Tài liệu Bài giảng tự động hóa các hệ thống điện

CHƯƠNG 1 HÒA ĐỒNG BỘ CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN LÀM VIỆC SONG SONG 1.1 Giới thiệu chung Việc đóng các máy phát điện vào làm việc trong mạng có thể tạo nên dòng cân bằng lớn và dao động kéo dài. Tình trạng không mong muốn đó xảy ra là do: * Tốc độ góc quay của máy phát được đóng vào khác với tốc độ góc quay đồng bộ của các máy phát đang làm việc trong hệ thống điện. * Điện áp ở đầu cực của máy phát được đóng vào khác với điện áp trên thanh góp của nhà máy điện. Điều kiện để các máy phát điện đồng bộ có thể làm việc song song với nhau trong hệ thống điện là: - Rôto của các máy phát phải quay với một tốc độ gần như nhau. - Điện áp ở đầu cực các máy phát phải gần bằng nhau. - Góc lệch pha tương đối giữa các rôto không được vượt quá giới hạn cho phép. Vì vậy để đóng máy phát điện đồng bộ vào làm việc song song với các máy phát khác của nhà máy điện hay hệ thống, cần phải sơ bộ làm cho chúng đồng bộ với nhau. HÒA ĐỒNG BỘ là quá trình làm cân bằng tốc độ góc quay và điện áp của máy phát được đóng vào với tốc độ góc quay của các máy phát đang làm việc và điện áp trên thanh góp nhà máy điện, cũng như chọn thời điểm thích hợp đưa xung đi đóng máy cắt của máy phát. Có 2 phương pháp hòa đồng bộ: hòa đồng bộ chính xác và hòa tự đồng bộ. 1.2 Hòa đồng bộ chính xác 1.2.1 Các điều kiện kỹ thuật cần thiết Các điều kiện hòa là: - Rô to của các máy phát phải quay với một tốc độ gần như nhau. - Điện áp ở đầu cực của máy phát phải gần bằng nhau. - Góc lệch pha tương đối giữa các rô to không được vượt quá giới hạn cho phép. Như vậy trình tự thực hiện hòa đồng bộ chính xác như sau: Trước khi đóng một máy phát vào làm việc song song với các máy phát khác thì máy phát đó phải được kích từ trước, khi tốc độ quay và điện áp của máy phát đó xấp xỉ với tốc độ quay và điện áp 1 của các máy phát khác cần chọn thời điểm thuận lợi để đóng máy phát sao cho lúc đó độ lệch điện áp giữa các máy phát gần bằng không, nhờ vậy dòng cân bằng lúc đóng máy sẽ nhỏ nhất Hòa đồng bộ chính xác có thể thực hiện bằng tay hay tự động. Khi hòa bằng tay người vận hành phải điều chỉnh các thông số của máy phát phù hợp với điều kiện hòa. Để chọn thười điểm đóng MC cần theo dõi Volt kê MF và hệ thống, tần số kế MF và hệ thống; đồng bộ kế chỉ góc lệch pha giữa sức điện động của MF và điện áp thanh góp của hệ thống ( đo góc δ ). Để loại trừ trường hợp đóng nhầm khi góc δ còn lớn, thường trong mạch đóng MC người ta chêm và tiếp điểm của role kiểm tra đồng bộ và chỉ cho phép đóng trong giới hạn góc δ cho phép định trước. Trong trường hợp tự hòa điện tự động MF với hệ thống, máy hòa điện phái đảm bảo các điều kiện sau: - UF= UHT nghĩa là Uf = 0 - F = HT nghĩa là f = 0 - Góc lệch pha giữa các véc tơ điện áp khi đóng MC phải bằng không ( δ = 00), tuws laf phaỉ chọn đúng thời điểm đóng MFĐ vào làm việc song song với hệ thống. Muốn thực hiện được các yêu cầu trên, các máy hòa điện tự động bộ cần phải có các bộ phận làm nhiệm vụ sau: - San bằng điện áp ở đầu cực MF - San bằng tốc độ góc quay của các MFĐ sẽ hòa với nhau - Chọn thời điểm đóng MC để dòng cân bằng khi đóng MC là bé nhất. Bộ phận thứ nhất tác động lên bộ điều chỉnh điện áp (AVR) của MF. Bộ phận thứ 2 tác động thay đổi tốc độ quay tuabin của MF cần hòa. Bộ phận thứ 3 chọn thời điểm đóng và phát tín hiệu đi đóng MC cần hòa. 1.2.2 Dòng điện cân bằng Dòng cân bằng là dòng chạy vòng qua các máy phát làm việc song song với nhau khi vectơ áp của chúng không bằng nhau.  Dòng điện cân bằng : I cb  E  E E E1  sin   j 2  1 cos   x  jx x    x  Trong đó: x = x1 + x2 + x12 Sơ đồ thay thế của hai máy phát điện khi hòa đồng bộ 2 X1 X2 Hình 1.1: Sơ đồ mạng và sơ đồ thay thế tính toán Khi muốn hòa đồng bộ phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Dòng điện cân bằng lúc đóng máy phát không vượt quá giá trị cho phép; - Rotor của máy phát điện sau khi đóng MC phải quay đồng bộ với rotor của máy phát đang làm việc. Xét các trường hợp có thể xảy ra trong lúc hòa đồng bộ trong bảng 1.1 Bảng 1.1: Dòng cân bằng với các giá trị khác nhau của E1, E2, δ Giản đồ vector E Dòng cân bằng +j E1 E1 E2 δ00 Icb δ +1 E2 E1 x    E 2 E1   sin   j   x  x  cos           +j E1 = E2 δ = 00 Icb = 0 E1 +1 E2 +j E1 = E2 δ = 1800 I cb   Icb E1 E2 +1 I cb   j 2E x +j δ = 00 E1 > E2 E Icb E E +1 3 I cb   j E1  E 2 x I cb  j E1  E 2 x +j E1 < E2 Ic E E E E1 = E2 + +1 E Icb  δ00 δ E I cb  j E1 sin   j1  cos  x +1 Từ bảng 1.1 ta có : TH1: E1 E2; δ00; 1 = 2 Do sự khác nhau về điện áp sẽ xuất hiện dòng điện cân bằng. Dòng này chỉ có thành phần kháng nên không tác động cơ lên các thiết bị hệ thống điện nhưng làm giảm điện thế của các phần tử lân cận chỗ hòa. TH2: E1 = E2; δ00; 1 = 2 Ngoại từ trường hợp δ= 1800, dòng cân bằng có chứa phần thực. Nếu E1>E2 sẽ có dòng công suất thực chạy từ MF1 sang MF2. Kết quả là rô to MF1 bị hãm cong MF2 tăng tốc và góc δ tiến tới trị số xác định lượng công suất truyền từ máy 1 sang máy 2. Thành phần dòng thực cực đại khi δ= 900 và 2700. Khi δ= 1800, thành phần thực triệt tiêu, dòng cân bằng chỉ còn thành phần kháng có giá trị rất lớn. TH3: E1 = E2; δ=00; 1  2 Vào thời điểm đóng MC khi δ=00, dòng cân bằng bằng không. Nếu 1 > 2; do dưới tác dụng động năng thừa rotor máy phát 1 vượt trước máy phát 2. May phát 1 sẽ nhận thêm tải thực và sau đó rotor bị hãm bớt. Nếu chênh lệch tốc độ giữa MF1 và 2 quá lớn thì có thể sẽ không hòa đồng bộ được và xuất hiện chế độ không đồng bộ. 4 Từ các trường hợp khảo sát trên ta đưa ra một số kết luận: - Hòa khi có góc lệch δ của các vecto điện áp thì dòng điện cân bằng có thành phần thực làm ảnh hưởng đến tác dụng cơ các phần tử trong hệ thống điện và có thể dẫn tới hư hỏng. - Hòa khi tần số các máy phát khác nhau nhiều và có độ lệch điện áp sẽ xuất hiện dòng cân bang có thành phần thực có thể dẫn tới chế độ mất đồng bộ lâu dài. - Trường hợp ít nguy hiểm nhất là điện áp khác nhau nhưng 1 = 2 và δ= 00. Những giá trị cho phép khi hòa đồng bộ của góc δ và độ lệch tần số  giữa hai phần tử muốn hòa thay đổi theo khoảng cách của đường dây nối với hệ thống, điện áp định mức của chúng, công suất hệ thống điện và loại máy điều chỉnh kích thích ( loại tỷ lệ hay tác động nhanh). 1.2.3 Điện áp phách trong quá trình hòa đồng bộ Giả thiết điện áp ở đầu cực của máy phát và ở thanh góp của hệ thống là: uF = UsinωFt và uHT = U sin ωHTt Điện áp phách US = ΔU là hiệu hình học của điện áp máy phát cần hòa và điện áp hệ thống, điện áp phách xuất hiện khi tốc độ góc quay của các vectơ điện áp này khác nhau (hình 1.1a). uS = uF – uHT = trong đó: ωS = ωF - ωHT: tốc độ góc trượt << ωđb ωtb = (ωF + ωHT)/ 2: tốc độ góc trung bình ≈ ωđb Đặt δ = ωS.t: góc lệch pha giữa các véctơ điện áp. Khi cosωtb.t = 1 thì: uS = Us = (1.1) Đường cong US = 2Usin(δ/2) là đường bao các giá trị biên độ của điện áp phách, biến thiên theo tần số phách fS: fs = trong đó: TS là chu kỳ trượt, tức là thời gian của một chu kỳ thay đổi biên độ điện áp phách. 