Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng là dạng năng lượng thiết yếu phục vụ toàn bộ các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và đời sống dân sinh. Trong quá trình vận hành hệ thống điện, các sự cố hư hỏng và các chế độ làm việc không bình thường luôn có nguy cơ xuất hiện, gây gián đoạn cung cấp điện và thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế. Do đó, việc nghiên cứu các hiện tượng sự cố, đồng thời tính toán lựa chọn các thiết bị bảo vệ rơle nhằm phát hiện chính xác, cách ly nhanh chóng phần tử hư hỏng ra khỏi lưới điện và cảnh báo kịp thời là yêu cầu kỹ thuật trọng tâm đối với kỹ sư ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.

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 Th.S Đỗ Thị Hồng Lý tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (thời gian thực hiện từ ngày 09/02/2018 đến ngày 28/03/2018) nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Thu thập, phân tích thông số kỹ thuật của hệ thống điện cung cấp và đối tượng bảo vệ là trạm biến áp phân phối 110 kV.
  2. Tính toán và lựa chọn các thiết bị điện sơ cấp, khí cụ đóng cắt và đo lường (máy cắt điện, máy biến dòng điện BI, máy biến điện áp BU) tại các cấp điện áp 110 kV, 35 kV và 22 kV.
  3. Phân tích các dạng sự cố, xác lập phương thức bảo vệ toàn diện cho máy biến áp ba pha ba cuộn dây.
  4. Nghiên cứu tính năng kỹ thuật của các rơle kỹ thuật số hiện đại và tính toán các thông số chỉnh định bảo vệ cho trạm biến áp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm biến áp 110 kV gồm 2 máy biến áp làm việc song song, công suất mỗi máy $S_{đm} = 40\text{ MVA}$, cấp điện áp $115 / 38,5 / 23\text{ kV}$, tổ đấu dây $Y_0/\Delta-11/Y_0$. Trạm được cấp nguồn từ hai hệ thống điện HTĐ1 ($S_{N\max} = 2500\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 2100\text{ MVA}$) và HTĐ2 ($S_{N\max} = 2000\text{ MVA}$, $S_{N\min} = 1600\text{ MVA}$) qua hai tuyến đường dây truyền tải D1 ($70\text{ km}$, dây AC-240) và D2 ($55\text{ km}$, dây AC-185).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng các nguyên lý bảo vệ rơle kinh điển kết hợp với công nghệ rơle kỹ thuật số vi xử lý, dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế:

  • Tiêu chuẩn IEC 60255-8: Bảo vệ quá tải nhiệt theo nguyên lý hình ảnh nhiệt.
  • Tiêu chuẩn IEC 60354: Tính toán nhiệt độ điểm nóng và tỷ lệ già hóa cách điện của máy biến áp.
  • Tiêu chuẩn truyền thông IEC 60870-5-103, PROFIBUS-DP, MODBUS RTU dùng trong mạng bảo vệ và điều khiển trạm.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật điện: Xác định dòng điện làm việc cực đại cưỡng bức ($I_{lv.max} = 1,4 \times I_{đmB}$), dòng ngắn mạch lớn nhất tại các điểm nút trên thanh cái 110 kV, 35 kV, 22 kV nhằm chọn và kiểm tra điều kiện ổn định điện động, ổn định nhiệt của máy cắt, máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU).
  • Phương pháp phối hợp ma trận đo lường: Biến đổi vector dòng điện thứ cấp theo tổ đấu dây máy biến áp về cùng một phía sơ cấp thông qua phương trình ma trận $[I_D] = k \cdot [K] \cdot [I_P]$ để triệt tiêu sai lệch góc pha và tỷ số biến dòng.
  • Phương pháp phân tích phổ tần số Fourier: Số hóa tín hiệu tương tự, phân tích các thành phần sóng hài bậc 2 (chống dòng xung kích từ hóa khi đóng MBA không tải) và sóng hài bậc 5 (chống quá kích thích mạch từ) để đưa vào mạch hãm rơle so lệch.

Thiết kế và triển khai hệ thống bảo vệ

Đồ án triển khai thiết kế cấu hình bảo vệ cho trạm biến áp sử dụng hai dòng rơle kỹ thuật số chuyên dụng của hãng Siemens AG:

Thiết bị bảo vệ Mã hiệu Cấu hình phần cứng Chức năng đảm nhiệm
Rơle bảo vệ chính SIPROTEC 7UT633 Vi xử lý 32-bit; 12 đầu vào dòng điện; 4 đầu vào điện áp; 25 đầu vào nhị phân; 8 tiếp điểm ra + 1 tiếp điểm cảnh báo; màn hình LCD - Bảo vệ so lệch có hãm (87T/$\Delta I$)
- Bảo vệ chạm đất hạn chế (87N/REF)
- Bảo vệ quá tải nhiệt (49)
- Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF)
Rơle bảo vệ dự phòng SIPROTEC 7SJ621 Vi xử lý 32-bit; 4 đầu vào biến dòng (3 pha + 1 đất); 11 đầu vào nhị phân; 6 đầu ra rơle; logic lập trình CFC - Bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50/50N)
- Bảo vệ quá dòng có thời gian (51/51N)
- Chống chạm đất độ nhạy cao (50Ns/51Ns)
- Tự động đóng lại (79) và 50BF

Hệ thống giao tiếp và truyền thông của rơle được thiết kế đa tầng:

  • Cổng mặt trước (Front PC Port): Chuẩn RS232 giao tiếp máy tính tại chỗ qua phần mềm DIGSI 4 để cài đặt thông số và thử nghiệm.
  • Cổng dịch vụ phía sau (Service Port): Chuẩn RS485 phục vụ điều khiển tập trung, kết nối qua Modem/RTD-box.
  • Cổng hệ thống phía sau (System Port): Hỗ trợ giao thức IEC 60870-5-103, PROFIBUS, MODBUS RTU kết nối về trung tâm điều khiển SCADA hoặc hệ thống SICAM/SINAULT LAS.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 tổng hợp toàn bộ thông số kỹ thuật đầu vào của nguồn điện, đường dây và máy biến áp, đồng thời thực hiện tính toán lựa chọn các thiết bị đo lường, đóng cắt sơ cấp cho trạm biến áp.

Thông số máy biến áp $T_1, T_2$:

  • Công suất định mức: $S_{đm} = 40\text{ MVA}$.
  • Cấp điện áp: $U_C / U_T / U_H = 115 / 38,5 / 23\text{ kV}$.
  • Điện áp ngắn mạch: $U_k% (C-T = 10,5%; C-H = 17%; T-H = 6%)$.
  • Dải điều chỉnh đầu phân áp: $\Delta U_{đc} = \pm 9 \times 1,78%$.

Thông số đường dây:

  • Tuyến D1: Chiều dài $L_1 = 70\text{ km}$, dây nhôm lõi thép AC-240, $Z_1 = 0,12 + j0,386\ \Omega/\text{km}$, $Z_0 = 2,5 Z_1$.
  • Tuyến D2: Chiều dài $L_2 = 55\text{ km}$, dây AC-185, $Z_1 = 0,156 + j0,394\ \Omega/\text{km}$, $Z_0 = 2 Z_1$.

Dựa trên kết quả tính toán dòng điện làm việc cực đại và dòng điện ngắn mạch xung kích lớn nhất ($i_{xk}$), đồ án đã lựa chọn danh mục khí cụ điện:

Vị trí cấp điện áp Máy cắt điện được chọn Máy biến dòng điện (BI) Máy biến điện áp (BU)
Phía 110 kV BBY-110-40/2000
($U_{đm}=110\text{ kV}, I_{đm}=2000\text{ A}$,
$I_{cđm}=40\text{ kA}, i_{đk}=40\text{ kA}$)		 TPH-110M
Tỷ số biến: 300/1 A
Cấp chính xác: 5P		 HKF-110-58
$U_{đm}=110\text{ kV}$, $S_{đm}=600\text{ VA}$
Tỷ số: $\frac{110000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : \frac{100}{3}\text{ V}$
Phía 35 kV BBY-35-40/3200
($U_{đm}=35\text{ kV}, I_{đm}=3200\text{ A}$,
$I_{cđm}=40\text{ kA}, i_{đk}=40\text{ kA}$)		 TPH-35M
Tỷ số biến: 1000/1 A
Cấp chính xác: 5P		 3HOM-35
$U_{đm}=35\text{ kV}$, $S_{đm}=300\text{ VA}$
Tỷ số: $\frac{35000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : \frac{100}{3}\text{ V}$
Phía 22 kV BFM-22-40/1200Y
($U_{đm}=22\text{ kV}, I_{đm}=1200\text{ A}$,
$I_{cđm}=40\text{ kA}, i_{đk}=25\text{ kA}$)		 TPH-22M
Tỷ số biến: 1500/1 A
Cấp chính xác: 5P		 3HOП-06-24Y3
$U_{đm}=24\text{ kV}$, $S_{đm}=300\text{ VA}$
Tỷ số: $\frac{24000}{\sqrt{3}} : \frac{100}{\sqrt{3}} : \frac{100}{3}\text{ V}$

Chương 2: Lựa chọn phương thức bảo vệ

Chương 2 phân tích bản chất các dạng sự cố bên trong (chạm chập các vòng dây cùng pha, chạm đất vỏ, hỏng bộ phân áp, thủng rò rỉ dầu) và sự cố bên ngoài máy biến áp (ngắn mạch nhiều pha, ngắn mạch một pha, quá bão hòa mạch từ, quá tải). Hệ thống bảo vệ được thiết kế nhằm đáp ứng bốn yêu cầu kỹ thuật: tác động nhanh, tính chọn lọc, độ nhạy ($k_{nh} \ge 1,5$ đối với bảo vệ chính, $k_{nh} \ge 1,2$ đối với bảo vệ dự phòng) và độ tin cậy.

Sơ đồ phương thức bảo vệ tổng thể cho trạm biến áp gồm 9 chức năng phối hợp:

  1. Bảo vệ bằng rơle khí Buchholz: Đặt trên ống nối giữa thùng dầu chính và bình dầu phụ; cấp 1 phát tín hiệu cảnh báo khi sinh khí nhẹ do quá nhiệt hoặc rò rỉ dầu; cấp 2 phát lệnh cắt máy cắt khi sinh khí mạnh do ngắn mạch trong thùng dầu.
  2. Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (87T): Bảo vệ chính chống ngắn mạch nhiều pha và chạm đất trong cuộn dây MBA.
  3. Bảo vệ so lệch dòng thứ tự không (87N / REF): Bảo vệ chống chạm đất hạn chế cho cuộn dây nối hình sao có trung tính nối đất.
  4. Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50 / $I>>$): Cắt tức thời ($t \approx 0\text{ s}$) khi dòng ngắn mạch vượt quá ngưỡng chọn lọc ngoài vùng bảo vệ.
  5. Bảo vệ quá dòng điện có thời gian (51 / $I>$): Bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch, chỉnh định theo đặc tính bậc thang phối hợp với các bảo vệ lân cận.
  6. Bảo vệ quá dòng thứ tự không (51N / $I_0>$): Đặt ở điểm trung tính phía 110 kV chống ngắn mạch chạm đất.
  7. Bảo vệ chống quá tải (49 / $I>$): Tác động theo đặc tính thời gian phụ thuộc, gửi tín hiệu cảnh báo, khởi động quạt làm mát, giảm tải hoặc cắt MBA nếu quá nhiệt kéo dài.
  8. Rơle nhiệt: Giám sát nhiệt độ dầu và cuộn dây.
  9. Bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF): Tác động cắt máy cắt phía thượng nguồn nếu máy cắt liên quan từ chối lệnh cắt sau khoảng thời gian trễ $T_{BF}$.

Chương 3: Giới thiệu tính năng của các loại rơle và tính toán các thông số

Chương 3 đi sâu vào phân tích thuật toán xử lý tín hiệu số của hai rơle SIPROTEC 7UT633 và 7SJ621, cùng các nguyên lý chỉnh định:

1. Nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm trong rơle 7UT633

Đặc tính tác động của rơle 7UT633 được biểu diễn trên hệ tọa độ tương đối giữa dòng so lệch $I_{sl} = |\vec{I}_1 + \vec{I}_2 + \vec{I}_3|$ và dòng hãm $I_h = |\vec{I}_1| + |\vec{I}_2| + |\vec{I}_3|$, bao gồm 4 đoạn đặc tính:

  • Đoạn a: Ngưỡng khởi động thấp $I_{diff}>$ (địa chỉ 1221), phụ thuộc dòng từ hóa máy biến áp.
  • Đoạn b: Bù sai số biến đổi của BI và thay đổi đầu phân áp, đặc trưng bởi độ dốc SLOPE 1 (địa chỉ 1241) xuất phát từ điểm BASE POINT 1 (địa chỉ 1242).
  • Đoạn c: Chống tác động nhầm khi bão hòa BI không đồng đều, đặc trưng bởi độ dốc SLOPE 2 (địa chỉ 1243) xuất phát từ điểm BASE POINT 2 (địa chỉ 1244).
  • Đoạn d: Ngưỡng tác động cắt nhanh không hãm $I_{diff}>>$ (địa chỉ 1231), loại trừ tức thời dòng sự cố cực lớn bên trong vùng bảo vệ mà không xét đến dòng hãm hay sóng hài.

Chức năng hãm sóng hài và khóa bão hòa:

  • Hãm sóng hài bậc 2 để ngăn tác động nhầm do dòng xung kích đóng điện máy biến áp không tải.
  • Hãm sóng hài bậc 5 và bậc 3 chống quá kích thích mạch từ.
  • Tự động phát hiện bão hòa BI trong $1/4$ chu kỳ đầu tiên của dòng ngắn mạch ngoài để kích hoạt vùng hãm bổ sung và thực hiện chức năng khóa chéo giữa các pha.

Bảo vệ quá tải nhiệt theo phương trình vi phân mô hình hình ảnh nhiệt: $$\tau \frac{d\theta}{dt} + \theta = \left(\frac{I}{k \cdot I_N}\right)^2$$ Trong đó: $\theta$ là độ chênh nhiệt độ, $\tau$ là hằng số thời gian nhiệt, $I_N$ là dòng danh định, $k$ là hệ số quá tải cho phép.

2. Nguyên lý bảo vệ quá dòng trong rơle 7SJ621

Rơle 7SJ621 được cấu hình các đường cong thời gian phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEC:

  • Đặc tính dốc bình thường (Normal Inverse): $$t = \frac{0,14}{\left(\frac{I}{I_p}\right)^{0,02} - 1} \cdot t_p$$
  • Đặc tính rất dốc (Very Inverse): $$t = \frac{13,5}{\left(\frac{I}{I_p}\right)^1 - 1} \cdot t_p$$
  • Đặc tính cực dốc (Extremely Inverse): $$t = \frac{80}{\left(\frac{I}{I_p}\right)^2 - 1} \cdot t_p$$ Trong đó: $t$ là thời gian tác động (giây), $t_p$ là bội số đặt thời gian, $I$ là dòng sự cố, $I_p$ là dòng điện khởi động.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

  • Xác lập đầy đủ cấu hình kỹ thuật của trạm biến áp 110/38,5/23 kV công suất 40 MVA với hệ thống thiết bị đo lường và đóng cắt đồng bộ: máy cắt BBY-110, BBY-35, BFM-22; máy biến dòng TPH cấp 5P; máy biến điện áp HKF, 3HOM, 3HOП.
  • Thiết lập phương thức bảo vệ hoàn chỉnh với cấu trúc hai cấp: rơle chính đa chức năng SIPROTEC 7UT633 kết hợp rơle dự phòng SIPROTEC 7SJ621, bảo vệ rơle khí Buchholz và bảo vệ chống hư hỏng máy cắt 50BF.
  • Mô tả chi tiết thuật toán số hóa và công thức chỉnh định đặc tính so lệch có hãm đa đoạn, hãm sóng hài bậc 2/5 và các đường đặc tính thời gian phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEC.

2. Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra giải pháp ứng dụng rơle kỹ thuật số vi xử lý tích hợp thay thế cho các rơle điện cơ hoặc tĩnh truyền thống, giúp thu gọn đáng kể không gian tủ bảng điện, giảm tiêu hao công suất mạch đo ($< 0,1\text{ VA}$) và nâng cao tính sẵn sàng của trạm.
  • Tận dụng hiệu quả khả năng liên kết truyền thông công nghiệp (RS232, RS485, IEC 60870-5-103) của thiết bị, tạo tiền đề thuận lợi cho việc tích hợp trạm biến áp vào hệ thống điều khiển tự động hóa SCADA/DMS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đồ án tập trung vào tính toán lý thuyết lựa chọn thiết bị và phương thức bảo vệ dựa trên các thông số định mức của nhà sản xuất; chưa thực hiện mô phỏng động học thời gian thực hoặc kiểm chứng thực nghiệm các giá trị đặt trên hợp bộ thí nghiệm rơle chuyên dụng (như Omicron).
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Sử dụng phần mềm DIGSI 4 kết nối trực tiếp với rơle vật lý để mô phỏng, xuất nạp tệp cấu hình tham số thực tế.
    • Nghiên cứu nâng cấp hệ thống truyền thông của trạm lên tiêu chuẩn IEC 61850 phục vụ mô hình trạm biến áp kỹ thuật số thông minh (Digital Substation).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên các ngành Hệ thống điện, Điện tự động công nghiệp, Thiết bị điện trong quá trình thực hiện đồ án môn học Bảo vệ rơle và đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm biến áp 110 kV.
  • Kỹ sư thiết kế, vận hành tại các công ty tư vấn điện lực và ban quản lý dự án lưới điện trong việc tính toán lựa chọn khí cụ điện sơ cấp và cấu hình chức năng cho các rơle SIPROTEC (7UT633, 7SJ621).

Câu hỏi thường gặp

1. Máy biến áp được thiết kế trong đồ án có các thông số kỹ thuật nào?

Máy biến áp có công suất định mức $40\text{ MVA}$, ba cuộn dây với cấp điện áp $115 / 38,5 / 23\text{ kV}$, tổ đấu dây $Y_0/\Delta-11/Y_0$, điện áp ngắn mạch $U_k% (C-T = 10,5%; C-H = 17%; T-H = 6%)$ và dải điều chỉnh phân áp $\Delta U_{đc} = \pm 9 \times 1,78%$.

2. Các rơle số nào được lựa chọn cho trạm biến áp?

Đồ án lựa chọn rơle kỹ thuật số SIPROTEC 7UT633 (Siemens) làm bảo vệ chính cho máy biến áp và rơle SIPROTEC 7SJ621 làm bảo vệ dự phòng quá dòng và điều khiển máy cắt.

3. Rơle 7UT633 xử lý hiện tượng bão hòa máy biến dòng (BI) khi ngắn mạch ngoài như thế nào?

Rơle tự động phát hiện hiện tượng bão hòa BI ngay trong $1/4$ chu kỳ đầu tiên của sự cố thông qua sự gia tăng đột biến của dòng hãm. Từ đó, rơle chuyển điểm làm việc vào vùng hãm bổ sung (giới hạn bởi đoạn đặc tính $b$ và trục dòng hãm) và khóa bảo vệ so lệch trong khoảng thời gian xác định, tránh tác động nhầm.

4. Rơle 7UT633 loại trừ ảnh hưởng của dòng xung kích khi đóng điện MBA không tải bằng cách nào?

Rơle sử dụng bộ lọc số tách thành phần sóng hài bậc hai (chiếm tỷ lệ lớn trong dòng xung kích từ hóa nhưng không có trong dòng ngắn mạch) từ chuỗi Fourier. Khi biên độ sóng hài bậc hai vượt ngưỡng cài đặt, lệnh hãm/khóa bảo vệ so lệch sẽ được kích hoạt.

5. Chức năng bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF) vận hành theo trình tự nào?

Khi bảo vệ chính phát tín hiệu cắt tới máy cắt nhưng máy cắt bị kẹt không mở và dòng sự cố vẫn tồn tại, bộ đếm thời gian $T_{BF}$ trong rơle khởi động. Nếu hết thời gian trễ $T_{BF}$ mà sự cố chưa được loại trừ, rơle sẽ phát lệnh đi cắt các máy cắt ở cấp nguồn phía trước để cô lập điểm sự cố.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Xuân Trường đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ tính toán lựa chọn thiết bị sơ cấp (máy cắt, BI, BU) và xây dựng phương thức bảo vệ tối ưu cho trạm biến áp 110 kV công suất 40 MVA. Việc áp dụng các rơle kỹ thuật số hiện đại SIPROTEC 7UT633 và 7SJ621 của Siemens đã đảm bảo tính chọn lọc, độ nhạy cao và khả năng chống tác động sai vượt trội nhờ các thuật toán xử lý số tiên tiến. Kết quả tính toán và cấu hình trong đồ án có tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành của lưới điện hiện đại.