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 dòng chạm đất không 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.

Dòng điện tại chỗ chạm đất khi trung điểm của cuộn dây máy phát không nối đất là:

Trong đó:

Nếu bỏ qua điện trở quá độ tại chỗ sự cố (rqđ = 0), dòng chạm đất bằng:

Khi chạm đất xảy ra tại đầu cực máy phát (alpha = 1) dòng chạm đất đạt trị số lớn nhất:

Nếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn dập hồ quang (CDHQ), theo quy định của một số nước, CDHQ cần phải đặt khi:

Kinh nghiệm cho thấy rằng dòng điện chạm đất >= 5A có 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 dòng 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 dòng chạm đất có thể giới hạn nhỏ hơn dòng điện định mức máy phát. Không có công thức tổng quát nào cho giá trị tối ưu của tổng trở giới hạn dòng. Nếu tổng trở trung tính quá cao, dòng chạm đất bé làm cho rơle không tác động. Ngoài 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 dựa vào dung dẫn giữa 3 cuộn dây stator máy phát, thường yêu cầu:

với C là điện dung của mỗi cuộn dây stator máy phát.

Nếu điện trở trung tính thấp, dòng 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 không 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 dòng chạm đất nhỏ hơn 25A. Một phương án khác cũng nối đất qua điện trở thấp cho phép dòng chạm đất có thể đạt đến 1500A.

• Phương án b: Trung tính nối đất qua điện kháng có kháng trở bé (hình 1.10b), với phương án này cho phép dòng chạm đất lớn hơn khi dùng phương án a, giá trị dòng chạm đất khoảng (25/100)% dòng ngắn mạch 3 pha.

• Phương án c: Trung tính nối đất qua máy biến áp BA hình 1.10c, điện áp của cuộn sơ MBA bằng điện áp máy phát, điện áp của cuộn thứ MBA khoảng 120V hay 240V.

- Đối với sơ đồ có thanh góp cấp điện áp máy phát khi Iđ > 5 (A) cần phải cắt máy phát.

- Đối với sơ đồ nối bộ MF-MBA thường Iđ < 5 (A) chỉ cần đặt bảo vệ đơn giản hơn để báo tín hiệu chạm đất stator mà không cần cắt máy phát.

Đối với sơ đồ thanh góp điện áp máy phát:

Sơ đồ hình 1.11 được dùng để bảo vệ cuộn dây stator máy phát khi xảy ra chạm đất. Bảo vệ làm việc theo dòng thứ tự không qua biến dòng thứ tự không 7BI0 có kích từ phụ từ nguồn xoay chiều lấy từ 2BU.

- 3RI: rơle chống chạm đất 2 pha tại hai điểm khi dùng bảo vệ so lệch dọc đặt ở 2 pha (sơ đồ sao khuyết).

- 4RI: rơle chống chạm đất 1 pha cuộn dây stator.

- 5RG: khoá bảo vệ khi ngắn mạch ngoài.

- 6RT: tạo thời gian làm việc cần thiết để bảo vệ không tác động đối với những giá trị quá độ của dòng điện dung đi qua máy phát khi chạm đất 1 pha trong mạng điện áp máy phát.

- Rth: rơle báo tín hiệu.

Nguyên lý hoạt động:

 Tình trạng làm việc bình thường, dòng điện qua rơle 3RI, 4RI:

Dòng điện không cân bằng do các pha phía sơ cấp của 7BI0 đặt không đối xứng với cuộn thứ cấp và do thành phần kích từ phụ gây nên. Dòng điện khởi động của rơle cần phải chọn lớn hơn dòng điện không cân bằng trong tình trạng bình thường này:

IKĐR >IKCBtt

 Khi xảy ra chạm đất 1 pha trong vùng bảo vệ:

Dòng qua chỗ chạm đất bằng:

Trong đó:

- alpha: phần số vòng 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.

Dòng điện vào rơle bằng:

để bảo vệ có thể tác động được cần thực hiện điều kiện:

để đơn giản, ta giả thiết dòng chạm đất đi qua bảo vệ và dòng không cân bằng tính toán ngược pha nhau.

Khi số vòng chạm alpha bé, dòng điện chạm đất nhỏ và bảo vệ có thể có vùng chết ở gần trung tính máy phát.

 Khi chạm đất một pha ngoài vùng bảo vệ, dòng điện đi qua bảo vệ:

để bảo vệ không tác động trong trường hợp này, dòng khởi động của bảo vệ phải được chọn:

Ở đây chúng ta chọn điều kiện nặng nề nhất là khi dòng điện chạm đất qua bảo vệ và dòng không cân bằng có chiều trùng nhau, đồng thời phải chọn giá trị của dòng điện chạm đất bằng giá trị quá độ lớn nhất vì chạm đất thường là không ổn định.

Khi xảy ra chạm đất 2 pha tại hai điểm, trong đó có một điểm nằm trong vùng bảo vệ. Bảo vệ sẽ tác động cắt máy phát nhờ rơle 3RI. Trong trường hợp này rơle 4RI cũng khởi động nhưng tín hiệu từ 4RI bị trễ do 6RT.

Tính chọn Rơle:

* Dòng khởi động của rơle 3RI: Việc xác định dòng không cân bằng đi qua bảo vệ khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ rất phức tạp vì thế người ta thường chỉnh định với một độ dự trữ khá lớn, theo kinh nghiệm vận hành thường chọn:

IKĐB3RI = (100 / 200) (A) (phía sơ cấp)

* Dòng khởi động của rơle 4RI: Dòng khởi động của 4RI được chọn theo 2 điều kiện:

Bảo vệ không được tác động khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, khi đó:

(A) (phía sơ cấp)

Theo giá trị dòng điện sơ cấp bé nhất tương ứng với dòng điện khởi động cực tiểu của 4RI (giá trị này phụ thuộc vào cấu tạo và độ nhạy của rơle 4RI). Đối với các rơle thường gặp giá trị này khoảng:

IKĐB4RI = (2 - 3) (A) (phía sơ cấp)

Từ hai điều kiện trên chúng ta sẽ chọn được dòng điện lớn hơn làm dòng điện tính toán.

* Thời gian làm việc của rơle 6RT: Để loại trừ ảnh hưởng của những giá trị quá độ của dòng điện dung khi chạm đất một pha trong mạng điện áp máy phát, người ta thường chọn:

t6RT = (1/ 2) sec