Máy phát điện (MFĐ) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ), sự làm việc tin cậy của các MFĐ có ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của HTĐ. Vì vậy, đối với MFĐ 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 các chế độ làm việc không bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngoài MFĐ. Để thiết kế tính toán các bảo vệ cần thiết cho máy phát, chúng ta phải biết các dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường của MFĐ.
36 trang |
Chia sẻ: banmai | Lượt xem: 2195 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bảo vệ các phần chính trong hệ thống điện, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
.
Phương án a: Trung tính nối đất qua điện trở cao Rt (hình1.10a) để giới hạn dòng
chạm đất nhỏ hơn 25A. Một phương án khác cũng nối đất qua điện trở thấp cho phép dòng
chạm đất có thể đạt đến 1500A.
Phương án b: Trung tính nối đất qua điện kháng có kháng trở bé (hình 1.10b), với
phương án này cho phép dòng chạm đất lớn hơn khi dùng phương án a, giá trị dòng chạm
đất khoảng (25÷100)% dòng ngắn mạch 3 pha.
Phương án c: Trung tính nối
đất qua máy biến áp BA hình 1.10c,
điện áp của cuộn sơ MBA bằng điện
áp máy phát, điện áp của cuộn thứ
MBA khoảng 120V hay 240V.
Hình 1.10: Các phương án nối đất trung tính MFĐ
Rđ KĐ BA Rt
a) b) c)
- Đối với sơ đồ có thanh
góp cấp điện áp máy phát khi Iđα > 5
(A) cần phải cắt máy phát.
- Đối với sơ đồ nối bộ MF-
MBA thường Iđα < 5 (A) chỉ cần đặt
bảo vệ đơn giản hơn để báo tín hiệu
chạm đất stator mà không cần cắt
máy phát.
III.1. Đối với sơ đồ thanh góp điện áp máy phát:
Sơ đồ hình 1.11 được dùng để bảo vệ cuộn dây stator máy phát khi xảy ra chạm đất.
Bảo vệ làm việc theo dòng thứ tự không qua biến dòng thứ tự không 7BI0 có kích từ phụ từ
nguồn xoay chiều lấy từ 2BU.
MF
1MC
7BI0
FCO
3RI
4RI
5R RTh G
6RT
+ +
Từ bảo vệ
chống nm
ngoài
+
+
Báo tín hiệu
C
2BU
ắt
1MC
-
Hình 1.11: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất 1 điểm cuộn stator MFĐ
-
23
- 3RI: rơle chống chạm đất 2 pha tại hai điểm khi dùng bảo vệ so lệch dọc đặt ở 2
pha (sơ đồ sao khuyết).
- 4RI: rơle chống chạm đất 1 pha cuộn dây stator.
- 5RG: khoá bảo vệ khi ngắn mạch ngoài.
- 6RT: tạo thời gian làm việc cần thiết để bảo vệ không tác động đối với những giá
trị quá độ của dòng điện dung đi qua máy phát khi chạm đất 1 pha trong mạng điện áp máy
phát.
- Rth: rơle báo tín hiệu.
III.1.1. Nguyên lý hoạt động:
Tình trạng làm việc bình thường, dòng điện qua rơle 3RI, 4RI:
KCBtt
.
I
C
.
B
.
A
.
I
R
.
I
n
1)III(
n
1I =++= (1-37)
Dòng điện không cân bằng do các pha phía sơ cấp của 7BI0 đặt không đối xứng với
cuộn thứ cấp và do thành phần kích từ phụ gây nên. Dòng điện khởi động của rơle cần phải
chọn lớn hơn dòng điện không cân bằng trong tình trạng bình thường này:
I >IKĐR KCBtt
Khi xảy ra chạm đất 1 pha trong vùng bảo vệ:
Dòng qua chỗ chạm đất bằng:
ID = (3.α.ω.C0HT + 3.α.ω.C0F).UpF (1-38)
Trong đó:
- α: phần số vòng dây bị chọc thủng kể từ điểm trung tính cuộn dây stator.
- C , C : điện dung pha đối với đất của máy phát và hệ thống. 0F 0HT
- U : điện áp pha của máy phát. pF
Dòng điện vào rơle bằng:
pF0HTD U..C.3.I αω=′ (1-39)
để bảo vệ có thể tác động được cần thực hiện điều kiện:
KCBttD II −′ αI ≤ (1-40) KĐB
để đơn giản, ta giả thiết dòng chạm đất đi qua bảo vệ và dòng không cân bằng tính toán
ngược pha nhau.
α′DIKhi số vòng chạm α bé, dòng điện chạm đất nhỏ và bảo vệ có thể có vùng chết
ở gần trung tính máy phát.
Khi chạm đất một pha ngoài vùng bảo vệ, dòng điện đi qua bảo vệ:
pF0FD U..C.3.I αωα =′′ (1-41)
để bảo vệ không tác động trong trường hợp này, dòng khởi động của bảo vệ phải được chọn:
KCBttqâDKÂB III +′′> α (1-42)
Ở đây chúng ta chọn điều kiện nặng nề nhất là khi dòng điện chạm đất qua bảo vệ và
dòng không cân bằng có chiều trùng nhau, đồng thời phải chọn giá trị của dòng điện chạm
đất bằng giá trị quá độ lớn nhất vì chạm đất thường là không ổn định.
Khi xảy ra chạm đất 2 pha tại hai điểm, trong đó có một điểm nằm trong vùng bảo
vệ. Bảo vệ sẽ tác động cắt máy phát nhờ rơle 3RI. Trong trường hợp này rơle 4RI cũng khởi
động nhưng tín hiệu từ 4RI bị trễ do 6RT.
III.1.2. Tính chọn Rơle:
Dòng khởi động của rơle 3RI:* Việc xác định dòng không cân bằng đi qua bảo vệ
khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ rất phức tạp vì thế người ta thường chỉnh định với một độ
dự trữ khá lớn, theo kinh nghiệm vận hành thường chọn:
IKĐB3RI = (100 ÷ 200) (A) (phía sơ cấp) (1-43)
Dòng khởi động của rơle 4RI:* Dòng khởi động của 4RI được chọn theo 2 điều
kiện:
Bảo vệ không được tác động khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, khi đó:
)IUkC3(
K
KI maxKCBttpFqâ0
tv
at
RI4KÂB += ω (A) (phía sơ cấp) (1-44)
24
Theo giá trị dòng điện sơ cấp bé nhất tương ứng với dòng điện khởi động cực
tiểu của 4RI (giá trị này phụ thuộc vào cấu tạo và độ nhạy của rơle 4RI). Đối với các rơle
thường gặp giá trị này khoảng:
I = (2 ÷ 3) (A) (phía sơ cấp) (1-45) KĐB4RI
Từ hai điều kiện trên chúng ta sẽ chọn được dòng điện lớn hơn làm dòng điện tính
toán.
Thời gian làm việc của rơle 6RT:* Để loại trừ ảnh hưởng của những giá trị quá độ
của dòng điện dung khi chạm đất một pha trong mạng điện áp máy phát, người ta thường
chọn:
t6RT = (1 ÷ 2) sec (1-46)
III.2. Đối với sơ đồ nối bộ MF-MBA:
Với sơ đồ nối bộ, khi xảy ra chạm đất một điểm cuộn dây stator dòng chạm đất bé vì vậy
bảo vệ chỉ cần báo tín hiệu, ở đây chỉ cần dùng sơ đồ bảo vệ đơn giản, làm việc theo điện áp
thứ tự không như hình 1.12.
Giá trị khởi động của RU (UKĐRU)
thường chọn theo hai điều kiện sau:
MBA RU
RT
MF
BU
V
FCO
+
+
-
Hình 1.12: Sơ đồ bảo vệ chạm đất một
điểm cuộn stator bộ MF-MBA
¾ Điều kiện1: UK KCBmax¾ Điều kiện2: U ĐRU
> U
KĐRU chọn theo điều
kiện ổn định nhiệt của rơle và thường lấy
bằng 15V.
Thường chọn theo điều kiện 2 là đã
thoả điều kiện 1.
Rơle thời gian dùng để tạo thời gian
trễ tránh trường hợp bảo vê tác động nhầm
do quá độ sự cố bên ngoài.
tRT = tmax (BV của phần tử kế cận) + Δt. (1-47)
III.3. Một số sơ đồ khác:
MFĐ nối với thanh góp điện áp
thường có công suất bé và sơ đồ bảo vệ
thường dựa trên nguyên lý làm việc theo biên
độ hoặc hướng dòng điện chạm đất.
