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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRUNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ BẰNG RƠLE KỸ THUẬT SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 Thái Nguyên - năm 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Nguyễn Xuân Trung NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ BẰNG RƠLE KỸ THUẬT SỐ Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Đức Tường Thái Nguyên – năm 2020 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 3 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 4 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 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. 5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 Hạng mục ĐZ 500kV ĐZ 220kV Đơn vị Km Km 2021-2025 680 1.606 2026-2030 760 2.168 Với mặt bằng lưới điện Công ty truyền tải điện 1 quản lý vận hành trải rộng trên 28/63 tỉnh thành cả nước, đa số các đường dây truyền tải điện đi qua những khu vực ít dân cư, đồi núi cao hiểm trở. Trong quá trình vận hành, các phần tử trên lưới luôn có khả năng xảy ra sự cố do các nguyên nhân khách quan và chủ quan gây nên, theo số liệu thống kê của Công ty Truyền tải điện 1, chỉ tính riêng 6 tháng đầu năm 2020 đã xảy ra 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 6 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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. 7 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 8 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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: ̇ 𝑈 𝑍̇𝐹𝐿 = ̇ 𝐴 = 𝑑𝑍̇𝐿 + 𝑅𝐹                                                            (1.1) 𝐼𝐴 Cân bằng phần ảo cả 2 vế (1.1) ta có: 𝑑= Ima𝑔(𝑍̇𝐹𝐿 ) Ima𝑔(𝑍̇𝐿 ) = 𝑋𝐹𝐿 𝑋𝐿                      (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. Hình 1. 2. đo Đặc tính rơle tác động loại MhO Dựa theo giá trị điện kháng được, sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức: Lsc (km)  xdo x1km 𝐿𝑠𝑐 (𝑘𝑚) = 𝑋đ𝑜 𝑋1𝑘𝑚 Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có tên gọi là bảo vệ khoảng cách. Trong các rơle khoảng cách hiện đại thì chức năng định vị sự cố hoạt động độc lập với chức năng bảo vệ. Các mẫu dòng điện và điện áp sử dụng để tính toán khoảng cách được thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trước thời điểm cắt máy cắt để tránh các 9 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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 Sự cố pha – đất Sự cố pha – pha Pha sự cố Vòng lặp tính cho tổng trở A-E B-E C-E A–B B–C C–A A–E B–E C–E A–B B–C C–A A-B hoặc B-C hoặc C-A hoặc A-E hoặc B-E hoặc C-E A-B hoặc A-E hoặc B-E B-C hoặc B-E hoặc C-E C-A hoặc C-E hoặc A-E Sự cố 3 pha hay 3 pha – đất A – B – C (E) Sự cố 2 pha – đất A–B-E B–C-E C–A-E 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: Z pha pha  U pha pha I pha pha  U phaX  U phaY I phaX  I phaY  Z1  Rf (1.3) 2 Trong đó: X, Y là hai pha bị sự cố và sơ đồ thay thế loại sự cố pha – pha được thể hiện như hình Hình 1. 3 IPha X Z1 RF/2 UPha X - UPha Y IPha Y Z1 RF/2 10 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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: Z phaE  Z phaE  U phaX I phaX  Z1  Z N  R f U phaX I phaX  K N I N  Z1  (1.4) Rf (1.5) 1 KN Trong đó: X là pha bị sự cố, K là hệ số bù, IN là dòng điện dư bằng tổng dòng của các pha. Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất được thể hiện trong Hình 1. 4 IPha X UPha X Z1 RF IN ZN Hình 1. 4. Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất 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 11 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Z1 3I0 A Z1 B Z1 C U0 ZN Hình 1. 5. Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở 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: Z0 U 0 1   Z1  Z N 3 3I 0 3 Và ZN  Z 0  Z1 3 (1.6) (1.7) Trong đó U0 là điện áp thứ tự không và I0 là dòng điện thứ tự không. Theo công thức (1.5) và Hình 2.1-4 thì có thể viết lại công thức như sau:   Z U phaX  Z1 I phaX  Z N I N  R f I N  Z1  I phaX  N I N   R f I N Z1   Z pha E   Z Z1  I phaX  N I N   R f I N Rf Z1     Z1  I phaX I phaX  K N I N  KN IN (1.9) Z N Z 0  Z1  Z1 3Z1 (1.10) KN  Trong đó: (1.8) Z1 là tổng trở thứ tự thuận Z0 là tổng trở thứ tự không 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía 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. 12 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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: Rarc = Trong đó: 8750 .Larc I 1f .4 (1.11) 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: Rarc = Trong đó: 8750 .( d  3UT arc ) I 1f .4 (1.12) d là khoảng cách dây dẫn (m) U – Vận tốc gió (m/s) 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. 13 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Mạch vòng sự cố nhìn từ phía thanh góp trạm A có thể được mô tả bằng công thức sau đây. U A  dZ L I A  RF I F  0 (1.13) Trong đó: d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1) ZL: tổng trở của đường dây AB UA; IA: là điện áp và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle phía trạm A IF: dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, với quan hệ IF  I A  IB ZA  Ta có (1.14) UA I A thay vào (1.13) ta có: ZA  UA I  dZ L  RF F IA IA (1.15) trong đó: ZA 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:  I  Z A  dZ L  RF 1  B   IA  (1.16) Dựa theo phương trình (2.16) có thể thấy rằng, đối với rơle tại hai đầu đường dây thì thành phần điện trở tại điểm sự cố có thể thể hiện tính chất thuần trở hoặc cũng có thể thể hiện như một tổng trở tùy theo góc lệch pha dòng điện giữa hai đầu đường dây  trong lúc sự cố. Để đơn giản giả thiết Z F#  RF 1   IB   IA  14 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật  Nếu dòng điện IA và IB 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 IA và IB 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 IB là sớm pha hơn hay chậm pha hơn so với IA 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. Hình 1. 7. Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được 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 15 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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. A V01 Z0M Z01 I01 Z02 I02 B Hình 1. 8. Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song Điện áp thứ tự không: V01  Z01I01  Z0M I02 (1.17) 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: Z 0  0,1101  j1,0127 (Ω/km) Z 0  0,06874  j 0,5323 (Ω/km) Để rơle có thể làm việc đúng cần bù lại sự thay đổi về điện kháng TTK do các đường dây lân cận gây ra. Các rơle hiện nay thực hiện việc này bằng cách lấy dòng TTK từ đường dây lân cận đưa vào trong rơle và rơle sẽ có thuật toán để bù lại thành phần hỗ cảm TTK này. Tuy nhiên, việc này chỉ thực hiện được khi hai đường dây đi ra từ cùng 16 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 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… V01 A Z0M Z01 I01 Z02 I02 B V01 A a) Z0M Z01 I01 Z02 I02 B C b) Hình 1. 9. Các cấu hình đường dây song song a) Đường dây song song toàn tuyến; b) Đường dây song song một phần 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). A B B IAB IBD C ICB B A D IAB IBD l l a b Hình 1. 10. Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện Ki lên số đo của rơ le bảo vệ khoảng cách; a: Ki >1; ZR>Zthực tế; b: Ki <1; ZRIAB 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. A IA IA (1-x) x IF B RF Hình 1. 11. Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 18