Giáo trình Máy phát điện

178 trang cucquyet12 10110

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy phát điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_may_phat_dien.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy phát điện

A. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN Máy phát điện (MFĐ) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ), sự làm việc tin cậy của các MFĐ cĩ ảnh hưởng quyết định đến độ tin cậy của HTĐ. Vì vậy, đối với MFĐ đặc biệt là các máy cĩ cơng 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 khơng bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngồi MFĐ. Để thiết kế tính tốn các bảo vệ cần thiết cho máy phát, chúng ta phải biết các dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc khơng bình thường của MFĐ. I. Các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc khơng bình thường của MFĐ I.1. Các dạng hư hỏng: - Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn stator. (1) - Chạm chập giữa các vịng dây trong cùng 1 pha (đối với các MFĐ cĩ cuộn dây kép). (2) - Chạm đất 1 pha trong cuộn dây stator. (3) - Chạm đất một điểm hoặc hai điểm mạch kích từ. (4) I.2. Các tình trạng làm việc khơng bình thường của MFĐ: - Dịng điện tăng cao do ngắn mạch ngồi hoặc quá tải. (5) - Điện áp đầu cực máy phát tăng cao do mất tải đột ngột hoặc khi cắt ngắn mạch ngồi. (6) Ngồi ra cịn cĩ các tình trạng làm việc khơng bình thường khác như: Tải khơng đối xứng, mất kích từ, mất đồng bộ, tần số thấp, máy phát làm việc ở chế độ động cơ, II. Các bảo vệ thường dùng cho MFĐ Tuỳ theo chủng loại của máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, turbine khí, thuỷ điện tích năng ), cơng suất của máy phát, vai trị của máy phát và sơ đồ nối dây của nhà máy điện với các phần tử khác trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp. Hiện nay khơng cĩ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn đối với MFĐ cũng như đối với các thiết bị điện khác. Tuỳ theo quan điểm của người sử dụng đối với các yêu cầu về độ tin cậy, mức độ dự phịng, độ nhạy mà chúng ta lựa chọn số lượng và chủng loại rơle trong hệ thống bảo vệ. Đối với các MFĐ cơng suất lớn, xu thế hiện nay là lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập nhau với nguồn điện thao tác riêng, mỗi hệ thống bao gồm một bảo vệ chính và một số bảo vệ dự phịng cĩ thể thực hiện đầy đủ các chức năng bảo vệ cho máy phát. Để bảo vệ cho MFĐ chống lại các dạng sự cố nêu ở phần I, người ta thường dùng các loại bảo vệ sau: - Bảo vệ so lệch dọc để phát hiện và xử lý khi xảy ra sự cố (1). - Bảo vệ so lệch ngang cho sự cố (2). - Bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator cho sự cố (3). - Bảo vệ chống chạm đất mạch kích từ cho sự cố (4). - Bảo vệ chống ngắn mạch ngồi và quá tải cho sự cố (5). - Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao cho sự cố (6). Ngồi ra cĩ thể dùng: Bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phịng cho bảo vệ so lệch, bảo vệ chống quá nhiệt rotor do dịng máy phát khơng cân bằng, bảo vệ chống mất đồng bộ, 13
B. CÁC BẢO VỆ RƠLE CHO MÁY PHÁT ĐIỆN I. Bảo vệ so lệch dọc (87G) I.1. Nhiệm vụ và sơ đồ nguyên lý: Bảo vệ so lệch dọc (BVSLD) cĩ nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator máy phát. Sơ đồ thực hiện bảo vệ như hình 1.1. Báo tín hiệu đứt Báo tín hiệu mạch thứ + + MC Cắt 4Rth MC 5RT + + + - 1RI 2RI 3RI Rf 52 MF R f 1BI MF b) 87G a) Hình 1.1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn stator 2BI MFĐ; sơ đồ tính tốn (a) và theo mã số (b) Trong đĩ: - Rf: dùng để hạn chế dịng điện khơng cân bằng (IKCB), nhằm nâng cao độ nhạy của bảo vệ. - 1RI, 2RI, 4Rth: phát hiện sự cố và đưa tín hiệu đi cắt máy cắt đầu cực máy phát khơng thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec). - 3RI, 5RT: báo tín hiệu khi xảy ra đứt mạch thứ sau một thời gian cần thiết (thơng qua 5RT) để tránh hiện tượng báo nhầm khi ngắn mạch ngồi mà tưởng đứt mạch thứ. Vùng tác động của bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI nối vào mạch so lệch. Cụ thể ở đây là các cuộn dây stator của MFĐ, đoạn thanh dẫn từ đầu cực MFĐ đến máy cắt. I.2. Nguyên lý làm việc: BVSLD hoạt động theo nguyên tắc so sánh độ lệch dịng điện giữa hai đầu cuộn dây stator, dịng vào rơle là dịng so lệch: IR = I1T - I2T = ISL (1-1) Với I1T, I 2T là dịng điện thứ cấp của các BI ở hai đầu cuộn dây. Bình thường hoặc ngắn mạch ngồi, dịng vào rơle 1RI, 2RI là dịng khơng cân bằng IKCB: ISL = I1T - I2T = IKCB < IKĐR (dịng khởi động rơle) (1-2) nên bảo vệ khơng tác động (hình 1.2a). Khi xảy ra chạm chập giữa các pha trong cuộn dây stator (hình 1.2b), dịng điện vào các rơle 1RI, 2RI: 14
I N ISL = I1T - I2T = > IKĐR (1-3) nI Trong đĩ: ISL = IKCBT I KÂR Bảo vệ tác động đi cắt 1MC I2T n đồng thời đưa tín hiệu đi đến bộ phận I tự động diệt từ (TDT). I2T Trường hợp đứt mạch thứ của a) b) BI, dịng vào rơle là: Hình 1.2: Đồ thị véctơ của dịng điện trong mạch I F IR = (1-4) BVSLD nI a) Bình thường và khi ngắn mạch ngồi b) Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ Dịng điện này cĩ thể làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc đĩ chỉ cĩ 3RI khởi động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh hiện tượng báo nhầm trong quá trình quá độ khi ngắn mạch ngồi cĩ xung dịng lớn. Ở sơ đồ hình 1.1, các BI nối theo sơ đồ sao khuyết nên bảo vệ so lệch dọc sẽ khơng tác động khi xảy ra ngắn mạch một pha ở pha khơng đặt BI. Tuy nhiên các bảo vệ khác sẽ tác động. I.3. Tính các tham số và chọn Rơle: I.3.1. Tính chọn 1RI và 2RI: Dịng điện khởi động của rơle 1RI, 2RI được chọn phải thoả mãn hai điều kiện sau: Điều kiện 1: Bảo vệ khơng tác động đối với dịng khơng cân bằng cực đại IKCBmax khi ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ. IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-5) IKCBtt = Kđn.KKCK.fi .INngmax (1-6) Trong đĩ: - Kat: hệ số an tồn tính đến sai số của rơle và dự trữ cần thiết. Kat cĩ thể lấy bằng 1,3. - KKCK: hệ số tính đến sự cĩ mặt của thành phần khơng chu kỳ của dịng ngắn mạch, KKCK cĩ thể lấy từ 1 đến 2 tuỳ theo biện phấp được sử dụng để nâng cao độ nhạy của bảo vệ. - Kđn: hệ số tính đến sự đồng nhất của các BI (Kđn = 0,5÷1). - fi: sai số tương đối của BI, fi cĩ thể lấy bằng 0,1 (cĩ kể đến dự trữ, vì các máy biến dịng chọn theo đường cong sai số 10%). - INngmax: thành phần chu kỳ của dịng điện chạy qua BI tại thời điểm đầu khi ngắn mạch ngồi trực tiếp 3 pha ở đầu cực máy phát. Điều kiện 2: Bảo vệ khơng được tác động khi đứt mạch thứ BI. Lúc đĩ dịng vào rơle 1RI, 2RI: (giả sử MF đang làm việc ở chế độ định mức) IâmF ISL = (1-7) nI Dịng khởi động của bảo vệ: K at IKĐB = IâmF (1-8) nI Như vậy, điều kiện để chọn dịng khởi động cho 1RI, 2RI: IKĐB = max{Kat .IKCBtt; Kat .IđmF } (1-9) Dịng điện khởi động của rơle: )3( K .I KÂB IKĐR = (1-10) nI 15
(3) Với K là hệ số sơ đồ. Sau khi tính được IKĐR ta sẽ chọn được loại rơle cần thiết. Kiểm tra độ nhạy Kn của bảo vệ: I N min Kn = (1-11) I KÂB Với INmin: dịng điện ngắn mạch 2 pha ở đầu cực máy phát khi máy phát làm việc riêng lẻ. Vì bảo vệ cĩ tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu Kn > 2. I.3.2. Tính chọn Rơle 3RI: Dịng khởi động sơ cấp của rơle 3RI phải lớn hơn dịng khơng cân bằng cực đại khi ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ. Nhưng trong tính tốn thì điều kiện ổn định nhiệt của rơle là quyết định. Theo kinh nghiệm cĩ thể chọn dịng khởi động cho 3RI: IKĐS(3RI) = 0,2.IđmF (1-12) Ta tính được IKĐR của 3RI và chọn được loại rơle tương ứng. I.3.3. Thời gian làm việc của 5RT: Khi xảy ra ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ, cĩ thể xuất hiện những xung dịng lớn thống qua làm cho bảo vệ tác động nhầm do vậy phải chọn thời gian tác động của 5RT thoả mãn điều kiện: t5RT > tcắt Nngồi (1-13) t5RT = tcắtNng + Δ t (1-14) Trong đĩ: - tcắtNng: thời gian lớn nhất của các bảo vệ nối vào thanh gĩp điện áp máy phát. - Δ t: bậc chọn lọc thời gian, thường Δ t = (0,25 ÷ 0,5) sec. Nhận xét: - Bảo vệ sẽ tác động khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator 1BI máy phát. I1S I1T - Bảo vệ khơng tác động khi BIH chạm chập giữa các vịng dây trong BILV Vùng bảo cùng 1 pha hoặc khi xảy ra chạm đất IH 1 điểm trong cuộn dây phần tĩnh. vệ Để tăng độ nhạy của bảo vệ so ILV RI lệch người ta cĩ thể sử dụng rơle so 2BI I2S I2T lệch cĩ hãm. Hình 1.3: Bảo vệ so lệch dịng điện cĩ hãm cuộn dây stator MFĐ I.4. Bảo vệ so lệch cĩ hãm: Sơ đồ bảo vệ như hình 1.3. Rơle gồm cĩ hai cuộn dây: Cuộn hãm và cuộn làm việc. Rơle làm việc trên nguyên tắc so sánh dịng điện giữa ILV và IH. - Dịng điện vào cuộn làm việc ILV: . . IIIILV =1T − 2T = SL (1-15) - Dịng điện hãm vào cuộn hãm IH: IH = ⎢I1T + I2T⎢ (1-16) Khi làm việc bình thường hay ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ: Dịng điện I1T cùng chiều với dịng I2T: ⎢I1T⎢ ≈ ⎢I2T⎢ ISL = ILV = ⎢I1T - I2T⎢ = IKCB (1-17) IH = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > ILV (1-18) nên bảo vệ khơng tác động. Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: Dịng điện I1T ngược pha với I2T: ⎢I1T⎢ = ⎢-I2T⎢ IH = ⎢I1T - I2T⎢ ≈ 0 ILV = ⎢I1T + I2T⎢ ≈ 2.⎢I1T⎢ > IH (1-19) 16
bảo vệ sẽ tác động. Nhận xét: - Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dịng điện giữa ILV và IH, nên độ nhạy của bảo vệ rất cao và khi xảy ra ngắn mạch thì bảo vệ tác động một cách chắc chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷ 20) msec. - Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle cĩ hãm cĩ thể ngăn chặn bảo vệ tác động nhầm do ảnh hưởng bão hồ của BI. - Đối với các máy phát điện cĩ cơng suất lớn cĩ thể sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4). Ở chế độ làm việc bình thường, dịng điện thứ A cấp I1T và I2T của các nhĩm I B LV biến dịng 1BI, 2BI chạy qua I1S I2S điện trở hãm RH, tạo nên RL1 C CL RLV điện áp hãm UH, cịn hiệu RL1 dịng thứ cấp (dịng so lệch) ULV BIG ISL chạy qua biến dịng trung ILV gian BIG, cầu chỉnh lưu CL RL2 và điện trở làm việc R tạo I2T LV I1T RL2 nên điện áp làm việc ULV. BIG D1 D2 Giá trị điện áp UH > ULV, IH bảo vệ khơng tác động. ILV RH/2 Đến RG UH đầu ra RH/2 Hình 1.4: Bảo vệ so lệch cĩ hãm tác động nhanh cho MFĐ cơng suất lớn Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, điện áp ULV >> UH, dịng điện chạy qua rơle RL1 làm rơle này tác động đĩng tiếp điểm RL1 lại. Dịng điện làm việc sau khi nắn chạy qua rơle RL2, RL2 đĩng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu ra sẽ được cấp nguồn thao tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL1 và RL2 đi cắt máy cắt đầu cực máy phát. Ngồi ra, người ta cịn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5). Rơle so lệch RU trong sơ đồ cĩ tổng trở khá lớn sẽ tác động theo điện áp so lệch USL, ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ngồi, các biến dịng 1BI, 2BI (được chọn giống nhau) cĩ cùng dịng điện máy phát đi qua do đĩ các sức điện động E1 và E2 bằng nhau và ngược pha nhau, L1 = L2, phân bố điện áp trong mạch như hình 1.5b. R R I 1 2 1BI N 2BI N L E1 1 USL RSL E2=0 USL 1BI E1 USL a) c) R1 R2 R1 R2 E U L E1 L1 USL R L2 1 L1 SL RSL 2 E2 SL E2 USL E1 E1 E2 USL = 0 E b) 2 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 và phân bố điện áp trong chế độ làm việc bình thường c) nhĩm 2BI bị bão hồ khi ngắn mạch ngồi và hồn tồn d) khi cĩ ngắn mạch trong. 17
Trị số điện áp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ giữa các điện trở R1 và R2. Điện trở R1, R2 gồm điện trở cuộn dây thứ cấp và dây dẫn phụ nối giữa hai nhĩm biến dịng 1BI và 2BI, với R1 = R2 ⇒ USL = 0 Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: * Trường hợp máy phát làm việc biệt lập với hệ thống: Dịng điện qua 1BI là dịng của máy phát. Dịng điện qua 2BI bằng khơng E2 = 0. Điện áp đặt lên rơle so lệch RU hình 1.5c: " IN .(R1+ R 2 ) USL1 = (vì RSL >> R2) (1-20) nI Trong đĩ: " - I N : trị hiệu dụng của dịng siêu quá độ khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát. " (3) (3) I N = I Nngmax = I Nđầu cực MF với: - nI: tỷ số biến dịng của BI. - RSL: điện trở mạch so lệch (gồm rơle và dây nối). - * Trường hợp máy phát nối với hệ thống: Khi đĩ tại điểm ngắn mạch, ngồi dịng " điện do bản thân máy phát cung cấp I NF cịn cĩ thêm thành phần dịng điện do hệ thống đổ " về I NH . Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp như hình 1.5d. Giá trị điện áp đặt lên rơle so lệch RU: " " (INF + INH ).(R1+ R 2 ) USL2 = (1-21) nI Để đảm bảo tính chọn lọc, điện áp khởi động của rơle so lệch RU phải chọn lớn hơn min{USL1; USL2}, nghĩa là: " Kat .I N .(R1+ R 2 ) UKĐR = Kat.USL1 = (1-22) nI Với Kat = (1,15 ÷ 1,2) là hệ số an tồn. Thời gian tác động của bảo vệ thường: t = (15 ÷ 20) msec Nhận xét: - Đối với các MFĐ cĩ cơng suất lớn, hằng số thời gian tắt dần của thành phần một chiều trong dịng điện ngắn mạch cĩ thể đạt đến hàng trăm msec, gây bão hịa mạch từ của các máy biến dịng và làm chậm tác động của bảo vệ khi cĩ ngắn mạch trong vùng bảo vệ. Vì vậy cần phải sử dụng sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước khi xảy ra bão hịa mạch từ của máy biến dịng, tức là: tbh > tbv, với tbv là thời gian cắt ngắn mạch của bảo vệ; tbh thời gian bão hồ mạch từ của BI. 18
I.5. Bảo vệ khoảng cách (21): Đối với các MFĐ cơng suất lớn người ta thường sử dụng bảo vệ khoảng cách làm bảo vệ dự phịng cho BVSL (hình 1.6a). X jX TG BA UF ZKĐ BU II t jXKĐ U Δt XB R RZ 0,7XB 0 R KĐ F I I t = (0,4 ÷ 0,5) BI XF sec t a) b) 0 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý (a); đặc tính thời gian (b) và đặc tuyến khởi động (c) của bảo vệ khoảng cách cho MFĐ Vì khoảng cách từ MBA đến máy cắt cao áp khá ngắn, để tránh tác động nhầm khi ngắn mạch ngồi MBA, vùng thứ nhất của bảo vệ khoảng cách được chọn bao gồm điện kháng của MFĐ và khoảng 70% điện kháng của MBA tăng áp (để bảo vệ hồn tồn cuộn hạ của MBA), nghĩa là: I Z kđ = ZF + 0,7.ZB (1-23) Thời gian làm việc của vùng thứ nhất thường chọn tI = (0,4 ÷ 0,5) sec (hình 1.6b). Vùng thứ hai thường bao gồm phần cịn lại của cuộn dây MBA, thanh dẫn và đường dây truyền tải nối với thanh gĩp liền kề. Đặc tuyến khởi động của rơle khoảng cách cĩ thể cĩ dạng vịng trịn với tâm ở gĩc toạ độ hoặc hình bình hành với độ nghiêng của cạnh bên bằng độ nghiêng của véctơ điện áp UF hình 1.6c. II. Bảo vệ so lệch ngang (87G) Các vịng dây của MFĐ chập nhau thường do nguyên nhân hư hỏng cách điện của dây quấn. Cĩ thể xảy ra chạm chập giữa các vịng dây trong cùng một nhánh (cuộn dây đơn) hoặc giữa các vịng dây thuộc hai nhánh khác nhau trong cùng một pha, dịng điện trong các vịng dây bị chạm chập cĩ thể đạt đến trị số rất lớn. Đối với máy phát điện mà cuộn dây stator là cuộn dây kép, khi cĩ một số vịng dây chạm nhau sức điện động cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dịng điện cân bằng chạy quẩn trong các mạch vịng sự cố và đốt nĩng cuộn dây cĩ thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng. Trong nhiều trường hợp khi xảy ra chạm chập giữa các vịng dây trong cùng một pha nhưng BVSLD khơng thể phát hiện được, vì vậy cần phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng sự cố này. 19
KĐ I* RL LV Cắt R R MC 4 H I1S LV 3 ILV = IH 2BI I 1BI I2S H 2 ILV I2T 1 BIH I1T ILV = f(IH) BILV * a) b) 0 1 2 3 4 I H Hình 1.7: Bảo vệ so lệch ngang cĩ hãm (a) và đặc tính khởi động (b) Đối với MFĐ cơng suất vừa và nhỏ chỉ cĩ cuộn dây đơn, lúc đĩ chạm chập giữa các vịng dây trong cùng một pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống chạm đất tác động (trường hợp này khơng cần đặt bảo vệ so lệch ngang). Với MFĐ cơng suất lớn, cuộn dây stator làm bằng thanh dẫn và được quấn kép, đầu ra các nhánh đưa ra ngồi nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ dàng. Người ta cĩ thể dùng sơ đồ bảo vệ riêng hoặc chung cho các pha. II.1. Sơ đồ bảo vệ riêng cho từng pha: (hình 1.7, 1.8) Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngồi, sức điện động trong các nhánh cuộn dây stator bằng nhau nên I1T = I2T. Khi đĩ: ⎢IH⎢ = ⎢I1T + I2T⎢ = 2.I1T (1-24) ISL =⎢ILV⎢=⎢I1T - I2T⎢ = IKCB (1-25) ⇒ IH > ILV nên bảo vệ khơng tác động Khi xảy ra chạm chập giữa các vịng dây 87G 87G 87G của hai nhánh khác nhau cùng một pha, giả thiết ở chế độ máy phát chưa mang tải, ta cĩ: 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 các pha: (hình 1.9) Trong sơ đồ BI được đặt ở giữa hai điểm nối trung tính của 2 nhĩm nhánh của cuộn dây stator, thứ cấp của BI nối qua bộ lọc sĩng hài bậc ba L3f dùng để giảm dịng khơng cân bằng đi vào rơle. 20
A B C Báo tín + T 1 hiệu 2 RI + Lf3 RT Rth a) O1 C Cắt 1MC O2 - Hình 1.9: Sơ đồ bảo vệ so lệch ngang cho các pha MFĐ, sơ đồ tính b) BI 87 tốn (a) và theo mã số (b) CN: cầu nối, bình thường CN ở vị trí 1 và bảo vệ tác động khơng thời gian. Khi máy phát đã chạm đất 1 điểm mạch kích từ (khơng nguy hiểm), CN được chuyển sang vị trí 2 lúc đĩ bảo vệ sẽ tác động cĩ thời gian để tránh tác động nhầm khi chạm đất thống qua điểm thứ 2 mạch kích từ. II.2.1. Nguyên lý hoạt động: Bảo vệ hoạt động trên nguyên lý so sánh thế V1 và V2 của trung điểm O1 và O2 giữa 2 nhánh song song của cuộn dây. * Ở chế độ bình thường hoặc ngắn mạch ngồi: U12 = V1 - V2 ≈ 0 (1-27) nên khơng cĩ dịng qua BI do đĩ bảo vệ khơng tác động (cầu nối ở vị trí 1). * Khi xảy ra chạm chập 1 điểm mạch kích từ, máy phát vẫn được duy trì vận hành nhưng phải chuyển cầu nồi sang vị trí 2 để tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm khi ngắn mạch thống qua điểm thứ 2 mạch kích từ. * Khi sự cố (chạm chập giữa các vịng dây): U12 = V1 - V2 ≠ 0 (1-28) nên cĩ dịng qua BI bảo vệ tác động cắt máy cắt. II.2.2. Dịng khởi động của rơle: Dịng điện khởi động của bảo vệ được xác định theo cơng thức: IKĐB ≥ Kat.IKCBtt (1-29) Thực tế việc xác định dịng khơng cân bằng tính tốn IKCBtt tương đối khĩ, nên thường xác định theo cơng thức kinh nghiệm: IKĐB = (0,05 ÷ 0,1).IđmF (1-30) I KÂB ⇒ IKĐR = (1-31) nI từ đĩ cĩ thể chọn được loại rơle cần thiết. II.2.3. Thời gian tác động của bảo vệ: Bình thường bảo vệ tác động khơng thời gian (cầu nối CN ở vị trí 1). Khi chạm đất điểm thứ nhất mạch kích từ thì cầu nối CN được chuyển sang vị trí 2. Thời gian tác động của rơle RT được xác định như sau: 21
tRT = tBV 2 điểm ktừ + Δt (1-32) Trong đĩ: - tBV 2 điểm ktừ: thời gian tác động của 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 cũng cĩ thể làm việc khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator. Tuy nhiên nĩ khơng thể thay thế hồn tồn cho BVSLD được vì khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát bảo vệ so lệch ngang khơng làm việc. - Bảo vệ tác động khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ (nếu bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ khơng tác động) do sự khơng đối xứng của từ trường làm cho V1 ≠ V2. III. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây stator (50/51n) Mạng điện áp máy phát thường làm việc với trung tính cách điện với đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang nên dịng chạm đất khơng lớn lắm. Tuy vậy, sự cố một điểm cuộn dây stator chạm lõi từ lại thường xảy ra, dẫn đến đốt cháy cách điện cuộn dây và lan rộng ra các cuộn dây bên cạnh gây ngắn mạch nhiều pha.Vì vậy, cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator. Dịng điện tại chỗ chạm đất khi trung điểm của cuộn dây máy phát khơng nối đất là: (1) α.Up I Âα = (1-33) r2 + X 2 qâ C0Σ Trong đĩ: - α: số phần trăm cuộn dây tính từ trung điểm đến vị trí chạm đất (α ≤ 1). - Up: điện áp pha của máy phát. - rqđ: điện trở quá độ tại chỗ sự cố. - X : dung kháng 3 pha đẳng trị của tất cả các phần tử trong mạng điện áp C0Σ 1 máy phát. X = C0Σ 3.j.ω .C0∑ Nếu bỏ qua điện trở quá độ tại chỗ sự cố (rqđ = 0), dịng chạm đất bằng: (1) I Âα = 3.α.ω.C0Σ.Up (1-34) Khi chạm đất xảy ra tại đầu cực máy phát (α = 1) dịng chạm đất đạt trị số lớn nhất: (1) I Âα max = 3.ω.C0Σ.Up (1-35) Nếu dịng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn dập hồ quang (CDHQ), theo quy định của một số nước, CDHQ cần phải đặt khi: (1) I Â max ≥ 30 A đối với mạng cĩ U = 6 kV (1) I Â max ≥ 20 A đối với mạng cĩ U = 10 kV (1) I Â max ≥ 15 A đối với mạng cĩ U = (15 ÷ 20) kV (1) I Â max ≥ 10 A đối với mạng cĩ U = 35 kV (1) Kinh nghiệm cho thấy rằng dịng điện chạm đất I Â ≥ 5A cĩ khả năng duy trì tia lửa điện tại chỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây và lõi thép tại chỗ sự cố, vì vậy bảo vệ cần phải tác động cắt máy phát. Phần lớn sự cố cuộn dây stator là chạm đất một pha vì các cuộn dây cách điện nằm trong các rãnh lõi thép. Để giới hạn dịng chạm đất trung tính máy phát thường nối đất qua một tổng trở. Các phương pháp nối đất trung tính được trình bày trong hình 1.10. Nếu tổng trở trung tính đủ lớn dịng chạm đất cĩ thể giới hạn nhỏ hơn dịng điện định mức máy phát. Khơng cĩ cơng thức tổng quát nào cho giá trị tối ưu của tổng trở giới hạn dịng. Nếu tổng trở trung tính quá cao, dịng chạm đất bé làm cho rơle khơng tác động. Ngồi ra điện trở quá lớn sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng quá độ giữa các cuộn dây với đất và đường dây kết nối. Để tránh hiện tượng này khi tính chọn điện trở trung tính cực đại 22
