SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY
4.1- Giới thiệu
Hệ thống đường dây truyền tải điện phần lớn là đường dây trên không chiếm trên 90% so với cáp ngầm vì chi phí đầu tư ít tốn kém, tuyến đường dây chủ yếu đi qua khu vực xa khu dân cư.
Với chiều dài của nó, sự cố ngắn mạch xảy ra trên tuyến đường dây trên không là không thể tránh khỏi và xảy ra nhiều hơn so với cáp ngầm. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố, như kết quả của sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào đường dây, thiết bị sự cố, xâm phạm hành lang an toàn đường dây do các hoạt động của con người, quá tải đường dây…
Có hai dạng sự cố ngắn mạch, thoáng qua và vĩnh cửu. Sự cố thoáng qua có thể tự hết và được loại trừ khi rơle tự đóng lại (R79) tác động máy cắt đóng thì không xuất hiện sự cố trở lại. Sự cố vĩnh cửu, sau khi rơle tự đóng lại tác động máy cắt đóng nhưng không thành công. Các dạng sự cố thường xảy ra trên đường dây là sự cố ngắn mạch một pha chạm đất chiếm tỷ lệ cao nhất khoảng 70-80%, sự cố ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5%, còn lại là dạng sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau, hai pha chạm nhau và chạm đất, sự cố đứt dây [1-7].
Sự cố trên đường dây truyền tải gây ra gián đoạn điện cho khách hàng và có thể dẫn đến những thiệt hại đáng kể cho xã hội, đặc biệt là cho các ngành sản xuất công nghiệp. Phát hiện nhanh chóng vị trí sự cố và sửa chữa những sự cố này là rất quan trọng, trong việc duy trì vận hành hệ thống điện tin cậy.
Để khảo sát quá trình quá độ diễn ra trong môi trường đường dây trên không cũng như cáp ngầm, chúng ta cần phải sử dụng công cụ phần mềm có khả năng mô phỏng những bài toán kỹ thuật điện. Hiện nay có rất nhiều công cụ phần mềm được dùng để mô phỏng như: ATP-EMTP, MATLAB-SIMULINK...
Trong trong luận văn này, sẽ áp dụng công cụ phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng khảo sát quá trình quá độ khi xảy ra ngắn mạch trong hệ thống đường dây trên không và cáp ngầm. Ưu điểm của phần mềm Matlab là rất mạnh mẽ và linh động cho phép người sử dụng, nghiên cứu can thiệp được sâu vào hệ thống cần mô phỏng và tính toán.
Từ mô hình đường dây trên không, cáp ngầm tham khảo bài báo trên IEEE [10]. Áp dụng phương pháp biến đổi wavelet tĩnh kết giải thuật lọc nhiễu và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, để xác định vị trí sự cố ngắn mạch, so sánh kết quả đạt được với bài báo. Sau đó là mô phỏng khảo sát đường dây trên không vận hành thực tế 110kV Thủ Đức-Thanh Đa và các sự cố thực tế đã xảy ra trên đường dây này, kết quả mong muốn đạt được như trình bày tại phần cuối của chương này.
Cuối cùng, mở rộng khảo sát đường dây trên không có kết hợp với cáp ngầm 110kV Tao Đàn-Trường Đua, xác định vị trí sự cố ngắn mạch trong hai môi trường truyền sóng khác nhau.
4.2- Khảo sát đường dây trên không từ bài báo IEEE 4.2.1- Mô phỏng
Xem xét mô hình đường dây trên không đã được trình bày trong [10], với chiều dài 100km và các thông số như Hình 4.1
Hình 4.1: Mô hình đường dây trên không bài báo IEEE
Mô phỏng trên Matlab-Simulink
Hình 4.2: Mô phỏng đường dây trên không bài báo IEEE 4.2.2- Kết quả mô phỏng
4.2.2.1- Các dạng sóng điện áp, dòng điện tại đầu phát và đầu nhận
Minh họa cho chế độ ngắn mạch pha A chạm đất, vị trí sự cố tính từ đầu nhận
Tại x = 96.5km
Hình 4.3: Điện áp tại đầu phát
Hình 4.4: Điện áp tại đầu nhận
Nhận xét:
Do ngắn mạch trên pha A nên điện áp tại đầu nhận của pha A dao động và giảm xuống; điện áp pha B và pha C cũng bị ảnh hưởng.
Điện áp tại đầu phát bị dao động, tuy nhiên không bị ảnh hưởng nhiều.
Hình 4.5: Dòng điện tại đầu phát
Hình 4.6: Dòng điện tại đầu nhận
Nhận xét:
Do điện cảm trên đường dây có giá trị không lớn nên thời gian quá độ của dòng điện đầu phát và đầu nhận ngắn, dòng đầu nhận trên pha A dao động về không.
Các sóng nhiễu quá độ dòng điện không nhạy hơn điện áp, khi có ngắn mạch xảy ra trên đường dây.
4.2.2.2- Các dạng sóng điện áp đầu phát tại các vị trí khác nhau
Minh họa cho chế độ ngắn mạch pha A chạm đất tại x = 95; 85; 79.5; 59.5 và 34km, vị trí sự cố tính từ đầu nhận.
Hình 4.7: Điện áp đầu phát tại x = 95km
Hình 4.8: Điện áp đầu phát tại x = 85km
Hình 4.9: Điện áp đầu phát tại x = 79.5km
Hình 4.10: Điện áp đầu phát tại x = 59.5km
Hình 4.11: Điện áp đầu phát tại x = 34km
Nhận xét:
Các dạng sóng thu được cho thấy gần như nhau.
Có sự khác biệt về dao động trong quá trình quá độ khi xảy ra ngắn mạch tại các vị trí khác nhau trên đường dây, càng gần đầu phát sóng dao động càng rõ hơn.
4.2.3- Thực hiện biến đổi Wavelet
Xử lý tín hiệu sóng quá độ do sự cố tạo ra thu được tại đầu phát, để xác định vị trí sự cố, bằng cách biến đổi wavelet và lọc nhiễu. Minh họa cho pha A chạm đất, tại vị trí x = 85km tính từ đầu nhận.
Lấy tín hiệu điện áp pha A tại đầu phát, tách sóng pha A để phân tích
Hình 4.12: Tín hiệu điện áp đầu phát pha A
Thực hiện biến đổi wavelet tĩnh bậc 4, db2, sóng điện áp pha A, ta được các tập hệ số sau
Hình 4.13: Hệ số xấp xỉ bậc 1
Hình 4.14: Hệ số chi tiết bậc 1
Hình 4.15: Hệ số xấp xỉ bậc 2
Hình 4.16: Hệ số chi tiết bậc 2
Hình 4.17: Hệ số xấp xỉ bậc 3
Hình 4.18: Hệ số chi tiết bậc 3
Hình 4.19: Hệ số xấp xỉ bậc 4
Hình 4.20: Hệ số chi tiết bậc 4
Tiếp tục dùng giải thuật lọc nhiễu để xác định tín hiệu có cùng tần số của sóng phản xạ về đầu phát. Ta được các ma trận tương quan sau:
Hình 4.21: Ma trận tương quan bậc 1, n = 1
Hình 4.22: Ma trận tương quan bậc 2, n = 1
Hình 4.23: Ma trận tương quan bậc 3, n = 1
Do tín hiệu chưa đủ để xác định được thời gian của sóng phản xạ, cần tăng tham số n = n+1 = 2, ta được các ma trận tương quan sau:
Hình 4.24: Ma trận tương quan bậc 1, n = 2
Hình 4.25: Ma trận tương quan bậc 2, n = 2
Hình 4.26: Ma trận tương quan bậc 3, n = 2
Để đủ tín hiệu cho xác định thời gian của sóng phản xạ, cần tăng tham số n, với n = 12, ta được các ma trận tương quan sau
Hình 4.27: Ma trận tương quan bậc 1, n = 12
Hình 4.28: Ma trận tương quan bậc 2, n = 12
Hình 4.29: Ma trận tương quan bậc 3, n = 12
Hình 4.30: Giá trị tuyệt đối của ma trận tương quan sau cùng
