Định vị sự cố trên đường dây rẽ nhánh dựa trên số liệu đo lường đồng bộ tại hai đầu đường dây

17 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía .... Xuất phát từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu ph

-

Trần Quang Trung

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY RẼ NHÁNH DỰA TRÊN

SỐ LIỆU ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ TẠI HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN XUÂN TÙNG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 9

1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện 9

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải 10

1.2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía 10

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía 11

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố đối với đường dây có rẽ nhánh 13

1.2.4 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền 14

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA 16

2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía 16

2.1.1 Nguyên lý làm việc 16

Các mạch vòng tính toán tổng trở 17

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía 20

2.2.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố 20

2.2.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố 23

2.2.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song 24

2.2.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện 25

2.3 Tổng kết các ưu, nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía 26

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY VỚI ĐƯỜNG DÂY CÓ RẼ NHÁNH 28 3.1 Nguyên lý định vị sự cố bằng tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây 28

3.2 Phương pháp định vị sự cố đối với đường dây có rẽ nhánh dựa theo tín hiệu đo

lường từ các phía 30

3.2.1 Đặt vấn đề và nội dung nghiên cứu 30

3.2.2 Nguyên lý xác định nhánh đường dây bị sự cố và vị trí điểm sự cố 31

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 37

4.1 Công cụ sử dụng và thuật toán định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh 37

4.1.1 Công cụ sử dụng 37

4.1.2 Sơ đồ khối của thuật toán tính toán 39

4.2 Thông số của sơ đồ mô phỏng 42

4.3 Kịch bản mô phỏng và tính toán 45

4.3.1 Kết quả mô phỏng và tính toán 46

4.3.2 Nhận xét, đánh giá kết quả tính toán thu được 53

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 54

5.1 Kết luận 54

5.2 Phương hướng nghiên cứu trong tương lai 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố trong trường hợp sử dụng mô hình thông số tập rải 57

Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố trong trường hợp sử dụng mô hình thông số tập trung 62

LỜI CAM ĐOAN

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

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

Tác giả

Trần Quang Trung

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DFRs (Digital Fault Recorders): Thiết bị ghi sự cố

Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận dữ liệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 11

Hình 2 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố 12

Hình 3 Sơ đồ đường dây có rẽ nhánh 13

Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây 15

Hình 5 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách 16

Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ 16

Hình 7 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha 18

Hình 8 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất 19

Hình 9 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất 19

Hình 10 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp 22

Hình 11 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được 23

Hình 12 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song 24

Hình 13 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện 25

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 28

Hình 15 Sơ đồ thay thế của đường dây hai nguồn cấp khi sự cố 28

Hình 16 Sơ đồ hệ thống đề xuất nghiên cứu trong luận văn 30

Hình 17 Nội dung nghiên cứu đề xuất 31

Hình 18 Đường dây rẽ nhánh với sự cố trên một nhánh 31

Hình 19 Điện áp điểm T tính theo từ một trong các phía tới ở chế độ bình thường 32

Hình 20 Điện áp điểm T tính theo từ một trong các phía tới ở chế độ sự cố trên nhánh AT 33

Hình 21 Sơ đồ của đường dây rẽ nhánh sau khi xác định được nhánh A-T 35

Hình 23 Giao diện chính của Matlab 39

Hình 24 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh 39

Hình 25 Lưu đồ thuật toán tính toán 41

Hình 26 Sơ đồ mô phỏng đường dây có rẽ nhánh trong PSCAD 42

Hình 27 Sơ đồ nhánh A-T bị sự cố 49

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng 17

Bảng 2 Thông số các dòng điện và điện áp 3 pha của hệ thống A ,B,C tong lúc sự cố 46

Bảng 3 Thành phần TTT của dòng điện và điện áp của hệ thống A,B,C 47

Bảng 4 Các thông số dặc trưng của mô hình thông số rải 48

Bảng 5 Thành phần TTT của dòng điện và điện áp khi sự cố 2 phía A,T 50

Bảng 6 Dòng điện và điện áp ba pha trong khi sự cố của hệ thống A 52

Bảng 7 tổng hợp kết quả tính toán 53

MỞ ĐẦU

Hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hội Viêt Nam, ngành điện Việt Nam cũng có những bước phát triển to lớn Từ những năm 80 của thế kỷ trước trở về lưới điện của chúng ta đang mới chỉ vận hành ở chế độ độc lập, các cấp điện áp mới chỉ

110 kV, 220 kV thì đến những năm 1995, 1996 chúng ta đã có 2 mạch đường dây truyền tải điện 500 kV Bắc Nam, là trục xương sống của lưới điện Việt Nam, góp phần duy trì an ninh lưới điện của cả nước cũng như sự hỗ trợ cấp điện cho 2 miền Nam Bắc.Theo lộ trình thị trường điện và sự phát triển của cả nước ngành điện Việt Nam ngày càng phải đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho các khách hàng Một trong các chi tiêu quan trọng của độ tin cậy cung cấp điện là chỉ số SAIDI ( thời giam mất điện trung bình của khách hàng ) là thời gian mất điện trung bình của khách hàng

Lưới điện truyền tải nói chung và lưới điện 220 kV nói riêng thường có chiều dài lớn, đi qua các vùng có địa hình hiểm trở khó khăn, cấp điện cho các phụ tải chủ yếu trên lưới điện Việt Nam Mỗi khi có sự cố công việc tìm sự cố rất khó khăn, các phương pháp tìm sự cố ở Việt Nam chủ yếu là sử dụng rơle khoảng cách Tuy nhiên các rơle khoảng cách hiện nay đang sử dụng trên lưới điện Việt Nam (Ví dụ như 7SA51,7SA52 của hãng Siemens; REL521,REL670 của ABB; P441,P442 của AREVA; SEL321,SEL421 của hãng SEL; ) hoạt động dựa trên tín hiệu đo lường chỉ tại một đầu, do đó kết quả định vị điểm sự cố thường bị sai lệch do bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố Trong nhiều trường hợp sai số có thể lên tới hàng chục

km và điều này sẽ gây khó khăn cho các công tác khắc phục sau sự cố.Chính vì thế

nó ảnh hưởng rất nhiều đến thời gian xử lý sự cố và cung cấp điện trở lại, gây ảnh hưởng rất lớn đến độ tin cậy cung cấp điện, cụ thể là chỉ số SAIDI

Xuất phát từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp định vị điểm sự cố dựa trên tín hiệu đo lường thu thập được từ các đầu đường dây có nhánh

rẽ (là các bản ghi sự cố trong rơle trang bị tại ba đầu) Phương pháp này thể hiện có nhiều ưu việt hơn hẳn so với phương pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía

Để kiểm chứng lý luận của đề tài, tác giả đã thực hiện tính toán theo 2 trường hợp thông số rải và thông số tập trung để kiểm chứng và so sánh

Kết quả nghiên cứu được mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đường dây 220kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh các tính đúng đắn của thuật toán được đề xuất

Kết quả nghiên cứu được mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đường dây 220kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh các tính đúng đắn của thuật toán được đề xuất

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương

 Chương 1: Giới thiệu chung về vai trò quan trọng của việc cần nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố, đặc biệt đối với lưới điện truyền tải Mô tả sơ lược về ưu, nhược điểm của các các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải

 Chương 2: Giới thiệu nguyên lý định vị điểm sự dựa theo tín hiệu dòng điện

và điện áp đo lường được tại một phía (nguyên lý được áp dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này và sự cần thiết phải có phương pháp định vị sự cố chính xác hơn

 Chương 3: Giới thiệu nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây Các ưu, nhược điểm của phương pháp này Giới thiệu nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ các phía của đường dây

rẽ nhánh Chương này nghiên cứu áp dụng với mô hình thay thế của đường dây là mô hình thông số rải

 Chương 4: Mô phỏng áp dụng nguyên lý định vị sự cố với đường dây rẽ nhánh 220kV Phần mô hình đường dây và mô phỏng sự cố được thực hiện bằng phần mềm PSCAD, các tính toán xử lý tín hiệu sau đó được thực hiện bằng MATLAB Kết quả mô phỏng cũng được so sánh với trường hợp chỉ sử dụng tín hiệu từ một phía, sử dụng tín hiệu 2 phía dùng thông số tập trung để làm rõ ưu điểm của thuật toán

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

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện

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

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

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

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

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

Hiện nay các đường dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thường được trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đường dây [2] Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách báo vị trí với một mức sai số tương đối lớn (có thể tới hàng chục km) Điều này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố được sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa vào tín hiệu đo lường tại chỗ, do đó chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài Các rơle so lệch dọc hiện đại đã được tích hợp thêm chức năng định vị điểm

sự cố và có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, điều này là hoàn toàn thực

tế vì các rơle loại này thường có thể sử dụng nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai và ba đầu đường dây Nhưng hầu hết trong các tài liệu rơle này đều không đề cập đến thuật toán và phương pháp xác định điểm sự cố

Xuất phát từ thực tế đó, cần có các nghiên cứu làm rõ ưu điểm và thuật toán được sử dụng trong việc định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai và ba đầu đường dây

Một điểm rất thuận lợi cho việc đề xuất thuật toán xác định điểm sự cố theo tín hiệu ba đầu là các rơle kỹ thuật số hiện nay đều có chức năng ghi và lưu trữ các bản ghi sự cố, hoặc thậm chí rất nhiều trạm đã được trang bị các bộ ghi sự cố chuyên dụng Đây chính là các cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ cho công tác xử lý tín hiệu sau sự cố, giúp không chỉ nâng cao độ chính xác định vị mà còn hỗ trợ các

kỹ sư trong công tác phân tích sự cố

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

Có nhiều phương pháp định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây, sơ lược có thể thấy có các phương pháp định vị sau đây [7]:

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

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

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

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

1.2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía

Phương pháp này chính là thuật toán được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách thông dụng Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo được [3, 7] Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle

sẽ tác động và ngược lại Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định dựa theo tỷ

số của điện kháng đo được và điện kháng của một đơn vị chiều dài đường dây:

Ưu và nhược điểm của phương pháp này:

- Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lường được thu thập tại chỗ, không yêu cầu truyền tín hiệu từ đầu đối diện

- Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập được của các rơle tại các đầu

- Sai số trong phạm vi chấp nhận được đối với sự cố pha - pha (theo thực tế vận hành)

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

- Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây

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

đo được tại vị trí đặt rơle)

- Ảnh hưởng của hỗ cảm do các đường dây chạy song song gây ra

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

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

Phương pháp này sử dụng tín hiệu đo lường từ hai đầu của đường dây tải điện [1, 4, 5, 6 , 7, 9] Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải được đồng bộ về mặt thời gian

Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu hai đầu: Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây AB như trong Hình 1.2-1

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như trên Hình 2

Hình 2 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố Dòng điện và điện áp {I A & I B }, {U A & U B} đo tại hai trạm được đồng bộ về mặt thời gian

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

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB

Trừ hai phương trình cho nhau:

Để tránh trường hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần dòng điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch (tính toán dựa trên thành phần thứ tự nghịch chỉ áp dụng được với các sự cố không đối xứng)

Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây có ưu điểm hơn so với chỉ dùng tín hiệu từ một đầu:

o Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn

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

o Trong thực tế còn nhiều biến thể của phương pháp này, tùy theo tín hiệu đo lường có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đường dây hay không…

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố đối với đường dây có rẽ nhánh

Sơ đồ đường dây rẽ nhánh có 3 được trình bày trong Hình 3 Sự cố có thể xuất hiện tại bất kỳ điểm nào trên đường dây AT, BT hoặc CT Khoảng cách tính từ

các đầu A, B , C tới điểm sự cố giả thiết là d A , d B , d C

Hệ thống B

Hệ thống A

Hệ thống C

A

C

B

T FA

Hình 3 Sơ đồ đường dây có rẽ nhánh

Ở chế độ vận hành bình thường, điện áp tại điểm rẽ nhánh T khi tính từ ba phía A, B, C tới có giá trị giống nhau vì đây chỉ là một điểm nút Tuy nhiên ở chế

độ sự cố thì điện áp điểm T nếu tính từ A có thể khác với điện áp điểm T nếu tính từ

B hoặc C tùy theo sự cố ở trên nhánh Ví dụ điện áp điểm T nếu tính từ đầu B, C có giá trị gần giống nhau khi sự cố, giá trị điện áp tính từ A khác biệt hoàn toàn thì có thể kết luận điểm sự cố nằm trên đoạn AT [7]

Dựa trên phân tích trên có thể thấy rằng, khi đã xác định được nhánh bị sự cố thì hoàn toàn có thể chuyển về bài toán định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía như đã trình bày ở trên (với ví dụ đã nêu, bài toán sẽ chuyển thành định vị sự

cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía của đoạn đường dây AT, với điện áp nút

T được tính theo điện áp từ một trong hai đầu B hoặc C)

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

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

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

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

Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trên Hình 4 Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) hoàn toàn có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:

*2

l c t

x  trong đó:

x: khoảng cách đến điểm sự cố

l: tổng chiều dài đường dây

c: vận tốc ánh sáng (299.792m/s)

Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Đặc điểm của phương pháp này:

- Phải có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao, chỉ một sự sai lệch rất nhỏ về thời gian có thể dẫn tới sai số lớn về khoảng cách tính được

- Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao để có thể ghi nhận các tín hiệu xung phản xạ

- Phần mềm phải có khả năng đồng bộ hóa tín hiệu, lọc nhiễu và trích xuất tín hiệu mong muốn Đặc biệt với các sự cố gây ra do sét có thể gây các nhiễu điện từ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN

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

Hình 5 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách

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

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

độ vận hành bình thường điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động (Hình 6)

Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ

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

để tránh các nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính các của định vị Giá trị khoảng cách tính toán được là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán dựa theo số mẫu thu thập được

Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố Hồ quang có tính chất điện trở, nếu sử dụng giá trị tổng trở để tính khoảng cách thì giá trị tổng trở này bị ảnh hưởng bởi điện trở hồ quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán được

Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng

B – C B – C

A-B hoặc B-C hoặc C-A

 Vòng lặp cho trường hợp sự cố pha – pha

Vòng lặp tính toán tổng trở cho trường hợp sự cố pha – pha được tính theo công thức:

2

1

f phaY

phaX

phaY phaX

pha pha

pha pha pha

pha

R Z I

I

U U

f N phaX

phaX E

N phaX

phaX E

pha

K

R Z I K I

U Z

Hình 8 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất

Nhưng khác với các sự cố khác với trường hợp này phải bù hệ số KN

 Vòng lặp cho trường hợp sự cố 3 pha – đất

Hình 9 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất

Theo như sơ đồ thay thế ở trên thì công thức để tính tổng trở sự cố đối với trường hợp này có thể được viết như sau:

N

Z Z I

U

0

0 0

3

1 3

Và 3

1

0 Z Z

Trong đó U0 là điện áp thứ tự không và I0 là dòng điện thứ tự không Theo công thức [2.4] và Hình 9 thì có thể viết lại công thức như sau:

N f N N phaX N

f N N phaX

Z

Z I

Z I R I Z I

N N

phaX f

N N phaX

N f N N phaX E

pha

K I

I

R Z

I K I

I R I Z

Z I

Z Z

[2.8]

1

1 0

Z Z Z

- Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố

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

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

ra

- Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

2.2.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố

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

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

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

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

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

I f - Giá trị dòng sự cố (A)

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

t arc : Thời gian hồ quang

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

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

Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố đến tổng trở đo được

Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp nhưHình 10

Hình 10 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp

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

U A – dZ L I A - R F I F = 0 [2.12]

Trong đó:

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

Z L : tổng trở của đường dây AB

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

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

đường dây trong lúc sự cố Để đơn giản giả thiết # 1 B

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

F

R thể hiện như một tổng trở bao gồm thành phần điện trở và điện kháng hoặc thành phần điện trở và điện

dung (tùy theo dòng I B là sớm pha hơn hay chậm pha hơn so với I A trong công thức [2.15] Thành phần #

F

R khi đó sẽ ảnh hưởng cả tới giá trị điện kháng trong tổng trở

mà rơle đo được, và do đó khoảng cách tính toán được sẽ bị sai khác so với thực tế Hình 11 thể hiện chi tiết quan hệ này

Hình 11 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được

Trong đó: a Điện trở tại điểm sự cố thể hiện thuần trở

b Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện dung

c Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện kháng

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

Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố, một cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây

trong chế độ vận hành bình thường Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế

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

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

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

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

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

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

Hình 12 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song

V01 = Z01I01 + Z0MI02 [2.16]

Trong đó:

V 01 : điện áp TTK của bảo vệ trên đường dây bị sự cố

Z 01 : tổng trở TTK của đường dây bị sự cố

Z 0M : tổng trở tương hỗ TTK giữa hai đường dây

I 01 , I 02 : dòng điện TTK chạy trên đường dây bị sự cố và đường dây lân cận

Thông thường sự ảnh hưởng tổng trở tương hỗ của các thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch là rất ít chiếm khoảng từ 5% đến 7% và có thể bỏ qua Trong khi đó ảnh hưởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hưởng rất lớn và chiếm khoảng 50% đến 70% Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tương hỗ TTK của một đường dây có thể là:

0127 , 1 1101 ,

5323 , 0 06874 , 0

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

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

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

2.2.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

Xét sự ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến tính chính xác của rơ le bảo vệ khoảng cách được minh họa dưới Hình 13 như sau:

Hình 13 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện a: K i >1; Z R >Z thực tế ; b: K i <1; Z R <Z thực tế

Xét hai trường hợp tiêu biểu như trên Hình 13 ta thấy tổng trở của rơ le bảo

vệ khoảng cách đặt ở đầu A của đường dây AB đo được khi ngắn mạch xảy ra ở điểm N trên đường dây BD tiếp theo bằng (giả thiết tỷ số biến đổi của biến dòng điện và biến điện áp ki = ku = 1)

