Tổng quan nghiên cứu

Trong cấu trúc lưới điện hiện đại, trạm biến áp đóng vai trò là mắt xích phân phối huyết mạch, trong đó hệ thống bảo vệ rơle quyết định trực tiếp đến hơn 70% độ tin cậy và an toàn vận hành. Trạm biến áp 110/22kV Ninh Phước trực thuộc Chi nhánh điện Cao thế Ninh Thuận (Công ty Lưới điện Cao thế miền Nam) được xây dựng từ năm 2000, bắt đầu vận hành giai đoạn 1 năm 2004 với công suất 25MVA và hoàn thành giai đoạn 2 vào năm 2016, nâng tổng công suất thiết kế toàn trạm lên 50MVA.

Vấn đề nghiên cứu then chốt xuất phát từ áp lực truyền tải điện ngày càng tăng cho huyện Ninh Phước, Thuận Nam và thành phố Phan Rang - Tháp Chàm qua 8 xuất tuyến 22kV cùng hai tuyến đường dây 110kV kết nối nguồn thủy điện Đại Ninh và Đa Nhim. Các hệ thống rơle cơ điện hoặc rơle tĩnh truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế như tiêu hao công suất lớn khoảng 10VA, độ nhạy suy giảm theo thời gian và nguy cơ tác động sai cao khi máy biến dòng bị bão hòa hoặc xuất hiện dòng từ hóa đột biến.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, đánh giá toàn diện hiện trạng trạm 110kV Ninh Phước, từ đó phân tích và ứng dụng hệ thống rơle kỹ thuật số đa chức năng hiện đại họ SIPROTEC của hãng Siemens (trọng tâm là rơle 7UT613) để thiết kế, tính toán ngắn mạch và cài đặt chỉnh định thông số bảo vệ tối ưu cho máy biến áp 25MVA. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện trạm 110kV Ninh Phước với mốc dữ liệu tính toán hoàn thiện năm 2017. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm công suất tự tiêu thụ mạch nhị thứ xuống chỉ còn 0,2VA (giảm tới 98%), nâng khả năng cắt ngắn mạch an toàn ở mức 25kA và đảm bảo thời gian cô lập sự cố dưới 35ms, góp phần cải thiện vượt bậc các chỉ số độ tin cậy cấp điện SAIDI và SAIFI cho lưới điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết bảo vệ rơle cốt lõi: Lý thuyết bảo vệ so lệch dòng điện có hãm (Differential Protection) và Lý thuyết bảo vệ chống chạm đất hạn chế (Restricted Earth Fault - REF) dựa trên dòng thứ tự không.

Nguyên lý bảo vệ so lệch máy biến áp hoạt động trên cơ sở so sánh liên tục độ lệch dòng điện giữa các cuộn dây 115kV và 23kV. Đường đặc tính tác động của rơle kỹ thuật số được thiết lập đa đoạn linh hoạt: đoạn dòng khởi động ngưỡng thấp IDIFF> bù dòng từ hóa, đoạn dốc SLOPE 1 khử sai số biến dòng và sự dịch chuyển nấc phân áp, đoạn dốc SLOPE 2 ngăn ngừa tác động nhầm khi biến dòng bão hòa không đồng đều, cùng đoạn ngưỡng cao IDIFF>> cắt nhanh tức thời không trễ khi dòng ngắn mạch vượt ngưỡng an toàn. Đi kèm với đó là thuật toán lọc số Fourier phân tích phổ tần số để kích hoạt tính năng khóa sóng hài bậc 2 (với tỷ số hãm từ 10% đến 80%) chống dòng từ hóa đóng máy biến áp không tải và sóng hài bậc 5 chống quá kích thích.

Bảo vệ chống chạm đất hạn chế REF triển khai theo nguyên lý so lệch dòng thứ tự không, so sánh dòng điện trong dây trung tính nối đất với tổng vector dòng điện ba pha. Thuật toán phân tích góc pha giới hạn giúp nhận diện chính xác sự cố chạm đất một điểm bên trong vùng bảo vệ để cắt tức thời, đồng thời tự động khóa dòng hãm khi xảy ra sự cố ngoài vùng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập trực tiếp từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, sơ đồ mặt bằng và nhật ký vận hành thực tế tại Trạm biến áp 110kV Ninh Phước, kết hợp với tài liệu thông số chuẩn của các dòng rơle số Siemens 7UT613, 7UT513, 7SA522 và Alstom MiCOM P63x, tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế IEC 60056, IEC 60870-5-103 và IEC 255.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ hệ thống thiết bị nhất thứ và nhị thứ của trạm, gồm 2 máy biến áp lực 25MVA (T1 và T2), 2 ngăn lộ đường dây 110kV (lộ 171 và 172), 8 ngăn xuất tuyến phân phối 22kV, 2 máy biến áp tự dùng (75kVA và 100kVA) cùng hệ thống máy cắt SF6 3AP1FG và máy cắt chân không 3AH1. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn diện toàn bộ cấu hình trạm để đảm bảo tính đồng bộ tuyệt đối trong phối hợp chuỗi bảo vệ liên động.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình giải tích mạng điện thay thế và giải thuật tính toán ngắn mạch ba pha, hai pha chạm đất và một pha chạm đất tại các nút xung yếu. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm xác định chính xác giá trị dòng ngắn mạch cực đại và cực tiểu trong các kịch bản vận hành thực tế, từ đó xây dựng ma trận chỉnh định tham số bảo vệ tối ưu với độ nhạy cao nhất. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt quá trình đóng điện giai đoạn 2 và hoàn thiện tổng kết trong giai đoạn 2016-2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc áp dụng hệ thống vi xử lý 32-bit của rơle 7UT613 giúp giảm công suất tiêu thụ mạch đo lường từ 10VA (ở rơle cơ điện) xuống chỉ còn 0,1VA đến 0,5VA trên mỗi pha, tương đương mức giảm hao tổn mạch nhị thứ hơn 95%, loại trừ triệt để hiện tượng sai số cơ học do rung động hoặc tiếp điểm bị oxy hóa.

Thứ hai, kết quả tính toán chỉnh định dòng điện khởi động ngưỡng thấp và ngưỡng cao cho máy biến áp 25MVA - 115/23kV mang lại tốc độ cắt sự cố bên trong vùng bảo vệ cực nhanh, đạt từ 17ms đến 35ms khi dòng ngắn mạch đạt gấp 5 lần giá trị đặt, rút ngắn hơn 60% thời gian phản hồi so với rơle thế hệ cũ.

Thứ ba, tính năng khóa sóng hài bậc 2 được cài đặt trong dải tỷ số 10% đến 80% cùng chức năng khóa chéo giữa các pha đã loại bỏ 100% hiện tượng tác động cắt nhầm khi đóng máy biến áp không tải hoặc khi chuyển đổi phương thức vận hành song song giữa hai máy biến áp T1 và T2.

Thứ tư, tính toán dòng ngắn mạch chứng minh hệ thống máy cắt SF6 3AP1FG phía 110kV (dòng cắt định mức 25kA, điện áp chịu đựng xung sét 550kV) và máy cắt chân không 3AH1 phía 22kV hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu đựng và dập tắt hồ quang an toàn trước dòng sự cố cực đại đo được tại trạm là khoảng 18,4kA.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của rơle kỹ thuật số 7UT613 bắt nguồn từ cấu trúc phần cứng hiện đại với 12 đầu vào dòng điện, 4 đầu vào điện áp, bộ chuyển đổi tương tự - số AD và bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng. Khi xảy ra ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ gây bão hòa biến dòng trong 1/4 chu kỳ đầu tiên, rơle tự động tính toán dịch chuyển điểm làm việc vào vùng hãm bổ sung, khắc phục hoàn toàn nhược điểm mất chọn lọc thường gặp ở rơle tĩnh.

So sánh với rơle 16-bit thế hệ trước như 7UT513, dòng 7UT613 thể hiện sự ưu việt nhờ tích hợp đồng thời nhiều chức năng độc lập: bảo vệ so lệch 87T, chống chạm đất hạn chế 87N, bảo vệ quá tải nhiệt 49 theo mô hình hình ảnh nhiệt và bảo vệ quá dòng có thời gian 50/51.

Dữ liệu tính toán trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua bảng tổng hợp dòng ngắn mạch tại các điểm sự cố quy đổi và đồ thị đặc tính tác động so lệch có hãm biểu diễn trên hệ tọa độ dòng so lệch và dòng hãm. Đồ thị này minh họa rõ ràng ranh giới giữa miền hãm an toàn, miền quá độ do bão hòa biến dòng và miền tác động ngắt sự cố, cung cấp bằng chứng định lượng rõ ràng cho tính chuẩn xác của các giá trị cài đặt.

Đề xuất và khuyến nghị

Hiện đại hóa đồng bộ thiết bị bảo vệ: Chi nhánh điện Cao thế Ninh Thuận cần xây dựng kế hoạch thay thế toàn bộ các rơle bảo vệ cơ và tĩnh còn sót lại trên lưới 22kV sang các dòng rơle kỹ thuật số đa chức năng trong thời hạn 12 đến 24 tháng tới, đảm bảo tính tương thích và đồng bộ hóa 100% giao thức điều khiển.

Mở rộng kết nối SCADA và tự động hóa trạm: Công ty Lưới điện Cao thế miền Nam cần kích hoạt toàn diện cổng truyền thông RS485 và giao thức IEC 60870-5-103 trên rơle 7UT613 để truyền dữ liệu thời gian thực về Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam trước năm 2020, tạo tiền đề chuyển đổi trạm sang mô hình vận hành không người trực.

Bổ sung nguồn điện tự dùng một chiều dự phòng: Đơn vị quản lý cần khẩn trương trang bị thêm 1 dàn ắc quy NiCd 110VDC dung lượng 120Ah hoạt động song song với dàn ắc quy hiện hữu, loại bỏ rủi ro mất nguồn thao tác điều khiển khi xảy ra sự cố nguồn tự dùng DC đơn lẻ.

Thiết lập quy trình kiểm chuẩn định kỳ bằng phần mềm DIGSI 4: Đội ngũ kỹ sư vận hành trạm cần định kỳ 6 tháng một lần sử dụng phần mềm chuyên dụng để trích xuất nhật ký dao động ký sự cố, kiểm tra lại các ngưỡng khóa sóng hài bậc 2 và bậc 5, duy trì hệ số sẵn sàng tác động chính xác của rơle đạt trên 99,8%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm biến áp: Tiếp cận quy trình tính toán ngắn mạch, phương pháp chọn biến dòng và hướng dẫn chi tiết từng bước cài đặt thông số rơle số 7UT613 cho máy biến áp 25MVA bằng phần mềm DIGSI 4.

Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các Công ty Điện lực: Tham khảo giải pháp chuyển đổi kỹ thuật số cho hệ thống nhị thứ, xây dựng chiến lược nâng cao độ tin cậy cấp điện và tối ưu hóa chi phí đầu tư bảo dưỡng trạm 110kV.

Học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn như một tài liệu học thuật thực hành tiêu chuẩn về lý thuyết bảo vệ so lệch 87T, bảo vệ chống chạm đất hạn chế 87N và nghệ thuật phối hợp bảo vệ liên động giữa cấp 110kV và 22kV.

Chuyên gia tư vấn tự động hóa lưới điện: Nghiên cứu cấu trúc tích hợp cổng truyền thông công nghiệp, giao diện vi xử lý và khả năng ghép nối rơle kỹ thuật số vào hệ thống điều khiển giám sát SCADA/DMS diện rộng.

Câu hỏi thường gặp

Rơle kỹ thuật số 7UT613 có ưu điểm gì vượt trội so với rơle điện cơ truyền thống? Rơle số 7UT613 tiêu thụ công suất cực thấp chỉ từ 0,1VA đến 0,5VA so với 10VA của rơle cơ, tích hợp vi xử lý 32-bit cùng thuật toán lọc số Fourier giúp xử lý đa chức năng, ghi nhận dao động ký sự cố và miễn nhiễm với rung động cơ học.

Tại sao phải cài đặt chức năng khóa sóng hài bậc 2 trong bảo vệ so lệch máy biến áp? Khi đóng điện máy biến áp không tải, dòng từ hóa đột biến có thể tăng vọt gấp nhiều lần dòng định mức và gây ra dòng so lệch giả. Việc lọc và khóa theo sóng hài bậc 2 (ngưỡng 10% đến 80%) giúp ngăn rơle nhảy nhầm làm mất điện diện rộng.

Nguyên lý làm việc của chức năng bảo vệ chống chạm đất hạn chế REF là gì? Chức năng REF so sánh dạng sóng cơ bản của dòng trung tính nối đất với tổng dòng thứ tự không ba pha. Khi có sự cố chạm đất trong cuộn dây hình sao, dòng hãm triệt tiêu giúp rơle tác động cắt cực nhanh trong 17ms đến 25ms để bảo vệ máy biến áp.

Quy mô cấp điện thực tế của Trạm biến áp 110kV Ninh Phước hiện nay như thế nào? Sau khi lắp đặt hoàn thiện máy biến áp T2 vào năm 2016, trạm đạt tổng công suất 50MVA với 2 máy biến áp 25MVA, 2 ngăn lộ 110kV và 8 xuất tuyến 22kV, cấp điện ổn định cho toàn bộ huyện Ninh Phước, Thuận Nam và thành phố Phan Rang.

Người vận hành cài đặt và giám sát rơle 7UT613 bằng những công cụ nào? Kỹ sư có thể thao tác trực tiếp qua bàn phím và màn hình LCD phía trước rơle, hoặc kết nối máy tính qua cổng RS232/RS485 sử dụng phần mềm điều khiển DIGSI 4 để cấu hình thông số, kiểm tra thử nghiệm và trích xuất dữ liệu phân tích sự cố.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán ứng dụng rơle kỹ thuật số 7UT613 để bảo vệ an toàn cho Trạm biến áp 110/22kV Ninh Phước:

  • Thiết lập thành công bộ thông số chỉnh định chuẩn xác cho các chức năng bảo vệ so lệch 87T, chống chạm đất hạn chế 87N và quá dòng 50/51.
  • Rút ngắn thời gian cô lập ngắn mạch bên trong máy biến áp xuống dưới 35ms, nâng cao vượt bậc độ ổn định cho hệ thống điện khu vực.
  • Giảm thiểu hơn 95% công suất tiêu thụ mạch đo lường so với rơle cơ điện truyền thống, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ tác động sai do bão hòa biến dòng.
  • Đóng góp nguồn tư liệu tham khảo thực tiễn có giá trị cao cho công tác thiết kế và nâng cấp các trạm biến áp 110kV tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ.
  • Xác định lộ trình tiếp theo cần tập trung đầu tư hệ thống ắc quy DC dự phòng và tích hợp trọn vẹn rơle vào mạng SCADA giai đoạn 2020-2025.

Các kỹ sư và đơn vị quản lý vận hành lưới điện hãy nhanh chóng ứng dụng quy trình tính toán chỉnh định rơle kỹ thuật số này để tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ và an toàn cung cấp điện!