Đồ án Thiết kế bảo vệ trạm biến áp

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr­êng ®¹i häc s­ ph¹m kü thuËt h­ng yªn Khoa ®iÖn - ®iÖn tö
ĐỒ ÁN MÔN HỌC (CUNG CẤP ĐIỆN ) Tên đề tài : Thiết kế bảo vệ trạm biến áp Sinh viên thực hiện : Nguyễn Ngọc Anh Lê Hải Âu Phạm Việt Dũng Lớp : ĐK3 Lời nói đầu Trong thời đại hiện nay, công nghiệp điện lực đóng một vai trò rất quan trọng cho sự phát triển vững mạnh của một quốc gia. Cuộc sống càng phát triển thì yêu cầu sử dụng điện càng tăng,do vậy vấn đề truyền tải điện năng đến các khu vực tiêu thụ là vấn đề quan trọng và luôn luôn được quan tâm đến.Trạm biến áp đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống cung cấp điện, nó có nhiệm vụ biến đổi điện năng từ cấp này sang cấp khác và là khâu trung gian để truyền tải điện.Để có thể tránh những sự cố,hư hỏng ảnh hưởng đến quá trình truyền tải điện năng, thì vấn đề bảo vệ trạm biến áp là rất quan trọng. Trong quá trình học tập và nghiên cứu bộ môn “ Cung Cấp Điện ” chúng em đã được giao đồ án “ Thiết kế trạm biến áp”.Đây là một đố án hay và tổng hợp.Đồ án của chúng em bao gồm 4 chương: Chương 1 : Tính toán phụ tải , chọn lựa dây dẫn và dung lượng máy biến áp . Chương 2 : Tính toán ngắn mạch . Chương 3 : Chọn khí cụ , tính toán bảo vệ rơle cho trạm biến áp . Chương 4 : Tính toán bảo vệ quá áp và các biện pháp an toàn . Trong phạm vi tập đồ án nhỏ , với khả năng và tài liệu thông tin có hạn,chắc chắn còn nhiều thiếu sót,chúng em rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của các thầy cô Hưng yên, ngày 24 tháng 4 năm 2008 Sinh viªn NguyÔn Ngäc Anh Lª H¶i ¢u Ph¹m ViÖt Dòng Thông số nguồn cung cấp : Loại Trạm 
 Khoảng cách điện áp cung cấp 

