BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Văn Sỹ

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY DỰA THEO TÍN
HIỆU ĐO TỪ CÁC RƠLE BẢO VỆ SO LỆCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Xuân Tùng

Hà Nội - 2014


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của
ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng
các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang
web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Văn Sỹ

1

chính xác của phƣơng pháp này để làm rõ sự cần thiết phải có phƣơng pháp
định vị sự cố theo tín hiệu từ hai phía.

2


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

 Chƣơng 3: Giới thiệu và phân tích nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu
đo lƣờng đồng bộ của rơle so lệch hai đầu đƣờng dây kèm theo tín hiệu điện
áp từ một phía. Các ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này.
 Chƣơng 4: Tính toán áp dụng đối với mô hình mô phỏng của một tuyến
đƣờng dây 220kV. Phần mô hình đƣờng dây và mô phỏng sự cố đƣợc thực
hiện bằng phần mềm PSCAD, các tính toán xử lý tín hiệu sau đó đƣợc thực
hiện bằng MATLAB.
 Chƣơng 5: Kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

3


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

MỤC LỤC
Chương mục

trang

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... 6

2.2

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ một phía. ........................ 18
2.1.1

Nguyên lý làm việc ............................................................................................ 18

2.1.2

Các mạch vòng tính toán tổng trở ...................................................................... 19

Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phƣơng pháp chỉ dựa

trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía ....................................................................................... 22

2.3

2.2.1

Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố .............................................................. 22

2.2.2

Ảnh hƣởng của dòng tải trên đƣờng dây trƣớc sự cố ........................................ 25

2.2.3

Ảnh hƣởng của điện kháng tƣơng hỗ của các đƣờng dây song song ................ 26

2.2.4


4.1

các rơle bảo vệ so lệch. ........................................................................................................ 47
4.1.1

Công cụ sử dụng ................................................................................................ 47

4.1.2

Sơ đồ khối của thuật toán tính toán ................................................................... 50

4.1.3

Thông số của sơ đồ mô phỏng ........................................................................... 52

4.1.4

Kịch bản mô phỏng............................................................................................ 53

4.2

Kết quả mô phỏng và tính toán .......................................................................... 54

4.2.1

Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố đến tính chính xác của thuật toán ............... 54

4.2.2


Bảng 3-3 Thiết lập các hệ số tính toán dòng sự cố tổng có xét tới ƣu tiên dùng thành phần
thứ tự thuận. ......................................................................................................................... 41
Bảng 3-4 Thiết lập các hệ số tính toán dòng sự cố tổng có xét tới ƣu tiên kết hợp cả thứ tự
thuận và thứ tự nghịch. ........................................................................................................ 42
Bảng 3-5 Thiết lập các hệ số tính toán dòng sự cố tổng với việc có thể loại bỏ của thành
phần thứ tự thuận. ................................................................................................................ 42
Bảng 3-6 Hệ số của các thành phần đối xứng điện áp và dòng điện cho các dạng sự cố khác
nhau. ..................................................................................................................................... 45
Bảng 4-1 Thông số các phần tử sử dụng trong mô phỏng ................................................... 52
Bảng 4-2 Thông số các dòng điện và điện áp 3 pha của hệ thống A và dòng điện 3 pha của
hệ thống B trong lúc sự cố. .................................................................................................. 54
Bảng 4-3 Các thành phần TTT, TTN, TTK tính đƣợc của dòng điện và điện áp 3 pha của
hệ thống A và dòng điện 3 pha của hệ thống B trong lúc sự cố. ......................................... 55
Bảng 4-4 Thông số của dòng điện và điện áp 3 pha của hệ thống A và dòng điện tại điểm
sự cố IF ................................................................................................................................. 57
Bảng 4-5 Bảng tổng hợp sai số tính toán khoảng cách và điện trở sự cố lúc sự cố A chạm
đất......................................................................................................................................... 59
Bảng 4-6 Thông số điện khángsự cố của pha A trong lúc sự cố pha A chạm đất. ............. 60
Bảng 4-7 Bảng tổng hợp sai số tính toán khoảng cách theo nguyên lý một đầu lúc sự cố A
chạm đất. .............................................................................................................................. 60
Bảng 4-8 Bảng tổng hợp sai số tính toán khoảng cách các dạng sự cố. .............................. 61
Bảng 4-9 Thông số các dòng điện và điện áp 3 pha của hệ thống A và dòng điện 3 pha của
hệ thống B trong lúc sự cố. .................................................................................................. 62

6


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

Bảng 4-10 Thông số các thành phần TTT, TTN, TTK của dòng điện và điện áp 3 pha của

Hình 2-7 Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo đƣợc .............................. 25
Hình 2-8 Ảnh hƣởng của tƣơng hỗ giữa các đƣờng dây song song .................................... 26
Hình 2-9 Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện ............................................................. 27
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp ............................... 30
Hình 3-2 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây hai nguồn cấp khi sự cố ...................................... 30
Hình 3-3 Sơ đồ biểu diễn thời gian truyền tín hiệu giữa hai rơle ....................................... 33
Hình 3-4 Định vị sự cố dựa vào thông số dòng hai đầu và điện áp tại đầu A của bảo vệ so
lệch đƣờng dây ..................................................................................................................... 33
Hình 3-5 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây có hai nguồn cấp ................................................. 34
Hình 4-1 Giao diện chính của Matlab .................................................................................. 49
Hình 4-2 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ............................................................. 50
Hình 4-3 Sơ đồ thuật toán tính toán trong Matlab .............................................................. 51
Hình 4-4 Sơ đồ mô phỏng trong PSCAD ............................................................................ 52
Hình 4-5 Sơ đồ mô phỏng dạng sóng điện áp pha A tại thời điểm bắt đầu sự cố trong
PSCAD................................................................................................................................. 53

8


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
GPS

(Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu

DC

(Direct Curent) Dòng điện một chiều


trở. Định vị sự cố giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua
và sự cố duy trì.
- Sự cố thoáng qua có thể không gây thiệt hại nghiêm trọng, có thể đƣợc
khắc phục thông qua tự động đóng lại. Tuy nhiên xác định sớm và nhanh
chóng điểm bị hƣ hỏng sẽ giúp ngăn ngừa các sự cố tiếp theo có thể xảy
ra.
- Với những sự cố vĩnh cửu, việc không tìm ra chính xác điểm sự cố để
khắc phục nó mang lại rất nhiều điều phức tạp, hao tốn nhân lực, tốn kém
tài chính, và quan trọng nhất là ngừng cung cấp điện một thời gian dài, có
thể gây mất điện trong một khu vực rộng.
Các vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã đƣợc nghiên cứu
trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lƣới truyền
tải. Lƣới truyền tải đƣợc quan tâm vì mức độ ảnh hƣởng của nó tới hệ thống lớn
hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi
để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lƣới phân phối.
Hiện nay các đƣờng dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thƣờng
đƣợc trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đƣờng
dây [5, 6]. Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ
khoảng cách báo vị trí với một mức sai số tƣơng đối lớn (có thể tới hàng chục km).
Điều này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố đƣợc sử dụng trong rơle khoảng cách
chỉ dựa vào tín hiệu đo lƣờng tại chỗ, do đó chịu ảnh hƣởng của rất nhiều yếu tố bên
ngoài. Các rơle so lệch dọc hiện đại đã đƣợc tích hợp thêm chức năng định vị điểm
sự cố và có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, điều này là hoàn toàn thực

10


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

tế vì các rơle loại này thƣờng có thể sử dụng nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín



Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

xác định dựa theo tỷ số của điện kháng đo đƣợc và điện kháng của một đơn vị chiều
dài đƣờng dây:
Lsc (km) 

xdo
x1km

Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp này:
-

Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lƣờng đƣợc thu thập tại chỗ, không yêu cầu
truyền tín hiệu từ đầu đối diện.

-

Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập đƣợc của các
rơle tại hai đầu.

-

Sai số trong phạm vi chấp nhận đƣợc đối với sự cố pha - pha (theo thực tế
vận hành).

-

Độ chính xác của phép đo bị ảnh hƣởng của nhiều yếu tố:


B

IA
(1-x)

x

IF

RF

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đƣờng dây trên trong trƣờng hợp sự
cố nhƣ trên Hình 1-2.
A

x*ZD

IA

(1-x)*ZD

F

IB

B


x

U A UB  IB * ZD
ZD * (I A  I B )

13

[1.4]


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

Phƣơng trình trên có thể áp dụng cho mọi trƣờng hợp sự cố. Tuy nhiên, tùy theo
dạng sự cố mà lựa chọn tổ hợp dòng điện và điện áp thích hợp. Ví dụ, với sự cố
chạm đất một pha (N(1)) thì điện áp sử dụng là của pha A, tuy nhiên dòng điện đƣa
vào tính toán cần phải bù thành phần thứ tự không. Trong thực tế, rất khó xác định
đúng điện kháng thứ tự không của đƣờng dây, do đó việc tính toán hệ số bù dòng
thứ tự không sẽ không chính xác và có thể gây sai số cho phép định vị.
Để tránh trƣờng hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần dòng
điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch (tính toán dựa trên thành phần thứ tự
nghịch chỉ áp dụng đƣợc với các sự cố không đối xứng).
Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu đƣờng
dây có ƣu điểm hơn so với chỉ dùng tín hiệu từ một đầu:
-

Không bị ảnh hƣởng của tổng trở nguồn.

-

Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phƣơng trình tính toán khoảng

x: khoảng cách đến điểm sự cố
l: tổng chiều dài đƣờng dây
c: vận tốc ánh sáng (299,792m/s)

A

B
Thời gian (µs)
Sự cố
Ghi nhận tín hiệu
tới đầu A lần 1

Δt

Ghi nhận tín hiệu
tới đầu B lần 1

Hình 1-3 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu sóng lan truyền
nhƣ sau:
Ưu điểm của phương pháp này:
-

Độ chính xác đạt đƣợc cao nhất tính tới giai đoạn hiện nay so với các phƣơng
pháp khác. Một số bộ định vị sự cố sử dụng nguyên lý này đã đƣợc lắp đặt
tại Việt Nam, các báo cáo cho thấy sau vài lần hiệu chỉnh thì sai số khoảng
cách định vị chỉ trong phạm vi nhỏ hơn một khoảng cột (từ 200m đến 500m).

Nhược điểm của phương pháp này:

Chi phí đầu tƣ ban đầu lớn, giai đoạn hiệu chỉnh phải mời chuyên gia sang
làm việc nhiều lần.

1.2.4 Tổng kết và đề xuất hướng nghiên cứu
Các phƣơng pháp định vị sự cố thông dụng đã đƣợc giới thiệu trong chƣơng
này, tất cả các phƣơng pháp này đều thể hiện ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng.
Mô hình nghiên cứu đề xuất trong luận văn nhƣ thể hiện trong Hình 1-4.

BI

BI
BU

{U

&

Cáp quang

I}

{I}
Rơle bảo
vệ so lệch

Rơle bảo
vệ so lệch

Hình 1-4 Cơ chế truyền tín hiệu của rơle bảo vệ so lệch đặt ở hai đầu đường dây



Hình 2-1 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách

Giá trị tổng trở đo đƣợc sẽ đƣợc sử dụng để xác định điểm làm việc của rơle
trên mặt phẳng tổng trở, nếu điểm làm việc này thuộc vùng tác động (vùng I, vùng
II hoặc vùng III…) thì rơle sẽ khởi động các bộ đếm thời gian tƣơng ứng [4]. Trong
chế độ vận hành bình thƣờng điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động
Hình 2-2.

18


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

Hình 2-2 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ

Dựa theo giá trị điện kháng đo đƣợc, rơle sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí
đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức:
Lsc (km) 

xdo
x1km

[2.1]

Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có
tên gọi là bảo vệ khoảng cách.
Trong các rơle khoảng cách hiện đại thì chức năng định vị sự cố hoạt động
độc lập với chức năng bảo vệ. Các mẫu dòng điện và điện áp sử dụng để tính toán
khoảng cách đƣợc thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trƣớc thời điểm cắt máy cắt


B-E

B–E

C-E

C–E

A–B

A–B

B–C

B–C

C–A

C–A

Sự cố 3 pha hay 3

A–B–C

A-B hoặc B-C hoặc C-A hoặc A-E hoặc

pha – đất

(E)


U phaX  U phaY
I phaX  I phaY

 Z1 

Rf
2

[2.2]

Trong đó: X, Y là hai pha bị sự cố và sơ đồ thay thế loại sự cố pha – pha đƣợc thể
hiện nhƣ Hình 2-3.

IPha X

Z1
RF/2

UPha X - UPha Y

IPha Y

Z1

RF/2

Hình 2-3 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha

20

dòng của các pha.
Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất đƣợc thể hiện trong
Hình 2-4.

IPha X

Z1
RF

UPha X

IN

ZN

Hình 2-4 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất

Nhƣng khác với các sự cố khác với trƣờng hợp này phải bù hệ số KN.
 Vòng lặp cho trƣờng hợp sự cố 3 pha – đất

Z1
3I0

A

Z1
B
Z1
C


thức [2.4] và Hình 2-5 thì có thể viết lại công thức nhƣ sau:


Z
U phaX  Z1 I phaX  Z N I N  R f I N  Z1  I phaX  N I N   R f I N
Z1



[2.7]



Z
Z1  I phaX  N I N   R f I N
Rf
Z1

 
 Z1 
I phaX
I phaX  K N I N
 KN
IN

[2.8]

Z N Z 0  Z1

Z1

-

Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện.

2.2.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố
Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thƣờng xảy ra do sứ đƣờng dây bị phóng
điện. Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và nhƣ vậy điện
trở hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất. Một số trƣờng hợp
sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này

22


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

cũng gây ảnh hƣởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố.
Điện trở hồ quang phụ thuộc vào độ dài của hồ quang và dòng điện theo
công thức sau:
Rarc =
Trong đó:

[2.10]

8750.Larc
I 1f .4

Rarc - điện trở hồ quang ()
Larc - Là chiều dài hồ quang (m) trong trường hợp không có gió
If - Giá trị dòng sự cố (A)



Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

A
EA

ZA

~

B
IA

dZL

ZB

(1-d)ZL I
B

F

EB

~

IF

UA


IA
IA

[2.14]

trong đó: ZA là tổng trở đo đƣợc bởi rơle đầu phía trạm A.
Thay thế IF = IA + IB vào phƣơng trình [2.14] ta có
 I 
Z A  dZ L  RF 1  B 
 IA 

[2.15]

Dựa theo phƣơng trình [2.14] có thể thấy rằng, đối với rơle tại hai đầu đƣờng
dây thì thành phần điện trở tại điểm sự cố có thể thể hiện tính chất thuần trở hoặc
cũng có thể thể hiện nhƣ một tổng trở tùy theo góc lệch pha dòng điện giữa hai đầu


đƣờng dây trong lúc sự cố. Để đơn giản giả thiết RF  RF 1 


24

IB 

IA 