thiết kế và tính toán bảo vệ rơle cho mạng lưới 110kV

ĐỒ ÁN RƠ LE
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đất nước, yêu cầu về
chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện ngày càng nghiêm ngặt, điều đó đòi
hỏi hệ thống bảo vệ rơle phải luôn được cải tiến và hoàn thiện. Những thành
tự to lớn của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh cực khác nhau như vật liệu
điện, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý, công nghệ thông tin... cho phép chế
tạo các loại thiết bị rơle hiện đại với nhiều tính năng siêu việt, đảm bảo cho
hệ thống bảo vệ tác động nhanh, nhạy, tin cậy và chọn lọc.
Với đề tài “ thiết kế và tính toán bảo vệ rơle cho mạng lưới 110kV”, sau
một thời gian làm đồ án dưới sự hướng dẫn của thầy T.S TRẦN QUANG
KHÁNH và tài liệu tham khảo :
Giáo trình bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện theo tiêu chuẩn IEC. Tác
giả TS. Trần Quang Khánh, nhà xuất khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
Đến nay về cơ bản em đã hoàn thành đồ án này. Do trình độ và thời gian
có hạn nên không thể tránh được những thiếu sót em rất mong được sự chỉ
bảo và giúp đỡ của thầy cô để bài làm của em được hoàn thiện hơn đồng
thời giúp em nâng cao được trình độ chuyên môn đáp ứng trình độ công tác
sau này .
Em xin trân thành cám ơn !
HÀ NỘI, ngày 25tháng 11 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Lê Xuân Toàn

1


ĐỒ ÁN RƠ LE

YÊU CẦU ĐỒ ÁN:

Tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện 110kV gồm các đường dây và trạm biến
áp với sơ đồ:

Máy biến áp mã hiệu TP∏H, có công suất định mức S nB (MVA), máy có
bộ phận tự động điều chỉnh điện áp với ΔUdc=10%. Tổ nói của máy biến áp là
Y/Δ; hệ số tin cậy lấy bằng 1,3. Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ
thống là Sk.HT (MVA). Dây dẫn thuộc lại ACO với tiết diện F mm2 , khoảng cách
trung bùng giữa các dây dẫn là a=5m, chiều dài của các đoạn dây l (km). Tốc
độ gió lớn nhất của môi trường xung quang là v (m/s), thời gian tác động của
bảo vệ nhanh nhất là Δt1=0,5 s. dữ liệu tính toán nhận theo 2 số cuối mã số
sinh viên
N0
l0
65

F0
24
0

Chỉ số thứ nhất
Dữ liệu đường dây
l1
F1
l2
F2
24
18
75
54
0

5

l3
83

F3
24
0

Chỉ số thứ 2
Công suất mba, MVA
SnB1 SnB2 SnB3 Sk.HT
v
212
25 16 16
37
0

2


ĐỒ ÁN 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.

3


ĐỒ ÁN RƠ LE

II.

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
1. Tính toán ngắn mạch tại các điểm cần cho bảo vệ role.
Số liệu của các đoạn dây và máy biến áp cho trong bảng sau:

Đoạn
AB
BC
BD
BE

dây
L, km
65
75
54
83
Dây dẫn ACO.240
ACO.240
ACO.185
ACO.240
r0, Ω/km
0,12
0,12
0,1
0,12
x0, Ω/km
0,4
0,4
0,4
0,4
Mã hiệu TPДH.25000/110 TPДH.16000/110 TPДH.16000/110
Máy
,kW
120
60
60
biến áp
,%
10,5%
10,5%

10,5%
- dòng điện làm việc chạy trên các đoạn dây:
+) Đoạn dây BC:

Tính tương tự cho các đoạn dây còn lại kết quả ghi trong bảng 1.
Dòng điện chạy trên đoạn dây AB bằng tổng các dòng điện của các
đoạn dây phía sau:

-Tính toán điện trở trong mạch:

4


ĐỒ ÁN RƠ LE
+)Hệ thống: XHT=

(Ω)

+) Đoạn dây:
Đoạn dây AB : RAB =

(Ω)

XAB =
+) Máy biến áp:
-Máy biến áp 1:
RBA=

ZBA=

XBA=

(Ω)

Tính toán tương tự cho các đoạn dây còn lại kết quả ghỉ trong bảng kết
quả ở dưới.
+) Điện trở ngắn mạch tính đến thanh cái B:
22(Ω)
+) Dòng điện ngắn mạch ba pha tại điểm B:
(kA)

1719,2(A)

+) Điện trở ngắn mạch tính đến thanh cái C:

5


ĐỒ ÁN RƠ LE
(Ω)
+) Dòng điện ngắn mạch ba pha tại điểm C:
(kA)

1053,6 (A)

+) Điện trở ngắn mạch tính đến điểm K1:

(Ω)
+) Dòng điện ngắn mạch ba pha tại điểm K1:
(kA)

114,86 (A)

Vì điểm K1 ở sau máy biến áp nên điện áp đặt nên nó là điện áp thứ cấp
của máy biến áp. Nên U= 22 (kV).
Tính toán tương tự cho các đoạn dây còn lại kết quả ghỉ trong bảng kết
quả ở dưới.
đoạn
dây

Ri

HT
AB
BC
BD
BE

7,5
6,72
6,2
5,16

Xi
6,17346939 RBA(Ω) XBA(Ω) ZBA(Ω)
30
22,4
2,3232 50,7669 50,82
24,8
7,26

126,842 127,05
17,2
7,26
126,842 127,05

6


ĐỒ ÁN RƠ LE
CHƯƠNG 2: BẢO VỆ CHO ĐƯỜNG DÂY
I.

BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHO ĐƯỜNG DÂY

Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ thống là S k.HT = 2120
(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).
a) Bảo vệ quá dòng cực đại:
Nguyên lý tác động của bảo vệ dòng điện cực đại
1

Khi có dòng điện ngắn mạch xảy ra tại điểm N , dòng điện ngắn
k1

mạch I sẽ chạy qua cả 3 bảo vệ 1,2 và 3, để đảm bảo tính chọn lọc , chỉ
1

có máy cắt MC tác động cắt điểm ngắn mạch ra khỏi mạng. Để thực hiện
được điều đó cần phải đặt thời gian tác dụng của bảo vệ 1 phải nhỏ hơn

1

2

3

của bảo vệ 2, 3 tức là t < t kđ

dòng điện cực đại có 2 tham số là dòng khởi động I và thời gian duy trì
bv

của bảo vệ t .
Tuy bảo vệ này rất tiện lợi nhưng cũng có nhược điểm là cần có thời
gian duy trì để đảm bảo sự chọn lọc.Vì vậy bảo vệ này thường đóng vai trò
phụ trợ cho các bảo vệ khác có độ nhạy cao hơn.
-Căn cứ vào dòng làm việc trên các đoạn dây ta chọn máy biến dòng
sao cho dòng định mức sơ cấp lớn hơn dòng làm việc cực đại (I I BI > Ilv MAX).
Các máy biến dòng được mắc theo sơ đồ hình sao có hệ số sơ đồ k sđ = 1 ;
Dự đinh chọn rơle số với hệ số trở về ktv = 0,98.

7


ĐỒ ÁN RƠ LE

Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dòng điện cực đại

-Đối với bảo vệ A ta chọn máy biến dòng có dòng định mức sơ cấp
(A), dòng điện định mức thứ cấp

(A)

(Vì dòng làm việc của bảo vệ A là IAB = 236,19 (A)). Từ đó suy ra hệ số
biến dòng là
-Dòng khởi động của rơle bảo vệ A là:
(A)
-Chọn rơle số với dòng đặt của rơle là

(A)

-Dòng khởi động thực tế của bảo vệ:
(A) ;
-Độ nhạy của bảo vệ:

Vậy bảo vệ đáp ứng độ nhạy cần thiết.
-Kiểm tra máy biến dòng theo điều kiện làm việc tin cậy của cuộn cắt:
8


ĐỒ ÁN RƠ LE
(A) >
Như vậy máy biến dòng đã chọn đảm bảo yêu cầu làm việc tin cậy cho
cuộn cắt.
-Xác định thời gian tác động của các bảo vệ:
+)Thời gian tác động của bảo vệ B1:
Bội số dòng ngắn mạch tại điểm B nơi bảo vệ A và bảo vệ B1cùng có thể
tác động:

Coi đặc tính thời gian của rơle có độ dốc chuẩn ta có thời gian tác động

thực tế của bảo vệ B1 khi có ngắn mạch tại điểm B:
(s)
Thời gian đặt của bảo vệ 1 lấy bằng 0,1 (s)

(s)

+)Thời gian tác động của bảo vệ B2: tính như trên ta có kết quả :

(s)
Xác định độ phân cấp thời gian:
(s) (Đề bài đã cho)
Thời gian tác động của bảo vệ A khi có ngắn mạch tại điểm B:
(s)
Bội số dòng ngắn mạch của rơle bảo vệ A tại điểm ngắn mạch B:

Thời gian đặt của bảo vệ A:
9


ĐỒ ÁN RƠ LE
(s)
Chọn

(s)

Tính tương tự cho các đoạn dây khác kết quả ghi trong bảng dưới:
Bảo
vệ

Tham số tính toán

S,MVA

A

ILVM

Ri

Xi

236,34

7,5

30

BẢO VỆ CỰC ĐẠI
Ik

ni

IKDR

ID

IKDBV

KNH

1,7187 80 6,8763 6,5

520

2,3439

288

3,1735

120

7,5457

B1

25

B2

10

131,69 6,72 22,4 1,0354 40 6,9354 7,2
52,465 6,2 24,8 1,0162 40 2,895 3

B3

10

52,544 5,16 17,2

40

b) Bảo vệ quá dòng cắt nhanh:
Bảo vệ cắt nhanh, kí hiệu là BVI>> là dạng bảo vệ quá dòng tác dụng
tức thời.Khác với bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ cắt nhanh được
đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động không dựa vào
dòng điện làm việc mà dựa vào dòng điện ngắn mạch lớn nhất ngoài
vùng bảo vệ.
-Đối với đoạn dây AB:
Dòng khởi động của rơle bảo vệ cắt nhanh được xác định theo dòng
điện ngắn mạch lớn nhất ngoài vùng bảo vệ, tức theo dòng ngắn mạch
tại điểm B:
(A)
Chọn rơle số với dòng đặt của rơle

(A)

Dòng khởi động thực tế của bảo vệ cắt nhanh là:
(A)
Độ nhạy của bảo vệ:
10


ĐỒ ÁN RƠ LE

Để đạt được độ nhạy cần thiết với

, bảo vệ cắt nhanh chỉ tác

động với dòng ngắn mạch là:

(A)

Tỷ lệ vùng tác động cắt nhanh:
m% =

65,61 % >30% như vậy đảm bảo yêu cầu.
Tính tương tự cho các đoạn dây khác kết quả ghi trong bảng dưới:

A
B1
B2
II.

BẢO VỆ CẮT NHANH
IKDR ID IKDBV
KNH
M%
6,27 28 2240
0,6677 71,73
6,96 35 1400 0,6548 90,554
2,785 34 1360
0,6247 76,321

BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH CHO ĐƯỜNG DÂY

Một trong những nguyên lý bảo vệ có tính chọn lọc cao là dựa trên đặc
điểm phân bố điện áp ngắn mạch. Điện áp tại điểm ngắn mạch 3 pha bằng
không và tăng dần khi càng xa điểm ngắn mạch. Nếu đo được tỷ số U/I k thì
sẽ biết được điện trở ngắn mạch. Có nghĩa là điện trở ngắn mạch tỷ lệ với

khoảng cách đến điểm ngắn mạch. Loại bảo vệ thực hiện theo nguyên lý xác
định khoảng cách từ nơi đặt bảo vệ đến nơi xảy ra ngắn mạch gọi là bảo vệ
khoảng cách (BVKC). Độ trễ của bảo vệ được thực hiện phụ thuộc vào
khoảng cách lk. Có nghĩa là các bảo vệ gần điểm ngắn mạch hơn sẽ tác động
trước, bảo vệ đặt xa sẽ tác động sau, điều đó cho phép duy trì được chọn lọc
của bảo vệ đối tượng với cấu trúc bất kỳ.
11


ĐỒ ÁN RƠ LE
Bảo vệ khoảng cách dùng rơle điện trở, nó phản ứng theo tỷ lệ của áp và
dòng chạy qua các cuộn dây. Giả sử ngắn mạch xảy ra tại điểm N 1 như hình
trên, điện áp dư của mạng U tại điểm ngắn mạch bằng không và tăng dần về
phía nguồn.
Nguyên lí bảo vệ khoảng cách
Khi xảy ra ngắn mạch ở bất cứ vùng nào, rơle dòng RI sẽ tác động đóng
mạch, cấp điện cho rơle thời gian Rt đồng thời đưa nguồn dương đến tiếp
điểm của rơle điện trở 1RZ. Nếu ngắn mạch xảy ra ở vùng 1, điện trở ảo của
các rơle điện trở nhỏ hơn điện trở khởi động của chúng nên cả 2 cùng tác
động, tuy nhiên lúc nà chỉ có rơle 1RZ là đưa được tín hiệu đến rơle trung
gian RG để cắt tức thời sự cố.
Nếu sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng 2 thì chỉ có bộ phận điện trở của
rơle 2RZ tác động, sau một khoảng thời gian trễ, rơle thời gian R t khép tiếp
điểm đưa tín hiệu đến rơle trung gian RG để cắt máy cắt. Khi tiếp điểm xung
của rơle Rt đóng, rơle trung gian RG khi tác động tự động đóng tiếp điểm duy
trì của mình để thực hiện phép nhớ làm tăng thêm độ tin cậy cho mạch bảo
vệ.
Nếu sự cố ngắn mạch xẩy ra trong vùng 3 cả 2 cơ cấu điện trở của các
rơle 1RZ và 2RZ đều không tác động vì lúc này điện trở của đường dây lớn
hơn điện trở khởi động của chúng, việc cắt mạch sẽ được thực hiện sau một

khoảng thời gian trễ t3 khi rơle thời gian đóng tiếp điểm thứ 2 của mình.

12


ĐỒ ÁN RƠ LE

Công suất ngắn mạch trên thanh cái A của hệ thống là S k.HT = 1960
(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 = 40 (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:
(Ω)

13


ĐỒ ÁN RƠ LE
+) 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

áp

(kV) và

(V) , tức hệ số biến

.
Điện trở khởi động của rơle:
(Ω)

(Ω)
Tổng trở khởi động của rơle:
= 1,848 (Ω)
Ta chọn tổng trở đặt của rơle là

(Ω)

Tổng trở thực tế của bảo vệ khoảng cách sẽ là :
(Ω)
Độ nhạy của bảo vệ khoảng cách vùng I :

14


ĐỒ ÁN RƠ LE

*) 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:

(Ω)
Vậy

(Ω)
(Ω)

Điện trở khởi động của rơle:
(Ω)

(Ω)
Tổng trở khởi động của rơle:
= 2,24(Ω)
Ta chọn tổng trở đặt của rơle là

(Ω)

*) Vùng 3 của bảo vệ A:

15


ĐỒ ÁN RƠ LE
Trong số các tổng trở đến sau các máy biến áp (K i) giá trị điện trở của
nhánh dây A-K3 vì vậy điện trở khởi động của vùng 3 được xác định:

= 0,7.(7,5+ 0,7.(5,16+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:
= 6,4821 (Ω)
Ta chọn tổng trở đặt của rơle là

(Ω)

Tính tương tự cho các đoạn dây khác kết quả ghi trong bảng dưới:
BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÙNG I
RQĐ
RKĐ XKĐ
ZD
ZKĐVI KNH
A
B1
B2

5,9345

8,3747

24

25,419

1,8487

1,2246

13,566

11,562

17,92

20,565

0,7478

0,7156

10,454

15,487

19,84

22,181

0,8066

0,9874

16


ĐỒ ÁN RƠ LE

CHƯƠNG 3 : BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP
I. THỰC HIỆN BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP

17


ĐỒ ÁN RƠ LE

Sơ đồ bảo vệ quá dòng 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 :
(A)

(A)

18


ĐỒ ÁN RƠ LE

Dựa vào dòng điện định mức ta chọn các máy biến dòng bão hoà
nhanh

(A), và dòng định mức thứ cấp là

(A), vậy tỷ số

biến dòng sẽ là :

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

(A)
=1,3.115= 149,5

+) 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 :
(A)
Chọn rơle với dòng đặt của rơle

(A)

Dòng khởi động thực tế của bảo vệ cắt nhanh:
(A)
19


ĐỒ ÁN RƠ LE
Tỷ lệ vùng tác động cắt nhanh

Vậy bảo vệ đảm bảo yêu cầu cần thiết

2. BẢO VỆ SO LỆCH CHO MÁY BIẾN ÁP
Nguyên lý tác động của bảo vệ so lệch
Theo yêu cầu của bài tập dài này, chỉ xét đến nguyên lý của bảo vệ so
lệch máy biến áp, tức là bảo vệ so lệch dọc.
Bảo vệ so lệch là loại bảo vệ dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dòng
điện ở hai đầu máy biến áp.

Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch máy biến áp
a) Phần tính toán :
20


ĐỒ ÁN RƠ LE
*) Tính toán bảo vệ so lệch:
- Trước hết ta xác định dòng điện định mức ở hai phía của máy biến
áp :
(A)
(A)

Dựa vào dòng điện định mức ta chọn các máy biến dòng bão hoà
nhanh

(A), và dòng định mức thứ cấp là

(A), vậy tỷ số

biến dòng sẽ là :

Chọn sơ đồ nối dây máy biến dòng: vì sơ đồ nối dây của máy biến áp là
nên ta chọn sơ đồ nối dây của các máy biến dòng phía sơ cấp nối theo
hình
Còn phía thứ cấp theo hình sao đủ (
cấp sẽ là

, như vậy hệ số sơ đồ phía sơ

, và phía thứ cấp là

.

Giá trị dòng điện thứ cấp ở hai phía của máy biến áp ở chế độ định
mức là:
(A)

(A)
Sai số do sự chênh lệch dòng điện phía thứ cấp:
21

ĐỒ ÁN RƠ LE
(A)
Xác định dòng điện không cân bằng :

Các máy biến dòng bão hoà nhanh nên
hai phía khác nhau nên

, các máy biến dòng ở

= 1, sai số máy biến dòng

, như vậy:
(A)

Dòng điện khởi động của bảo vệ:

Dòng điện khởi động của rơle
=
Chọn dòng đặt rơle

(A)
(A)

Dòng khởi động thực tế của bảo vệ so lệch
(A)
Dòng ngắn mạch nhỏ nhất trong vùng bảo vệ là dòng ngắn mạch 2 pha
trước thanh cái phía thứ cấp, trên thực tế giá trị này cũng bằng giá trị dòng
ngắn mạch 2 pha ngoài vùng bảo vệ

, do vậy độ nhạy của bảo vệ sẽ là:

22


ĐỒ ÁN RƠ LE
Như vậy bảo vệ hoàn toàn đảm bảo được độ nhạy cần thiết, Do sự
chênh lệch của các dòng điện thứ cấp khá lớn nên ở trường hợp này ta cần
chọn sơ đồ bảo vệ dùng role so lệch có cuộn hãm.
Với số vòng dây của cuộn cân bằng là

, Chọn số vòng dây san

bằng dòng điện thứ cấp:

Ta chọn số vòng dây

. Mắc thêm vào phía sơ cấp để san bằng

dòng điện thứ cấp của máy biến dòng.

23