Tài liệu Nghiên cứu tích hợp hệ thống rơle sel tại phòng thí nghiệm khoa điện trường đại học bách khoa đại học đà nẵng

iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan .................................................................................................................... i Mục lục ........................................................................................................................... iii Tóm tắt luận văn ............................................................................................................. .v Danh mục các chữ viết tắt .............................................................................................. vi Danh mục các hình ........................................................................................................ vii MỞ ĐẦU...........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................1 3. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................1 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................................2 5. Đặt tên đề tài ...............................................................................................................2 6. Cấu trúc luận văn ........................................................................................................2 CHƢƠNG 1: KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ HIỆN CÓ TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM RƠ LE .................................................................................................................................................3 1.1. Giới thiệu chung ......................................................................................................3 1.2. Các modun đã đƣợc đầu tƣ ...........................................................................…….3 1.2.1. Các môđun nguồn, máy phát đồng bộ và động cơ kéo, máy biến áp, thanh cái, đường dây, phụ tải, máy biến dòng điện và máy biến điện áp.. ................................... 3 1.2.2. Các rơ le SEL311L, SEL387A, SEL300G, SEL551, SEL351, SEL451 ............6 1.2.3. Các môđun tạo sự cố, môđun cấp nguồn một chiều cho các rơ le ..................... 8 1.3. Thiết kế tủ gá thiết bị............................................................................................10 1.4. Các bài thí nghiệm và một số vấn đề còn hạn chế trong PTN ..........................11 1.5. Kết luận chƣơng ....................................................................................................13 CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÀI ĐẶT CHO CÁC RƠ LE SEL ..................15 2.1. Bảo vệ khoảng cách đƣờng dây dùng rơ le SEL 311L ......................................15 2.1.1. Đặc tính tác động...............................................................................................15 2.1.2. Tính toán cài đặt................................................................................................15 2.2. Rơ le SEL 311L chức năng bảo vệ quá dòng và quá dòng cắt nhanh ..............16 2.2.1. Đặc tính tác động...............................................................................................16 2.2.2. Mô tả cài đặt ......................................................................................................17 2.3. Bảo vệ so lệch cho máy phát điện dùng rơ le SEL 300G ...................................18 2.3.1. Đặc tính tác động...............................................................................................18 2.3.2. Mô tả cài đặt ......................................................................................................19 2.4. Bảo vệ so lệch máy biến áp dùng rơ le SEL 387A ..............................................19 iv 2.4.1. Nguyên lý làm việc và đặc tính tác động ..........................................................19 2.4.2. Tính toán cài đặt................................................................................................22 2.5. Kết luận chƣơng ....................................................................................................26 CHƢƠNG 3: TÍCH HỢP HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠ LE SEL BẰNG MÁY TÍNH...28 3.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................28 3.1.1. Rơle bảo vệ khoảng cách cho đường dây dùng rơ le SEL 311L .......................28 3.1.2. Rơle bảo vệ so lệch máy biến áp SEL 387A .....................................................31 3.1.3. Rơle bảo vệ máy phát điện SEL 300G ..............................................................35 3.1.4. Rơle giam sát và điều khiển trung tâm SEL 451 ..............................................37 3.2. Tích hợp và điều khiển hệ thống bảo vệ rơ le SEL qua hệ thống máy tính ....40 3.2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................40 3.2.2. Giải pháp kết nối giữa các rơ le SEL với máy tính ...........................................41 3.2.3. Giải pháp tích hợp hệ thống bảo vệ rơ le trong phòng thí nghiệm ...................45 3.3 Mô phỏng chức năng bảo vệ của các rơ le SEL .................................................46 3.3.1. Xây dựng mô hình đường dây và trạm biến áp .................................................46 3.3.2. Cấu hình tin nhắn GOOSE cho các rơ le SEL ................................................. 49 3.3.3. Mô phỏng và đánh giá ...................................................................................... 55 3.4. Kết luận chƣơng ....................................................................................................63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) KẾT LUẬN CỦA CÁC HỘI ĐỒNG, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (BẢN SAO) v NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ THỐNG RƠLE SEL TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Học viên: Khƣơng Thị Út Thƣơng Mã số: 8520201 Khóa: 34 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện. Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Hiện nay, tại phòng thí nghiệm đã được trang bị đầy đủ các thiết bị thí nghiệm như nguồn điện AC/DC, các rơ le SEL-xxx (SEL 300G, SEL 311L, SEL 387A, SEL 451,…), các môđun thí nghiệm, dây nối,…giúp người học có thể thực hành các bài thí nghiệm về rơ le. Mỗi rơ le có những chức năng bảo vệ riêng, phù hợp để bảo vệ cho từng đối tượng trong hệ thống điện (như máy phát, máy biến áp, đường dây,…). Mỗi rơ le sẽ được mô phỏng chức năng qua các bài thí nghiệm, từ đó sinh viên có thể tìm hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý làm việc, cách thức vận hành, cách thức xử lý sự cố của từng rơ le. Nhiệm vụ của luận văn đó là tìm ra phương thức tích hợp các rơ le với nhau. Vấn đề đã được giải quyết bằng cách: dùng phần mềm AcSELerator QuickSet và bộ Switch. Ngoài ra luận văn còn nghiên cứu ứng dụng tin nhắn GOOSE để có thể giao tiếp giữa hai hoặc nhiều rơ le với nhau. Kết quả nghiên cứu đạt được đó là tích hợp hệ thống bảo vệ các rơle trong phòng thí nghiệm một cách hiệu quả hơn, rút ngắn được thời gian thí nghiệm vận hành trên rơ le SEL, nâng cao công tác thí nghiệm thực hành cho giảng viên. Từ khóa: Nguyên lý làm việc, kết nối, tích hợp bảo vệ, phần mềm, tin nhắn GOOSE. RESEARCH TO INTEGRATE THE SEL RELAY SYSTEM IN THE LAB OF FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING - UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHONOLOGY – THE UNIVERSITY OF DA NANG Abstract: Currently, the laboratory has been fully equipped with laboratory equipment such as AC / DC power supply, relay SEL-xxx (SEL 300G, SEL 311L, SEL 387A, SEL 451,...), test modules experiments, wiring, ... help learners to practice the experiments on relays. Each relay has its own protection functions, suitable to protect each object in the electrical system (such as generators, transformers, lines,...). Each relay will be simulated function through the experiments, from which students can find out clearly the structure, working principles, how to operate, how to handle problems of each relay. The task of the thesis is to find ways to integrate relays together. The problem was solved by: using AcSELerator QuickSet and Switch software. In addition, the thesis also studies the application of GOOSE messages to be able to communicate between two or more relays. The study results are integrated more effectively to protect the relay system in the laboratory, shorten the time of operation test on the SEL relay, improve the practice of teaching experiments tablets. Key words: Working