Đồ án Tốt nghiệp bảo vệ so lệch máy biến áp điện lực bằng rơ le số 7UT51x (Siemens)

Mục Lục Phần I: Tìm hiểu rơle 7UT51X. Trang. Chương I : Giới thiệu chung về Rơle bảo vệ so lệch 7UT51x……………….8 Các ứng dụng và chức năng bảo vệ của 7UT51x…..…………8 Các ứng dụng của 7UT51x………………………………….8 Các chức năng bảo vệ…………………………………….....9 Thiết kế cơ bản của 7UT51x………………………….………13 2.1) Lắp đặt…………………………………………………..……13 2.2) Kích thước lắp đặt.(bản vẽ)…………………………………..15 2.3) Thông số mô tả……………………………………………….19 2.4) Sơ đồ cấu trúc…………………………………………………20 Thông số kỹ thuật……………………………………………..22 3.1) Các thông số vào ra(inputs/outputs)…………………………..22 3.2) Các thông số thí nghiệm điện…………………………………25 3.3) Các thông số thí nghiệm ứng suất cơ học……………………..25 3.4) Các thông số thí nghiệm điều kiện thời tiết………………...…26 Chương II : Nguyên lý làm việc và các ứng dụng……………………..……28 I) Hoạt động của các khối…………………………………….……28 II) Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch…………………….…...31 III) Bảo vệ so lệch máy biến áp……………………………….……32 3.1) Làm phù hợp các giá trị đo được……………………….…32 3.2) Đánh giá các giá trị đo………………………………….…34 3.3) Hãm hài………………………………………………...…37 3.4) Hãm bổ sung khi biến dòng bị bão hòa………………...…38 3.5) Cắt nhanh không hãm với sự cố dòng lớn………………...39 3.6) Tác động/Cắt…………………………………………...…40 3.7) Một số sơ đồ đấu dây chuẩn cho bảo vệ máy biến áp…….41 IV) Bảo vệ so lệch cho máy phát và động cơ………………………44 4.1) Định nghĩa các dòng đo………………………………...…44 4.2) Đánh giá các giá trị đo được……………………………...44 4.3) Hãm bổ sung khi biến dòng bị bão hòa…………………...47 4.4) Tác động/Cắt……………………………………………...48 V) Bảo vệ so lệch cho các điểm rẽ nhánh…………………………..49 5.1) Qui ước chiều dòng điện………………………………….49 5.2) Đánh giá các giá trị đo được……………………………...49 5.3) Hãm bổ sung khi biến dòng bị bão hòa…………………...51 5.4) Tác động/Cắt……………………………………………...53 VI) Bảo vệ chạm đất có giới hạn……………………………………53 6.1) Nguyên lý bảo vệ chạm đất có giới hạn…………………...53 6.2) Đánh giá số liệu đo lường…………………………………56 VII) Bảo vệ quá dòng có thời gian………………………………….58 VIII) Bảo vệ quá tải theo nhiệt độ…………………………………..58 IX) Bảo vệ sự cố chạm vỏ………………………………………….59 Phần II: Ứng dụng 7UT51 cho bảo vệ máy biến áp điện lực tại trạm 110kV Phúc Thọ………………………………………………………………………60 I) Đặt vấn đề về bảo vệ máy biến áp điện lực………………………………60 1.1) Đặt vấn đề…………………………………………………….….60 1.2) Các dạng sự cố và tình trạng làm việc không bình thường của MBA………………………………………………………………...60 1.3) Các bảo vệ thường được sử dụng………………………………..60 II) Mô tả đối tượng được bảo vệ và các thông số chính…………………...61 2.1) Vị trí, vai trò trạm biến áp Phúc Thọ trong hệ thống điện……..61 2.2) Sơ đồ đấu dây………………………………………………..…61 2.3) Các thông số của thiết bị chính trong trạm……………..………64 2.3.1) Máy biến áp………………………………………………64 2.3.2) Các thiết bị phân phối phía 110kV……………………….64 2.3.3) Các thiết bị phân phối phía 35kV………………………...66 2.3.4) Các thiết bị phân phối phía 22kV…………………….......67 III) Lựa chọn phương thức bảo vệ…………………………………………68 3.1) Thành lập sơ đồ phương thức……………………………….68 3.2) Tính toán bảo vệ so lệch bằng 7UT513………………..……72 Phụ Lục………………………………………………………………………..79 Phụ Lục 1: Cài đặt thông số……………………………………………………79 Cài đặt ngày và giờ………………………………………….79 Thông số máy biến áp(Transformer data) Khối địa chỉ 11………………………………………………80 Thông số máy phát hoặc động cơ – Khối địa chỉ 12………...85 Cài đặt thông số của điểm rẽ nhánh – Khối địa chỉ 13……...86 Cài đặt thông số cho bảo vệ so lệch máy biến áp. Khối địa chỉ 16……………………………………………...87 Cài đặt cho bảo vệ so lệch cho máy phát hoặc động cơ. Khối địa chỉ 17……………………………………………...93 Cài đặt cho bảo vệ so lệch điểm rẽ nhánh. Khối địa chỉ 18……………………………………………..96 Cài đặt bảo vệ sự cố chạm đất. Khối địa chỉ 19……………………………………………...99 Cài đặt cho bảo vệ quá dòng có thời gian. Khối địa chỉ 21………………………………………….....101 Cài đặt cho bảo vệ quá tải theo nhiệt độ. Khối địa chỉ 24 và 25…………………………………..…..103 Cài đặt cho bảo vệ chạm vỏ. Khối địa chỉ 27…………………………………..………...106 Phụ Lục 2: Các tín hiệu chỉ thị………………………………………..……...108 1) Các tín hiệu vận hành – Khối địa chỉ 51………………..………109 2) Các tín hiệu sự cố - Khối địa chỉ 52 đến 54……………..……...112 Tài liệu tham khảo: SIEMENS Instruction Manual 7UT51 V3.0. Bảo vệ các hệ thống điện ( GS.VS Trần Đình Long ). Lời mở đầu Kể từ khi điện năng được ứng dụng trong thực tế thì nó trở thành loại năng lượng vô cùng quan trọng không thể thiếu trong mọi hoạt động của xã hội. Điện là một loại năng lượng có khả năng biến đổi sang các dạng năng lượng khác với hiệu suất cao, dễ truyền tải đi xa với vận tốc rất lớn gần như tức thời. Điện năng là nguồn năng lượng không thể thay thế trong kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Do đó vai trò của các nhà máy điện, các thiết bị đường dây truyền tải và phân phối điện là vô cùng quan trọng cần có sự đảm bảo làm việc an toàn tin cậy. Rơle là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống bảo vệ, nó quyết định các tác động cảnh báo và bảo vệ thiết bị. Rơle có rất nhiều chủng loại khác nhau nhưng có thể phân làm ba nhóm chính: rơle điện từ; rơle tĩnh(dùng linh kiện bán dẫn) và rơle kỹ thuật số hay gọi tắt là rơle số. Rơle số ra đời sau nhưng từ khi nó được đưa vào sử dụng đã chứng tỏ được những ưu điểm rất quan trọng nổi bật như sau: Độ tin cậy làm việc cao nhờ hạn chế được nhiễu và sai số do nguyên lý truyền thông tin bằng số. Do sử dụng những công cụ có công suất tiêu thụ rất nhỏ nên nhiệt độ trong thiết bị làm việc không cao. Do không sử dụng phần động trong mạch logic nên không có quán tính, không bị kẹt do rỉ hoặc kết bụi. Có khả năng kết hợp nhiều chức năng bảo vệ trong một thiết bị thay vì sử dụng nhiều rơle riêng lẻ, không bị trôi tham số trong quá trình vận hành. Có khả năng tự lập trình được nên có độ linh hoạt cao, dễ dàng sử dụng cho các đối tượng bảo vệ khác nhau. Độ nhạy, độ chính xác cao, thời gian tác động nhanh. Có khả năng bảo vệ tinh vi, sát với ngưỡng chịu đựng của đối tượng bảo vệ. Thời gian hiệu chỉnh ngắn nên có khả năng tác động rất nhanh. Có khả năng đo lường và nối mạng phục vụ cho công tác điều khiển, giám sát và điều chỉnh từ xa. Có khả năng hiển thị thông tin cho người sử dụng thông qua các chương trình, phần mềm sử dụng máy vi tính. Có khả năng ghi nhớ các sự kiện và hiện tượng bất thường phục vụ cho phân tích sự cố và đánh giá khả năng làm việc của hệ thống. Ngoài những ưu điểm đã nêu rơle số cũng có những nhược điểm nhất định: Cấu tạo phức tạp, đòi hỏi người vận hành có trình độ cao hơn. Nhạy cảm với các điều kiện môi trường xung quanh, yêu cầu lắp đặt và bảo quản hết sức nghiêm ngặt. Giá thành cao, đòi hỏi vốn đầu tư lớn khi nâng cấp đồng loạt rơle cũ. Phụ thuộc nhiều vào bên cung cấp hàng trong việc sủa chữa và nâng cấp thiết bị. Do điều kiện lịch sử, những hệ thống bảo vệ cũ ở nước ta hầu hết sử dụng các rơle bảo vệ có xuất sứ từ Liên Xô cũ. Chúng là các rơle điện cơ, một số ít khác là rơle tĩnh. Nhưng cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số và yêu cầu nâng cao chất lượng cung cấp điện thì phần lớn các role thế hệ cũ đã được thay thế bằng role số, đặc biệt là các công trình xây mới thì hoàn toàn sử dụng role số trong hệ thống bảo vệ. Rơle số rất đa dạng về chủng loại cũng như tính năng bảo vệ như rơle số bảo vệ quá dòng, rơle số bảo vệ so lệch, rơle số bảo vệ khoảng cách…và được cung cấp bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau như: SIEMENS, ABB, ALSTOM, SCHNEIDER, SEL… Trong cùng một dòng thiết bị của mỗi nhà cung cấp cũng có nhiều model khác nhau để chọn lựa tùy theo yêu cầu của người sử dụng. Với chuyên ngành Thiết bị điện – Điện tử mà em được đào tạo thì tìm hiểu về rơle số để bảo vệ thiết bị điện là rất quan trọng trong đó em dành mối quan tâm hơn cả tới việc bảo vệ máy biến áp và bảo vệ so lệch thường được chọn làm bảo vệ chính. Hiện tại ở Việt Nam cũng như trên thế giới thì rơle số bảo vệ so lệch của hãng SIEMENS được sử dụng phổ biến hơn cả do có khả năng tích hợp nhiều đầu vào khác nhau và nhiều tính năng bảo vệ tùy theo chọn lựa của người sử dụng, giao diện thân thiện với người sử dụng. Rơle bảo vệ so lệch của hãng SIEMENS có 2 dòng chính là 7UT51x và 7UT61x. 7UT51x và 7UT61x đều có tính năng cơ bản có thể chọn lựa tùy theo người sử dụng như: Bảo vệ so lệch máy biến áp, bảo vệ so lệch cho máy phát hoặc động cơ, bảo vệ so lệch cho điểm rẽ nhánh, bảo vệ quá dòng cắt nhanh và quá dòng có thời gian, bảo vệ chống chạm đất, bảo vệ chống chạm vỏ, bảo vệ quá tải theo nhiệt độ. Nhưng 7UT61x có thể sử dụng cho nhiều đầu vào một lúc thích hợp với các hệ thống lớn, 7UT51x thích hợp cho bảo vệ riêng cho một thiết bị. Vì những lý do mà em đã trình bày và trong giới hạn cho phép của đồ án tốt nghiệp em xin chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: Nghiên cứu và ứng dụng rơle số bảo vệ so lệch 7UT51x của hãng SIEMENS cho bảo vệ so lệch máy biến áp điện lực. Trong thời gian qua với sự nỗ lực làm việc của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Bùi Đức Hùng em đã hoàn thành bản đồ án này. Tuy nhiên, với khả năng và trình độ có hạn nên bản đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô! Sinh viên thực hiện Chu Quang Dũng Chương I : Giới thiệu chung về rơle số 7UT51x. I) Các ứng dụng và chức năng bảo vệ của 7UT51x. Các ứng dụng của 7UT51x. Rơle bảo vệ so lệch số 7UT51 được ứng dụng cho các máy biến áp với tất cả các cấp điện áp, cho các máy điện quay hoặc cho các điểm rẽ nhánh với tối đa là 3 nguồn cấp. Có 2 kiểu: Kiểu nhỏ 7UT512 phù hợp với các máy phát, động cơ, máy biến áp 2 cuộn dây và các điểm rẽ nhánh với 2 nguồn cấp. Rơle có 2 rơle cắt, 4 rơle tín hiệu, 2 đầu vào nhị phân và 6 chỉ thị LED có thể lập trình được.
Kiểu lớn 7UT513 được sử dụng cho máy biến áp 3 cuộn dây và các điểm rẽ nhánh có 3 nguồn cấp. Rơle có 5 rơle cắt, 10 rơle tín hiệu, 5 đầu vào nhị phân và 14 chỉ thị LED có thể lập trình được.
Cả hai kiểu đều có chức năng bảo vệ quá dòng có thời gian nó có thể sử dụng như bảo vệ dự phòng và được gán cho bất cứ cuộn dây nào hoặc các đầu cực của đối tượng bảo vệ. Các chức năng bảo vệ. Các chức năng chung. Bảo vệ so lệch máy biến áp từ 2 đến 3 cuộn dây. Bảo vệ so lệch động cơ và máy phát điện. Bảo vệ so lệch điểm rẽ nhánh. Bảo vệ chống chạm đất hạn chế. Bảo vệ chống sự cố chạm vỏ. Bảo vệ quá dòng có thời gian. Bảo vệ quá tải theo nhiệt độ. * Các chức năng bảo vệ: Bảo vệ so lệch với từng pha riêng biệt. Hãm hài máy biến áp. Bảo vệ quá dòng pha và quá dòng chạm đất. Cắt nhanh ở ngưỡng cao. Bảo vệ chống quá tải. * Các chức năng khác Chức năng đo lường. Chức năng ghi chụp sự cố. 1.2.1.So lệch máy biến áp. Đặc tính cắt dòng hãm. Hãm chống lại các dòng từ hoá với sóng hài bậc hai. Hãm chống lại các dòng sai số ổn định và thoáng qua, ví dụ: gây ra quá kích thích, với sóng hài có thể lựa chọn (hài bậc 3, 4 hoặc bậc 5). Không nhạy cảm với các thành phần một chiều và bão hoà biến dòng. Ổn định cao ngay cả với các mức bão hoà khác nhau của biến dòng. Cắt nhanh không hãm đối với các sự cố máy biến áp có dòng lớn. Độc lập với cách nối đất của trung tính máy biến áp. Tăng độ nhạy với các sự cố chạm đất bằng việc bù dòng thứ tự không (chỉ có ở rơle 7UT513). Tự tổ hợp các tổ đấu dây của máy biến áp . Điều chỉnh các tỷ số biến dòng với việc cân nhắc các dòng định mức khác nhau của biến dòng. 1.2.2. Bảo vệ so lệch máy phát và động cơ. Đặc tính cắt dòng hãm. Độ nhạy cao Thời gian cắt ngắn Không nhạy cảm với các thành phần một chiều và bão hoà biến dòng. Ổn định cao ngay cả với các mức bão hoà khác nhau của biến dòng. Cắt nhanh đối với các sự cố có dòng lớn. Độc lập với cách nối đất của trung tính máy biến áp. 1.2.3. Bảo vệ so lệch cho các điểm rẽ nhánh. Đặc tính cắt dòng hãm. Thời gian cắt ngắn Không nhạy cảm với các thành phần một chiều và bão hoà biến dòng. Ổn định cao ngay cả với các mức bão hoà khác nhau của biến dòng. Giám sát dòng vận hành. 1.2.4. Bảo vệ chạm đất có giới hạn. Cho các cuộn dây máy biến áp, các máy phát, các động cơ hoặc cuộn kháng, điểm nối sao của chúng được nối đất trực tiếp. Có độ nhạy cao với các sự cố chạm đất trong vùng bảo vệ. Có độ ổn định cao với các sự cố ngoài vùng dùng phương pháp hãm dòng qua việc đánh giá độ lớn của dòng điện cũng như vị trí góc pha của dòng chạy qua. 1.2.5. Bảo vệ quá dòng có thời gian. Có thể bảo vệ như bảo vệ dự phòng cho bất cứ cuộn dây được lựa chọn hoặc nguồn cấp nào, với 7UT513 cho cả "đối tượng ảo". Có thể làm việc như bảo vệ quá dòng có thời gian độc lập hoặc phụ thuộc với đặc tính có thể lựa chọn. Cấp qua dòng đặt lớn có thể làm việc độc lập. 1.2.6. Bảo vệ quá tải theo nhiệt độ. Hai chức năng logic quá tải độc lập có thể gán cho bất cứ hai cuộn dây nào hoặc các nguồn cấp của thiết bị được bảo vệ, đối với 7UT513 có thể cho một thiết bị ảo. Mô phỏng nhiệt của các tổn hao nhiệt do dòng. Đo giá trị hiệu dụng. Cấp cảnh báo quá dòng có thể điều chỉnh. 1.2.7. Bảo vệ chạm vỏ. Cho các máy biến áp có vỏ bọc cách ly hoặc nối đất qua điện trở lớn. Giám sát dòng chảy qua giữa vỏ và đất, có thể đánh giá dòng bằng sóng cơ bản hoặc giá trị hiệu dụng tuỳ chọn. Có thể nối với đầu vào đo lường thông thường (normal) của thiết bị hoặc với đầu vào đặc biệt có độ nhạy cao (chỉnh định nhỏ nhất là 10 mA). 1.2.8.Phối hợp với các đầu nhị phân từ bên ngoài. Cho việc xử lý hoặc truyền lại các lệnh hoặc các tín hiệu bên ngoài, ví dụ: "tín hiệu bảo vệ hơi". Nối với các rơle tín hiệu, LED và qua giao tiếp nối tiếp tới các phương tiện điều khiển và kiểm soát (ví dụ LSA). 1.2.9. Phối hợp các tín hiệu cắt từ bên ngoài. Kết hợp các tín hiệu bên ngoài và quá trình xử lý tín hiệu. cắt bằng các tín hiệu bên ngoài qua ma trận cắt đã tích hợp có trễ hoặc không trễ. 1.2.10. Ma trận cắt tích hợp. Với 2 (7UT512) hoặc 5 (7UT513) rơle cắt cho bất cứ lệnh cắt của bảo vệ nào. 1.2.11.Các chức năng phụ thuộc. Ngoài các chức năng trên rơle còn cung cấp các chức năng: Xử lý các tín hiệu Lưu các so lệch ngắn mạch cho việc ghi sự cố Đo dòng vận hành Các chức năng giám sát. II) Thiết kế cơ bản của 7UT51x. 2.1) Lắp đặt. Tùy theo ứng dụng mà có 2 kiểu cơ bản: 7UT512 dùng cho máy biến áp 2 cuộn dây, máy phát, động cơ và điểm nút với 2 nhánh rẽ. 7UT513 dùng cho máy biến áp 3 cuộn dây và điểm nút với 3 nhánh rẽ. 7UT513 cũng có thể dùng để bảo vệ máy phát và động cơ. Có 2 kiểu modul được lắp đặt trong vỏ 7XP20. 7UT51xx-xDxxx lắp trong vỏ 7XP2030-1(7XP2040-1) cho lắp bề mặt. Vỏ bọc được phủ kín màng kim loại, mặt trước có của sổ plastic trong suốt có thể tháo ra. Giá treo plastic được làm để hỗ trợ, chỉ dẫn cho các modul đầu vào. Bảng chỉ dẫn tiếp theo nằm dưới đáy bên tay trái của mỗi modul có một tiếp điểm để tiếp điện tới vỏ bọc được lắp đặt kết hợp với lò xo nối đất trong modul. Nối đất được làm trước khi làm tiếp điểm đưa vào. Vít nối đất được cấp bên phía tay trái của vỏ. Ngoài ra, đầu cuối 16(26) được nối với case. Tất cả tín hiệu ngoài được đưa vào qua 60(100) vít sắp xếp trên đỉnh hoặc dưới đáy vỏ. Các vít được dánh số liên tiếp từ trái qua phải từ trên xuống dưới. Bộ đưa dòng điện làm việc vào được cung cấp tự động, ngắn mạch biến dòng bất cứ khi nào modul được tháo ra. Không tháo ra để đảm bảo an toàn khi mạch thứ cấp biến dòng có liên quan. Với các rơle bảo vệ so lệch, lệch cắt có thể được đưa ra nếu tiếp xúc không đều khi modul được tháo ra hay đưa vào. 7UT51xx-xCxxx lắp trong vỏ 7XP2030-2(7XP2040-2) cho lắp ngang hoặc 7UT51xx-xExxx cho lắp khối. Vỏ bọc được phủ kín màng kim loại. Của sổ và bảng gắn phía trước có thể tháo ra. Cửa sổ làm bằng plastic trong suốt để quan sát dễ dàng. Giá treo bằng plastic được làm đẻ chỉ dẫn cho các modul đưa vào. Tiếp theo ở dưới đáy bên tay trái có 1 tiếp điểm điện nối tới vỏ được lắp kết hợp với lò xo nối đất của modul. Nối đất được làm trước khi được làm tiếp điểm vào. Một vít nối đất được cung câp từ phía sau của vỏ. Tất cả tín hiệu ngoài được đưa vào thông qua modul kết nối được gắn phía sau trên panel cutout.
2.2) Kích thước lắp đặt. 7UT512 trong vỏ 7XP2030-1 cho lắp bề mặt.
7UT512 lắp trong vỏ 7XP2030-2 cho lắp ngang hoặc cho lắp khối.

7UT513 trong vỏ 7XP2040-1 cho lắp đặt bề mặt.

7UT513 lắp trong vỏ 7XP2030-2 cho lắp ngang hoặc cho lắp khối.

2.3) Thông số mô tả.
Ô 6: Kiểu rơle. 2: Cho các máy biến áp 2 cuộn dây, các động cơ và các điểm rẽ nhánh với 2 nguồn cấp. 3: Cho các máy biến áp 3 cuộn dây, các điểm rẽ nhánh với 3 nguồn cấp, cũng có thể sử dụng cho các máy phát, động cơ, máy biến áp 2 cuộn dây và điểm rẽ nhánh 2 nguồn cấp. Ô 7: Dòng định mức; tần số định mức. 1: 1 A; 50/60, 162/3 Hz. 5: 5 A; 50/60, 162/3 Hz. Ô 8: Điện áp nguồn nuôi 2: 24/48 Vdc. 4: 60/110/125 Vdc. 5: 220/250 Vdc. Ô 9: Kiểu lắp đặt. D: Trong vỏ 7XP20 cho lắp bề mặt. C: Trong vỏ 7XP20 cho ngang. E: Trong vỏ 7XP20 cho lắp khối (không có kính trước) Ô 13: Các chức năng tín hiệu bổ xung. 0: Không có (yêu cầu tiêu chuẩn của 7UT512). 1: Có bảo vệ chạm đất có giới hạn (yêu cầu tiêu chuẩn của 7UT513). 2: Có bảo vệ chạm vỏ (7UT513 có đầu vào dòng điện độ nhậy cao). Ô 14: Giao tiếp nối tiếp kết nối với trung tâm điều khiển A: Không có giao tiếp nối tiếp. B: Có giao tiếp nối tiếp (t−ơng tự V24 hoặc RS 232C). C: Có giao tiếp cho cáp quang. 2.4) Sơ đồ cấu trúc( Sơ đồ chân đấu nối).

III) Thông số kỹ thuật. 3.1) Các thông số vào ra. Các mạch đo: Dòng định mức: 1A hoặc 5A. Tần số định mức: 50Hz/60Hz hoặc 16 2/3 Hz. ( có thể lựa chọn) Công suất tiêu thụ: IN=1A xấp xỉ 0,05VA mỗi pha.