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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới điện phân phối, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực kỹ thuật.

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

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• 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
• 1.2.3. Ưu điểm của cáp ngầm điện lực
• 1.2.4. Nhược điểm của cáp ngầm điện lực
• 1.2.5. 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

Chương này trình bày tầm quan trọng của việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm trong lưới điện phân phối. Sự cố cáp ngầm thường khó phát hiện do chúng được chôn dưới đất, gây khó khăn trong việc xác định vị trí. Việc xác định nhanh chóng vị trí sự cố là rất cần thiết để khôi phục hoạt động bình thường của lưới điện. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng thời gian xác định vị trí sự cố càng nhanh thì thời gian khôi phục càng ngắn, từ đó nâng cao chất lượng cung cấp điện. Đặc biệt, trong các khu vực có địa hình khó khăn, việc áp dụng các phương pháp hiện đại để xác định vị trí sự cố là rất quan trọng. Các phương pháp hiện có bao gồm bơm xung phản xạ, tính toán vị trí ngắn mạch và phân tích sóng dòng điện. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng, như yêu cầu thiết bị đắt tiền hoặc thời gian xác định lâu. Do đó, việc phát triển một phương pháp mới hiệu quả hơn là cần thiết.

1.1 Tính cần thiết

Việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm là một nhiệm vụ quan trọng trong quản lý lưới điện. Lưới điện phân phối thường gặp phải các sự cố ngắn mạch do nhiều nguyên nhân khác nhau, như hư hỏng cách điện hoặc tác động từ môi trường. Khi xảy ra sự cố, việc nhanh chóng xác định vị trí sẽ giúp giảm thiểu thời gian mất điện và thiệt hại kinh tế. Hệ thống điện hiện nay đang ngày càng phát triển, do đó, việc áp dụng công nghệ mới để xác định vị trí sự cố là rất cần thiết. Các phương pháp hiện tại có thể không đáp ứng được yêu cầu thực tiễn, vì vậy cần có những nghiên cứu sâu hơn để cải thiện hiệu quả xác định vị trí sự cố.

1.2 Cáp ngầm điện lực

Cáp ngầm điện lực có cấu tạo phức tạp, bao gồm dây dẫn, chất cách điện và màn bảo vệ. Cáp điện ngầm có nhiều ưu điểm so với đường dây trên không, như giảm thiểu rủi ro về an toàn và cải thiện mỹ quan đô thị. Tuy nhiên, cáp ngầm cũng có nhược điểm, như chi phí lắp đặt cao và khó khăn trong việc phát hiện sự cố. Việc so sánh giữa cáp ngầm và đường dây trên không cho thấy rằng cáp ngầm là lựa chọn tối ưu cho các khu vực đô thị, nơi yêu cầu cao về an toàn và mỹ quan. Xu hướng phát triển cáp ngầm đang gia tăng, đặc biệt là trong các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong luận văn này bao gồm việc thu thập tài liệu liên quan và phân tích các mô hình lưới điện phân phối hiện hành. Kỹ thuật điện được áp dụng để xây dựng giải thuật xác định vị trí và điện trở sự cố cho lưới điện phân phối. Việc sử dụng phần mềm Matlab 7.0 để mô phỏng các phương pháp đề xuất là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các thông số chính của lưới điện sẽ được nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến dòng điện và điện áp khi có sự cố xảy ra. Mô hình mô phỏng sẽ giúp kiểm chứng các kết quả tính toán và đề xuất giải pháp hiệu quả cho việc xác định vị trí sự cố.

2.1 Thu thập tài liệu

Việc thu thập tài liệu liên quan đến các phương pháp xác định vị trí sự cố là bước đầu tiên trong nghiên cứu. Các tài liệu này bao gồm các nghiên cứu trước đây về cáp điện ngầm, các phương pháp phát hiện sự cố và các thiết bị đo lường. Thông qua việc phân tích các tài liệu này, có thể rút ra những bài học kinh nghiệm và xác định những điểm còn thiếu trong các nghiên cứu trước. Điều này sẽ giúp định hướng cho việc phát triển phương pháp mới trong luận văn.

2.2 Mô hình hóa và mô phỏng

Mô hình hóa lưới điện phân phối là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Việc xây dựng mô hình sẽ giúp xác định các thông số cần thiết cho việc tính toán vị trí sự cố. Các khối trong lưới điện như nguồn phát điện, đường dây và phụ tải sẽ được mô phỏng để đánh giá hiệu quả của các phương pháp xác định vị trí. Kết quả mô phỏng sẽ cung cấp thông tin quý giá về khả năng áp dụng của các phương pháp đề xuất trong thực tế.

III. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày các phương pháp xác định vị trí sự cố cáp ngầm trong lưới điện phân phối. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp mới có thể giúp giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao chất lượng cung cấp điện. Quản lý lưới điện sẽ được cải thiện nhờ vào việc xác định chính xác vị trí sự cố và điện trở tại điểm sự cố. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến thiết bị để nâng cao hiệu quả xác định vị trí sự cố.

3.1 Đề xuất giải pháp

Đề xuất giải pháp cho việc xác định vị trí sự cố cáp ngầm là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các giải pháp này cần phải đơn giản, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Việc phát triển các thiết bị đo lường mới có thể giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Đồng thời, cần có các nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sự cố trong lưới điện phân phối.

3.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để xác định vị trí sự cố trong các điều kiện khác nhau. Việc áp dụng công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo có thể giúp nâng cao khả năng dự đoán và phát hiện sự cố. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng các phương pháp đề xuất trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện Việt Nam, việc ngầm hóa lưới điện phân phối tại các đô thị ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, việc sử dụng cáp ngầm thay thế cho đường dây trên không không chỉ nâng cao độ an toàn mà còn góp phần cải thiện mỹ quan đô thị, giảm thiểu tác động của thời tiết và các yếu tố môi trường. Tuy nhiên, đặc thù của cáp ngầm là được đặt dưới lòng đất khiến việc phát hiện và xác định vị trí sự cố ngắn mạch trở nên khó khăn hơn nhiều so với đường dây trên không. Thời gian xác định vị trí sự cố càng nhanh thì thời gian khắc phục và cấp điện lại cho các đoạn không bị sự cố càng được rút ngắn, từ đó nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng một phương pháp xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới cáp ngầm phân phối dựa trên phương pháp tổng trở kết hợp với đặc tính thuần trở của điện trở ngắn mạch. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối cáp ngầm tại các đô thị Việt Nam, với mô hình và dữ liệu thực tế từ các trạm phân phối. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và kiểm nghiệm giải thuật đề xuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm thiểu thời gian mất điện, giảm chi phí vận hành và đầu tư thiết bị chuyên dụng, đồng thời nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có địa hình phức tạp hoặc các tuyến cáp ngầm không thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Lý thuyết tổng trở trong lưới điện phân phối: Tổng trở của đường dây và phụ tải được mô hình hóa bằng ma trận tổng trở, trong đó cáp ngầm điện lực có ma trận tổng trở dạng đường dây ba pha không có điện trở tương hỗ do hiệu ứng lồng Faraday của lớp giáp kim loại. Tổng trở phụ tải ba pha cũng được mô hình hóa tương tự, dựa trên công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải.

2. Đặc tính thuần trở của điện trở hồ quang trong sự cố ngắn mạch: Điện trở hồ quang được xem là điện trở thuần với giá trị phụ thuộc vào dòng điện và chiều dài hồ quang. Phương trình tính điện trở hồ quang được sử dụng để mô tả đặc tính này, giúp giảm sai số trong việc xác định vị trí sự cố.

Các khái niệm chính bao gồm: ngắn mạch một pha, hai pha, ba pha chạm đất; hiện tượng hồ quang điện và điện trở hồ quang; phương pháp tổng trở; và các loại sự cố ngắn mạch trong cáp ngầm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, số liệu thực tế từ lưới điện phân phối cáp ngầm tại các trạm phân phối đô thị, cùng với các mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab 7.0.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng phương trình tổng trở các thành phần trong lưới điện phân phối.
• Phát triển giải thuật xác định vị trí và điện trở sự cố dựa trên phân tích tổng trở và đặc tính thuần trở của điện trở hồ quang.
• Mô phỏng các trường hợp sự cố ngắn mạch một pha, hai pha, ba pha chạm đất với các sai số dự báo phụ tải từ 0% đến 30%.
• So sánh kết quả mô phỏng với các phương pháp hiện hành để đánh giá độ chính xác và hiệu quả.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phát triển giải thuật, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phương pháp tổng trở kết hợp đặc tính thuần trở của điện trở ngắn mạch cho kết quả chính xác hơn: Kết quả mô phỏng cho thấy phần ảo của tổng trở ngắn mạch tiến về gần bằng không khi vị trí ngắn mạch giả định tiến sát vị trí ngắn mạch thực tế, giúp xác định vị trí sự cố với sai số thấp hơn so với các phương pháp tổng trở truyền thống.

2. Ảnh hưởng của sai số dự báo phụ tải đến độ chính xác xác định vị trí sự cố: Khi sai số dự báo phụ tải tăng từ 0% đến 30%, sai số xác định vị trí sự cố tăng nhưng vẫn nằm trong khoảng chấp nhận được, cho thấy giải thuật có tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế cao.

3. Phân loại chính xác các dạng sự cố ngắn mạch: Dựa trên biên độ dòng điện pha so với dòng định mức, phương pháp cho phép phân biệt rõ ràng giữa ngắn mạch một pha, hai pha và ba pha chạm đất với độ chính xác trên 90%.

4. Giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị: Phương pháp không yêu cầu thiết bị đo tần số cao hay máy phát xung công suất lớn, giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành thiết bị trên lưới điện phân phối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp đạt được độ chính xác cao là do việc kết hợp đặc tính thuần trở của điện trở hồ quang vào mô hình tổng trở, giúp giảm sai số do các thành phần phi tuyến trong sự cố ngắn mạch. So với phương pháp xung phản xạ và phân tích sóng truyền, giải thuật này không cần cách ly lưới điện khi đo, giảm thời gian mất điện và chi phí thiết bị.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ phần ảo tổng trở ngắn mạch theo vị trí giả định, biểu đồ sai số xác định vị trí theo sai số dự báo phụ tải, và bảng phân loại dạng sự cố dựa trên dòng điện pha. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy phương pháp đề xuất có ưu thế về chi phí và tính khả thi trong vận hành thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng giải thuật xác định vị trí sự cố trên các trạm phân phối đô thị: Động viên các đơn vị quản lý lưới điện tích hợp phần mềm mô phỏng và giải thuật vào hệ thống giám sát hiện tại nhằm giảm thời gian mất điện, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng.

2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành về phương pháp và công cụ mới: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho nhân viên kỹ thuật nhằm nâng cao năng lực xử lý sự cố nhanh chóng, thời gian đào tạo dự kiến 3-6 tháng.

3. Nâng cấp hệ thống đo lường dòng điện và điện áp tại các điểm đầu lưới phân phối: Cải thiện chất lượng dữ liệu đầu vào để tăng độ chính xác của giải thuật, ưu tiên các trạm có lưu lượng phụ tải lớn, hoàn thành trong 18 tháng.

4. Phát triển phần mềm tích hợp giải thuật với giao diện thân thiện: Hỗ trợ vận hành trực tuyến, cảnh báo sớm và báo cáo tự động vị trí sự cố, dự kiến phát triển trong 24 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối: Giúp nâng cao kỹ năng xác định và xử lý sự cố nhanh chóng, giảm thiểu thời gian mất điện và chi phí vận hành.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Cung cấp cơ sở khoa học để đầu tư trang thiết bị và phát triển công nghệ phù hợp với xu hướng ngầm hóa lưới điện đô thị.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa, giải thuật và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực xác định vị trí sự cố cáp ngầm.

4. Các công ty cung cấp thiết bị và phần mềm giám sát lưới điện: Hướng dẫn phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp tổng trở kết hợp đặc tính thuần trở có ưu điểm gì so với phương pháp xung phản xạ?
   Phương pháp này không yêu cầu thiết bị tạo xung công suất lớn và đo tần số cao, giảm chi phí đầu tư và thời gian mất điện do không cần cách ly lưới khi đo. Ví dụ, thiết bị đo tần số cao trong phương pháp xung phản xạ có giá thành rất cao và phức tạp.

2. Sai số dự báo phụ tải ảnh hưởng thế nào đến độ chính xác xác định vị trí sự cố?
   Sai số dự báo phụ tải tăng sẽ làm sai số xác định vị trí sự cố tăng, tuy nhiên trong nghiên cứu, sai số vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được khi sai số dự báo lên đến 30%, đảm bảo tính ổn định của giải thuật.

3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại sự cố ngắn mạch nào?
   Phương pháp áp dụng hiệu quả cho các dạng ngắn mạch một pha, hai pha và ba pha chạm đất trên lưới cáp ngầm phân phối, với khả năng phân loại chính xác dựa trên dòng điện pha.

4. Có cần thiết phải đầu tư thêm thiết bị đo lường đặc biệt khi áp dụng phương pháp này?
   Không cần thiết, phương pháp sử dụng dữ liệu dòng điện và điện áp cơ bản tại tần số 50Hz, không yêu cầu thiết bị đo tần số cao hay máy phát xung, giúp giảm chi phí đầu tư.

5. Phương pháp có thể áp dụng cho lưới điện phân phối trên không không?
   Phương pháp chủ yếu thiết kế cho lưới cáp ngầm do đặc tính tổng trở và điện trở hồ quang khác biệt. Với lưới trên không có nhiều yếu tố tương hỗ và đặc tính khác, cần điều chỉnh mô hình phù hợp.

Kết luận

• Đã xây dựng và kiểm nghiệm thành công giải thuật xác định vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm dựa trên tổng trở kết hợp đặc tính thuần trở của điện trở hồ quang, nâng cao độ chính xác và giảm chi phí thiết bị.
• Phương pháp cho phép xác định nhanh vị trí sự cố khi lưới điện đang vận hành, giảm thời gian mất điện và chi phí vận hành.
• Mô hình và giải thuật được mô phỏng trên phần mềm Matlab với dữ liệu thực tế từ lưới điện phân phối đô thị, cho kết quả ổn định với sai số dự báo phụ tải lên đến 30%.
• Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi tại các trạm phân phối, đồng thời phát triển phần mềm tích hợp và đào tạo nhân lực vận hành.
• Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế trên hệ thống lưới điện phân phối, hoàn thiện phần mềm và mở rộng nghiên cứu cho các dạng sự cố phức tạp hơn.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối và giảm thiểu thiệt hại do sự cố ngắn mạch!

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 Luan van 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 Luan van 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. 9 Luan van 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. 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.