TỔNG QUAN VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM PHÁT ĐIỆN
Trạm phát điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện dự phòng cho các công ty, xí nghiệp, công trình, nhà xưởng, văn phòng, cao ốc, bệnh viện, mạng lưới viễn thông, khu công nghiệp và khu chế xuất.
Công suất của trạm phát điện phụ thuộc vào yêu cầu tải, có thể từ vài chục KW đến vài trăm MW Máy phát điện thường sử dụng loại xoay chiều đồng bộ ba pha với bộ tự động điều chỉnh điện áp Các loại động cơ lai máy phát điện bao gồm động cơ diesel, động cơ hơi nước và động cơ chạy gas, trong đó động cơ diesel được ưa chuộng nhất nhờ vào tính dễ vận hành, sửa chữa và khả năng tích hợp hệ thống tự động điều khiển.
Trạm phát điện thường sử dụng một hoặc nhiều tổ hợp diesel - máy phát điện, cho phép hoạt động song song khi có từ hai tổ hợp trở lên Các tổ hợp này có thể được điều khiển bằng tay hoặc tự động thông qua bộ tự động chuyển nguồn (ATS) Khi lưới điện chính mất điện, trạm phát điện dự phòng tự động kích hoạt và cung cấp điện cho tải Khi lưới điện trở lại, tải sẽ được chuyển về nguồn chính, trạm phát điện dừng hoạt động và chuyển sang chế độ sẵn sàng Để duy trì tần số ổn định cho máy phát, các động cơ diesel được trang bị bộ tự động ổn định tốc độ.
1.1.1 Động cơ Diesel trong trạm phát điện
1.1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diesel Động cơ sơ cấp dùng diesel hiện nay đã trở nên thông dụng do các ƣu điểm nổi bật của nó Một yêu cầu rất quan trọng mang tính chất bắt buộc là
Động cơ diesel cần hoạt động cùng với bộ điều tốc, đảm bảo rằng các tổ hợp D-G trong trạm phát điện làm việc song song Đây là loại động cơ đốt trong kiểu piston, trong đó quá trình cấp nhiên liệu, hòa trộn hỗn hợp và cháy diễn ra chủ yếu trong buồng cháy Hiện nay, các động cơ diesel đều được trang bị tăng áp, cho phép không khí được nạp cưỡng bức vào xilanh Việc áp dụng tăng áp giúp tận dụng năng lượng từ khí xả, tạo ra lực nén cho máy nén, từ đó cải thiện hiệu quả biến nhiệt năng thành công có ích.
Hình 1.1: Nguyên lý cấu tạo động cơ diesel
Động cơ diesel dùng cho tàu thủy có cấu tạo phức tạp, bao gồm các chi tiết cố định như bệ động cơ, khung thân, xilanh và nắp xilanh, cùng với các chi tiết chuyển động như piston, xecmăng, cán piston, đầu chữ thập, biên, trục khuỷu, bánh đà và các chi tiết của cơ cấu phối khí Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ diesel được trình bày trong hình 1.1, trong đó các thành phần chính như máy nén (MN), tuabin (TB), guốc trượt (GT), xilanh (XL), piston (P), ống xả (K) và bầu làm mát (BLM) được thể hiện rõ ràng.
Để hoạt động hiệu quả, động cơ cần có một loạt các hệ thống hỗ trợ như: hệ thống nhiên liệu đảm bảo chuẩn bị và cấp nhiên liệu vào xilanh đúng thời điểm và lượng cần thiết; hệ thống dầu bôi trơn cung cấp dầu cho các chi tiết chuyển động, giúp làm mát chúng; hệ thống làm mát giúp hạ nhiệt độ cho các chi tiết có nhiệt độ cao trong quá trình làm việc; hệ thống khí nén dùng để khởi động và hãm động cơ; và hệ thống nạp thải đảm bảo cung cấp không khí vào xilanh và xả sản phẩm cháy ra ngoài Hệ thống đảo chiều không áp dụng cho động cơ diesel trong trạm phát điện.
Chu trình làm việc của động cơ diesel bắt đầu bằng việc không khí được nén từ áp suất và nhiệt độ ban đầu (p0, T0) đến áp suất và nhiệt độ cao hơn (PK, TK) bởi máy nén Không khí sau đó được làm mát tại bầu làm mát BLM, trước khi được nạp vào động cơ với áp suất (PS) và nhiệt độ (TS) đã được điều chỉnh Cuối chu kỳ nén, áp suất, thể tích và nhiệt độ đạt đến mức tối đa (Pmax, Vmin, Tmax), đánh dấu giai đoạn sinh công Sau khi sinh công, khí xả được thoát qua tuabin (TB) với áp suất, thể tích và nhiệt độ thấp hơn (Pmin, Vmax, Tmin) Trong quá trình này, hóa năng của nhiên liệu chuyển hóa thành nhiệt năng và sau đó thành công cơ học trong xilanh Khi nhiên liệu cháy, áp suất và nhiệt độ cao làm giãn nở và tạo áp lực lên piston, khiến piston di chuyển trong xilanh Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển đổi thành chuyển động quay của trục khuỷu thông qua cơ cấu biên khuỷu Chu trình công tác của động cơ đốt trong kiểu piston diễn ra liên tục trong một hoặc hai vòng quay của trục khuỷu, với động cơ hai kỳ thực hiện chu trình sau một vòng quay và động cơ bốn kỳ hoàn thành trong hai vòng quay với bốn hành trình piston.
Trong lĩnh vực cơ khí, có 5 hành trình sinh công chính Những hành trình không tạo ra sinh công được gọi là hành trình phụ, và chúng được thực hiện nhờ động năng từ phần chuyển động quay của động cơ hoặc là từ hành trình sinh công của các xilanh khác.
1.1.1.2 Công suất và các vấn đề ổn định điểm làm việc
Công suất của động cơ có nhiều xilanh đƣợc xác định bằng tổng công suất chỉ thị của các xilanh riêng biệt:
N i = Σ N i.XL (1.1) Trong đó N i.XL là công suất chỉ thị của một xilanh, công suất này đƣợc tính:
Ni.XL = k.Pi.n (với k = Vs.z/60) (1.2)
V s – thể tích công tác của xilanh; z – hệ số chu kỳ; n – vòng quay của động cơ (v/ph); P i – áp suất chỉ thị trung bình
Công suất chỉ thị của động cơ diesel nhiều xilanh có thể được xác định từ (1.1), trong đó giá trị pi được chọn giống nhau cho tất cả các xilanh dựa trên kết quả tính toán các quá trình công tác.
Công thức (1.3) cho phép đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khai thác và kết cấu đến công suất chỉ thị của động cơ Khi khai thác, công suất chỉ thị tăng lên nhờ vào việc tăng áp suất chỉ thị trung bình và vòng quay động cơ Tuy nhiên, trong quá trình khai thác, trạng thái kỹ thuật và chất lượng hệ thống nhiên liệu cùng với hệ thống trao đổi khí giữa các xilanh khác nhau dẫn đến sự chênh lệch công suất giữa các xilanh Sự khác biệt này làm cho lực tác dụng từ piston qua cán piston và biên lên trục khuỷu cũng khác nhau, gây ra sự biến đổi gia tốc của trục khuỷu tại mỗi thời điểm sinh công của từng xilanh.
Bánh đà đóng vai trò quan trọng trong việc giảm dao động cơ học trên trục khuỷu, nhưng nếu lực tác dụng không nằm trong giới hạn cho phép, sẽ gây ra sự không ổn định cho trục quay, ảnh hưởng đến quá trình làm việc song song của các tổ hợp D-G trong trạm Điểm công tác sẽ không hoàn toàn nằm trên đặc tính tĩnh mà sẽ dao động xung quanh đó, với đặc tính tĩnh là đường trung bình của các dao động.
1.1.1.3 Ổn định tốc độ cho động cơ diesel trong trạm phát điện Để giữ cho diesel làm việc có tốc độ ổn định trong trạm phát điện, diesel luôn cần phải có một bộ điều tốc thích hợp Bộ điều tốc nếu nhìn từ quan điểm điều khiển là một hệ thống tự động điều chỉnh
Hình 1.2: Diesel làm việc với bộ điều chỉnh tốc độ
Các bộ tự động điều chỉnh tốc độ hiện nay bao gồm cả bộ điều tốc cơ khí và điện tử, được xây dựng theo nguyên lý độ lệch Để nghiên cứu bộ điều tốc cho động cơ diesel, đặc biệt là các bộ điều tốc cơ học kinh điển, cần giải quyết các bài toán phi tuyến như bão hòa, vùng không nhạy và hệ số khuếch đại thay đổi Phương pháp thường được sử dụng trong nghiên cứu này là tuyến tính hóa các đặc tính phi tuyến để đơn giản hóa quá trình phân tích.
Bài viết này trình bày 7 phương pháp giải bài toán tuyến tính một cách đơn giản hơn, đồng thời nghiên cứu và phân loại các mô hình bộ điều tốc theo các loại điều tốc khác nhau.
Bộ điều tốc tác động trực tiếp
Phương trình toán học của bộ điều tốc tác động trực tiếp như sau:
CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC LOẠI TRẠM PHÁT ĐIỆN
Trạm phát nhìn về cấu trúc bao gồm:
- Bảng phân phối điện chính MSB (Main Switch Board)
- Các cụm động cơ sơ cấp – máy phát điện Động cơ sơ cấp thường dùng diesel: cụm Diesel – Generator (D-G)
Bảng điện là trung tâm tập hợp năng lượng từ các máy phát điện, đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối năng lượng đến các phụ tải Trên bảng điện, có các thiết bị chính như: đo lường, kiểm tra, khí cụ phân phối và bảo vệ, cùng với thiết bị điều chỉnh.
Bảng điện chính hiện nay đã có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ, nhờ vào việc ứng dụng các thành tựu mới nhất của khoa học Cấu trúc của bảng điện trở nên gọn gàng hơn, tích hợp nhiều thiết bị kỹ thuật cao, cho phép điều khiển, điều chỉnh, thu thập, xử lý và trao đổi thông tin một cách hiệu quả.
Các cụm D-G chuyển đổi cơ năng thành năng lượng điện, làm cho các quá trình trong hệ thống trở nên động và phức tạp hơn Các quá trình điện - cơ vốn đã phức tạp, trong khi các quá trình điện - từ lại khó đo đạc định lượng và không thể quan sát bằng các thiết bị đơn giản.
1.2.1 Trạm phát điện trên tàu thủy
Trạm phát điện hiện đại thường được thiết kế với nhiều tổ hợp D-G tùy theo nhu cầu và khả năng tiêu thụ công suất của phụ tải Công suất trạm phát thường tỷ lệ thuận với trọng tải của tàu, ngoại trừ những trường hợp đặc biệt Số lượng máy phát trong trạm được lựa chọn dựa trên tiêu chí tiện ích và gọn nhẹ, nhằm giảm thiểu số tổ hợp D-G cần thiết trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Việc sử dụng ít tổ hợp D-G không chỉ nâng cao độ tin cậy mà còn giảm thiểu yêu cầu bảo trì và tổn hao trong quá trình khai thác, đồng thời không chiếm không gian chở hàng Khi thiết kế cấu trúc trạm phát, các kỹ sư có nhiều phương án lựa chọn khác nhau.
- Trạm phát có tất cả tổ hợp D-G giống hệt nhau: Cùng chủng loại (series), cùng công suất với số lƣợng là hai, ba hoặc bốn tổ hợp…
- Trạm phát có các tổ hợp D-G chính giống hệt nhau nhƣng máy phát sự cố thì khác công suất
- Trạm phát có các tổ hợp D-G khác hẳn nhau
- Trạm phát có các tổ hợp D-G giống nhau nhƣng lại có thêm một máy phát đồng trục
Khi sử dụng máy phát đồng trục trong trạm phát, việc ổn định tần số cho máy phát từ máy chính (Main Engine) là rất quan trọng bên cạnh ổn định điện áp Thông thường, máy phát đồng trục chỉ được đưa vào hoạt động khi tàu đã ra khơi, nhằm đảm bảo tần số không thay đổi Tuy nhiên, trong thực tế, máy chính không luôn đáp ứng được tần số định mức do nhiều nguyên nhân khác nhau Do đó, máy phát đồng trục thường được trang bị thêm bộ biến đổi tần số để đảm bảo chất lượng lưới điện Hiện nay, các bộ biến tần Converter – Inverter bán dẫn có khả năng cung cấp công suất lớn, mở ra cơ hội khai thác tối đa ứng dụng của máy phát đồng trục trong ngành hàng hải Máy phát đồng trục mang lại nhiều ưu điểm nổi bật cho nguồn điện trong trạm phát điện tàu thủy.
Nâng cao hiệu suất sử dụng máy chính so với máy phụ bằng cách giảm tiêu hao nhiên liệu và dầu bôi trơn.
+ Giá thành sử dụng nhiên liệu cho máy chính rẻ hơn máy phụ vì máy chính thường sử dụng nhiên liệu dầu nặng
+ Giảm thời gian hoạt động cho máy phụ, giảm đƣợc phí khai thác, sửa chữa, kéo dài tuổi thọ cho máy phụ
+ Giảm được cường độ phục vụ của sĩ quan, thợ máy trong vận hành, khai thác, giảm ô nhiễm tiếng ồn, giảm thiểu ô nhiễm chất thải…
Trạm phát đồng trục có một số nhƣợc điểm sau:
+ Phức tạp thêm hệ thống năng lƣợng điện
Cần khắc phục một số vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là đảm bảo ổn định tần số và điện áp, khi máy chính hoạt động trong dải tốc độ rộng.
Trên tàu thủy nguồn năng lƣợng điện chính đƣợc tạo ra nhờ các máy phát điện đồng bộ 3 pha, đƣợc truyền động bởi các động cơ Diesel phụ,
Máy phát điện trên tàu thủy thường sử dụng Diesel hoặc Turbin, với số lượng và công suất phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải, kích thước trọng tải và tính chất con tàu Một trạm điện tàu thủy thường có từ 02 – 05 tổ máy được thiết kế để hoạt động song song, nhằm tăng tính an toàn và đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả khai thác và kinh tế Tuy nhiên, việc các máy phát hoạt động song song có thể làm tăng độ phức tạp của hệ thống, dẫn đến khả năng mất ổn định trong hoạt động.
Sơ đồ phân bố năng lƣợng điện tàu thủy đƣợc mô tả trên hình 1.1:
Hình 1.7: Hệ thống phân phối năng lƣợng điện tàu thủy
- MF1, MF2, MF3: Các máy phát đồng bộ 3 pha
- Đ1, Đ2, Đ3: Các động cơ sơ cấp lai máy phát, có thể là động cơ Diesel hay Turbin
- AT1, AT2, AT3: Các aptomat chính của máy phát
- TC: Thanh cái là nơi tập trung năng lƣợng điện, tùy theo cấu trúc các tàu khác nhau mà số lƣợng và sự bố trí thanh cái khác nhau
- PT1, PT2,… PTn: Phụ tải tiêu thụ năng lƣợng điện
Tất cả các phụ tải tiêu thụ năng lượng điện được thiết kế để hoạt động hiệu quả với một điện áp và tần số định mức nhất định Để đảm bảo thiết bị hoạt động tin cậy và có tuổi thọ cao, việc duy trì điện áp và tần số ổn định là rất quan trọng Do đó, các trạm phát điện tàu thủy thường được trang bị hệ thống tự động ổn định điện áp, điều chỉnh vòng quay Diesel, cùng với các hệ thống phân chia tải phản tác dụng và tải tác dụng.
Trong quá trình làm việc song song, việc phân chia tải giữa các máy phát là rất quan trọng, phụ thuộc vào động cơ sơ cấp và hệ điều tốc Phân chia tải còn liên quan đến hệ điều chỉnh điện áp và giá trị dòng kích từ của từng máy Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, trạm phát điện tàu thủy được trang bị các thiết bị báo động và bảo vệ như bảo vệ ngắn mạch, quá tải, công suất ngược, cùng với các thông số quan trọng của động cơ diesel như áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát và quá tốc độ.
Chế độ hoạt động của hệ thống năng lượng điện tàu thủy thay đổi theo từng tình huống hoạt động của con tàu, nhưng vẫn cần đảm bảo tính ổn định và tuân thủ các quy định về chất lượng hệ thống.
1.2.2 Trạm phát điện dự phòng trên bờ
AT AT0 ATS AT1 ATn
Hình 1.8: Cấu trúc của trạm phát điện dự phòng trên bờ
- AT, AT0, AT1, …ATn: Các aptomat
- MF1, …MFn: Các máy phát đồng bộ 3 pha
- ATS: Công tắc tự động chuyển nguồn
- D1, …Dn: Các động cơ lai máy phát (động cơ diesel)
Để tự động khởi động máy phát diesel trong trạm phát dự phòng, trước tiên cần có cái nhìn tổng quát về hệ thống thông qua sơ đồ nguyên lý.
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý trạm phát dự phòng
1- động cơ diesel; 2- máy phát đồng bộ; 3 (1,2) - thiết bị điều khiển đóng mở ACB; 4 (1,2) - rơle điện áp; 5 - cảm biến tốc độ; 6 - các cảm biến áp suất và nhiệt độ của diesel; 7 - các cơ cấu chấp hành: rơle, van điện từ; 8 - thiết bị chỉ báo, còi, đèn…; 9 - trung tâm xử lý tín hiệu và điều khiển
Sơ đồ hoạt động này bắt đầu khi nguồn điện chính cung cấp năng lượng bình thường, rơle điện áp 4.1 cảm nhận tín hiệu và gửi đến trung tâm điều khiển Tại trung tâm, nếu tín hiệu được xác nhận là thật, thiết bị điều khiển 3.1 sẽ đóng ACB để cung cấp điện cho các phụ tải Khi lưới chính mất điện, rơle điện áp 4.1 gửi thông tin về trung tâm, nơi thông tin được xử lý và xác nhận, dẫn đến lệnh mở cầu dao chính ACB1 và khởi động diesel cho các cơ cấu chấp hành 7 Các cơ cấu chấp hành khởi động theo chương trình đã lập sẵn Khi diesel khởi động thành công và đạt tốc độ định mức ổn định, rơle tốc độ 5 gửi tín hiệu đến trung tâm xác nhận lệnh khởi động thành công, trong khi máy phát đồng bộ 2 cũng được thiết lập.
Khi rơle điện áp 4.2 gửi tín hiệu xác nhận điện áp đã có trên cực máy phát và tốc độ diesel đạt định mức, quá trình khởi động được coi là thành công Trung tâm điều khiển sẽ phát lệnh đóng ACB2 thông qua thiết bị chấp hành Trạm phát dự phòng cung cấp điện cho các sensor, giúp giám sát các đại lượng và thông số của diesel để phát hiện hoạt động bất thường Khi lưới điện chính có điện trở lại, sensor điện áp 4.1 sẽ gửi tín hiệu về trung tâm để thực hiện quá trình tắt máy.
CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG CÁC NHÀ MÁY XÍ NGHIỆP
1.3.1 Khái quát chung về trạm phát điện Nomura Hải Phòng
Khu công nghiệp Nomura Hải Phòng được thành lập với một nhà máy phát điện độc lập, bao gồm 9 tổ máy có tổng công suất 55MW Nhà máy này không chỉ phục vụ nhu cầu sản xuất cho toàn khu công nghiệp mà còn cung cấp điện cho lưới điện quốc gia.
9 tổ máy đƣợc chia làm 2 phía:
+ Phía bên A: từ máy 1 tới máy 4
+ Phía bên B: từ máy 6 tới máy 9
Riêng máy 5 là máy độc lập đƣợc đặt giữa 2 phía
Nhà máy có 9 tổ máy hoạt động bằng nhiên liệu dầu DO và HFO, được cung cấp từ 2 bồn chứa có dung tích 20.000m³ Các tổ máy được giám sát và điều khiển từ một phòng điều khiển trung tâm, với mỗi máy trang bị tủ điều khiển riêng Đặc biệt, có 2 tủ hòa đồng bộ để đảm bảo hoạt động hiệu quả khi nhà máy chạy ở tải cao.
Trạm phát điện khu công nghiệp Nomura sử dụng 9 tổ hợp Diesel-máy phát đồng bộ 3 pha Các máy phát điện tại đây là các máy phát đồng bộ không chổi than, thuộc các thế hệ từ GEN 1 đến GEN 9.
- Công suất là 6200 KW/máy
Các máy phát điện hoạt động song song cung cấp điện cho hệ thống phân phối trung tâm của khu công nghiệp Hệ thống phân phối điện được chia thành hai nhóm chính, gọi là BUSA và BUSB, nhằm cung cấp điện cho các trạm biến áp.
Các trạm biến áp này phục vụ các mục đích khác nhau trong hệ thống cung cấp điện
Các tổ hợp máy phát GEN 1 đến GEN 4 cung cấp điện trực tiếp cho BUSA, trong khi các tổ hợp máy phát GEN 6 đến GEN 9 cung cấp cho BUSB Máy phát GEN 5 hoạt động như máy phát dự phòng, hỗ trợ bù công suất khi BUSA hoặc BUSB gặp tình trạng quá tải thông qua hệ thống máy cắt liên động giữa hai bus này.
1.3.2 Sơ đồ nguyên lý của trạm phát
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của trạm phát
1.3.2.1 Các phần tử cơ bản
Tủ BUSA được cung cấp từ máy phát GEN 1 đến GEN 4, kết nối với các lộ điện từ máy biến áp MTRA để hòa vào lưới Quốc gia khi cần thiết Ngoài ra, lộ điện thứ hai từ máy biến áp STRA cung cấp điện cho một số khu vực trong khu công nghiệp.
Tủ thứ 2 (BUSB) được cung cấp từ các máy phát GEN 6 đến GEN 9, với các đầu ra kết nối tới máy biến áp MTRB để hòa vào lưới điện Quốc gia Đồng thời, STRB cũng cung cấp điện cho một số phụ tải trong khu công nghiệp Nomura.
Tủ liên động 1.L được kết nối trực tiếp với máy phát GEN5, tức là máy phát dự phòng của trạm phát điện Tủ này có hai phía nối với hai máy cắt 52 BCA và 52 BCB, và các máy cắt này tiếp tục kết nối với các tủ BUSA và BUSB.
Máy phát GEN 5 có khả năng cung cấp điện cho tủ BUSA và BUSB Đồng thời, tủ này sử dụng máy cắt 52 FVCV để nhận điện từ lưới Quốc gia, phục vụ cho toàn bộ khu công nghiệp.
Các phương án vận hành cung cấp điện cho khu công nghiệp từ hệ thống phân phối trung tâm có thể thực hiện nhƣ sau:
- Trạm phát điện cung cấp nguồn cho khu công nghiệp và bán điện cho cho lưới Quốc gia
BUSA được cấp nguồn từ GEN 1 đến GEN 4 hoạt động song song và độc lập, cung cấp điện cho hai trạm biến áp MTRA và STRA Trạm MTRA sử dụng máy cắt 52 MVA để kết nối với điện lưới Quốc gia, trong khi trạm STRA sử dụng máy cắt 52 STA để thực hiện chức năng tương tự.
- BUSB đƣợc cấp nguồn từ GEN 6 ÷ GEN 9, chế độ hoạt động độc lập, cấp điện cho MTRB qua máy cắt 52 MVB và STB qua máy cắt 52 STB
Nếu BUSA hoặc BUSB quá tải công suất thì khởi động máy phát GEN
5 và đóng máy cắt 52 BCA cho BUSA hoặc 52 BCB cho BUSB Nếu tất cả
Máy phát GEN 1 đến GEN 9 không thể cung cấp điện, do đó, nguồn điện có thể được cấp từ lộ dự phòng 6,6 KV thông qua máy cắt 52 FVCB.
Trong trường hợp BUSA hoặc BUSB ngừng cung cấp điện từ các máy phát, các phần tử phân phối BUSA và BUSB vẫn có thể hoạt động nhờ vào việc cắt điện các máy cắt 52 MVA và 52 MVB, cung cấp điện cho các biến áp MTRA và MTRB thông qua cầu dao liên động 52 BCA hoặc 52 BCB, nhằm đảm bảo nguồn điện cho hai trạm biến áp của khu công nghiệp STRA và STRB.
BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG VÀ BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT ĐIỆN
2.1.1 Khái quát và phân loại
Các chức năng bảo vệ của trạm phát điện phụ thuộc vào dữ liệu đo lường chính xác các thông số của trạm Nếu quá trình đo lường bị gián đoạn hoặc không chính xác, hệ thống sẽ hoạt động không ổn định và có thể gặp phải sự cố nghiêm trọng Vì vậy, việc đo lường các thông số như điện áp, dòng điện, tần số và công suất là cực kỳ quan trọng, ảnh hưởng đến các quyết định điều khiển và điều chỉnh của hệ thống Đo lường được hiểu là quá trình đánh giá định lượng để có kết quả chính xác so với đơn vị, bao gồm ba thao tác chính.
- Biến đổi tín hiệu và tin tức
- So sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lường
- Chuyển đơn vị, mã hóa để có kết quả bằng số so với đơn vị
Thiết bị đo lường có thể được phân loại thành hai loại chính: thiết bị đo chuyển đổi thẳng và thiết bị đo kiểu so sánh.
Thiết bị đo chuyển đổi thẳng là công cụ giúp biến đổi đại lượng cần đo thành góc quay của kim chỉ thị, cho phép người dùng đọc kết quả qua thang chia độ trên thiết bị Loại thiết bị này được gọi là thiết bị đo cơ điện Ngoài ra, kết quả đo còn có thể được chuyển đổi thành số, giúp người đo dễ dàng đọc và nhân với hệ số ghi trên mặt máy, hoặc sử dụng máy tự động để thực hiện công việc này.
Thiết bị đo kiểu so sánh có thể là chỉ thị cơ điện hoặc chỉ thị số Việc lựa chọn cách so sánh và phương pháp thiết lập đại lượng bù (sử dụng bộ mã hóa số tương tự) sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo lường.
Có 25 loại thiết bị so sánh khác nhau, bao gồm thiết bị so sánh kiểu tùy động, nơi đại lượng đo x và đại lượng bù luôn biến đổi theo nhau, và thiết bị so sánh kiểu quét, trong đó đại lượng bù biến thiên theo một quy luật thời gian nhất định, với sự cân bằng chỉ xảy ra tại một thời điểm trong chu kỳ.
Ngoài ra, việc lập đại lượng bù còn liên quan đến việc sử dụng dụng cụ mã hóa số cho xung, tần số và thời gian xung Dựa vào điều kiện cân bằng, các dụng cụ này được phân chia thành hai loại: dụng cụ bù không lệch (zero) và dụng cụ bù có lệch (vi sai).
Dựa vào mối quan hệ giữa lượng ra và lượng vào, thiết bị đo được phân loại thành ba loại chính: thiết bị đo trực tiếp, trong đó đại lượng ra thể hiện trực tiếp đại lượng vào; thiết bị đo gián tiếp, khi đại lượng ra liên quan đến nhiều đại lượng vào thông qua các biểu thức toán học xác định; và thiết bị đo kiểu hợp bộ, nơi nhiều đại lượng ra liên quan đến nhiều đại lượng vào thông qua các phương trình tuyến tính.
2.1.2 Chuyển đổi đo lường và tổ hợp thiết bị đo
- Chuyển đổi chuẩn hóa: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thường U = 0 ÷ 10V; I = 4 ÷ 20mA)
Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến dòng điện, các mạch khuếch đại…
Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor) đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu điện, giúp ghi nhận thông tin giá trị cần đo Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau, bao gồm chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung và nhiệt điện.
2.1.2.2 Tổ hợp thiết bị đo
Với một thiết bị cụ thể (một kênh)
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đo một kênh
+ Chuyển đổi đo lường: biến tín hiệu cần đo thành tín hiệu điện
+ Mạch đo: thu nhận, xử lý, khuếch đại thông tin… bao gồm: nguồn, các mạch khuếch đại, các bộ biến thiên A/D, D/A, các mạch phụ…
+ Chỉ thị: thông báo kết quả cho người quan sát, thường gồm chỉ thị số và chỉ thị cơ điện, chỉ thị tự ghi, v.v…
Với hệ thống đo lường nhiều kênh
Khi cần đo nhiều đại lượng qua các kênh riêng biệt, tín hiệu từ các cảm biến sẽ được chuyển đổi và điều chế trước khi được đưa vào mạch phân kênh Các đại lượng đo này cần được mã hóa hoặc điều chế theo tần số khác nhau để đảm bảo sự phân biệt rõ ràng trước khi truyền tải qua cùng một hệ thống dẫn truyền.
Tại điểm nhận tín hiệu, quá trình giải mã hoặc giải điều chế là cần thiết để khôi phục các tín hiệu đo lường Đây là phương pháp đo lường từ xa cho nhiều đại lượng khác nhau.
2.1.3 Các nguyên lý đo lường dùng cho mục đích bảo vệ
2.1.3.1 Đo lường một đại lượng đầu vào Đại lượng đầu vào của X rơle thường là những đại lượng tương tự (dòng điện, điện áp, góc pha giữa dòng và áp …) đƣợc lấy từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và máy biến điện áp
Trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lượng đầu vào được so sánh với ngưỡng tác động Xkđ của rơle, hay còn gọi là trị số chỉnh định của rơle Khi đại lượng đầu vào vượt quá ngưỡng chỉnh định đối với rơle cực đại hoặc thấp hơn ngưỡng đối với rơle cực tiểu, rơle sẽ tác động Sau khi rơle tác động, nếu đại lượng đầu vào tiếp tục biến thiên, rơle sẽ phản ứng theo sự thay đổi đó.
Khi chiều ngược lại và vượt quá trị số Xtv, rơle sẽ trở về trạng thái ban đầu trước khi khởi động Xtv được gọi là ngưỡng trở về hoặc trị số trở về Trị số khởi động và trị số trở về liên hệ với nhau thông qua hệ số trở về K v, được tính bằng công thức K v = X tv / X kđ.
• Đối với các rơle điện cơ K v ≠ 1 thông thường:
+ Kv = 0.85 ÷ 0.9 đối với rơle cực đại
+ Kv = 1.1 ÷ 1.15 đối với rơle cực tiểu
• Đối với các rơle tĩnh và rơle số : K v ≈ 1
Rơle cực đại và rơle cực tiểu là hai khái niệm quan trọng trong cấu trúc của rơle điện cơ, với rơle cực đại tác động khi đại lượng đầu vào tăng và rơle cực tiểu tác động khi đại lượng đầu vào giảm Cấu trúc của chúng bao gồm cuộn dây, lò xo và tiếp điểm Đối với rơle tĩnh và rơle số, chức năng cực đại hoặc cực tiểu có thể được hoán đổi dễ dàng thông qua việc đảo ngược tín hiệu logic đầu ra của rơle.
2.1.3.2 So sánh nhiều đại lƣợng đầu vào
Rơle hoạt động dựa trên việc so sánh nhiều đại lượng đầu vào, với các loại rơle như khoảng cách, so lệch, và định hướng công suất thường xử lý hai đại lượng đầu vào Cụ thể, hai đại lượng đầu vào X1 và X2 thường là tổ hợp của dòng điện I và điện áp U từ phần tử bảo vệ.
CÁC DỤNG CỤ ĐO CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN
2.2.1 Đo dòng điện và điện áp
Dòng điện và điện áp trong hệ thống điện thường có giá trị lớn, không thể kết nối trực tiếp với dụng cụ đo, rơle và các thiết bị tự động khác Do đó, các thiết bị đo và rơle thường được kết nối thông qua máy biến dòng và máy biến điện áp để đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình đo lường.
Máy biến điện áp có chức năng giảm điện áp cao từ phía sơ cấp xuống mức tiêu chuẩn 100 hoặc 110V, đồng thời cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao Thiết kế của máy biến điện áp tương tự như máy biến áp lực nhỏ nhưng đảm bảo độ chính xác cần thiết khi phụ tải phía thứ cấp thay đổi Dòng điện kích từ trong máy biến điện áp có thể lớn hơn nhiều so với máy biến áp thông thường Phụ tải của máy biến điện áp và máy biến áp thông thường được mắc song song, do đó, tổng trở của dây nối cần được kiểm soát để không ảnh hưởng đến độ chính xác.
Đầu cuộn dây của máy biến điện áp cần được đánh dấu giống như máy biến dòng Việc đấu đúng đầu cuộn dây với các dụng cụ đo và thiết bị bảo vệ là rất quan trọng để xem xét góc lệch pha của các đại lượng điện.
Ampemet một chiều đƣợc chế tạo trên cơ cấu chỉ thị từ điện Dòng điện cho phép qua cơ cấu đo từ 10 -1 ÷ 10 -2 A, điện trở của cơ cấu từ 20Ω ÷ 2000Ω
Khi sử dụng dòng điện lớn hơn mức cho phép, cần lắp thêm một điện trở phụ nối song song với cơ cấu chỉ thị Sơ đồ cấu tạo của Ampe kế được minh họa trong hình 2.2.
Hình 2.2: Cấu tạo Ampemet 1 chiều
Trong đó: R CT - điện trở của cơ cấu chỉ thị;
RS - điện trở sun; IS - dòng điện qua điện trở sun; ICT - dòng điện qua chỉ thị; I - dòng qua ampemet [Trích tr 34 – 6]
30 Điện trở sun đƣợc tính theo công thức:
Khi sử dụng ampemet cần chú ý:
- Không tạo nên điện áp rơi tại các mối nối
Không được kết nối trực tiếp Ampe kế với nguồn điện khi chưa có tải, vì điện trở của ampe kế rất nhỏ, điều này có thể dẫn đến dòng điện lớn gây hỏng thiết bị.
Khi sử dụng Ampemet, trước tiên cần điều chỉnh vị trí ở dòng điện lớn nhất và sau đó giảm dần cho đến khi đạt được dòng cần đo Ampemet điện từ là thiết bị quan trọng trong việc đo lường dòng điện.
Ampemet điện từ là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ, được thiết kế với số ampe vòng nhất định (ví dụ: IW = 100 ÷ 200A) Để mở rộng thang đo, có thể thay đổi cấu trúc cuộn dây thành nhiều đoạn bằng nhau và thay đổi cách ghép nối các đoạn Ampemet điện từ có khả năng đo dòng từ mA đến 10A với tần số công nghiệp 50Hz, với sai số khoảng ±2% đến 5%.
Hình 2.3: Phương pháp thay đổi thang đo của ampemet điện từ c Ampemet điện động
Đo dòng điện thường được thực hiện ở tần số 50 Hz hoặc cao hơn (từ 400 đến 2000 Hz) với độ chính xác cao Tùy thuộc vào dòng đo, cuộn dây tĩnh và động có thể được mắc nối tiếp hoặc song song.
Hình 2.4: Cách đấu cuộn dây của ampemet điện động
Vônmet một chiều được thiết kế với cơ cấu chỉ thị từ điện và kết nối với một điện trở phụ Rp, như minh họa trong hình 2.5 Khác với ampemet, vônmet có chức năng đo điện áp rơi trên phụ tải hoặc điện áp giữa hai đầu mạch điện, vì vậy nó luôn được mắc song song với phụ tải cần đo.
Hình 2.5: Cấu tạo Vônmet một chiều Điện trở phụ (R p ) đƣợc tính theo công thức:
Trong đó: Rp – điện trở phụ; RCT - điện trở của cơ cấu chỉ thị;
U - điện áp cần đo; U CT - điện áp rơi trên CCCT (U CT = I CT R CT ) b Vônmet xoay chiều
Vônmet từ điện chỉnh lưu: Là dụng cụ phối hợp giữa mạch chỉnh lưu và cơ cấu chỉ thị từ điện
Chỉnh lưu có thể được thực hiện theo hai dạng: nửa chu kỳ và cả chu kỳ Khi diot silic được định thiên thuận, độ sụt áp đạt khoảng 0.7V, trong khi diot Gecmani có độ sụt khoảng 0.3V Khi diot bị định thiên ngược, dòng điện ngược rất nhỏ so với dòng thuận.
Vônmet chỉnh lưu có độ chính xác không cao và thang đo không đều do tính phi tuyến của diot Thiết bị này được thiết kế để đo điện áp dạng hình sin với hệ số hình dáng k hd = 1,1, do đó khi đo các tín hiệu khác hình sin sẽ gây ra sai số Dải tần làm việc của vônmet chỉnh lưu nằm trong khoảng 10 ÷ 20 KHz, và có thể mở rộng thang đo bằng cách thay đổi điện trở sun.
Nguyên lý đo tổng trở là phương pháp quan trọng để phát hiện sự cố trong hệ thống tải điện hoặc máy phát điện khi mất đồng bộ hoặc thiếu kích thích Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở đo được tại vị trí bảo vệ thường cao hơn nhiều so với tổng trở trong chế độ sự cố, được tính bằng thương số giữa điện áp và dòng điện phụ tải Hơn nữa, tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỉ lệ thuận với khoảng cách từ vị trí bảo vệ đến điểm ngắn mạch.
Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở tại vị trí bảo vệ phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải, được thể hiện trên mặt phẳng phức.
Khi cosφ của phụ tải thay đổi, giá trị dòng tải cực đại IAmax sẽ dẫn đến việc mút vectơ tổng trở phụ tải cực tiểu Z Amin tạo thành một cung tròn với tâm tại gốc tọa độ trong mặt phẳng tổng trở phức Đối với hệ thống bảo vệ khoảng cách không có thời gian, cần chọn tổng trở khởi động của bộ phận khoảng cách nhỏ hơn tổng trở của đường dây để tránh tác động nhầm khi xảy ra ngắn mạch ở đầu phần tử tiếp theo, cụ thể là Z kđ = K Z D.
Hệ số K thường được chọn trong khoảng 0.8 đến 0.85, tính đến sai số của máy biến dòng điện, máy biến điện áp và các yếu tố gây sai số khác Các rơle tổng trở đã được chế tạo với đặc tuyến khởi động đa dạng, nhằm tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ thống điện.
CÁC KHÍ CỤ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM PHÁT ĐIỆN
Aptomat là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (1 pha, 3 pha); có công dụng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp… mạch điện
Chọn Aptomat phải thỏa mãn yêu cầu sau:
Aptomat cần hoạt động ở chế độ làm việc dài hạn với trị số dòng điện định mức có thể chạy qua một thời gian tùy ý Đồng thời, mạch điện của aptomat phải có khả năng chịu đựng dòng điện lớn trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, ngay cả khi các tiếp điểm của nó đã đóng hoặc đang trong trạng thái đóng.
Aptomat cần có khả năng ngắt dòng điện ngắn mạch với trị số lớn, có thể lên đến vài chục KA Sau khi thực hiện ngắt dòng điện ngắn mạch, aptomat vẫn phải hoạt động hiệu quả ở mức dòng điện định mức.
Để cải thiện tính ổn định nhiệt và điện động của thiết bị điện, cũng như giảm thiểu tác hại từ dòng điện ngắn mạch, aptomat cần có thời gian cắt ngắn Điều này thường yêu cầu kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong aptomat.
Hình 2.9: Cấu tạo của aptomat
Nguyên lý hoạt động của aptomat cho thấy rằng khi được cấp điện, thiết bị sẽ giữ trạng thái đóng tiếp điểm nhờ vào sự kết hợp của móc 2 khớp với móc 3 Khi aptomat ở chế độ ON, với dòng điện định mức, nam châm điện 5 và phần ứng 4 sẽ không hoạt động hút.
Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện
Khi lực lò xo 5 lớn hơn lực lò xo 6, nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống, dẫn đến việc bật nhả móc 3 Móc 5 được thả tự do và lò xo 1 được thả lỏng, kết quả là các tiếp điểm của aptomat được mở ra, làm ngắt mạch điện.
Cầu chì là thiết bị điện quan trọng, được sử dụng để bảo vệ thiết bị và lưới điện khỏi sự cố ngắn mạch Nó thường được lắp đặt để bảo vệ các đường dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điều khiển và mạch điện thắp sáng.
Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên đƣợc ứng dụng rộng rãi
Các tính chất và yêu cầu của cầu chì:
- Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua
- Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tƣợng bảo vệ
- Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc
- Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian
Cầu chì bao gồm các thành phần sau:
Phần tử ngắt mạch là thành phần chính của cầu chì, có khả năng cảm nhận giá trị hiệu dụng của dòng điện Với điện trở suất thấp, phần tử này thường có hình dạng dây tròn hoặc băng mỏng.
- Thân của cầu chì: thường bằng thủy tinh, ceramic (sứ gốm) hay các vật liệu khác tương đương
2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính ampe – giây) Để có tác dụng bảo vệ, đường A-s của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tƣợng cần bảo vệ
Dòng điện định mức của cầu chì tạo ra năng lượng do hiệu ứng Joule, giúp tỏa nhiệt ra môi trường mà không làm nóng chảy hoặc hư hại các thành phần của cầu chì Nhờ đó, một sự cân bằng nhiệt ổn định được thiết lập, đảm bảo không gây ra hiện tượng già hóa hay phá hỏng các phần tử bên trong.
Khi dòng điện ngắn mạch xảy ra, sự cân bằng trên cầu chì bị phá vỡ, dẫn đến việc nhiệt năng tăng cao và cuối cùng gây ra sự hư hỏng của cầu chì.
Hình 2.10: Giản đồ thời gian của quá trình phát sinh hồ quang
Trong đó: t a – thời điểm bắt đầu sự cố; tp – thời điểm chấm dứt giai đoạn tiền hồ quang; tt – thời điểm chấm dứt quá trình phát sinh hồ quang
Quá trình tiền hồ quang bắt đầu tại thời điểm t0 khi xảy ra sự quá dòng, dẫn đến việc cầu chì bị làm nóng chảy trong khoảng thời gian tp và hình thành hồ quang điện Thời gian này phụ thuộc vào giá trị dòng điện do sự cố gây ra và độ nhạy của cầu chì.
Quá trình phát sinh hồ quang bắt đầu từ khi hồ quang được hình thành cho đến khi nó bị dập tắt hoàn toàn Trong suốt thời gian này, năng lượng từ hồ quang làm nóng chảy các chất làm đầy trong môi trường xung quanh Đồng thời, điện áp ở hai đầu cầu chì sẽ phục hồi, dẫn đến việc ngắt mạch điện.
Contactor là thiết bị điện dùng để đóng cắt các tiếp điểm, cho phép điều khiển mạch điện từ xa với điện áp lên đến 500V Nhờ vào nút ấn, contactor có thể tạo liên lạc trong mạch điện, giúp người dùng kiểm soát trạng thái hoạt động mà không cần tiếp cận trực tiếp các tiếp điểm.
Contactor đƣợc cấu tạo gồm các thành phần: cơ cấu điện từ (nam châm điện), hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ)
40 a) Contactor xoay chiều b) Contactor một chiều
Khi cấp nguồn điện vào cuộn dây của contactor, lực từ tạo ra sẽ hút lõi từ di động, tạo thành mạch từ kín và khiến contactor hoạt động Bộ phận liên động giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm sẽ đóng tiếp điểm chính và chuyển đổi trạng thái các tiếp điểm phụ Khi ngừng cấp nguồn cho cuộn dây, contactor sẽ trở về trạng thái nghỉ và các tiếp điểm sẽ quay lại trạng thái ban đầu.
2.3.4 Rơle điều khiển và bảo vệ
Rơle là loại khí cụ điện dùng để tự động đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện
Theo nguyên lý làm việc có: Rơle điện từ, Rơle điện động, Rơle từ điện, Rơle cảm ứng, Rơle nhiệt, Rơle bán dẫn và vi mạch,…
Rơle đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện với nhiều loại khác nhau như rơle trung gian, rơle thời gian, rơle tốc độ, rơle dòng điện, rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở và rơle tần số Mỗi loại rơle có tác động và chức năng riêng, giúp đảm bảo sự ổn định và an toàn cho các thiết bị điện.