Luận văn thạc sĩ về xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới điện phân phối

Luận văn thạc sĩ phân tích và xác định vị trí sự cố cáp ngầm trong lưới điện phân phối, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì.

• Tác giả: Nguyễn Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện- Điện Tử
• Đề tài: Phương Pháp Xác Định Vị Trí Sự Cố Cáp Ngầm Lưới Điện Phân Phối Hiệu Quả
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cần thiết
• 1.2. Cáp ngầm điện lực
• 1.2.1. Cấu tạo cáp ngầm điện lực
• 1.2.1.1. Dây dẫn điện
• 1.2.1.2. Chất cách điện
• 1.2.1.3. Màn bảo vệ
• 1.2.2. So sánh giữa cáp ngầm điện lực và đường dây trên không
• 1.2.2.1. Ưu điểm của cáp ngầm điện lực
• 1.2.2.2. Nhược điểm của cáp ngầm điện lực
• 1.2.2.3. Xu thế phát triển của cáp ngầm điện lực hiện nay
• 1.3. Ngắn mạch trong cáp ngầm điện lực
• 1.3.1. Các nguyên nhân gây ngắn mạch cáp ngầm
• 1.3.2. Các loại sự cố ngắn mạch cáp ngầm
• 1.3.2.1. Ngắn mạch một pha chạm đất
• 1.3.2.2. Ngắn mạch hai pha chạm đất
• 1.3.2.3. Ngắn mạch ba pha chạm đất
• 1.3.3. Nhận dạng các dạng ngắn mạch cáp ngầm điện lực
• 1.3.3.1. Hồ quang điện
• 1.3.3.1.1. Hiện tượng hồ quang điện
• 1.3.3.1.1.1. Khái niệm chung
• 1.3.3.1.1.2. Quá trình phát sinh hồ quang
• 1.3.3.1.1.3. Quá trình dập tắt hồ quang
• 1.3.3.1.2. Hồ quang điện trong sự cố ngắn mạch cáp ngầm
• 1.3.3.1.3. Điện trở hồ quang điện trong sự cố ngắn mạch
• 1.3.4. Các nghiên cứu khoa học liên quan
• 1.3.4.1. Phương pháp xung phản xạ
• 1.3.4.2. Phương pháp tổng trở
• 1.3.4.3. Phương pháp phân tích sóng truyền
• 1.3.5. Hướng nghiên cứu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TRÌNH TOÁN
• 2.1. Phương trình tổng trở các thành phần trong lưới điện
• 2.1.1. Tổng trở đường dây điện
• 2.1.2. Tổng trở đường dây cáp ngầm điện lực
• 2.1.3. Tổng trở phụ tải ba pha
• 2.2. Tính toán dòng điện và điện áp trên lưới điện phân phối
• 2.2.1. Tính toán dòng điện đổ vào một đoạn dây phân phối
• 2.2.2. Tính toán điện áp tại nút phụ tải trên lưới điện phân phối
• 2.2.3. Tính toán tổng trở ngắn mạch khi biết vị trí ngắn mạch
• 2.2.4. Phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm được đề xuất
• 2.2.4.1. Các kết quả tính toán kiểm nghiệm
• 2.2.4.2. Các minh chứng khoa học liên quan
• 2.2.4.3. Đề xuất phương pháp định vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm dựa trên tổng trở có xét đến điện trở ngắn mạch
• 2.2.5. Lưu đồ và giải thuật tính toán mô phỏng
• 2.2.5.1. Lưu đồ tính toán cho chương trình chính
• 2.2.5.2. Lưu đồ chương trình con tính toán vị trí và điện trở sự cố
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
• 3.1. Mô tả lưới điện phân phối cần mô phỏng
• 3.2. Mô hình hóa các khối trong lưới điện phân phối được mô phỏng
• 3.2.1. Khối nguồn phát điện
• 3.2.2. Khối đường dây
• 3.2.3. Khối phụ tải
• 3.2.4. Khối sự cố ngắn mạch
• 3.2.5. Kết nối các khối trong mạch mô phỏng
• 3.3. Thiết kế giao diện chương trình ước lượng vị trí ngắn mạch cáp ngầm
• 3.3.1. Giao diện chương trình tạo sự cố ngắn mạch
• 3.3.2. Giao diện chương trình ước lượng vị trí ngắn mạch
• 3.4. Mô phỏng định vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối
• 3.4.1. Khi dự báo chính xác phụ tải trên lưới điện phân phối
• 3.4.1.1. Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất
• 3.4.1.2. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất
• 3.4.1.3. Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất
• 3.4.2. Khi dự báo phụ tải trên lưới điện phân phối có sai số 10%
• 3.4.2.1. Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất
• 3.4.2.2. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất
• 3.4.2.3. Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất
• 3.4.3. Khi dự báo phụ tải trên lưới điện phân phối có sai số 20%
• 3.4.3.1. Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất
• 3.4.3.2. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất
• 3.4.3.3. Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất
• 3.4.4. Khi dự báo phụ tải trên lưới điện phân phối có sai số 30%
• 3.4.4.1. Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất
• 3.4.4.2. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất
• 3.4.4.3. Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Các vấn đề được thực hiện trong luận văn
• 4.2. Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp xác định vị trí sự cố cáp ngầm

Việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới điện phân phối là một nhiệm vụ quan trọng trong ngành điện. Cáp ngầm thường được chôn dưới đất, làm cho việc phát hiện sự cố trở nên khó khăn hơn so với các đường dây trên không. Do đó, việc phát triển các phương pháp hiệu quả để xác định vị trí sự cố là cần thiết. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng có nhiều phương pháp khác nhau để xác định vị trí sự cố, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng.

1.1. Tầm quan trọng của việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm

Xác định vị trí sự cố cáp ngầm giúp giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao độ tin cậy của lưới điện. Việc này đặc biệt quan trọng trong các khu vực đô thị, nơi mà sự cố có thể gây ra nhiều bất tiện cho người dân.

1.2. Các loại sự cố thường gặp trong cáp ngầm

Các sự cố ngắn mạch trong cáp ngầm có thể bao gồm ngắn mạch một pha, hai pha và ba pha. Mỗi loại sự cố có cách xử lý và xác định vị trí khác nhau, đòi hỏi các phương pháp kỹ thuật phù hợp.

II. Vấn đề và thách thức trong xác định vị trí sự cố cáp ngầm

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm là việc cáp được chôn dưới đất, khiến cho việc kiểm tra bằng mắt thường trở nên không khả thi. Thời gian xác định vị trí sự cố càng lâu, thời gian mất điện càng kéo dài, ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện. Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị đo lường chuyên dụng cũng làm tăng chi phí và yêu cầu kỹ thuật cao.

2.1. Khó khăn trong việc phát hiện sự cố

Cáp ngầm thường không thể quan sát bằng mắt thường, điều này làm cho việc phát hiện sự cố trở nên khó khăn. Các thiết bị hiện có thường yêu cầu phải cô lập lưới điện trước khi thực hiện kiểm tra.

2.2. Chi phí và thời gian khắc phục sự cố

Việc sử dụng các thiết bị đo lường chuyên dụng có thể làm tăng chi phí và thời gian khắc phục sự cố. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến nhà cung cấp điện mà còn đến người tiêu dùng.

III. Phương pháp bơm xung phản xạ trong xác định vị trí sự cố

Phương pháp bơm xung phản xạ là một trong những phương pháp phổ biến để xác định vị trí sự cố cáp ngầm. Phương pháp này sử dụng sóng phản xạ để xác định vị trí ngắn mạch. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu phải có thiết bị chuyên dụng và chỉ có thể thực hiện khi lưới điện đã được cô lập.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp bơm xung

Phương pháp này hoạt động bằng cách gửi một xung điện vào cáp và đo thời gian phản hồi của sóng phản xạ. Thời gian này sẽ cho biết vị trí của sự cố.

3.2. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao, nhưng nhược điểm là chi phí đầu tư lớn và yêu cầu thiết bị đo lường chất lượng cao.

IV. Phương pháp tính toán vị trí ngắn mạch

Phương pháp tính toán vị trí ngắn mạch dựa trên các thông số điện trở và dòng điện trong lưới điện. Phương pháp này có thể được áp dụng trong nhiều tình huống khác nhau và không yêu cầu thiết bị đo lường phức tạp.

4.1. Nguyên lý tính toán vị trí ngắn mạch

Phương pháp này sử dụng các công thức toán học để tính toán vị trí ngắn mạch dựa trên các thông số điện trở và dòng điện. Điều này giúp xác định chính xác vị trí sự cố mà không cần phải cô lập lưới điện.

4.2. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ phương pháp này cho thấy độ chính xác cao và có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện phân phối hiện nay.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu về phương pháp xác định vị trí sự cố cáp ngầm đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Việc áp dụng các phương pháp này trong thực tế đã giúp giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao chất lượng cung cấp điện. Các thiết bị và phương pháp mới đang được phát triển để cải thiện hiệu quả trong việc xác định vị trí sự cố.

5.1. Kết quả từ các nghiên cứu thực tiễn

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp mới giúp giảm thiểu thời gian xác định vị trí sự cố và nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

5.2. Ứng dụng trong các hệ thống điện hiện nay

Các phương pháp xác định vị trí sự cố đã được áp dụng thành công trong nhiều hệ thống điện phân phối, giúp cải thiện hiệu quả vận hành và giảm thiểu chi phí.

VI. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới điện phân phối là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Các phương pháp hiện tại đã cho thấy nhiều tiềm năng, nhưng vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để cải thiện độ chính xác và giảm chi phí. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến thiết bị đo lường.

6.1. Tóm tắt các phương pháp hiện tại

Các phương pháp hiện tại bao gồm bơm xung phản xạ và tính toán vị trí ngắn mạch. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng.

6.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới và cải tiến thiết bị để nâng cao hiệu quả trong việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và hiện đại hóa hệ thống năng lượng tại Việt Nam đang thúc đẩy mạnh mẽ việc ngầm hóa lưới điện phân phối 22 kV tại các đô thị lớn. Mặc dù chi phí đầu tư xây dựng đường cáp ngầm cao gấp 10 đến 14 lần so với đường dây trên không, giải pháp này mang lại ưu thế vượt trội về mỹ quan đô thị, giảm thiểu ảnh hưởng của trường điện từ và loại bỏ nguy cơ gián đoạn do thiên tai, bão lũ. Tuy nhiên, việc vận hành hệ thống cáp ngầm đặt ra thách thức kỹ thuật lớn trong công tác quản lý sự cố: các điểm hư hỏng cách điện nằm sâu dưới lòng đất, hoàn toàn không thể quan sát bằng mắt thường. Thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố cáp ngầm truyền thống thường kéo dài từ vài ngày đến cả tuần lễ, làm suy giảm nghiêm trọng các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI và SAIFI.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán định vị sự cố ngắn mạch trực tuyến (online) cho lưới cáp ngầm phân phối mà không cần sử dụng các thiết bị tạo xung đắt tiền hay cô lập toàn tuyến dây. Mục tiêu cụ thể là xây dựng giải thuật giải tích xác định chính xác phân đoạn và vị trí ngắn mạch dựa trên các đại lượng đo lường điện áp, dòng điện tần số cơ bản 50 Hz tại đầu phát tuyến kết hợp với mô hình tổng trở đường dây và đặc tính thuần trở của hồ quang sự cố. Phạm vi nghiên cứu được kiểm chứng mô phỏng trên xuất tuyến thực tế Quý Đức (878-T19A) cấp điện áp 22 kV sử dụng cáp đồng XLPE 3x240 mm² với chiều dài tuyến 6 km. Kết quả nghiên cứu cung cấp một công cụ tính toán chính xác cao, giúp giảm hơn 80% thời gian xác định vị trí sự cố, hỗ trợ đội ngũ vận hành cô lập nhanh điểm lỗi và tái lập cấp điện mạch vòng chỉ trong vài chục phút, bảo đảm an toàn và hiệu quả kinh tế cho lưới điện đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết trường điện từ Maxwell và định luật cảm ứng điện từ để phân tích ma trận tổng trở đường dây ba pha. Khác với đường dây trên không có tổng trở tương hỗ giữa các pha lớn do từ trường xoáy không gian, cáp ngầm điện lực XLPE được bọc màn chắn kim loại tiếp đất tạo thành lồng Faraday khử hầu hết từ trường rò rỉ ra ngoài. Do đó, ma trận tổng trở của đường dây cáp ngầm được đơn giản hóa thành ma trận đường chéo với các thành phần tổng trở tự thân, triệt tiêu hoàn toàn thành phần hỗ cảm giữa các pha.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp định lý Thevenin và định luật Ohm mở rộng trong phân tích hệ thống điện (Power System Analysis) đối với lưới phân phối hình tia. Khái niệm cốt lõi làm nền tảng cho giải thuật là đặc tính thuần trở của điện trở hồ quang và điện trở ngắn mạch chạm đất. Theo công thức kinh nghiệm của Warrington thiết lập năm 1931, điện trở hồ quang được tính toán phụ thuộc vào chiều dài hồ quang và giá trị hiệu dụng của dòng điện sự cố. Vì khoảng cách cách điện trong cáp ngầm rất nhỏ (chỉ vài centimet) và nhiệt độ phóng điện đạt từ 5000 đến 6000 độ C, hồ quang mang bản chất điện trở thuần phi tuyến. Khi tính toán tổng trở ngắn mạch quy đổi về đất, phần ảo của tổng trở sự cố sẽ tiến dần về giá trị bằng không tại đúng vị trí ngắn mạch thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ thông số kỹ thuật thực tế của xuất tuyến cáp ngầm Quý Đức (878-T19A) thuộc lưới điện phân phối 22 kV, sử dụng dây cáp XLPE 3M240 với điện trở, điện cảm và điện dung thứ tự chuẩn. Dữ liệu dòng điện và điện áp ba pha được lấy mẫu tại đầu trạm biến áp phân phối ở tần số công nghiệp 50 Hz.

Phương pháp chọn mẫu nghiên cứu áp dụng kỹ thuật rời rạc hóa không gian tuyến cáp: chia chiều dài tuyến cáp 6 km thành tập hợp mẫu gồm hàng trăm điểm nút giả định cách đều nhau với bước quét 0,01 km. Tại mỗi vị trí giả định, giải thuật sử dụng mô hình giải tích nút mạng và định lý Thevenin để tính toán phân bố điện áp, dòng điện nhánh và tổng trở sự cố tương ứng. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích cực tiểu hóa phần ảo tổng trở thay vì các phương pháp giải lặp truyền thống là nhằm loại bỏ hiện tượng phân kỳ toán học, giảm thiểu khối lượng tính toán và không đòi hỏi phần cứng đo lường tần số siêu cao (từ 100 kHz đến vài MHz) như phương pháp sóng truyền Wavelet hay máy phát xung phản xạ TDR. Quá trình mô phỏng và kiểm nghiệm được thực hiện trên nền tảng phần mềm kỹ thuật số trong suốt giai đoạn nghiên cứu 2015-2016, bao gồm 4 kịch bản biến động phụ tải với sai số từ 0% đến 30%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng các dạng sự cố ngắn mạch trên phát tuyến Quý Đức 22 kV đã đem lại những phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, giải thuật định vị đạt độ chính xác gần như tuyệt đối khi dữ liệu phụ tải được dự báo chính xác (sai số phụ tải 0%). Trong các thử nghiệm sự cố ngắn mạch một pha chạm đất tại các mốc khoảng cách 1 km, 2 km, 3 km, 4 km và 5,5 km, đồ thị phân tích phần ảo của tổng trở ngắn mạch đều cắt trục hoành tại giá trị bằng không chính xác tại các vị trí thực tế, sai số khoảng cách định vị ghi nhận dưới 0,02 km (tương đương sai số tương đối dưới 0,5% trên toàn tuyến 6 km).

Thứ hai, đối với các sự cố hai pha chạm đất và ba pha chạm đất, dòng điện ngắn mạch ghi nhận tại đầu xuất tuyến tăng vọt gấp 2 đến 3 lần so với dòng định mức đường dây (vượt xa ngưỡng chỉnh định tác động 150% của máy cắt bảo vệ). Giải thuật phân loại sự cố tự động nhận diện chính xác 100% loại hình ngắn mạch dựa trên biên độ dòng điện pha và định vị chính xác điểm chạm chập với sai số vị trí dưới 1%.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh độ bền vững cao của thuật toán trước sự không chắc chắn của thông tin phụ tải. Khi đưa vào các mức sai số dự báo phụ tải lần lượt là 10%, 20% và 30%, điểm cực tiểu của phần ảo tổng trở ngắn mạch vẫn giữ được tính hội tụ rõ rệt, sai số định vị vị trí sự cố tối đa chỉ dao động trong khoảng từ 1,2% đến 3,5%, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu khoanh vùng đoạn cáp để công nhân vận hành tiếp cận xử lý tại hiện trường.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý đứng sau sự thành công của giải thuật xuất phát từ đặc tính cấu tạo cơ điện của cáp ngầm XLPE. Nhờ lớp màn chắn kim loại đồng tâm bao quanh từng lõi dẫn, đường dây không tồn tại hỗ cảm giữa các pha, giúp biểu thức toán học xác định sụt áp trên từng đoạn dây trở nên độc lập và tuyến tính. Khi tính toán dịch chuyển từ đầu nguồn dọc theo chiều dài tuyến cáp, nếu điểm giả định chưa trùng với điểm sự cố, thành phần điện kháng tương đương của tải và đường dây phía sau điểm giả định sẽ khiến phần ảo của tổng trở tính toán mang giá trị khác không (dương hoặc âm). Chỉ duy nhất tại điểm sự cố thực tế, do tính chất thuần trở của hồ quang theo mô hình Warrington, phần ảo mới triệt tiêu hoàn toàn.

Dữ liệu kết quả có thể được trực quan hóa hiệu quả qua đồ thị dạng sóng biểu diễn biến thiên của phần ảo tổng trở theo khoảng cách giả định dọc trục tuyến cáp. Đồ thị cho thấy một đường cong dốc xuống rõ ràng và cắt điểm 0 tại đúng tọa độ sự cố. So sánh với phương pháp bơm xung TDR vốn đòi hỏi cách ly đường dây và chịu nhiều nhiễu phản xạ tại các đầu nối hộp cáp ngầm, hoặc phương pháp sóng truyền Wavelet đòi hỏi cảm biến đo tần số cao đắt tiền (từ 100 kHz đến vài MHz), phương pháp tổng trở thuần trở đề xuất vừa bảo đảm chi phí trang bị thấp, vừa cho phép định vị trực tuyến ngay khi sự cố xảy ra với thời gian tính toán dưới 1 giây.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 khuyến nghị và giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm ứng dụng thực tiễn cho hệ thống điện phân phối đô thị:

1. Tích hợp trực tiếp module giải thuật định vị sự cố tổng trở vào hệ thống rơ le kỹ thuật số và phần mềm quản trị lưới phân phối SCADA/DMS tại các Công ty Điện lực đô thị; lộ trình triển khai từ 6 đến 12 tháng với mục tiêu tự động hóa việc xuất tọa độ sự cố trong vòng dưới 30 giây kể từ khi máy cắt nhảy.
2. Nâng cấp hạ tầng đo lường thông minh (AMI) và các bộ chỉ thị sự cố đầu vào (FCU) tại các trạm biến áp phân phối 22 kV để giám sát dòng điện, điện áp trực tuyến; giao Trung tâm điều độ hệ thống điện thực hiện trong 12 đến 24 tháng nhằm khống chế sai số dữ liệu phụ tải dưới 10%, bảo đảm độ chính xác định vị sự cố đạt trên 98%.
3. Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu GIS và hồ sơ kỹ thuật số toàn bộ các tuyến cáp ngầm trung thế 22 kV và 35 kV, bao gồm chiều dài chính xác từng phân đoạn, chủng loại cáp XLPE 240 mm² và vị trí các hộp nối phân nhánh; do Phòng Kỹ thuật vận hành chủ trì hoàn thiện trong vòng 3 đến 6 tháng.
4. Xây dựng quy trình phối hợp tự động giữa hệ thống định vị sự cố và các thiết bị đóng cắt thông minh (Recloser, RMU) trên lưới mạch vòng vận hành hình tia; giao Đội quản lý vận hành triển khai trong 6 tháng nhằm rút ngắn thời gian cô lập phân đoạn sự cố xuống dưới 15 phút, giảm chỉ số SAIDI của đơn vị từ 15% đến 20% mỗi năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của công trình nghiên cứu mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư điều độ và vận hành lưới điện phân phối tại các tổng công ty điện lực: Nắm vững phương pháp phân tích sụt áp, dòng điện nhánh và quy trình định vị sự cố trực tuyến trên lưới cáp ngầm trung thế 22 kV, ứng dụng ngay vào công tác xử lý sự cố nhanh và giảm thời gian mất điện cho khách hàng.
• Chuyên gia thiết kế bảo vệ rơ le và tự động hóa hệ thống điện: Khai thác mô hình toán học giải tích nút và thuật toán triệt tiêu phần ảo tổng trở để lập trình phát triển các chức năng định vị sự cố (Fault Locator) trên các dòng rơ le bảo vệ kỹ thuật số thế hệ mới.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện: Sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa cáp ngầm XLPE, phân tích hiện tượng hồ quang điện Warrington và kỹ thuật mô phỏng giải tích hệ thống điện trên Matlab/Simulink.
• Cán bộ quản lý quy hoạch và đầu tư hạ tầng năng lượng đô thị: Tham khảo cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa lưới điện cáp ngầm và đường dây trên không, từ đó xây dựng kế hoạch ngầm hóa lưới điện đô thị tối ưu về mặt chi phí đầu tư thiết bị và hiệu quả vận hành dài hạn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương pháp tổng trở đề xuất lại không bị ảnh hưởng bởi hỗ cảm giữa các pha?
Do cáp ngầm điện lực XLPE 22 kV có cấu tạo lớp màn bảo vệ bằng kim loại bao bọc riêng biệt cho từng lõi dẫn và được nối đất tại các hộp nối. Lớp kim loại này tạo thành một lồng Faraday triệt tiêu từ trường rò rỉ ra không gian xung quanh, khiến điện trở tương hỗ giữa các pha bằng không. Ma trận tổng trở đường dây chỉ gồm các phần tử tự thân trên đường chéo chính.

Giải thuật định vị hoạt động thế nào khi dữ liệu phụ tải thực tế bị sai số 20% đến 30%?
Khi sai số dự báo phụ tải tăng lên 20% hoặc 30%, điện áp và dòng điện tính toán tại các nút nhánh sẽ có độ lệch nhất định. Tuy nhiên, do thành phần dòng điện ngắn mạch tại điểm sự cố chiếm tỷ trọng áp đảo so với dòng tải thông thường (lớn gấp 2 đến 3 lần định mức), cực tiểu của phần ảo tổng trở vẫn hội tụ chính xác gần điểm ngắn mạch với sai số vị trí dưới 3,5%.

Điểm khác biệt cốt lõi giữa phương pháp này với phương pháp xung phản xạ TDR là gì?
Phương pháp TDR bắt buộc phải cô lập hoàn toàn tuyến cáp ra khỏi lưới điện rồi mới dùng máy phát xung điện áp cao để đo sóng phản xạ, làm kéo dài thời gian mất điện và tốn chi phí mua sắm thiết bị chuyên dụng. Ngược lại, phương pháp đề xuất tính toán trực tuyến ngay khi sự cố xuất hiện, sử dụng trực tiếp tín hiệu 50 Hz sẵn có tại trạm mà không cần cô lập lưới trước.

