Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện miền Bắc Việt Nam hiện có tổng công suất nguồn điện khoảng 5600 MW, với mạng lưới truyền tải điện 500kV, 220kV và 110kV trải rộng trên địa hình đa dạng như đồng bằng, trung du, miền núi và ven biển. Hệ thống này bao gồm 26 trạm biến áp 220kV với tổng công suất lắp đặt khoảng 6700 MVA và 198 trạm biến áp 110kV với tổng công suất khoảng 9500 MVA. Phân phối điện phục vụ nhiều lĩnh vực như công nghiệp (45.5%), kinh doanh dịch vụ (5%), nông nghiệp (1.3%) và các ngành khác (4%), với công suất phụ tải đỉnh dao động từ 5300 đến 5500 MW.

Trong bối cảnh đó, việc bảo vệ an toàn, tin cậy và nhanh chóng cho hệ thống điện là vô cùng quan trọng. Rơle bảo vệ khoảng cách đóng vai trò chủ đạo trong việc phát hiện và cách ly sự cố trên các đường dây truyền tải, đảm bảo vận hành ổn định và giảm thiểu thiệt hại. Tuy nhiên, các yếu tố như sai số máy biến dòng, biến áp, điện trở quá độ, dao động điện áp, tỉ bù dọc đường dây và các hiện tượng dao động phức tạp ảnh hưởng đến phép đo tổng trở của rơle, gây khó khăn trong việc thiết lập và vận hành chính xác.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở trong rơle bảo vệ khoảng cách sử dụng phần mềm chuyên dụng ASPEN OneLiner, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao độ tin cậy và tính chọn lọc của rơle trên hệ thống điện miền Bắc. Nghiên cứu tập trung vào các đường dây 220kV và 110kV trong giai đoạn 2007-2009 tại khu vực miền Bắc Việt Nam, với ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý hệ thống điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Nguyên lý làm việc của rơle bảo vệ khoảng cách: Rơle đo tổng trở dựa trên tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm lắp đặt, xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải. Rơle có ba vùng bảo vệ chính (vùng I, II, III) với các phạm vi và thời gian tác động khác nhau, đảm bảo phát hiện nhanh và chính xác sự cố.

  2. Mô hình tính toán và đặc tính tác động của rơle: Sử dụng các mô hình tính toán tổng trở, điện trở quá độ, sai số máy biến dòng, biến áp và ảnh hưởng của tỉ bù dọc đường dây. Đặc tính tác động của rơle được mô phỏng theo hai dạng phổ biến là đặc tính đa giác và đặc tính MHO (vòng tròn), với các tham số như góc nghiêng, vùng tác động và hệ số phân cực.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tổng trở khởi động, điện trở quá độ, sai số máy biến dòng, tỉ bù dọc đường dây, dao động điện áp, đặc tính tác động MHO, vùng bảo vệ rơle, và các phương pháp truyền tín hiệu liên mạng trong bảo vệ khoảng cách.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng ASPEN OneLiner, được áp dụng rộng rãi trong các đơn vị thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) để mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo tổng trở.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ các trạm biến áp 220kV và 110kV miền Bắc, thông số đường dây, rơle bảo vệ của các nhà sản xuất Siemens, ABB, AREVA, SEL, cùng các tài liệu kỹ thuật và báo cáo vận hành thực tế.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng các sự cố pha-pha, pha-mặt đất với các mức dòng sự cố khác nhau (30%, 80% dòng định mức), phân tích ảnh hưởng của sai số máy biến dòng, biến áp, điện trở quá độ, dao động điện áp và tỉ bù dọc đường dây đến phép đo tổng trở và vùng bảo vệ của rơle.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào các đường dây 220kV và 110kV có trang bị rơle bảo vệ khoảng cách phổ biến tại miền Bắc, với hơn 20 trường hợp mô phỏng sự cố và các điều kiện vận hành khác nhau.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và mô phỏng trong giai đoạn 2007-2009, phân tích và đánh giá kết quả trong năm 2009 tại Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sai số máy biến dòng và biến áp: Sai số biến dòng và biến áp làm thay đổi tỷ số điện áp/dòng điện đo được, dẫn đến sai lệch phép đo tổng trở của rơle khoảng cách. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số này có thể làm giảm vùng bảo vệ vùng I khoảng 5-10%, gây hiện tượng under-reaching, đặc biệt khi dòng sự cố thấp.

  2. Tác động của điện trở quá độ (Rq): Điện trở quá độ tại điểm sự cố làm tăng giá trị tổng trở đo được, làm rơle nhận biết sự cố xa hơn vị trí thực tế. Mô phỏng với điện trở quá độ từ 0 đến 20 Ω cho thấy vùng bảo vệ có thể bị mở rộng không chính xác lên đến 15%, làm giảm tính chọn lọc của rơle.

  3. Ảnh hưởng của tỉ bù dọc đường dây: Việc sử dụng tỉ bù dọc đường dây từ 50% đến 70% làm thay đổi điện kháng của đường dây, ảnh hưởng đến phép đo tổng trở và vùng bảo vệ. Mô phỏng cho thấy tỉ bù dọc làm giảm vùng bảo vệ vùng I khoảng 10%, đồng thời gây ra hiện tượng dao động điện áp và dòng điện tại rơle, làm tăng nguy cơ sai sót trong phát hiện sự cố.

  4. Hiện tượng dao động điện áp (dao động điện): Khi có dao động điện áp do sự cố hoặc dao động hệ thống, phép đo tổng trở của rơle biến động theo chu kỳ dao động, gây khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí sự cố. Mô phỏng cho thấy dao động có thể làm rơle mất ổn định trong khoảng 0.1-0.15 giây, ảnh hưởng đến thời gian tác động và độ tin cậy.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng được minh họa qua biểu đồ vùng bảo vệ rơle với các điều kiện khác nhau, bảng so sánh tỷ lệ sai số phép đo tổng trở và thời gian tác động của rơle. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo ngành về ảnh hưởng của sai số thiết bị và điện trở quá độ đến bảo vệ khoảng cách.

Nguyên nhân chủ yếu là do đặc tính nhạy cảm của rơle khoảng cách với các biến đổi điện áp và dòng điện tại điểm lắp đặt, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố vật lý như tỉ bù dọc và dao động điện áp. Việc sử dụng phần mềm ASPEN OneLiner giúp mô phỏng chính xác các hiện tượng này, hỗ trợ đánh giá và điều chỉnh tham số rơle phù hợp.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để nâng cao độ tin cậy và tính chọn lọc của rơle bảo vệ khoảng cách, giảm thiểu hiện tượng cắt nhầm hoặc không cắt kịp thời, góp phần đảm bảo vận hành an toàn và ổn định cho hệ thống điện miền Bắc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tham số rơle bảo vệ: Điều chỉnh các tham số vùng bảo vệ (vùng I, II, III), góc nghiêng và hệ số phân cực dựa trên kết quả mô phỏng để giảm thiểu ảnh hưởng của sai số thiết bị và điện trở quá độ, nâng cao độ chính xác phát hiện sự cố. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: Trung tâm Điều độ hệ thống điện miền Bắc.

  2. Áp dụng công nghệ truyền tín hiệu liên mạng: Sử dụng các phương pháp truyền tín hiệu cho phép cắt nhanh và tín hiệu khóa để phối hợp bảo vệ giữa các rơle trên cùng đường dây, giảm thiểu thời gian cắt và tránh cắt nhầm. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: EVN và các đơn vị vận hành.

  3. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và đào tạo nhân sự: Cập nhật và sử dụng phần mềm ASPEN OneLiner phiên bản mới, đồng thời tổ chức đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư vận hành về mô phỏng và phân tích rơle bảo vệ. Thời gian thực hiện: 9 tháng; chủ thể: Trung tâm đào tạo EVN.

  4. Kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ thiết bị đo lường: Thực hiện kiểm tra, hiệu chỉnh máy biến dòng, biến áp và các thiết bị đo lường liên quan để giảm sai số, đảm bảo dữ liệu đầu vào chính xác cho rơle bảo vệ. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm; chủ thể: Các đơn vị quản lý trạm biến áp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành hệ thống điện: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến rơle bảo vệ khoảng cách, áp dụng mô phỏng để tối ưu hóa vận hành và xử lý sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế và bảo trì thiết bị điện: Hiểu rõ đặc tính tác động và sai số của rơle, từ đó cải tiến thiết kế và quy trình bảo trì.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Căn cứ vào kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn vận hành và đầu tư nâng cấp hệ thống bảo vệ.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết và ứng dụng mô phỏng rơle bảo vệ trong hệ thống điện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Rơle bảo vệ khoảng cách là gì và tại sao quan trọng?
    Rơle bảo vệ khoảng cách đo tổng trở giữa điểm lắp đặt và vị trí sự cố để phát hiện và cách ly nhanh chóng, đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống điện.

  2. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến phép đo tổng trở của rơle?
    Sai số máy biến dòng, biến áp, điện trở quá độ, tỉ bù dọc đường dây và dao động điện áp là những yếu tố chính làm thay đổi phép đo tổng trở, ảnh hưởng đến độ chính xác bảo vệ.

  3. Phần mềm ASPEN OneLiner được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ASPEN OneLiner mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ, cho phép đánh giá tác động của các yếu tố kỹ thuật và sự cố khác nhau đến phép đo tổng trở và vùng bảo vệ.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu sai số trong rơle bảo vệ khoảng cách?
    Điều chỉnh tham số rơle, sử dụng công nghệ truyền tín hiệu liên mạng, kiểm tra hiệu chỉnh thiết bị đo lường và áp dụng mô phỏng để tối ưu hóa vận hành.

  5. Tại sao cần phối hợp các vùng bảo vệ trong rơle?
    Phối hợp vùng bảo vệ giúp tránh cắt nhầm, giảm thời gian cắt sự cố và tăng tính chọn lọc, đảm bảo hệ thống điện vận hành ổn định và an toàn.

Kết luận

  • Hệ thống điện miền Bắc có quy mô lớn, đa dạng địa hình và nguồn điện phức tạp, đòi hỏi hệ thống bảo vệ khoảng cách chính xác và tin cậy.
  • Sai số thiết bị, điện trở quá độ, tỉ bù dọc đường dây và dao động điện áp là các yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến phép đo tổng trở của rơle bảo vệ.
  • Phần mềm ASPEN OneLiner là công cụ hiệu quả để mô phỏng, đánh giá và tối ưu hóa tham số rơle bảo vệ khoảng cách.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao độ tin cậy, tính chọn lọc và thời gian tác động của rơle bảo vệ.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi mô phỏng, cập nhật công nghệ mới và đào tạo nhân sự để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện quốc gia.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn vận hành, triển khai đào tạo và nâng cấp hệ thống bảo vệ nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện miền Bắc.