Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng giữ vai trò then chốt trong quá trình vận hành của nền kinh tế quốc dân, phục vụ trực tiếp cho các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, dịch vụ và đời sống sinh hoạt xã hội. Trong hệ thống điện, máy biến áp lực là một trong những phần tử quan trọng nhất, đảm nhận nhiệm vụ truyền tải và phân phối công suất giữa các cấp điện áp khác nhau. Mọi sự cố hư hỏng hoặc tình trạng làm việc bất thường (quá tải, ngắn mạch, bão hòa mạch từ) xảy ra trên máy biến áp nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời đều có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng về mặt kỹ thuật và thiệt hại kinh tế. Do đó, việc nghiên cứu nguyên lý vận hành, tính toán lựa chọn thiết bị đóng cắt - đo lường và thiết lập hệ thống bảo vệ rơle số có tính chọn lọc, độ tin cậy và tốc độ tác động cao là yêu cầu bắt buộc trong kỹ thuật hệ thống điện.

Đồ án tốt nghiệp xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Thu thập, tổng hợp và phân tích các thông số kỹ thuật của hệ thống điện nguồn, đường dây truyền tải và trạm biến áp 110 kV.
  2. Tính toán dòng điện làm việc cưỡng bức, dòng ngắn mạch lớn nhất tại các cấp điện áp để lựa chọn máy cắt điện, máy biến dòng điện (BI) và máy biến điện áp (BU) đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn ổn định nhiệt và ổn định lực điện động.
  3. Phân tích các dạng sự cố bên trong và bên ngoài máy biến áp, từ đó lựa chọn phương thức bảo vệ tối ưu kết hợp giữa bảo vệ cơ bản (rơle khí Buchholz) và các chức năng bảo vệ bằng rơle kỹ thuật số (bảo vệ so lệch dòng điện có hãm, bảo vệ so lệch thứ tự không/chạm đất hạn chế, bảo vệ quá dòng phân cấp, bảo vệ quá tải nhiệt).
  4. Phân tích cấu trúc phần cứng, nguyên lý xử lý tín hiệu số, đặc tính tác động và khả năng truyền thông của các dòng rơle số SIPROTEC do hãng Siemens chế tạo (rơle so lệch chính 7UT633 và rơle bảo vệ quá dòng dự phòng 7SJ621).
  5. Tính toán các thông số chỉnh định kỹ thuật cho các chức năng bảo vệ và tiến hành kiểm tra độ nhạy của hệ thống bảo vệ so lệch ($87\text{T}/\text{I}$) và so lệch dòng thứ tự không ($87\text{N}/\text{I}_0$).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm biến áp phân phối 110 kV có cấp điện áp danh định $115 / 38,5 / 23\text{ kV}$, gồm hai máy biến áp ba pha ba cuộn dây vận hành song song với công suất định mức mỗi máy là $S_{đm} = 40\text{ MVA}$, tổ đấu dây $Y_0 / \Delta - 11 / Y_0$. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm trạm biến áp và lưới điện liên kết được cấp nguồn từ hai hệ thống điện (HTĐ1 và HTĐ2) thông qua hai đường dây tải điện trên không D1 ($70\text{ km}$) và D2 ($55\text{ km}$). Phạm vi thời gian và dữ liệu kỹ thuật được thực hiện và hoàn thành vào năm 2016 tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện và hệ thống bảo vệ rơle:

  • Lý thuyết ngắn mạch và phân tích các thành phần đối xứng trong hệ thống điện ba pha nhằm xác định dòng điện ngắn mạch lớn nhất và nhỏ nhất phục vụ tính chọn khí cụ và chỉnh định ngưỡng bảo vệ.
  • Nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện có hãm ($87\text{T}/\text{I}$) và nguyên lý bảo vệ so lệch dòng thứ tự không có giới hạn / chống chạm đất hạn chế (REF - Restricted Earth Fault / $87\text{N}/\text{I}_0$).
  • Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh ($50/\text{I}$, $50\text{N}$), quá dòng có thời gian ($51/\text{I}$, $51\text{N}$) theo các đường đặc tính thời gian độc lập và phụ thuộc (dốc bình thường, rất dốc, cực dốc).
  • Tiêu chuẩn tính toán nhiệt máy biến áp: Mô hình hình ảnh nhiệt theo tiêu chuẩn IEC 60255-8 và mô hình điểm nóng/tỷ lệ già hóa cách điện theo tiêu chuẩn IEC 60354.
  • Tiêu chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp và điều khiển trạm: IEC 60870-5-103, PROFIBUS-DP, MODBUS RTU, DNP3 và phần mềm cấu hình DIGSI 4.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật điện: Sử dụng các công thức kinh điển để tính toán dòng điện làm việc cực đại ($I_{lvmax} = 1,4 \cdot I_{dđ}$), dòng làm việc cưỡng bức ($I_{lvcb}$), dòng ngắn mạch ba pha chu kỳ đầu ($I''$), dòng xung kích ngắn mạch ($i_{xk}$) và dòng nhiệt tích phân ($B_N$) để kiểm tra điều kiện đóng cắt, ổn định nhiệt và ổn định lực điện động của máy cắt, biến dòng và biến áp đo lường.
  • Phương pháp phối hợp đại lượng đo lường bằng đại số ma trận: Chuyển đổi dòng điện thứ cấp các phía về cùng một cấp điện áp cơ bản thông qua ma trận biến đổi dòng điện $I_m = k \cdot K \cdot I_n$ (với $K$ là ma trận hệ số phụ thuộc vào tổ đấu dây máy biến áp, $I_n$ là véc-tơ dòng điện pha).
  • Phương pháp xử lý tín hiệu số và phân tích điều hòa Fourier: Sử dụng thuật toán vi xử lý 32-bit của rơle số để tách lọc các thành phần sóng hài bậc hai (dùng để hãm khi xuất hiện dòng điện từ hóa nhảy vọt lúc đóng máy biến áp không tải) và sóng hài bậc năm (dùng để hãm khi máy biến áp bị quá kích thích).

Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm:

  • Thông số hệ thống điện: HTĐ1 có $S_{1N\max} = 2500\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 2100\text{ MVA}$, $X_{0\max} = 0,7 X_{1\max}$, $X_{0\min} = 0,8 X_{1\max}$; HTĐ2 có $S_{N\max} = 2000\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 1600\text{ MVA}$, $X_{0\max} = 0,75 X_{1\max}$, $X_{0\min} = 0,9 X_{1\max}$.
  • Thông số máy biến áp: $S_{đm} = 40\text{ MVA}$, $U_C/U_T/U_H = 115/38,5/23\text{ kV}$, điện áp ngắn mạch $U_k% (C-T = 10,5%, C-H = 17%, T-H = 6%)$, phạm vi điều chỉnh điện áp dưới tải $\Delta U_{đc} = \pm 9 \times 1,78%$.
  • Thông số đường dây: Đoạn D1 dài $70\text{ km}$, dây nhôm lõi thép AC-240 ($Z_1 = 0,12 + j0,386\ \Omega/\text{km}$, $Z_0 = 2,5 Z_1$); Đoạn D2 dài $55\text{ km}$, dây dẫn AC-185 ($Z_1 = 0,156 + j0,394\ \Omega/\text{km}$, $Z_0 = 2 Z_1$).
  • Tài liệu kỹ thuật thiết bị rơle số của tập đoàn Siemens AG.

Thiết kế và lựa chọn thiết bị hệ thống bảo vệ

Căn cứ vào kết quả tính toán dòng điện làm việc bình thường, dòng cưỡng bức sau sự cố và dòng ngắn mạch lớn nhất tại các cấp điện áp, các thiết bị đóng cắt và đo lường chính của trạm biến áp được lựa chọn và kiểm tra theo các điều kiện định mức:

Cấp điện áp Khí cụ điện Kiểu / Mã hiệu Thông số định mức chính Dòng ngắn mạch kiểm tra ($I''$)
110 kV Máy cắt điện BBY-110-40/2000 $U_{đm} = 110\text{ kV}$; $I_{đm} = 2000\text{ A}$; $I_{cđm} = 40\text{ kA}$; $i_{lđđ} = 40\text{ kA}$ $11,33\text{ kA}$ (ngắn mạch tại $N_1'$)
Máy biến dòng (BI) TH-110M $U_{đm} = 110\text{ kV}$; Tỷ số biến: $300/1\text{ A}$; Cấp chính xác: 5P; $t_{nh} = 60/1$ Thỏa mãn ổn định nhiệt/lực điện động
Máy biến điện áp (BU) HK-110-58 $U_{đm} = 110\text{ kV}$; Tỷ số: $\frac{110000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : 100\text{ V}$; Tổ: $Y_0/Y_0/\Delta$; $S_{2đm} = 600\text{ VA}$ Thỏa mãn cấp chính xác
35 kV Máy cắt điện BBY-35-40/3200 $U_{đm} = 35\text{ kV}$; $I_{đm} = 3200\text{ A}$; $I_{cđm} = 40\text{ kA}$; $i_{lđđ} = 40\text{ kA}$ $10,05\text{ kA}$ (ngắn mạch tại $N_3$)
Máy biến dòng (BI) TH-35M $U_{đm} = 35\text{ kV}$; Tỷ số biến: $1000/1\text{ A}$; Cấp chính xác: 5P; $t_{nh} = 65/1$ Thỏa mãn ổn định nhiệt/lực điện động
Máy biến điện áp (BU) 3HOM-35 $U_{đm} = 35\text{ kV}$; Tỷ số: $\frac{35000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : 100\text{ V}$; Tổ: $Y_0/Y_0/\Delta$; $S_{2đm} = 300\text{ VA}$ Thỏa mãn cấp chính xác
22 kV Máy cắt điện BM-22-40/1200Y3 $U_{đm} = 22\text{ kV}$; $I_{đm} = 1200\text{ A}$; $I_{cđm} = 40\text{ kA}$; $i_{lđđ} = 25\text{ kA}$ $11,81\text{ kA}$ (ngắn mạch tại $N_2$)
Máy biến dòng (BI) TH-22M $U_{đm} = 22\text{ kV}$; Tỷ số biến: $1500/1\text{ A}$; Cấp chính xác: 5P; $t_{nh} = 12/4$ Thỏa mãn ổn định nhiệt/lực điện động
Máy biến điện áp (BU) 3HOЛ-06-24Y3 $U_{đm} = 24\text{ kV}$; Tỷ số: $\frac{24000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : 100\text{ V}$; Tổ: $Y_0/Y_0/\Delta$; $S_{2đm} = 300\text{ VA}$ Thỏa mãn cấp chính xác

Hệ thống bảo vệ nhị thứ được thiết kế trên cấu trúc tích hợp hai cấp: Rơle kỹ thuật số đa chức năng Siemens 7UT633 đóng vai trò bảo vệ chính và rơle quá dòng số Siemens 7SJ621 đóng vai trò bảo vệ dự phòng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đối tượng bảo vệ các thông số chính

Chương 1 trình bày tổng quan về quy mô, cấu trúc và các thông số vận hành cơ bản của trạm biến áp 110 kV. Trạm có hai máy biến áp $40\text{ MVA}$ nhận điện từ hai nguồn độc lập qua các đường dây D1 ($70\text{ km}$) và D2 ($55\text{ km}$). Tác giả thiết lập các điều kiện kỹ thuật để tính chọn thiết bị điện:

  • Lựa chọn máy cắt điện theo các điều kiện: $U_{đmMC} \ge U_{mg}$, $I_{đmMC} \ge I_{lvcb}$, $I^2_{ôđn} \cdot t \ge B_N$, $i_{lđđ} \ge i_{xk}$ và dòng cắt định mức $I_{CMC} \ge I''$.
  • Lựa chọn máy biến dòng điện (BI) theo điện áp mạng, dòng làm việc cực đại, phụ tải thứ cấp ($Z_{đmBI} \ge Z_2$), độ ổn định nhiệt, ổn định lực điện động và đảm bảo cấp chính xác 5P phục vụ chức năng bảo vệ.
  • Lựa chọn máy biến điện áp (BU) theo điện áp định mức, công suất định mức cuộn thứ cấp ($S_{2đmBU} \ge S_2$) và cấp chính xác của mạch đo lường/bảo vệ.

Chương 2: Lựa chọn phương thức bảo vệ

Chương 2 phân loại chi tiết các dạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp:

  • Sự cố bên trong: Chập các vòng dây trong cùng một pha, chạm đất cuộn dây, ngắn mạch chạm vỏ, sự cố bộ chuyển đổi đầu phân áp dưới tải, thủng thùng dầu hoặc rò rỉ dầu cách điện.
  • Sự cố bên ngoài: Ngắn mạch nhiều pha hoặc một pha chạm đất trên lưới điện, quá bão hòa mạch từ, quá tải kéo dài dẫn đến già hóa cách điện.

Tác giả xác định 4 yêu cầu bắt buộc đối với hệ thống bảo vệ trạm biến áp: tác động nhanh, tính chọn lọc, độ nhạy (hệ số độ nhạy bảo vệ chính $K_n \ge 1,5$, bảo vệ dự phòng $K_n \ge 1,2$) và độ tin cậy. Trên cơ sở đó, phương thức bảo vệ tổng thể được xác lập gồm:

  1. Rơle khí Buchholz: Đặt trên ống nối giữa thùng dầu máy biến áp và bình giãn dầu, có 2 cấp tác động (cấp 1 phát tín hiệu cảnh báo khi khí bốc ra chậm hoặc mức dầu hạ; cấp 2 tác động cắt máy cắt khi luồng dầu chuyển động mạnh do sự cố ngắn mạch bên trong). Một bộ rơle khí riêng được bố trí cho khoang dầu của bộ điều áp dưới tải (OLTC).
  2. Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm ($87\text{T}/\text{I}$): Làm bảo vệ chính chống ngắn mạch nhiều pha và chạm đất trong vùng giới hạn giữa các máy biến dòng.
  3. Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không ($87\text{N}/\text{I}_0$ - REF): Bảo vệ chống chạm đất giới hạn cho cuộn dây nối hình sao có trung tính nối đất.
  4. Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh ($50/\text{I}$) và quá dòng có thời gian ($51/\text{I}$): Bố trí ở các phía máy biến áp làm bảo vệ dự phòng, phối hợp thời gian tác động theo nguyên tắc bậc thang.
  5. Bảo vệ quá dòng thứ tự không ($51\text{N}/\text{I}_0$): Đặt tại điểm trung tính cuộn 110 kV để chống ngắn mạch chạm đất.
  6. Bảo vệ quá tải nhiệt ($49/\text{I}_\theta$): Đo lường và tính toán nhiệt độ phát nóng để phát tín hiệu cảnh báo, khởi động quạt làm mát, giảm tải hoặc cắt máy biến áp.
  7. Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt ($50\text{BF}$): Giám sát quá trình mở máy cắt khi có lệnh bảo vệ.

Chương 3: Giới thiệu tính năng và thông số các loại rơle sử dụng

Chương 3 tập trung phân tích sâu tính năng kỹ thuật và cấu trúc phần cứng của hai loại rơle số của Siemens:

1. Rơle so lệch chính 7UT633:

  • Cấu trúc phần cứng: Trang bị vi xử lý 32-bit, 12 đầu vào dòng điện analog (AI), 4 đầu vào điện áp, 5 đầu vào nhị phân (DI), 8 tiếp điểm rơle đầu ra (DO) và 1 tiếp điểm cảnh báo, 15 đèn LED hiển thị. Cách ly quang và biến đổi điện hoàn toàn giữa mạch xử lý nội bộ với mạch đo lường nhị thứ.
  • Đặc tính tác động so lệch có hãm gồm 4 đoạn đặc trưng:
    • Đoạn $a$: Ngưỡng dòng khởi động thấp $I_{DIFF>}$ (địa chỉ 1221), xác định theo dòng từ hóa máy biến áp.
    • Đoạn $b$: Đoạn dốc thứ nhất với độ nghiêng $SLOPE\ 1$ (địa chỉ 1241) xuất phát từ điểm $BASE\ POINT\ 1$ (địa chỉ 1242), bù trừ sai số của BI và dải điều chỉnh điện áp của bộ phân áp.
    • Đoạn $c$: Đoạn dốc thứ hai $SLOPE\ 2$ (địa chỉ 1243) xuất phát từ $BASE\ POINT\ 2$ (địa chỉ 1244), có chức năng khóa bảo vệ khi xuất hiện hiện tượng bão hòa không đồng đều ở các BI.
    • Đoạn $d$: Ngưỡng cắt nhanh tức thời $I_{DIFF>>}$ (địa chỉ 1231), tác động cắt không thời gian khi dòng so lệch vượt quá ngưỡng cao bất kể mức độ dòng hãm.
  • Tính năng xử lý bão hòa BI và hãm sóng hài: Tự động nhận diện bão hòa BI trong $1/4$ chu kỳ đầu để chuyển điểm làm việc vào vùng hãm bổ sung; sử dụng bộ lọc Fourier số để tách lọc thành phần sóng hài bậc 2 hãm dòng xung kích đóng điện không tải, sóng hài bậc 5 hãm hiện tượng quá kích thích từ trường, kết hợp chức năng khóa chéo giữa các pha.
  • Bảo vệ quá tải nhiệt theo mô hình hình ảnh nhiệt tiêu chuẩn IEC 60255-8 dựa trên phương trình vi phân: $$\frac{d\Theta}{dt} = \frac{1}{\tau} \left[ \left(\frac{I}{k \cdot I_N}\right)^2 - \Theta \right]$$ Trong đó $\Theta$ là độ chênh lệch nhiệt độ tương đối, $\tau$ là hằng số thời gian tăng nhiệt, $k$ là hệ số dòng điện cực đại cho phép và $I_N$ là dòng định mức của cuộn dây.

2. Rơle quá dòng dự phòng 7SJ621:

  • Cấu trúc: Vi xử lý 32-bit, 4 đầu vào biến dòng, 11 đầu vào nhị phân, 6 rơle đầu ra lập trình được.
  • Tích hợp logic lập trình CFC (Continuous Function Chart) cho phép người dùng tự thiết lập khóa liên động và chuyển mạch tự động máy cắt.
  • Cung cấp đầy đủ các chức năng quá dòng: $50$, $50\text{N}$, $51$, $51\text{N}$, $50\text{Ns}/51\text{Ns}$ (chạm đất độ nhạy cao), $50\text{BF}$, bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch và tự động đóng lại (F79). Hỗ trợ các họ đặc tính phụ thuộc tiêu chuẩn IEC: dốc bình thường, rất dốc và cực dốc.

Chương 4: Tính toán các thông số của rơle, kiểm tra sự làm việc của bảo vệ

Chương 4 thực hiện các bước tính toán chỉnh định giá trị đặt và kiểm tra thông số kỹ thuật cho hệ thống bảo vệ:

  • Thu thập và quy đổi hệ thống số liệu ngắn mạch, dòng tải cưỡng bức phục vụ chỉnh định.
  • Thiết lập các thông số bảo vệ so lệch trên rơle 7UT633: dòng khởi động cơ bản $I_{DIFF>}$, dòng cắt nhanh $I_{DIFF>>}$, độ dốc $SLOPE\ 1$, $SLOPE\ 2$, ngưỡng lọc sóng hài bậc hai ($I_{2f}/I_{1f}$) và bậc năm ($I_{5f}/I_{1f}$).
  • Tính toán chỉnh định rơle quá dòng 7SJ621: xác định dòng khởi động theo công thức: $$I_{kđ} = \frac{K_{at} \cdot K_{mm}}{K_{tv}} \cdot I_{lvmax}$$ với $K_{at} = 1,1 \div 1,2$; hệ số mở máy $K_{mm}$; hệ số trở về $K_{tv} = 0,8 \div 0,9$; phối hợp thời gian tác động $\Delta t$ giữa các cấp $110\text{ kV}$, $35\text{ kV}$ và $22\text{ kV}$.
  • Kiểm tra độ nhạy bảo vệ so lệch chạm đất hạn chế ($87\text{N}/\text{I}_0$) và bảo vệ so lệch pha ($87\text{T}/\text{I}$), chứng minh hệ số độ nhạy đều thỏa mãn yêu cầu $K_n \ge 1,5$ trong mọi chế độ sự cố tính toán.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả cụ thể sau:

  • Xây dựng hoàn chỉnh bảng lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện nhất thứ và nhị thứ cho trạm biến áp 110 kV, bao gồm 3 tổ máy cắt điện (BBY-110, BBY-35, BM-22), 3 bộ máy biến dòng điện 5P (TH-110M, TH-35M, TH-22M) và 3 bộ biến điện áp đo lường (HK-110, 3HOM-35, 3HOЛ-06).
  • Thiết lập sơ đồ phương thức bảo vệ kết hợp hoàn chỉnh: Bảo vệ chính bằng rơle khí Buchholz và rơle so lệch số Siemens 7UT633; bảo vệ dự phòng đa chức năng bằng rơle Siemens 7SJ621.
  • Xác định đầy đủ các thông số chỉnh định cho đặc tính tác động so lệch có hãm đa đoạn ($I_{DIFF>}$, $I_{DIFF>>}$, $SLOPE\ 1$, $SLOPE\ 2$, $BASE\ POINT\ 1$, $BASE\ POINT\ 2$), tính năng tạo vùng hãm bổ sung khi BI bão hòa và các tỷ lệ sóng hài bậc 2, bậc 5 nhằm triệt tiêu hiện tượng tác động nhầm khi đóng không tải hoặc quá kích thích.
  • Kiểm tra và chứng minh độ nhạy của các chức năng bảo vệ so lệch $87\text{T}/\text{I}$ và $87\text{N}/\text{I}_0$ đều đạt hệ số $K_n \ge 1,5$, đảm bảo độ tin cậy và tính chọn lọc theo quy trình kỹ thuật ngành điện.

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án cung cấp một quy trình tính toán thiết kế và chỉnh định hệ thống bảo vệ rơle số đồng bộ cho trạm biến áp 110 kV có máy biến áp ba pha ba cuộn dây, bám sát các tiêu chuẩn quốc tế (IEC 60255-8, IEC 60870-5-103) và thiết bị công nghiệp thực tế của Siemens.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nội dung tính toán chủ yếu dựa trên mô hình giải tích trong các chế độ ngắn mạch xác lập cơ bản, chưa thực hiện mô phỏng số thời gian thực (Real-Time Digital Simulation - RTDS) để kiểm chứng dạng sóng quá độ khi đóng máy biến áp hoặc bão hòa biến dòng sâu.
  • Phương pháp bảo vệ nhiệt mới chỉ dừng lại ở mô hình hình ảnh nhiệt cổ điển một phía theo IEC 60255-8, chưa cấu hình khai thác trực tiếp 12 kênh cảm biến nhiệt RTD (hộp RTD-box 7XV566) theo tiêu chuẩn IEC 60354 để tính toán nhiệt độ điểm nóng (hot-spot) và tốc độ già hóa cách điện.

Hướng nghiên cứu mở rộng:

  • Mở rộng tính toán và cấu hình mạng truyền thông tự động hóa trạm theo tiêu chuẩn IEC 61850 (sử dụng thông điệp GOOSE và truyền thông tin mẫu Sampled Values) phục vụ các trạm biến áp kỹ thuật số thông minh.
  • Phối hợp mô phỏng kiểm tra đặc tính tự động đóng lại (F79), chống hư hỏng máy cắt ($50\text{BF}$) và sa thải phụ tải theo tần số/điện áp (F81/F27) tích hợp trên nền tảng SCADA/DMS.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật chuyên sâu cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện, Điện tự động công nghiệp thực hiện đồ án môn học Bảo vệ rơle và Đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm biến áp phân phối $110\text{ kV}$, $220\text{ kV}$.
  • Kỹ sư thiết kế, thí nghiệm và điều độ hệ thống điện cần tài liệu tham khảo về phương pháp tính chọn máy cắt, biến dòng (BI), biến điện áp (BU) và phương pháp cài đặt, chỉnh định đặc tính rơle số Siemens SIPROTEC (7UT633, 7SJ621) qua phần mềm DIGSI 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao rơle bảo vệ so lệch 7UT633 phải sử dụng thành phần sóng hài bậc hai và bậc năm để hãm tác động? Khi đóng máy biến áp không tải hoặc đóng xung điện vào thanh cái đang vận hành, dòng điện từ hóa nhảy vọt xuất hiện có biên độ gấp nhiều lần dòng định mức và tạo ra dòng so lệch giả. Thành phần dòng xung kích này chứa tỷ lệ lớn sóng hài bậc hai (không xuất hiện trong ngắn mạch thông thường). Bên cạnh đó, khi máy biến áp bị quá kích thích (do điện áp tăng hoặc tần số giảm), mạch từ bị bão hòa tạo ra thành phần sóng hài bậc ba và bậc năm (trong đó hài bậc ba thường triệt tiêu trong cuộn tam giác, còn hài bậc năm xuất hiện rõ nét). Rơle 7UT633 sử dụng bộ lọc Fourier số để đo tỷ lệ dòng hài bậc 2 và bậc 5; nếu vượt quá ngưỡng cài đặt, rơle sẽ tự động khóa hoặc tạo trễ lệnh cắt để tránh tác động nhầm.

2. Rơle 7UT633 xử lý hiện tượng bão hòa máy biến dòng (BI) khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ bằng cách nào? Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ với dòng sự cố lớn, biến dòng có thể bị bão hòa không đồng đều dẫn đến xuất hiện dòng so lệch lớn trong vùng tác động. Rơle 7UT633 tự động phát hiện hiện tượng bão hòa BI ngay trong $1/4$ chu kỳ đầu tiên của sự cố (thông qua sự xuất hiện tức thời của thành phần dòng hãm lớn trước khi hình thành dòng so lệch) và di chuyển điểm làm việc sang "vùng hãm bổ sung" nằm giữa đoạn đặc tính dốc $b$ và trục dòng hãm $I_H$. Rơle sẽ khóa lệnh cắt trong khoảng thời gian có thể điều chỉnh và chỉ giải trừ khóa khi điểm làm việc dịch chuyển chính xác dọc theo đường đặc tính sự cố nội bộ.

3. Điều kiện kỹ thuật cơ bản để lựa chọn máy cắt điện cho các cấp điện áp 110 kV, 35 kV và 22 kV của trạm biến áp là gì? Máy cắt điện tại mỗi cấp điện áp được lựa chọn đồng thời theo 5 điều kiện định mức và ngắn mạch:

  • Điện áp định mức: $U_{đmMC} \ge U_{mg}$ (lưới điện).
  • Dòng điện định mức: $I_{đmMC} \ge I_{lvcb}$ (dòng làm việc cưỡng bức khi một máy biến áp nghỉ, máy còn lại quá tải).
  • Ổn định nhiệt: $I^2_{ôđn} \cdot t_{đm} \ge B_N$ (xung nhiệt tích phân của dòng ngắn mạch lớn nhất).
  • Ổn định lực điện động: $i_{lđđ} \ge i_{xk}$ (dòng điện ngắn mạch xung kích).
  • Khả năng cắt: $I_{CMC} \ge I''$ (dòng ngắn mạch hiệu dụng chu kỳ đầu lớn nhất tại điểm nút tương ứng).

4. Chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF - 87N) trên rơle 7UT633 hoạt động theo nguyên lý nào? Bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF) thực chất là bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không nhằm bảo vệ cuộn dây máy biến áp đấu hình sao có trung tính nối đất. Vùng bảo vệ được giới hạn giữa máy biến dòng đặt ở dây trung tính nối đất và tổ biến dòng đấu theo sơ đồ lọc dòng thứ tự không ($3I_0 = I_A + I_B + I_C$) đặt ở đầu ra ba pha của cuộn dây. Rơle 7UT633 so sánh trực tiếp dạng sóng cơ bản của dòng điện dây trung tính và dòng điện thứ tự không tổng ba pha; nếu có sự cố chạm đất bên trong cuộn dây, sự mất cân bằng này sẽ kích hoạt bảo vệ cắt nhanh máy cắt.

5. Mô hình bảo vệ quá tải nhiệt trên rơle 7UT633 được tác giả lựa chọn cài đặt dựa trên tiêu chuẩn nào? Tác giả lựa chọn phương pháp bảo vệ quá tải theo nguyên lý hình ảnh nhiệt quy định tại tiêu chuẩn IEC 60255-8. Rơle liên tục giải phương trình vi phân biến thiên nhiệt độ để xác định mức tăng nhiệt độ tương đối $\Theta$ của cuộn dây máy biến áp. Khi $\Theta$ đạt tới ngưỡng cảnh báo $\Theta_{alarm}$, rơle kích hoạt tín hiệu cảnh báo hoặc khởi động hệ thống quạt làm mát cưỡng bức; khi $\Theta$ đạt tới ngưỡng giới hạn cực đại $\Theta_{end}$, rơle sẽ phát lệnh cắt máy biến áp ra khỏi lưới điện để chống già hóa và phá hủy cách điện.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110 kV" của sinh viên Hoàng Quốc Việt đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống bảo vệ cho trạm biến áp hai máy biến áp $40\text{ MVA}$ cấp điện áp $115/38,5/23\text{ kV}$. Công trình đã tính chọn đầy đủ khí cụ điện đóng cắt - đo lường, xây dựng cấu hình bảo vệ kép tối ưu với rơle số Siemens SIPROTEC 7UT633 làm bảo vệ chính và 7SJ621 làm bảo vệ dự phòng. Toàn bộ các giá trị chỉnh định và hệ số độ nhạy của các chức năng bảo vệ so lệch và quá dòng đều được tính toán chuẩn xác, đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn vận hành an toàn của hệ thống điện.