Tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện hình tia như hình vẽ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
...................................
BÀI TẬP LỚN 2
Môn học: Bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện
Họ và tên:

Nguyễn Hoàng Hải
Nguyễn Đình Nhân
Trịnh Thế Văn


I. ĐẦU ĐỀ
Tính toán bảo vệ rơle cho mạng điện hình tia như hình vẽ.
II. SỐ LIỆU BAN ĐẦU
SƠ ĐỒ MẠNG ĐIỆN

A

C

B
D1
1

D2

D3
3

2

6kV

115kV

B1

4

24kV

B2

5

SỐ LIỆU BAN ĐẦU
1. Hệ thống:
S N max = 300 MVA
S N min = 0,7 S N max

2. Trạm biến áp:
- B1: S đm = 2 x 30 MVA
U 1 / U 2 = 115/24 kV
U N % = 10%
- B2: S đm = 10 MVA
U 1 / U 2 = 24/6 kV
U N % = 10,5%
- B3: S đm = 2 MVA
U 1 / U 2 = 24/0,4 kV
U N % = 8,5%
3. Đường dây:

Pt

0,4kV
6

B3


- D1: L1 = 20 km; AC-95
- D2: L2 = 15 km; AC-75
- D3: L3 = 15km; AC-75
4. Phụ tải:
Pđm = 4 MW, cos ϕ = 0,85
5. Giả thiết:
- Bảo vệ đường dây D1 dùng bảo vệ cắt nhanh;
- Bảo vệ máy biến áp B2 dùng bảo vệ so lệch;
- Bảo vệ đường dây D2 và D3 dùng bảo vệ quá dòng có thời gian;
- Thời gian làm việc của bảo vệ 3 là t 3 = 1,5s
III. NỘi DUNG:
1. Chọn các máy biến áp dòng cho các bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5.
2. Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ rơle.
3. Tính toán các thông số đặt cho bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5, kiểm tra độ nhạy
của các bảo vệ và xác định vùng bảo vệ cho các bảo vệ cắt nhanh.
IV. NỘi DUNG TÍNH TOÁN:
1. Chọn các máy biến áp dòng cho các bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5
+Lý thuyết:
a, Định nghĩa BI – Máy biến dòng.
BI là thiết bị có tác dụng cách ly phần sơ cấp và thứ cấp, có nhiệm vụ
dung để biến đổi dòng điện từ trị số lớn xuống trị số nhỏ hơn để cung

cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ, tự động…
Thường BI có dòng định mức thứ cấp là 1.5A hoặc 10A.
b, Cấu tạo
BI thực chất là 1 MBA làm việc ở chế độ NM. Gồm 1 mạch từ trên đó
quấn cuộn dây sơ cấp nối tiếp với mạng điện cao thế, và một hay vài
cuộn thứ cấp để lấy tín hiệu ra cung cấp cho các thiết bị đo lường, bảo
vệ.
c, Nguyên lý làm việc
Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, thông qua mạch từ lõi kép biến
đổi dòng điện lớn phía cao áp sang dòng điện nhỏ cung cấp cho các phụ
tải thứ cấp. Tổng trở mạc ngoài của BI rất bé lên có thể xem như BI luôn
làm việc trong chế độ ngắn mạch.
d, Các thông số để lựa chọn BI
Tỷ số biến đổi dòng điện :
=
với
Sai số của BI :

,

là dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp của BI.


+ Về giá trị : ΔI % =

.100

+ Sai số góc

: là góc lệch pha giữa dòng điện sơ cấp và

thứ cấp của BI ( có thể âm hoặc dương)
+ Cấp chính xác : là sai số lớn nhất về giá trị dòng điện khi
BI làm việc trong điều kiện :
• f = 50HZ
• phụ tải thứ cấp biến thiên từ 0.25
đến định mức.
+Tính toán:
Tỷ số biến đổi của các máy biến dòng được chọn theo công thức:
nI =

I SCDĐ
I TCDĐ

(1.1)
Trong đó:
I SCDĐ - dòng sơ cấp danh định (A)
I TCDĐ - dòng thứ cấp danh định (A)

Chọn I TCDĐ = 5 A
Dòng I SCDĐ = I lv max = k qt . I đm
Trong đó:
I lv max - dòng làm việc lớn nhất có thể chạy qua chỗ đặt bảo vệ.
I đm - dòng định mức của phụ tải
k qt - hệ số quá tải ( k qt = 1,4)
Dòng định mức I đm =

