Đồ án thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le cho trạm biến áp

I. Tổng Quan Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ Rơ Le TBA

Nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao. Việc đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống cung cấp điện là vô cùng quan trọng. Trạm biến áp (TBA) đóng vai trò then chốt trong hệ thống điện, kết nối các đường dây và hệ thống điện khác nhau. Thiết bị trong TBA có giá trị lớn và khi xảy ra sự cố có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng nếu không được xử lý kịp thời. Do đó, thiết kế một hệ thống bảo vệ rơ le cho TBA hoạt động chính xác và tin cậy là một nhiệm vụ thiết yếu. Mục tiêu của đồ án là thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le cho trạm biến áp 110/22/10,5 kV. Đồ án tập trung vào việc lựa chọn và cấu hình các rơ le bảo vệ phù hợp để phát hiện và loại trừ các sự cố khác nhau, đảm bảo an toàn và liên tục cung cấp điện. Đồ án này còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần vào việc nâng cao chất lượng và độ tin cậy của hệ thống điện Việt Nam. Quá trình thực hiện đồ án nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện, đặc biệt là TS. Nguyễn Thị Anh. Do những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn nên đồ án có thể còn những sai sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống bảo vệ rơ le hiện đại là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống điện.

1.1. Tầm Quan Trọng của Bảo Vệ Rơ Le cho Trạm Biến Áp

Hệ thống bảo vệ rơ le đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ TBA khỏi các sự cố điện như ngắn mạch, quá tải và chạm đất. Các sự cố này có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị, gián đoạn cung cấp điện và thậm chí gây nguy hiểm cho con người. Theo tài liệu gốc, 'Các thiết bị trong trạm biến áp có giá thành lớn, thường ít gặp sự cố hơn các phần tử khác của hệ thống điện, tuy nhiên nếu xảy ra sự cố thì có thể gây ra thiệt hại nặng nề nếu không được xử lý kịp thời.' Một hệ thống bảo vệ rơ le được thiết kế tốt sẽ nhanh chóng phát hiện và cô lập các sự cố, giảm thiểu thiệt hại và đảm bảo tính liên tục của cung cấp điện. Việc sử dụng rơ le hiện đại với các chức năng bảo vệ tiên tiến giúp tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống bảo vệ.

1.2. Các Tiêu Chí Đánh Giá Hệ Thống Bảo Vệ Rơ Le Hiệu Quả

Một hệ thống bảo vệ rơ le hiệu quả cần đáp ứng các tiêu chí sau: Độ tin cậy (Reliability): Hệ thống phải hoạt động chính xác và đáng tin cậy trong mọi điều kiện vận hành. Tính chọn lọc (Selectivity): Hệ thống chỉ nên loại trừ phần tử bị sự cố, không gây ảnh hưởng đến các phần tử khác trong hệ thống. Tốc độ tác động (Speed): Hệ thống phải phát hiện và loại trừ sự cố nhanh chóng để giảm thiểu thiệt hại. Độ nhạy (Sensitivity): Hệ thống phải có khả năng phát hiện các sự cố nhỏ nhất có thể xảy ra. Theo tài liệu, 'thiết bị bảo vệ phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau đây: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh và độ nhạy.' Việc đáp ứng các tiêu chí này đòi hỏi việc lựa chọn và cấu hình rơ le bảo vệ phù hợp, cũng như việc thiết kế hệ thống bảo vệ một cách cẩn thận.

II. Phân Tích Thách Thức Bảo Vệ MBA Khỏi Ngắn Mạch Quá Tải

Máy biến áp (MBA) là một thành phần quan trọng của hệ thống điện, nhưng cũng là đối tượng dễ bị tổn thương do các sự cố như ngắn mạch và quá tải. Ngắn mạch có thể gây ra dòng điện rất lớn, gây hư hỏng cho MBA và các thiết bị khác trong hệ thống. Quá tải có thể làm tăng nhiệt độ của MBA, làm giảm tuổi thọ của nó. Thách thức là thiết kế một hệ thống bảo vệ rơ le có khả năng phát hiện và loại trừ các sự cố này một cách nhanh chóng và hiệu quả. Việc lựa chọn và cấu hình rơ le bảo vệ phù hợp, cũng như việc phối hợp các rơ le khác nhau trong hệ thống, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Bên cạnh đó, cần phải xem xét các yếu tố như đặc tính của MBA, điều kiện vận hành và cấu trúc của hệ thống điện để thiết kế một hệ thống bảo vệ phù hợp.Theo tài liệu gốc, 'Để lựa chọn được phương thức bảo vệ hợp lý, chúng ta cần phải phân tích những dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của đối tượng được bảo vệ, cụ thể là máy biến áp'.

2.1. Các Dạng Hư Hỏng Thường Gặp ở Máy Biến Áp MBA

Các dạng hư hỏng thường gặp ở MBA bao gồm: Ngắn mạch giữa các vòng dây: Xảy ra khi lớp cách điện giữa các vòng dây bị hỏng. Ngắn mạch giữa các cuộn dây: Xảy ra khi lớp cách điện giữa các cuộn dây bị hỏng. Chạm đất: Xảy ra khi cuộn dây chạm vào vỏ MBA. Quá tải: Xảy ra khi dòng điện vượt quá định mức của MBA. Rò dầu: Xảy ra khi thùng dầu của MBA bị thủng hoặc rò rỉ. Các dạng hư hỏng này có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho MBA và cần được phát hiện và loại trừ kịp thời. Hệ thống bảo vệ rơ le cần có khả năng phát hiện và loại trừ tất cả các dạng hư hỏng này. 'Những hư hỏng thường gặp trong máy biến áp có thể phân ra thành hai nhóm: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài.'

2.2. Tác Động của Ngắn Mạch và Quá Tải Lên Máy Biến Áp

Ngắn mạch có thể gây ra dòng điện rất lớn, gây hư hỏng cho cuộn dây, cách điện và các bộ phận khác của MBA. Quá tải có thể làm tăng nhiệt độ của MBA, làm giảm tuổi thọ của cách điện và các bộ phận khác. Cả ngắn mạch và quá tải đều có thể gây ra gián đoạn cung cấp điện và thậm chí gây nguy hiểm cho con người. Việc có một hệ thống bảo vệ rơ le hiệu quả là vô cùng quan trọng để giảm thiểu tác động của các sự cố này. 'Quá tải làm cho nhiệt độ của máy biến áp tăng cao quá mức cho phép, nếu thời gian kéo dài sẽ làm giảm tuổi thọ máy biến áp.'

III. Phương Pháp Thiết Kế Bảo Vệ So Lệch Quá Dòng Cho TBA

Để bảo vệ MBA khỏi các sự cố ngắn mạch và quá tải, có thể sử dụng các phương pháp bảo vệ như bảo vệ so lệch và bảo vệ quá dòng. Bảo vệ so lệch so sánh dòng điện vào và ra của MBA. Nếu có sự khác biệt lớn, điều này có thể chỉ ra một sự cố bên trong MBA. Bảo vệ quá dòng phát hiện khi dòng điện vượt quá một ngưỡng nhất định, chỉ ra một sự cố ngắn mạch hoặc quá tải. Việc kết hợp cả hai phương pháp bảo vệ này giúp tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Việc lựa chọn các rơ le bảo vệ phù hợp và cấu hình chúng một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Theo tài liệu, 'Bảo vệ so lệch làm chức năng bảo vệ chính dùng để cắt nhanh máy biến áp khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ.'

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động của Bảo Vệ So Lệch Dòng Điện

Bảo vệ so lệch hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh dòng điện vào và ra của đối tượng được bảo vệ. Nếu dòng điện vào và ra bằng nhau, điều này chỉ ra rằng không có sự cố xảy ra. Nếu có sự khác biệt lớn giữa dòng điện vào và ra, điều này có thể chỉ ra một sự cố bên trong đối tượng được bảo vệ. Trong trường hợp MBA, bảo vệ so lệch so sánh dòng điện ở phía sơ cấp và thứ cấp. Để thực hiện so sánh, dòng điện từ các phía khác nhau thường được chuyển đổi về cùng một phía tham chiếu bằng cách sử dụng máy biến dòng (BI) và các hệ số biến đổi phù hợp. 'Rơle số 7UT613 do tập đoàn Siemens AG chế tạo, được sử dụng để bảo vệ chính cho máy biến áp 3 cuộn dây hoặc máy biến áp tự ngẫu ở tất cả các cấp điện áp.'

3.2. Ứng Dụng Bảo Vệ Quá Dòng Điện Trong Bảo Vệ Trạm Biến Áp

Bảo vệ quá dòng hoạt động bằng cách theo dõi dòng điện trong hệ thống. Nếu dòng điện vượt quá một ngưỡng nhất định, điều này chỉ ra một sự cố ngắn mạch hoặc quá tải. Bảo vệ quá dòng có thể được sử dụng để bảo vệ MBA khỏi các sự cố ngắn mạch và quá tải. Có nhiều loại bảo vệ quá dòng khác nhau, bao gồm bảo vệ quá dòng cắt nhanh (IOC), bảo vệ quá dòng có thời gian (TOC) và bảo vệ quá dòng thứ tự không (GF). Mỗi loại bảo vệ có các đặc tính và ứng dụng riêng. 'Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường được dùng làm bảo vệ chính cho các máy biến áp có công suất bé và làm bảo vệ dự phòng cho máy biến áp có công suất trung bình và lớn để chống các dạng ngắn mạch bên trong và bên ngoài máy biến áp.'

IV. Lựa Chọn Rơ Le 7UT613 So Lệch và 7SJ621 Quá Dòng

Để thực hiện các phương pháp bảo vệ so lệch và quá dòng, cần lựa chọn các rơ le bảo vệ phù hợp. Rơ le 7UT613 là một lựa chọn tốt cho bảo vệ so lệch, trong khi rơ le 7SJ621 là một lựa chọn tốt cho bảo vệ quá dòng. Rơ le 7UT613 có các chức năng bảo vệ so lệch tiên tiến, bao gồm khả năng phát hiện và loại trừ các sự cố bên trong MBA. Rơ le 7SJ621 có các chức năng bảo vệ quá dòng linh hoạt, bao gồm khả năng điều chỉnh ngưỡng dòng điện và thời gian tác động. Việc kết hợp cả hai loại rơ le này giúp tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Việc cấu hình các rơ le này một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống bảo vệ.

4.1. Giới Thiệu Chi Tiết Rơ Le Bảo Vệ So Lệch 7UT613 Siemens

Rơ le 7UT613 là một rơ le số được thiết kế để bảo vệ MBA khỏi các sự cố bên trong. Nó có các chức năng bảo vệ so lệch tiên tiến, bao gồm khả năng phát hiện và loại trừ các sự cố ngắn mạch, chạm đất và quá tải. Rơ le cũng có các chức năng bảo vệ dự phòng, bao gồm bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá tải nhiệt. Đặc điểm nổi bật của 7UT613 bao gồm khả năng tự động điều chỉnh tỷ số biến dòng, bù trừ dòng điện từ hóa và loại bỏ ảnh hưởng của sóng hài. 'Rơle số 7UT613 do tập đoàn Siemens AG chế tạo, được sử dụng để bảo vệ chính cho máy biến áp 3 cuộn dây hoặc máy biến áp tự ngẫu ở tất cả các cấp điện áp.'

4.2. Tính Năng và Ứng Dụng của Rơ Le Quá Dòng 7SJ621 Siemens

Rơ le 7SJ621 là một rơ le số được thiết kế để bảo vệ đường dây và MBA khỏi các sự cố quá dòng. Nó có các chức năng bảo vệ quá dòng linh hoạt, bao gồm khả năng điều chỉnh ngưỡng dòng điện và thời gian tác động. Rơ le cũng có các chức năng bảo vệ dự phòng, bao gồm bảo vệ chạm đất và bảo vệ quá tải. Ưu điểm của 7SJ621 bao gồm khả năng lựa chọn đặc tính thời gian tác động (độc lập hoặc phụ thuộc), tích hợp logic lập trình được (CFC) và khả năng giao tiếp với các hệ thống SCADA. 'Rơle số 7SJ621 do hãng Siemens chế tạo, dùng để bảo vệ đường dây trong mạng cao áp và trung áp có trung điểm nối đất, nối đất tổng trở thấp, mạng không nối đất hoặc nối đất bù điện dung, bảo vệ các loại động cơ không đồng bộ.'

