nghiên cứu hệ thống bảo vệ chống mất điện trên diện rộng, áp dụng và đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế sự cố mất điện trên lưới điện thành phố vĩnh yên – tỉnh vĩnh phúc

Các mối đe dọa đó là những hỏng hóc, lỗi của các thiết bị trên hệ thống dẫn đến sự tác động sai, ngừng làm việc theo dây chuyền của các phần tử quan trọng trong hệ thống làm mất điện trê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

TRẦN VĂN THIỆN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG, ÁP DỤNG VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM HẠN CHẾ SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ VĨNH YÊN – TỈNH VĨNH PHÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

TRẦN VĂN THIỆN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG, ÁP DỤNG VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM HẠN CHẾ SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ VĨNH YÊN – TỈNH VĨNH PHÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 60.52.02.02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HÀ NỘI, 2014

LỜI CAM ĐOAN

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

liệu, kết quả trình bày trong bản luận văn này là trung thực và chưa được công bố

trong bất kỳ công trình khoa học nào trước đó và các thông tin trích dẫn trong bản

luận văn của tôi đều được chỉ rõ nguồn gốc

Vĩnh phúc, ngày 18 tháng 10 năm 2014

Tác giả luận văn

Trần Văn Thiện

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo TS Nguyễn Xuân

Trường đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành đề tài luận văn này

Chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện, Khoa Cơ – Điện Trường đại học nông nghiệp Hà Nội, các thầy giáo bộ môn hệ thống điện Trường đại học Điện Lực Hà Nội,

Xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp, ban giám Hiệu Trường cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh phúc, ban Giám đốc và cán bộ chi nhánh điện Thành phố Vĩnh Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc đã tạo điều kiện và giúp đỡ để tôi hoàn thành đề tài luận văn này

Vĩnh phúc, ngày 18 tháng 10 năm 2014

Tác giả luận văn

Trần Văn Thiện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 0

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT 11

PHẦN MỞ ĐẦU 13

1 Lý do thực hiện đề tài 13

2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 14

3 Phương pháp nghiên cứu 14

4 Cấu trúc luận văn 14

CHƯƠNG 1 15

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ PHÂN TÍCH NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG 15

1.1 Một số sự cố mất điện trên diện rộng điện hình 15

1.1.1 Một số sự cố trên thế giới 15

1.1.2 Một số sự cố ở Việt Nam 22

1.1.3 Nhận xét 24

1.2 Dấu hiệu và cơ chế khi xảy ra sự cố 24

1.2.1 Các hiện tượng trước khi kích động xảy ra 24

1.2.2 Các hiện tượng khi kích động xảy ra 25

1.2.3 Các cơ chế xảy ra sự cố mất điện trên diện rộng 25

1.3 Các nguyên nhân chính gây ra sự cố mất điện trên diện rộng 28

1.3.1 Quy hoạch và thiết kế 28

1.3.2 Hệ thống điều khiển và bảo vệ 28

1.3.3 Vận hành hệ thống điện 31

1.3.4 Công tác bảo trì bảo dưỡng 32

1.4 Kết luận 33

CHƯƠNG 2 34

PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHI XẢY RA SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG 34

2.1 Hệ thống điều khiển và bảo vệ rơle hệ thống điện 34

2.1.1 Một số quan điểm khi thiết kế rơle bảo vệ hệ thống điện 34

2.1.2 Các quy tắc cơ bản khi thiết kế và lựa chọn rơle bảo vệ 37

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản đối với rơle bảo vệ 37

2.1.4 Một số tác động ngoài mong muốn của hệ thống bảo vệ 40

2.1.5 Các loại bảo vệ nhiều khả năng tham gia vào các sự cố mất điện trên diện rộng 41

2.2 Nhiệm vụ bảo vệ của rơle 41

2.3 Sự hoạt động của bảo vệ rơle khi có dao động điện 42

2.3.1 Sự làm viêc của bảo vệ khoảng cách 42

2.3.2 Nhớ điện áp phân cực 53

2.3.3 Sai số phép đo véctơ do sự biến động tần số 54

2.3.4 Bảo vệ quá dòng pha cắt nhanh 56

2.4 Sự làm việc của bảo vệ rơle máy phát điện 56

CHƯƠNG 3 60

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG HỆ THỐNG BẢO VỆ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NHẰM PHÒNG CHỐNG, NGĂN CHẶN VÀ GIẢM THIỂU KHẢ NĂNG MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG 60

3.1 Các giải pháp tăng cường hệ thống bảo vệ và tự động hóa 60

3.1.1 Các biện pháp chống mất ổn định điện áp 60

3.1.2 Các biện pháp chống mất ổn định góc pha 61

3.1.3 Các biện pháp chống quá tải 61

3.1.4 Các biện pháp chống mất ổn định tần số 62

3.1.5 Một số giải pháp ngăn chặn và giảm thiểu sự cố hiệu ứng dây truyền trong hệ thống điện 64

3.2 Một số giải pháp bảo vệ thường dùng để ngăn ngừa và giảm thiểu sự cố

mất điện trên diện rộng 65

3.2.1 Các biện pháp phát hiện dao động điện 65

3.2.2 Hệ thống điều khiển giám sát FACTS 73

3.2.3 Phần mềm mô phỏng hệ thống điện PowerWorld Simulator 17 77

3.3 Kết luận 79

CHƯƠNG 4 81

ÁP DỤNG VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM NGĂN CHẶN VÀ GIẢM THIỂU SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ VĨNH YÊN – TỈNH VĨNH PHÚC 81

4.1 Tổng quan hệ thống truyền tải điện TP Vĩnh Yên 81

4.1.1 Khả năng liên kết lưới điện TP Vĩnh Yên với lưới điện khu vực trên phương diện phòng chống sự cố mất điện trên diện rộng 83

4.1.2 Một số sự cố điện hình 84

4.1.3 Một số hạn chế trong công tác quy hoạch, thiết kế và vận hành 86

4.2 Mô phỏng phối hợp bảo vệ rơle khoảng cách trên lộ 172, 173 lưới điện TP Vĩnh Yên bằng phần mềm Powerworld Simulator 17 87

4.2.1 Sơ đồ lưới điện 110kV TP Vĩnh Yên trên PowerWorld Simulator 17 87 4.2.2 Bài toán phối hợp bảo vệ khoảng cách trên lộ 172, 173 90

4.2.3 Một số kịch bản sự cố trên lộ 172, 173 lưới điện TP Vĩnh Yên 94

4.2.4 Kết quả mô phỏng 95

4.2.5 Kết luận 105

4.3 Đề xuất một số giải pháp nhằm ngăn chặn, giảm thiểu sự cố mât điện trên diện rộng đối với lưới điện TP Vĩnh Yên 106

4.3.1 Biện pháp trong giai đoạn thiết kế, qui hoạch 107

4.3.2 Biện pháp trong công tác bảo dưỡng, bảo trì 109

4.3.3 Biện pháp trong vận hành HTĐ 109

4.3.4 Biện pháp điều khiển và giám sát sự cố 110

4.4 Kết luận 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

1 Kết luận 112

2 Kiến nghị 113

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC I 121

PHỤ LỤC II 123

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1- 1: Sự cố ngày 30/7/2012 và dẫn đến mất điện 16

2 ngày 30, 31/7/2012(vùng mất điện màu đen) 16

Hình 1- 2: Dao động tần số trên HTĐ Ấn Độ tại Mumbai và Kanpur 17

Hình 1- 3: Dao động công suất tác dụng trong hệ thống điện Đan Mạch 18

Hình 1- 4: Tần số dao động ở Bắc Ý tại Piossasco, S Rocco và Musignano 18

trạm biến áp cao áp từ 03:25:12 đến 03:26:12 18

Hình 1- 5: Nguyên nhân dẫn đến sự cố tan rã HTĐ Mỹ và Canada 21

Hình 1- 6: Sự cố đương dây Di Linh – Tân Định tại trạm Di Linh 23

Hình 1- 7: Cơ chế chung sự cố mất điện trên diện rộng (tan rã HTĐ) 26

Hình 1- 8: Nguyên nhân gây sự cố mất điện trên diện rộng (tan rã HTĐ) 27

Hình 1- 9: Vùng nguy cơ 31

Hình 2- 1: Các bộ phận chính của hệ thống bảo vệ rơle 34

Hình 2- 2: Sơ đồ phân bố các vùng tác động của BVRL 38

Hình 2- 3: Đặc tính nhiều cấp của BVKC 43

Hình 2- 4: Bảo vệ khoảng cách trong mạng hở có nguồn cấp từ hai phía 43

Sơ đồ mạng được bảo vệ, b) Đặc tính bảo vệ nhiều cấp 43

Hình 2- 5: Hệ thống điện đơn giản hai nguồn 44

Hình 2- 6: Đường dịch chuyển quỹ tích của dao động khi 45

Hình 2- 7: Đường dịch chuyển quỹ tích của dao động trường hợp tổng quát 45

Hình 2- 8: Vùng 1 bảo vệ khoảng cách tác động khi 46

Zapp rơi vào vùng đặc tuyến của nó 46

Hình 2- 9: Biểu diễn trong mặt phẳng phức tổng trở 47

a)Tổng trở đầu cực rơle; b) đường dây được bảo vệ 47

Hình 2- 10: Đặc tính khởi động của rơle tổng trở trong mặt phẳng phức 48

Hình 2- 11: Ảnh hưởng của điện trở quá độ đến sự làm việc của role tổng trở 49

Hình 2- 12: Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng 50

đến sự làm việc của role tổng trở đặt tại trạm A a) KI < 1, b) KI > 1 50

Hình 2- 13: Ảnh hưởng của máy biến áp có tổ nối dây Y/∆ 51

đến sự làm việc của rơle tổng trở 51

Hình 2- 14: Sự lấn vùng của phụ tải đối với vùng 3 53

Hình 2- 15: Thông số phân cực trượt khỏi điện áp đầu vào 54

Hình 2- 16: Mất kích từ máy phát điện 58

Hình 3- 1: Sự suy giảm tần số theo thời gian ứng với những 63

mức thiếu hụt khác nhau của công suất tác dụng trong hệ thống 63

Hình 3- 2: Phát hiện dao động điện bằng cách tính toán liên tục tổng trở 67

Hình 3- 3: Sơ đồ véctơ của hệ thống hai nguồn 68

Hình 3- 4: Vcosφ là hình chiếu của Vs trên I 68

Hình 3- 5: Ảnh hưởng của tổng trở nguồn 70

Và đường dây đối với chức năng PSB 70

Hình 3- 6: Phương thức hai đường chắn 71

Hình 3- 7: Các góc pha của 2 nguồn đẳng trị trong chế 72

độ dao động điện không ổn định 72

Hình 3- 8: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR 75

Hình 3- 9: Nguyên lý cấu tạo của UPFC 76

Hình 3- 10: TCVR loại dựa trên đầu phân áp 76

và loại đưa thêm điện áp vào đường dây 76

Hình 4- 1: Sơ đồ lưới điện 110kV TP Vĩnh yên[9] 82

Hình 4- 5: Công suất tác dụng khi sự cố 96

Hình 4- 7: Dao động dòng điện khi sự cố 97

Hình 4- 9: Dòng điện trên lộ 172 khi sự cố 99

Hình 4- 11: Dòng điện trên lộ 172 khi sự cố tại Load 1 100

Hình 4- 12: Vùng không được bảo vệ của BVKC 100

Hình 4- 13: Dòng điện trên lộ 172 khi sự cố 101

Hình 4- 14: Dao động tần số trên Sytem 1 khi sự cốError! Bookmark not defined Hình 4- 15: Vùng 1, sự cố tại 60% đại lượng đường dây 101

Hình 4- 16: So sánh dao động dòng điện trên lộ 172 và lộ 173 103

Hình 4- 17: So sánh dao động công suất tác dụng trên lộ 172 và lộ 173 103

Hình 4- 18: So sánh dao động tần số tại Sytem2 và Sytem 3 103

Hình 4- 19: Điện áp tại Sytem 2 và Sytem 3 khi lộ 172 sự cố 104

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1- 1: Sự cố ngày 2 tháng 7 năm 1996 Miền tầy nước Mỹ 20

Bảng 4- 1: Thông số trạm biến áp 220kV, 110kV TP Vĩnh yên năm 2013[9] 83

Bảng 4- 2: Thông số đường dây 220kV, 110kV TP Vĩnh Yên năm 2013[9] 83

Bảng 4- 3: Thống kê sự cố lưới điện TP Vĩnh Yên năm 2009 [9] 85

Bảng 4- 4: Thống kê sự cố lưới điện TP Vĩnh Yên năm 2013 [9] 86

Bảng 4- 5: Thông số nguồn cấp của HTĐ TP Vĩnh Yên 90

Bảng 4- 6: Thông số MBA của HTĐ TP Vĩnh Yên 89

Bảng 4- 7: Thông số nút của HTĐ TP Vĩnh Yên 89

Bảng 4- 8: Thông số nhánh của HTĐ TP Vĩnh Yên 88

Bảng 4- 9: Thông số cài đặt rơle BVKC REL511 trên lộ 172 90

Bảng 4- 11: Thông số cài đặt rơle BVKC QZLIN1 trên lộ 172 93

Bảng 4- 13: Bảo vệ khoảng cách làm việc, sự cố tại 60% , Vùng 1 97

Bảng 4- 14: Thời gian và vùng tác động của BVKC, sự cố tại 90% 98

Bảng 4- 15: Thời gian, vùng tác động BVKC, sự cố 150% 99

Bảng 4- 16: Thời gian và vùng tác động, sự cố tại 60% đại lượng đường dây 101

Bảng 4- 17: Bảo vệ vùng 1 tác động 104

THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

AVR Bộ tự động điều chỉnh điện áp

EDF Công ty điện lực pháp

EVN Tập đoàn điên lực Việt Nam

HVDC Đường dây tải điện một chiều

IEEE Viện kỹ thuật điện tử Mỹ

ULTC Bộ phận điều chỉnh điện áp dưới tải

UPFC Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất

OEL Bộ giới hạn kích từ máy phát điện

OST Cắt khi mất đồng bộ

PSB Khóa khi có dao động điện

PSS Bộ ổn định công suất

REC Máy cắt tự động đóng lại – Recloser

FACTS Hệ thống điện truyền tải xoay chiều linh hoạt

SCV Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh

SCADA Hệ thống điều khiển và giám sát thu thập dữ liệu

STATCOM Máy bù đồng bộ

WSCC Hội đồng điều phối điện miền tây nước Mỹ

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do thực hiện đề tài

Trong đời sống ngày này, điện năng có vai trò hết sức quan trọng, có mặt hầu như khắp mọi nơi, trong tất cả mọi lĩnh vực, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao về cả công suất và quy mô lãnh thổ đòi hỏi các hệ thống điện không ngừng mở rộng đồng thời phải đảm bảo các yêu cầu về chất lượng, cung cấp và an toàn trong quá trình vận hành Trong bất cứ một hệ thống điện nào cũng luôn luôn tồn tại một mối đe dọa đưa hệ thống đến các chế độ làm việc không bình thường và có thể là tan rã HTĐ Các mối đe dọa đó là những hỏng hóc, lỗi của các thiết bị trên hệ thống dẫn đến sự tác động sai, ngừng làm việc theo dây chuyền của các phần tử quan trọng trong hệ thống làm mất điện trên phạm vi rộng được gọi là sự cố mất điện trên diện rộng Là sự kiện có xác suất thấp, hiếm khi xảy ra nhưng hậu quả của lại vô cùng nghiêm trọng và là loại sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ hệ thống điện nào bởi vì nó ảnh hưởng rất lớn về mặt an ninh và kinh tế, xã hội Sự cố mất điện trên diện rộng xảy ra với rất nhiều cơ chế và nguyên nhân phức tạp, khác nhau

Nhưng một trong những cơ chế và nguyên nhân đó là do lỗi của hệ thống thiết bị bảo vệ tác động cắt làm mất các thiết bị quan trọng trong HTĐ như: đường dây, tổ máy máy phát điện Sự cố mất điện trên diện rộng phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như: Công tác quy hoạch thiết kế, quản lý vận hành và sự làm việc ổn định của hệ thống bảo vệ có trong HTĐ Theo nhật ký vận hành thì hệ thống bảo vệ

là một trong những tác nhân chính gây ra các sự cố mất điện trên diện rộng Ví dụ như: tại Mỹ 70%, Ấn Độ 82%, Việt Nam 50% các kích động lớn có sự tham gia của

hệ thống bảo vệ[2] Chính vì vậy, việc nghiên cứu hệ thống bảo vệ rơle và điều khiển bảo vệ là một trong những vấn đề quan trọng giúp ích cho công việc kiểm tra, đánh giá hệ thống bảo vệ rơle được tin cậy hơn trong quá trình làm việc Từ đó góp phần vào sự vận hành ổn định và ngăn chặn, giảm thiểu sự cố mất điện trên diện rộng đối với các hệ thống điện Qua sự nhìn nhận, những đánh giá và phân tích ở trên, Tôi

tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu hệ thống bảo vệ chống mất điện trên diện rộng, áp dụng đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế sự cố mất điện trên lưới điện Thành phố Vĩnh Yên - Tỉnh Vĩnh Phúc”

2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn tập trung vào nghiên cứu các sự cố mất điện trên diện rộng điển hình trên thế giới bắt nguồn từ lỗi của các thiết bị điều khiển giám sát và bảo vệ, các bài học kinh nghiệm đã được tổng hợp qua các sự cố Cùng với đó, tiến hành tìm hiểu những nguyên nhân chính, cơ chế xảy ra sự cố và tìm hiểu phân tích sự làm việc của các thiết bị bảo vệ trên phương diện chống mất điện trên diện rộng Từ đó, tiến hành áp dụng mô phỏng phối hợp bảo vệ khoảng cách và

đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu và ngăn chặn sự cố mất điện trên diện rộng trên HTĐ TP Vĩnh Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu tham khảo chuyên ngành, nghiên cứu các sự

cố tan rã hệ thống trên thế giới và các bài học kinh nghiệm từ các sự cố trên thế giới

đã được tổng hợp Phương pháp mô phỏng thực nghiệm: Ứng dụng phần mềm Powerworld Simulator để tính toán và mô phỏng sự làm việc tin cậy của hệ thống bảo vệ rơle (bảo vệ khoảng cách) Qua đó, có thể kiểm tra, đánh giá hệ thống bảo vệ hiện hành và đề xuất một số giải pháp nhằm ngăn chặn và giảm thiểu sự cố mất điện trên lưới điện TP Vĩnh Yên – Tỉnh Vĩnh Phúc

4 Cấu trúc luận văn

Tên đề tài “Nghiên cứu hệ thống bảo vệ chống mất điện trên diện rộng, áp dụng đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế sự cố mất điện trên lưới điện Thành phố Vĩnh Yên - Tỉnh Vĩnh Phúc”

Nội dung chính của luận văn gồm các phần sau:

- Phần mở đầu;

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan và phân tích những nguyên nhân gây ra sự

cố mất điện trên diện rộng;

- Chương 2: Phân tích sự làm việc của hệ thống bảo vệ và tự động hóa khi xảy

ra các sự cố mất điện trên diện rộng;

- Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp tăng cường hệ thống bảo vệ và tự động hóa nhằm phòng chống, ngăn chặn và giảm thiểu khả năng mất điện trên diên rộng;

- Chương 4: Áp dụng và đề xuất một số giải pháp nhằm ngăn chặn và giảm thiểu sự cố mất điện trên diện rộng trên lưới điện TP Vĩnh Yên;

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ PHÂN TÍCH NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG

1.1 Một số sự cố mất điện trên diện rộng điện hình

Trong những năm vừa qua trên khắp thế giới đã xảy ra nhiều sự cố mất điện trên diện rộng, tuy nó hiếm khi xảy ra nhưng khi xảy ra thì hậu quả lại vô cùng nguy hiểm nó bắt nguồn từ nhiều hiện tượng, nguyên nhân phức tạp khác nhau trong khoảng thời gian, địa lý và từng hệ thống điện Sự cố mất điện trên diện rộng xảy ra không loại trừ một hệ thống điện nào từ hiện đại đến đơn giản, từ các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu… đến các nước đang phát triển như Việt Nam, Inđônêxia, Philippinse đều tiềm ẩn mối đe dọa đối diện với sự cố loại này Sau đây, chúng ta tiến hành phân tích một số sự cố mất điện trên diện rộng lớn đã xảy ra với các hệ thống điện trên thế giới

1.1.1 Một số sự cố trên thế giới

- Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp: Từ 7 giờ đến 8 giờ phụ tải tăng nhanh đến 4600MW vượt mức bình thường là 1600MW, trong lúc HTĐ đang phải nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh Điều này khiến điện áp giảm mạnh trong khoảng thời gian từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dưới tải của các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV) Sau đó khiến điện áp trên lưới truyền tải giảm từ 400kV xuống còn khoảng 342kV-374kV, dòng tăng lên khiến bảo vệ quá dòng tác động cắt thêm một số đường dây quan trọng Tổng hợp các yếu tố trên dẫn đến sự cố (tan rã HTĐ) mất điện trên diện rộng Hậu quả là tổng năng lượng không truyền tải được là 100GW, lượng tải bị cắt là 29GW và thiệt hại dự tính khoảng 200-300 triệu đôla [13-16]

- Sự cố mất điện trên diện rộng tại Tôkyô – Nhật Bản ngày 23/07/1987 Hiện tượng bắt đầu là do tải tăng cao đột biến vào thời gian buổi trưa, tăng lên khoảng 1%/phút (400MW/phút) Trung tâm điều độ đã đóng hết các tụ bù, nhưng điện áp vẫn giảm thấp nhanh chóng trên hệ thống truyền tải 500kV, kết quả là hệ thống bảo

vệ rơle tác động ngắt một số thiết bị quan trọng trên hệ thống và sa thải 8000MW Nguyên nhân chính của sự cố này là do dự báo phụ tải không chính xác[13,15-16]

- Sự cố tan rã trên HTĐ Hy Lạp ngày 12/07/2004 với hai tổ máy Trong khi đang cắt ra để tiến hành bảo dưỡng 4 đường dây và tổ máy 125MW, tổ máy

300MW Kết hợp với hệ thống mang tải nặng hơn bình thường do nhiệt độ cao, khiến cho HTĐ rất gần với giới hạn ổn định Khoảng 12 giờ 30 phút điện áp giảm xuống 90% giá trị danh định, để khắc phục sự cố này các nhân viên vận hành đã phải cắt lượng phụ tải 80MW nhưng khi đó phụ tải trong toàn hệ thống vẫn tiếp tục tăng, làm cho điện áp tiếp tục giảm mạnh Đến lúc 12 giờ 37 phút thêm một tổ máy

bị cắt ra, 2 phút sau hệ thống bị tách ra bảo vệ đường dây tác động, phần HTĐ còn lại bị tách khỏi vùng phía nam Cuối cùng làm tan ra HTĐ ở Athens và Peloponnes, với tổng lượng tải bị mất khoảng 9GW Nguyên nhân của sự kiện thứ 2 trước khi sụp đổ là do tác động hợp thức của bảo vệ [17-19]

- Sự cố trên HTĐ Phần Lan 08/1992, các nhân viên vận hành đã để HTĐ vận hành rất gần với giới hạn an ninh cho phép, trong khi đó lượng nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn, vì vậy ở vùng Miền Nam của Phần Lan chỉ có 03 tổ máy được nối trực tiếp với hệ thống truyền tải 400kV Trong hoàn cảnh như vậy, theo yêu cầu cắt một đường dây truyền tải 400kV để bảo dưỡng, kết hợp với sự cố mất một tổ máy 735MW đã làm công suất phản kháng và điện áp trên lưới giảm từ 400kV xuống còn 344kV Sụp đổ điện áp và sự cố mất điện trên diện rộng được hiện hữu trên lưới điện Phần Lan Các nhà chuyên môn đã quyết định khôi phục bằng cách khởi động các nhà máy dùng tubin khí và đồng thời sa thải một lượng phụ tải đủ lớn [17]

- Sự cố tại Ấn Độ ngày 30,31/07/2012: Sự cố bắt đầu lúc 02:33:11,9, ngày 30/7/2012 Hình 1-2 cho thấy rõ sự dao động về tần số và sự mất đồng bộ trên hệ thống điện Tần số hệ thống tại Kampur sau 4 giây bắt đầu dao động và sụt giảm nhẹ Sự cố chính thức nguy hiểm bắt đầu từ giây thứ 4 đến giây thứ 16 Tần số giảm nhanh từ 50Hz tụt mạnh xuống còn 42 Hz trong vòng 12 giây Dẫn đến sụp đổ điện

áp và tan ra hệ thống Hậu quả, khoảng hơn 600 triệu dân bị ảnh hưởng trong 2 ngày liên tiếp Khoảng 300 chuyến tàu lửa bị hoãn Nguyên nhân sự cố bắt nguồn từ lỗi công tác dự báo và theo dõi phụ tải, dẫn đến hệ thống lưới điện bị quá tải

Hình 1- 1: Sự cố xảy ra ngày 30/7/2012 và dẫn đến mất điện 2 ngày 30, 31/7/2012

Hình 1- 2: Dao động tần số trên HTĐ Ấn Độ tại Mumbai và Kanpur

- Sự cố tan rã tại Thủy Điển và Đan Mạch ngày 23/09/3003: Trước khi xảy ra

sự cố tất cả các điều kiện vận hành đều nằm trong giới hạn cho phép Tổng lượng tải của Thụy Điển vào khoảng 15000MW, và không quá nặng tải Hai đường dây 400kV trong vùng sự cố đã được cắt ra để bảo dưỡng định kỳ, một đường dây HVDC khác nối với Đức cũng bị cắt ra cho mục đích bảo dưỡng Bắt đầu từ 12:30,

tổ máy 3 của nhà máy điện hạt nhân Oskarshamn bị sự cố phải giảm công suất từ 1250MW xuống 800MW và sự cố trong hệ thống bơm cấp nước Nhân viên nhà máy đã không thể khắc phục được sự cố này và dẫn đến tổ máy 3 bị cắt ra làm mất hoàn toàn 1250MW Sự cố này lẽ ra được coi là bình thường và thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh N-1, bởi lượng công suất dự phòng nóng và khả năng mang tải của các đường dây vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh kể trên

Tuy nhiên, sau quá trình quá độ bình thường, các hệ thống tự động đã khởi động để lấy công suất dự phòng từ các nhà máy thủy điện từ Na Uy, bắc Thụy Điển

và Phần Lan, người ta tin rằng điều này sẽ làm HTĐ trở lên ổn định trong vòng khoảng 1 phút Tuy nhiên điện áp ở vùng phía nam đã giảm khoảng 5kV, tần số ổn định trong giới hạn cho phép là 49,90Hz Lượng công suất chạy trên các đường dây nằm trong giới hạn cho phép, tuy nhiên lượng công suất chạy từ phía nam-tây nam

đã tăng lên Vào lúc 12 giờ 35 phút đã xảy ra một sự cố thanh góp kép ở trạm 400kV Horred phía tây Thụy Điển đã làm mất 1,8GW từ nhà máy điện hạt nhân Ringhals, hai đường dây nối bắc-nam cũng bị cắt ra, đến 12 giờ 37 phút vùng phía đông đã trở lên quá tải dẫn đến sự sụp đổ điện áp, vùng phía nam (Nam Thụy Điển

và Tây Nam của Đan Mạch) bị tách rời Lúc này, sự thiếu hụt công suất dẫn đến sự sụp đổ cả tần số và điện áp và dẫn đến tan rã hệ thống điện Tổng lượng tải bị cắt vào khoảng 6,3 GW và mất hơn 6 giờ để khôi phục HTĐ[15,19-20]

Hình 1- 3: Dao động công suất tác dụng trong hệ thống điện Đan Mạch

- Sự cố tan rã HTĐ tại Italy, ngày 28/09/2003 vào lúc 3 giờ sáng, lượng công suất nhập khẩu là 6,9 GW, nhiều hơn 300 MW so với định mức Lúc 03h 01phút 42 giây, có một sự cố xảy ra trên được dây 380kV mang tải nặng từ Mettlen -Lavorgo trong HTĐ Thụy Sỹ, gần với biên giới của Italy Các kỹ sư vận hành đã cố gắng đóng lặp lại được đường dây một cách tự động và bằng tay nhưng không thành công

do sự sai lệch lớn về góc pha điện áp giữa hai cực của máy cắt điện Việc này đã làm đường dây truyền tải 400 kV Sils - Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110% Và sự dao động công suất này không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn an ninh N-1 của HTĐ Italy nên các nhà vận hành HTĐ Italy (GRTN) đã không nhận thức được sự nguy hiểm đang xảy ra ở HTĐ Thụy Sỹ và đã không tiến hành bất cứ hành động phòng ngừa nào

Hình 1- 4: Tần số dao động ở Bắc Ý tại Piossasco, S Rocco và Musignano

trạm biến áp cao áp từ 03:25:12 đến 03:26:12

Vào lúc 03h 11phút, các nhà vận hành HTĐ Thụy Sỹ (ETRANS) đã yêu cầu GRTN giảm lượng công suất nhập khẩu xuống để giảm lượng quá tải trong HTĐ

Thụy Sỹ để đưa HTĐ trở lại chế độ vận hành an toàn hơn Tuy nhiên sự phối hợp thiếu đồng bộ và chính xác giữa ETRANS và GRTN, đã dẫn đến việc ETRANS đưa

ra một hành động gây tranh cãi là cắt đường dây Sils – Soazza do quá tải lúc 03h 25 phút 21giây Ngay lập tức, một đường dây 220 kV bên trong lãnh thổ Thụy Sỹ đã bị quá tải và bị cắt ra làm mất một lượng tải truyền sang Italy là 740MW Sau sự cố này, các đường dây nhập khẩu điện từ các nước khác như Pháp, Thụy Sỹ, Áo, Slovenia đến Italy đã bị quá tải và lần lượt bị cắt ra Kết quả là HTĐ Italy đã bị mất điện hoàn toàn, tổng lượng tải bị cắt là 27 GW, thiệt hại về kinh tế là hàng chục tỉ đôla Đây được coi là sự cố lớn nhất trong lịch sử ngành điện lực Italy Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do việc cài đặt thông số sai của hệ thống sa thải phụ tải theo tần số trong HTĐ[20-23]

- Sự cố tại Miền tây nước Mỹ (Westem Systems Coordination Council – WCSS) ngày 08/10/1996: Trước khi sự cố xảy ra, công suất truyền tải từ Canada về California tăng cao Do vi phạm hành lang lưới điện nên đã xảy ra sự cố phóng điện vào cây khiến phải cắt ba đường dây 500kV truyền tải công suất từ Columbia River đến trung tâm phụ tải Oregon Đường dây liên lạc Californnia-Oregon truyền tải 4330MW từ miền bắc về miền nam Đồng thời đường dây liên lạc một chiều Pacific

DC Intertie truyền tải 2680MW từ miền bắc về miền nam Dao động cống suất tăng dần xảy ra, sự thiếu các thiết bị điều khiển cản dao động đã dẫn đến việc cắt các đường dây khác và làm HTĐ bị tách thành bốn vùng, điều đó đồng nghĩa với việc

đã có sự cố (tan rã HTĐ) mất điện trên diện rộng Lượng tải bị mất khoảng 30.500MW và hơn 7,5 triệu người bị ảnh hưởng từ một vài phút đến khoảng 9 giờ Nguyên nhân của sự kiên thứ 2 dẫn đến tan rã hệ thống là do cây cối và sự cố (hư hỏng) của rơle bảo vệ[25]

- Sự cố tại Miền tầy nước Mỹ (Westem Systems Coordination Council – WCSS) ngày 02/07/1996 Hệ thống đang ở chế độ nặng tải và nhiệt độ trong vùng miền nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 380C Lượng công suất tải từ vùng Pacific

NW về California là khá cao:

o Đường dây liên lạc AC: 4300MW (giới hạn cho phép là 4800MW)

o Đường dây liên lạc DC: 2800MW (giới hạn cho phép là 3100MW) Cùng với đó là sự cố ngăn mạch một pha trên đường dây 345kV từ nhà máy thủy điện Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho do phóng điện từ đường dây vào cây trong hành lang tuyến Tổng hợp nhiều yếu tố, hiện tượng khác khiến hệ thống bảo vệ rơle tác động sai làm cắt một đường dây mạch kép Diễn biến của sự

cố này có thể được mô tả như sau:

Bảng 1- 1: Sự cố ngày 2 tháng 7 năm 1996 Miền tầy nước Mỹ

Các hiện tượng khơi mào Hiện tượng dây chuyền

Lúc 14:24 đường dây 345kV Jim

Bridger – Kinport bị cắt do võng

Đường dây song song Jim Bridger –

Goshen cũng bị cắt do rơle bị lỗi

Đường dây 230kV Mill Creek-Antelope cắt do rơle khoảng cách vùng 3 tác động nhầm

2 trong 4 tổ máy tại Jim Bridger bị

tách ra bởi phương thức RAS

Điện áp tại vùng Boise Idaho cũng như tại COI bắt đầu sụp đổ một cách nhanh chóng

Trong khoảng 23 giây, hệ thống xử

và kết quả là sự cố mất điện trên diện rộng xảy ra làm 2 triệu người bị ảnh hưởng,

11743 MW bị mất Nguyên nhân chính được xác định là do phóng điện vào cây và tác động sai của rơle bảo vệ[14,24]

- Sự cố tan rã HTĐ ngày 27/12/1983 tại Thủy Điển: Do hư hỏng dao cách ly

và sự cố ở một trạm biến áp phía tây cảu Stockholm đã dẫn đến việc ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400kV Sau khoảng 8 giây, một đường dây 220kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng Điện áp của toàn hệ thống bị giảm thấp làm cho các MBA với bộ điều áp dưới tải tác động, điều đó khiến điện áp giảm thấp, còn dòng thì tăng cao trên các đường dây từ Miền Bắc đến Miền Nam Khoảng 55 giây sau sự

cố của TBA, làm một đường dây 400kV bị cắt ra làm cho HTĐ của Thủy Điển bị tách thành hai phần Nam và Bắc Dẫn đến sự cố (tan rã HTĐ) mất điện trên diện rộng trên toàn đất nước Tổng lượng tải bị cắt vào khoảng 11400 MW[13,15-16]

- Sự cố tan rã HTĐ tại các bang Miền bắc nước Mỹ và Canada (North American Electricity Reliability Council (NERC-USA) ngày 14/08/2003 Dựa vào các điều tra của NERC, thì HTĐ lúc đó đang vận hành ở trạng thái mang tải nặng và rất thiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio Hệ thống đánh giá và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO) đã không hoạt động

đúng do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12 giờ 15 phút đến 16 giờ 04 phút Điều này, khiến MISO không đưa ra được cảnh báo sớm trong việc đánh giá trạng thái HTĐ Tại trung tâm điều khiển hệ thông điện FE (First Energy control center) đã xảy ra sự cố hư hỏng phần mềm máy tính trong hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System EMS) lúc 14 giờ 14 phút

Những hư hỏng này khiến FE không thể đánh giá đúng được tình trạng làm việc và đưa ra những cảnh báo sớm và biện pháp phòng ngừa Trên hình 1-5 cho thấy, sự cố đã xảy ra trong hệ thống FE lúc 13 giờ 31 phút, tổ máy số 5 của nhà máy Eastlake bị cắt ra do quá kích thích, và một số máy khác trong vùng FE và phía bắc Ohio vận hành quá tải về công xuât phản kháng, trong khi đó trong khu vực công suất phản kháng tiếp tục tăng cao Đường dây 345kV mang tải 44% trong vùng FE Chamberlin-Harding, đường dây 345kV Hanna-Juniper mang tải 88%, đường dây 345kV Star-Canton mang tải 93% lần lượt bị cắt ra do phóng điện từ dây dẫn vào cây trong khoảng thời gian lần lượt là 15 giờ 05 phút, 15 giờ 32 phút, 15 giờ 41 phút Tiếp theo là các đường dây 138kV bị cắt ra, nhưng không có biện pháp ứng phó nào Trung tâm điều khiển FE và MISO bị lỗi hỏng nên không thể điều khiển HTĐ và mất điện lan rộng vùng Ohio Vào khoảng 16 giờ 10 phút 38 giây, các đường dây liên lạc giữa Ohio và Michigan bị mất, công suất giữa Mỹ và Canada bị thay đổi, vùng Detroit điện áp giảm mạnh và các đường dây bị quá tải nặng Kết quả là sự mất điện hàng loạt theo dây chuyền, với việc cắt hàng trăm tổ máy, đường dây trong một vùng rộng lớn Ước tính khoảng 65000MW đã bị cắt và mất khoảng

30 giờ để khôi phục lại HTĐ Qua điều tra của các cơ quan chuyên môn kết luận nguyên nhân của sự kiện thứ 2 dẫn đến sự cố là do tác động hợp thức của bảo vệ[23-

24, 26-30]

Hình 1- 5: Nguyên nhân dẫn đến sự cố tan rã HTĐ Mỹ và Canada

Ngoài ra còn rất nhiều các sự cố mất điện khác như: Các nước châu Âu ngày 4/11/2006, London - nước Anh (08/08/2003), Helsinki - Phần Lan (09/08/2003), Shanghai-Trung Quốc (27/08/2003), Athens - Hy Lạp (06/10/2003), Georgia (23/09/2003), Úc (14/08/2004), Kuwait (01/11/2004), Malaysia (13/01/2005), Moscow-Nga (25/05/2005), Dubai (09/06/2005)…[16, 25, 28, 40-44]

1.1.2 Một số sự cố ở Việt Nam

Cùng với sự phát triển của kinh tế thì nhu cầu tiêu thụ điện năng cũng tăng nhanh kéo theo tốc độ tăng trưởng của phụ tải Hệ thống điện Việt Nam trong thời gian qua, đã đối diện với nhiều sự cố mất điện trên diện rộng gây ảnh hưởng đến an ninh hệ thống và thiệt hại về kinh tế Theo Chủ tịch Hiệp hội Đầu tư xây dựng năng lượng Việt Nam “Nước ta là một nước đang phát triển, với ngành công nghiệp chiếm khoảng 49% GDP thì chỉ cần mất điện một giờ, mức thiệt hại cũng có thể vượt quá con số 1.000 tỉ đồng”[1], điển hình trong những năm ngần đây ta thấy một số sự cố:

- Sự cố mất điện toàn miền bắc: Ngày 27 tháng 12 năm 2006, lúc 14h40 làm một máy cắt trạm biến áp 500kV Pleiku (Gia Lai) bị hỏng, gây rã lưới toàn bộ hệ thống điện miền Bắc (từ Quảng Bình trở ra) Phải sau 40 phút, các phụ tải của Hà Nội cũng như miền Bắc mới được cấp điện trở lại Nguyên nhân là do 2 đường dây 500kV đoạn Đà Nẵng – Pleiku đang truyền tải với công suất cao ra miền Bắc để giúp tích nước cho hồ Hòa Bình và hồ Thác Bà theo kế hoạch đảm bảo điện mùa khô năm 2007, nên sự cố máy cắt tại trạm 500kV Pleiku đã làm gián đoạn hệ thống điện Bắc – Nam, gây mất điện trên hệ thống điện miền Bắc[3]

- Sự cố ngày 28 tháng 2 năm 2008 lúc 5h07: Sự cố 2 mạch đường dây 500kV đoạn Pleiku – Đà Nẵng đã mất liên kết làm mất điện nhiều tỉnh, thành phố miền Bắc Do ảnh hưởng của sự cố trên, một số nhà máy nhiệt điện than phải tách ra khỏi lưới Đến 5h47 sự cố được xử lý và liến kết được hai mạch đường dây 500kV Đến 11h30, toàn bộ các nhà máy bị tách ra do sự cố đã hòa lại lưới phát điện trở lại[3]

- Sự cố ngày 25 tháng 9 năm 2009: Vào lúc 10h07 điện áp sụt giảm nhanh tại trạm 500kV Đà Nẵng (425kV) và trạm 500kV Hà Tĩnh (415kV) gây sụp đổ điện áp trên hệ thống điện 500kV Tại trạm Hà Tĩnh bảo vệ điện áp thấp ở mức 2 (350kV)

đã tác động cắt cả 2 mạch đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh tách đội hệ thống điện 500kV Việt Nam Tổng lượng tải bị mất là 1440MW

- Đường dây truyền tải 500 kV dài 1.487 km mạch 1, đang cung cấp cho Miền Nam lượng điện năng khá lớn truyền tải sản lượng khoảng 2.000GWh vào Thành

phố Hồ Chí Minh mỗi năm với công suất đỉnh là 600MW - 800MW.Sự cố (blackout) xảy ra khoảng 14h19 ngày 22/05/2013, là do một cây chạm vào đường dây 500 kV Di Linh – Tân Định, ở khoảng cột 1072 - 1073 gần trạm biến áp Tân Định" Trong lúc đường dây đang truyền tải với công suất cao làm mất liên kết HTĐ 500kV Bắc – Nam Gây nhảy tất cả các tổ máy phát điện trong hệ thống điện miền Nam, sau đó là sự tan rã kế tiếp nhau các mạch truyền tải và phân phối Sự cố dẫn đến phản ứng dây chuyền ở 19 nhà máy phía Nam: 43 tổ máy bị ngưng hoạt động Tổng công suất bị cắt là 9400 MW (tương đương với 9 lò phản ứng hạt nhân)

8 triệu khách hàng (hộ gia đình, công ty, hành chính ), trong đó 1,8 triệu dân thành phố Hồ Chí Minh bị mất điện trong thờigian từ khoảng 1 đến 8 tiếng đồng hồ, ước tính thiệt hại khoảng 14 tỉ đồng

Hình 1- 6: Sự cố đương dây Di Linh – Tân Định tại trạm Di Linh

Sự dao động mất ổn định của dòng điện và điện áp bắt đầu lúc 4.0 (Cycles), sự mất ổn định tăng dần và bằng 0 (A) lúc khoảng 6.5 (Cycles) Điện áp pha B, C sụt giảm nhanh vì công suất phản kháng lúc này trên hai pha tăng nhanh Kết quả làm mất sự cân bằng nguồn tải, tiếp theo là hàng loạt các phản ứng tác động liên tiếp theo dây chuyền và cuối cùng là tan rã hoàn toàn hệ thống điện Miền Nam Việt Nam

- Vào hồi 07h45 phút ngày 21/5/2014, xẩy ra sự cố MBA AT2 trạm 500kV Hiệp Hòa (MBA AT1 trạm 500kV Hiệp Hòa tách ra khỏi vận hành do sự cố ngày 14/5/2014), gây mất điện trên diện rộng tại các khu vực Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Lào Cai, Lai Châu, Yên Bái, Nam Định, Thái Bình, Sơn La Nguyên nhân đang được các chuyên gia điều tra làm rõ[3]

1.1.3 Nhận xét

Một loạt các sự cố mất điện trên diện rộng thế giới và trong nước kể trên đã chứng tỏ, sự cố bắt đầu từ nhiều nguyên nhân khác nhau, bắt đầu bằng những sự kiện đơn lẻ sau đó phản ứng tác động theo dây chuyền trong khi tải đang vận hành nặng và gây sụp đổ toàn bộ hệ thống Hệ thống điền khiển và bảo vệ rơle là một trong những thiết bị có thể góp phần tạo dựng sự cố là rất nhiều, từ việc thiết kế cài đặt không đúng, vận hành bảo dưỡng, thời tiết tác động lên dẫn đến việc sai lỗi hệ thống điều khiển và bảo vệ rơle, tiêu biểu như: Sự cố tan ra HTĐ tại các bang Miền bắc nước Mỹ và Canada ngày 14/08/2003, sự cố Miền tây nước Mỹ ngày 02/07/1996 và sự cố tan ra HTĐ Italy ngày 28/09/2003

Bản chất của loại sự cố này là sụp đổ điện áp theo dây chuyền trong hệ thống, trong khoảng thời gian có thể ngắn hoặc có thể dài và đây là một sự cố rất nguy hiểm nó thiệt hại lớn đến kinh tế và các hoạt động xã hội vấn đề này vẫn đang được đặc biệt quan tâm

Chính vì vậy, cần phải có những nghiên cứu, phân tích cụ thể và chính xác, tìm hiểu các nguyên nhân, cơ chế của sự cố và qua đó để đưa ra các đề xuất, giải pháp phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố này diễn ra trong tương lai Đây là một yêu cầu hết sức cấp thiết đối với mỗi HTĐ

1.2 Dấu hiệu và cơ chế khi xảy ra sự cố

Các hiện tượng gây ra các sự cố lớn về mất điện trên diện rộng thường do các biến cố tương thuộc có quan hệ phức tạp với nhau Khả năng các sự kiện xác suất thấp chuyển thành mất điện dây chuyền tăng lên khi trước đó lưới điện đang chịu sức ép lớn Sự cố 14/08 ở Bắc Mỹ được khởi đầu bằng tách MPĐ và đường dây vài giờ trước khi chuỗi sự kiện chính bắt đầu, gây ra mất điện dây chuyền, đảo chiều các trào lưu công suất và lan chuyền kích động trên quy mô lớn

Điều kiện thời tiết và các nguyên nhân tự nhiên như: gió, mưa, sương mù, nhiệt độ cao, nhiễu loạn từ trường thường là các yếu tố khởi đầu cho các kích động dây chuyền ngoài kiểm soát Tuy nhiên, một số các dấu hiệu, chế độ có thể kiểm soát được như: Việc đầy tải của lưới, quản lý hành lang tuyến (phát tuyến chưa đầy đủ và hợp lý), độ dự trữ vận hành thấp Những hiện tượng thường thấy nhất trong các sự cố này là:

1.2.1 Các hiện tượng trước khi kích động xảy ra

- Đều xảy ra khi hệ thống đang vận hành nặng nề nhất

- Một số đường dây truyền tải và MPĐ bị tách ra trước khi có kích động(thiết

bị được tách ra để bảo dưỡng) làm cho HTĐ bị yếu đi

- Các điều độ viên chậm phát hiện ra sự yếu đi của hệ thống tuy mỗi sự cố lớn

về mất điện trên diện rộng có các nguyên nhân khác nhau

- Sự già hóa các thiết bị bảo vệ dẫn đến giảm độ tin cậy khi làm việc

- Bảo dưỡng không đầy đủ, chẳng hạn như việc phát tuyến đường dây hay cắt cây vi phạm hàng lang chưa đạt chuẩn Cũng như sự phối hợp không toàn diện giữa bảo dưỡng thiết bị với lịch phát điện trong các chế độ vận hành nặng nề

1.2.2 Các hiện tượng khi kích động xảy ra

- Mất ổn định góc pha hoặc mất đồng bộ: Thường xảy ra khi các MPĐ ở các

bộ phận khác nhau của lưới điện gia tốc ở các tốc độ khác nhau tạo ra tính huống

mà hệ thống có thể bị chia tách

- Mất ổn định điện áp: Khi HTĐ không thể duy trì điện áp để kiểm soát được

cả công suất và điện áp

- Quá tải nhiệt: Thường xảy ra khi có các kích động trên diện rộng do việc khai thác thiết bị ngày càng lớn Những quá tải này có thể gây ra sự cố như các đường dây bị võng xuống chạm vào cây cối hoặc phá hủy thiết bị nếu không có bảo

vệ Nhiều khi hiện tượng quá tải gây ra cắt sớm các thiết bị do các rơle chống ngắn mạch tác động vì các rơle này không cho phép sử dụng toàn bộ khả năng quá tải ngắn hạn của thiết bị

- Chia tách hệ thống do mất ổn định tần số: Khi HTĐ bị chia tách sẽ làm xuất hiện sự mất cân bằng nguồn tải và điều đó khiến tần số lệch khỏi giá trị danh định Trong trường này, nếu máy phát không thể điều chỉnh thì cần phải sa thải phụ tải hoặc nguồn điện Giải pháp nữa là để tái lập công suất phản kháng là sa thải phụ tải bằng sử dụng rơle tần số thấp

1.2.3 Các cơ chế xảy ra sự cố mất điện trên diện rộng

Các cơ chế xảy ra sự cố mất điện trên diện rộng rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thống liên kết Tuy nhiên tất cả các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ đi từ trạng thái vận hành bình thường (có thể rất gần với giới hạn

an ninh/ổn định) đến mất ổn định và cuối cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của HTĐ và được thể hiện trên hình 1-7:

Hình 1- 7: Cơ chế chung sự cố mất điện trên diện rộng (tan rã HTĐ)

- Ban đầu, HTĐ đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi, khá gần với giới hạn ổn định Ví dụ như: mất một số tổ máy/nhà máy điện, một số đường dây tải điện do sự cố hay bảo dưỡng trong khi đó nhu cầu phụ tải lại đang rất lớn hay tăng lên do những điều kiện bất thường của thời tiết Hơn nữa, vùng trung tâm phụ tải lại

ở xa vùng phát, làm tăng tổn thất truyền tải cả công suất tác dụng và phản kháng, hoặc không có đủ công suất dự phòng Những điều kiện bất lợi đó làm cho điện áp

ở một số nút bị giảm thấp

- Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số sự cố cực kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như là mất đường dây, máy phát quan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh N-1 hay N-m (với m ≥ 2) Làm phát sinh các vấn đề ổn định HTĐ như mất ổn định điện áp/tần số/góc pha, làm quá tải các thiết

bị còn lại, điện áp giảm thấp tại một số nút, mất đồng bộ giữa các máy phát điện

Việc mất cân bằng công suất phát/tải làm nảy sinh sự sụp đổ về tần số và gây mất đồng bộ hệ thống

- Việc thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ hệ thống, lỗi vận hành của con người, sự tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng

ẩn trong các hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn

- Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải, hay các máy phát đã đạt đến giới hạn công suất tác dụng/phản kháng, làm cho HTĐ mất khả năng điều khiển điện áp, công suất của các tụ bù bị giảm đi theo bình phương của mức độ giảm điện

áp tại các nút đặt tụ bù Kết quả là điện áp tiếp tục giảm thấp, dẫn đến sụp đổ điện

áp và tan rã hệ thống

- Việc thiếu mô men cản các dao động hay quá trình quá độ dẫn đến các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi HTĐ, làm cho sự mất cân bằng phát/tải tăng lên mạnh hơn nữa, dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác và cuối cùng là làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống

M

Vùng phụ tải Nhà máy điện

Hệ thống truyền tải

Những công việc bất thường

Thiết bị quá cũ

Thiếu sự đào tạo chuyên sâu vận hành

Thiếu biện pháp ngăn chặn

Thảm họa thiên nhiên Phụ tải tăng bất thường

Các hư hỏng tiềm ẩn

Bảo vệ tác động nhầm

Hình 1- 8: Nguyên nhân gây sự cố mất điện trên diện rộng (tan rã HTĐ)

1.3 Các nguyên nhân chính gây ra sự cố mất điện trên diện rộng

Tất cả các sự cố mất điện trên diện rộng trên thế giới đã tìm hiểu ở phần trươc cho thấy Sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều nguyên nhân khác nhau Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách, mất đường dây hay tổ máy phát điện quan trọng Xảy ra liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau Các nguyên nhân cơ bản gây

sự cố mất điện trên diện rộng được tóm lược trên hình 1-8

1.3.1 Quy hoạch và thiết kế

Nguyên nhân đầu tiên bắt đầu từ khâu qui hoạch và thiết kế Ví dụ như việc

dự đoán sai nhu cầu phụ tải dẫn đến sự thiếu hụt năng lượng cung cấp cho phụ tải (sự cố mất điện trên diện rộng tại Ấn Độ ngày 30/7/2012) Một vấn đề quan trọng khác trong giai đoạn này đó là việc tuân theo các tiêu chuẩn an ninh khi thiết kế Vì việc đảm bảo an ninh cho một HTĐ đối với tất cả các sự cố là không thể thực hiện được Trường hợp hay gặp nhất là khi có một hư hỏng bất kỳ xảy ra trong HTĐ - hay còn gọi là tiêu chuẩn N-1 Xác suất xảy ra hai (N-2) hay nhiều thiết bị cùng hư hỏng đồng thời là nhỏ hơn Tuy nhiên để đảm bảo an ninh cho HTĐ, một số HTĐ còn phải đảm bảo tiêu chuẩn N-2 Nhưng một số HTĐ, trong giai đoạn qui hoạch và thiết kế đã không đảm bảo tiêu chuẩn N-1 ( hoặc N-2) đã dẫn đến một số sự cố mất điện trên diện rộng gần đây (sự cố mất điện trên diện rộng tại Thụy Điển - Đan Mạch ngày 23/9/2003) Việc thiết kế và cài đặt các thông số bảo vệ sai cũng là một trong những nguyên nhân của các sự cố mất điện trên diện rộng (sự cố tại Italy ngày 28/9/2003) Việc thay đổi cấu trúc hệ thống, và quan điểm vận hành theo thị trường điện cũng cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng khi qui hoạch và thiết kế

1.3.2 Hệ thống điều khiển và bảo vệ

Sự phát triển cả về quy mô, tính phức tạp của HTĐ và các công nghệ tự động khiến vai trò của hệ thống điều khiển bảo vệ trong HTĐ ngày càng quan trọng và có ảnh hưởng lớn

Hệ thống bảo vệ rơle được thiết kế nhằm phát hiện và loại trừ nhanh sự cố hoặc các chế độ làm việc bất bình thường của HTĐ Hệ thống bảo vệ rơle thường phản ứng khi có các kích động lớn và chúng ngăn chặn sự lan rộng của các kích động Nhiều khi hệ thống bảo vệ tác động ngoài mong muốn do các kích động lớn ở chế độ mang tải ngoài dự kiến/vận hành khẩn cấp, điều đó góp phần gây ra sự cố mất điện trên diện rộng Theo thống kê cho thấy, HTĐ của Bắc Mỹ có tới 70% các kích động lớn nguyên nhân là sự tác động ngoài mong muốn của rơle bảo vệ[27]

Việc thiết kế và cài đặt các thông số bảo vệ sai cũng là một trong những nguyên nhân của các sự cố tan rã HTĐ (Ví dụ như việc cài đặt các thông số bảo vệ khác nhau của hai đầu đường dây liên lạc (nằm ở hai nước khác nhau) trong hệ thống điện châu Âu UCTE dẫn đến sự cố ở các nước châu Âu năm 2006 Hoặc việc cài đặt thông số sai của hệ thống xa thải phụ tải theo tần số là nguyên nhân chính của sự cố tại Italy năm 2003) Chính vì vậy, việc khai thác các kinh nghiệm về thiết

kế, cài đặt và chỉnh định đúng cho bảo vệ rơle, cũng như ứng dụng các kỹ thuật, công nghệ mới hiện đại về hệ thống bảo vệ sẽ làm giảm thiểu kích động, sự cố mất điện trên diện rộng trong tương lai

1.3.2.1 Quan điểm thiết kế hệ thống bảo vệ

Trong một hệ thống điện thì số lượng của các thiết bị bảo vệ có số lượng rất lớn Nhiệm vụ chính của các bảo vệ rơle là cắt các máy cắt tương ứng như: đường dây truyền tải, thanh góp, MBA khi có sự cố hoặc có chế độ bất thường theo đúng chức năng và thiết kế được cài đặt, phân nhiệm vụ rất rõ ràng Để bảo vệ những sự

cố xảy ra trên lưới cao áp người ta thường dùng các rơle phản ứng với tốc độ cao để chống lại các hư hỏng do sự cố có thể gây ra Các rơle này có khả năng tự động thu thập tín hiệu tại hiện trường và được hỗ trợ đầu xa qua các kênh truyền thông Nhằm đảm bảo độ tin cậy ngưới ta thường mắc song song hai thiết bị bảo vệ để làm công tác dự phòng và thường bảo vệ sau tác động muộn hơn và số lượng thiết bị bị tác ra khỏi hệ thống cũng lớn hơn

Việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ cũng có nghĩa là làm tăng nguy

cơ tác động sai của hệ thống bảo vệ Đối với phần lớn các hệ thống bảo vệ hiện hành, cần phải nghiên cứu mức cho phép về tần suất tác động sai nhằm đảm bảo loại trừ một cách tin cậy mọi sự cố với tốc độ cao trên cơ sở hệ thống phải làm việc được ở chế độ (N-1) mất một phần tử Tuy nhiên, hệ thống điện mỗi ngày một thay đổi nên phải thường xuyên thẩm định, kiểm tra lại kỹ thuật bảo vệ truyền thống này nhất là ở chế độ vận hành nặng nề của hệ thống

1.3.2.2 Tác động ngoài mong muốn của hệ thống bảo vệ

Sự tác động sai của rơle có thể gây ra các kích động lớn trong hệ thống Việc

bố trị bảo vệ không hợp lý cũng có thể gây ra các kích động trong hệ thống bởi thời gian loại trừ sự cố lớn của các bảo vệ dự phòng từ xa

Hệ thống bảo vệ giữ vai trò quyết định trong các sự cố mất điện trên diện rộng Bảo vệ thường được thiết kế để phát hiện các dạng sự cố cụ thể trê các thiết bị

và thực hiện cách ly nhanh chóng các thiết bị, bộ phận bị sự cố Sự cố mất điện trên diện rộng có thể là hậu quả của các hạn chế của hệ thống bảo vệ rơle như:

- Không tác động khi xuất hiện sự cố thực tế;

- Không tác động nhanh như trong thời gian tác động yêu cầu của thiết kế;

- Cung cấp sai lệnh cắt chọn lọc tới các máy cắt cụ thể của hệ thống, nghĩa là cắt không chọn lọc;

- Tác động sai trong trường hợp sự cố không xuất hiện

1.3.2.3 Một số sự cố tiềm ẩn trong rơle bảo vệ

Những hư hỏng/lỗi tiểm ẩn của rơle có tác động rất lớn đến xác suất cắt sai

và lan rộng một kích động “bình thường” thành sự cố mất điện trên diện rộng Các

sự cố tiềm ẩn sẽ làm cho rơle hoặc hệ thống rơle cắt sai và không phù hợp các phần

tử của hệ thống Một số ví dụ về sự cố tiềm ẩn trong rơle bảo vệ như:

- Một tiếp điểm rơle không đúng là thường mở hoặc thường đóng, trái với trạng thái biến đổi từ kết quả của hành vi logic

- Một rơle bộ thu trong phương thức mang tín hiệu khóa mà ở trạng thái thường đóng sẽ gây ra việc cắt sai đối với sự cố ngoài

- Việc cắt thêm ngoài ý muốn thực sự sẽ là vấn đề phức tạp khi hệ thống đang chịu sức ép lớn do quá tải nghiêm trọng lưới truyền tải, cấu trúc hệ thống không đảm bảo, các vấn đề về điện áp, hoặc độ dự trữ nguồn điện suy giảm

- Các vùng dễ bị xâm phạm làm rơle tác động sai khi có sự cố xảy ra

Sự tồn tại các sự cố tiềm ẩn không phải lúc nào cũng gây sự tác động sai và ngoài mong muốn góp phần gây suy biến kích động Cũng có bộ phận bao gồm một vùng tự nhiên trên hệ thống sao cho một rơle biết trước với một sự cố tiềm ẩn sẽ không tác động đúng đối với sự cố trong vùng đó Sự tổng hợp giữa sự cố tiềm ẩn

và một sự cố trong vùng yếu sẽ dẫn đến mở rộng quy mô mất điện của khu vực Một phương thức bảo vệ khoảng cách với 2 vùng cài đặt như ở trên hình 1-9: Vùng

1 (Z1) tác động tức thời đối với các sự cố trong phạm vi cài đặt, còn vùng 2 (Z2) sẽ tác động sau một thời gian trễ định trước Giả thiết, tiếp điểm bộ đếm thời gian không đúng là thường đóng thì sự cố tại F1 ở vùng 2 sẽ làm cắt không thời gian trễ (cắt không đúng) Tuy nhiên, sự cố tại F2 không được bảo vệ vùng 2 nhìn thấy nên

dù có các sự cố tiềm ẩn trong bộ đếm thời gian nhưng việc cắt không xảy ra Vì vậy,

sẽ có vùng yếu đối với các sự cố tiền ẩn có thể gây cắt không đúng và ngoài mong muốn, nhưng ngoài phạm vi đó thì chúng sẽ không có ảnh hưởng

Hình 1- 9: Vùng nguy cơ

Cần tiến hành phân tích sự cố tiềm ẩn và các vùng yếu có thể ảnh hưởng cho

hệ thống điện, cùng với đó là thiết kế và thực hiện các giải pháp phòng chống hiện tượng dây chuyền ngoài kiểm soát

1.3.2.4 Các loại bảo vệ nhiều khả năng gây ra sự cố mất điện trên diện rộng

Sự không thể thiếu những thiết bị bảo vệ trên HTĐ để đảm bảo cho việc đảm bảo chất lượng, ổn định cung cấp và truyền tải điện năng Có một số loại bảo vệ nhiều khả năng sẽ tác động khi xảy ra các kích động là:

- Vùng 1 của bảo vệ khoảng cách;

- Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh có hướng và vô hướng;

- Rơle điện áp thấp, điện áp cao và tần số thấp;

1.3.3 Vận hành hệ thống điện

Trong môi trường thị trường điện, có nhiều các hệ thống điện con systems) cùng vận hành và điều khiển hệ thống truyền tải xương sống (interconnected transmission system the so-called TSOs) Sự có mặt với tỷ lệ khá lớn của hệ thống điện phân tán cũng làm cho HTĐ ngày càng trở lên phức tạp khi xem xét trên quan điểm vận hành và quản lý Chính vì vậy mà những người vận hành HTĐ có thể không hiểu hết về HTĐ mình đang quản lý - vận hành, đặc biệt là

(sub-khi có nhiều hợp đồng mua bán điện, dòng chảy công suất - năng lượng liên tục thay đổi, và các sự cố ngẫu nhiên phức tạp có thể xảy ra trong một hệ thống điện lớn Kết quả là thiếu sự phối hợp và hành động chính xác trong việc phòng ngừa, ngăn chặn sự cố giữa các trung tâm điều độ hệ thống điện (sự cố ở lưới điện Thụy

Sỹ - Italy năm 2003) Sự phát triển nhanh của HTĐ về cả quy mô lẫn cấu trúc, thiết

bị đang làm cho công tác quản lý, vận hành và bảo dưỡng càng ngày cảng khó khăn

và phức tạp hơn như:

- Các điều độ viên phải xử lý với nhiều biểu đồ vận hành mới do các ràng buộc và những quy định của thị trường mang lại Bởi sự hình thành thị trường điện

và những thay đổi về việc điều tiết nhằm đạt lợi nhuận của chủ đầu tư mang lại

- Hệ thống thường xuyên bị đẩy đến làm việc gần giới hạn ổn định Điều đó làm tăng nguy cơ sự cố và tính phức tạp trong vận hành

- Các hệ thống điện được kết nối thành các HTĐ hợp nhất có tính chất liên vùng, liên khu vực và liên quốc gia, tính chất và quy trình điều hành chưa có tính thống nhất và nhiều điểm khác biệt Điều này làm quy mô và tính phức tạp, khó lường trong vận hành tăng lên, ví dụ như sự phối hợp xử lý sự cố trong vận hành giữa các cơ quan điều độ của các HTĐ thành phần

- Những biến đổi bất thường về thời tiết và an ninh hệ thống mạng bị đe dọa khi sử dụng các thành tựu công nghệ thông tin vào hệ thống trong những năm gần đây Tạo nền những yếu tố khiến công tác vận hành trở lên khó khăn hơn

- Việc thiếu sự đào tạo thường xuyên, cập nhật cho những người vận hành hệ thống điện và phối hợp đào tạo liên trung tâm điều độ cũng có thể gây ra các sự cố mất điện trên diện rộng

1.3.4 Công tác bảo trì bảo dưỡng

Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị cũng có những nguy cơ tiêm ẩn, đặc biệt

là các công việc bảo dưỡng bất thường không tính toán dựa trên tình trạng hoạt động của hệ thống, sự hư hỏng của các thiết bị điện quá cũ, thiếu những công việc bảo dưỡng định kỳ, thậm chí là việc cắt tỉa cây trên hành lang tuyến (sự cố phóng điện vào cây 02/07/1996 ở Mỹ và 22/05/2013 ở Việt Nam ) Tất cả các yếu tố trên đều có thể gây ra sự cố cho hệ thống điện và tệ hại hơn là có thể gây tan rã hệ thống điện

Ngoài ra con nhiều nguyên nhân khách quan khác, như sự hư hỏng bất thường của thiết bị bảo vệ, hệ thống quản lý năng lượng (Energy System management - ESM), hệ thống đánh giá trạng thái (state estimator-SE) và hệ thống

đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực (real time contingency analysis-RTCA) đã làm cho các kỹ sư vận hành không thể giám sát và đánh giá tình trạng làm việc cũng như việc đưa ra các biện pháp kịp thời Những điều kiện thời tiết bất thường (quá nóng, quá lạnh), hiện tượng thiên nhiên (lở đất) cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng lên bất thường của phụ tải hay hư hỏng thiết bị được xem là những điều kiện bất lợi ban đầu cho HTĐ, là nguyên nhân bắt nguồn các sự cố

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHI XẢY RA SỰ CỐ MẤT ĐIỆN TRÊN DIỆN RỘNG

Để duy trì được sự làm việc bình thường của hệ thống điện cách tốt nhất là nhanh chóng cô lập các phần tử bị sự cố khỏi hệ thống, nhiệm vụ này chỉ có thể được thực hiện tốt nhất bởi các thiết bị tự động bảo vệ, mà thường gọi là rơle Các

bộ phận chính của một hệ thống bảo vệ rơle được thể hiện trên hình 2-1, bao gồm

bộ phận chính:

- Mạch điều khiển;

- Màn hình hiển thị và ghi nhớ sự kiện;

- Rơle đóng cắt;

- Biến dòng điện và điện áp BU, BI;

- Nguồn điện nuôi một chiều DC

Việc tìm hiểu, phân tích và đánh giá hệ thống bảo vệ rơle và tự động hóa, cũng như ảnh hưởng của nó trong các sự cố mất điện trên diện rộng là một việc rất cần thiết đối với các công ty điện lực, nhà nghiên cứu

Hình 2- 1: Các bộ phận chính của hệ thống bảo vệ rơle

2.1 Hệ thống điều khiển và bảo vệ rơle hệ thống điện

2.1.1 Một số quan điểm khi thiết kế rơle bảo vệ hệ thống điện

Nhiều biện pháp ngăn chặn sự cố tan rã hệ thống điện thì một trong những phương pháp có hiệu quả đó là dùng điều khiển bảo vệ và bảo vệ rơle hệ thống Biện pháp này đã được chứng minh có hiệu quả cao để ngăn chặn sụp đổ điện áp, tan rã hệ thống điện Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về phương pháp này, tuy nhiên

đây vẫn là phương pháp được quan tâm đến của nhiều nhà nghiên cứu Các mục tiêu chủ yếu của phương pháp này tập chung vào 4 vấn đề sau:

- Cô lập vùng xảy ra sự cố (tối thiểu hóa lượng tải bị cắt);

tế trong việc thiết kế rơle bảo vệ hệ thống đã được chứng minh với khả năng làm việc rất hiệu quả và có độ tin cậy cao để ngăn chặn sự cố mất điện trên diện rộng Một số quy tắc đã được sử dụng để bảo vệ và giảm thiểu sự cố mất điện trên diện rộng, ví dụ như:

- Việc sử dụng UVLS cho HTĐ Puget Sound (Vùng Pacific Northwest) đã dùng qui tắc sau [31]:

+ 5% lượng phụ tải được cắt ra khi điện áp giảm 10% so với điện áp bình thường trong thời gian 3.5 (s);

+ 5% lượng phụ tải được cắt ra khi điện áp giảm 8% so với điện áp bình thường trong thời gian 5 (s);

+ 5% lượng phụ tải được cắt ra khi điện áp giảm 8% so với điện áp bình thường trong thời gian 8 (s)

- Tốc độ thay đổi của môđun điện áp (TEPCO- Nhật Bản)

- Đặc tính thời gian ngược theo điện áp thấp (South Africa – Nam Phi)

- Giám sát dòng điện trong điều kiện điện áp giảm thấp (Để ngăn chặn quá trình vận hành ở điện áp thấp khi có ngắn mạch) (TVA)

- Biện pháp đo lường trên diện rộng điện áp và công suất phản kháng dự trữ (BC Hydro, and Entergy)

- Giám sát trên diện rộng điện áp và cấu hình hệ thống điện (Saudi Arabia)

- Đo lường trên diện rộng nhiều tiêu chí của trạng thái hệ thống, nguồn công suất tác dụng và phản kháng, hệ thống đường dây liên lạc cùng với rơle tần số thấp (Florida, FALS)

Trên quan điểm điều khiển và giám sát: Hiện nay có hai cơ cấu UVLS đang được áp dụng trên thế giới: đó là cơ cấu phân tán (phi tập trung áp dụng ở công ty Puget Sound) và cơ cấu tập trung (dùng ở Hydro Quebec, New Mexico utilities) Trong cơ cấu phân tán thường có một rơle gắn liền với phụ tải mà có thể bị xa thải Khi điện áp đặt vào rơle giảm xuống đến ngưỡng mà có thể dẫn đến nguy cơ sụp

đổ, hoặc vào vùng nguy hiểm, thì rơle đó sẽ tác động để cắt và cô lập vùng bị sự cố

ra khỏi hệ thống

Cơ cấu đặt rơle điều khiển, bảo vệ sẽ lấy tín hiệu tại một hoặc nhiều thanh cái chính trong khu vực và phát tín hiệu đóng cắt đến các điểm khác nhau trong khu vực giám sát Việc có những kích động trong hệ thống có thể được cảm nhận do việc quan sát sự giảm điện áp, so sánh tần số… trong cả khu vực, cơ sở đo lường của cơ cấu tập trung để đưa ra những hành động chính xác

Để có thể điều khiển, bảo vệ và giảm thiểu sự cố theo dây chuyền trong hệ thống điện thì cần có số lượng rơle bảo vệ là rất lớn Theo một số tài liệu đã thống

kê, số lượng rơle đang hoạt động bảo vệ trên lưới điện của Italia là khoảng 11 triệu

bộ, Mexico là 8 triệu bộ [31] Nhiệm vụ chính của các bộ rơle là cắt các máy cắt tương ứng (tức là máy cắt của các đường dây truyền tải, các thanh góp điện, các MPĐ, các TBA…) khi có sự cố hoặc các chế độ bất thường khác theo đúng chức năng mà hệ thống bảo vệ đã được thiết kế và cài đặt Tất cả các hệ thống bảo vệ thường bao gồm một số rơle bảo vệ với một loạt các điều kiện tác động được quy định rất cụ thể và rõ ràng Hầu hết các lưới điện cao áp đều được trang bị các rơle bảo vệ phản ứng với tốc độ cao (loại trừ sự cố trong vòng 3 chu kỳ tần số công

nghiệp) Ứng dụng chủ yếu của rơle bảo vệ là để chống lại các hư hỏng do sự cố có

thể gây ra Các rơle này tự động sử dụng các tín hiệu đo tại hiện trường và thường được hỗ trợ bằng các dữ liệu đầu xa thông qua các kênh truyền thông Nhằm đảm bảo độ tin cậy, có thể phải sử dụng hai bộ bảo vệ chính song song Ngoài ra hệ thống còn được trang bị các bảo vệ làm nhiệm dự phòng chúng tác động chậm hơn

và số lượng phần tử bị tách khỏi hệ thống cũng lớn hơn

Quan điểm tăng độ tin cậy tác động sẽ dẫn đến làm giảm độ tin cậy không tác động (độ an toàn) của hệ thống bảo vệ Đối với phần lớn các hệ thống bảo vệ hiện hành, cần phải nghiên cứu mức cho phép về tần suất tác động sai nhằm đảm bảo loại trừ một cách tin cậy mọi sự cố với tốc độ cao trên cơ sở hệ thống phải làm

việc được ở chế độ mất một phần tử Khi hệ thống đang có những thay đổi cơ bản chẳng hạn những thay đổi từ việc phí điều tiết và tự do hóa thị trường điện thì cần phải thẩm định lại kỹ thuật bảo vệ truyền thống này nhất là ở các chế độ vận hành nặng nề của hệ thống

2.1.2 Các quy tắc cơ bản khi thiết kế và lựa chọn rơle bảo vệ

Mỗi đường dây truyền tải trang bị hai hệ thống bảo vệ đường dây độc lập có khả năng giải trừ mọi sự cố trong thời gian ngắn nhất thực tiễn cho phép, có chú trọng thích đáng tới độ chọn lọc, độ tin tưởng và độ an ninh Hài hoà giữa tổng thời gian giải trừ của mỗi hệ thống bảo vệ với biên ổn định của mạng điện

- Mỗi hệ thống bảo vệ không gây ra sự hạn chế về mức tải và cũng không chịu

sự tác động của các biến động ổn định của hệ thống

- Mỗi thành phần của hệ thống bảo vệ, kể cả cáp điều khiển và dây nối, phải tách rời nhau về vật lý nhằm giảm thiểu rủi ro cả hai hệ thống, đồng thời mất tác dụng do cháy hoặc sự cố

- Mỗi hệ thống bảo vệ hệ 1 (nguyên lý định hướng xếp chồng) và hệ 2 (nguyên

lý dòng điện so lệch) được bố trí trong tủ riêng và được cấp nguồn từ các cuộn thứ cấp của các máy biến dòng và máy biến điện áp riêng biệt [31]

- Các kênh truyền thông và các thiết bị liên quan của cả hai hệ thống bảo vệ này được tách rời nhau về mặt vật lý để giảm thiểu rủi ro cả hai hệ thống đồng thời mất tác dụng chỉ vì một sự kiện hoặc điều kiện duy nhất

- Nguồn điện xoay chiều phục vụ hai trạm được cung cấp tại mỗi trạm biến áp

có khả năng mang mọi phụ tải quan trọng gắn liền với các hệ thống bảo vệ

- Mỗi hệ thống bảo vệ được cung cấp từ nguồn điện một chiều riêng rẽ và bộ nạp để đảm bảo vận hành tốt trong trường hợp mất một nguồn điện một chiều

- Tất cả các máy cắt dùng trong hệ thống siêu cao áp (EHV) và điện áp cực cao (UHV) đều có hai cuộn cắt, và mỗi hệ thống bảo vệ độc lập đều có thể tác động cắt tới cả hai cuộn cắt của máy cắt

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản đối với rơle bảo vệ

2.1.3.1 Đối với chế độ làm việc bình thường

Đối với các chế độ làm việc bất bình thường như ở chế độ quá tải, dao động điện áp trong hệ thống thì yêu cầu tác động nhanh không được đặt ra vì thông thường các chế độ này chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn Ví dụ khi khởi động

động có công suất lớn có thể làm dao động điện áp, trường hợp này nếu cắt nhanh

sẽ làm phụ tải bị gián đoạn cung cấp điện Thông thường rơle sẽ tác động với một thời gian trễ nhất định Còn 3 yêu cầu tính kinh tế, độ tin cậy và độ nhạy vẫn phải được đảm bảo

2.1.3.2 Đối với chế độ bảo vệ ngắn mạch

Trong HTĐ chế độ ngắn mạch có tần suất xảy ra rất cao, với mức độ rất nguy hiểm Có thể làm quá tải nhiệt phá hủy các thiết bị, nặng hơn là làm xuất hiện các dao động mạnh và có thể dẫn đến sự cố mất điện trên diện rộng

Tác động nhanh

Sự cố cần được loại trừ càng nhanh càng tốt để hạn chế đến mức tối đa thiệt hại và giữ sự ổn định cho các máy phát làm việc song song trong hệ thống điện Thời gian cắt các sự cố bao gồm thời gian tác động của bảo vệ (tbv) và thời gian cắt của máy cắt (tMc) Như vậy yêu cầu tác động nhanh không chỉ phụ thuộc vào tốc độ tác động của bảo vệ mà cả tốc độ của máy cắt Thời gian của các bảo vệ rơle hiện đại khoảng 0,02 đến 0,04 giây

Hình 2- 2: Sơ đồ phân bố các vùng tác động của BVRL

Tính chọn lọc

Tính chọn lọc (selectivity) là khả năng chỉ cắt các phần tử bị sự cố và giữ nguyên vẹn cung cấp điện cho các phần tử khác Yêu cầu tác động chọn lọc có ý nghĩa quan trọng đối với việc bảo toàn cung cấp điện cho các hộ dùng điện Ví dụ khi có ngắn mạch xảy ra tại điểm N1 (hình 2-2), dòng ngắn mạch Ik chạy qua cả 3 bảo vệ 1, 2 và 3; cả 3 máy cắt đều có thể tác động, nhưng tính chọn lọc của bảo vệ chỉ cho phép bảo vệ một tác động, do đó các hộ tiêu dùng ở lộ 1 sẽ bị mất điện Trong trường hợp máy cắt 1 từ chối tác động thì máy cắt 2 sẽ hoạt động cắt mạch, như vậy bảo vệ 2 làm nhiệm vụ dự phòng cho bảo vệ 1 Trong nhiều trường hợp yêu cầu tác động nhanh và yêu cầu chọn lọc mâu thuẫn nhau Để đảm bảo được tính chọn lọc cần phải có sự tác động trễ của bảo vệ rơle, ví dụ như hình 2-2 bảo vệ