Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện truyền tải giữ vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng an toàn và tin cậy cho phụ tải trên toàn miền Bắc Việt Nam. Với tổng công suất đặt khoảng 23.000 MW, trong đó thủy điện chiếm 42%, nhiệt điện chiếm 50% và thủy điện nhỏ chiếm 8%, hệ thống điện miền Bắc đang phải đối mặt với nhiều thách thức trong vận hành, đặc biệt là các sự cố ngắn mạch chạm đất trên đường dây 110kV. Theo báo cáo của ngành, phần lớn sự cố trên đường dây trên không là sự cố ngắn mạch chạm đất một pha, trong đó các sự cố có điện trở chạm đất cao gây khó khăn cho việc phát hiện và xử lý kịp thời bằng các rơ le bảo vệ khoảng cách truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá độ tin cậy cũng như mức độ chọn lọc của hệ thống rơ le bảo vệ khoảng cách và bảo vệ quá dòng chạm đất trên lưới điện 110kV miền Bắc, đặc biệt trong các trường hợp sự cố có tổng trở chạm đất cao. Nghiên cứu sử dụng mô phỏng trên dữ liệu thực tế năm 2018 của lưới điện miền Bắc với 773 nhánh 110kV và 144 nhánh 220kV, áp dụng phần mềm PSS/E và MATLAB để đánh giá hiệu quả làm việc của các bảo vệ trong các kịch bản sự cố khác nhau.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các sự cố ngắn mạch chạm đất một pha trên đường dây 110kV khu vực miền Bắc, với các giá trị điện trở sự cố từ 0 đến 80 Ω và vị trí sự cố trải dài trên toàn bộ chiều dài đường dây. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và chọn lọc của hệ thống bảo vệ, góp phần đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả cho hệ thống điện miền Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết bảo vệ chính trong hệ thống điện truyền tải:

  1. Bảo vệ so lệch: Nguyên lý hoạt động dựa trên sự so sánh dòng điện đầu vào và đầu ra của phần tử bảo vệ. Khi có sự cố bên trong vùng bảo vệ, dòng điện so lệch vượt ngưỡng sẽ kích hoạt bảo vệ. Bảo vệ so lệch có độ nhạy cao và khả năng chọn lọc tốt, tuy nhiên yêu cầu có kênh truyền tin giữa hai đầu đường dây.

  2. Bảo vệ khoảng cách: Hoạt động dựa trên việc đo tổng trở biểu kiến tại điểm đặt rơ le, so sánh với các vùng tác động đã cài đặt (vùng 1, 2, 3). Bảo vệ khoảng cách có thể phát hiện sự cố nhanh chóng và chọn lọc, nhưng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như điện trở sự cố, tải, hỗ cảm, tụ bù dọc đường dây và dao động điện.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:

  • Tổng trở biểu kiến (Z apparent): Giá trị tổng trở đo được tại điểm rơ le, bao gồm điện trở đường dây và điện trở sự cố.
  • Bảo vệ quá dòng chạm đất (51N, 67N): Bảo vệ dự phòng cho bảo vệ khoảng cách, hoạt động dựa trên dòng thứ tự không, có thể có hoặc không có hướng.
  • Phương thức liên động bảo vệ (DUTT, PUTT, POTT): Các sơ đồ phối hợp giữa các rơ le bảo vệ hai đầu đường dây nhằm tăng tốc độ loại trừ sự cố và đảm bảo chọn lọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là file dữ liệu lưới điện miền Bắc năm 2018, bao gồm 773 nhánh 110kV và 144 nhánh 220kV. Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

  • Mô phỏng sự cố ngắn mạch chạm đất một pha trên đường dây 110kV với vị trí sự cố từ 0 đến 100% chiều dài đường dây và điện trở sự cố từ 0 đến 80 Ω.
  • Sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán dòng điện và điện áp ngắn mạch tại hai đầu đường dây.
  • Xuất kết quả sang file Excel, nhập vào MATLAB để kiểm tra sự làm việc của các rơ le bảo vệ khoảng cách và quá dòng chạm đất theo các vùng tác động đã cài đặt.
  • Phân tích mức độ chọn lọc và độ tin cậy của các bảo vệ trong từng kịch bản sự cố.
  • Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ các đường dây 110kV trong hệ thống miền Bắc, đảm bảo tính đại diện và toàn diện.
  • Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ dữ liệu thực tế năm 2018, nhằm phản ánh chính xác điều kiện vận hành hiện tại.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, phù hợp với dữ liệu và điều kiện vận hành thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Bảo vệ khoảng cách làm việc tin cậy với sự cố không có điện trở chạm đất: Trong 773 lần mô phỏng sự cố ngắn mạch một pha với điện trở sự cố bằng 0, bảo vệ khoảng cách vùng 1 và vùng 2 đều tác động 100%, đảm bảo loại trừ sự cố nhanh chóng với thời gian tác động vùng 1 là 0 giây. Vùng 3 khởi động trong nhiều trường hợp để bảo vệ dự phòng, số lần khởi động có thể lên đến 7-8 lần do ảnh hưởng của các đường dây lân cận.

