Máy phát điện

MÁY PHÁT ĐIỆN NHÀ XUẤT ĐÀ NẴNG - 2010 A GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) phần tử quan trọng hệ thống điện (HTĐ), làm việc tin cậy MFĐ có ảnh hưởng định đến độ tin cậy HTĐ Vì vậy, MFĐ đặc biệt máy có cơng suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác để chống tất loại cố chế độ làm việc không bình thường xảy bên cuộn dây bên ngồi MFĐ Để thiết kế tính tốn bảo vệ cần thiết cho máy phát, phải biết dạng hư hỏng tình trạng làm việc khơng bình thường MFĐ I Các dạng hư hỏng tình trạng làm việc khơng bình thường MFĐ I.1 Các dạng hư hỏng: kép) (2) - Ngắn mạch nhiều pha cuộn stator (1) Chạm chập vòng dây pha (đối với MFĐ có cuộn dây Chạm đất pha cuộn dây stator (3) Chạm đất điểm hai điểm mạch kích từ (4) I.2 Các tình trạng làm việc khơng bình thường MFĐ: - Dịng điện tăng cao ngắn mạch tải (5) - Điện áp đầu cực máy phát tăng cao tải đột ngột cắt ngắn mạch (6) Ngoài cịn có tình trạng làm việc khơng bình thường khác như: Tải khơng đối xứng, kích từ, đồng bộ, tần số thấp, máy phát làm việc chế độ động cơ, II Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện tích ), cơng suất máy phát, vai trị máy phát sơ đồ nối dây nhà máy điện với phần tử khác hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp Hiện khơng có phương thức bảo vệ tiêu chuẩn MFĐ thiết bị điện khác Tuỳ theo quan điểm người sử dụng yêu cầu độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy mà lựa chọn số lượng chủng loại rơle hệ thống bảo vệ Đối với MFĐ công suất lớn, xu lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập với nguồn điện thao tác riêng, hệ thống bao gồm bảo vệ số bảo vệ dự phịng thực đầy đủ chức bảo vệ cho máy phát Để bảo vệ cho MFĐ chống lại dạng cố nêu phần I, người ta thường dùng loại bảo vệ sau: - Bảo vệ so lệch dọc để phát xử lý xảy cố (1) - Bảo vệ so lệch ngang cho cố (2) - Bảo vệ chống chạm đất điểm cuộn dây stator cho cố (3) - Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ cho cố (4) - Bảo vệ chống ngắn mạch tải cho cố (5) - Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao cho cố (6) Ngồi dùng: Bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch, bảo vệ chống q nhiệt rotor dịng máy phát khơng cân bằng, bảo vệ chống đồng bộ, 13 B CÁC BẢO VỆ RƠLE CHO MÁY PHÁT ĐIỆN I Bảo vệ so lệch dọc (87G) I.1 Nhiệm vụ sơ đồ nguyên lý: Bảo vệ so lệch dọc (BVSLD) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha cuộn dây stator máy phát Sơ đồ thực bảo vệ hình 1.1 Báo tín hiệu đứt mạch thứ Báo tín hiệu + MC Cắt MC 4Rth + + 1RI + 5RT - + 2RI 3RI Rf MF 52 Rf 1BI b) MF 87G a) Hình 1.1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn stator MFĐ; sơ đồ tính tốn (a) theo mã số (b) 2BI Trong đó: - Rf: dùng để hạn chế dịng điện khơng cân (IKCB), nhằm nâng cao độ nhạy bảo vệ - 1RI, 2RI, 4Rth: phát cố đưa tín hiệu cắt máy cắt đầu cực máy phát không thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec) - 3RI, 5RT: báo tín hiệu xảy đứt mạch thứ sau thời gian cần thiết (thông qua 5RT) để tránh tượng báo nhầm ngắn mạch mà tưởng đứt mạch thứ Vùng tác động bảo vệ vùng giới hạn BI nối vào mạch so lệch Cụ thể cuộn dây stator MFĐ, đoạn 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 hai đầu cuộn dây stator, dòng vào rơle dòng so lệch: (1-1) IR = I1T - I2T = ISL Với I1T, I2T dòng điện thứ cấp BI hai đầu cuộn dây Bình thường ngắn mạch ngồi, dịng vào rơle 1RI, 2RI dịng khơng cân IKCB: ISL = I1T - I2T = IKCB < IKĐR (dòng khởi động rơle) (1-2) nên bảo vệ khơng tác động (hình 1.2a) Khi xảy chạm chập pha cuộn dây stator (hình 1.2b), dịng điện vào rơle 1RI, 2RI: 14 I ISL = I1T - I2T = N > IKĐR (1-3) nI Trong đó: - IN: dịng điện ngắn mạch - nI: tỉ số biến dòng BI Bảo vệ tác động cắt 1MC đồng thời đưa tín hiệu đến phận tự động diệt từ (TDT) Trường hợp đứt mạch thứ BI, dòng vào rơle là: I IR = F (1-4) nI ISL = IKCBT < IKĐR I1 T I1T ISL ≈ I2T IN > I KÂR nI I2T a) b) Hình 1.2: Đồ thị véctơ dịng điện mạch BVSLD a) Bình thường ngắn mạch b) Khi ngắn mạch vùng bảo vệ Dịng điện làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc có 3RI khởi động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh tượng báo nhầm trình độ ngắn mạch ngồi có xung dịng lớn Ở sơ đồ hình 1.1, BI nối theo sơ đồ khuyết nên bảo vệ so lệch dọc không tác động xảy ngắn mạch pha pha không đặt BI Tuy nhiên bảo vệ khác tác động I.3 Tính tham số chọn Rơle: I.3.1 Tính chọn 1RI 2RI: Dịng điện khởi động rơle 1RI, 2RI chọn phải thoả mãn hai điều kiện sau: Điều kiện 1: Bảo vệ không tác động dịng khơng cân cực đại IKCBmax ngắn mạch vùng bảo vệ IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-5) IKCBtt = Kđn.KKCK.fi INngmax (1-6) Trong đó: - Kat: hệ số an tồn tính đến sai số rơle dự trữ cần thiết Kat lấy 1,3 - KKCK: hệ số tính đến có mặt thành phần khơng chu kỳ dịng ngắn mạch, KKCK lấy từ đến tuỳ theo biện phấp sử dụng để nâng cao độ nhạy bảo vệ - Kđn: hệ số tính đến đồng BI (Kđn = 0,5÷1) - fi: sai số tương đối BI, fi lấy 0,1 (có kể đến dự trữ, máy biến dòng chọn theo đường cong sai số 10%) - INngmax: thành phần chu kỳ dòng điện chạy qua BI thời điểm đầu ngắn mạch trực tiếp pha đầu cực máy phát Điều kiện 2: Bảo vệ không tác động đứt mạch thứ BI Lúc dịng vào rơle 1RI, 2RI: (giả sử MF làm việc chế độ định mức) I ISL = âmF (1-7) nI Dòng khởi động bảo vệ: IKĐB = K at I âmF nI (1-8) Như vậy, điều kiện để chọn dòng khởi động cho 1RI, 2RI: IKĐB = max{Kat IKCBtt; Kat IđmF } Dòng điện khởi động rơle: IKĐR = K (3) I KÂB nI (1-9) (1-10) 15 Với K(3) hệ số sơ đồ Sau tính IKĐR ta chọn loại rơle cần thiết Kiểm tra độ nhạy Kn bảo vệ: Kn = I N I KÂB (1-11) Với INmin: dòng điện ngắn mạch pha đầu cực máy phát máy phát làm việc riêng lẻ Vì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu Kn > I.3.2 Tính chọn Rơle 3RI: Dòng khởi động sơ cấp rơle 3RI phải lớn dịng khơng cân cực đại ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ Nhưng tính tốn điều kiện ổn định nhiệt rơle định Theo kinh nghiệm chọn dịng khởi động cho 3RI: IKĐS(3RI) = 0,2.IđmF (1-12) Ta tính IKĐR 3RI chọn loại rơle tương ứng I.3.3 Thời gian làm việc 5RT: Khi xảy ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ, xuất xung dịng lớn thống qua làm cho bảo vệ tác động nhầm phải chọn thời gian tác động 5RT thoả mãn điều kiện: t5RT > tcắt Nngoài (1-13) t5RT = tcắtNng + Δ t (1-14) Trong đó: - tcắtNng: thời gian lớn bảo vệ nối vào góp điện áp máy phát - Δ t: bậc chọn lọc thời gian, thường Δ t = (0,25 ÷ 0,5) sec Nhận xét: - Bảo vệ tác động ngắn mạch nhiều pha cuộn dây stator 1BI I1S I1T máy phát - Bảo vệ không tác động BIH BILV chạm chập vòng dây Vùng bảo IH pha xảy chạm đất vệ điểm cuộn dây phần tĩnh ILV RI Để tăng độ nhạy bảo vệ so I I 2S 2BI lệch người ta sử dụng rơle so 2T lệch có hãm Hình 1.3: Bảo vệ so lệch dịng điện có hãm cuộn dây stator MFĐ I.4 Bảo vệ so lệch có hãm: Sơ đồ bảo vệ hình 1.3 Rơle gồm có hai cuộn dây: Cuộn hãm cuộn làm việc Rơle làm việc nguyên tắc so sánh dòng điện ILV IH - Dòng điện vào cuộn làm việc ILV: - I LV = I 1T − I 2T = I SL (1-15) Dòng điện hãm vào cuộn hãm IH: IH = ⎢I1T + I2T⎢ (1-16) Khi làm việc bình thường hay ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ: Dòng điện I1T chiều với dòng I2T: ⎢I1T⎢ ≈ ⎢I2T⎢ ISL = ILV = ⎢I1T - I2T⎢ = IKCB (1-17) IH = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > ILV (1-18) nên bảo vệ không tác động Khi xảy ngắn mạch vùng bảo vệ: Dòng điện I1T ngược pha với I2T: ⎢I1T⎢ = ⎢-I2T⎢ IH = ⎢I1T - I2T⎢ ≈ ILV = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > IH (1-19) 16 bảo vệ tác động Nhận xét: - Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dòng điện ILV IH, nên độ nhạy bảo vệ cao xảy ngắn mạch bảo vệ tác động cách chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷ 20) msec - Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle có hãm ngăn chặn bảo vệ tác động nhầm ảnh hưởng bão hoà BI - Đối với máy phát điện có cơng suất lớn sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4) Ở chế độ làm việc A bình thường, dịng điện thứ cấp I1T I2T nhóm ILV B biến dịng 1BI, 2BI chạy qua I1S I2S RL1 điện trở hãm RH, tạo nên C CL RLV RL1 điện áp hãm UH, hiệu U LV dòng thứ cấp (dòng so lệch) BIG ISL chạy qua biến dòng trung ILV RL2 gian BIG, cầu chỉnh lưu CL I 2T điện trở làm việc RLV tạo RL I1T D1 D2 BIG nên điện áp làm việc ULV IH Giá trị điện áp UH > ULV, ILV RH/2 Đến RG bảo vệ không tác động UH RH/2 đầu Hình 1.4: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ cơng suất lớn Khi ngắn mạch vùng bảo vệ, điện áp ULV >> UH, dòng điện chạy qua rơle RL1 làm rơle tác động đóng tiếp điểm RL1 lại Dòng điện làm việc sau nắn chạy qua rơle RL2, RL2 đóng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu cấp nguồn thao tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL1 RL2 cắt máy cắt đầu cực máy phát Ngồi ra, người ta cịn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5) Rơle so lệch RU sơ đồ có tổng trở lớn tác động theo điện áp so lệch USL, chế độ làm việc bình thường ngắn mạch ngồi, biến dịng 1BI, 2BI (được chọn giống nhau) có dịng điện máy phát qua sức điện động E1 E2 ngược pha nhau, L1 = L2, phân bố điện áp mạch hình 1.5b IN 1BI 2BI E1 USL 1BI a) c) R1 E1 L1 E1 USL USL RSL E1 L2 E1 E2 L1 USL R2 RSL USL E1 E2 E2=0 USL R1 USL = b) L1 R2 RSL R2 R1 N L2 E2 E2 d) Hình 1.5: Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao cho MFĐ a) Sơ đồ nguyên lý b) Mạch điện đẳng trị phân bố điện áp chế độ làm việc bình thường c) nhóm 2BI bị bão hồ ngắn mạch ngồi hồn tồn d) có ngắn mạch 17 Trị số điện áp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ điện trở R1 R2 Điện trở R1, R2 gồm điện trở cuộn dây thứ cấp dây dẫn phụ nối hai nhóm biến dịng 1BI 2BI, với R1 = R2 ⇒ USL = Khi xảy ngắn mạch vùng bảo vệ: * Trường hợp máy phát làm việc biệt lập với hệ thống: Dòng điện qua 1BI dịng máy phát Dịng điện qua 2BI khơng E2 = Điện áp đặt lên rơle so lệch RU hình 1.5c: I "N (R1 + R ) U SL1 = nI (vì RSL >> R2) (1-20) Trong đó: " - I N : trị hiệu dụng dòng siêu độ ngắn mạch đầu cực máy phát với: I "N = I(3)Nngmax = I(3)Nđầu cực MF - nI: tỷ số biến dòng BI - RSL: điện trở mạch so lệch (gồm rơle dây nối) * Trường hợp máy phát nối với hệ thống: Khi điểm ngắn mạch, ngồi dịng điện thân máy phát cung cấp I "NF cịn có thêm thành phần dòng điện hệ thống đổ I "NH Mạch điện đẳng trị phân bố điện áp hình 1.5d Giá trị điện áp đặt lên rơle so lệch RU: (I "NF + I "NH ).(R1 + R ) U SL2 = nI (1-21) K at I "N (R1 + R ) UKĐR = Kat.USL1 = nI (1-22) Để đảm bảo tính chọn lọc, điện áp khởi động rơle so lệch RU phải chọn lớn min{USL1; USL2}, nghĩa là: Với Kat = (1,15 ÷ 1,2) hệ số an tồn Thời gian tác động bảo vệ thường: t = (15 ÷ 20) msec Nhận xét: - Đối với MFĐ có cơng suất lớn, số thời gian tắt dần thành phần chiều dòng điện ngắn mạch đạt đến hàng trăm msec, gây bão hịa mạch từ máy biến dòng làm chậm tác động bảo vệ có ngắn mạch vùng bảo vệ Vì cần phải sử dụng sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước xảy bão hòa mạch từ máy biến dòng, tức là: tbh > tbv, với tbv thời gian cắt ngắn mạch bảo vệ; tbh thời gian bão hoà mạch từ BI 18 I.5 Bảo vệ khoảng cách (21): Đối với MFĐ công suất lớn người ta thường sử dụng bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phịng cho BVSL (hình 1.6a) X TG jX UF ZKĐ BA BU U XB RZ F jXKĐ tII Δt I RKĐ tI = (0,4 ÷ 0,5) sec XF BI R 0,7XB t a) b) Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý (a); đặc tính thời gian (b) đặc tuyến khởi động (c) bảo vệ khoảng cách cho MFĐ Vì khoảng cách từ MBA đến máy cắt cao áp ngắn, để tránh tác động nhầm ngắn mạch MBA, vùng thứ bảo vệ khoảng cách chọn bao gồm điện kháng MFĐ khoảng 70% điện kháng MBA tăng áp (để bảo vệ hoàn toàn cuộn hạ MBA), nghĩa là: I Z kđ = ZF + 0,7.ZB (1-23) Thời gian làm việc vùng thứ thường chọn tI = (0,4 ÷ 0,5) sec (hình 1.6b) Vùng thứ hai thường bao gồm phần lại cuộn dây MBA, dẫn đường dây truyền tải nối với góp liền kề Đặc tuyến khởi động rơle khoảng cách có dạng vịng trịn với tâm góc toạ độ hình bình hành với độ nghiêng cạnh bên độ nghiêng véctơ điện áp UF hình 1.6c II Bảo vệ so lệch ngang (87G) Các vòng dây MFĐ chập thường nguyên nhân hư hỏng cách điện dây quấn Có thể xảy chạm chập vòng dây nhánh (cuộn dây đơn) vòng dây thuộc hai nhánh khác pha, dòng điện vịng dây bị chạm chập đạt đến trị số lớn Đối với máy phát điện mà cuộn dây stator cuộn dây kép, có số vòng dây chạm sức điện động cảm ứng hai nhánh khác tạo nên dòng điện cân chạy quẩn mạch vòng cố đốt nóng cuộn dây gây hư hỏng nghiêm trọng Trong nhiều trường hợp xảy chạm chập vòng dây pha BVSLD khơng thể phát được, cần phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng cố 19 KĐ RL I1S R R LV H I*LV Cắt MC 1BI I2S ILV BILV ILV = IH 2BI IH BIH I2T I1T a) b) ILV = f(IH) I*H Hình 1.7: Bảo vệ so lệch ngang có hãm (a) đặc tính khởi động (b) Đối với MFĐ cơng suất vừa nhỏ có cuộn dây đơn, lúc chạm chập vịng dây pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống chạm đất tác động (trường hợp không cần đặt bảo vệ so lệch ngang) Với MFĐ công suất lớn, cuộn dây stator làm dẫn quấn kép, đầu nhánh đưa nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ dàng Người ta dùng sơ đồ bảo vệ riêng chung cho pha II.1 Sơ đồ bảo vệ riêng cho pha: (hình 1.7, 1.8) Trong chế độ làm việc bình thường ngắn mạch ngồi, sức điện động nhánh cuộn dây stator nên I1T = I2T Khi đó: ⎢IH⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-24) ISL =⎢ILV⎢=⎢I1T - I2T⎢ = IKCB (1-25) ⇒ IH > ILV nên bảo vệ không tác động 87G 87G 87G Khi xảy chạm chập vòng dây hai nhánh khác pha, giả thiết chế độ máy phát chưa mang tải, ta có: I1T = -I2T Hình 1.8: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang theo mã số ⎢IH⎢ = ⎢I1T - I2T⎢ = IKCB ⎢ 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 pha: (hình 1.9) Trong sơ đồ BI đặt hai điểm nối trung tính nhóm nhánh cuộn dây stator, thứ cấp BI nối qua lọc sóng hài bậc ba L3f dùng để giảm dịng khơng cân vào rơle 20 A B C Báo tín hiệu T + RI + Lf3 a) Rth RT O1 C - O2 Hình 1.9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho pha MFĐ, sơ đồ tính toán (a) theo mã số (b) b) Cắt 1MC BI 87 CN: cầu nối, bình thường CN vị trí bảo vệ tác động khơng thời gian Khi máy phát chạm đất điểm mạch kích từ (khơng nguy hiểm), CN chuyển sang vị trí lúc bảo vệ tác động có thời gian để tránh tác động nhầm chạm đất thoáng qua điểm thứ mạch kích từ II.2.1 Nguyên lý hoạt động: Bảo vệ hoạt động nguyên lý so sánh V1 V2 trung điểm O1 O2 nhánh song song cuộn dây * Ở chế độ bình thường ngắn mạch ngồi: U12 = V1 - V2 ≈ (1-27) nên khơng có dịng qua BI bảo vệ khơng tác động (cầu nối vị trí 1) * Khi xảy chạm chập điểm mạch kích từ, máy phát trì vận hành phải chuyển cầu nồi sang vị trí để tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm ngắn mạch thoáng qua điểm thứ mạch kích từ * Khi cố (chạm chập vòng dây): U12 = V1 - V2 ≠ (1-28) nên có dịng qua BI bảo vệ tác động cắt máy cắt II.2.2 Dòng khởi động rơle: Dòng điện khởi động bảo vệ xác định theo công thức: IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-29) Thực tế việc xác định dịng khơng cân tính tốn IKCBtt tương đối khó, nên thường xác định theo cơng thức kinh nghiệm: IKĐB = (0,05 ÷ 0,1).IđmF (1-30) ⇒ IKĐR = I KÂB nI (1-31) từ chọn loại rơle cần thiết II.2.3 Thời gian tác động bảo vệ: Bình thường bảo vệ tác động khơng thời gian (cầu nối CN vị trí 1) Khi chạm đất điểm thứ mạch kích từ cầu nối CN chuyển sang vị trí Thời gian tác động rơle RT xác định sau: 21 ... thấp, máy phát làm việc chế độ động cơ, II Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện tích ), cơng suất máy phát, vai trị máy phát. .. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) phần tử quan trọng hệ thống điện (HTĐ), làm việc tin cậy MFĐ có ảnh hưởng định đến độ tin cậy HTĐ Vì vậy, MFĐ đặc biệt máy có cơng suất lớn,... RL1 RL2 cắt máy cắt đầu cực máy phát Ngồi ra, người ta cịn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5) Rơle so lệch RU sơ đồ có tổng trở lớn tác động theo điện áp so