Định vị sự cố trên đường dây dựa theo tín hiệu đo từ các rơle bảo vệ so lệch

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

Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

MỞ ĐẦU
Các đƣờng dây truyền tải thƣờng có chiều dài lớn và có thể đi qua các vùng
địa hình đồi núi tƣơng đối phức tạp, điều này gây nhiều khó khăn cho công tác tìm
kiếm sự cố. Các sự cố đòi hỏi phải đƣợc cô lập càng nhanh càng tốt để đảm bảo sự
ổn định của hệ thống và hạn chế các tác hại của dòng ngắn mạch. Do vậy, việc tính
toán định vị chính xác điểm sự cố trên đƣờng dây có ý nghĩa rất lớn, rút giảm bớt
đáng kể nhân công, thời gian tiếp cận sửa chữa. Có rất nhiều phƣơng pháp đã đƣợc
sử dụng để xác định điểm sự cố, tùy theo đối tƣợng là đƣờng dây truyền tải hay xuất
tuyến lƣới phân phối hoặc các đƣờng cáp. Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín
hiệu đo lƣờng từ hai đầu đƣờng dây thể hiện có nhiều ƣu việt hơn hẳn so với
phƣơng pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía (nguyên lý sử dụng trong các
rơle khoảng cách). Luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu phƣơng thức sử dụng các
số liệu đo đƣợc của rơle so lệch dọc đƣờng dây để tính toán định vị sự cố. Lý do sử
dụng thông tin từ các rơle so lệch dọc là do hiện nay hầu hết các đƣờng dây truyền
tải đã đƣợc lắp đặt cáp quang và đảm bảo đủ băng thông cho bảo vệ so lệch, do đó
loại bảo vệ này là rất phổ biến. Mặt khác số liệu đo lƣờng từ các rơle so lệch hai đầu
là đã tự đƣợc đồng bộ, do đó không cần thiết phải đồng bộ lại các tín hiệu này. Tuy
nhiên để định vị sự cố cần yêu cầu có thêm ít nhất một tín hiệu điện áp từ một phía.
Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
 Chƣơng 1: Giới thiệu chung về vai trò quan trọng của việc cần nâng cao độ
chính xác trong định vị sự cố, đặc biệt đối với lƣới điện truyền tải. Mô tả sơ
lƣợc về ƣu, nhƣợc điểm của các các phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng
dây truyền tải.
 Chƣơng 2: Giới thiệu nguyên lý định vị điểm sự dựa theo tín hiệu dòng điện
và điện áp đo lƣờng đƣợc tại một phía (nguyên lý đƣợc áp dụng trong các
rơle bảo vệ khoảng cách). Phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hƣởng đến độ

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

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................ 8
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... 9
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 10
1.1

Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đƣờng dây tải điện. ................. 10

1.2

Tổng quan về các phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện ......... 11
1.2.1

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía .................. 11

1.2.2

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai phía.................... 12

1.2.3

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền........................ 14

1.2.4

Tổng kết và đề xuất hƣớng nghiên cứu ............................................................. 16

CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO
LƢỜNG TỪ MỘT PHÍA .................................................................................................... 18
2.1

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

Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện........................................................... 27

Tổng kết các ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo

lƣờng từ một phía ................................................................................................................. 28
CHƢƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO TỪ CÁC RƠLE BẢO VỆ SO
LỆCH ĐƢỜNG DÂY .......................................................................................................... 30
3.1

Nguyên lý tính toán định vị sự cố ............................................................................. 30

4


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

Phƣơng pháp định vị điểm sự cố dựa theo tín hiệu dòng điện của rơle so lệch và một

3.2

tín hiệu điện áp ..................................................................................................................... 32
3.2.1 Ƣu điểm của bảo vệ so lệch và cơ chế tự đồng bộ giữa các rơle ........................ 32
3.2.2 Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo đồng bộ của rơle bảo vệ so lệch dọc
33
3.2.3 Lựa chọn các thành phần dòng điện đƣa vào tính toán ....................................... 35
3.2.4 Cách xác định dòng điện tại điểm sự cố .............................................................. 38
3.2.5 Cách xác định điện áp và dòng điện sự cố tại đầu A ........................................... 43
CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG ........................................................................ 47
Công cụ sử dụng và thuật toán định vị sự cố trên đƣờng dây dựa theo tín hiệu đo từ

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

Xét ảnh hưởng của dòng tải trước sự cố trên đường dây đến tính chính xác

thuật toán 62
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 69
5.1

Kết luận. .................................................................................................................... 69

5.2

Phƣơng hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai ............................................................... 70

PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 72
Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố cho đƣờng dây hai đầu dựa vào tín hiệu của
rơle bảo vệ so lệch ............................................................................................................... 72

5


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng biểu

trang

Bảng 2-1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lƣờng tƣơng ứng. .......................... 20
Bảng 3-1 tổng kết ví dụ hệ số đối với ngắn mạch một pha (N(1). ....................................... 36
Bảng 3-2 Thiết lập các hệ số tính toán dòng sự cố tổng có xét tới ƣu tiên dùng thành phần
dòng điện thứ tự nghịch. ...................................................................................................... 41

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

hệ thống A và dòng điện 3 pha của hệ thống B trong lúc sự cố. ......................................... 63
Bảng 4-11 Thông số của dòng điện và điện áp 3 pha của hệ thống A và dòng điện tại điểm
sự cố IF. ................................................................................................................................ 64
Bảng 4-12 Bảng tổng hợp sai số tính toán khoảng cách và điện trở sự cố lúc sự cố A chạm
đất......................................................................................................................................... 66
Bảng 4-13 Thông số điện khángsự cố của pha A trong lúc sự cố pha A chạm đất. ........... 66
Bảng 4-14 Bảng tổng hợp sai số tính toán khoảng cách theo nguyên lý một đầu lúc sự cố
A chạm đất. .......................................................................................................................... 67
Bảng 4-15 Bảng tổng hợp sai số tính toán khoảng cách các dạng sự cố. ............................ 67

7


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

trang

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp ................................ 13
Hình 1-2 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây sự cố ..................................................................... 13
Hình 1-3 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đƣờng dây ............................. 15
Hình 1-4 Cơ chế truyền tín hiệu của rơle bảo vệ so lệch đặt ở hai đầu đƣờng dây ............. 16
Hình 2-1 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách ....................................................... 18
Hình 2-2 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ ................. 19
Hình 2-3 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha .................................. 20
Hình 2-4 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất ................................... 21
Hình 2-5 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất ................................ 21
Hình 2-6 Sự cố chạm đất trên đƣờng dây có hai nguồn cấp ................................................ 24

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

TTK

Thứ tự không

TTT

Thứ tự thuận

TTN

Thứ tự nghịch

CT

Máy biến dòng điện

CVT

Máy biến điện áp

9


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện.
Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đƣờng dây tải điện mang một ý
nghĩa rất quan trọng trong quản lý vận hành. Thực tế trong vận hành, đa số các
đƣờng dây truyền tải thƣờng đi qua những khu vực ít dân cƣ hoặc đồi núi cao hiểm

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

hiệu đo lƣờng từ hai đầu đƣờng dây. Tuy nhiên trở ngại lớn nhất là các tín hiệu đo
lƣờng đƣợc tại hai đầu đƣờng dây thƣờng không đầy đủ chỉ có dòng điện và một
điện áp ở một đầu nào đó của đƣờng dây, do đó không thể sử dụng ngay để tính
toán. Nhƣng hầu hết trong các tài liệu rơle này đều không đề cập đến thuật toán và
phƣơng pháp xác định điểm sự cố.
Xuất phát từ thực tế đó, cần có các nghiên cứu làm rõ ƣu điểm và thuật toán
đƣợc sử dụng trong việc định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng đồng bộ không
đầy đủ từ hai đầu đƣờng dây.
Một điểm rất thuận lợi cho việc đề xuất thuật toán xác định điểm sự cố theo
tín hiệu hai đầu là các rơle kỹ thuật số hiện nay đều có chức năng ghi và lƣu trữ các
bản ghi sự cố, hoặc thậm chí rất nhiều trạm đã đƣợc trang bị các bộ ghi sự cố
chuyên dụng. Đây chính là các cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ cho công tác xử lý
tín hiệu sau sự cố, giúp không chỉ nâng cao độ chính xác định vị mà còn hỗ trợ các
kỹ sƣ trong công tác phân tích sự cố.
1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải
điện
Có nhiều phƣơng pháp định vị sự cố đã đƣợc đề xuất áp dụng đối với đƣờng
dây truyền tải điện [2, 4], mỗi phƣơng pháp đều có ƣu nhƣợc điểm riêng và có
phạm vi áp dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đƣờng dây, sơ
lƣợc có thể thấy có các phƣơng pháp định vị sau đây:
- Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía của đƣờng dây.
- Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả hai phía của đƣờng dây.
- Định vị sự cố dựa trên hiện tƣợng sóng lan truyền (travelling wave).
1.2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
Phƣơng pháp này chính là thuật toán đƣợc sử dụng trong các rơle bảo vệ
khoảng cách thông dụng (chức năng bảo vệ F21) [4]. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng
điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo đƣợc. Nếu giá trị tổng trở này thuộc
miền tác động thì rơle sẽ tác động và ngƣợc lại. Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc

11

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:

 Ảnh hƣởng của hồ quang tại điểm sự cố.
 Ảnh hƣởng của tải trƣớc sự cố trên đƣờng dây.
 Ảnh hƣởng bởi hệ số phân bố dòng điện (do xuất hiện các nguồn khác
cấp vào điểm sự cố hoặc dòng điện tại điểm sự cố khác với dòng điện
đo đƣợc tại vị trí đặt rơle).
 Ảnh hƣởng của hỗ cảm do các đƣờng dây chạy song song gây ra.
 Tổng trở thứ tự không của đƣờng dây thƣờng không thể xác định
đƣợc chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất
(đây lại là loại sự cố thƣờng xảy ra đối với lƣới truyền tải và hệ thống
điện nói chung).

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía
Phƣơng pháp này sử dụng tín hiệu đo lƣờng từ hai đầu của đƣờng dây tải
điện [2, 4]. Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải đƣợc đồng bộ về mặt thời
gian. Với các trạm có trang bị hệ thống đồng hồ dựa theo tín hiệu GPS thì việc đồng
bộ về mặt thời gian đã đƣợc giải quyết, tuy nhiên với hiện trạng tại Việt Nam thì số
lƣợng trạm đƣợc trang bị đồng hồ GPS chƣa nhiều nên phƣơng pháp này sẽ gặp
nhiều trở ngại.

12


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu hai đầu:
Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đƣờng dây
AB nhƣ trong Hình 1-1.
A

IA

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

IF

UF

UA

RF

UB

Hình 1-2 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Dòng điện và điện áp {IA & IB}, {UA & UB} đo tại hai trạm đƣợc đồng bộ về mặt
thời gian.
Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:
UF  U A  I A * x * ZD

[1.1]

U F  U B  I B *(1  x) * Z D

[1.2]

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đƣờng dây AB
Trừ hai phƣơng trình cho nhau:
U A  U B  I B * Z D  x * Z D *( I A  I B )

[1.3]

Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc tính ra từ phƣơng trình trên:

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

cách đến điểm sự cố, do đó không gây ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết
quả định vị sự cố.

-

Trong thực tế còn nhiều biến thể của phƣơng pháp này, tùy theo tín hiệu đo
lƣờng có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đƣờng dây
hay không…

1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền
Khi sự cố xảy ra tại một điểm trên đƣờng dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến
về dòng điện và điện áp [2, 4]. Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên
đƣờng dây cả về hai phía với tốc độ lan truyền sóng xấp xỉ tốc độ ánh sáng.
Khi sóng lan truyền đi tới một đầu đƣờng dây sẽ gặp điều kiện biên thay đổi, do đó
một phần của sóng này sẽ phản xạ trở lại và một phần tiếp tục lan truyền đi tiếp.
Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trên
Hình 1-3. Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu đƣợc tại hai đầu (∆t) hoàn
toàn có thể xác định đƣợc vị trí điểm sự cố bằng phƣơng trình:
x

l  c * t
2

trong đó:

14


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

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:

-

Phải có các thiết bị ghi tín hiệu đƣợc đồng bộ thời gian với độ chính xác cao,
chỉ một sự sai lệch rất nhỏ về thời gian có thể dẫn tới sai số lớn về khoảng
cách tính đƣợc.

-

Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao để có thể ghi nhận
các tín hiệu xung phản xạ dẫn tới cần tốc độ xử lý cao và bộ nhớ phải có
dung lƣợng lớn.

15


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

-

Phần mềm phải có khả năng đồng bộ hóa tín hiệu, lọc nhiễu và trích xuất tín
hiệu mong muốn. Đặc biệt với các sự cố gây ra do sét có thể gây các nhiễu
điện từ ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu.

-

Các cảm biến đo dòng điện phải là loại đƣợc thiết kế để có khả năng hoạt
động chính xác ở tần số cao.

-

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

Trên cơ sở tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có và vẫn nâng cao đƣợc độ chính xác trong
định vị sự cố, luận văn đề xuất đi nghiên cứu áp phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên
tín hiệu đo lƣờng từ hai phía. Trở ngại lớn nhất đối với phƣơng án này là việc đồng
bộ lại các tín hiệu đo lƣờng từ hai phía khi các rơle không đƣợc trang bị đồng hồ
GPS. Do đó, phần nội dung nghiên cứu chính của luận văn trong các chƣơng tiếp
theo sẽ là dựa trên tín hiệu đo lƣờng của các rơle bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây để
định vị sự cố. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là tín hiệu của các rơle bảo vệ so lệch

16


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

dọc đã đƣờng tự đồng bộ bởi bản thân rơle, do đó không cần thêm các đồng hồ GPS
tại các trạm.

17


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO
TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA
2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía.
2.1.1 Nguyên lý làm việc
Các rơle bảo vệ khoảng cách đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay hoạt động theo
nguyên lý tổng trở thấp (Z<). Tín hiệu dòng điện và điện áp sẽ đƣợc đo thông qua
CT và CVT sau đó cấp tới rơle. Các rơle kỹ thuật số xử lý tín hiệu này và thực hiện
các phép tính toán để xác định tổng trở đo đƣợc trong các chế độ bình thƣờng cũng
nhƣ sự cố.

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

để tránh các nhiễu loạn ảnh hƣởng đến độ chính các của định vị. Giá trị khoảng
cách tính toán đƣợc là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán dựa theo số mẫu
thu thập đƣợc.
Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh
hƣởng của hồ quang tại điểm sự cố. Hồ quang có tính chất điện trở, nếu sử dụng giá
trị tổng trở để tính khoảng cách thì giá trị tổng trở này bị ảnh hƣởng bởi điện trở hồ
quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán đƣợc.
2.1.2 Các mạch vòng tính toán tổng trở
Tổng trở đƣợc rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tƣơng ứng với các sự cố
pha - pha và pha - đất: A - B, B - C, C - A, A - E, B - E, C - E. Với sự cố pha - pha
hoặc pha - đất thì chỉ một trong các mạch vòng trên sẽ cho kết quả đo lƣờng chính
xác (tổng trở thấp nhất), các mạch vòng khác sẽ cho kết quả tính toán lớn hơn. Với

19


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

sự cố khác có thể nhiều mạch vòng đo cùng cho ra kết quả chính xác.
Bảng 2-1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng.

Loại sự cố

Pha sự cố

Vòng lặp tính cho tổng trở

A-E

A–E

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)

B-E hoặc C-E

A–B-E

A-B hoặc A-E hoặc B-E

B–C-E

B-C hoặc B-E hoặc C-E

C–A-E

C-A hoặc C-E hoặc A-E

Sự cố pha – đất

Sự cố pha – pha

Sự cố 2 pha – đất

 Vòng lặp cho trƣờng hợp sự cố pha – pha
Vòng lặp tính toán tổng trở cho trƣờng hợp sự cố pha – pha đƣợc tính theo công
thức:
Z pha pha 

U pha pha
I pha pha



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

Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

 Vòng lặp cho trƣờng hợp sự cố pha – đất
Vòng lặp tính toán tổng trở cho trƣờng hợp sự cố pha – đất đƣợc tính theo công
thức
Z phaE 

Z phaE 

U phaX
I phaX

 Z1  Z N  R f

U phaX
I phaX  K N I N

 Z1 

[2.3]

Rf

[2.4]

1 KN

Trong đó: X là pha bị sự cố, K là hệ số bù, IN là dòng điện dƣ bằng tổng

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

U0
ZN

Hình 2-5 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất

Theo nhƣ sơ đồ thay thế ở trên thì công thức để tính tổng trở sự cố đối với
trƣờng hợp này có thể đƣợc viết nhƣ sau:

21


Luận văn cao học – Thạc sỹ Kỹ thuật điện

Z0 U 0 1

 Z1  Z N
3 3I 0 3

và

ZN 

[2.5]

Z 0  Z1
3

[2.6]

Trong đó U0 là điện áp thứ tự không và I0 là dòng điện thứ tự không. Theo công

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

3Z1

[2.9]

Z pha E

KN 

Trong đó:

Z1 là tổng trở thứ tự thuận
Z0 là tổng trở thứ tự không

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương
pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố [1] có thể kể
đến là:
-

Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố.

-

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

-

Ảnh hƣởng của điện kháng tƣơng hỗ do các đƣờng dây chạy song song gây
ra.

-

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)

Chiều dài hồ quang ban đầu bằng khoảng cách từ dây dẫn đến cột hoặc giữa
hai dây dẫn, nhƣng nó sẽ tăng và kéo dài do gió thổi ngang qua do sự đối lƣu và
truyền sóng điện từ. Ngƣời ta đƣa ra giả thuyết điện trở hồ quang phụ thuộc vào
khoảng cách dây dẫn, vận tốc gió và thời gian theo công thức:
Rarc 

Trong đó:

8750  (d  3u  tarc )
I 1.4
f

[2.11]

d: khoảng cách dây dẫn (m)
U: Vận tốc gió (m/s)
tarc: Thời gian hồ quang

Trong trƣờng hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc
chạm đất phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm của đất và cấp điện áp của lƣới điện. Khi sự
cố các pha với nhau điện trở sự cố thƣờng nhỏ và không vƣợt quá vài ohm (). Tuy
nhiên điện trở sự cố lớn hơn nhiều đối với sự cố liên quan đến đất vì điện trở nối đất
của cột có thể tới 10  thậm chí cao hơn. Trƣờng hợp đặc biệt điện trở sự cố còn
lớn hơn khi sự cố dây dẫn chạm vào cây cối hoặc đứt dây và rơi xuống vùng đất
khô cứng. Nhƣ vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm.
Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố đến tổng trở đo được
Xét trƣờng hợp sự cố pha - đất trên đƣờng dây có hai nguồn cấp nhƣ Hình 2-6.

23

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

RF

Hình 2-6 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp

Mạch vòng sự cố nhìn từ phía thanh góp trạm A có thể đƣợc mô tả bằng
công thức sau đây.
UA – dZLIA - RFIF = 0

[2.12]

Trong đó:
d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1)
ZL: tổng trở của đƣờng dây AB
UA; IA: là điện áp và dòng điện đo đƣợc tại vị trí đặt rơle phía trạm A
IF: dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, với quan hệ
IF = I A + I B
Từ công thức [2.11] suy ra ZA =
ZA =

[2.13]

UA
I
= dZL + RF F
IA
IA

UA
I
= dZL + RF F

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 