Tài liệu Các phần tử bảo vệ trong hệ thống điện - chương 1 docx

A GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) phần tử quan trọng hệ thống điện (HTĐ), làm việc tin cậy MFĐ có ảnh hưởng định đến độ tin cậy HTĐ Vì vậy, MFĐ đặc biệt máy có cơng suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác để chống tất loại cố chế độ làm việc khơng bình thường xảy bên cuộn dây bên ngồi MFĐ Để thiết kế tính tốn bảo vệ cần thiết cho máy phát, phải biết dạng hư hỏng tình trạng làm việc khơng bình thường MFĐ I Các dạng hư hỏng tình trạng làm việc khơng bình thường MFĐ I.1 Các dạng hư hỏng: kép) (2) - Ngắn mạch nhiều pha cuộn stator (1) Chạm chập vòng dây pha (đối với MFĐ có cuộn dây Chạm đất pha cuộn dây stator (3) Chạm đất điểm hai điểm mạch kích từ (4) I.2 Các tình trạng làm việc khơng bình thường MFĐ: - Dịng điện tăng cao ngắn mạch tải (5) - Điện áp đầu cực máy phát tăng cao tải đột ngột cắt ngắn mạch (6) Ngồi cịn có tình trạng làm việc khơng bình thường khác như: Tải khơng đối xứng, kích từ, đồng bộ, tần số thấp, máy phát làm việc chế độ động cơ, II Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện tích ), cơng suất máy phát, vai trị máy phát sơ đồ nối dây nhà máy điện với phần tử khác hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp Hiện khơng có phương thức bảo vệ tiêu chuẩn MFĐ thiết bị điện khác Tuỳ theo quan điểm người sử dụng yêu cầu độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy mà lựa chọn số lượng chủng loại rơle hệ thống bảo vệ Đối với MFĐ công suất lớn, xu lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập với nguồn điện thao tác riêng, hệ thống bao gồm bảo vệ số bảo vệ dự phịng thực đầy đủ chức bảo vệ cho máy phát Để bảo vệ cho MFĐ chống lại dạng cố nêu phần I, người ta thường dùng loại bảo vệ sau: - Bảo vệ so lệch dọc để phát xử lý xảy cố (1) - Bảo vệ so lệch ngang cho cố (2) - Bảo vệ chống chạm đất điểm cuộn dây stator cho cố (3) - Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ cho cố (4) - Bảo vệ chống ngắn mạch tải cho cố (5) - Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao cho cố (6) Ngồi dùng: Bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ so lệch, bảo vệ chống nhiệt rotor dòng máy phát không cân bằng, bảo vệ chống đồng bộ, 13 B CÁC BẢO VỆ RƠLE CHO MÁY PHÁT ĐIỆN I Bảo vệ so lệch dọc (87G) I.1 Nhiệm vụ sơ đồ nguyên lý: Bảo vệ so lệch dọc (BVSLD) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha cuộn dây stator máy phát Sơ đồ thực bảo vệ hình 1.1 Báo tín hiệu đứt mạch thứ Báo tín hiệu + MC Cắt MC 4Rth + + 1RI + 5RT - + 2RI 3RI Rf MF 52 Rf 1BI b) MF 87G a) Hình 1.1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn stator MFĐ; sơ đồ tính tốn (a) theo mã số (b) 2BI Trong đó: - Rf: dùng để hạn chế dịng điện khơng cân (IKCB), nhằm nâng cao độ nhạy bảo vệ - 1RI, 2RI, 4Rth: phát cố đưa tín hiệu cắt máy cắt đầu cực máy phát không thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec) - 3RI, 5RT: báo tín hiệu xảy đứt mạch thứ sau thời gian cần thiết (thông qua 5RT) để tránh tượng báo nhầm ngắn mạch mà tưởng đứt mạch thứ Vùng tác động bảo vệ vùng giới hạn BI nối vào mạch so lệch Cụ thể cuộn dây stator MFĐ, đoạn dẫn từ đầu cực MFĐ đến máy cắt I.2 Nguyên lý làm việc: BVSLD hoạt động theo nguyên tắc so sánh độ lệch dòng điện hai đầu cuộn dây stator, dòng vào rơle dòng so lệch: (1-1) IR = I1T - I2T = ISL Với I1T, I2T dòng điện thứ cấp BI hai đầu cuộn dây Bình thường ngắn mạch ngồi, dịng vào rơle 1RI, 2RI dịng khơng cân IKCB: ISL = I1T - I2T = IKCB < IKĐR (dòng khởi động rơle) (1-2) nên bảo vệ khơng tác động (hình 1.2a) Khi xảy chạm chập pha cuộn dây stator (hình 1.2b), dịng điện vào rơle 1RI, 2RI: 14 I ISL = I1T - I2T = N > IKĐR (1-3) nI Trong đó: - IN: dịng điện ngắn mạch - nI: tỉ số biến dòng BI Bảo vệ tác động cắt 1MC đồng thời đưa tín hiệu đến phận tự động diệt từ (TDT) Trường hợp đứt mạch thứ BI, dòng vào rơle là: I IR = F (1-4) nI ISL = IKCBT < IKĐR I1 T I1T ISL ≈ I2T IN > I KÂR nI I2T a) b) Hình 1.2: Đồ thị véctơ dịng điện mạch BVSLD a) Bình thường ngắn mạch b) Khi ngắn mạch vùng bảo vệ Dịng điện làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc có 3RI khởi động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh tượng báo nhầm trình q độ ngắn mạch ngồi có xung dịng lớn Ở sơ đồ hình 1.1, BI nối theo sơ đồ khuyết nên bảo vệ so lệch dọc không tác động xảy ngắn mạch pha pha không đặt BI Tuy nhiên bảo vệ khác tác động I.3 Tính tham số chọn Rơle: I.3.1 Tính chọn 1RI 2RI: Dịng điện khởi động rơle 1RI, 2RI chọn phải thoả mãn hai điều kiện sau: Điều kiện 1: Bảo vệ khơng tác động dịng khơng cân cực đại IKCBmax ngắn mạch vùng bảo vệ IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-5) IKCBtt = Kđn.KKCK.fi INngmax (1-6) Trong đó: - Kat: hệ số an tồn tính đến sai số rơle dự trữ cần thiết Kat lấy 1,3 - KKCK: hệ số tính đến có mặt thành phần khơng chu kỳ dịng ngắn mạch, KKCK lấy từ đến tuỳ theo biện phấp sử dụng để nâng cao độ nhạy bảo vệ - Kđn: hệ số tính đến đồng BI (Kđn = 0,5÷1) - fi: sai số tương đối BI, fi lấy 0,1 (có kể đến dự trữ, máy biến dòng chọn theo đường cong sai số 10%) - INngmax: thành phần chu kỳ dòng điện chạy qua BI thời điểm đầu ngắn mạch trực tiếp pha đầu cực máy phát Điều kiện 2: Bảo vệ không tác động đứt mạch thứ BI Lúc dịng vào rơle 1RI, 2RI: (giả sử MF làm việc chế độ định mức) I ISL = âmF (1-7) nI Dòng khởi động bảo vệ: IKĐB = K at I âmF nI (1-8) Như vậy, điều kiện để chọn dòng khởi động cho 1RI, 2RI: IKĐB = max{Kat IKCBtt; Kat IđmF } Dòng điện khởi động rơle: IKĐR = K (3) I KÂB nI (1-9) (1-10) 15 Với K(3) hệ số sơ đồ Sau tính IKĐR ta chọn loại rơle cần thiết Kiểm tra độ nhạy Kn bảo vệ: Kn = I N I KÂB (1-11) Với INmin: dòng điện ngắn mạch pha đầu cực máy phát máy phát làm việc riêng lẻ Vì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu Kn > I.3.2 Tính chọn Rơle 3RI: Dòng khởi động sơ cấp rơle 3RI phải lớn dịng khơng cân cực đại ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ Nhưng tính tốn điều kiện ổn định nhiệt rơle định Theo kinh nghiệm chọn dịng khởi động cho 3RI: IKĐS(3RI) = 0,2.IđmF (1-12) Ta tính IKĐR 3RI chọn loại rơle tương ứng I.3.3 Thời gian làm việc 5RT: Khi xảy ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ, xuất xung dịng lớn thống qua làm cho bảo vệ tác động nhầm phải chọn thời gian tác động 5RT thoả mãn điều kiện: t5RT > tcắt Nngoài (1-13) t5RT = tcắtNng + Δ t (1-14) Trong đó: - tcắtNng: thời gian lớn bảo vệ nối vào góp điện áp máy phát - Δ t: bậc chọn lọc thời gian, thường Δ t = (0,25 ÷ 0,5) sec Nhận xét: - Bảo vệ tác động ngắn mạch nhiều pha cuộn dây stator 1BI I1S I1T máy phát - Bảo vệ không tác động BIH