ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU RƠLE SỐ REG216 VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ BẢO VỆ MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÔNG BA HẠ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN

----o0o----

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên : NGƠ MINH THI
Lớp

: 06D2

Bộ mơn

: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP

Khoa

: ĐIỆN KỸ THUẬT

I. NHIỆM VỤ
TÌM HIỂU RƠLE SỐ REG216 VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ BẢO VỆ
MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÔNG BA HẠ
II. SỐ LIỆU
Lấy tại Nhà máy Thủy điện Sơng Ba Hạ.

III. NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI
- Chương 1: Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Sông Ba Hạ.
- Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
- Chương 3: Tổng quan về rơle số REG216 và phần mềm CAP 2/316.
- Chương 4: Tính tốn, cài đặt các thông số cho rơle số REG216 để bảo vệ
máy phát.
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. VÕ NHƯ TIẾN

IV. THỜI GIAN THỰC HIỆN
- Ngày giao nhiệm vụ:

20/2/2011.

- Ngày hoàn thành:

30/5/2011.


GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

GIÁO VIÊN DUYỆT

ký

ký tên

THÔNG QUA BỘ MÔN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

ký tên

ký tên


MỤC LỤC

Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÔNG BA HẠ ...................... 1
1.1. Các hạng mục cơng trình chính của Nhà máy ..................................... 1
1.2. Sơ đồ điện của Nhà máy ..................................................................... 3
1.2.1. Phần điện trong nhà vận hành....................................................... 3
1.2.2. Phần điện trong trạm phân phối 220kV ........................................ 6
1.3. Hệ thống bảo vệ rơle của tổ máy chính trong Nhà máy ....................... 6
1.3.1. Sơ đồ đầu vào tương tự của rơle RJ1A và RJ1B .......................... 6
1.3.2. Các chức năng bảo vệ có trong sơ đồ ........................................... 7
Chương 2.
CÁC BẢO VỆ CHÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ........................................ 9
2.1. Các sự cố chính trong máy phát điện .................................................. 9
2.1.1. Các dạng hư hỏng ........................................................................ 9
2.1.2. Các tình trạng làm việc khơng bình thường .................................. 9
2.2. Các bảo vệ thường dùng cho máy phát điện ........................................ 9
2.2.1. Bảo vệ so lệch dọc (87G) ........................................................... 10
2.2.2. Bảo vệ so lệch ngang (87G-N) ................................................... 13
2.2.3. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây Stator (64S) ........................... 14
2.2.4. Bảo vệ quá điện áp (59).............................................................. 18
2.2.5. Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải .................................. 19
2.2.6. Bảo vệ chống mất kích từ (40) ................................................... 22

2.2.7. Bảo vệ chống mất đồng bộ (78).................................................. 24
2.2.8. Bảo vệ chống luồng công suất ngược (32) .................................. 26
Chương 3.
TỔNG QUAN VỀ RƠLE REG216 VÀ PHẦN MỀM CAP 2/316 ............. 28
3.1. Rơle số REG216 ............................................................................... 28
3.1.1. Đặc điểm .................................................................................... 28
3.1.2. Cấu trúc ..................................................................................... 29
3.1.3. Các ứng dụng ............................................................................. 43
3.1.4. Cài đặt chức năng ....................................................................... 45
3.2. Phần mềm CAP 2/316 ...................................................................... 50
3.2.1. Đặc điểm .................................................................................... 50


3.2.2. Menu chính và menu phụ ........................................................... 50
3.2.3. Tính năng kiểm tra và tự giám sát .............................................. 52
Chương 4.
TÍNH TỐN, CÀI ĐẶT CÁC THÔNG SỐ CHO RƠLE SỐ REG216 ĐỂ
BẢO VỆ MÁY PHÁT.......................................................................................... 54
4.1. Bảo vệ so lệch dọc (87) .................................................................... 54
4.2. Bảo vệ kích từ .................................................................................. 59
4.2.1. Bảo vệ quá kích từ (24) .............................................................. 59
4.2.2. Bảo vệ mất kích từ (40) .............................................................. 61
4.3. Bảo vệ chạm đất stator 100% (64S) .................................................. 64
4.4. Bảo vệ quá điện áp (59) và thấp điện áp (27) .................................... 67
4.5. Bảo vệ quá tần số và thấp tần số (81) ................................................ 69
4.6. Bảo vệ dòng điện .............................................................................. 70
4.6.1. Bảo vệ quá dòng-thấp áp (51.27) ............................................... 70
4.6.2. Bảo vệ dòng thứ tự nghịch (46) .................................................. 75
4.7. Bảo vệ tổng trở thấp (21) .................................................................. 78
4.8. Bảo vệ chống trượt cực từ (78) ......................................................... 80

4.9. Bảo vệ chống luồng công suất ngược (32) ........................................ 84
4.10. Bảo vệ quá tải đối xứng (49S)........................................................... 86
Kết luận chung....................................................................................................... 90
Phụ lục
............................................................................................................. 91
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 92


LỜI NĨI ĐẦU
Trong giai đoạn khoa học cơng nghệ hiện đại được ứng dụng rộng rãi vào quá
trình sản xuất Cơng nghiệp thì ngành Điện cũng phải đi trước một bước trong việc
tiếp cận với nền khoa học tiên tiến đó. Bởi năng lượng điện là “nguồn lực” đầu tiên
cho những ngành sản xuất khác.
Với vai trò là “nguồn lực” trong giai đoạn đất nước đổi mới và mở cửa, nền
kinh tế phát triển nhanh đã và đang đặt ra những yêu cầu cấp bách về chất lượng
dòng điện. Điều này được đáp ứng bởi việc ứng dụng các thiết bị tự động hố trong hệ
thống điện. Q trình ứng dụng rộng rãi những thiết bị kỹ thuật số thay thế dần những
những thiết bị điện cơ thông dụng trước đây là một bước đổi mới về công nghệ trong
việc bảo vệ và hiện đại hố q trình vận hành, quản lý. Rơle bảo vệ là phần tử quan
trọng trong hệ thống các thiết bị tự động hoá này.
Dựa trên u cầu thực tế đó, cho nên q trình tìm hiểu, nghiên cứu và trang
bị kiến thức lý thuyết và ứng dụng các thiết bị rơle số là cần thiết cho mỗi kỹ sư Kỹ
Thuật Điện. Như vậy, việc “Tìm hiểu rơle số REG216 và ứng dụng để bảo vệ máy
phát của Nhà máy Thủy điện Sông Ba Hạ” sẽ đáp ứng một phần trong toàn bộ nhu
cầu lớn hiện nay. Nội dung đề tài gồm:
Chương 1: Trình bày tổng quan về Nhà máy Thủy điện Sông Ba Hạ, thông số
các thiết bị điện chính và hệ thống bảo vệ rơle của tổ máy chính.
Chương 2: Tìm hiểu về các sự cố chính và các dạng bảo vệ thường dùng để
bảo vệ máy phát điện.
Chương 3: Giới thiệu đặc điểm, cấu trúc và các ứng dụng của rơle số

REG216 của hãng ABB sản xuất và phần mềm ứng dụng CAP 2/316 đi kèm rơle.
Chương 4: Tính tốn, cài đặt các thông số cho rơle số REG216 để bảo vệ máy
phát của Nhà máy Thủy điện Sơng Ba Hạ.
Qua q trình học tập và nghiên cứu ở Trường Đại học Bách khoa - Đại học
Đà Nẵng, em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cơ giáo đã tận tình dạy bảo và trang
bị những kiến thức cần thiết làm hành trang cho em bước vào đời. Kính cảm ơn sự
hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Võ Như Tiến trong q trình thực hiện đề tài
này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình tìm hiểu và thực hiện, song đề tài
chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự chỉ bảo thêm của các
Thầy, Cơ giáo và sự đóng góp ý kiến của các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Ngô Minh Thi


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
SÔNG BA HẠ

1.1.

Các hạng mục cơng trình chính của nhà máy
Nhà máy Thuỷ điện Sông Ba Hạ nằm ở bậc thang cuối cùng trên sông Ba - là

một trong những thủy điện lớn nhất của miền Trung, được quy hoạch trên địa bàn 15
xã miền núi thuộc hai huyện Sông Hinh (tỉnh Phú n) và huyện Krơng Ba (tỉnh Gia

Lai). Cơng trình được xây dựng nằm cách thành phố Phú Yên chừng 70km về phía
Tây, đi theo quốc lộ 25.
Nhà máy Thủy điện sơng Ba Hạ có hai tổ máy với cơng suất 220MW, sản
lượng điện trung bình 825 triệu KWh/năm, với tổng mức đầu tư là 4,275 tỷ đồng.
Đập chính trên cơng trình Thuỷ điện Sơng Ba Hạ cao 45,5m, dài 1357m, đáy
đập rộng 212m với khối lượng đất đắp lên đến 2 triệu mét khối. Dung tích tồn bộ của
hồ chứa là 395 triệu m3 nước.
Hai tuyến ống áp lực chảy vào tua-bin thủy lực, đường kính mỗi ống 7,5m
bằng thép dày 4cm, dài 992m tại chênh cột nước 64,3m. Tất cả các cơng trình thủy
cơng, cửa van, thiết bị đóng mở, tuyến áp lực đều do Tổng Cơng ty Cơ điện & Xây
dựng công nghiệp - Thủy lợi thi công, chế tạo và lắp đặt.
Nhiệm vụ của dự án là ngoài việc phát điện cung cấp cho lưới điện Quốc gia,
Thuỷ điện Sơng Ba Hạ cịn tham gia cắt giảm lũ cho vùng đồng bằng tỉnh Phú Yên
thuộc hạ du sông Ba, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển kinh tế xã hội khu vực....
Nhà máy có các hạng mục cơng trình chính sau:
- Hồ chứa: nhiệm vụ chính là tích nước dự trữ năng lượng để chạy máy và
tạo ra nguồn nước phục vụ cho công nghiệp, nơng nghiệp, dân sinh ở khu vực lân cận.
Ngồi ra nó cịn giúp chủ động điều tiết lũ, có khả năng làm chậm và giảm lũ cho hạ
lưu sông.

Trang 1


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
- Đập tràn: nhiệm vụ chính là xả nước cho phía hạ lưu, chủ động điều tiết lũ
và để giữ nước cho hồ chứa ở mực nước dâng bình thường 105m để bảo vệ hệ thống
đập chính, cửa nhận nước.
- Kênh dẫn nước: nhiệm vụ chính là dẫn nước từ hồ chứa qua cửa nhận nước,
đi vào đường ống áp lực rồi làm quay tuabin, chạy máy phát điện.
- Cửa nhận nước: nằm ở cuối kênh dẫn nước nhưng ở đầu đường ống áp lực.

Nhiệm vụ chính là để đóng mở nước cho đường ống áp lực để nạp nước, làm kín tháo
cạn đường hầm. Tại cửa nhận nước có lưới chắn rác, có tác dụng ngăn chặn khơng cho
rác đi vào đường ống áp lực, để đảm bảo an toàn cho tuabin.
- Đường ống áp lực: nhiệm vụ chính là tạo áp lực nước trước khi vào tuabin.
- Nhà vận hành: là nơi để vận hành, điều khiển toàn bộ hệ thống thiết bị, hệ
thống điều khiển, giám sát như: tuabin, máy phát điện, hệ thống kích từ, hệ thống nước
làm mát, các hệ thống khác liên quan …
- Trạm phân phối ngoài trời 220 kV: nhiệm vụ chính là truyền tải cơng suất
từ nhà máy vào hệ thống điện quốc gia.
 Sơ đồ tổng quan mặt bằng Đập tràn-Kênh dẫn-Nhà máy.

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan mặt bằng Đập tràn-Kênh dẫn-Nhà máy.
1.2.

Sơ đồ điện của nhà máy (bản vẽ kèm theo)

Sơ đồ điện của nhà máy gồm hai phần chính:
Trang 2


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
 Phần điện trong nhà vận hành gồm: máy phát, hệ thống kích từ, hệ thống
điện tự dùng, máy biến áp chính, máy cắt đầu cực máy phát và các thiết bị khác.
 Phần điện của trạm phân phối 220kV gồm: các hệ thống thanh cái, máy cắt,
dao cách ly, chống sét van, máy biến dòng, máy biến điện áp…
Phần điện trong nhà vận hành

1.2.1.

a. Bộ máy phát – máy biến áp chính – máy cắt đầu cực máy phát.

- Đặc điểm: máy phát tạo ra điện áp cấp 13.8kV, qua máy biến áp tăng áp
chính, điện áp tăng lên cấp 220kV và hòa vào lưới điện quốc gia.
- Các thiết bị trong sơ đồ điện:
+ Máy phát điện: G1 (H1) và G2 (H2).
+ Máy biến áp chính: MTr1 (T1) và MTr2 (T2).
+ Máy cắt đầu cực: 901 (CB1) và 902 (CB2).
+ Dao cách ly: 901-3 (1DS) và 902-3 (2DS).
+ Dao nối đất: 901-38 (ES12), 902-38 (ES12), 901-05 (ES11), 902-05
(ES11).
+ Máy biến dòng: 2CT, 3CT, 4CT, 5CT, 6CT,7CT, 8CT, 9CT, 11NCT,
12NCT.
+ Máy biến điện áp: 1VT (TUH11, TUH21), 2VT (TUH12, TUH22) và
3VT (TU9T1, TU9T2).
+ Chống sét van: CS9T1, CS9T2, CS2T1, CS2T2.
- Thống số máy phát và máy biến áp chính để tính tốn bảo vệ rơle.
+ Máy phát:
Thứ tự

Thơng số

Giá trị

1

Công suất định mức

129.5 MVA/110 MW

2

Điện áp định mức

13.8 kV

3

Dòng điện định mức

5417.8 A

4

Tỷ số máy biến điện áp (VT)

5

Tỷ số máy biến dòng (CT)

6000/1 A

6

Dòng định mức sơ cấp của CT

0.902 A

7

Điện kháng đồng bộ Xd

0.923

8

Điện kháng quá độ X’d

0.277

9

Điện kháng siêu quá độ X’’d

0.206

Trang 3

13.8kV
3

0.11kV
3

0.11kV
3


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
10

Điện kháng thứ tự nghịch X2

0.213

11

Dòng thứ tự nghịch I2

487 A

12

Dòng thứ tự nghịch quá độ I 22 t ּ

40

+ Máy biến áp chính:
Thứ tự

Thơng số

Điện áp cao

Điện áp thấp

150 MVA

150 MVA

1

Công suất định mức

2

Điện áp định mức

230 kV

13.8 kV

3

Dòng định mức

376 A

6276 A

4

Tổ nối dây

Yn

d11

5

Tỷ số máy biến dòng

1000/1

6000/1

6

Dòng định mức sơ cấp của
máy biến dòng

0.47 A

1.046 A

7

Tổng trở ngắn mạch %

12.5 ％

8

Tổng trở thứ tự không XT0

11.3%

b. Hệ thống kích từ của máy phát.
- Đặc điểm: Hệ thống kích từ (HTKT) của máy phát thực hiện các chức năng
tự động điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát trong chế độ phát, tự động điều chỉnh
công suất phản kháng trong chế độ bù, đảm bảo sự ổn định của máy phát và chất lượng
điện năng.

- Thông số kích từ định mức:
+ Điện áp: 335 V.
+ Dịng điện: 1315 A.
+ Công suất phản kháng phát Q (trong chế độ bù): +90.65 MVAr.
+ Công suất phản kháng nhận Q (trong chế độ bù): -116.5 MVAr.
- Các thiết bị trong sơ đồ điện:
+ Máy biến áp kích từ: Etr1 (TE1) và Etr2 (TE2).
+ Tủ chỉnh lưu cầu ba pha: SCR1 và SCR2.
+ Máy cắt kích từ: FCB1 và FCB2.
+ Máy biến dịng: 13CT, 14CT.
- Thơng số máy biến áp kích từ dùng để tính tốn bảo vệ rơle:
Thứ tự

Thơng số

Điện áp cao
Trang 4

Điện áp thấp


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
1

Công suất định mức

1480kVA

1480 kVA

2

Điện áp định mức

13.8 kV

0.64 kV

3

Dòng điện định mức

61.92 A

1172.8 A

4

Tổ nối dây

Y

d11

5

Tỷ số máy biến dòng

100/1

1500/1

6

Dòng định mức sơ cấp
của máy biến dòng

0.619 A

0.782 A

c. Hệ thống điện tự dùng.
- Đặc điểm: Hệ thống điện tự dùng (HTĐTD) đảm bảo sự cung cấp nguồn
phù hợp cho tất cả các thiết bị trong nhà máy, bao gồm những hệ thống thiết bị với các
cấp điện áp sau: cấp điện áp máy phát 13.8kV, cấp 22kV và cấp 0.4kV.
 Hệ thống cấp điện áp máy phát 13.8kV: có chức năng là nhận điện từ thanh
cái cấp điện áp máy phát của hai tổ máy H1 và H2 để cung cấp cho hệ thống điện tự
dùng nhà máy.
+ Nhánh 1: nhận điện từ H1 qua MC 941 kèm DCL 941-1; DNĐ 941-38,
cung cấp điện cho thanh cái C61.
+ Nhánh 2: nhận điện từ H2 qua MC 942 kèm DCL 942-2; DNĐ 942-38,
cung cấp điện cho thanh cái C62.
 Hệ thống phân phối trung áp cấp 22kV: có chức năng là cung cấp cho các
hệ thống thiết bị của tự dùng nhà máy, cửa nhận nước, đập tràn.
+ Sơ đồ gồm một đường dây thuộc lưới địa phương 22kV, thơng qua MC
441, cầu chì tự rơi FCO1, FCO2 qua 3 MBA: TD3, TD4, TD5 để cung cấp
cho các thanh cái tương ứng: C63, C64, C65.
 Hệ thống tự dùng nhà máy cấp 0.4kV: có chức năng là nhận điện từ H1, H2
hoặc từ lưới địa phương 22kV, hoặc từ máy phát Diezel 1000kVA để cung cấp cho
toàn bộ thiết bị trong nhà máy.

- Thông số máy biến áp tự dùng (Atr) để tính tốn bảo vệ rơle:
Thứ tự

Thơng số

Điện áp cao

Điện áp thấp

1600 KVA

1600 KVA

1

Công suất định mức

2

Điện áp định mức

13.8 kV

0.4 kV

3

Dòng điện định mức

66.94 A

2309.5 A

4

Tổ nối dây

d

Yn 11

Trang 5


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
5

Tỷ số máy biến dòng

6

Dòng sơ cấp định mức
của máy biến dòng

100/1

6000/1

0.669 A

0.385 A

Phần điện trong trạm phân phối 220kV.

1.2.2.

- Đặc điểm: Trạm phân phối (TPP) 220kV có nhiệm vụ truyền tải công suất
từ nhà máy vào hệ thống điện quốc gia.
Trạm được thiết kế theo kiểu ngoài trời, khơng có nhà điều khiển và được đặt
tại cao trình 60m với kích thước mặt bằng 104 x 52 m, cách nhà máy khoảng 75m về
phía thượng lưu. Điểu khiển trạm được thực hiện từ phòng điều khiển trung tâm. Đấu
nối từ máy biến áp tăng áp đến trạm 220kV bằng hai mạch đường dây trên không.
- Sơ đồ nối điện:
TPP 220kV được thiết kế theo sơ đồ tứ giác với 4 máy cắt bố trí thành hai dãy,
bốn thanh cái TC21, TC22, TC23, TC24. Các xuất tuyến vào ra bao gồm:
+ Hai lộ vào trạm xuất phát từ các máy biến áp tăng áp phía nhà máy.
+ Hai lộ đấu vào lưới điện quốc gia: ĐZ 272 đến Tuy Hịa 1 và ĐZ 273 đến
Tuy Hịa 2.
- Thơng số trạm phân phối 220kV để tính tốn bảo vệ rơle:

1.3.

Thứ tự

Thơng số

Giá trị

1

Cơng suất ngắn mạch ba pha

3187 MVA

2

Dịng ngắn mạch ba pha

8 kV

3

Dịng ngắn mạch một pha

4 KA

4

Cơng suất cơ sở

5

Điện áp cơ sở

100 MVA
230 kV

Hệ thống bảo vệ rơle của tổ máy chính trong nhà máy
Bảo vệ tổ máy chính trong nhà máy gồm các các bảo vệ cho: máy phát, máy

biến áp chính, máy biến áp kích từ và máy biến áp tự dùng.
Rơle sử dụng để bảo vệ tổ máy chính là rơle REG216 của hãng ABB sản xuất.
Hệ thống rơle gồm hai rơle bảo vệ chính RJ1A và RJ1B dùng để bảo vệ tổ máy chính
khi bị sự cố.
Ngồi ra, cịn có rơle phụ REX 010/011 (RJ1D) dùng cho chức năng bảo vệ
chống chạm đất stator và rotor của máy phát. Bộ REX 010 là bộ kích thích và bộ REX
Trang 6


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
011 là máy biến áp kích thích. Rơle phụ này có thể ứng dụng cho tất cả các hệ thống nối
đất máy phát thơng thường và hệ thống kích từ.
1.3.1.

Sơ đồ đầu vào tương tự của rơle RJ1A và RJ1B

(Hai bản vẽ của RJ1A và hai bản vẽ của RJ1B).
Giải thích các ký hiệu trong sơ đồ:
Thứ tự

1.3.2.

Ký hiệu

Tên

1

G

Máy phát

2

MTr

Máy biến áp chính

3

ATr

Máy biến áp tự dùng

4

ETr

Máy biến áp kích từ

5

CB

Máy cắt đầu cực máy phát

6

Switchyard

Trạm phân phối 220kV

7

VT

Máy biến điện áp

8

CT

Máy biến dòng điện

9

NCT

Máy biến dòng ở trung tính-đất

Các chức năng bảo vệ có trong sơ đồ

- Máy phát:
Thứ tự

Ký hiệu

Chức năng bảo vệ

1

87G

So lệch dọc

2

51.27

Quá dòng-thấp áp

3

27

Thấp áp

4

59

Quá áp

5

24

Quá kích từ

6

40

Mất kích từ

7

78

Mất đồng bộ (trượt cực từ)

8

32

Chống công suất ngược

9

81

Quá/thấp tần số

10

21G

Tổng trở thấp

11

64S

Chạm đất stator

12

64R

Chạm đất rotor

Trang 7


Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Sông Ba Hạ.
13

49S

Quá tải đối xứng

14

50.27

Bảo vệ máy chết

15

87GN-N

So lệch ngang

16

59NS

Chạm đất 95%

17

60

18

87GT

Cân bằng điện áp
So lệch khối máy phát – MBA chính

- Máy biến áp chính:
Thứ tự

Ký hiệu

Chức năng bảo vệ

1

87T

So lệch

2

51T

Quá dòng cắt nhanh

3

50T

Quá dòng tức thời

4

49T

Quá nhiệt

5

51N

Quá dòng trung tính

6

64

7

87GT

Chống chạm đất
So lệch khối máy phát – MBA chính

- Máy biến áp kích từ:
Thứ tự

Ký hiệu

Chức năng bảo vệ

1

51E

Q dịng có thời gian

2

50E

Q dịng cắt nhanh

3

49E

Q nhiệt

- Máy biến áp tự dùng:
Thứ tự

Ký hiệu

1

51ATr

2

50NATr

3

49ATr

Chức năng bảo vệ
Quá dòng có thời gian
Q dịng trung tính
Q nhiệt

Trang 8


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.

CHƯƠNG 2

CÁC BẢO VỆ CHÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

Máy phát điện (MFĐ) là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống điện
(HTĐ), sự làm việc tin cậy của các MFĐ có ý nghĩa quyết định đến độ tin cậy của
HTĐ. Vì vậy, đối với MFĐ đặc biệt là các máy có cơng suất lớn, người ta đặt nhiều
loại bảo vệ khác nhau để phòng ngừa tất cả các loại sự cố và các chế độ làm việc khơng
bình thường xảy ra bên trong các cuộn dây cũng như bên ngoài MFĐ.
Để thiết kế tính tốn các bảo vệ cần thiết cho máy phát, chúng ta phải biết các
dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc khơng bình thường của MFĐ.
2.1.

Các sự cố chính trong máy phát điện

2.1.1. Các dạng hư hỏng
- Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn stator. (1)
- Chạm chập giữa các vòng dây trong cùng 1 pha (đối với các MFĐ có cuộn
dây kép). (2)
- Chạm đất 1 pha trong cuộn dây stator. (3)
2.1.2.

Các tình trạng làm việc khơng bình thường
- Dịng điện tăng cao do ngắn mạch ngoài hoặc quá tải. (4)
- Điện áp đầu cực máy phát tăng cao do mất tải đột ngột hoặc khi cắt ngắn

mạch ngoài. (5)
Ngoài ra, trong máy phát điện cịn có các tình trạng làm việc khơng bình thường
khác như: Tải khơng đối xứng, mất kích từ, mất đồng bộ, tần số thấp, máy phát làm việc
ở chế độ động cơ ...

2.2.

Các bảo vệ thường dùng cho máy phát điện
Tuỳ theo chủng loại của máy phát (thuỷ điện, nhiệt điện, tuabin khí, thuỷ điện

tích năng...), cơng suất của máy phát, vai trò của máy phát và sơ đồ nối dây của nhà máy
điện với các phần tử khác trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích
hợp.

Trang 9


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
Hiện nay khơng có phương thức bảo vệ tiêu chuẩn đối với MFĐ cũng như đối
với các thiết bị điện khác. Tuỳ theo quan điểm của người sử dụng đối với các yêu cầu về
độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy... mà chúng ta lựa chọn số lượng và chủng loại
rơle trong hệ thống bảo vệ.
Đối với các MFĐ công suất lớn, xu thế hiện nay là lắp đặt hai hệ thống bảo vệ
độc lập nhau với nguồn điện thao tác riêng, mỗi hệ thống bao gồm một bảo vệ chính và
một số bảo vệ dự phịng có thể thực hiện đầy đủ các chức năng bảo vệ cho máy phát.
Để bảo vệ cho MFĐ chống lại các dạng sự cố nêu ở phần 2.1.1, người ta thường
dùng các loại bảo vệ sau:
- Bảo vệ so lệch dọc (1).
- Bảo vệ so lệch ngang (2).
- Bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator (3).
- Bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải (4).
- Bảo vệ chống điện áp đầu cực máy phát tăng cao cho sự cố (5).
Ngồi ra có thể dùng: bảo vệ q kích từ, mất kích từ, bảo vệ tần số cao và
thấp, bảo vệ chống mất đồng bộ, bảo vệ chống luồng công suất ngược...
2.2.1.

Bảo vệ so lệch dọc (87G)
Ngắn mạch trong cuộn dây stato hoặc ở đầu cực máy phát sẽ sinh ra dịng

ngắn mạch rất lớn. Dịng ngắn mạch có thể gây quá nhiệt dẫn đến hư hỏng cách
điện. Các lực từ cùng với các dịng này có thể làm biến dạng cuộn dây, trục và khớp
nối cơ khí.
Các rơle so lệch máy phát sẽ đưa tín hiệu đến máy cắt đầu cực máy phát và tác
động cắt nhanh sự cố trong vùng bảo vệ.
a.

Sơ đồ hoạt động
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 2.1.
Trong đó:
+ CT: là máy biến dòng điện.
+ R: là cuộn hãm.
+ OP: là cuộn làm việc.

Trang 10


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch dọc máy phát.
Vùng tác động của bảo vệ là vùng giới hạn giữa các máy biến dòng nối ở hai
đầu máy phát.
b.

Nguyên lý làm việc
Đối với các rơle số ngày này, BVSLD hoạt động theo nguyên tắc so sánh độ

lớn dòng điện đi vào cuộn làm việc (IOP) và cuộn hãm (IH). Bảo vệ sẽ tác động khi:

I OP  I H
 Ở chế độ hoạt động bình thường hoặc ngắn mạch ngồi.
Dịng vào cuộn làm việc và cuộn hãm như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.2: Dịng qua rơle so lệch khi làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngồi.
Với:
Trang 11


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
+ I11 , I12 , I e' là dòng sơ cấp, dịng thứ cấp và dịng từ hóa của máy biến dòng 1.
+ I 21 , I 22 , I e'' là dòng sơ cấp, dòng thứ cấp và dòng từ hóa của máy biến dịng 2.
+ I R' , I R'' là dòng qua cuộn hãm thứ nhất và thứ hai.
Dòng qua cuộn làm việc là hiệu hai dòng I’R và IR’’ vì chúng có chiều ngược
nhau, do đó giá trị dịng điện qua cuộn làm việc rất nhỏ (chính là hiệu của hai dịng từ
hóa máy biến dịng).
I OP  I R'  I R''  I e''  I e'  0

(2-1)

Dòng qua cuộn hãm bằng tổng hai dịng I’R và IR’’ vì chúng cùng chiều nhau,
do đó tổng dịng qua cuộn hãm có giá trị lớn.
I H  I R'  I R''  2  I R'

(2-2)

Từ (2-1) và (2-2), ta thấy: I H  I OP . Do đó, bảo vệ sẽ khơng tác động ở chế độ
làm việc bình thường hoặc sự cố ngồi vùng bảo vệ.
 Khi xảy ra sự cố chạm chập trong vùng bảo vệ.
Dòng vào cuộn làm việc và cuộn hãm như hình sẽ dưới đây:

Hình 2.3: Dịng điện qua rơle so lệch khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ.
Dòng qua cuộn làm việc là tổng hai dòng I’R và IR’’ vì chúng cùng chiều nhau,
do đó giá trị dịng điện qua cuộn làm việc lớn.
I OP  I R'  I R' '  I 21  I 22   I e'  I e' ' 

(2-3)

Dòng qua cuộn hãm bằng hiệu hai dịng I’R và IR’’ vì chúng ngược chiều nhau,
do đó tổng dịng qua cuộn hãm có giá trị rất nhỏ.
I H  I R'  I R' '  I e''  I e'  0

Trang 12

(2-4)


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
Từ (2-3) và (2-4), ta thấy: I OP  I H . Do đó, bảo vệ sẽ tác động khi có ngắn
mạch trong vùng bảo vệ.
2.2.2.
a.

Bảo vệ so lệch ngang (87G-N)
Sơ đồ hoạt động

Các vòng dây của máy phát chập nhau thường do nguyên nhân hư hỏng cách

điện của dây quấn. Có thể xảy ra chạm chập giữa các vịng dây trong cùng một nhánh
(cuộn dây đơn) hoặc giữa các vòng dây thuộc hai nhánh khác nhau trong cùng một
pha, dòng điện trong các vịng dây bị chạm chập có thể đạt đến trị số rất lớn.
Đối với máy phát điện mà cuộn dây stator là cuộn dây kép, khi có một số vòng
dây chạm nhau sức điện động cảm ứng trong hai nhánh sẽ khác nhau tạo nên dòng
điện cân bằng chạy quẩn trong các mạch vòng sự cố và đốt nóng cuộn dây có thể gây
ra hư hỏng nghiêm trọng. Trong nhiều trường hợp khi xảy ra chạm chập giữa các vòng
dây trong cùng một pha nhưng bảo vệ so lệch dọc khơng thể phát hiện được, vì vậy
cần phải đặt bảo vệ so lệch ngang để chống dạng sự cố này.

Hình 2.4: a) Bảo vệ nguyên lý so lệch ngang có hãm; b) Đặc tính khởi động.
Đối với máy phát cơng suất vừa và nhỏ chỉ có cuộn dây đơn, lúc đó chạm chập
giữa các vịng dây trong cùng một pha thường kèm theo chạm vỏ, nên bảo vệ chống
chạm đất tác động (trường hợp này không cần đặt bảo vệ so lệch ngang).
Với máy phát công suất lớn, cuộn dây stator làm bằng thanh dẫn và được quấn
kép, đầu ra các nhánh đưa ra ngoài nên việc bảo vệ so lệch ngang tương đối dễ dàng.
Người ta có thể dùng sơ đồ bảo vệ riêng hoặc chung cho các pha.
Trang 13


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
b.

Nguyên lý làm việc
Trong chế độ làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài, sức điện động

trong các nhánh cuộn dây stator bằng nhau nên I1T = I2T. Khi đó:

I H  I1T  I 2T  2 I1T

(2-5)

I SL  I LV  I1T  I 2T  I KCB

(2-6)

→ IH > ILV nên bảo vệ không tác động.
Khi xảy ra chạm chập giữa các vòng dây của hai nhánh khác nhau cùng một
pha, giả thiết ở chế độ máy phát chưa mang tải, ta có: I1T = -I2T

I H  I1T  I 2T  I KCB

(2-7)

I SL  I LV  I1T  I 2T  2 I1T

(2-8)

→ ILV > IH nên rơle tác động cắt máy cắt đầu cực máy phát.
2.2.3.

Bảo vệ chống chạm đất trong cuộn dây Stator
Mạng điện áp máy phát thường làm việc với trung tính cách điện với đất hoặc

nối đất qua cuộn dập hồ quang nên dịng chạm đất khơng lớn lắm. Tuy vậy, sự cố một
điểm cuộn dây stator chạm lõi từ lại thường xảy ra, dẫn đến đốt cháy cách điện cuộn
dây và lan rộng ra các cuộn dây bên cạnh gây ngắn mạch nhiều pha. Vì vậy, cần phải
đặt bảo vệ chống chạm đất một điểm cuộn dây stator.

Xét sơ đồ mạng điện trung tính máy phát cách đất.
 Chế độ làm việc bình thường
Dịng điện qua các điện dung song song như sau:
E n 900
 jX c

(2-9)

Ib 

E n ( 300 )
 jX c

(2-10)

Ic 

En 2100
 jX c

(2-11)

Ia 

Trang 14


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.

Hình 2.5: Sơ đồ trung tính cách đất với các điện dung song song chế độ bình thường.

 Chế độ sự cố chạm đất một pha

Hình 2.6: Sơ đồ trung tính cách đất với các điện dung song song chế độ sự cố.
Khi có sự cố pha A chạm đất, do đó điện áp pha A bằng 0, cịn điện áp hai pha
còn lại tăng lên bằng điện áp dây (tức là tăng

3 lần), đồng thời góc giữa hai pha B và

C thay đổi từ 1200 xuống còn 600. Kết quả, dòng sự cố chạm đất ( I cf ) bằng tổng hai
dòng ở hai pha B và C ( I b  I c ).
Trang 15


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
Dịng điện ở mỗi pha B và C là:
Ib 

3En ( 600 )
 jX c

(2-12)

Ic 

3En 2400
 jX c

(2-13)

Do đó, dịng sự cố chạm đất là:

I cf  I b  I c 

3E n (1( 30)  12400 ) 3E n

 jX c
Xc

(2-14)

Với:
+ Điện kháng: X c 

1
( )
2fC

+ C là điện dung của mỗi pha so với đất.
+ En là điện áp pha của máy phát.
Nếu dòng chạm đất lớn cần phải đặt cuộn dập hồ quang (CDHQ), theo quy
định của một số nước, CDHQ cần phải đặt khi:
- Icf ≥ 30 A đối với mạng có U = 6 kV .
- Icf ≥ 20 A đối với mạng có U = 10 kV .
- Icf ≥ 15 A đối với mạng có U = (15 ÷ 20) kV .
- Icf ≥ 10 A đối với mạng có U = 35 kV .
Kinh nghiệm cho thấy rằng dòng điện chạm đất lớn hơn 5A có khả năng duy
trì tia lửa điện tại chỗ chạm đất làm hỏng cuộn dây và lõi thép tại chỗ sự cố, vì vậy bảo
vệ cần phải tác động cắt máy phát. Phần lớn sự cố cuộn dây stator là chạm đất một pha
vì các cuộn dây cách điện nằm trong các rãnh lõi thép. Để giới hạn dịng chạm đất
trung tính máy phát thường nối đất qua một tổng trở. Các phương pháp nối đất trung
tính được trình bày trong hình 2.7.

Nếu tổng trở trung tính đủ lớn dịng chạm đất có thể giới hạn nhỏ hơn dịng
điện định mức máy phát. Khơng có công thức tổng quát nào cho giá trị tối ưu của tổng
trở giới hạn dịng.
Nếu tổng trở trung tính q cao, dịng chạm đất bé làm cho rơle khơng tác
động. Ngoài ra điện trở quá lớn sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng quá độ giữa các
cuộn dây với đất và đường dây kết nối.
Để tránh hiện tượng này khi tính chọn điện trở trung tính cực đại dựa dựa vào
dung dẫn giữa 3 cuộn dây stator máy phát, thường yêu cầu:
Trang 16


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.

R

1
(Ω)
3..C

(2-15)

Nếu điện trở trung tính thấp, dịng điện chạm đất sẽ cao và sẽ gây nguy hiểm
cho máy phát. Khi điện trở trung tính giảm độ nhạy của rơle chống chạm đất giảm do
điện thế thứ tự không nhỏ. Rơle chống chạm đất sẽ cảm nhận điện thế giáng trên điện
trở nối đất do vậy giá trị điện thế này phải đủ lớn để đảm bảo độ nhạy của rơle.

Hình 2.7: Các phương án nối đất trung tính máy phát.
 Phương án a: Trung tính nối đất qua điện trở cao Rđ (hình 2.7a) để giới hạn
dịng chạm đất nhỏ hơn 25A. Một phương án khác cũng nối đất qua điện trở thấp cho
phép dịng chạm đất có thể đạt đến 1500A.

 Phương án b: Trung tính nối đất qua điện kháng (KĐ) có kháng trở bé (hình
2.7b), với phương án này cho phép dòng chạm đất lớn hơn khi dùng phương án a, giá trị
dịng chạm đất khoảng (25÷100)% dịng ngắn mạch 3 pha.
 Phương án c: Trung tính nối đất qua máy biến áp BA (hình 2.7c), điện áp
của cuộn sơ MBA bằng điện áp máy phát, điện áp của cuộn thứ MBA khoảng 120V hay
240V:
- Đối với sơ đồ có thanh góp cấp điện áp máy phát khi I > 5 (A) cần phải cắt
cf

máy phát.
- Đối với sơ đồ nối bộ MF-MBA thường I < 5 (A) chỉ cần đặt bảo vệ đơn
cf

giản hơn để báo tín hiệu chạm đất stator mà không cần cắt máy phát.
2.2.4.

Bảo vệ chống quá điện áp (59)
Điện áp ở đầu cực máy phát có thể tăng cao quá mức cho phép khi có trục trặc

trong hệ thống tự động điều chỉnh kích từ hoặc khi máy phát bị mất tải đột ngột.
Trang 17


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
Khi mất tải đột ngột, điện áp ở đầu cực các máy phát thuỷ điện có thể đạt đến
200% trị số danh định là do hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của turbine nước
có qn tính lớn và khả năng vượt tốc của rotor máy phát cao hơn nhiều so với máy
phát tuabin hơi.
Ở các máy phát nhiệt điện (tuabin hơi hoặc tuabin khí) các bộ điều tốc làm
việc với tốc độ cao, có qn tính bé hơn nên có thể khống chế mức vượt tốc thấp hơn,

ngồi ra các tuabin khi hoặc hơi còn được trang bị các van STOP đóng nguồn năng
lượng đưa vào tuabin trong vòng vài ms khi mức vượt tốc cao hơn mức chỉnh định.
Mặt khác, các máy phát thuỷ điện nằm xa trung tâm phụ tải và bình thường
phải làm việc với các mức điện áp đầu cực cao hơn điện áp danh định để bù lại điện áp
giáng trên hệ thống truyền tải, khi mất tải đột ngột mức điện áp lại càng tăng cao.
Quá điện áp ở đầu cực máy phát có thể gây tác hại cho cách điện của cuộn
dây, các thiết bị đấu nối ở đầu cực máy phát, còn đối với các máy phát làm việc hợp
bộ với MBA sẽ làm bão hoà mạch từ của MBA tăng áp, kéo theo nhiều tác dụng xấu.

Hình 2.8: Bảo vệ quá điện áp hai cấp đầu cực máy phát.
Bảo vệ chống quá điện áp ở đầu cực máy phát thường có hai cấp (hình 2.8):
- Cấp 1 (59I ) với điện áp khởi động: UKĐ59I = 1,1UđmF (điện áp định mức
MFĐ). Cấp 1 làm việc có thời gian và tác động lên hệ thống tự động điều chỉnh kích từ
để giảm kích từ của máy phát.
- Cấp 2 (59II) với điện áp khởi động: UKĐ59II = (1,3÷1,5)UđmF. Cấp 2 làm
việc tức thời, tác động cắt MC ở đầu cực máy phát và tự động diệt từ trường của máy
phát.
Trang 18


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.
2.2.5.

Bảo vệ chống ngắn mạch ngồi và q tải
Mục đích đặt bảo vệ:
- Chống ngắn mạch trên các phần tử kề (thanh góp máy phát, máy biến áp,...)

nếu bảo vệ của các phần tử này không làm việc.
- Chống quá tải do hệ thống cắt giảm một số nguồn cung cấp.
- Làm dự trữ cho BVSLD máy phát điện.

Để thực hiện bảo vệ chống ngắn mạch ngoài và quá tải ta có thể sử dụng các
phương thức bảo vệ sau:
a.

Bảo vệ quá dòng thấp áp (Imax-Umin)
Với các máy phát bé và trung bình, người ta thường sử dụng bảo vệ quá dịng

điện có khố điện áp thấp (hình 2.9). Bảo vệ thường có 2 cấp thời gian:
I

-

Cấp 1 (2 ) tác động cắt MC ở đầu cực máy phát (nếu nối với thanh góp

điện áp máy phát) hoặc MC của bộ MF-MBA. Cấp 1 được phối hợp với thời gian tác
động của bảo vệ dự phòng của đường dây và MBA.
II

-

Cấp 2 (2 ) tác động dừng máy phát nếu sau khi cắt MC đầu cực máy phát

(có thanh góp điện áp máy phát) hoặc đầu hợp bộ (MF-MBA) mà dòng sự cố vẫn tồn
tại (tức là sự cố xảy ra bên trong hợp bộ hoặc máy phát).
Khóa điện áp thấp cho phép phân biệt ngắn mạch với quá tải và cho phép bảo
vệ làm việc chắc chắn khi máy phát được kích từ bằng chỉnh lưu lấy điện từ đầu cực
máy phát. Trong trường hợp này dòng ngắn mạch sẽ suy giảm nhanh chóng khi xảy ra
ngắn mạch tại đầu cực máy phát.
Trong một số sơ đồ người ta còn dùng biện pháp đảm bảo cho bảo vệ tác động
chắc chắn là chỉ lấy tín hiệu điện áp thấp sau khi rơle dòng điện đã trở về do sự suy

giảm dòng ngắn mạch.
Dòng điện khởi động của rơle quá dòng 50 (khi bảo vệ q dịng có khố điện
áp thấp 27):

I KD 50 

K at
I lv max
n BI K tv

với Ilvmax là dòng điện làm việc lớn nhất qua cuộn thứ cấp của BI.

Trang 19

(2-16)


Chương 2: Các bảo vệ chính của máy phát điện.

Hình 2.9: Bảo vệ q dịng điện có khóa điện áp thấp.
b.

Bảo vệ dòng thứ tự nghịch
Dòng điện thứ tự nghịch có thể xuất hiện trong cuộn dây stator máy phát khi

xảy ra đứt dây (hoặc hở mạch một pha), khi phụ tải không đối xứng hoặc ngắn mạch
không đối xứng trong hệ thống.
Quá tải không đối xứng nguy hiểm hơn q tải đối xứng rất nhiều vì nó tạo
nên từ thông thứ tự nghịch φ2 biến thiên với vận tốc 2ω gấp hai lần tốc độ của rotor,
làm cảm ứng trên thân rotor dịng điện lớn đốt nóng rotor và máy phát.

Dịng thứ tự nghịch I2 càng lớn thì thời gian cho phép tồn tại càng bé, vì vậy
bảo vệ chống dịng điện thứ tự nghịch có thời gian tác động t phụ thuộc tỉ lệ nghịch với
dòng I2:

K1

t
 I2

 I đmF

2


  K 22


(2-17)

Trong đó:
- K1, K2 là hệ số tỉ lệ, K 2  

I 2CP
I đmF

với:
- α là hằng số đối với từng loại rơle cụ thể.
- I2cp: dòng thứ tự nghịch cho phép vận hành lâu dài, nó phụ thuộc vào chủng
loại máy phát, cơng suất và hệ thống làm mát của cuộn dây rotor.
Trang 20