AB

BN i I

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

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

BN AB

Đối với sơ đồ Hình 13 (a) một nguồn điện nối vào thanh cái B đã làm cho

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

tế ZAN

Đối với sơ đồ Hình 13 (b) sự xuất hiện của đường dây vận hành song song với đường dây bị sự cố làm rẽ mạch dòng điện từ nguồn điện đến chỗ ngắn mạch (IBN = IAB - IBD) nên hệ số phân bố dòng điện Ki < 1 nghĩa là rơ le sẽ đo được giá trị nhỏ hơn giá trị tổng trở thực tế ZAN

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

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

Ưu và nhược điểm của phương pháp này:

 Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lường được thu thập tại chỗ, không yêu cầu truyền tín hiệu từ đầu đối diện

 Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập được của các rơle tại hai đầu

 Sai số trong phạm vi chấp nhận được đối với sự cố pha-pha (theo thực tế vận hành)

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

- Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây

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

đo được tại vị trí đặt rơle)

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

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

Như vậy với phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu từ một phía thì độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và rất khó để xác định được chính xác để khắc phục các yếu tố đó, do đó độ chính xác của phương pháp cũng sẽ bị ảnh hưởng theo Từ các nhận định đó, cần có một phương pháp ít phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài mà khó có khả năng khắc phục và độ chính xác của định vị điểm sự cố được cải thiện và đáng tin cậy Để khắc phục hoàn toàn các nhược điểm mà phương pháp định vị điểm sự cố dựa theo thông tin từ một phía thì phương pháp định vị điểm sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây

có khả năng khắc phục được một phần các nhược điểm trên

Chương tiếp theo sẽ trình bày chi tiết nguyên lý làm việc của phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây, đồng thời sẽ nêu ra các vấn đề cần giải quyết khi sử dụng phương pháp này cho các đường dây có rẽ nhánh

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU

ĐO LƯỜNG TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY VỚI ĐƯỜNG DÂY CÓ RẼ

NHÁNH 3.1 Nguyên lý định vị sự cố bằng tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây đã được trình bày sơ lược tại mục 1.2.2 Nguyên lý này dựa trên giả thiết là các tín hiệu từ hai đầu đường dây được đồng bộ về mặt thời gian

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu hai đầu:

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

AB như trong Hình 14

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

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như trên Hình 15

Hình 15 Sơ đồ thay thế của đường dây hai nguồn cấp khi sự cố

Dòng điện và điện áp {I A & I B }, {U A & U B} đo tại hai trạm được đồng bộ về mặt thời gian

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

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB

Trừ hai phương trình cho nhau:

Để tránh trường hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần dòng điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch (tính toán dựa trên thành phần thứ tự nghịch chỉ áp dụng được với các sự cố không đối xứng)

Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây có ưu điểm hơn so với chỉ dùng tín hiệu từ một đầu:

- Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn

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

- Trong thực tế còn nhiều biến thể của phương pháp này, tùy theo tín hiệu đo lường có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đường dây hay không…

3.2 Phương pháp định vị sự cố đối với đường dây có rẽ nhánh dựa theo tín hiệu đo lường từ các phía

Đường dây truyền tải điện thường ít có các nhánh rẽ, tuy nhiên vẫn tồn tại một số đường có rẽ nhánh vào các phụ tải lớn như nhà máy xi măng, luyện thép hoặc do có các nhà máy điện mới (ví dụ các nhà máy thủy điện nhỏ) xây dựng đấu nối vào tuyến đường dây đã có

Các thuật toán tính toán định vị sự cố đã được giới thiệu trong nhiều tài liệu tham khảo, các thuật toán này có thể dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía hoặc hai phía Trong luận văn này, nội dung nghiên cứu sẽ đi sâu mở rộng áp dụng nguyên lý định vị sự cố cho đường dây có rẽ nhánh, tín hiệu được sử dụng là tín hiệu đo từ các

phía với giả thiết các tín hiệu đo này đều được đồng bộ về mặt thời gian

Để làm phong phú thêm nội dung nghiên cứu, luận văn sẽ tính toán áp dụng với hai loại mô hình thay thế của đường dây là mô hình thay thế thông số rải và mô hình thay thế thông số tập trung Kết quả tính toán từ hai mô hình này sẽ được so sánh để đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc lựa chọn mô hình đến tính chính xác trong định vị sự cố

Hệ thống B

Hệ thống

A

Hệ thống C C

B T

BU BI

Rơle

BU BI

Rơle

BU BI

Rơle A

Hình 16 Sơ đồ hệ thống đề xuất nghiên cứu trong luận văn

Nội dung nghiên cứu đề xuất được thể hiện trên lược đồ sau đây