Xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới điện phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN TUẤN

XÁC ĐINH VỊ TRÍ SỰ CỐ CÁP NGẦM LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S KC 0 0 4 8 7 2

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên:
Nguyễn Văn Tuấn.
Giới tính:
Nam.
Ngày, tháng, năm sinh: 22/8/1976.
Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh.
Quê quán:
TP. Hồ Chí Minh.
Dân tộc:
Kinh.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:
154 Tây Hòa, phường Phước Long A, Q 9, TP. Hồ Chí Minh.
Điện thoại di động: 0903609810

Điện thoại nhà riêng:
E-mail:
Fax:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ 9/1996 đến 9/1999.
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật.
Điện Khí Hóa Và Cung Cấp Điện.

2. Đại học:
Hệ Đào Tạo: Tại Chức.
Thời Gian Đào Tạo Từ 9/2003 Đến 9/2010.
Nơi Học (Trường, Thành Phố): Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.
Ngành Học:
Điện Công Nghiệp.
Tên Đồ Án, Luận án Hoặc Môn Thi Tốt Nghiệp:
Thiết Kế Hệ Thống Điện Cho Nhà Máy Gỗ Paoyun.
Ngày & Nơi Bảo Vệ Đồ Án, Luận án Hoặc Thi Tốt Nghiệp:
10/2010 – Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
Người Hướng Dẫn:
ThS. Trương Phước Hòa
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
9/2001 đến nay

Nơi công tác
Công Ty Điện lực Thủ Đức

Công việc đảm nhiệm
Nhân viên Phòng Kinh Doanh

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
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
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 3 năm 2016
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Tuấn

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS. Trương Việt Anh,
người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
quyển luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã
giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá trình hoàn
thành quyển luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo

mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên
tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.

Nguyễn Văn Tuấn

iii


TÓM TẮT
Việc nhanh chóng xác định vị trí sự cố ngắn mạch rất quan trọng trong lưới phân
phối với đặc trưng nhiều đoạn dây dẫn nối tiếp nhau. Thời gian xác định vị trí ngắn mạch
càng nhanh thì công tác chuẩn bị khắc phục sự cố để khôi phục hoạt động bình thường
trên lưới càng nhanh chóng và thuận tiện. Vấn đề này đặt biệt hữu ích đối với các vùng
có địa hình khó khăn hay các đường dây ngầm mà lưới điện phân phối đi qua khi hầu
như không thể quang sát được bằng mắt thường.
Để thực hiện nhiệm vụ xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới cáp ngầm phân
phối, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đã có nhiều thiết bị xây dựng dựa trên các
nghiên cứu này được chế tạo để xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm. Thống kê các
nghiên cứu đã được thực hiện từ trước đến nay trong lĩnh vực phát hiện vị trí ngắn mạch
được phân thành ba phương pháp chính đó là phương pháp bơm xung phản xạ vào đoạn
cáp bị sự cố ngắn mạch theo các nghiên cứu trong [1] và [2], phương pháp tính toán vị
trí ngắn mạch theo nghiên cứu trong [3], phương pháp dùng phân tích sóng dòng điện và
điện áp tần số cao theo các nghiên cứu trong [4-7]. Các nghiên cứu trong [1] và [2] chỉ
được thực hiện bằng các máy phát xung chuyên dụng có tần số cao và chỉ xác định được
vị trí ngắn mạch sau khi đã cô lập lưới điện. Điều này làm tăng thời gian mất điện, giảm
chất lượng cung cấp điện và phải đầu tư khá lớn cho máy tạo xung công suất lớn, tần số
cao và yêu cầu thiết bị đo lường chất lượng tốt với tần số đo lớn rất mắc tiền. Phương
pháp được đề xuất trong 3 sử dụng phương pháp giải lặp nên sai số tính toán khá cao.
Các nghiên cứu trong [4-7] yêu cầu phải có các thiết bị đo tần số cao với độ phân giải

lớn nên thiết bị phải được thiết kế với yêu cầu kỹ thuật khắc khe làm tăng giá thành thiết
bị.
Qua phân tích về các giải thuật xác định vị trí ngắn mạch đã được thực thi, với tính
chất thuần trở của điện trở hồ quang được khẳng định trong [9], luận văn đề xuất một
phương pháp xác định vị trí ngắn mạch dựa trên phương pháp tổng trở kết hợp với đặc
tính thuần trở của điện trở ngắn mạch.

iv


ABSTRACT
Fault location is very important in power network with the long distance of
transmission lines. Fault location time effect to repair time of transmission power cables.
Reducing of fault location time mean increasing power quality of power grid. Especially,
full of obstacles and difficult of access topography area or underground cables, fault
location approach is more useful when the sisual checking are impossible.
There are some researchs on fault location matter in power cables were done
recently. There are three approach groups in this field. The first is reflection wave, were
known as time domain reflectometry (TDR) for current and voltage source, the approach
were representation in [1] and [2]. The sencond is impedance-base approach, the
approach used the characteristic of impedance in the power grid for calculation current
and voltage in the power network for find short circuit point, this way was represented
in [3]. The last approach is wavelet analysis, this way base on traveling wave of transent
stage of network when fault occur, was represented in [4-7]. There are some limited
conditions in the first and the third approachs when apply to power network for fault
location. The first approach was practise when fault section is isolation from power grid
and they need the special device which can make high voltage pulses and sensitive
sensors for receiving reflection wave. This disadvantage increasing fault location time
and the device cost is too high. Impedance-base approach in [3] have less cost than the
first approach but the accuracy is low. The third approach no need special pulse maker

as the first approach but they need the high accuracy, high frequency measurement
equipment which is high cost.
Base on the analyses of those fault location approachs as above, this thesis propose
the new fault location approach base on impedance and arc resistor characteristic was
proposed in [9]. This appraoch no need the sensitive measurement equipment and more
accuracy than impedance-base others.

v


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ..................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iii
TÓM TẮT ....................................................................................................................... iv
ABSTRACT ..................................................................................................................... v
MỤC LỤC ....................................................................................................................... vi
MỤC LỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... x
MỤC LỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ xii
PHẦN 1: GIỚI THIỆU .................................................................................................... 1
I. Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 1
II. Nhiệm vụ của luận văn ................................................................................................ 2
III. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 3
IV. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 3
V. Điểm mới của luận văn ............................................................................................... 3
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài .......................................................................................... 4
VII. Nội dung luận văn..................................................................................................... 5
PHẦN 2: NỘI DUNG ...................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 6
1.1 Tính cần thiết.............................................................................................................. 6

1.2 Cáp ngầm điện lực...................................................................................................... 7
1.2.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực .................................................................................. 8
1.2.1.1 Dây dẫn điện ................................................................................................ 8
1.2.1.2 Chất cách điện ............................................................................................. 9
1.2.1.3 Màn bảo vệ ................................................................................................ 11
1.2.1.4 Vỏ cáp ........................................................................................................ 11
1.2.2 So sánh giữa cáp ngầm điện lực và đường dây trên không .............................. 12

vi


1.2.2.1 Ưu điểm của cáp ngầm điện lực ................................................................ 12
1.2.2.2 Nhược điểm của cáp ngầm điện lực .......................................................... 13
1.2.3 Xu thế phát triển của cáp ngầm điện lực hiện nay............................................ 14
1.3 Ngắn mạch trong cáp ngầm điện lực........................................................................ 14
1.3.1 Các nguyên nhân gây ngắn mạch cáp ngầm ..................................................... 14
1.3.2 Các loại sự cố ngắn mạch cáp ngầm ................................................................. 16
1.3.2.1 Ngắn mạch một pha chạm đất ................................................................... 16
1.3.2.2 Ngắn mạch hai pha chạm đất .................................................................... 17
1.3.2.3 Ngắn mạch ba pha chạm đất...................................................................... 18
1.4 Nhận dạng các dạng ngắn mạch cáp ngầm điện lực ................................................ 19
1.5 Hồ quang điện .......................................................................................................... 20
1.5.1 Hiện tượng hồ quang điện................................................................................. 20
1.5.1.1 Khái niệm chung ....................................................................................... 20
1.5.1.2 Quá trình phát sinh hồ quang .................................................................... 21
1.5.1.3 Quá trình dập tắt hồ quang ........................................................................ 22
1.5.2 Hồ quang điện trong sự cố ngắn mạch cáp ngầm ............................................. 23
1.5.3 Điện trở hồ quang điện trong sự cố ngắn mạch ................................................ 23
1.6 Các nghiên cứu khoa học liên quan ......................................................................... 24
1.6.1 Phương pháp xung phản xạ............................................................................... 25

1.6.2 Phương pháp tổng trở ....................................................................................... 26
1.6.3 Phương pháp phân tích sóng truyền ................................................................. 27
1.7 Hướng nghiên cứu của luận văn............................................................................... 29
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TRÌNH TOÁN ....................................................................... 30
2.1 Phương trình tổng trở các thành phần trong lưới điện ............................................. 30
2.1.1 Tổng trở đường dây điện .................................................................................. 30
2.1.2 Tổng trở đường dây cáp ngầm điện lực ............................................................ 32
2.1.3 Tổng trở phụ tải ba pha ..................................................................................... 32

vii


2.2 Tính toán dòng điện và điện áp trên lưới điện phân phối. ....................................... 33
2.2.1 Tính toán dòng điện đổ vào một đoạn dây phân phối ...................................... 34
2.2.2 Tính toán điện áp tại nút phụ tải trên lưới điện phân phối ............................... 35
2.3 Tính toán tổng trở ngắn mạch khi biết vị trí ngắn mạch .......................................... 36
2.4 Phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm được đề xuất ............................ 36
2.4.1 Các kết quả tính toán kiểm nghiệm .................................................................. 36
2.4.2 Các minh chứng khoa học liên quan ................................................................. 39
2.4.3 Đề xuất phương pháp định vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm dựa trên tổng trở có
xét đến điện trở ngắn mạch ............................................................................................ 39
2.5 Lưu đồ và giải thuật tính toán mô phỏng ................................................................. 39
2.5.1 Lưu đồ tính toán cho chương trình chính ......................................................... 40
2.5.2 Lưu đồ chương trình con tính toán vị trí và điện trở sự cố ............................... 42
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ......................................................... 44
3.1 Mô tả lưới điện phân phối cần mô phỏng ................................................................ 44
3.2 Mô hình hóa các khối trong lưới điện phân phối được mô phỏng ........................... 48
3.2.1 Khối nguồn phát điện ........................................................................................ 48
3.2.2 Khối đường dây ................................................................................................ 51
3.2.3 Khối phụ tải ...................................................................................................... 52

