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 hộ tiêu thụ Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong những thập kỷ qua đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể về số lượng và chiều dài của các đường dây truyền tải Theo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), lưới điện Việt Nam đã mở rộng không ngừng, với tổng chiều dài đường dây ở các cấp điện áp 500 - 220 - 110 kV lên tới hơn 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, đứt dây và quá tải Khi xảy ra sự cố, rơle bảo vệ sẽ tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống, giúp giảm thiểu thiệt hại và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Để xác định vị trí sự cố ngắn mạch, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và phát triển các thiết bị chuyên dụng, với ba phương pháp chính trong lĩnh vực phát hiện vị trí ngắn mạch.
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 cho thấy rằng việc xác định vị trí ngắn mạch chỉ khả thi khi lưới điện đã được cô lập, dẫn đến thời gian mất điện kéo dài và giảm chất lượng điện năng Phương pháp này đòi hỏi đầu tư lớn vào máy phát xung công suất cao và thiết bị đo lường chất lượng đắt tiền với tần số đo lớn Do đó, xung phản xạ 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 phương pháp sóng truyền đã chỉ ra rằng việc kiểm soát sự di chuyển của các thành phần hài bậc cao trong hệ thống điện là rất quan trọng khi có quá trình quá độ xảy ra Để thực hiện điều này, các cảm biến đo lường cần phải 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, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt trên toàn bộ hệ thống truyền tải điện do rào cản kinh tế.
Phương pháp tổng trở đã đạt được nhiều thành tựu 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 trên các đầu đường dây Tuy nhiên, việc đo tại nhiều điểm gây ra vấn đề không đồng bộ về thời gian giữa các bộ đo, làm giảm độ chính xác của phương pháp này Để cải thiện độ đồng bộ trong đo lường, một số giải pháp như sử dụng đồng bộ bằng vệ tinh và cáp quang đã được đề xuất, tuy nhiên, chúng yêu cầu đầu tư vào thiết bị đắt tiền.
Luận văn trình bày 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, góp phần nâng cao độ tin cậy trong các hệ thống đo lường điện.
Để xác định chính xác vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, một mô hình Simulink đã được xây dựng, kết nối giữa hai nút nguồn Chương trình xác định vị trí sự cố ngắn mạch này được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, chứng minh tính hiệu quả của giải thuật định vị sự cố.
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 và phát triển trong nhiều năm, nhằm đáp ứng yêu cầu cao về việc xác định chính xác vị trí sự cố Mặc dù các phương pháp hiện tại đã đạt được những thành tựu nhất định, nhưng vẫn tồn tại những hạn chế cần khắc phục Điều này mở ra cơ hội tìm kiếm giải pháp tốt hơn cho vấn đề định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện Dưới đây là các phương pháp được giới thiệu.
1.2.1 Phương pháp xung phản xạ
Tại giao điểm của 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 nơi xảy ra sự cố ngắn mạch Điểm giao nhau giữa hai môi trường chính là vị trí xuất hiện sự cố ngắn mạch.
Để xác định vị trí sự cố trong cáp ngầm, phương thức bơm xung áp được sử dụng Khi xung áp được phát vào dây dẫn, nó sẽ phản xạ trở lại khi gặp vị trí sự cố, từ đó cho phép phân tích độ lớn và góc pha của xung hồi để xác định chính xác vị trí lỗi.
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 xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải được mô tả chi tiết trong các tài liệu [1] và [2] Xung phản xạ chủ yếu bao gồm xung điện áp và xung dòng điện với tần số cao và biên độ lớn, yêu cầu thiết bị đo chất lượng cao, thời gian lấy mẫu nhỏ (vài kHz) và biên độ đo lớn (vài kV) Tuy nhiên, giá thành thiết bị đo lường thường rất cao để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của phương pháp này Ngoài ra, thiết bị xác định vị trí ngắn mạch phải cách ly lưới điện khỏi hệ thống, dẫn đến thời gian xác định vị trí sự cố bị kéo dài Hơn nữa, xung phản khi đi qua các mối nối trên đường dây tạo ra xung nhiễu cao tần, làm giảm hiệu quả của phương pháp xung phản xạ, đặc biệt trên đường dây phân phối có nhiều phụ tải.
Giải thuật xung phản xạ được sử dụng chủ yếu để định vị ngắn mạch trên các đường dây truyền tải dài và không có phụ tải Trong lưới điện phân phối, phương pháp này ít được áp dụng do những nhược điểm đã được phân tích Tuy nhiên, nó vẫn thường được sử 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 gây ra nhiễu hài cao tần, lan truyền trên toàn bộ lưới điện.
Các thiết bị chuyên dụng đo xung nhiễu cao tần, qua quá trình phân tích Fourier, xác định tần số và biên độ của sóng nhiễu hài và sóng hồi tiếp từ điểm sự cố ngắn mạch Mỗi vị trí ngắn mạch tạo ra tần số và biên độ sóng phản hồi khác nhau, cho phép thiết bị nhận dạng loại và vị trí của sự cố ngắn mạch.
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 phân tích tín hiệu điện áp qua biến đổi wavelet liên tục đang được chú ý phát triển nhờ vào sự tiến bộ nhanh chóng của các kỹ thuật đo lường chính xác cao trong lĩnh vực điện tử Phương pháp này mang lại độ chính xác rất cao nhờ vào sự hỗ trợ của 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 hiện đại có khả năng hoạt động tại các tần số nhiễu hài cao, nhưng giá thành của chúng vẫn còn cao, khiến cho việc triển khai lắp đặt đại trà trên hệ thống lưới điện trở nên khó khăn Hiện tại, phương pháp này chỉ được áp dụng cho một số lưới truyền tải quan trọng và các lưới phân phối có phụ tải đặc thù.
1 do giá thành còn quá cao
Phương pháp tổng trở là kỹ thuật xác định vị trí ngắn mạch dựa trên việc tính toán dòng điện và điện áp cùng với tổng trở đường dây trước khi xảy ra sự cố Nghiên cứu của André D Filomena và các cộng sự minh chứng cho hiệu quả của phương pháp này Ưu điểm nổi bật là thiết bị chỉ cần đo dòng điện và điện áp ở tần số cơ bản (50 Hz hoặc 60 Hz), giúp giảm chi phí so với phương pháp xung phản xạ Tuy nhiên, sự cố ngắn mạch thường đi kèm với tín hiệu nhiễu cao tần, gây méo tín hiệu Do đó, cần phát triển thuật toán mạnh để lọc nhiễu, đảm bảo tính chính xác trong việc xác định vị trí ngắn mạch trên lưới truyền tải.
Tính cần thiết của đề tài
Hiện nay, nhiều nhà máy điện mới và các đường dây tải điện liên kết giữa các vùng miền trong nước cùng với các đường dây xuyên quốc gia đã được xây dựng 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 đường dây truyền tải điện.
Các đường dây truyền tải điện năng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tải điện từ nguồn cung đến các trung tâm phụ tải, nhưng chúng thường gặp phải sự cố do nhiều nguyên nhân khác nhau Sự phức tạp của hệ thống điện truyền tải làm tăng nguy cơ xảy ra sự cố, đặc biệt khi các đường dây thường đi qua vùng địa hình vắng vẻ, gây khó khăn trong việc xác định vị trí ngắn mạch để sửa chữa Điều này dẫn đến thời gian mất điện kéo dài, giảm chất lượng điện cung cấp cho khách hàng, và tăng chi phí bồi thường trong thị trường điện cạnh tranh Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, phát triển các thiết bị xác định vị trí ngắn mạch trên lưới truyền tải Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu được phân thành ba phương pháp: 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.
Luận văn 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 trong việc khắc phục sai số do mất đồng bộ mà không cần thêm thiết bị phần cứng Giải pháp lọc nhiễu số thông minh giúp giảm thiểu sai số trong đo lường, nâng cao hiệu quả của phương pháp Kết quả từ 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 giải thuật 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 các 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 xảy ra sự cố là rất quan trọng, đồng thời cũng cần tối ưu hóa chi phí vận hành 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
Xây dựng phương trình và giải thuật để xác định vị trí sự cố dựa trên các thông số dòng điện và điện áp được đo tại hai điểm đầu của lưới điện là một nhiệm vụ quan trọng Việc này không chỉ giúp nhanh chóng phát hiện và xử lý sự cố mà còn nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Các thông số đo được sẽ được sử dụng để tính toán chính xác vị trí sự cố, từ đó giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
- 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 được xây dựng nhằm loại bỏ nhu cầu sử dụng các thiết bị hỗ trợ như xung dòng điện hay điện áp, giúp quá trình xác định vị trí sự cố trong hệ thống truyền dẫn trở nên hiệu quả và đơn giản hơn.
- 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 tập trung vào việc tính toán các thông số và phân tích ảnh hưởng của chúng đến dòng điện và điện áp ngắn mạch trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch Việc hiểu rõ các yếu tố này là cần thiết để cải thiện hiệu suất và độ an toàn của hệ thống điện.
- 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 là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về các thông số của 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 độ tin cậy của lưới điện Việc phân tích ảnh hưởng của các thông số này giúp tối ưu hóa hoạt động của lưới điện, từ đó nâng cao hiệu quả cung cấp điện năng cho người tiêu dùng.
- 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 thuật toán đề xuất là bước quan trọng, giúp tiến hành tính toán và xác định các trường hợp có thể xảy ra khi áp 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
Mục tiêu của thiết bị là 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 Thiết bị cho phép xác định nhanh chóng vị trí ngắn mạch khi xảy ra sự cố, đồng thời không cần sử dụng thêm thiết bị chuyên dụng bên ngoài, từ đó giảm chi phí mua sắm và vận hành Điều này góp phần giảm đáng kể chi phí cho lưới điện trong quá trình xây dựng và vận hành hệ thống lưới điện truyền tải.
Đề tài “Định vị sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải” được thực hiện nhằm nâng cao chất lượng vận hành cho lưới điện truyền tải, góp phần cung cấp giải pháp hữu ích cho ngành điện.
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 các tài liệu quan trọng, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc phát triển hệ thống điện.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ngắn mạch trong hệ thống điện (HTĐ)
Khi chế độ của hệ thống điện (HTĐ) thay đổi đột ngột, quá trình quá độ điện từ sẽ phát sinh, trong đó ngắn mạch là tình huống nguy hiểm nhất Sự cố ngắn mạch làm giảm tổng trở của hệ thống, dẫn đến tăng dòng điện và giảm điện áp Nếu không kịp thời cô lập 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 áp trong hệ thống sẽ trải qua quá trình quá độ Dòng trong quá trình này thường có hai thành phần: chu kỳ và không chu kỳ Đối với các hệ thống có đường dây truyền tải điện áp từ 330 kV trở lên, ngoài thành phần tần số cơ bản, còn xuất hiện các thành phần sóng hài bậc cao, và nếu có tụ bù dọc, sẽ có thêm thành phần sóng hài bậc thấp.
Các nguyên nhân gây ngắn mạch lưới điện truyền tải
Nguyên nhân chính gây ra ngắn mạch lưới điện truyền tải chủ yếu là do hư hỏng cách điện Hư hỏng này có thể xảy ra do nhiều yếu tố như tuổi thọ lâu dài, tác động cơ khí từ các hoạt động như đào đất hay va chạm với phương tiện, sự xâm nhập của động vật như chim, rắn, hoặc thú cưng, cũng như ảnh hưởng của thời tiết như gió bão và sấm sét Ngoài ra, ngắn mạch cũng có thể xảy ra do thao tác đóng cắt sai.
- 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
Trên bất kỳ đường dây tải điện nào, có hai loại sự cố chính: sự cố cân bằng và sự cố không cân bằng, trong đó hầu hết các sự cố xảy ra là không cân bằng Sự cố không đối xứng được phân loại thành hai loại: không đối xứng ngang và không đối xứng dọc Sự cố không đối xứng dọc xảy ra tại trở kháng của đường dây, không liên quan đến trung tính hoặc đất, dẫn đến tăng điện áp và tần số, đồng thời giảm dòng điện trong các pha bị sự cố Ngược lại, sự cố không đối xứng ngang gây mất cân đối giữa các pha hoặc giữa pha với đất, tạo ra tăng dòng điện, giảm tần số và điện áp trong các pha gặp sự cố 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, sự cố 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 chạm đất, tổng trở của đường dây sẽ giảm nhanh chóng do điện trở 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 Giá trị dòng sự cố phụ thuộc vào vị trí và tổng trở của hệ thống Sự gia tăng dòng điện tại dây sự cố gây ra sụt giảm điện áp tại nguồn cung cấp, khiến biên độ điện áp ở pha 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 nguyên nhân như đứt dây pha, chim chóc, nhánh cây rơi hoặc vật thể bay vướng vào dây Khi đó, chênh lệch điện áp giữa dây pha và phần tử gây sự cố nối đất sẽ tạo ra dòng hồ quang điện, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch hai pha.
Khi xảy ra sự cố ngắn mạch hai pha, tổng trở của đường dây sẽ giảm nhanh chóng do điện trở của dây dẫn thường rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Điều này dẫn đến dòng điện trong pha gặp sự cố tăng mạnh, 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 gây ra sụt giảm điện áp tại đầu nguồn cung cấp, khiến biên độ điện áp của hai pha có sự cố thấp hơn 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 nhiều nguyên nhân như đứt dây, cây ngã đổ, sét đánh hoặc phương tiện va chạm Khi sự cố xảy ra, sự chênh lệch điện áp giữa dây pha và phần tử gây sự cố được nối đất dẫn đến dòng hồ quang điện, tạo ra ngắn mạch hai pha chạm đất.
Hình 2 7 Ngắn mạch hai pha chạm đất
Khi xảy ra sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất, tổng trở của đường dây sẽ giảm nhanh chóng do điện trở của dây dẫn thường nhỏ hơn nhiều so với điện trở của phụ tải Điều này khiến dòng điện trong pha bị sự cố tăng vọt, có thể cao gấp nhiều lần so với 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 dây sự cố sẽ gây ra sụt giảm điện áp tại đầu nguồn cung cấp, làm cho biên độ điện áp ở hai pha có sự cố thấp hơn so với pha không có 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 do các nguyên nhân như đứt dây, cây ngã đổ, sét đánh hoặc va chạm với phương tiện 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 hiện tượng ngắn mạch chạm đất ba pha.
Khi xảy ra ngắn mạch ba pha chạm đất, tổng trở của đường dây bị sự cố giảm nhanh chóng do điện trở của dây dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện trở của phụ tải Hệ quả là dòng điện trong các pha gặp sự cố tăng đột biến, có thể cao hơn nhiều lần so với giá trị dòng điện trong điều kiện vận hành bình thường.
Mức độ cao hay thấp của sự cố phụ thuộc vào vị trí và tổng trở của hệ thống Khi dòng điện tăng lên tại dây bị sự cố, sẽ xảy ra hiện tượng sụt giảm điện áp tại đầu nguồn cung cấp điện, dẫn đến biên độ điện áp tại đầu trạm biến áp giảm nhanh chóng dưới ngưỡng 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, đạt khoảng 102 đến 103 A/mm2 và nhiệt độ cao, lên tới 5000 đến 6000 độ C, thường đi kèm với sự phát sáng.
Hồ quang điện mang lại lợi ích thiết thực trong nhiều lĩnh vực như hàn điện và luyện thép, đặc biệt khi cần duy trì sự ổn định của hồ quang để đảm bảo hiệu quả công việc.
Hồ quang điện có hại xuất hiện khi đóng cắt các thiết bị điện như công tắc tơ, cầu dao và máy cắt, gây cháy lâu và làm hư hại các tiếp điểm cũng như thiết bị điện Để đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động của thiết bị, cần dập tắt hồ quang nhanh chóng.
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 điện cực và tiếp điểm được làm 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, dẫn đến việc dòng điện bị thắt lại và mật độ dòng điện tăng cao, làm nóng các điện cực, đặc biệt là cực âm chứa nhiều electron Khi nhiệt độ tăng, động năng của các điện tử cũng tăng, và khi năng lượng nhận được vượt quá công thoát liên kết hạt nhân, các điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm và 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 đạt 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 điện tử tự do Sự phát xạ 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 dưới dạng đường dây đơn tuyến do 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 được chuyển về các thành phần đối xứng để thực hiện phân tích trên từng pha.
Charles Legeyt Fortescue đã đưa ra lý thuyết cho rằng các thành phần không cân bằng sẽ chuyển hóa thành tổng các thành phần đối xứng Trong lý thuyết này, có ba thành phần đối xứng chính: thành phần thứ tự không, thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch, được ký hiệu lần lượt là “0”, “+” và “-”.
Thứ tự thuận (Positive Sequence) bao gồm ba pha có biên độ bằng nhau và lệch nhau 120 độ Thứ tự này tương tự như thứ tự của các pha ban đầu, đảm bảo sự cân bằng trong hệ thống điện.
Thứ tự nghịch (Negative Sequence) bao gồm ba pha có biên độ bằng nhau và lệch nhau 120 độ Các pha trong thứ tự này di chuyển ngược chiều so với thứ tự pha ban đầu.
Thứ tự không (Zero Sequence): Bao gồm ba pha bằng nhau về biên độ và có cùng hướng với nhau
Bộ dòng điện ba pha I I I a , , b c có thể được phân tích thành chín thành phần đối xứng, giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của hệ thống điện này Các thành phần đối xứng này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và thiết kế các mạch điện.
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 của số này không thay đổi, nhưng góc pha tăng lên 120° Điều này cho thấy I đã bị quay 120° 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 chúng, 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 có ảnh hưởng lớn đến việc xác định vị trí sự cố ngắn mạch Tuy nhiên, việc tính toán và thực hiện quy trình này gặp nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề, các thành phần điện áp và dòng điện ba pha trong trường hợp có sự cố được chuyển đổi thành phần đối xứng, giúp đơn giản hóa quá trình 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 và xác định vị trí sự cố ngắn mạch, như thể hiện trong hình 3.2, với hai máy phát điện (MPĐ) đặt tại 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 sử dụng một cách tương đương Kết quả tính toán không bị ảnh hưởng bởi đặc điểm của các đường dây này.
Bộ định vị được lắp đặt ở cả hai đầu của đường dây để ghi nhận điện áp và dòng điện trên các pha khi có sự cố ngắn mạch Mô hình này được thiết kế bằng 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 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 có thể 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 đồng bộ, cần thêm một góc đồng bộ vào phương trình (3.16) để đồng bộ hóa 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 sinIm V A cosIm V B C m C sinC cosC 3.24 (3.22)
Re V A cosIm V A sinRe V B C m C cosC sinC 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 ban đầu để bắt đầu tính toán Vòng lặp sẽ dừng lại khi sai số đạt dưới mức tối thiểu đã được chỉ định Sau khi xác định được 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 giá trị dòng điện và điện áp tại đầu các nhánh dây là cần thiết Dựa vào các thông số đường dây đã biết, phương pháp bù góc lệch δ cho phép tính toán chính xác vị trí của sự cố ngắn mạch.
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 điện áp và dòng điện cơ bản Các thành phần hài bậc cao này ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo lường và xử lý số 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 luôn kèm theo sai số từ thiết bị đo Những sai số này có phân bố ngẫu nhiên, phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng và được coi như nhiễu trắng trong phép đo.
Để giảm thiểu tác động của tín hiệu nhiễu và chính xác hóa giá trị tần số cơ bản trong đo lường quá độ, nhiều phương pháp lọc nhiễu đã được áp dụng, trong đó có 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, được mô tả chi tiết 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 một chuỗi hữu hạn các số thực hoặc số phức, giúp xử lý thông tin hiệu quả trên máy tính Biến đổi này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và phân tích tần số, đồng thời hỗ trợ giải các phương trình đạo hàm riêng và thực hiện các phép toán như tích chập Đặc biệt, DFT có thể được tính toán 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 ở các bước sóng khác nhau của tín hiệu vào x n Phép biến đổi DFT được sử dụng để tính giá trị X k từ các giá trị xn, trong khi IDFT tính toán x n bằng tổng 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 Khi viết X_k dưới dạng tọa độ cực, ta có thể xác định biên độ A_k và pha φ_k từ modulus và argument của X_k.
Hàm atan2 là phiên bản hai đối số của hàm arctan Cần lưu ý rằng các hệ 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 và 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 hệ 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 theo phương trình (3.37) 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 xảy ra sự cố ngắn mạch, tần số lưới điện không duy trì ở tần số danh định (f = 50Hz) mà sẽ bị thay đổi, dẫn đến việc sử dụng phương pháp FFT gặp khó khăn và có thể gây sai số trong tính toán.
3.3.2 Phương pháp bình phương cực tiểu
Trong toán học và các bài toán thực tiễn, việc khảo sát tính chất và giá trị của hàm số là rất quan trọng Tuy nhiên, hàm số không phải lúc nào cũng được biểu diễn dưới dạng công thức mà thường 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 nhất định Do đó, việc xác định biểu thức giải tích từ bảng số liệu thực tế hoặc thực nghiệm trở thành một thách thức Có nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề này, bao gồm 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, thì sai số giữa bảng số liệu và giá trị tính bằng biểu thức tại điểm x_i được xác định 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 xác định giá trị chính xác nhất cho biểu thức y = f(x) khi có nhiều cặp giá trị (x, y_i) Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu phải biết trước dạng của biểu thức y = f(x).
Hàm số được phân loại thành hai dạng chính: hàm tuyến tính và hàm phi tuyến, tùy thuộc vào đặc tính của chúng Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu phương pháp bình phương cực tiểu cho hàm phi tuyến nhằm tìm hàm sóng sine tại thành phần tần số danh định trên lưới Mục tiêu là loại bỏ các thành phần hài bậc cao không cần thiết và giảm thiểu sai số đo lường.
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 x̂ = f(p) Để tìm vector p+ thỏa mãn mối liên hệ với hàm f, ta bắt đầu với thông số dự đoán ban đầu p0 và thông số đo lường x Mục tiêu là tối thiểu hóa khoảng cách bình phương ε với ε = x - x̂ Thuật toán Levenberg-Marquardt (LM) xấp xỉ tuyến tính hàm f liên quan đến p Với giá trị đủ nhỏ δp, chuỗi Taylor mở rộng được biểu diễn như sau:
Với J là ma trận Jacobian f p p
Phương pháp LM, giống như các phương pháp tối ưu hóa khác, được thực hiện qua nhiều bước lặp, bắt đầu từ điểm khởi đầu p0 Qua quá trình lặp, nó tạo ra một chuỗi các vector p, p1, p2, và cuối cùng 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
