Bài giảng bảo vệ rơle và tự động hoá trong hệ thống điện (cao đẳng chính quy)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: HỆ THỐNG ĐIỆN ***    *** ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG BẢO VỆ RƠLE VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN Giáo viên: Nguyễn Thị Khánh Hưng Yên, tháng năm 2015 PHẦN I: BẢO VỆ RƠ LE CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Nhiệm vụ BVRL Khi thiết kế vận hành hệ thống điện (HTĐ) phải kể đến khả phát sinh hư hỏng tình trạng làm việc không bình thường hệ thống điện Nhiệm vụ thiết bị bảo vệ nói chung bảo vệ rơle nói riêng phát loại trừ nhanh tốt phần tử bị cố khỏi hệ thống điện Nguyên nhân gây hư hỏng, cố phần tử hệ thống điện đa dạng: Do tượng thiên nhiên giông bão, động đất, lũ lụt, máy móc thiết bị bị hao mòn, già cỗi, tai nạn ngẫu nhiên, nhầm lẫn thao tác nhân viên vận hành v.v… Nhanh chóng phát cách ly phần tử hư hỏng khỏi hệ thống điện ngăn chặn hạn chế đến mức thấp hậu tai hại cố, phần lớn dạng ngắn mạch Dòng điện tăng cao chỗ cố phần tử đường từ nguồn đến điểm ngắn mạch gây tác động nhiệt nguy hiểm cho phần tử chạy qua Hồ quang chỗ ngắn mạch để tồn lâu đốt cháy thiết bị gây hỏa hoạn Ngắn mạch làm cho điện áp chỗ cố khu vực lưới điện lân cận bị giảm thấp, ảnh hưởng đến làm việc bình thường hộ tiêu dùng điện Tồi tệ hơn, ngắn mạch dẫn đến ổn định tan rã hệ thống Các dạng ngắn mạch thường gặp hệ thống điện là: - Ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5% số trường hợp ngắn mạch HTĐ - Ngắn mạch hai pha chiếm khoảng 10% số trường hợp ngắn mạch HTĐ - Ngắn mạch hai pha nối đất chiếm khoảng 20% số trường hợp ngắn mạch - Ngắn mạch pha chiếm khoảng 65% số trường hợp ngắn mạch HTĐ Phân theo dạng thiết bị hệ thống điện, tỷ lệ hư hỏng sau: - Đường dây tải điện không chiếm khoảng 50% số trường hợp hư hỏng HTĐ - Đường dây cáp chiếm khoảng 10% số trường hợp hư hỏng HTĐ - Máy cắt điện chiếm khoảng 15% số trường hợp hư hỏng HTĐ - Máy biến áp chiếm khoảng 12% số trường hợp hư hỏng HTĐ - Máy biến dòng điện, biến điện áp chiếm khoảng 2% số trường hợp hư hỏng HTĐ - Thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ chiếm khoảng 3% số trường hợp hư hỏng HTĐ - Các loại khác chiếm khoảng 8% số trường hợp hư hỏng HTĐ Ngoài loại hư hỏng, hệ thống điện có tình trạng làm việc không bình thường Một tình trạng làm việc không bình thường tải Dòng điện tải làm tăng nhiệt độ phần dẫn điện giới hạn cho phép, làm cho cách điện chúng bị già cỗi bị phá hỏng Thiết bị tự động dùng phổ biến để bảo vệ hệ thống điện đại rơle Ý nghĩa ban đầu rơle phần tử làm nhiệm vụ tự động chuyển (đóng, cắt) mạch điện Ngày nay, khái niệm rơle thường dùng để tổ hợp thiết bị thực một nhóm chức bảo vệ tự động hóa hệ thống điện, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đề nhiệm vụ bảo vệ cho phần tử cụ thể cho toàn hệ thống Như vậy, nhiệm vụ thiết bị bảo vệ rơ le tự động cắt phần tử hư hỏng khỏi hệ thống điện Ngoài ghi nhận phát tình trạng làm việc không bình thường phần tử hệ thống điện Tuỳ mức độ mà bảo vệ rơ le tác động báo tín hiệu cắt máy cắt 1.1.2 Yêu cầu mạch bảo vệ Để thực chức nhiệm vụ quan trọng trên, thiết bị bảo vệ phải thoả mãn yêu cầu sau: tin cậy, chọn lọc, tác động nhanh, nhạy kinh tế a/ Tin cậy Là tính đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắn Cần phân biệt: - Độ tin cậy tác động mức độ chắn rơ le hệ thống rơ le tác động Nói cách khác, độ tin cậy tác động khả bảo vệ làm việc có cố xảy phạm vi xác định nhiệm vụ bảo vệ - Độ tin cậy không tác động mức độ chắn rơ le hệ thống rơ le không làm việc sai Nói cách khác, độ tin cậy không tác động khả tránh làm việc nhầm chế độ vận hành bình thường cố xảy phạm vi bảo vệ qui định Trên thực tế độ tin cậy tác động kiểm tra tương đối dễ dàng tính toán thực nghiệm, độ tin cậy không tác động khó kiểm tra tập hợp trạng thái vận hành tình