3.2.4 Khối sự cố ngắn mạch ...................................................................................... 54
3.2.5 Kết nối các khối trong mạch mô phỏng ............................................................ 55
3.3 Thiết kế giao diện chương trình ước lượng vị trí ngắn mạch cáp ngầm .................. 55
3.3.1 Giao diện chương trình tạo sự cố ngắn mạch ................................................... 56
3.3.2 Giao diện chương trình ước lượng vị trí ngắn mạch ........................................ 57
3.4 Mô phỏng định vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối.................... 58
3.4.1 Khi dự báo chính xác phụ tải trên lưới điện phân phối .................................... 58
3.4.1.1 Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất .......................................................... 58
3.4.1.2 Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất ........................................................... 59

viii


3.4.1.3 Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất ............................................................ 60
3.4.2 Khi dự báo phụ tải trên lưới điện phân phối có sai số 10% .............................. 61
3.4.2.1 Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất .......................................................... 61
3.4.2.2 Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất ........................................................... 62
3.4.2.3 Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất ............................................................ 63
3.4.3 Khi dự báo phụ tải trên lưới điện phân phối có sai số 20% .............................. 64
3.4.3.1 Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất .......................................................... 64
3.4.3.2 Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất ........................................................... 65
3.4.3.3 Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất ............................................................ 66
3.4.4 Khi dự báo phụ tải trên lưới điện phân phối có sai số 30% .............................. 66
3.4.4.1 Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất .......................................................... 67
3.4.3.2 Sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất ........................................................... 68
3.4.3.3 Sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất ............................................................ 69
3.5 Nhận xét ................................................................................................................... 69
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 71
4.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn ............................................................... 71
4.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. ........................................................ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 73

ix


MỤC LỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Mặt cắt ngang một số cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu.................................. 9
Hình 1.2 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện XLPE. ......................................... 10
Hình 1.3 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện EPR. ........................................... 10
Hình 1.4 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch một pha chạm đất. ................. 16
Hình 1.5 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch một pha chạm đất. ..................... 17
Hình 1.6 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất. .................. 18
Hình 1.7 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất. ....................... 18
Hình 1.8 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch ba pha. ................................... 19
Hình 1.9 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch ba pha. ....................................... 19
Hình 2.1 Mô hình đường dây có tổng trở tương hỗ. ...................................................... 30
Hình 2.2 Lưới điện phân phối với hai nút phụ tải. ......................................................... 34
Hình 2.3 Sơ đồ đường dây có sự cố tại vị trí cách đầu nguồn 1 km. ............................. 37
Hình 2.4 Phần ảo điện trở ngắn mạch theo các vị trí ngắn mạch giả định khi có sự cố
ngắn mạch tại vị trí 1 km................................................................................................ 37
Hình 2.5 Phần ảo điện trở ngắn mạch theo các vị trí ngắn mạch giả định khi có sự cố
ngắn mạch tại vị trí 2, 3, 4, 5.5 km. ............................................................................... 38
Hình 2.6 Lưu đồ chương trình tính toán sự cố ngắn mạch. ........................................... 41
Hình 2.7 Lưu đồ tính toán vị trí sự cố cho các chương trình con. ................................. 43
Hình 3.1 Sơ đồ vận hành lưới điện phân phối Quý Đức (878-T19A). .......................... 46
Hình 3. 2 Sơ đồ đơn tuyến lưới điện phân phối cáp ngầm 878-T19A. .......................... 48
Hình 3. 3 Mô hình nguồn điện áp cấp cho đường dây truyền tải. .................................. 49
Hình 3. 4 Giao diện xác định các thông số cho nguồn điện ba pha. .............................. 49
Hình 3. 5 Mô hình đường dây truyền tải. ....................................................................... 51

x


Hình 3. 6 Giao diện xây dựng các thông số cho đường dây ba pha. .............................. 51
Hình 3. 7 Mô hình khối phụ tải. ..................................................................................... 52
Hình 3. 8 Giao diện xây dựng các thông số cho khối phụ tải. ....................................... 53
Hình 3. 9 Sơ đồ kết nối khối tạo sự cố. .......................................................................... 54
Hình 3. 10 Mô hình hóa mô phỏng lưới điện phân phối cáp ngầm. .............................. 55
Hình 3. 11 Giao diện chương trình tạo sự cố ngắn mạch............................................... 57
Hình 3. 12 Chương trình tính toán vị trí sự cố ngắn mạch. ........................................... 57

