Tài liệu Giáo án chuyên đề thiết bị điện

CHUYÊN ĐỀ THIẾT BỊ ĐIỆN Tài liệu tham khảo - Bảo vệ các hệ thống điện - Trần Đình Long - Máy điện - Khí cụ điện BÀI MỞ ĐẦU Vai trò của các thiết bị điện trong hệ thống điên, dây chuyền công nghệ, các lĩnh vực khác của cuộc sống  nâng cao độ tin cậy  biện pháp quan trọng bảo vệ thiết bị điện  để hậu quả xấu ít nhất. Sự cố: có 2 loại - Sự cố khách quan - Sự cố chủ quan: do chế độ vận hành, do bản thân thiết bị Yêu cầu bảo vệ: - Độ tin cậy khi tác động: mức độ chắc chắn rằng hệ thống bảo vệ tác động đúng. - Độ tin cậy không tác động: mức độ chắc chắn rằng hệ thống bảo vệ không làm việc sai. - Tính chọn lọc: khả năng bảo vệ và phát hiện, loại từ xa ra khỏi hệ thống. - Tác động nhanh: nếu thời gian tác động  50 ms. - Tính kinh tế: rẻ, tốt. Phân loại: - Bảo vệ chính - Bảo vệ dự phòng: tác động nếu quá thời gian mà bảo vệ chính vẫn chưa tác động L MC BI CC - + C R BU R Hệ thống bảo vệ không dự phòng L MC BI BI CC2 CC1 - + C1 - + R1 C2 R2 R1 BU R2 Hệ thống bảo vệ có dự phòng CHƯƠNG I: CÁC SỰ CỐ LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN §1.1: Các dạng sự cố - Ngắn mạch, chạm đất, chạm vỏ - Phóng điện - Quá tải do thao tác nhầm, máy phát mất kích từ §1.2: Sự cố ngắn mạch - Ngắn mạch 3 pha, 2 pha, 1 pha Ngắn mạch 3 pha: xác suất ít 2% Ngắn mạch 2 pha: xác suất 5% Ngắn mạch 1 pha: xác suất 90% Máy cắt không cắt được: Ví dụ: máy cắt dầu do dầu bị bẩn Máy cắt SF6 do áp lực khí không đủ Máy cắt chân không do rò ra ngoài Máy biến áp truyền tải công suất lớn dùng rơle bảo vệ ( rơle hơi). Sự cố máy biến áp chập vài vòng dây trong cuộn sơ cấp  máy biến áp làm việc không đối xứng  nhiệt độ ở vòng chập lớn  dầu bị đốt nóng  máy nổ. BI, BU: sự cố 2% trong đó BU hay bị sự cố hơn vì BI không có cầu chì, chế độ thứ cấp là ngắn mạch. Máy phát ngắn mạch đầu cực: trước máy cắt bảo vệ so lệch I  I v  I r Máy biến áp bị ngắn mạch trước máy, trong máy, sau máy. Tải tiêu thụ điện năng: ngắn mạch trước phụ tải. Dòng điện ngắn: I n  U ( thành phần hình sin của inm ). Zn I n 2tn  const , tn = 3s §1.3 Chạm đất lưới trung tính không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang hoặc điện trở nối đất - Chỉ xảy ra ở lưới trung áp, đường dây có 3 dây không có dây chống sét, nối đất. - Dòng chạm đất bé bảo vệ theo dòng không tác động A  N B N C B C Dòng Ioc dòng từ dung tính nối đất chập chờn  phóng nạp điện của tải C ( C điện dung kí sinh )  hồ quang trong tụ điện  điện áp đường dây tăng 10 lần nhưng thực tế 3 - 4 lần điện áp định mức  đánh thủng cách điện. Chạm đất gây ra mất pha đối với tải. Động cơ một pha hiệu suất thấp, cos cao vì ngoài dòng từ hóa ra còn có dòng tạo từ trường thứ tự nghịc gây tổn hao có xu hướn hãm động cơ  nóng động cơ  không cần cắt nhanh  cần thiết bị cảnh báo là . §1.4 Các vòng dây trong thiết bị điện chạm nhau Máy điện xoay chiều Ví dụ 2 vòng dây chạm nhau, In lớn  dòng tổng trong cuộn dây tăng nhưng không nhiều  hỏng cục bộ. Hiện tượng: thấy có tiếng ồn do từ thông  giảm. Với máy biến áp Ur sẽ bị lệch nhau. Nếu số vòng chập lớn  I lớn  ngắn mạch. Các bối dây song song, một bối bị chập  tạo nên dòng Icb  giảm từ thông. Vòng dây chạm đất  tạo Inm Máy điện một chiều hoặc phần kích từ của máy phát đồng bộ. Các cuộn dây có thể: - Một điểm chạm đất - Hai điểm chạm đất  ngắn mạch cục bộ - Hai vòng dây cạnh nhau bị chập  không tạo dòng lớn nhưng vẫn tạo dòng Icb. §1.5 Quá tải Vì Iqt = kqt.Iđm nên khi quá tải trị hiệu dụng tăng. Để bảo vệ quá tải dùng rơle nhiệt đối với động cơ. §1.6 Các dạng sự cố khác Khi xảy ra sự cố thiếu kích từ hoặc mất kích từ ( Ikt bé  0 ) ở máy phát đồng bộ, ở động cơ một chiều thì bảo vệ cắt điện phần ứng. Quá bão hoà ở máy điện xoay chiều khi dòng kích từ quá lớn.Do điện áp đặt vào lớn. Nhiệt độ thiết bị điện cao do quá tải, chạm chập cục bộ, mất pha cảnh báo, tác động cắt điện. Phần cơ bị kẹt, ổ bi mòn do quá dòng, lệch từ. CHƯƠNG II: CÁC PHẦN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG BẢO VỆ CÁC THIẾT BỊ ĐIÊN §2.1 Máy biến dòng điện Máy biến dòng điện biến dòng điện xoay chiều lớn I1, điện áp cao xuống dòng điện chuẩn I2 ( 5A, 1A ), điện áp an toàn. Chức năng: đo lường, điều khiển, bảo vệ. Nguyên lý: kiểu điện từ. I2 Z2 Trên nhãn máy biến dòng có các thông số: +) S ( VA) dung lượng định mức của máy biến dòng: 2,5; 5; 10; 20; 35 VA, Sđm liên quan đến Z2 vì I2 = 5A hoặc 1A. +) Uđm  điện áp định mức lưới. +) Cấp chính xác: 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 10 0,2: mẫu 0,5: KWh đo đếm điện năng 1,0  cos , W, A, Var 3,0; 10: điều khiển, bảo vệ Cấp chính xác phụ thuộc vào Z2 +) Có thể đấu nối tiếp, song song hai máy biến dòng Z2 Z2 +) 3 pha dùng 2 biến dòng A B C A1 A2 A3 +) Tạo dòng thứ tự ngược §2.2.Máy biến điện áp - Là phần tử tỉ lệ biến U1 cao sang U2 giá trị chuẩn : 100V, 100 / 3 V dùng cho đo lường, bảo vệ, điều khiển. - Sai số: Blv tương đối lớn nên Uquá tải = (1,5 – 2 )Uđm - Cấp chính xác: 0,2; 0,5 (đo đếm điện năng ); 1; 3; 5; 10 - Các loại BU U1 U2 - Tải của BU: Z2 càng giảm sai số tăng, công suất của BU lớn nhất cùng chỉ 200 VA nên dòng I1 của BU rất bé  không cần đặt cầu chì ở sơ cấp  đặt cầu chì ở thứ cấp. §2.3. Các bộ lọc thành phần đối xứng Khi có sự cố ngoài thành phần sóng cơ bản còn các thành phần thứ tự 0, 2 …  nhận dạng sự cố để bảo vệ. 1. Bộ lọc dòng điện thứ tự nghịch LI2 A B Z C m R1 X R2 n Đúng thứ tự pha Unm , khi ngược thứ tự pha Unm = Umax IA Umn IA UR 1 U R1 UxR2 Ux U R2 IC UR 2 IC IB Ux UxR2 IB Umn = Umax Umn = 0 Dùng chống đảo pha động cơ 3 pha 2. Bộ lọc điện áp thứ tự nghịch LU2 UA m C2 R2 UB C1 R1 Z n UC B B UmB UBn UAB UBm A n UBn m n C m UnC C UmA A - Với bộ lọc điện áp đồng thời cho nhiều tải - Kiểm tra xem thứ tự pha có đúng không 3.Bộ lọc thứ tự 0 - Mất đối xứng lớn - Chống mất pha a) Lọc dòng điện Đảo pha Inm = 0 Mất pha Inm = Imax A B C A B C Z Z Dùng cho đường dây trên không b) Lọc điện áp - Giải pháp + Dùng BU tam giác hở + Dùng sơ đồ trung tính giả A B C N Z Z Z 0 V Khi đủ pha U0N  0, khi mất pha U0N= = Uf cảnh báo, bảo vệ. §2.4 Nguồn điện thao tác Nguồn xoay chiều: 220, 110, 48, 24 V Lấy điện xoay chiều trực tiếp từ lưới  trạm đóng cắt đơn. Máy cắt bằng tay hoặc động cơ đều tích năng cho lò xo đóng. Nguồn một chiều từ: - chỉnh lưu - từ acquy - từ tụ điện Trong hệ thống SCADA (điều khiển, bảo vệ lớn ) nguồn điện thao tác không được ngắt quãng  acquy 220VDC  rơle bảo vệ DC 220V Acquy độc hại, phải bảo dưỡng, chế độ nạp phóng. Dùng tụ để tích năng § 2.5 Kênh truyền tín hiệu Trực tiếp bằng dây dẫn, gây sụt áp ( do tổng trở dây dẫn, tổng trở tải), ở khoảng cách gần Viba Đường dây bưu điện Cáp quang Ba đường truyền dưới dùng ở khoảng cách lớn §2.6 Rơle Lịch sử phát triển - Năm 1901 rơle cảm ứng dòng điện  bảo vệ quá tải, ngắn mạch - Năm 1908 rơle bảo vệ so lệch dòng điện - Năm 1910 rơle hướng công suất, quá dòng có hướng - Năm 1920 rơle bảo vệ có khoảng cách - Năm 1930 rơle bảo vệ truyền tín hiệu cao tần, viba - Năm 1960 dùng rơle tĩnh điện tử và bán dẫn - Năm 1970 đến nay rơle số và máy tính Rơle số là rơle vạn năng, tính cơ động, có thể lập trình chỉnh định, liên thông hệ điều khiển, bảo vệ. Rơle điện cơ số lượng lớn, dùng nhiều, dùng cho phụ tải công suất bé. Rơle nhiệt quá tải kiểu lưỡng kim t R¬le §Æc tÝnh thùc cña r¬le sè B¶o vÖ I Bảng danh mục các loại bảo vệ thường dùng trong bảo vệ rơle Ký hiệu Bằng số Bằng chữ Loại thiết bị ( theo IEEE C37-2-1979) 2 3 4 21 25 27 30 32 37 t Rơle thời gian đóng hoặc mở KT chậm Rơle khoá liên động hoặc kiểm C Z< S U< u Th ur r u P hoặc W s u su u P hoặc W  tra Công tắc tơ chính Rơle khoảng cách Rơle hòa hoặc kiểm tra đồng bộ Rơle thiếu điện áp Rơle tín hiệu Rơle có hướng công suất thuận Rơle có hướng công suất ngược Rơle thiếu dòng điện và thiếu 40 46  I2 công suất Rơle sự cố điện từ trường Rơle dòng điện thứ tự nghịc 49 50 51 51N  I>> I> I0 > hoặc IE > hoặc cân bằng pha Rơle nhiệt Rơle dòng điện cắt nhanh Rơle quá dòng có thời gian Rơle quá dòng điện thứ tự không 0 MC MCa có thời gian Máy cắt điện Tiếp điểm phụ thường mở của MCb máy cắt điện Tiếp điểm phụ thường đóng của cos U> U hoặc I Iu u0r u I máy cắt điện Rơle cos Rơle quá điện áp Rơle cân bằng áp hoặc dòng Rơle bảo vệ chống chạm đất Rơle quá dòng ( xoay chiều) có LĐ BĐ I=>  hướng Rơle liên động Rơle báo động ( cảnh báo) Rơle quá dòng một chiều Rơle lệch pha hoặc bảo vệ mất TĐL (AR) f P/T đồng bộ Rơle tự đóng lại Rơle tần số Rơle phát và nhận tín hiệu theo K SL( I ) kênh truyền Rơle khoá Rơle bảo vệ so lệch 52 52a 52b 55 59 60 64 67 68 74 76 78 79 81 85 86 87 §2.7 Máy cắt điện Chấp hành thực hiện thao tác do - Rơle bảo vệ - Do người vận hành Các thông số của máy cắt: Uđm, Iđm, Icđm, Sđm, Scắt đm Scắt đm = 3.U�m .Ic�m MVA Inm  1  3s  độ bền nhiệt. I xk  1,8. 2.I nm  độ bền điện động tđóng, tcắt  0,1s thq = (1 - 3 ).0,02s Nguyên lý hồ quang; - Mắy cầu dầu: nhiều dầu, ít dầu, thời gian hồ quang lớn. - Mắy cắt không khí nén: năng lực cắt lớn - Maý cắt điện từ - Máy cắt tự sinh khí - Máy cắt khí SF6 - Máy cắt chân không: thq bé nhất, lưới trung áp, ít phải bảo trì. +Tiếp điểm nối nên điểm hồ quang ban đầu và tiếp xúc cuối cùng trùng nhau. +Mối quan hệ giữa điện áp phóng điện và khoảng cách 2 điện cực khi U > 250V  bão hòa U(kV) 150 s (mm) + Dòng điện tải đi qua máy cắt phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Đặt máy cắt tùy vị trí. Nếu bảo vệ phụ tải cắt nhanh, nếu bảo vệ hệ thống phân cấp. Bảo vệ chính và bảo vệ dự phòng. CHƯƠNG III: CÁC NGUYÊN LÝ ĐO LƯỜNG, THEO DÕI, PHÁT HIỆN HƯ HỎNG TRONG BẢO VỆ. § 3.1 Các nguyên lý đo lường cho bảo vệ 1. Đo 1 đại lượng đầu vào Vào X, ra Y X Y 1 0 NếuY = 1  x tác động. Y = 1 giảm X sao cho Y  0 Knh  X nh 1 X t� K nhả cao  phụ tải 2. Đo 2 đại lượng vào X1 X2 Y 1 0 Ví dụ: đo công suất cần U, I Đo cos cần U, I Đo tổng trở cần U, I Có ngưỡng của X1, X2 Trị hiệu dụng của biên độ So sánh góc lệch pha §3.2 Các nguyên lý đo lường cho bảo vệ 1. Bảo vệ quá dòng điện Các loại phần tử bảo vệ + Rơle dòng điện cực đại ( I > Iđ tác động lập tức, kiểu phần động chữ Z khác với rơle dòng điện cực tiểu kiểu mạch từ hút chập) + Rơle kiểu điện từ + Rơle nhiệt kiểu lưỡng kim có trễ theo quan hệ I 2 t  const + Rơle cảm ứng có trễ + Rơle điện tử: bảo vệ quá dòng trễ hoặc tức thời biến tín hiệu dòng thành tín hiệu điện áp rồi so sánh với Uchuẩn 2. Bảo vệ so lệch dòng điện Nguyên lý I v  I r  I , I đủ lớn. Nếu sự cố bên ngoài thì so lệch không làm việc Nếu sự cố bên trong ( ví dụ ngắn mạch vòng dây trong máy biến áp) so lệch tác động. 3. Bảo vệ hướng công suất Máy điện đồng bộ làm việc ở các chế độ - Động cơ - Máy phát - Máy bù đồng bộ Bảo vệ hướng công suất tránh việc đang làm việc động cơ chuyển sang máy phát mà không mong muốn. 4. Bảo vệ quá, thiếu điện áp - Đơn giản 5. Bảo vệ tần số Máy phát đồng bộ : + Nhà máy thủy điện + Nhà máy nhiệt điện  điều tốc 6. Các nguyên lý khác - Nhiệt độ + Dạng thiết bị  cảnh báo + Loại cảm biến  tác động - Tốc độ bốc hơi dầu trong máy biến áp: hệ thống rơle khí. ( Rơle có 2 phao, 2 cấp, nếu tốc độ bốc hơi nhiều thì rơle cảnh báo; nếu tốc độ bốc hơi lớn thì tác động tức thời. phao 1 nối với công tắc hành trình) Máy biến áp phân phối công suất bé: không có hệ thống bảo vệ. CHƯƠNG IV: BẢO VỆ CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN § 4.1 Máy phát điện đồng bộ 1. Các dạng hỏng hóc và không bình thường máy phát đồng bộ Nội bộ: + Với stato ngắn mạch giữa các pha, 1 pha chạm đất, ngắn mạch vòng dây + Với roto chạm đất 1 điểm, chạm đất 2 điểm Bên ngoài + Ngắn mạch giữa các pha + Tải mất đối xứng + Mất kích từ + Quá tải + Mất đồng bộ 2. Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây stato Máy phát đồng bộ stato đấu Y, điểm trung tính không nối đất trực tiếp mà đấu qua cuộn L ( Pertson ) hoặc R để giảm quá điện áp nếu bị phóng điện chập chờn. Có cuộn L hoặc R duy trì dòng điện nối đất. Khi chạm đất xảy ra ở gần cực máy phát  chạm đất điện dung. Coi r chạm đất không đáng kể, rchạm đất = 0 Ich �m ��t  3CU  : số phần trăm vòng dây chạm đất C: điện dung của cuộn dây với đất. Dòng chạm đất Ic�  30 A, U�m  6 kV Ic�  20 A, U�m  10kV Nếu Ic�  5 A  hỏng lõi thép, cắt máy phát. - Phát hiện dòng chạm đất + 1 điểm chạm đất Bảo vệ so lệch A BI BI X L,R I SL + 2 điểm trong 1 pha chạm đất ( ngắn mạch vài vòng dây)  dòng điện rất lớn. Điện áp ra không đối xứng A X L,R I + 2 cuộn song song, 1 cuộn chạm đất, 1 cuộn không chạm Dùng so lệch để phát hiện. A BI BI X L,R I SL Có nhiều sơ đồ bảo vệ chống chạm đất 1 pha. Cách điện pha – đất bị hỏng chạm chập 1 pha. Thân cách điện bằng băng thủy tinh, cách điện bột mica, kết dính expoxy.  ít bị phóng điện trong rãnh, bị phóng điện ở tiếp giáp phần uốn cong và đầu nối. 3. Bảo vệ chống chạm chập giữa các pha Dùng TI bảo vệ quá dòng điện và bảo vệ so lệch. Qu¸ dßng SL 4. Bảo vệ chạm chập vòng dây trong 1 pha Dùng bảo vệ quá dòng điện 5. Mất đồng bộ 6. Quá tải Mất kích từ Bảo vệ quá điện áp: khi hệ thống điều chỉnh ổn định điện áp bị hỏng gây quá áp. Trong máy phát điện công suất lớn, ổ đỡ cần quan tâm đến chế độ nhiệt ở đó. Bảo vệ chống dòng điện thứ tự nghịch ở stato khi tải không đối xứng. 7.Bảo vệ chống công suất ngược Máy phát không phát ra điện mà tiêu thụ điện. Dùng áptomat công suất ngược. Sơ đồ bảo vệ máy phát đồng bộ công suất bé ( < 50 MVA ) 1. So lệch có hãm 2. Quá tải stato 3. Công suất ngược 4. Mất kích từ 5. Bảo vệ thứ tự nghịch 6. Quá dòng có trễ 7. Chống chạm đất cuộn dây stato ( 95%) 8. Giảm tần số 9. Quá điện áp 10. Chạm đất roto BU BI 2 10 MF 1 I I2 f< 8 3 BI P U> 9 4 -jX 5 I2 > BI 6 I> BI 7 R BU U0> (95%) Sơ đồ bảo vệ máy phát điện công suất lớn