bất thường dẫn đến tác động sai bảo vệ lường trước Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơ le hệ thống rơ le có kết cấu đơn giản, chắn, thử thách qua thực tế sử dụng cần tăng cường mức độ dự phòng hệ thống bảo vệ Qua số liệu thống kê vận hành cho thấy, hệ thống bảo vệ hệ thống điện đại có xác suất làm việc tin cậy khoảng (95  99)% b/ Tính chọn lọc Là khả bảo vệ phát loại trừ phần tử bị cố khỏi hệ thống điện Xét thí dụ cụ thể: A C mạng điện cho (hình 1-1) ~ N1 ngắn mạch điểm N1 bảo vệ N2 phải cắt máy cắt đầu đường dây bị hư hỏng BC Như tất ~ hộ tiêu thụ, trừ hộ nối vào góp C tiếp tục làm việc bình thường sau máy cắt cắt Hình 1-1 Thí dụ tính chọn lọc bảo vệ rơ le Khi ngắn mạch điểm N2, để bảo đảm tính chọn lọc, bảo vệ cần phải cắt máy cắt hai đầu đường dây bị hư hỏng việc cung cấp điện cho trạm B trì Theo nguyên lý làm việc, bảo vệ phân ra: - Bảo vệ có độ chọn lọc tuyệt đối bảo vệ làm nhiệm vụ cố xảy phạm vi hoàn toàn xác định, không làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ đặt phần tử lân cận - Bảo vệ có độ chọn lọc tương đối nhiệm vụ bảo vệ cho đối tượng bảo vệ thực chức dự phòng cho bảo vệ đặt phần tử lân cận Để thực yêu cầu chọn lọc bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, phải có phối hợp đặc tính làm việc bảo vệ lân cận toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp thời gian ngừng cung cấp điện c) Tác động nhanh Phần tử bị ngắn mạch cắt nhanh, hạn chế mức độ phá hoại thiết bị, giảm thời gian sụt áp hộ dùng điện có khả trì ổn định làm việc máy phát điện toàn hệ thống Tuy nhiên kết hợp với yêu cầu chọn lọc để thoả mãn yêu cầu tác động nhanh cần phải sử dụng loại bảo vệ phức tạp đắt tiền Vì yêu cầu tác động nhanh đề tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể mạng điện tình trạng làm việc phần tử bảo vệ hệ thống điện Rơ le hay bảo vệ gọi tác động nhanh (có tốc độ cao) thời gian tác động không vượt 50ms (2,5 chu kỳ dòng điện tần số 50Hz) Rơ le hay bảo vệ gọi tác động tức thời không thông qua khâu trễ (tạo thời gian) tác động rơ le Hai khái niệm tác động nhanh tác động tức thời dùng thay lẫn để rơ le bảo vệ có thời gian tác động không 50ms Thời gian cắt cố tC gồm hai thành phần: thời gian tác động bảo vệ tBV thời gian tác động máy cắt t MC tC = tBV + tMC Đối với máy cắt điện có tốc độ cao đại tMC = (20  60)ms (từ  chu kỳ 50Hz) Những máy cắt thông thường có tMC ≤ chu kỳ (khoảng 100ms 50Hz) Vậy thời gian loại trừ cố tC khoảng từ  chu kỳ tần số 50Hz (khoảng 40 160ms) bảo vệ tác động nhanh Đối với lưới điện phân phối thường dùng bảo vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ thông thường có thời gian cắt cố khoảng (0,2  1,5) giây, bảo vệ dự phòng khoảng (1,5  2,0) giây d/ Độ nhạy Độ nhạy đặc trưng cho khả “cảm nhận” cố rơ le hệ thống bảo vệ Độ nhạy bảo vệ đặc trưng hệ số độ nhạy Kn tỉ số đại lượng vật lý đặt vào rơ le có cố với ngưỡng tác động Sự sai khác trị số đại lượng vật lý đặt vào rơ le ngưỡng tác động lớn, rơ le dễ cảm nhận xuất cố, nghĩa rơ le tác động nhạy Độ nhạy thực tế bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chế độ làm việc hệ thống (mức độ huy động nguồn), cấu hình lưới điện, dạng ngắn mạch, vị trí điểm ngắn mạch, Đối với bảo vệ thường yêu cầu phải có hệ số độ nhạy từ 1,5 2,0 bảo vệ dự phòng hệ số độ nhạy từ 1,2  1,5 e/ Tính kinh tế Các thiết bị bảo vệ lắp đặt hệ thống điện để làm việc thường xuyên chế độ vận hành bình thường, luôn sẵn sàng chờ đón bất thường cố xảy có tác động chuẩn xác Đối với trang thiết bị điện cao áp siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chiếm vài phần trăm giá trị công trình Vì yêu cầu kinh tế không đề ra, mà bốn yêu cầu kỹ thuật đóng vai trò định, không thoả mãn yêu cầu dẫn đến hậu tai hại cho hệ thống điện Đối với lưới điện trung áp hạ áp, số lượng phần tử cần bảo vệ lớn, yêu cầu thiết bị bảo vệ không cao thiết bị bảo vệ nhà máy điện lưới truyền tải cao áp Vì cần phải cân nhắc tính kinh tế lựa chọn thiết bị bảo vệ cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chi phí thấp Năm yêu cầu nhiều trường hợp mâu thuẫn nhau, ví dụ muốn có tính chọn lọc độ nhạy cao cần phải sử dụng loại bảo vệ phức tạp, bảo vệ phức tạp, khó thỏa mãn yêu cầu độ tin cậy; yêu cầu cao kỹ thuật làm tăng chi phí cho thiết bị bảo vệ Vì thực tế cần dung hòa mức tốt yêu cầu trình lựa chọn thiết bị riêng lẻ tổ hợp toàn thiết bị bảo vệ, điều khiển tự động hệ thống điện 1.1.3 Cơ cấu hệ thống bảo vệ Rơ le làm việc theo tín hiệu điện thường nối với hệ thống điện thông qua máy biến dòng điện (BI), máy biến điện áp (BU), có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía hệ thống giảm biên độ dòng điện, điện áp hệ thống xuống đến trị tiêu chuẩn phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo sử dụng thiết bị bảo vệ, đo lường điều khiển Tín hiệu dòng điện điện áp đưa vào rơ le so sánh với ngưỡng tác động nó, vượt ngưỡng rơ le tác động “tức thời” có thời gian gửi tín hiệu cắt máy cắt điện phần tử bảo vệ Để cung cấp lượng cho việc thao tác máy cắt điện, rơ le thiết bị phụ khác, sử dụng nguồn điện thao tác riêng độc lập với phần tử bảo vệ Thanh góp Máy cắt điện BI Mạch điện bảo vệ MCF CC Nguồn - KĐK + RL BU Cầu chì Tải ba Tín hiệu cắt Hình 1-2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống bảo vệ Cấu trúc tổng thể hệ thống bảo vệ hình 1-2, Tiếp điểm phụ MCF máy cắt điện (hoặc rơ le phản ánh vị trí máy cắt) có khả cắt dòng điện lớn để ngắt mạch dòng điện cung cấp cho cuộn cắt trước tiếp điểm rơ le trở về, đảm bảo cho tiếp điểm rơ le khỏi bị cháy phải ngắt dòng điện lớn Những năm trước sơ đồ bảo vệ rơ le thường tổ hợp từ nhiều rơ le nhiều thiết bị riêng lẻ, phần tử nhóm phần tử thực chức định sơ đồ bảo vệ Ngày đối tượng cần bảo vệ cần dùng bảo vệ Để tăng cường độ tin cậy đặt thêm thứ hai với tính tương đương hoạt động theo nguyên lý khác nhà sản suất khác chế tạo Nguyên lý dự phòng áp dụng cho mạch máy biến dòng điện điện áp, cho nguồn điện thao tác cho cuộn cắt máy cắt điện hình 1-3 BI1 BI2 Máy cắt điện Mạch bảo vệ MC1 MC2 CC1 CC2 KĐK N2 + N1 + CCh1 BV1 CCh2 BV2 BU Hình 1-3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống bảo vệ có dự phòng ðể tãng cýờng ðộ tin cậy 1.1.4 Những thông tin cần thiết cho lựa chọn tính toán - Cấu hình hệ thống - Sơ đồ nối dây thiết bị sơ cấp tổng trở chúng, điện áp, tần số thứ tự pha - Tổ đấu dây - Yêu cầu tính toán ngắn mạch - Xác định thời gian tác động tối đa cho phép - Yêu cầu kỹ thuật bảo vệ - Thông tin hệ thống bảo vệ hữu yêu cầu nâng cấp, mở rộng 1.2 Các chế độ hư hỏng làm việc không bình thường hệ thống điện 1.2.1 Ngắn mạch Trong hệ thống có dòng điện nối đất lớn, có loại ngắn mạch sau đây: - Ngắn mạch ba pha, tức ba pha chập nhau, ký hiệu N(3) - Ngắn mạch hai pha, tức hai pha chập nhau, ký hiệu N(2) - Ngắn mạch pha, tức pha chập đất, ký hiệu N(1) - Ngắn mạch hai pha nối đất, tức hai pha chập nhau, đồng thời chập đất ( Tại điểm ) ký hiệu N(1,1) Ngắn mạch ba pha loại ngắn mạch đơn giản nhất, ta gọi ngắn mạch đối xứng, lúc tất ba pha đặt điện áp dòng điện lệch góc1200 Còn loại ngắn mạch khác gọi ngắn mạch không đối xứng, lúc điện áp pha khác dòng điện khác lệch pha nói chung góc khác 1200 Trường hợp hệ thống có dòng điện nối đất bé pha chạm đất không tạo thành ngắn mạch, ta không xét đây, ngắn mạch hai pha nối đất biến thành ngắn mạch hai pha (vì dòng điện ngắn mạch không qua đất) Như hệ thống có dòng điện nối đất bé có hai trường hợp ngắn mạch ba pha ngắn mạch hai pha Hình qui ước xác suất xảy loại ngắn mạch ta ghi bảng 1.1 Bảng 1.1 cho thấy ngắn mạch pha xảy nhiều nhất, ngắn mạch ba pha xảy nhất, vấn phải nghiên cứu ngắn mạch ba pha : - Nó xảy - Có lúc định làm việc hệ thống điện, mặt ổn định - Ngoài có tầm quan trọng đặc biệtlà tất loại ngắn mạch không đối xứng dùng phương pháp thành phần đối xứng để đưa ngắn mạch ba pha đối xứng a.Nguyên nhân ngắn mạch Nguyên nhân chung chủ yếu ngắn mạch điện bị hỏng Lý cách điện bị hỏng là: bị già cỗi làm việc lâu ngày, chịu tác động khí gây vỡ nát, bị tác động nhiệt độ phá huỷ môi chất, xuất điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc Những nguyên nhân tác động khí người ( đào đất, thả diều ), loài vật (rắn bò, chim đậu ), gió bão làm gẫy cây, đổ cột, dây dẫn chập Sét đánh gây phóng điện nguyên nhân đáng kể gây tượng ngắn mạch (tạo hồ quang điện dây dẫn) Ngắn mạch thao tác nhầm, ví dụ phóng điện sau sửa chữa quên thao dây nối đất b.Hậu ngắn mạch Ngắn mạch loại cố nguy hiểm ngắn mạch dòng điện đột ngột tăng lên lớn, chạy phần tử hệ thống điện chúng gây ra: - Phát nóng cục nhanh, nhiệt độ lên cao gây cháy nổ - Sinh lực khí lớn phần thiết bị điện, làm biến dạng gây vỡ phận sứ đỡ, dẫn - Gây sụt áp lưới điện làm động ngừng quay, ảnh hưởng đén suất làm việc máy móc, thiết bị - Gây ổn định hệ thống điện máy phát bị cân công suất quay theo vận tốc khác dẫn đến đồng - Tạo thành phần dòng điện không đối xứng, gây nhiễu đường dây thông tin gần - Nhiều phần mạng điện bị cắt để loại trừ điểm ngắn mạch, làm gián đoạn việc cung cấp điện Bảng 1.1 : Hình qui ước xác suất xảy loại ngắn mạch Loại ngắn mạch Hình qui ước Ký hiệu Xác xuất xảy ra% Ngắn mạch ba N(3) Ngắn mạch hai N(2) 10 Ngắn mạch N(1) 65 N(1,1) 20 pha pha pha Ngắn mạch hai pha nối đất pha 1.2.2 Chạm đất lưới điện có trung điểm không nối đất nối đất qua cuộn dập hồ quang Chạm đất lưới điện có trung điểm không nối đất nối đất qua cuộn dập hồ quang không làm thay đổi hệ thống điện áp dây lưới điện Hình 1-4 Chạm đất pha lưới điện có trung điểm không nối đất nối đất qua cuộn dập hồ quang a Sơ đồ nguyên lý b Hệ thống điện áp chạm đất pha c Dòng điện pha chạm đất 1.2.3 Đứt dây ( hở mạch) pha Thực tế vận hành cho thấy xảy trường hợp hở mạch hai pha đứt dây ( tụt lèo) đầu tiếp xúc máy cắt điện bị hở, gây nên chế độ vận hành không toàn pha hệ thống Thường gặp chế độ đứt dây pha Ở chế độ vận hành không đủ ba pha xuất chế độ không cân thành phần dòng điện thứ tự nghịch chạy vào máy điện quay, tạo nên từ thông thứ tự nghịch quay ngược chiều với roto với tốc độ tương đối lần tốc độ đồng Vận tốc cắt roto lớn làm xuất thân roto cuộn dây roto dòng điện cảm ứng lớn đốt nóng roto stato máy điện quay Biên độ thành phần thứ tự nghịch dòng điện stato máy phát điện đồng phụ thuộc cấu hình hệ thống điện Với trường hợp đường dây truyền tải đơn hình 5a thành phần thứ tự nghịch xác định theo sơ đồ phức hợp hình 1.5b Khi đứt dây pha A máy biến áp có tổ đấu dây Y/Δ- 11 ta có: Hình 5-Đứt dây pha đường dây truyền tải (a) sơ đồ đẳng trị phức hợp (b) 1.2.4 Các vòng dây máy điện chập Các vòng dây máy điện ( máy phát điện, máy biến áp, động điện…) bị chập pha cuộn dây song song pha Nguyên nhân làm cho vòng dây chập cách điện bị hỏng tác động giới từ bên sét đánh a Đối với máy phát điện đồng Hư hỏng cách điện thường làm cho vòng dây chạm chạm thân máy Dòng điện vòng dây bị chập đạt trị số lớn làm hỏng cuộn dây Trong máy phát điện với cuộn dây stato có hai nhánh song song cuộn kép, có số vòng dây chập nhau, sức 10 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lí cấu tạo tác động điều chỉnh tốc độ tuốc-bin 4.3 CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TÁC DỤNG CỦA TUABIN Để đảm bảo độ tin cậy hệ thống điều chỉnh phân cấp yêu cầu cấp điều chỉnh bên phải điều phối làm việc thiết bị tự động cấp điều chỉnh bên Trong quan hệ điều chỉnh tần số công suất tác dụng cảu tổ máy hệ thống điện cần trang bị cho tổ máy thiết bị tự động điều chỉnh công suất (TĐCS) Chức thiết bị theo dõi liên tục công suất phát phân cho tổ máy Bộ phận điều chỉnh trung tân thường xuyên thay đổi trị số đặt theo chu kỳ Các tuabin loại hệ thống xem tuabin đẳng trị Đại lượng điều chỉnh tần số , độ lệch phụ tải xem nhiễu, nhiều lại phụ thuộc vào tần số TĐCS tác động qua cấu đặt hiệu chỉnh tốc độ quay (CCĐ) xem máy điều chỉnh thứ cấp tác động chậm Công suất tuabin thay đổi chậm hàm truyền đạt cảu máy phát điện đồng làm việc hệ thống lớn xem khâu cấp không với hệ số truyền PF = PT TĐCS cần sử dụng tổ máy lớn trang bị máy điều tốc đại có độ nhậy cao Việc trang bị thêm TĐCS không cản trở phản ứng bình thường máy điều tốc tuabin theo độ lệch tần số Muốn người ta đưa vào đặc tính điều chỉnh TĐCS qua hệ phụ thuộc theo tần số có dạng tuyến tính đoạn Đoạn tưng ứng với tần số bình thường có dạng nằm ngang ( hình 4.4 a) Ở đoạn ( chế độ làm việc bình thường với tần số không đổi) TĐCS thực chức điều chỉnh công suất tác dụng theo đồ thị giao Khi tần số giảm tăng trị số đặt máy điều chỉnh thay đổi trở nên phụ thuộc vào tần số Độ dốc đoạn phụ thuộc chọn tương ứng với phụ thuộc bình thường cảu máy điều tốc tuabin Như TĐCS đảm bảo giữ công suất theo đồ thị cho chế độ bình thường không cản trở hoạt động máy điều tốc tần số có biến động lớn 172 Khi sử dụng TĐCS cần ý đến vấn đền liên quan đến áp suất vào tuabin Nếu tiabin không trang bị TĐCS có tăng ngẫn nhiên áp suất  làm công suất tuabin tăng lên lưu lượng Q tăng theo ( đặc tính hình 4.4b) Lò lúc có tính tự cân bằng, làm tăng độ ổn định trình điều khiển Khi trang bị TĐCS, công suất tuabin không thay đổi Nếu công suất tuabin giũ không đổi áp suất tăng lên, lưu lượng giảm kéo theo áp suất tiếp tục tăng ( đặc tính hình 4.4 b) Như việc trang bị TĐCS gây nên tượng tự cân âm khả dao động áp suất khí khắc phục Để tránh điều người ta đưa vào đặc tính điều chỉnh quan hệ phụ thuộc theo áp suất P() Đặc tính phụ thuộc P() có dạng tuyến tính đoạn với đoạn nằm ngang tương ứng với vùng làm việc có áp suất bình thường ( hình 4.4c) Độ dốc đoạn nghiêng chọn tương ứng với đặc tính điều chỉnh áp suất lò cho tăng khả tự cân áp suất lò Sơ đồ cấu trúc thiết bị TĐCS trình bày hình 4.4 d, sơ đồ sử dụng hai phương pháp đặt thông số tay hay tự động Hình 4.4: Cơ cấu điều chỉnh công suất tác dụng tua bin 4.4 ĐIỀU KHIỂN NHÓM CÔNG SUẤT TÁC DỤNG CỦA TỔ MÁY Ở NHÀ MÁY Bộ điều chỉnh tốc độ quay sơ cấp, thiết bị điều chỉnh tần số thứ cấp có dạng đặc tính điều chỉnh: độc lập phụ thuộc Bộ điều chỉnh có đặc tính độc lập trì tốc độ quay n hay tần số f hệ thống không đổi phụ tải máy phát thay đổi từ không tải đến định mức Nhược điểm dạng điều chỉnh cho số máy phát làm việc song song phân phối phụ tải chúng không xác định Nếu máy phát có đặc tính điều chỉnh độc lập làm việc song song với 173 nhau, tần số định mức máy có phụ tải định đó, tần số giảm xuống điều chỉnh tác động tăng tải cho máy phát nhằm để khôi phục tần số Trong trường hợp này, máy phát tăng tải hoàn toàn tùy tiện chí máy phát có điều chỉnh nhạy nhận hết tất phần phụ tải tăng thêm, máy phát không tăng tải, bắt đầu tăng tải phụ tải máy phát thứ đạt giá trị cực đại mà tần số không khôi phục Việc áp dụng điều chỉnh tốc độ quay có đặc tính phụ thuộc cho máy phát làm việc song song đảm bảo làm việc ổn định chúng phân phối phụ tải định trước Hệ số phụ thuộc đặc trưng cho độ dốc đặc tính điều chỉnh (hình 4.5): s= = tgα biểu diễn hệ số phụ thuộc đơn vị tương đối (đối với tần số định mức fđm công suất định mức Pđm máy phát), ta có: Hay s％= Nếu máy phát làm việc song song có đặc tính điều chỉnh phụ thuộc độ thay đổi công suất tác dụng tổng phân phối chúng tỷ lệ nghịch với hệ số phụ thuộc máy (hình 4.5) Thay đổi độ dốc đặc tính đảm bảo phần đóng góp cần thiết máy phát việc điều chỉnh phụ tải nhà máy điện Nhược điểm dạng điều chỉnh theo đặc tính phụ thuộc trì không đổi tần số hệ thống Hình 4.5: Sự phân phối công suất tác dụng máy phát làm việc song song 174 CHƯƠNG TỰ ĐỘNG CẮT (SA THẢI) PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ (TCT) 5.1 Giới thiệu chung Khi xảy thiếu hụt công suất tác dụng làm giảm thấp tần số hệ thống điện, công suất tác dụng dự trữ hệ thống điều chỉnh tần số công suất xét hoạt động để trì mức tần số định trước Tuy nhiên, sau huy động toàn công suất tác dụng dự trữ có hệ thống điện tần số không khôi phục, biện pháp áp dụng lúc cắt bớt số phụ tải quan trọng Thao tác thực nhờ thiết bị tự động hóa có tên gọi THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG CẮT TẢI THEO TẦN SỐ (TCT) Cần lưu ý rằng, tác động TCT luôn liên quan đến thiệt hại kinh tế Dầu vậy, TCT áp dụng rộng rãi hệ thống điện Mức độ giảm thấp tần số phụ thuộc vào lượng công suất thiếu hụt, mà phụ thuộc vào tính chất phụ tải Các dụng cụ chiếu sáng thiết bị khác có phụ tải tác dụng thuộc nhóm hộ tiêu thụ có công suất tiêu thụ không phụ thuộc vào tần số, tần số giảm công suất tiêu thụ giữ không đổi Một nhóm hộ tiêu thụ khác động điện xoay chiều có công suất tiêu thụ giảm tần số giảm Phụ tải hộ tiêu thụ thuộc nhóm thứ coi có khả tự điều chỉnh tần số giảm thấp đồng thời công suất tiêu thụ chúng bị giảm xuống Khi thực tự động giảm tải theo tần số cần tính đến tất trường hợp thực tế dẫn đến việc cắt cố công suất phát phân chia hệ thống điện thành phần bị thiếu hụt công suất tác dụng Công suất thiếu hụt lớn công suất phụ tải cần cắt lớn Để tổng công suất phụ tải bị cắt thiết bị tự động giảm tải theo tần số TCT gần với công suất tác dụng thiếu hụt, thiết bị TCT cần thực để cắt tải theo đợt, tần số khởi động đợt cắt tải khác 5.2 Đặc tính tần số phụ tải Trong chế độ làm việc bình thường hệ thống điện thiết bị tự động điều chỉnh tần số công suất tác dụng có nhiệm vụ trì tần số giới hạn cho phép Một số loại cố gây thiếu hụt lớn công suất tác dụng hệ thống điện mà cho dù có huy động hết công suất dự phòng quay lập lại cân công suất Khi thiếu công suất tần số hệ thống suy giảm Một số phụ tải có công suất phụ thuộc vào tần số, tần số giảm thấp, lượng công suất tiêu thụ giảm theo, kết cân không lớn, tần số giảm tới giá trị xác lập mới, thấp trị số ban đầu f0 Hiện tượng công suất tiêu thụ phụ tải tự động giảm tần số suy giảm gọi hiệu ứng tự điều chỉnh phụ tải theo tần số Quan hệ công suất tần số phụ tải chế độ xác lập gọi đặc tính tần số tính phụ tải Khi giữ điện áp không đổi, quan hệ có f f f dạng: P( f )   P0  1 P0   P0 ( )    n P0 ( ) n (5.1) f0 f0 f0 Trong đó: P0 – Công suất phụ tải tần số f0; α0 , α1,…., αn – tỷ phần phụ tải tổng không phụ thuộc, phụ thuộc bậc 1,…, phụ thuộc bậc n vào tần số 175 Hiệu ứng tự điều chỉnh phụ tải theo tần số đặc trưng hệ số hiệu ứng điều chỉnh k, xác định lượng giảm công suất tiêu thụ tần số HTĐ suy giảm: P0 P f (5.2) k  P0 f  f  Trong đó: P – thay đổi công suất tiêu thụ phụ tải; f∞ - Thay đổi tần số chế độ xác lập Trong khoảng tần số từ 45 ÷50 Hz đặc tính tần số thưc tế phụ tải thay gần quan hệ tuyến tính hệ số k xem số Thực tế HTĐ thường có k = ÷ 1,35, hệ số cao suy giảm tần số kèm với suy giảm điện áp Với hệ số k tần số HTĐ suy giảm 1% (0,5 Hz) công suất tiêu thụ phụ tải giảm ÷ 3,5% Ảnh hưởng hiệu ứng điều chỉnh phụ tải lên tần số tăng tải đột ngột minh họa hình 5.1 Trạng thái ban đầu hệ thống điện (điểm a) đặc trưng cân công suất tuabin PT ( đường 1) công suất phụ tải P tần số f0 Khi phuu tải tăng đột ngột lượng P0, đặc tính tần số tĩnh phụ tải thay đổi từ P sang P’ ( đường 3) Để đơn giản việc phân tích, ta giả thuyết thêm công suất tuabin PT không đổi Khi tác động lượng công suất thiếu hụt P0 = P’ – PT, tần số củ HTĐ bắt đầu suy giảm, dến P’ = PT hệ thống lại thiết lập chế độ cân vứi tần số f1 thâp ( điểm b) Như từ chế độ cân ban đầu với f0, HTĐ chuyển sang chế độ cân f1 P Từ ( 5.2) ta có: f   ( 5.3) k Trong : P0 – tính % Khi f0 = 50 Hz, độ lệch tần số f∞ bằng: P (5.4) f  , ( Hz ) 2k P Như tần số xác lập f1 bằng: f1  50  f   50  2k Với P0 – tính % f0 f1 f Hình 3.1.Ảnh hưởng hiệu ứng điều chỉnh phụ tải tải tăng đột ngột lên biến thiên tần số 176 Quá trình độ việc thay đổi tần số HTĐ đặc trưng đặc tính động tần số Khi không xét đến dự phòng quay công suất máy phát điện ta có: d T j f *  kP0 f *  P0  dt Trong đó: Tj – số quán tính khối lượng quay hệ thống điện Từ (5.8) ta có: (5.5) t  P T f  (1  e f ) kP0 (5.6) Trong : Tf = Tj/ kP0 – số thời gian cảu tần số HTĐ ( thông thường Tf = 5÷ sec) Như đặc tính động tần số HTĐ biểu diễn thay đổi tần số theo thời gian, khoogn có dự trữ quay công suất phát, có dạng hàm mũ ( hình 5.2)  f  f  f  f  f  (1  e t Tf ) (5.7) Hình 3.2: Đặc tính động tần số 5.3 Tổ chức sa thải phụ tải hệ thống điện 5.3.1 Các yêu cầu thiết bị tự động cắt tải theo tần số Khi thực TCT cần phải thỏa mãn yêu cầu sau: a Công suất cắt TCT cần đủ lớn để lập lại cân công suất trường hợp xảy thiếu hụt công suất nhiều hệ thông điện Muốn hân tích sơ đồ chế độ làm việc HTĐ phải phát đánh giá tình cố nặng nề cắt phần lớn công suất nguồn, cắt số đường dây truyền tải quan trọng, phân chia hệ thống… b Thiết bị TCT phải đảm bảo ngăn chặn cách chắn tượng sụt đổ tần số điện áp Theo quy trình vận hành, thường không cho phép giảm tần số xuống 45 Hz 177 cho dù thời gian ngắn, thời gian việc với tần số thấp 47 Hz không vượt 20 giây c Các thiết bị TCT cần bố trí cho loại trừ mức độ thiếu hụt công suất không phụ thuộc vào vị trí đặc điểm phát triển cố d Thiết bị TCT phải đảm bảo cắt bớt lượng phụ tải tương ứng với lượng thiếu hụt công suất phát sinh e Sau tác động TCT tần số cảu HTĐ phải khôi phục dến mức 49 – 49,5 Hz Tiếp theo cần huy động hết công suất dự phòng thực thao tác điều độ khác để đưa tần số lên giá trị định mức f TCT bắt đầu thực sau sau huy động hết công suất dự phòng quay HTĐ g Cần phải có biện pháp ngăn chặn tác động nhầm TCT trường hợp tần số giảm ngắn hạn có ngắn mạch, TDDL, TĐD 5.3.2 Nguyên lý thực TCT Theo chức TCT chia thành ba loại: TCT I – Loại TCT tác động nhanh nhằm ngăn chặn suy giảm tần số trầm trọng, thường thực làm nhiều đợt khác TCT II – Loại TCT dùng để khôi phục tần số sau tác động TCT I ngăn ngừa tần số “ lơ lủng” trị số thấp mức cho phép, thường thực làm nhiều đợt với thời gian khác TCT bổ sung- thường sử dụng trường hợp xảy thiếu hụt công suất lớn ( 45% cao hơn) để tăng nhanh tốc độ cắt tăng lượng công suất cần cắt, chẳng hạn có cố làm chai cắt khu vực nút phụ tải lớn khỏi nguồn cung cấp Đại lượng đặt theo tần số thiết bị TCT I TCT II: Kinh nghiệm vận hành HTĐ cho thấy tần số giảm thấp 49 Hz lượng công suất dự phòng quay nhà máy điện huy động hết Vì giới hạn tần số đặt chọn khoảng 48,5 Hz số HT lớn chọn giới hạn gần với 49 Hz, để giảm nhẹ điều kiện tái đồng Giới hạn tần số cho TCT I không thấp 46,5 Hz Trong giới hạn ( 48,5 – 46,5 Hz) đợt cắt TCT I phân bố với khoảng cách tần số đặt 0,1Hz Nếu điều kiện đo tần số thiết bị phụ trợ có độ xác cao, khoảng cách tần số đặt thấp Với đợt cắt TCT II, trị số đặt tần số chọn giống giới hạn 48,5 Hz cao không 48,8 Hz Đại lượng đặt theo thời gian thiết bị TCT I TCT II Thời gian đặt cho TCT I chọn theo điều kiện ngăn chặn tác động nhầm có dao động tần số ngắn hạn, khoảng 0,1 – 0,3 giây, thường chọn 0,1 – 0,15 giây Thời gian đặt tối thiểu cho đợt TCT II bắt đầu khởi động – 10 giây, tối đa 60 giây với khoảng cách đợt giây Khi có lượng công suất dự phòng lớn nhà máy thủy điện có khả huy động được, thời gian đặt tối đa cho TCT II nâng lên đến 80 – 90 giây 178 Lượng công suất suất cắt đợt TCT I TCT II -Như nói phần trên, lượng công suất cắt TCT phải đủ để lập lại cân công suất khôi phục tần số có tình cố HTĐ Để xác định lượng công suất thiếu hụt lớn thường xem xét tình sau đây: - Đối với lưới điện độc lập: Khi máy phát điện tổ máy lớn bị cắt khỏi lưới - Đối với HTĐ: Tách nhà máy điện đường dây truyền tải điện mang công suất lớn - Đối với lưới điện hợp nhất: rã lưới Công suất phụ tải cắt thiết bị TCT I xác địn theo công suất thiếu hụt lớn có xét đến hệ só dự phòng ( khoảng 5%) biến động ngẫu nhiên cố, trừ lượng dự phòng quay chắn đảm bảo nhà máy nhiệt điện: PCTCI  PT max  0,05P0  Pdb Trong đó: PTmax – Lượng thiếu hụt công suất lớn nhất; P0 – Công suất phụ tải chế độ ban đầu, trước xảy cân bằng; Pdb – Lượng dự phồng quay chắn đảm bảo nhà máy nhiệt điện Công suất phụ tải cắt ta TCT II có xét đến dự phòng bằng: PTCTII  PTCT I , không bé 0,1P0 Khả huy động công suất nhà máy thủy điện thường xét đại lượng dự phòng, trừ biết chắn số liệu cụ thể, kể thời gian thực tế để đưa máy từ trạng thái tĩnh vào trạng thái mang tải Lượng công suất phải cắt phân bố cho đợt cắt tải miền tần số đặt TCT I theo thời gian TCT II Trình tự cắt phụ thuộc vào tầm quan trọng hộ tiêu thụ, nghĩa hộ tiêu thụ quan trọng tần số đặt TCT I thấp thời gian đặt TCT II cao Hợp giai đoạn cắt TCT I TCT II Hệ thống TCT mang lại hiệu cao hợp giai đoạn cắt cảu TCT I TCT II Việc hợp giai đoạn cắt có ưu điểm sau ( so với không hượp nhất): - Đảm bảo trình tự cắt theo tầm quan trọng cảu phụ tải xảy cố với tính chất khác nhau: thiếu hụt công suất tác dụng không lớn hay phát triển chậm, thiếu hụt công suất lớn, xảy gần tưc thời - Giảm tổng công suất cảu phụ tải đấu vào TCT Khi hợp giai đoạn cắt cần ý để rút thời gian phục hồi cố sau TCT I tác động trường hợp thiếu hụt công suất tác dụng không lớn ( thường xảy ra) cần phải thực số đợt cắt không hợp nhất, khởi động TCT II với tổng công suất cắt bằng: PTCT II0  0,1 P0 Với đợt cắt không hợp nhất, trị số đặt thời gian lấy trị số đặt đợt cảu TCT II Cắt tải bổ sung 179 Một số trường hợp gây nên thiếu hụt công suất trầm trọng vùng HTĐ nút phụ tải lớn kèm theo việc giảm nhanh tần số điện áp khu vực Khi lượng phụ tải cắt theo tính toán không đủ để khắc phục thiếu hụt công suất khu vực Vì HTĐ lưới điện khu vực có khả xảy công suất thiếu hụt lớn suy giảm tần số trầm trọng ( 45Hz) thiết bị TCT I TCT II người ta cong đặt thiết bị cắt tải bổ sung Cắt tải bổ sung cần thiết số trường hợp không đồng thời với thiếu hụt công suất tác dụng lại xảy thiếu hụt công suất phản kháng tương sụt đổ ( thác) điện áp Thiết bị cắt tải bổ sung thường khởi động sau tần số bắt đầu suy giảm Việc khởi động thiết bị cắt tải bổ sung tiến hành theo yếu tố đặc trưng cho việc thếu hụt công suất địa phương không phụ thuộc vào tính chất biến thiên tần số Thường yếu tố sau lựa chọn để khởi động thiết bị cắt tải bổ sung: Cắt đường dây máy biến áp Thay đổi trị tuyệt đối dòng điện, trị số tuyệt đối hướng luồng công suất đường dây máy biến áp Cắt cố tổ máy hay tổ máy bị tải cho phép khởi động cắt bổ sung theo tốc đôh suy giảm tần số, suy giảm điện áp khởi động tổ hợp tốc độ suy giảm trị tuyệt đối tần số, theo suy giảm đồng thời tần số điện áp theo yếu tố cục ( địa phương) suy giảm điện áp Thông sso cần tính toán kiểm tra xem xét cần thiết cắt tải bổ sung xác định theo hai điều kiện: a Điều kiện ngăn chặn tần số suy giảm thấp 45 Hz Việc tính toán cắt tải bổ sung tiến hành sở kết hợp với đợt cắt tải nhanh TCT I Trong bảng 6.1 trình bày trị số giới hạn cho phép lượng thiếu hụt công suất Pgh ( tính % công suất phụ tải trước xảy thiếu hụt công suất) vượt giới hạn tần số giảm thấp 45 Hz cần thiết phải cắt tải bổ sung Bảng 5.1 Pgh, % tTCT I, giây Hằng số thời gian Tj 0,3 0,5 0,7 10 -12 65-75 55-65 45-55 13-14 75-80 65 - 70 55-60 15-16 80 - 85 70-75 60-65 Lượng cắt tải tối thiểu bổ xung tính theo công thức: PBS  1,1(P0  P0 Pgh ) 100 Trong Pgh lấy bảng 5.1, số liệu Tj thig lấy 45% b Theo điều kiện ngăn chặn “ thác điện áp” 180 Cần kiểm tra mức điện áp nút phụ tải cho hai chế độ: chế độ thời điểm vừa phát sinh thiếu hụt chế độ tần số thấp Nếu kết tính toán kiểm tra cho thấy thiếu hụt công suất tất nút điện áp U 0,8 Udd nguy xảy “thác điện áp” không cần cắt tải bổ sung Khi U