Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

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

Trần Thanh Sơn

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỂN TẢI
DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.

Hà Nội - 2014


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

Trần Thanh Sơn

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỂN TẢI
DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY

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

Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN............. 3
1.1

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

1.2

Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải .............. 5

1.2.1

Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường tại một đầu đường dây .................. 6

1.2.2

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía ................. 7

1.2.3

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

CHƯƠNG 2 ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT
PHÍA ............................................................................................................................ 11
2.1

Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía. ................... 11

2.1.1

Nguyên lý làm việc .................................................................................... 11

2.1.2

Thuật toán tính toán tổng trở trong rơle bảo vệ khoảng cách ....................... 12

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

Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố ....................................................... 15

2.2.2

Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố ................................... 18

2.2.3

Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song ............ 19

2.2.4

Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện .................................................... 20

2.3

Tổng kết các ưu, nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo

lường từ một phía ........................................................................................................ 22
CHƯƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ HAI ĐẦU
ĐƯỜNG DÂY ............................................................................................................. 24
3.1

Nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây24

3.2

Khái niệm góc đồng bộ khi đồng bộ hóa lại tín hiệu đo lường từ hai đầu đường

dây

25

i

Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

3.3

Đề xuất nghiên cứu ........................................................................................... 28

3.3.1

Cơ sở của thuật toán được đề xuất .............................................................. 28

3.3.2

Chi tiết tính toán vị trí sự cố theo phân bố điện áp từ hai phía ..................... 29

3.3.3

Lựa chọn loại dòng điện và điện áp trong tính toán góc đồng bộ ................. 31

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA
THEO PHÂN BỐ ĐỘ LỚN ĐIỆN ÁP TỪ HAI PHÍA ................................................. 33
4.1

Thông số của đường dây được mô phỏng .......................................................... 33

4.2

Thông số của tuyến đường dây được mô phỏng ................................................. 36

4.3

Sơ đồ khối của thuật toán tính toán định vị sự cố dựa theo phân bố điện áp từ hai

phía 39
4.3.1

Lưu đồ tổng thể của quá trình tính toán ...................................................... 39

4.3.2

Lưu đồ của thuật toán tính toán vị trí sự cố ................................................. 42

4.4

Kịch bản mô phỏng ........................................................................................... 43

4.5

Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 45

4.5.1

Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 0Ω, bước tăng trong tính toán vị trí sự cố là

0,1km 46
4.5.2

Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 5Ω, bước tăng trong tính toán vị trí sự cố là

0,1km 47

4.5.3

Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 10Ω và 100% tải trước sự cố, bước tăng

trong tính toán vị trí ................................................................................................. 48
4.5.4

Bảng tổng hợp số liệu với các kịch bản mô phỏng khác .............................. 49

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................. 51
5.1

Kết luận ............................................................................................................ 51

5.2

Phương hướng nghiên cứu trong tương lai ......................................................... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 53
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 54
Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố cho đường dây dựa theo phân bố điện áp từ
hai phía........................................................................................................................ 54

ii


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

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 chưa từng được
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 được 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

Trần Thanh Sơn

iii


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Đường dây 500kV bị sự cố do cần cẩu chạm vào .................................................. 4
Hình 2 Thiết bị ghi sự cố và rơle sử dụng trong trạm biến áp ............................................ 5
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp .................................... 7
Hình 4 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố ...................................................................... 7
Hình 5 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây ................................ 9
Hình 6 Rơle có sử dụng đồng bộ thời gian bằng đồng hồ vệ tinh GPS ............................ 10
Hình 7 Bảo vệ khoảng cách áp dụng cho đường dây tải điện............................................ 11
Hình 8 Đặc tính tác động MhO của rơle bảo vệ khoảng cách .......................................... 12
Hình 9 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp và sơ đồ thay thế ...................... 16
Hình 10 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được ............................. 18
Hình 11 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song .................................... 19
Hình 12 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện ........................................................... 21
Hình 13 Đường dây với các rơle bảo vệ được đồng bộ bởi đồng hồ GPS ......................... 24
Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp ............................... 24
Hình 15 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu ..................................................... 26
Hình 16 Trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ ............................................ 26

Hình 17 Phân bố điện áp tính từ hai phía tới trên đường dây bị sự cố ............................... 28
Hình 18 Sơ đồ đường dây bị sự cố ................................................................................... 29
Hình 19 Sơ đồ thay thế hình π sử dụng thông số rải của đường dây bị sự cố .................... 30
Hình 20 Giao diện chính của Matlab................................................................................ 35
Hình 21 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ............................................................. 36
Hình 22 Sơ đồ tuyến đường dây được mô phỏng trong PSCAD ....................................... 36
Hình 23 Minh họa khối tính toán thành phần thứ tự thuận ............................................... 37
Hình 24 Cách bố trí dây dẫn các pha................................................................................ 37
Hình 25 Thông số đường dây được PSCAD tính ra ......................................................... 38
Hình 26 Giao diện để điều chỉnh thông số đường dây ...................................................... 38
Hình 27 Giao diện để điều chỉnh nguồn khi thay đổi dòng công suất ............................... 39
Hình 28 Lưu đồ tính toán sử dụng trong luận văn ............................................................ 40
Hình 29 Dữ liệu sau khi chuyển sang file Excel ............................................................... 41

iv


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Hình 30 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 1 mẫu ................................................ 41
Hình 31 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 2 mẫu ................................................ 41
Hình 32 Lưu đồ thuật toán dò tìm vị trí sự cố .................................................................. 43
Hình 33 Dạng sóng điện áp từ hai đầu S và R thu được trước và trong khi sự cố.............. 45
Hình 34 Độ lớn điện áp thứ tự thuận thu được từ đầu S và R trước và trong khi sự cố ..... 45
Hình 35 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=0Ω ....................................... 47
Hình 36 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=5Ω ....................................... 48
Hình 37 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=10Ω ..................................... 49

v

Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các phép tính tương ứng trong rơle khoảng cách .......... 14
Bảng 2 Tổng hợp sai số tính toán vị trí sự cố với các kịch bản mô phỏng......................... 49

vi


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

MỞ ĐẦU
Trong hệ thống lưới điện truyền tải, sự cố có thể xuất hiện tại bất cứ thời
điểm nào, tại bất cứ nơi nào, nguyên nhân sự cố rất đa dạng và không thể đoán biết
trước. Tất cả các sự cố cần phải được loại trừ càng nhanh càng tốt để giảm thiểu
mức độ thiệt hại cho thiết bị cũng như đảm bảo duy trì làm việc sự ổn định của hệ
thống điện. Bên cạnh đó, việc xác định chính xác vị trí sự cố đóng vai trò rất quan
trọng do nhiều lý do:
-

Giảm chi phí và nhân công cho việc sửa chữa, thay thế thiết bị hư hỏng.

-

Nhanh chóng khôi phục sự làm việc bình thường của hệ thống sau sự cố.

-

Giảm thời gian ngừng cung cấp điện trong các trường hợp sự cố duy trì.

Trong hệ thống điện, nhiều phương pháp bảo vệ định vị sự cố đã được giới
thiệu. Định vị sự cố được áp dụng phổ biến đối với lưới điện truyền tải và các
đường cáp. Rơle bảo vệ phổ biến nhất đối với lưới truyền tải là rơle bảo vệ khoảng
cách. Các rơle bảo vệ khoảng cách có thể định vị sự cố, tuy nhiên độ chính xác còn
là vấn đề cần phải được xem xét. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định
vị sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách có thể là điện trở hồ quang tại điểm sự
cố, thông số của đường dây không chính xác, ảnh hưởng hỗ cảm của các đường dây
song song, sự thay đổi điện trở suất của đất tại các vùng khác nhau mà tuyến đường
dây đi qua...Trong một số trường hợp, sai số của thể lên tới hàng chục kilomet, do
đó các đơn vị tốn rất nhiều thời gian để tìm kiếm vị trí chính xác của các sự cố.
Nội dung luận văn tập trung phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo
lường từ hai đầu đường dây. Mặc dù phương pháp này có nhiều ưu điểm so với
phương pháp định vị sự cố chỉ dựa theo tín hiệu từ một phía, cần phải tính toán
đồng bộ lại các tín hiệu đo từ hai đầu đường dây. Để khắc phục các nhược điểm
này, trong luận văn đề xuất phương pháp tính toán định vị sự cố dựa trên phân bố
độ lớn của điện áp từ hai phía của đường dây. Việc sử dụng độ lớn của điện áp có
ưu điểm là loại trừ được yêu cầu phải đồng bộ tín hiệu đo từ hai phía, do đó có thể

1


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

áp dụng rộng rãi với cả các đường dây mà hệ thống bảo vệ hai đầu không được
đồng bộ thời gian.
Đề xuất nghiên cứu được tính toán với số liệu mô phỏng dựa trên PSCAD.
Đường dây được mô phỏng là tuyến đường dây 220kV lấy thông số từ tuyến đường
dây có sẵn trong thư viện của phần mềm PSCAD.
Về bố cục, luận văn gồm các phần như sau đây:

Chương 1: Giới thiệu chung về sự cần thiết nâng cao độ chính xác trong định vị
sự cố trên lưới điện. Giới thiệu ngắn gọn và so sánh sơ lược các phương pháp phổ
biến để định vị sự cố trên các đường dây truyền tải điện.
Chương 2: Giới thiệu chi tiết nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường
từ một phía (nguyên lý này được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách). Phân
tích các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép định vị.
Chương 3: Giới thiệu phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ
hai đầu đường dây. So sánh cách ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này.
Đồng thời đi sâu phân tích thuật định vị sự cố dựa theo phân bố độ lớn điện áp từ
hai đầu đường dây. Các ưu điểm của thuật toán này
Chương 4: Tính toán áp dụng với mô hình đường dây 220kV lấy thông số chuẩn
từ phần mềm PSCAD. Các mô phỏng được thực hiện bằng PSCAD và số liệu sẽ
được tính toán bằng Matlab.
Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tương lai.

2


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
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 đường 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 được khắc
phục thông qua tự động đóng lại. Tuy nhiên xác định sớm và nhanh chóng
điểm bị hư 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 được nghiên cứu
trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lưới truyền
tải. Lưới truyền tải được quan tâm vì mức độ ảnh hưởng 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 lưới phân phối.
Phát hiện vị trí sự cố thường dựa trên việc tuần tra dọc tuyến đường dây, tuy nhiên
đây là công việc tốn nhiều nhân công và thời gian. Có nhiều phương pháp định vị
sự cố trong hệ thống điện đã được nghiên cứu và đưa vào áp dụng, nhiều loại thiết
bị tiến tiến đã được lắp đặt trên lưới điện Việt Nam (thiết bị định vị sự cố dựa theo
sóng lan truyền trên đường dây). Các phần tiếp theo sẽ giới thiệu các phương pháp
định vị sự cố này.

3


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Hình 1 Đường dây 500kV bị sự cố do cần cẩu chạm vào

Trong các trạm biến áp, có thể có cả các bộ ghi sự cố và các rơle bảo vệ, các
thiết bị này có sự liên hệ chặt chẽ do làm việc cùng trên một đối tượng. Tuy nhiên
có một số khác biệt giữa hai loại thiết bị này:
-

Tốc độ truyền thông tin;

-

Tần số lấy mẫu tín hiệu;

-

Khả năng lưu trữ dữ liệu;

-

Số lượng tín hiệu thu thập được;

-

Khả năng lọc và xử lý tín hiệu

4


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Cả hai loại thiết bị này đều có khả năng lưu trữ dữ liệu và do đó có thể cung
cấp các số liệu cần thiết cho việc tính toán định vị sự cố theo phương pháp dựa theo
tín hiệu đo từ hai đầu đường dây.

Hình 2 Thiết bị ghi sự cố và rơle sử dụng trong trạm biến áp

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải
Có nhiều phương pháp định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường
dây truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp
dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây, có thể phân

loại sơ lược các phương pháp này như sau [3, 8]:
-

Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây.
o Sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách

-

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây
o Tín hiệu đo lường được đồng bộ về thời gian
 Tín hiệu đo được gồm đầy đủ điện áp và dòng điện hai phía
 Tín hiệu đo được thiếu dòng điện hoặc điện áp của một phía.
o Tín hiệu đo lường không được đồng bộ về thời gian
 Tín hiệu đo được gồm đầy đủ điện áp và dòng điện hai phía.
 Tín hiệu đo được thiếu dòng điện hoặc điện áp của một phía.

-

Định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền:
o Dựa theo sóng lan truyền tới hai đầu đường dây
5


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

o Dựa theo thời điểm sóng lan truyền tới một đầu đường dây

1.2.1 Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường tại một đầu đường dây
Nguyên lý định vị sự cố này được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách
[6]. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo

được. Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle sẽ tác động và tính toán
vị trí sự cố dựa theo số liệu đo được. Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định
dựa theo công thức:
Lsc (km) 

xdo
 L(km)
x1km

Trong đó
-

xđo & x1km là điện kháng đo được và điện kháng của một đơn vị chiều
dài đường dây.

-

L & Lsc: tổng chiều dài đường dây và khoảng cách đến điểm sự cố
(tính theo km)

Việc sử dụng điện kháng trong tính toán là để giảm ảnh hưởng của điện trở sự cố
đến độ chính xác.
Các nhận xét chung với phương pháp này:
-

Chỉ cần sử dụng tín hiệu đo lường tại chỗ. Tín hiệu từ đầu đối diện chỉ sử
dụng để truyền tín hiệu liên động khóa hoặc cho phép cắt.

-

Không cần xét tới việc đồng bộ thời gian với rơle ở đầu đối diện.

-

Quen thuộc đối với người sử dụng, dễ dàng xem xét số liệu do việc chỉ báo
sự cố là tự động.

-

Tuy nhiên độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố: như giá
trị điện trở hồ quang tại điểm sự cố, mức tải của đường dây trước sự cố, ảnh
hưởng của nguồn trung gian bơm vào đường dây…các yếu tố ảnh hưởng này
sẽ được phân tích ở chương sau.

6


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía
Phương pháp này sử dụng tín hiệu đo lường từ hai đầu của đường dây tải
điện [1, 4, 5]. Chi tiết của nguyên lý này được thể hiện như sau:
Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là p (%) trên đường dây
AB như trong Hình 3:
B
IA

IB
1-p

p
RF

Hình 3 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 đường dây trên trong trường
hợp sự cố như trên Hình 4.

Hình 4 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Dòng điện và điện áp {IA & IB}, {UA & UB} đo tại hai đầu đường dây giả
thiết được đồng bộ về mặt thời gian.
Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:
U F  U A  I A * p * ZD

[1.1]

U F  U B  I B * (1  p) * Z D

[1.2]

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB
Trừ hai phương trình cho nhau:
7


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

U A  U B  I B * Z D  p * Z D *( I A  I B )

[1.3]

Khoảng cách đến điểm sự cố được tính ra từ phương trình trên:
p

U A  U B  IB * ZD
Z D * (I A  IB )

[1.4]

Phương trình trên có thể áp dụng cho mọi trường hợp sự cố. Tuy nhiên, để
thuận tiện trong tính toán có thể sử dụng các thành phần dòng điện & điện áp thứ tự
thuận (TTT) hoặc thứ tự nghịch (TTN) hoặc thứ tự không (TTK) trong tính toán.
Do các thành phần điện kháng thứ tự không của đường dây rất khó để xác định
chính xác, do vậy thường 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 được với các
sự cố không đối xứng).
Các nhận xét với phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng
bộ từ hai đầu đường dây:
-

Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phương trình tính toán khoảng
cách đến điểm sự cố, do đó không gây ảnh hưởng đến độ chính xác của kết
quả định vị sự cố.

-

Độ chính xác định vị sự cố cao hơn so với phương pháp tính toán chỉ sử
dụng tín hiệu đo lường từ một đầu

-

Không chịu ảnh hưởng của dòng tải trước sự cố
Phương pháp này sẽ được phân tích chi tiết trong Chương 3

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 đường dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến
về dòng điện và điện áp [6]. Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên
đường 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 đường 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.

8


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện
trên Hình 5. Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t)
hoàn toàn có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:
x

l  c * t
2

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

Hình 5 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Khoảng thời gian chênh lệch Δt giữa tín hiệu tới các đầu đường dây phải được xác
định một cách rất chính xác. Với việc sử dụng đồng bộ thời gian bằng tín hiệu đồng
hồ vệ tinh GPS (Hình 6) có thể giải quyết được vấn đề này.

9


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Hình 6 Rơle có sử dụng đồng bộ thời gian bằng đồng hồ vệ tinh GPS

Các nhận xét với phương pháp này:
-

Cần có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao.
Việc ứng dụng đồng hồ vệ tinh GPS đảm bảo khả năng đồng bộ này, tuy
nhiên vẫn có sai số nhất định. Kết quả ứng dụng thực tế cho thấy sai số định
vị có thể trong khoảng 300m.

-

Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao và khả năng lưu trữ
lớn để có thể ghi nhận các tín hiệu sóng lan truyền.

-

Cần phải xử lý chống nhiễu cho các thiết bị đo

-

Cần có thuật toán phức tạp để xử lý tìm ra tín hiệu tới và phản xạ.

-

Giá thành của thiết bị rất cao, không phù hợp để triển khai rộng rãi.
Phương pháp sử dụng tín hiệu lan truyền tới chỉ một đầu đường dây cũng đã

được đề xuất trong một số nghiên cứu. Trong phương pháp này, bộ ghi sự cố sẽ ghi
nhận khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp của sóng lan truyền tại một đầu đường
dây, sau đó tính toán ra khoảng cách sự cố. Phương pháp này đơn giản hơn về mặt
thiết bị, tuy nhiên do các sóng phản xạ bị suy giảm rất mạnh nên rất khó để lọc được
các tín hiệu cần thiết.

10


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

CHƯƠNG 2 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 được sử dụng phổ biến hiện nay hoạt động theo
nguyên lý tổng trở thấp (Z<). Tín hiệu dòng điện và điện áp sẽ được đo thông qua
biến dòng điện và biến điện áp 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 được trong các chế
độ bình thường cũng như sự cố.

Hình 7 Bảo vệ khoảng cách áp dụng cho đường dây tải điện

Giá trị tổng trở đo được sẽ được 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 tương ứng. Trong chế
độ vận hành bình thường điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động
(Hình 8).

11


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Hình 8 Đặc tính tác động MhO của rơle bảo vệ khoảng cách

Dựa theo giá trị điện kháng đo được, rơle sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí
đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức:
Lsc (km) 

xdo
 L(km)
x1km

[2.1]

Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh
hưởng 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 hưởng bởi điện trở hồ
quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán được.
Do các tín hiệu dòng điện và điện áp thường dao động mạnh trong quá trình

quá độ nên rất khó để tính toán chính xác vị trí sự cố. Các rơle khoảng cách hiện
nay sử dụng mẫu dòng điện và điện áp thu thập được trong khoảng thời gian ngắn
trước thời điểm cắt máy cắt để tránh các nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính xác của
định vị. Giá trị khoảng cách tính toán được là kết quả trung bình của nhiều lần tính
toán với các mẫu thu thập được.

2.1.2 Thuật toán tính toán tổng trở trong rơle bảo vệ khoảng cách
Rơle kỹ thuật số hiện nay thực hiện việc tính toán tổng trở đồng thời với tất
cả ba pha. Do tính chất khác nhau của sự cố pha - pha và pha - đất nên cần thực hiện
các phép tính toán riêng với hai loại sự cố này. Như vậy rơle cần tính toán ít nhất là
6 phép tính cùng lúc, phép tính nào cho ra giá trị tổng trở nhỏ nhất sẽ được sử dụng
12


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

để rơle ra quyết định cắt sự cố hay không, đồng thời các giá trị tổng trở này cũng
được sử dụng trong khâu tính toán vị trí sự cố [6]. Ví dụ, với sự cố pha A – đất thì
chỉ một phép tính toán tổng trở pha-đất dựa trên dòng điện, điện áp pha A cho kết
quả nhỏ nhất, các tính toán khác sẽ cho kết quả tính toán lớn hơn.
Xem xét phương pháp tính toán tổng trở cho sự cố pha –đất:
Giả thiết sự cố xảy ra giữa pha A với đất. Phần tử tính toán tổng trở A- đất sẽ thực
hiện tính toán với tín hiệu điện áp và dòng điện là VAF và IAF, giả thiết khoảng cách
đến điểm sự cố là p và tổng trở TTT, TTN & TTK của đường dây là Z1, Z2, Z0.
Dựa theo phương pháp thành phần đối xứng có thể viết như sau:
VAF=V1+V2+V0=I1*(pZ1) + I2*(pZ2) + I0*(pZ0)

[2.2]

Mặt khác có thể viết:

IAF=I1+I2+I0=3I0

[2.3]

VAF  I1 *  pZ1   I 2 *  pZ 2   I 0 *  pZ 0 

Z 
 pZ1L  I1  I 2  I 0 0 L 
Z1L 



Z 
Z  Z1L 
 pZ1L  I A  I 0  I 0 0 L   pZ1L  I A  I 0 0 L

Z1L 
Z1L 



I
Z  Z1L 
 pZ1L  I AF  AF  0 L
  pZ1L * I AF * 1  K 0 
3
Z1 L 


[2.4]

Có thể thấy rằng để rơle có thể tính toán chính xác tổng trở sự cố thì cần đưa
thêm thành phần dòng điện TTK vào trong tính toán theo phương trình 2.4.
Do đó với các rơle bảo vệ khoảng cách thường phải cài đặt hệ số bù dòng điện TTK
(hệ số K0 trong công thức 2.4):
K0 

Z 0 L  Z1L
Z1 L

Các tính toán cho sự cố pha-pha được diễn giải tương tự.

13

[2.5]


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các phép tính tương ứng trong rơle khoảng cách

Loại sự cố

Tổng trở TTT tính theo phương trình

A-G

VA
I A  1  K 0 

B-G

VB
I B  1  K 0 

C-G

VC
I C  1  K 0 

A-B hoặc A-B-G

VA  VB
I A  IB

B-C hoặc B-C-G

VB  VC
I B  IC

C-A hoặc C-A-G

VC  VA
IC  I A

Sử dụng một trong các công thức sau đây:
a-b-c

VA  VB VB  VC VC  VA
;

;
I A  I B I B  IC I C  I A

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

14


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố có thể kể đến
là [2]:
-

Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố

-

Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố.

-

Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ do các đường dây chạy song song gây
ra

-

Ảnh hưởng 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 thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng
điện. Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện
trở hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất. Một số trường hợp
sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này
cũng gây ảnh hưởng 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:

[2.6]

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, nhưng nó sẽ tăng và kéo dài do gió thổi ngang qua do sự đối lưu và
truyền sóng điện từ. Người ta đưa 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

[2.7]

d: khoảng cách giữa các pha (m)
u: Vận tốc gió (m/s)
15


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

tarc: Thời gian tồn tại hồ quang
Trong trường 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 lưới điện. Khi sự
cố các pha với nhau điện trở sự cố thường nhỏ và không vượt 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. Trường 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. Như vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm.
Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố và dòng tải trên đường dây đến tổng trở đo
được
Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp như Hình 9

Hình 9 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp và sơ đồ thay thế

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

[2.8]

Trong đó:
16


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây

d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1)
ZL: tổng trở của đường dây AB
UA; IA: là điện áp và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle phía trạm A
IF: dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, thỏa mãn quan hệ
I F = I A + IB
Từ công thức [2.8] suy ra ZA =
ZA =

[2.9]

UA
I
= dZL + RF F
IA
IA

UA
I
= dZL + RF F
IA
IA

[2.10]

trong đó: ZA là tổng trở đo được bởi rơle đầu phía trạm A
.
Thay thế IF = IA + IB vào phương trình [2.10] ta có
 I 
Z A  dZ L  RF 1  B 
 IA 

[2.11]



Do các giá trị dòng điện đều là đại lượng số phức nên thành phần RF  1 




toán được cũng có thể là số phức. Để đơn giản giả thiết Z F  RF  1 


-

IB 
 tính
IA 

IB 

IA 
 IB 

 sẽ là số
 IA 

Nếu dòng điện IA và IB trùng pha nhau hoàn toàn: thì giá trị 

thực và ZF tính được sẽ chỉ gồm thành phần điện trở (thuần trở). Thành phần
điện trở trong tổng trở đo được sẽ bị sai khác với điện trở của phần đường
dây bị sự cố, tuy nhiên thành phần điện kháng không bị ảnh hưởng. Rơle tính
toán khoảng cách sự cố dựa theo điện kháng đo được nên sẽ không bị ảnh
hưởng đến độ chính xác.
-

 IB 
 thể hiện như một
 IA 

Nếu dòng điện IA và IB lệch pha nhau: thì thành phần 

số phức  giá trị ZF đo được sẽ là một tổng trở. Tổng trở ZF bao gồm thành
17