Định vị sự cố và kết hợp xác định tổng trở cho đường dây truyền tải ngắn

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

Hoàng Ngọc Dũng

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ VÀ KẾT HỢP XÁC ĐỊNH TỔNG TRỞ CHO
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI NGẮN

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
---------------------------------------

Hoàng Ngọc Dũng

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ VÀ KẾT HỢP XÁC ĐỊNH TỔNG TRỞ CHO
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI NGẮN

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. Nguyễn Xuân Tùng

Hà Nội - 2014

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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

Hoàng Ngọc Dũng

I


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... I
MỤC LỤC ..................................................................................................................... II
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................IV
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ V
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................VI

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 – SỰ CẦN THIẾT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ SỰ CỐ
TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN ................................................................... 3
1.1

Giới thiệu chung: ................................................................................................. 3

1.2

Sự cần thiết nâng cao độ chính xác định vị điểm sự cố và xác định tổng trở trên

đường dây truyền tải điện: .............................................................................................. 3
CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN
TẢI ĐIỆN ....................................................................................................................... 6
2.1.

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía ....................... 6

2.1.1.

Nguyên lý làm việc: ...................................................................................... 6

2.1.2

Các mạch vòng tính toán tổng trở: ................................................................ 8

2.1.3.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương

pháp dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía[5] .......................................................... 10
2.1.4.

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

hiệu đo lường từ một phía......................................................................................... 17
2.2.

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía: ..................... 18

2.2.1.

Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía: ......................... 18

2.2.2

Vấn đề cần giải quyết đối với thuật toán này ............................................... 19

2.3.

Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền .......................... 20

2.4.

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tần số cao: .................................................. 23

CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ KẾT HỢP XÁC ĐỊNH TỔNG
TRỞ ĐƯỜNG DÂY DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG KHÔNG ĐỒNG BỘ TỪ
HAI ĐẦU ..................................................................................................................... 25
3.1.

Phương pháp đồng bộ các tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây đối với

đường dây truyền tải ngắn thiếu thông số đường dây[7]: ................................................ 25

II


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3.2.

Xác định thông số đường dây và xác định vị trí sự cố từ tín hiệu đo lường đồng

bộ tại 2 đầu: ................................................................................................................. 29
3.2.1.

Xác định thông số đường dây: ..................................................................... 29

3.2.2.

Xác định vị trí sự cố từ tín hiệu đo lường đồng bộ tại 2 đầu đường dây: ...... 29

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG ................................................................... 32
4.1

Công cụ sử dụng ................................................................................................ 32

4.1.1. Tính năng cơ bản của phần mềm PSCAD: ...................................................... 32
4.1.2. Tính năng cơ bản của phần mềm MATLAB.................................................... 32

4.1.3. Sơ đồ khối các bước thực hiện và thuật toán của chương trình: ...................... 35
4.2

Sơ đồ mô phỏng ................................................................................................. 35

4.3

Các kịch bản mô phỏng ...................................................................................... 37

4.4

Kết quả mô phỏng và nhận xét: .......................................................................... 38

4.4.1. Kịch bản 1: ..................................................................................................... 38
4.4.2. Kịch bản 2: ..................................................................................................... 39
4.4.3. Kịch bản 3: ..................................................................................................... 41
4.4.4. Kịch bản 4: ..................................................................................................... 42
4.4.5. Kịch bản 5: ..................................................................................................... 44
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................. 46
5.1

Kết luận ............................................................................................................. 46

5.2

Phương hướng nghiên cứu trong tương lai ......................................................... 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 48
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 49
PHỤ LỤC 1: Thiết lập phương trình tìm góc đồng bộ và vị trí sự cố: ........................... 49

PHỤ LỤC 2: Thuật toán tính toán điểm sự cố (MATLAB)........................................... 51
PHỤ LỤC 3: Phương pháp Newton-Raphson giải phương trình và hệ phương trình .... 55
PHỤ LỤC 4: Số liệu thu được từ mô phỏng trong PSCAD ........................................... 58

III


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
NPT

Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia

GPS

(Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu

TTK

Thứ tự không

TTT

Thứ tự thuận

TTN

Thứ tự nghịch

IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng biểu

Trang

Bảng 1.2-1: số km đường dây truyền tải 220, 500kV do NPT quản lý ..................................... 3
Bảng 2.1-1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng. ............................. 8
Bảng 2.3-1 tổng hợp kết quả định vị sự cố của thiết bị định vị sự cố hãng Kinkei ................ 23
Bảng 4.2 -1 Thông số các phần tử sử dụng trong mô phỏng ................................................. 36
Bảng 4.4-1. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi cố tình
làm sai lệch góc đồng bộ ban đầu trường hợp sự cố “Pha – Đất”: ...................................... 38
Bảng 4.4-2. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi cố tình
làm sai lệch góc đồng bộ ban đầu trường hợp sự cố “Pha – Pha - Đất”: ............................. 39
Bảng 4.4-3. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
thông số điện trở TTT đường dây trường hợp sự cố Pha-Đất: .............................................. 40
Bảng 4.4-4. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
thông số điện trở TTT đường dây trường hợp sự cố Pha-Pha-Đất: ....................................... 40
Bảng 4.4-5. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
thông số điện kháng TTT đường dây trường hợp sự cố Pha-Đất: ......................................... 41
Bảng 4.4-6. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
thông số điện kháng TTT đường dây trường hợp sự cố Pha-Pha-Đất: .................................. 42
Bảng 4.4-7. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
điện trở tại điểm sự cố trường hợp sự cố Pha-Đất: .............................................................. 42
Bảng 4.4-8. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
điện trở tại điểm sự cố trường hợp sự cố Pha-Pha-Đất: ....................................................... 43

Bảng 4.4-9. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi vị
trí sự cố trường hợp sự cố “Pha-Đất”: ................................................................................ 44
Bảng 4.4-10. Kết quả tính toán góc đồng bộ, tổng trở TTT và khoảng cách sự cố khi thay đổi
vị trí sự cố trường hợp sự cố “Pha-Pha-Đất”: ..................................................................... 44

V


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Trang

Hình 2.1-1 Sơ đồ nguyên lý định vị sự cố dựa vào tính toán tổng trở cho đường dây 1 nguồn
cấp ......................................................................................................................................... 6
Hình 2.1-2 Đặc tính tác động loại MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ .............. 7
Hình 2.1-3 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha ................................... 9
Hình 2.1-4 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất .................................... 9
Hình 2.1-5 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất ............................... 10
Hình 2.1-6 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp ............................................... 12
Hình 2.1-7 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được .............................. 13
Hình 2.1-8 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song .................... 14
Hình 2.1-9: Đường dây song song toàn tuyến....................................................................... 15
Hình 2.1-10: Đường dây song song một phần ...................................................................... 15
Hình 2.1-11: Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện Ki lên số đo ...................................... 16
của rơ le bảo vệ khoảng cách; a: Ki >1; ZR>Zthực tế; b: Ki <1; ZRHình 2.2-1 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp ................................ 18
Hình 2.2-2 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố.................................................................... 18

Hình 2.3-1 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây............................. 21
Hình 2.3-2 Mô hình thiết bị định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền của hãng
KinKei-Nhật bản .................................................................................................................. 22
Hình 3.1-1 Sơ đồ mạch tương đương của đường dây trên không có hoán vị cho thành phần
thứ tự thuận trước sự cố. ...................................................................................................... 25
Hình 3.1-2 Sơ đồ mạch tương đương của đường dây trên không có hoán vị cho thành phần
thứ tự thuận trước sự cố - đã đồng bộ tín hiệu 2 đầu. ........................................................... 27
Hình 3.2-1 Sơ đồ đường dây truyền tải điện bị sự cố ............................................................ 30
Hình 4.1-1 Giao diện chính của Matlab .............................................................................. 34
Hình 4.1- 2 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ........................................................... 34
Hình 4.1-3 Sơ đồ khối các bước thực hiện ............................................................................ 35
Hình 4.1-4 Thuật toán tính toán xử lý kết quả mô phỏng ...................................................... 35
Hình 4.2-1 Sơ đồ mô phỏng trong PSCAD ........................................................................... 36

VI


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU
Đường dây truyền tải điện đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống
điện. Trong công tác quản lý vận hành việc xác định chính xác điểm sự cố giúp
nhanh chóng xác định được phần tử bị sự cố, làm giảm thời gian ngừng cung cấp
điện, giảm số lượng nhân lực để khắc phục các sự cố này, hơn nữa việc xác định
chính xác điểm sự cố cũng chính là xác định chính xác tổng trở của các đường dây
sẽ giúp cho các kết qủa tính toán chế độ hệ thống tin cậy hơn, đảm bảo cho hệ thống
bảo vệ rơle sát làm việc chính xác.
Trên thực tế có rất nhiều phương pháp được sử dụng để xác định điểm sự cố,
tùy theo đối tượng là đường dây truyền tải hay xuất tuyến lưới phân phối hoặc là
các đường cáp. Đối với đường dây truyền tải, rơle bảo vệ khoảng cách là một công

cụ vừa làm nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện sự cố vừa định vị vị trí điểm sự cố trên
đường dây. Tuy nhiên các rơle khoảng cách hoạt động dựa trên tín hiệu đo lường
chỉ tại một đầu, do đó kết quả định vị điểm sự cố thường bị sai lệch do bị ảnh
hưởng của rất nhiều yếu tố. Trong nhiều trường 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.
Tổng trở của đường dây có thể được tính toán bằng lý thuyết, tuy nhiên,
trong các tính toán này đều dựa trên giả thiết đường dây là đồng nhất, điện trở suất
của đất không đổi suốt dọc tuyến…và do đó kết quả tính toán thường có sai số đáng
kể so với giá trị thực tế (đặc biệt là tổng trở thứ tự không của đường dây).
Một số hãng sản xuất đã chế tạo thiết bị thí nghiệm để đo tổng trở đường
dây, thiết bị định vị sự cố chuyên dụng, tuy nhiên phương pháp này khá phức tạp,
thiết bị đắt tiền, cần sự phối hợp của nhiều đơn vị.
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp định vị
điểm sự cố dựa trên tín hiệu đo lường thu thập được từ hai đầu đường dây (các tín
hiệu đo lường được lấy từ các bản ghi sự cố trong rơle trang bị tại hai đầu), đồng
thời kết hợp xác định tổng trở của đường dây. Phương pháp có nhiều ưu điểm và độ
chính xác cao hơn so với phương pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía. Trong
nội dung của luận văn cũng đề cập đến thuật toán để đồng bộ lại các tín hiệu đo

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

lương thu thập được từ 2 đầu để phục vụ cho các tính toán trong nội dung luận văn
đã đề xuất.
Kết quả nghiên cứu được mô phỏng bằng PSCAD áp dụng đối với mô hình
tuyến đường dây 220kV chiều dài 200km và các tính toán cùng kết quả mô phỏng
đã chứng minh các ưu điểm của thuật toán này.
Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương

 Chương 1: Sự cần thiết nâng cao độ chính xác định vị sự cố trên đường dây
truyền tải điện
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 lưới điện truyền tải.
 Chương 2: Phương pháp định vị sự cố cho đường dây truyền tải điện:
Giới thiệu các phương pháp định vị sự cố, nguyên lý, ưu nhược điểm của các
phương pháp đã nêu, các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương
pháp này và sự cần thiết phải có phương pháp định vị sự cố mới.
 Chương 3: Phương pháp định vị sự cố kết hợp xác định tổng trở đường dây
dựa theo tín hiệu đo lường không đồng bộ từ hai đầu:
Giới thiệu cách thức xác định, đồng bộ lại tín hiệu đo lường được không
được đồng bộ về mặt thời gian cho đường dây truyền tải ngắn, xác định
thông số đường dây và vị trí sự cố từ các kết quả đã tính toán được.
 Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng:
Áp dụng nguyên lý định vị đã được đề xuất với tuyến đường dây 220kV dài
200km. Phần mô hình đường dây và mô phỏng sự cố được thực hiện bằng
phần mềm PSCAD, các tính toán xử lý tín hiệu sau đó được thực hiện bằng
MATLAB.
 Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai.

2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1 – SỰ CẦN THIẾT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ SỰ
CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

1.1

Giới thiệu chung:
Hệ thống điện ngày càng phát triển và phức tạp, trong quá trình vận hành luôn

luôn sảy ra sự cố hư hỏng các phần tử trong hệ thống. Trong trường hợp sự cố, phần
tử sự cố yêu cầu được tách ra khỏi hệ thống để giảm thiểu thiệt hại cho các phần tử
sự cố và loại bỏ chế độ vận hành không bình thường cho hệ thống. Hành động này
cần phải được thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác bằng các rơle bảo vệ tự
động. Đồng thời mỗi khi sự cố xảy ra trên một đường dây (phân phối hoặc truyền
tải), yêu tố quan trọng là xác định vị trí điểm sự cố càng nhanh càng tốt để nâng cao
chất lượng dịch vụ. Nếu vị trí lỗi không được xác định một cách nhanh chóng có thể
sẽ tạo ra cắt điện kéo dài, thiệt hại kinh tế nghiêm trọng có thể xảy ra và ảnh hưởng
đến độ tin cậy cấp điện. Tất cả những trường hợp trên nêu lên tầm quan trọng của
nghiên cứu định vị sự cố và do đó vấn đề này đã thu hút được sự chú ý rộng rãi của
các nhà nghiên cứu trong hệ thống điện trong những năm gần đây.
1.2

Sự cần thiết nâng cao độ chính xác định vị điểm sự cố và xác định tổng
trở trên đường dây truyền tải điện:
Hệ thống đường dây truyền tải điện ngày càng phát triển lớn mạnh về số

lượng và độ phức tạp. Tính đến 31/12/2012, lưới điện truyền tải có 4.848km đường
dây 500kV và 11.313km đường dây 220kV

[1]

, theo Quy hoạch phát triển điện lực

Quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030[2] sẽ xây dựng và đưa vào vận
hành thêm theo từng giai đoạn là:
Bảng 1.2-1: số km đường dây truyền tải 220, 500kV do NPT quản lý

Hạng mục

Đơn vị

2011-2015

2016-2020

2021-2025

2026-2030

ĐZ 500kV

Km

3.833

4.539

2.234

2.724

ĐZ 220kV

Km

10.637

5.305

5.552

5.020

Với mặt bằng lưới điện truyền tải trải rộng trên 61/63 tỉnh thành cả nước, đa
số các đường dây truyền tải điện đi qua những khu vực ít dân cư, đồi núi cao hiểm
3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

trở. Trong quá trình vận hành, các phần tử trên lưới luôn có khả năng xảy ra sự cố
do các nguyên nhân khách quan và chủ quan gây nên, theo số liệu thống kê của
Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia, chỉ tính riêng 6 tháng đầu năm 2014 đã xảy
ra 68 sự cố thoáng qua và sự cố kéo dài trên đường dây 220 và 500kV[3], công tác
xác định vị trí sự cố là hết sức khó khăn, và tiêu tốn nhiều công sức, chi phí. Với
mục tiêu yêu cầu ngày càng nâng cao chất lượng điện năng và nâng cao hiệu suất
lao động do đó việc áp dụng các giải pháp để xác định vị trí sự cố một cách chính
xác là hết sức cần thiết.
Định vị sự cố chính xác giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả sự cố
thoáng qua và sự cố duy trì.
 Sự cố thoáng qua 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. Mặt khác đối với các sự cố thoáng qua, các
phần tử trên hệ thống đã được khôi phục về điện, các yếu tố gây sự cố đã
tách ra khỏi lưới công tác xác định nguyên nhân sự cố là hết sức khó khăn,
do đó việc định vị chính xác điểm sự cố giúp khoanh vùng chính xác và
nhanh chóng xác định được nguyên nhân sự cố.

 Với những sự cố vĩnh cửu, yêu cầu xác định nhanh, chính xác điểm sự cố để
tách phần tử sự cố ra khỏi lưới, nhanh chóng xử lý khôi phục lưới điện, giảm
thời gian ngừng cung cấp điện. Nếu vị trí sự cố không được xác định một
cách nhanh chóng, sẽ làm mất điện trong một thời gian dài, thiệt hại kinh tế
nghiêm trọng có thể xảy ra và chất lượng cung cấp điện sẽ bị ảnh hưởng lớn.
Hiện nay, các đường dây truyền tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên
thường được trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc
đường 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 tương đối lớn (có thể tới hàng chục km).
Điều này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố được sử dụng trong rơle khoảng cách
chỉ dựa vào tín hiệu đo lường tại chỗ (sử dụng tín hiệu đo lường từ 1 phía), do đó
chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài gây nên sai số lớn. Các rơle so lệch
4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

dọc đường dây hiện đại đã được tích hợp thêm chức năng định vị điểm sự cố và có
khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn vì các rơle loại này có thể sử dụng
nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây. Tuy nhiên,
hầu hết trong các tài liệu rơle này đều không đề cập đến thuật toán và phương pháp
xác định điểm sự cố và trên thực tế phép định vị sự cố của các rơle so lệch dọc
đường dây hiện tại vẫn có sai số khá lớn.
Một phần quan trọng trong vận hành lưới truyền tải điện là tính toán cài đặt
chỉnh định rơle và tính toán các chế độ vận hành của lưới. Các tính toán này yêu cầu
xác định tổng trở đường dây càng chính xác càng tốt. Tuy nhiên, tổng trở đường
dây phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất nơi đường dây đi qua, khi điện trở suất
của đất thay đổi thì việc tính toán các giá trị tổng trở bằng phần mềm trở nên thiếu
chính xác, mặt khác các đường dây sau thời gian vận hành đã được cải tạo, sửa chữa
dẫn đến làm thay đổi các thông số kỹ thuật cơ bản của đường dây nên việc xác định

tổng trở là hết sức khó khăn.
Xuất phát từ thực tế công tác vận hành lưới truyền tải điện đã nêu trên, cần
có nghiên cứu làm rõ ưu điểm và thuật toán sử dụng để định vị sự cố và xác định
chính xác tổng trở của đường dây. Các mục tiếp theo trình bày chi tiết hơn về các
phương pháp định vị sự cố và xác định tổng trở của đường dây truyền tải điện.

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ CHO ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN
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 theo 2 nhóm chính: định vị sự cố dựa trên tính toán tổng trở của đường dây và
định vị sự cố dựa trên đo lường các dạng sóng lan truyền trên đường dây, một số
phương pháp ngày nay đang được sử dụng như sau [4]:
o Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường dòng điện và điện áp ở cuối
đường dây, chủ yếu là phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường
từ 1 phía đường dây và phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường
từ cả hai phía của đường dây.
o Định vị sự cố dựa trên phương pháp sóng lan truyền.
o Định vị sự cố dựa trên phương pháp tần số cao.
2.1. Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
Thuật toán xác định vị trí sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía rất
đơn giản và kinh tế so với các phương pháp định vị sự cố khác. Thuật toán này
được thiết kế để tính toán vị trí sự cố dựa trên tín hiệu đo lường cả ba pha dòng điện
và điện áp tại một đầu đường dây. Ngoài ra có một số thuật toán chỉ sử dụng điện áp

ba pha hoặc dòng điện ba pha. Các vector quay với tần số cơ bản của tín hiệu đo
lường hoặc dữ liệu mẫu được xử lý trong thuật toán. Các thông số trở kháng của
đường dây cũng được xác định để xác định khoảng cách đến điểm sự cố.
2.1.1. Nguyên lý làm việc:

Hình 2.1-1 Sơ đồ nguyên lý định vị sự cố dựa vào tính toán tổng trở cho đường dây
1 nguồn cấp
6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Cho đường dây 1 nguồn cấp đơn giản như hình 2.1-1, tổng trở tới điểm sự cố
thường có tính chất điện trở, trên sơ đồ mô tả dạng thuần trở (RF). Đường dây bị tác
động bởi một sự cố (F)- không biết khoảng cách sự cố tới trạm A. Nếu bỏ qua dòng
nạp trên đường dây, ta có IA = IF, tổng trở từ trạm A tới điểm sự cố được tính toán
như sau:
U
Z FL   A  dZ L  RF
IA

(2.1)

Cân bằng phần ảo cả 2 vế (2.1) ta có: d 

Im ag (Z FL ) X FL

Im ag (Z L )
XL

(2.2)

Phương pháp này chính là thuật toán được sử dụng trong các rơle bảo vệ
khoảng cách thông dụng. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán
giá trị tổng trở đo được. 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 2.1-2 Đặc tính tác động loại MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ
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
x1km

Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có
tên gọi là bảo vệ khoảng cách.
7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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 được thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trước thời điểm cắt máy cắt
để tránh các nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính các của định vị. Giá trị khoảng
cách tính toán được là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán dựa theo số mẫu
thu thập được.

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.
2.1.2 Các mạch vòng tính toán tổng trở:
Tổng trở được rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tương 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 lường
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 2.1-1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng.
Loại sự cố

Sự cố pha – đất

Sự cố pha – pha
Sự cố 3 pha hay 3
pha – đất
Sự cố 2 pha – đất

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
A-B hoặc B-C hoặc C-A hoặc A-E

A – B – C (E)

hoặc 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

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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

U pha  pha
I pha  pha



U phaX  U phaY
I phaX  I phaY

 Z1 

Rf

(2.3)

2

Trong đó: X, Y là hai pha bị sự cố và sơ đồ thay thế loại sự cố pha – pha được thể
hiện như hình 2.1-3

IPha X

Z1
RF/2

UPha X - UPha Y

IPha Y

Z1

RF/2

Hình 2.1-3 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha
 Vòng lặp cho trường hợp sự cố pha – đất:
Vòng lặp tính toán tổng trở cho trường hợp sự cố pha – đất được 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 

(2.4)
Rf

(2.5)

1 KN

Trong đó: X là pha bị sự cố, K là hệ số bù, IN là dòng điện dư bằng tổng dòng của
các pha.
Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất được thể hiện trong hình
2.1-4

IPha X

UPha X

Z1
RF

IN

ZN

Hình 2.1-4 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất
9

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nhưng khác với các sự cố khác với trường hợp này phải bù hệ số KN.
 Vòng lặp cho trường hợp sự cố 3 pha – đất

Z1
3I0

A

Z1
B
Z1
C

U0
ZN

Hình 2.1-5 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất
Theo như sơ đồ thay thế ở trên thì công thức để tính tổng trở sự cố đối với trường
hợp này có thể được viết như sau:
Z0 U 0 1

 Z1  Z N
3 3I 0 3

Và Z N 

(2.6)

Z 0  Z1
3

(2.7)

Trong đó U0 là điện áp thứ tự không và I0 là dòng điện thứ tự không. Theo công
thức (2.5) và Hình 2.1-4 thì có thể viết lại công thức như 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



Z pha E

(2.8)



Z
Z1  I phaX  N I N   R f I N
Rf
Z1

 
 Z1 
I phaX

I phaX  K N I N
 KN
IN

(2.9)

Z N Z 0  Z1

Z1
3Z1

(2.10)

KN 

Trong đó:

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

2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương
pháp dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía[5]
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố có thể kể đến là:

o Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố.
10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

o Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố.
o Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ do các đường dây chạy song song gây
ra
o Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện.
a. 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:

(2.11)

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:

(2.12)

8750.(d  3UTarc )
I 1f .4

d là khoảng cách dây dẫn (m)
U – Vận tốc gió (m/s)
Tarc – Thời gian 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
11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

(). 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 đến tổng trở đo được
Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp như Hình 2.1-

Hình 2.1-6 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp
Mạch vòng sự cố nhìn từ phía thanh góp trạm A có thể được mô tả bằng công thức
sau đây.
U A  dZ L IA  RF IF  0

(2.13)

Trong đó:
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, với quan hệ
IF  IA  IB

(2.14)

U

Ta có Z A   A thay vào (2.13) ta có:
IA
U
Z A   A  dZ L  RF
IA

IF
IA

(2.15)

trong đó: ZA là tổng trở đo được bởi rơle đầu phía trạm A
Thay thế IF  IA  IB vào phương trình (2.15) ta có:

12

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 I 
Z A  dZ L  RF 1  B 

 IA 

(2.16)

Dựa theo phương trình (2.16) có thể thấy rằng, đối với rơle tại hai đầu đường dây
thì thành phần điện trở tại điểm sự cố có thể thể hiện tính chất thuần trở hoặc cũng
có thể thể hiện như một tổng trở tùy theo góc lệch pha dòng điện giữa hai đầu


đường 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 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 ,
do đó khoảng cách đo được 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 như 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
thức (2.16). Thành phần RF# khi đó sẽ ảnh hưởng cả tới giá trị điện kháng trong

tổng trở mà rơle đo được, và do đó khoảng cách tính toán được sẽ bị sai khác so
với thực tế. Hình 2.1- thể hiện chi tiết quan hệ này.

Hình 2.1-7 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.
13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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

Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố, một
cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây
trong chế độ vận hành bình thường. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế
độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, do đó có thể nói dòng
điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
Trong trường hợp đường dây chỉ có một nguồn cấp thì ảnh hưởng này là không cần
tính đến.
c. Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song
Trong lưới truyền tải điện hầu hết các đường dây vận hành đều song song và
đi chung cột. Các đường dây này có ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau, ảnh hưởng này
sẽ là đáng kể trong trường hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không
(TTK) chạy trên đường dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đường dây bị
sự cố làm cho giá trị đo được của rơle tổng trở tại đường dây sự cố bị sai lệch.
A

V01

Z0M

Z01

I01

Z02

I02

B

Hình 2.1-8 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song
V01  Z 01 I01  Z 0 M I02

(2.17)

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 thường sự ảnh hưởng tổng trở tương 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
14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

khi đó ảnh hưởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hưởng rất lớn và chiếm khoảng
50% đến 70%. Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tương hỗ TTK của một
đường dây có thể là (theo bài báo Analysis of Phenomena, that Affect the Distance):
Z 0  0,1101  j1,0127 (Ω/km)
Z 0  0,06874  j 0,5323 (Ω/km)

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

V01

Z0M

Z01

I01

Z02

I02

B

Hình 2.1-9: Đường dây song song toàn tuyến
A

V01

Z0M

Z01

I01

Z02

I02

B

C

Hình 2.1-10: Đường dây song song một phần
d. Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện
Xét sự ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến tính chính xác của rơ le
bảo vệ khoảng cách được minh họa dưới hình 2.1-11 như sau:

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

A

B

B

IAB

B

IBD
C

ICB

A

D

IAB

l

IBD
l
b

a

Hình 2.1-11: Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện Ki lên số đo
của rơ le bảo vệ khoảng cách; a: Ki >1; ZR>Zthực tế; b: Ki <1; ZRXét hai trường hợp tiêu biểu như trên hình 2.1-11 ta thấy tổng trở của rơ le
bảo vệ khoảng cách đặt ở đầu A của đường dây AB đo được khi ngắn mạch xảy ra ở
điểm N trên đường dây BD tiếp theo bằng (giả thiết tỷ số biến đổi của biến dòng
điện và biến điện áp ki = ku = 1).
U
U
U  U
I Z  I Z
I
Z R   R   A  AB  BN  AB AB  BN BN  Z AB  BN Z BN
I R I AB
I AB
I AB
I AB

Z R  Z AB  K i Z BN

(2.18)



I
Trong đó: K i  BN hệ số phân bố dòng điện
I AB

Khi hệ số phân bố dòng điện Ki ≠ 1, tổng trở ZR mà rơ le bảo vệ khoảng cách
đo được khác với tổng trở thực tế từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch
.

.

( Z AN  Z AB  Z BN ).
Đối với sơ đồ hình 2.1-11 (a) một nguồn điện nối vào thanh cái B đã làm cho
IBN >IAB và hệ số Ki > 1 nghĩa là tổng rơ le đo được một giá trị lớn hơn tổng trở thực
tế ZAN.
Đối với sơ đồ hình 2.1-11 (b) sự xuất hiện của đường dây vận hành song
song với đường dây bị sự cố làm rẽ mạch dòng điện từ nguồn điện đến chỗ ngắn
mạch (IBN = IAB - IBD) nên hệ số phân bố dòng điện Ki < 1 nghĩa là rơ le sẽ đo được
giá trị nhỏ hơn giá trị tổng trở thực tế ZAN.

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Với những lưới điện có cấu hình phức tạp hệ số phân bố dòng điện có thể thay đổi
theo chế độ làm việc của lưới điện. Khi điểm ngắn mạch càng nằm xa điểm đặt rơ le
bảo vệ thì ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện càng lớn.
2.1.4. Tổng kết các ưu, nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín
hiệu đo lường từ một phía
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này:
 Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lường được 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 được của các
rơle tại hai đầu.
 Sai số trong phạm vi chấp nhận được đối với sự cố pha-pha (theo thực tế vận
hành).
 Độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố:

o Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố.
o Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây.
o Ảnh hưởng 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 được tại vị trí đặt rơle).
o Ảnh hưởng của hỗ cảm do các đường dây chạy song song cùng cột
hoặc lân cận gây ra.
o Tổng trở thứ tự không của đường dây thường không thể xác định
được chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất
(đây lại là loại sự cố thường xảy ra đối với lưới truyền tải và hệ thống
điện nói chung).
Như vậy với phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu từ một phía thì độ
chính xác của phương pháp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và rất khó để xác định
được chính xác để khắc phục các yếu tố đó, do đó độ chính xác của phương pháp
cũng sẽ bị ảnh hưởng theo. Khắc phục các nhược điểm mà phương pháp định vị
điểm sự cố dựa theo thông tin từ một phía, phương pháp định vị điểm sự cố dựa

17