Tài liệu Phân tích chức năng chống dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách ge d60 cho đường dây 220kv ba đồn formosa

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT CỦA RƠ LE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH GE-D60 CHO ĐƯỜNG DÂY 220KV BA ĐỒN-FORMOSA Học viên : Đào Thanh Hải Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Để bảo vệ cho hệ thống điện ngày càng chắc chắn tránh các tác động nhầm không cần thiết do dao động công suất gây ra, người ta đã thiết kế ra chức năng chống dao động công suất. Rơ le D60 của hãng GE được sử dụng để bảo vệ cho đường dây 220kV Ba Đồn-Formosa 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 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 nghiên cứu riêng cho rơ le GE-D60. Ngoài ra, Luận văn còn tiến hành mô phỏng thử nghiệm chức năng khóa dao động công suất cho rơ le GE-D60 bằng phần mềm Test Universe với module Advance Distance dùng để điều khiển hợp bộ thí nghiệm Omicron CMC 256PLUS và mô phỏng giả lập sự cố trong các trường hợp khác nhau như: PS ổn định không sử dụng chức năng PSD; PS ổn định có sử dụng chức năng PSD; PS ổn định thì xảy ra sự cố và PS không ổn định. Kết quả thử nghiệm thấy rằng, chức năng PSD trong rơ le GE-D60 có độ tin cậy cao và phản ứng thích hợp với các trường hợp xảy ra. 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 – In order to protect the power system more and more from unnecessary mistaken effects caused by power fluctuations, it was designed to function against power fluctuations. GE's D60 relays are used to protect the Ba Don-Formosa 220kV line, which is capable of distinguishing between incident and electrical fluctuations, avoiding unwanted effects when the measured orbit is moving. Slowly enter the distance protection area. The thesis analyzes the function of power locks, the causes of power fluctuation, the analysis of power fluctuation detection (PSD) methods, the orbital trajectory of total impedance when power fluctuates and Specific research for GE-D60 relays. In addition, the thesis also simulates the GE-D60 relays with the Test Universe software with the Advance Distance module used to control the Omicron CMC 256PLUS test set and simulation simulator. Incidents in different cases such as PS stable does not use PSD function; PS stable using PSD function; PS is stable and PS is unstable. Test results show that the PSD function in the GE-D60 relays is highly reliable and responds appropriately to the case. Keywords: Distance relay, Power swing, Power swing detection, Power swing tripping, Out of Step trip. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................2 5. Đặt tên đề tài ...................................................................................................3 6. Cấu trúc luận văn ............................................................................................3 CHƯƠNG 1. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM ..............................................................................................................4 1.1. Giới thiệu ..............................................................................................................4 1.2. Các nguyên nhân gây dao động công suất ...........................................................4 1.3. Đặc điểm của hệ thống điện khi xảy ra DĐCS ....................................................4 1.4. Phân biệt giữa sự cố ngắn mạch và hiện tượng DĐCS ........................................8 1.5. Kết luận ..............................................................................................................12 CHƯƠNG 2. CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG RƠ LE KHOẢNG CÁCH GE-D60 ............................................................................13 2.1. Giới thiệu ............................................................................................................13 2.2. Các đặc tuyến khởi động ....................................................................................13 2.3. Các vùng của bảo vệ khoảng cách ge-d60 .........................................................14 2.4. Giá trị các vùng trong sơ đồ bảo vệ khoảng cách ..............................................15 2.5. Thời gian tác động của các vùng ........................................................................15 2.6. Ảnh hưởng của DĐCS tới rơ le bảo vệ khoảng cách GE-D60 và các phương pháp phát hiện ...........................................................................................................16 2.6.1. Quỹ đạo di chuyển của tổng trở trong mặt phẳng phức ..........................16 2.6.2. Các phương pháp phát hiện dao động công suất trong rơ le GE-D60 ....18 2.6.2.1. Phương pháp giá trị tổng trở.............................................................18 2.6.2.2. Phương pháp tính toán tổng trở liên tục ...........................................21 2.6.2.3. Phương pháp điện áp tâm dao động .................................................22 2.6.2.4. Phương pháp phát hiện DĐCS của rơ le GE-D60 ............................24 2.6.3. Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp ............................................28 2.7. Cài đặt chức năng chống dao động công suất trong rơ le ge-d60 ......................28 2.8. Kết luận ..............................................................................................................32 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG RƠ LE GE-D60, ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG DÂY 220KV BA ĐỒN-FORMOSA ..................................................................................................33 3.1. Tổng quan về lưới điện 220kv tỉnh quảng bình .................................................33 3.2. Thiết bị thử nghiệm rơ le CMC 256plus và MODULE thử nghiệM DĐCS .....34 3.2.1. Giới thiệu thiết bị thử nghiệm rơ le CMC 256plus .................................34 3.2.2. Module thử nghiệm chức năng dao động công suất ...............................37 3.2.2.1. Module Ramping ..............................................................................37 3.2.2.2. Module State Sequencer ...................................................................38 3.2.2.3. Module Advance Distance ...............................................................39 3.3. Mô phỏng hiện tượng DĐCS trên rơ le BVKC GE-D60 áp dụng cho đường dây 220kV Ba đồn - formosa ....................................................................................41 3.3.1. Sơ đồ lưới điện mô phỏng .......................................................................41 3.3.2. Các thông số nguồn giả định và đặc tính bảo vệ của rơ le ......................42 3.3.3. Mô phỏng, đánh giá chức năng phát hiện DĐCS của rơ le GE-D60 trong các tình huống khác nhau đối với đường dây 220kV Ba Đồn-Formosa ...................46 3.3.4. Nhận xét về khả năng phát hiện và khóa bảo vệ của RLBV khoảng cách khi có hiện tượng DĐCS............................................................................................53 3.3.5. Các giải pháp hạn chế dao động công suất .............................................54 3.4. Kết luận ..............................................................................................................55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................58 UYẾT ĐỊNH GIAO Đ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO). BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BI BU DĐCS HTĐ Mho OST PSB RLBV 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 - 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 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 3.1. Tên bảng Giá trị các vùng bảo vệ của đường dây 271 Trang 46 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. DĐCS trong hệ thống điện 5 1.2. Nguyên lý đo lường tổng trở đường dây 9 1.3. Tổng trở thay đổi khi ngắn mạch 9 1.4. Tổng trở thay đổi khi DĐCS 9 1.5. Dòng điện và điện áp ngắn mạch 10 1.6. Dòng điện và điện áp DĐCS 10 2.1. Các đặc tuyến khởi động chủ đạo của rơ le khoảng cách GED60 13 2.2. Phối hợp tổng trở khởi động và thời gian tác động của bảo vệ khoảng cách 14 2.3. Tổng trở đo được của rơ le khoảng cách khi có dao động công suất 18 2.4. Các dạng đặc tính tổng trở phát hiện DĐCS 19 2.5. Biểu đồ đặc tính chắn 20 2.6. Quỹ đạo đặc tính tổng trở liên tục 21 2.7. Lưu đồ phát hiện DĐCS của phương pháp tổng trở liên tục 21 2.8. Mô tả điện áp tâm dao động SVC 22 2.9. Mô tả gần đúng của SVC 23 2.10a Sơ đồ logic chức năng phát hiện DĐCS 24 2.10b Sơ đồ logic chức năng phát hiện DĐCS 24 2.10c Sơ đồ logic chức năng phát hiện DĐCS 25 2.11. Sơ đồ chức năng POWER SWING với đặc tính tứ giác 26 2.12. Sơ đồ chức năng POWER SWING với đặc tính Mho 27 2.13. Sơ đồ logic các điều kiện giải trừ lệnh khóa DĐCS 32 3.1. Thiết bị thí nghiệm rơ le kỹ thuật số CMC 256PLUS 34 3.2. Các đầu phát dòng áp CMC 256PLUS 35 3.3. Đầu vào ra nhị phân CMC 256PLUS 36 3.4. Giắc cắm và các đầu tín hiệu dòng áp CMC 256PLUS 37 3.5. Module Ramping 38 3.6. Module State Sequencer 39 Số hiệu hình Tên hình Trang 3.7. Module Advanced Distance 40 3.8. Giá trị tổng trở biên của vùng phát hiện dao động 40 3.9. Sơ đồ mô phỏng DĐCS và rơ le bảo vệ đường dây 271 41 3.10. Phiếu chỉnh định rơ le ngăn 271 42 3.11. Giá trị chỉnh định chức năng F68 cho đường dây 271 43 3.12. Mô tả cách nhập tỉ số biến điện áp, biến dòng điện 43 3.13. Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 1 44 3.14. Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 2 44 3.15. Xây dựng đặc tính bảo vệ khoảng cách vùng 3 44 3.16. Đặc tính phát hiện dao động công suất 45 3.17. Giá trị tổng trở các vùng rlbv khoảng cách 45 3.18. Giá trị tổng trở các vùng dao động công suất 46 3.19. Chức năng khóa dao động công suất không sử dụng 47 3.20. Giản đồ dạng sóng dòng điện và điện áp khi dao động công suất 47 3.21. Mô tả quỹ đạo tổng trở DĐCS ổn định khi chức năng PSD là Disable. 48 3.22. Phản ứng của rơ le khi DĐCS ổn định và chức năng PSD Disable. 48 3.23. Mô tả cài đặt khóa các vùng bảo vệ của rơ le 49 3.24. Mô tả cài đặt chức năng PSD là Enable 49 3.25. Mô tả quỹ đạo tổng trở khi DĐCS ổn định và chức năng PSD là Enable. 49 3.26. Mô tả hành vi rơ le khi DĐCS ổn định và chức năng PSD là Enable. 50 3.27. Các thông số trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố 51 3.28. Quỹ đạo tổng trở trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố 51 3.29. Phản ứng của rơ le trong quá trình DĐCS xảy ra sự cố 52 3.30. Quỹ đạo tổng trở trong trường hợp OST 52 3.31. Phản ứng của rơ le trong quá trình dao động không ổn định 53 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, nền kinh tế Việt Nam ngày càng phát triển mạnh mẽ và Miền Trung trong đó có Bắc Trung Bộ nói riêng cũng không nằm ngoài ngoại lệ. Nhu cầu tiêu thụ điện năng của các nhà máy, khu công nghiệp, các khu phức hợp du lịch, nghỉ dưỡng ngày càng lớn nên đi đôi với đó áp lực về cung cấp điện ngày càng cao và độ tin cậy cũng như chất lượng điện năng ngày một lớn. Vì vậy, trong lưới Truyền tải điện hiện nay đã được đầu tư mới, xây dựng các trạm biến áp 220kV có thiết bị chất lượng cao, đồng bộ đáp ứng yêu cầu về nhu cầu cung cấp điện năng. Tuy nhiên hệ thống điện truyền tải với thiết bị điện áp cao, kết cấu lưới phức tạp, công suất rất lớn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất ổn định hệ thống điện. Khi mất ổn định hệ thống mà không khắc phục được sẽ dẫn đến việc ngừng cung cấp điện một khu vực rộng lớn gây ảnh hưởng lớn đến an ninh chính trị, kinh tế, xã hội của nhiều vùng miền đặc biệt trong các dịp lễ, tết. Nhận thức được điều đó, nên các trạm biến áp truyền tải hiện nay được trang bị các hệ thống bảo vệ rơ le phức tạp, hiện đại nhằm bảo vệ các thiết bị điện, đường dây tải điện khỏi các sự biến thiên của lưới do các hiện tượng dao động trong hệ thống điện gây ra. Và hiện nay tại trạm 220kV Ba Đồn được trang bị một loại rơ le bảo vệ khoảng cách mới của hãng GE là D60, trong đó có chức năng chống dao động công suất bảo vệ cho các đường dây tải điện 220kV. Vì vậy tác giả chú trọng nghiên cứu chức năng chống dao động công suất này nhằm nắm bắt rõ hơn về bản chất, cách thức làm việc, bảo vệ của rơ le. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu này cũng giúp nhân viên vận hành các trạm biến áp mới, trung tâm vận hành nắm rõ hơn về nội dung, nguyên lý, giúp họ cài đặt thông số và thử nghiệm chính xác, xử lý nhanh khi có tín hiệu sự cố đường dây tải điện xảy ra. Đảm bảo cho lưới điện được vận hành an toàn, tin cậy, liên tục, hiệu quả. 2 Chính vì những lý do như trên, đề tài vừa mang tính khoa học vừa mang tính thực tiễn cao. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu hiện tượng dao động công suất trong hệ thống điện bao gồm: Nguyên nhân xảy ra, phương pháp phát hiện, quỹ đạo di chuyển của điểm làm việc, sự thay đổi của tổng trở và biến thiên các thông số vận hành trong quá trình dao động. - Nghiên cứu ảnh hưởng dao động công suất tới sự hoạt động bảo vệ khoảng cách GE-D60. - Kết quả nghiên cứu sẽ giúp những kỹ sư làm công tác vận hành trạm biến áp 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 GE-D60. Và việc áp dụng thực tế mô phỏng hiện tượng dao động công suất xảy ra trên đường dây 220kV Ba Đồn - Formosa thuộc Truyền Tải Điện Quảng Bình – PTC2 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. Đảm bảo cho lưới điện vận hành an toàn, ổn định. 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 trong rơ le bảo vệ khoảng cách GE-D60. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu rơ le kỹ thuật số bảo vệ khoảng cách có chức năng chống dao động công suất GE-D60 đang vận hành bảo vệ đường dây 220kV Ba Đồn - Formosa. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Một số lý thuyết về bảo vệ rơ le trong hệ thống điện, lý thuyết về dao động công suất đặc biệt là lý thuyết về bảo vệ khoảng cách. 3 - Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng các phép thử nghiệm bằng hợp bộ thử nghiệm thiết bị kỹ thuật số CMC 256 của hãng OMICRON trên rơ le kỹ thuật số D60 của hãng GE. 5. Đặt tên đề tài Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nêu trên đề tài được đặt tên: “ Phân tích chức năng chống dao động công suất của rơ le bảo vệ khoảng cách GE-D60 cho đường dây 220kV Ba Đồn - Formosa.”. 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: Các nguyên nhân gây ra dao động công suất và đặc điểm. Chương 2: Chức năng chống DĐCS trong rơ le khoảng cách GE-D60. Chương 3: Mô phỏng chức năng chống DĐCS trong rơ le khoảng cách GE-D60, áp dụng cho đường dây 220kV Ba Đồn – Formosa. 4 CHƯƠNG 1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM 1.1. GIỚI THIỆU Trong quá trình vận hành HTĐ thì dao động công suất là hiện tượng thường xuyên gặp phải, nó gây ảnh hưởng xấu đến sự ổn định của hệ thống và nếu không được nghiên cứu kĩ càng để chỉnh định đúng rơ le bảo vệ thì khi DĐCS nặng nề có thể dẫn đến sụp đổ toàn bộ hệ thống. Có nhiều lí do gây ra hiện tượng DĐCS và do DĐCS, 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 ra DĐCS và phân tích sự khác nhau giữa hai hiện tượng trên. 1.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT Có nhiều nguyên nhân gây ra dao động công suất nhưng chủ yếu là khi có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc lưới điện như chuyển trạng thái làm việc: thao tác đóng cắt một thiết bị điện, đóng - cắt một nhà máy công suất lớn, đóng - cắt một đường dây đầy tải,… và 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 máy phát không được chỉnh định hợp lý. Điều này gây ra biến động mạnh các thông số trên đường dây đặc biệt 2 tham số quan trọng của rơ le là dòng điện và điện áp, 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 rơ le hiểu sai và tác động nhầm, dẫn tới sự cố càng trầm trọng hơn gây rã lưới HTĐ [6]. Theo quy định hiện hành của vận hành HTĐ, 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 “block” bảo vệ khi xảy ra dao động công suất. Tóm lại, có nhiều nguyên nhân gây ra DĐCS, và trong quá trình dao động các thông số của hệ thống điện biến thiên rất phức tạp, 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, 5 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 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 [8]. 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 + 0 D và góc lệch pha giữa S.t), trong đó S =( A - Theo [3, tr. 37], khi δ vượt quá 120 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 6 Nếu đứng trên véc tơ ĖA (lấy trục véc tơ ĖA làm gốc) nhìn sự chuyển động tương đối của véc tơ ĖD so với véc tơ ĖA 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 với tâm là gốc của véc tơ ĖD và có bán kính là ĖD : E A EA E D (1.1) const EDe 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 góc lệch sức điện động ban đầu giữa 2 điểm A,D là 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 2 E sin (sin 2 2 j ) E[(1 cos ) j sin ] j cos ) 2 2 E sin (e 2 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 giữa 2 đầu đường dây 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 Z 2 Z 2 2 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) và bỏ qua điện trở tác dụng của đường dây ta thấy véc 7 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 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. 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: 0 180 I cb 0 I cb 2E sin X 2 I cb max 2E X 0 (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:    I Z   Z AB U E E E (1.9) B A cb AB 1 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 cân bằng xung động 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 trên đường dây khi có dao động cũng xung 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 từng vị trí quan sát trên đường dây, giả sử chọn điểm T ngay chính giữa đường dây với XAT = 0,5X thì điện áp cực tiểu tại điểm T đạt giá trị bằng 0 và vị trí này gọi là tâm dao động. Các điểm càng gần tâm dao động sẽ có mức xung động điện áp 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 8 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[9]. Ngoài ra vì đường dây chủ yếu là tính kháng nên điện áp đầu đường dây luôn vượt trước dòng điện tại điểm đó nên các bộ phận định hướng công suất ở 2 đầu đường dây có thể sẽ tác động nhầm. Qua nghiên cứu và phân tích ở trên ta thấy rằng DĐCS và ngắn mạch có những điểm chung đặc trưng gần giống nhau. Tuy nhiên, giữa 2 hiện tượng này 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 Nguyên lý chung của bảo vệ khoảng cách được mô tả trong hình 1.2 đó là để phát hiện sự cố trên đường dây tải điện, rơ le khoảng cách F21 đặt ở đầu đường dây sẽ nhận hai tín hiệu đầu vào đó 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 rơ le tổng trở có thời gian làm việc dựa vào quan hệ giữa tín hiệu dòng điện và tín hiệu điện áp. 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 : dòng điện phụ tải chạy trên đường dây. T 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 nhưng một điểm cốt yếu đó là tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ khi vận hành bình thường phải cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố. 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. 9 Hình 1.2. Nguyên lý đo lường tổng trở đường dây Khi bình thường điện áp rơ le gần bằng điện áp định mức và dòng qua rơ le là dòng tải cho nên tổng trở rơ le đo có giá trị lớn và rơ le không tác động. Khi ngắn mạch điện áp giảm xuống còn dòng sự cố tăng cao cho nên tổng trở đo được giảm nên rơ le tác động: Z RL Z KD Từ đó ta thấy được rằng đường biên giới hạn của vùng tổng trở phụ tải là một cung tròn có tâm ở góc tọa độ với bán kính bằng giá trị tổng trở rơ le đo được (ZAmin) khi điện áp là định mức và dòng điện phụ tải đạt giá trị cực đại [8]. 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 phụ thuộc vào tỷ số giữa điện kháng và điện trở của đường dây. Nếu sự cố là ngắn mạch trực tiếp không qua trở kháng trung gian hay bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc của bảo vệ khoảng cách thì ŻAB chính bằng thông số của đường dây tới điểm ngắn mạch:  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 10 Hình 1.5. Dòng điện và điện áp ngắn mạch Khi có bất thường trong hệ thống như ngắn mạch tại điểm lân cận đường dây AB, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ giảm đột ngột bằng Z SC, 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 điện tăng cao và điện áp giảm thấp, biểu đồ dạng sóng được thể hiện 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) [6]. Hình 1.6. Dòng điện và điện áp DĐCS Để đảm bảo được tính chọn lọc thì các loại bảo vệ phải phân biệt được giữa dao 11 động với ngắn mạch và không được tác động khi có dao động công suất xảy ra. Một đặc điểm nổi bật đó là DĐCS là một 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 này, để tránh không cho bảo vệ tác động khi có DĐCS người ta phải nghiên cứu để tìm ra sự khác biệt cơ bản và từ đó đề ra các biện pháp nhằm giải quyết vấn đề này. Có 3 cách để thực hiện: - Cách thứ nhất, cách này thực hiện đơn giản nhất nhưng không thực tế trong lưới điện hiện nay nên ít được áp dụng. 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 yêu cầu trên, người ta phải 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, còn nếu tâm giao động nằm trong đường dây bảo vệ thì điều này là không thực tế vì biên độ dao động điện áp là rất lớn. 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 khó được thực hiện trong thực tế vì làm tăng thời gian tác động của rơ le bảo vệ nên đường dây chậm được cắt ra và gây khó khăn khi AR(79) ảnh hưởng tới chế độ làm việc của lưới điện nên nó 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 động công suất. 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 xảy ra. b. Không được cản trở 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: 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 của máy cắt cùng đóng đồng thời, trong thời gian rất nhỏ vẫn có dòng điện thứ tự nghịch chạy qua rơ le do các quá trình quá độ trong bộ lọc dòng hay 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. Kết quả là ở thời điểm đầu của ngắn mạch ba pha, dù chỉ xuất hiện 12 trong chốc lát thì ở đầu ra của bộ lọc dòng và áp đều có thành phần thứ tự nghịch.Tuy chỉ xuất hiện trong một thời gian rất ngắn nhưng cũng đủ cho rơ le RU2 tác động. Qua những phân tích ở trên 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. Nguyên tắc của bộ khóa này là nó cho phép bảo vệ tác động khi xuất hiện thành phần thứ tự nghịch và không cho phép bảo vệ làm việc khi dòng và áp không mất đối xứng. 1.5. KẾT LUẬN Trong thực tế vận hành, có nhiều nguyên nhân gây ra 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 và hiện tượng ngắn mạch đối xứng, qua đó đã nhận thấy rõ sự khác biệt giữa hai hiện tượng trên từ đó có thể chọn cách cài đặt khác nhau để tránh tác động nhầm khi có hiện tượng DĐCS xảy ra. Để hệ thống bảo vệ làm việc tin cậy và chọn lọc khi có hiện tượng dao động công suất, tránh sự cắt nhầm gây trầm trọng hơn cho lưới điện thì việc nghiên cứu sâu ảnh hưởng của hiện tượng này tới hệ thống bảo vệ là cần thiết, đặc biệt là ảnh hưởng của nó tới bảo vệ khoảng cách. Nội dung nghiên cứu này sẽ được trình bày chi tiết trong chương hai tiếp theo. 13 CHƯƠNG 2 CHỨC NĂNG CHỐNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG RƠ LE KHOẢNG CÁCH GE-D60 2.1. GIỚI THIỆU Vào những năm đầu của thế kỷ trước, bảo vệ khoảng cách dựa trên nguyên lý đo lường tổng trở được xem như là một trong những bảo vệ hoàn hảo nhất để bảo vệ các đường dây tải điện. Trải qua gần một thế kỷ, có nhiều trường hợp và dạng sự cố mới xảy ra nên các rơ le khoảng cách không ngừng được cải tiến và được nghiên cứu rất rộng rãi từ thế hệ rơ le điện cơ, rơ le tĩnh và ngày nay là rơ le kỹ thuật số được chế tạo theo dạng hợp bộ với tính năng rất đa dạng so với trước đây, ngoài ra còn có thêm các cổng truyền thông để phục vụ cho mục đích giao tiếp. Và rơ le hãng GE cũng không nằm ngoài ngoại lệ. Sau đây, tác giả tập trung nghiên cứu sâu hơn vào rơ le khoảng cách D60 của hãng General Electric(GE). 2.2. CÁC ĐẶC TUYẾN KHỞI ĐỘNG Trong rơ le GE-D60 cũng như các rơ le kĩ thuật số khác đều có nhiều hình dạng đặc tuyến khởi động để đáp ứng điều kiện vận hành ngày càng phứ tạp của hệ thống. Trong rơ le Ge-D60 có 2 đặc tuyến chủ đạo là đặc tuyến dạng MHO và đặc tuyến tứ giác, ngoài ra còn lại là các biến thể từ 2 đặc tuyến trên. Đặc tuyến MHO Đặc tuyến tứ giác Hình 2.1. Các đặc tuyến khởi động chủ đạo của rơ le khoảng cách GE-D60 Hai đường đặc tuyến trên hình 2.1 là những đặc tuyến chính và dùng trên thực tế, đặc tuyến này dùng cho bảo vệ có hướng. Ngoài ra rơ le GE-D60 còn có những biến thể từ 2 đặc tuyến trên như: đặc tuyến vòng tròn lệch tâm vô hướng, tứ giác vô hướng, thấu kính… nhưng không dùng trên thực tế. Các đặc tính vô hướng chỉ phù hợp với bảo vệ đường dây có nguồn cung cấp từ một phía. Đối với các đường dây có nguồn cung cấp từ hai phía thì phải sử dụng các đặc tuyến Mho hoặc tứ giác có hướng. Đặc