Phân tích hoạt động của hệ thống rơle bảo vệ máy phát công suất nhỏ trong quá trình khởi động đen

 từ 
Bảo vệ chống quá k ích từ thường không đặt 
với các máy phát nhỏ do khi hoạt động nối 
lướ i các máy phát này đều vận hành ở chế độ 
phát công suất không đổi hoặc giữ hệ số công 
suất cosphi không đổi, điện áp là do phía hệ 
thống quyết định. 
Tuy nhiên, khi máy phát hoạt động ở trạng thái 
tách đảo, máy phát phải đảm nhiệm hoàn toàn 
việc duy trì điện áp, thêm vào đó công suất của 
máy phát thường ch ỉ đủ cung cấp cho phụ tải, 
ít có dự trữ. Do đó chỉ cần biến động của phụ 
tải (ví dụ các động cơ lớn khở i động) làm sụt 
điện áp thì máy phát bắt buộc phải nâng kích 
từ để giữ điện áp và có thể rơi vào trạng thái 
quá tải mạch k ích từ. 
Thông thường các bộ tự động điều khiển kích 
từ đều có chức năng hạn chế dòng kích từ cực 
đạ i để tránh quá tải, do đó chức năng này nên 
được kích hoạt trong mọi chế độ vận hành. 
2.6 Bảo vệ chống quá điện áp (59) 
Bảo vệ chống quá điện áp nhằm bảo vệ máy 
phát khỏi bị hư hỏng khi điện áp máy phát 
tăng quá cao. Nguyên nhân gây quá áp có thể 
do hư hỏng phần điều khiển mạch kích từ hoặc 
do cắt tải đột ngột. 
Khi máy phát nhỏ hoạt động nối lưới, điện áp 
do phía hệ thống quyết định, do đó vấn đề áp 
quá đột ngột do cắt tải thường ít xảy ra. Tuy 
nhiên, nếu máy phát hoạt động tách đảo thì hiện 
tượng quá áp do cắt tải hoàn toàn có thể xảy ra 
và do vậy chức năng bảo vệ này là cần thiết. 
Đặc tính làm việc của bảo vệ nên chọn loại có 
nhiều cấp độ cắt tùy theo mức độ quá áp. 
2.7 Bảo vệ chống thấp điện áp (27) 
Bảo vệ chống thấp điện áp thường không cần 
đặt đối với các máy phát nhỏ do các loại máy 
phát này thường vận hành ở chế độ phát công 
suất không đổi hoặc chế độ phát giữ hệ số 
công suất không đổi. 
Tuy nhiên khi máy phát hoạt động tách đảo, 
vận hành ở chế độ điều chỉnh điện áp ổn định, 
nếu xảy ra thấp áp thì hệ thống kích từ bắt 
buộc phải tăng dòng kích từ để duy trì điện áp 
và có thể làm mạch kích từ bị quá tải. Bảo vệ 
này là cần thiết để ngăn ngừa các hiện tượng 
như vậy xảy ra. 
Chức năng bảo vệ chống thấp áp (27) nên 
được chỉnh định phối hợp vớ i chức năng bảo 
vệ chống quá kích từ, đảm bảo rằng chức năng 
chống thấp áp hoạt động trước chức năng bảo 
vệ chống thấp kích từ. 
2.8 Bảo vệ tần số cao/ tần số thấp (81O/81U) 
Bảo vệ tần số cao sử dụng để chống lạ i hiện 
tượng quá tốc độ khi cắt tải lớn đột ngột hoặc 
khi có hư hỏng trong phần điều tốc. Vượt tốc 
150% khi mất tải là hoàn toàn có thể xảy ra 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 27 - 2015 4
với các tổ máy thủy điện nhỏ do quán tính nhỏ. 
Một lý do khác nữa là các tổ máy thủy điện 
thường hay gặp hiện tượng quá tần số do thời 
gian đáp ứng của toàn bộ hệ thống điều khiển 
(bao gồm cả hệ thống thủy lực và các cửa nhận 
nước) chậm. 
Bảo vệ tần số thấp để tránh máy phát rơi vào 
trạng thái làm việc lâu dài với tần số thấp hơn 
qui định, có thể gây ra các hiện tượng cộng 
hưởng về mặt cơ khí (các máy phát thủy điện 
thường không bị ảnh hưởng về mặt cộng 
hưởng kh i tần số thấp) hoặc làm giảm năng 
suất của các thiết bị máy móc. 
Khi máy phát hoạt động tách đảo, các dao 
động tần số diễn ra trong khoảng thời gian kéo 
dài do các bộ điều tốc có thời gian phản ứng 
chậm. Do vậy, các chức năng này nên được 
chỉnh định vớ i thời gian trễ dài hơn đảm bảo 
cho các bộ điều tốc của máy phát có đủ thời 
gian để tự điều ch ỉnh về trạng thái làm việc ổn 
định lâu dài, tránh cắt ngay máy phát, gây mất 
điện toàn bộ lưới điện đã tách đảo. 
Giá trị chỉnh định cụ thể nên căn cứ theo khả 
năng điều chỉnh của máy phát, các kịch bản 
đóng tải để xác định mức độ và thời gian dao 
động tần số lớn nhất có thể xảy ra. 
Chức năng bảo vệ này nên được phố i hợp chặt 
chẽ với chức năng sa thải phụ tải. 
III. CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ĐỀ XUẤT 
3.1. Cơ sở của đề xuất 
Qua phân tích có thể thấy rằng đối với máy 
phát nhỏ khi máy phát vận hành ở chế độ tách 
đảo thì cần xem xét chỉnh định lại hoặc bổ 
sung thêm chức năng cho các bảo vệ sau: 
 Chức năng bảo vệ quá dòng: có thể không 
đủ độ nhạy với các sự cố ngắn mạch gần 
Giả i pháp được đề xuất là sử dụng chức năng 
bảo vệ quá dòng kết hợp với khóa hoặc hãm 
điện áp thấp. Ngoài ra kích hoạt thêm chức 
năng bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch để tăng độ 
nhạy của bảo vệ với các sự cố không đối xứng. 
Giải pháp khác khi điều kiện kỹ thuật cho phép 
là sử dụng sơ đồ đấu nối theo phương thức bảo 
vệ so lệch đơn giản kiểu cộng từ thông. 
Chi tiết của các giả i pháp này sẽ được trình 
bày ở các mục tiếp sau. 
 Chức năng bảo vệ chống luồng công suất 
ngược (32R) không còn tác dụng, do đó không 
phát hiện được hiện tượng mất nguồn năng 
lượng sơ cấp quay t uabin (3). 
 Chức năng bảo vệ theo tần số: cần được 
chỉnh định lại với thời gian làm việc dài hơn 
để phù hợp với khả năng đáp ứng của bộ điều 
tốc hiện có và đảm bảo phối hợp với đặc tính 
vận hành cho phép của tuabin. 
3.2. Sử dụng bảo vệ quá dòng có khóa/hãm 
điện áp thấp 
3.2.1 Bảo vệ quá dòng kết hợp với khóa điện 
áp thấp (51&27) 
Bảo vệ quá dòng có khóa điện áp thấp 
(51&27) (Hình 1) cho phép chỉnh định dòng 
điện khở i động thấp hơn đã có rơle điện áp 
thấp (27) làm nhiệm vụ xác định trạng thái sự 
cố và quá tải, do dòng khở i động thấp nên bảo 
vệ có độ nhạy cao hơn. 
Hình 1. Bảo vệ quá dòng kết hợp khóa 
điện áp thấp (51 & 27) 
Chức năng này không yêu cầu phải có rơle 
chuyên dụng, tiếp điểm đầu ra của phần tử 
điện áp thấp có thể được nối tiếp với tiếp điểm 
đầu ra của chức năng bảo vệ quá dòng hiện có. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 27 - 2015 5
Phương thức này phù hợp với máy phát của 
thủy điện Suối Tân (1) do rơle bảo vệ được sử 
dụng tại đây là loại bảo vệ quá dòng đơn giản. 
Tuy nhiên cần chú ý để thay đổi phương thức 
đấu nối của rơle giám sát mạch cắt (74) để 
tránh báo nhầm. 
Các giá trị chỉnh định (theo khuyến cáo của 
Siemens (2)): 
 Dòng điện khởi động: 1,4*Iđịnh mức của m áy phát 
 Điện áp khởi động của rơle điện áp thấp: 
0,8*Uđịnh mức 
3.2.2 Bảo vệ quá dòng với hãm điện áp thấp (51V) 
Bảo vệ quá dòng có hãm theo điện áp thấp 
(51V) hoạt động dựa theo nguyên lý : dòng 
điện khở i động tự động thay đổi theo điện áp 
đầu cực máy phát. Khi điện áp giảm thấp, 
dòng điện khởi động sẽ tự hạ thấp đảm bảo 
cho bảo vệ quá dòng có đủ độ nhạy. Đặc tính 
làm việc của một rơle quá dòng có hãm điện 
áp thông dụng được trình bày trên Hình 2. 
Hình 2. Bảo vệ quá dòng với hãm điện áp thấp (51V) 
Chức năng bảo vệ này có ưu điểm là thích 
nghi tốt với mọi trạng thái vận hành của máy 
phát, tuy nhiên cần rơle chuyên dụng do đó 
khó có khả năng áp dụng đối với máy phát của 
nhà máy thủy điện Suối Tân. 
3.3. Sử dụng bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46) 
Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch có hiệu quả đặc 
biệt đố i với các máy phát hoạt động tách đảo 
như trường hợp tổ máy của nhà máy thủy điện 
Suối Tân. Do đó có thể xem xét kích hoạt chức 
năng này do các lý do sau: 
 Chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch 
được trang bị sẵn trong các rơle quá dòng 
 Dòng điện ngắn mạch với sự cố không đố i 
xứng có thể thấp (thậm chí nhỏ hơn dòng tải 
lớn nhất) và các rơle quá dòng pha thông 
thường không đủ độ nhạy để phát hiện. 
 Trong lưới điện nhỏ cô lập, khả năng xảy ra 
hiện tượng vận hành với tải không cân bằng là 
dễ xảy ra, tải không cân bằng sẽ gây ảnh 
hưởng trực tiếp tới máy phát (gây phát nóng 
hơn bình thường, rung động trong quá trình 
vận hành). 
Như vậy chức năng bảo vệ theo dòng thứ tự 
ngh ịch nên đặt vớ i đặc tính thờ i gian phụ 
thuộc (Hình 3), nếu mức độ mất cân bằng nhỏ 
ứng với trạng thái vận hành bình thường hoặc 
quá tải thì thời gian cắt kéo dài, nếu mức độ 
mất cân bằng lớn ứng với trường hợp sự cố 
không đối xứng thì ngược lại thời gian cắt 
phải ngắn. 
Dòng khởi động: thường đặt lớn hơn mức độ 
không đối xứng của dòng điện trong quá trình 
vận hành. Dải cài đặt có thể dao động từ 
(0,1÷0,3)* Iđịnh mức của BI. Tuy nhiên, với máy 
phát vận hành tách đảo thì mức độ không đố i 
xứng có thể lớn nên có thể chọn giá trị cài đặt 
là 0,3* Iđịnh mức của BI. 
Hình 3. Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch với đặc 
tính thờ i gian phụ thuộc 
3.4. Sử dụng bảo vệ so lệch theo nguyên lý 
tổng từ thông đơn giản 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 27 - 2015 6
Vớ i các m áy phát nhỏ, khi tiết diện dây quấn 
cuộn stato nhỏ, có thể xem xét phương án 
đặt bảo vệ so lệch theo nguyên lý tổng từ 
thông (Hình 4). Phương án này khá phù hợp 
với nhà máy thủy điện Suối Tân kh i xem xét 
các yếu tố sau: 
 Bảo vệ so lệch sẽ có độ nhạy cao hơn với 
các sự cố so với bảo vệ quá dòng thông 
thường. 
 Do ch ỉ sử dụng một BI cho mỗi pha nên 
loại trừ được dòng cân bằng sinh ra do sai số 
của BI dẫn tới bảo vệ có độ nhạy cao. Phương 
án này còn có thể bảo vệ được cả sự cố chạm 
đất nếu dòng chạm đất đủ lớn. 
 Thời gian làm việc có thể đặt xấp xỉ 0 giây, 
không cần phối hợp với các bảo vệ khác. 
 Không yêu cầu lắp đặt thêm rơle, chỉ cần sử 
dụng chức năng bảo vệ quá dòng có sẵn, do 
vậy không cần đầu tư thêm về mặt rơle. 
Tuy nhiên khi sử dụng phương án bảo vệ này 
cũng có một số vấn đề cần quan tâm: 
 Cần có BI với đường kính lõi từ đủ lớn để 
dây quấn có thể lồng 2 lần qua lõ i từ. 
 Không có khả năng làm bảo vệ dự phòng 
cho máy biến áp đầu cực. Tuy nhiên máy biến 
áp đầu cực đã được bảo vệ bằng bảo vệ so lệch 
và bảo vệ quá dòng dự phòng nên không cần 
bảo vệ dự phòng từ phía máy phát. 
Hình 4. Bảo vệ so lệch theo nguyên lý cộng từ 
thông sử dụng bảo vệ quá dòng 
Về phần cài đặt chỉnh định: Dòng khởi động 
của chức năng bảo vệ so lệch theo kiểu cộng 
từ thông có thể đặt thấp do không bị ảnh 
hưởng bởi sai số của các BI. Để nâng cao độ 
nhạy của bảo vệ có thể đặt giá trị này ở mức 
0,2*Iđịnh mức BI. Thời gian làm việc của bảo vệ 
đặt khoảng 50ms để tránh tác động nhầm do 
các dao động quá độ. 
3.5. Chức năng bảo vệ theo tần số 
Với các máy phát vận hành ở chế độ tách 
đảo thì chức năng bảo vệ chống luồng công 
suất ngược không còn tác dụng, do đó sẽ 
không phát hiện được hiện tượng mất nguồn 
năng lượng sơ cấp. Do đó bảo vệ theo tần số 
thấp là cần thiết trong các trường hợp này, 
bảo vệ theo tần số thấp sẽ phát hiện hiện 
tượng tần số giảm quá thấp do mất năng 
lượng sơ cấp vào tuabin. Sự cần thiết của 
chức năng bảo vệ tần số cao đã được diễn 
giải ở các phần trên. 
Giá trị chỉnh định cho chức năng bảo vệ theo 
tần số khi vận hành tách đảo không bị ràng 
buộc bở i điều kiện vận hành ổn định như kh i 
kết nối lướ i, nên có thể dựa theo các ngưỡng 
làm việc/thờ i gian cho phép của t uabin. Điều 
này có thể dẫn tới tần số nằm ở ngưỡng cao / 
thấp trong một thời gian dài hơn, vớ i mức độ 
thay đổi cho phép lớn hơn so với khi hoạt 
động nố i lưới. Tuy nh iên do nhà máy thủy 
điện Suối Tân cung cấp chỉ cho các phụ tả i 
dân sinh (không phải phụ tải công nghiệp) 
nên vấn đề này cũng không gây ảnh hưởng 
nhiều tớ i tải. 
Chức năng bảo vệ theo tần số còn quyết định 
tới độ lớn của các nhóm tải được đóng vào kh i 
vận hành cô lập và trong quá trình khôi phục 
cấp điện, do đó nên được kiểm tra thông qua 
mô phỏng. 
Kết quả mô phỏng với các bước đóng tải khác 
nhau và trong trường hợp tần số xuống thấp 
nhất, hệ thống vẫn có khả năng hồi phục về 
định mức được thể hiện trong Hình 5. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔ NG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 27 - 2015 7
Hình 5. Đáp ứng tần số trong trường hợp cực 
đoan nhất 
Qua mô phỏng có thể thấy rằng đáp ứng tần số 
của hệ thống là chấp nhận được, mức độ dao 
động tần số không thấp hơn 46Hz và mức này 
duy trì chỉ trong khoảng dưới 5 giây. 
So sánh kết quả này với các thông số vận hành 
cho phép của tuabin thủy điện có thể thấy rằng 
cài đặt rơle tần số theo thông số vận hành cho 
phép của tuabin hoàn toàn đảm bảo để máy 
phát vận hành ổn định trong quá trình khôi 
phục lại tải. 
Thông số mô phỏng của máy phát nhà máy 
thủy điện Suối Tân ứng vớ i kịch bản đóng tải 
gây sụt giảm tần số lớn nhất: 
 Sơ đồ kết lưới 
Hình 6. Sơ đồ kết lưới trong trường hợp gây sụ t giảm tần số lớn nhất khi đóng tải 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 27 - 2015 8
Số lượng máy phát 
Chỉ có 02 máy phát vận hành, gồm tổ máy G2 
(1000kW) và G3 (500kW) (tổ máy G1 có 
thông số tương tự vớ i G2). 
 Các tham số của máy phát, bộ điều tốc, kích 
từ được sử dụng dựa trên số liệu thu thập và 
các số liệu điển hình của mô hình thiết bị. Cụ 
thể như sau: 
- Máy phát 1MW: Pđm = 1MW, Uđm = 6.3 
kV, H = 2 (s); Xd = 1 .014 ; Xd’ = 0.314 ; Xd” = 
0.28; Tdo’ = 6.55; Tdo ” = 0 .039; Xq = 0.77 ; 
Xq’ = 0.375; Tqo” = 0.071; R = 0.005176 ; 
cosφ = 0.9; 
- Máy phát 500kW: Pđm = 500kW, Uđm = 
6.3 kV, H = 2(s); Xd = 1.014 ; Xd’ = 0.314 ; 
Xd ” = 0.28; Tdo’ = 6.55; Tdo” = 0.039 ; Xq = 
0.77; Xq’ = 0.375 ; Tqo” = 0.071 ; R = 
0.005176; cosφ = 0.9 ; 
- Bộ điều tốc các máy phát được mô hình hóa 
bằng bộ điều tốc PID (mô hình Gov2 của phần 
mềm PSCAD). Máy phát G3 được chọn làm tổ 
máy điều tần, máy phát 1 và 2 tham gia điều 
tần cấp I với độ dốc bằng 4%. 
- Hệ thống kích từ của cả 3 máy phát dựa 
trên mô hình AC4A. 
4. KẾT LUẬN 
Các tổ máy thủy điện nhỏ có khả năng linh 
động cao trong quá trình khởi động đen, khô i 
phục cấp điện sau sự cố lớn đố i vớ i hệ thống 
do thiên tai hoặc các yếu tố bất thường khác 
gây ra. Tuy nhiên quá trình khở i động đen 
đồng nghĩa với việc tổ máy sẽ vận hành ở chế 
độ tách đảo và sẽ làm ảnh hưởng đến sự làm 
việc của hệ thống bảo vệ rơle sẵn có của các 
máy phát này. Mức độ ảnh hưởng thể hiện 
trên nhiều mặt như giảm độ nhạy của các bảo 
vệ quá dòng, vô hiệu hóa chức năng bảo vệ 
chống luồng công suất ngược, dao động tần 
số và điện áp sẽ lớn hơn so với kh i vận hành 
kết nối lướ i. 
Dựa vào các phân tích trên và thực tế là các tổ 
máy nhỏ như ở nhà máy thủy điện Suối Tân 
chỉ được trang bị các bảo vệ đơn giản như bảo 
vệ quá dòng làm bảo vệ chính, bài báo đã đề 
xuất giải pháp để nâng cao hiệu quả của hệ 
thống bảo vệ rơ le hiện có. Các giải pháp này 
cho phép tận dụng các rơle sẵn có, giảm chi 
phí đầu tư và có thể thực h iện được ngay. 
Ngoài giải pháp về mặt chức năng bảo vệ, bài 
báo còn đề xuất các giá trị chỉnh định khuyến 
cáo cho các chức năng này. Các phân tích 
trong bài báo dựa trên cơ sở của nhà máy thủy 
điện Suối Tân trong trường hợp vận hành tách 
đảo với nhiều kịch bản khác nhau, tuy nhiên 
hoàn toàn có thể áp dụng cho các nhà máy 
khác với cấu hình tương tự. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nhà thầu cung cấp. Tài liệu tham 
khảo về hệ thống rơ le bảo vệ tại nhà 
máy thủy điện Suối Tân. 
[2] Siemens. Protection of a Medium-Size d 
Generator up to 5 MW. [Online] 
ol/SIP ROTEC_Applications/ea8d53e9-
920c-46b7-af5d-
f8e52a919329/Appl_21_Medium_sized_
Generator_Protection_en.pdf. 
[3] J. Lewis Blackburn, Thomas J. 
Domin. Protective relay principle and 
application. s. l. : CRC Press, 2006