  2. Ảnh hưởng của điện trở sự cố đến hiệu quả bảo vệ khoảng cách: Khi điện trở sự cố tăng lên, vùng tác động của bảo vệ khoảng cách giảm dần, đặc biệt vùng 1 và vùng 2 không còn tác động trong nhiều trường hợp. Khi điện trở sự cố vượt quá khoảng 20-30 Ω, bảo vệ khoảng cách vùng 3 cũng không đảm bảo tác động, dẫn đến sự cố phải được giải trừ bằng bảo vệ quá dòng chạm đất.

  3. Mức độ mất chọn lọc của bảo vệ quá dòng chạm đất khi điện trở sự cố cao: Bảo vệ quá dòng chạm đất có hướng (67N) và vô hướng (51N) được đặt với ngưỡng dòng khởi động cố định (ví dụ 150A cho 51N). Khi sự cố có điện trở cao, dòng sự cố giảm, bảo vệ quá dòng có thể không tác động hoặc tác động muộn, gây mất chọn lọc và kéo dài thời gian loại trừ sự cố. Trong một số trường hợp, bảo vệ quá dòng 51N trên đường dây 220kV cũng phải tham gia giải trừ sự cố, làm tăng nguy cơ mất chọn lọc.

  4. Phối hợp bảo vệ và liên động bảo vệ: Các phương thức liên động như DUTT, PUTT, POTT giúp tăng tốc độ loại trừ sự cố và đảm bảo chọn lọc khi bảo vệ khoảng cách không làm việc do điện trở sự cố cao. Tuy nhiên, trong trường hợp nguồn yếu hoặc dao động điện, các phương thức này cần được thiết kế và hiệu chỉnh cẩn thận để tránh tác động nhầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến mất chọn lọc của bảo vệ khoảng cách là do điện trở sự cố chạm đất cao làm tăng tổng trở biểu kiến vượt ra ngoài vùng tác động đã cài đặt. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cho thấy bảo vệ khoảng cách có giới hạn trong việc phát hiện sự cố qua điện trở lớn. Bảo vệ quá dòng chạm đất, mặc dù có thể phát hiện sự cố qua dòng thứ tự không, nhưng do cài đặt thời gian cố định và ngưỡng dòng khởi động, nên khó đảm bảo chọn lọc khi dòng sự cố giảm.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ vùng tác động của bảo vệ khoảng cách theo điện trở sự cố và vị trí sự cố, bảng thống kê số lần tác động của các bảo vệ trong từng kịch bản, giúp minh họa rõ ràng mức độ hiệu quả và hạn chế của từng loại bảo vệ.

So sánh với các nghiên cứu khác, luận văn khẳng định vai trò quan trọng của việc phối hợp bảo vệ khoảng cách và bảo vệ quá dòng chạm đất, đồng thời đề xuất cần có các giải pháp nâng cao độ nhạy và chọn lọc của hệ thống bảo vệ trong điều kiện sự cố có điện trở cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu cài đặt vùng tác động bảo vệ khoảng cách: Mở rộng vùng 3 của bảo vệ khoảng cách bằng cách điều chỉnh các thông số Rg3, góc α3 để bao phủ tốt hơn các trường hợp sự cố có điện trở cao, đồng thời sử dụng đặc tính tứ giác mở rộng về phía trục R nhằm giảm ảnh hưởng của điện trở hồ quang.

  2. Nâng cấp và đồng bộ hệ thống rơ le bảo vệ: Thay thế các rơ le cơ cũ bằng rơ le số hiện đại có khả năng ghi sự cố và điều chỉnh linh hoạt, đồng thời trang bị kênh truyền tin cáp quang cho các đường dây 110kV chưa có để áp dụng bảo vệ so lệch và liên động bảo vệ hiệu quả.

  3. Cải tiến phương thức liên động bảo vệ: Áp dụng các sơ đồ liên động tiên tiến như DUTT, PUTT, POTT kết hợp với chức năng phát hiện nguồn yếu và khóa dao động điện nhằm tăng tốc độ loại trừ sự cố và giảm thiểu tác động nhầm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư vận hành và bảo trì về các nguyên lý bảo vệ, phương pháp cài đặt và xử lý sự cố, đảm bảo vận hành hệ thống bảo vệ hiệu quả và an toàn.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tới, ưu tiên các khu vực có mật độ sự cố cao và đường dây chưa được trang bị đầy đủ thiết bị bảo vệ hiện đại.

  6. Chủ thể thực hiện: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Bắc, các công ty điện lực địa phương và các đơn vị tư vấn kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nắm bắt các nguyên lý bảo vệ, phương pháp cài đặt và xử lý sự cố trên lưới điện 110kV, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu thời gian mất điện.

  2. Chuyên gia thiết kế và tư vấn hệ thống điện: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp, đảm bảo độ tin cậy và chọn lọc trong các điều kiện vận hành thực tế.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các thách thức kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện truyền tải, từ đó xây dựng các chính sách đầu tư và phát triển hạ tầng phù hợp.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về bảo vệ hệ thống điện, mô phỏng sự cố và phân tích hiệu quả bảo vệ trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao bảo vệ khoảng cách không phát hiện được sự cố khi điện trở chạm đất cao?
    Điện trở sự cố cao làm tăng tổng trở biểu kiến vượt ra ngoài vùng tác động đã cài đặt của bảo vệ khoảng cách, khiến rơ le không nhận diện được sự cố. Ví dụ, khi điện trở sự cố vượt quá 30 Ω, vùng 1 và 2 bảo vệ khoảng cách thường không tác động.

  2. Bảo vệ quá dòng chạm đất có thể thay thế hoàn toàn bảo vệ khoảng cách không?
    Không thể thay thế hoàn toàn vì bảo vệ quá dòng chạm đất có thời gian tác động trễ và ngưỡng dòng khởi động cố định, dễ gây mất chọn lọc và kéo dài thời gian loại trừ sự cố, đặc biệt khi dòng sự cố thấp do điện trở cao.

  3. Phương thức liên động bảo vệ giúp gì trong việc xử lý sự cố?
    Phương thức liên động như DUTT, PUTT, POTT giúp phối hợp giữa các rơ le bảo vệ hai đầu đường dây, tăng tốc độ cắt sự cố và đảm bảo chọn lọc, giảm thiểu tác động nhầm và thời gian mất điện.

  4. Làm thế nào để giảm ảnh hưởng của dao động điện đến bảo vệ?
    Sử dụng chức năng khóa dao động điện (Power Swing Block) trong rơ le số, dựa trên giám sát tốc độ biến thiên tổng trở và tính đồng nhất của quỹ đạo tổng trở để ngăn chặn tác động nhầm khi có dao động điện.

  5. Tại sao cần nâng cấp hệ thống rơ le bảo vệ hiện tại?
    Nhiều rơ le cơ cũ có độ tin cậy thấp, không có chức năng ghi sự cố và khó điều chỉnh linh hoạt, gây khó khăn trong vận hành và xử lý sự cố. Nâng cấp rơ le số hiện đại giúp cải thiện độ tin cậy, chọn lọc và khả năng phối hợp bảo vệ.

Kết luận

  • Bảo vệ khoảng cách với đặc tính tứ giác làm việc hiệu quả và chọn lọc cao khi điện trở sự cố thấp hoặc bằng 0.
  • Điện trở sự cố chạm đất cao làm giảm hiệu quả bảo vệ khoảng cách, buộc phải dựa vào bảo vệ quá dòng chạm đất với nguy cơ mất chọn lọc.
  • Phương thức liên động bảo vệ và nâng cấp hệ thống rơ le số là giải pháp quan trọng để nâng cao độ tin cậy và chọn lọc của hệ thống bảo vệ.
  • Nghiên cứu mô phỏng trên dữ liệu thực tế năm 2018 của lưới điện miền Bắc cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh và cải tiến hệ thống bảo vệ.
  • Đề xuất triển khai các giải pháp trong vòng 2-3 năm tới nhằm đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả cho hệ thống điện miền Bắc.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện nên áp dụng kết quả nghiên cứu để rà soát, điều chỉnh và nâng cấp hệ thống bảo vệ, đồng thời đào tạo nhân lực nhằm nâng cao năng lực vận hành và xử lý sự cố trong thực tế.