Embed Size (px)
Citation preview
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
THÁI VĨNH THẠCH
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA
SÓNG HÀI ĐẾN BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP
CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.02.02
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
Đà Nẵng - Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THỊ TỊNH MINH
Phản biện 1:
GS.TS. LÊ KIM HÙNG
Phản biện 2:
TS. VŨ PHAN HUẤN
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 03 tháng 03 năm
2018
Có thể tìm hiểu luận văn tại: *
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong hệ thống điện, sự làm việc tin cậy của hệ thống bảo vệ là một trong
những chỉ tiêu đánh giá khả năng cung cấp điện. MBA là một trong những phần tử
quan trọng nhất liên kết hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối. Vì vậy, việc
nghiên cứu bảo vệ rơle cho MBA là rất cần thiết, đặc biệt là đối với nhà máy
thủy điện.
Hệ thống bảo vệ MBA sử dụng nhiều chức năng bảo vệ khác nhau trong đó bảo
vệ so lệch được sử dụng là bảo vệ chính. Để bảo vệ so lệch MBA làm việc đúng, tin
cậy cần phải tính toán đầy đủ các hư hỏng bên trong cũng như các yếu tố bên ngoài
ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của MBA.
Nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch là so sánh biên độ dòng điện ở các phía
của phần tử được bảo vệ. Nếu sự sai lệch giữa các dòng điện vượt quá trị số cho trước
thì bảo vệ sẽ tác động. Tuy nhiên, đối với bảo vệ so lệch MBA, dòng không cân bằng
lớn có thể xuất hiện gây cho bảo vệ tác động nhầm mặc dù không có sự cố nào xảy ra
trong vùng bảo vệ. Dòng không cân bằng này xuất hiện là do ảnh hưởng của các yếu
tố như ảnh hưởng của tổ đấu dây, tỷ số biến dòng ở các phía khác nhau, sóng hài,
dòng thứ tự không, điều chỉnh nấc phân áp, bão hòa mạch từ, dòng từ hóa,…. Những
yếu tố trên làm giảm độ tin cậy trong hoạt động của rơle so lệch. Trong đó yếu tố
sóng hài xuất hiện trong MBA gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự làm việc đúng
đắn của rơ le.
Nhà máy thủy điện Đại Ninh được đưa vào vận hành từ năm 2007 với công
suất lắp đặt 300MW bao gồm 2 tổ máy. MBA chính T1, T2 nhận nhiệm vụ truyền tải
công suất từ máy phát H1, H2 đưa lên TBA 220/110kV qua MBA AT3, AT4 truyền
tải công suất cung cấp cho các phụ tải tỉnh Bình Thuận và cung cấp công suất cho hệ
thống qua TBA 500kV Di Linh. Với nhiệm vụ đặc biệt quan trọng và việc lắp đặt
nhiều MBA đã có thời gian vận hành khá lâu nên việc nghiên cứu nguyên lý làm việc
cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch MBA là thực sự cần thiết.
Xuất phát từ các lý do trên, đề tài tập trung: “NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ
ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP CỦA
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH”. Đề tài tiến hành nghiên cứu nguyên lý làm
việc của bảo vệ so lệch có hãm MBA, các phương pháp hãm thành phần sóng hài dựa
trên nguyên lý của rơ le MiCOM P633 của AREVA mà NMTĐ Đại Ninh đang sử
dụng. Tiếp theo, tác giả xây dựng mô hình bảo vệ so lệch MBA bằng cách sử dụng
2
các khối thiết bị có sẵn trong thư viện Matlab - Simulink để tiến hành mô phỏng các
dạng sự cố và phân tích sự làm việc của rơ le có xét đến ảnh hưởng của yếu tố sóng
hài. Từ các kết quả mô phỏng, người sử dụng có thể đánh giá được ảnh hưởng của
sóng hài đến sự làm việc của rơ le MiCOM P633 của Nhà máy. Ngoài ra kết quả mô
phỏng cũng được sử dụng tham khảo để phân tích sự cố và dùng cho công tác đào tạo
tại đơn vị.
2. Mục tiêu nghiên cứu
‒ Nghiên cứu sự hình thành, các ảnh hưởng và các phương pháp hãm thành
phần hài bậc cao trong bảo vệ so lệch MBA.
‒ Tiến hành thực hiện các mô phỏng rơ le bảo vệ so lệch trên phần mềm
Matlab - Simulink khi có sự ảnh hưởng của sóng hài.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
‒ Đối tượng nghiên cứu: rơ le MiCOM P633 của AREVA.
‒ Phạm vi nghiên cứu: đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của
sóng hài đến sự làm việc của bảo vệ so lệch MBA.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu
như sau:
‒ Nghiên cứu nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch MBA.
‒ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dòng không cân bằng, cụ thể các biện
pháp nhằm hãm thành phần sóng hài bậc cao.
‒ Mô phỏng ảnh hưởng của sóng hài đến sự làm việc của bảo vệ so lệch MBA
bằng Matlab-Simunlink.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn
‒ Hệ thống hóa khoa học các lý thuyết về bảo vệ rơle.
‒ Đánh giá yếu tố sóng hài ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch MBA.
‒ Phân tích sự cố.
‒ Kiểm nghiệm sự làm việc của bảo vệ so lệch trong thực tế.
‒ Dùng cho công tác đào tạo nâng bậc, giữ bậc và sát hạch nghề tại đơn vị.
6. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận chung, nội dung của đề tài bao gồm các
chương sau:
Chương 1 Tổng quan về hệ thống rơ le bảo vệ Nhà máy Thủy điện Đại Ninh
3
Chương 2 Sóng hài và các phương pháp hạn chế sóng hài trong bảo vệ so lệch
MBA
Chương 3 Mô hình mô phỏng ảnh hưởng của sóng hài đến bảo vệ so lệch MBA
bằng Matlab-Simulink
Chương 4 Kết quả mô phỏng rơ le MiCOM P633 bảo vệ MBA AT3 Nhà máy
thủy điện Đại Ninh
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RƠ LE BẢO VỆ
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH
NMTĐ Đại Ninh nằm trên địa phận hai tỉnh: Lâm Đồng và Bình Thuận với các
thông tin cơ bản sau:
1.1.1. Vị trí địa lý
- Công trình đầu mối nằm tại điểm hợp lưu của sông Đa Nhim và Đa Queyon,
trên quốc lộ 20 cách thành phố Hồ Chí Minh 260 km về phía Tây Bắc và cách thành
phố Đà Lạt (tỉnh Lâm Đồng) 45 km về phía Đông – Nam.
- Tuyến năng luợng trên sông Lũy: thuộc địa phận huyện Bắc Bình, tỉnh Bình
Thuận.
- Nhà máy nằm cách thành phố Hồ Chí Minh: 230 km trên quốc lộ 1 và 38 km
ngoài quốc lộ 1.
1.1.2. Mục đích
Dự án thủy điện Đại Ninh là công trình lợi ích tổng hợp của 2 nhiệm vụ sau:
- Cung cấp điện cho Hệ thống điện Miền Nam.
- Chuyển nước từ lưu vực sông Đồng Nai xuống lưu vực sông Lũy để cung cấp
một phần cho hệ thống thủy lợi tỉnh Bình Thuận.
1.1.3. Thủy văn
1.1.4. Hồ chứa
- Hồ chứa là nơi tích nước để phục vụ cho quá trình chạy máy của nhà máy thủy
điện.
- Hồ chứa Thuỷ điện Đại Ninh là tổng hợp hai hồ chứa riêng biệt, hồ Đa Nhim
và hồ Đa Queyon, được tạo thành bởi các đập xây dựng chắn ngang sông Đa Nhim và
Đa Queyon cùng với bốn đập phụ được xây dựng để giữ cho mực nước các hồ này
4
đạt được MNDBT. Phía bên hồ Đa Nhim bố trí 3 cửa tràn xã lũ và đập xả cầu chì còn
phía hồ Đa Queyon thì bố trí hạng mục cửa nhận nước.
1.1.5. Các đập chính và đập phụ: dùng để ngăn dòng chảy chính của sông để tạo
dung tích hồ chứa.
1.1.6. Đập tràn
- Cửa van đập tràn dùng để đóng và điều tiết mực nước hồ (xả nước khi có lũ)
1.1.7. Đập tràn sự cố
- Loại: Đê cầu chì (2 khoang, mỗi khoang 20 m).
- Lưu lượng thiết kế lũ cực hạn: 3176 m3/s tại mực nước 882,6 m.
- Kết cấu cầu chì là một khối đắp bằng đất chống thấm, đá và các lớp lọc. Nó có
chức năng như một đập dâng và có hệ số an toàn như các đập chính và các đập phụ.
- Có khả năng tự phá hủy để xả nước xuống hạ lưu bảo vệ cho công trình hồ đập
khi có lũ lớn về và đã xả tràn hết công suất rồi nhưng nước lũ vẫn cứ về nhiều.
1.1.8. Kênh nối 2 hồ
Kênh nối hai hồ dùng để dẫn nước từ hồ Đa Nhim sang hồ Đaqueyon và ngược
lại.
1.1.9. Cửa nhận nước
- Là hạng mục đầu tiên của tuyến năng lượng, được dùng để lấy nước vào đường
hầm dẫn nước phục vụ cho chạy máy. Ngoài ra nó dùng chặn nước khi có yêu cầu
kiểm tra bảo dưỡng đường hầm, đường ống.
- Mục đích các thiết bị đặt trong cửa lấy nước:
+ Lưới chắn rác ngăn giữ không cho rác bẩn vào cửa gây hư hại cho các bộ phận
công trình turbine.
+ Cửa van sửa chữa đặt ngay sau lưới chắn rác. Cửa này chỉ đóng khi cần sửa
chữa công trình cửa lấy nước và phần đầu đường dẫn.
+ Cửa van vận hành để đóng mở hoàn toàn cho dòng chảy vào đường dẫn.
1.1.10. Đường hầm dẫn nước
- Dẫn nước từ cửa nhận nước đến đường ống áp lực rồi đến ống phân phối nước
vào turbine để chạy máy.
- Đường hầm áp lực với chiều dài 11254 m bao gồm 17 m kết cấu của cửa nhận
nước.
1.1.11. Giếng điều áp
5
- Giải tỏa áp lực nước trong đường ống mỗi khi có hiện tượng nước va do cắt tải
hoặc dừng máy đột ngột nhằm bảo vệ đường hầm dẫn nước, đường ống áp lực và hệ
thống van chính.
- Bổ sung lượng nước tức thời cho quá trình tăng tải đột ngột (cho 1 tổ máy).
- Tạo dòng chảy thuận từ đường hầm vào đường ống do thông với khí trời.
1.1.12. Nhà van
- Chặn dòng sự cố chảy tự do trong trường hợp đoạn đường ống áp lực phía hạ
lưu van bị sự cố.
- Cho phép kiểm tra đường ống áp lực, mà không cần rút nước đường hầm
thượng lưu.
- Bảo vệ cho các thiết bị phía nhà máy khi có trục trặc hệ thống điều khiển van
chính, có nghĩa là khi dừng máy ở bất kỳ chế độ nào, nếu van cầu không đóng được
khi kim và cần gạt đang mở thì sẽ đưa tín hiệu để đóng van bướm khẩn cấp.
- Nhà Van được thiết kế với một đĩa van đóng bằng đối trọng. Đĩa van sẽ được
mở bằng hệ thống dầu áp lực. Khi mở van sẽ không bị khóa và khi đóng thì sẽ có một
thiết bị lock để chốt van lại được điều khiển bằng thủy lực nhằm ngăn ngừa khi có
trục trặc hệ thống điều khiển van mở ra gây nguy hiểm cho người và thiết bị. Ngoài
ra, ở đầu ra của nhà van còn được thiết kế một thiết bị dò quá tốc (lưu tốc) để bảo vệ
khi có sự cố vỡ đường ống áp lực sẽ kích hoạt van đóng lại (giá trị vượt tốc 80 m3/s).
1.1.13. Đường ống áp lực
- Dùng dẫn nước từ nhà van về phân phối cho 2 tổ máy với áp lực cột nước lớn
cho chạy máy.
1.1.14. Nhà máy: các thông số kỹ thuật chính như Bảng 1-4:
Bảng 1.4: Bảng tổng hợp thông số Nhà máy
Số tổ máy 2
Loại tuabin Turbine Pelton với 6 vòi phun
Cao trình tâm bánh xe công tác m 210
Lưu lượng thiết kế m3/s 55,4
Cột nước thiết kế M 627 (max 670, min 603)
Công suất tổ máy MW 150
Vận tốc quay s Vòng/phút 333
Tần số / điện áp/ công suất máy phát 50 Hz / 13,8 kV / 176,5 MVA
1.1.15. Đường hầm xả: Đường hầm xả kết hợp với kênh xả để dẫn nước ra hạ lưu
sau khi chạy máy.
6
1.1.16. Kênh xả
1.2. HỆ THỐNG RƠ LE BẢO VỆ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẠI NINH
Hệ thống rơ le bảo vệ Nhà máy thủy điện Đại Ninh bao gồm hệ thống bảo vệ tổ
máy, hệ thống bảo vệ trạm biến áp 220/110kV và hệ thống bảo vệ tự dùng 22/0.4kV,
cụ thể như sau:
1.2.1. Hệ thống rơ le bảo vệ tổ máy H1, H2: bao gồm các rơle MiCOM P342,
P122, P921, P632, P633, MX3IPG2A của AREVA bảo vệ cho các tổ máy H1, H2,
MBA T1, T2.
1.2.2. Hệ thống rơ le bảo vệ TBA 220/110kV: bao gồm các rơle MiCOM P633,
P643, P143, P122, P921, P94V, P741, P742, 7SD522, 7SA522 của hãng AREVA,
ALSTOM, SIEMENS bảo vệ các thiết bị thuộc trạm như MBA AT3, AT4, Thanh cái,
đường dây.
1.2.3. Hệ thống rơ le bảo vệ hệ thống tự dùng 22kV: bao gồm các rơle SEPAM
1000+(T20) của Schneider.
1.2.4. Hệ thống rơ le bảo vệ hệ thống tự dùng 0.4kV: rơ le Micrologic 2.0A của
Schneider.
1.3. BẢO VỆ SO LỆCH MBA [1], [2], [3]
1.3.1. Các hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường xảy ra với MBA
1.3.2. Nguyên lý làm việc bảo vệ so lệch
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch
− Sơ đồ nguyên lý của rơle so lệch như Hình 1.1. Bảo vệ hoạt động trên
nguyên tắc so các giá trị biên độ dòng điện đi vào và đi ra của đối tượng bảo vệ. Nếu
sự sai khác của hai dòng điện vượt quá giá trị cài đặt, bảo vệ sẽ tác động. Vùng tác
động của bảo vệ so lệch được giới hạn bằng vị trí đặt của các CT các phía của phần tử
được bảo vệ.
Dòng điện chạy qua rơ le như công thức (1.1).
7
˙
T1 T2ΔI I I+= (1.1)
− Bỏ qua sai số CT, ta có dòng qua rơ le trường hợp bình thường và ngắn
mạch ngoài như công thức (1.2):
T1 T2I = - I
ΔI=0 (1.2)
− Khi ngắn mạch trong vùng, dòng qua rơ le như công thức (1.3).
T1 T2
˙
T1 T2
I I
ΔI = I I 0
+ (1.3)
1.3.3. Nguyên lý làm việc bảo vệ so lệch có hãm
− Bảo vệ rơle so lệch thông thường các rơle có thể tác động nhầm do sai số lớn
của các CT khi ngắn mạch ngoài, chuyển nấc phân áp,... Dòng điện IKCB trong một số
trường hợp có thể có trị số rất lớn. Để nâng cao độ nhạy của bảo vệ và ngăn chặn tác
động nhầm do ảnh hưởng của IKCB, người ta thường sử dụng nguyên lý hãm bảo vệ.
− Rơ le so lệch tác động hãm có dòng điện khởi động thay đổi khi dòng điện
trong các nhánh của mạch bảo vệ thay đổi. Bảo vệ so lệch có hãm làm việc theo
nguyên tắc dựa trên tổ hợp của hai loại dòng điện so lệch ILV và hãm IH (dòng làm
việc và dòng hãm). Rơ le làm việc khi ILV>IH.
Ta có công thức tổng quát như (1.4), (1.6):
IITITSLLV IIII (1.4)
).( IITIThH IIKI (1.5)
với Kh: là hệ số hãm; thường chọn Kh=0,5.
− Trong chế độ làm việc bình thường và ngắn mạch ngoài, dòng làm việc bé
hơn dòng hãm nên bảo vệ không tác động.
KCBIITITIITITSLLV IIIIIII (1.6)
ITIThIITIThH IIKIIKI 2.).( (1.7)
− Khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng làm việc lớn hơn dòng hãm, bảo
vệ sẽ tác động.
IITITIITITSLLV IIIIII (1.8)
)(5.0).().( IITITIITIThIITIThH IIxIIKIIKI (1.9)
8
1.3.4. Giới thiệu Rơle MiCOM P63x (P631, P632, P633, P634) [4]
1.3.4.1. Các chức năng của rơ le
− Rơle MiCOM P63x là loại rơle tác động nhanh và chọn lọc được dùng để
bảo vệ MBA hai hoặc nhiều cuộn dây, MBA tự ngẫu, động cơ, máy phát, khối máy
phát - MBA.
