Trong đó, đối với hệ thống lưới điện phân phối do Tổng công ty Điện lực miền Nam EVNSPC quản lý vận hành trải dài trên 21 tỉnh, thành phố phía Nam, các đường dây trung thế trên không cũn
Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội đất nước, nhu cầu về cung cấp điện năng phục vụ cho sinh hoạt trong đời sống của nhân dân cũng như các hoạt động kinh tế ngày càng tăng cao Để đáp ứng kịp thời nhu cầu đó, lưới điện của Ngành điện cũng phát triển không ngừng về quy mô và công suất trong cả 03 khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối điện Trong đó, đối với lưới điện phân phối cấp điện áp trung thế (đóng vai trò trực tiếp cung cấp điện cho đa số khách hàng) số lượng các đường dây trên không sử dụng cáp trần, cáp bọc hay các tuyến cáp ngầm cùng với hệ thống các trạm biến áp phân phối được Ngành điện đầu tư đồng bộ giúp đảm bảo việc cung cấp điện đầy đủ đến mọi đối tượng phụ tải
Song song với việc đầu tư, phát triển quy mô lưới điện, việc nghiên cứu, triển khai áp dụng các công nghệ, kỹ thuật trong quản lý vận hành lưới điện phân phối đảm bảo tính liên tục, an toàn, tin cậy, giảm thiểu tối đa xảy ra các sự cố lưới điện trở thành mục tiêu quan trọng nhất Các hệ thống thu thập dữ liệu, tự động giám sát, điều khiển bảo vệ qua SCADA/DMS, DAS được triển khai hỗ trợ công tác vận hành lưới điện thuận lợi, giúp phát hiện, kịp thời bảo vệ các thiết bị trên lưới điện, cô lập nhanh chóng vùng bị sự cố, nâng cao các chỉ số độ tin cậy cấp điện Dù vậy, đối với các đường dây phân phối trung thế trên không, do đặc thù làm việc trực tiếp dưới tác động của yếu tố môi trường và tác động ngoại lực bên ngoài hoặc các nguyên nhân chủ quan, khách quan khác nên không tránh khỏi các sự cố xảy ra Trên thực tế, thống kê vận hành cho thấy, sự cố trên đường dây chiếm 60-70% các sự cố xảy ra trên lưới điện phân phối Trong số các sự cố đó, sự cố đứt dây (đặc biệt là đứt dây bọc trung thế) được xem là sự cố điển hình, ngoài việc làm gián đoạn cung cấp điện, mất sản lượng cung cấp còn gây mất an toàn đến vận hành thiết bị và tính mạng của nhân dân Trong các sự cố đứt dây, một số trường hợp dây đứt rơi ra nhưng không chạm đất xảy ra tại các Tổng công ty Điện lực trong thời gian vừa qua đã gây ra tại nạn điện đáng tiếc trong nhân dân, tạo dư luận xã hội không tốt ảnh hưởng đến hình ảnh ngành điện Với các dạng sự cố này, nhiệm vụ quan trọng là cần phân tích nguyên nhân gốc rễ của sự cố từ đó triển khai đồng bộ các giải pháp để ngăn ngừa Tuy nhiên, không loại trừ trường hợp xảy ra đứt dây vì một lý do khách quan, bất khả kháng nào đó thì việc nhanh chóng cô lập, tách sự cố ra khỏi lưới điện cũng phải được tính đến và có giải pháp bảo vệ phù hợp Ở góc độ này, với trường hợp sự cố đứt dây không chạm đất, các phương pháp bảo vệ truyền thống bằng Rơ-le quá dòng không đủ tin cậy để bảo vệ Chính vì vậy, công tác quản lý vận hành lưới điện gặp nhiều khó khăn do khả năng thiết bị bảo vệ còn hạn chế hoặc nhiều nguyên nhân khách quan hoặc chủ quan khác (đặc thù về dòng tải, chế độ vận hành kết lưới liên tục thay đổi, việc cài đặt chỉnh định thông số làm việc Rơ-le bị ảnh hưởng)
Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn nêu trên, đề tài tập trung: “NGHIÊN CỨU
GIẢI PHÁP BẢO VỆ NÂNG CAO ĐỐI VỚI SỰ CỐ ĐỨT DÂY TRUNG THẾ THUỘC EVNSPC - ÁP DỤNG TẠI CÔNG TY ĐIỆN LỰC ĐỒNG NAI” Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, đưa ra các giải pháp tự động bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện trung thế, trong đó đi sâu nghiên cứu giải pháp kết hợp nhiều phương pháp trên cơ sở tận dụng khai thác các chức năng, năng lực các thiết bị đóng cắt, bảo vệ tự động trên lưới cũng như hạ tầng các hệ thống giám sát, đo lường điều khiển từ xa (SCADA/DAS, ) để nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ khi xảy ra sự cố giúp lưới điện vận hành ổn định và đảm bảo an toàn cho tính mạng của nhân dân – nhiệm vụ ưu tiên khi xảy ra sự cố Đề tài cũng sẽ nghiên cứu, xây dựng giải thuật để tích hợp vào phần mềm tự động hóa SCADA của hãng Survalent – Canada và thực hiện mô phỏng, kiểm chứng thực nghiệm các sự cố đứt dây và các dạng sự cố có nguyên lý tương tự để đánh giá kết quả làm cơ sở ứng dụng thực tế tại các Đơn vị trong EVNSPC.
Mục tiêu đề tài
➢ Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu giải pháp bảo vệ nâng cao đối với sự cố đứt dây trung thế tại Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC)
➢ Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu, đề xuất giải pháp kết hợp nhiều phương pháp trên cơ sở tận dụng khai thác chức năng, năng lực thiết bị hiện có trên lưới điện và hạ tầng các hệ thống phần mềm giám sát, điều khiển từ xa qua phần mềm SCADA Survalent để tăng cường độ chính xác, tin cậy trong bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế tại Công ty Điện lực Đồng Nai (PC Đồng Nai)
Phạm vi đề tài
- Các giải pháp bảo vệ nâng cao khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế
- Đường dây trung thế 22 kV thuộc EVNSPC nói chung và PC Đồng Nai nói riêng.
Phương pháp nghiên cứu
➢ Nghiên cứu lý thuyết về nguyên lý, nguyên nhân, giải pháp của sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế
➢ Nghiên cứu đề xuất giải pháp/phương pháp bảo vệ nâng cao khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế
➢ Sử dụng phần mềm SCADA của hãng Survalent – Canada để mô phỏng, kiểm chứng giải pháp đề xuất
➢ Áp dụng mô phỏng lưới điện thực tế của PC Đồng Nai thuộc EVNSPC.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
➢ Kết quả đề tài hỗ trợ trong đề xuất giải pháp thiết kế, vận hành lưới điện phù hợp, đúng kỹ thuật để ngăn ngừa các sự cố đứt dây có thể xảy ra
➢ Đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho công tác đào tạo vận hành lưới điện trung thế EVN SPC hoặc trong học thuật.
TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ ĐỨT DÂY, NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP NGĂN NGỪA HIỆN TƯỢNG ĐỨT DÂY
Hiện tượng đứt dây
Cơ sở lý thuyết - sự thay đổi về dòng điện và điện áp của sự cố đứt dây được trích từ tài liệu [1] Trong đó, có thể coi trạng thái đứt dây pha như là đặt nối tiếp vào mạch tại vị trí bị đứt một hiệu điện áp ΔU sao cho dòng trong pha bị đứt bằng 0 Pha không bị đứt tương ứng với ΔU = 0 Như vậy mạch điện trở thành không đối xứng do sự không đối xứng của dòng và áp tại nơi sự cố Ta có thể giải bài toán theo phương pháp các thành phần đối xứng
1.1.1 Hệ phương trình cơ bản
Giả thiết có thể đẳng trị mạch thành sơ đồ tối giản, nhìn từ vị trí đứt dây về các phía của sơ đồ Nói khác đi, tính tổng trở đầu vào của toàn bộ sơ đồ nhìn từ 02 cực của vị trí sự cố Với 3 thành phần thứ tự ta có các sơ đồ đẳng trị như trên Hình 1.1
Rõ ràng chỉ có sở đồ thứ tự thuận có nguồn, còn sơ đồ thứ tự nghịch, thứ tự không không có nguồn
Hình 1.1 Sơ đồ đẳng trị các thành phần thứ tự
Tương tự chế độ ngắn mạch ta thiết lập được hệ phương trình cơ bản (gồm 3 phương trình cho các đại lượng thành phần pha A) ΔUA1 = EA∑ - jIA1X1∑ ΔUA2 = 0 – jIA2X2∑ (1-1) ΔUA0 = 0 - jIA0X0∑
1.1.2 Điều kiện về trạng thái sự cố
Hệ 3 phương trình (1-1) có 06 ẩn số nên để giải được cần bổ sung thêm 03 phương trình Đó là các phương trình thể hiện trạng thái của mạch bị sự cố:
- Đứt dây 01 pha (pha A là pha đặt biệt: bị đứt dây): ΔUB = 0; ΔUC = 0; (1-2)
- Đứt dây 02 pha (pha A là pha đặt biệt: không bị đứt dây): ΔUA = 0;
Khi so sánh các biểu thức tính toán ngắn mạch với đứt dây là các trị số điện kháng tổng hợp Với cùng sơ đồ, nói chung các trị số X1∑, X2∑, X0∑ không giống nhau khi xét ngắn mạch và đứt dây tại cùng một vị trí Đó là vì khi đứt dây điện kháng tổng hợp cần được tính như tổng trở đầu vào nhìn từ cửa với 2 cực là các điểm bị đứt (tách về 2 phía) Với trạng thái ngắn mạch, điện kháng tổng hợp cũng là tổng trở đầu vào của toàn mạch nhưng cửa vào là điểm ngắn mạch và trung điểm sơ đồ Cũng vậy, sức điện động tổng hợp nói chung cũng không giống nhau trong 02 trường hợp Hơn nữa, xác định sức điện động tổng hợp cho tính toán đứt dây đôi khi khá phức tạp (Nếu áp dụng phương pháp sơ đồ phức hợp thì không nhất thiết phải tính)
1.1.3 Sơ đồ phức hợp trạng thái đứt dây a) Một pha bị đứt:
Dựa vào hệ phương trình cơ bản và các điều kiện về trạng thái sự cố ta có các kết quả sau cho đứt dây một pha (tương tự ngắn mạch 2 pha chạm đất):
Hình 1.2 Sơ đồ phức hợp đứt dây 1 pha
Các quan hệ trên cho phép đưa ra sơ đồ phức hợp như trên Hình 5.2 Dễ thấy, trị số dòng điện tại các pha không bị đứt bằng nhau và tỉ lệ nghịch với thành phần thứ tự thuận qua hệ số tỉ lệ: m = √3 √1 − 𝑋2 ∑ 𝑋0∑
Còn điện kháng phụ: X(1)Δ = X2∑ // X0∑ , giống như ngắn mạch 2 pha chạm đất Như vậy có thể tính được ngay trị số dòng điện tại các pha không bị đứt sau khi biết thành phần thứ tự thuận b) Hai pha bị đứt
Biểu thức tính toán cho dòng và áp thành phần tại vị trí đứt dây có thể nhận được như sau:
Hình 1.3 Sơ đồ phức hợp đứt dây 2 pha
Các quan hệ trên tương ứng với sơ đồ phức hợp trên Hình 5.3 Biểu thức điện kháng phụ trong trường hợp này giống như ngắn mạch 1 pha:
Hiện tượng đứt dây trong cấu hình lưới trung thế
Phân tích sự thay đổi về biên độ và góc pha của thông số điện áp [2] khi xảy ra sự cố đứt dây áp dụng cho trường hợp thực tế cụ thể đối với lưới điện trung thế của Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC) với các máy biến áp phân phối 3 pha 22/0,4 kV cấp điện cho phụ tải với sơ đồ đấu dây tam giác phía cuộn cao áp 22 kV:
Xé đường dây trung thế 22 kV trên lưới điện phân phối của EVNSPC như hình sau:
Hình 1.4 Sơ đồ đấu dây của các Máy biến áp trên lưới điện phân phối
1.2.1 Về biên độ điện áp: a) Trường hợp 01 pha bị đứt:
Hình 1.5 Sự thay đổi biên độ điện áp các cuộn dây khi đứt dây 1 pha
Như vậy sơ đồ phân tích ở Hình 1.4 trên, trong trường hợp 3 pha đối xứng, khi xảy đứt dây pha C (pha đặc biệt) thì:
• Điện áp 2 pha không bị đứt (không bị hở mạch) gồm pha A và pha B không thay đổi
• Điện áp pha bị đứt (pha C): Điện áp giảm đi một nửa b) Trường hợp 02 pha bị đứt: Phân tích tương tự như sơ đồ trường hợp đứt dây 1 pha, khi hở mạch 02 pha (ví dụ: trường hợp pha A và pha C cùng bị đứt dây)
Hình 1.6 Sự thay đổi biên độ điện áp các cuộn dây khi đứt dây 2 pha
• Điện áp pha B: Không thay đổi;
• Điện áp pha A, pha C: Bằng điện áp pha B (các cuộn dây BC, AC được nối tắt trùng với điểm đầu cuộn dây B)
1.2.2 Về góc pha điện áp: a) Trường hợp 01 pha bị đứt:
Hình 1.7 Sơ đồ đấu dây cuộn 22kV của máy biến áp 110kV và của máy biến áp phía phụ tải
Hình 1.8 Biên độ và góc pha của điện áp các cuộn dây khi pha C bị đứt dây
Như vậy, qua sơ đồ phân tích ở Hình 1.5, Hình 1.6 và Hình 1.7 trên, trong trường hợp 3 pha đối xứng, khi xảy đứt dây pha C (pha đặc biệt) thì:
• Biên độ và góc pha của điện áp 2 pha không bị đứt (không bị hở mạch) gồm pha A và pha B không thay đổi;
• Điện áp pha bị đứt (pha C): Biên độ giảm đi một nửa; Góc pha ngược pha 180 o so với góc pha điện áp trước khi sự cố b) Trường hợp 02 pha bị đứt: Phân tích tương tự như sơ đồ trường hợp đứt dây 1 pha, khi hở mạch 02 pha (ví dụ: trường hợp pha A và pha C cùng bị đứt dây) thì khi đó:
• Biên độ và góc pha điện áp pha B: Không thay đổi;
• Điện áp pha A, pha C: Bằng điện áp pha B (các cuộn dây BC, AC được nối tắt trùng với điểm đầu cuộn dây B) Góc pha điện áp pha A trễ pha 120 o so với trước khi bị sự cố Góc pha điện áp pha C sớm pha 120 o so với trước khi bị sự cố.
Tình hình sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế
1.3.1 Tình hình sự cố đứt dây trên lưới điện tại các Đơn vị trong Tổng công ty Điện lực miền Nam:
Trong giai đoạn từ năm 2018 – 2023, đặc biệt là giai đoạn năm 2018 – 2019, tình hình sự cố đứt dây trung thế, nhất là đứt dây bọc xảy ra khá nhiều tại các Công ty Điện lực thành viên của Tổng công ty Điện lực miền Nam, gây ảnh hưởng đến độ tin cậy cấp điện và an toàn tính mạng của nhân dân Trong giai đoạn này, qua thống kê sơ bộ, sự cố đứt dây trung thế trên toàn EVNSPC như bảng sau:
Số vụ sự cố đứt dây trung thế EVNSPC
Ghi chú: i) Số liệu theo rà soát, thống kê từ báo cáo của các Công ty Điện lực thành viên của EVNSPC ii) Các sự cố đứt dây đều là các sự cố đứt dây 1 pha
1.3.2 Những vấn đề ảnh hưởng do sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế gây ra: Những sự cố đứt dây trung thế trong giai đoạn 2018 – 2023, đặc biệt là giai đoạn 2018 – 2019 tại EVNSPC như đã nêu cũng như xảy ra trên phạm vi cả nước tại các Tổng công ty Điện lực gây ra nhiều thiệt hại:
− Gián đoạn cung cấp điện cho khách hàng, ảnh hưởng đến các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI, SAIFI, MAIFI,…;
− Mất sản lượng điện cung cấp, gây thiệt hại về mặt tài chính;
− Đặc biệt, gây mất an toàn trong nhân dân, điển hình là các sự cố gây chết người ở PC Long An (tháng 10/2018), PC Tân Bình - EVNHCM (tháng 8/2019), PC Quảng Nam – EVNCPC (tháng 11/2018), PC Khánh Hòa – EVNCPC (tháng 7/2023),…
Hình 1.10 Hình ảnh về một số sự cố đứt dây trung thế tại một số địa phương
Với những trường hợp sự cố đứt dây nhưng không chạm đất (treo lơ lửng) sẽ khó khăn trong việc sử dụng các phương pháp bảo vệ truyền thống (bảo vệ quá dòng 50/51) trong khi chức năng bảo vệ đứt dây 46BC thì nhiều thiết bị đóng cắt, bảo vệ thế hệ cũ còn tồn tại khá nhiều trên lưới thì chưa được trang bị chức năng này (trường hợp được trang bị thì chức năng này bị hạn chế bởi phụ tải, kết lưới của lưới điện thường xuyên thay đổi theo phương thức vận hành thực tế), cài đặt khó khăn, tác động không chính xác, gây mất điện không đáng có
Mặc dù qua từng năm, thông qua việc triển khai đồng bộ các giải pháp kỹ thuật thì tình hình đứt dây trên lưới điện trung thế tại các Đơn vị trong EVNSPC đã có chiều hướng giảm đáng kể, tuy nhiên thỉnh thoảng vẫn xảy ra, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lưới điện.
Nguyên nhân hiện tượng đứt dây trung thế
1.4.1 Nguyên nhân do thiên tai
Nguyên nhân do mưa bão, gió lớn, cây ngã đổ trực tiếp vào đường dây: Đối với các trường hợp này, sự cố đứt dây xuất phát từ nguyên nhân lực cơ lý bên ngoài tác động trực tiếp vào dây dẫn, lực này lớn hơn lực kéo đứt của dây dẫn gây nên hiện tượng đứt dây
Nguyên nhân do sét đánh vào các đường dây trung thế (bao gồm sét đánh trực tiếp và sét đánh cảm ứng) gây quá điện áp và sinh ra hồ quang gây đứt dây tại các điểm có cách điện yếu, hoặc suy giảm Trên thực tế, qua thống kê khoảng hơn 70% các sự cố đứt dây trung thế đều được ghi nhận nguyên nhân trực tiếp do sét đánh tại thời điểm sự cố Về cơ chế đứt dây khi xảy ra sét đánh trên đường dây được phân tích cụ thể qua bài viết [3], trong đó sự phát triển hồ quang ngắn mạch khi xảy ra sét đánh lên đường dây trung thế là nguyên nhân chính gây đứt dây Tuy nhiên quá trình phát triển hồ quang ngắn mạch khi sét đánh sẽ diễn ra không giống nhau trên dây trần và dây bọc Đối với dây trần khi bị sét đánh, gốc hồ quang ngắn mạch sẽ mở rộng, di chuyển và vì vậy không cháy ổn định tại cùng một điểm nên các dây dẫn trần sẽ không bị cháy đứt Trong khi đó, đối với dây bọc do kết cấu phần lõi dẫn được bao bọc bởi lớp cách điện chính XLPE bên ngoài (với bề dày tiêu chuẩn 5,5mm) nên điểm gốc hồ quang xuất hiện trên dây dẫn khi bị sét đánh sẽ bị lớp cách điện sẽ chặn việc di chuyển tự do và hồ quang sẽ tiếp tục đốt cháy tại cùng một điểm trên dây dẫn mặc dù nó bị ảnh hưởng bởi lực từ và điểm yếu nhất của dây bọc khi đó sẽ bị phá vỡ đầu tiên Kết hợp với yếu tố cơ lý (dây bọc có cấu trúc nhiều lớp nên thường có kích thước, trọng lượng lớn hơn dây dẫn trần) sẽ làm cho dây bọc dễ dàng bị đứt khi xảy ra sét đánh
1.4.2 Nguyên nhân từ công tác thiết kế, thi công, vận hành đường dây
Hầu hết các sự cố đứt dây, đặc biệt là đứt dây bọc trung thế thường xảy ra ở vị trí cách đỉnh sứ khoảng 20 – 30 cm (điểm cuối của giáp buộc sứ đứng) Đỉnh sứ và các vị trí lân cận có thể được xem là nơi yếu nhất về cơ-lý mà dây phải chịu đựng (do việc thay đổi phương của các lực tác động lên dây: trọng lực, lực kéo, lực uốn xoắn, ), cũng là vị trí dễ bị tổn thương lớp cách điện trong quá trình vận hành do dây dẫn, sứ và giáp buộc thường xuyên cọ xác nhau dưới tác động của ngoại lực Tại vị trí điểm cuối giáp buộc (Hình 1.10), là nơi tập trung điện trường lớn nhất (vị trí điểm nhọn) nếu sử dụng giáp buộc sai quy cách (giáp buộc sử dụng cho dây bọc yêu cầu phải làm từ vật liệu phi kim loại hoặc phủ lớp bán dẫn, không sử dụng giáp buộc bằng vật liệu kim loại) hoặc trường hợp thi công quấn giáp buộc sai kỹ thuật, giáp buộc càng không ôm sát dây thì điện trường tập trung càng lớn Và dưới tác động của điện trường, vị trí giáp buộc sẽ xuất hiện hiện tượng phân cực điện dung, hình thành một điện thế (tụ điện như Hình 1.11) giữa dây dẫn và giáp buộc [4] Từ đây xuất hiện hiện tượng phóng điện, phát nhiệt và lớp cách điện XLPE dần già sẽ bị ăn mòn, khuyết dần Do dây bọc không chịu được nhiệt độ cao, khả năng giải phóng nhiệt kém nên trường hợp đường dây thường xuyên mang tải cao hoặc khi có sét đánh vào đường dây, dòng điện sét đi qua rất lớn nên gây ra phóng điện, đồng thời dưới tác động trọng lực sẽ dẫn đến đứt dây
Hình 1.11 Vị trí cuối giáp buộc cổ sứ
Hình 1.12 Hiện tượng phân cực điện dung tại vị trí giáp buộc cổ sứ
Lưu ý: Hiện tượng phân cực điện dung, hình thành điện thế giữa dây dẫn và giáp buộc không xảy ra trên dây trần do dây trần và giáp buộc nhôm tiếp xúc trực tiếp về điện và đẳng thế nhau Đây là nguyên nhân được tổng hợp đánh giá từ thực tiễn công tác thi công – lắp đặt các đường dây trung thế trên địa bàn quản lý của EVNSPC Các nguyên nhân này mang tính gián tiếp gây nên các ảnh hưởng, tác động về mặt cơ lý dẫn đến hiện cơ chế đứt dây
Thiết kế: Hiện nay, trong quá trình cải tạo nâng cấp lưới điện trong đó có thay dây trần sang dây bọc, các Đơn vị sử dụng hệ thống cột hiện hữu để treo dây bọc Một số trường hợp, mặt bằng khó khăn, không thể trồng trụ dặm Do dây bọc có trọng lượng lớn (gần gấp đôi dây trần) nên với khoảng trụ dùng cho dây trần khoảng từ 50-70m thì để đảm bảo độ võng và khoảng cách an toàn quy định yêu cầu lực căng dây bọc sẽ phải lớn hơn Dây nặng, lực căng lớn làm việc lâu dài sẽ ảnh hưởng đến cơ lý của dây, dễ gây ra hiện tượng đứt dây
Thi công: Quá trình thi công kéo rải dây và thực hiện đấu nối không đúng kỹ thuật làm hư hỏng, khuyết lớp cách điện chính XLPE gây ra hiện tượng phóng điện khi vận hành.
Giải pháp ngăn ngừa sự đứt dây lưới trung thế
1.5.1 Nhóm giải pháp giảm sự cố đứt dây do sét đánh: Đối với các dự án đi qua các khu vực nguy cơ cao (khu vực có mật độ sét cao, khu vực tập trung đông dân cư, ): Thiết kế tăng cường khả năng cách điện của đường dây:
− Thay sứ 22kV bằng sứ 35kV hoặc sứ Polymer/HDPE có khả năng chịu điện áp phóng điện cao hơn sứ thông thường; Hoặc lựa chọn sử dụng Đà composite (loại chịu lực lớn 1000kgf)
Hình 1.13 Sứ cách điện HPDE cấp cách điện cao hơn
− Lắp LA bổ sung cho các vị trí dừng, đầu các nhánh rẽ,
Hình 1.14 Lắp đặt chống sét van
− Tại các khu vực thường xuyên sự có do sét đánh, các vị trí trụ cao vượt sông, vượt lộ, đường dây đi qua đồi núi,… Lắp kim thu sét, hoặc treo thêm dây chống sét trên 3 dây pha (thực hiện tháp đầu trụ để lắp thêm dây chống sét trên đỉnh cột để tăng cường khả năng chống sét của đường dây Khoảng cách giữa dây chống sét – dây pha, góc bảo vệ,…thực hiện theo quy định tại Mục II.5.63 và Mục II.5.64 – Phần II
Hệ thống đường dây dẫn điện – Quy phạm Trang bị điện (2006)
Hình 1.15 Hình thức lắp đặt dây chống sét trên đường dây trung thế
1.5.2 Nhóm giải pháp liên quan đến công tác thiết kế, thi công đường dây:
− Thiết kế khoảng trụ phù hợp: Việc lựa chọn khoảng trụ cụ thể cho đường dây trung thế phải được căn cứ dựa trên tính toán cơ lý đường dây của Đơn vị tư vấn thiết kế công trình với điều kiện tính toán, thông số đầu vào phù hợp với thực tế (loại trụ, lực đầu trụ, tiết diện dây bọc, số mạch, điều kiện môi trường (nhiệt độ, cấp gió, ), cũng như yêu cầu về độ võng, khoảng cách an toàn theo Quy phạm trang bị điện do Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công Thương ban hành năm 2006) Quá trình tính toán, thiết kế phải bám sát, tuân thủ đúng theo quy định về công tác thiết kế dự án lưới điện phân phối cấp điện áp đến 35 kV trong Tập đoàn Điện lực Quốc gia Việt Nam được EVN ban hành theo Quyết định số 1299/QĐ-EVN ngày 03/11/2017
− Lựa chọn chủng loại dây dẫn bọc phù hợp:
Thực tiễn thời gian vừa qua tại EVNSPC cũng như các Đơn vị trong EVN, các loại dây dẫn bọc được sử dụng phổ biến trên lưới điện phân phối trung thế hầu hết là chủng loại: Dây nhôm bọc AX (cấu trúc chỉ gồm 02 lớp: lõi nhôm và lớp cách điện XLPE bọc ngoài) và Dây nhôm lõi thép bọc ACX (cấu trúc: lõi thép chịu lực, phần nhôm và lớp cách điện XLPE bọc ngoài) Các loại dây dẫn này không có lớp màn chắn ruột dẫn (Semi-conductive Conductor screen) giúp làm đều điện trường tạo ra bởi lõi dẫn điện, tránh tạo điện trường đỉnh nhọn tác động gây ra khi lớp cách điện có khuyết tật (lỗ khí, hoặc kết cấu không đồng nhất) dễ gây ra hiện tượng điện trường đỉnh nhọn đến lớp bên ngoài gây nên hiện tượng phóng điện
Hình 1.16 So sánh bố trí điện trường quanh lõi dẫn dây bọc có màn chắn cách điện và không có màn chắn cách điện
Ngoài ra, việc lớp cách điện XLPE bọc ngoài tiếp xúc trực tiếp với không khí, dễ bị tách động cơ lý và môi trường bên ngoài gây nên hiện tượng trầy xướt, khuyết tật lớp XLPE trong quá trình thi công là tác nhân gián tiếp theo thời gian gây ra sự cố Từ những hạn chế đó của các loại dây dẫn truyền thống (AX, AXV, ACX, ACXV) giải pháp được đưa ra là sử dụng dây ACXH (cấu trúc có bao gồm lớp màn chắn cách điện cho lõi dẫn và lớp vỏ bọc bằng vật liệu HPDE bên ngoài giúp tăng cường đặc tính cơ lý)
− Giáp buộc: Không sử dụng giáp buộc kim loại để buộc dây mà dùng giáp buộc Composite Ưu tiên dùng giáp buộc Composite có bán dẫn Quấn giáp buộc đúng quy cách kỹ thuật
Hình 1.17 Hình thức quấn giáp buộc cổ sứ
− Hệ thống tiếp địa: Thiết kế, thi công hệ thống tiếp địa trạm, tiếp địa thiết bị, tiếp địa lặp lại đảm bảo quy định
1.5.3 Giải pháp liên quan đến công tác quản lý vận hành đường dây:
− Thực hiện nghiêm công tác kiểm tra định kỳ lưới điện Tăng cường tần suất kiểm tra đối với các tuyến dây bọc đi qua khu có mật độ sét cao hoặc thường xuyên mang tải lớn, các vị trí giao chéo với đường dây cao thế,
− Định kỳ kiểm tra hệ thống tiếp địa, đảm bảo giá trị điện trở tiếp địa theo quy định
− Kiểm tra để kịp thời phát hiện, xử lý các vị trí hở trên đường dây bọc, ngăn ngừa nước xâm nhập làm giảm chất lượng dây, gây sự cố
− Tăng cường công tác giám sát thi công (kéo dây, bóc tách cách điện XLPE, đấu nối dây bọc; quấn giáp buộc; )
− Kiểm tra, giám sát công tác tiếp nhận vật tư thiết bị đảm bảo chất lượng
− Thường xuyên thực hiện công tác rà soát, đánh giá chất lượng dây dẫn, cách điện trên các tuyến đường dây Kịp thời thay thế nếu có hiện tượng suy giảm chất lượng do vận hành lâu năm hoặc bị sự cố phóng điện trước đó.
Kết luận Chương 1
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết, xác định nguyên lý, cơ chế hình thành, sự thay đổi thông số dòng điện, đặc biệt là sự thay đổi của biên độ và góc pha của thông số điện áp của các pha trước và sau khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện
Chương 1 cũng khái quát về tình hình sự cố đứt dây trên lưới điện của Tổng công ty Điện lực miền Nam và những ảnh hưởng của dạng sự cố này đối với công tác quản lý vận hành, cung cấp điện và đặc biệt là vấn đề an toàn điện trong nhân dân
Về mặt nguyên nhân sự cố đứt dây, nội dung Chương 1 cũng đã tóm lược các dạng nguyên nhân chính và tương ứng từng nguyên nhân đó, ngành điện cũng đã tổ chức triển khai đồng bộ các giải pháp để ngăn ngừa, hạn chế triệt để các sự cố đứt dây có thể xảy ra
Các vấn đề được trình bày tại Chương 1 sẽ là cơ sở, tiền đề để nghiên cứu, xác định mục tiêu nhiệm vụ của Luận văn được thực hiện ở các Chương tiếp theo.
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN EVNSPC VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ HIỆN HỮU SỰ CỐ ĐỨT DÂY TRÊN LƯỚI TRUNG THẾ
Tổng quan về lưới điện của EVNSPC
2.1.1 Giới thiệu về quy mô lưới điện của EVNSPC:
Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC) là 01 trong 05 Tổng công ty Điện lực thuộc khối phân phối điện trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), có nhiệm vụ cung cấp điện và quản lý vận hành lưới điện phân phối cấp điện áp đến 110 kV trên địa bàn 21 tỉnh, thành phố phía Nam (trong đó có bao gồm Công ty Điện lực Đồng Nai – PC Đồng Nai)
Tính đến đầu năm 2024, quy mô lưới điện của EVNSPC như sau:
Quy mô lưới điện EVNSPC
Lưới điện trung thế 22 kV
✓ Đường dây trung thế 1 pha (km) 27.112
✓ Đường dây trung thế 3 pha (km) 40.512
➢ Trạm biến áp phân phối:
Quy mô lưới điện EVNSPC
✓ Đường dây hạ thế 1 pha (km) 69.968
✓ Đường dây hạ thế 3 pha (km) 25.881
(Ghi chú: Số liệu tính đến đầu năm 2024 và không bao gồm tài sản do khách hàng đầu tư)
2.1.2 Giới thiệu về hệ thống cấu hình, quy mô các thiết bị đóng cắt, bảo vệ trên lưới điện trung thế:
Về mặt thiết kế, các tuyến đường dây trung thế (hay còn gọi là phát tuyến hoặc lộ ra trung thế) trục chính được nhận điện trực tiếp từ giàn thanh cái 22 kV của phía thứ cấp máy biến áp 110 kV tại các trạm biến áp 110 kV thông qua các máy cắt đầu tuyến của các giàn tủ hợp bộ lắp đặt trong phòng phân phối của các trạm biến áp Trên các giàn tủ hợp bộ được lắp đặt các thiết bị đo lường, điều khiển cũng như các rơ le bảo vệ đường dây trung thế đó như Hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ phương thức đo lường, điều khiển, bảo vệ cho các ngăn lộ 22 kV tại trạm biến áp 110 kV điển hình theo quy định công tác thiết kế lưới điện 110kV đến 500kV của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ban hành kèm theo Quyết định số
1289/QĐ-EVN ngày 01/11/2017) [5] Để tăng tính hiệu quả và linh hoạt trong vận hành, trên các tuyến đường dây trung thế trục chính cũng như các nhánh rẽ phía sau đều được lắp đặt các thiết bị đóng cắt bảo vệ như Recloser, LBS, RMU, FCI, nhằm mục tiêu nhanh chóng phân đoạn, cô lập vùng mất điện khi xảy ra sự cố đảm bảo tính chọn lọc, nâng cao độ tin cậy cấp điện, đồng thời thực hiện cắt điện phân đoạn khi thực hiện công tác, kết lưới chuyển nguồn, trong quá trình quản lý vận hành lưới điện Với xu thế phát triển của công nghệ, các thiết bị này đều được tích hợp, hỗ trợ các chức năng giám sát, đo lường, bảo vệ cũng như điều khiển từ xa và đa số được kết nối với các hệ thống SCADA/DMS/DAS giúp hiện đại hóa công tác quản lý của ngành điện
Trong thời gian qua, việc đầu tư cải tạo, nâng cấp hạ tầng các thiết bị lưới điện trong đó có các thiết bị đóng cắt, bảo vệ tự động được điều khiển, giám sát từ xa trên lưới điện trung thế được quan tâm Tính đến cuối năm 2023, quy mô các thiết bị đóng cắt, bảo vệ được lắp đặt trên lưới điện trung thế của EVNSPC như sau:
Tủ hợp bộ trung thế
Thiết bị tự đóng lại (Recloser)
Dao cắt có tải (LBS)
2.1.3 Giới thiệu về hệ thống SCADA của EVNSPC:
Cuối năm 2013, EVNSPC bắt đầu tổ chức triển khai đầu tư hệ thống SCADA phục vụ giám sát, điều khiển cho 104 trạm biến áp 110kV và 880 recloser trên lưới trung thế Đến Quí III năm 2014, EVNSPC ký hợp đồng với nhà thầu SIEMENS để cung cấp, lắp đặt hệ thống SCADA Spectrum Power 7 (SP7) Và đến giữa năm 2017, hệ thống được triển khai lắp đặt hoàn tất và EVNSPC đã phát hành chứng chỉ chấp nhận đưa dự án và vận hành (OAC) Trung tâm điều hành SCADA – Tổng công ty điện lực miền Nam đã ra mắt hoạt động vào ngày 29/6/2017
Hệ thống SCADA sẽ làm nhiệm vụ điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu toàn bộ các trạm 110kV và các Recloser, LBS trung thế trên địa bàn quản lý có kết nối với hệ thống SCADA Ngoài ra hệ thống SCADA của EVNSPC cũng có khả năng trao đổi dữ liệu với hệ thống SCADA tại A2 bằng giao thức ICCP
Cấu trúc hệ thống SCADA của EVNSPC bao gồm:
− Một trung tâm điều khiển chính tại văn phòng EVNSPC, có 6 vị trí để giám sát vận hành, mỗi vị trí được trang bị 3 màn hình đồ họa 30 inch
− Một trung tâm dự phòng đặt ở khu vực Tổng kho Thủ Đức, tại đây có 2 vị trí, mỗi vị trí trang bị 3 màn hình đồ họa 30 inch
− Tại Phòng điều độ mỗi Công ty Điện lực tỉnh (PC) đặt 02 Remote Console được nối với hệ thống SCADA
− Một Remote Console đặt tại Công ty Lưới điện cao thế miền Nam (hiện nay đã được dời về Ban Kỹ thuật EVNSPC)
− Giao thức TASE 2 (IEC ICCP) cho phép trao đổi thông tin giữa trung tâm điều khiển của A2 và trung tâm điều khiển của EVNSPC
− Kết nối trạm biến áp 110kV, 220kV và các thiết bị trên lưới trung thế
Hình 2.2 Sơ đồ kết nối hệ thống SCADA
Hình 2.3 Kiến trúc hệ thống SCADA tại TTĐH SCADA
Trình bày chức năng của một số thiết bị đóng cắt, bảo vệ tự động được
2.2.1 Thiết bị tủ hợp bộ 24 kV lắp đặt tại trạm biến áp 110kV cấp điện cho các phát tuyến phân phối trung thế:
Hình 2.4 Cấu trúc và Rơ le bảo vệ lắp đặt trên tủ hợp bộ điển hình
Hình 2.5 Chức năng đo lường – bảo vệ trang bị trên tủ hợp bộ điển hình
Các yêu cầu về chức năng đo lường, bảo vệ tối thiểu của thiết bị Rơ le (tích hợp điều khiển mức ngăn Bay Control Unit (BCU)) trang bị trên các tủ hợp bộ 24 kV tại trạm biến áp 110 kV được Tập đoàn Điện lực Việt Nam quy định theo Quyết định số 1289/QĐ-EVN ngày 01/11/2017 về việc ban hành Quy định về công tác thiết kế dự án lưới điện cấp điện áp 110 kV ÷ 500 kV trong Tập đoàn Điện lực Quốc gia Việt Nam
Danh sách thu thập tín hiệu đo lường các ngăn tủ hợp bộ 24 kV trong trạm biến áp 110 kV cũng được chuẩn hóa yêu cầu để truyền về hệ thống SCADA phục vụ công tác quản lý, vận hành
Hình 2.6 Danh sách tín hiệu đo lường của Rơ le (BCU) lắp đặt trên tủ hợp bộ 24kV truyền về trung tâm SCADA
Với các chức năng đo lường (dòng điện, điện áp, tần số, công suất, ), chức năng bảo vệ (46BC, 50/51, 50/51N,…), chức năng điều khiển BCU được trang bị tích hợp trên tủ hợp bộ 24 kV tại các trạm biến áp 110 kV giúp tạo thuận lợi trong việc triển khai nghiên cứu, ứng dụng để bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây
2.2.2 Thiết bị tự đóng lại (Recloser):
Thiết bị Recloser giúp bảo vệ, cô lập đường dây bị sự cố ra khỏi lưới điện Sau thời gian cài đặt, thiết bị có khả năng tự đóng lại đường dây khôi phục thành công việc cấp điện cho các phụ tải trường hợp sự cố xảy ra ở đường dây phía sau thiết bị là sự cố thoáng qua (động vật, cây chạm đường dây,…) Trường hợp sự cố vĩnh cửu thiết bị Recloser khóa chức năng đóng lại để bảo vệ, đảm bảo an toàn cho các thiết bị trên lưới điện và người vận hành
Hình 2.7 Thiết bị tự đóng lại (Recloser) và tủ điều khiển
Trên các thiết bị Recloser đều được trang bị tích hợp các biến dòng điện (hoặc cảm biến dòng điện), biến điện áp (hoặc cảm biến điện áp) bên trong thân thiết bị cho phép cung cấp tín hiệu phục vụ việc đo lường các thông số dòng điện, điện áp, công suất, sóng hài, và phục vụ chức năng bảo vệ (quá dòng, quá áp, thấp áp, quá/ thấp tần số, hòa đồng bộ,…) cũng điều khiển, giám sát từ xa thiết bị từ hệ thống SCADA ở các trung tâm điều khiển đặt tại Phòng Điều độ của các Công ty Điện lực tỉnh/thành phố
Hiện nay, các chức năng về đo lường (dòng, áp) cũng như yêu cầu truyền các dữ liệu này về hệ thống SCADA phục vụ giám sát, điều khiển thiết bị đã được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị Recloser sử dụng trong ngành Điện [6].
Hình 2.9 Danh sách tín hiệu đo lường yêu cầu đưa về trung tâm SCADA thông qua tủ điều khiển Recloser
Hình 2.10 Kết quả thử nghiệm, kiểm tra danh sách tín hiệu đo lường yêu cầu đưa về trung tâm SCADA thông qua tủ điều khiển Recloser
2.2.3 Thiết bị dao cắt có tải LBS (Load Break Switch):
Thiết bị LBS được sử dụng chủ yếu trên các đường dây phân phối trung thế với mục đích phân đoạn các đường dây trung thế giúp giảm vùng mất điện khi xảy ra sự cố hay cần thực hiện các công tác trên lưới điện
Tương tự Recloser, trên các thiết bị LBS đều được trang bị tích hợp các biến dòng điện (hoặc cảm biến dòng điện), biến điện áp (hoặc cảm biến điện áp) bên trong thân thiết bị cho phép cung cấp tín hiệu phục vụ việc đo lường các thông số dòng điện, điện áp, công suất, sóng hài, và phục vụ chức năng giám sát, điều khiển từ xa thiết bị từ hệ thống SCADA ở các trung tâm điều khiển đặt tại Phòng Điều độ của các Công ty Điện lực tỉnh/thành phố
Hình 2.12 Cấu tạo, bố trí các cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp tích hợp trên thân thiết bị LBS
Hình 2.13 Danh sách tín hiệu đo lường yêu cầu đưa về trung tâm SCADA thông qua tủ điều khiển LBS
Hiện nay, các chức năng về đo lường (dòng, áp) cũng như yêu cầu truyền các dữ liệu này về hệ thống SCADA phục vụ giám sát, điều khiển thiết bị đã được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị LBS sử dụng trong ngành Điện [6]
Hình 2.14 Kết quả thử nghiệm, kiểm tra danh sách tín hiệu đo lường yêu cầu đưa về trung tâm SCADA thông qua tủ điều khiển LBS
Giải pháp bảo vệ tự động hiện hữu khi xảy ra sự cố đứt dây
Đối với các sự cố đứt dây gây chạm đất hoặc chạm pha trực tiếp thì các Rơ le bảo vệ quá dòng pha/ quá dòng đất thông thường (F50/51, F50/F51N) sẽ tác động để bảo vệ, cô lập nhanh chóng tách đường dây bị sự cố ra khỏi lưới Tuy nhiên, đối với các sự cố đứt dây, dây rơi ra nhưng không chạm đất/chạm pha (treo lơ lửng) hoặc nằm nền đất khô nhưng không tiếp xúc,…thì các chức năng bảo vệ của các loại Rơ le quá dòng truyền thống không phát hiện được
Giải pháp bảo vệ tự động khi xảy ra sự cố đứt dây (trường hợp không chạm đất) trên lưới điện phân phối trung thế được đề cập ở trên hiện đang được áp dụng hiện nay là sử dụng chức năng 46BC (Broken Conductor) trên các Rơ le bảo vệ được trang bị cho các thiết bị đóng cắt, điều khiển (như tủ hợp bộ 24 kV cho các phát tuyến lộ ra trạm biến áp 110 kV; các thiết bị tự đóng lại (Recloser) bảo vệ cho trên các đường dây trung thế)
Nguyên lý của hoạt động của chức năng bảo vệ 46BC: Khi xảy ra sự cố đứt dây không chạm đất, lưới điện sẽ xảy ra hiện tượng mất cân bằng dòng điện trên các pha Dựa vào so sánh tỷ số dòng điện thứ tự nghịch (I2) và dòng điện thứ tự thuận (I1) với
Recloser để xuất tín hiệu cảnh báo hoặc tác động cắt Recloser, máy cắt tủ hợp bộ tách đường dây sự cố ra khỏi lưới điện
(Thông số I1, I2, tỉ số I2/I1 trước và sau khi xảy ra sự cố đứt dây pha A của một trường hợp sự cố)
Một số trường hợp điển hình về cài đặt cấu hình chức năng 46BC (cài đặt về ngưỡng tác động pickup, thời gian tác động) trên các Rơ le tủ hợp bộ lộ ra 24kV tại các trạm biến áp 110 kV và các Recloser trên các đường dây trung thế:
➢ Chức năng bảo vệ đứt dây của Rơ le TOSHIBA lắp trên tủ hợp bộ 24 kV
Hình 2.15 Chức năng bảo vệ đứt dây (46BC) trên Rơ le Toshiba GRD200 lắp trên các tủ hợp bộ lộ xuất tuyến 22kV tại Trạm biến áp 110 kV
➢ Chức năng bảo vệ đứt dây trên tủ điều khiển của Recloser NOJA- Úc
Hình 2.16 Chức năng bảo vệ đứt dây (46BC) cài đặt trên tủ điều khiển RC10/RC15
Hình 2.17 Chức năng bảo vệ đứt dây (46BC) cài đặt trên phần mềm cấu hình tủ điều khiển – Recloser NOJA Power – Úc
➢ Chức năng bảo vệ đứt dây trên tủ điều khiển của Recloser ENTEC – Hàn Quốc
Hình 2.18 Tủ điều khiển EVRC2A-NT Recloser ENTEC – Hàn Quốc
Phân tích giải pháp bảo vệ tự động hiện hữu khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế
➢ Ưu/nhược điểm của phương pháp:
✓ Phù hợp về mặt nguyên lý bảo vệ;
✓ Cài đặt và khai thác đơn giản
✓ Có nguy cơ tác động nhầm trong một số trường hợp (lệch tải lớn giữa các pha trên đường dây do tính chất phụ tải, tình trạng kết lưới, vận hành đường dây do thay đổi phương thức vận hành, phụ tải chênh lệch theo mùa,…); tác động nhầm trong một số trường hợp tuột lèo đấu nối, đứt chì trên các thiết bị cầu chì tự rơi (fuse cutouts/load break fuse cutouts: FCO/LBFCO) Do tính năng vận hành, các Recloser, tủ hợp bộ đều được lắp đặt ở đầu nguồn, đầu phát tuyến lộ ra 22kV nên trong trường hợp tác động nhầm, tuy đảm bảo an toàn nhưng gây mất sản lượng, vùng mất điện lớn, giảm các chỉ số độ tin cậy cấp điện Thời gian kiểm tra, khắc phục sự cố mất thời gian, nhân lực
✓ Các thiết bị bảo vệ trên lưới (Recloser, Rơ le tủ hợp bộ đời cũ,…) không được trang bị đầy đủ chức năng 46BC
• Thực hiện rà soát, tận dụng khai thác chức năng bảo vệ đứt dây F46BC trên các thiết bị bảo vệ đường dây trung thế Nhiều Công ty Điện lực (PC Đồng Nai, PC Bến Tre, PC Ninh Thuận,…) đã thực hiện cài đặt, khai thác ở nhiều phát tuyến đường dây trung thế;
• Việc cài đặt, vận hành chức năng F46BC cần phải được theo dõi thường xuyên để đảm bảo phù hợp với tính chất phụ tải, để tìm ra giá trị cài đặt chỉnh định phù hợp nhất Giá trị tác động của tỉ số I2/I1 hiện một số Công ty Điện lực là xuất lệnh cắt thiết bị bảo vệ, chấp nhận mất điện, đảm bảo an toàn; hoặc một số Công ty Điện lực là xuất tín hiệu cảnh báo, sau đó kiểm tra lưới điện, trường hợp có sự cố thực tế mới đi cắt thiết bị qua Trung tâm điều khiển xa Trường hợp này thì độ an toàn kém hơn, nhưng tránh được mất điện diện rộng khi sự cố thực tế không phải là sự cố đứt dây.
Kết luận Chương 2
Việc khai thác chức năng bảo vệ đứt dây trên các Rơ le bảo vệ lắp đặt trên tủ hợp bộ trung thế tại trạm biến áp 110 kV hoặc trên các Recloser đầu phát tuyến 22 kV hiện nay được thực hiện hầu hết qua chức năng 46BC (dựa trên nguyên lý tỉ lệ I2/I1) Tuy nhiên, đây là phương pháp bảo vệ chưa triệt để, có thể gây sai số, tác động nhầm nếu người vận hành, cài đặt không hiểu rõ lưới điện do thực tế dòng tải trên các phát tuyến trung thế ở các thời điểm khác nhau tùy chế độ, điều kiện vận hành Ngoài ra, việc phải lựa chọn giữa vùng mất điện lớn và an toàn cho con người khi quyết định tự động cắt hoặc không cắt thiết bị khi cài chức năng 46BC là điều gây trở ngại cho chính những Đơn vị vận hành lưới điện
Với sự phát triển ngày càng nhanh về quy mô lưới điện thì năng lực, hạ tầng về thiết bị và hệ thống giám sát điều khiển vận hành của EVNSPC ngày càng được nâng cao mà ở đó chức năng đo lường các thông số vận hành (dòng điện, điện áp, tần số, công suất,…) của các tủ điều khiển, Rơ le lắp đặt tại các vị trí thiết bị đóng cắt – bảo vệ (bao gồm tủ hợp bộ, Recloser, LBS) và năng lực thu thập, giám sát, điều khiển của
Hệ thống phần mềm SCADA trang bị hoàn thiện tại các Đơn vị trong EVNSPC là điều kiện thuận lợi để thực hiện nghiên cứu, ứng dụng các giải pháp bảo vệ nâng cao đảm bảo tính chính xác, hiệu quả trong bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế tại PC Đồng Nai nói riêng và Tổng công ty Điện lực miền Nam nói chung.
NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG HIỆU QUẢ BẢO VỆ SỰ CỐ ĐỨT DÂY TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUNG THẾ
Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ đứt dây trên thế giới
Trên thực tế sự cố đứt dây của lưới điện đã được Ủy ban Rơ le Hệ thống điện (PSRC: The Power System Relaying Committee) thuộc Viện các kỹ sư điện và điện tử Hoa Kỳ (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers) nghiên cứu và được giới thiệu [7] Từ những nghiên cứu này, các phương pháp phát hiện sự cố đứt dây được đề xuất, [8] Trong đó kỹ thuật (nguyên lý) phát hiện đứt dây và giải pháp được nêu ra bao gồm: a) Rơ le tỉ lệ dòng đất (The Ratio ground Relay) [9]: Các Rơ le cơ điện sẽ cắt sự cố đứt dây khi phát hiện một trong các dây dẫn bị hở mạch thông qua việc so sánh bình phương dòng thứ tự không và hiệu bình phương dòng thứ tự thuận và thứ tự nghịch Rơ le theo đó sẽ trở nên nhạy hơn với sự cố thông qua việc đo lường dòng chạm đất b) Hệ thống phân tích sự cố tổng trở cao (The Nordon Technologies High Impedance Faults analysis System) – HIFAS [10]: Hệ thống này sẽ giám sát giá trị dòng điện và điện áp từ biến dòng điện và biến điện áp và góc pha của dòng hài bậc
3 với điện áp cơ bản Khi sự cố xuất hiện, góc sóng hài dòng bậc 3 mới được trừ (theo véc-tơ) giá trị trung bình trước đó Và Rơ le bảo vệ sẽ cắt (trip) khi giá trị biên độ cao hơn cài đặt và góc pha khớp với các giá trị đặt trước cho sự cố đứt dây Hệ thống này sẽ được cài đặt cho từng máy cắt trong hệ thống lưới điện phân phối c) Phát hiện sự cố đứt và rơi dây dẫn dựa trên sự không cân bằng điện áp: Khi xảy ra đứt dây, bảo vệ sẽ hoạt động thông qua phát hiện điện áp không cân bằng Mức độ không cân bằng sẽ đủ khác so với mức không cân bằng được ghi nhận trên ngăn lộ đường dây ở điều kiện bình thường và khi sự phát hiện sự cố Các cảm biến được phát triển để giám sát điện trường sinh ra bởi các đường dây trên không Sự không cân bằng giữa điện áp 3 pha có thể được phát hiện bằng cách giám sát thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không của thông số điện áp [11] d) Thuật toán năng lượng (Energy Algorithms) [12, 13, 14]: B M Aucoin đã thát triển chuỗi thuật toán để phát hiện sự cố chạm đất tổng trở cao bằng cách sử dụng mô hình năng lượng sinh ra trong quá trình sự cố Các thuật toán này kiểm tra mối liên hệ trong các điều kiện bình thường, điều kiện sự cố và điều kiện đã cắt mạch khi có sự gia tăng đáng kể về năng lượng tần số cao so với giá trị thời gian được cài đặt e) Thuật toán ngẫu nhiên (Randomness Algorithms) [15]: Thuật toán này phù hợp với đặc tính không liên tục của hồ quang sự cố có tổng trở cao (như đã đề cập ở Chương 1) và các dạng hồ quang khác có thể xảy ra trong chu kỳ này đến các chu kỳ tiếp theo Thuật toán này là sự phát triển và mở rộng của thuật toán năng lượng f) Phát hiện sự cố đứt dây sử dụng những tín hiệu tần số gần với tần số hệ thống điện [16]: Dựa trên thuật toán năng lượng và thuật toán ngẫu nhiên, B M Aucoin và
B D Russel nghiên cứu phát triển thêm dựa trên việc phát hiện nhiễu không đồng bộ xuất hiện liên quan hồ quang khi xảy ra sự cố đứt dây Lý do để tránh tần số hệ thống điện và sóng hài của nó là vì những tín hiệu đó thay đổi đáng kể trong điều kiện bình thường cũng như điều kiện hồ quang Cách tiếp cận này cũng mang lại lợi thế là tín hiệu sẽ bị suy giảm ít nhiều từ các giàn tụ bù Giải thích cho những hiệu ứng tần số tắt này là khi một dây dẫn nằm trên mặt đất, các khe hở không khí nhỏ trong đất sẽ bị phá vỡ về mặt điện trong mỗi nửa chu kỳ của dạng sóng dòng điện tần số hệ thống điện Điều này xảy ra khi điện áp mạch đạt đến cường độ cần thiết để đánh thủng khe hở không khí Sự biến dạng dạng sóng làm thay đổi phổ gần với tần số cơ bản và các sóng hài của nó g) Kỹ thuật xử lý tín hiệu số [17]: Sử dụng các bộ vi xử lý và thuật toán xử lý tín hiệu để xác định các dạng sóng liên quan đến ngắn mạch tổng trở cao do đứt dây gây ra Girgis đã ứng dụng lý thuyết lọc Kalman để có được ước tính tốt nhất về sự biến thiên theo thời gian của các thành phần cơ bản và thành phần hài để tránh các lỗi do phương pháp lọc chuỗi Fourier thông thường Kim và Russel đã phát triển thuật toán để phân tích trạng thái quá độ của các sự kiện khác nhau trên các tuyến lưới phân phối bằng cách định lượng độ méo sóng bằng hệ số đỉnh [18] Ebron thì điều tra sử dụng các mạng nơ-ron để phát hiện sự cố tổng trở cao [19] Mohamed thì phát triển thuật toán phát hiện dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo [20] Chan và Xia thì điều tra sử dụng phương pháp sự thay đổi dạng sóng để phát hiện sự cố tổng trở cao và phân biệt sự cố rơi dây và hoạt động đóng cắt các giàn tụ bù [21] h) Sử dụng các bộ thiết bị phát hiện sự cố tổng trở cao [22]: Thiết bị này sử dụng tốc độ lấy mẫu cao cho đầu vào dòng điện xoay chiều kết hợp với bộ xử lý hiệu suất cao để đạt được đáp ứng tần số cần thiết để phát hiện sự cố hồ quang Kỹ thuật hệ thống chuyên gia và một loạt các thuật toán khác nhau được sử dụng để đảm bảo an ninh trong khi vẫn duy trì độ tin cậy Hệ thống này làm việc dựa trên thuật toán phát hiện sự cố tổng trở cao được phát triển tại Đại học Texas A&M Khi dây dẫn rơi xuống đất hoặc chạm vào một vật tiếp xúc với đất, phương pháp phát hiện sẽ tìm kiếm hồ quang xảy ra Dây rơi được phát hiện khi mất tải hoặc xảy ra điều kiện quá dòng trước khi phát hiện xảy ra hồ quang liên tục Khi xuất hiện hồ quang mà không mất tải hoặc quá dòng, thì không cắt bởi vì điều này có thể do phóng sứ Tuy nhiên, ở tình huống đứt dây cuối nguồn sẽ không gây mất tải và được biểu thị chỉ như một hiện tượng hồ quang trên dây dẫn
Các kỹ thuật, giải pháp được đề cập ở trên được triển khai thử nghiệm tuy nhiên tính chính xác vẫn chưa đảm bảo và đạt kết quả như kỳ vọng, khá nhiều trường hợp thử nghiệm hoạt động không chính xác [8] Ngoài ra các kỹ thuật, phương pháp phát hiện sự cố đứt dây này được cân nhắc triển khai với các vấn đề cần lựa chọn: Hệ thống bảo vệ sẽ tự động cắt mạch hay chỉ cảnh báo cho người vận hành?; Chi phí đầu tư bổ sung hệ thống các Rơ le mới và hệ thống truyền thông giao tiếp?;….Ngoài ra sự phát triển, thay đổi cấu trúc của lưới điện trở thành thách thức cho việc áp dụng các kỹ thuật này giữa việc đảm bảo cấp điện và an toàn cho con người
Phương pháp phát hiện đứt dây dựa trên điện áp (sự thay đổi của thành phần thứ tự điện áp) cũng được áp dụng tại một số khu vực lưới điện của Na Uy [23] với việc trang bị các cảm biến hiển thị sự cố được lắp đặt tại các trạm biến áp và các vị trí trụ trên đường dây và được kết nối truyền thống về hệ thống SCADA Tuy nhiên việc trang bị thêm các bộ phát cảm biến phát hiện sự cố này mất rất nhiều chi phí
Hình 3.1 Thiết bị chỉ sự cố có giao tiếp truyền thông trên lưới điện Na Uy [23]
Hình 3.2 Phương pháp xác định sự cố đứt dây bằng các bộ cảm biến chỉ thị
Một phương pháp mới trong phát hiện đứt dây dựa trên sự thay đổi của thành phần thứ tự điện áp và đặc biệt là sự thay đổi về biên độ và góc pha của thông số điện áp đó là thông qua việc trang bị các thiết bị đo lường đồng bộ góc pha (PMU: Phasor Measurement Unit) được nghiên cứu và áp dụng tại các lưới điện có cấp điện áp 110 kV, 138 kV cũng như lưới điện 220 kV tại các nước khu vực Bắc Mỹ [24] cũng như thí điểm áp dụng trên lưới điện trung thế của Công ty Gas và Điện San Diego [25]
Hình 3.3 Thiết bị đo lường đồng bộ góc pha (PMU)
Hình 3.4 Mô hình trang bị PMU, PDC giao tiếp với hệ thống trung tâm điều khiển thí điểm tại Công ty Gas và Điện San Diego
Việc trang bị các bộ giám sát đo lường đồng bộ góc pha PMU (phải đi kèm với các Bộ tập trung dữ liệu pha (PDC: Phasor Data Concentrator) để truyền dữ liệu hệ thống trung tâm điều khiển SCADA có chi phí đầu tư cao và hiện chỉ được sử dụng cho các ứng dụng trên lưới điện truyền tải với mức độ cao về yêu cầu an toàn, an ninh năng lượng Tương tự tại Việt Nam các bộ thiết bị này được sử dụng độc lập, hoặc một số trường hợp tích hợp vào các hệ thống điều khiển bảo vệ rơ le cho lưới điện
220 kV và 500 kV của Công ty Truyền tải điện Quốc gia Các hệ thống lưới điện ở cấp phân phối điện tại các Tổng công ty Điện lực chưa có đủ điều kiện cũng như đáp ứng yêu cầu về hạ tầng cho việc lắp đặt, khai thác các thiết bị này.
Đề xuất giải pháp bảo vệ nâng cao đối với sự cố đứt dây trung thế - 41 -
Như đã được trình bày ở Chương 2, giải pháp bảo vệ hiện hữu mà lưới điện đang áp dụng để bảo vệ sự cố đứt dây hầu hết là ứng dụng khai thác chức năng bảo vệ đứt dây (46BC) dựa trên nguyên lý tỉ lệ dòng I2/I1 (%) – chức năng chỉ có trên một số lượng hạn chế các thiết bị đóng cắt – bảo vệ đầu phát tuyến (Recloser, Rơ le tủ hợp bộ 22kV trong trạm biến áp 110kV) Không những vậy, chức năng bảo vệ này (hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện) có nhiều hạn chế, khuyết điểm có thể tác động nhầm, phụ thuộc và bị ảnh hưởng bởi dòng phụ tải (lệch tải giữa các pha) trong các chế độ vận hành, thời điểm, tính chất phụ tải,…do đó công tác cài đặt, khai thác vận hành gặp rất nhiều khó khăn
Từ những hạn chế của phương pháp bảo vệ truyền thống đang áp dụng theo nguyên lý của chức năng 46BC, giải pháp bảo vệ nâng cao được tập trung nghiên cứu, đề xuất giúp nâng cao tính chuẩn xác, hiệu quả và tin cậy của bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện trung thế dựa trên các cơ sở sau đây:
− Cơ sở lý thuyết về sự thay đổi các thành phần về dòng điện, điện áp (bao gồm cả biên độ và góc pha) giữa các pha trước và sau điểm sự cố và giữa các pha với nhau được trình bày tại Chương 1
− Tận dụng khai thác các chức năng đo lường các thông số dòng điện, điện áp của các tủ điều khiển, Rơ le lắp đặt tại các vị trí thiết bị đóng cắt – bảo vệ (bao gồm tủ hợp bộ, Recloser, LBS) và năng lực thu thập, giám sát, điều khiển của Hệ thống phần mềm SCADA trang bị tại các Trung tâm điều khiển của EVNSPC để nghiên cứu, ứng dụng các giải pháp bảo vệ nâng cao đảm bảo tính chính xác, hiệu quả trong bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế tại các Công ty Điện lực thuộc Tổng công ty Điện lực miền Nam
Dựa trên cơ sở này, thực hiện việc xây dựng thuật toán, tích hợp vào phần mềm SCADA đang vận hành để mô phỏng, đánh giá và khai thác ứng dụng nâng cao hiệu quả trong bảo vệ khi xảy ra sự cố đứt dây trên các đường dây phân phối trung thế.
Mô hình cụ thể của giải pháp đề xuất để phát hiện và bảo vệ sự cố đứt dây
Từ cơ sở lý thuyết đã được trình bày tại Chương 1, sự thay đổi thông số dòng điện, đặc biệt là thông số điện áp (bao gồm cả biên độ và góc pha) của các pha trước và sau khi xảy ra sự cố sẽ là cơ sơ nền tảng để xây dựng giải thuật/thuật toán, thực hiện mô phỏng cũng như đánh giá và triển khai ứng dụng trên lưới điện Tuy nhiên, thực tế hiện nay các giá trị đo lường điện áp truyền về hệ thống SCADA của Rơ le tủ hợp bộ, Recloser chưa bao gồm dữ liệu góc pha điện áp (bảng danh sách dữ liệu SCADA của Rơ le, Recloser, LBS – Hình 2.6, Hình 2.9 và Hình 2.13) do giới hạn số điểm nút dữ liệu (datapoint) của các phần mềm SCADA hiện đang sử dụng cũng như khả năng cấu hình, nâng cấp firmware của các tủ điều khiển Recloser, LBS để đáp ứng việc mở rộng, gán địa chỉ (Point Address) để truyền các giá trị góc pha điện áp này về hệ thống SCADA Vì vậy, việc sử dụng nguyên lý sự thay đổi góc pha điện áp (đều xảy ở cả trường hợp đứt dây 1 pha và đứt dây 2 pha) để ứng dụng là chưa khả thi trong giai đoạn thực hiện Luận văn (việc ứng dụng này sẽ được triển khai trong giai đoạn mở rộng, phát triển tiếp theo của Đề tài luận văn khi hệ thống SCADA, phần mềm cấu hình các thiết bị đóng cắt – bảo vệ được nâng cấp) Dù vậy, trên thực tiễn vận hành lưới điện (số liệu tổng hợp ở Chương 1) sự cố đứt dây đồng thời cả 2 pha trùng ngay một thời điểm là chưa từng được ghi nhận
Từ những vấn đề lý thuyết và thực tiễn, hạn chế nêu trên, phạm vi luận văn sẽ ứng dụng cơ sở lý thuyết sự thay đổi về biên độ dòng điện, đặc biệt là sự thay đổi về biên độ của thông số điện áp các pha trước và sau sự cố đứt dây 1 pha để xây dựng thuật toán, thực hiện mô phỏng và ứng dụng giải pháp bảo vệ nâng cao đối với sự cố đứt dây trên lưới điện phân phối trung thế trên phần mềm SCADA Sự thay đổi này được mô tả qua một phân đoạn của 1 tuyến đường dây trung thế điển hình sau:
Với sơ đồ trên, khi đứt dây pha A tại phân đoạn REC– LBS1, các thông số dòng điện – điện áp tại các thiết bị trên tuyến sau sự cố như sau:
Tủ hợp bộ 471 REC LBS1 RECn/LBSn Điện áp Uan, Ubn, Ucn không thay đổi
Uan, Ubn, Ucn không thay đổi
Ubn, Ucn không thay đổi Uan giảm 50%
Ubn, Ucn không thay đổi Uan giảm 50%
Ib, Ic không đổi Ia bị giảm
(mất lượng tải từ vị trí đứt (điểm A) về cuối tuyến
Ib, Ic không đổi Ia bị giảm
(mất lượng tải từ vị trí đứt (điểm A) về cuối tuyến
Ib, Ic không đổi Ia = 0A
Ib, Ic không đổi Ia = 0A
Dựa vào các đặc điểm trên, ứng dụng sẽ phân tích độ lệch điện áp – độ lệch dòng điện xem xét trên từng phân đoạn để xác định vị trí đứt dây Như trong Hình 3.5 ta sẽ xem xét sự chênh lệch dòng – áp phân đoạn từ Recloser đến LBS1:
➢ Độ lệch điện áp pha 02 đầu phân đoạn trên mỗi pha: Độ lệch điện áp giữa REC-LBS1 Trường hợp đứt dây
− Hệ số 0,9 là dự phòng 10% sai số đo lường và bảo vệ rơ le làm việc ;
− Điện áp pha – đất lưới điện trung thế 22kV là 12,7 kV ; 6,35 kV là giá trị 50% x U pha
➢ Độ lệch dòng điện giữa các pha trên thiết bị đầu phân đoạn:
Như đã phân tích ở Chương 2, hiện nay, việc khai thác chức năng bảo vệ đứt dây trên các Rơ le bảo vệ lắp đặt trên tủ hợp bộ trung thế tại trạm biến áp 110 kV hoặc trên các Recloser đầu phát tuyến 22 kV hiện nay được thực hiện hầu hết qua chức năng 46BC (dựa trên nguyên lý tỉ lệ I2/I1) Tuy nhiên, đây là phương pháp bảo vệ chưa triệt để, với nhiều hạn chế, có thể gây sai số, tác động nhầm nếu người vận hành, cài đặt không hiểu rõ lưới điện do thực tế dòng tải trên các phát tuyến trung thế ở các thời điểm khác nhau tùy chế độ, điều kiện vận hành Ngoài ra, hiện nay các điểm dữ liệu (datapoint) của giá trị I2/I1 chưa thể cấu hình khai thác được do giới hạn datapoint của phần mềm SCADA Survalent ngoài ra giá trị I2/I1 phải qua bước thời gian tính toán từ phần mềm tủ điều khiển hoặc Rơ le gây độ trễ trong xử lý, truyền dữ liệu nên việc tận dụng khai thác giá trị biên độ dòng điện các pha của mỗi thiết bị trên từng phân đoạn đường dây trung thế hiện đang được đo lường, truyền và giám sát trực tiếp trên hệ thống SCADA đặt tại Trung tâm điều khiển của Công ty Điện lực Đồng Nai sẽ được ứng dụng cho giải pháp đề xuất của Luận văn
Việc khai thác giá trị biên độ dòng điện các pha được đo lường trực tiếp để tính ra độ lệch dòng điện giữa các pha trước và sau sự cố đứt dây 1 pha được tính toán dựa vào sự tương quan giữa độ lệch dòng điện, dòng trung tính Io:
Theo lý thuyết, các thành phần thứ tự của dòng điện được tính toán như sau:
- Dòng thứ tự thuận: I1 = (IA + aIB + a 2 IC)/3
- Dòng thứ tự nghịch: I2 = (IA + a 2 IB + aIC)/3
- Dòng thứ tự không: I0 = (IA + IB + IC)/3
Giả sử trước khi đứt dây, dòng 3 pha cân bằng và đối xứng:
Sự cố đứt dây pha A, 2 pha còn lại có độ lớn và góc pha không thay đổi
Giả định 1: Dòng điện trên pha A sau khi đứt dây bằng 75% dòng trên 2 pha
Giả định 2: Dòng điện trên pha A sau khi đứt dây bằng 50% dòng trên 2 pha
Giả định 3: Dòng điện trên pha A sau khi đứt dây bằng 25% dòng trên 2 pha
Giả định 4: Dòng điện trên pha A sau khi đứt dây bằng 0% dòng trên 2 pha
Giả định 5: Dòng điện trên pha A sau khi đứt dây bằng 70% dòng trên 2 pha
Tính toán tương tự cho các trường hợp còn lại ta được bảng tổng hợp sự tương quan giữa các thông số: I2/I1 (%); Io (%) và Độ lệch dòng điện ΔI (%):
Ghi chú: Các tỉ lệ % trong bảng trên được làm tròn số học Các trường hợp đứt dây pha B hoặc pha C tương tự khi đứt dây pha A
Hiện nay, theo yêu cầu trong công tác quản lý vận hành, nhằm mục tiêu giảm tổn thất điện năng trên lưới điện, Tập đoàn Điện lực Việt Nam quy định dòng điện Io
% không vượt quá 15% Đối với lưới điện miền Nam, với đặc thù lưới điện trải dài, tổn thất điện năng lớn nên EVNSPC đang áp dụng quy định dòng điện Io % không vượt quá 10% Tham chiếu bảng tương quan các đại lượng nêu trên, giải pháp Luận văn sẽ sử dụng độ lệch dòng điện ΔI (%) giữa các pha tính toán được từ các giá trị biên độ dòng điện của các thiết bị đóng cắt – bảo vệ giám sát trên hệ thống SCADA kết hợp với độ lệch điện áp ΔU của từng pha trước và sau điểm sự cố (giữa 02 đầu của phân đoạn) để xác định sự cố đứt dây và đưa ra cảnh báo hoặc tự động tác động cắt (trip) thiết bị 02 đầu phân đoạn để cô lập nhanh chóng vùng sự cố đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị
Giá trị ΔI (%) > 30% sẽ được chọn làm giá trị tham chiếu để áp dụng cho giải thuật ứng dụng Tuy nhiên, tùy điều kiện thực tế vận hành lưới điện, giá trị này có thể được Nhân viên điều độ vận hành của PC Đồng Nai điều chỉnh (cao hơn) để đảm bảo tính tin cậy trong quá trình khai thác chức năng bảo vệ đứt dây trên hệ thống SCADA
➢ Lưu đồ thuật toán: Dựa trên độ lệch điện áp của pha bị đứt trước và sau điểm sự cố và độ lệch dòng điện giữa các pha, xây dựng lưu đồ thuật toán để xác định phân đoạn bị đứt dây để xuất lệnh cảnh báo trên màn hình điều hành hoặc hệ thống SCADA tự động xuất tín hiệu cắt (trip) thiết bị 02 đầu phân đoạn để cô lập ngay vùng sự cố đứt dây:
Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán giải pháp bảo vệ nâng cao đối với sự cố đứt dây
Kết luận Chương 3
Việc phát hiện chính xác các sự cố đứt dây và cô lập sự cố một cách kịp thời, hạn chế vùng mất điện đồng thời đảm bảo an toàn cho con người trở thành một thách thức không nhỏ đối với những đơn vị quản lý vận hành lưới điện trên thế giới Mặc dù, trên cơ sở những vấn đề mang tính lý thuyết đã có nhiều nghiên cứu khác nhau về kỹ thuật, phương pháp cũng như giải pháp để bảo vệ cho dạng sự cố này và được ứng dụng ở nhiều quốc gia khác nhau nhưng hiệu quả vẫn còn rất hạn chế, đặc biệt là không tương xứng với chi phí đầu tư các hệ thống đo lường, hiển thị giám sát,…để ứng dụng cho các giải pháp này Và đến thời điểm hiện nay, các kỹ thuật, phương pháp bảo vệ đứt dây vẫn tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện với mục tiêu đảm bảo hiệu quả và tin cậy nhất Đối với giải pháp được Luận văn tiếp cận, nghiên cứu và đề xuất ứng dụng thực hiện trên hệ thống SCADA của PC Đồng Nai: Đây có thể được xem là sự kết hợp mang tính khoa học giữa cơ sở lý thuyết và thực tiễn thông qua việc vận dụng nguyên lý của sự cố đứt dây 1 pha và tận dụng, khai thác một cách hiệu quả hạ tầng thiết bị và hệ thống quản lý lưới điện Việc xây dựng thuật toán, tích hợp vào phần mềm SCADA Survalent hiện đang khai thác vận hành tại PC Đồng Nai trên cơ sở các dữ liệu thu thập giám sát, đo lường từ xa các thông số dòng điện, điện áp cũng như khả năng điều khiển, thao tác xa các thiết bị đóng cắt bảo vệ lắp đặt trên lưới điện sẽ mang lại nhiều lợi ích to lớn đó là kịp thời cảnh báo hoặc cắt, cô lập sự cố đứt dây ra khỏi lưới đồng thời đảm bảo an toàn cho con người và lưới điện
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT TRÊN HỆ THỐNG SCADA CỦA PC ĐỒNG NAI
Giới thiệu về lưới điện phân phối của PC Đồng Nai
Tính đến hết tháng 4/2024, quy mô lưới điện 110 kV và 22 kV của PC Đồng Nai như sau:
Quy mô lưới điện PC Đồng Nai
➢ Tổng số phát tuyến 22 kV 334 phát tuyến
➢ Công suất phụ tải lớn nhất (Pmax) 2.400 MW
Lưới điện trung thế 22 kV
✓ Đường dây trung thế 1 pha (km) 689
✓ Đường dây trung thế 3 pha (km) 4.573
➢ Trạm biến áp phân phối:
✓ Đường dây hạ thế 1 pha (km) 1.577
Chi tiết số lượng phát tuyến 22 kV được thống kê theo trạm biến áp 110 kV (theo Phụ lục)
Quy mô các thiết bị đóng cắt, bảo vệ trên lưới điện trung thế của PC Đồng Nai:
Thiết bị PC Đồng Nai
Tủ hợp bộ trung thế
Thiết bị tự đóng lại (Recloser)
Dao cắt có tải (LBS)
Giới thiệu về hệ thống SCADA của PC Đồng Nai
Mô hình tổng quan và kiến trúc của TTĐK
Hệ thống SCADA/DMS tại PC Đồng Nai sử dụng phần mềm SmartVU của hãng Survalent/ Canada, kết nối các TBA110kV, các trạm cắt 22kV và thiết bị phân đoạn trên lưới 22 kV (Recloser/LBS/RMU)
Hệ thống truyền dẫn kết nối các TBA110kV vào SCADA bằng cáp quang, giao thức IEC60870-5-104, đây là hệ thống truyền dẫn IP khép kín (không kết nối với hệ thống khác và Internet) Các trạm cắt 22kV và recloser/LBS/RMU được kết nối về SCADA bằng giao thức 104 thông qua kênh truyền APN 3G/4G thuê bao của Viettel và cáp quang
Từ hệ thống SCADA/DMS Đồng Nai đã thiết lập kênh ICCP đến hệ thống SCADA của A2 để nhận dữ liệu các ngăn 110kV của các TBA220kV, TBA500kV và các trạm khách hàng thuộc khu vực PC Đồng Nai quản lý vận hành (chưa truyền dữ liệu từ hệ thống SCADA Đồng Nai về hệ thống SCADA của A2) Từ hệ thống SCADA/DMS Đồng Nai đã thiết lập kênh ICCP đến hệ thống SCADA EVNSPC tại TTĐH SCADA để truyền dữ liệu các TBA110kV và dự kiến sẽ tiếp tục truyền dữ liệu lưới điện 22kV trong các giai đoạn tiếp theo Đã thiết lập 13 hệ thống máy tính remote console đến phòng Kỹ thuật (01), Đội quản lý vận hành lưới điện cao thế (01) và 11 Điện lực Thành phố/Huyện để giám sát các TBA110kV và giám sát điều khiển thiết bị trên lưới điện 22kV thuộc khu vực quản lý
Từ hệ thống SCADA/DMS tại phòng Điều độ thiết lập kênh truyền TCP/IP để chia sẻ dữ liệu đến hệ thống IT qua diode firewall nhằm đảm bảo an ninh bảo mật cho hệ thống OT
Hình 4.1 Cấu trúc phần cứng của hệ thống SCADA/DMS PC Đồng Nai
Hình 4.2 Mô hình tổng quan hệ thống SCADA/DMS PC Đồng Nai
Trình bày chức năng hệ thống SCADA của PC Đồng Nai với hệ thống phần mềm Survalent
Phần mềm SCADA của PC Đồng Nai (sử dụng phần mềm của Hãng Survalent – Canada) được đầu tư, vận hành chính thức từ năm 2016 và được PC Đồng Nai khai thác hiệu quả, góp phần quan trọng trong việc giám sát, điều hành lưới điện giúp nâng cao độ tin cậy cấp điện của khách hàng
Các tính năng chính của phần mềm bao gồm:
• Giám sát tín hiệu trạng thái các thiết bị đóng cắt, bảo vệ trên lưới điện, đo lường thông số vận hành;
• Quản lý cơ sở dữ liệu thiết bị trên lưới điện;
• Mô phỏng, tính toán trào lưu công suất, phân tích hệ thống;
• Điều khiển xa các thiết bị đóng cắt tại các trạm biến áp 110kV và thiết bị lưới điện trung thế
• Chạy các bài toán tự động xác định, cô lập sự cố và tái lập cấp điện (DAS/FLIRS);
Hình 4.3 Giao diện chính phần mềm SCADA Survalent tại PC Đồng Nai
Hình 4.4 Giám sát tín hiệu dòng điện – điện áp từ các dàn tủ hợp bộ tại các ngăn lộ
24 kV - Trạm biến áp 110 kV đưa về trung tâm SCADA
Hình 4.5 Giám sát tín hiệu dòng điện – điện áp từ Recloser, LBS lắp đặt trên các đường dây trung thế đưa về trung tâm SCADA
Các tín hiệu đo lường dòng điện – điện áp từ Recloser, LBS được truyền về trung tâm SCADA đặt tại PC Đồng Nai theo cơ chế tham chiếu giá trị biến thiên đo lường tối thiểu (hay còn gọi là Deadband, hiện đang yêu cầu là 1% [26]) Giá trị Deadband 1% này có nghĩa là khi giá trị dòng điện, điện áp được thiết bị Recloser, LBS ghi nhận có sự thay đổi 1% so với giá trị dòng điện – điện áp định mức của tuyến (được Đơn vị quản lý vận hành lưới điện tính toán, cài đặt trên tủ điều khiển thiết bị Recloser, LBS), thì thiết bị sẽ tự động gửi gói dữ liệu đo lường dòng điện – điện áp này về trung tâm SCADA Nguyên lý và cách thức truyền này có ưu điểm rất lớn đó là tránh được trình trạng không đồng bộ về mặt thời gian thu thập dữ liệu đo lường giữa các thiết bị đóng cắt trên lưới về tại trung tâm SCADA (so với phương pháp truyền theo tần suất sau một khoảng thời gian cài đặt do thời gian hệ thống trên các thiết bị Recloser, LBS có thể sai lệch so với thời gian thực) Mặt khác, phương pháp truyền theo Deadband này này sẽ hạn chế được việc phát sinh quá nhiều gói dữ liệu truyền và lưu trữ tại trung tâm có thể nguy cơ gây quá tải hoặc giảm hiệu suất, tuổi thọ vận hành của các hạ tầng thiết bị
Hình 4.7 Giá trị Deadband cài đặt trên LBS Vân Phong (Hãng S&S)
Ngoài ra, để đảm bảo độ tin cậy trong đồng bộ dữ liệu đo lường dòng điện – điện áp đưa về trung tâm, tại hệ thống phần mềm SCADA tại PC Đồng Nai sẽ thực hiện việc cài đặt hệ thống định kỳ gửi gói dữ liệu theo thời gian thực xuống các thiết bị để kiểm tra và đồng bộ thời gian Tần suất gửi gói tin đồng bộ thời gian cho các thiết bị thường là 10 phút/ 1 lần, tuy nhiên đối với các thiết bị có sử dụng mạng cáp quang, hoặc sử dụng trong trạm biến áp 110kV với độ tin cậy cao hơn thì tần suất có thể ít hơn, ngược lại đối với các thiết bị có tín hiệu không ổn định thì tần suất gửi có thể điều chỉnh nhiều hơn, điều này được Đơn vị quản lý vận hành lưới điện cân nhắc cài đặt để đảm bảo độ tin cậy hoạt động của hệ thống
Hình 4.8 Cài đặt đồng bộ thời gian về Trung tâm cho Recloser Bạch Lâm
Hình 4.9 Cài đặt đồng bộ thời gian về Trung tâm cho LBS Vân Phong
Việc áp dụng cơ chế truyền dữ liệu và cách thức đồng bộ thời gian đang áp dụng, thực tế kiểm chứng trên phần mềm SCADA cho thấy sai lệch về thời gian ra lệnh – thời gian đáp ứng của thiết bị tại chỗ là gần như tức thời, hoặc sai lệch vài chục đến vài trăm mili giây
Hình 4.10 Độ sai lệch thời gian truyền dữ liệu SCADA từ khi hệ thống ra lệnh đến khi ghi nhận đáp ứng phản hồi từ các thiết bị tại hiện trường
Như vậy, có thể đánh giá hạ tầng thiết bị và hệ thống SCADA là rất thuận lợi, đảm bảo đầy đủ các điều kiện cần thiết để xây dựng mô hình, triển khai giải pháp đề xuất của Đề tài Luận văn.
Xây dựng mô hình mô phỏng giải pháp đề xuất trên 01 phân đoạn lưới điện thực tế tại PC Đồng Nai
Việc ứng dụng giải pháp bảo vệ nâng cao đối với sự cố đứt dây thuộc phạm vi nghiên cứu của Luận văn được thực hiện trên một phân đoạn điển hình của một phát tuyến đường dây trung thế 22kV của PC Đồng Nai, đó là phân đoạn Recloser Bạch Lâm – LBS Vân Phong thuộc tuyến 477 của Trạm biến áp 110/22kV Kiệm Tân:
Hình 4.11 Phân đoạn Recloser Bạch Lâm – LBS Vân Phong tuyến 477 Quang
Trung thuộc trạm biến áp 110 kV Kiệm Tân Đây là tuyến đường dây mà các thiết bị đóng cắt bảo vệ phân đoạn lắp đặt trên tuyến đều được trang bị kết nối với Trung tâm SCADA của PC Đồng Nai Tủ điều khiển Recloser, LBS lắp đặt tại vị trí thiết bị đều có khả năng giám sát, đo lường các thông số dòng điện, điện áp, tần số, công suất, sóng hài,…đưa về trung tâm và được điều khiển thao tác xa từ trung tâm SCADA đặt tại Phòng Điều độ PC Đồng Nai Lưu ý rằng, hiện nay, ngoài tuyến và phân đoạn cụ thể đang thực hiện mô phỏng ứng dụng thì hầu hết những tuyến đường dây trung thế khác thuộc phạm vi quản lý của PC Đồng Nai đều được trang bị và đáp ứng yêu cầu để ứng dụng giải pháp của Luận văn
Một số thông tin về thiết bị Recloser, LBS phân đoạn ứng dụng:
Thiết bị Recloser Bạch Lâm LBS Vân Phong
Thiết bị đóng cắt Recloser Hãng Cooper/Mỹ LBS Hãng S&S/Hàn Quốc
Tủ điều khiển Tủ Form6 (F6) - Cooper Tủ FRTU RT – S&S
Xây dựng giải thuật bảo vệ đứt dây tích hợp vào phần mềm SCADA
4.5.1 Tạo và gán mẫu tính toán (Calculation Template)
Tạo mẫu tính toán Delta U – trường hợp đứt dây (Broken Conductor Delta U) giữa thiết bị 02 đầu phân đoạn từ cơ sở lý thuyết ở Chương 3 gồm các bước sau:
- Gán P2, P3, P4 tương ứng lần lượt với các giá trị điện áp A, B, C (Ua, Ub, Uc) đo lường được từ Recloser Bạch Lâm
- Gán P5, P6, P7 tương ứng lần lượt với các giá trị điện áp A, B, C (Ua, Ub, Uc) đo lường được từ LBS Vân Phong
- Tạo mẫu tính toán ΔU điện áp pha giữa thiết bị 2 đầu phân đoạn: ΔU = (P2- P5; P3-P6, P4-P7) Các giá trị ΔU này sẽ được so sánh với giá trị 5,7 kV đã được xác định
Tương tự tạo mẫu tính toán Delta I – trường hợp đứt dây (Broken Conductor Delta I) cho thiết bị đầu phân đoạn từ cơ sở lý thuyết ở Chương 3 gồm các bước sau:
- Gán P2, P3, P4 tương ứng lần lượt với các giá trị dòng điện pha A, B, C (Ia,
Ib, Ic) đo lường được từ Recloser Bạch Lâm
- Tạo mẫu tính toán ΔI % giá trị dòng điện giữa các pha của Recloser Bạch Lâm: ΔI % = (Max(P2, P3, P4) – Min(P2, P3, P4))*100/ Max(P2, P3, P4) Các giá trị ΔI % này sẽ được so sánh với giá trị 30% đã được xác định
4.5.2 Thực hiện lập trình câu lệnh cho trình tự xử lý thuật toán (Command Sequence): Trên cơ sở các giá trị ΔU, ΔI % tính toán được từ phần mềm, thuật toán xử lý thực hiện các bước so sánh theo lưu đồ Hình 3.6 – Chương 3 khi thõa mãn điều kiện, hệ thống phần mềm SCADA sẽ tự động cảnh báo hoặc tự động ra lệnh cắt thiết bị khi phát hiện sự cố đứt dây.
Thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả
Việc mô phỏng sẽ được thực hiện cho phân đoạn Recloser Bạch Lâm – LBS Vân Phong thuộc phát tuyến 22 kV 477 Quang Trung – trạm biến áp 110/22 kV Kiệm Tân trên phần mềm SCADA Survalent vận hành tại PC Đồng Nai ứng với thuật toán lệch điện áp (ΔU), độ lệch dòng điện (ΔI %) đo lường được từ các thiết bị đóng cắt - bảo vệ thông qua hệ thống SCADA Mô phỏng sẽ thực hiện cho 03 trạng thái/tình huống:
➢ Tình huống 1: Lưới điện (phân đoạn lưới) hoạt động bình thường: Khi lưới điện đang vận hành bình thường, dòng điện và điện áp trên 3 pha của thiết bị Recloser Bạch Lâm và LBS Vân Phong 02 đầu phân đoạn được truyền về hệ thống SCADA, các giá trị dòng áp này trên 3 pha là tương đối cân bằng, gần tương đương nhau hoặc sai lệch không đáng kể và vì thế sẽ không thỏa điều kiện thuật toán bảo vệ vì vậy các thiết bị vẫn ở trạng thái đóng và tiếp tục cấp điện bình thường
➢ Tình huống 2: Lưới điện xuất hiện tình trạng lệch điện áp các pha giữa thiết bị 02 đầu phân đoạn và hệ thống SCADA sẽ ra lệnh cảnh báo khả năng đứt dây: Thực hiện giả lập, mô phỏng giảm giá trị biên độ điện áp của 1 pha sự cố (pha C bị đứt dây) được LBS Vân Phong ghi nhận và truyền về hệ thống SCADA Mức giảm biên độ được mô phỏng này đảm bảo thỏa điều kiện về độ lệch điện áp (ΔU > 5,7 kV) của thuật toán, tuy nhiên chưa thỏa mãn giá trị độ lệch biên độ dòng điện giữa các pha của thiết bị Recloser Bạch Lâm ghi nhận trên hệ thống SCADA (ΔI % < 30%) Ở tình huống này, thuật toán sẽ xuất lệnh cảnh báo bất thường của lưới điện với khả năng đứt dây (chưa chắc chắn vì có thể có tình huống công nhân công tác trên lưới điện cắt LBS Bạch Lâm và mở dao cách ly an toàn lắp ngay trước LBS mà không cô lập chức năng bảo vệ, hoặc hư hỏng cảm biến điện áp (trường hợp này ít xảy ra)) và thông báo này sẽ xuất hiện trên màn hình vận hành của hệ thống SCADA Điều độ viên sẽ ra lệnh yêu cầu kiểm tra lưới điện hoặc tùy trường hợp có thể xem xét cắt từ xa để cô lập sự cố để đảm bảo an toàn
➢ Tình huống 3: Lưới điện xuất hiện đồng thời tình trạng lệch điện áp các pha giữa thiết bị 02 đầu phân đoạn và lệch dòng điện giữa các pha trong thiết bị đầu phân đoạn Khi đó hệ thống SCADA sẽ tự động ra lệnh cắt nhanh thiết bị 02 đầu phân đoạn để cô lập sự cố: Ở tình huống này, sau khi thực hiện giả lập, mô phỏng giảm giá trị biên độ điện áp của pha C bị đứt dây ghi nhận bởi LBS Vân Phong thỏa điều kiện của thuật toán về độ lệch điện áp (ΔU > 5,7 kV) pha C giữa 02 thiết bị đầu phân đoạn, tiếp tục giả lập mô phỏng, giảm giá trị biên độ dòng điện của pha C ghi nhận bởi Recloser Bạch Lâm thỏa mãn điều kiện độ lệch biên độ dòng điện giữa các pha A, B,
C trên thiết bị Recloser Bạch Lâm ghi nhận trên hệ thống SCADA (ΔI % > 30%) Ở tình huống này, sự cố đứt dây được thuật toán xác nhận đáp ứng đủ điều kiện để hệ thống tự động xuất lệnh cô lập (trip) ngay Recloser Bạch Lâm và LBS Vân Phong –
02 thiết bị ở 2 đầu phân đoạn để cô lập sự cố
Kết quả mô phỏng 03 tình huống nói trên bằng phần mềm SCADA Survalent được tổng hợp như sau: a) Tình huống 1: Trạng thái bình thường
Tổng hợp thông số điện áp, dòng điện, trạng thái thiết bị - đối chiếu với lưu đồ thuật toán, nguyên lý bảo vệ
Thông số thiết bị Điện áp (kV) Dòng điện (A)
Ua Ub Uc Ia Ib Ic
LBS Vân Phong 12,7 12,6 12,7 127 128 133 Close Thông số không sử dụng cho thuật toán ΔU (kV) -0,3 -0,2 -0,3 - - - ΔI (%) - - - (222-210)/222 = 5,4 % Đánh giá ΔU < 5,7 ΔU < 5,7 ΔU < 5,7 ΔI (%) < 30% Không đổi
(Sai lệch điện áp của Recloser và LBS có thể do một số nguyên nhân: Sai số đo lường, các dàn tụ bù trung thế lắp trên lưới, …) Đánh giá: Với các giá trị dòng điện – điện áp của Recloser Bạch Lâm và LBS Vân Phong đo lường và ghi nhận được trên hệ thống SCADA, các giá trị độ lệch điện áp ΔU, ΔI% được tính toán và so sánh với điều kiện thuật toán (ΔU < 5,7 kV; ΔI (%) < 30%) Kết quả mô phỏng ở tình huống 1 (trạng thái bình thường của lưới điện) cho thấy thuật toán xây dựng hoạt động chính xác, đúng với yêu cầu đặt ra b) Tình huống 2: Trạng thái cảnh báo (Alarm)
Tổng hợp thông số điện áp, dòng điện, trạng thái thiết bị - đối chiếu với lưu đồ thuật toán, nguyên lý bảo vệ
Thông số thiết bị Điện áp (kV) Dòng điện (A)
Ua Ub Uc Ia Ib Ic
LBS Vân Phong 12,7 12,6 5,0 127 128 133 Close Thông số không sử dụng cho thuật toán ΔU (kV) -0,3 -0,2 7,4 - - - ΔI (%) - - - (222-210)/222 = 5,4 % Đánh giá ΔU < 5,7 ΔU < 5,7 ΔU > 5,7 ΔI (%) < 30%
Không đổi Đánh giá: Với các giá trị dòng điện – điện áp của Recloser Bạch Lâm và LBS Vân Phong đo lường và ghi nhận được trên hệ thống SCADA, các giá trị độ lệch điện áp ΔU, ΔI% được tính toán và so sánh với điều kiện thuật toán (ΔU > 5,7 kV; ΔI (%) < 30%) Kết quả mô phỏng ở tình huống 2 (trạng thái cảnh báo) cho thấy thuật toán xây dựng hoạt động chính c) Tình huống 3: Trạng thái cắt thiết bị cô lập phân đoạn sự cố (Trip)
Tổng hợp thông số điện áp, dòng điện, trạng thái thiết bị - đối chiếu với lưu đồ thuật toán, nguyên lý bảo vệ
Thông số thiết bị Điện áp (kV) Dòng điện (A)
Ua Ub Uc Ia Ib Ic
LBS Vân Phong 12,7 12,6 5,0 127 128 133 Close Thông số không sử dụng cho thuật toán ΔU (kV) -0,3 -0,2 7,4 - - - ΔI (%) - - - (222-150)/222 = 32,4 % Đánh giá ΔU < 5,7 ΔU < 5,7 ΔU > 5,7 ΔI (%) > 30%
Open Hệ thống ra lệnh cắt REC,
LBS 02 đầu phân đoạn Đánh giá: Với các giá trị dòng điện – điện áp của Recloser Bạch Lâm và LBS Vân Phong đo lường và ghi nhận được trên hệ thống SCADA, các giá trị độ lệch điện áp ΔU, ΔI% được tính toán và so sánh với điều kiện thuật toán (ΔU > 5,7 kV; ΔI (%) > 30%) Kết quả mô phỏng ở tình huống 3 (trạng thái trip) cho thấy thuật toán xây dựng hoạt động chính xác, đúng với yêu cầu đặt ra: Hệ thống phát hiện xác nhận xảy ra đứt dây và tự động ra lệnh cắt Recloser Bạch Lâm và LBS Vân
Kết luận chương 4
Dựa trên nguyên lý sự thay đổi dòng điện – điện áp khi xảy ra sự cố đứt dây 1 pha trên lưới điện phân phối trung thế, Chương 4 đã phân tích, xây dựng thuật toán, tích hợp vào phần mềm SCADA Survalent hiện đang khai thác vận hành tại PC Đồng Nai thông qua việc giám sát, đo lường từ xa các thông số dòng điện, điện áp cũng như khả năng điều khiển, thao tác xa các thiết bị đóng cắt bảo vệ lắp đặt trên lưới điện để kịp thời cảnh báo hoặc cắt, cô lập sự cố đứt dây ra khỏi lưới đảm bảo an toàn cho con người và lưới điện
Kết quả mô phỏng trên phần mềm Survalent cho các tình huống tương ứng với các chế độ vận hành bình thường và sự cố đã kiểm chứng được tính chuẩn xác, tin cậy về nguyên lý, thuật toán của giải pháp bảo vệ nâng cao mà Luận văn đề xuất Giải thuật này là hoàn toàn tương tự và có thể được nhân rộng trên các phân đoạn tuyến của 334 phát tuyến đường dây trung thế 22 kV hiện đang được PC Đồng Nai quản lý vận hành.