BÀI TẬP LỚN BẢO VỆ RELAY TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Kiến thức về cách hoạt động của hệ thống điện, các thiết bị trong điều kiện hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố là điều kiện tiên quyết để lựa chọn cách thức bảo vệ một cách thích hợp. Chúng ta sẽ khảo sát máy điện đồng bộ. 2. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Phần cảm : Là phần tạo ra từ trường. Đối với máy điện đồng bộ phần cảm là ROTOR Phần ứng : Là phần tạo ra sức điện động cảm ứng. Đối với máy điện đồng bộ phần ứng là STATOR Máy điện chia làm 2 nhóm lớn : bị động và chủ động. Các mô hình tính toán mức độ sự cố của các thiết bị bị động gặp một vài khó khăn, vì các thông số tổng quan của nó không thay đổi sau khi sự cố xảy ra. Vấn đề của các máy chủ động là thông số phụ thuộc vào phản ứng để thay đổi phù hợp với điều kiện hệ thống. Có 2 loại máy điện đồng bộ : rotor cực từ lồi và rotor cực từ ẩn. Rotor cực từ ẩn được thiết kế từ 2 đến 4 cực trong các máy phát turbine, trong khi các máy cực từ lồi được thiết kế từ 4 cực trở lên. CảKiến thức về cách hoạt động của hệ thống điện, các thiết bị trong điều kiện hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố là điều kiện tiên quyết để lựa chọn cách thức bảo vệ một cách thích hợp. Chúng ta sẽ khảo sát máy điện đồng bộ. 2. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ Phần cảm : Là phần tạo ra từ trường. Đối với máy điện đồng bộ phần cảm là ROTOR Phần ứng : Là phần tạo ra sức điện động cảm ứng. Đối với máy điện đồng bộ phần ứng là STATOR Máy điện chia làm 2 nhóm lớn : bị động và chủ động. Các mô hình tính toán mức độ sự cố của các thiết bị bị động gặp một vài khó khăn, vì các thông số tổng quan của nó không thay đổi sau khi sự cố xảy ra. Vấn đề của các máy chủ động là thông số phụ thuộc vào phản ứng để thay đổi phù hợp với điều kiện hệ thống. Có 2 loại máy điện đồng bộ : rotor cực từ lồi và rotor cực từ ẩn. Rotor cực từ ẩn được thiết kế từ 2 đến 4 cực trong các máy phát turbine, trong khi các máy cực từ lồi được thiết kế từ 4 cực trở lên. Cả

Đ I H C BÁCH KHOA TPHCM ẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM ỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA ĐI N – ĐI N T ỆN – ĐIỆN TỬ ỆN – ĐIỆN TỬ Ử

BÁO CÁO

BÀI T P L N B O V RELAY ẬP LỚN BẢO VỆ RELAY ỚN BẢO VỆ RELAY ẢO VỆ RELAY ỆN – ĐIỆN TỬ

TRONG H TH NG ĐI N ỆN – ĐIỆN TỬ ỐNG ĐIỆN ỆN – ĐIỆN TỬ

Sinh viên : Hoàng Đ c Ân ức Ân

MSSV : 41200144

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

N I DUNG ỘI DUNG

1 TỔNG QUAN 3

2 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3

3 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG 4

1 Hệ số công suất đơn vị (tải trở) 4

2 Hệ số công suất là trễ (tải cảm) 5

3 Hệ số công suất sớm (tải dung) 5

1 LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH 6

2 ROTOR CỰC TỪ LỒI 7

3 PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ 8

MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ THÔNG SỐ CỦA CÁC PHẦN TỬ

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1 T NG QUAN ỔNG QUAN

Kiến thức về cách hoạt động của hệ thống điện, các thiết bị trong điều kiện hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố là điều kiện tiên quyết để lựa chọn cách thức bảo vệ một cách thích hợp Chúng ta sẽ khảo sát máy điện đồng bộ

2 MÁY ĐI N Đ NG B ỆN – ĐIỆN TỬ ỒNG BỘ ỘI DUNG

Phần cảm : Là phần tạo ra từ trường Đối với máy điện đồng bộ phần cảm là ROTOR Phần ứng : Là phần tạo ra sức điện động cảm ứng Đối với máy điện đồng bộ phần ứng là STATOR

Máy điện chia làm 2 nhóm lớn : bị động và chủ động

Các mô hình tính toán mức độ sự cố của các thiết bị bị động gặp một vài khó khăn, vì các thông số tổng quan của nó không thay đổi sau khi sự cố xảy ra Vấn đề của các máy chủ động là thông số phụ thuộc vào phản ứng để thay đổi phù hợp với điều kiện

hệ thống

Có 2 loại máy điện đồng bộ : rotor cực từ lồi và rotor cực từ ẩn Rotor cực từ ẩn được thiết kế từ 2 đến 4 cực trong các máy phát turbine, trong khi các máy cực từ lồi được thiết kế từ 4 cực trở lên Cả 2 loại máy đều có cấu tạo tương tự nhau, stator có cuộn dây phân phối 3 pha Khe hở của stator được truyền dẫn bởi từ trường rotor, từ trường rotor được tạo ra ra bởi dòng diện DC

Bản chất khác nhau giữa 2 loại máy là thiết kể của rotor Loại rotor cực từ ẩn có dạng rotor hình trụ mang cuộn dây kích từ phân bố xung quanh chu vi của nó Thiết kế này không phù hợp với máy nhiều cực nhưng rất bền Vì lý do đó, nó rất tốt khi hoạt động

ở tốc độ điện cao và phổ biến là máy 2 cực, đôi khi cũng có 4 cực

Máy cực từ lồi là máy có các cực riêng lẻ Mô hình xây dựng trên nhiều phương diện

bổ sung cho các rotor hình trụ và được sử dụng trong các máy có 4 cực hay hơn Một

số trường hợp đặc biệt cũng sử dụng loại này 6 cực

Máy phát 2 hay 4 cực thường được sử dụng cho turbine gas hay hơi nước bởi vì thiết

kế phụ hợp với tốc độ quay cao Máy phát hơi nước 4 cực thường được sử dụng cho nhà máy điện hạt nhân vì thiết kế 2 cực không phù hợp : độ ẩm hơi lớn (độ ẩm tăng thì hiệu suất giảm, nhiệt giảng lý thuyết thấp , lưu lượng thể tích hơi lớn, yêu cầu dộ tin cậy cao vì rất khó sử chữa, lượng hơi nước tích tụ rất lớn) Phần lớn máy phát turbine gas có 4 cực được tăng cường độ bền cơ khí trong rotor Người ta sử dụng hộp số để ghép các tuabin máy phát

Máy phát động cơ diesel luôn có từ 4 cực trở lên Động cơ diesel 4 thì luôn luôn có tốc độ lớn hơn động cơ 2 thì, đó là lý do máy phát diesel có từ 4 đến 6 cực Động cơ 2 thì thường được dùng với công suất ra lớn (30MW) và tốc độ chạy đề nghị là 125v/p Yêu cầu của máy phát nhiều cực (48 cực với 125 v/p, 50Hz) do đó đường kính lớn và trục ngắn Điều này đối lập với máy phát turbine có trục dài và đường kính nhỏ

3 PH N NG PH N NG ẢO VỆ RELAY ỨNG PHẦN ỨNG ẦN ỨNG ỨNG PHẦN ỨNG

Phản ứng phần ứng có ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của máy đồng bộ đối với góc tải hoạt động và với kích thích mà nó cần có Hiện tượng này được giải thích một cách dễ dàng nhất bằng cách xem xét một đơn giản máy phát lý tưởng ở hệ số công suất đơn vị, trễ, sớm

Khi đấu tải vào stator máy phát, có dòng qua tải Dòng qua tải có tính chất của dòng cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng

từ 3 pha dây quấn trên stator máy phát Theo Lenz các dòng cảm ứng có khuynh hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó Do đó các dòng qua phần ứng hình thành từ trường tương tác lên từ trường phần cảm Sự tương tác giữa hai thành phần từ trường này được gọi là phản ứng phần ứng Tùy thuộc vào tính chất của tải (hệ số công suất của tải) ta có 3

trường hợp sau khi xét phản ứng phần ứng.[1]

1 H s công su t đ n v (t i tr ) ệ số công suất đơn vị (tải trở) ố công suất đơn vị (tải trở) ất đơn vị (tải trở) ơn vị (tải trở) ị (tải trở) ải trở) ở)

Khi hoạt động ở chế độ hệ số công suất đơn vị, Điện áp và dòng điện ở stator cùng pha

Vậy từ thông phần cảm và phần ứng có phương vuông góc với nhau Kết quả của sự tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị của sức điện động sinh ra trên mỗi pha Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau, phản ứng phần ứng là dạng khử từ ngang trục[2]

Khuynh hướng làm giảm thông lượng bề mặt hoặc bóp méo từ tường làm thay đổi hướng quay

2 H s công su t là tr (t i c m) ệ số công suất đơn vị (tải trở) ố công suất đơn vị (tải trở) ất đơn vị (tải trở) ễ (tải cảm) ải trở) ải trở)

Từ thông phần ứng có khuynh hướng khử từ thông phần cảm Vì hướng của các từ thông ngược nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục.[2]

3 H s công su t s m (t i dung) ệ số công suất đơn vị (tải trở) ố công suất đơn vị (tải trở) ất đơn vị (tải trở) ớm (tải dung) ải trở)

Từ thông phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, từ thông phần ứng có khuynh hướng hổ trợ từ thông phần cảm Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục.[2]

1 LÝ THUY T N Đ NH ẾT ỔN ĐỊNH ỔNG QUAN ỊNH.

Mô hình vector của máy phát cực từ ẩn như hình 4.3a,

giả sử cuộn dây chưa bão hòa, khe hở không khí không

thay đổi và các biến số là sóng sin Điện kháng của máy

phát lớn hơn rất nhiều sơ với trở kháng, có thể bỏ qua

Quay dòng kiện kích từ, ATe, sinh ra 1 từ trường ψqua

khe hở không khí, sinh ra điện áp Et ở stator Điện áp

này nhanh hơn dòng I góc φ và và gây ra phản ứng

phần ứng phần ứng - ATar ATf là tổng hợp của 2

vector, ATevà ATar

Xoay giản đồ vector trên, theo chiều kim đồng hồ cho đến khi trùng với Et, và biến đổi các đại lượng về đơn vị cơ bản,kết quả như hình 4.3b

Ví dụ như ATar/ATe là điện áp đơn vị, mà nó tỷ lệ với hướng của dòng tải stator Vector này có thẻ biểu diễn hoàn toàn bởi điện kháng và thông thường được gọi là

“điện kháng phản ứng phần ứng”, Xad Tương tự, ATf/ATe là điện áp đơn vị được tạo

ra bằng hở mạch kích từ Nó được koi là điện áp nội tự phát của máy và được gọi là

E0

Điện kháng rò của cuộn dây stator có thể gây ra điện áp rơi và có thể điều chỉnh để bỏ qua Điện kháng này được gọi là XL, và điện áp rơi I*XL, là sự khác biệt giữa điện áp đầu cuối và điện áp sau điện kháng stator rò rỉ EL

IZL cùng pha với điện áp rơi phụ thuộc Xad, như hình 4.3c Xad và XL có thể tổng hợp thành 1 điện kháng đơn giản gọi là Xd – điện kháng đồng bộ

Công suất của máy đồng bộ :

P=VIcosφ=VE X

d sin δ ,với δ là góc giữa điện áp nội và điện áp cuối đầu cực

Sau các phân tích, máy phát có thể biểu diễn như hình 4.4

XL (Xa) : điện kháng từ tản

Xad : điện kháng tượng trưng

Trong thực tế, phụ thuộc vào cấu trúc của rotor cực từ ẩn để chứa cuộn dây, điện kháng Xa không phỉa là hắng số cho dù ở vị trí nào, và mô hình hóa giống như cực từ lồi Và sự khác nhau giữa giá trị Xad và Xaq

nhỏ, nhỏ hơn rất nhiều nếu so với cực từ lồi

2 ROTOR C C T L I ỰC TỪ LỒI Ừ LỒI ỒNG BỘ

Lý thuyết đã giới thiệu chỉ đúng được với các máy phát điện rotor cực từ ẩn Với giả định các khe hở không khí không đỏi là không chính xác khi nghiên cức cực máy phát cực từ lồi Ảnh hưởng để tạo ra phản ứng phần ứng phụ thuộc vào vị trí Như hình 4.5

Khi 1 cực được xếp thẳng hàng với sóng sin được tạo

ra bởi stator, một đáp ứng với từ trường hình sin được tạo ra, khi khoảng cách lớn thì xảy ra tình trạng bóp méo từ thông

Sự khác biệt này được xem xé lý thuyết 2 trục dq Tương ứng với cực và khe hở đối diện Nó gọi là trục thẳng và trục ngang và thuyết này là lý thuyết 2 trục

Ma trận PARK biến đổi :

[3]

Mô hình vector giống với cực từ ẩn ngoài trừ điện kháng và dòng điện lien kết với chúng được chia làm 2 thành phần Điện kháng đồng bộ theo trục dọc là Xd =Xad+XL Trong khi điện kháng ngang trục là Xq=Xaq+XL Mô hình được xây dụng ở phần trên nhưng để thích hợp trong trường hợp này là giả quyết theo 2 trục Tổng hợp các vector được điện áp E0 Như hình 4.6

Chúng ta cần chú ý tới điện áp E0’, trong máy điện cực từ ẩn,

E0 được hợp thành từ V và I*Zd Có sự khác biệt không đáng

kể ở độ lớn của E0 và E0’, nhưng cần chú ý ở đây là góc lệch

Lý thuyết này dung đẻ tính toán dòng kích từ nhưng không chính xác để xác định độ ổn định khi góc pha là vấn đề quan trọng

3 PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘI DUNG

Trong điều kiện tải bình thường, lý thuyết ổn định là đầy đủ Tuy nhiên, trong trường hợp có sự thay đổi tức thời như sự cố hay chuyển mạch Khi hiện tượng này xảy ra, xuất hiện một hệ số mới bên trong máy, được biểu diễn như 1 đặc tính đáp ứng của máy được yêu cầu

Cách chấp nhận chung và đơn giản nhất để đánh giá ý nghĩa và nguồn gốc của những đặc điểm này là để xem xét một ngắn mạch đột ngột ba pha được áp dụng cho một máy ban đầu hoạt động hở mạch và kích từ để điện áp bình thường E0

Điện áp sẽ được sinh ra bời từ thông qua khe hở không khí, nó không hoàn toàn qua khe hở không khí, mà bị tản ra từ cực này sang cực khác, và các cực nội không qua khe hở chính như hình 4.7 Từ trường cực sẽ là ϕ + ϕL

Trong chế độ làm việc bình thường, từ thông tạo ra bởi stator gồm một phần móc vòng theo đường tản từ, còn phần chính đi ngang qua khe hở không khí khép vòng

qua các cực và thân rotor Vì từ trở chủ yếu là ở khe hở không khí có từ dẫn λ ad nhỏ,

từ cảm lớn, tương ứng với điện kháng X d [4]

Khi từ thông stator thay đổi đột ngột, trong cuộn kích từ sẽ có từ sẽ có dòng cảm ứng tạo nên từ thông ngược hướng với từ thông stator Vì vậy có thể xem như một phần từ thông stator bị đẩy ra ngoài đi theo đườn từ tản của cuộn kích từ có từ dẫn λ σff Như vậy từ thông stator phải đi qua một tổng dẫn từ lớn, từ cảm sẽ nhỏ hơn và x’ d < x d [4]

Nếu sau đó cuộn dây stator ngắn mạch, thì hệ số công suất sẽ bằng 0, một dòng lớn sẽ làm cho điện kháng phản ứng phản ứng phần ứng khủ từ Nó sẽ giảm từ trường và ổn định cho tới khi điện kháng phản ứng phần ứng cân bằng với điện kháng kích từ Phần

từ thông còn lại rất nhiều, nó sẽ giảm từ trường qua khe hở không khí và nó sẽ gây ra

1 điện áp cần thiết để vượt qua điện kháng từ tản stator (điện trở có thể bỏ qua) Đây

là sự ổn định đơn giản trong trường hợp máy hoạt động ở chế độ ngăn mạch và được biểu hiện bằng hình 4.8a

Và dòng sự cố I=E0/(Xad + XL) bằng với E0/Xd, nhưng bị giảm rất nhiều, và máy sẽ hoạt động không bão hòa Vì lý do này, các giá trị của điện áp sử dụng là giá trị đọc từ khe hở không khí tương ứng với kích thích bình thường và là khá cao so với các điện

áp bình thường Dòng ổn định được cho bởi :

Id=Eg/Xd với Eg là điện áp khe hở

Điều quan trọng cần chú ý ở đây là có sự sụt giảm từ thông đáng kể giữa điểm đầu và điểm cuối Rotor mang một cuộn dây cảm ứng, từ đó sinh ra từ thông, dẫn đến từ thông rò trước khi ngắn mạch được sinh ra bởi ϕ + ϕL Trong thực tế, từ thông rò được truyền tải qua đầy đủ các cực và nó không truyền qua tất cả cuôn dây ϕL là từ thông tương đương tập trung để móc vòng qua cuôn tất cả cuôn dây và biên độ của nó là tổng từ tản thời điểm xảy ra Nó là yếu tố cơ bản để cố gắng thay đổi sự móc vòng qua một mạch sẽ là nguyên nhân dòng chạy về một hướng chống lại sự thay đổi đó Sự có mặt của từ thông làm giảm và vì vậy có khuynh hướng bao gồm dòng chống lại nó Với các vị trí ngay lập tức áp dụng ngắn mạch, có giá trị khi giả sử rằng từ thông móc vòng qua rotor có sự thay đổi liên tục, điều này được mang lại bởi một dòng điện cảm ứng trong rôto cân bằn giữa hiệu quả khử từ mạnh được thiết lập bởi ngắn mạch phần ứng Vậy ϕ + ϕL còn lại là hằng số, nó làm tăng phản ứng phàn ứng, từ thông tản sẽ tăng đáng kể Vời từ thông tổng trong rotor, nó chỉ có thể làm tăng hao tổn từ thông

móc vòng qua khe hở không khí Do đó nó làm giảm điện áp, tác động lên điện kháng

từ tản và gây ra dòng ngắn mạch

Có nhiều sự tiện lợi khi phân tích máy điện khi sử dụng điện áp định mức E0, và điện kháng ảo và dòng tương ứng Điện kháng đó được gọi là điện kháng quá độ X’d và được định nghĩa bằng biểu thức : I’d=E0/X’d

Nó lớn hơn XL và mạch điện tương đương được biểu diễn bằng hình 4.8b

Xf là điện kháng từ tản của cuộn dây Và biểu thức trên cũng có thể viết lại :

X’d=XL+X’f với X’f là điện kháng từ tản tác dụng của cuôn dây

Từ thông chỉ có thể duy trì với giá trị cao trong khi dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn dây Khi dòng này suy giảm, vị vậy điều kiện này tiến tới ổn định Khoảng thời gian tồn tại của nó được xác định bời hằng số thời gian của cuộn dây kích từ Nó vào khoảng 1 giây hoặc nhỏ hơn, vì vậy nó được gọi là quá độ

Các máy đồng bộ luôn có cuộn dây giảm rung gọi là cuộn cản Trong một số trường hợp nó là cuộn dây vật lý ( iống cuộn dây từ trường, nhưng có ít vòng hơn và được dặt riêng ra)

Khi máy điện đồng bộ dao động (do có sự thay đổi đột ngột về chế độ làm việc ở đầu vào hoặc ở đầu ra của máy), roto quay không đồng bộ với từ trường quay của stato Tùy theo tính chất của sự thay đổi ở đầu vào hoặc đầu ra và cấu tạo của máy mà dao động của roto có thể là dao động cưỡng bức hoặc dao động tự do tắt dần hay không tắt dần, máy điện có thể tiếp tục làm việc ổn định hoặc mất đồng bộ.[5]

Dây quấn cản trong máy điện đồng bộ (chỉ với máy cực lồi) có cấu tạo giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là được làm bằng các thanh đồng đặt vào các rãnh ở mặt cực và hai đầu được nối với nhau bằng hai vòng ngắn mạch [5]

Khi máy bị dao động như trên, trong dây quấn kích thích, dây quấn cản và lõi thép roto sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng và sinh ra dòng điện tần số thấp (0,5 - 1,5 Hz) Tác dụng giữa từ trường tổng trong máy với các dòng điện đó sẽ sinh ra mômen cản có tác dụng kéo roto về tốc độ đồng bộ.[5]

Trong điều kiện ngắn mạch, có sự truyền từ thông từ khe hở chính sang đường dẫn rò

Sự truyền này, rất nhỏ, đối nghịch với cuộn dây kích từ, và sẽ truyền qua đỉnh cực

Cuộn cản này có sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng dể chống lại nó Khi dòng điện cảm ứng này chạy, nó làm cho từ thông ở giá trị cao hơn, nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị ban đầu hở mạch

Như trước đây, nó là thuận tiện để sử dụng điện áp đánh giá và tạo một điện kháng tương đương được coi là hiệu quả hơn trong giai đoạn này Điều này được gọi là "điện kháng siêu quá độ và được xác định bởi phương trình:

Một lần nữa, thời gian của giai đoạn này phụ thuộc vào hằng số thời gian của cuộn dây diều tiết Trong thực tế là khoảng 0,05 giây - Ít hơn rất nhiều so với quá độ - do

đó thuật ngữ "siêu quá độ '

[1] Máy điện đồng bộ.PDF (page 6/23)

[2] KTDDT06.PDF (Bài giảng kỹ thuật điện điện tử chương 6 – page 10/27)

[3] Bai giang DKSHTDC-DKCMD – Trần Công Binh ( page 24/171)

[4] Quá trình quá độ trong máy điện – VOER (page 6/12)

[5] Tài liệu tìm tổng hợp ở một số trang web điện : webdien.com, voer.edu.vn…