Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ đường dây truyền tải song song

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................................2
LỜI CÁM ƠN ..............................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................................5
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................8
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU HÌNH BẢO VỆ CỦA ĐƢỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN.................................................................................................................. 10
1.1.

Vài nét sơ lƣợc về hệ thống truyền tải điện của Việt Nam......................................... 10

1.2.

Cấu hình hệ thống bảo vệ của đƣờng dây truyền tải ................................................. 11

1.3.

Sự quan trọng của bảo vệ khoảng cách trong hệ thống bảo vệ ................................. 14

1.4.

Nguyên lý bảo vệ khoảng cách ................................................................................... 15

CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ CỦA ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN
TẢI ĐIỆN ................................................................................................................................... 21
2.1.

Tổng trở đƣờng dây mạch đơn ................................................................................... 21

2.2.

Tổng trở đƣờng dây song song ................................................................................... 24

CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TỔNG TRỞ TƢƠNG HỖ TRÊN ĐƢỜNG
DÂY SONG SONG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ CÁC GIẢI
PHÁP.......................................................................................................................................... 26
3.1.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự làm việc của bảo vệ khoảng cách ............................... 26

3.2. Phân tích ảnh hƣởng của thành phần hỗ cảm trên đƣờng dây song song đến sự làm
việc của bảo vệ khoảng cách .................................................................................................. 33
3.3.

Các giải pháp bù thành phần hỗ cảm thứ tự không trên đƣờng dây song song ....... 37

CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG ............................................................................. 46
4.1.

Các công cụ sử dụng ................................................................................................... 46

4.2.

Thông số của hệ thống và đƣờng dây đƣợc mô phỏng............................................... 46

4.3.

Các kịch bản mô phỏng .............................................................................................. 49

4.4.

Kết quả mô phỏng kiểm chứng .................................................................................. 50

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI.................... 68
PHỤ LỤC ................................................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 74

1


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

Lê Tuấn Anh

2


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Xuân
Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài
này.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau
đại học, Viện Điện, thư viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trường Đại học

Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tôi trong khóa học và hoàn thành đề tài này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và
Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường.
Để có được ngày hôm nay tôi không thể không nhắc đến công ơn, tình cảm
của những người thân trong gia đình đã tạo một hậu phương vững chắc giúp tôi yên
tâm hoàn thành công việc và nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tôi xin gửi tới toàn thể bạn bè và đồng nghiệp lời biết ơn chân
thành về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi người đã dành
cho tôi trong suốt thời gian gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài
này.

3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Giá trị K0 ứng với những trường hợp làm việc của đường dây song
song………………………………………………………………………………………...41
Bảng 3.2. Giá trị bù cài đặt trong rơle 7SA522………………………………………43
Bảng 4.1. Thông số của đường dây 220kV Yên Bái - Việt Trì……………………...48
Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng đường dây đơn trong trường hợp Rf = 0Ω, Rf = 5Ω
và Rf =10Ω.……….…...………………………………………………………………..…51
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng hai đường dây vận hành song song trong trường hợp
Rf = 0Ω……………….…………………...……………………………………………….52
Bảng 4.4. Kết quả mô phỏng một đường dây vận hành, đường dây còn lại cắt điện
và được nối đất hai đầu, trong trường hợp Rf = 0Ω…………………………….......55
Bảng 4.5. Kết quả mô phỏng hai đường dây vận hành song song trong trường hợp
Rf = 5Ω………………………………………………………………………………….....57
Bảng 4.6. Kết quả mô phỏng một đường dây vận hành, đường dây còn lại cắt điện
và được nối đất hai đầu, trong trường hợp Rf = 5Ω…………………………………60
Bảng 4.7. Kết quả mô phỏng hai đường dây vận hành song song trong trường hợp

Rf = 10Ω……………………………………………………………………….……….....62
Bảng 4.8. Kết quả mô phỏng một đường dây vận hành, đường dây còn lại cắt điện
và được nối đất hai đầu, trong trường hợp Rf = 10Ω…………………………...…..65

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Rơle khoảng cách loại điện cơ đơn giản………………………………….16
Hình 1.2. Vùng làm việc thứ nhất của rơle khoảng cách …………………………..17
Hình 1.3. Quỹ tích ngưỡng khởi động ………………………………………………...17
Hình 1.4. So sánh góc pha λ giữa hai đại lượng ………………………………….....18
Hình 1.5. Đặc tuyến hình tứ giác ……………………………………………..............19
Hình 1.6. Bảo vệ khoảng cách ba vùng tác động ……………………………...........20
Hình 2.1. Đảo pha cho đường dây ba pha mạch đơn …………………………........22
Hình 2.2. Đảo pha cho đường dây ba pha mạch kép (đường dây song song)…....24
Hình 3.1. Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp và sơ đồ thay thế …28
Hình 3.2. Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được …...........30
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện KI .....................................…30
Hình 3.4. Dao động điện trong hệ thống điện ……………..…...............................32
Hình 3.5. Diễn biến dòng 3I0 trước, trong và sau khi sự cố.……………..….........34
Hình 3.6. Sơ đồ ngắn mạch trên đường dây 1 của hệ thống đường dây song
song…………………………………………………....................................................35
Hình 3.7. Sơ đồ phức hợp sự cố ngắn mạch pha - đất của một đường dây trong hệ
thống đường dây song song …………………………………………….....................35
Hình 3.8. Sơ đồ ngắn mạch pha - đất cuối đường dây 1, đường dây 2 đang cắt
điện và được nối đất hai đầu ……………………………………………....................40
Hình 3.9. Sơ đồ ngắn mạch pha - đất cuối đường dây 1, đường dây 2 đang cắt
điện và nối đất một đầu........................................................................................41
Hình 3.10. Sơ đồ ngắn mạch pha - đất cuối đường dây 1, đường dây 2 đang cắt

điện và không nối đất ……...................................................................................41

5


Hình 3.11. Sơ đồ ngắn mạch pha - đất trên một đường dây của hệ thống đường
dây song song ………………………………………..................................................43
Hình 3.12. Sơ đồ tổ hợp mạch dòng bù chéo của hệ thống đường dây song
song.……………………………………….................................................................44
Hình 3.13. Sơ đồ kênh mạch dòng I4 sử dụng bù chéo của hệ thống đường dây
song song..………………………………………........................................................45
Hình 4.1. Mô hình đường dây đơn 220kV Yên Bái - Việt Trì….........………….....46
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng đường dây đơn 220kV Yên Bái - Việt Trì trong Matlab
...............................................................................................................................47
Hình 4.3. Mô hình đường dây song song 273, 274 Yên Bái - 274, 275 Việt Trì...48
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng hai đường dây vận hành song song trong Matlab.....48
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng một đường dây vận hành, một đường dây nối đất hai
đầu trong Matlab...................................................................................................49
Hình 4.6. Sai số khi không bù và có bù hỗ cảm của hai đường dây vận hành song
song trong trường hợp Rf = 0 Ω ...........................................................................53
Hình 4.7. Vị trí điểm sự cố khi có sự cố ở 80% chiều dài đường dây trong trường
hợp không bù và có bù hỗ cảm trên đường đặc tính tổng trở của rơle.................54
Hình 4.8. Sai số khi không bù và có bù hỗ cảm của một đường dây vận hành,
đường dây còn lại cắt điện và được nối đất hai đầu, trong trường hợp Rf = 0
Ω............................................................................................................................55
Hình 4.9. Vị trí điểm sự cố khi có sự cố ở 80% chiều dài đường dây trong trường
hợp không bù và có bù hỗ cảm trên đường đặc tính tổng trở của rơle.................56
Hình 4.10. Sai số khi không bù và có bù hỗ cảm của hai đường dây vận hành
song song trong trường hợp Rf = 5 Ω ...................................................................58
Hình 4.11. Vị trí điểm sự cố khi có sự cố ở 80% chiều dài đường dây trong

trường hợp không bù và có bù hỗ cảm trên đường đặc tính tổng trở của rơle.....59
Hình 4.12. Sai số khi không bù và có bù hỗ cảm của một đường dây vận hành,
đường dây còn lại cắt điện và được nối đất hai đầu, trong trường hợp Rf = 5
Ω............................................................................................................................60
Hình 4.13. Vị trí điểm sự cố khi có sự cố ở 80% chiều dài đường dây trong
trường hợp không bù và có bù hỗ cảm trên đường đặc tính tổng trở của rơle.....61

6


Hình 4.14. Sai số khi không bù và có bù hỗ cảm của hai đường dây vận hành
song song trong trường hợp Rf = 10 Ω .................................................................63
Hình 4.15. Vị trí điểm sự cố khi có sự cố ở 80% chiều dài đường dây trong
trường hợp không bù và có bù hỗ cảm trên đường đặc tính tổng trở của rơle.....64
Hình 4.16. Sai số khi không bù và có bù hỗ cảm của một đường dây vận hành,
đường dây còn lại cắt điện và được nối đất hai đầu, trong trường hợp Rf = 10
Ω............................................................................................................................65
Hình 4.17. Vị trí điểm sự cố khi có sự cố ở 80% chiều dài đường dây trong
trường hợp không bù và có bù hỗ cảm trên đường đặc tính tổng trở của rơle.....67

7


MỞ ĐẦU
Hiện nay, hệ thống đường dây truyền tải điện năng đóng một vai trò quan
trọng trong việc đưa điện năng sản xuất được đến hộ tiêu thụ. Số lượng đường dây
truyền tải điện tăng lên không ngừng do phải đáp ứng nhu cầu tăng rất nhanh của
phụ tải. Việc sử dụng đường dây song song trong hệ thống truyền tải điện hiện đại
trở nên phổ biến hơn do độ tin cậy cao, các phương án sử dụng đường dây song
song trong hệ thống truyền tải điện kinh tế và đảm bảo vấn đề hành lang điện tốt

hơn so với các đường dây mạch đơn thông thường.
Việc phát hiện loại trừ nhanh sự cố trên các đường dây truyền tải giúp tăng
khả năng cung cấp điện liên tục cho toàn hệ thống điện. Trong nội dung luận văn
thạc sỹ này tôi xin phép trình bày ảnh hưởng của tổng trở hỗ cảm thứ tự không trên
hệ thống đường dây truyền tải song song đến sự làm việc của rơle bảo vệ khoảng
cách của hệ thống đường dây truyền tải song song. Và đưa ra các giải pháp khắc
phục ảnh hưởng của tổng trở hỗ cảm thứ tự không trên hệ thống đường dây truyền
tải song song.
Các đề xuất của luận văn được kiểm chứng thông qua mô phỏng bằng phần
mềm Matlab.
Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về cấu hình bảo vệ của đường dây truyền tải
điện
Giới thiệu về cấu hình bảo vệ cho đường dây truyền tải điện, nguyên lý làm
việc của rơle bảo vệ khoảng cách.
Chương 2: Phương pháp tính toán tổng trở đường dây truyền tải điện
Trình bày các phương pháp tính toán tổng trở đường dây đơn và song song.

8


Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của tổng trở tương hỗ trên đường dây
song song đến sự làm việc của bảo vệ khoảng cách và các giải pháp
Phân tích ảnh hưởng của thành phần hỗ cảm thứ tự không trên đường dây
song song đến sự làm việc của bảo vệ khoảng cách và đưa ra các giải pháp loại trừ
ảnh hưởng của thành phần hỗ cảm thứ tự không trên đường dây song song đến sự
làm việc của bảo vệ khoảng cách.
Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng
Thực hiện mô phỏng với nhiều kịch bản khác nhau để kiểm chứng tính đúng
đắn của đề xuất nghiên cứu.

Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu trong tương lai

9


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU HÌNH BẢO VỆ
CỦA ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1.

Vài nét sơ lƣợc về hệ thống truyền tải điện của Việt Nam[1]

Ngày 05/4/1992, công trình đường dây 500kV mạch 1 đã được khởi công và
ngày 27/5/1994 đã khánh thành, đóng điện vận hành. Lần đầu tiên trong lịch sử, hệ
thống điện Việt Nam đã có “trục xương sống” 500kV chạy suốt từ Bắc vào Nam
sau 02 năm xây dựng thần tốc.
Hệ thống truyền tải điện 500kV Bắc - Nam mạch 1 đi vào vận hành đã phát huy
ngay vai trò của mình trong Hệ thống điện Quốc gia. Một lượng điện năng rất lớn
cung cấp cho miền Nam và miền Trung từ miền Bắc đã được truyền tải qua hệ
thống này, cụ thể năm 1994 là 988 triệu kWh và năm 1995 lên tới 2.813 triệu kWh.
Riêng trạm biến áp 500kV Phú Lâm, năm 1995 đã nhận đến 2.005 triệu kWh, nhiều
hơn điện năng phát trong cùng năm của hai nhà máy thủy điện Trị An và Thác Mơ
cộng lại. Điện năng cung cấp cho miền Trung tăng thêm 43%, chất lượng điện áp
được cải thiện rõ rệt. Hệ thống truyền tải điện 500kV Bắc - Nam đã đáp ứng hơn
30% nhu cầu điện năng của miền Nam.
Tiếp nối kỳ tích mạch 1, ngày 23/10/2005, đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 2
tiếp tục được hoàn thành và đưa vào vận hành, đảm bảo hệ thống truyền tải điện
500kV có hai mạch song song, tạo liên kết vững chắc, vận hành an toàn, tin cậy cho
Hệ thống truyền tải điện Quốc gia. Việc xây dựng và đưa vào vận hành thành công
hệ thống truyền tải điện 500kV Bắc - Nam mạch 2 đã đánh dấu bước trưởng thành
quan trọng của ngành điện Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu, khảo sát, thiết kế,

xây dựng, quản lý vận hành và hợp tác quốc tế.
Trải qua khoảng thời gian hơn 14 năm kể từ khi đường dây 500kV mạch 1 được
đưa vào vận hành đến trước khi Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia được thành
lập (năm 2008), hệ thống truyền tải điện 220kV, 500kV đã được xây dựng và phát
triển với những kết quả đáng ghi nhận. Tổng dung lượng máy biến áp 220kV,

10


500kV đã tăng hơn 4,7 lần lên 23.517 MVA, tổng chiều dài đường dây truyền tải
điện 220kV, 500kV tăng gần 3,5 lần lên 11.443 km.
Sự phát triển của hệ thống truyền tải điện hiện đại dẫn đến các khái niệm mới
như hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACT (Flexible Alternating
Current Transmission System). FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “hệ thống sử
dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc
nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả
năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”.
Việc sử dụng đường dây song song, thiết bị bù FACTS trong hệ thống truyền
tải điện làm phát sinh nhiều vấn đề trong hệ thống truyền tải điện hiện đại như ảnh
hưởng của tụ bù khi phát hiện sự cố trên đường dây truyền tải, ảnh hưởng của hỗ
cảm thứ tự không trên các đường dây truyền tải điện song song,…
1.2.

Cấu hình hệ thống bảo vệ của đƣờng dây truyền tải
Qui định về cấu hình hệ thống bảo vệ của đường dây truyền tải, theo tài liệu

yêu cầu kỹ thuật số PCS03 - 01 của EVN[2].
1.2.1. Cấu hình hệ thống bảo vệ cho đƣờng dây trên không 500kV
a) Bảo vệ cho đường dây 500kV có hai sợi dây cáp quang độc lập liên kết hai
trạm 500kV hai đầu đường dây, bao gồm ba bộ bảo vệ:

 Bảo vệ chính 1: được tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 67/67N,
50/51, 50/51N, 85, 74.
 Bảo vệ chính 2: được tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 67/67N,
50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 50BF, 85.
 Bảo vệ dự phòng: được tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N,
67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 50BF, 85, 74.
Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 được dự phòng đúp, được tích hợp trong bảo
vệ dự phòng và một trong hai bộ bảo vệ chính.
Hai bộ bảo vệ so lệch truyền tín hiệu trên hai sợi cáp quang độc lập.

11


Bảo vệ khoảng cách được phối hợp hai đầu với nhau thông qua một trong hai
sợi cáp quang nêu trên hoặc PLC.
b) Bảo vệ cho đường dây 500kV có một sợi dây cáp quang liên kết hai trạm
500kV hai đầu đường dây, bao gồm hai bộ bảo vệ:
 Bảo vệ chính: được tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 21/21N,
67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59,50BF, 85, 74.
 Bảo vệ dự phòng: được tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N,
67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 50BF, 85, 74.
Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 được dự phòng đúp, được tích hợp trong bảo
vệ dự phòng và trong bộ bảo vệ chính.
Bảo vệ so lệch truyền tín hiệu trên đường cáp quang.
Chức năng bảo vệ khoảng cách trong bảo vệ chính được phối hợp hai đầu với
nhau thông qua sợi cáp quang nêu trên.
Bảo vệ khoảng cách dự phòng được phối hợp hai đầu với nhau thông qua
kênh tải ba.
1.2.2. Cấu hình hệ thống bảo vệ cho đƣờng dây trên không hoặc cáp ngầm
220kV có truyền tin bằng cáp quang:

Bảo vệ cho đường dây 220kV bao gồm hai bộ bảo vệ:
 Bảo vệ chính: được tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 67/67N,
50/51, 50/51N, 50BF, 85, 74.
 Bảo vệ dự phòng : được tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N,
67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 85, 74.
Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 không cần phải dự phòng, có thể được tích
hợp ở một trong hai bộ bảo vệ nói trên.
Bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách được phối hợp với đầu đối diện thông
qua kênh truyền bằng cáp quang.

12


1.2.3. Cấu hình hệ thống bảo vệ cho đƣờng dây trên không 220kV không có
truyền tin bằng cáp quang
Bảo vệ cho đường dây 220kV bao gồm hai bộ bảo vệ:
 Bảo vệ chính: được tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N, 67/67N,
50/51, 50/51N, 50BF, 85, 74.
 Bảo vệ dự phòng: được tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N,
67/67N, 50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 85, 74.
Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 không cần phải dự phòng, có thể được tích
hợp ở một trong hai bộ bảo vệ nói trên.
Bảo vệ khoảng cách hai đầu đường dây được phối hợp với nhau thông qua
kênh tải ba.
1.2.4. Cấu hình hệ thống bảo vệ cho đƣờng dây trên không hoặc cáp ngầm
110kV có truyền tin bằng cáp quang
Bảo vệ cho đường dây 110kV bao gồm hai bộ bảo vệ:
 Bảo vệ chính: được tích hợp các chức năng bảo vệ 87L, 21/21N,
67/67N, 50/51, 50/51N, 50BF, 85, 74.
 Bảo vệ dự phòng: được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N, 50/51,

50/51N, 79/25, 27/59, 85, 74.
Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 không cần phải dự phòng, có thể được tích
hợp ở một trong hai bộ bảo vệ nói trên.
Bảo vệ so lệch truyền tín hiệu với đầu đối diện thông qua kênh truyền bằng
cáp quang.
1.2.5. Cấu hình hệ thống bảo vệ cho đƣờng dây trên không 110kV không có
truyền tin bằng cáp quang
Bảo vệ cho đường dây 110kV bao gồm hai bộ bảo vệ:
 Bảo vệ chính: được tích hợp các chức năng bảo vệ 21/21N, 67/67N,
50/51, 50/51N, 50BF, 85, 74.
 Bảo vệ dự phòng : được tích hợp các chức năng bảo vệ 67/67N,
50/51, 50/51N, 79/25, 27/59, 85, 74.

13


Chức năng 50BF, 79/25, 27/59 không cần phải dự phòng, có thể được tích
hợp ở một trong hai bộ bảo vệ nói trên.
Bảo vệ khoảng cách hai đầu đường dây được phối hợp với nhau thông qua
kênh tải ba.
1.3.

Sự quan trọng của bảo vệ khoảng cách trong hệ thống bảo vệ
Vào những năm đầu thế kỷ 20, bảo vệ khoảng cách là loại bảo vệ được xem

như loại bảo vệ hoàn hảo nhất để bảo vệ các đường dây tải điện. Trải qua ngót một
thế kỷ, các rơle khoảng cách được nghiên cứu rộng rãi và không ngừng được cải
tiến qua các thế hệ rơle điện cơ, rơle tĩnh đến các rơle số ngày nay. Các loại rơle
khoảng cách hiện đại tích hợp đa dạng các chức năng bảo vệ được sử dụng khá rộng
rãi trên lưới điện[3].

Cùng với sự phát triển của các thành tựu khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực
khác nhau như vật liệu điện, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý, công nghệ thông tin
v.v… cho phép các hãng sản xuất chế tạo rơle bảo vệ hiện đại nói chung và rơle bảo
vệ khoảng cách nói riêng có nhiều tính năng siêu việt, đảm bảo cho hệ thống bảo vệ
rơle tác động nhanh, nhạy, tin cậy và chọn lọc.
Bảo vệ khoảng cách là một bảo vệ được sử dụng tương đối rộng trong hệ
thống bảo vệ các hệ thống điện, là một bảo vệ đặc biệt quan trọng trên đường dây
tải điện. Bảo vệ khoảng cách sử dụng tương đối rộng rãi do:
+ Bảo vệ khoảng cách hoạt động tương đối đơn giản: gồm một bộ phận thực
hiện việc đo tổng trở tại chỗ đặt bảo vệ (bằng thương của điện áp tại chỗ
đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải sau khi đã được đưa qua các BU, BI).
+ Bảo vệ khoảng cách có tính dự phòng cao cho các bảo vệ khác: bảo vệ
khoảng cách thường được chỉnh định ba vùng hướng thuận và một vùng
hướng ngược.
+ Bảo vệ khoảng cách có chức năng định vị sự cố: chức năng định vị sự cố là
chức năng khá quan trọng giúp định vị sự cố trên đường dây tải điện dài,

14


nâng cao khả năng tìm ra điểm sự cố trên đường dây, giảm thời gian ngừng
cung cấp điện, giảm số lượng nhân lực để tìm ra điểm sự cố.
1.4.

Nguyên lý bảo vệ khoảng cách[3][11]
Bảo vệ khoảng cách hoạt động dựa trên nguyên lý đo tổng trở được dùng để

phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc máy phát điện bị mất đồng bộ hay mất
kích thích. Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong
chế độ làm việc bình thường bằng tổng trở toàn bộ đường dây phía sau cộng với

phụ tải:
Zđo = Zdây + Zphụ tải
Giá trị tổng trở này cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố.
Bình thường Zptải thường lớn hơn nhiều so với Zdây, nên tổng trở đo được phụ thuộc
vào góc pha và trị số của dòng điện phụ tải. Trên mặt phẳng phức, khi phụ tải thay
đổi, vectơ tổng trở đo được sẽ thay đổi góc nghiêng của nó.
Khi có ngắn mạch trên đường dây, tổng trở đo được bằng tổng trở đường dây
từ rơle đến chỗ sự cố. Như vậy tổng trở đo được nhỏ đi so với lúc bình thường, và
độ nghiêng của vectơ tổng trở sẽ tăng lên.
Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường là do điện trở của hồ quang
phát sinh tại chỗ ngắn mạch), góc nghiêng của vectơ tổng trở giảm đi nhưng tổng
trở đo được có trị số lớn hơn.
Dạng đơn giản nhất của rơle khoảng cách gồm một bộ phận thực hiện việc đo
tổng trở tại chỗ đặt bảo vệ (bằng thương của điện áp tại chỗ đặt bảo vệ với dòng
điện phụ tải sau khi đã được đưa qua các BU, BI). Hình 1.1 minh hoạ chức năng
này bằng việc sử dụng loại rơle điện cơ.

15


Hình 1.1. Rơle khoảng cách loại điện cơ đơn giản.
Thanh cân bằng sẽ chuyển động sang phía tay trái để đóng tiếp điểm đưa đến
cắt máy cắt, lúc đó:
V
V
 ZR
 I hoặc
I
ZR

Như vậy, rơle khoảng cách chỉ tác động khi tổng trở của đường dây từ chỗ đặt
rơle tới chỗ sự cố nhỏ hơn giá trị tổng trở khởi động. Người ta mong muốn đặt giá
trị tổng trở khởi động bằng với tổng trở của đường dây được bảo vệ. Tuy nhiên, do
sai số của các thiết bị đo lường, của bản thân rơle nên điều này không thể thực hiện
được.
Xét đường dây có chiều dài 20km với tổng trở trên một đơn vị chiều dài là
0,37 Ω. Tổng trở từ chỗ đặt rơle tới cuối đường dây là: ZL=20.0,37=7,4 Ω. Thông
thường giá trị tổng trở khởi động của vùng thứ nhất chỉ bao trùm khoảng 80% chiều
dài đường dây được bảo vệ (Hình 1.2) để tránh tác động nhầm vượt vùng.
Tuy nhiên, các bộ so sánh kiểu biên độ không có đặc tính hướng. Khi dòng
điện đi từ thanh góp vào đường dây hoặc từ đường dây tới thanh góp thì rơle đều
hoạt động. Do đó, cần phải thêm bộ phận định hướng công suất. Rơle khoảng cách
với đặc tuyến khởi động “MHO” đã kết hợp đồng thời cả bộ phận đo khoảng cách
và bộ phận định hướng công suất.
Rơle khoảng cách với đặc tuyến MHO không đơn giản so sánh V/I với ZR mà
so sánh (V/I-ZR) hay (ZF-ZR) với ZR (ZR là tổng trở đặt của rơle, ZF là tổng trở sự
cố). Ngưỡng khởi động của rơle xảy ra khi (ZF-ZR)=ZR và quỹ tích ngưỡng khởi
động là một đường tròn bán kính ZR (Hình 1.3).

16


Hình 1.2. Vùng làm việc thứ nhất của rơle khoảng cách.

Hình 1.3. Quỹ tích ngưỡng khởi động.
Góc pha λ giữa hai đại lượng ZF và (2ZR-ZF) được so sánh như hình 1.4.
Ngưỡng khởi động tương ứng với λ=900. Rơle sẽ hoạt động khi λ >±900.

17

Rơle tĩnh và rơle số thực hiện việc so sánh pha. Trong những rơle này, có hai
đại lượng đầu vào là S1 và S2, trong đó:

S1  V - I.Zn
S2  V
I là dòng điện sự cố. Zn là tổng trở đặt của rơle và bằng 2ZR

Hình 1.4. So sánh góc pha λ giữa hai đại lượng.
Một số trường hợp ngắn mạch không phải trực tiếp mà thông qua điện trở trung
gian (thường dưới dạng hồ quang). Điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch làm tăng trị số
tổng trở đo được và giảm góc pha của vectơ tổng trở. Yếu tố tăng tổng trở đo được
làm cho rơle khoảng cách cảm nhận điểm ngắn mạch xa hơn thực tế và có thể làm
tăng thời gian làm việc của bảo vệ. Người ta khắc phục điều này bằng cách dùng rơle
điện kháng chỉ đo điện kháng của đường dây.
Ngày nay, rơle điện kháng đã được thay thế bằng rơle có đặc tuyến hình tứ
giác (Hình 1.5). Hầu hết các rơle số thế hệ mới đều sử dụng dạng đặc tuyến này.
Với đặc tuyến này, người ta có thể đặt ngưỡng điện trở và điện kháng một cách độc
lập. Ngoài ra, đặc tuyến điện kháng của vùng 1 và 2 có thể dao động về điểm
ngưỡng để bù ảnh hưởng của dòng tải trước sự cố và làm chính xác các kết quả đo

18


vùng 1. Rơle khoảng cách thường có ba vùng tác động cho hướng thuận và m ột
vùng cho hướng nghị ch (Hình 1.6).
Vì lý do sai số của các phần tử trong hệ thống bảo vệ nên vùng thứ nhất của
bảo vệ khoảng cách bao trùm khoảng 80% - 85% chiều dài đường dây được bảo vệ.
Để bảo vệ nốt 20% chiều dài còn lại của đường dây, trong các rơle khoảng cách có
thêm bộ phận khởi động để mở rộng vùng tác động tới cuối đường dây tiếp theo

(chức năng teleprotection).
Quá trình mở rộng vùng tác động sẽ làm tăng ngưỡng của bộ phận đo tới 120150% chiều dài đường dây. Vùng 2 này sẽ bao trùm 20% chiều dài còn lại của
đường dây và phần đầu của đường dây tiếp theo. Khi xảy ra ngắn mạch trên phần
đầu của đường dây B trong vùng 1 của rơle khoảng cách RZB, bảo vệ sẽ cắt máy cắt
MCB với thời gian t  0. Nếu vùng 1 của rơle RZB từ chối tác động thì vùng 2 của
rơle RZA tác động cắt máy cắt MCA với thời gian t A . Như vậy, RZA làm nhiệm vụ
dự phòng cho RZB.

Hình 1.5. Đặc tuyến hình tứ giác.

19


Hình 1.6. Bảo vệ khoảng cách ba vùng tác động.
Nguyên lý tổng trở có thể được sử dụng để bảo vệ lưới điện phức tạp có nhiều
nguồn với hình dạng bất kỳ. Tuy nhiên một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến số đo
của bộ phận khoảng cách như sai số của máy biến dòng điện, biến điện áp, điện trở
quá độ tại chỗ ngắn mạch, hệ số phân bố dòng điện trong nhánh bị sự cố với dòng
điện qua chỗ đặt bảo vệ và đặc biệt là quá trình dao động điện.

20


CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ CỦA
ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
2.1.

Tổng trở đƣờng dây mạch đơn

2.1.1. Ma trận tổng trở của đƣờng dây đơn không đối xứng

Năm 1926, John Carson đã đưa ra công thức cho ma trận tổng trở của đường
dây trên không với đường trở về đất như sau[6][7]:

 Z aa
Z
Z   ba
 Z ca

 Z na

Z ab
Z bb
Z cb
Z nb

Z ac
Z bc
Z cc
Z nc

Z an 
Z bn 
Z cn 

Z nn 

(2.1)

Trong đó:
- Zii =ziil, (i = a, b, c) zii tổng trở riêng của dây dẫn i, tính đến ảnh hưởng của

trở về đất, l là chiều dài đường dây [m], trong đó:
zii   ri  rd   j 2.107 ln

De
,  / m
GMRi

(2.2)

- rilà điện trở của dây dẫn pha i , [/m]
- rd là điện trở của đất , [/m]
- f là tần số hệ thống , Hz
- De  658,368


f

,  m

-  là điện trở suất của đất, [/m]
- GMRi bán kính hình học của dây thứ i, [m]

zij  rd  j 2.107 ln

De
,  / m
dij

(2.3)

- dij khoảng cách giữa hai dây i và j(j là a,b,c, đất), [m]
Trong công thức trên ảnh hưởng của dây trung tính đã được xem tới. Tuy
nhiên dây trung tính được hở mạch, hoặc dây trung tính được nối đất, ma trận tổng
trở sẽ suy giảm như sau về bậc 3x3 cụ thể như sau:
21


Nếu dây trung tính hở mạch khi đó ma trận tổng trở có thể bỏ qua cột bên tay
phải và hàng cuối cùng.
Nếu dây trung tính nối đất khi đó ma trận tổng trở sẽ suy biến thành ma trận
sau:

Z reduce

 Z aa ' Z ab ' Z ac '
  Z ba ' Z bb ' Z bc '
 Z ca ' Z cb ' Z cc ' 

(2.4)

Trong đó :
Z 'ii  Zii 

Zin Z ni
i  a, b, c
Z nn

Z 'ij  Zij 

Zin Z nj

Z nn

i, j  a, b, c

2.1.2. Ma trận tổng trở của đƣờng dây đơn đối xứng
Một đường dây 3 pha mạch đơn sẽ trở nên gần đối xứng nếu đường dây được
đảo pha và chiều dài của một chu kỳ đảo pha là nhỏ hơn nhiều độ dài bước sóng tại
tần số đang xét. Với tần số 50 Hz chiều dài của cả đoạn dây có thể từ 80 đến 160
km và được đảo pha sẽ thỏa mãn đường dây đối xứng. Khi đó trở kháng trên toàn
bộ đoạn dây có thể là trung bình trở kháng trên ba đoạn (i), (ii), (iii) hình 2.1.
Ua
Ub
Uc

(i)
Ia a
Ib b
Ic c

(ii)
c
Z'ab
Z'bc

a
b

(iii)
Z'ca

b
c
a

Hình 2.1. Đảo pha cho đường dây ba pha mạch đơn.
Ma trận tổng trở của đường dây sẽ là tổng của ma trận tổng trở trên ba đoạn
đường dây, theo công thức (2.1) ta có:
Z '
Z 'cb  
aa Z 'ab Z 'ac   Z 'bb Z 'bc Z 'ba   Z 'cc Z 'ca
 
 

1 
  Z 'ba Z 'bb Z 'bc    Z 'cb Z 'cc Z 'ca    Z 'ac Z 'aa Z 'ab  
3 
 
 

  Z 'ca Z 'cb Z 'cc   Z 'ab Z 'ac Z 'aa   Z 'bc Z 'ba Z 'bb  




22


Viết gọn lại ma trận tổng trở cho cả đường dây sẽ là:
 Zs
Z   Z m

Zm


Zm Zm 
Z s Z m 
Z m Z s 

(2.5)

Trong đó:

1
Z s  (Z 'aa  Z 'bb  Z 'cc )
3

(2.6)

1
Zm  (Z 'ab  Z 'bc  Z 'ca )
3

(2.7)

Trong đó:
- Zs là tổng trở của bản thân mỗi dây dẫn.
- Zm là tổng trở tương hỗ với các dây của cùng một mạch.
Trong một số chế độ ví dụ ngắn mạch không đối xứng của đường dây. Việc
tính toán một cách trực tiếp bằng các hệ phương trình vi phân dựa trên những định
luật Kirchoff và Ohm rất phức tạp, do đó người ta thường dùng phương pháp thành
phần đối xứng. Nội dung của phương pháp này là chuyển từ dạng ngắn mạch không

đối xứng thành ngắn mạch 3 pha đối xứng giả tưởng rồi dùng các phương pháp đã
biết để giải nó. Theo lý thuyết đã biết tổng trở thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự
không được xác định thông qua các công thứ sau:
Z1  Z 2  Z s  Z m

(2.8)

Z 0  Z s  2Z m

(2.9)

Trong đó:
Z1,Z2,Z0 lần lượt là tổng trở thứ tự thuận, nghịch và không của đường dây.

23


2.2.

Tổng trở đƣờng dây song song

Đối với đường dây song song (a,b,c; a’, b’, c’) ma trận tổng trở của đường dây
sẽ được cho như sau[6][7][4]:

Z abc ''

 Z aa

 Z ab
 Z ca


 Z aa '
Z
 ab '
 Z c ' a

Z ab

Z ca

Z aa '

Z ab '

Z bb

Z bc

Z ba '

Z bb '

Z bc

Z cc

Z ca '

Zb ' c

Za 'b

Z ca '

Za 'a '

Za 'b '

Z bb '

Zb ' c

Za 'b '

Zb ' b '

Z bc '

Zc 'c

Zc ' a '

Zb ' c '

Zc ' a 

Z bc ' 
Z cc ' 

Zc ' a ' 

Zb ' c ' 

Z c ' c ' 

(2.10)

Khi dây trung tính nối đất, có thể dùng kỹ thuật khử Kron để khử ma trận về
dạng đơn giản hơn. Khi có nhiều dây dẫn trên cùng một pha của đường dây truyền
tải thì ma trận trở nên rất lớn.
Ma trận tổng trở đường dây được sử dụng phổ biến tuy nhiên đối với các bảo
vệ rơle chủ yếu làm việc dựa trên thành phần tổng trở thứ tự thuận, tổng trở thứ tự
không là đặc trưng của đường dây truyền tải điện. Thực tế các đường dây truyền tải
được đảo pha cho các đường dây song song để tăng tính đối xứng của đường dây,
giảm ảnh hưởng hỗ cảm thứ tự không của các đường dây.

Hình 2.2. Đảo pha cho đường dây ba pha mạch kép (đường dây song song).

24


Ma trận tổng trở đối xứng của đường dây song song sau khi đảo pha (chuyển
vị pha) được cho dưới dạng:

Z 012 ''

 Z 00
0

0


 Z 0m
0

0

0
Z11
0
0

0
0
Z 22
0

Z 0m
0
0
Z 00'

0
0

0
0

0
0









Z11' 0

0
Z 22'
0
0
0
0

0
0
0
0

(2.10)

Một trong những lý do đảo pha đường dây song song để loại trừ thành phần
hỗ cảm (Z0m) nhưng thực tế không thể loại trừ hoàn toàn thành phần này được
(trong công thức (2.11) sau khi đảo pha đường dây vẫn còn thành phần hỗ cảm
Z0m).

25