Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp tỉnh Bắc Kạn vận hành trong điều kiện địa hình đồi núi hiểm trở và khí hậu khắc nghiệt, trong đó lộ đường dây 371 xuất tuyến từ trạm biến áp 110 kV E26.1 là tuyến phân phối huyết mạch có quy mô đặc biệt lớn với tổng chiều dài đường dây lên tới 712,5 km, cấp điện cho 484 trạm biến áp phân phối với tổng công suất đặt đạt 43.197 kVA. Tuyến đường dây này đảm nhận vai trò cung cấp điện cho toàn bộ phụ tải huyện Pác Nặm, huyện Ngân Sơn, phần lớn huyện Ba Bể cùng một số xã thuộc huyện Bạch Thông. Thống kê lũy kế 12 tháng năm 2018 cho thấy số vụ sự cố thoáng qua và vĩnh cửu trên tuyến gia tăng mạnh do mưa giông, sét đánh và cây cối đổ vào hành lang tuyến.

Mặc dù Công ty Điện lực Bắc Kạn đã trang bị 28 máy cắt tự đóng lại Recloser gồm hai chủng loại chính là Cooper Nova i và Nu-Lec Schneider dọc tuyến, tình trạng sự cố tác động vượt cấp và tác động đồng thời giữa các Recloser vẫn diễn ra thường xuyên. Điển hình như các sự cố ngắn mạch với dòng điện lên tới 1.360 A đã gây nhảy đồng thời máy cắt xuất tuyến 371 tại trạm E26.1 và Recloser phân đoạn, làm gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng. Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá hiện trạng lưới điện, ứng dụng phần mềm ETAP để tính toán trào lưu công suất và dòng ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909 ở các chế độ vận hành cực đại và cực tiểu, từ đó xây dựng bộ thông số cài đặt tối ưu và phối hợp chọn lọc cho 28 trạm Recloser trên tuyến. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi giúp giảm thiểu thời gian mất điện trung bình (SAIDI) và tần suất mất điện trung bình (SAIFI), đảm bảo khả năng cô lập chính xác 100% phân đoạn sự cố và duy trì cấp điện an toàn, liên tục cho khu vực vùng cao Bắc Kạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết giải tích hệ thống điện và mô hình tính toán ngắn mạch đối xứng, không đối xứng theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60909. Các chế độ tính toán được thiết lập ở điện áp cơ bản 115 kV và công suất cơ bản 100 MVA, với thông số tổng trở nguồn phía 110 kV ở chế độ cực đại là X1 = 0,4082, X0 = 0,1540 và chế độ cực tiểu là X1 = 0,7103, X0 = 0,1680 trên hệ đơn vị tương đối.

Cơ sở phối hợp bảo vệ dựa trên nguyên lý hoạt động của rơ le quá dòng số và máy cắt tự đóng lại Recloser theo tiêu chuẩn IEC 60255 và IEEE C37.112-1996. Ba khái niệm kỹ thuật cốt lõi được áp dụng gồm:

  • Đường đặc tính thời gian - dòng điện (TCC) phụ thuộc dốc chuẩn với phương trình thời gian cắt t = (0,14 / ((I_f / I_pickup)^0,02 - 1)) * T_DS.
  • Chuỗi tự đóng lại đa chu trình với cấu hình gồm các lần cắt nhanh nhằm loại trừ 75% đến 95% sự cố thoáng qua và các lần cắt chậm để phối hợp chọn lọc trước khi khóa hẳn (lockout), cùng thời gian trễ tự đóng lại tiêu chuẩn là 30 giây.
  • Bảo vệ quá dòng chạm đất nhạy (SEF) làm việc độc lập với ngưỡng dòng tác động tinh chỉnh trong dải từ 4 đến 20 A và thời gian trễ từ 0,1 đến 999 giây nhằm phát hiện chính xác các sự cố chạm đất một pha có điện trở tiếp xúc lớn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập trực tiếp và toàn diện từ thực tế quản lý vận hành của Công ty Điện lực Bắc Kạn trong giai đoạn 2018 - 2019. Cỡ mẫu nghiên cứu bao quát toàn bộ 28 trạm Recloser, 484 trạm biến áp phân phối và các nguồn điện đấu nối trên lộ 371 E26.1, bao gồm máy biến áp T1 công suất 25 MVA (115/38,5/23 kV) tại trạm E26.1, nhà máy thủy điện Thượng Ân (công suất 2,4 MW với 3 tổ máy 800 kW) và nhà máy thủy điện Tà Làng (công suất 4,5 MW với 2 tổ máy 2,25 MW). Phương pháp chọn mẫu toàn thể được áp dụng do đặc thù mạng điện hình tia phân nhánh phức tạp, đòi hỏi phải kiểm tra tính liên tục của tất cả các nút tải và phân đoạn đường dây.

Lý do lựa chọn phần mềm mô phỏng chuyên dụng ETAP là nhờ khả năng mô hình hóa chính xác thông số mạng điện thực tế, tích hợp sẵn thư viện rơ le Siemens 7SJ6005, Recloser Cooper Nova i và Schneider Nu-Lec. ETAP cho phép giải bài toán phân bố công suất theo phương pháp Newton-Raphson và mô phỏng ngắn mạch ở mọi vị trí nút trên tuyến dài 712,5 km, từ đó xây dựng các biểu đồ TCC trực quan để kiểm tra khoảng thời gian phối hợp an toàn từ 0,2 đến 0,3 giây giữa các cấp bảo vệ liên tiếp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát và tính toán mô phỏng trên phần mềm ETAP đã chỉ ra các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  • Thông số chỉnh định hiện tại bộc lộ nhiều điểm bất hợp lý gây mất tính chọn lọc: Rơ le xuất tuyến 7SJ6005 tại trạm E26.1 đang cài đặt bảo vệ cấp I với dòng tác động 400 A (thời gian trễ 1,5 giây) và cấp II là 600 A (thời gian trễ 0,3 giây). Trong khi đó, nhiều Recloser phía hạ lưu như MC 371/35A hay MC 371/1A lại được cài đặt dòng khởi động pha lên tới 420 A và 500 A với thời gian tác động 0,0 đến 0,1 giây. Sự chênh lệch thời gian không đủ lớn khiến rơ le đầu nguồn nhảy đồng thời khi có dòng sự cố lớn.
  • Dòng ngắn mạch có sự phân hóa rất lớn dọc theo tuyến đường dây dài 712,5 km: Tại các điểm gần trạm 110 kV, dòng ngắn mạch ba pha cực đại lên tới 1.360 A, nhưng tại các phân đoạn cuối đường dây ở huyện Pác Nặm hay Ba Bể, dòng ngắn mạch cực tiểu giảm sâu xuống dưới 200 A. Việc không hiệu chỉnh đường cong TCC khiến khoảng 65% các vụ sự cố ở nhánh rẽ gây tác động lan truyền lên máy cắt trục chính.
  • Tỷ lệ sự cố chạm đất chiếm tới hơn 70% tổng số sự cố lưới điện trung áp Bắc Kạn do đứt dây lèo, vỡ sứ cách điện hoặc cây cối va quẹt trong mùa mưa bão. Tuy nhiên, tính năng bảo vệ chạm đất nhạy SEF ở dải 4 đến 20 A trên các Recloser Schneider Nu-Lec chưa được kích hoạt đồng bộ, dẫn đến việc bỏ sót hoặc cô lập chậm các sự cố chạm đất qua điện trở cao.
  • Sau khi tái lập thông số cài đặt mới và hiệu chỉnh đường cong TCC kết hợp cho 28 Recloser, mức độ chọn lọc trong phân vùng sự cố đạt 100%, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhảy vượt cấp tại các cụm Recloser phân đoạn trọng yếu như MC 371/1A Nguyên Phúc, MC 371/35A và MC 371/91B.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng Recloser tác động vượt cấp trên lộ 371 xuất phát từ việc phối hợp thiếu đồng bộ giữa các thiết bị có xuất xứ khác nhau. Recloser Cooper Nova i sử dụng tủ điều khiển vi xử lý với 4 nhóm thông số riêng biệt, trong khi Recloser Schneider Nu-Lec lại vận hành với 48 đường cong bảo vệ phụ thuộc. Khi dòng ngắn mạch lớn hơn 1.200 A, thời gian cắt của các Recloser này đều tiệm cận về mức cắt tức thời từ 0,01 đến 0,03 giây, dẫn đến việc triệt tiêu khoảng thời gian phân tầng bảo vệ với rơ le trạm nguồn.

Dữ liệu phân bố dòng ngắn mạch và phối hợp bảo vệ có thể được mô tả trực quan thông qua biểu đồ phối hợp đặc tính thời gian - dòng điện (TCC Curves) và bảng tổng hợp giá trị chỉnh định trên phần mềm ETAP. Trên đồ thị TCC dạng log-log, đường cong phản ứng nhanh của Recloser phân đoạn luôn được hiệu chỉnh nằm dưới đường cong bảo vệ cấp II của rơ le Siemens 7SJ6005 với khoảng cách an toàn thời gian tối thiểu 0,25 giây. Khi áp dụng chức năng cắt hẳn khi dòng sự cố lớn (High current lockout) cho Recloser đầu nguồn và tối ưu hóa thời gian trễ tự đóng lại 30 giây cho Recloser nhánh, lưới điện đạt được trạng thái vận hành ổn định. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các tiêu chuẩn vận hành lưới điện phân phối của EVN, đồng thời khẳng định việc chuẩn hóa thông số rơ le dựa trên công cụ tính toán giải tích là giải pháp tối ưu để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn cho lưới điện trung áp tỉnh Bắc Kạn, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  • Cài đặt và chuẩn hóa lại toàn bộ thông số chỉnh định mới cho 28 trạm Recloser trên lộ 371 trạm E26.1 theo kết quả tính toán mô phỏng ETAP, đảm bảo thời gian tự đóng lại 30 giây và kích hoạt chức năng bảo vệ chạm đất nhạy SEF trong dải 4 đến 20 A. Mục tiêu đạt độ chọn lọc bảo vệ 100% trong vòng 3 tháng đầu triển khai, do Phòng Điều độ phối hợp với Đội Quản lý vận hành lưới điện cao thế Bắc Kạn thực hiện.
  • Nâng cấp đồng bộ hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa SCADA qua sóng 3G và đường truyền cáp quang cho toàn bộ 59 trạm Recloser trong toàn tỉnh, hoàn thiện giao diện giám sát trạng thái trực tuyến tại Phòng Điều độ trong năm 2020 nhằm giảm thời gian xác định phân vùng sự cố xuống dưới 5 phút, do Trung tâm Viễn thông và Công nghệ thông tin EVNICT chủ trì kỹ thuật.
  • Thiết lập định kỳ công tác tính toán lại trào lưu công suất và dòng ngắn mạch 6 tháng một lần để kịp thời cập nhật sự thay đổi phương thức vận hành của 484 trạm biến áp phân phối và sự phát điện của các nhà máy thủy điện Thượng Ân (2,4 MW), Tà Làng (4,5 MW), do Kỹ sư phương thức Phòng Điều độ phụ trách.
  • Xây dựng quy trình thí nghiệm, kiểm tra định kỳ tiếp điểm buồng cắt chân không và độ chính xác của biến dòng đo lường tích hợp tỉ số 2000/1 A, phấn đấu giảm tỷ lệ sự cố hư hỏng cơ khí thiết bị đóng cắt xuống dưới 0,5% mỗi năm, giao cho Phân xưởng Thử nghiệm Điện thực hiện hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho nhiều nhóm đối tượng trong ngành kỹ thuật điện:

  • Kỹ sư phương thức và Điều độ viên tại các Công ty Điện lực trực thuộc Tổng công ty Điện lực Miền Bắc: Nắm bắt phương pháp tính toán chỉnh định rơ le quá dòng 50/51/51N và kỹ thuật phối hợp đường cong TCC giữa Recloser với rơ le trạm nguồn 110 kV, ứng dụng trực tiếp để giải quyết triệt để sự cố nhảy vượt cấp trên các xuất tuyến trung áp.
  • Cán bộ kỹ thuật quản lý vận hành lưới điện khu vực miền núi: Tiếp cận quy trình khai thác chuyên sâu các tính năng bảo vệ chạm đất nhạy SEF và bảo vệ mất pha LOP trên Recloser Schneider Nu-Lec và Cooper Nova i, phục vụ việc phân vùng và cô lập nhanh sự cố do cây cối va quẹt trên các tuyến đường dây dài.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu học tập và nghiên cứu thực tế về ứng dụng phần mềm ETAP trong giải tích hệ thống điện, tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909 và thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le phân tầng.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống điện thông minh: Tham khảo mô hình phân đoạn hóa lưới điện trung áp bằng Recloser tự động và giải pháp kết nối truyền thông SCADA/3G phục vụ lộ trình tự động hóa lưới điện phân phối (DAS).

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc phối hợp Recloser trên đường dây 371 trạm E26.1 lại phức tạp và dễ nhảy vượt cấp? Đường dây 371 có chiều dài rất lớn lên tới 712,5 km đi qua địa hình đồi núi hiểm trở, cấp điện cho 484 trạm biến áp và liên kết với hai nhà máy thủy điện Thượng Ân (2,4 MW), Tà Làng (4,5 MW). Sự phân tán nguồn điện và tổng trở đường dây lớn tạo ra sự chênh lệch dòng ngắn mạch mạnh từ 200 A đến 1.360 A, khiến các Recloser nếu không được phân tầng đường cong TCC chuẩn xác sẽ dễ tác động tức thời cùng lúc.

Recloser Cooper Nova i và Schneider Nu-Lec trên tuyến có những đặc tính kỹ thuật nào khác biệt? Cooper Nova i sử dụng buồng cắt chân không đúc cách điện rắn, tương thích tủ điều khiển vi xử lý với 4 nhóm thông số độc lập và chức năng cắt hẳn khi dòng cao. Trong khi đó, Schneider Nu-Lec nổi bật với 48 đường cong thời gian phụ thuộc, tích hợp tính năng bảo vệ chạm đất nhạy SEF từ 4 đến 20 A và bảo vệ mất pha LOP với độ phân giải thời gian đạt 0,1 giây.

Phần mềm ETAP hỗ trợ giải quyết bài toán chỉnh định Recloser như thế nào? ETAP thực hiện tính toán chính xác dòng trào công suất và dòng ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909 ở các chế độ vận hành max và min. Module phân tích phối hợp bảo vệ trong ETAP hiển thị trực quan các đường cong TCC trên cùng một tọa độ, giúp kỹ sư dễ dàng tinh chỉnh hệ số thời gian T_DS và dòng đặt I_pickup để duy trì khoảng phối hợp an toàn từ 0,2 đến 0,3 giây.

Ý nghĩa của việc cài đặt thời gian trễ tự đóng lại 30 giây trên các Recloser là gì? Thực tế vận hành cho thấy có từ 75% đến 95% sự cố trên đường dây trên không là sự cố thoáng qua do phóng điện sét hoặc va chạm cơ học tạm thời. Thời gian trễ 30 giây đảm bảo khử ion hóa hoàn toàn vùng không khí bị đánh thủng trước khi đóng điện trở lại, giúp khôi phục cấp điện tự động thành công cho hơn 80% trường hợp mà không cần nhân viên thao tác thủ công.

Cần lưu ý điều gì khi cài đặt tính năng bảo vệ quá dòng chạm đất nhạy SEF? Bảo vệ SEF cần được đặt dòng tác động trong ngưỡng 4 đến 20 A với thời gian trễ từ 1,0 đến 5,0 giây để tránh tác động nhầm do dòng không cân bằng tự nhiên. Đồng thời, mạch đo lường phải kích hoạt bộ lọc thông thấp để loại bỏ các thành phần sóng hài trên 60 Hz và dòng điện từ hóa nhảy vọt khi đóng máy biến áp phân phối.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng kỹ thuật và nguyên nhân sự cố trên tuyến đường dây 371 trạm E26.1 dài 712,5 km cấp điện cho 484 trạm biến áp với công suất 43.197 kVA.
  • Ứng dụng thành công phần mềm ETAP để tính toán ngắn mạch theo chuẩn IEC 60909 và chuẩn hóa đường đặc tính TCC cho toàn bộ 28 trạm Recloser Cooper Nova i và Schneider Nu-Lec.
  • Xây dựng bộ thông số chỉnh định bảo vệ quá dòng pha và chạm đất tối ưu, giải quyết triệt để tình trạng nhảy vượt cấp và nâng cao tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ lên 100%.
  • Đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực giúp Công ty Điện lực Bắc Kạn giảm thiểu đáng kể các chỉ số SAIDI, SAIFI và đảm bảo an toàn cung cấp điện cho 4 huyện vùng cao.
  • Đề xuất lộ trình triển khai giám sát trực tuyến SCADA và định kỳ rà soát trào lưu công suất trong 6 đến 12 tháng tới nhằm hiện đại hóa toàn diện 59 trạm Recloser trên địa bàn tỉnh.

Việc ứng dụng phương pháp giải tích mạng điện chuyên sâu và chuẩn hóa thông số cài đặt Recloser là bước đi tất yếu để nâng cao chất lượng điện năng và tự động hóa lưới điện phân phối. Hãy áp dụng ngay quy trình tính toán và phối hợp bảo vệ này để tối ưu hóa độ tin cậy cho hệ thống điện tại đơn vị của bạn.