• Hầu hết các lắp đặt điện trong công nghiệp hoặc công suất lớn trong thương mại thường có các tải quan trọng đòi hỏi nguồn cấp phải được duy trì liên tục, ngay cả khi nguồn lưới có sự cố. Vì các lý do:
    • Hoặc cần cấp điện cho hệ thống bảo vệ an toàn
    • Hoặc cấp điện cho các tải ưu tiên, chẳng hạn như một số thiết bị mà việc chúng ngừng hoạt động có thể gây thiệt hại cho sản xuất, hoặc hư hỏng thiết bị của nhà máy,…
  • Một trong những biện pháp nhằm duy trì cung cấp điện cho các tải được gọi là “ưu tiên” trong trường hợp có sự có nguồn lưới, là lắp đặt một hệ thống máy phát diesel và nối máy phát này tới tủ điện cung cấp nguồn dự phòng qua một bộ chuyển mạch từ đó cung cấp cho tải ưu tiên trong trường hợp khẩn cấp.

Bảo vệ máy phát

Bảo vệ quá tải

  • Đường cong bảo vệ máy phát cần được phân tích (xem hình)

bảo vệ quá tải

  • Tiêu chuẩn và các yêu cầu ứng dụng có thể quy định cụ thể các điều kiện bảo
  • Khả năng cài đặt thông số của các thiết bị bảo vệ quá tải (hoặc bảo vệ theo thời gian) phải sát với các yêu cầu nêu trên.

Lưu ý về bảo vệ quá tải

  • Vì lý do kinh, động cơ nhiệt sơ cấp thường được chọn có công suất phù hợp với công suất định mức của máy phát. Nếu xảy ra quá tải về công suất thực, động cơ diesel sơ cấp này sẽ giảm tốc hoặc dừng. Do đó, việc cân bằng công suất thực của tải ưu tiên cần tính đến vấn đề này.
  • Hệ thống máy phát cần có thể chịu đựng vận hành quá tải:
    • Qúa tải 1 giờ
    • Quá tải 10% trong vòng 1 giờ, một lần trong vòng 12 giờ (Công suất động cơ sơ cấp)

Bảo vệ ngắn mạch

Sự hình thành dòng ngắn mạch

Dòng ngắn mạch là tổng của:

  • Dòng siêu quá độ 
  • Dòng tắt dần dạng sin

sự biến thiên

  • Giai đoạn siêu quả độ: Khi xảy ra ngắn mạch tại đầu cực máy phát, dòng ngắn mạch có giá trị khá cao, khoảng 6 đến 12 In trong chu kỳ đầu tiên (0 đến 20ms). Biên độ dòng ngắn mạch phụ thuộc vào các thông số sau:
    • Điện kháng siêu quả độ của máy phát 
    • Mức độ kích từ ngay trước thời điểm ngắn mạch, 
    • Tổng trở của mạch ngoài (từ máy phát đến điểm ngắn mạch).
    • Tổng trở ngắn mạch của máy phát trong giai đoạn này bao gồm điện kháng siêu quả độ xod có giá trị tính bằng % và cho bởi nhà sản xuất. Giá trị điển hình của x”d vào khoảng 10 đến 15%. Tổng trở ngắn mạch của máy phát trong giai đoạn siêu quá độ tính bởi công thức:

công thức 1

  • Giai đoạn quá độ: Giai đoạn quá độ nằm trong khoảng 100 tới 500 ms sau khi sự cố xảy ra. Dòng điện giảm từ giá trị trong giai đoạn siêu quá độ đến khoảng 1,5 đến 2 lần dòng In. Tổng trở ngắn mạch của máy phát xét đến trong giai đoạn này là điện kháng quá độ xd có giá trị tính bằng % và cho bởi nhà sản xuất. Giá trị điển hình của xe vào khoảng 20 đến 30%.
  • Giai đoạn xác lập: Giai đoạn xác lập diễn ra sau 500 ms. Khi sự cố tiếp diễn, điện áp ra của máy phát giảm mạnh và mạch điều khiển kích từ sẽ tự điều chỉnh để tăng điện áp này lên. Kết quả là dòng ngắn mạch sẽ được duy trì ở một giá trị ổn định:
    • Nếu kích từ máy phát không tăng lên trong quá trình ngắn mạch (không cho phép quá kích thích) mà được duy trì ở mức độ như trước ngắn mạch, dòng điện sẽ xác lập tại giá trị tương ứng với điện kháng ngắn mạch Xd của máy phát. Giá trị điện hình của Xd thường cao hơn 200%. Do đó, dòng ngắn mạch xác lập sẽ nhỏ hơn dòng định mức của máy phát, và thường vào khoảng 0.5 In.
    • Nếu máy phát cho phép kích từ tối đa (cho phép quá kích từ), hoặc máy phát thuộc loại kích từ hỗn hợp, điện áp kích từ tăng vọt sẽ khiến dòng sự cố tăng trong khoảng 10s, và đạt đến giá trị khoảng 2 đến 3 lần dòng định mức của máy phát.

giá trị điển hình

Tính toán dòng ngắn mạch

  • Nhà sản xuất thường cung cấp các giá trị tổng trở và thời hằng cần thiết cho việc phân tích hoạt động của máy phát trong trạng thái quá độ hoặc xác lập (xem hình). Giá trị điện trở máy phát thường rất nhỏ so với điện kháng và có thể bỏ qua. Thông số cho việc khảo sát ngắn mạch như sau: 
    • Giá trị dòng ngắn mạch tại đầu cực máy phát: Dòng ngắn mạch trong điều kiện quá độ:

Isc3 = (In/X’d)x(1/√3) (X’d tính bằng W) hoặc

Isc3 = (In/X’d)x100 (x’d in %)

Un là điện áp dây ở ngõ ra máy phát.

Lưu ý: Giá trị này có thể so sánh với dòng ngắn mạch ở đầu cục máy biến áp.

ví dụ

  • Với cùng công suất máy, dòng ngắn mạch tại vị trí gần máy phát sẽ thấp hơn 5 đến 6 lần dòng ngắn mạch xảy ra với biến áp (tại nguồn chính).
  • Sự khác biệt này càng gia tăng trong thực tế khi công suất lắp đặt của máy phát (dự phòng) thường nhỏ hơn công suất máy biến áp.
  • Khi mạng hạ áp cung cấp bởi nguồn điện chính 1 công suất 2.000 kVA, dòng ngắn. mạch tại thanh cái chính của tủ phân phối hạ áp là 42kA. Khi mạng hạ áp này cung. cấp bởi nguồn dự phòng 2 có công suất là 500 kVA với điện kháng quá độ là 30%. dòng ngắn mạch tại thanh cái chính lúc này chỉ là 2,5 kA, nghĩa là yếu hơn 16 lần. so với dòng ngắn mạch xảy ra khi cung cấp bằng nguồn điện chính.

Bảo vệ phía tải mạng hạ áp

Bảo vệ mạch ưu tiên

Lựa chọn khả năng cắt ngắn mạch

  • Cần kiểm tra một cách hệ thống đặc tính của nguồn điện chính (biến áp trung áp/hạ áp).

Chỉnh định thời gian trễ của bảo vệ cắt dòng

  • Mạch phân phối thứ cấp: Giá trị dòng định mức của các thiết bị bảo vệ trong mạch phân phối thứ cấp và mạch phân phối cuối cùng luôn luôn nhỏ hơn dòng định mức của máy phát. Ngoại trừ các trường hợp đặc biệt, điều kiện này cũng áp dụng khi mạch được cung cấp từ biến áp.
  • Mạch phân phối chính 
    • Giá trị định mức của thiết bị bảo vệ thanh cái chính thường tương đương với định mức của thiết bị bảo vệ máy phát. Cài đặt thông số cho bộ bảo vệ ngắt dòng có trễ (STD – Short Time Delay) cần phù hợp với đặc tính ngắn mạch của máy phát (xem “Bảo vệ ngắn mạch” ở phần trước) 
    • Tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ trên thanh cái của mạch ưu tiên phải được đảm bảo trong vận hành của máy phát (và là tính năng bắt buộc đối với mạch cấp điện an toàn). Cần thiết phải kiểm tra việc chỉnh định thời gian trễ giữa thiết bị bảo vệ trên mạch phân phối chính so với thiết bị bảo vệ trên mạch phân phối phía tải (thông thường cài đặt dòng cắt ngắn mạch cho mạng phân phối cỡ 10 In).
  • Lưu ý: Khi hoạt động với hệ thống máy phát, relay dòng rò (RCD-Residuai Current Device) với độ nhạy thấp có thể sử dụng để phát hiện sự cố cách điện và đảm bảo việc bảo vệ có chọn lọc rất đơn giản.

An toàn cho người

  • Trong hệ thống nối đất kiểu IT (sự có lần 2- 2nd fault) và TN, việc bảo vệ người chống lại chạm điện gián tiếp được thực hiện bởi chức năng bảo vệ cắt dòng có trễ (Short Time Delay protection) của cầu dao tự động (Circuit breaker). Khả năng hoạt động của thiết bị khi có sự CỐ phải được đảm bảo, bất kể khi thiết bị được lắp ở phía nguồn chính (biến áp) hoặc phía nguồn dự phòng (máy phát).

Tính toán dòng sự cố khi hỏng cách điện

  • Điện kháng thứ tự không tính bằng % của Uo và có giá trị xo cho bởi nhà sản xuất. Giá trị điển hình của điện kháng này là 8%.
  • Dòng ngắn mạch một pha khi xảy ra sự cố giữa pha-trung tính cho bởi công thức sau: If = (Un√3)/(2X’d + X’o)
  • Dòng sự cố khi hỏng cách điện trong hệ thống TN sẽ lớn hơn một ít so với dòng ngắn mạch 3 pha. Ví dụ, với trường hợp sự cố do hỏng cách điện trong ví dụ trên, dòng sự cố lúc này là 3 kA.

Các chức năng giám sát

  • Do đặc tính đặc thù của máy phát và bộ điều áp của máy, thông số vận hành chính xác của máy phát cần được giám sát khi một tải đặc biệt nào đó được sử dụng.
  • Đặc tính hoạt động của máy phát khác với biến áp:
    • Công suất tác dụng cung cấp từ máy phát là tối ưu khi hệ số công suất = 0 8
    • Với hệ số công suất nhỏ hơn 0,8, bằng cách tăng cường kích từ, máy phát cả thể cung cấp một phần công suất phản kháng.

Bộ tụ điện

  • Một máy phát không tải nối với một bộ tụ điện có thể xảy ra tình trạng tự kích, có thể gây ra quả điện áp.
  • Do đó, trong trường hợp này cần phải ngắt bộ tụ điện dùng để nâng cao hệ số công suất. Việc này có thể thực hiện bằng cách gửi tín hiệu báo ngắt đến bộ điều khiển tụ bù (nếu bộ này nối với hệ thống điều khiển đóng cắt các nguồn điện), hoặc mở thiết bị đóng cắt mạch cung cấp cho tụ bù.
  • Trong trường hợp vẫn cần sử dụng tụ bù, đừng sử dụng bộ điều khiển hệ số công suất (do không chính xác).

Tái khởi động và gia tốc động cơ

  • Máy phát chỉ có thể cung cấp tối đa, trong thời gian quá độ, dòng điện trong khoảng 3 đến 5 lần dòng định mức của máy.
  • Trong khi đó, dòng động cơ có thể lên tới 6 In trong khoảng 2 đến 20 s trong khi khởi động. Nếu tổng công suất các động cơ là lớn, việc đồng thời khởi động tất cả các tải này sẽ gây nên dòng khởi động cao và có thể gây tổn hại cho máy phát. Sụt áp trên máy phát trong trường hợp này sẽ lớn, do điện kháng lúc này là điện kháng quá độ và cận quá độ có giá trị cao (20% tới 30%), và có thể gây ra: 
    • Động cơ không thể khởi động, 
    • Nhiệt độ tăng cao do thời gian khởi động bị kéo dài vì sụt áp lớn 
    • Tác động cắt của các thiết bị bảo vệ nhiệt. 
  • Ngoài ra, toàn bộ hoạt động của mạng điện và các thiết bị chấp hành khác có thể bị ảnh hưởng bởi sụt áp.

Một số lưu ý khi tái khởi động động cơ

  • Nếu công suất Pmax của động cơ lớn nhất > 1/3Pn, cần lắp đặt bộ khởi động mềm cho động cơ này 
  • Nếu ∑P động cơ > 1/3Pn , động cơ cần được điều khiển khởi động tuần tự cách dùng PLC
  • Nếu ∑P động cơ < 1/3Pn, không có vấn đề gì khi tái khởi động các động cơ

Tải phi tuyến – Ví dụ về UPS

Tải phi tuyến

  • Các loại tải phi tuyến thường gặp:
    • Mạch từ bão hoà 
    • Đèn phóng điện, đèn huỳnh quang 
    • Bộ biến đổi điện tử 
    • Các thiết bị tin học: PC, máy tính,…
  • Các tải này phát sinh sóng hài lòng: trong trường hợp cung cấp bởi máy phát, các sóng hài này có thể gây ra mức độ méo dạng điện áp cao do các máy phát này thường có công suất ngắn mạch thấp.

Nguồn điện liên tục (UPS)

tổ hợp máy phát

  • Sự kết hợp giữa nguồn điện liên tục (UPS) và máy phát là giải pháp tốt nhất để đảm bảo chất lượng nguồn cáp cho các tải nhạy với biến động của nguồn.
  • Tuy nhiên, bộ lưu điện cũng là một loại tải phi tuyến do có bộ chỉnh lưu ở ngõ vào.
  • Khi nguồn lưới mất điện, bộ lưu điện sẽ cung cấp cho tải trong khi chờ máy phát khởi động và đóng vào mạch tải.

Công suất bộ lưu điện

  • Công suất đỉnh của bộ lưu điện cần phải đủ để cho phép: 
    • Cung cấp đủ công suất định mức cho tải phía ngõ ra. Công suất này bao gồm tổng các công suất biểu kiến Pa tiêu thụ bởi mỗi tải. Ngoài ra, để không làm gia tăng. công suất lắp đặt, khả năng chịu quá tải của bộ lưu điện cũng cần được xét đến (ví dụ: 1,5 In trong khoảng 1 phút và 1,25 In trong khoảng 10 phút) 
    • Công suất cần thiết để nạp cho ắc quy: Công suất này tỉ lệ với công suất định mức của bộ lưu điện và tính bằng công thức: Sr= 1,17 x Pn
  • Hình sau giúp xác định dòng tính toán để chọn thiết bị bảo vệ cho nhánh cung cấp cho bộ chỉnh lưu (nhánh 1) và nhánh nguồn dự phòng (nhánh 2)

dòng tính toán

Phối hợp giữa máy phát và bộ nguồn liên tục 

  • Khởi động lại bộ chỉnh lưu khi cung cấp bằng máy phát
    • Bộ chỉnh lưu của bộ nguồn liên tục có thể được trang bị mạch điều khiển có chức năng tăng dần dòng nạp khi khởi động để tránh xảy ra dòng vào ban đầu của bộ chỉnh lưu quá lớn khi chuyển nguồn cáp sang máy phát (xem hình).

dòng khởi động

  • Sóng hài và méo dạng điện áp
    • Hệ số méo hài điện áp tổng ℘ xác định bởi công thức: ℘(%) = √(∑U2h)/U1
    • Trong đó: Uh là sóng hài điện áp bậc n
    • Giá trị này phụ thuộc vào: 
      • Sóng hài dòng điện phát sinh do bộ chỉnh lưu (tỷ lệ với công suất Sr của bộ chỉnh lưu)
      • Điện kháng cận quá độ dọc trục Xd của máy phát 
      • Công suất Sg của máy phát
  • Ta định nghĩa: U’Rcc(%) = X”d (Sr/Sg) là điện áp ngắn mạch tương đối của máy phát, quy đổi về phía ngõ vào bộ chỉnh lưu, nghĩa là: ℘ = f(U’Rcc).
  • Lưu ý 1: Vì lý do kinh tế, các máy phát thường được chọn với công suất vừa phải, do đó điện kháng siệu quả độ của máy phát khá lớn, nên hệ số méo hài thường là rất cao so với giá trị cho phép (7 tới 8%). Để khắc phục, sử dụng thêm một bộ lọc công suất thích hợp là giải pháp hợp lý về cả kinh tế và kỹ thuật.
  • Lưu ý 2: Hiện tượng méo sóng hài không gây hại cho bộ chỉnh lưu nhưng có thể ảnh hưởng xấu đến các tải khác được cung cấp song song với bộ chỉnh lưu.

Áp dụng

  • Một biểu đồ (xem hình) được sử dụng để tính quan hệ giữa độ méo dạng T và U’Rcc. Biểu đồ này tính ra: 
    • ℘ là hàm theo U’RCC 
    • Hoặc U’Rcc là hàm theo ℘. Từ đó, công suất máy phát cần lắp đặt, Sg, có thể được xác định.

đồ thị tính toán

Ví dụ: Tính công suất máy phát cần thiết 

  • Trường hợp bộ nguồn liên tục 300 kVA được sử dụng không có bộ lọc, điện kháng siêu quá độ là 15%. Công suất Sr của bộ chỉnh lưu là: Sr = 1,17 x 300 kVA = 351 kVA. Với điều kiện ℘ < 7%, từ biểu đồ tính ra U’Rcc = 4%, công suất Sg là: Sg = 351 x 15/4 = 1,400 kVA

  • Trường hợp sử dụng bộ nguồn liên tục 300 kVA với bộ lọc, điện kháng cận quả độ là 15%. Với ℘ = 5%, từ biểu đồ tính ra U’Rcc = 12%, vậy công suất cần thiết Sg là: Sg = 351 x 15/12 ≈ 500 kVA

  • Lưu ý: Với nguồn lưới sử dụng biến áp 630 kVA nối tới bộ nguồn liên tục công suất 300 kVA UPS, trong trường hợp không có bộ lọc, hệ số méo dạng 5% vẫn có thể đạt được. Kết quả trên cho thấy khi sử dụng máy phát, cần liên tục giám sát sóng hài lòng trên tải. Nếu độ méo dạng hài điện áp là quá lớn, việc sử dụng bộ lọc trên lưới là biện pháp hiệu quả nhất để giảm độ méo dạng đến mức cho phép đối với các tải nhạy với sóng hài.

Máy phát làm việc song song

  • Việc hoạt động song song của các máy phát, không kể ứng dụng thuộc loại gì: nguồn an toàn, nguồn thay thế hoặc nguồn sản xuất, đòi hỏi phải quản lý chặt chẽ hơn việc kết nối, nghĩa là phải thêm các tính năng giám sát vào hệ thống.

Sự làm việc song song

  • Vì các máy phát đưa ra công suất cung cấp cho cùng một tải, chúng cần đen đồng bộ chính xác với nhau (điện áp, tần số), và tải cần được cân bằng thích hợp. Chức năng này thực hiện bởi bộ điều chỉnh của từng máy phát (điều chỉnh nhiệt và điều chỉnh kích từ). Các thông số (điện áp, tần số) được giám sát kỹ lưỡng trước khi kết nối: nếu các thông số này phù hợp mới có thể tiến hành kết nối.

Sự cố cách điện 

sự cố cách điện

  • Sự cố cách điện xảy ra bên trong vỏ kim loại của cụm máy phát có thể gây nguy hiểm trầm trọng cho máy phát trong cụm nếu đây là ngắn mạch pha – trung tính. Sự cố kiểu này cần được phát hiện và loại trừ nhanh chóng, nếu không, các máy phát khác trong hệ thống sẽ phát công suất qua điểm sự cố và gây ra tác động bảo vệ quá tải, làm gián đoạn cung cấp điện. Bảo vệ chạm đất (Ground Fault Protection – GFP) trang bị trong máy phát được dùng để: 
    • Nhanh chóng ngắt máy phát sự cố ra khỏi lưới nhằm duy trì cấp điện liên tục
    • Tác động lên bộ điều khiển của máy bị sự cố nhằm dừng máy và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng
  • Mạch bảo vệ chạm đất cho mỗi máy phát thực hiện theo nguyên lý cảm biến dòng rò và cần phải lắp đặt càng gần càng tốt các thiết bị bảo vệ cho mỗi hệ thống TNCITN-S, và khung vỏ máy cần được nối đất bằng dây PE riêng. Bảo vệ kiểu này gọi là “bảo vệ chạm đá đất giới hạn”.

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC – Bản chính sửa 2019

________________

VNK EDU gửi tặng bạn “Bộ thuyết minh bản vẽ hệ thống điện căn hộ du lịch và khách sạn Penninsula“
Nhận tài liệu

________________
Trải nghiệm buổi học thử miễn phí khóa học “Kỹ sư M&E – Thiết kế hệ thống điện” giúp bạn nắm bắt tổng quan kiến thức về hệ thống điện.

________________