Giả sử ngắn mạch xảy ra giữa các pha B và C nhƣ hình 1.39.
Hình 1. 39 Sơ đồ ngắn mạch hai pha MPĐB
Ta có: U. B U. C (1-65) . A I 0 (1-66) . . B C I I 0 (1-67)
Để tìm trị số của dòng điện ngắn mạch hai pha trƣớc hết ta cộng các phƣơng
trình (1-48) kết hợp với (1-65), (1-66) và (1-67) ta đƣợc: . 0 U 0 . 0 I 0 (1-68) . . 1 2 I I 0
Từ (1-65), U. BU. C 0 đem thay vào các phƣơng trình (1-49) có U.1U. 2 Thay kết quảđó vào (1-50) suy ra
. . 0 1 2 1 E (Z Z ) I Hay . . . 0 1 2 1 2 E I I Z Z B C A n1 I x σ C I x σ A I x σ C U x σ A U x σ . B U xσ B I x σ
Và . . . . . . . . 0 2 2 n1 B C 1 2 1 1 1 2 j 3 E I I I a I a I (a a) I j 3 I Z Z (1-69)
Mạch điện thay thế cho trƣờng hợp ngắn mạch hai pha nhƣ ở hình 1.40
Hình 1. 40 Mạch điện thay thế khi ngắn mạch hai pha MPĐB
Từ những kết quả có đƣợc khi phân tích các trƣờng hợp ngắn mạch một pha, ngắn mạch hai pha và vì Z1 > Z2 > Z0 nên theo các biểu thức (1-64) và (1-69) thì với trị số E0 nhƣ nhau dòng điện In1 > In2. Nhƣ vậy dòng điện ngắn mạch một pha có trị số lớn hơn. Nguyên nhân là khi xảy ra ngắn mạch một pha tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng chỉ do một pha tạo nên, dòng điện ngắn mạch sẽ lớn. Khi số pha ngắn mạch tăng lên thì tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng cũng tăng và dòng điện ngắn mạch sẽ giảm xuống.
1.6 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song
Trong mỗi nhà máy điện thƣờng đặt nhiều máy phát điện đồng bộ và các nhà máy thƣờng đều làm việc trong một hệ thống điện lực. Nhƣ vậy trong hệ thống điện lực có rất nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song. Việc nối các máy phát điện làm việc chung trong hệ thống điện lực là cần thiết vì ƣu điểm của nó là nâng cao đƣợc các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật khi thiết kế và vận hành. Khi các máy phát làm việc trong cùng hệ thống điện lực sẽ giảm bớt vốn đầu tƣ để đặt máy phát điện dự phòng sự cố và sửa chữa, đảm bảo cung cấp điện an toàn, liên tục. Ngoài ra còn có thể sử dụng hợp lý các nguồn năng lƣợng nhƣ trong mùa mƣa lũ cho nhà máy thủy điện làm việc với công suất lớn đồng thời giảm bớt công suất cho nhà máy nhiệt điện, do đó tiết kiệm đƣợc nhiên liệu trong thời gian đó.
Trong mục này sẽ trình bày vấn đề ghép các máy phát điện làm việc song song với nhau và vấn đề điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện khi nó làm việc trong hệ thống điện lực có công suất lớn và khi nó làm việc song song với một máy phát điện khác có công suất tƣơng tự.
1.6.1 Ghép máy phát điện đồng bộ làm việc song song
Khi ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong hệ thống điện lực hoặc với một máy phát điện đồng bộ khác, để tránh dòng điện xung và các momen
~ Z1 Z2 . 0 E . 1 I . 2 I . 2 U . 1 U U1 = U 2
điện từ có trị số rất lớn có thể sinh ra sự cố làm hỏng máy và các thiết bị điện khác, gây rối loạn trong hệ thống điện thì các trị số tức thời của điện áp máy phát điện và hệ thống điện lực phải luôn bằng nhau. Muốn vậy phải đảm bảo các điều kiện sau đây:
+ Điện áp của máy phát điện UF phải bằng điện áp của lƣới điện UL;
+ Tần số của máy phát điện fF phải bằng tần số của lƣới điện fL;
+ Thứ tự pha của máy phát điện phải giống thứ tự pha của lƣới điện; + Điện áp của máy phát điện và của lƣới phải trùng pha nhau.
Nếu không đảm bảo đúng các điều kiện nói trên khi ghép song song máy phát điện có thể xảy ra sự cố nghiêm trọng. Thí dụ nhƣ khi đóng cầu dao mà điện áp của máy phát điện và của lƣới lệch pha nhau 1800
thì tƣơng đƣơng với nốingắn mạch máy phát điện với điện áp UF - UL = 2UF; dòng điện xung khi đóng cầu dao có thể lớn gấp hai lần dòng điện ngắn mạch thông thƣờng; lực và momen điện từ sẽ gấp bốn lần sẽ phá hỏng dây quấn, kết cấu thép, lõi thép, trục,… của máy phát điện.
Điều chỉnh điện áp UF của máy phát điện đồng bộ đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy.
Điều chỉnh tần số fF đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi momen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện.
Thứ tự pha của máy phát điện thƣờng chỉ đƣợc kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và hòa đồng bộ với lƣới lần đầu.
Sự trùng pha giữa điện áp của máy phát điện và của lƣới đƣợc kiểm tra bằng đèn, vôn kế có chỉ số không hoặc dụng cụ đo đồng bộ.
Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện nói trên là hòa đồng bộ chính xác máy phát điện. Trong một số trƣờng hợp có thể hòa đồng bộ không chính xác (tự đồng bộ), nghĩa là không phải so sánh tần số, trị số góc pha các điện áp của máy phát điện cần đƣợc ghép song song và lƣới điện.
1) Các phương pháp hòa đồng bộ chính xác
Để ghép máy phát điện vào làm việc song song với lƣới điện bằng phƣơng pháp hòa đồng bộ chính xác, có thể dùng hòa đồng bộ kiểu ánh sáng đèn hoặc hòa đồng bộ kiểu điện từ.
a) Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu ánh sáng đèn.
Phƣơng pháp này dùng cho các máy phát điện đồng bộ công suất nhỏ và đƣợc thực hiện với kiểu nối tối hoặc với kiểu ánh sáng đèn quay nhƣ hình 1.41.
Trong sơ đồ F1 là máy phát điện đang làm việc, F2 là máy phát điện cần ghép song song với F1. Bộ đồng bộ kiểu ánh sáng đèn hình thành bằng các bóng đèn 1, 2 và 3.
Khi hòa đồng bộ theo kiểu nối tối (hình 1.41a), mỗi ngọn đèn 1,2,3 của bộ đồng bộ đƣợc nối giữa hai đầu tƣơng ứng với bộ cầu dao D2. Trong quá trình hòa
đồng bộ thƣờng phải điều chỉnh đồng thời điện áp UF và tần số fF của máy phát điện F2. Vôn kế V có cầu dao đổi nối kiểm tra điều kiện UF = UL (điện áp của lƣới điện đồng thời là điện áp của máy phát điện F1 đang làm việc). Bộ đèn kiểm tra tần số và thứ tự pha. Khi tần số fF ≠ fL thì điện áp UF – UL đặt vào đèn 1, 2, 3 sẽ có tần số fF - fL. Nếu thứ tự pha của máy phát điện và của lƣới điện giống nhau thì cả ba bóng đèn sẽ lần lƣợt cùng tối và cùng sáng với mức độ sáng nhƣ nhau với tần số fF ≠ fL.
Khi hòa đồng bộ theo kiểu ánh sáng quay (hình 1.41b) thì hai trong ba bóng
đèn thí dụ đèn 2, 3 phải đƣợc nối với các đầu không tƣơng ứng của cầu dao D2.
Trong quá trình ghép song song nếu thứ tự pha giống nhau thì khi fF ≠ fL các đèn 1, 2, 3 sẽ lần lƣợt sáng và tối tạo thành ánh sáng đèn “quay”. Vì điện áp đặt vào các đèn đó sẽ không bằng nhau và thay đổi lần lƣợt trong phạm vi 0 ≤ U ≤ 2UF nhƣ
trên hình 1.42a. Khi fF > fL, ánh sáng quay theo một chiều nhất định thì khi fF < fL
ánh sáng quay theo chiều ngƣợc lại. Tốc độ quay nhanh hay chậm tùy vào sự khác nhau giữa fF và fL. Điều chỉnh cho tốc độ ánh sáng quay thật chậm (fF ≈ fL) và đợi cho đến khi đèn không nối chéo (đèn 1) tắt hẳn và các đèn nối chéo (2 và 3) sáng nhƣ nhau ứng với lúc các điện áp của máy phát điện và lƣới điện trùng pha nhau thì đóng cầu dao D2. a) b) F2 V UF; fF it1 it2 + + - - D1 F2 V it1 it2 + + - - 2 1 3 D1 F1 F1 D2 1 2 3 D2 UF; fF UL; fL UL; fL A B C A B C
Hình 1. 41 Sơ đồ hòa đồng bộ máy phát điện
Cần chú ý rằng khi hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu đèn, nếu theo sơ đồ nối tối mà đƣợc kết quả là ánh sáng quay hoặc nếu theo sơ đồ kiểu ánh sáng quay mà kết quả đƣợc đèn cùng sáng hoặc cùng tối thì nhƣ vậy là thứ tự pha của máy phát điện khác với thứ tự pha của lƣới điện. Trong trƣờng hợp đó phải đổi hai trong ba đầu dây tức là hai trong ba pha của máy phát điện với cầu dao D2.
Hình 1. 42Đồ thị véctơ điện áp
a- Nối “tối”, b- Nối theo kiểu ánh sáng “quay”
b) Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ
Trong các nhà máy điện có đặt các máy phát điện công suất lớn, để kiểm tra các điều kiện ghép song song máy phát điện vào lƣới điện ngƣời ta thƣờng dụng cột đồng bộ kiểu điện từ. Cột đồng bộ gồm ba dụng cụ đo sau: Một vôn kế có hai kim, một kim chỉ điện áp UF của máy phát điện, một kim chỉ điện áp UL của lƣới điện; một tần số kế có hai dãy phiến rung để chỉ đồng thời tần số fF của máy phát điện và tần số fL của lƣới và một dụng cụ đo làm việc theo nguyên lý từ trƣờng quay có kim quay với tần số fF - fL. Tốc độ quay của kim phụ thuộc vào trị số fF - fL và chiều quay của kim thuận hoặc ngƣợc chiều kim đồng hồ tùy thuộc theo fF > fL hoặc ngƣợc lại. Khi fF = fL thì kim quay thật chậm thì thời điểm đóng cầu dao là lúc kim trùng với đƣờng thẳng đứng và hƣớng lên trên.
Việc hòa đồng bộ chính xác máy phát điện đòi hỏi nhân viên thao tác phải thật thành thạo và tập trung chú ý cao độ để tránh nhầm lẫn nhất là khi trong hệ thống điện lực đang có sự cố. Để giảm nhẹ công việc của nhân viên thao tác và tránh nhầm lẫn có thể xảy ra sự cố, có thể dụng bộ hòa đồng bộ tự động giúp điều chỉnh tự động UF và fF
của máy phát điện và tự động đóng cầu dao khi các điều kiện ghép song song đã đƣợc đảm bảo. Tuy nhiên vì khi trong lƣới điện có sự cố, điện áp và tần số của lƣới luôn thay đổi nên quá trình hòa đồng bộ tự động thƣờng kéo dài từ năm đến mƣời phút hoặc
. FB U . LB U . 2 ΔU . FC U . LC U . 3 ΔU a) F ω ωL . FA U . LA U . 1 ΔU F ω ωL . LA U . FA U . LB U . LC U . FC U . FB U . 3 ΔU. 3 ΔU . 2 ΔU b) . 1 U
lâu hơn nữa. Vì thế gần đây trong một số trƣờng hợp ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp tự đồng bộ.
2) Phương pháp tự đồng bộ
Việc ghép máy phát điện làm việc song song với lƣới điện theo phƣơng pháp tự đồng bộ đƣợc tiến hành nhƣ sau: Đem quay máy phát điện không đƣợc kích
thích (UF = 0) với dây quấn kích thích đƣợc nối tắt qua điện trở triệt từ đến tốc độ sai khác với tốc độ đồng bộ khoảng 2% rồi không cần kiểm tra tần số, trị số và góc pha của điện áp cứ việc đóng cầu dao ghép máy phát điện và lƣới điện. Sau đó lập tức cho kích thích máy phát điện và do tác dụng của momen đồng bộ, máy phát điện đƣợc lôi vào tốc độ đồng bộ (fF = fL), quá trình ghép máy phát điện làm việc song song với lƣới điện đƣợc hoàn thành.
Cần chú ý rằng việc đóng cầu dao đối với máy phát điện chƣa đƣợc kích thích vào lƣới điện có điện áp UL tƣơng ứng với trƣờng hợp ngắn mạch đột nhiên của lƣới điện. Vì ngoài tổng trở của bản thân máy phát điện còn có tổng trở khác của lƣới điện (máy biến áp tăng áp, đƣờng dây,...) nên dòng điện chạy trong máy phát điện không vƣợt quá ba hoặc bốn lần dòng điện định mức. Hơn nữa dây quấn kích thích đƣợc nối qua điện trở triệt từ nên dòng điện xung quá độ giảm rất nhanh. Hình 1.43 cho thấy sự biến thiên của U, I và it khi đóng cầu dao ghép máy phát điện vào lƣới điện bằng phƣơng pháp tự đồng bộ. Phƣơng pháp tự đồng bộ đƣợc phép sử dụng trong trƣờng hợp Ixg < 3,5Iđm.
Hình 1. 43Sự biến đổi của U*; I*; it*của máy phát 100000 kW khi tự hòa đồng bộ vào lƣới điện
Sau khi hòa đồng bộ cần chú ý:
U* I* it* U* 0 1 2 3 40 80 120 160 I * it*
- Với trƣờng hợp hòa đồng bộ máy phát điện (công suất hữu hạn) vào lƣới (công suất vô cùng lớn). Điều chỉnh dòng kích từ it, điện áp máy phát vẫn không thay đổi vì đó là điện áp của lƣới điện. Việc thay đổi dòng kích từ it chỉ thay đổi công suất phản kháng của máy phát.
- Muốn máy phát mang tải, phải tăng công suất của máy phát nghĩa là tăng dần công suất sơ cấp: tăng lƣu lƣợng nƣớc trong máy phát thủy điện hoặc tăng lƣu lƣợng hơi trong máy phát nhiệt điện.
1.6.2 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ đồng bộ
Tải của hộ dùng điện trong lƣới điện thƣờng luôn thay đổi theo điều kiện của sản xuất hoặc cũng có thể có trƣờng hợp tuy tải không thay đổi nhƣng do điều kiện vận hành của lƣới điện mà cần thiết phải điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát điện đồng bộ.
Ta xét vấn đề ở hai trƣờng hợp điển hình. Trƣờng hợp thứ nhất là trƣờng hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện lực có công suất vô cùng lớn với U, f không đổi, hay nói khác đi tổng công suất các máy phát điện đang làm việc song song trong hệ thống rất lớn so với công suất của máy phát điện đang đƣợc xét, do đó việc điều chỉnh P, Q của máy phát điện đó không làm thay đổi U, f của hệ thống điện. Trƣờng hợp thứ hai là trƣờng hợp chỉ có hai hoặc vài máy phát điện công suất tƣơng tự nhau làm việc song song và sự thay đổi chế độ làm việc của máy sẽ làm thay đổi U, f chung của cả các máy phát điện đó.
1) Điều chỉnh công suất tác dụng
a) Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn
Ở trƣờng hợp này U và f không đổi nên nếu giữ dòng điện kích thích it không
đổi thì E0 là hằng số và theo biểu thức (1-38) thì P là hàm số của góc tải và đƣờng biểu diễn của nó có dạng nhƣ đã biết trên hình 1.44. Ở chế độ làm việc xác lập, công suất tác dụng P của máy tƣơng ứng với góc nhất định phải cân bằng với công suất cơ trên trục làm quay máy phát điện. Đƣờng biểu diễn công suất cơ của động cơ sơ cấp biểu thị bằng đƣờng thẳng song song với trục hoành và cắt đặc tính góc ở điểm A nhƣ trên hình 1.44. Nhƣ vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện thì phải thay đổi góc tải , nghĩa là thay đổi giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục máy.
Công suất tác dụng cực đại Pm mà máy phát điện có thể cung cấp cho hệ thống điện ứng với dP/d = 0. Áp dụng điều kiện đó đối với biểu thức (1-38) của máy phát điện đồng bộ cực ẩn suy ra đƣợc m = 900 và Pm =mU E0
xd .
Hình 1. 44 Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện cực ẩn
Cũng nhƣ vậy đối với máy cực lồi, từ (1-36) có thể xác định đƣợc góc m bởi:
cosm = A 2+8B2−A 4B Trong đó: A = m E0U xd , B = mU2 1