1 dựa vào dung dẫn giữa 3 cuộn dây stator máy phát, thường yêu cầu: R ≤ (Ω) 3ω C (1-36) với C là điện dung của mỗi cuộn dây stator máy phát. Nếu điện trở trung tính thấp, dịng điện chạm đất sẽ cao và sẽ gây nguy hiểm cho máy phát. Khi điện trở trung tính giảm độ nhạy của rơle chống chạm đất giảm do điện thế thứ tự khơng nhỏ. Rơle chống chạm đất sẽ cảm nhận điện thế giáng trên điện trở nối đất do vậy giá trị điện thế này phải đủ lớn để đảm bảo độ nhạy của rơle. Hình 1.10 giới thiệu một số phương án áp dụng nối đất trung tính máy phát. Phương án a: Trung tính nối đất qua điện trở cao Rt (hình1.10a) để giới hạn dịng chạm đất nhỏ hơn 25A. Một phương án khác cũng nối đất qua điện trở thấp cho phép dịng chạm đất cĩ thể đạt đến 1500A. Phương án b: Trung tính nối đất qua điện kháng cĩ kháng trở bé (hình 1.10b), với phương án này cho phép dịng chạm đất lớn hơn khi dùng phương án a, giá trị dịng chạm đất khoảng (25÷100)% dịng 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. - Đối với sơ đồ cĩ thanh gĩp 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 Rđ KĐ bảo vệ đơn giản hơn để báo tín hiệu BA Rt chạm đất stator mà khơng cần cắt a) b) c) máy phát. Hình 1.10: Các phương án nối đất trung tính MFĐ III.1. Đối với sơ đồ thanh gĩp 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 dịng thứ tự khơng qua biến dịng thứ tự khơng 7BI0 cĩ kích từ phụ từ nguồn xoay chiều lấy từ 2BU. Báo tín hiệu 1MC FCO + + + 2BU 3RI 4RI 5RG RTh - + Cắt 1MC Từ bảo vệ 6RT chống nm 7BI0 ngồi - MF 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: khố bảo vệ khi ngắn mạch ngồi. - 6RT: tạo thời gian làm việc cần thiết để bảo vệ khơng tác động đối với những giá trị quá độ của dịng 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, dịng điện qua rơle 3RI, 4RI: . 1 . . . 1 . I R =(IA + IB + IC ) = I KCBtt (1-37) nI nI Dịng điện khơng cân bằng do các pha phía sơ cấp của 7BI0 đặt khơng đối xứng với cuộn thứ cấp và do thành phần kích từ phụ gây nên. Dịng điện khởi động của rơle cần phải chọn lớn hơn dịng điện khơng cân bằng trong tình trạng bình thường này: IKĐR >IKCBtt Khi xảy ra chạm đất 1 pha trong vùng bảo vệ: Dịng qua chỗ chạm đất bằng: ID = (3.α.ω.C0HT + 3.α.ω.C0F).UpF (1-38) Trong đĩ: - α: phần số vịng dây bị chọc thủng kể từ điểm trung tính cuộn dây stator. - C0F , C0HT: điện dung pha đối với đất của máy phát và hệ thống. - UpF: điện áp pha của máy phát. Dịng điện vào rơle bằng: I′D = 3. ω .α .C0HT .U pF (1-39) để bảo vệ cĩ thể tác động được cần thực hiện điều kiện: IKĐB ≤ II′Dα − KCBtt (1-40) để đơn giản, ta giả thiết dịng chạm đất đi qua bảo vệ và dịng khơng cân bằng tính tốn ngược pha nhau. Khi số vịng chạm α bé, dịng điện chạm đất I′Dα nhỏ và bảo vệ cĩ thể cĩ vùng chết ở gần trung tính máy phát. Khi chạm đất một pha ngồi vùng bảo vệ, dịng điện đi qua bảo vệ: ID′′ α = 3.ω .α .C0F .U pF (1-41) để bảo vệ khơng tác động trong trường hợp này, dịng khởi động của bảo vệ phải được chọn: IIIKÂB > ′D′α qâ + KCBtt (1-42) Ở đây chúng ta chọn điều kiện nặng nề nhất là khi dịng điện chạm đất qua bảo vệ và dịng khơng cân bằng cĩ chiều trùng nhau, đồng thời phải chọn giá trị của dịng điện chạm đất bằng giá trị quá độ lớn nhất vì chạm đất thường là khơng ổn định. Khi xảy ra chạm đất 2 pha tại hai điểm, trong đĩ cĩ 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: * Dịng khởi động của rơle 3RI: Việc xác định dịng khơng cân bằng đi qua bảo vệ khi ngắn mạch ngồi 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) * Dịng khởi động của rơle 4RI: Dịng khởi động của 4RI được chọn theo 2 điều kiện: Bảo vệ khơng được tác động khi ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ, khi đĩ: K at I KÂB 4RI = (3ω C0 k qâ U pF + IKCBtt max ) (A) (phía sơ cấp) (1-44) K tv 24
Theo giá trị dịng điện sơ cấp bé nhất tương ứng với dịng 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: IKĐB4RI = (2 ÷ 3) (A) (phía sơ cấp) (1-45) Từ hai điều kiện trên chúng ta sẽ chọn được dịng điện lớn hơn làm dịng điện tính tốn. * Thời gian làm việc của rơle 6RT: Để loại trừ ảnh hưởng của những giá trị quá độ của dịng 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 dịng 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 khơng như hình 1.12. Giá trị khởi động của RU (UKĐRU) thường chọn theo hai điều kiện sau: ¾ Điều kiện1: UKĐRU > UKCBmax + ¾ Điều kiện2: UKĐRU chọn theo điều + kiện ổn định nhiệt của rơle và thường lấy RT bằng 15V. Thường chọn theo điều kiện 2 là đã MBA RU 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 ngồi. FCO V tRT = tmax (BV của phần tử kế cận) + Δt. (1-47) BU III.3. Một số sơ đồ khác: MF MFĐ nối với thanh gĩp điện áp thường cĩ cơng suất bé và sơ đồ bảo vệ Hình 1.12: Sơ đồ bảo vệ chạm đất một thường dựa trên nguyên lý làm việc theo biên điểm cuộn stator bộ MF-MBA độ hoặc hướng dịng điện chạm đất. III.3.1. Phương pháp biên độ: α (1) (1) I ĐαF I ĐαH 51N R BA t 59 BU Rt Rđ 50N C (1) C0H 0F I Đα 50N a) b) c) Hình 1.13: Chạm đất trong cuộn dây stator MFĐ Hình 1.14: Bảo vệ chạm đất dây quấn stator Phương pháp biên độ thường được sử dụng khi thành phần dịng điện chạm đất từ (1) phía điện dung hệ thống I đαH lớn hơn nhiều so với thành phần chạm đất từ phía điện dung (1) máy phát I đαF nghĩa là: (1) (1) I đαH >> I đαF với IđαF = 3.j.ω.C.Uα 25
Vì dịng 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 khơng 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. Ngồi 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 Rđ: (hình 1.14a) Máy biến dịng đặt ở dây nối trung tính MFĐ qua điện trở nối đất Rđ, cuộn thứ cấp nối vào rơle dịng cắt nhanh (cĩ mã số 50N). Trị số dịng điện đặt của rơle lấy bằng 10% giá trị dịng điện chạm đất cực đại ở cấp điện áp máy phát. Đây là trị số đặt nhỏ nhất cĩ tính đến độ an tồn khi thành phần dịng điện thứ tự khơng 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 cĩ thể đặt thêm bảo vệ dịng cực đại (51N) cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc cĩ trị số dịng điện đặt khoảng 5% giá trị dịng chạm đất cực đại Iđmax ở cấp điện áp máy phát. Máy phát nối đất trung tính qua MBA: (hình 1.14b) MBA nối đất đặt ở trung tính máy phát điện, vừa cĩ 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 cĩ thể bảo vệ được khoảng 90% cuộn stator tính từ đầu cực máy phát. Người ta cũng cĩ 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 dịng nối vào rơle dịng cực đại (50N). Giá trị đặt của rơle này khoảng 5% giá trị dịng điện chạm đất cực đại ở cấp điện áp máy phát. Dịng điện thứ cấp của BI chọn 1A cịn dịng điện phía sơ cấp của BI chọn bằng hoặc nhỏ hơn dịng điện đi qua cuộn sơ cấp của MBA nối đất. Sơ đồ sử dụng điện áp sĩng hài bậc 3: (hình 1.15) MF F N 2BU0 1RU Z1 a Z2 Rđ Lf 3 1BU 0 2RU b a) ” U F ’ U F N N F F b) ” U N 50% 100% ’ U N ” U F ’ U F F c) N N F 50% 100% F N 50% F d) N ” 100% U N ’ U N 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 26
Các sơ đồ bảo vệ mơ tả trên khơng bảo vệ được hồn tồn cuộn stator máy phát khi xảy ra chạm đất một pha. Với các máy phát cơng 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 sĩng hài bậc ba. Do tính phi tuyến của mạch từ máy phát nên điện áp cuộn dây stator luơn chứa thành phần sĩng 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 sĩng hài bậc ba với đất ở các điểm khác nhau trên cuộn dây stator ta cĩ phân bố điện áp như trên hình 1.15b. Ở đây kí ’ ’ ” ” hiệu U NF, U là điện áp hài bậc ba khi máy phát khơng tải và U NF, U khi máy phát đầy tải. Khi xảy chạm đất ở đầu cực hoặc ở trung tính máy phát, điện áp sĩng hài ở đầu cực khơng chạm đất tăng lên gần gấp hai lần so với chế độ tương ứng trước khi chạm đất (hình 1.15c,d). 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 Lf3 và sẽ tác động khi cĩ chạm đất trong cuộn dây stator. 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 cĩ thể bảo vệ được tồn bộ cuộn stator máy phát khi xảy ra chạm đất một pha. Các tổng trở Z1, Z2 được chọn sao cho ở chế độ làm việc bình thường điện áp đặt lên 2RU bằng khơng, 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 dịng điện chạm đất: (hình1.16) Phương pháp hướng dịng điện chạm đất cĩ thể mở rộng vùng bảo vệ chống chạm đất khoảng 90% cuộn dây kể từ đầu cực máy phát. K 3U0 Vùng tác động IU R1 C R2 K 1 L ΔI -I(1) Đ C2 BTH1 t Vùng hãm CL1 Ilv I RI U 3I = I(1) 0 D IH Ilv BTH2 a) b) CL2 HÌNH 1.16 : bảo vệ cĩ hướng chống chạm đất cuộn dây stator thanh gĩp điện áp mfđ 27
Rơle so sánh tương quan giữa dịng điện làm việc ILV và dịng điện hãm IH theo quan hệ : ΔI = IH - ILV (1-48) Trong đĩ: 1 IH = IU + I Đ (1-49a) 1 ILV = IU - I Đ (1-49b) 1 Với IU là dịng điện lấy từ nguồn điện áp U0;&I D lấy từ bộ lọc dịng thứ tự khơng. Từ đồ thị véctơ hình 1.16b ta cĩ 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 IH >ILV điều 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 khố K (hình 1.16a) đấu vào điện áp U0 qua điện trở R1 thay cho tụ điện C1 thì sơ đồ cĩ thể sử dụng để bảo vệ cho các máy phát cĩ trung tính nối đất qua điện trở lớn. Khi ấy thành phần tác dụng của dịng điện tác dụng sẽ được so sánh với thành phần phản kháng của dịng điện khi trung điểm cuộn dây máy phát khơng nối đất. Nếu thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dịng điện chạm đất gần bằng nhau, người ta sử dụng sơ đồ cĩ tên gọi là sơ đồ 450 khi ấy khố K sẽ chuyển sang mạch R2, C 2 với thơng số được lựa chọn thích hợp. Một phương án khác để thực hiện bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator máy phát cĩ trung tính khơng nối đất hoặc nối đất qua điện trở lớn làm việc trực tiếp với thanh gĩp 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 khơng. Tải này được đưa vào làm việc khi phát hiện cĩ chạm đất và làm tăng thành phần tác dụng của dịng điện sự cố lên khoảng 10A, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định hướng dịng điện. Thiết bị tạo thêm tải bao gồm BI0N đấu vào trung tính của máy phát, tải R của BI này được đĩng mở bằng tiếp điểm của rơle điện áp RU0. Khi cĩ chạm đất, điện áp U0 xuất hiện, RU0 đĩng 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 dịng 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 ngồi (hình 1.17c) cuộn dây stator máy phát. Khi chạm đất ngồi vùng bảo vệ, dịng điện tổng I∑ đưa vào bộ so sánh pha: (1) I∑ = IA - I D (1-50) Trong đĩ: - IA dịng điện được tạo nên bởi thiết bị tạo thêm tải. (1) - I D dịng điện chạm đất chạy qua bảo vệ. Trong trường hợp này gĩc pha α giữa điện áp thứ tự khơng U0 và dịng điện tổng I∑ vượt qua trị số gĩc làm việc giới hạn nên sẽ khơng cĩ tín hiệu cắt . Khi chạm đất trong cuộn dây stator MFĐ ta cĩ: (1) I∑ = IA + I D và gĩc pha α giữa điện áp thứ tự khơng U0 và dịng điện tổng I∑ nằm trong miền tác động của bảo vệ. Rơle tác động cắt với thời gian t1. 28
Đĩng MC . RU U 0 α BI0 0 I(1) RU0 t2 Cắt Đ RU0 (1) )1( I Đ . IA I Â Cắt a t1 R MC BI0N BI0 I (1) Σ BIG IΣ = IA+ I Đ Thiết bị bảo vệ . I A MF U0 c) RU0 BIG Thiết bị Miền hãm tạo thêm α BI 0N R tải I Miền tác động Σ a) (1) BI0 I Đ U0 IΣ Miền hãm I A α BI0N R (1) IΣ = IA - I Đ BIG Miền tác động c) Hinh 1.17 : Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator MFĐ cĩ thiết bị tạo thêm tải (a) đồ thị véctơ khi cĩ chạm đất ngồi (b) và trong (c) vùng bảo vệ. Sơ đồ ở hình 1.17cĩ thể bảo vệ được 90% cuộn dây. Khi chạm đất trong vùng 10% cịn lại (gần trung điểm) bảo vệ khơng đủ độ nhạy. Tuy nhiên, do điện áp ở phần này của cuộn dây khơng lớn (khơng vượt quá 10% Up) nên xác xuất xảy ra hỏng hĩc về điện (chẳng hạn do cách điện bị đánh thủng) rất thấp nên ở các máy phát cơng suất bé người ta thường khơng địi hỏi bảo vệ tồn bộ cuộn dây. Đối với các MFĐ nối bộ với MBA, thơng thường cuộn dây MBA phía máy phát đấu tam giác nên chạm đất ở phía cáo áp dịng thứ tự khơng khơng ảnh hưởng đến MFĐ. Với các điểm chạm đất xảy ra trong mạng cấp điện áp máy phát cĩ 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 cơng 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 sĩng 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 sĩng hài bậc ba (xem mục III.3.1) cĩ một số nhược điểm: - Khi chạm đất ở vùng gần giữa cuộn dây, bảo vệ cĩ thể khơng làm việc vì thành phần sĩng hài bậc ba trong điện áp quá bé. - Điện áp Uab đặt vào rơle sẽ suy giảm khi điện trở chỗ sự cố lớn. - Sơ đồ khơng phát hiện được chạm đất khi MFĐ khơng làm việc.Trong một số MFĐ, thành hài bậc ba khơng đủ lớn để bảo vệ cĩ 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 - Dịng điện I từ nguồn 20Hz sau MBA khi qua bộ lọc 1LF được phân thành hai thành phần IĐ chạy qua BU0 nối với trung tính MFĐ và IB chạy qua điện trở đặt RB. Thành phần I thơng qua biến dịng trung Đ C RĐ gian BIG và bộ lọc tần số 2LF được nắn Đ thành dịng điện làm việc. 1LF 20Hz IĐ - ILV đưa vào rơle để so sánh với I dịng điện hãm IH cũng do nguồn 20Hz tạo IB RB nên thơng qua điện trở đặt Rc , dịng điện hãm cĩ trị số khơng đổi. Ở chế độ làm BIG việc bình thường (RĐ = ∞) dịng điện IĐ RC được xác định theo điện dung của cuộn 2LF dây đối với đất CĐ nên cĩ trị số bé do đĩ ILV IH 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, ngồi ra bộ lọc 1LF bảo vệ cho máy phát 20Hz khỏi bị quá tải bởi dịng điện cơng nghiệp khi cĩ 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 cơng nghiệp là 60Hz người ta dùng 15Hz) cĩ tín hiệu được mã hĩa để đưa vào mạch sơ cấp thơng qua BU0 đấu vào mạch trung tính của MFĐ (hình 1.19a). Trong chế độ làm việc bình thương, dịng điện IĐ’ chạy qua điểm trung tính MFĐ được xác định theo trị số điện dung đẳng trị của MFĐ là CĐ (hình 1.19b). Khi xảy ra chạm đất, điện trở chạm đất RĐ được ghép song song với CĐ làm tăng dịng điện đến trị số IĐ” > IĐ’ (hình 1.19c). Rơle đầu ra sẽ phản ứng theo sự tăng dịng điện và theo tín hiệu phản hồi đã được mã hĩa. Trên hình 1.20 trình bày việc mã hĩa 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, P2 P6 cho khoảng thời gian dừng. Phương pháp này cho phép loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu do dịng 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 cĩ tần số bội của 12,5Hz. 30
CĐ R Đ C Đ b) I’ Đ 12,5Hz RU0 RĐ Sơ đồ 900 RĐ a) C BUG Đ RĐ RU0 R0 IĐ LF I”Đ 12,5Hz BU0 12,5Hz R I M BIG c) 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 hố và sơ đồ xác định dịng điện chạm đất I khi làm việc bình thường (b) và khi chạm đất (c). đ 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. A B C Tín hiệu đã mã hố t IM 1/ 2 chu D E kỳ (+) M1 M3 P1 P3 P5 1/ 2 chu P P P kỳ(-) M2 2 4 6 Số chu kỳ 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 t 12,5Hz ms 0 80 160 240 320 400 480 560 80 160 Hình 1.20: Biểu đồ bơm tín hiệu 12,5Hz được mã hố 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 thơng số làm việc của máy phát hầu như thay đổi khơng đáng kể. Khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ, một phần cuộn dây kích từ sẽ bị nối tắt, dịng điện qua chỗ cách điện bị đánh thủng cĩ thể rất lớn sẽ làm hỏng cuộn dây và phần thân rotor. Ngồi ra dịng điện trong cuộn rotor tăng cao cĩ thể làm mạch từ bị bão hồ, từ trường trong máy phát bị méo làm cho máy phát bị rung, gây hư hỏng nghiêm trọng máy phát. Đối với MFĐ cơng suất bé và trung bình (máy phát nhiệt điện), thường người ta đặt bảo vệ báo tín hiệu khi cĩ 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 cơng suất lớn (máy phát thuỷ điện), hậu quả của việc chạm đất điểm thứ hai trong mạch kích từ cĩ 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: Cĩ ba phương pháp được sử dụng để phát hiện chống chạm đất một điểm mạch kích từ : * Phương pháp phân thế. * Phương pháp dùng nguồn phụ AC. * Phương pháp dùng nguồn phụ DC. Cuộn MFkt kích IV.1.1 Phương pháp phân thế: từ R 64 (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 cĩ một điểm chạm đất sẽ HÌNH 1.21 : Bảo vệ chạm đất rotor xuất hiện một điện thế ở rơle điện áp, điện thế này bằng phương pháp phân thế 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: Báo tín Báo tín hiệu hiệu + + + + ++ 52N 37RG 52N 37RG 36RT 35RI 36RT 35RI - - - 47C 47C 34BG 34BG Tới trục MFĐ 48CC 48CC U~ Tới trục MFĐ CL 2RTới mạch kích từ Tới mạch kích từ HÌNH 1.23: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất HÌNH 1.22: Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất 1 điểm cuộn rotor dùng nguồn điện 1 điểm cuộn rotor dùng nguồn điện phụ DC 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 gĩp tự dùng. - 35 RI: rơle dịng 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 thống 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 đĩ khơng cĩ dịng qua rơle 35RI, bảo vệ khơng tác động. - Khi xảy ra chạm đất một điểm mạch kích từ, thứ cấp của biến áp trung gian khép mạch, cĩ dịng chạy qua rơle 35RI làm cho bảo vệ tác động đi báo tín hiệu. Sơ đồ cĩ ưu điểm là khơng cĩ vùng chết nghĩa là chạm đất bất kỳ điểm nào trong mạch kích từ bảo vệ đều cĩ 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 cĩ 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 cĩ nhược điểm là sự liên hệ trực tiếp về điện giữa thiết bị bảo vệ và điện áp kích từ UKT cĩ trị số khá lớn đối với các MFĐ cĩ cơng suất lớn. IV.2. Một số sơ đồ bảo vệ chống chạm đất một điểm trong các MFĐ hiện đại: Đối với các MFĐ cĩ hệ thống kích từ khơng 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 sĩng chữ nhật tần số thấp. Nguyên lý đo điện dẫn của mạch kích từ đối với đất của MFĐ cĩ hệ thống kích từ khơng chổi than trình bày trên hình 1.24. Máy kích từ Rotor của máy kích từ R CĐ Đ S 1 LF Cuộn dây rotor của Cắt S2 máy phát điện MC RY R U≈(50Hz) BUG HÌNH 1.24: bảo vệ chống chạm đất cuộn rotor MFĐ cĩ hệ thống kích từ khơng 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 thơng qua các vành gĩp và chổi than S1, S2. Bộ lọc tần số LF chỉ cho tần số cơng 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 RĐ = const, CĐ = var và khi CĐ = const, RĐ = var. 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 gĩc 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 cĩ chạm đất trực tiếp (RĐ ≈ 0). Sơ đồ bảo vệ hình 1.24 cĩ một số nhược điểm là: sự cĩ mặt 2 của chổi than S1, S2 làm cho độ tin cậy của sơ đồ khơng cao và trị 1 số của điện trở tiếp xúc cĩ thể ảnh hưởng đến trị số đo của rơle. RĐ=0 CR= 0 R Ngồi ra bản thân hệ thống kích CĐ= ∞ thích một chiều cũng cĩ thể ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo CĐ= const vệ khi điện dung của mạch kích RĐ / 2 RĐ=var thích đối với đất CĐ lớn, điện trở rị RĐ lớn nhất cĩ thể đo được 10 kΩ. Để khắc phục nhược điểm XĐ/ 2 này người ta dùng sơ đồ với RĐ= const RĐ= ∞ nguồn điện phụ một chiều hoặc XĐ CĐ= Var xoay chiều với tần số thấp cĩ dạng sĩng hình chữ nhật. jX 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. 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 sĩng chữ nhật cĩ tần số 1Hz. Các điện trở phụ R1, R2 được chọn cĩ chỉ số khá lớn so với điện trở RM để tạo điện áp UM đặt vào bộ phận đo lường M. Dịng điện do nguồn điện phụ U tạo ra bằng: U I = (1 -51) RRRÂM+ + R .R Trong đĩ: R = 1 2 RR1+ 2 Lưu ý rằng RM << R và bỏ qua điện trở của bản thân cuộn dây rotor, ta cĩ: R.U M UM ≈ (1-52) RR+ Â 34
+ R1 CĐ a) Nguồn kích từ RĐ Thanh gĩp I tự dùng R2 Uktphụ _ (1Hz) U(1Hz) Cuộn dây rotor MF Cấp 1 cảnh báo M U M RM Cấp 2 cắt MF Hình 1.26: Sơ đồ nguyên lý phát hiện chạm đất trong R = 5KΩ cuộn dây rotor MFĐ dùng nguồn điện áp phụ 1Hz cĩ Đ RĐ= 0 c) dạng sĩng chữ nhật (a), và dạng sĩng đặt vào bộ CĐ= 2μF phận đo UM với các trị số điện trở khác nhau (b và c) b) Điện dung đối với đất của mạch kích từ CĐ mắc song song với điện trở RĐ sẽ làm tức thời tăng trị số dịng điện I và điện áp UM ở thời điểm đầu của mỗi nửa chu kỳ của nguồn điện áp U. Điện trở RĐ cĩ 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 sĩng UM đo được cho hai trị số của RĐ khác nhau. Bảo vệ được chỉnh định để tác động báo hiệu khi điện trở rị 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: Báo tín hihiệệuu + a + b c b) 5N 4Rth 2RT 3RG r1 r2 1RI 10CN - r1 r2 RI 5CC BIH Cắt 1MC 9CN Tới trục MF 6N Tới trục máy phát V a) r3 r4 7PA Tới mạch kích từ 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 cĩ 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 cĩ: 1r = 3r , do đĩ khơng cĩ dịng qua 2r 4r 1RI, bảo vệ khơng tác động. Khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ sẽ làm cho cầu mất cân bằng, cĩ dịng qua 1RI và 2RT cĩ điện, sau một thời gian 3RG cĩ điện đi báo tín hiệu thơng qua 4Rth, cắt máy cắt đồng thời nối tắt cuộn dây của 1RI để tránh bị hư hỏng và tự giữ cho 3RG thơng 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 khơng bị cháy (nối tắt RI). Tiếp điểm c: tiếp điểm tự giữ. - BIH: lấy thành phần xoay chiều của nhiễu để tăng cường tác động hãm cho RI. - 9CN: cầu nối, dùng để khố bảo vệ khi sửa chữa hoặc khơng 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: khố bảo vệ khơng cho cắt máy cắt. V. Bảo vệ chống quá điện áp (59) Điện áp ở đầu cực máy phát cĩ thể tăng cao quá mức cho phép khi cĩ trục trặc trong hệ thống tự động điều chỉnh Cắt MC II MC 59 kích từ hoặc khi máy phát bị Cắt kích từ mất tải đột ngột. Khi mất tải đột ngột, BU điện áp ở đầu cực các máy phát thuỷ điện cĩ thể đạt đến 200% trị số danh định là do hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay I của turbine nước cĩ quán tính 59 lớn và khả năng vượt tốc của rotor máy phát cao hơn nhiều so với máy phát turbine hơi. Đến hệ thống điều MF t chỉnh U(giảm kích từ) Hình 1.28: Bảo vệ chống quá điện áp hai cấp đặt ở MFĐ Ở các máy phát nhiệt điện (turbine hơi hoặc turbine khí) các bộ điều tốc làm việc với tốc độ cao, cĩ quán tính bé hơn nên cĩ thể khống chế mức vượt tốc thấp hơn, ngồi ra các turbine khi hoặc hơi cịn được trang bị các van STOP đĩng nguồn năng lượng đưa vào turbine trong vịng 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 cĩ thể gây tác hại cho cách điện của cuộn dây, các thiết bị đấu nối ở đầu cực máy phát, cịn đối với các máy phát làm việc hợp bộ với MBA sẽ làm bão hồ 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 I * Cấp 1 (59 ) với điện áp khởi động: UKĐ59 = 1,1UFđm (điện áp định mức MFĐ). Cấp 1 làm việc cĩ thời gian và tác động lên hệ thống tự động điều chỉnh kích từ để giảm kích từ của máy phát. II II * Cấp 2 (59 ) với điện áp khởi động: UKĐ59 = (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 ngồi và quá tải Mục đích đặt bảo vệ: - Chống ngắn mạch trên các phần tử kề (thanh gĩp máy phát, máy biến áp, ) nếu bảo vệ của các phần tử này khơng 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 ngồi và quá tải ta cĩ thể sử dụng các phương thức bảo vệ sau: VI.1. Bảo vệ quá dịng điện: Với các máy phát bé và trung bình, người ta thường sử dụng bảo vệ quá dịng điện cĩ khố MC điện áp thấp (hình 1.29). Bảo vệ thường cĩ 2 cấp thời gian: I MBA Cấp 1 (2 ) tác động cắt MC ở đầu cực máy phát (nếu nối với thanh gĩp điện áp máy phát) BU Cắt hoặc MC của bộ MF-MBA. Cấp 27 2I 1 được phối hợp với thời gian tác MC động của bảo vệ dự phịng của đường dây và MBA. F & 50 BI Dừng 2II máy phát Hình 1.29: Bảo vệ quá dịng điện cĩ khố điện áp thấp Cấp 2 (2II) tác động dừng máy phát nếu sau khi cắt MC đầu cực máy phát (cĩ thanh gĩp điện áp máy phát) hoặc đầu hợp bộ (MF-MBA) mà dịng sự cố vẫn tồn tại (tức là sự cố xảy ra bên trong hợp bộ hoặc máy phát). Khĩa 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 dịng ngắn mạch sẽ suy giảm nhanh chĩng khi xảy ra ngắn mạch tại đầu cực máy phát. Trong một số sơ đồ người ta cịn dùng biện pháp đảm bảo cho bảo vệ tác động chắc chắn là chỉ lấy tín hiệu điện áp thấp sau khi rơle dịng điện đã trở về do sự suy giảm dịng ngắn mạch. Dịng điện khởi động của rơle quá dịng 50 (khi bảo vệ quá dịng cĩ khố điện áp thấp 27): K at I KÂ 50 = I lv max (1 -53) Ktv n I với Ilvmax là dịng điện làm việc lớn nhất qua cuộn thứ cấp của BI. 37
