Nghiên cứu đánh giá chức năng phát hiện dao động công suất của rơle bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số

Hệ thống điện càng phức tạp, hiện tượng dao động điện và việc nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách càng phức tạp.. - Kết quả

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

NGUYỄN MINH HIẾU

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA

RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

Phản biện 1: PGS.TS ĐINH THÀNH VIỆT

Phản biện 2: TS LÊ CAO QUYỀN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường

Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 10 năm 2017

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

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

và việc nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách càng phức tạp

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

Bên cạnh đó, do dao động công suất là hiện tượng diễn ra rất phức tạp, cho nên việc mô phỏng và thử nghiệm chức năng này cũng

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

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

làm công việc liên quan tới rơle bảo vệ Qua đó giúp họ cài đặt thông

số và thử nghiệm chính xác Đây cũng là vấn đề được các kỹ sư và chuyên gia làm công tác thí nghiệm đặc biệt quan tâm

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

- Kết quả nghiên cứu được sẽ giúp những kỹ sư làm công tác thí nghiệm hiểu sâu hơn về hiện tượng dao động công suất, để từ đó

có sự chỉnh định, cài đặt chính xác, khi thí nghiệm chức năng dao động công suất trong rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số Thêm vào đó, việc áp dụng thực tế mô phỏng sự hiện tượng dao động công suất xảy ra trên đường dây 110kV thuộc Công ty Điện lực Khánh Hòa quản lý, để từ đó kiến nghị các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của

dao động công suất đến hoạt động của hệ thống bảo vệ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là chức năng phát hiện dao động công

suất của rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số

Phạm vi nghiên cứu

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

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu nguyên lý làm việc của rơ le bảo vệ khoảng cách, đặc biệt là chức năng phát

hiện và khóa bảo vệ khi xảy ra dao động công suất

- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng lý thuyết nghiên cứu và các phép mô phỏng bằng thiết bị thử nghiệm kỹ thuật số K1066 của hãng KINGSINE trên RLBV khoảng cách kỹ thuật số 7SA522 hãng

Siemens

5 Đặt tên đề tài

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

“ Nghiên cứu đánh giá chức năng phát hiện dao động công

suất của rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số.”

6 Cấu trúc luận văn

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

Chương 1: Nguyên nhân gây dao động công suất và đặc điểm Chương 2: Phân tích rơ le bảo vệ khoảng cách có chức năng

khóa dao động công suất

Chương 3: Mô phỏng DĐCS trên rơ le 7SA522, áp dụng cho

đường dây 110kV thuộc Điện lực Khánh Hòa quản lý

CHƯƠNG 1 NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

VÀ ĐẶC ĐIỂM 1.1 GIỚI THIỆU

1.2 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

Dao động công suất, là quá trình diễn ra sau khi hệ thống điện

có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc lưới điện như: đóng, cắt một nhà máy công suất lớn, cắt một đường dây đầy tải,…trong một số điều kiện nhất định, dao động công suất cũng xuất hiện khi hệ thống làm việc nặng tải hoặc khi các tham số điều khiển của hệ thống kích từ không được chỉnh định hợp lý Điều này gây ra biến động mạnh các thông số trên đường dây, sự biến động này có đặc trưng giống như hiện tượng ngắn mạch đối xứng 3 pha Khi đó, dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống, điều này có thể làm cho các bảo vệ hiểu sai và tác động nhầm, dẫn tới sự cố càng trầm trọng hơn [8]

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN KHI XẢY RA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

1.4 PHÂN BIỆT GIỮA SỰ CỐ NGẮN MẠCH VÀ HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

Theo nguyên lý của bảo vệ khoảng cách được mô tả trong hình 1.2 Để phát hiện sự cố trên đường dây tải điện Rơ le khoảng cách F21 đặt ở đầu đường dây nhận hai tín hiệu đầu vào là dòng điện chạy trên đường dây và điện áp tại vị trí đặt rơ le Rơ le khoảng cách F21 được khởi động theo tín hiệu dòng điện và bị hãm bởi tín hiệu điện

áp và nó chỉ tác động khi tỉ số giữa điện áp và dòng điện đầu vào nhỏ hơn một giá trị chỉnh định trước (phụ thuộc vào góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đầu vào) gọi là tổng trở khởi động của rơ le ZR Tổng trở rơ le đo được trong chế độ làm việc bình thường bằng

thương số của điện áp tại vị trí đặt rơ le với dòng điện phụ tải:

T

A TI

U



 (1.10)

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

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

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

Trong chế độ bình thường, dòng điện phụ tải nhỏ nên tổng trở

rơ le đo được theo biểu thức (1.10) có giá trị tương đối lớn và góc pha tương đối nhỏ (do thành phần tác dụng lớn hơn thành phần phản kháng) Tuy nhiên, dòng điện phụ tải luôn thay đổi trong quá trình vận hành, vì vậy giá trị tổng trở rơ le đo được cũng luôn thay đổi Khi xảy ra chế độ bất thường trong hệ thống, ví dụ như ngắn mạch tại điểm N gần khu vực bảo vệ trên đường dây AB, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ có giá trị giảm đột ngột bằng ZSC, có thể di chuyển vào vùng tác động của bảo vệ (đặt tính mho, đặt tính tứ giác) như hình 1.3 Lúc này, dòng ngắn mạch tăng lên rất cao, điện áp giảm và góc pha tăng lên bằng góc pha của đường dây, biểu đồ dạng sóng được thể hiện trong hình 1.5

Trong trường hợp xảy ra DĐCS các thông số dòng điện và điện áp biến thiên được thể hiện như hình 1.6 và gần giống với hiện tượng ngắn mạch Tuy nhiên, lúc này giá trị tổng trở đo được của rơ

le biến thiên từ giá trị ZT (tổng trở tải) di chuyển vào trong vùng tác động của bảo vệ được mô tả như hình 1.4 Khi đó, bảo vệ khoảng cách có thể hiểu sai và tác động nhầm gây mất chọn lọc Các nhà chế tạo rơ le đã áp dụng các thuật toán dựa trên tốc độ biến thiên tổng trở

để phân biệt sự cố ngắn mạch (tổng trở thay đổi rất nhanh gần như

tức thì) và DĐCS (tổng trở thay đổi chậm) [8]

1.5 KẾT LUẬN

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

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

có hiện tượng DĐCS xảy ra

Để hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy và chọn lọc khi có hiện tượng dao động công suất, thì việc nghiên cứu sâu ảnh hưởng của hiện tượng này tới hệ thống bảo vệ là cần thiết Trong đó, đặc biệt là ảnh hưởng tới bảo vệ khoảng cách, cần được quan tâm nghiên cứu cụ thể hơn Nội dung này sẽ được trình bày chi tiết trong chương hai tiếp theo

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

CÓ CHỨC NĂNG KHÓA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

2.1 GIỚI THIỆU

Vào những năm đầu thế kỷ XX, bảo vệ khoảng cách dựa trên nguyên lý đo lường tổng trở được xem như là một bảo vệ hoàn hảo nhất để bảo vệ các đường dây tải điện Trải qua gần một thế kỷ, các rơ

le khoảng cách được nghiên cứu rất rộng rãi và không ngừng cải tiến

từ thế hệ rơ le điện cơ, rơ le tĩnh và ngày nay là rơ le kỹ thuật số được chế tạo theo dạng hợp bộ với tính năng rất đa dạng so với trước đây

2.2 CÁC ĐẶC TUYẾN KHỞI ĐỘNG

2.3 CÁC VÙNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

2.4 GIÁ TRỊ CÁC VÙNG TRONG SƠ ĐỒ BCKC

2.5 THỜI GIAN TÁC ĐỘNG CỦA CÁC VÙNG

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

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

Rơ le bảo vệ khoảng cách làm việc theo nguyên lý tổng trở thấp (có nghĩa là: khi tổng trở đo lường được tại đầu cực rơ le nhỏ hơn giá trị cài đặt thì rơ le xuất tín hiệu tác động) Tại những thời điểm khác nhau, giá trị tổng trở đo được bởi rơ le BVKC luôn thay đổi, phụ thuộc vào chế độ vận hành, dòng điện và điện áp tại vị trí đặt

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

Trong chế độ vận hành bình thường véc tơ tổng trở phức di chuyển xung quanh trong vùng tải như hình 2.3 Tuy nhiên, khi có dao động công suất, véc tơ tổng trở phức di chuyển theo những quỹ đạo rất phức tạp, đặc biệt đối với những hệ thống có cấu trúc nhiều nguồn cung cấp

Trên hình 2.3 thể hiện 3 đường quỹ đạo của véc tơ tổng trở ŻR

đo được bởi rơ le khoảng cách tại vị trí B trong quá trình dao động Khi ĖA vượt trước ĖD điểm mút R của véc tơ tổng trở ŻR sẽ di chuyển trên quỹ đạo theo chiều từ trái sang phải, khi ĖA chậm sau ĖD chiều chuyển động của véc tơ tổng trở ŻR sẽ ngược lại

Khi dao động, tổng trở Ż sẽ di chuyển trên quỹ đạo của nó từ

vùng tải vào bên trong các đường đặc tính khởi động của nó với thời gian xác định tương ứng với tốc độ trượt S, còn khi ngắn mạch thì

sự di chuyển trên hầu như là tức thời Trong các sơ đồ bảo vệ khoảng cách người ta tận dụng đặc điểm này để phát hiện sự xuất hiện của dao động công suất

Hình 2.3 Tổng trở đo được của rơ le khoảng cách khi có DĐCS

Nhân xét: Kết quả nghiên cứu, phân tích trên cho thấy, quỹ

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

2.6.2 Các phương pháp phát hiện dao động công suất

Sai

, ,

Bắt đầu Dòng điện pha Điện áp pha

Tính toán giá trị tổng trở

Kiểm tra giá trị tổng trở

Kiểm tra điều kiện

So sánh thời gian lưu trú >= T đặt

Kiểm tra >= thời gian đặt bảo vệ

Đúng Sai

Phát tín hiệu sự cố

Đúng

Đúng

Đúng

Sai Sai

R Z

R Z

Kiểm tra thời gian lưu trú của

bảo vệ rơ le mà đặc tính của vùng phát hiện dao động có các dạng khác nhau Trên hình 2.5 mô tả một số đặc tính phát hiện DĐCS của

rơ le BVKC cho chức năng cắt mất đồng bộ (OST) và chống dao động công suất

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

Hình 2.5 Các dạng đặc tính tổng trở phát hiện DĐCS

b Biểu đồ đặc tính chắn

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

2.6.2.2 Phương pháp tính toán tổng trở liên tục

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

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

Bắt đầu

Tính toán giá trị tổng trở

Tính toán giá trị tổng trở sau 5ms

Phát hiện DĐCS

Kết thúc

Tính toán độ lệch sau 5ms

Tính toán độ lệch sau 10ms

Kiểm tra với

1 2

Tính toán giá trị tổng trở sau 10ms

2

R Z

2.6.2.3 Phương pháp điện áp tâm dao động

Nhân xét:

Qua phân tích, nghiên cứu, tác giả nhận có nhiều phương pháp

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

2.6.3 Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp

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

2.6.3.2 Thiết lập đặc tính đồng dạng và biểu đồ chắn

2.6.3.3 Chỉnh định thời gian khóa dao động công suất

2.7 CÀI ĐẶT CHỨC NĂNG CHỐNG DĐCS

2.7.1 Chức năng chống dao động công suất PSB

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

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

Nhận xét: Tóm lại, có nhiều sự chọn lựa cài đặt khóa chức

năng bảo vệ của RLBV khoảng cách khi có DĐCS Tùy vào kết cấu lưới với các nhà máy của từng vùng mà có sự cài đặt phù hợp Đối với kết cấu hệ thống điện 110kV tỉnh Khánh Hòa hiện tại đang cài đặt khóa các vùng bảo vệ khi có DĐCS và không cắt khi mất đồng

bộ, điều này có nghĩa là hệ thống sẽ phục hồi sau khoảng thời gian dao động

2.7.1.2 Nghiên cứu cài đặt chức năng PSB và OST

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

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

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

ổn định Đặc tính ngoài được thiết lập sao cho tổng trở tải nhỏ nhất

có thể nằm ngoài vùng đặc tính tác động khoảng cách thời gian cài đặt cho chức năng OST cũng căn cứ trên khoảng cách giữa hai đường đặc tính và tần số dao động ổn định nhanh nhất mong muốn hoặc có thể xác định từ quá trình nghiên cứu ổn định động hệ thống