Nghiên cứu nâng cao chất lượng của bảo vệ khoảng cách và định vị sự cố bằng rơle kỹ thuật số

Trong công tác quản lý vận hành việc xác định chính xác điểm sự cố giúp nhanh chóng xác định được phần tử bị sự cố, làm giảm thời gian ngừng cung cấp điện, giảm số lượng nhân lực để khắc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN XUÂN TRUNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Nguyễn Xuân Trung

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ LÀM VIỆC CHÍNH XÁC CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 6

I Giới thiệu chung: 6

II Nâng cao độ chính xác định vị điểm sự cố trên đường dây truyền tải điện 6

III Nguyên lý làm việc phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía: 8 IV Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía 18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 21

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220KV NINH BÌNH, TRẠM BIẾN ÁP 500KV NHO QUAN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220KV NINH BÌNH – NHO QUAN 22

I Tổng quan về trạm biến áp 220 kV Ninh Bình 22

II Tổng quan về trạm biến áp 500 kV Nho Quan 23

III Tổng quan về đường dây tải điện Nho Quan – Ninh Bình 24

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 25

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ BẢO VỆ KỂ TỚI CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH 26

I Phân tích các dạng ngắn mạch bằng chương trình ETAP 26

II Xác định các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của bảo vệ khoảng cách 322

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 37

CHƯƠNG 4: ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA TRÊN TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG THU THẬP ĐƯỢC TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 388

I Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía dùng phần mềm Digsi và Sigra của Siemens: 388

II Mô phỏng ngắn mạch đường dây bằng chương trình ATPDraw 455

III Kết quả mô phỏng 533

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 59

KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 600

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 612

TÀI LIỆU THAM KHẢO 623

PHỤ LỤC 644

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Đường dây truyền tải do Công ty Truyền tải 1 quản lý 9

Hình 1 2 Đặc tính tác động loại MhO 9

Hình 1 3 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha 101

Hình 1 4 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất 112

Hình 1 5 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất 122

Hình 1 6 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp 134

Hình 1 7 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được 155

Hình 1 8 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song 166

Hình 1 9 Các cấu hình đường dây song song 177

Hình 1 10 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện Ki lên số đo 178

Hình 1 11 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 19

Hình 1 12 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố 19

Hình 3 1 Sơ đồ mô phỏng đường dây 220 kV Ninh Bình-Nho Quan 266

Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ 21 322

Hình 4 1 Bản ghi thông tin sự cố ngày 9.5.2020……….40

Hình 4 2 Lấy thông tin sự cố trong Sigra………40

Hình 4 3 Biến thiên dòng điện 3 pha 411

Hình 4 4 Biến thiên điện áp trên 3 pha 422

Hình 4 5 Chức năng bảo vệ trên rơle 422

Hình 4 6 Chuỗi cách điện pha C vị trí 74 ĐZ NQ-NB1 bị phóng điện 444

Hình 4 7 Mỏ phóng sét làm việc vị trí 74 ĐZ NQ-NB1 444

Hình 4 8: Sơ đồ mô phỏng đường dây 220 kV Nho Quan-Ninh Bình ngắn mạch 3 pha 47

Hình 4 9 Sơ đồ mô phỏng đường dây 220 kV Nho Quan-Ninh Bình ngắn mạch 1 pha 477

Hình 4 10 Mô hình điện áp nguồn hệ thống 48

Hình 4 11 Dữ liệu đường dây trên không trong mô đun LCC 49

Hình 4 12 Mô hình tổng trở pha-đất 51

Hình 4 13 Đầu đo điện áp và dòng điện 52

Hình 4 14 Mô hình điểm ngắn mạch 52

Hình 4 15 Cài đặt thông số chương trình 522

Hình 4 16 Biến thiên dòng điện và điện áp tại 2 đầu đường dây khi ngắn mạch 3 pha 54

Hình 4 17 Biểu đồ điện áp và dòng điện tại 2 đầu đường dây khi ngắn mạch 3 pha 555

Hình 4 18 Biến thiên dòng điện và điện áp tại 2 đầu đường dây khi ngắn mạch 1 pha 577

Hình 4 19: Biểu đồ điện áp và dòng điện tại 2 đầu đường dây khi ngắn mạch 1 pha 588

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Đường dây truyền tải do Công ty Truyền tải 1 quản lý 6

Bảng 1 2 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng 10

Bảng 3 1 Thông số nguồn hệ thống……….27

Bảng 3 2 Thông số dây dẫn và dây chống sét 27

Bảng 3 3 Thông số cấu trúc đường dây 28

Bảng 3 4 Điện trở và điện kháng thứ tự thuận của đường dây 220 kV Ninh Bình-Nho Quan 333

Bảng 3 5 Điện trở điện kháng thứ tự không của đường dây 220 kV Ninh Bình-Nho Quan 344

Bảng 3 6 Tổng trở bảo vệ TTT của 3 vùng 344

Bảng 3 7 Tổng trở bảo vệ TTK của 3 vùng 344

Bảng 3 8 Tổng trở bảo vệ TTK của 3 vùng có kể tới điện trở hồ quang 355

Bảng 3 9 Tổng trở bảo vệ TTK của 3 vùng có kể đến hồ quang tại vị trí ngắn mạch 355

Bảng 4 1 Kh¶ n¨ng m« pháng cña ATP 45

Bảng 4 2 Thông số của đường dây 51

Bảng 4 3: Kết quả xác định vị trí sự cố trong trường hợp ngắn mạch 3 pha 566

Bảng 4 4 Kết quả xác định vị trí sự cố trong trường hợp ngắn mạch 3 pha 577

MỞ ĐẦU

Đường dây truyền tải điện đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện Trong công tác quản lý vận hành việc xác định chính xác điểm sự cố giúp nhanh chóng xác định được phần tử bị sự cố, làm giảm thời gian ngừng cung cấp điện, giảm số lượng nhân lực để khắc phục các sự cố này, hơn nữa việc xác định chính xác điểm sự cố cũng chính là xác định chính xác tổng trở của các đường dây sẽ giúp cho các kết qủa tính toán chế độ hệ thống tin cậy hơn, đảm bảo cho hệ thống bảo vệ rơle sát làm việc chính xác

Trên thực tế có rất nhiều phương pháp được sử dụng để xác định điểm sự cố, tùy theo đối tượng là đường dây truyền tải hay xuất tuyến lưới phân phối hoặc là các đường cáp Đối với đường dây truyền tải, rơle bảo vệ khoảng cách là một công cụ vừa làm nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện sự cố vừa định vị vị trí điểm sự cố trên đường dây Tuy nhiên các rơle khoảng cách hoạt động dựa trên tín hiệu đo lường chỉ tại một đầu, do đó kết quả định vị điểm sự cố thường bị sai lệch do bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố Trong nhiều trường hợp sai số có thể lên tới hàng chục km và điều này sẽ gây khó khăn cho các công tác khắc phục sau sự cố

Tổng trở của đường dây có thể được tính toán bằng lý thuyết, tuy nhiên, trong các tính toán này đều dựa trên giả thiết đường dây là đồng nhất, điện trở suất của đất không đổi suốt dọc tuyến…và do đó kết quả tính toán thường có sai số đáng kể so với giá trị thực tế (đặc biệt là tổng trở thứ tự không của đường dây)

Một số hãng sản xuất đã chế tạo thiết bị thí nghiệm để đo tổng trở đường dây, thiết

bị định vị sự cố chuyên dụng, tuy nhiên phương pháp này khá phức tạp, thiết bị đắt tiền, cần sự phối hợp của nhiều đơn vị

Xuất phát từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng của bảo vệ khoảng cách và định vị sự cố bằng rơle kỹ thuật số”

Kết quả nghiên cứu được mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đường dây 220kV Ninh Bình – Nho Quan và các tính toán cùng kết quả mô phỏng đã chứng minh các ưu điểm của thuật toán này

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 4 chương

- Chương 1: Những yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc chính xác của bảo vệ khoảng cách

- Chương 2: Tổng quan về Trạm biến áp 220kV Ninh Bình, trạm biến áp 500kV Nho Quan và đường dây 220kV Ninh Bình – Nho Quan

- Chương 3: Xác định các tham số bảo vệ kể tới các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của bảo vệ khoảng cách

- Chương 4: Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường thu thập được từ hai đầu đường dây

CHƯƠNG 1: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ LÀM VIỆC CHÍNH

XÁC CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

I Giới thiệu chung:

Hệ thống điện ngày càng phát triển và phức tạp, trong quá trình vận hành luôn luôn xảy ra sự cố hư hỏng các phần tử trong hệ thống Trong trường hợp sự cố, phần tử

sự cố yêu cầu được tách ra khỏi hệ thống để giảm thiểu thiệt hại cho các phần tử sự cố

và loại bỏ chế độ vận hành không bình thường cho hệ thống Hành động này cần phải được thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác bằng cách rơle bảo vệ tự động Đồng thời mỗi khi sự cố xảy ra trên một đường dây (phân phối hoặc truyền tải), yêu tố quan trọng là xác định vị trí điểm sự cố càng nhanh càng tốt để nâng cao chất lượng dịch vụ Nếu vị trí lỗi không được xác định một cách nhanh chóng có thể sẽ tạo ra cắt điện kéo dài, thiệt hại kinh tế nghiêm trọng có thể xảy ra và ảnh hưởng đến độ tin cậy cấp điện Tất cả những trường hợp trên nêu lên tầm quan trọng của nghiên cứu định vị sự cố và

do đó vấn đề này đã thu hút được sự chú ý rộng rãi của các nhà nghiên cứu trong hệ thống điện trong những năm gần đây

II Nâng cao độ chính xác định vị điểm sự cố trên đường dây truyền tải điện

Hệ thống đường dây truyền tải điện ngày càng phát triển lớn mạnh về số lượng và

độ phức tạp Tính đến thời điểm hiện tại, lưới điện truyền tải thuộc Công ty Truyền tải điện 1 quản lý vận hành có 2.977km đường dây 500kV và 7.463km đường dây 220kV Theo “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030” lưới điện truyền tải thuộc Công ty Truyền tải điện 1 quản lý vận hành sẽ xây dựng

và đưa vào vận hành thêm theo từng giai đoạn 2021-2030 là 680km đường dây 500kV,

Bảng 1 1 Đường dây truyền tải do Công ty Truyền tải 1 quản lý

16 sự cố thoáng qua và sự cố kéo dài trên đường dây 220 và 500kV, công tác xác định

vị trí sự cố là hết sức khó khăn, và tiêu tốn nhiều công sức, chi phí Với mục tiêu yêu

cầu ngày càng nâng cao chất lượng điện năng và nâng cao hiệu suất lao động do đó việc

áp dụng các giải pháp để xác định vị trí sự cố một cách chính xác là hết sức cần thiết Định vị sự cố chính xác giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả sự cố thoáng qua và sự cố duy trì

Sự cố thoáng qua có thể được khắc phục thông qua tự động đóng lại Tuy nhiên xác định sớm và nhanh chóng điểm bị hư hỏng sẽ giúp ngăn ngừa các sự cố tiếp theo có thể xảy ra Mặt khác đối với các sự cố thoáng qua, các phần tử trên hệ thống đã được khôi phục về điện, các yếu tố gây sự cố đã tách ra khỏi lưới công tác xác định nguyên nhân sự cố là hết sức khó khăn, do đó việc định vị chính xác điểm sự cố giúp khoanh vùng chính xác và nhanh chóng xác định được nguyên nhân sự cố

Với những sự cố vĩnh cửu, yêu cầu xác định nhanh, chính xác điểm sự cố để tách phần tử sự cố ra khỏi lưới, nhanh chóng xử lý khôi phục lưới điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện Nếu vị trí sự cố không được xác định một cách nhanh chóng, sẽ làm mất điện trong một thời gian dài, thiệt hại kinh tế nghiêm trọng có thể xảy ra và chất lượng cung cấp điện sẽ bị ảnh hưởng lớn

Hiện nay, các đường dây truyền tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thường được trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đường dây Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách báo

vị trí với một mức sai số tương đối lớn (có thể tới hàng chục km) Điều này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố được sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa vào tín hiệu đo lường tại chỗ (sử dụng tín hiệu đo lường từ 1 phía), do đó chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài gây nên sai số lớn Các rơle so lệch dọc đường dây hiện đại đã được tích hợp thêm chức năng định vị điểm sự cố và có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn vì các rơle loại này có thể sử dụng nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây Tuy nhiên, hầu hết trong các tài liệu rơle này đều không đề cập đến thuật toán và phương pháp xác định điểm sự cố và trên thực tế phép định vị sự

cố của các rơle so lệch dọc đường dây hiện tại vẫn có sai số khá lớn

Một phần quan trọng trong vận hành lưới truyền tải điện là tính toán cài đặt chỉnh định rơle và tính toán các chế độ vận hành của lưới Các tính toán này yêu cầu xác định tổng trở đường dây càng chính xác càng tốt Tuy nhiên, tổng trở đường dây phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất nơi đường dây đi qua, khi điện trở suất của đất thay đổi thì việc tính toán các giá trị tổng trở bằng phần mềm trở nên thiếu chính xác, mặt khác các đường dây sau thời gian vận hành đã được cải tạo, sửa chữa dẫn đến làm thay đổi các thông số kỹ thuật cơ bản của đường dây nên việc xác định tổng trở là hết sức khó khăn

Xuất phát từ thực tế công tác vận hành lưới truyền tải điện đã nêu trên, cần có nghiên cứu làm rõ ưu điểm và thuật toán sử dụng để định vị sự cố và xác định chính xác tổng trở của đường dây Các mục tiếp theo trình bày chi tiết hơn về các phương pháp định vị sự cố và xác định tổng trở của đường dây truyền tải điện

Có nhiều phương pháp định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây, có thể phân loại theo 2 nhóm chính: định vị sự cố dựa trên tính toán tổng trở của đường dây và định vị sự cố dựa trên đo lường các dạng sóng lan truyền trên đường dây, một số phương pháp ngày nay đang được sử dụng như sau:

- Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường dòng điện và điện áp ở cuối đường dây, chủ yếu là phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ 1 phía đường dây và phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây

- Định vị sự cố dựa trên phương pháp sóng lan truyền (travelling wave method)

- Định vị sự cố dựa trên phương pháp tần số cao (high-frequency methods)

III Nguyên lý làm việc phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía:

Thuật toán xác định vị trí sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía rất đơn giản

và kinh tế so với các phương pháp định vị sự cố khác Thuật toán này được thiết kế để tính toán vị trí sự cố dựa trên tín hiệu đo lường cả ba pha dòng điện và điện áp tại một đầu đường dây Ngoài ra có một số thuật toán chỉ sử dụng điện áp ba pha hoặc dòng điện ba pha Các vector quay với tần số cơ bản của tín hiệu đo lường hoặc dữ liệu mẫu được xử lý trong thuật toán Các thông số trở kháng của đường dây cũng được xác định

để xác định khoảng cách đến điểm sự cố

1 Nguyên lý làm việc:

Hình 1 1 Đường dây truyền tải do Công ty Truyền tải 1 quản lý

Cho đường dây 1 nguồn cấp đơn giản như Hình 1 1, tổng trở tới điểm sự cố thường

có tính chất điện trở, trên sơ đồ mô tả dạng thuần trở (RF) Đường dây bị tác động bởi một sự cố (F)- không biết khoảng cách sự cố tới trạm A Nếu bỏ qua dòng nạp trên đường dây, ta có IA = IF, tổng trở từ trạm A tới điểm sự cố được tính toán như sau:

𝑍̇𝐹𝐿 =𝑈̇𝐴

𝐼̇ 𝐴 = 𝑑𝑍̇𝐿 + 𝑅𝐹       (1.1) Cân bằng phần ảo cả 2 vế (1.1) ta có:

Ima𝑔(𝑍̇ 𝐿 ) =𝑋𝐹𝐿

𝑋 𝐿        (1.2) Phương pháp này chính là thuật toán được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách thông dụng Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo được Giá trị tổng trở đo được sẽ được sử dụng để xác định điểm làm việc của rơle trên mặt phẳng tổng trở, nếu điểm làm việc này thuộc vùng tác động (vùng I, vùng

II hoặc vùng III…) thì rơle sẽ khởi động các bộ đếm thời gian tương ứng Trong chế độ vận hành bình thường điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động

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

( ) do sc

Hình 1 2 Đặc tính tác động loại MhO

10

nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính các của định vị Giá trị khoảng cách tính toán được

là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán dựa theo số mẫu thu thập được

Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố Hồ quang có tính chất điện trở, nếu sử dụng giá trị tổng trở

để tính khoảng cách thì giá trị tổng trở này bị ảnh hưởng bởi điện trở hồ quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán được

2 Các mạch vòng tính toán tổng trở:

Tổng trở được rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tương ứng với các sự

cố pha - pha và pha - đất: A - B, B - C, C - A, A - E, B - E, C - E

Bảng 1 2 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng

Loại sự cố Pha sự cố Vòng lặp tính cho tổng trở

A-B hoặc B-C hoặc C-A hoặc A-E

hoặc B-E hoặc C-E

Sự cố 2 pha – đất

Với sự cố pha - pha hoặc pha - đất thì chỉ một trong các mạch vòng trên sẽ cho kết quả đo lường chính xác (tổng trở thấp nhất), các mạch vòng khác sẽ cho kết quả tính toán lớn hơn Với sự cố khác có thể nhiều mạch vòng đo cùng cho ra kết quả chính xác

Vòng lặp cho trường hợp sự cố pha – pha:

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

2

1

f phaY

phaX

phaY phaX

pha pha

pha pha pha

pha

R Z I

I

U U

Vòng lặp cho trường hợp sự cố pha – đất:

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

f N phaX

phaX E

N phaX

phaX E

pha

K

R Z I K I

U Z

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

Vòng lặp cho trường hợp sự cố 3 pha – đất

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

N

Z Z I

U

0

0 0

3

13

f N N phaX

Z

Z I

Z I R I Z I

N N

phaX f N

N phaX

N f N N phaX E

pha

K I

I

R Z

I K I

I R I Z

Z I

(1.9)

1

1 0

Z Z Z

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố có thể kể đến là:

- Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố

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

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

- Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

Hình 1 5 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất

a Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố

Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng điện

Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện trở hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất Một số trường hợp sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này cũng gây ảnh hưởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố

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

Trong đó: Rarc - điện trở hồ quang ()

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

If - Giá trị dòng sự cố (A)

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

Tarc – Thời gian hồ quang

Trong trường hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc chạm đất phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm của đất và cấp điện áp của lưới điện Khi sự cố các pha với nhau điện trở sự cố thường nhỏ và không vượt quá vài ohm () Tuy nhiên điện trở sự cố lớn hơn nhiều đối với sự cố liên quan đến đất vì điện trở nối đất của cột

có thể tới 10  thậm chí cao hơn Trường hợp đặc biệt điện trở sự cố còn lớn hơn khi

sự cố dây dẫn chạm vào cây cối hoặc đứt dây và rơi xuống vùng đất khô cứng Như vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm

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

Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp như Hình 1 6

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

0

Trong đó:

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

Z L : tổng trở của đường dây AB

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

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

Ta có

A A

trong đó: Z A là tổng trở đo được bởi rơle đầu phía trạm A

Thay thế I F I AI B vào phương trình (1.15) ta có:

trong lúc sự cố Để đơn giản giả thiết 1 B

 Nếu dòng điện I A và I B trùng pha nhau hoàn toàn: thì giá trị Z F# hoàn toàn thuần trở Thành phần điện trở trong tổng trở đo được sẽ bị sai khác với điện trở của phần đường dây bị sự cố, tuy nhiên thành phần điện kháng không bị ảnh hưởng , do đó khoảng cách đo được sẽ đúng với khoảng cách sự cố thực tế (vì phép xác định khoảng cách chỉ dựa theo thành phần điện kháng)

 Nếu dòng điện I A và I B lệch pha nhau: thì thành phần Z F# thể hiện như một tổng trở bao gồm thành phần điện trở và điện kháng hoặc thành phần điện trở và điện dung

(tùy theo dòng I B là sớm pha hơn hay chậm pha hơn so với I A trong công thức (2.16) Thành phần Z F# khi đó sẽ ảnh hưởng cả tới giá trị điện kháng trong tổng trở mà rơle đo được, và do đó khoảng cách tính toán được sẽ bị sai khác so với thực tế Hình 1 7 thể hiện chi tiết quan hệ này

Trong đó:

a Điện trở tại điểm sự cố thể hiện thuần trở

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

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

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

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

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

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

Hình 1 7 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được

Trong lưới truyền tải điện hầu hết các đường dây vận hành đều song song và đi chung cột Các đường dây này có ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau, ảnh hưởng này sẽ là đáng kể trong trường hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không (TTK) chạy trên đường dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đường dây bị sự cố làm cho giá trị đo được của rơle tổng trở tại đường dây sự cố bị sai lệch

Điện áp thứ tự không:

Trong đó:

V01: điện áp TTK của bảo vệ trên đường dây bị sự cố

Z01: tổng trở TTK của đường dây bị sự cố

Z0M: tổng trở tương hỗ TTK giữa hai đường dây

I01, I02: dòng điện TTK chạy trên đường dây bị sự cố và đường dây lân cận Thông thường sự ảnh hưởng tổng trở tương hỗ của các thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch là rất ít chiếm khoảng từ 5% đến 7% và có thể bỏ qua Trong khi đó ảnh hưởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hưởng rất lớn và chiếm khoảng 50% đến 70%

Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tương hỗ TTK của một đường dây có thể là:

một trạm biến áp, trong trường hợp hai đường dây thuộc hai trạm riêng biệt thì rất khó

để thực hiện giải pháp này

Việc xác định chính xác thành phần tổng trở tương hỗ TTK còn gặp nhiều khó khăn do có trường hợp các đường dây chỉ đi song song một phần hoặc đường dây song song đang cắt khỏi vận hành và nối đất hai đầu…

d) Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

Xét sự ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến tính chính xác của rơ le bảo vệ khoảng cách được minh họa dưới Hình 1 10

Xét hai trường hợp tiêu biểu như trên Hình 1 10 ta thấy tổng trở của rơ le bảo vệ khoảng cách đặt ở đầu A của đường dây AB đo được khi ngắn mạch xảy ra ở điểm N trên đường dây BD tiếp theo bằng (giả thiết tỷ số biến đổi của biến dòng điện và biến điện áp ki = ku = 1)

Hình 1 9 Các cấu hình đường dây song song

a) Đường dây song song toàn tuyến; b) Đường dây song song một phần

Hình 1 10 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện Ki lên số đo

của rơ le bảo vệ khoảng cách; a: K i >1; Z R >Z thực tế ; b: K i <1; Z R <Z thực tế

I K I

 hệ số phân bố dòng điện

Khi hệ số phân bố dòng điện Ki ≠ 1, tổng trở ZR mà rơ le bảo vệ khoảng cách đo được khác với tổng trở thực tế từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch (Z AN Z. ABZ. BN) Đối với sơ đồ Hình 1 10.a một nguồn điện nối vào thanh cái B đã làm cho IBN >IAB

và hệ số Ki > 1 nghĩa là tổng rơ le đo được một giá trị lớn hơn tổng trở thực tế ZAN Đối với sơ đồ Hình 1 10.b sự xuất hiện của đường dây vận hành song song với đường dây bị sự cố làm rẽ mạch dòng điện từ nguồn điện đến chỗ ngắn mạch (IBN = IAB

- IBD) nên hệ số phân bố dòng điện Ki < 1 nghĩa là rơ le sẽ đo được giá trị nhỏ hơn giá trị tổng trở thực tế ZAN

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

vệ thì ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện càng lớn

IV Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía:

Phương pháp này sử dụng tín hiệu đo lường từ hai đầu của đường dây tải điện Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải được đồng bộ về mặt thời gian

Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía:

Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây AB như trong Hình 1 11

Sơ đồ thay thế đơn giản (đối với đường dây truyền tải điện ngắn có thể bỏ qua

tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như trên Hình 1 12

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

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

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

Trừ hai phương trình cho nhau:

U  U  I * Z  x * Z *(I  I )Khoảng cách đến điểm sự cố được tính ra từ phương trình trên:

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

Ưu nhược điểm của phương pháp:

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

o Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn

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

Vấn đề cần giải quyết đối với thuật toán này

Phương trình (1.21) có thể áp dụng cho mọi trường hợp sự cố khác nhau (trừ sự cố đứt dây), tuy nhiên trong một số trường hợp sự cố, khi tính toán yêu cầu phải bù thành phần thứ tự không Mà như ta đã biết, thành phần tổng trở thứ tự không rất khó để có thể xác định chính xác do phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khách quan (ví dụ điện trở suất của vùng đất dọc tuyến đường dây đi qua là không đồng nhất) do đó nếu sử dụng phương pháp này sẽ gặp sai số rất lớn Để giải quyết các vấn đề này, trong luận văn đề xuất sử dụng thành phần thứ tự thuận để tính toán các phương trình về góc đồng bộ và xác định

vị trí sự cố

Mặt khác, thuật toán dựa trên giả thiết tín hiệu đo lường được đồng bộ hoàn toàn

về mặt thời gian Việc đồng bộ về mặt thời gian giữa các trạm biến áp tại hai đầu đường dây và các trạm khác thường được giải quyết bằng cách lắp đặt các đồng hồ hoạt động dựa theo tín hiệu vệ tinh GPS (đồng hồ GPS) Tuy nhiên trong điều kiện Việt Nam thì việc lắp đặt các đồng hồ này chưa thực sự phổ biến, do đó khả năng để thu được tín hiệu

đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây là rất khó Để giải quyết vấn đề này, trong chương tiếp theo của luận văn đề xuất phương pháp để đồng bộ lại các tín hiệu đo lường này từ các tín hiệu đo lường có sẵn thu thập được từ 2 đầu đường dây

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

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

Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này:

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

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

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

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

- Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây

- Ảnh hưởng bởi hệ số phân bố dòng điện (do xuất hiện các nguồn khác cấp vào điểm sự cố hoặc dòng điện tại điểm sự cố khác với dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle)

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

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

Như vậy với phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu từ một phía thì độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và rất khó để xác định được chính xác để khắc phục các yếu tố đó, do đó độ chính xác của phương pháp cũng sẽ bị ảnh hưởng theo Khắc phục các nhược điểm mà phương pháp định vị điểm sự cố dựa theo thông tin từ một phía, phương pháp định vị điểm sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây đem lại độ chính xác cao hơn và khắc phục được một phần các nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa vào tín hiệu đo lường từ 1 đầu

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220KV NINH BÌNH, TRẠM BIẾN ÁP 500KV NHO QUAN VÀ ĐƯỜNG DÂY

220KV NINH BÌNH – NHO QUAN

I Tổng quan về trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

1 Vai trò của trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình trực thuộc Truyền tải điện Ninh Bình - Công ty Truyền tải điện 1, đóng trên địa bàn Phường Ninh Khánh - TP Ninh Bình - Tỉnh Ninh Bình Trạm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải điện miền Bắc Trạm có tổng công suất 500 MVA trong đó có: 2 MBA 250 MVA – 220/110/22 kV; 09 ngăn lộ 220kV; 15 ngăn lộ 110kV; 08 ngăn lộ 22kV Tụ bù gồm: 01 tụ bù tĩnh 110kV/56 MVAr Nhiệm vụ chính của trạm là cung cấp điện cho các nhà máy Xi Măng của tỉnh, khu công

nghiệp X18 Nho Quan và cho các nhu cầu kinh tế, chính trị, dân sinh các tỉnh phía Bắc như: Nam Định, Hà Nam,…

Trạm 220kV Ninh Bình có sơ đồ nhất thứ như phụ lục kèm theo

2 Tổng quan về hệ thống rơle bảo vệ tại đầu Trạm biến áp 220kV Ninh Bình:

Đường dây 273 Nho Quan (T500NQ) – 272 Ninh Bình (E23.1) tại đầu trạm biến

áp 220kV Ninh Bình có sơ đồ phương thức bảo vệ thể hiện như phụ lục kèm theo

Hệ thống rơ le bảo vệ tại ngăn lộ 272 bao gồm bảo vệ rơ le đường dây F87L, F21, F67, F79

+ Bảo vệ rơ le so lệch đường dây F87L loại SEL 311L do hãng SEL sản xuất

+ Bảo vệ rơ le khoảng cách đường dây F21 loại 7SA611 do hãng Siemens sản xuất

+ Bảo vệ rơ le quá dòng F67 loại 7SJ622 do hãng Siemens sản xuất

+ Bảo vệ rơ le tự động đóng lại loại PK341 do hãng AEG sản xuất

II Tổng quan về trạm biến áp 500 kV Nho Quan

1 Vai trò của 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, đóng trên địa bàn xã Đồng Phong – huyện Nho Quan - Tỉnh Ninh Bình Trạm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải điện miền Bắc Nam Trạm

có tổng công suất 1750 MVA trong đó có: 02 MBA 450 MVA – 500/220/35 kV; 01 MBA 600 MVA – 500/220/35 kV; 02 MBA 125 MVA – 220/110/10 kV; 05 ngăn lộ đường dây 500kV; 14 ngăn lộ 220kV; 09 ngăn lộ 110kV; 02 ngăn lộ 35kV Tụ bù gồm:

02 tụ bù dọc đường dây 500kV/98 MVAr Nhiệm vụ chính của trạm là cung cấp điện

an toàn liên tục lưới tryền tải điện miền Nam Bắc, cấp điện cho khu công nghiệp Nho Quan và cho các nhu cầu kinh tế, chính trị, dân sinh các tỉnh phía Bắc như: Hòa Bình,

Hà Nam,…

Trạm 500kV Nho Quan có sơ đồ nhất thứ như phụ lục kèm theo

2 Tổng quan về hệ thống rơle bảo vệ tại đầu Trạm biến áp 500 kV Nho Quan

Đường dây 273 Nho Quan (T500NQ) – 272 Ninh Bình (E23.1) tại đầu trạm biến

áp 500kV Nho Quan có sơ đồ phương thức bảo vệ thể hiện như phụ lục kèm theo

Hệ thống rơ le bảo vệ tại ngăn lộ 273 bao gồm như sau:

+ Bảo vệ rơ le so lệch đường dây F87L loại SEL 311L do hãng SEL sản xuất

+ Bảo vệ rơ le khoảng cách đường dây F21 kèm chức năng tự động đóng lại F79 loại REL511 do hãng ABB sản xuất

+ Bảo vệ rơ le quá dòng F67 loại REF545 do hãng ABB sản xuất

III Tổng quan về đường dây tải điện Nho Quan – Ninh Bình

Đường dây 273 Nho Quan (T500NQ) – 272 Ninh Bình (E23.1) được đưa vào vận hành năm 1992, có chiều dài 30,77km/ 92 vị trí cột, được nối vào thanh góp 220 kV phía Ninh Bình qua máy cắt 272 và thanh góp 220 kV trạm biến áp Nho Quan qua máy cắt 273 Đường dây này đi chung cột với đường dây 274 Nho Quan (T500NQ) – 271 Ninh Bình (E23.1) (sơ đồ đường dây có phụ lục kèm theo)

Thông số dây dẫn của đường dây 273 Nho Quan (T500NQ) – 272 Ninh Bình (E23.1) gồm 02 loại dây cụ thể như sau:

Dây dẫn loại 2xACSR 300/39 có chiều dài 8,4km: các thông số của dây dẫn như điện trở một chiều, điện trở thứ tự thuận, điện kháng thứ tự thuận, điện trở thứ tự không, điện kháng thứ tự không theo bảng phụ lục kèm theo

Dây dẫn GZTACSR 310 có chiều dài 23,6km: các thông số của dây dẫn như điện trở một chiều, điện trở thứ tự thuận, điện kháng thứ tự thuận, điện trở thứ tự không, điện kháng thứ tự không theo bảng phụ lục kèm theo

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình trực thuộc Truyền tải điện Ninh Bình - Công ty Truyền tải điện 1, đóng trên địa bàn Phường Ninh Khánh - TP Ninh Bình - Tỉnh Ninh Bình Trạm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải điện miền Bắc

Đường dây song song 220 kV Nho Quan - Ninh Bình được đưa vào vận hành năm 1992, có chiều dài 32 km, 92 vị trí cột, được nối vào thanh góp 220 kV phía Ninh Bình qua máy cắt 272 và thanh góp 220 kV trạm biến áp Nho Quan qua máy cắt 273

Đường dây sử dụng dây dẫn loại 2xACSR 300/39 có chiều dài 8,4km và dây dẫn GZTACSR 310 có chiều dài 23,6km

Đường dây song song 220 kV Nho Quan - Ninh Bình được bảo vệ bằng các rơle:

- Rơle đường dây F87L, F21, F67, F79

- Rơle so lệch đường dây F87L loại SEL 311L do hãng SEL sản xuất

- Rơle khoảng cách đường dây F21 loại 7SA611 do hãng Siemens sản xuất

- Bảo vệ rơ le quá dòng F67 loại 7SJ622 do hãng Siemens sản xuất

- Bảo vệ rơ le tự động đóng lại loại PK341 do hãng AEG sản xuất

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ BẢO VỆ KỂ TỚI CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH

I Phân tích các dạng ngắn mạch bằng chương trình ETAP

Xác định dòng điện ngắn mạch tại các vị trí () trên đường dây 220 kV Ninh Nho Quan bằng chương trình chuyên dụng ETAP nhằm xác định độ lớn của dòng điện xung kích và dòng điện siêu quá độ, với các dạng ngắn mạch như sau:

Bình Ngắn mạch 3 pha (3Bình phase fault)

- Ngắn mạch 2 pha (Line-to line fault);

- Ngắn mạch 2 pha chạm đất (Line-to line to gound fault);

- Ngắn mạch 1 pha chạm đất (Line-to ground fault)

- Thông số của nguồn điện áp hệ thống được cho dưới Hình 3 1 sau:

- Thông số của đường dây Nho Quan – Ninh Bình cho trong Bảng 3 2 và Bảng 3 3

Bảng 3 1 Thông số nguồn hệ thống

Bảng 3 2 Thông số dây dẫn và dây chống sét

Bảng 3 3 Thông số cấu trúc đường dây

2 Kết quả phân tích ngắn mạch

Trong nội dung này, tác giả sử dụng tiêu chuẩn IEC 60909 để phân tích, tính toán ngắn mạch ứng với các vị trí ngắn mạch đã giả thiết trước:

- Ngắn mạch tại điểm N1:

- Ngắn mạch tại điểm N2:

- Ngắn mạch tại N3 và N4: