Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung thế 22kV tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh giữ vai trò huyết mạch trong việc cung cấp điện năng liên tục và ổn định cho các hoạt động kinh tế, xã hội. Theo định hướng phát triển giai đoạn 2015 - 2020 của Tổng Công ty Điện lực TP.HCM (EVNHCMC), việc xây dựng trung tâm điều khiển từ xa và hiện đại hóa hệ thống tự động hóa lưới điện phân phối là nhiệm vụ trọng tâm nhằm tối ưu hóa các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI (thời gian mất điện trung bình của khách hàng) và CAIDI (thời gian mất điện trung bình của một lần gián đoạn).

Thực tế vận hành cho thấy lưới điện trung thế được thiết kế theo cấu trúc mạch vòng nhưng luôn vận hành ở chế độ hình tia hở thông qua các điểm mở tối ưu (LBS). Khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc khi thực hiện thao tác chuyển tải cô lập đoạn đường dây bị lỗi, việc tính toán phối hợp bảo vệ rơ le nếu thiếu chính xác sẽ dẫn đến tình trạng rơ le bảo vệ dự phòng cấp trên khởi động trước khi thời gian trì hoãn của bảo vệ chính kết thúc. Hiện tượng này làm sa thải nhầm khoảng 30% đến 50% dung lượng phụ tải lành, gây gián đoạn cấp điện trên diện rộng và làm suy giảm độ tin cậy của toàn hệ thống.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng phương pháp tính toán chỉnh định và phối hợp bảo vệ rơ le quá dòng có thời gian và cắt nhanh cho tuyến dây trung thế điển hình Minh Phụng – Phú Bình thuộc Công ty Điện lực Phú Thọ (nhận nguồn từ trạm 110kV Chợ Lớn và trạm 110kV Trường Đua). Đề tài giải quyết bài toán chọn lọc bảo vệ giữa máy cắt trạm nguồn, thiết bị tự đóng lại Recloser trên trục chính và cầu chì tự rơi ở các nhánh rẽ. Nghiên cứu đảm bảo toàn bộ thời gian loại trừ sự cố của các bảo vệ chính luôn nhỏ hơn 1,0 giây theo đúng quy định tại Điều 9 Thông tư số 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương, đồng thời duy trì bậc phối hợp thời gian tối ưu từ 0,2 giây đến 0,3 giây giữa các cấp bảo vệ liền kề.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết bảo vệ rơ le hiện đại và kỹ thuật phân tích ngắn mạch trong hệ thống điện công nghiệp. Khung lý thuyết cốt lõi bao gồm nguyên lý bảo vệ quá dòng có thời gian (chức năng 51/51N/51G) và bảo vệ quá dòng cắt nhanh tức thời (chức năng 50/50N/50G) tuân thủ theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60255 và IEEE C37.112.

Các khái niệm chuyên ngành chủ đạo được sử dụng gồm:

  • Đặc tuyến thời gian – dòng điện (TCC - Time Current Curve): Họ các đường cong biểu diễn mối quan hệ phi tuyến giữa thời gian tác động và bội số dòng điện ngắn mạch, bao gồm các dạng chuẩn như nghịch suy biến chuẩn (Standard Inverse - SI), nghịch dốc (Very Inverse - VI) và cực dốc (Extremely Inverse - EI).
  • Hệ số nhân thời gian (Time Dial - TD hoặc Hệ số k): Đại lượng dùng để dịch chuyển đường đặc tính TCC lên hoặc xuống, tạo ra khoảng cách thời gian cần thiết giữa bảo vệ chính và bảo vệ dự phòng.
  • Dòng khởi động (Pickup Current): Ngưỡng dòng điện tối thiểu mà khi dòng thứ cấp vượt qua, rơ le sẽ bắt đầu khởi động bộ đếm thời gian.
  • Thiết bị tự đóng lại (Recloser) và thiết bị phân đoạn (Sectionalizer): Khí cụ đóng cắt thông minh tích hợp cảm biến dòng điện và bộ điều khiển điện tử, cho phép thực hiện chu trình đóng cắt tự động để loại trừ khoảng 70% đến 80% các sự cố thoáng qua trên lưới phân phối trên không.

Mô hình nghiên cứu thiết lập sự phối hợp đa tầng: Máy cắt đầu xuất tuyến (trang bị rơ le kỹ thuật số MiCOM P132 hoặc Siemens 7SJ600) phối hợp với Recloser trên đường dây (Entec EVRC2A-NT hoặc Nu-Lec 24kV/27kV, dòng liên tục 630A, dòng cắt ngắn mạch 12,5kA) và hệ thống cầu chì tự rơi FCO/LBFCO (Siba 24kV, AB Chance loại K và T).

   [ Nguồn 110kV ]
          │
    [ Trạm 110kV ] (Máy cắt MC 478 - Relay MiCOM P132 / Siemens 7SJ600)
          │
     Trục chính (Đường dây 22kV)
          │
     [ Recloser ] (Entec / Nu-Lec 24kV - 630A - 12.5kA)
          │
    ┌─────┴────────────────┐
    │                      │
[ Nhánh rẽ A ]       [ Điểm mở LBS ] (Chuyển tải liên lạc)
    │                      │
[ Cầu chì FCO ]     [ Tuyến liên kết ]
    │
[ Trạm biến áp 22/0.4kV ]

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập từ hồ sơ kỹ thuật vận hành thực tế của Công ty Điện lực Phú Thọ thuộc EVNHCMC. Dữ liệu bao gồm thông số ngắn mạch nguồn từ trạm 110kV Chợ Lớn (dòng ngắn mạch 3 pha cực đại đạt 13,8 kA) và trạm 110kV Trường Đua (dòng ngắn mạch 3 pha cực đại đạt 14,2 kA), thông số điện trở và điện kháng của hệ thống cáp ngầm XLPE cùng dây dẫn trần trên không, cùng thông số tổn hao không tải và ngắn mạch của hơn 45 trạm biến áp phân phối phụ tải.

Về phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích. Cỡ mẫu nghiên cứu là tuyến dây trung thế liên lạc Minh Phụng – Phú Bình với tổng chiều dài trục chính và nhánh rẽ khoảng 8,5 km, chia thành nhiều phân đoạn qua các máy cắt MC 478 Minh Phụng, MC 478 Phú Bình, Recloser LLQ 178, Recloser Âu Cơ 231 và điểm dừng tối ưu tại dao cắt tải LBS 351 Lạc Long Quân. Tuyến dây này mang tính đại diện cao cho kết cấu lưới trung thế đô thị có mật độ phụ tải dày đặc và thường xuyên chuyển đổi phương thức vận hành chuyển tải.

Phương pháp phân tích dựa trên việc mô phỏng giải tích mạng điện trên phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT kết hợp đối soát với phần mềm Aspen OneLiner. PSS/ADEPT được lựa chọn vì khả năng phân tích phân bố dòng công suất, tính toán chính xác dòng ngắn mạch đối xứng và không đối xứng tại từng nút, đồng thời cho phép hiển thị trực quan các họ đường cong phối hợp bảo vệ TCC. Timeline nghiên cứu được thực hiện hoàn tất trong giai đoạn từ tháng 04/2019 đến tháng 08/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và kiểm chứng trên phần mềm PSS/ADEPT đã đem lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, việc áp dụng đường đặc tính nghịch dốc (Very Inverse - VI) theo tiêu chuẩn IEC 60255 cho rơ le xuất tuyến và Recloser mang lại hiệu quả vượt trội so với đường cong nghịch chuẩn (Standard Inverse - SI). Tại vị trí đầu xuất tuyến Minh Phụng với dòng ngắn mạch 3 pha cực đại 6.250 A và cuối phân đoạn tại Recloser LLQ 178 với dòng ngắn mạch 2.150 A, đường cong VI giúp giảm thời gian loại trừ sự cố từ 0,65 giây xuống còn 0,32 giây (rút ngắn hơn 50% thời gian tác động). Điều này giảm đáng kể ứng suất nhiệt và ứng suất điện động tác động lên cách điện của cáp ngầm 22kV.

Thứ hai, việc cài đặt ngưỡng dòng cắt nhanh tức thời (chức năng 50P/50N) ở mức 120% đến 150% giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất đi qua thanh cái phía sau đã khoanh vùng tác động tức thời trong thời gian cực ngắn (dưới 0,05 giây). Giải pháp này loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nhảy cấp lan truyền về máy cắt nguồn 110kV khi sự cố xảy ra sâu trong các nhánh rẽ phân phối.

Thứ ba, sự thay đổi chế độ vận hành khi chuyển tải gây ra biến động lớn về mức dòng ngắn mạch. Khi chuyển đổi điểm mở tối ưu từ LBS 351 Lạc Long Quân sang LBS 349 Lạc Long Quân (tuyến Minh Phụng nhận thêm phụ tải từ tuyến Phú Bình), dòng ngắn mạch 1 pha chạm đất tại Recloser LLQ 178 giảm từ 1.850 A xuống còn 1.420 A (giảm 23,2%). Do đó, hệ số đặt thời gian Time Dial của Recloser LLQ 178 cần được hiệu chỉnh từ TD = 0,15 lên TD = 0,22 để duy trì khoảng thời gian phối hợp chọn lọc an toàn $\Delta t \ge 0,25\text{ s}$ với Recloser cấp sau.

+-------------------+-----------------+-----------------+-----------------+
| Vị trí sự cố      | Dòng ngắn mạch  | Thời gian cắt   | Thời gian cắt   |
| (Nút phân đoạn)   | 3 pha (Ampe)    | Đặc tuyến SI (s)| Đặc tuyến VI (s)|
+-------------------+-----------------+-----------------+-----------------+
| Đầu tuyến (N1)    |     6.250 A     |     0,65 s      |     0,32 s      |
| Phân đoạn giữa (N3)|     3.820 A     |     0,82 s      |     0,48 s      |
| Cuối phân đoạn (N6)|     2.150 A     |     1,12 s      |     0,71 s      |
+-------------------+-----------------+-----------------+-----------------+

Thảo luận kết quả

Các kết quả phối hợp bảo vệ được thể hiện một cách trực quan thông qua đồ thị tọa độ logarit kép (log-log) biểu diễn đường cong đặc tính thời gian - dòng điện TCC. Trên cùng một mặt phẳng tọa độ, đường cong nóng chảy và cắt hoàn toàn của cầu chì hạt Siba 24kV nhánh rẽ nằm hoàn toàn bên dưới đường đặc tính của Recloser Entec, và đường đặc tính Recloser nằm cách biệt phía dưới đường đặc tính rơ le MiCOM P132 trạm nguồn với khoảng giãn cách thời gian ổn định từ 0,20 giây đến 0,28 giây.

Thời gian (s)
 ▲
 │  ┌─────────────────────────┐  Đặc tuyến Relay Trạm nguồn (MiCOM P132)
1.0 ┤  │                      │
    │  └───┬──────────────────┘
    │      │  ◄── Bậc phối hợp Δt = 0.25s
0.5 ┤      └──┬──────────────┐   Đặc tuyến Recloser trên tuyến (Entec)
    │         │              │
    │         └───┬──────────┘
0.1 ┤             │  ◄── Bậc phối hợp Δt = 0.20s
    │             └───────────   Đặc tính chảy Cầu chì nhánh (FCO Siba)
0.01┼──────────────┬─────────────┬─────────────► Dòng điện (A)
   100            1000          10000

Bảng tổng hợp dòng ngắn mạch tại 6 điểm phân đoạn trọng yếu N1 đến N6 chỉ ra rằng độ lệch dòng ngắn mạch giữa các điểm liền kề luôn đạt từ 15% đến 35%. Đây là điều kiện lý tưởng để thiết lập bảo vệ quá dòng phân cấp có chọn lọc.

So sánh với phương pháp cài đặt hiện hành đang dùng phần mềm Aspen OneLiner tại EVNHCMC, các bộ thông số tính toán từ PSS/ADEPT cho thấy sự tương thích và chuẩn xác lên tới 98,5%. Điểm khác biệt quan trọng là nghiên cứu đã đề xuất bổ sung chức năng cắt nhanh tức thời (50) có chọn lọc cho các đoạn cáp đầu nguồn, giải quyết triệt để vấn đề thời gian duy trì sự cố bị kéo dài. Toàn bộ các kịch bản sự cố mô phỏng đều chứng minh thời gian cắt của bảo vệ chính dao động trong khoảng 0,05 giây đến 0,48 giây, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu khắt khe dưới 1,0 giây của Thông tư 39/2015/TT-BCT, ngăn ngừa sự cố mất điện lan truyền và nâng cao tính liên tục trong cung cấp điện.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm hoàn thiện công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối:

  1. Chuẩn hóa cài đặt đa nhóm thông số (Multi-setting Groups) trên Recloser và rơ le kỹ thuật số: Công ty Điện lực Phú Thọ cần kích hoạt tối thiểu 02 đến 04 nhóm thông số chỉnh định độc lập trên các thiết bị Recloser Entec và rơ le trạm nguồn. Mục tiêu là tự động chuyển đổi bộ thông số bảo vệ tương thích với kịch bản bình thường và kịch bản chuyển tải trong thời gian dưới 0,5 giây thông qua tín hiệu điều khiển từ xa. Chủ thể thực hiện: Phòng Điều độ và Kỹ thuật; Thời hạn hoàn thành: Quý 1 năm 2020.

  2. Chuyển đổi đồng bộ sang đường đặc tính nghịch dốc (Very Inverse) cho toàn bộ xuất tuyến 22kV: Thay thế các đường cong nghịch chuẩn (Standard Inverse) hiện hữu bằng đường cong VI trên các rơ le bảo vệ lộ ra nhằm rút ngắn thời gian cắt dòng ngắn mạch lớn xuống dưới 0,4 giây tại vùng đầu tuyến. Chủ thể thực hiện: Đội Quản lý Vận hành Lưới điện; Thời gian triển khai: Trong vòng 6 tháng.

  3. Thiết lập quy trình kiểm tra chéo bằng phần mềm PSS/ADEPT song song với Aspen OneLiner: EVNHCMC cần đưa PSS/ADEPT vào danh mục công cụ bắt buộc để thẩm định và kiểm tra độc lập các phương án chỉnh định rơ le trước khi phê duyệt phương thức vận hành mới, nhằm loại bỏ 100% lỗi cài đặt chồng chéo bảo vệ. Chủ thể thực hiện: Ban Kỹ thuật EVNHCMC; Thời hạn: Áp dụng định kỳ hàng quý.

  4. Nâng cấp hạ tầng truyền thông SCADA sang giao thức IEC 60870-5-104 trên mạng cáp quang và 4G: Từng bước thay thế giao thức IEC 60870-5-101 dùng cổng nối tiếp RS-232 cũ có tốc độ thấp 9.600 bps bằng giao thức IEC 104 qua mạng băng rộng tốc độ trên 100 Mbps, giảm độ trễ truyền dữ liệu đo lường và cảnh báo sự cố xuống dưới 2 giây. Chủ thể thực hiện: Ban Viễn thông và Công nghệ Thông tin; Lộ trình thực hiện: Giai đoạn 2020 - 2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng trong ngành điện lực:

  • Kỹ sư điều độ và kỹ sư bảo vệ rơ le tại các Công ty Điện lực: Nắm vững phương pháp tính toán chỉnh định dòng khởi động, bậc thời gian Time Dial và lựa chọn đặc tuyến TCC tối ưu cho các thiết bị đóng cắt bảo vệ trên lưới trung thế 22kV đô thị.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật và vận hành hệ thống điện phân phối: Có thêm cơ sở khoa học để xây dựng các kịch bản chuyển tải linh hoạt, tối ưu hóa quá trình tự động hóa lưới điện và cải thiện rõ rệt các chỉ số SAIDI, SAIFI của đơn vị.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện / Hệ thống Điện: Sử dụng luận văn như tài liệu học thuật tham khảo chuyên sâu về phân tích ngắn mạch thực tế và ứng dụng phần mềm chuyên ngành PSS/ADEPT trong bài toán bảo vệ hệ thống điện.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống SCADA/DMS: Tham khảo nguyên lý tích hợp Recloser thông minh, cấu hình truyền thông chuẩn IEC 60870-5-101/104 và giải pháp phối hợp khí cụ đóng cắt trong các dự án hiện đại hóa lưới điện thông minh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao lưới điện trung thế TP.HCM được thiết kế dạng mạch vòng nhưng luôn vận hành ở chế độ hình tia hở? Lưới điện phân phối được kết nối mạch vòng kín nhưng vận hành hình tia thông qua các điểm mở (như dao phụ tải LBS 351 Lạc Long Quân) nhằm giữ mức dòng ngắn mạch ở ngưỡng an toàn, bảo vệ thiết bị đóng cắt và đơn giản hóa hệ thống rơ le bảo vệ không cần định hướng công suất. Cấu trúc này tạo sự linh hoạt tối đa khi cần chuyển tải cô lập đoạn sự cố trong vòng 1 đến 2 phút qua hệ thống điều khiển xa SCADA.

2. Ưu thế vượt trội của đường đặc tính Very Inverse (VI) so với Standard Inverse (SI) là gì? Đặc tuyến Very Inverse có độ dốc lớn hơn, giúp thời gian tác động của rơ le giảm rất nhanh khi dòng sự cố tăng cao. Trong lưới điện Phú Thọ, khi xảy ra ngắn mạch lớn ở gần nguồn, đặc tính VI giúp cắt sự cố chỉ trong 0,32 giây thay vì 0,65 giây như đặc tính SI, bảo vệ an toàn cho hệ thống cáp ngầm mà vẫn đảm bảo độ chọn lọc với các cấp bảo vệ phía sau.

3. Bậc phối hợp thời gian ($\Delta t$) giữa Recloser và rơ le máy cắt nguồn được chọn dựa trên nguyên tắc nào? Bậc phối hợp thời gian $\Delta t$ chuẩn được chọn từ 0,2 giây đến 0,3 giây. Giá trị này bao gồm thời gian cắt cơ khí của máy cắt (khoảng 0,05 giây), sai số tính toán và đo lường của rơ le kỹ thuật số (khoảng 0,05 giây), thời gian trễ của quán tính cơ cấu rơ le (khoảng 0,05 giây) cùng hệ số an toàn dự phòng nhằm đảm bảo thiết bị cấp dưới luôn tác động trước thiết bị cấp trên.

4. Khi thực hiện chuyển tải trên lưới điện, làm thế nào để đảm bảo hệ thống bảo vệ không bị tác động nhầm? Khi chuyển tải, tổng trở nguồn thay đổi làm dòng ngắn mạch tại các điểm giảm xuống. Giải pháp tối ưu là sử dụng các Recloser và rơ le thông minh có tính năng đa nhóm cài đặt (Multi-groups). Khi trung tâm điều khiển SCADA thực hiện đóng dao liên lạc chuyển tải, hệ thống sẽ đồng thời gửi tín hiệu chuyển đổi sang bộ thông số cài đặt tương ứng trong vòng dưới 1 giây để giữ vững tính chọn lọc bảo vệ.

5. Điểm mới của việc áp dụng phần mềm PSS/ADEPT trong nghiên cứu này là gì? Trước đây, EVNHCMC chủ yếu sử dụng phần mềm Aspen OneLiner để tính toán bảo vệ. Luận văn đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT (vốn dùng để phân tích độ tin cậy) để mô phỏng ngắn mạch và phối hợp đường đặc tính TCC. Kết quả đạt độ chính xác tương đồng 98,5% so với Aspen OneLiner, mở ra phương án kiểm tra chéo độc lập và hiệu quả cho các Công ty Điện lực.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng hoàn chỉnh phương pháp luận và quy trình tính toán phối hợp bảo vệ rơ le quá dòng (50/51, 50N/51N) cho lưới điện trung thế 22kV điển hình Minh Phụng – Phú Bình thuộc Công ty Điện lực Phú Thọ.
  • Khẳng định tính ưu việt của đường đặc tính Very Inverse (VI) theo chuẩn IEC, giúp rút ngắn trên 50% thời gian loại trừ sự cố và đảm bảo thời gian cắt sự cố luôn dưới 1,0 giây theo quy định của Thông tư số 39/2015/TT-BCT.
  • Giải quyết thành công bài toán phối hợp bảo vệ chọn lọc đa tầng giữa Máy cắt trạm 110kV, Recloser thông minh và cầu chì phân đoạn ở cả chế độ vận hành cơ bản và chế độ chuyển tải linh hoạt.
  • Ứng dụng thành công phần mềm PSS/ADEPT vào việc mô phỏng ngắn mạch và kiểm tra đặc tuyến TCC với độ tương thích đạt 98,5% so với phần mềm hiện hành Aspen OneLiner.
  • Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy hỗ trợ EVNHCMC nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp điện, giảm thiểu các chỉ số mất điện SAIDI/CAIDI và thúc đẩy lộ trình tự động hóa lưới điện thông minh.

Đóng góp chính của luận văn là đã chuẩn hóa bộ thông số cài đặt thực tế và đề xuất giải pháp đa nhóm chỉnh định rơ le cho lưới điện phân phối đô thị trong giai đoạn 2020 - 2025. Các kỹ sư vận hành và đơn vị quản lý lưới điện nên áp dụng ngay quy trình phối hợp bảo vệ này để tối ưu hóa độ tin cậy và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện.