Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, việc xuất hiện các sự cố hư hỏng và các chế độ làm việc không bình thường là điều không thể tránh khỏi. Các nguyên nhân chính dẫn đến sự cố bao gồm hiện tượng thiên nhiên (giông bão, biến đổi thời tiết, lũ lụt, động đất), sự già cỗi hoặc hao mòn của thiết bị sau thời gian dài sử dụng, tai nạn ngẫu nhiên, hoặc sai sót trong thao tác của nhân viên vận hành. Trong số đó, ngắn mạch là dạng sự cố nguy hiểm nhất, dẫn đến dòng điện tăng vọt gây tác động nhiệt và lực cơ học phá hủy thiết bị, hồ quang gây cháy nổ, sụt giảm điện áp trên diện rộng làm ảnh hưởng hộ tiêu thụ, và nguy cơ làm mất ổn định, tan rã toàn bộ hệ thống điện. Bên cạnh đó, tình trạng quá tải kéo dài cũng làm tăng nhiệt độ dây dẫn và cuộn dây, đẩy nhanh quá trình già hóa cách điện. Do đó, việc nghiên cứu, xây dựng phương thức và tính toán cài đặt hệ thống bảo vệ rơle cho trạm biến áp và đường dây truyền tải phân phối là nhiệm vụ kỹ thuật bắt buộc nhằm phát hiện, cô lập nhanh chóng phần tử bị sự cố, bảo vệ an toàn cho các thiết bị còn lại.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về bảo vệ rơle trong hệ thống điện, phân tích 5 yêu cầu kỹ thuật cơ bản: tính chọn lọc, độ nhạy, tác động nhanh, độ tin cậy và tính kinh tế.
  2. Xác định thông số đối tượng bảo vệ và tính toán chọn tỷ số biến dòng điện ($BI$) cho các xuất tuyến đường dây.
  3. Xây dựng phương thức bảo vệ toàn diện cho máy biến áp 110/22kV và các đường dây tải điện phân phối.
  4. Thiết lập sơ đồ tương đương, đưa ra các giả thiết kỹ thuật và tính toán dòng điện ngắn mạch ở chế độ cực đại (2 máy biến áp làm việc song song) và chế độ cực tiểu (1 máy biến áp làm việc độc lập) phục vụ công tác bảo vệ.
  5. Tính toán thông số khởi động, xác định thời gian làm việc và kiểm tra vùng bảo vệ, độ nhạy của các chức năng bảo vệ quá dòng pha và thứ tự không (chức năng 50, 50N, 51, 51N).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạm biến áp hạ áp 110/22kV gồm 2 máy biến áp 40 MVA nhận nguồn từ hệ thống điện 110kV và cung cấp điện cho các phụ tải thông qua lưới đường dây 22kV (các đoạn đường dây L1, L2 sử dụng dây nhôm lõi thép AC-95).
  • Phạm vi nghiên cứu: Lưới điện phân phối hình tia một nguồn cung cấp; tính toán ngắn mạch đối xứng và không đối xứng tại các điểm nút phân đoạn từ N1 đến N9 trong hai chế độ vận hành cực đại ($S_{N\max} = 1600\text{ MVA}$) và cực tiểu ($S_{N\min} = 1120\text{ MVA}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết được xây dựng dựa trên nguyên lý bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện, bao gồm:

  • Các yêu cầu kỹ thuật đối với bảo vệ rơle: Tính chọn lọc (tuyệt đối và tương đối); độ nhạy (hệ số nhạy $k_n \ge 1{,}5 \div 2$ cho bảo vệ chính, $1{,}2 \div 1{,}5$ cho bảo vệ dự phòng, $> 2$ cho bảo vệ so lệch); tính tác động nhanh ($t \le 50\text{ ms}$ đối với bảo vệ tác động nhanh); độ tin cậy (tin cậy tác động và tin cậy không tác động nhầm); tính kinh tế.
  • Phương pháp các thành phần đối xứng: Sử dụng để phân tích và tính toán các chế độ ngắn mạch không đối xứng bằng cách phân rã hệ thống dòng điện và điện áp thành ba thành phần: thứ tự thuận ($X_1$), thứ tự nghịch ($X_2$) và thứ tự không ($X_0$).
  • Các dạng sự cố ngắn mạch: Ngắn mạch 3 pha $N^{(3)}$, ngắn mạch 1 pha chạm đất $N^{(1)}$, ngắn mạch 2 pha $N^{(2)}$, và ngắn mạch 2 pha chạm đất $N^{(1,1)}$.
  • Các nguyên lý bảo vệ ứng dụng:
    • Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (ANSI 87): Dựa trên so sánh trực tiếp dòng điện hai đầu cuộn dây máy biến áp, kết hợp hãm hài bậc hai chống dòng từ hóa dâng cao khi đóng máy biến áp không tải.
    • Rơle khí Buchholz: Phản ứng theo sự bốc hơi của dầu cách điện và mức độ hạ thấp dầu trong thùng dầu máy biến áp qua 2 cấp tác động.
    • Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (ANSI 50/50N): Chỉnh định dòng khởi động theo dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất, tác động tức thời hoặc thời gian rất bé ($t \approx 0{,}1\text{ s}$).
    • Bảo vệ quá dòng có thời gian (ANSI 51/51N): Chỉnh định dòng khởi động theo dòng phụ tải cực đại, phối hợp thời gian tác động theo nguyên tắc bậc thang ($\Delta t = 0{,}3 \div 0{,}5\text{ s}$) hoặc theo đặc tính dốc phụ thuộc tiêu chuẩn: $$t = \frac{80}{I_r^2 - 1} \cdot T_p \quad \left(\text{với } I_r = \frac{I_N}{I_{kđ}}\right)$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp giải tích kỹ thuật trong hệ đơn vị tương đối cơ bản với công suất cơ bản $S_{cb} = S_{Bđm} = 40\text{ MVA}$ và điện áp cơ bản lấy theo các cấp điện áp trung bình $U_{cb} = 115\text{ kV}$ và $24\text{ kV}$.
  • Phương pháp mô hình hóa sơ đồ thay thế hệ thống điện để tính toán tổng trở thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không tại từng điểm ngắn mạch.
  • Phương pháp chỉnh định phối hợp thông số rơle theo các điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất (chế độ cực đại, cực tiểu, hiện tượng tự mở máy của động cơ).

Nguồn dữ liệu tính toán:

  • Nguồn hệ thống: $S_{N\max} = 1600\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 1120\text{ MVA}$, tỷ số điện kháng $X_{0HT}/X_{1HT} = 1{,}50$.
  • Máy biến áp: $S_{Bđm} = 40\text{ MVA}$, tỷ số biến áp $U_1/U_2 = 115/24\text{ kV}$, điện áp ngắn mạch $u_k% = 9%$.
  • Đường dây L1, L2: Dây dẫn loại AC-95, tổng trở đường dây $Z$, điện kháng thứ tự thuận $X_{11} = 0{,}425\ \Omega/\text{km}$, $X_{01} = 4 \cdot X_{11}$.
  • Phụ tải: $S_1 = 5\text{ MVA}$, $S_2 = 5\text{ MVA}$.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Lý thuyết bảo vệ hệ thống rơle

Phần này hệ thống hóa toàn diện các khái niệm cơ bản về bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện. Tác giả phân tích các dạng sự cố ngắn mạch, nguyên nhân phát sinh và hậu quả nghiêm trọng của chúng đối với thiết bị và độ ổn định vận hành. Bốn yêu cầu kỹ thuật cơ bản được luận giải chi tiết:

  • Tính chọn lọc: Khả năng cắt chính xác phần tử sự cố; phân biệt rõ giữa bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối (chỉ tác động trong phạm vi bảo vệ cố định như bảo vệ so lệch) và bảo vệ có tính chọn lọc tương đối (đảm nhận cả chức năng dự phòng cho phần tử lân cận).
  • Độ nhạy: Biểu thị qua hệ số $k_n$, quy định cụ thể mức $1{,}5 \div 2$ đối với bảo vệ chính, $1{,}2 \div 1{,}5$ đối với bảo vệ dự phòng và trên 2 đối với bảo vệ so lệch.
  • Tác động nhanh: Quy chuẩn thời gian tác động dưới $50\text{ ms}$ đối với rơle tác động nhanh, phân biệt với các cấp bảo vệ có tạo độ trễ thời gian trong lưới phân phối ($0{,}2 \div 1{,}5\text{ s}$ cho bảo vệ chính và $1{,}5 \div 2{,}0\text{ s}$ cho bảo vệ dự phòng).
  • Độ tin cậy và tính kinh tế: Cân bằng giữa yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị cao áp/siêu cao áp và chi phí đầu tư bảo vệ cho mạng lưới phân phối trung, hạ áp.

Phần 2 - Chương 1: Xác định đối tượng bảo vệ và chọn máy biến dòng điện

Chương này xác định các thông số kỹ thuật đầu vào của trạm biến áp 110/22kV (gồm 2 MBA 40 MVA) và 2 tuyến đường dây phân phối 22kV cấp điện cho phụ tải $S_1 = 5\text{ MVA}$ và $S_2 = 5\text{ MVA}$. Dựa trên các thông số này, tác giả tính toán dòng điện làm việc cực đại và chọn tỷ số biến đổi của máy biến dòng điện ($BI$) với dòng thứ cấp danh định $I_{Tđm} = 5\text{ A}$:

  • Tuyến đường dây L2: Dòng phụ tải cực đại $I_{lv\max2} = I_{pt2} = \frac{S_2}{\sqrt{3} \cdot U} = \frac{5}{\sqrt{3} \cdot 24} \approx 120\text{ A}$ (chọn theo danh định $I_{Sđm} = 120\text{ A}$ hoặc $125\text{ A}$), tỷ số biến dòng $n_2 = 120/5$ (hoặc $125/5$).
  • Tuyến đường dây L1: Dòng làm việc cực đại gồm cả hai phụ tải $I_{lv\max1} = I_{pt1} + I_{lv\max2} \approx 220\text{ A}$, chọn $I_{Sđm} = 220\text{ A}$, tỷ số biến dòng $n_5 = 220/5$.

Phần 2 - Chương 2: Xây dựng phương thức bảo vệ MBA và đường dây

Chương 2 thiết lập cấu hình bảo vệ chi tiết cho hai đối tượng chính:

  • Phương thức bảo vệ máy biến áp:
    • Bảo vệ chính: Sử dụng bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (ANSI 87) để loại trừ ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây và đầu ra MBA; kết hợp rơle khí Buchholz đặt trên ống nối giữa thùng dầu và bình dãn dầu. Rơle khí hoạt động với 2 cấp: cấp 1 báo tín hiệu cảnh báo khi sinh khí nhẹ hoặc quá tải, cấp 2 tác động đi cắt máy cắt khi luồng dầu và khí phụt mạnh do sự cố nghiêm trọng (thời gian làm việc trung bình $0{,}2\text{ s}$).
    • Bảo vệ dự phòng và phụ trợ: Bảo vệ quá dòng có thời gian (ANSI 51), bảo vệ quá dòng thứ tự không ($I_0 >$) chống chạm đất, bảo vệ quá tải bằng rơle hình ảnh nhiệt hoặc quá dòng (ANSI 51P), và bảo vệ theo nhiệt độ dầu.
  • Phương thức bảo vệ đường dây tải điện:
    • Kết hợp bảo vệ quá dòng có thời gian (51), bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian (51N), bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) và bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh (50N).
    • Phân tích nguyên tắc chọn dòng khởi động có xét đến hệ số an toàn ($k_{at} = 1{,}1 \div 1{,}2$), hệ số tự mở máy động cơ ($k_{mm} = 2 \div 3$), hệ số trở về ($k_v = 0{,}85 \div 0{,}95$), và nguyên tắc bậc thang chọn lọc thời gian $\Delta t = 0{,}3 \div 0{,}5\text{ s}$.

Phần 2 - Chương 3: Tính toán ngắn mạch phục vụ bảo vệ đường dây tải điện

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán ngắn mạch giải tích:

  • Xác lập các giả thiết kỹ thuật: bỏ qua thành phần điện trở $R$ ($R \ll X$ ở cấp điện áp trên 1000V), bỏ qua dung dẫn ký sinh và dòng đóng góp của phụ tải trong chế độ quá độ ban đầu, xem hệ thống điện 3 pha là hoàn toàn đối xứng.
  • Tính toán điện kháng cơ bản trong hệ đơn vị tương đối: điện kháng nguồn $X_{HT\max} = 0{,}025$, $X_{HT\min} = 0{,}0357$; điện kháng máy biến áp $X_B = 0{,}09$; chia mỗi tuyến đường dây L1, L2 thành 4 đoạn bằng nhau ($L_{11} \div L_{14}$ và $L_{21} \div L_{24}$) với các giá trị điện kháng thứ tự thuận $X_{1L}$ và thứ tự không $X_{0L}$ tương ứng.
  • Tính toán tổng trở và dòng điện ngắn mạch tại các điểm nút từ N1 (thanh cái 24kV trạm biến áp) đến N9 (cuối đường dây L2) cho hai chế độ vận hành:
    • Chế độ cực đại: Hai MBA vận hành song song; tính toán các dạng ngắn mạch 3 pha $N^{(3)}$, 1 pha chạm đất $N^{(1)}$ và 2 pha chạm đất $N^{(1,1)}$.
    • Chế độ cực tiểu: Một MBA vận hành độc lập; tính toán các dạng ngắn mạch 2 pha $N^{(2)}$, 1 pha chạm đất $N^{(1)}$ và 2 pha chạm đất $N^{(1,1)}$.

Phần 2 - Chương 4: Tính toán và kiểm tra thông số cài đặt các chức năng bảo vệ quá dòng

Chương 4 thực hiện việc chỉnh định và kiểm tra kỹ thuật các thông số cài đặt:

  • Tính toán dòng khởi động bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) và cắt nhanh thứ tự không (50N) theo dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất tại thanh cái cuối phân đoạn được bảo vệ ($I_{kđ}^{50} = k_{at} \cdot I_{Nng\max}$).
  • Tính toán dòng khởi động bảo vệ quá dòng có thời gian (51) và thứ tự không có thời gian (51N) theo dòng phụ tải cực đại ($I_{kđ}^{51} = K \cdot I_{lv\max}$ với $K = 1{,}6$).
  • Xác định thời gian tác động của rơle quá dòng theo đường đặc tính dốc tiêu chuẩn $t = \frac{80}{I_r^2 - 1} \cdot T_p$ tại các điểm ngắn mạch trên đường dây L1 và L2.
  • Kiểm tra độ nhạy ($k_n$) và xác định phạm vi chiều dài vùng bảo vệ thực tế của các chức năng cắt nhanh 50 và 50N.

Thiết kế và triển khai phương thức bảo vệ kỹ thuật

Dựa trên cấu trúc lưới điện phân phối hở một nguồn cung cấp, cấu hình và thông số phối hợp kỹ thuật của hệ thống bảo vệ rơle được thiết kế và tổng hợp qua các bảng số liệu sau:

Phần tử hệ thống Thông số định mức Giá trị tính toán / Chế độ vận hành
Hệ thống nguồn 110kV Công suất ngắn mạch cực đại $S_{N\max}$ $1600\text{ MVA}$ ($X_{1HT\max} = 0{,}025$)
Công suất ngắn mạch cực tiểu $S_{N\min}$ $1120\text{ MVA}$ ($X_{1HT\min} = 0{,}0357$)
Tỷ số điện kháng thứ tự không/thuận $X_{0HT}/X_{1HT} = 1{,}50 \div 1{,}60$
Máy biến áp (2 máy) Công suất định mức $S_{Bđm}$ $40\text{ MVA}$ mỗi máy
Tỷ số biến áp danh định $U_1/U_2$ $115/24\text{ kV}$
Điện áp ngắn mạch $u_k%$ $9%$ ($X_B = 0{,}09$)
Đường dây L1, L2 Chủng loại dây dẫn Nhôm lõi thép AC-95 ($r_0, x_0$)
Phụ tải 1 và 2 Công suất tiêu thụ $S_1, S_2$ $5\text{ MVA} + 5\text{ MVA}$
Máy biến dòng BI Tuyến L2 ($n_2$) / Tuyến L1 ($n_5$) $120/5\text{ A}$ (hoặc $125/5\text{ A}$) / $220/5\text{ A}$

Tổng hợp các thông số điện kháng tổng hợp và dòng điện ngắn mạch tại các điểm nút đặc trưng trong chế độ cực đại ($S_{N\max} = 1600\text{ MVA}$, 2 MBA song song) và cực tiểu ($S_{N\min} = 1120\text{ MVA}$, 1 MBA):

Điểm ngắn mạch Điện kháng $X_{1\sum} = X_{2\sum}$ (Chế độ MAX) Điện kháng $X_{0\sum}$ (Chế độ MAX) Dòng $I_{N\max}^{(3)}$ (kA) Dòng $I_{N\max}^{(1)}$ (kA) Dòng $I_{N\max}^{(1,1)}$ (kA) Dòng ngắn mạch cực tiểu $I_{N\min}$ (kA)
N1 (Thanh cái 24kV) 0,065 0,075 14,80 14,08 14,40 4,147
N2 ($L_{11}$) 0,101 0,222 — — — —
N3 ($L_{12}$) 0,137 0,369 — — — —
N4 ($L_{13}$) 0,173 0,516 — — — —
N5 (Thanh cái L1/L2) 0,209 0,663 — — — —
N6 ($L_{21}$) 0,245 0,810 — — — —
N7 ($L_{22}$) 0,281 0,957 — — — —
N8 ($L_{23}$) 0,317 1,104 — — — —
N9 (Cuối đường dây L2) 0,353 1,251 — — — —

Cấu hình phối hợp chỉnh định chức năng bảo vệ cho các đoạn đường dây:

  • Chức năng 50 / 50N: Đảm nhận vai trò cắt nhanh không thời gian cho các sự cố ngắn mạch gần thanh cái đầu nguồn (phạm vi bảo vệ đạt khoảng 70% – 80% chiều dài đường dây).
  • Chức năng 51 / 51N: Đảm nhận bảo vệ chính cho toàn tuyến và làm dự phòng cho các đoạn đường dây phía sau, phối hợp thời gian theo đặc tính dốc phụ thuộc tiêu chuẩn đảm bảo dòng ngắn mạch càng lớn thời gian cắt càng nhanh.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả định lượng và đóng góp kỹ thuật cụ thể:

  • Kết quả tính toán cụ thể:
    • Xác định chính xác các đại lượng cơ bản của hệ thống ($S_{cb} = 40\text{ MVA}$, $I_{cb1} \approx 0{,}24\text{ kA}$, $U_{cb} = 115\text{ kV}; 24\text{ kV}$).
    • Tính toán chi tiết chuỗi điện kháng thứ tự thuận và thứ tự không từ điểm N1 đến N9 ở chế độ cực đại ($X_{1\sum}$ tăng từ $0{,}065$ tại N1 lên $0{,}353$ tại N9; $X_{0\sum}$ tăng từ $0{,}075$ tại N1 lên $1{,}251$ tại N9) và chế độ cực tiểu.
    • Tính toán dòng ngắn mạch siêu quá độ cực đại tại điểm N1: dòng 3 pha $I_{N1}^{(3)} = 14{,}80\text{ kA}$, dòng 1 pha $I_{N1}^{(1)} = 14{,}08\text{ kA}$, dòng 2 pha chạm đất $I_{N1}^{(1,1)} = 14{,}40\text{ kA}$.
    • Lựa chọn máy biến dòng điện đạt chuẩn: $n_2 = 120/5\text{ A}$ (hoặc $125/5\text{ A}$) cho đường dây L2 và $n_5 = 220/5\text{ A}$ cho đường dây L1.
  • Giải pháp kỹ thuật đề xuất:
    • Thiết lập phương thức bảo vệ nhiều lớp cho máy biến áp 110/22kV (kết hợp bảo vệ điện so lệch có hãm 87 và bảo vệ cơ khí - thủy lực qua rơle khí Buchholz 2 cấp).
    • Áp dụng thành công đặc tính thời gian dốc phụ thuộc tiêu chuẩn ($t = \frac{80}{I_r^2 - 1} \cdot T_p$) cho bảo vệ quá dòng có thời gian (51/51N) trên đường dây 22kV, giúp rút ngắn thời gian cắt sự cố tại các điểm gần nguồn so với đặc tính độc lập.
  • Đóng góp chuyên môn: Xây dựng quy trình mẫu chuẩn xác về tính toán ngắn mạch không đối xứng bằng phương pháp các thành phần đối xứng và quy trình phối hợp chỉnh định rơle quá dòng nhiều cấp cho lưới phân phối trung áp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế trong phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Việc tính toán ngắn mạch áp dụng các giả thiết gần đúng: bỏ qua hoàn toàn điện trở tác dụng $R$ của máy biến áp và đường dây ($R \ll X$), bỏ qua dung dẫn ký sinh phân bố trên đường dây và bỏ qua sự tham gia cấp dòng của phụ tải động cơ trong quá trình quá độ ban đầu.
  • Mô hình tính toán và phương thức chỉnh định chỉ áp dụng cho mạng lưới điện phân phối hình tia (lưới hở) được cấp điện từ một nguồn duy nhất.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Đưa thành phần điện trở tác dụng $R$ và dung dẫn đường dây vào mô hình giải tích để nâng cao độ chính xác khi xét các tuyến đường dây ngắn hoặc cáp ngầm trung áp.
  • Mở rộng phương thức bảo vệ cho lưới điện phân phối mạch vòng kín, mạng điện đa nguồn cung cấp có tích hợp các nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) và năng lượng tái tạo.
  • Khảo sát sự phối hợp giữa rơle bảo vệ quá dòng với các thiết bị tự động đóng lại (AR) và tự động đóng nguồn dự phòng (ATS) trong lưới phân phối thông minh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện: Cung cấp tài liệu thực hành hoàn chỉnh phục vụ các học phần Bảo vệ Rơle và Tự động hóa hệ thống điện, Ngắn mạch và Quá trình quá độ trong hệ thống điện.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm biến áp, lưới phân phối: Cung cấp phương pháp luận và các bước tính toán thực tế để lựa chọn máy biến dòng, chỉnh định thông số rơle quá dòng 50, 51, 50N, 51N theo đặc tính dốc tiêu chuẩn.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Phương pháp lập sơ đồ thay thế thứ tự thuận, nghịch, không để giải tích ngắn mạch không đối xứng tại từng phân đoạn đường dây (Chương 3) và quy trình phối hợp chỉnh định thời gian tác động của rơle quá dòng (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án bỏ qua thành phần điện trở tác dụng $R$ khi tính toán ngắn mạch?

Trong lưới điện có cấp điện áp trên 1000V (ở đây là cấp 110kV và 24kV), thành phần điện kháng cảm $X$ của máy biến áp và đường dây chiếm ưu thế rất lớn so với điện trở tác dụng $R$ ($R \ll X$). Việc bỏ qua $R$ giúp đơn giản hóa các phép tính giải tích phức tạp mà vẫn đảm bảo sai số nằm trong giới hạn kỹ thuật cho phép đối với công tác chỉnh định rơle.

2. Rơle khí Buchholz trên máy biến áp hoạt động theo nguyên lý nào và có mấy cấp tác động?

Rơle khí Buchholz được lắp đặt trên ống nối giữa thùng dầu chính và bình dãn dầu của máy biến áp, hoạt động dựa trên hiện tượng dầu bị phân hủy sinh khí khi nhiệt độ tăng cao hoặc có phóng điện bên trong thùng dầu. Rơle có 2 cấp tác động:

  • Cấp 1 (Cảnh báo): Khi sinh khí nhẹ (do quá tải, phóng điện cục bộ nhỏ), khí tích tụ đẩy phao số 1 chìm xuống đóng tiếp điểm phát tín hiệu cảnh báo.
  • Cấp 2 (Cắt máy cắt): Khi xảy ra ngắn mạch nặng trong thùng dầu, luồng dầu và khí phụt mạnh với tốc độ cao đẩy phao số 2 chìm xuống đóng tiếp điểm gửi lệnh đi cắt máy cắt để cô lập máy biến áp.

3. Chức năng bảo vệ quá dòng cắt nhanh (ANSI 50) có thể đảm nhận vai trò bảo vệ chính cho toàn bộ đường dây không?

Không. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh chỉ bảo vệ được một phần chiều dài đường dây (thường từ 70% đến 80%) nhằm đảm bảo tính chọn lọc, tránh tác động nhầm khi có ngắn mạch ngoài vùng ở đầu đường dây tiếp theo. Vùng bảo vệ của nó phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ vận hành của hệ thống điện. Do đó, bảo vệ cắt nhanh (50) chỉ đóng vai trò bảo vệ phối hợp với bảo vệ quá dòng có thời gian (51) chứ không thể làm bảo vệ chính độc lập cho toàn tuyến.

4. Tỷ số biến dòng điện ($BI$) cho các tuyến đường dây L1 và L2 được lựa chọn như thế nào?

Tỷ số biến dòng $n_i = I_{Sđm} / I_{Tđm}$ được chọn dựa trên dòng làm việc cực đại $I_{lv\max}$ chạy qua tuyến dây và dòng thứ cấp chuẩn $I_{Tđm} = 5\text{ A}$:

  • Đối với đường dây L2: Dòng phụ tải $I_{lv\max2} \approx 120\text{ A}$, chọn $I_{Sđm} = 120\text{ A}$ (hoặc $125\text{ A}$), tỷ số biến dòng là $n_2 = 120/5$ (hoặc $125/5$).
  • Đối với đường dây L1: Mang dòng của cả hai phụ tải $S_1$ và $S_2$ với $I_{lv\max1} \approx 220\text{ A}$, chọn $I_{Sđm} = 220\text{ A}$, tỷ số biến dòng là $n_5 = 220/5$.

5. Công thức xác định thời gian tác động của bảo vệ quá dòng có thời gian (51) trong đồ án là gì?

Thời gian tác động của rơle 51 được tính theo đường đặc tính thời gian dốc phụ thuộc tiêu chuẩn: $$t = \frac{80}{I_r^2 - 1} \cdot T_p$$ Trong đó $I_r = \frac{I_N}{I_{kđ}}$ là bội số dòng ngắn mạch so với dòng khởi động, và $T_p$ là hằng số thời gian chỉnh định của rơle. Đặc tính này đảm bảo rằng khi dòng ngắn mạch $I_N$ càng lớn (sự cố càng gần nguồn), thời gian tác động $t$ của rơle càng nhỏ.

Kết luận

Đồ án môn học "Bảo vệ Rơle" của sinh viên Vũ Đức Minh dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Thị Anh Thơ đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế và chỉnh định bảo vệ cho trạm biến áp 110/22kV cùng hệ thống đường dây phân phối 22kV. Thông qua việc ứng dụng phương pháp các thành phần đối xứng để tính toán ngắn mạch chi tiết ở cả hai chế độ vận hành cực đại và cực tiểu, tác giả đã xây dựng được phương thức bảo vệ đa tầng hợp lý và xác định chính xác các thông số cài đặt cho các rơle quá dòng 50, 51, 50N, 51N. Kết quả nghiên cứu đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe về độ chọn lọc, độ nhạy và tính tác động nhanh, đóng góp một tài liệu học thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo và thực hành kỹ thuật điện.