xi


MỤC LỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Bảng nhận biết loại sự cố ngắn mạch. ........................................................... 20
Bảng 3.1 Thông số phát tuyến Quý Đức (878-T19A). .................................................. 47
Bảng 3. 2 Thông số cáp ngầm 22 KV XLPE 3M240. ................................................... 47
Bảng 3. 3 Kết quả mô phỏng ngắn mạch một pha chạm đất. ........................................ 58
Bảng 3. 4 Kết quả mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất. .......................................... 59
Bảng 3. 5 Kết quả mô phỏng ngắn mạch ba pha chạm đất. ........................................... 60
Bảng 3. 6 Kết quả mô phỏng ngắn mạch một pha chạm đất. ........................................ 61
Bảng 3. 7 Kết quả mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất. .......................................... 62
Bảng 3. 8 Kết quả mô phỏng ngắn mạch ba pha chạm đất. ........................................... 63
Bảng 3. 9 Kết quả mô phỏng ngắn mạch một pha chạm đất. ........................................ 64
Bảng 3. 10 Kết quả mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất. ........................................ 65
Bảng 3. 11 Kết quả mô phỏng ngắn mạch ba pha chạm đất. ......................................... 66
Bảng 3. 12 Kết quả mô phỏng ngắn mạch một pha chạm đất. ...................................... 67
Bảng 3. 13 Kết quả mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất. ........................................ 68
Bảng 3. 14 Kết quả mô phỏng ngắn mạch hai pha chạm đất. ........................................ 69

xii


PHẦN 1: GIỚI THIỆU
I. Đặt vấn đề
Trong tình hình phát triển hệ thống điện của Việt Nam hiện nay, việc ngầm hóa
hệ thống điện là yêu cầu cấp thiết trong các thành phố. Việc ngầm hóa hệ thống phân
phối điện năng không chỉ nâng cao độ an toàn của đường truyền dẫn điện mà còn
phục vụ yêu cầu cải trang đô thị vì các đường dây điện trên không là yếu tố không
nhỏ gây mất mỹ quang đô thị với dây điện mắc chằng chịt cùng với đó là hàng loạt
các dây viễn thông ăn theo.
Hiện nay, việc ngầm hóa đường dây phân phối đô thị đang diễn ra nhanh chóng
và ngày càng mở rộng. Cùng với việc dùng cáp ngầm thay thế cho dây dẫn điện trên
không đã nảy sinh yêu cầu đảm bảo yếu tố vận hành an toàn và hiệu quả đường dây
cáp ngầm. Không giống đường dây trên không, đường dây cáp ngầm khi bị sự cố
thường rất khó để phát hiện vị trí sự cố do chúng được đặt ngầm trong đất nên không
thể phát hiện bằng mắt thường. Do đó, yêu cầu cấp thiết được đặt ra đối với đường
dây cáp ngầm là phải có một giải pháp hiệu quả để xác định đoạn sự cố, vị trí sự cố,
để nhanh chóng cách ly đoạn sự cố ra và cấp điện lại cho các đoạn dây điện còn lại.
Việc cấp điện trở lại cho hệ thống là hoàn toàn khả thi do lưới ngầm phân phối thường
được thiết kế mạch vòng nhưng lại vận hành theo hình tia.
Trong quá trình vận hành, đường dây phân phối điện có thể gặp những sự cố
ngắn mạch do sự rạn nứt cách điện sau một thời gian vận hành gây lão hóa cách điện,
cũng có thể do trong quá trình xây dựng, cách điện bị rạn nứt mà không phát hiện ra,
theo thời gian bị nước ngấm vào gây nên sự cố. Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần
tử nào trên đường dây, rơ le bảo vệ sẽ tác động tách toàn bộ các thiết bị và đường dây
sau rơ le ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng của nhánh bị sự cố lên các
thành phần khác trên hệ thống điện. Như vậy quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly
và xác định chính xác đoạn dây sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc

khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thiểu thời

1


gian mất điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện
cho các hộ tiêu thụ.
Để thực hiện nhiệm vụ xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới cáp ngầm phân
phối, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đã có nhiều thiết bị xây dựng dựa trên
các nghiên cứu này được chế tạo để xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm. Thống kê
các nghiên cứu đã được thực hiện từ trước đến nay trong lĩnh vực phát hiện vị trí ngắn
mạch được phân thành ba phương pháp chính đó là phương pháp bơm xung phản xạ
vào đoạn cáp bị sự cố ngắn mạch theo các nghiên cứu trong [1] và [2], phương pháp
tính toán vị trí ngắn mạch theo nghiên cứu trong [3], phương pháp dùng phân tích
sóng dòng điện và điện áp tần số cao theo các nghiên cứu trong [4-7]. Các nghiên cứu
trong [1] và [2] chỉ được thực hiện bằng các máy phát xung chuyên dụng có tần số
cao và chỉ xác định được vị trí ngắn mạch sau khi đã cô lập lưới điện. Điều này làm
tăng thời gian mất điện, giảm chất lượng cung cấp điện và phải đầu tư khá lớn cho
máy tạo xung công suất lớn, tần số cao và yêu cầu thiết bị đo lường chất lượng tốt
với tần số đo lớn rất mắc tiền. Phương pháp được đề xuất trong 3 chỉ có thể xác định
được vị trí ngắn mạch sau khi đã định vị được đoạn ngắn mạch chứ không thể xác
định được đoạn ngắn mạch nên bị hạn chế trong lưới điện phân phối. Các nghiên cứu
trong [4-7] yêu cầu phải có các thiết bị đo tần số cao với độ phân giải lớn nên thiết bị
phải được thiết kế với yêu cầu kỹ thuật khắc khe làm tăng giá thành thiết bị.
Qua phân tích về các giải thuật xác định vị trí ngắn mạch đã được thực thi, với
tính chất thuần trở của điện trở hồ quang được khẳng định trong [9] kết hợp với phân
tích dòng công suất trên lưới phân phối, luận văn đề xuất một phương pháp xác định
vị trí ngắn mạch dựa trên phương pháp tổng trở kết hợp với đặc tính thuần trở của
điện trở ngắn mạch.
II. Nhiệm vụ của luận văn