VI.2. Bảo vệ chống ngắn mạch ngồi và quá tải MFĐ: Quá tải gây phát nĩng cuộn dây stator cĩ thể do nhiều nguyên nhân như máy phát điện vận hành với hệ số cơng suất thấp, thành phần cơng suất phản kháng vượt quá mức cho phép, cĩ 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 cĩ thể bị quá tải ngắn hạn trong quá trình điều chỉnh điện áp khi máy phát đầy tải cơng suất tác dụng. Thời gian chịu đựng quá tải của các cuộn dây máy phát cĩ giới hạn và phụ thuộc vào mức độ quá tải, kết cấu của máy phát, hệ thống làm mát và cơng 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 Cắt 1MC MCpd Báo tín 1MC Báo tín hiệu hiệu 18RT 19RT 20RT MF 24RI 25RI 26RI 27RI BI 32LI2 Hình 1.30: Sơ đồ bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch ngồi Cĩ nhiều nguyên lý khác nhau cĩ 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 dịng diện chạy qua cuộn dây. Để bảo vệ chống ngắn mạch ngồi và quá tải cho máy phát người ta cĩ thể sử dụng sơ đồ hình 1.30, thực chất đây cũng là một bảo vệ quá dịng. Trong đĩ: - 24RI, 18RT; 25RI, 20RT: để chống quá tải và ngắn mạch đối xứng. - 26RI, 19RT; 27RI, 20RT: chống quá tải và ngắn mạch khơng đối xứng. - 32LI2: bộ lọc dịng thứ tự nghịch (để nâng cao độ nhạy cho bảo vệ, thường dùng cho các máy phát cĩ cơng suất lớn). VI.3.Tính chọn các thơng số của rơle: VI.3.1. Bảo vệ chống quá tải đối xứng 24RI, 18RT: Dịng điện khởi động của 24RI: Kat .I âmF I KÂ 24RI = (1-54) Ktv .n I Thời gian tác động của 18RT: t18RT = (7÷ 9) sec (1-55) VI.3.2. Bảo vệ chống ngắn mạch đối xứng 25RI, 20RT: Kat .K mm .I âmF I KÂ 4RI = (1-56) Ktv .n I t20RT = tmax các phần tử lân cận + Δt (1-57) 38
VI.3.3. Bảo vệ chống quá tải khơng đối xứng 26RI, 19RT: Dịng điện khởi động cho rơle 26RI được chọn theo hai điều kiện: Điều kiện 1: IKĐ26RI phải lớn hơn dịng thứ tự nghịch lâu dài cho phép I2cp: IKÂ26RI = Kat .I 2cp (1-58) - Đối với máy phát điện turbine nước: I2cp = 5%.IđmF - Đối với máy phát điện turbine hơi: I2cp = 10%.IđmF Điều kiện 2: Rơle phải trở về sau khi đã cắt ngắn mạch ngồi. Từ hai điều kiện trên và theo kinh nghiệm người ta chọn: I âmF IKÂ 26RI = 0,1. (1-59) nI Thời gian tác động của 19RT thường được chọn: t19RT = (7 ÷ 9) sec (1-60) VI.3.4. Bảo vệ chống ngắn mạch khơng đối xứng 27RI, 20RT: Dịng khởi động của 27RI chọn theo các điều kiện sau: Điều kiện 1: Bảo vệ khơng 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 tốn dịng thứ tự nghịch khá phức tạp, theo kinh nghiệm người ta chọn: I âmF IKÂ 26RI = (0,5 ÷ 0,6) (1-61) nI từ giá trị dịng khởi động tính được ta cĩ thể chọn được rơle thích hợp. Thời gian tác động của rơle 20RT phải phối hợp với các bảo vệ lân cận: t20RT = tmax các phần tử lân cận + Δt (1-62) VI.3.5. Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ: Độ nhạy Kn của bảo vệ được tính theo cơng thức sau: I Nmin K n = (1-63) I KÂB Tuỳ vào nhiệm vụ của bảo vệ mà giá trị độ nhạy của bảo vệ phải đạt yêu cầu. Khi làm bảo vệ chính Kn ≥ 1,5 và khi đĩng vai trị làm bảo vệ dự trữ Kn ≥ 1,2. VI.4. Bảo vệ dịng thứ tự nghịch: (hình 1.31) Dịng điện thứ tự nghịch cĩ thể xuất hiện trong cuộn dây stator máy phát khi xảy ra đứt dây (hoặc hở mạch một pha), khi phụ tải khơng đối xứng hoặc ngắn mạch khơng đối xứng trong hệ thống. Quá tải khơng đối xứng nguy hiểm hơn quá tải đối xứng rất nhiều vì nĩ tạo nên từ thơng thứ tự nghịch φ2 biến thiên với vận tốc 2ω gấp hai lần tốc độ của rotor, làm cảm ứng trên thân rotor dịng điện lớn đốt nĩng rotor và máy phát. Dịng thứ tự nghịch I2 càng lớn thì thời gian cho phép tồn tại càng bé, vì vậy bảo vệ chống dịng điện thứ tự nghịch cĩ thời gian tác động t phụ thuộc tỉ lệ nghịch với dịng I2: K t = 1 2 (1-64) ⎛ I 2 ⎞ 2 ⎜ ⎟ − K 2 ⎝ IâmF ⎠ 39
52 Cảnh báo Cắt MC t t 1 1 30 2 51 51 LI2 HÌNH 1.31: Bảo vệ dịng điện TTN cho máy phát * * I 2 I 2 0,6 t2 0,5 IKĐ2 0,4 0,4 0,3 0,3 t1 0,2 10 IKĐ1 0,1 0,1 10 10 10 t (sec) 0 2 4 6 8 10 t (sec) a) b) HÌNH 1.32: ĐặC TÍNH THờI GIAN PHụ THUộC (A) VÀ ĐộC LậP CĨ HAI ấ Trong đĩ: I 2cp -K , K là hệ số tỉ lệ, K = α 1 2 2 I âmF với: - α là hằng số đối với từng loại rơle cụ thể. - I2cp: dịng thứ tự nghịch cho phép vận hành lâu dài, nĩ phụ thuộc vào chủng loại máy phát, cơng suất và hệ thống làm mát của cuộn dây rotor. - IđmF: dịng điện định mức của máy phát. * * I 2 - I 2: dịng thứ tự nghịch tương đối, I 2 = I âmF Bảo vệ cĩ thể cĩ đặc tính thời gian phụ thuộc tỉ lệ nghịch theo quan hệ t = f(I2) (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 cĩ 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 cĩ 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 cơng 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 cơng suất phản kháng từ hệ thống (Q 0, Q > 0) Hệ thống 0 ’ R 0,5X d U B (IV) Miền thiếu kích thích a) X (E a) tương ứng với các điểm A và B trên đặc tính điện kháng khởi động ở hình 1.33b. Khi mất kích từ, dịng điện chạy vào máy phát mang tính chất dung và vượt trước điện áp pha tương ứng một gĩc 900. Hiệu dịng điện các pha B và C thơng qua biến dịng 0 cảm kháng BIG tạo nên điện áp phía thứ cấp UD vượt trước dịng điện IBC một gĩc 90 . Như 0 vậy gĩc lệch pha giữa hai véctơ điện áp UD và UBC là 180 (hình 1.34). Điện áp đưa vào các bộ biến đổi dạng sĩng (hình sin sang hình chữ nhật) S1 và S2 tương ứng bằng: . . . U1 = a.UBC − UD (1-65) . . . U2 = b.UBC − U D (1-66) 41
. . 0 Gĩc lệch pha α giữa U1 và U 2 sẽ được kiểm tra. Ở chế độ bình thường α = 0 , rơle khơng làm việc. Khi bị mất kích từ α = 1800, rơle sẽ tác động. Gĩc 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: . . . b.UBC > UD > a.U BC (1-67) A B C BUG U2 S1 BU ~ S3 S4 Cắt & RL ∫ MFĐ U1 S1 ~ -1 aU bU BC BC IB IC UD -U1 U1 t BIG a) . U2 U A . I B S1 . . t I A I BC . . . S2 U C U B U BC t . I C . S3 = - S1.S2 I BC t α S4 = ∫S3 . . . t bU BC U U BC D Tín hiệu cắt . α b) c) kđ t aU BC 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 sĩng của các đại lượng Khi mất kích thích, gĩc pha dịng điện thay đổi, gĩc lệch pha α được kiểm tra thơng 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 đơi khi cịn cĩ tên gọi là bảo vệ chống trượt cực từ. Khi máy phát điện đồng bộ bị mất kích từ, rotor máy phát cĩ thể bị mất đồng bộ với từ trường quay. Việc mát đồng bộ cũng cĩ thể xảy ra khi cĩ dao động cơng suất trơng 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 cơng suất trong hệ thống cĩ thể làm mất ổn định kéo theo sự tan rã hệ 42
thống điện, ngồi ra nĩ cịn tạo ra các ứng suất cơ nguy hiểm trên một số phần tử của máy phát. Để phát hiện sự cố này cĩ 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 cĩ dao động điện cĩ thể được phát hiện bằng một rơle với đặc tính khởi động như trên hình 1.36. Đặc tính khởi động cĩ dạng hình elíp hoặc thấu kính 1 và dạng điện kháng 2 kết hợp với nhau theo nguyên lý “và”. Khi cĩ 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) cĩ 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) 1 A (bình thường) 2 Z R 0 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 sơ chu kì đạt trị số đặt trước. Ở phía cao áp của MBA tăng cĩ đặt thêm bộ phận định hướng cơng suất 4 thực hiện chức năng giống như bộ phận 2 và làm nhiệm vụ dự phịng cho bộ phận này. Thay vì đặc tuyến tổng trở kết hợp 1 và2 trên hình 1.36 người ta cĩ thể sử dụng đặc tuyến hình chữ nhật như trên hình 1.38 để phát hiện dao động điện. 2BU +jX 4 X’ 2BI XH P Cắt & 2 BA MC N 1BU M R ϕ U 1 F 1 U 2 3 I 1BI IC -ZF Z< X< HÌNH 1.36: Đặc tính khởi động hình thấu kính để phát hiện dao HÌNH 1.37: Sơ đồ nguyên lý của động điện bảo vệ chống trượt cực từ (dao động điện) 43
I* +jX 2,5 2 (cuộn dây stator) 0,9XB 2 R 1,5 0 1 1 (cuộn dây rotor) ’ X dF 0 10 300 t (sec) HÌNH 1.38: Đặc tính khởi động HÌNH 1.39: Quan hệ giữa mức quá hình chữ nhật để phát hiện dao tải và thời gian quá tải cho phép động điện của các cuộn dây máy phát IX. bảo vệ chống luồng cơng suất ngược Cơng suất sẽ đổi chiều từ hệ thống vào máy phát nếu việc cung cấp năng lượng cho Turbine (dầu, khí, hơi nước hoặc dịng nước ) bị gián đoạn. Khi đĩ máy phát điện sẽ làm việc như một động cơ tiêu thụ cơng 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 cĩ thể phát nĩng quá mức cho phép. Đối với các máy phát diezen chế độ này cĩ thể làm nổ máy. Để bảo vệ chống chế độ cơng suất ngược, người ta kiểm tra hướng cơng suất tác dụng của máy phát. Yêu cầu rơle hướng cơng suất phải cĩ độ nhạy cao để phát hiện được luồng cơng 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, cơng suất khởi động ΔPkđ bằng: ΔPkđ = (0,01 ÷ 0,03)Pđm (1-68) Với các máy phát thuỷ điện và Turbine khí: ΔPkđ = (0,03 ÷ 0,05)Pđm (1-69) Để đảm bảo độ nhạy của bảo vệ cho các máy phát cơng suất lớn, mạch dịng điện của bảo vệ thường được đấu vào lõi đo BU lường của máy biến dịng Cấp 2 (thay cho lõi bảo vệ thường 92 2II dùng cho các thiết bị khác). Bảo vệ chống cơng suất Cắt ngược thường cĩ hai cấp Cấp 1 tác động: cấp 1 với thời I gian khoảng (2 ÷ 5) sec sau & 2 khi van STOP khẩn cấp làm F việc và cấp thứ 2 với thời gian cắt máy khoảng vài chục giây BI khơng qua tiếp điểm của van Van STOP STOP (hình 1.40). HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống cơng 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: Sơ đồ sử dụng các bảo vệ sau: - 51: bảo vệ quá dịng cĩ thời gian. - 51N: bảo vệ quá dịng chống chạm đất cĩ thời gian. - 46: bảo vệ dịng thứ tự nghịch. - 49: rơle nhiệt độ. Phương án 2: hình 1.42 - 51: bảo vệ quá dịng cĩ thời gian. - 51N: bảo vệ quá dịng chống chạm đất cĩ thời gian. - 46: bảo vệ dịng thứ tự nghịch. - 64: bảo vệ chống chạm đất cuộn dây rotor. Hình 1.41 - 32: rơle định hướng cơng suất. - 40: rơle phát hiện mất kích từ máy 52 phát điện. X 2.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện cơng suất lớn (> 1MW): (hình 1.43) 64 Sơ đồ sử dụng các bảo vệ sau: - 51: bảo vệ quá dịng cĩ thời gian. - 51N: bảo vệ quá dịng chống chạm đất cĩ thời gian. 51 32 46 40 - 46: bảo vệ dịng thứ tự nghịch. - 32: rơle định hướng cơng suất. - 40: rơle phát hiện mất kích từ máy phát điện. 51N - 49: rơle nhiệt độ. - 87,87N: rơle so lệch chống chạm pha Hình 1.42 và chạm đất. - 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 dịng cĩ chỉnh định thời gian. - 51N: bảo vệ quá dịng chống chạm đất cĩ 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 cơng suất 45
Phương án 2: hình 1.45 52 27 27 81 87 87N 64F 59 51 32 46 40 49 51N Hình 1.43 63 71 87T 51N 87U 59 24 51 81N 49S 78 87T E 40 87G 63 51N 32 71 64R2 64R 46 21 59N 51N HÌNH 1.44: Sơ đồ bảo vệ bộ máy phát và máy biến áp . 46
MC 220kV CSV 51N T1 63 87T 50 51 87T Kiểm tra cách điện 63 MC lưới MC Mạch tự động kích thích 6,3kV 21 59 TU 87G G 40 50 51 64 TE1 46 50 51 81 Đồng hồ đo lường HÌNH 1.45: SƠ Đồ BảO Vệ Bộ MÁY PHÁT VÀ MÁY ế Á 47
A. GIỚI THIỆU CHUNG I. MỤC ĐÍCH ĐẶT BẢO VỆ Trong hệ thống điện, máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất liên kết hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối. Vì vậy, việc nghiên cứu các tình trạng làm việc khơng bình thường, sự cố xảy ra với MBA là rất cần thiết. Để bảo vệ cho MBA làm việc an tồn cần phải tính đầy đủ các hư hỏng bên trong MBA và các yếu tố bên ngồi ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của máy biến áp. Từ đĩ đề ra các phương án bảo vệ tốt nhất, loại trừ các hư hỏng và ngăn ngừa các yếu tố bên ngồi ảnh hưởng đến sự làm việc của MBA. II. CÁC HƯ HỎNG VÀ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC KHƠNG BÌNH THƯỜNG XẢY RA VỚI MBA II.1. Sự cố bên trong MBA: Sự cố bên trong được chia làm hai nhĩm sự cố trực tiếp và sự cố gián tiếp. 1. Sự cố trực tiếp là ngắn mạch các cuộn dây, hư hỏng cách điện làm thay đổi đột ngột các thơng số điện. 2. Sự cố gián tiếp diễn ra từ từ nhưng sẽ trở thành sự cố trực tiếp nếu khơng phát hiện và xử lý kịp thời (như quá nhiệt bên trong MBA, áp suất dầu tăng cao ). Vì vậy yêu cầu bảo vệ sự cố trực tiếp phải nhanh chĩng cách ly MBA bị sự A B C A B C A C cố ra khỏi hệ thống điện để giảm ảnh hưởng đến hệ thống. Sự cố gián tiếp khơng địi hỏi phải cách ly MBA nhưng phải được phát hiện, cĩ tín hiệu báo cho nhân viên vận hành biết để xử lý. Sau đây phân tích một số sự cố bên trong thường gặp. II.1.1. Ngắn mạch giữa các pha trong MBA ba pha: Dạng ngắn mạch này (hình 2.1) rất hiếm khi xảy ra, nhưng nếu xảy ra dịng a/ b/ c/ ngắn mạch sẽ rất lớn so với dịng một pha. Hnh 2.1: Ngaĩn mách nhieău pha trong cuoơn dađy MBA 53
II.1.2. Ngắn mạch một pha: 1 % cụa dong Ixmax 100 80 Dong chám I 60 Khoạng cach I t trung tnh 40 S I ên ieơm Z x IS chám (% 20 Dong s câp cuoơn dađy) 0 20 40 60 80 100 Hnh 2.2: Ngaĩn mách moơt pha chám ât Hnh 2.3: Dong ieơn chám ât moơt pha cụa MBA nôi ât qua toơng tr Cĩ thể là chạm vỏ hoặc chạm lõi thép MBA. Dịng ngắn mạch một pha lớn hay nhỏ phụ thuộc chế độ làm việc của điểm trung tính MBA đối với đất và tỷ lệ vào khoảng cách từ điểm chạm đất đến điểm trung tính. Dưới đây là đồ thị quan hệ dịng điện sự cố theo vị trí điểm ngắn mạch (hình 2.3). Từ đồ thị ta thấy khi điểm sự cố dịch chuyển xa điểm trung tính tới đầu cực MBA, dịng điện sự cố càng tăng. II.1.3. Ngắn mạch giữa các vịng dây của cùng một pha: Khoảng (70÷80)% hư hỏng MBA là từ chạm chập giữa các vịng dây cùng 1 pha bên trong MBA (hình 2.4). Trường hợp này dịng điện tại chổ ngắn mạch rất lớn vì một số vịng dây bị nối ngắn mạch, dịng điện này phát nĩng đốt cháy cách điện cuộn dây và dầu biến áp, nhưng dịng điện từ nguồn tới máy biến áp IS cĩ thể Hnh 2.4: Ngaĩn mách gia cac vong vẫn nhỏ (vì tỷ số MBA rất lớn so với số ít dađy trong cung moơt pha vịng dây bị ngắn mạch) khơng đủ cho bảo vệ rơle tác động. Ngồi ra cịn cĩ các sự cố như hư thùng dầu, hư sứ dẫn, hư bộ phận điều chỉnh đầu phân áp II.2. Dịng điện từ hố tăng vọt khi đĩng MBA khơng tải: Hiện tượng dịng điện từ hố tăng vọt cĩ thể xuất hiện vào thời điểm đĩng MBA khơng tải. Dịng điện này chỉ xuất hiện trong cuộn sơ cấp MBA. Nhưng đây khơng phải là dịng điện ngắn mạch do đĩ yêu cầu bảo vệ khơng được tác động. II.3. Sự cố bên ngồi ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của MBA: 3. Dịng điện tăng cao do ngắn mạch ngồi và quá tải. 4. Mức dầu bị hạ thấp do nhiệt độ khơng khí xung quanh MBA giảm đột ngột. 5. Quá điện áp khi ngắn mạch một pha trong hệ thống điện 54
B. CÁC LOẠI BẢO VỆ THƯỜNG SỬ DỤNG ĐỂ BẢO VỆ MBA I. BẢO VỆ CHỐNG SỰ CỐ TRỰC TIẾP BÊN TRONG MBA I.1. Bảo vệ quá dịng điện: I.1.1. Cầu chì: Với MBA phân phối nhỏ thường được bảo vệ chỉ bằng cầu chì (hình2.5). Trong trường hợp máy cắt khơng được dùng thì cầu CC chì làm nhiệm vụ cắt sự cố tự động, cầu chì là phần tử bảo vệ quá dịng điện và chịu được dịng điện làm việc cực đại của MBA. Cầu chì khơng được đứt trong thời gian quá tải ngắn như động cơ khởi động, dịng từ hố nhảy vọt khi đĩng MBA khơng tải I.1.2. Rơle quá dịng điện: Máy biến áp lớn với cơng suất (1000-1600)KVA hai dây quấn, điện áp đến 35KV, cĩ trang bị máy cắt, bảo vệ quá dịng điện được dùng làm bảo vệ chính, MBA cĩ cơng suất lớn hơn bảo vệ Hnh 2.5 quá dịng được dùng làm bảo vệ dự trữ. Để nâng cao độ nhạy cho bảo vệ người ta dùng bảo vệ quá dịng cĩ kiểm tra áp (BVQIKU). Đơi khi bảo vệ cắt nhanh cĩ thể được thêm vào và tạo thành bảo vệ quá dịng cĩ hai cấp (hình 2.6). Với MBA 2 cuộn dây dùng một bộ bảo vệ đặt phía nguồn cung cấp. Với MBA nhiều cuộn dây thường mỗi phía đặt một bộ. IS ên rle tha + hanh chung + RI RI RT - Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá dịng cắt nhanh và cĩ thời gian I.2. Bảo vệ so lệch dọc: Đối với MBA cơng suất lớn làm việc ở lưới cao áp, bảo vệ so lệch (87T) được dùng làm bảo vệ chính. Nhiệm vụ chống ngắn mạch trong các cuộn dây và 87T ở đầu ra của MBA. Bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc so sánh trực tiếp dịng điện ở hai đầu phần tử được bảo vệ. Bảo vệ sẽ tác động đưa tín hiệu đi cắt máy cắt khi sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ (vùng bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI mắc vào mạch so lệch). 55
+ Th + RI RI RI ên rle tha hanh chung Rth Hnh 2.7: S oă nguyeđn l bạo veơ so leơch MBA 2 cuoơn dađy Khác với bảo vệ so lệch các phần tử khác (như máy phát ), dịng điện sơ cấp ở hai (hoặc nhiều) phía của MBA thường khác nhau về trị số (theo tỷ số biến áp) và về gĩc pha (theo tổ đấu dây). Vì vậy tỷ số, sơ đồ BI được chọn phải thích hợp để cân bằng dịng thứ cấp và bù sự lệch pha giữa các dịng điện ở các phía MBA. Dịng khơng cân bằng chạy trong bảo vệ so lệch MBA khi xảy ra ngắn mạch ngồi lớn hơn nhiều lần đối với bảo vệ so lệch các phần tử khác. Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến dịng khơng cân bằng trong bảo vệ so lệch MBA khi ngắn mạch ngồi là: 6. Do sự thay đổi đầu phân áp MBA. 7. Sự khác nhau giữa tỷ số MBA, tỷ số BI, nấc chỉnh rơle. 8. Sai số khác nhau giữa các BI ở các pha MBA. Vì vậy, bảo vệ so lệch MBA thường dùng rơle thơng qua máy biến dịng bão RI hồ trung gian (loại rơle điện cơ điển hình I W’ như rơle PHT của Liên Xơ) hoặc rơle so IS IIT N WN W lệch tác động cĩ hãm (như loại ƠZT của WlvS lvT Liên Xơ). WcbI Hình 2.8 cho sơ đồ nguyên lý một WcbII pha của bảo vệ so lệch cĩ dùng máy biến dịng bão hịa trung gian. Trong đĩ máy biến dịng bão hịa trung gian cĩ hai nhiệm I vụ chính: IIS IIIT 9. Cân bằng các sức từ động do dịng điện trong các nhánh gây nên ở tình trạng bình thường và ngắn mạch ngồi Hnh 2.8: S oă nguyeđn li bạo veơ so leơch theo phương trình: co dung may biên dong bao hoa trung gian IIT(WcbI + WlvS) + IIIT(WcbII + WlvS) = 0 10. Nhờ hiện tượng bão hịa của mạch từ làm giảm ảnh hưởng của dịng điện khơng cân bằng Ikcb (cĩ chứa phần lớn dịng khơng chu kỳ). 56
I.3. Bảo vệ MBA ba cuộn dây dùng rơle so lệch cĩ hãm: Nếu MBA ba cuộn dây chỉ được cung cấp nguồn từ một phía, hai phía kia nối với tải cĩ các cấp điện áp khác nhau, rơle so lệch được dùng như bảo vệ MBA hai cuộn dây (hình 2.9a). Tổng dịng điện thứ cấp hai BI phía tải sẽ cân bằng với dịng điện thứ cấp BI phía nguồn trong điều kiện làm việc bình thường. Khi MBA cĩ hơn một nguồn cung cấp, rơle so lệch dùng hai cuộn hãm riêng biệt bố trí như hình 2.9b. Nguoăn co theơ co Nguoăn nguoăn tại c ham c ham a/ 87 c lvieơc b/ c lvieơc 87 Hinh 2.9: S oă bạo veơ so leơch co ham MBA ba cuoơn dađy I.4. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây MBA: Đối với MBA cĩ trung tính nối đất, để bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây MBA cĩ thể được thực hiện bởi rơle quá dịng điện hay so lệch thứ tự khơng. Phương án được chọn tuỳ thuộc vào loại, cỡ, tổ đấu dây MBA. Khi dùng bảo vệ quá dịng thứ tự khơng bảo vệ nối vào BI đặt ở trung tính MBA, hoặc bộ lọc dịng thứ tự khơng gồm ba BI đặt ở phía điện áp cĩ trung tính nối đất trực tiếp (hình 2.10). Đối với trường hợp trung tính cuộn dây nối sao nối qua tổng trở nối đất bảo vệ quá dịng điện thường khơng đủ độ nhạy, khi đĩ người ta dùng rơle so lệch như hình 2.12a. Bảo vệ này so sánh dịng chạy ở dây nối đất IN và tổng dịng điện 3 pha (IO). Chọn IN là thành phần làm việc và nĩ xuất hiện khi cĩ chạm đất trong vùng bảo vệ. Khi chạm đất ngồi vùng bảo vệ dịng thứ tự khơng (IO tổng dịng các pha) cĩ trị số bằng nhưng ngược pha với dịng qua dây trung tính IN. + RI + + RT RI IN Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống chạm đất MBA bằng bảo vệ quá dịng điện 57
Câc đại lượng lăm việc vă hêm như sau: Ilv = &I N (2-1) I&h1 = I&N + I&o ; I&h2 = I&N − I&o (2-2) Câc dng điện hêm được phối hợp với nhau về độ lớn để tạo nín tâc dụng hêm theo quan hệ: I h = k( &I N − &I 0 − &I N + &I 0 ) (2-3) Với &I N : dịng dây nối đất; &Io ≈ &I A + &IB + &IC; k: hằng số tỷ lệ. Khảo sát cách làm việc của rơle so lệch thứ tự khơng: Khi chạm đất bên ngồi: &Io ngược pha với &IN và bằng nhau về trị số: &Io = −&I N . Giả thiết chọn k=1, lúc đĩ &I I = I& , I = I& + I& − I& − I& = 2I& , h2 lv N h N N N N N ∆I &I o I h = 2Ilv . H2 Khi chạm đất bên trong, chỉ &I h1 &I N cĩ thành phần qua trung tính: I&0 = 0; H1 I = I ; Cuoơn lvieơc &lv &N &I lv I h = I&N − 0 − I&N + 0 = 0. Hnh 2.11: S oă nguyeđn ly bạo veơ so leơchth t Qua phân tích trên ta thấy, khi khođng co ham chạm đất bên trong thành phần hãm khơng xuất hiện. Như thế chỉ cần dịng chạm đất nhỏ xuất hiện khi chạm đất trong vùng bảo vệ (vùng giới hạn giữa các BI), bảo vệ sẽ cho tín hiệu tác động. Ngược lại khi chạm đất bên ngồi tác động hãm rất mạnh. Nếu cuộn sao MBA nối đất qua tổng trở cao, rơle so lệch 87N cĩ thể khơng đủ độ nhạy tác động, người ta cĩ thể thay bằng rơle so lệch chống chạm đất tổng trở cao 64N (hình 2.12b). Rơle so lệch tổng trở cao được mắc song song với điện trở R cĩ trị số khá lớn. Trong chế độ làm việc bình thường hay ngắn mạch ngồi vùng bảo vệ (vùng giới hạn giữa các BI), ta cĩ: ∆&Io = &Io − &I N (2-4) Nếu bỏ qua sai số của BI, ta cĩ dịng điện thứ cấp chạy qua điện trở R bằng khơng và điện áp đặt lên rơle cũng bằng khơng, rơle sẽ khơng tác động. Khi chạm đất trong vùng bảo vệ, lúc đĩ I0 = 0 nên ∆I0 = IN tồn bộ dịng chạm đất sẽ chạy qua điện trở R tạo nên điện áp rất lớn đặt trên rơle, rơle sẽ tác động. IA IB 64N IC IO IO Rle so leơch R RL IN 87N IN th t khođng Z Z a/ b/ Hnh 2.12: S oă nguyeđn ly bạo veơ so leơch th t khođng 58
I.5. Bảo vệ MBA tự ngẫu: Bảo vệ chính MBA tự ngẫu cũng là bảo vệ so lệch. Bảo vệ dựa trên cơ sở định luật Kirchoff, đĩ là tổng vectơ dịng điện vào ra các nhánh của đối tượng bảo vệ bằng khơng (ngoại trừ trường hợp sự số). A B C a b a/ cT b/ 87 87 87 87 Hnh 2.13: Bạo veơ so leơch MBA t ngău Bảo vệ so sánh dịng điện thuộc hai nhĩm: nhĩm BI nối vào đầu cực MBA và nhĩm BI nối vào trung tính MBA. Nếu bảo vệ chỉ dùng một biến dịng đặt ở trung tính MBA, các BI đặt ở đầu cực MBA được nối thành bộ lọc thứ tự khơng và nối đến một rơle, khi đĩ tạo thành bảo vệ so lệch chống chạm đất bên trong MBA tự ngẫu (hình 2.13a). Trong trường hợp cuộn thứ ba (cuộn tam giác) khơng nối với tải, máy biến áp tự ngẫu dùng để liên kết hệ thống siêu cao áp và cao áp. Sơ đồ bảo vệ cĩ thể thực hiện như hình 13b, các BI được phối hợp trên mỗi pha gần trung tính (điểm cuối của cuộn dây MBA) và dùng 3 rơle, lúc đĩ bảo vệ đáp ứng chống ngắn mạch nhiều 87T pha và một pha bên trong cuộn dây chính MBA tự ngẫu. Sơ đồ này khơng đáp ứng khi sự cố cuộn dây thứ ba, để bảo vệ cho cuộn dây thứ ba trong trường hợp này người ta thường dùng bảo Hnh 2.14: S oă nguyeđn ly bạo vệ quá dịng điện. veơ so leơch MBA t ngău Bảo vệ tất cả các cuộn dây MBA tự ngẫu tương tự như bảo vệ cho MBA ba cuộn dây (hình 2.14). II. BẢO VỆ CHỐNG SỰ CỐ GIÁN TIẾP BÊN TRONG MBA Cĩ các loại bảo vệ sau: Rơle khí (BUCHHOLZ). Bảo vệ quá nhiệt. Rơle phát hiện tốc độ tăng, giảm áp suất dầu. Bảo vệ dịng dầu bộ điều áp. Sử dụng loại nào là tuỳ quan điểm của nhà sản xuất và tuỳ từng cỡ máy. Thường được dùng phổ biến là rơle khí (hình 2.15). 59
II.1. Rơle khí Buchholz (96B): Rơle hoạt động dựa vào sự bốc hơi của dầu máy biến áp khi bị sự cố và mức độ hạ thấp dầu quá mức cho phép. Bình dầu phụ Phao 1 96B Từ thùng dầu Đến bình Thùng MBA Phao 2 dầu phụ MBA b) a) Hình 2.15: Nguyên lý cấu tạo (a) và vị trí bố trí trên MBA của rơle hơi Rơle khí được đặt trên đoạn ống nối từ thùng dầu đến bình dãn dầu của MBA. Rơle cĩ hai cấp tác động gồm cĩ hai phao bằng kim loại mang bầu thuỷ tinh cĩ tiếp điểm thuỷ ngân hay tiếp điểm từ. Ở chế độ làm việc bình thường trong bình đầy dầu, các phao nổi lơ lửng trong dầu, tiếp điểm rơle ở trạng thái hở. Khi khí bốc ra yếu (ví dụ vì dầu nĩng do quá tải), khí tập trung lên phía trên của bình rơle đẩy phao số 1 xuống, rơle gởi tín hiệu cấp 1 cảnh báo. Nếu khí bốc ra mạnh (chẳng hạn do ngắn mạch cuộn dây MBA đặt trong thùng dầu) luồng khí di chuyển từ thùng dầu lên bình dãn dầu đẩy phao số 2 xuống gởi tín hiệu đi cắt máy cắt của MBA. Một van thử được lắp trên rơle: Khi thử nghiệm rơle, lắp máy bơm khơng khí nén vào đầu van thử. Mở khĩa van, khơng khí nén bên trong rơle cho đến khi phao hạ xuống đĩng tiếp điểm. Một nút nhấn thử để kiểm tra sự làm việc của 2 phao. Khi nhấn nút thử đến nửa hành trình, sẽ tác động cơ khí cho phao trên hạ xuống (lúc này cả 2 phao đang nâng lên vì rơle chứa đầy dầu) đĩng tiếp điểm báo hiệu (cấp 1) của phao trên. Tiếp tục nhấn nút thử đến cuối hành trình, sẽ tác động cơ khí cho phao dưới cũng bị hạ xuống (do phao trên đã hạ xuống rồi) đĩng tiếp điểm mở máy cắt (cấp 2) của phao dưới. Dựa vào thành phần và khối lượng hơi sinh ra người ta cĩ thể xác định được tính chất và mức độ sự cố. Do đĩ trên rơle hơi cịn cĩ thêm van để lấy hỗn hợp khí sinh ra nhằm phục vụ cho việc phân tích sự cố. Rơle hơi tác động chậm thời gian làm việc tối thiểu là 0,1s; trung bình là 0,2s. II.2. Rơle bảo vệ quá nhiệt cuộn dây MBA (26W): Nhiệt độ định mức máy biến áp phụ thuộc chủ yếu vào dịng điện tải chạy qua cuộn dây MBA và nhiệt độ của mơi trường xung quanh. Tuỳ theo từng loại cũng như cơng suất định mức của MBA mà dải nhiệt độ cho phép của chúng cĩ thể thay đổi, thơng thường nhiệt độ của cuộn dây dưới 95oC được xem là bình thường. Thiết bị chỉ thị nhiệt độ cuộn dây được trình bày như hình 2.39 (tương tự thiết bị chỉ thị nhiệt độ dầu). 60
Để đo nhiệt độ cuộn dây MBA người ta thường dùng thiết bị loại AKM 35, đây là thiết bị sử dụng điện trở nhiệt cĩ phần tử đốt nĩng được cấp điện từ biến dịng phía cao và hạ máy biến áp. Rơle nhiệt độ cuộn dây gồm bốn bộ tiếp điểm (mỗi bộ cĩ một tiếp điểm thường mở, một tiếp điểm thường đĩng với cực chung) lắp bên trong một nhiệt kế cĩ kim chỉ thị. Thiết bị chỉ thị nhiệt độ cuộn dây Hình 2.40: Thiết bị chỉ thị nhiệt độ cuộn dây Cơ cấu rơle gồm: chỉ thị quay để ghi số đo, một bộ phận cảm biến nhiệt, một ống mao dẫn nối bộ phận cảm biến nhiệt với cơ cấu chỉ thị. Bên trong ống mao dẫn là chất lỏng được nén lại. Sự co giãn của chất lỏng trong ống mao dẫn thay đổi theo nhiệt độ mà bộ cảm biến nhận được, tác động lên cơ cấu chỉ thị và bốn bộ tiếp điểm. Đồng thời, tác động lên cơ cấu chỉ thị và các tiếp điểm, cịn cĩ một điện trở đốt nĩng. Cuộn dây thứ cấp của một máy biến dịng điện đặt tại chân sứ máy biến áp được nối với điện trở đốt nĩng. Để chỉnh định cho phần tử đốt nĩng, người ta sử dụng một biến trở đặt ở tủ điều khiển cạnh máy biến áp. Tác dụng của điện trở đốt nĩng (tùy theo dịng điện qua cuộn dây máy biến áp) và bộ cảm biến nhiệt lên cơ cấu đo cùng các bộ tiếp điểm sẽ tương ứng với nhiệt độ điểm nĩng, nhiệt độ của cuộn đây. Cĩ 4 vít điều chỉnh nhiệt độ để đặt trị số tác động cho 4 bộ tiếp điểm. Tùy theo thiết kế, các tiếp điểm rơle nhiệt độ cĩ thể được nối vào các mạch, báo hiệu sự cố “nhiệt độ cuộn dây cao”, mạch tự động mở máy cắt để cơ lập máy biến áp, mạch tự động khởi động và ngừng các quạt làm mát máy biến áp. Rơle nhiệt độ cuộn dây hoạt động ở 2 cấp: Cấp 1: Khi nhiệt độ cuộn dây MBA ở 115oC sẽ báo động bằng tín hiệu đèn cịi. Cấp 2: Khi nhiệt độ cuộn dây MBA là 120oC thì báo động bằng tín hiệu đèn cịi và tác động đi cắt máy cắt cơ lập máy biến áp ra khỏi lưới. Ngồi ra, rơle nhiệt độ cuộn dây MBA cịn cĩ tác dụng đưa các tín hiệu đi điều khiển hệ thống làm mát cho MBA. Ví dụ đối với MBA làm mát bằng quạt thổi thì hệ thống quạt mát sẽ làm việc khi nhiệt độ cuộn dây MBA đạt đến một trong các giá trị 750C ở cuộn cao, 800C ở cuộn hạ và 600C đối với nhiệt độ dầu. Hệ thống này sẽ dừng khi nhiệt độ cuộn dây và dầu MBA giảm 100C dưới các giá trị khởi động trên. II.3. Rơle nhiệt độ dầu (26Q): Để đo nhiệt độ lớp dầu trên sử dụng hai đồng hồ. Một đồng hồ nhiệt độ dầu báo tín hiệu ở 800C và một đồng hồ nhiệt độ dầu tác động cắt máy cắt ở 900C. Các đồng hồ này sử dụng nguyên lý cảm ứng nhiệt độ. Phần tử cảm ứng nhiệt được bỏ trong hộp nhỏ và được đặt gần đỉnh của thùng dầu của máy biến áp. 61
Dịng tải Tín hiệu ra Đỉnh máy biến áp Phần tử sinh nhiệt Phần tử cảm ứng nhiệt Hình 2.38: Cách lắp rơle nhiệt độ trong máy biến áp Rơle nhiệt độ dầu gồm cĩ cơ cấu chỉ thị quay để ghi số đo, một bộ phận cảm biến nhiệt, một ống mao dẫn nối bộ phận cảm biến nhiệt với cơ cấu chỉ thị. Bên trong ống mao dẫn là chất lỏng (dung dịch hữu cơ) được nén lại. Sự co giãn của chất lỏng (trong ống mao dẫn) thay đổi theo nhiệt độ mà bộ phận cảm biến nhiệt nhận được, sẽ tác động cơ cấu chỉ thị và các tiếp điểm. Các tiếp điểm sẽ đổi trạng thái ‘’mở‘’ thành ‘’đĩng’’, ‘’đĩng’’ thành ‘’mở ‘’ khi nhiệt độ cao hơn trị số đặt trước. Bộ phận cảm biến nhiệt được lắp trong lỗ trụ bọc kín, ở phía trên nắp máy biến áp, bao quanh lỗ trụ là dầu, để đo nhiệt độ lớp dầu trên cùng của máy biến áp. Thường dùng nhiệt kế cĩ 2 (hoặc 4) vít điều chỉnh nhiệt độ để cĩ thể đặt sẵn 2 (hoặc 4) trị số tác động cho 2 (hoặc 4) bộ tiếp điểm riêng rẽ lắp trong nhiệt kế. Khi nhiệt độ cao hơn trị số lắp đặt cấp 1, rơle sẽ đĩng tiếp điểm cấp 1 để báo tín hiệu sự cố ‘’nhiệt độ dầu cao‘’ của máy biến áp. Khi nhiệt độ tiếp tục cao hơn trị số cấp 2, rơle sẽ đĩng thêm tiếp điểm cấp 2 để tự động cắt máy cắt, cắt điện máy biến áp, đồng thời cũng cĩ mạch đi báo hiệu sự cố ‘’cắt do nhiệt độ dầu cao‘’ (Bộ phận chỉ thị nhiệt độ như hình 2.39). Trong đĩ: 1. Bộ phận cảm biến nhiệt. 2. Ơng mao dẫn (capillary tubo). 3. Kim chỉ thị nhiệt độ . 4. Hai vít điều chỉnh nhiệt độ hai bộ tiếp điểm . 5. Hai bộ tiếp điểm rơle nhiệt độ dầu . Nhiệt độ mơi trường sử dụng : -100C đến 700 C. Thang đo : -200C → 0 → +1300C. Thang điều chỉnh : -200C → 0 → +1300C. Sai số của trị số đo được : + 30C. Khoảng sai biệt tác động của tiếp điểm : 10-14. II.4. Cấu tạo rơle mức dầu tại máy biến áp (33): Thiết bị chỉ thị Thiết bị chỉ thị mức dầu bộ mức dầu thân đổi nấc máy Ơng dầu nối dầu đến bộ đổi nấc Ơng dầu nối đến thân máy Ơng thở cĩ bình silicagel Hình 2.41: Vị trí lắp rơle mức dầu tại máy biến áp 62
Rơle mức dầu gồm hai bộ tiếp điểm lắp bên trong thiết bị chỉ thị mức dầu, ở máy biến áp cĩ bộ đổi nấc điện áp cĩ tải (bộ điều áp dưới tải) thì thùng giãn nở dầu được chia làm hai ngăn (hình 2.41). Ngăn cĩ thể tích chiếm phần lớn thùng giãn nở, được nối ống liên thơng dầu qua rơle hơi đến thùng chính máy biến áp (để cĩ thể tích giãn nở dầu cho máy biến áp). Ngăn cĩ thể tích chiếm phần nhỏ hơn nhiều của thùng giãn nở, sẽ được nối ống liên dầu đến thùng chứa bộ điều áp dưới tải. Thùng chính máy biến áp và thùng bộ đổi nấc được thiết kế riêng rẽ, khơng cĩ liên thơng dầu với nhau. Vì vậy, cĩ hai thiết bị chỉ mức dầu lắp tại hai đầu thùng giản nở để đo mức dầu của hai ngăn thiết bị chỉ thị mức dầu máy biến áp và thiết bị chỉ thị mức dầu bộ điều áp dưới tải. 1 2 4 6 9 8 5 3 7 Hình 2.42: Cấu tạo của thiết bị chỉ thị mức dầu 1. Vỏ máy. 6. Kim chỉ thị. 2. Vịng đệm . 7. Mặt chỉ thị. 3. Phao. 8. Thanh quay. 4. Nam châm vĩnh cửu. 9. Trục quay. 5. Nam châm vĩnh cửu. Cơ cấu của thiết bị chỉ thị mức dầu gồm hai bộ phận (hình 2.42): Bộ phận điều khiển và bộ phận chỉ thị. Bộ phận điều khiển cĩ một phao (3), thanh quay (8) trục quay (9) cĩ lắp nam châm vĩnh cửu (4). Bộ phận điều khiển lắp trên vỏ máy (đầu thùng giãn nở) cĩ vịng đệm. Bộ phận chỉ thị gồm kim chỉ (6) lắp trên trục mang một nam châm vĩnh cửu (5). Bộ phận chỉ thị được làm bằng nhơm để tránh bị ảnh hưởng từ trường nam châm và chống ảnh hưởng của nước. Khi mức dầu nâng hạ thì phao (3) nâng hạ theo. Chuyển động nâng hạ của phao được chuyển thành chuyển động quay của trục (9) nhờ thanh quay (8). Khi quay từ trường do nam châm (4) sẽ điều khiển cho nam châm (5) quay sao cho hai cực khác tên (N và S) của hai nam châm đối diện nhau (hai cực cùng tên cĩ lực đẩy, hai cực khác tên cĩ lực hút nhau). Do vậy kim chỉ thị quay theo nam châm (5), ghi được mức dầu trên mặt chỉ thị. Bộ phận chỉ thị cũng tác động đĩng mở các tiếp điểm rơle mức dầu để đưa tín hiệu vào mạch báo động hoặc mạch cắt tùy theo từng thiết kế. II.5. Bảo vệ áp suất tăng cao trong máy biến áp (63): Rơle bảo vệ dự phịng cho máy biến thế lực, chỉ danh vận hành là R.63. Khi cĩ sự cố trong máy biến áp, hồ quang điện làm dầu sơi và bốc hơi ngay, tạo nên áp suất rất lớn trong máy biến áp. Thiết bị an tồn áp suất lắp trên nắp thùng chính máy biến áp sẽ mở rất nhanh (mở hết van khoảng 2ms) để thốt khí dầu từ thùng chính MBA ra mơi trường ngồi, áp suất trong thùng chính sẽ giảm. Trong thiết bị an tồn áp suất cĩ gắn rơle áp suất. 63
∗ Sơ đồ khối của bảo vệ R.63 tại trạm: Tín hiệu từ BI Cắt máy cắt Hình 2.43: Sơ đồ khối bảo vệ R.63 Ở tình trạng làm việc bình thường, van đĩa bị nén bởi lị xo nên làm kín thùng chính máy biến áp. Khi cĩ sự cố bên trong thùng chính máy biến áp thì áp suất trong thùng chính tăng cao sẽ lớn hơn áp lực nén của lị xo, van đĩa sẽ chuyển động thẳng lên, làm hở thành khe hở xung quanh chu vi van đĩa. Khí sẽ thốt ra tại khe hở vịng đệm, làm giảm áp suất trong thùng. Khi van đĩa di chuyển lên thì cũng tác động lên cái chỉ thị cơ khí bung lên, đồng thời tác động tiếp điểm rơle áp suất gởi tín hiệu tới mạch báo động và tự động cắt máy cắt cơ lập máy biến áp ra khỏi lưới điện. Khi áp suất trở lại bình thường, muốn tái lập lại MBA thì phải nhấn cái chỉ thị cơ khí (đã bị bung lên) về vị trí cũ, đồng thời đặt lại rơle áp suất bằng nút nhấn. II.6. Bảo vệ áp suất tăng cao trong bộ đổi nấc máy biến áp (R.63 OLTC): Rơle bảo vệ tác động theo áp suất thùng điều áp dưới tải máy biến áp lực, là bảo vệ dự phịng cho máy biến áp. Chỉ danh vận hành trên sơ đồ bảo vệ là R.63 OLTC (On Load Tap Changer). Cấu tạo và nguyên lý vận hành của rơle tương tự như R.63 đã nĩi ở trên. Khi cĩ sự cố bên trong thùng đổi nấc máy biến áp thì rơle sẽ tác động và tự động cắt máy cắt cơ lập MBA ra khỏi lưới điện. Sơ đồ khối của bảo vệ R.63 OLTC tại trạm: Tín hiệu từ BI Cắt máy cắt R.63 Hình 2.44: Sơ đồ khối bảo vệ R63 OLTC Muốn tái lập lại MBA sau khi rơle tác động phải đặt lại Rơle khĩa trung gian R86. II.7. Rơle khĩa trung gian (86): Rơle khĩa trung gian R.86 thường được dùng là loại kiểu MVAJ-21 nhà chế tạo GEC ALSTOM. Đặc điểm và ứng dụng của rơle như sau: Thiết bị này dùng để ngắt mạch điện với độ an tồn cao, đặc biệt chúng cĩ thể dùng để ngắt mạch điện hoặc điều khiển các hoạt động đĩng ngắt do tín hiệu được gởi tới từ các rơle khác. Rơle này cĩ thể hoạt động ở hai chế độ tức thời hoặc cĩ thời gian trì hỗn. Rơle MVAJ cĩ khả năng dập tắt được sự phĩng điện do điện dung. Rơle MVAJ là loại thiết bị bảo vệ dùng để giám sát sự hoạt động của các loại rơle bảo vệ khác. ∗ Nguyên tắc hoạt động: Rơle MVAJ-21 chỉ hoạt động khi các rơle khác (cĩ liên quan) đã làm việc. Khi rơle bảo vệ chính của thiết bị hoạt động thì cũng đồng thời tác động rơle R.86 64
làm việc. R.86 hoạt động sẽ cơ lập nguồn điều khiển của các rơle điều khiển khác. Muốn tái lập lại sự làm việc bình thường của mạch điều khiển các thiết bị thì phải đặt lại R.86. Th + + Nguoăn RI RT - Hnh 2.17: S oă nguyeđn ly bạo veơ qua tại III. BẢO VỆ CHốNG NGẮN MẠCH NGỒI VÀ QUÁ TẢI III.1. Bảo vệ quá tải (BVQT): Cĩ chức năng báo tín hiệu quá tải MBA. Dùng bảo vệ quá dịng điện. Ở MBA hai dây quấn bảo vệ được bố trí phía nguồn (hình 2.17), máy biến áp ba dây quấn bảo vệ quá tải cĩ thể bố trí ở hai hoặc cả ba dây quấn. Bảo vệ quá tải chỉ bố trí ở một pha và đi báo tín hiệu sau một thời gian định trước. Tuy nhiên rơle dịng điện khơng thể phản ánh được chế độ mang tải của MBA trước khi xảy ra quá tải. Vì vậy đối với MBA cơng suất lớn người ta sử dụng nguyên lý hình ảnh nhiệt để thực hiện bảo vệ chống quá tải. Bảo vệ loại này phản ảnh mức tăng nhiệt độ ở những thời điểm kiểm tra khác nhau trong máy biến áp và tuỳ theo mức tăng nhiệt độ mà cĩ nhiều cấp tác động khác nhau: cảnh báo, khởi động các mức làm mát bằng tăng tốc độ tuần hồn của khơng khí hoặc dầu, giảm tải máy biến áp. Nếu các cấp tác động này khơng mang lại hiệu quả và nhiệt độ máy biến áp vẫn vượt quá giới hạn cho phép và kéo dài quá thời gian quy định thì máy biến áp sẽ được cắt ra khỏi hệ thống. III.2. Bảo vệ dịng điện tăng cao do ngắn mạch ngồi: Thơng thường người ta dùng bảo vệ quá dịng điện. Về nguyên tắc với MBA ba cuộn dây khi ở cả ba cấp điện áp đều cĩ thể cĩ nguồn cung cấp nên đặt ở mỗi cấp điện áp một bộ. 65
Với MBA ba cuộn dây và MBA tự ngẫu một trong các bộ bảo vệ dịng điện cực đại thường là bảo vệ cĩ hướng (để đảm bảo tính chọn lọc giữa các bảo vệ). Để nâng cao độ nhạy người ta dùng bảo vệ dịng điện thứ tự nghịch (BVI2) kèm theo một rơle dịng điện cĩ kiểm tra áp. Các bảo vệ chống dịng điện tăng cao do ngắn mạch ngồi dùng làm bảo vệ dự trữ cho bảo vệ TA chính của MBA khi CA ngắn mạch nhiều pha ở MBA, nĩ cịn làm RU + bảo vệ dự trữ cho T BU nôi vao thanh bảo vệ của các phần gop TA + + RT tử lân cận nếu điều + - kiện độ nhạy cho + RI RW phép. Hình 2.18 cho RI RW sơ đồ nguyên lý bảo vệ chống ngắn mạch LI2 LU2 ngồi cho máy biến áp tự ngẫu. Trong đĩ rơle định hướng + cơng suất (RW) chỉ T BU nôi vao + + tác động khi hướng thanh gop CA RT cơng suất ngắn mạch RI RU RI truyền từ máy biến - áp đến thanh gĩp cao áp, cịn theo chiều LI2 ngược lại thì khơng T BU nôi vao tác động. thanh gop TA HA Hnh 2.18: S oă nguyeđn ly bạo veơ chông ngaĩn mách ngoai C. TÍNH TỐN BẢO VỆ RƠLE CHO MBA Cơ sở tính chọn bảo vệ rơle cho MBA: Cần phải biết các thơng số của MBA do nhà chế tạo cung cấp trên nhãn máy hoặc trong các catalogue: Ví dụ với MBA ba pha hai cuộn dây: Loại Cĩ điều SBđm Thơng số sản xuất MBA chỉnh Uđm cuộn Un(%) ∆Pn ∆Po Io(%) điện áp dây Uc Uh Dịng ngắn mạch lớn nhất, nhỏ nhất xuất hiện trong các dạng ngắn mạch. Các thơng số, đặc tính của máy biến dịng điện, biến điện áp. Các yêu cầu bảo vệ rơle của MBA. 66
S U1 HT 51 50 N2 U2 N1 I. BẢO VỆ QUÁ DỊNG ĐIỆN I.1. Cầu chì: Cầu chì được chọn theo điều kiện sau: Icc ≥ Kat.Iđm (2-5) Với Iđm: dịng làm việc định mức phía đặt cầu chì; Kat hệ số an tồn lấy bằng 1,2. Số liệu tham khảo đặt cầu chì cho MBA ở cấp điện áp 11 Kv Cơng suất MBA Cầu chì S (KVA) I (A) Imđ tcắt (s) 100 5,25 16 3 200 10,5 25 3 300 15,8 36 10 500 26,2 50 20 1000 52,5 90 30 I.2. Bảo vệ quá dịng điện: Chọn máy biến dịng điện cho bảo vệ. Định mức thứ cấp của BI được tiêu chuẩn hố là 5A hoặc 1A. BI được chọn cĩ dịng định mức sơ cấp bằng hay lớn hơn dịng định mức cuộn dây MBA mà nĩ được đặt. Đối với MBA hai cuộn dây dịng định mức sơ cấp và thứ cấp MBA phụ thuộc cơng suất định mức của MBA và tỷ lệ nghịch với điện áp. Đối với MBA ba cuộn dây dịng định mức phụ thuộc vào cuộn dây tương ứng. SBđm Ilv đm = (2-6) 3UBđm Với SBđm: cơng suất định mức của máy biến áp. UBđm: điện áp định mức của MBA. 67
I.2.1. Bảo vệ cắt nhanh: Xác định dịng ngắn mạch sơ cấp cực đại chạy qua chổ đặt bảo vệ khi ngắn mạch ngồi (INngmax) tại điểm N1 trong hình. (3) U1 I Nngmax = I N1 = (2-7) xht 3(xB + xht) 2 x UN%.UBđm B Trong đĩ: xB: điện kháng của MBA, xB = 100.SBđm (3) xht: điện kháng của hệ thống. N1 Dịng điện khởi động bảo vệ: I kđ = Kat.INngmax (2-8) với Kat là hệ số an tồn, Kat = (1,3-1,4) Dịng khởi động thứ cấp của rơle : (3) K at.K sâ .I Nngmax I kâR = (2-9) nI (3) K sđ : hệ số kể đến sơ đồ nối dây của BI. Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ ứng với tình trạng ngắn mạch hai pha trên cực MBA ở phía nối với nguồn trong chế độ làm việc cực tiểu của hệ thống (điểmN2). I Nmin K n = ≥ 2 (2-10) IKđ Thời gian bảo vệ: t = 0sec. I.2.2. Bảo vệ quá dịng cĩ thời gian: Xác định dịng khởi động của bảo vệ: K at.K mm I kđ = .Ilv max (2-11) K tv Ở đây dịng Ilv max dịng làm việc max qua chổ đặt bảo vệ. Trong trường hợp khơng biết cĩ thể lấy Ilv max = IBđm . Với MBA ba cuộn dây dịng Ilv max lấy tương ứng của từng cuộn. Kat: hệ số an tồn (1,1 - 1,2). Kmm: hệ số mở máy (1,3 - 1,8). Ktv: hệ số trở về (0,85 - 0,9). (3) Ksđ .Ikđ Dịng khởi động của rơle: I kđR = (2-12) nI I N1min Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ: K n = (2-13) I kđ Yêu cầu K n ≥ 1,5: khi làm bảo vệ chính. Ở đây IN1min dịng ngắn mạch nhỏ nhất qua bảo vệ khi ngắn mạch trực tiếp cuối vùng bảo vệ (điểm N1). Dạng ngắn mạch tinh tốn là dạng ngắn mạch hai pha nên: (2) U1 I N1 = 3.(x1Σ + x2Σ ) 68
Trong đĩ: - x1Σ :điện kháng thứ tự thuận tổng đến điểm ngắn mạch, x1Σ = x1B + x1ht. - x2Σ : điện kháng thứ tự nghịch tổng đến điểm ngắn mạch, x2Σ = x2B + x2ht. Yêu cầu K n ≥ 1,2: khi làm bảo vệ dự trữ (ngắn mạch ở cuối vùng dự trữ). Nếu độ nhạy khơng đạt yêu cầu, phải dùng bảo vệ quá dịng cĩ kiểm tra áp (BVQIKU). Lúc đĩ dịng khởi động của bảo vệ được tính: K at I kđ = .Ilv max (2-14) K tv Khơng kể đến Kmm vì sau khi cắt ngắn mạch ngồi các động cơ tự khởi động nhưng khơng làm điện áp giảm nhiều và bảo vệ khơng thể tác động. Điện áp khởi động của RU< : Ulv min Ukđ = (2-15) K at.K tv Kat =1,2, Ktv =1,15, Ulv min: điện áp tại chổ đặt bảo vệ trong điều kiện tự khởi động của động cơ sau khi cắt ngắn mạch ngồi. Thơng thường cĩ thể lấy (0,7-0,75) Uđm . Thời gian làm việc thường được phân thành 2 cấp: Cấp thứ nhất cắt máy cắt thứ cấp: tc1 = t(2) + ∆t (2-16) với - t(2): thời gian tác động lớn nhất của bảo vệ kề nĩ. - ∆t: bậc chọn lọc về thời gian (0,3 - 0,5)sec. Cấp thời gian thứ hai cắt tất cả các máy cắt của MBA: tc2 = tc1 + ∆t (2-17) I.3. Bảo vệ dịng thứ tự nghịch: Để tăng độ nhạy cho BVQIKU, người ta sử dụng kết hợp với BVI2 (hình 2.19). Khi đĩ, bảo vệ quá dịng chỉ bố trí ở một pha để chống ngắn mạch ba pha và độ nhạy được kiểm tra theo dịng ngắn mạch ba pha thứ cấp: (3) I N1min K n = ≥ 1.5 (2-18) I kđ Dịng khởi động của BVI2: K at I 2kđ = .I Bđm . Với Kat = 1,2; Ktv = 0,85 (2-19) K tv 1MC 2MC N1 Cắt 1 và 2 MC + + + Cắt 2MC RI RU RI RT - LI2 t BU thanh gop Hnh 2.19: S oă nguyeđn l bạo veơ qua dong co kieơm tra ap kêt hp BVI2 tac oơng co thi gian 69
U1 51N (n) N U2 1 Hnh 2.20: S oă nguyeđn ly bạo veơ chông chám ât MBA baỉng bạo veơ qua dong ieơn II. Bảo vệ quá tải K at.IBđm Dịng khởi động của bảo vệ quá tải : I kđ = (2-20) K tv (3) Ksđ .I kđ Dịng khởi động của rơle : I kđR = (2-21) nI Kat = 1,05; Ktv = 0,85 IBđm: dịng định mức phía đặt bảo vệ tính theo cơng suất định mức MBA. Thời gian đặt của bảo vệ: t = tbv max + ∆t (2-22) tbv max : thời gian lớn nhất của bảo vệ lân cận. III. BẢO VỆ DỊNG THỨ TỰ KHƠNG (BVI0) CỦA MBA TRONG MẠNG CĨ DỊNG CHẠM ĐẤT LỚN III.1. Bảo vệ I0 MBA một phía nối đất: Dịng khởi động sơ cấp BVIO được chọn theo hai điều kiện : ¾ Theo điều kiện chỉnh định khỏi dịng khơng cân bằng khi ngắn mạch ngồi: I kâ > I kcbmax (2-23) ¾ Theo điều kiện phối hợp về độ nhạy với các bảo vệ đường dây nối vào thanh gĩp của trạm: I kđ ≥ K at.3Iott (2-24) Trong đĩ : K at: hệ số an tồn khi phối hợp cĩ thể chọn Kat = (1,1-1,2). I ott : dịng thứ tự khơng (TTK) tại chổ đặt bảo vệ, ứng với dạng ngắn mạch nào gây ra dịng TTK lớn nhất. Khi chọn I kđ theo điều kiện (2-24) thì điều kiện (2-23) cũng được thoả mãn, vì vậy thường chỉ tính theo điều kiện (2-24). 70