Thử Nghiệm Chức Năng Bảo Vệ So Lệch Dựa Trên Bản Ghi Mô Phỏng

Tài liệu nghiên cứu Thử nghiệm hức năng của bảo vệ so lệch dựa trên bản ghi mô phỏng và hợp bộ thử nghiệm rơ le isa, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: Lê Hồng Thủy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Huy
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thử Nghiệm Chức Năng Bảo Vệ So Lệch Dựa Trên Bản Ghi Mô Phỏng Và Hợp Bộ Thử Nghiệm Rơ Le ISA DRTS 66
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích, ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP
• 2.1. Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch máy biến áp (87T)
• 2.2. Đánh giá giá trị đo được
• 2.3. Hãm cộng thêm (Add-on stabillization) khi biến dòng bị bão hoà
• 2.4. Cắt nhanh không hãm với sự cố máy biến áp có dòng lớn
• 2.5. Bảo vệ chạm đất có giới hạn
• 2.6. Đánh giá các đại lượng đo được
• 2.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch máy biến áp
• 2.7.1. Dòng từ hóa mạch từ trong quá trình đóng điện máy biến áp
• 2.7.2. Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích máy biến áp
• 2.7.3. Dòng từ hóa trong quá trình sự cố ngoài vùng
• 2.7.4. Quá kích thích máy biến áp
• 2.7.5. Tỉ số biến đổi máy biến áp
• 2.8. Sơ đồ thuật toán bảo vệ so lệch
• 2.8.1. Quy đổi dòng điện theo tổ đấu dây của máy biến áp
• 3. CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN BẢO VỆ SO LỆCH SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK
• 3.1. Mô hình mô phỏng
• 3.2. Khối sự cố
• 3.3. Mô phỏng máy biến dòng
• 3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.4.1. Đóng xung kích 110kV máy biến áp
• 3.4.2. Sự cố ngoài vùng bảo vệ
• 3.4.2.1. Sự cố ngắn mạch 3 pha ngoài vùng phía 35kV
• 3.4.2.2. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B ngoài vùng phía 35kV
• 3.4.2.3. Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B ngoài vùng phía 110kV
• 3.4.2.4. Sự cố ngắn mạch pha A chạm đất ngoài vùng phía 110kV
• 3.4.3. Sự cố trong vùng bảo vệ
• 3.4.3.1. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B trong vùng bảo vệ phía 35kV
• 3.4.3.2. Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 35kV
• 3.4.3.3. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 3.4.3.4. Sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất A,B trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 3.4.3.5. Sự cố ngắn mạch pha A chạm đất trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 3.4.3.6. Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 4. CHƯƠNG IV: THÍ NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA RƠ LE KỸ THUẬT SỐ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP 7UT613 VỚI CÁC BẢN GHI SỰ CỐ ĐÃ ĐƯỢC MÔ PHỎNG. SO SÁNH BẢN GHI MÔ PHỎNG VÀ BẢN GHI SỰ CỐ TRONG RƠ LE ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
• 4.1. Giới thiệu, hướng dẫn sử dụng hộp bộ thí nghiệm ISA DRTS66
• 4.1.1. Các phụ kiện tiêu chuẩn sử dụng khi vận hành ISA DRTS66
• 4.1.2. Điều khiển bằng phím trên thiết bị
• 4.1.3. Điều khiển bằng phần mềm trên máy tính
• 4.1.4. Chức năng của các đầu vào ra, phát dòng, áp
• 4.2. Thí nghiệm sự làm việc của rơ le 7UT613
• 4.3. So sánh và đánh giá bản ghi đã mô phỏng và bản ghi sự cố trong rơ le sau khi thí nghiệm
• 4.3.1. Đóng xung kích 110kV máy biến áp
• 4.3.2. Sự cố ngoài vùng bảo vệ
• 4.3.2.1. Sự cố ngắn mạch 3 pha ngoài vùng phía 35kV
• 4.3.2.2. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B ngoài vùng phía 35kV
• 4.3.2.3. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B chạm đất ngoài vùng phía 110kV
• 4.3.2.4. Sự cố ngắn mạch pha A chạm đất ngoài vùng phía 110kV
• 4.3.3. Sự cố trong vùng bảo vệ
• 4.3.3.1. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B trong vùng bảo vệ phía 35kV
• 4.3.3.2. Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 35kV
• 4.3.3.3. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 4.3.3.4. Sự cố ngắn mạch pha A chạm đất trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 4.3.3.5. Sự cố ngắn mạch 2 pha A,B chạm đất trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 4.3.3.6. Sự cố ngắn mạch 3 pha trong vùng bảo vệ phía 110kV
• 4.4. Các kết luận chính và đề xuất
• 4.5. Hướng phát triển của luận văn
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Bảo Vệ So Lệch Máy Biến Áp Kỹ Thuật Số 87T

Ngày nay, rơ le bảo vệ so lệch máy biến áp kỹ thuật số đã thay thế hoàn toàn các rơ le điện cơ. Các rơ le này sử dụng các giải thuật dựa trên biến đổi Fourier của các thành phần dòng điện. Luận văn này tập trung nghiên cứu sự làm việc của giải thuật bảo vệ so lệch máy biến áp lực, một thành phần quan trọng trong chức năng bảo vệ MBA. Giải thuật được kiểm nghiệm bằng số liệu thu được từ mô hình mô phỏng sự cố máy biến áp ba pha 110/35 kV với một nguồn cấp phía 110kV. Để tăng tính thực tế, luận văn xét đến hiện tượng bão hòa mạch từ và bão hòa không đồng nhất của máy biến dòng, dựa trên giá trị thí nghiệm thực tế. Từ kết quả mô phỏng và phân tích, mô hình relay so lệch số làm việc đúng và tin cậy, phù hợp với lý thuyết về bảo vệ so lệch MBA.

1.1. Nguyên lý cơ bản của bảo vệ so lệch máy biến áp

Các hệ thống bảo vệ so lệch làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện, cũng được hiểu như hệ thống cân bằng dòng. Nguyên tắc cơ bản là dòng điện đi vào và rời khỏi một đối tượng được bảo vệ phải bằng nhau trong điều kiện bình thường. Bất cứ sự sai lệch nào cũng chỉ thị sự cố bên trong vùng bảo vệ. Các cuộn dây thứ cấp của các biến dòng CT1 và CT2 có cùng tỷ số biến có thể được nối để có được các dòng điện như hình vẽ. Thành phần đo M được nối tại điểm cân bằng điện. Trong điều kiện vận hành bình thường sẽ không có dòng chảy qua thành phần đo M.

1.2. Ưu điểm của bảo vệ so lệch kỹ thuật số so với điện cơ

Bảo vệ so lệch kỹ thuật số có nhiều ưu điểm so với rơ le điện cơ, bao gồm khả năng xử lý tín hiệu nhanh hơn, độ chính xác cao hơn, khả năng thích ứng tốt hơn với các điều kiện vận hành khác nhau, và khả năng tích hợp các chức năng bảo vệ khác. Nó có thể cung cấp đầy đủ dữ liệu thu thập được bằng chức năng ghi sự kiện khi xảy ra sự cố, bao gồm giá trị dòng điện, điện áp, trạng thái tín hiệu đầu vào và trạng thái rơ le đầu ra, được lưu trữ trong tập tin định dạng COMTRADE để phục vụ công tác phân tích và báo cáo sự cố.

II. Thách Thức Của Bảo Vệ So Lệch MBA Số Giải Pháp

Mặc dù bảo vệ so lệch MBA số có nhiều ưu điểm, vẫn tồn tại một số thách thức. Một trong số đó là sự ảnh hưởng của dòng từ hóa (inrush current) khi đóng điện máy biến áp, có thể gây ra tác động nhầm. Các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích và quá kích thích máy biến áp cũng là những yếu tố cần xem xét. Luận văn này đề xuất các phương pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này, bao gồm sử dụng thuật toán lọc sóng hài, và kỹ thuật hãm (restraint) dựa trên thành phần hài bậc hai. Cần hiểu rõ về các yếu tố này để đảm bảo độ nhạy bảo vệ so lệch và tính chọn lọc.

2.1. Ảnh hưởng của dòng từ hóa đến bảo vệ so lệch

Dòng từ hóa (inrush current) xuất hiện khi đóng điện máy biến áp không tải hoặc khi có sự thay đổi điện áp đột ngột. Dòng này chứa nhiều thành phần hài, đặc biệt là hài bậc hai, và có thể gây ra sai lệch trong dòng so lệch, dẫn đến tác động nhầm của bảo vệ. Theo [Tài liệu gốc], cần sử dụng các biện pháp như lọc sóng hài hoặc hãm dựa trên thành phần hài bậc hai để ngăn chặn tác động nhầm do dòng từ hóa.

2.2. Ổn định bảo vệ so lệch khi có bão hòa máy biến dòng

Khi có sự cố ngoài vùng, dòng điện ngắn mạch lớn có thể gây bão hòa máy biến dòng, dẫn đến sai lệch trong dòng so lệch. Cần có các biện pháp để ổn định bảo vệ so lệch trong điều kiện này, chẳng hạn như sử dụng thuật toán hãm (restraint) dựa trên dòng điện hãm (I_stab). Thuật toán này sẽ tăng ngưỡng tác động của bảo vệ khi dòng điện hãm tăng lên, giúp ngăn chặn tác động nhầm do bão hòa máy biến dòng. Tham khảo các nghiên cứu về ổn định bảo vệ so lệch để hiểu rõ hơn về các phương pháp này.

2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch máy biến áp

Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch MBA bao gồm dòng từ hóa mạch từ trong quá trình đóng điện máy biến áp, các thành phần sóng hài trong quá trình đóng xung kích máy biến áp, dòng từ hóa trong quá trình sự cố ngoài vùng, quá kích thích máy biến áp, tỉ số biến đổi máy biến áp. Cần có các biện pháp để ổn định bảo vệ so lệch trong điều kiện này, chẳng hạn như sử dụng thuật toán hãm (restraint) dựa trên dòng điện hãm.

III. Cách Tính Toán Mô Phỏng Bảo Vệ So Lệch Bằng Matlab

Luận văn sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng và tính toán bảo vệ so lệch MBA. Mô hình bao gồm các khối mô phỏng máy biến áp, máy biến dòng, và các khối tính toán dòng so lệch và dòng hãm. Việc mô phỏng cho phép kiểm tra hoạt động của thuật toán bảo vệ so lệch trong các điều kiện sự cố khác nhau, bao gồm ngắn mạch trong và ngoài vùng bảo vệ. Kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá độ nhạy, độ tin cậy và thời gian tác động bảo vệ so lệch. Các tham số của mô hình được điều chỉnh dựa trên đặc tính của các thiết bị thực tế.

3.1. Xây dựng mô hình bảo vệ so lệch trong Simulink

Việc xây dựng mô hình bảo vệ so lệch trong Simulink bao gồm việc mô phỏng các thành phần chính như máy biến áp, máy biến dòng, và các khối tính toán. Máy biến áp được mô phỏng bằng các khối Transformer trong Simulink, với các tham số như điện áp, công suất, và tổ đấu dây. Máy biến dòng được mô phỏng bằng các khối Current Transformer, với các đặc tính bão hòa được nhập vào từ dữ liệu thí nghiệm thực tế. Khối tính toán dòng so lệch và dòng hãm được xây dựng bằng các khối toán học trong Simulink.

3.2. Mô phỏng các loại sự cố và phân tích kết quả

Sau khi xây dựng mô hình, các loại sự cố khác nhau được mô phỏng, bao gồm ngắn mạch trong vùng bảo vệ, ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, và đóng điện máy biến áp. Kết quả mô phỏng được phân tích để đánh giá hoạt động của bảo vệ so lệch, bao gồm độ nhạy, độ tin cậy, và thời gian tác động. Dòng điện các phía, dòng điện so lệch, và dòng điện hãm được hiển thị trên đồ thị để phân tích.

3.3. Kết quả mô phỏng dòng điện khi đóng xung kích máy biến áp

Mô phỏng cho thấy dạng sóng dòng điện khi đóng xung kích máy biến áp phía 110kV. Kết quả mô phỏng dòng điện các phía và dòng so lệch của máy biến áp khi ngắn mạch 3 pha ngoài vùng phía 35kV.Kết quả mô phỏng dòng điện các phía và dòng so lệch của máy biến áp khi ngắn mạch 2 pha A,B ngoài vùng phía 35kV.

IV. Thí Nghiệm Bảo Vệ So Lệch Số 7UT613 Với Bản Ghi Sự Cố

Để kiểm chứng kết quả mô phỏng, luận văn tiến hành thí nghiệm rơ le kỹ thuật số Siemens 7UT613. Các bản ghi sự cố từ mô phỏng được đưa vào rơ le thông qua hợp bộ thí nghiệm ISA DRTS66. Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình và đặc tính bảo vệ so lệch của rơ le. Việc thí nghiệm thực tế giúp xác định các sai số có thể phát sinh trong quá trình mô phỏng và đánh giá khả năng hoạt động của rơ le trong điều kiện thực tế.

4.1. Giới thiệu và hướng dẫn sử dụng hợp bộ ISA DRTS66

Hợp bộ ISA DRTS66 là một thiết bị thí nghiệm đa năng được sử dụng để kiểm tra và thử nghiệm các rơ le bảo vệ. Nó có khả năng tạo ra các tín hiệu dòng điện, điện áp, và tần số khác nhau để mô phỏng các điều kiện sự cố trên lưới điện. Hợp bộ cũng có khả năng ghi lại các tín hiệu đo được từ rơ le để phân tích. Việc sử dụng hợp bộ ISA DRTS66 giúp tăng tính chính xác và tin cậy của quá trình thí nghiệm.

4.2. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm thực tế

Kết quả thí nghiệm thực tế được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình và đặc tính bảo vệ của rơ le. Các sai số có thể phát sinh do các yếu tố như sai số của máy biến dòng, sai số của các thiết bị đo lường, và sai số của các thuật toán tính toán. Việc so sánh giúp xác định các sai số này và đưa ra các điều chỉnh phù hợp để cải thiện độ chính xác của mô hình và hiệu suất của bảo vệ.

4.3. Thí nghiệm rơ le 7UT613 với các bản ghi đã mô phỏng

Các bản ghi sự cố đã mô phỏng được đưa vào rơ le 7UT613 thông qua hợp bộ ISA DRTS66. Từ đó đưa ra các đánh giá, góp ý đến các thông số máy biến dòng điện, cài đặt chỉnh định rơ le.7UT613.Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình và đặc tính bảo vệ so lệch của rơ le.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Bảo Vệ So Lệch Tương Lai

Luận văn đã nghiên cứu và thử nghiệm chức năng bảo vệ so lệch MBA dựa trên bản ghi mô phỏng và hợp bộ thí nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình và giải thuật bảo vệ làm việc đúng và tin cậy. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều yếu tố có thể được nghiên cứu sâu hơn, như mô phỏng các sự cố chạm chập bên trong vòng dây máy biến áp. Hướng phát triển của luận văn là nghiên cứu các hệ thống bảo vệ thông minh (Smart Grid) và ứng dụng giao thức truyền thông IEC 61850 trong bảo vệ MBA.

5.1. Tổng kết các kết quả chính và đề xuất cải tiến

Các kết quả chính của luận văn là đã xây dựng được mô hình bảo vệ so lệch trong Matlab/Simulink, đã thí nghiệm được rơ le thực tế với các bản ghi mô phỏng, và đã so sánh được kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm. Đề xuất cải tiến bao gồm nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của bảo vệ, mô phỏng các sự cố phức tạp hơn, và tích hợp các chức năng bảo vệ khác.

5.2. Triển vọng ứng dụng bảo vệ so lệch trong lưới điện thông minh

Hệ thống bảo vệ so lệch có vai trò quan trọng trong lưới điện thông minh, giúp bảo vệ máy biến áp khỏi các sự cố và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Việc ứng dụng giao thức truyền thông IEC 61850 giúp tăng cường khả năng trao đổi thông tin giữa các thiết bị bảo vệ, cho phép thực hiện các chức năng bảo vệ phức tạp hơn và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

5.3. Hướng phát triển luận văn trong tương lai

Hướng phát triển của luận văn là nghiên cứu các hệ thống bảo vệ thông minh (Smart Grid) và ứng dụng giao thức truyền thông IEC 61850 trong bảo vệ MBA. Các nội dung này có thể được triển khai trong các nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành điện lực, việc bảo vệ máy biến áp khỏi các sự cố trên lưới điện là một vấn đề thiết yếu nhằm đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống. Theo báo cáo của ngành, máy biến áp 110/35 kV với công suất khoảng 63 MVA được sử dụng phổ biến trong các trạm biến áp hiện nay. Bảo vệ so lệch máy biến áp (87T) là giải pháp chính được áp dụng để phát hiện và ngăn ngừa các sự cố nội bộ, đồng thời tránh tác động nhầm gây mất điện không cần thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu chức năng của bảo vệ so lệch kỹ thuật số dựa trên bản ghi mô phỏng và hợp bộ thử nghiệm rơ le ISA DRTS66, với phạm vi nghiên cứu trên mô hình máy biến áp ba pha 110/35 kV, trong khoảng thời gian thực nghiệm năm 2018 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm phân tích và kiểm nghiệm giải thuật bảo vệ so lệch sử dụng biến đổi Fourier trên dòng điện các phía máy biến áp, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như bão hòa mạch từ và bão hòa không đồng nhất máy biến dòng đến độ chính xác của bảo vệ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ, hỗ trợ phân tích bản ghi sự cố và tối ưu hóa cài đặt rơ le bảo vệ trong thực tế vận hành.

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 (87T) và bảo vệ chạm đất có giới hạn (87REF). Nguyên lý bảo vệ so lệch vận hành dựa trên nguyên tắc cân bằng dòng điện, trong đó dòng điện rời khỏi máy biến áp phải bằng dòng điện đưa vào trong điều kiện bình thường. Dòng so lệch $I_{diff} = |I_1 + I_2|$ được tính toán từ các dòng điện thứ cấp của biến dòng, trong khi dòng hãm $I_{stab} = |I_1| + |I_2|$ dùng để chống lại tác động sai do bão hòa biến dòng hoặc các thành phần sóng hài. Đặc tính làm việc của bảo vệ được mô tả qua các nhánh đặc tính với các ngưỡng dòng khởi động thấp và cao, cùng các biện pháp hãm cộng thêm nhằm giảm thiểu tác động nhầm khi có sự cố ngoài vùng bảo vệ.

Bảo vệ chạm đất có giới hạn sử dụng biến dòng trung tính và biến dòng 3 pha để phát hiện sự cố chạm đất trong máy biến áp có điểm trung tính nối đất hoặc điểm trung tính giả. Đại lượng tác động cắt và dòng hãm được xác định qua các thành phần dòng thứ tự không, đảm bảo độ nhạy cao và tính chọn lọc trong các trường hợp sự cố khác nhau.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: dòng so lệch (Idiff), dòng hãm (Istab), sóng hài bậc 2 và bậc 5, bão hòa máy biến dòng, tổ đấu dây máy biến áp, và ma trận quy đổi dòng điện theo tổ đấu dây. Việc quy đổi dòng điện theo tổ đấu dây và tỷ số biến đổi máy biến áp được thực hiện bằng các ma trận hệ số nhằm đảm bảo so sánh chính xác dòng điện các phía.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô hình mô phỏng máy biến áp 3 pha 110/35 kV với công suất 63 MVA, tổ đấu dây Y0/∆-11, sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink. Mô hình mô phỏng bao gồm các khối sự cố mô tả các dạng ngắn mạch (3 pha, 2 pha, 1 pha chạm đất) trong và ngoài vùng bảo vệ, cùng khối bảo vệ so lệch tính toán dòng so lệch và dòng hãm cho từng pha. Đặc tính bão hòa của máy biến dòng được xây dựng dựa trên số liệu thí nghiệm thực tế của biến dòng 400/1 và 2000/1, tăng tính chính xác cho mô phỏng.

Phương pháp phân tích sử dụng giải thuật biến đổi Fourier để phân tích thành phần sóng hài trong dòng điện, kết hợp với thuật toán hãm chéo nhằm loại bỏ tác động sai do sóng hài bậc 2 và bậc 5. Cỡ mẫu mô phỏng được thiết kế phù hợp với các dạng sự cố phổ biến, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn mô phỏng, chuyển đổi bản ghi sự cố theo chuẩn COMTRADE và thí nghiệm trên hợp bộ thử nghiệm rơ le ISA DRTS66.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính dòng so lệch và dòng hãm trong các sự cố ngoài vùng bảo vệ: Mô phỏng ngắn mạch 3 pha ngoài vùng phía 35kV cho thấy dòng điện phía 110kV và 35kV tăng lên rất lớn, nhưng dòng so lệch chỉ đạt khoảng 0.1-0.2 pu và nằm hoàn toàn trong vùng hãm, đảm bảo không gây tác động sai. Tương tự, sự cố 2 pha chạm đất ngoài vùng phía 110kV cũng cho dòng so lệch rất nhỏ, dưới ngưỡng tác động.

2. Phản ứng của bảo vệ khi có sự cố trong vùng bảo vệ: Trong sự cố ngắn mạch 2 pha A,B trong vùng phía 35kV, dòng so lệch tăng mạnh và nhanh chóng vượt ngưỡng tác động, kích hoạt bảo vệ chính xác. Sự cố 3 pha trong vùng bảo vệ phía 35kV cũng cho kết quả tương tự với dòng so lệch tăng lên đến 1.0 pu, thể hiện độ nhạy cao của bảo vệ.

3. Ảnh hưởng của bão hòa máy biến dòng: Đặc tính bão hòa của biến dòng 400/1 và 2000/1 được mô phỏng sát với thực tế, cho thấy khi có bão hòa không đồng nhất, dòng so lệch có thể tăng lên nhưng vẫn nằm trong vùng hãm nhờ cơ chế hãm cộng thêm, giảm thiểu tác động sai.

4. Hiệu quả của thuật toán hãm sóng hài: Việc sử dụng bộ lọc số và hãm chéo giúp loại bỏ tác động sai do sóng hài bậc 2 và bậc 5 trong các trường hợp đóng xung kích máy biến áp không tải, đảm bảo bảo vệ không bị tác động nhầm trong khoảng 15 chu kỳ đầu.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thí nghiệm trên hợp bộ ISA DRTS66 cho thấy mô hình bảo vệ so lệch kỹ thuật số hoạt động đúng và tin cậy, phù hợp với lý thuyết bảo vệ so lệch máy biến áp. Dòng so lệch trong các sự cố ngoài vùng luôn nằm trong vùng hãm, trong khi sự cố trong vùng bảo vệ kích hoạt bảo vệ nhanh chóng với dòng so lệch vượt ngưỡng. Điều này minh chứng cho tính chọn lọc và độ nhạy cao của giải thuật.

So sánh với các nghiên cứu gần đây, việc xét đến đặc tính bão hòa không đồng nhất của máy biến dòng và sóng hài bậc 2, 5 là điểm mới giúp nâng cao độ chính xác của mô hình. Việc mô phỏng chi tiết các dạng sự cố và áp dụng thuật toán hãm cộng thêm giúp giảm thiểu sai số do bão hòa biến dòng, một trong những nguyên nhân chính gây tác động sai trong bảo vệ so lệch.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng dòng điện các pha, đồ thị đặc tính dòng so lệch - dòng hãm, và bảng so sánh giá trị dòng điện trong các trường hợp sự cố khác nhau, giúp trực quan hóa hiệu quả của bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa cài đặt thông số rơ le bảo vệ: Đề xuất điều chỉnh ngưỡng dòng khởi động và hệ số hãm dựa trên đặc tính bão hòa thực tế của máy biến dòng, nhằm giảm thiểu tác động sai do bão hòa không đồng nhất trong vòng 6 tháng tới, do bộ phận vận hành và bảo trì thực hiện.

2. Áp dụng mô phỏng và hợp bộ thử nghiệm thường xuyên: Khuyến nghị sử dụng bản ghi mô phỏng và hợp bộ ISA DRTS66 để kiểm tra định kỳ chức năng bảo vệ so lệch, đặc biệt sau các sự cố lớn hoặc thay đổi thiết bị, nhằm đảm bảo độ tin cậy trong vòng 1 năm.

3. Nâng cao đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về giải thuật bảo vệ so lệch và phân tích bản ghi sự cố cho kỹ thuật viên, giúp họ hiểu rõ nguyên lý và cách xử lý sự cố, dự kiến thực hiện trong 3 tháng tới.

4. Phát triển nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo tập trung vào mô hình mô phỏng sự cố chạm chập bên trong vòng dây máy biến áp và các yếu tố ảnh hưởng đến sai số bảo vệ, nhằm hoàn thiện hơn giải thuật bảo vệ trong vòng 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nguyên lý và thực nghiệm bảo vệ so lệch, giúp họ nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố máy biến áp.

2. Nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị bảo vệ: Các chuyên gia phát triển rơ le kỹ thuật số có thể tham khảo giải thuật và mô hình mô phỏng để cải tiến sản phẩm, tăng độ tin cậy và tính năng bảo vệ.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật điện: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu về bảo vệ máy biến áp và ứng dụng MATLAB/Simulink trong mô phỏng hệ thống điện.

4. Cơ quan quản lý và thiết kế hệ thống điện: Giúp đánh giá và lựa chọn các giải pháp bảo vệ phù hợp, đồng thời xây dựng các quy trình kiểm tra, thử nghiệm bảo vệ trong các trạm biến áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Bảo vệ so lệch máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Bảo vệ so lệch dựa trên nguyên lý cân bằng dòng điện, so sánh dòng điện vào và ra máy biến áp. Khi có sự cố nội bộ, dòng so lệch vượt ngưỡng sẽ kích hoạt bảo vệ.

2. Tại sao cần sử dụng dòng hãm trong bảo vệ so lệch?
   Dòng hãm giúp chống lại tác động sai do bão hòa biến dòng và sóng hài, đảm bảo bảo vệ không tác động nhầm khi có sự cố ngoài vùng hoặc hiện tượng đóng máy biến áp.

3. Sóng hài bậc 2 và bậc 5 ảnh hưởng thế nào đến bảo vệ?
   Sóng hài bậc 2 thường xuất hiện khi đóng máy biến áp không tải, còn sóng hài bậc 5 giúp phát hiện các hiện tượng bão hòa không đối xứng. Bộ lọc và hãm chéo loại bỏ tác động sai do các sóng hài này.

4. Mô phỏng MATLAB/Simulink có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Mô phỏng giúp xây dựng mô hình bảo vệ so lệch, kiểm tra các dạng sự cố và phân tích hiệu quả bảo vệ trước khi áp dụng thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm.

5. Hợp bộ thử nghiệm ISA DRTS66 dùng để làm gì?
   Hợp bộ ISA DRTS66 dùng để kiểm nghiệm chức năng rơ le bảo vệ so lệch bằng cách tái tạo các bản ghi sự cố mô phỏng, đánh giá độ chính xác và tin cậy của rơ le trong điều kiện thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng và kiểm nghiệm thành công mô hình bảo vệ so lệch máy biến áp kỹ thuật số dựa trên bản ghi mô phỏng và hợp bộ thử nghiệm ISA DRTS66.
• Giải thuật bảo vệ so lệch hoạt động chính xác, có độ nhạy cao và tính chọn lọc tốt trong các trường hợp sự cố nội bộ và ngoài vùng bảo vệ.
• Việc xét đến đặc tính bão hòa máy biến dòng và sóng hài bậc 2, 5 giúp giảm thiểu sai số và tác động sai của bảo vệ.
• Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong phân tích bản ghi sự cố, tối ưu cài đặt rơ le và nâng cao độ tin cậy hệ thống điện.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu cài đặt, đào tạo kỹ thuật viên và nghiên cứu mở rộng về mô hình sự cố chạm chập bên trong máy biến áp.

Hãy áp dụng các giải pháp và kiến thức từ nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả bảo vệ máy biến áp trong hệ thống điện của bạn ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu • Chương II: Nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp • Chương III: Mô phỏng tính toán bảo vệ so lệch sử dụng Matlab/Simulink 2 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học • Chương IV: Thí nghiệm sự làm việc của rơ le kỹ thuật số bảo vệ so lệch máy biến áp 7UT613 với các bản ghi sự cố đã được mô phỏng. So sánh đánh giá và kết luận. • Chương V: Kết luận 3 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP 2.1 Nguyên lý cơ bản bảo vệ so lệch máy biến áp (87T) Các hệ thống bảo vệ so lệch làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện và vì vậy cũng được hiểu như hệ thống cân bằng dòng. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp: Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp Chúng sử dụng nguyên tắc trên thực tế (hình vẽ) là dòng I rời khỏi một đối tượng bảo vệ trong điều kiện bình thường phải bằng dòng đưa vào nó.

Bất cứ sự sai lệch nào cũng chỉ thị sự cố bên trong vùng bảo vệ. Các cuộn dây thứ cấp của các biến dòng CT1 và CT2 có cùng tỷ số biến có thể được nối để có được các dòng điện như hình vẽ. Thành phần đo M được nối tại điểm cân bằng điện. Trong điều kiện vận hành bình thường sẽ không có dòng chảy qua thành phần đo M.

Khi có sự cố bên trong các biến dòng, các dòng điện ở mỗi đầu không bằng nhau, thành phần đo M đo được dòng I 1 +I2 tỷ lệ với i1+i2 tổng của hai dòng sự cố chảy qua. Nếu dòng điện I1 +I2 này đủ lớn cho thành phần đo M, hệ thống này sẽ cung cấp một bảo vệ đơn giản phân biệt được dòng sự cố. 4 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học Khi có một sự cố bên ngoài gây ra dòng ngắn mạch lớn chảy qua vùng bảo vệ, các đặc tính từ hoá khác nhau của các máy biến dòng trong điều kiện bão hoà có thể gây ra dòng đáng kể chảy qua M. Nếu độ lớn của dòng này nằm trên ngưỡng tác động, hệ thống có thể đưa ra lệnh cắt.

Việc hãm chống lại việc tác động sai của bảo vệ. Ở các máy biến áp thông thường các dòng thứ cấp của các biến dòng không bằng nhau khi một dòng chảy qua máy biến áp, nhưng tuỳ thuộc vào tỷ số biến và tổ đấu dây của máy biến áp được bảo vệ và dòng điện định mức của các máy biến dòng ở hai phía của máy biến áp. Vì vậy dòng điện các phía phải được làm phù hợp để có thể so sánh được. Việc điều chỉnh cho phù hợp với các máy biến áp có công suất và tổ đấu dây khác nhau (cho bảo vệ máy biến áp) được thực hiện bằng toán học hoàn toàn.

Thông thường không đòi hỏi các biến dòng trung gian. Các dòng đưa vào được chuyển đổi theo dòng định mức của máy biến áp. Điều này có được bằng cách đưa số liệu định mức của máy biến áp vào rơ le, đó là: Công suất định mức, điện áp định mức và dòng điện định mức của các biến dòng. Vì tổ đấu dây đã được đưa vào nên rơ le có khả năng so sánh dòng theo công thức cố định.

Việc chuyển đổi dòng được thực hiện bằng các ma trận, hệ số được lập trình mô phỏng các dòng điện so lệch trong các cuộn dây máy biến áp. Tất cả các tổ đấu dây rơ le đều có thể hiểu được (bao gồm đổi pha).1 Đánh giá giá trị đo được Sau khi các dòng nhận vào được làm cho phù hợp có tính đến tỷ số biến nhóm véc tơ và cách đối xử với các dòng thứ tự không, các bảo vệ cần thiết cho bảo vệ so lệch được tính toán từ IA , I B , IC của từng cuộn dây. Trong các phần chú giải sau các chỉ số sẽ được dùng để phân biệt các cuộn dây: 1 cho cuộn sơ cấp (điện áp cao hơn) của máy biến áp, 2 cho cuộn thứ cấp (điện áp thấp hơn) và 3 cho cuộn thứ 3 đối với máy biến áp 3 cuộn dây nếu sử dụng. 5 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học Trong các hệ thống bảo vệ so lệch cho các đối tượng bảo vệ hai phía, một đại lượng hãm thường được lấy từ dòng sai lệch |I 1 - I2| hoặc từ tổng số học |I1| + |I2|.

Cả 2 phương pháp đều như nhau ở một số giải thuật thích hợp của các đặc tính hãm. Trong các hệ thống bảo vệ so lệch cho đối tượng bảo vệ 3 phía, máy biến áp 3 cuộn dây việc hãm chỉ có thể thực hiện với tổng số học |I 1| + |I2| + |I 3|. Phương pháp này được sử dụng trong rơ le cho tất cả các đối tượng bảo vệ (máy biến áp 2 hoặc 3 cuộn dây). Nó đòi hỏi tạo ra tổng véc tơ và tổng đại số của các dòng điện cho từng cuộn dây.

Các định nghĩa sau được sử dụng: Dòng so lệch hoặc tác động cắt Idiff = |I 1 + I2| (2 cuộn dây). Và dòng làm ổn định hoặc hãm : Istab = |I1 | + |I2| (2 cuộn dây). Idiff được tính toán từ các dòng điện cơ bản và tạo ra đại lượng gây ra lệnh cắt, Istab chống lại ảnh hưởng này.2: Nguyên lý của bảo vệ so lệch 6 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học Để làm sáng tỏ 3 điều kiện vận hành quan trọng sẽ được xem xét: a. Dòng chảy qua máy biến áp vận hành bình thường hoặc khi có sự cố bên ngoài.

I2 đổi hướng của nó vì vậy đổi dấu, I 2 =- I1 do vậy |I2 | =| I1| Idiff = |I 1 + I2|= |I1 -I1| = 0 Istab = |I1 | + |I2| = |I1 + I 1|= 2.|I1 | Dòng tác động bằng 0 (Idiff = 0), dòng hãm (Istab) tỷ lệ với 2 lần dòng chảy qua. Ngắn mạch bên trong mỗi phía được cấp bởi các dòng giống nhau: Trong trường hợp này: I2 = I1 do vậy |I2| =| I1| Idiff = |I 1 + I2|= |I 1 + I 1|=2.|I1| Các thành phần tác động cắt (I diff) và hãm (Istab) bằng và tỷ lệ với tổng dòng sự cố. Ngắn mạch bên trong chỉ cấp dòng từ một phía: Trong trường hợp này I2 = 0 Idiff = |I 1 + I2|= |I 1 + 01|= |I1| Istab = |I1 | + | I 2| = |I1| + 0 = |I 1| Các thành phần tác động cắt (Idiff) và hãm (Istab) bằng và tỷ lệ với dòng sự cố cấp từ một phía. Kết quả này cho thấy rằng với sự cố bên trong Idiff = Istab.

Vì vậy đặc tính sự cố bên trong là một đường thẳng với độ dốc =1. Như vậy nếu sử dụng đồ thị có một trục là dòng hãm, một trục là dòng so lệch thì tọa độ của các điểm ứng với sự cố trong vùng sẽ nằm trên 1 đường thằng góc 45º như trên hình vẽ: 7 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học Hình 2.3 : Đặc tính làm việc Trên hình 2-3 đưa ra đặc tính làm việc đầy đủ của rơle: - Nhánh a: Biểu thị dòng điện khởi động ngưỡng thấp Idiff> của bảo vệ, được xác định trên sai số cố định của dòng điện so lệch. Dòng điện này phụ thuộc vào dòng từ hóa của máy biến áp. - Nhánh b: Đoạn đặc tính xem như là dòng điện tỷ lệ thuận với dòng sự cố, với nguyên tắc khi có dòng sự cố tăng thì sai số do các máy biến dòng cũng tăng lên.

Nhánh này được sử dụng để ngăn ngừa sự tăng lên của dòng điện so lệch trong điều kiện làm việc bình thường, khi có sự thay đổi đầu phân áp của máy biến áp điều áp dưới tải. - Nhánh c: trong dải dòng điện tăng cao làm tăng độ bão hòa từ máy biến dòng xuất hiện hiện tượng các máy biến dòng bão hòa không giống nhau vì vậy ngưỡng tác động cần phải được tăng lên nhiều hơn. Trong phạm vi này, độ bão hòa của các máy biến dòng ở mức cao nên nhánh c có độ dốc cao hơn nhánh b. 8 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học - Nhánh d: Đoạn biểu thị giá trị khởi động ngưỡng cao Idiff>> của bảo vệ.

Khi dòng so lệch vượt quá ngưỡng cao này bảo vệ sẽ tác động không có thời gian, và không quan tâm đến dòng điện hãm và các sóng hài sử dụng để bảo vệ. Qua hình vẽ ta thấy đường đặc tính sự cố luôn nằm trong vùng tác động. Các dòng điện so lệch và dòng điện hãm được biểu diễn trên hệ trục tọa độ theo đơn vị tương đối định mức.2 Hãm hài - Khi các dòng so lệch có thể gây ra không chỉ từ các sự cố bên trong máy biến áp mà còn từ dòng từ hoá máy biến áp khi đóng máy biến áp , nối song song máy biến áp hoặc một máy biến áp bị quá điện áp, chúng sinh ra các thành phần sóng hài. Dòng từ hoá có thể lớn gấp nhiều lần dòng định mức và thành phần chủ yếu là sóng hài bậc 2 (gấp đôi tần số định mức).

Trên thực tế sóng hài bậc 2 không có mặt trong các trường hợp sự cố ngắn mạch. Nếu thành phần bậc hai vượt quá ngưỡng (có thể chọn), lệnh cắt bị khoá. Vì hãm dòng từ hoá làm việc độc lập cho từng pha, bảo vệ vẫn làm việc hoàn toàn ngay cả khi đóng máy biến áp vào sự cố một pha, khi đó dòng từ hoá có thể xuất hiện chỉ ở các pha không có sự cố. Tuy vậy cũng có thể đặt bảo vệ để không chỉ pha có dòng từ hoá chứa sóng hài vượt quá ngưỡng cho phép được hãm mà những pha khác của cấp bảo vệ so lệch I diff, cũng bị khoá (được gọi là "chức năng khoá chéo").

Chức năng khoá chéo này có thể bị giới hạn trong khoảng thời gian chọn trước. Bên cạnh sóng hài bậc 2, sóng hài khác cũng có thể được lựa chọn để khoá bảo vệ. Có thể chọn sóng hài bậc 3, 4 và 5. Sóng hài bậc 4 có thể thấy giống như sóng hài bậc 2 trong các dòng từ hoá không đối xứng.

- Khi vào thời điểm đóng máy biến áp không tải hoặc máy biến áp chịu những điện áp xung kích quá từ hoá lõi thép máy biến áp đặc trưng bởi sự xuất hiện các 9 Lê Hồng Thủy Luận văn cao học thành phần sóng hài bậc lẻ trong dòng điện. Vì vậy sóng hài bậc 3 và bậc 5 thích hợp để phát hiện ra những hiện tượng này.