Ứng dụng rơle siemens siprotec 5 7SS85 để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái trạm biến áp 220kv bảo lộc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN HỮU KÍNH

ỨNG DỤNG RƠLE SIEMENS SIPROTECT 5 - 7SS85
ĐỂ CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI
TRẠM BIẾN ÁP 220kV BẢO LỘC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. LÊ KIM HÙNG

Phản biện 1: PGS.TS. ĐINH THÀNH VIỆT

Phản biện 2: TS. VŨ PHAN HUẤN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
Thạc sĩ kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào
ngày 03 tháng 03 năm 2018.

0.00

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong hệ thống điện, bảo vệ thanh cái của các trạm biến áp
truyền tải, đặc biệt là các trạm nút, có vai trò hết sức quan trọng.
Thanh cái là phần tử rất ít khi xảy ra sự cố nhưng do vị trí và vai
trò đặc biệt của thanh cái nên bảo vệ thanh cái cần thỏa mãn những
đòi hỏi rất cao về tính chọn lọc, khả năng tác động nhanh và độ tin
cậy. Khi xảy ra ngắn mạch trên thanh góp, nếu sự cố không được
loại trừ một cách nhanh chóng, chọn lọc và tin cậy thì có thể
gây ra những hậu quả nghiêm trọng.
Trong điều kiện như vậy, các hệ thống bảo vệ thanh cái thế hệ
cũ có những hạn chế, chưa đáp ứng hoàn toàn được yêu cầu về khả
năng tác động nhanh, tính chọn lọc và độ tin cậy. Luận văn sẽ xem
xét điển hình hệ thống thanh cái của trạm 220kV Bảo Lộc. Trạm
220kV Bảo Lộc đóng vai trò rất quan trọng trong lưới điện truyền tải
khu vực nam Tây Nguyên, do vậy khi mất điện thanh cái 220kV sẽ
gây mất ổn định hệ thống nghiêm trọng và ảnh hưởng lớn đến việc
cung cấp điện cho phụ tải.
Hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc
được lắp đặt từ năm 2000, thuộc loại bảo vệ tổng trở cao giản đơn
gồm các mạch cộng dòng, các điện trở nối tiếp với phần tử tác động

sử dụng các rơle quá dòng MiCOM P121. Hệ thống bảo vệ này có rất
nhiều khuyết điểm không đáp ứng được yêu cầu hiện tại nên đã có kế
hoạch sẽ thay thế hệ thống bảo vệ cũ bằng loại rơle phù hợp hơn với
yêu cầu về an toàn, độ tin cậy, độ nhạy và có cấu hình linh hoạt đáp
ứng được yêu cầu hiện tại và mở rộng thêm các ngăn lộ mới trong
tương lai; phải tiếp tục sử dụng được khi trạm 220kV Bảo Lộc được
chuyển thành trạm tích hợp theo lộ trình và đáp ứng được yêu cầu về


2

lưới điện thông minh.
Trên lưới điện hiện nay, dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5, có cấu
trúc hoàn toàn mới và tích hợp mạnh cả ba tính năng bảo vệ, tự động
hóa và giám sát, đang dần được đưa vào sử dụng. Việc nghiên cứu để
làm chủ trong các khâu lựa chọn, cấu hình và tính toán thông số đối
với dòng rơle này là rất cần thiết.
Vì những lý do trên nên học viên chọn nghiên cứu đề tài “Ứng
dụng rơle SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ
thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp bảo vệ thanh cái. So
sánh ưu, khuyết điểm của các phương pháp bảo vệ thanh cái, cập
nhật công nghệ mới.
Nghiên cứu rơle bảo vệ so lệch thanh cái dòng SIPROTEC 5 7SS85 của hãng Siemens và khả năng áp dụng để cải tạo các hệ
thống bảo vệ so lệch thanh cái cũ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Công nghệ bảo vệ so lệch thanh cái đang được áp dụng hiện nay
và hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái 220kV hiện hữu của trạm

220kV Bảo Lộc.
3.2. Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài nghiên cứu áp dụng rơle bảo vệ so lệch thanh cái thế hệ
mới Siprotec 5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống rơle
bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết về
nguyên lý bảo vệ so lệch thanh cái, các công nghệ rơle số bảo vệ so


3

lệch thanh cái dựa trên nền tảng vi xử lý hiện đang được áp dụng.
Phương pháp nghiên cứu thực tế: Khảo sát thực tế hiện trạng hệ
thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo
Lộc. Thực nghiệm cấu hình rơle 7SS85 bằng phần mềm DIGSI 5.
Phương pháp tổng hợp: mô phỏng bảo vệ để phân tích đánh giá,
kết luận và đưa ra đề xuất áp dụng hợp lý.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài nghiên cứu ứng dụng rơle công nghệ mới trong bảo vệ
thanh cái trạm biến áp. Dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5 của hãng
Siemens đang dần được đưa vào sử dụng do có nhiều ưu điểm vượt
trội, phù hợp với hệ thống bảo vệ điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn
IEC 61850. Tuy nhiên, rơle bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85 cũng chỉ
mới được hãng Siemens đưa ra trong những năm gần đây. Đề tài đã
đề xuất và giải quyết được về mặt kỹ thuật việc áp dụng một dòng
rơle mới để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái cũ của trạm biến áp.
6. Cấu trúc của luận văn:
Mở đầu.
Chương 1: Kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái.

Chương 2: Giới thiệu hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC
5 - 7SS85 của hãng SIEMENS.
Chương 3: Ứng dụng hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC
5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo mới bảo vệ thanh cái
220kV của trạm 220kV Bảo Lộc.
Chương 4: Mô phỏng và phân tích đánh giá hệ thống rơle mới
bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc sau khi cải tạo
mới.
Kết luận và kiến nghị.


4

CHƯƠNG 1
KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI
1.1. TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI
1.1.1. Giới thiệu
Bảo vệ thanh cái của hệ thống điện là một trong những ứng
dụng bảo vệ rơle quan trọng nhất. Do đó yêu cầu phải đảm bảo an
toàn tối đa cho bảo vệ thanh cái.
Sơ đồ bảo vệ so lệch thanh cái so sánh dòng điện đi vào với
dòng điện đi ra khỏi thanh cái. Trong trường hợp tải bình thường và
sự cố ngoài, dòng so lệch sẽ bằng 0. Dòng so lệch cao hơn một
ngưỡng đã định là dấu hiệu cho biết có sự cố thanh cái.
Trên thực tế thì nếu biến dòng điện bị bão hòa sẽ gây ra dòng so
lệch phía thứ cấp khiến rơle có thể ghi nhận là sự cố nội bộ.
1.1.2. Các yêu cầu đối với bảo vệ so lệch thanh cái
a) Đảm bảo an toàn; b) Đảm bảo tính chọn lọc; c) Tác động
nhanh; d) Có chức năng tự giám sát và phát hiện bất thường/hư hỏng.
1.2. CÁC KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.2.1. Bảo vệ so lệch dòng
Dòng so lệch bằng tổng đại số dòng điện của tất cả các mạch.
1.2.2. Bảo vệ thanh cái sử dụng các Bộ ghép (Coupler) tuyến
tính
Dây quấn thứ cấp của các bộ ghép tuyến tính được đấu nối tiếp
với nhau rồi đấu với một bộ cảm biến điện áp công suất thấp.
1.2.3. Bảo vệ so lệch tổng trở cao
Sơ đồ đấu nối CT giống như bảo vệ so lệch dòng nhưng phần
tử bảo vệ (59) có tổng trở rất cao ở ngõ nhận dòng.
1.2.4. Bảo vệ so lệch phần trăm (Bảo vệ so lệch có hãm)


5

Ngoài tín hiệu so lệch, các rơle so lệch phần trăm còn tạo thêm
một tín hiệu hãm và áp dụng một đặc tuyến (hãm) phần trăm.
1.2.5. Các rơle vi xử lý và các giải pháp đa tiêu chuẩn
Các rơle vi xử lý bảo vệ thanh cái tổng trở thấp được phát triển
theo một trong hai cấu trúc: Bảo vệ thanh cái kiểu phân tán hoặc Bảo
vệ thanh cái kiểu tập trung (thích hợp với các ứng dụng cải tạo).
1.3. LỰA CHỌN LOẠI RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH THANH
CÁI
1.3.1. So sánh và kết luận
Bảng 1.1: So sánh giữa rơle vi xử lý bảo vệ so lệch thanh cái
loại tổng trở cao và loại tổng trở thấp
Điểm so sánh
I. Cấu hình
Yêu cầu CT chuyên dụng có
cấp chính xác phù hợp
Các tỷ số biến CT có thể khác

nhau
Bù cực tính CT
Cấu hình lại vùng thanh cái
Khả năng mở rộng
Mức độ phức tạp của cài đặt
Mức độ phức tạp của đấu dây
Không gian bảng điện cần có
II. Đo lường
Đo riêng từng mạch
Phát hiện ngắn mạch CT
Phát hiện hở mạch CT
III. Bảo vệ
Tốc độ
Độ nhạy

Tổng trở cao

Tổng trở thấp

Có

Không 

Không

Có 

Không
Được nhưng phức tạp,
cần nhiều rơle trung

gian hai trạng thái
Có 
Thấp 
Trung bình
Trung bình

Có 
Được 

Không
Không

Có 
Có, báo động mất
cân bằng 
Có, báo động mất
cân bằng 

Có (rơle tác động cắt)

~1.5 chu kỳ
Phụ thuộc vào trị đặt
an toàn

Có 
Trung bình
Thấp 
Trung bình

< 1 chu kỳ 

Đặt được 


6
Tốt (tốt hơn với trị đặt
hai mức)
Logic sự cố phát triển
Không yêu cầu 
Phát hiện bão hòa CT
Không
Bảo vệ hư hỏng máy cắt
Không
Bảo vệ cuối vùng chọn lọc
Không
Cắt trực tiếp máy cắt
Không (qua các rơle
khóa)
Tích hợp các chức năng bảo vệ Không
khác riêng từng ngăn lộ
IV. Điều khiển và giám sát
Tích hợp chức năng của các
Không tích hợp điều
ứng dụng khác nhau như bảo khiển được
vệ, điều khiển và ghi nhận sự
cố
Giám sát thường trực các đối Không
tượng đo và trạng thái thiết bị
nhất thứ
Giám sát các điều kiện khởi
Hạn chế

động của riêng từng chức năng
bảo vệ
Thấp 
V. Chi phí
An toàn

Rất tốt 
Có 
Có 
Có 
Có 
Có 
Có 
Có 

Có 
Có 
T.bình đến cao

Các dấu kiểm () cho thấy ý kiến tác giả về sự vượt trội của
loại rơle này so với loại rơle kia về một tính năng cụ thể.
1.3.2. Lựa chọn rơle để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái
220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc
Qua phân tích có thể thấy là loại rơle so lệch thanh cái tổng trở
thấp kiểu tập trung phù hợp hơn với yêu cầu cải tạo hệ thống bảo vệ
thanh cái của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc. Vì vậy rơle bảo vệ so
lệch thanh cái tổng trở thấp dạng tập trung 7SS85 được chọn.
1.4. KẾT LUẬN
Trong chương 1 tác giả đã tìm hiểu tổng quan và các yêu cầu
quan trọng đối với bảo vệ so lệch thanh cái. Chương này cũng đã

nghiên cứu về các kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái , nguyên lý làm
việc của các kỹ thuật này cũng như xu hướng phát triển của các dòng


7

rơle vi xử lý hiện đại trong lĩnh vực bảo vệ thanh cái, từ đó đưa ra
định hướng lựa chọn loại bảo vệ so lệch thanh cái phù hợp cho nhu
cầu cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm 220 kV Bảo Lộc.
Trên cơ sở đó, đã đưa ra lựa chọn rơle bảo vệ so lệch thanh cái
7SS85 thuộc dòng SIPROTEC 5 của hãng SIEMENS.

CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH
CÁI SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS
2.1. GIỚI THIỆU DÒNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI
SIPROTEC 5 – 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS
2.1.1. Khái quát
Bảo vệ thanh cái SIPROTEC 7SS85 là một bảo vệ tác động
nhanh, có chọn lọc và an toàn đối với các sự cố ngắn mạch thanh cái.
2.1.2. Cấu hình
Bảo vệ 7SS85 phù hợp với nhiều cấu hình hệ thống khác nhau.
2.1.3. Các tính năng quan trọng tiêu biểu của SIPROTEC
7SS85
Ngoài chức năng bảo vệ, bảo vệ SIPROTEC 7SS85 có thể tích
hợp nhiều chức năng điều khiển và giám sát.
2.2. CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI
2.2.1. Tổng quan về chức năng
Có thể sử dụng bảo vệ SIPROTEC 7SS85 cho nhiều cấu hình
thanh cái khác nhau ở các hệ thống trung áp, cao áp và siêu cao áp.

Chức năng bảo vệ so lệch Bus zone và Check Zone được sử
dụng kết hợp với nhau để nâng cao độ an toàn.
2.2.2. Mô tả chức năng
Bảo vệ so lệch thanh cái được đặc trưng bằng các chức năng:


8

Ước tính dòng so lệch/dòng hãm; Quyết định cắt dựa trên hai phép
đo độc lập (bus zone và check zone); Cắt nhanh ( 7 ms); Hãm…
2.2.3. Phương pháp đo lường và các đường đặc tuyến
a) Cơ sở
Phương pháp đo lường
dựa trên định luật Kirchhoff
về dòng điện. Ở trạng thái
bình thường, công thức (2-1)

Hình 2.2: Thanh cái có n phát tuyến

áp dụng cho tổng đại số các dòng điện I1, I2, I3 đến In trong các phát
tuyến của thanh cái.
I1 + I 2 + I 3 ... In = 0

(2-1)

Nếu phương trình trên không được đáp ứng, nghĩa là có sự cố
trong vùng bảo vệ. Đây là quy tắc cơ sở của bảo vệ so lệch thanh cái.
Phương trình ứng với trạng thái bình thường:
I1 sec • w1 + I2 sec • w2 + I3 sec • w3 ... + In sec • wn = 0

(2-2)

I1 sec, I2 sec, ... In sec : Các dòng thứ cấp
w1, w2, w3 ... wn : Các tỷ số biến của các biến dòng điện
Dòng điện của tất cả các ngăn lộ phải được quy về một tỷ số
biến chung bằng hệ số chuẩn hóa Irated(feeder)/Irated,obj. Trong đó Irated
(feeder)

là dòng định mức phía sơ cấp của CT ngăn lộ, Irated,obj là dòng

chuẩn hóa chung của cả hệ thống.
Các sai số biến đổi của các biến dòng điện có thể dẫn đến sự cắt
điện ngoài ý muốn. Vì vậy bảo vệ so lệch thanh cái sử dụng chức
năng giữ ổn định (hãm).
b) Chức năng giữ ổn định (Stabilization)
Bảo vệ so lệch thanh cái tính tổng véc tơ dòng thứ cấp của các
biến dòng (Idiff = |I1 + I2 .... + In|) và tổng độ lớn (Irest = |I1| + |I2| ... +
|In|) của các dòng này. Dòng hãm được xử lý trơn (smooth) bằng


9

phần mềm để đảm bảo độ ổn định ngay cả trong trường hợp biến
dòng bị bão hòa nặng.
c) Các đường đặc tuyến
Đường đặc tuyến chuẩn: được
xác định bằng hai trị đặt là
Stabilization factor k (Hệ số ổn
định k) và Threshold Idiff (Ngưỡng
dòng so lệch). Tiêu chuẩn để một sự

cố trên thanh cái gây khởi động là:

Hình 2.5: Đường đặc tuyến

Idiff > k • Irest, mod

chuẩn

Đại lượng hãm được sửa đổi Irest,mod có nguồn gốc từ Irest.
Đường đặc tuyến nhạy: Áp dụng đối với các sự cố thanh cái có
dòng sự cố nhỏ.
2.2.4. Các đại lượng đo
a) Thành phần DC của dòng ngắn mạch
Nếu ngắn mạch không xảy ra tại thời điểm điện áp đạt giá trị
đỉnh trong chu kỳ tuần hoàn, dòng ngắn mạch ban đầu sẽ chứa thành
phần DC tắt dần với hằng số thời gian τ = L/R của tổng trở ngoài.
b) Tình trạng bão hòa
Thành phần dòng DC gây tình trạng phân cực bất đối xứng
trong lõi từ của biến dòng điện, làm nặng thêm tình trạng bão hòa và
có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng, sai số biến đổi dòng.
Phần tử phát hiện bão hòa của rơle vận dụng thực tế là bất kỳ
biến dòng điện nào cũng sẽ hoạt động đúng trong một khoảng thời
gian ngắn ngay sau khi có sự cố, ngay cả trong điều kiện bão hòa rất
nặng. Sau đó khoảng vài ms, sự bão hòa mới xảy ra.
c) Trường hợp ngắn mạch ngoài có bão hòa
Biến dòng điện ở ngăn lộ bị sự cố dẫn toàn bộ dòng ngắn mạch


10

và bị bão hòa. Nhưng trong vài mili giây ban đầu, biến dòng điện
chưa bị bão hòa ngay nên không có dòng so lệch trong khi dòng hãm
tăng nhanh. Sau đó đại lượng cắt có hai lần vượt quá đại lượng hãm.
d) Trường hợp ngắn mạch nội bộ có bão hòa
Dòng so lệch Idiff tăng nhanh và đạt điều kiện cắt ngay từ lúc bắt
đầu ngắn mạch. Sau đó khoảng vài ms, biến dòng điện bị bão hòa
khiến dòng so lệch giảm nhanh và không còn đủ điều kiện cắt. Theo
thời gian, thành phần DC tắt dần nên dòng so lệch đủ lớn để gây cắt.
So sánh các giá trị đo được trong trường hợp ngắn mạch ngoài
và ngắn mạch nội bộ làm rõ 2 tính năng thiết yếu được sử dụng để
phân biệt hai dạng ngắn mạch này: 1) Lúc bắt đầu ngắn mạch, giá trị
đo đúng được tạo ra trong cả hai trường hợp; 2) Sau vài chu kỳ, các
giá trị đo đúng hiện diện trong mỗi nữa sóng dương và âm.
2.2.5. Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái
Chức năng bảo vệ so lệch thanh cái có các logic cắt khác nhau:
a) Logic cắt dựa trên các giá trị tức thời
Dòng so lệch và dòng hãm được tính toán dựa trên các giá trị
tức thời ngay sau khi xuất hiện sự cố, trong khoảng 6 ms ban đầu.
Tác động cắt xảy ra khi tất cả các tiêu chí sau đây được thỏa
mãn, cho thấy có sự cố nội bộ (logic phép đo 1 trong 1):
Tốc độ gia tăng dòng hãm dIrest/dt
Idiff

Giới hạn đặt và Idiff

giá trị giới hạn

k • Irest mod

Trường hợp được xác định là sự cố ngoài: Tốc độ gia tăng

dIrest/dt

giá trị giới hạn và điều kiện Idiff

k • Irest mod không thỏa.

Đề phòng sự cố ngoài phát triển thành sự cố nội bộ, rơle sẽ áp
dụng logic đo hai lần (logic phép đo 2 trong 2): Phép đo lần thứ nhất
và Phép đo lần thứ hai sau 7 ms đều cho thấy có sự cố nội bộ.
b) Logic cắt dựa trên các giá trị đo được lọc


11

Loại bỏ thành phần DC khỏi dòng so lệch để có được thành
phần cơ bản bằng các bộ lọc sine và cosine. Dòng hãm được tính
bằng tổng các giá trị chỉnh lưu trung bình của các dòng phát tuyến.
2.2.6. Thông tin trạng thái của dao cách ly
Việc gán dòng các phát tuyến và việc cắt có chọn lọc thanh cái
đều dựa trên thông tin vị trí của dao cách ly.
2.2.7. Check Zone (Vùng kiểm tra)
Check zone phát hiện ngắn mạch trên toàn bộ thanh cái. Dòng
hãm Irest được tính bằng tổng nhỏ hơn trong hai tổng sau:
Σ | Ip | = Tổng độ cường độ các dòng điện chạy vào thanh cái.
Σ | In | = Tổng độ cường độ các dòng điện chạy từ thanh cái ra.
2.3. CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ PHỤ
2.3.1. Các chức năng bảo vệ luôn đi kèm
Bảo vệ quá dòng chạm đất; Bảo vệ lỗi máy cắt tích hợp…
2.3.2. Các chức năng bảo vệ tùy chọn
Bảo vệ sự cố đầu cuối; Bảo vệ so lệch ngăn nối thanh cái…

2.4. TỔNG QUAN VỀ CÁC CHỨC NĂNG TÍCH HỢP
2.4.1. Chức năng tự động hóa
Mô hình đối tượng của 7SS85 dựa trên tiêu chuẩn IEC 61850.
2.4.2. Chức năng giám sát
Các thiết bị SIPROTEC 5 được trang bị một giải pháp giám sát
mở rộng và tích hợp, đa dạng và hoạt động có chọn lọc.
2.4.3. Thử nghiệm chức năng
Khi nghiệm thu phải thực hiện nhiều thử nghiệm khác nhau.
2.5. PHẦN MỀM CẤU HÌNH DIGSI 5 CỦA HÃNG SIEMENS
2.5.1. Giới thiệu
Phần mềm DIGSI 5 là một chương trình chạy trên máy tính để
cấu hình, cài đặt và vận hành tất cả các thiết bị SIPROTEC 5.


12

2.5.2. Các chức năng
Soạn thảo sơ đồ một sợi; Soạn thảo màn hình; Cấu hình hệ
thống IEC 61850; Bộ công cụ thí nghiệm; Phân tích sự cố...
2.6. KẾT LUẬN
Trong chương 2 tác giả đã tìm hiểu tổng quan về rơle bảo vệ so
lệch thanh cái 7SS85 thuộc dòng SIPROTEC 5 của hãng SIEMENS.
Trọng tâm của chương này là đặc điểm, nguyên lý làm việc của chức
năng bảo vệ so lệch thanh cái và các tính năng cơ bản của loại rơle
này. Ngoài ra cũng tìm hiểu sơ bộ về công cụ phần mềm DIGSI 5 để
phục vụ cho việc cấu hình, cài đặt rơle này.
Chương này tạo cơ sở lý thuyết cho các chương tiếp theo.

CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI

SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS ĐỂ CẢI
TẠO MỚI BẢO VỆ THANH CÁI 220 KV CỦA
TRẠM 220 KV BẢO LỘC
3.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI
HIỆN TẠI CỦA TRẠM 220 KV BẢO LỘC
3.1.1. Hệ thống bảo vệ thanh cái hiện hữu của trạm 220kV
Bảo Lộc
Hệ thống thanh cái phía 220 kV của trạm bao gồm hai thanh cái
chính và một thanh cái vòng. Máy cắt nối thanh cái đồng thời cũng là
máy cắt thay thế khi cần. Không kể ngăn máy cắt nối thanh cái, số
ngăn lộ nối với thanh cái bao gồm 07 ngăn đường dây và 02 ngăn
máy biến áp (63 MVA và 125 MVA).
Hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm 220kV Bảo Lộc thuộc loại
bảo vệ tổng trở cao giản đơn gồm các mạch cộng dòng sử dụng các
rơle hai trạng thái mô phỏng trạng thái của các dao cách ly thanh cái


13

và máy cắt nối thanh cái, các điện trở 1500

nối tiếp với phần tử tác

động sử dụng các rơle quá dòng MiCOM P121.
Ở chế độ kết giàn bằng máy cắt nối thanh cái, việc xác định sự
cố trên thanh cái C21 hay C22 dựa vào các phần tử định hướng dòng
của rơle 67/67N – KCEG142 của ngăn máy cắt nối thanh cái.
3.1.2. Các hạn chế của hệ thống bảo vệ thanh cái hiện hữu
trạm 220kV Bảo Lộc
Hệ thống bảo vệ này có rất nhiều khuyết điểm: Chưa đáp ứng

được yêu cầu hiện tại về an toàn, độ tin cậy, độ nhạy; Khi thao tác
chuyển giàn phải cô lập bảo vệ thanh cái do không đảm bảo an toàn;
Thời gian tác động của riêng phần tử bảo vệ khá dài; Cấu hình không
linh hoạt nên không đáp ứng được yêu cầu.
3.2. CẤU HÌNH HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI MỚI.
3.2.1. Khái quát về các bước thực hiện
Sử dụng phần mềm DIGSI 5 để thiết kế và cài đặt thông số của
thiết bị bảo vệ thanh cái 7SS85 theo trình tự các bước.
3.2.2. Lựa chọn cấu hình rơle phù hợp với cấu trúc thanh
cái hiện hữu
a) Tổng quan về cấu trúc phần cứng
Người dùng có thể cấu hình tự do thiết bị SIPROTEC 5– 7SS85
của riêng mình với: Mô đun cơ bản, Mô đun mở rộng, Mô đun cấp
nguồn, Bảng thao tác tại chỗ, các Mô đun ghép.
b) Chọn các mô đun phù hợp với nhu cầu của dự án
Số ngăn lộ hiện tại: 08; số ngăn lộ tương lai gần: 01.
Nhu cầu chung: Bảng thao tác tại chỗ cho mô đun cơ sở và mô
đun mở rộng; Cổng điện áp VT; Đầu ra nhị phân; Đèn LED chỉ thị.
Nhu cầu cho mỗi ngăn lộ: Cổng dòng điện CT; Đầu vào nhị
phân; Đầu ra nhị phân; Đèn LED chỉ thị.


14

Kết luận: Chọn thêm các mô đun mở rộng như sau: Bảng thao
tác có công tắc khóa và 16 đèn LED; Bảng thao tác chỉ có LED; Mô
đun IO203; Mô đun nguồn PS203, Mô đun IO231 và Mô đun IO211.
3.2.3. Khởi tạo Dự án (Project)
Trong cửa sổ của chương trình DIGSI 5, tạo một dự án mới có
tên “Cải tạo 87B-220kV trạm 220kV Bảo Lộc”.

3.2.4. Tạo cấu hình một sợi
Sử dụng Trình soạn thảo một sợi (Single-Line Editor) để soạn
thảo cấu hình một sợi và hiển thị tôpô của hệ thống chuyển mạch.
3.2.5. Thêm thiết bị SIPROTEC 5 7SS85 vào Project
a) Thêm thiết bị 7SS85 vào Project
Sử dụng Trình soạn thảo Thiết bị và Mạng điện.
b) Hoàn thiện phần cứng của thiết bị 7SS85

a) Mặt trước

b) Mặt sau - Hàng 1

b) Mặt sau - Hàng 2

a’) Mặt trước

b’) Mặt sau - Hàng 1

b’) Mặt sau - Hàng 2

Hình 3.16: Quá trình cấu hình phần cứng thiết bị 7SS85
Phần cứng của thiết bị 7SS85 mới chỉ bao gồm phần cơ bản. Bổ
sung thêm các mô đun mở rộng vào mặt trước và sau như Hình 3.16.
c) Thông tin đặt hàng thiết bị 7SS85
Sử dụng Trình cấu hình rơle bảo vệ trực tuyến trên trang Web


15

của nhà chế tạo để có được mã sản phẩm phục vụ việc đặt hàng.

d) Cấu hình thiết bị 7SS85
Sử dụng phương pháp kéo-thả trong Cấu hình 1 sợi.
e) Định hướng vị trí đo lường
Thực hiện thông qua Ma trận định hướng vị trí đo lường.
f) Kết nối ứng dụng của thiết bị 7SS85 với các thiết bị nhất
thứ
Trong thẻ Single Line của cửa sổ Cấu hình một sợi, sử dụng
giao diện của các nhóm chức năng để đấu nối bằng các đường nối.
3.2.6. Điều chỉnh các Phạm vi chức năng (Functional Scope)
Không cần điều chỉnh gì thêm.
3.2.7. Tạo đường truyền thông tin
Với Ma trận định hướng thông tin, có thể gán thông tin cho các
nguồn và đích được liệt kê trong ma trận như: các đầu vào, đầu ra nhị
phân và các đèn LED.
3.2.8. Tạo trang hiển thị
Để soạn thảo các trang màn hình, sử dụng trình soạn thảo màn
hình theo đường dẫn 7SS85> Display pages trong cây dự án.
3.2.9. Tính toán chỉnh định trị đặt của các chức năng bảo vệ
chính
a) Thông số của các ngăn lộ liên quan
- Tất cả máy cắt, dao cách ly và biến dòng điện đều có dòng làm
việc định mức Iđm = 2000 A.
- Dòng ngắn mạch lớn nhất trên thanh cái:
Năm
Isc max (A)

2017
20.655

2018

21.010

2020
21.494

2025
22.787

- Thông số Vk và Rdc(75 C) cuộn CLX, 2000/1 của các biến dòng
điện; Điện trở dây đấu mạch dòng CT cấp cho bảo vệ.


16

Các ngăn đường dây:
Dòng làm việc lớn nhất cho phép Ilv max = 818 A.
Các ngăn máy biến áp:
Ngăn D05 (231): Dòng làm việc lớn nhất cho phép Ilv max = 178
A. Ngăn D07 (232): Dòng làm việc lớn nhất cho phép Ilv max = 345 A.
b) Các thông số của Bảo vệ so lệch thanh cái–Phần tổng quát
Thông số: Rated object current IrObjP (Dòng định mức của
đối tượng): (_:11821:101) Rated object current IrObj = 2000A.
c) Các thông số của Vùng thanh cái (Buz zone)
Thông số: Threshold Idiff (Ngưỡng dòng so lệch).
Điều kiện: 1.3 Imax feeder < Threshold Idiff < 0.8 IK min.
Imax

feeder

là dòng ngăn lộ lớn nhất, IK

min

tương ứng với dòng

ngắn mạch kéo dài nhỏ nhất.
Do không có thông số IK min nên ta chọn theo điều kiện cận dưới:
Threshold Idiff > 1.3 * Imax feeder = 1.3 * 818 = 1063.4 A
Threshold Idiff (I/IrObj) > 1063/2000 = 0.5315
Đặt (_:12091:100) Threshold Idiff = 0.6 (I/IrObj)
Thông số: Stabilization factor k (Hệ số ổn định k).
Với hệ số chịu tải của biến dòng điện Kb
Kb
k>
4 ∙ √K b − 1

2, hệ số hãm k:
(3-1)

Với Kb < 2, hệ số hãm mặc định sẽ đảm bảo an toàn trong
trường hợp sự cố ngoài.
Hệ số này được tính từ dòng ngắn mạch kéo dài lớn nhất Iscc max
và dòng Isat mà tại đó CT bắt đầu bị bão hòa:
Kb = Iscc max / Isat
(3-2)
Vk
Isat = k ct ∙
(3-3)
(R ct + R l )
Để chọn hệ số k, phải dựa trên cơ sở CT có hệ số chịu tải cao

17

nhất Kb max, nghĩa là có dòng bão hòa nhỏ nhất (Isat min).
Do tính được Kb

max

< 2 nên giữ nguyên trị đặt mặc định

(_:12091:104) Stabilization factor k = 0.65.
Kiểm tra dải đo lường: Điều kiện: Isscmax / Ipn ≤ 100
Kết quả tính toán cho thấy điều kiện này luôn được thỏa mãn.
d) Các thông số của Vùng kiểm tra (Check Zone)
Thông số _:12151:102 Check zone = on.
Thông số Threshold Idiff: Đặt (_:11911:100) Threshold
Idiff = 0.6 (I/IrObj)
Thông số Stabilization factor k: Giữ nguyên trị mặc định
(_:11911:104) Stabilization factor k = 0.50.
3.2.10. Cấu hình liên lạc
Chọn chuẩn đồng bộ thời gian cho cổng G của thiết bị 7SS85 là
IRIG-B và kết nối cổng này với cổng I-RIGB trên thiết bị đồng bộ
thời gian SEL-2488 hiện hữu của trạm 220 kV Bảo Lộc.
3.3. CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI 220KV TẠI
HIỆN TRƯỜNG
3.3.1. Phần tháo gỡ
Tháo gỡ các thiết bị bảo vệ cũ và các mạch đấu trung gian. Giữ
lại mạch dòng và mạch tín hiệu trạng thái; các rơle khóa (86) đi cắt
các máy cắt ngăn lộ.

3.3.2. Phần bổ sung
Bổ sung tín hiệu trạng thái từ tiếp điểm phụ của các dao cách ly
phía đường dây hoặc máy biến áp và các dao cách ly nối với thanh
cái vòng, mạch đo lường điện áp. Lắp hệ thống rơle mới 7SS85.
3.3.3. Phần đấu nối
Đấu nối hệ thống rơle mới 7SS85 với phần mạch điện giữ lại và
các rơle khóa (86).


18

3.4. KẾT LUẬN
Trong chương này, tác giả đã xây dựng phương pháp thực hiện
trình tự theo các bước, từ việc khảo sát hệ thống bảo vệ cũ, lựa chọn
rơle mới cho đến việc tính toán thông số bảo vệ, cách cấu hình các
đầu vào/đầu ra… Phương pháp thực hiện và công cụ phần mềm dựa
trên cơ sở tài liệu hướng dẫn đi kèm thiết bị của nhà chế tạo.
Trình tự thực hiện chi tiết được trình bày trong luận văn đã minh
họa một cách cụ thể và trực quan, góp phần hỗ trợ cho các nhân viên
làm công tác thi công lắp đặt, thí nghiệm rơle thuận lợi hơn khi thực
hiện công tác nâng cấp, cải tạo hệ thống bảo vệ rơle trong trạm và
làm việc với dòng rơle thế hệ mới SIPROTEC 5 của hãng
SIEMENS, trong đó có rơle bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85.
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG RƠLE
BẢO VỆ THANH CÁI 220 KV TRẠM 220 KV BẢO LỘC SAU
KHI CẢI TẠO MỚI
Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng.
4.1. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI VỚI CÔNG CỤ

MATLAB/SIMULINK
4.1.1. Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch thanh cái
Rơle 7SS85 được mô hình dựa trên cấu trúc dạng khối và chức
năng bảo vệ của rơle này.
a) Xây dựng khối chức năng AI&BI (các tín hiệu đầu vào
dạng tương tự và dạng nhị phân)
Khối này bao gồm các đầu vào dạng số và dạng tương tự để tiếp
nhận tín hiệu trạng thái của các dao cách ly và tín hiệu dòng ba pha.


19

b) Xây dựng khối chức năng tính toán bảo vệ so lệch thanh
cái Vùng 1 và Vùng 2 (Zone 1 và Zone 2)
Khối này tính toán dòng so lệch và dòng hãm cũng như xác định
điều kiện tác động của bảo vệ.
c) Xây dựng khối chức năng đầu ra (BO) cắt có chọn lọc
Khối này có các đầu vào nội bộ để nhận các tín hiệu và các đầu
ra sẽ xuất tín hiệu cắt đến từng ngăn lộ.
d) Liên kết các khối để tạo mô hình rơle 7SS85
Từ ba khối chức năng đã xây dựng ở trên, kết nối các khối này
để tạo thành mô hình chức năng của rơle 7SS85 như Hình 4.5.

Hình 4.5: Mô hình rơle 7SS85 và mạch nội bộ
4.1.2. Xây dựng mô hình cấu trúc hệ thống thanh cái
Mô hình cấu trúc hệ thống thanh cái 220kV của trạm Bảo Lộc
được xây dựng có sự giản lược bớt để đơn giản hóa.


20

Sơ đồ mô phỏng thanh cái và hệ thống bảo vệ so lệch liên quan
thể hiện trên Hình 4.6.

Hình 4.6: Mô hình hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV
4.1.3. Mô phỏng và phân tích hoạt động của rơle ở các chế
độ
a) Chế độ làm việc bình
thường
Hình 4.7 cho thấy dạng đặc
tính của bảo vệ. Có thể thấy đặc
tuyến vận hành là một đoạn nằm
ngang trùng với trục hoành.
Hình 4.7: Đặc tính của bảo vệ
b) Chế độ có sự cố trong
vùng bảo vệ:


21

Bảo vệ vùng 1 và vùng 2 của rơle tác động cắt có chọn lọc.
Hình 4.9 cho thấy điểm ngắn mạch nằm trong vùng tác động của bảo
vệ.
c) Chế độ cắt sự cố khi hai
thanh cái được nối cứng
bằng hai dao cách ly của
ngăn lộ bất kỳ
Rơle làm việc đúng yêu cầu
của logic bảo vệ.
d) Chế độ có sự cố ngoài

vùng bảo vệ:

Hình 4.9: Điểm sự cố trong
vùng bảo vệ

Rơle đảm bảo không tác động khi có sự cố ngoài.
4.1.4. Nhận xét
Kết quả chương trình mô phỏng ở các chế độ cho thấy rơle bảo
vệ so lệch thanh cái 7SS85 đảm bảo độ tin cậy và tính chọn lọc, đáp
ứng được yêu cầu cải tạo thanh cái của trạm 220 kV Bảo Lộc.
4.2. KẾT LUẬN
Chương này là bước kiểm chứng cuối cùng về hiệu quả của việc
cải tạo, áp dụng công nghệ rơle kỹ thuật số mới. Với bộ công cụ
phần mềm Matlab/Simulink.
Mô hình rơle đã được mô phỏng theo hướng cấu trúc mô đun
với các khối tín hiệu đầu vào/đầu ra và khối xử lý. Đặc điểm về phần
mềm như đặc tính bảo vệ, logic làm việc và các thông số cài đặt cũng
đã được cố gắng mô phỏng gần giống với rơle thực tế.
Việc áp dụng mô hình rơle để bảo vệ mô hình hệ thống thanh
cái giống với thực tế là một phương pháp trực quan sinh động, giúp
kiểm chứng được hiệu quả của công tác cải tạo trong tương lai.


22

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Hiện nay hệ thống điện Việt Nam đang phát triển rất nhanh và
không ngừng đòi hỏi nâng cao về chất lượng vận hành. Tuy nhiên
vẫn còn rất nhiều trạm biến áp cổ điển sử dụng các thiết bị điều
khiển/bảo vệ đã cũ, không còn đáp ứng được yêu cầu trong tình hình

mới. Các trạm này đang đứng trước yêu cầu cấp thiết phải cải tạo và
nâng cấp để đáp ứng các tiêu chí nâng cao độ tin cậy cung cấp điện,
giảm chi phí vận hành và bảo trì, sửa chữa. Bên cạnh đó, rơle bảo vệ
ngày nay không còn là thiết bị bảo vệ thuần túy mà được tích hợp
chức năng điều khiển, giám sát và tự động hóa rất mạnh mẽ. Qua
những nghiên cứu đã trình bày trong luận văn có thể rút ra các kết
luận sau:
1. Để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái của trạm 220 kV Bảo
Lộc, luận văn đã nghiên cứu các kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái và
xu hướng phát triển của các dòng rơle vi xử lý hiện đại, từ đó đã
phân tích, định hướng và lựa chọn loại bảo vệ so lệch thanh cái phù
hợp để nghiên cứu.
2. Bảo vệ so lệch thanh cái SIPROTEC 5 – 7SS85 là dòng rơle
rất hiện đại và có đặc điểm thiết kế khác biệt so với các dòng rơle
trước đó, chỉ mới được hãng Siemens đưa ra trong thời gian gần đây.
Luận văn đã nghiên cứu và xây dựng phương pháp thiết kế, cấu hình
và cài đặt dòng rơle này theo nhu cầu ứng dụng thực tế một cách chi
tiết và có minh họa cụ thể. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ giúp
cho các cán bộ, nhân viên làm công tác thiết kế hoặc thi công lắp đặt,
thí nghiệm rơle làm việc dễ dàng với dòng rơle thế hệ mới
SIPROTEC 5 của hãng Siemens nói chung, trong đó có rơle bảo vệ
so lệch thanh cái 7SS85.


23

3. Trong điều kiện chưa có thiết bị mới để thử nghiệm trực tiếp
(online), luận văn đã sử dụng công cụ mô phỏng Matlab/Simulink để
xây dựng mô hình mô phỏng cấu trúc cũng như logic làm việc của
rơle kết hợp với mô hình động của cả hệ thống thanh cái 220kV để

xem xét sự làm việc của rơle đối với các dạng sự cố và đáp ứng của
các thiết bị thuộc hệ thống thanh cái. Kết quả mô phỏng hệ thống
thanh cái 220 kV và rơle bảo vệ trong luận văn phù hợp với thực tế
tại trạm 220 kV Bảo Lộc. Đây là giải pháp tốt để phân tích, đánh giá
hoạt động của rơle và đối tượng được bảo vệ. Có thể áp dụng linh
hoạt phương pháp mô phỏng này cho các hệ thống thanh cái có cấu
trúc khác nhau cũng như mở rộng cho các chủng loại rơle và đối
tượng bảo vệ khác.
4. Với việc ứng dụng rơle Siemens SIPROTEC 5 – 7SS85 để
cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái trạm biến áp 220 kV Bảo Lộc, luận
văn đã khắc phục được những khiếm khuyết của hệ thống bảo vệ cũ
và chuẩn bị sẵn cơ sở nền tảng cho vấn đề cải tạo trạm thành trạm
điều khiển tích hợp trong tương lai. Thời gian tác động của rơle mới
là

7 ms, nhanh hơn gấp 3 lần rơle cũ. Bảo vệ mới ngoài chức năng

bảo vệ so lệch chính còn kết hợp chức năng Kiểm vùng (Check zone)
không phụ thuộc vào trạng thái của dao cách ly nên không cần phải
cô lập bảo vệ thanh cái trong trường hợp thay đổi sơ đồ đầu nối của
hệ thống thanh cái, giúp nâng cao độ an toàn và tin cậy.
Sau khi cải tạo, thông tin đo lường và trạng thái của các thiết bị
liên quan hệ thống thanh cái đều được rơle đo lường, giám sát và chỉ
thị trên màn hình tại chỗ hoặc máy tính ở xa thông qua mạng truyền
thông, giúp nâng cao chất lượng vận hành lên rất nhiều.
5. Hướng phát triển của đề tài: Với cấu trúc của luận văn và
thời gian cho phép, đề tài nghiên cứu chủ yếu đến chức năng bảo vệ