dòng điện về phía trên: I = 7(A).
- Dòng khởi động thực tế của bảo vệ rơle1 :

I kdI > =

ni .I dR

k

sđ

=

20.7
= 140( A)
1

=I
- Độ nhạy của bảo vệ: k
I

k min

nh

=

kdI >

I k(2)

I

=

0,87.I k(3)

I

kdI >

kdI >

=

0,87.947
= 5,88 > 1,5
140

→ Vậy bảo vệ đáp ứng độ nhạy cần thiết
- Kiểm tra máy biến dòng theo điều kiện làm việc tin cậy của cuộn cắt:
n1BI

I

cc

k

(3)

= 100 > I = 0,05.I =0,05.947 = 47,35 (A)

→ Vậy máy biến dòng đã chọn đảm bảo yêu cầu làm việc của cuộn cắt.
Bảo vệ 2:Tính toán tương tự với bảo vệ 1 ta xác định giá trị các tham số của bảo vệ 2
AB

- Dòng làm việc I

= 188,95(A)

n1BI

- Dòng sơ cấp của máy biến dòng : I

i

= 250(A), hệ số biến dòng n = 50.

kd.R2

- Dòng khởi động rơle : I

= 8,021 (A).

dR2

- Dòng đặt của rơle : I

= 8,5 (A).
kdI>

- Dòng khởi động thực tế: I

= 425 (A).


nh2

- Độ nhạy của bảo vệ : k

= 3,14.
cc

- Dòng tin cậy của cuộn cắt I = 76,7 (A) .
* Tính toán thời gian của bảo vệ theo đặc tính độc lập
1

- Thời gian tác động của bảo vệ 1: t = 0,03s
- Độ phần cấp thời gian ∆t= 0,5s
2

1

- Thời gian tác động của bảo vệ 2: t = t + ∆t = 0,03 + 0,5 = 0,53 (s)

* Xét nhánh AE: Tính toán tương tự như nhánh AC.
Tham số tính toán

Ký hiệu

Nhánh AC

Nhánh AE


Bảo vệ 1

Bảo vệ 2

Bảo vệ 1

Bảo vệ 2

52,486

188,95

83,978

216,188

100

250

150

300

20

50

30

20

5,57

8,021

5,94

8,355

7

8,5

6,5

8,5

140

425

195

510

5,88

3,14

4.36

3,27

lv.M

Dòng làm việc, A

I
n1BI

Dòng sơ cấp BI, A

I
i

Hệ số biến dòng

n

Dòng khởi động của

kdR

I
rơle, A
dR

Dòng đặt của rơle, A
Dòng khởi động của

I
kdI>

I

bào vê, A
nh

Độ nhạy

k

Dòng tin cậy của

I

47,35

76,7

48,85

95,95

T

0,03

0,53

0,03

0,53

cc

cuộn cắt, A
Thời gian tác động

* Chú ý:Bảo vệ 2 tức là bảo vệ đặt tại A dùng chung cho cả hai nhánh.

II.

BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH CHO ĐƯỜNG DÂY
Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ thống là Sk.HT = 1850 (MVA), hệ số

tin cậy ktc = 1,3; hệ số mở máy trung bình kmm = 1,6; thời gian tác động của bảo vệ
nhanh nhất là t1= 0,03 (s), phân cấp thời gian cho các bảo vệ tiếp theo là ∆t= 0,5 (s).
khoảng cách trung bình giữa các dây dẫn là a=5m.Tốc độ gió lớn nhất của môi trường
xung quanh là ν = 35 (m/s).
- Vùng 1 của bảo vệ A:
Điện trở khởi động vùng I của bảo vệ A:


+) Xác định điện trở quá độ đoạn dây AB:
*) Vùng 1: RqdAB =

28700.( a + v.tk ) 28700.(5 + 35*0, 05)
=
= 7,5748(Ω)
1,4
I kB
1407, 47

+) Điện trở khởi động của vùng I của bảo vệ A khi xét đến điện trở quá độ:

0,8.(

(Ω)

(Ω)
Chọn máy biến áp có

(kV) và

(V) , tức hệ số biến áp

.
Điện trở khởi động của rơle:

RKD.RI.A = RKD.I.A .

ni
80
= 10, 23.
= 0, 744(Ω)
nu
1100

RKD.RI.A = RKD.I.A .

ni
80
= 24.
= 1, 745(Ω)
nu

1100

Tổng trở khởi động của rơle:
= 1,897 (Ω)
Ta chọn tổng trở đặt của rơle là

(Ω)

Tổng trở thực tế của bảo vệ khoảng cách sẽ là :

Z KD. KCI . A = Z D. R. A .

nu
1100
= 2.
= 27,5(Ω)
ni
80

Độ nhạy của bảo vệ khoảng cách vùng I :

k nh =

Z AB
Z KD.KC.A

=

39,1695
= 1, 4243

27,5


*) Vùng 2 của bảo vệ A:
Thời gian tác động của vùng 2:

(s)

Trong số các đoạn dây phía sau đoạn AB đoạn BC có giá trị điện trở nhỏ nhất
vì vậy điện trở khởi động của vùng 2 của bảo vệ A được xác định:

RqdAB =

28700.( a + v.tk ) 28700.(5 + 35*0, 05)
=
= 17,3005(Ω)
1,4
I kB
780, 251,4

Vậy

(Ω)
(Ω)

Điện trở khởi động của rơle:

RKD. RII . A = RKD.I.A .

ni

80
= 16, 4221.
= 1,1943(Ω)
nu
1100

X KD.RII . A = X KD.I.A .

ni
80
= 46,312.
= 3,3681(Ω)
nu
1100

Tổng trở khởi động của rơle:
= 3,5736 (Ω)
Ta chọn tổng trở đặt của rơle là

(Ω)

*) Vùng 3 của bảo vệ A:
Trong số các tổng trở đến sau các máy biến áp (Ki) giá trị điện trở của nhánh dây
A-K3 vì vậy điện trở khởi động của vùng 3 được xác định:


= 0,7.(9,5+ 0,7.(9,35+0,5.16,5592+0,8.7,26)

= 0,7.(38+ 0,7.(22,33+0,8.126,842)

(Ω)

(Ω)

Điện trở khởi động của rơle:
(Ω)

(Ω)

Tổng trở khởi động của rơle:

CHƯƠNG 3 : BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP

I.THỰC HIỆN BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP
1. BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHO MÁY BIẾN ÁP
• Bảo vệ cắt nhanh :
*) Đối với máy biến áp 1 :
- Trước hết ta xác định dòng điện định mức ở hai phía của máy biến áp :

I n1 =

S nBA1
10000
=
= 52, 49( A)
3.U n1
3.110

In2 =

SnBA1
10000
=
= 262, 43( A)
3.U n1
3.22
Dựa vào dòng điện định mức ta chọn các máy biến dòng bão hoà nhanh
(A), và dòng định mức thứ cấp là

là :

(A), vậy tỷ số biến dòng sẽ


ni1 =

100
300
= 20 ni 2 =
= 60
5
5

Dòng khởi động của bảo vệ cắt nhanh được chọn từ 1 trong 2 điều kiện
+) Lớn hơn dòng ngắn mạch ngoài,

(A)

=1,3.79,3= 103,9
+) Lớn hơn dòng đột biến từ hoá máy biến áp :

(A)
Do dòng

nên dòng khởi động của bảo vệ cắt nhanh được chọn theo điều

kiện thứ 2 :
(A)
Dòng khởi động của rơle bảo vệ cắt nhanh được xác định theo biểu thức :

I kdCN .R =

I CN
335,9128
.ksd =
.1 = 8,3978( A)
ni
40

Chọn rơle với dòng đặt của rơle

(A)

Dòng khởi động thực tế của bảo vệ cắt nhanh:

I kdCN =

I dRCN .ni 9, 40
=
= 360( A)
k sd

1

Tỷ lệ vùng tác động cắt nhanh

m% =



100  E
100  22.103
−
X
=
.
− 6,1111÷ = 36, 784% > 30%

HT ÷
X BA  I kdCN

 79,3045  3.360
Vậy bảo vệ đảm bảo yêu cầu cần thiết

2. BẢO VỆ SO LỆCH CHO MÁY BIẾN ÁP


Tính toán bảo vệ so lệch cho BA1: biến áp loại TPДH 25000/110, điện áp định mức
dc

110/22 kV, máy có bộ phận điều chỉnh điện áp với ∆U = 10%; Tổ nối máy biến áp là
(3)

k

tc

Y/∆. Hệ số tin cậy k = 1,3 ; dòng ngắn mạch 3 pha tại thanh cái phía thứ cấp I

=

299 (A)
- Trước hết xác định dòng điện định mức ở 2 phía của máy biến áp

I n1 =
In2 =

Sn
3.U n1
Sn
3.U n 2

=

10000
= 52, 49( A)
3.110

=

10000
= 156, 04( A)
3.37

Dựa vào dòng định mức trên chọn máy biến dòng loại bão hòa nhanh có dòng định
nI

nII

mức phía sơ cấp lần lượt là I = 100 (A);I

n2

= 200 (A); dòng định mức thứ cấp là I =

5(A).

- Hệ số biến dòng là:

ni1 =

100
200
= 40
= 20; ni 2 =
5
5

Chọn sơ đồ nối dây máy biến dòng: vì sơ đồ nối dây của máy biến áp là Y/∆ nên ta
chọn sơ đồ nối các máy biến dòng của máy biến dòng phía sơ cấp nối theo hình tam
giác (∆), còn phía sơ cấp nối heo sơ đồ sao đủ (Y), như vậy hệ số sơ đồ phía thứ cấp là
sd2

k =1và hệ số sơ đồ sơ cấp là

ksd 1 = 3

- Giá trị dòng điện phía thứ cấp ở hai phía của máy biến dòng ở chế độ định mức là


I2I =

I .k
I n1.ksd 1 52, 49. 3
156, 04. 3
=
= 4, 546( A); I 2 II = n 2 sd 2 =
= 6, 757( A)
ni1
20
ni 2
40

Ta thấy sự chênh lệch điện áp phía thứ cấp của máy biến dòng khá lớn nên ta chọn lại
máy biến dòng phía thứ cấp InII = 300 (A); ni2 = 60. Khi đó :

I 2 II =

I n 2 .k sd 2 156, 04. 3
=
= 4,504( A)
ni 2
60

- Sai số do sự chênh lệch dòng điện phía thứ cấp:

I 2 I − I 2 II
4,546 − 4,504
=
= 0,00923
I2I
4,546

s2i =

a

Các máy biến dòng bão hòa nhanh nên k = 1; các máy biến dòng khác nhau nên
cl

i

k = 1; sai số máy biến dòng s = 0,1. Như vậy dòng không cân bằng có giá trị là:
Ikcb.M = (ka .kcl.si + ∆Udc + s2i). IkMax.ng = (1.1.0,1+0,1+0,00923). 299 = 62,562(A)
- Dòng khởi động của rơle

I kdR =

ksd 2
1
.ktc .I kcb.M = .1,3.62,562 = 1,36( A)
ni 2
60

dR

- Chọn rơle có dòng đặt là I = 1A
- Dòng khởi động thực tế của bảo vệ so lệch

I kdSL =

I dR .ni 1.60
=
= 60( A)
k sd
1

- Hệ số nhạy của bảo vệ so lệch
knhSL =

I k .min I k(2) 0,87 I k(3) 0,87.299
=
=
=
= 4,336 > 2
I kdSL I kdSL
I kdSL
60

→ Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết


n

Với số vòng dây cuộn cân bằng ω = 20. Chọn số vòng dây san bằng dòng điện thứ
cấp:
I

 4,546 
ω = ωn .  2 II − 1÷ = 20. 
− 1÷ = 0,19vòng
I
4,504


 2I

c

Chọn số vòng dây mắc thêm vào phía sơ cấp ω = 1 vòng.