Nghiên cứu phương pháp phân tích sự cố áp dụng cho trạm biến áp thuộc lưới điện truyền tải

Để xác định được nguyên nhân các sự cố trong hệ thống điện, tìm cách khắc phục, ngăn ngừa các sự cố tương tự xảy ra trong tương lai nếu có thể, việc phân tích các sự cố là cần thiết dựa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ KHẮC BIÊN

Bien.NKCB180100@sis.hust.edu.vn Ngokhacbien@gmail.com

M ỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH SỰ CỐ 1

1.1 Sự cần thiết của việc phân tích sự cố 1

1.2 Mục đích của việc phân tích sự cố 1

1.3 Ý nghĩa của việc phân tích sự cố trong lưới điện truyền tải 2

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP ĐẶC TÍNH CỦA CÁC DẠNG SỰ CỐ 4

2.1 Các dạng sự cố ngắn mạch cơ bản của hệ thống điện 4

2.2 Sự cố hở mạch trong hệ thống điện 8

2.3 Nguyên nhân gây ra các dạng sự cố 8

2.4 Thời điểm xảy ra sự cố trên dạng sóng và các yếu tố nhận dạng 9

2.5 Dòng điện sự cố chu kỳ và không chu kỳ 10

2.6 Sự cố phóng điện tại thời điểm điện áp đạt đỉnh 10

2.7 Sự cố mở rộng (sự cố tiến triển) 11

2.8 Hiện tượng bão hòa máy biến dòng điện 12

2.9 Sự cố qua máy biến áp có tổ đấu dây các phía khác nhau 17

CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ CHÍNH ÁP DỤNG CHO TRẠM BIẾN ÁP 21

3.1 Chế độ vận hành bất thường và sự cố có thể xảy ra với máy biến áp 21

3.2 Đặc điểm của các nguyên lý bảo vệ chính đối với máy biến áp 21

3.3 Đặc điểm của các nguyên lý bảo vệ chính đối với đường dây 27

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN PHÂN TÍCH SỰ CỐ TRONG TRẠM BIẾN ÁP 32

4.1 Phương pháp tiếp cận phân tích sự cố trong trạm biến áp 32

4.2 Thu thập các thông tin về sự cố 33

4.3 Tổng hợp lại diễn biến sự cố 36

4.4 Đọc và phân tích bản ghi sự cố của các rơle bảo vệ 37

4.5 Nhận định các vấn đề bất thường, nguyên nhân và giải pháp 39

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP TÁC ĐỘNG NHẦM

CỦA HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ CHO TRẠM BIẾN ÁP 41

5.1 Sự cố tác động nhầm chức năng quá áp của rơle so lệch đường dây 41

5.2 Sự cố tác động nhầm của rơle so lệch thanh cái 54

5.3 Sự cố tác động nhầm của rơle so lệch bảo vệ máy biến áp 66

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 76

6.1 Các kết luận 76

6.2 Các hướng nghiên cứu trong tương lai 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Các dạng sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện 4

Hình 2.2: Đặc tính dòng điện, điện áp của các dạng sự cố cơ bản trong hệ thống điện 5

Hình 2.3: Bản ghi dạng sóng của sự cố 3 pha 6

Hình 2.4: Bản ghi dạng sóng của sự cố pha-pha 6

Hình 2.5: Bản ghi dạng sóng của sự cố 2 pha chạm đất 7

Hình 2.6: Bản ghi dạng sóng của sự cố một pha chạm đất 8

Hình 2.7: Dạng sóng dòng điện & điện áp khi sự cố phóng điện tại điện áp đỉnh 10

Hình 2.8: Dòng điện sự cố có chứa thành phần dòng điện một chiều tắt dần 10 Hình 2.9: Dòng chạm đất xuất hiện khi có phóng điện do hư hỏng cách điện 11 Hình 2.10: Bản ghi dạng sóng của sự cố tiến triển 12

Hình 2.11: Các phần tử lưỡng cực từ trong lõi từ 13

Hình 2.12: Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hòa đối xứng 14

Hình 2.13: Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hòa không đối xứng 15

Hình 2.14: Dạng sóng dòng điện khi BI bị bão hòa với mức độ khác nhau 16

Hình 2.15: Dạng sóng khi bão hòa với các loại tải thuần trở (a) và thuần kháng (b) 16

Hình 3.1: Sơ đồ phương thức bảo vệ theo khuyến cáo của hãng Siemens 22

Hình 3.2: Dòng điện xung kích khi đóng máy biến áp 26

Hình 3.3: Bù độ trễ kênh truyền 28

Hình 3.4: Dòng so lệch do 1 mili giây sai số trễ kênh truyền 29

Hình 3.5: Ảnh hưởng của bão hòa BI tới dòng điện tính toán 29

Hình 3.6: Sơ đồ nhiều máy cắt cho một mạch đường dây 30

Hình 4.1: Các bước tiếp cận và phân tích sự cố 33

Hình 4.2: Bản ghi của rơle khoảng cách trạm A 34

Hình 4.3: Bản ghi của rơle so lệch dọc trạm A 35

Hình 4.4: Bản ghi của rơle so lệch dọc và rơle tự đóng lại trạm B 36

Hình 4.5: Sơ đồ một sợi đường dây 276 nối giữa Trạm A – Trạm B 36

Hình 4.6: Event của rơle tự đóng lại trạm B 37

Hình 4.7: Vec tơ dòng điện và điện áp sự cố đường dây 276 trạm A 38

Hình 4.8: Sự hư hỏng pha C của máy cắt thể hiện qua bản ghi sự cố 39

Hình 5.1: Event trên hệ thống HMI thời điểm rơle F87L tác động 41

Hình 5.2: Chỉnh định chức năng bảo vệ quá áp (OV1) trong rơle L90 42

Hình 5.3: Biểu đồ dạng sóng của dòng điện khi xảy ra sự cố (rơle L90) 43

Hình 5.4: Biểu đồ dạng sóng của điện áp khi xảy ra sự cố (rơle L90) 43

Hình 5.5: Vecto dòng điện và điện áp trong sự cố 44

Hình 5.6: Các tín hiệu input/output của rơle L90 45

Hình 5.7: Sơ đồ kết nối kênh truyền giữa 2 trạm A-B 47

Hình 5.8: Logic làm việc của rơle L90 48

Hình 5.9: Chu kỳ lấy mẫu của rơle 49

Hình 5.10: Sai lệch tối đa của các bảo vệ với tần số hệ thống là 50Hz của L90 trong quá trình đồng bộ 50

Hình 5.11: Logic khóa chức năng bảo vệ khi F87L mất kênh truyền 51

Hình 5.12: Fault Log của rơle L90 cảnh báo quá áp 52

Hình 5.13: Các chức năng của rơle L90 được đưa lên HMI 53

Hình 5.14: Sơ đồ kết dây phía 110kV trạm C 54

Hình 5.15: Event của Rơle REL670 khi cắt máy 172 cắt lần 1 55

Hình 5.16: Event của rơle REB670 khi xảy ra sự cố đường dây 172 cắt MC lần 1 55

Hình 5.17: Event của rơle REL670 khi tự đóng lại vào điểm sự cố 56

Hình 5.18: Event của rơle REB670 tác động chức năng SLTC khi MC 172 tự đóng lại 56

Hình 5.19: Bản ghi dạng sóng rơle REL670 sự cố cắt máy cắt lần 1 57

Hình 5.20: Bản ghi dạng sóng rơle REL670 khi tự đóng lại máy cắt 172 58

Hình 5.21: Bản ghi dạng sóng rơle REB670 tác động so lệch thanh cái C12 59

Hình 5.22: Dòng điện trên thanh cái ghi nhận bởi rơle REB670 ở giai đoạn 1 60 Hình 5.23: Tham chiếu card input rơle REB670 61

Hình 5.24: Nguyên lý lựa chọn vùng bảo vệ rơle REB670 62

Hình 5.25: Vùng bảo vệ của chức năng End Fault REB670 62

Hình 5.26: Lựa chọn vùng bảo vệ theo trạng thái dao cách ly 63

Hình 5.27: Khối điều khiển chức năng bảo vệ thanh cái với ngăn lộ 172 63

Hình 5.28: Logic kích hoạt chức năng BAY2_FORCE_I=ZERO 63

Hình 5.29: Bản vẽ hoàn công tín hiệu đưa vào REB670 ngăn lộ 172 64

Hình 5.30: Chỉnh định bảo vệ so lệch thanh cái REB670 66

Hình 5.31: Event record của rơle P643 67

Hình 5.32: Event record của rơle quá dòng ngăn lộ 480 68

Hình 5.33: Bản ghi dạng sóng rơle quá dòng phía 22kV T2 68

Hình 5.34: Biểu đồ vectơ dòng điện, điện áp trước và trong sự cố phía 22kV 69 Hình 5.35: Bản ghi dạng sóng dòng điện các phía rơle P643 70

Hình 5.36: Biểu đồ vectơ dòng điện các phía trước và trong sự cố của P643 70

Hình 5.37: Dòng điện 3 pha phía 22kV trong chu kỳ đầu tiên của sự cố 71 Hình 5.38: Vùng làm việc của bảo vệ so lệch khi xảy ra sự cố 71 Hình 5.39: Mạch dòng điện cấp cho rơle 73 Hình 5.40: Sự biến đổi của dòng điện trong khi tải không cân bằng và mất dây trung tính 74

L ỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp liên quan đến nhiều thiết bị, phần

tử và trải dài trên toàn bộ lãnh thổ của một quốc gia, hay đôi khi có sự liên kết

giữa nhiều quốc gia với nhau Trong khi đó, hệ thống điện lại chỉ hoạt động được khi toàn bộ các thiết bị liên qua, từ sản xuất, truyền tải đến phân phối và tiêu thụ, đều phải được đồng bộ, tức là làm việc với cùng một tần số Điều này chỉ thực

hiện được khi công suất phát cân bằng với công suất tiêu thụ của phụ tải, mà công suất của phụ tải thì luôn luôn thay đổi theo thời gian Hơn nữa, các sự cố thì

xảy ra thường xuyên trong hệ thống, liên quan đến cả các hiện tượng thiên nhiên

lẫn các tác động của con người, sự vận hành của các thiết bị Do đó, để hệ thống điện hoạt động được ổn định, liên tục với độ tin cậy cao và chất lượng điện năng

tốt, hệ thống điện cần được bảo vệ bởi hệ thống bảo vệ bao gồm các rơle bảo vệ, kênh truyền, thiết bị đo lường, giám sát cũng như việc giảm thiểu, xác định nguyên nhân các sự cố để khắc phục, ngăn ngừa

Để xác định được nguyên nhân các sự cố trong hệ thống điện, tìm cách

khắc phục, ngăn ngừa các sự cố tương tự xảy ra trong tương lai nếu có thể, việc phân tích các sự cố là cần thiết dựa trên các bản ghi sự cố của các rơle bảo vệ,

các báo cáo và thông tin liên quan khác liên quan đến sự vận hành của hệ thống

Với việc các rơle số ngày nay đều có chức năng ghi lại các thông tin liên quan đến sự cố xảy ra và hệ thống giám sát vận hành hiện đại của hệ thống điện, quá trình phân tích sự cố đã thuận lợi rất nhiều khi mà các thông tin thu thập được rất nhiều và đầy đủ Tuy nhiên, việc đọc, phân tích và hiểu rõ toàn bộ các thông tin

để phân tích được sự cố đòi hỏi sự hiểu biết đầy đủ về hệ thống điện, các phần tử liên quan và cả các thông tin về chỉnh định, cấu hình của hệ thống rơle bảo vệ,

tức là đỏi hỏ trình độ rất cao của người được giao nhiệm vụ phân tích các sự cố,

cả về kinh nghiệm lẫn kiến thức chuyên môn Trong khi đó, quy trình đầy đủ về các bước tiếp cận, tiến hành phân tích sự cố lại chưa được xây dựng, hầu hết là

dựa vào kinh nghiệm của một vài kỹ sư chuyên trách

Với hệ thống điện Việt Nam, mà cụ thể hơn là lưới điện truyền tải, với đặc điểm là trải dài theo chiều dài lãnh thổ, kết nối 3 miền Bắc – Trung – Nam, tần

suất các sự cố xảy ra trên lưới là vô cùng lớn, lại dễ mất ổn định do công suất truyền tải phải truyền đi trên một lưới truyền tải có khoảng cách vô cùng lớn Các đường dây và trạm biến áp 500 kV chạy dọc chiều dài đất nước là niềm tự hào

của Việt Nam, cũng là một thách thức cho ngành điện trong việc duy trì sự vận hành liên tục của hệ thống Chính vì thế, việc phân tích các sự cố xảy ra trong

lưới truyền tải càng quan trọng và là yêu cầu bắt buộc đối với Tổng công ty Truyền tải điện Việt Nam

Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu phương pháp phân tích sự cố áp dụng cho

đưa ra các bước cơ bản nhất trong việc tiếp cận các thông tin, đặc biệt là đọc và

hiểu rõ các bản ghi sự cố của các rơle bảo vệ để phân tích các sự cố ngắn mạch

xảy ra liên quan đến các phần tử trong trạm biến áp 220 kV & 500 kV Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:

- Sự cần thiết và mục đích của phân tích sự cố

- Phương pháp thành phần đối xứng áp dụng trong phân tích sự cố

- Các dạng sự cố và chế độ vận hành bất thường có thể xảy ra với thiết bị trong trạm biến áp & Hiện tượng bão hòa máy biến dòng điện

- Các nguyên lý bảo vệ chính áp dụng cho trạm biến áp

- Xây dựng phương pháp tiếp cận phân tích sự cố trong trạm biến áp

- Ứng dụng phân tích một số trường hợp tác động nhầm của hệ thống rơle

bảo vệ cho trạm biến áp

Các sự cố liên quan đến các thiết bị thuộc lưới điện truyền tải xảy ra với nguyên nhân vô cùng đa dạng, việc phân tích sự cố phụ thuộc rất lớn vào lượng thông tin ghi nhận lại được Chính vì thế luận văn có thể có các thiếu sót không tránh khỏi trong quá trình thực hiện, rất mong nhận được sự cảm thông và các ý

kiến góp ý quý báu của các quý thầy, cô trong quá trình đọc và phản biện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH SỰ CỐ

Theo thống kê từ đầu năm đến ngày 30/04 của Tổng công ty Truyền tải điện

Quốc gia EVNNPT, có đến 26 sự cố xảy ra trên lưới điện truyền tải Trong đó, có

13 sự cố xảy ra trên đường dây, 13 sự cố xảy ra tại các trạm biến áp Với sự cố đường dây, 15% xảy ra do sự suy giảm cách điện của chuỗi sứ dưới ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, 23% do sét, 8% do sự hư hỏng các thiết bị trên đường dây, 38% liên quan đến hành lang cách điện bị vi phạm, 16% do yếu tố con người và các nguyên nhân khác Với sự cố trạm biến áp, 31% do hư hỏng của các thiết bị nhất

thứ, 46% do hư hỏng các thiết bị nhị thứ, 23% do yếu tố con người và các nguyên nhân khác

Các sự cố xảy ra trên lưới truyền tải điện gây ảnh hưởng rất lớn tới sự vận hành ổn định, liên tục của hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt là các sự cố liên quan đến các trạm biến áp và đường dây 500kV, với nguyên nhân sự cố như đã thấy rất

đa dạng và phức tạp Việc tìm nguyên nhân xảy ra sự cố và tìm cách khắc phục,

chống sự cố lặp lại tốn rất nhiều thời gian và công sức nhưng bắt buộc phải thực

hiện để nâng cao sự ổn định, độ tin cậy của hệ thống điện Chính vì thế, việc phân tích các sự cố xảy ra trên hệ thống điện truyền tải là vô cùng cần thiết

Chỉ có hiểu rõ việc các sự cố xảy ra như thế nào, nguyên nhân, diễn biến của chúng thì việc chỉnh định hệ thống rơle bảo vệ hay đưa ra các quyết định trong vận hành, điều độ hệ thống điện mới có thể chính xác, linh hoạt Và cũng chỉ có hiểu rõ các sự cố, việc đưa ra các giải pháp để ngăn ngừa sự cố xảy ra, cách thức phát hiện

sớm các hư hỏng thiết bị, sự suy giảm cách điện trên lưới điện mới thực sự có hiệu

quả

Mục đích cơ bản của việc phân tích các sự cố xảy ra luôn nhằm trả lời các câu hỏi cơ bản sau:

- Đã xảy ra vấn đề gì, sự cố gì trong quá trình vận hành?

- Tại sao sự cố lại xảy ra?

- Các bài học kinh nghiệm rút ra sau khi phân tích sự cố?

diễn biến của sự cố, bao gồm các thông tin cơ bản là: sự cố gì đã xảy ra (ngắn mạch

1 pha, 2 pha, 3 pha ), sự cố xảy ra trên pha nào, giá trị dòng sự cố, khoảng cách đến điểm sự cố, sự làm việc của các rơle bảo vệ khi xảy ra sự cố, các tín hiệu input, output vào rơle, thời gian loại trừ sự cố, tự đóng lại thành công hay không

b) Tại sao sự cố lại xảy ra

Sau khi đã hiểu rõ toàn bộ diễn biến, loại sự cố, có được bản ghi và thông tin đầy đủ, qua quá trình phân tích bản ghi sự cố, sẽ có các kết luận chung về sự cố như: sự cố xảy ra do các hiện tượng tự nhiên (quá điện áp khí quyển) hay do sự hư

hỏng thiết bị (suy giảm cách điện), do sự sai sót, khiếm khuyết trong mạch nhị thứ (sai cực tính TI, bão hòa mạch từ ), hay do vi phạm hành lang an toàn điện (phóng điện qua cây cối ) Kết hợp với quá trình điều tra thực tế, từ đó sẽ tìm được chính xác nguyên nhân gây ra sự cố cũng như nguyên nhân dẫn đến các diễn biến trong

sự cố

c) Các bài học kinh nghiệm rút ra sau khi phân tích sự cố

Khi đã trả lời được hai câu hỏi trên, sẽ biết được sự làm việc của hệ thống rơle bảo vệ trong quá trình loại trừ sự cố khỏi hệ thống có chính xác hay không, cũng như nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự cố Lúc này, với người quản lý, vận hành

có hai vấn đề cơ bản cần quan tâm: nguyên nhân sự cố là khách quan hay chủ quan,

có thể ngăn ngừa sớm hay không; sự làm việc của hệ thống bảo vệ trong sự cố đúng hay không, nếu sai do đâu và cần phải sửa chữa, cải tiến những gì trong hệ

thống bảo vệ

Có thể nói ý nghĩa thực sự của việc phân tích sự cố trong hệ thống điện nói chung, lưới điện truyền tải nói riêng thể hiện ở câu trả lời cho câu hỏi thứ 3 trong

mục đích phân tích sự cố Mọi cố gắng trong việc hiểu rõ sự cố, hiểu rõ quá trình làm việc của hệ thống bảo vệ trong sự cố, nguyên nhân gây ra sự cố đều hướng tới

một mục tiêu duy nhất là làm sao để hệ thống điện vận hành ổn định, liên tục với

độ tin cậy cung cấp điện cao Do đó, cần sự tinh chỉnh trong việc cài đặt cấu hình,

chỉnh định và phối hợp của hệ thống rơle bảo vệ chính xác và hợp lý nhất, xây

dựng cấu trúc lưới điện, cũng như có các biện pháp phát hiện sớm, ngăn ngừa các

sự cố xảy ra một cách tối đa trên hệ thống

Lưới điện truyền tải đã từng xuất hiện các sự cố trên mạch 500kV Bắc – Nam dẫn đến rã lưới trong diện rộng, với nguyên nhân là vi phạm khoảng cách an toàn với đường dây 500kV Nguyên nhân sự cố xảy ra là khách quan, không phải

do các lỗi trực tiếp của ngành điện, nhưng lại bộc lộ điểm yếu trong công tác điều

độ, trong cấu trúc lưới điện truyền tải dẫn đến rã lưới và mất điện diện rộng Sau sự

cố, nhiều vấn đề liên quan đến tính toán phương thức, cấu trúc lưới điện, ứng phó

sự cố tương tự đã được nghiên cứu áp dụng để tránh các sự cố tương tự lặp lại Đây

là ví dụ điển hình nhất mà việc phân tích sự cố đã giúp cho ngành điện nói chung, đơn vị quản lý, vận hành lưới điện truyền tải nói riêng nhìn nhận các vấn đề thực

tiễn và tìm biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng điện năng cũng như độ tin

cậy của lưới điện

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP ĐẶC TÍNH CỦA CÁC DẠNG SỰ CỐ

Các dạng sự cố ngắn mạch cơ bản trong hệ thống điện bao gồm sự cố ngắn

mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha với đất và ngắn mạch 1 pha Hình 2.1 mô tả tất cả các trường hợp sự cố có thể xảy ra trong hệ thống điện

Hình 2.1: Các dạng sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện

Để có thể nhận biết, tác động và ghi lại toàn bộ các sự cố kể trên trong hệ

thống điện, các rơle bảo vệ hiện nay có thể được trang bị tới 6 kênh đầu vào tín

hiệu analog mạch dòng điện và 3 kênh đầu vào tín hiệu analog mạch điện áp Ngoài

ra để có thể sử dụng chức năng tự đóng lại, rơle phải có thêm 1 kênh đầu vào analog cho mạch áp dùng cho hòa đồng bộ Việc nắm rõ đặc tính của từng dạng sự

cố, thông qua việc thu thập và đọc được bản ghi của rơle bảo vệ sẽ hỗ trợ phân tích chính xác được sự cố

Việc phân tích các đại lượng dòng điện, điện áp khi sự cố thường dựa trên phương pháp thành phần đối xứng, từ đó xác định đặc tính của từng dạng sự cố dễ dàng hơn Mỗi dạng sự cố sẽ có đặc tính về dòng điện các pha, thứ tự pha, điện áp pha sự cố khác biệt, Hình 2.2 thể hiện đặc tính cơ bản của các sự cố trong hệ thống

Hình 2.2: Đặc tính dòng điện, điện áp của các dạng sự cố cơ bản trong hệ thống điện

2.1.1 S ự cố 3 pha

Đặc tính cơ bản của dòng sự cố khi xảy ra sự cố 3 pha (3 pha chạm đất, 3 pha

chạm nhau) là:

- Dòng điện tăng cao ở trên cả 3 pha A, B, C

- Dòng điện trên 3 pha cân bằng với góc lệch 120 độ theo đúng thứ tự pha sau vài chu kỳ khi dòng DC đã tiêu tán

- Sự suy giảm điện áp trên cả 3 pha, với các sự cố chạm chập 3 pha, điện áp

giảm về 0

- Điện áp 3 pha cân bằng và lệch pha nhau 120 độ theo đúng thứ tự pha ABC

- Không có sự xuất hiện của dòng điện thứ tự không trừ trường hợp có dòng DC khi bắt đầu sự cố hoặc có sự bão hòa biến dòng điện (TI) khi dòng sự cố lớn, hoặc khi diễn biến sự cố có sự xuất hiện sự cố xảy ra lần lượt từng pha, khi loại trừ sự cố

lần lượt từng pha ở điểm 0

- Dòng điện hai pha sự cố lệch pha 180 độ

- Sự sụp giảm điện áp ở các pha bị sự cố

- Điện áp ở 2 pha bị sự cố có cường độ bằng nhau

- Không xuất hiện dòng điện thứ tự không, không có dòng chạm đất

Hình 2.4: B ản ghi dạng sóng của sự cố pha-pha

Sự cố 2 pha chạm đất có thể xảy ra với các trường hợp là A-B-N, B-C-N

hoặc C-A-N Đặc điểm của sự cố hai pha chạm đất như sau:

- Dòng điện sự cố tăng cao ở các pha bị sự cố, cường độ dòng điện sự cố trên 2 pha có thể khác nhau

- Dòng điện trên các pha sự cố không bị thay đổi hoặc ít thay đổi về góc pha

- Sự suy giảm điện áp trên các pha bị sự cố với trị số có thể khác nhau

- Xuất hiện dòng điện thứ thự không 3I0

Hình 2.5: B ản ghi dạng sóng của sự cố 2 pha chạm đất

Sự cố 1 pha chạm đất có thể xảy ra trên pha A, B hoặc C với đặc tính cơ bản như sau:

- Sự suy giảm điện áp tại pha bị sự cố

- Dòng điện trên pha sự cố tăng cao

- Xuất hiện dòng chạm đất 3I0, In, hay Ig

Ngoài ra, một vài hiện tượng khác có thể xảy ra liên quan đến sự cố 1 pha chạm đất là:

- Sự xuất hiện của dòng thứ tự nghịch

- Điện áp tại các pha không bị sự cố tăng hoặc giảm phụ thuộc vào tỉ số

X0/X1 phía sau sự cố Nếu tỉ số này lớn hơn 1, điện áp các pha không bị sự cố sẽ tăng lên Ngược lại, nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì điện áp tại các pha không sự cố sẽ

bị giảm đi so với trước sự cố

- Dòng điện trên các pha không bị sự cố tăng hoặc giảm phụ thuộc vào giá

trị của I0 và I1, nhất là các sự cố liên quan đến dường dây mà 2 đầu đường dây đều

cấp nguồn đến điểm sự cố Với sự cố xảy ra trên đường dây một nguồn, dòng điện trên pha không bị sự cố sẽ bằng không

Hình 2.6: B ản ghi dạng sóng của sự cố một pha chạm đất

Sự cố hở mạch là sự cố không đối xứng, xảy ra trong hệ thống điện truyền

tải chủ yếu do 2 nguyên nhân chính là đứt dây dẫn, chủ yếu tại các vị trí lèo nối,

hoặc do đứt sứ đỡ trên các đường dây bởi các hiện tượng thời tiết, hư hỏng cách điện, dẫn đến đứt dây, hoặc do sự tiếp xúc không tốt, đóng cắt không hết chu trình

của các máy cắt, dao cách ly Sự cố hở mạch sẽ gây ra dòng thứ tự không và dòng

thứ tự nghịch trên pha bị sự cố, với độ lớn phụ thuộc vào dòng tải tại thời điểm đó Dòng thứ tự không sẽ có giá trị lớn nếu hở mạch xảy ra khi tải cao và ngược lại Để phát hiện sự cố hở mạch, bảo vệ theo dòng 3I0 không hướng là lựa chọn tốt nhất Tuy nhiên, việc dùng bảo vệ quá dòng 3I0 vô hướng có nhược điểm rất lớn là sự là dòng thứ tự không xuất hiện trên toàn bộ hệ thống khi có sự hở mạch hoặc ngắn

mạch không đối xứng, nghĩa là các đường dây phụ cận, máy biến áp 2 đầu đường dây bị sự cố đều xuất hiện dòng 3I0, dẫn đến các bảo vệ có thể tác động nhầm hàng

loạt các máy cắt của các đường dây không bị sự cố Chính vì lí do này, bảo vệ 3I0

vô hướng với thời gian trễ cao (lớn hơn 3 giây) đã không được sử dụng trên lưới truyền tải điện Việt Nam, dòng 3I0 chủ yếu được giám sát để báo tín hiệu

Hiện tại dạng sự cố này được bảo vệ bởi chức năng 46BC, hoạt động dựa trên tỷ số I2/I1

Sự cố chủ yếu xảy ra trong hệ thống điện là các sự cố ngắn mạch không đối

xứng, gồm sự cố pha-pha và sự cố pha-đất Sự cố xảy ra nhiều nhất với nguyên nhân khách quan là sự cố pha-đất, chiếm tới hơn 80% sự cố Sự cố ngắn mạch xảy

ra khi có sự hư hỏng cách điện, có thể do các vấn đề về thiết kế, sản xuất hay do vật

liệu Sự cố ngắn mạch cũng có thể xảy ra bởi sự quá điện áp chịu đựng của thiết bị

do có sét đánh, quá điện áp trong hệ thống, quá áp trong quá trình đóng cắt máy cắt

Hơn nữa, các hiện tượng tự nhiên như gió bão, bụi bẩn, sự già hóa cách điện nếu không được phát hiện và xử lý sớm cũng dẫn đến sự cố ngắn mạch Hiện tượng quá

tải đường dây trong thời gian dài gây phát nóng dây dẫn, sự dao động của dây dẫn khi có gió bão dẫn đến giảm khoảng cách giữa các pha, sự vi phạm khoảng cách an toàn của cây cối hay các vật thể bay không xác định làm giảm khoảng cách cách điện giữa các pha cũng là các nguyên nhân mà lưới truyền tải điện đã từng gặp

phải

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, sự cố có thể xảy ra chỉ trên 1 pha,

hoặc có thể diễn tiến gây nên sự cố trên các pha còn lại Điển hình như sự phóng điện ngược khi có sét đánh vào 1 pha của đường dây, khi mà dòng điện không được tiêu tán đủ nhanh xuống đất sẽ gây ra dòng phóng ngược trên 1 pha khác của đường dây bị sự cố Từ sự cố 1 pha có thể bị diễn tiến thành sự cố 2 pha, thậm chí 3 pha

Do vậy, việc xem xét bản ghi những chu kỳ đầu tiên của sự cố do rơle ghi nhận lại

để xác định được nguyên nhân bau đầu của sự cố là rất quan trọng

Mỗi dạng sự cố với nguyên nhân gây ra khác nhau sẽ dẫn đến hiện tượng dòng, áp sự cố có sự khác nhau; ví dụ như dòng sự cố có thành phần dòng điện không chu kỳ (dòng một chiều) hay không, thời điểm sự cố xảy ra ở vị trí mà điện

áp là lớn nhất trong chu kỳ hay không, tổng trở đến điểm sự cố bị ảnh hưởng như

thế nào, dẫn đến sự tác động của rơle bảo vệ và xác định khoảng cách sự cố có chính xác không Tất các các hiện tượng đó của dòng điện, điện áp, qua quá trình

tổng hợp kinh nghiệm từ các sự cố đã xảy ra và các tính toán mô phỏng lại sẽ giúp nâng cao khả năng phán đoán nguyên nhân ban đầu gây ra sự cố trên hệ thống điện

Đối với các sự cố bị gây ra bởi các hiện tượng diễn ra bất ngờ như sét đánh,

thời điểm xảy ra sự cố có thể là một điểm bất kỳ trên dạng sóng trong chu kỳ dòng điện, điện áp Nếu sét đánh vào dây dẫn ngay gần thời điểm điện áp đi qua điểm điện áp tức thời bằng 0 thì dòng điện sự cố sẽ có thành phần dòng một chiều không chu kỳ có giá trị lớn nhất Ngược lại, nếu cú sét đánh ngay vào lúc điện áp đang có giá trị đỉnh thì dòng sự cố sẽ là dòng điện chu kỳ, không có thành phần một chiều

Hình 2.7: Dạng sóng dòng điện & điện áp khi sự cố phóng điện tại điện áp đỉnh

Sự xuất hiện của thành phần dòng một chiều tắt dần trong dòng sự cố phụ thuộc vào thời điểm trên dạng sóng điện áp mà sự cố xuất hiện, do thực tế là dòng điện không thể tăng đột ngột trong mạch điện cảm và dòng điện cũng bị chậm pha hơn so với điện áp phụ thuộc vào hệ số công suất ban đầu của hệ thống Cường độ

của dòng một chiều tắt dần phụ thuộc vào góc pha sự cố khi sự cố bắt đầu xảy ra

Sự cố xảy ra tại khi điện áp tức thời bằng không sẽ tạo ra thành phần dòng một chiều với giá trị lớn nhất Dòng một chiều sẽ tắt dần với hằng số thời gian bằng tỷ

số L/R của lưới điện, trong đó điện cảm L tính toán được từ tỷ số X/R tính từ nguồn tới điểm sự cố

Hình 2.8: Dòng điện sự cố có chứa thành phần dòng điện một chiều tắt dần

Với các sự cố có cơ chế diễn tiến chậm, hồ quang luôn luôn xuất hiện ở điện

áp đỉnh, thường do lúc này điện áp có đủ độ lớn để đánh thủng cách điện, dòng sự

cố chỉ thuần tùy là thành phần chu kỳ Các nguyên nhân có thể dẫn đến loại sự cố

diễn tiễn chậm này bao gồm:

- Khi một đường dây truyền tải mang tải cao võng xuống gần một cây cao

- Khi gió bão đẩy cây cối lên đường dây đang mang điện

- Khi cây cối dưới đường dây mọc lên cao do không được cắt tỉa vi phạm khoảng cách an toàn

- Khi có một vật thể di chuyển từ dưới đất lên về phía đường dây mang điện

- Khi đứt dây dẫn tiếp xúc với mặt đất hoặc với vật thể trên mặt đất

- Phóng điện hồ quang trên cách điện do bụi bẩn, băng tuyết

- Sự hư hỏng cách điện của thiết bị trong hệ thống

- Các đám mây điện tích xuất hiện do các đám cháy

Hình 2.9: Dòng ch ạm đất xuất hiện khi có phóng điện do hư hỏng cách điện

Các hiện tượng trên xảy ra theo một quá trình có thời gian kéo dài tới hàng

chục giây Các sự cố hư hỏng thiết bị trong hệ thống điện cũng có thể gây cháy và

tạo ra các đám mây điện tích dẫn đến sự cố mở rộng với dòng sự cố có chu kỳ Do không có thành phần dòng một chiều (dòng không chu kỳ), các rơle khoảng cách có

thể ghi nhận đúng tổng trở của loại sự cố này (giả thiết loại bỏ ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố)

Khi xảy ra một sự cố phóng điện hồ quang ở một pha, không khí xung quanh sẽ bị ion hóa, tạo ra các đám mây tích điện xung quanh hồ quang Khi các đám mây tích điện phát triển, nó có thể phóng điện hồ quang ở pha không bị sự cố, khiến cho sự cố bị mở rộng, còn được gọi là sự cố tiến triển, biến đổi từ sự cố 1 pha

chạm đất thành sự cố 2 pha hoặc 3 pha chạm đất Một sự cố pha-pha cũng có thể bị

biến đổi thành 2 pha chạm đất, sự cố 3 pha hoặc sự cố 3 pha chạm đất Sự cố tiến triển thường xảy ra trong một không gian hạn chế, đôi khi cũng có thể xảy ra ở một không gian mở nếu có ảnh hưởng của gió, các đám cháy, khói bụi khiến các đám mây tích điện phát triển và di chuyển

Hình 2.10: B ản ghi dạng sóng của một sự cố tiến triển

Máy biến dòng điện là thiết bị sử dụng để biến đổi tỷ lệ dòng điện, đưa tín

hiệu dòng điện vào rơle Khi sự cố dòng điện thường tăng cao, đi kèm thành phần dòng điện một chiều (động cơ) tắt dần dễ làm BI bị bão hòa, dẫn tới dòng điện đưa vào trong rơle không tỷ lệ với dòng điện sơ cấp, dạng sóng dòng điện bị méo dạng

Hiện tượng bão hòa BI là một nguyên nhân phổ biến gây các tác động nhầm cho hệ

thống rơle bảo vệ, đặc biệt đối với các rơle bảo vệ so lệch Do đó cần phân tích làm

rõ cơ chế bão hòa BI và dạng sóng dòng điện khi BI bị bão hòa để có thể nhận dạng được tình trạng này khi phân tích sự cố

2.8.2 Hi ện tượng vật lý trong lõi từ

Một cách lý tưởng thì dòng điện thứ cấp có dạng sóng hoàn toàn giống dòng điện sơ cấp, chỉ khác về độ lớn tùy theo tỷ số vòng dây Tuy nhiên khi BI bị bão hòa thì Is không giống so với Ip Lý do BI bị bão hòa liên quan tới các hiện tượng

vật lý bên trong BI trong quá trình từ hóa Về nguyên tắc lõi từ được tạo thành bởi

vô số các phần tử lưỡng cực từ, có thể được coi như các các phân tử nam châm

Bình thường các phân tử nam châm này sắp xếp một cách hỗn độn trong lõi từ như trong Hình 2.11

Hình 2.11: Các ph ần tử lưỡng cực từ trong lõi từ

Khi dòng điện sơ cấp (IP) chạy qua cuộn sơ cấp tạo ra từ trường H, độ lớn của từ trường này ảnh hưởng tới các phân tử nam châm trong lõi từ và bắt buộc các nam châm này phải bắt đầu sắp xếp theo chiều của từ trường bên ngoài, từ đó tạo ra từ thông Φ trong lõi từ Dòng điện IP càng lớn thì từ trường H càng mạnh và càng có nhiều phân tử nam châm sắp xếp cùng hướng Số phân tử nam châm xếp cùng hướng tại một thời điểm chính là giá trị mật độ từ thông (B) Khi tất cả các phân tử nam châm đã xếp cùng hướng thì mật độ từ thông của lõi từ đã đến tới hạn và khi

đó lõi từ coi là bị bão hòa

Quan hệ giữa cường độ của từ trường (H) và mật độ từ trường (B) thể hiện bởi đường cong B-H của lõi từ Các vật liệu từ khác nhau sẽ có đặc tính B-H khác nhau tùy theo khả năng của vật liệu tương tác với từ trường

Hoạt động của các phân từ nam châm sẽ quyết định khả năng của BI để sinh ra dòng thứ cấp: khi các nam châm thay đổi chiều, sắp xếp vào cùng hướng sẽ dẫn tới

từ thông trong lõi từ tăng lên, từ thông tăng lên sẽ cảm ứng ra điện áp VS ở cuộn

thứ cấp Điện áp VS này lại sinh ra dòng điện IS chạy trong mạch thứ cấp Khi lõi

từ đạt tới mật độ từ thông tối đa thì tất cả các nam châm đã xếp cùng hướng, từ thông trong lõi từ không thể biến thiên nữa, điện áp cảm ứng VS bị giảm tới 0 và dòng điện IS không thể chạy qua mạch nữa (vì không có điện thế để đẩy các điện tích tuần hoàn trong mạch)

Bão hòa BI có thể xảy ra với 2 trường hợp: bão hòa đối xứng và bão hòa không đối xứng

1) Bão hòa đối xứng

Bão hòa đối xứng xảy ra do dòng điện đối xứng sơ cấp quá lớn chạy qua BI (dòng điện này có dạng sóng đối xứng trong các nửa chu kỳ dương và âm của dòng

điện)

Hình 2.12: Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hòa đối xứng

Hình trên cho thấy dạng sóng của dòng điện sơ cấp IP và dòng điện thứ cấp IS khi bão hòa đối xứng

Một cách lý tưởng, trước khi có dòng điện sơ cấp tại thời điểm a thì các phân tử nam châm sắp xếp một cách hỗn độn, trong lõi từ không có từ dư

Giữa a và b: dòng điện IP bắt đầu chạy qua cuộn sơ cấp ở nửa chu kỳ dương, các phân tử nam châm bắt đầu xếp hàng theo hướng dương của từ trường này Khi các

1

0

–1

–10 –5 0 5 10 Magnetic Field Strength (H)

phân tử lần lượt sắp xếp cùng hướng thì từ thông trong lõi từ biến thiên và sinh ra dòng thứ cấp IS hoàn toàn giống IP (giả thiết tỷ số biến là 1:1)

Trước khi hết nửa chu kỳ dương, thì tại thời điểm b tất cả các phân tử nam châm trong lõi đã xếp cùng hướng dương, lõi từ đạt tới ngưỡng mật độ từ thông lớn nhất (bão hòa) Tại thời điểm này dù dòng IP có tiếp tục chạy qua cuộn sơ cấp thì sẽ không có thêm bất cứ phân tử nam châm nào xếp hàng thêm, từ thông không đổi và

VS giảm tới 0 và IS cũng giảm tới 0

Dòng điện IS sẽ duy trì bằng 0 cho tới khi IP đổi chiều, đảo ngược từ trường từ thời điểm c Khi từ trường đảo chiều sẽ làm các phân tử nam châm bắt đầu xếp hàng theo chiều ngược lại, từ thông trong lõi từ lại biến thiên sinh ra dòng IS Cho tới

thời điểm d thì toàn bộ nam châm đã xếp hàng theo chiều ngược lại, mật độ từ thông đạt ngưỡng lớn nhất và không thể tăng thêm; điện áp VS và dòng điện IS

giảm đến 0

Trong hình trên đây thì độ lớn dòng điện sơ cấp đang giảm dần, tương ứng với đó

là thời gian bão hòa của BI trong từng chu kỳ cũng giảm đi Chu kỳ thứ hai dòng điện IP có biên độ thấp hơn tạo ra từ trường yếu hơn và yêu cầu mật độ từ thông

nhỏ hơn để tạo ra dòng điện thứ cấp, do chỉ yêu cầu ít phân tử nam châm sắp xếp hàng nên dòng điện IS lặp lại được đúng dạng sóng của IP trong khoảng thời gian dài hơn Đến chu kỳ thứ ba thì độ lớn của dòng sơ cấp IP đã đủ thấp không gây bão hòa và dòng thứ cấp IS hoàn toàn giống dòng sơ cấp IP

2) Bão hòa không đối xứng

Bão hòa không đối xứng xảy ra do thành phần DC trong dòng điện sơ cấp quá

lớn, giá trị đỉnh dòng điện ở các chu kỳ dương và âm không đối xứng Thành phần

DC tắt dần làm diện tích các nửa chu kỳ dương và âm của dòng điện không bằng nhau

Hình 2.13: D òng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hòa không

đối xứng

Từ điểm a tới b: các nam châm đều xếp hàng theo chiều dương từ trường và BI không bị bão hòa Khi dòng IP đổi sang chiều âm (từ b đến c), các nam châm bắt đầu xếp theo chiều ngược lại, do diện tích phần âm của dòng điện giữa b và c rất

nhỏ nên chỉ có một số ít nam châm đảo chiều Từ thời điểm c tất cả các nam châm

lại phải xếp hàng lại theo chiều dương, tuy nhiên hầu như các nam châm đã xếp hàng theo chiều dương rồi nên chỉ đến d là toàn bộ nam châm đã xếp cùng hướng

và lõi từ bão hòa

Trong trường hợp này chính thành phần DC tắt dần là tác nhân gây ra bão hòa lõi

từ chứ không phải độ lớn dòng điện sự cố Thực tế là dòng điện IP không tồn tại ở

nửa chu kỳ âm đủ lâu để giải trừ toàn bộ các nam châm theo hướng âm, do đó gây

ra bão hòa ở nửa chu kỳ dương tiếp theo

Mức độ bão hòa của BI cũng giảm dần khi dòng DC tắt dần

Thời gian để BI rơi vào trạng thái bị bão hòa tùy thuộc độ lớn dòng điện, độ lớn thành phần DC, tỷ số X/R của mạch, tải và từ dư trong lõi Bão hòa đối xứng thường xuất hiện trong nửa chu kỳ đầu tiên của dòng sự cố, trong khi đó bão hòa không đối xứng có thể xảy ra sau một vài chu kỳ từ khi sự cố xảy ra

Dạng sóng dòng điện trình bày trong các hình trên tương ứng với tình huống BI bị bão hòa hoàn toàn Với mức độ bão hòa thấp thì dạng sóng dòng điện khi bão hòa cũng khó nhận dạng hơn

Hình 2.14: D ạng sóng dòng điện khi BI bị bão hòa với mức độ khác nhau

Dạng sóng của dòng điện thứ cấp IS khi bão hòa cũng đồng thời phụ thuộc vào loại tải thứ cấp (tải thuần trở, thuần kháng hay hỗn hợp)

Hình 2.15: D ạng sóng khi bão hòa với các loại tải thuần trở (a) và thuần kháng (b)

Dạng sóng dòng điện khác nhau vì với tải thuần kháng thì dòng điện qua điện kháng không thể đột ngột giảm tới 0, do đó khi bị bão hòa dòng điện sẽ giảm từ từ

xảy ra qua máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau nên quan hệ dòng điện, điện áp ở các phía máy biến áp không giống nhau Việc hiểu rõ quan hệ dòng điện, điện áp qua máy biến áp này rất quan trọng để có thể phân tích được khi có sự cố xảy ra thì các giá trị dòng điện, điện áp ghi nhận được có phù hợp với lý thuyết hay không Trong trường hợp các giá trị ghi nhận được không phù hợp có thể xác định sơ bộ nguyên nhân do hư hỏng mạch nhị thứ hoặc trục trặc của rơle Trong luận văn này,

ta xét đặc tính về dòng ngắn mạch với các trường hợp phổ biến sau:

- Ngắn mạch pha – đất ở phía cuộn đấu Y0 của máy biến áp có tổ đấu dây

Giả thuyết ngắn mạch 1 pha ở cuộn dây pha a cuộn dây đấu sao không phía

hạ áp, nếu coi dòng ngắn mạch ở tại điểm ngắn mạch là 1 pu, ta có hình thể hiện dòng điện trên các cuộn dây như dưới:

Ta thấy rằng, phía cuộn tam giác sẽ xuất hiện dòng điện tăng cao ở pha A & pha C và cuộn dây AC của máy biến áp Trị số dòng phía cao áp sẽ bằng 0,577 lần dòng phía cuộn cao áp do cuộn dây đấu tam giác Dòng điện thứ tự thuận phía cuộn tam giác sẽ sớm pha 300

so với dòng điện phía cuộn dây Y0, dòng điện thứ tự nghịch của cuộn tam giác chậm pha 300

so với dòng điện phía cuộn dây Y0

Với sự cố xảy ra ở pha b-c phía cuộn Y0, phía cuộn tam giác sẽ xuất hiện dòng điện tăng cao ở cả ba pha A, B, C và cuộn dây AB, BC của máy biến áp Nếu coi dòng sự cố pha lớn nhất phía cao áp là 1 pu trong hệ đơn vị tương đối thì trị số dòng điện ở hai pha A, C sẽ bằng 0,5 lần dòng sự cố; trị số dòng điện sự cố tại 2 pha b, c của cuộn Y0 bằng 0.866 pu

Sử dụng phương pháp phân tích các thành phần đối xứng, chúng ta có kết

quả tương tự như trên Dòng điện thứ tự thuận phía cuộn tam giác sẽ sớm pha 300

và dòng điện thứ tự nghịch chậm pha 300

so với dòng điện phía cuộn Y0

d) Ng ắn mạch pha – pha ở phía cuộn tam giác của máy biến áp có tổ đấu

Sự cố ngắn mạch xảy ra phía cuộn tam giác của máy biến áp có thể được phát hiện và phân loại dựa vào dòng điện xuất hiện ở phía cuộn Y0 của máy biến

áp Thông qua các bước cơ bản được liệt kê bên dưới, sự cố ở phía cuộn tam giác

có thể được phát hiện thông qua bản ghi của rơle phía cuộn Y:

- B1: Kiểm tra sơ đồ thứ tự pha của máy biến áp ( dựa trên nhãn thông số của MBA)

- B2: Thể hiện dòng điện được rơle ghi lại trong hệ đơn vị cơ bản

- B3: Vẽ lại dòng điện trong hệ đơn vị cơ bản với hướng của chúng ở phía

cuộn Y của máy biến áp

- B4: Dựa vào tổ đấu dây và dòng điện phía cuộn Y, suy ra dòng điện xuất

hiện trong từng pha của cuộn tam giác của máy biến áp

- B5: Tính toán tổng hợp dòng điện các pha phía cuộn tam giác (bên ngoài máy biến áp)

Các hình bên dưới thể hiện dòng điện xuất hiện trên các pha của máy biến

áp khi có sự cố pha-pha ở phía cuộn tam giác với tổ đấu dây ∆/Y0 -1, bao gồm sự

cố pha b-c, a-c và b-a

Việc lập được sơ đồ và tính toán được dòng điện ở phía cuộn sao của máy

biến áp sẽ giúp chúng ta nhận định được sự cố ở phía cuộn tam giác khi xem xét dòng sự cố dù chỉ ở phía cuộn dây đấu sao

CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ CHÍNH ÁP

Máy biến áp là một phần tử quan trọng trong hệ thống điện, do có cấu trúc

phức tạp nên các hư hỏng cũng có thể xảy ra ở nhiều cấp độ:

- Phóng điện trong MBA (với các phóng điện nhỏ, để lâu dài có thể phát triển thành sự cố)

- Phát nhiệt cục bộ trong MBA (các điểm đấu nối, )

- Cách điện bị nhiễm ẩm (cách điện cứng và dầu)

- Hư hỏng gioăng dẫn đến rò rỉ, chảy dầu MBA làm mức dầu bị hạ thấp gây nguy hiểm cho cách điện và làm mát máy biến áp

- Hư hỏng sứ, bộ điều áp và các phần tử trong MBA

- Với các máy biến áp lớn nối tới đường dây truyền tải thì khi có sét đánh vào đường dây, sóng với độ dốc đầu sóng lớn nếu đi vào trong máy biến áp sẽ có thể gây hỏng cách điện ở cuối cuộn dây máy biến áp

- Sự cố lõi từ: các trường hợp sự cố với dòng điện lớn có thể gây xô lệch lõi

từ và làm tăng độ lớn dòng điện xoáy, gây phát nhiệt và có thể dẫn tới sự cố lớn hơn Cách điện giữa các lá thép lõi từ bị hư hỏng làm tăng dòng xoáy, gây tăng nhiệt, hư hỏng ở các hệ thống chắn từ làm từ thông móc vòng ra các bộ phận lân

cận

Hệ thống bảo vệ cho các thiết bị cao áp thuộc lưới điện truyền tải yêu cầu thời gian loại trừ sự cố rất ngắn (≤100 mili giây) để đảm bảo tính ổn định của hệ thống;

mục tiêu hạn chế mức độ hư hỏng của thiết bị không phải ưu tiên hàng đầu Tuy nhiên với các MBA chi phí sửa chữa, thay thế rất cao, khi sự cố có khả năng gây

hỏa hoạn lan truyền tới các thiết bị khác trong trạm nên mục tiêu hạn chế hư hỏng

thiết bị được đặt lên hàng đầu; hệ thống bảo vệ cho các MBA có công suất lớn yêu

cầu phải có độ nhạy cao và thời gian tác động nhanh (high speed)

Sự cố trong MBA thường liên quan tới các vòng dây của cuộn dây, khi xảy ra

chạm chập giữa các vòng dây dẫn tới dòng sự cố chạy quẩn rất lớn, tuy nhiên sự thay đổi của dòng điện tại các đầu cực MBA rất nhỏ so với giá trị định mức Đây là

một yếu tố dẫn tới cần có hệ thống bảo vệ với độ nhạy cao

Không có sơ đồ phương thức bảo vệ tiêu chuẩn cho tất cả các MBA, sơ đồ

bảo vệ được sử dụng phải cân bằng được các yếu tố kinh tế - kỹ thuật Có thể có nhiều sơ đồ bảo vệ đáp ứng được tiêu chí kỹ thuật, tuy nhiên sẽ khác nhau về mức

độ tin cậy, thời gian loại trừ sự cố, và tính chọn lọc, đồng thời việc lựa chọn phương thức bảo vệ cần xét tới cả các yếu tố sau:

a) Chi phí để sửa chữa các hư hỏng

b) Chi phí do ngừng vận hành

c) Hệ quả tới hệ thống do phần tử bị tách khỏi vận hành

d) Khả năng lan truyền hư hỏng tới các thiết bị gần kề

e) Thời gian thiết bị phải ngừng vận hành do sự cố

Hệ thống bảo vệ cho các MBA bao gồm một/nhiều bảo vệ chính (main) và các bảo vệ dự phòng Hệ thống bảo vệ chính và bảo vệ dự phòng lấy tín hiệu từ các nguồn khác nhau, có thể sử dụng các hệ thống nguồn cấp riêng biệt

Hình 3.1: Sơ đồ phương thức bảo vệ MBA công suất lớn theo khuyến cáo của hãng

Siemens

Ngoài các hệ thống bảo vệ về điện thì bản thân các MBA được trang bị các

bảo vệ công nghệ để phát hiện sớm các tình huống có thể gây ra sự cố điện, các bảo

vệ công nghệ thường bao gồm:

+ Hệ thống giám sát nhiệt độ cuộn dây và nhiệt độ dầu Khi các bảo vệ này

cảnh báo cần giảm tải hoặc thực hiện các thao tác khác theo qui trình tránh dẫn tới quá nhiệt phải cắt MBA

+ Các rơle giám sát khí: có khả năng giám sát sự tích tụ của khí, hình thành

do các bọt khí trong dầu MBA Việc phân tích khí giúp xác định được các hiện tượng nào đã xảy ra trong vận hành, ví dụ sự xuất hiện của acetylene là do có hồ quang điện, các loại khí khác xuất hiện do phóng điện cục bộ, do sự xuống cấp bởi nhiệt độ của cách điện giấy Hệ thống rơle giám sát khí có thể được cấu hình để

cảnh báo hoặc tác động cắt MBA

Thông thường công việc phân tích khí được thực hiện định kỳ trên mẫu dầu

của MBA Hệ thống phân tích khí online có nhiều ưu điểm nhưng chi phí cao + Rơle đột biến áp lực lắp đặt ngâm trong dầu phản ứng theo sóng áp lực lan truyền trong dầu MBA do khí tích tụ bởi phóng điện hồ quang

+ Rơle đột biến áp lực lắp đặt trong các khoảng trống khí phản ứng theo áp

lực khí do lượng khí tích tụ bởi phóng điện hồ quang

+ Các rơle chỉ báo mức dầu sử dụng để cảnh báo khi mức dầu giảm thấp và

cắt MBA trong các trường hợp mức dầu xuống quá thấp tới ngưỡng nguy hiểm cho cách điện

+ Các thiết bị giám sát sứ xuyên, giám sát BI chân sứ và các chống sét van:

cảnh báo khi có hiện tượng xuống cấp của các thiết bị này

Bảo vệ quá dòng cắt nhanh cần đặt dòng khởi động lớn hơn dòng ngắn mạch

lớn nhất ngoài vùng, trong các tính toán thường sử dụng dòng ngắn mạch 3 pha ngoài vùng

Do thời gian tác động tức thời nên giá trị chỉnh định cần xét tới các quá độ dòng điện, phạm vi cài đặt khuyến cáo trong khoảng 1,25÷2 lần dòng ngắn mạch ngoài lớn nhất (thường dùng giá trị 1,75) Đồng thời kiểm tra để đảm bảo giá trị cài đặt lớn hơn dòng xung kích khi đóng MBA Trong một số trường hợp nếu bảo vệ quá dòng cắt nhanh 50 không thể sử dụng do giá trị cài đặt cao hơn cả dòng sự cố

của hệ thống có thể cung cấp thì khuyến cáo sử dụng chức năng hãm theo sóng hài

để giảm được giá trị cài đặt, tuy nhiên chức năng hãm theo sóng hài sẽ làm trễ thời gian tác động của bảo vệ

Bảo vệ quá dòng có thời gian (51) có độ nhạy hạn chế do dòng đặt phải cao hơn dòng tải lớn nhất Tùy theo phương thức nối đất có thể đặt các bảo vệ quá dòng

chạm đất để tăng độ nhạy với các sự cố chạm đất

Dòng đặt của bảo vệ cần lớn hơn dòng tải có xét tới quá tải cho phép Khi MBA vận hành song song thì dòng đặt cần xét tới khả năng quá tải ngắn hạn khi

Bảo vệ quá dòng TTN tăng độ nhạy với các sự cố pha – pha, nhược điểm là

bảo vệ không tác động với sự cố ba pha đối xứng Loại bảo vệ này có hiệu quả với các trường hợp MBA đấu Δ/Y0 vì khi có sự cố một pha phía cuộn đấu Y0 thì phía

cuộn tam giác chỉ nhận được 58% dòng điện sự cố (là sự cố hai pha phía cuộn tam giác)

Bảo vệ so lệch thường được sử dụng làm bảo vệ chính cho máy biến áp do

khả năng tác động nhanh, độ nhạy cao, phạm vi bảo vệ giới hạn bởi vị trí đặt các

BI Tuy nhiên khi sử dụng bảo vệ so lệch cho máy biến áp cần lưu ý tới các vấn đề nêu trong các mục tiếp theo

+ Ảnh hưởng của tổ đấu dây máy biến áp

Khi máy biến áp có tổ đấu dây hai phía khác nhau  dòng điện các phía bị

lệch nhau một góc, ví dụ máy biến áp có tổ đấu dây Y0/∆-11 thì dòng sơ cấp và thứ

cấp lệch nhau 11x300 = 3300 Nguyên lý bảo vệ so lệch yêu cầu dòng điện hai phía

cần so sánh phải trùng pha, khi xảy ra lệch pha như vậy thì sẽ có một dòng cân

bằng chạy qua và bảo vệ sẽ tác động nhầm, do đó bắt buộc phải có thao tác hiệu

chỉnh góc pha

Với các rơle cơ và rơle tĩnh việc hiệu chỉnh góc pha được thực hiện bằng cách sử

dụng các BI trung gian Ví dụ nếu cuộn dây máy biến áp đấu hình Y thì máy biến dòng trung gian sẽ được đấu theo sơ đồ tam giác và ngược lại Với các rơle số việc

hiệu chỉnh góc pha được thực hiện bằng phần mềm, BI có thể đấu hình Y cho mọi

cuộn dây Cần khai báo vào rơle các tổ dấu dây của máy biến áp và máy biến dòng (nếu cần thiết)

+ Ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không khi có chạm đất ngoài vùng

Với các máy biến áp đấu Y0/∆ hoặc Y0/Y thì khi xảy ra sự cố chạm đất ngoài vùng bảo vệ phía cuộn Y0 sẽ có thành phần TTK chạy qua cuộn dây Y0 này và bảo

vệ so lệch có thể tác động nhầm

Để khắc phục trường hợp này thì phải loại bỏ thành phần dòng điện TTK trong thành phần dòng điện đưa vào bảo vệ so lệch Với các rơle số việc loại bỏ thành

phần TTK thực hiện đơn giản bằng thuật toán trong rơle

+ Ảnh hưởng của tỷ số biến dòng các phía không phù hợp

Khi tỷ số giữa dòng điện sơ cấp của biến dòng hai phía của máy biến áp không phù hợp với tỷ số biến áp hoặc khi dòng điện thứ cấp của các BI không giống nhau (ví dụ dòng thứ cấp của BI phía cao áp là loại 5A, phía hạ áp là loại 1A) thì có thể sinh ra thành phần dòng cân bằng chạy quẩn trong rơle, thành phần này có thể sẽ làm rơle tác động

Rơle kỹ thuật số có thể khắc phục được hiện tượng này bằng các thuật toán, yêu cầu phải nhập vào tỷ số BI các phía, cấp điện áp các phía của MBA, dòng điện

thứ cấp của BI các phía

+ Ảnh hưởng của dòng từ hóa khi đóng máy biến áp không tải

Các trường hợp vận hành như đóng máy biến áp không tải có thể xuất hiện dòng từ hóa, quá từ thông lõi thép hoặc khi bão hòa BI, đều làm tăng dòng so

thể tồn tại nhiều chu kỳ (khi quá trình quá độ chấm dứt, dòng điện từ hoá trở lại trị

số xác lập khoảng một vài phần trăm dòng điện danh định)

Vì dòng điện từ hoá quá độ chỉ chạy qua cuộn dây máy biến áp nối với nguồn

và biến áp đang ở chế độ không tải, nên dòng điện ở cuộn dây các phía còn lại đều

bằng 0 Trong trường hợp này, nếu không có biện pháp hãm thích hợp, bảo vệ so

lệch có thể tác động nhầm do nhìn nhận hiện tượng đóng máy biến áp không tải như có ngắn mạch bên trong máy biến áp

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn và thời gian tồn tại của dòng xung kích này:

- Thành phần từ dư trong lõi thép, trường hợp xấu nhất từ thông có thể tăng đến 280% giá trị bình thường

- Giá trị điện áp thời điểm đóng điện

- Số lượng máy biến áp làm việc song song

- Thiết kế và công suất của máy biến áp

- Công suất ngắn mạch của hệ thống

Hình 3.2: Dòng điện xung kích khi đóng máy biến áp

hóa xung kích có thể thấy rằng nó chứa chủ yếu là thành phần sóng hài bậc 2 và

bậc 3, các thành phần sóng hài khác có thể bỏ qua, đây chính là một yếu tố được sử

dụng để hãm bảo vệ khi đóng máy biến áp không tải

Với các rơle bảo vệ máy biến áp hiện nay có hai phương thức xử lý tín hiệu liên quan tới sóng hài:

xung kích theo các thành phần sóng hài có thể thấy rằng thành phần sóng hài bậc 2 luôn tồn tại trong các dạng sóng của dòng từ hóa xung kích Các lý do sử dụng thành phần sóng hài bậc 2 (bậc chẵn) để hãm bảo vệ so lệch gồm có: Dòng điện từ hóa khi khởi động (đóng điện) MBA có thể phân tích thành các thành phần bậc 2,

3, 4, … nhưng thành phần bậc 2 lớn hơn cả, hơn nữa trong dòng điện ngắn mạch dòng điện bậc 2 không có nên thành phần bậc 2 được sử dụng để ổn định bảo vệ

chống lại hiện tượng quá xung kích từ hóa khi đóng MBA không tải Tương tự, khi MBA bị quá kích từ, thành phần bậc 5 sẽ chiếm phần lớn

- Khóa theo thành ph ần sóng hài: Một số rơle sử dụng phương pháp khóa

theo sóng hài, rơle sẽ không gửi tín hiệu tác động nếu thành phần sóng hài (bậc 2,

bậc 5) còn chưa giảm dưới ngưỡng cài đặt

Có các phương pháp thực hiện khóa theo thành phần sóng hài như sau:

- Khóa độc lập từng pha: việc hãm thực hiện theo từng pha độc lập Phương pháp này nâng cao độ tin cậy tác động, cho phép bảo vệ tác động khi có một pha bị

sự cố khi đang đóng xung kích

Với tổ MBA 3 pha ghép từ 3 MBA một pha thì bắt buộc phải sử dụng phương pháp khóa độc lập từng pha vì mỗi MBA đều có mạch từ riêng, dòng xung kích khác nhau

- Khóa chéo (cross blocking): khi phần trăm sóng hài của một pha quá ngưỡng thì sẽ khóa không những bảo vệ của pha đó mà còn khóa chéo cả bảo vệ hai pha còn lại Giải pháp này giảm khả năng tác động nhầm của bảo vệ

- Khóa theo trung bình cộng: so sánh trung bình cộng sóng hài của 3 pha với ngưỡng cài đặt Phương pháp này hiệu quả với các loại MBA mới hiện nay

Bảo vệ so lệch dòng điện có ưu điểm là cài đặt đơn giản và đã được ứng dụng

bảo vệ cho đường dây từ những năm 1930, do hệ thống truyền dẫn ban đầu chỉ là các đường dây điện thoại nên chỉ dùng với các đường dây ngắn Ngày nay các bảo

vệ đều sử dụng các kênh truyền số nên có thể bảo vệ được các đường dây có chiều dài lớn Các bảo vệ so lệch dọc đường dây chịu ảnh hưởng của một số yếu tố sau:

Dòng điện dung của đường dây sẽ làm dòng điện hai đầu đường dây không

bằng nhau, tạo ra dòng điện so lệch ngay trong lúc vận hành bình thường Các rơle

hiện nay đều có chức năng cho phép bù thành phần dòng điện dung này; dòng điện dung có thể tính được nếu biết điện áp của đường dây và dung dẫn của đường dây

Với các đường cáp điện cần chú ý tới dòng điện dung này do cáp điện có dung

dẫn rất lớn so với các đường dây trên không

Do ảnh hưởng của độ trễ kênh truyền nên tín hiệu truyền tới từ phía đối diện sẽ bị

trễ về mặt thời gian, rơle sẽ nhìn nhận thời gian trễ này như có sự dịch pha giữa dòng điện hai đầu, mức độ dịch pha tỷ lệ với độ trễ kênh truyền Độ trễ kênh truyền

chỉ 1 mili giây sẽ tương đương với góc lệch pha hai đầu lên tới 22 độ (xét với hệ 60Hz)

Các rơle số sẽ ghi nhớ các mẫu dòng điện đo được tại chỗ và chờ mẫu dòng điện từ đầu đối diện, sau đó căn thời gian và tính toán các đại lượng so lệch và hãm

Hình 3.4: Dòng so lệch do 1 mili giây sai số trễ kênh truyền

Phương pháp ping-pong có thể đảm bảo tính toán độ trễ kênh truyền rất chính xác, tuy nhiên sẽ không đảm bảo chính xác khi kênh truyền bất đối xứng Kênh truyền

bất đối xứng là khi tín hiệu truyền đi theo một kênh nhưng có thể tín hiệu nhận về

lại đi theo kênh dự phòng; do đó cần cấu hình kênh truyền xét tới việc có các rơle

so lệch

Các rơle số tính toán các véc tơ dòng điện, điện áp từ các mẫu thông qua các bộ

lọc, khi BI bị bão hòa sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép tính này

Hình 3.5: Ảnh hưởng của bão hòa BI tới dòng điện tính toán

Hình 3.5 cho thấy mức độ sai số của độ lớn và góc pha của bộ lọc Fourier, trục X

thể hiện thời điểm BI bị bão hòa (tính theo góc pha của chu kỳ dòng điện) Thời điểm BI bị bão hòa càng muộn thì sai số độ lớn càng nhỏ, mức độ dịch pha của tín

hiệu cũng theo xu hướng tương tự Khi các véc tơ dòng điện và điện áp bị tính toán sai sẽ gây ảnh hưởng đến các giá trị liên quan như tổng trở, các thành phần thứ

tự…

d) Ảnh hưởng của sơ đồ thanh góp

Hình 3.6: Sơ đồ nhiều máy cắt cho một mạch đường dây

Đường dây sử dụng sơ đồ thanh góp 1½ hoặc 2 máy cắt trên một mạch là phổ

biến trên lưới truyền tải điện, trong đó mỗi đường dây được cấp điện bởi 2 MC, bảo

vệ đường dây bắt buộc phải đo được tổng dòng điện của đường dây Với một số trường hợp trước đây thì BI của các MC được đấu lấy tổng dòng trước khi đưa vào rơle, nói cách khác các BI được nối song song trước khi vào rơle (với các rơle có nhiều đầu vào thì không cần thiết phải sử dụng phương án đấu mạch dòng này) Cách thức đấu mạch dòng này có thể ảnh hưởng đến độ an toàn của các rơle khoảng cách và rơle so lệch dọc do mức độ bão hòa của các BI khác nhau

Khi có nhiều BI đấu song song thì nếu có sự cố ngoài vùng rơle so lệch sẽ không đo được đủ dòng điện hãm (là tổng dòng của MC1 và MC2); thay vào đó dòng hãm chỉ là sự sai lệch dòng điện giữa BI của 2 máy cắt