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!