BILV chạm chập vòng dây Vùng bảo IH pha xảy chạm đất vệ điểm cuộn dây phần tĩnh ILV RI Để tăng độ nhạy bảo vệ so I2S I2T 2BI lệch người ta sử dụng rơle so lệch có hãm Hình 1.3: Bảo vệ so lệch dịng điện có hãm cuộn dây stator MFĐ I.4 Bảo vệ so lệch có hãm: Sơ đồ bảo vệ hình 1.3 Rơle gồm có hai cuộn dây: Cuộn hãm cuộn làm việc Rơle làm việc nguyên tắc so sánh dòng điện ILV IH - Dòng điện vào cuộn làm việc ILV: - I LV = I 1T − I 2T = I SL (1-15) Dòng điện hãm vào cuộn hãm IH: IH = ⎢I1T + I2T⎢ (1-16) Khi làm việc bình thường hay ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ: Dòng điện I1T chiều với dòng I2T: ⎢I1T⎢ ≈ ⎢I2T⎢ ISL = ILV = ⎢I1T - I2T⎢ = IKCB (1-17) IH = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > ILV (1-18) nên bảo vệ không tác động Khi xảy ngắn mạch vùng bảo vệ: Dòng điện I1T ngược pha với I2T: ⎢I1T⎢ = ⎢-I2T⎢ IH = ⎢I1T - I2T⎢ ≈ ILV = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > IH (1-19) 16 bảo vệ tác động Nhận xét: - Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dòng điện ILV IH, nên độ nhạy bảo vệ cao xảy ngắn mạch bảo vệ tác động cách chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷ 20) msec - Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle có hãm ngăn chặn bảo vệ tác động nhầm ảnh hưởng bão hoà BI - Đối với máy phát điện có cơng suất lớn sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4) Ở chế độ làm việc A bình thường, dịng điện thứ cấp I1T I2T nhóm ILV B biến dịng 1BI, 2BI chạy qua I1S I2S RL1 điện trở hãm RH, tạo nên C CL RLV RL1 điện áp hãm UH, hiệu ULV dòng thứ cấp (dòng so lệch) BIG ISL chạy qua biến dòng trung ILV RL2 gian BIG, cầu chỉnh lưu CL I2T điện trở làm việc RLV tạo RL2 I1T D1 D2 BIG nên điện áp làm việc ULV IH Giá trị điện áp UH > ULV, ILV RH/2 Đến RG bảo vệ không tác động UH RH/2 đầu Hình 1.4: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ công suất lớn Khi ngắn mạch vùng bảo vệ, điện áp ULV >> UH, dòng điện chạy qua rơle RL1 làm rơle tác động đóng tiếp điểm RL1 lại Dịng điện làm việc sau nắn chạy qua rơle RL2, RL2 đóng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu cấp nguồn thao tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL1 RL2 cắt máy cắt đầu cực máy phát Ngoài ra, người ta dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5) Rơle so lệch RU sơ đồ có tổng trở lớn tác động theo điện áp so lệch USL, chế độ làm việc bình thường ngắn mạch ngồi, biến dịng 1BI, 2BI (được chọn giống nhau) có dịng điện máy phát qua sức điện động E1 E2 ngược pha nhau, L1 = L2, phân bố điện áp mạch hình 1.5b IN 1BI 2BI E1 USL 1BI a) c) R1 E1 L1 E1 USL USL RSL E1 L2 E1 E2 L1 USL R2 RSL USL E1 E2 E2=0 USL R1 USL = b) L1 R2 RSL R2 R1 N L2 E2 E2 d) Hình 1.5: Bảo vệ so lệch dùng rơle tổng trở cao cho MFĐ a) Sơ đồ nguyên lý b) Mạch điện đẳng trị phân bố điện áp chế độ làm việc bình thường c) nhóm 2BI bị bão hoà ngắn mạch hoàn toàn d) có ngắn mạch 17 Trị số điện áp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ điện trở R1 R2 Điện trở R1, R2 gồm điện trở cuộn dây thứ cấp dây dẫn phụ nối hai nhóm biến dịng 1BI 2BI, với R1 = R2 ⇒ USL = Khi xảy ngắn mạch vùng bảo vệ: * Trường hợp máy phát làm việc biệt lập với hệ thống: Dòng điện qua 1BI dòng máy phát Dịng điện qua 2BI khơng E2 = Điện áp đặt lên rơle so lệch RU hình 1.5c: I "N (R1 + R ) U SL1 = nI (vì RSL >> R2) (1-20) Trong đó: " - I N : trị hiệu dụng dòng siêu độ ngắn mạch đầu cực máy phát với: I "N = I(3)Nngmax = I(3)Nđầu cực MF - nI: tỷ số biến dòng BI - RSL: điện trở mạch so lệch (gồm rơle dây nối) * Trường hợp máy phát nối với hệ thống: Khi điểm ngắn mạch, ngồi dịng điện thân máy phát cung cấp I " cịn có thêm thành phần dịng điện hệ thống đổ NF I " Mạch điện đẳng trị phân bố điện áp hình 1.5d Giá trị điện áp đặt lên rơle so NH lệch RU: (I "NF + I "NH ).(R1 + R ) U SL2 = nI (1-21) K at I "N (R1 + R ) UKĐR = Kat.USL1 = nI (1-22) Để đảm bảo tính chọn lọc, điện áp khởi động rơle so lệch RU phải chọn lớn min{USL1; USL2}, nghĩa là: Với Kat = (1,15 ÷ 1,2) hệ số an toàn Thời gian tác động bảo vệ thường: t = (15 ÷ 20) msec Nhận xét: - Đối với MFĐ có cơng suất lớn, số thời gian tắt dần thành phần chiều dịng điện ngắn mạch đạt đến hàng trăm msec, gây bão hòa mạch từ máy biến dòng làm chậm tác động bảo vệ có ngắn mạch vùng bảo vệ Vì cần phải sử dụng sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước xảy bão hòa mạch từ máy biến dòng, tức là: tbh > tbv, với tbv thời gian cắt ngắn mạch bảo vệ; tbh thời gian bão hoà mạch từ BI 18 I.5 Bảo vệ khoảng cách (21): Đối với MFĐ công suất lớn người ta thường sử dụng bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phòng cho BVSL (hình 1.6a) X TG jX UF ZKĐ BA BU U XB RZ F jXKĐ tII Δt I RKĐ tI = (0,4 ÷ 0,5) sec XF BI R 0,7XB t a) b) Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý (a); đặc tính thời gian (b) đặc tuyến khởi động (c) bảo vệ khoảng cách cho MFĐ Vì khoảng cách từ MBA đến máy cắt cao áp ngắn, để tránh tác động nhầm ngắn mạch MBA, vùng thứ bảo vệ khoảng cách chọn bao gồm điện kháng MFĐ khoảng 70% điện kháng MBA tăng áp (để bảo vệ hoàn toàn cuộn hạ MBA), nghĩa là: I Z kđ = ZF + 0,7.ZB (1-23) Thời gian làm việc vùng thứ thường chọn tI = (0,4 ÷ 0,5) sec (hình 1.6b) Vùng thứ hai thường bao gồm phần lại cuộn dây MBA, dẫn đường dây truyền tải nối với góp liền kề Đặc tuyến khởi động rơle khoảng cách có dạng vịng trịn với tâm góc toạ độ hình bình hành với độ nghiêng cạnh bên độ nghiêng véctơ điện áp UF hình 1.6c II Bảo vệ so lệch ngang (87G) Các vòng dây MFĐ chập thường nguyên nhân hư hỏng cách điện dây quấn Có thể xảy chạm chập vòng dây nhánh (cuộn dây đơn) vòng dây thuộc hai nhánh khác pha, dòng điện vòng dây bị chạm chập đạt đến trị số lớn Đối với máy phát điện mà cuộn dây stator cuộn dây kép, có số vịng dây chạm sức điện động cảm ứng hai nhánh khác tạo nên dòng điện cân chạy quẩn mạch vòng cố đốt nóng cuộn dây gây hư hỏng nghiêm trọng Trong nhiều trường hợp xảy chạm chập vòng dây pha BVSLD khơng thể phát được, cần phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng cố 19 KĐ RL R I1S R LV I*LV Cắt MC H 1BI I2S ILV BILV ILV = IH 2BI IH BIH I2T I1T a) b) ILV = f(IH) I*H Hình 1.7: Bảo vệ so lệch ngang có hãm (a) đặc tính khởi động (b) Đối với MFĐ cơng suất vừa nhỏ có cuộn dây đơn, lúc chạm chập vòng dây pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống chạm đất tác động (trường hợp không cần đặt bảo vệ so lệch ngang) Với MFĐ công suất lớn, cuộn dây stator làm dẫn quấn kép, đầu nhánh đưa nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ dàng Người ta dùng sơ đồ bảo vệ riêng chung cho pha II.1 Sơ đồ bảo vệ riêng cho pha: (hình 1.7, 1.8) Trong chế độ làm việc bình thường ngắn mạch ngồi, sức điện động nhánh cuộn dây stator nên I1T = I2T Khi đó: ⎢IH⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-24) ISL =⎢ILV⎢=⎢I1T - I2T⎢ = IKCB (1-25) ⇒ IH > ILV nên bảo vệ không tác động 87G 87G 87G Khi xảy chạm chập vòng dây hai nhánh khác pha, giả thiết chế độ máy phát chưa mang tải, ta có: I1T = -I2T Hình 1.8: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang theo mã số ⎢IH⎢ = ⎢I1T - I2T⎢ = IKCB ⎢ ILV⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-26) ⇒ ILV > IH nên rơle tác động cắt máy cắt đầu cực máy phát II.2 Sơ đồ bảo vệ chung cho pha: (hình 1.9) Trong sơ đồ BI đặt hai điểm nối trung tính nhóm nhánh cuộn dây stator, thứ cấp BI nối qua lọc sóng hài bậc ba L3f dùng để giảm dịng khơng cân vào rơle 20 A B C Báo tín hiệu T + RI + Lf3 a) Rth RT O1 C - O2 Hình 1.9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho pha MFĐ, sơ đồ tính tốn (a) theo mã số (b) b) Cắt 1MC BI 87 CN: cầu nối, bình thường CN vị trí bảo vệ tác động không thời gian Khi máy phát chạm đất điểm mạch kích từ (khơng nguy hiểm), CN chuyển sang vị trí lúc bảo vệ tác động có thời gian để tránh tác động nhầm chạm đất thoáng qua điểm thứ mạch kích từ II.2.1 Nguyên lý hoạt động: Bảo vệ hoạt động nguyên lý so sánh V1 V2 trung điểm O1 O2 nhánh song song cuộn dây * Ở chế độ bình thường ngắn mạch ngồi: U12 = V1 - V2 ≈ (1-27) nên khơng có dịng qua BI bảo vệ khơng tác động (cầu nối vị trí 1) * Khi xảy chạm chập điểm mạch kích từ, máy phát trì vận hành phải chuyển cầu nồi sang vị trí để tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm ngắn mạch thoáng qua điểm thứ mạch kích từ * Khi cố (chạm chập vòng dây): U12 = V1 - V2 ≠ (1-28) nên có dịng qua BI bảo vệ tác động cắt máy cắt II.2.2 Dòng khởi động rơle: Dòng điện khởi động bảo vệ xác định theo công thức: IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-29) Thực tế việc xác định dịng khơng cân tính tốn IKCBtt tương đối khó, nên thường xác định theo công thức kinh nghiệm: IKĐB = (0,05 ÷ 0,1).IđmF (1-30) ⇒ IKĐR = I KÂB nI (1-31) từ chọn loại rơle cần thiết II.2.3 Thời gian tác động bảo vệ: Bình thường bảo vệ tác động khơng thời gian (cầu nối CN vị trí 1) Khi chạm đất điểm thứ mạch kích từ cầu nối CN chuyển sang vị trí Thời gian tác động rơle RT xác định sau: 21 tRT = tBV điểm ktừ + Δt (1-32) Trong đó: - tBV điểm ktừ: thời gian tác động bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ - Δt: bậc chọn thời gian, thường lấy Δt = 0,5 sec Nhận xét: - Bảo vệ so lệch ngang làm việc ngắn mạch nhiều pha cuộn dây stator Tuy nhiên khơng thể thay hồn tồn cho BVSLD ngắn mạch đầu cực máy phát bảo vệ so lệch ngang không làm việc - Bảo vệ tác động chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ (nếu bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ khơng tác động) không đối xứng từ trường làm cho V1 ≠ V2 III Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator (50/51n) Mạng điện áp máy phát thường làm việc với trung tính cách điện với đất nối đất qua cuộn dập hồ quang nên dịng chạm đất khơng lớn Tuy vậy, cố điểm cuộn dây stator chạm lõi từ lại thường xảy ra, dẫn đến đốt cháy cách điện cuộn dây lan rộng cuộn dây bên cạnh gây ngắn mạch nhiều pha.Vì vậy, cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất điểm cuộn dây stator Dòng điện chỗ chạm đất trung điểm cuộn dây máy phát không nối đất là: I (1) = Âα Trong đó: - α U p (1-33) 2 rqâ + X C0Σ α: số phần trăm cuộn dây tính từ trung điểm đến vị trí chạm đất (α ≤ 1) Up: điện áp pha máy phát rqđ: điện trở độ chỗ cố X C0Σ : dung kháng pha đẳng trị tất phần tử mạng điện áp máy phát X C0Σ = j.ω.C0 ∑ Nếu bỏ qua điện trở độ chỗ cố (rqđ = 0), dòng chạm đất bằng: I (1) = 3.α.ω.C0Σ.Up Âα (1-34) Khi chạm đất xảy đầu cực máy phát (α = 1) dòng chạm đất đạt trị số lớn nhất: I (1) max = 3.ω.C0Σ.Up Âα (1-35) Nếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn dập hồ quang (CDHQ), theo quy định số nước, CDHQ cần phải đặt khi: I (1)max ≥ 30 A mạng có U = kV Â I (1)max ≥ 20 A mạng có U = 10 kV Â I (1)max ≥ 15 A mạng có U = (15 ÷ 20) kV Â I (1)max ≥ 10 A mạng có U = 35 kV Â (1) Kinh nghiệm cho thấy dòng điện chạm đất I Â ≥ 5A có khả trì tia lửa điện chỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây lõi thép chỗ cố, bảo vệ cần phải tác động cắt máy phát Phần lớn cố cuộn dây stator chạm đất pha cuộn dây cách điện nằm rãnh lõi thép Để giới hạn dịng chạm đất trung tính máy phát thường nối đất qua tổng trở Các phương pháp nối đất trung tính trình bày hình 1.10 Nếu tổng trở trung tính đủ lớn dịng chạm đất giới hạn nhỏ dịng điện định mức máy phát Khơng có cơng thức tổng qt cho giá trị tối ưu tổng trở giới hạn dịng Nếu tổng trở trung tính q cao, dịng chạm đất bé làm cho rơle khơng tác động Ngồi điện trở lớn xuất hiện tượng cộng hưởng độ cuộn dây với đất đường dây kết nối Để tránh tượng tính chọn điện trở trung tính cực đại 22 Nguồn điện áp phụ xoay chiều tần số 50Hz đặt vào mạch trung tính cuộn dây máy kích thích xoay chiều ba pha thân rotor MFĐ thơng qua vành góp chổi than S1, S2 Bộ lọc tần số LF cho tần số công nghiệp chạy qua rơle đo điện dẫn RY để loại trừ ảnh hưởng hài bậc cao phép đo Điện dẫn mà rơle RY đo chủ yếu xác định theo điện trở RĐ điện dung CĐ đất mạch kích từ Trên hình 1.25 trình bày quỹ đạo nút véctơ tổng trở Z mà rơle đo cho hai trường hợp: Khi RĐ = const, CĐ = var CĐ = const, RĐ = var Rơle RY chỉnh định với hai mức tác động: mức cảnh báo với đặc tính khởi động mức tác động cắt máy phát với đặc tính khởi động Đặc tính bọc lấy phần góc phần tư thứ hai thứ ba mặt phẳng tọa độ để đảm bảo cho bảo vệ tác động cách chắn có chạm đất trực tiếp (RĐ ≈ 0) Sơ đồ bảo vệ hình 1.24 có số nhược điểm là: có mặt chổi than S1, S2 làm cho độ tin cậy sơ đồ không cao trị số điện trở tiếp xúc RĐ=0 CR= R ảnh hưởng đến trị số đo rơle Ngồi thân hệ thống kích CĐ= ∞ thích chiều ảnh hưởng đến làm việc bảo CĐ= const vệ điện dung mạch kích RĐ=var RĐ / thích đất CĐ lớn, điện trở rị RĐ lớn đo 10 kΩ Để khắc phục nhược điểm XĐ/ RĐ= const người ta dùng sơ đồ với RĐ= ∞ X CĐ= Var Đ nguồn điện phụ chiều xoay chiều với tần số thấp có dạng sóng hình chữ nhật jX Hình 1.25: Đặc tính biến thiên tổng trở đất mạch kích từ đặc tính tác động Rơle đo điện dẫn để chống chạm đất mạch roto MFĐ đồng 1- đặc tính cắt; 2- đặc tính cảnh báo Trên hình 1.26 trình bày nguyên lý phát chạm đất cuộn dây rotor MFĐ kích thích từ nguồn điện tự dùng qua chỉnh lưu Thyristor dùng nguồn tín hiệu sóng chữ nhật có tần số 1Hz Các điện trở phụ R1, R2 chọn có số lớn so với điện trở RM để tạo điện áp UM đặt vào phận đo lường M Dòng điện nguồn điện phụ U tạo bằng: U I= (1 -51) RÂ + RM + R R1.R R1 + R Lưu ý RM 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) (I) (II) + jX Miền kích thích (E > 0, Q > 0) Zpt (IV) B T Hệ thống U Miền thiếu kích thích (E < 0, Q < 0) a) ZF (III) +Q - jX I, Q R 0,5X’d Xd E A b) Giới hạn phát nóng cuộn rotor c) Hình 1.33: Mất kích từ MFĐ a) thay đổi hướng công suất Q b) thay đổi tổng trở đo cực máy phát c) giới hạn thay đổi công suất máy phát -Q Miền làm việc bình thường Giới hạn phát nóng cuộn stator P (MW) Giới hạn phát nóng mép lõi thép stator 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 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 UBC đưa qua biến áp trung gian BUG cho điện thứ cấp lấy đại lượng a.UBC b.UBC (với b > a) tương ứng với điểm 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 900 Hiệu dịng điện pha B C thơng qua biến dòng cảm kháng BIG tạo nên điện áp phía thứ cấp UD vượt trước dịng điện IBC góc 900 Như góc lệch pha hai véctơ điện áp UD UBC 1800 (hình 1.34) Điện áp đưa vào biến đổi dạng sóng (hình sin sang hình chữ nhật) S1 S2 tương ứng bằng: U1 = a U BC − U D (1-65) U = b U BC − U D (1-66) 41 Góc lệch pha α U U kiểm tra Ở chế độ bình thường α = 00, rơle khơng làm0 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 U BC > U D > a U BC A B BUG C U2 ~ BU (1-67) S1 & U1 ∫ S1 ~ aUBC S3 S4 Cắt RL MFĐ -1 bUBC IB UD IC -U1 U1 t BIG a) U2 UA IB S1 IA t I BC U BC S2 UC UB t IC S3 = - S1.S2 I BC t b U BC UD b) S4 = ∫S3 α t U BC c) a U BC αkđ Tín hiệu cắt t 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 Khi kích thích, góc pha dịng điện thay đổi, góc lệch pha α kiểm tra thông qua độ dài tín hiệu S3 = - S1.S2 Nếu α > αkđ (hình 1.34c) bảo vệ tác động cắt máy phát khoảng thời gian từ (1 ÷ 2) sec VIII BẢO VỆ CHỐNG MẤT ĐỒNG BỘ Bảo vệ chống đồng đơi 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 trơng hệ thống điện cố kéo dài cắt số đường dây hệ thống Hậu việc đồng gây nên dao động công suất hệ thống làm ổn định kéo theo tan rã hệ 42 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 +jX Dao động điện B (ngắn mạch) C (cắt ngắn mạch) A (bình thường) Z R 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 giới 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 phịng cho phận Thay đặc tuyến tổng trở kết hợp và2 hình 1.36 người ta sử dụng đặc tuyến hình chữ nhật hình 1.38 để phát dao động điện 2BU +jX ’ X XH 2BI N M ϕ P Cắt BA & MC 1BU R F 1BI -ZF I U U IC Z< HÌNH 1.36: Đặc tính khởi động hình thấu kính để phát dao động điện X< HÌNH 1.37: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống trượt cực từ (dao động điện) 43 I* 2,5 +jX 0,9XB (cuộn dây stator) 1,5 R 1 (cuộn dây rotor) X’dF HÌNH 1.38: Đặc tính khởi động hình chữ nhật để phát dao động điện 10 300 t (sec) HÌNH 1.39: Quan hệ mức tải thời gian tải cho phép cuộn dây máy phát IX 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 dòng 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 Yêu cầu rơle hướng công 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) Với máy phát điện Turbine hơi, cơng suất khởi động ΔPkđ bằng: ΔPkđ = (0,01 ÷ 0,03)Pđm (1-68) Với máy phát thuỷ điện Turbine khí: (1-69) ΔPkđ = (0,03 ÷ 0,05)Pđm Để đảm bảo độ nhạy bảo vệ cho máy phát công suất lớn, mạch dòng điện bảo vệ thường đấu vào lõi đo BU Cấp lường máy biến dòng (thay cho lõi bảo vệ thường 92 2II dùng cho thiết bị khác) Cắt Bảo vệ chống cơng suất Cấp ngược thường có hai cấp tác động: cấp với thời 2I & gian khoảng (2 ÷ 5) sec sau van STOP khẩn cấp làm F việc cấp thứ với thời gian cắt máy khoảng vài chục giây không qua tiếp điểm van STOP (hình 1.40) BI Van STOP HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống công suất ngược 44 X Một số sơ đồ bảo vệ máy phát điện dùng rơle số X.1.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện cơng suất trung bình (≤ 1MW): Phương án 1: gian gian rotor Sơ đồ sử dụng bảo vệ sau: - 51: bảo vệ q dịng có thời gian - 51N: bảo vệ q dịng chống chạm đất có thời - 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch - 49: rơle nhiệt độ Phương án 2: hình 1.42 - 51: bảo vệ q dịng có thời gian - 51N: bảo vệ q dịng chống chạm đất có thời - 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch 64: bảo vệ chống chạm đất cuộn dây - 32: rơle định hướng cơng suất - 40: rơle phát kích từ máy phát điện X 2.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện cơng suất lớn (> 1MW): (hình 1.43) Sơ đồ sử dụng bảo vệ sau: - 51: bảo vệ q dịng có thời gian - 51N: bảo vệ q dịng chống chạm đất có thời gian - 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch - 32: rơle định hướng cơng suất - 40: rơle phát kích từ máy phát điện - 49: rơle nhiệt độ - 87,87N: rơle so lệch chống chạm pha chạm đất - 27: rơle điện áp thấp - 59: rơle điện áp - 81: rơle tần số - 64F: chống chạm đất cuộn dây rotor Hình 1.41 52 64 51 32 46 40 51N Hình 1.42 X.3 Sơ đồ bảo vệ MFĐ-MBA: Phương án 1: hình 1.44 - 87U: bảo vệ so lệch dọc chung cho máy phát MBA tăng áp MBA tự dùng - 87T: bảo vệ so lệch dọc MBA tăng áp MBA tự dùng - 51: bảo vệ q dịng có chỉnh định thời gian - 51N: bảo vệ dòng chống chạm đất có thời gian - 63: rơle áp suất dùng cho MBA - 71: rơle dùng cho MBA - 64R, 64R2: bảo vệ chống chạm đất điểm điểm mạch kích từ - 51N, 59N: bảo vệ chống chạm đất cuộn dây rotor - 87G: bảo vệ so lệch chống chạm pha máy phát - 49S: bảo vệ nhiệt cuộn dây stator - 59: rơle điện áp - 81N: rơle tần số - 24: rơle từ 78: rơle kiểm tra đồng - 40: rơle phát kích từ máy phát điện - 21: rơle khoảng cách - 32: rơle định hướng công suất 45 Phương án 2: hình 1.45 52 27 27 81 87 64F 87N 59 32 51 46 40 49 51N Hình 1.43 63 71 87T 51N 87U 59 24 49S 78 81N E 40 87G 51 87T 63 32 64R2 46 64R 21 71 59N 51N HÌNH 1.44: Sơ đồ bảo vệ máy phát máy biến áp 46 51N MC 220kV CSV 51N T1 63 50 87T 51 87T 63 6,3kV MC Kiểm tra cách điện MC lưới Mạch tự động kích thích 21 59 TU 87G G 50 40 51 TE1 64 46 50 51 81 Đồng hồ đo lường HÌNH 1.45: SƠ Đồ BảO Vệ Bộ MÁY PHÁT VÀ MÁY ế Á 47 48 ... ILV = ⎢I1T - I2T⎢ = IKCB ( 1- 1 7) IH = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > ILV ( 1- 1 8) nên bảo vệ không tác động Khi xảy ngắn mạch vùng bảo vệ: Dòng điện I1T ngược pha với I2T: ⎢I1T⎢ = ⎢-I2T⎢ IH = ⎢I1T - I2T⎢... ⎝ âmF ⎠ ( 1- 6 4) 39 52 Cảnh báo Cắt MC t1 t1 30 51 LI2 51 HÌNH 1. 31: Bảo vệ dịng điện TTN cho máy phát I*2 I*2 0,6 0,5 0,4 t2 IKĐ2 0,4 0,3 0,3 0,2 0 ,1 t1 10 0 ,1 10 10 10 t (sec) IK? ?1 a) 10 t (sec)... phát điện X 2.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện công suất lớn (> 1MW): (hình 1. 43) Sơ đồ sử dụng bảo vệ sau: - 51: bảo vệ q dịng có thời gian - 51N: bảo vệ dòng chống chạm đất có thời gian - 46: bảo vệ