Khảo sát, so sánh các phương thức bảo vệ phát hiện mất kích từ đối với máy phát điện

1.1.1 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với máy phát điện  Khi xảy ra sự cố mất kích từ s gây trượt cực từ, điều này có thể dẫn đến rotor phát nóng do dòng điện cảm ứng tần số tr

KHẢO SÁT, SO SÁNH CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ PHÁT HIỆN

MẤT KÍCH TỪ ĐỐI VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN THANH TÖ

KHẢO SÁT, SO SÁNH CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ PHÁT HIỆN MẤT

KÍCH TỪ ĐỐI VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MẤT KÍCH TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.1 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với máy phát điện 3

1.1.2 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với hệ thống điện 3

1.2 Vai trò của hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện 4

1.3 Đặc tính tổng trở của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ 7

CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG PHÁT CỦA MÁY PHÁT VÀ CÁC SƠ ĐỒ BẢO VỆ MẤT KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN 10

2.1 Giới hạn khả năng phát của máy phát và biểu đồ công suất phát 10

2.2 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo giám sát công suất P và Q của máy phát (sơ đồ P-Q) 18

2.2.1 Nguyên lý hoạt động 18

2.2.2 Các giá trị cài đặt 20

2.3 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo giám sát dòng điện và điện áp của máy phát (sơ đồ U-I) 20

2.4 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo tổng trở (sơ đồ R-X) 22

2.4.1 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở âm 24

2.4.2 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở kết hợp phần tử định hướng 25

2.5 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo tổng dẫn (sơ đồ G-B) 27

CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 30

3.1 Giới thiệu về nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 30

3.1.1 Quy mô xây dựng và chủ đầu tư 30

3.1.2 Sơ đồ nối điện chính 30

3.1.3 Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính 31

3.2 Giới thiệu về Mathlab 34

3.3 Mô hình mô phỏng của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 trong Simulink/Matlab 34

3.4 Đề xuất các kịch bản mô phỏng 37

3.5 Tính toán, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phương thức bảo vệ 39

3.5.1 Tính toán, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phương thức bảo vệ theo sơ đồ R-X 39

3.5.2 Tính toán, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phương thức bảo vệ theo sơ đồ G-B 40

4.1 Mô phỏng sự cố mất kích từ hoàn toàn 42

4.1.1 Các kịch bản 42

4.1.2 Kết quả mô phỏng 42

4.2 Mô phỏng sự cố mất kích từ một phần 49

4.2.1 Các kịch bản 49

4.2.2 Kết quả mô phỏng 49

4.3 Mô phỏng trường hợp sự cố ngoài nhà máy 53

4.3.1 Mục đích và các kịch bản mô phỏng 54

4.3.2 Trường hợp sự cố một pha 54

4.3.3 Trường hợp sự cố ba pha 56

4.3.4 Kết quả mô phỏng với các trường hợp sự cố hai pha và hai pha chạm đất

58

4.4 Nhận xét kết quả 58

4.4.1 Nhận xét kết quả mô phỏng với các sự cố mất kích từ 58

4.4.2 Nhận xét kết quả đối với các trường hợp sự cố ngoài 59

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 60 5.1 Kết luận 60

5.2 Hướng nghiên cứu trong tương lai 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tác giả

Nguyễn Thanh Tú

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô Viện Điện đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu

để em có thể hoàn thành luận văn này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Xuân Tùng

đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày 21 tháng 9 năm 2015

Nguyễn Thanh Tú

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Công suất phát và góc phụ tải 7

Hình 2 Đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ 8

Hình 3 Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ 9

Hình 4 Các giới hạn khả năng phát của máy phát 12

Hình 5 Phân bố từ thông tại khu vực lõi thép cuối stato 13

Hình 6 Biểu đồ đặc tính khả năng phát của máy phát 14

Hình 7 Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp của máy phát 15

Hình 8 Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn biểu diễn trong mặt phẳng P-Q (với kích từ không đổi) 16

Hình 9 So sánh giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn và máy phát cực lồi 17

Hình 10 Biểu đồ khả năng phát của máy phát có xét tới các giới hạn 18

Hình 11 Đặc tính của bảo vệ mất kích từ dựa theo giám sát P & Q phối hợp với giới hạn ổn định tĩnh 19

Hình 12 Phối hợp làm việc của các phần tử trong sơ đồ PQ 20

Hình 13 Logic tác động của bảo vệ mất kích từ theo sơ đồ U-I 21

Hình 14 Đặc tính tác động của phần tử quá dòng có hướng 21

Hình 15 Sử dụng rơle tổng trở bảo vệ mất kích từ 22

Hình 16 Quĩ đạo điểm làm việc của rơle tổng trở khi máy phát mất kích từ 23

Hình 17 Đặc tính của rơle tổng trở hai miền âm bảo vệ mất kích từ 24

Hình 18 Đặc tính của rơle tổng trở kết hợp phần tử định hướng công suất 25

Hình 19: Cài đặt giá trị cho phần tử định hướng công suất 27

Hình 20: Ánh xạ từ biểu đồ công suất phát sang mặt phẳng G-B 28

Hình 21 Sơ đồ bảo vệ mất kích từ dựa trên đo tổng dẫn 28

Hình 22 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 30

Hình 23 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 được mô phỏng trong luận văn 31

Hình 24 Sơ đồ mô phỏng nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 35

Hình 25 Thông số máy phát mô phỏng trong Simulink/Matlab 35

Hình 26 Thông số máy biến áp mô phỏng trong Simulink/Matlab 36

Hình 27 Thông số hệ thống điều khiển kích từ mô phỏng trong Simulink/Matlab 37

Hình 28 Đặc tính của rơle tổng trở hai miền âm được mô phỏng 39

Hình 29 Đặc tính của rơle tổng trở hai miền âm được mô phỏng 40

Hình 30 Diễn biến các thông số trong quá trình hoàn toàn mất kích từ khi máy phát mang 90% tải và hệ số công suất 0,9 43

Hình 31 Góc ro to và sự biến đổi tốc độ ro to trong quá trình mất kích từ hoàn toàn khi máy phát mang 90% tải và hệ số công suất 0,9 45

Hình 32 Quỹ đạo tổng trở trong trường hợp hoàn toàn mất kích từ 46

Hình 33 Quĩ đạo tổng dẫn trong sự cố mất kích từ hoàn toàn trong sơ đồ G-B 48

Hình 34 Diễn biến các thông số trong quá trình mất kích từ một phần khi máy phát mang 90% tải và hệ số công suất 0,9 50

Hình 35 Quỹ đạo tổng trở trong trường hợp mất kích từ một phần 51

Hình 36 Quĩ đạo tổng dẫn trong sự cố mất kích từ một phần trong sơ đồ G-B 53

Hình 38 Điện áp và dòng điện của máy phát 3 khi có sự cố một pha 55 Hình 39 Diễn biến của góc roto máy phát 3 khi sự cố một pha 55 Hình 40 Điện áp và dòng điện của máy phát 3 khi có sự cố ba pha 57

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Kết quả mô phỏng mất kích từ hoàn toàn trong sơ đồ R-X 47

Bảng 2: Kết quả sự cố mất kích từ hoàn toàn trong sơ đồ G-B 49

Bảng 3 Kết quả mô phỏng mất kích từ một phần trong sơ đồ R-X 52

Bảng 4 Kết quả sự cố mất kích từ một phần trong sơ đồ G-B 53

Bảng 5 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố một pha với 90% tải 56

Bảng 6 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố một pha với 70% tải 56

Bảng 7 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố ba pha với 90% tải 57

Bảng 8 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố ba pha với 70% tải 58

Bảng 9 Kết quả so sánh sự làm việc của các sơ đồ với sự cố mất kích từ 58

Mất kích từ máy phát điện là một trong các sự cố có thể gặp trong vận hành,

hệ quả có thể dẫn tới máy phát điện bị rơi vào trạng thái làm việc mất đồng bộ, tăng lượng công suất phản kháng tiêu thụ, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống điện Do đó việc khảo sát, đánh giá các phương thức bảo vệ mất kích từ máy phát điện để lựa chọn phương án bảo vệ hợp lý là cần thiết và có ý nghĩa Đó lý do luận văn đi sâu

nghiên cứu vào đề tài “Khảo sát, so sánh các phương thức bảo vệ phát hiện mất kích

từ đối với máy phát điện”

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn:

Khảo sát, so sánh các phương thức bảo vệ mất kích từ máy phát hiện đang được sử dụng; từ đó chỉ ra những ưu điểm và nhược điểm của các phương thức bảo

vệ đó

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là các máy phát điện với các hệ thống kích từ tĩnh hiện đang được sử dụng phổ biến

Phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu giới hạn về ảnh hưởng của mất kích từ máy phát điện khi đang vận hành và các loại rơle được sử dụng để phát hiện hiện tượng này

Đối tượng áp dụng của luận văn là các máy phát thuộc nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2

Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Các luận điểm cơ bản của luận văn

 Tổng quan về mất kích từ và phân tích các hiện tượng đặc trưng của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ

 Khảo sát các phương thức bảo vệ phát hiện mất kích từ hiện có

 Tiến hành mô phỏng đối với các kịch bản mất kích từ trong các điều kiện vận hành khác nhau

 Đánh giá sự làm việc của các sơ đồ bảo vệ phát hiện mất kích từ (Loss

of field – ký hiệu theo ANSI là 40) theo nguyên lý tổng trở truyền thống và nguyên lý tổng dẫn áp dụng trong các rơle của Siemens

 Phân tích các kết quả mô phỏng và kết luận, đề xuất

Đóng góp mới của tác giả

 Đã thực hiện mô phỏng được nguyên lý làm việc của các rơle phát hiện mất kích từ theo nguyên lý tổng trở và tổng dẫn

 Thực hiện mô phỏng áp dụng với các thông số máy phát điện và sơ đồ kết nối của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2

 Đã đánh giá được ưu và nhược điểm của các phương pháp bảo vệ mất kích từ phổ biến hiện nay

Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết về bảo vệ phát hiện mất kích từ máy phát điện

 Kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá các nhận định, đề xuất

 Mô hình mô phỏng có sử dụng các thông số thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG MẤT KÍCH TỪ CỦA MÁY

PHÁT ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung

Mất kích từ (Loss of Field - LOE) là hiện tượng thường gặp trong quá trình

vận hành của máy điện đồng bộ Lý do gây ra hiện tượng này có thể do ngắn mạch cuộn dây kích từ, máy cắt mạch kích từ mở không chủ đích hoặc rơle LOE tác động sai Dựa trên thống kê có thể thấy, sự cố của máy phát điện liên quan đến mất kích

từ chiếm tới 69,5% trong tổng số các trường hợp [1] Mất kích từ có thể dẫn đến hư hỏng cả máy phát và mất ổn định hệ thống

1.1.1 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với máy phát điện

 Khi xảy ra sự cố mất kích từ s gây trượt cực từ, điều này có thể dẫn đến rotor phát nóng do dòng điện cảm ứng tần số trượt sinh ra trong mạch rotor (tần số trượt là hiệu số giữa tần số của hệ thống và tần số điện của từ trường quay của roto khi mất đồng bộ)

 Khi mất kích từ: máy phát hoạt động như một động cơ không đồng bộ,

s nhận một lượng lớn công suất phản kháng từ hệ thống để từ hóa lõi thép dẫn tới stator có thể bị phát nóng quá mức

 Dưới điều kiện nặng tải, máy phát, đặc biệt là với máy phát cực lồi, có thể phải chịu quá tải cơ học nặng nề do dao động công suất sau sự cố mất kích từ

1.1.2 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với hệ thống điện

 Khi máy phát bị mất kích từ s dẫn tới làm suy giảm điện áp hệ thống, vì khi đó máy phát hoạt động như một máy điện không đồng bộ và tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống Đối với những hệ thống yếu, việc mất kích từ của máy phát quan trọng có thể có thể dẫn đến sụp đổ điện áp của hệ thống

 Khi một máy phát bị mất kích từ, những máy phát khác trong hệ thống

s phải tăng phát công suất phản kháng Điều đó có thể là nguyên nhân gây quá tải trên một vài đường dây truyền tải hoặc máy biến áp và khi đó rơle bảo vệ quá dòng

điện có thể cảm nhận sự quá tải đó như sự cố và s tác động để cách ly những thiết

bị không sự cố ra khỏi hệ thống

 Dao động công suất và sụt áp gây ra bởi mất kích từ có thể ảnh hưởng đến những máy phát hoạt động bình thường và dẫn đến mất đồng bộ của một vài máy phát hoạt động bình thường này trong hệ thống

Tuy nhiên, sự cố mất kích từ máy phát thủy điện khi đang non tải có thể không dẫn đến mất đồng bộ Thông thường máy phát cực lồi có thể mang 15-25% tải mà không gây mất đồng bộ sau khi xảy ra sự cố mất kích từ [2] Nhưng với máy phát cực ẩn, máy phát s mất đồng bộ ngay cả khi chỉ mang tải rất nhỏ, nói cách khác, máy phát cực ẩn không cho phép hoạt động trong chế độ nhận công suất phản kháng

1.2 Vai trò của hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện

Hệ thống kích từ của máy phát điện thông thường bao gồm kích từ và bộ tự

động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR) Dòng kích từ một

chiều (cung cấp bởi hệ thống nguồn kích từ) chạy trong cuộn dây roto sinh ra từ thông rotor và sức điện động của máy phát điện đồng bộ Từ thông trong khe hở của roto và stato giữ cho máy phát làm việc ở chế độ đồng bộ Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển kích từ còn cho phép điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát và công suất phản kháng: tăng kích từ s làm tăng lượng công suất phản kháng phát ra, ngược lại giảm kích từ s tạo hiệu ứng ngược lại và trong một số trường hợp cực đoan có thể dẫn tới sự mất đồng bộ của máy phát với hệ thống [3]

Thông thường, có hai kiểu hệ thống kích từ đó là hệ thống quay và kích từ tĩnh Hệ thống kích từ quay sử dụng máy phát một chiều hoặc xoay chiều độc lập là nguồn cung cấp dòng kích từ, còn với hệ thống kích từ tĩnh thì dòng kích từ là dòng chỉnh lưu lấy từ đầu cực máy phát thông qua máy biến áp giảm áp Ngày nay, tại Việt Nam hầu hết các máy phát mới lắp đặt đều sử dụng hệ thống kích từ tĩnh bởi khả năng đáp ứng nhanh của chúng

Với các máy phát điện lớn, bộ điều khiển kích từ thường được cài đặt ở chế

độ tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulation Mode) Với chế độ điều khiển này, hệ thống kích từ s được điều chỉnh để duy trì điện áp đầu cực máy phát trong một giới hạn cho phép bằng cách phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

Khi có các kích động xảy ra, ví dụ có sự cố ngắn mạch gần, làm giảm điện

áp đầu cực, công suất điện không thể truyền từ máy phát tới hệ thống Các hệ thống kích từ phản ứng nhanh s có tác dụng giúp tăng mô men đồng bộ để đảm bảo máy phát có thể tiếp tục làm việc ở trạng thái đồng bộ với hệ thống

Khi sự cố được loại trừ, tốc độ roto máy phát bị dao động dẫn tới dao động điện

áp đầu cực máy phát Khi điện áp đầu cực bị dao động thì các bộ điều khiển kích từ

ở chế độ AVR s điều khiển để duy trì điện áp này không đổi Điều này có thể dẫn tới:

 Khi điện áp dao động theo hướng giảm xuống, dòng kích từ s bị điều khiển tăng nhanh

 Khi điện áp dao động theo hướng tăng lên, dòng kích từ s bị điều khiển giảm thấp nhanh

Việc tăng, giảm dòng kích từ quá mức trong chế độ sau sự cố có thể dẫn tới nguy hiểm cho máy phát, do đó cần có khâu hạn chế dòng kích từ tối thiểu và khâu hạn chế dòng kích từ cực đại:

 Khâu hạn chế dòng kích từ cực đại (Over Excitation Limiter - OEL): có

nhiệm vụ giới hạn hệ thống điều khiển kích từ để không đưa vào cuộn kích

từ dòng quá lớn vượt quá giới hạn của nguồn kích từ và khả năng mang từ truờng của máy phát Giới hạn kích từ cực đại phải làm việc trước khi bảo

vệ chống quá tải roto hoạt động

 Khâu hạn chế dòng kích từ cực tiểu (Under Excitation Limiter - UEL): có

nhiệm vụ giới hạn hệ thống điều khiển kích từ để giảm dòng kích từ quá

thấp dẫn tới nguy cơ máy phát rơi vào trạng thái làm việc mất đồng bộ hoặc dẫn tới nguy cơ cắt máy phát do các bảo vệ chống mất kích từ tác động Khi máy phát xảy ra mất kích từ, dòng điện kích từ trên rotor giảm dần và từ trường trong cuộn dây suy giảm nhanh chóng theo hằng số thời gian của mạch roto Khi đó, máy phát làm việc như một động cơ không đồng bộ và s tiêu thụ thay vì phát công suất phản kháng vào lưới

Xét phương trình mô tả công suất phát của máy phát:

sin

e

E U P

Plà công suất tác dụng của máy phát đang phát ra

Eq là sức điện động của máy phát sau điện kháng ngang trục

Us là điện áp phía hệ thống

 là góc lệch pha giữa Eq và Us

Xd là điện kháng ngang trục của máy phát

Xs là điện kháng tương đương của hệ thống Công suất tác dụng phát ra tỉ lệ thuận với điện áp hệ thống, sức điện động của máy phát và sin Như đã biết, sức điện động của máy phát Eq là một hàm của điện áp kích từ, công suất phát lại là hàm của Eq, như vậy công suất phát là hàm phụ thuộc điện áp kích từ

Ở chế độ xác lập, điểm làm việc của máy phát là điểm đảm bảo cân bằng giữa công suất cơ của tuabin đang kéo máy phát và công suất điện máy phát đang phát ra Khi công suất cơ tăng lên, góc phụ tải  s tăng lên theo Công suất cơ có thể tăng lên tối đa cho đến khi góc  = 900 Sau đó, nếu công suất cơ tiếp tục gia tăng, công suất cơ s lớn hơn công suất điện dẫn đến máy phát mất đồng bộ do không có điểm cân bằng giữa công suất cơ và công suất điện

Hoàn toàn tương tự, khi công suất cơ đầu vào cố định và công suất điện cực đại giảm dần do điện áp kích từ giảm, góc phụ tải  s tăng dần và điểm làm việc

dịch chuyển dần lên đỉnh của đặc tính công suất phát của máy phát Quan hệ giữa công suất phát P và góc phụ tải  đƣợc thể hiện ở Hình 1 nhƣ sau:

1.3 Đặc tính tổng trở của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ

Phản ứng của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ phụ thuộc vào mức độ mang tải của máy phát Hình 2 thể hiện diễn biến của tổng trở đo tại đầu cực máy phát khi mạch kích từ bị nối tắt (điện áp kích từ bằng 0) ứng với ba trạng thái tải khác nhau [5]:

Hình 2 Đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ

Đặc tính này được v trong hệ tọa độ R-X, sử dụng hệ đơn vị tương đối so với công suất và điện áp của máy phát Đặc tính được v kết thúc khi góc lệch của roto đạt 1800, khi góc lệch vượt quá 1800 thì diễn biến của tổng trở đo được trở nên bất định, tùy thuộc nhiều yếu tố

Với mức mang tải trước khi mất kích từ lớn, góc lệch của roto s tăng nhanh

và đạt tới điểm cuối của quĩ đạo trong Hình 2 thường là trong khoảng 10 giây, hệ số trượt cao dẫn tới điểm cuối của đặc tính tổng trở s nằm tại lân cận giá trị tổng trở

siêu quá độ dọc trục và ngang trục (X’’ d và X’’ q)

Hoàn toàn tương tự, với mức mang tải trước khi mất kích từ nhỏ, góc lệch của roto s tăng chậm và hệ số trượt tại điểm cuối của quĩ đạo nhỏ Điểm cuối của đặc tính tổng trở s nằm tại lân cận giá trị tổng trở dọc trục và ngang trục của máy

phát (X d và X q)

Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở được thể hiện trong Hình 3

Hình 3 Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ

Có thể thấy điểm cuối của quĩ đạo này s nằm trong khoảng từ giá trị điện kháng ngang trục của máy phát tới giá trị điện kháng siêu quá độ ngang trục Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở khi máy phát mất kích từ là cơ sở quan trọng để cài đặt đặc tính của rơle bảo vệ chống mất kích từ

CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG PHÁT CỦA MÁY PHÁT VÀ CÁC SƠ ĐỒ BẢO VỆ

MẤT KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN

Nội dung chương này s tập trung phân tích khả năng phát, nhận công suất của máy phát điện và các sơ đồ thông dụng được sử dụng để bảo vệ máy phát trong trường hợp mất kích từ, đồng thời phân tích các giá trị cài đặt chỉnh định tương ứng

Các phân tích ở chương 1 đã cho thấy rằng máy phát đồng bộ cần được trang

bị bảo vệ riêng khi máy phát bị mất kích từ bên cạnh các chức năng có sẵn trong bộ điều khiển kích từ Hệ thống bảo vệ mất kích từ có nhiệm vụ báo động sớm để người vận hành có thể khôi phục lại kích từ nếu sự cố do vô tình cắt máy cắt mạch kích từ Sau một khoảng thời gian trễ, bảo vệ mất kích từ bắt buộc phải có cấp tác động thứ 2 để cắt tức thời máy phát và hệ thống kích từ, đồng thời phối hợp với bảo

Trong đó sơ đồ R-X được sử dụng phổ biến nhất, sơ đồ P-Q hầu như ít được

sử dụng Sơ đồ G-B hiện đang được sử dụng trong các rơle của hãng Siemens

2.1 Giới hạn khả năng phát của máy phát và biểu đồ công suất phát

Khả năng phát của máy phát bị giới hạn chủ yếu bởi các yếu tố sau đây [6]:

 Giới hạn phát nóng của cuộn dây stato máy phát: khả năng phát của máy phát bị giới hạn khả năng phát nóng của máy phát (nhiệt độ tối đa cho phép máy phát hoạt động ở trạng thái làm việc lâu dài mà không bị quá nhiệt), hay nói cách khác là bị giới hạn bởi công suất định mức theo MVA của máy phát

 Giới hạn về công suất tác dụng phát ra: bị giới hạn bởi công suất của tuabine

 Giới hạn về công suất phản kháng: máy phát có thể làm việc trong các chế độ phát (quá kích từ) hoặc tiêu thụ công suất phản kháng (thiếu kích từ), tuy nhiên lượng công suất phản kháng này bị giới hạn bởi một số yếu

tố như sau:

 Giới hạn phát nóng của cuộn dây roto máy phát: hoàn toàn tương tự, cuộn dây roto không thể mang dòng kích từ quá lớn (phát quá nhiều công suất phản kháng) do bị giới hạn về phát nóng

 Giới hạn về phát nóng phần lõi thép cạnh cuộn dây stato (Stato end iron limit)

Tuy nhiên, khi máy phát làm việc kết nối với hệ thống thì công suất phát của máy phát cũng bị giới hạn bởi các giới hạn liên quan đến ổn định tĩnh và ổn định động

a iới hạn do phát n ng cuộn dây stato (giới hạn dòng điện phần ứng)

Tổn thất đồng trong cuộn dây stato làm tăng nhiệt độ của cuộn dây stato và

do đó đặt ra giới hạn về dòng điện phần ứng Dòng điện cực đại mà stato máy phát

có thể mang là dòng điện giới hạn của phần ứng được biểu diễn bằng một đường tròn có tâm ở gốc tọa độ và bán kính bằng công suất định mức MVA của máy phát trong mặt phẳng tọa độ P-Q

Giới hạn phát nóng của máy phát được biểu diễn là đường nét đứt như trong Hình 4:

Hình 4 ác giới hạn khả năng phát của máy phát

b iới hạn do phát n ng cuộn dây roto

Do có tổn thất đồng trong cuộn kích từ dẫn tới phát nóng của cuộn dây roto Nhiệt độ gây ra bởi tổn thất trong cuộn kích từ không được vượt quá một mức độ cho phép, do đó đây là một yếu tố đặt ra giới hạn khả năng phát của máy phát Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát cực ẩn phát ra (với dòng kích

từ không đổi) được cho bởi phương trình sau:

Eq là sức điện động dọc trục của máy phát ở chế độ xác lập

Et là điện áp đầu cực máy phát Trong mặt phẳng tọa độ P-Q thì đặc tính P và Q ở trên v thành một cung tròn có tâm tại (0,

2

t

d

E X

Hiện tượng phát nóng phần lõi thép cạnh cuộn dây stato xuất hiện ở chế độ thấp kích từ, máy phát nhận quá nhiều công suất phản kháng Từ thông tản qua những vòng dây cuối của cuộn dây stato vuông góc với mạch từ stato và từ thông này s tăng lên khi máy phát hoạt động ở điều kiện dòng điện kích từ thấp, với trường hợp này, dòng tổn hao xoáy gây ra bởi từ thông tản đủ cao để làm phát nóng cạnh lõi thép ở cuối stato

Hình 5 Phân bố từ th ng tại khu vực l i th p cuối stato

Giới hạn phát nóng của cạnh lõi thép ở vùng cuối stato được xác định bởi chủng loại roto của máy phát, mức độ phát nóng có thể nặng nề hơn với máy phát roto cực ẩn Các máy phát cực lồi có thể không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này

Công suất tác dụng phát ra của máy phát còn bị giới hạn bởi công suất cơ của tuabin Trong sơ đồ đặc tính công suất phát của máy phát, giới hạn này được thể hiện bởi đường nét đứt nằm ngang trong biểu đồ đặc tính công suất phát của máy

phát (Hình 4)

Biểu đồ công suất phát thực tế của máy phát được trình bày trong Hình 6

Giới hạn do dòng kích trong đường đặc tính công suất được biểu diễn bởi đường cong AB, giới hạn do dòng điện phần ứng được biểu diễn bởi đường BC và giao

nhau tại điểm B như trong Hình 6:

Hình 6 iểu đ đặc tính khả năng phát của máy phát

 Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn (X d = X q)

Dựa theo hình dưới đây ta có thể thấy, công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q được tính theo:

Hình 7 iểu đ biểu di n quan hệ gi a dòng điện và điện áp của máy phát

Trong đó:

Eq là sức điện động của máy phát

Ut là điện áp đầu cực máy phát

Es là điện áp của hệ thống

X s là điện kháng hệ thống Biến đổi phương trình 2.3 và 2.4 ta có công suất tác dụng và công suất phản kháng do máy phát điện được biểu diễn bởi 2 phương trình đầy đủ dưới đây:

điều này xảy ra khi (1 tan tan ) 0   

Từ Hình 7 có thể thấy tan và tan có thể được xác định như sau:

tan I X r s

Từ phương trình ta thấy, đường tròn giới hạn ổn định tĩnh được biểu diễn

trong mặt phẳng PQ có tâm tại (0,

 Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực lồi (X d ≠ X q)

Công suất tác dụng và công suất phản kháng do máy phát điện cực lồi phát ra được biểu diễn bởi 2 phương trình dưới đây:

Hình 9 So sánh giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn và máy phát cực l i

e iới hạn thấp kích từ (Under Excitation Limiter)

Giới hạn thấp kích từ được trang bị để bỏ qua lệnh điều khiển yêu cầu giảm kích từ vượt quá giới hạn phát nóng mép lõi thép stato Rơle chống mất kích từ và rơle giới hạn thấp kích từ nên được cài đặt để không có vùng chồng lấn lẫn nhau Khi sự cố mất kích từ xảy ra, máy phát nhận công suất phản kháng và khâu giới hạn thấp kích từ nên hoạt động (nếu có sự cố) trước khi rơle chống mất kích từ tác động

Tổng hợp: từ các phân tích trên đây có thể thấy biểu đồ công suất phát của

máy phát s có các giới hạn như thể hiện trong Hình 10

Hình 10 iểu đ khả năng phát của máy phát c x t tới các giới hạn

2.2 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo giám sát công suất P và

Q của máy phát (sơ đồ P-Q)

2.2.1 Nguyên lý hoạt động

Với việc sử dụng phương pháp này [6], vùng bảo vệ có thể lấy trực tiếp từ đường cong công suất phát, giới hạn ổn định tĩnh và giới hạn thấp kích từ Sơ đồ bảo vệ mất kích từ máy phát dựa theo giám sát công suất P và Q của máy phát gồm các phần tử sau đây: phần tử bảo vệ mất kích từ, hai phần tử giám sát công suất tác

dụng và phần tử điện áp thấp Vùng làm việc của rơle là vùng gạch chéo trong Hình

11 nếu điểm làm việc của máy phát rơi vào vùng này thì rơle s cảnh báo và bắt đầu

khởi động chức năng cắt có trễ máy phát

(a) (b)

Hình 11 Đặc tính của bảo vệ mất kích từ dựa theo giám sát P & Q phối hợp với

giới hạn ổn định tĩnh

Trong đó: (a): Đặc tính ổn định tĩnh nằm ngoài đặc tính phát của máy phát

(b): Đặc tính ổn định tĩnh nằm trong đặc tính phát của máy phát

Vai trò của các phần tử này trong sơ đồ bảo vệ như sau:

+ Hai phần tử giám sát công suất tác dụng

Có nhiệm vụ giám sát lượng công suất máy phát đang phát ra có nằm trong giới hạn cho phép hay không Đặc tính giám sát P phía trái trùng với trục Q Đặc tính giám sát P phía phải chọn bằng công suất P phát của máy phát trước khi xảy ra

sự cố mất kích từ cộng thêm 20% công suất định mức máy phát Thông thường có thể chọn bằng công suất định mức của máy phát hoặc có thể chọn bằng công suất định mức của tuabin

Do vậy, chọn đặc tính của phần tử bảo vệ mất kích từ chỉ nhỏ hơn một chút so với

Nếu điểm làm việc vượt quá giới hạn thấp kích từ nhưng chưa vào vùng bảo

vệ thì tín hiệu cắt cũng s được gửi bởi bảo vệ thấp kích từ (Under Excitation Limit

- UEL), tuy nhiên sau thời gian trễ lớn hơn

Rơle điện áp thấp (thường đặt khoảng 0,8÷0,9 lần điện áp định mức) được bổ sung để tăng tốc độ cắt trong trường hợp điện áp quá thấp có nguy cơ gây sụp đổ điện áp Trong trường hợp điện áp nằm trong giới hạn cho phép thì không cần tăng tốc độ cắt vì khi đó hệ thống còn đang “khỏe”

Hình 12 Phối hợp làm việc của các phần tử trong sơ đ PQ

2.3 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo giám sát dòng điện và

điện áp của máy phát (sơ đồ U-I)

Khi sự cố mất kích từ xảy ra, máy phát bắt đầu nhận công suất phản kháng từ lưới Khi đó, góc pha của dòng điện s vượt trước góc pha của điện áp Để phát hiện

sự cố mất kích từ, có thể sử dụng rơle quá dòng có hướng để so sánh góc lệch giữa điện áp và dòng điện [2]

Sơ đồ phát hiện mất kích từ dựa theo bảo vệ quá dòng có hướng gồm các phần tử sau:

Hình 13 Logic tác động của bảo vệ mất kích từ theo sơ đ U-I

 Phần tử Iα là rơle quá dòng có hướng Đường đặc tính tác động của bảo

vệ quá dòng có hướng được cài đặt để phù hợp với giới hạn phát nóng của máy phát hoặc đường đặc tính giới hạn ổn định tĩnh Thời gian tác động thường chọn là 2s để tránh tác động nhầm với các trường hợp quá

độ hoặc dao động điện Phần tử quá dòng có hướng này là có thể coi bảo

vệ dự phòng cho khâu hạn chế dòng kích từ tối thiểu trong bộ điều khiển kích từ

 Rơle quá dòng với giá trị đặt khoảng 110 ÷ 115% dòng điện định mức của máy phát

 Phần tử điện áp thấp có giá trị đặt khoảng 90% điện áp định mức của máy phát

 thườngPhần tử quá dòng chọnbao gồm 1 dòng định hướng (Ia), với đặc tính góc -1200 đến 1200 và 1 dòng không định hướng (I>)

Tín hiệu cắt máy phát s được khởi tạo khi bảo vệ quá dòng có hướng hoạt động cùng với điện áp đầu cực máy phát giảm thấp hoặc dòng điện của máy phát tăng cao

2.4 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo tổng trở (sơ đồ R-X)

Phương pháp đo tổng trở được sử dụng rất phổ biến cho bảo vệ chống mất kích từ Sơ đồ bảo vệ sử dụng rơle tổng trở, nhận tín hiệu điện áp và dòng điện đầu cực máy phát để tính toán tổng trở Rơle được cài đặt nhìn vào trong máy phát

Khi mất kích từ, máy phát nhận công suất phản kháng từ lưới và điện kháng

X nhìn từ rơle chống mất kích từ s mang dấu âm Kết quả là, tổng trở đầu cực máy phát s dịch chuyển đến góc phần tư thứ tư trên mặt phẳng R-X

Như đã phân tích trong mục 1.3: với mức mang tải trước khi mất kích từ lớn, góc lệch của roto s tăng nhanh và đạt tới điểm cuối của quĩ đạo tại lân cận giá trị

tổng trở siêu quá độ dọc trục và ngang trục (X’’ d và X’’ q) Hoàn toàn tương tự, với mức mang tải trước khi mất kích từ nhỏ, góc lệch của roto s tăng chậm và hệ số trượt tại điểm cuối của quĩ đạo nhỏ Điểm cuối của đặc tính tổng trở s nằm tại lân

cận giá trị tổng trở dọc trục và ngang trục của máy phát (X d và X q)

Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở được thể hiện trong Hình 16

Hình 16 Quĩ đạo điểm làm việc của rơle tổng trở khi máy phát mất kích từ

Thông thường, có 2 phương pháp tiếp cận để phát hiện sự cố mất kích từ dựa trên đo tổng trở: (1) Sử dụng đặc tính tổng trở mho 2 vùng âm; (2) Sử dụng đặc tính tổng trở mho có miền dương và âm kết hợp phần tử định hướng công suất làm mục đích giám sát [7]

2.4.1 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở âm

Hình 17 Đặc tính của rơle tổng trở hai mi n âm bảo vệ mất kích từ

Đặc tính làm việc của rơle tổng trở mho hai vùng âm trong mặt phẳng tổng

trở là 1 vòng tròn có đường kính bằng X d và dịch theo trục X một khoảng –X ’ d /2 như

trên Hình 17 Đặc tính này được xác định dựa theo các phân tích sau đây:

 Khi xảy ra dao động điện hoặc mất đồng bộ với trường hợp cực đoan là

hệ thống có công suất vô cùng lớn, tổng trở hệ thống coi bằng 0, khi đó

tâm dao động điện nằm chính giữa điện kháng X’ d của máy phát Do đó

cả hai đặc tính đặc tính tổng trở âm này đều được cài đặt dịch đi một

+ Vùng 2: có đường kính là X d

Về cài đặt thời gian:

 Vùng 1: có đặc tính mở rộng giới hạn, có tính chọn lọc cao nên có thể cho phép tác động tức thời, do đó cung cấp bảo vệ cắt nhanh đối với các tình huống làm việc nặng nề đối với máy phát và hệ thống Thông thường thời gian trễ của vùng 1 được chọn là 0,1 giây

 Vùng 2: làm việc có trễ với thời gian thường chọn trong khoảng 0,5 ÷ 0,6 giây Mục đích tạo trễ để tránh tác động nhầm khi có sự cố ngoài mà sự

cố này có thể gây dao động điện, khi đó tổng trở đo được có thể tạm thời

đi vào vùng làm việc và rơle có thể tác động nhầm nếu không có thời gian trễ

2.4.2 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở kết

hợp phần tử định hướng

Hình 18 Đặc tính của rơle tổng trở kết hợp phần tử định hướng c ng suất

Sơ đồ này ứng dụng 2 vùng mho (có một vùng dương) và một vùng định hướng để phát hiện sự cố mất kích từ Ngoài ra còn kết hợp thêm phần tử điện áp thấp

+ Vùng 1: có giá trị cài đặt mở rộng tới 1.1*X d và dịch so với gốc

tọa độ một khoảng X’ d /2 Vùng 1 cho phép cài đặt thời gian cắt nhanh, thông

thường giá trị thời gian trễ là 0,1 giây

+ Vùng 2 cài đặt phối hợp với giới hạn ổn định tĩnh và khâu giới hạn thấp kích từ Trong trường hợp vận hành bất thường có kích từ thấp (có thể xảy ra do trục trặc của khâu giới hạn kích từ thấp) vùng 2 s đưa ra tín hiệu cảnh báo để người vận hành có thể xử lý tình huống và s tác động sau khoảng thời gian 10 giây ÷ 1 phút nếu như không không thể khôi phục trạng thái bình thường (giá trị thường đặt là 1 phút) Phần dương của đặc tính vùng

2 được lấy bằng tổng trở phía trước máy phát (qui đổi về hệ đơn vị tương đối theo công suất máy phát) Tổng trở này gồm tổng trở máy biến áp tăng áp đầu cực và tổng trở hệ thống (tổng trở hệ thống xét khi nguồn yếu, một đường dây tách khỏi vận hành)

+ Phần tử điện áp thấp: trong trường hợp xuất hiện cả điện áp thấp, thì đó là chỉ báo của trạng thái mất kích từ thật và hệ thống dễ rơi vào trạng thái sụp đổ, khi đó phần tử điện áp thấp s gia tốc cho thời gian vùng 2 chỉ còn từ 0,25 ÷ 1 giây (giá trị nhỏ dùng khi đặt tính tác động chỉ có một vùng, giá trị lớn dùng khi đặc tính tác động có 2 vùng) Ngưỡng khởi động của rơle điện áp thấp có thể đặt trong khoảng 0,8 ÷ 0,9 điện áp định mức

+ Phần tử định hướng: do vùng 2 có phần đặc tính dương nên cần

có phần tử định hướng công suất để tránh tác động nhầm Vùng định hướng được cài đặt để phối hợp với công suất phản kháng phát tối đa (thông thường cài đặt tới hệ số công suất 0,95 dòng điện vượt trước) và vùng hoạt động được cài đặt để “nhìn vào” máy phát để tránh tác động sai trong trường hợp

sự cố ngoài Thông thường góc ngiêng của đặc tính này khoảng từ 100 ÷ 200, giá trị cài đặt thường lấy là 130 [8]