6. Bố cục của luận án
2.5.1 Công thức tính hệ số k
Khi sự cố chạm đất một pha, hai pha thì vòng tổng trở sự cố khác nhau (hình 2.16). Vì vậy chúng ta cần sử dụng hệ số k bù tổng trở chạm đất. Mỗi rơle bảo vệ sử dụng thuật toán để tính tổng trở sự cố Mho hoặc tứ giác khác nhau nên có nhiều dạng hệ số k được định nghĩa khác nhau (3 dạng). Hệ số tổng trở đất kE, kL, kE0 hoặc k0 được tính cho đặc tính Mho theo công thức sau [105]:
) 1 ( 3 1 0 0 L L E E L E Z Z Z Z k k k (2.1) 3 1 0 Z Z ZE (2.2)
Hệ số tổng trở đất tính cho đặc tính tứ giác được sử dụng trong rơle Siemens bằng tỷ số tổng trở thứ tự không và thứ tự thuận. Thỉnh thoảng kE0 cũng được gọi là k0 nên để tránh hiểu nhầm ta gọi là kZ0.
1 0 0 Z Z kZ (2.3) Từ công thức (2.2) và (2.3) ta có: 0 0 1 3 E Z k k (2.4)
Chia ZE và ZL thành hai phần thực và ảo ta có được hệ số: L E R R và L E X X
Chuyển công thức (2.3) và (2.4) sang định dạng khác:
Hình 2.17: Sơ đồ tổng trở sự cố 3 pha chạm đất
L L L E L L L E E X jR X X R jX R R k / 1 / / 1 / 0 (2.5)
Góc đường dây được xác định:
L L L R X ) tan( 2.5.2 Xác định trở kháng đường dây và hệ số k
Việc chỉnh định phù hợp thiết bị bảo vệ khoảng cách đòi hỏi sự hiểu biết đúng các giá trị trở kháng đường dây. Hiện nay việc đo lường tổng trở đường dây và hệ số k khó có thể thực hiện được và chủ yếu được thực hiện tính toán bằng tay hoặc sử dụng phần phềm chuyên dụng như PowerFactory của hãng DigSILENT, PSS của SHAW PTI hoặc Cape của ELECTROCON.
3I0 U0 Z0 =U0/I0 = Z1+3ZE ZE Z1 = ZL A
Hình 2.18: Đường dây tải điện
Các trở kháng pha - pha thường được tính toán với mức độ chính xác chấp nhận được. Trong khi đó, các trở kháng pha - đất bị ảnh hưởng bởi các đặc tính tự nhiên như: cấu hình đường dây, chiều cao của dây dẫn 3 pha và dây trung tính so với đất, độ võng của dây dẫn, hệ số dẫn suất đất và cách đất, điện trở DC của các pha cáp ngầm,… (hình 2.18). Do vậy tính toán trở kháng của mạch vòng pha đất sẽ rất thiếu chính xác [42]. Như vậy, tổng trở thứ tự thuận (Z1) được tính toán riêng, nhưng tổng trở thứ tự không (Z0) hoặc hệ số k cần nhiều tham số để tính. Nếu một tham số xác định sai thì kết quả tính toán Z0 hoặc k sẽ sai.
Nhận xét: Các thông số chính xác của đường dây được sử dụng cho các rơle bảo vệ khoảng cách, định vị sự cố và các tính toán lưới điện. Khi thực hiện việc xác định các trở kháng đường dây bằng phương pháp toán học, sử dụng các bước tính toán đơn giản sẽ không đúng với thực tế.
2.5.2.1 Đo thông số đường dây bằng các máy phát điện tử
Trước đây, ảnh hưởng của nhiễu tần số lưới trong khi xác định các thông số đường dây thường làm cho các phép đo mất nhiều thời gian và tốn kém bởi vì phép đo chỉ được thực hiện bằng cách sử dụng dòng đo rất lớn để giảm thiểu nhiễu. Phép đo này đòi hỏi công suất nguồn phát rất lớn nên các máy phát diesel được sử dụng làm nguồn phát nặng vài tấn và vì vậy các thiết bị thí nghiệm sẽ phức tạp và tốn kém hơn. Ngày nay, các máy phát điện tử hiện đại cho phép sử dụng các tín hiệu thử nghiệm có tần số khác với tần số của lưới điện.
Thiết bị thí nghiệm có thể xử lý các tín hiệu này bằng cách lựa chọn tần số, mang đến kết quả thí nghiệm chính xác. Việc lựa chọn (thay đổi) tần số cho phép các phép đo được thực hiện với các dòng thí nghiệm rất nhỏ, có nghĩa là các nguồn
Chiều cao dây dẫn Độ võng
(máy phát) dòng có thể được chế tạo nhẹ hơn và xách tay được. Bảo vệ quá điện áp được trang bị cùng với thiết bị cũng đảm bảo an toàn trong quá trình thử nghiệm và bảo vệ cán bộ thí nghiệm tránh khỏi các điện áp cao nguy hiểm.
2.5.2.2 Đo thông số đường dây bằng CPC 100 và CP CU1
Hình 2.19a: Hợp bộ CPC
100 và CP CU1 Hình 2.19b: Sơ đồ đo trở kháng đường dây
Phương pháp đo sử dụng CPC 100 + CP CU1 cho phép đo trở kháng đường dây chính xác hơn nhiều so với bất cứ tính toán nào (hình 2.19). Nó cho phép cài đặt bảo vệ khoảng cách và thiết bị định vị sự cố làm việc chính xác. Thiết bị
CPC100 + CP CU1 và hộp nối đất CP GB1 là hệ thống đo chính xác trở kháng đường dây có các tính năng sau [91]:
- Phép đo theo tần số đã chọn có khả năng loại trừ các nhiễu đường dây. Thiết bị cho phép đo đường dây dài lên đến 270km.
Chức năng đo lường thông số đường dây của thiết bị gồm có: - Hỗ cảm các đường dây song song.
- Ảnh hưởng của đường dây truyền tải lên cáp tín hiệu. - Điện trở nối đất của các trạm điện.
- Điện áp bước và điện áp tiếp xúc.
- Đo lường tổng trở đường dây, hệ số k của đường dây trên không và cáp lực. Toàn bộ 7 phép đo có thể thực hiện để xác định chính xác các trở kháng của hệ thống. Nó bao gồm, 3 phép đo mạch vòng pha - pha, 3 phép đo mạch vòng pha - đất và 1 phép đo với 3 pha nối song song với đất. Các kết quả đo ở dạng file Excel có thể sử dụng để chỉnh định bảo vệ rơle và thiết bị định vị sự cố bằng các dữ liệu tin cậy hơn. Xem bảng 2.5.
Bảng 2.5: Kết quả đo hiển thị trên hợp bộ CPC 100
Impedance results: R [Ω] X [Ω] Z [Ω] θ [0]
Positive sequence impedance Z1 2.500 10.000 10.308 - 0.150
Zero sequence impedance Z0 5.500 25.000 25.598 77.590
Overall Ground Resitance Matching Factor: [1]
kL= ZE/ZL 0.495 2.730
RE/RL and XE/XL 0.400 0.500
K0 = Z0/Z1 2.483 77.750
2.5.2.3 Xác định thông số đường dây bằng phương pháp đo lường đồng bộ thời gian
Phương pháp này được áp dụng trên sơ đồ ĐZ sử dụng 3 MC đơn pha và BU đường dây như hình 2.20. Giả sử xảy ra sự cố AN tại điểm F, RLBV tại B phát hiện sự cố và cắt MC sớm hơn ½ chu kỳ so với RLBV tại A. Sau đó, B cho phép đóng lặp lại MC trước A với thời gian chết là 1.2s và A nhận được tín hiệu SPO (Single Phase Open) từ B truyền đến. Kết quả là giá trị điện áp và dòng điện của cả hai đầu trong thời điểm này được sử dụng để tính toán Z1L và Z0L theo sơ đồ hình 2.20c.
Hình 2.20a: Sơ đồ ĐZ sử dụng dữ liệu U, I đo lường đồng bộ
BU BU BI A B BI F RLBV Máy thu GPS
Kênh truyền thông tin
UA, IA UB, IB RLBV Máy thu GPS MC MC
Hình 2.20b: Sự cố AN với SPO tại A
A B Pha A Pha B Pha C SPO F F’
Hình 2.20d: Dạng sóng dòng điện và điện áp ghi được trên RLBV sau khi cắt ra và đóng lặp lại thành công tại A (màu đỏ), B (màu xanh)
Luận án chọn sơ đồ thứ tự nghịch để tính toán Z2L bởi vì ảnh hưởng của dòng điện dung đến công thức tính toán thấp hơn sơ đồ thứ tự thuận. Cụ thể [57]:
Z1L = Z2L = (U2B - U2A)/I2B (2.1) Z0L = (U0B – U0A)/I0B (2.2) Trong đó: U2A, U2B là điện áp TTN tại A, B. U0A, U0B là điện áp TTK tại A, B. F2 F2’ U2A U2B I2B Z2L Z2B Z2A F0 F0’ U0A U0B I0B Z0L Z0B Z0A A F1 B F1’ U1A U1B I1B Z1L Z1B Z1A EA EB
I2B, I0B là dòng điện TTN, TTK tại B.
Nhận xét: Phương pháp này có thể sử dụng trên đường dây lắp đặt F87L tại hai đầu. Tuy nhiên, kết quả tính toán của công thức (2.1) và (2.2) bị ảnh hưởng bởi góc tải (δ), và sai số BU, BI. Bên cạnh đó, hệ thống thông tin đồng bộ dữ liệu đo lường có chi phí khá lớn.
2.5.3 Nhận xét và đánh giá
Giá trị trở kháng có được từ phương pháp đo lường đồng bộ thời gian hoặc các chương trình tính toán thường dùng để cài đặt chỉnh định cho RLBV có thể sai khác so với giá trị trở kháng của đường dây truyền tải đo thực tế. Bởi vì kết quả tính không xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố như kiểu dây dẫn, độ rung và võng của dây dẫn, vỏ bọc cáp, điện trở suất hoặc do hỗ cảm của hai đường dây truyền tải song song…. Trong các giải pháp nêu trên, thiết bị đo CPC 100 + CP CU1 là giải pháp tốt nhất, tiết kiệm chi phí để đo trở kháng đường dây, đảm bảo cho việc các rơle khoảng cách và quá dòng có hướng được cài đặt đúng, ngăn ngừa các tác động không mong muốn trong RLBV và nâng cao độ chính xác tính toán vị trí sự cố.
2.6 KẾT LUẬN
Công tác phân loại dạng sự cố và định vị sự cố lưới điện hiện vẫn đang được nhiều nhà khoa học ở trong và ngoài nước quan tâm. Tính chất phức tạp của sự cố do ảnh hưởng của quá nhiều tham số, sự không đầy đủ của số liệu đo thực tế làm cho sự phát triển của phương pháp gặp nhiều khó khăn. Từ những phân tích ảnh hưởng của sóng hài, điện trở sự cố, sai số BU, BI và thông số đường dây cho thấy những yêu cầu đối với thiết bị RLBV là tin cậy, chọn lọc và loại bỏ nhanh sự cố chỉ khả thi nếu giá trị dòng điện, điện áp đầu vào thu thập chính xác, các chức năng và thông số chỉnh định trong rơle được cài đặt đúng. Tóm lại, những giải pháp khắc phục nguyên nhân gây làm việc không đúng cho RLBV được sử dụng để cải thiện kết quả tính toán của thuật toán định vị sự cố được trình bày chi tiết trong chương 3 và 5.
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ CỦA RƠLE KỸ THUẬT SỐ
3.1 MỞ ĐẦU
Ngày nay, sơ đồ đường dây có nguồn cung cấp từ nhiều phía đã và đang được các dự án đầu tư xây dựng tại nhiều quốc gia bởi vì lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường. Tuỳ thuộc vào số lượng nguồn cung cấp mà ta có thể hình thành đường dây 2 đầu có 2 nguồn cung cấp, 3 đầu có 3 nguồn cung cấp,… và đã được ứng dụng trong thực tế như: đường 110kV có nguồn cung cấp từ ba phía TPP Plomin - SS Sijana – SS Vincent tại Croatian, đường dây 400kV có nguồn cung cấp từ 5 phía tại Thụy Điển. Xem hình 3.1 [62], [128].
Hình 3.1a: Sơ đồ đường dây có nguồn cung cấp từ ba phía tại Croatian.
Hình 3.1b: Sơ đồ đường dây 400kV có nguồn cung cấp từ 5 phía tại Thụy Điển
Phần lớn các công trình nghiên cứu định vị điểm sự cố của các hãng sản xuất rơle tập trung vào vấn đề xác định khoảng cách giữa vị trí của rơle và điểm sự cố ở đường dây cao áp trên không (hình 3.2). Các rơle số thực hiện nhiệm vụ định vị sự cố của mình bằng cách tính toán điện trở sự cố (RF), điện kháng sự cố (XF) từ các giá trị của dòng điện và điện áp đo được. Các công thức tính RF, XF chủ yếu bắt nguồn từ giả định rằng hỗ cảm giữa các dây dẫn có thể được bù bằng thành phần
thứ tự không. Đồng thời ta cũng giả thiết rằng sai số biên độ và pha của BI, BU và sai số gây ra bởi điện trở sự cố là rất bé so với điện kháng XF và có thể bỏ qua. Đồng thời thông số đường dây được cài đặt
chỉnh định trên rơle là hoàn toàn chính xác. Tuy vậy, những giả thiết này không phải lúc nào cũng đúng [11]. Cho nên các giải pháp sử dụng thiết bị NCIT, chức năng hãm sóng hài, đặc tính làm việc RLBV khoảng cách và thiết bị CPC 100 + CU1 đã được trình bày trong chương 2 nhằm đảm bảo tín hiệu đầu vào và thông số cài đặt RLBV chính xác và tin cậy.
Hình 3.2: Sơ đồ làm việc chức năng định vị sự cố của bảo vệ khoảng cách (BVKC)
Ở Việt Nam từ trước đến nay sử dụng nhiều chủng loại RLBV nhưng vẫn chưa có công trình nào phân tích đầy đủ về phương pháp phân tích sự cố của các hãng. Nội dung chương này là phân tích phương pháp định vị sự cố sử dụng dòng điện và điện áp của các hãng sản xuất rơle bảo vệ SEL, GE, TOSHIBA, SIEMENS, ABB và AREVA trong trường hợp sự cố ba pha, pha – pha, và pha - đất để tính toán khoảng cách sự cố của đường dây, đồng thời các phương pháp được đánh giá bằng cách mô phỏng hệ thống dựa trên Matlab Simulink.
3.2 PHẦN MỀM PHÂN TÍCH SỰ CỐ RƠLE BẢO VỆ
Hiện nay, rơle bảo vệ kỹ thuật số được sử dụng phổ biến trong các trạm phân phối điện và đường dây truyền tải điện với chức năng tích hợp bảo vệ, ghi sự kiện, đo đồng bộ pha, định vị sự cố theo phương pháp trở kháng, giám sát chất lượng điện năng…. Điều này, cho phép đơn vị vận hành có cơ sở để phân tích và xác định chính xác vị trí điểm sự cố từ các bản tóm tắt sự kiện qua màn hình hiển thị trên rơle hoặc tải xuống thông qua cổng nối tiếp (mặt trước của rơle) bằng phần mềm chuyên dụng của nhà sản xuất được cài đặt trên máy tính cá nhân.
BU A F Bộ lọc tín hiệu (hãm sóng hài) Thuật toán BVKC (Mho, Quad) Thông số đường dây Định vị sự cố BI
Hình 3.3a: Mô hình đọc và lưu trữ bản ghi sự cố
Hình 3.3b: Thông tin chi tiết bản ghi sự cố rơle 7SA522
Hình 3.3c: Bản ghi chi tiết thông tin sự cố rơle ABB REF615
BU BI B MC A BU BI MC Ethernet RLBV RLBV
Máy tính cá nhân cài đặt
phần mềm phân tích sự cố Database Server Máy in
Bản ghi sự cố có định dạng COMTRADE được tải từ RLBV xuống máy tính cá nhân
Hình 3.3d: Thông tin sự cố rơle SEL 421
Việc điều tra sự cố được bắt đầu ngay sau khi vụ việc xảy ra và kết thúc trong thời hạn không quá 10 ngày. Trong trường hợp đặc biệt, thời hạn điều tra có thể được Tổng Công ty điện lực, Tổng Công ty truyền tải cho phép kéo dài. Công việc được thực hiện khai báo theo nội dung sau [5]:
- Thời gian xảy ra sự cố.
- Nêu tóm tắt diễn biến sự cố: phần tử bị sự cố, giá trị dòng điện pha (A, B, C, N), điện áp pha thanh cái hoặc đường dây (A, B, C, N); Tiếp điểm đầu ra của rơle; Vị trí máy cắt (đóng/ mở); Kênh truyền thông (gửi, nhận, dừng)…. - Dự kiến sơ bộ nguyên nhân sự cố, mức độ hư hỏng, sơ bộ thiệt hại. - Dự kiến biện pháp khắc phục và thời gian xử lý xong sự cố.
Nhằm khai thác hiệu quả sử dụng phần mềm phân tích sự cố, chúng ta sẽ xem xét từ chức năng ghi sự kiện của rơle bảo vệ đến các tính năng cơ bản của phần mềm trong ứng dụng thực tế phân tích sự cố trên rơle REF615, SEL421 và 7SA522 như hình 3.3. Bên cạnh đó, tại các trạm tự động hoá, máy tính chủ được lắp đặt ở nhà điều khiển trung tâm luôn kết nối liên tục với các rơle bảo vệ ở ngăn lộ, dữ liệu từ các rơle được thu thập và lưu trữ theo thời gian thực vào từng thư mục riêng, nhằm xây dựng các ứng dụng như giám sát vận hành, báo cáo, và phân tích sự cố [28], [55].
Để đơn giản hoá công việc phân tích sự cố trên lưới điện, các hãng sản xuất rơle cũng khuyến khích người dùng, các chuyên gia sử dụng phần mềm phân tích sự cố như Sigra 4.5 của SIEMENS, Wineven của ABB, Selplot của SEL, Digital Fault Recorder Assistant (DFR Assistant) của LABORATORIES INC, Wavewin của SOFT STUF INC và Trans View của hãng OMICRON trong việc giải thích chính xác nguyên nhân sự cố để tránh được các lệnh cắt MC sai của rơle và hư hỏng trong