- 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 ngoài và quá tải cho sự cố (5. - Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao cho sự cố (6). - 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) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator máy phát. - Sơ đồ thực hiện bảo vệ như hình 1.1. - 1RI 2RI 3RI Rf 52 MF Rf 1BI MF 87G b) a) Hình 1.1: Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc cuộn stator 2BI MFĐ. - Rf: dùng để hạn chế dòng điện không cân bằng (IKCB), nhằm nâng cao độ nhạy của bảo vệ. - Vùng tác động của bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI nối vào mạch so lệch. - Ở sơ đồ hình 1.1, các BI nối theo sơ đồ sao khuyết nên bảo vệ so lệch dọc sẽ không tác động khi xảy ra ngắn mạch một pha ở pha không đặt BI. - Tuy nhiên các bảo vệ khác sẽ tác động. - Điều kiện 2: Bảo vệ không được tác động khi đứt mạch thứ BI. - Kiểm tra độ nhạy Kn của bảo vệ: I N min Kn = (1-11) I KÂB Với INmin: dòng điện ngắn mạch 2 pha ở đầu cực máy phát khi máy phát làm việc riêng lẻ. - Vì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu Kn > 2. - tcắtNng: thời gian lớn nhất của các bảo vệ nối vào thanh góp điện áp máy phát. - Bảo vệ sẽ tác động khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator 1BI I1S máy phát. - I1T - Bảo vệ không tác động khi BIH chạm chập giữa các vòng dây trong BILV Vùng bảo IH cùng 1 pha hoặc khi xảy ra chạm đất 1 điểm trong cuộn dây phần tĩnh. - Hình 1.3: Bảo vệ so lệch dòng điện có hãm cuộn dây stator MFĐ I.4. - Bảo vệ so lệch có hãm: Sơ đồ bảo vệ như hình 1.3. - ILV (1-18) nên bảo vệ không tác động. - Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ: Dòng điện I1T ngược pha với I2T: ⎢I1T. - IH (1-19) 16 bảo vệ sẽ tác động. - Đối với các máy phát điện có công suất lớn có thể sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4). - BIG D1 D2 Giá trị điện áp UH > ULV, IH bảo vệ không tác động. - ILV RH/2 Đến RG UH đầu ra RH/2 Hình 1.4: Bảo vệ so lệch có hãm tác động nhanh cho MFĐ công suất lớn Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, điện áp ULV. - Ngoài ra, người ta còn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5). - Thời gian tác động của bảo vệ thường: t msec Nhận xét. - Người ta có thể dùng sơ đồ bảo vệ riêng hoặc chung cho các pha. - Sơ đồ bảo vệ riêng cho từng pha: (hình 1.7, 1.8) Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, sức điện động trong các nhánh cuộn dây stator bằng nhau nên I1T = I2T. - Khi sự cố (chạm chập giữa các vòng dây): U12 = V1 - V nên có dòng qua BI bảo vệ tác động cắt máy cắt. - Thời gian tác động của bảo vệ: Bình thường bảo vệ tác động không thời gian (cầu nối CN ở vị trí 1). - tBV 2 điểm ktừ: thời gian tác động của bảo vệ chống chạm đất điểm thứ hai mạch kích từ. - Bảo vệ so lệch ngang cũng có thể làm việc khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator. - Tuy nhiên nó không thể thay thế hoàn toàn cho BVSLD được vì khi ngắn mạch trên đầu cực máy phát bảo vệ so lệch ngang không 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 không tác động) do sự không đối xứng của từ trường làm cho V1 ≠ V2. - 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. - 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. - 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. - Khi số vòng chạm α bé, dòng điện chạm đất I ′Dα nhỏ và bảo vệ có thể có vùng chết ở gần trung tính máy phát. - 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. - Để nâng cao hiệu quả của bảo vệ người ta có thể đặt thêm bảo vệ dòng cực đại (51N) có đặc tính thời gian phụ thuộc có trị số dòng điện đặt khoảng 5% giá trị dòng chạm đất cực đại Iđmax ở cấp điện áp máy phát. - Sơ đồ chỉ có thể bảo vệ được khoảng 90% cuộn stator tính từ đầu cực máy phát. - Người ta cũng có thể sử dụng phương án hình 1.14c để bảo vệ chống chạm đất cuộn stator máy phát. - UN 50% 100% U’N U”F U’F c) N F F N 50% 100% d) F N 50% F 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). - khi chạm đất ở trung tính (c) và khi chạm đất ở đầu cực điểm máy phát 26 Các sơ đồ bảo vệ mô tả trên không bảo vệ được hoàn toàn cuộn stator máy phát khi xảy ra chạm đất một pha. - Với các máy phát công suất lớn hiện đại, yêu cầu phải bảo vệ 100% cuộn dây stator khi xảy ra sự cố trên, nghĩa là bảo vệ phải tác động khi xảy ra chạm đất một pha bất kì vị trí nào cuộn dây stator máy phát. - 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. - Như vậy sự phối hợp làm việc giữa 1RU và 2RU có thể bảo vệ được toàn bộ cuộn stator máy phát khi xảy ra chạm đất một pha. - Phương pháp hướng dòng điện chạm đất: (hình1.16) Phương pháp hướng dòng điện chạm đất có thể mở rộng vùng bảo vệ chống chạm đất khoảng 90% cuộn dây kể từ đầu cực máy phát. - Đường K-L trên đồ thị véctơ hình 1.16b là ranh giới giữa miền tác động và miền hãm của bảo vệ. - Một phương án khác để thực hiện bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator máy phát có trung tính không nối đất hoặc nối đất qua điện trở lớn làm việc trực tiếp với thanh góp điện áp máy phát trình bày trên hình 1.17. - I D dòng điện chạm đất chạy qua bảo vệ. - IA + I(1)D và góc pha α giữa điện áp thứ tự không U0 và dòng điện tổng I∑ nằm trong miền tác động của bảo vệ. - (1) I(1)Đ IA Cắt IÂ a t1 MC BI0N R BI0 IΣ BIG IΣ = IA+ I(1)Đ Thiết bị bảo vệ . - IA U0 MF c) RU0 BIG Thiết bị Miền hãm tạo thêm BI0N R tải α IΣ Miền tác động a) BI0 I(1)Đ U0 IΣ Miền hãm IA BI0N R α (1) I Σ = IA - I Đ BIG Miền tác động c) Hinh 1.17 : Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất cuộn dây stator MFĐ có thiết bị tạo thêm tải (a) đồ thị véctơ khi có chạm đất ngoài (b) và trong (c) vùng bảo vệ. - Sơ đồ ở hình 1.17có thể bảo vệ được 90% cuộn dây. - Khi chạm đất trong vùng 10% còn lại (gần trung điểm) bảo vệ không đủ độ nhạy. - Ngày nay để bảo vệ 100% cuộn dây stator chống chạm đất, người ta thường dùng hai phương pháp sau đây. - Khi chạm đất ở vùng gần giữa cuộn dây, bảo vệ có thể không làm việc vì thành phần sóng hài bậc ba trong điện áp quá bé. - Sơ đồ không phát hiện được chạm đất khi MFĐ không làm việc.Trong một số MFĐ, thành hài bậc ba không đủ lớn để bảo vệ có thể phát hiện được. - Hãm Làm việc RL Cắt ILV IC=IH Hình 1.18: Sơ đồ bảo vệ 100% cuộn dây stator chống chạm đất có đưa thêm điện áp hãm 20Hz vào trung điểm MFĐ - Khi có chạm đất, dòng IĐ được xác định chủ yếu theo điện trở chạm đất RĐ , ILV>IH rơle sẽ tác động cắt máy phát. - 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. - M2 P2 P4 P6 Số chu kỳ t 12,5Hz ms Hình 1.20: Biểu đồ bơm tín hiệu 12,5Hz được mã hoá để thực hiện bảo vệ 100% cuộn dây stator chống chạm đất. - Đối với MFĐ công suất bé và trung bình (máy phát nhiệt điện), thường người ta đặt bảo vệ báo tín hiệu khi có một điểm chạm đất trong mạch kích từ và tác động cắt máy phát khi xảy ra chạm đất điểm thứ hai. - Đối với MFĐ công suất lớn (máy phát thuỷ điện), hậu quả của việc chạm đất điểm thứ hai trong mạch kích từ có thể rất nghiêm trọng, vì vậy khi chạm đất một điểm trong cuộn dây rotor bảo vệ phải tác động cắt máy phát ra khỏi hệ thống. - IV.1 Bảo vệ chống chạm đất một điểm mạch kích từ: Có ba phương pháp được sử dụng để phát hiện chống chạm đất một điểm mạch kích từ. - 36RT: rơle thời gian, tạo thời gian trễ tránh trường hợp bảo vệ tác động nhầm khi ngắn mạch thoáng qua. - 47CC: cầu chì bảo vệ. - 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. - Nguồn điện phụ một chiều cho phép loại trừ vùng chết và thực hiện bảo vệ 100% cuộn dây rotor chống chạm đất. - 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. - c) αkđ t a U 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. - Nếu α > αkđ (hình 1.34c) bảo vệ sẽ tác động đi cắt máy phát trong khoảng thời gian từ (1 ÷ 2) sec. - Để bảo vệ chống chế độ công suất ngược, người ta kiểm tra hướng công suất tác dụng của máy phát. - HÌNH 1.40: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ chống công suất ngược 44 X. - Một số sơ đồ bảo vệ máy phát điện dùng rơle số X.1.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện công suất trung bình. - 1MW): Phương án 1: Sơ đồ sử dụng các bảo vệ sau. - 51: bảo vệ quá dòng có thời gian. - 51N: bảo vệ quá dòng chống chạm đất có thời gian. - 46: bảo vệ dòng thứ tự nghịch. - Phương án 2: hình bảo vệ quá dòng có thời gian. - 64: bảo vệ chống chạm đất cuộn dây rotor. - X..2.Sơ đồ bảo vệ máy phát điện công suất lớn. - 1MW): (hình 1.43) 64 Sơ đồ sử dụng các bảo vệ sau. - 51N: bảo vệ quá dòng chống chạm đất 46 40 có thời gian. - bảo vệ dòng thứ tự nghịch. - Sơ đồ bảo vệ bộ MFĐ-MBA: Phương án 1: hình 1.44 - 87U: bảo vệ so lệch dọc chung cho máy phát và MBA tăng áp và MBA tự dùng. - 87T: bảo vệ so lệch dọc MBA tăng áp và MBA tự dùng. - 51: bảo vệ quá dòng có chỉnh định thời gian. - 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