Tài liệu Bảo vệ máy biến áp

Sự cố trực tiếp là NM bên trong các cuộn dây, hư hỏng cách điện làm thay đổi đột ngột các thông số điện.. Tỷ số biến thế giữa các cuộn dây sơ cấp và các vòng NM cũng thay đổi theo vị trí

Chương 9

BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất liên kết hệ thống phát, truyền tải và phân phối Do đó, BV của phần tử này phải làm việc với độ tin cậy cao Sơ đồ BV tùy thuộc vào cỡ MBA Công suất định mức MBA được dùng trong hệ thống truyền tải và phân phối từ vài

trăm kVA đến vài trăm MVA Đối với các MBA nhỏ, có thể dùng cầu chì để BV; đối với MBA cỡ

trung bình, BVDĐ được dùng; các MBA công suất lớn thì BVSL sẽ là BVC

9.1 CÁC SỰ CỐ VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

Sự cố MBA có thể chia thành hai loại:

- Sự cố bên ngoài MBA

- Sự cố bên trong MBA

9.1.1 Sự cố bên ngoài máy biến áp

Sự cố bên ngoài gồm có sự cố hay các hiện tượng nguy hiểm xảy ra bên ngoài MBA như quá tải, quá điện áp, tần số thấp, NM ngoài

Trong trường hợp có sự cố bên ngoài MBA, sự cố phải được cách ly khỏi MBA, nếu sự cố ấy không được cắt ra trong khoảng thời gian định trước có thể dẫn đến hư hỏng MBA Đối với sự cố bên ngoài, BVDĐ thường được dùng làm BV dự trữ MBA không cho phép chịu quá tải trong khoảng thời gian dài và rơle nhiệt được dùng để phát hiện tình trạng quá tải và cho tín hiệu báo động

9.1.2 Sự cố bên trong máy biến áp

Sự cố bên trong MBA gồm các sự cố xảy ra bên trong vùng BV của MBA (bên trong vị trí

đặt các BI) Sự cố bên trong MBA được chia thành hai nhóm: sự cố gián tiếp và trực tiếp Sự cố

gián tiếp diễn ra từ từ nhưng sẽ trở thành sự cố chính trực tiếp nếu không phát hiện và xử lý kịp thời (chẳng hạn bên trong MBA có quá nhiệt, quá từ, áp suất dầu thay đổi ) Sự cố trực tiếp là

NM bên trong các cuộn dây, hư hỏng cách điện làm thay đổi đột ngột các thông số điện

Bảo vệ sự cố trực tiếp phải tác động tức thời, cách ly MBA bị sự cố ra khỏi hệ thống để giảm hư hỏng MBA, giảm ảnh hưởng đến hệ thống Sự cố gián tiếp không đòi hỏi tác động nhanh cắt MBA, nhưng phải được phát hiện, báo động để người vận hành xử lý Sự cố gián tiếp và trực tiếp được phát hiện bởi các rơle khác nhau Để phát hiện sự cố gián tiếp thường người ta dùng rơle quá nhiệt, rơle hơi, rơle áp suất dầu Sự cố trực tiếp được phát hiện bằng các rơle so lệch, rơle dòng điện Sau đây khảo sát vài trường hợp chính sự cố bên trong MBA

1- Chạm đất một pha cuộn dây nối sao

Cuộn sao MBA có trung tính nối đất qua tổng trở Dòng điện chạm đất một pha phía nối sao phụ thuộc vào tổng trở nối đất và tỷ lệ với khoảng cách từ điểm chạm đất đến điểm trung tính Tỷ số biến thế giữa các cuộn dây sơ cấp và các vòng NM cũng thay đổi theo vị trí điểm chạm vì thế dòng điện chạy trong cực sơ cấp MBA sẽ tỷ lệ với bình phương tỷ số của cuộn dây mà bị NM

Hình 9.1 cho quan hệ giữa dòng điện I N chạm và dòng sơ cấp MBA I S theo vị trí điểm chạm

Dòng chạm

IN

ISDòng sơ ấp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hình 9.1 Dòng điện chạm đất một

pha của MBA nối đất qua tổng trở

Trung tính cuộn nối sao MBA nối

đất trực tiếp: Dòng điện chạm đất một pha

trong trường hợp này phụ thuộc vào kháng

trở MBA và thay đổi khá phức tạp theo vị

trí điểm chạm Quan hệ dòng điện chạm

và dòng sơ cấp theo vị trí điểm chạm cho

ở hình 9.2

2- Sự cố bên trong cuộn tam giác máy

biến áp

Tính toán dòng điện chạm theo vị

trí trong cuộn tam giác MBA rất phức tạp Biên độ dòng điện chạm nhỏ hơn nhiều so với trường hợp chạm cuộn sao và phụ thuộc vào cách đầu trung tính Dòng điện chạm nhỏ nhất khi điểm NM xảy tại trung điểm của một cuộn dây tam giác, trong trường hợp này dòng điện chạm nhỏ hơn dòng định mức

3- Ngắn mạch giữa các pha trong máy biến áp ba pha

Dạng NM này hiếm xảy ra trong MBA, nếu có xảy ra dòng điện NM rất lớn so với dòng chạm đất một pha

4- Chạm giữa các vòng dây bên trong máy biến áp

Khoảng 70 ÷ 80% hư hỏng MBA là từ chạm giữa các vòng dây bên trong MBA, nếu không phát hiện kịp thời quá trình tiếp theo sẽ làm sự cố nghiêm trọng trong MBA Dòng điện trong các

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Khoảng cách từ trung tính đến điểm chạm (% cuộn dây)

IN

IS

20 15 10 5

I (đvtđ)

Hình 9.2 Dòng điện chạm đất một

pha của MBA nối đất trực tiếp

vòng dây bị chạm nối tắt rất lớn nhưng dòng điện ở đầu cực MBA thì rất nhỏ bởi vì tỷ số MBA rất lớn so với ít vòng NM Hình 9.3 cho quan hệ dòng chạm và dòng sơ cấp theo tỷ lệ số vòng chạm Ngoài ra, có thể xảy ra các sự cố như sự cố lõi thép, hư bồn dầu, hư sứ dẫn

0 20 40 60 80 100

IN

IS

20 15 10

Số vòng ngắn mạch (% cuộn dây)

Hình 9.3 Dòng điện chạm khi có một số vòng dây MBA bị nối tắt

9.1.3 Dòng điện từ hóa nhảy vọt khi đóng máy biến áp không tải

Hiện tượng dòng điện từ hóa có thể xuất hiện vào thời điểm đóng MBA không tải Tùy thuộc vào thời điểm đóng MBA, dòng điện này có giá trị lớn nhưng không phải là dòng điện NM,

do đó yêu cầu BV không được làm việc Điều này cần lưu ý khi thiết kế rơle BV cho MBA MBA như là cuộn kháng ở trạng thái xác lập, từ thông cảm ứng trong lõi tỷ lệ với dòng từ hóa và lệch

90o với điện áp đưa vào Hình 9.4a cho dạng sóng của từ thông và điện áp Nếu tại thời điểm đóng, MC ngay tại điện áp bằng 0 lúc đó từ thông âm cực đại Điều này từ thông không thể đáp ứng kịp Trị số xác lập của từ thông không thể tức thời đáp ứng khi tốc độ chuyển đổi năng lượng có giới hạn, do đó trị số từ thông xác lập này có thể chỉ đạt được sau một thời gian nhất định (có giới hạn), thời gian này phụ thuộc vào thông số của mạch, khoảng thời gian này thì dài vô hạn trong mạch thuần cảm do đó, sóng sin từ thông bị dời và đạt đến cực đại 2Φm sau nửa chu kỳ đóng

MC Thời điểm đóng MC vào các vị trí khác điểm đỉnh từ thông sẽ thay đổi giữa Φm và 2Φm sau nửa chu kỳ

Dòng từ hóa tỷ lệ và cùng pha với từ thông, giá trị thực sự của dòng từ hóa tùy thuộc vào cảm kháng cuộn dây và sẽ rất lớn khi lõi bão hòa Khi MBA lớn vận hành với lõi bão hòa dòng từ hóa sinh

ra từ thông dao động hai lần giá trị bình thường (rất lớn) Ví dụ, dòng từ hóa tăng 50 lần chỉ cần tăng 50% mật độ từ thông Trị số tổng trở NM và từ hóa là 10% đến 2000% định mức MBA, nhưng với

ví dụ trị gia tăng dòng từ hóa là giảm tổng trở từ hóa đến 40%, nghĩa là dòng từ hóa bằng 2,5 lần dòng đầy tải và điều này đối với sự gia tăng của mật độ từ thông là 50% Điều này được hiểu rằng đối với mật độ từ thông cao hơn dòng điện từ hóa có thể đạt đến bằng dòng điện NM Hình 9.4b cho dòng điện từ hóa ba pha của MBA ba pha, trị số ban đầu của dòng pha A khoảng bảy lần dòng đầy tải, sau giảm còn 1/2 lần; chính dòng điện này làm BV hiểu nhầm là dòng NM

36 18

Hình 9.4 Dòng điện từ hóa nhảy vọt

Dạng sóng của dòng từ hóa MBA chứa một tỷ lệ họa tần tăng khi mật độ từ thông đỉnh tăng tới bão hòa Khi sóng đối xứng qua trục hoành chỉ có họa tần bậc lẻ xuất hiện, dòng từ hóa MBA chứa họa tần bậc 3, 5, 7 ; nếu mức độ bão hòa tăng lên, không chỉ thành phần họa tần tăng lên mà còn tỷ lệ tương đối họa tần bậc 5 sẽ tăng bằng hay nhiều hơn họa tần bậc 3 Ở mức cao hơn, họa tần bậc 7 sẽ bắt kịp họa tần bậc 5, tùy thuộc vào mức độ bão hòa Phân tích dạng sóng từ hóa có được tỷ lệ họa tần như sau:

- Họa tần cơ bản: 100%

- Họa tần bậc 2: 63%

- Họa tần bậc 3: 27%

- Họa tần bậc 4: 5%

- Họa tần bậc 5: 4%

Nhận thấy họa tần bậc 2 chiếm phần lớn Phân tích trong các trường hợp các cỡ MBA khác nhau thấy rằng thành phần này không nhỏ hơn 35%

9.2 BẢO VỆ CHỐNG SỰ CỐ TRỰC TIẾP BÊN TRONG MÁY BIẾN ÁP

9.2.1 Bảo vệ quá dòng điện

1- Cầu chì

Máy biến áp phân phối nhỏ, thông thường được BV chỉ bằng cầu chì Trong trường hợp MC không được dùng thì cầu chì làm nhiệm vụ cắt sự cố tự động, cầu chì là phần tử BVQDĐ và chịu được dòng điện cực đại của MBA Cầu chì phải không được đứt trong khoảng thời gian ngắn quá tải như động cơ khởi động, dòng điện từ hóa nhảy vọt khi đóng MBA không tải Cầu chì có khả năng ngắt cao HRC thường được dùng để BV MBA, cầu chì này tác động rất nhanh khi dòng điện

NM lớn nhưng cắt rất chậm với dòng điện nhỏ hơn ba lần trị số định mức của nó Điều đó nói rằng, cầu chì chỉ BV hệ thống bằng cách cách ly MBA chạm nếu dòng điện chạm đạt đến một trị số nhất định nào đó Cầu chì sẽ được trình bày chi tiết hơn ở chương 12

Bảng 9.1 Giá trị định mức của cầu chì tiêu biểu cho MBA 11kV

2- Rơle quá dòng điện

Máy biến áp lớn 100kVA và lớn hơn có trang bị MC thường được BV bằng nguyên tắc quá

dòng điện Đặc tính thời gian làm việc được phối hợp với BV mạch thứ cấp MBA BV cắt nhanh có thể được thêm vào, trị số đặt của nó được tính để tránh tác động khi NM phía thứ cấp MBA, cầu chì HRC được dùng để dự trữ cho MC Nhiệm vụ chính của BV cắt nhanh là cắt nhanh khi NM

đầu cực MBA, do đó trị số chỉnh định tương đối cao BVDĐ là BVC cho MBA nhỏ và là BV dự trữ cho MBA lớn

9.2.2 Bảo vệ so lệch máy biến áp hai cuộn dây

Đối với MBA công suất lớn (> 1MVA), BVSL là BVC Các yếu tố sau đây cần quan tâm

khi thực hiện BVSL

1- Chọn BI

Dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp MBA hai cuộn dây phụ thuộc công suất định mức MBA và tỷ lệ nghịch với điện thế Đối với MBA ba cuộn dây, dòng định mức phụ thuộc vào công suất cuộn dây tương ứng BI được chọn có định mức phía sơ cấp bằng hay lớn hơn dòng định mức

của cuộn dây MBA mà nó được đặt Định mức BI đã được tiêu chuẩn hóa Ví dụ: 1600/1A và 200/1A được chọn để BV cho MBA hai cuộn dây 11kV/132kV, 30MVA

2- Sơ đồ nối dây BI

A B C

Cuộn hãm Cuộn làm việc Cuộn hãm Cuộn làm việc

Cuộn làm việc Cuộn hãm

87 87

87

Hình 9.5 Sơ đồ bảo vệ so lệch MBA hai cuộn dây

A a

B b

C c n’ a’ b’ c’

b c A’ B’ C’ N’

YN

A’ B’ C’

A a B b C c

Y - 1

A a

a

Y - Z11 A’ B’ C’

A a

B b

C c n’ a’ b’ c’

YN ZNA

B b C

A

a b c

∆ ∆ - o

A

b c

Sơ đồ nối dây rơle có cuộn cảm

A’ B’ C’ N’ a’ b’ c’ n’

Sơ đồ nối dây rơle không có cuộn cảm A’ B’ C’ N’ a’ b’ c’ n’

Hình 9.6

Sơ đồ BI được chọn để thích hợp bù sự lệch pha giữa các dòng điện dây ở các phía MBA Nếu

MBA nối Y/∆ như hình 9.5, dòng điện dây thứ cấp và sơ cấp MBA lệch với nhau 30o, sơ đồ đấu BI phải đấu thích hợp để bù lại sự lệch này Hơn nữa, dòng thứ tự không phía cuộn Y của MBA không truyền qua dòng đầu ra cuộn ∆, do đó thành phần thứ tự không bị triệt tiêu từ phía Y bằng cách nối MBI hình ∆, từ điều này BI phía ∆ của MBA được nối Y để lệch chỉnh pha 30o Như vậy nếu MBA nối Y/Y thì BI ở hai phía nối ∆, khi BI nối ∆ dòng định mức thứ cấp giảm 1/ 3 lần dòng định mức thứ cấp của BI nối Y, nói cách khác các dòng ra ∆ cân bằng với dòng thứ cấp BI nối Y Hình 9.6 cho những sơ đồ nối dây BI theo các cách đấu các cuộn dây MBA khác nhau

Ví dụ 9.1: MBA ∆/Y trên sơ đồ có định mức như sau:

S = 50MVA; V∆ = 115kV; V Y = 69kV; n BI115 =600/5

Tìm tỷ số biến dòng n BI69∆ của các BI nối ∆ phía 69kV dùng cho BVSL (H.9.7)

Ví dụ 9.1 làm rõ hơn cách tính chọn BI cho BVSL MBA

∆

Y/∆

IL115 = 418,37A

NB 115 I = 600/5 115kV

BI

L

5/600

02,251115

115

- Để cân bằng dòng phía ∆ và Y thì phải thỏa mãn

0,13

3

115

69 69

115 115

115 69

69 115

L

L BI

BI BI

L BI

L R

R

I

I n

n n

I n

I I

5/60037,4183

- Dòng không cân bằng trong điều kiện đầy tải là

I

I I

BI

L

5/2000

37,41833

I I

BIY

L BI

L

5/600

02,215115

115

I R115− I R69= 0,28 = 13%I R115

3- Độ dốc của đặc tính rơle so lệch có hãm

Để khắc phục dòng không cân bằng trong rơle so lệch người ta thường dùng rơle so lệch có tác động hãm hình 9.8 (rơle so lệch phần trăm) Độ dốc của đặc tính hãm có thể thay đổi để phù hợp với dòng không cân bằng Một rơle có đặc tính hãm độ dốc phần trăm 50% nghĩa là dòng cuộn làm việc phải ít nhất bằng 50% dòng cuộn hãm thì rơle mới tác động được Các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến dòng không cân bằng trong BVSL MBA khi NM ngoài là:

- Đầu phân áp MBA

- Sự khác nhau giữa tỷ số MBA, tỷ số BI, nấc chỉnh rơle

- Sai số khác nhau giữa các BI các phía MBA

Ia - Ic

NcY(Ia - )/N Ic CY

NcY(Ic - )/N Ib CY(Ia - )/N Ic CY

(Ic - )/N Ib CY(Ib - )/N Ia CY

1/v

1/v

làm việc hãm hãm hãm hãm hãm hãm

Hình 9.8 Sơ đồ đấu nối và phân bố của dòng rơle

so lệch có hãm

Để chọn độ dốc đặc tuyến hãm, người ta đánh giá dòng không cân bằng lớn nhất khi NM ngoài dựa trên các yếu tố sau:

R

c hãm

c tác động

Y 69kV

Imax= 351A Imax = 1940A

Imax = 4,39A Imax = 8,40A

12,5kV

Hình 9.9 Hình cho ví dụ 9.2

- Nấc chỉnh đầu phân áp MBA ± k% làm thay đổi tỷ số MBA 2k%, nên chọn tỷ số BI và nấc chỉnh rơle để cân bằng dòng tải điểm giữa đầu phân áp lúc đó sai số tối đa là k%

- Sai số tối đa giữa dòng BI và nấc chỉnh rơle là một nữa khác nhau giữa hai nấc chỉnh rơle (%)

- Sai số giữa các BI (%) được tính khi có NM lớn nhất cho sai số nhiều nhất

Thực tế, tính toán cộng tất cả các sai số trên (%) và thêm độ dự trữ 5% thì có thể xác định độ đốc hãm nhỏ nhất của đặc tính rơle

Ví dụ 9.2: MBA ở hình 9.9 có định mức S = 42MVA, 69kV, 12,5kV; đầu phân áp ± 10% được BV

bằng rơle so lệch loại điện cơ có hai cuộn hãm và một cuộn làm việc sơ đồ đơn tuyến rơle và cách đấu vào MBA cho ở hình 9.9b rơle có các nấc chỉnh: 5,0; 5,5; 6,0; 6,6; 7,3; 8,0; 9,0; và 10 Xác định tỷ số BI và trị số đặt rơle

Giải: Dòng định mức phía 69kV:

693

5,123

39,4

= ⇒ x = 9,57 9,57, gần nấc 10 Nếu chọn nấc 10 cho phía 12,5kV sẽ có sai số rơle do không chọn chính xác nấc chỉnh

57,9

57,90,10

Các sai số ảnh hưởng đến rơle:

Sai số đấu phân áp: 10%; sai số BI: 5%; sai số rơle: 4,5%

Tổng cộng: 19,5% Chọn độ dốc hãm > 19,5% + 5% = 24,5%

9.2.3 Bảo vệ so lệch máy biến áp ba cuộn dây

Hình 9.5 cho sơ đồ BVSL có hãm của MBA hai cuộn dây, hai cuộn dây hãm mỗi pha được đặt trên cùng lõi từ rơle điện cơ hay cùng lõi BU phụ Nguyên tắc BV này cũng dùng cho MBA có trên hai cuộn dây, MBA ba cuôïn dây chỉ được cung cấp nguồn từ một phía, hai phía kia cung cấp tải có các cấp điện thế khác nhau rơle so lệch được dùng giống như BV MBA hai cuộn dây (H.9.10a) Tổng dòng điện tải phía thứ cấp 2BI sẽ cân bằng với dòng thứ cấp phía nguồn Khi MBA có hơn một nguồn cung cấp, rơle so lệch dùng hai cuộn hãm riêng biệt được bố trí như hình 9.10b Trong trường hợp, MBA ba cuộn dây có một cuộn ∆ không nối tải BV được dùng như trường hợp BV MBA hai cuộn dây hình 9.10c

Cuộn làm việc

Cuộn làm việc

Cuộn làm việc

b)

c)

Hình 9.10 Sơ đồ bảo vệ so lệch có hãm MBA ba cuộn dây

9.2.4 Máy biến dòng phụ cho bảo vệ so lệch

Ngoài BI chính, người ta có thể dùng BI phụ để bù lệch pha, để hiệu chỉnh dòng không cân bằng vào rơle do các đầu phân áp do khác tỷ số biến đổi giữa MBA và BI chính Đối với MBA hai cuộn dây MBI phụ được phối hợp với điều kiện dòng phụ tải lớn nhất của MBA

Ví dụ 9.3: MBA 30MVA, 11/132kV, nối ∆/Y cho trong hình 9.11 chọn BI phụ

Đầu tiên MBI chính 1600/1A và 200/1A được chọn theo điều kiện lớn hơn dòng đầy tải lớn

nhất MBA của mỗi cuộn dây:

10.11.3

10.30

10.30

10.30

3

6 '

Các dòng điện thứ cấp tương đương của BI đường dây 0,984A và 0,69A, như thế tỷ số BI

phụ được chọn

A

3

1/7,03

984,0/69,

Cuộn làm việc Cuộn hãm 87 Cuộn hãm 87 Cuộn làm việc Cuộn làm việc

Biến dòng phụ

1600/1

200/1

0,69A

132kV 11kV

A B C

Hình 9.11 Bảo vệ so lệch có dùng BI phụ

Ví dụ 9.4: MBA 500kV/138kV/13,45kV, 120MVA, 90MVA, 30MVA, nối Y/Y/∆ như hình 9.12 Chọn

BI phụ

10.500.3

10.120

10.90

10.30

3

6

=

Chọn BI phía 500kV: 200/5A; chọn BI phía 138kV: 400/5A

Chọn BI phía 13,45kV: 1500/5A

Dòng phía 138kV tương ứng với 120MVA (công suất cuộn dây lớn nhất)

10.138.3

10.120

10.120

=

do đó, tỷ số MBI phụ Y/∆: A

3

5/46,

200/5A

120MVA 500kV 13,45kV30MVA 90MVA138kV 400/5A

1500/5A

3,46/2,89A 17,17/5A 6,28/2,89A

87 Cuộn hãm

87 Cuộn hãm Cuộn làm việc

Cuộn làm việc

87 Cuộn làm việc Cuộn hãm

17,17A

5A

Hình 9.12 Bảo bệ so lệch MBA ba cuộn dây có dùng BI phụ

Dòng BI phía thứ cấp phía 138kV tương ứng với công suất 120MVA

400

5.502

=

Chọn tỷ số MBI phụ Y/∆: A

3

5/28,

=

Chọn BI: Y/Y = 17,17/5A

Khi đầy tải cuộn dây ∆∆∆∆ 13,45kV, 30MVA, dòng điện trong cuộn dây sơ cấp là 17,17/5A, BI phụ là 4,29A tương ứng với dòng thứ cấp là 1,25A Tuy nhiên, định mức cuộn

sơ và thứ cấp là 17,17A và 5A để giảm tối thiểu điện trở cuộn dây