Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội hiện nay, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao, đặt ra nhiều thách thức cho ngành điện trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định và chất lượng. Theo quy định của Bộ Công Thương tại Thông tư 39/2015/TT-BCT, thời gian loại trừ sự cố của bảo vệ chính trên lưới điện 110kV không được vượt quá 150ms. Tuy nhiên, nhiều trạm biến áp 110kV trước đây chưa được trang bị rơ le bảo vệ thanh cái, dẫn đến thời gian cô lập sự cố kéo dài, ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của hệ thống. Tổng Công Ty Điện Lực Miền Nam (SPC) đã triển khai trang bị rơ le bảo vệ so lệch thanh cái, trong đó rơ le Toshiba GRB200 được sử dụng phổ biến tại các trạm biến áp 110kV.

Luận văn tập trung phân tích, đánh giá chức năng bảo vệ so lệch thanh cái của rơ le Toshiba GRB200 tại trạm biến áp 110kV KCN Vĩnh Hảo, tỉnh Bình Thuận, đồng thời mở rộng mô hình bảo vệ cho sơ đồ thanh cái chữ H. Nghiên cứu sử dụng mô phỏng Matlab/Simulink để xây dựng mô hình thanh cái và mô phỏng các tình huống sự cố, kết hợp thử nghiệm thực tế tại trạm để đối chiếu và đánh giá hiệu quả bảo vệ. Mục tiêu chính là đảm bảo rơ le hoạt động tin cậy, ổn định, đáp ứng yêu cầu thời gian loại trừ sự cố và nâng cao độ an toàn cho hệ thống điện 110kV của SPC.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm lý thuyết bảo vệ so lệch thanh cái, chức năng của rơ le GRB200, mô phỏng và thử nghiệm thực tế tại trạm 110kV KCN Vĩnh Hảo, cùng với mô hình mở rộng cho các sơ đồ thanh cái khác trên lưới điện SPC. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu thời gian sự cố và làm tài liệu tham khảo cho công tác đào tạo kỹ thuật viên ngành điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính về bảo vệ so lệch thanh cái:

  1. Bảo vệ so lệch tổng trở thấp: Nguyên lý hoạt động dựa trên so sánh tổng dòng điện đi vào và đi ra của vùng bảo vệ. Khi tổng dòng không cân bằng, bảo vệ sẽ tác động. Loại bảo vệ này có đặc tính hãm để tránh tác động nhầm do sự cố ngoài vùng hoặc biến dòng bị bão hòa. Rơ le GRB200 áp dụng nguyên lý này với khả năng cấu hình linh hoạt cho nhiều dạng sơ đồ thanh cái như thanh cái đơn, đôi, vòng, có ngăn phân đoạn.

  2. Bảo vệ so lệch tổng trở cao: Sử dụng điện trở ổn định nối tiếp với rơ le để tăng tổng trở nhánh rơ le, hạn chế dòng điện chạy vào rơ le khi biến dòng bị bão hòa, tránh tác động nhầm trong trường hợp ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. Tuy nhiên, loại bảo vệ này có chi phí cao và phức tạp hơn.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: dòng so lệch (Id), dòng cản (Ir), vùng bảo vệ (zone), chức năng kiểm tra vùng (check zone), bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF), và các cấu hình bảo vệ tập trung và phân tán. So sánh ưu nhược điểm giữa bảo vệ tổng trở thấp và tổng trở cao được trình bày chi tiết, giúp lựa chọn giải pháp phù hợp cho hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, quy định pháp luật về hệ thống điện phân phối, thông số kỹ thuật rơ le Toshiba GRB200, dữ liệu vận hành thực tế tại trạm biến áp 110kV KCN Vĩnh Hảo.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình thanh cái và chức năng bảo vệ so lệch bằng phần mềm Matlab/Simulink, mô phỏng các kịch bản sự cố khác nhau (sự cố trong vùng bảo vệ, ngoài vùng bảo vệ, sự cố vùng mù). Thử nghiệm thực tế rơ le GRB200 tại trạm sử dụng bộ hợp bộ thử nghiệm OMICRON CMC 356 và phần mềm điều khiển Test Universe để thu thập dữ liệu vận hành, so sánh với kết quả mô phỏng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng bao gồm các ngăn lộ và thanh cái thực tế của trạm 110kV KCN Vĩnh Hảo, với tối đa 24 ngõ vào dòng. Thử nghiệm thực tế được thực hiện trên rơ le GRB200 lắp đặt tại trạm. Các kịch bản mô phỏng được thiết kế để bao phủ các tình huống vận hành phổ biến và các sự cố đặc thù.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 11/2023, hoàn thành tháng 6/2024, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết, tính toán chỉnh định, xây dựng mô hình mô phỏng, thử nghiệm thực tế, đánh giá kết quả và mở rộng mô hình.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khách quan, khoa học và khả năng áp dụng thực tiễn cao, giúp đánh giá chính xác chức năng bảo vệ so lệch thanh cái của rơ le Toshiba GRB200.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô phỏng và thử nghiệm rơ le GRB200: Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink và thử nghiệm thực tế cho thấy rơ le GRB200 đáp ứng tốt yêu cầu bảo vệ so lệch thanh cái với thời gian tác động nhanh, chính xác. Ví dụ, trong kịch bản sự cố trong vùng bảo vệ, rơ le tác động cắt máy cắt trong khoảng thời gian dưới 150ms, phù hợp với quy định của Bộ Công Thương. Đặc tuyến làm việc của rơ le trong mô phỏng và thực tế có sự tương đồng cao, sai số dưới 5%.

  2. Khả năng phân biệt sự cố trong và ngoài vùng bảo vệ: Rơ le GRB200 có khả năng phân biệt chính xác sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ thanh cái và sự cố ngoài vùng, tránh tác động nhầm. Trong các kịch bản sự cố ngoài vùng, rơ le không tác động hoặc chỉ kích hoạt chức năng giám sát, đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ.

  3. Chức năng bảo vệ vùng mù (blind zone): Mô hình mở rộng cho sơ đồ thanh cái chữ H cho thấy chức năng bảo vệ vùng mù hoạt động hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ sự cố không được phát hiện trong vùng giữa biến dòng và máy cắt liên lạc. Kết quả mô phỏng cho thấy tỷ lệ phát hiện sự cố vùng mù đạt trên 95%.

  4. Chức năng bảo vệ chống hư hỏng máy cắt (50BF): Rơ le GRB200 thực hiện tốt chức năng 50BF, phát hiện và xử lý kịp thời các trường hợp máy cắt không mở đúng, giảm thiểu rủi ro sự cố lan rộng. Thời gian phản hồi chức năng này được ghi nhận dưới 200ms trong thử nghiệm thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp rơ le GRB200 hoạt động hiệu quả là do thiết kế bảo vệ so lệch tổng trở thấp với đặc tính hãm, kết hợp chức năng kiểm tra vùng và giám sát dòng, áp, giúp tăng độ tin cậy và tránh tác động nhầm. So với các nghiên cứu trước đây về rơ le bảo vệ thanh cái của các hãng khác như SEL, ABB, Toshiba GRB200 có ưu điểm về khả năng cấu hình linh hoạt, hỗ trợ nhiều sơ đồ thanh cái và tích hợp nhiều chức năng giám sát.

Kết quả mô phỏng và thử nghiệm được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến dòng so lệch và dòng cản, đồ thị dạng