Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu phục vụ toàn diện các lĩnh vực kinh tế quốc dân như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và đời sống sinh hoạt. Các sự cố và tình trạng làm việc không bình thường trong hệ thống điện luôn tiềm ẩn nguy cơ gây hư hỏng thiết bị đắt tiền, làm gián đoạn cung cấp điện và dẫn đến hậu quả nghiêm trọng về kinh tế - xã hội. Đối với kỹ sư ngành Điện Tự động Công nghiệp và Hệ thống điện, việc nắm vững bản chất các dạng sự cố, hiểu rõ các hiện tượng không bình thường, đồng thời thiết lập các phương thức và thiết bị bảo vệ nhằm phát hiện chính xác, cách ly nhanh chóng phần tử hư hỏng ra khỏi hệ thống là yêu cầu chuyên môn cốt lõi.
Đề tài tốt nghiệp "Tính toán, lựa chọn rơle bảo vệ cho trạm biến áp 110 kV" do sinh viên Bùi Xuân Trường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Thị Hồng Lý tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2018) nhằm giải quyết bài toán thiết kế bảo vệ rơle cho một trạm biến áp phân phối 110 kV cụ thể.
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác lập gồm 4 nội dung chính:
- Thu thập, tổng hợp các thông số kỹ thuật ban đầu của đối tượng bảo vệ (trạm biến áp 110 kV gồm 2 máy biến áp 3 cuộn dây làm việc song song, các hệ thống nguồn và đường dây liên kết).
- Tính toán dòng điện ngắn mạch, dòng làm việc cưỡng bức để lựa chọn và kiểm tra các thiết bị điện chính trong trạm (máy cắt điện, máy biến dòng điện, máy biến điện áp) ở các cấp điện áp 110 kV, 35 kV và 22 kV.
- Phân tích các dạng sự cố, chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp; xác định các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống bảo vệ (tác động nhanh, chọn lọc, độ nhạy, độ tin cậy) và xây dựng sơ đồ phương thức bảo vệ hoàn chỉnh cho trạm.
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính năng kỹ thuật của các dòng rơle kỹ thuật số hiện đại (rơle bảo vệ so lệch 7UT633 và rơle bảo vệ quá dòng 7SJ621 của hãng Siemens AG), từ đó tính toán các thông số chỉnh định, đặc tính làm việc và các chức năng bảo vệ tích hợp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:
- Đối tượng nghiên cứu: Trạm biến áp phân phối 110 kV gồm 2 máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây $T_1$ và $T_2$ làm việc song song, công suất định mức mỗi máy $S_{\text{đm}} = 40\text{ MVA}$, cấp điện áp $115/38,5/23\text{ kV}$, tổ đấu dây $Y_0/\Delta-11/Y_0$.
- Phạm vi không gian: Trạm biến áp 110 kV kết nối với hai hệ thống điện nguồn: Hệ thống 1 ($S_{1N\max} = 2500\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 2100\text{ MVA}$, $X_{0\max} = 0,7 X_{1\max}$, $X_{0\min} = 0,8 X_{1\max}$) và Hệ thống 2 ($S_{N\max} = 2000\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 1600\text{ MVA}$, $X_{0\max} = 0,75 X_{1\max}$, $X_{0\min} = 0,9 X_{1\max}$); cùng hai tuyến đường dây truyền tải: đường dây $D_1$ ($L_1 = 70\text{ km}$, dây dẫn AC-240, $Z_1 = 0,12 + j0,386\ \Omega/\text{km}$, $Z_0 = 2,5 Z_1\ \Omega/\text{km}$) và đường dây $D_2$ ($L_2 = 55\text{ km}$, dây dẫn AC-185, $Z_1 = 0,156 + j0,394\ \Omega/\text{km}$, $Z_0 = 2 Z_1\ \Omega/\text{km}$).
- Phạm vi thời gian: Đồ án được giao thực hiện từ ngày 09/02/2018 đến ngày 28/03/2018.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các lý thuyết kinh điển và hiện đại trong lĩnh vực bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện:
- Khung lý thuyết và mô hình bảo vệ:
- Lý thuyết bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (mã ANSI: 87T) cho máy biến áp nhiều cuộn dây, nguyên lý bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF - Restricted Earth Fault / 87N).
- Lý thuyết bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50/50N), bảo vệ quá dòng có thời gian (51/51N) với đặc tính thời gian độc lập và phụ thuộc.
- Lý thuyết bảo vệ quá tải nhiệt theo nguyên lý hình ảnh nhiệt dựa trên tiêu chuẩn IEC 60255-8 và mô hình điểm nóng theo IEC 60354.
- Lý thuyết bảo vệ rơle khí Buchholz dựa trên lưu tốc dòng dầu và lượng khí bốc hơi; bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF / Breaker Failure).
- Chuẩn truyền thông số trong trạm biến áp theo chuẩn IEC 60870-5-103, PROFIBUS-DP, MODBUS RTU.
- Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp giải tích tính toán ngắn mạch: Tính toán dòng ngắn mạch ba pha lớn nhất ($I''$) tại các điểm ngắn mạch trên thanh cái các cấp điện áp ($N'_1$ phía 110 kV đạt $11,33\text{ kA}$, $N_3$ phía 35 kV đạt $10,05\text{ kA}$, $N_2$ phía 22 kV đạt $11,81\text{ kA}$) để xác định dòng cắt định mức và dòng làm việc cưỡng bức.
- Phương pháp lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện: So sánh các đại lượng định mức và giới hạn của thiết bị với thông số làm việc của hệ thống theo các điều kiện: điện áp định mức ($U_{\text{đm}} \ge U_{\text{mạng}}$), dòng điện định mức ($I_{\text{đm}} \ge I_{\text{lvcb}}$), ổn định lực điện động ($i_{\text{lđđ}} \ge i_{\text{xk}}$), ổn định nhiệt ($(I_{\text{đm1BI}} \cdot t_{\text{nhđm}})^2 \ge B_N$), công suất phụ tải mạch nhị thứ ($S_{2\text{đm}} \ge S_2$) và cấp chính xác (5P đối với máy biến dòng bảo vệ).
- Phương pháp xử lý tín hiệu số và lọc Fourier: Ứng dụng chuỗi Fourier trong bộ vi xử lý rơle để lọc thành phần sóng cơ bản, trích xuất sóng hài bậc 2 nhằm khóa hãm khi xuất hiện dòng điện từ hóa đột biến (inrush current) và sóng hài bậc 3, bậc 5 khi máy biến áp bị quá kích thích; thuật toán phát hiện bão hòa biến dòng trong $1/4$ chu kỳ đầu để tạo vùng hãm bổ sung.
- Nguồn dữ liệu: Các thông số kỹ thuật lưới điện, trạm biến áp 110 kV, đường dây AC-240, AC-185; tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của các dòng rơle SIPROTEC 7UT633 và 7SJ621 từ nhà sản xuất Siemens AG; phần mềm chuyên dụng DIGSI 4.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu đối tượng bảo vệ, các thông số chính
Chương này trình bày chi tiết các số liệu kỹ thuật đầu vào của trạm biến áp 110 kV, máy biến áp $T_1$, $T_2$, các hệ thống nguồn và đường dây truyền tải. Trên cơ sở số liệu ngắn mạch, tác giả tiến hành tính toán và lựa chọn đầy đủ khí cụ điện cao áp và thiết bị đo lường cho cả ba cấp điện áp của trạm.
Máy biến áp của trạm có các thông số: $S_{\text{đm}} = 40\text{ MVA}$, cấp điện áp $U_C/U_T/U_H = 115/38,5/23\text{ kV}$, điện áp ngắn mạch $U_k% (C-T = 10,5%; C-H = 17%; T-H = 6%)$, phạm vi điều chỉnh điện áp dưới tải $U_{\text{đc}} = \pm 9 \times 1,78%$.
Bảng tổng hợp lựa chọn máy cắt điện (MC):
| Cấp điện áp |
Loại máy cắt |
$U_{\text{đm}}$ (kV) |
$I_{\text{đm}}$ (A) |
$I_{\text{cđm}}$ (kA) |
$i_{\text{lđđ}}$ (kA) |
Dòng ngắn mạch $I''$ (kA) |
| 110 kV |
BBY-110-40/2000 |
110 |
2000 |
40 |
40 |
11,33 |
| 35 kV |
BBY-35-40/3200 |
35 |
3200 |
40 |
40 |
10,05 |
| 22 kV |
BM-22-40/1200Y3 |
22 |
1200 |
40 |
25 |
11,81 |
Bảng tổng hợp thông số máy biến dòng điện (BI):
| Thông số |
Phía 110 kV |
Phía 35 kV |
Phía 22 kV |
| Kiểu BI |
TH-110M |
TH-35M |
TH-22M |
| $U_{\text{đm}}$ (kV) |
110 |
35 |
22 |
| Cấp chính xác |
5P |
5P |
5P |
| Bội số ổn định nhiệt ($t_{\text{nh}}$) |
60/1 |
65/1 |
12/4 |
| Tỷ số biến dòng |
300/1 |
1000/1 |
1500/1 |
Bảng tổng hợp thông số máy biến điện áp (BU):
| Thông số |
Phía 110 kV |
Phía 35 kV |
Phía 22 kV |
| Kiểu BU |
HK-110-58 |
3HOM-35 |
3HOЛ-06-24Y3 |
| $U_{\text{đm}}$ (kV) |
110 |
35 |
24 |
| $U_{\max}$ (kV) |
110 |
35 |
24 |
| Tỷ số biến đổi |
$\frac{110000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : 100$ |
$\frac{35000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : 100$ |
$\frac{24000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : 100$ |
| Tổ đấu dây |
$Y_0/Y_0/\Delta$ |
$Y_0/Y_0/\Delta$ |
$Y_0/Y_0/\Delta$ |
| Công suất định mức (VA) |
600 |
300 |
300 |
Chương 2: Lựa chọn phương thức bảo vệ
Chương 2 phân loại toàn diện các dạng hư hỏng của máy biến áp thành hai nhóm: hư hỏng bên trong (chạm chập các vòng dây trong cùng một pha, ngắn mạch chạm đất/chạm vỏ, sự cố bộ chuyển đổi đầu phân áp dưới tải, thủng thùng dầu hoặc rò rỉ dầu) và sự cố bên ngoài (ngắn mạch nhiều pha, ngắn mạch chạm đất ngoài hệ thống, quá bão hòa mạch từ, quá tải kéo dài làm già hóa cách điện).
Hệ thống bảo vệ thiết kế phải thỏa mãn 4 yêu cầu: Tác động nhanh; Chọn lọc; Độ nhạy (hệ số độ nhạy $k_n \ge 1,5$ đối với bảo vệ chính và $k_n \ge 1,2$ đối với bảo vệ dự phòng); Độ tin cậy cao.
Phương thức bảo vệ trạm biến áp được thiết lập gồm 9 chức năng phối hợp:
- Bảo vệ bằng rơle khí (Buchholz): Đặt trên đường ống nối giữa thùng dầu chính và bình giãn nở dầu. Cấp 1 tác động phát tín hiệu cảnh báo khi khí bốc ra yếu hoặc mức dầu hạ thấp do rò rỉ; cấp 2 tác động cắt máy biến áp khi luồng dầu chuyển động mạnh do ngắn mạch bên trong.
- Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (87T): Bảo vệ chính chống sự cố ngắn mạch trong cuộn dây và đầu cực. Nguyên lý so sánh biên độ dòng điện đi vào và đi ra. Trong chế độ bình thường hoặc sự cố ngoài: $I_{\text{SL}} = |I_1 - I_2| = 0$; khi sự cố trong vùng bảo vệ: $I_{\text{SL}} = |I_1 + I_2| \ne 0$. Dòng khởi động chỉnh định theo điều kiện chống dòng không cân bằng lớn nhất: $I_{\text{kđ}} > I_{\text{kcb}\max}$.
- Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không (87N / REF): Bảo vệ chống chạm đất giới hạn cho cuộn dây đấu sao có trung tính nối đất, so sánh dòng điện qua biến dòng chân trung tính với tổng dòng thứ tự không 3 pha ($3I_0 = I_A + I_B + I_C$).
- Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50/I / I>>): Tác động thời gian $t \approx 0\text{ s}$, dòng khởi động chỉnh định theo dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất: $I_{\text{kđ}} = k_{\text{at}} \cdot I_{N\text{ ngoài}\max}$ ($k_{\text{at}} = 1,3 \div 1,5$) hoặc theo dòng từ hóa nhảy vọt $I_{\text{kđ}} = (3 \div 5) I_{\text{đmB}}$.
- Bảo vệ quá dòng có thời gian (51/I / I>): Làm bảo vệ dự phòng, chỉnh định theo nguyên tắc bậc thang phối hợp với các bảo vệ lân cận. Dòng khởi động xác định theo công thức:
$$I_{\text{kđ}} = \frac{k_{\text{at}} \cdot k_{\text{mm}}}{k_{\text{tv}}} I_{\text{lv}\max}$$
Trong đó: $I_{\text{lv}\max} = 1,4 I_{\text{đđ}} = 1,4 \frac{S_{\text{đm}}}{\sqrt{3} U_{\text{đm}}}$; hệ số an toàn $k_{\text{at}} = 1,1 \div 1,2$; hệ số trở về $k_{\text{tv}} = 0,8 \div 0,9$.
- Bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N / $I_0>$): Đặt ở trung tính máy biến áp phía 110 kV, dòng khởi động chỉnh định lớn hơn dòng không cân bằng: $I_{\text{kđ}} = (0,1 \div \dots) I_{\text{đđBI}}$, thời gian phối hợp theo đặc tính bậc thang.
- Bảo vệ chống quá tải (49): Bảo vệ theo nguyên lý hình ảnh nhiệt có nhiều cấp tác động: cảnh báo, khởi động quạt làm mát tăng tốc độ tuần hoàn dầu, giảm tải và cắt máy biến áp nếu nhiệt độ vượt giới hạn cho phép kéo dài.
- Rơle nhiệt: Giám sát nhiệt độ trực tiếp của dầu và cuộn dây.
- Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF): Khởi động khi có lệnh cắt từ bảo vệ chính nhưng máy cắt không mở, sau thời gian trễ $T_{\text{BF}}$ sẽ phát lệnh cắt các máy cắt liên quan ở đầu nguồn.
Chương 3: Giới thiệu tính năng của các loại rơle sử dụng và tính toán các thông số
Chương 3 đi sâu phân tích cấu tạo phần cứng, nguyên lý xử lý số và các thuật toán bảo vệ của hai dòng rơle số do Siemens AG sản xuất: rơle bảo vệ chính 7UT633 và rơle bảo vệ dự phòng 7SJ621.
Rơle bảo vệ so lệch SIPROTEC 7UT633
- Phần cứng và xử lý: Trang bị vi xử lý 32-bit; cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch đo lường bên ngoài và khối xử lý bên trong. Cấu trúc gồm khối đầu vào tương tự AI (12 đầu vào dòng điện, 4 đầu vào điện áp), tầng khuếch đại IA, tầng biến đổi tương tự - số AD, vi xử lý $\mu\text{C}$ và tầng khuếch đại đầu ra OA. Thiết bị có 5 đầu vào nhị phân ($24 \div 250\text{ V DC}$), 8 tiếp điểm rơle đầu ra, 1 tiếp điểm cảnh báo, 1 đèn LED xanh (Run), 1 LED đỏ (Error) và 14 LED đỏ chỉ thị trạng thái có thể lập trình.
- Đặc tính tác động so lệch có hãm: Đường đặc tính tác động biểu diễn trên tọa độ ($I_{\text{SL}}, I_H$) gồm 4 đoạn rõ rệt:
- Đoạn a: Dòng khởi động ngưỡng thấp $I_{\text{DIFF}>}$ (địa chỉ 1221), phụ thuộc dòng từ hóa máy biến áp.
- Đoạn b: Bù trừ sai số biến đổi của BI và dải điều chỉnh đầu phân áp, độ dốc $\text{SLOPE 1}$ (địa chỉ 1241) bắt đầu từ $\text{BASE POINT 1}$ (địa chỉ 1242).
- Đoạn c: Khóa tác động khi xuất hiện bão hòa không đồng đều giữa các BI, độ dốc $\text{SLOPE 2}$ (địa chỉ 1243) bắt đầu từ $\text{BASE POINT 2}$ (địa chỉ 1244).
- Đoạn d: Dòng khởi động ngưỡng cao $I_{\text{DIFF}>>}$ (địa chỉ 1231), tác động cắt tức thời không thời gian và không phụ thuộc dòng hãm khi có ngắn mạch nặng trong vùng.
- Chức năng khóa sóng hài và vùng hãm bổ sung:
- Tách thành phần sóng hài bậc 2 qua bộ lọc số chuỗi Fourier để khóa so lệch khi có dòng xung kích đóng điện máy biến áp không tải; sử dụng sóng hài bậc 3 và bậc 5 để hãm khi xảy ra hiện tượng quá kích thích máy biến áp. Tích hợp chức năng khóa chéo (cross-blocking) giữa các pha.
- Vùng hãm bổ sung phát hiện hiện tượng bão hòa biến dòng ngay trong $1/4$ chu kỳ đầu tiên của ngắn mạch ngoài, đưa điểm làm việc vào vùng khóa và giải trừ lệnh khóa ngay khi điểm hoạt động dịch chuyển về đặc tính sự cố trong vùng.
- Mô hình bảo vệ quá tải nhiệt: Tính toán độ tăng nhiệt $\theta$ theo phương trình vi phân tiêu chuẩn IEC 60255-8:
$$\frac{d\theta}{dt} + \frac{1}{\tau} \theta = \frac{1}{\tau} \left(\frac{I}{k \cdot I_N}\right)^2$$
Trong đó $\tau$ là hằng số thời gian phát nóng, $I_N$ là dòng danh định, $k$ là hệ số dòng điện cực đại cho phép.
- Truyền thông: Cổng trước RS232 kết nối máy tính qua phần mềm DIGSI 4; cổng sau RS485 hỗ trợ modem/điều khiển từ xa; cổng giao tiếp hệ thống hỗ trợ chuẩn quốc tế IEC 60870-5-103, PROFIBUS-DP, MODBUS RTU.
Rơle bảo vệ dự phòng SIPROTEC 7SJ621
- Cấu hình: Sử dụng vi xử lý 32-bit, trang bị 4 biến dòng đầu vào, 11 đầu vào nhị phân, 6 rơle đầu ra, hỗ trợ đồng bộ thời gian thực qua IRIG-B hoặc DCF77, lưu trữ 8 biểu đồ dao động ghi sự cố.
- Chức năng bảo vệ quá dòng: Cung cấp đầy đủ các cấp bảo vệ 50, 50N, 51, 51N, 50Ns/51Ns (chạm đất độ nhạy cao). Đặc tính thời gian phụ thuộc tuân thủ chuẩn IEC với đường dốc bình thường (Normal Inverse):
$$t = \frac{0,14}{\left(\frac{I}{I_P}\right)^{0,02} - 1} \cdot t_P$$
Trong đó $t$ là thời gian tác động (giây), $t_P$ là bội số đặt thời gian, $I$ là dòng điện sự cố, $I_P$ là dòng điện khởi động.
- Chức năng tích hợp khác: Tự động đóng lại 79 (đóng lặp lại 3 pha hoặc từng pha), bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 50BF (bộ đếm thời gian $T_{\text{BF}}$ phát tín hiệu cắt liên động nếu sau thời gian đặt dòng sự cố vẫn tồn tại), bảo vệ quá tải nhiệt và chức năng logic lập trình được CFC (liên động khóa, điều khiển máy cắt và dao cách ly).
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung kỹ thuật trong thiết kế bảo vệ rơle trạm biến áp 110 kV với các kết quả cụ thể:
- Xác định chính xác các giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất tại các thanh cái: $I''{110\text{ kV}} = 11,33\text{ kA}$, $I''{35\text{ kV}} = 10,05\text{ kA}$, $I''_{22\text{ kV}} = 11,81\text{ kA}$.
- Lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị đóng cắt và đo lường cao áp: máy cắt BBY-110-40/2000, BBY-35-40/3200, BM-22-40/1200Y3; máy biến dòng cấp chính xác 5P kiểu TH-110M (300/1), TH-35M (1000/1), TH-22M (1500/1); máy biến điện áp kiểu HK-110-58, 3HOM-35, 3HOЛ-06-24Y3.
- Thiết lập sơ đồ phương thức bảo vệ toàn diện 9 chức năng phối hợp chặt chẽ giữa bảo vệ cơ khí - thủy lực (rơle khí Buchholz, rơle nhiệt) và bảo vệ số.
- Ứng dụng thành công cấu hình hai rơle số hiện đại của Siemens AG: 7UT633 làm bảo vệ chính (so lệch hãm đa đoạn, khóa sóng hài bậc 2/3/5, hãm bão hòa biến dòng $1/4$ chu kỳ, bảo vệ REF, quá tải nhiệt) và 7SJ621 làm bảo vệ dự phòng (quá dòng đa cấp theo đặc tính chuẩn IEC, 50BF, tự động đóng lại 79, điều khiển liên động qua logic CFC).
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc thay thế các rơle điện cơ/điện tử truyền thống cồng kềnh bằng các rơle kỹ thuật số đa chức năng có độ chính xác cao, công suất tiêu thụ mạch đo cực thấp ($\le 0,1\text{ VA}$), khả năng tự giám sát phần cứng/phần mềm liên tục và sẵn sàng tích hợp vào mạng tự động hóa trạm qua giao thức chuẩn quốc tế IEC 60870-5-103 và phần mềm DIGSI 4.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Đồ án tập trung chính vào việc lựa chọn thiết bị, phân tích nguyên lý chức năng và cấu trúc phần cứng rơle số; chưa thể hiện đầy đủ bảng tính toán số liệu cài đặt chi tiết cho toàn bộ các địa chỉ tham số (parameter addresses) của rơle trong phần mềm DIGSI 4.
- Phương pháp bảo vệ quá tải nhiệt mới chỉ dừng lại ở mô hình hình ảnh nhiệt theo IEC 60255-8, chưa áp dụng mô hình tính toán điểm nóng (hot-spot) và độ già hóa cách điện theo IEC 60354 do đòi hỏi thông số đo nhiệt độ chi tiết qua hộp cảm biến nhiệt RTD (7XV566).
- Rơle Buchholz vẫn tồn tại nhược điểm tác động nhầm khi có chấn động cơ học mạnh từ bên ngoài (như động đất hoặc nổ rung).
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Xây dựng file cấu hình hoàn chỉnh (.xdcl/.cfs) trên phần mềm DIGSI 4 cho rơle 7UT633 và 7SJ621, tiến hành nạp tham số và thử nghiệm mô phỏng bằng hợp bộ thử nghiệm rơle.
- Mở rộng nghiên cứu chuẩn giao tiếp mạng trạm biến áp số toàn diện theo tiêu chuẩn IEC 61850 (truyền thông GOOSE và Sampled Values) thay thế cho giao thức IEC 60870-5-103.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động Công nghiệp, Hệ thống Điện trong quá trình thực hiện đồ án môn học Bảo vệ Rơle, đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm biến áp 110 kV.
Nội dung đồ án cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp lựa chọn máy cắt, máy biến dòng, máy biến điện áp; đặc biệt là phần phân tích sâu đặc tính làm việc 4 đoạn, cơ chế hãm sóng hài, giải thuật hãm bão hòa BI và các giao thức truyền thông của hai dòng rơle số Siemens SIPROTEC 7UT633 và 7SJ621.
Câu hỏi thường gặp
1. Máy biến áp trong đồ án có những thông số kỹ thuật định mức nào?
Máy biến áp $T_1, T_2$ của trạm có công suất định mức $S_{\text{đm}} = 40\text{ MVA}$, cấp điện áp định mức $U_C/U_T/U_H = 115/38,5/23\text{ kV}$, tổ đấu dây $Y_0/\Delta-11/Y_0$, điện áp ngắn mạch $U_k% (C-T = 10,5%; C-H = 17%; T-H = 6%)$, phạm vi điều chỉnh điện áp dưới tải $U_{\text{đc}} = \pm 9 \times 1,78%$.
2. Các loại máy cắt điện cao áp nào được lựa chọn cho trạm biến áp?
Tác giả đã lựa chọn các loại máy cắt điện gồm:
- Phía 110 kV: Máy cắt BBY-110-40/2000 ($U_{\text{đm}} = 110\text{ kV}, I_{\text{đm}} = 2000\text{ A}, I_{\text{cđm}} = 40\text{ kA}, i_{\text{lđđ}} = 40\text{ kA}$).
- Phía 35 kV: Máy cắt BBY-35-40/3200 ($U_{\text{đm}} = 35\text{ kV}, I_{\text{đm}} = 3200\text{ A}, I_{\text{cđm}} = 40\text{ kA}, i_{\text{lđđ}} = 40\text{ kA}$).
- Phía 22 kV: Máy cắt BM-22-40/1200Y3 ($U_{\text{đm}} = 22\text{ kV}, I_{\text{đm}} = 1200\text{ A}, I_{\text{cđm}} = 40\text{ kA}, i_{\text{lđđ}} = 25\text{ kA}$).
3. Rơle số Siemens 7UT633 sử dụng biện pháp nào để ngăn tác động nhầm khi đóng máy biến áp không tải hoặc khi máy biến áp bị quá kích thích?
Rơle 7UT633 sử dụng bộ lọc số chuỗi Fourier để phân tích phổ tần số của dòng điện:
- Trích xuất thành phần sóng hài bậc hai ($2^{\text{nd}}$ harmonic) để thực hiện chức năng khóa hãm bảo vệ so lệch khi có dòng điện từ hóa đột biến tăng cao lúc đóng máy biến áp không tải.
- Sử dụng thành phần sóng hài bậc ba và bậc năm ($3^{\text{rd}}$ và $5^{\text{th}}$ harmonic, chủ yếu là bậc 5 trong máy biến áp có cuộn tam giác) để ổn định và hãm bảo vệ khi máy biến áp rơi vào trạng thái quá kích thích.
4. Rơle 7UT633 nhận biết và xử lý hiện tượng bão hòa máy biến dòng (BI) như thế nào?
Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, dòng ngắn mạch lớn ban đầu sẽ làm biến dòng bão hòa mạnh. Rơle 7UT633 tự động phát hiện hiện tượng bão hòa biến dòng ngay trong $1/4$ chu kỳ đầu tiên của sự cố dựa trên thành phần dòng hãm tăng cao, từ đó tạo ra một "vùng hãm bổ sung" giới hạn bởi đoạn đặc tính $b$ và trục $I_H$ để khóa bảo vệ so lệch trong một khoảng thời gian chỉnh định, ngăn ngừa rơle tác động nhầm.
5. Nguyên lý hoạt động của chức năng chống hư hỏng máy cắt (50BF) trong rơle 7SJ621 là gì?
Khi bảo vệ chính phát tín hiệu cắt đến máy cắt, bộ đếm thời gian $T_{\text{BF}}$ của chức năng 50BF sẽ khởi động. Nếu máy cắt bị kẹt hoặc từ chối thao tác cắt, dòng sự cố và tín hiệu cắt vẫn tiếp tục duy trì vượt quá ngưỡng thời gian giới hạn $T_{\text{BF}}$, chức năng 50BF sẽ phát tín hiệu đi cắt liên động các máy cắt đầu nguồn lân cận để cô lập hoàn toàn điểm sự cố.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, lựa chọn rơle bảo vệ cho trạm biến áp 110 kV" của tác giả Bùi Xuân Trường đã thực hiện trọn vẹn việc tính toán ngắn mạch, chọn lựa đồng bộ các khí cụ đóng cắt - đo lường (máy cắt, BI, BU) và thiết kế cấu hình bảo vệ rơle cho trạm biến áp 110 kV công suất $2 \times 40\text{ MVA}$. Bằng việc ứng dụng hai dòng rơle số hiện đại Siemens SIPROTEC 7UT633 và 7SJ621, công trình đã làm rõ các giải thuật so lệch có hãm đa đoạn, khóa sóng hài, hãm bão hòa biến dòng và bảo vệ quá dòng theo chuẩn IEC. Đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về độ chọn lọc, độ nhạy, tác động nhanh và độ tin cậy, đóng vai trò là tài liệu tham khảo học thuật có giá trị cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Điện.
