Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực hiện đại, rơ le bảo vệ có thể chỉ cần tác động trong 0,15 giây trong suốt hơn 30 năm vận hành, nhưng sai số tác động có thể gây mất điện diện rộng và thiệt hại hàng tỷ đồng. Tại khu vực tỉnh Tiền Giang và các vùng lân cận thuộc Đồng bằng sông Cửu Long, nhu cầu phụ tải công nghiệp tăng trưởng trên 8% mỗi năm đặt ra yêu cầu cấp thiết về độ tin cậy cung cấp điện. Tuy nhiên, trước năm 2020, địa bàn chưa có đơn vị tại chỗ nào cung cấp dịch vụ kiểm định chuyên sâu cho hệ thống rơ le bảo vệ trạm biến áp. Đề tài kiểm định các chức năng bảo vệ rơ le bằng thiết bị PTE-100-C do học viên Bùi Nhân Tôn thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phúc Khải tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (chuyên ngành Quản lý năng lượng, mã số 60340406) đã giải quyết triệt để bài toán thực tiễn này. Nghiên cứu tập trung đánh giá, xây dựng quy trình và thực nghiệm kiểm định các chức năng bảo vệ trọng yếu như quá dòng có thời gian (ANSI 51), cắt nhanh (ANSI 50), bảo vệ chạm đất (ANSI 50N/51N) và kém áp (ANSI 27) trên các dòng rơ le số phổ biến gồm Mikro NX232A và Schneider Easergy P3. Bằng việc ứng dụng hợp bộ thử nghiệm xách tay PTE-100-C đạt cấp chính xác 1% với khả năng phát dòng lên đến 250A và công suất 1.000VA, công trình giúp Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Tiền Giang làm chủ công nghệ kiểm định, giảm 100% chi phí vận chuyển thiết bị lên tuyến trên, đồng thời rút ngắn thời gian xử lý sự cố từ nhiều ngày xuống dưới 4 giờ làm việc.

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 kỹ thuật số và các quy chuẩn kỹ thuật quốc tế. Trọng tâm lý thuyết là phương trình đặc tuyến thời gian trễ phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEC 60255-3: thời gian tác động t = (k * 13.5) / ((I / I_start) - 1), ứng với đặc tuyến rất dốc (Very Inverse) có hệ số alpha bằng 1 và beta bằng 13.5. Hệ thống chức năng bảo vệ được phân loại chặt chẽ theo tiêu chuẩn mã hóa ANSI C37.2, bao gồm bảo vệ quá dòng pha (ANSI 50/51), bảo vệ dòng chạm đất (ANSI 50N/51N), bảo vệ kém áp (ANSI 27) và bảo vệ thấp dòng (ANSI 37). Cơ sở kiểm định dựa trên nguyên lý bơm dòng - áp nhị thứ (Secondary Injection Testing) nhằm đánh giá 3 khái niệm đo lường cốt lõi: giá trị khởi động (Pick-up), giá trị trở về (Drop-out) và hệ số trở về (thường dao động từ 0.95 đến 0.98). Thiết bị chuẩn PTE-100-C do hãng SMC sản xuất tích hợp bộ vi xử lý 8-bit, cung cấp dải dòng điện xoay chiều biến đổi 0 - 250A, điện áp xoay chiều 0 - 250V và điện áp một chiều lên đến 350V với độ phân giải thời gian đạt 1 ms.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập qua phương pháp thực nghiệm đo đạc trực tiếp trong môi trường phòng thí nghiệm tiêu chuẩn tại Tiền Giang từ tháng 01/2020 đến tháng 05/2020. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 2 thiết bị rơ le số đại diện tiêu biểu: rơ le chạm đất chuyên dụng Mikro NX232A (dòng định mức 5A, tần số 50/60Hz, cấp chính xác 5%) và rơ le đa chức năng kỹ thuật số Schneider Easergy P3U30-5AAA2BCAA. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng vì đây là hai dòng thiết bị chiếm hơn 60% thị phần lắp đặt tại các trạm biến áp phân phối trung thế 22kV trong khu vực. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm bơm dòng nhị thứ kết hợp đo thời gian số hóa là nhằm mô phỏng chính xác trạng thái sự cố lưới điện mà không làm gián đoạn hệ thống sơ cấp, đồng thời đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người thao tác theo Quy trình an toàn điện EVN. Các dữ liệu đo đạc gồm giá trị dòng điện, thời gian tác động và góc pha được so sánh đối chiếu với giá trị lý thuyết tính toán để xác định sai số tương đối, với ngưỡng đánh giá đạt chuẩn là sai số thời gian dưới 1% và sai số ngưỡng dòng dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thử nghiệm thực tế với bộ nguồn chuẩn PTE-100-C đã ghi nhận những kết quả định lượng chuẩn xác:

Thứ nhất, trên rơ le bảo vệ chạm đất Mikro NX232A cài đặt đặc tuyến Very Inverse (hệ số thời gian k = 0.1, dòng khởi động I_start = 1.0A), khi bơm dòng sự cố thử nghiệm ở mức 2.0A (tương đương 200% dòng định mức), thời gian tác động lý thuyết theo công thức IEC là 1.00 giây. Kết quả đo thực nghiệm qua 2 lần phát dòng lần lượt đạt 0.99 giây và 1.00 giây, ghi nhận mức sai số cực thấp chỉ 0.0% đến 1.0%, hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép 5% của nhà sản xuất.

Thứ hai, chức năng bảo vệ cắt nhanh (High-set I>> = 10.0A) phản hồi tức thời với thời gian tác động ghi nhận trên bộ đếm điện tử là 36 ms, thấp hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn tiêu chuẩn 40 ms đối với bảo vệ tác động nhanh.

Thứ ba, trên rơ le đa chức năng Schneider Easergy P3U30, các phép thử bảo vệ kém áp (ANSI 27) và bảo vệ thấp dòng (ANSI 37) cho thấy ngưỡng tác động Pick-up và Drop-out có độ lệch không vượt quá 2.5% so với giá trị chỉnh định trên phần mềm, với hệ số trở về đạt 0.97.

Thảo luận kết quả

Sự tương thích cao giữa số liệu đo đạc thực nghiệm và giá trị lý thuyết xuất phát từ cấu trúc mạch điều khiển vi xử lý hiện đại cùng độ ổn định phát nguồn của hợp bộ PTE-100-C, giúp loại bỏ hoàn toàn độ trễ cơ khí thường gặp trên các rơ le điện cơ truyền thống. Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ đường cong đặc tính thời gian - dòng điện (T-I Curve), trong đó đường tọa độ đo thực tế bám sát hoàn hảo với đường cong chuẩn IEC 60255-3 mà không xuất hiện điểm gãy. Bảng tổng hợp dữ liệu 3 cột gồm "Dòng điện thử nghiệm - Thời gian lý thuyết - Thời gian thực đo" cung cấp minh chứng rõ ràng về sai số trung bình chỉ 0.8%. So sánh với các nghiên cứu kiểm định rơ le cơ khí trước đây vốn có biên độ sai số từ 8% đến 12%, việc áp dụng thiết bị kiểm định số hóa PTE-100-C cho phép giảm sai số kiểm tra xuống dưới 1.5%, nâng cao độ tin cậy vận hành của toàn bộ hệ thống rơ le bảo vệ trạm.

Đề xuất và khuyến nghị

Để nâng cao chất lượng công tác kiểm định rơ le và đảm bảo an toàn vận hành hệ thống điện lưới, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  • Ban hành quy trình kiểm định rơ le chuẩn hóa gồm 5 bước kỹ thuật tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Tiền Giang, mục tiêu áp dụng thử nghiệm cho 100% các trạm biến áp phân phối trung thế trên địa bàn tỉnh trước quý 4/2021 do đội ngũ kiểm định viên đơn vị chủ trì thực hiện.
  • Đầu tư bổ sung hợp bộ nguồn phụ trợ 3 pha (như module PTE-300-V) trong giai đoạn 2021-2023 nhằm mở rộng phạm vi kiểm định cho các chức năng bảo vệ phức tạp gồm rơ le khoảng cách (ANSI 21) và rơ le so lệch máy biến áp (ANSI 87), nâng tỷ lệ bao phủ dịch vụ kiểm định lên 95%.
  • Xây dựng phần mềm số hóa cơ sở dữ liệu và tự động trích xuất biên bản thí nghiệm rơ le, hướng tới mục tiêu giảm 40% thời gian lập hồ sơ kỹ thuật và hạn chế 100% sai sót nhập liệu thủ công trong năm 2022.
  • Tổ chức định kỳ các khóa đào tạo nâng cao năng lực chuyên môn 6 tháng một lần cho 100% cán bộ kỹ thuật, tập trung vào kỹ năng cấu hình phần cứng nhị thứ, an toàn điện trạm cao thế và sử dụng phần mềm giao tiếp máy tính.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Kiểm định viên và kỹ sư thí nghiệm điện: Nắm vững quy trình từng bước về sơ đồ đấu nối mạch dòng, mạch áp, mạch tiếp điểm ngắt (Trip) và cách vận hành thiết bị tạo nguồn chuẩn PTE-100-C trong điều kiện hiện trường.
  • Đơn vị quản lý vận hành điện lực (Công ty Điện lực Tiền Giang và các tỉnh lân cận): Tham khảo quy trình thử nghiệm định kỳ nhằm tối ưu hóa chu kỳ bảo dưỡng, giảm thiểu chỉ số mất điện MAIFI và SAIDI trên lưới trung áp 22kV.
  • Cán bộ kỹ thuật cơ điện tại các nhà máy, khu công nghiệp: Sử dụng luận văn làm cẩm nang để tự kiểm tra, cấu hình thông số và nghiệm thu các dòng rơ le Mikro NX232A, Schneider P3 trong trạm khách hàng.
  • Giảng viên và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Quản lý Năng lượng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giàu tính thực chứng trong các môn học Bảo vệ Rơ le, Tự động hóa Hệ thống điện và Đo lường điện.

Câu hỏi thường gặp

Thiết bị kiểm định PTE-100-C có khả năng thử nghiệm những chức năng bảo vệ nào theo mã ANSI?
Hợp bộ PTE-100-C hỗ trợ kiểm định đa dạng các chức năng bảo vệ cơ bản và nâng cao, bao gồm bảo vệ kém áp (ANSI 27), bảo vệ thấp dòng (ANSI 37), bảo vệ quá tải nhiệt (ANSI 49), quá dòng cắt nhanh (ANSI 50), quá dòng có thời gian (ANSI 51), quá áp (ANSI 59) và rơ le tự đóng lại (ANSI 79) với độ phân giải thời gian đạt 1 ms.

Tại sao rơ le kỹ thuật số hiện đại vẫn bắt buộc phải kiểm định định kỳ?
Dù rơ le số tích hợp chức năng tự chẩn đoán lỗi (Self-diagnostic), hệ thống này không thể tự kiểm tra độ trôi thông số của biến dòng đo lường nội bộ hoặc sự suy giảm chất lượng tiếp điểm cơ khí ngắt mạch (Trip contact). Kiểm định định kỳ bằng phương pháp bơm dòng nhị thứ bảo đảm rơ le luôn tác động chính xác trong dung sai 5% khi xảy ra sự cố thật.

Công thức tính thời gian tác động của rơ le quá dòng dốc (Very Inverse) được quy định thế nào?
Theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60255-3, thời gian tác động t tính bằng giây tuân theo công thức: t = (13.5 * k) / ((I / I_start) - 1). Trong đó, k là hệ số nhân thời gian, I là dòng điện sự cố thực tế đo được và I_start là ngưỡng dòng điện khởi động được cài đặt trong rơ le.

Những nguyên tắc an toàn bắt buộc nào phải tuân thủ khi kiểm định rơ le tại trạm?
Kiểm định viên phải thực hiện nghiêm ngặt quy định ngắn mạch toàn bộ cuộn thứ cấp của biến dòng điện (CT) và hở mạch biến điện áp (VT) trước khi đấu nối. Đồng thời, thiết bị hợp bộ PTE-100-C phải được nối đất an toàn và cô lập hoàn toàn mạch ngắt máy cắt trước khi phát dòng thử nghiệm.

Tiêu chuẩn đánh giá một rơ le đạt yêu cầu kiểm định bao gồm những tiêu chí nào?
Rơ le được kết luận đạt tiêu chuẩn khi trạng thái ngoại quan nguyên vẹn, sai số đo lường dòng áp dưới ngưỡng quy định, giá trị dòng khởi động (Pick-up) và dòng trở về (Drop-out) lệch không quá 5% so với giá trị cài đặt, cùng thời gian tác động cắt nhanh dưới 40 ms.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình kiểm định nhị thứ chuẩn hóa cho các dòng rơ le bảo vệ kỹ thuật số bằng hợp bộ xách tay PTE-100-C.
  • Kết quả thực nghiệm trên rơ le Mikro NX232A và Schneider Easergy P3 chứng minh độ chính xác vượt trội với sai số thời gian tác động dưới 1.0% và thời gian cắt nhanh đạt 36 ms.
  • Đề tài đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực giúp Trung tâm Đo lường Tiền Giang tự chủ dịch vụ thử nghiệm tại chỗ, tiết kiệm 100% chi phí vận chuyển thiết bị ngoại tỉnh.
  • Đề xuất lộ trình mở rộng nâng cấp hệ thống kiểm định 3 pha cho các rơ le phức tạp trong giai đoạn 2021-2023.
  • Các đơn vị quản lý lưới điện và doanh nghiệp công nghiệp hãy chủ động áp dụng quy trình kiểm định định kỳ để bảo đảm an toàn tuyệt đối và nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện ngay hôm nay.