Đồ án môn học bảo vệ rơle đường dây 22kV - Đại học Điện Lực

Tổng hợp đồ án môn học bảo vệ rơ le trong hệ thống điện. Hướng dẫn tính toán, lựa chọn thiết bị và sơ đồ bảo vệ quá dòng, so lệch chi tiết.

• Tác giả: Phạm Phương Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Ngô Thị Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Bảo vệ rơle trong hệ thống điện
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án bảo vệ rơle trong hệ thống điện

Đồ án bảo vệ rơle là nhiệm vụ quan trọng trong đào tạo ngành Hệ thống điện, cung cấp kiến thức thực tiễn về bảo vệ các thiết bị và đường dây trong lưới điện. Rơle đóng vai trò then chốt trong việc phát hiện và cô lập sự cố, đảm bảo vận hành an toàn hệ thống điện. Nội dung đồ án bao gồm phân tích đặc tính ngắn mạch, lựa chọn thông số bảo vệ, và đánh giá hiệu quả hoạt động của các chức năng bảo vệ. Đề tài này tập trung vào bảo vệ rơle cho đường dây 22kV, bao gồm bảo vệ quá dòng cắt nhanh, bảo vệ dòng điện cực đại, và bảo vệ chống chạm đất. Mục tiêu nhằm tối ưu hóa thời gian tác động, đảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy của hệ thống bảo vệ.

1.1. Khái niệm và vai trò của rơle trong hệ thống điện

Rơle là thiết bị điện tử hoặc cơ điện dùng để giám sát các thông số hệ thống điện như dòng điện, điện áp, tần số và phát hiện bất thường. Khi phát hiện sự cố, rơle sẽ kích hoạt cơ cấu ngắt mạch để cô lập phần tử bị hỏng. Trong hệ thống điện, rơle hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh giữa giá trị đo được và giá trị ngưỡng cài đặt. Chúng được phân loại thành rơle bảo vệ quá dòng, quá áp, mất điện áp, và chống chạm đất. Rơle không chỉ đảm bảo an toàn vận hành mà còn giúp giảm thiểu thiệt hại do sự cố gây ra, nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

1.2. Phân loại và ứng dụng của bảo vệ rơle

Bảo vệ rơle được phân thành nhiều loại dựa trên chức năng bảo vệ. Bảo vệ quá dòng (50/51) hoạt động khi dòng điện vượt ngưỡng cài đặt, bảo vệ dòng điện cắt nhanh (50) tác động tức thời với dòng ngắn mạch lớn. Bảo vệ chống chạm đất (50N/51N) giám sát dòng thứ tự không, phát hiện sự cố chạm đất. Bảo vệ mất điện áp (27) và quá áp (59) giám sát điện áp hệ thống. Mỗi loại bảo vệ có ứng dụng riêng, phối hợp với nhau tạo thành hệ thống bảo vệ toàn diện. Trong đồ án này, bảo vệ rơle được ứng dụng để bảo vệ đường dây 22kV khỏi các sự cố ngắn mạch và chạm đất.

II. Phân tích các vấn đề trong thiết kế bảo vệ rơle đường dây 22kV

Thiết kế bảo vệ rơle cho đường dây 22kV gặp nhiều thách thức do đặc tính phức tạp của lưới điện. Vấn đề đầu tiên là xác định dòng ngắn mạch chính xác, bao gồm ngắn mạch 3 pha, 2 pha, 1 pha chạm đất. Dòng ngắn mạch phụ thuộc vào công suất hệ thống, trở kháng đường dây, và chế độ vận hành. Thứ hai, lựa chọn thông số cài đặt rơle phải đảm bảo tính chọn lọc, tránh tác động nhầm lẫn giữa các cấp bảo vệ. Độ nhạy của bảo vệ cũng là yếu tố quan trọng, cần đảm bảo phát hiện sự cố ngay cả khi dòng ngắn mạch nhỏ. Ngoài ra, phối hợp thời gian tác động giữa các rơle bảo vệ trên cùng tuyến đường dây và các cấp điện áp khác là yếu tố quyết định đến hiệu quả vận hành hệ thống.

2.1. Đặc điểm ngắn mạch trong hệ thống điện 22kV

Đặc điểm ngắn mạch trong hệ thống điện 22kV phụ thuộc vào cấu trúc lưới điện, bao gồm ngắn mạch đối xứng (3 pha) và không đối xứng (1 pha chạm đất, 2 pha). Dòng ngắn mạch 3 pha thường lớn nhất do trở kháng thấp nhất. Ngắn mạch 1 pha chạm đất có dòng thứ tự không lớn, ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ chống chạm đất. Trong đồ án, dòng ngắn mạch được tính toán tại các điểm N1-N9 trên sơ đồ hệ thống, sử dụng phương pháp dòng điện ngắn mạch đối xứng. Kết quả tính toán cung cấp dữ liệu đầu vào cho việc lựa chọn thông số cài đặt rơle bảo vệ.

2.2. Thách thức trong lựa chọn thông số bảo vệ

Lựa chọn thông số bảo vệ rơle gặp nhiều thách thức do phải cân bằng giữa tính chọn lọc, độ nhạy, và thời gian tác động. Thông số khởi động bảo vệ quá dòng (50/51) phải lớn hơn dòng phụ tải cực đại nhưng nhỏ hơn dòng ngắn mạch tối thiểu. Bảo vệ chống chạm đất (50N/51N) cần cài đặt dòng khởi động dựa trên dòng thứ tự không ngoài cực đại. Độ nhạy được đánh giá thông qua hệ số độ nhạy Ksn, yêu cầu Ksn ≥ 1,5. Thời gian tác động phải phối hợp giữa các cấp bảo vệ, đảm bảo rơle gần sự cố tác động trước rơle xa. Những thách thức này đòi hỏi tính toán chính xác và lựa chọn phương pháp bảo vệ phù hợp.

III. Phương pháp thiết kế và tính toán bảo vệ rơle đường dây 22kV

Phương pháp thiết kế bảo vệ rơle cho đường dây 22kV bao gồm các bước tính toán ngắn mạch, lựa chọn thông số cài đặt, và đánh giá hiệu quả bảo vệ. Đầu tiên, tính toán dòng ngắn mạch tại các điểm quan trọng trên tuyến đường dây, bao gồm ngắn mạch 3 pha, 2 pha, 1 pha chạm đất. Tiếp theo, lựa chọn thông số khởi động cho các chức năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50), bảo vệ quá dòng có thời gian (51), và bảo vệ chống chạm đất (50N/51N). Sau đó, khảo sát vùng tác động của bảo vệ để đảm bảo phạm vi bảo vệ đầy đủ. Cuối cùng, kiểm tra độ nhạy của bảo vệ thông qua hệ số độ nhạy Ksn, đảm bảo bảo vệ phát hiện sự cố ngay cả trong điều kiện vận hành bất lợi.

3.1. Tính toán dòng ngắn mạch và thông số khởi động

Tính toán dòng ngắn mạch là bước quan trọng trong thiết kế bảo vệ rơle. Dòng ngắn mạch được xác định tại các điểm N1-N9 trên sơ đồ hệ thống, sử dụng phương pháp dòng điện ngắn mạch đối xứng. Dòng ngắn mạch 3 pha lớn nhất tại điểm gần nguồn, giảm dần theo khoảng cách. Thông số khởi động bảo vệ quá dòng (50/51) được xác định dựa trên dòng phụ tải cực đại và dòng ngắn mạch tối thiểu. Bảo vệ chống chạm đất (50N/51N) sử dụng dòng khởi động dựa trên dòng thứ tự không ngoài cực đại. Các thông số này đảm bảo bảo vệ hoạt động chính xác trong mọi chế độ vận hành của hệ thống điện.

3.2. Khảo sát vùng tác động và phối hợp bảo vệ

Khảo sát vùng tác động của bảo vệ rơle nhằm đảm bảo phạm vi bảo vệ đầy đủ, tránh vùng trống hoặc chồng lấn. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) có vùng tác động phụ thuộc vào dòng ngắn mạch, thường giới hạn ở 80-85% chiều dài đường dây. Bảo vệ quá dòng có thời gian (51) có vùng tác động rộng hơn, phối hợp với bảo vệ cắt nhanh để đảm bảo tính chọn lọc. Phối hợp thời gian tác động giữa các cấp bảo vệ dựa trên nguyên tắc thời gian tăng dần theo hướng xa nguồn. Kết quả khảo sát cung cấp cơ sở để điều chỉnh thông số cài đặt, đảm bảo hệ thống bảo vệ hoạt động hiệu quả.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn trong đồ án bảo vệ rơle

Kết quả đồ án bảo vệ rơle cho đường dây 22kV đã chứng minh tính hiệu quả của hệ thống bảo vệ trong việc phát hiện và cô lập sự cố. Thông qua tính toán dòng ngắn mạch, lựa chọn thông số cài đặt, và khảo sát vùng tác động, hệ thống bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc, độ nhạy, và thời gian tác động phù hợp. Những kết quả này có thể áp dụng trực tiếp trong thực tế vận hành lưới điện, nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống. Đồ án cũng cung cấp cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa hệ thống bảo vệ rơle trong điều kiện vận hành thay đổi.

4.1. Đánh giá hiệu quả hệ thống bảo vệ

Hệ thống bảo vệ rơle trong đồ án đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu về tính chọn lọc, độ nhạy, và thời gian tác động. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50) hoạt động tức thời khi dòng ngắn mạch lớn, trong khi bảo vệ quá dòng có thời gian (51) đảm bảo phát hiện sự cố trong mọi điều kiện. Bảo vệ chống chạm đất (50N/51N) hoạt động chính xác khi xảy ra sự cố chạm đất. Độ nhạy của bảo vệ được đánh giá thông qua hệ số Ksn ≥ 1,5, đảm bảo phát hiện sự cố ngay cả khi dòng ngắn mạch nhỏ. Những đánh giá này chứng minh tính khả thi của hệ thống bảo vệ trong điều kiện vận hành thực tế.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong thực tế

Hướng phát triển tiếp theo của đồ án bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống bảo vệ rơle, nhằm nâng cao khả năng phát hiện sự cố và dự đoán nguy cơ. Ứng dụng thực tế của đồ án bao gồm triển khai hệ thống bảo vệ rơle tại các trạm biến áp 110/22kV, đảm bảo an toàn vận hành lưới điện. Những kết quả nghiên cứu cũng có thể áp dụng trong đào tạo sinh viên ngành Hệ thống điện, cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và vận hành hệ thống bảo vệ rơle.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ VÀ CÁC YÊU CẦU BẢO VỆ RƠLE 1.1 Nhiệm vụ của bảo vệ rơle Khi thiết kế hoặc vận hành bất kì 1 hệ thống điện nào cũng phải kể đến các khả năng phát sinh các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường trong hệ thống điện ấy. Ngắn mạch là loại sự cố có thể xảy ra và nguy hiểm nhất trong hệ thống điện. Hậu quả của ngắn mạch là: - Làm giảm thấp điện áp ở phần lớn của hệ thống điện - Phá hủy các phần tử sự cố bằng tia lửa điện. - Phá hủy các phần tủ có dòng điện ngắn mạch chạy qua do tác dụng của nhiệt và cơ.

- Phá vỡ sự ổn định của hệ thống. - Và nguy hiểm nhất là tan rã hệ thống điện. Ngoài các loại hư hỏng, trong hệ thống điện còn có các tình trạng làm việc không bình thường như là quá tải. Khi quá tải, dòng điện tăng cao làm nhiệt độ của các phần dẫn điện vượt quá giới hạn cho phép, làm cho cách điện của chúng bị già cỗi và đôi khi bị phá hỏng.

Để đảm bảo sự làm việc liên tục của các phần tử không hư hỏng trong hệ thống điện cần có các thiết bị phát ghi nhận sự phát sinh của hư hỏng với thời gian bé nhất, phát hiện ra các phần tử bị hư hỏng và cắt nó ra khỏi hệ thống điện. Thiết bị này được thực hiện nhờ các khí cụ tự động gọi là rơ le. Thiết bị bảo vệ thực hiện nhờ những rơ le gọi là thiết bị bảo vệ rơ le. Như vậy, nhiệm vụ chính của thiết bị bảo vệ rơ le là tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống điện.

Ngoài ra, còn ghi nhận và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong hệ thống điện. Tùy mức độ mà bảo vệ rơ le có thể tác động hoặc báo tín hiệu đi cắt máy cắt. Những thiết bị bảo vệ Rơle phản ứng với tình trạng làm việc không bình thường thường thực hiện tác động sau một thời gian 2 duy trì nhất định (không cần phải có tính tác động nhanh như ở các thiết bị bảo vệ Rơle chống hư hỏng).2 Các yêu cầu đối với bảo vệ rơle ➢ Độ tin cậy: là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn. - Độ tin cậy tác động: là mức độ chắc chắn rơle/ HT bảo vệ rơle sẽ tác động đúng khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ.

- Độ tin cậy không tác động: là mức độ chắc chắn rơle/ HT bảo vệ rơle sẽ không làm việc sai khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ đã được quy định ➢ Tính chọn lọc: là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống. Theo nguyên lý làm việc có thể phân ra: - Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm việc khi có sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận. - Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệ đặt ở các phần tử lân cận. ➢ Tính tác động nhanh: Tính tác động nhanh là yêu cầu quan trọng nhằm cách li nhanh chóng phần tử bị ngắn mạch.

Nhằm: - Hạn chế dược mức độ phá hoại của thiết bị. - Giảm thời gian sụt áp ở phụ tải. - Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn - Nâng cao khả năng duy trì ổn định HTĐ. Khi có sự cố sảy ra thì yêu cầy rơle phải phát hiện và sử lý cắt cách ly phần tử sự cố càng cắt nhanh càng tốt, khi đó phần tử bị ngắn mạch sẽ càng hạn chế được mức độ 3 phá hoại phần tử đó, càng giảm được thời gian tụt thấp điện áp ở các hộ tiêu thụ và càng có khả năng giữ được ổn định của hệ thống điện.

Thời gian bảo vệ rơle: tc = tBV + tMC (ms) Trong đó: - tc: Thời gian cắt sự cố - tBV: Thời gian tác động bảo vệ - tMC: Thời gian làm việc máy cắt Để giảm thời gian cắt ngắn mạch cần phải giảm thời gian tác động của thiết bị bảo vệ rơ le. Tuy nhiên trong một số trường hợp để thực hiện yêu cầu tác động nhanh thì không thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc. Hai yêu cầu này đôi khi mâu thuẫn nhau, vì vậy tùy điều kiện cụ thể cần xem xét kỹ càng hơn về 2 yêu cầu này. Bảo vệ rơ le được gọi là tác động nhanh nếu thời gian tác động không vượt quá 50ms (2,5 chu kì của dòng điện tần số 50Hz).

Bảo vệ rơ le được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) trong tác động rơ le. Đối với lưới điện phân phối thường dùng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ chính thông thường có thời gian cắt sự cố khoảng (0,2 ÷ 1,5s), bảo vệ dự phòng khoảng (1,5 ÷ 2,0s). ➢ Độ nhạy: Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ, nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhạy. - Hệ số độ nhạy: kn là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố/ ngưỡng tác động.

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Chế độ làm việc của HTĐ. + Cấu hình của lưới điện. + Dòng ngắn mạch, vị trí dòng ngắn mạch. IN min kn = I𝑘đ - Yêu cầu : + Bảo vệ chính: kn = 1,5 → 2 + Bảo vệ dự phòng : kn = 1,2 → 1,5 4 ➢ Tính kinh tế: Đối với các tràn thiết bị cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm và lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị công trình, vì vậy thông thường giá cả thiết bị bảo vệ không phải là yếu tố quyết định trong lựa chọn chủng loại hoặc nhà cung cấp cho thiết bị bảo vệ.

Lúc này bốn yếu tố kỹ thuật trên đóng vai trò quyết định, vì nếu không thỏa mãn các yêu cầu này sẽ dẫn đến hậu quả rất nghiêm trọng cho hệ thống điện. Đối với lưới điện trung, hạ áp vì số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, yêu cầu đối với thiết bị không cao bằng thiết bị bảo vệ ở các nhà máy điện lớn hoặc lưới truyền tải cao áp và siêu cao áp do vậy cần chú ý tới tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật với chi phí nhỏ nhất. 5 CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, THÔNG SỐ KHỞI ĐỘNG VÀ VÙNG TÁC ĐỘNG CỦA TỪNG BẢO VỆ ĐẶT CHO ĐƯỜNG DÂY Đường dây cần bảo vệ là đường dây 110kV, là đường dây cao áp, để bảo vệ ta dùng các loại bảo vệ: - Quá dòng điện cắt nhanh hoặc quá thời gian - So lệch dùng cấp thứ cấp chuyên dùng - Khoảng cách. Trong nhiệm vụ thiết kế bảo vệ của đồ án ta xét bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh và quá dòng điện có thời gian.1 Bảo vệ quá dòng có thời gian (51) - Nhiệm vụ: loại bỏ phần tử bị sự cố sau thời gian t ra khỏi hệ thống nhằm loại bỏ dòng điện sự cố đảm bảo hệ thống làm việc bình thường và an toàn.

- Nguyên lý làm việc: tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng có thời gian được đảm bảo bằng nguyên tắc phân cấp thời gian tác động. Bảo vệ càng gần nguồn cung cấp thì thời gian tác động càng lớn. - Thông số khởi động: Dòng điện khởi động: k. kmm Ikđ = at.

Ilvmax kv Trong đó : kmm: hệ số mở máy, có thể lấy Kmm= (2 ÷ 3). Ilvmax : dòng làm việc cực đại của phần tử được bảo vệ. kv = 0,85 ÷ 0,95 với rơle cơ; kv = 1 với rơle số. Sở dĩ phải sử dụng hệ số Kv ở đây xuất phát từ yêu cầu đảm bảo sự làm việc ổn định của bảo vệ khi có các nhiễu loạn ngắn (hiện tượng tự mở máy của các động cơ sau khi TĐL đóng thành công) trong hệ thống mà bảo vệ không được tác động.

6 kat = 1,1 ÷ 1,2: hệ số an toàn để đảm bảo cho bảo vệ không cắt nhầm khi có ngắn mạch ngoài do sai số khi tính dòng ngắn mạch (kể đến đường cong sai số 10% của BI và 20% do tổng trở nguồn bị biến động). - Thời gian làm việc của bảo vệ: Bảo vệ dòng điện có thời gian đảm bảo tính chọn lọc bằng cách: Chọn thời gian làm việc. Thời gian làm việc của bảo vệ được chọn theo nguyên tắc từng cấp: tn = tn+1 + ∆t Trong đó: ∆t là cấp chọn lọc về thời gian (∆t = 0,3 ÷ 0,5) Đặc tính thời gian làm việc của bảo vệ quá dòng có thời gian (a) (b) t=Var t= const Ikđ Ikđ Hình 1.1 Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng điện Hình a) Đặc tính thời gian độc lập Hình b) Đặc tính thời gian phụ thuộc ➢ Bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian độc lập Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc tính độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng điện chạy qua bảo vệ.Bảo vệ càng gần nguồn sẽ có thời gian tác động càng lớn. Đặc điểm: Thời gian tác động có giá trị đặt trước không đổi.

➢ Bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian phụ thuộc. Bảo vệ có đặc tính thời gian phụ thuộc thì tỉ lệ nghịch với dòng điện sự cố đi qua bảo vệ(dòng càng lớn thì thời gian tác động càng nhỏ). Rơle quá dòng với đặc tuyến thời gian phụ thuộc được sử dụng cho các đường dây có dòng sự cố biến thiên mạnh khi thay đổi vị trí ngắn mạch. 7 Thời gian tác động phụ thuộc vào giá trị dòng điện ngắn mạch, thời gian sẽ giảm khi dòng ngắn mạch tăng.

13,5 Biểu thức: t = Tp’S .2 Phối hợp đặc tuyến thời gian của bảo vệ quá dòng trong lưới điện hình tia cho trường hợp đặc tuyến phụ thuộc và đặc tính độc lập -Đánh giá bảo vệ dong điện có thời gian (51) + Ưu điểm: Đơn giản, làm việc tin cậy + Nhược điểm: o Chỉ đảm bảo tính chọn lọc trong mạng hình tia có 1 nguồn cung cấp.