Tài liệu Phân tích, đánh giá rơle sel 311l bảo vệ so lệch dọc đường dây 500kv di linh pleiku

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM HỒNG CHƢƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ RƠLE SEL-311L BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƢỜNG DÂY 500KV DI LINH - PLEIKU Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS. LÊ KIM HÙNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, trong luận văn có sử dụng một số số liệu thống kê, tính toán hệ thống của các đơn vị ngành điện; trích dẫn một số bài viết, tài liệu rơle bảo vệ so lệch đường dây của hãng SEL. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Phạm Hồng Chƣơng TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ RƠLE SEL-311L BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƢỜNG DÂY 500KV DI LINH – PLEIKU Học viên: Phạm Hồng Chƣơng Mã số: 60520202 Khoá: K34 Chuyên nghành: Kỹ thuật điện Trƣờng Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Bảo vệ so lệch dọc có vai trò quan trọng đối với các đƣờng dây truyền tải điện và là bảo vệ chính luôn đƣợc trang bị. Bảo vệ so lệch dọc là loại bảo vệ có nguyên lý làm việc tốt, tác động không thời gian trì hoãn, có thể tác động với mọi dạng ngắn mạch và đảm bảo tính chọn lọc tuyệt đối. Rơle SEL-311L đƣợc sử dụng rộng rãi để bảo vệ so lệch dọc cho đƣờng dây truyền tải điện 500kV tại Việt Nam nhờ tính ƣu việt của nó. Luận văn này nghiên cứu phân tích, đánh giá rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku. Luận văn đã phân tích, tính toán thông số chỉnh định cho rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh – Pleiku. Từ việc phân tích, tính toán chỉnh định, áp dụng Matlab/Simulink tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng đặc tính làm việc của rơle SEL-311L dƣạ trên nguyên lý làm việc, sơ đồ logic bảo vệ của SEL-311L và thông số tính toán chỉnh định. Từ kết quả mô phỏng, tác giả đã có đƣợc một số đánh giá về rơle bảo vệ này. Mô hình mô phỏng này cũng giúp nhân viên vận hành kiểm tra, đánh giá thông số chỉnh định, phân tích nắm rõ đặc tính hoạt động của rơle để phục vụ cho công tác vận hành, nhằm nâng cao năng lực vận hành góp phần đảm bảo công tác vận hành an toàn lƣới điện. ANALYSIS, ASSESSMENT SEL-311 DIFFERENTIAL PROTECTION FOR 500KV LINE DI LINH - PLEIKU Abstract: Differential protection is important for power transmission lines and is the main protection always provided. Differential protection is a good working principle, with no time-delay effect, which can affect all types of short circuits and ensures absolute selectivity. The SEL-311L relay is widely used to differential protection for the 500kV transmission line in Vietnam thanks to its superiority. This thesis investigates the analysis and evaluation of the SEL-311L relay to protect the 500 kV line of Di Linh - Pleiku. The thesis has analyzed, calculated parameters for the relay SEL-311L protect the line difference 500kV Di Linh - Pleiku. From Matlab / Simulink, the author has developed a working model of the SEL-311L relay based on the working principle, the SEL-311L's protective logic scheme and Calculated parameters. From simulation results, the author has obtained some evaluation of this protection relay. This simulation model also allows the operator to check and evaluate the adjustment parameters, to understand the operational characteristics of the relay for operation, to improve operational capability, to ensure the safe operation of the power grid. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC 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 ..........................................................................................1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2 4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .........................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................2 6. Đặt tên đề tài .......................................................................................................3 7. Bố cục luận văn...................................................................................................3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE VÀ TÌNH HÌNH SỰ CỐ ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI .................................................................................4 1.1. Tổng quan về hệ thống rơle bảo vệ ..........................................................................4 1.1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu cơ bản của mạch bảo vệ rơle ..........................................4 1.1.2. Các bộ phận đo lường của hệ thống bảo vệ ......................................................5 1.1.2.1. Máy biến dòng điện (TI) ............................................................................5 1.1.2.2. Máy biến điện áp (TU) ...............................................................................7 1.2. Các vấn đề chung và tính toán bảo vệ đƣờng dây truyền tải ....................................8 1.2.1. Tình hình sự cố và hệ thống rơle bảo vệ đường dây truyền tải ........................8 1.2.2. Tính toán ngắn mạch trên đường dây truyền tải .............................................10 1.2.2.1. Khi ngắn mạch 3 pha (ngắn mạch đối xứng) ...........................................10 1.2.2.2. Khi ngắn mạch không đối xứng: {(N(1), N(1,1); N(2)} ..........................10 1.2.2.3. Điện kháng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK) của các phần tử . ..................................................................................................................11 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến rơle bảo vệ đường dây truyền tải .........................13 1.2.3.1. Tổng trở biểu kiến [3] ..............................................................................13 1.2.3.2. Tác động của hiện tƣợng quá độ ..............................................................14 1.2.3.3. Ảnh hƣởng không cân bằng tổng trở pha ................................................16 1.2.3.4. Hiệu ứng cộng hƣởng dƣới đồng bộ ........................................................16 1.2.3.5. Vấn đề do nghịch đảo điện áp (điện áp âm) ............................................17 1.3. Kết luận...................................................................................................................19 CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN CHỈNH ĐỊNH CHO RƠLE SEL-311L BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƢỜNG DÂY 500KV DI LINH - PLEIKU ............................................20 2.1. Mô tả sơ đồ đấu nối và thông số đƣờng dây...........................................................20 2.2. Tính toán ngắn mạch đƣờng dây ............................................................................20 2.3. Tính toán chỉnh định chức năng bảo vệ so lệch của SEL-311L .............................25 2.3.1. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................26 2.3.2. Cài đặt vùng hạn chế và giám sát các chức năng so lệch .............................28 2.3.3. Cài đặt đảm bảo chọn lọc khi sự cố ngoài vùng bảo vệ ................................31 2.3.3.1. Sự cố 3 pha ngoài có dòng qua rơle lớn hơn 3 lần dòng danh định (Idđ)31 2.3.3.2. Sự cố 3 pha ngoài có dòng qua rơle nhỏ hơn 3 lần dòng danh định ........31 2.3.3.3. Sự cố không đối xứng ngoài vùng bảo vệ ...............................................31 2.3.4. Những cài đặt liên quan đến 87L ...................................................................31 2.3.4.1. Cài đặt tỷ số biến CTR (1-6000) ..............................................................32 2.3.4.2. Chọn cài đặt APP để định ứng dụng cho SEL-311L: APP (87L, 87L21, 87L21P, 87LSP, 311L) .........................................................................................32 2.3.4.3. Cài đặt giá trị E87L (2, 3, 3R, N) ............................................................33 2.3.4.4. Cài đặt giá trị EHST (N, 1-6) hoặc (N, SP1, SP2) khi APP=87LSP .......33 2.3.4.5. Cài đặt giá trị EHSDTT (Y, N) ................................................................33 2.3.4.6. Cài đặt giá trị EDD (Y,N) ........................................................................33 2.3.4.7. Cài đặt giá trị ETAP (Y,N) ......................................................................34 2.3.4.8. Cài đặt giá trị EOCTL (Y,N) ...................................................................34 2.3.4.9. Cài đặt giá trị PCHAN (X,Y)...................................................................34 2.3.4.10. Cài đặt giá trị EHSC (Y, N) ...................................................................34 2.3.4.11. Cài đặt giá trị CTR_X và CTR_Y (1-6000) ..........................................34 2.3.4.12. Cài đặt giá trị 87LPP (OFF, 1-10 A Secondary) ...................................35 2.3.4.13. Cài đặt giá trị 87L2P (OFF, 0.5-5 A Secondary) ...................................35 2.3.4.14. Cài đặt giá trị 87LGP (OFF, 0.5-5 A Secondary) ..................................35 2.3.4.15. Cài đặt giá trị CTALRM (0.5-10 A Secondary) ....................................35 2.3.4.16. Cài đặt giá trị 87LR (2.0-8, Unitless) ...................................................35 2.3.4.17. Cài đặt giá trị 87LANG (900 – 2700) .....................................................35 2.3.4.18. Cài đặt giá trị OPO Open Pole Option (52, 27) .....................................35 2.4. Chỉnh định chức năng bảo vệ khoảng cách ............................................................35 2.4.1. Chức năng bảo vệ khoảng cách pha MHO ....................................................35 2.4.2. Chức năng bảo vệ khoảng cách cho sự cố chạm đất .....................................38 2.4.3. Giám sát bổ sung cho chức năng bảo vệ khoảng cách ..................................40 2.4.4. Cài đặt mở rộng bảo vệ vùng 1 ......................................................................40 2.4.5. Thời gian trễ các vùng ...................................................................................41 2.5. Tính toán chỉnh định chức năng bảo vệ quá dòng cắt nhanh .................................42 2.5.1. Bảo vệ quá dòng pha cắt nhanh và thời gian độc lập (50P) ..........................42 2.5.2. Bảo vệ quá dòng chạm đất cắt nhanh và thời gian độc lập (50G) .................43 2.5.3. Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch cắt nhanh và thời gian độc lập (50Q) ..........44 2.6. Tính toán chỉnh định chức năng bảo vệ điện áp (27/59) ........................................45 2.6.1. Các giá trị điện áp...........................................................................................45 2.6.2. Các cài đặt cho bảo vệ điện áp .......................................................................45 2.6.3. Latch Bit LTx (x = 116) ................................................................................48 2.6.4. Remote Bit RBx (x = 116) .............................................................................48 2.6.5. Timer SVx (x = 116) ......................................................................................49 2.6.6. Input IN101IN106 và IN301IN308 .............................................................49 2.6.7. Output OUT101OUT107, OUT201OUT206, OUT301 OUT312 .............49 2.6.8. Relay Word Bit ................................................................................................49 2.6.9. Toán tử logic ...................................................................................................49 2.6.10. Phương trình logic .......................................................................................50 2.7. Bảng giá trị cài đặt của F87L .................................................................................50 2.8. Kết luận...................................................................................................................53 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CHỨC NĂNG 87L CỦA RƠLE SEL-311L TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK/ SIMPOWERSYSTEM ........55 3.1 . Xây dựng mô hình mô phỏng ................................................................................55 3.1.1. Xây dựng mô hình bảo vệ so lệch dọc đường dây ...........................................55 3.1.2. Mô phỏng đặc tính làm việc của chức năng 87L ............................................56 3.2 . So sánh, phân tích đánh giá ...................................................................................61 3.3 . Kết luận..................................................................................................................61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................65 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (bản sao). DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÍ HIỆU F87L Bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây (Line Differential Protection) F21 Bảo vệ khoảng cách CÁC CHỮ VIẾT TẮT TI (CT) Máy biến dòng điện (Current Transformer) TU (VT) Máy biến điện áp (Voltage Transformer) TTT Thành phần thứ tự thuận TTK Thành phần thứ tự không DANH MỤC CÁC BẢNG Số Tên bảng hiệu Trang 1.1. Cấp chính xác của TI 6 1.2. Cấp chính xác dùng cho bảo vệ của TU 8 1.3. Thống kê sự cố lƣới điện truyền tải năm 2016 9 2.1. Dòng điện ngắn mạch trên các thanh cái 500kV trạm biến áp Di Linh và Pleiku năm 2017 21 2.2. Dòng điện ngắn mạch 03 pha 25 2.3. Dòng điện ngắn mạch 01 pha 25 2.4. Trình bày các phép tính khác nhau cho đặc tính MHO. 37 2.5. Các cài đặt cho bảo vệ khoảng cách. 37 2.6. Cài đặt chức năng bảo vệ khoảng cách chạm đất 38 2.7. Các cài đặt của vùng 1 40 2.8. Đặt thời gian cho vùng 41 2.9. Tín hiệu điện áp của chức năng 27/59 45 2.10. Cài đặt cho bảo vệ điện áp 46 2.11. Giá trị cài đặt của F87L cho SEL-311L 50 DANH MỤC CÁC HÌNH Số Tên hình Trang hiệu 1.1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế máy biến dòng 5 Đƣờng cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ 1.2 thông F, từ cảm B và sức điện động thứ cấp eT theo thời gian (b). 7 1.3 Tổng trở biểu kiến đo đƣợc của rơle tại A khi tụ đặt đầu đƣờng dây 13 1.4 1.5 1.6 2.1 Tổng trở biểu kiến đo đƣợc của rơle tại A khi tụ đặt giữa đƣờng dây Tổng trở biểu kiến đo đƣợc của rơle khi tụ đặt các vị trí khác nhau Đặc tuyến mở rộng vùng bảo vệ khi tụ đặt ở đầu đƣờng dây Sơ đồ đấu nối đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku 14 14 18 20 2.2 Các phần tử bảo vệ so lệch dòng điện của SEL-311L 26 2.3 Đặc tính tác động AP (Alpha Plane) của bảo vệ SEL-311L 27 2.4 Vùng hạn chế bao quanh các sự cố ngoài của SEL-311L 28 2.5 2.6 Cài đặt góc mở 87LA NG cho vùng hạn chế dựa trên góc lệch lớn nhất khi có sự cố ngoài và các yếu tố sai lệch cùng xảy ra đồng thời Cài đặt SEL-311L với tỷ số biến các CT khác nhau. 29 32 2.7 2.8 Chức năng mho điện áp phân cực thứ tự thuận với biên ứng với tổng trở đƣờng dây Logic vùng 1 mở rộng của SEL-311L 36 40 2.9 Đƣờng cong thời gian tác động áp dụng cho tất cả các bảo vệ quá dòng cắt nhanh vô hƣớng trong SEL-311L. 43 Đƣờng cong thời gian trở về áp dụng cho tất cả các bảo vệ quá 2.10 dòng cắt nhanh vô hƣớng trong SEL-311L. 43 2.11 2.12 2.13 3.1 3.2 Logic hoạt động chức năng điện áp một pha và ba pha. Logic hoạt động chức năng điện áp dây. Giản đồ xung ngõ vào và ngõ ra của Timer SV1. Sơ đồ phƣơng thức bảo vệ F87L. Mô hình mô phỏng bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 47 47 49 55 57 3.3 3.4 3.5 Mô hình mô phỏng thuật toán tính toán rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây. Tín hiệu rơle và đặc tuyến tác động khi sự cố ngoài. Tín hiệu rơle và đặc tuyến tác động khi sự cố trong vùng. 58 60 61 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, hệ thống điện Việt Nam cũng phát triển với tốc độ rất nhanh, lƣới điện đƣợc mở rộng không ngừng và ngày càng trở nên phức tạp. Vận hành lƣới điện an toàn và hiệu quả là nhiệm vụ hàng đầu của ngành điện. Trong quá trình vận hành, lƣới điện có thể xảy ra sự cố hoặc tình trạng làm việc không bình thƣờng của các phần tử gây ảnh hƣởng đến chế độ ổn định của hệ thống. Đối với hệ thống điện, các sự cố xảy ra phần lớn là sự cố đƣờng dây dẫn điện, các sự cố đƣờng dây gây ảnh hƣởng đến vận hành an toàn hệ thống điện rất lớn, đặc biệt khi có sự cố đối với các đƣờng dây truyền tải điện siêu cao áp. Để giải quyết vấn đề sự cố, các thiết bị rơle bảo vệ đóng vai trò rất quan trọng trong công tác vận hành hệ thống điện. Các thiết bị rơle bảo vệ có vai trò phát hiện và loại trừ sớm các phần tử sự cố trong hệ thống điện ra khỏi vận hành, giúp duy trì trạng thái vận hành an toàn và ổn định cho hệ thống điện. Đối với các đƣờng dây truyền tải điện cao áp và siêu cao áp tại Việt Nam, bảo vệ cho đƣờng dây hiện đang sử dụng hai bộ bảo vệ chính đó là bảo vệ so lệch dọc và bảo vệ khoảng cách. Riêng đƣờng dây 500kV bảo vệ so lệch dọc có vai trò đặc biệt quan trọng cho nên đó là một bảo vệ chính bắt buộc phải có. Bảo vệ so lệch dọc là loại bảo vệ có nguyên lý làm việc tốt nhất, tác động không thời gian trì hoãn, có thể tác động với mọi dạng ngắn mạch và đảm bảo tính chọn lọc tuyệt đối. Vì vậy, tính toán chỉnh định và mô phỏng đặc tính hoạt động của rơle để áp dụng trong vận hành thực tế là vấn đề thiết thực góp phần cho việc đảm bảo vận hành an toàn hệ thống điện. Từ các kết quả tính toán và việc tiến hành mô phỏng các dạng sự cố và phân tích sự làm việc của rơle so sánh với các bản ghi sự cố để đối chứng từ đó đƣa ra các điều chỉnh phù hợp về vấn đề chỉnh định rơle cũng nhƣ việc lựa chọn hợp lý thiết bị đo lƣờng, mạch nhị thứ bảo vệ liên quan rơle. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, tính toán chỉnh định và mô phỏng đặc tính hoạt động của rơle bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh – Pleiku nhằm mục đích nắm rõ đặc tính hoạt động, sơ đồ logic và thực hiện tính toán một số trƣờng hợp sự cố để mô phỏng sự làm việc của rơle kỹ thuật số bảo vệ so lệch. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Các vấn đề bảo vệ đƣờng dây và rơle kỹ thuật số bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu việc tính toán chỉnh định cho rơle kỹ thuật số bảo vệ so lệch dọc cho đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku, mô phỏng đặc tính hoạt động chức năng bảo vệ so lệch của rơle cho các trƣờng hợp ngắn mạch trong vùng bảo vệ và ngoài vùng bảo vệ trên nền Matlab/Simulink để phân tích đánh giá bảo vệ. 4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài - Tính toán chỉnh định rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku. - Áp dụng Matlab/Simulink để mô phỏng đặc tính bảo vệ so lệch dọc của rơle SEL-311L cho đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku trên cơ sở tính toán chỉnh định để phân tích, đánh giá hoạt động của rơle. - Nhiệm vụ chính: + Hệ thống hoá lý thuyết rơle bảo vệ. + Tính toán ngắn mạch đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku để làm cơ sở chỉnh định bảo vệ so lệch dọc cho đƣờng dây. + Nghiên cứu cấu hình, đặc tính và logic bảo vệ của rơle SEL-311L. + Tính toán chỉnh định rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku. + Áp dụng Matlab/Simulink để mô phỏng đặc tính bảo vệ so lệch dọc của rơle SEL-311L cho đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku trên cơ sở tính toán chỉnh định để phân tích, đánh giá hoạt động của rơle. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng, mặc dù rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây đã đƣa vào sử dụng trong hệ thống điện Việt Nam từ nhiều năm qua nhƣng hiện nay vẫn chƣa có nghiên cứu nào về việc áp dụng Matlab/Simulink để mô phỏng đặc tính bảo vệ so lệch dọc của rơle qua thông số chỉnh định để phân tích, đánh giá hoạt động của rơle, từ đó có góp ý về vấn đề chỉnh định rơle cũng nhƣ việc lựa chọn hợp lý thiết bị đo lƣờng, mạch nhị thứ bảo vệ liên quan rơle. Việc nắm rõ đặc tính làm việc của rơle qua mô phỏng với các vị trí sự cố khác nhau giúp cho việc phân tích, đánh giá tính chính xác, thời gian tác động 3 và tính chọn lọc của bảo vệ. Ngoài ra, cũng giúp cho nhân viên vận hành nắm vững đặc tính tác động của rơle để nhanh chóng phân tích đánh giá khi có sự cố xảy ra từ đó đƣa ra hƣớng xử lý kịp thời, chính xác nhằm khôi phục lại chế độ vận hành bình thƣờng tăng độ ổn định cho hệ thống điện, góp phần đảm bảo công tác vận hành an toàn, liên tục lƣới điện truyền tải nói riêng và hệ thống điện Việt Nam nói chung. 6. Đặt tên đề tài Từ những lý do đã nêu ở trên, đề tài đƣợc chọn có tên là: "Phân tích, đánh giá rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku" 7. Bố cục luận văn Nội dung luận văn gồm các phần chính Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống bảo vệ rơle và tình hình sự cố đƣờng dây truyền tải. Chƣơng 2: Tính toán chỉnh định cho rơle SEL-311L bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây 500kV Di Linh - Pleiku. Chƣơng 3: Xây dựng mô hình mô phỏng đặc tính hoạt động chức năng 87L của rơle SEL-311L trên nền Matlab/Simulink/ Simpowersystem. Kết luận và kiến nghị. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠLE VÀ TÌNH HÌNH SỰ CỐ ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 1.1. Tổng quan về hệ thống rơle bảo vệ 1.1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu cơ bản của mạch bảo vệ rơle Có rất nhiều nguyên nhân gây sự cố cho HTĐ: do các hiện tƣợng thời tiết cực đoan nhƣ giông bão, lũ lụt, động đất gây ra, do máy móc thiết bị hao mòn, già cỗi trong quá trình vận hành, do vi phạm của con ngƣời, do thao tác của nhân viên vận hành… Hệ thống rơle bảo vệ có nhiệm vụ phát hiện và kết hợp các thiết bị bảo vệ để loại trừ càng nhanh càng tốt đối với phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống, không để hệ thống bị sự cố lan rộng, giúp hệ thống nhanh chóng trở vệ trạng thái ổn định ban đầu. Trong vận hành HTĐ truyền tải, phần lớn sự cố là do ngắn mạch đƣờng dây, khi xảy ra ngắn mạch dòng điện tại chỗ ngắn mạch tăng cao rất lớn dẫn đến dòng điện từ nguồn đến vị trí ngắn mạch gây ra tác động nhiệt và cơ gây nguy hiểm cho các phần tử mà nó chạy qua. Hồ quang tại chỗ ngắn mạch nếu tồn tại lâu sẽ gây hƣ hỏng thiết bị. Ngoài ra, ngắn mạch làm điện áp giảm thấp gây ảnh hƣởng đến các thiết bị dùng điện ở khu vực lân cận điểm ngắn mạch. Nguy hiểm nhất, ảnh hƣởng của sự cố ngắn mạch là ảnh hƣởng đến HTĐ, có thể gây mất ổn định và dẫn đến tan rã hệ thống. Các rơle bảo vệ kỹ thuật số hiện nay có khả năng phát hiện sự cố gần nhƣ tức thời (trong vòng vài chu kỳ) và cách ly phần tử sự cố ra khỏi hệ thống, giúp có thể ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những thiệt hại, hƣ hỏng do sự cố gây ra. Yêu cầu cơ bản của hệ thống rơle bảo vệ trong HTĐ đó là : hoạt động tin cậy, tác động chọn lọc, tác động nhanh và độ nhạy cao. - Độ tin cậy: là tính năng đảm bảo cho thiết bị bảo vệ làm việc đúng, chắc chắn. Độ tin cậy gồm có tin cậy khi tác động và tin cậy không tác động. - Tính chọn lọc: là khả năng bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống. Hệ thống điện luôn phát triển và ngày càng phức tạp do vậy tính chọn lọc của bảo vệ ngày càng đƣợc yêu cầu cao. Tính chọn lọc gồm 2 loại là chọn lọc tuyệt đối và chọn lọc tƣơng đối. - Tác động nhanh: tính tác động nhanh của rơle bảo vệ là một yêu cầu hết sức quan trọng, vì việc cô lập càng nhanh chóng phần tử bị sự cố thì sẽ càng hạn chế mức độ thiệt hại do sự cố gây ra, càng giảm thời gian sụt điện áp 5 ở vùng lân cận điểm sự cố, giảm xác suất gây hƣ hỏng nặng hơn và nâng cao khả năng duy trì chế độ làm việc ổn định của các máy phát và toàn bộ HTĐ. - Độ nhạy của bảo vệ: độ nhạy của bảo vệ đặc trƣng cho khả năng phát hiện sự cố của rơle hoặc hệ thống bảo vệ, đƣợc biểu diễn bằng hệ số độ nhạy, đó là tỷ số giữa trị số của đại lƣợng vật lý đặt vào rơle khi có sự cố với ngƣỡng tác động của nó. Tuỳ thuộc vào vai trò của bảo vệ mà yêu cầu về độ nhạy cũng khác nhau. Các đối tƣợng bảo vệ càng quan trọng thì yêu cầu độ nhạy càng cao. 1.1.2. Các bộ phận đo lường của hệ thống bảo vệ 1.1.2.1. Máy biến dòng điện (TI) Dùng để biến đổi dòng điện sơ cấp của đối tƣợng bảo vệ thành dòng điện thứ cấp phù hợp cung cấp cho hệ thống bảo vệ, đo lƣờng. Máy biến dòng làm nhiệm vụ cách ly mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp và đảm bảo dòng điện thứ cấp tiêu chuẩn (5 hoặc 1A) khi dòng điện sơ cấp danh định có thể rất khác nhau. Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế máy biến dòng Để phản ánh đúng cả trị số và góc pha, cần phải đấu nối đúng các đầu dây cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến dòng điện. Theo sơ đồ: các đầu dây sơ cấp S1 và S2, các đầu dây thứ cấp T1 và T2. Quy ƣớc: giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp IS đi từ đầu S1 đến S2 thì dòng điện thứ cấp IT đi từ đầu T2 đến T1. Sai số của biến dòng điện: IT = IS / n (n : tỷ số biến đổi của biến dòng). Tuy nhiên, thực tế bao giờ cũng có sai số do tổn thất sinh ra trong biến dòng. Gồm có các sai số sau: - Sai số về trị số dòng điện fi : bằng hiệu số giữa biên độ dòng điện sơ cấp sau khi đã tính đổi IS và dòng điện thứ cấp IT. (1.1) - Sai số góc θi : bằng góc lệch pha θ giữa véc tơ dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp. 6 - Sai số phức hợp Fi : bằng trị số hiệu dụng của dòng điện thứ cấp lý tƣởng với dòng điện thứ cấp thực tế, bao gồm cả sai số về trị số và sai số về góc pha có xét đến ảnh hƣởng của các hài bậc cao trong dòng điện từ hoá: √ ∫ (1.2) Trong đó: - Fi% : sai số phức hợp tính bằng % - T : chu kỳ của dòng điện xoay chiều S - ni : Tỷ số biến đổi của máy biến dòng - iT : Giá trị tức thời của dòng điện sơ cấp. - IS và iS : tương ứng là giá trị hiệu dụng và tức thời của dòng điện sơ cấp. Yêu cầu cấp chính xác của biến dòng cho rơle bảo vệ: - Trị số dòng điện sơ cấp mà ở đó TI còn đảm bảo đƣợc độ chính xác yêu cầu đƣợc gọi là dòng điện giới hạn theo độ chính xác. - Tỷ số dòng điện giới hạn theo độ chính xác và dòng điện định mức gọi là hệ số giới hạn theo độ chính xác. - Các TI dùng cho thiết bị bảo vệ có cấp chính xác 5P và 10P, sai số cho phép về trị số (fi); góc pha (θi, phút) và sai số phức hợp (Fi %) theo bảng 1-1. Bảng 1.1: Cấp chính xác của TI Cấp chính xác fi % 5P ±1 θi, phút Fi % 5 ± 60 10P ±3 10 Hệ số giới hạn theo độ chính xác: 5, 10, 15, 20 và 30 Tính toán phụ tải của máy biến dòng: - Trong sơ đồ bảo vệ, phụ tải của máy biến dòng điện có thể đƣợc đặc trƣng bằng công suất đầu ra phía thứ cấp Spt (VA) hoặc tổng trở phía phụ tải Zpt (Ω). Tổng trở phía thứ cấp của TI gồm có điện trở của rơle, điện trở dây nối phụ và điện trở tiếp xúc. Tổng trở phụ tải càng lớn thì công suất tiêu thụ ở phía thứ cấp càng cao, và sai số của biến dòng càng lớn. (1.3) 7 - Chế độ hở mạch thứ cấp của biến dòng: Từ sơ đồ thay thế của TI trên hình vẽ 1.1 nhận thấy khi mạch thứ cấp của TI bị hở, nếu phía sơ cấp có dòng điện thì toàn bộ dòng điện sơ cấp ấy sẽ làm nhiệm vụ từ hoá, từ cảm Bm tăng lên đột ngột gây bão hoà cho mạch từ nên các đƣờng cong biến thiên theo thời gian của độ từ cảm B và từ thông F có dạng bằng đầu. Khi dòng điện sơ cấp qua trị số không, sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng có dạng đỉnh nhọn với biên độ rất lớn (Hình vẽ 1-2). Đặc biệt trong chế độ sự cố, khi dòng điện sơ cấp đạt bội số lớn, sức điện động cảm ứng phía thứ cấp có thể đến hàng chục kV, rất nguy hiểm cho ngƣời và thiết bị bên thứ cấp. Vì vậy trong vận hành không đƣợc để hở mạch phía thứ cấp của TI trong khi phía sơ cấp có dòng điện chạy qua. Trong trƣờng hợp cần thực hiện đổi nối phía thứ cấp khi có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp thì phải nối tắt các cực thứ cấp của TI trƣớc khi tiến hành đổi nối. Chế độ làm việc với cuộn thứ cấp bị nối ngắn mạch là chế độ làm việc bình thƣờng của máy biến dòng. Hình 1.2 : Đường cong từ hoá (a) và quan hệ của dòng điện sơ cấp iS, từ thông F, từ cảm B và sức điện động thứ cấp eT theo thời gian (b). 1.1.2.2. Máy biến điện áp (TU) Máy biến điện áp (Voltage Transformer) làm nhiệm vụ biến đổi điện áp cao phía sơ cấp xuống điện áp thứ cấp tiêu chuẩn (100V hoặc 110V) để dùng cho mục đích bảo vệ và đo lƣờng, đồng thời cách ly các thiết bị ở mạch thứ cấp khỏi điện áp cao phía sơ cấp. Phụ tải của TU thông thƣờng đƣợc mắc song song cùng nhau, tổng trở của dây nối nếu quá lớn sẽ ảnh hƣởng đến độ chính xác của TU. Đầu ra các 8 cuộn dây của biến điện áp cũng đƣợc đánh dấu tƣơng tự nhƣ đã xét đối với máy biến dòng, đấu đúng đầu cuộn dây với các dụng cụ đo và thiết bị bảo vệ có ý nghĩa quan trọng khi cần xét đến góc lệch pha của các đại lƣợng điện. Sai số của biến điện áp: Cũng tƣơng tự nhƣ biến dòng điện, biến điện áp cũng có sai số. - Sai số của biến điện áp đƣợc tính theo công thức: FU% = .100% (1.4) Trong đó: - FU% : Sai số tính bằng %. - nU : Tỷ số biến đổi của BU, nU = USdđ/ UTdđ - US/ UT : giá trị tương ứng của điện áp đo được trên cực của cuộn sơ cấp và thứ cấp. - Sai số góc θU : bằng góc lệch pha giữa véc tơ điện áp sơ cấp và véc tơ điện áp thứ cấp. - Cấp chính xác của TU: cấp chính xác thông thƣờng dùng cho bảo vệ của TU đƣợc cho ở bảng 1.2. Bảng 1.2: Cấp chính xác dùng cho bảo vệ của TU Cấp chính xác FU% θU, phút 3P ±3 ±120 6P ±6 ± 240 Ghi chú: Điện áp thay đổi trong giới hạn (0,05 ÷ 1) U mcp (quá điện áp lớn nhất cho phép). Phụ tải thay đổi trong giới hạn (0,25 ÷ 1) S PTđm, với cosφ = 0,8. 1.2. Các vấn đề chung và tính toán bảo vệ đƣờng dây truyền tải 1.2.1. Tình hình sự cố và hệ thống rơle bảo vệ đường dây truyền tải Theo thống kê tại bảng 1.3 cho thấy, đối với các sự cố xảy ra trên lƣới điện truyền tải thì sự cố xảy ra đối với đƣờng dây chiếm phần lớn. Sự cố đƣờng dây chiếm tỉ lệ khoảng 70% trên tổng số sự cố của lƣới truyền tải. Do vậy, vấn đề rơle bảo vệ cho đƣờng dây có vai trò quan trọng cần đặc biệt quan tâm nghiên cứu để ngày càng hoàn thiện, giảm thiểu đến mức thấp nhất các thiệt hại do sự cố đƣờng dây sinh ra. 9 Bảng 1.3: Thống kê sự cố lưới điện truyền tải năm 2016 Đối tƣợng Cấp sự cố điện áp Phân loại Sự cố kéo dài Số lần (lần) Tổng số lần Tỷ lệ (%) 17 500kV 46 Sự cố thoáng qua 29 Đƣờng dây 155 Sự cố kéo dài 69 45 220kV 109 Sự cố thoáng qua Trạm biến áp 500kV 64 28 Trạm biến áp 70 Trạm biến áp 220kV 31 42 Hệ thống rơle bảo vệ lƣới điện truyền tải Việt Nam: Lƣới điện 220kV & 500kV tại Việt Nam đƣợc trang bị hệ thống bảo vệ theo quy định 2896/QĐEVN-KTLĐ-TĐ ngày 10 tháng 10 năm 2003 của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (nay là EVN) [11]. a) Đối với các đường dây 500kV - Bảo vệ chính: đƣợc tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 21/21N, 67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 50BF, 85, 74. - Bảo vệ dự phòng: đƣợc tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N, 67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 50BF, 85, 74. - Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 đƣợc dự phòng đúp, đƣợc tích hợp trong bảo vệ dự phòng và trong bảo vệ chính. - Bảo vệ so lệch truyền tín hiệu trên đƣờng cáp quang. - Chức năng bảo vệ khoảng cách trong bảo vệ chính đƣợc phối hợp hai đầu với nhau thông qua sợi cáp quang nêu trên. - Bảo vệ khoảng cách dự phòng đƣợc phối hợp hai đầu với nhau thông qua kênh tải ba. b) Đối với các đường dây 220kV có đường truyền cáp quang - Bảo vệ chính: đƣợc tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 67/67N, 50/51, 50/51N, 50BF, 85, 74. - Bảo vệ dự phòng: đƣợc tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N, 67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 85, 74. 10 - Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 không cần phải dự phòng, có thể đƣợc tích hợp ở một trong hai bộ bảo vệ nêu trên. - Bảo vệ so lệch và khoảng cách đƣợc phối hợp với đầu đối diện thông qua kênh truyền bằng cáp quang. c) Đối với các đường dây 220kV không có đường truyền cáp quang - Bảo vệ chính: đƣợc tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N, 67/67N, 50/51, 50/51N, 50BF, 85, 74 - Bảo vệ dự phòng: đƣợc tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N, 67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 85, 74 - Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 không cần phải dự phòng, có thể đƣợc tích hợp ở một trong hai bộ bảo vệ nêu trên. - Bảo vệ khoảng cách hai đầu đƣờng dây đƣợc phối hợp với nhau thông qua kênh truyền tải ba. - Hệ thống rơle bảo vệ đƣợc trang bị cho lƣới điện 220kV và 500kV hiện nay nhìn chung hoạt động tin cậy và chọn lọc tốt. 1.2.2. Tính toán ngắn mạch trên đường dây truyền tải 1.2.2.1. Khi ngắn mạch 3 pha (ngắn mạch đối xứng) Dòng ngắn mạch 3 pha (giá trị hiệu dụng ban đầu) tại điểm ngắn mạch đƣợc xác định tổng quát theo biểu thức quen thuộc: (1.5) Nhƣ vậy, dòng ngắn mạch phụ thuộc tỷ lệ thuận với điện áp trƣớc khi ngắn mạch và tỷ lệ nghịch với tổng trở hệ thống (nhìn từ điểm ngắn mạch). 1.2.2.2. Khi ngắn mạch không đối xứng: {(N(1), N(1,1); N(2)} Theo nguyên tắc tƣơng đƣơng thành phần TTT đối với các dạng sự cố khác nhau, dòng TTT (IkA1) đƣợc xác định nhƣ dòng ngắn mạch 3 pha ở xa thêm tƣơng đƣơng “điện kháng bổ sung” * (n) tính theo công thức 1.6. * EA I kA1  j ( x1  x( n ) ) (1.6) Ở đây, đƣợc xác định theo điện kháng tổng TTN và TTK tùy dạng ngắn mạch. * chỉ số phức (vector). Hay dạng giá trị tuyệt đối (module): I k(1n )  E , x1   x ( n ) (1.7) 11 Hay module của vectơ thành phần chu kỳ của dòng pha sự cố tại điểm ngắn mạch theo biểu thức chung (1.8). * (n) I k( n )  m ( n ) I kA1 (1.8) Áp dụng chung cho các dạng ngắn mạch. Ở đây, m(n) - hệ số tỷ lệ, phụ thuộc dạng ngắn mạch. - m(3) = 1 khi ngắn mạch 3 pha, (N(3)), =0 - m(2) = √3 khi ngắn mạch 2 pha, (N(2)), = - m(1) = 3 khi ngắn mạch 1 pha, (N(1)), - m(1,1) = x(1,1)  3. 1  = + x 2  . x0  khi ngắn mạch 2 pha chạm đất (N(1,1)), 2 ( x 2   x0  ) x 2  x0  x 2   x0  - n : chỉ số dạng ngắn mạch. - I(n)kA1 : Dòng TTT đối với dạng ngắn mạch xem xét. Dòng ngắn mạch chạm đất 1 pha (tùy dạng ngắn mạch) là: (1.9) Hay khi ngắn mạch 2 pha chạm đất: (1.10) 1.2.2.3. Điện kháng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK) của các phần tử Đối với máy biến áp, đƣờng dây không, cáp và kháng điện: x2 = x1. (1) Đối với máy điện đồng bộ: x2 = ½ (xd” + xq”). Trường hợp máy điện không có cuộn cản: Giá trị này sai khác so với biểu thức √ trên không quá 12%. Giá trị trung bình x2 và x0 của máy điện đồng bộ mẫu nhƣ sau (pu) Kiểu máy điện đồng bộ X2 X0 - Máy phát tuốc bin 0,15 0,05 - Máy phát thủy điện có cuộn cản 0,25 0,07