Các cầu chì máy phát điện phù hợp cho một loạt các nhà máy phát điện, bao gồm nhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, hạt nhân, tua-bin khí, chu trình kết hợp, thủy điện và nhà máy bơm trữ. Chúng cũng lý tưởng để cải tạo các trạm điện hiện có thiếu cầu chì máy phát.
Trong quá khứ, các cầu chì máy phát điện thường được sử dụng ở các trạm nhiều đơn vị, nơi mà nhiều máy phát tương đối nhỏ được kết nối với một bus chung. Tuy nhiên, với sự tăng trưởng nhanh chóng về kích thước máy phát và mức độ dòng điện lỗi hệ thống tăng lên, khả năng cắt đứt của loại thiết bị chuyển mạch này đã sớm vượt quá. Sau đó, mô hình đơn vị được áp dụng, nơi mỗi máy phát có hệ thống phụ trợ hơi nước độc lập kết nối trực tiếp với biến áp tăng áp và cầu chì phía cao.
So với kết nối đơn vị, việc sử dụng cầu chì máy phát điện để chuyển đổi máy phát tại điện áp đầu cuối cung cấp nhiều lợi ích:
Hoạt động đơn giản hơn: Nó làm đơn giản hóa các quy trình hoạt động, giảm thiểu sự phức tạp và khả năng mắc lỗi do con người trong các tác vụ chuyển mạch liên quan đến máy phát.
Bảo vệ tốt hơn: Nó cung cấp bảo vệ cải tiến cho máy phát, cũng như cho các biến áp chính và đơn vị, bảo vệ những thành phần quan trọng này khỏi các lỗi điện và xung điện.
Tăng cường độ tin cậy: Nó nâng cao an toàn của hệ thống phát điện và đáng kể cải thiện khả năng sẵn sàng của nhà máy điện, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tối đa hóa sản lượng điện.
Lợi ích kinh tế: Nó cũng mang lại lợi ích kinh tế, chẳng hạn như giảm chi phí bảo trì và cải thiện hiệu quả hoạt động lâu dài.
Các yêu cầu chính cho bố trí điện của nhà máy điện có thể được tóm tắt như sau:
Chuyển tải điện hiệu quả: Chuyển năng lượng điện sinh ra từ máy phát sang hệ thống truyền tải điện áp cao (HV), đồng thời cân nhắc các nhu cầu hoạt động, cũng như các yếu tố liên quan đến khả năng sẵn sàng, độ tin cậy và tính kinh tế.
Nguồn điện phụ trợ đáng tin cậy: Đảm bảo cung cấp điện cho các hệ thống phụ trợ và dịch vụ trạm, điều này rất quan trọng để duy trì hoạt động an toàn và đáng tin cậy của nhà máy điện.
Hình 1 minh họa các ví dụ về bố trí trạm điện sử dụng cầu chì máy phát để kết nối máy phát với biến áp chính, thể hiện cách các cầu chì này được tích hợp vào cấu hình điện tổng thể của nhà máy điện.
Cầu chì máy phát điện đóng vai trò quan trọng và đa dạng trong hệ thống điện, thực hiện nhiều nhiệm vụ hoạt động thiết yếu:
Đồng bộ hóa với Hệ Thống HV: Chúng chịu trách nhiệm đồng bộ hóa máy phát với điện áp hệ thống ở mức điện áp cao (HV). Điều này đảm bảo kết nối liền mạch giữa đầu ra của máy phát và lưới điện, hỗ trợ việc chuyển tải năng lượng điện hiệu quả.
Ngắt Kết Nối với Hệ Thống HV: Chúng cho phép tách máy phát khỏi hệ thống HV, điều này đặc biệt hữu ích khi tắt máy phát không tải hoặc tải nhẹ. Việc này giúp duy trì sự ổn định và an toàn của lưới điện.
Cắt Dòng Điện Tải: Các cầu chì này có khả năng cắt dòng điện tải, với khả năng xử lý lên đến dòng điện tải đầy đủ của máy phát. Chức năng này rất quan trọng cho hoạt động bình thường và quản lý tải trong nhà máy điện.
Cắt Dòng Điện Ngắn Lộ Từ Hệ Thống: Chúng có thể cắt dòng điện ngắn lộ từ hệ thống, bảo vệ máy phát và các thành phần khác khỏi hậu quả có thể gây ra bởi dòng điện lớn do lỗi trong hệ thống.
Cắt Dòng Điện Ngắn Lộ Từ Máy Phát: Tương tự, chúng được thiết kế để cắt dòng điện ngắn lộ từ máy phát, bảo vệ máy phát khỏi các lỗi nội bộ và đảm bảo hoạt động an toàn liên tục.
Cắt Dòng Điện Khi Không Đồng Pha: Cầu chì máy phát điện có thể xử lý dòng điện khi không đồng pha, với khả năng quản lý lên đến góc lệch pha 180°. Đặc điểm này rất quan trọng để duy trì sự ổn định của hệ thống trong các điều kiện hoạt động bất thường.
Đồng Bộ Hóa Trong Nhà Máy Điện Bơm Lưu Trữ (Chế Độ Động Cơ): Trong các nhà máy điện bơm lưu trữ, khi máy phát-động cơ được khởi động ở chế độ động cơ, cầu chì được sử dụng để đồng bộ hóa máy với hệ thống HV. Có nhiều phương pháp đồng bộ hóa khác nhau, chẳng hạn như sử dụng bộ chuyển tần số tĩnh (SFC) hoặc khởi động đối xứng.
Xử Lý Dòng Khởi Động Trong Nhà Máy Điện Bơm Lưu Trữ (Chế Độ Động Cơ): Khi máy phát-động cơ được khởi động ở chế độ động cơ với khởi động bất đồng bộ trong các nhà máy điện bơm lưu trữ, cầu chì đóng và ngắt dòng khởi động, đảm bảo quá trình khởi động mượt mà và kiểm soát.
Cắt Dòng Điện Ngắn Lộ ở Tần Số Thấp: Trong các nhà máy điện tua-bin khí, chu trình kết hợp và bơm lưu trữ, tùy thuộc vào nguồn cung cấp khởi động, cầu chì có thể cắt dòng điện ngắn lộ từ máy phát ở tần số dưới 50/60 Hz, thích ứng với yêu cầu cụ thể của các hệ thống phát điện này.
Có nhiều phương pháp đồng bộ hóa trong các nhà máy điện bơm lưu trữ.
Phương án Khởi Động Bằng Bộ Chuyển Tần Số Tĩnh (SFC): Phương án này chủ yếu bao gồm bộ chuyển thyristor kết nối với biến áp đơn vị ở phía HV và bộ nghịch đảo kết nối với máy phát. Bộ nghịch đảo khởi động máy phát từ tần số thấp và dần dần tăng lên tần số định mức. Khi máy phát được kích thích để sản xuất điện, có thể có sự khác biệt góc pha giữa đầu ra của nó và mạng lưới. Tại thời điểm khác biệt góc pha giữa máy phát và mạng lưới HV được giảm thiểu, máy phát được đồng bộ hóa với mạng lưới HV bằng cách sử dụng cầu chì máy phát hoặc cầu chì HV.
Phương án Khởi Động Đối Xứng: Trong một nhà máy điện có nhiều máy phát, có thể sử dụng phương án khởi động đối xứng. Điện năng được tạo ra bởi một máy phát hoạt động ở điều kiện định mức được sử dụng để khởi động một máy phát dừng lên tần số định mức. Sau đó, máy phát được đồng bộ hóa với mạng lưới HV bằng cách sử dụng cầu chì máy phát hoặc cầu chì HV.
Theo tiêu chuẩn IEC/IEEE 62271-37-13, chu kỳ nhiệm vụ ngắn mạch định mức của cầu chì máy phát được chỉ định bao gồm hai lần vận hành, với khoảng cách 30 phút giữa mỗi lần vận hành. Chu kỳ nhiệm vụ được biểu diễn là "CO – 30 phút – CO", nghĩa là hai lần cắt ngắn mạch hoàn chỉnh, với khoảng cách 30 phút giữa mỗi lần đóng mạch ngắn mạch.Thiết kế này nhằm bảo vệ các nhà máy điện và máy phát. Thực hiện hai lần đóng-mở liên tiếp trong một mạch ngắn mạch đầy đủ có thể gây hư hại cho máy phát và các biến áp tăng áp.
Các loại ngắn mạch như vậy rất khó xảy ra, và cũng rất ít khả năng một người quản lý nhà máy sẽ cố gắng đóng mạch lại chỉ 30 phút sau một sự kiện ngắn mạch đầy đủ.
Khoảng cách 30 phút giữa hai lần vận hành là cần thiết để khôi phục các điều kiện ban đầu của cầu chì và ngăn chặn quá nhiệt của các thành phần. Cần lưu ý rằng khoảng thời gian này có thể thay đổi tùy theo loại vận hành cụ thể và đặc tính của cầu chì máy phát.
