(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình

(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500KV Nho Quan - Ninh Bình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG NGỌC ANH

ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ

MÁY BIẾN ÁP TRẠM BIẾN ÁP 500KV NHO QUAN - NINH BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Mã ngành: 8.52.02.01 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRƯƠNG TUẤN ANH

THÁI NGUYÊN - NĂM 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện trên

cơ sở nghiên cứu về lý thuyết và tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo khác nhau: Sách, báo, tạp chí chuyên ngành, internet, thư viện các trường, cơ quan

Qua số liệu thu thập thực tế, tổng hợp lại, không sao chép bất kỳ luận văn nào trước

đó và dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trương Tuấn Anh - Giảng viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập thực tế tại Trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình Các số liệu và kết quả tính toán trong luận văn là trung thực; các đánh giá, kiến nghị đưa ra xuất phát từ thực tiễn, kinh nghiệm và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả luận văn

Hoàng Ngọc Anh

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện của trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, tác giả đã nhận thức sâu sắc về cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu thực tế tại trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình nơi tác giả công tác Đồng thời luôn luôn tích lũy nâng cao kiến thức chuyên môn, nâng cao năng lực làm chủ các thiết bị hiện đại, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế Có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn, tác giả đã đề xuất và lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học

“Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình” Việc nghiên cứu gắn liền với thực tế nơi công tác đã tạo điều kiện cho việc nghiên cứu chuyên sâu để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

TS Trương Tuấn Anh đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình trong quá trình thực hiện đề tài để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ

Các phòng chức năng trong trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành các thủ tục bảo vệ luận văn thạc sĩ

Các đồng nghiệp trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc nghiên cứu và thu thập các số liệu để tác giả hoàn thành nội dung luận văn thạc sĩ

Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình và người thân để bản luận văn này hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 CẤU HÌNH CHUNG VÀ CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ 12

1.1 Các yêu cầu đối với hệ thống rơle bảo vệ 12

1.1.1 Tính chọn lọc 12

1.1.2 Tác động nhanh 13

1.1.3 Độ nhạy 13

1.1.4 Đảm bảo độ tin cậy 14

1.2 Các qui định về cấu hình hệ thống rơle bảo vệ 14

1.2.1 Cấu hình hệ thống rơle bảo vệ đối với máy biến áp 500/220kV 15

1 Bảo vệ chính 1 15

2 Bảo vệ chính 2 15

3 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 500kV 16

4 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 220kV 16

5 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây trung áp 16

6 Các chức năng khác 16

1.2.2 Cấu hình hệ thống rơle bảo vệ đối với máy biến áp 220/110kV 16

1 Bảo vệ chính 1 16

2 Bảo vệ chính 2 16

3 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 220kV 16

4 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 110kV 16

5 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây trung áp 17

6 Một số chức năng khác 17

1.2.3 Cấu hình hệ thống rơle bảo vệ đối với máy biến áp 110kV 17

1 Bảo vệ chính 17

2 Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây 110kV 17

3 Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây trung áp 1 17

4 Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây trung áp 2 17

5 Một số chức năng khác 17

1.3 Một số sự cố thường gặp với hệ thống rơle bảo vệ 20

1.3.1 Hư hỏng phần cứng rơle của rơle bảo vệ 21

1.3.2 Hư hỏng nguồn làm việc cho rơle bảo vệ 21

1.3.3 Hư hỏng biến dòng điện, biến điện áp 21

1.3.4 Hư hỏng, đấu sai mạch nhị rơle bảo vệ 22

1.3.5 Sai sót khi cài đặt và cấu hình rơle 22

1.3.6 Hư hỏng của bản thân máy cắt 22

1.4 Sự cần thiết phải đánh giá độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ và đề xuất nghiên cứu 23

1.5 Kết luận chương 1 23

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ 24

2.1 Khái niệm chung về độ tin cậy 24

2.2 Các chỉ tiêu phổ biến để đánh giá độ tin cậy 24

2.2.1 Giới thiệu chung 24

2.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của các phần tử 25

2.3 Một số giải pháp nâng cao khả năng sẵn sàng của hệ thống bảo vệ 26

2.4 Phương pháp cây sự cố đánh giá độ tin cậy của hệ thống bảo vệ 29

2.4.1 Giới thiệu phương pháp cây sự cố đánh giá độ tin cậy 29

2.4.2 Hàm cấu trúc (structure function) 33

2.4.3 Mối liên hệ giữa sơ đồ khối và sơ đồ cây sự cố 33

2.5 Ví dụ áp dụng phương pháp cây sự cố 35

2.6 Kết luận chương 2 38

Chương 3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP TRẠM BIẾN ÁP 500KV NHO QUAN – NINH BÌNH 39

3.1 Giới thiệu về trạm biến áp 500 kV Nho Quan và phương thức bảo vệ 39

3.1.1 Giới thiệu về trạm biến áp 500 kV Nho Quan 39

3.1.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ của máy biếp áp AT3 trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình 42

1 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp AT3 42

2 Một số tính năng bảo vệ máy biến áp AT3 42

3 Ma trận cắt máy biến áp AT3 45

3.2 Các kịch bản đánh giá độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ cho máy biến áp AT3 tại trạm biến áp 500kV Nho Quan - Ninh Bình 47

3.2.1 Các giả thiết khi tính toán độ tin cậy của các sơ đồ bảo vệ máy biến áp 47

3.2.2 Các kịch bản so sánh độ tin cậy của các sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp AT3 47

1 Sơ đồ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn 47

2 Sơ đồ phương thức bảo vệ rút gọn 48

2 Sơ đồ phương thức bảo vệ mở rộng 49

3.3 Giá trị không sẵn sàng của một số phần tử trong sơ đồ phương thức bảo vệ rơle 49

3.3.1 Hư hỏng rơle bảo vệ 50

3.3.2 Cài đặt sai cấu hình của rơle 50

3.3.3 Hư hỏng máy cắt điện 50

3.3.4 Hư hỏng hệ thống nguồn điện một chiều 51

3.3.5 Lỗi dây mạch nguồn điện một chiều 51

3.3.6 Hư hỏng máy biến dòng điện 52

3.3.7 Hư hỏng máy biến điện áp 52

3.3.8 Lỗi đi dây mạch máy biến dòng điện hoặc máy biến điện áp (đấu sai, đứt dây, hở mạch, chập mạch…) 52

3.3.9 Các hư hỏng không rõ ràng (hư hỏng ẩn) 53

3.3.10 Các lỗi hệ thống 53

3.4 Ứng dụng phần mềm tính toán cây sự cố OpenFTA 54

3.4.1 Giới thiệu phần mềm tính toán cây sự cố OpenFTA 54

3.4.2 Tính toán cây sự cố cho các sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp AT3 56

1 Xây dựng cây sự cố và đánh giá xác suất không sẵn sàng của sơ đồ phương thức bảo vệ rút gọn 56

2 Xây dựng cây sự cố và đánh giá xác suất không sẵn sàng của sơ đồ phương thức bảo vệ mở rộng 58

3 Xây dựng cây sự cố và đánh giá xác suất không sẵn sàng của sơ đồ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn 62

3.4.3 Đánh giá kết quả 65

3.5 Kết luận chương 3 66

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 67

1 Kết luận 67

2 Hướng nghiên cứu trong tương lai 67

PHỤ LỤC 68

Phụ lục 1 Kết quả tính toán cây sự cố sơ đồ phương thức bảo vệ rút gọn 68

Phụ lục 2 Kết quả tính toán cây sự cố sơ đồ phương thức bảo vệ mở rộng 71

Phụ lục 3 Kết quả tính toán cây sự cố sơ đồ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

87T Bảo vệ so lệch máy biến áp (Transformer Differential Protection)

49 Bảo vệ quá nhiệt (Thermal relay)

64 Rơle chống chạm đất (Earth – Fault relay)

50 Rơle quá dòng cắt nhanh (Instantancous overcurrent relay)

51 Rơle quá dòng cực đại (Inverse time overcurrent relay)

50N Quá dòng cắt nhanh chống chạm đất

51N Bảo vệ quá dòng chạm đất thời gian xác định (Definite time earth

fault overcurrent relay)

67 Rơle dòng định hướng (Directional overcurrent relay)

67N Rơle dòng định hướng chống chạm đất (Directional earth fault

relay)

27 Rơle điện áp thấp (Undervoltage relay)

59 Rơle quá điện áp (Overvoltage relay)

50BF Rơle bảo vệ hư hỏng máy cắt

74 Rơle xóa giám sát mạch cắt

FTA Phương pháp cây sự cố (Fault Tree Analysis)

FR Ghi sự cố

FL Vị trí sự cố

MTTF Thời gian trung bình giữa các sự cố

MTTR Thời gian sửa chữa trung bình

MTBF Thời gian trung bình giữa các lần hư hỏng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ký hiệu của các sự kiện và các hàm cấu thành cây sự cố 32

Bảng 3.1 Ma trận cắt của các bảo vệ cho máy biến áp AT1, 500/220/110kV trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình 41

Bảng 3.2 Ma trận cắt của phương thức bảo vệ cho máy biến áp AT3 Nho Quan 46

Bảng 3.3 Thống kê các chỉ số độ không sẵn sàng của một số phần tử 54

Bảng 3.4 So sánh mức độ không sẵn sàng của các sơ đồ phương thức bảo vệ 65 Bảng 3.5 Mức độ đóng góp của các hư hỏng tới độ không sẵn sàng của sự kiện đỉnh 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa yêu cầu của bảo vệ rơle 12

