Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng giữ vai trò then chốt trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam. Trong cấu trúc lưới điện truyền tải và phân phối, các trạm biến áp 110 kV là mắt xích phổ biến, đảm nhận nhiệm vụ truyền tải điện năng đi xa và liên kết các phân vùng lưới điện. Mọi sự cố hoặc chế độ làm việc không bình thường tại trạm biến áp 110 kV đều có thể dẫn đến gián đoạn cung cấp điện, gây tổn thất lớn về kinh tế và xã hội. Trong một trạm biến áp, máy biến áp lực là thiết bị đơn lẻ có giá trị đầu tư cao nhất và giữ vai trò trung tâm trong quá trình biến đổi điện năng. Do đó, việc xây dựng và tính toán một hệ thống rơle bảo vệ có độ tin cậy cao, tác động chọn lọc và nhanh chóng là điều kiện bắt buộc nhằm đảm bảo an toàn thiết bị và duy trì tính ổn định của hệ thống.

Đồ án thiết kế “Tính toán thiết kế hệ thống rơle bảo vệ cho máy biến áp 115/23/11 kV” được tác giả Tạ Xuân Hùng thực hiện tại Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Tùng (tháng 11 năm 2023). Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng cấu hình và tính toán chỉnh định hệ thống bảo vệ rơle cho máy biến áp ba cuộn dây 63 MVA tại trạm 110 kV. Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 6 nội dung chính:

  1. Mô tả đối tượng bảo vệ và thu thập các thông số kỹ thuật định mức của hệ thống điện và máy biến áp.
  2. Thiết lập mô hình giải tích và tính toán các dạng ngắn mạch (đối xứng và không đối xứng), kết hợp ứng dụng phần mềm ETAP để kiểm chứng kết quả.
  3. Phân tích các dạng hư hỏng, chế độ làm việc không bình thường và lựa chọn phương thức bảo vệ chính, bảo vệ dự phòng phù hợp.
  4. Nghiên cứu cấu tạo, thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của các rơle số bảo vệ (Siemens SIPROTEC 7UT613 và 7SJ621).
  5. Lựa chọn thiết bị đo lường (máy biến dòng điện, máy biến điện áp), tính toán cài đặt các thông số chỉnh định và kiểm tra độ nhạy của các chức năng bảo vệ.
  6. Tìm hiểu tính năng kỹ thuật và cấu tạo của hợp bộ thí nghiệm nhị thứ OMICRON CMC 256 phục vụ công tác thử nghiệm rơle.

Đối tượng nghiên cứu là máy biến áp ba cuộn dây 115/23/11 kV, công suất định mức 63 MVA, tổ đấu dây $Y_0-Y_0-\Delta-11$. Phạm vi không gian của đồ án tập trung tại trạm biến áp và các điểm ngắn mạch trên thanh cái các cấp điện áp 115 kV, 22 kV và 11 kV (ký hiệu các điểm sự cố từ $N_1$ đến $N_3'$). Phạm vi thời gian nghiên cứu phản ánh các thông số vận hành và công nghệ rơle số được cập nhật tại thời điểm tháng 11 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng phương pháp các thành phần đối xứng để phân tích các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện ba pha. Cơ sở lý thuyết tính toán dòng điện sự cố dựa trên việc thành lập ba sơ đồ thay thế độc lập: sơ đồ thứ tự thuận (TTT), thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK), sau đó biến đổi tương đương về sơ đồ đẳng trị. Dòng điện ngắn mạch thứ tự thuận được xác định qua biểu thức: $$I_{Na1}^{(n)} = \frac{E_{HT}}{X_{1\Sigma} + X^{(\Delta n)}}$$

Trong đó, $X_{1\Sigma}$ là tổng trở thứ tự thuận đẳng trị; $X^{(\Delta n)}$ là điện kháng phụ phụ thuộc vào dạng ngắn mạch $n$ (với ngắn mạch ba pha $N^{(3)}$: $X^{(\Delta 3)} = 0$; ngắn mạch một pha $N^{(1)}$: $X^{(\Delta 1)} = X_{2\Sigma} + X_{0\Sigma}$; ngắn mạch hai pha chạm đất $N^{(1,1)}$: $X^{(\Delta 1,1)} = X_{2\Sigma} // X_{0\Sigma}$; ngắn mạch hai pha chạm nhau $N^{(2)}$: $X^{(\Delta 2)} = X_{2\Sigma}$). Trị số dòng điện ngắn mạch tổng hợp tại điểm sự cố được quy đổi theo hệ số $m^{(n)}$ qua công thức: $$I^{(n)} = m^{(n)} \cdot I_{Na1}^{(n)}$$ với $m^{(3)} = 1$, $m^{(1)} = 3$, $m^{(2)} = \sqrt{3}$.

Để chuẩn hóa quá trình tính toán, hệ thống và thiết bị được quy đổi về hệ đơn vị tương đối cơ bản với công suất cơ bản $S_{cb} = S_{đm MBA} = 63\text{ MVA}$ và điện áp cơ bản lấy theo điện áp trung bình các cấp: $U_{tbI} = 115\text{ kV}$ ($I_{cbI} = 0,316\text{ kA}$), $U_{tbII} = 23,5\text{ kV}$ ($I_{cbII} = 1,548\text{ kA}$), $U_{tbIII} = 10,5\text{ kV}$ ($I_{cbIII} = 3,464\text{ kA}$). Tính toán ngắn mạch được thực hiện dưới các giả thiết đơn giản hóa: tần số hệ thống không thay đổi; bỏ qua bão hòa mạch từ; bỏ qua ảnh hưởng của phụ tải; bỏ qua điện trở cuộn dây máy phát; coi hệ thống sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích bằng tay và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ETAP 19.1 (Operation Technology, Inc.). Tác giả tiến hành tính tay chi tiết tại điểm ngắn mạch $N_2$ (phía 22 kV) ở cả chế độ cực đại ($S_{N\max} = 1950\text{ MVA}$) và cực tiểu ($S_{N\min} = 1268\text{ MVA}$), sau đó so sánh đối chứng với kết quả xuất từ ETAP. Khi sai số giữa hai phương pháp được chứng minh nhỏ hơn 5%, phần mềm ETAP được sử dụng để xuất kết quả dòng điện ngắn mạch chạy qua các máy biến dòng (BI) tại tất cả các điểm sự cố còn lại.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm:

  • Thông số vận hành hệ thống điện và máy biến áp 63 MVA do Bộ môn Hệ thống điện cung cấp.
  • Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất Siemens AG cho các rơle SIPROTEC 4 7UT613, 7UT633 và 7SJ621.
  • Tài liệu kỹ thuật của hãng OMICRON electronics GmbH cho hợp bộ thử nghiệm CMC 256 plus.
  • Các tiêu chuẩn kỹ thuật: IEC 60255-8, IEC 60354 (bảo vệ quá tải nhiệt), IEC 60870-5-103 (giao thức truyền thông rơle), IEC 61850 (truyền thông trạm biến áp).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mô tả đối tượng được bảo vệ và các thông số chính

Chương 1 giới thiệu cấu hình máy biến áp ba cuộn dây 115/23/11 kV đặt tại trạm biến áp nhận điện từ thanh cái 115 kV của hệ thống điện, cấp điện qua các xuất tuyến 22 kV và 11 kV tới các phụ tải địa phương. Tác giả lập bảng tổng hợp các thông số ban đầu của hệ thống và máy biến áp:

Đại lượng Thông số kỹ thuật
Công suất ngắn mạch hệ thống chế độ cực đại ($S_{N(3)\max}$) 1950 MVA
Tỷ số công suất ngắn mạch ($S_{N(3)\min} / S_{N(3)\max}$) 0,65 (tương ứng $S_{N(3)\min} = 1268\text{ MVA}$)
Tỷ số điện kháng hệ thống ($X_{0HT} / X_{1HT}$) 1,9
Công suất định mức máy biến áp ($S_{đm}$) 63 MVA
Tổ đấu dây $Y_0 - Y_0 - \Delta-11$
Điện áp danh định ($U_C / U_T / U_H$) 115 / 23,5 / 10,5 kV
Điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây $U_{N%C-T} = 10,5%$; $U_{N%C-H} = 17%$; $U_{N%T-H} = 6%$
Phạm vi điều chỉnh đầu phân áp phía 110 kV $\pm 9 \times 1,78%$

Chương 2. Tính toán ngắn mạch

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tính toán ngắn mạch phục vụ chỉnh định rơle. Từ số liệu ban đầu, tác giả tính toán điện kháng của hệ thống và các cuộn dây máy biến áp quy đổi về hệ đơn vị tương đối:

  • Điện kháng hệ thống ở chế độ max: $X_{1\max HT} = X_{2\max HT} = 63 / 1950 = 0,032$; $X_{0\max HT} = 1,9 \times 0,032 = 0,061$.
  • Điện kháng hệ thống ở chế độ min: $X_{1\min HT} = X_{2\min HT} = 63 / 1268 = 0,05$; $X_{0\min HT} = 1,9 \times 0,05 = 0,095$.
  • Điện áp ngắn mạch riêng từng cuộn: $U_{N%C} = 10,75%$; $U_{N%T} = 0%$; $U_{N%H} = 6,25%$, tương ứng điện kháng các cuộn dây là $X_C = 0,108$; $X_T = 0$; $X_H = 0,063$.

Tại điểm $N_2$ (thanh cái 22 kV), tổng trở đẳng trị chế độ max là $X_{1\Sigma} = X_{2\Sigma} = 0,14$; $X_{0\Sigma} = 0,046$. Kết quả tính tay giải tích cho thấy:

  • Ngắn mạch ba pha $N^{(3)}$: dòng sự cố đạt $11,057\text{ kA}$ ($7,143$ ở đơn vị tương đối).
  • Ngắn mạch một pha $N^{(1)}$: dòng qua biến dòng $BI_2$ đạt $14,243\text{ kA}$ ($9,201$ ở đơn vị tương đối); dòng qua trung tính $BI_{02}$ đạt $9,201$ tương đối.
  • Ngắn mạch hai pha chạm đất $N^{(1,1)}$: dòng qua $BI_2$ đạt $13,859\text{ kA}$ ($8,953$ tương đối).

Tác giả so sánh kết quả tính tay với kết quả tính toán mô phỏng trên ETAP 19.1 tại điểm $N_2$:

Dạng ngắn mạch Tính tay (kA) ETAP (kA) Sai số tương đối
Ngắn mạch ba pha $N^{(3)}$ 11,057 11,071 0,13%
Ngắn mạch một pha chạm đất $N^{(1)}$ 14,243 14,277 0,24%
Ngắn mạch hai pha chạm đất $N^{(1,1)}$ 13,859 13,889 0,22%

Sai số đều dưới 0,25%, khẳng định mô hình ETAP hoàn toàn tin cậy. Bảng tổng kết dòng ngắn mạch chế độ max cho toàn bộ các điểm phản ánh sự phân bố dòng điện qua các BI:

Điểm NM Dạng NM $I_{BI1}$ (kA) $I_{0BI1}$ (kA) $I_{(-0)BI1}$ (kA) $I_{BI01}$ (kA) $I_{BI2}$ (kA) $I_{0BI2}$ (kA) $I_{(-0)BI2}$ (kA) $I_{BI02}$ (kA) $I_{BI3}$ (kA)
$N_1$ $N^{(3)}$ 9,790 - 9,790 - - - - - -
$N_1$ $N^{(1)}$ 7,884 2,118 5,766 2,294 - - - - -
$N_1$ $N^{(1,1)}$ 9,056 1,897 8,576 2,055 - - - - -
$N_1'$ $N^{(1)}$ 0,765 0,765 - 2,295 - - - - -
$N_1'$ $N^{(1,1)}$ 0,685 0,685 - 2,055 - - - - -
$N_2$ $N^{(3)}$ 2,262 - 2,262 - - - - - -
$N_2$ $N^{(1)}$ 2,208 0,263 1,945 0,789 - - - - -
$N_2$ $N^{(1,1)}$ 2,225 0,370 2,076 1,110 - - - - -
$N_2'$ $N^{(3)}$ 2,262 - 2,262 - 11,071 - 11,071 - -
$N_2'$ $N^{(1)}$ 2,208 0,263 1,945 0,789 14,277 4,759 9,518 14,277 -
$N_2'$ $N^{(1,1)}$ 2,225 0,370 2,076 1,110 13,889 6,699 10,156 20,097 -
$N_3$ $N^{(3)}$ 1,563 - 1,563 - - - - - -
$N_3'$ $N^{(3)}$ 1,563 - 1,563 - - - - - 17,123

Ở chế độ cực tiểu ($S_{N\min}$), dòng ngắn mạch hai pha $N^{(2)}$ tại $N_1$ qua $BI_1$ là $6,363\text{ kA}$, tại $N_2'$ qua $BI_2$ là $8,527\text{ kA}$, và tại $N_3'$ qua $BI_3$ là $13,655\text{ kA}$.

Chương 3. Lựa chọn phương thức bảo vệ máy biến áp

Chương 3 phân tích các dạng sự cố: hư hỏng bên trong thùng dầu (chạm chập các vòng dây, ngắn mạch cuộn dây, chạm vỏ/chạm đất, hỏng bộ đổi đầu phân áp, rò dầu gây tăng nhiệt) và sự cố bên ngoài (quá tải, ngắn mạch ngoài, bão hòa mạch từ do quá áp hoặc tần số giảm thấp). Phương thức bảo vệ được thiết lập đáp ứng bốn yêu cầu cơ bản: độ tin cậy, tính chọn lọc, độ tác động nhanh và độ nhạy.

Cấu hình bảo vệ máy biến áp bao gồm:

  • Bảo vệ chính:
    1. Bảo vệ so lệch có hãm (87T): Bảo vệ sự cố ngắn mạch nhiều pha và chạm đất trong vùng giữa các BI đặt ở ba phía máy biến áp. Dòng làm việc $I_{SL} = |\dot{I}_1 + \dot{I}_2 + \dot{I}_3|$; dòng hãm $I_H = |\dot{I}_1| + |\dot{I}_2| + |\dot{I}_3|$ kết hợp hệ số hãm $K_H \le 0,5$. Để tránh tác động sai do dòng từ hóa đột biến khi đóng không tải, rơle tích hợp hãm theo sóng hài bậc hai; khi quá kích thích, rơle hãm theo sóng hài bậc năm.
    2. Bảo vệ so lệch chống chạm đất hạn chế (REF - 87N): Bảo vệ chạm đất các cuộn dây đấu sao có trung tính nối đất ($Y_0$), so sánh dòng thứ tự không ở trung tính ($3\dot{I}_0'$) và dòng thứ tự không tổng ba pha ($3\dot{I}_0''$).
    3. Bảo vệ bằng rơle khí Buchholz (63): Lắp đặt trên ống dẫn dầu giữa thùng dầu chính và thùng dầu phụ đối với máy biến áp từ 500 kVA trở lên. Cấp 1 (phao trên) phát tín hiệu cảnh báo khi khí tích tụ từ các lỗi nhỏ; Cấp 2 (phao dưới) tác động cắt máy cắt khi xuất hiện dòng dầu phụt mạnh do sự cố ngắn mạch lớn.
    4. Bảo vệ quá tải nhiệt (49): Vận hành theo nguyên lý hình ảnh nhiệt.
  • Bảo vệ dự phòng:
    1. Bảo vệ quá dòng có thời gian (51): Dòng khởi động $I_{kđ} = k \cdot I_{lv\max}$ với hệ số an toàn $k = 1,6$; bậc phân cấp thời gian $\Delta t = 0,3\text{s} \div 0,6\text{s}$.
    2. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50): Dòng khởi động tính theo $I_{kđ} = k_{at} \cdot I_{Nng\max}$ với $k_{at} = 1,1 \div 1,3$.
    3. Bảo vệ quá dòng thứ tự không có thời gian (51N) và cắt nhanh (50N): Chống ngắn mạch chạm đất, dòng khởi động tính theo dòng ngoài vùng với $k_{0at} = 1,1 \div 1,2$.
    4. Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF): Duy trì dòng sự cố đưa vào rơle quá dòng; sau thời gian trễ 100 ms nếu máy cắt chính từ chối tác động, tín hiệu sẽ gửi đi cắt tất cả các máy cắt lân cận.
    5. Bảo vệ cảnh báo chạm đất (59N): Áp dụng cho phía 10 kV trung tính cách điện, sử dụng biến điện áp ba pha năm trụ có cuộn thứ cấp đấu tam giác hở để đo điện áp thứ tự không $3U_0$.

Chương 4. Giới thiệu tính năng và thông số của các loại rơle sử dụng

Chương 4 khảo sát hai dòng rơle số đa chức năng do Siemens chế tạo:

  • Rơle bảo vệ so lệch SIPROTEC 4 7UT613 / 7UT633:
    • Cấu trúc: Trang bị vi xử lý 32 bit, xử lý số toàn bộ tín hiệu từ đo lường, lấy mẫu đến tạo lệnh xuất; cách ly điện hoàn toàn giữa mạch xử lý và mạch nhị thứ.
    • Giao tiếp truyền thông: Cổng Local PC mặt trước (chuẩn RS232, kết nối phần mềm DIGSI 4); cổng dịch vụ mặt sau (chuẩn RS485); cổng hệ thống mặt sau hỗ trợ giao thức IEC 60870-5-103, PROFIBUS-DP hoặc DNP 3.
    • Thông số kỹ thuật vào/ra: Dòng danh định $I_{nom} = 1/5/0,1\text{ A}$; tần số $50/60/16,7\text{ Hz}$; khả năng chịu dòng liên tục $4I_N$, chịu nhiệt $100I_N$ trong 1s, dòng xung đỉnh 250 A; nguồn điều khiển DC 24-250 V (công suất ~12 W) hoặc AC 115/230 V (19 VA); trang bị 5 đầu vào nhị phân và 8 tiếp điểm rơle đầu ra cùng 1 tiếp điểm cảnh báo (khả năng đóng 1000 W/VA, cắt 30 VA, dòng cắt 30 A trong 0,5s).
    • Đặc tính tác động so lệch có hãm: Đường đặc tính gồm 4 đoạn: đoạn a (ngưỡng thấp $I_{DIFF>}$ tại địa chỉ 1221), đoạn b (độ dốc SLOPE 1 tại địa chỉ 1241 bắt đầu từ BASE POINT 1 địa chỉ 1242), đoạn c (độ dốc SLOPE 2 tại địa chỉ 1243 bắt đầu từ BASE POINT 2 địa chỉ 1244, chống tác động sai khi biến dòng bão hòa không đồng đều), đoạn d (ngưỡng cắt nhanh $I_{DIFF>>}$ tại địa chỉ 1231, cắt tức thời không qua hãm).
    • Cơ chế hãm: Tích hợp thuật toán phát hiện bão hòa biến dòng trong 1/4 chu kỳ đầu để tạo vùng hãm bổ sung; bộ lọc số phân tích chuỗi Fourier tách hài bậc hai để hãm dòng đóng xung kích và hài bậc năm để chống quá kích thích; trang bị chức năng khóa chéo giữa các pha.
    • Chức năng REF: So sánh dòng $I_{REF} = |3\dot{I}_0'|$ và dòng hãm $I_H = k(|3\dot{I}_0' - 3\dot{I}_0''| - |3\dot{I}_0' + 3\dot{I}0''|)$; bổ sung hãm theo góc pha với góc giới hạn $\varphi{gh} = 100^\circ$ (khi $k = 4$) để ngăn ngừa cắt nhầm khi biến dòng bão hòa lệch pha.
    • Chức năng bảo vệ quá tải nhiệt (49): Thực hiện theo mô hình hình ảnh nhiệt chuẩn IEC 60255-8 hoặc đo nhiệt độ điểm nóng theo chuẩn IEC 60354 thông qua hộp cảm biến nhiệt RTD 7XV566 tiếp nhận tối đa 12 điểm đo.
  • Rơle hợp bộ quá dòng 7SJ621:
    • Ứng dụng làm bảo vệ dự phòng cho máy biến áp, bảo vệ các đường dây và động cơ. Tích hợp logic lập trình CFC và chức năng điều khiển máy cắt/dao cách ly qua phần mềm DIGSI 4 hoặc SCADA.
    • Các chức năng bảo vệ tích hợp: Quá dòng pha có thời gian (51), quá dòng cắt nhanh (50), quá dòng thứ tự không (51N, 50N), chạm đất độ nhạy cao (50Ns, 51Ns), quá dòng có hướng (67, 67N), quá dòng thứ tự nghịch (46), quá tải nhiệt (49), chống hư hỏng máy cắt (50BF) và tự động đóng lại (79). Bộ nhớ lưu trữ 8 biểu đồ dao động ghi lỗi sự cố.
    • Đặc tính thời gian phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEC:
      • Dốc tiêu chuẩn (Standard inverse): $$t = \frac{0,14}{\left(\frac{I}{I_p}\right)^{0,02} - 1} \cdot t_p$$
      • Rất dốc (Very inverse): $$t = \frac{13,5}{\left(\frac{I}{I_p}\right) - 1} \cdot t_p$$
      • Cực dốc (Extremely inverse): đường cong có độ dốc cao nhất phục vụ phối hợp thời gian với cầu chì hoặc bảo vệ hạ áp.

Chương 5. Chỉnh định các thông số và kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

Chương 5 trình bày việc tính chọn máy biến dòng điện (BI) và máy biến điện áp (BU) trên các cấp 115 kV, 22 kV, 11 kV đáp ứng yêu cầu công suất phụ tải nhị thứ và cấp chính xác bảo vệ. Tác giả thực hiện tính toán cài đặt các thông số chỉnh định cụ thể:

  • Trên rơle 7UT613: Cài đặt ngưỡng khởi động so lệch $I_{DIFF>}$, ngưỡng cắt nhanh $I_{DIFF>>}$, các điểm uốn và độ dốc đặc tính hãm (SLOPE 1, SLOPE 2), tỷ lệ phần trăm sóng hài bậc hai và bậc năm dùng để hãm; cài đặt bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF) và hằng số thời gian gia nhiệt bảo vệ quá tải (49).
  • Trên rơle 7SJ621 / 7SJ612: Cài đặt dòng khởi động và thời gian tác động cho các chức năng 50, 51, 50N, 51N; cài đặt ngưỡng điện áp và thời gian cho bảo vệ chạm đất phía 10,5 kV.
  • Kiểm tra độ nhạy: Tính toán hệ số độ nhạy ($k_{nh}$) của bảo vệ so lệch có hãm (87T), bảo vệ so lệch thứ tự không ($87N/\Delta I_0$) và các cấp bảo vệ quá dòng khi xảy ra sự cố tại các vị trí tính toán ($N_1'$, $N_2$, $N_2'$, $N_3$, $N_3'$) ở cả chế độ vận hành cực đại và cực tiểu, đảm bảo $k_{nh}$ thỏa mãn các quy chuẩn kỹ thuật điện lực.

Chương 6. Hợp bộ thí nghiệm nhị thứ CMC 256

Chương 6 khảo sát thiết bị thí nghiệm hợp bộ nhị thứ CMC 256 plus do hãng OMICRON chế tạo:

  • Thiết bị phục vụ kiểm tra và hiệu chuẩn tất cả các thế hệ rơle bảo vệ (từ cơ điện, tĩnh điện bán dẫn đến rơle số IED).
  • Tính năng kỹ thuật: Tín hiệu phát dòng điện và điện áp có độ chính xác cao; tích hợp giao diện mạng thử nghiệm thiết bị điện tử thông minh theo tiêu chuẩn IEC 61850 (hỗ trợ kiểm tra thông điệp GOOSE và Sampled Values); chức năng đo lường tương tự 10 kênh và ghi lưu động tín hiệu quá độ.
  • Thông số bộ khuếch đại: Cung cấp thông số cấu hình của các kênh khuếch đại dòng điện đa dải và điện áp xoay chiều độc lập, đáp ứng phép thử đặc tính làm việc và kiểm tra thời gian tác động của rơle bảo vệ trong môi trường trạm biến áp.

Kết quả và đóng góp

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

  • Thiết lập hoàn chỉnh cơ sở dữ liệu tính toán ngắn mạch cho máy biến áp 63 MVA 115/23/11 kV trên cả ba cấp điện áp. Kết quả giải tích tính tay tại điểm $N_2$ đạt $11,057\text{ kA}$ đối với ngắn mạch ba pha, $14,243\text{ kA}$ đối với ngắn mạch một pha và $13,859\text{ kA}$ đối với ngắn mạch hai pha chạm đất; khi đối chứng với mô phỏng ETAP 19.1, sai số tương ứng chỉ là 0,13%, 0,24% và 0,22% (đều nằm sâu dưới ngưỡng sai số cho phép 5%).
  • Xây dựng sơ đồ phương thức bảo vệ hoàn chỉnh cho máy biến áp ba cuộn dây, phối hợp tối ưu giữa bảo vệ chính (so lệch có hãm 87T, chống chạm đất hạn chế 87N, rơle khí Buchholz 63, quá tải 49) và các cấp bảo vệ dự phòng (50, 51, 50N, 51N, 50BF, 59N).
  • Tài liệu hóa toàn diện các tham số kỹ thuật, cấu hình phần cứng, nguyên lý hãm và giải thuật tác động của các rơle số Siemens SIPROTEC 4 (7UT613, 7UT633, 7SJ621), cung cấp quy trình chỉnh định rõ ràng kèm mã địa chỉ cài đặt cụ thể trong phần mềm DIGSI 4.
  • Đóng góp về mặt phương pháp luận qua việc kết hợp song song giữa phương pháp tính toán giải tích cổ điển và công cụ mô phỏng số hiện đại ETAP 19.1, đồng thời gắn liền khâu thiết kế chỉnh định lý thuyết với công nghệ thử nghiệm nhị thứ thực tế thông qua thiết bị OMICRON CMC 256.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án thể hiện một số giới hạn kỹ thuật:

  • Tính toán ngắn mạch được thực hiện trên cơ sở các giả thiết lý tưởng hóa (bỏ qua bão hòa từ, bỏ qua phụ tải địa phương, bỏ qua điện trở máy phát và giả định sức điện động nguồn đối xứng); các kịch bản sự cố chưa xét đến ảnh hưởng của biến thiên tần số lưới hoặc các dao động công suất phức tạp trong hệ thống.
  • Cấu hình bảo vệ được tính toán độc lập cho một máy biến áp cụ thể trong trạm biến áp 110 kV, chưa mở rộng phối hợp thời gian và tính chọn lọc đối với toàn bộ hệ thống rơle bảo vệ của các đường dây 110 kV, 22 kV và 11 kV xuất tuyến lân cận.
  • Nội dung về hợp bộ thí nghiệm OMICRON CMC 256 dừng lại ở mức khảo sát tính năng phần cứng, thông số kỹ thuật và khả năng hỗ trợ tiêu chuẩn IEC 61850; văn bản chưa cung cấp các biên bản thử nghiệm bơm dòng - áp thực nghiệm tại hiện trường.

Hướng nghiên cứu mở rộng được xác định gồm:

  • Mở rộng bài toán phối hợp bảo vệ có tính chọn lọc cho toàn trạm biến áp 110 kV, tích hợp các xuất tuyến đường dây và thanh cái liên quan.
  • Thiết lập kịch bản thử nghiệm hoàn chỉnh trên phần mềm OMICRON Test Universe, tiến hành bơm tín hiệu dòng điện và điện áp từ CMC 256 vào rơle 7UT613 và 7SJ621 để kiểm tra thực tế đặc tính làm việc và đo thời gian tác động cắt máy cắt.
  • Khai thác ứng dụng truyền thông số theo tiêu chuẩn IEC 61850, triển khai trao đổi tín hiệu liên động trip qua thông điệp GOOSE và thu thập giá trị đo lường số hóa qua khối Merging Unit.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật có giá trị thiết thực đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện, chuyên ngành Hệ thống điện đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Thiết kế bảo vệ rơle hoặc Thiết kế trạm biến áp.
  • Kỹ sư thiết kế điện, kỹ sư tính toán chỉnh định rơle và kỹ sư thí nghiệm - vận hành tại các công ty tư vấn thiết kế điện, công ty truyền tải điện và các công ty điện lực phụ trách quản lý vận hành trạm 110 kV.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:
    • Phương pháp thành lập sơ đồ mạng thứ tự thuận, nghịch, không để giải tích ngắn mạch cho máy biến áp ba cuộn dây.
    • Quy trình nhập số liệu, thiết lập thông số hệ thống và xuất kết quả ngắn mạch trên phần mềm ETAP 19.1.
    • Bảng tra cứu thông số kỹ thuật, cấu hình chân vào/ra và các biểu thức giải thuật tác động của rơle Siemens 7UT613 và 7SJ621.
    • Nguyên lý làm việc chi tiết của bảo vệ so lệch dòng thứ tự không chống chạm đất hạn chế (REF) và cơ chế khóa hãm theo sóng hài bậc cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy biến áp đối tượng trong đồ án có các thông số định mức kỹ thuật cơ bản nào?
Máy biến áp là loại ba cuộn dây có công suất định mức $S_{đm} = 63\text{ MVA}$, tổ đấu dây $Y_0 - Y_0 - \Delta-11$, cấp điện áp làm việc $U_C / U_T / U_H = 115 / 23,5 / 10,5\text{ kV}$. Điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây gồm: $U_{N%C-T} = 10,5%$, $U_{N%C-H} = 17%$, $U_{N%T-H} = 6%$. Cuộn cao áp 110 kV được trang bị bộ điều chỉnh đầu phân áp dưới tải với phạm vi điều chỉnh $\pm 9 \times 1,78%$.

2. Tại sao tác giả phải kiểm tra sai số giữa phương pháp tính tay và phần mềm ETAP tại điểm $N_2$?
Điểm ngắn mạch $N_2$ (phía 22 kV) được chọn làm điểm kiểm chứng chuẩn vì phía 22 kV có trung tính nối đất trực tiếp, cho phép kiểm tra đầy đủ các dạng ngắn mạch ba pha, một pha và hai pha chạm đất. Kết quả đối chứng cho thấy sai số giữa tính tay và ETAP tại $N_2$ lần lượt là 0,13% (đối với $N^{(3)}$), 0,24% (đối với $N^{(1)}$) và 0,22% (đối với $N^{(1,1)}$). Tất cả sai số đều nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phép 5%, chứng minh mô hình mô phỏng trên ETAP đủ độ tin cậy để áp dụng xuất dữ liệu cho các điểm sự cố còn lại.

3. Rơle 7UT613 sử dụng nguyên lý nào để chống tác động nhầm khi đóng máy biến áp không tải hoặc khi bão hòa biến dòng ngoài vùng?
Khi đóng máy biến áp không tải xuất hiện dòng xung kích từ hóa lớn mang thành phần sóng hài bậc hai, rơle 7UT613 sử dụng bộ lọc kỹ thuật số phân tích chuỗi Fourier để bóc tách thành phần hài bậc hai; nếu thành phần này vượt quá ngưỡng cài đặt, lệnh cắt sẽ bị khóa (hỗ trợ tính năng khóa chéo giữa các pha). Trường hợp xảy ra hiện tượng bão hòa máy biến dòng do dòng ngắn mạch ngoài vùng lớn, rơle nhận biết thông qua giá trị dòng hãm tăng vọt trong 1/4 chu kỳ đầu tiên và tự động thiết lập vùng hãm bổ sung (giới hạn bởi đoạn đặc tính b và trục dòng hãm $I_H$) để trì hoãn tác động, ngăn chặn hiện tượng nhảy rơle nhầm.

4. Chức năng bảo vệ chạm đất hạn chế (REF) trong rơle 7UT633 hoạt động theo nguyên tắc nào?
Chức năng REF so sánh dạng sóng cơ bản của dòng điện chạy trong dây trung tính ($3\dot{I}0'$) và dòng điện thứ tự không tổng ba pha ($3\dot{I}0'' = \dot{I}{L1} + \dot{I}{L2} + \dot{I}{L3}$). Dòng tác động cắt là $I{REF} = |3\dot{I}_0'|$ và dòng hãm là $I_H = k(|3\dot{I}_0' - 3\dot{I}_0''| - |3\dot{I}0' + 3\dot{I}0''|)$. Khi ngắn mạch chạm đất trong vùng bảo vệ, dòng hãm luôn nhỏ hơn hoặc bằng 0 ($I_H \le 0$) và dòng cắt tồn tại ($I{REF} > 0$) nên rơle chắc chắn tác động. Để tránh tác động sai do góc lệch pha không lý tưởng giữa các biến dòng khi có sự cố ngoài, rơle tích hợp chức năng hãm theo góc pha với góc lệch giới hạn $\varphi{gh} = 100^\circ$ (khi $k = 4$).

5. Rơle khí Buchholz được lắp đặt ở đâu và vận hành với các cấp tác động nào?
Rơle Buchholz được lắp đặt trên đoạn ống nối dẫn dầu từ thùng dầu chính đến thùng dầu phụ của máy biến áp. Rơle hoạt động theo hai cấp độ: Cấp cảnh báo (phao thủy ngân phía trên) tác động đóng tiếp điểm phát tín hiệu báo động khi các sự cố cục bộ nhẹ (quá nhiệt, phóng điện vi mô làm dầu phân hủy tạo bọt khí tích tụ đẩy phao nghiêng xuống); Cấp cắt sự cố (phao thủy ngân phía dưới) tác động gửi lệnh đi cắt máy cắt cách ly máy biến áp khi xảy ra ngắn mạch nặng sinh nhiệt lượng lớn làm xuất hiện luồng dầu phụt mạnh đột ngột về phía thùng dầu phụ làm lật phao dưới.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Tạ Xuân Hùng đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ tính toán ngắn mạch và thiết kế hệ thống rơle bảo vệ cho máy biến áp ba cuộn dây 63 MVA 115/23/11 kV tại trạm biến áp 110 kV. Đề tài kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết giải tích thành phần đối xứng truyền thống với công cụ mô phỏng công nghiệp ETAP 19.1, đạt độ chính xác cao với sai số kiểm chứng dưới 0,25%. Phương thức bảo vệ được thiết lập khoa học trên nền tảng các rơle số tiên tiến Siemens SIPROTEC 7UT613, 7SJ621 và rơle khí Buchholz, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ tin cậy, tính chọn lọc, độ nhạy và tác động nhanh. Toàn bộ công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo chuyên ngành Hệ thống điện cũng như phục vụ công tác thiết kế, thí nghiệm và quản lý vận hành trạm biến áp trong thực tế.