›
›

Đồ án Nghiên cứu tổng quan về trạm phát điện-Đi sâu đo lường và bảo vệ - Nguyễn Ngọc Quyết

pdf 86 trang huongle 2050
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu tổng quan về trạm phát điện-Đi sâu đo lường và bảo vệ - Nguyễn Ngọc Quyết", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_nghien_cuu_tong_quan_ve_tram_phat_dien_di_sau_do_luong.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu tổng quan về trạm phát điện-Đi sâu đo lường và bảo vệ - Nguyễn Ngọc Quyết

  1. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN 2 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN. 2 1.1.1. Động cơ Diesel trong trạm phát điện. 2 1.1.2. Máy phát điện đồng bộ dùng trong trạm phát điện. 8 1.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC LOẠI TRẠM PHÁT ĐIỆN. 12 1.2.1. Trạm phát điện trên tàu thủy. 13 1.2.2. Trạm phát điện dự phòng trên bờ. 17 1.3. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG CÁC NHÀ MÁY XÍ NGHIỆP. 19 1.3.1. Khái quát chung về trạm phát điện Nomura Hải Phòng. 19 1.3.2. Sơ đồ nguyên lý của trạm phát. 21 CHƢƠNG 2. BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN 24 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƢỜNG VÀ BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT ĐIỆN 24 2.1.1. Khái quát và phân loại. 24 2.1.2. Chuyển đổi đo lƣờng và tổ hợp thiết bị đo. 25 2.1.3. Các nguyên lý đo lƣờng dùng cho mục đích bảo vệ. 26 2.2. CÁC DỤNG CỤ ĐO CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN. 28 2.2.1. Đo dòng điện và điện áp. 28 2.2.2. Đo tổng trở. 32 2.2.3. Đo tần số. 35 2.2.4. Đo công suất. 36 2.3. CÁC KHÍ CỤ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN. 36 2.3.1. Aptomat. 36 2.3.2. Cầu chì. 37
  2. 2.3.3. Contactor. 39 2.3.4. Rơle điều khiển và bảo vệ. 40 2.3.5. Máy cắt. 44 2.3.6. Dao cách ly. 45 2.3.7. Rơle công suất ngƣợc. 45 2.3.8. Các loại thiết bị dùng để bảo vệ đƣờng dây phân phối điện. 47 2.3.9. Tự động chuyển nguồn ATS. 49 CHƢƠNG 3. TỰ ĐỘNG HÓA ĐO LƢỜNG VÀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN 51 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỆ TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM PHÁT ĐIỆN. 51 3.1.1. Tự động điều chỉnh điện áp trạm phát điện. 51 3.1.2. Làm việc song song của các máy phát trong trạm phát điện. 54 3.2. MỘT SỐ QUY ĐỊNH VỀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN. 60 3.2.1. Nhiệm vụ của các thiết bị bảo vệ. 62 3.2.2. Các yêu cầu đối với các thiết bị bảo vệ 62 3.3. CÁC HÌNH THỨC BẢO VỆ ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT. 63 3.3.1. Khái quát chung. 63 3.3.2. Các thông số và đại lƣợng của diesel cần giám sát trên trạm phát điện sự cố. 64 3.3.3. Khởi động, dừng diesel – generator sự cố. 66 3.4. CÁC BẢO VỆ MÁY PHÁT VÀ TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN. 69 3.4.1. Bảo vệ máy phát điện đồng bộ. 69 3.4.2. Bảo vệ các đƣờng dây truyền tải và phân phối điện. 81 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84
  3. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nền kinh tế nƣớc ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân ngày càng đƣợc nâng cao. Nhu cầu sử dụng điện năng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt vì thế cũng tăng theo. Cho nên trạm phát điện dự phòng ngày càng có vị trí quan trọng và không thể thiếu. Nó đƣợc dùng làm nguồn dự phòng cho các công ty, xí nghiệp, các công trình, nhà xƣởng, văn phòng, cao ốc, bệnh viện, các khu công nghiệp, khu chế suất, Vì vậy đòi hỏi ngƣời vận hành phải nắm vững và hiểu rõ kiến thức chuyên môn về trạm phát điện dự phòng. Sau những năm học tập tại trƣờng, đƣợc sự chỉ bảo hƣớng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện tử em đã kết thúc khóa học và tích lũy đƣợc vốn kiến thức nhất định. Đƣợc sự đồng ý của nhà trƣờng và thầy cô giáo trong khoa em đƣợc giao đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu tổng quan về trạm phát điện – Đi sâu đo lƣờng và bảo vệ” Trong thời gian làm đề tài với sự cố gắng của bản thân, đồng thời với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện Tử và đặc biệt đƣợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Hoàng Xuân Bình em đã hoàn thành nhiệm vụ đƣợc giao. Mặc dù đã rất cố gắng nhƣng kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô để em có thể hoàn thiện đồ án hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Hoàng Xuân Bình cùng các thầy, cô giáo trong khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện giúp đỡ em. Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Quyết 1
  4. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN. Trạm phát điện dùng làm nguồn dự phòng cho các công ty, xí nghiệp, các công trình, nhà xƣởng, văn phòng, cao ốc, bệnh viện, mạng lƣới viễn thông, các khu công nghiệp, khu chế xuất, v.v Tùy thuộc vào yêu cầu về công suất của tải, công suất của trạm phát điện có thể từ vài chục KW cho tới vài chục hoặc vài trăm MW. Máy phát điện của trạm phát điện thƣờng là máy phát điện xoay chiều đồng bộ ba pha có bộ tự động điều chỉnh điện áp. Động cơ lai máy phát điện có thể là động cơ diesel, động cơ hơi nƣớc hoặc động cơ chạy gas. Động cơ diesel đƣợc dùng phổ biến vì dễ dàng trong việc vận hành sửa chữa, khai thác, dễ dàng cho phép dùng các hệ thống tự động để điều khiển. Trạm phát điện thƣờng đƣợc trang bị một hay nhiều tổ hợp diesel – Máy phát điện. Nếu trạm phát điện có từ hai tổ hợp diesel – Máy phát điện trở lên, các máy phát có thể công tác song song với nhau. Các tổ hợp diesel – Máy phát điện có thể điều khiển bằng tay hoặc tự động. Để điều khiển tự động các tổ hợp diesel – Máy phát điện, ngƣời ta dùng các bộ tự động chuyển nguồn (ATS: Auto Transfer Switch). Khi lƣới điện chính bị mất, trạm phát điện dự phòng tự động hoạt động và tự động đóng điện cho tải. Khi lƣới điện chính có điện trở lại, tải đƣợc tự động chuyển sang nguồn chính, trạm phát điện tự động dừng hoạt động và chuyển sang chế độ sẵn sàng (Stanby Mode). Để tự động giữ cho tần số của máy phát không đổi, các động cơ diesel đƣợc trang bị bộ tự động ổn định tốc độ. 1.1.1. Động cơ Diesel trong trạm phát điện. 1.1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diesel. Động cơ sơ cấp dùng diesel hiện nay đã trở nên thông dụng do các ƣu điểm nổi bật của nó. Một yêu cầu rất quan trọng mang tính chất bắt buộc là 2
  5. diesel phải làm việc với bộ điều tốc. Trạm phát điện trong quá công tác của mình luôn phải thỏa mãn một đòi hỏi là các tổ hợp D-G trong trạm phải làm việc song song với nhau. Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong kiểu piston trong các quá trình cấp nhiên liệu, hòa trộn hỗn hợp và cháy đƣợc thực hiện chủ yếu trong thể tích buồng cháy động cơ. Hiện nay các động cơ diesel đều là loại có tăng áp, không khí đƣợc nạp cƣỡng bức vào xilanh động cơ. Khi áp dụng phƣơng pháp tăng áp cho diesel, năng lƣợng của khí xả giãn nở tiếp tục trên cánh tuabin và năng lƣợng này tạo nên lực nén chó máy nén mà tuabin lai để nén không khí phía ngoài xilanh, tăng hiệu quả biến nhiệt năng của khí thành công có ích. Pmin Vmax Tmin MN TB Pmax Vmin Tmax K Li Pk Tk P Ps Ts BLM Hình 1.1: Nguyên lý cấu tạo động cơ diesel Hình 1.1 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ diesel dùng cho tàu thủy trong đó: MN: máy nén; TB: tuabin; GT: guốc trƣợt; XL: xilanh; P: piston; K: ống xả; BLM: bầu làm mát. Thực tế một diesel có cấu tạo phức tạp hơn nhiều, trong đó bao gồm các chi tiết cố định và các chi tiết chuyển động. Các chi tiết cố định gồm bệ động cơ, khung thân, xilanh, nắp xilanh. Các chi tiết chuyển động gồm piston, xecmăng, cán piston, đầu chữ thập, biên, trục khuỷu, bánh đà, các chi tiết của cơ cấu phối khí Thực chất, để một diesel có 3
  6. thể hoạt động đƣợc cần phải có một loạt các hệ thống phục vụ nhƣ: Hệ thống nhiên liệu dùng để chuẩn bị nhiên liệu và cấp vào xilanh đúng thời điểm với lƣợng xác định. Hệ thống dầu xoa trơn (dầu nhờn) cấp dầu bôi trơn cho bề mặt làm việc các chi tiết chuyển động tƣơng đối với nhau và làm mát các chi tiết này. Hệ thống làm mát dùng để làm mát các chi tiết hoặc cơ cấu có nhiệt độ cao trong quá trình làm việc. Hệ thống khí nén dùng để khởi động và hãm động cơ. Hệ thống nạp thải dùng để đảm bảo lƣợng không khí cấp vào xilanh động cơ và xả sạch sản vật cháy ra phía ngoài. Hệ thống đảo chiều (hệ thống này không dùng cho diesel trạm phát điện). Chu trình của dòng khí đi trong quá trình làm việc sinh công của diesel nhƣ sau: không khí trƣớc của hút máy nén có áp suất, nhiệt độ p0, T0 đƣợc máy nén nén đến áp suất và nhiệt độ PK, TK, không khí này đƣợc đƣa đến bầu làm mát BLM, không khí sau bầu làm mát với áp suất nhiệt độ PS, TS, đƣợc nạp vào động cơ, cuối chu kỳ nén của piston áp suất, thể tích, nhiệt độ môi chất là Pmax, Vmin, Tmax đây chính là giai đoạn sinh công của máy. Sau sinh công, khí xả đƣợc thoát ra K rồi qua tuabin TB và không khí với áp suất, thể tích và nhiệt độ Pmin, Vmax, Tmin thoát ra ngoài. Nhƣ vậy, trong động cơ diesel, hóa năng của nhiên liệu trong quá trình cháy biến thành nhiệt năng, nhiệt năng biến thành công cơ học trực tiếp trong xilanh. Khi cháy, nhiên liệu có áp suất và nhiệt độ cao giãn nở và truyền áp lực lên piston, piston dịch chuyển trong xilanh. Chuyển động tịnh tiến tronh xilanh của piston biến thành chuyển động quay trục khuỷu nhờ cơ cấu biên khuỷu. Chu trình công tác (toàn bộ quá trình liên tục tạo nên hoạt động của động cơ và các quá trình lặp lại có tính chu trình trong mỗi xilanh) của động cơ đốt trong kiểu piston đƣợc thực hiện trong một hoặc hai vòng quay trục khuỷu. Động cơ hai kỳ chu trình công tác thực hiện sau một vòng quay trục khuỷu với hai hành trình trong đó có một hành trình sinh công. Động cơ bốn kì chu trình công tác hoàn thành trong hai vòng quay trục khuỷu với bốn hành trình piston trong đó có một hành trình 4
  7. sinh công. Các hành trình không sinh công đƣợc gọi là hành trình phụ, các hành trình này đƣợc thực hiện nhờ động năng của phần chuyển động quay của động cơ hoặc là hành trình sinh công của các xilanh khác. 1.1.1.2. Công suất và các vấn đề ổn định điểm làm việc. Công suất của động cơ có nhiều xilanh đƣợc xác định bằng tổng công suất chỉ thị của các xilanh riêng biệt: Ni = Σ Ni.XL (1.1) Trong đó Ni.XL là công suất chỉ thị của một xilanh, công suất này đƣợc tính: Ni.XL = k.Pi.n (với k = Vs.z/60) (1.2) Vs – thể tích công tác của xilanh; z – hệ số chu kỳ; n – vòng quay của động cơ (v/ph); Pi – áp suất chỉ thị trung bình. Từ (1.1) có thể viết công suất chỉ thị của một diesel nhiều xilanh (theo kết quả tính toán các quá trình công tác, giá trị pi đƣợc chọn giống nhau đối với tất cả các xilanh) nhƣ sau: VSi P n i z Nii k1 p n (1.3) 60 VS i z Với k1 60 Công thức (1.3) cho phép đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố khai thác, yếu tố kết cấu đến công suất chỉ thị của động cơ. Khi khai thác công suất chỉ thị tăng lên nhờ việc tăng áp suất chỉ thị trung bình và vòng quay động cơ. Tuy vậy trong quá trình khai thác, trạng thái kỹ thuật, chất lƣợng hệ thống nhiên liệu, hệ thống trao đổi khí giữa các xilanh khác nhau làm cho công suất giữa các xilanh khác nhau. Khi công suất giữa các xilanh khác nhau thì lực tác dụng từ piston qua cán piston, qua biên lên trục khuỷu khác nhau và nhƣ vậy mỗi một piston sẽ tạo một lực khác nhau lên trục khuỷu, làm cho trục khuỷu quay ở mỗi thời điểm sinh công của mỗi xilanh có một gia tốc khác 5
  8. nhau. Bánh đà sẽ là thiết bị làm giảm dao động cơ học này nếu lực tác dụng lên trục khuỷu sai khác nhau năm trong giới hạn cho phép, nếu độ sai khác của mỗi điểm sinh công quá khác nhau thì vấn đề không ổn định của trục quay sẽ là rất khó khăn cho quá trình công tác song song của các tổ hợp D-G trong trạm. Điểm công tác trên đặc tính ngoài chắc chắn không thể nằm trọn trên đặc tính tĩnh mà nó sẽ dao động trong một loạt đƣờng trung gian ở lân cận đặc tính tĩnh mà đặc tính tĩnh sẽ là đƣờng trung bình của các đƣờng dao động kia. [Trích tr 82, 84 – 2] 1.1.1.3. Ổn định tốc độ cho động cơ diesel trong trạm phát điện. Để giữ cho diesel làm việc có tốc độ ổn định trong trạm phát điện, diesel luôn cần phải có một bộ điều tốc thích hợp. Bộ điều tốc nếu nhìn từ quan điểm điều khiển là một hệ thống tự động điều chỉnh. Hình 1.2: Diesel làm việc với bộ điều chỉnh tốc độ Các bộ tự động điều chỉnh tốc độ trƣớc đây thƣờng là các bộ điều tốc cơ khí và ngày nay có thêm các bộ điều tốc điện tử. Các bộ tự động điều chỉnh tốc độ đƣợc xây dựng theo nguyên lý độ lệch nhƣ hình 1.2. Để nghiên cứu bộ điều tốc làm việc với động cơ diesel, đặc biệt là với những bộ điều tốc cơ học kinh điển, ngƣời ta phải giải quyết các bài toán phi tuyến bao gồm các khâu: bão hòa, vùng không nhạy, hệ số khuếch đại thay đổi là hệ thống phi tuyến. Khi nghiên cứu về các bộ điều tốc loại này thƣờng sử dụng phƣơng pháp gần đúng là tuyến tính hóa các đặc tính phi tuyến để đƣa 6
  9. về giải bài toán tuyến tính cho đơn giản hơn. Mô hình của các bộ điều tốc cũng đƣợc nghiên cứu và trình bày theo các loại điều tốc khác nhau. Bộ điều tốc tác động trực tiếp Phƣơng trình toán học của bộ điều tốc tác động trực tiếp nhƣ sau: dd2 T2 pp T( ) s s 0 (1.4) idt2 T dt p i p 0 Trong đó: Ti – hằng số thời gian đặc trƣng khối lƣợng cơ cấu đo; μp – sự dịch chuyển của thiết bị điều chỉnh; TT – hằng số thời gian ma sát trƣợt của bộ điều chỉnh; δ – sai số tĩnh của bộ điều tốc; δi – thời gian tĩnh phụ; ξ – sự dịch chuyển van tiết lƣu của bộ điều tốc; s – độ trƣợt; s0 – giá trị đặt bộ điều tốc. Phƣơng trình của van tiết lƣu: d TKp (1.5) dt Trong đó: TK là hằng số thời gian của van tiết lƣu. Với bộ điều tốc dải rộng bao giờ cũng đi kèm động cơ servo. Phƣơng trình của động cơ servo nhƣ sau: d p T (1.6) C dt Trong đó: TC – hằng số thời gian của động cơ servo; ζ – sự chuyển động tƣơng đối của van tiết lƣu. Các phƣơng trình (1.4, 1.5, 1.6) mô tả hoạt động của bộ điều chỉnh tốc độ trực tiếp. Nếu trong hệ thống thực hiện phản hồi tín hiệu ở dạng nối cứng kinh điển về cơ học với sự chuyển động của xylanh thì phƣơng trình liên hệ giữa cơ cấu đo và xylanh có dạng: ζ = η – μp (1.7) Trong đó η là sự dịch chuyển tƣơng đối của phần tử cảm biến. Bộ điều tốc tác động gián tiếp 7
  10. Để tăng độ nhạy của hệ thống đồng thời giảm độ quá điều chỉnh trong quá trình quá độ ngƣời ta đƣa thêm vào bộ điều tốc khâu khuếch đại trung gian. Khâu khuếch đại trung gian này thƣờng đƣợc chế tạo là khâu thủy lực, cũng có hãng sử dụng khâu khuếch đại điện tử. Phƣơng trình viết cho khâu gián tiếp tổng quát có dạng: d2 z dz T2 nn2 T z k s (1.8) ndt2 n dt n n Trong đó: zn – xung tác động lên hệ thống điều chỉnh; ζ – hệ số tắt dần; kn – hệ số truyền gián tiếp; s – độ lệch tải trên trục tổ hợp (độ lệch của vận tốc quay). 1.1.2. Máy phát điện đồng bộ dùng trong trạm phát điện. 1.1.2.1. Cấu tạo chung của máy phát đồng bộ. Cấu tạo của máy phát đồng bộ về nguyên lý thì có thể đặt phần cảm ở rotor và phần ứng ở stator hoặc ngƣợc lại. Tuy nhiên, thực tế các máy phát điện đồng bộ luôn chọn phần cảm (phần tạo ra từ trƣờng chính) nằm trên rotor còn phần ứng (phần tạo nên sức điện động cung cấp dòng điện cho phụ tải) đặt ở stator, lý do chủ yếu là với các máy điện có công suất lớn việc dẫn điện ba pha từ rotor ra ngoài cung cấp cho phụ tải gặp rất nhiều khó khăn khi phải thông qua vành trƣợt, chổi than. Nhƣ vậy, trong thực tế hầu hết các máy phát đồng bộ stator đóng vai trò phần ứng còn rotor đóng vai trò phần cảm. Máy điện xoay chiều dù là phần ứng hay phần cảm mạch từ cũng đều phải đƣợc chế tạo từ thép lá kỹ thuật điện, đƣợc cán nóng hay cán lạnh, có độ dày từ 0,35 đến 0,5 mm, đƣợc dập định hình theo thiết kế, sơn cách điện rồi ghép chặt lại với nhau. Dây dẫn điện của máy điện đồng bộ đƣợc làm bằng các kim loại màu nhƣ đồng, nhôm và hợp kim của chúng. Vì stator là phần ứng nên trên nó đƣợc quấn cuộn dây ba pha, các cuộn dây này có trục đặt lệch nhau 1200 điện. Gọi là cuộn dây nhƣng với các máy điện có công suất lớn, dây dẫn phần ứng thƣờng là các thanh đồng đặt trong các rãnh xẻ sẵn trên stator. Cuộn 8
  11. dây phần cảm tạo ra từ trƣờng chính nằm trên rotor của máy điện đồng bộ. Rotor của máy điện đồng bộ thƣờng đƣợc chế tạo theo hai dạng: rotor cực ẩn dùng cho các máy cao tốc (từ 1500 vg/ph trở lên) và rotor cực hiện (cực lồi) thƣờng dùng cho các loại máy điện có tốc độ từ 1500 vg/ph trở xuống. Cách bố trí các cuộn dây kích từ treeb rotor máy điện đồng bộ cũng hoàn toàn khác nhau trong đó ở rotor cực ẩn cuộn dây đƣợc quấn rải trên ¾ chu vi ngaoif của rotor, còn ở rotor cực hiện, cuộn dây kích từ đƣợc quấn tập trung trên các cực từ, các cuộn dây này có thể nhìn rất rõ khi rút rotor máy điện đồng bộ ra khỏi stator. Vật liệu cách điện dùng cho máy điện đồng bộ có những đặc điểm sau: Có tính cách điện tốt, chịu đƣợc nhiệt độ biến động thay đổi trong pham vi lớn, có độ bền cơ học cao, chịu và chống đƣợc ẩm cũng nhƣ tác động của các loại hóa chất. Tuổi thọ của chất cách điện hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng công tác. [Trích tr 96 – 2] 1.1.2.2. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ. E0 Udm Ed Ikt 0 Iktdm Hình 1.3: Đặc tính không tải Đặc tính không tải là mối quan hệ giữa sức điện động với dòng điện kích từ khi dòng điện phụ tải bằng không và tốc độ máy phát là định mức: E0 f( IKT ) I 0; n n dm (1.9) Để có đặc tính không tải, cầu dao chính trên cực máy phát mở, thay đổi dòng điện kích từ từ 0 đến định mức, mỗi giá trị dòng kích từ sẽ nhận đƣợc một giá trị sđđ, tập hợp các điểm đó lại sẽ nhận đƣợc đặc tính không tải nhƣ hình 1.3 trong đó đặc tính có hai nhánh khi tăng và giảm dòng kích từ. Ở 9
  12. nhánh giảm, mặc dù dòng kích từ đã về không nhƣng giá trị sđđ vẫn khác không, giá trị sđđ này đƣợc gọi là Ed. Khi trong mạch từ của máy có Ed sẽ là điều kiện ban đầu cho quá trình tự kích sau này của máy phát đồng bộ. Giá trị Ed lớn hay nhỏ phụ thuộc vào cấu trúc và chất liệu làm nên mạch từ, khả năng tồn tại của Ed cũng phụ thuộc vào yếu tố trên cùng với thời gian và điều kiện làm việc của máy phát. Trong quá trình khai thác, nhiều khi Ed bị mất do nhiều lý do (do mạch từ ẩm, do vô tình từ hóa ngƣợc, do xung dòng ngắn mạch ) ngƣời vận hành lúc đó phải tiến hành mồi từ lại cho máy. Khi nghiên cứu thƣờng ngƣời ta dùng đƣờng trung bình (đƣờng nét đứt) và coi gần đúng Ed = 0. 1.1.2.3. Đặc tính ngắn mạch. I 1 2 3 Idm Ikt 0 Iktnm1 Iktnm2 Iktnm3 Hình 1.4: Đặc tính ngắn mạch Đặc tính ngắn mạch là mối quan hệ giữa dòng điện ngắn mạch với dòng điện kích từ với điều kiện điện áp trên cực máy phát U = 0, tốc độ quay n = ndm. Inm f( I KT ) U 0; n n dm (1.10) Để có đƣợc đặc tính ngắn mạch phải thực hiện thí nghiệm để đảm bảo Inm<Idm không gây sự cố cho máy phát thí nghiệm. Chính vì lý do này nên đặc tính ngắn mạch lấy trong vùng máy chƣa bão hòa từ, đặc tính ngắn mạch là đƣờng thẳng Inm = f(Ikt). Hình 1.4 vẽ mối quan hệ Inm = f(Ikt) trong đó đƣờng 1 là đặc tính ngắn mạch một pha, đƣờng 2 là ngắn mạch hai và đƣờng 3 là ngắn mạch ba pha. Điều này đƣợc lý giải là khi xảy ra ngắn mạch ba pha, phản ứng 10
  13. phần ứng xảy ra mạnh hơn nên cùng giá trị dòng kích từ nhƣng dòng ngắn mạch nhỏ hơn. Dùng đặc tính không tải và đặc tính ngắn mạch cho phép xác định đƣợc tam giác đặc tính, trên cơ sở đó cho phép tính toán đƣợc hệ số ngắn mạch Knm. Hệ số Knm là một thông số quan trọng cho phép xác định đƣợc khả năng nhận tải của máy phát ở chế độ công tác ổn định, hệ số ngắn mạch càng lớn thì giới hạn tải càng lớn. Máy điện cực ẩn có hệ số ngắn mạch là 0,8 ÷ 1,8, còn máy điện cực hiện là 0,4 ÷ 0,7, riêng với máy điện tàu thủy là 0,6 ÷ 1,0. 1.1.2.4. Đặc tính ngoài. U,E0 E01 E02 Edm E03 I 0 Idm Hình 1.5: Đặc tính ngoài Đặc tính ngoài là mối quan hệ: U = f(I) (1.11) Điều kiện: Ikt = const, n = const, cosφ = const. Đặc tính ngoài của máy phát phụ thuộc vào tính chất của tải, tải của máy phát đồng bộ ba thông số đặc trƣng là điện trở, điện cảm và điện dung. Khi nghiên cứu có thể vẽ đặc tính ngoài cho từng loại nhƣ hình 1.5 trong đó tải mang tính chất điện cảm với hệ số cosφ = 0,8 góc φ > 0 đƣờng đặc tính ngoài dốc vì phản ứng phần ứng mang tính chất khử từ. Đƣờng đặc tính ngoài của tải thuần trở với cosφ = 1 góc φ = 0, điện áp sụt nhỏ hơn, trƣờng hợp này phản ứng phần ứng ngang trục chỉ làm méo từ trƣờng chính, còn tải mang tính chất dung kháng với cosφ = 0,8 góc φ < 0, điện áp lại tăng khi nhận tải do phản ứng phần ứng mang tính chất trợ từ. 11
  14. 1.1.2.5. Đặc tính điều chỉnh. Ikt Iktdm I 0 Idm Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh Đặc tính điều chỉnh là mối quan hệ: IKT = f(I) (1.12) Điều kiện: U = const, n = const, cosφ = const. Đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ đƣợc trình bày trên hình 1.6 hoàn toàn phù hợp với đặc tính ngoài, với tải mang tính chất cảm kháng, do phản ứng phần ứng mang tính khử từ nên khi nhận tải có độ sụt áp lớn, để giữ điện áp không đổi cần phải tăng dòng kích từ lên một lƣợng lớn vì vậy đƣờng đặc tính có cosφ = 0,8 góc φ > 0 có độ dốc tăng lên khi dòng tải tăng. Ngƣợc lại, với tải mang tính chất dung kháng, điện áp tăng lên khi tăng tải nên dòng kích từ trong trƣờng hợp này lại phải giảm đi nhƣ đƣờng cosφ = 0,8 góc φ < 0 để giữ cho điện áp không đổi, trƣờng hợp tải thuần trở, điện áp khi tăng tải chỉ giảm nhỏ nên dòng kích từ phải bù khi tăng tải cũng nhỏ nhƣ trên đƣờng cosφ = 1 góc φ = 0. [Trích tr 98,99 – 3] 1.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC LOẠI TRẠM PHÁT ĐIỆN. Trạm phát nhìn về cấu trúc bao gồm: - Bảng phân phối điện chính MSB (Main Switch Board) - Các cụm động cơ sơ cấp – máy phát điện. Động cơ sơ cấp thƣờng dùng diesel: cụm Diesel – Generator (D-G). Bảng điện chính là nơi tập trung năng lƣợng nhận từ các máy phát điện để từ đó phân phối đến các phụ tải. Trên bảng điện về cơ bản tập trung một số thiết bị: Đo lƣờng, kiểm tra, khí cụ phân phối và bảo vệ, thiết bị điều chỉnh, 12
  15. điều khiển, các thiết bị giao diện với con ngƣời Bảng điện chính hiện nay cũng đã có những bƣớc tiến bộ lớn về công nghệ, đƣợc thừa hƣởng và sử dụng các thành tựu mới nhất của khoa học – công nghệ nên cấu trúc của bảng điện chính hiện nay gọn, tích hợp đƣợc nhiều thiết bị có hàm lƣợng kỹ thuật cao với khả năng điều khiển, điều chỉnh, thu thập và xử lý, trao đổi thông tin Các cụm D-G với chức năng biến đổi cơ năng thành năng lƣợng điện nên các quá trình diễn ra trong hệ thống “động” hơn, phức tạp hơn. Các quá trình điện – cơ vốn dĩ là các quá trình phức tạp, còn các quá trình điện – từ thì khó đo đạc định lƣợng và việc quan sát không thể từ các thiết bị đơn giản. 1.2.1. Trạm phát điện trên tàu thủy. Trong trạm phát hiện đại thƣờng đƣợc thiết kế gồm nhiều tổ hợp D-G tùy theo yêu cầu và khả năng tiêu thụ công suất của phụ tải. Không phải những trƣờng hợp đặc biệt thì công suất trạm phát thƣờng tỉ lệ với trọng tải của tàu. Số máy phát trong trạm phát cũng đƣợc lựa chọn theo quan điểm tiện ích, gọn nhẹ, số lƣợng giảm thiểu sao cho phải sử dụng ít nhất các tổ hợp D-G mà vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu tính chọn. Với số lƣợng tổ hợp D-G ít nhất thì độ tin cậy cao, yêu cầu chăm sóc và tổn hao khai thác ít, không chiếm mất chỗ chở hàng Khi lựa chọn cấu trúc trạm phát, ngƣời thiết kế cũng có rất nhiều phƣơng án: - Trạm phát có tất cả tổ hợp D-G giống hệt nhau: Cùng chủng loại (series), cùng công suất với số lƣợng là hai, ba hoặc bốn tổ hợp - Trạm phát có các tổ hợp D-G chính giống hệt nhau nhƣng máy phát sự cố thì khác công suất. - Trạm phát có các tổ hợp D-G khác hẳn nhau. - Trạm phát có các tổ hợp D-G giống nhau nhƣng lại có thêm một máy phát đồng trục. 13
  16. Khi sử dụng máy phát đồng trục trong trạm phát, ngoài vấn đề ổn định điện áp ra thì còn một vấn đề hết sức quan trọng nữa là việc ổn định tần số cho máy phát đƣợc lai bởi máy chính Main Engine (M.E). Thƣờng ngƣời ta chỉ đƣa máy phát đồng trục vào cung cấp năng lƣợng khi tàu đã hành trình trên biển, gần nhƣ không còn yêu cầu thay đổi tốc độ nữa để đảm bảo cho tần số không thay đổi. Tuy nhiên, trong khai thác cho dù M.E trong chế độ chạy biển nhƣng không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đƣợc tần số định mức cho lƣới vì nhiều lý do khác nhau nên máy phát đồng trục thƣờng đƣợc trang bị thêm một bộ biến đổi tần số để đảm bảo đáp ứng các chỉ tiêu chất lƣợng cho lƣới điện. Ngày nay, các bộ biến tần Converter – Inverter bán dẫn đã có thể cung cấp thỏa mãn về công suất lớn nên khả năng ứng dụng máy phát đồng trục sẽ còn đƣợc khai thác triệt để hơn. Máy phát đồng trục sử dụng làm nguồn điện cho trạm phát điện tàu thủy có những ƣu điểm nổi bật sau: + Nâng cao hiệu suất sử dụng máy chính so với hiệu suất sử dụng máy phụ thông qua việc giảm đƣợc mức tiêu hao nhiên liệu, tiêu hao dầu bôi trơn. + Giá thành sử dụng nhiên liệu cho máy chính rẻ hơn máy phụ vì máy chính thƣờng sử dụng nhiên liệu dầu nặng. + Giảm thời gian hoạt động cho máy phụ, giảm đƣợc phí khai thác, sửa chữa, kéo dài tuổi thọ cho máy phụ. + Giảm đƣợc cƣờng độ phục vụ của sĩ quan, thợ máy trong vận hành, khai thác, giảm ô nhiễm tiếng ồn, giảm thiểu ô nhiễm chất thải Trạm phát đồng trục có một số nhƣợc điểm sau: + Phức tạp thêm hệ thống năng lƣợng điện. + Phải giải quyết thêm một số vấn đề kỹ thuật đặc biệt là vấn đề ổn định tần số và điện áp khi máy chính thƣờng làm việc trong dải tốc độ rộng. [Trích tr 79 – 2] Trên tàu thủy nguồn năng lƣợng điện chính đƣợc tạo ra nhờ các máy phát điện đồng bộ 3 pha, đƣợc truyền động bởi các động cơ Diesel phụ, 14
  17. Diesel chính hoặc Turbin. Số lƣợng và công suất của các máy phát phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải, hay cách khác là phụ thuộc vào kích thƣớc trọng tải và tính chất con tàu. Thông thƣờng một trạm điện tàu thủy có từ 02 – 05 tổ máy đƣợc thiết kế để chúng có thể làm việc song song với nhau. Mục đích làm tăng tính an toàn, đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục cho các phụ tải đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả khai thác sử dụng cũng nhƣ hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên khi các máy phát công tác song song với nhau thì các quá trình diễn ra trong hệ thống càng phức tạp, thậm chí có thể dẫn đến hệ thống hoạt động mất ổn định. Sơ đồ phân bố năng lƣợng điện tàu thủy đƣợc mô tả trên hình 1.1: Hình 1.7: Hệ thống phân phối năng lƣợng điện tàu thủy. Trong đó: - MF1, MF2, MF3: Các máy phát đồng bộ 3 pha. - Đ1, Đ2, Đ3: Các động cơ sơ cấp lai máy phát, có thể là động cơ Diesel hay Turbin. - AT1, AT2, AT3: Các aptomat chính của máy phát. - TC: Thanh cái là nơi tập trung năng lƣợng điện, tùy theo cấu trúc các tàu khác nhau mà số lƣợng và sự bố trí thanh cái khác nhau. - PT1, PT2, PTn: Phụ tải tiêu thụ năng lƣợng điện. 15
  18. Tất cả các phụ tải tiêu thụ năng lƣợng điện đều đƣợc thiết kế, chế tạo công tác với một điện áp, tần số định mức cho trƣớc, và chỉ khi công tác với điện áp, tần số này thì thiết bị mới hoạt động tin cậy và có tuổi thọ cao. Do vậy, để duy trì đƣợc một điện áp tần số không đổi cung cấp cho các phụ tải, trạm phát điện tàu thủy đều đƣợc trang bị các hệ thống tự động ổn định điện áp, tự động điều chỉnh vòng quay Diesel, hệ thống phân chia tải phản tác dụng và tải tác dụng Trong quá trình làm việc song song thì việc phân chia tải giữa các máy phát là một việc hết sức quan trọng. Việc chia tải tác dụng giữa các máy phát phụ thuộc vào động cơ sơ cấp và cụ thể hơn là liên quan đến hệ điều tốc. Phân chia tải phản tác dụng liên quan đến hệ điều chỉnh điện áp, hay là phụ thuộc giá trị dòng kích từ của từng máy khi chúng làm việc song song. Để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn thì trạm phát điện tàu thủy còn đƣợc trang bị các thiết bị báo động, bảo vệ nhƣ: với máy phát có bảo vệ ngắn mạch, quá tải, công suất ngƣợc, với động cơ sơ cấp là động cơ diesel là các thông số áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nƣớc làm mát, quá tốc độ, v.v Chế độ hoạt động của hệ thống năng lƣợng điện tàu thủy luôn thay đổi phụ thuộc vào từng chế độ hoạt động của con tàu. Tuy vậy hệ thống vẫn luôn phải đảm bảo tính ổn định và phải tuân thủ các quy định, yêu cầu về chất lƣợng hệ thống. 16
  19. 1.2.2. Trạm phát điện dự phòng trên bờ. PT Luoi QG PT PT Thanh cái ATS AT1 AT AT0 ATn MF1 MFn D1 Dn Hình 1.8: Cấu trúc của trạm phát điện dự phòng trên bờ. Trong đó: - AT, AT0, AT1, ATn: Các aptomat - MF1, MFn: Các máy phát đồng bộ 3 pha - ATS: Công tắc tự động chuyển nguồn - D1, Dn: Các động cơ lai máy phát (động cơ diesel) - PT: Phụ tải Để tự động khởi động diesel – generator trạm phát dự phòng trƣớc hết cần phải có cái nhìn tổng thể về hệ thống thống qua sơ đồ nguyên lý trên hình 1.9. 17
  20. PT ACB2 ACB1 Luoi 2 3.2 3.1 7 4.2 4.1 1 6 5 C I P O 8 U 9 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý trạm phát dự phòng. 1- động cơ diesel; 2- máy phát đồng bộ; 3 (1,2) - thiết bị điều khiển đóng mở ACB; 4 (1,2) - rơle điện áp; 5 - cảm biến tốc độ; 6 - các cảm biến áp suất và nhiệt độ của diesel; 7 - các cơ cấu chấp hành: rơle, van điện từ; 8 - thiết bị chỉ báo, còi, đèn ; 9 - trung tâm xử lý tín hiệu và điều khiển. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này nhƣ sau: Khi nguồn điện chính cung cấp năng lƣợng bình thƣờng, trên lƣới có điện. Rơle điện áp 4.1 cảm nhận tín hiệu này gửi đến trung tâm điều khiển, tại đó tín hiệu đƣợc xác nhận là tín hiệu thật thì trung tâm điều khiển sẽ lệnh thiết bị điều khiển 3.1 hoạt động đóng ACB cung cấp điện cho các phụ tải lấy qua bảng sự cố. Vì một lý do nào đó, lƣới chính mất điện, thiết bị cảm biến điện áp 4.1 gửi thông tin về trung tâm. Tại đó, thông tin đƣợc xử lý và xác nhận đó là sự thật, lênh cho 3.1 mở cầu dao chính ACB1, đồng thời lệnh khởi động diesel đƣợc phát đi cho các cơ cấu chấp hành 7. Các cơ cấu chấp hành này thực hiện khởi động theo chƣơng trình đã đƣợc lập sẵn (hiện nay chƣơng trình thƣờng sử dụng phần mềm đã đƣợc nhà chế tạo lập sẵn). Khi diesel khởi động thành công (việc khởi động diesel cũng theo một thứ tự nhất định), tốc độ đạt đƣợc tốc độ định mức ổn định, rơle tốc độ 5 gửi tín hiệu đến trung tâm xử lý xác định lệnh khởi động thành công. Trong quá trình ấy, máy phát đồng bộ 2 cũng thành lập 18
  21. xong điện áp, rơle điện áp 4.2 gửi tín hiệu xác nhận điện áp đã có trên cực máy phát. Đến thời điểm này, với hai thông tin tốc độ diesel đạt định mức và điện áp máy phát định mức thì đƣợc coi là quá trình khởi động thành công. Trung tâm điều khiển sẽ phát lệnh đóng ACB2 thông qua thiết bị chấp hành 3.2. Trạm phát dự phòng sẽ cung cấp điện, từ đó các sensor làm nhiệm vụ cảm biến các đại lƣợng và thông số cho diesel sẽ giám sát hoạt động bất thƣờng nếu có. Khi lƣới điện chính có điện trở lại, sensor điện áp 4.1 sẽ gửi tín hiệu về trung tâm và quá trình tắt máy đƣợc thực hiện. 1.3. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG CÁC NHÀ MÁY XÍ NGHIỆP. 1.3.1. Khái quát chung về trạm phát điện Nomura Hải Phòng. Ngay từ đầu thành lập Khu công nghiệp Nomura Hải Phòng xây dựng riêng một nhà máy phát điện gồm 9 tổ máy với tổng công suất 55MW phục vụ sản xuất cho toàn khu công nghiệp, đồng thời còn bán điện cho quốc gia. 9 tổ máy đƣợc chia làm 2 phía: + Phía bên A: từ máy 1 tới máy 4. + Phía bên B: từ máy 6 tới máy 9. Riêng máy 5 là máy độc lập đƣợc đặt giữa 2 phía. 9 tổ máy đƣợc chạy bằng nhiên liệu là dầu DO và HFO, đƣợc cung cấp trực tiếp từ 2 tank có thể tích 20000m3. Các tổ máy đƣợc điều khiển và giám sát trực tiếp từ 1 phòng điều khiển trung tâm của nhà máy. Mỗi máy có một tủ điều khiển riêng, và có 2 tủ hòa đồng bộ các máy khi nhà máy hoạt động ở tải cao. Nguồn điện của trạm phát khu công nghiệp Nomura gồm: 9 tổ hợp Diesel-máy phát đồng bộ 3 pha, các máy phát sử dụng trong trạm phát điện là các máy phát đồng bộ không chổi than từ GEN 1 ÷ GEN 9 có: - Công suất là 6200 KW/máy. - Cấp điện áp V = 6,6 KV. 19
  22. - Tần số f = 50Hz. Các máy phát điện có thể hoạt động song song cung cấp điện cho hệ thống phân phối trung tâm của khu công nghiệp. Hệ thống phân phối điện về nguyên tắc đƣợc chia làm hai nhóm hay còn gọi là hai tủ phân phối điện chính (ta gọi là BUSA và BUSB). BUSA và BUSB đƣợc thiết kế để cung cấp điện cho các trạm biến áp. Các trạm biến áp này phục vụ các mục đích khác nhau trong hệ thống cung cấp điện. Các tổ hợp máy phát GEN 1 ÷ GEN 4 cấp trực tiếp cho BUSA. Các tổ hợp máy phát GEN 6 ÷ GEN 9 cấp trực tiếp lên BUSB. Riêng máy phát 5 là máy phát dự phòng để bù công suất khi BUSA hoặc BUSB bị quá tải về công suất thông qua các máy cắt liên động giữa BUSA và BUSB. 20
  23. 1.3.2. Sơ đồ nguyên lý của trạm phát. Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của trạm phát. 21
  24. 1.3.2.1. Các phần tử cơ bản. - Tủ thứ nhất (BUSA) đƣợc cung cấp từ máy phát GEN 1 ÷ GEN 4 và có các lộ cung cấp điện từ máy biến áp MTRA để hòa vào lƣới Quốc gia khi có nhu cầu cung cấp điện cho lƣới Quốc gia. Lộ cung cấp điện thứ 2 tới máy biến áp STRA cấp điện cho một số khu vực của khu công nghiệp. - Tủ thứ 2 (BUSB) đƣợc cung cấp từ các máy phát GEN 6 ÷ GEN 9 các đầu ra cấp cho các lộ tới máy biến áp MTRB hòa vào lƣới Quốc gia và STRB cung cấp cho một số phụ tải của khu công nghiệp Nomura. - Tủ liên động 1.L: tủ này nối trực tiếp với máy phát GEN5 hay nói cách khác tủ này nối với máy phát dự phòng của trạm phát điện. Hai phía của tủ liên động nối với 2 máy cắt 52 BCA và 52 BCB. Các máy cắt này nối với các tủ BUSA và BUSB. Nhƣ vậy máy phát GEN 5 có thể cung cấp điện cho tủ BUSA và BUSB. Đồng thời ở tủ này thông qua máy cắt 52 FVCV để nhận điện từ lƣới Quốc gia cho toàn khu công nghiệp. 1.3.2.2. Nguyên lý làm việc. Các phƣơng án vận hành cung cấp điện cho khu công nghiệp từ hệ thống phân phối trung tâm có thể thực hiện nhƣ sau: - Trạm phát điện cung cấp nguồn cho khu công nghiệp và bán điện cho cho lƣới Quốc gia. - BUSA đƣợc cấp nguồn từ GEN 1 ÷ GEN 4 công tác song song. BUSA hoạt động độc lập, cấp điện cho 2 trạm biến áp MTRA - trạm biến áp bán dẫn cho điện lƣới Quốc gia bằng cách đóng máy cắt 52 MVA, trạm STRA - bằng cách đóng máy cắt 52 STA. - BUSB đƣợc cấp nguồn từ GEN 6 ÷ GEN 9, chế độ hoạt động độc lập, cấp điện cho MTRB qua máy cắt 52 MVB và STB qua máy cắt 52 STB. Nếu BUSA hoặc BUSB quá tải công suất thì khởi động máy phát GEN 5 và đóng máy cắt 52 BCA cho BUSA hoặc 52 BCB cho BUSB. Nếu tất cả 22
  25. các máy phát GEN 1 ÷ GEN 9 không thể cung cấp điện thì việc cung cấp điện có thể đƣợc thực hiện từ lộ dự phòng 6,6 KV thông qua máy cắt 52 FVCB. Trƣờng hợp BUSA hoặc BUSB ngừng cung cấp điện từ các máy phát thì các phần tử phân phối BUSA và BUSB vẫn có thể vận hành bằng cách cắt điện các máy cắt 52 MVA và 52 MVB cấp điện cho các biến áp MTRA và MTRB sử dụng cầu dao liên động 52 BCA hoặc 52 BCB để cung cấp cho 2 trạm biến áp của khu công nghiệp STRA và STRB 23
  26. CHƢƠNG 2. BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƢỜNG VÀ BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT ĐIỆN. 2.1.1. Khái quát và phân loại. Các chức năng bảo vệ của trạm phát điện đều dựa trên số liệu từ việc đo lƣờng các thông số của trạm phát. Nếu việc đo lƣờng bị gián đoạn hoặc không chính xác thì hệ thống trạm phát hoạt động không ổn định, tin cậy và có thể gặp các sự cố rất nghiêm trọng. Do đó việc đo lƣờng các thông số của trạm phát là hết sức quan trọng và có ý nghĩa đến các quyết định điều khiển, điều chỉnh của hệ thống trạm phát. Trong các thông số đó, thông số cơ bản và quan trọng nhất là: điện áp, dòng điện, tần số, công suất, Đo lƣờng là một quá trình đánh giá định lƣợng đối tƣợng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị. Ta có 3 thao tác chính: - Biến đổi tín hiệu và tin tức. - So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lƣờng. - Chuyển đơn vị, mã hóa để có kết quả bằng số so với đơn vị. Có nhiều cách phân loại song có thể chia thiết bị đo lƣờng thành 2 loại chính là thiết bị đo chuyển đổi thẳng và thiết bị đo kiểu so sánh. Thiết bị đo chuyển đổi thẳng: Đại lƣợng cần đo đƣa vào thiết bị dƣới bất kỳ dạng nào cũng đƣợc biến thành góc quay của kim chỉ thị. Ngƣời đo đọc kết quả nhờ thang chia độ và những quy ƣớc trên mặt thiết bị, loại thiết bị này gọi là thiết bị đo cơ điện. Ngoài ra lƣợng ra còn có thể biến đổi thành số, ngƣời đo đọc kết quả rồi nhân với hệ số ghi trên mặt máy hoặc máy tự động làm việc đó. Thiết bị đo kiểu so sánh: cũng có thể là chỉ thị cơ điện hoặc là chỉ thị số. Tùy theo cách so sánh và cách lập đại lƣợng bù (bộ mã hóa số tƣơng tự) ta 24
  27. có các thiết bị so sánh khác nhau nhƣ: thiết bị so sánh kiểu tùy động (đại lƣợng đo x và đại lƣợng bù luôn biến đổi theo nhau); thiết bị so sánh kiểu quét (đại lƣợng bù biến thiên theo một quy luật thời gian nhất định và sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời điểm trong chu kỳ). Ngoài ra cũng căn cứ vào việc lập đại lƣợng bù ngƣời ta chai thành dụng cụ mã hóa số xung, tần số xung, thời gian xung. Căn cứ vào điều kiện cân bằng ngƣời ta chia thành dụng cụ bù không lệch (zero) và dụng cụ bù có lệch (vi sai). Căn cứ vào quan hệ giữa lƣợng ra và lƣợng vào, ngƣời ta chia thành: thiết bị đo trực tiếp (đại lƣợng ra biểu thị trực tiếp đại lƣợng vào), thiết bị đo gián tiếp (đại lƣợng ra liên quan tới nhiều đại lƣợng vào thông qua những biểu thức toán học xác định), thiết bị đo kiểu hợp bộ (nhiều đại lƣợng ra liên quan tới nhiều đại lƣợng vào thông qua các phƣơng trình tuyến tính). 2.1.2. Chuyển đổi đo lƣờng và tổ hợp thiết bị đo. 2.1.2.1. Chuyển đổi đo lƣờng. - Chuyển đổi chuẩn hóa: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thƣờng U = 0 ÷ 10V; I = 4 ÷ 20mA). Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến dòng điện, các mạch khuếch đại Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến một tín hiệu không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo. Có rất nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau nhƣ: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện, 2.1.2.2. Tổ hợp thiết bị đo. Với một thiết bị cụ thể (một kênh) 25
  28. Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đo một kênh. + Chuyển đổi đo lƣờng: biến tín hiệu cần đo thành tín hiệu điện. + Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin bao gồm: nguồn, các mạch khuếch đại, các bộ biến thiên A/D, D/A, các mạch phụ + Chỉ thị: thông báo kết quả cho ngƣời quan sát, thƣờng gồm chỉ thị số và chỉ thị cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v Với hệ thống đo lường nhiều kênh Trƣờng hợp cần đo nhiều đại lƣợng, mỗi đại lƣợng đo ở một kênh, nhƣ vậy tín hiệu đo đƣợc lấy từ các sensor qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa tới mạch điều chế tín hiệu ở mỗi kênh, sau đó sẽ đƣa qua phân kênh (multiplexer) để đƣợc sắp xếp tuần tự truyền đi trên cùng một hệ thống dẫn truyền. Để có sự phân biệt, các đại lƣợng đo trƣớc khi đƣa vào mạch phân kênh cần phải mã hóa hoặc điều chế (Modulation – MOD) theo tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu đại lƣợng đo. Tại nơi nhận tín hiệu lại phải giải mã hoặc giải điều chế để lấy lại từng tín hiệu đo. Đây chính là hình thức đo lƣờng từ xa cho nhiều đại lƣợng đo. 2.1.3. Các nguyên lý đo lƣờng dùng cho mục đích bảo vệ. 2.1.3.1. Đo lƣờng một đại lƣợng đầu vào. Đại lƣợng đầu vào của X rơle thƣờng là những đại lƣợng tƣơng tự (dòng điện, điện áp, góc pha giữa dòng và áp ) đƣợc lấy từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và máy biến điện áp. Trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lƣợng đầu vào này đƣợc so sánh với ngƣỡng tác động Xkđ của rơle, còn gọi là trị số chỉnh định của rơle. Nếu đại lƣợng đầu vào biến thiên vƣợt quá (đối với loại rơle cực đại) hoặc thấp hơn (đối với loại rơle cực tiểu) ngƣỡng chỉnh định thì rơle sẽ tác động. Sau khi tác động xong nếu đại lƣợng đầu vào biến thiên theo 26
  29. chiều ngƣợc lại và vƣợt quá trị số Xtv, rơle sẽ trở về trạng thái ban đầu trƣớc lúc khởi động. Xtv đƣợc gọi là ngƣỡng trở về hoặc trị số trở về. Trị số khởi động và trị số trở về liên hệ với nhau qua hệ số trở về: Kv = Xtv / Xkđ. • Đối với các rơle điện cơ Kv ≠ 1 thông thƣờng: + Kv = 0.85 ÷ 0.9 đối với rơle cực đại. + Kv = 1.1 ÷ 1.15 đối với rơle cực tiểu. • Đối với các rơle tĩnh và rơle số : Kv ≈ 1 Khái niệm rơle cực đại (tác động khi đại lƣợng đầu vào tăng) và rơle cực tiểu (tác động khi đại lƣợng đầu vào giảm) có ảnh hƣởng đến cấu trúc của rơle điện cơ (cuộn dây, lò xo, tiếp điểm). Đối với rơle tĩnh và rơle số chức năng cực đại hoặc cực tiểu có thể dễ dàng đổi lẫn cho nhau bằng phép nghịch đảo tín hiệu logic đầu ra của rơle. 2.1.3.2. So sánh nhiều đại lƣợng đầu vào. Rơle có thể tác động trên cơ sở so sánh nhiều đại lƣợng đầu vào. Nhiều loại rơle hiện nay nhƣ khoảng cách, so lệch, định hƣớng công suất, làm việc với hai đại lƣợng đầu vào. Trong trƣờng hợp tổng quát, hai đại lƣợng đầu vào X1 và X2 là tổ hợp của dòng điện I và điện áp U của phần tử bảo vệ : XKUKI1 1 2 (2.1) XKUKI2 3 4 Ở đây các hệ số tỉ lệ K1, K2, K3, K4 là những hệ số phức. Tùy từng loại bảo vệ (loại rơle) có thể chọn những trị số thích hợp cho các hệ số này. Chẳng hạn, đối với rơle so lệch dòng điện, hai đại lƣợng dùng để so sánh là vectơ dòng điện ở hai đầu phần tử đƣợc bảo vệ I1 và I2, khi ấy ngƣời ta chọn K1= K3 = 0 và K2 = K4 = 1. Đối với rơle khoảng cách hai đại lƣợng dùng để so sánh là điện áp chỗ đặt bảo vệ và dòng điện chạy qua phần tử đƣợc bảo vệ nên ta chọn các đại lƣợng K1 = K4 = 1, K2 = K3 = 0. Với các rơle theo hai đại lƣợng đầu vào thƣờng ngƣời ta dùng hai nguyên lý so sánh: so sánh biên độ và so sánh pha. 27
  30. * So sánh biên độ. Trong các rơle làm việc với hai đại lƣợng đầu vào, thông thƣờng một đại lƣợng nào đó chẳng hạn X1 tác động theo chiều hƣớng làm rơle khởi động còn đại lƣợng kia X2 tác động theo chiều hƣớng ngƣợc lại (hãm, cản trở rơle tác động) tín hiệu đầu ra Y của rơle sẽ xuất hiện khi:│X1│> │X2│ Trong đó: │X1│ tín hiệu đầu vào khởi động │X2│tín hiệu đầu vào hãm Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lƣợng điện đƣợc sử dụng trong bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách. * So sánh pha. So sánh pha phản ánh góc lệch pha giữa các đại lƣợng đầu vào, nếu góc lệch pha vƣợt qua (lớn hơn hay nhỏ hơn) trị số pha định trƣớc rơle sẽ tác động. Các đại lƣợng tƣơng tự đầu vào X1, X2 qua các bộ biến đổi BĐ1, BĐ2 biến thành các xung chữ nhật X1’ và X2’ với thời gian trùng pha là tK. Kiểu so sánh này gọi là so sánh thời gian trùng hợp pha. Nếu thời gian trùng hợp pha tK lớn hơn thời gian đặt t0 của bộ phận thời gian sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra (Y = 1). Cũng có thể tiến hành so sánh cho cả nửa chu kỳ âm để tăng mức tác động nhanh của bộ phận so sánh. Để tăng độ chính xác của bộ so sánh pha, có thể tiến hành lọc và khử thành phần một chiều cũng nhƣ các sóng hài bậc cao trong các đại lƣợng đầu vào X1, X2 trƣớc khi dựa vào bộ so sánh. [Trích tr 99,100 – 1] 2.2. CÁC DỤNG CỤ ĐO CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN. 2.2.1. Đo dòng điện và điện áp. Dòng điện cũng nhƣ điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thƣờng có trị số lớn không thể đƣa trực tiếp vào dụng cụ đo hoặc rơle và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ đo và thiết bị này thƣờng đƣợc đấu nối qua máy biến dòng và máy biến điện áp. 28
  31. Máy biến điện áp làm nhiệm vụ giảm fđiện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn 100 hoặc 110V và cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp. Máy biến điện áp làm việc giống nhƣ các máy biến áp lực có công suất bé, chỉ khác ở chỗ là đƣợc thiết kế sao cho đảm bảo đƣợc độ chính xác cần thiết khi phụ tải phía thứ cấp của BU có thể thay đổi trong giới hạn rộng. Dòng điện kích từ trong BU tính ở đơn vị tƣơng đối danh định có thể lớn hơn nhiều dòng điện kích từ trong máy biến áp thông thƣờng. Phụ tải cuẩ BU cũng nhƣ phụ tải của máy biến áp thông thƣờng đƣợc mắc song song nhau, tổng trở của dây nối nếu quá lớn sẽ ảnh hƣởng đến độ chính xác của BU. Đầu các cuộn dây của máy biến điện áp cũng đƣợc đánh dấu tƣơng tự nhƣ đã xét đối với máy biến dòng, đấu đúng đầu cuộn dây với các dụng cụ đo và thiết bị bảo vệ có ý nghĩa quan trọng khi cần xét đến góc lệch pha của các đại lƣợng điện. 2.2.1.1. Ampemet. a. Ampemet một chiều Ampemet một chiều đƣợc chế tạo trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Dòng điện cho phép qua cơ cấu đo từ 10-1 ÷ 10-2A, điện trở của cơ cấu từ 20Ω ÷ 2000Ω. Vì vậy khi sử dụng đo dòng lớn hơn dòng cho phép ta phải mắc thêm một điện trở sun nối song song với cơ cấu chỉ thị. Sơ đồ cấu tạo của Ampemet nhƣ hình 2.2: + ICT I IS U RS RCT - Hình 2.2: Cấu tạo Ampemet 1 chiều. Trong đó: RCT - điện trở của cơ cấu chỉ thị; RS - điện trở sun; IS - dòng điện qua điện trở sun; ICT - dòng điện qua chỉ thị; I - dòng qua ampemet. [Trích tr 34 – 6] 29
  32. Điện trở sun đƣợc tính theo công thức: RCT RS n 1 I n ICT Khi sử dụng ampemet cần chú ý: - Không tạo nên điện áp rơi tại các mối nối. - Không đƣợc nối trực tiếp Ampemet với nguồn điện khi chƣa có tải do điện trở sun có trị số nhỏ sẽ tạo nên dòng điện lớn gây hỏng thiết bị. - Khi sử dụng Ampemet trƣớc hết phải để đổi nối ở vị trí dòng điện lớn nhất sau đó giảm dần cho đến khi thỏa mãn dòng cần đo. b. Ampemet điện từ Là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ đƣợc chế tạo với số ampe vòng nhất định (ví dụ: IW = 100 ÷ 200A – vòng) do đó khi mở rộng thang đo chỉ cần thay đổi sao cho IW là hằng số bằng cách chia cuộn dây thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách ghép nối các đoạn đó nhƣ hình 2.3, Ampemet điện từ có thể đo dòng từ mA ÷ 10A với tần số công nghiệp 50Hz. Sai số khoảng ±2% ÷ 5%. I1 I2 I a) I I c) b) Hình 2.3: Phƣơng pháp thay đổi thang đo của ampemet điện từ. c. Ampemet điện động. 30
  33. Thƣờng sử dụng đo dòng điện tần số 50 Hz hoặc cao hơn (400 ÷ 2000Hz) với độ chính xác cao. Tùy theo dòng đo, cuộn dây tĩnh và động đƣợc mắc nối tiếp hoặc song song. [Trích tr 39 – 6] A L1 R1 A A B L2 R2 B A Hình 2.4: Cách đấu cuộn dây của ampemet điện động. 2.2.1.2. Vônmet. a. Vônmet một chiều Vônmet một chiều đƣợc chế tạo gồm cơ cấu chỉ thị từ điện nối tiếp với một điện trở phụ Rp nhƣ hình 2.5. Khác với ampemet, Vônmet dùng để đo điện áp rơi trên phụ tải hoặc điện áp giữa hai đầu của một mạch điện, do đó luôn mắc song song với phụ tải cần đo. Rp + ICT U RCT - Hình 2.5: Cấu tạo Vônmet một chiều. Điện trở phụ (Rp) đƣợc tính theo công thức: U m Rp R CT ( m 1) ; (2.2) UCT Trong đó: Rp – điện trở phụ; RCT - điện trở của cơ cấu chỉ thị; U - điện áp cần đo; UCT - điện áp rơi trên CCCT (UCT = ICT.RCT) b. Vônmet xoay chiều 31
  34. Vônmet từ điện chỉnh lưu: Là dụng cụ phối hợp giữa mạch chỉnh lƣu và cơ cấu chỉ thị từ điện. Chỉnh lƣu có thể thực hiện dƣới dạng nửa chu kỳ hoặc cả chu kỳ. Khi định thiên thuận, diot silic thƣờng có độ sụt áp thuận là 0.7V, diot Gecmani có độ sụt cỡ 0.3V. Khi định thiên ngƣợc dòng điện ngƣợc rất nhỏ so với dòng thuận. RS RS + RCT U~ RCT U~ - a) b) Hình 2.6: Vônmet chỉnh lƣu: a) Nửa chu kỳ; b) Cả chu kỳ Đặc điểm của vônmet chỉnh lƣu là độ chính xác không cao, thang đo không đều do đặc tính phi tuyến của diot, các vônmet chỉnh lƣu đƣợc chế tạo đo điện áp dạng hình sin với hệ số hình dáng khd = 1,1 do vậy khi đo với các tín hiệu khác sin sẽ gây nên sai số đo. Dải tần làm việc của dụng cụ 10 ÷ 20 KHz, ngoài ra ta còn có thể mở rộng thang đo bằng cách thay đổi điện trở sun. 2.2.2. Đo tổng trở. Nguyên lý đo tổng trở đƣợc dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay thiếu (mất) kích thích. Đối với hệ thống truyền tải, tổng trở đo đƣợc tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thƣờng (bằng thƣơng số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải) cao hơn nhiều so với tổng trở đo đƣợc trong chế độ sự cố. Ngoài ra, trong nhiều trƣờng hợp tổng trở của mạch vòng sự cố thƣờng tỉ lệ với khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ tởi chỗ ngắn mạch. Trong chế độ làm việc bình thƣờng, tổng trở đo đƣợc tại chỗ đặt bảo vệ phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải. Trên mặt phẳng phức 32
  35. số ở chế độ dòng tải cực đại IAmax khi cosφ của phụ tải thay đổi, mút vectơ tổng trở phụ tải cực tiểu ZAmin sẽ vẽ nên cung tròn có tâm ở gốc tọa độ của mặt phẳng tổng trở phức. Đối với bảo vệ khoảng cách làm việc không có thời gian, để tránh tác động nhầm khi có ngắn mạch ở đầu phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của bộ phận khoảng cách phải chọn bé hơn tổng trở của đƣờng dây: Zkđ = K .ZD. Hệ số K thƣờng đƣợc chọn trong khoảng (0.8 ÷ 0.85) có xét đến sai số của máy biến dòng điện, máy biến điện áp và một số ảnh hƣởng gây sai số khác. Những rơle tổng trở đã đƣợc chế tạo và sử dụng trong hệ thống điện có đặc tuyến khởi động rất đa dạng nhằm đáp ứng tốt hơn điều kiện vận hành của hệ thống. Ngày nay, nguyên lý đo tổng trở thƣờng đƣợc sử dụng kết hợp với các nguyên lý khác nhƣ dòng điện, quá điện áp, sụt áp để thực hiện những bảo vệ đa chức năng hiện đại . Nguyên lý đo tổng trở có thể đƣợc sử dụng để bảo vệ lƣới điện phức tạp có nhiều nguồn với hình dạng bất kì. Tuy nhiên một số yếu tố có thể ảnh hƣởng đến số đo của bộ phận khoảng cách nhƣ sai số của máy biến điện áp, máy biến dòng điện, điện trở quá độ tại một chỗ ngắn mạch nhƣ trên đã nói, hệ số phân bố dòng điện trong nhánh bị sự cố với dòng điện qua chỗ đặt bảo vệ và đặc biệt là quá trình dao động điện. 2.2.2.1. Ôm met. Ôm met là dụng cụ đo điện trở với nguồn cung cấp là pin và các điện U trở chuẩn. Xuất phát từ định luật Ôm R , nếu ta giữ cho điện áp U không I đổi thì dòng điện I qua mạch đo sẽ thay đổi khi điện trở thay đổi. Dựa trên nguyên lý đó ta chế tạo các ôm met đo điện trở. 33
  36. R1 A RCT 2 R Rx U B Hình 2.7: Sơ đồ ôm met thông thƣờng. Trong đó: R1 – điện trở hạn chế dòng; R2 – điện trở chỉnh zero; U – nguồn cung cấp; RCT – điện trở của chỉ thị (mili Ampemet từ điện); Rx – điện trở đo. Từ sơ đồ hình 2.7 ta có: RR2. CT Rx = 0 thì Rtđ = R1 + R2 // RCT = R1 ; (2.3) RR2 CT Rtđ – điện trở của toàn mạch đo. U IImax Rtd Khi Rx = 0; I = Imin =0. Ta có thể mở rộng với nhiều thang đo bằng cách thay đổi điện trở sun sao cho phù hợp. [Trích tr 54 – 6] Trong thực tế ngƣời ta thƣờng chế tạo dụng cụ kết hợp đo dòng điện, điện áp (xoay chiều, một chiều) và đo điện trở. Dụng cụ nhƣ vậy gọi là vạn năng kế. 2.2.2.2. Mêgôm met. Hình 2.8: Mêgôm met từ điện. 34
  37. Mêgôm met là dụng cụ xách tay để kiểm tra điện trở cách điện của cáp điện, các động cơ, máy phát và biến áp điện lực. Dụng cụ gồm có nguồn cao áp cung cấp từ máy phát điện quay tay, điện áp từ 500 ÷ 1000V. Chỉ thị là một lôgôm mét từ điện hình 2.8 gồm hai khung dây, một khung tạo mômen quay và một khung tạo mômen cản. Góc quay α của cơ cấu đo tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện I1 và I2 qua cuộn dây W1, W2, điện trở R2, Rx và R3 nhƣ hình 2.8. U0 U0 Ta có: I1 ; I2 (2.4) Rr11 R1 Rx r 2 R 3 r1 và r2 – điện trở của khung. Dƣới tác động của lực điện từ giữa từ trƣờng và các dòng điện qua khung tạo ra mômen quay M1 và M2. Tại thời điểm cân bằng M1 = M2 ta có: I R R r R FF1 2 3 2 x I2 R 2 r 1 Do R1, R2, R3, r1 và r2 là hằng số nên góc quay α tỷ lệ với Rx và không phụ thuộc vào điện áp nguồn cung cấp. 2.2.3. Đo tần số. Việc thực hiện đo tần số trong công nghiệp đƣợc thực hiện bởi các tần số kế. Độ lệch tần số khỏi trị số danh định chứng tỏ trong hệ thống điện bị mất cân bằng công suất tác dụng giữa nguồn phát với phụ tải. Tần số quá thấp chứng tỏ trong hệ thống thiếu công suất tác dụng, ngƣợc lại tần số quá cao chứng tỏ thừa công suất tác dụng. Độ sai lệch tần số có thứ nguyên mHz/MW đặc trƣng cho sự ổn định và “sức mạnh” của hệ thống chống lại những biến đổi công suất tác dụng trong hệ thống. Đại lƣợng này càng bé chứng tỏ hệ thống càng khỏe. Vì vậy hệ thống càng lớn bao nhiêu thì thiết bị đo tần số càng phải chính xác bấy nhiêu. 35
  38. Khi tần số bị giảm thấp, nhƣ đã nói ở trên, chứng tỏ công suất của nguồn điện không đáp ứng đƣợc nhu cầu phụ tải. Để đƣa tần số trở lại bình thƣờng phải sa thải dần từng bƣớc phụ tải cho đến khi lập lại đƣợc cân bằng giữa cung và cầu công suất tác dụng. Khi mất cân bằng càng lớn, tốc độ biến đổi của tần số càng nhanh, vì vậy có thể tổ chức các đợt sa thải phụ tải theo tốc độ thay đổi tần số df/dt. 2.2.4. Đo công suất. Đo công suất trong mạch cao áp ngƣời ta sử dụng thêm biến áp đo lƣờng và biến dòng. Khi mắc biến dòng và biến áp đo lƣờng cần chú ý: - Dòng trong mạch dụng cụ đo cùng hƣớng với dòng điện khi không có biến áp. - Các đầu của biến áp và biến dòng phải đƣợc đánh dấu. - Ngắn mạch thứ cấp của biến dòng và hở mạch thứ cấp biến áp khi không sử dụng. - Nối đất mạch thứ cấp biến áp và biến dòng để đảm bảo an toàn khi đo. Kết quả đo đƣợc của dụng cụ đo nhân với hệ số biến dòng và biến áp: P = kI.kV.UIcosφ (2.5) kI,kV – hệ số biến dòng và biến áp. 2.3. CÁC KHÍ CỤ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN. 2.3.1. Aptomat. Aptomat là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (1 pha, 3 pha); có công dụng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp mạch điện. Chọn Aptomat phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Chế độ làm việc ở định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua aptomat lâu tùy ý. Mặt khác, mạch dòng điện của aptomat phải chịu đƣợc dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng. 36
  39. - Aptomat phải ngắt đƣợc trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể vài chục KA. Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, aptomat đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức. - Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, aptomat phải có thời gian cắt bé. Muốn vậy thƣờng phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong aptomat. Hình 2.9: Cấu tạo của aptomat. Nguyên lý hoạt động: Ở trạng thái bình thƣờng sau khi đóng điện, aptomat đƣợc giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động. Bật aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ phải hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 đƣợc thả tự do, lò xo 1 đƣợc thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của aptomat đƣợc mở ra, mạch điện bị ngắt. [Trích tr 10 – 5] 2.3.2. Cầu chì. Cầu chì là một loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lƣới điện tránh sự cố ngắn mạch, thƣờng dùng để bảo vệ cho đƣờng dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điều khiển, mạch điện thắp sáng. 37
  40. Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thƣớc bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên đƣợc ứng dụng rộng rãi. Các tính chất và yêu cầu của cầu chì: - Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua. - Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tƣợng bảo vệ. - Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc. - Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian. 2.3.2.1. Cấu tạo. Cầu chì bao gồm các thành phần sau: - Phần tử ngắt mạch: đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử này phải có khả năng cảm nhận đƣợc giá trị hiệu dụng của dòng điện qua nó. Phần tử này có giá trị điện trở suất bé. Hình dạng của phần tử có thể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng. - Thân của cầu chì: thƣờng bằng thủy tinh, ceramic (sứ gốm) hay các vật liệu khác tƣơng đƣơng. 2.3.2.2. Nguyên lý hoạt động. Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính ampe – giây). Để có tác dụng bảo vệ, đƣờng A-s của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tƣợng cần bảo vệ. - Đối với dòng điện định mức của cầu chì: năng lƣợng sinh ra do hiệu ứng Joule khi có dòng điện định mức chạy qua sẽ tỏa ra môi trƣờng và không gây nên sự nóng chảy, sự cân bằng nhiệt sẽ đƣợc thiết lập ở một giá trị mà không gây sự già hóa hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì. - Đối với dòng điện ngắn mạch của cầu chì: sự cân bằng trên cầu chì bị phá hủy, nhiệt năng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá hủy cầu chì. 38
  41. Hình 2.10: Giản đồ thời gian của quá trình phát sinh hồ quang. Trong đó: ta – thời điểm bắt đầu sự cố; tp – thời điểm chấm dứt giai đoạn tiền hồ quang; tt – thời điểm chấm dứt quá trình phát sinh hồ quang. Quá trình tiền hồ quang: giả sử tại thời điểm t0 – phát sinh sự quá dòng, trong khoảng thời gian tp làm nóng chảy cầu chì và phát sinh hồ quang điện. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào giá trị dòng điện tạo nên do sự cố và sự cảm biến của cầu chì. Quá trình phát sinh hồ quang: tại thời điểm tp hồ quang sinh ra cho đến thời điểm tt mới dập tắt toàn bộ hồ quang. Trong suốt quá trình này, năng lƣợng sinh ra do hồ quang làm nóng chảy các chất làm đầy tại môi trƣờng hồ quang sinh ra; điện áp ở 2 đầu cầu chì hồi phục lại, mạch điện đƣợc ngắt ra. 2.3.3. Contactor. Contactor là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt các tiếp điểm, tạo liên lạc trong mạch điện bằng nút ấn. Nhƣ vậy khi sử dụng contactor ta có thể điều khiển mạch điện từ xa có phụ tải với điện áp đến 500V (vị trí điều khiển, trạng thái hoạt động của contactor rất xa vị trí các tiếp điểm đóng ngắt mạch điện). Contactor đƣợc cấu tạo gồm các thành phần: cơ cấu điện từ (nam châm điện), hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ). 39
  42. a) Contactor xoay chiều b) Contactor một chiều Hình 2.11: Cấu tạo contactor. Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn điện bằng giá trị điện áp định mức của contactor vào hai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ cố định thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di động hình thành mạch từ kín (lực từ lớn hơn phản lực của lò xo), contactor ở trạng thái hoạt động. Lúc này nhờ vào bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm làm cho tiếp điểm chính đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (thƣờng đóng mở ra, thƣờng mở đóng lại) và duy trì trạng thái này. Khi ngƣng cấp nguồn cho cuộn dây thì contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu. [Trích tr 21 - 5] 2.3.4. Rơle điều khiển và bảo vệ. Rơle là loại khí cụ điện dùng để tự động đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện. Theo nguyên lý làm việc có: Rơle điện từ, Rơle điện động, Rơle từ điện, Rơle cảm ứng, Rơle nhiệt, Rơle bán dẫn và vi mạch, Theo vai trò và đại lƣợng tác động của rơle có: Rơle trung gian, Rơle thời gian, Rơle tốc độ, Rơle dòng điện, Rơle điện áp, Rơle công suất, Rơle tổng trở, Rơle tần số, 2.3.4.1. Rơle trung gian. Rơle trung gian là một khí cụ điện dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động, cơ cấu kiểu điện từ. Rơle trung gian đóng vai trò điều khiển trung gian giữa các thiết bị điều khiển (contactor, rơle thời gian ). 40
  43. Rơle trung gian gồm: mạch từ của nam châm điện, hệ thống tiếp điểm chịu dòng điện nhỏ, vỏ bảo vệ và các chân ra tiếp điểm. Nguyên lý hoạt động: tƣơng tự nhƣ nguyên lý hoạt động của contactor. Khi cấp điện áp bằng giá trị điện áp định mức vào hai đầu cuộn dây của rơle trung gian, lực điện từ hút mạch từ kín lại, hệ thống tiếp điểm chuyển đổi trạng thái và duy trì trạng thái này (tiếp điểm thƣờng đóng hở ra, tiếp điểm thƣờng hở đóng lại). Khi ngƣng cấp nguồn, mạch từ hở, hệ thống tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu. 2.3.4.2. Rơle thời gian. Rơle thời gian là một khí điện dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động, với vai trò điều khiển trung gian giữa các thiết bị điều khiển theo thời gian định trƣớc. Rơle thời gian gồm: mạch từ của nam châm điện, bộ định thời gian làm bằng linh kiện điện tử, hệ thống tiếp điểm chịu dòng điện nhỏ, vỏ bảo vệ và các chân ra tiếp điểm. Tùy theo yêu cầu sử dụng khi lắp ráp hệ thống mạch điều khiển truyền động, ta có hai loại rơle thời gian: ON DELAY và OFF DELAY. Hình 2.12: Sơ đồ chân của rơle thời gian. +) Rơle thời gian ON DELAY Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn vào cuộn dây của rơle thời gian, các tiếp điểm tác động không tính thời gian chuyển đổi trạng thái tức thời (thƣờng đóng hở ra, thƣờng hở đóng lại), các tiếp điểm tác động có tính thời gian không đổi. Sau khoảng thời gian đã định trƣớc, các tiếp điểm tác động có tính thời gian sẽ chuyển trạng thái và duy trì trạng thái này. 41
  44. Khi ngƣng cấp nguồn vào cuộn dây, tất cả các tiếp điểm tức thời trở về trạng thái ban đầu. +) Rơle thời gian OFF DELAY Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn vào cuộn dây của rơ le thời gian, các tiếp điểm tác động tức thời và duy trì trạng thái này. Khi ngƣng cấp nguồn vào cuộn dây, tất cả các tiếp điểm tác động không tính thời gian trở về trạng thái ban đầu. Tiếp sau đó một khoảng thời gian đã định trƣớc, các tiếp điểm có tính thời gian sẽ chuyển về trạng thái ban đầu. 2.3.4.3. Rơle nhiệt. Rơle nhiệt là một loại khí cụ để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố quá tải. Rơle nhiệt không tác động tức thời theo trị số dòng điện vì nó có quán tính nhiệt lớn, phải có thời gian phát nóng, do đó nó làm việc có thời gian từ vài giây đến vài phút. Hình 2.13: Cấu tạo rơle nhiệt. Nguyên lý hoạt động: Phần tử phát nóng 1 đƣợc đấu nối tiếp với mạch động lực bởi vít 2 và ôm phiến lƣỡng kim 3. Vít 6 trên giá nhựa cách điện 5 dùng để điều chỉnh mức độ uốn cong đầu tự do của phiến 3. Giá 5 xoay quanh trục 4, tùy theo trị số dòng điện chạy qua phần tử phát nóng mà phiến lƣỡng kim cong nhiều hay 42
  45. ít, đẩy vào vít 6 làm xoay giá 5 để mở ngầm đòn bẩy 9. Nhờ tác dụng lò xo 8, đẩy đòn bẩy 9 xoay quanh trục 7 ngƣợc chiều kim đồng hồ làm mở tiếp điểm động 11 khỏi tiếp điểm tĩnh 12. Nút nhấn 10 để reset rơle nhiệt về vị trí ban đầu sau khi phiến lƣỡng kim nguội trở về vị trí ban đầu. 2.3.4.4. Rơle dòng điện. Dùng để bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Cuộn dây hút có ít vòng và quấn bằng dây to mắc nối tiếp với mạch điện cần bảo vệ, thiết bị thƣờng đóng ngắt trên mạch điều khiển. Khi dòng điện động cơ tăng lớn đến trị số tác động của rơle, lực hút nam châm thắng lực cản lò xo làm mở tiếp điểm của nó, ngắt mạch điện điều khiển qua công tắc tơ K, mở các tiếp điểm của nó tách động cơ ra khỏi lƣới. 2.3.4.5. Rơle điện áp. Dùng để bảo vệ sụt áp mạch điện. Cuộn dây hút quấn bằng dây nhỏ nhiều vòng mắc song song với mạch điện cần bảo vệ. Khi điện áp bình thƣờng, rơle tác động sẽ làm nóng tiếp điểm của nó. Khi điện áp sụt thấp dƣới mức quy định, lực lò xo thắng lực hút của nam châm và mở tiếp điểm. [Trích tr 40,41 – 5] 2.3.4.6. Rơ le tốc độ. Hình 2.14: Cấu tạo rơle tốc độ. Làm việc theo nguyên tắc phản ứng điện từ đƣợc dùng trong các mạch thắng của động cơ. 43
  46. Rơle đƣợc mắc đồng trục với động cơ và mạch điều khiển. Khi đƣợc quay, nam châm vĩnh cửu quay theo. Từ trƣờng của nó quét lên các thanh dẫn sẽ sinh ra suất điện động và dòng điện cảm ứng. Dòng điện này nằm trong từ trƣờng sẽ sinh ra lực điện từ làm cho phần ứng quay, di chuyển cần tiếp điểm đến đóng tiếp điểm của nó. Khi tốc độ động cơ giảm nhỏ gần bằng 0, lực điện từ yếu đi, trọng lƣợng cần tiếp điểm đƣa nó về vị trí cũ và mở tiếp điểm của nó. Rơle tốc độ thƣờng dùng trong các mạch điều khiển hãm ngƣợc động cơ. 2.3.5. Máy cắt. Máy cắt điện áp cao là thiết bị điện chuyên dùng để đóng cắt mạch điện xoay chiều ở tất cả các chế độ vận hành có thể có: đóng ngắt dòng điện định mức, dòng điện ngắn mạch, dòng điện không tải Máy cắt là loại thiết bị đóng cắt làm việc tin cậy song giá thành cao nên máy cắt chỉ đƣợc dùng ở những nơi quan trọng. Dòng điện cắt định mức: là dòng điện lớn nhất mà máy cắt có thể cắt một cách tin cậy ở điện áp phục hồi giữa hai tiếp điểm của máy cắt bằng điện áp định mức của mạch điện. Công suất cắt định mức của máy cắt 3 pha: Sdm3. U dm . I dm ( VA ) Trong đó: Udm là điện áp định mức của hệ thống (V) Idm là dòng điện cắt định mức (A) Khái niệm công suất này tƣơng đối khi dòng điện qua máy cắt Icdm thì điện áp trên hai đầu của nó trên thực tế bằng điện áp hồ quang và chỉ bằng vài % so với điện áp của mạch điện. Sau khi hồ quang bị dập tắt, trên các tiếp điểm của máy cắt bắt đầu phục hồi điện áp nhƣng trong thời gian này dòng điện bằng 0. 44
  47. Thời gian cắt của máy cắt: thời gian này đƣợc tính từ thời điểm đƣa tín hiệu cắt máy cắt đến thời điểm hồ quang đƣợc dập tắt ở tất cả các cực. Nó bao gồm thời gian cắt riêng của máy cắt và thời gian cháy hồ quang. Dòng điện đóng định mức: đây là giá trị xung kích lớn nhất của dòng điện ngắn mạch mà máy cắt có thể đóng một cách thành công mà tiếp điểm của nó không bị hàn dính và không bị các hƣ hỏng khác trong trƣờng hợp đóng lặp lại. Dòng điện này đƣợc xác định bằng giá trị hiệu dụng của dòng điện xung kích khi xảy ra ngắn mạch. Thời gian đóng máy cắt: là thời gian khi đƣa tín hiệu đóng máy cắt cho tới khi hoàn tất động tác đóng máy cắt. 2.3.6. Dao cách ly. Dao cách ly là một loại khí cụ điện dùng để tạo một khoảng hở cách điện đƣợc trông thấy giữa bộ phận đang mang dòng điện và bộ phận cắt điện nhằm mục đích đảm bảo an toàn, khiến cho nhân viên sửa chữa thiết bị điện an tâm khi làm việc. Dao cách ly không có bộ phận dập hồ quang nên không thể cắt đƣợc dòng điện lớn. Dao cách ly đƣợc chọn theo điều kiện định mức, chúng đƣợc kiểm tra theo điều kiện ổn định lực điện động và ổn định nhiệt. 2.3.7. Rơle công suất ngƣợc. Bản chất của hiện tƣợng công suất ngƣợc: Dòng tải của máy phát đảo pha 1800. UA IA 1800 IAN UA – Điện áp máy phát; 45
  48. IA – Dòng tải của máy phát khi máy phát phát công suất cho tải; IAN – Dòng tải của máy phát khi máy phát bị công suất ngƣợc. 2.3.7.1. Rơ le công suất ngƣợc kiểu cảm ứng. ITF BI 4 1 6 3 7 BU IU 5 2 Hình 2.15: Cấu tạo của rơle công suất ngƣợc kiểu cảm ứng. Trong đó: 1 và 2 là các khung từ. Cuộn dây số 4 lấy dòng từ biến dòng (dòng sơ cấp là dòng tải máy phát). Cuộn dây 5 lấy nguồn từ biến áp (điện áp sơ cấp là điện áp pha của pha lấy tín hiệu dòng). Ta gọi cuộn 4 là cuộn dòng, cuộn 5 là cuộn áp. Đĩa số 3 bằng nhôm có thể quay theo một chiều quanh trục quay còn chiều kia bị chặn không quay đƣợc. Tiếp điểm 6 ngắn với đĩa quay số 3. Tiếp điểm 7 cố định. Ta có đồ thị véc tơ: Hình 2.16: Đồ thị véc tơ. Do có tổn hao trong mạch từ nên: Véc tơ ΦI không trùn với véc tơ ITF, 0 Véc tơ ΦU không trùng với véc tơ IU. Góc (ΦI, ΦU) = 90 – φ. 46
  49. Do ΦI và ΦU lệch nhau về không gian và cũng lệch nhau về thời gian nên ΦΣ là từ thông quay. ΦΣ cảm ứng sang đĩa 3 các suất điện động, làm xuất hiện dòng chạy trong đĩa. Sự tƣơng tác giữa ΦΣ và dòng trong đĩa sinh ra 0 mômen quay: Mq = k.ΦI.ΦU.Sin (90 – φ) Dƣới tác dụng của Mq làm cho đĩa quay theo một chiều. Do chiều quay này có chốt hãm nên đĩa không quay đƣợc. 0 0 - Khi có công suất ngƣợc: ITF đảo pha 180 , làm cho ΦI đảo pha 180 . 0 0 Ta có: Góc (ΦI, ΦU) = 180 + 90 – φ 0 0 0 Do đó: Mq = k.ΦI.ΦU.Sin (90 – φ + 180 ) = -k.ΦI.ΦU.Sin (90 – φ) Mq đảo dấu, làm cho đĩa 3 quay ngƣợc lại. Đây là chiều quay tự do, tiếp điểm 6 sau 1 thời gian sẽ tiếp xúc với tiếp điểm 7 đóng mạch ngắt aptomat máy phát. 2.3.7.2. Rơle công suất ngƣợc bằng bán dẫn. Ura U BNF KÐ Trigo ITF UCC UCC Hình 2.17: Rơle công suất ngƣợc bằng bán dẫn. Bộ cảm ứng nhạy pha (Có thể là chỉnh lƣu nhạy pha hoặc khuếch đại nhạy) BNF nhận tín hiệu dòng máy phát ITF và tín hiệu áp pha của pha lấy trong dòng. BNF xác định chiều công suất và đƣa tín hiệu đến bộ khuếch đại KĐ. Tín hiệu ra bộ KĐ đƣợc đƣa tới bộ Trigo. Khi có công suất ngƣợc và giá trị công suất ngƣợc vƣợt quá giá trị đặt, bộ trigo làm việc đƣa tín hiệu đến ngắt aptomat máy phát. [Trích tr 33,34 - 7] 2.3.8. Các loại thiết bị dùng để bảo vệ đƣờng dây phân phối điện. 2.3.8.1. Cầu chảy cao áp. Cầu chảy (cầu chì) là loại thiết bị bảo vệ đơn giản nhất dùng trong lƣới phân phối với đặc tính của bảo vệ quá dòng có thời gian phụ thuộc. Có nhiều loại cầu chảy cao áp khác nhau, những loại thƣờng gặp trong lƣới phân phối 47
  50. là: cầu chảy tự rơi; cầu chảy chứa cát thạch anh; cầu chảy chứa chất lỏng dập hồ quang; cầu chảy chân không hoặc chứa khí SF6. Cầu chảy tự rơi và cầu chảy có chứa cát thạc anh đƣợc sủ dụng phổ biến hơn với khả năng cắt dòng điện cực đại từ 5 đến 8 kA ở cấp điện áp 11 hoặc 22 kV. 2.3.8.2. Máy cắt có trang bị tự đóng lại. Là máy cắt loại nhẹ tạc động nhanh đƣợc trang bị bảo vệ quá dòng, phần tử logic để cắt và đóng trở lại máy cắt có bộ phận đếm số lần tác động và chỉ trạng thái của máy cắt. Số lần tự đóng lại có thể đƣợc đặt trƣớc, nếu đóng lại không thành công, máy cắt sẽ đƣợc giữ ở trạng thái cắt, chờ nhân viên vận hành xử lý. Máy cắt có trang bị tự đóng lại có loại 3 pha hoặc 1 pha, ngày nay ngƣời ta dùng máy cắt chân không hoặc SF6 thay cho máy cắt ít dầu thƣờng dùng trƣớc đây để giảm trọng lƣợng của thiết bị, cho phép dễ dàng lắp đặt trên cột của đƣờng dây phân phối, nâng cao độ an toàn và tin cậy của thiết bị. Bộ phận điều khiển logic cắt tự động và đóng lại, đếm chu trình và thời gian tác động do một microprocessor thực hiện cho phép kết nối với hệ thống điều khiển xa và hiển thị trạng thái máy cắt trong sơ đồ tự động của lƣới phân phối. 2.3.8.3. Dao cách ly tự động. Là loại dao cách ly đƣợc trang bị bộ truyền động có thể điều khiển từ xa tác động phối hợp với máy cắt có trang bị tự đóng lại để thực hiện việc tách và cách ly phần tử bị sự cố trong khoảng thời gian không điện (dead time) trong chu trình tự đóng lại. Dao cách ly tự động không có khả năng cắt dòng điện lớn, vì vậy trong quá trình xử lý sự cố cần phối hợp chính xác tác động giữa nó và máy cắt. 2.3.8.4. Rơle quá dòng. Đƣợc trang bị kèm theo máy cắt tự đóng lại, có đặc tính thời gian phụ thuộc, đôi khi sử dụng kết hợp với bộ khóa điện áp thấp để tăng độ nhạy của bảo vệ hoặc bộ phận định hƣớng công suất (trong các mạch vòng). 48
  51. Để bảo vệ chống chạm đất ngƣời ta dùng rơle quá dòng có đặc tính độc lập hoặc phụ thuộc nối qua bộ lọc I0 với dòng điện chỉnh định khá bé từ 1 đến 10% dòng điện tải cực đại, thời gian làm việc từ 1 đến 5 giây. Đôi khi ngƣời ta còn dùng bộ lọc tần số cơ bản 50 Hz đặt ở đầu vào của rowle nhằm loại trừ ảnh hƣởng của hài bậc cao cũng nhƣ trị số quá độ của dòng điện khi đóng cắt máy biến áp. 2.3.8.5. Bộ phận chỉ thị sự cố. Thời gian phát hiện phần tử bị sự cố quyết định mức độ kéo dài của quá trình xử lý sự cố. Bộ phận chỉ thị sự cố sẽ tác động khi có dòng điện sự cố chạy qua nó, nó chỉ cảnh báo chứ không tác động cắt máy cắt. Các bộ phận chỉ thị sự cố đƣợc lắp đặt ở đầu tất cả các đƣờng dây, kể cả đƣờng dây rẽ nhánh giúp cho việc xác định đƣờng đi của dòng điện sự cố và từ đó xác định vị trí điểm sự cố đƣợc dễ dàng và nhanh chóng. [Trích tr 177,178 – 1] Có rất nhiều loại chỉ thị sự cố đƣợc chế tạo theo nhiều nguyên tắc khác nhau từ loại điện từ thƣờng dùng trƣớc đây với hệ thống trở về điều khiển bằng tay đến loại điện tử hiện đại với các hệ thống trở về khác nhau, có thể lắp đặt trong nhà hoặc trên cột, dùng cho đƣờng dây trên không hoặc cáp ngầm. 2.3.9. Tự động chuyển nguồn ATS. Cấu tạo ATS bao gồm các thiết bị sau: - 2 công tắc tơ, hoặc 2 aptomat đƣợc điều khiển bằng điện có khả năng đóng cắt dòng điện lớn và có tốc độ nhanh. + 1 để đóng cắt nguồn điện chính (QN), + 1 để đóng cắt điện máy phát (QR). Hai thiết bị đóng cắt này có khóa liên động cả về cơ khí và về điện để tránh đóng đồng thời cả 2 nguồn gây ngắn mạch. - Các mạch cảm biến điện áp, tần số và các mạch điều khiển các công tắc tơ hoặc aptomat. 49
  52. - Công tắc chọn chế độ hoạt động: chế độ bằng tay (man); chế độ tự động (auto); chế độ chờ sẵn sàng (standby). - Các đèn báo trạng thái làm việc của ATS. Hình 2.18: Cấu tạo của ATS. Chức năng của ATS: - Cảm biến sự mất nguồn chính; - Khởi động diesel lai máy phát; - Chuyền tải cho máy phát khi điện áp và tần số đạt tới giá trị định mức và ổn định; - Khi có nguồn chính trở lại bình thƣờng, chuyển tải trở lại nguồn chính, sau đó dừng diesel lai máy phát. 50
  53. CHƢƠNG 3. TỰ ĐỘNG HÓA ĐO LƢỜNG VÀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỆ TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM PHÁT ĐIỆN. 3.1.1. Tự động điều chỉnh điện áp trạm phát điện. Đối với máy phát điện xoay chiều đồng bộ 3 pha, ta có phƣơng trình cân bằng điện áp nhƣ sau: U Ekt jX I R I (3.1) Trong đó: U – điện áp của máy phát; Ekt – suất điện động của máy phát; X – trở kháng đồng bộ; R – điện trở cuộn dây stator; I – dòng điện tải của máy phát. Từ phƣơng trình (3.1) trên ta thấy, đối với máy phát xoay chiều đồng bộ, có 4 nguyên nhân gây ra sự thay đổi điện áp: - Khi dòng tải của máy phát thay đổi (cosφ = const và n = const), IT = var. Làm cho phản ứng phần ứng của máy phát thay đổigây ra sự thay đổi từ thông trong các cuộn dây phần ứng làm thay đổi điện áp của máy - Do tính chất của tải thay đổi: Nếu IT = const, n = const thì khi cosφ = var sẽ làm thay đổi độ khử từ của máy phát và dẫn đến thay đổi U của máy phát. - Khi tốc độ quay thay đổi: Nếu cosφ = const, IF = const, n = var thì lúc này sức điện động sinh ra trong cuộn dây của stator của máy phát bị thay đổi dẫn đến sự thay đổi điện áp ra của máy phát (E = 4,44.Kqd.Φ.W.f mà n = 60f/p) - Do sự thay đổi nhiệt độ môi trƣờng các cuộn dây máy phát. 3.1.1.1. Nguyên lý điều khiển theo sai lệch. Khi xây dựng hệ thống theo nguyên lý sai lệch, tác động điều khiển đƣợc thiết lập dựa trên độ sai lệch giữa đại lƣợng đƣợc điều chỉnh với giá trị đặt: 51
  54. ε(t) = UDAT - UDO (3.2) trên cơ sở đó hệ thống sẽ tác động theo xu hƣớng triệt tiêu độ sai lệch ε(t). Nét đặc trƣng dễ nhận thấy của nguyên lý là hệ thống bao giờ cũng sử dụng mạch phản hồi với các thiết bị đo và biến đổi (nếu cần), tín hiệu phản hồi đƣợc đƣa về so sánh với tín hiệu đặt để tạo nên tín hiệu điều khiển. Ƣu điểm của nguyên lý sai lệch là có thể điều khiển đƣợc những đối tƣợng không ổn định, khử bỏ đƣợc mọi ảnh hƣởng của tất cả các loại nhiễu, điều này hoàn toàn dễ hiểu vì thông tin dùng để tạo tín hiệu điều khiển chỉ dựa vào hậu quả gay nên sai lệch mà không kể đến nguyên nhân gây ra sai lệch. Với nguyên lý này, cấu trúc của hệ thống đơn giản, không phải dùng nhiều thiết bị quan sát, đo đạc. Tuy vậy, với nguyên lý này cũng khó có thể tạo nên một hệ thống vừa có độ chính xác cao, ổn định tốt và lại tác động nhanh. Hệ thống sẽ luôn tồn tại sai số vì độ sai lệch là cơ sở để tạo nên tín hiệu điều khiển. Hình 3.1: Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo độ lệch. Hình 3.1 trình bày hệ thống tự động điều chỉnh điện áp xây dựng theo nguyên lý độ lệch, trong đó: G: Máy phát đồng bộ, Đ: Bộ đo và biến đổi (nếu cần), C: Bộ tạo tín hiệu chuẩn, S: Khâu so sánh, K: Khâu khuếch đại, KT: Cuộn dây kích từ. 3.1.1.2. Nguyên lý điều khiển theo nhiễu. 52
  55. Hình 3.2: Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo bù nhiễu. Nguyên lý điều khiển theo bù trừ nhiễu là nguyên lý đƣợc xây dựng trong đó tác động điều khiển đƣợc thành lập theo kết quả đo nhiễu tác động vào đối tƣợng. Các hệ thống khi đƣợc xây dựng theo nguyên lý này làm việc với mạch hở, không có mối liên hệ ngƣợc (phản hồi) và cấu trúc hệ thống thƣờng đƣợc thiết kế có thiết bị bù tạo tín hiệu tác động ngƣợc dấu với dấu của nhiễu tác động lên đối tƣợng. Ƣu điểm của nguyên lý này là hệ thống tác động nhanh vì tác động gây nên sai lệch đƣợc đo trực tiếp, nhƣợc điểm của nguyên lý này là không có khả năng khử đƣợc tất cả các loại nhiễu vì làm nhƣ vậy phần tử đo sẽ rất nhiều, tạo ra một hệ thống quá phức tạp. Hình 3.2 trình bày hệ thống tự động điều chỉnh điện áp xây dựng theo nguyên lý bù trừ nhiễu, trong đó: G – Máy phát đồng bộ; Zt – Cuộn kháng; CI – Biến dòng; Re – Bộ chỉnh lƣu; KT – Cuộn dây kích từ.[Trích tr 105,106 – 3] 3.1.1.3. Nguyên lý điều khiển kết hợp. Đây là các hệ thống đƣợc xây dựng dựa trên kết quả liên hợp giữa hai phƣơng pháp điều chỉnh theo độ lệch và bù trừ nhiễu. Thực hiện liên hợp để tạo nên một hệ thống có tất cả các ƣu điểm của hai hệ thống và khắc phục đƣợc những khuyết điểm của hai tức là tránh đƣợc những cùng tối trong điều khiển. Đặc điểm của nguyên lý kết hợp là bên cạnh các mạch vòng kín tạo nên tín hiệu phản hồi âm, còn có các mạch bù trừ tác động theo nhiễu thƣờng là tín hiệu bù ngƣợc dấu với nhiễu để tạo nên hƣớng điều chỉnh ngƣợc lại 53
  56. hƣớng tác động của nhiễu hay các mạch phụ bù trừ sai số do tác động từ tín hiệu vào gây nên. 3.1.2. Làm việc song song của các máy phát trong trạm phát điện. 3.1.2.1. Hòa đồng bộ các máy phát điện trong trạm phát điện. Các máy phát muốn làm việc song song với nhau cần phải thực hiện một thao tác không thể thiếu đƣợc là hòa đồng bộ. Hòa đồng bộ là một quá trình đƣa một máy phát đang chạy không tải với các điều kiện làm việc đầy đủ sẵn sàng cung cấp năng lƣợng cho phụ tải vào làm việc song song với một máy phát khác hoặc làm việc song song với lƣới (điện). Hòa đồng bộ là một quá trình quá độ nên khi thực hiện thao tác này mục tiêu đặt ra là phải thành công. Việc hòa đồng bộ đƣợc coi là thành công là đƣa đƣợc máy phát cần hòa vào làm việc song song mà không gây ra bất cứ một biến động nào cho lƣới điện, đặc biệt là không gây ra xung dòng lớn và thời gian diễn ra quá trình quá độ ngắn. Có hai phƣơng pháp là hòa đồng bộ chính xác và hòa đồng bộ thô. Hòa đồng bộ chính xác là các điều kiện hòa phải thỏa mãn khi thực hiện hòa, còn hòa đồng bộ thô cho phép thực hiện hòa khi thiếu điều kiện góc pha ban đầu. Bốn điều kiện hòa cho các máy điện đồng bộ: Điện áp máy phát cần hòa phải bằng điện áp lƣới; tần số máy phát cần hòa phải bằng tần số lƣới; thứ tự pha của máy phát cần hòa phải giống thứ tự pha của lƣới và góc pha ban đầu của điện áp máy phát cần hòa phải trùng với góc pha đầu của điện áp cùng tên của lƣới điện. Để kiểm tra các điều kiện hòa đồng bộ chính xác và chọn thời điểm đóng máy phát vào lƣới, ngƣời ta dùng các thiết bị sau: Hệ thống đèn tắt, đèn quay, đồng bộ kế. a. Hòa đồng bộ bằng phƣơng pháp đèn tắt. 54
  57. R S T URL L3 URG nL G n 1 SW UTG FM V V0 2 ACB L1 L2 L3 L1 USL L2 UTL USG G Hình 3.3: Nguyên lý hòa đồng bộ chính xác bằng phƣơng pháp đèn tắt. Trong đó G là máy phát cần hòa vào lƣới điện ba pha RST; V và V0 là volmeter; FM đồng hồ tần số; SW công tắc chuyển mạch hai vị trí; L1, L2, L3 các bóng đèn; ACB cầu dao chính. Thao tác hòa nhƣ sau: Khởi động động cơ sơ cấp lai máy phát cho chạy ổn định tại tốc độ định mức, trong quá trình khởi động máy phát đã thành lập đƣợc điện áp, chuyển công tắc SW về vị trí 2 để kiểm tra giá trị điện áp và tần số của máy phát thông qua các thiết bị đo volmeter V và tần số FM. Nếu các giá trị này khác định mức thì cần tiến hành điều chỉnh tần số thông qua tay ga, điện áp thông qua chiết áp. Chuyển công tắc SW sang vị trí 1 để so sánh tần số và điện áp máy phát với lƣới. Khi các đại lƣợng tần số và điện áp của lƣới và máy phát tƣơng đối bằng nhau, quan sát trên các đèn L1, L2, L3 thấy ánh sáng cứ từ từ sáng lên rồi lại từ từ tối đi và tắt hẳn. Trên hình trình bày cơ sở đấu nối các bóng đèn trong hệ thống, bóng đèn đã đƣợc đặt vào hiệu hai điện áp pha cùng tên Δu. Nhƣ vậy, quan sát ánh sáng của bóng đèn là quan sát đƣợc thứ tự pha đang chuyển động theo tần số góc trƣợt của hệ thống. Nếu sai khác hai tần số góc ωL và ω lớn thì tần số trƣợt ωS lớn, đèn sẽ sáng tối với chu kỳ nhanh, sai khác hai tần số nhỏ thì tần số sáng tối sẽ chậm. Thời điểm đóng điện sẽ đƣợc chọn với tần số trƣợt nhỏ, tức là tốc độ sáng tối của các đèn 55
  58. chậm và khi các vectơ cùng tên chồng khít lên nhau – lúc đó đèn tắt hoàn toàn. b. Hòa đồng bộ bằng phƣơng pháp đèn quay. R S T URG URL nL 1 nG SW UTG L3 L2 FM V V0 2 ACB L1 L2 L3 L1 USL UTL USG G Hình 3.4: Hệ thống hòa đồng bộ bằng phƣơng pháp đèn quay. Một trong những nhƣợc điểm của phƣơng pháp đèn tắt là không xác định đƣợc tốc độ góc của máy phát cần hòa chậm hay nhanh hơn tốc độ góc của lƣới. Khi hòa đồng bộ nếu chọn tốc độ góc của máy cần hòa lớn hơn tốc độ góc của lƣới thì ngay tại thời điểm khi máy phát đƣợc đóng vào lƣới nó ngay lập tức nhận tải với giá trị nhỏ, lúc đó momen điện từ sẽ xuất hiện và “kéo” cho máy chậm lại dễ dàng vào đồng bộ, việc đồng bộ hóa với lƣới trở nên dễ dàng hơn, hệ ổn định. Với phƣơng pháp đèn quay thì chiều quay của ánh sáng xuất hiện trên ba đèn L1, L2, L3 cho phép xác định đƣợc tốc độ góc của máy cần hòa ra sao. Từ hình 3.4 thấy rằng vectơ điện áp khi ba đèn đƣợc nhận điện áp sẽ tạo nên chiều quay nhất định. Nếu tốc độ góc của máy phát cần hòa lớn hơn tần số góc của lƣới thì ánh sáng sẽ quay theo chiều L3, L1, L2, L3, L1, L2, còn nếu tốc độ góc của máy phát nhỏ hơn tốc độ góc của lƣới thì đèn sẽ quay ngƣợc lại. Thao tác kiểm tra và thực hiện hòa đồng bộ giống nhƣ phƣơng pháp đèn tắt, thời điểm đóng ACB lên lƣới là lúc đèn L1 tắt còn đèn L2, L3 cùng sáng và sáng với cƣờng độ nhƣ nhau. Cũng nhƣ phân tích ở trên để đóng thật 56
  59. chính xác, sau khi L1 tắt cần quan sát trên đồng hồ V0 cho đến khi đồng hồ đo này chi zero mới thực hiện đóng ACB Quá trình hòa kết thúc. c. Hòa đồng bộ bằng phƣơng pháp sử dụng đồng bộ kế. R S T PT5 SYS ACB PT1 G FAST SLOW Hình 3.5: Sơ đồ hòa đồng bộ bằng đồng bộ kế kim. Đồng bộ kế kim đƣợc thiết kế trên mặt đồng hồ có đánh dấu thời điểm hòa bằng một vạch chỉ thị, khi kim chỉ thị trung với vạch dấu thì phải thực hiện thao tác đóng ACB. Trên mạch đồng hồ cũng chỉ ra chiều quay Fast và Slow để giúp ngƣời vận hành xác định đƣợc tần số góc cần hòa nhanh hơn lƣới nếu kim quay theo chiều Fast còn ngƣợc lại thì kim quay theo chiều Slow. Thông thƣờng ngƣời ta chọn chiều quay theo Fast để hệ dễ đồng bộ. Việc chỉnh chiều quay của kim chính là việc can thiệp vào điều tốc động cơ sơ cấp. Chính vì vị trí hòa và chiều quay đƣợc ấn định sẵn nên việc đấu nối vào các cuộn dây của đồng bộ kế chỉ duy nhất theo một cách. Hình 3.5 trình bày sơ đồ nguyên lý của đồng bộ kế kim SYS khi đấu nối vào hệ thống, trong đó PT1 và PT5 là biến áp đo lƣờng với cuộn dây nối sao hở và thứ cấp nối đất an toàn và bên cạnh là mặt đồng bộ kế kim với hai chiều quay đƣợc ghi và chỉ thị bằng mũi tên. 57
  60. Thực tế, trên Synchoronizing Panel thƣờng bố trí kết hợp hai dụng cụ: đồng bộ kế và hệ thống đèn tắt hoặc quay để nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành và khai thác. Thao tác hòa đồng bộ hoàn toàn giống với phƣơng pháp dùng đèn tắt hoặc quay nhƣng ở đây chọn thời điểm bằng đồng bộ kế. Cũng phải nhắc lại là ngƣời ta thƣờng chọn kim của đồng bộ kế quay theo chiều Fast và thời điểm đóng là lúc kim quay chậm dần tiến đến vạch. Phải tính toán sao cho khi tiếp điểm động của ACB tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh tại thời khắc kim quay trùng khít lên vạch hoặc trƣớc đó một nhịp. [Trích tr 146-150 – 2] 3.1.2.2. Phân phối công suất cho các máy khi làm việc song song. Khi hai máy phát làm việc song song với nhau trong trạm nếu việc phân phối công suất kháng (tải vô công) giữa chúng không tỉ lệ với công suất của mỗi máy thì sẽ gây nên các hậu quả: - Xuất hiện dòng cân bằng chạy trong các cuộn dây phần ứng của hai máy, dòng này cộng với dòng tải của trạm tạo nên dòng tổng sẽ rất lớn. Khi dòng điện trong máy lớn thì chúng sẽ gây phát nhiệt làm tổn hao tăng và nếu dòng cân bằng quá lớn thì gây quá tải về dòng, có thể dẫn đến các thiết bị bảo vệ phải hoạt động bảo vệ khi vƣợt ngƣỡng. - Ở máy nào nhận tải kháng lớn sẽ có hiệu suất khai thác rất thấp và việc không nhận đƣợc tải tác dụng của máy này sẽ là nguyên nhân gây nên quá công suất tác dụng cho máy khác, hệ có nguy cơ bị mất ổn định. 58
  61. Hình 3.6: Cơ sở phân chia công suất kháng cho các máy khi làm việc song song. Cơ sở của việc phân phối tải kháng cho các máy phát là dựa vào đặc tính ngoài của các máy phát với mức độ sai số của mỗi máy khác nhau. Hình 3.6 trình bày 3 đặc tính của 3 máy phát không trùng nhau G1, G2, G3 trong đó U là điện áp trên cực máy phát, IP là dòng mang tính chất kháng của các máy. Do độ dốc đặc tính không giống nhau nên cùng với giá trị điện áp U1 trên ba máy sẽ có ba giá trị dòng khác nhau IGP1, IGB2 và IGB3 tƣơng tự nhƣ vậy ứng với điện áp U2 cũng có I’GB1, I’GB2, I’GB3. [Trích tr 160 – 2] Nhƣ vậy với một sự thay đổi điện áp trong khoảng ΔU = U1 – U2 thì gia số tƣơng ứng của dòng phản kháng sẽ là ΔIp và có thể viết đƣợc phƣơng trình: ΔU + kc1ΔIGB1 = 0; ΔU + kc2ΔIGB2 = 0; (3.3) ΔU + kc3ΔIGB3 = 0; Trong đó kc1, kc2, và kc3 là hệ số đặc trƣng cho độ nghiêng của đặc tính tĩnh (hệ số hữu sai). Gia số dòng điện có thể tính: UU IGP1 ; tg11 kc UU I ; GP2 (3.4) tg22 kc UU IGP3 . tg33 kc 59
  62. Cộng các vế phải và trái của phƣơng trình (3.4) rồi biến đổi, nhận đƣợc: 3 IGPi I i 1 ; GP1 1 1 1 kc1() kc1 k c 2 k c 3 3 IGPi I i 1 ; GP2 1 1 1 (3.5) kc2 () kc1 k c 2 k c 3 3 IGPi I i 1 . GP3 1 1 1 kc3 () kc1 k c 2 k c 3 Có thể viết gia số dòng điện cho n máy phát làm việc song song: n IGPi I i 1 GPi 1 1 1 (3.6) kci ( ) kc12 k c k cn Và gia số điện áp: n IGPi U i 1 1 1 1 (3.7) kc12 k c k cn Việc phân phối công suất kháng cho các máy khi công tác song song thƣờng đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp kinh điển là việc sử dụng dây nối cân bằng giữa các máy hoặc sử dụng phƣơng pháp thay đổi độ dốc đặc tính ngoài. 3.2. MỘT SỐ QUY ĐỊNH VỀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN. Với trạm phát sự cố công suất vừa và lớn luôn phải đáp ứng các quy phạm của đăng kiểm về các vấn đề kỹ thuật: - Các chỉ tiêu chất lƣợng của máy phát với hệ tự động điều chỉnh điện áp và hệ tự động ổn định tốc độ. 60
  63. - Các chỉ tiêu chất lƣợng và các yêu cầu về quy phạm cho bảng điện sự cố và các thông số cần kiểm tra, giám sát cho trạm phát điện sự cố. Các yêu cầu về quy phạm này hoàn toàn giống với trạm phát điện chính và luôn đƣợc kiểm tra giám sát các lần sửa chữa định kỳ và đột xuất. Với trạm phát sự cố cần phải đảm bảo một số yêu cầu: - Hệ thống luôn giữ trạng thái sẵn sàng hoạt động, dễ khởi động, thời gian khởi động ngắn, tính ổn định cao. - Có khả năng cung cấp năng lƣợng liên tục, dài hạn, đáp ứng các chỉ tiêu chất lƣợng. - Hoạt động tin cậy, an toàn trong vận hành, khai thác. - Giảm thiểu tổn thất nhiên liệu, hiệu suất cao, không gây ô nhiễm môi trƣờng. Để đáp ứng các yêu cầu trên, trƣớc hết trạm phát sự cố phải có tính cơ động cao, luôn trong trạng thái sẵn sàng hoạt động, khi cần là có ngay, không phạm sai sót khi khởi động cũng nhƣ khi vận hành. Đảm bảo đáp ứng các chế độ công tác, không chỉ ở các chế độ thông thƣờng mà ngay cả khi một vài phần tử không quan trọng trong hệ thống có thể xảy ra sự cố. Về quá trình quá độ, trạm phát sự cố thƣờng đƣợc huy động đến trong các trạng thái cấp bách mà các nguồn điện chính đã trở nên tê liệt, vì vậy một trong những chỉ tiêu cần đáp ứng đó là phải rút ngắn đƣợc thời gian quá độ. Để có đƣợc tính năng này ngay từ khi chế tạo, các nhà thiết kế đã phải tính toán đến thời gian quá độ cho các quá trình, chính vì lẽ này mà các máy phát điện dùng cho trạm phát sự cố cũng đƣợc lựa chọn theo một yêu cầu riêng. Về khả năng cung cấp năng lƣợng liên tục là một tiêu chí không thể thiếu đƣợc ở trạm phát sự cố. Rất nhiều trƣờng hợp vì một lý do nào đómà nhiều con tàu trạm phát chính hoàn toàn không thể khôi phục khi nó xảy ra sự cố. Với trạm phát sự cố, khi đã dùng đến nó thì đó là nguồn điện duy nhất và cuối cùng còn lại trên tàu có thể khai thác đƣợc tại thời điểm đấy và vì thế, 61
  64. độ tin cậy phải đƣợc đặt ra rất khắt khe và hơn thế nữa, một số thiết bị có nguy cơ cao về hỏng hóc thì phải luôn có thiết bị dự phòng. Hiện nay, khả năng về tự động điều khiển, tự động kiểm tra giám sát phát triển mạnh, các hệ thống có khả năng giúp con ngƣời bao quát và điều khiển một cách tin cậy cũng nhƣ kín kẽ mọi hoạt động của hệ thống, có khả năng cảnh báo những hỏng hóc có thể xảy đến trong khai thác giúp ngƣời vận hành chủ động đƣợc những khó khăn và tránh đƣợc những rủi ro vì vậy thực hiện thực hiện tự động hóa và điều khiển từ xa trạm phát sự cố là cần thiết. [Trích tr 286 – 2] 3.2.1. Nhiệm vụ của các thiết bị bảo vệ. - Tự động ngắt mạch những phần tử có sự cố khỏi những phần tử khác đang hoạt động bình thƣờng. - Tự động ngắt mạch một số phần tử thuộc trạm phát. Ví dụ: Khi trạm phát bị quá tải, thì tự động ngắt các nhóm phụ tải không quan trọng. - Dự báo những chế độ công tác khác với chế độ công tác định mức nhƣ: Dòng tải máy phát gần bằng hoặc lớn hơn dòng tải định mức. Điện trở cách điện của trạm giảm quá giới hạn cho phép v.v 3.2.2. Các yêu cầu đối với các thiết bị bảo vệ. - Bảo vệ phải có tính chọn lọc: Chỉ ngắt các phần tử hƣ hỏng hoặc bị sự cố, đảm bảo sự hoạt động bình thƣờng cho các phần tử khác. - Bảo vệ phải có tính tác động nhanh: Nhờ tác động nhanh mà có thể hạn chế đƣợc các ảnh hƣởng xấu đến các máy phát công tác song song, đến các phần tử khác, nâng cao tính ổn định của hệ thống. - Bảo vệ phải có độ tin cậy: Các thiết bị bảo vệ rất ít khi hoạt động vì rất ít khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên khi xảy ra sự cố, các thiết bị bảo vệ phải hoạt động đƣợc và hoạt động đúng. 62
  65. - Bảo vệ phải có độ nhạy cao: Đây là yêu cầu quan trọng để đảm bảo thiết bị bảo vệ phản ứng ngay với những hiện tƣợng hƣ hỏng, sự cố. 3.3. CÁC HÌNH THỨC BẢO VỆ ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT. 3.3.1. Khái quát chung. Cũng nhƣ trạm phát điện chính, trạm phát điện sử dụng hiện nay thƣờng sử dụng diesel làm động cơ sơ cấp. Để đảm bảo khai thác kinh tế và an toàn cho diesel – generator, vấn đề tự động hóa trong trạm phát sự cố phải thực hiện theo một số điều kiện sau: - Chỉ thực hiện khởi động hai đến ba lần cho mỗi lệnh khởi động. Nếu hệ thống thực hiện khởi động lần thứ nhất, thứ hai không thành công thì sẽ phát tín hiệu khởi động lần thứ ba. Vì một lý do nào đó, lần khởi động thứ ba cũng không thành công thì phải hủy lệnh khởi động và cần tìm và khắc phục nguyên nhân tạo nên việc khởi động thất bại. - Khi lƣới điện xảy ra mất điện chập chờn (mất điện lƣới rồi lại có điện trở lại ngay, rồi lại mất ) hoặc điện áp trên lƣới dao động rất lớn thì hệ thống phải có thiết bị khẳng định trạng thái và phải định nghĩa đƣợc đó chƣa phải là mất điện để không đƣa ra lệnh điều khiển và khởi động, tránh cho việc khởi động và dừng máy quá nhiều lần không cần thiết gây nên những hao mòn cơ học cho bánh răng truyền dẫn hoặc các bộ ly hợp. Với các hệ diesel – generator thƣờng lắp bánh đà, khi có lệnh dừng máy, do quán tính, phải sau một thời gian nhất định hệ thống mới dừng hẳn. Khi bánh đà chƣa dừng mà lại có lệnh khởi động lại diesel thì sẽ gây nên lực va đập trong các bộ ly hợp hoặc giữa các bánh răng chủ và bị động có thể làm mẻ, làm vỡ phá hỏng liên kết cơ khí của hệ. Chỉ khởi động diesel khi hệ đã dừng hẳn. [Trích tr 287 – 2] - Áp suất dầu bôi trơn (LO), áp suất nƣớc làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ nƣớc làm mát, nhiệt độ khí xả trên các xilanh, nhiệt độ vào ra của tuabin tăng áp, tốc độ diesel là các thông số và đại lƣợng rất quan trọng 63
  66. cần đƣợc kiểm tra, giám sát và cảnh báo. Riêng áp suất dầu bôi trơn quá thấp vƣợt giá trị đặt, tốc độ diesel vƣợt 110 % thì hệ thống phải hoạt động bảo vệ ngay. - Khi khởi động diesel thành công, tốc độ đạt đƣợc định mức mà máy phát không thành lập đƣợc điện áp hoặc điện áp không đạt đƣợc giá trị tối thiểu thì phải có lệnh gửi đến điều khiển dừng diesel. Quá trình khởi động D – G trạm phát sự cố đƣợc gọi là thành công khi tốc độ diesel đạt định mức và điện áp máy phát đạt định mức, ổn định. 3.3.2. Các thông số và đại lƣợng của diesel cần giám sát trên trạm phát điện sự cố. Để đảm bảo an toàn cho động cơ sơ cấp sử dụng diesel trong quá trình vận hành và khai thác không xảy ra sự cố nghiêm trọng thì các đại lƣợng và thông số cần đƣợc giám sát thông qua hệ thống tự động kiểm tra bao gồm: 3.3.2.1. Áp suất dầu bôi trơn. Dầu bôi trơn có nhiệm vụ làm trơn, giảm ma sát bề mặt làm việc của các chi tiết chuyển động tƣơng đối với nhau đồng thời làm mát các chi tiết này. Áp lực dầu bôi trơn trong quá trình làm việc phải đƣợc giữ trong một phạm vi nhất định và vì vậy nó phải đƣợc thƣờng xuyên kiểm tra, thông báo cho ngƣời vận hành biết thông qua các thiết bị hiển thị liên tục. Nếu vì một lý do nào đó, áp lực dầu bôi trơn bị giảm xuống thấp (so với ngƣỡng đặt) thì lập tức hệ thoongsphair phát ra lệnh báo động để ngƣời vận hành biết và có giải pháp xử lý kịp thời. Nếu vì một lý do nào đó, áp suất dầu bôi trơn tiếp tục giảm xuống thấp (điểm an toàn cuối cùng) thì hệ thống phải phát ra lệnh dừng máy. Nhƣ vậy, với thông số quan trọng này trong hệ thống kiểm tra báo động ngƣời vận hành đã có hai ngƣỡng đặt: một cho báo động và một cho bảo vệ. Trong các hệ thống tự động kiểm tra và bảo vệ hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử 64
  67. dụng hai sensor áp suất với hai ngƣỡng đặt cho hai tín hiệu báo động và bảo vệ này. 3.3.2.2. Tốc độ của diesel. Là một đại lƣợng khá nhạy cảm. Trong khai thác, diesel khi xảy ra quá tốc độ trên 110% tốc độ định mức là một điều khá nguy hiểm vì đại lƣợng này liên quan đến tuổi thọ của các chi tiết nói riêng và diesel nói chung. Khi diesel bị vƣợt tốc các chi tiết máy sẽ nhanh chóng bị phá hỏng do mài mòn, do nhiệt độ cao, do lực ly tâm Chính vì vậy, bảo vệ quá tốc là điều rất quan trọng. Để cảm nhận đƣợc tốc độ của diesel ngƣời ta thƣờng sử dụng rơle tốc độ Speed relay bao gồm một trung tâm xử lý tín hiệu và một sensor cảm biến tốc độ quay diesel. 3.3.2.3. Nhiệt độ nƣớc làm mát. Nƣớc làm mát cho máy phát điện là một hệ thống quan trọng trong quá trình khai thác. Khi nhiệt độ nƣớc làm mát đạt đến giá trị ngƣỡng đặt thì hệ thống phải phát ra tín hiệu báo cho ngƣời vận hành biết tình trạng không bình thƣờng đó để xử lý giữ cho máy đƣợc an toàn, không xảy ra sự cố. Trong nhiều trƣờng hợp với các đói tƣợng diesel giữ vai trò quan trọng, với thông số này ngƣời ta cũng đặt một ngƣỡng thứ hai để thực hiện hoạt động bảo vệ. Ngoài ra, trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta cũng có thể giám sát cả áp suất nƣớc làm mát để tăng độ an toàn cao trong khai thác. 3.3.2.4. Nhiệt độ khí xả. Là một thông số đáng quan tâm, nhiệt độ khí xả thể hiện khả năng nhận tải của diesel và hiệu quả sinh công của mỗi xilanh. Trong máy ngƣời ta thƣờng theo dõi nhiệt độ khí xả của từng xilanh, của ống góp, của đầu vào/ra tuabin tăng áp. Thông số này thƣờng đƣợc đo liên tục và thông báo trên các đồng hồ hiển thị Thông số này không đặt ngƣỡng báo động nên để kiểm tra và giám sát nó không có cách nào khác là ngƣời vận hành phải đọc trực tiếp trên đồng hồ hoặc trên màn hình hiển thị. Ngày nay hệ thống tự động kiểm tra 65
  68. với bộ nhớ dung lƣợng lớn đã giúp ngƣời vận hành lƣu lại đƣợc các thông số này nhƣ là một cuốn nhật ký khai thác trong mỗi thời điểm hoạt động. [Trích tr 288,289 – 2] 3.3.3. Khởi động, dừng diesel – generator sự cố. 3.3.3.1. Tổ hợp D – G sự cố luôn ở trạng thái sẵn sàng hoạt động (Stand by). Với trạm phát sự cố sử dụng động cơ diesel làm động cơ sơ cấp thì một trong những yêu cầu kỹ thuật đó là chúng luôn trong trạng thái sẵn sàng, muốn vậy tất cả các điều kiện khởi động động cơ diesel phải đƣợc đáp ứng: Trƣớc hết là yêu cầu về xoa trơn các ổ đỡ, các khớp nối phải đƣợc thực hiện thƣờng xuyên, trong thực tế ngƣời ta sử dụng một bơm dầu nhờn đƣợc lai bởi một động cơ điện thực hiện dƣới sự điều khiển của trung tâm điều khiển, chƣơng trình đƣợc thiết lập trong khoảng từ 8 đến 12 giờ động cơ lai bơm LO đƣợc khởi động hoạt động xoa trơn một lần. Thời gian hoạt động của bơm này kéo dài đủ để hệ thống dầu nhờn đƣợc bơm và xoa trơn đến chi tiết xa xôi nhất và bơm phải tạo đƣợc áp suất đủ lớn bằng áp suất định mức để thực hiện việc xoa trơn đúng theo yêu cầu kỹ thuật. 3.3.3.2. Thuật toán khởi động D – G. Để thực hiện khởi động và dừng máy cho diesel trạm phát sự cố, trƣớc đây ngƣời ta thực hiện bằng việc lắp đặt hệ thống bằng các rơle hoặc các phần tử điện rời rạc. Ngày nay, việc thực hiện điều khiển chƣơng trình này đã có rất nhiều cách thực hiện: có thể dùng IC các họ 8051, PSOCK, AVR. Cũng có thể dùng PLC hoặc một máy tính mini. Chƣơng trình điều khiển có thể xây dựng trên cơ sở thuật toán nhƣ hình 3.7. 66
  69. START _ _ ACB CLOSED=1 MAIN SOURCE FAIL? + + OPEN ACB _ + (U) AND (N)=1 CLOSE ACB TURN ON THE ALARM + AND PROTECTION COUNTER=3 CIRCUIT _ + _ DELAY 5S CHECK PROTECTING SIGNALS OPEN ACB START EMERGENCY GENERATOR _ CHECK WARNING DELAY t(s) SIGNALS + STOP DIESEL DELAY 5S PROTECTING ALARM WARNING ALARM _ RESET=1 + Hình 3.7: Thuật toán điều khiển quá trình khởi động D – G trạm phát sự cố. 3.3.3.3. Chuẩn bị khởi động. Trƣớc hết bơm dầu bôi trơn phải đƣợc khởi động để tạo áp suất cao cho hệ thống dầu nhờn làm nhiệm vụ xoa trơn ban đầu cho diesel. Đồng thời, hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng trong trạng thái sẵn sàng hoạt động. Trong chƣơng trình khởi động phải đƣợc lập trình sao cho trong trƣờng hợp khởi động lần đầu không thành công thì lần khởi động tiếp theo phải tự động nâng mức nhiên liệu lên cao vào khoảng 0,5 đến 0,6 Để khởi động, trong chƣơng trình điều khiển cũng thƣờng đƣợc thiết kế lập trình cho hệ nếu thực hiện việc khởi động bằng gió nén thì bao giờ cũng đặt sẵn thời gian khởi động và có thiết bị đếm số lần khởi động. Trong giai đoạn đầu khởi động khi bơm dầu do máy tự lai chƣa hoạt động, áp suất dầu xoa trơn chƣa đủ theo giá trị đặt của các rơle bảo vệ, hệ thống bảo vệ phải đƣợc tự động loại trừ điều kiện này để 67
  70. đảm bảo cho lệnh khởi động không bị cấm. Sau khi việc khởi động thành công, tín hiệu từ rơle tốc độ sẽ đƣợc gửi đến trung tâm xử lý tín hiệu lúc đó mới đƣa hệ thống tự động kiểm tra, bảo vệ vào hoạt động. Việc khởi động động cơ sơ cấp chỉ đƣợc thực hiện trong điều kiện động cơ không có sự cố. Khi tất cả các điều kiện đƣợc thỏa mãn, hệ thực hiện lệnh khởi động. Đến đây sẽ xảy ra hai khả năng: - Khi khởi động thành công, tốc độ động cơ tăng dần và sau khoảng thời gian đủ để động cơ chạy “rà” theo chƣơng trình thiết kế thì động cơ nhanh chóng gia tốc để đạt tới tốc độ cho trƣớc. Từ sensor cảm biến tốc độ, tín hiệu báo tốc độ đã đạt giá trị đặt đƣợc gửi về trung tâm và sẽ có lệnh điều khiển từ trung tâm gửi đi để ngắt mạch hạn chế nhiên liệu, ngắt thiết bị cải thiện khởi động, gửi tín hiệu đến báo hiệu khởi động thành công và lệnh đƣa hệ thống tự động kiểm tra, giám sát vào hoạt động. - Trường hợp khởi động không thành công: Cũng nhờ sensor tốc độ, tín hiệu khởi động không thành đƣợc gửi đến trung tâm xử lý và đèn hiển thị sẽ xác định hệ khởi động không thành, tín hiệu này đƣợc gửi qua khâu trễ sau khoảng thời gian đến 3 giây, tín hiệu đƣợc đƣa đến để thực hiện khởi động lại. Lệnh khởi động thực hiện có thể đặt đến lần thứ ba, nếu không thành công hệ thống sẽ hình thành lệnh cấm khởi động. Cần phải có can thiệp từ phía con ngƣời để khắc phục lỗi kỹ thuật. Thời gian cho mỗi lần khởi động có thể kéo dài từ 3 đến 10 giây, và lƣợng nhiên liệu dùng cho khởi động cũng không thể đáp ứng nhiều lần đƣợc. Hệ thống diesel – generator chỉ đƣợc gọi là khởi động thành công khi thỏa mãn hai điều kiện: Tốc độ diesel đạt định mức và điện áp trên cực của máy phát đạt định mức. Sensor cảm biến điện áp của máy phát chính là rơle điện áp, tín hiệu này cũng đƣợc gửi về trung tâm xử lý tín hiệu nhƣ tín hiệu tốc độ để hình thành các lệnh sau đó. Lệnh đóng ACB đƣợc hình thành và thực hiện đóng điện cấp nguồn cho phụ tải. 68
  71. 3.3.3.4. Lệnh dừng máy. Lệnh dừng máy chỉ hình thành trong hệ thống khi có các thông tin sau: Lƣới điện có điện trở lại (sensor điện áp), cầu dao chính ACB của trạm sự cố đƣợc mở ra, tín hiệu dòng tải bằng không. Hệ thống phải tự động đảm bảo giảm dần tốc độ của diesel theo chƣơng trình giảm, khi tốc độ đã giảm đến giá trị nmin, hệ thống đảm bảo đƣa thanh răng nhiên liệu về vị trí không, tốc độ giảm từ nmin về không. Hệ thống tự động đóng mạch hâm dầu và xoa trơn tự động theo luật điều khiển. [Trich tr 294 – 2] 3.4. CÁC BẢO VỆ MÁY PHÁT VÀ TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN. 3.4.1. Bảo vệ máy phát điện đồng bộ. 3.4.1.1. Các dạng hƣ hỏng và chế độ làm việc không bình thƣờng của máy phát điện đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ là phần tử quan trọng nhất trong hệ thống điện, sự làm việc tin cậy của máy phát điện có ảnh hƣởng 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, ngƣời ta đặt nhiều loại bảo vệ khác nhau để chống tất cả các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thƣờng xảy ra bên trong các cuộn dây cũng nhƣ bên ngoài máy phát. Những sự cố bên trong các cuộn dây của máy phát điện đồng bộ bao gồm: - Đối với cuộn dây stator: Cuộn dây bị chạm đất (chạm vỏ); Ngắn mạch giữa các cuộn dây (các pha); Các vòng dây chạm nhau. - Đối với dây rôto: Chạm đất tại 1 điểm; Chạm đất tại 2 điểm. Những hƣ hỏng và chế độ làm việc không bình thƣờng xảy ra bên ngoài cuộn dây máy phát điện bao gồm: Ngắn mạch giữa các pha; Tải không đối xứng; Mất kích thích; Mất đồng bộ; Quá tải cuộn dây stator; Quá tải cuộn 69
  72. dây rôto; Quá điện áp; Tần số thấp; Máy phát làm việc ở chế độ động cơ (có thể gây nguy hiểm cho tuabin). Chọn phương thức bảo vệ máy phát điện: Không có tiêu chuẩn thống nhất để lựa chọn sơ đồ bảo vệ cho từng loại máy phát điện. Tùy theo chủng loại của máy phát (thủy điện, nhiệt điện, tuabin khí, thủy điện tích năng ) công suất của máy phát, vai trò của máy phát và sơ đồ đấu dây của nó với các phần tử khác trong hệ thống mà ngƣời ta lựa chọn phƣơng thức bảo vệ cho máy phát điện. BU BI 2 I >_ BI f 9 4 -j X BI 5 I2 > 6 I > BI BU0 7 U0 > RÐ Hình 3.8: Sơ đồ bảo vệ máy phát điện có công suất bé (<50MVA). 1 - So lệch có hãm; 2 - Quá tải cuộn dây stator; 3 - Công suất ngược; 4 - Mất kích từ; 5 - Quá dòng thứ tự nghịch; 6 - Quá dòng có thời gian; 7 - Chống chạm đất 95% cuộn dây stator; 8 - Giảm thấp tần số; 9 - Quá điện áp. 3.4.1.2. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây stator. Chạm đất trong cuộn dây starto là loại sự cố bên trong thƣờng gặp ở máy phát điện. Mạng điện áp máy phát thƣờng làm việc với trung tính không nối đất hoặc nối đất qua cuộn Petersen nên dòng điện chạm đất không lớn, đặc biệt đối với máy phát điện nối hợp bộ với máy biến áp. 70