V. Tính Toán Kiểm Tra Độ Nhạy Bảo Vệ So Lệch Quá Dòng

Sau khi lựa chọn và cấu hình các rơ le bảo vệ, cần thực hiện tính toán và kiểm tra để đảm bảo rằng hệ thống bảo vệ hoạt động chính xác và hiệu quả. Độ nhạy của bảo vệ so lệch và bảo vệ quá dòng cần được kiểm tra để đảm bảo rằng các rơ le có thể phát hiện các sự cố nhỏ nhất có thể xảy ra. Thời gian tác động của các rơ le cần được phối hợp để đảm bảo rằng các rơ le tác động theo đúng thứ tự và không gây ra các sự cố không cần thiết. Việc tính toán và kiểm tra này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Theo tài liệu gốc, 'Tính toán ngắn mạch nhằm xác định được dòng điện sự cố lớn nhất (Max) và nhỏ nhất (Min) có thể chạy qua BI đến rơle để phục vụ cho: • Tính toán chỉnh định rơle và kiểm tra độ an toàn hãm của các rơle so lệch bảo vệ cho máy biến áp.'

5.1. Phương Pháp Kiểm Tra Độ Nhạy của Bảo Vệ Quá Dòng 50 51

Độ nhạy của bảo vệ quá dòng được kiểm tra bằng cách xác định dòng điện tối thiểu mà bảo vệ có thể phát hiện và tác động. Dòng điện này phải nhỏ hơn dòng điện sự cố nhỏ nhất có thể xảy ra. Để kiểm tra độ nhạy, cần thực hiện các tính toán ngắn mạch để xác định dòng điện sự cố nhỏ nhất và dòng điện khởi động của bảo vệ quá dòng. Hệ số độ nhạy được tính bằng tỷ số giữa dòng điện sự cố nhỏ nhất và dòng điện khởi động. '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, tức tỉ số giữa trị số của đại lượng vật lí đặt vào rơle khi có sự cố với ngưỡng tác động của nó.'

5.2. Đánh Giá Độ Nhạy của Bảo Vệ So Lệch Dòng Điện 87

Độ nhạy của bảo vệ so lệch được kiểm tra bằng cách xác định dòng điện so lệch tối thiểu mà bảo vệ có thể phát hiện và tác động. Dòng điện này phải nhỏ hơn dòng điện so lệch do sai số của máy biến dòng và dòng điện từ hóa của MBA. Để kiểm tra độ nhạy, cần thực hiện các tính toán để xác định dòng điện so lệch tối thiểu và dòng điện khởi động của bảo vệ so lệch. Tương tự, hệ số độ nhạy được tính bằng tỷ số giữa dòng điện so lệch tối thiểu và dòng điện khởi động. *'Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện:  İH    İLV .'

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Bảo Vệ TBA Trong Tương Lai

Đồ án đã trình bày các phương pháp thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le cho trạm biến áp, bao gồm việc lựa chọn và cấu hình các rơ le bảo vệ so lệch và quá dòng. Việc tính toán và kiểm tra độ nhạy của các rơ le cũng đã được thực hiện để đảm bảo hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Kết quả của đồ án cho thấy rằng việc kết hợp bảo vệ so lệch và bảo vệ quá dòng giúp tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống bảo vệ. Trong tương lai, việc áp dụng các công nghệ bảo vệ tiên tiến như bảo vệ số và bảo vệ dựa trên mạng lưới thông minh sẽ giúp nâng cao hơn nữa khả năng bảo vệ cho trạm biến áp.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Đạt Được và Bài Học Kinh Nghiệm

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và mô phỏng một hệ thống bảo vệ cho TBA, sử dụng các loại rơ le hiện đại. Quá trình thực hiện đồ án giúp củng cố kiến thức về hệ thống điện, bảo vệ rơ le và các tiêu chuẩn liên quan. Kinh nghiệm thu được bao gồm việc lựa chọn thiết bị phù hợp, tính toán các thông số vận hành và thực hiện các biện pháp kiểm tra, đánh giá hệ thống.

6.2. Triển Vọng và Ứng Dụng Của Hệ Thống Bảo Vệ Rơ Le Số Trong Tương Lai

Trong tương lai, hệ thống bảo vệ rơ le số sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các TBA. Các hệ thống này có nhiều ưu điểm so với các hệ thống bảo vệ truyền thống, bao gồm khả năng tích hợp nhiều chức năng bảo vệ, độ chính xác cao, khả năng tự động chẩn đoán và khả năng giao tiếp với các hệ thống quản lý năng lượng. Việc phát triển và ứng dụng các hệ thống bảo vệ rơ le số là một xu hướng tất yếu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện.

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le cho trạm biến áp TBA

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG ĐƯỢC BẢO VỆ - THÔNG SỐ CHÍNH

1.1. Mô tả đối tượng

1.2. Thông số chính

1.2.1. Hệ thống điện (HTĐ)

1.2.2. Máy biến áp

2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ BẢO VỆ RƠLE

2.1. Giới thiệu chung

2.1.1. Mục đích tính toán ngắn mạch

2.1.2. Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch

2.2. Tính toán ngắn mạch

2.2.1. Lựa chọn các đại lượng cơ bản

2.2.2. Tính toán thông số các phần tử

2.3. Chế độ ngắn mạch cực đại

2.3.1. Điểm ngắn mạch N1

2.3.2. Điểm ngắn mạch N1’

2.3.3. Điểm ngắn mạch N2

2.3.4. Điểm ngắn mạch N2’

2.3.5. Điểm ngắn mạch N3

2.3.6. Điểm ngắn mạch N3’

2.3.7. Bảng tổng hợp kết quả

2.4. Chế độ ngắn mạch cực tiểu

2.4.1. Điểm ngắn mạch N1

2.4.2. Điểm ngắn mạch N1’

2.4.3. Điểm ngắn mạch N2

2.4.4. Điểm ngắn mạch N2’

2.4.5. Điểm ngắn mạch N3

2.4.6. Điểm ngắn mạch N3’

2.4.7. Bảng tổng hợp kết quả

3. LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO MÁY BIẾN ÁP

3.1. Các dạng hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp

3.2. Các loại bảo vệ đặt cho máy biến áp

3.2.1. Những yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ hệ thống điện

3.2.2. Bảo vệ chính cho máy biến áp

3.2.3. Bảo vệ dự phòng

3.3. Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp

4. GIỚI THIỆU TÍNH NĂNG VÀ THÔNG SỐ CỦA CÁC LOẠI RƠLE

4.1. Rơle bảo vệ so lệch 7UT613

4.1.1. Giới thiệu tổng quan về rơle 7UT613

4.1.2. Một số thông số kỹ thuật của rơle 7UT613

4.1.3. Chức năng bảo vệ so lệch máy biến áp của rơle 7UT613

4.1.4. Chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF) của 7UT613

4.1.5. Chức năng bảo vệ quá dòng của rơle 7UT613

4.1.6. Chức năng bảo vệ chống quá tải

4.2. Rơ le hợp bộ quá dòng số 7SJ621

4.2.1. Giới thiệu tổng quan về rơle 7SJ621

4.2.2. Các chức năng bảo vệ trong rơle 7SJ621

4.2.3. Một số thông số kĩ thuật của rơle 7SJ621

5. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA RƠLE VÀ KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ

5.1. Chọn máy biến dòng điện,máy biến điện áp

5.1.1. Máy biến dòng điện

5.2. Cài đặt chức năng bảo vệ cho rơle 7UT613

5.2.1. Chức năng bảo vệ so lệch có hãm 87T

5.2.2. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF): (I 0 / 87N)

5.2.3. Cài đặt chức năng 49 (Chống quá tải MBA)

5.3. Cài đặt chức năng bảo vệ cho rơle 7SJ621

5.3.1. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh:( I>>/ 50)

5.3.2. Bảo vệ quá dòng thứ tự không cắt nhanh (I0 >> 50N )

5.3.3. Bảo vệ quá dòng có thời gian:( I>/ 51)

5.3.4. Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian (I0 >/51N )

5.4. Kiểm tra độ nhạy của các chức năng bảo vệ

5.4.1. Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ quá dòng

5.4.2. Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ so lệch 87/I

5.4.3. Kiểm tra độ nhạy bảo vệ so lệch TTK (87N/I0)

TÀI LIỆU THAM KHẢO