III.3.1. Phương pháp biên độ:
Hình 1.14: Bảo vệ chạm đất dây quấn stator
51N
50N Rđ
BA Rt 59 BU Rt
50N
a) b) c)
α
C0F
I(1)ĐαF I(1)ĐαH
I(1)Đα C0H
Hình 1.13: Chạm đất trong cuộn dây stator MFĐ
Phương pháp biên độ thường được sử dụng khi thành phần dòng điện chạm đất từ
phía điện dung hệ thống I(1)đαH lớn hơn nhiều so với thành phần chạm đất từ phía điện dung
máy phát I(1)đαF nghĩa là:
(1)I đαH >> I(1) với IđαF đαF = 3.j.ω.C.Uα
25
Vì dòng chạm đất I(1)đα (hình 1.13) phụ thuộc vào vị trí α của điểm chạm đất, nên
nếu xảy ra chạm đất gần trung tính (α → 0) bảo vệ sẽ không đủ độ nhạy, vì vậy phương
pháp này chỉ bảo vệ được khoảng 70% cuộn dây stator máy phát kể từ đầu cực máy phát.
Ngoài sơ đồ nêu ở phần III.1, sau đây chúng ta sẽ xét thêm một số sơ đồ bảo vệ theo
phương pháp biên độ khác sau:
Trung tính máy phát nối đất qua điện trở cao R : (hình 1.14a) đ
Máy biến dòng đặt ở dây nối trung tính MFĐ qua điện trở nối đất Rđ, cuộn thứ cấp
nối vào rơle dòng cắt nhanh (có mã số 50N). Trị số dòng điện đặt của rơle lấy bằng 10% giá
trị dòng điện chạm đất cực đại ở cấp điện áp máy phát. Đây là trị số đặt nhỏ nhất có tính đến
độ an toàn khi thành phần dòng điện thứ tự không từ hệ thống cao áp truyền qua điện dung
cuộn dây MBA tới máy phát. Để nâng cao hiệu quả của bảo vệ người ta có thể đặt thêm bảo
vệ dòng cực đại (51N) có đặc tính thời gian phụ thuộc có trị số dòng điện đặt khoảng 5% giá
trị dòng chạm đất cực đại I ở cấp điện áp máy phát. đmax
Máy phát nối đất trung tính qua MBA: (hình 1.14b)
MBA nối đất đặt ở trung tính máy phát điện, vừa có chức năng như một kháng điện
nối đất của máy phát vừa cung cấp nguồn cho bảo vệ. Cuộn thứ cấp của MBA được nối với
rơle quá điện áp (59) song song với tải trở Rt nhằm ổn định sự làm việc cho MBA và tạo giá
trị điện áp đặt lên rơle quá điện áp. Trị số điện áp đặt khoảng (5,4 ÷ 20) V. Sơ đồ chỉ có thể
bảo vệ được khoảng 90% cuộn stator tính từ đầu cực máy phát. Người ta cũng có thể sử
dụng phương án hình 1.14c để bảo vệ chống chạm đất cuộn stator máy phát. Cuộn thứ cấp
của MBA được mắc thêm tải trở Rt, điện trở này làm tăng thành phần tác dụng chạm đất lên
khoảng 10A và trên mạch thứ cấp này đặt biến dòng nối vào rơle dòng cực đại (50N). Giá trị
đặt của rơle này khoảng 5% giá trị dòng điện chạm đất cực đại ở cấp điện áp máy phát.
Dòng điện thứ cấp của BI chọn 1A còn dòng điện phía sơ cấp của BI chọn bằng hoặc nhỏ
hơn dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của MBA nối đất.
Sơ đồ sử dụng điện áp sóng hài bậc 3: (hình 1.15)
Rđ
1RU
Lf3
2RU
2BU0
Z1 Z2
MF
1BU0
N F
a
b
b)
a)
c)
Hình 1.15: Sơ đồ bảo vệ chạm đất 100% cuộn stator theo điện áp hài
bậc 3 (a); đồ thị véctơ trong chế độ vận hành bình thường (b); khi
chạm đất ở trung tính (c) và khi chạm đất ở đầu cực điểm máy phát
U”F
U’F
U”F
U’F
N
N
N
N
N F
F
F
U”N
U’N
100%
100%
100%
F
50%
50%
50% d)
N
F
F
U”N
U’N
26
Các sơ đồ bảo vệ mô tả trên không bảo vệ được hoàn toàn cuộn stator máy phát khi
xảy ra chạm đất một pha. Với các máy phát công suất lớn hiện đại, yêu cầu phải bảo vệ
100% cuộn dây stator khi xảy ra sự cố trên, nghĩa là bảo vệ phải tác động khi xảy ra chạm
đất một pha bất kì vị trí nào cuộn dây stator máy phát. Một trong những phương pháp lựa
chọn ở đây là sử dụng điện áp sóng hài bậc ba.
Do tính phi tuyến của mạch từ máy phát nên điện áp cuộn dây stator luôn chứa thành
phần sóng hái bậc ba, giá trị của thành phần điện áp này phụ thuộc vào trị số điện kháng của
thiết bị nối với trung tính máy phát, điện dung với đất của cuộn stator, điện dung nối đất của
các dây dẫn, thanh dẫn mạch máy phát và điện dung cuộn dây MBA nối với máy phát điện.
Trong điều kiện vận hành bình thường, nếu đo điện áp sóng hài bậc ba với đất ở các
điểm khác nhau trên cuộn dây stator ta có phân bố điện áp như trên hình 1.15b. Ở đây kí
hiệu U’N F N F
Khi xảy chạm đất ở đầu cực hoặc ở trung tính máy phát, điện áp sóng hài ở đầu cực
không chạm đất tăng lên gần gấp hai lần so với chế độ tương ứng trước khi chạm đất (hình
1.15c,d).
, U’ là điện áp hài bậc ba khi máy phát không tải và U” , U” khi máy phát đầy tải.
Nguyên lý làm việc của sơ đồ bảo vệ là so sánh trị số điện áp hài bậc ba ở trung tính
máy phát và trị số điện áp hài bậc ba lấy ở cuộn tam giác hở của 2BU. Rơle le điện áp 2RU
nối qua bộ lọc tần số hài bậc ba L và sẽ tác động khi có chạm đất trong cuộn dây stator. f3
Như đã phân tích ở phần trước, rơle điện áp 1RU chỉ bảo vệ được khoảng 90% cuộn
stator tính từ đầu cực máy phát, ở đây rơle 2RU cũng bảo vệ được khoảng (70 ÷ 80) % cuộn
stator tính từ điểm trung tính. Như vậy sự phối hợp làm việc giữa 1RU và 2RU có thể bảo vệ
được toàn bộ cuộn stator máy phát khi xảy ra chạm đất một pha.
Các tổng trở Z , Z1 2 được chọn sao cho ở chế độ làm việc bình thường điện áp đặt lên
2RU bằng không, khi xảy ra chạm đất cuộn stator điện áp đặt lên rơle sẽ lớn hơn nhiều so
với điện áp đặt của 2RU.
III.3.2. Phương pháp hướng dòng điện chạm đất: (hình1.16)
Phương pháp hướng dòng điện chạm đất có thể mở rộng vùng bảo vệ chống chạm
đất khoảng 90% cuộn dây kể từ đầu cực máy phát.
K
IH
K L ΔI -I(1)Đ
Vùng tác động
Vùng hãm
Ilv
IU
b)
3I0 = I(1)D
3U0
IU
Ilv CL1
CL2
BTH1
BTH2
R1
C2
C1 R2
RI
t
HÌNH 1.16 : bảo vệ có hướng chống chạm đất cuộn dây stator thanh góp điện áp mfđ
a)
27
Rơle so sánh tương quan giữa dòng điện làm việc I và dòng điện hãm ILV H theo quan
hệ :
ΔI = IH - I (1-48) LV
Trong đó:
1 (1-49a) IH = IU + I Đ
1ILV = IU - I Đ (1-49b)
Với IU là dòng điện lấy từ nguồn điện áp U ; lấy từ bộ lọc dòng thứ tự không. 0
1
D
Từ đồ thị véctơ hình 1.16b ta có thể thấy rằng, điều kiện làm việc của bảo vệ được
xác định theo dấu của ΔI, bảo vệ sẽ tác động cắt MC khi ΔI > 0, nghĩa là I
I&
>I điềuH LV này
được thoả mãn nếu chạm đất xảy ra trong vùng bảo vệ. Đường K-L trên đồ thị véctơ hình
1.16b là ranh giới giữa miền tác động và miền hãm của bảo vệ.
Nếu chuyển mạch khoá K (hình 1.16a) đấu vào điện áp U0 qua điện trở R1 thay cho
tụ điện C1 thì sơ đồ có thể sử dụng để bảo vệ cho các máy phát có trung tính nối đất qua điện
trở lớn. Khi ấy thành phần tác dụng của dòng điện tác dụng sẽ được so sánh với thành phần
phản kháng của dòng điện khi trung điểm cuộn dây máy phát không nối đất.
Nếu thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng điện chạm đất gần
bằng nhau, người ta sử dụng sơ đồ có tên gọi là sơ đồ 450 khi ấy khoá K sẽ chuyển sang
mạch R , C với thông số được lựa chọn thích hợp. 2 2
Một phương án khác để thực hiện bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator máy phát
có trung tính không nối đất hoặc nối đất qua điện trở lớn làm việc trực tiếp với thanh góp
điện áp máy phát trình bày trên hình 1.17.
Trong phương án này người ta sử dụng thiết bị tạo thêm tải thứ tự không. Tải này
được đưa vào làm việc khi phát hiện có chạm đất và làm tăng thành phần tác dụng của dòng
điện sự cố lên khoảng 10A, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định hướng dòng điện. Thiết
bị tạo thêm tải bao gồm BI0N đấu vào trung tính của máy phát, tải R của BI này được đóng
mở bằng tiếp điểm của rơle điện áp RU . Khi có chạm đất, điện áp U xuất hiện, RU0 0 0 đóng
tức thời tiếp điểm của mình và duy trì một khoảng thời gian t2 đủ cho sơ đồ làm việc chắc
chắn.
Tỉ số biến đổi của BIG trong mạch thiết bị tạo thêm tải được chọn sao cho thành
phần tác dụng của dòng điện đưa vào bộ so sánh pha α đủ để xác định đúng hướng sự cố.
Hình 1.17b,c trình bày sơ đồ nguyên lý và đồ thị véctơ để xác định hướng sự cố khi chạm
đất xảy ra bên trong (hình 1.17b) và bên ngoài (hình 1.17c) cuộn dây stator máy phát.
Khi chạm đất ngoài vùng bảo vệ, dòng điện tổng I∑ đưa vào bộ so sánh pha:
(1)I∑ = IA - I (1-50) D
Trong đó:
- I dòng điện được tạo nên bởi thiết bị tạo thêm tải. A(1)- I D dòng điện chạm đất chạy qua bảo vệ.
Trong trường hợp này góc pha α giữa điện áp thứ tự không U và dòng điện tổng I0 ∑
vượt qua trị số góc làm việc giới hạn nên sẽ không có tín hiệu cắt .
Khi chạm đất trong cuộn dây stator MFĐ ta có:
I∑ = I + IA D
và góc pha α giữa điện áp thứ tự không U
(1)
và dòng điện tổng I0 ∑ nằm trong miền tác
động của bảo vệ. Rơle tác động cắt với thời gian t1.
28
Cắt
MC
c)
R BI0N
BI0
BIG
α
IΣ = IA+ I(1)Đ
IA
I(1)Đ
I(1)Đ
α
U0
IΣ Miền hãm
Miền tác động
U0
α
IΣ
Miền hãm
Miền tác động
Hinh 1.17 : Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator MFĐ có thiết bị tạo thêm
tải (a) đồ thị véctơ khi có chạm đất ngoài (b) và trong (c) vùng bảo vệ.
MC
BI0
MF
BI0N R
BIG RU0 Thiết bị
tạo thêm
tải
A
.
I
)1(
Â
.
I
0
.
U
a
RU0 t2
t1
Đóng
RU0
Cắt
RU0
IΣ
Thiết bị bảo vệ
I(1)Đ
IA
R BI0N
BI0
BIG
IΣ = IA - I(1)Đ
a)
c)
Sơ đồ ở hình 1.17có thể bảo vệ được 90% cuộn dây. Khi chạm đất trong vùng 10%
còn lại (gần trung điểm) bảo vệ không đủ độ nhạy. Tuy nhiên, do điện áp ở phần này của
cuộn dây không lớn (không vượt quá 10% Up) nên xác xuất xảy ra hỏng hóc về điện (chẳng
hạn do cách điện bị đánh thủng) rất thấp nên ở các máy phát công suất bé người ta thường
không đòi hỏi bảo vệ toàn bộ cuộn dây.
Đối với các MFĐ nối bộ với MBA, thông thường cuộn dây MBA phía máy phát đấu
tam giác nên chạm đất ở phía cáo áp dòng thứ tự không không ảnh hưởng đến MFĐ.
Với các điểm chạm đất xảy ra trong mạng cấp điện áp máy phát có thể phát hiện
bằng sự xuất hiện U0 ở đầu cực tam giác hở của BU đặt ở đầu cực MFĐ, hoặc đầu ra của
MBA đấu với trung điểm của MFĐ.
Với các MFĐ công suất lớn, người ta yêu cầu phải bảo vệ 100% cuộn dây stator
chống chạm đất để ngăn ngừa khả năng chạm đất ở vùng gần trung điểm của cuộn dây do
các nguyên nhân cơ học .
Ngày nay để bảo vệ 100% cuộn dây stator chống chạm đất, người ta thường dùng hai
phương pháp sau đây:
- Theo dõi sự biến thiên của hài bậc ba của sóng điện áp ở trung điểm và đầu cực
MFĐ.
- Đưa thêm một điện áp hãm tần số thấp vào trung điểm của cuộn dây MFĐ.
* Phương theo dõi sự biến thiên của sóng hài bậc ba (xem mục III.3.1) có một số
nhược điểm:
- Khi chạm đất ở vùng gần giữa cuộn dây, bảo vệ có thể không làm việc vì thành
phần sóng hài bậc ba trong điện áp quá bé.
- Điện áp U đặt vào rơle sẽ suy giảm khi điện trở chỗ sự cố lớn. ab
- Sơ đồ không phát hiện được chạm đất khi MFĐ không làm việc.Trong một số
MFĐ, thành hài bậc ba không đủ lớn để bảo vệ có thể phát hiện được.
29
Để khắc phục những nhược điểm này người ta dùng phương pháp đưa thêm một
điện áp hãm tần số thấp vào mạch trung tính của MFĐ.
* Phương pháp đưa thêm một điện áp hãm tần số thấp vào trung điểm của cuộn dây
MFĐ (hình 1.18): MF
1LF
IB
MBA
RĐ CĐ
20Hz
BIG
RB
IĐ
RC
Hãm
2LF
Làm việc
I
ILV
RL
IC=IH
Cắt
Hình 1.18: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stator
chống chạm đất có đưa thêm điện áp hãm 20Hz
vào trung điểm MFĐ
- Dòng điện I từ nguồn 20Hz sau
khi qua bộ lọc 1LF được phân thành hai
thành phần IĐ chạy qua BU0 nối với trung
tính MFĐ và I chạy qua điện trở đặt RB B.
Thành phần IĐ thông qua biến dòng trung
gian BIG và bộ lọc tần số 2LF được nắn
thành dòng điện làm việc.
- ILV đưa vào rơle để so sánh với
dòng điện hãm IH cũng do nguồn 20Hz tạo
nên thông qua điện trở đặt Rc , dòng điện
hãm có trị số không đổi. Ở chế độ làm
việc bình thường (R = ∞) dòng điện IĐ Đ
được xác định theo điện dung của cuộn
dây đối với đất CĐ nên có trị số bé do đó
I < ILV H và rơle sẽ không tác động.
- Khi có chạm đất, dòng IĐ được xác định chủ yếu theo điện trở chạm đất RĐ ,
I >ILV H rơle sẽ tác động cắt máy phát.
- Các bộ lọc tần số 1LF, 2LF đảm bảo cho sơ đồ chỉ làm việc với thành phần 20Hz,
ngoài ra bộ lọc 1LF bảo vệ cho máy phát 20Hz khỏi bị quá tải bởi dòng điện công nghiệp
khi có chạm đất xảy ra ở đầu cực MFĐ.
Một phương án khác để thực hiện bảo vệ 100% cuộn dây stator chống chạm đất là
dùng nguồn phụ 12,5Hz (với tần số công nghiệp là 60Hz người ta dùng 15Hz) có tín hiệu
được mã hóa để đưa vào mạch sơ cấp thông qua BU0 đấu vào mạch trung tính của MFĐ
(hình 1.19a).
Trong chế độ làm việc bình thương, dòng điện IĐ’ chạy qua điểm trung tính MFĐ
được xác định theo trị số điện dung đẳng trị của MFĐ là C (hình 1.19b). Đ
Khi xảy ra chạm đất, điện trở chạm đất RĐ được ghép song song với CĐ làm tăng
dòng điện đến trị số I Đ” > IĐ’ (hình 1.19c). Rơle đầu ra sẽ phản ứng theo sự tăng dòng điện
và theo tín hiệu phản hồi đã được mã hóa.
Trên hình 1.20 trình bày việc mã hóa tín hiệu bằng cách thay đổi thời gian phát tín
hiệu và thời gian dừng .Trong các khoảng thời gian này nhiều phép đo được tiến hành: M1,
M2 và M3 cho khoảng thời gian truyền tín hiệu và P1, P ..P2 6 cho khoảng thời gian dừng.
Phương pháp này cho phép loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu do dòng điện phía sơ cấp và
phép đo được tiến hành riêng cho từng nửa chu kỳ dương và âm sẽ tránh được ảnh hưởng
của nhiễu có tần số bội của 12,5Hz.
30
Hình 1.19 : Sơ đồ nguyên lý (a) của bảo vệ 100% cuộn dây stato MFĐ chống chạm
đất dùng biện pháp bơm tín hiệu 12,5Hz được mã hoá và sơ đồ xác định dòng điện
chạm đất Iđ khi làm việc bình thường (b) và khi chạm đất (c).
RĐ
CĐ
CĐ
RĐ
12,5Hz
R0
I’Đ
RU0
I”Đ 12,5Hz
BUG
CĐ
LF
BIG
RĐ
12,5Hz R BU0
Sơ đồ 900
IĐ
IM
a)
RĐ RU0
b)
c)
Các sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stator chống chạm đất thường được sử dụng kết
hợp với sơ đồ bảo vệ 90% để tăng độ tin cậy cho hệ thống chạm đất.
480
M3
M2
M1
E D
C B
ms
P6 P4P2
P5 P3 P1
0
1/ 2 chu
kỳ (+)
Tín hiệu đã
mã hoá
1/ 2 chu
kỳ(-)
Số chu kỳ
12,5Hz
400 320 240 160 80
2 1
560
2 1
160 80
7 6 5 4 3 3 t
t
IM
A
Hình 1.20: Biểu đồ bơm tín hiệu 12,5Hz được mã hoá để thực hiện bảo vệ 100%
cuộn dây stator chống chạm đất. A- chu kỳ hoạy động; B- thời gian phát tín hiệu;
C- thời gian dừng; Thời gian đo; E- thời gian kiểm tra tín hiệu phản hồi
31
IV. Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ của MFĐ (64)
Đối với MFĐ, do nguồn kích từ là nguồn một chiều nên khi chạm đất một điểm
mạch kích từ các thông số làm việc của máy phát hầu như thay đổi không đáng kể. Khi
chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ, một phần cuộn dây kích từ sẽ bị nối tắt, dòng điện qua
chỗ cách điện bị đánh thủng có thể rất lớn sẽ làm hỏng cuộn dây và phần thân rotor. Ngoài
ra dòng điện trong cuộn rotor tăng cao có thể làm mạch từ bị bão hoà, từ trường trong máy
phát bị méo làm cho máy phát bị rung, ...gây hư hỏng nghiêm trọng máy phát.
Đối với MFĐ công suất bé và trung bình (máy phát nhiệt điện), thường người ta đặt
bảo vệ báo tín hiệu khi có một điểm chạm đất trong mạch kích từ và tác động cắt máy phát
khi xảy ra chạm đất điểm thứ hai.
Đối với MFĐ công suất lớn (máy phát thuỷ điện), hậu quả của việc chạm đất điểm
thứ hai trong mạch kích từ có thể rất nghiêm trọng, vì vậy khi chạm đất một điểm trong
cuộn dây rotor bảo vệ phải tác động cắt máy phát ra khỏi hệ thống.
IV.1 Bảo vệ chống chạm đất một điểm mạch kích từ:
Có ba phương pháp được sử dụng để phát hiện chống chạm đất một điểm mạch kích
từ :
* Phương pháp phân thế.
64
Cuộn
kích
từ R
MFkt
HÌNH 1.21 : Bảo vệ chạm đất rotor
bằng phương pháp phân thế
* Phương pháp dùng nguồn phụ AC.
* Phương pháp dùng nguồn phụ DC.
IV.1.1 Phương pháp phân thế:
(hình1.21)
Trong sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn
dây rotor, người ta dùng điện trở mắc song song
với cuộn dây kích từ, điểm giữa của điện trở nối
qua rơle điện áp, khi có một điểm chạm đất sẽ
xuất hiện một điện thế ở rơle điện áp, điện thế này
lớn nhất khi điểm chạm đất ở đầu cuộn dây. Để
tránh vùng chết khi điểm chạm đất ở gần trung
tính cuộn dây kích từ, người ta chuyển nấc thay đổi điện đầu vào rơle tác động.
IV.1.2. Phương pháp dùng nguồn điện áp phụ AC:
+
36RT
Báo tín
hiệu
35RI
+ +
-
37RG
47C
48CC
Tới mạch kích từ
Tới trục MFĐ
34BG
52N
2RCL
U~
HÌNH 1.23: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất
1 điểm cuộn rotor dùng nguồn điện phụ
DC
+
36RT
-
Báo tín
hiệu
35RI
+ +
-
37RG
47C
48CC
Tới mạch kích từ
Tới trục MFĐ
34BG
52N
HÌNH 1.22: Sơ đồ bảo vệ chống chạm
đất 1 điểm cuộn rotor dùng nguồn điện
phụ AC
32
Sơ đồ bảo vệ được trình bày ở hình 1.22. Điện áp nguồn phụ xoay chiều thường bằng
điện áp cuộn kích từ.
- 34BG: biến áp trung gian, lấy điện từ thanh góp tự dùng.
- 35 RI: rơle dòng điện, để phát hiện sự cố.
- 36RT: rơle thời gian, tạo thời gian trễ tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm khi
ngắn mạch thoáng qua.
- 37RG: rơle trung gian.
- 52N: nút ấn giải trừ tự giữ.
- 47CC: cầu chì bảo vệ.
- 48C: tụ điện dùng để cách ly mạch kích từ một chiều với mạch xoay chiều.
Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:
- Bình thường, phía thứ cấp của biến áp trung gian 34RG hở mạch do đó không có
dòng qua rơle 35RI, bảo vệ không tác động.
- Khi xảy ra chạm đất một điểm mạch kích từ, thứ cấp của biến áp trung gian khép
mạch, có dòng chạy qua rơle 35RI làm cho bảo vệ tác động đi báo tín hiệu.
Sơ đồ có ưu điểm là không có vùng chết nghĩa là chạm đất bất kỳ điểm nào trong
mạch kích từ bảo vệ đều có thể tác động. Tuy nhiên do dùng nguồn xoay chiều nên phải
chống sự xâm nhập điện áp xoay chiều vào nguồn kích từ một chiều.
IV.1.3 . Phương pháp dùng nguồn điện áp phụ DC:
Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp trên bằng sơ đồ
hình 1.23, nhờ bộ chỉnh lưu điốt mà ta có thể cách li nguồn một chiều và nguồn xoay chiều.
Nguồn điện phụ một chiều cho phép loại trừ vùng chết và thực hiện bảo vệ 100%
cuộn dây rotor chống chạm đất. Sơ đồ có nhược điểm là sự liên hệ trực tiếp về điện giữa
thiết bị bảo vệ và điện áp kích từ UKT có trị số khá lớn đối với các MFĐ có công suất lớn.
IV.2. Một số sơ đồ bảo vệ chống chạm đất một điểm trong các MFĐ
hiện đại:
Đối với các MFĐ có hệ thống kích từ không chổi than với các điốt chỉnh lưu lắp
trực tiếp trên thân rotor của máy phát, điện dung của hệ thống kích từ đối với đất sẽ tăng lên
đáng kể và hệ thống bảo vệ chống chạm đất của cuộn dây rotor cũng trở nên phức tạp .
Các sơ đồ bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây rotor của các MFĐ hiện
đại thường tác động cắt máy phát (để loại trừ xảy ra chạm đất điểm thứ hai) và dựa trên một
trong những nguyên lý sau:
- Đo điện dẫn trong mạch kích từ (đối với đất) bằng tín hiệu điện áp xoay chiều tần
số 50Hz.
- Đo điện trở của mạch kích từ (đối với đất) bằng tín hiệu điện áp một chiều hoặc
tín hiệu sóng chữ nhật tần số thấp. Nguyên lý đo điện dẫn của mạch kích từ đối với đất của
MFĐ có hệ thống kích từ không chổi than trình bày trên hình 1.24.
CĐ
S2
S1
RĐ
LF
BUG
RY
Cắt
MC
U≈(50Hz) R
Rotor của máy kích từ
Máy kích từ
Cuộn dây rotor của
máy phát điện
HÌNH 1.24: bảo vệ chống chạm đất cuộn rotor MFĐ có hệ thống kích từ không
chổi than với điốt chỉnh lưu lắp trực tiếp trên thân rotor theo nguyên lý đo điện
dẫn.
33
Nguồn điện áp phụ xoay chiều tần số 50Hz được đặt vào mạch trung tính của cuộn
dây máy kích thích xoay chiều ba pha và thân rotor của MFĐ thông qua các vành góp và
chổi than S , S1 2. Bộ lọc tần số LF chỉ cho tần số công nghiệp chạy qua rơle đo điện dẫn RY
để loại trừ ảnh hưởng của hài bậc cao trong phép đo.
Điện dẫn mà rơle RY đo được chủ yếu xác định theo điện trở RĐ và điện dung CĐ
đối với đất của mạch kích từ.
Trên hình 1.25 trình bày quỹ đạo của nút véctơ tổng trở Z mà rơle đo được cho hai
trường hợp: Khi R = const, C = var và khi C = const, R = var. Đ Đ Đ Đ
Rơle RY được chỉnh định với hai mức tác động: mức cảnh báo với đặc tính khởi
động 2 và mức tác động cắt máy phát với đặc tính khởi động 1. Đặc tính 1 bọc lấy một phần
của góc phần tư thứ hai và thứ ba trên mặt phẳng tọa độ để đảm bảo cho bảo vệ tác động
một cách chắc chắn khi có chạm đất trực tiếp (RĐ ≈ 0).
Sơ đồ bảo vệ hình 1.24 có
một số nhược điểm là: sự có mặt
của chổi than S
XĐ
1
RĐ=0
2
R CR= 0
CĐ= ∞
XĐ/ 2
RĐ= ∞
jX
CĐ= const
RĐ=var
RĐ= const
CĐ= Var
RĐ / 2
Hình 1.25: Đặc tính biến thiên của tổng trở đối với
đất của mạch kích từ và đặc tính tác động của Rơle
đo điện dẫn để chống chạm đất mạch roto MFĐ đồng
bộ. 1- đặc tính cắt; 2- đặc tính cảnh báo.
1, S2 làm cho độ
tin cậy của sơ đồ không cao và trị
số của điện trở tiếp xúc có thể
ảnh hưởng đến trị số đo của rơle.
Ngoài ra bản thân hệ thống kích
thích một chiều cũng có thể ảnh
hưởng đến sự làm việc của bảo
vệ khi điện dung của mạch kích
thích đối với đất CĐ lớn, điện trở
rò RĐ lớn nhất có thể đo được 10
kΩ.
Để khắc phục nhược điểm
này người ta dùng sơ đồ với
nguồn điện phụ một chiều hoặc
xoay chiều với tần số thấp có
dạng sóng hình chữ nhật.
Trên hình 1.26 trình bày nguyên lý phát hiện chạm đất trong cuộn dây rotor của
MFĐ được kích thích từ nguồn điện tự dùng qua bộ chỉnh lưu Thyristor dùng nguồn tín hiệu
sóng chữ nhật có tần số 1Hz.
Các điện trở phụ R , R1 2 được chọn có chỉ số khá lớn so với điện trở RM để tạo điện
áp UM đặt vào bộ phận đo lường M.
Dòng điện do nguồn điện phụ U tạo ra bằng:
RRR
UI
MÂ ++
= (1 -51)
21
21
RR
R.RR +=Trong đó:
Lưu ý rằng RM << R và bỏ qua điện trở của bản thân cuộn dây rotor, ta có:
Â
M
M RR
R.UU +≈ (1-52)
34
U(1Hz)
c) RĐ= 0
RĐ= 5KΩ
CĐ= 2μF
b)
Hình 1.26: Sơ đồ nguyên lý phát hiện chạm đất trong
cuộn dây rotor MFĐ dùng nguồn điện áp phụ 1Hz có
dạng sóng chữ nhật (a), và dạng sóng đặt vào bộ
phận đo UM với các trị số điện trở khác nhau (b và c)
+
_
M
RĐ
R1
Uktphụ
(1Hz)
CĐ
RM
Cấp 2 cắt MF
UM
Cuộn dây rotor MF
Cấp 1 cảnh báo
R2
Nguồn kích từ
I
a)
Thanh góp
tự dùng
Điện dung đối với đất của mạch kích từ CĐ mắc song song với điện trở RĐ sẽ làm tức
thời tăng trị số dòng điện I và điện áp UM ở thời điểm đầu của mỗi nửa chu kỳ của nguồn
điện áp U.
Điện trở RĐ có tác dụng làm suy giảm trị số của I và UM. RĐ càng bé độ suy giảm
càng nhanh, trên hình 1.26b và 1.26c trình bày dạng sóng UM đo được cho hai trị số của RĐ
khác nhau.
Bảo vệ được chỉnh định để tác động báo hiệu khi điện trở rò RĐ tụt dưới 80kΩ
(mức 1) và tác động cắt máy phát khi RĐ < 5kΩ (mức 2).
IV.3. Bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ:
Cắt 1MC
4Rth
+
Báo tín
hiệu i
-
2RT
+
1RI
3RG
V
7PA
9CN
5CC
6N
BIH
Tới mạch kích từ
Tới trục máy phát
10CN
r3 r4
5N
a
c
b
b)
RI
Tới trục MF
r1 r2
r1 r2
a)
Hình 1.27: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất thứ hai mạch kích từ
a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ bảo vệ
35
Bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ (hình 1.27) được đưa vào làm việc
sau khi có tín hiệu báo chạm đất một điểm mạch kích từ. Thường bảo vệ được đặt trên một
bảng di động và được dùng chung cho nhiều tổ máy của nhà máy. Bảo vệ làm việc dựa trên
nguyên tắc cầu bốn nhánh: Khi chạm đất một điểm mạch kích từ, người ta điều chỉnh cho
cầu cân bằng nhờ đồng hồ V. Khi cầu cân bằng ta có: 4r
3r
2r
1r = , do đó không có dòng qua
1RI, bảo vệ không tác động.
Khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ sẽ làm cho cầu mất cân bằng, có dòng qua
1RI và 2RT có điện, sau một thời gian 3RG có điện đi báo tín hiệu thông qua 4Rth, cắt máy
cắt đồng thời nối tắt cuộn dây của 1RI để tránh bị hư hỏng và tự giữ cho 3RG thông qua
mạch tự giữ.
Các phần tử trong sơ đồ:
- 3RG: rơle trung gian, bao gồm các tiếp điểm:
Tiếp điểm a: đưa tín hiệu đi cắt máy phát.
Tiếp điểm b: để bảo vệ RI không bị cháy (nối tắt RI).
Tiếp điểm c: tiếp điểm tự giữ.
- BI : lấy thành phần xoay chiều của nhiễu để tăng cường tác động hãm cho RI. H
- 9CN: cầu nối, dùng để khoá bảo vệ khi sửa chữa hoặc không muốn bảo vệ tác
động.
- 6N: nút ấn, kết hợp với đồng hồ V để điều chỉnh cho cầu cân bằng khi xảy ra
chạm đất điểm thứ nhất mạch kích từ.
- 5N: nút ấn, để giải tự giữ sau khi bảo vệ đã tác động đi cắt máy cắt.
- 5CC: cuộn cản nhằm hạn chế thành phần nhiễu xoay chiều, tránh làm cho RI tác
động nhầm.
- 10CN: khoá bảo vệ không cho cắt máy cắt.
V. Bảo vệ chống quá điện áp (59)
Điện áp ở đầu cực máy
phát có thể tăng cao quá mức
cho phép khi có trục trặc trong
hệ thống tự động điều chỉnh
kích từ hoặc khi máy phát bị
mất tải đột ngột.
59II
59I
t
BU
Cắt MC
Đến hệ thống điều
chỉnh U(giảm kích từ)
MC Cắt kích từ
MF
Hình 1.28: Bảo vệ chống quá điện áp hai cấp đặt ở MFĐ
Khi mất tải đột ngột,
điện áp ở đầu cực các máy phát
thuỷ điện có thể đạt đến 200%
trị số danh định là do hệ thống
tự động điều chỉnh tốc độ quay
của turbine nước có quán tính
lớn và khả năng vượt tốc của
rotor máy phát cao hơn nhiều so
với máy phát turbine hơi.
Ở các máy phát nhiệt điện (turbine hơi hoặc turbine khí) các bộ điều tốc làm việc với
tốc độ cao, có quán tính bé hơn nên có thể khống chế mức vượt tốc thấp hơn, ngoài ra các
turbine khi hoặc hơi còn được trang bị các van STOP đóng nguồn năng lượng đưa vào
turbine trong vòng vài msec khi mức vượt tốc cao hơn mức chỉnh định.
Mặt khác, các máy phát thuỷ điện nằm xa trung tâm phụ tải và bình thường phải làm
việc với các mức điện áp đầu cực cao hơn điện áp danh định để bù lại điện áp giáng trên hệ
thống truyền tải, khi mất tải đột ngột mức điện áp lại càng tăng cao.
Quá điện áp ở đầu cực máy phát có thể gây tác hại cho cách điện của cuộn dây, các
thiết bị đấu nối ở đầu cực máy phát, còn đối với các máy phát làm việc hợp bộ với MBA sẽ
làm bão hoà mạch từ của MBA tăng áp, kéo theo nhiều tác dụng xấu.
Bảo vệ chống quá điện áp ở đầu cực máy phát thường gồm hai cấp hình 1.28.
36
I* Cấp 1 (59 ) với điện áp khởi động: UKĐ59I = 1,1UFđm (điện áp định mức MFĐ).
Cấp 1 làm việc có thời gian và tác động lên hệ thống tự động điều chỉnh kích từ để giảm
kích từ của máy phát.
II* Cấp 2 (59 ) với điện áp khởi động: UKĐ59II = (1,3÷1,5)UFđm. Cấp 2 làm việc tức
thời, tác động cắt MC ở đầu cực máy phát và tự động diệt từ trường của máy phát.
VI. Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải
Mục đích đặt bảo vệ:
- Chống ngắn mạch trên các phần tử kề (thanh góp máy phát, máy biến áp,...) nếu
bảo vệ của các phần tử này không làm việc.
- Chống quá tải do hệ thống cắt giảm một số nguồn cung cấp.
- Làm dự trữ cho BVSLD máy phát điện.
Để thực hiện bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải ta có thể sử dụng các phương
thức bảo vệ sau:
VI.1. Bảo vệ quá dòng điện:
Với các máy phát bé và trung
bình, người ta thường sử dụng
bảo vệ quá dòng điện có khoá
điện áp thấp (hình 1.29). Bảo vệ
thường có 2 cấp thời gian:
MC
F
BU
MBA
BI
&
2I
2II
Cắt
MC
Dừng
máy phát
Hình 1.29: Bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp
27
50
Cấp 1 (2I) tác động cắt
MC ở đầu cực máy phát (nếu nối
với thanh góp điện áp máy phát)
hoặc MC của bộ MF-MBA. Cấp
1 được phối hợp với thời gian tác
động của bảo vệ dự phòng của
đường dây và MBA.
Cấp 2 (2II) tác động dừng máy phát nếu sau khi cắt MC đầu cực máy phát (có thanh
góp điện áp máy phát) hoặc đầu hợp bộ (MF-MBA) mà dòng sự cố vẫn tồn tại (tức là sự cố
xảy ra bên trong hợp bộ hoặc máy phát).
Khóa điện áp thấp cho phép phân biệt ngắn mạch với quá tải và cho phép bảo vệ làm
việc chắc chắn khi máy phát được kích từ bằng chỉnh lưu lấy điện từ đầu cực máy phát.
Trong trường hợp này dòng ngắn mạch sẽ suy giảm nhanh chóng khi xảy ra ngắn mạch tại
đầu cực máy phát. Trong một số sơ đồ người ta còn dùng biện pháp đảm bảo cho bảo vệ tác
động chắc chắn là chỉ lấy tín hiệu điện áp thấp sau khi rơle dòng điện đã trở về do sự suy
giảm dòng ngắn mạch.
Dòng điện khởi động của rơle quá dòng 50 (khi bảo vệ quá dòng có khoá điện áp
thấp 27):
maxlv
Itv
at
50KÂ InK
KI = (1 -53)
với I là dòng điện làm việc lớn nhất qua cuộn thứ cấp của BI. lvmax
37
VI.2. Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải MFĐ:
Quá tải gây phát nóng cuộn dây stator có thể do nhiều nguyên nhân như máy phát
điện vận hành với hệ số công suất thấp, thành phần công suất phản kháng vượt quá mức cho
phép, có hư hỏng trong hệ thống làm mát hoăc hệ thống điều chỉnh điện áp làm cho máy
phát bị quá kích thích. Cuộn dây rotor cũmg có thể bị quá tải ngắn hạn trong quá trình điều
chỉnh điện áp khi máy phát đầy tải công suất tác dụng.
Thời gian chịu đựng quá tải của các cuộn dây máy phát có giới hạn và phụ thuộc vào
mức độ quá tải, kết cấu của máy phát, hệ thống làm mát và công suất của máy phát. Thường
các nhà chế tạo cho sẵn quan hệ giữa mức quá tải (I* = I/Iđm) với thời gian quá tải cho phép
của từng loại máy phát điện.
Cắt
1MC
18RT
24RI 25RI
32LI2
20RT 19RT
27RI 26RI
Cắt
MCpd
BI
MF
Báo tín hiệu Báo tín hiệu
Hình 1.30: Sơ đồ bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch ngoài
1MC
Có nhiều nguyên lý khác nhau có thể được áp dụng để thực hiện bảo vệ chống quá
tải cho cuộn dây của máy phát điện: theo số đo trực tiếp của nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ của
chất làm mát hoặc gián tiếp qua trị số dòng diện chạy qua cuộn dây.
Để bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải cho máy phát người ta có thể sử dụng
sơ đồ hình 1.30, thực chất đây cũng là một bảo vệ quá dòng.
Trong đó:
- 24RI, 18RT; 25RI, 20RT: để chống quá tải và ngắn mạch đối xứng.
- 26RI, 19RT; 27RI, 20RT: chống quá tải và ngắn mạch không đối xứng.
- 32LI2: bộ lọc dòng thứ tự nghịch (để nâng cao độ nhạy cho bảo vệ, thường dùng
cho các máy phát có công suất lớn).
VI.3.Tính chọn các thông số của rơle:
VI.3.1. Bảo vệ chống quá tải đối xứng 24RI, 18RT:
Dòng điện khởi động của 24RI:
Itv
âmFat
RI24KÂ n.K
I.K
I = (1-54)
Thời gian tác động của 18RT:
t18RT = (7÷ 9) sec (1-55)
VI.3.2. Bảo vệ chống ngắn mạch đối xứng 25RI, 20RT:
Itv
âmFmmat
RI4KÂ n.K
I.K.K
I = (1-56)
t20RT = t + Δt (1-57) max các phần tử lân cận
38
VI.3.3. Bảo vệ chống quá tải không đối xứng 26RI, 19RT:
Dòng điện khởi động cho rơle 26RI được chọn theo hai điều kiện:
Điều kiện 1: IKĐ26RI phải lớn hơn dòng thứ tự nghịch lâu dài cho phép I : 2cp
.IK I 2cpatKÂ26RI = (1-58)
- Đối với máy phát điện turbine nước: I2cp = 5%.I đmF
- Đối với máy phát điện turbine hơi: I = 10%.I 2cp đmF
Điều kiện 2: Rơle phải trở về sau khi đã cắt ngắn mạch ngoài.
Từ hai điều kiện trên và theo kinh nghiệm người ta chọn:
I
âmF
RI26KÂ n
I
.1,0I = (1-59)
Thời gian tác động của 19RT thường được chọn:
t19RT = (7 ÷ 9) sec (1-60)
VI.3.4. Bảo vệ chống ngắn mạch không đối xứng 27RI, 20RT:
Dòng khởi động của 27RI chọn theo các điều kiện sau:
Điều kiện 1: Bảo vệ không được tác động khi đứt một pha trong hệ thống nối với
nhà máy.
Điều kiện 2: Bảo vệ phải phối hợp độ nhạy với các bảo vệ lân cận.
Trên thực tế tính toán dòng thứ tự nghịch khá phức tạp, theo kinh nghiệm người ta
chọn:
I
âmF
RI26KÂ n
I
)6,05,0(I ÷= (1-61)
từ giá trị dòng khởi động tính được ta có thể chọn được rơle thích hợp.
Thời gian tác động của rơle 20RT phải phối hợp với các bảo vệ lân cận:
t20RT = t + Δt (1-62) max các phần tử lân cận
VI.3.5. Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ:
Độ nhạy K của bảo vệ được tính theo công thức sau: n
KÂB
minN
n I
I
K = (1-63)
Tuỳ vào nhiệm vụ của bảo vệ mà giá trị độ nhạy của bảo vệ phải đạt yêu cầu. Khi
làm bảo vệ chính K ≥ 1,5 và khi đóng vai trò làm bảo vệ dự trữ K ≥ 1,2. n n
VI.4. Bảo vệ dòng thứ tự nghịch: (hình 1.31)
Dòng điện thứ tự nghịch có thể xuất hiện trong cuộn dây stator máy phát khi xảy ra
đứt dây (hoặc hở mạch một pha), khi phụ tải không đối xứng hoặc ngắn mạch không đối
xứng trong hệ thống.
Quá tải không đối xứng nguy hiểm hơn quá tải đối xứng rất nhiều vì nó tạo nên từ
thông thứ tự nghịch φ2 biến thiên với vận tốc 2ω gấp hai lần tốc độ của rotor, làm cảm ứng
trên thân rotor dòng điện lớn đốt nóng rotor và máy phát.
Dòng thứ tự nghịch I2 càng lớn thì
thời gian cho phép tồn tại càng bé,
vì vậy bảo vệ chống dòng điện thứ
tự nghịch có thời gian tác động t
phụ thuộc tỉ lệ nghịch với dòng I : 2
2
2
2
âmF
2
1
K
I
I
Kt
−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
= (1-64)
39
LI2
30 2
51 51
t1 t1
Cắt MC Cảnh báo
52
HÌNH 1.31: Bảo vệ dòng điện TTN cho máy
phát
10
I*2
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
t (sec) 10 10 t (sec)
0,4
0,3
10
0,1
I*2
108 6 4 2 0
IKĐ1
IKĐ2
t1
t2
HÌNH 1.32: ĐặC TÍNH THờI GIAN PHụ THUộC (A) VÀ ĐộC LậP CÓ HAI
ấ
b) a)
Trong đó:
âmF
2cp
I
I
α -K , K là hệ số tỉ lệ, K1 2 2 =
với:
- α là hằng số đối với từng loại rơle cụ thể.
- I2cp: dòng thứ tự nghịch cho phép vận hành lâu dài, nó phụ thuộc vào chủng loại
máy phát, công suất và hệ thống làm mát của cuộn dây rotor.
- I : dòng điện định mức của máy phát. đmF
- I*2: dòng thứ tự nghịch tương đối, I*2 =
âmF
Bảo vệ có thể có đặc tính thời gian phụ thuộc tỉ lệ nghịch theo quan hệ t = f(I
2
I
I
2) (hình
1.32a) hoặc đặc tính thời gian độc lập 2 cấp (hình 1.32b): cấp 1 cảnh báo và cấp 2 đi cắt máy
cắt.
40
VII. BẢO VỆ CHỐNG MẤT KÍCH TỪ
Trong quá trình vận hành máy phát điện có thể xảy ra mất kích từ do hư hỏng trong
mạch kích thích (do ngắn mạch hoặc hở mạch), hư hỏng trong hệ thống tự động điều chỉnh
điện áp, thao tác sai của nhân viên vận hành... Khi máy phát bị mất kích từ thường dẫn đến
mất đồng bộ ở stator và rotor. Nếu hở mạch kích thích có thể gây quá điện áp trên cuộn rotor
nguy hiểm cho cách điện cuộn dây.
Ở chế độ vận hành bình thường, máy phát điện đồng bộ làm việc với sức điện động
E cao hơn điện áp đầu cực máy phát UF (chế độ quá kích thích, đưa công suất phản kháng Q
vào hệ thống, Q > 0). Khi máy phát làm việc ở chế độ thiếu kích thích hoặc mất kích thích,
sức điện động E thấp hơn điện áp UF, máy phát nhận công suất phản kháng từ hệ thống (Q <
0) (hình 1.33a,c). Như vậy khi mất kích từ, tổng trở đo được 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 của máy phát nhìn từ đầu cực của nó trong chế độ Q < 0) nằm ở
góc phần tư thứ tư trên mặt phẳng tổng trở phức (hình 1.33b).
Giới hạn phát nóng
mép lõi thép stator
Giới hạn phát nóng
cuộn rotor
Giới hạn phát nóng
cuộn stator
Miền làm việc
bình thường P (MW)
- Q
+ Q
R
- jX
ZF
A
T
Zpt
+ jX
(IV)
(I) (II)
(III)
Khi xảy ra mất kích từ, điện kháng của máy phát 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 máy phát điện, chúng ta có thể sử dụng một rơle điện kháng cực tiểu có X’d <
Xkđ < Xd với đặc tính vòng tròn có tâm nằm trên trục -jX của mặt phẳng tổng trở phưc. Đặc
tính khởi động của rơle điện kháng cực tiểu hình 1.33b có thể nhận được từ sơ đồ nguyên lý
hình 1.34a. Tín hiệu đầu vào của rơle là điện áp dây Ubc lấy ở đầu cực máy phát và dòng
điện pha Ib, Ic lấy ở các pha tương ứng. Điện áp sơ cấp UBC được đưa qua biến áp trung gian
BUG sao cho điện thứ cấp có thể lấy ra các đại lượng a.UBC và b.UBC (với b > a) tương ứng
với các điểm A và B trên đặc tính điện kháng khởi động ở hình 1.33b.
Khi mất kích từ, dòng điện chạy vào máy phát mang tính chất dung và vượt trước
điện áp pha tương ứng một góc 900. Hiệu dòng điện các pha B và C thông qua biến dòng
cảm kháng BIG tạo nên điện áp phía thứ cấp UD vượt trước dòng điện IBC một góc 900. Như
vậy góc lệch pha giữa hai véctơ điện áp U và U là 180D BC
Điện áp đưa vào các bộ biến đổi dạng sóng (hình sin sang hình chữ nhật) S
0 (hình 1.34).
1 và S2
tương ứng bằng:
D
.
BC
.
1
.
UU.aU −= (1-65)
D
.
BC
.
2
.
UU.bU −= (1-66)
Xd
0,5X’d
0
Miền quá kích thích
(E > 0, Q > 0)
Miền thiếu kích thích
(E < 0, Q < 0)
E
I, Q Hệ thống
U
Hình 1.33: Mất kích từ MFĐ
a) thay đổi hướng công suất Q.
b) thay đổi tổng trở đo được ở cực máy phát.
c) giới hạn thay đổi của công suất máy phát.
0
a)
b) c)
B
41
Góc lệch pha α giữa 1 và 2 sẽ được kiểm tra. Ở chế độ bình thường α = 0
.
U
.
U 0, rơle
không làm việc. Khi bị mất kích từ α = 1800, rơle sẽ tác động. Góc khởi động được chọn
khoảng 900. Các hệ số a, b được chọn (bằng cách thay đổi đầu phân áp của BUG) sao cho
các điểm A và B trên hình 1.34b thoả mãn điều kiện:
BC
.
D
.
BC
.
U.aUU.b >> (1-67)
A
.
U
B
.
U C
.
U
B
.
I
BC
.
U
BC
.
U BC
.
Ub D
.
U
BC
.
Ua
C
.
I
A
.
I BC
.
I
BC
.
I
A B C BUG
BIG
U2
U1
aUBC
Khi mất kích thích, góc pha dòng điện thay đổi, góc lệch pha α được kiểm tra thông
qua độ dài của tín hiệu S3 = - S1.S2. Nếu α > αkđ (hình 1.34c) bảo vệ sẽ tác động đi cắt máy
phát trong khoảng thời gian từ (1 ÷ 2) sec.
VIII. BẢO VỆ CHỐNG MẤT ĐỒNG BỘ
Bảo vệ chống mất đồng bộ đôi khi còn có tên gọi là bảo vệ chống trượt cực từ. Khi
máy phát điện đồng bộ bị mất kích từ, rotor máy phát có thể bị mất đồng bộ với từ trường
quay. Việc mát đồng bộ cũng có thể xảy ra khi có dao động công suất trông hệ thống điện do
sự cố kéo dài hoặc do cắt một số đường dây trong hệ thống. Hậu quả của việc mất đồng bộ
gây nên sự dao động công suất trong hệ thống có thể làm mất ổn định kéo theo sự tan rã hệ
BU
∫
~
~ S1
S1
& RL
S3 S4
-1
UD
IB
IC
bUBC
Cắt
MFĐ
a)
U1
U2
-U1
t
S1
S2
S3 = - S1.S2
α
S4 = ∫S3
αkđ Tín hiệu cắt
t
t
t
t
t
HÌNH 1.34: Sơ đồ bảo vệ chống mất kích từ máy phát điện dùng rơle điện kháng
cực tiểu a) sơ đồ nguyên lý; b) đồ thị véctơ; c) dạng sóng của các đại lượng
b) c)
42
thống điện, ngoài ra nó còn tạo ra các ứng suất cơ nguy hiểm trên một số phần tử của máy
phát. Để phát hiện sự cố này có thể sử dụng nguyên lý đo tổng trở đầu cực máy phát.
Trên hình 1.35 trình bày đặc tính biến thiên của mút véctơ tổng trở đo được trên đầu
cực máy phát trong quá trình sự cố và xảy ra dao động điện trong hệ thống. Ơ chế độ vận
hành bình thường, mút véctơ tổng trở nằm ở vị trí điểm A. khi xảy ra ngắn mạch mút véctơ
dịch chuyển từ A đến B, sau khi bảo vệ cắt ngắn mạch véctơ tổng trở nhảy từ B sang C và
nếu xảy ra dao động, mút véctơ ở chu kì đầu tiên sẽ dịch chuyển theo quĩ đạo 2... Hành vi
này của véctơ tổng trở khi có dao động điện có thể được phát hiện bằng một rơle với đặc
tính khởi động như trên hình 1.36. Đặc tính khởi động có dạng hình elíp hoặc thấu kính 1 và
dạng điện kháng 2 kết hợp với nhau theo nguyên lý “và”. Khi có dao động nếu quỹ đạo của
mút véctơ Z đi vào miền khởi đoọng ở điểm M và ra khỏi miền khởi động ở điểm N dưới
đặc tuyến 2 (hình 1.37) có nghĩa là tâm dao động (tâm điện) nằm trong miền tổng trở của bộ
MF-MBA, bảo vệ sẽ tác động cắt máy phát ngay trong chu kì dao động đầu tiên.
Dao động điện +jX
B (ngắn mạch) C (cắt ngắn mạch)
A (bình thường)
Z
0
R
1
2
HÌNH 1.35: Hành trình của véctơ tổng trở Z khi xảy ra sự cố và dao
động
Nếu tâm dao động nằm ở phía hệ thống quỹ đạo của mút véctơ Z sẽ nằm cao hơn đặc
tuyến 2, khi ấy bảo vệ sẽ tác động cắt sau một số chu kì định trước. Trên hình 1.37 trình bày
sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống trượt cực từ, bảo vệ gồm bộ phận đo khoảng cách với đặc
tuyến thấu kính1 kết hợp với bộ phậnhạn chế theo điện kháng 2 để giới hạn miền tác động từ
phía hệ thống, bộ phận đếm chu kì dao động 3 để cắt máy phát khi sô chu kì đạt trị số đặt
trước. Ở phía cao áp của MBA tăng có đặt thêm bộ phận định hướng công suất 4 thực hiện
chức năng giống như bộ phận 2 và làm nhiệm vụ dự phòng cho bộ phận này. Thay vì đặc
tuyến tổng trở kết hợp 1 và2 trên hình 1.36 người ta có thể sử dụng đặc tuyến hình chữ nhật
như trên hình 1.38 để phát hiện dao động điện.
F
1BI
BA
1BU
P
& Cắt
MC
IC
2BI
I
U U 1 2 3
Z< X<
4
2BU
HÌNH 1.37: Sơ đồ nguyên lý của
bảo vệ chống trượt cực từ (dao
động điện)
+jX
R
-ZF
N ϕ
X’
M
XH
2
1
HÌNH 1.36: Đặc tính khởi động
hình thấu kính để phát hiện dao
động điện
43
0 10 300 t (sec)
I*
2,5
2
1,5
1
2 (cuộn dây stator)
1 (cuộn dây rotor)
HÌNH 1.39: Quan hệ giữa mức quá
tải và thời gian quá tải cho phép
của các cuộn dây máy phát
+jX
R
0
X’dF
0,9XB
HÌNH 1.38: Đặc tính khởi động
hình chữ nhật để phát hiện dao
động điện
IX. bảo vệ chống luồng công suất ngược
Công suất sẽ đổi chiều từ hệ thống vào máy phát nếu việc cung cấp năng lượng cho
Turbine (dầu, khí, hơi nước hoặc dòng nước...) bị gián đoạn. Khi đó máy phát điện sẽ làm
việc như một động cơ tiêu thụ công suất từ hệ thống. Nguy hiểm của chế độ này đối với các
máy phát nhiệt điện là Turbine sẽ làm việc ở chế độ máy nén, nén lượng hơi thừa trong
Turbine làm cho cánh Turbine có thể phát nóng quá mức cho phép. Đối với các máy phát
diezen chế độ này có thể làm nổ máy.
Để bảo vệ chống chế độ công suất ngược, người ta kiểm tra hướng công suất tác
dụng của máy phát. Yêu cầu rơle hướng công suất phải có độ nhạy cao để phát hiện được
luồng công suất ngược với trị số khá bé (thường chỉ bù đắp lại tổn thất cơ của máy phát
trong chế độ này). Với các máy phát điện Turbine hơi, công suất khởi động ΔP bằng: kđ
ΔP = (0,01 ÷ 0,03)Pkđ đm (1-68)
Với các máy phát thuỷ điện và Turbine khí:
ΔP = (0,03 ÷ 0,05)Pkđ
Để đảm bảo độ
nhạy của bảo vệ cho các
máy phát công suất lớn,
mạch dòng điện của bảo vệ
thường được đấu vào lõi đo
lường của máy biến dòng
(thay cho lõi bảo vệ thường
dùng cho các thiết bị khác).
Bảo vệ chống công suất
ngược thường có hai cấp
tác động: cấp 1 với thời
gian khoảng (2 ÷ 5) sec sau
khi van STOP khẩn cấp làm
việc và cấp thứ 2 với thời gian
cắt máy khoảng vài chục giây
không qua tiếp điểm của van
STOP (hình 1.40).
đm (1-69)
F
BI
BU
92 2II
& 2I
Cấp 2
Cấp 1
Cắt
Van STOP
HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý của 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 công suất trung bình (≤ 1MW):
Phương án 1:
Sơ đồ sử dụng các bảo vệ sau:
- 51: bảo vệ quá dòng có thời gian.
- 51N: bảo vệ quá dòng chống chạm đất có thời
gian.
- 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch.
- 49: rơle nhiệt độ.
Phương án 2: hình 1.42
- 51: bảo vệ quá dòng có thời gian.
- 51N: bảo vệ quá dòng chống chạm đất có thời
gian.
- 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch.
- 64: bảo vệ chống chạm đất cuộn dây
rotor.
- 32: rơle định hướng công suất.
- 40: rơle phát hiện mất kích từ máy
phát điện.
X..2.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện
công suất lớn (> 1MW): (hình 1.43)
Sơ đồ sử dụng các bảo vệ sau:
- 51: bảo vệ quá dòng có thời gian.
- 51N: bảo vệ quá dòng chống chạm đất
có thời gian.
- 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch.
- 32: rơle định hướng công suất.
- 40: rơle phát hiện mất kích từ máy
phát điện.
- 49: rơle nhiệt độ.
- 87,87N: rơle so lệch chống chạm pha
và chạm đất.
Hình 1.41
52
64
51 32 46 40
51N
Hình 1.42
- 27: rơle điện áp thấp.
- 59: rơle quá điện áp.
- 81: rơle tần số.
- 64F: chống chạm đất cuộn dây rotor.
X.3. Sơ đồ bảo vệ bộ MFĐ-MBA:
Phương án 1: hình 1.44
- 87U: bảo vệ so lệch dọc chung cho máy phát và MBA tăng áp và MBA tự dùng.
- 87T: bảo vệ so lệch dọc MBA tăng áp và MBA tự dùng.
- 51: bảo vệ quá dòng có chỉnh định thời gian.
- 51N: bảo vệ quá dòng chống chạm đất có thời gian.
- 63: rơle áp suất dùng cho MBA.
- 71: rơle hơi dùng cho MBA.
- 64R, 64R2: bảo vệ chống chạm đất 1 điểm và 2 điểm mạch kích từ.
- 51N, 59N: bảo vệ chống chạm đất cuộn dây rotor.
- 87G: bảo vệ so lệch chống chạm pha trong máy phát.
- 49S: bảo vệ quá nhiệt cuộn dây stator.
- 59: rơle quá điện áp.
- 81N: rơle tần số.
- 24: rơle quá từ. 78: rơle kiểm tra đồng bộ.
- 40: rơle phát hiện mất kích từ máy phát điện.
- 21: rơle khoảng cách
- 32: rơle định hướng công suất..
45
Phương án 2: hình 1.45
87
27
81
64F
27
59
51N
51
87N
32 46 40 49
52
Hình 1.43
51N
59N
64R2 64R
E
46 21
71
63 51N
87T
87G
32
40
78 49S 81N
59 24 51
87U
51N
71 63
87T
HÌNH 1.44: Sơ đồ bảo vệ bộ máy phát và máy biến
áp .
46
51N
63 87T
Kiểm tra cách điện
lưới
50 51
T1
87T
63
6,3kV
50 51
64
40
21 59
46 50 51 81
G
TE1
TU
220kV
CSV
MC
MC
MC
Mạch tự động kích thích
Đồng hồ đo lường
HÌNH 1.45: SƠ Đồ BảO Vệ Bộ MÁY PHÁT VÀ MÁY
ế Á
87G
47
48