Luận văn “Xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới phân phối” có nội dung chủ yếu:
Nêu được tầm quan trọng của luận văn. Từ đó nói được yêu cầu và tính cấp thiết
của
Phân loại và sự ảnh hưởng của các loại sự cố lên lưới điện phân phối.

2


Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán vị trí sự cố và giá trị điện trở
tại điểm sự cố.
Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng cho phương pháp được đề xuất.
Kết quả nghiên cứu của luận văn.
III. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các thông số chính trên một lưới điện phân phối.
- Nghiên cứu phương pháp tính toán vị trí ngắn mạch đã được đề xuất.
- Nghiên cứu tính toán các thông số và ảnh hưởng của các thông số lên dòng
điện và điện áp ngắn mạch khi có sự cố ngắn mạch xảy ra.
- Nghiên cứu về các loại sự cố trên lưới điện phân phối và cách phân loại các
loại sự cố khi có sự cố xảy ra.
- Đề xuất giải thuật xác định vị trí và điện trở sự cố cho các sự cố ngắn mạch.
- Đưa ra mô hình mô phỏng để đánh giá kết quả của giải thuật xác định vị trí
sự cố đã đề ra.
- Áp dụng kết quả để tiến đến kiểm chứng kết quả trên hệ thống thực tế.
IV. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu các mô hình lưới điện phân phối hiện hành. Các thông số đường
truyền tải trên lưới điện và ảnh hưởng của các thông số lên hoạt động của hệ
thống điện.
- Xây dựng giải thuật xác định vị trí và điện trở sự cố cho lưới điện phân phối.
- Xây dựng mô hình mô phỏng cho giải thuật đề ra, từ đó tiến hành tính toán

và xác định các trường hợp có thể xuất hiện khi ứng dụng vào thực tế.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
V. Điểm mới của luận văn
- Tìm ra cách xác định các thông số hệ thống cho một đường dây cáp ngầm
phân phối.

3


- Đưa ra giải thuật và chương trình mới để xác định vị trí sự cố và điện trở sự
cố cho mạch một cách nhanh chóng mà không cần thêm các thiết bị phức tạp
nào khác.
- Góp phần nâng cao chất lượng và hoạt động tin cậy hơn cho lưới điện phân
phối.
- Giảm thiểu thời gian gián đoạn của hệ thống điện khi sự cố xảy ra cũng như
giảm thiểu chi phí vận hành của hệ thống khi gặp sự cố ngắn mạch.
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài
Với mục đích xác định chính xác đoạn ngắn mạch và vị trí ngắn mạch trên lưới
phân phối, khi đi vào thực tế hoạt động, thiết bị sẽ góp phần giảm thiểu thời gian mất
điện cho các đoạn không bị sự cố ngắn mạch còn lại trên lưới và xác định nhanh vị
trí ngắn mạch trên đoạn bị sự cố ngắn mạch khi có sự cố xảy ra. Đồng thời, với ưu
điểm là không sử dụng thêm các thiết bị chuyên dụng từ bên ngoài nên sẽ giảm được
rất nhiều chi phí mua sắm trang thiết bị, cũng như chi phí vận hành cho các thiết bị
chuyên dụng đi kèm này. Điều này góp phần giảm đáng kể chi phí cho lưới điện trong
quá trình xây dựng cũng như vận hành hoạt động hệ thống lưới điện phân phối.
Chính vì vậy, đề tài “Xác định vị trí sự cố cáp ngầm lưới phân phối” được thực
hiện nhằm mục đích góp thêm một giải pháp hữu ích để nâng cao chất lượng vận
hành cho lưới điện truyền tải phân phối.
Từ công việc nghiên cứu của luận văn:

-

Nhận được kết quả từ một mô hình mô phỏng cho một lưới điện phân phối
với các thông số lưới thực tế.

- Ứng dụng rộng rãi trong các trạm phân phối trong hệ thống điện nhằm xác
định nhanh các sự cố và vị trí của chúng trên lưới.
- Giúp các nhà hoạch định có thêm một giải pháp nhằm nâng cao độ ổn định
và vận hành tốt lưới điện.
- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế hệ
thống điện hiệu quả hơn bằng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện.

