Khảo sát so sánh các phương thức bảo vệ phát hiện mất kích từ đối với máy phát điện

..

NGUYỄN THANH TÖ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THANH TÖ

HỆ THỐNG ĐIỆN

KHẢO SÁT, SO SÁNH CÁC PHƢƠNG THỨC BẢO VỆ PHÁT HIỆN
MẤT KÍCH TỪ ĐỐI VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

KHOÁ 2013B
Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN THANH TÖ

KHẢO SÁT, SO SÁNH CÁC PHƢƠNG THỨC BẢO VỆ PHÁT HIỆN MẤT
KÍCH TỪ ĐỐI VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN

Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS.NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội – Năm 2015


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
iii
LỜI CẢM ƠN
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
vii
MỞ ĐẦU
1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG MẤT KÍCH TỪ CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN................................................................................................................3
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 3
1.1.1 Các tình trạng bất thƣờng có thể xảy ra với máy phát điện ........................ 3
1.1.2 Các tình trạng bất thƣờng có thể xảy ra với hệ thống điện ......................... 3
1.2 Vai trị của hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện ..................................... 4
1.3 Đặc tính tổng trở của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ ............................. 7
CHƢƠNG 2 KHẢ NĂNG PHÁT CỦA MÁY PHÁT VÀ CÁC SƠ ĐỒ BẢO VỆ
MẤT KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN........................................................................10
2.1 Giới hạn khả năng phát của máy phát và biểu đồ công suất phát ................... 10

2.2 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo giám sát cơng suất P và
Q của máy phát (sơ đồ P-Q) .................................................................................. 18
2.2.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 18
2.2.2 Các giá trị cài đặt ...................................................................................... 20
2.3 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo giám sát dòng điện và
điện áp của máy phát (sơ đồ U-I) .......................................................................... 20
2.4 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo tổng trở (sơ đồ R-X) .......... 22
2.4.1 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở âm .... 24
2.4.2 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở kết hợp
phần tử định hƣớng ............................................................................................ 25
2.5 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo tổng dẫn (sơ đồ G-B) ......... 27
CHƢƠNG 3 THIẾT LẬP MƠ HÌNH VÀ KỊCH BẢN MƠ PHỎNG......................30
3.1 Giới thiệu về nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh ................................................ 30
3.1.1 Quy mô xây dựng và chủ đầu tƣ ............................................................... 30
3.1.2 Sơ đồ nối điện chính ................................................................................. 30
3.1.3 Thơng số kỹ thuật của các thiết bị chính .................................................. 31
3.2 Giới thiệu về Mathlab ...................................................................................... 34
3.3 Mơ hình mơ phỏng của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 trong
Simulink/Matlab .................................................................................................... 34
3.4 Đề xuất các kịch bản mơ phỏng ...................................................................... 37
3.5 Tính tốn, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phƣơng thức bảo vệ ............... 39
3.5.1 Tính tốn, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phƣơng thức bảo vệ theo sơ
đồ R-X........................... .................................................................................... 39
3.5.2 Tính tốn, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phƣơng thức bảo vệ theo sơ
đồ G-B............................................... ................................................................ 40
i


CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ CÁC NHẬN XÉT.............................42
4.1 Mơ phỏng sự cố mất kích từ hồn tồn ........................................................... 42

4.1.1 Các kịch bản.............................................................................................. 42
4.1.2 Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 42
4.2 Mơ phỏng sự cố mất kích từ một phần ............................................................ 49
4.2.1 Các kịch bản.............................................................................................. 49
4.2.2 Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 49
4.3 Mơ phỏng trƣờng hợp sự cố ngồi nhà máy.................................................... 53
4.3.1 Mục đích và các kịch bản mơ phỏng ........................................................ 54
4.3.2 Trƣờng hợp sự cố một pha ........................................................................ 54
4.3.3 Trƣờng hợp sự cố ba pha .......................................................................... 56
4.3.4 Kết quả mô phỏng với các trƣờng hợp sự cố hai pha và hai pha chạm đất ..
.................................... .......................................................................................58
4.4 Nhận xét kết quả .............................................................................................. 58
4.4.1 Nhận xét kết quả mô phỏng với các sự cố mất kích từ ............................. 58
4.4.2 Nhận xét kết quả đối với các trƣờng hợp sự cố ngoài .............................. 59
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TƢƠNG LAI 60
5.1 Kết luận ........................................................................................................... 60
5.2 Hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .................................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 62

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử
dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các
trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Thanh Tú

iii


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô tại trƣờng Đại học Bách
khoa Hà Nội, các thầy cô Viện Điện đã truyền đạt cho em những kiến thức q báu
để em có thể hồn thành luận văn này.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Nguyễn Xuân Tùng
đã tận tình hƣớng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày 21 tháng 9 năm 2015

Nguyễn Thanh Tú

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Cơng suất phát và góc phụ tải ................................................................................... 7
Hình 2 Đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ .......................................................... 8
Hình 3 Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ ...................... 9
Hình 4 Các giới hạn khả năng phát của máy phát ............................................................... 12
Hình 5 Phân bố từ thông tại khu vực lõi thép cuối stato ..................................................... 13
Hình 6 Biểu đồ đặc tính khả năng phát của máy phát. ........................................................ 14
Hình 7 Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp của máy phát ...................... 15
Hình 8 Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn biểu diễn trong mặt phẳng P-Q (với
kích từ khơng đổi) ................................................................................................................ 16
Hình 9 So sánh giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn và máy phát cực lồi ............... 17
Hình 10 Biểu đồ khả năng phát của máy phát có xét tới các giới hạn ................................ 18

Hình 11 Đặc tính của bảo vệ mất kích từ dựa theo giám sát P & Q phối hợp với giới hạn
ổn định tĩnh .......................................................................................................................... 19
Hình 12 Phối hợp làm việc của các phần tử trong sơ đồ PQ .............................................. 20
Hình 13 Logic tác động của bảo vệ mất kích từ theo sơ đồ U-I ......................................... 21
Hình 14 Đặc tính tác động của phần tử q dịng có hƣớng ............................................... 21
Hình 15 Sử dụng rơle tổng trở bảo vệ mất kích từ .............................................................. 22
Hình 16 Quĩ đạo điểm làm việc của rơle tổng trở khi máy phát mất kích từ. ..................... 23
Hình 17 Đặc tính của rơle tổng trở hai miền âm bảo vệ mất kích từ .................................. 24
Hình 18 Đặc tính của rơle tổng trở kết hợp phần tử định hƣớng cơng suất ........................ 25
Hình 19: Cài đặt giá trị cho phần tử định hƣớng cơng suất ................................................ 27
Hình 20: Ánh xạ từ biểu đồ cơng suất phát sang mặt phẳng G-B ....................................... 28
Hình 21 Sơ đồ bảo vệ mất kích từ dựa trên đo tổng dẫn ..................................................... 28
Hình 22 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh ................................... 30
Hình 23 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 đƣợc mơ phỏng trong
luận văn ................................................................................................................................ 31
Hình 24 Sơ đồ mô phỏng nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 ............................................. 35
Hình 25 Thơng số máy phát mơ phỏng trong Simulink/Matlab ......................................... 35
Hình 26 Thơng số máy biến áp mơ phỏng trong Simulink/Matlab..................................... 36
Hình 27 Thơng số hệ thống điều khiển kích từ mơ phỏng trong Simulink/Matlab ............ 37
Hình 28 Đặc tính của rơle tổng trở hai miền âm đƣợc mơ phỏng ....................................... 39
Hình 29 Đặc tính của rơle tổng trở hai miền âm đƣợc mô phỏng ....................................... 40
Hình 30 Diễn biến các thơng số trong q trình hồn tồn mất kích từ khi máy phát mang
90% tải và hệ số cơng suất 0,9 ............................................................................................. 43
Hình 31 Góc ro to và sự biến đổi tốc độ ro to trong q trình mất kích từ hồn tồn khi
máy phát mang 90% tải và hệ số công suất 0,9 ................................................................... 45
Hình 32 Quỹ đạo tổng trở trong trƣờng hợp hồn tồn mất kích từ ................................... 46
Hình 33 Quĩ đạo tổng dẫn trong sự cố mất kích từ hồn tồn trong sơ đồ G-B ................. 48
Hình 34 Diễn biến các thơng số trong q trình mất kích từ một phần khi máy phát mang
90% tải và hệ số công suất 0,9 ............................................................................................. 50
Hình 35 Quỹ đạo tổng trở trong trƣờng hợp mất kích từ một phần .................................... 51

Hình 36 Quĩ đạo tổng dẫn trong sự cố mất kích từ một phần trong sơ đồ G-B .................. 53
v


Hình 37: Điểm sự cố trong mơ hình mơ phỏng................................................................... 54
Hình 38 Điện áp và dịng điện của máy phát 3 khi có sự cố một pha ................................. 55
Hình 39 Diễn biến của góc roto máy phát 3 khi sự cố một pha .......................................... 55
Hình 40 Điện áp và dịng điện của máy phát 3 khi có sự cố ba pha ................................... 57

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Kết quả mô phỏng mất kích từ hồn tồn trong sơ đồ R-X. ................................... 47
Bảng 2: Kết quả sự cố mất kích từ hồn tồn trong sơ đồ G-B........................................... 49
Bảng 3 Kết quả mơ phỏng mất kích từ một phần trong sơ đồ R-X. .................................... 52
Bảng 4 Kết quả sự cố mất kích từ một phần trong sơ đồ G-B ............................................ 53
Bảng 5 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố một pha với 90% tải ................ 56
Bảng 6 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố một pha với 70% tải ................ 56
Bảng 7 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố ba pha với 90% tải .................. 57
Bảng 8 Hoạt động của sơ đồ bảo vệ mất kích từ khi sự cố ba pha với 70% tải .................. 58
Bảng 9 Kết quả so sánh sự làm việc của các sơ đồ với sự cố mất kích từ .......................... 58

vii


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Các nhà máy điện đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong bất cứ hệ thống điện
nào. Trong những năm gần đây tốc độ phát triển nguồn điện tại Việt Nam đang diễn

ra rất nhanh, nhiều nhà máy đƣợc đƣa vào vận hành nâng tổng cơng suất phát của
tồn hệ thống lên khoảng 30GW. Với các nhà máy điện thì hệ thống rơle bảo vệ
đóng vai trò quan trọng và cần thiết để đảm bảo cách ly kịp thời máy phát bị sự cố,
tránh gây dao động công suất dẫn tới mất ổn định cho nhà máy và hệ thống điện.
Mất kích từ máy phát điện là một trong các sự cố có thể gặp trong vận hành,
hệ quả có thể dẫn tới máy phát điện bị rơi vào trạng thái làm việc mất đồng bộ, tăng
lƣợng công suất phản kháng tiêu thụ, ảnh hƣởng tiêu cực đến hệ thống điện. Do đó
việc khảo sát, đánh giá các phƣơng thức bảo vệ mất kích từ máy phát điện để lựa
chọn phƣơng án bảo vệ hợp lý là cần thiết và có ý nghĩa. Đó lý do luận văn đi sâu
nghiên cứu vào đề tài “Khảo sát, so sánh các phương thức bảo vệ phát hiện mất kích
từ đối với máy phát điện”.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
Khảo sát, so sánh các phƣơng thức bảo vệ mất kích từ máy phát hiện đang
đƣợc sử dụng; từ đó chỉ ra những ƣu điểm và nhƣợc điểm của các phƣơng thức bảo
vệ đó.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu là các máy phát điện với các hệ thống kích từ tĩnh hiện
đang đƣợc sử dụng phổ biến.
Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu giới hạn về ảnh hƣởng của mất kích từ máy phát điện khi
đang vận hành và các loại rơle đƣợc sử dụng để phát hiện hiện tƣợng này.

1


Đối tƣợng áp dụng của luận văn là các máy phát thuộc nhà máy nhiệt điện
Quảng Ninh 2
Tóm tắt cơ đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Các luận điểm cơ bản của luận văn
 Tổng quan về mất kích từ và phân tích các hiện tƣợng đặc trƣng của
máy phát điện khi xảy ra mất kích từ.
 Khảo sát các phƣơng thức bảo vệ phát hiện mất kích từ hiện có.
 Tiến hành mơ phỏng đối với các kịch bản mất kích từ trong các điều
kiện vận hành khác nhau
 Đánh giá sự làm việc của các sơ đồ bảo vệ phát hiện mất kích từ (Loss
of field – ký hiệu theo ANSI là 40) theo nguyên lý tổng trở truyền
thống và nguyên lý tổng dẫn áp dụng trong các rơle của Siemens.
 Phân tích các kết quả mơ phỏng và kết luận, đề xuất.
Đóng góp mới của tác giả
 Đã thực hiện mô phỏng đƣợc nguyên lý làm việc của các rơle phát hiện
mất kích từ theo nguyên lý tổng trở và tổng dẫn
 Thực hiện mô phỏng áp dụng với các thông số máy phát điện và sơ đồ
kết nối của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2.
 Đã đánh giá đƣợc ƣu và nhƣợc điểm của các phƣơng pháp bảo vệ mất
kích từ phổ biến hiện nay.
Phương pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu lý thuyết về bảo vệ phát hiện mất kích từ máy phát điện.
 Kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá các nhận định, đề
xuất
 Mơ hình mơ phỏng có sử dụng các thông số thực tế.

