Định vị sự cố trên đường dây rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo lường không đồng bộ đầy đủ tại các đầu đường dây

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

BÀNH HỒNG HIỂN

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY RẼ NHÁNH DỰA
TRÊN TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐẦY ĐỦ
TẠI CÁC ĐẦU ĐƯỜNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội - Năm 2014


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

MỤC LỤC
Chƣơng mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................ 3

1.1

Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đƣờng dây tải điện ....... 3

1.2

Tổng quan về các phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải ..... 4

1.2.1

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía ....... 4

1.2.2

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai phía ........ 5

1.2.3

Phƣơng pháp định vị sự cố đối với đƣờng dây có rẽ nhánh ................... 7

1.2.4

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền ............ 8

CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU
ĐO LƢỜNG TỪ MỘT PHÍA ................................................................................ 10
2.1

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ một phía. .......... 10

2.1.1

Nguyên lý làm việc ............................................................................... 10

2.1.2

Các mạch vòng tính toán tổng trở ......................................................... 11

2.2

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 ............................................................ 14
2.2.1

Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố ................................................. 14

2.2.2

Ảnh hƣởng của dòng tải trên đƣờng dây trƣớc sự cố ........................... 17

2.2.3

Ảnh hƣởng của điện kháng tƣơng hỗ của các đƣờng dây song song ... 17

2.2.4

Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện .............................................. 19

2.3

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

hiệu đo lƣờng từ một phía ..................................................................................... 20
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO
LƢỜNG TỪ HAI ĐẦU ĐƢỜNG DÂY ................................................................ 22

i


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

3.1

Nguyên lý định vị sự cố bằng tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu đƣờng

dây

..................................................................................................................... 22

3.1.1

Nguyên lý làm việc ............................................................................... 22

3.1.2

Vấn đề cần giải quyết đối với thuật toán định vị dựa theo tín hiệu đo từ

hai đầu đƣờng dây .............................................................................................. 24
3.2

Phƣơng pháp đồng bộ lại các tín hiệu đo lƣờng từ hai đầu đƣờng dây ....... 24

3.2.1

Thuật toán xác định góc đồng bộ .......................................................... 25

3.2.2

Lựa chọn loại dòng điện và điện áp trong tính toán góc đồng bộ ........ 28

CHƢƠNG 4 PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ ĐỐI VỚI ĐƢỜNG DÂY CÓ
RẼ NHÁNH ........................................................................................................... 29
4.1

Giới thiệu chung .......................................................................................... 29

4.2

Nguyên lý xác định nhánh đƣờng dây bị sự cố và khoảng cách sự cố ........ 29

4.3

Phƣơng pháp đồng bộ lại các tín hiệu đo từ ba phía khi đo không đồng bộ32

CHƢƠNG 5 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG ........................................................... 34
5.1

Công cụ sử dụng và thuật toán định vị sự cố trên đƣờng dây có rẽ nhánh . 34

5.1.1

Công cụ sử dụng ................................................................................... 34

5.1.2

Sơ đồ khối của thuật toán tính toán ...................................................... 36

5.1.3

Thông số của sơ đồ mô phỏng .............................................................. 38

5.1.4

Kịch bản mô phỏng ............................................................................... 41

5.1.5

Kết quả mô phỏng và tính toán ............................................................. 42

CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ .......................................................... 50
6.1

Kết luận........................................................................................................ 50

6.2

Phƣơng hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .................................................. 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 52

PHỤ LỤC ............................................................................................................... 53
Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố cho đƣờng dây có rẽ nhánh ............. 53

ii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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

Bành Hồng Hiển

iii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DFRs

(Digital Fault Recorders): Thiết bị ghi sự cố

MC

Máy cắt

CT

Máy biến dòng điện

CVT

Máy biến điện áp

DCL

Dao cách ly

SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition)
Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận dữ liệu.

EMFs

(Electromotive forces) Lực điện động

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

iv


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp .........................6
Hình 2 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây sự cố ..............................................................6
Hình 3 Sơ đồ đƣờng dây có rẽ nhánh .........................................................................7
Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đƣờng dây ......................8
Hình 5 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách ..............................................10
Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ ..........10
Hình 7 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha .........................12
Hình 8 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất ..........................13
Hình 9 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất .......................13
Hình 10 Sự cố chạm đất trên đƣờng dây có hai nguồn cấp .....................................15
Hình 11 Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo đƣợc ...................17

Hình 12 Ảnh hƣởng của tƣơng hỗ giữa các đƣờng dây song song ..........................18
Hình 13 Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện ...................................................19
Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp .....................22
Hình 15 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây hai nguồn cấp khi sự cố .............................22
Hình 16 Sơ đồ thay thế chi tiết của đƣờng dây hai nguồn cấp bị sự cố ...................24
Hình 17 Đƣờng dây rẽ nhánh với sự cố trên một nhánh ..........................................29
Hình 18 Điện áp điểm T tính theo từ một trong các phía tới ở chế độ bình thƣờng 30
Hình 19 Điện áp điểm T tính theo từ một trong các phía tới ở chế độ sự cố trên
nhánh AT ...................................................................................................................30
Hình 20 Giao diện chính của Matlab .......................................................................36
Hình 21 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ....................................................36
Hình 22 Sơ đồ thuật toán tính toán trong Matlab.....................................................37
Hình 23 Sơ đồ mô phỏng đƣờng dây có rẽ nhánh trong PSCAD ............................38

v


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lƣờng tƣơng ứng .................... 11

vi


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

MỞ ĐẦU
Xác định chính xác vị trí sự cố của đƣờng dây trên không phục vụ kiểm tra
sửa chữa là hết sức quan trọng đối với nhân viên vận hành cũng nhƣ nhân viên hệ

thống trong khắc phục sự cố, do đó giảm thời gian sự cố, chi phí vận hành và hài
lòng khách hàng. Song song với quá trình cô lập sự cố thì việc xác định chính xác vị
trí điểm sự cố là rất quan trọng, nó giúp giảm bớt nhân công cần thiết để đi tìm điểm
sự cố trên đƣờng dây và trong trƣờng hợp sự cố là duy trì, thì sẽ giúp nhanh chóng
thay thế, sửa chữa các thiết bị bị hƣ hỏng và nhanh chóng phục hồi cấp điện trở lại.
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 là các đƣờng
cáp. Đối với đƣờng dây truyền tải, rơle bảo vệ khoảng cách là một công cụ vừa làm
nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện và định vị vị trí điểm sự cố trên đƣờng dây. Tuy nhiên
các rơle khoảng cách hiện nay đang sử dụng trên lƣới điện Việt Nam (Ví dụ nhƣ
7SA51,7SA52 của hãng Siemens; REL521,REL670 của ABB; P441,P442 của
AREVA; SEL321,SEL421 của hãng SEL;...) hoạt động dựa trên tín hiệu đo lƣờng
chỉ tại một đầu, do đó kết quả định vị điểm sự cố thƣờng bị sai lệch do bị ảnh
hƣởng của rất nhiều yếu tố. Trong nhiều trƣờng hợp sai số có thể lên tới hàng chục
km và điều này sẽ gây khó khăn cho các công tác khắc phục sau sự cố.
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phƣơng pháp định vị
điểm sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng thu thập đƣợc từ các đầu đƣờng dây có nhánh
rẽ (là các bản ghi sự cố trong rơle trang bị tại ba đầu). Phƣơng pháp này thể hiện có
nhiều ƣu việt hơn hẳn so với phƣơng pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía.
Tuy nhiên trở ngại lớn nhất là các tín hiệu đo lƣờng đƣợc tại ba đầu đƣờng dây
thƣờng không đƣợc đồng bộ về mặt thời gian, do đó không thể sử dụng ngay để tính
toán. Do đó luận văn đã đề xuất giải pháp để đồng bộ lại các tín hiệu này phục vụ
cho các tính toán định vị sự cố tiếp theo.
Kết quả nghiên cứu đƣợc mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đƣờng
dây 220kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh các tính đúng đắn của thuật toán
đƣợc đề xuất.

1

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 6 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). Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của
phƣơng pháp này và sự cần thiết phải có phƣơng pháp định vị sự cố chính
xác hơn.
Chƣơng 3: Giới thiệu nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ
hai đầu đƣờng dây. Các ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này. Cách thức
xác định, đồng bộ lại tín hiệu nếu tín hiệu đo lƣờng đƣợc không đƣợc đồng
bộ về mặt thời gian.
Chƣơng 4: Giới thiệu nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ
ba phía của đƣờng dây rẽ nhánh. Chƣơng này cũng giới thiệu chi tiết cách
thức xác định, đồng bộ lại tín hiệu nếu tín hiệu đo lƣờng đƣợc không đƣợc
đồng bộ về mặt thời gian.
Chƣơng 5: Mô phỏng áp dụng nguyên lý định vị sự cố với đƣờng dây rẽ
nhánh 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. Kết quả mô phỏng cũng đƣợc so sánh với trƣờng hợp chỉ sử
dụng tín hiệu từ một phía để làm rõ ƣu điểm của thuật toán.
Chƣơng 6: Kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

2

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1

Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đƣờng 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. 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.
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

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 và ba đầu đƣờng dây. Nhƣng hầu hết trong các tài liệu rơle này
đều không đề cập đến thuật toán và phƣơng pháp xác định điểm sự cố.

3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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 từ hai và ba đầu
đƣờng dây.
Một điểm rất thuận lợi cho việc đề xuất thuật toán xác định điểm sự cố theo
tín hiệu ba 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 phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải
Có nhiều phƣơng pháp định vị sự cố đã đƣợc đề xuất áp dụng đối với đƣờng

dây truyền tải điện, 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:
o Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía của đƣờng dây.
o Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả hai phía của đƣờng dây.
o Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả ba phía của đƣờng dây
o 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). 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 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.

4


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

 Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập đƣợc của các
rơle tại các 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:
o Ảnh hƣởng của hồ quang tại điểm sự cố.
o Ảnh hƣởng của tải trƣớc sự cố trên đƣờng dây.
o 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).

o Ảnh hƣởng của hỗ cảm do các đƣờng dây chạy song song gây ra.
o 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. 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.
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 1.2-1.

5


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

A

IA

B

IA
(1-x)

x

IF

RF

Hình 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 2.
IA

A

x*ZD

(1-x)*ZD

F

IB

B

IF

UF

UA

RF

UB

Hình 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
UF

UA

UB

I A * x * ZD

[1.1]

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 UB

IB * ZD

x * Z D *( I A

IB )

[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 )

[1.4]

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 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.
6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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:

o Không bị ảnh hƣởng của tổng trở nguồn.
o 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.
o 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 đối với đường dây có rẽ nhánh
Sơ đồ đƣờng dây rẽ nhánh có 3 đƣợc trình bày trong Hình 3. Sự cố có thể
xuất hiện tại bất kỳ điểm nào trên đƣờng dây AT, BT hoặc CT. Khoảng cách tính từ
các đầu A, B , C tới điểm sự cố giả thiết là dA, dB, dC.
FC
dC
FA
Hệ thống
A
A

dA

B

FB
T

C
Hệ thống
C

Hệ thống

B

dB

Hình 3 Sơ đồ đường dây có rẽ nhánh

Ở chế độ vận hành bình thƣờng, điện áp tại điểm rẽ nhánh T khi tính từ ba
phía A, B, C tới có giá trị giống nhau vì đây chỉ là một điểm nút. Tuy nhiên ở chế
độ sự cố thì điện áp điểm T nếu tính từ A có thể khác với điện áp điểm T nếu tính từ
B hoặc C tùy theo sự cố ở trên nhánh . Ví dụ điện áp điểm T nếu tính từ đầu B, C có
giá trị gần giống nhau khi sự cố, giá trị điện áp tính từ A khác biệt hoàn toàn thì có
thể kết luận điểm sự cố nằm trên đoạn AT.

7


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

Dựa trên phân tích trên có thể thấy rằng, khi đã xác định đƣợc nhánh bị sự cố thì
hoàn toàn có thể chuyển về bài toán định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai
phía nhƣ đã trình bày trong mục 1.2.2 (với ví dụ đã nêu, bài toán sẽ chuyển thành
định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai phía của đoạn đƣờng dây AT, với
điện áp nút T đƣợc tính theo điện áp từ một trong hai đầu B hoặc C).
1.2.4 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. 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 4. 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:
l c* t
2

x

trong đó:
x: khoảng cách đến điểm sự cố
l: tổng chiều dài đƣờng dây
c: vận tốc ánh sáng (299.792m/s)

Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây
8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

Đặc điểm của phƣơng pháp này:
o 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.
o 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.
o 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.
Một số nghiên cứu khác cũng đã đề xuất tới việc sử dụng tín hiệu đo lƣờng
chỉ từ một phía đƣờng dây. Khoảng cách sự cố đƣợc tính toán ra dựa trên thời gian
giữa hai lần phản xạ giữa hai lần liên tiếp của tín hiệu tại một đầu đƣờng dây

(nguyên lý tính toán gần tƣơng tự).

9


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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

Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng 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 5 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. Trong chế
độ vận hành bình thƣờng điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động
(Hình 6).

Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ
10

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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

sự cố khác có thể nhiều mạch vòng đo cùng cho ra kết quả chính xác.
Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng
Vòng lặp tính cho tổng
Loại sự cố
Pha sự cố
trở
A-E

A–E

B-E

B–E

C-E

C–E

Sự cố pha – A – B

A–B

pha

B–C

Sự cố pha –
đất

B–C

11


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

C–A

C–A

Sự cố 3 pha

A-B hoặc B-C hoặc C-A

hay 3 pha – A – B – C (E)

hoặc A-E hoặc B-E hoặc C-

đất

E

Sự cố 2 pha –
đất

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

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

Z1

I phaY

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 Hình 7

IPha X

Z1
RF/2

UPha X - UPha Y

IPha Y

RF/2

Z1

Hình 7 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha

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

Z pha

U phaX

E

I phaX
U phaX

E

I phaX

KN IN

Z1 Z N

Z1

Rf
Rf

1 KN

[2.3]

[2.4]

Trong đó: X là pha bị sự cố, K là hệ số bù, IN là dòng điện dƣ bằng tổng
dòng của các pha.
12


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất đƣợc thể hiện trong
Hình 8

IPha X

Z1
RF

UPha X

IN

ZN

Hình 8 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 9 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:
Z0
3

U0
3I 0

Và

ZN

1
Z1
3

ZN

Z0

Z1
3

[2.5]
[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 9 thì có thể viết lại công thức nhƣ sau:
U phaX

Z1 I phaX

ZN IN

Rf IN

Z1 I phaX

ZN
IN
Z1

13

Rf IN

[2.7]


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

ZN
IN
Rf IN
Z1

I phaX K N I N

Z1 I phaX
Z pha

E

Rf

Z1

I phaX
IN
ZN
Z1

KN

Trong đó:

[2.8]
KN

Z 0 Z1
3Z1

[2.9]

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

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

2.2

pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố 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

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:

8750.Larc
I 1f .4

[2.10]

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)
14


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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 10

Hình 10 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.

15


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

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
ZA

dZ L

RF 1

IB
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

IB
IA

Nếu dòng điện IA và IB trùng pha nhau hoàn toàn: thì giá trị RF# hoàn toàn
thuần trở. Thành phần điện trở trong tổng trở đo đƣợc sẽ bị sai khác với điện trở của
phần đƣờng dây bị sự cố, tuy nhiên thành phần điện kháng không bị ảnh hƣởng , do
đó khoảng cách đo đƣợc sẽ đúng với khoảng cách sự cố thực tế (vì phép xác định
khoảng cách chỉ dựa theo thành phần điện kháng)
Nếu dòng điện IA và IB lệch pha nhau: thì thành phần RF# thể hiện nhƣ một
tổng trở bao gồm thành phần điện trở và điện kháng hoặc thành phần điện trở và

điện dung (tùy theo dòng IB là sớm pha hơn hay chậm pha hơn so với IA trong công
16


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

thức [2.15]. Thành phần RF# khi đó sẽ ảnh hƣởng cả tới giá trị điện kháng trong tổng
trở mà rơle đo đƣợc, và do đó khoảng cách tính toán đƣợc sẽ bị sai khác so với thực
tế. Hình 11 thể hiện chi tiết quan hệ này.

Hình 11 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được

Trong đó:

a. Điện trở tại điểm sự cố thể hiện thuần trở.
b. Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện dung.
c. Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện kháng.

2.2.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố
Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đƣờng dây khi xảy ra sự cố, một
cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đƣờng dây
trong chế độ vận hành bình thƣờng. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế
độ bình thƣờng lại phụ thuộc vào mức độ tải của đƣờng dây, do đó có thể nói dòng
điện tải trên đƣờng dây có ảnh hƣởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
Trong trƣờng hợp đƣờng dây chỉ có một nguồn cấp thì ảnh hƣởng này là không cần
tính đến.
2.2.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song
Trong lƣới truyền tải điện hầu hết các đƣờng dây vận hành đều song song và
đi chung cột. Các đƣờng dây này có ảnh hƣởng tƣơng hỗ lẫn nhau, ảnh hƣởng này
sẽ là đáng kể trong trƣờng hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không

(TTK) chạy trên đƣờng dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đƣờng dây bị
sự cố làm cho giá trị đo đƣợc của rơle tổng trở tại đƣờng dây sự cố bị sai lệch.
17


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh

V01

A

Z0M

Z01

I01

Z02

I02

B

Hình 12 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song

V01 = Z01I01 + Z0MI02

[2.16]

Trong đó:

V01: điện áp TTK của bảo vệ trên đường dây bị sự cố.
Z01: tổng trở TTK của đường dây bị sự cố.
Z0M: tổng trở tương hỗ TTK giữa hai đường dây.
I01, I02: dòng điện TTK chạy trên đường dây bị sự cố và đường dây lân cận.
Thông thƣờng sự ảnh hƣởng tổng trở tƣơng hỗ của các thành phần thứ tự
thuận và thứ tự nghịch là rất ít chiếm khoảng từ 5% đến 7% và có thể bỏ qua. Trong
khi đó ảnh hƣởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hƣởng rất lớn và chiếm khoảng
50% đến 70%. Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tƣơng hỗ TTK của một
đƣờng dây có thể là:
Z0

0,1101

Z0

0,06874

j1,0127 (Ω/km)
j 0,5323 (Ω/km)

Để rơle có thể làm việc đúng cần bù lại sự thay đổi về điện kháng TTK do các
đƣờng dây lân cận gây ra. Các rơle hiện nay thực hiện việc này bằng cách lấy dòng
TTK từ đƣờng dây lân cận đƣa vào trong rơle và rơle sẽ có thuật toán để bù lại
thành phần hỗ cảm TTK này. Tuy nhiên, việc này chỉ thực hiện đƣợc khi hai đƣờng
dây đi ra từ cùng một trạm biến áp, trong trƣờng hợp hai đƣờng dây thuộc hai trạm
riêng biệt thì rất khó để thực hiện giải pháp này.
Việc xác định chính xác thành phần tổng trở tƣơng hỗ TTK còn gặp nhiều khó khăn
do có trƣờng hợp các đƣờng dây chỉ đi song song một phần hoặc đƣờng dây song
song đang cắt khỏi vận hành và nối đất hai đầu…

18