Bài giảng chuyên đề bảo vệ tần số và tự động sa thải phụ tải

BẢO VỆ TẦN SỐ VÀ TỰ ĐỘNG
SA THẢI PHỤ TẢI
I. MỤC ĐÍCH VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM
CỦA SA THẢI PHỤ TẢI:
Việc duy trì tần số định mức được đảm bảo bởi những bộ điều chỉnh
tần số và công suất mà cách thức làm việc là điều chỉnh lượng nước
hoặc hơi nước vào turbine.
Nhờ những bộ điều chỉnh f và P, lượng thiếu hụt công cuất tác dụng
có thể được loại trừ nhờ có một nguồn năng lượng nóng dự trữ. Nếu
như không có nguồn năng lượng dự trữ thì lượng thiếu hụt ∆P làm
cho các máy điện quay chậm lại.
Khi máy điện giảm tốc nghĩa là tần số giảm, lượng thiếu hụt ∆P ban
đầu cũng giảm, năng suất và công suất của các bộ phận cơ cũng
giảm. Quá trình làm giảm f tiếp tục cho đến khi ∆P=0, nghĩa là ở tần
số mới này f’ thì công suất phát ra P
F
(f’) sẽ bằng với công suất tiêu
thụ P
T
(f’). Hệ thống ổn định ở một tần số mới khác định mức.
I. MỤC ĐÍCH VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM
CỦA SA THẢI PHỤ TẢI:
Hệ thống làm việc ở f thấp hơn f
đm
sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cung
cấp điện và không được phép vì:
-Với f<49,5Hz một vài bộ phận của turbine hơi chịu đựng quá giới
hạn rung bởi cộng hưởng dao động các bộ phận turbine dẫn đến huỷ
độ bền kim loại và hư cánh turbine.
-Khi f<49Hz những thiết bị điều chỉnh turbine mở ra hoàn toàn và tổ
MFĐ trở nên tải hoàn toàn. Sự giảm tần số làm giảm hiệu suất của

các cơ cấu phụ ở những trạm nhiệt điện, đặc biệt là những máy bơm
nước. Kết quả là giảm công suất toàn nhà máy và tăng tổn thất ∆P.
-Khi f giảm, MF kích thích bị giảm tốc và sđđ MFĐ giảm, U hệ
thống giảm làm nguy cơ “sụp đổ điện áp” và cắt điện nhiều hộ tiêu
thụ. Nghiêm trọng hơn là gây rối loạn HT, ngừng làm việc hoàn toàn
các trạm phát điện song song hoặc chia cắt HTĐ.
I. MỤC ĐÍCH VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM
CỦA SA THẢI PHỤ TẢI:
Mạch kiểm tra f tự động (AFC) có chức năng ngăn cản giảm f đến
giá trị tới hạn của f trong HTĐ khi xảy ra thiếu P bằng cách sa thải
một vài phụ tải.
AFC đảm bảo không vận hành HTĐ quá 20s đối với f<47Hz và
không quá 50s đối với f<48,5Hz.
AFC cũng cần tránh tác động không cần thiết khi f giảm ngắn hạn và
sau khi bộ AFC hoạt động tần số không được vượt quá định mức.
Phương pháp đưa tần số về định mức là cắt một lượng tải thích hợp.
Việc cắt tải phải được tính toán để không cắt quá lượng tải cần thiết.
II. BẢO VỆ TẦN SỐ TURBINE HƠI:
BV tần số thấp chủ yếu của turbine hơi là chương trình tự động cắt
tải được thiết kế để duy trì sự cân bằng giữa tải và phát. BV này
không đặt tại NMĐ mà đặt rải rác trong HTĐ để BV các khu vực.
Những tiêu chuẩn của BV tần số turbine hơi:
- thiết lập fcắt và thời gian trễ dựa trên giới hạn tần số không bình
thường của turbine hơi.
-
Phối hợp rơle tần số thấp của MF turbine với chương trình tự động
cắt tải của HT.
-
Lỗi của một rơle tần số thấp đơn lẻ không gây ảnh hưởng nguy
hiểm cho toàn sơ đồ BV.

-
HT BV tần số thấp của turbine phải làm việc bất cứ khi nào MF
hoạt động đồng bộ với HT hay tách ra khỏi HT nhưng vẫn còn cung
cấp cho điện tự dùng.
-
Các giá trị đặt có thể thay đổi trong một vài trường hợp để phối hợp
với sơ đồ cắt tải HT.
III. BẢO VỆ TẦN SỐ THẤP:
Sơ đồ BV turbine tần số thấp phải được phối hợp với các sơ đồ sa
thải phụ tải theo f của HT. hầu hết các HT lớn cần sơ đồ cắt tải dùng
rơle tần số thấp để giảm tải khi f <f
đm
để đưa HT trở lại trạng thái ổn
định.
Sơ đồ cắt tải HT phải đảm bảo cắt tải trước khi BV tần số turbine
hoạt động cắt MF để tránh hiện tượng sụp đổ điện áp hệ thống.
3.1 Bảo vệ tần số thấp của turbine:
để có sự phối hợp thì cần có:
- Đặc tính đáp ứng tần số của HT đối với các trường hợp tải không
cân bằng, gồm ảnh hưởng của sơ đồ sa thải phụ tải.
- Đặc tính thời gian tần số của sơ đồ bảo vệ turbine tần số thấp.
III. BẢO VỆ TẦN SỐ THẤP:
3.2 Tự động sa thải phụ tải:
Không cân bằng công suất trong HTĐ có thể do vượt quá khả năng
phát của HT, khi đó chỉ có thể cắt tải. Việc này được thực hiện bằng
cách sử dụng rơle tần số thấp, bộ định thời để cắt lượng tải xác định
tại một thời điểm xác định trước.
f giảm có thể sự đổ vỡ một HT lớn thành hai hay nhiều khu vực. Nếu
một khu thiếu hụt công suất phát, f trong khu vực đó giảm trừ khi
MF có đủ công suất dự trữ để đáp ứng nhánh lượng thiếu hụt.

Nhiều khi f sẽ giảm tới khi MF turbine hơi bị cắt bởi rơle BV tần số
thấp vì thế có thể làm tình trạng HT càng trầm trọng thêm. Trong
HT, các sơ đồ sa thải phụ tải được dùng để giảm lượng tải đến mức
các MF có thể đủ khả năng cung cấp.
III. BẢO VỆ TẦN SỐ THẤP:
3.2 Tự động sa thải phụ tải:
Tiêu chuẩn cắt tải:
-
Nên tránh để sự sai lệch tần số dưới 46,5Hz trong hơn 30 chu kỳ và
f
HT
có thể khôi phục trở lại
-
Tần số HT phải được khôi phục đủ nhanh để có thời gian dự trữ đủ
so với sơ đồ BV turbine.
-
Tần số vọt lố do cắt tải phải được giới hạn nhỏ hơn 51Hz để tránh
xung đột với giới hạn tần số cao của turbine.
III. BẢO VỆ TẦN SỐ THẤP:
3.3 Xác định lượng tải không cân bằng ban đầu
Nguyên nhân gây ra không cân bằng tải:
-
Sự xáo trộn xảy ra ở một khu vực có thể làm một phần hay toàn bộ
HT bị chia cắt do đường dây bị ngắt. Ranh giới giữa các khu vực có
thể xảy ra như dự định hoặc phụ thuộc vào tính chất tải và vị trí của
sự xáo trộn. Khi đó công suất nhận vào sẽ thiếu hụt và khu vực bị
quá tải.
-
Một HT riêng biệt xuất hiện không cân bằng tải có thể do mất một
hay nhiều MF.

-
HTĐ là một phần của mạng liên kết lớn cho phép mất 1 hay nhiều
MF lớn. Điều này làm giảm f cục bộ nên công suất truyền về phía
vùng thiếu công suất phát trên đường dây. Kết quả là quá tải một hay
nhiều đường dây khiến BV quá tải cắt đường dây…làm quá tải các
nhánh còn lại và liên tiếp cắt đường dây, tần số giảm…
III. BẢO VỆ TẦN SỐ THẤP:
3.3 Xác định lượng tải không cân bằng ban đầu
sự thiếu hụt công suất cuối cùng tính trong đơn vị tương đối với công
suất cơ bản là tổn công suất phát còn lại của khu vực khi xảy ra sự
chia cắt.
P
L
: công suất tải khu vực (MW).
P
G0
: công suất phát tại thời điểm chia cắt (MW).
P
Gx
: công suất phát bị cắt (MW)
IV. THIẾT KẾ BẢO VỆ CẮT TẢI
THEO TẦN SỐ VÀ ĐỘ DỐC
Để tính toán đơn giản giả thiết rằng vùng bị cắt có dự trữ quay không
đáng kể và không tác động điều tốc.
Khi thiếu hụt công suất, f trong vùng bị chia cắt giảm và tốc độ suy
giảm phụ thuộc vào ba yếu tố chính:
- Độ lớn của sự quá tải P∆.
-
Hệ số giảm tải của khu vực: D.
-

Hằng số quán tính của các MF còn hoạt động trong vùng: H
IV. THIẾT KẾ BẢO VỆ CẮT TẢI
THEO TẦN SỐ VÀ ĐỘ DỐC
Một số lưu ý trong thiết kế sơ đồ cắt tải:
- Tính đến trường hợp mất ổn định xấu nhất có thể xảy ra khi bị chia
cắt khu vực nếu không biết trước được chính xác khả năng mất cân
bằng tải
-
Phải xác định nhanh lượng tải cần cắt là bao nhiêu để hệ thống cân
bằng.
-
Tại thời điểm hệ thống bị chia cắt, độ dốc của đường độ lệch f ban
đầu là đầu mối duy nhất để xác định độ lớn của sự không cân bằng.
-
Cắt nhiều tải tốt hơn là cắt không đủ tải cần thiết, và phải cắt lập
tức.
IV. THIẾT KẾ BẢO VỆ CẮT TẢI
THEO TẦN SỐ VÀ ĐỘ DỐC
Nên chia việc cắt tải thành nhiều đợt và phải cắt một lượng tải thích
hợp trong thời gian đủ sớm để hãm lại sự suy giảm f.
Thời gian cắt tải tuỳ thuộc vào lượng công suất thiếu hụt nhiều hay ít
để f hệ thống không giảm thấp hơn giá trị giới hạn.
Phương pháp khởi động cắt tải đợt đầu khi f còn cao là 49,5Hz phụ
thuộc vào độ dốc ban đầu của độ giảm f quan sát được để phỏng
đoán lượng công suất thiếu hụt.
Độ dốc ban đầu m0 được xác đinh:
Với hằng số quán tính H thường bằng 3 đến 5s có thể phỏng đoán
lượng thiếu hụt công suất theo biểu thức:
P
∆

=2Hm
0
/50 (đvtđ)
V. SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN
Sự thiếu hụt công suất có thể xảy ra ở một khu vực nhỏ của HTĐ lớn
nhưng làm ảnh hưởng đến một nhóm của HTĐ kéo theo tất cả những
HTĐ.
Công suất thiếu khác nhau ở những thời điểm khác nhau nên cần cân
nhắc đến công suất theo ngày, mùa, thời gian trong ngày…nên việc
xác định mức thiếu hụt công suất trở nên cần thiết và quan trọng.
Những nguyên lý của bộ AFC hiện đại:
-
Hệ thống AFC phải loại bỏ tất cả sự cố có thể xảy ra bất chấp số
lượng mất công suất thực, sự lan rộng của sự cố khắp HTĐ và mức
độ phát triển của sự cố.
-
Số lượng tải được cắt phải luôn luôn gần với công suất mất, nghĩa
là AFC phải tự chỉnh đối với giá trị này
V. SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN
Có ba cấp kiểm tra tần số:
Cấp 1: AFC –I là một mạch kiểm tra f tốc độ cao có những tần số đặt
khác nhau. Được thiết kế để ngăn chặn tần số giảm.
Cấp 2: AFC-II có một mức đặt tần số chung và khác nhau thời gian
đặt. Dùng để nâng tần số lên sau khi AFC-I tác động và cũng để ngăn
chặn sự giữ tần số và sự mất tần số chậm khi công suất MF giảm
chậm chạp trong trường hợp khẩn cấp.
Cấp 3: Cấp dự phòng, hoạt động có chọn lọc. Nó làm cho sự ngắt tải
đặc biệt và gia tăng công suất cắt lúc thiếu nặng công suất phát gây
ra bởi sự phân cách một khu vực khỏi những nguồn cung cấp chính.
f

t
45Hz
f
0
=50Hz
48,5Hz
a
b
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
f
0
=50Hz
f
AFC
-I
f
AFC
-II
t

1AFC
-II
t
2AFC
-II
t
3AFC
-II
t
4AFC
-II
f
AFC
-I có giá trị từ
46,5 đến 48,5
với độ chênh
lệch giữa hai giá
trị là ∆f=0,1Hz
Tần số giảm khi không có AFC
Tần số giảm khi có AFC tác
động
V. SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN
V. SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN
Những phụ tải nối với thiết bị AFC –I phải có giá trị công suất tối
thiểu tính theo biểu thức:
P
AFC-I
=k
s
.∆P

max
.
∆P
max
giá trị mất công suất lớn nhất.
k
s
: hệ số an toàn lấy khoảng 1,05.
Những phụ tải được đấu với thiết bị AFC-II phải có công suất
trong khoảng:
P
AFC-II
≥ (0,4 đến 0,5) P
AFC-I
V. SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN
Khi tần số HT giảm xuống dưới 45Hz do thiếu hụt công suất cục
bộ thì thường dùng các thiết bị kiểm tra tần số phụ với các tiêu
chuẩn sau đây:
- Những hệ số biểu thị sự xuất hiện lượng thiếu hụt ∆P cục bộ
không liên quan đến tần số thay đổi.
-
Mức độ thay đổi tần số.
-
Giảm điện áp, nếu sự mất công suất thực kéo theo mất công suất
phản kháng đáng kể.
VI. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC.
6.1 Những thiết bị AFC với thời gian trì hoãn phụ thuộc tần số.
Mạch làm việc theo nguyên lý như sau:
AFC khởi động khi f rơi đến giá trị chỉnh định khởi động. Trị số
chỉnh định của rơle tần số tăng từ từ theo thời gian. Do đó lúc f

giảm nặng xảy ra ở mức độ cao vì ∆P lớn, những thiết bị AFC sử
dụng những rơle tần số có thời gian trì hoãn sẽ tác động nhanh
chóng tương tự như AFC-I.
Khi ∆P giảm, độ giảm f cũng giảm, thời gian tác động của AFC
tăng lên. Những thiết bị này tự động theo một quá trình thay đổi tần
số và tác động như AFC-II
VI. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC.
6.2 Những thiết bị AFC với máy tính điều khiển tốc độ cao.
Việc phân công những chức năng điều khiển đối với những máy
tính và sự giới thiệu một hệ thống điều khiển tự động cho phép
những máy tính điện tử được sử dụng để điều khiển tần số tự động.
Lượng công suất thiếu hụt có thể được xác định nhờ máy tính theo
tốc độ thay đổi f ban đầu hoặc sự so sánh giữa công suất phát và
tiêu thụ được lấy trên lưới điện.
Máy tính có thể cung cấp những xung ngắt điều khiển để cắt tải nào
đó, thay đổi những giá trị chỉnh định của AFC…
Với máy tính có thể cho phép dự đoán lượng thiếu hụt và tác động
điều khiển từ xa.