Ngày đăng: 24/01/2014, 01:20
điện (HTĐ), sự làm việc tin cậy của các MFĐ có ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của HTĐ. Vì vậy, đối với MFĐ đặc biệt là các máy có công suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống tất cả các loại sự cố và các chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngoài MFĐ. Để thiết kế tính toán các bảo vệ cần thiết cho máy phát, chúng ta phải biết các dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ. I. Các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ I.1. Các dạng hư hỏng: – Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn stator. (1) – Chạm chập giữa các vòng dây trong cùng 1 pha (đối với các MFĐ có cuộn dây kép). (2) – Chạm đất 1 pha trong cuộn dây stator. (3) – Chạm đất một điểm hoặc hai điểm mạch kích từ. (4) I.2. Các tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ: – Dòng điện tăng cao do ngắn mạch ngoài hoặc quá tải. (5) – Điện áp đầu cực máy phát tăng cao do mất tải đột ngột hoặc khi cắt ngắn mạch ngoài. (6) Ngoài ra còn có các tình trạng làm việc không bình thường khác như: Tải không đối xứng, mất kích từ, mất đồng bộ, tần số thấp, máy phát làm việc ở chế độ động cơ, II. Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại của máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện tích năng ), công suất của máy phát, vai trò của máy phát và sơ đồ nối dây của nhà máy điện với các phần tử khác trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp. Hiện nay không có phương thức bảo vệ tiêu chuẩn đối với MFĐ cũng như đối với các thiết bị điện khác. Tuỳ theo quan điểm của người sử dụng đối với các yêu cầu về độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy mà chúng ta lựa chọn số lượng và chủng loại rơle trong hệ thống bảo vệ. Đối với các MFĐ công suất lớn, xu thế hiện nay là lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập nhau với nguồn điện thao tác riêng, mỗi hệ thống bao gồm một bảo vệ chính và một số bảo vệ dự phòng có thể thực hiện đầy đủ các chức năng bảo vệ cho máy phát. Để bảo vệ cho MFĐ chống lại các dạng sự cố nêu ở phần I, người ta thường dùng các loại bảo vệ sau: – Bảo vệ so lệch dọc để phát hiện và xử lý khi xảy ra sự cố (1). – Bảo vệ so lệch ngang cho sự cố (2). – Bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator cho sự cố (3). – Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ cho sự cố (4). – Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải cho sự cố (5). – Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao cho sự cố (6). Ngoài ra có thể dùng: Bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch, bảo vệ chống quá nhiệt rotor do dòng máy phát không cân bằng, bảo vệ chống mất đồng bộ, 13 B. CÁC BẢO VỆ RƠLE CHO MÁY PHÁT ĐIỆN I. Bảo vệ so lệch dọc (87G) I.1. Nhiệm vụ và sơ đồ nguyên lý: Bảo vệ so lệch dọc (BVSLD) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator máy phát. Sơ đồ thực hiện bảo vệ như hình 1.1. 52 1BI MF 2BI 87G2RI+Cắt MC+4Rth-+5RT MF MC Báo tín hiệuRf Rf +3RIBáo tín hiệu đứt mạch thứ 1RI + Hình 1.1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn stator MFĐ; sơ đồ tính toán (a) và theo mã số (b) a) b) Trong đó: : dùng để hạn chế dòng điện không cân bằng (I- Rf KCB), nhằm nâng cao độ nhạy của bảo vệ. – 1RI, 2RI, 4Rth: phát hiện sự cố và đưa tín hiệu đi cắt máy cắt đầu cực máy phát không thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec). – 3RI, 5RT: báo tín hiệu khi xảy ra đứt mạch thứ sau một thời gian cần thiết (thông qua 5RT) để tránh hiện tượng báo nhầm khi ngắn mạch ngoài mà tưởng đứt mạch thứ. Vùng tác động của bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI nối vào mạch so lệch. Cụ thể ở đây là các cuộn dây stator của MFĐ, đoạn thanh dẫn từ đầu cực MFĐ đến máy cắt. I.2. Nguyên lý làm việc: BVSLD hoạt động theo nguyên tắc so sánh độ lệch dòng điện giữa hai đầu cuộn dây stator, dòng vào rơle là dòng so lệch: = IIR 1T – I2T = ISL (1-1) Với I, I là dòng điện thứ cấp của các BI ở hai đầu cuộn dây. 1T 2TBình thường hoặc ngắn mạch ngoài, dòng vào rơle 1RI, 2RI là dòng không cân bằng I : KCBISL = I1T – I2T = IKCB < I (dòng khởi động rơle) (1-2) KĐRnên bảo vệ không tác động (hình 1.2a). Khi xảy ra chạm chập giữa các pha trong cuộn dây stator (hình 1.2b), dòng điện vào các rơle 1RI, 2RI: 14 INnI ISL = I1T – I2T = > I (1-3) KĐRHình 1.2: Đồ thị véctơ của dòng điện trong mạch BVSLD a) Bình thường và khi ngắn mạch ngoài b) Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ a) ISL = IKCBT < IKĐR I2TI1 T b) I1T I2T ISL ≈KÂRINInI> Trong đó: – IN: dòng điện ngắn mạch. – nI: tỉ số biến dòng của BI Bảo vệ tác động đi cắt 1MC đồng thời đưa tín hiệu đi đến bộ phận tự động diệt từ (TDT). Trường hợp đứt mạch thứ của BI, dòng vào rơle là: IFnIIR = (1-4) Dòng điện này có thể làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc đó chỉ có 3RI khởi động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh hiện tượng báo nhầm trong quá trình quá độ khi ngắn mạch ngoài có xung dòng lớn. Ở sơ đồ hình 1.1, các BI nối theo sơ đồ sao khuyết nên bảo vệ so lệch dọc sẽ không tác động khi xảy ra ngắn mạch một pha ở pha không đặt BI. Tuy nhiên các bảo vệ khác sẽ tác động. I.3. Tính các tham số và chọn Rơle: I.3.1. Tính chọn 1RI và 2RI: Dòng điện khởi động của rơle 1RI, 2RI được chọn phải thoả mãn hai điều kiện sau: Điều kiện 1: Bảo vệ không tác động đối với dòng không cân bằng cực đại IKCBmax khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. I ≥ K .IKĐB at KCBtt (1-5) IKCBtt = Kđn.KKCK.fi .I (1-6) NngmaxTrong đó: – K : hệ số an toàn tính đến sai số của rơle và dự trữ cần thiết. Kat at có thể lấy bằng 1,3. – KKCK: hệ số tính đến sự có mặt của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch, KKCK có thể lấy từ 1 đến 2 tuỳ theo biện phấp được sử dụng để nâng cao độ nhạy của bảo vệ. – K : hệ số tính đến sự đồng nhất của các BI (K = 0,5÷1). đn đn- f: sai số tương đối của BI, f i i có thể lấy bằng 0,1 (có kể đến dự trữ, vì các máy biến dòng chọn theo đường cong sai số 10%). – INngmax: thành phần chu kỳ của dòng điện chạy qua BI tại thời điểm đầu khi ngắn mạch ngoài trực tiếp 3 pha ở đầu cực máy phát. Điều kiện 2: Bảo vệ không được tác động khi đứt mạch thứ BI. Lúc đó dòng vào rơle 1RI, 2RI: (giả sử MF đang làm việc ở chế độ định mức) IâmFnIISL = (1-7) Dòng khởi động của bảo vệ: âmFIatInKI = (1-8) KĐBNhư vậy, điều kiện để chọn dòng khởi động cho 1RI, 2RI: I = max{KKĐB at .IKCBtt; Kat .I } (1-9) đmF Dòng điện khởi động của rơle: IKÂB)3(nI.KI = (1-10) KĐR15 Với K(3) là hệ số sơ đồ. Sau khi tính được I ta sẽ chọn được loại rơle cần thiết. KĐR Kiểm tra độ nhạy Kn của bảo vệ: Kn = KÂBminNII (1-11) Với INminVì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu K: dòng điện ngắn mạch 2 pha ở đầu cực máy phát khi máy phát làm việc riêng lẻ. n > 2. I.3.2. Tính chọn Rơle 3RI: Dòng khởi động sơ cấp của rơle 3RI phải lớn hơn dòng không cân bằng cực đại khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. Nhưng trong tính toán thì điều kiện ổn định nhiệt của rơle là quyết định. Theo kinh nghiệm có thể chọn dòng khởi động cho 3RI: I = 0,2.I (1-12) KĐS(3RI) đmF Ta tính được IKĐR của 3RI và chọn được loại rơle tương ứng. I.3.3. Thời gian làm việc của 5RT: Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, có thể xuất hiện những xung dòng lớn thoáng qua làm cho bảo vệ tác động nhầm do vậy phải chọn thời gian tác động của 5RT thoả mãn điều kiện: t5RT > t (1-13) cắt Nngoàit5RT = tcắtNng + Δ t (1-14) Trong đó: – tcắ Nngt- Δ t: bậc chọn lọc thời gian, thường Δ t = (0,25 ÷ 0,5) sec. : thời gian lớn nhất của các bảo vệ nối vào thanh góp điện áp máy phát. Nhận xét: – Bảo vệ sẽ tác động khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator máy phát. RI Vùng bảo vệ I1S I2S I1T I2T ILV BIH IH BILV 1BI 2BI Hình 1.3: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm cuộn dây stator MFĐ – Bảo vệ không tác động khi chạm chập giữa các vòng dây trong cùng 1 pha hoặc khi xảy ra chạm đất 1 điểm trong cuộn dây phần tĩnh. Để tăng độ nhạy của bảo vệ so lệch người ta có thể sử dụng rơle so lệch có hãm. I.4. Bảo vệ so lệch có hãm: Sơ đồ bảo vệ như hình 1.3. Rơle gồm có hai cuộn dây: Cuộn hãm và cuộn làm việc. Rơle làm việc trên nguyên tắc so sánh dòng điện giữa I và ILV H. – Dòng điện vào cuộn làm việc I: LVSL.T2T1LV.IIII =−= (1-15) – Dòng điện hãm vào cuộn hãm IH: IH = ⎢I1T + I ⎢ (1-16) 2TKhi làm việc bình thường hay ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ: Dòng điện I1T cùng chiều với dòng I2T: ⎢I1T⎢ ≈ ⎢I2T⎢ ISL = I = ⎢ILV 1T – I2T⎢ = I (1-17) KCBIH = ⎢I1T + I ⎢ ≈ 2.⎢I2T 1T⎢ > I (1-18) LVnên bảo vệ không tác động. Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: Dòng điện I1T ngược pha với I2T: ⎢I1T⎢ = ⎢-I2T⎢ IH = ⎢I1T – I2T⎢ ≈ 0 I = ⎢ILV 1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > IH (1-19) 16 bảo vệ sẽ tác động. Nhận xét: – Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dòng điện giữa I và ILV H, nên độ nhạy của bảo vệ rất cao và khi xảy ra ngắn mạch thì bảo vệ tác động một cách chắc chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷ 20) msec. – Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle có hãm có thể ngăn chặn bảo vệ tác động nhầm do ảnh hưởng bão hoà của BI. – Đối với các máy phát điện có công suất lớn có thể sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4). Ở chế độ làm việc bình thường, dòng điện thứ cấp IHình 1.4: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ công suất lớn RL2 RL1ILV I1S I1TI2T I2S BIG IHILV RH/2 ULV RH/2 UH D1 D2 RL1RL2 Đến RG đầu raABCRLV ILV BIG CL 1T và I2T của các nhóm biến dòng 1BI, 2BI chạy qua điện trở hãm RH, tạo nên điện áp hãm UH, còn hiệu dòng thứ cấp (dòng so lệch) ISL chạy qua biến dòng trung gian BIG, cầu chỉnh lưu CL và điện trở làm việc RLV tạo nên điện áp làm việc ULV. Giá trị điện áp UH > ULV, bảo vệ không tác động. Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, điện áp U >> ULV H, dòng điện chạy qua rơle RL1 làm rơle này tác động đóng tiếp điểm RL1 lại. Dòng điện làm việc sau khi nắn chạy qua rơle RL, RL2 2 đóng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu ra sẽ được cấp nguồn thao tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL và RL1 2 đi cắt máy cắt đầu cực máy phát. Ngoài ra, người ta còn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5). Rơle so lệch RU trong sơ đồ có tổng trở khá lớn sẽ tác động theo điện áp so lệch USL, ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ngoài, các biến dòng 1BI, 2BI (được chọn giống nhau) có cùng dòng điện máy phát đi qua do đó các sức điện động E và E bằng nhau và ngược pha nhau, L1 2 1 = L2, phân bố điện áp trong mạch như hình 1.5b. Hình 1.5: Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao cho MFĐa) Sơ đồ nguyên lý b) Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp trong chế độ làm việc bình thường c) nhóm 2BI bị bão hoà khi ngắn mạch ngoài và hoàn toàn d) khi có ngắn mạch trong. 1BI IN 2BIN 1BI USL USLR1R2L1E1RSLE2E1E2L2 E1L1USLRSLL2E2USLE2R1R2E1 USL E2=0R1 R2 E1 L1 USL RSL E1a) b) c) d) USL = 0 17 Trị số điện áp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ giữa các điện trở R1 và R. Điện trở R, R2 1 2 gồm điện trở cuộn dây thứ cấp và dây dẫn phụ nối giữa hai nhóm biến dòng 1BI và 2BI, với R1 = R ⇒ U2 SL = 0 Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: Trường hợp máy phát làm việc biệt lập với hệ thống:* Dòng điện qua 1BI là dòng của máy phát. Dòng điện qua 2BI bằng không E2 = 0. Điện áp đặt lên rơle so lệch RU hình 1.5c: I21″N1SLn)RR.(IU+= (vì RSL >> R ) (1-20) 2Trong đó: – : trị hiệu dụng của dòng siêu quá độ khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát. = I”NI”NI(3) = I(3) Nngmax Nđầu cực MFvới: – n : tỷ số biến dòng của BI. I- RSL: điện trở mạch so lệch (gồm rơle và dây nối). – Trường hợp máy phát nối với hệ thống:* Khi đó tại điểm ngắn mạch, ngoài dòng điện do bản thân máy phát cung cấp còn có thêm thành phần dòng điện do hệ thống đổ về. Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp như hình 1.5d. Giá trị điện áp đặt lên rơle so lệch RU: “NFI”NHII21″NH”NFSL2n)RR).(II( U++= (1-21) Để đảm bảo tính chọn lọc, điện áp khởi động của rơle so lệch RU phải chọn lớn hơn min{USL1; U }, nghĩa là: SL2I21″Natn)RR.(I.K+U = K .U = (1-22) KĐR at SL1Với K = (1,15 ÷ 1,2) là hệ số an toàn. atThời gian tác động của bảo vệ thường: t = (15 ÷ 20) msec Nhận xét: – Đối với các MFĐ có công suất lớn, hằng số thời gian tắt dần của thành phần một chiều trong dòng điện ngắn mạch có thể đạt đến hàng trăm msec, gây bão hòa mạch từ của các máy biến dòng và làm chậm tác động của bảo vệ khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ. Vì vậy cần phải sử dụng sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước khi xảy ra bão hòa mạch từ của máy biến dòng, tức là: tbh > tbv, với tbv là thời gian cắt ngắn mạch của bảo vệ; tbh thời gian bão hoà mạch từ của BI. 18 I.5. Bảo vệ khoảng cách (21): Đối với các MFĐ công suất lớn người ta thường sử dụng bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho BVSL (hình 1.6a). Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý (a); đặc tính thời gian (b) và đặc tuyến khởi động (c) của bảo vệ khoảng cách cho MFĐ a) XB tI = (0,4 ÷ 0,5) sec 0,7XB XF t Δt Xb)BU F BI I U RZ BA TG tIIjX 0 0 UF R ZKĐ RKĐ jXKĐ Vì khoảng cách từ MBA đến máy cắt cao áp khá ngắn, để tránh tác động nhầm khi ngắn mạch ngoài MBA, vùng thứ nhất của bảo vệ khoảng cách được chọn bao gồm điện kháng của MFĐ và khoảng 70% điện kháng của MBA tăng áp (để bảo vệ hoàn toàn cuộn hạ của MBA), nghĩa là: ZI = Z + 0,7.Z (1-23) kđ F BThời gian làm việc của vùng thứ nhất thường chọn tI = (0,4 ÷ 0,5) sec (hình 1.6b). Vùng thứ hai thường bao gồm phần còn lại của cuộn dây MBA, thanh dẫn và đường dây truyền tải nối với thanh góp liền kề. Đặc tuyến khởi động của rơle khoảng cách có thể có dạng vòng tròn với tâm ở góc toạ độ hoặc hình bình hành với độ nghiêng của cạnh bên bằng độ nghiêng của véctơ điện áp UF hình 1.6c. II. Bảo vệ so lệch ngang (87G) Các vòng dây của MFĐ chập nhau thường do nguyên nhân hư hỏng cách điện của dây quấn. Có thể xảy ra chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một nhánh (cuộn dây đơn) hoặc giữa các vòng dây thuộc hai nhánh khác nhau trong cùng một pha, dòng điện trong các vòng dây bị chạm chập có thể đạt đến trị số rất lớn. Đối với máy phát điện mà cuộn dây stator là cuộn dây kép, khi có một số vòng dây chạm nhau sức điện động cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dòng điện cân bằng chạy quẩn trong các mạch vòng sự cố và đốt nóng cuộn dây có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng. Trong nhiều trường hợp khi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một pha nhưng BVSLD không thể phát hiện được, vì vậy cần phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng sự cố này. 19 Hình 1.7: Bảo vệ so lệch ngang có hãm (a) và đặc tính khởi động (b) Đối với MFĐ công suất vừa và nhỏ chỉ có cuộn dây đơn, lúc đó chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống chạm đất tác động (trường hợp này không cần đặt bảo vệ so lệch ngang). Với MFĐ công suất lớn, cuộn dây stator làm bằng thanh dẫn và được quấn kép, đầu ra các nhánh đưa ra ngoài nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ dàng. Người ta có thể dùng sơ đồ bảo vệ riêng hoặc chung cho các pha. II.1. Sơ đồ bảo vệ riêng cho từng pha: (hình 1.7, 1.8) Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, sức điện động trong các nhánh cuộn dây stator bằng nhau nên I1T = I2T. Khi đó: ⎢IH⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-24) ISL =⎢I ⎢=⎢ILV 1T – I2T⎢ = I (1-25) RL KĐR R LV H 2BI I1S 1BI I2S ILV I1T I2T BILV BIH IH Cắt MC 4 3 2 1 0 1 2 3 4 I*LV I*H ILV = IH ILV = f(IH) a) b) KCB87G 87G 87GHình 1.8: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang theo mã số⇒ IH > I nên bảo vệ không tác động LVKhi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây của hai nhánh khác nhau cùng một pha, giả thiết ở chế độ máy phát chưa mang tải, ta có: I1T = -I2T ⎢IH⎢ = ⎢I1T – I2T⎢ = I KCB⎢ ILV⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-26) ⇒ ILV > IH nên rơle tác động cắt máy cắt đầu cực máy phát. II.2. Sơ đồ bảo vệ chung cho các pha: (hình 1.9) Trong sơ đồ BI được đặt ở giữa hai điểm nối trung tính của 2 nhóm nhánh của cuộn dây stator, thứ cấp của BI nối qua bộ lọc sóng hài bậc ba L3f dùng để giảm dòng không cân bằng đi vào rơle. 20 Cắt 1MC Lf3 + Báo tín hiệu RI RT Rth + – C C B A O2 O1 1 2 T Hình 1.9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho các pha MFĐ, sơ đồ tính toán (a) và theo mã số (b) 87BI a) b) CN: cầu nối, bình thường CN ở vị trí 1 và bảo vệ tác động không thời gian. Khi máy phát đã chạm đất 1 điểm mạch kích từ (không nguy hiểm), CN được chuyển sang vị trí 2 lúc đó bảo vệ sẽ tác động có thời gian để tránh tác động nhầm khi chạm đất thoáng qua điểm thứ 2 mạch kích từ. II.2.1. Nguyên lý hoạt động: Bảo vệ hoạt động trên nguyên lý so sánh thế V1 và V2 của trung điểm O và O1 2 giữa 2 nhánh song song của cuộn dây. * Ở chế độ bình thường hoặc ngắn mạch ngoài: U12 = V – V ≈ 0 (1-27) 1 2nên không có dòng qua BI do đó bảo vệ không tác động (cầu nối ở vị trí 1). * Khi xảy ra chạm chập 1 điểm mạch kích từ, máy phát vẫn được duy trì vận hành nhưng phải chuyển cầu nồi sang vị trí 2 để tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm khi ngắn mạch thoáng qua điểm thứ 2 mạch kích từ. * Khi sự cố (chạm chập giữa các vòng dây): U12 = V – V ≠ 0 (1-28) 1 2nên có dòng qua BI bảo vệ tác động cắt máy cắt. II.2.2. Dòng khởi động của rơle: Dòng điện khởi động của bảo vệ được xác định theo công thức: IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-29) Thực tế việc xác định dòng không cân bằng tính toán IKCBtt tương đối khó, nên thường xác định theo công thức kinh nghiệm: ÷I = (0,05 0,1).I (1-30) KĐB đmFIKÂBnI⇒ I = (1-31) KĐRtừ đó có thể chọn được loại rơle cần thiết. II.2.3. Thời gian tác động của bảo vệ: Bình thường bảo vệ tác động không thời gian (cầu nối CN ở vị trí 1). Khi chạm đất điểm thứ nhất mạch kích từ thì cầu nối CN được chuyển sang vị trí 2. Thời gian tác động của rơle RT được xác định như sau: 21 tRT = tBV 2 điểm ktừ + Δt (1-32) Trong đó: – tBV 2 điểm ktừ: thời gian tác động của bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ. – Δt: bậc chọn thời gian, thường lấy Δt = 0,5 sec. – Nhận xét: – Bảo vệ so lệch ngang cũng có thể làm việc khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator. Tuy nhiên nó không thể thay thế hoàn toàn cho BVSLD được vì khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát bảo vệ so lệch ngang không làm việc. – Bảo vệ tác động khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ (nếu bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ không tác động) do sự không đối xứng của từ trường làm cho V. V≠1 2III. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây stator (50/51n) Mạng điện áp máy phát thường làm việc với trung tính cách điện với đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang nên dòng chạm đất không lớn lắm. Tuy vậy, sự cố một điểm cuộn dây stator chạm lõi từ lại thường xảy ra, dẫn đến đốt cháy cách điện cuộn dây và lan rộng ra các cuộn dây bên cạnh gây ngắn mạch nhiều pha.Vì vậy, cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator. Dòng điện tại chỗ chạm đất khi trung điểm của cuộn dây máy phát không nối đất là: 2C2qâp(1)Â0Xr.UIΣ+=αα (1-33) Trong đó: – α: số phần trăm cuộn dây tính từ trung điểm đến vị trí chạm đất (α ≤ 1). – U : điện áp pha của máy phát. p- rqđ: điện trở quá độ tại chỗ sự cố. – : dung kháng 3 pha đẳng trị của tất cả các phần tử trong mạng điện áp Σ0CXmáy phát. ∑0Nếu bỏ qua điện trở quá độ tại chỗ sự cố (rΣω=CC j.31X0 = 0), dòng chạm đất bằng: qđ(1)ÂIα= 3.α.ω.C .U (1-34) 0Σ pKhi chạm đất xảy ra tại đầu cực máy phát (α = 1) dòng chạm đất đạt trị số lớn nhất: (1)maxÂIα= 3.ω.C .U (1-35) 0Σ pNếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn dập hồ quang (CDHQ), theo quy định của một số nước, CDHQ cần phải đặt khi: (1)maxÂI≥ 30 A đối với mạng có U = 6 kV (1)maxÂI≥ 20 A đối với mạng có U = 10 kV (1)maxÂI≥ 15 A đối với mạng có U = (15 ÷ 20) kV (1)maxÂI≥ 10 A đối với mạng có U = 35 kV Kinh nghiệm cho thấy rằng dòng điện chạm đất ≥ 5A có khả năng duy trì tia lửa điện tại chỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây và lõi thép tại chỗ sự cố, vì vậy bảo vệ cần phải tác động cắt máy phát. Phần lớn sự cố cuộn dây stator là chạm đất một pha vì các cuộn dây cách điện nằm trong các rãnh lõi thép. Để giới hạn dòng chạm đất trung tính máy phát thường nối đất qua một tổng trở. Các phương pháp nối đất trung tính được trình bày trong hình 1.10. (1)ÂINếu tổng trở trung tính đủ lớn dòng chạm đất có thể giới hạn nhỏ hơn dòng điện định mức máy phát. Không có công thức tổng quát nào cho giá trị tối ưu của tổng trở giới hạn dòng. Nếu tổng trở trung tính quá cao, dòng chạm đất bé làm cho rơle không tác động. Ngoài ra điện trở quá lớn sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng quá độ giữa các cuộn dây với đất và đường dây kết nối. Để tránh hiện tượng này khi tính chọn điện trở trung tính cực đại 22 […]… dòng điện có khoá điện áp thấp II Cấp 2 (2 ) tác động dừng máy phát nếu sau khi cắt MC đầu cực máy phát (có thanh góp điện áp máy phát) hoặc đầu hợp bộ (MF-MBA) mà dòng sự cố vẫn tồn tại (tức là sự cố xảy ra bên trong hợp bộ hoặc máy phát) Khóa điện áp thấp cho phép phân biệt ngắn mạch với quá tải và cho phép bảo vệ làm việc chắc chắn khi máy phát được kích từ bằng chỉnh lưu lấy điện từ đầu cực máy phát. .. cực máy phát c) giới hạn thay đổi của công suất máy phát -Q Miền làm việc bình thường Giới hạn phát nóng cuộn stator P (MW) Giới hạn phát nóng mép lõi thép stator Khi xảy ra mất kích từ, điện kháng của máy phát sẽ thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X’d (điện kháng quá độ) và có tính chất dung kháng Vì vậy để phát hiện mất kích từ ở máy phát thuỷ điện nằm xa trung tâm phụ tải và bình thường phải làm việc với các mức điện áp đầu cực cao hơn điện áp danh định để bù lại điện áp giáng trên hệ thống truyền tải, khi mất tải đột ngột mức điện áp lại càng tăng cao Quá điện áp ở đầu cực máy phát có thể gây tác hại cho cách điện của cuộn dây, các thiết bị đấu nối ở đầu cực máy phát, còn đối với các máy phát làm việc hợp… stator máy phát Một trong những phương pháp lựa chọn ở đây là sử dụng điện áp sóng hài bậc ba Do tính phi tuyến của mạch từ máy phát nên điện áp cuộn dây stator luôn chứa thành phần sóng hái bậc ba, giá trị của thành phần điện áp này phụ thuộc vào trị số điện kháng của thiết bị nối với trung tính máy phát, điện dung với đất của cuộn stator, điện dung nối đất của các dây dẫn, thanh dẫn mạch máy phát và điện. .. dòng điện trong cuộn rotor tăng cao có thể làm mạch từ bị bão hoà, từ trường trong máy phát bị méo làm cho máy phát bị rung, gây hư hỏng nghiêm trọng máy phát Đối với MFĐ công suất bé và trung bình (máy phát nhiệt điện), thường người ta đặt bảo vệ báo tín hiệu khi có một điểm chạm đất trong mạch kích từ và tác động cắt máy phát khi xảy ra chạm đất điểm thứ hai Đối với MFĐ công suất lớn (máy phát thuỷ điện) ,… dung cuộn dây MBA tới máy phát Để nâng cao hiệu quả của bảo vệ người ta có thể đặt thêm bảo vệ dòng cực đại (51N) có đặc tính thời gian phụ thuộc có trị số dòng điện đặt khoảng 5% giá trị dòng chạm đất cực đại Iđmax ở cấp điện áp điện nối đất của máy phát vừa cung cấp nguồn… 3 cuộn dây stator máy phát, thường yêu cầu: R ≤ (Ω) 3ωC (1-36) với C là điện dung của mỗi cuộn dây stator máy phát Nếu điện trở trung tính thấp, dòng điện chạm đất sẽ cao và sẽ gây nguy hiểm cho máy phát Khi điện trở trung tính giảm độ nhạy của rơle chống chạm đất giảm do điện thế thứ tự không nhỏ Rơle chống chạm đất sẽ cảm nhận điện thế giáng trên điện trở nối đất do vậy giá trị điện thế này phải… Trung tính nối đất qua máy biến áp BA hình 1.10c, điện áp của cuộn sơ MBA bằng điện áp máy phát, điện áp của cuộn thứ MBA khoảng 120V hay 240V – Đối với sơ đồ có thanh góp cấp điện áp máy phát khi Iđα > 5 (A) cần phải cắt máy phát – Đối với sơ đồ nối bộ MFMBA thường Iđα < 5 (A) chỉ cần đặt Rđ KĐ BA Rt bảo vệ đơn giản hơn để báo tín hiệu chạm đất stator mà không cần cắt a) b) c) máy phát Hình 1.10: Các… phát và điện dung cuộn dây MBA nối với điện áp sóng hài bậc ba với đất ở các điểm khác nhau trên cuộn dây stator ta có phân bố điện áp như trên hình 1.15b Ở đây kí hiệu U’N, U’F là điện áp hài bậc ba khi máy phát không tải và U”N, U”F khi máy phát đầy tải Khi xảy chạm đất ở đầu cực hoặc ở trung tính máy phát, điện áp sóng hài ở đầu cực không chạm… quá dòng điện: Với các máy phát bé và trung bình, người ta thường sử dụng bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp (hình 1.29) Bảo vệ thường có 2 cấp thời gian: I Cấp 1 (2 ) tác động cắt MC ở đầu cực máy phát (nếu nối với thanh góp điện áp máy phát) hoặc MC của bộ MF-MBA Cấp 1 được phối hợp với thời gian tác động của bảo vệ dự phòng của đường dây và MBA MC MBA BU 2I 27 F Cắt MC 2II Dừng máy phát & BI. A. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ), sự làm việc tin cậy của. thấp, máy phát làm việc ở chế độ động cơ, II. Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại của máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện
A. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống(HTĐ), sự làm việc tin cậy của các MFĐ có ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của HTĐ. Vì vậy, đối với MFĐ đặc biệt là cáccó công suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống tất cả các loại sự cố và các chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngoài MFĐ. Để thiết kế tính toán các bảo vệ cần thiết chophát, chúng ta phải biết các dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ. I. Các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ I.1. Các dạng hư hỏng: – Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn stator. (1) – Chạm chập giữa các vòng dây trong cùng 1 pha (đối với các MFĐ có cuộn dây kép). (2) – Chạm đất 1 pha trong cuộn dây stator. (3) – Chạm đất một điểm hoặc hai điểm mạch kích từ. (4) I.2. Các tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ: – Dòngtăng cao do ngắn mạch ngoài hoặc quá tải. (5) -áp đầu cựctăng cao do mấtđột ngột hoặc khi cắt ngắn mạch ngoài. (6) Ngoài ra còn có các tình trạng làm việc không bình thường khác như:không đối xứng, mất kích từ, mất đồng bộ, tần số thấp,làm việc ở chế độ động cơ, II. Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại của(thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷtích năng ), công suất củaphát, vai trò củavà sơ đồ nối dây của nhàvới các phần tử khác trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp. Hiện nay không có phương thức bảo vệ tiêu chuẩn đối với MFĐ cũng như đối với các thiết bịkhác. Tuỳ theo quan điểm của người sử dụng đối với các yêu cầu về độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy mà chúng ta lựa chọn số lượng và chủng loại rơle trong hệ thống bảo vệ. Đối với các MFĐ công suất lớn, xu thế hiện nay là lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập nhau với nguồnthao tác riêng, mỗi hệ thống bao gồm một bảo vệ chính và một số bảo vệ dự phòng có thể thực hiện đầy đủ các chức năng bảo vệ chophát. Để bảo vệ cho MFĐ chống lại các dạng sự cố nêu ở phần I, người ta thường dùng các loại bảo vệ sau: – Bảo vệ so lệch dọc đểhiện và xử lý khi xảy ra sự cố (1). – Bảo vệ so lệch ngang cho sự cố (2). – Bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator cho sự cố (3). – Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ cho sự cố (4). – Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quácho sự cố (5). – Bảo vệ chốngáp đầu cựctăng cao cho sự cố (6). Ngoài ra có thể dùng: Bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch, bảo vệ chống quá nhiệt rotor do dòngkhông cân bằng, bảo vệ chống mất đồng bộ, 13 B. CÁC BẢO VỆ RƠLE CHOĐIỆN I. Bảo vệ so lệch dọc (87G) I.1. Nhiệm vụ và sơ đồ nguyên lý: Bảo vệ so lệch dọc (BVSLD) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây statorphát. Sơ đồ thực hiện bảo vệ như hình 1.1. 52 1BI MF 2BI 87G2RI+Cắt MC+4Rth-+5RT MF MC Báo tín hiệuRf Rf +3RIBáo tín hiệu đứt mạch thứ 1RI + Hình 1.1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn stator MFĐ; sơ đồ tính toán (a) và theo mã số (b) a) b) Trong đó: : dùng để hạn chế dòngkhông cân bằng (I- Rf KCB), nhằm nâng cao độ nhạy của bảo vệ. – 1RI, 2RI, 4Rth:hiện sự cố và đưa tín hiệu đi cắtcắt đầu cựckhông thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec). – 3RI, 5RT: báo tín hiệu khi xảy ra đứt mạch thứ sau một thời gian cần thiết (thông qua 5RT) để tránh hiện tượng báo nhầm khi ngắn mạch ngoài mà tưởng đứt mạch thứ. Vùng tác động của bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI nối vào mạch so lệch. Cụ thể ở đây là các cuộn dây stator của MFĐ, đoạn thanh dẫn từ đầu cực MFĐ đếncắt. I.2. Nguyên lý làm việc: BVSLD hoạt động theo nguyên tắc so sánh độ lệch dònggiữa hai đầu cuộn dây stator, dòng vào rơle là dòng so lệch: = IIR 1T – I2T = ISL (1-1) Với I, I là dòngthứ cấp của các BI ở hai đầu cuộn dây. 1T 2TBình thường hoặc ngắn mạch ngoài, dòng vào rơle 1RI, 2RI là dòng không cân bằng I : KCBISL = I1T – I2T = IKCB < I (dòng khởi động rơle) (1-2) KĐRnên bảo vệ không tác động (hình 1.2a). Khi xảy ra chạm chập giữa các pha trong cuộn dây stator (hình 1.2b), dòngvào các rơle 1RI, 2RI: 14 INnI ISL = I1T - I2T = > I (1-3) KĐRHình 1.2: Đồ thị véctơ của dòngtrong mạch BVSLD a) Bình thường và khi ngắn mạch ngoài b) Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ a) ISL = IKCBT < IKĐR I2TI1 T b) I1T I2T ISL ≈KÂRINInI> Trong đó: – IN: dòngngắn mạch. – nI: tỉ số biến dòng của BI Bảo vệ tác động đi cắt 1MC đồng thời đưa tín hiệu đi đến bộ phận tự động diệt từ (TDT). Trường hợp đứt mạch thứ của BI, dòng vào rơle là: IFnIIR = (1-4) Dòngnày có thể làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc đó chỉ có 3RI khởi động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh hiện tượng báo nhầm trong quá trình quá độ khi ngắn mạch ngoài có xung dòng lớn. Ở sơ đồ hình 1.1, các BI nối theo sơ đồ sao khuyết nên bảo vệ so lệch dọc sẽ không tác động khi xảy ra ngắn mạch một pha ở pha không đặt BI. Tuy nhiên các bảo vệ khác sẽ tác động. I.3. Tính các tham số và chọn Rơle: I.3.1. Tính chọn 1RI và 2RI: Dòngkhởi động của rơle 1RI, 2RI được chọn phải thoả mãn hai điều kiện sau: Điều kiện 1: Bảo vệ không tác động đối với dòng không cân bằng cực đại IKCBmax khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. I ≥ K .IKĐB at KCBtt (1-5) IKCBtt = Kđn.KKCK.fi .I (1-6) NngmaxTrong đó: – K : hệ số an toàn tính đến sai số của rơle và dự trữ cần thiết. Kat at có thể lấy bằng 1,3. – KKCK: hệ số tính đến sự có mặt của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch, KKCK có thể lấy từ 1 đến 2 tuỳ theo biện phấp được sử dụng để nâng cao độ nhạy của bảo vệ. – K : hệ số tính đến sự đồng nhất của các BI (K = 0,5÷1). đn đn- f: sai số tương đối của BI, f i i có thể lấy bằng 0,1 (có kể đến dự trữ, vì cácbiến dòng chọn theo đường cong sai số 10%). – INngmax: thành phần chu kỳ của dòngchạy qua BIthời điểm đầu khi ngắn mạch ngoài trực tiếp 3 pha ở đầu cựcphát. Điều kiện 2: Bảo vệ không được tác động khi đứt mạch thứ BI. Lúc đó dòng vào rơle 1RI, 2RI: (giả sử MF đang làm việc ở chế độ định mức) IâmFnIISL = (1-7) Dòng khởi động của bảo vệ: âmFIatInKI = (1-8) KĐBNhư vậy, điều kiện để chọn dòng khởi động cho 1RI, 2RI: I = max{KKĐB at .IKCBtt; Kat .I } (1-9) đmF Dòngkhởi động của rơle: IKÂB)3(nI.KI = (1-10) KĐR15 Với K(3) là hệ số sơ đồ. Sau khi tính được I ta sẽ chọn được loại rơle cần thiết. KĐR Kiểm tra độ nhạy Kn của bảo vệ: Kn = KÂBminNII (1-11) Với INminVì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu K: dòngngắn mạch 2 pha ở đầu cựckhilàm việc riêng lẻ. n > 2. I.3.2. Tính chọn Rơle 3RI: Dòng khởi động sơ cấp của rơle 3RI phải lớn hơn dòng không cân bằng cực đại khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. Nhưng trong tính toán thì điều kiện ổn định nhiệt của rơle là quyết định. Theo kinh nghiệm có thể chọn dòng khởi động cho 3RI: I = 0,2.I (1-12) KĐS(3RI) đmF Ta tính được IKĐR của 3RI và chọn được loại rơle tương ứng. I.3.3. Thời gian làm việc của 5RT: Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, có thể xuất hiện những xung dòng lớn thoáng qua làm cho bảo vệ tác động nhầm do vậy phải chọn thời gian tác động của 5RT thoả mãn điều kiện: t5RT > t (1-13) cắt Nngoàit5RT = tcắtNng + Δ t (1-14) Trong đó: – tcắ Nngt- Δ t: bậc chọn lọc thời gian, thường Δ t = (0,25 ÷ 0,5) sec. : thời gian lớn nhất của các bảo vệ nối vào thanh gópápphát. Nhận xét: – Bảo vệ sẽ tác động khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator máy phát. RI Vùng bảo vệ I1S I2S I1T I2T ILV BIH IH BILV 1BI 2BI Hình 1.3: Bảo vệ so lệch dòngcó hãm cuộn dây stator MFĐ – Bảo vệ không tác động khi chạm chập giữa các vòng dây trong cùng 1 pha hoặc khi xảy ra chạm đất 1 điểm trong cuộn dây phần tĩnh. Để tăng độ nhạy của bảo vệ so lệch người ta có thể sử dụng rơle so lệch có hãm. I.4. Bảo vệ so lệch có hãm: Sơ đồ bảo vệ như hình 1.3. Rơle gồm có hai cuộn dây: Cuộn hãm và cuộn làm việc. Rơle làm việc trên nguyên tắc so sánh dònggiữa I và ILV H. – Dòngvào cuộn làm việc I: LVSL.T2T1LV.IIII =−= (1-15) – Dòng điện hãm vào cuộn hãm IH: IH = ⎢I1T + I ⎢ (1-16) 2TKhi làm việc bình thường hay ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ: DòngI1T cùng chiều với dòng I2T: ⎢I1T⎢ ≈ ⎢I2T⎢ ISL = I = ⎢ILV 1T – I2T⎢ = I (1-17) KCBIH = ⎢I1T + I ⎢ ≈ 2.⎢I2T 1T⎢ > I (1-18) LVnên bảo vệ không tác động. Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: DòngI1T ngược pha với I2T: ⎢I1T⎢ = ⎢-I2T⎢ IH = ⎢I1T – I2T⎢ ≈ 0 I = ⎢ILV 1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > IH (1-19) 16 bảo vệ sẽ tác động. Nhận xét: – Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dònggiữa I và ILV H, nên độ nhạy của bảo vệ rất cao và khi xảy ra ngắn mạch thì bảo vệ tác động một cách chắc chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷ 20) msec. – Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle có hãm có thể ngăn chặn bảo vệ tác động nhầm do ảnh hưởng bão hoà của BI. – Đối với cáccó công suất lớn có thể sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4). Ở chế độ làm việc bình thường, dòngthứ cấp IHình 1.4: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ công suất lớn RL2 RL1ILV I1S I1TI2T I2S BIG IHILV RH/2 ULV RH/2 UH D1 D2 RL1RL2 Đến RG đầu raABCRLV ILV BIG CL 1T và I2T của các nhóm biến dòng 1BI, 2BI chạy qua điện trở hãm RH, tạo nên điện áp hãm UH, còn hiệu dòng thứ cấp (dòng so lệch) ISL chạy qua biến dòng trung gian BIG, cầu chỉnh lưu CL vàtrở làm việc RLV tạo nênáp làm việc ULV. Giá trịáp UH > ULV, bảo vệ không tác động. Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ,áp U >> ULV H, dòngchạy qua rơle RL1 làm rơle này tác động đóng tiếp điểm RL1 lại. Dònglàm việc sau khi nắn chạy qua rơle RL, RL2 2 đóng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu ra sẽ được cấp nguồn thao tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL và RL1 2 đi cắtcắt đầu cựcphát. Ngoài ra, người ta còn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch(hình 1.5). Rơle so lệch RU trong sơ đồ có tổng trở khá lớn sẽ tác động theoáp so lệch USL, ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ngoài, các biến dòng 1BI, 2BI (được chọn giống nhau) có cùng dòngphát đi qua do đó các sứcđộng E và E bằng nhau và ngược pha nhau, L1 2 1 = L2, phân bốáp trong mạch như hình 1.5b. Hình 1.5: Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao cho MFĐa) Sơ đồ nguyên lý b) Mạchđẳng trị và phân bốáp trong chế độ làm việc bình thường c) nhóm 2BI bị bão hoà khi ngắn mạch ngoài và hoàn toàn d) khi có ngắn mạch trong. 1BI IN 2BIN 1BI USL USLR1R2L1E1RSLE2E1E2L2 E1L1USLRSLL2E2USLE2R1R2E1 USL E2=0R1 R2 E1 L1 USL RSL E1a) b) c) d) USL = 0 17 Trị sốáp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ giữa cáctrở R1 và R .trở R, R2 1 2 gồmtrở cuộn dây thứ cấp và dây dẫn phụ nối giữa hai nhóm biến dòng 1BI và 2BI, với R1 = R ⇒ U2 SL = 0 Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: Trường hợplàm việc biệt lập với hệ thống:* Dòngqua 1BI là dòng củaphát. Dòngqua 2BI bằng không E2 = 0.áp đặt lên rơle so lệch RU hình 1.5c: I21″N1SLn)RR.(IU+= (vì RSL >> R ) (1-20) 2Trong đó: – : trị hiệu dụng của dòng siêu quá độ khi ngắn mạch trên đầu cựcphát. = I”NI”NI(3) = I(3) Nngmax Nđầu cực MFvới: – n : tỷ số biến dòng của BI. I- RSL:trở mạch so lệch (gồm rơle và dây nối). – Trường hợpnối với hệ thống:* Khi đóđiểm ngắn mạch, ngoài dòng điện do bản thâncung cấp còn có thêm thành phần dòngdo hệ thống đổ về. Mạchđẳng trị và phân bốáp như hình 1.5d. Giá trịáp đặt lên rơle so lệch RU: “NFI”NHII21″NH”NFSL2n)RR).(II( U++= (1-21) Để đảm bảo tính chọn lọc,áp khởi động của rơle so lệch RU phải chọn lớn hơn min{USL1; U }, nghĩa là: SL2I21″Natn)RR.(I.K+U = K .U = (1-22) KĐR at SL1Với K = (1,15 ÷ 1,2) là hệ số an toàn. atThời gian tác động của bảo vệ thường: t = (15 ÷ 20) msec Nhận xét: – Đối với các MFĐ có công suất lớn, hằng số thời gian tắt dần của thành phần một chiều trong dòngngắn mạch có thể đạt đến hàng trăm msec, gây bão hòa mạch từ của cácbiến dòng và làm chậm tác động của bảo vệ khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ. Vì vậy cần phải sử dụng sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước khi xảy ra bão hòa mạch từ của máy biến dòng, tức là: tbh > tbv, với tbv là thời gian cắt ngắn mạch của bảo vệ; tbh thời gian bão hoà mạch từ của BI. 18 I.5. Bảo vệ khoảng cách (21): Đối với các MFĐ công suất lớn người ta thường sử dụng bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho BVSL (hình 1.6a). Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý (a); đặc tính thời gian (b) và đặc tuyến khởi động (c) của bảo vệ khoảng cách cho MFĐ a) XB tI = (0,4 ÷ 0,5) sec 0,7XB XF t Δt Xb)BU F BI I U RZ BA TG tIIjX 0 0 UF R ZKĐ RKĐ jXKĐ Vì khoảng cách từ MBA đếncắt cao áp khá ngắn, để tránh tác động nhầm khi ngắn mạch ngoài MBA, vùng thứ nhất của bảo vệ khoảng cách được chọn bao gồmkháng của MFĐ và khoảng 70%kháng của MBA tăng áp (để bảo vệ hoàn toàn cuộn hạ của MBA), nghĩa là: ZI = Z + 0,7.Z (1-23) kđ F BThời gian làm việc của vùng thứ nhất thường chọn tI = (0,4 ÷ 0,5) sec (hình 1.6b). Vùng thứ hai thường bao gồm phần còn lại của cuộn dây MBA, thanh dẫn và đường dây truyềnnối với thanh góp liền kề. Đặc tuyến khởi động của rơle khoảng cách có thể có dạng vòng tròn với tâm ở góc toạ độ hoặc hình bình hành với độ nghiêng của cạnh bên bằng độ nghiêng của véctơáp UF hình 1.6c. II. Bảo vệ so lệch ngang (87G) Các vòng dây của MFĐ chập nhau thường do nguyên nhân hư hỏng cáchcủa dây quấn. Có thể xảy ra chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một nhánh (cuộn dây đơn) hoặc giữa các vòng dây thuộc hai nhánh khác nhau trong cùng một pha, dòngtrong các vòng dây bị chạm chập có thể đạt đến trị số rất lớn. Đối vớimà cuộn dây stator là cuộn dây kép, khi có một số vòng dây chạm nhau sứcđộng cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dòngcân bằng chạy quẩn trong các mạch vòng sự cố và đốt nóng cuộn dây có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng. Trong nhiều trường hợp khi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một pha nhưng BVSLD không thểhiện được, vì vậy cần phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng sự cố này. 19 Hình 1.7: Bảo vệ so lệch ngang có hãm (a) và đặc tính khởi động (b) Đối với MFĐ công suất vừa và nhỏ chỉ có cuộn dây đơn, lúc đó chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống chạm đất tác động (trường hợp này không cần đặt bảo vệ so lệch ngang). Với MFĐ công suất lớn, cuộn dây stator làm bằng thanh dẫn và được quấn kép, đầu ra các nhánh đưa ra ngoài nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ dàng. Người ta có thể dùng sơ đồ bảo vệ riêng hoặc chung cho các pha. II.1. Sơ đồ bảo vệ riêng cho từng pha: (hình 1.7, 1.8) Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, sứcđộng trong các nhánh cuộn dây stator bằng nhau nên I1T = I2T. Khi đó: ⎢IH⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-24) ISL =⎢I ⎢=⎢ILV 1T – I2T⎢ = I (1-25) RL KĐR R LV H 2BI I1S 1BI I2S ILV I1T I2T BILV BIH IH Cắt MC 4 3 2 1 0 1 2 3 4 I*LV I*H ILV = IH ILV = f(IH) a) b) KCB87G 87G 87GHình 1.8: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang theo mã số⇒ IH > I nên bảo vệ không tác động LVKhi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây của hai nhánh khác nhau cùng một pha, giả thiết ở chế độchưa mang tải, ta có: I1T = -I2T ⎢IH⎢ = ⎢I1T – I2T⎢ = I KCB⎢ ILV⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-26) ⇒ ILV > IH nên rơle tác động cắtcắt đầu cựcphát. II.2. Sơ đồ bảo vệ chung cho các pha: (hình 1.9) Trong sơ đồ BI được đặt ở giữa hai điểm nối trung tính của 2 nhóm nhánh của cuộn dây stator, thứ cấp của BI nối qua bộ lọc sóng hài bậc ba L3f dùng để giảm dòng không cân bằng đi vào rơle. 20 Cắt 1MC Lf3 + Báo tín hiệu RI RT Rth + – C C B A O2 O1 1 2 T Hình 1.9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho các pha MFĐ, sơ đồ tính toán (a) và theo mã số (b) 87BI a) b) CN: cầu nối, bình thường CN ở vị trí 1 và bảo vệ tác động không thời gian. Khiphát đã chạm đất 1 điểm mạch kích từ (không nguy hiểm), CN được chuyển sang vị trí 2 lúc đó bảo vệ sẽ tác động có thời gian để tránh tác động nhầm khi chạm đất thoáng qua điểm thứ 2 mạch kích từ. II.2.1. Nguyên lý hoạt động: Bảo vệ hoạt động trên nguyên lý so sánh thế V1 và V2 của trung điểm O và O1 2 giữa 2 nhánh song song của cuộn dây. * Ở chế độ bình thường hoặc ngắn mạch ngoài: U12 = V – V ≈ 0 (1-27) 1 2nên không có dòng qua BI do đó bảo vệ không tác động (cầu nối ở vị trí 1). * Khi xảy ra chạm chập 1 điểm mạch kích từ,vẫn được duy trì vận hành nhưng phải chuyển cầu nồi sang vị trí 2 để tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm khi ngắn mạch thoáng qua điểm thứ 2 mạch kích từ. * Khi sự cố (chạm chập giữa các vòng dây): U12 = V – V ≠ 0 (1-28) 1 2nên có dòng qua BI bảo vệ tác động cắtcắt. II.2.2. Dòng khởi động của rơle: Dòngkhởi động của bảo vệ được xác định theo công thức: IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-29) Thực tế việc xác định dòng không cân bằng tính toán IKCBtt tương đối khó, nên thường xác định theo công thức kinh nghiệm: ÷I = (0,05 0,1).I (1-30) KĐB đmFIKÂBnI⇒ I = (1-31) KĐRtừ đó có thể chọn được loại rơle cần thiết. II.2.3. Thời gian tác động của bảo vệ: Bình thường bảo vệ tác động không thời gian (cầu nối CN ở vị trí 1). Khi chạm đất điểm thứ nhất mạch kích từ thì cầu nối CN được chuyển sang vị trí 2. Thời gian tác động của rơle RT được xác định như sau: 21 tRT = tBV 2 điểm ktừ + Δt (1-32) Trong đó: – tBV 2 điểm ktừ: thời gian tác động của bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ. – Δt: bậc chọn thời gian, thường lấy Δt = 0,5 sec. – Nhận xét: – Bảo vệ so lệch ngang cũng có thể làm việc khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator. Tuy nhiên nó không thể thay thế hoàn toàn cho BVSLD được vì khi ngắn mạch trên đầu cựcbảo vệ so lệch ngang không làm việc. – Bảo vệ tác động khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ (nếu bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ không tác động) do sự không đối xứng của từ trường làm cho V. V≠1 2III. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây stator (50/51n) Mạngápthường làm việc với trung tính cáchvới đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang nên dòng chạm đất không lớn lắm. Tuy vậy, sự cố một điểm cuộn dây stator chạm lõi từ lại thường xảy ra, dẫn đến đốt cháy cáchcuộn dây và lan rộng ra các cuộn dây bên cạnh gây ngắn mạch nhiều pha.Vì vậy, cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator. Dòngchỗ chạm đất khi trung điểm của cuộn dâykhông nối đất là: 2C2qâp(1)Â0Xr.UIΣ+=αα (1-33) Trong đó: – α: số phần trăm cuộn dây tính từ trung điểm đến vị trí chạm đất (α ≤ 1). – U :áp pha củaphát. p- rqđ:trở quá độchỗ sự cố. – : dung kháng 3 pha đẳng trị của tất cả các phần tử trong mạngáp Σ0CXmáy phát. ∑0Nếu bỏ quatrở quá độchỗ sự cố (rΣω=CC j.31X0 = 0), dòng chạm đất bằng: qđ(1)ÂIα= 3.α.ω.C .U (1-34) 0Σ pKhi chạm đất xảy rađầu cực(α = 1) dòng chạm đất đạt trị số lớn nhất: (1)maxÂIα= 3.ω.C .U (1-35) 0Σ pNếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn dập hồ quang (CDHQ), theo quy định của một số nước, CDHQ cần phải đặt khi: (1)maxÂI≥ 30 A đối với mạng có U = 6 kV (1)maxÂI≥ 20 A đối với mạng có U = 10 kV (1)maxÂI≥ 15 A đối với mạng có U = (15 ÷ 20) kV (1)maxÂI≥ 10 A đối với mạng có U = 35 kV Kinh nghiệm cho thấy rằng dòngchạm đất ≥ 5A có khả năng duy trì tia lửa điệnchỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây và lõi thépchỗ sự cố, vì vậy bảo vệ cần phải tác động cắtphát. Phần lớn sự cố cuộn dây stator là chạm đất một pha vì các cuộn dây cách điện nằm trong các rãnh lõi thép. Để giới hạn dòng chạm đất trung tínhthường nối đất qua một tổng trở. Các phương pháp nối đất trung tính được trình bày trong hình 1.10. (1)ÂINếu tổng trở trung tính đủ lớn dòng chạm đất có thể giới hạn nhỏ hơn dòngđịnh mứcphát. Không có công thức tổng quát nào cho giá trị tối ưu của tổng trở giới hạn dòng. Nếu tổng trở trung tính quá cao, dòng chạm đất bé làm cho rơle không tác động. Ngoài ratrở quá lớn sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng quá độ giữa các cuộn dây với đất và đường dây kết nối. Để tránh hiện tượng này khi tính chọntrở trung tính cực đại 22 […]… dòngcó khoááp thấp II Cấp 2 (2 ) tác động dừngnếu sau khi cắt MC đầu cực(có thanh gópápphát) hoặc đầu hợp bộ (MF-MBA) mà dòng sự cố vẫn tồn(tức là sự cố xảy ra bên trong hợp bộ hoặcphát) Khóaáp thấp cho phép phân biệt ngắn mạch với quávà cho phép bảo vệ làm việc chắc chắn khiđược kích từ bằng chỉnh lưu lấytừ đầu cựcphát. .. cựcc) giới hạn thay đổi của công suất-Q Miền làm việc bình thường Giới hạnnóng cuộn stator P (MW) Giới hạnnóng mép lõi thép stator Khi xảy ra mất kích từ,kháng củasẽ thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X’d (điện kháng quá độ) và có tính chất dung kháng Vì vậy đểhiện mất kích từ ở máy phát điện, chúng ta có thể sử dụng một rơle điện. .. định Mặt khác, cácthuỷnằm xa trung tâm phụvà bình thường phải làm việc với các mứcáp đầu cực cao hơnáp danh định để bù lạiáp giáng trên hệ thống truyền tải, khi mấtđột ngột mứcáp lại càng tăng cao Quááp ở đầu cựccó thể gây tác hại cho cáchcủa cuộn dây, các thiết bị đấu nối ở đầu cựcphát, còn đối với cáclàm việc hợp… statorMột trong những phương pháp lựa chọn ở đây là sử dụngáp sóng hài bậc ba Do tính phi tuyến của mạch từnênáp cuộn dây stator luôn chứa thành phần sóng hái bậc ba, giá trị của thành phầnáp này phụ thuộc vào trị sốkháng của thiết bị nối với trung tínhphát,dung với đất của cuộn stator,dung nối đất của các dây dẫn, thanh dẫn mạchvà điện. .. dòngtrong cuộn rotor tăng cao có thể làm mạch từ bị bão hoà, từ trường trongbị méo làm chobị rung, gây hư hỏng nghiêm trọngĐối với MFĐ công suất bé và trung bình (máynhiệt điện), thường người ta đặt bảo vệ báo tín hiệu khi có một điểm chạm đất trong mạch kích từ và tác động cắtkhi xảy ra chạm đất điểm thứ hai Đối với MFĐ công suất lớn (máythuỷ điện) ,… dung cuộn dây MBA tớiĐể nâng cao hiệu quả của bảo vệ người ta có thể đặt thêm bảo vệ dòng cực đại (51N) có đặc tính thời gian phụ thuộc có trị số dòngđặt khoảng 5% giá trị dòng chạm đất cực đại Iđmax ở cấpáp máy phát Máy phát nối đất trung tính qua MBA: (hình 1.14b) MBA nối đất đặt ở trung tính máy phát điện, vừa có chức năng như một khángnối đất củavừa cung cấp nguồn… 3 cuộn dây statorphát, thường yêu cầu: R ≤ (Ω) 3ωC (1-36) với C làdung của mỗi cuộn dây statorNếutrở trung tính thấp, dòngchạm đất sẽ cao và sẽ gây nguy hiểm choKhitrở trung tính giảm độ nhạy của rơle chống chạm đất giảm dothế thứ tự không nhỏ Rơle chống chạm đất sẽ cảm nhậnthế giáng trêntrở nối đất do vậy giá trịthế này phải… Trung tính nối đất quabiến áp BA hình 1.10c,áp của cuộn sơ MBA bằngápphát,áp của cuộn thứ MBA khoảng 120V hay 240V – Đối với sơ đồ có thanh góp cấpápkhi Iđα > 5 (A) cần phải cắt- Đối với sơ đồ nối bộ MFMBA thường Iđα < 5 (A) chỉ cần đặt Rđ KĐ BA Rt bảo vệ đơn giản hơn để báo tín hiệu chạm đất stator mà không cần cắt a) b) c)Hình 1.10: Các...vàdung cuộn dây MBA nối với máy phát điện Trong điều kiện vận hành bình thường, nếu đoáp sóng hài bậc ba với đất ở các điểm khác nhau trên cuộn dây stator ta có phân bốáp như trên hình 1.15b Ở đây kí hiệu U’N, U’F làáp hài bậc ba khikhôngvà U”N, U”F khiđầyKhi xảy chạm đất ở đầu cực hoặc ở trung tínhphát,áp sóng hài ở đầu cực không chạm… quá dòng điện: Với cácbé và trung bình, người ta thường sử dụng bảo vệ quá dòngcó khoááp thấp (hình 1.29) Bảo vệ thường có 2 cấp thời gian: I Cấp 1 (2 ) tác động cắt MC ở đầu cực(nếu nối với thanh gópápphát) hoặc MC của bộ MF-MBA Cấp 1 được phối hợp với thời gian tác động của bảo vệ dự phòng của đường dây và MBA MC MBA BU 2I 27 F Cắt MC 2II Dừng& BI. A. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ), sự làm việc tin cậy của. thấp, máy phát làm việc ở chế độ động cơ, II. Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại của máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện
