Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy Thủy điện Đại Ninh với tổng công suất thiết kế 300 MW (gồm 2 tổ máy phát điện 150 MW) giữ vai trò then chốt trong việc hòa lưới truyền tải điện miền Nam thông qua trạm biến áp 220/110 kV và liên kết với trạm 500 kV Di Linh. Trong hệ thống năng lượng này, máy biến áp tự ngẫu ba pha ba cuộn dây AT3 (220/110/22 kV) là mắt xích liên kết đặc biệt quan trọng giữa khâu sản xuất và mạng lưới truyền tải. Tuy nhiên, bảo vệ so lệch dòng điện (chức năng 87T) – vốn là bảo vệ chính của máy biến áp – thường đối mặt với nguy cơ tác động nhầm do sự xuất hiện của dòng không cân bằng lớn trong các chế độ quá độ. Cụ thể, khi đóng điện xung kích không tải, dòng từ hóa có thể tăng vọt gấp 5 đến 10 lần dòng định mức, tạo ra dòng so lệch tương đương khoảng 200% dòng hãm. Bên cạnh đó, hiện tượng bão hòa mạch từ, quá kích thích điện áp và bão hòa máy biến dòng (CT) đều làm nảy sinh các thành phần sóng hài bậc cao phức tạp, trực tiếp đe dọa độ tin cậy vận hành của rơle.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá chuyên sâu cơ chế tác động của sóng hài đến bảo vệ so lệch máy biến áp, phân tích các giải pháp hạn chế và xây dựng mô hình mô phỏng thuật toán bảo vệ của rơle kỹ thuật số MiCOM P633 trên nền tảng Matlab/Simulink. Nghiên cứu tập trung vào đối tượng máy biến áp AT3 tại Nhà máy Thủy điện Đại Ninh trong giai đoạn vận hành từ năm 2017 đến năm 2018. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc nâng cao độ chọn lọc và độ tin cậy tác động của hệ thống bảo vệ đạt mức tối đa 100%, giảm thiểu thời gian ngừng máy đột xuất do nhảy máy cắt nhầm, đồng thời chuẩn hóa quy trình phân tích sự cố và bồi dưỡng nghiệp vụ cho đội ngũ kỹ sư điện lực tại đơn vị.

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 so lệch có hãm máy biến áp và lý thuyết phân tích sóng hài phi tuyến trong hệ thống điện:

  • Lý thuyết bảo vệ so lệch có hãm: Nguyên lý hoạt động dựa trên việc so sánh vector dòng điện ở tất cả các phía của máy biến áp sau khi đã hiệu chỉnh biên độ và góc lệch pha. Dòng so lệch được tính bằng tổng hình học các dòng điện vào và ra, trong khi dòng hãm được xác định bằng một nửa tổng đại số các dòng điện nhánh. Đặc tuyến tác động của rơle MiCOM P633 được thiết kế theo dạng 3 đoạn gấp khúc: đoạn 1 có độ dốc 0% với ngưỡng khởi động cơ sở là 0.2 lần dòng định mức để bù trừ dòng từ hóa tĩnh (thường dưới 5% dòng danh định); đoạn 2 có độ dốc 30% để bù sai số CT khi dòng hãm tăng tới 4 lần dòng cơ sở; đoạn 3 có độ dốc 70% nhằm ngăn ngừa tác động nhầm khi xảy ra bão hòa CT trong các sự cố ngắn mạch ngoài vùng.
  • Lý thuyết quá độ từ hóa và phát sinh sóng hài: Hiện tượng đóng xung kích máy biến áp không tải được giải thích qua đường cong từ trễ B-H phi tuyến. Khi đóng nguồn vào thời điểm điện áp qua điểm 0 kết hợp với từ dư trong lõi thép đạt mức 1.3 Tesla, mật độ từ cảm tức thời có thể đạt tới 4.7 Tesla, sinh ra dòng xung kích chứa hàm lượng sóng hài bậc 2 rất lớn. Ngoài ra, khi điện áp vượt 30% định mức gây hiện tượng quá kích thích, mật độ từ cảm dâng lên 2.0 Tesla sẽ phát sinh dòng từ hóa chứa chủ yếu sóng hài bậc 5.
  • Các khái niệm khoa học trọng tâm: Bảo vệ so lệch 87T, dòng từ hóa nhảy vọt (inrush current), phương pháp khóa sóng hài (Harmonic Blocking), phương pháp hãm sóng hài (Harmonic Restraint), và kỹ thuật phân tích chuỗi Fourier rời rạc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được trích xuất trực tiếp từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, thông số vận hành thực tế của máy biến áp AT3 (công suất định mức 125 MVA, cấp điện áp 220/110/22 kV) và phiếu chỉnh định chức năng 87T của rơle MiCOM P633 tại Nhà máy Thủy điện Đại Ninh.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên môi trường Matlab/Simulink (sử dụng thư viện Simscape Power Systems). Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 5 kịch bản vận hành điển hình nhằm khảo sát toàn diện mọi tình huống thực tế: chế độ phụ tải bình thường; chế độ đóng xung kích không tải phía 220 kV; chế độ ngắn mạch 3 pha ngoài vùng bảo vệ phía 110 kV; chế độ ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 220 kV khi máy biến áp mang tải; và chế độ ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 22 kV khi không tải. Lý do lựa chọn giải pháp phân tích Fourier trên Simulink là khả năng bóc tách chính xác biên độ và góc pha của thành phần tần số cơ bản 50 Hz, hài bậc 2 (100 Hz) và hài bậc 5 (250 Hz) trong thời gian thực với sai số thuật toán dưới 0.5%, giúp tái hiện trung thực thuật toán xử lý tín hiệu số của rơle MiCOM P633 trong toàn bộ chu kỳ nghiên cứu 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng trên mô hình Matlab/Simulink đã làm sáng tỏ phản ứng của rơle bảo vệ so lệch trong các trạng thái làm việc khác nhau:

  • Khi đóng xung kích không tải phía 220 kV: Biên độ dòng từ hóa cực đại đạt 6.5 lần dòng định mức, trong đó tỷ số biên độ sóng hài bậc 2 so với dòng cơ bản đạt mức 38.4% (vượt xa ngưỡng chỉnh định khóa 15% của rơle). Tín hiệu khóa sóng hài bậc 2 lập tức được kích hoạt trong 15 ms đầu tiên, giữ rơle ở trạng thái an toàn tuyệt đối và không phát lệnh ngắt máy cắt.
  • Khi ngắn mạch 3 pha ngoài vùng bảo vệ phía 110 kV: Dòng hãm tăng đột biến lên 8.2 lần dòng định mức. Mặc dù sai số bão hòa CT tạo ra dòng so lệch giả lập bằng 1.4 lần dòng cơ bản, điểm làm việc thực tế vẫn nằm trọn vẹn trong vùng hãm của đoạn đặc tuyến thứ 3 (độ dốc 70%), đảm bảo bảo vệ không tác động sai.
  • Khi ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 220 kV (có tải 80%): Dòng so lệch tăng vọt lên 5.8 lần dòng định mức trong khi hàm lượng sóng hài bậc 2 chỉ chiếm 3.8% (thấp hơn nhiều so với ngưỡng khóa 15%). Rơle phát tín hiệu ngắt máy cắt chỉ sau 22 ms, loại trừ sự cố kịp thời.
  • Khi ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 22 kV (không tải): Phổ Fourier cho thấy thành phần tần số cơ bản 50 Hz chiếm 98.2% tổng năng lượng dòng điện, rơle xác lập lệnh Trip tức thời sau 20 ms mà không bị bất kỳ sự cản trở nào từ thuật toán khóa hài.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý dẫn đến sự khác biệt rõ rệt giữa dòng đóng xung kích và dòng ngắn mạch nằm ở đặc tính phi tuyến của lõi thép. Khi đóng không tải, từ thông bão hòa một chiều tạo ra dạng sóng dòng điện nhọn đầu và không đối xứng, khiến tỷ trọng sóng hài bậc 2 tăng cao trên 30%. Ngược lại, khi xảy ra ngắn mạch trong vùng, dòng điện mang tính chất cảm kháng thuần túy với chu kỳ đối xứng cao, dẫn đến tỷ lệ hài bậc 2 giảm xuống dưới 5%.

Khi so sánh với phương pháp hãm sóng hài truyền thống (vốn cộng thêm biên độ sóng hài vào dòng hãm để đẩy đặc tuyến lên cao), phương pháp khóa sóng hài bậc 2 và bậc 5 được áp dụng trên rơle MiCOM P633 chứng minh ưu thế vượt trội về tốc độ xử lý khi phản hồi nhanh hơn khoảng 18% và cấu trúc thuật toán đơn giản hơn. Toàn bộ các diễn biến quá độ này được mô tả sinh động thông qua hệ thống đồ thị thời gian của dòng điện 3 pha, phổ phân tích tần số Fourier và quỹ đạo dịch chuyển của điểm làm việc trên mặt phẳng tọa độ dòng so lệch - dòng hãm đối chiếu với đặc tuyến 3 đoạn của rơle.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn cho hệ thống máy biến áp lực, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm khuyến nghị cụ thể:

  • Chuẩn hóa thông số cài đặt rơle: Bộ phận kỹ thuật Nhà máy Thủy điện Đại Ninh cần duy trì ngưỡng khóa sóng hài bậc 2 ở dải giá trị từ 15% đến 18% và ngưỡng khóa sóng hài bậc 5 từ 25% đến 30% trên toàn bộ các rơle MiCOM P633 bảo vệ máy biến áp AT3, AT4 để cân bằng tối ưu giữa độ nhạy sự cố và khả năng chống tác động nhầm.
  • Kiểm định định kỳ đặc tính biến dòng: Đội ngũ bảo trì thực hiện đo lường đường cong từ hóa và kiểm tra sai số tỷ số biến của các CT 220 kV, 110 kV và 22 kV theo chu kỳ 12 tháng/lần, đảm bảo sai số dòng thứ cấp không vượt quá giới hạn 10% khi xuất hiện dòng ngắn mạch cực đại lên tới 40 kA.
  • Ứng dụng thiết bị thử nghiệm thứ cấp tự động: Sử dụng các hợp bộ thử nghiệm rơle tiên tiến có chức năng phát dòng đa hài để kiểm tra thời gian đáp ứng của rơle, đặt mục tiêu thời gian cắt sự cố nội bộ luôn dưới 30 ms trong lộ trình hiện đại hóa trạm biến áp giai đoạn 2024–2026.
  • Tích hợp mô hình mô phỏng vào đào tạo nội bộ: Phòng Kỹ thuật cần chuyển giao mô hình Matlab/Simulink được xây dựng trong luận văn thành bài giảng thực hành phục vụ công tác sát hạch nghề, bồi dưỡng định kỳ cho 100% kỹ sư vận hành và bảo vệ rơle tại nhà máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư bảo vệ rơle và tự động hóa tại các nhà máy điện: Nắm vững phương pháp tính toán chỉnh định chức năng bảo vệ 87T, cách xử lý hiện tượng dòng từ hóa đột biến và cài đặt tối ưu các rơle kỹ thuật số đa chức năng như MiCOM P633, SEL-387 hay SIPROTEC 7UT6.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế và thí nghiệm điện lực: Sử dụng các công thức giải tích và quy trình phối hợp biến dòng CT để thiết kế sơ đồ bảo vệ so lệch cho các máy biến áp lực 110 kV, 220 kV và 500 kV trong hệ thống điện quốc gia.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Khai thác tài liệu làm bài giảng chuyên đề về bảo vệ rơle nâng cao, đồng thời học hỏi phương pháp mô hình hóa các phần tử phi tuyến và thuật toán rơle số trên Matlab/Simulink.
  • Điều độ viên và chuyên viên phân tích sự cố hệ thống điện: Ứng dụng phương pháp phân tích phổ sóng hài Fourier để giải mã các bản ghi sự cố từ rơle, qua đó đánh giá chính xác nguyên nhân tác động của bảo vệ khi xảy ra sự cố trên lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dòng điện từ hóa xung kích lại có thể làm rơle so lệch tác động sai?

Dòng từ hóa nhảy vọt xuất hiện khi đóng máy biến áp không tải chỉ chạy qua cuộn dây sơ cấp mà không có dòng tương ứng ở cuộn thứ cấp. Rơle so lệch nhận diện sự mất cân bằng này như một dòng sự cố nội bộ có độ lớn gấp 5 đến 10 lần dòng định mức, dẫn đến nguy cơ gửi lệnh ngắt máy cắt nếu không có chức năng nhận diện sóng hài.

Ngưỡng cài đặt khóa sóng hài bậc 2 trên rơle MiCOM P633 thường là bao nhiêu?

Trên rơle MiCOM P633, tỷ số giữa dòng sóng hài bậc 2 (100 Hz) và dòng tần số cơ bản (50 Hz) thường được cài đặt trong khoảng từ 15% đến 20%. Khi tỷ số này vượt ngưỡng cài đặt, rơle sẽ tự động khóa lệnh cắt bảo vệ so lệch để ngăn ngừa tác động nhầm trong quá trình đóng điện.

Điểm khác biệt cốt lõi giữa phương pháp khóa sóng hài và phương pháp hãm sóng hài là gì?

Phương pháp hãm sóng hài cộng trực tiếp biên độ sóng hài vào dòng hãm để nâng cao đặc tuyến tác động, giúp bảo vệ làm việc chắc chắn nhưng thời gian phản ứng chậm hơn. Ngược lại, phương pháp khóa sóng hài so sánh tỷ lệ hài với ngưỡng cố định để tạm thời khóa ngắt, mang lại tốc độ tác động nhanh hơn khi xảy ra sự cố thật.

Khi nào hiện tượng quá kích thích máy biến áp xảy ra và rơle xử lý bằng sóng hài bậc mấy?

Hiện tượng quá kích thích xảy ra khi điện áp vận hành tăng cao trên 30% định mức hoặc tần số giảm thấp, làm lõi thép bão hòa sâu ở mức 2.0 Tesla. Dòng từ hóa trong trường hợp này chứa hàm lượng sóng hài bậc 5 rất lớn, do đó rơle sử dụng tỷ số hài bậc 5 vượt ngưỡng 25% đến 30% để khóa bảo vệ so lệch.

Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink có độ tin cậy như thế nào so với rơle thực tế?

Mô hình Matlab/Simulink tái hiện chính xác cấu trúc phần cứng, khối biến đổi đo lường, thuật toán tính toán dòng so lệch - dòng hãm và bộ lọc Fourier của rơle số với sai số dưới 1%, phản ánh trung thực toàn diện các phản ứng đóng cắt thực tế của rơle MiCOM P633 tại hiện trường.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện cơ chế phát sinh sóng hài bậc 2 và bậc 5 do hiện tượng bão hòa mạch từ và đóng xung kích máy biến áp lực.
  • Làm rõ nguyên lý làm việc của đặc tuyến so lệch 3 đoạn có hãm và cơ chế khóa sóng hài trên dòng rơle kỹ thuật số MiCOM P633.
  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số chi tiết hệ thống bảo vệ so lệch máy biến áp AT3 Nhà máy Thủy điện Đại Ninh bằng công cụ Matlab/Simulink.
  • Kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán bảo vệ qua 5 chế độ vận hành điển hình với độ chính xác cao và thời gian tác động dưới 25 ms.
  • Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy để tối ưu hóa phiếu chỉnh định rơle thực tế và phục vụ công tác đào tạo, phân tích sự cố tại các đơn vị điện lực.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm kỹ thuật cần tiếp tục mở rộng mô hình để nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa không đồng đều của các biến dòng thứ cấp trong các chế độ ngắn mạch ngoài có dòng không chu kỳ lớn. Hãy liên hệ với các chuyên gia bảo vệ rơle hoặc truy cập cổng thông tin kỹ thuật điện lực để tham khảo trọn bộ mô hình tính toán chi tiết.