5 Hình 1.2 : Điện áp phách a) đồ thị vectơ b) sự thay đổi trị số tức thời của điện áp phách c) sự thay đổi biên độ của điện áp phách Theo dõi sự biến thiên của điện áp phách (hình 1.2), ta nhận thấy: * TS càng lớn thì tốc độ tương đối giữa hai máy phát càng nhỏ. Trên hình 1.2c là 2 chu kỳ thay đổi biên độ điện áp phách ứng với 2 giá trị tốc độ góc trượt ωS1 và ωS2, trong đó ωS1 > ωS2 . * Lúc US = 0 là thời điểm hai vectơ điện áp uF và uHT chập nhau rất thuận lợi để đóng máy. 6 1.2.4 Sơ đồ cấu trúc logic của máy hoà đồng bộ chính xác  1 6 2 3 Ef 4 5  d f Hình 1.3 : Sơ đồ khối của máy hòa đồng bộ Máy hòa đồng bộ gồm các bộ phận chính sau: Khối 1: bộ phận chọn thời điểm để đi đóng MC Khối 2: bộ phận kiểm tra tốc độ trượt, không cho máy cắt đóng khi f > f = f cho phép max Khối 3: bộ phận kiểm tra độ lệch điện áp giữa MF và hệ thống, không cho MC đóng khi độ lệch điện áp lớn hơn giá trị cho phép cực đại. Khối 4: bộ phận san bằng tần số để làm giảm f bằng cách tác động lên bộ phận thay đổi trị số đặt của máy điều chỉnh tốc độ quay tuabin. Khối 5: bộ phận san bằng điện áp ( đối với TĐA tác động tỷ lệ) hay bộ điều chỉnh trị số đặt của máy điều chỉnh điện áp ( đối với TĐA tác động nhanh) để thay đổi tỷ số đặt của TĐA cho điện áp thanh góp. Khối 6: so đồ logic đi đóng MC khi các điều kiện hóa đồng bộ thỏa mãn. 1.2.5 Nguyên tắc chọn thời điểm gửi xung đóng máy cắt 7 Bộ phận chọn thời điểm để cho tín hiệu đến đóng MC là phần tử cơ bản của máy hòa đống bộ tự động. Vì MC đóng có thời gian, nghĩa là từ lúc phát tín hiệu đóng MC đến lúc tiếp điểm chính của nó đóng cần một khoảng thời gian tĐ nên muốn cho lúc đóng MC có Icb =0 thì tín hiệu đóng Mc phải phát sớm hơn lúc Uf = 0 một khoảng thười gian tđt, tđt được gọi là thời gian đóng trước. Nếu tđt = tĐ thì MF sẽ hòa ở thười điểm thuận lợi nhất ( tĐ – htoif gian đóng của MC). Thời gian đóng trước tương ứng với góc đóng trước δđt = f.tđt Khảo sát MF hòa vói hệ thống điện ( hình 1.4) MF F MC HT   EF a UTG UTG TG HT 2ftt = f cho phep max δ sscp UTG EF δ F δ ftt EF F δ sscp c b Hình 1.4: Sơ đồ mạng điện và sơ đồ vec tơ của EF và UTG Trước khi hòa, véc tơ điện áp UTG quay với tốc độ TH, còn véc tơ sức điện động của MF quay với tốc độ F. Góc lệch giữa hai véc tơ này là δ. Tốc độ tương đối giữa hai véc tơ này là f = TH - F, được gọi là tốc độ trượt. Điều quan trọng khi xét vấn đề hòa ddooongf bộ là tốc độ tương đối giữa hai véc tơ điện áp, vì thế tiện cho việc giải thích ta có thể giả thuyết rằng trong lúc hòa đồng bộ véc tơ điện áp UTG đứng yên còn EF quay với tốc độ góc f như hình 1.4b. Chúng ta khảo sát các quá trình của máy phát trước thời điểm hòa để có thể chọn phương pháp, chọn thời điểm đóng MC một cách thích hợp vào hệ thống. Phương trình chuyển động của roto máy phát tại thời điểm trước khi đóng MC J d F  MT  MC dt Trong đó: MT – mô men quay tuabin MC – mô men cản không tải. TH1: J d F  0 ; F = ftt dt 8 ftt – tốc độ góc trượt tính toán là tốc độ góc δss nhỏ nhất tại thời điểm đóng MC (hình 1.4c), δss thụ thuộc vào khả năng chịu đựng dòng cân bằng của MF. Nếu hòa đồng bộ bằng cách đo góc trượt và được xác định bằng: δđttt = ftt. tĐ Thời gian đóng trước là hằng số và bằng : t đt   đttt  tĐ .  ftt Như vậy tđt tương đương với δđt, nghĩa là có thể thay thời gian đóng trước bằng góc đóng trước. Để tiếp điểm MC đóng vào thời điểm thuận lợi (δ=0), cần thiết phát tín hiệu theo góc đóng trước không đổi. Máy hòa điện tự động làm việc theo nguyên tắc này gọi là máy hòa có góc đóng trước không đổi. TH2: J d F  0 ; f  ftt dt Thời gian đóng trước: t đt   đttt  đttt   tĐ f  ftt Thông thường khi hòa điện thì f  ftt nên dùng phương pháp góc đóng trước không đổi bao giờ cũng có một sai số nhất định và sai số lớn nhất khi f = 0 δss max = δđt = δss cho phep Xác định ftt là tốc độ góc trượt tính toán ứng với lúc sai số góc lớn nhất cho phép δss cho phep max :  ftt   đt tĐ   sschophepmac tĐ Nhược điểm thứ hai của phương pháp này là nếu tĐ càng lớn thì ftt càng nhỏ, do đó khi hòa điện phải mất nhiều thời gian để điều chỉnh tốc độ quay. Để có thời gian đóng trước không đổi không phụ thuộc vào tốc độ trượt thì góc đóng trước thay đổi tỷ lệ với vận tốc góc trượt.  đt  f ( ' )  k . f  k . d dt Với k là hằng số tỷ lệ. Trong trường hợp này t đt   đt ( , ) k f Nếu k = tĐ thì MC được đóng tại thời điểm thuận lợi nhất. Như vậy trong trường hợp này, để tđt là hằng số và được chọn bằng thời gian đóng của MC, chúng ta cần kiểm tra đạo hàm góc δ. Máy hòa làm việc theo nguyên tắc này gọi làm máy hòa điện với thời gian đóng trước không đổi. Thời điểm khởi động của MC 9 được xác định trực tiếp bằng thời gian đóng trước không đổi và bằng thời gian đóng của MC. TH3: J d F  cos t  0 dt Nếu chọn tđt = tĐ thì  đt   f .t Đ   f . 2 t Đ d d 2 t 2  .t Đ  2 . Đ 2 dt dt 2 Trong đó f gia tốc góc do mô mên thừa ( J d F ) bằng hằng số. dt Trong trường hợp tổng quát máy hòa điện có thời gian đóng trước không đổi, muốn làm việc chính xác thì góc đóng trước được xác định theo phương trình: 2 n d d 2 t Đ d n t Đ  đt  .t Đ  2 .  ....  n . dt dt 2 dt n Trong thực tế những máy hòa đồng bộ đủ chính xác làm việc khi kiểm tra đạo hàm bậc 1 và bậc 2 của góc δ. Sai số góc trong trường hợp này là:  ss   mh   f (t Đ  t mh ) Trong đó: tĐ +tmh – sai số thời gian của MC và máy hòa; δmh – sai số góc của máy hòa. 1.2.6 Phạm vi ứng dụng Hòa đồng bộ chính xác có tính vạn năng cao, áp dụng trong mọi trường hợp không phụ thuộc máy phát điện (chủng loại, kết cấu, kích cỡ) và hệ thống điện (công suất của hệ thống, cấu hình của hệ thống). Nếu thực hiện đúng thì có thể luôn đảm bảo IcbIcbcp và trường hợp lý tưởng là Icb=0. Do đó, việc hòa đồng bộ không thể gây biến động lớn cho hệ thống (điện áp, công suất, dòng điện,…) và không ảnh hưởng tới tuổi thọ của máy. Nhược điểm: - Nếu không thực hiện đúng các điều kiện thì hậu quả có thể là nghiêm trọng (δ=1800 thì dòng Icb=2IN(3)). - Thiết bị hòa phức tạp và thời gian hòa có thể bị kéo dài. 10 1.3 Hòa đồng bộ bằng phương pháp tự đồng bộ 1.3.1 Trình tự thực hiện Khi đóng máy phát bằng phương pháp tự đồng bộ phải tuân theo những điều kiện sau: - Máy phát không được kích từ (kích từ của máy phát đã được cắt ra bởi aptomat diệt từ ). - Tốc độ góc quay của máy phát đóng vào phải gần bằng tốc độ góc quay của các máy phát đang làm việc trong hệ thống. Trình tự thực hiện: Trước khi đóng một máy phát vào làm việc song song với các máy phát khác thì máy phát đó chưa được kích từ, khi tốc độ quay của máy phát đó xấp xỉ với tốc độ quay của các máy phát khác thì máy phát đó được đóng vào, ngay sau đó dòng kích từ sẽ được đưa vào rôto và máy phát sẽ đươc kéo vào làm việc đồng bộ. 1.3.2 Các loại momen tác động lên rotor máy phát điện trong quá trình tự đồng bộ a. Momen không đồng bộ (Mkđb) - Phương trình chuyển động của rotor MPD trong quá trình tự đồng bộ: - Mkđb phát sinh do tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay stator với dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor (khép mạch qua RTDT), cuộn cản và trong thân rotor. - Dấu của Mkđb trùng với dấu của hệ số trượt. Khi s=0 thì Mkđb=0 Mkdb ` s s8 Mc -s Hình 1.5: Đồ thị mômen không đồng bộ 11 - Tại thời điểm đóng MPD chưa được kích từ vào HT, nó làm việc như một động cơ không đồng bộ tiêu thụ điện năng, dòng điện khá lớn từ hệ thống, làm cho điện áp ở đầu cực máy phát UG và vùng lân cận bị giảm thấp. Điện áp UG ở đầu cực MPĐ có thể được xác định: Với xF = x’d đối với thời điểm đầu khi đóng MPĐ vào lưới và xF = xd khi rotor MPĐ gần đạt tốc độ đồng bộ. - Trong trường hợp có nhiều phụ tải quan trọng ở cấp điện áp MPĐ với đòi hỏi cao về mức điện áp ổn định cần phải kiểm tra kỹ mức độ sụt áp ở đầu cực MPĐ khi hòa điện bằng PP tự đồng bộ. - Khi rotor máy phát được kéo vào gần tốc độ đồng bộ, điện kháng của MPĐ tăng lên đồng thời do tác động của thiết bị tự động điều chỉnh điện áp nên UF nhanh chóng khôi phục lại trị số bình thường. - Momen không đồng bộ (Mkđb) có tác động quan trọng trong việc kéo rotor MPĐ vào gần tốc độ đồng bộ tuy nhiên bản thân nó không thể đưa rotor vào hẳn tốc độ đồng bộ vì khi s0 thì Mkđb0 (Mkđb không thể đưa rotor vào tốc độ đồng bộ). b. Momen phản kháng (Mpk) - Momen phản kháng xuất hiện do tác động tương hỗ giữa từ trường quay stator với thân rotor cực lồi bằng vật liệu sắt từ theo xu hướng giảm từ trở cho từ thông xuyên qua thân rotor. - Nếu xét nhiều chu kỳ dao động liên tiếp của rotor so với trục của từ trường quay stator thì dấu của Mpk sẽ thay đổi. + Khi Mpk>0 thì rotor bị cuốn theo hướng từ trường quay + Mpk<0 thì ngược lại - Khi rotor bị kéo theo chiều ngược lại với từ trường quay stator sẽ xảy ra quá trình dao động làm kéo thời gian hòa đồng bộ. Để tránh hiện tượng này thì sau khi đóng máy phát vào lưới điện người ta đưa ngay kích thích vào cuộn dây rotor. - Vì sự khác nhau giữa khe hở không khí stator và rotor nên tác động của từ trường quay khác nhau. Khi từ trường quay chuyển động, thân rotor không chuyển động thì các đường sức bị kéo căng ra và khi góc t càng lớn thì sức căng càng lớn và tạo ra một momen phản kháng Mpk. - Khi θ=0÷900 thì Mpk>0, có tác động tích cực lõi rotor vào tốc động đồng bộ đưa ωF=ωđb. 12 - Khi θ=900÷1800 thì Mpk<0, có tác động ngược chiều hãm ωF. - Trong một chu kỳ: 0÷2π thì: Mpk trung bình = 0  Nếu kéo dài sự mở máy thì momen phản kháng vô hiệu  phải nhanh chóng c. Momen đồng bộ(Mđb) - Xuất hiện do tác động tương hỗ giữa hai từ trường khi ta đóng dòng kích từ: từ trường quay stator và từ trường của rotor đã được kích thích ( và R) - Momen đồng bộ sẽ đưa rotor vào tốc độ đồng bộ. d. Kết luận - Quá trình tự đồng bộ dưới tác động của các momen lên rotor MPD có thể hình dung như sau: + Trong quá trình tăng tốc của rotor đến gần tốc độ đồng bộ (ωF<ωđb) thì momen thừa của tuabin và Mkđb tác động theo cùng một chiều (cùng dấu) cùng làm cho rotor tăng tốc đến gần tốc độ đồng bộ. Hệ số trượt s của rotor so với từ trường quay không ngừng giảm xuống. Khi s tiến gần đến 0 thì Mkđb giảm xuống rất nhanh và khi ωF=ωđb, Mkđb=0 thì dưới tác động của momen thừa, tốc độ của rotor có thể vượt quá ωđb và hệ số trượt sẽ đổi dấu và Mkđb cũng đổi dấu và tác động ngược chiều với momen thừa của tuabin làm giảm tốc độ quay của rotor. + Nếu trị số cực đại của momen không đồng bộ lớn hơn momen thừa thì đến một hệ số trượt s∞ nào đó thì chúng cân bằng nhau và chế độ không đồng bộ được xác lập ở s∞≠0. - Quá trình tự đồng bộ dưới tác động của các momen lên rotor MPĐ có thể hình dung như sau: + nếu momen thừa lớn hơn trị số cực đại của Mkđb thì rotor sẽ vượt qua ωđb và rơi vào miền có hệ số trượt ngược dấu. Dưới tác động của bộ điều tốc tuabin thì momen thừa sẽ giảm xuống tốc độ quay của rotor lại trở vể gần tốc độ đồng bộ. Sau một vài dao động tắt dần thì chế độ KĐB sẽ được xác lập. - Momen thừa sẽ có tác động tốt đến quá trình hòa đồng bộ khi trị số của nó bằng khoảng 0,8Mkđb. 1.3.3 Dòng điện cân bằng - Tại thời điểm chưa đóng MPĐ thì MPĐ chưa được kích thích nên chưa có sức điện động máy mát. 13 - Tại thời điểm đóng MC: EF=0 (MPĐ chưa được kích từ): Icb  EH UH  X H  X F X H  X ''dF Nếu hệ thống có công suất vô cùng lớn thì XH≈0 và như vậy dòng cân bằng lớn nhất. Imax  cb UH  I(3) N '' X dF Với IN(3) là dòng ngắn mạch ba pha trực tiếp ở đầu cực máy phát điện. - Tác động của dòng điện cân bằng có ảnh hưởng lớn nhất sau vài chu kỳ kể từ thời điểm đóng máy phát điện vào lưới điện Ep=0 XH XF EH UH Hình 1.6: Hòa đồng bộ bằng máy cắt hòa - Yêu cầu: I max  Icbcp  (2,5  3,5)Idd cb - Thực tế: XH≠0 và MPĐ có thể làm việc qua máy biến áp nối với hệ thống, do vậy mà dòng điện cân bằng thực tế là: I thuc tê  cb UH cp  Icb X H  X ''dF  X B 1.3.4. Phạm vi ứng dụng - Đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp - Thực hiện nhanh chóng, đặc biệt đối với máy phát thủy điện (<1 phút) và Icb*0,35  Xd*’’+XH*0,3 mà đối với máy phát thủy điện thì Xd*’’ =0,3  điều này ảnh - hưởng quan trọng với chế độ sau sự cố. Không thể xảy ra những nhầm lẫn nguy hiểm Bị ràng buộc về điều kiện dòng không cân bằng nên phải kiểm tra - Phương pháp tự đồng bộ có thể sử dụng cho các máy phát thủy điện có công suất trung bình và bé (50MW) vì: thủy điện có Xd’’=0,2÷0,3 hoặc 0,3÷0,35 (trung bình và bé) và nhiệt điện có Xd’’=0,12÷0,17 nên trong điều kiện bình thường có thể sử dụng phương pháp tự đồng bộ đối với các máy phát làm việc theo sơ đồ hợp bộ với MBA. * Chú ý: 14 - Khi xét khả năng hòa đồng bộ tự đồng bộ thì phải kiểm tra phạm vi sử dụng của phương pháp tự hòa đồng bộ (nếu IcbIcbcp thì sử dụng). - Khi xét hòa đồng bộ tự đồng bộ thì phải xác định vị trí thiết bị hòa đồng bộ (chính xác) + Đầu cực (hoặc phía điện áp cao) của tất cả các máy phát điện có khả năng nối với hệ thống + Xác định vị trí của hệ thống có khả năng bị tách ra để chuẩn bị cho việc tái đồng bộ. 15 CHƯƠNG 2 TỰ ĐỘNG ĐÓNG TRỞ LẠI NGUỒN ĐIỆN (TĐL) VÀ TỰ ĐỘNG ĐÓNG CÁC PHẦN TỬ DỰ PHÒNG 2.1 Tự động đóng trở lại nguồn điện (TĐL) 2.1.1 Yêu cầu đối với thiết bị TĐL 2.1.1.1 Ý nghĩa của TĐL Kinh nghiệm vận hành cho thấy, đa số ngắn mạch xảy ra trên đường dây truyền tải điện năng đều có thể tự tiêu tan nếu cắt nhanh đường dây bằng các thiết bị bảo vệ rơle. Cắt nhanh đường dây làm cho hồ quang sinh ra ở chỗ ngắn mạch bị tắt và không có khả năng gây nên những hư hỏng nghiêm trọng cản trở việc đóng trở lại đường dây. Hư hỏng tự tiêu tan như vậy được gọi là thoáng qua. Đóng trở lại một đường dây có hư hỏng thoáng qua thường là thành công. Những hư hỏng trên đường dây như đứt dây dẫn, vỡ sứ, ngã trụ .... không thể tự tiêu tan, vì vậy chúng được gọi là hư hỏng tồn tại. Khi đóng trở lại đường dây có xảy ra ngắn mạch tồn tại thì đường dây lại bị cắt ra một lần nữa, việc đóng trở lại như vậy là không thành công. Để giảm thời gian ngừng cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, thao tác đóng trở lại đường dây cần được thực hiện một cách tự động nhờ các thiết bị TỰ ĐỘNG ĐÓNG TRỞ LẠI (TĐL). Thiết bị TĐL cũng có thể tác động cả khi máy cắt bị cắt ra do thao tác nhầm của nhân viên vận hành hoặc do thiết bị bảo vệ rơle làm việc không đúng. Áp dụng TĐL có hiệu quả nhất là ở những đường dây có nguồn cung cấp một phía, vì trong trường hợp này TĐL thành công sẽ khôi phục nguồn cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Ở mạng vòng, cắt một đường dây không làm ngừng cung cấp điện, tuy nhiên áp dụng TĐL là hợp lí vì làm tăng nhanh việc loại trừ chế độ không bình thường và khôi phục sơ đồ mạng đảm bảo vận hành kinh tế và tin cậy. Khả năng TĐL thành công ở những đường dây trên không vào khoảng 70÷90% 2.1.1.2 Phân loại TĐL Trong thực tế người ta có thể áp dụng những loại TĐL sau: TĐL 3 pha, thực hiện đóng cả 3 pha của máy cắt sau khi nó bị cắt ra bởi bảo vệ rơle. TĐL 1 pha, thực hiện đóng máy cắt 1 pha sau khi nó bị cắt ra bởi bảo vệ chống ngắn mạch một pha. TĐL hỗn hợp, đóng 3 pha (khi ngắn mạch nhiều pha) hay đóng 1 pha (khi ngắn mạch một pha). 16 Riêng TĐL 3 pha được phân ra thành một số dạng: TĐL đơn giản, TĐL tác động nhanh, TĐL có kiểm tra điện áp, TĐL có kiểm tra đồng bộ.... Theo loại thiết bị mà TĐL tác động đến có: TĐL đường dây, TĐL thanh góp, TĐL máy biến áp, TĐL động cơ điện. Theo số lần tác động có: TĐL một lần và TĐL nhiều lần. Theo cách thức tác động đến cơ cấu truyền động của máy cắt có: TĐL điện và TĐL cơ khí. 2.1.1.3 Các yêu cầu cơ đối với TĐL Tùy điều kiện cụ thể, sơ đồ TĐL dùng cho đường dây hoặc những thiết bị điện khác có thể khác nhau nhiều. Nhưng tất cả các thiết bị TĐL phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau: 1) TĐL phải được khởi động khi MC đã tự động cắt ra, ngoại trừ trường hợp đóng MC vào sự cố ngắn mạch và thiết bị bảo vệ đã tác động cắt ngay sau khi đóng vào sự cố. TĐL có thể khởi động theo hai cách: a. Khởi động bằng bảo vệ rơle Khi có ngắn mạch, bảo vệ rơle tác động đưa xung đi cắt mát cắt đồng thời đưa xung đi khởi động TĐL ( hình 2.1). Phương pháp này có nhược điểm là trong một số trường hợp máy cắt bị cắt ra không phải do bảo vệ rơle ( ví dụ, cắt tự phát). b. Khởi động bằng sự không tương ứng giữa vị trí của máy cắt và vị trí của kháo điều khiển Trong chế độ vận hành bình thường, máy cắt đóng, tiếp điểm phụ thường kín MC1 của máy cắt mở ra ( hình 2.2). Vì một lý do nào đó mát cắt bị cắt ra, tiếp điểm MC1 của nó sẽ đóng lại. Lúc này khóa điều khiển KĐK vẫn đang ở vị trí đóng Đ2, do vậy thiết bị TĐL sẽ khởi động. Phương pháp khởi động này đảm bảo đóng trở lại máy cắt khi nó bị cắt ra không những trong trường hợp ngắn mạch mà cả trong các trường hợp ngẫu nhiên khác. ở phần sau chúng ta chỉ khảo sát TĐL bằng sự không tương ứng. Thay cho tiếp điểm phụ của máy cắt người ta có thể dùng tiếp điểm của rơle trung gian phản ánh vị trí của máy cắt. + MC ~ KĐ C C ĐĐ MC1 TĐ BV TĐ Hình 2.1: Khởi động bằng bảo vệ rơle Hình 2.2: Khởi động bằng sự không tương ứng giữa vị trí của MC và KĐK 17 2) TĐL không được làm việc khi nhân viên vận hành cắt MC bằng tay tại chỗ hoặc từ xa. 3) Sơ đồ TĐL phải đảm bảo khả năng cấm tác động ( hoặc “khóa TĐL”) trong một số trường hợp như bỏa vệ so lệch hoặc bảo vệ bằng role khí đặt ở máy biến áp tác động, nếu TĐL tác động có thể hư hỏng nặng thêm. 4) Sơ đồ TĐL cần phải đảm bảo số lần tác động đã định trước cho nó và không được tác động lặp đi lặp lại. Phổ biến nhất là loại TĐL một lần, trong một số trường hợp người ta cũng sử dụng TĐL hai lần và TĐL ba lần. 5) Tác động nhanh: Thời gian tác động của TĐL cần phải càng nhỏ càng tốt để đảm bảo thời gian ngừng cung cấp điện là nhỏ nhất. Ở các đường dây có nguồn cung cấp từ 2 phía tác động nhanh của TĐL cần thiết để rút ngắn thời gian khôi phục tình trạng làm việc bình thường của mạng điện. Tuy nhiên thời gian TĐL bị hạn chế bởi điều kiện khử ion hoàn toàn môi trường tại chỗ ngắn mạch nhằm đảm bảo TĐL thành công: tkhử ion < tTĐL < ttkđ Khi TĐL máy cắt dầu không cần quan tâm đến tkhử ion, nhưng đối với máy cắt không khí do thời gian đóng của nó rất bé nên phải xét đến điều kiện khử ion. Ngoài ra thời gian tác động của TĐL còn bị giới hạn bởi thời gian cần thiết để phục hồi khả năng truyền động của máy cắt khi đóng nó trở lại và khả năng cắt nếu ngắn mạch tồn tại. 6)Độ dài của tín hiệu điều khiển đóng MC phải đủ lớn để đảm bảo đóng được thực hiện một cách chắc chắn ( kể cả các MC tác động chậm) 7) TĐL phải tự đông trở về vị trí ban đầu sau khi tác động để chuẩn bị cho các lần làm việc sau. 8) Khi có trục trặc trong thiết bị TĐL phải loại trừ khả năng đóng lặp lại MC nhiều lần vào ngắn mạch duy trì để ngăn ngừa khả năng hỏng MC, làm mất ổn định của hệ thống điện hoặc gây cháy, nổ. 9) Tác động của TĐL cần được phối hợp với tác động của thiết bị bảo vệ rơ le và các thiết bị tự động khác trong hệ thống điện như thiết bị kiểm tra đồng bộ, thiết bị tự động cắt tải theo tần số…. 2.1.2 Các đại lượng thời gian trong quá trình tự động đóng lại 2.1.2.1 Tác động của máy cắt * Thời gian cắt của máy cắt điện: hời gian từ lúc mạch cắt của máy cắt được mang điện đến lúc hồ quang được dập tắt. * Thời gian làm việc của bảo vệ: Thời gian từ lúc bảo vệ nhận tín hiệu sự cố đến lúc phát tín hiệu cắt máy cắt. 18 * Thời gian tồn tại của hồ quang điện trong máy cắt: là thời gian từ khi các đầu tiếp xúc chính của máy cắt điện tách nhau ra ( phát sinh hồ quang điện) đến khi hồ quang điện bị dập tắt. * Độ dài xung đóng của TĐL : Là khoảng thời gian tiếp điểm đầu ra của thiết bị TĐL ở trạng thái kín. *Thời gian đóng của máy cắt điện: Thời gian từ lúc mạch đóng của máy cắt điện được mang điện đến khi tiếp điểm chính của máy được cắt thông mạch. * Thời gian khử ion: Là thời gian cần thiết để vùng không khí chỗ sự cố khôi phục lại tính chất cách điện ( khử ion) đảm bảo cho khi đóng điện trở lại không phát sinh hồ quang lần nữa… Thời gian này phụ thuộc vào cấp điện áp, khoảng cách giữa các phần mạng điện, dòng điện sự cố, thời gian tồn tại sự cố, tốc độ gió và điều kiện môi trường, điện dung của các phần tử lân cận với các phần tử được TĐL, trọng đó cấp điện áp đóng vai trò quyết định:nói chung cấp điện áp càng cao thời gian khử ion càng kéo dài. Cấp điện áp ( kV) Thời gian khử ion tối thiểu/s 66 0,1 110 0,15 132 0,17 220 0,28 275 0,3 400 0,5 Trường hợp TĐL một pha thời gian khử ion phải kéo dài hơn khi TĐL 3 pha vì khi TĐL một pha trong thời gian mất điện ở pha sự cố, tại chỗ ngắn mạch có thể phát sinh và tồn tại hồ quang thứ cấp do các liên hệ điện dung và hỗ cảm giữa các pha không hư hỏng còn đang mang điện với pha bị sự cố đã được cắt điện. * Thời gian sẵn sàng của TĐL : Thời gian từ lúc tiếp điểm của ơ le TĐL kép lại gửi tín hiệu đóng MC đến khi nó sẵn sang làm việc cho chu trình TĐL tiếp theo. * Thời gian tự động đóng trở lại (tTĐL) : thời gian từ lúc TĐL được khởi động đến lúc mạch đóng của máy cắt được cấp điện. * Thời gian chết ( hoặc thời gian không điện – dead time): Thời gian từ lúc hồ quang bị dập tắt đến lúc tiếp điểm chính của máy cắt tiếp xúc trở lại. * Thời gian nhiễu loạn của hệ thống: Là khoảng thời gian từ lúc phát sinh sự cố đến khi máy cắt đóng trở lại thành công (system disturbance time). 2.1.2.2 Quan hệ giữa các đại lượng thời gian trong quá trình TĐL Quan hệ giữa các đại lượng thời gian trong quá trình tự động đóng trở lại nguồn điện ( hình 5.3a) 19 Ví dụ đối với trường hợp máy cắt điện trung áp 11 kV đóng cắt bằng cuộn điện từ và máy cắt điện siêu cao áp 400 kV truyền động bằng khí nén được trình bày trên các hình 5.3 b và hình 5.3c. Trong chu trình TĐL đại lượng thời gian chết ( thời gian không điện) có ý nghĩa rất quan trọng nó ảnh hưởng nhanh chóng phục hồi cung cấp điện và đảm bảo giữ ổn định cho hệ thống điện. Thông thường khi TĐL một pha khoảng thời gian này từ 0,4 đến 1,2 s, khi TĐL 3 pha không kiểm tra đồng bộ từ 0,3 đến 0,5 s và TĐL 3 pha có kiểm tra đồng bộ từ 1 đến 5 s. 2.1.2.1 Tác động của máy cắt a.1. Quá trình cắt máy cắt a.2. Quá trình đóng máy cắt 2.1.2.2 Quan hệ giữa các đại lượng thời gian trong quá trình TĐL 20