Hình 1.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ ngăn lộ 1 18

Hình 1.3 Sơ đồ phương thức bảo vệ ngăn lộ 2 19

Hình 1.4 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp 20

Hình 2.1 Vùng bảo vệ (phạm vi bảo vệ) 26

Hình 2.2 Hệ thống bảo vệ máy biến áp không có dự phòng 28

Hình 2.3 Hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng 29

Hình 2.4 Cấu trúc sơ đồ cây sự cố 30

Hình 2.5 Hệ thống kết nối kiểu nối tiếp 33

Hình 2.6 Hệ thống kết nối kiểu song song 34

Hình 2.7 Sơ đồ mạch bảo vệ đường dây không có rơle dự phòng 36

Hình 2.8 Cây sự cố mạch bảo vệ đường dây không có rơle dự phòng 36

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bảo vệ đường dây có rơle dự phòng 37

Hình 2.10 Cây sự cố mạch bảo vệ đường dây có rơle dự phòng 37

Hình 3.1 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp AT1, 500/220/110kV trạm biến áp 500kV Nho Quan – Ninh Bình 40

Hình 3.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp AT3 Nho Quan 42

Hình 3.3 Sơ đồ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn 48

Hình 3.4 Sơ đồ phương thức bảo vệ rút gọn 48

Hình 3.5 Sơ đồ phương thức bảo vệ mở rộng 49

Hình 3.6 Giao diện chính của phần mềm OpenFTA 55

Hình 3.7 Giao diện quản lý dữ liệu của phần mềm OpenFTA 55

Hình 3.8 Các biểu tượng có sẵn trong phần mềm OpenFTA 55

Hình 3.9 Các chức năng hỗ trợ phân tích, tính toán cây sự cố OpenFTA 56

Hình 3.10 Cây sự cố với sơ đồ phương thức bảo vệ rút gọn 57

Hình 3.11 Cây sự cố với sơ đồ phương thức bảo vệ mở rộng 60

Hình 3.12 Cây sự cố với sơ đồ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn 63

MỞ ĐẦU

Trong quá trình vận hành hệ thống điện không thể tránh khỏi những sự cố, nguyên nhân có thể do các yếu tố tác động từ bên ngoài hoặc trong bản thân nội bộ hệ thống điện gây ra Để đảm bảo cho hệ thống điện vận hành được an toàn, một bộ phận không thể thiếu đó là hệ thống bảo vệ rơle Hệ thống rơle bảo vệ được thiết kế để làm việc với

độ tin cậy cao, đảm bảo cho hệ thống điện vận hành an toàn trong mọi chế độ, tuy nhiên

do hệ thống rơle gồm nhiều thiết bị hợp thành, cấu tạo, chủng loại khác nhau nên vẫn

có những sự cố xảy ra và có thể dẫn tới những thiệt hại lớn cho hệ thống điện

Để bảo vệ cho các thiết bị quan trọng trong các trạm biến áp truyền tải như máy biến áp, đã có những quy định rất rõ ràng về phương thức bảo vệ rơle cho trạm biến áp,

để đảm bảo máy biến áp luôn luôn vận hành an toàn Tuy nhiên phần đấu nối mạch các thiết bị và mạch nhị thứ còn khác nhau giữa các trạm biến áp Việc khác nhau của hệ thống nhị thứ là do quan điểm thiết kế hệ thống bảo vệ rơle của các hãng không giống nhau Như vậy, vấn đề cần được quan tâm và giải quyết là phương thức bảo vệ và hệ thống mạch nhị thứ nào để bảo vệ cho trạm biến áp sẽ có độ tin cậy cao hơn và phù hợp hơn về mặt kinh tế

Tác giả hiện đang công tác tại trạm biến áp 500 kV Nho Quan – Ninh Bình, hàng ngày đều làm việc và tiếp xúc trực tiếp đến hệ thống bảo vệ rơle của trạm Để nâng cao trình độ kiến thức về chuyên môn, nghiệp vụ Tác giả đã đề xuất hướng nghiên cứu

“Đánh giá độ tin cậy của phương thức bảo vệ máy biến áp trạm biến áp 500 kV Nho Quan – Ninh Bình” Luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu cách thức đánh giá định lượng

độ tin cậy của các sơ đồ phương thức bảo vệ cho trạm biến áp vì máy biến áp là thiết bị phổ biến trên lưới điện và có giá thành lớn Phương pháp sử dụng trong luận văn là phương pháp cây sự cố, phạm vi nghiên cứu sẽ giới hạn đối với phương thức bảo vệ cho máy biến áp 220/110/22 kV có công suất 125 MVA trạm biến áp truyền tải 500 kV Nho Quan – Ninh Bình

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về cấu hình và các yêu cầu đối với hệ thống rơle bảo vệ rơle; các sự cố thường gặp và đánh giá độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ; giới thiệu các sơ đồ phương thức chung bảo vệ máy biến áp 220 kV & 500 kV và các hư hỏng thường gặp với hệ thống rơle bảo vệ Trong chương này cũng đặt ra mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Chương 2: Giới thiệu các chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của hệ thống điều khiển bảo vệ rơle; các giải pháp để nâng cao độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ rơle Giới thiệu phương pháp đánh giá mức độ không sẵn sàng của hệ thống rơle bảo vệ cho trạm biến áp, trong nội dung luận văn đề xuất phương pháp cây sự cố

Chương 3: Áp dụng phương pháp cây sự cố để đánh giá mức độ không sẵn sàng loại trừ sự cố trong vùng đối với một số sơ đồ bảo vệ máy biến áp phổ biến với mức độ

dự phòng tăng dần Phạm vi áp dụng là với sơ đồ bảo vệ máy biến áp 220/110/22 kV có công suất 125 MVA trạm biến áp 500 kV Nho Quan – Ninh Bình Ứng dụng phần mềm OpenFTA để xây dựng và đánh giá mức độ không sẵn sàng

Phần cuối của luận văn sẽ đưa ra những kết luận về những nội dung đã đạt được

và từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu trong tương lai

Chương 1 CẤU HÌNH CHUNG VÀ CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ

THỐNG RƠLE BẢO VỆ 1.1 Các yêu cầu đối với hệ thống rơle bảo vệ

Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ làm việc bất thường của các phần tử Các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao và điện áp giảm thấp Các thiết bị có dòng điện tăng cao chạy qua có thể

bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hỏng Khi điện áp giảm thấp, các hộ tiêu thụ không thể làm việc bình thường và tính ổn định của các máy phát làm việc song song và của toàn hệ thống bị giảm Các chế độ làm việc không bình thường làm cho điện áp, dòng điện và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép Nếu để kéo dài tình trạng này, có thể xuất hiện sự cố Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống và các hộ tiêu thụ khi xuất hiện sự cố, cần phát hiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố và cách ly nó ra khỏi phần tử bị

hư hỏng, nhờ vậy phần còn lại duy trì được hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức

độ hư hại của phần tử bị sự cố

Chỉ có thiết bị tự động bảo vệ mới có thể thực hiện tốt được yêu cầu trên, thiết bị này gọi là bảo vệ rơle

Bảo vệ rơle sẽ theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần

tử trong hệ thống điện Khi xuất hiện sự cố, bảo vệ rơle phát hiện và cắt phần tử hư hỏng nhờ máy cắt điện Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường, bảo vệ rơle sẽ phát tín hiệu và tùy thuộc yêu cầu, có thể tác động khôi phục chế độ làm việc bình thường hoặc báo tín hiệu cho nhân viên trực

Các yêu cầu chính đối với hệ thống rơle bảo vệ:

Ví dụ: trong sơ đồ bảo vệ như hình 1, khi ngắn mạch tại điểm N1, máy cắt MC3 là máy cắt gần chỗ sự cố nhất, BV3 phải đưa tín hiệu cắt MC3 Khi ngắn mạch tại điểm N2, đường dây sự cố (II) được cắt ra bởi các máy cắt MC1 và MC2 thông qua hai bảo vệ BV1

và BV2 Như vậy bảo vệ rơle đảm bảo tính chọn lọc chỉ cắt phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống và bảo toàn sự làm việc bình thường của các phần tử không bị sự cố

Tính chọn lọc là yêu cầu cơ bản nhất của bảo vệ rơle để đảm bảo cung cấp điện an toàn liên tục Nếu bảo vệ tác động không chọn lọc, sự cố có thể lan rộng

Yêu cầu tác động chọn lọc cũng không loại trừ khả năng bảo vệ tác động như là bảo vệ dự trữ trong trường hợp hỏng hóc bảo vệ hoặc máy cắt của các phần tử lân cận Cần phân biệt hai khái niệm chọn lọc

+ Chọn lọc tương đối: Theo nguyên tắc tác động của mình, bảo vệ có thể làm việc như là bảo vệ dự trữ khi ngắn mạch phần tử lân cận

+ Chọn lọc tuyệt đối: Bảo vệ chỉ làm việc trong trường hợp ngắn mạch ở chính phần tử được bảo vệ

1.1.2 Tác động nhanh

Bảo vệ phải tác động nhanh để kịp thời cô lập các phần tử hư hỏng thuộc phạm vi bảo vệ nhằm:

