Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối 22 kV tại tỉnh Lạng Sơn giữ vai trò huyết mạch trong việc cung cấp điện năng cho các trung tâm hành chính, kinh tế và khu công nghiệp. Hệ thống hiện hữu bao gồm 7 xuất tuyến 22 kV xuất phát từ các trạm biến áp 110 kV, tiêu biểu như trạm Lạng Sơn E13.2 với công suất 2x40 MVA và trạm Đồng Mỏ E13.1 với công suất 2x25 MVA. Mặc dù tỷ lệ tổn thất điện năng được duy trì ở mức tương đối thấp khoảng 1,39% nhờ cấu trúc đường trục AC/XLPE tiết diện từ 95 mm2 đến 150 mm2, công tác vận hành vẫn đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng. Lưới điện được vận hành theo cấu trúc hình tia nhưng có các mạch vòng liên lạc hở, thường xuyên thay đổi phương thức kết dây để cấp hỗ trợ phụ tải khi xảy ra sự cố hoặc phục vụ bảo dưỡng định kỳ.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi nảy sinh từ việc 16 trạm cắt Recloser lắp đặt trên lưới (chủ yếu là Schneider NULEC và NOJA Power OSM27) có khoảng cách địa lý rất gần nhau. Khi các thiết bị này được cài đặt bảo vệ quá dòng theo đặc tính thời gian độc lập kết hợp với giới hạn thời gian cắt rất ngắn của máy cắt đầu nguồn do cấp điều độ quy định, sự cố ngắn mạch thường gây ra hiện tượng nhảy vượt cấp và mất tính chọn lọc. Thêm vào đó, việc tính toán thông số ngắn mạch trước đây chủ yếu thực hiện thủ công, tiêu tốn nhiều thời gian và khó thích ứng khi trào lưu công suất biến động liên tục.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu phương pháp phối hợp bảo vệ tối ưu giữa rơle đầu xuất tuyến và các Recloser trên lưới 22 kV tỉnh Lạng Sơn, lấy lộ 472 và lộ 473 trạm 110 kV Lạng Sơn làm đối tượng mô hình hóa điển hình. Luận văn hướng tới việc xác lập bộ thông số chỉnh định theo đặc tính thời gian phụ thuộc, đảm bảo loại trừ sự cố chính xác trong cả chế độ vận hành độc lập và chế độ cấp hỗ trợ đa nguồn, góp phần giảm thiểu chỉ số thời gian mất điện SAIDI và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết bảo vệ rơle quá dòng phân cấp trong hệ thống điện phân phối và lý thuyết phân tích ngắn mạch mạng điện ba pha. Mô hình nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán phối hợp bảo vệ đa cấp trên đường dây hình tia có liên kết mạch vòng hở.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được áp dụng bao gồm:

  • Dòng điện khởi động bảo vệ: Trị số dòng điện tối thiểu kích hoạt phần tử đo lường tác động, được xác định dựa trên dòng điện làm việc cực đại và hệ số trở về của rơle.
  • Bội số thời gian đặt: Tham số điều chỉnh độ dịch chuyển của đường cong thời gian tác động nhằm tạo bậc chọn lọc thời gian phù hợp giữa các cấp bảo vệ liền kề.
  • Đặc tính thời gian phụ thuộc: Mối quan hệ hàm số giữa thời gian tác động và bội số dòng điện ngắn mạch theo tiêu chuẩn quốc tế, giúp rút ngắn thời gian cắt khi dòng ngắn mạch lớn.
  • Hệ số độ nhạy bảo vệ: Tỷ số đánh giá khả năng nhận biết chính xác sự cố ngắn mạch tại cuối vùng bảo vệ ở chế độ vận hành nặng nề nhất, luôn đảm bảo giá trị lớn hơn hoặc bằng 1,2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập toàn diện từ Công ty Điện lực Lạng Sơn trong giai đoạn 2019 - 2020, bao gồm sơ đồ nguyên lý đơn tuyến, thông số hình học và điện khí của các tuyến dây 22 kV, thông số kỹ thuật của các máy biến áp 110/35/22 kV và bảng thông số cài đặt thực tế của 16 bộ Recloser trên lưới.

Về phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích. Cỡ mẫu nghiên cứu chuyên sâu bao gồm lộ 472 với chiều dài 47,63 km (công suất cực đại 8,5 MW) và lộ 473 với chiều dài 20,07 km (công suất cực đại 15,9 MW). Lý do lựa chọn 2 lộ xuất tuyến này là vì chúng mang tải tập trung của khu vực thành phố, có liên kết mạch vòng qua các cầu dao phân đoạn và thường xuyên hoán đổi phương thức cấp điện hỗ trợ, đại diện đầy đủ cho các trường hợp vận hành phức tạp nhất trên toàn tỉnh.

Phương pháp phân tích dựa trên việc ứng dụng phần mềm chuyên dụng ETAP để mô hình hóa cấu trúc mạng điện phân tán, giải tích trào lưu công suất theo thuật toán lặp Newton-Raphson và tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm khắc phục triệt để sai số của phương pháp tính tay truyền thống, đồng thời cho phép xuất đồ thị phối hợp thời gian - dòng điện trực quan để kiểm chứng tính chọn lọc trong không gian đa chiều. Timeline nghiên cứu được thực hiện hoàn chỉnh trong năm 2020 và kiểm tra thực nghiệm thông qua các phần mềm giao tiếp chuyên dụng WSOS 5 và CMS kết nối modem truyền thông F3425.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán trên phần mềm chuyên dụng đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909 cho thấy giá trị dòng ngắn mạch ba pha cực đại tại thanh cái 22 kV đầu nguồn đạt mức trên 11,8 kA, trong khi tại các nút Recloser phân đoạn cuối tuyến dao động từ 4,2 kA đến 6,8 kA. Việc tính toán tự động bằng phần mềm giúp giảm thiểu thời gian xử lý dữ liệu tới hơn 80% so với tính tay và hạn chế sai số tính toán dưới ngưỡng 2%.

Thứ hai, việc áp dụng đặc tính thời gian phụ thuộc tiêu chuẩn kết hợp với việc phân cấp bội số thời gian đặt hợp lý đã thiết lập được bậc chọn lọc thời gian ổn định từ 0,25 giây đến 0,35 giây giữa rơle bảo vệ đầu xuất tuyến (Siemens SIPROTEC) và các Recloser trên đường dây (NULEC, NOJA). Điều này giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tác động vượt cấp từng xảy ra khi cài đặt đặc tính thời gian độc lập.

Thứ ba, nghiên cứu đã chứng minh tính thích ứng hoàn hảo của bộ thông số cài đặt trong cả 3 chế độ vận hành: chế độ 2 lộ vận hành độc lập, chế độ lộ 472 cấp hỗ trợ lộ 473 đến cầu dao CD 31-3, và chế độ lộ 473 cấp hỗ trợ lộ 472 đến cầu dao CD 86-3. Trong mọi kịch bản chuyển phương thức, Recloser gần điểm sự cố nhất luôn cắt trước, bảo vệ trọn vẹn vùng cấp điện không bị sự cố.

Thứ tư, thời gian cô lập phân đoạn sự cố trung bình giảm từ mức trên 1,2 giây xuống còn dưới 0,45 giây, tương đương mức giảm hơn 62% thời gian duy trì dòng ngắn mạch trên lưới, giúp bảo vệ an toàn cho thiết bị đóng cắt và giảm nguy cơ sụt áp lan truyền.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cải thiện vượt bậc về tính chọn lọc là sự tương thích giữa đặc tính dốc ngược của đường cong bảo vệ với sự suy giảm tự nhiên của dòng ngắn mạch dọc theo chiều dài tuyến dây. Khi điểm ngắn mạch càng xa trạm nguồn, trở kháng tăng làm dòng sự cố giảm, kéo theo thời gian trễ của thiết bị phía sau tăng lên một cách có quy luật, tự động tạo ra khoảng cách thời gian an toàn mà không cần kéo dài thời gian cắt của máy cắt đầu nguồn.

So với các nghiên cứu vận hành lưới điện phân phối truyền thống vốn thường giữ nguyên giá trị đặt dòng cắt nhanh độc lập, phương pháp phối hợp trên ETAP cho phép tận dụng tối đa 4 nhóm thông số bảo vệ độc lập có sẵn trong tủ điều khiển RC10 của NOJA và ADVC của NULEC. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua hệ thống biểu đồ đường cong phối hợp đặc tính thời gian - dòng điện (đồ thị TCC) và bảng tổng hợp so sánh dòng khởi động, bội số thời gian đặt trước và sau hiệu chỉnh. Kết quả này mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu thời gian mất điện cho hàng chục nghìn khách hàng tại trung tâm thành phố Lạng Sơn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược phục vụ công tác quản lý và vận hành lưới điện:

  1. Chuyển đổi đồng bộ phương thức cài đặt bảo vệ quá dòng từ đặc tính độc lập sang đặc tính thời gian phụ thuộc cho toàn bộ 16 trạm Recloser trên lưới 22 kV tỉnh Lạng Sơn. Mục tiêu duy trì bậc chọn lọc thời gian trong dải 0,25 - 0,30 giây, hoàn thành triển khai trong vòng 6 tháng bởi Phòng Điều độ và Phân xưởng Thí nghiệm Điện thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn.
  2. Chuẩn hóa quy trình tính toán chỉnh định rơle và kiểm tra ngắn mạch định kỳ bằng việc ứng dụng phần mềm ETAP cho 100% các xuất tuyến trung áp khi có sự thay đổi phụ tải hoặc bổ sung trạm biến áp mới. Đơn vị thực hiện là phòng Kỹ thuật với chu kỳ cập nhật dữ liệu 6 tháng một lần.
  3. Nâng cấp hệ thống giám sát và điều khiển xa SCADA trung tâm, tích hợp modem truyền thông F3425 qua mạng 3G/4G và chuẩn giao thức IEC 61850 để thu thập dữ liệu sự cố trực tuyến đồng thời từ tất cả các Recloser, giảm thời gian định vị sự cố xuống dưới 3 phút trong giai đoạn 2021 - 2023.
  4. Đầu tư cải tạo và xây dựng bổ sung các phân đoạn mạch vòng trung áp liên kết giữa các trạm 110 kV trên địa bàn tỉnh, đảm bảo cấu trúc lưới điện đáp ứng nghiêm ngặt tiêu chí vận hành N-1 theo định hướng phát triển lưới điện thông minh giai đoạn 2021 - 2025 của Tổng công ty Điện lực miền Bắc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và tính học thuật cao, là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Kỹ sư phương thức và điều độ viên tại các Công ty Điện lực: Luận văn cung cấp phương pháp luận và bảng thông số cài đặt mẫu cho các lộ dây 22 kV có liên lạc mạch vòng, giúp giải quyết nhanh bài toán chỉnh định rơle khi thay đổi phương thức vận hành.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật và thiết kế lưới điện phân phối: Cung cấp quy trình chi tiết về việc ứng dụng phần mềm ETAP trong mô hình hóa lưới điện thực tế và đánh giá độ tin cậy cung cấp điện theo tiêu chí N-1.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuyên sâu về bảo vệ rơle, phối hợp thiết bị đóng cắt tự động Recloser và giải tích hệ thống điện hiện đại.
  • Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện và Tự động hóa: Cung cấp ví dụ thực tế sinh động về cấu trúc tủ điều khiển Recloser NULEC, NOJA Power, cách thức thiết lập thông số trên phần mềm WSOS 5, CMS và phương pháp phối hợp bảo vệ có hướng trên lưới điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần chuyển đổi từ đặc tính thời gian độc lập sang đặc tính thời gian phụ thuộc cho Recloser? Đặc tính độc lập cố định thời gian tác động bất kể dòng sự cố, khiến việc phối hợp giữa nhiều Recloser lắp gần nhau và máy cắt đầu nguồn gặp bế tắc về thời gian. Đặc tính phụ thuộc giúp dòng ngắn mạch lớn cắt nhanh hơn, duy trì bậc chọn lọc 0,25 - 0,35 giây, ngăn chặn triệt để hiện tượng nhảy vượt cấp.

  2. Khả năng chịu đựng dòng cắt định mức của các Recloser trên lưới 22 kV Lạng Sơn là bao nhiêu? Các thiết bị Recloser NULEC U-Series và NOJA Power OSM27 trên lưới đều có điện áp định mức 27 kV, dòng định mức 630 A và khả năng chịu dòng cắt ngắn mạch lên tới 12,5 kA, hoàn toàn đáp ứng tốt mức dòng ngắn mạch cực đại 11,8 kA trên lưới.

  3. Khi lưới điện chuyển đổi phương thức cấp điện hỗ trợ, các Recloser có cần cài đặt lại thủ công tại chỗ không? Không cần thao tác thủ công tại chỗ. Các tủ điều khiển NOJA RC10 và NULEC ADVC tích hợp sẵn nhiều nhóm bảo vệ độc lập, cho phép điều độ viên chuyển đổi nhóm cài đặt từ xa thông qua trung tâm điều khiển SCADA hoặc cấu hình tự động thích ứng với chiều trào lưu công suất.

  4. Phần mềm ETAP áp dụng tiêu chuẩn nào để tính toán ngắn mạch trong nghiên cứu? Nghiên cứu ứng dụng tiêu chuẩn quốc tế IEC 60909 trên phần mềm ETAP để tính toán ngắn mạch các chế độ ba pha, hai pha và chạm đất, đảm bảo độ chính xác trên 98% và phản ánh trung thực thông số quá độ của hệ thống điện.

  5. Hệ thống giám sát Recloser từ xa tại Lạng Sơn sử dụng công nghệ truyền thông gì? Hệ thống kết nối các Recloser về phòng điều độ thông qua modem truyền thông công nghiệp F3425 sử dụng hạ tầng mạng di động 3G/4G kết hợp mạng truyền dẫn có dây, hỗ trợ các giao thức chuẩn như IEC 60870-5-101/104 và chuẩn bị sẵn sàng tích hợp IEC 61850.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng lưới điện trung áp 22 kV tỉnh Lạng Sơn, chỉ rõ các tồn tại về mất chọn lọc khi sử dụng đặc tính bảo vệ độc lập cho 16 trạm Recloser trên lưới.
  • Xây dựng thành công mô hình giải tích trào lưu công suất và ngắn mạch chính xác cho lộ 472 và 473 trên phần mềm chuyên dụng ETAP theo tiêu chuẩn IEC 60909.
  • Xác lập phương pháp phối hợp bảo vệ tối ưu bằng đặc tính thời gian phụ thuộc, đảm bảo tính chọn lọc tuyệt đối 100% trong cả 3 chế độ vận hành độc lập và cấp điện hỗ trợ.
  • Kiểm chứng thành công việc cài đặt thông số bảo vệ trên các dòng thiết bị thực tế NOJA Power và NULEC thông qua phần mềm chuyên dụng CMS và WSOS 5.
  • Đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực giúp Công ty Điện lực Lạng Sơn nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm chỉ số SAIDI và hoàn thiện lộ trình tự động hóa lưới điện phân phối giai đoạn 2021 - 2025.