Lưới điện trung áp giải pháp bảo vệ đứt dây có dòng chạm đất nhỏ

Sự cố đứt dây chạm đất trở kháng cao (HIF-High Impedance Fault) là dạng sự cố có dòng ngắn mạch nhỏ dẫn đến bảo vệ quá dòng thông thường, như cầu chì, recloser, rơle không thể tác động. HIF thường xảy ra trong lưới điện khi hư hỏng cách điện, đứt dây chạm đất, đặc biệt trong lưới điện trung áp. Sự cố HIF thường gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. Bên cạnh đó, HIF cũng có thể gây ra hồ quang dẫn đến khả năng cháy nổ. Hiện nay, trên lưới điện phân phối tại Việt Nam đã xảy ra các sự cố trên.

 

1. Mở đầu

Sự cố đứt dây chạm đất trở kháng cao (HIF-High Impedance Fault) là dạng sự cố có dòng ngắn mạch nhỏ dẫn đến bảo vệ quá dòng thông thường, như cầu chì, recloser, rơle không thể tác động. HIF thường xảy ra trong lưới điện khi hư hỏng cách điện, đứt dây chạm đất, đặc biệt trong lưới điện trung áp. Sự cố HIF thường gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. Bên cạnh đó, HIF cũng có thể gây ra hồ quang dẫn đến khả năng cháy nổ. Hiện nay, trên lưới điện phân phối tại Việt Nam đã xảy ra các sự cố trên.

Công ty ATS đã đưa ra các phương pháp phát hiện, bảo vệ chạm đất trong hệ thống phân phối trung áp trên địa bàn quản lý của Tổng công ty Điện lực TP Hồ Chí Minh cũng như các giải pháp để xác định và loại trừ nhanh sự cố chạm đất.

2. Các phương pháp phát hiện sự cố HIF:

2.1. Công nghệ phát hiện dòng hồ quang (AST-Arc sence technology (1))

Thông thường sự cố HIF sẽ gây ra phóng điện hồ quang giữa dây dẫn và bề mặt tiếp đất. Cả 2 thành phần dẫn điện là hồ quang và đất đều có thể coi là điện trở phi tuyến khi có dòng điện chạy qua, do vậy chúng xuất hiện thành phần sóng hài. Các thành phần phụ tải không tuyến tính như động cơ, biến tần, và các thiết bị tạo hồ quang cũng gây ra sóng hài bậc lẻ.
Thuật toán phát hiện HIF với sơ đồ khối như sau đối với pha A và tương tự đối với các pha còn lại B, C

Khối tổng dòng vi sai “Sum of Difference Current-SDI”  tính toán những đại lượng đầu vào dùng cho thuật toán xác định sự cố HIF. Khối “Infinite Impulse Response” (IIR) đưa ra giới hạn giá trị trung bình cho SDI, khối “Trending and Memory” so sánh SDI với giá trị SDI trung bình và ghi nhớ thời gian và tỉ số nếu SDI là ngưỡng đặt trên giá trị SDI trung bình. Khối “Logic Decision” nhận kết quả từ khối “Trending and Memory” để đưa ra giá trị HIF của pha được tính toán. Khối “Adaptive tuning” giám sát các nhiễu hoạt động trong chế độ bình thường của đường dây và tự động đặt ra giới hạn xác định hồ quang cho khối “Trending and Memory”

Thuật toán sử dụng thành phần chu kì của tần số, sóng hài bậc 3 và bậc 5, hài bậc 3 và biên độ, và hài bậc cao nằm trong giải 2kHz đến 10kH, mỗi thành phần có đặc trưng và giới hạn riêng.

2.2. Phương pháp phát hiện chạm đất dựa trên cơ sở các thành phần không đối xứng (3)

Tải không cân bằng thường gây ra dòng thứ tự nghịch (TTN) trong hệ thống trong trường hợp sự cố. Để hạn chế ảnh hưởng của tải ta sử dụng thành phần (∆I2) được tính bởi một trong các công thức sau:

a. i2(n)=i2(n)-i2(n-T)
b. i2(n)=i2(n)+i2(n-T/2)
c. i2(n)=i2(n)-2i2(n-T)+i2(n-2T)
d. i2(n)=i2(n)+i2(n-T/2)-i2(n-T)-i2(n-3T/2)

Với n là thời gian lấy mẫu của rơle, T là thời gian 1 chu kỳ của hệ thống (20ms với hệ thống có tần số 50Hz trong các công thức trên, công thức (d) thường được sử dụng.

Hơn nữa, dòng TTN cũng có thể sinh ra trong trường hợp khác (ví dụ sự cố pha-pha) nhưng trong trường hợp này điện áp thứ tự không (TTK) không xuất hiện. Để khoá tác động khi không phải sự cố pha đất, điện áp TTK được dùng để khởi động phát hiện sự cố chạm đất. Các phương pháp sau đây sử dụng để phát hiện sự cố.

1. Bảo vệ quá dòng TTN

Nếu độ lớn của dòng TTN vượt quá ngưỡng tác động, xuất tuyến được phát hiện bị sự cố

Ngưỡng tác động của xuất tuyến m (I2mset) thường được đặt với giá trị nhỏ nhất mà thiết bị (rơle bảo vệ) có thể phát hiện một cách chính xác và giá trị này phải lớn hơn độ lớn của dòng TTN của xuất tuyến m khi sự cố trên xuất tuyến khác bị chạm đất.

2. Độ chênh lệch của dòng TTN và dòng TTK

Từ công thức (5) khi dòng sự cố TTN lớn hơn dòng TTK sẽ được phát hiện là xuất tuyến bị sự cố.

Để đảm bảo độ nhạy khi phát hiện chạm đất hệ số k0 thường đặt với giá trị là 0.5.

3. Độ chênh lệch dòng TTN

Thành phần dòng TTN  xuất hiện ở xuất tuyến bị sự cố có giá trị xấp xỉ bằng và ngược với giá trị dòng TTN của nguồn, trong khi các xuất tuyến không bị sự cố có giá trị xấp xỉ không và nhỏ hơn rất nhiều so với nguồn. Xuất tuyến bị sự cố từ đó có thể được phát hiện , nếu có sự chênh lệch giữa dòng TTN giữa nguồn với xuất tuyến bị sự cố nhỏ hơn ngưỡng.

Ngưỡng đặt cho giá trị m (I2msset) thường lớn hơn tổng tổng dòng TTN xuất hiện trong các xuất tuyến còn lại không bị sự cố.

4. Góc lệch pha giữa dòng TTN và điện áp pha sự cố

Nếu góc pha giữa dòng TTN trên xuất tuyến bị sự cố và điện áp pha bị sự cố gần bằng 0 (có cùng hướng) xuất tuyến này có thể nhận biết là bị sự cố.

Để đảm bảo độ nhạy của bảo vệ góc set1m, set2m thường đặt với giá trị -600 và 600

2.3. Xác định sự cố chạm đất tổng trở cao loại đứt dây dẫn theo điện áp đối với mạng hình tia(2)

Phương pháp này cần sử dụng các điểm có cảm biến điện áp trong hệ thống và bao gồm 2 bước cơ bản sau.

Bước 1: Xem xét vị trí các cảm biến điện áp (điểm đo áp).
Bước 2: Xác định phần đường dây sự cố theo thuật toán rút gọn.

Sự chênh lệch điện áp có thể tính toán như sau ∆Vd = |Vd-Vd0| với Vd là điện áp thứ tự thuận sau điểm sự cố và Vd0 là điện áp thứ tự thuận trước điểm sự cố. Ta cũng có thể dễ dàng tính toán sự cố theo hệ đơn vị tương đối  ∆Vd,pu = |Vd-Vd0|/Vd0

Ví dụ trong sơ đồ dưới đây Hình 3, Sự cố nhánh 9-10 được xác định bằng phần biểu hiện chung cuối cùng của các điểm đo áp 24, 25, 26 và 27 đối với nguồn là nút 0 (thanh cái trạm phân phối) và đường dẫn chính của nhánh là 10-9-7-5-3-1-0. Thuật toán dưới đây dùng để xác định sự cố.

Như vậy, thuật toán xác định sự cố đứt dây có 2 đặc điểm chính sau. Thứ nhất, có thể sử dụng dễ dàng trong mạng lưới trung và hạ áp (MV/LV) có sẵn các cảm biến điện áp. Thứ hai, phương pháp này rất hiệu quả trong phát hiện đứt dây (hở mạch) sự cố được phát hiện một cách dễ dàng.

3. Đề xuất giải pháp áp dụng.

Như phần trên đã trình bày về các phương pháp phát hiện sự cố HIF và đứt dây, sau đây sẽ là giải pháp được áp dụng trên SEL 451-4 và sử dụng các điểm đo áp trên lưới trung thế.

3.1. SEL 451-4

Rơle SEL 451-4 tích hợp nhiều chức năng như điều khiển, bảo vệ, và tự động hoá. Đặc biệt với tập hợp đầy đủ các thành phần chức năng bảo vệ quá dòng cùng với “SELogic control equation” sử dụng trong lưới phân phối. Với sự lựa chọn tốt nhất cho bảo vệ quá dòng có hướng chạm đất, logic tối ưu cho việc xác định hướng ta có thể kết hợp nhiều chức năng xác định hướng. Chức năng phát hiện sự cố HIF với khả năng tùy chọn tác động với dòng chạm đất nhỏ gây ra bởi sự cố đứt dây trên bề mặt có độ dẫn điện kém, chức năng ghi chụp sự cố HIF được định dạng chuẩn file COMTRADE. Rơle SEL 451-4 là một trong những loại có khả năng xác định sự cố chạm đất HIF với công nghệ “Arc Sense Technology -AST” như đã được trình bày ở phần 2.1.

3.1.1. Công nghệ AST áp dụng trong SEL 451

Phát hiện sự cố chạm đất sử dụng công nghệ AST rất dễ dàng khi cài đặt, đơn giản khi đặt chức năng, khởi động giám sát sự cố tổng trở cao và đứt dây. Có thể gán “Relay Word  bits” trong SEL 451 cho việc ghi chụp sự cố hoặc cắt bảo vệ. Chế độ kiểm tra tương thích, dễ dàng kiểm tra hệ thống trước, trong, và sau bảo dưỡng.

Có rất nhiều nguyên nhân ảnh hưởng tới phát sinh hồ quang bởi sự cố HIF hoặc đứt dây. Trên thực tế nó phụ thuộc vào dạng bề mặt, thành phần vật chất, độ ẩm, độ dầy của vật liệu, khoảng cách sự cố chạm đất…

Trong nhiều trường hợp, mức độ tin cậy là rất quan trọng trong hệ thống rơle bảo vệ, mức độ an toàn này phải đảm bảo được không bị cắt nhầm. SEL-451 cùng với công nghệ AST được thiết kế để tăng độ tin cậy  so với các hệ thống bảo vệ khác. Hình 5 thể hiện khả năng phát hiện sự cố khi sử dụng công nghệ AST.

3.1.2.    Tổ hợp logic trong SEL 451 cho chức năng bảo vệ sử dụng các thành phần không đối xứng

Sau đây là một số ví dụ về việc tổ hợp logic cài đặt thêm chức năng phát hiện sự cố HIF mà phương pháp đã được trình bày ở mục 2.2.

a. Tỉ số của dòng TTN và dòng TTK

Khi dòng sự cố TTN lớn hơn dòng TTK sẽ được phát hiện là xuất tuyến bị sự cố.

hay

Để đảm bảo độ nhạy khi phát hiện chạm đất hệ số k0 thường đặt với giá trị là 0,5 vì vậy ngưỡng đặt cho bảo vệ I2/I0 là 0,5

Kết hợp logic và các biến trong Rơle SEL-451 tổ hợp thêm chức năng bảo vệ như sau

AMV001 := L3I2M / LIGM # Tỉ số dòng TTN và TTK I2/I0
ASV032 := (LIAFM > 14.000000) AND (LIBFM > 14.000000) AND (LICFM > 14.000000) # Điều kiện đảm bảo cho Rơle đo lường chính xác sự cố dòng

ASV001 := (AMV001 > 0.500000) AND ASV032 # Điều kiện tác động của bảo vệ
PCT01IN := ASV001 # Gán cho biến thời gian
PCT01PU := 100.000000 # Thời gian tác động của bảo vệ
PCT01DO := 9.000000 # Thời gian trở về của xung tác động

b. Góc lệch pha giữa dòng TTN và điện áp pha sự cố

Nếu góc pha giữa dòng TTN trên xuất tuyến bị sự cố và điện áp pha bị sự cố gần bằng 0 (có cùng hướng) xuất tuyến này có thể nhận biết là bị sự cố.

Để đảm bảo độ nhạy của bảo vệ góc θset1m, θset2m thường đặt với giá trị -600 và 600 vì vậy đặt  θset1 = -600 và θset2 = 600

Kết hợp logic và các biến trong Rơle SEL-451 tổ hợp thêm chức năng bảo vệ như sau

AMV001 := L3I2M / LIGM # Tỉ số dòng TTN và TTK I2/I0
AMV002 := L3I2A – VAFA # Góc pha giữa dòng I2 và điện áp pha A
AMV003 := L3I2A – VBFA # Góc pha giữa dòng I2 và điện áp pha B
AMV004 := L3I2A – VCFA # Góc pha giữa dòng I2 và điện áp pha C
AMV005 := -60.000000 # Giá trị đặt cho góc pha 1
AMV006 := 60.000000 # Giá trị đặt cho góc pha 2

ASV032 := (LIAFM > 14.000000) AND (LIBFM > 14.000000) AND (LICFM > 14.000000) # Điều kiện đảm bảo cho Rơle đo lường chính xác sự cố dòng

ASV033 := (VAFM > 0.7) AND (VBFM > 0.7) AND (VCFM > 0.7) # Điều kiện đảm bảo cho Rơle đo lường chính xác sự cố điện áp

ASV002 := (AMV002 > AMV005) AND (AMV002 < AMV006) AND ASV032 AND ASV033 # Điều kiện phát hiện sự cố pha A

ASV003 := (AMV003 > AMV005) AND (AMV003 < AMV006) AND ASV032 AND ASV033 # Điều kiện phát hiện sự cố pha B

ASV004 := (AMV004 > AMV005) AND (AMV004 < AMV006) AND ASV032 AND ASV033 # Điều kiện phát hiện sự cố pha C

ASV005 := ASV002 OR ASV003 OR ASV004 # Tổng hợp đầu ra gửi đi tác động

PCT01IN := ASV005 # Gán cho biến thời gian

PCT01PU := 150.000000 # Thời gian tác động của bảo vệ cycle

PCT01DO := 9.000000 # Thời gian trở về của xung tác động cycle

3.2. Xác định sự cố đứt dây dựa trên các điểm đo điện áp với mạng hình tia.

Như mục 2.3 đã trình bày các điểm đo trên lưới điện trung thế có thể sử dụng các công tơ điện tử hoặc thiết bị đo đếm đặt ở cuối đường dây và các recloser trên các nhánh như các điểm đo điện áp. Từ sơ đồ lưới trung thế kết hợp với các dữ liệu về điện áp tại các điểm đo để thiết lập bảng thuật toán xác định điểm sự cố HIF hoặc đứt dây.

Dựa trên cơ sở hạ tầng hệ thống quản lý công tơ đo đếm và các Recloser trên lưới điện trung thế tại một số điện lực đã triển khai ta hoàn toàn có thể xây dựng được phần mềm xác định nhánh bị sự cố đứt dây.

Mọi chi tiết xin liên hệ:

Khổng Minh Hải
Email: haikm@ats.com.vn
Điện thoại: 0904164574

Theo: KHCN T9/2010

Leave a Reply

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *