Các chế độ làm việc của máy biến áp

Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kV- Thùng dầu bị thủng hoặc rò dầu dẫn đến máy biến áp cạn dầu.b) Hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường bên ngoài máy biến áp baogồm:- Ngắn mạch nhiều pha trong hệ thống.- Ngắn mạch một pha trong hệ thống.- Quá tải.- Quá bão hoà mạch từ.- Vỡ sứ đầu ra máy biến áp dẫn đến ngắn mạch trên đầu cực máy biến áp.3.2.2. Các tình trạng làm việc không bình thường của máy biến áp:- Máy biến áp có tiếng kêu mạnh không đều và có tiếng phóng điện ở bên trong.- Sự phát nóng của máy biến áp tăng bất thường và liên tục trong điều kiện làmmát bình thường và phụ tải định mức.- Dầu tràn ngoài qua bình dầu phụ, vỡ kính phòng nổ hoặc dầu phun ra ngoài quavan an toàn.- Mức dầu hạ thấp dưới mức quy định và tiếp tục hạ thấp.- Màu sắc của dầu thay đổi đột ngột.- Các sứ vào ra của máy biến áp bị rạn vỡ, bị phóng điện bề mặt áp lực dầu của sứnằm dưới mức cho phép của nhà chế tạo.- Khi kết quả phân tích mẫu dầu không đạt tiêu chuẩn hoặc khi nhiệt độ chớpcháy giảm quá 50C so với lần thí nghiệm trước.- Khi điện trở cách điện của cuộn dây giảm quá 50% so với lần các lần thí nghiệmtrước.3.3. CÁC LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG DÙNG CHO MÁY BIẾN ÁP:Tùy theo công suất của máy biến áp, vị trí vai trò của máy biến áp trong hệ thốngmà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp cho máy biến áp. Những loại bảo78Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVvệ thường dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường củamáy biến áp được giới thiệu trong bảng 3.1:79Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVBảng 3.1: Những loại hư hỏng thường gặp và các loại bảo vệ cần đặt.Loại hư hỏngLoại bảo vệSo lệch có hãm (Bảo vệ chính).Khoảng cách (Bảo vệ dự phòng).Ngắn mạch một pha chạm đất Quá dòng có thời gian ( Chính hoặc dự phònghoặc nhiều pha chạm đấttùy theo công suất của máy biến áp).Quá dòng thứ tự không.Chạm chập giữa các vòng dây.Rơle khí (BUCHHOLZ).Thùng dầu thủng hoặc bị rò dầu.Quá tải.Quá dòng điện hoặc hình ảnh nhiệt.Quá bão hòa mạch từ.Chống quá bão hòa.3.4. NHIỆM VỤ VÀ CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI BẢO VỆ RƠ LENhiệm vụ của bảo vệ rơ-le là phát hiện và tác động khi có ngắn mạch hoặc tìnhtrạng làm việc không bình thường xảy ra trong hệ thống điện nói chung, trạm biến ápnói riêng. Đối với bảo vệ rơ-le cần phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản:+ Tin cậy.+ Chọn lọc.+ Tác động nhanh.+ Nhạy.+ Kinh tế.80Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kV3.4.1. Tin cậy:Bảo vệ phải luôn luôn sẵn sàng khởi động và tác động một cách chắc chắn chốngtất cả các loại ngắn mạch xẩy ra trong vùng bảo vệ và các tình trạng làm việc khôngbình thường của phần tử được bảo vệ.Mặt khác bảo vệ không được tác động mất chọn lọc khi ngắn mạch ngoài. Nếubảo vệ có nhiệm vụ dự trữ cho các bảo vệ sau nó (kể từ nguồn trở đi) thì khi ngắnmạch ở trong vùng dự trữ bảo vệ này phải khởi động, nhưng không được tác động khibảo vệ chính đặt ở gần chỗ ngắn mạch chưa tác động.Người ta phân biệt:- Độ tin cậy khi tác động (dependablity): được định nghĩa như “Mức độ chắcchắn rằng rơ le hoặc hệ thống rơ le sẽ tác động đúng”.- Độ tin cậy không tác động (security): “Mức độ chắc chắn rơ le hoặc hệ thốngrơ le sẽ không làm việc sai”.Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo vệ làm việc đúng khi có sựcố xảy ra trong phạm vi đã được xác định trong nhiệm vụ bảo vệ. Còn độ tin cậykhông tác động là khả năng tránh làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặcsự cố xảy ra ngoài phạm vi bảo vệ được quy định.Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể kiểm tra được tương đối dễ dàng bằng tínhtoán và thực nghiệm, còn độ tin cậy không tác động rất khó kiểm tra vì tập hợp nhữngtrạng thái vận hành và những tình huống bất thường có thể dẫn đến tác động sai củabảo vệ không thể lường trước hết được.Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng các rơ le và hệ thống rơ le có kết cấu đơngiản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng cũng như tăng cường mức độdự phòng trong hệ thống bảo vệ. Số liệu thống kê về vận hành cho thấy hệ thống bảovệ trong các hệ thống điện hiện đại có xác suất làm việc tin cậy 95% - 99%.3.4.2. Tính chọn lọc:Là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị hư hỏng rakhỏi hệ thống điện. Cấu hình của hệ thống điện càng phức tạp thì việc đảm bảo tínhchọn lọc của bảo vệ càng khó khăn.81Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kV- Theo nguyên lý làm việc các bảo vệ được phân ra:+ Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối là những bảo vệ chỉ làm việc khi sự cố xảy ratrong phạm vi hoàn toàn xác định do đó không làm được nhiệm vụ dự phòng cho bảovệ đặt ở các phân tử lân cận.+ Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối là những bảo vệ mà ngoài nhiệm vụ bảo vệchính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho bảo vệđặt ở các phần tử lân cận.Để thực hiện các yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có độ chọn lọc tương đốiphải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệthống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế tới mức thấpnhất thời gian ngừng cung cấp điện.3.4.3. Tác động nhanh:Bảo vệ rơ-le càng cắt nhanh phần tử bị hư hỏng càng hạn chế được mức độphá hoại, càng giảm được thời gian sụt điện áp ở các hộ dùng điện. Yêu cầu tácđộng nhanh tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể của mạng điện và tình trạng làmviệc của phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện. Tuy nhiên khi kết hợp với yêucầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng những loại rơle phức tạp đắt tiền.Bảo vệ được gọi là tác động nhanh (tốc độ cao) nếu thời gian tác động không quá50 ms (2,5 chu kỳ của dòng công nghiệp 50 Hz).Bảo vệ được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu trễ (tạo thời gian)trong tác động của rơ le.Thông thường khái niệm tác động nhanh và tác động tức thời được dùng thay thếlẫn nhau để chỉ các bảo vệ có thời gian tác động không quá 50 ms.Ngoài thời gian tác động của bảo vệ, việc loại trừ càng nhanh phần tử bị sự cố cònphụ thuộc vào thao tác nhanh của máy cắt điện. Các máy cắt điện có tốc độ cao hiệnđại có thời gian thao tác từ 20 đến 60 ms (từ 1 đến 3 chu kỳ 50 Hz). Những máy cắtthông thường cũng có thời gian tác động không quá 5 chu kỳ (khoảng 100 ms ở tần số50Hz). Như vậy thời gian loại trừ sự cố (thời gian làm việc của bảo vệ cộng với thời82Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVgian thao tác máy cắt) khoảng từ 2 đến 8 chu kỳ (từ 40 đến 160 ms ở tần số côngnghiệp 50 Hz) đối với các bảo vệ tác động nhanh.Đối với lưới điện phân phối thường sử dụng các bảo vệ có độ chọn lọc tương đốivà phải phối hợp thời gian tác động giữa các bảo vệ. Bảo vệ chính thông thường cóthời gian khoảng 0,2 đến 1,5 giây, bảo vệ dự phòng khoảng 1,5 dến 2 giây.3.4.4. Độ nhạy:Độ nhạy đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố của rơ le hoặc hệ thống bảo vệ,nó được biểu diễn bằng hệ số độ nhậy, tức tỷ số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le vàngưỡng khởi động của nó. Sự sai khác giữa đại lượng vật lý đặt vào rơ le và ngưỡngkhởi động của nó càng lớn thì rơ le càng dễ cảm nhận sự xuất hiện của sự cố, hay rơ letác động càng nhạy.Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhấtphải kể đến:- Chế độ làm việc của hệ thống (mức độ huy động nguồn).- Cấu hình của lưới điện.- Dạng ngắn mạch và vị trí của điểm ngắn mạch.- Nguyên lý làm việc của rơ le.- Đặc tính của quá trình quá độ trong hệ thống điện.Tuỳ theo vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy đối với nó cũng khác nhau.3.4.5. Tính kinh tế:Các thiết bị bảo vệ được thiết kế và lắp đặt trong hệ thống điện khác với máy mócvà thiết bị khác, không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bìnhthường. Nhiệm vụ chủ yếu là phải luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sựcố có thể xảy ra bất cứ lúc nào và có những tác động chuẩn xác. Đối với các trang thiếtbị điện cao áp và siêu cao áp, chi phí để mua sắm thiết bị lắp đặt thiết bị bảo vệ thườngchiếm một vài phần trăm giá trị của công trình. Vì vậy thông thường giá cả thiết bị bảovệ không phải là yếu tố quyết định trong việc lựa chọn chủng loại hoặc nhà cấp hàngthiết bị bảo vệ. Ở đây bốn yêu cầu kỹ thuật nêu trên đóng vai trò quyết định vì nếukhông thoả mãn được các yêu cầu này sẽ dẫn đến hậu quả rất tai hại cho hệ thống điện.83Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVĐối với lưới trung áp và hạ áp do số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn,hơn nữa yêu cầu đối thiết bị bảo vệ không cao bằng yêu cầu ở các thiết bị bảo vệ nhàmáy lớn hoặc lưới truyền tải cao áp hoặc siêu cao áp do vậy cần cân nhắc đến tínhkinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kỹthuật với chi phí thấp nhất.3.5. GIỚI THIỆU NGUYÊN LÝ CÁC BẢO VỆ ĐẶT CHO MÁY BIẾN ÁP:3.5.1. Bảo vệ so lệch:Nguyên lý của bảo vệ so lệch dựa trên nguyên tắc so sánh các dòng điện trực tiếpcác phía của phần tử cần bảo vệ vì vậy cũng được hiểu như hệ thống cân bằng dòngđiện. Chúng sử dụng nguyên tắc là dòng điện rời khỏi đối tượng bảo vệ trong điều kiệnbình thường bằng dòng đi vào đối tượng bảo vệ. Bất cứ sự sai lệch dòng nào cũngđược hiểu sự cố bên trong vùng được bảo vệ. Các cuộn dây thứ cấp của máy biến dòngBI1 và BI2 có cùng tỷ số biến, được nối để có được các dòng điện như hình vẽHình 3.1: Sơ đồ bảo vệ so lệchKhi vận hành bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, dòng điện bằng nhau:IT1≈ IT2 nên ta có ISL= IT1 - IT2≈ 0 rơ le không tác động.Khi sự cố bên trong vùng bảo vệ, dòng điện ở mỗi đầu không bằng nhau:I1≠ I2 nênta có ISL = I1- I2≠ 0 khi ISL > IKđ rơ le tác động.Trên thực tế do saisố của các máy biến dòng hay hiện tượng bão hoà mạch từ và khi đóng máy biến ápkhông tải dòng điện thứ cấp của các BI sẽ khác nhau và tạo ra dòng điện không cânbằng.ISL= IT1 - IT2 = IKcb84Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVDòng điện không cân bằng trong một số trường hợp có thể có giá trị rất lớn dẫnđến rơ le bảo vệ so lệch tác động nhầm.Để khắc phục nhược điểm trên người ta sử dụng nguyên lý hãm sóng hài bậc cao(khoá không cho bảo vệ tác động trong một khoảng thời gian nhất định). Bảo vệ solệch dòng điện có hãm sóng hài bậc cao được dùng làm bảo vệ chính cho máy biến áp,chống lại các dạng ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha, một pha chạm đất trong cuộndây máy biến áp. Bảo vệ đảm bảo làm việc ổn định với các dòng không cân bằng suấthiện khi đóng máy biến áp không tải hoặc khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ so lệch.Bảo vệ luôn đảm bảo độ nhậy với các dạng sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ và cóbiện pháp tránh tác động nhầm khi có dòng từ hoá tăng cao.Khác với bảo vệ so lệch của máy phát điện, dòng điện sơ cấp ở 2 hay nhiều phíacủa máy biến áp thường khác nhau về trị số (theo tỷ số biến đổi điện áp giữa các phía)và về góc pha (theo tổ đấu dây YN,Y0; YN,d11; Y,d5 v.v...).Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm đối với máy biến áp 3 cuộn dây đangxét:IS1BI1ILVIT13IHM (hài bậc cao) caocao2)I.LVBI22HMH1IIT23IS2IT33BI3I H1.H2IS3IH2Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãmdùng cho MBA 3 cuộn dây sử dụng rơ le điện cơ.Trong đó:85Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVHM - hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá MBA.- Phía cuộn dây 1 của máy biến áp nối với nguồn cung cấp, phía cuộn dây 2 và 3nối với phụ tải, bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bìnhthường ta có:Ι S 1 = Ι S 2 + Ι S 3Dòng điện đi vào cuộn dây làm việcΙ LV = Ι T 1 − ( Ι T 2 + Ι T 3 )Các dòng điện hãm:Ι H 1 = Ι T 1 + Ι T 2Ι H 2 = Ι T 3()Ι H = Ι T 1 + Ι T 2 + Ι T 3 .K HTrong đó : KH≤ 0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch.Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai do ảnh hưởng của dòng điện từ hoá khi đóngmáy biến áp không tải và khi cắt ngắn mạch ngoài bảo vệ còn được hãm bằng thànhphần hài bậc hai trong dòng điện từ hoá IHM.Để bảo đảm được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thựchiện điều kiện :Ι H>Ι LVBình thường hoặc khi ngắn mạch ngoài∆ I = ISL≤ IH→ ÄIkhông tác động.Khi ngắn mạch trong vùng∆ I = ISL> IH→ ÄI tác động.Trong các rơle so lệch số hiện đại có trang bị chức năng thực hiện cân bằng pha vàtrị số dòng điện thứ cấp ở các phía của máy biến áp ngay trong rơ le.86Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kV3.5.2. Nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không máy biến áp (Bảo vệchống chạm đất hạn chế :REF)Nguyên lý bảo vệ chống chạm đất hạn chế dùng cho máy biến áp ba cuộn dâyđược trình bày như hình 3.3I0N2N1IÑHình 3.3:.Bảo vệ chống chạm đất hạn chế của máy biến áp ba cuộn dâyBảo vệ so lệch dòng điện thứ tự không máy biến áp (bảo vệ chống chạm đất hạnchế) dựa trên nguyên lý so lệch giữa dòng điện qua dây trung tính nối đất và dòngđiện tổng của 3 pha. Bảo vệ chống sự cố chạm đất cho cuộn dây của máy biến ápmà cuộn cao áp và hạ áp có trung tính nối đất trực tiếp. Trong điều kiện làm việcbình thường không có dòng điện đi qua điểm trung tính, tổng dòng điện thứ tựkhông ở các pha bằng không. Khi xẩy ra sự cố chạm đất trong vùng bảo vệ sẽ xuấthiện dòng điện thứ tự không ở trung tính máy biến áp và ở các pha I01 và I02khác nhau về độ lớn và cùng chiều.ISl 0 = I01 + I02 ≠ 0 ⇒ Bảo vệ tác động.Ngược lại khi xẩy ra sự cố chạm đất ngoài vùng bảo vệ sẽ xuất hiện dòng điện thứtự không I01, I02 bằng nhau về độ lớn và ngược chiều.ISl 0 = I01 + I02 = 0 ⇒ Bảo vệ không tác động.Tuy nhiên khi sự cố chạm đất ngoài vùng bảo vệ, dòng điện không cân bằng cóthể tồn tại .87Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI Đồ án tốt nghiệpThiết kế bảo vệ cho trạm biến áp 110/35/22kVTrong chế độ bình thường và ngắn mạch chạm đất ngoài vùng bảo vệ, ta có:∆Io = 3I o - I Đ = 0Trong đó:+ Io : là dòng thứ tự không chạy trong máy biến áp.+ I Đ : là dòng điện chạy qua cuộn dây trung tính máy biến áp.Nếu bỏ qua sai số của máy biến dòng, ta có dòng điện thứ cấp chạy qua điện trở Rbằng không và điện áp đặt trên rơle so lệch cũng bằng không. Khi ngắn mạch trongvùng bảo vệ toàn bộ dòng chạm đất chạy qua mạch rơle sẽ tạo nên điện áp đặt lên rơleso lệch rất lớn, rơle tác động.Để bảo vệ chống chạm đất cho cả cuộn dây đấu tam giác của máy biến áp, ngườita có thể đặt thêm máy biến áp tạo điểm trung tính nối đất ở đầu ra cuộn tam giác vàmột bộ bảo vệ thứ 2 tương tự. Nguyên lý so lệch dòng điện thứ tự không cũng có thểđược sử dụng để bảo vệ chống chạm đất cho các máy biến áp tự ngẫu.3.5.3. Nguyên lý bảo vệ bằng rơ le khí:Bảo vệ rơ le khí dùng để phát hiện các hư hỏng bên trong thùng dầu máy biến ápnhư dạng ngắn mạch giữa các vòng dây trong cùng một pha hoặc ngắn mạch ở gầnđiểm trung tính hoặc thùng dầu máy biến áp bị rò rỉ làm mức dầu giảm thấp quá mứcquy định. Bảo vệ làm việc dựa vào mức độ bốc hơi và tốc độ chuyển động của dầu đẩylên bình dầu phụ.Bình dầu phụThùng dầuMBARơle khí88Lê Anh Dũng –Đ5H2ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI