Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền tải điện đóng vai trò xương sống trong việc đảm bảo an ninh năng lượng và vận hành ổn định nền kinh tế xã hội. Tại Việt Nam, các sự cố trên đường dây truyền tải chiếm khoảng 60-70% tổng số sự cố trong hệ thống điện, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện. Đặc biệt, tại các đường dây 110kV, bảo vệ khoảng cách (F21) được sử dụng phổ biến nhưng còn tồn tại hạn chế như không đủ độ nhạy khi có điện trở sự cố lớn hoặc dao động công suất, dẫn đến thời gian loại trừ sự cố không đáp ứng yêu cầu theo Thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương, quy định thời gian tối đa loại trừ sự cố cấp điện áp 110kV là 150ms.

Luận văn tập trung phân tích và đánh giá chức năng bảo vệ so lệch dọc đường dây (F87L) của rơle TOSHIBA-GRL200 tại trạm biến áp 110kV An Hiệp, tỉnh Bến Tre. Mục tiêu nghiên cứu nhằm tính toán thông số cài đặt, mô phỏng và thử nghiệm thực tế chức năng F87L để đánh giá độ tin cậy, độ nhạy và tính chọn lọc của bảo vệ so lệch, từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ đường dây 110kV. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đường dây 171-An Hiệp nối 178-Bến Tre 2 trong hệ thống lưới điện miền Nam, với dữ liệu thu thập và phân tích trong giai đoạn 2023-2024.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện, giảm thiểu thời gian mất điện ngoài ý muốn, đồng thời hỗ trợ công tác đào tạo và phát triển kỹ thuật bảo vệ hiện đại cho các đơn vị điện lực. Kết quả nghiên cứu góp phần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định pháp luật hiện hành, đồng thời hỗ trợ EVNSPC trong việc triển khai trang bị rơle bảo vệ so lệch cho các đường dây truyền tải 110kV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình bảo vệ rơle trong hệ thống điện truyền tải, tập trung vào hai loại bảo vệ chính:

  • Bảo vệ khoảng cách (F21): Nguyên lý dựa trên đo tổng trở đường dây, so sánh điện áp và dòng điện tại vị trí đặt rơle để xác định sự cố. Bảo vệ này có ưu điểm về tính chọn lọc trong mạng lưới phức tạp nhưng nhược điểm là không đảm bảo thời gian loại trừ sự cố nhanh và dễ bị ảnh hưởng bởi dao động điện, sai số biến dòng (TI) và biến áp (TU).

  • Bảo vệ so lệch dọc đường dây (F87L): Dựa trên nguyên tắc so sánh dòng điện tại hai đầu đường dây, tính dòng so lệch (Idiff) và dòng hãm (Irest) để phát hiện sự cố trong vùng bảo vệ. Bảo vệ này có ưu điểm về độ nhạy cao, thời gian tác động gần như tức thời (khoảng 0s), tính chọn lọc tuyệt đối và không phụ thuộc cấu trúc lưới điện. Rơle TOSHIBA-GRL200 tích hợp chức năng F87L với đặc tính làm việc hai độ dốc, giúp giảm thiểu tác động nhầm do sai số TI, TU và dòng điện nạp do điện dung đường dây.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng so lệch (Idiff), dòng hãm (Irest), dòng khởi động (Ikđ), thời gian trễ kênh truyền tín hiệu (TCH), đặc tính bảo vệ Mho và tứ giác, cũng như các dạng sự cố trên đường dây như ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 3 pha và chạm đất.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  • Phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập, tổng hợp các tài liệu chuyên ngành về bảo vệ rơle, đặc biệt là các chức năng bảo vệ so lệch và khoảng cách, cùng các quy định pháp luật như Thông tư 39/2015/TT-BCT và các văn bản chỉ đạo của EVN.

  • Mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình bảo vệ so lệch (F87L) cho đường dây 110kV tại trạm An Hiệp bằng phần mềm Matlab/Simulink. Mô phỏng các kịch bản vận hành bình thường, sự cố trong và ngoài vùng bảo vệ, đánh giá đặc tính làm việc của rơle qua các thông số dòng điện so lệch và dòng hãm. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các trường hợp sự cố 3 pha, 2 pha và sự cố chạm đất với các vị trí khác nhau trên đường dây.

  • Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm thực tế chức năng bảo vệ so lệch của rơle TOSHIBA-GRL200 tại trạm biến áp 110/22kV An Hiệp sử dụng hợp bộ thử nghiệm OMICRON Test Universal. Thực hiện các trường hợp thử nghiệm vận hành bình thường, sự cố trong và ngoài vùng bảo vệ, giá trị khởi động và giá trị bảo vệ cấp 2. Phân tích dữ liệu thu thập để đối chiếu với kết quả mô phỏng, đánh giá độ chính xác và hiệu quả của chức năng F87L.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2023 đến tháng 6/2024, với các giai đoạn chính gồm thu thập dữ liệu, tính toán thông số, mô phỏng, thử nghiệm thực tế và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính toán và cài đặt thông số bảo vệ F87L: Dựa trên thông số kỹ thuật đường dây 110kV tại trạm An Hiệp, các giá trị chỉnh định cho chức năng F87L của rơle TOSHIBA-GRL200 được xác định chính xác, đảm bảo độ nhạy và tính chọn lọc. Ví dụ, dòng khởi động so lệch (Ikđ) được thiết lập phù hợp để tránh tác động nhầm do sai số TI, TU và dòng điện nạp.

  2. Kết quả mô phỏng Matlab/Simulink: Mô hình mô phỏng cho thấy bảo vệ so lệch F87L có khả năng phát hiện nhanh chóng các sự cố trong vùng bảo vệ với thời gian tác động gần như tức thời (dưới 50ms). Dòng so lệch Idiff tăng rõ rệt khi có sự cố trong vùng bảo vệ, trong khi dòng hãm Irest duy trì ở mức cao khi sự cố ngoài vùng bảo vệ, giúp tránh tác động nhầm. So sánh các kịch bản sự cố cho thấy tỷ lệ phát hiện chính xác trên 95%.

  3. Thử nghiệm thực tế với hợp bộ OMICRON: Kết quả thử nghiệm tại trạm An Hiệp xác nhận tính hiệu quả của chức năng F87L. Thời gian mở máy cắt khi có sự cố trong vùng bảo vệ đạt khoảng 60-70ms, đáp ứng yêu cầu Thông tư 39/2015/TT-BCT. Các trường hợp thử nghiệm sự cố ngoài vùng bảo vệ không gây tác động nhầm, chứng tỏ độ tin cậy cao của rơle.

  4. So sánh với bảo vệ khoảng cách F21: Qua phân tích sự cố thực tế trên đường dây 171 Cái Dầu – 171 An Châu, bảo vệ khoảng cách F21 có thời gian loại trừ sự cố tại đầu xa lên đến 372ms, vượt quá giới hạn 150ms theo quy định. Trong khi đó, bảo vệ so lệch F87L trên đường dây 172 Bình Đức – 171 Chợ Gạo đáp ứng thời gian loại trừ sự cố dưới 150ms, thể hiện ưu thế vượt trội về tốc độ và độ chính xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bảo vệ so lệch F87L đạt hiệu quả cao là do nguyên lý so sánh dòng điện hai đầu đường dây, giúp phát hiện sự cố chính xác và nhanh chóng, không bị ảnh hưởng bởi dao động công suất hay điện trở sự cố lớn như bảo vệ khoảng cách. Việc sử dụng đặc tính hai độ dốc trong rơle TOSHIBA-GRL200 giúp giảm thiểu tác động nhầm do sai số biến dòng và điện áp, đồng thời xử lý hiệu quả dòng điện nạp do điện dung đường dây.

So với các nghiên cứu trong ngành và các báo cáo của EVNSPC, kết quả luận văn phù hợp với xu hướng ứng dụng bảo vệ so lệch cho các đường dây 110kV nhằm nâng cao độ tin cậy và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Việc mô phỏng kết hợp thử nghiệm thực tế tạo nên cơ sở vững chắc cho việc triển khai thực tế tại các trạm biến áp trong khu vực.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng dòng điện so lệch và dòng hãm, bảng tổng hợp thời gian tác động của rơle trong các kịch bản sự cố, giúp minh họa rõ ràng ưu điểm của bảo vệ so lệch so với bảo vệ khoảng cách truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bảo vệ so lệch F87L cho các đường dây 110kV: Các đơn vị điện lực nên ưu tiên trang bị rơle TOSHIBA-GRL200 hoặc tương đương có chức năng F87L cho các đường dây truyền tải 110kV nhằm nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu thời gian loại trừ sự cố. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm, chủ thể là EVNSPC và các công ty điện lực thành viên.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về bảo vệ so lệch, sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink và thiết bị thử nghiệm OMICRON để nâng cao kỹ năng vận hành, bảo trì và đánh giá hệ thống bảo vệ. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật điện.

  3. Nâng cấp hệ thống truyền thông và đồng bộ dữ liệu: Đảm bảo thời gian trễ kênh truyền tín hiệu (TCH) được kiểm soát dưới mức cho phép để bảo vệ so lệch hoạt động chính xác. Đầu tư hạ tầng truyền thông cáp quang hoặc sóng vi ba chuyên dụng, thời gian thực hiện 1 năm, chủ thể là các đơn vị quản lý lưới điện.

  4. Xây dựng quy trình thử nghiệm và bảo trì định kỳ: Thiết lập quy trình kiểm tra, thử nghiệm chức năng bảo vệ so lệch bằng hợp bộ OMICRON hoặc thiết bị tương tự để đảm bảo rơle hoạt động ổn định, phát hiện sớm các sai lệch và hư hỏng. Thời gian thực hiện hàng năm, chủ thể là các đơn vị vận hành trạm biến áp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và cán bộ vận hành hệ thống điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ nguyên lý, ưu nhược điểm và cách thức vận hành bảo vệ so lệch F87L, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố nhanh chóng.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách đầu tư, nâng cấp hệ thống bảo vệ, đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá cho công tác giảng dạy, nghiên cứu và phát triển các giải pháp bảo vệ hiện đại trong hệ thống điện.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ kỹ thuật điện: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn vận hành để phát triển sản phẩm, dịch vụ phù hợp với nhu cầu của ngành điện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bảo vệ so lệch F87L khác gì so với bảo vệ khoảng cách F21?
    Bảo vệ so lệch F87L so sánh trực tiếp dòng điện hai đầu đường dây, có độ nhạy cao và thời gian tác động gần như tức thời, trong khi bảo vệ khoảng cách F21 dựa trên đo tổng trở và có thể bị ảnh hưởng bởi dao động điện và điện trở sự cố lớn, dẫn đến thời gian tác động chậm hơn.

  2. Tại sao cần sử dụng rơle TOSHIBA-GRL200 cho bảo vệ so lệch?
    Rơle TOSHIBA-GRL200 tích hợp nhiều chức năng bảo vệ, có đặc tính làm việc hai độ dốc giúp giảm sai số, hỗ trợ truyền thông đồng bộ dữ liệu nhanh và chính xác, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cao của hệ thống điện 110kV.

  3. Làm thế nào để đảm bảo đồng bộ dữ liệu dòng điện hai đầu đường dây?
    Cần sử dụng hệ thống truyền thông tốc độ cao như cáp quang hoặc sóng vi ba, đồng thời tính toán và bù trừ thời gian trễ kênh truyền tín hiệu (TCH) trong rơle để đảm bảo mẫu dòng điện được so sánh đồng bộ.

  4. Thời gian loại trừ sự cố tối đa theo quy định là bao nhiêu?
    Theo Thông tư 39/2015/TT-BCT, thời gian tối đa loại trừ sự cố đối với cấp điện áp 110kV là 150ms, bao gồm thời gian tác động của rơle và thời gian thao tác của máy cắt điện.

  5. Có thể áp dụng bảo vệ so lệch F87L cho các cấp điện áp khác không?
    Có, bảo vệ so lệch F87L hiện được áp dụng rộng rãi cho các đường dây truyền tải 220kV, 500kV và đang được triển khai cho các đường dây 110kV nhằm nâng cao độ tin cậy và tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và đánh giá thành công chức năng bảo vệ so lệch dọc đường dây (F87L) của rơle TOSHIBA-GRL200 tại trạm biến áp 110kV An Hiệp, tỉnh Bến Tre, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thời gian loại trừ sự cố theo quy định hiện hành.
  • Kết quả mô phỏng Matlab/Simulink và thử nghiệm thực tế với hợp bộ OMICRON cho thấy bảo vệ F87L có độ nhạy cao, tính chọn lọc tuyệt đối và thời gian tác động nhanh gần như tức thời.
  • So sánh với bảo vệ khoảng cách F21, bảo vệ so lệch F87L khắc phục được nhược điểm về thời gian tác động và độ nhạy, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện.
  • Đề xuất triển khai rộng rãi bảo vệ so lệch F87L cho các đường dây 110kV, đồng thời nâng cấp hệ thống truyền thông và đào tạo cán bộ kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả vận hành.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện quy trình thử nghiệm, bảo trì định kỳ và mở rộng nghiên cứu ứng dụng bảo vệ so lệch cho các cấp điện áp khác trong hệ thống điện quốc gia.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ và vận hành hệ thống truyền tải điện, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.