Máy phát điện đồng bộ là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống điện, sự làm việc tin cậy của các máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của toàn hệ thống. Vì vậy đối với máy phát điện, đặc biệt là các máy có công suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống tất cả các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như các kích động trên đường dây hệ thống.
Chế độ làm việc bất thường của nhà máy điện hoặc HTĐ có thể gây ra những thiệt hại hết sức nghiêm trọng tới các tải sản có giá trị của các điện lực hoặc chủ sở hữu nhà máy. Khi các kích động lớn tạo ra chế độ làm việc bất thường của hệ thống gây ảnh hưởng tới sự hoạt động của hệ thống điều khiển và bảo vệ cho MPĐ. Lúc đó sẽ có nhiều hệ thống bảo vệ có khả năng tác động như:
- Rơle chống mất kích thích;
- Rơle điện áp thấp;
- Rơle chống quá kích thích;
- Rơle tần số thấp;
- Bảo vệ dự phòng cho hệ thống.
Kết quả của sự phối hợp đúng mức giữa các rơle bảo vệ với các hệ thống kích từ của MPĐ cho chúng ta thấy là hết sức quan trọng. Khi hệ thống đang trong trạng thái làm việc nặng nề, thì việc để mất MPĐ ngoài chủ định có thể làm cho kích động phát triển hơn nữa. Điều đó, dẫn đến kết quả là sự sụp đổ hoàn toàn của HTĐ.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 57 Qua sự theo dõi, nghiên cứu của các nhà chuyên môn và các tổ chức chuyên ngành về các sự cố đã xảy ra trong quá khứ, có thể rút ra có 2 nguyên nhân chính gây ra sự mất nguồn ngoài mong muốn đó là:
- Khi các dao động trong hệ thống suất hiện, các thiết bị điều khiển điện áp mất khả năng trong việc khống chế quá điện áp và đưa điện áp của hệ thống về chế độ làm việc bình thường sau khi lưới điện vùng bị cô lập;
- Thiết kê và cài đặt sai chức năng bảo vệ trong bảo vệ cắt nhanh có hướng.
Khi HTĐ có dao động về điện áp; điện áp thấp trong khi máy bị mất đồng bộ có thể làm cho các rơle điện áp thấp của các thiết bị phụ tại nhà máy tác động tùy theo các thông số cài đặt (khởi động và thời gian trễ) của bảo vệ điện áp thấp.
Thường thì thời gian trễ của rơle được thiết lập cỡ 0,4 giây cho phép rơle điện áp thấp phối hợp với thời gian tác động chống sự cố máy cắt hỏng tại bộ phận chuyển mạch và với các điện áp thấp trong các chế độ làm việc nặng nề của hệ thống.
Khi HTĐ xuất hiện dao động phi đồng bộ, để chống sự cố trượt cực xảy ra trong máy sẽ gây ra dòng điện lớn và các lực tác động lên cuộn dây và mômen qua độ lớn lên trục quay MPĐ. Nếu tần số trượt của tổ máy đối với HTĐ tiến gần tần số vặn xoắn tự nhiên thì moomen tác động lên trục quay có thể đủ lớn để làm gây trục Người ta lắp đặt các chức năng bảo vệ chống trượt cực hay OST (chống dao động điện phi đồng bộ). Hiện tượng trượt cực có thể tạo ra các luồng từ thông lớn bất thường tại phần lõi thép ở các đầu lõi stato dẫn đến quá nhiệt (phát nóng) và ngắn mạch tại các đầu lõi stato; làm phát sinh các dòng điện lớn gây ra hồ quang tại vòng đai, hoặc giữa các nêm của rôto tới thân rôto tại các đầu nêm - nơi dòng điện bị ngắt khi nó chạy dọc theo trục rôto. Hiện tượng trượt cực cũng có thể gây ra đánh lửa trong mạch kích ảnh hưởng tới các cầu chảy và các đi-ốt của bộ kích thích.
Bảo vệ chống mất kích từ được thiết kế để bảo vệ MPĐ chống mất đồng bộ với hệ thống. Các MPĐ và các MBA chỉ có thể làm việc trong khoảng thời gian ngắn ở chế độ quá kích thích. Từ thống trong lõi tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ nghịch với tần số. Từ thông quá lớn có thể gây ra những phá hủy nhanh do nhiệt đối với lõi của MPĐ và MBA. Các điều khiển kích từ tĩnh hiện đại thường làm việc ở phương thức tự động điều chỉnh điện áp AVR và có bộ hạn chế V/Hz nhằm ngăn chặn chế độ điện áp cao/ tần số thấp gây ra như hư hỏng lõi MPĐ và MBA tăng.
Ngoài ra các hệ thống kích từ tĩnh hiện đại có các bộ hạn chế kích từ cực đại và cực tiểu. Bộ hạn chế kích từ cực tiểu MEL để ngăn chặn AVR giảm kích thích tới mức có thể khiến MPĐ mất đồng bộ. MEL phải ngăn chặn sự sụt giảm dòng kích từ xuống mức có thể làm rơle chống mất kích thích tác động. Ở chế độ vận hành bình
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 58 thường, MPĐ đồng bộ làm việc với sức điện động E cao hơn điện áp đầu cực máy phát U (chế độ quá kích thích, đưa công suất Q vào hệ thống (Q > 0).
Khi máy phát làm việc ở chế độ thiết kích thích hoặc mất kích thích, sức điện động E thấp hơn điện áp U, máy phát điện nhận công suất phản kháng tứ hệ thống (Q < 0) hình 2-16 a), c).
Hình 2- 16: Mất kích từ máy phát điện a)Thay đổi hướng công suất phản kháng Q;
b)Thay đổi tổng trở đo được ở cực máy phát;
c)Giới hạn thay đổi công suất máy phát điện
Như vậy khi mất kích từ, tổng trở đo được ở đầu cực máy phát sẽ thay đổi từ Zpt (tổng trở phụ tải nhìn từ phía máy phát) nằm ở góc phần tư thứ nhất trên mặt phẳng tổng trở phức sang ZF (tổng trở máy phát nhìn từ đầu cực của nó trong chế độ tiêu thụ công suất phản kháng) nằm ở góc phần tư thứ tư trên mặt phẳng tổng trở phức, hình 2-16 b). Khi xảy ra mất kích từ, điện kháng của MPĐ sẽ thay đổi từ trị số Xd (điện kháng đồng bộ) đến trị số X’d (điện kháng quá độ) và có tính chất dung kháng. Vì vậy để phát hiện mất kích từ ở MPĐ, ta có thể sử dụng một điện kháng cực tiểu có X’d < Xkd < Xd với đặc tính vòng tròn có tâm nằm trên trục –jX của mặt phẳng tổng trở phức, hình 2-16 b).
Rơle V/Hz thường được trang bị tại các nhà máy nhiệt điện để bảo vệ chống quá kích từ cho MPĐ và MBA tăng. Việc này sẽ tạo ra chức năng dự phòng cho bộ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 59 hạn chế V/Hz nếu có. Các tổ máy với bộ điều chỉnh điện áp cũ không có hạn chế V/Hz thì rơle V/Hz là thiết bị duy nhất bảo vệ chống quá kích thích cho MPĐ. Căn cứ vào chế độ hệ thống, bộ hạn chế V/Hz trong hệ thống kích thích hiện đại có thể ngắn tín hiệu từ MEL và cưỡng bức kích thích đủ bé cho phép rơle chống mất kích thích tác động khi cần[8].
Các bảo vệ dự phòng cho các MPĐ (bảo vệ khoảng cách hoặc bảo vệ quá dòng điều khiển hoặc hãm bằng điện áp) cũng có thể tác động trong khi xảy ra các kích động lớn do điện áp hệ thống suy giảm trong một thời gian dài. Thông thường các bảo vệ này được đấu nối với máy biến áp BU MPĐ và máy biến dòng điện BI trung điểm MPĐ.
Theo kinh nghiệm, thống số khởi động của bảo vệ quá dòng hãm bằng điện áp được đặt lớn hơn thông số danh định của MPĐ. Thông số khởi động được giảm thấp tỷ lệ theo điện áp giảm thấp tại đầu cực MPĐ trong sự cố hoặc chế độ làm việc bất thường của hệ thống. Thông số khởi động của bảo vệ bằng điện áp được đặt thấp hơn thông số danh định của MPĐ và hoạt động của nó được điều khiển bằng phần tử điện áp thấp. Phần tử điện áp thấp này phải được đặt dưới điện áp tới hạn đầu cực (ngưỡng dưới) của MPĐ. Sự tác động của các bảo vệ quá dòng hãm bằng điện áp phụ thuộc vào độ sụt áp tại đầu cực MPĐ khi xảy ra sự cố hoặc trong chế độ làm việc nặng nề của hệ thống... Ngoài ra, nếu trạm biến áp có MBA được đấu nối với MPĐ không được trang bị bảo vệ chống sự cố máy cắt hỏng thì các bảo vệ quá dòng thường được cài đặt để làm bảo vệ dự phòng chống các sự cố tại đầu đường dây truyền tải dài nhất với các đầu đến từ tất cả những nguồn khác và do đó một bảo vệ quá dòng sẽ phải cài đặt với độ nhạy lớn hơn nên có thể làm cho bảo vệ tác động sai trong chế độ làm việc nặng nề của hệ thống, dẫn đến cắt MPĐ.
Bảo vệ khoảng cách dự phòng cho MPĐ dễ nhận biết hơn nhiều so với bảo vệ quá dòng dự phòng cho MPĐ hãm bằng điện áp. Chúng ta biết, các bảo vệ khoảng cách dự phòng cho MPĐ cũng sẽ tác động trong chế độ xuất hiện sự cố khi đang làm việc tùy vào thông số cài đặt của bảo vệ. Có những giải pháp an toàn nhất để tránh tác động nhầm bởi các bảo vệ dự phòng cho MPĐ là sử dụng bảo vệ chống sự cố máy cắt hỏng tại chỗ ở bộ phận chuyển mạch cao áp bao gồm cắt điện liện động trực tiếp đầu phía xa của đường dây và cài đặt các bảo vệ khoảng cách làm chức năng bảo vệ dự phòng chỉ cho bộ phận chuyển mạch. Chú ý, các thống số cài đặt cho bảo vệ dự phòng của MPĐ sẽ không tác động nhạy nếu không tính đến các đầu đến từ các nguồn khác nhau tới thanh góp.