Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

12 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía ..... Mặc dù phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương phá

Chương mục Trang

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 3

1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện 3

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải 5

1.2.1 Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường tại một đầu đường dây 6

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía 7

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền 8

CHƯƠNG 2 ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA 11

2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía 11

2.1.1 Nguyên lý làm việc 11

2.1.2 Thuật toán tính toán tổng trở trong rơle bảo vệ khoảng cách 12

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía 14

2.2.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố 15

2.2.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố 18

2.2.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song 19

2.2.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện 20

2.3 Tổng kết các ưu, nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía 22

CHƯƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 24 3.1 Nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây24 3.2 Khái niệm góc đồng bộ khi đồng bộ hóa lại tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây 25

3.3.1 Cơ sở của thuật toán được đề xuất 28

3.3.2 Chi tiết tính toán vị trí sự cố theo phân bố điện áp từ hai phía 29

3.3.3 Lựa chọn loại dòng điện và điện áp trong tính toán góc đồng bộ 31

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO PHÂN BỐ ĐỘ LỚN ĐIỆN ÁP TỪ HAI PHÍA 33

4.1 Thông số của đường dây được mô phỏng 33

4.2 Thông số của tuyến đường dây được mô phỏng 36

4.3 Sơ đồ khối của thuật toán tính toán định vị sự cố dựa theo phân bố điện áp từ hai phía 39 4.3.1 Lưu đồ tổng thể của quá trình tính toán 39

4.3.2 Lưu đồ của thuật toán tính toán vị trí sự cố 42

4.4 Kịch bản mô phỏng 43

4.5 Kết quả mô phỏng 45

4.5.1 Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 0Ω, bước tăng trong tính toán vị trí sự cố là 0,1km 46 4.5.2 Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 5Ω, bước tăng trong tính toán vị trí sự cố là 0,1km 47 4.5.3 Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 10Ω và 100% tải trước sự cố, bước tăng trong tính toán vị trí 48

4.5.4 Bảng tổng hợp số liệu với các kịch bản mô phỏng khác 49

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Phương hướng nghiên cứu trong tương lai 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố cho đường dây dựa theo phân bố điện áp từ hai phía 54

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tác giả

Trần Thanh Sơn

Hình 1 Đường dây 500kV bị sự cố do cần cẩu chạm vào 4

Hình 2 Thiết bị ghi sự cố và rơle sử dụng trong trạm biến áp 5

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 7

Hình 4 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố 7

Hình 5 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây 9

Hình 6 Rơle có sử dụng đồng bộ thời gian bằng đồng hồ vệ tinh GPS 10

Hình 7 Bảo vệ khoảng cách áp dụng cho đường dây tải điện 11

Hình 8 Đặc tính tác động MhO của rơle bảo vệ khoảng cách 12

Hình 9 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp và sơ đồ thay thế 16

Hình 10 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được 18

Hình 11 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song 19

Hình 12 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện 21

Hình 13 Đường dây với các rơle bảo vệ được đồng bộ bởi đồng hồ GPS 24

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 24

Hình 15 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu 26

Hình 16 Trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ 26

Hình 17 Phân bố điện áp tính từ hai phía tới trên đường dây bị sự cố 28

Hình 18 Sơ đồ đường dây bị sự cố 29

Hình 19 Sơ đồ thay thế hình π sử dụng thông số rải của đường dây bị sự cố 30

Hình 20 Giao diện chính của Matlab 35

Hình 21 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh 36

Hình 22 Sơ đồ tuyến đường dây được mô phỏng trong PSCAD 36

Hình 23 Minh họa khối tính toán thành phần thứ tự thuận 37

Hình 24 Cách bố trí dây dẫn các pha 37

Hình 25 Thông số đường dây được PSCAD tính ra 38

Hình 26 Giao diện để điều chỉnh thông số đường dây 38

Hình 27 Giao diện để điều chỉnh nguồn khi thay đổi dòng công suất 39

Hình 28 Lưu đồ tính toán sử dụng trong luận văn 40

Hình 29 Dữ liệu sau khi chuyển sang file Excel 41

Hình 31 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 2 mẫu 41

Hình 32 Lưu đồ thuật toán dò tìm vị trí sự cố 43

Hình 33 Dạng sóng điện áp từ hai đầu S và R thu được trước và trong khi sự cố 45

Hình 34 Độ lớn điện áp thứ tự thuận thu được từ đầu S và R trước và trong khi sự cố 45

Hình 35 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=0Ω 47

Hình 36 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=5Ω 48

Hình 37 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=10Ω 49

Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các phép tính tương ứng trong rơle khoảng cách 14 Bảng 2 Tổng hợp sai số tính toán vị trí sự cố với các kịch bản mô phỏng 49

MỞ ĐẦU Trong hệ thống lưới điện truyền tải, sự cố có thể xuất hiện tại bất cứ thời điểm nào, tại bất cứ nơi nào, nguyên nhân sự cố rất đa dạng và không thể đoán biết trước Tất cả các sự cố cần phải được loại trừ càng nhanh càng tốt để giảm thiểu mức độ thiệt hại cho thiết bị cũng như đảm bảo duy trì làm việc sự ổn định của hệ thống điện Bên cạnh đó, việc xác định chính xác vị trí sự cố đóng vai trò rất quan trọng do nhiều lý do:

- Giảm chi phí và nhân công cho việc sửa chữa, thay thế thiết bị hư hỏng

- Nhanh chóng khôi phục sự làm việc bình thường của hệ thống sau sự cố

- Giảm thời gian ngừng cung cấp điện trong các trường hợp sự cố duy trì Trong hệ thống điện, nhiều phương pháp bảo vệ định vị sự cố đã được giới thiệu Định vị sự cố được áp dụng phổ biến đối với lưới điện truyền tải và các đường cáp Rơle bảo vệ phổ biến nhất đối với lưới truyền tải là rơle bảo vệ khoảng cách Các rơle bảo vệ khoảng cách có thể định vị sự cố, tuy nhiên độ chính xác còn

là vấn đề cần phải được xem xét Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định

vị sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách có thể là điện trở hồ quang tại điểm sự

cố, thông số của đường dây không chính xác, ảnh hưởng hỗ cảm của các đường dây song song, sự thay đổi điện trở suất của đất tại các vùng khác nhau mà tuyến đường dây đi qua Trong một số trường hợp, sai số của thể lên tới hàng chục kilomet, do

đó các đơn vị tốn rất nhiều thời gian để tìm kiếm vị trí chính xác của các sự cố Nội dung luận văn tập trung phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây Mặc dù phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương pháp định vị sự cố chỉ dựa theo tín hiệu từ một phía, cần phải tính toán đồng bộ lại các tín hiệu đo từ hai đầu đường dây Để khắc phục các nhược điểm này, trong luận văn đề xuất phương pháp tính toán định vị sự cố dựa trên phân bố

độ lớn của điện áp từ hai phía của đường dây Việc sử dụng độ lớn của điện áp có

ưu điểm là loại trừ được yêu cầu phải đồng bộ tín hiệu đo từ hai phía, do đó có thể

áp dụng rộng rãi với cả các đường dây mà hệ thống bảo vệ hai đầu không được đồng bộ thời gian

Đề xuất nghiên cứu được tính toán với số liệu mô phỏng dựa trên PSCAD Đường dây được mô phỏng là tuyến đường dây 220kV lấy thông số từ tuyến đường dây có sẵn trong thư viện của phần mềm PSCAD

Về bố cục, luận văn gồm các phần như sau đây:

Chương 1: Giới thiệu chung về sự cần thiết nâng cao độ chính xác trong định vị

sự cố trên lưới điện Giới thiệu ngắn gọn và so sánh sơ lược các phương pháp phổ biến để định vị sự cố trên các đường dây truyền tải điện

Chương 2: Giới thiệu chi tiết nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường

từ một phía (nguyên lý này được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách) Phân tích các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép định vị

Chương 3: Giới thiệu phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ

hai đầu đường dây So sánh cách ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này Đồng thời đi sâu phân tích thuật định vị sự cố dựa theo phân bố độ lớn điện áp từ hai đầu đường dây Các ưu điểm của thuật toán này

Chương 4: Tính toán áp dụng với mô hình đường dây 220kV lấy thông số chuẩn

từ phần mềm PSCAD Các mô phỏng được thực hiện bằng PSCAD và số liệu sẽ được tính toán bằng Matlab

Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN 1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện mang một ý nghĩa rất quan trọng trong quản lý vận hành Định vị sự cố giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua và sự cố duy trì

 Sự cố thoáng qua có thể không gây thiệt hại nghiêm trọng, có thể được khắc phục thông qua tự động đóng lại Tuy nhiên xác định sớm và nhanh chóng điểm bị hư hỏng sẽ giúp ngăn ngừa các sự cố tiếp theo có thể xảy ra

 Với những sự cố vĩnh cửu, việc không tìm ra chính xác điểm sự cố để khắc phục nó mang lại rất nhiều điều phức tạp, hao tốn nhân lực, tốn kém tài chính, và quan trọng nhất là ngừng cung cấp điện một thời gian dài, có thể gây mất điện trong một khu vực rộng

Các vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã được nghiên cứu trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lưới truyền tải Lưới truyền tải được quan tâm vì mức độ ảnh hưởng của nó tới hệ thống lớn hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi

để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lưới phân phối

Phát hiện vị trí sự cố thường dựa trên việc tuần tra dọc tuyến đường dây, tuy nhiên đây là công việc tốn nhiều nhân công và thời gian Có nhiều phương pháp định vị

sự cố trong hệ thống điện đã được nghiên cứu và đưa vào áp dụng, nhiều loại thiết

bị tiến tiến đã được lắp đặt trên lưới điện Việt Nam (thiết bị định vị sự cố dựa theo sóng lan truyền trên đường dây) Các phần tiếp theo sẽ giới thiệu các phương pháp định vị sự cố này

Hình 1 Đường dây 500kV bị sự cố do cần cẩu chạm vào

Trong các trạm biến áp, có thể có cả các bộ ghi sự cố và các rơle bảo vệ, các thiết bị này có sự liên hệ chặt chẽ do làm việc cùng trên một đối tượng Tuy nhiên

có một số khác biệt giữa hai loại thiết bị này:

- Tốc độ truyền thông tin;

- Tần số lấy mẫu tín hiệu;

- Khả năng lưu trữ dữ liệu;

- Số lượng tín hiệu thu thập được;

- Khả năng lọc và xử lý tín hiệu

Cả hai loại thiết bị này đều có khả năng lưu trữ dữ liệu và do đó có thể cung cấp các số liệu cần thiết cho việc tính toán định vị sự cố theo phương pháp dựa theo tín hiệu đo từ hai đầu đường dây

Hình 2 Thiết bị ghi sự cố và rơle sử dụng trong trạm biến áp

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải

Có nhiều phương pháp định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây, có thể phân loại sơ lược các phương pháp này như sau [3, 8]:

- Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây

o Sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách

- Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây

o Tín hiệu đo lường được đồng bộ về thời gian

 Tín hiệu đo được gồm đầy đủ điện áp và dòng điện hai phía

 Tín hiệu đo được thiếu dòng điện hoặc điện áp của một phía

o Tín hiệu đo lường không được đồng bộ về thời gian

 Tín hiệu đo được gồm đầy đủ điện áp và dòng điện hai phía

 Tín hiệu đo được thiếu dòng điện hoặc điện áp của một phía

- Định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền:

o Dựa theo thời điểm sóng lan truyền tới một đầu đường dây

1.2.1 Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường tại một đầu đường dây

Nguyên lý định vị sự cố này được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách [6] Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo được Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle sẽ tác động và tính toán

vị trí sự cố dựa theo số liệu đo được Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định dựa theo công thức:

Các nhận xét chung với phương pháp này:

- Chỉ cần sử dụng tín hiệu đo lường tại chỗ Tín hiệu từ đầu đối diện chỉ sử dụng để truyền tín hiệu liên động khóa hoặc cho phép cắt

- Không cần xét tới việc đồng bộ thời gian với rơle ở đầu đối diện

- Quen thuộc đối với người sử dụng, dễ dàng xem xét số liệu do việc chỉ báo

sự cố là tự động

- Tuy nhiên độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố: như giá trị điện trở hồ quang tại điểm sự cố, mức tải của đường dây trước sự cố, ảnh hưởng của nguồn trung gian bơm vào đường dây…các yếu tố ảnh hưởng này

sẽ được phân tích ở chương sau

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía

Phương pháp này sử dụng tín hiệu đo lường từ hai đầu của đường dây tải điện [1, 4, 5] Chi tiết của nguyên lý này được thể hiện như sau:

Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là p (%) trên đường dây

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như trên Hình 4

Hình 4 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Dòng điện và điện áp {I A & I B }, {U A & U B} đo tại hai đầu đường dây giả thiết được đồng bộ về mặt thời gian

Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:

Do các thành phần điện kháng thứ tự không của đường dây rất khó để xác định chính xác, do vậy thường sử dụng các thành phần dòng điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch (tính toán dựa trên thành phần thứ tự nghịch chỉ áp dụng được với các

sự cố không đối xứng)

Các nhận xét với phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng

bộ từ hai đầu đường dây:

- Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phương trình tính toán khoảng cách đến điểm sự cố, do đó không gây ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả định vị sự cố

- Độ chính xác định vị sự cố cao hơn so với phương pháp tính toán chỉ sử dụng tín hiệu đo lường từ một đầu

- Không chịu ảnh hưởng của dòng tải trước sự cố

Phương pháp này sẽ được phân tích chi tiết trong Chương 3

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền

Khi sự cố xảy ra tại một điểm trên đường dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến

về dòng điện và điện áp [6] Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên đường dây cả về hai phía với tốc độ lan truyền sóng xấp xỉ tốc độ ánh sáng

Khi sóng lan truyền đi tới một đầu đường dây sẽ gặp điều kiện biên thay đổi, do đó một phần của sóng này sẽ phản xạ trở lại và một phần tiếp tục lan truyền đi tiếp

Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trên Hình 5 Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) hoàn toàn có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:

*2

Hình 5 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Khoảng thời gian chênh lệch Δt giữa tín hiệu tới các đầu đường dây phải được xác định một cách rất chính xác Với việc sử dụng đồng bộ thời gian bằng tín hiệu đồng

hồ vệ tinh GPS (Hình 6) có thể giải quyết được vấn đề này

Hình 6 Rơle có sử dụng đồng bộ thời gian bằng đồng hồ vệ tinh GPS

Các nhận xét với phương pháp này:

- Cần có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao Việc ứng dụng đồng hồ vệ tinh GPS đảm bảo khả năng đồng bộ này, tuy nhiên vẫn có sai số nhất định Kết quả ứng dụng thực tế cho thấy sai số định

vị có thể trong khoảng 300m

- Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao và khả năng lưu trữ lớn để có thể ghi nhận các tín hiệu sóng lan truyền

- Cần phải xử lý chống nhiễu cho các thiết bị đo

- Cần có thuật toán phức tạp để xử lý tìm ra tín hiệu tới và phản xạ

- Giá thành của thiết bị rất cao, không phù hợp để triển khai rộng rãi

Phương pháp sử dụng tín hiệu lan truyền tới chỉ một đầu đường dây cũng đã được đề xuất trong một số nghiên cứu Trong phương pháp này, bộ ghi sự cố sẽ ghi nhận khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp của sóng lan truyền tại một đầu đường dây, sau đó tính toán ra khoảng cách sự cố Phương pháp này đơn giản hơn về mặt thiết bị, tuy nhiên do các sóng phản xạ bị suy giảm rất mạnh nên rất khó để lọc được các tín hiệu cần thiết

CHƯƠNG 2 ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO

LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA 2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía

2.1.1 Nguyên lý làm việc

Các rơle bảo vệ khoảng cách được sử dụng phổ biến hiện nay hoạt động theo nguyên lý tổng trở thấp (Z<) Tín hiệu dòng điện và điện áp sẽ được đo thông qua biến dòng điện và biến điện áp sau đó cấp tới rơle Các rơle kỹ thuật số xử lý tín hiệu này và thực hiện các phép tính toán để xác định tổng trở đo được trong các chế

độ bình thường cũng như sự cố

Hình 7 Bảo vệ khoảng cách áp dụng cho đường dây tải điện

Giá trị tổng trở đo được sẽ được sử dụng để xác định điểm làm việc của rơle trên mặt phẳng tổng trở, nếu điểm làm việc này thuộc vùng tác động (vùng I, vùng

II hoặc vùng III…) thì rơle sẽ khởi động các bộ đếm thời gian tương ứng Trong chế

độ vận hành bình thường điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động (Hình 8)

Hình 8 Đặc tính tác động MhO của rơle bảo vệ khoảng cách

Dựa theo giá trị điện kháng đo được, rơle sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức:

Do các tín hiệu dòng điện và điện áp thường dao động mạnh trong quá trình quá độ nên rất khó để tính toán chính xác vị trí sự cố Các rơle khoảng cách hiện nay sử dụng mẫu dòng điện và điện áp thu thập được trong khoảng thời gian ngắn trước thời điểm cắt máy cắt để tránh các nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị Giá trị khoảng cách tính toán được là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán với các mẫu thu thập được

2.1.2 Thuật toán tính toán tổng trở trong rơle bảo vệ khoảng cách

Rơle kỹ thuật số hiện nay thực hiện việc tính toán tổng trở đồng thời với tất

cả ba pha Do tính chất khác nhau của sự cố pha - pha và pha - đất nên cần thực hiện các phép tính toán riêng với hai loại sự cố này Như vậy rơle cần tính toán ít nhất là

6 phép tính cùng lúc, phép tính nào cho ra giá trị tổng trở nhỏ nhất sẽ được sử dụng

để rơle ra quyết định cắt sự cố hay không, đồng thời các giá trị tổng trở này cũng được sử dụng trong khâu tính toán vị trí sự cố [6] Ví dụ, với sự cố pha A – đất thì chỉ một phép tính toán tổng trở pha-đất dựa trên dòng điện, điện áp pha A cho kết quả nhỏ nhất, các tính toán khác sẽ cho kết quả tính toán lớn hơn

Xem xét phương pháp tính toán tổng trở cho sự cố pha –đất:

Giả thiết sự cố xảy ra giữa pha A với đất Phần tử tính toán tổng trở A- đất sẽ thực

hiện tính toán với tín hiệu điện áp và dòng điện là V AF và I AF, giả thiết khoảng cách

đến điểm sự cố là p và tổng trở TTT, TTN & TTK của đường dây là Z1, Z2, Z0

Dựa theo phương pháp thành phần đối xứng có thể viết như sau:

L L

Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các phép tính tương ứng trong rơle khoảng cách

Loại sự cố Tổng trở TTT tính theo phương trình

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố có thể kể đến

là [2]:

- Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố

- Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ do các đường dây chạy song song gây

ra

- Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

2.2.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố

Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng điện Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện trở hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất Một số trường hợp

sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này cũng gây ảnh hưởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố

Điện trở hồ quang phụ thuộc vào độ dài của hồ quang và dòng điện theo công thức sau:

Rarc = 87501..4

f

arc I

L

Trong đó: R arc - điện trở hồ quang ()

L arc - Là chiều dài hồ quang (m) trong trường hợp không có gió

I f - Giá trị dòng sự cố (A)

Chiều dài hồ quang ban đầu bằng khoảng cách từ dây dẫn đến cột hoặc giữa hai dây dẫn, nhưng nó sẽ tăng và kéo dài do gió thổi ngang qua do sự đối lưu và truyền sóng điện từ Người ta đưa ra giả thuyết điện trở hồ quang phụ thuộc vào khoảng cách dây dẫn, vận tốc gió và thời gian theo công thức:

t arc : Thời gian tồn tại hồ quang

Trong trường hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc chạm đất phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm của đất và cấp điện áp của lưới điện Khi sự

cố các pha với nhau điện trở sự cố thường nhỏ và không vượt quá vài ohm () Tuy nhiên điện trở sự cố lớn hơn nhiều đối với sự cố liên quan đến đất vì điện trở nối đất của cột có thể tới 10 [] thậm chí cao hơn Trường hợp đặc biệt điện trở sự cố còn lớn hơn khi sự cố dây dẫn chạm vào cây cối hoặc đứt dây và rơi xuống vùng đất khô cứng Như vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm

Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố và dòng tải trên đường dây đến tổng trở đo được

Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp nhưHình 9

Hình 9 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp và sơ đồ thay thế

Mạch vòng sự cố nhìn từ phía thanh góp trạm A có thể được mô tả bằng công thức sau đây

U A – dZ L I A - R F I F = 0 [2.8]

Trong đó:

d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1)

Z L : tổng trở của đường dây AB

U A ; I A: là điện áp và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle phía trạm A

I F: dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, thỏa mãn quan hệ

Từ công thức [2.8] suy ra ZA =

A

A I

U

= dZL + RF

A

F I

- Nếu dòng điện I A và I B lệch pha nhau: thì thành phần B

A

I I

 

 

 

thể hiện như một

phần điện trở và điện kháng hoặc thành phần điện trở và điện dung (tùy theo

dòng I B là sớm pha hơn hay chậm pha hơn so với I A trong công thức [2.11]

Do vậy, thành phần Z F sẽ ảnh hưởng cả tới giá trị điện kháng của tổng trở Z A

mà rơle đo được trong công thức [2.11], kết quả là khoảng cách tính toán được sẽ bị sai khác so với thực tế Hình 10 thể hiện chi tiết quan hệ này

Sai số của điện kháng

Hình 10 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được

Trên mặt phẳng tổng trở thì AB là tổng trở của toàn bộ đường dây đang xét, AF là tổng trở của đoạn đường dây bị sự cố tính từ đầu A

2.2.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố

Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố, một cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây trong chế độ vận hành bình thường Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế

độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, do đó có thể nói dòng điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố Trong trường hợp đường dây chỉ có một nguồn cấp thì dòng tải không gây ảnh hưởng đến các tính toán

2.2.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song

Trong lưới truyền tải điện hầu hết các đường dây vận hành đều song song và

đi chung cột Các đường dây này có ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau, ảnh hưởng này

sẽ là đáng kể trong trường hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không (TTK) chạy trên đường dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đường dây bị

sự cố làm cho giá trị đo được của rơle tổng trở tại đường dây sự cố bị sai lệch

Hình 11 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song

V01 = Z01I01 + Z0MI02 [2.12]

Trong đó:

- V01: điện áp TTK của bảo vệ trên đường dây bị sự cố

- Z01: tổng trở TTK của đường dây bị sự cố

- Z0M: tổng trở tương hỗ TTK giữa hai đường dây

- I01, I02: dòng điện TTK chạy trên đường dây bị sự cố và đường dây lân cận

Thông thường sự ảnh hưởng tổng trở tương hỗ của các thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch là rất nhỏ, có thể bỏ qua Trong khi đó ảnh hưởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hưởng rất lớn và chiếm khoảng 50% đến 70% Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tương hỗ TTK của một đường dây có thể là [2]:

0127,11101,0

5323,006874,0

Để rơle có thể làm việc đúng cần bù lại sự thay đổi về điện kháng TTK do các đường dây lân cận gây ra Các rơle hiện nay thực hiện việc này bằng cách lấy dòng TTK từ đường dây lân cận đưa vào trong rơle và rơle sẽ có thuật toán để bù lại thành phần hỗ cảm TTK này Tuy nhiên, việc này chỉ thực hiện được khi hai đường dây đi ra từ cùng một trạm biến áp, trong trường hợp hai đường dây thuộc hai trạm riêng biệt thì rất khó để thực hiện giải pháp này

Việc xác định chính xác thành phần tổng trở tương hỗ TTK còn gặp nhiều khó khăn

do có trường hợp các đường dây chỉ đi song song một phần hoặc đường dây song song đang cắt khỏi vận hành và nối đất hai đầu…

2.2.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

Xét sự ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến tổng trở rơle khoảng cách tính được Xét ví dụ như trong Hình 12 dưới đây:

BN i I

I

K  hệ số phân bố dòng điện

Khi hệ số phân bố dòng điện Ki ≠ 1, tổng trở ZR mà rơ le bảo vệ khoảng cách

đo được khác với tổng trở thực tế từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch (

AF

Z Z Z )

Đối với sơ đồ Hình 12 (a) một nguồn điện bơm vào thanh cái B đã làm cho

IBN >IAB và hệ số Ki > 1 nghĩa là tổng rơ le đo được một giá trị lớn hơn tổng trở thực

tế ZAN

Đối với sơ đồ Hình 12 (b) sự xuất hiện của đường dây vận hành song song

(IBF = IAB - IBD) nên hệ số phân bố dòng điện Ki < 1 nghĩa là rơ le sẽ đo được giá trị nhỏ hơn giá trị tổng trở thực tế ZAN

Với những lưới điện có cấu hình phức tạp hệ số phân bố dòng điện có thể thay đổi theo chế độ làm việc của lưới điện Khi điểm ngắn mạch càng nằm xa điểm đặt rơ le bảo vệ thì ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện càng lớn

2.3 Tổng kết các ưu, nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía

Ưu và nhược điểm của phương pháp này:

- Chỉ cần sử dụng tín hiệu đo lường tại chỗ Do vậy không cần xét tới việc đồng bộ thời gian với rơle ở đầu đối diện

- Dễ dàng xem xét số liệu do việc chỉ báo sự cố là tự động, người sử dụng không cần thực hiện thêm bất cứ tính toán nào khác

- Độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố:

- Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây

- Ảnh hưởng bởi hệ số phân bố dòng điện (do xuất hiện các nguồn khác cấp vào điểm sự cố hoặc dòng điện tại điểm sự cố khác với dòng điện

đo được tại vị trí đặt rơle)

- Ảnh hưởng của hỗ cảm do các đường dây chạy song song cùng cột hoặc lân cận gây ra

- Tổng trở thứ tự không của đường dây thường không thể xác định được chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất (đây lại là loại sự cố thường xảy ra đối với lưới truyền tải và hệ thống điện nói chung)

Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một đầu tuy đơn giản nhưng thường có độ chính xác không cao Trong chương tiếp theo sẽ trình bày nguyên lý làm việc của phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai

đầu đường dây và đề xuất thuật toán xác định vị trí sự cố dựa theo phân bố độ lớn điện áp tính từ hai phía của đường dây

CHƯƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ HAI

ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 3.1 Nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây đã được trình bày sơ lược tại mục 1.2.2 Nguyên lý này dựa trên giả thiết là các tín hiệu từ hai đầu đường dây được đồng bộ về mặt thời gian Việc đồng bộ thời gian của các trạm biến áp có thể được thực hiện nếu có trang bị các đồng hồ GPS nhận tín hiệu vệ tinh

Hình 13 Đường dây với các rơle bảo vệ được đồng bộ bởi đồng hồ GPS

Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo từ phía A hoặc B:

* *