+ TDL   TC ( trung chuyển)  20  18 km  1300/1000 (MVA)  2,0(s)  
Nội dung cần trình bày : Chương 1 : Tính toán phụ tải ,chọn lựa dây dẫn và dung lượng máy biến áp . Chương 2 : Tính toán ngắn mạch . Chương 3 : Chọn khí cụ , tính toán bảo vệ rơle cho trạm biến áp . Chương 4 : Tính toán bảo vệ quá áp và các biện pháp an toàn . CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN PHỤ TẢI,TIẾT DIỆN DÂY DẪN VÀ CHỌN DUNG LƯỢNG MÁY BIẾN ÁP Hiện nay có nhiều phương pháp để tính toán phụ tải .Thông thường những phương pháp đơn giản ,tính toán thuận tiện lại cho kết quả không chính xác ,còn muốn độ chính xác cao thì phương pháp tính toán lại phức tạp.Do vậy tuỳ theo giai đoạn thiết kế và yêu cầu cụ thể mà chọn phương án thích hợp. Thiết kế cung cấp điện cho các xí nghiệp bao gồm 2 giai đoạn : Giai đoạn làm nhiệm vụ thiết kế và giai đoạn bản vẽ thi công.Trong giai đoạn làm nhiệm vụ thiết kế ( hoặc thiết kế kỹ thuật ),ta tính sơ bộ phụ tải điện dựa trên cơ sở tổng công suất đã biết của các hộ tiêu thụ ( bộ phận ,phân xưởng hay khu nhà...) Ở giai đoạn thiết kế thi công ,ta tiến hành xác định chính xác phụ tải điện dựa vào số liệu cụ thể về các hộ tiêu thụ của các bộ phận ,phân xưởng. Khi có một hệ thống điện cụ thể , thì yêu cầu xác định một cách chính xác phụ tải điện ở các cấp của hệ thống .Do vậy,ngoài việc xác định phụ tải tính toán chúng ta còn phải tính đến tổn thất công suất của các cấp trong hệ thống điện. Trong hệ thống cung cấp điện ,tổn thất công suất xảy ra chủ yếu trên dây dẫn và trong máy biến áp. Nguyên tắc chung để tính toán phụ tải hệ thống điện là tính từ thiết bị dùng điện ngược trở về nguồn, tức là tiến hành từ bậc thấp đến bậc cao của hệ thống cung cấp điện. Các phương pháp tính toán phụ tải: 1. Để xác định phụ tải tính toán của các hộ tiêu thụ riêng biệt ở các điểm nút điện áp dưới 1000V trong lưới điện phân xưởng ,nên dùng phương pháp số thiết bị hiệu quả nhq bởi vì phương pháp này có kết quả tương đối chính xác ,hoặc theo phưong pháp thống kê. 2. Để xác định phụ tải ở các cấp cao của hệ thống cung cấp điện ,tức là tính từ thanh cái các phân xưởng hoặc thanh cái trạm biến áp đến đường dây cung cấp cho xí nghiệp ta nên áp dụng phương pháp dựa trên cơ sở giá trị trung bình và các hệ số kmax ,khd .Trong nhiều trường hợp giá trị kmax và khd lấy trong giới hạn. 3.Khi tính sơ bộ ở giai đoạn làm nhiệm vụ thiết kế với các cấp cao của hệ thống cung cấp điện có thể sử dụng phương pháp tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu knc. Trong một số trường hợp cá biệt thì có thể tính theo phương pháp suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm hoặc phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất Dưới đây các số liệu đã cho,ta tính toán phụ tải theo phương pháp tổng hợp số gia. 1.1 Tính toán phụ tải : Lưới phân phối thứ nhất :
Thông số lưới : Đoạn Li  A-1  1-2  2-3  3-31  3-32  3-4  4-5   Chiều dài(Km)  4,5  7,5  6,0  5,5  3,5  7,0  6,5   Thông số của các điểm tải trong lưới : Điểm tải  S1  S2  S3  S4  S5  S6  S7   S(KVA)  400  750  650  350  500  600  700  
 0,76  0,75  0,77  0,75  0,83  0,8  0,87   Lưới phân phối thứ hai :
Thông số của lưới : Đoạn Li  A-1  1-2  2-3  3-4  4-5  5-51  51-52   Chiều dài (Km)  7,3  5,0  7,5  6,0  5,5  4,5  6,5   Thông số các điểm tải trong lưới : Điểm tải  S1  S2  S3  S4  S5  S6  S7   S(KVA)  500  650  750  550  650  560  500  
 0,75  0,85  0,75  0,78  0,86  0,8  0,75   Quy đổi S = P + j.Q với P = S .
và Q = S .
Điểm tải  Lộ 1  Lộ 2  
 304 + j.259,96  375 + j.330,71  
 562,5 + j.496,07  552,5 + j.342,4  
 500,5 + j.414,72  562,5 + j.496,07  
 262,5 + j.231,5  429 + j.334,2  
 415 + j.278,88  559 + j.331,69  
 480 + j.360  448 + j.336  
 609 + j.345,13  375 + j.330,71   1.2 Tính toán tiết diện dây dẫn theo chỉ tiêu kinh tế : Lộ 1 : Có
=
+
+
+
+
+
+
= 3133,5 + j.2386,26 =
(KVA)
=
+
+
+
+
+
= 2829,5 + j.2126,3 =
(KVA)
=
+
+
+
+
= 1963 + j.1370,27 =
(KVA)
=
+
= 1089 + j.705,13 =
(KVA)
=
+
= 705,15 + j.510,38 =
(KVA)
=
= 415 + j.278,88 =
(KVA)
=
= 609 + j.345,13 =
(kVA) Dòng điện trên các đoạn : Áp dụng công thức
=
ta được :






