Thử nghiệm bảo vệ mất kích từ trên cơ sở phối hợp làm việc với đặc tính máy phát

Thử nghiệm bảo vệ mất kích từ trên cơ sở phối hợp làm việc với đặc tính máy phát

THỬ NGHIỆM BẢO VỆ MẤT KÍCH TỪ TRÊN CƠ SỞ PHỐI HỢP

LÀM VIỆC VỚI ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT

TESTING LOSS OF EXCITATION PROTECTION BASED ON

COORDINATION WITH GENERATOR CAPABILITY CURVES

Lê Kim Hùng

Đại học Đà Nẵng

Vũ Hoài Nam

Trung tâm thí nghiệm điện - Điện lực 3

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày việc tính toán, thử nghiệm bảo vệ kém kích từ phối hợp làm việc phù hợp với đặc tính công suất máy phát nhằm đưa ra thông số cài đặt cho bảo vệ rơ le tốt nhất Các cơ sở lý thuyết cần thiết được xem xét để tạo điều kiện mô tả rõ ràng cách tính toán

và các yếu tố liên kết của đặc tính máy phát với bảo vệ mất kích thích Từ đó, bằng ngôn ngữ lập trình Visual studio, chúng tôi xây dựng chương trình tính toán thông số cài đặt và thử nghiệm cho bảo vệ mất kích từ Chương trình xây dựng đặc tính công suất máy phát, đặc tính bảo vệ mất kích từ và các mối liên hệ của hai đặc tính này cho kết quả một cách trực quan Chương trình được kiểm chứng cho các trường hợp cụ thể về sự làm việc của bảo vệ mất kích

từ tại nhà máy thuỷ điện Sê San 4 và minh hoạ các ứng dụng vào thực tế

ABSTRACT

This paper presents the calculation and experimental loss of excitation coordination in accordance with Generator Capability Curves to make the settings for the best protection relays The basic theory needed to be considered was to facilitate a clear description of how to calculate and factors associated of generator capability curves and loss of excitation

Subsequently, with the Visual Studio programming language, we develop a program to calculate the settings and testing for loss of excitation protection The building program of generator capability curves, the loss of excitation protection and the relationships of these two properties brought direct results The program was tested for specific cases of Loss of Excitation protection at Se San 4 Hydroelectric Plant and it illustrated practical applications

1 Đặt vấn đề

Trong quá trình vận hành máy phát điện có thể xảy ra mất kích từ do hư hỏng trong mạch kích thích (do ngắn mạch hoặc hở mạch), hư hỏng trong hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, thao tác sai của nhân viên vận hành v.v Khi máy phát bị mất kích

từ thường dẫn đến mất đồng bộ, gây phát nóng cục bộ ở stato và rôto Nếu hở mạch kích thích có thể gây quá điện áp trên cuộn dây rôto nguy hiểm cho cách điện ở cuộn dây

Trong quá trình đưa bảo vệ mất kích từ của máy phát điện vào vận hành, thường gặp khó khăn do phối hợp chưa chính xác giữa hệ thống bảo vệ và đặc tính của máy phát Điều này có thể gây bảo vệ mất kích từ tác động nhầm trong chế độ máy phát nhận công suất phản kháng (Q<) do tổng trở đầu cực máy phát lúc đó rơi vào vùng làm việc của bảo vệ này Do đó, chúng ta không thể thử nghiệm hết được giới hạn nhận Q của máy phát và không đánh giá chính xác được sự làm việc của relay trong bảo vệ mất kích

từ Vì vậy, việc thử nghiệm hiệu chỉnh các thông số của bảo vệ mất kích từ của máy phát điện là hạng mục quan trọng trước khi đưa máy phát vào vận hành

2 Đặc tính công suất của máy phát và bảo vệ kém kích thích

2.1 Đặc tính công suất máy phát

Xét đặc tính máy phát cực lồi được biểu diễn như hình 1

Hình 1 Đặc tính giới hạn công suất máy phát cực lồi (Xd≠Xq)

Từ đồ thị trên, ta thấy rằng phạm vi hoạt động của máy phát điện được giới hạn bởi các vùng như sau:

Vùng quá kích thích: giới hạn bởi khả năng của tuabin và nhiệt dòng kích từ Vùng kém kích thích: giới hạn bởi khả năng của tuabin, nhiệt dòng phần ứng,

ổn định

Các thông số trong đường đặc tính máy phát ở trên được xác định với điện áp và dòng điện định mức Tuy nhiên trên thực tế không thể luôn luôn giữ điện áp ở định mức, khi đó đường đặc tính công suất sẽ có thay đổi Vấn đề này sẽ được xem xét cụ thể hơn ở mục 3.2.1

2.2 Bảo vệ kém kích thích

Ở chế độ vận hành bình thường, máy phát điện đồng bộ làm việc với sức điện động E cao hơn điện áp đầu cực máy phát U (chế độ kích thích, đưa công suất phản kháng Q vào hệ thống, Q>0)

Khi máy phát làm việc ở chế độ làm việc thiếu kích thích hoặc mất kích thích, sức điện động E thấp hơn điện áp U, máy phát điện nhận công suất phản kháng từ hệ thống (Q<0)

Như vậy khi mất kích từ, tổng trở mà rơ le đo được ở đầu cực máy phát sẽ thay đổi từ Zpt nằm ở góc phần tư thứ nhất trên mặt phẳng tổng trở phức sang ZF nằm ở góc phần tư thứ tư trên mặt phẳng tổng trở phức

Hình 2 Đặc tính của bảo vệ kém kích từ

(nguyên lý negative offset MHO)

Khi xảy ra mất kích từ, điện kháng của máy phát điện sẽ thay đổi từ trị số Xd

(điện kháng đồng bộ) đến trị số Xd' (điện kháng quá độ) và có tính chất dung kháng Trên cơ sở đó IEEE [1] đưa ra phương pháp bảo vệ kém kích từ theo nguyên lý Negative offset MHO Vùng phát hiện sự

cố được giới hạn bởi đường tròn có tâm là

















2 2

'

d

x

, bán kính

2

d

x

như hình 2

Từ đặc tính công suất của máy phát và đặc tính bảo vệ mất kích thích, để thấy rõ hơn vùng làm việc an toàn của máy phát, phạm vi tác động của bảo vệ ta cần xem xét mối quan hệ giữa hai đặc tính này Theo tài liệu IEEE [1], công thức chuyển đổi từ đặc tính kém kích thích trên hệ trục tổng trở (X,R) sang hệ trục công suất (P,Q) trên đặc tính máy phát là :

ratio

ratio

VT

CT Z

kV MVA

2

Với MVA là điểm công suất trên đặc tính PQ của máy phát

kV là điện áp định mức máy phát (tính ở đơn vị kV)

Z là tổng trở của điểm cần chuyển trên đặc tính (R, X) của bảo vệ kém kích thích Trên hình 3 trình bày cách chuyển đổi đặc tính kém kích thích (Loss of Excitation-LOE) trên hệ trục tổng trở (X,R) sang hệ trục công suất (P,Q) Nhờ vậy, ta sẽ thấy được vùng làm việc của bảo vệ LOE tương ứng trong đặc tính công suất máy phát

và sẽ đưa ra đánh giá, điều chỉnh các thông số cài đặt rơ le cho phù hơp

Hình 3 Cách chuyển đổi LOE từ hệ trục-X,R sang hệ trục-P, Q

3 Xây dựng chương trình và ứng dụng

3.1 Xây dựng chương trình

Từ những lý thuyết tổng quát trên, sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Studio chúng tôi đã xây dựng được phần mềm hỗ trợ việc kiểm tra đặc tính PQ và bảo vệ mất

kích thích của máy phát Chương trình có giao diện như hình 4:

Phần mềm Testing

Generator Capability Curver and

Loss of Excitation (GCC and

LOE) cho việc thử nghiệm đặc

tính máy phát và bảo vệ kém

kích thích cho nhà máy thủy điện

gồm 3 phần chính, được trình

bày rõ ở mục 3.2

3.2 Ứng dụng chương trình

Xét máy phát thuỷ điện

với các thông số như bảng 1:

Bảng 1 Thông số máy phát điện (Nhà máy thuỷ điện Sê San 4)

Thông

số

S

(MVA)

P (MW)

Cos

φ

Xd (pu)

Xd’

(pu)

Xd”

(pu)

Xq (pu)

(V)

Giá trị 141,2 120 0,85 1,06 0,2875 0,2033 0,735 7500/1 15,75/0.01 240

3.2.1 Xây dựng đặc tính P-Q cho máy phát thủy điện

Từ các thông số ở bảng 1, chương trình sẽ xây dựng đặc tính máy phát cụ thể và rất trực quan, các vị trí trên

miền đặc tính được hiển thị dễ

dàng với đầy đủ thông số về P

và Q tương ứng với công suất

của máy Ngoài đặc tính PQ thì

đồ thị còn thể hiện các đường

giới hạn miền mất kích thích,

đường giới hạn ổn định điều

này sẽ giúp cho việc thử

nghiệm đặc tính PQ dễ dàng và

tin cậy

Hình 5 Đặc tính máy phát được xây dựng bởi chương trình

Thực tế thí nghiệm ta không thể luôn giữ điện áp ở định mức mà điện áp có thể

Hình 4 Giao diện chương trình Generator capability

curve and Loss of Excitation

thay đổi trong một phạm vi nhất định Điều này kéo theo đường giới hạn công suất (PQ)

sẽ thay đổi vì vậy các đặc tính của nhà cấp hàng sẽ không còn chính xác nữa (đặc tính của nhà cấp hàng thường được xây dựng ở điện áp V=1pu) hoặc chỉ chính xác ở các điểm điện áp 1pu, 0.95 pu, 1.05pu

Trong khi đó với chương trình này có thể chọn với một giải điều chỉnh điện áp mềm (U= 0.95÷1.05 (pu)), tương ứng với các giá trị U thì sẽ có các đường giới hạn công suất tương ứng Trên hình 6 thể hiện sự chính xác của đường đặc tính công suất được xây dựng bởi phần mềm so với đường đặc tính máy phát thực tế

3.2.2 Xây dựng và thí nghiệm đặc tính mất kích thích cho bảo vệ máy phát

Các thông số máy

phát sau khi được nhập thì

chương trình sẽ tính toán

các thông số cài đặt relay

cho phù hợp Tương ứng

với các thông số máy phát

như bảng 1, chương trình sẽ

tính toán và cho kết quả cụ

thể cho họ rơ le AREVA

(P34x) như sau:

Ffail –Xa 1 = 13.23 Ω

Ffail –Xb 1 = 97.55 Ω

Ffail –Xa 2 = 13.23 Ω

Ffail –Xa 2 = 92.02 Ω Hình 7 Tính toán và cài đặt thông số cho bảo vệ mất kích thích

Hình 6 So sánh độ chính xác của đường PQ từ phần mềm so với thực

tế

Từ các thông số tính toán trên sẽ xây dựng được đặc tính LOE, các giá trị được hiển thị một cách trực quan, điều này tạo sự dễ dàng trong việc thử nghiệm relay (hình7) Mỗi một sự thay đổi về thông số cài đặt chương trình sẽ tính toán lại và xây dựng đường đặc tính mới cho phù hợp

Chương trình này cũng có thể dùng để thí nghiệm chức năng F40 một cách dễ dàng, bằng cách chọn một điểm trên đặc tính LOE thì trong tab “Testing” sẽ xuất hiện các giá trị dòng áp tương ứng Từ đó, ta dùng các hợp bộ thí nghiệm để bơm dòng áp cho phù hợp và việc thí nghiệm sẽ dễ dàng và trực quan Ví dụ, tương ứng với điểm có Z=57,76Ω, góc Phi=-97º thì ta sẽ có các giá trị dòng điện và điện áp cần xác định như hình dưới

3.2.3 Phối hợp đặc tính LOE và đặc tính PQ để thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số bảo

vệ mất kích thích khi hệ thông nối với lưới

Tương ứng với đặc tính mất kích thích của bảo vệ từ đồ thị R-X, chương trình sẽ xây dựng đặc tính mất kích thích ở đồ thị P-Q Với mỗi sự thay đổi thông số cài đặt relay chương trình sẽ tính toán và xây dựng lại các đặc tính cho phù hợp Dựa vào đó ta sẽ chọn được thông số cài đặt cho phù hợp với relay, cũng như giúp chúng ta thử nghiệm đặc tính

P-Q một cách dễ dàng mà không lo ngại đến khả năng bảo vệ LOE sẽ tác động

Hình 8 Kiểm tra giá trị tác động tương ứng trên đặc tính PQ và RX

Kết quả đạt được khi thử nghiệm trên rơ le P343 (number: P343318A3M0320J) với thông số cài đặt trên rơ le tương ứng với tính toán ở phần 3.3.2 như sau

FFail Alm Status Enabled 32.01

FFail Alm Delay 5.000 s 32.03

FFail1 -Xa1 13.00 Ohm 32.05

Kết quả thí nghiệm tại điểm Z=110,84, phi=-89.84º trên đặc tính LOE kết qua ghi nhận bởi rơ le như sau: Tác động với sự cố Trip FFail 1 thời gian cắt sự cố 505ms

IA= 4275 A UAB=15,73 kV

IB= 4275 A UAB=15,74 kV IC= 4275 A UAB=15,73 kV P=325kW Q=-117,1 MVAr

Rơ le tác động với giá trị P=325kW,Q=-117,1 MVAr gần bằng với giá trị ở trên hình 10 (P=0,3,Q=-117,6 Mvar) Có sự sai lệch nhỏ có thể là do sai số đo lường của rơ

le và tính gần đúng của chương trình

4 Kết luận

Qua các kết quả đạt được, chương trình Testing Generator Capability Curver and Loss of Excitation giúp chúng ta xây dựng đặc tính P-Q của máy phát, đặc tính của bảo

vệ mất kích thích và sự tương quan giữa hai đặc tính này một cách dễ dàng Điều này tạo điều kiện cho việc thử nghiệm bảo vệ mất kích thích một cách đầy đủ và chính xác Đồng thời việc kiểm tra khả năng làm việc của máy phát, phối hợp với sự làm việc của

hệ thống bảo vệ cho phép tính toán các thông số cài đặt cho bảo vệ tối ưu hơn và chọn được cách thức vận hành máy phát tốt nhất đảm bảo an toàn, tin cậy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] IEEE, Guide for AC Generator Protection IEEE Std C37.102 – 2006, YN

10016-5997, USA

[2] Donal Reimert, Protective relaying for power generation systems, Taylor&Francis

2006

[3] Hans-Joachim Herrmann, Underexcitation Protection based on Admittance Measurement- Excellent Adaptation on Generator Capability Curves, 2006

[4] Trần Đình Long, Bảo vệ các Hệ thống điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2008

[5] Lê Kim Hùng, Bảo vệ các phần tử chính trong Hệ thống điện, 2004

[6] AREVA, Application Notes MiCOM P342, P343, P34x/EN AP/F33

[7] AREVA, Parameter setting MiCOM P343, SE SAN 4 HYDRO POWER

PROJECT, 2009