Nguyên lý bảo vệ so lệch dọc (87G) cho máy phát điện

1. Nhiệm vụ và sơ đồ nguyên lý:

Bảo vệ so lệch dọc (BVSLD) có nhiệm vụ chống ngắn mạch nhiều pha trong cuộn
dây stator máy phát. Sơ đồ thực hiện bảo vệ như hình  vẽ:

Trong đó:
– Rf: dùng để hạn chế dòng điện không cân bằng (Ikcb), nhằm nâng cao độ nhạy của bảo vệ.
– 1RI, 2RI, 4Rth: phát hiện sự cố và đưa tín hiệu đi cắt máy cắt đầu cực máy phát không thời gian (thực tế thường t ≈ 0,1 sec).
– 3RI, 5RT: báo tín hiệu khi xảy ra đứt mạch thứ sau một thời gian cần thiết (thông qua 5RT) để tránh hiện tượng báo nhầm khi ngắn mạch ngoài mà tưởng đứt mạch thứ.
Vùng tác động của bảo vệ là vùng giới hạn giữa các BI nối vào mạch so lệch. Cụ thể ở đây là các cuộn dây stator của MFĐ, đoạn thanh dẫn từ đầu cực MFĐ đến máy cắt.

2. Nguyên lý làm việc

BVSLD hoạt động theo nguyên tắc so sánh độ lệch dòng điện giữa hai đầu cuộn dây
stator, dòng vào rơle là dòng so lệch:

IR = I1T – I2T = ISL  (1-1)

Với I1T 2T , I là dòng điện thứ cấp của các BI ở hai đầu cuộn dây.

Bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, dòng vào rơle 1RI, 2RI là dòng không cân bằng
IKCB:

ISL = I1T – I2T = IKCB < IKĐR (dòng khởi động rơle) (1-2)

nên bảo vệ không tác động (hình 1.2a). Khi xảy ra chạm chập giữa các pha trong cuộn dây stator (hình 1.2b), dòng điện vào các rơle 1RI, 2RI:

ISL = I1T – I2T = IN/nI > IKĐR

Trong đó:
– IN: dòng điện ngắn mạch.
– nI: tỉ số biến dòng của BI
Bảo vệ tác động đi cắt 1MC đồng thời đưa tín hiệu đi đến bộ phận tự động diệt từ (TDT).
Trường hợp đứt mạch thứ của BI, dòng vào rơle là:

IR = IF/ nI  (1-4)

Dòng điện này có thể làm cho bảo vệ tác động nhầm, lúc đó chỉ có 3RI khởi động báo đứt mạch thứ với thời gian chậm trễ, để tránh hiện tượng báo nhầm trong quá trình quá
độ khi ngắn mạch ngoài có xung dòng lớn.
Ở sơ đồ hình 1.1, các BI nối theo sơ đồ sao khuyết nên bảo vệ so lệch dọc sẽ không tác động khi xảy ra ngắn mạch một pha ở pha không đặt BI. Tuy nhiên các bảo vệ khác sẽ
tác động.

Xem thêm:

Nguyên lý bảo vệ khoảng cách – F21
Bảo vệ quá dòng có hướng – Rơ le 67
Nguyên lý của rơle giám sát mạch cắt – Rơ le 74
Nguyên lý bảo vệ chống chạm đất hạn chế – Rơ le 87N
Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch dòng điện có hãm
Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh – Rơ le 50
Nguyên lý bảo vệ quá dòng điện
Bảo vệ quá dòng điện có thời gian – Rơ le 51
Bảo vệ so lệch Máy biến áp – Rơ le 87T

3. Tính các tham số và chọn Rơle

Tính chọn 1RI và 2RI:
Dòng điện khởi động của rơle 1RI, 2RI được chọn phải thoả mãn hai điều kiện sau:

Điều kiện 1: Bảo vệ không tác động đối với dòng không cân bằng cực đại IKCBmax
khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ.

IKĐB ≥ Kat.IKCBtt       (1-5)
IKCBtt = Kđn.KKCK.fi.INngmax     (1-6)

Trong đó:
– Kat: hệ số an toàn tính đến sai số của rơle và dự trữ cần thiết. Kat có thể lấy bằng 1,3.
– KKCK: hệ số tính đến sự có mặt của thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch, KKCK có thể lấy từ 1 đến 2 tuỳ theo biện phấp được sử dụng để nâng cao độ nhạy của
bảo vệ.
– Kđn: hệ số tính đến sự đồng nhất của các BI (Kđn = 0,5÷1).
– fi: sai số tương đối của BI, fi có thể lấy bằng 0,1 (có kể đến dự trữ, vì các máy biến dòng chọn theo đường cong sai số 10%).
– INngmax: thành phần chu kỳ của dòng điện chạy qua BI tại thời điểm đầu khi ngắn mạch ngoài trực tiếp 3 pha ở đầu cực máy phát.

Điều kiện 2: Bảo vệ không được tác động khi đứt mạch thứ BI.

Lúc đó dòng vào rơle 1RI, 2RI: (giả sử MF đang làm việc ở chế độ định mức)

Với K(3) là hệ số sơ đồ. Sau khi tính được IKĐR ta sẽ chọn được loại rơle cần thiết.

Kiểm tra độ nhạy Kn của bảo vệ:

Kn = INmin  / IKAB

Với INmin: dòng điện ngắn mạch 2 pha ở đầu cực máy phát khi máy phát làm việc riêng lẻ.
Vì bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối nên yêu cầu Kn > 2.

Tính chọn Rơle 3RI:

Dòng khởi động sơ cấp của rơle 3RI phải lớn hơn dòng không cân bằng cực đại khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. Nhưng trong tính toán thì điều kiện ổn định nhiệt của rơle là quyết định. Theo kinh nghiệm có thể chọn dòng khởi động cho 3RI:

IKĐS(3RI) = 0,2.IđmF  (1-12)

Ta tính được IKĐR của 3RI và chọn được loại rơle tương ứng.

Thời gian làm việc của 5RT:

Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, có thể xuất hiện những xung dòng lớn thoáng qua làm cho bảo vệ tác động nhầm do vậy phải chọn thời gian tác động của 5RT thoả mãn điều kiện:

t5RT > tcắt Nngoài  (1-13)
t5RT = tcắtNng + Δt  (1-14)

Trong đó: 

– tcắtNng: : thời gian lớn nhất của các bảo vệ nối vào thanh góp điện áp máy phát. 
Δ t: bậc chọn lọc thời gian, thường Δ t = (0,25 ÷ 0,5) sec.

Nhận xét:
– Bảo vệ sẽ tác động khi ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stator
máy phát.
Bảo vệ không tác động khi chạm chập giữa các vòng dây trong
cùng 1 pha hoặc khi xảy ra chạm đất 1 điểm trong cuộn dây phần tĩnh.
– Để tăng độ nhạy của bảo vệ so lệch người ta có thể sử dụng rơle so lệch có hãm.

4. Bảo vệ so lệch có hãm:

Sơ đồ bảo vệ như hình 1.3. Rơle gồm có hai cuộn dây: Cuộn hãm và cuộn làm việc.
Rơle làm việc trên nguyên tắc so sánh dòng điện giữa I
LV và IH.

Nhận xét:

– Bảo vệ hoạt động theo nguyên tắc so sánh dòng điện giữa ILV và IH, nên độ nhạy
của bảo vệ rất cao và khi xảy ra ngắn mạch thì bảo vệ tác động một cách chắc chắn với thời gian tác động thường t = (15 ÷ 20) msec.
– Bảo vệ so lệch dọc dùng rơle có hãm có thể ngăn chặn bảo vệ tác động nhầm do ảnh hưởng bão hoà của BI.
– Đối với các máy phát điện có công suất lớn có thể sử dụng sơ đồ bảo vệ so lệch hãm tác động nhanh (hình 1.4)

Ở chế độ làm việc bình thường, dòng điện thứ cấp 1T và I2T của các nhóm biến dòng 1BI, 2BI chạy qua điện trở hãm RH, tạo nên điện áp hãm UH, còn hiệu dòng thứ cấp (dòng so lệch) ISL chạy qua biến dòng trung gian BIG, cầu chỉnh lưu CL và điện trở làm việc RLV tạo nên điện áp làm việc ULV. Giá trị điện áp UH > ULV, bảo vệ không tác động.

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, điện áp ULV >> UH, dòng điện chạy qua rơle RL1 làm rơle này tác động đóng tiếp điểm RL1 lại. Dòng điện làm việc sau khi nắn chạy qua rơle RL2, RL2 đóng tiếp điểm lại, rơle cắt đầu ra sẽ được cấp nguồn thao tác qua hai tiếp điểm nối tiếp RL1 và RL2 đi cắt máy cắt đầu cực máy phát. Ngoài ra, người ta còn dùng rơle so lệch tổng trở cao để bảo vệ so lệch máy phát điện (hình 1.5). Rơle so lệch RU trong sơ đồ có tổng trở khá lớn sẽ tác động theo điện áp so lệch USL, ở chế độ làm việc bình thường và khi ngắn mạch ngoài, các biến dòng 1BI, 2BI (được chọn giống nhau) có cùng dòng điện máy phát đi qua do đó các sức điện động E1 và E2 bằng nhau và ngược pha nhau, L1 = L2, phân bố điện áp trong mạch như hình 1.5b.


Trị số điện áp đặt lên rơle so lệch RU phụ thuộc vào quan hệ giữa các điện trở R1 và R2. Điện trở R1, R2 gồm điện trở cuộn dây thứ cấp và dây dẫn phụ nối giữa hai nhóm biến dòng 1BI và 2BI, với R1 = R2 USL = 0
Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ:
* Trường hợp máy phát làm việc biệt lập với hệ thống: Dòng điện qua 1BI là dòng của máy phát. Dòng điện qua 2BI bằng không E2 = 0. Điện áp đặt lên rơle so lệch RU hình 1.5c:


* Trường hợp máy phát nối với hệ thống: Khi đó tại điểm ngắn mạch, ngoài dòng điện do bản thân máy phát cung cấp còn có thêm thành phần dòng điện do hệ thống đổ về. Mạch điện đẳng trị và phân bố điện áp như hình 1.5d. Giá trị điện áp đặt lên rơle so lệch RU:

Nhận xét:
– Đối với các MFĐ có công suất lớn, hằng số thời gian tắt dần của thành phần một chiều trong dòng điện ngắn mạch có thể đạt đến hàng trăm msec, gây bão hòa mạch từ của các máy biến dòng và làm chậm tác động của bảo vệ khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ.
Vì vậy cần phải sử dụng sơ đồ bảo vệ tác động nhanh trước khi xảy ra bão hòa mạch từ của máy biến dòng, tức là: tbh > tbv, với tbv là thời gian cắt ngắn mạch của bảo vệ; tbh thời gian bão hoà mạch từ của BI.