Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện đại, điện năng đóng vai trò thiết yếu trong sản xuất và sinh hoạt. Tại các trạm biến áp 110/220kV, máy biến áp lực là thiết bị quan trọng nhất, đảm bảo truyền tải và phân phối điện năng ổn định. Để bảo vệ máy biến áp này, hệ thống bảo vệ so lệch (bảo vệ 87T) được sử dụng làm bảo vệ chính nhờ tính chọn lọc và độ nhạy cao. Tuy nhiên, trong thực tế, dòng không cân bằng lớn do các yếu tố như tổ đấu dây, tỷ số biến dòng, sóng hài, dòng từ hóa, bão hòa mạch từ có thể gây tác động nhầm cho bảo vệ so lệch, làm giảm độ tin cậy của hệ thống.

Luận văn tập trung phân tích, đánh giá rơle Micom P63x bảo vệ so lệch máy biến áp tại trạm biến áp 220kV Tân Cảng, một trạm biến áp trọng điểm của TP. Hồ Chí Minh, dự kiến vận hành cuối năm 2019 nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải tăng cao tại các khu đô thị phức hợp cao cấp như Tân Cảng, Ba Son và các quận trung tâm. Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu nguyên lý hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch, đồng thời mô phỏng hoạt động rơle bằng phần mềm Matlab/Simulink để đối chiếu với thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu quả bảo vệ.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào rơle kỹ thuật số Micom P63x tại trạm biến áp 220kV Tân Cảng, với dữ liệu thu thập trong năm 2019. Ý nghĩa nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao chất lượng bảo vệ máy biến áp mà còn hỗ trợ công tác đào tạo và phát triển hệ thống bảo vệ điện hiện đại tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp và mô hình bảo vệ có hãm dòng không cân bằng.

  1. Nguyên lý bảo vệ so lệch (87T): Bảo vệ so sánh dòng điện đi vào và ra của máy biến áp. Khi dòng điện chênh lệch vượt ngưỡng định trước, bảo vệ tác động. Nguyên lý này giúp phát hiện sự cố nội bộ máy biến áp nhanh chóng và chọn lọc.

  2. Bảo vệ so lệch có hãm: Để tránh tác động nhầm do dòng không cân bằng lớn từ các yếu tố bên ngoài như bão hòa CT, sóng hài, bảo vệ sử dụng thuật toán hãm dòng, trong đó dòng hãm (I_H) được tính dựa trên tổng dòng qua máy biến áp nhân với hệ số hãm Kh (thường 0,5). Bảo vệ chỉ tác động khi dòng so lệch (I_LV) vượt dòng hãm.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng so lệch (I_diff), dòng hãm (I_bias), sóng hài bậc 2 và bậc 5, bão hòa mạch từ, tỷ số biến đổi máy biến áp, và đặc tuyến bảo vệ so lệch với các đoạn đặc tính có độ dốc khác nhau nhằm cân bằng giữa độ nhạy và ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật và vận hành thực tế tại trạm biến áp 220kV Tân Cảng, bao gồm thông số rơle Micom P63x, đặc tính máy biến áp, và các sự cố vận hành.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch dựa trên tài liệu chuyên ngành và tiêu chuẩn kỹ thuật. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng rơle Micom P63x, tái hiện các trường hợp vận hành bình thường, đóng điện xung kích, ngắn mạch trong và ngoài vùng bảo vệ.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng các trường hợp sự cố điển hình tại trạm biến áp 220kV Tân Cảng, đảm bảo bao phủ các tình huống vận hành thực tế. Lý do chọn Matlab/Simulink là do khả năng mô phỏng chính xác các đặc tính dòng điện và sóng hài trong hệ thống điện.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2019, 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. Đặc tính hoạt động của rơle Micom P63x: Rơle có khả năng điều chỉnh biên độ và góc pha dòng điện đầu vào, cân bằng dòng điện thứ cấp CT, giúp giảm sai số đo lường. Đặc tuyến bảo vệ gồm ba đoạn với độ dốc 0%, 30% và 70%, cho phép bảo vệ nhạy bén với sự cố nội bộ và ổn định khi có dòng không cân bằng do các yếu tố bên ngoài.

  2. Ảnh hưởng của dòng từ hóa và sóng hài: Dòng từ hóa trong quá trình đóng điện máy biến áp có thể lên đến 200% dòng định mức, gây ra dòng so lệch lớn. Sóng hài bậc 2 và bậc 5 xuất hiện trong dòng xung kích và quá kích thích máy biến áp có thể gây tác động nhầm cho bảo vệ nếu không được khóa đúng cách. Rơle Micom P63x sử dụng khóa sóng hài để ngăn chặn tác động sai, đảm bảo độ tin cậy.

  3. Kết quả mô phỏng các trường hợp sự cố: Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy trong trường hợp vận hành bình thường, dòng so lệch gần bằng 0, bảo vệ không tác động. Khi có sự cố ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng so lệch vượt ngưỡng, rơle tác động nhanh chóng. Trường hợp ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, dòng hãm lớn hơn dòng so lệch, bảo vệ không tác động, thể hiện tính ổn định cao. Tỷ lệ dòng so lệch so với dòng hãm trong các trường hợp này phù hợp với lý thuyết, ví dụ dòng so lệch gấp đôi dòng hãm khi có sự cố trong vùng.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về bảo vệ so lệch máy biến áp, đồng thời bổ sung thêm phân tích chi tiết về rơle Micom P63x và ứng dụng thực tế tại trạm biến áp 220kV Tân Cảng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ra dòng không cân bằng lớn là do hiện tượng bão hòa lõi biến dòng, sóng hài và dòng từ hóa trong quá trình đóng điện và vận hành máy biến áp. Việc sử dụng thuật toán hãm và khóa sóng hài trong rơle Micom P63x giúp giảm thiểu tác động nhầm, nâng cao độ tin cậy bảo vệ. Mô hình mô phỏng bằng Matlab/Simulink cung cấp công cụ hiệu quả để phân tích và kiểm tra các tình huống sự cố, hỗ trợ công tác vận hành và bảo trì.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến bảo vệ so lệch, biểu đồ dòng so lệch và dòng hãm trong các trường hợp vận hành khác nhau, cũng như bảng tổng hợp kết quả mô phỏng thể hiện tỷ lệ dòng và trạng thái tác động của rơle.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu cài đặt rơle Micom P63x: Đề xuất điều chỉnh hệ số hãm Kh và ngưỡng dòng so lệch Id> phù hợp với đặc tính máy biến áp và điều kiện vận hành thực tế nhằm giảm thiểu tác động nhầm, nâng cao độ chính xác bảo vệ. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: Ban kỹ thuật vận hành trạm biến áp.

  2. Nâng cao công tác giám sát và phân tích sóng hài: Triển khai hệ thống đo lường và phân tích sóng hài liên tục tại trạm biến áp để phát hiện sớm các hiện tượng sóng hài gây ảnh hưởng đến bảo vệ. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: Phòng kỹ thuật và bảo trì.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về bảo vệ so lệch và sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink cho kỹ sư vận hành và bảo trì nhằm nâng cao năng lực xử lý sự cố. Thời gian: 3 tháng; chủ thể: Trung tâm đào tạo kỹ thuật điện.

  4. Phát triển mô hình mô phỏng nâng cao: Mở rộng mô hình mô phỏng để bao gồm các yếu tố phức tạp hơn như sự cố đa pha, ảnh hưởng của hệ thống điều khiển từ xa, nhằm hỗ trợ công tác phân tích và dự báo sự cố. Thời gian: 18 tháng; chủ thể: Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nắm vững nguyên lý và thực tiễn vận hành bảo vệ so lệch, áp dụng mô hình mô phỏng để kiểm tra và xử lý sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống bảo vệ điện: Tham khảo các phương pháp tính toán chỉnh định rơle và các yếu tố ảnh hưởng để thiết kế hệ thống bảo vệ tối ưu.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu về bảo vệ máy biến áp và mô phỏng hệ thống điện.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ vai trò và tầm quan trọng của bảo vệ so lệch trong đảm bảo an toàn và tin cậy cung cấp điện, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và phát triển lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bảo vệ so lệch máy biến áp là gì?
    Bảo vệ so lệch (87T) là phương pháp bảo vệ chính cho máy biến áp, dựa trên so sánh dòng điện đi vào và ra của máy biến áp. Khi dòng chênh lệch vượt ngưỡng, bảo vệ tác động để ngắt nguồn, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị.

  2. Tại sao cần sử dụng thuật toán hãm trong bảo vệ so lệch?
    Thuật toán hãm giúp ngăn chặn tác động nhầm do dòng không cân bằng lớn xuất hiện từ các yếu tố như bão hòa CT, sóng hài, dòng từ hóa, đảm bảo bảo vệ chỉ tác động khi có sự cố thực sự trong vùng bảo vệ.

  3. Rơle Micom P63x có những chức năng chính nào?
    Rơle Micom P63x tích hợp các chức năng bảo vệ so lệch, bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá tải nhiệt, ghi nhận sự cố, và giao tiếp với hệ thống SCADA, giúp vận hành nhanh và chính xác.

  4. Mô phỏng Matlab/Simulink hỗ trợ gì trong nghiên cứu bảo vệ?
    Phần mềm cho phép xây dựng mô hình chi tiết của rơle và máy biến áp, mô phỏng các tình huống sự cố khác nhau, phân tích dòng điện và sóng hài, từ đó đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của bảo vệ.

  5. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến độ tin cậy của bảo vệ so lệch?
    Bao gồm sai số biến dòng CT, tổ đấu dây máy biến áp, sóng hài bậc cao, dòng từ hóa trong quá trình đóng điện, bão hòa mạch từ, và điều chỉnh nấc phân áp. Việc cân bằng và điều chỉnh các yếu tố này là cần thiết để bảo vệ hoạt động chính xác.

Kết luận

  • Rơle Micom P63x bảo vệ so lệch máy biến áp tại trạm 220kV Tân Cảng hoạt động hiệu quả, đáp ứng yêu cầu bảo vệ chính xác và tin cậy trong các điều kiện vận hành khác nhau.
  • Thuật toán hãm và khóa sóng hài giúp giảm thiểu tác động nhầm do dòng không cân bằng và sóng hài, nâng cao độ ổn định của bảo vệ.
  • Mô hình mô phỏng Matlab/Simulink là công cụ hữu ích để phân tích, đánh giá và tối ưu hóa các thông số bảo vệ.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, hỗ trợ vận hành an toàn, giảm thiểu sự cố và tổn thất trong hệ thống điện.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu cài đặt, giám sát sóng hài, đào tạo nhân lực và phát triển mô hình mô phỏng nâng cao sẽ góp phần nâng cao hiệu quả bảo vệ trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các đề xuất cải tiến trong vận hành trạm biến áp, triển khai đào tạo và mở rộng nghiên cứu mô phỏng để nâng cao chất lượng bảo vệ máy biến áp trên toàn hệ thống điện.