Summ ary : This pap er introduces analysis results regard ing th e operation of protective relaying system of sm all generato r during black start process; network is being in an isl[r]
(1)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MÁY PHÁT CƠNG S UẤT NHỎ TRONG Q TRÌNH KHỞI ĐỘNG ĐEN
TS Nguyễn Xuân Tùng, TS Nguyễn Đức Huy, TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt Viện Điện – Đại học Bách khoa Hà Nội ThS Lê Việt Hùng, ThS Ngô Thị Thanh Nga,
ThS Vũ Tuấn Anh, KS Hoàng Minh Dự Viện Thủy điện Năng lượng tái tạo
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết phân tích hoạt động hệ thống rơle bảo vệ cho máy phát thủy điện nhỏ trình khởi động đen; lưới điện vận hành trạng thái tách đảo, cô lập Vấn đề cần quan tâm hệ thống vận hành cô lập công suất ngắn mạch giảm thấp ảnh hưởng tới độ nhạy rơle bảo vệ Bài báo sâu nghiên cứu ảnh hưởng đối với hệ thống rơle bảo vệ cho máy phát đề xuất g iải pháp cần thực nhằm đảm bảo sự làm việc tin cậy hệ thống rơle, nhưđảm bảo bảo vệ tốt máy phát trình khởi động đen Kết nghiên cứu đ ược áp dụng để phân tích hệ thống rơle bảo vệ cho m áy phát nhà m áy thủy điện nhỏ Suối Tân với nh iều kịch khởi động đen khác
Từ khóa: rơle bảo vệ, máy phát điện, cô ng suất nhỏ, vận hà nh tách đảo, khởi động đen Summ ary: This pap er introduces analysis results regard ing th e operation of protective relaying system of sm all generato r during black start process; network is being in an islanding state During islanding operation, the short circuit capacity of source may reduce significan tly and it m ay lead to reduction in sen sitivity of protective relay system s The paper fo cuses on impact of island ing operation mode to the operation of rela y protection system for small generator and proposes solution s in order to o vercom e tho se dra wbacks The results of analysis a re applied to investiga te th e relay protection system of small generato rs at Suoi Tan hyd ro power plant with variou s black sta rting scenarios
Keyword s: p rotective relaying systems, generato r, small sized generato r, islanding op era tio n, black start
I ĐẶT VẤN ĐỀ *
Với ưu phân bố rộn g khắp mạn g lưới
thủy điện nhỏ kh u vực nông thôn miền
núi, hệ thống điện bị cố thiên tai, tổ máy thủy điện nhỏ có khả năn g tự khơi phục
khởi độn g lại nhanh cun g cấp nguồn điện
trở lại, đón g vai trị chủ độn g phát h uy hiệu điều kiện khẩn cấp
Người phản biện: TS Ngu yễn Minh Việt Ngày nhận bài: 10/11/2014
Ngày thông qua phản biện: 06/2/2015 Ngày duyệt đăn g: 05/6/2015
Việc vận hành mạng lưới điện độc lập phụ thuộc việc phát triển hệ thống n guồn địa
phương vùn g lân cận Thậm chí
nguồn lưới điện quốc gia bị n gắt, mạng lưới
điện địa phươn g dựa vào thủy điện nhỏ v lượng tái tạo vận hành độc
lập, đảm bảo đời sốn g dân sinh hoạt
động quan trọn g khác
Một vấn đề cần ch ú ý thiết lập
kịch khởi động đen tổ máy thủy điện
là việc cần phải xem xét lại hệ thống rơle bảo
vệ để đảm bảo độ tin cậy hệ thốn g Lý
(2)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
được sử dụn g cho máy phát giá trị
chỉnh định đề dựa dựa giả thiết nhà
máy vận hành kết nối với hệ thốn g điện quốc
gia Trong chếđộ nhà máy vận hành độc lập
khi khởi độn g đen, cấp điện cho số
phụ tải lân cận (islan din g operation),
các hệ thống bảo vệ khôn g đảm bảo
hoạt độn g thiết kế
thay đổi côn g suất ngắn mạch, chiều dịng
cơng suất nhiều yếu tố khác Do cần có
các tính tốn thay đổi giá trị cài đặt cho
bảo vệ bổ sun g thêm chức
bảo vệ khác cần Bài báo sâu nghiên
cứu hệ thống rơle bảo vệ cho tổ máy thủy điện
nhỏ nhà máy thủy điện Suối Tân (1)
vận hành chế độ tách đảo trình
khởi độn g đen, đề x uất chức bảo vệ
cần cài đặt thêm giá trị chỉnh định tương
ứn g Mơ hình ngh iên cứu hồn tồn áp
dụng cho hệ thống có khả năn g vận h ành
tách đảo tươn g tự kh ác
II CÁC VẤN ĐỀ PHÁT SINH VỚI HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MÁY PHÁT CÔNG SUẤT NHỎ KHI VẬN HÀNH Ở CHẾĐỘ TÁCH ĐẢO
2.1 C ác bảo vệ thường đặt cho m áy phát có cơng suất nhỏ (<5MVA)
Với máy phát công suất nhỏ (các nguồn
phân tán) hệ thống bảo vệ thườn g đơn giản
để đảm bảo cân bằn g mặt chi phí đầu tư
Các bảo vệ thườn g sử dụn g cho loại
máy phát bao gồm(2):
Bảo vệ chống chạm đất 90% cuộn dây stato Bảo vệ dòn g điện
Bảo vệ chống tải cuộn dây stato Bảo vệ chống điện áp /thấp áp Bảo vệ chống luồn g công suất ngược Bảo vệ tần số cao/thấp
Ngồi tùy chọn đặt thêm bảo vệ
phát chạm đất cuộn dây roto bảo vệ
chống thấp kích từ
2.2 Bảo vệ chống chạm đất 90% cuộn dây stato (64, 59N)
Bảo vệ chốn g chạm đất 90% cuộn dây stato sử
dụng để phát hiện tượng chạm vỏ
cuộn dây stato Bảo vệ chốn g chạm đất 90%
cuộn dây stato loại đơn giản sử dụn g
phương pháp đo dòn g điện/ điện áp thứ tự
không (64, 59N)
Bảo vệ thườn g cài đặt với giá trị
khởi độn g lớn giá trị dịng/áp khơn g cân
bằng xuất sai số BU, BI đo lườn g
hoặc mức độ đối xứng điện áp
trong vận hành Vì hoạt động tách đảo
hoặc trình khởi độn g đen không cần chỉnh lại chức
2.3 Bảo vệ dòng điện (51)
Chức năn g bảo vệ dòn g (51) thường
trang bị bảo vệ dự phòn g cho máy
phát điện côn g suất cỡ lớn, cỡ vừa bảo vệ
chính cho máy phát côn g suất nhỏ
Nguồn cấp cho kích từ thườn g lấy trực
tiếp từ đầu cực máy phát, với máy phát có nối
lưới n guồn cấp cho kích từ n ày tươn g đối ổn định kể chế độ n gắn mạch gần
Tuy nhiên với máy phát hoạt độn g chế độ
tách đảo xảy ngắn mạch gần
làm điện áp đầu cực giảm thấp làm giảm
cơng suất cấp cho hệ thống k ích từ Hệ
của việc dòn g điện ngắn mạch
tăng lên giai đoạn đầu nhiên sau
giảm mạnh làm giảm độ nhạy bảo vệ
Do bảo vệ q dịn g thườn g loại có thời gian
trễ nên tượn g n ày chắn ảnh hưởn g
tới làm việc bảo vệ Do chức năn g
này cần xem xét lại máy phát vận hành
tách đảo
2.3 Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây roto (64R) Cuộn k ích từ máy phát sử dụng điện
chiều (DC), xảy chạm đất
điểm cuộn roto không gây nguy hiểm tức
thời tới vận hành Tuy nh iên, kh i có điểm
(3)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
đất điểm thứ hai, chạm đất điểm thứ hai xảy nối tắt số vòng dây cuộn roto Sự cố làm từ trườn g phân bố khôn g đều, gây run g ph át nhiệt
Bảo vệ khôn g bị ảnh hưởng chế độ
vận hành máy phát, khơn g cần phải
tính tốn chỉnh định lại máy phát hoạt
động tách đảo
2.4 Bảo vệ chống thấp kích từ (40)
Kh i máy phát làm việc trạng thái thấp kích
từ, máy phát dễ rơi v trạn g thái bị trượt
cực từ, dẫn tới dao độn g ổn
định Bảo vệ chống thấp k ích từ chỉnh định dựa theo khả nhận/ phát côn g suất
phản khán g máy ph át điều kiện vận
hành ổn định
Khi máy ph át hoạt độn g chế độ tách đảo,
trừ trườn g hợp tron g lưới lập có tải
điện dun g lớn đườn g cáp dài làm
tăng điện áp đầu cực máy phát máy phát
có thể p hải giảm thấp kích từ, cịn lại máy
phát vận hành trạn g thái phát công suất
phản khán g cho phụ tải Do chức bảo
vệ chống thấp kích từ khơng cần phải chỉnh
định lại
2.5 Bảo vệ chống kích từ
Bảo vệ chốn g k ích từ thường không đặt
với máy phát nhỏ hoạt động nối
lưới máy phát vận hành chế độ
phát công suất không đổi giữ hệ số công
suất cosphi khơn g đổi, điện áp phía hệ
thống định
Tuy nhiên, máy phát hoạt động trạng thái
tách đảo, máy phát phải đảm nhiệm hồn tồn
việc trì điện áp, thêm vào g suất
máy phát thường đủ cun g cấp cho phụ tải,
ít có dự trữ Do cần biến độn g phụ
tải (ví dụ độn g lớn khởi độn g) làm sụt điện áp máy phát bắt buộc phải nân g kích từ để giữ điện áp v rơi vào trạng thái q tải mạch k ích từ
Thơng thường tự động điều khiển kích
từ có chức năn g hạn chế dịn g kích từ cực
đại để tránh tải, chức nên kích hoạt chếđộ vận h ành 2.6 Bảo vệ chống điện áp (59)
Bảo vệ chốn g điện áp nhằm bảo vệ máy
phát khỏi bị hư hỏng điện áp máy phát tăng cao Nguy ên nhân gây áp hư hỏng phần điều khiển mạch kích từ cắt tải đột ngột
Khi máy phát nhỏ hoạt động nối lưới, điện áp
do phía hệ thống định, vấn đề áp
quá đột ngột cắt tải thường xảy Tuy
nhiên, máy phát hoạt động tách đảo
tượng áp cắt tải hồn tồn xảy
và chức năn g bảo vệ cần thiết
Đặc tính làm việc bảo vệ nên chọn loại có
nhiều cấp độ cắt tùy theo mức độ áp
2.7 Bảo vệ chống thấp điện áp (27)
Bảo vệ chốn g thấp điện áp thườn g khôn g cần đặt máy phát nhỏ loại máy
phát thường vận hành chế độ phát côn g
suất không đổi chế độ phát giữ hệ số
công suất khôn g đổi
Tuy nhiên máy phát hoạt độn g tách đảo,
vận hành chế độ điều chỉnh điện áp ổn định, xảy thấp áp hệ thống kích từ bắt buộc phải tăng dịn g kích từđể trì điện áp
và làm mạch kích từ bị tải Bảo vệ
này cần thiết để ngăn n gừa tượn g
như xảy
Chức bảo vệ chống thấp áp (27) nên
được chỉnh định phối hợp với chức năn g bảo vệ chốn g kích từ, đảm bảo rằn g chức năn g chống thấp áp hoạt độn g trước chức năn g bảo vệ chốn g thấp kích từ
2.8 Bảo vệ tần số cao/ tần số thấp (81O/81U)
Bảo vệ tần số cao sử dụn g để chống lại
tượng tốc độ cắt tải lớn đột ngột
khi có hư hỏng phần điều tốc Vượt tốc
(4)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
với tổ máy thủy điện nhỏ quán tính nhỏ
Một lý khác tổ máy thủy điện
thường hay gặp tượng tần số thời
gian đáp ứng toàn hệ thống điều khiển
(bao gồm hệ thống thủy lực cửa nhận nước) chậm
Bảo vệ tần số thấp để tránh máy phát rơi v
trạng thái làm việc lâu dài với tần số thấp
qui định, gây tượn g cộng
hưởn g mặt khí (các máy phát thủy điện
thường khôn g bị ảnh hưởng mặt cộng
hưởn g kh i tần số thấp) làm giảm
suất thiết bị máy móc
Khi máy phát hoạt độn g tách đảo, dao
động tần số diễn khoản g thời gian k éo
dài điều tốc có thời gian phản ứng
chậm Do vậy, chức nên
chỉnh định với thời gian trễ dài đảm bảo
cho điều tốc máy phát có đủ thời
gian để tự điều chỉnh trạng thái làm việc ổn định lâu dài, tránh cắt n gay máy phát, gây điện toàn lưới điện tách đảo
Giá trị chỉnh định cụ thể nên theo khả
năng điều chỉnh máy phát, kịch
đóng tải để x ác định mức độ v thời gian dao động tần số lớn xảy
Chức năn g bảo vệ n ày nên phối hợp chặt chẽ với chức năn g sa thải phụ tải
III CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ĐỀ XUẤT 3.1 Cơ sở đề xuất
Qua phân tích thấy rằn g máy
phát nhỏ máy phát vận hành chế độ tách
đảo cần xem xét chỉnh định lại bổ sun g thêm chức cho bảo vệ sau: Chức bảo vệ q dịng: không đủ độ nhạy với cố ngắn mạch gần
Giải pháp đề x uất sử dụng chức
bảo vệ dòng kết hợp với khóa hãm điện áp thấp Ngồi kích hoạt thêm chức bảo vệ dòn g thứ tự nghịch để tăn g độ
nhạy bảo vệ với cố khôn g đối xứng
Giải pháp khác điều kiện kỹ thuật cho phép
là sử dụn g sơ đồ đấu nối theo phương thức bảo
vệ so lệch đơn giản kiểu cộng từ thông
Chi tiết giải pháp trình
bày mục tiếp sau
Chức năn g bảo vệ chốn g luồn g cơng suất ngược (32R) khơng cịn tác dụng, khơn g
phát hiện tượn g nguồn năn g
lượn g sơ cấp quay t uabin (3)
Chức năn g bảo vệ theo tần số: cần
chỉnh định lại với thời gian làm việc dài
để ph ù hợp với khả năn g đáp ứng điều
tốc có đảm bảo phối hợp với đặc tính
vận hành cho phép tuabin
3.2 Sử dụng bảo vệ q dịng có khóa/hãm điện áp thấp
3.2.1 Bảo vệ dịng kết hợp với khóa điện
áp thấp (51&27)
Bảo vệ q dịn g có khóa điện áp thấp
(51&27) (Hình 1) cho phép chỉnh định dịn g
điện khởi động thấp có rơle điện áp
thấp (27) làm nhiệm vụ xác định trạn g thái
cố tải, dịng khởi động thấp nên bảo
vệ có độ nhạy cao
Hình Bảo vệ q dịng kết hợp khóa điện áp thấp (51 & 27)
Chức khơng u cầu phải có rơle
chuy ên dụn g, tiếp điểm đầu phần tử
(5)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Phươn g thức ph ù hợp với máy phát
thủy điện Suối Tân (1) rơle bảo vệđược sử
dụng loại bảo vệ dòn g đơn giản
Tuy nhiên cần ch ú ý để thay đổi phươn g thức
đấu nối rơle giám sát mạch cắt (74) để tránh báo nhầm
Các giá trị chỉnh định (theo kh uyến cáo
Siemens (2)):
Dòn g điện khởi độn g: 1,4*Iđịnh mức m áy phát
Điện áp khởi độn g rơle điện áp thấp:
0,8*Uđịnh mức
3.2.2 Bảo vệ dòng với hãm điện áp thấp (51V)
Bảo vệ q dịn g có hãm theo điện áp thấp
(51 V) hoạt độn g dựa theo nguyên lý : dòng
điện khởi độn g tự động thay đổi theo điện áp đầu cực máy phát Khi điện áp giảm thấp,
dòng điện khởi độn g tự hạ thấp đảm bảo
cho bảo vệ q dịn g có đủ độ nhạy Đặc tính
làm việc rơle q dịn g có hãm điện
áp thơng dụn g trình bày Hình
Hình Bảo vệ dòng với hãm điện áp thấp (51V)
Chức năn g bảo vệ có ưu điểm thích
nghi tốt với trạng thái vận hành máy
phát, nhiên cần rơle ch uy ên dụng
khó có khả áp dụn g máy ph át
nhà máy thủy điện Suối Tân
3.3 Sử dụng bảo vệ dòng thứ tự nghịch (46)
Bảo vệ q dịng thứ tự n ghịch có hiệu đặc
biệt máy phát hoạt độn g tách đảo trườn g hợp tổ máy nhà máy thủy điện
Suối Tân Do xem xét kích hoạt chức
năng lý sau:
Chức năn g bảo vệ dòn g thứ tự n ghịch tran g bị sẵn rơle dòng
Dòng điện n gắn mạch với cố khôn g đối
xứn g thấp (thậm chí nhỏ dòng tải
lớn nhất) rơle dòn g pha thông
thường khôn g đủ độ nhạy để phát
Trong lưới điện nhỏ cô lập, khả năn g xảy
hiện tượn g vận h ành với tải khôn g cân
dễ xảy ra, tải không cân gây ảnh
hưởn g trực tiếp tới máy phát (gây phát nóng
hơn bình thườn g, run g động trình
vận hành)
Như chức năn g bảo vệ theo dòn g thứ tự nghịch nên đặt với đặc tính thời gian phụ thuộc (Hình 3), mức độ cân bằn g nhỏ ứng với trạn g thái vận hành bình thường
quá tải thời gian cắt kéo dài, mức độ
mất cân bằn g lớn ứng với trườn g hợp cố
khôn g đối xứn g n gược lại thời gian cắt
phải ngắn
Dòn g khởi độn g: thườn g đặt lớn mức độ
khơng đối xứng dịng điện q trình
vận hành Dải cài đặt dao độn g từ
(0,1÷0,3)* Iđịnh mức BI Tuy nhiên, với máy
phát vận hành tách đảo mức độ khơn g đối
xứn g lớn nên chọn giá trị cài đặt 0,3* Iđịnh mức BI
Hình Bảo vệ dòng thứ tự nghịch với đặc tính thời gian phụ thuộc
(6)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Với m áy phát nhỏ, tiết diện dây quấn
cuộn stato nhỏ, xem xét phương án
đặt bảo vệ so lệch theo n guy ên lý tổng từ thơng (Hình 4) Phươn g án k há p hù hợp
với nh máy thủy điện Suối Tân kh i xem xét
các yếu tố sau:
Bảo vệ so lệch có độ nhạy cao với
các cố so với bảo vệ q dịng thơng
thường
Do sử dụn g BI cho pha n ên
loại trừ dòn g cân bằn g sinh sai số
của BI dẫn tới bảo vệ có độ nhạy cao Phương
án cịn bảo vệ cố chạm
đất dòng chạm đất đủ lớn
Thời gian làm việc đặt xấp xỉ giây,
không cần phối hợp với bảo vệ khác
Không yêu cầu lắp đặt thêm rơle, cần sử
dụng chức bảo vệ dịng có sẵn,
vậy khơng cần đầu tư thêm mặt rơle
Tuy nhiên sử dụn g phương án bảo vệ n ày
cũn g có số vấn đề cần quan tâm:
Cần có BI với đường kính lõi từ đủ lớn để dây quấn lồng lần qua lõ i từ
Khơng có khả năn g làm bảo vệ dự phòng
cho máy biến áp đầu cực Tuy nhiên máy biến
áp đầu cực bảo vệ bảo vệ so lệch bảo vệ q dịng dự phịng nên khơng cần
bảo vệ dự phịng từ phía máy phát
Hình Bảo vệ so lệch theo ngu yên lý cộng từ thơng sử dụng bảo vệ q dịng
Về phần cài đặt chỉnh định: Dòng khởi động
của chức năn g bảo vệ so lệch theo kiểu cộng
từ thơng đặt thấp không bị ảnh
hưởn g sai số BI Để n ân g cao độ
nhạy bảo vệ đặt giá trị mức
0,2*Iđịnh mức BI Thời gian làm việc bảo vệ
đặt khoảng 50ms để tránh tác độn g nhầm
các dao độn g độ
3.5 Chức bảo vệ theo tần số
Với máy p hát vận hành chế độ tách
đảo chức bảo vệ chống luồng g
suất ngược khơng cị n tác dụn g,
khơn g phát hiện tượn g n guồn
năn g lượng sơ cấp Do bảo vệ theo tần số
thấp cần thiết tron g trườn g hợp này,
bảo vệ theo tần số thấp ph át hiện
tượn g tần số giảm thấp năn g
lượn g sơ cấp v tuabin Sự cần thiết
chức bảo vệ tần số cao diễn
giải phần
Giá trị chỉnh định cho chức bảo vệ theo
tần số vận hành tách đảo khôn g bị ràn g
buộc điều kiện vận hành ổn định kh i
kết nối lưới, nên dựa theo ngưỡn g
làm việc/thời gian cho phép t uabin Điều
này dẫn tới tần số nằm n gưỡng cao /
thấp thời gian dài hơn, với mức độ
thay đổi ch o phép lớn so với hoạt
động nối lưới Tuy nh iên nhà máy thủy
điện Suối Tân cun g cấp cho phụ tải
dân sinh (khôn g p hải phụ tải công nghiệp)
nên vấn đề không gây ảnh hưởn g
nhiều tới tải
Chức năn g bảo vệ theo tần số định
tới độ lớn nhóm tải đón g vào kh i
vận hành lập q trình khơi phục cấp điện, nên kiểm tra thơng qua
mơ
Kết mơ với bước đóng tải khác
nhau trường hợp tần số xuống thấp
nhất, hệ thống có khả hồi phục
(7)KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Hình Đáp ứng tần số trường hợp cực đoan
Qua mô thấy rằn g đáp ứn g tần số
của hệ thống chấp nhận được, mức độ dao
động tần số không thấp 46Hz mức trì tron g khoản g giây
So sánh kết với thông số vận hành
cho phép tuabin thủy điện thấy rằn g
cài đặt rơle tần số theo thông số vận hành cho
phép tuabin hoàn toàn đảm bảo để máy
phát vận hành ổn định q trình khơi
phục lại tải
Thông số mô phỏn g máy ph át nhà máy thủy điện Suối Tân ứn g với kịch đón g tải gây sụt giảm tần số lớn nhất:
Sơ đồ kết lưới