Tài liệu ứng dụng rơle siemens siprotec 5 7ss85 để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái trạm biến áp 220kv bảo lộc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỮU KÍNH ỨNG DỤNG RƠLE SIEMENS SIPROTEC 5 - 7SS85 ĐỂ CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI TRẠM BIẾN ÁP 220KV BẢO LỘC Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. LÊ KIM HÙNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trong luận văn có sử dụng một số bản vẽ mạch nhị thứ của các đồng nghiệp tại Trạm 220 kV Bảo Lộc; trích dẫn một số bài viết, tài liệu chuyên ngành bảo vệ so lệch thanh cái của Việt Nam và của một số tác giả thuộc các hãng rơle trên thế giới, bao gồm việc sử dụng một số hình ảnh minh họa trong các tài liệu này. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Kính TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH ỨNG DỤNG RƠLE SIEMENS SIPROTEC 5 - 7SS85 ĐỂ CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI 220KV TRẠM BIẾN ÁP 220KV BẢO LỘC Học viên: Nguyễn Hữu Kính Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: Trường đại học Bách khoa - ĐHĐN Khóa: K34 Tóm tắt: Mục tiêu của bài luận văn là nghiên cứu rơle bảo vệ so lệch thanh cái thế hệ mới, từ đó lựa chọn loại rơle phù hợp để ứng dụng vào việc cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220 kV cũ của trạm 220 kV Bảo Lộc. Việc ứng dụng dựa trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về các phương pháp bảo vệ so lệch thanh cái và bảo vệ thanh cái kiểu tập trung SIPROTEC 7SS85 thuộc dòng SIPROTEC 5 có thiết kế dạng mô đun của hãng Siemens, qua đó đưa ra giải pháp để thực hiện việc cải tạo. Kết quả thực hiện được kiểm chứng bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng rơle và hệ thống bảo vệ thanh cái mới. Kết quả nghiên cứu của luận văn là một cơ sở định hướng giúp cho người sử dụng trong quá trình tìm hiểu công nghệ rơle mới, tìm kiếm giải pháp cải tạo và ứng dụng vào thực tiễn. Từ khóa: 7SS85, Bảo vệ so lệch, Hệ thống bảo vệ, Mô phỏng, Phần mềm, Rơle, Siemens, SIPROTEC 5, Thanh cái. THE APPLICATION OF SIEMENS - SIPROTEC 5 7SS85 RELAY TO IMPROVE 220KV BUSBAR PROTECTION SYSTEM OF BAO LOC 220KV SUBSTATION Abstract: The objective of the thesis is to research the modern busbar differential protection relays so as to select the right type of relay to apply to the renovation of the old 220 kV busbar protection system of Bao Loc 220 kV Station. The application is based on the general researches of the busbar protection techniques and the centralized busbar differential protection SIPROTEC 7SS85 belonging to the modular SIPROTEC 5 series of Siemens, thereby offering a solution for the improvement. Performance results are verified using Matlab software to simulate the relay and the new busbar protection system. The research results of the dissertation are a guiding basis for the user in the process of studying new relay technology, seeking improvement solutions and applying them in practice. Keywords: 7SS85, Busbar, Differential protection, Protection system, Relay, Siemens, Simulation, SIPROTEC 5, Software. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài.............................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................3 6. Cấu trúc của luận văn ......................................................................................4 CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI .............................5 1.1. TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI.......................................5 1.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................5 1.1.2. Các yêu cầu đối với bảo vệ so lệch thanh cái ...........................................7 1.2. CÁC KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI .......................................9 1.2.1. Bảo vệ so lệch dòng..................................................................................9 1.2.2. Bảo vệ thanh cái sử dụng các Bộ ghép (Coupler) tuyến tính ...................9 1.2.3. Bảo vệ so lệch tổng trở cao ....................................................................10 1.2.4. Bảo vệ so lệch phần trăm (Bảo vệ so lệch có hãm)................................11 1.2.5. Các rơle vi xử lý và các giải pháp đa tiêu chuẩn ....................................11 1.3. LỰA CHỌN LOẠI RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI ........................13 1.3.1. So sánh và kết luận .................................................................................13 1.3.2. Lựa chọn rơle để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc ..................................................................................15 1.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................16 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS ....................................................17 2.1. GIỚI THIỆU DÒNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 – 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS ....................................................................................17 2.1.1. Khái quát ................................................................................................17 2.1.2. Cấu hình .................................................................................................17 2.1.3. Các tính năng quan trọng tiêu biểu của SIPROTEC 7SS85 ...................18 2.2. CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI ...........................................18 2.2.1. Tổng quan về chức năng ........................................................................18 2.2.2. Mô tả chức năng .....................................................................................19 2.2.3. Phương pháp đo lường và các đường đặc tuyến ....................................19 2.2.4. Các đại lượng đo ....................................................................................23 2.2.5. Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái ...................................................26 2.2.6. Thông tin trạng thái của dao cách ly ......................................................28 2.2.7. Check Zone (Vùng kiểm tra) ..................................................................29 2.3. CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ PHỤ .................................................................30 2.3.1. Các chức năng bảo vệ luôn đi kèm.........................................................30 2.3.2. Các chức năng bảo vệ tùy chọn ..............................................................30 2.4. TỔNG QUAN VỀ CÁC CHỨC NĂNG TÍCH HỢP .......................................31 2.4.1. Chức năng tự động hóa...........................................................................31 2.4.2. Chức năng giám sát ................................................................................31 2.4.3. Thử nghiệm chức năng ...........................................................................32 2.5. PHẦN MỀM CẤU HÌNH DIGSI 5 CỦA HÃNG SIEMENS ..........................32 2.5.1. Giới thiệu ................................................................................................32 2.5.2. Các chức năng ........................................................................................33 2.6. KẾT LUẬN .......................................................................................................34 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI SIPROTEC 5 - 7SS85 CỦA HÃNG SIEMENS ĐỂ CẢI TẠO MỚI BẢO VỆ THANH CÁI 220 KV CỦA TRẠM 220 KV BẢO LỘC .....................................35 3.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI HIỆN TẠI CỦA TRẠM 220 KV BẢO LỘC ...............................................................................35 3.1.1. Hệ thống bảo vệ thanh cái hiện hữu của trạm 220kV Bảo Lộc .............35 3.1.2. Các hạn chế của hệ thống bảo vệ thanh cái hiện hữu trạm 220kV Bảo Lộc ..............................................................................36 3.2. CẤU HÌNH HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI MỚI...................................37 3.2.1. Khái quát về các bước thực hiện ............................................................37 3.2.2. Chọn cấu hình rơle phù hợp với cấu trúc thanh cái hiện hữu ................39 3.2.3. Khởi tạo Dự án (Project) ........................................................................44 3.2.4. Tạo cấu hình một sợi ..............................................................................45 3.2.5. Thêm thiết bị SIPROTEC 5 7SS85 vào Project .....................................47 3.2.6. Điều chỉnh các Phạm vi chức năng (Functional Scope) .........................58 3.2.7. Tạo đường truyền thông tin ....................................................................58 3.2.8. Tạo trang hiển thị ...................................................................................58 3.2.9. Tính toán chỉnh định trị đặt của các chức năng bảo vệ chính ................59 3.2.10. Cấu hình liên lạc ................................................................................67 3.3. CẢI TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ THANH CÁI 220KV TẠI HIỆN TRƯỜNG ...........................................................................................................................68 3.3.1. Phần tháo gỡ ...........................................................................................68 3.3.2. Phần bổ sung ..........................................................................................69 3.3.3. Phần đấu nối ...........................................................................................69 3.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................69 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ THANH CÁI 220 KV TRẠM 220 KV BẢO LỘC SAU KHI CẢI TẠO MỚI .................................................................................................................70 4.1. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI VỚI CÔNG CỤ MATLAB/SIMULINK ........................71 4.1.1. Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch thanh cái .................................................71 4.1.2. Xây dựng mô hình cấu trúc hệ thống thanh cái ......................................77 4.1.3. Mô phỏng và phân tích hoạt động của rơle ở các chế độ .......................79 4.1.4. Nhận xét .................................................................................................84 4.2. KẾT LUẬN .......................................................................................................84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................85 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÍ HIỆU F87B Bảo vệ so lệch thanh cái (Busbar Differential Protection) 50BF Bảo vệ lỗi máy cắt (Breaker Failure Protection) CÁC CHỮ VIẾT TẮT BF Lỗi máy cắt (Breaker Failure) BU Thiết bị mức ngăn (Bay Unit) CFC Biểu đồ chức năng liên tục (Continuous Function Chart) CT (TI) Máy biến dòng điện (Current Transformer) VT (TU) Máy biến điện áp (Voltage Transfomer) CU Thiết bị trung tâm (Central Unit) DAU Thiết bị thu thập dữ liệu (Data Acquisition Unit) MBA Máy biến áp MOV Biến trở phụ thuộc điện áp loại ôxit kim loại (Metal-Oxide Varistor) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 1.1 So sánh giữa rơle vi xử lý bảo vệ so lệch thanh cái loại tổng trở cao và loại tổng trở thấp 14 3.1 Các điểm đo lường gán cho thiết bị nhất thứ 55 3.2 Dòng ngắn mạch lớn nhất tại thanh cái 220 kV của trạm Bảo Lộc 59 3.3 Thông số Vk và Rdc(75°C) cuộn CLX, 2000/1 của các biến dòng điện 60 3.4 Điện trở dây đấu mạch dòng CT cấp cho bảo vệ 60 3.5 Kết quả tính toán Isat min và Kb max 65 3.6 Kết nối rơle 7SS85 với thiết bị đồng bộ thời gian SEL-2488 68 4.1 Thông số vận hành mô phỏng 80 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Tên hình Sơ đồ so lệch dòng đơn giản với các CT đấu song song Sơ đồ thanh cái có thể thay đổi cấu hình đấu nối Bảo vệ so lệch quá dòng Bảo vệ thanh cái có các bộ ghép nối tiếp. Bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở cao Bảo vệ so lệch kiểu phân tán Bảo vệ so lệch kiểu tập trung Bảo vệ thanh cái SIPROTEC 7SS85 Thanh cái có n phát tuyến Ngắn mạch gần trên một phát tuyến Định dạng của dòng hãm Irest,mod Đường đặc tuyến chuẩn Đường đặc tuyến nhạy Biểu diễn định tính dòng sơ cấp và thứ cấp của một biến dòng điện trong trường hợp có sự cố (thành phần dòng DC có hằng số thời gian khoảng 50 ms) Dòng so lệch và dòng hãm trong trường hợp ngắn mạch ngoài và biến dòng điện bị bão hòa Dòng so lệch và dòng hãm trong trường hợp ngắn mạch ngoài – Dòng hãm được xử lý mịn Dòng so lệch và dòng hãm được xử lý mịn trong trường hợp ngắn mạch nội bộ Logic cắt của bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85 Xử lý dòng hãm của Check Zone Mô đun IO203 – Các kẹp đấu dây Mô đun IO211 – Các kẹp đấu dây Các biến thể của bảng thao tác tại chỗ Một số mô đun ghép truyền thông Cửa sổ chương trình DIGSI 5 Hộp thoại tạo một dự án mới Cửa sổ chức năng cấu hình 1 sợi Sử dụng mẫu có sẵn cho cấu hình một sợi Chỉnh sửa chỉ danh thiết bị Thẻ Topology Trang 5 8 9 10 10 12 12 17 19 20 21 22 22 24 24 25 25 27 30 40 41 41 42 45 45 46 46 47 47 Số hiệu 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 Tên hình Trang Cửa sổ Devices and Networks Các bước chọn thuộc tính của thiết bị 7SS85 Hộp thoại nhập thiết bị Biểu tượng của 7SS85 7SS85 cơ bản Quá trình cấu hình phần cứng thiết bị 7SS85 Mã sản phẩm trong mục thông tin thiết bị Cửa sổ Trình cấu hình rơle trực tuyến của Siemens SIPROTEC 7SS85-Phương thức đấu nối hai hàng mô đun Mẫu ứng dụng cơ bản của thiết bị 7SS85 Mẫu ứng dụng hoàn thiện của thiết bị 7SS85 Thêm các điểm đo Ma trận Nối các điểm đo lường với nhóm chức năng Gán các điểm đo lường cho các nhóm chức năng trong cấu hình một sợi Ma trận định hướng vị trí đo lường - Gán các điểm đo lường cho khối kẹp nhận dòng trên mô đun của thiết bị 7SS85 Kết quả gán trong ma trận định hướng vị trí đo lường Ma trận Định hướng thông tin Trang màn hình Khối AI&BI và mạch nội bộ Mạch phân tích dòng ngăn máy cắt nối thanh cái Khối Zone 1 và mạch nội bộ Khối BO và mạch nội bộ Mô hình rơle 7SS85 và mạch nội bộ Mô hình hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV Đặc tính của bảo vệ Sự cố nội bộ trên thanh cái C21, rơle cắt có chọn lọc Điểm sự cố trong vùng bảo vệ Sự cố nội bộ trên thanh cái C22, rơle cắt có chọn lọc Trường hợp có sự cố nội bộ khi hai thanh cái đang được kết nối cứng qua các dao cách ly 272-1 và 272-2 48 49 49 50 50 51 52 52 53 53 54 54 56 56 57 57 58 58 73 74 75 77 78 80 81 81 82 82 83 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong hệ thống điện, hệ thống bảo vệ rơle nói chung, bảo vệ thanh cái của các trạm biến áp truyền tải nói riêng, đặc biệt là các trạm nút, có vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện. So với các thiết bị khác trong trạm biến áp, thanh cái là phần tử rất ít khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên do vị trí và vai trò đặc biệt của thanh cái là đầu mối kết nối của nhiều phần tử khác trong hệ thống như các nhà máy/máy phát, các đường dây truyền tải-liên kết lưới và/hoặc các phụ tải nên bảo vệ thanh cái cần thỏa mãn những đòi hỏi rất cao về tính chọn lọc, khả năng tác động nhanh và độ tin cậy. Khi xảy ra ngắn mạch trên thanh góp, nếu sự cố không được loại trừ một cách nhanh chóng, chọn lọc và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, có thể làm mất điện toàn trạm, làm mất ổn định thậm chí làm tan rã hệ thống [3]. Trong điều kiện như vậy, các hệ thống bảo vệ thanh cái thế hệ cũ có những hạn chế, chưa đáp ứng hoàn toàn được yêu cầu về khả năng tác động nhanh, tính chọn lọc và độ tin cậy. Luận văn sẽ xem xét điển hình hệ thống thanh cái của trạm 220kV Bảo Lộc. Trạm 220kV Bảo Lộc đóng vai trò rất quan trọng trong lưới điện truyền tải khu vực nam Tây Nguyên do vị trí đặc thù của trạm này là trạm trung gian liên kết, truyền tải điện giữa cụm nhà máy thủy điện Hàm Thuận-Đa Mi với các trạm 500kV Di Linh, trạm 500kV Sông Mây và trạm 220kV Phan Thiết. Do vậy, khi mất điện thanh cái 220kV sẽ gây mất ổn định hệ thống nghiêm trọng và ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp điện cho phụ tải. Hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc được lắp đặt từ năm 2000, thuộc loại bảo vệ tổng trở cao giản đơn gồm các mạch cộng dòng, các điện trở nối tiếp với phần tử tác động sử dụng các rơle quá dòng 2 MiCOM P121. Hệ thống bảo vệ này có rất nhiều khuyết điểm không đáp ứng được yêu cầu hiện tại nên đã có kế hoạch sẽ thay thế hệ thống bảo vệ cũ bằng loại rơle phù hợp hơn với yêu cầu về an toàn, độ tin cậy, độ nhạy và có cấu hình linh hoạt đáp ứng được yêu cầu hiện tại và mở rộng thêm các ngăn lộ mới trong tương lai; phải tiếp tục sử dụng được khi trạm 220kV Bảo Lộc được chuyển thành trạm tích hợp theo lộ trình và đáp ứng được yêu cầu về lưới điện thông minh. Trên lưới điện hiện nay, các dòng rơle của hãng Siemens hiện đang được sử dụng rộng rãi do đáp ứng được các yêu cầu về an toàn, độ chính xác và độ tin cậy cao. Sau dòng rơle Siprotec 4, dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5 đang dần được đưa vào sử dụng thay thế, dòng rơle mới này có cấu trúc hoàn toàn mới và tích hợp mạnh cả ba tính năng bảo vệ, tự động hóa và giám sát, theo đó việc nghiên cứu để làm chủ trong các khâu lựa chọn, cấu hình và tính toán thông số là rất cần thiết. Vì những lý do trên nên học viên chọn nghiên cứu đề tài “Ứng dụng rơle SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống bảo vệ thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Bảo Lộc”. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp bảo vệ thanh cái và thực trạng áp dụng công nghệ rơle bảo vệ thanh cái hiện nay trên lưới điện truyền tải. So sánh ưu, khuyết điểm của các phương pháp bảo vệ thanh cái, cập nhật công nghệ mới. Nghiên cứu rơle bảo vệ so lệch thanh cái dòng SIPROTEC 5 - 7SS85 của hãng Siemens và khả năng áp dụng để cải tạo các hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái cũ. 3 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ bảo vệ so lệch thanh cái đang được áp dụng hiện nay và hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái 220kV hiện hữu của trạm 220kV Bảo Lộc. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu áp dụng hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái thế hệ mới Siprotec 5 - 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào lý thuyết về nguyên lý bảo vệ so lệch thanh cái, các công nghệ rơle số hiện đại bảo vệ so lệch thanh cái dựa trên nền tảng vi xử lý đang được áp dụng hiện nay. Phương pháp nghiên cứu thực tế: Tiến hành khảo sát thực tế các quy chuẩn, quy định có liên quan của các cơ quan chủ quản ngành điện và việc áp dụng các công nghệ bảo vệ so lệch thanh cái hiện nay tại các trạm biến áp. Khảo sát thực tế hiện trạng hệ thống rơle bảo vệ so lệch thanh cái 220kV cũ của trạm 220kV Bảo Lộc. Thực nghiệm cấu hình phần mềm rơle bảo vệ so lệch thanh cái 7SS85 của hãng SIEMENS bằng phần mềm DIGSI 5. Phương pháp tổng hợp: dựa vào kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn, từ đó mô phỏng bảo vệ để phân tích đánh giá, kết luận và đưa ra đề xuất áp dụng hợp lý. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng rơle công nghệ mới trong bảo vệ thanh cái trạm biến áp. Trên lưới điện hiện nay dòng rơle thế hệ mới Siprotec 5 của hãng Siemens đang dần được đưa vào sử dụng thay thế cho thế hệ trước đó là dòng Siprotec 4 do có nhiều ưu điểm vượt trội, phù hợp với hệ thống bảo vệ điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850. Tuy nhiên dòng rơle 4 mới này chủ yếu chỉ mới được sử dụng trong bảo vệ khoảng cách, bảo vệ quá dòng, bảo vệ so lệch MBA hoặc kháng điện…còn đối với bảo vệ so lệch thanh cái, rơle Siprotec 5 – 7SS85 cũng chỉ mới được hãng Siemens đưa ra trong những năm gần đây và chưa được sử dụng ở Việt Nam. Với ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã đề xuất và giải quyết được về mặt kỹ thuật trong việc áp dụng một dòng rơle mới để cải tạo bảo vệ hệ thống hai thanh cái có thanh cái vòng của trạm biến áp. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Nội dung luận văn gồm các phần chính sau: Mở đầu. Chương 1: Kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái. Chương 2: Giới thiệu về hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS. Chương 3: Ứng dụng hệ thống rơle bảo vệ thanh cái SIPROTEC 5 7SS85 của hãng SIEMENS để cải tạo mới bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc. Chương 4: Mô phỏng và phân tích đánh giá hệ thống rơle mới bảo vệ thanh cái 220kV của trạm 220kV Bảo Lộc sau khi cải tạo mới. Kết luận và kiến nghị. Danh mục tài liệu tham khảo. Bản sao Quyết định giao đề tài luận văn. Phụ lục. 5 CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 1.1. TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI 1.1.1. Giới thiệu Bảo vệ thanh cái của hệ thống điện là một trong những ứng dụng bảo vệ rơle quan trọng nhất. Các thanh cái là những khu vực trong hệ thống điện mà mức dòng sự cố có thể rất cao, có thể gây nguy hiểm cho toàn bộ thanh cái do lực điện động và cả hiệu ứng nhiệt nếu không được xử lý kịp thời. Việc cắt sai thanh cái phân phối có thể gây sự cố mất điện cho một số lượng lớn khách hàng. Việc cắt sai thanh cái truyền tải có thể làm hệ thống điện thay đổi nghiêm trọng cấu trúc của hệ thống và gây nguy hiểm cho độ ổn định của hệ thống điện. Do đó yêu cầu phải đảm bảo an toàn tối đa cho bảo vệ thanh cái [5]. Về nguyên tắc, sơ đồ bảo vệ so lệch thanh cái thường so sánh dòng điện đi vào thanh cái với dòng điện đi ra khỏi thanh cái. Bất kỳ sai khác nào giữa dòng điện đi vào và đi ra khỏi thanh cái, cao hơn một ngưỡng đã định nào đó, là dấu hiệu cho biết có sự cố thanh cái cần phải cách ly ngay. Các rơle so lệch thanh cái thực hiện chức năng này bằng cách phát hiện dòng so lệch và cắt tất cả các máy cắt nối trực tiếp với thanh cái để cô lập sự cố [6]. Có thể thực hiện một sơ đồ so lệch thanh cái đơn giản bằng cách đấu I87 I1 I2 I3 I4 0 Hình 1.1: Sơ đồ so lệch dòng đơn giản với các CT đấu song song song song các biến dòng điện của tất cả các máy cắt thuộc thanh cái, trong trường hợp đó tổng dòng điện thuộc mỗi pha ứng với tất cả trường hợp tải 6 bình thường và sự cố ngoài sẽ bằng 0, như thể hiện ở Hình 1.1. Các CT đấu song song phải có cùng tỷ số biến để đảm bảo là tất cả các dòng điện thứ cấp đều được so sánh trên cùng một cơ sở như các dòng sơ cấp. I1 I2 I3 I4 0 Rơle trong sơ đồ so lệch thanh cái đơn giản này có thể sử dụng một rơle quá dòng tức thời loại thông thường có ngưỡng tác động rất nhạy, bởi vì về lý thuyết không có dòng chạy vào rơle này trong điều kiện mang tải bình thường và sự cố ngoài. Tất cả các CT đấu song song không chỉ có cùng tỷ số biến mà còn vận hành giống như nhau trong mọi điều kiện, kể cả trong trường hợp sự cố ngoài có dòng đi qua lớn và các dạng sóng bất đối xứng có chứa thành phần DC do tỷ số X/R phía nguồn cao. Trên thực tế thì tất cả các biến dòng điện loại thông thường có lõi sắt từ, nên trong khoảng thời gian bị bão hòa dòng thứ cấp của CT không thể hiện chính xác dòng sơ cấp chạy trong thanh cái. Điều này gây ra dòng so lệch khiến rơle so lệch có thể ghi nhận là sự cố nội bộ. Các rơle so lệch thanh cái, bất kể có thiết kế như thế nào, phải phân biệt được giữa các sự cố nội bộ thực sự và các dòng so lệch giả (dòng không cân bằng) do bão hòa CT gây ra khi có sự cố ngoài vùng bảo vệ so lệch thanh cái. Một kỹ thuật được áp dụng cho các sơ đồ so lệch thanh cái đơn giản là sử dụng thời gian trì hoãn đủ dài để qua hết khoảng thời gian CT bị bão hòa. Việc trì hoãn cắt nói chung là điều không mong muốn, vì vậy có các kỹ thuật khác phức tạp hơn để đảm bảo vận hành an toàn trong những trường hợp sự cố ngoài gây bão hòa CT nhưng vẫn đảm bảo tác động nhanh đối với sự cố nội bộ [6]. Tuy có nhiều kỹ thuật khác nhau nhưng chung quy về nguyên lý chỉ có hai kỹ thuật bảo vệ so lệch thanh cái phổ biến nhất: bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở cao và bảo vệ so lệch thanh cái tổng trở thấp. 7 1.1.2. Các yêu cầu đối với bảo vệ so lệch thanh cái Cùng với yêu cầu ngày càng cao về độ an toàn, độ ổn định và yêu cầu cung cấp điện liên tục của lưới điện cao áp/siêu cao áp, các rơle bảo vệ thanh cái hiện đại phải đảm bảo sự vận hành liên tục và nhất quán, bất kể các thay đổi của thông số mạng điện: a) Bảo đảm an toàn đối với các sự cố ngoài gây bão hòa nặng CT Bão hòa CT là một mối bận tâm trong các mạng điện có dòng sự cố cao. Các thanh cái và khu vực lân cận là những khu vực trong hệ thống điện mà mức dòng sự cố có thể rất cao. Điều này có nguy cơ làm bão hòa đáng kể CT và gây nguy hiểm cho sự an toàn của hệ thống bảo vệ thanh cái. Trong các mạng điện nối đất qua tổng trở, tất cả các sự cố chạm đất đều là các sự cố tổng trở cao. Mặc dù là có thể các rơle đã được lựa chọn đúng khi thiết kế mạng điện ban đầu, những thay đổi của mạng điện có thể ảnh hưởng bất lợi đến các thông số của hệ thống. Ví dụ, sự mở rộng mạng điện hoặc tổng trở nguồn giảm xuống dẫn đến dòng sự cố cao hơn, và sự xuống cấp của hệ thống nối đất của trạm biến áp có thể dẫn đến tổng trở sự cố cao đối với các sự cố chạm đất. b) Đảm bảo tính chọn lọc (phân biệt vùng tác động) Đảm bảo tính chọn lọc cũng là một yêu cầu rất quan trọng nhằm hạn chế tối thiểu số phân đoạn thanh cái/thanh cái và các ngăn lộ có đấu nối bị mất điện. Cùng với sự phát triển của hệ thống điện nói chung, sơ đồ hệ thống thanh cái của trạm biến áp cũng ngày càng phức tạp và có thể bao gồm nhiều phân đoạn thanh cái hoặc thanh cái thuộc loại có thể thay đổi cấu hình đấu nối (Re-Configurable Busbar). Do vậy các giải pháp về sơ đồ và kỹ thuật bảo vệ thanh cái cũng phải không ngừng được nâng cao và hoàn thiện để đáp ứng yêu cầu về tính chọn lọc. 8 Hình 1.2 là một ví dụ về sơ đồ hệ thống thanh cái có thể thay đổi cấu hình đấu nối. PHÁT TUYẾN-5 PHÁT TUYẾN-3 DCL-7 DCL-5 DCL-3 DCL-1 MC-1 THANH CÁI 1 MC-5 CT-1 CT-5 CT-4 CT-3 CT-2 CT-7 MC-7 MC-2 MC-3 MC-4 CT-6 CT-8 DCL-2 DCL-4 DCL-6 MC-6 DCL-8 THANH CÁI 2 PHÁT TUYẾN-1 PHÁT TUYẾN-2 PHÁT TUYẾN-4 Hình 1.2: Sơ đồ thanh cái có thể thay đổi cấu hình đấu nối c) Đảm bảo tác động nhanh Các sự cố thanh cái thường gây ra dòng sự cố lớn. Nếu không được xóa kịp thời, các dòng sự cố này sẽ gây nguy hiểm cho toàn bộ thanh cái do lực điện động và cả hiệu ứng nhiệt. Do vậy yêu cầu đối với bảo vệ thanh cái là phải tác động nhanh. d) Có chức năng tự giám sát và phát hiện các bất thường và hư hỏng trong nội bộ rơle bảo vệ và các đường truyền thông cũng như mạch điện liên quan (chẳng hạn tình trạng hở mạch CT) để kịp thời đưa ra tín hiệu cảnh báo hoặc khóa chức năng bảo vệ, tránh tác động sai. Dòng sự cố lớn đòi hỏi bảo vệ thanh cái phải tác động với tốc độ cao để hạn chế thiệt hại. Tuy nhiên, xóa sự cố tốc độ cao phải cân bằng với yêu cầu về độ an toàn. Việc cắt sai khi có sự cố ngoài có thể gây mất điện diện rộng và gây nguy hiểm cho sự ổn định của hệ thống điện. Do vậy cần có sự tìm hiểu rộng và sâu hơn về các nguyên lý và kỹ thuật bảo vệ thanh cái. 9 1.2. CÁC KỸ THUẬT BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI Các thanh cái của hệ thống điện khác nhau đáng kể về quy mô (số mạch được đấu vào), độ phức tạp (số phân đoạn, máy cắt kết giàn (tie-breaker), dao cách ly…và cấp điện áp (truyền tải, phân phối). Các khía cạnh kỹ thuật nói trên kết hợp với các yếu tố về kinh tế mang lại một số giải pháp cho bảo vệ so lệch thanh cái [5]. 1.2.1. Bảo vệ so lệch dòng Dòng so lệch được đo lường bằng cách lấy tổng đại số dòng điện của tất cả các mạch (Hình 1.3). Tốt nhất là các CT nên có cùng tỷ số biến. Nếu không, cần phải có CT (hoặc vài CT) hiệu chỉnh. Điều này dẫn đến khả năng làm tăng tải đối với các CT chính và khiến cho vấn đề bão hòa CT càng thêm nghiêm trọng. Hình 1.3: Bảo vệ so lệch quá dòng Trước đây, biện pháp xử lý vấn đề bão hòa CT bao gồm việc sử dụng đặc tuyến quá dòng thời gian xác định hoặc đặc tuyến quá dòng thời gian phụ thuộc. Mặc dù kinh kế và thích hợp cho các thanh cái phân phối, giải pháp này không phù hợp với yêu cầu vận hành cho các thanh cái cấp truyền tải. 1.2.2. Bảo vệ thanh cái sử dụng các Bộ ghép (Coupler) tuyến tính Một bộ ghép tuyến tính (kháng điện hỗ cảm lõi không khí) tạo điện áp ở ngõ ra tỷ lệ thuận với đạo hàm của dòng điện ngõ vào. Do sử dụng lõi không khí nên các bộ ghép tuyến tính không bị bão hòa. Khi có sự cố nội bộ, tổng các dòng điện của thanh cái, và do đó tổng đạo hàm của các dòng này, sẽ bằng không. Do vậy theo đó có thể đạt được một bảo vệ thanh cái đơn giản bằng cách đấu nối tiếp dây quấn thứ cấp của các bộ 10 ghép tuyến tính (để tương ứng với tổng các dòng sơ cấp) rồi đấu với một bộ cảm biến điện áp công suất thấp (Hình 1.4). Phương pháp này có các nhược điểm giống như bảo vệ so lệch tổng trở cao. 1.2.3. Bảo vệ so lệch tổng trở cao Bảo vệ tổng trở cao có sơ đồ đấu Hình 1.4: Bảo vệ thanh cái có các bộ ghép nối tiếp. nối CT giống như bảo vệ so lệch dòng nhưng phần tử bảo vệ (59) có tổng trở rất cao ở ngõ nhận dòng (Hình 1.5). Các CT đấu song song phải có cùng tỷ số biến và đấu đúng cực tính để đảm bảo là tổng dòng thứ cấp phải bằng không trong điều kiện mang tải bình thường. Bất kỳ dòng so lệch nào chạy qua tổng trở cao của phần tử bảo vệ cũng sẽ gây ra một điện áp rơi trên ngõ tổng trở cao này. Nguyên lý này đã được sử dụng trong hơn nữa thế kỷ nay vì đơn giản, an toàn và tác động nhanh. Tuy nhiên kỹ thuật này không phải không có nhược điểm. Các nhược điểm Hình 1.5: Bảo vệ so lệch thanh quan trọng nhất là: cái tổng trở cao Phương pháp tổng trở cao yêu cầu các CT chuyên dụng có cấp chính xác phù hợp (kèm theo chi phí đáng kể). Không thể áp dụng dễ dàng cho các thanh cái có thể thay đổi cấu hình (chuyển mạch dòng bằng cách sử dụng các rơle phụ hai vị trí gây nguy hiểm cho các CT và sự an toàn, phát sinh thêm chi phí). Cần phải có biến trở giới hạn áp có khả năng hấp thụ năng lượng