NGHIÊN ỨU XỬ LÝ SỐ SÓNG HI Ậ 3, ỨNG DỤNG ẢO VỆ HẠM …

PHÂN BAN B3. Bảo vệ và điều khiển hệ thống điện

1

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SỐ SÓNG HÀI BẬC 3, ỨNG DỤNG BẢO VỆ

CHẠM ĐẤT MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG VÙNG CÔNG SUẤT THẤP

CHO CÁC TỔ MÁY CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRỊ AN

Nguyễn Giới

Công ty Thuỷ điện Trị An

Tóm tắt: Trong vận hành máy phát điện, việc bảo vệ cuộn dây stator máy phát là

nhiệm vụ bắt buộc. Các tổ máy phát điện của Công ty Thủy điện Trị An sử dụng chức

năng ANSI 27/59TN của relay 7UM62 (của Siemens) và relay 33-1 (của Liên Xô)để

bảo vệ chạm đất cuộn dây Stator máy phát. Các relay này đều áp dụng nguyên lý điên

áp họa tần bậc 3 xuất hiện trong cuộn dây stator. Tuy nhiên, relay 7UM62 nhà sản

xuất khuyến cáo chức năng trên chỉ hoạt động tin cậy khi máy phát hoạt động ở chế

độ phát công suất hữu công lớn hơn 40%Pn. Mặt khác relay 33-1 trang bị từ năm

1982 rất khó khăn trong bảo dưỡng, thay thế. Trước tình hình trên chúng tôi nghiên

cứu xử lý số sóng hài bậc 3 và chế tạo relay EVN-TA-G.1 để trang bị bảo vệ chạm đất

stator máy phát ở mọi vùng công suất (kể cả vùng công suất thấp-công suất thực

âm). Relay EVN-TA-G.1 đã vận hành thử nghiệm 2 năm bảo đảm yêu cầu.

Bài viết trình bày kết quả cơ bản của nghiên cứu lý thuyết và sản phẩm ứng dụng là

relay EVN-TA-G.1[1].

Từ khoá: 3rd Harmonic-(U3f), sơ đồ vận hành cơ bản-Base Target Chart of System

Operation (BCO), phương trình đặc tính – Winding Characteristic Equation- (WCE) , hệ

phụ thuộc hàm cơ sở -Basic depended Fuction-(BDF), hệ công thức cơ sở- System

Basic Formula-(SBF), mặt cách điện - Insulate Winding Face (IWF).

1. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ SÓNG HÀI BẬC 3 HÌNH THÀNH TRONG MÁY

PHÁT ĐIỆN

Để nghiên cứu nguyên nhân hình thành sóng hài, chúng tôi đi từ Sơ đồ Vận hành Cơ bản-.Base

Target Chart of System Operation (BCO) Trong sơ đồ này mọi chế độ vận của máy phát đều

được đề cập. Từ đó suy ra các yếu tố chung nhất của các chế độ, mục đích là nếu có sóng hài

bậc 3 (3rd

harmonic) xuất hiện ở điều kiện cơ sở đó thì sẽ xuất hiện ở mọi chế độ (xem hình 1).

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC

2

Hình 1. Sơ đồ vận hành cơ bản(BCO)

1.1. Mô hình toán

Từ sơ đồ vận hành cơ bản (BCO), chúng tôi đề xuất mô hình toán và biểu diễn thông qua hệ phụ

thuộc hàm cơ sở - (Basic depended Fuction-BDF).

)()()()(

)()()(

)()()(

)()(

2

0.

2

.0.

2

.0.

2

0.0.

0.

dbfafFabf

cafFabf

bbfFabf

aFabf

bharaharchar

aharchar

bharchar

char

Với F là đại lượng đặc trưng cho dòng từ thông cơ sở để thiết lập trường từ cho không gian máy

phát, tập trung nhất ở khe hở không khí giữa rotor và stator.

a là toán tử thể hiện khả năng biến từ thông F thành thế năng U của dòng điện mà ta hay

gọi là Q(VA)

bo là đại lượng đặc trưng cho dòng môi chất nước, nơi đó tích năng lượng ở độ cao, và xả

năng lượng vào cánh turbine bằng chính động năng của mình, chi phối bởi trường hấp dẫn

và nó ảnh hưởng tỉ lệ với công suất thực P(W).

Từ BDF(a) chúng tôi nhận thấy rằng các dạng sóng hài dù có năng lượng điện thấp cũng sinh từ

trường từ lực F và nếu là sóng chạy thì chắc chắn phải có sự tham gia của động tử rotor mà biến

đặc trưng là bo kết hợp các tham khảo và lý thuyết máy điện về các sóng hài [4] chúng tôi có sơ

đồ tương đương về sóng hài bậc 3 (hình 2).

Điều quan trọng là khi triển khai sóng chạy của sức từ động F trong khe hở không khí chúng tôi

dẫn xuất được tổng các điện áp sóng hài E3rd =0. Với kết quả này chúng tôi suy dẫn được

phương trình đặc tính – Winding Characteristic Equation (WCE) của sóng hài bậc 3 trải dài theo

cuộn dây Stator máy phát [1].


3

Hình 2. Sơ đồ tương đương cho điện áp sóng bậc 3 trong máy phát [3]

1.2. Phương trình đặc tính

kLyLkLyeV

kLxkLxeV

L

tk

L

nk

L

t

L

n

enLV

etLV

tnL

iZtetV

iZenV

rdt

rdn

rdMaxt

rdMaxn

trdt

nnrdn

);.(

.0);.(

;;1

).(

).(

;

*.

*.

3

3

2

3.

3.

3

3

Trong đó e3rd là điện áp sóng hài bậc 3 trên từng đơn vị chiều dài cuộn dây (L) stator máy phát.

Từ WCE có thể vẽ được đồ thị phân bố biên độ điện áp theo chiều dài cuộn dây như sau:


4

Nhờ các kết quả thu được từ BDF và WCE hình thành lý luận cơ sở cho các nghiên cứu chế tạo

hợp bộ bảo vệ Relay. Và định hướng các thử nghiệm sau đó cũng như lý giải các hiện tượng vật

lý xung quanh 3rd

harmonic. Rõ ràng là với BDF(a) cho ta thấy rằng tổ máy quay có kích thích

là có F và có ngay điện áp sóng hài U3f theo đúng dạng của WCE, giải thích sự thay đổi biên độ

nhờ BDF(b), BDF(c), BDF(d) [6]. Nghĩa là khi thay đổi công suất thực P đại lượng )(2

0. bf bhar

tham gia vào độ lớn U3f; Tương tự khi thay đổi Q đại lượng )( 2

. af bhar tham gia vào độ lớn U3f.

2. XỬ LÝ SỐ SÓNG HÀI BẬC 3

2.1. Mô hình xử lý số

Hình 3. Cấu hình cơ bản xử lý analog to digital cách ly

Nhiệm vụ của mô hình (hình 3), một là đảm bảo cách ly về điện với hệ thống nhất thứ, hai là

đảm bảo lọc dải thông hẹp [3*46, 3*52]HZ, ba là đảm bảo mức độ nhạy 10 mV/digits, bốn là

áp chế nhiễu đưới mức 5mV [IEC 255-22-3/4]. Làm như vậy sẽ đảm bảo đo lường với bộ thông

số thực tế U={200mV;8000mV}; F={140Hz, 160Hz}, mức nhiễu 8000mV (còn 5mV).

2.2. Sơ đồ nguyên lý tổng hợp

Sơ đồ nguyên lý tổng hợp (hình 4) đảm bảo liên kết nối cách ly về điện (qua biến áp, tụ điện);

lọc điện áp sóng hài bậc 3 dải hẹp thụ động đảm bảo tính chính xác cần thiết của tiêu chuẩn bảo

vệ relay [IEC 255], hiệu quả của mục tiêu đo lường điện áp của họa tần bậc 3 làm cơ sở xuất tín

hiệu cảnh báo và ra lệnh đi tác động bảo vệ máy phát, sơ đồ có thể mở rộng them các chức năng

lưu trữ, DCS, cũng như tích hợp các chương trình ứng dụng khác.


5

Hình 4. Sơ đồ tổng hợp xử lý số sóng hài bậc 3

3. RELAY EVN-TA-G.1

3.1. Ý tưởng chủ đạo

TT Nội dung so sánh 7UM62X 33

1 Nước sản suất Siemens (Đức) Liên Xô

2 Năm sản xuất đầu tiên Thập niên 1980 Thập niên 1980

3 Nền tảng công nghệ hiện

nay

Vi xử lý (a) Điện tử

4 Bộ lọc cơ sở Điện từ (b) Điện từ (b)

5 Công thức bảo vệ U3H.corr=U3H-Ucorr(100%-

Pmeans)

Max

MaxMax

E

EEKEE

.2.|;1311

13

.11.13

(c)

6 Ảnh hưởng trực tiếp

nhiễu công suất

Có Không

7 Giới hạn công suất Pmeans

]%100,%40[ nn PP

Không

8 Bảo vệ được điểm giữa

cuộn dây

Được Được

9 Phương pháp hiệu chỉnh HMI (d) Bằng tay


6

Với kỳ vọng là một nghiên cứu ứng dụng sản phẩm là tiếng nói cuối cùng, nó phải thể hiện

trung thực sự nghiên cứu lý thuyết. Nhưng khó có thể sử dụng các quan hệ toán học của BDF và

WCE, lý do là chúng ta mô hình trên hệ thống lý tưởng, trong tính toán, chúng tôi chưa đề cập

đến cách điện cục bộ khác nhau của các vòng dây, cũng như lý tưởng hoá cách bố trí dây quấn

để hình thành nên các thông số tụ phân bố đều. Nếu đúng là lý tưởng ta chỉ cần lấy hiệu Vneutral -

Vterminal và đo lường nó và ra quyết định. Trong thực tế sự tồn tại U3f lại xen lẫn với Unf và các

loại nhiễu. Khi phân hoạch được U3f thì phải đối diện với sự dịch pha và méo dạng tín hiệu. Do

đó bất cứ thiết bị nào cũng xây dựng cho mình hàm toán học tương ứng xét đến các hiệu ứng vật

lý càng sát với thực tế càng tốt [6]. Mặt khác kết quả của công nghệ sau nếu muốn có giá trị phải

kế thừa các tinh hoa của dòng thiết bị tương tự. Với ý tưởng này chúng tôi học hỏi nghiên cứu

các thiết bị của các nhà sản xuất lớn như Siemens, Nga với sự hiểu biết có giới hạn của mình

chúng tôi hình thành bảng so sánh.

Một nguyên tắc luôn được đưa lên hàng đầu là thiết bị của mình phải tổ hợp các ưu điểm của cái

cũ nếu có thể được. Từ các mong ước và lý luận trên chúng tôi đề xuất hệ công thức cơ sở-

System Basic Formula (SBF).

3.2. Hệ công thức cơ sở của relay(SBF)

;))0()0((

..)sin()(

)sin()(

)sin()(

)(1

.)(

)(1

.)(

1311

2

13

11

132

33

33

11132

11

11

n

s

t

ss

n

tp

n

t

E

EEK

eKtKE

EtI

tEtE

tEtE

EsLsr

sCsI

EEsLsr

sCsI

Chúng tôi lựa chọn công thức Ip(t) làm công thức cho bảo vệ của mình vì các ưu điểm đã trình

bày trong báo cáo chính thức của nghiên cứu khoa học [1], nhất là khả năng chống nhiễu ngoài

có tần số ba lần tần số cơ bản; khả năng này chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm sau ngày báo cáo

Xét duyệt Nghiệm thu Đề tài theo yêu cầu của Hội đồng Xét duyệt nghiệm thu (Biên bản số

4112/BB-EVN,28/10/2013);

Từ SBF suy ra các linh kiện điện thích hợp cho việc vật lý hóa các hàm thành phần. Việc thiết

kế thi công đã được tính toán từ chọn thiết bị, thử nghiệm từng phần, thử nghiệm tổng hợp, thử

nghiệm thực tế đã chứng tỏ khả năng làm việc của Hợp bộ như ý muốn.

Cuối cùng chúng tôi trình bày bảng tóm tắt các Hợp bộ bảo vệ trong đó có Hợp bộ bảo vệ của

chúng tôi (được tạm đặt tên là EVN-TA-G.1).


7

TT Nội dung so

sánh

7UM62X 33 EVN-TA_G.1

1 Nước sản

suất

Siemens (Đức) Liên Xô

2 Năm sản xuất

đầu tiên

Thập niên 1980 Thập niên 1980 Năm 2012

3 Nền tảng

công nghệ

hiện nay

Vi xử lý

(a)

Điện tử Vi xử lý

4 Bộ lọc cơ sở Điện từ (b) Điện từ (b) Điện từ

5 Công thức

bảo vệ

U3H.corr

=U3H-

Ucorr(100%-

Pmeans)

Max

MaxMax

E

EEKEE

.2.|;1311

13

.11.13

(c)

13

1311

3

1

)(

)()(

E

EE

tI

tItIp

/E11-E13/<£

6 Ảnh hưởng

trực tiếp

nhiễu công

suất

Có Không Không

7 Giới hạn

công suất

Pmeans

]%100,%40[ nn PP Không Không

8 Bảo vệ được

điểm giữa

cuộn dây

Được Được Được

9 Phương pháp

hiệu chỉnh

HMI (d) Bằng tay HMI

Khác biệt cơ bản của các bảo vệ relay trên là ở chỗ công thức bảo vệ và có thể tóm tắt như sau:

Relay 7UM622: Giá trị áp rời khỏi đặc tuyến;

Relay 33 : So lệch điện áp giữa trung tính và đầu cực máy phát;

Relay EVN-TA_G.1: Dịch chuyển điểm zero của đặc tuyến điện áp sóng hài bậc 3.

3.3. Hình ảnh của sản phẩm

Hình ảnh mô hình thí nghiệm của EVN-TA_G.1:


8

Relay EVN-TA-G.1 vận hành trong hệ thống

Mẫu thiết kế Mặt trước sản phẩm

4. KẾT LUẬN

4.1 Về cơ sở lý thuyết của relay EVN-TA-G.1

Để chứng minh sóng hài bậc 3 hình thành không phụ thuộc vào tổ chức pha của các dây dẫn

120 độ điện, chúng tôi phải vận dụng lý thuyết cơ bản về trường từ của máy điện, phân tích

chúng thành dạng sóng chạy và sóng dừng dập mạch trên các pha. Từ dó chúng tôi nhận ra rằng

sóng hài bậc 3 là sóng chạy và duy nhất trong các bối dây dù bố trí khác nhau. Tính chất đồng

nhất của sóng chạy làm cho mỗi đơn vị chiều dài của dây dẫn hứng chịu sức điện động e3f như

nhau dưới tác động quay của rotor. Về mặt tính toán chúng tôi cũng suy dẫn được sóng hài 3rd

harmonic có tổng bằng 0 trên toàn bộ cuộn dây và kết quả là chúng tôi đề xuất phương trình đặc

tính – Winding Characteristic Equation (WCE). Trong thực tế cũng cho thấy 3rd

harmonic không

vượt qua máy phát để vào mạng truyền tải điện.

Để chọn công thức bảo vệ cho hợp bộ của mình trên cơ sở kế thừa chúng tôi chọn hướng phát

hiện sai lệch điểm zero của đặc tuyến, từ đó chúng tôi xây dựng hệ công thức cơ sở- System

Basic Formula(SBF). Ưu điểm của SBF ở chỗ nó phản ảnh tự nhiên quá trình vật lý của hiện


9

tượng hơn là chúng ta xây dựng trên sự sai lệch các dạng điện áp tuy dễ trong thực thi, nhưng là

kết quả suy diễn quá dài từ thực tế mà các bảo vệ cùng chức năng sử dụng.

Sự ảnh hưởng của P, Q trên các mức điện áp của U3f cũng được xét đến trong hệ phụ thuộc hàm

cơ sở -Basic depended Fuction-(BDF). Tuy nhiên, nhờ chọn phương án bảo vệ dịch chuyển đặc

tuyến nên không có ảnh hưởng đến chức năng làm việc của thiết bị chúng tôi.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn của relay EVN-TA-G.1

Chúng tôi đã đưa ra một cách bảo vệ khác dựa trên các ưu điểm của các bảo vệ truyền

thống với dự tính độ tin cậy ít nhất bằng các bảo vệ cũ;

Chúng tôi chế tạo hợp bộ bảo vệ rơ le có thể thay thế được các bảo vệ cũ trong bài toán

chống chạm đất ở vùng công suất thấp( Cho đến nay vận hành tin cậy trên 2 năm);

Chúng tôi chế tạo Hợp bộ Bảo vệ Rơ le theo phương pháp đi từ nhiệm vụ -> xem xét

thành tựu đương đại(*) -> mô hình toán -> phương trình vật lý toán -> linh kiện vật lý đáp

ứng -> hồ sơ thi công -> thí nghiệm đa chiều -> phản biện đa chiều -> vận hành thử -> tài

liệu hoàn công -> nghiệm thu sử dụng -> thiết kế lại nếu có yêu cầu. Đây là mạch vòng

tương tác có hồi tiếp âm, do đó chắc chắn sẽ ổn định.

4.3. Các khuyến nghị, đề nghị

Khuyến nghị: Vì cơ sở của thiết bị là kỹ thuật số nên có yêu cầu về môi trường làm việc

chuẩn theo nó;

Đề nghị và hướng nghiên cứu tiếp sau relay EVN-TA-G.1:

a. Phát triển phần mềm ứng dụng và tối ưu hoá thuật toán, định hướng thương mại hoá sản

phẩm;

b. Phát triển lý thuyết mặt cách điện- Insulate Winding Face-(IWF) để chế tạo các bộ bảo vệ

relay mới và qui trình xử lý cách điện cuộn dây máy phát.

Chú thích (*)

Tốc độ xử lý toán học Tốc độ truyền tín hiệu Năng lượng tối đa

CPU performance • Internal RAM: 128 kb

• External Flash: Max. 8

Mb

• Bit instruction: 0,1 us

• Word instruction: 0,2 us

• Fixed-point arithmetic: 2

us

• Floating-point arithmetic:

3 us

PROFIBUS MPI RS 485

interface • Functionality: MPI with

routing and S7 func.

• 187,5 kbps

• Galvanic isolation: No

PROFIBUS DP RS 485

interface • Functionality: DP master,

DP slave and S7 func.

• Additional functions: DP-V1

/ SYNC+FREEZE

Mechanical and Electrical

Specifications • Power supply: 20,4..28,8

VDC – 0,8 A

• Dimensions (WxHxD) : 40

x 125 x 130 mm

• 290 g

Others • LEDs indicate errors and

operating status such as RUN,

STOP and start-up.


10

• Number of slaves: 124

• I/O per slave: 244/244

• Total I/O: 2048/2048

• 12 Mbps

• Galvanic isolation: Yes

• Additional DP master CP

cards: 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Giới, Nghiên cứu xử lí số sóng hài bậc 3, ứng dụng bảo vệ chạm đất máy phát điện trong vùng công suất thấp, Báo cáo khoa học đề tài TĐ-SX-TĐ-12-001, EVN, 2012, tr. 19-94.

[2] SIPROTEC, Multifunctional Machine Protection 7UM62 V4.6; Manual C53000-G1176-C149-5 2007, pp. 226-232.

[3] Abdullah M. F., Hamid N. H., et al. The study of Triplen Harmonics Currents Produced by Salient Pole Synchronous Generator, Electrical and Electronic Engineering Department, University Teeknologi PETTROAS, Malaysia 2011.

[4] KôxTenKô M. P. và Piôtrôvxky L. M. Máy điện III, Vũ Gia Hanh dịch, NXB Giáo Dục, Hà Nội 1965, tr. 94-101.

[5] Hoàng Hữu Thận,Tính toán ngắn mạch và Chỉnh định bảo vệ rơ le, trên hệ thống điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2003.

[6] Nguyen Gioi, Analog to Digital Treatment the Third Harmonic Wave Voltage and Making Relay to Protect the Stator Winding of Generator at low Load Zone, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 52(3)(2014), pp281-288.

NGHIÊN ỨU XỬ LÝ SỐ SÓNG HI Ậ 3, ỨNG DỤNG ẢO VỆ HẠM …

Documents

Transcript of NGHIÊN ỨU XỬ LÝ SỐ SÓNG HI Ậ 3, ỨNG DỤNG ẢO VỆ HẠM …