Giáo trình Bảo vệ rơ le cung cấp cho người học các kiến thức: Bảo vệ so lệch và dòng công suất ngược cho máy phát xoay chiều đồng bộ; Bảo vệ sự cố chạm đất ROTOR, chống mất kích từ và bảo vệ quá Áp cho máy phát xoay chiều đồng bộ; Bảo vệ quá tốc độ, quá dòng cho máy phát xoay chiều đồng bộ-hòa đồng bộ máy phát điện; Phối hợp bảo vệ máy phát điện xoay chiều đồng bộ; Thí nghiệm hiện tượng nhẩy vọt từ hóa, bảo vệ so lệch và chống chạm đất Cho máy biến áp;...
Trang 1
UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG
GIÁO TRÌNH
Môn học/ Mô đun: Bảo vệ rơ le
NGHỀ:ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ LIÊN THÔNG
Hải Phòng, 2019
Trang 2TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đuợc phép dùng nguyên bản hoặc trích đúng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm
Trang 3LỜI GIỚI THIỆU
Tài liệu Bảo vệ rơ le là kết quả của Dự án “Thí điểm xây dựng chương trình
và giáo trình dạy nghề năm 2011-2012” Được thực hiện bởi sự tham gia của các giảng viên của trường Cao đẳng nghề công nghiệp Hải Phòng
Trên cơ sở chương trình khung đào tạo, trường Cao đẳng nghề công nghiệp Hải phòng, cùng với các trường trọng điểm trên toàn quốc, các giáo viên có nhiều kinh nghiệm thực hiện biên soạn giáo trình Bảo vệ rơ le phục vụ cho côngtác dạy nghề Chúng tôi xin chân thành cám ơn Trường Cao nghề Bách nghệ Hải Phòng,trường Cao đẳng nghề giao thông vận tải Trung ương II, trường Cao đẳng nghề số 3 Bộ quốc phòng, trường Cao đẳng nghề cơ điện Hà Nội đã góp nhiều công sức để nội dung giáo trình được hoàn thành
Giáo trình này được thiết kế theo mô đun thuộc hệ thống mô đun/ môn học của chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở cấp trình độ Cao đẳng nghề và được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo
Mô đun này được thiết kế gồm 7 bài:
Bài1 Bảo vệ so lệch và dòng công suất ngược cho máy phát xoay chiều đồng bộ Bài2 Bảo vệ sự cố chạm đất ROTOR,chống mất kích từ và bảo vệ quá Áp cho máy phát xoay chiều đồng bộ
Bài3 Bảo vệ quá tốc độ, quá dòng cho máy phát xoay chiều đồng bộ-hòa đồng
bộ máy phát điện
Bài4.Phối hợp bảo vệ máy phát điện xoay chiều đồng bộ
Bài5: Thí nghiệm hiện tượng nhẩy vọt từ hóa, bảo vệ so lệch và chống chạm đất Cho máy biến áp
Bài6: Thí nghiệm bảo vệ quá dòng và phối hợp bảo vệ cho máy biến áp
Bài7.Thí nghiệm bảo vệ sự cố cuộn dây quấn Stato, quá dòng và chống hiện
tượng rơi tốc cho động cơ không đồng bộ ba pha
Mặc dù đã hết sức cố gắng, song sai sót là khó tránh Tác giả rất mong nhận được các ý kiến phê bình, nhận xét của bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn
Tổ bộ môn
Trang 4MỤC LỤC
TRANG
4 Bài1 Bảo vệ so lệch và dòng công suất ngược cho máy phát 8
xoay chiều đồng bộ
7 Bài2.Bảo vệ sự cố chạm đất ROTOR,chống mất kích từ và bảo 26
vệ quá áp cho máy phát xoay chiều đồng bộ
bộ
bộ
bộ- hòa đồng bộ máy phát điện
chống chạm đất cho máy biến áp
Trang 522 1.Hiện tượng nhảy vọt từ hoá máy biến áp 83
25 Bài6: Thí nghiệm bảo vệ quá dòng và phối hợp bảo vệ cho máy
biến áp
108
28 Bài7.Thí nghiệm bảo vệ sự cố cuộn dây quấn Stato, quá dòng
và chống hiện tượng rơi tốc cho động cơ không đồng bộ ba pha
123
Trang 6MÔ ĐUN: BẢO VỆ RƠ LE
Mã mô đun: MĐ14
Vị trí, tính chất, vai trò của mô đun
- Vị trí: Mô đun Bảo vệ rơ le học sau các môn học, mô đun kỹ thuật cơ sở, đặc biệt
là các môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử cơ bản; Truyền động điện
- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề
- Vai trò của mô đun:
Bảo vệ rơ le có một vai trò rất quan trọng trong ngành Điện, đáp ứng những yêu cầu phức tạp của thiết bị Dùng để bảo vệ cho các thiết bị trong quá trình làm việc không có sự cố xẩy ra
Mô đun này trang bị cho học viên những kiến thức và kỹ năng cơ bản của các phương pháp bảo vệ rơ le
Mục tiêu của mô đun:
- Lắp ráp, vận hành được hệ thống tự động bảo vệ rơle trong hệ thống điện
- Kiểm tra/xác định được hư hỏng của các linh kiện, mạch điện bảo vệ
- Thay thế các thiết bị hư hỏng
- Phân tích được nguyên lý hoạt động của sơ đồ từ đó phát hiện sai lỗi và đề ra phương pháp cải tiến khả thi
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, nghiêm túc trong công việc và đảm bảo an toàn cho người và thiết bị
Nội dung của mô đun:
Số
Thời gian (giờ) Tổng
số
Lý thuyết
Thực hành
Kiểm tra*
1
2
Thí nghiệm bảo vệ so lệch và dòng
công suất ngược cho máy phát xoay
chiều đồng bộ
Thí nghiệm bảo vệ sự cố chạm đất
rôto, chống mất kích từ và bảo vệ
quá áp cho máy phát xoay chiều
đồng bộ
16
20
4
5
11
14
1
1
Trang 73
4
5
6
7
Thí nghiệm bảo vệ quá tốc độ, quá
dòng cho máy phát xoay chiều đồng
bộ hòa đồng bộ máy phát điện
Thí nghiệm phối hợp bảo vệ máy
phát xoay chiều đồng bộ
Thí nghiệm hiện tượng nhảy vọt từ
hóa bảo vệ so lệch và chống chạm
đất cho máy biến áp
Thí nghiệm bảo vệ quá dòng và phối
hợp bảo vệ cho máy biến áp
Thí nghiệm bảo vệ sự cố cuộn dây
quấn stato, quá dòng và chống hiện
tượng rơi tốc cho động cơ không
đồng bộ ba pha
20
12
20
12
20
5
3
5
3
5
14
8,5
14
8,5
14
1
0,5
1
0,5
1
Trang 8BÀI 1: BẢO VỆ SO LỆCH VÀ DÒNG CÔNG SUẤT NGƯỢC
CHO MÁY PHÁT XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ
Mã bài : 19-01 Giới thiệu:
Khi ngắn mạch giữa các pha trong các cuộn dây của máy phát dòng ngắn mạch có thể đạt giá trị rất lớn vì điện trở kháng của máy phát giảm rất nhanh so với sức điện động của nó Sự nguy hiểm của dòng ngắn mạch thể hiện qua sự đốt nóng lõi thép và các cuộn dây Ngắn mạch chạm massae tại một điểm của máy phát nhìn chung không thay đổi các tham số của nó, do đó máy phát vẫn có thể làm việc trong một thời gian nhất định cho đến khi thuận lợi mới cắt ra để sửa chữa Tuy nhiên khi ngắn mạch chạm massae tại hai điểm thì phần cuộn dây giữa hai điểm này bị nối tắt nên dòng điện trong cuộn dây sẽ tăng lên, làm dây dẫn bị đốt nóng và làm mất đối xứng của từ trường do cuộn dây kích từ sinh ra, là rung máy phát
Bảo vệ so lệch là phương pháp hiệu quả nhất dùng để bảo vệ cho các cuộn dây quấn stator của máy phát điện xoay chiều đồng bộ chống lại các sự cố chạm pha với pha và pha với đất Trong hệ thống bảo vệ so lệch, ở mỗi pha có một mạch điện dùng để so sánh dòng điện đi vào và dòng điện đi ra khỏi thiết bị bảo vệ Bất
kì một sự khác nhau nào của các dòng điện này với một lượng đủ lớn để làm cho rơ
le hoạt động, khi đó sự cố sẽ bị loại bỏ Hình MĐ 36-01-01 là sơ đồ đơn giản của
hệ thống bảo vệ so lệch một pha
Mục tiêu:
- Trình bày được các biện pháp bảo vệ khác nhau dùng để bảo vệ cho máy phát điện xoay chiều đồng bộ
- Lắp đặt được hệ thống bảo vệ so lệch và bảo vệ công suất ngược dùng để bảo vệ cho máy phát điện xoay chiều đồng bộ
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, nghiêm túc trong công việc và đảm bảo an toàn cho người và thiết bị
1 Bảo vệ so lệch cho máy phát xoay chiều đồng bộ
Mục tiêu:
- Lắp ráp, vận hành được hệ thống tự động bảo vệ so lệch cho máy phát xoay chiều đồng bộ
- Kiểm tra/xác định được hư hỏng/ thay thế các linh kiện mạch điện bảo vệ 1.1 Mục đích của thí nghiệm
Trang 9Sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này học viên làm quen được hệ thống bảo
vệ so lệch dung để bảo vệ cho máy phát xoay chiều đồng bộ
1.2 Tóm tắt lý thuyết
Máy phát điện xoay chiều đồng bộ là phần tử quan trọng nhất trong hệ hệ thống điện, sự làm việc tin cậy của các máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến
độ tin cậy của toàn hệ thống Vì vậy đối với máy phát điện, đặc biệt là các máy có công suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để ngăn ngừa các sự cố và chế độ làm việc bất thường như: ngắn mạch nhiều pha, ngắn mạch giữa các vòng dây, ngắn mạch chạm massae, chế độ không đối xứng và chế độ quá tải của stator…
Khi ngắn mạch giữa các pha trong các cuộn dây của máy phát dòng ngắn mạch có thể đạt giá trị rất lớn vì điện trở kháng của máy phát giảm rất nhanh so với sức điện động của nó Sự nguy hiểm của dòng ngắn mạch thể hiện qua sự đốt nóng lõi thép và các cuộn dây Ngắn mạch chạm massae tại một điểm của máy phát nhìn chung không thay đổi các tham số của nó, do đó máy phát vẫn có thể làm việc trong một thời gian nhất định cho đến khi thuận lợi mới cắt ra để sửa chữa Tuy nhiên khi ngắn mạch chạm massae tại hai điểm thì phần cuộn dây giữa hai điểm này bị nối tắt nên dòng điện trong cuộn dây sẽ tăng lên, làm dây dẫn bị đốt nóng và làm mất đối xứng của từ trường do cuộn dây kích từ sinh ra, là rung máy phát
Bảo vệ so lệch là phương pháp hiệu quả nhất dùng để bảo vệ cho các cuộn dây quấn stator của máy phát điện xoay chiều đồng bộ chống lại các sự cố chạm pha với pha và pha với đất Trong hệ thống bảo vệ so lệch, ở mỗi pha có một mạch điện dùng để so sánh dòng điện đi vào và dòng điện đi ra khỏi thiết bị bảo vệ Bất
kì một sự khác nhau nào của các dòng điện này với một lượng đủ lớn để làm cho rơ
le hoạt động, khi đó sự cố sẽ bị loại bỏ (hình 1-1) là sơ đồ đơn giản của hệ thống bảo vệ so lệch một pha
Trang 10Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống bảo vệ so lệch một pha
ứng qua hai máy biến dòng giống nhau Khi không có sự cố trong thiết bị được bảo
các máy biến dòng được kết nối như hình 1 – 1 không có dòng điện chạy trong
sẽ chạy trong cuộn dây của rơ le Nếu dòng này đủ lớn làm rơ le tác động thì sự cố
sẽ bị loại bỏ
(Hình 1-2) Miêu tả sơ đồ đơn giản của một hệ thống bảo vệ so lệch dùng để bảo vệ cho một máy phát đồng bộ ba pha Nó giống như mạch điện trong hình MĐ 36-01-01 nhưng được đấu ở cả ba pha cuộn dây và ở phía thứ cấp của các máy biến dòng nối chung lại và nối với dây trung tính Chú ý dây trung tính của máy phát được nối đất qua một điện trở để hạn chế độ lớn giá trị dòng điện chạm đất Hệ thống trong (hình 1-2) bảo vệ các cuộn dây quấn stator chống sự cố chạm đất cũng như sự cố chạm pha – pha
Trang 11Hình 1-2 Bảo vệ so lệch không hãm cho máy phát xoay chiều đồng bộ
thống bảo vệ so lệch không hãm không bằng 0 trong điều kiện không có sự cố Do
dòng này thường rất nhỏ (khi mạch không có sự cố) nhỏ hơn so với giá trị đặt trên các rơ le nên rơ le không tác động Tuy nhiên khi tải áp đặt vào các thiết bị được bảo vệ tăng lên đáng kể hoặc có sự cố bên ngoài gây ra dòng ngắn mạch chạy qua thiết bị được bảo vệ, dòng điện này có thể tăng lên đáng kể Để tránh cho hệ thống bảo vệ tác động trong trường hợp này thì giá trị đặt của rơ le phải được chỉnh định tăng lên, do đó độ nhạy của bảo vệ bị giảm đáng kể Để khắc phục được vấn đề này, các rơ le bảo vệ được mắc thêm cuộn hãm Các dòng này có tác dụng ngăn chặn tác động ngắt của rơ le bảo vệ khi có sự tăng của dòng không cân bằng do sự tăng mạnh của dòng điện chạy qua thiết bị được bảo vệ Kết quả, giá trị đặt trên các
rơ le được giảm xuống và độ nhạy của bảo vệ được tăng lên
(Hình 1-3) Miêu tả sơ đồ đơn giản của hệ thống bảo vệ so lệch dùng rơ le có cuộn hãm để bảo vệ máy phát điện xoay chiều đồng bộ Nó được xem như bảo vệ
so lệch có hãm
Trang 12Hình 1-3 Bảo vệ so lệch có hãm cho máy phát điện xoay chiều đồng bộ
٭ Tóm tắt bài thí nghiệm
Trong phần đầu của bài thực hành, lắp đặt các thiết bị lên EMS Workstation
và Protective Relaying Control station
Phần thứ hai, nối kết các thiết bị như hình MĐ 36-01-04 và MĐ 36-01-05 Trong mạch này máy phát đồng bộ được bảo vệ bằng hệ thống bảo vệ so lệch không hãm, cung cấp tới một tải cân bằng ba pha Hệ thống bảo vệ bao gồm các máy biến dòng đặt tại hai đầu của cuộn dây quấn stator của máy phát, một điện trở nối đất và một rơ le quá dòng Khi dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra của một cuộn dây khác nhau một lượng đủ lớn rơ le quá dòng sẽ tác động Nó tạo ra dòng điện chạy trong cuộn của rơ le phụ và làm cho công tắc tơ CR1 và CR2 mở, kéo theo làm mất kết nối từ máy phát điện tới tải và hở mạch kích từ của máy phát để dừng việc phát điện, sự cố được loại bỏ
Mở công tắc tơ CR3 để ngăn chế độ hoạt động của hệ thống bảo vệ Khi máy phát cung cấp công suất tới tải tạo ra sự cố chạm đất đãn tới thay đổi độ lớn của dòng so lệch bằng cách thay đổi giá trị của điện trở R4 Điều này sẽ mô phỏng được các sự cố cuộn dây chạm đất xảy ra tại các vị trí khác nhau của các cuộn dây quấn stator Chúng ta có thể quan sát hoạt động của rơ le quá dòng
Trang 13Trong phần thứ ba của bài thực hành, đóng công tắc tơ CR3 để bảo vệ không hoạt động Hãy lần lượt tạo ra các sự cố pha chạm đất và pha chạm pha để quan sát
sự hoạt động của hệ thống bảo vệ
1.3 Thiết bị thí nghiệm
Interconnection Module, Power Supply, Universal Fault Module, Synchronous Motor/ Generator, Primer Mover/ Dynatometer, Faultable Transformers, Transmission Grid (A), Current Transformers, Resistor Loads, DC Volmetter/ Ammeter, EMS Workstation, Protective Relaying Control Station, dây đai, dây cáp
1.4 Trình tự thí nghiệm
1 Nối nguồn của Protective Relaying Control station với nguồn điện ba pha
và DC Power Supply của Protective Relaying Control Station đang tắt
Đưa các công tắc sự cố trên AC/DC Current Sensitive Relay về vị trí 0 (off) sau đó nắp đặt nó lên Protective Relaying Control Station
2 Đặt trên Universal Fault Module như sau:
TD1 thời gian trì hoãn… ~1 s SST1 thời gian tạm nghỉ… ~3 s SST2 thời gian tạm nghỉ… ~10 s
3 Lắp đặt Interconnection Module, Power Supply, Universal Fault Module, Synchronous Motor/ Generator, Primer Mover/ Dynatometer, Faultable Transformers, Transmission Grid (A), Current Transformers, Resistor Loads, DC Volmetter/ Ammeter lên trên EMS Workstation
Dùng dây đai để liên kết cơ khí giữa Synchronous, Motor/ Generator và Primer Mover/ Dynatometer
Kiểm tra Power Supply và núm chỉnh điện áp chỉnh về vị trí 0
Trên Current Transformers, chắc chắn rằng tất cả các công tắc được đặt ở ví trí 1 (close) để ngắn mạch phía thứ cấp của các máy biến dòng
4 Kết nối ngõ vào LOW POWER INPUT của Primer Mover/ Dynatometer tới ngõ ra 24V của Power Supply
Bảo vệ so lệch không hãm cho máy phát xoay chiều đồng bộ
5 Kết nối Interconnection Module đã được nắp đặt trên EMS Workstation tới Interconection Panel của Protective Relaying Control Station bằng các dây cáp
Kết nối các thiết bị như (hình 1-4 và 1-5)
Trang 14Hình 1-4 Sơ đồ kết nối thiết bị trên EMS Workstation
Trang 15Hình 1-5 Sơ đồ kết nối thiết bị trên Protective Relaying Control Station
6 Đặt sẵn các thiết bị như sau:
Trên Synchronous Motor/ Generator
Công tắc EXCITER… 1 (close) Nút vặn EXCITER… vị trí giữa (mid) Trên Primer Mover/ Dynatometer
Công tắc MODE Primer Mover Công tắc DISPLAY… SPEED Trên Transmission Grid (A)
Công tắc S1 và S2… O (open) Trên AC/DC Current Sensitive Relay
Công tắc INPUT… AC Công tắc MODE OVER CURRENT Trên Universal Fault Module
Nút INITIATE FAULT… vị trí nhả Công tắc FAULT DURATION… 0,05 – 5s Các biến dòng phải được nối như trong (hình1-4), sau đó đặt tất cả các công tắc của các máy biến dòng từ CT1 đến CT6 trên Current Transformers ở vị trí 0 (off)
Trang 167 Điều chỉnh giá trị đặt dòng điện và sai số của AC/DC Current Sensitive Relay lần lượt là 1A và 5%
Bật nguồn DC Power Supply của Protective Relaying Control Station
Trên Transmission Grid (A), chỉnh công tắc S3 sang vị trí O (open) để mở công tắc tơ CR3 Nó sẽ ngăn chặn sự hoạt động của hệ thống bảo vệ không hãm và cho phép rơ le AC/DC Current Sensitive Relay hoạt động để quan sát
8 Bật nguồn Power Supply và điều chỉnh núm điều chỉnh điện áp để Primer Mover quay ở tốc độ xấp xỉ với tốc độ định mức của máy phát điện xoay chiều đồng bộ
Chỉnh núm điều chỉnh EXCITER của Synchronous Motor/ Generator để điện
áp dây của máy phát đồng bộ gần bằng giá trị định mức
Dòng điện trên dây ( được chỉ bởi I1) phải xấp xỉ với giá trị của dòng đầy tải định mức của máy phát điện đồng bộ
9 Trên Universal Fault Module, ấn nút INITIATE FAULT để tạo ra sự cố dây pha chạm đất xảy ra gần đầu cuối dây pha của cuộn dây stator Cùng lúc đó quan sát các dòng điện dây, dòng điện trung tính ( được chỉ bởi I2), dòng so lệch chạy trong cuộn dây của rơ le bảo vệ ( được chỉ bởi I3) và tín hiệu tác động (đèn LED đỏ) trên AC/DC Current Sensitive Relay
Miêu tả hiện tượng xảy ra:
10 Trên Universal Fault Module, chỉnh nút INITIATE FAULT ở vị trí nhả Chỉnh giá trị điện trở R4 = 4400Ω ( sử dụng Resistor Load 2 )
11 Trên Universal Fault Module, ấn nút INITIATE FAULT để tạo ra sự cố dây pha chạm đất xảy ra gần đầu cuối dây trung tính của cuộn dây stator Cùng lúc
đó quan sát các dòng điện dây, dòng điện trung tính, dòng so lệch chạy trong cuộn dây của rơ le bảo vệ và tín hiệu tác động trên AC/DC Current Sensitive Relay
Miêu tả hiện tượng xảy ra, giải thích ngắn ngọn tại sao
Bảo vệ chống lại các sự cố pha chạm đất và sự cố chạm pha – pha
12 Trên Universal Fault Module, chỉnh nút INITIATE FAULT ở vị trí nhả Trên Control Relay 1 trên Protective Relaying Control Station, nhấn nút reset của rơ le điều khiển CR1 để khởi động hệ thống bảo vệ so lệch không hãm