NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BI - Máy biến dòng điện BU - Máy biến điện áp DĐCS - Dao động công suất HTĐ - Hệ thống điện Mho - Đặc tính hình tròn lệch tâm OST - Out of Step trip,

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH HIẾU

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ

KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH HIẾU

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ

KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ KIM HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

Nguyễn Minh Hiếu

ii

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ

Học viên : Nguyễn Minh Hiếu Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Để tránh tác động nhầm do dao động điện của rơle bảo vệ (RLBV) khoảng cách

cơ trước đây, chức năng phát hiện dao động điện (PS) tích hợp trong rơ le bảo vệ kỹ thuật số ngày nay được sử dụng nhằm khắc phục nhược điểm này Rơle có khả năng phân biệt được trường hợp sự cố và dao động điện, tránh tác động không mong muốn khi quỹ đạo tổng trở

đo được di chuyển chậm đi vào vùng bảo vệ khoảng cách Luận văn phân tích giải thuật chức năng khóa dao động công suất, các nguyên nhân gây dao động công suất, phân tích các phương pháp phát hiện dao động công suất (PSD), quỹ đạo di chuyển của tổng trở khi có dao động công suất và giải thích cách tính toán thông số chỉnh định của hãng Areva và Siemens Ngoài ra, Luận văn tiến hành mô phỏng thử nghiệm chức năng khóa dao động công suất trên rơle kỹ thuật số Siemens 7SA522 bằng công cụ Power Swing Simulator trong phần mềm Protection Relay Test dùng để điều khiển hợp bộ thí nghiệm KingSine K1066 và mô phỏng giả lập sự cố trong các trường hợp khác nhau như: PS ổn định, chức năng PSD không sử dụng, rơ le bảo vệ khoảng cách hoạt động bình thường; PS ổn định sử dụng chức năng PSD,

PS ổn định với sự cố và PS không ổn định Kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng, chức năng này

có độ tin cậy cao và thời gian đáp ứng làm việc của rơle nhanh chóng

Từ khóa: Rơle bảo vệ khoảng cách, Dao động điện, Phát hiện dao động điện, Cắt khi dao động điện, Cắt mất đồng bộ

RESEARCH EVALUATES THE POWER SWING DETECTION FUNCTION

OF NUMERICAL DISTANCE PROTECTION RELAY

Abstract – Avoiding mistake trip of the mechanical distance relay during power swing, the

power swing detection function is usually used to improve the operation of numerical distance protection Now, the relay has to discriminate between the fault and the power swing conditions for both cases the impedance trajectory could enter the protected zones slow This thesis presents power swing function theory, the causes of power swing, presents power swing detection methods, Trajectory of moving of total impedance when there is power swing and explains how to calculate setting values of Siemens and Areva vendors Also, thesis be performed to test effectively power swing function on Siemens 7SA522 using

by Power Swing Simulator function in Protection Relay Test software of KingSine K1066

device that can produce swing waveform followed by faults as desired simulation in various cases such as Stable Power Swing with power swing function in relay is disable and distance protection is normal, Stable Power Swing with power swing function in relay is enable, Stable Power Swing with fault and unstable Power Swing There by results show that

benefits this function can yield of high reliability, fast time response

Keywords: Distance relay, Power swing, Power swing detection, Power swing tripping, Out of Step trip

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Đặt tên đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM 3

1.1 GIỚI THIỆU 3

1.2 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 3

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN KHI XẢY RA DĐCS 3

1.4 PHÂN BIỆT GIỮA SỰ CỐ NGẮN MẠCH VÀ HIỆN TƯỢNG DĐCS 7

1.5 KẾT LUẬN 10

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH RLBV KHOẢNG CÁCH CÓ CHỨC NĂNG KHÓA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 11

2.1 GIỚI THIỆU 11

2.2 CÁC ĐẶC TUYẾN KHỞI ĐỘNG 11

2.3 CÁC VÙNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 12

2.4 GIÁ TRỊ CÁC VÙNG TRONG SƠ ĐỒ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 12

2.5 THỜI GIAN TÁC ĐỘNG CỦA CÁC VÙNG 13

2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TỚI RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN 14

2.6.1 Quỹ đạo di chuyển của tổng trở trong mặt phẳng phức 14

2.6.2 Các phương pháp phát hiện dao động công suất 17

2.6.2.1 Phương pháp giá trị tổng trở 17

2.6.2.2 Phương pháp tính toán tổng trở liên tục 23

2.6.2.3 Phương pháp điện áp tâm dao động 24

2.6.3 Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp 26

2.6.3.1 Các thông số dùng để phát hiện dao động công suất 26

2.6.3.2 Thiết lập đặc tính đồng dạng và biểu đồ chắn 26

iv

2.6.3.3 Chỉnh định thời gian khóa dao động công suất 27

2.7 CÀI ĐẶT CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 29

2.7.1 Chức năng chống dao động công suất PSB 29

2.7.1.1 Lựa chọn chức năng PSB hoặc OST trong RLBV khoảng cách 29

2.7.1.2 Nghiên cứu cài đặt chức năng PSB và OST 30

2.7.1.3 Nghiên cứu cài đặt chức năng giải trừ lệnh khóa PSD 31

2.7.2 Phương pháp phát hiện, cài đặt chức năng chống dao động công suất

trong rơ le bảo vệ khoảng cách hãng Siemens, Areva 31

2.8 KẾT LUẬN 35

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG DĐCS TRÊN RƠ LE 7SA522 ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG DÂY 110KV THUỘC ĐIỆN LỰC KHÁNH HÒA QUẢN LÝ 36

3.1 MỞ ĐẦU 36

3.2 THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM RƠ LE K1066 VÀ CÁC PHẦN MỀM THỬ NGHIỆN DĐCS [12] 36

3.2.1 Giới thiệu thiết bị thử nghiệm rơ le K1066 36

3.2.2 Phần mềm thử nghiệm chức năng dao động công suất 39

3.2.2.1 Phần mềm State Sequencer 39

3.2.2.2 Phần mềm Advance Distance 40

3.2.2.3 Phần mềm mô phỏng Power Swing Simulator 42

3.3 MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG DĐCS TRÊN RƠ LE BVKC 7SA522 ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG DÂY 110KV THUỘC ĐIỆN LỰC KHÁNH HÒA QUẢN LÝ 44

3.3.1 Sơ đồ lưới điện mô phỏng 44

3.3.2 Các thông số nguồn giả định và đặc tính bảo vệ của rơ le 44

3.3.3 Mô phỏng, đánh giá chức năng phát hiện DĐCS của rơ le 7SA522 trong các tình huống khác nhau 49

3.3.4 Nhận xét về khả năng phát hiện và khóa bảo vệ của RLBV khoảng cách khi có hiện tượng DĐCS 58

3.3.5 Các giải pháp hạn chế dao động công suất 58

3.4 KẾT LUẬN 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BI - Máy biến dòng điện

BU - Máy biến điện áp DĐCS - Dao động công suất HTĐ - Hệ thống điện Mho - Đặc tính hình tròn lệch tâm OST - Out of Step trip, chức năng cắt khi mất ổn định PSB - Power Swing block, chức năng chống dao động công suất RLBV - Rơ le bảo vệ

RLI - Đặc tính chắn trong phía bên trái RLO - Đặc tính chắn ngoài phía bên trái RRI - Đặc tính chắn trong phía bên phải RRO - Đặc tính chắn ngoài phía bên phải SVC - Swing Center Votage, điện áp tại tâm dao động

ZR - Tổng trở tính toán tại vị trí đặt rơ le

ZT - Tổng trở phụ tải BVKC - Bảo vệ khoảng cách

ZSC - Tổng trở sự cố

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

1.1 DĐCS trong hệ thống điện 4 1.2 Nguyên lý đo lường tổng trở đường dây 7 1.3 Tổng trở thay đổi khi ngắn mạch 8 1.4 Tổng trở thay đổi khi DĐCS 8 1.5 Dòng điện và điện áp ngắn mạch 9 1.6 Dòng điện và điện áp DĐCS 9 2.1 Các đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách 11 2.2 Phối hợp tổng trở khởi động và thời gian tác động của BVKC 12 2.3 Tổng trở đo được của rơ le khoảng cách khi có DĐCS 17 2.4 Lưu đồ phát hiện DĐCS dùng phương pháp tổng trở 18 2.5 Các dạng đặc tính tổng trở phát hiện DĐCS 19 2.6 Đặc tính vùng phát hiện DĐCS 20 2.7 Biểu đồ đặc tính chắn 22 2.8 Quỹ đạo đặc tính tổng trở liên tục 23 2.9 Lưu đồ phát hiện DĐCS của phương pháp tổng trở liên tục 23 2.10 Mô tả điện áp tâm dao động SVC 24 2.11 Mô tả gần đúng của SVC 25 2.12 Ảnh hưởng của tổng trở PSB 26 2.13 Hệ thống 2 nguồn đẳng trị tương đương 27 2.14 Biến thiên góc đẳng trị của đặc tính DĐCS 28 2.15 Sơ đồ logic các điều kiện giải trừ lệnh khóa DĐCS 31 2.16 Sơ đồ logic phát hiện DĐCS của rơ le P441 32 2.17 Đặc tuyến phát hiện DĐCS rơ le P441 33 2.18 Mô tả tính đơn điệu của quỹ đạo tổng trở 34 2.19 Mô tả tính liên tục của quỹ đạo tổng trở 34 2.20 Mô tả tính đồng nhất của quỹ đạo tổng trở 34 2.21 Sơ đồ logic phát hiện DĐCS rơ le 7SA522 34 2.22 Vùng phát hiện DĐCS đặc tuyến đa giác 35 2.23 Vùng phát hiện DĐCS đặc tuyến Mho 35 3.1 Thiết bị thí nghiệm rơ le kỹ thuật số K1066 36 3.2 Mô tả mặt trước thiết bị K1066 37 3.3 Mô tả mặt trên thiết bị K1066 37 3.4 Mô tả khối cấp nguồn K1066 38 3.5 Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm rơ le với máy tính 38 3.6 Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm với rơ le bảo vệ khoảng cách 39 3.7 Phần mềm State Sequencer 40

viii

Số

3.8 Phần mềm Advanced Distance 41 3.9 Giá trị tổng trở biên của vùng phát hiện dao động 41 3.10 Sơ đồ hai nguồn đẳng trị tương đương 42 3.11 Phần mềm mô phỏng dao động công suất 42 3.12 Cài đặt góc lệch pha cho quá trình DĐCS 43 3.13 Cài đặt sự cố xảy ra trong quá trình dao động 43 3.14 Cài đặt giá trị tổng trở nguồn và đồ thị tương đương 43 3.15 Sơ đồ mô phỏng DĐCS và thiết bị bảo vệ đường dây 171 44 3.16 Phiếu chỉnh định rơ le ngăn 171 45 3.17 Giá trị chỉnh định các vùng của đường dây 171 45 3.18 Mô tả cách nhập tỉ số biến điện áp, biến dòng điện 46 3.19 Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 1 46 3.20 Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 2 47 3.21 Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 3 47 3.22 Xây dựng đặc tính vùng phát hiện dao động công suất 47 3.23 Đặc tính tác động của bảo vệ khoảng cách 48 3.24 Đặc tính phát hiện dao động công suất 48 3.25 Giá trị tổng trở các vùng RLBV khoảng cách 49 3.26 Chức năng khóa dao động công suất không sử dụng 50 3.27 Giản đồ dạng sóng dòng điện khi dao động công suất 50 3.28 Giản đồ dạng sóng điện áp khi dao động công suất 51 3.29 Mô tả quỹ đạo tổng trở DĐCS ổn định chức năng PSD là Disable 51 3.30 Hành vi của rơ le khi DĐCS ổn định và chức năng PSD Disable 52 3.31 Mô tả cài đặt khóa các vùng bảo vệ của rơ le 53 3.32 Mô tả cài đặt chức năng PSD là Enable 53 3.33 Mô tả quỹ đạo tổng trở DĐCS ổn định, chức năng PSD Enable 53 3.34 Mô tả hành vi rơ le khi DĐCS ổn định chức năng PSD là Enable 54 3.35 Mô tả thời gian lưu trú tổng trở trong vùng 1 54 3.36 Các thông số cài đặt trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố 55 3.37 Quỹ đạo tổng trở trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố 56 3.38 Hành vi rơ le trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố 56 3.39 Quỹ đạo tổng trở trong trường hợp OST 57 3.40 Hành vi rơ le trong quá trình dao động không ổn định 57

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Dao động công suất là một trong những hiện tượng gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống rơ le, nếu không được nghiên cứu, phân tích và chỉnh định đúng có thể dẫn đến sự cố trầm trọng của hệ thống điện Hệ thống điện càng phức tạp, hiện tượng dao động điện và việc nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo

vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách càng phức tạp

Vì vậy, việc nghiên cứu và đánh giá chức năng phát hiện dao động công suất đối với rơ le bảo vệ khoảng cách, loại được dùng phổ biến để bảo vệ trên các đường dây hiện nay là vấn đề cần thiết

Bên cạnh đó, do dao động công suất là hiện tượng diễn ra rất phức tạp, cho nên

việc mô phỏng và thử nghiệm chức năng này cũng tốn nhiều công sức

Trong nội dung luận văn này, tác giả sẽ nghiên cứu các phương pháp phát hiện dao động công suất, cách cài đặt các thông số, mô phỏng sơ đồ hệ thống điện và đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng này tới hoạt động chính xác của rơ le bảo vệ khoảng cách Các nhà sản suất rơle khác nhau đã đưa ra các thuật toán và giải pháp kỹ thuật cho việc phát hiện dao động công suất khác nhau Tuy nhiên, trong quá trình vận hành,

do cấu trúc hệ thống điện phức tạp, cộng với việc nghiên cứu, phân tích và cài đặt không đúng có thể làm cho rơle khoảng cách hoạt động sai Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về hiện tượng dao động công suất một cách đầy đủ, phân tích các quỹ đạo

di chuyển của tổng trở khi dao động và mô phỏng phân tích chi tiết hiện tượng này đối

với chủng loại rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số

Nghiên cứu sâu về chức năng phát hiện dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách, thật sự có ích cho các cán bộ kỹ thuật làm công việc liên quan tới rơle bảo vệ

Ngoài ra, việc nghiên cứu dao đông công suất còn giúp cho đơn vị điều độ tính toán cài đặt thông số của hệ thống trong rơ le khoảng cách chính xác hơn, từ đó đưa ra các phương án kết lưới vận hành phù hợp, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định tin cậy

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng dao động công suất tới sự hoạt động của hệ thống bảo

vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách

- Nghiên cứu hiện tượng dao động công suất bao gồm: Các nguyên nhân xảy ra, phương pháp phát hiện, quỹ đạo di chuyển của tổng trở và biến thiên các thông số vận hành trong quá trình dao động

2

- Kết quả nghiên cứu được sẽ giúp những kỹ sư làm công tác thí nghiệm hiểu sâu hơn về hiện tượng dao động công suất, để từ đó có sự chỉnh định, cài đặt chính xác khi thí nghiệm chức năng dao động công suất trong rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số Thêm vào đó, việc áp dụng thực tế mô phỏng hiện tượng dao động công suất xảy ra trên đường dây 110kV thuộc Công ty Điện lực Khánh Hòa quản lý, để từ đó kiến nghị các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của dao động công suất đến hoạt động của hệ thống

bảo vệ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là chức năng phát hiện dao động công suất của rơ le bảo

vệ khoảng cách kỹ thuật số

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu là Rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số của các hãng Siemens, Areva đang sử dụng trên lưới điện 110kV thuộc Công ty Điện lực Khánh Hòa quản lý

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu nguyên lý làm việc của rơ le

bảo vệ khoảng cách, đặc biệt là chức năng phát hiện và khóa dao động công suất

- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng lý thuyết nghiên cứu và các phép mô phỏng thử nghiệm bằng thiết bị thử nghiệm rơ le kỹ thuật số K1066 của hãng

KINGSINE trên RLBV khoảng cách 7SA522 hãng Siemens

5 Đặt tên đề tài

Chính vì những lý do nêu trên, đề tài được đặt tên:

“Nghiên cứu đánh giá chức năng phát hiện dao động công suất của rơ le bảo

vệ khoảng cách kỹ thuật số.”

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn được biên chế thành 3 chương Bố cục nội dung chính của luận văn gồm các phần sau:

Chương 1: Nguyên nhân gây dao động công suất và đặc điểm

Chương 2: Phân tích rơ le bảo vệ khoảng cách có chức năng khóa dao động công suất Chương 3: Mô phỏng DĐCS trên rơ le 7SA522, áp dụng cho đường dây 110kV thuộc

Điện lực Khánh Hòa quản lý

CHƯƠNG 1 NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

VÀ ĐẶC ĐIỂM

1.1 GIỚI THIỆU

DĐCS là hiện tượng thường gặp phải trong quá trình vận hành HTĐ, nó ảnh

hưởng xấu đến sự ổn định của hệ thống và có thể dẫn đến sụp đổ toàn bộ hệ thống Có

nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng DĐCS và do DĐCS và ngắn mạch có nhiều

điểm giống nhau, điều này có thể làm cho hệ thống BVRL hoạt động không chọn lọc

do nhầm lẫn giữa DĐCS và ngắn mạch Trong chương này, tác giả sẽ trình bày cụ thể

các nguyên nhân gây DĐCS và phân tích sự khác nhau giữa hai hiện tượng

1.2 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

Dao động công suất, là quá trình diễn ra sau khi hệ thống điện có sự thay đổi đột

ngột về cấu trúc lưới điện như: đóng, cắt một nhà máy công suất lớn, cắt một đường

dây đầy tải,…trong một số điều kiện nhất định, dao động công suất cũng xuất hiện khi

hệ thống làm việc nặng tải hoặc khi các tham số điều khiển của hệ thống kích từ không

được chỉnh định hợp lý Điều này gây ra biến động mạnh các thông số trên đường dây,

sự biến động này có đặc trưng giống như hiện tượng ngắn mạch đối xứng 3 pha Khi

đó, dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống, có thể làm cho các bảo vệ hiểu sai và tác

động nhầm, dẫn tới sự cố càng trầm trọng hơn [8]

Theo quy định của vận hành, khi xảy ra dao động công suất (DĐCS), các bảo vệ

không được tác động để đảm bảo tính chọn lọc Do đó, cần cài đặt, chỉnh định đúng

các giá trị bảo vệ và thực hiện chức năng cấm bảo vệ tác động khi xảy ra dao động

công suất

Tóm lại, có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng dao động công suất, và trong

quá trình dao động các thông số hệ thống biến thiên rất phức tạp, nội dung tiếp theo

tác giả sẽ nghiên cứu và phân tích một cách cụ thể sự biến thiên các thông số trên sơ

đồ lưới điện cụ thể

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN KHI XẢY RA DĐCS

Hệ thống điện là hệ thống vận hành trong thời gian thực, đảm bảo cân bằng giữa

công suất phát và công suất tiêu thụ Khi trạng thái này được duy trì thì tần số sẽ giữ ở

mức ổn định, theo quy định thì tần số cho phép nằm trong khoảng 50±0,2 Hz Bất cứ

sự dao động nào về nguồn phát hoặc phụ tải đều dẫn tới sự thay đổi tần số Các dao

động này xảy ra liên tục trên hệ thống, tuy nhiên do có hệ thống tự động điều chỉnh,

nên tần số được duy trì ở phạm vi cho phép Trong trường hợp xảy ra các dao động

lớn, dẫn tới sự mất cân bằng công suất trên trục roto máy phát làm cho tốc độ roto thay

đổi, dẫn tới góc roto các máy phát đang hoạt động cùng nhau bị dao động, mặt khác

4

dòng công suất tác dụng phụ thuộc chủ yếu vào góc lệch tương đối của roto máy phát

cho nên dòng công suất tác dụng cũng bị dao động [4]

Để phân tích đặc điểm của HTĐ khi xảy ra dao động điện Xét lưới điện trên

hình 1.1a, trong chế độ bình thường cả hai sức điện động ĖA và ĖD đều quay với tốc

độ đồng bộ là ĐB và góc lệch pha giữa chúng δ = const Khi xảy ra dao động điện thì

tốc độ quay của hai sức động ĖA và ĖD sẽ khác nhau A D và góc lệch pha giữa

hai sức điện động sẽ thay đổi theo thời gian với δ = ( 0 + S.t), trong đó S = ( A -

D) Theo [5, tr 37], khi δ vượt quá 1200 thì hệ thống có khả năng mất đồng bộ và góc

δ sẽ thay đổi thành nhiều chu kỳ 3600

Hình 1.1 DĐCS trong hệ thống điện

Nếu ta xem như véc tơ ĖA đứng yên (lấy trục véc tơ ĖA làm gốc) thì véc tơ ĖD sẽ

quay so với véc tơ ĖA với tốc độ là S và mút của véc tơ ĖD sẽ vẽ nên một quỹ đạo

hình tròn bán kính ĖD với tâm là gốc của véc tơ ĖD:

EA EA const

(1.1)

ED EDe j eD EDcos (1.2)

Trong đó eD là giá trị của véc tơ ĖD chiếu lên trục của véc tơ ĖA

Để đơn giản cho việc tính toán ta giả sử ĖA = ĖD = E và δ0 = 0 Tuy hai sức

điện động có mô đun bằng nhau nhưng chúng lệch pha nhau nên tồn tại độ lệch sức

điện động Ė:

)(

2sin2)2

cos2

(sin2sin2

]sin)cos1[(

)1

(

) 2 90 ( 0

j

j D

A

e E

j E

j E

e E E E

E  

(1.3)

Từ biểu thức (1.3) ta thấy véc tơ Ė vượt trước véc tơ ĖA một góc (900- δ/2) và

có biên độ thay đổi theo góc δ tức thay đổi theo thời gian:

2 sin 2 2 sin

E E E

E  A D S (1.4)

Giá trị của véc tơ Ė khi chiếu lên trục của véc tơ ĖA là một giá trị không âm:

2 A D

e e ) cos 1 ( E ) 2 ( sin E 2 ) 2 2 cos(

) 2 sin(

E 2

e (1.5) Trên hình 1.1b ta thấy mút véc tơ ĖD cũng chính là mút của véc tơ (- Ė) nên quỹ

đạo của véc tơ ĖD cũng chính là quỹ đạo của véc tơ (- Ė) Tuy nhiên gốc của véc tơ

ĖD là tâm của vòng tròn còn gốc của véc tơ (- Ė) là mút của véc tơ ĖA, vì vậy khi

chiếu véc tơ (- Ė) lên trục của véc tơ ĖA nó luôn có giá trị âm

Từ biểu thức (1.4) ta thấy biên độ của véc tơ Ė không phải là hằng số mà giá trị

của nó thay đổi theo góc δ tức thay đổi theo thời gian:

E2E

E180

,0E0

)2

(sinZ

E2ie

)2

(sinZ

E2Z

Trong đó Z và là giá trị và góc pha của tổng trở hệ thống nối giữa hai nguồn

cung cấp và icb là giá trị của véc tơ İcb khi chiếu lên trục của véc tơ ĖA

Từ biểu thức (1.3) và (1.7) ta thấy véc tơ İcb luôn chậm hơn véc tơ Ė một góc

và có độ lớn tỷ lệ với véc tơ Ė bằng một hằng số (1/X ), do đó quỹ đạo của nó cũng

là một vòng tròn có đường kính chính bằng giá trị cực đại của nó Icbmax Trên hình 1.1b

vẽ quỹ đạo của véc tơ İcb tương ứng với góc = 900 tức xem tổng trở của hệ thống là

thuần kháng và véc tơ İcb chậm sau véc tơ Ė một góc 900

02

sinZ

E2I0

max cb cb 0

cb

(1.8)

Điện áp tại một điểm bất kỳ trên đường dây, giả sử tại điểm B nếu nhìn từ véc tơ

ĖA sẽ được tính toán theo biểu thức sau:

Z

ZEEZIE

1 AB cb A

và ĖD khi δ =1800

Tóm lại, từ hình 1.1b ta nhận thấy khi dao động điện, trên đường dây sẽ xuất hiện dòng điện không cân bằng có biên độ dao động với tần số S và đạt giá trị cực đại 2E/Z khi δ =1800 có thể lớn hơn cả dòng điện ngắn mạch ba pha Điện áp tại mọi điểm trên đường dây cũng dao động và đạt giá trị cực tiểu bằng (E - 2E.XAB/X ) khi δ

=1800 Mức độ dao động của điện áp tùy thuộc vào vị trí quan sát trên đường dây Xét

vị trí T trên đường dây thoả mãn điều kiện XAT = 0,5X , điện áp cực tiểu tại điểm T đạt giá trị bằng không và vị trí này gọi là tâm dao động Các điểm càng gần tâm dao động sẽ có biên độ điện áp dao động càng mạnh Khi dao động xảy ra thì góc δ sẽ thay đổi theo thời gian và khi góc δ thay đổi từ 0 đến 1800 thì dòng điện cân bằng chạy trên đường dây sẽ tăng dần từ không đến giá trị cực đại và điện áp tại các điểm trên đường dây giảm dần đến trị số cực tiểu như hình 1.1c

Cần phân biệt hai trường hợp dao động: đồng bộ và mất đồng bộ Trong trường hợp ổn định, tần số trượt giảm đi rất nhanh và góc lệch δ dao động nhưng không đạt đến 1800 Trong trường hợp mất ổn định, dấu hiệu chính là tốc độ trượt S = A - Dtăng nhanh, chu kỳ dao động giảm xuống và góc lệch δ vượt quá giá trị 1800 Các nghiên cứu chứng minh cho thấy: trong những điều kiện nhất định, các máy phát vẫn

có thể trở lại làm việc đồng bộ với nhau, nhưng quá trình này nói chung khá dài, dẫn tới điện áp phát sinh trong trường hợp này ảnh hưởng xấu đến các hộ dùng điện

Qua nghiên cứu, phân tích các thông số biến thiên trong quá trình dao động, nhận thấy DĐCS và ngắn mạch có đặc trưng gần giống nhau Tuy nhiên, giữa chúng vẫn có

sự khác biệt cơ bản Nội dung tiếp theo sẽ phân tích cụ thể 2 hiện tượng này

1.4 PHÂN BIỆT GIỮA SỰ CỐ NGẮN MẠCH VÀ HIỆN TƯỢNG DĐCS

Theo nguyên lý của bảo vệ khoảng cách được mô tả trong hình 1.2 Để phát hiện

sự cố trên đường dây tải điện Rơ le khoảng cách F21 đặt ở đầu đường dây nhận hai tín hiệu đầu vào là dòng điện chạy trên đường dây và điện áp tại vị trí đặt rơ le Rơ le khoảng cách F21 được khởi động theo tín hiệu dòng điện và bị hãm bởi tín hiệu điện

áp và nó chỉ tác động khi tỉ số giữa điện áp và dòng điện đầu vào nhỏ hơn một giá trị chỉnh định trước (phụ thuộc vào góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đầu vào) gọi

là tổng trở khởi động của rơ le ZR

Tổng trở rơ le đo được trong chế độ làm việc bình thường bằng thương số của điện áp tại vị trí đặt rơ le với dòng điện phụ tải:

T

A T

I

U Z





 (1.10) trong đó: Z T : tổng trở đo được của rơ le trong chế độ bình thường;

UA : điện áp đường dây tại vị trí đặt bảo vệ;

I T : dòng điện phụ tải chạy trên đường dây

Trong chế độ bình thường, dòng điện phụ tải nhỏ nên tổng trở rơ le đo được theo biểu thức (1.10) có giá trị tương đối lớn và góc pha tương đối nhỏ (do thành phần tác dụng lớn hơn thành phần phản kháng) Tuy nhiên, dòng điện phụ tải luôn thay đổi trong quá trình vận hành, vì vậy giá trị tổng trở rơ le đo được cũng luôn thay đổi Hình 1.2a mô tả sơ đồ nguyên lý một HTĐ và biểu diễn các đại lượng trong mặt phẳng phức như hình 1.2b

Hình 1.2 Nguyên lý đo lường tổng trở đường dây

Trên mặt phẳng phức thể hiện sự thay đổi của tổng trở rơ le đo được trong chế độ bình thường bằng vùng tổng trở phụ tải Đường biên giới hạn của vùng tổng trở phụ tải

A A

I

U Z

jarctg ( X / R )

AB j

AB AB

AB AB

AB AB

D Z e e

Z jX

và góc pha tăng lên bằng góc pha của đường dây, biểu đồ dạng sóng được thể hiện

trong hình 1.5

Trong trường hợp xảy ra DĐCS các thông số dòng điện và điện áp biến thiên được thể hiện như hình 1.6 và gần giống với hiện tượng ngắn mạch Tuy nhiên, lúc này giá trị tổng trở đo được của rơ le biến thiên từ giá trị ZT (tổng trở tải) di chuyển vào trong vùng tác động của bảo vệ được mô tả như hình 1.4 Khi đó, bảo vệ khoảng cách có thể hiểu sai và tác động nhầm gây mất chọn lọc Các nhà chế tạo rơ le đã áp dụng các thuật toán dựa trên tốc độ biến thiên tổng trở để phân biệt sự cố ngắn mạch (tổng trở thay đổi rất nhanh gần như tức thì) và DĐCS (tổng trở thay đổi chậm) [8]

Hình 1.6 Dòng điện và điện áp DĐCS

Để đảm bảo tính chọn lọc, các loại bảo vệ phải phân biệt được hiện tượng dao động và ngắn mạch và không được tác động khi có dao động công suất Tuy nhiên, do DĐCS là hiện tượng đối xứng 3 pha, cho nên phần lớn các bảo vệ rất khó phân biệt được giữa dao động và ngắn mạch đối xứng Điều này dẫn tới các bảo vệ có thể tác động nhầm Chính vì lý do đó, người ta đã nghiên cứu và đề ra các biện pháp để tránh không cho bảo vệ tác động khi có DĐCS Có 3 cách để thực hiện yêu cầu trên:

- Cách thứ nhất, cách này thực hiện đơn giản nhất Nội dung của nó là chọn các tham số khởi động của các rơ le sao cho khi có DĐCS chúng không tác động Với mục đích trên, người ta chọn dòng khởi động của các bảo vệ lớn hơn dòng dao động cực đại Đối với bảo vệ khoảng cách, chọn tổng trở khởi động nhỏ hơn tổng trở cực tiểu khi có dao động Điều này có thể thực hiện được nếu tâm dao động nằm ngoài vùng tác động của bảo vệ Trên thực tế, biện pháp ngăn ngừa tác động nhầm khi có DĐCS chỉ có thể áp dụng cho bảo vệ dòng điện cắt nhanh và vùng 1 của bảo vệ khoảng cách

- Cách thứ hai là tăng thời gian tác động của bảo vệ duy trì khoảng 1-2s Biện pháp này chỉ được áp dụng trong trường hợp nếu như tăng thêm thời gian làm việc không ảnh hưởng đến điều kiện ổn định của hệ thống và an toàn trong cung cấp điện

- Cách thứ ba là dùng bộ khóa để tự động khóa bảo vệ lại khi phát hiện hiện dao

10

động công suất Tuy nhiên, bộ khóa tự động này phải thỏa mãn hai điều kiện sau đây:

a Phải khóa được DĐCS xuất hiện trong tình trạng làm việc bình thường cũng như khi có ngắn mạch

b Không được ngăn cản bảo vệ tác động nếu như trong thời gian có dao động lại xảy ra ngắn mạch ngay trên phần tử được bảo vệ

Hiện nay, các nhà chế tạo rơ le thường dùng hai loại bộ khóa tự động với nguyên

lý như sau: Loại thứ nhất phân biệt ngắn mạch với dao động công suất bằng cách phát hiện sự mất đối xứng về dòng hay áp của mạng điện; Loại thứ hai phản ứng theo tốc

độ biến thiên dòng, áp hay điện trở tại chỗ đặt bảo vệ

Thông thường ngắn mạch ba pha là do từ ngắn mạch một pha và hai pha phát triển thành Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu cho thấy ngay cả khi 3 pha cùng đóng đồng thời, trong chốc lát vẫn có dòng điện thứ tự nghịch chạy qua rơ le do các quá trình quá độ trong bộ lọc dòng áp trong mạch sơ cấp biến thiên một cách đột ngột, và

do xuất hiện thành phần không chu kỳ trong dòng điện và điện áp khi có ngắn mạch Như vậy có thể kết luận rằng, khác với DĐCS, ngắn mạch luôn gây nên dòng điện và điện áp thứ tự nghịch trong thời gian ngắn hạn hoặc lâu dài

1.5 KẾT LUẬN

Trên thực tế, có nhiều nguyên nhân khác nhau xảy ra gây dao động công suất Cấu trúc hệ thống càng phức tạp thì việc nghiên cứu phân tích hiện tượng này càng khó khăn

Trong chương một này, tác giả đã nghiên cứu nguồn gốc phát sinh hiện tượng dao động công suất, các thông số hệ thống biến thiên trong quá trình dao động như: dòng điện, điện áp, góc pha, tổng trở Bên cạnh đó, tác giả cũng nghiên cứu phân biệt giữa hiện tượng dao động điện và hiện tượng ngắn mạch đối xứng, từ đó tiếp cận các biện pháp cài đặt phù hợp cho các loại bảo vệ, để tránh tác động nhầm khi có hiện tượng DĐCS xảy ra

Để hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy và chọn lọc khi có hiện tượng dao động công suất, thì việc nghiên cứu sâu ảnh hưởng của hiện tượng này tới hệ thống bảo vệ

là cần thiết Trong đó, đặc biệt là ảnh hưởng tới bảo vệ khoảng cách, cần được quan tâm nghiên cứu cụ thể hơn Nội dung này sẽ được trình bày chi tiết trong chương hai tiếp theo

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

CÓ CHỨC NĂNG KHÓA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

2.1 GIỚI THIỆU

Vào những năm đầu thế kỷ XX, bảo vệ khoảng cách dựa trên nguyên lý đo lường

tổng trở được xem như là một bảo vệ hoàn hảo nhất để bảo vệ các đường dây tải điện

Trải qua gần một thế kỷ, các rơ le khoảng cách được nghiên cứu rất rộng rãi và không

ngừng cải tiến từ thế hệ rơ le điện cơ, rơ le tĩnh và ngày nay là rơ le kỹ thuật số được

chế tạo theo dạng hợp bộ với tính năng rất đa dạng so với trước đây

2.2 CÁC ĐẶC TUYẾN KHỞI ĐỘNG

Để đáp ứng điều kiện vận hành của hệ thống, các rơ le khoảng cách kỹ thuật số

ngày nay được chế tạo có đặc tuyến khởi động rất đa dạng Trên hình 2.1 trình bày một

số đặc tuyến thường gặp của rơ le khoảng cách [4]

Hình 2.1 Các đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách

Trong các đường đặc tuyến trên hình 2.1, thì đặc tuyến vòng tròn vô hướng chỉ

phù hợp với bảo vệ đường dây có nguồn cung cấp từ một phía Đối với các đường dây

có nguồn cung cấp từ hai phía thường sử dụng các rơ le khoảng cách có đặc tuyến

Mho hoặc tứ giác Đặc tuyến tứ giác thích hợp đối với các sự cố ngắn mạch qua điện

trở hồ quang hoặc sự cố pha - đất, còn đặc tuyến MHO khi ngắn mạch qua điện trở hồ

quang vùng tác động sẽ bị thu hẹp lại, điều này cần phải đặc biệt lưu ý khi sử dụng bảo

vệ khoảng cách cho các đường dây ngắn Đặc tuyến Offset MHO thường dùng cho cấp

bảo vệ tác động có thời gian trễ để vừa bảo vệ dự phòng cho đường dây đồng thời dự

phòng cho bảo vệ thanh cái

12

2.3 CÁC VÙNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

Rơ le khoảng cách dùng để bảo vệ các đường dây truyền tải thường có nhiều vùng tác động, thông thường ba vùng cho hướng từ thanh góp vào đường dây (hướng thuận), một vùng cho hướng từ đường dây vào thanh góp (hướng ngược), và một vùng dùng để phát hiện khi có dao động công suất Các vùng tác động theo hướng thuận làm nhiệm vụ dự phòng cho nhau và dự phòng cho các đoạn đường dây liền kề

Hiện nay có nhiều phương thức tính chọn chiều dài các vùng bảo vệ và thời gian tác động của từng cấp trong BVKC, nhưng tất cả đều có đặc điểm chung là:

- Do sai số trong khâu đo lường nên vùng 1 được chỉnh định nhỏ hơn chiều dài đường dây được bảo vệ để tránh tác động nhầm khi ngắn mạch đầu đường dây liền kề

- Đặc tính thời gian của các vùng bảo vệ là đặc tính độc lập và thời gian tác động của các vùng bảo vệ được phối hợp theo nguyên tắc bậc thang với bậc thời gian khoảng t = (0,3 - 0,5)s [4]

Trên hình 2.2 trình bày sự phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa

ba vùng tác động của các sơ đồ bảo vệ khoảng cách

Hình 2.2 Phối hợp tổng trở khởi động và thời gian

tác động của bảo vệ khoảng cách

2.4 GIÁ TRỊ CÁC VÙNG TRONG SƠ ĐỒ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

Tùy thuộc các hãng, sẽ có một số công thức đơn giản về việc tính toán các giá trị đặt các vùng 1, 2 và 3 (hướng thuận) của bảo vệ khoảng cách

Theo tài liệu [5, tr 141-142], các vùng của bảo vệ khoảng cách thông thường được tính chọn như sau:

Vùng 1: Z1(D1) katZD1 (2.1)

Vùng 2: Z k ( Z k Z ) k ( Z Z ) (2.2)

Vùng 3: Z3(D1) k at[Z D1 k at(Z D2 k at Z D3)] k at(Z D1 Z2(D2)) (2.3)

Theo tài liệu [16, tr 166] của SIEMENS về việc hướng dẫn chọn tổng trở khởi động của các vùng khoảng cách của rơ le 7SA511 và 7SA513 (điều này cũng được nêu trong tài liệu [7, tr 146]) được tính toán theo các công thức sau:

Vùng 1: Z1(D1) 0 , 85 ZD1 (2.4) Vùng 2: Z2(D1) 0 , 8 ( ZD1 0 , 85 ZD2) 0 , 8 ( ZD1 Z1(D2)) (2.5) Vùng 3: Z3(D1) 0 , 8 [Z D1 0 , 8 (Z D2 0 , 85Z D3] 0 , 8 (Z D1 Z2(D2)) (2.6) trong đó:

Z1(D1), Z2(D1), Z3(D1) : tổng trở khởi động vùng 1, vùng 2 và 3 của đường dây D1;

Z1(D2), Z2(D2) : tổng trở khởi động vùng 1, vùng 2 của đường dây D2;

ZD1, ZD2, ZD3 : tổng trở của đường dây được bảo vệ D1, đường dây D2 (liền kề với D1) và đường dây D3 (liền kề với D2);

kat: hệ số an toàn, thông thường kat = 0,8 - 0,9

Các công thức trên được chọn theo quan điểm là vùng 1, vùng 2 và vùng 3 của đường dây được bảo vệ không được lấn sang vùng 1, vùng 2 và vùng 3 của các đường dây liền kề để đảm bảo tính chọn lọc của hệ thống rơ le bảo vệ Do đó nếu đường dây được bảo vệ có nhiều đường dây liền kề thì chiều dài ZD2 và ZD3 trong các công thức nêu trên sẽ được chọn theo chiều dài của tuyến ngắn nhất

2.5 THỜI GIAN TÁC ĐỘNG CỦA CÁC VÙNG

Vùng 1: Chức năng của vùng 1 là loại bỏ càng nhanh càng tốt các sự cố bên trong đường dây được bảo vệ, do đó thời gian của vùng 1 thường chọn bằng không:

t1 = 0s (2.7)

Ở đây cần lưu ý là tuy vùng 1 có thời gian đặt t1 = 0s, nhưng thời gian loại trừ sự

cố tC của vùng 1 sẽ khác không vì ngoài thời gian đặt nó còn bao gồm thời gian thao tác của bản thân rơ le và thời gian cắt của máy cắt:

tC = tRL + tĐ + tMC (2.8) trong đó:

tRL : thời gian thao tác của bản thân rơ le (vùng 1)

Đối với rơ le điện cơ đó là thời gian quán tính, còn đối với rơ le kỹ thuật số đó là thời gian tính toán và ra quyết định;

tĐ : thời gian đặt của rơ le là thời gian duy trì của rơ le sau khi nhận được quyết định thao tác, trong thời gian này nếu sự cố không còn nữa thì rơ le sẽ trở về và không thao tác;

tMC: thời gian thao tác của máy cắt (tính từ thời điểm cuộn cắt có điện cho đến khi hồ quang của dòng điện cắt được dập tắt)

Vùng 2 và vùng 3:

14

Chức năng của vùng 2 là để loại bỏ các sự cố ở đoạn cuối (10-20%) đường dây

được bảo vệ, do đó phạm vi tác động của nó có thể lấn sang vùng 1 của các đường dây

liền kề Vì vậy để đảm bảo tính chọn lọc thì thời gian đặt t2 của vùng 2 phải chọn lớn

hơn thời gian đặt của vùng 1:

t2 = t1 + t (2.9)

Tương tự, ta có: t3 = t2 + t (2.10)

Trong đó t là độ phân cấp về thời gian hay còn gọi là cấp thời gian chọn lọc Độ

phân cấp về thời gian được xác định theo công thức sau đây (tài liệu [7, tr 94]):

t = 0,01TR[t(n-1)max + tn] + tMC(n-1) + tQT + tDP

0,02TR(t(n-1)max) + tMC(n-1) + tQT + tDP (2.11) Trong đó:

TR : sai số thời gian tương đối có thể gây tác động sớm hơn của cấp đang xét (tn)

và sự có thể tác động muộn hơn của cấp bảo vệ đang được dự phòng (t(n-1)max) Đối với

các rơ le số TR thường có giá trị từ 3% đến 5%;

tMC : thời gian cắt của máy cắt phía trước có giá trị khoảng 0,06 - 0,08s đối với

máy cắt chân không và 0,04 - 0,05s đối với máy cắt khí SF6;

tQT : thời gian sai số do quán tính làm cho rơ le vẫn ở trạng thái tác động mặc dù

sự cố đã được loại trừ Đối với rơ le số thường thời gian quán tính nhỏ hơn 0,05s;

tDT : thời gian dự phòng

Theo tài liệu [5, tr 141] và [7, tr 148], độ phân cấp về thời gian t thường được

chọn 0,5s đối với các rơ le điện cơ và 0,3s đối với các rơ le số

Nhận xét: Trong nội dung phần này, tác giả không đi sâu vào các chi tiết của bảo

vệ khoảng cách, mà chỉ nêu lại những nội dung cơ bản trong các tài liệu tham khảo

nhằm làm cơ sở cho việc nghiên cứu chức năng phát hiện và khóa chức năng bảo vệ

khoảng cách khi xảy ra hiện tượng DĐCS

2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA DĐCS TỚI RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN

2.6.1 Quỹ đạo di chuyển của tổng trở trong mặt phẳng phức

Rơ le bảo vệ khoảng cách làm việc theo nguyên lý tổng trở thấp (có nghĩa là: khi

tổng trở đo lường được tại đầu cực rơ le nhỏ hơn giá trị cài đặt thì rơ le xuất tín hiệu

tác động) Tại những thời điểm khác nhau, giá trị tổng trở đo được bởi rơ le BVKC

luôn thay đổi, phụ thuộc vào chế độ vận hành, dòng điện và điện áp tại vị trí đặt rơ le

Vì thế, việc nghiên cứu phân tích quỹ đạo di chuyển của tổng trở là cần thiết

Trong chế độ vận hành bình thường véc tơ tổng trở phức di chuyển xung quanh

trong vùng tải như hình 2.3 Tuy nhiên, khi có dao động công suất, véc tơ tổng trở

phức di chuyển theo những quỹ đạo rất phức tạp, đặc biệt đối với những hệ thống có cấu trúc nhiều nguồn cung cấp

Để nghiên cứu chính xác việc phát hiện và khóa bảo vệ khi có dao động công suất trong rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số Trước hết ta nghiên cứu qui luật thay đổi tổng trở ở đầu cực rơ le khoảng cách khi xuất hiện dao động điện

Giả sử rơ le khoảng cách được đặt tại vị trí B trên hình 1.1a và tổng trở đo được của rơ le ký hiệu bằng số phức ŻR Trên hình 2.3 biểu diễn các tổng trở của lưới điện ở hình 1.1a bằng các véc tơ (có tên tương ứng với các tổng trở) trong mặt phẳng tổng trở phức có gốc toạ độ là B trùng với vị trị của rơ le khoảng cách cần quan sát Tổng trở

ŻR được biểu diễn bằng véc tơ BR và khi có dao động điện thì sự biến thiên của tổng trở ŻR sẽ được biểu diễn bằng quỹ đạo của điểm R theo góc lệch pha của các sức điện động ĖA và ĖD

Dựa vào biểu thức (1.7) và (1.9) ta có thể xác định tổng trở đo được của rơ le khoảng cách tại vị trí B như sau:

AB D

A

A AB

A cb

AB cb A cb

B

EE

EZ

E

ZEI

ZIEI

j AB

j

j AB

j

en

e()ZZ(Zen

eZ

Zen

n

Z        (2.13)

Từ biểu thức (2-13), các véc tơ AR và BR được biểu diễn như sau:

j j

AB R

e n

nZ AR

Z e n

n Z

Z

AR    (2.14)

j j

j BD

R

en

ZDR

Zen

eZ

Z

R

D    (2.15)

n DR

AR , ) e ( Arg ) DR

AR ( Arg ) DR , AR

( j (2.16)

Từ biểu thức (2.16), nhận thấy trong quá trình dao động điểm R luôn nhìn hai điểm A và D tức nhìn véc tơ tổng trở của hệ thống Ż dưới một góc bằng góc lệch pha của hai sức điện động ĖA và ĖD Đồng thời tỷ số khoảng cách của điểm R đến hai điểm A và D không thay đổi Từ đặc điểm này của điểm R ta có thể suy ra quỹ đạo của điểm R tuỳ theo giá trị của n như sau:

- Khi n = 1, tức ĖA = ĖD , điểm R luôn cách đều hai điểm A và D, vậy quỹ đạo của R là đường trung trực của véc tơ tổng trở hệ thống Ż

- Khi n > 1, tức ĖA > ĖD và AR > DR, như vậy điểm R sẽ gần D hơn A, tức

nó ở phía trên đường trung trực của AD, và do tỷ số khoảng cách của nó đến hai điểm

2 j

2

j j

2 j

j

e)en(

)en()1n(

n1n

1)

en)(

1n(

)en()nen(en

eZ

sin(arctg,

e)en(

)en( j2j

j

(2.18)

2 2 e j( 2 )

)1n(

Zn1n

ZRD





(2.19)

Từ (2.19), ta thấy quỹ đạo của e-j( +2 )

là một cung tròn, do đó quỹ đạo của điểm R cũng là một cung tròn có tâm nằm trên trục của tổng trở Ż và cách điểm D một véc tơ

Ż /(n2

-1) và bán kính của cung tròn là nZ /(n2-1)

- Tương tự như trên, khi n < 1, tức ĖA < ĖD và AR < DR, như vậy điểm R

sẽ gần A hơn D, tức nó ở phía dưới đường trung trực của AD, và do tỷ số khoảng cách của nó đến hai điểm cố định A và D cũng không đổi nên quỹ đạo của nó là một cung tròn (nằm phía dưới đường trung trực của AD) Bán kính và tâm của cung tròn sẽ được xác định từ biểu thức (2.14):

( 2 )

2 2

j j

)1n(

n1n

11e

n

e1en

nZ

RA

j ( 2 )

2 2

2

e 1 n

Z n 1 n

Z n R A

Khi dao động, tổng trở ŻR sẽ di chuyển trên quỹ đạo của nó từ vùng tải vào bên trong các đường đặc tính khởi động của nó với thời gian xác định tương ứng với tốc độ trượt S, còn khi ngắn mạch thì sự di chuyển trên hầu như là tức thời Trong các sơ đồ bảo vệ khoảng cách người ta tận dụng đặc điểm này để phát hiện sự xuất hiện của dao động công suất

Hình 2.3 Tổng trở đo được của rơ le khoảng cách khi có dao động công suất

Nhân xét: Kết quả nghiên cứu, phân tích trên cho thấy, quỹ đạo di chuyển của

véc tơ tổng trở khi có DĐCS rất phức tạp và có dạng là 3 đường đặc trưng được mô tả như hình 2.3 Tùy thuộc vào giá trị điện áp và góc lệch giữa 2 nguồn trên hệ thống mà véc tơ tổng trở di chuyển theo các dạng đường khác nhau

2.6.2 Các phương pháp phát hiện dao động công suất

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp dùng để phát hiện dao động công suất, dựa trên sự biến thiên những đại lượng: dòng điện, điện áp, điện trở, tổng trở, điện kháng,…như phương pháp đặc tuyến đồng tâm, phương pháp Vcos (làm việc dựa trên nguyên lý đo lường tốc độ biến thiên điện áp tại tâm dao động của hệ thống), phương pháp giá trị tổng trở, phương pháp biểu đồ đặc tính chắn, phương pháp tính toán tổng trở liên tục…

Mặc dù cùng mục đích sao cho phát hiện dao động công suất nhanh nhất, để từ

đó khóa chức năng bảo vệ khoảng cách Tuy nhiên, mỗi phương pháp có nguyên lý làm việc khác nhau Sau đây tác giả sẽ lần lượt nghiên cứu cụ thể từng phương pháp

2.6.2.1 Phương pháp giá trị tổng trở

Phương pháp dựa trên giá trị tổng trở để phát dao động công suất có biểu đồ thuật toán được mô tả hình 2.4 Nguyên lý làm việc của rơ le BVKC trong phương pháp giá trị tổng trở là đo lường giá trị dòng điện và điện áp 3 pha của đường dây đang bảo vệ, từ đó tính toán giá trị tổng trở Trong quá trình vận hành giá trị tổng trở đo

được luôn được rơ le so sánh với tổng trở cài đặt của vùng phát hiện DĐCS

18

Hình 2.4 Lưu đồ phát hiện DĐCS dùng phương pháp tổng trở

Khi xảy ra dao động công suất, tổng trở đo được di chuyển một cách từ từ trên mặt phẳng tổng trở phức và mức thay đổi tổng trở được xác định bởi tần số trượt của

hệ thống hai nguồn đẳng trị tương đương

Trong đó, khối chống dao động thông thường sử dụng mức độ sai khác giá trị tổng trở để phân biệt sự cố và hiện tượng dao động công suất Để nhận diện được sự thay đổi này, rơ le sử dụng một khoảng giới hạn giữa hai đặc tính tác động đồng tâm

và một bộ định thời gian để xác định khoảng thời gian tổng trở di chuyển qua chúng Nếu tổng trở di chuyển qua hai đặc tính đồng tâm trong thời gian ngắn, rơ le khoảng cách xác nhận đó là sự cố Ngược lại, nếu thời gian định sẵn đã hết trước khi tổng trở

Kiểm tra giá trị tổng trở

Kiểm tra điều kiện

So sánh thời gian lưu trú >= T đặt

Kiểm tra >= thời gian đặt bảo vệ

Đúng Sai

Phát tín hiệu sự cố

Đúng

Đúng

di chuyển qua các đặc tính tác động của bảo vệ, rơ le sẽ xem loại sự kiện đó là dao động công suất [8]

Hiện nay, các RLBV khoảng cách kỹ thuật số thường sử dụng hai dạng biểu đồ đặc tính ứng dụng nguyên lý phương pháp giá trị tổng trở: đó là biểu đồ đặc tính đồng tâm và biểu đồ đặc tính chắn Để hiểu rõ hơn nguyên lý làm việc và cách cài đặt các dạng biểu đồ này, nội dung tiếp theo tác giả sẽ phân tích cụ thể từng biểu đồ

a Biểu đồ đặc tính đồng tâm

Biểu đồ đặc tính đồng tâm thường được các nhà chế tạo rơ le ứng dụng nhất Để phát hiện DĐCS, rơ le BVKC làm việc theo nguyên lý đo thời gian lưu trú của tổng trở trong một vùng giới hạn (được gọi là vùng phát hiện dao động) Tùy thuộc vào đặc tính bảo vệ của rơ le mà đặc tính của vùng phát hiện dao động có các dạng khác nhau Trên hình 2.5 mô tả một số đặc tính phát hiện DĐCS của rơ le BVKC cho chức năng cắt mất đồng bộ (OST) và chống dao động công suất

Biểu đồ đặc tính đồng tâm có ưu điểm là rơ le khoảng cách phát hiện hiện tượng dao động công suất trước khi tổng trở tiến vào vùng tác động và có thể khóa BVKC nếu cần thiết Điều này được thực hiện bởi việc cài đặt đặc tính đồng tâm nằm phía ngoài đặc tính tác động của bảo vệ Để có thể cài đặt chính xác biểu đồ đặc tính đồng tâm, thông thường phải nghiên cứu kỹ thêm quá trình ổn định động của hệ thống [8]

Hình 2.5 Các dạng đặc tính tổng trở phát hiện DĐCS

Bên cạnh đó, việc cài đặt đặc tính phát hiện dao động này cần phải xem xét giới hạn công suất truyền tải trên đường dây hay giới hạn tầm của vùng tác động lớn nhất của bảo vệ khoảng cách Riêng với đặc tính đa giác cần tránh việc cài đặt vùng phát hiện DĐCS trùm lên đặc tính tải Đặc biệt đối với đường dây dài tải nặng thì yêu cầu này cần được quan tâm nghiên cứu kỹ hơn

Để hiểu rõ hơn về cách tính toán, cài đặt vùng phát hiện DĐCS dựa trên giá trị tổng trở đối với đặc tính đồng tâm, tác giả sẽ tính toán phân tích trong hai ví dụ ở nội dung tiếp theo Trên hình 2.6 mô tả chức năng phát hiện DĐCS dùng đặc tính đồng tâm, trong đó có ba vùng bảo vệ khoảng cách và vùng phát hiện dao động công suất

20

Theo tài liệu [14, tr 24], độ rộng của vùng phát hiện DDCS trên mặt phẳng phức trong hình 2.6, được giới hạn bởi đặc tính trong và đặc tính ngoài Các giá trị này có thể xác định được dựa theo các thông số: PSD-Rinner, PSD-Xinner, PSDR-out/R-in, PSDX-out/X-

in Việc áp dụng các công thức để tính toán các giá trị biên được mô tả trong các ví dụ 1 và 2

Hình 2.6 Đặc tính vùng phát hiện DĐCS

Trong đó: - PSD-Rinner: Điện trở đặc tính trong

- PSD-Xinner: Điện kháng đặc tính trong

- PSD R-out: Điện trở đặc tính ngoài

- PSD X-out: Điện kháng đặt tính ngoài

- PSD R-out/R-in: Tỉ số điện trở giữa đặc tính ngoài và đặc tính trong

- PSD X-out/X-in: Tỉ số điện kháng đặc tính ngoài và đặc tính trong Cũng theo tài liệu [14], đối với đặc tuyến bảo vệ khoảng cách có vùng 3 là vùng cài đặt lớn nhất, giá trị điện kháng và điện trở đặc tính trong của vùng DĐCS được tính toán theo công thức sau:

PSD-Xinner=Kx*Zone3X

PSD-Rinner=Kr*(Zone3R+Zone3X*ctg(LineAngle))

Trong đó: - Zone3X: Giá trị X cài đặt cho vùng 3

- Zone3R: Giá trị R cài đặt cho vùng 3

- LineAngle: Góc của đường dây được bảo vệ

- Kx: Hệ số an toàn theo hướng X, chọn nhỏ nhất là 1,2

- Kr: Hệ số an toàn theo hường R, chọn nhỏ nhất là 1,2 Cách tính toán các thông số Zone3X, Zone3R, LineAngle đã được tác giả trình bày trong phần xác định giá trị các vùng của bảo vệ khoảng cách mục 2.4

Để cụ thể hơn, xét ví dụ 1 với hệ thống điện có các thông số sau và các thiết bị

đo lường đi kèm:

Giả sử góc đường dây là 680

và chọn hệ số an toàn 1,2 từ đó tính toán được giá trị điện

trở, điện kháng đặc tính trong của vùng phát hiện theo công thức sau:

PSD-Rinner = 1,2 * (Zone2 R + Zone2 X * ctg(Line Angle)) = 1,2 * (21,8 Ω + 21,8 Ω *ctg(68°)) = 36 Ω

PSDR-out/R-in = 1/k * RLoad min / PSD-Rinner

Trong đó: - K: là hệ số an toàn, thường được chọn bằng 1,2

- Rloadmin: Giá trị R khi tải lớn nhất

Theo tài liệu [14,tr 24], để đảm bảo tính phối hợp giữa vùng phát hiện dao động

và vùng tác động của bảo vệ khoảng cách thì kết quả của PSD Rout/Rin nằm trong khoảng 1,2 đến 1,6 Nếu kết quả tính toán nhỏ hơn 1,2, tiến hành áp dụng tính toán theo công thức xâm lấn vùng tải, điều này sẽ được trình bày ở ví dụ 2 với sơ đồ HTĐ

có cùng thông số như ví dụ 1

Ví dụ 2:

Xét hệ thống có các thông số sau: Đường dây bảo vệ 110kV có tỉ số biến dòng điện 800/1A, tỉ số biến điện áp 110/0,1kV, công suất truyền tải lớn nhất trên đường dây Pmax=200MW

Từ các thông số đường dây trên, theo [14] tiến hành áp dụng các công thức tính toán các giá trị biên ngoài của vùng PSD theo công thức:

PSD-Rinner = 36 (Đã được tác giả tính toán trong ví dụ 1) Rload min(nhấtthứ) = U2/Pmax=(110 kV)2/200 MW=60 Ω

Rload min(nhịthứ) = (800/1)/(110/0,1)*60 Ω= 43,6 Ω PSD-Rout/Rin = 1/1,2*Rload min/PSD-Rinner = 1/1,2*43,6 Ω /36Ω = 1,009 Kết quả tỉ số PSD Rout/Rin =1,009, nhận thấy rằng kết quả này tạo ra một vùng phát hiện dao động công suất hẹp Vì thế theo [14], phải áp dụng công thức tính toán theo xâm lấn vùng tải Giả sử rằng nếu điện trở phụ tải: RLoad (nhị thứ) = 20 Ω, tiến hành tính toán theo công thức:

PSD-Rout/Rin = 1/1.2 * RLoadmin / (RLoad (Sec) * PSD Rout/Rin) = (1/1,2*43,6Ω/20Ω =1,3

Kết quả PSD-Rout/Rin=1,3 là phù hợp, vì nó tạo ra một dải có độ rộng thích hợp cho vùng phát hiện dao động công suất

22

b Biểu đồ đặc tính chắn

Phương pháp giá trị tổng trở dùng biểu đồ đặc tính chắn, để phát hiện dao động công suất hoạt động dựa trên nguyên lý đo thời gian của sự di chuyển của véc tơ tổng trở qua một khoảng tổng trở định trước, khoảng tổng trở định trước này được gọi là vùng phát hiện dao động của rơ le bảo vệ được mô tả như hình 2.7

Hình 2.7 Biểu đồ đặc tính chắn

Khoảng thời gian đo của rơ le dùng để phát hiện dao động công suất, được bắt đầu tính khi véc tơ di tổng trở chuyển di qua đặc tính ngoài và dừng khi di chuyển qua đặc tính trong Nếu thời gian rơ le khoảng cách đo được vượt quá một khoảng thời gian định trước thì hiện tượng dao động công suất được rơ le nhận biết Để đảm bảo rơ

le làm việc tin cậy, đặc tính chắn nên được cài đặt song song với đặc tính tác động của bảo vệ, vì khi có dao dộng công suất, véc tơ tổng trở khi thường di chuyển vào vùng tác động của bảo vệ khoảng cách với một góc gần 900 so với góc đường dây Tùy thuộc vào cấu trúc của lưới điện, điều này có thể luôn đúng, nhưng nó có cũng thể được coi là giả thiết để đơn giản hóa quá trình nghiên cứu hiện tượng dao động Ưu điểm của biểu đồ hai đặc tính chắn là vùng phát hiện dao động có thể làm việc độc lập với vùng tác động của bảo vệ

Thêm vào đó, khi véc tơ tổng trở đã nằm trong vùng phát hiện thì rơ le bảo vệ có thể khóa không cắt máy cắt trong trường hợp nặng tải hoặc dao động công suất ổn định Nếu nhận thấy có hiện tượng dao động công suất không ổn định, rơ le có thể cho phép cắt tức thời hay với thời gian trễ để giảm thiểu quá điện áp phục hồi trên máy cắt

Để có thể chỉnh định đúng đặc tính chắn thì yêu cầu quá tình phân tích mạng lưới rất chi tiết

2.6.2.2 Phương pháp tính toán tổng trở liên tục

Phương pháp tính toán tổng trở liên tục Để phát hiện DĐCS dựa trên phương thức tính toán tổng trở liên tục theo thời gian Tính liên tục ở đây được mô tả trong hình 2.8 và lưu đồ thuật toán trong hình 2.9

Hình 2.8 Quỹ đạo đặc tính tổng trở liên tục

Hình 2.9 Lưu đồ phát hiện DĐCS của phương pháp tổng trở liên tục

Theo phương pháp này, cứ mỗi khoảng thời gian 5ms việc tính toán tổng trở được rơ le thực hiện một lần và so sánh với giá trị tổng trở tại thời điểm ngay trước đó, như trong hình 2.8, giá trị tổng trở đo lường giữa hai điểm (ví dụ điểm 4, 5) có quỹ đạo

di chuyển phải thay đổi ít nhất một giá trị tối thiểu là dR(k), dX(k) và |dR(k) - dR(k+1)|

Tính toán độ lệch sau 10ms

Kiểm tra với

24

< ngưỡng đặt [15]. Ngay khi có được mức độ chênh lệch của giá trị tổng trở, một tình hướng mất đồng bộ được giả định là đã xảy ra nhưng chưa đảm bảo chắc chắn Giá trị tổng trở tiếp theo được đo sau 5ms sẽ được ngoại suy dựa trên sự sai khác giá trị tổng trở đo được trước đó Nếu quá trình ngoại suy là đúng, rơ le sẽ chứng tỏ rằng quỹ đạo tổng trở là dao động Trong tình huống đó, điều kiện dao động công suất được nhận biết Để tăng tính tin cậy, quá trình tính toán ngoại suy cần thực hiện nhiều lần

2.6.2.3 Phương pháp điện áp tâm dao động

Phương pháp dựa trên sự thay đổi của điện áp tại tâm dao động của hệ thống để phát hiện dao động công suất Điện áp tại tâm dao động (Swing Centre Votage – SVC) được định nghĩa như là điện áp tại nơi có giá trị bằng không của hệ thống hai nguồn đẳng trị tương đương khi góc lệch giữa hai nguồn là 1800 Khi hệ thống hai nguồn mất

ổn định và tiến tới trạng thái mất đồng bộ sau một vài sự cố, góc lệch ẟ(t) của hai nguồn sẽ tăng lên theo thời gian Hình 2.10 minh họa biểu đồ góc pha điện áp của hệ thống hai nguồn máy phát với điện áp tại tâm dao động được biểu diễn từ điểm 0 đến điểm 0’

Công thức xấp xỉ của điện áp SVC được xác định như sau:

SVC ≈ |VS| cosφ (2.22) Trong đó: |VS|: là biên độ của điện áp đo lường được, φ là góc lệch giữa điện áp

và VS và dòng điện như trên hình 2.10 Đối với hệ thống diện đồng nhất với góc θ gần

900, thì giá trị VS cosφ xấp xỉ bằng giá trị biên độ của điện áp tại tâm dao động Để phát hiện dao động công suất, rơ le căn cứ vào yếu tố thay đổi điện áp tại tâm dao động là thông tin chính của hệ thống khi có dao động xuất hiện Do đó, sự sai khác trong biên độ SVC của hệ thống và giá trị ước lượng ảnh hưởng đến quá trình phát hiện dao động công suất

Hình 2.10 Mô tả điện áp tâm dao động SVC

Từ quan hệ giữa SVC và độ sai khác góc lệch pha ẟ(t) của điện áp hai nguồn có thể đơn giản hóa như sau:

SVC1 = E1.Cos

2 (2.23)

Trong đó: E1 biên độ điện áp nguồn thành phần thuận bằng giá trị ES giả thiết cũng bằng ER SVC1 biểu diễn điện áp tại tâm dao động thành phần thuận biến thiên liên tục trong suốt quá trình dao động Giá trị của SVC đạt lớn nhất khi góc lệch giữa hai nguồn bằng 0 và nhỏ nhất khi góc lệch hai nguồn bằng 1800 Đặc tính này được triển khai để phát hiện dao động công suất Nếu đạo hàm SVC1 theo thời gian:

Ta được:

dt

d E

- Phương pháp này cho thấy SVC độc lập với tổng trở của lưới và nguồn điện, sự thay đổi công suất tác dụng

- Trị số SVC dao động giữa một giá trị thấp là 0 và một giá trị cao là 1 tính trong

hệ tương đối Điều này trái ngược với các thông số điện khác Ví dụ như: tổng trở, dòng điện, công suất, …trị số của chúng phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống

Nhân xét:

Qua phân tích, nghiên cứu, tác giả nhận thấy có nhiều phương pháp để phát hiện dao động công suất, nguyên lý làm việc của các phương pháp dựa trên các thông số của hệ thống biến thiên trong quá trình dao động như: dòng điện, điện áp, góc pha, tổng trở,…Mỗi phương pháp có nguyên lý làm việc và thuật toán phát hiện riêng Tùy vào từng phương pháp mà việc thiết lập các đặc tính, cài đặt chỉnh định khác nhau

26

2.6.3 Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp

2.6.3.1 Các thông số dùng để phát hiện dao động công suất

Có rất nhiều thông số khác nhau được sử dụng để phát hiện hiện tượng DĐCS và khóa dao động (PSB) hay cắt do mất đồng bộ (OST) Hầu hết các bộ chống dao động công suất cổ điển sử dụng phương pháp đo lường mức độ thay đổi của tổng trở Bên cạnh đó, các thông số khác cũng được sử dụng: như góc lệch pha trên đường dây, mức chênh lệch điện áp tại tâm dao động giữa hai lần đo liên tiếp, …

Các bộ chống DĐCS trong các rơ le khoảng cách kỹ thuật số yêu cầu chỉnh định với các thông số rất khó tính toán và cần thực hiện các nghiên cứu về ổn định khi áp dụng Một trong những nguyên nhân đó là, chúng phụ thuộc vào tổng trở đường dây

và vị trí đặt các máy phát

2.6.3.2 Thiết lập đặc tính đồng dạng và biểu đồ chắn

Trong thực tế, việc áp dụng cài đặt và chỉnh định chức năng PSB và OST, cần có

đủ thời gian để thực hiện khóa bảo vệ khoảng cách sau khi phát hiện một hiện tượng dao động công suất, đặc tính phía trong của PSB phải được tính toán sao cho bao trùm toàn bộ đặc tính của vùng bảo vệ lớn nhất muốn khóa Thêm vào đó, đặc tính phía ngoài của PSB phải đặt cách xa vùng tải để chặn sự tác động không cần thiết đối với bảo vệ khoảng cách dùng đặc tính Mho trong trường hợp đường dây tải nặng

Những yêu cầu trên rất khó đạt được khi áp dụng, đặc biệt đối với hệ thống có cấu trúc phức tạp, bởi vì nó phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tổng trở đường dây và tổng trở nguồn Điều này được thể hiện trong hình 2.12

Hình 2.12 Ảnh hưởng của tổng trở PSB

Trên hình 2.12a biểu diễn đường đặc tính trong của vùng PSD trong trường hợp

hệ thống có tổng trở đường dây lớn hơn tổng trở nguồn Ngược lại, hình 2.12b biểu

diễn đường đặc tính trong của vùng PSD trong trường hợp hệ thống có tổng trở đường dây nhỏ hơn tổng trở nguồn

Trên hình 2.12a thấy rằng, quỹ đạo tâm dao động có thể di chuyển vào vùng 2 hoặc vùng 1 của đặc tính bảo vệ khoảng cách trước khi góc pha giữa hai điện áp nguồn tiến điến 1200 ngay cả khi trường hợp dao động công suất ổn định Trong tình huống này, rất khó tính toán và cài đặt đặc tính tổng trở trong và ngoài của chức năng PSB trong rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số, đặc biệt khi đường dây mang tải nặng, bởi

vì có sự xâm lấn của vùng tổng trở tải Trước đây, để tránh việc khóa nhầm bảo vệ do tải gây ra, người ta sử dụng đặc tính bảo vệ dạng thấu kính hoặc đặc tính hình tròn Mho có phối hợp thêm đặc tính chắn

Một khó khăn khác, đối với chức năng PSB là sự tách biệt giữa phần tử tổng trở PSB và giá trị thời gian được cài đặt để phát hiện hiện tượng dao động công suất Quá trình tính toán cài đặt các giá trị này rất phức tạp, phụ thuộc vào hệ thống lúc xem xét, do vậy cần phải nghiên cứu ổn định bổ sung, sao cho việc phát hiện hiện tượng dao động công suất nhanh nhất và chỉnh đinh đúng giá trị của vùng PSB Nhìn chung, do tính phức tạp của hệ thống nên không thể xác định chính xác được độ trượt giữa hai hệ thống đẳng trị Hơn nữa, bằng cách tiến hành các nghiên cứu ổn định và phân tích diễn biến của góc lệch hệ thống theo theo theo thời gian, một mặt có thể bỏ qua mức trượt trung bình dạng

0/sec hoặc chu kỳ/giây Hướng tiếp cận này có thể gần đúng cho hệ thống mà trong đó tốc

độ trượt không thay đổi đáng kể ra ngoài tốc độ đồng bộ

Ngoài ra, đối với những hệ thống có tần số trượt tăng lên đáng kể sau một vài chu kỳ đầu tiên và những chu kỳ tiếp theo, một sự phân tách tổng trở giữa phần tử tổng trở PSB và một thời gian trễ định trước có thể không phù hợp để rơ le tạo ra một tín hiệu khóa bảo vệ

2.6.3.3 Chỉnh định thời gian khóa dao động công suất

Bên cạnh những lưu ý về cài đặt biểu đồ đặc tính đồng dạng và biểu đồ đặc tính chắn, việc tính toán để xác định thời gian phát hiện dao động công suất của hệ thống để cài đặt cho rơ le cũng rất quan trọng Bởi vì, nếu tính toán không chính xác, dẫn đến cài đặt sai thì

rơ le có thể phát hiện nhầm hoặc không phát hiện khi có dao động xảy ra Để cụ thể hơn, ta tiến hành phân tích hệ thống hai nguồn đẳng trị được mô tả như hình 2.13

28

Hình 2.14 Biến thiên góc đẳng trị của đặc tính DĐCS

Các thông số hệ thống trong hình 2.13 được biểu diễn trong mặt phẳng phức như hình 2.14 Trong đó, các góc Ang1R và Ang2R là các góc điện nhìn từ các đường đặc tính chắn trong và ngoài tương ứng của vùng phát hiện dao động công suất

Trong quá trình tính toán thời gian phát hiện dao động công suất, theo các nghiên cứu về ổn định động, tần số trượt lớn nhất Fslip cũng được giả thiết trong quá trình tính toán (thông thường giá trị từ 0,5 đến 5Hz), tùy theo cấu trúc hệ thống có phức tạp hay không

Đối với thống điện phức tạp nhiều nguồn cung cấp, rất khó để xác định đúng giá trị tổng trở 2 nguồn đẳng trị, do đó việc xác định giá trị để cài đặt đặc tính chắn trong

và ngoài của vùng phát hiện cũng gặp nhiều khó khăn

)(.360

)(.21

1

Hz Fslip

Hz Fnom R

Ang R Ang

T (Chu kỳ) (2.25)

Do trong quá trình vận hành, tổng trở nguồn biến đổi liên tục, tùy theo sự thay đổi của cấu trúc lưới, ví dụ như thêm vào một máy phát hoặc một phần tử khác, tổng trở nguồn cũng thay đổi đột biến khi xảy ra sự gián đoạn trong hệ thống Việc cài đặt chức năng PSB cho bảo vệ khoảng cách sẽ đạt được chính xác nếu tổng trở nguồn là hằng số, từ đó việc tính toán cài đặt dễ dàng hơn Thông thường, để cài đặt đúng chức năng PSB cần quá trình nghiên cứu ổn định hệ thống rất chi tiết và cần thiết xem xét tất cả các trạng thái nguy hiểm để xác định tổng trở nguồn tương đương phù hợp Ngoài ra, cần nghiên cứu hệ thống một cách cẩn trọng và đặc biệt đối với đường dây tải nặng Trong tình trạng này, do khoảng cách giữa đặc tính chắn trong và ngoài nhỏ có thể gây ra sai số thời gian phát hiện Nếu vùng biến thiên tải trùm lên đặc tính khoảng cách và cần khóa chúng khi xảy ra dao động công suất Đối với trường hợp này, không thể cài đặt đặc tính PSB giữa tải và vùng tác động khoảng cách, vì thế không thể áp dụng chức năng chống dao động công suất thông thường Khi đó yêu cầu một rơ le khoảng cách hiện đại có thuật toán phù hợp với vùng biến thiên tải

2.7 CÀI ĐẶT CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

2.7.1 Chức năng chống dao động công suất PSB

Lý thuyết về bảo vệ chống dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách rất đợn giản Tuy nhiên, rất khó thực hiện, đặc biệt là trong hệ thống lớn với kết cấu phức tạp và các trạng thái vận hành khác nhau

2.7.1.1 Lựa chọn chức năng PSB hoặc OST trong RLBV khoảng cách

Tùy theo chế độ vận hành của hệ thống mà sẽ áp dụng một số lựa chọn cài đặt khác nhau Dưới dây sẽ phân tích một số hình thức áp dụng chức năng chống DĐCS

- Không cài đặt chức năng DĐCS: Đối với hình thức bảo vệ này không sử dụng bất cứ phương pháp phát hiện DĐCS nào và chấp nhận rằng khi DĐCS xảy ra thì đường dây được cắt bởi vùng 1 hoặc vùng hai của bảo vệ khoảng cách Tuy nhiên, có hai vấn đề xảy ra khi cắt bởi vùng hai: Thứ nhất, quá trình dao động công suất có thể

là dao động ổn định và hệ thống có thể làm việc ở chế độ xác lập mới Việc cắt không cần thiết của đường dây có thể dẫn tới sự dao động của tần số và điện áp, và tiến tới cắt không mong muốn các máy phát hoặc tải; Thứ hai, sự dao động có thể phân rã hệ thống tại một số vị trí thành các vùng mà sự cân bằng công suất không đảm bảo

- Khóa tất cả các vùng tác động: Với chọn lựa này, bảo vệ sẽ không tác động trong quá trình dao động công suất Nhược điểm lớn nhất của hình thức chọn lựa này

là khi xảy ra trường hợp dao động công suất mất ổn định mà không được phát hiện và loại trừ có thể dẫn đến làm hư hại các thiết bị và tải Thêm vào đó các đường dây kế cận có thể cắt gây ra sự mất mát lan rộng lượng công suất nguồn và tải Trong trường hợp dao động ổn định, hệ thống sẽ quay trở về trạng thái ổn định

- Khóa bảo vệ từ vùng 2 trở lên: Hình thức bảo vệ này thực hiện khóa tất cả các vùng tác động cao hơn vùng 2 và cho phép cắt bởi vùng 1 nếu quỹ đạo của tổng trở dao động di chuyển vào Thông thường thực hiện khóa các vùng cao hơn vùng 1 với thời gian đặt trước và vẫn cho phép cắt nếu rơ le vẫn dò thấy dao động Ưu điểm của phương pháp này là rơ le sẽ phát hiện và khóa đối với dao động quá độ ngắn với số thiết bị cắt ra là ít nhất, trong khi vẫn thực hiện cắt đối với diễn biến lâu dài

- Khóa tất cả các vùng nhưng cắt với OST: Chức năng chọn lựa này cho phép bảo vệ khóa tất cả các vùng và cho phép cắt khi mất ổn định trong các rơ le số hiện đại Hình thức này mục đích nhằm phân tách hệ thống thành từng phần tại một số vị trí định trước Quá trình cắt được thực hiện khi góc lệch giữa hai nguồn vượt quá 1800

Nhận xét: Tóm lại, có nhiều sự chọn lựa cài đặt khóa chức năng bảo vệ của

RLBV khoảng cách khi có DĐCS Tùy vào kết cấu lưới với các nhà máy của từng vùng mà có sự chọn lựa cài đặt phù hợp Đối với kết cấu hệ thống điện 110kV tỉnh Khánh Hòa hiện tại đang cài đặt khóa các vùng bảo vệ khi có DĐCS và không cắt khi mất đồng bộ, điều này có nghĩa là hệ thống sẽ phục hồi sau khoảng thời gian dao động

30

2.7.1.2 Nghiên cứu cài đặt chức năng PSB và OST

Việc lựa chọn vị trí để cài đặt chức năng PSB, OST có thể được thực hiện thông qua quá trình nghiên cứu ổn định của hệ thống với nhiều tình huống khác nhau Mức

độ dao động lớn nhất được dự đoán dựa trên sự thay đổi góc lệch tương đối theo thời gian trong quá trình nghiên cứu ổn định Từ những dữ kiện đó thực hiện việc cài đặt chức năng PSB, OST [8]

Các bước nghiên cứu trước khi thực hiện cài đặt chức năng OST và PSB:

- Thực hiện quá trình nghiên cứu ổn định động để xem xét khả năng giữ ổn định của hệ thống trong nhiều điều kiện vận hành và nhiều kịch bản khác nhau Quá trình này sẽ phân vùng hệ thống theo giới hạn ổn định góc, xác định các máy phát có phản ứng giống nhau trong quá trình sự cố Kết quả nghiên cứu ổn định động cũng chỉ ra vị trí thích hợp nhất để đặt bảo vệ với chức năng OST và PSB

- Xác định vị trí tâm dao động trong từng điều kiện vận hành cụ thể và đưa ra vị trí tối ưu để thực hiện cài đặt chức năng OST trong rơ le Vị trí tốt nhất để phát hiện điều kiện mất đồng bộ là gần trọng tâm của hệ thống điện

- Xác định vị trí tốt nhất để phân tách hệ thống thành từng vùng trong trạng thái mất đồng bộ Quá trình này nói chung phụ thuộc vào tổng trở đẳng trị giữa các vùng, khả năng đạt cân bằng tải và nguồn, khả năng hoạt động ổn định trong mỗi vùng sau khi phân tách Để hạn chế số lượng tải và nguồn bị cắt trong mỗi vùng, cần thiết phải xem xét khả năng đáp ứng nhu cầu tải

- Việc nghiên cứu mức độ dao động lớn nhất giữa các vùng của hệ thống để xác định thời gian mất đồng bộ tương ứng với khoảng cách nhỏ nhất giữa hai đường đặc tính của vùng phát hiện dao động công suất Trong đó, cũng cần nghiên cứu đáp ứng động của hệ thống điều khiển máy phát như bộ tự động điều chỉnh điện áp, đặc tính động của tải hoặc các thiết bị khác như thiết bị bù, có thể ảnh hưởng đến mức thay đổi tổng trở rơ le khi bảo vệ cắt mất đồng bộ

- Quá trình nghiên cứu cài đặt chức năng PSB sử dụng phương pháp đồng tâm hình tròn hoặc đa giác (dùng đặc tính trong và đặt tính ngoài) cần xem xét ảnh hưởng của hai yếu tố sau: Thứ nhất, phạm vi vùng nằm ngoài nhất của đặc tính tác động khoảng cách muốn được khóa trong quá trình dao động; thứ hai, vùng xâm lấn của tổng trở tải khi đường dây mang tải nặng Đặc tính trong của vùng phát hiện dao động phải được cài đặt nằm ngoài đặc tính tác động của bảo vệ được lựa chọn cho chức năng PSB Và đặc tính ngoài của vùng phát hiện phải được cài đặt sao cho nằm trong

và tránh việc xâm lấn của vùng biến thiên tải Thời gian được cài đặt cho chức năng PSB phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai đường đặc tính và tần số dao động ổn định nhanh nhất của hệ thống

- Thiết lập đặc tính trong cho chức năng OST tại một điểm dọc theo quỹ đạo tổng trở dao động mà khi đó hệ thống không thể giữ được sự ổn định Đặc tính ngoài được