Bảo vệ Máy Phát – Các Loại Sự Cố và Thiết Bị Bảo Vệ

Các Sự Cố Thường Gặp và Hệ Thống Bảo Vệ Máy Phát Điện
Phân Loại Các Sự Cố Máy Phát Điện

Các sự cố máy phát điện chủ yếu được phân thành hai loại: bên trong và bên ngoài:

• Sự cố bên trong: Xuất phát từ các vấn đề của các bộ phận bên trong máy phát.

• Sự cố bên ngoài: Nguồn gốc từ các điều kiện vận hành bất thường hoặc vấn đề mạng lưới bên ngoài.

Các sự cố của động cơ chính (ví dụ: động cơ diesel, tua-bin) có tính chất cơ khí và được xác định trong quá trình thiết kế thiết bị, mặc dù chúng phải tích hợp với hệ thống bảo vệ máy phát để thực hiện việc cắt máy.

Loại Sự Cố Bên Trong
1. Sự Cố Stator

• Quá nhiệt cuộn dây: Do tải quá mức kéo dài hoặc hỏng cách điện.

• Sự cố giữa pha: Xảy ra do hỏng cách điện giữa các pha.

• Sự cố pha-đất: Rò rỉ dòng điện từ cuộn dây pha đến khung stator.

• Sự cố giữa vòng dây: Chập mạch giữa các vòng dây liền kề trong cùng một cuộn dây.

2. Sự Cố Rotor

• Sự cố rotor-đất: Rò rỉ dòng điện từ cuộn dây rotor đến trục rotor.

• Chập mạch cuộn dây: Giảm điện áp kích từ và tăng dòng điện trong rotor cuộn dây.

• Quá nhiệt: Do dòng điện không cân bằng ở stator (ví dụ: cúp một cực, dãy pha âm).

3. Mất Trường/Kích Từ

• Công suất phản kháng chảy vào máy phát, khiến nó chạy như một máy phát cảm ứng và mất đồng bộ.

4. Hoạt Động Không Đồng Bộ

• Căng thẳng cơ học trên trục và dao động điện áp do mất đồng bộ với lưới điện.

5. Hoạt Động Như Máy Điện

• Máy phát lấy điện từ lưới khi nguồn cung cấp cho động cơ chính bị mất (ví dụ: mất hơi nước/mất nước), gây nguy cơ quá nhiệt hoặc bọt khí trong tua-bin.

6. Sự Cố Cơ Khí

• Quá nhiệt ổ đỡ, mất áp lực dầu bôi trơn, và rung động quá mức.

Cơ Chế Quá Nhiệt Rotor

Dòng điện không cân bằng ở stator (ví dụ: dãy pha âm) tạo ra dòng điện Foucault trong rotor ở tần số gấp đôi tần số hệ thống (100/120 Hz), gây quá nhiệt cục bộ. Điều này làm yếu các thanh giữ và vòng rotor.

Loại Sự Cố Bên Ngoài
Anomalies of the Power System

• Sự cố ngắn mạch bên ngoài: Sự cố trên lưới ảnh hưởng đến hoạt động của máy phát.

• Kết nối không đồng bộ: Hư hại do kết nối song song máy phát không đúng cách.

• Tải quá mức/vượt tốc: Do giảm tải đột ngột hoặc lỗi kiểm soát động cơ chính.

• Không cân bằng pha/dãy pha âm: Tạo ra dòng điện Foucault trong rotor và quá nhiệt.

• Lệch tần số/điện áp: Dưới hoặc vượt tần số/điện áp gây căng thẳng cho các bộ phận máy phát.

Thiết Bị Bảo Vệ Máy Phát Điện
Các Phương Án Bảo Vệ Chính
1. Bảo vệ Sự Cố Stator

• Rơle chênh lệch: Phát hiện sự cố giữa pha và pha-đất bằng cách so sánh dòng điện đầu vào và đầu ra.

• Bảo vệ sự cố đất: Sử dụng rơle quá dòng (cho đấu nối điện trở) hoặc rơle điện áp (cho đấu nối biến áp) để phát hiện sự cố đất stator.

2. Bảo vệ Sự Cố Rotor

• Rơle sự cố đất giám sát sự hỏng cách điện giữa cuộn dây rotor và trục.

3. Bảo vệ Tải Không Cân Bằng

• Giám sát dòng điện dãy pha âm và mất kích từ, gây ra vấn đề về lưu lượng công suất phản kháng.

4. Bảo vệ Quá Nhiệt

• Rơle nhiệt hoặc cảm biến nhiệt độ phát hiện quá nhiệt cuộn dây stator và ổ đỡ; rơle dãy pha âm giải quyết vấn đề quá nhiệt rotor.

5. Bảo vệ Cơ Khí

• Rơle vượt tốc, cảm biến rung động và công tắc áp suất thấp/bụi chân không bảo vệ chống lại sự cố động cơ chính và tua-bin.

6. Bảo vệ Dự Phòng và Phụ Trợ

• Rơle công suất ngược ngăn chặn hoạt động như máy điện, trong khi rơle chênh lệch cho sự cố đất stator cung cấp phát hiện sự cố chính (xem Hình 1 cho các kết nối điển hình).

• Rơle Chênh Lệch: So sánh dòng điện ở cả hai đầu cuộn dây stator để phát hiện sự cố bên trong.

Nguyên Tắc Bảo Vệ

• Phát hiện Điện Áp Thứ Tự Zero: Nhận biết sự cố giữa vòng dây bằng cách theo dõi sự mất cân bằng điện áp qua biến áp điện áp (VT).

• Hệ Thống Đấu Đất Phù Hợp: Các phương án bảo vệ thay đổi dựa trên phương pháp đấu đất stator (điện trở hoặc biến áp), sử dụng CTs hoặc VTs để cảm nhận dòng điện/volt sự cố.

Cơ Chế Bảo Vệ Sự Cố Cuộn Dây Rotor

Các sự cố chập mạch cuộn dây rotor cuộn dây được bảo vệ bởi rơle quá dòng, sẽ cắt máy phát khi phát hiện dòng điện bất thường tăng lên. Sự cố đất là một rủi ro khác đối với cuộn dây rotor, mặc dù bảo vệ chúng yêu cầu các phương pháp chuyên biệt.

Trong các máy phát nhiệt lớn, cuộn dây rotor hoặc cuộn dây trường thường không được đấu đất, nghĩa là một sự cố đất đơn lẻ không tạo ra dòng điện sự cố. Tuy nhiên, sự cố này nâng cao tiềm năng của toàn bộ hệ thống trường và hệ thống kích từ. Các điện áp bổ sung do mở mạch trường hoặc máy phát chính - đặc biệt là trong điều kiện sự cố - có thể gây căng thẳng cho cách điện cuộn dây trường, có thể gây ra sự cố đất thứ hai. Một sự cố thứ hai có thể dẫn đến gia nhiệt cục bộ sắt, biến dạng rotor, và mất cân bằng cơ khí nguy hiểm.

Bảo vệ sự cố đất rotor thường sử dụng rơle giám sát cách điện bằng cách áp dụng điện áp AC phụ trợ lên rotor. Hoặc, một rơle điện áp được sử dụng theo chuỗi với mạng điện trở cao (thường là sự kết hợp của điện trở tuyến tính và phi tuyến) trên mạch rotor. Điểm trung tâm của mạng này được kết nối với đất thông qua cuộn rơle nhạy (mã ANSI/IEEE/IEC 64). Các phương án bảo vệ hiện đại ngày càng ưa chuộng sự kết hợp của điện trở tuyến tính và phi tuyến để cải thiện khả năng phát hiện sự cố và giám sát cách điện.

Cơ Chế Bảo Vệ Mất Trường và Quá Kích Từ

Bảo vệ mất trường sử dụng rơle để phát hiện sự thay đổi lưu lượng công suất phản kháng. Một phương án điển hình sử dụng rơle Mho Offset (độ trở kháng) - một thiết bị một pha được cung cấp bởi các biến dòng (CTs) và biến áp điện áp (VTs) - để đo độ trở kháng tải. Rơle kích hoạt khi độ trở kháng nằm trong đặc tính hoạt động của nó. Rơle thời gian khởi động cắt máy phát nếu công suất phản kháng dẫn kéo dài 1 giây (thời gian chuẩn).

Bảo vệ Quá Kích Từ

Để ngăn chặn bão hòa lõi trong quá trình khởi động và dừng, bảo vệ quá kích từ (mã ANSI/IEEE/IEC 59) được triển khai, dựa trên mối quan hệ:B = V/f
trong đó:

• B = mật độ dòng từ (tesla, T)

• V = điện áp áp dụng (volt, V)

• f = tần số (hertz, Hz)

Dòng từ lõi phải ở dưới điểm bão hòa, nghĩa là điện áp chỉ có thể tăng tỷ lệ thuận với tần số (tốc độ). Sự tăng cường kích từ nhanh chóng tăng nguy cơ quá kích từ, được phát hiện bởi rơle Volt/Hertz. Những rơle này có đặc tính tuyến tính và kích hoạt khi V/f vượt quá ngưỡng đã đặt.

Bảo vệ Quá Nhiệt Stator và Rotor

• Cuộn dây Stator & ổ đỡ: Giám sát nhiệt độ qua các cảm biến nhiệt độ điện trở (RTDs) và thermistors.

• Không cân bằng pha Stator: Rơle quá dòng theo thời gian ngược được đặt theo giới hạn nhiệt tối đa của rotor.

• Bảo vệ Dãy Pha Âm: Bảo vệ máy khỏi quá nhiệt rotor do dòng điện stator không cân bằng, tạo ra dòng điện Foucault phá hủy trong rotor.

Các hệ thống bảo vệ đáng tin cậy là cần thiết để giảm thiểu thiệt hại và thời gian sửa chữa, vì máy phát điện là một trong những thành phần đắt nhất của hệ thống điện.

Bảo vệ này sử dụng rơle so sánh dòng điện trong hai pha thông qua biến dòng (CTs), như được minh họa trong Hình 2. Các cài đặt bảo vệ được xác định bởi thời gian tối đa mà rotor có thể chịu đựng quá nhiệt, được xác định bởi phương trình K = I²t (được suy ra từ định luật Joule), trong đó I là dòng điện dãy pha âm và t là thời gian.

Các đường cong dòng điện-thời gian tiêu chuẩn do nhà sản xuất quy định cho điều kiện này thay đổi tùy theo loại động cơ chính, như được hiển thị trong sơ đồ tham chiếu.

Hệ Thống Bảo Vệ Công Suất Ngược, Không Đồng Bộ, và Tần Số/Điện Áp
Bảo vệ Công Suất Ngược (Mã ANSI/IEEE/IEC 32)

Bảo vệ này sử dụng rơle hướng công suất để theo dõi tải máy phát, được cung cấp bởi CTs và VTs (xem Hình 3). Rơle kích hoạt khi phát hiện dòng công suất âm - chỉ ra máy phát đang lấy điện từ lưới (hoạt động như máy điện) - và kích hoạt cắt máy để ngăn ngừa hư hại tua-bin.

Bảo vệ Không Đồng Bộ

Được thiết kế để phát hiện các nhiễu loạn hệ thống điện (không phải sự cố máy phát), bảo vệ này nhận biết sự trượt cực khi máy phát mất đồng bộ. Nó cắt các cầu dao máy phát trong khi giữ tua-bin tiếp tục chạy, cho phép tái đồng bộ sau khi nhiễu loạn được khắc phục.

• Nguyên lý hoạt động: Ba rơle độ trở kháng đo độ trở kháng tải. Việc cắt máy xảy ra nếu các rơle kích hoạt theo một trình tự cụ thể trong quá trình dao động công suất, phân biệt nó với mất kích từ (xảy ra ở trường không) và hoạt động với máy phát ở chế độ trường đầy đủ.

Bảo vệ Tần Số và Điện Áp
Bảo vệ Tần Số Dưới/Vượt (Mã ANSI/IEEE/IEC 81)

• Vượt tần số: Do giảm tải đột ngột, gây nguy cơ quá điện áp nếu không được quản lý. Điều khiển máy phát phải điều chỉnh đầu ra để phù hợp với nhu cầu.

• Dưới tần số: Kết quả từ công suất sinh không đủ cho tải đã kết nối, dẫn đến sụt điện áp, tăng kích từ, và quá nhiệt rotor/stator. Giảm tải là cần thiết để ngăn ngừa sụp đổ hệ thống.

Rơle Điện Áp Dưới/Vượt (Mã 27/59)

Theo dõi và kiểm soát sự lệch điện áp để bảo vệ thiết bị khỏi căng thẳng hoặc hư hại.

Bảo vệ Bổ Sung Khởi Động Pha

Ngăn chặn khởi động máy phát vào sự cố hoặc trạng thái có tải. Rơle quá dòng cài đặt thấp chỉ kích hoạt khi tần số dưới 52 Hz (cho hệ thống 60 Hz) hoặc 42 Hz (cho hệ thống 50 Hz), đảm bảo bảo vệ trong quá trình chuyển trạng thái khởi động.

Bảo vệ Sự Cố Ngắn Mạch Bên Ngoài

Rơle quá dòng (50, 50N, 51, 51N) phát hiện và xóa bỏ sự cố trên mạng lưới bên ngoài, bảo vệ máy phát khỏi dòng điện sự cố quá mức.

Các phương án bảo vệ này tập thể giải quyết các bất thường hoạt động - từ đảo chiều lưu lượng công suất đến các nhiễu loạn toàn hệ thống - đảm bảo tính toàn vẹn của máy phát và ổn định lưới điện.