Làm thế nào để nhận biết và phân loại chính xác dạng sự cố ngắn mạch trong vận hành?
Hệ thống nhận dạng loại sự cố dựa trên việc so sánh biên độ dòng điện tức thời trên từng pha với dòng định mức dây dẫn. Trong lưới vận hành ở mức 50% công suất định mức, nếu dòng điện một hoặc nhiều pha tăng vượt quá 200% dòng định mức (hoặc trên ngưỡng chỉnh định 150%), thuật toán sẽ lập tức nhận dạng chính xác đó là sự cố chạm đất một pha, hai pha hay ba pha.

Phương pháp có áp dụng được cho lưới điện phân phối có nhiều phân nhánh phức tạp không?
Hoàn toàn áp dụng được. Lưới điện phân phối đô thị tuy có thiết kế mạch vòng nhưng luôn được vận hành ở dạng hình tia. Giải thuật quét dọc theo từng nhánh từ đầu nguồn đến cuối phát tuyến bằng các phương trình Thevenin từng bước, cho phép kiểm tra tuần tự từng phân đoạn cáp cho đến khi phát hiện phân đoạn chứa điểm có phần ảo tổng trở triệt tiêu về không.

Kết luận

• Xây dựng thành công phương pháp xác định vị trí sự cố cáp ngầm trực tuyến dựa trên mô hình tổng trở kết hợp đặc tính thuần trở của điện trở hồ quang ngắn mạch.
• Loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào các thiết bị phát xung đắt tiền hay cảm biến tần số cao, tận dụng tối đa dữ liệu đo lường 50 Hz tiêu chuẩn tại đầu xuất tuyến trạm biến áp.
• Kiểm chứng mô phỏng xuất sắc trên tuyến cáp ngầm Quý Đức 22 kV (878-T19A) dài 6 km với độ chính xác cao và duy trì sai số dưới 3,5% ngay cả khi phụ tải biến động sai số đến 30%.
• Giúp giảm hơn 80% thời gian tìm kiếm điểm lỗi cáp ngầm, tạo điều kiện chuyển đổi mạch vòng cấp điện nhanh chóng và nâng cao rõ rệt độ tin cậy cung cấp điện đô thị.
• Đặt nền tảng thuật toán vững chắc để tích hợp trực tiếp vào hệ thống tự động hóa lưới phân phối SCADA/DMS và các rơ le bảo vệ kỹ thuật số hiện hành.

Đóng góp của luận văn mang lại giải pháp công nghệ mang tính thực tiễn cao, giải quyết triệt để bài toán định vị sự cố lưới cáp ngầm đang ngày càng mở rộng tại các đô thị Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán trên phần cứng rơ le thực tế và mở rộng giải thuật cho các cấu hình lưới điện phân phối có tích hợp nguồn điện phân tán (DG). Các đơn vị quản lý vận hành điện lực đô thị và trung tâm điều độ được khuyến khích tiếp cận, thử nghiệm ứng dụng giải pháp này nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp điện năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận văn. Các nội dung trình bày chính bao gồm vai trò của đường dây phân phối cáp ngầm trong tình hình phát triển lưới điện hiện nay, các khái niệm về ngắn mạch, các loại ngắn mạch và tình hình nghiên cứu định vị sự cố ngắn mạch cáp ngầm hiện nay.1 Tính cần thiết Việc phát triển lưới điện phân phối cáp ngầm là một yêu cầu tất yếu đối với các đô thị ngày nay. Cáp ngầm có ưu điểm là hầu như không chiếm không gian, không ảnh hưởng đến sinh hoạt hằng ngày của người dân, không có tác hại gây ra bởi dòng điện truyền đi trong dây dẫn do dây cáp được chôn trong đất. Để đảm bảo vẽ mỹ quang cho đô thị và an toàn cho người dân khỏi sự cố rò điện trong mùa mưa bão, cáp ngầm được sử dụng để dần thay thế cho các đường dây trên không trong các thành phố, đô thị và các khu dân cư tập trung.

Khi có sự cố lưới điện phân phối xảy ra, cáp ngầm sẽ có nhiều bất lợi hơn đường dây trên không là sẽ khó phát hiện được vị trí sự cố do được chôn ngầm trong đất hay đi trong các ống dẫn. Ngoài ra, việc đấu nối cáp ngầm sẽ phức tạp và yêu cầu kỹ thuật và thiết bị chuyên dụng nên sẽ tốn rất nhiều thời gian khắc phục sự cố để tiếp tục cung cấp điện cho khách hàng tiêu thụ điện. Nhằm giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối cần phải có một phương pháp khả thi để xác định nhanh vị trí sự cố ngắn mạch trong cáp ngầm. Nhanh chóng xác định vị trí ngắn mạch này sẽ giúp nhanh chóng xác định đoạn cáp bị sự cố ngắn mạch, cách ly nhanh đoạn ngắn mạch và cung cấp điện cho các nhánh không bị sự cố còn lại trên lưới điện phân phối.

Lưới điện phân phối có đặc điểm là có nhiều nhánh rẽ, nhiều nút phụ tải và các phụ tải không cân bằng giữa các pha. Do đó hầu như không thể áp dụng chính xác các phương pháp xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải vào lưới điện phân 6 phối. Việc cách ly đoạn sự cố để xác định vị trí ngắn mạch là một việc làm mất nhiều thời gian và lưới điện phân phối sẽ bị mất điện khá lâu nên xu hướng chung trong việc xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối là xác định online tức là xác định nhanh vị trí ngắn mạch khi nó vừa xuất hiện. Có nhiều nghiên cứu được đưa ra để xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới điện phân phối [3-7] trong thời gian gần đây.

Nhìn chung, có hai phương pháp chính để xác định online vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm được sử dụng đó là phương pháp tổng trở và phương pháp sóng truyền. Phương pháp sóng truyền xác định vị trí ngắn mạch dựa trên tín hiệu quá độ tần số cao khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên lưới điện đang vận hành. Phương pháp sóng truyền có ưu điểm là độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào giá trị phụ tải trên các nút phụ tải. Tuy nhiên với yêu cầu phải có các bộ đo lường với tốc độ chuyển đổi ADC tốc độ cao (từ 100 KHz đến vài MHz) để có thể thu được các tín hiệu một cách chính xác và cấu hình bộ xử lí số liệu mạnh (tốc độ xử lí nhanh) để thực hiện các phép biến đổi đại số nên giá thành thiết bị đắt nên chưa thể áp dụng đại trà cho các trạm biến áp phân phối.

Phương pháp tổng trở có ưu điểm khi không yêu cầu thiết bị chuyên dụng đắt tiền như phương pháp sóng truyền nhưng do sử dụng các giải thuật giải tích mạch điện qua các nút nên thường có sai số lớn. Để nâng cao hiệu quả trong vấn đề xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối, luận văn đề xuất phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối dựa trên phương pháp tổng trở có xét đến tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch. Với phương pháp tổng trở sẽ giảm được chi phí đầu tư thiết bị trên lưới điện, với việc xét đến tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch sẽ giúp giảm sai số trong việc tính toán vị trí ngắn mạch của các phương pháp tổng trở nói chung.2 Cáp ngầm điện lực Cùng với sự phát triển của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng cao trong một xã hội hiện đại, các đường dây cáp ngầm cũng được đầu tư ngày càng nhiều khi yêu cầu về độ an toàn cho người, đường dây, yêu cầu cấp điện liên tục và chất lượng điện năng đảm bảo của hệ thống điện, hay tại các công trình không thể 7 dùng đường dây trên không bởi lý do an toàn như các đường dây vượt biển, vượt sông, các đường dây điện trong các thành phố đông dân cư.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực Trong lịch sử hình thành và phát triển của cáp ngầm điện lực, có nhiều cấu hình cấu tạo cáp điện lực đã ra đời. Khi một sợi cáp được đưa đặt dưới đất, cách điện càng phải tốt hơn nhiều so với đường dây trên không.

Dòng điện trong tự nhiên có xu hướng quay trở về đất và vì thế dây dẫn cần phải có cách điện tốt để giảm thiểu tổn thất điện năng. Chính điều này đã làm cho kết cấu của cáp ngầm điện lực phức tạp hơn đường dây trên không rất nhiều. Việc chế tạo cáp ngầm điện lực cũng đòi hỏi yêu cầu công nghệ cao hơn nhiều việc chế tạo đường dây trên không. Đây chính là yếu tố cơ bản làm tăng chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực.

Nhìn chung cấu tạo cáp ngầm điện lực bao gồm các thành phần cơ bản sau: 1.1 Dây dẫn điện Đồng vẫn là vật liệu làm dây dẫn điện chiếm ưu thế nhất hiện nay. Dây dẫn được làm với nhiều định dạng khác nhau như bện, dây đặc, rẽ quạt. Dây dẫn điện có hình dạng như thế nào là phụ thuộc rất lớn vào giá thành cáp của nước sản xuất tại thời điểm đấu thầu. Nhôm cũng được dùng làm dây dẫn điện bởi đặc tính nhẹ hơn và dễ thao tác hơn đối với các sợi cáp lớn.

Thêm một điểm quan tâm nữa là khi nối cáp nhôm phải đảm bảo rằng không có oxit nhôm trên bề mặt tiếp xúc, điều này không cần thiết khi nối dây dẫn điện bằng đồng hay đồng thau.2 Chất cách điện - Giấy cách điện: Hình 1.1 Mặt cắt ngang một số cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu. Giấy tẩm dầu, giấy cách điện cáp ngầm điện lực được áp dụng tại tất cả các cấp điện áp hoạt động. Đây là chất cách điện được dùng đầu tiên cho cáp ngầm điện lực khi công nghệ vật liệu chưa phát triển. Trong vấn đề vận hành lưới điện cáp ngầm giấy tẩm dầu yêu cầu bảo trì bảo dưỡng liên tục và yêu cầu kỹ thuật cao trong vận hành nên ngày nay chúng ít được dùng cho các công trình mới.

- Cách điện bằng XLPE: XLPE (Cross-linked polyethylene) là loại cách điện thông dụng nhất trong việc chế tạo cáp ngầm hiện nay. XLPE với lợi thế có cường độ điện môi cao, sức bền cơ học tốt và đặc tính không hút ẩm với khả năng ôn định nhiệt độ trên một dãy nhiệt độ rộng. XLPE không có điểm nóng chảy rõ ràng và có thể duy trì độ đàn hồi ở nhiệt độ cao do đó cho phép có khả năng mang dòng điện lớn hơn, có khả năng quá tải, khả năng chịu đựng ngắn mạch khi so sánh với cáp ngầm điện lực cách điện bằng giấy tẩm dầu. Cáp ngầm điện lực XLPE có phần cách điện dày hơn so với cáp ngầm điện lực giấy tẩm dầu.

Kết quả là cáp XLPE thường có đường kính cáp lớn hơn và chiều dài cáp thường ngắn hơn một ít khi chứa trong cùng một cuộn cáp khi so sánh với cáp ngầm khác.2 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện XLPE. - Cách điện EPR: Cáp ngầm cách điện dùng cao su ethylene propylene có cấu trúc giống như cáp XLPE và cũng được sản xuất với quy trình tương tự. Cả EPR và XLPE đều bền bỉ và có đặc tính chịu nhiệt tốt, tuy nhiên, EPR có khả năng co giãn tốt hơn trong một dãy nhiệt độ rộng. Điều này làm cho cáp EPR có chất lượng cao hơn các loại cáp ngầm điện lực khác hiện nay.

Tuy nhiên, việc chế tạo cáp ngầm điện lực EPR với công nghệ hiện tại có giá thành rất cao nên không thể triển khai sản xuất hàng loạt. cáp ngầm điện lực EPR chỉ được dùng cho công trình có tính chất quan trọng và yêu cầu cao về tính an toàn vận hành và cấp điện.3 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện EPR.3 Màn bảo vệ Có hai loại màn bảo vệ khác nhau trong cáp ngầm điện lực. Màn bảo vệ cho từng dây dẫn điện (Sheaths) và màn bảo vệ cho cả dây cáp điện (screening). Trước đây, chì và các hợp kim chì được dùng để chế tạo màn bảo vệ cáp ngầm bởi sự dẻo dai và khả năng chống ẩm của hợp chất chì.

Tuy nhiên, ngày nay màn bảo vệ cáp được sản xuất từ vật liệu nhôm và các hợp kim nhôm bởi giá thành sản xuất rẻ hơn trong khi vẫn đảm bảo tốt yêu cầu kỹ thuật. Màn bảo vệ có nhiệm vụ bảo vệ dây dẫn và cách điện bên trong chống lại các tác động cơ học từ bên ngoài hay sự thâm nhập của hơi ẩm hay nước thâm nhập vào sợi cáp ngầm. Ngoài ra, các màn bảo vệ được nối đất qua hệ thống tiếp đất sẽ tạo thành chiếc lồng Faraday có tác dụng bảo vệ dây dẫn khỏi các tác động nhiễu điện từ ở bên ngoài và đồng thời giảm thiểu tác động của trường điện từ do dòng điện chạy bên trong dây dẫn ra môi trường bên ngoài. Đây là lý do chính khiến khoảng cách đảm bảo an toàn của cáp ngầm nhỏ hơn nhiều so với đường dây trên không có cùng cấp điện áp.4 Vỏ cáp Với mục đích bảo vệ cáp ngầm khỏi những hư hại cơ học do đào hay cuốc trúng dây cáp ngầm, do sụt đất hoặc rung động quá mức chịu đựng, các cáp ngầm điện lực được phủ một hoặc hai lớp thép mạ kẽm, lớp lưới đan từ thép mạ kẽm, cuộn xoắn tròn quanh cáp ngầm bằng thép mạ kẽm quanh sợi cáp ngầm.