Phương pháp dùng nguồn điện áp phụ AC

Sơ đồ bảo vệ được trình bày ở hình 1.22. Điện áp nguồn phụ xoay chiều thường bằng điện áp cuộn kích từ.

- 34BG: biến áp trung gian, lấy điện từ thanh góp tự dùng.

- 35 RI: rơle dòng điện, để phát hiện sự cố.

- 36RT: rơle thời gian, tạo thời gian trễ tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm khi ngắn mạch thoáng qua.

- 37RG: rơle trung gian.

- 52N: nút ấn giải trừ tự giữ.

- 47CC: cầu chì bảo vệ.

- 48C: tụ điện dùng để cách ly mạch kích từ một chiều với mạch xoay chiều.

Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:

- Bình thường, phía thứ cấp của biến áp trung gian 34RG hở mạch do đó không có dòng qua rơle 35RI, bảo vệ không tác động.

- Khi xảy ra chạm đất một điểm mạch kích từ, thứ cấp của biến áp trung gian khép mạch, có dòng chạy qua rơle 35RI làm cho bảo vệ tác động đi báo tín hiệu.

Sơ đồ có ưu điểm là không có vùng chết nghĩa là chạm đất bất kỳ điểm nào trong mạch kích từ bảo vệ đều có thể tác động. Tuy nhiên do dùng nguồn xoay chiều nên phải chống sự xâm nhập điện áp xoay chiều vào nguồn kích từ một chiều.

Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp trên bằng sơ đồ hình 1.23, nhờ bộ chỉnh lưu điốt mà ta có thể cách li nguồn một chiều và nguồn xoay chiều.

Nguồn điện phụ một chiều cho phép loại trừ vùng chết và thực hiện bảo vệ 100% cuộn dây rotor chống chạm đất. Sơ đồ có nhược điểm là sự liên hệ trực tiếp về điện giữa thiết bị bảo vệ và điện áp kích từ UKT có trị số khá lớn đối với các MFĐ có công suất lớn.

IV.2. Một số sơ đồ bảo vệ chống chạm đất một điểm trong các MFĐ hiện đại:

Đối với các MFĐ có hệ thống kích từ không chổi than với các điốt chỉnh lưu lắp trực tiếp trên thân rotor của máy phát, điện dung của hệ thống kích từ đối với đất sẽ tăng lên đáng kể và hệ thống bảo vệ chống chạm đất của cuộn dây rotor cũng trở nên phức tạp .

Các sơ đồ bảo vệ chống chạm đất một điểm trong cuộn dây rotor của các MFĐ hiện đại thường tác động cắt máy phát (để loại trừ xảy ra chạm đất điểm thứ hai) và dựa trên một trong những nguyên lý sau:

- Đo điện dẫn trong mạch kích từ (đối với đất) bằng tín hiệu điện áp xoay chiều tần số 50Hz.

- Đo điện trở của mạch kích từ (đối với đất) bằng tín hiệu điện áp một chiều hoặc tín hiệu sóng chữ nhật tần số thấp. Nguyên lý đo điện dẫn của mạch kích từ đối với đất của MFĐ có hệ thống kích từ không chổi than trình bày trên hình 1.24.

Nguồn điện áp phụ xoay chiều tần số 50Hz được đặt vào mạch trung tính của cuộn dây máy kích thích xoay chiều ba pha và thân rotor của MFĐ thông qua các vành góp và chổi than S1, S2. Bộ lọc tần số LF chỉ cho tần số công nghiệp chạy qua rơle đo điện dẫn RY để loại trừ ảnh hưởng của hài bậc cao trong phép đo.

Điện dẫn mà rơle RY đo được chủ yếu xác định theo điện trở RĐ và điện dung CĐ đối với đất của mạch kích từ.

Trên hình 1.25 trình bày quỹ đạo của nút véctơ tổng trở Z mà rơle đo được cho hai trường hợp: Khi 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 góc phần tư thứ hai và thứ ba trên mặt phẳng tọa độ để đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách chắc chắn khi có chạm đất trực tiếp (RĐ Xấp xỉ 0).

Sơ đồ bảo vệ hình 1.24 có một số nhược điểm là: sự có mặt của chổi than S1, S2 làm cho độ tin cậy của sơ đồ không cao và trị số của điện trở tiếp xúc có thể ảnh hưởng đến trị số đo của rơle. Ngoài ra bản thân hệ thống kích thích một chiều cũng có thể ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ khi điện dung của mạch kích thích đối với đất CĐ lớn, điện trở rò RĐ lớn nhất có thể đo được 10 .

Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng sơ đồ với nguồn điện phụ một chiều hoặc xoay chiều với tần số thấp có dạng sóng hình chữ nhật.

Trên hình 1.26 trình bày nguyên lý phát hiện chạm đất trong cuộn dây rotor của MFĐ được kích thích từ nguồn điện tự dùng qua bộ chỉnh lưu Thyristor dùng nguồn tín hiệu sóng chữ nhật có tần số 1Hz.

Các điện trở phụ R1, R2 được chọn có chỉ số khá lớn so với điện trở RM để tạo điện áp UM đặt vào bộ phận đo lường M.

Dòng điện do nguồn điện phụ U tạo ra bằng:

Trong đó:

Lưu ý rằng RM << R và bỏ qua điện trở của bản thân cuộn dây rotor, ta có:

Điện dung đối với đất của mạch kích từ CĐ mắc song song với điện trở RĐ sẽ làm tức thời tăng trị số dòng điện I và điện áp UM ở thời điểm đầu của mỗi nửa chu kỳ của nguồn điện áp U.

Điện trở RĐ có tác dụng làm suy giảm trị số của I và UM. RĐ càng bé độ suy giảm càng nhanh, trên hình 1.26b và 1.26c trình bày dạng sóng UM đo được cho hai trị số của RĐ khác nhau.

Bảo vệ được chỉnh định để tác động báo hiệu khi điện trở rò RĐ tụt dưới 80 (mức 1) và tác động cắt máy phát khi RĐ < 5 (mức 2).

Bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ (hình 1.27) được đưa vào làm việc sau khi có tín hiệu báo chạm đất một điểm mạch kích từ. Thường bảo vệ được đặt trên một bảng di động và được dùng chung cho nhiều tổ máy của nhà máy. Bảo vệ làm việc dựa trên nguyên tắc cầu bốn nhánh: Khi chạm đất một điểm mạch kích từ, người ta điều chỉnh cho cầu cân bằng nhờ đồng hồ V. Khi cầu cân bằng ta có: , do đó không có dòng qua 1RI, bảo vệ không tác động.

Khi chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ sẽ làm cho cầu mất cân bằng, có dòng qua 1RI và 2RT có điện, sau một thời gian 3RG có điện đi báo tín hiệu thông qua 4Rth, cắt máy cắt đồng thời nối tắt cuộn dây của 1RI để tránh bị hư hỏng và tự giữ cho 3RG thông qua mạch tự giữ.

Các phần tử trong sơ đồ:

- 3RG: rơle trung gian, bao gồm các tiếp điểm:

Tiếp điểm a: đưa tín hiệu đi cắt máy phát.

Tiếp điểm b: để bảo vệ RI không bị cháy (nối tắt RI).

Tiếp điểm c: tiếp điểm tự giữ.

- BIH: lấy thành phần xoay chiều của nhiễu để tăng cường tác động hãm cho RI.

- 9CN: cầu nối, dùng để khoá bảo vệ khi sửa chữa hoặc không muốn bảo vệ tác động.

- 6N: nút ấn, kết hợp với đồng hồ V để điều chỉnh cho cầu cân bằng khi xảy ra chạm đất điểm thứ nhất mạch kích từ.

- 5N: nút ấn, để giải tự giữ sau khi bảo vệ đã tác động đi cắt máy cắt.

- 5CC: cuộn cản nhằm hạn chế thành phần nhiễu xoay chiều, tránh làm cho RI tác động nhầm.

- 10CN: khoá bảo vệ không cho cắt máy cắt.

Điện áp ở đầu cực máy phát có thể tăng cao quá mức cho phép khi có trục trặc trong hệ thống tự động điều chỉnh kích từ hoặc khi máy phát bị mất tải đột ngột.

Khi mất tải đột ngột, điện áp ở đầu cực các máy phát thuỷ điện có thể đạt đến 200% trị số danh định là do hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của turbine nước có quán tính lớn và khả năng vượt tốc của rotor máy phát cao hơn nhiều so với máy phát turbine hơi.

Ở các máy phát nhiệt điện (turbine hơi hoặc turbine khí) các bộ điều tốc làm việc với tốc độ cao, có quán tính bé hơn nên có thể khống chế mức vượt tốc thấp hơn, ngoài ra các turbine khi hoặc hơi còn được trang bị các van STOP đóng nguồn năng lượng đưa vào turbine trong vòng vài msec khi mức vượt tốc cao hơn mức chỉnh định.

Mặt khác, các máy phát thuỷ điện nằm xa trung tâm phụ tải và bình thường phải làm việc với các mức điện áp đầu cực cao hơn điện áp danh định để bù lại điện áp giáng trên hệ thống truyền tải, khi mất tải đột ngột mức điện áp lại càng tăng cao.

Quá điện áp ở đầu cực máy phát có thể gây tác hại cho cách điện của cuộn dây, các thiết bị đấu nối ở đầu cực máy phát, còn đối với các máy phát làm việc hợp bộ với MBA sẽ làm bão hoà mạch từ của MBA tăng áp, kéo theo nhiều tác dụng xấu.

Bảo vệ chống quá điện áp ở đầu cực máy phát thường gồm hai cấp hình 1.28.

* Cấp 1 (59I ) với điện áp khởi động: UKĐ59I = 1,1UFđm (điện áp định mức MFĐ). Cấp 1 làm việc có thời gian và tác động lên hệ thống tự động điều chỉnh kích từ để giảm kích từ của máy phát.

* Cấp 2 (59II) với điện áp khởi động: UKĐ59II = (1,3/1,5)UFđm. Cấp 2 làm việc tức thời, tác động cắt MC ở đầu cực máy phát và tự động diệt từ trường của máy phát.

Mục đích đặt bảo vệ:

- Chống ngắn mạch trên các phần tử kề (thanh góp máy phát, máy biến áp,...) nếu bảo vệ của các phần tử này không làm việc.

- Chống quá tải do hệ thống cắt giảm một số nguồn cung cấp.

- Làm dự trữ cho BVSLD máy phát điện.

Để thực hiện bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải ta có thể sử dụng các phương thức bảo vệ sau:

Bảo vệ quá dòng điện:

Với các máy phát bé và trung bình, người ta thường sử dụng bảo vệ quá dòng điện có khoá điện áp thấp (hình 1.29). Bảo vệ thường có 2 cấp thời gian:

Cấp 1 (2I) tác động cắt MC ở đầu cực máy phát (nếu nối với thanh góp điện áp máy phát) hoặc MC của bộ MF-MBA. Cấp 1 được phối hợp với thời gian tác động của bảo vệ dự phòng của đường dây và MBA.

Cấp 2 (2II) tác động dừng máy phát nếu sau khi cắt MC đầu cực máy phát (có thanh góp điện áp máy phát) hoặc đầu hợp bộ (MF-MBA) mà dòng sự cố vẫn tồn tại (tức là sự cố xảy ra bên trong hợp bộ hoặc máy phát).

Khóa điện áp thấp cho phép phân biệt ngắn mạch với quá tải và cho phép bảo vệ làm việc chắc chắn khi máy phát được kích từ bằng chỉnh lưu lấy điện từ đầu cực máy phát. Trong trường hợp này dòng ngắn mạch sẽ suy giảm nhanh chóng khi xảy ra ngắn mạch tại đầu cực máy phát. Trong một số sơ đồ người ta còn dùng biện pháp đảm bảo cho bảo vệ tác động chắc chắn là chỉ lấy tín hiệu điện áp thấp sau khi rơle dòng điện đã trở về do sự suy giảm dòng ngắn mạch.

Dòng điện khởi động của rơle quá dòng 50 (khi bảo vệ quá dòng có khoá điện áp thấp 27):

với Ilvmax là dòng điện làm việc lớn nhất qua cuộn thứ cấp của BI.

Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải MFĐ:

Quá tải gây phát nóng cuộn dây stator có thể do nhiều nguyên nhân như máy phát điện vận hành với hệ số công suất thấp, thành phần công suất phản kháng vượt quá mức cho phép, có hư hỏng trong hệ thống làm mát hoăc hệ thống điều chỉnh điện áp làm cho máy phát bị quá kích thích. Cuộn dây rotor cũmg có thể bị quá tải ngắn hạn trong quá trình điều chỉnh điện áp khi máy phát đầy tải công suất tác dụng.

Thời gian chịu đựng quá tải của các cuộn dây máy phát có giới hạn và phụ thuộc vào mức độ quá tải, kết cấu của máy phát, hệ thống làm mát và công suất của máy phát. Thường các nhà chế tạo cho sẵn quan hệ giữa mức quá tải (I* = I/Iđm) với thời gian quá tải cho phép của từng loại máy phát điện.

Có nhiều nguyên lý khác nhau có thể được áp dụng để thực hiện bảo vệ chống quá tải cho cuộn dây của máy phát điện: theo số đo trực tiếp của nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ của chất làm mát hoặc gián tiếp qua trị số dòng diện chạy qua cuộn dây.

Để bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải cho máy phát người ta có thể sử dụng sơ đồ hình 1.30, thực chất đây cũng là một bảo vệ quá dòng.

Trong đó:

- 24RI, 18RT; 25RI, 20RT: để chống quá tải và ngắn mạch đối xứng.

- 26RI, 19RT; 27RI, 20RT: chống quá tải và ngắn mạch không đối xứng.

- 32LI2: bộ lọc dòng thứ tự nghịch (để nâng cao độ nhạy cho bảo vệ, thường dùng cho các máy phát có công suất lớn).

VI.3.Tính chọn các thông số của rơle:

VI.3.1. Bảo vệ chống quá tải đối xứng 24RI, 18RT:

Dòng điện khởi động của 24RI:

Thời gian tác động của 18RT:

VI.3.2. Bảo vệ chống ngắn mạch đối xứng 25RI, 20RT:

Bảo vệ chống quá tải không đối xứng 26RI, 19RT:

Dòng điện khởi động cho rơle 26RI được chọn theo hai điều kiện:

Điều kiện 1: IKĐ26RI phải lớn hơn dòng thứ tự nghịch lâu dài cho phép I2cp:

- 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 ngoài.

Từ hai điều kiện trên và theo kinh nghiệm người ta chọn:

Thời gian tác động của 19RT thường được chọn:

VI.3.4. Bảo vệ chống ngắn mạch không đối xứng 27RI, 20RT:

Dòng khởi động của 27RI chọn theo các điều kiện sau:

Điều kiện 1: Bảo vệ không được tác động khi đứt một pha trong hệ thống nối với nhà máy.

Điều kiện 2: Bảo vệ phải phối hợp độ nhạy với các bảo vệ lân cận.

Trên thực tế tính toán dòng thứ tự nghịch khá phức tạp, theo kinh nghiệm người ta chọn:

từ giá trị dòng khởi động tính được ta có thể chọn được rơle thích hợp.

Thời gian tác động của rơle 20RT phải phối hợp với các bảo vệ lân cận:

t20RT = tmax các phần tử lân cận + deltat

Kiểm tra độ nhạy của bảo vệ:

Độ nhạy Kn của bảo vệ được tính theo công thức sau:

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 đóng vai trò làm bảo vệ dự trữ Kn >= 1,2.

VI.4. Bảo vệ dòng thứ tự nghịch: (hình 1.31)

Dòng điện thứ tự nghịch có thể xuất hiện trong cuộn dây stator máy phát khi xảy ra đứt dây (hoặc hở mạch một pha), khi phụ tải không đối xứng hoặc ngắn mạch không đối xứng trong hệ thống.

Quá tải không đối xứng nguy hiểm hơn quá tải đối xứng rất nhiều vì nó tạo nên từ thông thứ tự nghịch 2 biến thiên với vận tốc 2omega gấp hai lần tốc độ của rotor, làm cảm ứng trên thân rotor dòng điện lớn đốt nóng rotor và máy phát.

Dòng thứ tự nghịch I2 càng lớn thì thời gian cho phép tồn tại càng bé, vì vậy bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch có thời gian tác động t phụ thuộc tỉ lệ nghịch với dòng I2:

Trong đó:

với:

- alpha là hằng số đối với từng loại rơle cụ thể.

- I2cp: dòng thứ tự nghịch cho phép vận hành lâu dài, nó phụ thuộc vào chủng loại máy phát, công suất và hệ thống làm mát của cuộn dây rotor.

- IđmF: dòng điện định mức của máy phát.

- I*2: dòng thứ tự nghịch tương đối,

Bảo vệ có thể có 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.