Đồ án HCMUTE: Thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm phân phối và định vị sự cố

Đồ án toán học nghiên cứu hcmute thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm phân phối cho bài toán định vị sự cố cáp, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính

• Tác giả: Lại Nguyễn Thành Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm phân phối cho bài toán định vị sự cố
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Nhiệm vụ của đồ án
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của đồ án
• 1.5. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 1.6. Nội dung đồ án
• 2. PHẦN 2: NỘI DUNG
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cần thiết
• 1.2. Cáp ngầm điện lực
• 1.2.1. Cấu tạo cáp ngầm điện lực
• 1.2.2. So sánh giữa cáp ngầm điện lực và đường dây trên không
• 1.2.3. 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
• 3. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY CÁP NGẦM PHÂN PHỐI
• 2.1. Mô hình hóa các khối trong lưới điện phân phối
• 2.1.1. Mô hình nguồn phát điện
• 2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động
• 2.1.1.2. Hình ảnh mặt trước và mặt sau
• 2.1.2. Mô hình đường dây
• 2.1.2.1. Mặt trước và sau của các mô hình đường dây
• 2.1.3. Mô hình phụ tải
• 2.1.4. Mô hình giả lập sự cố
• 2.1.4.1. Nguyên lý phối hợp hoạt động của module khi xảy ra ngắn mạch
• 2.1.5. Mô hình điện trở nối đất
• 2.1.5.1. Mặt trước của mô hình
• 2.1.5.2. Mặt sau mô hình
• 2.1.6. Điện trở hạn dòng
• 2.1.6.1. Mặt ngoài của module
• 2.1.6.2. Bên trong module điện trở hạn dòng
• 2.1.7. Module sự cố
• 2.1.7.1. Mặt ngoài của module
• 2.1.8. Mô hình thiết bị đo lường và giám sát
• 2.1.8.1. Mạch đo MSP430F 6779 3-Phase Energy Meter
• 2.1.8.2. Kết nối với lưới điện
• 2.1.9. Mô hình vật lý tổng thể của bộ thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CUỘN DÂY MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY CÁP NGẦM
• 3.1. Thông số trên đường dây cáp ngầm
• 3.2. Yêu cầu kỹ thuật cuộn dây mô phỏng đường dây cáp ngầm phân phối
• 3.3. Cuộn cảm lõi không khí
• 3.3.1. Các đại lượng đặc trưng cho cuộn cảm
• 3.3.2. Công thức tính toán cuộn dây lõi không khí
• 3.4. Giải thuật thiết kế cuộn dây lõi không khí
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kết quả tính toán kiểm tra bằng máy đo
• 4.2. Kết quả tính toán kiểm tra bằng phần mềm
• 4.3. Đánh giá kết quả
• 6. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Các vấn đề được thực hiện trong đồ án
• 5.2. Đề nghị và các hướng phát triển của đồ án
• 5.3. Phạm vi đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế mô hình cáp ngầm

Đồ án tập trung vào thiết kế mô hình cáp ngầm phân phối điện tại HCMUTE. Mô hình cáp ngầm này mô phỏng hệ thống thực tế, hỗ trợ nghiên cứu định vị sự cố. Thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm bao gồm các thành phần chính: mô hình nguồn phát điện, mô hình đường dây với các thông số chính xác (ví dụ: cáp ngầm 3x120mm2, chiều dài 240m, 315m, 380m, 600m), mô hình phụ tải, và mô hình giả lập sự cố. Mô hình hóa các khối trong lưới điện phân phối được thực hiện chi tiết, phản ánh cấu trúc thực tế của hệ thống. Bản đồ cáp ngầm (mặc dù không được đề cập trực tiếp nhưng ngầm hiểu là cần thiết cho việc mô hình hóa) sẽ giúp định vị chính xác vị trí các thành phần. Việc thiết kế chú trọng đến độ chính xác cao, đảm bảo kết quả mô phỏng phản ánh thực tế. Thiết kế hệ thống cáp ngầm cũng cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng như điện trở nối đất và điện trở hạn dòng. Giải pháp định vị cáp ngầm được tích hợp vào mô hình, giúp xác định vị trí sự cố nhanh chóng và hiệu quả.

1.1 Mô hình hóa nguồn phát điện và phụ tải

Mô hình nguồn phát điện ba pha được xây dựng dựa trên sơ đồ nguyên lý và thông số kỹ thuật cụ thể. Mô hình nguồn phát điện được mô tả chi tiết, bao gồm hình ảnh mặt trước và mặt sau, giúp hiểu rõ cấu trúc và nguyên lý hoạt động. Phần mềm quản lý cáp ngầm (mặc dù không nêu rõ nhưng cần thiết để xử lý dữ liệu) có thể được tích hợp để quản lý thông tin nguồn. Mô hình phụ tải đại diện cho các thiết bị tiêu thụ điện trong hệ thống. Mô hình phụ tải cần đảm bảo phản ánh chính xác công suất và đặc tính tiêu thụ điện của các thiết bị thực tế. Phân tích sự cố cáp ngầm sẽ dựa trên dữ liệu thu thập được từ mô hình phụ tải. An toàn điện là yếu tố được ưu tiên hàng đầu trong thiết kế và vận hành mô hình. Tiêu chuẩn thiết kế cáp ngầm được tuân thủ nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy. Mô hình cần tính đến các trường hợp hoạt động khác nhau của phụ tải để đảm bảo tính tổng quát của mô hình. Việc mô phỏng tải trọng khác nhau cũng giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau. Nguyên lý hoạt động của cả nguồn và tải được mô tả rõ ràng để người dùng dễ dàng hiểu và vận hành mô hình.

1.2 Mô hình đường dây và thiết bị đo lường

Mô hình đường dây cáp ngầm là phần cốt lõi của hệ thống. Đồ án sử dụng cuộn dây mô phỏng đường dây cáp ngầm thực tế. Thiết kế cuộn dây mô phỏng được thực hiện dựa trên các thông số chính xác của cáp ngầm, bao gồm cả chiều dài. Thông số trên đường dây cáp ngầm được nghiên cứu kỹ lưỡng và được sử dụng làm cơ sở để tính toán và thiết kế cuộn dây. Yêu cầu kỹ thuật cuộn dây phải đảm bảo độ chính xác cao để mô phỏng chính xác các hiện tượng điện trên đường dây thực tế. Cuộn cảm lõi không khí được sử dụng, với các đại lượng đặc trưng được tính toán cẩn thận. Công thức tính toán cuộn dây đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của mô hình. Giải thuật thiết kế cuộn dây được trình bày rõ ràng, giúp người đọc hiểu được quá trình thiết kế. Thiết bị định vị sự cố cáp ngầm (ví dụ: máy đo BK Precision) được tích hợp vào mô hình để đo đạc và kiểm tra. Kết quả tính toán được kiểm tra bằng máy đo và phần mềm Matlab. Mạch đo MSP430F6779 được sử dụng để thu thập dữ liệu từ hệ thống. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể được tích hợp để quản lý và hiển thị thông tin về vị trí của đường dây. Việc sử dụng các thiết bị đo lường hiện đại giúp tăng độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

II. Định vị sự cố cáp ngầm

Phần này tập trung vào định vị sự cố cáp ngầm trong mô hình. Giải pháp định vị sự cố cáp ngầm dựa trên phương pháp tổng trở, được cải tiến để giảm sai số. Mô hình giả lập sự cố cho phép mô phỏng các loại sự cố khác nhau, bao gồm ngắn mạch một pha, hai pha và ba pha. Nguyên nhân sự cố cáp ngầm được phân tích để xây dựng mô hình giả lập chính xác. Phân tích sự cố cáp ngầm giúp xác định vị trí và loại sự cố. Quy trình định vị sự cố được thiết lập rõ ràng, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu và xác định vị trí sự cố. Thiệt bị định vị sự cố cáp ngầm được sử dụng trong quá trình này. Phần mềm quản lý cáp ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu. Giảm thiểu sự cố cáp ngầm là mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu. Nghiên cứu khoa học về định vị sự cố được áp dụng để nâng cao hiệu quả của mô hình. CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ CÁP NGẦM được cập nhật và ứng dụng.

2.1 Phương pháp định vị và giải thuật

Đồ án sử dụng phương pháp tổng trở để định vị sự cố cáp ngầm. Phương pháp này được lựa chọn vì tính kinh tế và khả năng ứng dụng. Giải thuật định vị sự cố được xây dựng dựa trên nguyên lý đo lường và phân tích tín hiệu. Kết quả tính toán và thực nghiệm được trình bày chi tiết, bao gồm các bảng số liệu và đồ thị. Kết quả Matlab được sử dụng để phân tích dữ liệu và kiểm chứng độ chính xác của giải thuật. Phân tích sự cố cáp ngầm được thực hiện dựa trên các dữ liệu thu thập được từ mô hình. Nguyên nhân sự cố cáp ngầm được xác định dựa trên các đặc điểm của tín hiệu. Chi phí sửa chữa cáp ngầm được giảm thiểu nhờ việc xác định chính xác vị trí sự cố. Báo cáo sự cố cáp ngầm cung cấp thông tin cần thiết cho việc khắc phục sự cố. Quản lý cáp ngầm được cải thiện nhờ việc áp dụng mô hình định vị sự cố. Nghiên cứu khoa học về phương pháp định vị được thực hiện để nâng cao hiệu quả của mô hình.

2.2 Kết quả và đánh giá

Kết quả tính toán được kiểm chứng bằng máy đo và phần mềm Matlab. Độ chính xác của mô hình và giải thuật được đánh giá dựa trên sự so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế. Đánh giá kết quả cho thấy mô hình có độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tiễn tốt. Kết quả Matlab cho thấy sự phù hợp giữa mô hình và thực tế. Vấn đề tối ưu hóa được đề cập đến để cải thiện hơn nữa độ chính xác và hiệu quả của mô hình. Phạm vi nghiên cứu của đồ án được giới hạn trong phạm vi mô hình. Tối ưu hóa hệ thống phân phối điện được đề cập đến trong phần kết luận. Tối ưu hóa hệ thống phân phối điện là hướng phát triển của đồ án. Luận văn cáp ngầm này mang lại giá trị thực tiễn cao. Kỹ thuật điện được ứng dụng thành công trong đồ án. Ngành điện – điện tử tại HCMUTE đóng góp quan trọng vào thành công của nghiên cứu. Trường Đại học Công nghệ TP.HCM hỗ trợ nghiên cứu. Bài toán tối ưu hóa mạng lưới cấp điện được đề cập.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng tại Việt Nam đặt ra yêu cầu cải tạo hệ thống lưới điện theo hướng ngầm hóa. Các tuyến dây trên không được đánh giá là gây mất mỹ quan đô thị, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho người tham gia giao thông, đồng thời chiếm dụng hành lang không gian công cộng. Tại các thành phố lớn như Tp. Hồ Chí Minh, ngầm hóa lưới điện được xem là giải pháp tất yếu nhằm nâng cao năng lực cung ứng điện, đảm bảo mỹ quan và cải thiện chất lượng môi trường sống.

Tuy nhiên, cáp ngầm điện lực mang theo bất lợi đặc thù: khi xảy ra sự cố ngắn mạch, không thể phát hiện vị trí bằng mắt thường do đường dây chôn trong đất. Điều này kéo dài thời gian mất điện, gây thiệt hại kinh tế và làm giảm độ tin cậy cung cấp điện. Hơn nữa, các phương pháp xác định vị trí sự cố hiện hành — bơm xung phản xạ, sóng truyền, và tổng trở — đều có những hạn chế nhất định về chi phí thiết bị hoặc độ chính xác khi áp dụng thực tiễn trên lưới phân phối.

Từ thực trạng đó, đồ án xác định ba nhiệm vụ chính:

1. Nêu tầm quan trọng và tính cấp thiết của việc xác định vị trí sự cố trong hệ thống cáp ngầm phân phối.
2. Thiết kế mô hình vật lý hệ thống cáp ngầm lưới phân phối với thông số chính xác tương ứng cáp ngầm thực tế, phục vụ nghiên cứu định vị sự cố.
3. Xây dựng phương trình và giải thuật thiết kế cuộn dây có thông số đúng với thông số cáp ngầm thực tế.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối hạ áp với loại cáp ngầm tiết diện 3x120 mm², cấp điện áp 12.7/22 kV. Mô hình mô phỏng bốn đoạn cáp có chiều dài lần lượt là 240 m, 315 m, 380 m và 600 m. Đồ án được thực hiện năm 2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Đồ án dựa trên lý thuyết mạch điện xoay chiều ba pha và mô hình đường dây truyền tải. Với chiều dài dưới 20 km, đường dây được mô hình hóa theo dạng mô hình RL (điện trở – điện cảm tập trung). Đây là cơ sở để thiết kế các cuộn dây mô phỏng từng đoạn cáp ngầm thực tế.

Ba phương pháp xác định vị trí sự cố được phân tích và so sánh:

Phương pháp	Ưu điểm	Nhược điểm
Bơm xung phản xạ	Độ chính xác cao	Chỉ áp dụng khi cáp đã cách ly, cần thiết bị đắt tiền
Sóng truyền	Chính xác, ít phụ thuộc phụ tải	Yêu cầu ADC tốc độ cao (100 kHz đến vài MHz), giá thành cao
Tổng trở	Không cần thiết bị chuyên dụng đắt tiền	Sai số lớn do dùng giải thuật giải tích mạch qua các nút

Đồ án lựa chọn nghiên cứu theo phương pháp tổng trở, có xét đến tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch nhằm giảm sai số trong tính toán vị trí sự cố.

Về cấu tạo cáp ngầm, đồ án trình bày các loại cách điện chính gồm giấy tẩm dầu, XLPE (Cross-linked polyethylene) và EPR (cao su ethylene propylene). Trong thực tế hiện nay, XLPE là loại phổ biến nhất nhờ độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt (có thể chịu 250°C trong điều kiện ngắn mạch), không hút ẩm và phù hợp môi trường đất. Quy định về hệ số công suất của phụ tải được căn cứ theo Thông tư số 15 của Bộ Công Thương năm 2014 (cosφ > 0.9).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án áp dụng kết hợp các phương pháp sau:

• Thu thập và tổng hợp tài liệu: nghiên cứu các mô hình lưới điện phân phối hiện hành, thông số đường truyền và ảnh hưởng của chúng lên hệ thống điện.
• Thiết kế kỹ thuật: xây dựng giải thuật tính toán cuộn dây lõi không khí theo thông số cáp ngầm thực tế.
• Thực nghiệm và kiểm chứng: đo kiểm bằng máy đo BK Precision và kiểm tra lại bằng phần mềm MATLAB.
• Phân tích và đánh giá kết quả: so sánh giá trị đo thực nghiệm với giá trị tính toán.

Nguồn dữ liệu

Thông số cáp ngầm thực tế được lấy từ bảng thông số của cáp 3x120 mm², cấp điện áp 12.7/22 kV, trở kháng tại tần số 50 Hz làm cơ sở thiết kế cuộn dây mô phỏng.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày tính cần thiết của việc ngầm hóa lưới điện phân phối trong bối cảnh đô thị hóa, sau đó đi sâu vào cấu tạo, ưu nhược điểm và xu thế phát triển của cáp ngầm điện lực.

Về cấu tạo, chương mô tả bốn thành phần cơ bản của cáp ngầm: dây dẫn điện (đồng hoặc nhôm), chất cách điện (giấy tẩm dầu, XLPE hoặc EPR), màn bảo vệ (chì hoặc hợp kim nhôm), và vỏ cáp (thép mạ kẽm). Đặc biệt, màn bảo vệ được nối đất tạo thành lồng Faraday, hạn chế tác động nhiễu điện từ và giúp khoảng cách an toàn của cáp ngầm nhỏ hơn nhiều so với đường dây trên không.

Phần so sánh giữa cáp ngầm và đường dây trên không ghi nhận rằng tại khu vực đô thị, chi phí thi công cáp ngầm cao gấp 10 đến 14 lần so với đường dây trên không, trong khi thời gian xử lý sự cố có thể kéo dài từ vài ngày đến cả tuần so với vài giờ của đường dây trên không.

Phần về ngắn mạch phân tích nguyên nhân chủ yếu — lão hóa cách điện, rạn nứt do tác động cơ học trong thi công, nước thấm vào gây phóng điện hồ quang — và phân loại ba dạng sự cố thường gặp: ngắn mạch một pha chạm đất, hai pha chạm đất và ba pha chạm đất. Các dạng sóng dòng điện và điện áp tương ứng với từng loại sự cố được minh họa (Hình 1-4 đến Hình 1-9).

Chương 2: Thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm phân phối

Chương này trình bày thiết kế chi tiết từng khối trong mô hình vật lý, gồm chín module chính:

Module nguồn ba pha: sử dụng nguồn 380 V điện áp dây từ phòng thí nghiệm, điều khiển thông qua contactor KM1 với nút ON/OFF và CB bảo vệ.

Bốn module đường dây: mô phỏng cáp ngầm 3x120 mm² tại các chiều dài 240 m, 315 m, 380 m và 600 m. Các cuộn dây được quấn trên lõi nhựa PVC, mô phỏng thông số điện trở và điện kháng tương ứng từng đoạn cáp.

Module phụ tải: sử dụng ruột mỏ hàn thiếc, mỗi ruột có công suất 60 W tại 220 V, mô phỏng tải thuần trở (cosφ > 0.9).

Module giả lập sự cố: tạo sự cố ngắn mạch trong vòng 1 giây thông qua contactor KM2, sau đó tự động ngắt sự cố và đưa mạch về trạng thái ban đầu.

Module điện trở nối đất: dùng các thanh thép khoan lỗ để đạt giá trị điện trở nối đất nhỏ theo yêu cầu.

Module điện trở hạn dòng: giá trị 20 Ω, giới hạn dòng sự cố trong khoảng 10–12 A (tính theo định luật Ohm: I = 220/20 = 11 A), bảo vệ các module khỏi hư hỏng khi giả lập ngắn mạch.

Module đo lường và giám sát: sử dụng mạch thí nghiệm EVM430-F6779 của Texas Instruments dựa trên vi điều khiển MSP430F6779. Mạch đo đạt độ chính xác dưới 0.1% sai số, tích hợp 7 bộ chuyển đổi ADC sigma-delta 24 bit độc lập, bộ nhớ 512 kB Flash + 32 kB SRAM, xung nhịp tối đa 25 MHz. Tần số lấy mẫu được tính: fs = fM/OSR, với OSR = 256 và fM = 1.048576 MHz, cho tần số lấy mẫu 4 kHz. Điện áp đầu vào (khoảng 230 V) được hạ xuống xấp xỉ 549 mV RMS (đỉnh 779 mV) — thấp hơn 15% ngưỡng giới hạn ADC nhằm tăng độ chính xác khi có sụt áp đột biến.

Chương 3: Thiết kế cuộn dây mô phỏng đường dây cáp ngầm

Chương này xây dựng phương pháp tính toán và giải thuật thiết kế cuộn cảm lõi không khí dùng để mô phỏng thông số điện cảm của từng đoạn cáp ngầm.

Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm được trình bày cùng công thức tính toán cuộn dây lõi không khí. Từ đó, giải thuật thiết kế được đề xuất để tính số vòng dây theo từng chiều dài đoạn cáp và giá trị độ tự cảm yêu cầu. Kết quả tính toán được tổng hợp trong Bảng 3-1 (Số vòng dây dựa trên chiều dài và độ tự cảm).

Chương 4: Kết quả tính toán và thực nghiệm

Chương này trình bày kết quả kiểm chứng bằng hai phương pháp song song: đo bằng máy đo BK Precision và kiểm tra bằng phần mềm MATLAB.

Kết quả thực nghiệm được tổng hợp trong bốn bảng số liệu:

Đoạn cáp	Bảng kết quả
240 m	Bảng 4-2
315 m	Bảng 4-3
380 m	Bảng 4-4
600 m	Bảng 4-5

Ngoài ra, Bảng 4-1 tổng hợp kết quả từ máy đo BK Precision trước khi đối chiếu với MATLAB. Phần đánh giá kết quả (mục 4.3) so sánh độ sai lệch giữa giá trị đo thực nghiệm và giá trị tính toán lý thuyết, từ đó rút ra nhận xét về mức độ chính xác của mô hình.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương tóm tắt các vấn đề đã giải quyết trong đồ án, nêu đề nghị và hướng phát triển tiếp theo, cũng như làm rõ phạm vi giới hạn của đề tài.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc mô hình vật lý

Mô hình tổng thể được ghép từ chín module vật lý độc lập, kết nối với nhau qua các chốt đấu nối. Cấu trúc này cho phép thay đổi linh hoạt chiều dài đoạn cáp mô phỏng và vị trí giả lập sự cố. Mô hình hoạt động với nguồn ba pha 380 V từ lưới điện phòng thí nghiệm.

Phần cứng đo lường

Vi điều khiển MSP430F6779 của Texas Instruments thực hiện đo lường theo thời gian thực các đại lượng: giá trị RMS của dòng và áp, công suất tiêu thụ, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, hệ số công suất và tần số. Dữ liệu được gửi về máy tính qua giao tiếp RS-232 để tính toán và xác định vị trí sự cố.

Sơ đồ kết nối áp dụng cấu hình ba pha bốn dây, với cảm biến dòng nối vào từng pha thông qua kênh ADC tương ứng. Điện trở R104 trong mạch đo dòng có giá trị khoảng 13 Ω, được chọn theo tỷ số biến dòng (CT ratio).

Giải thuật thiết kế cuộn dây

Giải thuật tính toán cuộn cảm lõi không khí bắt đầu từ thông số cáp ngầm thực tế (điện trở và điện kháng theo chiều dài), suy ra yêu cầu kỹ thuật về độ tự cảm, sau đó áp dụng công thức cuộn dây lõi không khí để xác định số vòng và kích thước quấn dây. Kết quả được xác nhận bằng đo kiểm thực nghiệm và so sánh với MATLAB.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính: Đồ án hoàn thành bộ mô hình vật lý mô phỏng hệ thống cáp ngầm phân phối với bốn đoạn cáp (240 m, 315 m, 380 m, 600 m) dựa trên thông số cáp 3x120 mm², cấp điện áp 12.7/22 kV. Module điện trở hạn dòng 20 Ω giới hạn dòng sự cố ở mức 11 A, bảo vệ toàn bộ hệ thống trong quá trình giả lập. Kết quả đo bằng máy BK Precision và kiểm chứng bằng MATLAB cho thấy mô hình phản ánh được thông số đường dây cáp ngầm thực tế.

Đóng góp so với nghiên cứu trước (theo tự đánh giá của tác giả):

• Đề xuất giải thuật thiết kế cuộn dây lõi không khí mô phỏng thông số cáp ngầm phân phối, đảm bảo tính tương đồng với thông số thực tế.
• Thiết kế và thi công module giả lập sự cố ngắn mạch trong môi trường phòng thí nghiệm, tạo công cụ kiểm chứng cho phương pháp tổng trở xác định vị trí sự cố.
• Cung cấp nền tảng thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo về định vị sự cố cáp ngầm mà không cần can thiệp vào lưới điện vận hành thực tế.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả tự nhận xét rằng do năng lực còn hạn chế và chưa có nhiều kinh nghiệm, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Một số giới hạn có thể nhận thấy từ phạm vi đề tài:

• Mô hình chỉ mô phỏng lưới phân phối hình tia đơn giản, chưa xét đến cấu hình lưới mạch vòng vốn phổ biến trong thực tế vận hành.
• Chỉ kiểm chứng phương pháp tổng trở; hai phương pháp còn lại (bơm xung, sóng truyền) chưa được tích hợp để so sánh trực tiếp.
• Phụ tải mô phỏng dùng ruột mỏ hàn thiếc (thuần trở, cosφ > 0.9), chưa xét đến phụ tải không cân bằng và phụ tải cảm kháng trong thực tế phân phối điện.

Hướng phát triển được tác giả đề xuất là ứng dụng kết quả mô hình để kiểm chứng giải thuật định vị sự cố trên hệ thống thực tế, đồng thời mở rộng mô hình sang các cấu hình lưới phức tạp hơn.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hóa đang tìm hiểu về mô hình hóa lưới điện phân phối hoặc cần thiết kế bộ thí nghiệm mô phỏng đường dây cho phòng lab.
• Sinh viên làm đồ án liên quan đến định vị sự cố cáp ngầm: phần tổng quan (Chương 1) cung cấp so sánh có hệ thống ba phương pháp định vị, đặc biệt hữu ích khi xác định hướng nghiên cứu phù hợp.
• Nhóm nghiên cứu về phương pháp tổng trở: Chương 2 và Chương 3 cung cấp chi tiết thiết kế phần cứng mô phỏng, có thể tái sử dụng hoặc mở rộng cho các thí nghiệm kiểm chứng giải thuật mới.
• Kỹ sư điện tập sự cần hiểu cơ bản về cấu tạo, ưu nhược điểm và các loại sự cố của cáp ngầm điện lực: Chương 1 cung cấp nền tảng lý thuyết đầy đủ với phân tích dạng sóng minh họa.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn mô hình RL thay vì mô hình Pi hoặc mô hình T để mô phỏng đường dây cáp ngầm?

Vì tiêu chí phân loại mô hình đường dây dựa trên chiều dài: mô hình Pi dùng cho đường dây trên 50 km, mô hình T dùng cho 20–50 km, còn mô hình RL (thông số tập trung) phù hợp cho đường dây dưới 20 km. Các đoạn cáp mô phỏng (240 m, 315 m, 380 m, 600 m) đều thuộc phạm vi dưới 20 km, do đó mô hình RL được chọn.

2. Dòng ngắn mạch trong mô hình được giới hạn ở mức nào và bằng cách nào?

Dòng sự cố được giới hạn trong khoảng 10–12 A thông qua module điện trở hạn dòng có giá trị 20 Ω. Tính toán theo định luật Ohm: I = U/Z = 220/20 = 11 A. Điện trở này đóng vai trò bảo vệ các module trong mô hình khỏi bị hư hỏng khi giả lập sự cố ngắn mạch.

3. Mạch đo MSP430F6779 đạt độ chính xác bao nhiêu và sử dụng kiến trúc ADC nào?

Mạch đo MSP430F6779 của Texas Instruments đạt độ chính xác dưới 0.1% sai số đo lường. Kiến trúc ADC sử dụng là ADC sigma-delta 24 bit (ΣΔ24), với 7 bộ chuyển đổi độc lập, tần số lấy mẫu fs = fM/OSR = 1.048576 MHz/256 = 4 kHz. Điện áp đầu vào khoảng 230 V được hạ xuống 549 mV RMS (đỉnh 779 mV), thấp hơn 15% ngưỡng giới hạn ADC để tăng độ chính xác khi có sụt áp đột biến.

4. Phụ tải trong mô hình được mô phỏng bằng linh kiện gì và lý do lựa chọn?

Phụ tải được mô phỏng bằng ruột mỏ hàn thiếc, mỗi ruột có công suất 60 W tại 220 V. Lý do là đề tài nghiên cứu nguyên lý định vị sự cố nên phụ tải được đơn giản hóa thành tải thuần trở (cosφ > 0.9 theo Thông tư số 15 của Bộ Công Thương năm 2014). Ruột mỏ hàn có đặc tính thuần trở phù hợp yêu cầu này.

5. Module sự cố hoạt động theo trình tự như thế nào khi giả lập ngắn mạch?

Khi kích hoạt, Rơle 2 đóng lại làm Contactor KM2 đóng, tạo ngắn mạch một pha với đất. Mạch đo lập tức thu thập dữ liệu và gửi lên máy tính. Sau đúng 1 giây, Rơle 1 đóng lại làm KM1 và KM2 mở ra, ngắt sự cố và đưa toàn bộ mạch về trạng thái ban đầu (trạng thái trước khi nhấn ON).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm phân phối cho bài toán định vị sự cố cáp" của sinh viên Lại Nguyễn Thành Đạt (MSSV: 14142061) đã hoàn thành thiết kế và thi công bộ mô hình vật lý mô phỏng hệ thống cáp ngầm lưới phân phối với bốn đoạn cáp tương ứng thông số cáp 3x120 mm², cấp điện áp 12.7/22 kV. Điểm nổi bật là giải thuật thiết kế cuộn dây lõi không khí đảm bảo thông số điện cảm tương đồng với cáp ngầm thực tế, được kiểm chứng đồng thời bằng máy đo BK Precision và phần mềm MATLAB. Mô hình tạo ra nền tảng thực nghiệm cho nghiên cứu phương pháp tổng trở xác định vị trí sự cố ngắn mạch mà không cần can thiệp vào lưới điện vận hành, hướng mở rộng tiếp theo là áp dụng giải thuật định vị lên chính hệ thống thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong một xã hội ngày càng hiện đại, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng lên. Để đáp ứng được nhu cầu đó, phát triển hệ thống lưới điện là một vấn đề thiết yếu. Tuy nhiên, ngoài việc đáp ứng về nhu cầu sử dụng, lưới điện phải đảm bảo vẻ mỹ quan cũng như sự an toàn cho cư dân sinh sống tại khu vực, đặc biệt là khu vực thành phố. Từ đó, các đường dây cáp ngầm được đầu tư ngày càng nhiều, đáp ứng được 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 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.

Trong chương này đồ án sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu. Các nội dung trình bày chính bao gồm cấu tạo và 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 vẻ mỹ quan 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 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 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 trong thời gian gần đây.

Nhìn chung, có ba phương pháp chính để xác định online vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm được sử dụng đó là phương pháp bơm xung, phương pháp tổng trở và phương pháp sóng truyền. Trong phương pháp bơm xung, một máy tạo xung sẽ bơm một xung dòng (hoặc xung áp) vào đoạn dây có sự cố. Xung điện này sẽ lan truyền trong đường dây với một vận tốc nào đó phụ thuộc cấu trúc đường dây. Khi gặp điểm ngắn mạch, một xung phản xạ sẽ được sinh ra và chạy ngược về điểm ban đầu với cùng vận tốc.

Dựa vào thời điểm phát xung đến và nhận lại xung phản xạ kết hợp với vận tốc truyền sóng mà ta xác định được khoảng cách từ điểm ngắn mạch đến điểm phát xung. Ưu điểm của phương pháp là có độ chính xác cao. Nhược điểm của phương pháp là chỉ áp dụng cho các tuyến dây đã cách ly khỏi lưới điện. Phương pháp yêu cầu phải có thiết bị phát xung chuyên dụng đắt tiền và thiết bị đo lường chính xác cao.

Điều này làm cho phương pháp mất nhiều thời gian để thực hiện, giá thành cao và không thể xác định nhanh vị trí ngắn mạch khi vừa có sự cố.[1] 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 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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.[1] Để nâng cao hiệu quả trong vấn đề xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối, đồ án 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 1.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực Trong lịch sử hình thành và phát triển của cáp ngầm điện lực, có nhiều loại cáp điện lực đã ra đời. Trong tự nhiên, dòng điện có xu hướng quay trở về đất. Vì vậy, để tối thiểu tổn thất điện năng một cách tốt nhất, các loại cáp ngầm khi được đưa vào sử dụng phải có cách điện tốt nhất. Nếu so với cách điện của cáp trên không thì cáp ngầm phải tốt hơn gấp nhiều lần.

Chính điều này đã làm cho kết cấu của cáp ngầm điện lực phức tạp hơn đường dây trên không rất nhiều. Do đó cũng yêu cầu cao hơn về công nghệ sản xuất cho cáp ngầm. Đây chính là yếu tố cơ bản làm tăng chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực. Cấu tạo cáp ngầm điện lực bao gồm các thành phần cơ bản sau: 1.1 Dây dẫn điện Tương tự như dây dẫn trên không, đồng và nhôm là hai vật liệu chủ yếu để sản xuất dây dẫn điện.

Đồng là vật liệu làm dây dẫn điện chiếm ưu thế nhất hiện nay. Do đồng có khả năng dẫn điện tốt, chỉ đứng sau bạc nhưng giá thành lại thấp hơn bạc rất nhiều. Dây dẫn được làm với nhiều định dạng khác nhau như bện, dây đặc, rẽ quạt. Hình dạng và kích thước của dây dẫn 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. Tuy nhiên nhôm có đặc điểm là rất khó hàn và mối hàn không chắc chắn. Khi nối cáp nhôm phải đảm bảo rằng không có oxit nhôm 7 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 nổi bật với độ bền cơ học cao mang lại tuổi thọ lâu hơn trong quá trình sử dụng.

Có khả năng chịu được nhiệt trong thời gian dài, đối với dòng ngắn mạch có thể chịu được nhiệt độ cao (250oC). XLPE có cường độ điện môi cao, tính chất về điện cực tốt trên dãy nhiệt độ rộng. Với đặc tính chống nước và không hút ẩm, XLPE phù hợp trong môi trường đất. 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.

8 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. Hình 1-2 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.