GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI SỰ CỐ TRONG TRẠM BIẾN ÁP
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI BẢO VỆ TRONG TRẠM BIẾN ÁP
2.1. GIỚI THIỆU TÌM HIỂU CÁC LOẠI BẢO VỆ MBA
2.1.1. Giới thiệu các loại bảo vệ MBA
Tuỳ theo công suất của máy biến áp, vị trí và vai trò của máy biến áp trong hệ thống mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp trong máy biến áp.
Những loại bảo vệ thường dùng để chống các loại sự cố và chế độ làm việc không bình thường của máy biến áp được giới thiệu trong bảng 2.16.
Bảng 2.1: Các loại bảo vệ thường dùng cho máy biến áp.
Loại hư hỏng Loại bảo vệ Ngắn mạch một pha hoặc nhiều pha
chạm đất
- So lệch có hãm (bảo vệ chính) - Khoảng cách (bảo vệ dự phòng) - Quá dòng có thời gian
- Quá dòng thứ tự không Chạm chập các vòng dây, thùng dầu
thủng hoặc bị rò dầu - Rơle khí BUCHHOLZ
Quá tải - Quá dòng điện
- Hình ảnh nhiệt Quá bão hoà mạch từ - Chống bão hòa 2.1.2. Tìm hiểu các loại bảo vệ MBA
2.1.2.1. Các bảo vệ chống ngắn mạch a. Bảo vệ so lệch có hãm:
- Dòng điện sơ cấp ở hai (hoặc nhiều) phía của máy biến áp thường khác nhau về trị số và về góc pha.
Vì vậy để cân bằng dòng điện thứ cấp ở các phía của bảo vệ so lệch trong chế độ làm việc bình thường, người ta sử dụng máy biến dòng trung gian BIG có tổ đấu dây phù hợp với tổ đấu dây của máy biến áp và tỉ số biến đổi được chọn sao cho các dòng điện đưa vào so sánh trong rơle so lệch có trị số gần bằng nhau.
- Một đặc điểm nữa của bảo vệ so lệch máy biến áp là dòng điện từ hoá của máy biến áp sẽ tạo nên dòng điện không cân bằng chạy qua rơle. Trị số quá độ của
dòng điện không cân bằng này có thể rất lớn trong chế độ đóng máy biến áp không tải hoặc cắt ngắn mạch ngoài. Vì vậy, để hãm bảo vệ so lệch của máy biến áp người ta sử dụng dòng điện từ hoá của máy biến áp.
Hình 2.1: Cân bằng pha và trị số của dòng điện thứ cấp trong bảo vệ so lệch máy biến áp 3 cuộn dây bằng máy biến dòng trung gian BIG.
Ngoài ra, tuỳ theo tổ đấu dây của máy biến áp được bảo vệ cần sử dụng những biện pháp để loại trừ ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không khi trung tính của cuộn dây máy biến áp nối đất và có ngắn mạch chạm đất xảy ra trong hệ thống.
Gần đây, trong các rơle so lệch hiện đại người ta có thể thực hiện việc cân bằng pha và trị số của dòng điện thứ cấp ở các phía của máy biến áp ngay trong rơle so lệch.
Trên hình 2.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của bảo vệ so lệch có hãm dùng cho máy biến áp 3 cuộn dây
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hãm dùng cho máy biến áp 3 cuộn dây HM-hãm theo thành phần hài bậc 2 trong dòng điện từ hoá máy biến áp.
Giả sử phía cuộn dây 1 của máy biến áp nối với nguồn cung cấp, phía cuộn dây 2, 3 nối với phụ tải. Bỏ qua dòng điện kích từ của máy biến áp, trong chế độ làm việc bình thường ta có:
İS1 = İS2 + İS3
Dòng điện đi vào cuộn dây làm việc bằng:
İlv = İt1 – (İt2 + İt3 ) Các dòng điện hãm:
İh1 = İt1 + İt2
İh2 = İt3
Các dòng điện hãm được cộng với nhau theo trị số tuyệt đối để tạo nên hiệu ứng hãm theo quan hệ:
İh = (│İt1 + İt2│+│ İt3│).KH
Trong đó: KH 0,5 là hệ số hãm của bảo vệ so lệch.
Ngoài ra để ngăn chặn tác động sai dòng điện ảnh hưởng của dòng điện từ hoá khi đóng máy biến áp không tải và khi cắt ngắn mạch ngoài, bảo vệ còn được hãm bằng thành phần hài bậc hai trong dòng điện từ hoá IHM.
Để đảm bảo được tác động hãm khi có ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ cần thực hiện điều kiện: │ İH│> │ İLV│
b. Bảo vệ quá dòng điện có thời gian:
- Bảo vệ quá dòng điện có thời gian thường được dùng làm bảo vệ chính cho các máy biến áp có công suất bé và làm bảo vệ dự phòng cho máy biến áp có công suất trung bình và lớn để chống các dạng ngắn mạch bên trong và bên ngoài máy biến áp.
- Với máy biến áp 2 cuộn dây dùng một bộ bảo vệ đặt ở phía nguồn cung cấp, với máy biến áp nhiều cuộn dây thường mỗi phía đặt một bộ.
- Dòng điện khởi động của bảo vệ chọn theo dòng điện danh định của biến áp có xét đến khả năng quá tải. Thời gian làm việc của bảo vệ chọn theo nguyên tắc bậc thang, phối hợp với thời gian làm việc của các bảo vệ lân cận trong hệ thống.
- Nếu máy biến áp nhiều cuộn dây nối với nguồn từ nhiều phía thì cần đặt bộ định hướng công suất ở phía nối với nguồn có thời gian tác động bé hơn.
c. Bảo vệ chống chạm đất:
Sơ đồ bảo vệ chống chạm đất đơn giản nhất đặt ở máy biến áp có trung tính nối đất được trình bày trên hình 2.3 a Sơ đồ dùng một máy biến dòng đặt trên dây trung tính của máy biến áp và một rơle quá dòng với dòng điện khởi động:
Ikđ = (0,2 - 0,4) Idđ
Trong đó: Idđ là dòng điện danh định của máy biến áp.
Hình 2.3: Bảo vệ chống chạm đất (a) và chạm thùng (b) máy biến áp
Sơ đồ hình 2.3 được sử dụng để bảo vệ chống chạm vỏ máy biến áp.Trong trường hợp này thùng máy biến áp được cách điện đối với đất và máy biến dòng được đặt trên dây nối giữa thùng và với đất. Bình thường khi không có chạm vỏ (thùng) dòng điện đi qua biến dòng bằng không nên có thể chỉnh định dòng khởi động của bảo vệ với trị số khá bé và bảo vệ có độ nhạy cao.
2.1.2.2. Bảo vệ khi chạm chập các vòng dây, thùng dầu thủng hoặc bị rò rỉ dầu a. Bảo vệ bằng rơle hơi :
Rơle hơi được áp dụng cho các máy biến áp có công suất trung bình và lớn với kiểu máy có thùng giãn nở dầu. Rơle hơi được lắp trên đoạn ống liên thông dầu từ thùng chính máy biến áp đến thùng giãn nở dầu của máy theo một chiều nhất định của đầu mũi tên trên rơle hơi phải chỉ về phía thùng giãn nở (cùng với chiều dòng chảy của dầu từ thùng chính qua rơle hơi đến thùng giãn nở dầu khi có sự cố trong máy biến áp). Đoạn ống liên thông dầu có độ nâng cao về phía thùng giãn nở với góc nghiêng (so với mặt phẳng ngang) khoảng 1100. Đoạn ống liên thông không được có góc, phần cong của ống có bán kính càng lớn càng tốt.
a) b)
Hình 2.4: Vị trí lắp đặt rơle hơi và rơle mức dầu tại MBA
*Rơle hơi hai phao có cấu tạo gồm:
- Một phao trên (phao 1) có hình cầu rỗng, nhẹ có thể tự nâng hạ theo mức dầu, trong phao có chứa một tiếp điểm thủy ngân được nối ra hộp nối dây tại mặt trên rơle. Khi sự cố nhẹ hoặc quá tải, hơi sinh ra tập trung ở phía trên, đẩy phao 1 về vị trí nằm ngang làm đóng tiếp điểm thủy ngân. Tiếp điểm này được nối vào mạch điện báo hiệu sự cố của máy biến áp (96-1).
- Một phao dưới (phao 2) có cấu tạo tương tự như phao 1 và được liên kết với một cánh chặn. Cánh chặn là một tấm kim loại mỏng được treo tại vị trí phía lỗ mặt bích của rơle hơi phía nối vào thùng chính máy biến áp. Do được treo để bề mặt tấm kim loại thẳng góc với hướng dòng chảy của dầu nên cánh chặn tác động theo lưu lượng của dòng chảy của dầu. Cánh chặn có thể điều chỉnh theo ba trị số lưu lượng dầu là 65, 100 và 150 cm/giây (rơle thường được nhà chế tạo đặt sẵn trị số 100cm/giây). Khi máy biến áp vận hành bình thường, dầu chuyển động do giãn nở theo nhiệt độ không đủ để tác động cánh chặn. Khi có sự cố bên trong máy biến áp, luồng dầu và hơi sinh ra phụt mạnh từ thùng chính qua rơle hơi đến thùng giãn nở.
Lưu lượng dầu lớn hơn trị số đã điều chỉnh sẵn sẽ đẩy cho cánh chặn quay, làm cho phao 2 chìm xuống, đóng tiếp điểm thủy ngân, cắt máy cắt (96-2).
.
Hình 2.5: Nguyên lý cấu tạo rơle hơi
Dựa vào thành phần và khối lượng hơi sinh ra người ta có thể xác định được tính chất và mức độ sự cố. Do đó trên rơle hơi còn có thêm van để lấy hỗn hợp khí sinh ra nhằm phục vụ cho việc phân tích sự cố.
b. Rơle nhiệt độ (F26):
* Rơle nhiệt độ dầu (F26 O)
Rơle nhiệt độ dầu gồm các tiếp điểm thường đóng, thường mở lắp bên trong một nhiệt kế có kim chỉ thị nhiệt độ. Nhiệt kế gồm có cơ cấu chỉ thị quay để ghi số đo, một bộ phận cảm biến nhiệt, một ống mao dẫn nối bộ phận cảm ứng nhiệt với cơ cấu chỉ thị. Bên trong ống mao dẫn là chất lỏng (dung dịch hữu cơ) được nén lại.
Sự co giãn của chất lỏng (trong ống mao dẫn) thay đổi theo nhiệt độ mà bộ phận cảm biến nhiệt nhận được, sẽ tác động cơ cấu chỉ thị và các tiếp điểm. Các tiếp điểm sẽ đổi trạng thái “mở” thành “đóng”, “đóng” thành “mở” khi nhiệt độ cao hơn trị số đặt trước. Bộ phận cảm biến nhiệt được lắp trong một lỗ trụ bọc kín, ở phía trên nắp máy biến áp, bao quanh lỗ trụ là dầu, để đo nhiệt độ lớp dầu trên cùng của máy biến áp. Thường dùng nhiệt kế có 2 (hoặc 4) vít điều chỉnh nhiệt độ để có thể đặt sẵn 2 (hoặc 4) trị số tác động cho 2 (hoặc 4) bộ tiếp điểm riêng rẽ lắp trong nhiệt kế. Khi nhiệt độ cao hơn trị số đặt cấp 1, rơle sẽ đóng tiếp điểm cấp 1 để báo hiệu sự cố “Nhiệt độ dầu cao” của máy biến áp. Khi nhiệt độ tiếp tục cao hơn trị số đặt cấp 2, rơle sẽ đóng thêm tiếp điểm cấp 2 để tự động cắt máy cắt, cắt điện máy biến áp, đồng thời cũng có mạch điện báo hiệu sự cố “cắt do nhiệt độ dầu cao”.
* Rơle nhiệt độ cuộn dây (F26 W)
Rơle nhiệt độ cuộn dây gồm bốn bộ tiếp điểm (mỗi bộ có một tiếp điểm thường mở, một tiếp điểm đóng với cực chung) lắp bên trong một nhiệt kế có kim chỉ thị. Nhiệt kế gồm có: có cấu chỉ thị quay để ghi số đo, một bộ phận cảm biến nhiệt, một ống mao dẫn nối bộ phận cảm biến nhiệt với cơ cấu chỉ thị. Bên trong ống mao dẫn là chất lỏng được nén lại. Sự co giãn của chất lỏng trong ống mao dẫn thay đổi theo nhiệt độ mà bộ cảm biến nhận được, tác động cơ cấu chỉ thị và bốn bộ tiếp điểm. Tác động lên cơ cấu chỉ thị và các tiếp điểm, còn có một điện trở nung.
Cuộn dây thứ cấp của một máy biến dòng điện đặt tại chân sứ máy biến áp được nối với điện trở nung. Nối song song với điện trở nung là một biến trở để hiệu chỉnh.
Tác dụng của điện trở nung (tùy theo dòng điện qua cuộn dây máy biến áp) và tác dụng của bộ cảm biến nhiệt lên cơ cấu đo cùng các bộ tiếp điểm sẽ tương ứng với nhiệt độ điểm nóng: nhiệt độ của cuộn dây.
Có 4 vít điều chỉnh nhiệt độ để đặt trị số tác động cho bốn bộ tiếp điểm. Tùy theo thiết kế, các tiếp điểm rơle nhiệt độ có thể được nối vào các mạch: báo hiệu sự cố “nhiệt độ cuộn dây cao”, mạch tự động mở máy cắt để cô lập máy biến áp, mạch tự động khởi động và ngừng các quạt làm mát máy biến áp.
c. Rơle mức dầu (F71):
Rơle mức dầu gồm hai bộ tiếp điểm lắp bên trong thiết bị chỉ thị mức dầu. Đối với máy biến áp có bộ đổi nấc điện áp có tải, thùng giãn nở dầu được chia làm hai ngăn. Ngăn có thể tích chiếm phần lớn thùng giãn nở, được nối ống liên dầu thông qua rơle hơi đến thùng chính máy biến áp (để có thể tích giãn nở dầu cho máy biến áp). Ngăn có thể tích chiếm phần nhỏ hơn nhiều của thùng giãn nở, sẽ được nối ống liên dầu đến thùng chứa bộ đổi nấc có tải. Thùng chính máy biến áp và thùng bộ đổi nấc được thiết kế riêng rẽ, không có liên thông dầu với nhau. Vì vậy, có hai thiết bị chỉ thị mức dầu lắp tại hai đầu thùng giãn nở để đo mức dầu của hai ngăn: thiết bị chỉ thị mức dầu máy biến áp và thiết bị chỉ thị mức dầu bộ đổi nấc có tải.
Hình 2.6: Vị trí lắp rơle mức dầu tại máy biến áp.
Cấu tạo của thiết bị chỉ thị mức dầu gồm hai phần: bộ phận điều khiển và bộ chỉ thị. Bộ phận điều khiển có một phao (3), thanh quay (8), trục quay (9), có lắp nam châm vĩnh cửu (4). Bộ phận điều khiển lắp trên vỏ máy (đầu thùng giãn nở) có vòng đệm. Bộ phận chỉ thị gồm kim chỉ (6) lắp trên trục mang một nam châm vĩnh cửu (5). Bộ phận chỉ thị được làm bằng nhôm để tránh bị ảnh hưởng từ trường nam châm và chống ảnh hưởng của nước.
Hình 2.7: Cấu tạo của thiết bị chỉ thị mức dầu
Khi mức dầu nâng hạ thì phao (3) nâng hạ theo. Chuyển động nâng hạ của phao được chuyển thành chuyển động quay của trục (9) nhờ thanh quay (8). Khi quay, từ trường do nam châm (4) sẽ điều khiển cho nam châm (5) quay sao cho hai cực khác tên (N và S) của hai nam châm đối diện nhau (hai cực cùng tên có lực đẩy, hai cực khác tên có lực hút nhau). Do vậy kim chỉ thị quay theo nam châm (5), ghi được mức dầu trên mặt chỉ thị.
Bộ phận chỉ thị cũng tác động đóng mở các tiếp điểm rơle mức dầu để đưa tín hiệu vào mạch báo động hoặc mạch cắt tùy theo từng thiết kế.
2.1.2.3. Các loại bảo vệ khác a. Bảo vệ chống quá tải (F49):
Quá tải làm tăng nhiệt độ của máy biến áp. Nếu mức quá tải cao và kéo dài máy biến áp bị tăng nhiệt độ quá mức cho phép, tuổi thọ của máy biến áp bị suy giảm nhanh chóng.
Đối với máy biến áp công suất lớn người ta sử dụng nguyên lý hình ảnh nhiệt để thực hiện bảo vệ chống quá tải. Bảo vệ này phản ảnh mức tăng nhiệt độ ở những điểm kiểm tra khác nhau trong máy biến áp và tuỳ theo mức tăng nhiệt độ mà có nhiều cấp tác động khác nhau: cảnh báo, khởi động các mức làm mát bằng cách tăng tốc độ tuần hoàn không khí hoặc dầu, giảm tải máy biến áp. Nếu các cấp tác
động này không mang lại hiệu quả và nhiệt độ của máy biến áp vẫn vượt quá giới hạn cho phép và kéo dài quá thời gian quy định thì máy biến áp sẽ được cắt ra khỏi hệ thống.
b. Bảo vệ kém tần (F81):
Là rơle dùng để tự động mở một số máy cắt cung cấp điện cho phụ tải khi tần số nguồn điện thấp hơn giới hạn cho phép so với tần số định mức là 50Hz. Việc cắt bớt một số phụ tải sẽ làm giảm phụ tải của nguồn phát điện, giúp khôi phục lại tần số định mức.
c. Bảo vệ dự phòng máy cắt hỏng (50BF):
Máy cắt là phần tử cuối cùng trong hệ thống bảo vệ có nhiệm vụ cách ly phần tử ra khỏi hệ thống. Vì máy cắt khá đắt tiền nên không thể tăng cường độ tin cậy bằng cách đặt thêm máy cắt dự phòng làm việc song song với máy cắt chính được.
Nếu máy cắt từ chối tác động thì hệ thống bảo vệ dự phòng phải tác động cắt tất cả những máy cắt lân cận với chỗ hư hỏng nhằm loại trừ dòng điện ngắn mạch đến chỗ sự cố.
Khi xảy ra sự cố, nếu bảo vệ ở phần tử bị hư hỏng đã gởi tín hiệu đi cắt máy, nhưng sau một khoảng thời gian nào đó dòng điện sự cố vẫn còn tồn tại, có nghĩa là máy cắt đã từ chối tác động.
Hình 2.8 trình bày nguyên lý phối hợp tác động giữa bảo vệ của phần tử nối với thanh góp (bảo vệ khoảng cách chẳng hạn) với bảo vệ dự phòng máy cắt hỏng HMC. Hình 2.9 biểu diễn đặc tính thời gian loại trừ sự cố cho 2 trường hợp: a) Khi máy cắt làm việc bình thường và b) Khi máy cắt từ chối tác động. Một yêu cầu quan trọng là rơle quá dòng trong bảo vệ dự phòng chống máy cắt hỏng phải có thời gian trở về càng bé càng tốt (<20ms) ngay cả khi máy biến dòng bị bão hoà mạnh.
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ dự phòng hỏng máy cắt (HMC)
Từ hình 2.8 có thể nhận thấy rằng khi sự cố xảy ra trên D3 nếu máy cắt MC3 làm việc bình thường thì sau khi bảo vệ gửi tín hiệu cắt, máy cắt MC3 sẽ cắt và dòng điện đầu vào của bảo vệ dự phòng máy cắt hỏng HMC bằng không, bảo vệ sẽ không thể khởi động được.
Hình 2.9: Biểu đồ thời gian loại trừ sự cố khi máy cắt làm việc bình thường và khi hư hỏng máy cắt.
Nếu máy cắt MC3 hỏng, từ chối tác động thì dòng điện sự cố sẽ liên tục đưa vào bảo vệ HMC, rơle quá dòng được giữ ở trạng thái tác động, sau khoảng 100ms bảo vệ HMC gửi tín hiệu đi cắt tất cả các máy cắt nối trực tiếp với phân đoạn thanh góp có máy cắt hỏng, cũng như máy cắt ở đầu đối diện của đường dây bị sự cố D3.