Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải dựa trên tổng trở có xét đến bù gốc đồng bộ

Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải dựa trên tổng trở có xét đến bù gốc đồng bộ Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải dựa trên tổng trở có xét đến bù gốc đồng bộ Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải dựa trên tổng trở có xét đến bù gốc đồng bộ Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải dựa trên tổng trở có xét đến bù gốc đồng bộ

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

Đường dây truyền tải điện đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối nguồn điện với các hộ tiêu thụ Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong những thập kỷ qua đã làm tăng số lượng và chiều dài các đường dây truyền tải Theo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), lưới điện Việt Nam đã mở rộng đáng kể, với tổng chiều dài đường dây 500 - 220 - 110 kV đạt trên 41.100 km vào cuối năm 2015, tăng 1,5 lần so với năm 2010 Trong quá trình vận hành, đường dây có thể gặp sự cố như sét đánh, ngắn mạch, hay quá tải Khi xảy ra sự cố, rơle bảo vệ sẽ tách phần tử bị lỗi ra khỏi hệ thống, giúp giảm thiệt hại kinh tế và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định vị trí sự cố ngắn mạch, với ba phương pháp chính được áp dụng để phát hiện vị trí ngắn mạch trên lưới truyền tải.

2 pháp dùng phân tích sóng dòng điện và điện áp tần số cao theo các nghiên cứu trong

[3], [4], [5], [6] [7] [8] [9][10][11][12] và phương pháp tính toán vị trí ngắn mạch dựa trên tổng trở theo nghiên cứu trong [13][14][15][16][17][18][19][20]

Nghiên cứu về phương pháp xung phản xạ chỉ được thực hiện với máy phát xung chuyên dụng tần số cao, khiến việc xác định vị trí ngắn mạch chỉ khả thi sau khi lưới điện đã được cô lập Điều này dẫn đến việc tăng thời gian mất điện và giảm chất lượng điện năng, đồng thời yêu cầu đầu tư lớn vào thiết bị tạo xung công suất cao và hệ thống đo lường chất lượng đắt tiền Phương pháp này chỉ phù hợp cho việc định vị chính xác điểm sự cố trong sửa chữa cáp, không hiệu quả cho việc xác định nhanh điểm ngắn mạch.

Các nghiên cứu về sóng truyền cho thấy nguyên lý hoạt động chính là kiểm soát sự di chuyển của các thành phần hài bậc cao trong hệ thống điện khi có quá trình quá độ Để thực hiện điều này, các cảm biến cần có khả năng ghi nhận các thành phần hài bậc cao của sóng cơ bản Tuy nhiên, yêu cầu này làm tăng chi phí cho thiết bị đo, khiến việc lắp đặt trên toàn bộ hệ thống truyền tải điện trở nên khó khăn do rào cản kinh tế.

Phương pháp tổng trở đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong những năm gần đây, đặc biệt trong việc xác định vị trí sự cố ngắn mạch thông qua việc đo đạc dòng điện và điện áp tại các đầu đường dây Tuy nhiên, việc đo tại nhiều điểm gây ra vấn đề không đồng bộ về mặt thời gian giữa các bộ đo, làm giảm độ chính xác của phương pháp Để cải thiện độ đồng bộ trong đo lường, một số giải pháp đã được đề xuất, như sử dụng công nghệ đồng bộ vệ tinh và cáp quang Mặc dù những giải pháp này đã nâng cao độ chính xác, nhưng chúng đòi hỏi đầu tư vào thiết bị máy móc tốn kém.

Luận văn này đề xuất một phương pháp xác định góc bất đồng bộ trong đo lường, dựa trên các thông số của đường dây cùng với giá trị dòng điện và điện áp đo được ở hai đầu đường dây Phương pháp này cho phép xác định chính xác góc lệch, từ đó cải thiện độ chính xác trong quá trình đo lường.

Để xác định chính xác vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây, một mô hình Simulink đã được xây dựng giữa hai nút nguồn Chương trình xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải được lập trình bằng Matlab, chứng minh hiệu quả của giải thuật này.

Tổng quan về các nghiên cứu khoa học liên quan

Các phương pháp định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện đã được nghiên cứu nhiều năm nhằm đáp ứng nhu cầu chính xác trong việc xác định vị trí sự cố Mặc dù vậy, mỗi phương pháp đều tồn tại những hạn chế nhất định, mở ra cơ hội tìm kiếm giải pháp tối ưu hơn cho vấn đề này Dưới đây là các phương pháp được giới thiệu.

1.2.1 Phương pháp xung phản xạ

Tại điểm giao nhau giữa hai môi trường truyền khác nhau, sóng sẽ phản xạ và quay trở lại môi trường ban đầu Nguyên lý này được áp dụng trong phương pháp Time Domain Reflection, trong đó môi trường tới là đầu dây dẫn và môi trường phản xạ là điểm gián đoạn khi xảy ra sự cố ngắn mạch.

Để xác định vị trí sự cố trong cáp ngầm, phương pháp bơm xung được sử dụng Khi một xung áp được phát vào dây dẫn, nếu gặp phải vị trí sự cố, sẽ xuất hiện xung phản xạ trở lại Phân tích độ lớn và góc pha của xung hồi giúp xác định chính xác vị trí sự cố.

4 về ta có thể xác định được vị trí sự cố trên lưới Phương pháp này gần giống nguyên lí hoạt động của rada chủ động

Hình 1.2 Dạng sóng xung tới và xung phản xạ

Phương pháp xung phản xạ để xác định vị trí ngắn mạch trong lưới điện truyền tải được mô tả chi tiết trong các tài liệu [1] và [2] Phương pháp này sử dụng hai loại xung chính là xung điện áp và xung dòng điện, với đặc điểm tần số cao và biên độ lớn Để thu nhận các xung phản xạ từ điểm sự cố, thiết bị đo cần có chất lượng cao, với thời gian lấy mẫu nhỏ (vài kHz) và biên độ đo lớn (vài kV) Tuy nhiên, giá thành của thiết bị này thường rất cao, và lưới điện cần phải được cách ly khỏi hệ thống trong quá trình hoạt động Điều này dẫn đến việc thời gian xác định vị trí sự cố bị kéo dài do phải di chuyển thiết bị đến vị trí xảy ra sự cố Hơn nữa, khi xung phản đi qua các mối nối trên đường dây, sẽ sinh ra các xung nhiễu cao tần, làm giảm hiệu quả của phương pháp, đặc biệt trên các đường dây phân phối có nhiều phụ tải.

Giải thuật xung phản xạ được ứng dụng chủ yếu để định vị ngắn mạch trên đường dây truyền tải dài và ít hoặc không có phụ tải Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng trong lưới điện phân phối do những nhược điểm đã được phân tích Thay vào đó, nó thường được áp dụng để xác định vị trí sự cố của cáp ngầm.

1.1.2 Phương pháp phân tích sóng truyền

Phương pháp xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới điện thông qua phân tích sóng truyền đã được nghiên cứu và công bố trong nhiều tài liệu gần đây Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, sự thay đổi đột ngột tổng trở hệ thống tạo ra các nhiễu hài cao tần, lan truyền trên toàn bộ lưới điện.

Các thiết bị chuyên dụng đo các xung nhiễu cao tần, sau khi phân tích Fourier, xác định tần số và biên độ của sóng nhiễu hài cao tần và sóng hồi tiếp từ điểm sự cố ngắn mạch Tần số và biên độ sóng phản hồi khác nhau tùy thuộc vào vị trí ngắn mạch, từ đó giúp thiết bị nhận dạng loại sự cố và xác định vị trí của nó.

Hình 1.3 Sự lan truyền sóng cao tần khi có ngắn mạch

Hình 1.4 Tín hiệu điện áp tại các bus trong miền thời gian

Phương pháp biến đổi wavelet liên tục đã thu hút sự chú ý trong lĩnh vực điện tử nhờ sự phát triển nhanh chóng của các kỹ thuật đo lường chính xác cao Với độ chính xác vượt trội, phương pháp này được hỗ trợ bởi các thiết bị đo tiên tiến và các phép biến đổi toán học như biến đổi Clark và biến đổi Fourier.

Mặc dù các thiết bị đo lường tần số nhiễu hài cao mang lại nhiều lợi ích, nhưng giá thành của chúng vẫn còn rất cao do yêu cầu kỹ thuật khắt khe Điều này khiến cho việc triển khai lắp đặt đại trà cho hệ thống lưới điện trở nên khó khăn Hiện tại, phương pháp này chủ yếu được áp dụng cho một số lưới truyền tải quan trọng hoặc các lưới phân phối có phụ tải đặc thù.

1 do giá thành còn quá cao

Phương pháp tổng trở là một kỹ thuật xác định vị trí ngắn mạch dựa vào việc tính toán dòng điện và điện áp cùng với tổng trở đường dây trước khi sự cố xảy ra Nghiên cứu của André D Filomena và các cộng sự là một ví dụ tiêu biểu về phương pháp này, với ưu điểm là chỉ cần đo dòng điện và điện áp ở tần số cơ bản (50 Hz hoặc 60 Hz), giúp giảm chi phí thiết bị đo Tuy nhiên, ngắn mạch trên lưới truyền tải thường tạo ra nhiễu cao tần lớn, làm méo tín hiệu Do đó, cần có thuật toán mạnh mẽ để lọc nhiễu và thu được tín hiệu chính xác cho việc xác định vị trí ngắn mạch.

Tính cần thiết của đề tài

Hiện nay, nhiều nhà máy điện mới đang được xây dựng cùng với việc hình thành các đường dây tải điện kết nối giữa các vùng miền trong cả nước và các đường dây xuyên quốc gia Điều này nhằm đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng điện của các phụ tải, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về số lượng các đường dây truyền tải.

Các đường dây truyền tải điện năng từ nguồn đến trung tâm phụ tải thường gặp sự cố do nhiều nguyên nhân, làm tăng nguy cơ và độ phức tạp của hệ thống Việc xác định vị trí ngắn mạch trên các đường dây, đặc biệt ở vùng địa hình vắng vẻ, gặp nhiều khó khăn, dẫn đến thời gian mất điện kéo dài và giảm chất lượng điện năng cung cấp, từ đó tăng chi phí bồi thường cho khách hàng trong thị trường điện cạnh tranh Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định vị trí sự cố ngắn mạch, với ba phương pháp chính: phương pháp xung phản xạ, phương pháp tính toán tổng trở và phương pháp phân tích sóng dòng điện và điện áp tần số cao Mặc dù các phương pháp này mang lại kết quả khả quan, nhưng vẫn còn nhiều nhược điểm cần cải thiện để nâng cao hiệu quả hoạt động.

Bài viết đề xuất một phương pháp xác định vị trí sự cố ngắn mạch online dựa trên tổng trở, chú trọng đến hiện tượng mất đồng bộ giữa hai đầu đường dây Phương pháp này đạt độ chính xác cao, khắc phục tình trạng sai số do mất đồng bộ mà không cần thêm thiết bị phần cứng Việc áp dụng giải pháp lọc nhiễu số thông minh giúp giảm thiểu sai số trong đo lường, nâng cao hiệu quả của phương pháp Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink chứng minh rằng phương pháp định vị sự cố ngắn mạch trong lưới truyền tải là hiệu quả và khả thi.

Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm ra cách xác định các thông số hệ thống cho một đường dây truyền tải

Chúng tôi đã phát triển một thuật toán và chương trình mới giúp xác định vị trí sự cố và điện trở sự cố trong mạch một cách nhanh chóng, mà không cần sử dụng thêm bất kỳ thiết bị phức tạp nào khác.

- Góp phần nâng cao chất lượng và hoạt động tin cậy hơn cho lưới điện truyền tải

Giảm thiểu thời gian gián đoạn của hệ thống điện trong trường hợp sự cố xảy ra là rất quan trọng, đồng thời cũng cần giảm chi phí vận hành của hệ thống khi gặp sự cố ngắn mạch.

Nhiệm vụ và giới hạn của luận văn

- Phân loại và sự ảnh hưởng của các loại sự cố lên lưới điện truyền tải

Để xác định vị trí sự cố trong lưới điện, cần xây dựng phương trình và giải thuật dựa trên các thông số dòng điện và điện áp đo được tại hai điểm đầu của lưới Việc này giúp tối ưu hóa quá trình phát hiện sự cố và nâng cao hiệu quả trong việc khôi phục lưới điện.

- Xây dựng giải pháp xác định vị trí sự cố có thể hoạt động khi lưới điện đang vận hành

- Đề xuất được giải pháp lọc nhiễu cho tín hiệu dòng điện và điện áp thu được trên hệ thống

Giải pháp xác định vị trí sự cố cần được xây dựng sao cho không yêu cầu sử dụng thêm thiết bị hỗ trợ tạo xung dòng điện hoặc điện áp, nhằm tối ưu hóa quá trình xác định trong hệ thống truyền dẫn.

- Dùng phần mềm Matlab 2016 mô phỏng cho phương pháp được đề xuất

- Nghiên cứu các thông số chính trên một lưới điện truyền tải

- Nghiên cứu về các loại sự cố trên lưới điện truyền tải và cách phân loại các loại sự cố khi có sự cố xảy ra

- Nghiên cứu phương pháp tính toán vị trí ngắn mạch đã được đề xuất

Nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán các thông số và phân tích ảnh hưởng của chúng đối với dòng điện và điện áp ngắn mạch trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch Các kết quả thu được sẽ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống điện trong tình huống khẩn cấp, từ đó nâng cao khả năng dự đoán và xử lý sự cố.

- Đề xuất giải thuật xác định vị trí và điện trở sự cố cho các sự cố ngắn mạch

- Đưa ra mô hình mô phỏng để đánh giá kết quả của giải thuật xác định vị trí sự cố đã đề ra

- Áp dụng kết quả để tiến đến kiểm chứng kết quả trên hệ thống thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu các mô hình lưới điện truyền tải hiện tại rất quan trọng để hiểu rõ các thông số đường dây truyền tải Những thông số này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống điện mà còn quyết định tính ổn định và an toàn của lưới điện Việc phân tích các yếu tố này giúp cải thiện hiệu quả truyền tải điện và tối ưu hóa hoạt động của toàn bộ hệ thống điện.

- Xây dựng giải thuật xác định vị trí và điện trở sự cố cho lưới điện truyền tải

Xây dựng mô hình mô phỏng cho giải thuật giúp thực hiện các tính toán cần thiết và xác định các trường hợp có thể xảy ra khi ứng dụng vào thực tế.

- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị

- Đánh giá tổng quát toàn bộ luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề tài

Giá trị thực tiễn của đề tài

Thiết bị được thiết kế nhằm xác định chính xác đoạn và vị trí ngắn mạch trên lưới truyền tải, giúp giảm thiểu thời gian mất điện cho các đoạn không bị sự cố Khi xảy ra sự cố, thiết bị cho phép xác định nhanh chóng vị trí ngắn mạch, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của lưới điện Ngoài ra, việc không cần sử dụng thiết bị chuyên dụng từ bên ngoài giúp giảm đáng kể chi phí mua sắm và vận hành, góp phần tiết kiệm chi phí cho hệ thống lưới điện trong quá trình xây dựng và vận hành.

Đề tài “Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải” nhằm mục đích cung cấp một giải pháp hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng vận hành cho hệ thống lưới điện truyền tải.

Từ công việc nghiên cứu của luận văn:

- Nhận được kết quả từ một mô hình mô phỏng cho một lưới điện truyền tải với các thông số lưới thực tế

- Ứng dụng rộng rãi trong các trạm truyền tải trong hệ thống điện nhằm xác định nhanh các đường dây sự cố và vị trí của chúng trên lưới

- Giúp các nhà hoạch định có thêm một giải pháp nhằm nâng cao độ ổn định và vận hành tốt lưới điện

Phần mềm mô phỏng hệ thống điện hỗ trợ các nhà thiết kế trong việc tính toán và thiết kế hệ thống điện một cách hiệu quả hơn, giúp họ tạo ra các tài liệu quan trọng cho dự án.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ngắn mạch trong hệ thống điện (HTĐ)

Chế độ của hệ thống điện (HTĐ) thay đổi đột ngột có thể dẫn đến quá trình quá độ điện từ, với ngắn mạch là tình huống nguy hiểm nhất Khi xảy ra ngắn mạch, tổng trở của hệ thống giảm, gây tăng dòng điện và giảm điện áp Nếu không cô lập kịp thời điểm ngắn mạch, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ ngắn mạch duy trì Trong khoảng thời gian từ khi xảy ra ngắn mạch đến khi được cắt ra, dòng và điện áp trong hệ thống sẽ trải qua quá trình quá độ, thường bao gồm hai thành phần: chu kỳ và không chu kỳ Đặc biệt, với hệ thống có đường dây truyền tải điện áp từ 330 kV trở lên, dòng ngắn mạch sẽ có các thành phần sóng hài bậc cao, và nếu có tụ bù dọc, sẽ xuất hiện thêm thành phần sóng hài bậc thấp.

Các nguyên nhân gây ngắn mạch lưới điện truyền tải

Nguyên nhân chính của ngắn mạch lưới điện truyền tải thường liên quan đến sự hư hỏng của cách điện Cách điện có thể bị hư hại do nhiều yếu tố như tuổi thọ lâu dài, tác động cơ học từ hoạt động như đào đất hoặc va chạm từ phương tiện, sự can thiệp của động vật như chim, rắn, hay thú vật, và các hiện tượng thời tiết cực đoan như gió bão và sấm sét Ngoài ra, ngắn mạch cũng có thể xảy ra do lỗi trong quá trình thao tác đóng cắt.

- Phát nóng cục bộ rất nhanh gây cháy nổ, già cỗi cách điện

- Sinh ra lực cơ khí lớn làm hư hỏng các thiết bị xung quanh

- Gây sụt áp lưới ảnh hưởng đến sản xuất

- Gây mất ổn định hệ thống ảnh hưởng đến an ninh mạng

- Tạo các phần tử gây nhiễu từ các dòng điện bất đối xứng ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

- Làm gián đoạn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ…

Các loại sự cố ngắn mạch lưới điện truyền tải

Trong hệ thống điện, có hai loại sự cố chính: sự cố cân bằng và sự cố không cân bằng, trong đó sự cố không cân bằng chiếm phần lớn Sự cố không cân bằng được chia thành hai loại: sự cố không đối xứng ngang và sự cố không đối xứng dọc Sự cố không đối xứng dọc liên quan đến trở kháng của đường dây mà không ảnh hưởng đến trung tính hoặc đất, dẫn đến gia tăng điện áp và tần số, đồng thời giảm dòng điện trong các pha bị sự cố, ví dụ như khi mở một hoặc hai đường dây bằng máy cắt Ngược lại, sự cố không đối xứng ngang xảy ra khi có sự mất cân đối giữa các pha hoặc giữa pha với đất, gây ra tăng dòng điện, giảm tần số và điện áp trong các pha bị ảnh hưởng Nghiên cứu này chỉ tập trung vào sự cố không đối xứng ngang.

Các sự cố không đối xứng ngang được phân thành bốn loại:

2.3.1 Ngắn mạch một pha chạm đất

Trong hệ thống đường dây truyền tải, ngắn mạch một pha chạm đất xảy ra do hư hỏng sứ cách điện, đứt dây, cây ngã đổ vào đường dây, sét đánh hoặc va chạm với phương tiện Khi đó, sự chênh lệch điện áp giữa dây mang điện và phần tử gây sự cố nối đất tạo ra dòng hồ quang điện, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch chạm đất một pha.

Hình 2.1 Ngắn mạch một pha chạm đất

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch một pha, tổng trở của đường dây sẽ giảm nhanh chóng do điện trở của dây dẫn rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Điều này dẫn đến dòng điện trong pha gặp sự cố tăng vọt, có thể cao hơn nhiều lần so với hai pha còn lại Mức độ tăng của dòng điện sự cố phụ thuộc vào vị trí sự cố và tổng trở của hệ thống Sự gia tăng dòng điện tại pha sự cố sẽ gây ra sụt giảm điện áp tại nguồn cung cấp, khiến biên độ điện áp ở pha gặp sự cố thấp hơn so với hai pha còn lại.

Hình dạng của dạng sóng dòng điện và điện áp khi có sự cố một pha chạm đất được minh họa qua các hình bên dưới

Hình 2.2 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch một pha chạm đất

Hình 2.3 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch một pha chạm đất

Trong hệ thống đường dây truyền tải, sự cố ngắn mạch pha - pha xảy ra khi hai pha chạm nhau do đứt dây pha, chim chóc, nhánh cây rơi hoặc các vật thể khác va chạm vào dây Khi đó, sự chênh lệch điện áp giữa dây pha mang điện và phần tử gây sự cố nối đất dẫn đến dòng hồ quang điện, tạo ra ngắn mạch giữa hai pha.

Khi xảy ra ngắn mạch hai pha, tổng trở của đường dây gặp sự cố giảm nhanh chóng do điện trở của dây dẫn rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Điều này dẫn đến dòng điện trong pha gặp sự cố tăng vọt, có thể cao hơn nhiều lần so với pha còn lại Giá trị dòng sự cố phụ thuộc vào vị trí sự cố và tổng trở của hệ thống Sự gia tăng dòng điện tại dây gặp sự cố sẽ gây ra sụt giảm điện áp tại nguồn cung cấp, khiến biên độ điện áp của hai pha gặp sự cố thấp hơn so với biên độ điện áp của pha không bị ảnh hưởng.

Hình dạng của dạng sóng dòng điện và điện áp khi có sự cố hai pha được minh họa qua các hình bên dưới

Hình 2 5 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch hai pha

Hình 2 6 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch hai pha

2.3.3 Ngắn mạch hai pha chạm đất

Trong hệ thống đường dây truyền tải, sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất xảy ra do các nguyên nhân như đứt dây, cây ngã đổ vào đường dây, sét đánh hoặc phương tiện va chạm Khi hai pha bị chạm vào phần tử gây sự cố nối đất, sự chênh lệch điện áp giữa dây mang điện và phần tử đó sẽ tạo ra dòng hồ quang điện, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch hai pha chạm đất.

Hình 2 7 Ngắn mạch hai pha chạm đất

Khi xảy ra ngắn mạch hai pha chạm đất, tổng trở của đường dây gặp sự cố giảm nhanh chóng do điện trở dây dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện trở của phụ tải Điều này dẫn đến dòng điện trong pha gặp sự cố tăng vọt, có thể gấp nhiều lần so với pha còn lại Giá trị dòng sự cố phụ thuộc vào vị trí sự cố và tổng trở của hệ thống Sự gia tăng dòng điện tại dây sự cố gây ra sụt áp tại nguồn cung cấp điện, làm cho biên độ điện áp ở hai pha gặp sự cố thấp hơn so với pha không gặp sự cố.

Hình dạng của dạng sóng dòng điện và điện áp khi có sự cố hai pha chạm đất được minh họa qua các hình bên dưới

Hình 2 8 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch hai pha chạm

Hình 2 9 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất

2.3.4 Ngắn mạch ba pha chạm đất

Trong hệ thống đường dây truyền tải, sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất xảy ra khi có sự cố như đứt dây, cây ngã đổ vào đường dây, sét đánh hoặc phương tiện va chạm với cả ba pha Khi đó, sự chênh lệch điện áp giữa dây pha và phần tử gây sự cố nối đất tạo ra dòng hồ quang điện, dẫn đến ngắn mạch chạm đất ba pha.

Khi xảy ra ngắn mạch ba pha chạm đất, tổng trở của đường dây gặp sự cố sẽ giảm nhanh chóng do điện trở của dây dẫn thường nhỏ hơn nhiều so với điện trở của phụ tải Hệ quả là dòng điện trong các pha gặp sự cố sẽ tăng vọt, có thể cao hơn gấp nhiều lần so với giá trị dòng điện vận hành thông thường.

Mức độ cao hay thấp của sự cố điện phụ thuộc vào vị trí và tổng trở của hệ thống Khi dòng điện tăng tại dây sự cố, sẽ xảy ra hiện tượng sụt điện áp ở đầu nguồn cung cấp điện, dẫn đến biên độ điện áp tại đầu trạm biến áp giảm nhanh chóng dưới mức vận hành bình thường.

Hình dạng của dạng sóng dòng điện và điện áp khi có sự cố ba pha chạm đất được minh họa qua các hình bên dưới

Hình 2 11 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch ba pha

Hình 2 12 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch ba pha

2.4.1 Hiện tượng hồ quang điện

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong khí với mật độ dòng điện cực lớn, lên tới 102 đến 103 A/mm2, và nhiệt độ cao, đạt khoảng 5000 đến 6000 độ C, thường kèm theo ánh sáng phát ra.

Hồ quang điện đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như hàn điện và luyện thép, nơi mà việc duy trì hồ quang ổn định là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và chất lượng công việc.

Hồ quang điện xuất hiện khi đóng cắt các thiết bị điện như công tắc tơ, cầu dao và máy cắt, gây hư hại cho các tiếp điểm và thiết bị Để đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động của thiết bị điện, việc dập tắt hồ quang nhanh chóng là rất cần thiết.

2.4.1.2 Quá trình phát sinh hồ quang

Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang điện có những dạng ion hóa sau:

- Quá trình phát xạ điện tử nhiệt

- Quá trình tự phát xạ điện tử

- Quá trình ion hóa do va chạm

- Quá trình ion hóa do nhiệt

Quá trình phát xạ điện tử nhiệt diễn ra khi các điện cực và tiếp điểm được chế tạo từ kim loại, nơi có các điện tử tự do di chuyển trong cấu trúc hạt nhân Khi tiếp điểm mở ra, lực nén giảm, làm tăng điện trở tiếp xúc Tại điểm tiếp xúc, dòng điện bị thắt lại, dẫn đến mật độ dòng điện tăng cao, làm nóng các điện cực, đặc biệt là cực âm với nhiều electron Khi nhiệt độ tăng, động năng của các điện tử cũng tăng, và khi năng lượng nhận được lớn hơn công thoát, các điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm, trở thành điện tử tự do Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu của điện cực.

Quá trình tự phát xạ điện tử xảy ra khi khoảng cách giữa các điện cực rất nhỏ và có một điện trường mạnh, đặc biệt ở cực âm, có thể lên tới hàng triệu V/cm Dưới tác động của cường độ điện trường lớn, các điện tử nhận thêm năng lượng và bị kéo ra khỏi bề mặt catốt, trở thành các điện tử tự do Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường E và loại vật liệu của điện cực.

PHƯƠNG TRÌNH TOÁN

Các thành phần đối xứng

Hệ thống điện thường được phân tích qua đường dây đơn tuyến vì tính đơn giản của nó Đối với lưới điện ba pha cân bằng, các mạch đấu tam giác được chuyển thành mạch đấu hình sao và phân tích trên từng pha, với các pha còn lại được dịch đi 120 độ Trong trường hợp lưới điện không cân bằng, hệ thống sẽ được chuyển đổi thành các thành phần đối xứng để thực hiện phân tích trên từng pha.

Charles Legeyt Fortescue đã phát triển một lý thuyết cho rằng các thành phần không cân bằng có thể được chuyển đổi thành tổng của các thành phần đối xứng Trong lý thuyết này, có ba loại thành phần đối xứng: thành phần thứ tự không (ký hiệu “0”), thành phần thứ tự thuận (ký hiệu “+”) và thành phần thứ tự nghịch (ký hiệu “-”).

Thứ tự thuận (Positive Sequence) là hệ thống điện bao gồm ba pha có biên độ bằng nhau và lệch nhau 120 độ Thứ tự các pha trong hệ thống này giữ nguyên như thứ tự ban đầu, đảm bảo sự cân bằng và ổn định trong hoạt động của hệ thống điện.

Thứ tự nghịch (Negative Sequence) là một hệ thống bao gồm ba pha có biên độ bằng nhau và lệch nhau 120 độ Trong thứ tự này, các pha di chuyển ngược chiều so với thứ tự pha ban đầu, tạo ra những ảnh hưởng nhất định trong các hệ thống điện.

Thứ tự không (Zero Sequence): Bao gồm ba pha bằng nhau về biên độ và có cùng hướng với nhau

Hình 3.1 minh họa các thành phần đối xứng trong dòng điện ba pha I, I_a, I_b, I_c Bộ dòng điện này có thể được biểu diễn thành chín thành phần đối xứng khác nhau.

Với I a  ,I b  ,I c  là bộ thành phần thứ tự thuận; I a  ,I b  ,I c  là bộ thành phần thứ tự nghịch; I a 0 ,I b 0 ,I c 0 là thành phần thứ tự không Bộ thành phần thứ tự không bằng nhau về biên độ và có cùng một hướng với nhau nên có đặc điểm:

Phương trình (3.1) được viết lại dưới dạng ma trận như trong phương trình (3.3) bên dưới:

Gọi I là vector dòng điện có các thành phần I I I a , , b c thì các bộ thành phần

Bộ thành thứ tự không, bộ thành phần thứ tự thuận và bộ thành phần thứ tự nghịch được ký hiệu lần lượt là I I  I  Các thành phần này có thể được biểu diễn dưới dạng vector.

Để xác định các thành phần đối xứng, ta sử dụng hệ số Euler với α = e^(j 2π/3) = ∠120° Khi nhân số phức I với giá trị α, biên độ không thay đổi nhưng góc pha tăng lên 120°, nghĩa là I đã quay 120° Do đó, chỉ có ba trong chín thành phần đối xứng được chọn độc lập, các thành phần còn lại được suy ra từ ba thành phần này Gọi Iₐ₀, Iₐ₊, Iₐ₋ là các thành phần độc lập và biểu diễn các thành phần còn lại theo các thành phần này, phương trình (3.3) sẽ được chuyển thành định dạng như phương trình (3.4).

      Phương trình (3.4) được rút gọn lại có dạng như trong phương trình (3.5)

Khai triển các thành phần này sẽ nhận được

Các phương trình (3.7), (3.8) và (3.9) biểu diễn lần lượt dòng điện thành phần thứ tự không, thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch Tương tự như

28 vậy, các phương trình (3.10), (3.11) và (3.12) biểu diễn lần lượt điện áp thành phần thứ tự không, thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch

Các phương trình (3.10), (3.11) và (3.12) có thể viết lại dưới dạng ma trận như trong phương trình (3.13)

Định vị sự cố ngắn mạch dựa trên tổng trở

Trong các đường dây truyền tải dài, tổng trở tương hỗ giữa các đường dây là yếu tố quan trọng cần được chú ý trong quá trình xác định sự cố ngắn mạch Tuy nhiên, việc tính toán và thực hiện gặp nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề này, các thành phần điện áp và dòng điện ba pha khi xảy ra sự cố sẽ được chuyển đổi thành phần đối xứng, giúp đơn giản hóa và loại bỏ sự liên kết phức tạp giữa các pha.

Hình 3 2 Sơ đồ sự cố đường dây truyền tải ba pha

Mô hình lưới điện truyền tải được sử dụng để mô phỏng vị trí sự cố ngắn mạch, như thể hiện trong hình 3.2, với hai máy phát điện (MPĐ) đặt ở hai đầu của đường dây Điện áp và dòng điện được đo từ cả hai đầu của nhánh đường dây.

Cả hai mô hình đường dây có chuyển vị và không chuyển vị đều có thể được sử dụng tương đương nhau Kết quả tính toán không bị ảnh hưởng bởi đặc điểm này của các đường dây.

Bộ định vị được lắp đặt tại hai đầu của đường dây để ghi nhận điện áp và dòng điện trên các pha khi xảy ra sự cố ngắn mạch Mô hình này được thiết kế sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, một công cụ mạnh mẽ cho các ứng dụng mô phỏng và tính toán.

Trong quá trình đo lường, sự sai lệch về thời gian giữa các đầu dây là một vấn đề cần khắc phục Các máy đồng bộ thường sử dụng GPS hoặc cáp quang tốc độ cao, nhưng những phương pháp này không phù hợp với các nước có nền kinh tế chưa phát triển do chi phí đầu tư cao Để giải quyết vấn đề này, các máy đo sẽ hoạt động mà không cần thiết bị đồng bộ, và việc đồng bộ sẽ được thực hiện thông qua việc bù góc pha.

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại một điểm cách đầu A một khoảng m, điện áp sự cố tại điểm ngắn mạch được ký hiệu là V f Giá trị của V f được tính toán dựa trên các thông số kỹ thuật của hệ thống điện.

V V là điện áp sự cố ngắn mạch tại các đầu dây A và B

I I là dòng điện sự cố ngắn mạch chạy vào dây dẫn lần lượt từ A và B

Zlà tổng trở đơn vị trên đường dây Z   R jX

Kết hợp các phương trình (3.14) và (3.15) ta nhận được

Do dữ liệu tại hai đầu A và B chưa được đồng bộ, một góc đồng bộ  được thêm vào phương trình (3.16) để đồng bộ thời gian giữa chúng Khi đó, điện áp và dòng điện tại các đầu dây A và B sẽ được điều chỉnh và viết lại tương ứng.

Với    , , , là các góc đo được

Phương trình (3.16) được viết lại như sau:

Góc đồng bộ pha  có thể được biểu diễn thành cos  j sin Phương trình

(3.21) có thể viết dưới dạng tách riêng thành phần thực và ảo các số phức như sau:

Re V A sinIm V A cosIm V B C m C sinC cosC 3.24 (3.22)

Re V A cosIm V A sinRe V B C m C cosC sinC 3.25 (3.23) Với:

C 4 = R Im(I B ) + X Re( I B ) (3.27) Để tìm được giá trị  , chia vế theo vế phương trình (3.23) chia cho phương trình (3.22) sẽ thu được phương trình mới có dạng:

Góc đồng bộ  được xác định bằng cách giải bài toán lặp theo phương pháp Newton - Raphson Phương trình lặp được viết như sau:

Bài toán yêu cầu xác định giá trị  trước khi bắt đầu tính toán Vòng lặp sẽ dừng lại khi sai số nhỏ hơn giá trị tối thiểu đã chỉ định Sau khi xác định góc đồng bộ , vị trí sự cố ngắn mạch sẽ được tính toán theo phương trình (3.22 hoặc 3.23).

Nếu dùng phương trình (3.22), vị trí sự cố là:

Re sin Im cos Im sin cos 3.37

Nếu dùng phương trình (3.23), vị trí sự cố là:

Re cos Im sin Re cos sin 3.38

Khi xảy ra sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, việc đo đạc dòng điện và điện áp tại đầu các nhánh dây là cần thiết Bằng cách kết hợp các thông số đường dây đã biết, vị trí của sự cố ngắn mạch có thể được xác định chính xác thông qua phương pháp bù góc lệch .

Phương pháp lọc nhiễu trong tín hiệu đo

Trong quá trình xảy ra sự cố ngắn mạch, sự thay đổi cấu trúc lưới điện tạo ra các sóng cao tần bên cạnh các thành phần cơ bản của điện áp và dòng điện Các thành phần hài bậc cao này có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo lường và xử lý dữ liệu Vì vậy, cần áp dụng phương pháp hợp lý để loại bỏ các thành phần này khỏi tín hiệu đo được.

Trong quá trình đo lường, kết quả thu được thường đi kèm với sai số từ thiết bị đo Những thành phần sai số này có phân bố ngẫu nhiên, phụ thuộc vào loại thiết bị và được coi như nhiễu trắng trong các phép đo.

Để giảm thiểu tác động của tín hiệu nhiễu và xác định chính xác giá trị tần số cơ bản trong đo lường quá độ, nhiều phương pháp lọc nhiễu đã được áp dụng, bao gồm biến đổi Fourier rời rạc và phương pháp bình phương cực tiểu Các phương pháp này hoạt động dựa trên những nguyên tắc khác nhau và sẽ được trình bày cụ thể dưới đây.

Phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) là một công cụ quan trọng trong toán học, đặc biệt trong phân tích tín hiệu thời gian rời rạc DFT chuyển đổi chuỗi số thực hoặc số phức thành thông tin có thể xử lý trên máy tính, rất hữu ích trong việc phân tích tần số của tín hiệu Biến đổi này không chỉ được áp dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu mà còn trong giải phương trình đạo hàm riêng và thực hiện các phép toán như tích chập Đặc biệt, việc tính toán DFT có thể được thực hiện nhanh chóng nhờ vào thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT).

Dãy của N số phức: x 0 , ,x N  1 được biến đổi thành chuỗi của N số phức

X  bởi công thức sau đây :

   (3.37) với e là cơ số của lôgarit tự nhiên, i là đơn vị ảo  i 2   1 

Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) được cho bởi công thức sau:

Các phương trình này mô tả các số phức X k, đại diện cho biên độ và pha tại các bước sóng khác nhau của tín hiệu vào x n Phép biến đổi DFT tính toán các giá trị X k từ các giá trị xn, trong khi IDFT phục hồi tín hiệu x n bằng cách tổng hợp các sóng thành phần.

 với tần số k/N Khi viết các phương trình dưới dạng như trên, ta đã sử dụng công thức Euler để biểu diễn các hàm lượng giác dưới

Có 33 dạng lũy thừa số phức giúp việc biến đổi trở nên dễ dàng hơn Khi biểu diễn X k dưới dạng tọa độ cực, ta có thể xác định biên độ A k và pha  k từ modulus và argument của X k.

Hàm atan2 là dạng hai đối số của hàm arctan, và cần lưu ý rằng các thừa số chuẩn hóa của DFT và IDFT, cụ thể là 1 và 1/N, cùng với dấu của các số mũ, chỉ là quy ước có thể khác nhau giữa các tài liệu Điều kiện duy nhất cho các quy ước này là DFT và IDFT phải có dấu ngược nhau ở các số mũ, và tích của hai thừa số chuẩn hóa phải bằng 1/N.

Sau khi đo lường các tín hiệu x n trong miền thời gian và thực hiện biến đổi FFT, tín hiệu trong miền tần số được phân tích nhanh chóng Để giữ lại tần số mong muốn, chỉ cần loại bỏ các thành phần bậc cao không cần thiết và giữ lại thành phần hài cơ bản (n=1) Tuy nhiên, khi có sự cố ngắn mạch, tần số lưới điện không duy trì ở mức 50Hz mà sẽ bị thay đổi, dẫn đến khó khăn và sai số trong tính toán khi sử dụng phương pháp FFT.

3.3.2 Phương pháp bình phương cực tiểu

Trong toán học và nhiều bài toán thực tiễn, việc khảo sát các tính chất của hàm số hoặc tính giá trị của hàm số tại một điểm cụ thể là rất quan trọng Tuy nhiên, hàm số không phải lúc nào cũng được biểu diễn dưới dạng công thức, mà có thể chỉ được cung cấp qua bảng dữ liệu thể hiện mối quan hệ giữa giá trị hàm số và giá trị đối số tại một số điểm hữu hạn Vấn đề đặt ra là xác định biểu thức giải tích của hàm số từ các bảng số liệu thu được từ thực tế hoặc thực nghiệm Để giải quyết bài toán này, có nhiều phương pháp trong toán học như phương pháp nội suy và phương pháp bình phương bé nhất.

Giả sử hàm số được cho dưới dạng bảng:

Giả sử y = f(x) là biểu thức giải tích cần tìm, sai số giữa bảng số liệu và giá trị tính bằng biểu thức tại điểm x_i được tính bằng f(x_i) - y_i.

Trong phương pháp bình phương bé nhất, chúng ta giả định rằng đã biết dạng của biểu thức y = f(x) Mục tiêu là xác định các hệ số cụ thể của f(x) để tối thiểu hóa tổng bình phương các sai số tại các điểm x_i, với i = 1, , n.

Phương pháp bình phương bé nhất giúp tìm giá trị tối ưu cho biểu thức y = f(x) bằng cách tối thiểu hóa sai số giữa các giá trị thực tế và giá trị dự đoán Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác tăng lên khi có nhiều cặp giá trị (x, y_i) được cung cấp Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là yêu cầu phải biết trước dạng của biểu thức y = f(x).

Hàm số được phân chia thành hai loại chính: hàm tuyến tính và hàm phi tuyến, tùy thuộc vào đặc tính của hàm y = f(x) Trong luận văn này, mục tiêu là tìm hàm sóng sine tại thành phần tần số danh định trên lưới để loại bỏ các thành phần hài bậc cao không cần thiết và sai số đo lường Để đạt được điều này, phương pháp bình phương cực tiểu cho hàm phi tuyến được nghiên cứu và áp dụng.

3.3.3 Phương pháp bình phương cực tiểu Levenberg - Marquardt

Hàm số f có mối quan hệ với vector thông số p nhằm ước lượng vector đo lường x ˆ  f p   Để tìm vector p  thỏa mãn nhất mối liên hệ với hàm f, cần tối thiểu hóa khoảng cách bình phương   T với   x xˆ, trong đó p 0 là thông số dự đoán ban đầu và x là thông số đo lường được cung cấp Thuật toán LM thực hiện xấp xỉ tuyến tính đến hàm f trong mối quan hệ với p Với giá trị đủ nhỏ  p, xấp xỉ của chuỗi Taylor mở rộng được biểu diễn một cách rõ ràng.

Với J là ma trận Jacobian f p   p

Phương pháp LM, giống như các phương pháp tối ưu khác, được thực hiện qua nhiều bước lặp, bắt đầu từ điểm khởi đầu p0 Qua các phép lặp, phương pháp này tạo ra một chuỗi các vector p, p1, p2, và hội tụ đến một cực tiểu địa phương p+ cho hàm f.

Khi đó, tại mỗi bước lặp, yêu cầu phải tìm ra giá trị  p nhằm tối thiểu hóa giá trị

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM