CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG VÀ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 1.1 Giới thiệu đối tượng và hệ thống rơle bảo vệ Đối tượng cần thiết kế hệ thống rơle bảo vệ là đường dây truyền tải cấp 220 kV dài 95 km, nối giữa 2 trạm điện là trạm A và trạm B. Hai trạm A và B có sử dụng sơ đồ thanh góp 3/2 kết giữa thanh góp và đường dây.1 Sơ đồ 1 sợi đường dây cần bảo vệ 1.1 Các thông số chính ▪ Đường dây Kiểu dây: AC-400 Chiều dài: L=95 km Giá trị thứ tự thuận: • Điện trở riêng thứ tự thuận: R1 = 0.178598 10−4 (Ω / m) • Điện kháng riêng thứ tự thuận: X1 = 0.31388 10−3 (Ω / m) 1 • Điện dung riêng thứ tự thuận: X C1 = = 273.m) 2fC Giá trị thứ tự không: • Điện trở riêng thứ tự không: R 0 = 0.295220 10−3 (Ω / m) • Điện kháng riêng thứ tự không: X0 = 0.1039898 10−2 (Ω / m) • Điện dung riêng thứ tự không: X C0 = 414.m) ▪ Dòng ngắn mạch thanh góp Dòng ngắn mạch tại thanh góp 220 kV trạm A 1 I N ( ) max/min = 25 / 22 kA 3 I N ( ) max/min = 23 / 17 kA 1 Dòng ngắn mạch tại thanh góp 220 kV trạm B I N ( ) max/min = 27 / 23 kA 3 I N ( ) max/min = 24 / 20 kA 1 1.2 Các rơle bảo vệ o Rơle bảo vệ so lệch đường dây RED670 của hãng ABB. o Rơle bảo vệ khoảng cách đường dây 7SA522 của hãng Siemens.
o Rơle điều khiển ngăn lộ 6MD664 của hãng Siemens.2 Tính toán ngắn mạch 1.1 Giới thiệu chung Ngắn mạch là một dạng sự cố nặng nề trong hệ thống điện, nguyên nhân gây ngắn mạch bao gồm việc tác động của con người, động vật, gió bão; do cách điện bị hỏng; do sét đánh hoặc do thao tác sai quy trình [1]. Dòng điện ngắn mạch cực lớn có thể gây phát nóng cục bộ nhanh, sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị, gây sụt áp lưới điện, sinh ra dòng điện không đối xứng, có thể gây mất ổn định hệ thống điện và gây gián đoạn cung cấp điện. Vì vậy, cần phải loại trừ dòng ngắn mạch nhanh chóng trong khoảng thời gian từ 3-5 chu kỳ (60-100 ms) đối với lưới điện truyền tải. Phần này sẽ thực hiện tính toán ngắn mạch các điểm trên đường dây truyền tải 220 kV để phục vụ tính toán cài đặt cho vùng bảo vệ rơle.
Các giả thiết khi tính toán ngắn mạch: • Tần số hệ thống không thay đổi. • Bỏ qua bão hòa mạch từ. • Bỏ qua thành phần điện trở của đường dây và các trạm. • Sức điện động của hệ thống không đổi và đối xứng kể cả khi có sự cố.2 Lựa chọn các điểm tính toán ngắn mạch Việc lựa chọn các điểm tính toán ngắn mạch giúp ta có kết quả để tính toán chỉnh định rơle bảo vệ (các giá trị Imax, Imin).
Các rơle bảo vệ thường nhìn sự cố dưới tín hiệu dòng điện đo được của các máy biến dòng BI. Vậy nên, các điểm trước và sau BI thường chọn là điểm chọn tính toán ngắn mạch để tính toán chỉnh định. Xét các điểm chọn ngắn mạch trong trạm biến áp A (sẽ tương tự với trạm B) tại hình 1.2 Các điểm cần tính toán ngắn mạch trong trạm biến áp Ta xét các điểm đâu là điểm ngắn mạch trong vùng, đâu là điểm ngắn mạch ngoài vùng của đối tượng bảo vệ là đường dây. Dễ thấy, điểm ngắn mạch N1 là điểm ngắn mạch trong vùng, các điểm ngắn mạch còn lại là ngoài vùng.
Với các điểm ngắn mạch ngoài vùng, ta coi vai trò như nhau với giá trị dòng ngắn mạch bằng nhau. Vì vậy chỉ cần tính 1 điểm ngắn mạch trong vùng N1, 1 điểm ngắn mạch ngoài vùng N2 với mỗi trạm (là điểm NA và NA’ trong hình 1. Cần tính các điểm ngắn mạch trước và ngay sau biến dòng điện ở mỗi trạm. Coi trạm biến áp A, B là hệ thống A và B, máy biến dòng ở đầu mỗi trạm thực tế là 2 máy biến dòng nối với ngăn lộ đường dây, máy cắt ở đầu đường dây thực tế là 2 máy cắt trong sơ đồ thanh góp 3/2.
Ta có các điểm ngắn mạch tính toán là: Hình 1.3 Các điểm tính toán ngắn mạch trên đường dây truyền tải 1.3 Tính toán ngắn mạch bằng tay tại 1 điểm ngắn mạch NA Phần này tiến hành tính toán ngắn mạch bằng tay chế độ max tại 1 điểm ngắn mạch chọn là điểm NA và các điểm ngắn mạch còn lại sẽ tiến hành tính toán qua phần mềm ETAP ở phần sau. Để thuận tiện và dễ dàng hơn khi tính toán bằng tay, ta giả sử điện áp tại thanh cái của 2 trạm biến áp khi ngắn mạch có điện áp trung bình là 230 kV, bỏ qua thành phần điện trở, điện dung của dây truyền tải, chỉ sử dụng giá trị điện kháng, bỏ qua điện trở tại điểm ngắn mạch chạm đất. 3 • Chọn đại lượng cơ bản: Chọn Scb = 100 MVA; U cb = 230 kV. • Tìm điện kháng thứ tự thuận và thứ tự không của trạm A, B tới thanh cái Trạm A: Độ lớn dòng ngắn mạch tại thanh góp trạm biến áp A: I N (3) max =25kA;I N (1) max =23kA Công suất ngắn mạch 3 pha bằng: NM −3ph = Smax N −3ph = 3.25 = 9959MVAs Điện kháng thứ tự thuận của hệ thống trạm A: Scb 100 max X1A = = = 0,01 Smax NM −3ph 9959 Điện kháng thứ tự nghịch và thứ tự không của trạm A: 2A = X1A = 0,01 X max max V 3V I3ph = ;I1ph = X1 X1 + X 2 + X 0 I X + X2 + X0 = 3ph = 1 I1ph 3X1 I 25 = X 0A max = 3ph .0,01 = 0,0126 I1ph 23 So sánh với kết quả tính toán điện kháng trong ETAP: Hình 1.4 Kết quả điện kháng trạm A tính toán trong ETAP Ta thấy kết quả tính toán tính tay bằng với kết quả tính toán điện kháng trong phần mềm ETAP.
Tương tự, ta sẽ dùng kết quả tính toán điện kháng ở trạm B với hỗ trợ của phần mềm ETAP. 4 X1B = X 2B = 0,0093 X0A(pu) = 0,0128 • Điện kháng đường dây: Điện kháng riêng trên đơn vị độ dài của đường dây là: Điện kháng riêng thứ tự thuận: X1 = 0.31388(Ω / km) Điện kháng riêng thứ tự không: X0 = 0.039898(Ω / km) Điện kháng thứ tự thuận, nghịch, không của cả đường dây là: o X1L = X 2L = X1. = 0,187 U cb 2302 Tại điểm ngắn mạch NA có sơ đồ thuận, nghịch, không là: Hình 1.5 Sơ đồ thay thế thứ tự thuận, nghịch, không để tính toán ngắn mạch Từ đó tính được: X1AN .0,0657 X1 = X 2 = = = 0,0087 X1AN + X1BN 0,01 + 0,0657 X 0AN. Ngắn mạch 3 pha: Các giá trị dòng điện đối xứng của ngắn mạch 3 pha là: 5 E 1 Dòng thứ tự thuận: I1N = = = − j114,9 jX1 j0,0087 Dòng thứ tự nghịch: I 2 N = 0 Dòng thứ tự không: I0 N = 0 • Dòng điện ngắn mạch 3 pha qua rơle phía trạm A, B: Rơle phía trạm A nhận tín hiệu dòng điện qua BI-A, rơle phía trạm B nhận tín hiệu dòng điện qua BI-B.
Cách tính dòng pha A, B, C khi biết các dòng thứ tự đối xứng theo công thức sau: I A 1 1 1 I1 I = a 2 a 1. I B 2 IC a a 1 I 0 2 • Xét phía máy biến dòng BI-A Dòng điện thứ tự thuận qua BI-A: X1BN 0,0657 I1N/BI−A = I1N. = − j99,7 X1AN + X1BN 0,01 + 0,0657 Dòng điện thứ tự nghịch, không qua BI-A bằng 0: I2N/BI−A = I0N/BI−A = 0 Dòng điện ngắn mạch 3 pha BI-A đo được bằng nhau: I N/BI−A = I1N/BI−A + I 2N/BI−A + I0N/BI−A = 99,7 Scb 100 I N/BI−A (kA) = I N/BI−A .230 Không có dòng thứ tự không qua BI-A do đây là ngắn mạch đối xứng: I0/BI−A = 0 • Xét phía máy biến dòng BI-B: Dòng điện thứ tự thuận qua BI-B: X1AN 0,01 I1N/BI−B = I1N. = − j15, 2 X1AN + X1BN 0,01 + 0,0657 Dòng điện thứ tự nghịch, không qua BI-B bằng 0: I2N/BI−B = I0N/BI −B = 0 Dòng điện ngắn mạch 3 pha BI-B đo được bằng nhau: I N/BI−B = I1N/BI−B + I2N/BI −B + I0N/BI −B = 15, 2 Scb 100 I N/BI−B (kA) = I N/BI−B .230 Không có dòng thứ tự không qua BI-B do đây là ngắn mạch đối xứng: I0/BI− B (kA) = 0 b.
Ngắn mạch 1 pha chạm đất (pha A): • Dòng điện các thứ tự thuận, nghịch, không trong ngắn mạch 1 pha chạm đất bằng nhau: 6 E 1 I1N = I 2 N = I0 N = = = − j34 j(X1 + X 2 + X 0 ) j(0,0087 + 0,0087 + 0,012) • Xét phía máy biến dòng BI-A: Dòng điện thứ tự thuận qua BI-A: X1BN 0,0657 I1N/BI−A = I1N. = − j29,5 X1AN + X1BN 0,01 + 0,0657 Dòng điện thứ tự nghịch qua BI-A: X 2BN 0,0657 I 2N/BI −A = I2N. = − j29,5 X 2AN + X 2BN 0,01 + 0,0657 Dòng điện thứ tự không qua BI-A: X 0BN 0, 2 I0N/BI−A = I0N. = − j32 X 0AN + X 0BN 0, 2 + 0,0128 Ngắn mạch 1 pha(A) thì BI-A đo được dòng ngắn mạch qua pha A: I N/BI−A = I1N/BI−A + I 2N/BI−A + I0N/BI−A = 91 Scb 100 I N/BI−A (kA) = I N/BI−A .230 Dòng chạm đất 3I0 mà BI-A đo được: Scb 100 3I0/BI−A (kA) = 3I0N/BI−A .230 • Xét phía máy biến dòng BI-B: Dòng điện thứ tự thuận qua BI-B: X1AN 0,01 I1N/BI−B = I1N.
= − j4,5 X1AN + X1BN 0,01 + 0,0657 Dòng điện thứ tự nghịch qua BI-B: X 2AN 0,01 I 2N/BI−B = I2N. = − j4,5 X 2AN + X 2BN 0,01 + 0,0657 Dòng điện thứ tự không qua BI-B: X 0AN 0,0128 I0N/BI−B = I0N. = − j2 X 0AN + X 0BN 0, 2 + 0,0128 Dòng ngắn mạch qua pha A mà BI-B đo được: I N/BI−B = I1N/BI −B + I2N/BI −B + I0N/BI −B = 11 Scb 100 I N/BI−B (kA) = I N/BI −B .230 Dòng chạm đất 3I0 mà BI-B đo được: 7 Scb 100 3I0/BI−B (kA) = 3. Ngắn mạch 2 pha chạm đất (pha B, C): Dòng điện thứ tự thuận, nghịch, không rút gọn là: E(X 0 + X 2 ) 1(0,012 + 0,0087) I1N = = = − j66 j(X1 .0,012) • Xét dòng đo được phía BI-A: Dòng thứ tự thuận, nghịch, không qua BI-A là: X1BN 0,0657 I1N/BI −A = I1N .