2


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG MẤT KÍCH TỪ CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN
1.1

Giới thiệu chung
Mất kích từ (Loss of Field - LOE) là hiện tƣợng thƣờng gặp trong quá trình

vận hành của máy điện đồng bộ. Lý do gây ra hiện tƣợng này có thể do ngắn mạch
cuộn dây kích từ, máy cắt mạch kích từ mở khơng chủ đích hoặc rơle LOE tác động
sai. Dựa trên thống kê có thể thấy, sự cố của máy phát điện liên quan đến mất kích
từ chiếm tới 69,5% trong tổng số các trƣờng hợp [1]. Mất kích từ có thể dẫn đến hƣ
hỏng cả máy phát và mất ổn định hệ thống.
1.1.1 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với máy phát điện


Khi xảy ra sự cố mất kích từ s gây trƣợt cực từ, điều này có thể dẫn đến

rotor phát nóng do dịng điện cảm ứng tần số trƣợt sinh ra trong mạch rotor (tần số
trƣợt là hiệu số giữa tần số của hệ thống và tần số điện của từ trƣờng quay của roto
khi mất đồng bộ).


Khi mất kích từ: máy phát hoạt động nhƣ một động cơ không đồng bộ,

s nhận một lƣợng lớn công suất phản kháng từ hệ thống để từ hóa lõi thép dẫn tới
stator có thể bị phát nóng quá mức.


Dƣới điều kiện nặng tải, máy phát, đặc biệt là với máy phát cực lồi, có

thể phải chịu quá tải cơ học nặng nề do dao động công suất sau sự cố mất kích từ.
1.1.2 Các tình trạng bất thường có thể xảy ra với hệ thống điện


Khi máy phát bị mất kích từ s dẫn tới làm suy giảm điện áp hệ thống, vì

khi đó máy phát hoạt động nhƣ một máy điện không đồng bộ và tiêu thụ công suất
phản kháng từ hệ thống. Đối với những hệ thống yếu, việc mất kích từ của máy phát
quan trọng có thể có thể dẫn đến sụp đổ điện áp của hệ thống.


Khi một máy phát bị mất kích từ, những máy phát khác trong hệ thống

s phải tăng phát công suất phản kháng. Điều đó có thể là nguyên nhân gây quá tải
trên một vài đƣờng dây truyền tải hoặc máy biến áp và khi đó rơle bảo vệ q dịng
3


điện có thể cảm nhận sự quá tải đó nhƣ sự cố và s tác động để cách ly những thiết
bị không sự cố ra khỏi hệ thống.


Dao động công suất và sụt áp gây ra bởi mất kích từ có thể ảnh hƣởng

đến những máy phát hoạt động bình thƣờng và dẫn đến mất đồng bộ của một vài
máy phát hoạt động bình thƣờng này trong hệ thống.
Tuy nhiên, sự cố mất kích từ máy phát thủy điện khi đang non tải có thể
khơng dẫn đến mất đồng bộ. Thơng thƣờng máy phát cực lồi có thể mang 15-25%
tải mà không gây mất đồng bộ sau khi xảy ra sự cố mất kích từ [2]. Nhƣng với máy
phát cực ẩn, máy phát s mất đồng bộ ngay cả khi chỉ mang tải rất nhỏ, nói cách
khác, máy phát cực ẩn không cho phép hoạt động trong chế độ nhận cơng suất phản
kháng.
1.2

Vai trị của hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện
Hệ thống kích từ của máy phát điện thơng thƣờng bao gồm kích từ và bộ tự

động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Dòng kích từ một
chiều (cung cấp bởi hệ thống nguồn kích từ) chạy trong cuộn dây roto sinh ra từ
thông rotor và sức điện động của máy phát điện đồng bộ. Từ thông trong khe hở của
roto và stato giữ cho máy phát làm việc ở chế độ đồng bộ. Bên cạnh đó, hệ thống
điều khiển kích từ cịn cho phép điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát và công suất
phản kháng: tăng kích từ s làm tăng lƣợng cơng suất phản kháng phát ra, ngƣợc lại
giảm kích từ s tạo hiệu ứng ngƣợc lại và trong một số trƣờng hợp cực đoan có thể
dẫn tới sự mất đồng bộ của máy phát với hệ thống [3].
Thơng thƣờng, có hai kiểu hệ thống kích từ đó là hệ thống quay và kích từ
tĩnh. Hệ thống kích từ quay sử dụng máy phát một chiều hoặc xoay chiều độc lập là
nguồn cung cấp dịng kích từ, cịn với hệ thống kích từ tĩnh thì dịng kích từ là dịng
chỉnh lƣu lấy từ đầu cực máy phát thông qua máy biến áp giảm áp. Ngày nay, tại
Việt Nam hầu hết các máy phát mới lắp đặt đều sử dụng hệ thống kích từ tĩnh bởi
khả năng đáp ứng nhanh của chúng.

4


Với các máy phát điện lớn, bộ điều khiển kích từ thƣờng đƣợc cài đặt ở chế
độ tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulation Mode). Với chế độ
điều khiển này, hệ thống kích từ s đƣợc điều chỉnh để duy trì điện áp đầu cực máy
phát trong một giới hạn cho phép bằng cách phát hoặc tiêu thụ cơng suất phản
kháng.
Khi có các kích động xảy ra, ví dụ có sự cố ngắn mạch gần, làm giảm điện
áp đầu cực, công suất điện không thể truyền từ máy phát tới hệ thống. Các hệ thống
kích từ phản ứng nhanh s có tác dụng giúp tăng mơ men đồng bộ để đảm bảo máy
phát có thể tiếp tục làm việc ở trạng thái đồng bộ với hệ thống.

Khi sự cố đƣợc loại trừ, tốc độ roto máy phát bị dao động dẫn tới dao động điện
áp đầu cực máy phát. Khi điện áp đầu cực bị dao động thì các bộ điều khiển kích từ
ở chế độ AVR s điều khiển để duy trì điện áp này khơng đổi. Điều này có thể dẫn
tới:
 Khi điện áp dao động theo hƣớng giảm xuống, dịng kích từ s bị điều khiển
tăng nhanh.
 Khi điện áp dao động theo hƣớng tăng lên, dịng kích từ s bị điều khiển
giảm thấp nhanh
Việc tăng, giảm dịng kích từ q mức trong chế độ sau sự cố có thể dẫn tới
nguy hiểm cho máy phát, do đó cần có khâu hạn chế dịng kích từ tối thiểu và khâu
hạn chế dịng kích từ cực đại:
 Khâu hạn chế dịng kích từ cực đại (Over Excitation Limiter - OEL): có
nhiệm vụ giới hạn hệ thống điều khiển kích từ để khơng đƣa vào cuộn kích
từ dịng q lớn vƣợt q giới hạn của nguồn kích từ và khả năng mang từ
truờng của máy phát. Giới hạn kích từ cực đại phải làm việc trƣớc khi bảo
vệ chống quá tải roto hoạt động
 Khâu hạn chế dịng kích từ cực tiểu (Under Excitation Limiter - UEL): có
nhiệm vụ giới hạn hệ thống điều khiển kích từ để giảm dịng kích từ q

5


thấp dẫn tới nguy cơ máy phát rơi vào trạng thái làm việc mất đồng bộ hoặc
dẫn tới nguy cơ cắt máy phát do các bảo vệ chống mất kích từ tác động.
Khi máy phát xảy ra mất kích từ, dịng điện kích từ trên rotor giảm dần và từ
trƣờng trong cuộn dây suy giảm nhanh chóng theo hằng số thời gian của mạch roto.
Khi đó, máy phát làm việc nhƣ một động cơ không đồng bộ và s tiêu thụ thay vì
phát cơng suất phản kháng vào lƣới.
Xét phƣơng trình mơ tả cơng suất phát của máy phát:
Pe 

Eq .U s
Xd  Xs

.sin 

Trong đó:

Pe là cơng suất tác dụng của máy phát đang phát ra
Eq là sức điện động của máy phát sau điện kháng ngang trục
Us là điện áp phía hệ thống

 là góc lệch pha giữa Eq và Us
Xd là điện kháng ngang trục của máy phát
Xs là điện kháng tƣơng đƣơng của hệ thống
Công suất tác dụng phát ra tỉ lệ thuận với điện áp hệ thống, sức điện động
của máy phát và sin  . Nhƣ đã biết, sức điện động của máy phát Eq là một hàm của
điện áp kích từ, cơng suất phát lại là hàm của Eq, nhƣ vậy công suất phát là hàm phụ
thuộc điện áp kích từ.
Ở chế độ xác lập, điểm làm việc của máy phát là điểm đảm bảo cân bằng
giữa công suất cơ của tuabin đang kéo máy phát và công suất điện máy phát đang
phát ra. Khi cơng suất cơ tăng lên, góc phụ tải  s tăng lên theo. Cơng suất cơ có
thể tăng lên tối đa cho đến khi góc  = 900. Sau đó, nếu cơng suất cơ tiếp tục gia
tăng, cơng suất cơ s lớn hơn công suất điện dẫn đến máy phát mất đồng bộ do
khơng có điểm cân bằng giữa cơng suất cơ và cơng suất điện.
Hồn tồn tƣơng tự, khi công suất cơ đầu vào cố định và cơng suất điện cực
đại giảm dần do điện áp kích từ giảm, góc phụ tải  s tăng dần và điểm làm việc
6

dịch chuyển dần lên đỉnh của đặc tính cơng suất phát của máy phát. Quan hệ giữa
công suất phát P và góc phụ tải  đƣợc thể hiện ở Hình 1 nhƣ sau:

Hình 1

ng suất phát và g c phụ tải

Khi máy phát hoạt động với góc phụ tải  =900, bất cứ tác động làm tăng
công suất cơ hoặc giảm công suất điện s dẫn đến máy phát mất đồng bộ. Kết quả
là, máy phát s hoạt động ở chế độ không đồng bộ, thông thƣờng là với hệ số trƣợt
2-5% và tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống để kích từ thay vì phát cơng suất
phản kháng lên lƣới [4].
1.3

Đặc tính tổng trở của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ
Phản ứng của máy phát điện khi xảy ra mất kích từ phụ thuộc vào mức độ

mang tải của máy phát. Hình 2 thể hiện diễn biến của tổng trở đo tại đầu cực máy
phát khi mạch kích từ bị nối tắt (điện áp kích từ bằng 0) ứng với ba trạng thái tải
khác nhau [5]:

7


Hình 2 Đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ
Đặc tính này đƣợc v trong hệ tọa độ R-X, sử dụng hệ đơn vị tƣơng đối so
với cơng suất và điện áp của máy phát. Đặc tính đƣợc v kết thúc khi góc lệch của
roto đạt 1800, khi góc lệch vƣợt q 1800 thì diễn biến của tổng trở đo đƣợc trở nên
bất định, tùy thuộc nhiều yếu tố.
Với mức mang tải trƣớc khi mất kích từ lớn, góc lệch của roto s tăng nhanh

và đạt tới điểm cuối của quĩ đạo trong Hình 2 thƣờng là trong khoảng 10 giây, hệ số
trƣợt cao dẫn tới điểm cuối của đặc tính tổng trở s nằm tại lân cận giá trị tổng trở
siêu quá độ dọc trục và ngang trục (X’’d và X’’q).
Hoàn toàn tƣơng tự, với mức mang tải trƣớc khi mất kích từ nhỏ, góc lệch
của roto s tăng chậm và hệ số trƣợt tại điểm cuối của quĩ đạo nhỏ. Điểm cuối của
đặc tính tổng trở s nằm tại lân cận giá trị tổng trở dọc trục và ngang trục của máy
phát (Xd và Xq).
Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở đƣợc thể hiện trong Hình 3.

8


Hình 3 Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở khi máy phát bị mất kích từ
Có thể thấy điểm cuối của quĩ đạo này s nằm trong khoảng từ giá trị điện
kháng ngang trục của máy phát tới giá trị điện kháng siêu quá độ ngang trục. Quĩ
đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở khi máy phát mất kích từ là cơ sở quan trọng để
cài đặt đặc tính của rơle bảo vệ chống mất kích từ.

9


CHƢƠNG 2 KHẢ NĂNG PHÁT CỦA MÁY PHÁT VÀ CÁC SƠ ĐỒ BẢO VỆ
MẤT KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN
Nội dung chƣơng này s tập trung phân tích khả năng phát, nhận công suất
của máy phát điện và các sơ đồ thông dụng đƣợc sử dụng để bảo vệ máy phát trong
trƣờng hợp mất kích từ, đồng thời phân tích các giá trị cài đặt chỉnh định tƣơng ứng.
Các phân tích ở chƣơng 1 đã cho thấy rằng máy phát đồng bộ cần đƣợc trang
bị bảo vệ riêng khi máy phát bị mất kích từ bên cạnh các chức năng có sẵn trong bộ
điều khiển kích từ. Hệ thống bảo vệ mất kích từ có nhiệm vụ báo động sớm để
ngƣời vận hành có thể khơi phục lại kích từ nếu sự cố do vơ tình cắt máy cắt mạch

kích từ. Sau một khoảng thời gian trễ, bảo vệ mất kích từ bắt buộc phải có cấp tác
động thứ 2 để cắt tức thời máy phát và hệ thống kích từ, đồng thời phối hợp với bảo
vệ tuabin.
Hiện tại đang tồn tại 4 loại sơ đồ bảo vệ chống mất kích từ, bao gồm:
 Sơ đồ P-Q;
 Sơ đồ U-I;
 Sơ đồ R-X;
 Sơ đồ G-B.
Trong đó sơ đồ R-X đƣợc sử dụng phổ biến nhất, sơ đồ P-Q hầu nhƣ ít đƣợc
sử dụng. Sơ đồ G-B hiện đang đƣợc sử dụng trong các rơle của hãng Siemens.
2.1

Giới hạn khả năng phát của máy phát và biểu đồ công suất phát
Khả năng phát của máy phát bị giới hạn chủ yếu bởi các yếu tố sau đây [6]:
 Giới hạn phát nóng của cuộn dây stato máy phát: khả năng phát của máy
phát bị giới hạn khả năng phát nóng của máy phát (nhiệt độ tối đa cho
phép máy phát hoạt động ở trạng thái làm việc lâu dài mà không bị quá
nhiệt), hay nói cách khác là bị giới hạn bởi công suất định mức theo
MVA của máy phát.

10


 Giới hạn về công suất tác dụng phát ra: bị giới hạn bởi công suất của
tuabine.
 Giới hạn về cơng suất phản kháng: máy phát có thể làm việc trong các
chế độ phát (quá kích từ) hoặc tiêu thụ cơng suất phản kháng (thiếu kích
từ), tuy nhiên lƣợng cơng suất phản kháng này bị giới hạn bởi một số yếu
tố nhƣ sau:
 Giới hạn phát nóng của cuộn dây roto máy phát: hồn tồn tƣơng tự, cuộn

dây roto khơng thể mang dịng kích từ q lớn (phát q nhiều cơng suất
phản kháng) do bị giới hạn về phát nóng
 Giới hạn về phát nóng phần lõi thép cạnh cuộn dây stato (Stato end iron
limit)
Tuy nhiên, khi máy phát làm việc kết nối với hệ thống thì cơng suất phát của
máy phát cũng bị giới hạn bởi các giới hạn liên quan đến ổn định tĩnh và ổn định
động.
a.

iới hạn do phát n ng cuộn dây stato (giới hạn dòng điện phần ứng)

Tổn thất đồng trong cuộn dây stato làm tăng nhiệt độ của cuộn dây stato và
do đó đặt ra giới hạn về dòng điện phần ứng. Dòng điện cực đại mà stato máy phát
có thể mang là dịng điện giới hạn của phần ứng đƣợc biểu diễn bằng một đƣờng
trịn có tâm ở gốc tọa độ và bán kính bằng cơng suất định mức MVA của máy phát
trong mặt phẳng tọa độ P-Q.
Giới hạn phát nóng của máy phát đƣợc biểu diễn là đƣờng nét đứt nhƣ trong
Hình 4:

11


Hình 4 ác giới hạn khả năng phát của máy phát
b.

iới hạn do phát n ng cuộn dây roto

Do có tổn thất đồng trong cuộn kích từ dẫn tới phát nóng của cuộn dây roto.
Nhiệt độ gây ra bởi tổn thất trong cuộn kích từ khơng đƣợc vƣợt q một mức độ
cho phép, do đó đây là một yếu tố đặt ra giới hạn khả năng phát của máy phát. Công

suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát cực ẩn phát ra (với dịng kích
từ khơng đổi) đƣợc cho bởi phƣơng trình sau:
P  Et I t cos  

Eq Et

Q  Et I t sin  

Eq Et

Xd

Xd

cos 
Et2
cos  
Xd

Trong đó:
Eq là sức điện động dọc trục của máy phát ở chế độ xác lập
Et là điện áp đầu cực máy phát
Trong mặt phẳng tọa độ P-Q thì đặc tính P và Q ở trên v thành một cung
trịn có tâm tại (0, 
c.

EE
Et2
) và bán kính là q t .
Xd

Xd

iới hạn do phát n ng l i th p cạnh cuộn dây stato
12


Hiện tƣợng phát nóng phần lõi thép cạnh cuộn dây stato xuất hiện ở chế độ
thấp kích từ, máy phát nhận quá nhiều công suất phản kháng. Từ thông tản qua
những vịng dây cuối của cuộn dây stato vng góc với mạch từ stato và từ thông
này s tăng lên khi máy phát hoạt động ở điều kiện dòng điện kích từ thấp, với
trƣờng hợp này, dịng tổn hao xốy gây ra bởi từ thông tản đủ cao để làm phát nóng
cạnh lõi thép ở cuối stato.

Hình 5 Phân bố từ th ng tại khu vực l i th p cuối stato
Giới hạn phát nóng của cạnh lõi thép ở vùng cuối stato đƣợc xác định bởi
chủng loại roto của máy phát, mức độ phát nóng có thể nặng nề hơn với máy phát
roto cực ẩn. Các máy phát cực lồi có thể khơng bị ảnh hƣởng bởi hiện tƣợng này.
Cơng suất tác dụng phát ra của máy phát cịn bị giới hạn bởi công suất cơ của
tuabin. Trong sơ đồ đặc tính cơng suất phát của máy phát, giới hạn này đƣợc thể
hiện bởi đƣờng nét đứt nằm ngang trong biểu đồ đặc tính cơng suất phát của máy
phát (Hình 4).
Biểu đồ cơng suất phát thực tế của máy phát đƣợc trình bày trong Hình 6.
Giới hạn do dịng kích trong đƣờng đặc tính cơng suất đƣợc biểu diễn bởi đƣờng
cong AB, giới hạn do dòng điện phần ứng đƣợc biểu diễn bởi đƣờng BC và giao
nhau tại điểm B nhƣ trong Hình 6:

13


Hình 6 iểu đ đặc tính khả năng phát của máy phát

d.

iới hạn ổn định tĩnh

Khi dịng kích từ của máy phát đƣợc giảm thấp, máy phát s chuyển sang
hoạt động ở chế độ nhận công suất phản kháng Q. Do sức điện động của máy phát
là hàm phụ thuộc dịng kích từ nên khi dịng kích từ giảm, sức điện động của máy
phát cũng giảm. Trƣờng hợp này đã đƣợc mơ tả trong mục 1.2 và góc tối đa cho
phép máy phát hoạt động mà không mất ổn định (ổn định tĩnh) là 900. Nếu điện áp
kích từ tiếp tục giảm s dẫn đến việc máy phát rơi vào chế độ mất đồng bộ.
 Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn (Xd = Xq)
Dựa theo hình dƣới đây ta có thể thấy, cơng suất tác dụng P và cơng suất
phản kháng Q đƣợc tính theo:
P=Ut*Ir

(2.3)

Q=Ut*Ix

(2.4)

14


Hình 7 iểu đ biểu di n quan hệ gi a dịng điện và điện áp của máy phát
Trong đó:
Eq là sức điện động của máy phát
Ut là điện áp đầu cực máy phát
Es là điện áp của hệ thống
Xs là điện kháng hệ thống

Biến đổi phƣơng trình 2.3 và 2.4 ta có cơng suất tác dụng và cơng suất phản
kháng do máy phát điện đƣợc biểu diễn bởi 2 phƣơng trình đầy đủ dƣới đây:
U t2
1
1
P
sin  
(

)sin 2
Xd  Xs
2 Xq  Xs Xd  Xs
EqU t

Q

EqU t
Xd  Xs

cos  

U t2
U t2
1
1
(

)sin 2  
2 Xq  Xs Xd  Xs
Xd  Xs

(2.5)
(2.6)

Giới hạn ổn định của máy phát là khi δ = 900

tan(   ) 

tan   tan 

1  tan  tan 

(2.7)

điều này xảy ra khi (1  tan  tan  )  0
Từ Hình 7 có thể thấy tan  và tan  có thể đƣợc xác định nhƣ sau:
tan  

Ir X s
Ut  I x X q

(2.8)

15


tan  

Ir X q

(2.9)

Ut  I x X q

Thay thế phƣơng trình (2.6) và (2.7) vào điều kiện (1  tan  tan  )  0 , ta

0  1

có:

Ir X q
Ir X S
Ut  I X X S Ut  I S X q

(2.10)

Biến đổi phƣơng trình 2.8 ta có
2

2

U t2 1

1  U t2 1
1
(

)   (  )  Q  P2

 2 Xd Xs   2 Xs Xd



(2.11)

Từ phƣơng trình ta thấy, đƣờng tròn giới hạn ổn định tĩnh đƣợc biểu diễn
trong mặt phẳng PQ có tâm tại (0,

U t2 1
U2 1
1
1
( 
 ).
) ) và bán kính là t (
2 Xs Xd
2 Xd Xs

Hình 8 iới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực ẩn biểu di n trong mặt phẳng P-Q
(với kích từ kh ng đổi)
 Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát cực lồi (Xd ≠ Xq)
Công suất tác dụng và công suất phản kháng do máy phát điện cực lồi phát ra
đƣợc biểu diễn bởi 2 phƣơng trình dƣới đây:
Es2
1
1
P
sin  
(

)sin 2

Xd  Xs
2 Xq  Xs Xd  Xs
Eq Es

16

(2.12)