Phân tích bảo vệ máy biến áp trong hệ thống bảo vệ rơle

1. Các lỗi và sự bất thường thường gặp của máy biến áp

Các sự cố của máy biến áp có thể được chia thành sự cố bên trong và sự cố bên ngoài.

Các lỗi bên trong đề cập đến các lỗi xảy ra bên trong vỏ máy, bao gồm lỗi ngắn mạch giữa các pha của cuộn dây, lỗi ngắn mạch giữa các vòng dây của cuộn dây một pha, lỗi ngắn mạch giữa cuộn dây và lõi sắt, và lỗi đứt cuộn dây.

Các sự cố bên ngoài đề cập đến nhiều loại sự cố ngắn mạch giữa các pha trong dây dẫn bên ngoài của máy biến áp, và các sự cố chạm đất một pha xảy ra khi sứ cách điện của dây dẫn phóng điện xuyên qua vỏ hộp.

Hỏng máy biến áp rất nguy hiểm. Đặc biệt khi xảy ra sự cố bên trong, hồ quang nhiệt độ cao do dòng điện ngắn mạch tạo ra không chỉ làm cháy lớp cách điện và lõi sắt của cuộn dây máy biến áp mà còn làm phân hủy dầu máy biến áp và sinh ra một lượng lớn khí, gây biến dạng hoặc thậm chí nổ vỏ máy biến áp. Do đó, phải ngắt điện khi máy biến áp bị hỏng.

Các tình trạng bất thường của máy biến áp chủ yếu bao gồm quá tải, mức dầu thấp, quá dòng do ngắn mạch bên ngoài, nhiệt độ dầu cao trong quá trình vận hành máy biến áp, nhiệt độ cuộn dây cao, áp suất máy biến áp cao và hỏng hệ thống làm mát. Khi máy biến áp hoạt động bất thường, cần phát ra tín hiệu báo động.

2. Cấu hình bảo vệ máy biến áp

Các biện pháp bảo vệ chính đối với sự cố ngắn mạch: chủ yếu là bảo vệ chênh lệch dọc, bảo vệ khí nặng, v.v.

Hệ thống bảo vệ dự phòng cho các sự cố ngắn mạch: chủ yếu là bảo vệ quá dòng bằng cách chặn điện áp hỗn hợp, bảo vệ quá dòng thứ tự không (hướng), bảo vệ trở kháng thấp, v.v.

Bảo vệ hoạt động bất thường: chủ yếu bao gồm bảo vệ quá tải, bảo vệ quá kích, bảo vệ khí nhẹ, bảo vệ khe hở điểm trung tính, bảo vệ mức dầu nhiệt độ và lỗi hệ thống làm mát, v.v.

3. Bảo vệ không dùng điện

Việc bảo vệ máy biến áp bằng các đại lượng phi điện như dầu, khí và nhiệt độ của máy biến áp được gọi là bảo vệ phi điện. Chủ yếu bao gồm bảo vệ khí, bảo vệ áp suất, bảo vệ nhiệt độ, bảo vệ mức dầu và bảo vệ dừng toàn bộ bộ làm mát. Bảo vệ phi điện hoạt động bằng cách ngắt mạch hoặc gửi tín hiệu tùy theo nhu cầu tại hiện trường.

(1) Bảo vệ khí

Khi xảy ra sự cố bên trong máy biến áp, do tác động của dòng điện ngắn mạch và hồ quang tại điểm ngắn mạch, một lượng lớn khí sẽ được sinh ra bên trong máy biến áp, và tốc độ dòng chảy dầu của máy biến áp sẽ tăng lên. Việc bảo vệ được thực hiện bằng cách sử dụng khí và dòng chảy dầu được gọi là bảo vệ bằng khí.

Bảo vệ bằng khí nhẹ: Khi xảy ra sự cố nhỏ hoặc bất thường bên trong máy biến áp, điểm sự cố bị quá nhiệt một phần, khiến một phần dầu giãn nở, khí trong dầu tạo thành bọt và đi vào rơle khí, và hệ thống bảo vệ bằng khí nhẹ hoạt động để phát ra tín hiệu khí nhẹ.

Bảo vệ chống khí độc: Khi xảy ra sự cố nghiêm trọng trong thùng dầu máy biến áp, dòng điện sự cố lớn, và hồ quang gây ra sự phân hủy một lượng lớn dầu máy biến áp, tạo ra một lượng lớn khí và dầu chảy ra. Tấm chắn va đập kích hoạt rơle bảo vệ chống khí độc, phát ra tín hiệu khí độc và ngắt mạch. Tháo máy biến áp.

Hệ thống bảo vệ bằng khí nén là biện pháp bảo vệ chính đối với các sự cố bên trong thùng dầu, và nó có thể phản ánh nhiều sự cố khác nhau bên trong máy biến áp. Khi xảy ra một số lượng nhỏ các sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây trong máy biến áp, mặc dù dòng điện sự cố lớn, nhưng dòng điện chênh lệch sinh ra trong hệ thống bảo vệ chênh lệch có thể không lớn, và hệ thống bảo vệ chênh lệch có thể từ chối hoạt động. Do đó, đối với sự cố bên trong máy biến áp, cần phải dựa vào hệ thống bảo vệ bằng khí nén để loại bỏ sự cố.

(2) Bảo vệ áp suất

Hệ thống bảo vệ áp suất cũng là hệ thống bảo vệ chính chống lại các sự cố bên trong thùng máy biến áp. Hệ thống này bao gồm van xả áp và bảo vệ chống thay đổi áp suất đột ngột, được sử dụng để phản ứng với áp suất của dầu máy biến áp.

(3) Bảo vệ nhiệt độ và mức dầu

Khi nhiệt độ của máy biến áp tăng lên đến giá trị cảnh báo, mạch bảo vệ nhiệt sẽ phát ra tín hiệu báo động và khởi động bộ làm mát dự phòng.

Khi dầu máy biến áp bị rò rỉ hoặc mực dầu giảm xuống do các nguyên nhân khác, hệ thống bảo vệ mực dầu sẽ hoạt động và phát ra tín hiệu báo động.

(4) Bảo vệ dừng hoàn toàn bộ làm mát

Khi bộ làm mát máy biến áp đang hoạt động đột ngột dừng lại, nhiệt độ của máy biến áp sẽ tăng lên. Nếu không được xử lý kịp thời, điều này có thể gây hư hỏng lớp cách điện của cuộn dây máy biến áp. Do đó, khi bộ làm mát dừng hoàn toàn trong quá trình vận hành máy biến áp, hệ thống bảo vệ sẽ phát ra tín hiệu báo động và ngắt máy biến áp sau một khoảng thời gian trễ dài.

4. Bảo vệ vi sai

Bảo vệ chênh lệch biến áp là biện pháp bảo vệ chính cho đại lượng điện của biến áp, và phạm vi bảo vệ của nó là phần được bao quanh bởi các biến dòng ở mỗi phía. Khi các sự cố như ngắn mạch pha-pha và ngắn mạch giữa các vòng dây xảy ra trong phạm vi này, bảo vệ chênh lệch phải hoạt động.

Về nguyên lý bảo vệ chênh lệch máy biến áp, chúng ta đã thảo luận chi tiết trước đây, những ai cần có thể xem lại nội dung liên quan trong các bài viết số 6, 7 và 8. Tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết này nữa, và ở đây tôi chỉ đơn giản bổ sung một số khái niệm về dòng điện khởi động.

(1) Dòng điện xung kích thích của máy biến áp

Dòng điện kích thích sinh ra khi máy biến áp bị rơi từ trên không được gọi là dòng điện xung kích thích. Độ lớn của dòng điện xung này phụ thuộc vào cấu trúc của máy biến áp, góc đóng, dung lượng, từ dư trước khi đóng và các yếu tố khác. Kết quả đo cho thấy, khi máy biến áp bị rơi từ trên không, dòng điện xung kích thích do sự bão hòa của lõi sắt rất lớn, thường gấp 2 đến 6 lần dòng điện định mức, và tối đa có thể lên đến hơn 8 lần. Vì dòng điện xung kích thích chỉ chảy vào máy biến áp ở phía nạp, nên sẽ sinh ra dòng điện chênh lệch lớn trong mạch chênh lệch, dẫn đến sự cố của mạch bảo vệ chênh lệch.

Dòng điện xung kích thích có các đặc điểm sau: a. Giá trị dòng điện xung rất lớn và chứa các thành phần không tuần hoàn rõ rệt; b. Dạng sóng nhọn và gián đoạn; c. Chứa các thành phần hài bậc cao rõ rệt, đặc biệt là thành phần hài bậc hai; d. Dòng điện xung kích thích bị suy giảm.

Dựa trên các đặc điểm của dòng điện xung kích nêu trên, để ngăn ngừa sự cố vận hành của hệ thống bảo vệ vi sai máy biến áp do dòng điện xung kích gây ra, dự án sử dụng ba nguyên tắc: hàm lượng sóng hài bậc hai cao, dạng sóng bất đối xứng và góc gián đoạn dạng sóng lớn để thực hiện việc chặn hệ thống bảo vệ vi sai.

(2) Nguyên lý phanh hài bậc hai

Bản chất của việc hãm bằng sóng hài bậc hai là sử dụng thành phần sóng hài bậc hai trong dòng điện chênh lệch để xác định xem dòng điện chênh lệch đó là dòng điện sự cố hay dòng điện xung kích thích. Khi tỷ lệ phần trăm của thành phần sóng hài bậc hai và thành phần sóng cơ bản lớn hơn một giá trị nhất định (thường là 20%), thì người ta cho rằng dòng điện chênh lệch đó là do dòng điện xung kích thích gây ra, và chức năng bảo vệ chênh lệch bị vô hiệu hóa.

Do đó, tỷ số hãm sóng hài bậc hai càng lớn thì dòng điện sóng hài bậc hai chứa trong sóng cơ bản càng được cho phép nhiều hơn, và hiệu quả hãm càng kém hơn.

(3) Bảo vệ phanh nhanh vi sai

Khi xảy ra sự cố nghiêm trọng bên trong máy biến áp và biến dòng (CT) bị bão hòa do dòng sự cố lớn, dòng điện thứ cấp của CT cũng chứa một lượng lớn các thành phần hài. Theo mô tả ở trên, điều này có thể gây ra hiện tượng bảo vệ vi sai do hãm hài bậc hai. Tác động chặn hoặc trì hoãn. Điều này sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho máy biến áp. Để giải quyết vấn đề này, thường sử dụng bảo vệ ngắt nhanh vi sai.

Phần tử ngắt nhanh vi sai thực chất là một phần tử vi sai giá trị cao dùng cho bảo vệ vi sai dọc. Khác với các phần tử vi sai thông thường, nó phản ánh giá trị hiệu dụng của dòng điện vi sai. Bất kể dạng sóng của dòng điện vi sai và biên độ của thành phần hài, miễn là giá trị hiệu dụng của dòng điện vi sai vượt quá giá trị cài đặt của phần tử ngắt nhanh vi sai (thường cao hơn giá trị cài đặt của bảo vệ vi sai), nó sẽ ngay lập tức hoạt động để ngắt máy biến áp mà không cần kích thích. Tiêu chí chặn như dòng điện xung đột.

Phần sau đây giới thiệu về hệ thống bảo vệ dự phòng của máy biến áp.

Có nhiều loại cấu hình bảo vệ dự phòng cho máy biến áp. Vấn đề này chủ yếu giới thiệu hai loại bảo vệ dự phòng: bảo vệ quá dòng bằng cách chặn điện áp phức hợp và bảo vệ nối đất cho máy biến áp.

1. Bảo vệ quá dòng cho cơ chế khóa áp suất phức tạp

Mạch bảo vệ quá dòng bằng phương pháp chặn điện áp phức hợp là mạch bảo vệ dự phòng cho các sự cố ngắn mạch pha-pha của máy biến áp cỡ lớn và trung bình. Mạch này phù hợp với máy biến áp tăng áp, máy biến áp tiếp điểm hệ thống và máy biến áp giảm áp mà mạch bảo vệ quá dòng không đáp ứng được yêu cầu về độ nhạy. Điện áp tổng hợp bao gồm điện áp thứ tự nghịch và điện áp thấp có thể phản ánh nhiều sự cố khác nhau trong phạm vi bảo vệ, giúp giảm giá trị cài đặt của mạch bảo vệ quá dòng và cải thiện độ nhạy.

Mạch bảo vệ quá dòng điện áp tổng hợp bao gồm phần tử điện áp tổng hợp, phần tử quá dòng và phần tử thời gian. Dòng điện đầu vào của mạch bảo vệ là dòng điện ba pha thứ cấp của biến dòng (CT) phía máy biến áp, và điện áp đầu vào là điện áp ba pha thứ cấp của máy biến áp (PT) phía máy biến áp hoặc phía khác. Đối với mạch bảo vệ vi tính, điện áp của phía này có thể được cung cấp cho các phía khác thông qua phần mềm, để đảm bảo rằng mạch bảo vệ quá dòng của bất kỳ phía nào vẫn có thể hoạt động khi máy biến áp ở bất kỳ phía nào được đại tu. Logic hoạt động được thể hiện trong hình dưới đây.

2. Hệ thống nối đất bảo vệ máy biến áp

Hệ thống bảo vệ dự phòng cho sự cố ngắn mạch nối đất của các máy biến áp cỡ lớn và trung bình thường bao gồm: bảo vệ quá dòng thứ tự không, bảo vệ quá áp thứ tự không, bảo vệ khe hở, v.v. Sau đây là phần giới thiệu ngắn gọn dựa trên ba phương pháp nối đất điểm trung tính khác nhau.

(1) Điểm trung tính được nối đất trực tiếp

Đối với máy biến áp có điện áp từ 110kV trở lên mà điểm trung tính được nối đất trực tiếp, cần lắp đặt hệ thống bảo vệ dòng điện thứ tự không phản ứng với sự cố chạm đất ở phía hệ thống nối đất dòng điện lớn. Đối với máy biến áp được nối đất trực tiếp ở cả phía cao áp và trung áp, hệ thống bảo vệ dòng điện thứ tự không cần có hướng, và hướng đó phải chỉ về phía thanh cái ở mỗi bên.

Nguyên lý bảo vệ dòng điện thứ tự không tương tự như bảo vệ dòng điện thứ tự không trên đường dây, vui lòng tham khảo Mục 30. Dòng điện thứ tự không có thể được lấy từ dòng điện thứ cấp của biến dòng điểm trung tính, hoặc có thể tự tạo ra từ dòng điện ba pha thứ cấp của biến dòng ở phía cục bộ. Điện áp thứ tự không nối với phần tử định hướng có thể được lấy từ điện áp tam giác hở của biến áp đo lường ở phía cục bộ, hoặc có thể tự tạo ra từ điện áp ba pha thứ cấp ở phía cục bộ. Trong thiết bị bảo vệ vi tính, phương pháp tự tạo ra chủ yếu được áp dụng.

Đối với các máy biến áp ba cuộn dây lớn, có thể sử dụng hệ thống bảo vệ dòng điện thứ tự không ba cấp. Trong đó, phần I và phần II có điều khiển, còn phần III không có điều khiển. Thông thường mỗi phần có hai mức độ trễ, phạm vi sự cố được thu hẹp với độ trễ ngắn (nối tắt bộ ghép thanh cái hoặc công tắc ở phía chính của thanh dẫn), và máy biến áp bị ngắt với độ trễ dài (nối tắt công tắc ba phía). Cấu hình bảo vệ cụ thể được xác định theo tình hình thực tế.

Như hình vẽ, sau khi phần I hoặc II của mạch bảo vệ dòng điện định hướng thứ tự không hoạt động, trước tiên hãy nối tắt bộ ghép thanh cái hoặc công tắc ở phía này sau một khoảng thời gian trễ ngắn t1 hoặc t3 để giảm phạm vi sự cố. Nếu sự cố vẫn còn, sau một khoảng thời gian trễ dài hơn t2 hoặc t4, hãy nối tắt công tắc ba phía để ngắt máy biến áp. Phần III không có hướng, và máy biến áp được ngắt trực tiếp sau một khoảng thời gian trễ.

(2) Điểm trung tính không được nối đất

Dòng điện thứ tự không đi qua điểm trung tính của máy biến áp để tạo thành mạch thứ tự không. Tuy nhiên, nếu điểm trung tính của tất cả các máy biến áp được nối đất, dòng điện ngắn mạch tại điểm nối đất sẽ được chuyển hướng đến từng máy biến áp, điều này sẽ làm giảm độ nhạy của bảo vệ quá dòng thứ tự không. Do đó, để giới hạn dòng điện thứ tự không trong một phạm vi nhất định, có các quy định về số lượng máy biến áp hoạt động với điểm trung tính được nối đất.

Đối với các máy biến áp hoạt động không có nối đất, cần phải cấu hình bảo vệ điện áp thứ tự không để ngăn ngừa hư hỏng do quá áp gây ra bởi hiện tượng phóng điện hồ quang tại các điểm sự cố trong quá trình chạm đất.

Do mức độ cách điện cao của điểm trung tính trong máy biến áp cách điện hoàn toàn, khi xảy ra sự cố chạm đất trong hệ thống, bảo vệ dòng điện thứ tự không sẽ ngắt máy biến áp với điểm trung tính được nối đất trước, và nếu sự cố vẫn còn tồn tại, bảo vệ điện áp thứ tự không sẽ ngắt điểm trung tính mà không cần nối đất máy biến áp.

(3) Điểm trung tính được nối đất thông qua khe phóng điện

Các máy biến áp siêu cao áp đều là máy biến áp bán cách điện, và lớp cách điện của cuộn dây điểm trung tính với đất yếu hơn so với các bộ phận khác. Lớp cách điện điểm trung tính dễ bị hỏng. Do đó, cần phải cấu hình bảo vệ khe hở.

Chức năng của mạch bảo vệ khe hở là bảo vệ an toàn cách điện của điểm trung tính của máy biến áp không nối đất có điểm trung tính.

Lắp đặt một khe hở đánh thủng giữa điểm trung tính của máy biến áp và đất như hình vẽ. Khi công tắc cách ly nối đất đóng, máy biến áp được nối đất trực tiếp và chế độ bảo vệ quá dòng thứ tự không được kích hoạt. Khi công tắc cách ly nối đất ngắt, máy biến áp được nối đất thông qua khe hở và được đưa vào chế độ bảo vệ khe hở.

Việc bảo vệ khe hở được thực hiện bằng cách sử dụng dòng điện khe hở 3I0 chạy qua điểm trung tính của máy biến áp và điện áp tam giác mở của PT thanh cái 3U0 làm tiêu chí.

Nếu điểm trung tính bị nâng lên do sự cố, khe hở sẽ bị phá vỡ và tạo ra dòng điện khe hở lớn 3I0. Lúc này, mạch bảo vệ khe hở hoạt động và máy biến áp sẽ bị ngắt sau một khoảng thời gian trễ. Ngoài ra, khi xảy ra sự cố chạm đất trong hệ thống, mạch bảo vệ thứ tự không của máy biến áp nối đất điểm trung tính sẽ hoạt động, và máy biến áp nối đất điểm trung tính sẽ bị ngắt trước. Sau khi hệ thống mất điểm nối đất, nếu sự cố vẫn còn tồn tại, điện áp tam giác hở 3U0 của máy biến áp đo lường tại thanh cái sẽ rất lớn, và mạch bảo vệ khe hở cũng sẽ hoạt động vào lúc này.