+ Giảm được thời gian tụt thấp điện áp ở các hộ tiêu thụ

+ Đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện

+ Giảm tác hại của dòng điện ngắn mạch đối với thiết bị

Bảo vệ tác động nhanh phải có thời gian tác động nhỏ hơn 0,1 giây

Để giảm thời gian cắt ngắn mạch cần phải giảm thời gian tác động của thiết bị bảo

vệ rơle Tuy nhiên trong một số trường hợp để thực hiện yêu cầu tác động nhanh thì không thể thỏa mãn yêu cầu chọn lọc Hai yêu cầu này đôi khi mâu thuẫn nhau

1.1.3 Độ nhạy

Bảo vệ rơle cần phải đủ độ nhạy đối với nhưng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường có thể xuất hiện ở những phần tử được bảo vệ trong hệ thống điện Bảo vệ cần tác động không chỉ với các trường hợp ngắn mạch trực tiếp mà cả khi ngắn mạch qua điện trở trung gian Ngoài ra bảo vệ phải tác động khi ngắn mạch xảy ra trong lúc hệ thống làm việc ở chế độ cực tiểu, tức là một số nguồn được cắt ra nên dòng ngắn mạch có giá trị nhỏ

Độ nhạy được đánh giá bằng hệ số độ nhạy, Kn:

- Đối với các bảo vệ làm việc theo các đại lượng tăng khi ngắn mạch, hệ số độ nhạy được xác định bằng tỷ số giữa đại lượng tác động tối thiểu (ví dụ dòng ngắn mạch nhỏ nhất) khi ngắn mạch trực tiếp ở cuối vùng bảo vệ và đại lượng đặt (dòng khởi động)

- Đối với các bảo vệ tác động theo giá trị cực tiểu (ví dụ bảo vệ thiếu điện áp), hệ

số nhạy được xác định ngược lại: trị số khởi động chia cho trị số cực tiểu

1.1.4 Đảm bảo độ tin cậy

Bảo vệ phải luôn luôn sẵn sàng khởi động và tác động một cách chắc chắn trong tất cả các trường hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ và các tình trạng làm việc không bình thường đã định trước Không được tác động sai đối với các trường hợp mà nó không

có nhiệm vụ tác động Bảo vệ không tác động hoặc tác động nhầm rất có thể dẫn đến hậu quả: số phụ tải bị mất điện nhiều hơn hoặc làm cho sự cố lan tràn

Ví dụ: như hình 1, khi ngắn mạch tại điểm N2, bảo vệ không tác động cắt MC1 và

MC2 được thì các bảo vệ dự phòng xa khác sẽ cắt nguồn II bởi MC4, MC5 và trạm B như vậy bảo vệ thiết kế không tin cậy, làm mất điện nhiều, gây thiệt hại về kinh tế Nếu bảo vệ có nhiệm vụ dự trữ cho các bảo vệ sau nó thì khi ngắn mạch trong vùng dự trữ bảo vệ này phải khởi động nhưng không được tác động khi bảo vệ chính đặt gần chỗ ngắn mạch hơn chưa tác động

Để bảo vệ có độ tin cậy cao:

+ Dùng sơ đồ bảo vệ rơle đơn giản nhất và rơle có chất lượng cao

+ Giảm số lượng rơle và tiếp xúc Các bộ phận phụ (cực nối, dây dẫn) dùng trong

sơ đồ phải chắc chắn, tiếp xúc tốt

+ Chế độ và lắp ráp đảm bảo chất lượng, đồng thời kiểm tra thường xuyên sơ đồ bảo vệ trong quá trình vận hành

+ Có bảo vệ dự phòng: dự phòng tại chỗ, dự phòng từ xa, khác nguyên tắc làm việc, khác hãng sản xuất

Bảo vệ rơle làm việc không tin cậy có thể do: thiết kế không đúng hoặc không hợp lý; thông số của bảo vệ, đối tượng bảo vệ bị suy giảm trong vận hành

1.2 Các qui định về cấu hình hệ thống rơle bảo vệ

Các đường dây và máy biến áp truyền tải đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa điện năng sản xuất từ nguồn đến các hộ tiêu thụ điện Số lượng các trạm biến áp truyền tải điện tăng lên không ngừng do phải đáp ứng nhu cầu tăng rất nhanh của các hộ phụ tải

Số lượng các máy biến áp ở các cấp điện áp 500 kV, 220 kV, 110 kV trong hệ thống truyền tải điện ngày càng nhiều chính vì vậy mà phương thức sử dụng dùng để bảo vệ cho máy biến áp phần tử quan trọng nhất trong trạm biến áp ngày càng trở nên quan trọng Bên cạnh các yêu cầu về kỹ thuật, các yêu cầu về tính kinh tế ngày càng được quan tâm nhằm nâng cao độ tin cậy để bảo vệ máy biến áp tốt hơn và tối ưu về mặt kinh tế

Việc xây dựng cấu hình hệ thống bảo vệ rơle cho trạm biến áp, tùy theo từng cấp điện áp, mức độ quan trọng có thể sử dụng kết hợp nhiều loại bảo vệ được sử dụng làm bảo vệ chính, bảo vệ kép hoặc bảo vệ dự phòng:

- Bảo vệ chính: bảo vệ chủ yếu, tác động trước tiên

- Bảo vệ kép: hai bảo vệ chính, độc lập, cách ly vật lý, cùng thời gian tác động

- Bảo vệ dự phòng (bảo vệ phụ): bảo vệ tác động khi bảo vệ chính không tác động Một số chức năng bảo vệ được sử dụng trong việc cấu hình hệ thống bảo vệ rơle cho máy biến áp:

- 87T: Bảo vệ so lệch máy biến áp (Transformer Differential Protection)

- 49: Bảo vệ quá nhiệt (Thermal relay)

- 64: Rơle chống chạm đất (Earth – Fault relay)

- 50: Rơle quá dòng cắt nhanh (Instantancous overcurrent relay)

- 51: Rơle quá dòng cực đại (Inverse time overcurrent relay)

- 50N: Quá dòng cắt nhanh chống chạm đất

- 51N: Bảo vệ quá dòng chạm đất thời gian xác định (Definite time earth fault overcurrent relay)

- 67: Rơle dòng định hướng (Directional overcurrent relay)

- 67N: Rơle dòng định hướng chống chạm đất (Directional earth fault relay)

- 27: Rơle điện áp thấp (Undervoltage relay)

- 59: Rơle quá điện áp (Overvoltage relay)

- 50BF: Rơle bảo vệ hư hỏng máy cắt

- 74: Rơle xóa giám sát mạch cắt

Khi xảy ra chế độ làm việc không bình thường hoặc sự cố, việc phát hiện và loại trừ càng nhanh sự cố bên trong máy biến áp sẽ giúp tăng khả năng cung cấp điện liên tục cho toàn hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế Theo quy định mới của EVN ban hành năm 2016 về cấu hình hệ thống và quy cách kỹ thuật của rơle bảo vệ cho các máy biến áp 500kV; 220kV và 110kV như sau:

1.2.1 Cấu hình hệ thống rơle bảo vệ đối với máy biến áp 500/220kV

3 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 500kV

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N, 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng ngăn máy cắt đầu vào phía 500kV của máy biến áp, tín hiệu điện áp được lấy từ máy biến điện áp thanh cái 500kV

4 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 220kV

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N, 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng ngăn máy cắt đầu vào phía 220kV của máy biến áp, tín hiệu điện áp được lấy từ máy biến điện áp thanh cái 220kV

5 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây trung áp

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng chân sứ cuộn trung áp của máy biến áp

6 Các chức năng khác

- Chức năng rơle bảo vệ nhiệt độ dầu, cuộn dây máy biến áp (26)

- Rơle áp lực máy biến áp (63)

- Rơle ga cho bình dầu chính và ngăn điều áp dưới tải (90)

- Rơle báo mức dầu tăng cao (71) được trang bị đồng bộ với máy biến áp, được gửi đi cắt trực tiếp máy cắt hai phía thông qua rơle chỉ huy cắt hoặc được gửi đi cắt đồng thời thông qua hai bộ bảo vệ chính và dự phòng của máy biến áp

1.2.2 Cấu hình hệ thống rơle bảo vệ đối với máy biến áp 220/110kV

3 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 220kV

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N, 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng ngăn máy cắt đầu vào phía 220kV của máy biến áp, tín hiệu điện áp được lấy từ máy biến điện áp thanh cái 220kV

4 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây 110kV

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N, 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74

Tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng ngăn máy cắt đầu vào phía 110kV của máy biến áp,

Tín hiệu điện áp được lấy từ máy biến điện áp thanh cái 110kV

5 Bảo vệ dự phòng cho các cuộn dây trung áp

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng chân sứ cuộn trung áp của máy biến áp

6 Một số chức năng khác

- Chức năng rơle bảo vệ nhiệt độ dầu, cuộn dây máy biến áp (26)

- Rơle áp lực máy biến áp (63)

- Rơle ga cho bình dầu chính và ngăn điều áp dưới tải (90)

- Rơle báo mức dầu tăng cao (71) được trang bị đồng bộ với máy biến áp, được gửi đi cắt trực tiếp máy cắt ba phía thông qua rơle chỉ huy cắt hoặc được gửi đi cắt đồng thời thông qua hai bộ bảo vệ chính và dự phòng của máy biến áp (F87T1, F87T2)

1.2.3 Cấu hình hệ thống rơle bảo vệ đối với máy biến áp 110kV

1 Bảo vệ chính

Được tích hợp các chức năng bảo vệ F87T, 49, 64 (theo nguyên lý tổng trở thấp), 50/51, 50N/51N Tín hiệu dòng điện các phía lấy từ máy biến dòng ngăn máy cắt đầu vào các phía của máy biến áp

2 Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây 110kV

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N, 50/51, 50N/51N, 27,59,50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng chân sứ 110kV của máy biến áp, tín hiệu điện

áp được lấy từ máy biến điện áp thanh cái 110kV

3 Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây trung áp 1

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 50/51, 50N/51N, 50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng chân sứ cuộn trung áp 1 của máy biến áp

4 Bảo vệ dự phòng cho cuộn dây trung áp 2

Được tích hợp các chức năng bảo vệ 50/51, 50N/51N, 50BF, 74 tín hiệu dòng điện được lấy từ máy biến dòng chân sứ cuộn trung áp 2 của máy biến áp

5 Một số chức năng khác

- Chức năng rơle bảo vệ nhiệt độ dầu, cuộn dây máy biến áp (26)

- Rơle áp lực máy biến áp (63)

- Rơle ga cho bình dầu chính và ngăn điều áp dưới tải (90)

- Rơle báo mức dầu tăng cao (71) được trang bị đồng bộ với máy biến áp, được gửi đi cắt trực tiếp máy cắt ba phía thông qua rơle chỉ huy cắt hoặc được gửi đi cắt đồng thời thông qua bộ bảo vệ chính và dự phòng 110kV của máy biến áp (F87, F67/67N)

Ví dụ một số sơ đồ phương thức bảo vệ đối với các ngăn lộ và máy biến áp:

Hình 1.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ ngăn lộ 1

- F87B: Bảo vệ so lệch thanh cái

- F67/67N: Bảo vệ quá dòng có hướng/ : Bảo vệ quá dòng có hướng chống chạm đất

- F50/51: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh/ Quá dòng cực đại

- F50/51N: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh chống chạm đất/ Bảo vệ quá dòng chạm đất thời gian xác định

- F74: Rơle xóa giám sát mạch cắt

- F50BF: Bảo vệ hư hỏng máy cắt

- F27/59: Bảo vệ điện áp thấp/ Quá điện áp

- FR: Ghi sự cố

- FL: Vị trí sự cố

Hình 1.3 Sơ đồ phương thức bảo vệ ngăn lộ 2

- F87T: Bảo vệ so lệch máy biến áp

- F87B: Bảo vệ so lệch thanh cái

- F67/67N: Bảo vệ quá dòng có hướng/ : Bảo

vệ quá dòng có hướng chống chạm đất

- F50/51: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh/ Quá

dòng cực đại

- F50/51N: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh chống

chạm đất/ Bảo vệ quá dòng chạm đất thời

gian xác định

- F74: Rơle xóa giám sát mạch cắt

- F50BF: Bảo vệ hư hỏng máy cắt

- F27/59: Bảo vệ điện áp thấp/ Quá điện áp

- FR: Ghi sự cố

- FL: Vị trí sự cố

Hình 1.4 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp

1.3 Một số sự cố thường gặp với hệ thống rơle bảo vệ

Hệ thống rơle bảo vệ bảo vệ máy biến áp của nhà máy phải thỏa mãn các yêu cầu:

- Các thiết bị bảo vệ phải đảm bảo tương thích với nhau

- Phần cứng rơle phải được thiết kế dưới dạng Module hóa, phần mềm phải có khả năng điều chỉnh và tương thích đáp ứng mở rộng trong tương lai

- Đảm bảo độ tin cậy và tính dự phòng cao

- Dự đoán và phân tích được nguyên nhân các hư hỏng xảy ra, đồng thời ghi nhận

và lưu giữ chi tiết những sự kiện khi có tín hiệu lỗi cũng như khi xảy ra sự cố nhằm phục

vụ cho công tác tìm lỗi và khắc phục sự cố hư hỏng

- Giao diện trực quan với người vận hành Vận hành đơn giản, thuận lợi trong công tác bảo dưỡng, thí nghiệm, hiệu chỉnh

- F87T: Bảo vệ so lệch máy biến áp

- F74: Rơle xóa giám sát mạch cắt

- F64: Bảo vệ chống chạm đất

- F49: Bảo vệ quá nhiệt

- F50/51: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh/ Quá dòng cực đại

- F50/51N: Bảo vệ quá dòng cắt nhanh chống chạm đất/ Bảo vệ quá dòng chạm đất thời gian xác định

- F50BF: Bảo vệ hư hỏng máy cắt

- FR: Ghi sự cố

Hệ thống rơle bảo vệ được thiết kế để hoạt động với độ tin cậy cao, tuy nhiên do

hệ thống gồm nhiều thiết bị hợp thành nên vẫn có những sự cố xảy ra như:

1.3.1 Hư hỏng phần cứng rơle của rơle bảo vệ

Bảo vệ cho các máy biến áp là hệ thống các rơle bao gồm rơle số, rơle điện cơ Về mặt cấu tạo các rơle kỹ thuật số bao gồm các linh kiện điện tử, các phần tử bảng mạch như IC, chíp, điốt, transitor, tụ điện…Các linh kiện điện tử này được tổ hợp thành các đầu vào input và đầu ra output để thực hiện cơ cấu tác động mỗi khi rơle thực hiện chức năng bảo vệ Rơle bảo vệ luôn luôn hoạt động 24/24h trong ngày luôn luôn sẵn sàng để tác động khi có sự cố xảy ra trong máy biến áp, mặt khác các linh kiện điện tử cũng có tuổi thọ nhất định chính vì vậy mà có xác suất hư hỏng nhất định dẫn đến nguyên nhân làm rơle không tác động khi có sự cố xảy Bên cạnh các rơle kỹ thuật số bảo vệ máy biến áp còn có rơle điện cơ, các rơle cơ này hoạt đồng dựa trên nguyên lý điện từ, được cấu tạo từ các cuộn dây, mạch điện từ và các tiếp điểm Qua quá trình hoạt động lâu dài rơle cơ cũng bị ảnh hưởng và hư hỏng như đứt dây, già hóa mạch điện từ, các tiếp điểm của rơle tiếp xúc kém

1.3.2 Hư hỏng nguồn làm việc cho rơle bảo vệ

Trong bất cứ trạm biến áp nào cũng luôn luôn có hệ thống nguồn AC/DC cung cấp cho toàn bộ hệ thống mạch bảo vệ cũng như điều khiển của các thiết bị máy cắt, dao cách ly…Khi có sự cố xảy ra cho dù rơle có hoạt động đúng và tác động nhưng nếu thiếu hệ thống nguồn DC cung cấp thì máy cắt cũng không thể cắt được, chính vì lẽ đó

mà hệ thống nguồn AC/DC trong trạm biến áp rất quan trọng Theo quy chuẩn của EVN thì trong trạm biến áp thường có hai hệ thống nguồn DC riêng biệt và hoạt động độc lập với nhau Nguồn DC được dự phòng nóng bằng hai hệ thống acquy độc lập Hai hệ thống acquy độc lập này được phụ nạp bằng hai hệ thống điện AC riêng biệt của trạm Một nguồn lấy từ nguồn tự dùng địa phương bên ngoài trạm, một nguồn AC lấy qua máy biến áp tự dùng trong trạm điện Với thiết kế hệ thống nguồn AC/DC như vậy đảm bảo cho hệ thống mạch nhị thứ điều khiển bảo vệ hoạt động tin cậy giúp cho rơle sẵn sàng tác động cô lập phần tử bị hư hỏng khi có sự cố xảy ra Tuy nhiên xác suất hư hỏng

hệ thống nguồn AC, DC vẫn có thể xảy ra như hư hỏng acquy, hư hỏng tủ chỉnh lưu AC/DC, hư hỏng các máy biến áp tự dùng cung cấp điện từ 22/0,4kV, hư hỏng attomat v.v Chính vì vậy khi xét đến tổng quan về độ tin cậy của cả hệ thống rơle bảo

vệ của máy biến áp trong trạm điện cần phải xét tới hệ thống DC này

1.3.3 Hư hỏng biến dòng điện, biến điện áp

Các biến dòng điện và biến điện áp cung cấp tín hiệu để rơle liên tục kiểm tra và phát hiện các tình trạng làm việc bất thường hoặc sự cố Khi có sự cố xảy ra, các giá trị

dòng điện và điện áp này vượt quá (hoặc giảm thấp hơn) giá trị cài đặt trong rơle thì rơle

sẽ tác động gửi lệnh tới cắt các máy cắt để cô lập điểm sự cố Xác xuất hư hỏng biến dòng điện và biến điện áp là rất nhỏ và chiếm một tỷ lệ thấp trong thực tế

1.3.4 Hư hỏng, đấu sai mạch nhị thứ rơle bảo vệ

Bên cạnh những nhân tố khách quan thì nhân tố chủ quan của con người cũng là một trong nguyên nhân gây ra sai sót khiến rơle tác động nhưng không cắt được khi có

sự cố xảy ra Rơle muốn làm việc được cần phải đấu các mạch điện nhị thứ liên quan như mạch lực dòng điện, điện áp cấp cho rơle, mạch nguồn DC nuôi, mạch các input đầu vào nhị phân, các đầu ra output tiếp điểm làm việc đi cắt các máy cắt Rơle hoạt động cắt đúng được máy cắt theo yêu cầu chỉ khi các mạch này đúng với nguyên lý thiết

kế của rơle Thực tế cho thấy xác suất xảy ra việc đấu sai mạch nhị thứ này là khá nhiều,

lý do có thể là do trình độ, do kỹ năng và cả do hiểu sai về nguyên lý hoạt động của rơle dẫn đến nhầm lẫn

1.3.5 Sai sót khi cài đặt và cấu hình rơle

Một nguyên nhân khá phổ biến dẫn tới hệ thống rơle bảo vệ không hoạt động như mong muốn là do sai sót khi cấu hình rơle, cài đặt giá trị tác động, cài đặt các output, input cho rơle bảo vệ Như chúng ta đã biết rơle là một sản phẩm điện tử thông minh của con người dùng để bảo vệ cho các thiết bị điện, tuy nhiên tùy vào đối tượng bảo vệ

mà nó cần phải được cài đặt các thông số phù hợp theo tính toán trước Công việc này này đòi hỏi người cài đặt và cấu hình rơle phải có chuyên môn, trình độ và được đào tạo Công việc cài đặt không đúng sẽ dẫn đến rơle làm việc sai, làm việc không đúng gây ảnh hưởng tới tuổi thọ của thiết bị điện nói riêng và ảnh hưởng đến các thiết bị khác lân cận Ngày nay dưới tác động của khoa học và kỹ thuật các loại rơle kỹ thuật số phát triển không ngừng cả về số lượng và chất lượng, ngày càng có nhiều hãng rơle và nhiều chủng loại rơle khác nhau, sử dụng nhiều loại phần mềm khác nhau để cài đặt cũng như cấu hình chức năng bảo vệ Chính vì thế khi một chủng loại hay một hãng rơle mới đưa vào vận hành trên lưới công việc cài đặt cũng như thí nghiệm đôi khi cũng xảy ra sai sót dẫn đến nguyên nhân không cắt được máy cắt khi có sự cố xảy ra

1.3.6 Hư hỏng của bản thân máy cắt

Một yếu tố quan trọng chính dẫn tới việc hệ thống rơle không loại trừ được sự cố chính là do hư hỏng của bản thân máy cắt Mặc dù rơle bảo vệ đã tác động, mạch nhị thứ làm việc tốt, các cuộn cắt đã làm việc nhưng máy cắt vẫn không cắt được đó là do nguyên nhân như hư hỏng chính cuộn cắt, cuộn cắt bị hỏng, các cơ cấu cơ khí của máy cắt bị kẹt làm cho các trụ cực của máy cắt không thể tách rời tiếp điểm chính của máy cắt Xác suất hư hỏng này nói chung xảy ra khá ít và hiếm khi gặp trong thực tế

1.4 Sự cần thiết phải đánh giá độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ và đề xuất nghiên cứu

Hệ thống rơle bảo vệ được thiết kế để hoạt động với độ tin cậy cao, tuy nhiên do

hệ thống gồm nhiều thiết bị hợp thành nên vẫn có những sự cố xảy ra và có thể dẫn tới những thiệt hại lớn cho hệ thống

Có thể thấy phương thức bảo vệ của các thiết bị chính trong hệ thống đã được qui định khá rõ ràng; tuy nhiên phần đấu nối các thiết bị và mạch nhị thứ còn khác nhau giữa các trạm

Cấu hình của các hệ thống nhị thứ có thể khác nhau tùy theo quan điểm thiết kế của các hãng Vấn đề cần quan tâm đối với đơn vị sử dụng là phương thức bảo vệ và hệ thống mạch nhị thứ nào sẽ có độ tin cậy cao hơn và phù hợp về mặt kinh tế

Xuất phát từ lý do này, luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu cách thức đánh giá định lượng độ tin cậy của các sơ đồ phương thức bảo vệ dựa trên phương pháp cây sự cố Phạm vi nghiên cứu sẽ giới hạn đối với phương thức bảo vệ máy biến áp vì đây là thiết

bị phổ biến trên lưới điện và có giá thành lớn Phần tính toán áp dụng kết quả nghiên cứu sẽ thực hiện đối với sơ đồ phương thức bảo vệ của máy biến áp AT3 tại trạm 500kV Nho Quan, Ninh Bình

Qua đó, cho thấy sự cần thiết phải đánh giá độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ cho máy biến áp và tác giả cũng đề xuất mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

CỦA HỆ THỐNG BẢO VỆ 2.1 Khái niệm chung về độ tin cậy

Trong sự phát triển về khoa học và kỹ thuật, độ tin cậy đã trở thành chỉ tiêu then chốt, đặc biệt đối với những hệ có cấu trúc phức tạp nhằm hoàn thành những chức năng quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau

Các phương pháp nghiên cứu về độ tin cậy theo những hướng như sau:

- Nghiên cứu cơ sở toán học về độ tin cậy: nhằm đưa ra quy luật và những tính toán định lượng về độ tin cậy Đây là hướng xuất phát để tạo nên khoa học về độ cậy

- Nghiên cứu thống kê về độ tin cậy: nhằm thu thập xử lý số liệu và đưa ra những đặc trưng thống kê về những chỉ tiêu độ tin cậy Dựa trên tính chất đám đông của số liệu thông kê, nhằm đưa ra những yếu tố ảnh hưởng đến những chỉ tiêu cơ bản về độ tin cậy

- Nghiên cứa bản chất vật lý về độ tin cậy: nhằm khảo sát nguyên nhân của sự cố, hiện tượng già cỗi, điều kiện môi trường, độ bền vật liệu v.v ảnh hưởng đến độ tin cậy trong các quá trình vật lý và hoá học khác nhau

Độ tin cậy bao gồm các vấn đề về lý thuyết và thực tế nhằm nghiên cứu những nguyên nhân, quy luật của sự cố, những phương pháp tính toán và biện pháp nâng cao

độ tin cậy Ngoài ra khi lựa chọn độ tin cậy của hệ phải quan tâm đến hành vi kinh tế để đạt được lời giải tối ưu tổng thể

Mô hình toán học đánh giá định lượng độ tin cậy dựa trên nền tảng lý thuyết xác suất vì các sự cố xảy ra là một sự kiện ngẫu nhiên, cũng như khoảng thời gian làm việc, khoảng thời gian cần thiết để sửa chữa sự cố v.v đều là những đại lượng ngẫu nhiên Như vậy nghiên cứu về độ tin cậy cung cấp điện là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của hệ thống điện Mô tả, đánh giá và điều khiển hành vi đó là một trong những nhiệm vụ chủ yếu khi thiết kế và điều khiển hệ thống điện

2.2 Các chỉ tiêu phổ biến để đánh giá độ tin cậy

2.2.1 Giới thiệu chung

Độ tin cậy của hệ thống (hoặc phần tử) là xác suất để hệ thống hoặc phần tử hoàn thành các nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian xác định và điều kiện nhất định Độ tin cậy và các chỉ số liên quan là một đại lượng xác suất, phụ thuộc thời gian; tuy nhiên trong nhiều trường hợp có thể sử dụng giả thiết các chỉ số không phụ thuộc thời gian để tính toán độ tin cậy

Đây chỉ là phương pháp gần đúng nhưng khả thi để có thể áp dụng trong thực tế Đối với hệ thống (hay phần tử) phục hồi như hệ thống điện và các phần tử của nó thì

khái niệm khoảng thời gian xác định không có ý nghĩa bắt buộc vì hệ thống làm việc liên tục Do đó độ tin cậy được đo bởi một đại lượng thích hợp hơn là độ sẵn sàng

“Độ sẵn sàng là xác suất để để hệ thống (hay phần tử) hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ” Độ sẵn sàng cũng là xác suất để hệ thống

ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, đó là xác suất để hệ thống (hay phần tử) ở trạng thái hỏng

2.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của các phần tử

Độ tin cậy của các phần tử là yếu tố quyết định độ tin cậy của cả hệ thống, do vậy

để đánh giá độ tin cậy phải xuất phát từ các phần tử cấu thành hệ thống

Một số chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của phần tử với giả thiết tỷ lệ

hư hỏng và sửa chữa là đại lượng không đổi theo thời gian như sau [1]:

- Tần suất sự cố (λ): là số lần thiết bị bị sự cố trong một đơn vị thời gian Dữ liệu này được thống kê từ thực tế hoặc qua các thử nghiệm

- Cường độ phục hồi (μ): Tổng số sửa chữa chia cho tổng số đơn vị thời gian làm việc hoặc thời gian hoạt động

- Thời gian trung bình giữa các sự cố (MTTF): Thời gian trung bình giữa thời gian bắt đầu hoạt động hoặc hoạt động trở lại sau khi sửa chữa và lần hư hỏng tiếp theo Với giả thiết tần suất sự cố là hằng số theo thời gian thì MTTF = λ-1

- Thời gian sửa chữa trung bình (MTTR): Thời gian trung bình để sửa và khôi phục lại sự hoạt động của thiết bị Thời gian này bao gồm cả thời gian chuẩn bị, thời gian bảo trì chủ động và thời gian dành cho các khâu hậu cần Với giả thiết cường độ phục hồi là hằng số theo thời gian thì MTTR = μ -1

- Thời gian trung bình giữa các lần hư hỏng (MTBF): Thời gian trung bình giữa các lần bị sự cố hư hỏng của thiết bị tính đến khi được sửa xong và đưa trở lại hoạt động MTBF là tổng của MTTF và MTTR Vì MTTR là thường nhỏ so với MTTF, chúng

Các rơle bảo vệ và hệ thống bảo vệ được thiết kế để sửa chữa được (hệ thống phục hồi), do đó các chỉ số đo độ tin cậy cần bao gồm khả năng hư hỏng và khả năng sửa chữa

Mức độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống hay phần tử hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ, là xác suất để hệ thống ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ (là tỉ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động) Phương trình (1) minh họa phương thức tính mức độ sẵn sàng:

MTTRMTBF

MTBFMTTR

MTTF

MTTFA

Với hệ thống rơle bảo vệ thường quan tâm tới thời gian không thể sẵn sàng làm việc của hệ thống trong một năm Độ không sẵn sàng (Unavailability) là xác suất để hệ thống hay phần tử ở trạng thái hỏng Để tính hệ số không sẵn sàng, ta xác định chu kỳ

% sự cố mà các thành phần, thiết bị hoặc hệ thống không sẵn sàng thực hiện các chức năng của mình như phương trình (2)

MTTRMTBF

MTTRA

Theo công thức 2: có thể giảm mức độ không sẵn sàng bằng cách:

- Giảm thời gian trung bình sửa chữa: tăng cường thí nghiệm, kiểm tra rơle, tăng cường thiết bị rơle dự phòng

- Giảm thời gian trung bình hư hỏng: sử dụng các thiết bị có tỷ lệ hư hỏng thấp, thiết kế chắc chắn tin cậy

Các chỉ số đánh giá mức độ sẵn sàng và không sẵn sàng đều không có đơn vị, tuy nhiên có thể qui đổi ra thành các đại lượng thời gian khi tính cho một năm

2.3 Một số giải pháp nâng cao khả năng sẵn sàng của hệ thống bảo vệ

Một hệ thống bảo vệ bao gồm các rơle và các thiết bị phụ trợ khác, khi xảy ra sự

cố các rơle sẽ gửi tín hiệu đến cắt các máy cắt để loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống điện Tùy theo mức độ quan trọng của đối tượng được bảo vệ, cấp điện áp mà hệ thống bảo

vệ có thể sử dụng các thiết bị bảo vệ từ đơn giản như cầu chì, áp tô mát đến các thiết bị bảo vệ hiện đại như các rơle kỹ thuật số

Hệ thống bảo vệ được thiết kế dựa trên nguyên tắc phải đảm bảo luôn sẵn sàng, phát hiện những trạng thái làm việc không bình thường và loại trừ các sự cố một cách nhanh nhất tránh ảnh hưởng đến các thiết bị được bảo vệ Để tăng cường mức độ sẵn sàng thì hệ thống rơle thường được thiết kế theo nguyên tắc:

- Sử dụng hệ thống có các rơle tại chỗ dự phòng cho nhau

- Hệ thống rơle luôn có các bảo vệ dự phòng cấp trên để đảm bảo loại trừ được sự

cố khi các bảo vệ tại chỗ bị hư hỏng (có vùng chồng lấn giữa bảo vệ tại chỗ và bảo vệ

dự phòng từ xa), hình 2.1

Hình 2.1 Vùng bảo vệ (phạm vi bảo vệ)

Giải pháp tăng cường dự phòng của hệ thống bảo vệ: sử dụng thêm một hoặc nhiều các thiết bị bảo vệ dự phòng phối hợp với thiết bị bảo vệ chính để tránh việc hệ thống điện cùng bị một loại sự cố dẫn tới không cắt được máy cắt loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống điện

Hệ thống bảo vệ có dự phòng được sử dụng chủ yếu ở lưới điện truyền tải vì lý do: Nếu không có hệ thống bảo vệ dự phòng thì khi hư hỏng thiết bị sẽ dẫn tới phải cắt sự

cố bằng các bảo vệ cấp trên và dẫn tới kéo dài thời gian loại trừ sự cố Việc kéo dài thời gian loại trừ sự cố có thể dẫn tới các hậu quả nghiêm trọng như mất ổn định, rã lưới Hệ thống bảo vệ dự phòng cũng được sử dụng phổ biến đối với máy phát điện và máy biến

áp công suất lớn

Các phương thức thiết kế hệ thống bảo vệ dự phòng bao gồm:

- Sử dụng hai bộ rơle, cùng chức năng để bảo vệ cho một đối tượng (máy biến áp, đường dây, máy phát điện )

- Sử dụng thêm các kênh thông tin dự phòng

- Thiết kế các hệ thống mạch dòng điện và mạch điện áp riêng biệt cho hai bộ rơle bảo vệ

- Sử dụng hệ thống nguồn điện một chiều riêng

- Sử dụng máy cắt có hai cuộn cắt, các cuộn cắt được điều khiển bằng các mạch cắt riêng với nguồn một chiều độc lập với nhau Đối với máy cắt điện do không thể đầu

tư máy cắt dự phòng nên cần được trang bị bảo vệ dự phòng hư hỏng máy cắt

- Công nghệ chế tạo rơle kỹ thuật số ngày càng phát triển, cho phép trên cùng một loại rơle tích hợp sẵn nhiều tính năng bảo vệ Do đó, việc áp dụng hệ thống bảo vệ có

dự phòng ở các cấp điện áp khác nhau đã trở nên phổ biến và kinh tế hơn Tuy nhiên, việc tăng cường các rơle bảo vệ cũng có thể dẫn tới khả năng hệ thống bị mất an toàn

do các tác động không mong muốn của hệ thống này Để tránh các trường hợp này thì với các hệ thống có nhiều rơle cần xem xét thiết kế logic cắt máy cắt chỉ khi có ít nhất hai bảo vệ cùng tác động

- Sử dụng các rơle của các hãng khác nhau cùng bảo vệ cho một đối tượng (máy biến áp, đường dây tải điện, máy phát điện ) để tránh việc xảy ra cùng một lỗi hư hỏng Một số kỹ sư cho rằng việc sử dụng các rơle với các nguyên tắc hoạt động khác nhau và

sử dụng nền tảng phần cứng khác nhau sẽ làm giảm nguy cơ hoạt động sai của rơle vì thế đã đề nghị khi thiết kế sơ đồ dự phòng thì không sử dụng cùng một loại rơle bảo vệ của cùng một hãng Tuy nhiên hiện nay các rơle có thể sử dụng chung các thiết bị phần cứng của một số nhà sản xuất dẫn tới việc sử dụng các rơle của các hãng khác nhau có thể không cần thiết, thực tế cho thấy xác suất cùng một phần tử bị hư hỏng cùng một thời điểm với hai rơle giống nhau là rất thấp

- Trường hợp sử dụng rơle của cùng một hãng sản xuất (giống hệt nhau) trong một

hệ thống bảo vệ chính cho một đối tượng được bảo vệ có những ưu điểm sau:

+ Hai hệ thống giống nhau cho phép các kỹ sư thiết kế một hệ thống và sử dụng được hai lần: giảm nhân công khi cài đặt, cấu hình; tránh được các lỗi khi cài đặt; giảm xác suất nhầm lẫn của con người

+ Đảm bảo sự phối hợp bảo vệ tốt hơn do hai hệ thống bảo vệ giống nhau

+ Giảm chi phí và giá thành tích hợp vào hệ thống tự động hóa trạm

+ Các nhân viên vận hành sẽ dễ sử dụng do có chung giao diện

+ Các kỹ sư có thể phân tích dữ liệu với cùng một loại công cụ và kỹ năng

+ Nhân viên có thể chỉ cần đào tạo chuyên sâu về một loại rơle thay vì phải học cách sử dụng hai rơ le cho cùng một mục đích

+ Xử lý sự cố đơn giản hơn, dễ dàng hơn cho người sử dụng để so sánh các báo cáo của hai rơle giống hệt nhau cho cùng một sự cố

Ví dụ minh họa về phương thức bảo vệ máy biến áp không có/ có dự phòng:

Hình 2.2 Hệ thống bảo vệ máy biến áp không có dự phòng

Từ sơ đồ hệ thống bảo vệ máy biến áp không có dự phòng hình 2.2 cho thấy, đối tượng bảo vệ chính là máy biến áp (MBA) và được bảo vệ bởi bảo vệ 1 (BV1), khi xảy

ra sự cố trong vùng bảo vệ của BV1 giới hạn bởi các máy biến dòng điện (BD1, BD2), BV1 sẽ gửi tín hiệu đến cắt các máy cắt điện ở hai đầu của máy biến áp (MC1, MC2), loại trừ sự cố đảm bảo an toàn cho máy biến áp Nhưng vì một lý do nào đó, máy biến

áp không được cắt ra khi xảy ra sự cố trong vùng bảo vệ của BV1 (bảo vệ tác động không đúng, hư hỏng nguồn một chiều DC, máy cắt không cắt ), dòng ngắn mạch tồn tại và tiếp tục làm hư hỏng cách điện của máy biến áp

Để khắc phục nhược điểm của hệ thống bảo vệ không có dự dòng, người ta sử dụng hệ thống bảo vệ có dự phòng Sơ đồ hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng được thiết kế như hình 2.3

Hình 2.3 Hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng

Hệ thống bảo vệ máy biến áp có dự phòng như hình 2.3, sử dụng sơ đồ bảo vệ kép bao gồm hai bảo vệ (BV1 và BV2) Tín hiệu dòng điện cấp cho các bảo vệ BV1, BV2 được lấy từ các cuộn riêng rẽ của máy biến dòng hoặc lấy từ các máy biến dòng khác nhau (BD1, BD2 cho BV1; BD3, BD4 cho BV2) Hệ thống rơle bảo vệ sử dụng hai nguồn điện một chiều độc lập (DC1, DC2) và các máy cắt phía cao áp (MC1) và máy cắt hạ áp (MC2) đều có hai cuộn cắt dự phòng cho nhau Khi xảy ra sự cố máy biến áp, một hoặc cả hai bảo vệ (BV1, BV2) tác động, gửi lệnh cắt đi cắt cả hai máy cắt phía cao

áp và hạ áp, cô lập điểm sự cố

Trong sơ đồ dự phòng thường giả thiết các thiết bị dự phòng có chất lượng tương đương nhau về các chỉ số như độ nhạy và về tốc độ hoạt động

2.4 Phương pháp cây sự cố đánh giá độ tin cậy của hệ thống bảo vệ

2.4.1 Giới thiệu phương pháp cây sự cố đánh giá độ tin cậy

Phương pháp cây sự cố (Fault Tree Analysis - FTA) được phát triển từ năm 1962 tại Bell Laboratories, Mỹ và nhanh chóng được phát triển và công nhận như một công

cụ hữu hiệu đối với các chuyên gia phân tích độ tin cậy Trong giai đoạn đầu phát triển, công cụ được dùng chủ yếu trong các nhiệm vụ quốc phòng, tuy nhiên sau đó đã được

sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hàng không vũ trụ, hóa chất, hạt nhân….và nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác

Phương pháp cây sự cố FTA là một công cụ hữu dụng để phân tích rủi ro và đánh giá độ tin cậy của hệ thống Phương pháp này tập trung vào một tai nạn cụ thể hoặc sự

hư hỏng hệ thống kết hợp với các phần cứng, phần mềm và lỗi của con người để xác

MBA BD1

định nguyên nhân cụ thể dẫn đến sự cố Giúp các kỹ sư có thể hiểu một hệ thống có thể

bị hư hỏng dừng hoạt động do các yếu tố nào, nhận dạng được cách thức tốt nhất để giảm rủi ro hoặc cũng đánh giá được tỷ lệ có thể xảy ra các sự kiện với hệ thống đang quan tâm

Trên thực tế, không có bất kỳ một quá trình đánh giá nguy cơ chuẩn trong các ngành công nghiệp Mỗi một nhà máy, một khối công nghệ có những nét đặc thù riêng

Để đánh giá được các mối nguy của nó, các nhà phân tích thường phải tự xây dựng các bước đánh giá cụ thể cho từng nhà máy dựa vào kiến thức của họ về các kỹ thuật phân tích mối nguy, về khối công nghệ được đánh giá, dữ liệu đầu vào… Phương pháp FTA thường được áp dụng rộng rãi trong các bước đánh giá mức nguy cơ là định tính hay định lượng, tùy thuộc vào dữ liệu đầu vào

Bắt đầu sơ đồ cây sự cố từ định nghĩa sự kiện đỉnh Sự kiện đỉnh là đầu ra của cổng trên cùng trong khi các sự kiện đầu vào tương ứng nhận biết nguyên nhân có thể có và điều kiện xuất hiện sự kiện đỉnh Mỗi sự kiện đầu vào có thể là sự kiện đầu ra của cổng mức thấp hơn Theo cách này, người phân tích tiếp tục sơ đồ cây chuyển sự chú ý từ cơ chế sang phương thức, cho đến khi đạt đến giới hạn phân giải cuối cùng

Hình 2.4 Cấu trúc sơ đồ cây sự cố

Cây sự cố (FTA) dựa trên phương thức phân tích từ trên xuống, bắt đầu với sự kiện không mong muốn (sự kiện đỉnh) có thể xảy ra sau đó xác định sự kiện cơ sở (Base event - BE)

Trạng thái không mong muốn của hệ thống được diễn tả bởi Top Event (TE) TE

và BE được kết hợp với nhau thông qua các cổng logic (AND gate, OR gate)

Sự kiện đỉnh (sự kiện không mong muốn) Cổng trên cùng (And, Or )

Sự kiện mức 1

Cổng mức 1

Sự kiện mức 2

Cây sự cố là công cụ để nhận dạng và đánh giá các tổ hợp của các sự kiện không mong muốn có thể dẫn tới trạng thái không mong muốn của hệ thống Sự kiện không mong muốn được coi là Top Event của cây sự cố

Ví dụ:

Thiết bị đóng cắt (máy cắt điện) không cắt sự cố được khi có lệnh cắt gửi tới từ hệ thống bảo vệ được coi là một sự kiện không mong muốn đối với hệ thống rơle bảo vệ (TOP EVENT) Truy xuất ngược từ việc máy cắt điện không cắt được có thể do hai nguyên nhân: hư hỏng của bản thân máy cắt hoặc hư hỏng của bản thân rơle; hai điều kiện này hợp thành lôgic OR (HOẶC)

Xem xét tiếp việc hư hỏng của rơle có thể do hư hỏng phần cứng hoặc lỗi của phần mềm; hai điều kiện này lại hợp thành một lôgic OR

Để tránh việc rơle bị hư hỏng có thể sử dụng hai rơle dự phòng lẫn nhau, điều kiện này hợp thành logic AND do việc hư hỏng rơle gây ra ảnh hưởng tới việc không cắt máy cắt chỉ xảy ra khi hai rơle cùng hư hỏng

Một phần tử có thể xuất hiện tại nhiều chỗ trong cây sự cố nếu phần tử này có liên

hệ và ảnh hưởng tới nhiều phần tử khác trong cùng hệ thống

Cây sự cố thường được diễn tả dưới dạng đồ họa sử dụng các phần tử logic AND, OR…để dễ phân tích tính toán

Mỗi cây hỏng hóc được thành lập cho một sự kiện đỉnh

Ưu điểm: cây sự cố là phương pháp hiệu quả để nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống phức tạp Phương pháp này cho phép đánh giá về chất lượng cũng như số lượng trên quan điểm độ tin cậy Về mặt chất lượng cây sự cố cho hình ảnh rõ ràng về nguyên nhân, cách thức xảy ra hỏng hóc và các hành vi của hệ thống Hơn nữa, phương pháp cây sự

cố cho phép tính được các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống

Các biểu tượng thông dụng diễn tả các sự kiện trong phương pháp cây sự cố:

Bảng 1.1 Ký hiệu của các sự kiện và các hàm cấu thành cây sự cố

Sự kiện đỉnh, sự kiện

trung gian: sự kiện đạt

được tại đầu ra của các

cổng logic

OR (có điều kiện) - Hàm HOẶC: đầu ra xuất hiện nếu bất cứ đầu vào nào xuất hiện

Sự kiện cơ bản làm cơ

sở: hư hỏng hoặc lỗi

Sự kiện bên ngoài: sự

kiện thuộc diện mong

đợi có thể xảy ra

(không phải hư hỏng

của bản thân phần tử)

OR chuyên biệt: đầu

ra xuất hiện nếu một đầu vào chỉ định trước xuất hiện

Sự kiện điều kiện: các

điều kiện mà gây ảnh

Sự kiện bên ngoài: sự

kiện thuộc diện mong

đợi có thể xảy ra

(không phải hư hỏng

của bản thân phần tử)

TRANSFER – Hàm chuyển (vào/ ra): dùng

để liên kết đầu vào đầu

ra của các cây sự cố (ví dụ liên kết từ hệ thống con tới hệ thống lớn)

Chuyển tiếp vào

Chuyển tiếp ra

2.4.2 Hàm cấu trúc (structure function)

Việc xây dựng cây lỗi sẽ giúp người vận hành hệ thống có thể tìm ra những phần

tử đóng vai trò trọng yếu trong hệ thống và tìm ra lỗi nhanh nhất trong trường hợp hệ thống gặp sự cố thông qua hàm cấu trúc

Một hệ thống được cấu thành từ n phần tử có thể được xem như một hệ thống bậc

n Các phần tử được đánh số theo thứ tự từ 1 đến n Trạng thái của mỗi phần tử hoặc là đang hoạt động hoặc là hư hỏng Áp dụng điều này cho mỗi phần tử và cho cả hệ thống Trạng thái của phần tử i với i = 1, 2…, n có thể được mô tả bởi một biến nhị phân xi, với:

nếu phần tử hoạt động tốt

nếu phần tử bị hỏng

Với: x = (x1, x2,…, xn) được gọi là véc-tơ trạng thái Từ đó, xác định được trạng thái hoạt động của hệ thống nếu biết được trạng thái hoạt động của từ phần tử cấu thành nên hệ thống Trạng thái của hệ thống cũng được mô tả bởi một hàm nhị phân φ(x): nếu hệ thống hoạt động tốt

nếu hệ thống bị hỏng

Trong đó: φ(x) được gọi là hàm cấu trúc của hệ thống

Hàm cấu trúc được xây dựng trực tiếp từ sơ đồ cây sự cố một cách dễ dàng Thông qua hàm cấu trúc, các trạng thái của hệ thống sẽ được rút gọn bằng các tính chất của các cổng lô-gíc và từ đó xác định các phần tử đóng vai trò trọng yếu trong quá trình vận hành của hệ thống

2.4.3 Mối liên hệ giữa sơ đồ khối và sơ đồ cây sự cố

1 Hệ thống gồm các phần tử kết nối kiểu nối tiếp

- Kết nối kiểu nối tiếp: Hệ thống hoạt động tốt nếu tất cả các phần tử của hệ thống hoạt động tốt, sơ đồ khối như hình 2.5a

Hình 2.5 Hệ thống kết nối kiểu nối tiếp







:0

:1

:1)x

Theo sơ đồ khối hình 2.5a, nếu các phần tử không tương tác với nhau thì các sự cố

là độc lập với nhau và độ tin cậy của hệ thống bằng tích các độ tin cậy của các phần tử hợp thành:

2 1

P

Trong đó Pi: là xác suất của phần tử thứ i ở trạng thái tốt

Từ đó cũng có thể tính được xác suất trạng thái hỏng của hệ thống nối tiếp là:

1MTTF

Hàm cấu trúc của hệ thống các phần tử kết nối nối tiếp:

2

x)x



Nguyên nhân hỏng của hệ thống có thể được truy tìm từ khả năng hỏng của một trong hai phần tử Từ đó, xây dựng được sơ đồ cây sự cố như hình 2.5b, ta thấy hàm AND trong sơ đồ khối tương đương với hàm OR trong sơ đồ cây sự cố

Ví dụ: kết nối kiểu nối tiếp giữa BI – Rơle – Máy cắt: tín hiệu cắt máy cắt khi sự

cố chỉ có được nếu tất cả các phần tử như BI và Rơle và bản thân Máy cắt hoạt động tốt

2 Hệ thống gồm các phần tử kết nối kiểu song song

Các phần tử được nối song song, tạo ra khả năng dự phòng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Hệ thống chỉ gặp sự cố khi tất cả các phần tử cấu thành của nó ngừng hoạt động, sơ đồ khối như hình 2.6a):

Hình 2.6 Hệ thống kết nối kiểu song song

Nếu biết cường độ phục hồi μ1 và μ2 và tần suất hư hỏng λ1 và λ2 của các phần tử thì có thể tính được cường độ phục hồi μHT và tần suất hư hỏng λHT của hệ thống:

2 1 2

Còn nếu biết xác suất trạng thái hỏng của phần tử là Q1 và Q2, ta có:

HT HT

2 1

2

1 xx)x

tử nối tiếp được đẳng trị thành một phần tử và dùng phương pháp đường tối thiểu hoặc lát cắt tối thiểu để tính

Phương pháp lát cắt tối thiểu:

- Lát cắt bao gồm các phần tử mà khi các phần tử này đồng thời hỏng thì hệ thống

sẽ hỏng Với giả thiết rằng mỗi phần tử đều có khả năng đáp ứng nhu cầu tải

- Lát cắt tối thiểu là lát cắt bao gồm số lượng tối thiểu các phần tử Hệ thống chỉ tốt khi tất cả các lát cắt tối thiểu đều tốt, nếu chỉ một lát cắt tối thiểu hỏng thì hệ thống

sẽ hỏng Một lát cắt tối thiểu hỏng khi tất cả các phần tử của nó hỏng

Như vậy lát cắt được mô tả bằng sự nối song song các phần tử của nó, còn sơ đồ

độ tin cậy của hệ thống sẽ là sự ghép nối tiếp của các lát cắt tối thiểu

2.5 Ví dụ áp dụng phương pháp cây sự cố

Xét một hệ thống bảo vệ rơle cho đường dây tải điện có nguồn cung cấp từ một phía gồm: một máy cắt điện (52), rơle bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (50), máy biến dòng điện (BI) cung cấp tín hiệu cho rơle 50 và hệ thống nguồn thao tác một chiều (DC) như hình 2.7 Áp dụng cây sự cố để phân tích khả năng hệ thống bảo vệ cho đường dây (50) không sẵn sàng để loại trừ được sự cố trên đường dây được bảo vệ

Sự kiện cần quan tâm là hệ thống không loại trừ được sự cố được coi là sự kiện đỉnh (Top Event) Để đơn giản giả thiết các sự kiện hỏng hóc xảy ra độc lập với nhau

Hình 2.7 Sơ đồ mạch bảo vệ đường dây không có rơle dự phòng

Sự kiện đỉnh được giả thiết là “Không cắt được máy cắt khi có sự cố trong vùng được bảo vệ” Phương pháp cây sự cố được bắt đầu từ sự kiện đỉnh, sau đó phụ thuộc vào mối quan hệ logic của các sự kiện đỉnh với các sự kiện sự cố thành phần (thân, cành, lá….), thành lập cây sự cố thông qua các sự cố trung gian và các cổng logic Cổng OR như hình 2.8 chỉ ra rằng bất cứ sự cố thành phần nào đều dẫn tới sự cố đỉnh

Ví dụ lấy cường độ hư hỏng của các phần tử như sau:

- Cường độ hư hỏng của máy cắt: 0,01

- Cường độ hư hỏng của máy biến dòng điện: 0,0001

- Cường độ hư hỏng của rơle bảo vệ 50: 0,001

- Cường độ hư hỏng của ắc quy: 0,01

- Cường độ hư hỏng của kênh truyền: 0,0001

Do các phần tử nối với nhau qua logic OR nên tần suất xuất hiện sự kiện đỉnh bằng tổng tần suất của các sự kiện nhánh và bằng:

0,0212

=0,0001+

0,01+0,001+0,0001+

0,01

Hình 2.8 Cây sự cố mạch bảo vệ đường dây không có rơle dự phòng

Có thể nâng cao độ tin cậy của hệ thống (giảm tần suất xuất hiện sự kiện đỉnh) bằng cách thiết kế hệ thống bảo vệ với sơ đồ có dự phòng

Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ rơle cho đường dây, bổ sung thêm một rơle dự phòng (rơle bảo vệ quá dòng điện cực đại 51), sơ đồ phương thức bảo vệ như hình 2.9:

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bảo vệ đường dây có rơle dự phòng

Cây sự cố trong trường hợp bảo vệ đường dây có dự phòng có thêm cổng AND (hình 2.10) Cổng AND này thể hiện cả hai rơle hỏng mới gây ra sự kiện “cả hai rơle 50

và 51 không tác động” với cường độ hư hỏng là 0,0010,0010,000001 Tần suất sự

cố của sự kiện đỉnh trong trường hợp này sẽ là 0,0202 Như vậy độ tin cậy ở sơ đồ này

đã được cải thiện do có thêm rơle dự phòng (cải thiện 4,7%)

Hình 2.10 Cây sự cố mạch bảo vệ đường dây có rơle dự phòng

- Trình bày các giải pháp để nâng cao độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ

- Giới thiệu phương pháp đánh giá mức độ không sẵn sàng của hệ thống rơle bảo

vệ cho trạm biến áp, ứng dụng phương pháp cây sự cố đánh giá độ tin cậy của một số

sơ đồ phương thức bảo vệ cho máy biến áp

Chương 3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ ĐÁNH GIÁ ĐỘ

TIN CẬY HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP TRẠM BIẾN ÁP 500KV NHO QUAN – NINH BÌNH

3.1 Giới thiệu về trạm biến áp 500 kV Nho Quan và phương thức bảo vệ

3.1.1 Giới thiệu về trạm biến áp 500 kV Nho Quan

Trạm biến áp 500 kV Nho Quan trực thuộc Truyền tải điện Ninh Bình Công ty truyền tải điện 1, trạm biến áp được đóng tại địa bàn xã Đồng Phong, huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình Trạm biến áp 500kV Nho Quan tiền thân là trạm cắt 220 kV Nho Quan Công trình trạm cắt 220 kV Nho Quan là công trình trọng điểm do Công ty Truyền tải điện 1 trực tiếp tham gia thi công, giám sát, nghiệm thu và đưa vào vận hành Ngày 01 tháng 11 năm 2003 thành lập ban chuẩn bị sản xuất trạm cắt 220 kV Nho Quan theo quyết định số 1636/QĐ-TTĐ1-TCCB&ĐT và đến ngày 28 tháng 03 năm 2004 tổ chức đóng điện đưa vào vận hành khánh thành trạm cắt 220 kV Nho Quan

Do nhu cầu cấp thiết trong việc đảm bảo cung cấp điện cho các tỉnh miền Bắc và liên kết, hoàn thiện hệ thống truyền tải siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam Trạm cắt 220 kV Nho Quan đã được đầu tư xây dựng nâng cấp thành trạm biến áp 500 kV Nho Quan Ngày 01/12/2005 thành lập trạm biến áp 500 kV Nho Quan theo quyết định số 2284/QĐ-TTĐ1-TCCB&ĐT

Trạm biến áp 500 kV Nho Quan hiện tại được biên chế 18 cán bộ công nhân viên trong đó: 01 trạm trưởng, 01 trạm phó, 06 trực chính, 11 trực phụ được chia làm 05 kíp

- 01 MBA tự ngẫu 500/220/35kV có công suất 600 MVA

- 02 MBA 220/110/22 kV có công suất 125 MVA

- 05 ngăn lộ 500kV, trong đó 02 ngăn lộ đường dây 500kV Nho Quan - Hà Tĩnh,

01 ngăn lộ đường dây 500kV Nho Quan - Thường Tín, 01 ngăn lộ đường dây 500kV Nho Quan - Hoà Bình và 01 ngăn lộ đường dây 500kV Nho Quan - Nhà máy Thuỷ điện Sơn La

- 11 ngăn lộ 220 kV, trong đó 01 ngăn lộ đường dây Nho Quan – TĐ Thành Sơn,

01 ngăn lộ đường dây Nho Quan – TĐ Hòa Bình, 02 ngăn lộ đường dây 220kV Nho Quan - Ninh Bình, 01 ngăn lộ đường dây Nho Quan – Thanh Nghị, 01 ngăn lộ đường