Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hàm tương quan để xác định vị trí sự cố của đường dây tải điện

vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT R0 Điện trở trên một đơn vị chiều dài đường dây /km L0 Điện cảm trên một đơn vị chiều dài đường dây H/km H0 Điện dung trên một đơn vị chiều d

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN SỸ HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT HÀM TƯƠNG QUAN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ

CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - Năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Sỹ Hải

Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hàm tương quan để xác định

vị trí sự cố của đường dây tải điện

Chuyên ngành:Kỹ thuật điện

Mã số: : 8.52.02.01

Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với các nội dung sau:

- Sửa lỗi câu chữ, thuật ngữ trong luận văn phù hợp với chuyên ngành

- Bổ sung thêm danh mục các hình vẽ và bảng biểu theo quy định

-

Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Nguyễn Hữu Công

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các nghiên cứu và kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố công

bố trong bất kỳ một luận văn nào trước đây

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 8 năm 2020

Tác giả luận văn

Nguễn Sỹ Hải

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn của này, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp, động viên từ các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và người thân trong gia đình Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ long biết ơn tới TS Đỗ Trung Hải đã tận tình hướng dấn, luôn hỗ trợ và khích lệ trong suốt thời gian làm luận văn để tôi có thể hoàn thành được luận văn của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy trong khóa học chuyên ngành Kỹ thuật điện đã cho tôi ý kiến quý báu trong suốt quá trình học tập

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo của khoa Điện và Phòng Đào tạo Nhà trường đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành nội dung luận văn

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 8 năm 2020

HỌC VIÊN

Nguyễn Sỹ Hải

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU VIII

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 1

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 1

6 Nội dung luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Một số phương pháp xác định vị trí sự cố 3

1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng (đo lường một phía) [9,10] 3

1.2.1.1 Phương pháp điện kháng đơn 4

1.2.1.2 Phương pháp TAKAGI 6

1.2.1.3 Phương pháp TAKAGI cải tiến 7

1.2.2 Phương pháp đo lường từ hai phía [11,12] 8

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố 9

1.2.4 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường dây 10

1.3 Kết luận chương 1 10

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 11

2.1 Mô hình đường dây truyền tải điện [2,4] 11

v

2.2 Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây [4,6] 13

2.2.1 Tổng trở sóng ZC 13

2.2.2 Hệ số truyền sóng  14

2.2.3 Vận tốc truyền sóng v 14

2.3 Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố [3,4] 15

2.3.1 Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây thuần trở 17

2.3.2 Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R nt L): 17

2.3.3 Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R|| L): 18

2.3.4 Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R ||C): 19

2.3.5 Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R nt C): 19

2.4 Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố 20

2.5 Kết luận chương 2 21

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT HÀM TƯƠNG QUAN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 22

3.1 Tín hiệu chirp [13,14] 22

3.2 Hàm tương quan [7] 25

3.3 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố [1] 26

3.4 Kết luận chương 3 30

CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 31

4.1 Phần mềm Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện [8] 31

4.1.1 Thư viện Sources: gồm có các khối nguồn constant, khối Ramp và Step, Khối Pulse Generator, Khối sine Wave như hình 4.1 31

4.1.2 Thư viện hiện thị Sinks bao gồm các khối Display, XY Graph, To File, To Workspace, Scope như hình vẽ 32

4.1.3 Thư viện SimPowerSystems: Công cụ mô phỏng lưới điện 33

vi

4.1.4 Thư viện nguồn: bao gồm các nguồn 1 chiều, xoay chiều 1 pha, 3 pha, nguồn dòng, nguồn áp, nguồn có điều khiển và nguồn không có điều khiển như

hình vẽ 34

4.1.5 Thư viện Elements 34

4.1.6 Thư viện các khối đo lường: 38

4.2 Mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài để xác định vận tốc truyền sóng 38

4.2.1 Mô hình mô phỏng 38

4.2.2 Kết quả mô phỏng 41

4.3 Mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài không phân nhánh khi đường dây có sự cố: 42

4.3.1 Mô hình mô phỏng 42

4.3.2 Kết quả mô phỏng một số loại sự cố khác nhau: 43

4.3.2.1 Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất 43

4.3.2.2 Sự cố một pha chạm đất 45

4.3.2.3 Sự cố ngắn mạch hai pha 45

4.4 Kết luận chương 4 46

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN SÓNG 50

PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ 52

vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

R0 Điện trở trên một đơn vị chiều dài đường dây /km

L0 Điện cảm trên một đơn vị chiều dài đường dây H/km

H0 Điện dung trên một đơn vị chiều dài đường dây F/km

G0 Điện dẫn trên một đơn vị chiều dài đường dây S/km

Vinc Sóng tín hiệu điện áp một chiều có biên độ Vinc (sóng tới) V

V Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện Km/s

Lfault Chiều dài từ đầu đường dây đến điểm sự cố km

viii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện

kháng đơn 5

Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn 6

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 8

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố 8

Hình 1.5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây 10

Hình 2 1: Mô hình đường dây truyền tải hình PI một pha 11

Hình 2.2: Mô hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình PI ba pha 12

Hình 2.3: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng 16

Hình 2.4: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở 17

Hình 2.5: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải R nối tiếp L 17

Hình 2.6: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L 18

Hình 2.7: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C 19

Hình 2.8: Mô hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C 19

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quan phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 22

Hình 3.2 tín hiệu chirp 25

Hình 3.3: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố 27

Hình 3.4: Đồ thị hàm tương quan giữa tín đầu tới và tín hiệu phản hồi đo được khi không có sự cố 27

Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán xác định thời điểm sóng phản hồi 30

Hình 4.1 Thư viện các khối nguồn 31

Hình 4.2 Thư viện các khối hiển thị 33

Hình 4.3 Thư viện công cụ mô phỏng SimPowerSystems 33

Hình 4.4 Thư viện các khối nguồn trong SimPowerSystems 34

Hình 4.5 Thư viện Elements trong SimPowerSystems 35

Hình 4.6 Block cài đặt thông số cho đường dây thông số dải 36

Hình 4.7 Block cài đặt thông số cho máy cắt 3 pha 36

Hình 4.8 Block cài đặt thông số cho cổng kết nối 37

ix

Hình 4.9 Thư viện các khối đo lường 38

Hình 4.10 Mô hình các khối đo lường 39

Hình 4.11 Mô hình khối phát xung tín hiệu hình chirp vào đầu đường dây 39

Hình 4.11 Mô hình thông số tín hiệu chirp 40

Hình 4.12 Mô hình thông số tín hiệu chirp 40

Hình 4.13: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha với nguồn phát xung chirp 40

Hình 4.14: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố 41

Hình 4.15: Đồ thị hệ số tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ đo được khi không có sự cố 41

Hình 4.16: Sơ đồ khối mô phỏng các dạng ngắn mạch 42

Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng đường dây sự cố 42

Hình 4.18: Tín hiệu đầu đường dây do được khi có sự cố ngắn mạch 3 pha chạm đất tại 40km 43

Hình 4.19: Tín hiệu phóng to đầu đường dây do được khi có sự cố ngắn mạch 3 pha chạm đất tại 40km 44

Hình 4.20: Đồ thị hệ số tương quan giữa tín tới và tín hiệu phản xạ đo được khi không có sự cố 3 pha chạm đất tại 40km 44

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4 1: Bảng kết quả xác định vị trí sự cố 3 pha chạm đất áp dụng phương pháp hàm tương quan 45Bảng 4.2: Bảng kết quả xác định vị trí sự cố 1 pha chạm đất áp dụng phương pháp hàm tương quan 45Bảng 4.3: Bảng kết quả xác định vị trí sự cố ngắn mạch 2 pha áp dụng phương pháp hàm tương quan 45

1

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy

ra sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng và gây thiệt hại lớn về kinh tế

Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố trên đường dây truyền tải điện có thể do sét đánh, cách điện bị già hóa, cây cối đổ vào đường dây,… Do đường dây có chiều dài lớn đi trên địa hình phức tạp dẫn tới khi sự cố xẩy ra quá trình tìm kiếm để xác định vị trí sự cố mất rất nhiều thời gian, dẫn tới thời gian xử lý sự cố lâu ảnh hưởng tới quá trình liên tục cung cấp điện

Để góp phần rút ngắn thời gian phát hiện vị trí sự cố, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hàm tương quan để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện” là cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu tìm hiểu quá trình sóng lan truyền trên đường dây truyền tải điện, dựa trên phân tích sóng phản hồi từ vị trí sự cố về đầu đường dây để định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Đưa ra được những kiến thức, những bước cơ bản để ứng dụng phương pháp lý thuyết hàm tương quan để xác định sự cố trên đường dây truyền tải điện

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phát hiện vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 110 Kv không phân nhánh Ứng dụng lý thuyết hàm tương quan để phân tích sóng phản hồi và xác định vị trí sự cố

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp xác định điểm sự cố của lưới điện bằng mô hình toán Xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết

2

6 Nội dung luận văn

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

Chương 2: Nghiên cứu quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện Chương 3: Ứng dụng lý thuyết hàm tương quan để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện

Chương 4: Các kết quả tính toán và mô phỏng

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN

ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

cố

Thời gian sự cố kéo dài dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế, gây mất ổn định trong hệ thống điện Như vậy việc nhanh chóng phát hiện, định vị, cô lập và khắc phục những sự cố là rất quan trọng trong việc đảm bảo chế độ làm việc tin cậy của hệ thống điện

Thời gian phục hồi lại trạng thái làm việc bình thường của các đường dây bị sự

cố bao gồm cả thời gian để tìm vị trí sự cố Tính toán ước lượng chính xác vị trí sự cố giúp giảm thiểu thời gian khắc phục sự cố

Hiện nay một số đường dây truyền tải điện được trang bị bảo vệ khoảng cách 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 từ vài km đến hàng chục km) Do đó để định vị sự cố trên đường dây truyền tải chính xác hơn một số phương pháp phát hiện

sự cố được quan tâm nghiên cứu và phát triển

1.2 Một số phương pháp xác định vị trí sự cố

1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng (đo lường một phía) [9,10]

Trong phương pháp dựa trên trở kháng, sự vận hành của rơle khoảng cách phụ thuộc rất nhiều vào điện trở sự cố và không hiệu quả trong trường hợp có điện trở sự

cố rất cao Phương pháp tổng trở yêu cầu trở kháng ngắn mạch phải gần bằng 0 để có thể thu được kết quả ước lượng vị trí sự cố được chính xác

và máy biến điện áp (BU), sai số của rơle do thành phần tự do gây ra khi tính toán các giá trị hiệu dụng, độ không lý tưởng của các bộ lọc số, sai số do các bộ chuyển đổi

AD, sai số của các thiết bị đo góc pha, việc tính toán cài đặt và chỉnh định rơle cũng nhƣ do việc đã loại bỏ các thành phần tín hiệu biến thiên nhanh dẫn tới mất đi một phần thông tin trong tín hiệu , từ đó dẫn đến việc xác định vị trí sự cố của rơle khoảng cách chưa được chính xác

1.2.1.1 Phương pháp điện kháng đơn

Các giá trị điện áp, dòng điện đo lường được ở đầu đường dây sẽ được sử dụng để tính toán trở kháng của đường dây đến vị trí điểm sự cố l sù cè và được biểu diễn theo phương trình (1.1)

trong đó:

- UA: điện áp tại đầu nguồn A; ZL: tổng trở của đường dây

- IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A

- Uf: điện áp sự cố

- Rf: điện trở sự cố được minh họa như hình vẽ

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện

L f

U

R I

l

Z I

Độ chính xác của phưởng pháp này chịu ảnh hưởng của các thông số sau:

Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố: Khi xảy ra sự cố, đặc biệt là sự cố một pha

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

Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố: Góc lệch pha dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố 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

~

Nguồn B

l suco.Z

~

6

pha của điện áp trong chế độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây,

vì vậy dòng điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định

vị sự cố

1.2.1.2 Phương pháp TAKAGI

Phương pháp Takagi cần cả các tín hiệu trước khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất hiện sự cố Phương pháp này cũng nâng cao được độ chính xác hơn so với phương pháp điện kháng đơn như giảm bớt ảnh hưởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh hưởng của dòng tải Sơ đồ minh họa như hình vẽ

Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn

Điện trở sự cố được tính toán theo biểu thức

tanhtanh

f

j A

- UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A

- ZL: tổng trở của đường dây

- IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A

7

- : hệ số lan truyền

- Rf: điện trở sự cố

- IA :dòng điện xếp chồng, là sự chênh lệch giữa dòng điện sự cố và dòng điện trước sự cố

- U"A: điện áp xếp chồng, là sự chênh lệch giữa điện áp sự cố và điện áp trước

sự cố

- IA*: ảnh phức liên hợp của I A

1.2.1.3 Phương pháp TAKAGI cải tiến

Phương pháp Takagi cải tiến này cũng còn được gọi là phương pháp dòng điện thứ tự không Phương pháp này không yêu cầu dữ liệu trước sự cố vì nó sử dụng dòng điện thứ tự không thay vì xếp chồng dòng điện của sự cố chạm đất Vị trí sự cố trong phương pháp này được xác định:

*

* 1

- Z1L: tổng trở thứ tự thuận của đường dây

- UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A

- IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A

Nhận xét:

- Ưu điểm nổi bật của phương pháp điện kháng đơn là đơn giản, dễ lắp đặt, không cần phải đồng bộ giữa các thiết bị, tuy nhiên có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng lớn bởi các nguồn nhiễu như sự bất đối xứng của đường dây, ảnh hưởng của thành phần thứ tự không hay của hỗ cảm giữa các đường dây

8

- Phương pháp Takagi ít ảnh hưởng của điện trở sự cố và ảnh hưởng của dòng tải nhưng cần phải biết chính xác được các thông số của dòng điện pha sự cố ngay trước thời điểm xuất hiện sự cố Các sai lệch trong các thông số này sẽ tạo thành sai số lớn trong việc ước lượng vị trí sự cố

- Phương pháp Takagi cải tiến không cần dùng giá trị của dòng điện trước sự cố nhưng lại phải xác định được góc pha của dòng điện thứ tự 0 Đây cũng là một nguồn sai số lớn của phương pháp

1.2.2 Phương pháp đo lường từ hai phía [11,12]

Phương pháp đo lường tín hiệu từ hai đầu đường dây yêu cầu tín hiệu phải được

đo lường và đồng bộ từ cả hai đầu đường dây Phương pháp này có độ chính xác cao hơn các phương pháp đo lường từ một phía vì không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn cũng như ảnh hưởng của điện trở sự cố Xét sự cố xảy ra cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây AB như trong hình vẽ

Hình 1.3: 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

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

trong đó ZD là tổng trở của đoạn đường dây AB

Trừ hai phương trình cho nhau:

UA  UB IB ZD   x ZD (IA I )B (1.10) Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định:

bù thành phần thứ tự không Trong thực tế, rất khó xác định đúng điện kháng thứ tự không của đường dây, do đó việc tính toán hệ số bù dòng thứ tự không sẽ không chính xác và gây sai số

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố

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 vẽ Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:

10

Hình 1.5: 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

1.2.4 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường dây

Sử dụng một mạch phát xung (điện áp/dòng điện) vào đầu đường dây bị sự cố, sau đó ta tiến hành ghi lại các tín hiệu phản hồi Dựa trên việc phân tích tín hiệu phản hồi ta có thể xác định được vị trí cũng như một số thông số của đường dây, của điểm

sự cố và của tải cuối đường dây

Phương pháp này có nhiều lợi điểm so với các phương pháp tổng trở hay phương pháp dựa trên sóng lan truyền từ điểm sự cố do sử dụng thiết bị ở một đầu nên không cần phải đồng bộ về thời gian

1.3 Kết luận chương 1

Quan phân tích ở trên ta thấy có nhiều phương pháp để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện Mỗi phương pháp khác nhau có ưu, nhược điểm riêng Luận văn nghiên cứu phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường dây

11

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG

DÂY TẢI ĐIỆN

2.1 Mô hình đường dây truyền tải điện [2,4]

Đối với đường dây truyền tải, điện trở, điện cảm, và điện dung được phân bố đều trên đường dây Một mô hình gần đúng của đường dây với tham số phân bố bằng cách xếp chồng một vài phần có dạng hình PI giống nhau như hình vẽ

Hình 2 1: Mô hình đường dây truyền tải hình PI một pha

Trong mô hình hình PI, số phần tử hình PI được sử dụng phụ thuộc vào dải tần số

và được xác định từ cong thức:

max

Nf

 , với L (H/km), C (F/km)

- l là chiều dài dây (km)

Với đường dây có phân đoạn ngắn thông số RLC của mỗi phân đoạn được tính như sau:

R r l ; L  l l ; CC l (2.2) Trong đó:

- lsec là chiều dài một phân đoạn hình PI

- r0 (Ω/km) là điện trở trên một đơn vị chiều dài

- l0 (H/km) là điện cảm trên một đơn vị chiều dài

12

- C0 (F/km) là điện dung trên một đơn vị chiều dài

Mô hình đường dây hình PI ba pha với các tham số trong một phân đoạn PI như hình vẽ

Hình 2.1: Mô hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình PI ba pha

Trong đó:

- Rs là điện trở của đường dây ba pha

- Rm là điện trở hỗ cảm của đường dây ba pha

- Ls là điện cảm của đường dây dây ba pha

- Lm là điện cảm hỗ cảm của đường dây dây ba pha

- Cp là điện dung giữa các pha

- Cg là điện dung giữa pha với đất

Các thông số thứ tự thuận và thứ tự không của đường dây được tính như sau:

- r0 (Ω/km) là điện trở thứ tự không trên một đơn vị chiều dài

- r1 (Ω/km) là điện trở thứ tự thuận trên một đơn vị chiều dài

- l0 (H/km) là điện cảm thứ tự không trên một đơn vị chiều dài

- l1 (H/km) là điện cảm thứ tự thuận trên một đơn vị chiều dài

- c0 F/km) là điện dung thứ tự không trên một đơn vị chiều dài

13

- c1 (F/km) là điện dung thứ tự thuận trên một đơn vị chiều dài

- lsec là một phân đoạn hình PI

- kr1, kl1, kc1, kr0, kl0, kc0 là các hệ số điều chỉnh

Đối với đoạn đường dây ngắn, các hệ số điều chỉnh này thay đổi không đáng kể gần như đồng nhất Tuy nhiên, đối với đường dây dài, những hệ số này phải được tính đến để có được mô hình đường dây chính xác ở tần số xác định

Các thông số R,L,C của mỗi đoạn hình PI được xác định như sau:

2.2 Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây [4,6]

Sóng lan truyền trên đường dây bao gồm:

-  [nep/km] là hệ số tắt (hệ số suy giảm của biên độ)

-  [rad/km] là hệ số pha (độ biên thiên góc pha của sóng khi truyền dọc đường dây)

Các đường dây trong thực tế thường có giá trị điện trở, điện dẫn thường rất nhỏ

so với điện cảm và điện dung Khi xét đường dây dài ở chế độ truyền sóng, nếu bỏ qua thành phần điện trở của đường dây, ta có các thông số truyền sóng được xác định như sau:

L C



15

- Tổng trở sóng: C 0

0

LZ

C

 là điện trở thuần

Ta có nhận xét về các thông số của đường dây dài không tiêu tán:

Tổng trở sóng là số thực (thành phần ảo bằng 0) nên tương đương với điện trở thuần

Vận tốc truyền sóng không phụ thuộc vào tần số nên đường dây không tiêu tán cũng là đường dây không méo

Tín hiệu truyền sóng trên đường dây không tiêu tán chỉ bị trễ (hay hệ số pha thay đổi) coi như không bị suy giảm về biên độ

2.3 Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố [3,4]

Giả sử tại thời điểm t = 0 ta đưa vào đầu đường dây một nguồn áp V (t) Khi inc

có năng lượng truyền vào, không gian dọc đường dây sẽ hình thành một trường điện từ biến thiên Sóng điện từ sẽ lan truyền từ đầu đường dây tới cuối đường dây và khi gặp các điểm phân nhánh, sự cố hoặc khi gặp điểm cuối đường dây, một phần năng lượng của sóng sẽ phản hồi ngược trở lại thành sóng lan truyền ngược, phần còn lại sẽ khúc

xạ vào tải hoặc vào đường dây phía sau điểm phân nhánh hoặc sự cố

Để xác định được hai thành phần này, ta có thể áp dụng mô hình thuật toán Petersen Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng (lấy ví dụ trường hợp sóng lan truyền đến cuối đường dây) như hình vẽ Khi sóng lan truyền tới cuối đường dây ta có:

Hình 2.2: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng

Khi đường dây có tổng trở sóng Z0 và tải cuối đường dây Z2 thì các hệ số khúc xạ

- Vinc: biên độ sóng tới

Nếu đường dây không có sự cố thì thời gian từ lúc bắt đầu đóng nguồn vào đường dây cho đến khi có sóng phản hồi là:

17

Còn gọi là hiện tượng phản xạ dương toàn phần Khi sóng này lan truyền ngược

về đầu đường dây, tín hiệu điện áp đo được đầu đường dây sẽ là:

Z 0

Hình 2.3: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở

Khi đóng một nguồn điện áp Vinc vào đầu đường dây có tổng trở sóng Z0 và tải cuối đường dây thuần trở Rt thì thành phần phản xạ cuối đường dây là:

 hằng số thời gian 2

Z 0

L L

Hình 2.5: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L

Ta có tín hiệu điện áp đo được ở đầu đường dây khi có phản xạ về:

t T

Hình 2.6: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C

Ta có tín hiệu điện áp đo được ở đầu đường dây khi có phản xạ về:

Z 0

Hình 2.7: Mô hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C

2.4 Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố

Khác với trường hợp đường dây không có sự cố, khi có điểm sự cố thì sóng tới chạy từ đầu đường dây đến vị trí sự cố sẽ xuất hiện thành phần phản xạ quay lại đầu đường dây Xét trường hợp sự cố ngắn mạch có điện trở và điện cảm sự cố là: