Tổng quan nghiên cứu

Trong các hệ thống điện truyền tải hiện đại, việc bảo vệ khoảng cách đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và ngắt nhanh các sự cố ngắn mạch nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cho lưới điện. Theo ước tính, các rơle bảo vệ khoảng cách được sử dụng phổ biến trong các mạng điện có cấu trúc phức tạp với nhiều nguồn cấp. Tuy nhiên, hiện tượng biến dạng dòng điện do máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU) gây ra sai số trong đo lường, ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng bảo vệ khoảng cách. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của biến dạng máy biến dòng đến chức năng bảo vệ khoảng cách, xây dựng mô hình máy biến dòng trong môi trường MATLAB/SIMULINK và đánh giá hiệu quả của các thuật toán bảo vệ khoảng cách trong điều kiện có biến dạng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện 220kV, với các trường hợp ngắn mạch một pha, hai pha và ba pha, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của biến dạng dòng điện do bão hòa máy biến dòng đến thời gian phát hiện sự cố và độ chính xác của rơle bảo vệ. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ, giảm thiểu sai số và thời gian phản ứng, từ đó góp phần giảm thiểu thiệt hại do sự cố điện gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý tăng trễ trong bảo vệ khoảng cách: Tăng trễ được đo dựa trên sự biến đổi của dòng điện và điện áp tại điểm đặt rơle, giúp xác định vùng tác động của rơle bảo vệ.
  • Mô hình máy biến dòng và máy biến điện áp: Mô hình thay thế máy biến dòng lý tưởng kết hợp với đường cong kích thích từ hóa của máy biến dòng thực tế, mô phỏng hiện tượng bão hòa và biến dạng dòng điện.
  • Thuật toán bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số: Sử dụng các thuật toán dựa trên phân tích Fourier và phương pháp tính toán tăng trễ dựa trên dữ liệu dòng điện và điện áp thu thập được.
  • Khái niệm biến dạng dòng điện do bão hòa máy biến dòng: Biến dạng này làm thay đổi dạng sóng dòng điện đo được, gây sai số trong việc xác định vị trí sự cố.
  • Phân tích dao động công suất và ảnh hưởng đến bảo vệ: Dao động công suất làm thay đổi pha và biên độ dòng điện, ảnh hưởng đến vùng tác động của rơle.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các phép đo thực nghiệm trên máy biến dòng 10P20, 400/5 tại hiện trường và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK/SimpowerSystem. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trường hợp ngắn mạch một pha, hai pha và ba pha với các mức dòng sự cố từ 10kA đến 40kA.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình máy biến dòng trong MATLAB/SIMULINK dựa trên đặc tính từ hóa thực nghiệm và đường cong kích thích từ hóa.
  • Sử dụng thuật toán phân tích Fourier để tách thành phần tần số cơ bản và các thành phần hài nhằm đánh giá biến dạng dòng điện.
  • Áp dụng phương pháp đo tăng trễ dựa trên dữ liệu dòng điện và điện áp thu thập được để xác định vùng tác động của rơle bảo vệ.
  • So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình và thuật toán.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của biến dạng dòng điện do bão hòa máy biến dòng đến sai số đo tăng trễ: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số tăng trễ có thể lên đến khoảng 10-15% khi dòng điện bị biến dạng mạnh do bão hòa máy biến dòng, đặc biệt trong các trường hợp ngắn mạch một pha và hai pha chậm dập tắt.

  2. Thời gian phát hiện sự cố trung bình ∆t = 0 khi rơle làm việc bình thường: Trong điều kiện không có biến dạng, thời gian phát hiện sự cố của rơle bảo vệ khoảng cách gần như bằng 0, đảm bảo ngắt nhanh sự cố.

  3. Ảnh hưởng của bão hòa máy biến dòng TI đến chức năng bảo vệ khoảng cách: Khi máy biến dòng bị bão hòa, dạng dòng điện đo được bị biến dạng, làm giảm độ chính xác của rơle bảo vệ khoảng cách, dẫn đến thời gian phát hiện sự cố tăng lên và có thể gây tác động nhầm.

  4. Mô hình rơle bảo vệ khoảng cách xây dựng trên MATLAB/SIMULINK có độ chính xác cao: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm cho thấy mô hình có sai số dưới 5%, đủ tin cậy để ứng dụng trong phân tích và thiết kế hệ thống bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sai số và thời gian phát hiện sự cố tăng là do biến dạng dòng điện gây ra bởi hiện tượng bão hòa máy biến dòng, làm thay đổi biên độ và pha của dòng điện đo được. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong ngành điện, khẳng định tầm quan trọng của việc mô phỏng chính xác đặc tính máy biến dòng trong thiết kế bảo vệ.

Việc sử dụng mô hình máy biến dòng kết hợp với thuật toán phân tích Fourier giúp tách biệt thành phần tần số cơ bản và hài, từ đó cải thiện độ chính xác trong xác định vùng tác động của rơle. Biểu đồ so sánh thời gian phát hiện sự cố giữa điều kiện bình thường và có biến dạng cho thấy sự chênh lệch rõ rệt, minh họa trực quan cho ảnh hưởng của biến dạng.

Ngoài ra, kết quả cũng chỉ ra rằng việc phối hợp giữa các vùng tác động của rơle bảo vệ khoảng cách (Zone 1, Zone 2, Zone 3) cần được điều chỉnh phù hợp để giảm thiểu tác động nhầm do biến dạng dòng điện. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tiến thuật toán xử lý tín hiệu dòng điện: Áp dụng các thuật toán lọc và phân tích Fourier nâng cao để giảm thiểu ảnh hưởng của biến dạng dòng điện, nhằm cải thiện độ chính xác của rơle bảo vệ khoảng cách. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và phát triển thiết bị bảo vệ.

  2. Nâng cấp mô hình máy biến dòng trong phần mềm mô phỏng: Xây dựng mô hình máy biến dòng có tính đến hiện tượng bão hòa và biến dạng dạng sóng, giúp mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện: 4 tháng; Chủ thể: Bộ phận kỹ thuật và phát triển phần mềm.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về ảnh hưởng của biến dạng dòng điện và cách xử lý trong bảo vệ khoảng cách, giúp giảm thiểu sai sót trong vận hành. Thời gian thực hiện: 3 tháng; Chủ thể: Ban quản lý vận hành lưới điện.

  4. Triển khai hệ thống giám sát và cảnh báo biến dạng dòng điện: Lắp đặt các thiết bị giám sát biến dạng dòng điện tại các trạm biến áp trọng điểm để phát hiện sớm và điều chỉnh kịp thời. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Công ty truyền tải điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng của biến dạng dòng điện đến bảo vệ khoảng cách, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị bảo vệ điện: Áp dụng mô hình và thuật toán nghiên cứu để phát triển các thiết bị bảo vệ có độ chính xác cao hơn trong môi trường có biến dạng.

  3. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật điện: Hiểu rõ các nguyên lý bảo vệ khoảng cách, mô hình máy biến dòng và phương pháp phân tích tín hiệu trong hệ thống điện.

  4. Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách vận hành, đào tạo và nâng cấp hệ thống bảo vệ nhằm đảm bảo an toàn và ổn định lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến dạng dòng điện do máy biến dòng ảnh hưởng như thế nào đến bảo vệ khoảng cách?
    Biến dạng làm thay đổi biên độ và pha dòng điện đo được, gây sai số trong xác định vùng tác động của rơle, dẫn đến thời gian phát hiện sự cố tăng và có thể gây tác động nhầm.

  2. Mô hình máy biến dòng trong MATLAB/SIMULINK có thể mô phỏng chính xác hiện tượng bão hòa không?
    Có, mô hình được xây dựng dựa trên đặc tính từ hóa thực nghiệm và đường cong kích thích từ hóa, cho phép mô phỏng chính xác hiện tượng bão hòa và biến dạng dòng điện.

  3. Thuật toán phân tích Fourier giúp gì trong việc xử lý tín hiệu dòng điện?
    Thuật toán này tách thành phần tần số cơ bản và các thành phần hài, giúp loại bỏ nhiễu và biến dạng, nâng cao độ chính xác trong việc xác định vùng tác động của rơle bảo vệ.

  4. Thời gian phát hiện sự cố của rơle bảo vệ khoảng cách trong điều kiện bình thường là bao lâu?
    Theo kết quả nghiên cứu, thời gian phát hiện sự cố trung bình gần như bằng 0 khi rơle làm việc bình thường, đảm bảo ngắt nhanh sự cố.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của biến dạng dòng điện trong thực tế?
    Có thể áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu nâng cao, nâng cấp thiết bị đo lường, đào tạo kỹ sư vận hành và triển khai hệ thống giám sát biến dạng dòng điện.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của biến dạng dòng điện do bão hòa máy biến dòng đến chức năng bảo vệ khoảng cách trong hệ thống điện 220kV.
  • Mô hình máy biến dòng và thuật toán bảo vệ khoảng cách được xây dựng trên MATLAB/SIMULINK có độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Sai số và thời gian phát hiện sự cố tăng do biến dạng dòng điện là nguyên nhân chính gây giảm hiệu quả bảo vệ.
  • Đề xuất các giải pháp cải tiến thuật toán, nâng cấp mô hình và đào tạo nhân sự nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, hoàn thiện mô hình và phát triển hệ thống giám sát biến dạng dòng điện.

Hành động ngay hôm nay: Các đơn vị vận hành và nghiên cứu nên áp dụng kết quả luận văn để nâng cao hiệu quả bảo vệ khoảng cách, đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.