  64,97  58,38  39,48  21,4  14,35  8,24  11,54   Theo yêu cầu kỹ thuật tiết diện đường dây trục chính đối với dây AC tối thiểu là 95
và tiết diện đường dây nhánh tối thiểu là 50
. Với
= 5000 (h)

= 1 Áp dụng công thức
=
ta được : Đoạn Li  A-1  1-2  2-3  3-4  4-5  3-31  3-32   Tiêt diện tính toán  64,97  58,38  39,48  21,4  11,54  14,35  8,24   Tiết diện quy chuẩn  AC-95  AC-95  AC-95  AC-95  AC-95  AC-50  AC-50   Lộ 2: Tính toán tương tự với các điểm tải ở lộ 2 ta có SI = S1 + S2 +S3+S4 + S5 +S6 + S7 = 3301 + j2511,78 = 4147,97
0,79 (kVA) SII = S2 +S3+S4 + S5 +S6 + S7 = 2926 + j.2181,066 = 3649,46
0,8 (kVA) SIII= S3+S4 + S5 +S6 + S7 = 2373,5 + j.1838,66 = 3002,36
0,79 (kVA) SIV= S4 + S5 +S6 + S7 = 1811+ j.1342,588 =
(kVA) SV = S5 +S6 + S7 = 1382 + j.998,41 =
(kVA) SVI = S6 + S7 = 823 + j.666,72 =
(kVA) SVII = S7 = 375 + j.330,72 =
(kVA) Áp dụng công thức :

ta được bảng sau : Đoạn Li  A-1  1-2  2-3  3-4  4-5  5-5.1  5.1-5.2   Tiêt diện tính toán  68,5  60,2  49,5  37,2  28,1  17,5  8,25   Tiết diện quy chuẩn  AC-95  AC-95  AC-95  AC-95  AC-95  AC-95  AC-95   Tính tiết diện dây từ nguồn tới trạm cung cấp : Công xuất nguồn phải cung cấp bằng tổng công xuất của lộ 1 và lộ 2
= 3133,5 + j.2386,26 + 3301 + j.2511,78 = 6434,5 + j.4898,04 = 8086,63
Tính toán tương tự như trên ta được tiết diện dây là AC-95 . 1.3 Lựa chọn công suất máy biến áp. Áp dụng phương pháp số gia, xét cho lộ 1 ta có: S12 = S1 + S2 = S2 +
= 1062,63 (kVA) (với S2 lớn hơn S1 ) S123 = S12 + S3 = S12 +
= 1585,85 (kVA) Sau khi tính toán xong các điểm tải ta có bảng sau: S12  S123  S1234  S12345  S123456  S1234567   1062,63  1585,85  1857,18  2253,31  2733,95  3299,94   Tương tự với lộ 2 ta có : S12  S123  S1234  S12345  S123456  S1234567   1046,13  1655,07  2093,34  2615,56  3063,29  3459,42   Sba = SLô 1 + SLộ 2 = SLộ 2 +
= 6669,4 (kVA) Quy chuẩn chọn máy biến áp là TM - 6,3 MVA Ta có
. Vậy 0,6 < Kmt < 1,4 là hợp lý , tận dụng được khả năng quá tải của máy biến áp. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 2.1.Khái quát chung : a. Định nghĩa Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xảy ra trong hệ thống ccđ. Vì vậy các phần tử trong hệ thống ccđ phải được tính toán lựa chọn không những làm việc tốt trong điều kiện làm việc bình thường mà còn phải chịu được trạng thái sự cố trong phạm vi cho phép . Để lựa chọn được các phần tử trong hệ thống cung cấp điện ,chúng ta phải dự đoán được các tình trạng ngắn mạch sẩy ra và tính toán được các số liệu ngắn mạch như: Dòng ngắn mạch, công suất ngắn mạch , lực điện động, nhiệt…Các số liệu này làm căn cứ quan trọng để tính toán ,thiết kế bảo vệ role, định phương thức vận hành…Vì vậy tính toán ngắn mạch là phần không thể thiếu được trong thiết kế cung cấp điện. b.Nguyên nhân: Do hư hỏng cách điện: Do thời gian làm bụi bám bẩn sứ hay thủy tinh,do vậy độ bền cách điện của sứ giảm xuống .Kết hợp với các yếu tố thiên nhiên. Tất cả các yếu tố này làm thay đổi cấu trúc bên trong của sứ tạo khe nứt nhỏ làm giảm độ bền dẫn điện,sứ bị mất cách điện hoàn toàn, tạo ra một ngắn mạch một pha nào đó với đất. Thiết bị phân phối : không đảm bảo về kỹ thuật. c.Ứng dụng: Tính toán ngắn mạch để lựa chọn trang thiết bị khi thiết kế , đảm bảo dưới tác động xấu do ngắn mạch gây ra . Tính toán ngắn mạch để phục vụ cho tính toán , hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ và tự động hóa trong hệ thống điện nhằm loại trừ nhanh các phần tử sự cố ra khỏi hệ thống điện . Tính toán ngắn mạch để lựa chọn sơ đồ thích hợp làm giảm dòng ngắn mạch . TÍnh toán nối đất , bảo vệ ngắn mạch … Tính toán cụ thể: Trong thực tế, ta thấy xác xuất xảy ra ngắn mạch 1 pha là nhiều nhất (chiếm 65%) nhưng chỉ có tính chất thoáng qua. Ngắn mạch 3 pha là ít nhất ( 5%) nhưng nó quyết định quyết định tình trạng làm việc của hệ thống điện. Mặt khác, khi tính toán máy cắt và khí cụ điện ta cấn kiểm tra ổn định lực điện động của chúng xuất phát từ dạng ngắn mạch 3 pha. Lựa chọn điểm ngắn mạch tính toán : Điểm ngắn mạch tính toán là điểm mà khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại đó có dòng điện đi qua khí cụ điện là lớn nhất và có số điểm tính toán là ít nhất mà vẫn có thể kiểm tra được các thiết bị điện.
Ta có sơ đồ thay thế tính toán ngắn mạch :
Chọn điện áp cơ bản Ucb = 36,5kV , đối với máy biến áp 6,3 MVA tra bảng được điện áp ngắn mạch là Un = 10,5 % Xác định điện trở các phần tử . Đối với dây AC- 95 ta tra bảng được ro = 0,33
và xo = 0,371
. Có

Điện trở đường dây :











Điện trở máy biến áp :

Điện trở ngắn mạch đến điểm N1

tương tự ta có





Dòng điện ngắn mạch tại điểm N1 ứng với cấp điện áp cơ bản là :
(kA) Dòng điện ngắn mạch thực tế xảy ra tại điểm ngắn mạch là
(kA) Tính toán tương tự với các điểm khác ta được bảng sau : Điểm tải  N1  N2  N3  N4   Dòng ngắn mạch(KA)  3,72  0,92  0,511  0,5   Xác định hệ số xung kich của các điểm tải , hệ số xung kick phụ thuộc vào tỷ lệ
,trước tiên ta xét với điểm N1 :

và


tỷ lệ

KXK1 = 1,33 ( tài liệu 5) Giá trị dòng điện xung kích
(kA) Giá trị hiệu dụng dòng điện xung kick
(kA) Công xuất ngắn mạch tại điểm N1
(MVA) Tính toán tương tự với các điểm ngắn mạch khác ta được bảng sau :  N1  N2  N3  N4   Dòng ngắn mạch
(KA)  3,72  0,92  0,511  0,5   Hệ số xung kick KXK  1,33  1,93  1,32  1,31   Dòng xung kick ixk (KA)  7  2,51  0,954  0,93   Trị hiệu dụng dòng xung kick IXK (KA)  4,11  1,52  0,56  0,55   Công xuất ngắn mạch Sn (KVA)  708,76  55,77  30,98  30,31   CHƯƠNG III: CHỌN KHÍ CỤ MÁY BIẾN ÁP VÀ TÍNH TOÁN BẢO VỆ RƠ LE 3.1 khái quát chung Trong quá trình làm việc, các thiết bị điện chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động từ bên trong lẫn bên ngoài thiết bị. Các yếu tố bên trong gồm chế độ điện áp, chế độ nhiệt, sự dao động điện từ…Các yếu tố bên ngoài gồm các điều kiện khí tượng thuỷ văn, địa lý, tự nhiên.. Độ tin cậy của hệ thống điện phụ thuộc vào trạng thái của các thiết bị và phần tử riêng biệt.Vì vậy các thiết bị được lựa chọn và kiểm tra ở các chế độ khác nhau để chúng có thể làm việc chắc chắn và tin cậy dưới sự tác động khác nhau của nhiều yếu tố .Thông thường các thiết bị được lựa chọn theo chế độ làm việc bình thường và kiểm tra theo chế độ sự cố. Cùng với các yêu cầu về kỹ thuật các thiết bị phải đảm bảo yêu cầu về kinh tế . Khí cụ dung cho trạm biến áp bao gồm máy cắt, dao cắt ly, sứ cách điện , thanh cái , máy biến điện áp, máy biến dòng để cung cấp nguồn cho ác thiết bị khác như công tơ, Ampemet ..v.v. 3.2 C¸c ®iÒu kiÖn chung ®Ó lùa chän và kiÓm tra khÝ cô ®iÖn 3.2.1 Chọn theo điều kiện làm việc lâu dài a. Chọn theo điện áp định mức Khi thiết kế còn phải dự trữ độ bền cách điện nên cho phép chúnglàm việc lâu dài với điện áp cao hơn điện áp định mức từ 10÷15% và được gọi là điều kiện làm việc cực đại của khí cụ điện. Do vậy khi chọn khí cụ điện cần thỏa mãn điều kiện sau:
Trong đó
điện áp định mức khí cụ điện
độ tăng điện áp cho phép của khí cụ điện
Điện áp định mức của mạng nơi đặt khi cụ
Độ lệch điện áp có thể của mạng b. Chọn theo dòng định mức Thỏa mãn điều kiện : Iđmkcd ≥ Ilvmax Trong đó Iđmkcd là dòng điệ định mức trong KCĐ do nhà chếtạo cho sẵn , Iđmkcd là dòng điện qua khi cụ điện trong thời gian dài ứng với nhiệt độ môi trường xung quang là định mức Ilvmax là dòng điện làm việc cực đại của mạng điện Các khí cụ điện ở nhiệt độ môi trường xung quang khác định mức thì ta phải tiến hành hiệu chỉnh , hệ số hiệu chỉnh là : Khc =
với
là nhiệth độ cho phép ứng với phần tử riêng lẻ của KCĐ
là nhiệt độ môi trường xung quanh 3.2.2 Kiểm tra ổn định lực điên động Khi kiểm tra các thiết bị của mạng điện về phương diện ổn định lực điện động ta phải chọn dòng ngắn mạch lớn nhất Điều kiện kiểm tra lực điện động Imax > Ixk hay imax > ixk Trong đó : imax , Imax là trị số biên độ và trị số hiệu dụng của dòng điện cực đại cho phép đặc trưng cho ổn định điện động của khí cụ điện ixk , Ixk là giá trị biên độ và trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xung kich 3.2.3 Kiểm tra ổn định nhiệt Khí cụ điện ổn định nhiệt nếu thỏa mãn các điều kiện sau : I2đmnh.Tđmnh ≥ BN hay I2đmnh.Tđmnh ≥ I2∞ . tqd Trong đó BN là xung lượng nhiệt của dòng điện ngắn mạch [ A2.S ].Nó đặc trưng cho nhiệt lượng tỏa ra trong dây dẫn , khí cụ điện trong thời gian tác động của dòng ngắn mạch BN = BNCK + BNKCK BNCK là xung lượng nhiệt thành phần chu kỳ BNKCK là xung lượng nhiệt thành phần không chu kỳ nếu thời gian tồn tại ngắn mạch tN > 0,1 gy có thể bỏ qua BNKCK 3.3 Chọn khí cụ 3.3.1 Chọn khí cụ cho phía 110 kV a. Chọn máy biến áp và dao cách ly Để lựa chọn máy cắt chúng ta dựa vào các thông số như Uđm mạng , Ilvmax chế độ ổn định nhiệt , ổn định động và công suất ngắn mạch hoặc dòng cắt . Trong đó thời gian bảo vệ hệ thông tbv = 1,2 gy thời gian cắt của máy cắt tMC = 0,2 gy nên tgt = tbv + tMC = 1,2 +0,2 = 1,4 gy Điện áp định mức : Uđm MCĐ > Uđm mạng Với Uđm mạng = 110 KV Dòng điện định mức : Iđm MCĐ > Ilv max
(A) Trong đó : Ilv max là dòng làm việc cực đại Kđt là hệ số đồng thời , Kđt = 0,8 Dòng ổn định lực điện động : imax > ixk với ixk = 7 (KA) Dòng ổn định nhiệt trong thời gian tôđn :
Công thức trên tương đương với
Trong đó BN = BNCK + BNKCK nếu thời gian tồn tại ngắn mạch tN > 0,1 gy có thể bỏ qua BNKCK mà
( với
) Công suất cắt định mức Sđm cắt > SN hoặc dòng cắt Icắt > IN Đối với phía trung áp 35KV do có hai lộ đi song song với nhau , ta có thể dung hai máy cắt trên mỗi lộ để khi lộ này gặp sự cố thì lộ kia vẫn hoạt đông bịnh thường . Việc lựa chọn máy cắt trên hai lộ dây đó ta làm tương tự như lựa chọn máy cắt bên phía 110 KV với Uđm mạng = 35KV và Ilv max , Ixk là dòng làm việc cực đại và dòng xung kick tương ứng với mỗi lộ. Việc lựa chọn dao cach ly ta cũng chọn tương tự như máy cắt với bôn thông số là Uđm mạng , Ilvmax , chế độ ổn định nhiệt , và chế độ ổn định động Từ các tiêu chuẩn trên ta tra bảng chọn được máy cắt BBY-110-40/2000 của Nga ( Tài liệu 2) và dao cách ly 3DP2 của hãng Siemes . Các tham số tính toán được thể hiện trong bảng sau: Chỉ tiêu đánh giá  Thông số tính toán  Máy cắt BBY-110-40/2000  Dao cách ly 3DP2Siemes   Điện áp,KV  110  110  123   Dòng làm việc,A  26,45  2000  1250   Ổn định nhiệt KA2.s  19,37  402.3=4800  202.1   Ổn định động,KA  7  102  60   Dòng cắt,KA  3,72  Icắt=40    b. Chọn thanh cái Dự định chọn thanh cái bằng nhôm ứng với nhiệt độ môi trường là 250Cthì nhiệt độ đốt nóng cho phép là 700C , nhiệt độ trung bình của năm là 280 , ta xác định được hệ số hiệu chỉnh Khc =
=
=0,966 Dòng điện làm việc trên thanh cái là:
(A) Với Tmax =5000÷6000 (h)suy ra Jkt = 1,1(A/mm2) ( tra bảng 8-6 sách Cung Cấp Điện ) Tiết diện thanh cái FC =
=
=24,89 ( mm2 ) Chọn thanh cái Nhôm có kích thước 25×3=75 mm2 .Chiều dài mỗi nhịp (khoảng cách giữa các sứ của một pha ) là l = 2 (m) khoảng cách giữa các pha a=1,5( m) Kiểm tra theo điều kiện ổn định nhiệt , yêu cầu tiết diện S của thanh cái phải lớn hơn hay bằng tiết diện ổn định nhiệt Sôđn
mm2 với
dòng điện ngắn mạch ổn định KA tgt thời gian giả thiết α hệ số (tài liệu 1) Vậy điều kiện ổn định nhiệt thỏa mãn S > Sôđn Kiểm tra điều kiện ổn định động.