S đm
3.U đm

• Chọn tỷ số biến đổi của BI 4 và BI 5

Tính dòng định mức của hai phía MBA 2:
- Chọn tỷ số biến đổi của BI 4 :
I 4 đm =

S B 2 đm
3 U 4 đm

=

10.10 3
3.24

= 240,56 A

I 4lv max = 1,4.240,56 = 336,78 A
Như vậy ta chọn I 4 SCDĐ = 400 A

Vậy tỷ số biến đổi của BI 4 là n I 4 =

400
=80
5

- Chọn tỷ số biến đổi của BI 5 :
I 5 đm =

S B 2 đm
3 U 5 đm

=

10.10 3
3.6

= 962,25A

I 5lv max = 1,4.962,25 = 1347,15 A
Như vậy ta chọn chọn I 5 SCDĐ = 1500 A


Vậy tỷ số biến đổi của BI 5 là n I 5 =

1500
= 300
5

• Chọn tỷ số biến đổi của BI 6 :
I 6 đm =

S B 3đm
3 U 6 đm

=

2.10 3
3.24

= 48,11A

I 6lv max = 1,4.48,11 = 67,35 A

Như vậy ta chọn chọn I 6 SCDĐ = 120 A
120
Vậy tỷ số biến đổi của BI 6 là n I 6 =
= 24
5
• Chọn tỷ số biến đổi của BI 3 :

Tính toán dòng điện phụ tải:
I pt 3 =

Pđm
3.U 3đm . cos ϕ

=

4.10 3
3. 24.0,85

= 113,21 A

I lv max 3 = 1,4. I pt 3 = 1,4.113,21 = 158,49A
Như vậy ta chọn I 3 SCDĐ = 150A
150
Vậy tỷ số biến đổi của BI 3 là n I 3 =
= 30
5
• Chọn tỷ số biến đổi của BI 2 :

Ta có:
I pt 2 = I pt 3 + I 6 đm = 113,21 + 48,11 = 161,32 A

I lv max 2 = 1,4. I pt 2 = 1,4.161,32 = 225,85 A
Như vậy ta chọn I 2 SCDĐ = 300 A
Vậy tỷ số biến đổi của BI 2 là n I 2 =

300
= 60
5

• Chọn tỷ số biến đổi của BI 1 :
Ta có:
I pt1 = I pt + I pt 3 + I 6 đm = 161,32 + 113,21 + 48,11 = 322,64 A
I lv max 1 = 1,4. I pt1 = 1,4.358,16 = 451,7 A
Như vậy ta chọn I 1SCDĐ = 600 A
Vậy tỷ số biến đổi của BI 1 là n I 1 =

600
= 120
5

2. Tính toán ngắn mạch bảo vệ rơle
+Lý thuyết:
+ NM là chỉ hiện tượng các dây pha dẫn chạm nhau, chạm đất hoặc chạm
dây trung tính.
+ Khi xảy ra NM : tổng trở của mạch nhỏ đi ( do mạch điện bị ngắn lại)
 Dòng điện lớn lên (gọi là điện NM)


+ Ký hiệu và xác suất các loại NM được trình bày bảng trên :
Dạng ngắn mạch

Hình vẽ quy ước

Ký hiệu

Xác suất xảy ra
%

3 pha

5

2 pha

10

2 pha –đất

20

1 pha

65

+ Hậu quả của ngắn mạch
 Phát song cục bộ gây cháy nổ.
 Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần tử của TBĐ làm biến
dạng hoặc gây vỡ các phần tử này (VD : sứ đỡ, than dẫn biến
dạng …)
 Gây sụt áp trên lưới điện, làm động cơ ngừng quay.
 Gây mất ổn định HTĐ do các MFĐ bị mất cân bằng công suất

quay theo những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ.
 Tạo ra các thành phần dòng không đối xứng gây nhiễu của
ĐD thông tin ở gần.
 Làm gián đoạn HTĐ do nhiều phần tử bị cắt ra để loại trừ
NM.
* Trong các dạng NM, thì
pha gây hậu quả nặng nề nhất
=> dung làm căn cứ để lựa chọn, chỉnh định phần tử bảo vệ trong HTĐ.
Xét một mạch điện đối xứng đơn giản như hình vẽ :
=
. sin Ʊt
=

. sin (Ʊt -

)

. sin (Ʊt +
)
Thông số L, R, R’, L’ đặc trưng cho phần mạch từ điểm NM đến nguồn và đặc
trưng cho phụ tải các pha.
Vì mạch 3 pha đối xứng nên khi xảy ra
xứng. Ta có thể tách pha A để nghên cứu :
=

sin (Ʊt -

) + A.

từ chỗ NM trở về nguồn cũng đối

=

sin(Ʊt -

=

) + A.

+

Nhận xét dòng điện NM gồm 2 thành phần : thành phần dòng điện chu kỳ
và thành phần dòng điện không chu kỳ
.
- Thành phần dòng điện chu kỳ xác định ở chế độ xác lập.
- Thành phần không chu kỳ mang tính ngẫu nhiên.
-

Giá trị cực đại cảu dòng điện NM gọi là dòng điện xung kích
=

+

=

nằm trong phạm vi : 1 ≤

(1 +

)=

≤ 2 phụ thuộc

.

.
.

= 1 khi L = 0 – mạch có tính thuần trở.
= 2 khi R = 0 – mạch có tính thuần cảm.
* Các bước để tính toán ngắn mạch 3 pha :
: vẽ sơ đồ thay thế và xác định các thông số tong sơ đồ thay thế.
: tính tổng ngắn mạch từ nguồn (MF và HT) đến điểm NM quan tâm
=
: Tính dòng ngắn mạch quan tâm

=

+Tính toán:
• Sơ đồ thay thế cho hệ thống:

Xht

Xb1

Xd1

Xd2

Xd3

Xb2

Xb3

HTĐ

Tính trong hệ có tên: Chọn điện áp cơ sở là 115kV
• Điện kháng hệ thống:

Pt


2
U đm
1,05.115 2
X HT =
=
= 36,54 Ω
S N max
380

• Điện kháng MBA B1 (quy về cấp cơ sở):
Hai máy biến áp làm việc song song
2
U N % U đm 10 115 2
Ta có X B1 =
.
=

.
= 22,04 Ω
100 S1đm 100 2.30

• Đường dây D1 (qui đổi về cấp cơ sở):
Với đường dây D1: L1 = 20 km; AC-95
Ta có xo = 0,385 ( Ω /km)
2

115 
X D1 = xo .l1 .k = 0,385.20. 
 = 176,79 Ω
 24 
2
1

• Đường dây D2 (qui về phía cơ sở):

Với đường dây D2: L2 = 15 km; AC-70
Ta có xo = 0,396 ( Ω /km)
2

115 
X D 2 = xo .l 2 .k =0,396.15. 
 = 136,38 Ω
 24 
2
1

• Đường dây D3 (qui về phía cơ sở):

Với đường dây D3: L3 = 15 km; AC-70
Ta có xo = 0,396 ( Ω /km)
2

115 
X D 3 = xo .l 3 .k12 =0,396.15. 
 = 136,38 Ω
 24 

• Điện kháng MBA B2 (quy về cấp cơ sở):
Ta có X B 2 =

2
2
U N % U đm 2 8,5 24 2  115 
.
. k1 =
.
.
 = 112,41 Ω
100 10  24 
100 S 2 đm

• Điện kháng MBA B3 (quy về cấp cơ sở):
Ta có X B 3 =

2
2
U N % U đm 2 8,5 24 2  115 

.
. k1 =
.
.
 = 374,71 Ω
100 3  24 
100 S 3đm

Tính toán ngắn mạch:
Chọn vị trí các điểm ngắn mạch
• Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N 1 : N N(3)
1


Xht

Xb1

Xd1

HTĐ
N1

I N( 31)(115 kV ) =

U cs

3.( X HT + X B1 + X D1 )

=

115
3.(36,54 + 22,04 + 176,79)

=0,28 kA

115
= 1,34 kA
24
Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N 2 : N N(32)

I N( 31)( 24 kV ) = N N( 31)(115 kV ) . k1 = 0,28.

•

Xht

Xb1

Xd1

Xd2

HTĐ
N2

I N( 32) (115 kV ) =

=

U cs

3.( X HT + X B1 + X D1 + X D 2 )
115
3.(36,54 + 22,04 + 176,79 + 136,38)

115
= 0,86 kA
24
Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N 3 : I N(33)

I N( 32) ( 24 kV ) = I N( 32) (115 kV ) . k1 = 0,18 .

•

= 0,18kA


Xht

Xb1

Xd1

Xd2

Xd3

Pt

HTĐ
N3

U cs

I N( 33)(115 kV ) =

=

3.( X HT + X B1 + X D1 + X D 2 + X D 3 )
115

3.(36,54 + 22,04 + 176,79 + 136,38 + 136,38)
115
I N( 33)( 24 kV ) = I N( 33)(115 kV ) . k1 = 0,13.
= 0,62 kA
24

=0,13 kA

• Tính ngắn mạch 3 pha trên điểm N 4 : I N(34)

Xht

Xb1

Xd1

Xb2

HTĐ
N4

I N( 34) ( 24 kV ) =

=

(

U cs

3. X HT + X B1 + X D1 + X B 2

)

115
3.(36,54 + 22,04 + 176,79 + 112,41)

I N( 34) ( 6 kV ) = I N( 34) ( 24 kV ) . k1 . k 2 = 0,19.

• Lập bảng tổng kết
N1

= 0,19 kA

115 24
. = 3,64 kA
24 6

N2

N3

N4


I N( 3()115 kV ) kA

0,28

0,18

0,13

I N( 3()24 kV ) kA

1,34

0,86

0,62

0,19
3,64

I N( 3()6 kV ) kA

3. Tính toán các thông số đặt cho các bảo vệ 1, 2, 3, 4 và 5, kiểm tra độ
nhạy cho các bảo vệ và xác định vùng bảo vệ của các bảo vệ cắt nhanh.
3.1 Tính toán chỉnh định cho bảo vệ cắt nhanh của đường dây D1.

BVQD cắt nhanh I>> (50) là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng cách sự
dụng dòng khởi động ( I KĐ ) lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất ngoài vùng bảo
vệ qua chỗ đặt bảo vệ.
• Tính toán
Dòng khởi động I KĐ = K at ..I Nng max
Trong đó:
I Nng max - dòng NM ngoài vùng bảo vệ lớn nhất ( tính theo N ( 3) trên
thanh cái ở cuối phần tử được bảo vệ )
K at - hệ số an toàn ( thường lấy K at = 1,2 ÷ 1,3 )
Ta chọn K at = 1,3
( 3)
Ta có I Nng max = I N 1( 24 kV ) = 1,34kA
Tính dòng khởi động

I KĐ = K at ..I Nng max = 1,3. 1,34 = 1,742kA

Dòng khởi động của rơle: I KDR =

I KĐ .k sđ
nI

Trong đó: n I - tỷ số biến đổi của BI
k sđ - chọn k sđ = 1
Tính dòng khởi động của rơle 1: I KDR =

I KĐ .k sđ 1,742.1
=
= 0,01 kA
nI1
120

• Độ nhạy của BV:
Độ nhạy yêu cầu: k nh =

I N min
≥2
I KĐ
I N min - dòng NM nhỏ nhất trong vùng bảo vệ.

Xác định vùng tác động của BVQD cắt nhanh rơle 1:
3.2 Tính toán chỉnh định dùng BVSL cho máy biến áp B2
• Xác định dòng định mức của hai phía MBA B2:
I 4 đm =

S B 2 đm
3 U 4 đm

=

10.10 3
3.24

= 240,56 A

I 4lv max = 1,4.240,56 = 336,78 A
Như vậy ta chọn I 4 SCDĐ = 400 A


Vậy tỷ số biến đổi của BI 4 là n I 4 =

400
=80
5

- Chọn tỷ số biến đổi của BI 5 :
S B 2 đm

I 5 đm =

3 U 5 đm

=

10.10 3
3.6

= 962,25A

I 5lv max = 1,4.962,25 = 1347,15 A
Như vậy ta chọn chọn I 5 SCDĐ = 1500 A
1500
Vậy tỷ số biến đổi của BI 5 là n I 5 =
= 300
5
• Chọn sơ đồ nối dây các BI : chọn k sđ 1 = 3 và k sđ 2 = 1 .

• Vậy dòng điện thứ cấp của các BI là:
I 4 đm .k sđ 1 240,56. 3
=
= 5,21A

nI 4
80
I .k
962,25.1
= 5 đm sđ 2 =
= 3,21A
nI 5
300

I 4I =
I 5 II

Nhận thấy, các dòng thứ cấp của hai BI chênh lệch nhau quá lớn
400
600
= 80 bằng n I 4 =
= 120
5
5
240,56. 3
=
= 3,47 A
120

⇒ Nên cần chọn lại BI4 thay n I 4 =

Vậy dòng thứ cấp I 4 I =

I 4 đm .k sđ 1
nI 4

• Sự chênh lệch dòng điện thứ cấp của hai BI là:
s 2i =

I 4 I − I 5 II
3,47 − 3,21
=
= 0,075
I 4I
3,47

• Xác định dòng không cân bằng tt lớn nhất
I kcbtt max = ( K kck .K đn . f i max + s ∆U + s 2i ).I Nng max

Trong đó: I kcktt max - dòng không cân bằng tính toán lớn nhất tương ứng với dòng
ngắn mạch ngoài cực đại
K đn - hệ số đồng nhất của các BI, thường K đn = 0 ÷ 1
K đn = 0 khi các BI hoàn toàn giống nhau va dòng điện qua cuộn sơ
cấp của chúng bằng nhau
K đn = 1 khi các BI khác nhau nhiều nhất.
f i ,max - sai số lớn nhất cho phép của BI, f i ,max = 10%
s 2i - sai số tương đối do sự chênh lệch các dòng điện thứ cấp của các BI
Chọn k kck = 1 ; k đn = 1 , f i ,max = 0,1 , s 2i = 0,1 , k at = 1.25
( 3)
Dòng ngắn mạch tại điểm N5: I N ( 6 kV ) = 20,09 kV
I kcbtt max = ( K kck .K đn . f i max + s ∆U + s 2i ).I Nng max =(1.1.0,1+0,1+0,075).20090=5524,75 A
• Dòng điện khởi động của BV:
∆I KĐ = k at .I kcbtt max = 1,25.5524,75 = 6905,94 A

• Độ nhạy của BV:

Độ nhạy yêu cầu: k nh =

k nh =

I N min
≥2
I KĐ
I N min - dòng NM nhỏ nhất trong vùng bảo vệ.

I N min 0,87.20090
=
= 2,53 > k nhyc
∆I KĐ
6905,94

• Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết.
3.3 Tính toán chỉnh định dùng bảo vệ quá dòng có thời gian cho đường dây
D2 và D3.
BVQD có thời gian I > ( 51) là loại BVQD đảm bảo tính chọn lọc bằng khoảng
cách chỉnh định thời gian tác động.
BVQD có thời gian được đặt càng xa nguồn thì có thời gian tác động càng nhỏ.
• Xác định dòng khởi động I KĐ :
I KĐ 51 =

k at .k mm
.I lv max < I N min
k tv

Trong đó:
k at - hệ số an toàn, tính đến khả năng tác động thiếu chính xác của BV
k at ≈ 1,1 đối với rơle tĩnh và rơle số
k at ≈ 1,2
đối với rơle điện cơ
k mm - hệ số mở máy của phụ tải ĐC có dòng điện chạy qua chỗ đặt BV
( k mm = 2 ÷ 4 )
I lv max - dòng điện làm việc lớn nhất có thể chạy qua chỗ đặt bảo vệ
I
k tv = tv : hệ số trở về ( với I tv = k at .k mm .I lv max )
I KĐ
k tv ≈ 1 với rơle tĩnh và rơle số
k tv ≈ 0,85 ÷ 0,9 đối với rơle điện cơ.
I N min - dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất chạy qua chỗ đặt bảo vệ.
Chọn k at = 1,3 , k mm = 2 , I lv max = 1 .

• Tính toán cho bảo vệ 4:
I KĐ 2 =

k nh

k at .k mm
1,3.2
.I lv 4 max =
.250,71 = 651,85 A
k tv
1

I N min
3 I N( 32)

0,87.5020
=
=
.
=
= 6,7 > k nh = 1,5α
I KĐ 4
2 I KĐ 2
651,85

Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết
I KĐ 3 =
k nh

k at .k mm
1,3.2
.I lv 3 max =
.501,42 = 1303,67 A
k tv
1

I N min
3 I N( 33)
0,87.4990
=
=
.
=
= 3,2 > k nh = 1,5α
I KĐ 3

2 I KĐ 3
1303,67

Vậy bảo vệ đảm bảo độ nhạy cần thiết
• Tính toán thời gian chỉnh định cho bảo vệ


∆t = t MC ( n −1) + st .t ( n −1) + t qt + t dt = 0,25s

Thời gian làm việc cho bảo vệ 3 là t 3 = 1,5s
Thời gian tác động của BV1 là t1 = 0 s ( do BV1 là bảo vệ cắt nhanh )
Thời gian tác động của BV2 là t 2 = t 3 + ∆t = 1,5 + 0,25 = 1,75s
Thời gian tác động của BV4 và BV5 là t 4 = t 5 = 0s ( do BV4 và BV5 là bảo vệ
cắt nhanh )