1.3.4.2. Mô tả mặt trước rơ le MiCOM P63x
1.3.4.3. Cấu trúc phần cứng rơ le
Cấu trúc phần cứng rơ le MiCOM P63x thể hiện như Hình 1-8, bao gồm các
Module sau:
− Module biến đổi (Transformer Module T): biến đổi các giá trị đo lường dòng
điện và điện áp đưa vào các bộ xử lý bên trong và cách ly với nguồn cung cấp bên
ngoài.
− Module xử lý (Processor Module P): chuyển đổi tín hiệu đo lường: từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số và thực hiện xử lý ở tín hiệu số.
− Module điều khiển tại chỗ (Local Control Module L): bao gồm toàn bộ các
thiết bị điều khiển và hiển thị các phần tử giống như giao diện máy tính.
− Module truyền dẫn (Bus Module B): làm nhiệm vụ dẫn điện kết nối giữa các
module. Có hai loại module kết nối được dùng là kết nối tương tự và kết nối số.
− Module truyền thông (Communication Module A): cung cấp một hoặc hai
chuỗi giao diện thông tin cho bộ tích hợp thiết bị bảo vệ vào bên trong hệ thống điều
khiển trung gian hoặc truy cập từ xa.
− Module vào ra nhị phân (Binary I/O Module X): được trang bị với các cặp tín
hiệu vào nhị phân cũng như xuất các tín hiệu hoặc các lệnh cho các rơle đầu ra.
− Module tín hiệu tương tự (Analog Module Y): Module tín hiệu tương tự được
nối với 01 đầu vào PT100, một đầu vào 20mA và 02 đầu ra 20mA.
− Module nguồn cung cấp (Power Supply Module V): Module nguồn cung cấp
bảo đảm cách điện của thiết bị cũng như đáp ứng nguồn điện cung cấp.
1.3.4.4. Chức năng bảo vệ so lệch MBA
a. Điều chỉnh biên độ
Điều chỉnh biên độ nhằm đưa dòng điện các phía đi vào rơle bằng nhau. Việc
này thực hiện bằng cách thêm hệ số cân bằng Kamp. Giá trị cân bằng phụ thuộc vào tỷ
số biến áp, tỷ số CT các phía đưa vào bảo vệ.
9
b. Điều chỉnh góc lệch pha
Điều chỉnh góc lệch pha nhằm đưa dòng điện 2 phía sơ cấp và thứ cấp MBA đi
vào rơle trùng pha nhau. Việc này được thực hiện bằng cách quay vecto dòng điện
thứ cấp theo vecto dòng điện sơ cấp, tùy theo tổ đấu dây MBA được bảo vệ.
c. Đặc tuyến và độ dốc của đường đặc tuyến
− Dòng so lệch Id được định nghĩa bằng tổng vecto dòng điện (đã được điều
chỉnh) phía sơ cấp và thứ cấp MBA. Dòng hãm được định nghĩa bằng một nửa tổng
đại số các dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp MBA.
+ MBA 2 cuộn dây như công thức (1.10), (1.11) .
IbIaIdiff (1.10)
)(5.0 IbIaIR (1.11)
Trong đó : a,b,c là dòng các phía của MBA.
+ MBA 3 cuộn dây như công thức (1.12), (1.13).
IcIbIaIdiff (1.12)
)(5.0 IcIbIaIR (1.13)
d. Ổn định thành phần sóng hài bậc cao
Khi đóng MBA không tải, dòng xung kích có thể vượt quá dòng định mức của
MBA, bảo vệ so lệch MBA có thể tác động nhầm. Thực tế dòng xung kích lúc này có
chứa thành phần sóng hài bậc 2 có biên độ lớn. Nếu tỷ số I(2*f0) / I(f0) vượt quá giá
trị chỉnh định, lệnh trip từ bảo vệ sẽ bị khoá.
e. Hãm quá kích thích
f. Thông số cài đặt của rơ le MiCOM P633 cho MBA AT3 Đại Ninh theo Phụ
lục 2.
1.4. TÓM TẮT CHƯƠNG 1
Chương 1 giới thiệu tổng quan về vị trí địa lý, các thông số chính của NMTĐ
Đại Ninh từ tuyến năng lượng cho đến nhà máy. Đồng thời chương 1 cũng giới thiệu
tổng quan về hệ thống bảo vệ rơ le nhà máy thủy điện Đại Ninh. Bên cạnh đó chương
1 cũng giới thiệu tổng quan về bảo vệ so lệch MBA cũng như các chức năng bảo vệ
chính của rơ le MiCOM P63x của AREVA, cụ thể cho rơ le MiCOM P633 nhà máy
đang sử dụng. Mục đích giúp cho chúng ta có cái nhìn tổng quan nhất về hệ thống
bảo vệ rơ le nói chung và bảo vệ so lệch MBA NMTĐ Đại Ninh nói riêng. Từ đó
giúp người đọc dễ tiếp cận vấn đề các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch máy
MBA, cụ thể là sóng hài mà tác giả sẽ trình bày trong chương 2.
10
CHƯƠNG 2
SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI
TRONG BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP
2.1. TỔNG QUAN SÓNG HÀI
2.1.1. Định nghĩa sóng hài
Sóng hài trong hệ thống điện được định nghĩa là các dạng điện áp và dòng điện
thuần sin nhưng lại có tần số bằng bội của một số nguyên lần tần số cơ sở (tại Việt
Nam, tần số cơ sở là 50 Hz) [5].
2.1.2. Khái quát về các nguồn hài sinh ra trong hệ thống điện
− Các thiết bị điện tử bán dẫn, các ứng dụng dùng các bộ biến đổi điện tử công
suất của các thiết bị trong mạng điện, các bộ điều khiển tốc độ, đèn huỳnh quang,
máy vi tính và các thiết bị điện tử khác.
− Máy biến áp lực: do tính phi tuyến mạch từ của MBA.
2.1.3. Tác hại của sóng hài
− Gây biến dạng sóng điện áp, gây ra các hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn
hạn hoặc hiện tượng chớp nháy điện áp, làm tăng phát nóng thiết bị, làm giảm tuổi
thọ thiết bị,...
− Đối với MBA khi đóng xung kích: có thể làm rơ le bảo vệ so lệch MBA tác
động nhầm.
2.2. NGUỒN SINH RA SÓNG HÀI TRONG MBA
2.2.1. Dòng từ hóa của MBA [6]
2.2.2. Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích MBA [5]
2.2.3. MBA bị quá kích thích [5]
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ THÀNH PHẦN SÓNG HÀI TRONG
BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP
2.3.1. Phương pháp hãm thành phần sóng hài [7]
‒ Nguyên lý của phương pháp hãm thành phần sóng hài là thành phần sóng hài
đo được được cộng thêm vào đặc tuyến bảo vệ so lệch hãm cùng với dòng hãm của
bảo vệ (Hình 2-7). Kết quả là đường đặc tuyến bảo vệ so lệch hãm được đẩy lên cao
hơn (Hình 2-8).
11
Hình 2- 7: Sơ đồ logic của rơle so lệch
hãm với nguyên lý hãm thành phần sóng
hài
Hình 2- 8: Đặc tuyến làm việc
‒ Ưu điểm của phương pháp là bảo vệ làm việc tin cậy. Tuy nhiên phương pháp
có nhược điểm là bảo vệ phản ứng chậm hơn vì đặc tuyến được nâng lên cao hơn.
2.3.2. Phương pháp khóa thành phần sóng hài [7]
‒ Nguyên lý của phương pháp khóa thành phần sóng hài là thành phần hài bậc
cao cần khóa xth sẽ được so sánh với thành phần cơ bản của dòng điện so lệch IOP.
Nếu tỷ lệ của chúng lớn hơn ngưỡng cài đặt thì bảo vệ so lệch sẽ bị khóa (Hình 2-9).
‒ Ưu nhược điểm của phương pháp: phương pháp thực hiện đơn giản và bảo vệ
phản ứng nhanh với sự cố MBA. Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm bảo vệ làm
việc không tin cậy bằng phương pháp hãm thành phần sóng hài.
2.4. TÓM TẮT CHƯƠNG 2
Trong chương này, các định nghĩa sóng hài, nguồn gốc phát sinh cũng như tác
hại của sóng hài đã được giới thiệu. Tác giả cũng đề cập đến các nguồn sinh ra sóng
hài trong MBA cũng và ảnh hưởng của nó như thế nào đến bảo vệ so lệch. Đồng thời
tìm hiểu nguyên lý làm việc của các phương pháp hạn chế thành phần sóng hài. Ưu
nhược điểm của từng phương pháp và đề tài lựa chọn ứng dụng phương pháp khóa
sóng hài tại nhà máy thủy điện Đại Ninh. Chương tiếp theo tác giả sẽ xây dựng mô
hình mô phỏng ảnh hưởng của sóng hài đến bảo vệ so lệch MBA bằng Matlab-
Simulink.
12
CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG SÓNG HÀI ĐẾN
BVSL MBA BẰNG MATLAB SIMULINK
3.1. TỔNG QUAN VỀ MATLAB-SIMULINK
3.1.1. Matlab [8]
3.1.2. Simulink [8]
3.2. MÔ HÌNH HÓA BẢO VỆ SO LỆCH MBA (87T) BẰNG
MATLAB/SIMULINK
3.2.1. Giới thiệu về sơ đồ bảo vệ MBA AT3 tại NMTĐ Đại Ninh
‒ Mô hình mô phỏng TBA NMTĐ Đại Ninh được xét với MBA AT3 và bảo
vệ so lệch 87T cho MBA AT3 như Error! Reference source not found..Trong đó phía
220kV và phía 110kV có nguồn và 22kV là các phụ tải. Tuy nhiên, đề tài chỉ xét
trường hợp phía 220kV là có nguồn, còn phía 110kV và 22kV là các phụ tải.
Hình 3- 1: Sơ đồ bảo vệ so lệch MBA AT3
3.2.2. Mô hình hóa 87T tại nhà máy thủy điện Đại Ninh bằng Simulink
3.2.2.1. Mô hình các khối chính
3.2.2.2. Mô hình nguyên lý làm việc của 87T từ Simulink
Từ mô hình các khối chính như ở mục 3.2.2.1, ta xây dựng khối nguyên lý làm
việc của 87T. Quá trình đo lường, tính toán và xử lý để đưa ra lệnh cắt MC theo sơ đồ
khối ở Hình 3-10.
‒ Khối đo lường (Measure Relay): làm chức năng đo lường dòng điện ở các
phía MBA.
13
‒ Khối tính toán dòng so lệch và dòng hãm (Calculation I_diff và I_bias): có
chức năng tính toán dòng so lệch và dòng hãm theo các công thức đã lập trình sẵn
cho bảo vệ tùy theo từng loại rơ le.
‒ Khối xử lý logic (Relay_Decision): có chức năng tính toán logic của bảo vệ
so lệch và là khối quyết định sự làm việc đúng đắn của rơ le. Khối này sẽ đưa ra lệnh
Trip các MC liên quan.
‒ Khối tính toán sóng hài: có chức năng phân tích các dạng sóng hài bậc cơ
bản, bậc 2 và tính toán tỷ lệ giữa I(f2)/I(f1). Nếu tỷ lệ này lớn hơn ngưỡng cài đặt thì
xuất lệnh khóa bảo vệ so lệch.
‒ Lệnh Trip MC: tùy theo logic của "khối xử lý logic" mà bảo vệ quyết định
lệnh "Trip máy cắt".
3.3. TÓM TẮT CHƯƠNG 3
Trong chương 3 tác giả đã xây dựng các khối chức năng của bảo vệ so lệch
MBA bằng phần mềm Matlab/Simulink. Các khối xây dựng dựa trên nguyên lý làm
việc của bảo bảo so lệch bao gồm các khối đo lường, khối tính toán dòng so lệch và
dòng hãm, khối tính toán sóng hài và khối xử lý logic. Chương tiếp theo tác giả sẽ mô
phỏng chức năng bảo vệ so lệch rơ le MiCOM P633 bảo vệ MBA AT3 NMTĐ Đại
Ninh xét đến ảnh hưởng của sóng hài bằng Simulink đã thiết lập từ chương 3. Các
trường hợp mô phỏng gồm: trạng thái làm việc bình thường, đóng xung kích, ngắn
mạch ngoài vùng, ngắn mạch trong vùng khi MBA có tải và không tải.
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG RƠLE MiCOM P633 BẢO VỆ MBA AT3 NMTĐ
ĐẠI NINH
4.1. CÁC THÔNG SỐ CÀI ĐẶT
Bảng 4.1: Thông số cài đặt chức năng 87T rơ le MiCOM P633 MBA AT3
NMTĐ Đại Ninh
Thông số Giá trị cài đặt Ghi chú
Công suất MBA 63MVA
Điện áp phía 220kV (end a) 220kV
Điện áp phía 110kV (end b) 110kV
Điện áp phía 22kV (end c) 22kV
Tỷ số CT phía 220kV (end a) 200/1A
Tỷ số CT phía 110kV (end b) 400/1A
14
Thông số Giá trị cài đặt Ghi chú
Tỷ số CT phía 22kV (end c) 200/5A
Tổ đấu dây (end a-end b) 0
Tổ đấu dây (end a-end c) 11
DIFF: Id> 0.2 Theo nhà sản xuất
DIFF: Id>> 5.0
DIFF: Id>>> 10.0
DIFF: m1 slope 0.3 Theo nhà sản xuất
DIFF: m2 slope 0.7 Theo nhà sản xuất
DIFF: IR, m2 (second knee-point) 4.0 Theo nhà sản xuất
DIFF: Op. Mode harm. Bl. ON Second harmonic
DIFF: Rush I(2f1)/I(f1) 20%
Kamp, a 1.21 Tính toán
Kamp, b 1.21 Tính toán
Kamp, c 0.121 Tính toán
4.2. PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA RƠ LE
Sau khi xây dựng các mô hình cần thiết của bảo vệ so lệch bằng
Matlab/Simulink, trong mục này sẽ phân tích các trường hợp làm việc của bảo vệ 87T
rơle MiCOM P633 cho MBA AT3 NMTĐ Đại Ninh. Các trường hợp làm việc được
đề đến gồm:
‒ Trường hợp làm việc bình thường.
‒ Trường hợp ngắn mạch ngoài vùng.
‒ Trường hợp đóng xung kích.
‒ Trường hợp ngắn mạch trong vùng khi MBA mang tải.
‒ Trường hợp ngắn mạch trong vùng khi MBA không tải.
4.2.1. Trường hợp làm việc bình thường
‒ Phương thức vận hành:
Ở trạng thái bình thường, các MC CB1, CB2, CB3 ở trạng thái đóng. MBA
truyền tải công suất đến các phụ tải phía 110kV và 22kV. Mô hình được thể hiện trên
Hình 4.1.
15
Hình 4.1: Mô hình mô phỏng ở trạng thái làm việc bình thường
‒ Nhận xét kết quả:
Trường hợp làm việc bình thường: dòng nhất thứ là dòng của phụ tải đối xứng ở
tất cả các pha như nhau; vì vậy dòng nhị thứ đi vào rơle từ các phía của MBA là bằng
nhau về biên độ (đã hiệu chỉnh) và góc pha (đã hiệu chỉnh). Do đó dòng so lệch vào
rơ le bằng 0. Về sóng hài, trường hợp này phân tích cho thấy sóng hài bậc 2 tồn tại rất
nhỏ (gần bằng 0) và dưới ngưỡng phát hiện của rơ le. Logic "Harmonic Trip" ở mức
1 (No Block 87T) và logic "Diff Trip" ở mức 0 (No Trip 87T). Logic "Trip Signal" ở
mức 0. Kết quả là bảo vệ so lệch không tác động (No Trip).
Hình 4.2: Dạng sóng dòng điện các phía MBA Hình 4.5: Đặc tuyến làm việc
16
Hình 4.3: Phân tích sóng hài Hình 4.4: Logic trip bảo vệ so lệch và
khóa sóng hài bậc 2
4.2.2. Đóng xung kích phía 220kV
‒ Phương thức vận hành:
Ở trạng thái đóng xung kích, sơ đồ phương thức như sau: các MC CB1,
CB2, CB3 ở trạng thái mở. MBA ban đầu ở trạng thái không mang điện. Tại thời
điểm 0.05s đóng xung kích MBA bằng CB1. Mô hình được thể hiện trên Hình 4.3.
Hình 4.3: Mô hình mô phỏng ở trạng thái đóng xung kích
‒ Nhận xét kết quả:
Đối với quá trình đóng xung kích MBA: Bắt đầu từ thời điểm đóng xung
kích MBA, ta thấy dạng sóng dòng điện các pha của các cuộn dây phía 220kV (phía
đóng xung kích) có độ méo rất cao. Độ lớn biên độ và độ méo này giảm dần theo
từng chu kì và tắt dần. Dạng sóng sin có dạng răng cưa là điển hình cho trường hợp
đóng xung kích MBA với các thành phần sóng hài và thành phần không chu kỳ. Về
sóng hài, ta thấy sóng hài bậc 2 xuất hiện từ thời điểm đóng xung kích và có độ lớn f2
> 0.2f1. Thành phần hài bậc 2 tồn tại rất lâu sau thời điểm đóng xung kích MBA. Khi
kết thúc quá trình mô phỏng, tỷ lệ hài bậc 2 vẫn vượt ngưỡng cho phép và tín hiệu
17
khóa hài bậc 2 vẫn ở mức 0 (Block 87T). Logic "Harmonic Trip" ở mức 0 (Block
87T) và logic "Diff Trip" ở mức 1 hoặc 0 (Trip 87T hoặc No Trip 87T). Logic "Trip
Signal" ở mức 0. Kết quả là bảo vệ không tác động (No Trip).
Hình 4.4: Dạng sóng dòng điện các phía
MBA
Hình 4.11: Đặc tuyến làm việc
Hình 4.5: Phân tích sóng hài Hình 4.6: Logic Diff Trip và logic
Harmonic Trip
4.2.3. Sự cố ngoài vùng bảo vệ: ngắn mạch 3 pha phía 110kV
− Sơ đồ phương thức: các MC CB1, CB2, CB3 ở trạng thái đóng. MBA
truyền tải công suất đến các phụ tải phía 110kV và 22kV. Tại thời điểm 0.1sec, xảy ra
ngắn mạch ngoài 3 pha phía 110kV. Mô hình được thể hiện trên Hình 4.7.
18
Hình 4.7: Mô hình mô phỏng ngắn mạch ngoài 3 pha phía 110kV
− Nhận xét kết quả:
Hình 4.13: Dạng sóng dòng điện các phía
MBA
Hình 4.86: Đặc tuyến làm việc
19
Hình 4.9: Phân tích sóng hài Hình 4.10: Logic Diff Trip và logic
Harmonic Trip
Đối với trường hợp ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ: sự cố ngắn mạch ngoài
vùng bảo vệ đối với các dạng sự cố đều cho thấy điểm sự cố rơi vào vùng hãm của
đặc tuyến so lệch. Về sóng hài, phân tích cho thấy sóng hài bậc 2 chỉ xuất hiện tại
thời điểm quá độ (ngắn mạch hoặc đóng máy cắt) và có độ lớn f2 < 0.2f1. Logic
"Harmonic Trip" ở mức 1 (No Block 87T) và logic "Diff Trip" ở mức 0 (No Trip
87T). Logic "Trip Signal" ở mức 0. Kết quả là bảo vệ so lệch không tác động (No
Trip).
4.2.4. Sự cố trong vùng bảo vệ khi MBA có tải: ngắn mạch 3 pha phía 220kV
− Sơ đồ phương thức: các MC CB1, CB2, CB3 ở trạng thái đóng. MBA
truyền tải công suất đến các phụ tải phía 110kV và 22kV. Tại thời điểm 0.1 sec xảy ra
ngắn mạch 3 pha phía 220kV. Mô hình được thể hiện trên Hình 4-17.
Hình 4.17: Mô hình mô phỏng ở trạng thái ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía
220kV
20
− Nhận xét kết quả:
Đối với trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ khi MBA có tải: sự cố
ngắn mạch trong vùng bảo vệ đối với các dạng sự cố cho thấy điểm sự cố đi rất nhanh
vào vùng làm việc (Operated) của đặc tuyến so lệch. Về sóng hài, phân tích cho thấy
sóng hài bậc 2 xuất hiện tại thời điểm ngắn mạch và có độ lớn f2 < 0.2f1. Logic
"Harmonic Trip" ở mức 1 (No Block 87T) và logic "Diff Trip" ở mức 1 (Trip 87T).
Logic "Trip Signal" ở mức 1. Kết quả là bảo vệ so lệch tác động (Trip).
Hình 4.18: Dạng sóng dòng điện các phía MBA Hình 4.21: Đặc tuyến làm việc
Hình 4.11: Phân tích sóng hài Hình 4.12: Logic Diff Trip và logic
Harmonic Trip
4.2.5. Sự cố trong vùng bảo vệ khi MBA không tải: ngắn mạch 3 pha phía 22kV
− Phương thức vận hành:
Ở trạng thái này, sơ đồ phương thức như sau: các MC CB1, CB2, CB3 ở trạng
thái mở. MBA ban đầu ở trạng thái không mang điện. Tại thời điểm 0.1sec đóng MC
21
CB1 (đóng xung kích MBA). Tại thời điểm 0.2 sec xuất hiện ngắn mạch 3 pha phía
22kV. Mô hình được thể hiện trên Error! Reference source not found..
Hình 4.22: Mô hình mô phỏng ở trạng thái ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía
22kV
− Nhận xét kết quả:
Đối với trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ khi MBA không tải (đóng
xung kích MBA và xảy ra ngắn mạch sau đó): sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ
đối với các dạng sự cố cho thấy điểm sự cố đi rất nhanh vào vùng làm việc
(Operated) của đặc tuyến so lệch và bảo vệ tác động. Về sóng hài, phân tích cho thấy
sóng hài bậc 2 xuất hiện trong thời gian đóng xung kích và có độ lớn f2 > 0.2f1; tại
thời gian xuất hiện ngắn mạch thì sóng hài bậc 2 giảm về 0 và có độ lớn f2 < 0.2f1.
Trường hợp này cho thấy thời gian cắt ngắn mạch chậm hơn do quá trình quá độ
(giữa đóng xung kích và ngắn mạch) tồn tại sóng hài bậc 2 có độ lớn f2 > 0.2f1. Logic
"Harmonic Trip" ở mức 1 (No Block 87T) và logic "Diff Trip" ở mức 1 (Trip 87T).
Logic "Trip Signal" ở mức 1. Kết quả là bảo vệ so lệch tác động (Trip) và khi máy
cắt đã cắt thì bộ hãm sóng hài đã bị khóa lại.
22
Hình 4.133: Dạng sóng dòng điện các phía
MBA
Hình 4.2614: Đặc tuyến làm việc
Hình 4.15: Phân tích sóng hài Hình 4.16: Logic Diff Trip và logic
Harmonic Trip
4.3. TÓM TẮT CHƯƠNG 4
Kết quả mô phỏng được tổng hợp trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2: Tổng hợp kết quả mô phỏng
Trường hợp
Logic
Harmonic
Trip
(Block 87T)
Logic
Diff Trip
(Trip 87T)
Trip
Signal
87T
Kết quả
87T
Làm việc bình thường 1 0 0 No Trip
Đóng xung kích 0 1 0 No Trip
Ngắn mạch ngoài 1 0 0 No Trip
23
Trường hợp
Logic
Harmonic
Trip
(Block 87T)
Logic
Diff Trip
(Trip 87T)
Trip
Signal
87T
Kết quả
87T
Ngắn mạch trong khi MBA có
tải 1 1 1 Trip
Ngắn mạch trong khi MBA
không tải 1 1 1 Trip
Theo các khối chức năng của bảo vệ so lệch MBA đã được xây dựng từ
Matlab/simulink trong chương 3, chương này đã mô phỏng thành công sự làm việc
của chức năng bảo vệ so lệch MBA trong các trường hợp khác nhau từ: làm việc bình
thường, ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, ngắn mạch trong vùng bảo vệ khi MBA mang
tải và không tải, và đóng xung kích MBA. Tương ứng với các kết quả trong từng
trường hợp trên, ảnh hưởng của sóng hài đến sự làm việc của 87T đã được khảo sát
và minh họa rõ ràng.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn "Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của sóng hài đến bảo vệ so lệch
MBA NMTĐ Đại Ninh" dựa theo nguyên lý làm việc của bảo vệ so lệch có hãm có
bộ khóa sóng hài, đề tài đã tiến hành đo lường và cân bằng dòng điện các phía trước
khi đưa vào rơ le, từ đó tính ra dòng so lệch và dòng hãm, cũng như tính toán sóng
hài. Sau đó dựa vào đặc tuyến so lệch có hãm của rơ le và logic khóa sóng hài để đưa
ra các quyết định làm việc (Trip hay No Trip MC) với các trường hợp tương ứng trên
thực tế làm việc của rơle. Ngoài ra, luận văn đã giới thiệu một cách tổng thể về rơ le
MiCOM P633(AREVA) và xây dựng mô hình mô phỏng rơ le số bằng Matlab/
Simulink nhằm phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của sóng hài đến sự làm việc của
bảo vệ so lệch MBA dựa trên cài đặt của rơ le MiCOM P633 NMTĐ Đại Ninh.
Các trường hợp mô phỏng đưa ra trong luận văn bao gồm: trạng thái làm việc
bình thường, sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ khi MBA mang tải và không tải,
ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ và đóng xung kích MBA.
Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá tác giả đưa ra các kết luận và kiến nghị
như sau:
24
− Kết quả mô phỏng cho thấy bảo vệ làm việc hoàn toàn đúng với lý thuyết
bảo vệ so lệch MBA. Có thể thấy được rằng mô hình rơ le bảo vệ 87T cho kết quả mô
phỏng so sánh với logic làm việc thực tế của rơle là hoàn toàn giống nhau.
+ Đối với quá trình đóng xung kích MBA, điểm làm việc của rơ le đi vào vùng
tác động. Tuy nhiên dòng điện các pha chủ yếu bao gồm các thành phần không chu
kỳ và sóng hài bậc 2 nên logic hãm hài bậc 2 được kích hoạt để khóa bảo vệ.
+ Đối với trường hợp ngắn mạch ngoài vùng, các mô phỏng cho thấy điểm làm
việc của rơ le đều nằm trong vùng hãm. Do đó rơ le làm việc tin cậy.
+ Đối với trường hợp ngắn mạch trong vùng, các mô phỏng cho thấy điểm làm
việc của rơ le đều nằm trong vùng tác động. Do đó rơ le làm việc tin cậy.
− Tuy nhiên luận văn còn hạn chế ở chỗ chưa xét đến một số yếu tố thực tế
làm ảnh hưởng đến sai số của bảo vệ so lệch MBA như sai số của máy biến dòng, sự
thay đổi nấc phân áp của MBA, ảnh hưởng của dòng thứ tự không,…
Qua quá trình xây dựng chương trình tính toán, mô phỏng và phân tích kết quả
cho ta những kiến nghị như sau:
− Rơ le MiCOM P63x của Areva đã được sử dụng nhiều cho hệ thống bảo vệ
nhà máy, trạm biến áp NMTĐ Đại Ninh. Tuy nhiên việc tiếp cận nghiên cứu chuyên
sâu về cấu tạo, nguyên lý làm việc, cài đặt, thử nghiệm tại nhà máy còn hạn chế. Do
đó trong luận văn tác giả chỉ thực hiện mô phỏng chức năng bảo vệ so lệch MBA.
Đây là cơ sở sau này tác giả sẽ mô phỏng các chức năng khác nữa để cung cấp thêm
những cơ sở khoa học cho việc sử dụng rơ le phục vụ vận hành nhà máy được hiệu
quả hơn.
− Với hướng phát triển này, ta có thể xây dựng, mô phỏng đặc tính làm việc
cho nhiều hãng rơ le khác nhau và không giới hạn trong phạm vi bảo vệ so lệch MBA
mà có thể mở rộng cho các đối tượng khác như máy phát, đường dây truyền tải.
− Đây cũng là cơ sở nghiên cứu để đưa vào công tác đào tạo nâng bậc, giữ bậc
sát hạch nghề hàng năm của đơn vị nhằm giúp cho người học dễ tiếp cận với lý
thuyết hơn.