4.2.4- Minh họa kết quả tính toán 4.2.4.1- Xác định vị trí sự cố
Từ hai thời điểm xuất hiện xung đầu tiên đến khi xung phản hồi lại lần thứ hai là TP1=0.0200487, TP2= 0.0201507. Áp dụng công thức (2.7)
𝑥 = 𝐿 −𝑉(𝑇𝑝2 − 𝑇𝑝1) 2
Với L =100km là chiều dài đường dây; V = 295120.5039km/s, vận tốc song truyền
Tính toán giá trị khoảng cách từ điểm ngắn mạch đến đầu nhận là:
𝑥 = 100 −295120.5039(0.0201507 − 0.0200487)
2 = 84.9489𝑘𝑚
4.2.4.2- Sai số phần trăm so với chiều dài đường dây Err% = |khoangcachtinhtoan − khoangcachthucte|
chieudaiduongday x100 Err% =|84.9489−85|
100 x100 = 0.0511%
4.2.4.3- Ảnh hưởng của các vị trí ngắn mạch khác nhau Khảo sát với ngắn mạch pha A, Rnm = 10
Bảng 4.1: Kết quả ảnh hưởng của các vị trí ngắn mạch khác nhau
TT Vị trí ngắn mạch tính từ đầu nhận (km)
Vị trí ngắn mạch tính toán (km)
Sai số (%)
Sai số [10]
(%)
1 79.5 79.48912497 0.0109 0.1286
2 59.5 59.56849096 0.0685 0.1314
3 50.0 49.97707459 0.0229 0.1177
4 34.0 34.04056738 0.0406 0.1174
5 28.0 27.99059705 0.0094 0.1786
Nhận xét:
Phương pháp biến đổi wavelet cho kết quả chính xác hơn so với bài báo đã tham khảo.
Như đã nêu ở phần 3.1, bài báo trên IEEE [10] sử dụng thuật toán đòi hỏi các dữ liệu đo lường điện áp và dòng điện đồng bộ từ hai đầu của đường dây truyền tải. Vị trí sự cố là được suy ra bằng cách sử dụng mô hình đường dây thông số rải phương trình Telegrapher, lý thuyết biến đổi phương thức và biến đổi Fourier rời rạc. Nên bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố của hiện tượng tần số, như điện trở ngắn mạch, phụ tải và các thông số nguồn… Do đó, mức độ chính xác của phương pháp cũng có giới hạn
4.2.4.4- Ảnh hưởng của các loại ngắn mạch khác nhau
Bảng 4.2: Kết quả ảnh hưởng của các loại ngắn mạch khác
TT Vị trí ngắn mạch tính
từ đầu nhận (km) Loại ngắn
mạch Vị trí ngắn mạch
tính toán (km) Sai số (%)
1 95
N(1) 94.9830 0.0170
N(1,1) 94.9830 0.0170
N(2) 94.9830 0.0170
N(3) 94.9830 0.0170
2 85
N(1) 84.9489 0.0511
N(1,1) 84.9489 0.0511
N(2) 84.9489 0.0511
N(3) 84.9489 0.0511
3 59.5
N(1) 59.5685 0.0685
N(1,1) 59.5685 0.0685
N(2) 59.5685 0.0685
N(3) 59.5685 0.0685
4 34
N(1) 34.0406 0.0406
N(1,1) 34.0406 0.0406
N(2) 34.0406 0.0406
N(3) 34.0406 0.0406
5 17
N(1) 17.0711 0.0711
N(1,1) 17.0711 0.0711
N(2) 17.0711 0.0711
N(3) 17.0711 0.0711
Nhận xét:
Vị trí ngắn mạch càng xa đầu phát, sai số càng lớn là bỡi các tính hiệu sóng truyền bị suy giảm và biến dạng khi nó truyền dọc theo đường dây.
Phương pháp cho thấy vị trí sự cố không phụ thuộc vào loại ngắn mạch trên đường dây, tương tự như bài báo trên IEEE [10].
4.3- Khảo sát đường dây 110kV Thủ Đức-Thanh Đa (chiều dài 7.1 km) 4.3.1- Mô phỏng
7.1km
Bus 1 Bus 2
F
x
Hình 4.31: Mô hình đường dây 110kV Thủ Đức-Thanh Đa
Trạm Thanh Đa Trạm Thủ Đức
Hình 4.32: Mô phỏng đường dây 110kV Thủ Đức-Thanh Đa 4.3.2- Kết quả mô phỏng
4.3.2.1- Các dạng sóng điện áp, dòng điện tại đầu phát và đầu nhận Minh họa ngắn mạch pha A chạm đất, vị trí sự cố tính từ đầu nhận:
Tại x = 6.39 km (90% chiều dài đường dây)
Hình 4.33: Điện áp đầu phát
Hình 4.34: Điện áp đầu nhận
Nhận xét:
Dạng sóng thu được tương tự như đường dây [10] ở trên.
Điện áp tại đầu nhận của pha A dao động và giảm xuống sau khi ngắn mạch.
Điện áp tại đầu phát bị dao động, sụt áp nhưng vẫn còn do tạo thành mạch kín với đất.
Hình 4.35: Dòng điện đầu phát
Hình 4.36: Dòng điện đầu nhận
Nhận xét: Thời gian quá độ của dòng điện đầu phát và đầu nhận ngắn, dòng điện đầu nhận trên pha A dao động giảm.
4.3.2.2- Các dạng sóng điện áp đầu phát khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại các vị trí khác nhau
Minh họa cho chế độ ngắn mạch pha A chạm đất, tại x = 5.68; 3.35; 2.13 và 0.71 km vị trí sự cố tính từ đầu nhận
Hình 4.37: Điện áp đầu phát tại x=5.68km
Hình 4.38: Điện áp đầu phát tại x= 3.35km
Hình 4.39: Điện áp đầu phát tại x= 2.13km
Hình 4.40: Điện áp đầu phát tại x= 0.71km
Nhận xét:
Các dạng sóng thu được cho thấy gần như nhau
Có sự khác biệt về dao động trong quá trình quá độ khi xảy ra ngắn mạch tại các vị trí khác nhau trên đường dây, càng gần đầu phát sóng dao động càng rõ hơn.
4.3.2.3- Ảnh hưởng của các loại ngắn mạch và các vị trí ngắn mạch khác nhau
Bảng 4.3: dòng ngắn mạch theo tính toán của phần mềm Aspen Onliner 14.4
ĐƯỜNG DÂY THỦ ĐỨC-THANH ĐA (7.1 km) Loại ngắn mạch
Khoảng cách NM đầu nguồn
N(1) N(2) N(3)
Dòng NM pha
A (A)
Dòng NM pha
B (A)
Dòng NM pha
C (A)
Dòng NM pha
A (A)
Dòng NM pha
B (A)
Dòng NM pha
C (A) Đầu nguồn 42215.1 41005.2 40599.5 34158.9 34158.9 34158.9
10% 32386.4 32147.1 30408.4 29500.1 29500.1 29500.1
20% 26492.6 26985.4 25451.9 25936.4 25936.4 25936.4 30% 22595.8 23438.9 22267 23128.4 23128.4 23128.4 40% 19845.5 20796.1 19952.9 20861.9 20861.9 20861.9 50% 17813.1 18729.8 18164.2 18995.5 18995.5 18995.5 60% 16260.4 17061.3 16732.1 17432.9 17432.9 17432.9 70% 15044.5 15682.2 15560.4 16106 16106 16106 80% 14074.9 14521.6 14588.8 14965.6 14965.6 14965.6 90% 13291.5 13530.8 13777.3 13975.1 13975.1 13975.1 100% 12653 12674.9 13098.4 13107 13107 13107
Bảng 4.4: Kết quả ảnh hưởng của các loại NM và vị trí ngắn mạch khác nhau
TT Vị trí ngắn mạch tính
từ đầu nhận (km) Loại ngắn mạch Vị trí ngắn mạch tính
toán (km) Sai số (%)
1 6.39
N(1) 6.38831943 0.0263
N(1,1) 6.38831943 0.0263
N(2) 6.38831943 0.0263
N(3) 6.38831943 0.0263
2 5.68
N(1) 5.67665364 0.0622
N(1,1) 5.67665364 0.0622
N(2) 5.67665364 0.0622
N(3) 5.67665364 0.0622
3 3.35
N(1) 3.34815080 0.0552
N(1,1) 3.34815080 0.0552
N(2) 3.34815080 0.0552
N(3) 3.34815080 0.0552
4 2.13
N(1) 2.12875395 0.0585
N(1,1) 2.12875395 0.0585
N(2) 2.12875395 0.0585
N(3) 2.12875395 0.0585
5 0.71
N(1) 0.70929284 0.0996
N(1,1) 0.70929284 0.0996
N(2) 0.70929284 0.0996
N(3) 0.70929284 0.0996
Nhận xét:
Kết quả tương tự như đường dây [10] ở trên, kết quả tính toán không phụ thuộc vào loại ngắn mạch.
Độ chính xác của kết quả rất tốt, sai lệch tính toán không quá 0.1%.
4.3.2.4- Ảnh hưởng của điện trở ngắn mạch khác nhau
Tính tóan tại x = 6.39 km vị trí tính từ đầu nhận, ngắn mạch pha A, với Rnm = 2; 4; 6; 8 và 10
Bảng 4.5: Kết quả ảnh hưởng của điện trở ngắn mạch khác nhau
TT Rnm Vị trí ngắn mạch tính toán
(km) Sai số (%)
1 2 6.38831943 0.0263
2 4 6.38831943 0.0263
3 6 6.38831943 0.0263
4 8 6.38831943 0.0263
5 10 6.38831943 0.0263
Nhận xét: Kết quả tính toán không phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch.
4.4- Ứng dụng phương pháp biến đổi wavelet tính toán vị trí sự cố
Dựa trên số liệu vị trí ngắn mạch thực tế đã tìm được, thực hiện mô phỏng bằng Matlab-Simulink trạng thái vận hành đường dây gần thời điểm xảy ra sự cố và biến đổi wavelet kết hợp với lọc nhiễu như đã khảo sát ở trên, kết quả tính toán được như Bảng 4.11
Bảng 4.6: Kết quả tính toán các vị trí sự cố
TT
Vị trí ngắn mạch tính từ đầu nhận thực tế
tìm được (km)
Loại ngắn mạch
Vị trí ngắn mạch
tính toán (km) Sai số (%)
1 7.1 N(1) 7.09913380 0.0122
2 6.39 N(1) 6.38465157 0.0837
3 5.68 N(1) 5.67932976 0.0118
4 4.97 N(1) 4.96830523 0.0341
5 4.26 N(1) 4.25910540 0.0210
6 3.55 N(1) 3.54748660 0.0708
7 2.84 N(1) 2.83717136 0.0996
So sánh kết quả vị trí sự cố ngắn mạch
So sánh vị trí sự cố ngắn mạch rơle báo với vị trí sự cố thực tế tìm được và kết quả tính toán:
Bảng 4.7: So sánh kết quả vị trí ngắn mạch rơle báo với thực tế tìm được và tính toán
TT Vị trí ngắn mạch
rơle báo (km) Vị trí ngắn
mạch thực tế Vị trí ngắn mạch tính tóan (km)
Phần trăm sai lệch so với thực tế (%)
Rơ le Tính toán
1 6.12 6.39 6.38465157 4.4118 0.0837
2 5.2 4.97 4.96830523 4.4231 0.0341
3 5.41 5.68 5.67932976 4.9907 0.0118
4 4.17 3.55 3.54748660 14.8681 0.0708
Nhận xét các kết quả so sánh
Từ kết quả trên cho thấy độ chính xác của phương pháp thực hiện cho kết quả chính xác khá cao so với rơle báo, từ đó, giúp cho các Đội quản lý đường dây tập trung truy tìm dấu vết và nguyên nhân gây ra sự cố, giảm thiểu được thời gian tìm kiếm, xác định nhanh vị trí ngắn mạch đã xảy ra và điều quan trọng giúp ngăn ngừa được nguyên nhân gây ra sự cố.
Đây là kết quả rất mong muốn, có ý nghĩa để áp dụng vào thực tế giúp cho việc nâng cao công tác quản lý vận hành hệ thống đường dây truyền tải.