4


VII. Nội dung luận văn
Chương 0: Giới thiệu.
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Phương trình toán và nguyên tắc định vị sự cố ngắn mạch cáp ngầm.
Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng và kết quả mô phỏng.
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển.

5


PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong chương này sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu
của luận văn. Các nội dung trình bày chính bao gồm vai trò của đường dây phân phối
cáp ngầm trong tình hình phát triển lưới điện hiện nay, các khái niệm về ngắn mạch,

các loại ngắn mạch và tình hình nghiên cứu định vị sự cố ngắn mạch cáp ngầm hiện
nay.
1.1 Tính cần thiết
Việc phát triển lưới điện phân phối cáp ngầm là một yêu cầu tất yếu đối với các
đô thị ngày nay. Cáp ngầm có ưu điểm là hầu như không chiếm không gian, không
ảnh hưởng đến sinh hoạt hằng ngày của người dân, không có tác hại gây ra bởi dòng
điện truyền đi trong dây dẫn do dây cáp được chôn trong đất. Để đảm bảo vẽ mỹ
quang cho đô thị và an toàn cho người dân khỏi sự cố rò điện trong mùa mưa bão,
cáp ngầm được sử dụng để dần thay thế cho các đường dây trên không trong các thành
phố, đô thị và các khu dân cư tập trung.
Khi có sự cố lưới điện phân phối xảy ra, cáp ngầm sẽ có nhiều bất lợi hơn đường
dây trên không là sẽ khó phát hiện được vị trí sự cố do được chôn ngầm trong đất hay
đi trong các ống dẫn. Ngoài ra, việc đấu nối cáp ngầm sẽ phức tạp và yêu cầu kỹ thuật
và thiết bị chuyên dụng nên sẽ tốn rất nhiều thời gian khắc phục sự cố để tiếp tục
cung cấp điện cho khách hàng tiêu thụ điện. Nhằm giảm thiểu thời gian mất điện và
nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối cần phải có một phương pháp
khả thi để xác định nhanh vị trí sự cố ngắn mạch trong cáp ngầm. Nhanh chóng xác
định vị trí ngắn mạch này sẽ giúp nhanh chóng xác định đoạn cáp bị sự cố ngắn mạch,
cách ly nhanh đoạn ngắn mạch và cung cấp điện cho các nhánh không bị sự cố còn
lại trên lưới điện phân phối.
Lưới điện phân phối có đặc điểm là có nhiều nhánh rẽ, nhiều nút phụ tải và các
phụ tải không cân bằng giữa các pha. Do đó hầu như không thể áp dụng chính xác
các phương pháp xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải vào lưới điện phân

6


phối. Việc cách ly đoạn sự cố để xác định vị trí ngắn mạch là một việc làm mất nhiều
thời gian và lưới điện phân phối sẽ bị mất điện khá lâu nên xu hướng chung trong
việc xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối là xác định online tức

là xác định nhanh vị trí ngắn mạch khi nó vừa xuất hiện. Có nhiều nghiên cứu được
đưa ra để xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới điện phân phối [3-7] trong thời
gian gần đây. Nhìn chung, có hai phương pháp chính để xác định online vị trí sự cố
ngắn mạch cáp ngầm được sử dụng đó là phương pháp tổng trở và phương pháp sóng
truyền. Phương pháp sóng truyền xác định vị trí ngắn mạch dựa trên tín hiệu quá độ
tần số cao khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên lưới điện đang vận hành. Phương pháp
sóng truyền có ưu điểm là độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào giá trị phụ tải trên các
nút phụ tải. Tuy nhiên với yêu cầu phải có các bộ đo lường với tốc độ chuyển đổi
ADC tốc độ cao (từ 100 KHz đến vài MHz) để có thể thu được các tín hiệu một cách
chính xác và cấu hình bộ xử lí số liệu mạnh (tốc độ xử lí nhanh) để thực hiện các
phép biến đổi đại số nên giá thành thiết bị đắt nên chưa thể áp dụng đại trà cho các
trạm biến áp phân phối. Phương pháp tổng trở có ưu điểm khi không yêu cầu thiết bị
chuyên dụng đắt tiền như phương pháp sóng truyền nhưng do sử dụng các giải thuật
giải tích mạch điện qua các nút nên thường có sai số lớn.
Để nâng cao hiệu quả trong vấn đề xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới
điện phân phối, luận văn đề xuất phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm
lưới điện phân phối dựa trên phương pháp tổng trở có xét đến tính chất thuần trở của
điện trở ngắn mạch. Với phương pháp tổng trở sẽ giảm được chi phí đầu tư thiết bị
trên lưới điện, với việc xét đến tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch sẽ giúp
giảm sai số trong việc tính toán vị trí ngắn mạch của các phương pháp tổng trở nói
chung.
1.2 Cáp ngầm điện lực
Cùng với sự phát triển của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày
càng cao trong một xã hội hiện đại, các đường dây cáp ngầm cũng được đầu tư ngày
càng nhiều khi yêu cầu về độ an toàn cho người, đường dây, yêu cầu cấp điện liên tục
và chất lượng điện năng đảm bảo của hệ thống điện, hay tại các công trình không thể

7

dùng đường dây trên không bởi lý do an toàn như các đường dây vượt biển, vượt
sông, các đường dây điện trong các thành phố đông dân cư.
1.2.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực
Trong lịch sử hình thành và phát triển của cáp ngầm điện lực, có nhiều cấu hình
cấu tạo cáp điện lực đã ra đời. Khi một sợi cáp được đưa đặt dưới đất, cách điện càng
phải tốt hơn nhiều so với đường dây trên không. Dòng điện trong tự nhiên có xu
hướng quay trở về đất và vì thế dây dẫn cần phải có cách điện tốt để giảm thiểu tổn
thất điện năng. Chính điều này đã làm cho kết cấu của cáp ngầm điện lực phức tạp
hơn đường dây trên không rất nhiều. Việc chế tạo cáp ngầm điện lực cũng đòi hỏi
yêu cầu công nghệ cao hơn nhiều việc chế tạo đường dây trên không. Đây chính là
yếu tố cơ bản làm tăng chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực. Nhìn chung cấu tạo cáp
ngầm điện lực bao gồm các thành phần cơ bản sau:
1.2.1.1 Dây dẫn điện
Đồng vẫn là vật liệu làm dây dẫn điện chiếm ưu thế nhất hiện nay. Dây dẫn
được làm với nhiều định dạng khác nhau như bện, dây đặc, rẽ quạt. Dây dẫn điện có
hình dạng như thế nào là phụ thuộc rất lớn vào giá thành cáp của nước sản xuất tại
thời điểm đấu thầu. Nhôm cũng được dùng làm dây dẫn điện bởi đặc tính nhẹ hơn và
dễ thao tác hơn đối với các sợi cáp lớn. Thêm một điểm quan tâm nữa là khi nối cáp
nhôm phải đảm bảo rằng không có oxit nhôm trên bề mặt tiếp xúc, điều này không
cần thiết khi nối dây dẫn điện bằng đồng hay đồng thau.

8


1.2.1.2 Chất cách điện
- Giấy cách điện:

Hình 1.1 Mặt cắt ngang một số cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu.
Giấy tẩm dầu, giấy cách điện cáp ngầm điện lực được áp dụng tại tất cả các cấp
điện áp hoạt động. Đây là chất cách điện được dùng đầu tiên cho cáp ngầm điện lực

khi công nghệ vật liệu chưa phát triển. Trong vấn đề vận hành lưới điện cáp ngầm
giấy tẩm dầu yêu cầu bảo trì bảo dưỡng liên tục và yêu cầu kỹ thuật cao trong vận
hành nên ngày nay chúng ít được dùng cho các công trình mới.
- Cách điện bằng XLPE:
XLPE (Cross-linked polyethylene) là loại cách điện thông dụng nhất trong việc
chế tạo cáp ngầm hiện nay. XLPE với lợi thế có cường độ điện môi cao, sức bền cơ
học tốt và đặc tính không hút ẩm với khả năng ôn định nhiệt độ trên một dãy nhiệt độ
rộng. XLPE không có điểm nóng chảy rõ ràng và có thể duy trì độ đàn hồi ở nhiệt độ
cao do đó cho phép có khả năng mang dòng điện lớn hơn, có khả năng quá tải, khả
năng chịu đựng ngắn mạch khi so sánh với cáp ngầm điện lực cách điện bằng giấy
tẩm dầu.
Cáp ngầm điện lực XLPE có phần cách điện dày hơn so với cáp ngầm điện lực
giấy tẩm dầu. Kết quả là cáp XLPE thường có đường kính cáp lớn hơn và chiều dài
cáp thường ngắn hơn một ít khi chứa trong cùng một cuộn cáp khi so sánh với cáp
ngầm khác.

9


Hình 1.2 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện XLPE.
- Cách điện EPR:
Cáp ngầm cách điện dùng cao su ethylene propylene có cấu trúc giống như cáp
XLPE và cũng được sản xuất với quy trình tương tự. Cả EPR và XLPE đều bền bỉ và
có đặc tính chịu nhiệt tốt, tuy nhiên, EPR có khả năng co giãn tốt hơn trong một dãy
nhiệt độ rộng. Điều này làm cho cáp EPR có chất lượng cao hơn các loại cáp ngầm
điện lực khác hiện nay. Tuy nhiên, việc chế tạo cáp ngầm điện lực EPR với công nghệ
hiện tại có giá thành rất cao nên không thể triển khai sản xuất hàng loạt. cáp ngầm
điện lực EPR chỉ được dùng cho công trình có tính chất quan trọng và yêu cầu cao về
tính an toàn vận hành và cấp điện.

Hình 1.3 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện EPR.

10


1.2.1.3 Màn bảo vệ
Có hai loại màn bảo vệ khác nhau trong cáp ngầm điện lực. Màn bảo vệ cho
từng dây dẫn điện (Sheaths) và màn bảo vệ cho cả dây cáp điện (screening).
Trước đây, chì và các hợp kim chì được dùng để chế tạo màn bảo vệ cáp ngầm
bởi sự dẻo dai và khả năng chống ẩm của hợp chất chì. Tuy nhiên, ngày nay màn bảo
vệ cáp được sản xuất từ vật liệu nhôm và các hợp kim nhôm bởi giá thành sản xuất
rẻ hơn trong khi vẫn đảm bảo tốt yêu cầu kỹ thuật.
Màn bảo vệ có nhiệm vụ bảo vệ dây dẫn và cách điện bên trong chống lại các
tác động cơ học từ bên ngoài hay sự thâm nhập của hơi ẩm hay nước thâm nhập vào
sợi cáp ngầm. Ngoài ra, các màn bảo vệ được nối đất qua hệ thống tiếp đất sẽ tạo
thành chiếc lồng Faraday có tác dụng bảo vệ dây dẫn khỏi các tác động nhiễu điện từ
ở bên ngoài và đồng thời giảm thiểu tác động của trường điện từ do dòng điện chạy
bên trong dây dẫn ra môi trường bên ngoài. Đây là lý do chính khiến khoảng cách
đảm bảo an toàn của cáp ngầm nhỏ hơn nhiều so với đường dây trên không có cùng
cấp điện áp.

1.2.1.4 Vỏ cáp
Với mục đích bảo vệ cáp ngầm khỏi những hư hại cơ học do đào hay cuốc trúng
dây cáp ngầm, do sụt đất hoặc rung động quá mức chịu đựng, các cáp ngầm điện lực
được phủ một hoặc hai lớp thép mạ kẽm, lớp lưới đan từ thép mạ kẽm, cuộn xoắn
tròn quanh cáp ngầm bằng thép mạ kẽm quanh sợi cáp ngầm. Giáp bọc bằng sợi thép
mạ kẽm được dùng nhiều nhất do cấu trúc rất linh hoạt mà nó mang lại, chúng dễ
dàng trong lắp đặt và hiệu quả hơn ở những nơi có khả năng bị kéo căng theo chiều
dọc theo thân cáp ngầm trong lúc hoạt động. Ngoài ra, tổng diện tích mặt cắt ngang
của giáp sợi thép có xu hướng lớn hơn khi so với tổng diện tích mặt cắt ngang của

giáp bằng tấm thép có bảo vệ cơ học tương đương và do đó giáp sợi thép sẽ cho ra
mức tổng trở nhỏ hơn khi giáp được nối đất.

11


1.2.2 So sánh giữa cáp ngầm điện lực và đường dây trên không
Khi tiến hành xây dựng một đường truyền điện năng mới, người ta sẽ có nhiều
yếu tố so sánh để đi đến quyết định sẽ lựa chọn đường dây trên không hay là đường
dây cáp ngầm. So sánh các đặc điểm của hai loại đường dây mang điện này sẽ đưa ra
cái nhìn tổng quan và cụ thể hơn khi lựa chọn loại đường dây tùy theo yêu cầu thực
tế hiện tại cũng như trong các qui hoạch dài hạn sau này.
1.2.2.1 Ưu điểm của cáp ngầm điện lực
Các đường dây trên không với điện áp cao và được chống đỡ bởi các hàng cột
thường được coi như là một hình ảnh khó chịu của các vùng quê. Các đường dây điện
ngầm có thể đưa điện qua các vùng đông dân cư hoặc các vùng mà giá đền bù cao
hoặc có khả năng gây ô nhiễm môi trường hay các vùng yêu cầu tính thẩm mỹ cao.
Các đường điện ngầm dưới đất hay dưới nước là lựa chọn ưu việt khi phải băng qua
các con sông.
Ít bị hư hại bởi các tác nhân thời tiết tiêu cực như mưa bão, sét đánh, hay đóng
băng, giảm thiểu vùng ảnh hưởng của trường điện từ gây ra bởi đường dây điện xung
quanh dây dẫn điện. Dòng điện trong dây dẫn tạo ra từ trường xung quanh nó, tuy
nhiên, trong đường dây cáp ngầm điện lực, với sự bao bọc xung quanh nó là các lớp
cách điện bằng kim loại nên đã hạn chế đi rất nhiều ảnh hưởng của từ trường đến các
vùng xung quanh dây dẫn.
Cáp ngầm có yêu cầu khoảng trống nhỏ hơn chỉ từ 1 đến 10 m (tối đa 30 m đối
với đường dây 400 KV) trong quá trình thi công lắp đặt so với đường dây trên không
khi cần đến vùng rộng 20 đến 200 mét trong quá trình lắp đặt cũng như dùng làm
hành lang an toàn trong quá trình vận hành, bảo trì bảo dưỡng đường dây trong suốt
quá trình hoạt động.

Đường dây cáp ngầm có ưu điểm là không khống chế chiều cao trên không đối
với các tòa nhà hay vật thể bay ngang qua cũng như không ảnh hưởng đến đời sống
của các loài động vật hoang dã nơi có đường dây đi qua.
Các đường dây điện ngầm có ưu điểm là ít bị phá hoại, bị câu trộm điện, bị trộm
cắp đường dây, bị phá hủy vì các lý do khác.

12