principle, connection, integrated protection, software, GOOSE messages. vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MFĐ (MF): - Máy phát điện MBA: - Máy biến áp ĐZ: - Đường dây HTĐ: - Hệ thống điện PS: - Power system SEL: - Họ rơ le SEL MHO: - Đường đặc tính tổng dẫn của rơle khoảng cách TU (BU): - Máy biến điện áp TI (BI): - Máy biến dòng điện D/C: - Động cơ kéo (Prime mover) TG: - Thanh góp FAULT: - Sự cố (lỗi) ZONE: - Vùng IEC: - Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế (International Electrotechnical Commission) BVQD - Bảo vệ quá dòng RLBV - Rơ le bảo vệ PTN - Phòng thí nghiệm vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ Tên hình Trang 1.1 Bộ cấp nguồn xoay chiều 3 pha 380/220V (Power supply) 3 1.2 Môđun máy phát đồng bộ và động cơ kéo (Prime mover và Generator) 5 1.3 Môđun Máy biến áp (Tranformer) 5 1.4 Môđun Lưới truyền tải (Distribution Bus) 5 1.5 Môđun đường dây truyền tải (Tranmision Line) 5 1.6 Các mô đun Tải trở (Resistive Load); Tải dung (Capacitive Load) và Tải cảm (Inductive Load) 6 1.7 Các mô đun biến dòng điện và biến điện áp 6 1.8 Rơle so lệch SEL 300G 6 1.9 Rơle so lệch SEL 387 7 1.10 Rơle so lệch SEL 311L 7 1.11 Rơle quá dòng SEL551 7 1.12 Rơle quá dòng SEL351 8 1.13 Rơle trung tâm SEL451 8 1.14 Các môđun chính trong hệ thống các môđun tạo sự cố 8 1.15 Môđun cấp nguồn một chiều cho các rơle (DC Power Supply) 9 1.16 Sơ đồ nguyên lý bàn thí nghiệm hệ thống điện đa chức năng 9 1.17 Giải pháp gá lắp thiết bị trên bàn thí nghiệm 10 1.18 Bản vẽ thiết kế tủ gá thiết bị (a) và (b) 11 1.19 Bàn thí nghiệm sau khi lắp đặt và kết nối hoàn chỉnh 11 1.20 Sơ đồ hệ thống bảo vệ khoảng cách dùng SEL 311L 12 1.21 Sơ đồ nối dây của bảo vệ khoảng cách SEL-311L 13 Đặc tính tác động MHO của SEL-311L 15 2.2 Họ đặc tuyến thời gian cắt loại C1 theo tiêu chuẩn IEC 17 2.3 Đường đặc tính tác động của bảo vệ so lệch máy phát dùng SEL-300G 18 2.4 Nguyên lý của bảo vệ so lệch MBA dùng SEL-387A 19 2.5 Đặc tính tác động của rơle SEL-387A 22 3.1 Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-387A 28 3.2 Sơ đồ các cổng đầu vào-ra chức năng của SEL-387A. 30 3.3 Sơ đồ kết nối AC,ứng dụng cho MBA đấu Υ/∆ 30 3.4 Sơ đồ kết nối DC,ứng dụng cho MBA 2 cuộn dây 31 3.5 Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-311L 32 2.1 viii 3.6 Sơ đồ các cổng vào – ra của SEL-311L 33 3.7 Sơ đồ đấu nối AC/ DC của rơle SEL-311L ứng dụng bảo vệ cho đường dây 35 3.8 Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-300G 36 3.9 Sơ đồ các cổng vào – ra của SEL-300G 37 3.10 Sơ đồ chức năng và ứng dụng SEL-451 38 3.11 Sơ đồ các cổng vào – ra của SEL-451 39 3.12 Mô hình kết nối truyền thông giữa các rơ le SEL với máy tính 40 3.13 Kết nối truyền thông giữa rơle SEL với máy tính bằng cáp RS232 41 3.14 Màn hình giao diện của phần mềm QuickSet 41 3.15 Chọn cài đặt kết nối giữa SEL với máy tính 42 3.16 Thông tin về cấu hình thiết bị rơ le hiện có 42 3.17 Mở và soạn thảo cấu hình mới cho rơ le 42 3.18 Soạn thảo các thông số cấu hình cho rơ le 43 3.19 Cửa sổ soạn thảo cài đặt 43 3.20 Cảnh báo lỗi phát sinh do vượt quá giá trị cho phép 43 3.21 Xác nhận việc lưu cấu hình mới vào cho rơ le 44 3.22 Khai báo lưu lại dữ liệu cấu hình vào máy tính 44 3.23 Điền tên file để lưu dữ liệu trên ổ đĩa máy tính 44 3.24 Sơ đồ kết nối tích hợp điều khiển các bảo vệ rơ le SEL 46 3.25 Mô hình nguyên lý bảo vệ của các rơ le SEL 47 3.26 Sơ đồ mạch nhị thứ bảo vệ cho hệ thống 49 3.27 Cấu hình biến GOOSE cho hai rơle cùng một hãng SEL 50 3.28 Sơ đồ nhất thứ của hệ thống bảo vệ 51 3.29 Cấu hình tín hiệu GOOSE Transmit (truyền tin nhắn) 52 3.30 Cấu hình tín hiệu GOOSE Receive (nhận tin nhắn) 54 3.31 Sơ đồ nối dây tích hợp các bảo vệ rơ le SEL 56 3.32 Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm 57 3.33 Mô phỏng lúc làm việc bình thường của hệ thống từ rơle SEL387E 60 3.34 Kết quả mô phỏng sau sự cố tại điểm N1 61 3.35 Mô phỏng lúc làm việc bình thường của hệ thống từ rơle SEL451 62 3.36 Kết quả mô phỏng sau sự cố tại điểm N2 63 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong hệ thống điện ngày nay thì hệ thống bảo vệ rơle có vai trò rất quan trọng. Đặc biệt là hệ thống rơle số, có nhiều chức năng hữu ích trong việc phát hiện và xử lý sự cố trong hệ thống điện một cách nhanh chóng, kịp thời và chính xác giúp hệ thống điện luôn làm việc ở trạng thái ổn định, an toàn. Các thiết bị rơle này sẽ ngày càng được cải tiến công nghệ, chế tạo một cách khoa học hơn để phù hợp với xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước. Hiện nay, phòng thí nghiệm Bảo vệ Rơle thuộc Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng đã được trang bị các thiết bị rơle SEL và đang được khai thác phục vụ cho công tác đào tạo thí nghiệm, nghiên cứu khoa học của sinh viên và các học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử. Tuy nhiên với tần suất thí nghiệm ngày càng lớn (khoảng 140giờ/280SV/1năm học), hiệu quả khai thác còn hạn chế do tốn nhiều thời gian cho việc kết nối các sơ đồ thí nghiệm và cài đặt các thông số của rơle bằng tay thông qua các nút bấm trên bề mặt rơle; công cụ lý thuyết sử dụng để tính toán cài đặt chưa phù hợp với loại rơle SEL thực tế nên trong khi thí nghiệm thì rơle vẫn bị tác động nhầm, cho kết quả không chính xác khiến người học phân vân, giáo viên hướng dẫn phải giải thích nhiều làm tốn thời gian buổi thí nghiệm. Vì vậy để khắc phục các hạn chế nêu trên cần có sự nghiên cứu về hệ thống bảo vệ rơ le SEL hiện có và tìm ra giải pháp để tích hợp các rơle và điều hành thông qua hệ thống máy tính nhằm nâng cao hiệu quả công tác đào tạo tại khoa Điện. Đây cũng chính là lý do để học viên chọn đề tài liên quan đến việc nghiên cứu tích hợp hệ thống bảo vệ. 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu Hệ thống rơ le bảo vệ của hãng SEL được lắp đặt sẵn tại PTN Bảo vệ Rơle của khoa Điện thuộc trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng. 2.2. Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu, nghiên cứu các công cụ tính toán thông số cài đặt cho rơle SEL. - Khảo sát hiện trạng thiết bị để kết nối các Rơle SEL cho cài đặt - giám sát và điều khiển bằng máy tính. - Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống các bảo vệ rơle. - Áp dụng, đánh giá các kết quả và đưa ra nhận xét. 3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 3.1. Mục tiêu của đề tài - Nâng cao hiệu quả sử dụng các trang thiết bị đã được đầu tư và nâng cấp tại các phòng thí nghiệm thuộc khoa Điện trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng. 2 - Phù hợp với xu hướng phát triển hệ thống điều khiển tích hợp phục vụ tự động hóa các TBA của ngành điện nước ta hiện nay. - Phục vụ công tác khai thác các chức năng bảo vệ phối hợp giữa các rơle với nhau để nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực rơle tự động hóa. - Nâng cao chất lượng đào tạo hệ kỹ sư và cao học tại khoa Điện, phù hợp với định hướng phát triển thành trường đại học nghiên cứu của nhà trường. 3.2. Nhiệm vụ chính - Tìm hiểu, nghiên cứu các công cụ tính toán thông số cài đặt cho rơle SEL. - Nghiên cứu, tìm ra giải pháp tích hợp hệ thống các bảo vệ rơle với nhau thông qua hệ thống máy tính. - Khảo sát, mô phỏng, đánh giá các kết quả tìm được bằng các phần mềm mô phỏng. 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng, mặc dù hệ thống bảo vệ rơle đã được đưa vào dạy và nghiên cứu cho sinh viên và học viên từ nhiều năm qua nhưng với việc nghiên cứu một cách cụ thể, đề tài này sẽ giúp người học đánh giá, phân tích sự cố và các hư hỏng trong các bài thí nghiệm bảo vệ rơle hoặc phục vụ việc nghiên cứu khoa học một cách chính xác và nhanh hơn. Về ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã giải quyết được một khối lượng lớn công việc cho nhân viên thí nghiệm khi kiểm định và phân tích các sự cố hệ thống bảo vệ rơle, giúp rút ngắn thời gian thí nghiệm và nâng cao công tác đào tạo cho khoa Điện phù hợp với định hướng phát triển của nhà trường. 5. ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI Từ những lý do đã nêu ở trên. Đề tài được chọn có tên là: “Nghiên cứu tích hợp hệ thống rơle SEL tại phòng thí nghiệm Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng”. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Luận văn gồm các phần chính sau: Mở đầu Chƣơng 1: Khảo sát các thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm Chƣơng 2: Tính toán thông số cài đặt cho các rơle SEL Chƣơng 3: Tích hợp hệ thống bảo vệ rơle SEL bằng máy tính Kết luận và kiến nghị 3 Chƣơng 1 KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ HIỆN CÓ TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM RƠLE 1.1. Giới thiệu chung Phòng thí nghiệm bảo vệ rơle trực thuộc bộ môn Hệ thống điện, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Năm 2006, phòng thí nghiệm đã được Đại học Đà Nẵng đầu tư nâng cấp các thiết bị bảo vệ rơle kỹ thuật số đa chức năng của hãng SEL. Các thiết bị rơle được thiết kế có đầy đủ các chức năng để làm thí nghiệm bảo vệ cho các phần tử trong hệ thống như: máy phát điện, máy biến áp và đường dây,… 1.2. Các môđun đã đƣợc đầu tƣ 1.2.1. Các môđun nguồn, máy phát đồng bộ và động cơ kéo, máy biến áp, thanh cái, đường dây, phụ tải, máy biến dòng điện và máy biến điện áp 1.2.1.1. Môđun nguồn (Power Supply): Nhiệm vụ của môđun này cấp nguồn cho mạch lưới điện cần thí nghiệm và nguồn điều khiển cho các thiết bị rơ le. Hình dáng bên ngoài của bộ nguồn như hình 1.1. Từ hình này cho biết những đầu ra cũng như bộ phận điều khiển bên ngoài của bộ nguồn. 3 2 1 4 5 9 7 8 6 11 10 12 Hình 1.1: Bộ cấp nguồn xoay chiều 3 pha 380/220V (Power supply) 1: Đồng hồ hiển thị 3 : Đèn báo pha 5: Công tắc nguồn 7: Nguồn AC 3 pha, điện áp 220/380 V 9: Nguồn một chiều, điện áp cố định 220V 11: Dây nối đất a. Các đầu ra của bộ nguồn 2: Nút chọn đầu ra cần đo 4: Nút chỉnh điện áp đầu ra 6: Nguồn xoay chiều 1 pha, điện áp cố định 24 V 8: Nguồn AC 3 pha, điện áp 0-220/380 V 10: Nguồn một chiều, điện áp thay đổi 0-220 V 12: Reset 4 - Nguồn xoay chiều 1 pha, điện áp 220 V: cung cấp điện cho các thiết bị bằng các zắc cắm tiêu chuẩn. Dòng định mức của nguồn này có giá trị 3 A. - Nguồn xoay chiều 3 pha, điện áp 220/380 V: được đưa ra ngoài bằng 4 đầu (kí hiệu 1, 2, 3, N). - Trong đó, các dây pha tương ứng 1,2,3. Dây trung tính được ký hiệu N. Dòng điện pha định mức của nguồn cung cấp là 10A. - Nguồn xoay chiều 3 pha, điện áp thay đổi 0 - 220/380 V: được đưa ra bên ngoài bởi các đầu ký hiệu là 4, 5, 6 và đầu trung tính N. Điện áp pha/dây có thể điều chỉnh được trong phạm vi 0-220/380 V bằng cách xoay nút điều chỉnh điện áp. Dòng điện pha định mức của nguồn cung cấp là 3A. - Nguồn xoay chiều, điện áp cố định 24 V: đây là nguồn ra đặc biệt, có công tắc bật mở, nguồn này được thiết kế để cung cấp cho các thiết bị đo và hiển thị. - Nguồn một chiều, điện áp cố định 220 V: cung cấp điện 1 chiều có điện áp định mức 220 V và dòng định mức 1A. Đầu ra bên ngoài của nguồn này tương ứng là 8 và N. - Nguồn một chiều, điện áp thay đổi 0-220 V: cung cấp điện 1 chiều có điện áp thay đổi được trong phạm vi 0 - 220 V và dòng định mức của nguồn này là 5A. Nguồn điện này được lấy từ đầu ra số 7 và N. - Dây nối đất: để đảm bảo an toàn cho người làm thí nghiệm, các thiết bị khi nối vào bộ nguồn có thể được nối đất thông qua đầu nối đất màu xanh. b. Đồng hồ hiển thị và điều khiển - Công tắc nguồn: đóng và mở toàn bộ điện trong bộ nguồn. - Đèn báo pha: báo hiệu có điện áp đầu vào của bộ nguồn. Khi một pha bị mất điện, đèn của pha đó bị tắt. - Đồng hồ hiển thị: Hiển thị giá trị điện áp của các đầu ra. - Nút chọn đầu ra cần đo: Để chọn đo điện áp của đầu ra, người sử dụng xoay nút chọn đến vị trí đầu ra cần đo. - Nút chỉnh điện áp đầu ra: Điện áp ở đầu ra được điều chỉnh nhờ vặn núm điều chỉnh tròn (núm to) trên Module có chia vạch từ 0-100. - Reset: Các tham số của bộ nguồn thể thiết lập lại trạng thái ban đầu bằng nút Reset. 1.2.1.2. Môđun máy phát đồng bộ và động cơ kéo (Generator & Prime mover): Nhiệm vụ của môđun máy phát đồng bộ tương tự như một máy phát điện đồng bộ 3 pha, nhưng có công suất phát nhỏ (~750W). Còn nhiệm vụ của môđun động cơ kéo, thì đây là mô phỏng của một động cơ sơ cấp, dùng kết hợp với môđun máy phát đồng bộ để điều chỉnh tốc độ của máy phát. Môđun máy phát đồng bộ và động cơ kéo (hình 1.2), được sử dụng để mô phỏng chế độ làm việc của máy phát điện (MFĐ). Rôto của máy phát điện sẽ được nối với trục của động cơ kéo thông qua đai truyền động, hệ thống bánh đà nối với trục động cơ sẽ có tác dụng đảm bảo ổn định tốc độ cho động cơ kéo Prime mover. 5 Hình 1.2: Môđun máy phát đồng bộ và động cơ kéo (Prime mover và Generator) 1.2.1.3. Môđun máy biến áp (Transformer): Đây là môđun mô phỏng máy biến áp (hình 1.3), môđun này có thể sử dụng để thí nghiệm ngắn mạch các vị trí đặc biệt trong cuộn dây máy biến áp (MBA). Nhờ có cấu tạo đặc thù nên với môđun này có thể thực hiện được các dạng ngắn mạch: pha – pha; pha – đất, cũng như ngắn mạch qua tổng trở trung gian và tạo ra ngắn mạch giữa mạch sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Hình 1.3: Môđun Máy biến áp 1.2.1.4. Môđun thanh cái (Distribution Bus) Thanh cái (hình 1.4) dùng để kết nối giữa các mạch nguồn điện cung cấp và các mạch phụ tải tiêu thụ điện. Môđun thanh cái bao gồm hai hệ thống thanh cái độc lập với nhau. Hệ thống thanh cái một là sơ đồ hệ thống một thanh cái phân đoạn, trong khi thanh cái kia là sơ đồ một thanh cái không phân đoạn, đây là điểm rất thuận lợi cho mô hình bàn thí nghiệm. Hình 1.4: Môđun Lưới truyền tải 1.2.1.5. Môđun đường dây (Transmission Line) Môđun đường dây (DZ) (hình 1.5) là một mô hình đường dây ba pha, với môđun này có thể thực hiện được các thí nghiệm ngắn mạch linh hoạt cho bảo vệ quá dòng điện, bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách. Hình 1.5:Môđun đường dây truyền tải 6 1.2.1.6. Môđun các thiết bị mô phỏng phụ tải điện Các môđun tải trở, tải dung và tải cảm (hình 1.6) được dùng thay thế cho các loại phụ tải tiêu thụ điện năng thực tế trong hệ thống điện. Từ ba loại phụ tải này có thể dùng riêng hoặc kết hợp với nhau sẽ tạo ra tính chất đặc trưng của các loại phụ tải: tải thuần trở, tải thuần dung, tải thuần cảm và tải hỗn hợp. Hình 1.6: Các mô đun Tải trở (Resistive Load), Tải dung (Capacitive Load) và Tải cảm (Inductive Load) 1.2.1.7. Môđun biến dòng điện và biến điện áp (Current transformer; Voltage transformer) Trong mô hình thí nghiệm hệ thống điện đa chức năng, biến dòng điện (TI) và biến điện áp (TU) (hình 1.7) có chức năng chuyển đổi các giá trị dòng điện từ 0,5A thành dòng điện 5A và giá trị điện áp từ 380VAC xuống điện áp 120VAC phù hợp với yêu cầu đầu vào của các loại rơle. Hình 1.7: Các mô đun biến dòng điện và biến điện áp 1.2.2. Các rơ le SEL 311L, SEL 387A, SEL 300G, SEL 551, SEL 351, SEL 451 1.2.2.1. Rơle so lệch kỹ thuật số cho máy phát điện Sử dụng rơle so lệch SEL 300G, cấu trúc mặt trước của rơle được thể hiện trong hình 1.8. Dùng cổng truyền thông COM (dùng cáp mạng RS232) để giao tiếp với máy tính. Rơ le này có chức năng chính là bảo vệ so lệch máy phát điện (87), chuyên dùng bảo vệ cho máy phát điện. Ngoài ra nó còn có một số chức năng dự phòng khác có thể cài đặt (như chức năng BVQD [50,51], bảo vệ khoảng cách (21), bảo vệ quá kích thích Hình 1.8: Rơle so lệch SEL 300G (24), bảo vệ kém áp/ quá áp (27/59), bảo vệ chống mất kích từ (40),.... 7 1.2.2.2. Rơle so lệch máy biến áp Dùng rơ le so lệch SEL 387A (hình 1.9). Bảo vệ so lệch dòng điện bằng 2 hoặc 3 đầu vào dòng điện 3-pha, với đặc tính hãm có 2 độ dốc độc lập có thể lập trình theo ý muốn. Thành phần so lệch có thể cài đặt giám sát bởi các thành phần hài bậc 2, bậc 4 hoặc thành phần hãm. Chức năng chính của SEL 387A là bảo vệ so lệch dòng điện (87) cho các đối tượng như là máy biến áp, máy phát, đường dây ngắn,… Ngoài ra nó còn có một số chức năng dự phòng khác có thể cài đặt như bảo vệ quá dòng (50/51), bảo vệ so lệch (87). Dùng cổng truyền thông COM (dùng cáp mạng RS232) để giao tiếp với máy tính. Hình 1.9: Rơle so lệch SEL 387A 1.2.2.3. Rơle khoảng cách SEL 311L Rơle SEL 311L (hình 1.10) có chức năng chính là bảo vệ khoảng cách (21) và đối tượng nó bảo vệ là các xuất tuyến đường dây dài, rơle này thường chia làm bốn vùng bảo vệ khoảng cách pha và đất với đặc tính MHO, 4 vùng bảo vệ khoảng cách chạm đất đặc tính tứ giác. Trong đó gồm hai vùng hướng thuận và hai vùng có thể đặt hướng thuận hoặc ngược. Rơle cũng có khả năng thực hiện truyền cắt tới đầu đối diện và logic mở rộng khoảng cách vùng 1. SEL 311L chứa tất cả các phần tử bảo vệ, giám sát và các tính năng giao tiếp như: Bảo vệ khoảng cách, quá dòng có hướng và vô hướng, bảo vệ tần số và chức năng đóng lặp lại nhiều lần Dùng cổng truyền thông COM (dùng cáp mạng RS232) để giao tiếp với máy tính. Hình 1.10: Rơle so lệch SEL 311L 1.2.2.4. Bảo vệ quá dòng vô hướng SEL 551 Chức năng chính của con này là bảo vệ quá dòng có thời gian (51). Bảo vệ quá dòng vô hướng SEL 551 (hình 1.11) được dùng để thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ chính như bảo vệ so lệch, bảo vệ khoảng cách. Dùng cổng truyền thông COM (dùng cáp mạng RS232) để giao tiếp với máy tính. Đối tượng nó có thể bảo vệ như là: Hình 1.11: Rơle quá dòng SEL 551 máy phát, máy biến áp, đường dây,...nhưng thường chỉ làm vai trò bảo vệ dự phòng. . 8 1.2.2.5. Bảo vệ quá dòng có hướng SEL 351 Cũng giống như rơle SEL-551, SEL 351 (hình 1.12) được dùng để thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ chính như bảo vệ so lệch, bảo vệ khoảng cách. Tuy nhiên SEL 351 thường được sử dụng trong lưới điện có nhiều nguồn cung cấp. Ngoài ra nó còn có một số chức năng dự phòng khác có thể cài đặt như chức năng bảo vệ quá dòng cắt nhanh (50), chức năng rơ le tần số (81). Hình 1.12: Rơle quá dòng SEL351 Dùng cổng truyền thông COM (dùng cáp mạng RS232) để giao tiếp với máy tính. 1.2.2.6. Rơle giám sát điều khiển trung tâm SEL 451 Rơle giám sát điều khiển trung tâm SEL 451 (hình 1.13) được dùng để thực hiện chức năng giám sát điều khiển trung tâm cho các bảo vệ chính như bảo vệ quá dòng, bảo vệ kém áp, bảo vệ công suất. Thường được dùng làm rơ le trung tâm, tức có thể theo giỏi, đo lường, thu thập dữ liệu, truyền tín hiệu điều khiển, xử lý thông tin,… từ các bảo vệ khác trong cùng một hệ thống điện. Rơle này có thiết kế hiện đại hơn là ngoài cổng COM (dùng cáp mạng RS232) còn có cổng truyền thông qua cáp mạng RJ45,có thể kết nối mạng Lan với máy tính, nên ta có thể dễ dàng thu thập dữ liệu cũng như điều khiển nó hơn. Hình 1.13: Rơle SEL451 * Ngoài các rơ le trên còn có thêm rơle so lệch SEL 387E Đặc điểm, chức năng, nhiệm vụ tương tự rơ le SEL 387A. Chỉ khác là con rơle này có thiết kế hiện đại hơn SEL 387A là có thêm cổng truyền thông internet (cáp mạng RJ45) để giao tiếp với máy tính, nên ta có thể dễ dàng thu thập dữ liệu cũng như điều khiển hơn. 1.2.3. Các môđun tạo sự cố, môđun cấp nguồn một chiều cho các rơ le 1.2.3.1. Các môđun tạo sự cố Các môđun tạo sự cố (hình 1.14) có chức năng tạo ra các dạng sự cố trong các thiết bị điện như sự cố ngắn mạch, mất tải đột ngột, …. Hình 1.14: Các môđun chính trong hệ thống các môđun tạo sự cố 9 1.2.3.2. Môđun cấp nguồn một chiều cho các rơle Môđun cấp nguồn một chiều cho các rơle (hình 1.15) được dùng để tạo ra nguồn một chiều cung cấp cho các thiết bị bảo vệ rơle số và các mô đun phụ trợ trong các bàn thí nghiệm tại phòng thí nghiệm rơle. Hình 1.15: Môđun cấp nguồn một chiều cho các rơle (DC Power Supply) Từ những yêu cầu thực tế đặt ra, ta có thể xây dựng mô hình bàn thí nghiệm hệ thống điện đa chức năng như hình 1.16: TC1 SEL 351 MBA1 TC2 TI MC MC TI TC3 SEL 311L TI MC MC TI DZ1 TI MC MC TI Phụ tải 1 MFĐ SEL 551 SEL 387 SEL 300G SEL 387 TU MC TI Chú thích: - MFĐ: Máy phát điện - MBA: Máy biến áp - MC: Máy cắt điện - TC: Thanh cái - DZ: Đường dây - TI: Máy biến dòng điện - TU: Máy biến điện áp DZ2 TI MC MC TI TU SEL 311L MBA2 Phụ tải 2 MC TI Nguồn điện lưới TU SEL 351 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý bàn thí nghiệm hệ thống điện đa chức năng Mô hình bàn thí nghiệm trên hình 1.16 bao gồm 2 phần cơ bản: phần nhất thứ và phần nhị thứ. a. Phần nhất thứ Phần nhất thứ được tạo bởi các thiết bị động lực (phần nét liền) bao gồm: máy phát điện; máy biến áp; đường dây; thanh cái; máy cắt; TU; TI. Đây chính là mô hình hoàn chỉnh của nhà máy điện có kết nối với lưới điện. Với mô hình này cho phép xây dựng các bài thí nghiệm và các mô hình nghiên cứu quá trình quá độ, các chế độ vận hành của máy phát điện nói riêng và hệ thống điện nói chung. Các môđun được kết nối với nhau bằng dây điện mềm qua các hàng kẹp (Terminal Block), đây là phương pháp linh động nhất trong việc thay thế sửa chữa các mô đun bị hư hỏng trong quá trình sử dụng. b. Phần nhị thứ Từ mô hình thiết bị trong phần nhất thứ tác giả đã thiết kế phần nhị thứ (nét đứt) để bảo vệ cho tất cả các phần tử động lực chính và quan trọng hơn là tất cả các rơle trong phần nhị thứ đều được kết nối truyền thông với nhau và được điều khiển bằng máy tính để thực hiện các chức năng hoàn chỉnh mà mô hình cũ không thực hiện được. Với mô 10 hình thiết kế cho phần nhị thứ, người dùng có thể nghiên cứu được hầu hết các tính năng mở rộng của rơle và đặc biệt là các tính năng này sát thực với công tác vận hành hệ thống điện ngoài thực tế, nơi không cho phép người dùng thí nghiệm trực tiếp các thiết bị. 1.3. Thiết kế tủ gá thiết bị Việc thiết kế tủ gá các thiết bị đòi hỏi phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Tháo lắp các môđun phải dễ dàng. - Tiết kiệm trong việc đấu nối dây dẫn giữa các mô đun. - Phải chắc chắn, dễ di chuyển và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Để đảm bảo được các yêu cầu trên và phải giữ được thứ tự như trong sơ đồ nguyên lý đã xây dựng, tác giả đã tìm ra giải pháp lắp gá các mô đun thiết bị trên hai dãy tủ chứa như hình 1.17 Tủ bên phải Tủ bên trái Hình 1.17: Giải pháp gá lắp thiết bị trên bàn thí nghiệm a. b. c. d. e. f. g. h. i. a. Tủ bên trái 11 b. Tủ bên phải Hình 1.18: Bản vẽ thiết kế tủ gá thiết bị (a) và (b) Các bản vẽ sau khi gia công cơ khí và được gá lắp các thiết bị hoàn chỉnh như hình 1.19 Hình 1.19: Bàn thí nghiệm sau khi lắp đặt và kết nối hoàn chỉnh 1.4. Các bài thí nghiệm và một số hạn chế trong PTN Với các trang thiết bị sẵn có như trên thì khoa Điện đã xây dựng được các bài thí nghiệm như sau: [14] 12 - Bài 1: Bảo vệ khoảng cách (cho đường dây, dùng rơ le SEL 311L) - Bài 2: Bảo vệ quá dòng (cho đường dây, dùng rơ le SEL 311L) - Bài 3: Bảo vệ so lệch máy phát (cho máy phát điện, dùng rơ le SEL 300G) - Bài 4: Bảo vệ quá dòng điện (cho máy phát điện, dùng rơ le SEL 300G) - Bài 5: Bảo vệ quá dòng máy biến áp (cho máy biến áp, dùng rơ le SEL 387A) - Bài 6: Bảo vệ so lệch máy biến áp (cho máy biến áp, dùng rơ le SEL 387A) Thử phân tích bài thí nghiệm số 1: BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH, để tiến hành thí nghiệm, cần triển khai các bước sau: - Bước 1: Tìm hiểu mục đích và yêu cầu của bài thí nghiệm - Bước 2: Tìm hiểu sơ đồ thí nghiệm Hình 1.20: Sơ đồ hệ thống bảo vệ khoảng cách dùng SEL 311L - Bước 3: Tìm hiểu sơ đồ nối dây: Va Vb vts vts vts vt1 vt2 vt3 Vc Vn ic ib ia in tga fault point 2 line IMPEDANT cts rl1 cr1 ct1 r1 fault point 1 cts rl1 ct2 ps r2 ~ fault point 3 cts ct3 ufm cr1 to fault point 1 or 2 b2 r3 ufm b1 k1-a rl1 fault point 4 k1-a to fault point 1 and 3 or 2 and 4 13 ia IA control relay 1 ib IB OUT101 cr1-c ic cr1-b dc power supply reset in IC OUT102 IN OUT103 cr1 b1 b2 311L VA VA VB VB (L) a11 VC VC (N) a12 N N 110VAC/DC Hình 1.21: Sơ đồ nối dây của bảo vệ khoảng cách SEL-311L - Bước 4: Tiến hành nối dây các môđun lại với nhau theo sơ đồ hình 1.21. - Bước 5: Tính toán và cài đặt các thông số cho rơ le SEL 311L  Tính các tổng trở đặt cho các vùng bảo vệ: Z1P, Z2P,…  Cài đặt: Ở đây xét bảo vệ khoảng cách cho 1 phân đoạn AB, thường chia làm 2 vùng tácđộng. - Bước 6: Tiến hành thí nghiệm với một vài trường hợp sự cố  ngắn mạch 2 pha AB tại vị trí giữa đường dây hoặc cuối đường dây. - Bước 7: Khảo sát và lấy dữ liệu các điểm sự cố ngay trên rơle. * Nhận xét: Như vậy, sau khi thử tiến hành thí nghiệm 1 bài thí nghiệm đơn cử thì ta thấy rằng để thực hiện một bài thí nghiệm thì ta lần lượt tiến hành tối thiểu 7 bước như trên. Việc này ta thấy quá mất thời gian để hoàn thành nội dung 1 bài thí nghiệm. Trên thực tế thì 1 buổi thí nghiệm của các em không đủ thời gian để thao tác từng bước một, dẫn đến hiệu quả nghiên cứu thí nghiệm không chuyên sâu, khó có thể nắm rõ phương thức vận hành của mỗi một chức năng bảo vệ là như thế nào và kết quả dữ liệu về rơ le thu thập được chưa được đầy đủ, rõ ràng. Đây cũng là những hạn chế còn tồn tại trong PTN Bảo vệ rơ le trong hệ thống điện – Khoa Điện hiện nay. Cho nên cần phải có một giải pháp phù hợp để khắc phục những hạn chế trên. 1.5. Kết luận chƣơng Qua chương này, chúng ta sẽ có một cái nhìn bao quát và nắm rõ về tất cả các thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm Bảo vệ rơle trong hệ thống điện thuộc Trung tâm Thí nghiệm Điện – Khoa Điện. Tất cả đều được trang bị nhằm tạo điều kiện để mô phỏng và 14 xây dựng các bài thí nghiệm theo một sơ đồ hệ thống điện một cách chi tiết hơn, cũng như giúp người học có thể học hỏi, nghiên cứu, thực nghiệm, vận hành các rơ le bảo vệ hệ thống điện lúc ở tình trạng làm việc bình thường và lúc sự cố cụ thể như thế nào. Hiện tại tuy còn một vài hạn chế trong triển khai việc thí nghiệm hai hay nhiều rơ le cùng một lúc, tốn thời gian trong việc đấu nối sơ đồ cũng như cài đặt thông số cho rơ le, tất cả đều phải thao tác bằng tay, nhưng các thiết bị trong phòng vẫn vận hành bình thường. Để tìm hiểu kỹ hơn cách thức tính toán cài đặt và đặc tính tác động của các rơ le tại phòng thí nghiệm này thì chúng ta sẽ xem tiếp nội dung ở chương tiếp theo.