BÀI GIẢNG vận hành máy phát điện và hệ thống kích từ

EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC II HỆ THỐNG KÍCH TỪ: II.1 Tổng quan hệ thống kích từ kích từ : Chức hệ thống kích từ cung cấp dịng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng Hệ thống kích từ điều khiển bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua điều khiền điện áp cách điều khiển dịng điện kích từ Chức điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất nâng cao tính ổn định hệ thống Chức bảo vệ đảm bảo khả máy điện đồn g bộ, hệ thống kích từ thiết bị khác không vượt giới hạn Các yêu cầu hệ thống kích từ cung cấp tự động điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát đồng để trì điện áp đầu giữ cho điện áp đầu biến thiên phạm vi cho phép liên tục máy phát, yêu cầu hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát trình bày hình 16 Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, tải định mức khẩn cấp … cần quản lý côn g suất định mức trạng thái xác lập Thông thường định mức kích từ biến thiên từ ÷ 3,5 kW/MVA định mức máy phát Hình 16: Đường cong điện áp V đường cong kết hợp cho máy phát điện áp phần ứng định mức Ngoài hệ thống kích từ phải có khả đáp ứng q độ bất ổn định với từ trường cưỡng phù hợp với máy phát cách tức thời ngắn hạn Khả máy phát xem giới hạn yếu tố; + Hư cách điện rotor điện áp kích từ cao + Nóng rotor dịng điện kích từ lớn + Nóng stator dịng tải phần ứng lớn + Lõi bị nóng suốt thời gian vận hành trạng thái thiếu kích từ sinh nhiệt mật độ từ trường cao (V/Hz) + Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian + Khả tải ngắn hạn máy phát mở rộng từ 15÷ 60 giây Để đảm bảo sử dụng tốt hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả đáp ứng máy phát ngắn hạn miễn không vượt giới hạn cho phép Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Hệ thống kích từ giúp cho việc điều khiển điện áp có h iệu nâng cao tính ổn định hệ thống Nó có khả cho đáp ứng độ bất ổn định cách nhanh chóng để nâng cao độ ổn định điều chỉnh từ trường máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh Về phương diện lịch sử, vai trò hệ thống kích từ việc nâng cao hiệu hệ thống điện phát triển liên tục.Hệ thống kích từ điều khiển tay để trì điện áp cơng suất phản kháng tải đầu máy phát mong muốn Khi điện áp điều khiển tự động lần đầu tiên, cho đáp ứng chậm Đầu năm 1920 người ta sử dụng điều chỉnh điện áp để nâng cao ổn định tĩnh động hoạt động liên tục có đáp ứng nhanh Đáng ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày phát triển, kích thích điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh sớm đưa vào cơng nghiệp Hệ thống kích từ từ phát triển liên tục Sự tiến hệ thống điều khiển kích từ từ 20 năm qua nhờ việc phát triển điện tử bán dẫn Việc phát triển mạch t ích phân tín hiệu phân tự giúp cho công nghệ điều khiển phức tạp thực hịên cách dễ dàng Sự phát triển sau kỹ thuật số được đưa vào hệ thống kích từ.Thyristo tiếp tục sử dụng cho mạch công suất Chức điều khiển, bảo vệ, luận lý thực tín hiệu số, mà chức trước thực mạch tín hiệu tương tự điều khiển tín hiệu số sử dung rộng rãi ngày chúng rẻ độ tin cậy cao mạch tín hiệu tương tự khác Chúng tiến nhờ tính liên động cao, cho phép thực dễ dàng công nghệ điều khiển phức tạp giao tiếp với chức điều khiển, bảo vệ máy phát khác Những hệ thống kích từ đại thực tế có khả cung cấp đáp ứng tức thời điện áp cao II.2 Các loại hệ thống kích từ : Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng chia thành ba loại dựa nguồn lượng mà kích từ sử dụng - Hệ thống kích từ chiều - Hệ thống kích từ xoay chiều - Hệ thống kích từ tĩnh II.2.1 Hệ thống kích từ chiều: Hệ thống kích từ loại sử dụng máy phát chiều nguồn lượng kích từ cung cấp dịng điện cho rotor máy điện đồng thơng qua vịng trượt Máy kích từ chiều đượ c kéo nhờ động gắn vào trục máy phát Nó tự kích kích từ độc lập Khi kích từ độc lập, từ trường kích từ cấp kích từ nhỏ máy phát nam châm vĩnh cửu Hệ thống kích từ chiều hệ thống đời sớm nhất, khoảng từ năm 1920÷1960.Vào năm 1960 chúng khơng cịn lưu tâm mà thay máy kích từ xoay chiều Hệ thống kích từ chiều biến mất, số hệ thống cũ thay hệ thống kích từ xoay chiều hệ thống kích từ tĩnh Trong vài trường hợp điều chỉnh điện áp độc lập thay điều chỉnh điện tử bán dẫn đại vài hệ thống kích từ chiều cịn hoạt động chúng cịn u cầu làm mơ hình nghiên cứu tính ổn định Hình 18 biểu diễn sơ đồ đơn giản hệ thống kích từ chiều với khuyếch đại quay Nó bao gồm máy điện chiều (DC) để cung cấp dòng Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC chiều cho cuộn kích từ máy phát thơng qua vịng trượt Từ trường máy kích từ DC điều khiển khuyếch đại điện Bộ khuyếch đại điện loại đặc biệt khuyếch đại quay Nó máy điện chiều chế tạo đặc biệt có 02 chổi than đặt lệch góc 90 o điện, trục d, trục q Việc điều khiển từ trường cuộn dây định vị trục d Một cuôn bù mắc nối tiếp với phụ tải trục d sinh từ trường ngược chiều với dòng điện phần ứng trục d loại bỏ phản hồi âm phản ứng lại dòng điện phần ứng Bộ chổi than trục q bị ngắn mạch, công suất điều khiển từ trường nhỏ yêu cầu để tạo dòng điện lớn phần ứng trục q Dòng điện trục q tạo theo nguyên tắc từ trường, lượng u cầu để trì dịng điện trục q cung cấp từ động kéo khuyếch đại điện Kết tạo thiết bị khuyếch đại cơng suất từ 10.000÷100.000 lần số thời gian nằm khoảng (0,02÷0,25) giây Hình 18: Hệ thống kích từ chiều với khuyếch đại quay II.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều: Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều nguồn lượng kích từ máy phát Thường máy kích từ có trục vối trục Turbine, máy phát Điện áp xoay chiều ngõ kích từ chỉnh lưu có điều khiển (SCR) khơng có điều khiển (diode) để tạo dịng chiều cần cho từ trường máy phát Bộ chỉnh lưu tĩnh quay a Hệ thống chỉnh lưu tĩnh: Với hệ thống chỉnh lưu tĩnh, ngõ chiều cấp cho từ trường cuôn dây máy phát thơng qua v ịng trượt Khi chỉnh lưu khơng có điều khiển sử dụng, điều chỉnh điều khiển từ trường kích từ xoay chiều, điều khiển tiếp điện áp ngõ kích từ Sơ đồ đơn tuyến đơn giản hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trường trình bày hình 19 Bộ kích từ máy phát xoay chiều kéo nhờ rotor máy phát Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Bộ kích từ tự kích với lượng từ trường cung cấp từ chỉnh lưu Thyristor Năng lượng điều chỉnh điện p cấp từ điện áp ngõ kích từ Hình 19: Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều Khi chỉnh lưu điều khiển Thyristor sử dụng, điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp chiều ngõ kích từ Hình 20 biểu diễn sơ đồ hệ thống chỉnh lưu có điều khiển Bộ chỉnh lưu điện áp điều khiển việc dẫn thyristo Bộ kích từ máy phát xoay chiều tự kích sử dụng điều chỉnh điện áp tĩnh độc lập để trì điện áp ngõ Vì thyristor điều khiển trực tiếp ngõ xuất b ộ kích từ nên hệ thống cho đáp ứng nhanh từ đầu (thời gian đáp ứng nhỏ) Ở hình 19 hình 20 có hai kiểu điều chỉnh độc lập : Bộ điều chỉnh xoay chiều tự động trì điện áp đầu cực máy phát với điện áp mong muốn Bộ điều chỉnh chiều trì điện áp kích từ máy phát số, xác định điện áp chuẩn DC Bộ điều chỉnh chiều hay điều khiển tay sử dụng điều khiển xoay chiều bị hư cần ngưng làm việc Tín hiệu đưa vào điều khiển xoay chi ều có ngõ bị nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức điều khiển bảo vệ Hình 20: Hệ thống kích từ chỉnh lưu Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC có điều khiển cung cấp máy phát xoay chiều b Hệ thống chỉnh lưu quay: (Hệ thống chỉnh lưu không chổi than) Với chỉnh lưu quay, v òng trượt chổi than bỏ, điện áp chiều ngõ trực tiếp cấp cho từ trường máy phát hình 21 Phần ứng kích từ xoay chiều chỉnh lưu diode quay kích từ máy phát Một kích từ xoay chiều phụ, có rotor nam châm vĩnh cửu quay với phần ứng kích từ Diode chỉnh lưu Ngõ chỉnh lưu Stator kích từ nhỏ cung cấp lượng từ trường tĩnh kích từ xoay chiều Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển từ trường kích từ xoay chiều, điều khiển trở lại củ a máy phát Một hệ thống gọi hệ thống kích từ khơng có chổi than Nó phát triển để tránh việc sử dụng chổi than dòng dịng điện kích từ lớn cho máy phát lớn (VD: Công suất từ trường cấp cho máy phát 600M W 1MW ) Tuy nhiên với chổi than vòng trượt đại, bảo hành tốt, vấn đề cung cấp dịng kích từ lớn khơng quan trọng Hệ thống kích từ xoay chiều có khơng có chổi than hoạt động tốt Hiệu suất đáp ứng ban đầu kích thích dùng chổi than khơng cho phép trực tiếp đo lường dòng áp từ trường máy phát Điều khiển tay điện áp máy phát thực cách thay đổi trị số đặt nhập chiều cho mạch cổng Thyristor Hình 21: Hệ thống kích từ khơng chổi than II.2.3 Hệ thống kích từ tĩnh Tất phần tử hệ thống đứng yên Các chỉnh lưu tĩnh, điều khiển khơng điều khiển, cung cấp dịng kích từ trực tiếp cho từ trường máy phát nhờ vòng trượt Năng lượng cấp cho chỉnh lưu lấy từ máy phát ( trạm phụ ) qua máy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp, đơi lấy từ cuộn phụ máy phát Hệ thống kích từ tĩnh thường có ba kiểu sử dụng rộng rãi: a Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp: Trong hệ thống lượng kích từ cung cấp nhờ máy biến áp lấy điện từ đầu cực máy phát trạm phụ, điều chỉnh chỉnh lưu có điều khiển (xem hình 22) Hệ thống vốn có số thời gian nhỏ Điện áp cực đại kích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ngõ vào.Vì hệ thống bị làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống dẫn đến điện áp cực đại đầu Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC kích từ bị giảm theo hạn chế hệ thống kích từ, bù đáp ứng gần tức thời khả thay đổi từ trường cưỡng cao Ngồi bảo trì dễ dàng rẻ tiền Đối với máy phát nối với hệ thống cơng suất lớn hệ thống kích từ làm việc tốt Hình 22: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp b Hệ th ống chỉnh lưu nguồn kết hợp: Năng lượng hệ thống kích từ trường hợp tạo nhờ sử dụng dịng điện điện áp máy phát chính.điều thực nhờ máy biến áp cơng suất máy biến dịng bảo hịa hình 23 Hoặc ngu ồn áp nguồn dòng kết hợp nhờ sử dụng máy biến áp kích từ đơn, máy biến dòng bảo hòa Bộ điều chỉnh điều khiển ngõ kích từ thơng qua việc điều khiển bảo hòa máy biến áp kích từ Khi máy phát khơng cung cấp cho tải dịn g ứng khơng cịn nguồn áp cung cấp tồn cho lượng kích từ.Ở chế độ có tải phần lượng kích từ lấy từ dòng điện máy phát Khi hệ thống bị cố với cố nặng làm giảm điện áp đầu cực máy phát,lúc dịng điện cố cung cấp lượng từ trường cưỡng cao Hình 23: Hệ thống kích từ chỉnh lưu nguồn kết hợp c Hệ thống từ chỉnh lưu điều khiển kết hợp : Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Hệ thống sử dụng chỉnh lưu điều khiển mạch suất kích từ kết hợp nguồn áp, nguồn dòng bê n stator máy phát để cung cấp lượng cho kích từ Kết hệ thống kích từ tĩnh cho đáp ứng ban đầu cao với nhiều khả cưỡng Hình 24 biểu diễn sơ đồ đơn tuyến hệ thống Nguồn áp tạo sợi dây quấn ba pha đặ t ba rãnh bên stator máy phát nối tiếp với cuộn kháng tuyến tính Nguồn dòng tạo từ biến dòng đặt trung tính cuối cuộn dây stator nối đất Những nguồn kết hợp thông qua hoạt động máy biến điện kết điện áp xoay chiều ngõ chỉnh lưu linh kiện bán dẫn công suất tĩnh Việc điều khiển cung cấp kết hợp diode thyristor mắc song song Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điều khiển mạch kích thristor qua điều chỉnh kí ch từ để kích từ máy phát Máy biến áp kích từ bao gồm ba phận đơn pha với ba cuộn dây: cuộn dòng (C) cuộn áp sơ cấp (P) cuộn ngõ thứ cấp (E) Dưới tình trạng cố chạy qua cuộn dây (C) máy biến áp kích từ, cung cấp cung cấp từ trường cưỡng bứ c điện áp máy phát bị giảm thấp Cuộn kháng có hai chức năng: + Góp phần làm thỏa đặc tuyến tổng hợp hệ thống kích từ + Làm giảm dịng cố hệ thống kích từ hay máy phát bị cố Máy biến áp kích từ cuộn kháng đặt tr ong hộp hình vịng bắt dính khung máy phát Bởi nguồn lượng hệ thống kích từ tĩnh từ máy phát chính, hệ thống tự kích Máy phát khơng thể tự phát điện áp chưa có dịng kích từ Do cần có nguồn lượng khác tro ng vài dây để cung cấp dịng kích từ lượng kích thích ban đầu cho máy phát Phương pháp tạo nên dịng kích từ cho máy phát gọi “kích từ trường” Nguồn kích thường dùng nguồn acquy tĩnh Hình 24: Hệ thống kích từ tổng hợp có điều khiể n II.3 Nguyên lý làm việc mạch bảo vệ máy kích từ : Chức hệ thống kích từ cung cấp dòng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng Hệ thống kích từ điều khiển bảo Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống t hông qua điều khiền điện áp cách điều khiển dịng điện kích từ Chức điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất nâng cao tính ổn định hệ thống Chức bảo vệ đảm bảo khả máy điện đồng bộ, hệ th ống kích từ thiết bị khác không vượt giới hạn Các yêu cầu hệ thống kích từ cung cấp tự động điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát đồng để trì điện áp đầu giữ cho điện áp đầu biến thiên phạm vi cho phép liên tục máy phát, u cầu hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát trình bày hình 16 Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, tải định mức khẩn cấp … cần quản lý công suất định mức trạng thái xác lập Thơng thường định mức kích từ biến thiên từ ÷ 3,5 kW/MVA định mức máy phát II.4 Cấu tạo, nguyên lý làm việc thiết bị điều khiển, đo lường, kiểm sốt bảo vệ kích từ: Bảo vệ chống kích từ: Trong q trình vận hành máy phát điện xảy kích từ hư hỏng mạch kích thích (do ngắn mạch hở mạch), hư hỏng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, thao tác sai nhân viên vận hành Khi máy phát bị kích từ thường dẫn đến đồng stator rotor Nếu hở mạch kích thích gây điện áp cuộn rotor nguy hiểm cho cách điện cuộn dây Ở chế độ vận hành bình thường, máy phát điện đồng làm việc với sức điện động E cao điện áp đầu cực máy phát UF (chế độ q kích t hích, đưa cơng suất phản kháng Q vào hệ thống, Q > 0) Khi máy phát làm việc chế độ thiếu kích thích kích thích, sức điện động E thấp điện áp UF, máy phát nhận công suất phản kháng từ hệ thống (Q < 0) (hình 1.33a,c) Như kích từ, tổng trở đo đầu cực máy phát thay đổi từ Zpt (tổng trở phụ tải nhìn từ phía máy phát) nằm góc phần tư thứ mặt phẳng tổng trở phức sang ZF (tổng trở máy phát nhìn từ đầu cực chế độ Q < 0) nằm góc phần tư thứ tư mặt phẳng tổng trở phức (hình 1.33b) Khi xảy kích từ, điện kháng máy phát thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X’d (điện kháng q độ) có tính chất dung kháng Vì để phát kích từ máy phát điện, sử dụng rơle điện kháng cực tiểu có X’d < Xkđ < Xd với đặc tính vịng trịn có tâm nằm trục -jX mặt phẳng tổng trở phưc Đặc tính khởi động rơle điện kháng cực tiểu hình 1.33b nhận từ sơ đồ ngun lý hình 1.34a Tín hiệu đầu vào rơle điện áp dây Ubc lấy đầu cực máy phát dòng điện pha Ib, Ic lấy pha tương ứng Điện áp sơ cấp U BC đưa qua biến áp trung gian BUG cho điện thứ cấp lấy đại lượng a.U BC b.UBC (với b > a) tương ứng với ểm A B đặc tính điện kháng khởi động hình 1.33b Khi kích từ, dịng điện chạy vào máy phát mang tính chất dung vượt trước điện áp pha tương ứng góc 90 Hiệu dịng điện pha B C thơng qua biến dịng cảm kháng BIG tạo nên điện áp p hía thứ cấp UD vượt trước dịng điện I BC góc 90 Như góc lệch pha hai véctơ điện áp U D UBC 1800 Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Điện áp đưa vào biến đổi dạng sóng (hình sin sang hình chữ nhật) S (hình 1.34) S2 tương ứng bằng: U1 = a UBC - UD; U2 = b UBC - UD Góc lệch pha α U1 U2 kiểm tra Ở chế độ bình thường α = 0, rơle khơng làm việc Khi bị kích từ α = 1800, rơle tác động Góc khởi động chọn khoảng 90 Các hệ số a, b chọn (bằng cách thay đổi đầu phân áp BUG) cho điểm A B hình 1.34b thoả mãn điều kiện: b UBC> UD > a.UBC (1-67) Khi kích thích, góc pha dịng điện thay đổi, góc lệch pha α kiểm tra thơng qua độ dài tín hiệu S = - S1.S2 Nếu α > α kđ (hình 1.34c) bảo vệ tác động cắt máy phát khoảng thời gian từ (1 ÷ 2) sec HÌNH 1.34: Sơ đồ bảo vệ chống kích từ máy phát điện dùng rơle điện kháng cực tiểu a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị véctơ; c) Dạng sóng đại lượng Bảo vệ chống đồng bộ: Bảo vệ ch ống đồng cịn có tên gọi bảo vệ chống trượt cực từ Khi máy phát điện đồng bị kích từ, rotor máy phát bị đồng với từ trường quay Việc mát đồng xảy có dao động cơng suất trông hệ thống điện cố kéo dài cắt số đường dây hệ thống Trang EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Hậu việc đồng gây nên dao động cơng suất hệ thống làm ổn định kéo theo tan rã hệ thống điện, ngồi cịn tạo ứng suất nguy hiểm số phần tử máy phát Để phát cố sử dụng nguyên lý đo tổng trở đầu cực máy phát Trên hình 1.35 trình bày đặc tính biến thiên mút véctơ tổng trở đo đầu cực máy phát trình cố xảy dao động điện hệ thống Ơ chế độ vận hành bình thường, mút véctơ tổng trở nằm vị trí điểm A xảy ngắn mạch mút véctơ dịch chuyển từ A đến B, sau bảo vệ cắt ngắn mạch véctơ tổng trở nhảy từ B sang C xảy dao động, mút véctơ chu kì dịch chuyển theo quĩ đạo Hành vi véctơ tổng trở có dao động điện phát rơle với đặc tính khởi động hình 1.36 Đặc tính khởi động có dạng hình elíp thấu kính dạng điện kháng kết hợp với theo nguyên lý “và” Khi có dao động quỹ đạo mút véctơ Z vào miền khởi đoọng điểm M khỏi miền khởi động điểm N đặc tuyến (hình 1.37) có nghĩa tâm dao động (tâm điện) nằm miền tổng trở MF -MBA, bảo vệ tác động cắt máy phát chu kì dao động HÌNH 1.35: Hành trình véctơ tổng trở Z xảy cố dao động Nếu tâm dao động nằm phía hệ thống quỹ đạo mút véctơ Z nằm cao đặc tuyến 2, bảo vệ tác động cắt sau số chu kì định trước Trên hình 1.37 trình bày sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống trượt cực từ, bảo vệ gồm phận đo khoảng cách với đặc tuyến thấu kính1 kết hợp với phậnhạn chế theo điện kháng để g iới hạn miền tác động từ phía hệ thống, phận đếm chu kì dao động để cắt máy phát sơ chu kì đạt trị số đặt trước Ở phía cao áp MBA tăng có đặt thêm phận định hướng công suất thực chức giống phận làm nhiệm vụ dự phòn g cho phận Thay đặc tuyến tổng trở kết hợp hình 1.36 người ta sử dụng đặc tuyến hình chữ nhật hình 1.38 để phát dao động điện Trang 10 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC HÌNH 1.36: Đặc tính khởi động hình thấu kính để phát dao động điện HÌNH 1.37: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống trượt cực từ (dao động điện) HÌNH 1.38: Đặc tính khởi động HÌNH 1.39: Quan hệ mức hình chữ nhật để phát dao tải thời gian tải cho phép động điện cuộn dây máy phát Bảo vệ chống luồng công suất ngược : Công suất đổi chiều từ hệ thống vào máy phát việc cung cấp lượng cho Turbine (dầu, khí, nước dịng nước ) bị gián đoạn Khi máy phát điện làm việc động tiêu thụ công suất từ hệ thống Nguy hiểm chế độ máy phát nhiệt điện Turbine làm việc chế độ máy nén, nén lượng thừa Turbine làm cho cánh Turbine phát nóng mức cho phép Đối với máy phát diezen chế độ làm nổ máy Để bảo vệ chống chế độ công suất ngược, người ta kiểm tra hướng công suất tác dụng máy phát u cầu rơle hướng cơng suất phải có độ nhạy cao để phát luồng công suất ngược với trị số bé (thường bù đắp lại tổn thất máy phát chế độ này) Vớ i máy phát điện Turbine hơi, công suất khởi động ΔP kđ bằng: (1-68) ΔPkđ = (0,01 ÷ 0,03)P đm Với máy phát thuỷ điện Turbine khí: ΔPPkđ = (0,03 ÷ 0,05)Pđm (1-69) Trang 11 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống công suất ngược Để đảm bảo độ nhạy bảo vệ cho máy phát cơng suất lớn, mạch dịng điện bảo vệ thường đấu vào lõi đo lường máy biến dòng (thay cho lõi bảo vệ thường dùng cho thiết bị khác) Bảo vệ chống công suất ngược thường có hai cấp tác động: cấp với thờ gian khoảng (2 ÷ 5) sec sau van STOP khẩn cấp làm việc cấp thứ với thời gian cắt máy khoảng vài chục giây không qua tiếp điểm van STOP (hình 1.40) II.5 Cấu tạo, nguyên lý làm việc AVR : Chức hệ thống kích từ cun g cấp dòng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng Hệ thống kích từ điều khiển bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua điều khiền điện áp cách điều khiển dịng điện kích từ Hình 14: Dây quấn kích từ quấn tập trung máy điện đồng Hình 15: Dây quấn kích từ quấn rải máy điện đồng Trang 12 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Hình 16: Bối dây quấn kích (a): Dây xếp; (b): Dây sóng Chức điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất nâng cao tính ổn định hệ thống Chức bảo vệ đảm bảo khả máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ thiết bị khác không vượt giới hạn Các yêu cầu hệ thống kích từ cung cấp tự động điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát đ ồng để trì điện áp đầu giữ cho điện áp đầu biến thiên phạm vi cho phép liên tục máy phát, u cầu hình dung từ đường cong điện áp V Của máy phát trình bày hình 17 Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, tải định mức khẩn cấp … cần quản lý công suất định mức trạng thái xác lập Thơng thường định mức kích từ biến thiên từ ÷ 3,5 kW/MVA định mức máy phát Hình 17: Đường cong điện áp V đường cong kế t hợp cho máy phát điện áp phần ứng định mức Ngồi hệ thống kích từ phải có khả đáp ứng độ bất ổn định với từ trường cưỡng phù hợp với máy phát cách tức thời ngắn hạn Khả máy phát xem giới hạn yếu tố; Trang 13 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC + Hư cách điện rotor điện áp kích từ cao + Nóng rotor dịng điện kích từ lớn + Nóng stator dịng tải phần ứng lớn + Lõi bị nóng suốt thời gian vận hành trạng thái thiếu kích từ sinh nhiệt mật độ từ trường cao (V/Hz) + Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian + Khả tải ngắn hạn máy phát mở rộng từ 15÷ 60 giây Để đảm bảo sử dụng tốt hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả đáp ứng máy phát ngắn hạn miễn không vượt giới hạn cho phép Hệ thống kích từ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu nâng cao tính ổn định hệ thống Nó có khả cho đáp ứng độ bất ổn định cách nhanh chóng để nâng cao độ ổn định điều chỉnh từ trường máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh Về phương diện lịch sử, vai trị hệ thống kích từ việc nâng cao hiệu hệ thống điện phát triển liên tục.Hệ thống kích từ điều khiển tay để trì điện áp công suất phản kháng t ải đầu máy phát mong muốn Khi điện áp điều khiển tự động lần đầu tiên, cho đáp ứng chậm Đầu năm 1920 người ta sử dụng điều chỉnh điện áp để nâng cao ổn định tĩnh động hoạt động liên tục có đáp ứng nhanh Đáng ý việc thiết kế hệ thống kích từ ngày phát triển, kích thích điều chỉnh điện áp với đáp ứng nhanh sớm đưa vào công nghiệp Hệ thống kích từ từ phát triển liên tục Sự tiến hệ thống điều khiển kích từ từ h ơn 20 năm qua nhờ việc phát triển điện tử bán dẫn Việc phát triển mạch tích phân tín hiệu phân tự giúp cho cơng nghệ điều khiển phức tạp thực hịên cách dễ dàng Sự phát triển sau kỹ thuật số được đưa vào hệ thống kích từ.Thyristo tiếp tục sử dụng cho mạch công suất Chức điều khiển, bảo vệ, luận lý thực tín hiệu số, mà chức trước thực mạch tín hiệu tương tự điều khiển tín hiệu số sử dung rộng rãi ngày chúng rẻ độ tin cậy cao mạch tín hiệu tương tự khác Chúng tiến nhờ tính liên động cao, cho phép thực dễ dàng công nghệ điều khiển phức tạp giao tiếp với chức điều khiển, bảo vệ máy phát khác Những hệ thống kích từ đại thực tế có khả cung cấp đáp ứng tức thời điện áp cao Sơ đồ khối chức tiêu biểu hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng lớn cho ( hình 17 ) Hệ thống có phận sau: Bộ kích từ: Cung cấp dịng chiều cho cuộn dây tạo từ trường máy điện đồng bộ, tạo nên cơng suất hệ thống kích từ Bộ điều chỉnh điện áp : ( AVR) Xử lý khuyếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào điện áp đầu cực máy phát để tạo cách thức thích hợp nhằm điều khiển kích từ Nó bao gồm việc điều chỉnh chức ổn định hệ thống kích từ (Mạng hồi tiếp bù sớm –Trễ pha ) Bộ biến điện áp bù tải: Cảm nhận điện áp đầu cực máy phát, Chỉnh lưu lọc thành điện chiều, so sánh với trị chuẩn (trị số đặt) điện áp đầu máy phát mong muốn Ngồi phận bù tải cung cấp (Do sụt áp đường dây Trang 14 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC công suất phản kháng) muốn giữ điện áp không đổi điểm xa đầu cực máy phát ( VD: qua máy biến áp tăng) Bộ gọi tạo đặc tuyến điều chỉnh Bộ ổn định hệ thống công suất: Cung cấp thêm tín hiệu ngõ vào để hạn chế dao động cơng suất hệ thống Những tín hiệu ngõ vào thường dùng độ lệch tốc độ rôto, Sự tăng công suất độ lệch tần số Bộ hạn chế bảo vệ: Phần bao gồm hệ thống điều khiển bảo vệ rộng nhằm đảm bảo khả kích từ máy phát đồng không vượt giới hạn Thường sử dụng hạn dịng kích từ, hạn chế kích từ cực đại, hạn áp đầu cực , điều chỉnh bảo vệ V/Hz hạn chế thiếu kích từ Những mạch thường riêng biệt, tín hiệu ngõ chúng đưa vào hệ thống kích từ ngõ nhập tổng cổng nhập BỘ HẠN CHẾ VÀ BẢO VỆ BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ BỘ BÙ TẢI TẠO ĐẶC TUYẾN BỘ ĐIỀU CHỈNH AVR BỘ KÍCH TỪ MÁY PHÁT Tới hệ thống BỘ ỔN ĐỊNH Hình 17 : Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát II.6 Đánh giá đáp ứng động hệ thống kích từ : Hiệu hệ thống kích từ việc nâng cao ổn đinh hệ thống điện đ ược xác định số đặc tuyến Trong phần ta tìm hiểu, định nghĩa việc đo lư ờng để xác định từ đặc tuyến đáp ứng cho việc ước lượng, việc định rõ chức làm việc hệ thống điều khiển kích từ Sự m việc hệ thống điều khiền kích từ phụ thuộc vào đ ặc tuyến hệ thống kích từ, máy phát hệ thống điện Vì hệ thống tuyến tính, khảo sát hai dạng tín hiệu, dạng đặc tính tín hiệu nhỏ dạng đặc tính tín hiệu lớn đặc tính tín hiệu lớn, khơng tuyến tính đáng kể: Đối với đặc tính tín hiệu nhỏ, đáp ứng tuyến tính Vr : Điện áp chuẩn Vr : Điện áp điều chỉnh V f : Điện áp kích từ ∆V : Độ lệch điện áp II.7 Chức điều khiển bảo vệ : Quá kích từ: Trang 15 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Quá kích từ nguyên nhân gây nhiệt máy phát Để bảo vệ kích từ máy phát Thường dùng giới hạn q kích từ Bộ giới hạn kích từ có mục đích bảo vệ máy phát khơng bị q nhiệt q dịng kích từ Bộ giới hạn cịn biết giới hạn kích từ cực đại Cuộn kích từ máy phát thiết kế hoạt động liên tục giá trị đáp ứng tải định mức Nhiệt độ phát nóng cuộn kích từ rotor máy phát tải thiết kế theo tiêu chuẩn thí dụ đường cong ( Hinh 26) Hình 26: Sự kết hợp giới hạn kích từ với khả chịu nhiệt cuộn dây kích từ Đường cong qua điểm sau: Thời gian (s) Điện áp kích từ/dịng kích từ (% định mức) 10 208 30 146 60 125 120 112 Hình 27 Mặt cắt phần cuối máy phát Hình 27 Là hình vẽ vòng dây vùng biên máy phát Từ thơng vịng tản vào vng góp với lớp thép mỏn g Stator Đây ngun nhân dịng điện xốy lớp thép, kết phát nhiệt hình thành vùng biên Dịng kích từ lớn ứng với trường hợp q kích từ giữ vịng trì bão hịa làm cho từ thơng tản nhỏ Tuy nhiên vùng thiếu kích từ , dịng kích từ nhỏ vịng trì khơng bão hịa, điều cho phép từ thơng tản cuối phần ứng Hơn điều kiện thiếu kích từ từ thơng sinh dịng phần ứng cộng với từ thơng sinh dịng kích từ, từ thông vùng biên làm tăng từ thông Trang 16 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC hướng tâmtrong vùng kết hiệu ứng nhiệt mãnh liệt giới hạn ngõ máy phát, đặc biệt trường hợp Rotor dây quấn Hiện việc bổ sung chức giới hạn kích từ thay đổi tuỳ thuộc vào nhà máy sản xuất khối chức tiêu biểu Chức đặc trưng giới hạn kích từ phát dịng kích từ cao, qua thời gian trễ, tác động thông qua điều chỉnh AC nhằm làm giảm tốc độ kích từ đến giá trị kích từ đặt trước (khoảng 100+110% dịng kích từ định mức ) Hình 28 Đường cong khả phát cơng suất kháng máy phát Nếu khơng đặt, cắt độ điều chỉnh AC, chuyển điều khiển đến điều chỉnh DC xác định lại điểm đạt giá trị đáp ứng đạt trị số định mức Nếu điều khơng làm giảm kích từ đến gi trị an tồn giới hạn tác động cắt máy phát kích từ cắt máy phát Có hai loại thời gian trễ dùng: a Thời gian cố định: Là thời gian mà giới hạn hoạt động dịng điện kích từ vượt giá trị thời gian cố định đặt mức độ kích từ b Thời gian biến đổi: Là thời gian mà giới hạn hoạt động với thời gian trễ ứng với khả từ trường phát nóng, (Hinh 28) Bộ kích từ với điện áp cao cung cấp thêm giới hạn dịng kích từ có hoặt động tức thời thông qua điều chỉnh AC với giới hạn dịng kích từ thời gian giới hạn ngắn ( khoảng 160% giá trị định mức ) Thiếu kích từ: Thiếu kích từ nguyên nhân gây nhiệt lõi stator máy phát Để bảo vệ thiếu kích từ máy phát Thường dùng giới hạn thiếu kích từ Bộ giới hạn thiếu kích từ dùng để ngăn chặn giảm kích từ máy phát tới mức mà giới hạn ổn định nhỏ ( trạng thái xác lập ) vùng giới hạn Trang 17 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC nhiệt lõi stator bị vượt Bộ giới hạn biết qua tên khác giới hạn thiếu kích từ dịng phản kháng giới hạn kích từ cực tiểu Tiến hiệu điều khiển giới hạn thiều kích từ lấy từ kết hợp điện áp dịng điện, cơng suất tác dụng công suất phản kháng máy phát Các giới hạn xác định tiến hiệu vượt giá trị đặt Có nhiều cách để bổ sung chức thực giới hạn thiếu kích từ Một số giới hạn thiếu kích từ hoặt động theo tiến hiệu sai số điện áp AVR; giới hạn thiếu kích từ khởi động, phần tử khơng tuyến tính ( ví dụ diode) bắt đầu dẫn tín hiệu ngõ giới hạn kết hợp với tiến hiệu điều khiển khác hệ thống kích từ Sự cài đặt tính giới hạn thiếu kích từ đặt tảng cho bảo vệ bảo vệ hệ thống bất ổn định cuộn dây stator phát nóng Ngồi đặc tính giới hạn cịn phối hợp với bảo vệ kích từ máy phát (Hinh 29) trình bày cách mà đặc tính giới hạn thiếu kích từ ( tượng trưng mặt phẳng P -Q thường sử dụng kết hợp với tính tốn ổn định tín hiệu nhỏ rơle chống kích từ H.29 Sự phối hợp phần tử thiếu, kích từ giới hạn ổn định Nếu giới hạn chống kích từ sử dụng chống lại vùng phát nóng, kết hợp theo cách tương tự, ngoại trừ giới hạn ổn định giới hạn phát nóng Nếu tín hiệu nhập cho giới hạn thiếu kích trừ điện áp dịng điện stator máy phát xuất đường cong đặc tính mặt phẳng P -Q (Hinh 29) Với tiến hiệu ngõ nhập công suất phản kháng cơng suất tác dụng đặc tính giới hạn đường thẳng Mạch diệt từ: Vì chỉnh lưu khơng dẫn theo chiều ngược lại nên dịng điện kích từ khơng thể âm trường hợp kích từ AC tĩnh Tr ong trường hợp cực hư hệ thống ngắn mạch, dịng cảm ứng cuộn kích từ máy phát âm Nếu dịng điện âm khơng có đường điện áp tăng cao tạo mạch từ mắc song song Vì mạch điện riêng biệt thường cung cấp để làm nhánh rẽ cho phép dịng kích từ âm qua Đây hình thức nối tắt từ trường, thường biết qua ” dập từ trường “ hoăc điện trở biến đổi Bộ dập từ trường bao gồm thyristor điện trở diệt từ nối song song với cuộn kích từ máy phát (hình 30) Cổng thyristor điều khiển chế đô điện áp tạo dịng cảm ứng ban đầu khơng lối Thyristor dẫn dịng kích từ cảm ứng qua điện trở diệt từ Trang 18 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Hình 30 Mạch diệt từ dùng dập từ trường Hình 31 Mạch diệt từ dùng điện trở biến đổi Điện trở biến đổi điện trở khơng tuyến tính nối song song với cuộn kích từ máy phát, ( hình 31) nối tắt cuộn kích từ chế độ điện áp cảm ứng cao với điện áp kích từ bình thường điện trở b iến đổi mắc song song có điện trở lớn dịng qua bỏ qua Khi điện áp hai đầu điện trở biến đổi tăng đến ngưỡng điện trở giảm theo dịng điện qua tăng lên nhanh Vì điện trở biến đổi cung cấp điện trở nhỏ làm đường dẩn cho dịng kích từ cảm ứng giới hạn điện áp hai đầu cuộn kích từ máy kích từ Trong vài trường hợp, mạch nối tắt riêng biệt bảo vệ cuộn kích từ không cung cấp Bộ dập tắt dao động kết hợp với khối sắt rotor tạo đường dẫn cho đường rotor cảm ứng Điều có khả giới hạn điện áp cảm ứng mức khả chịu đựng cuộn kích từ máy phát máy kích từ Vì cuộn kích từ khơng bị nối tắt nên khơng tải trực tiếp dịng điện hướng âm II.8 Các hạn chế bảo vệ: Những phần đ ược sử dụng để bảo vệ máy phát máy biến áp tăng để không bị hư vượt q dịng từ hố kết tần số thấp q điện áp Dịng từ hố vượt q liên tục nguyên nhân chủ yếu nhiệt Kết làm hư máy biến áp cuộn dây m áy phát Tỷ số điện áp đơn vị tương đối tần số đơn vị tương đối, xem điện áp chia cho tần số (V/Hz), đo lường đại lượng tỷ lệ với dịng từ hố Giới hạn VHz đặc trưng cho máy phát máy biến áp tăng cho bảng sau: V/Hz (đvtđ) Thời gian phá hủy (Phút) 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 Máy phát 0,2 20 ∞ Máy biến áp tăng 20 ∞ ∞ Máy biến áp tăng điện áp định mức thường nhỏ điện áp định mức máy phát 5% yêu cầu giới hạn V/Hz bảo vệ thường xác định giới hạn máy biến áp Nếu điện áp định mức máy phát máy biến áp giới hạn máy phát giới hạn nhiều Bộ giới hạn V/Hz ( điều chỉnh V/Hz) điều khiển điện áp kích từ giới hạn điện áp máy phát giá trị V/ Hz vượt trị số đặt trước Trang 19 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VMTC Bộ V/Hz bảo vệ cắt máy phát, giá trị V/Hz vượt trị số thời gian đặt trước Thông thường bảo vệ hai cấp cung cấp, cấp ứng với trị đặt V/Hz cao với thời gian ngắn hơn, cấp khác ngược lại với trị đặt V/Hz thấp với thời gian đặt dài Khi sử dụng kết hợp với giới hạn V/Hz, đáp ứng dự trữ Trang 20 ... động gắn vào trục máy phát Nó tự kích kích từ độc lập Khi kích từ độc lập, từ trường kích từ cấp kích từ nhỏ máy phát nam châm vĩnh cửu Hệ thống kích từ chiều hệ thống đời sớm nhất, khoảng từ năm... hệ thống kích từ hay máy phát bị cố Máy biến áp kích từ cuộn kháng đặt tr ong hộp hình vịng bắt dính khung máy phát Bởi nguồn lượng hệ thống kích từ tĩnh từ máy phát chính, hệ thống tự kích Máy. .. năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng chia thành ba loại dựa nguồn lượng mà kích từ sử dụng - Hệ thống kích từ chiều - Hệ thống kích từ xoay chiều - Hệ thống kích từ tĩnh II.2.1 Hệ