Tiểu luận môn học: Bảo vệ và điều khiển Hệ thống điện 2

Tiểu Luận: Tự động sa thải phụ tải theo tần số, nguyên lý làm việc, diễn biến thời gian của tần số trong quá trình thực hiện sa thải phụ tải Trong tiểu luận này sẽ tập trung giới thiệu về giải pháp sa thải phụ tải theo tần số để khôi phục tần số cho hệ thống. Mục đích sa thải phụ tải theo tần số: tần số hệ thống là thước đo khả năng đáp ứng công suất của nguồn khi có sự thay đổi công suất phụ tải và tần số bị suy giảm nếu như công suất phụ tải lớn hơn khả năng phát của nguồn điện trong hệ thống. Có thể do phụ tải tăng đột ngột, hoặc mất các máy phát trong hệ thống. Nếu tần số hê thống duy trì ở dưới ngưỡng vận hành quá thời gian cho phép sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc máy phát, các rơ le bảo vệ máy phát sẽ tác động tách dần các máy phát ra khỏi lưới làm cho hệ thống đang thiếu công suất lại càng thiếu trầm trọng, quá trình tiếp tục làm cho tất cả các máy phát bị tách hết gây rã lưới toàn hệ thống, cụ thể: Hệ thống vận hành với tần số thấp hơn định mức sẽ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và không cho phép vì các lý do sau:  Khi tần số giảm xuống dưới 49.5HZ: một số tuabin có thể xảy ra hiện tượng rung mạnh dễ gây hỏng hóc nguy hiểm về cơ khí  Khi tần số giảm tới 49Hz: các bộ điều chỉnh đã mở hết các van năng lượng, tổ máy đầy tải. Nếu tần số tiếp tục giảm sẽ gây giảm hiệu suất của hệ thống tự dùng, đặc biệt là hệ thống bơm cấp. Khi công suất tự dùng giảm, làm giảm công suất tổ máy, làm trầm trọng mức độ mât cân bằng, Kết quả có thể dẫn tới hiện tượng sụp đổ tần số (thác tần số) và các tổ máy sẽ bị cắt ra khỏi hệ thống.  Khi tốc độ quay của tổ máy chính giảm, các máy phát kích từ cũng giảm tốc, giảm điện áp kích từ, giảm điện áp đầu cực máy phát: làm mức độ dự trữ ổn định, hệ thống dễ bị chia tách.  Khi tần số suy giảm: mức độ tiêu thụ công suất phản kháng của các phụ tải tăng lên, điện áp trong hệ thống giảm thấp, đến một mức độ nào đó có thể gây lên hiện tượn điện áp suy giảm đột ngột (thác điện áp) và các phụ tải sẽ bị tách ra, hệ thống bị chia tách thành nhiều phần nhỏ. Giải pháp khắc phục: Để tránh xảy ra hiện tượng này, một biện pháp vô cùng hữu ích hiện nay là sử dụng các rơ le sa thải phụ tải theo tần số. Rơ le này làm việc theo nguyên lý đo tần số hệ thống và sẽ tác động cắt các phụ tải (đã được cài đặt trước) nếu tần số thấp được duy trì quá thời gian cho phép. Việc sa thải phụ tải sẽ giảm bớt “gánh nặng” cho các máy phát trong hệ thống. Việc sa thải phụ tải đủ nhanh, đủ lớn công suất sẽ khôi phục được tần số. Điều này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để vừa tối thiểu khối lượng tải sa thải vừa đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Dưới đây là trình bày chi tiết về lý thuyết sa thải phụ tải

MỤC LỤC

1 Giới thiệu tổng quan 2

1.1 Giới thiệu chung về tần số trong hệ thống Điện 2

1.2 Mục đích sa thải phụ tải theo tần số 3

1.3 Cơ sở lý thuyết 4

1.3.1 Độ lệch tần số cho phép sự cố các giải pháp để khôi phục tần số 7

1.3.2 Các thiết bị yêu cầu đối với thiết bị tự động cắt tải theo tần số 9

2 Nguyên lý làm việc tự động sa thải phụ tải 11

2.1 Nguyên tắc hệ thống tự sa thải phụ tải 11

2.2 Nguyên lý hoạt động 11

2.2.1 Phân nhóm các thiết bị tự cắt tải (TCT) 11

2.2.2 Đại lượng đặt theo tần số của thiết bị 12

2.2.3 Đại lượng đặt theo thời gian của thiết bị TCT-I và TCT-II 12

2.3 Tự sa thải phụ tải bổ sung 14

3 Diễn biến tần số khi sa thải phụ tải 16

1 Giới thiệu tổng quan

1.1 Giới thiệu chung về tần số trong hệ thống Điện

Tần số trong hệ thống điện đóng vai trò hết sức quan trọng, nó đặc trọng cho tốc độ quay của tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống Đối với hệ thống điện Việt Nam, châu Á và châu Âu thì tần số định mức được quy định là

50 Hz Các nước Bắc Mỹ như Hoa Kỳ và Canada có tần số định mức được quy định là 60 Hz Theo quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành hệ thống điện Việt Nam thì sự dao động tần số cho phép là ± 0.2Hz trong chế độ vận hành bình thường

Để hệ thống điện vận hành bình thường và cung cấp điện liên tục thì giữa công suất phát và công suất phụ tải phải đạt trạng thái cân bằng, tuy nhiên trong hệ thống điện luôn xuất hiện những kích động làm cho hệ thống dao động

Có 2 loại kích động: kích động nhỏ và kích động lớn Đối với kích động nhỏ thì các thông số trong hệ thống chỉ biến thiên nhỏ xung quanh giá trị định mức Đối với các kích động lớn thì các thông số biến đổi mạnh, sau nhiều chu kỳ thì hệ thống điện mới trở về làm việc với trạng thái cân bằng mới của hệ thống tùy thuộc vào năng lực của bản thân các bộ điều khiển của hệ thống, hoặc mất hội tụ nếu kích động quá mạnh gây tan rã hệ thống

Tần số của hệ thống điện là thước đo năng lực, khả năng đáp ứng công suất phụ tải của các máy phát trong hệ thống Nếu tần số bị suy giảm tức là hệ thống đang thiếu công suất, hệ thống cần tăng thêm công suất phát, ngược lại nếu tần

số tăng tức là hệ thống đang thừa công suất, hệ thống cần giảm công suất phát Điều này được thực hiện tự động qua các bộ điều tốc, điều tần được đặt ở các nhà máy điện Việc tần số nằm ngoài dải vận hành trong khoảng thời gian lớn hơn giới hạn cho phép sẽ được các bảo vệ rơ le của hệ thống tác động để đảm bảo đƣa tần số hệ thống được phục hồi lại tần số định mức Nếu các thiết bị bảo

vệ tác động không kịp đưa tần số về định mức dẫn đến sụp đổ hệ thống điện, khi

đó các máy phát bị tách lưới Đây là sự cố rất nghiêm trọng trong hệ thống điện

Trong tiểu luận này sẽ tập trung giới thiệu về giải pháp sa thải phụ tải theo tần số để khôi phục tần số cho hệ thống

1.2 Mục đích sa thải phụ tải theo tần số

Như đã trình bày ở trên, tần số hệ thống là thước đo khả năng đáp ứng công suất của nguồn khi có sự thay đổi công suất phụ tải và tần số bị suy giảm nếu như công suất phụ tải lớn hơn khả năng phát của nguồn điện trong hệ thống Có thể do phụ tải tăng đột ngột, hoặc mất các máy phát trong hệ thống Nếu tần số

hê thống duy trì ở dưới ngưỡng vận hành quá thời gian cho phép sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc máy phát, các rơ le bảo vệ máy phát sẽ tác động tách dần các máy phát ra khỏi lưới làm cho hệ thống đang thiếu công suất lại càng thiếu trầm trọng, quá trình tiếp tục làm cho tất cả các máy phát bị tách hết gây rã lưới toàn

hệ thống, cụ thể:

Hệ thống vận hành với tần số thấp hơn định mức sẽ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và không cho phép vì các lý do sau:

 Khi tần số giảm xuống dưới 49.5HZ: một số tuabin có thể xảy ra hiện tượng rung mạnh dễ gây hỏng hóc nguy hiểm về cơ khí

 Khi tần số giảm tới 49Hz: các bộ điều chỉnh đã mở hết các van năng lượng, tổ máy đầy tải Nếu tần số tiếp tục giảm sẽ gây giảm hiệu suất của hệ thống tự dùng, đặc biệt là hệ thống bơm cấp Khi công suất tự dùng giảm, làm giảm công suất tổ máy, làm trầm trọng mức độ mât cân bằng, Kết quả có thể dẫn tới hiện tượng sụp đổ tần số (thác tần số) và các tổ máy sẽ bị cắt ra khỏi hệ thống

 Khi tốc độ quay của tổ máy chính giảm, các máy phát kích từ cũng giảm tốc, giảm điện áp kích từ, giảm điện áp đầu cực máy phát: làm mức độ dự trữ

ổn định, hệ thống dễ bị chia tách

 Khi tần số suy giảm: mức độ tiêu thụ công suất phản kháng của các phụ tải tăng lên, điện áp trong hệ thống giảm thấp, đến một mức độ nào đó có thể gây lên hiện tượn điện áp suy giảm đột ngột (thác điện áp) và các phụ tải sẽ bị tách ra, hệ thống bị chia tách thành nhiều phần nhỏ

Giải pháp khắc phục: Để tránh xảy ra hiện tượng này, một biện pháp vô

cùng hữu ích hiện nay là sử dụng các rơ le sa thải phụ tải theo tần số Rơ le này làm việc theo nguyên lý đo tần số hệ thống và sẽ tác động cắt các phụ tải (đã được cài đặt trước) nếu tần số thấp được duy trì quá thời gian cho phép Việc sa thải phụ tải sẽ giảm bớt “gánh nặng” cho các máy phát trong hệ thống Việc sa thải phụ tải đủ nhanh, đủ lớn công suất sẽ khôi phục được tần số Điều này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để vừa tối thiểu khối lượng tải sa thải vừa đảm bảo tính ổn định của hệ thống

Dưới đây là trình bày chi tiết về lý thuyết sa thải phụ tải

1.3 Cơ sở lý thuyết

Trong chế độ làm việc bình thường của HTĐ các thiết bị tự động điều chỉnh tần số và công suất tác dụng có nhiệm vụ duy trì tần số trong giới hạn cho phép

Một số loại sự cố có thể gây thiếu hụt lớn công suất tác dụng trong hệ thống điện mà cho dù có huy động hết lượng dự phòng quay cũng không thể lập lại được cân bằng công suất Khi đó do thiếu công suất tần số hệ thống sẽ suy giảm Một số phụ tải điện có công suất phụ thuộc vào tần số, khi tần số giảm thấp, lượng công suất tiêu thụ giảm theo, kết quả là nếu mất cân bằng không lớn, tần số có thể tiến tới một trị số xác lập mới, thấp hơn trị số ban đầu là f0

Hiện tượng công suất tiêu thụ của phụ tải tự động giảm khi tần số suy giảm được gọi là hiệu ứng tự điều chỉnh của phụ tải theo tần số Quan hệ giữa công suất và tần số của phụ tải trong chế độ xác lập được gọi là đặc tính tần số tĩnh của phụ tải Khi giữ điện áp không đổi, quan hệ này có dạng:

2

n

n

Trong đó:

P0: là công suất của phụ tải ở tần số f0

α0, α1, α2,…, αn: tỷ phần của phụ tải tổng không phụ thuộc, phụ thuộc bậc 1, phụ thuộc bậc n vào tần số

Hiệu ứng tự điều chỉnh của phụ tải theo tần số được đặc trưng bằng hệ số hiệu ứng điều chỉnh k, xác định lượng giảm công suất tiêu thụ khi tần số Hệ thống điện suy giảm:

0

P k





  (2) Trong đó:

P: thay đổi công suất tiêu thụ của phụ tải

f

 : thay đổi tần số ở chế độ xác lập

Trong khoảng tần số 45 ÷ 50Hz, đặc tính tần số thực tế của phụ tải có thể được thay thế gần đúng bằng quan hệ tuyến tính và có hệ số k có thể xem như hằng số

Thực tế các HTĐ thường có k=1÷3.5, hệ số này có thể cao hơn khi suy giảm tần số đi kèm với suy giảm điện áp Với hệ số k như trên thì tần số của HTĐ suy giảm 1% (0.5Hz) công suất tiêu thụ của phụ tải giảm 1÷3.5%

Hình 1 Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chỉnh phụ tải khi tăng tải đột ngột lên

biến thiên tần số

Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chỉnh phụ tải lên tần số khi tăng tải đột ngột được minh họa như hình vẽ Trạng thái ban đầu của hệ thống điện (điểm a) được đặc trưng bởi cân bằng công suất của tuabin PT (đường 1) và công suất của phụ tải ở tần số f0

Khi phụ tải tăng đột ngột một lượng P0 (chẳng hạn khi đóng thêm các hộ tiêu thụ), đặc tính tần số tĩnh của phụ tải sẽ thay đổi từ P sang P’ (đường 3)

Để đơn giản trong việc phân tích, ta giả thiết công suất của tuabin PT không thay đổi Khi đó dưới tác động của lượng công suất thiếu hụt P0=P’-PT tần số của hệ thống bắt đầu suy giảm đến khi P’= PT trong hệ thống lại thiết lập chế độ cân bằng mới với tần số f1 thấp hơn (điểm b) Như vậy từ chế độ cân bằng với f0, HTĐ đã chuyển sang chế độ cân bằng mới f1

Từ công thức (2) ta có:

0

P f

k





  (3) Trong đó: P0 được tính bằng %

Khi f0=50Hz, độ lệch tần số  fbằng:

0

2

P f

k





  (4) Như vậy tần số xác lập mới bằng f1 :

0

2

P

k





     (5) Quá trình quá độ của việc thay đổi tần số của HTĐ được đặc trưng bằng đặc tính động của tần số

Khi không xét đến dự phòng quay của công suất máy phát điện ta có

j

d

dt         (6) Trong đó:

TJ: hằng số quán tính của các khối lượng quay trong hệ thống điện

Từ (6) suy ra:

1 0

0

.

f T

P

k P







    (7)

Trong đó :

0

.

j f

T T

k P

 hằng số thời gian của tần số HTĐ (thông thường

Tf=5÷8s)

Như vậy đặc tính động của tần số hệ thống điện biểu diễn sự thay đổi tần số theo thời gian, khi không có dự trữ quay của công suất phát, có dạng hàm mũ (theo hình vẽ 1)

1

f  f    f f   f  e (8)

1.3.1 Độ lệch tần số cho phép sự cố các giải pháp để khôi phục tần số

Độ lệch tần số cho phép khi sự cố được hạn chế không những chỉ theo yêu cầu làm việc bình thường của hộ tiêu thụ mà còn theo điều kiện làm việc của các thiết bị chính và phụ trợ của nhà máy điện

Hình 2.Đặc tính động của tần số hệ thống điện

Tần số giảm thấp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống tự dùng của nhà máy nhiệt điện, trước tiên đên các bơm cấp nước và bơm tuần hoàn trong hệ thống

nhiệt của nhà máy Khi tần số bằng 45-60 Hz các bơm cấp nước giảm năng suất đến trị số không, còn bơm tuần hoàn- xuống còn 60-75% Điều này kéo theo việc giảm công suất phát của tổ máy và tần số lại tiếp tục suy giảm, kết quả có thể dẫn đến hiện tượng “thác tần số”

Quá trình giảm tần số cũng kéo theo khả năng phát công suất phản kháng bị giảm và mức tiêu thụ công suất phản kháng của phụ tải tăng lên làm cho điện áp trong HTĐ bị giảm thấp Khi tần số xuống còn 43-45 Hz, điện áp có thể giảm đến những trị số gây nên hiện tượng “thác điện áp”

Hiện tượng thác (sụp đổ) tần số và điện áp xảy ra rất nhanh và kéo theo những hậu quả nghiêm trọng: cắt hàng loạt phụ tải, tan rã hệ thống

Để ngăn chặn những sự cố này phải sử dụng đồng bộ nhiều giải pháp đặc biệt:

 Tận dụng dự phòng quay của các tổ máy

 Chuyển các tổ máy phát thủy điện đang làm việc ở chế độ bù sang chế phát công suất tác dụng và khởi động các tổ máy phát thủy điện

dự phòng

 Cắt một phần các hộ tiêu thụ (cắt tải) để nhanh chóng lập lại cân bằng công suất Khi phát sinh thiếu hụt, trước tiên phải huy động dự phòng quay của các nhà máy nhiệt điện

Hệ thống điều khiển của tua bin hơi nhờ có quán tính bé có thể nhanh chóng tiếp nhận thêm công suất Quán tính của hệ thống điều khiển tua bin nước thường lớn hơn nhiều, chỉ cho phép nhận đủ công suất sau 15-20 giây, có thể không kịp ngăn chặn sự cố Để giảm bớt quán tính điều khiển các tổ máy thủy điện, ngày nay người ta sử dụng những thiết bị tự động đặc biệt để tăng tốc độ tiếp nhận phụ tải khi tần số thay đổi

Thời gian để chuyển các máy phát thủy điện làm việc ở chế độ công suất phản kháng sang chế độ phát công suất tác dụng thường mất khoảng 10-30 giây, còn thời gian để sử dụng máy phát thủy điện dự phòng từ 50-90 giây

Trong nhiểu trường hợp, lượng công suất dự phòng quay khá bé hoặc không có, chẳng hạn vào các giờ cao điểm Ngoài ra khi xảy ra những sự cố nghiêm trọng làm mất điện hoàn toàn nhà máy hay một số nhà máy trong hệ thống rã lưới…lượng công suất thiếu hụt trong từng phần của hệ thống có thể rất lớn Trong những trường hợp như vậy, giải pháp tin cậy nhất và nhanh nhất để ngăn chặn sự sụp đổ tần số và điện áp là tự động cắt bớt các hộ tiêu thụ, được gọi là tự động cắt tải theo tần số (TCT)

Mặc dù cắt bớt các hộ tiêu thụ có thể dẫn đến một số thiệt hại cho người dùng điện, tuy nhiên theo quan điểm của toàn hệ thống thiệt hại này bé hơn nhiều so với thiệt hại của những sự cố có thể trầm trọng hơn nhiều nếu không cawrt

Kinh nghiệm vận hành cho thấy hiệu quả cao, nhiều khi không thể đánh giá hết của giải pháp cắt tải theo tần số ở các hệ thống điện

1.3.2 Các thiết bị yêu cầu đối với thiết bị tự động cắt tải theo tần số

Khi thực hiện TCT cần phải thỏa mãn các yêu cầu chính sau đây:

a Công suất được cắt ra bởi thiết bị TCT cần đủ lớn để lặp lại cân bằng công suất trong trường hợp xảy ra thiếu hụt công suất nhiều nhất trong hệ thống Muốn vậy khi phân tích chế độ và sơ đồ làm việc của hệ thống phải phát điện

và đánh giá được các tình huống sự cố nặng nề nhất như cắt một phần lớn công suất nguồn, cắt một số đường dây truyền tải quan trọng, phân chia hệ thống

b Thiết bị TCT phải đảm bảo ngăn chặn được một cách chắc chắn hiện tượng sụp đổ tần số và điện áp Theo quy trình vận hành, thường không cho phép giảm tấn số xuống dưới 45 Hz cho dù trong thời gian ngắn, còn thời gian làm việc với tần số thấp hơn 47 Hz không được vượt quá 20 giây.

c Các thiết bị TCT cần được bố trí sao cho có thể loại trừ được các mức độ thiết hụt công suất bất kỳ không phụ thuộc vào vị trí và đặc điểm phát triển sự cố (cục bộ hay mang tính hệ thống, phản úng dây chuyền trong quá trình sự cố ).

d Thiết bị TCT phải đảm bảo cắt bớt phụ tải tương ứng với hiện tượng thiết hụt công suất phát sinh.

e Sau tác động TCT tần số hệ thống phải được phục hồi đến mức 49-49,5 Hz Tiếp theo cần huy động hết công suất dự phòng hoặc thực hiện các thao tác điều độ khác đưa tần số lên giá trị danh đinh.

f TCT chỉ được bắt đầu thực hiện khi đã huy động hết công suất dự phòng quay trong HTD.

g Cần phải có biện pháp ngăn chặn tác động nhầm của TCT trong trường hợp giảm tần số ngắn hạn khi có ngắn mạch TĐL, TĐD…

Tính toán cho thấy rằng đối với các HTĐ bé khi ngắn mạch có thể làm cho tần số giảm đáng kể và TCT có thể tác động nhầm.

Đê ngăn chặn tác động nhầm của các thiết bị TCT trong những trường hợp nêu trên cần phải:

nguồn cung cấp (cho đường dây, trạm…).

h Thiết bị TCT phải phối hợp tác động với các thiết bị TĐL, TĐD để ngăn chặn việc khôi phục cung cấp điện từ chính những nguồn bị cắt ra.

2 Nguyên lý làm việc tự động sa thải phụ tải

2.1 Nguyên tắc hệ thống tự sa thải phụ tải

 Phải đảm bảo loại trừ được tất cả các trường hợp mất cân bằng công suất lớn nhất có thể xảy ra

 Lượng công suất sa thải phải gần nhất với lượng công suất thiếu hụt (thiết bị TCT phải có khả năng tự điều chỉnh theo lượng công suất thiếu hụt)

2.2 Nguyên lý hoạt động

2.2.1 Phân nhóm các thiết bị tự cắt tải (TCT)

Theo chức năng các thiết bị tự cắt tải (TCT) phân thành 3 nhóm:

 Nhóm 1 (TCT-I): TCT-I là loại TCT tác động nhanh nhằm ngăn chặn suy giảm tần số trầm trọng, thường được thực hiện làm nhiều đợt với tần số đặt khác nhau

 Nhóm 2: TCT-II là loại TCT dùng để khôi phục tần số sau tác động của TCT-I và ngăn chặn tần số lơ lửng ở trị số thấp hơn mức cho phép, thường được thực hiện làm nhiều đợt với thời gian đặt khác nhau

 Nhóm 3: TCT bổ sung, thường sử dụng trong trường hợp xảy ra thiếu hụt công suất lớn (45% và nhiều hơn) để tăng nhanh tốc độ cắt

và tăng lượng công suất cần cắt, chẳng hạn khi sự cố làm chia cắt một khu vực hoặc một nút phụ tải lớn ra khỏi nguồn cung cấp

2.2.2 Đại lượng đặt theo tần số của thiết bị

 Kinh nghiệm vận hành hệ thống điện cho thấy khi tần số giảm thấp hơn 49Hz, lượng công suất dự phòng quay ở các nhà máy nhiệt điện