BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN

1

4.0 BẢO VỆ CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN

• Tầm quan trọng của MPĐ
• Thiết bị điện quan trọng và đắt tiền
• Đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp n/lượng cho phụ tải
• Đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định htđ
• Cần phải đặt bảo vệ:
• Tất cả các sự cố cho MPĐ
• Các hiện tượng không bình thường
• Các sự cố bên trong MPĐ:
• ở Stator
• Cuộn dây bị chạm đất (chạm vỏ)
• Ngắn mạch giữa các cuộn dây (giữa các pha)
• Các vòng dây chạm nhau
• Sự cố ở rotor (cuộn kích từ)
• Chạm đất một điểm
• Chạm đất 2 điểm

​

• Các sự cố bên ngoài MPĐ
• Ngắn mạch giữa các pha
• Tải ko đối xứng
• Mất kích thích
• Mất đồng bộ
• Quá tải các cuộn stator và rotor
• Quá điện áp
• Tần số thấp
• MPĐ làm việc ở chế độ động cơ
• Tùy theo sơ đồ nối MPĐ trong nhà máy mà chúng ta có những phương thức bảo vệ tương ứng
• MPĐ-MBA nối bộ
• MPĐ phát trực tiếp lên thanh góp
• MPĐ có phụ tải địa phương…

2

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (1)

• Chạm đất trong cuộn stator
• Là sự cố thường gặp
• Trung tính MPĐ có thể là cách điện, nối đất trực tiếp hoặc nối qua cuộn petersen nếu dòng chạm đất lớn
• Có thể cắt MPĐ hoặc chỉ báo tín hiệu

​

​

​

​

​

​

• Với MPĐ nối bộ, dòng điện chạm đất khi TT cday ko nối đất

​

​

• Trong đó
• α: là % từ trung tính đến điểm chạm đất
• U_P: điện áp pha của MPĐ
• r_qđ: Điện trở quá độ
• X_C0Σ: dung kháng 3 pha đẳng trị của tất cả các phần tử
• Nếu bỏ qua r_qđ thì ta có
• I⁽¹⁾_đα = 3 α ω C_0∑U_p
• Khi xảy ra chạm đất đầu cực MPĐ (α=1), dòng lớn nhất
• I⁽¹⁾_đα = 3 ω C_0∑Up

3

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (2)

• Nếu dòng chạm đất lớn thì phải đặt cuộn Petersen khi:
• I⁽¹⁾_đmax ≥ 30 A khi U_đm= 6 kV
• I⁽¹⁾_đmax ≥20 A khi U_đm= 10 kV
• Kinh nghiệm, nếu I⁽¹⁾_đ ≥5A, có khả năng duy trì tia lửa điện tại chỗ chạm đất, làm hỏng cuộn dây và lõi thép. Do đó cần phải cắt MPĐ
• Thực tế, nếu có phụ tải địa phương, có cáp, ngay cả khi có cuộn Petersen thì I⁽¹⁾_đ ≥5A=> cắt MPĐ

• Đối với MPĐ-nối bộ thì bv chỉ cần báo tín hiệu vì I⁽¹⁾_đ thường bé.
• MFĐ nối với TGMF, cs bé🡪 BV làm việc theo biên độ và hướng dđ chạm đất.
• Vì I⁽¹⁾_đ phụ thuộc vào α, nên nếu chạm đất gần trung tính (α->0) thì bv không đủ độ nhạy
• Thường BV chỉ làm việc được khi α>30% (nghĩa là chỉ bảo vệ đc 70%)
• Phương pháp bảo vệ so lệch dòng điện có hướng có thể bảo vệ đc 90% cuộn stator

4

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (3)

• Nguyên tắc so lệch
• ∆I = |I_H| - |I_lv|
• Trong đó:
• I_H=I_U + I⁽¹⁾_đ và I_lv = I_U - I⁽¹⁾_đ
• I_U là dòng điện từ nguồn U₀
• I⁽¹⁾_đ lấy từ bộ lọc TTK
• Từ đồ thị thấy, BV làm việc theo dấu ∆I.
• Tác động nếu ∆I > 0 nghĩa là |I_H|>|I_LV|, thỏa mãn khi xảy ra chạm đất.
• Đường K-L: là ranh giới giữa miền tác động và không tác động
• Nếu chuyển khóa K để lấy U₀ qua R₁ thay cho C₁ thì sơ đồ có thể bv cho MPĐ có dòng điện so sánh với thành phần phản kháng của dòng điện khi trung tính của MPĐ cách điện
• Nếu thành phần tác dụng và phản kháng gần bằng nhau thì dùng sơ đồ 45⁰ khi K chuyển sang vị trí R₂, với các thông số thích hợp

5

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (4)

• Với MPĐ có c/s lớn, cần phải bv 100%, (đặc biệt là vùng khó phát hiện ở gần trung tính MPĐ)
• Chủ yếu dùng 2 p/pháp
• Theo dõi sóng hài bậc 3 trong sóng điện áp ở trung tính và đầu cực MPĐ
• Đưa thêm một điện áp để hãm tần số thấp vào trung tính MPĐ
• Ở p/án a, do tính phi tuyến của mạch từ MPĐ, nên trong sóng điện áp bao giờ cũng có thành phần bậc 3.

- Khi vận hành bình thường

• Thì điện áp pha tỉ lệ với trị số dòng điện tải của MPĐ
• Khi nặng tải thì U”_N>U’_U

- Khi chạm đất ở N hoặc F thì điện áp đầu kia tăng gấp đôi so với chế độ tương ứng

​

​

​

6

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (5)

• Hình vẽ mô tả phân bố thành phần sóng hài bậc 3 dọc theo cuộn dây stator
• A) khi làm việc bình thường
• B) khi chạm đất trung tính
• C) khi chạm đất đầu cực

​

7

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (6)

• Sơ đồ:
• Rơle RU₂ nối qua bộ lọc tần số LF (cho qua hài bậc 3) vào đầu ra a,b của cuộn tam giác hở BUo.
• Các tổng trở Z₁,Z₂ được lựa chọn sao cho trong chế độ lvbt Uab=0 (hình b)
• Còn khi chạm đất xảy ra gần trung tính, Uab có trị số lớn hơn nhiều so với đ/a khởi động của RU₂ (hình c)
• Nhược điểm
• Khi chạm đất gần giữa cuộn dây, bv có thể không làm việc vì thành phần sóng hài bậc 3 quá bé (hoặc trong một số mpđ)
• Đ/a Uab ở RL sẽ giảm khi điện trở chỗ sự cố lớn
• Kô phát hiện đc chạm đất khi mpđ không làm việc

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

8

4.1 Chống chạm đất cuộn dây stator (7)

• Để khắc phục người ta dùng pp hãm tần số thấp vào trung tính của cuộn stator
• Dòng I₀ từ nguồn máy phát tần số 20Hz sau qua bộ lọc 1LF gồm

​

• I_Đ chạy vào từ BU₀ nối với trung tính MPĐ
• I_B chạy qua R_Đ, thành phần I_Đ thông qua BIG và bộ lọc tần số 2LF đc nắn thành d/điện làm việc
• I_lv đưa vào RL để so sánh với dòng điện hãm cũng do nguồn 20Hz tạo ra
• Ở chế độ lvbt, dòng điện điện dung có giá trị bé I_lv<I_H
• Khi có chạm đất I_lv>I_H BV làm việc

• Các bộ lọc 1LF,2LF đảm bảo cho sơ đồ chỉ l/v với tần số 20Hz
• Ngoài ra 1LF bảo vệ quá tải cho MP 20Hz khỏi bị quá tải bởi tấn số công nghiệp 50Hz

9

4.2 Chống ngắn mạch giữa các pha (1)

• Việc t/t d/đ sự cố bên trong cuộn stator khi sảy ra chạm chập rất phức tạp
• Ví dụ MPĐ tuabin hơi
• Dòng điện sự cố phụ thuộc vào vị trí điểm NM α (%)

​

​

• Trong đó: E_α: là sđđ cảm ứng trong phần cuộn dây bị chập: E_α= α E_p

+ Z_α= R_α+j X_α: là tổng trở phần bị chập

+ X_α điện kháng phần bị chập

+ α = α²X_F với X_F là điện kháng cuộn dây MPĐ

+ R_α = αR_P + R_qđ

​

​

​

​

​

​

​

10

4.2 Chống ngắn mạch giữa các pha (2)

• Dòng điện

​

• Nếu bó qua đt tác dụng

​

• Nhận xét:
• D/đ chạm chập giữa các pha thậm chí có thể lớn hơn d/đ ngắn mạch vì Xα có thể giảm nhanh hơn Eα
• Nếu xét đên R_qđ thì dòng điện sự cố ở gần chỗ trung tính của cuộn stator có thế có giá trị bé
• Ở các dạng NM không đối xứng, tính chất phụ thuộc của d/điện sự cố vào vị trí điểm NM α cũng tương tự như khi NM 3pha
• MPĐ cực lồi, tính toán phức tạp hơn nhiêu

​

• Bảo vệ so lệch có hãm
• Nguyên tắc: (chương II)
• Hai bộ BI_1,2, nối với nhau bằng dây dẫn phụ
• Dòng điện đi vào RL, gồm I_h ,I_lv

11

4.2 Chống ngắn mạch giữa các pha (1)

• Thông thường 2 nhóm BI (BI1, BI2) ở phía trung tính và ở đầu cực của MPĐ được chọn hoàn toàn giống nhau nên người ta có thể dùng pp so lệch tổng trở cao để bv cho mpđ
• RL so lệch RU trong sơ đồ này có điện trở khá lớn và phản ứng theo điện áp U_SLđặt lên mạch so lệch.
• Ở chế độ vận hành bt và khi có NM ngoài, nếu các nhóm BI₁,BI₂ không bị bão hòa,hoặc có mức bão hòa giống nhau thì các sđđ E₁,E₂ và cảm kháng L₁,L₂ giống nhau và phân bố đ/á như hình vẽ (a,b) và đ/áp đặt vào rơle bằng 0 (U_SL=0)

​

​

12

4.2 Chống ngắn mạch giữa các pha (1)

• Khi NM ngoài,nếu 2 BI có mức độ bão hòa khác nhau thì đ/áp đặt vào RL có thể khác 0
• t/h xấu nhất là khi một BI bị bão hòa hoàn toàn E₂=0, L₂ =0 thì phân bố điện áp như hình c
• Điện áp đặt vào RL

​

​

​

• Trong đó
• I^”_N là trị số hiệu dụng của dòng NM trên đầu cực MPĐ
• n_i là tỉ số biến dòng
• R₁ là điện trở so lệch (gồm RL và dây nối)
• Để đảm bảo chọn lọc điện áp khởi động của RL so lệch phải chọn như sau:
• U_kđ = K_at. U_SLmax
• Với hệ số K_at=1.15-1.2
• Thời gian làm việc của cả hai loại so lệch và so lệch có hãm trong khoảng 15-20ms

13

4.2 Chống ngắn mạch giữa các pha (1)

• BV khoảng cách
• MFĐ công suất lớn, dùng BVKC làm bv dự phòng cho BVSL.
• MFĐ thường lv theo sơ đồ bộ MFĐ+MBA
• Vùng 1: BV toàn bộ ĐK MFĐ và khoảng 70% ĐK MBA

Z¹_kđ=Z_F+0,7Z_B; t^I=0,4-0,5s

• Vùng 2: Phần còn lại của MBA, thanh dẫn, đường dây truyền tải nối với TGF liền kề.
• Đặc tính khởi động: vòng tròn có tâm là gốc toạ độ, hình bình hành với độ nghiêng của cạnh bên bằng độ nghiêng véctơ điện áp.
• Thực tế bổ sung vào bộ phận khởi động 1 rơ le điện áp cực tiểu, đảm bảo khởi động bv một cách chắc chắn trong trường hợp MFĐ được kích thích bằng nguồn chỉnh lưu lấy điện từ đầu cực MFĐ.

​

​

​

14

4.2 Chống ngắn mạch giữa các pha (1)

BV quá dòng điện

• MFĐ công suất bé và trung bình dùng BVQDĐ có khoá điện áp thấp.
• BF này làm nvụ dự phòng để chống các dạng ngắn mạch ở ngoài MBA tăng áp, thanh góp hoặc đường dây truyền tải liền kề nếu BV của phần tử này ko tác động.
• BV có 2 cấp:

+ Cấp 1: với tgian bé tác động cắt MC ở đầu cực MFĐ (nếu TG điện áp MF) hoặc MC của bộ MFĐ-MBA). Cấp này đc phối hợp với BVDP đường dây và MBA.

+ Cấp 2: tgian lớn hơn, dừng MFĐ nếu sau khi cắt MC mà dòng sự cố vẫn tồn tại.

​

​

15

U< cho phép phân biệt giữa quá tải và NM vs cho phép BV làm việc chắc chắn khi MFĐ được kích thích từ nguồn điện lấy từ đầu cực MFĐ.

4.3 BV chống chạm chập các vòng dây trong cuộn stator

• Các vòng dây chập nguyên nhân do hư hỏng cách điện. Có thế xẩy ra chạm chập giữa các vòng dây trong 1 nhánh (cdây đơn) hoặc chạm chập giữa các vòng day thuộc 2 nhánh (cdây kép).
• MFD lớn, cdây kép🡪 dùng nguyên lý SL ngang. BV có thể thực hiện riêng cho từng pha. Ví dụ trong sơ đồ cho pha C.
• Chế độ bình thường, dòng lv và hãm bằng:

​

​

🡪 BV ko tác động

​

16

• Khi xẩy ra chạm chập giữa các vòng trong 2 nhánh khác nhau, giả thiết MFĐ chưa mang tải,

I_S1=-I_S2

​

​

​

• BV tác động

4.3 BV chống chạm chập các vòng dây trong cuộn stator(1)

17

4.3 BV chống chạm chập các vòng dây trong cuộn stator(1)

18

Một phương pháp khác: dùng nguyên lý so sánh thề V₁ và V₂ giữa 2 trung điểm O₁ và O₂ của hai nhóm nhánh của cuộn dây.

• Lv bình thường:

U₁₂=V₁-V₂=0🡪 I₁₂=0🡪 bvktđ

• Khi xẩy ra chạm chập giữa các vòng dây🡪 V1≠V2 🡪 U12 khác 0🡪 dòng I12 chạy qua bộ lọc LF cho qua hài bậc 3🡪 khởi động RI🡪 cắt MFĐ
• Dòng khởi động sơ cấp của BV thường chọn:

I_kđ=(0,05-0,1)I_đmF

​

4.4 BV chống quá điện áp

19

• U đầu cực MFĐ có thể tăng quá mức khi trục trặc trong HT điều chỉnh kích từ hoặc khi MFĐ mất phụ tải đột ngột.
• Khi mất PT đột ngột MFTĐ có thể đạt đến 200% trị số danh định là do HTDC tốc độ quay của tuabin có quán tính lớn, khả năng vượt tốc của rôto MF cao hơn nhiều so với MF tuabin hơi..
• Các MFDNĐ có bộ điều tốc làm việc với tốc độ cao, có quán tính bé hơn, nên có khả năng khống chế mức vượt tốc thấp hơn, ngoài ra tuabin khí và hơi có trang bị van STOP có thể đóng nguồn NL đưa vào tuabin trong vài mms khi mức vượt tốc cao hơn mức chỉnh định.
• Ngoài ra các MFTĐ nằm xa trung tâm phụ tải và bt phải làm việc với mức điện áp ở đầu cực cao hơn điện áp danh định bù lại điện áo giáng trên HT truyền tải, khi mất phụ tải đột ngột mức quá áp lại càng cao.

• QĐA ở đầu cực MFĐ có thể gây tác hại đến cách điện cuộn dây, các tbi đấu nối cực MFĐ, còn đối với MFĐ nối theo sơ đồ bộ🡪gây bão hoà mạch từ🡪 kéo theo nhiều tác động xấu.

4.4 BV chống quá điện áp

20

• BV chống quá áp thường có hai cấp:

+ Cấp 1: làm việc có thời gian, tác động lên HT điều chỉnh kích từ đề giảm kích thích của MFĐ

U_kđRU1=1,1U_dđ

+ Cấp 2: làm việc tức thời, tác động cắt MC đầu cực MFĐ và tự động diệt từ trường của MFĐ.

U_kđRU2=(1,3-1,4) U_dđ

4.5 BV chống tần số giảm thấp

21

• f của HT có thể giảm thấp do mất cân bằng CS P trong HT hoặc do HTĐC f đặt tại các NMĐ bị hỏng. f giảm gây ra các hậu quả sau:

+ Làm hỏng cánh tuabin do bị dung

+ Giảm năng suất của các tbi tự dùng như bơm, quạt, ht cấp nhiên liệu, hệ thống làm mát.. Do các ĐC bị giảm CS do đó mất cân bằng càng trầm trọng🡪 gây thác tần số🡪 tan rã HT.

+ Làm tăng nhiệt độ của MF quá mức cho phép do tổn thao thép tăng lên và HT làm mát giảm năng suất

+ Gây bão hoà mạch từ của MBA

• Tgian vận hành MFĐ với f giảm hơn trị số quy định phụ thuộc vào mức giảm f. Trên hình trình bày quan hệ giữa tgian tích hợp cho phép vận hành MFĐ ở f thấp hơn trị số danh định. Vùng dưới bậc thang cấm vận hành vì gây nguy hại cho tuabin.

4.5 BV chống tần số giảm thấp

22

• BVf thường có 2 mức tác động:
• Cấp 1: f_kđ=47,5Hz 🡪 cách li MFĐ ra khỏi HT
• Cấp 2:tác động dừng tổ máy nếu sau khi cách li khỏi HT một khoảng tgian xác định mà f không thể khôi phục được.

4.3 Một số sơ đồ điển hình

• Bộ bảo vệ MPĐ công suất nhỏ
• C/s đến 1MW, điện áp có thể đến 600V

23

32 Công suất ngược

40 Mất kích từ

51V Quá dòng có khóa điện áp thấp

51G Quá dòng thứ tự không

87 So lệch dọc

4.3 Một số sơ đồ điển hình

• Bộ bảo vệ MPĐ công suất trung bình
• C/s có thể đến 12,5MW

24

32 Công suất ngược

40 Mất kích từ

46 Dòng điện thứ tự nghịch

51V Quá dòng có khóa điện áp thấp

51G Quá dòng thứ tự không

87 So lệch dọc

4.3 Một số sơ đồ điển hình

• Bộ bảo vệ MPĐ công suất lớn
• C/s có thể đến 50MW

​

25

32 Công suất ngược

40 Mất kích từ

46 Dòng điện thứ tự nghịch

49 Quá tải nhiệt

51V Quá dòng có khóa điện áp thấp

51G Quá dòng thứ tự không

64 Chống chạm đất

87 So lệch dọc

26

32 Công suất ngược

40 Mất kích từ

46 Dòng điện thứ tự nghịch

49 Quá tải nhiệt

51V Quá dòng có khóa điện áp thấp

51G Quá dòng thứ tự không

64 Chống chạm đất

87 So lệch dọc