NGHIÊN cứu hệ THỐNG rơ LE bảo vệ NHÀ máy NHIỆT điện và THIẾT kế MẠCH đo KHOẢNG CÁCH BẰNG cảm BIẾN SIÊU âm HIỂN THỊ TRÊN LCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/70

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RƠ LE BẢO VỆ NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO
KHOẢNG CÁCH BẰNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HIỂN
THỊ TRÊN LCD

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/70

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ NHÀ MÁY NHIỆT
ĐIỆN
I.

Khái quát nhà máy điện
1. Khái niệm về điện năng
Điện năng là nhu cầu năng lượng không thể thiếu trên thế gi ới. Dựa vào
khả năng sản xuất và tiêu thụ điện năng mà có th ể bi ết được sự phát tri ển
của nền công nghiệp nước đó. Điện năng được sản xuất bằng nhiều cách khác
nhau và tùy theo từng loại năng lượng mà người ta chia ra cái loại nhà máy
như:
 Nhà máy nhiệt điện
 Nhà máy thủy điện
 Nhà máy điện nguyên tử
 Nhà máy điện gió
 Nhà máy điện mặt trời

 Nhà máy điện dùng thủy triều
 Nhà máy điện địa nhiệt
Hiện nay phổ biến nhất là nhà máy nhiệt điện, nhi ệt năng phát ra khi đ ốt
các nhiên liệu hữu cơ như: than, dầu, khí đốt, vv,… được bi ến đổi thành đi ện
năng.
Trên thế giới nay nhà máy nhiệt điện sản xuất ra khoảng 70% đi ện năng.
Riêng ở Việt Nam lượng điện năng do các nhà máy nhiệt đi ện s ản xu ất ra
chiếm một tỷ lệ không nhỏ trong số điện năng trên toàn quốc. Nhưng v ẫn còn
phụ thuộc vào nguồn năng lượng dự trữ sẵn có, điều kiện kinh tế cũng nh ư s ự
phát triển của khoa học kỹ thuật.
Trong những thập kỉ gần đây nhu cầu về nhiên liệu lỏng trong công
nghiệp, giao thông vận tải và sinh hoạt ngày càng tăng. Do đó ng ười ta đã h ạn
chế dùng nhiên liệu lỏng cho các nhà máy nhiệt điện mà chủ y ếu ng ười ta s ử

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/70

dụng nhiên liệu rắn và nhiên liệu khí trở thành những nhiên liệu hữu c ơ chính
của nhà máy nhiệt điện.

Hình 1-1. Sơ đồ cơ cấu điện năm 2020
2. Phân loại nhà máy điện
Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu bằng hữu cơ có thể chia ra các loại sau:
 Phân loại theo loại nhiên liệu sử dụng:









 Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu rắn.
 Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng.
 Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khí.
 Nhà máy nhiệt điện đốt hai hoặc ba loại nhiên liệu trên (h ỗn hợp).
Phân loại theo tuabin quay máy phát:
 Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.
 Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
 Nhà máy nhiệt điện tuabin khí - hơi.
Phân loại theo dạng năng lượng cấp đi:
 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: chỉ cung cấp điện.
 Trung tâm nhiệt điện: cung cấp điện vàì nhiệt.
Phân loại theo kết cấu công nghệ:
 Nhà máy điện kiểu khối.
 Nhà máy điện kiểu không khối.
Phân loại theo tính chất mang tải:
 Nhà máy nhiệt điện phụ tải gốc, có số giờ sử dụng công suất đặt
hơn 5000 giờ.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4/70

 Nhà máy nhiệt điện phụ tải giữa, có số giờ sử dụng công su ất
3

khoảng (3/4). 10 giờ.
 Nhà máy nhiệt điện phụ tải đỉnh, có số giờ sử dụng công suất đặt
khoảng 1500 giờ.
II.

Nhà máy nhiệt điện
1. Khái quát về nhà máy nhiệt điện.
Nhà máy điện nhiệt là một nhà máy, trong đó hóa năng của nhiên liệu được
biến thành nhiệt năng cấp nhiệt cho nước để biến thành hơi. N ước được đun
nóng, chuyển thành hơi nước và quay một tua bin hơi nước và tuabin này làm
chạy một máy phát điện.
Sau khi đi qua tuabin, hơi nước được ngưng tụ trong bình ngưng và tu ần
hoàn lại đến nơi mà nó đã được làm nóng, quá trình này được g ọi là chu trình
Rankine. Khác biệt lớn nhất trong thiết kế của nhà máy nhiệt đi ện là do các
nguồn nhiên liệu khác nhau. Một số nhà máy nhiệt đi ện cũng cung c ấp năng
lượng nhiệt cho mục đích công nghiệp, để sưởi ấm, hoặc để khử muối trong
nước cũng như cung cấp năng lượng điện.
Một tỷ lệ lớn khí CO2 được tạo ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch ở các
nhà máy nhiệt điện gây ảnh huởng rất lớn đến bầu không khí s ống của con
người. Vì vậy nhà máy nhiệt điện luôn được hạn chế sử dụng một cách tối ưu
nhất để giảm tác hại của khí thải công nghiệp.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/70

Hình 1-2. Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải I

Hình 1-3. Nhà máy nhiệt điện Mông Dương 1
2. Phân loại và đặc tính chung của nhà máy nhiệt điện
Tùy vào mục đích sử dụng mà nhà máy nhiệt điện gồm 2 loại:
 Nhà máy nhiệt điện rút hơi: Một phần năng lượng của hơi được dùng
vào mục đích công nghiệp và sinh hoạt của vùng lân cận.
 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: Là sử dụng toàn bộ l ượng khí tạo ra
phục vụ vào việc tạo ra điện năng.
Theo công suất nhà máy nhiệt điện có 2 loại:
 Nhiệt điện công suất nhỏ (dưới 1000MW): Uông Bí, Na Dương, Bà Rịa,.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/70

 Nhiệt điện công suất lớn (trên 1000MW): Phả Lại, Phú Mỹ, Cà Mau,..
Đặc tính của nhà máy nhiệt điện
 Ưu điểm:
− Có khả năng xây dựng tại bất kỳ khu vực nào.
− Không bị giới hạn về công suất lắp đặt. Các cụm nhi ệt điện có th ể được
xây dựng với công suất rất lớn (hơn 1000MW).
− Giá thành xây dựng nhà máy thấp hơn thủy điện có cùng công suất.

− Không phụ thuộc vào yếu tố thiên nhiên
− Chủ động trong vận hành vì không phụ thuộc mưa hay nắng.
− Diện tích chiếm đất của nhà máy ít hơn nhiều so với thủy đi ện cùng
công suất.
 Khuyết điểm:
− Đốt cháy nguyên liệu trong quá trình sản xuất do đó ph ụ thu ộc vào
nguồn cung các nguyện liệu này.
− Trong tình hình nguồn nguyên liệu ngày càng cạn ki ệt, giá thành cao sẽ
ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nhà.
− Do sử dụng nguyên liệu nên giá thành sản xuất đi ện năng l ớn h ơn th ủy
điện.
− Tính lính hoạt trong vận hành kém, thời gian khởi động chậm (6 – 8 gi ờ
mới đạt công suất tối đa. Do đó nhiệt điện thường chủ yếu chạy đáy
hoặc bán đỉnh.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/70

3. Cấu tạo nhà máy nhiệt điện

Hình 1-4. Cấu tạo thành phần nhà máy nhiệt điện

Hình 1-5. Cấu tạo nhà máy nhiệt điện than
1). Ống khói

6). Lò hơi

11). Tua-bin

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/70

2). Bể lắng cặn

7). Máy bơm nước 12). Máy phát điện

3). Máy nghiền

8). Bể chứa nước

4). Phễu nạp than

9). Bình ngưng

5). Cửa lấy xỉ than

10). Tháp làm mát

 Các thiết bị chính trong nhà máy nhiệt điện

1. Lò hơi.
a) Khái niệm

Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình cháy nhiên li ệu, nhi ệt l ượng t ỏa
ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên li ệu thành nhi ệt l ượng
của dòng hơi.
Lò hơi là thiết bị có mặt gần như trong tất cả các xí nghi ệp, nhà máy, đ ể
sản xuất hơi nước phục vụ cho quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy
điện; phục vụ cho quá trình đun nấu, chưng cất các dung d ịch, s ấy s ản ph ẩm
trong quá trình công nghệ ở các nhà máy hóa chất rượu, bia, thu ốc lá, ch ế
biến nông sản và dệt,….
Nhiên liệu đốt trong lò hơi thường là nhiên liệu rắn như than, c ủi, bã mía,
có thể là nhiên lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen hoặc nhiên liệu khí.
b) Cấu tạo của lò hơi

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/70

Hình 1-6. Cấu tạo của lò hơi
c) Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi:
− Thông số hơi của lò: Đối với lò hơi của nhà máy điện, hơi sản xuất ra là h ơi
quá nhiệt nên thông hơi của lò được biểu hiện bằng áp suất và nhi ệt đ ộ
hơi quá nhiệt:

Pqn (Mpa),t qn ( 0 C)

− Sản lượng hơi (công suất, năng suất) D: là lượng hơi sinh ra trong m ột đ ơn
vị thời gian (kg/h, tấn/h, kg/s)

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/70

 Sản lượng hơi định mức D dm : Sản lượng hơi lớn nhất mà lò hơi có thể
làm việc lâu dài ở thông số hơi qui định.
0
 Sản lượng hơi qui ước: Sản lượng hơi sinh ra tại 100 C .

 Sản lượng hơi cực đại: sản lượng hơi lớn nhất cho phép n ồi h ơi lam
việc tạm thời trong một thời gian ngắn. Dmax = (1.1 ÷ 1.2) D dm .
 Sản lượng hơi kinh tế: ứng với nồi hơi đạt công suất cao nhất. Thường
D kt =

(0.8 ÷ 0.9) D dm .

− Áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc: hơi bão hòa hoặc hơi quá nhi ệt. Thông
số càng cao hiệu suất càng cao.
− Nhiệt thế thể tích của buồng lửa
qV =

BQ lvt
,(W/m 3 )
Vbl

Trong đó:
Q lvt

: nhiệt lượng sinh ra

Vbl

: thể tích buồng lửa, ( m ), B (kg/s)

3

− Năng suất bốc hơi: khả năng sinh hơi trên một đơn vị diện tích bề mặt đ ốt
2
trên một đơn vị thời gian ( kg/m h )

S=

D
,(kg/m 2 h)
H

Trong đó D: sản lượng hơi của lò (kg/h)
2

H: diện tích bề mặt sinh hơi (bề mặt đốt), ( m )
− Phụ tải nhiệt của lò hơi: nhiệt lượng mà hơi sinh ra cung cấp cho n ơi sử
dụng trong một đơn vị thời gian (kJ/h, kcal/h, kW)
− Hiệu suất của lò hơi ( η ): tỷ lệ nhiệt lượng nhận được từ hơi nước và
nhiệt lượng cấp vào cho lò hơi. Thông thường hiệu suất nhiệt của lò h ơi
lớn hơn 80%.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo

khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/70
D(i qn -i 'hn )

η=

BQlvt

Trong đó: D: là sản lượng khơi (Kg/h).
i qn

: là entanpi của hơi quá nhiệt (Kj/kg)

i 'hn

: là entanpi của nước đi bộ hâm nóng (Kj/kg)

B : là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (Kg/h)
Qlvt

: nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (Kj/kg)

− Nhiệt thế diện tích trên ghi:
qr =

BQ lvt
,(W/m 2 )

R
2

R: diện tích mặt ghi ( m )
 Hệ thống nồi hơi bao gồm các thiết bị chính và thiết bị phụ:
− Thiết bị chính là các bộ phận thuộc bản th ể lò (phục vụ trực ti ếp cho
việc sinh hơi) gồm: buồng lửa, thiết bị đốt, dàn ống sinh hơi, bao hơi,
bộ quá nhiệt, bộ hâm nước, sấy không khí.
− Thiết bị phụ giúp nồi hơi hoạt động an toàn, kinh tế, gồm: quạt gió,
quạt khói, bơm cấp nước, các van, thiết bị đo – kiểm soát – an toàn.
d) Phân loại lò hơi
Lò hơi được phân loại theo các tiêu chuẩn như sau:
− Theo thông số hơi: áp suất p, nhiệt độ t, sản lượng hơi D
− Theo phương pháp đốt nhiên liệu:
Lò ghi: đốt nhiên liệu rắn.
Lò phun: đốt bột, lỏng, khí.
− Theo chế độ tuần hoàng của nước: tuần hoàn tự nhiên, cưỡng bức, trựu
lưu.
− Theo lịch sử phát triển của lò hơi: lò hơi ống lò ống lửa, lò h ơi ống
nước, lò hơi thẳng đứng, lò hơi nằm ngang.
Một số dạng lò hơi:

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/70

Hình 1-7. Lò hơi ống lửa

Hình 1-8. Lò hơi ống nước
e) Nguyên lý hoạt động của lò hơi
Trong các lò hơi nhà máy điện, hơi được sản xuất ra là h ơi quá nhi ệt. H ơi
quá nhiệt nhận được nhờ các quá trình: đun nóng nước đến sôi, sôi để biến
nước thành hơi bão hòa và quá nhiệt hơi để biến hơi bão hòa thành h ơi quá
nhiết có nhiệt độ cao trong các bộ phận của lò. Công su ất của lò h ơi ph ụ
thuộc vào lưu lượng, nhiệt độ và áp suất hơi. Các giá trị này càng cao thì công
suất lò hơi càng lớn.
Hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa và khói v ới môi ch ất
trong lò hơi phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi tr ường và của môi ch ất
tham gia quá trình và phụ thuộc vào hình dáng, cấu tạo, đặc tính của các ph ần
tử lò hơi.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/70

2. Tua-bin hơi
a) Tổng quan
Trong nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, cùng với lò hơi, tuabin là thi ết b ị
chính đóng vai trò quan trong trong quá trình sản xuất đi ện của nhà máy.
Cũng như lò hơi, sự an toàn và tính kinh tế trong vận hành tuabin sẽ quy ết
định đến hiệu quả hoạt động của toàn nhà máy.
b) Khái niệm
Tuabin là một động cơ nhiệt, trong đó nhiệt năng của dòng h ơi được bi ến
thành động năng, khi dòng hơi chuyển động qua các rãnh thì đ ộng năng bi ến

thành cơ năng tác động lên cánh động làm cho tuabin quay.
Mọi tuabin đều có hai phần: phần động và phần tĩnh. Tổ hợp tất cả các
phần bất động gọi là stato của tuabin, phần quay là roto.
Lực do dòng hơi tác động lên cánh động sẽ làm quay đĩa và trục.

Hình 1-9. Trục tua bin
c) Cấu tạo

Hình 1-10. Sơ đồ cấu tạo tuabin hơi nước.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/70

Đây là một tuabin trục ngang. Dòng nước chảy qua van nạp, mối hàn lắp,
vỏ xoắn ốc, đẩy roto quay. Để tiện lắp đặt và đại tu, thiết bị này có một cấu
trúc hai trụ bản lề lỗ hút thằng đứng. Bộ phân ph ối tuabin g ồm có nh ững b ộ
phận sau:
 Bộ ống nạp
 Bộ phận chính
 Bộ phận quay
 Bộ ống hút
d) Nguyên lý hoạt động

Hình 1-11. Sơ đồ nguyên lý mạch của tua bin hơi
Thiết bị tuabin hơi gồm có:
 Lò hơi (1): trong đó nước cấp dưới áp suất tương ứng sẽ chuy ển hóa

thành hơi bão hòa.
 Bộ quá nhiệt (2): ở đây sẽ làm tăng nhiệt độ hơi tới giá trị đã cho.
 Tuabin (3): trong đó thế năng của hơi nước chuyển hóa thành đ ộng
năng, còn động năng chuyển hóa thành cơ năng trên trục.
 Bình ngưng (4): dùng để làm ngưng tụ hơi thoát khỏi tuabin.
 Bơm nước ngưng (5): để bơm nước ngưng vào hệ thống gia nhiệt hồi
nhiệt (7, 10).

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/70

 Bình khử khí (8): chủ yếu để khử khí oxi trong nước cấp.
 Bơm nước cấp (9): để bơm nước cấp vào lò hơi.
 Máy phát điện (6): để phát điện.
 Bình gia nhiệt hạ áp (7).
 Bình gia nhiệt cao áp (10).
e) Phân loại
Tùy thuộc vào tính chất của quá trình nhiệt có th ể phân bi ệt các lo ại
tuabin hơi nước chủ yếu như sau:
1. Theo tầng số công tác
− Tuabin một tầng (Single- stage turbines)
− Tuabin nhiều tầng (Multistage turbines).
2. Theo hướng chuyển động của dòng hơi.
− Tuabin dọc trục (Axial turbines).
− Tuabin hướng kính (Radial turbines).
3. Theo nguyên lý tác dụng của dòng hơi.

− Tuabin xung lực (Impluse turbines).
− Tuabin phản lực (Reaction turbines).
4. Theo đặc điểm của quá trình nhiệt.
− Tuabin ngưng hơi
− Tuabin đối áp
Tùy theo công dụng của tuabin hơi cần phân biệt:
1/ Tuabin để truyền động máy phát điện. Những tuabin này th ường được n ối
trực tiếp với máy phát điện và làm việc với số vòng quay không đổi. Với tần
số 50 Hz tuốc bin được chế tạo và làm việc ở 3000 v/f để kéo máy phát
điện hai cực. Nếu để kéo máy phát điện bốn cực thì s ố vòng quay c ủa tu ốc
bin sẽ là 1500v/f.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/70

Tuabin với công suất bé (2500 kW và thấp hơn) thường được chế tạo với
số vòng quay cao. (5000v/f và trên nữa) và nối với máy phát qua h ộp gi ảm
tốc. Tuabin như vậy được gọi là tuabin truyền động có hộp giảm tốc.
2/ Tuabin để truyền động các quạt nén, máy nén và bơm thường làm vi ệc v ới
số vòng không đổi. Ở đây phải điều chỉnh để duy trì áp suất không đ ổi c ủa
không khí hay là nước hoặc giữ cho lưu lượng không khí không đổi.
3/ Tuabin dùng cho vận tải.
a) Tuabin hơi tàu thủy được dùng phổ biến làm động cơ cho các tàu th ủy
dân dụng và hải quân. Tuabin tàu thủy hiện đại thường được n ối v ới
trục chân vịt qua hộp giảm tốc và làm việc với số vòng quay thay đổi.
b) Tuabin cho các đầu máy cũng có hộp giảm tốc đ ể truy ền đ ộng bánh ch ủ

của đầu máy xe lửa và làm việc với tốc độ vòng thay đổi. Đến nay đầu tàu
tuốc bin chưa được ứng dụng rộng rãi.
Các loại tuốc bin thường được ký hiệu theo tiêu chuẩn quốc gia ( ở nước ta
chưa có tiêu chuẩn đó). Ví dụ: theo tiêu chuẩn qu ốc gia Liên xô đã quy đ ịnh
các ký hiệu như sau chữ cái đầu đặc trưng cho chủng loại tuabin :
K - Ngưng hơi: T - Ngưng hơi có trích hơi cấp nhiệt thu hồi;
- Có trích hơi dùng cho hộ tiêu thụ công nghiệp;
 T - Có trích hơi điều chỉnh cho công nghiệp và cấp nhiệt thu hồi
P - Đối áp
P - Có trích hơi công nghiệp và đối áp.
3. Máy phát điện
a) Khái niệm
Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành đi ện năng thông th ường
sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Máy phát điện giữ một vai trò then ch ốt
trong các thiết bị cung cấp điện. Nó thực hiện ba chức năng: phát đi ện, ch ỉnh
lưu, hiệu chỉnh điện áp.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/70

Công dụng chính của máy phát điện đó là ngăn ngừa và cung cấp đi ện khi
mạng lưới điện gặp sự cố. Đối với những công trình lớn thì máy phát đi ện, ở
đây là loại máy phát điện công nghiệp, nó là thi ết bị c ần ph ải có nếu mu ốn
hoạt động ổn định, đảm bảo việc cung cấp điện là thường xuyên và liên tục.
b) Cấu tạo của máy phát điện đầu nổ Diesel

Hình 1-12. Cấu tạo máy phát Diesel
1. Động cơ

6. Hệ thống xả

2. Đầu phát

7. Bộ nạp ắc quy

3. Hệ thống nhiên liệu

8. Control Panel (Thiết bị điều

khiển)
4. Ổn áp

9. Kết cấu khung chính.

5. Hệ thống làm mát
c) Nguyên lý hoạt động từng phần
 Động cơ:
Là nguồn năng lượng cơ học đầu vào của máy phát đi ện. Ngu ồn nhiên li ệu
của máy phát điện thường là diesel, xăng, propan (ở dạng l ỏng và d ạng khí)
hoặc là khí thiên nhiên.
 Đầu phát
Bao gồm một tập hợp các bộ phận tĩnh và các thành phần có th ể di chuy ển
được, có chức năng sản xuất điện từ nhiên liệu cơ học được cung cấp. Các

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/70

phần làm việc với nhau tạo ra chuyển động tương đối giữa từ và đi ện, do đó
tạo ra điện.
 Stato/ phần cảm: Là thành phần không thể di chuyển, gồm một tập hợp
các dây dẫn điện quấn lại thành dạng cuộn trên một lõi sắt.
 Rotor/ phần ứng: là thành phần chuyển động tạo ra từ trường quay.
 Nam châm vĩnh cửu: thường thấy trong các máy phát điện quy mô nhỏ.
 Hệ thống nhiên liệu
Ống nổi từ bồn chứa nhiên liệu đến động cơ: Dòng cung cấp h ướng dẫn
nhiên liệu và và ra động cơ.
Ống thông gió bình nhiên liệu: Các bồn chứa nhiên li ệu có m ột đường ống
thống gió để ngăn chặn sự gia tăng áp lực hoặc chân không trong quá trình
bơm và hệ thống thoát nước của bể chứa.
Bơm nhiên liệu: Nhiên liệu sẽ được chuy ển từ bể chứa chính vào các b ể
chứa trong ngày.
Bình lọc nhiên liệu, tách nước và vật lạ trong nhiên liệu l ỏng đ ể bảo vệ các
thành phần khác trong nghiên liệu tổng hợp.
Kim phun: Phun chất lỏng dưới dạng phun sương bằng đốt động cơ.
 Hệ thống làm mát
Liên tục sử dụng hệ thống làm lạnh có thể làm nóng các thành ph ần khác
nhau của máy phát điện. Máy cần thiết có một hệ th ống làm mát và thông gió
thu hồi nhiệt sinh ra trong quá trình.
Chất làm mát:
 Nước sạch: cũng là một chất làm mát cho máy phát điện
 Hydrogen: thường được dùng để làm mát cho các cu ộn dây stato trong
máy phát điện công nghiệp bởi tính năng hấp thụ nhiệt rất tốt.

 Hệ thống xả
Tác dụng: xử lý khí thải thoát ra từ máy phát điện. Ống xả thường được làm
bằng gang, sắt rèn hoặc thép. Ống xả thường gắn liền v ới đ ộng c ơ b ằng cách

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/70

sử dụng kết nối linh hoạt để giảm thiểu rung động và ngăn ngừa thi ệt h ại cho
hệ thống ống xả của máy phát điện.
Các ống xả thông ra ngoài trời và dẫn đi từ cửa ra vào, cửa s ổ và nh ững l ối
khác. Hệ thống ống xả của máy phát điện không kết nối với bất kỳ thi ết b ị
khác.
 Hệ thống bôi trơn.
Có tác dụng giúp động cơ hoạt động bền và êm su ốt một th ời gian dài.
Động cơ của máy phát điện được bôi trơn bằng dầu được lưu trữ trong một
máy bơm.
Cần kiểm tra mức dầu bôi trơn sau khi máy hoạt động 8h, Ki ểm tra ngăn
ngừa rò rỉ chất bôi trơn và thay dầu sau 500 giờ máy phát điện hoạt động.
 Ổn áp.
Là bộ ph ận quản lý điện áp đầu ra của máy phát đi ện, được chia ra làm
nhiều thành phần, dưới đây là chức năng của một vài thành phần chính:
 Ổn áp: biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, điều ch ỉnh một
phần nhỏ điện áp đầu ra thành điện áp xoay chiều và chuyển đổi thành
điện áp một chiều.
 Cuộn dây kích thích: Biến đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay
chiều, các cuộn dây kích thích tạo ra dòng điện xoay chi ều nhỏ và được

kết nối với các đơn vị được gọi chung là chỉnh lưu quay.
 Bộ ch ỉnh lưu quay: giúp chuyển đổi dòng điện một chi ều thành dòng
xoay chiều, việc chỉnh lưu được phát sinh b ởi các cuộn dây kích thích
rồi chuyển đổi nó thành dòng điện một chiều.
 Bộ sạc ắc quy
Máy phát điện khởi động bằng pin và bộ s ạc pin là bộ ph ận giữ cho pin
luôn luôn đầy với một điện áp thả n ổi chính xác. Khi điện áp th ả n ổi th ấp thì
pin sẽ nạp thiếu, điện áp cao thì sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/70

Cấu tạo: Thường được làm từ thép không g ỉ, hạn chế ăn mòn, t ự đ ộng và
không cần phải điều chỉnh hoặc cài đặt nào khác.
d) Nguyên lý hoạt động máy phát điện
Điện một chiều được cấp vào cuộn rotor, roto quay tạo ra từ trường Ft quay
với tốc độ n, lực điện từ Ft cảm ứng nên các suất điện động e A , eB , eC tương
ứng với ba cuộn dây stato được bố trí lệch pha nhau, mỗi cu ộn có tần s ố:
F = np .

Trong đó:
P - số cặp cực.
n - tốc độ từ trường quay (hay chính là tốc độ quay của tuabin hơi)
Để điều chỉnh tần số điện áp 50Hz để hòa đồng bộ chính xác được vào lưới
điện, ta điều khiển tốc độ quay tuabin thông qua lưu lượng hơi quá nhiệt đi
qua từ lò hơi.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/70

Chương 2: Tổng Quan Chung Về Bảo Vệ Rơ Le Trong
Hệ Thống Điện
I.

Khái quát
Trong quá trình tính toán thiết kế, vận hành bất kỳ một hệ thống đi ện nào,
chúng ta đều muốn hệ thống điện đó phải được vận hành ở chế độ an toàn,
tin cậy, kinh tế nhất. Một hệ thống điện thường rất rộng l ớn về qui mô trong
không gian với rất nhiều các thiết bị điện: Chúng được bao gồm ph ần phát
điện (máy phát điện, truyền tải và phân phối điện năng, máy bi ến áp, đ ường
dây truyền tải và các thanh góp)
Do đó, trong bất cứ hệ thống điện nào cũng có thể phát sinh các dạng h ư
hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường đối với các ph ần tử trong
hệ thống điện đó. Do vậy để tránh các tổn thất l ớn có th ể xảy ra, thì vi ệc tính
toán xây dựng các bảo vệ rơ le trong hệ th ống đi ện đó là rất quan tr ọng và
không thể thiếu được. Thậm chí trong các hệ thống điện để đảm bảo cho b ảo
vệ rơ le hoạt động tin cậy chúng ta bao gi ờ cũng xây dựng 2 h ệ th ống b ảo v ệ
rơ le chính và bảo vệ rơ le dự phòng.
Nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng, hay sự cố đối với hệ thống điện:
 Do thiên nhiên gây ra: như giông bão, động đất, lũ lụt, cháy rừng ….
 Do con người gây ra: sai sót trong tính toán thi ết kế, nhầm l ẫn trong công
tác vận hành khai thác, sai sót trong bảo dưỡng…

 Do các yếu tố ngẫu nhiên khác: già cỗi cách đi ện, thi ết b ị quá cũ, nh ững h ư
hỏng ngẫu nhiên…
 Sự cố nguy hiểm nhất có thể xảy ra trong hệ thống đi ện thường là các
dạng ngắn mạch. Khi ngắn mạch, dòng điện tăng cao tại ch ỗ sự cố và trong
các phần tử trên đường từ nguồn đến điểm ngắn mạch có thể gây ra
những tác động nhiệt và cơ học nguy hiểm (do lực đi ện động l ớn gây ra)
cho các phần tử mà dòng điện sự cố đó chạy qua. Hồ quang ,tia l ửa đi ện t ại

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/70

chỗ ngắn mạch nếu để tồn tại lâu có thể đốt cháy thi ết bị, gây h ỏa ho ạn.
Trường hợp nguy hiểm nhất, ngắn mạch có thể dẫn đến mất ổn định và
tan rã hoàn toàn hệ thống điện.
Các dạng hư hỏng khác trong hệ thống điện:
 Đường dây tải điện trên không chiếm 50%
 Đường dây cáp chiếm 10%
 Máy cắt điện chiếm 15%
 Máy biến áp Các máy phát điện đồng bộ chiếm 12%
 Máy biến dòng điện (BI); biến điện áp (BU) chiếm 2%
 Thiết bị đo lường,điều khiển, bảo vệ chiếm 3%
 Các loại hư hỏng khác chiếm 8%
Nhiệm vụ của bảo vệ rơ le:
 Phát hiện và nhanh chóng loại trừ phần tử bị sự cố ra khỏi hệ th ống đi ện
nhằm ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả do các s ự
cố gây ra.

 Thiết bị bảo vệ ghi lại và phát hiện những tình trạng làm vi ệc không bình
thường của các phần tử trong hệ thống điện.
 Tuỳ mức độ quan trọng của thiết bị điện mà bảo vệ rơ le có thể tác động đi
báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt điện. Thiết bị tự động được dùng phổ bi ến
nhất để bảo vệ trong các hệ thống điện hiện đại là các r ơ le bảo v ệ. Ngày
nay, khái niệm bảo vệ rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thi ết bị thực
hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hóa trong hệ thống
điện, thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhi ệm vụ bảo v ệ cho
từng phần tử cụ thể.
II.

Yêu cầu của bảo vệ rơle
1. Độ tin cậy
Đây là yêu cầu đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm vi ệc đúng, chính xác, ch ắc
chắn.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/70

Cần hiều rõ hai khái niệm sau:
 Độ tin cậy khi tác động: là mức độ chắc chắn hệ th ống bảo vệ r ơ le sẽ
tác động đúng. Nói cách khác, độ tin cậy khi tác động là khả năng bảo v ệ
làm việc đúng khi có sự cố xảy ra trong phạm vi đã được xác đ ịnh trong
nhiệm vụ bảo vệ.
 Độ tin cậy không tác động: là mức độ chắc chắn hệ thống rơ le sẽ không
làm việc sai. Nói cách khác, độ tin cậy không tác đ ộng là kh ả năng tránh

làm việc nhầm ở chế độ vận hành bình thường hoặc sự c ố xảy ra ngoài
phạm vi bảo vệ đã được qui định.
Trên thực tế độ tin cậy tác động có thể được kiểm tra tương đối dễ dàng
bằng tính toán thực nghiệm, còn độ tin cậy không tác động rất khó ki ểm tra vì
tập hợp những trạng thái vận hành và tình huống bất th ường có th ể dẫn đ ến
tác động sai của bảo vệ không thể lường trước được.
Để nâng cao độ tin cậy nên sử dụng rơle và hệ thống rơle có kết cấu đ ơn
giản, chắc chắn, đã được thử thách qua thực tế sử dụng và cũng cần tăng
cường mức độ dự phòng trong hệ thống bảo vệ.
Qua số liệu thống kê vận hành cho thấy, hệ th ống bảo v ệ trong các h ệ
thống điện hiện đại có độ tin cậy khoảng (95 ÷ 99) %. Trong th ực tế khi các
hệ thống điện hoạt động có thể sau một thời gian rất dài các phần tử trong hệ
thống điện không bị sự cố các bảo vệ rơ le không hoạt động. Nh ưng khi có các
sự cố xảy ra nhiều lần trong ngày thì các bảo vệ rơ le phải hoạt động được
ngay và chính xác. Đó chính là tính tin cậy của các b ảo v ệ r ơ le trong h ệ th ống
điện.
2. Tính chọn lọc
Là khả năng của bảo vệ rơ le có thể phát hiện và loại tr ừ đúng ph ần tử b ị
sự cố ra khỏi hệ thống điện mà không cắt hoặc loại b ỏ các ph ần tử không b ị
hỏng hóc ra khỏi hệ thống điện khi nó đang làm việc bình thường.

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/70

Hình 2-1. Tính chọn lọc của rơle
Hình 2-1 Mô tả về tính chọn lọc của bảo vệ rơ le. Khi ng ắn m ạch t ại đi ểm

N2

, để bảo đảm tính chọn lọc thì bảo vệ cần phải cắt các máy cắt 1 và 2 ở hai

đầu đường dây bị hư hỏng và việc cung cấp điện cho trạm B vẫn được duy trì.
Theo nguyên lý làm việc, tính chọn lọc của các bảo vệ được phân ra
 Bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm nhiệm vụ
khi sự cố xảy ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm
nhiệm vụ dự phòng bảo vệ các phần tử lân cận.
 Bảo vệ có tính chọn lọc tương đối: ngoài nhiệm vụ bảo v ệ chính cho
đối tượng được bảo vệ còn có chức năng bảo vệ dự phòng cho phần tử
lân cận.
3. Tính tác động nhanh
Tính tác động nhanh của bảo vệ rơ le là yêu cầu quan tr ọng vì vi ệc cách ly
càng nhanh chóng phần tử bị ngắn mạch, sẽ càng hạn chế được mức độ phá
hỏng các thiết bị, càng giảm được thời gian sụt áp và tần s ố ở các n ơi tiêu th ụ
điện, giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn và càng nâng cao kh ả năng
duy trì ổn định sự làm việc của các máy phát điện và toàn bộ hệ thống điện.
Tuy nhiên khi kết hợp với yêu cầu chọn lọc, để thoả mãn yêu cầu tác đ ộng
nhanh cần phải sử dụng những loại bảo vệ phức tạp và đắt ti ền. Vì v ậy yêu
cầu tác động nhanh chỉ đề ra tuỳ thuộc vào những đi ều kiện cụ th ể của h ệ
thống điện và tình trạng làm việc của các phần tử được bảo v ệ trong h ệ
thống điện. Bảo vệ rơ le được gọi là có tính tác động nhanh nếu th ời gian tác
động không vượt quá 50ms (2.5 chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz). Bảo v ệ r ơ

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo
khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 25/70

le được gọi là tác động tức thời nếu không thông qua khâu tạo tr ễ trong tác
động của rơ le bảo vệ. Hai khái niệm tác động nhanh và tác đ ộng t ức th ời
được dùng thay thế lẫn nhau để chỉ các rơ le hoặc bảo vệ có th ời gian tác
động không quá 50ms. Thời gian cắt sự cố ( t C ) gồm hai thành phần: thời gian
tác động của bảo vệ ( t BV ) và thời gian tác động của máy cắt ( t MC ).
Với hệ thống điện hiện đại, yêu cầu thời gian loại trừ sự cố r ất nh ỏ, đ ể
đảm bảo tính ổn định. Đối với các máy cắt đi ện có t ốc đ ộ cao hi ện đ ại ( t MC ) =
(20 ÷ 60)ms từ (1 ÷ 3) chu kỳ của dòng điện có tần số 50 Hz. Những MC thông
thường có ( t MC ) ≤ 5 chu kỳ (khoảng 100ms ở 50Hz).Vậy thời gian để loại trừ
sự cố t C khoảng từ (2 ÷ 8) chu kỳ ở tần số 50Hz ( vào khoảng 40 ÷ 160ms) đ ối
với bảo vệ tác động nhanh. Đối với lưới điện phân ph ối thường dùng các b ảo
vệ có độ chọn lọc tương đối, bảo vệ chính thông thường có thời gian cắt sự c ố
khoảng (0,2 ÷ 1,5) giây, bảo vệ dự phòng khoảng (1,5 ÷ 2,0) giây.
4. Độ nhạy
Độ nhạy được đặc trưng cho khả năng “cảm nhận” sự cố của rơ le bảo v ệ
hoặc hệ thống bảo vệ. Độ nhạy của bảo vệ được đặc trưng bằng hệ s ố độ
nhạy ( K n ) là tỉ số của đại lượng vật lý đặt vào rơ le khi có sự c ố v ới ngưỡng
tác động của nó. Sự sai khác giữa trị số của đại lượng vật lý đặt vào r ơ le và
ngưỡng tác động của nó càng lớn, rơ le càng dễ cảm nhận sự xuất hi ện c ủa s ự
cố, nghĩa là rơ le tác động càng nhạy.
Độ nhạy thực tế của bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ làm
việc của hệ thống điện (mức độ huy động nguồn max hay min), cấu hình c ủa
lưới điện (các đường dây làm việc song song, hay đơn lẻ), dạng ngắn mạch
(ba pha, một pha,…), vị trí của điểm ngắn mạch (gần nguồn, hay xa ngu ồn).
Đối với các bảo vệ chính thường yêu cầu, đòi hỏi phải có hệ s ố độ nhạy từ
(1.5 ÷ 2.0) còn đối với bảo vệ dự phòng hệ số độ nhạy từ (1.2 ÷ 1.5).

Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện và thiết kế m ạch đo

khoảng cách bằng cảm biến siêu âm hiển thị trên LCD