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

1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MINH HIẾU NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 2 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MINH HIẾU NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60 52 02 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. LÊ KIM HÙNG Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Người cam đoan Nguyễn Minh Hiếu ii TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH KỸ THUẬT SỐ Học viên : Nguyễn Minh Hiếu Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Để tránh tác động nhầm do dao động điện của rơle bảo vệ (RLBV) khoảng cách cơ trước đây, chức năng phát hiện dao động điện (PS) tích hợp trong rơ le bảo vệ kỹ thuật số ngày nay được sử dụng nhằm khắc phục nhược điểm này. Rơle có khả năng phân biệt được trường hợp sự cố và dao động điện, tránh tác động không mong muốn khi quỹ đạo tổng trở đo được di chuyển chậm đi vào vùng bảo vệ khoảng cách. Luận văn phân tích giải thuật chức năng khóa dao động công suất, các nguyên nhân gây dao động công suất, phân tích các phương pháp phát hiện dao động công suất (PSD), quỹ đạo di chuyển của tổng trở khi có dao động công suất và giải thích cách tính toán thông số chỉnh định của hãng Areva và Siemens. Ngoài ra, Luận văn tiến hành mô phỏng thử nghiệm chức năng khóa dao động công suất trên rơle kỹ thuật số Siemens 7SA522 bằng công cụ Power Swing Simulator trong phần mềm Protection Relay Test dùng để điều khiển hợp bộ thí nghiệm KingSine K1066 và mô phỏng giả lập sự cố trong các trường hợp khác nhau như: PS ổn định, chức năng PSD không sử dụng, rơ le bảo vệ khoảng cách hoạt động bình thường; PS ổn định sử dụng chức năng PSD, PS ổn định với sự cố và PS không ổn định. Kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng, chức năng này có độ tin cậy cao và thời gian đáp ứng làm việc của rơle nhanh chóng. Từ khóa: Rơle bảo vệ khoảng cách, Dao động điện, Phát hiện dao động điện, Cắt khi dao động điện, Cắt mất đồng bộ. RESEARCH EVALUATES THE POWER SWING DETECTION FUNCTION OF NUMERICAL DISTANCE PROTECTION RELAY Abstract – Avoiding mistake trip of the mechanical distance relay during power swing, the power swing detection function is usually used to improve the operation of numerical distance protection. Now, the relay has to discriminate between the fault and the power swing conditions for both cases the impedance trajectory could enter the protected zones slow. This thesis presents power swing function theory, the causes of power swing, presents power swing detection methods, Trajectory of moving of total impedance when there is power swing and explains how to calculate setting values of Siemens and Areva vendors. Also, thesis be performed to test effectively power swing function on Siemens 7SA522 using by Power Swing Simulator function in Protection Relay Test software of KingSine K1066 device that can produce swing waveform followed by faults as desired simulation in various cases such as Stable Power Swing with power swing function in relay is disable and distance protection is normal, Stable Power Swing with power swing function in relay is enable, Stable Power Swing with fault and unstable Power Swing. There by results show that benefits this function can yield of high reliability, fast time response. Keywords: Distance relay, Power swing, Power swing detection, Power swing tripping, Out of Step trip. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................2 5. Đặt tên đề tài ...................................................................................................2 6. Cấu trúc luận văn ............................................................................................2 CHƯƠNG 1. NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM .........................................................................................................................................3 1.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................3 1.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT ...............................3 1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN KHI XẢY RA DĐCS.............................3 1.4. PHÂN BIỆT GIỮA SỰ CỐ NGẮN MẠCH VÀ HIỆN TƯỢNG DĐCS ...........7 1.5. KẾT LUẬN ........................................................................................................10 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH RLBV KHOẢNG CÁCH CÓ CHỨC NĂNG KHÓA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT.........................................................................................11 2.1. GIỚI THIỆU ......................................................................................................11 2.2. CÁC ĐẶC TUYẾN KHỞI ĐỘNG ....................................................................11 2.3. CÁC VÙNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH ...............................................12 2.4. GIÁ TRỊ CÁC VÙNG TRONG SƠ ĐỒ BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH .............12 2.5. THỜI GIAN TÁC ĐỘNG CỦA CÁC VÙNG ..................................................13 2.6. ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TỚI RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ..................................14 2.6.1. Quỹ đạo di chuyển của tổng trở trong mặt phẳng phức ..........................14 2.6.2. Các phương pháp phát hiện dao động công suất ....................................17 2.6.2.1. Phương pháp giá trị tổng trở.............................................................17 2.6.2.2. Phương pháp tính toán tổng trở liên tục ...........................................23 2.6.2.3. Phương pháp điện áp tâm dao động .................................................24 2.6.3. Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp ............................................26 2.6.3.1. Các thông số dùng để phát hiện dao động công suất .......................26 2.6.3.2. Thiết lập đặc tính đồng dạng và biểu đồ chắn ..................................26 iv 2.6.3.3. Chỉnh định thời gian khóa dao động công suất ................................27 2.7. CÀI ĐẶT CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT .....................29 2.7.1. Chức năng chống dao động công suất PSB ............................................29 2.7.1.1. Lựa chọn chức năng PSB hoặc OST trong RLBV khoảng cách ......29 2.7.1.2. Nghiên cứu cài đặt chức năng PSB và OST .....................................30 2.7.1.3. Nghiên cứu cài đặt chức năng giải trừ lệnh khóa PSD ....................31 2.7.2. Phương pháp phát hiện, cài đặt chức năng chống dao động công suất trong rơ le bảo vệ khoảng cách hãng Siemens, Areva ...............................................31 2.8. KẾT LUẬN ........................................................................................................35 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG DĐCS TRÊN RƠ LE 7SA522 ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG DÂY 110KV THUỘC ĐIỆN LỰC KHÁNH HÒA QUẢN LÝ ...............36 3.1. MỞ ĐẦU ............................................................................................................36 3.2. THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM RƠ LE K1066 VÀ CÁC PHẦN MỀM THỬ NGHIỆN DĐCS [12] ................................................................................................36 3.2.1 Giới thiệu thiết bị thử nghiệm rơ le K1066 ..............................................36 3.2.2. Phần mềm thử nghiệm chức năng dao động công suất ...........................39 3.2.2.1. Phần mềm State Sequencer ..............................................................39 3.2.2.2. Phần mềm Advance Distance ...........................................................40 3.2.2.3. Phần mềm mô phỏng Power Swing Simulator.................................42 3.3. MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG DĐCS TRÊN RƠ LE BVKC 7SA522 ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG DÂY 110KV THUỘC ĐIỆN LỰC KHÁNH HÒA QUẢN LÝ .....44 3.3.1. Sơ đồ lưới điện mô phỏng .......................................................................44 3.3.2. Các thông số nguồn giả định và đặc tính bảo vệ của rơ le ......................44 3.3.3. Mô phỏng, đánh giá chức năng phát hiện DĐCS của rơ le 7SA522 trong các tình huống khác nhau...........................................................................................49 3.3.4. Nhận xét về khả năng phát hiện và khóa bảo vệ của RLBV khoảng cách khi có hiện tượng DĐCS............................................................................................58 3.3.5. Các giải pháp hạn chế dao động công suất .............................................58 3.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................60 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................62 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BI BU DĐCS HTĐ Mho OST PSB RLBV RLI RLO RRI RRO SVC ZR ZT BVKC ZSC - Máy biến dòng điện - Máy biến điện áp - Dao động công suất - Hệ thống điện - Đặc tính hình tròn lệch tâm - Out of Step trip, chức năng cắt khi mất ổn định - Power Swing block, chức năng chống dao động công suất - Rơ le bảo vệ - Đặc tính chắn trong phía bên trái - Đặc tính chắn ngoài phía bên trái - Đặc tính chắn trong phía bên phải - Đặc tính chắn ngoài phía bên phải - Swing Center Votage, điện áp tại tâm dao động - Tổng trở tính toán tại vị trí đặt rơ le - Tổng trở phụ tải - Bảo vệ khoảng cách - Tổng trở sự cố vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1. Các ngưỡng cài đặt giải trừ lệnh khóa DĐCS 33 3.1. Giá trị các vùng bảo vệ của đường dây 171 49 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. 2.16. 2.17. 2.18. 2.19. 2.20. 2.21. 2.22. 2.23. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. Tên hình DĐCS trong hệ thống điện Nguyên lý đo lường tổng trở đường dây Tổng trở thay đổi khi ngắn mạch Tổng trở thay đổi khi DĐCS Dòng điện và điện áp ngắn mạch Dòng điện và điện áp DĐCS Các đặc tuyến khởi động của rơ le khoảng cách Phối hợp tổng trở khởi động và thời gian tác động của BVKC Tổng trở đo được của rơ le khoảng cách khi có DĐCS Lưu đồ phát hiện DĐCS dùng phương pháp tổng trở Các dạng đặc tính tổng trở phát hiện DĐCS Đặc tính vùng phát hiện DĐCS Biểu đồ đặc tính chắn Quỹ đạo đặc tính tổng trở liên tục Lưu đồ phát hiện DĐCS của phương pháp tổng trở liên tục Mô tả điện áp tâm dao động SVC Mô tả gần đúng của SVC Ảnh hưởng của tổng trở PSB Hệ thống 2 nguồn đẳng trị tương đương Biến thiên góc đẳng trị của đặc tính DĐCS Sơ đồ logic các điều kiện giải trừ lệnh khóa DĐCS Sơ đồ logic phát hiện DĐCS của rơ le P441 Đặc tuyến phát hiện DĐCS rơ le P441 Mô tả tính đơn điệu của quỹ đạo tổng trở Mô tả tính liên tục của quỹ đạo tổng trở Mô tả tính đồng nhất của quỹ đạo tổng trở Sơ đồ logic phát hiện DĐCS rơ le 7SA522 Vùng phát hiện DĐCS đặc tuyến đa giác Vùng phát hiện DĐCS đặc tuyến Mho Thiết bị thí nghiệm rơ le kỹ thuật số K1066 Mô tả mặt trước thiết bị K1066 Mô tả mặt trên thiết bị K1066 Mô tả khối cấp nguồn K1066 Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm rơ le với máy tính Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm với rơ le bảo vệ khoảng cách Phần mềm State Sequencer Trang 4 7 8 8 9 9 11 12 17 18 19 20 22 23 23 24 25 26 27 28 31 32 33 34 34 34 34 35 35 36 37 37 38 38 39 40 viii Số hiệu 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 3.23. 3.24. 3.25. 3.26. 3.27. 3.28. 3.29. 3.30. 3.31. 3.32. 3.33. 3.34. 3.35. 3.36. 3.37. 3.38. 3.39. 3.40. Tên hình Trang Phần mềm Advanced Distance Giá trị tổng trở biên của vùng phát hiện dao động Sơ đồ hai nguồn đẳng trị tương đương Phần mềm mô phỏng dao động công suất Cài đặt góc lệch pha cho quá trình DĐCS Cài đặt sự cố xảy ra trong quá trình dao động. Cài đặt giá trị tổng trở nguồn và đồ thị tương đương Sơ đồ mô phỏng DĐCS và thiết bị bảo vệ đường dây 171 Phiếu chỉnh định rơ le ngăn 171 Giá trị chỉnh định các vùng của đường dây 171 Mô tả cách nhập tỉ số biến điện áp, biến dòng điện Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 1 Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 2 Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 3 Xây dựng đặc tính vùng phát hiện dao động công suất Đặc tính tác động của bảo vệ khoảng cách Đặc tính phát hiện dao động công suất Giá trị tổng trở các vùng RLBV khoảng cách Chức năng khóa dao động công suất không sử dụng Giản đồ dạng sóng dòng điện khi dao động công suất Giản đồ dạng sóng điện áp khi dao động công suất Mô tả quỹ đạo tổng trở DĐCS ổn định chức năng PSD là Disable. Hành vi của rơ le khi DĐCS ổn định và chức năng PSD Disable. Mô tả cài đặt khóa các vùng bảo vệ của rơ le Mô tả cài đặt chức năng PSD là Enable Mô tả quỹ đạo tổng trở DĐCS ổn định, chức năng PSD Enable. Mô tả hành vi rơ le khi DĐCS ổn định chức năng PSD là Enable. Mô tả thời gian lưu trú tổng trở trong vùng 1 Các thông số cài đặt trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố Quỹ đạo tổng trở trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố Hành vi rơ le trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố Quỹ đạo tổng trở trong trường hợp OST Hành vi rơ le trong quá trình dao động không ổn định 41 41 42 42 43 43 43 44 45 45 46 46 47 47 47 48 48 49 50 50 51 51 52 53 53 53 54 54 55 56 56 57 57 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Dao động công suất là một trong những hiện tượng gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống rơ le, nếu không được nghiên cứu, phân tích và chỉnh định đúng có thể dẫn đến sự cố trầm trọng của hệ thống điện. Hệ thống điện càng phức tạp, hiện tượng dao động điện và việc nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách càng phức tạp. Vì vậy, việc nghiên cứu và đánh giá chức năng phát hiện dao động công suất đối với rơ le bảo vệ khoảng cách, loại được dùng phổ biến để bảo vệ trên các đường dây hiện nay là vấn đề cần thiết. Bên cạnh đó, do dao động công suất là hiện tượng diễn ra rất phức tạp, cho nên việc mô phỏng và thử nghiệm chức năng này cũng tốn nhiều công sức. Trong nội dung luận văn này, tác giả sẽ nghiên cứu các phương pháp phát hiện dao động công suất, cách cài đặt các thông số, mô phỏng sơ đồ hệ thống điện và đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng này tới hoạt động chính xác của rơ le bảo vệ khoảng cách. Các nhà sản suất rơle khác nhau đã đưa ra các thuật toán và giải pháp kỹ thuật cho việc phát hiện dao động công suất khác nhau. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, do cấu trúc hệ thống điện phức tạp, cộng với việc nghiên cứu, phân tích và cài đặt không đúng có thể làm cho rơle khoảng cách hoạt động sai. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về hiện tượng dao động công suất một cách đầy đủ, phân tích các quỹ đạo di chuyển của tổng trở khi dao động và mô phỏng phân tích chi tiết hiện tượng này đối với chủng loại rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số. Nghiên cứu sâu về chức năng phát hiện dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách, thật sự có ích cho các cán bộ kỹ thuật làm công việc liên quan tới rơle bảo vệ. Ngoài ra, việc nghiên cứu dao đông công suất còn giúp cho đơn vị điều độ tính toán cài đặt thông số của hệ thống trong rơ le khoảng cách chính xác hơn, từ đó đưa ra các phương án kết lưới vận hành phù hợp, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định tin cậy. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng dao động công suất tới sự hoạt động của hệ thống bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách. - Nghiên cứu hiện tượng dao động công suất bao gồm: Các nguyên nhân xảy ra, phương pháp phát hiện, quỹ đạo di chuyển của tổng trở và biến thiên các thông số vận hành trong quá trình dao động. 2 - Kết quả nghiên cứu được sẽ giúp những kỹ sư làm công tác thí nghiệm hiểu sâu hơn về hiện tượng dao động công suất, để từ đó có sự chỉnh định, cài đặt chính xác khi thí nghiệm chức năng dao động công suất trong rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số. Thêm vào đó, việc áp dụng thực tế mô phỏng hiện tượng dao động công suất xảy ra trên đường dây 110kV thuộc Công ty Điện lực Khánh Hòa quản lý, để từ đó kiến nghị các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của dao động công suất đến hoạt động của hệ thống bảo vệ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là chức năng phát hiện dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là Rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số của các hãng Siemens, Areva đang sử dụng trên lưới điện 110kV thuộc Công ty Điện lực Khánh Hòa quản lý. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu nguyên lý làm việc của rơ le bảo vệ khoảng cách, đặc biệt là chức năng phát hiện và khóa dao động công suất. - Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng lý thuyết nghiên cứu và các phép mô phỏng thử nghiệm bằng thiết bị thử nghiệm rơ le kỹ thuật số K1066 của hãng KINGSINE trên RLBV khoảng cách 7SA522 hãng Siemens. 5. Đặt tên đề tài Chính vì những lý do nêu trên, đề tài được đặt tên: “Nghiên cứu đánh giá chức năng phát hiện dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số.” 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn được biên chế thành 3 chương. Bố cục nội dung chính của luận văn gồm các phần sau: Chương 1: Nguyên nhân gây dao động công suất và đặc điểm. Chương 2: Phân tích rơ le bảo vệ khoảng cách có chức năng khóa dao động công suất. Chương 3: Mô phỏng DĐCS trên rơ le 7SA522, áp dụng cho đường dây 110kV thuộc Điện lực Khánh Hòa quản lý. 3 CHƯƠNG 1 NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM 1.1. GIỚI THIỆU DĐCS là hiện tượng thường gặp phải trong quá trình vận hành HTĐ, nó ảnh hưởng xấu đến sự ổn định của hệ thống và có thể dẫn đến sụp đổ toàn bộ hệ thống. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng DĐCS và do DĐCS và ngắn mạch có nhiều điểm giống nhau, điều này có thể làm cho hệ thống BVRL hoạt động không chọn lọc do nhầm lẫn giữa DĐCS và ngắn mạch. Trong chương này, tác giả sẽ trình bày cụ thể các nguyên nhân gây DĐCS và phân tích sự khác nhau giữa hai hiện tượng. 1.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT Dao động công suất, là quá trình diễn ra sau khi hệ thống điện có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc lưới điện như: đóng, cắt một nhà máy công suất lớn, cắt một đường dây đầy tải,…trong một số điều kiện nhất định, dao động công suất cũng xuất hiện khi hệ thống làm việc nặng tải hoặc khi các tham số điều khiển của hệ thống kích từ không được chỉnh định hợp lý. Điều này gây ra biến động mạnh các thông số trên đường dây, sự biến động này có đặc trưng giống như hiện tượng ngắn mạch đối xứng 3 pha. Khi đó, dòng điện tăng lên, điện áp giảm xuống, có thể làm cho các bảo vệ hiểu sai và tác động nhầm, dẫn tới sự cố càng trầm trọng hơn [8] . Theo quy định của vận hành, khi xảy ra dao động công suất (DĐCS), các bảo vệ không được tác động để đảm bảo tính chọn lọc. Do đó, cần cài đặt, chỉnh định đúng các giá trị bảo vệ và thực hiện chức năng cấm bảo vệ tác động khi xảy ra dao động công suất. Tóm lại, có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng dao động công suất, và trong quá trình dao động các thông số hệ thống biến thiên rất phức tạp, nội dung tiếp theo tác giả sẽ nghiên cứu và phân tích một cách cụ thể sự biến thiên các thông số trên sơ đồ lưới điện cụ thể. 1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN KHI XẢY RA DĐCS Hệ thống điện là hệ thống vận hành trong thời gian thực, đảm bảo cân bằng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ. Khi trạng thái này được duy trì thì tần số sẽ giữ ở mức ổn định, theo quy định thì tần số cho phép nằm trong khoảng 50±0,2 Hz. Bất cứ sự dao động nào về nguồn phát hoặc phụ tải đều dẫn tới sự thay đổi tần số. Các dao động này xảy ra liên tục trên hệ thống, tuy nhiên do có hệ thống tự động điều chỉnh, nên tần số được duy trì ở phạm vi cho phép. Trong trường hợp xảy ra các dao động lớn, dẫn tới sự mất cân bằng công suất trên trục roto máy phát làm cho tốc độ roto thay đổi, dẫn tới góc roto các máy phát đang hoạt động cùng nhau bị dao động, mặt khác 4 dòng công suất tác dụng phụ thuộc chủ yếu vào góc lệch tương đối của roto máy phát cho nên dòng công suất tác dụng cũng bị dao động [4]. Để phân tích đặc điểm của HTĐ khi xảy ra dao động điện. Xét lưới điện trên hình 1.1a, trong chế độ bình thường cả hai sức điện động ĖA và ĖD đều quay với tốc độ đồng bộ là ĐB và góc lệch pha giữa chúng δ = const. Khi xảy ra dao động điện thì tốc độ quay của hai sức động ĖA và ĖD sẽ khác nhau A hai sức điện động sẽ thay đổi theo thời gian với δ = ( 0 + D và góc lệch pha giữa S.t), trong đó S =( A - Theo [5, tr. 37], khi δ vượt quá 1200 thì hệ thống có khả năng mất đồng bộ và góc δ sẽ thay đổi thành nhiều chu kỳ 3600. D). Hình 1.1. DĐCS trong hệ thống điện Nếu ta xem như véc tơ ĖA đứng yên (lấy trục véc tơ ĖA làm gốc) thì véc tơ ĖD sẽ quay so với véc tơ ĖA với tốc độ là S và mút của véc tơ ĖD sẽ vẽ nên một quỹ đạo hình tròn bán kính ĖD với tâm là gốc của véc tơ ĖD: 5 E A EA E D EDe (1.1) const j eD (1.2) E D cos Trong đó eD là giá trị của véc tơ ĖD chiếu lên trục của véc tơ ĖA. Để đơn giản cho việc tính toán ta giả sử ĖA = ĖD = E và δ0 = 0. Tuy hai sức điện động có mô đun bằng nhau nhưng chúng lệch pha nhau nên tồn tại độ lệch sức điện động Ė: E E A E D E (1 e 2E sin (sin 2 2 j ) E[(1 cos ) j cos ) 2 2 E sin (e 2 j sin ] j ( 90 0 2 ) ) (1.3) Từ biểu thức (1.3) ta thấy véc tơ Ė vượt trước véc tơ ĖA một góc (900- δ/2) và có biên độ thay đổi theo góc δ tức thay đổi theo thời gian: E E E A E D 2 E sin 2 2 E sin S t (1.4) 2 Giá trị của véc tơ Ė khi chiếu lên trục của véc tơ ĖA là một giá trị không âm: e 2E sin( ) cos( 2 2 2 ) 2E sin 2 ( ) E(1 cos ) e A 2 eD (1.5) Trên hình 1.1b ta thấy mút véc tơ ĖD cũng chính là mút của véc tơ (- Ė) nên quỹ đạo của véc tơ ĖD cũng chính là quỹ đạo của véc tơ (- Ė). Tuy nhiên gốc của véc tơ ĖD là tâm của vòng tròn còn gốc của véc tơ (- Ė) là mút của véc tơ ĖA, vì vậy khi chiếu véc tơ (- Ė) lên trục của véc tơ ĖA nó luôn có giá trị âm. Từ biểu thức (1.4) ta thấy biên độ của véc tơ Ė không phải là hằng số mà giá trị của nó thay đổi theo góc δ tức thay đổi theo thời gian: 0 E 0, (1.6) 0 180 E E max 2E Độ lệch sức điện động gây nên một dòng điện cân bằng İcb chạy trên đường dây: j( 90 ) E 2E 2E 2 I (1.7) (sin )e i cb (sin ) sin( ) cb Z 2 Z 2 2 Z 0 Trong đó Z và là giá trị và góc pha của tổng trở hệ thống nối giữa hai nguồn cung cấp và icb là giá trị của véc tơ İcb khi chiếu lên trục của véc tơ ĖA. Từ biểu thức (1.3) và (1.7) ta thấy véc tơ İcb luôn chậm hơn véc tơ Ė một góc và có độ lớn tỷ lệ với véc tơ Ė bằng một hằng số (1/X ), do đó quỹ đạo của nó cũng là một vòng tròn có đường kính chính bằng giá trị cực đại của nó Icbmax. Trên hình 1.1b vẽ quỹ đạo của véc tơ İcb tương ứng với góc = 900 tức xem tổng trở của hệ thống là thuần kháng và véc tơ İcb chậm sau véc tơ Ė một góc 900. 6 Biên độ của dòng điện không cân bằng tỷ lệ với biên độ của véc tơ Ė nên giá trị của nó cũng thay đổi theo góc δ: 0 I cb 0 180 I cb 2E sin Z 2 I cb max 0 2E X (1.8) Điện áp tại một điểm bất kỳ trên đường dây, giả sử tại điểm B nếu nhìn từ véc tơ ĖA sẽ được tính toán theo biểu thức sau: Z  U E A I cb Z AB E 1 E AB (1.9) B Z Vì quỹ đạo của véc tơ (- Ė) là một vòng tròn đường kính 2E với gốc là mút của véc tơ ĖA, nên quỹ đạo của véc tơ (- Ė.ŻAB/Ż ) cũng là một vòng tròn có đường kính là 2E(ZAB/Z ) và gốc cũng là mút véc tơ ĖA. Từ biểu thức (1.9) ta suy ra quỹ đạo của véc tơ U B cũng chính là đường tròn (- Ė.ŻAB/Ż ), nhưng gốc của nó không phải là mút mà là gốc của véc tơ ĖA. Trên hình 1.1b biểu diễn quỹ đạo của véc tơ U B tương ứng với trường hợp ŻAB và Ż là thuần kháng và ta thấy trị số điện áp cực tiểu của một điểm bất kỳ trên đường dây đều nằm trên đường chéo nối hai điểm mút của véc tơ Ė A và ĖD khi δ =1800. Tóm lại, từ hình 1.1b ta nhận thấy khi dao động điện, trên đường dây sẽ xuất hiện dòng điện không cân bằng có biên độ dao động với tần số S và đạt giá trị cực đại 2E/Z khi δ =1800 có thể lớn hơn cả dòng điện ngắn mạch ba pha. Điện áp tại mọi điểm trên đường dây cũng dao động và đạt giá trị cực tiểu bằng (E - 2E.XAB/X ) khi δ =1800. Mức độ dao động của điện áp tùy thuộc vào vị trí quan sát trên đường dây. Xét vị trí T trên đường dây thoả mãn điều kiện XAT = 0,5X , điện áp cực tiểu tại điểm T đạt giá trị bằng không và vị trí này gọi là tâm dao động. Các điểm càng gần tâm dao động sẽ có biên độ điện áp dao động càng mạnh. Khi dao động xảy ra thì góc δ sẽ thay đổi theo thời gian và khi góc δ thay đổi từ 0 đến 1800 thì dòng điện cân bằng chạy trên đường dây sẽ tăng dần từ không đến giá trị cực đại và điện áp tại các điểm trên đường dây giảm dần đến trị số cực tiểu như hình 1.1c. Cần phân biệt hai trường hợp dao động: đồng bộ và mất đồng bộ. Trong trường hợp ổn định, tần số trượt giảm đi rất nhanh và góc lệch δ dao động nhưng không đạt đến 1800. Trong trường hợp mất ổn định, dấu hiệu chính là tốc độ trượt S = A - D tăng nhanh, chu kỳ dao động giảm xuống và góc lệch δ vượt quá giá trị 1800. Các nghiên cứu chứng minh cho thấy: trong những điều kiện nhất định, các máy phát vẫn có thể trở lại làm việc đồng bộ với nhau, nhưng quá trình này nói chung khá dài, dẫn tới điện áp phát sinh trong trường hợp này ảnh hưởng xấu đến các hộ dùng điện. 7 Qua nghiên cứu, phân tích các thông số biến thiên trong quá trình dao động, nhận thấy DĐCS và ngắn mạch có đặc trưng gần giống nhau. Tuy nhiên, giữa chúng vẫn có sự khác biệt cơ bản. Nội dung tiếp theo sẽ phân tích cụ thể 2 hiện tượng này. 1.4. PHÂN BIỆT GIỮA SỰ CỐ NGẮN MẠCH VÀ HIỆN TƯỢNG DĐCS Theo nguyên lý của bảo vệ khoảng cách được mô tả trong hình 1.2. Để phát hiện sự cố trên đường dây tải điện. Rơ le khoảng cách F21 đặt ở đầu đường dây nhận hai tín hiệu đầu vào là dòng điện chạy trên đường dây và điện áp tại vị trí đặt rơ le. Rơ le khoảng cách F21 được khởi động theo tín hiệu dòng điện và bị hãm bởi tín hiệu điện áp và nó chỉ tác động khi tỉ số giữa điện áp và dòng điện đầu vào nhỏ hơn một giá trị chỉnh định trước (phụ thuộc vào góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đầu vào) gọi là tổng trở khởi động của rơ le ZR. Tổng trở rơ le đo được trong chế độ làm việc bình thường bằng thương số của điện áp tại vị trí đặt rơ le với dòng điện phụ tải: U A Z T (1.10) I T trong đó: ZT : tổng trở đo được của rơ le trong chế độ bình thường;  : điện áp đường dây tại vị trí đặt bảo vệ; U A IT : dòng điện phụ tải chạy trên đường dây. Trong chế độ bình thường, dòng điện phụ tải nhỏ nên tổng trở rơ le đo được theo biểu thức (1.10) có giá trị tương đối lớn và góc pha tương đối nhỏ (do thành phần tác dụng lớn hơn thành phần phản kháng). Tuy nhiên, dòng điện phụ tải luôn thay đổi trong quá trình vận hành, vì vậy giá trị tổng trở rơ le đo được cũng luôn thay đổi. Hình 1.2a mô tả sơ đồ nguyên lý một HTĐ và biểu diễn các đại lượng trong mặt phẳng phức như hình 1.2b. Hình 1.2. Nguyên lý đo lường tổng trở đường dây Trên mặt phẳng phức thể hiện sự thay đổi của tổng trở rơ le đo được trong chế độ bình thường bằng vùng tổng trở phụ tải. Đường biên giới hạn của vùng tổng trở phụ tải 8 là một cung tròn có tâm ở góc tọa độ với bán kính bằng giá trị tổng trở rơ le đo được (ZAmin) khi dòng điện phụ tải đạt giá trị cực đại [4]. U A I Z A min (1.11) T max Tổng trở của đường dây AB được biểu diễn bằng véc tơ ŻAB trên mặt phẳng phức. Độ nghiêng của véc tơ tổng trở ŻAB so với trục hoành (trục điện trở tác dụng R) phụ thuộc vào tỷ số giữa điện kháng và điện trở của đường dây:  Z AB R AB jX AB j  Z AB e Hình 1.3. Tổng trở thay đổi khi ngắn mạch D Z AB e jarctg( X AB / R AB ) (1.12) Hình 1.4. Tổng trở thay đổi khi DĐCS Hình 1.5. Dòng điện và điện áp ngắn mạch Khi xảy ra chế độ bất thường trong hệ thống, ví dụ như ngắn mạch tại điểm N gần khu vực bảo vệ trên đường dây AB, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ có giá trị giảm đột ngột bằng ZSC, có thể di chuyển vào vùng tác động của bảo vệ (đặt tính mho, đặt tính tứ giác) như hình 1.3. Lúc này, dòng ngắn mạch tăng lên rất cao, điện áp giảm và góc pha tăng lên bằng góc pha của đường dây, biểu đồ dạng sóng được thể hiện 9 trong hình 1.5. Trong trường hợp xảy ra DĐCS các thông số dòng điện và điện áp biến thiên được thể hiện như hình 1.6 và gần giống với hiện tượng ngắn mạch. Tuy nhiên, lúc này giá trị tổng trở đo được của rơ le biến thiên từ giá trị ZT (tổng trở tải) di chuyển vào trong vùng tác động của bảo vệ được mô tả như hình 1.4. Khi đó, bảo vệ khoảng cách có thể hiểu sai và tác động nhầm gây mất chọn lọc. Các nhà chế tạo rơ le đã áp dụng các thuật toán dựa trên tốc độ biến thiên tổng trở để phân biệt sự cố ngắn mạch (tổng trở thay đổi rất nhanh gần như tức thì) và DĐCS (tổng trở thay đổi chậm) [8]. Hình 1.6. Dòng điện và điện áp DĐCS Để đảm bảo tính chọn lọc, các loại bảo vệ phải phân biệt được hiện tượng dao động và ngắn mạch và không được tác động khi có dao động công suất. Tuy nhiên, do DĐCS là hiện tượng đối xứng 3 pha, cho nên phần lớn các bảo vệ rất khó phân biệt được giữa dao động và ngắn mạch đối xứng. Điều này dẫn tới các bảo vệ có thể tác động nhầm. Chính vì lý do đó, người ta đã nghiên cứu và đề ra các biện pháp để tránh không cho bảo vệ tác động khi có DĐCS. Có 3 cách để thực hiện yêu cầu trên: - Cách thứ nhất, cách này thực hiện đơn giản nhất. Nội dung của nó là chọn các tham số khởi động của các rơ le sao cho khi có DĐCS chúng không tác động. Với mục đích trên, người ta chọn dòng khởi động của các bảo vệ lớn hơn dòng dao động cực đại. Đối với bảo vệ khoảng cách, chọn tổng trở khởi động nhỏ hơn tổng trở cực tiểu khi có dao động. Điều này có thể thực hiện được nếu tâm dao động nằm ngoài vùng tác động của bảo vệ. Trên thực tế, biện pháp ngăn ngừa tác động nhầm khi có DĐCS chỉ có thể áp dụng cho bảo vệ dòng điện cắt nhanh và vùng 1 của bảo vệ khoảng cách. - Cách thứ hai là tăng thời gian tác động của bảo vệ duy trì khoảng 1-2s. Biện pháp này chỉ được áp dụng trong trường hợp nếu như tăng thêm thời gian làm việc không ảnh hưởng đến điều kiện ổn định của hệ thống và an toàn trong cung cấp điện. - Cách thứ ba là dùng bộ khóa để tự động khóa bảo vệ lại khi phát hiện hiện dao 10 động công suất. Tuy nhiên, bộ khóa tự động này phải thỏa mãn hai điều kiện sau đây: a. Phải khóa được DĐCS xuất hiện trong tình trạng làm việc bình thường cũng như khi có ngắn mạch. b. Không được ngăn cản bảo vệ tác động nếu như trong thời gian có dao động lại xảy ra ngắn mạch ngay trên phần tử được bảo vệ. Hiện nay, các nhà chế tạo rơ le thường dùng hai loại bộ khóa tự động với nguyên lý như sau: Loại thứ nhất phân biệt ngắn mạch với dao động công suất bằng cách phát hiện sự mất đối xứng về dòng hay áp của mạng điện; Loại thứ hai phản ứng theo tốc độ biến thiên dòng, áp hay điện trở tại chỗ đặt bảo vệ. Thông thường ngắn mạch ba pha là do từ ngắn mạch một pha và hai pha phát triển thành. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu cho thấy ngay cả khi 3 pha cùng đóng đồng thời, trong chốc lát vẫn có dòng điện thứ tự nghịch chạy qua rơ le do các quá trình quá độ trong bộ lọc dòng áp trong mạch sơ cấp biến thiên một cách đột ngột, và do xuất hiện thành phần không chu kỳ trong dòng điện và điện áp khi có ngắn mạch. Như vậy có thể kết luận rằng, khác với DĐCS, ngắn mạch luôn gây nên dòng điện và điện áp thứ tự nghịch trong thời gian ngắn hạn hoặc lâu dài. 1.5. KẾT LUẬN Trên thực tế, có nhiều nguyên nhân khác nhau xảy ra gây dao động công suất. Cấu trúc hệ thống càng phức tạp thì việc nghiên cứu phân tích hiện tượng này càng khó khăn. Trong chương một này, tác giả đã nghiên cứu nguồn gốc phát sinh hiện tượng dao động công suất, các thông số hệ thống biến thiên trong quá trình dao động như: dòng điện, điện áp, góc pha, tổng trở. Bên cạnh đó, tác giả cũng nghiên cứu phân biệt giữa hiện tượng dao động điện và hiện tượng ngắn mạch đối xứng, từ đó tiếp cận các biện pháp cài đặt phù hợp cho các loại bảo vệ, để tránh tác động nhầm khi có hiện tượng DĐCS xảy ra. Để hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy và chọn lọc khi có hiện tượng dao động công suất, thì việc nghiên cứu sâu ảnh hưởng của hiện tượng này tới hệ thống bảo vệ là cần thiết. Trong đó, đặc biệt là ảnh hưởng tới bảo vệ khoảng cách, cần được quan tâm nghiên cứu cụ thể hơn. Nội dung này sẽ được trình bày chi tiết trong chương hai tiếp theo.