Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị phân đoạn tự động nhầm giảm thời gian mất điện cho đường dây trên không lưới điện phân phối trung áp

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

LÊ HUYNH

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN TỰ ĐỘNG NHẰM
GIẢM THỜI GIAN MẤT ĐIỆN CHO ĐƢỜNG DÂY TRÊN KHÔNG LƢỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. TrẦn Mạnh Hùng

Hà Nội – Năm 2017


Mục lục
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................6
Mở đầu ........................................................................................................................7
Danh mục viết tắt ........................................................................................................9
CHƢƠNG 1. ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................10
1.1. Độ tin cậy của hệ thống điện ..........................................................................10
1.1.1. Định nghĩa về độ tin cậy...........................................................................10
1.1.2. Khái niệm và các phần tử phân phối trong lƣới điện ...............................10
1.1.3. Cấu trúc và sơ đồ của lƣới điện phân phối ...............................................15
1.2. Các phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy.............................................................17

1.2.1. Phƣơng pháp đồ thị-giải tích ....................................................................17
1.2.2. Phƣơng pháp không gian trạng thái..........................................................18
1.2.3. Phƣơng pháp cây hỏng hóc ......................................................................19
1.2.4. Phƣơng pháp Monte-Carlo .......................................................................19
1.2.5. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện theo tiêu chuẩn
IEEE1366 ...........................................................................................................20
1.2.6. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy ...........................................................21
1.3. Sử dụng cầu dao phân đoạn để nâng cao độ tin cậy trong lƣớiđiện phân phối
trung áp ..................................................................................................................22
1.3.1. Tổng quan .................................................................................................22
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cầu dao phân đoạn .........................23
1.3.3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của cầu dao phân đoạn .....................................26
1.3.5. Những vấn đề khi sử dụng thiết bị phân đoạn..........................................32
CHƢƠNG 2. TỐI ƢU VỊ TRÍ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN ......................34
2.1. Giải thuật di truyền .........................................................................................34
2.1.1. Tổng quan .................................................................................................34
2.1.2. Chi tiết giải thuật di truyền .......................................................................35
2.1.3. Ví dụ áp dụng giải thuật di truyền ............................................................38
2.1.4. Ứng dụng của giải thuật di truyền ............................................................40
2.2. Ứng dụng của giải thuật di truyền vào bài tốn tối ƣu vị trí lắp đặt cầu dao
phân đoạn điện tử tự động .....................................................................................41
2.2.1. Xác định trục chính của xuất tuyến phân phối .........................................41

1


2.2.2. Xác định hàm mục tiêu và ràng buộc .......................................................43
2.2.3. Giải bài tốn bằng cơng cụ Matlab ...........................................................44
CHƢƠNG 3. ÁP DỤNG TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT TỐI ƢU CẦU
DAO PHÂN ĐOẠN CHO LỘ TRUNG ÁP 477 TRẠM E25.1 PHÚC YÊN ..........50

3.1. Giới thiệu về lộ trung áp 477 trạm E25.1 Phúc Yên ......................................50
3.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................50
3.2. Các bƣớc tính tốn bài tốn tối ƣu vị trí lắp đặt cầu dao phân đoạn cho lộ 477
trạm E25.1 Phúc Yên .............................................................................................55
3.2.1. Xác định trục chính của lộ 477 E25.1 Phúc Yên .....................................55
3.2.2. Xác định hàm mục tiêu và ràng buộc .......................................................56
3.2.3. Giải bài tốn bằng cơng cụ Matlab ...........................................................56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61

2


ảng 1.1. Cấu trúc bảng dữ liệu yêu cầu ..................................................................27
ảng 1.2. ảng trạng thái của xuất tuyến .................................................................28
ảng 1.3. Tr nh tự các bƣớc định vị sự cố của thuật toán (1 điểm sự cố) ................30
ảng 1.4. Tr nh tự các bƣớc định vị sự cố của thuật toán (nhiều điểm sự cố) .........31
ảng 2.1. Quần thể ban đầu ......................................................................................39
ảng 2.2. Thế hệ 2 ....................................................................................................39
ảng 2.3. Thế hệ thứ 3 ..............................................................................................40
ảng 2.4. Kết quả hội tụ............................................................................................40
ảng 2.5. Thông số cài đặt cho thuật toán ................................................................44
ảng 3.1. ảng mẫu nhập dữ liệu. ............................................................................50

3


H nh 1.1. Sơ đồ lƣới điện phân phối 69 nút (IEEE)..................................................11
H nh 1.2. Thiết bị TĐL (Schneider)[2] .....................................................................13
H nh 1.3. Cầu chì tự rơi.............................................................................................14

H nh 1.4. Thiết bị chỉ báo sự cố ................................................................................14
H nh 1.5. Cầu dao phân đoạn điện tử tự động[3] ......................................................15
H nh 1.6. Sơ đồ nối tiếp ............................................................................................17
H nh 1.7. Sơ đồ song song ........................................................................................18
H nh 1.8. Sơ đồ hỗn hợp ...........................................................................................18
H nh 1.9. Mặt cắt dọc của cầu dao phân đoạn điện tử tự động .................................23
H nh 1.10. Nguyên l mạch logic của cầu dao phân đoạn điện tử tự động ..............25
H nh 1.11. Cầu dao phân đoạn giúp định vị sự cố ....................................................26
H nh 1.12. iểu đồ hoạt động theo thời gian của cầu dao phân đoạn điện tử tự động
...................................................................................................................................26
H nh 1.13. V dụ về lƣới điện hình tia có các thiết bị phân đoạn .............................28
H nh 1.14. Sơ đồ thuật toán định vị sự cố sử dụng thiết bị phân đoạn .....................29
H nh 1.15. Nhiều sự cố xảy ra trong lƣới điện phân phối .........................................31
H nh 2.1. Sơ đồ các bƣớc của giải thuật di truyền ....................................................36
H nh 2.2. V dụ xuất tuyến 6 nút ...............................................................................42
H nh 2.3. Giao diện MATLAB .................................................................................45
H nh 2.4. Giao diện công cụ tối ƣu ...........................................................................47
H nh 3.1. Lộ 477 trạm E25.1 Phúc Yên ....................................................................54
H nh 3.2. Nhập thơng số cho bài tốn .......................................................................57
H nh 3.3. Kết quả bài toán ........................................................................................58
H nh 3.4. Sơ đồ 1 sợi và vị trí lắp mới cầu dao phân đoạn điện tử tự động .............59

4


LỜI CAM ĐOAN
K nh thƣa các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và bạnđọc.
Sau một thời gian dài tìm hiểu, nghiên cứu đƣợc sự giúp đỡ của thầy giáo TS
Trần Mạnh Hùng tơi đã hồn thành Luận văn nghiên cứu này. Tôi cam đoan bản
luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệu khoa học

trong Luận văn này đƣợc sử dụng của các cơng tr nh khácđã nghiên cứu, đƣợc chú
thíchđầy đủ, đúng quy tr nh.
HàNội, ngày 29 tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Lê Huynh

5


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trƣờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội, các Viện, Khoa chuyên ngành, các thầy cô giáo viện Điện và viện
Đào tạo sau đại học, đặc biệt các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện đã tạo điều
kiện và chỉ bảo cho tơi trong q trình học tập và khi thực hiện luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn trân thành nhất tới TS. Trần Mạnh Hùng trong suốt thời gian
qua đã nhiệt tình chỉ dạy và giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Công ty Điện Lực Vĩnh Phúc, Công ty
Lƣới điện cao thế Miền Bắc, ngƣời thân trong gia đ nh, bạn bè, đã tạo điều kiện và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ quá tr nh thực hiện luận văn.
Do thời gian có hạn, kiến thức cịn hạn chế mặc dù tôi đã rất cố gắng thực hiện, tuy
nhiên khối lƣợng công việc lớn nên luận văn này khơng tránh khỏi những thiếu sót.
Tơi kính mong các thầy, cơ giáo chỉ bảo, đóng góp

kiến để tơi có thể hoàn thiện

và tiếp tục nghiên cứu để phát triển đề tài.

6

Mở đầu
Trong những năm gần đây nền kinh tế của Việt Nam ngày càng phát triển
dẫn đến nhu cầu sử dụng điện gia tăng rất lớn với yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện
ngày càng cao. Luật điện lực và những Nghị định của Chính phủ đã ra đời quy định
về hoạt động điện lực và sử dụng điện, quy định xử phạt vi phạm hành chính trong
lĩnh vực điện lực. Trong khi đó, hầu hết lƣới điện phân phối của Việt Nam hiện nay
có kết cấu đơn giản, độ tin cậy thấp chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu cung cấp điện ngày
càng cao của xã hội. Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về độ tin cậy cung cấp điện,
tuy nhiên những đề tài này chủ yếu đƣợc xây dựng trên cơ sở lý thuyết mà chƣa
đƣợc áp dụng tính tốn thực tế cho một lƣới điện cụ thể. Việc nghiên cứu phƣơng
pháp t nh toán, đánh giá độ tin cậy của một lƣới điện phân phối cụ thể dựa trên các
số liệu thực tế vận hành là rất thiết thực, để từ đó đ ƣa ra các giải pháp phù hợp
nhằm nâng cao độ tin cậy của lƣới điện phân phối, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao
về cung cấp điện.
Từ những l do đó, luậ n văn đã chọn đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị
phân đoạn tự động nhằm giảm thời gian mất điện cho đƣờng dây trên không lƣới
điện phân phối trung áp”
- Mục đ ch, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:
+Mục đ ch: Nghiên cứu ứng dụng thiết bị phân đoạn tự đồng nhằm giảm thời
gian mất điện cho đƣờng dây trên không lƣới điện phân phối trung áp, áp dụng để
t nh toán và đánh giá độ tin cậy cho lƣới điện phân phối lộ 477 E25.1 Phúc Yên trên
cơ sở các số liệu thống kê đƣợc từ thực tế vận hành. Phân tích tìm cách lắp đặt tối
ƣu cho hữu hạn thiết bị phân đoạn tự động cho lƣới điện phân phối trung áp.
+Đối tƣợng: Lƣới điện phân phối trung áp.
+Phạm vi: Lƣới điện phân phối lộ 477 E25.1 Phúc Yên.
- Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Thiết bị phân đoạn tự động đƣợc nghiên cứu, ứng dụng trong lƣới điện phân
phối trung áp của các nƣớc tiên tiến trên thế giới nhƣ Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản… đã
thể hiện đƣợc những ƣu điểm của nó là nhanh chóng cơ lập điểm sự cố nhằm giảm

thời gian mất điện cho lƣới phân phối trung áp. Nhƣng ở Việt Nam vẫn chƣa đƣợc
7


áp dụng phổ biến trong lƣới phân phối trung áp do giá thành cịn cao. Vì vậy bài
tốn tối ƣu vị trí lắp đặt thiết bị phân đoạn tự động là hết sức cần thiết để giảm chi
phí đầu tƣ.
Nội dung của đề tài là nghiên cứu cầu dao phân đoạn tự động để nâng độ tin
cậy lƣới điện phân phối và tìm vị trí tối ƣu lắp đặt cầu dao phân đoạn tự động , ứng
dụng lắp đặt 10 bộ cầu dao phân đoạn cho lƣới điện trung áp lộ 477 E25.1 Phúc
n. Từ kết quả tính tốn, sẽ t m đƣợc các vị trí lắp đặt qua đó ta có thể áp dụng
cho lƣới điện phân phối nói chung.
Để hoàn thành luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tác giả đã nhận đƣợc
rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè. Tác giả vô
cùng biết ơn sự hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình của Tiến sĩ Trần Mạnh Hùng trong thời
gian làm luận văn.
Tác giả xin chân thành cám ơn ộ môn Hệ thống điện, Viện điện, Viện đào
tạo Sau đại học và các thầy cô của trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo
mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn.

8


Danh mục viết tắt
ĐZ

Đƣờng dây

MC

Máy cắt

ES

Thiết bị phân đoạn tự động

GA

Giải thuật di truyền

NST

Nhiễm sắc thể

9


CHƢƠNG 1. ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Độ tin cậy của hệ thống điện
1.1.1. Định nghĩa về độ tin cậy
Độ tin cậy là xác xuất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành triệt để nhiệm
vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất
định.[1]
Nhƣ vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời
gian nhất địnhvà trong hoàn cảnh nhất định.
Xác xuất là đại lƣợng thống kê, do đó độ tin cậy là khái niệm có tính thống
kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của hệ thống (hay phần tử). Đấy là đối
với hệ thống (hay phần tử ) không phục hồi.
Đối với hệ thống (hay phần tử) phục hồi nhƣ hệ thống điện và các phần tử
của nó, khái niệm khoảng thời gian xác định khơng có

nghĩa bắt buộc, vì hệ thống

điện làm việc liên tục. Do đó độ tin cậy đƣợc đo bởi một đại lƣợng thích hợp hơn,
đó là độ sẵn sàng.
Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống (hay phần tử) hoàn thành hoặc sẵn sàng
hoàn thành nhiệm vụ trong thời gian điểm bất kỳ.[1]
Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện bao gồm:
- Xác suất thiếu điện cho phụ tải, đó là xác suất công suất phụ tải lớn hơn công suất
nguồn điện.
- Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại.
- Điện năng thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải, đó là kỳ vọng điện năng phụ tải
bị cắt do hỏng hóc hệ thống trong một năm.
- Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện.
- Thời gian mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm.
- Số lần mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm.
1.1.2. Khái niệm và các phần tử phân phối trong lƣới điện
Lƣới điện phân phối là một phần của hệ thống điện, có nhiệm vụ đƣa điện
năng từ các nguồn điện hay các trạm trung gian (ở địa phƣơng hoặc khu vực) đến

10


các trạm phân phối phụ tải (trạm phân phối hoặc trạm phụ tải). Lƣới điện phân phối
bao gồm cấp điện áp trung áp và hạ áp:
 Lƣới điện phân phối trung áp bao gồm các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV,
35KV có chức năng phân phối điện năng cho cấc trạm phụ tải hoặc cấp điện
cho các phụ tải trung áp.
 Lƣới điện phân phối hạ áp bao gồm cấp điện áp 0,4kV có chức năng cấp điện
cho các phụ tải hạ áp nhƣ hộ gia đ nh, đơn vị sản xuất, kinh doanh nhỏ.

nh 1.1. Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút (IEEE)

Ngƣời ta thƣờng phân loại lƣới trung áp theo 3 dạng:
+ Theo đối tƣợng và địa bàn phục vụ: Gồm có lƣới phân phối thành phố, lƣới phân
phối nông thôn và lƣới phân phối x nghiệp.
+ Theo thiết bị dẫn điện: Gồm có lƣới phân phối trên không và lƣới phân phối cáp
ngầm.
+ Theo cấu trúc h nh dáng: Gồm có lƣới phân phối hở (h nh tia) có phân đoạn,
khơng phân đoạn; Lƣới phân phối k n vận hành hở và hệ thống phân phối điện.
Để làm cơ sở xây dựng cấu trúc lƣới phân phối về mọi mặt cũng nhƣ trong quy
hoạch và vận hành ngƣời ta đƣa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng lƣới phân phối
trên 3 lĩnh vực đó là sự phục vụ đối với khách hàng, ảnh hƣởng tới môi trƣờng và
hiệu quả kinh tế đối với các đơn vị cung cấp điện.
11


Các tiêu chuẩn đánh giá nhƣ sau:
- Chất lƣợng điện áp.
- Độ tin cậy cung cấp điện.
- Hiệu quả kinh tế (giá thành tải điện nhỏ nhất).
- Độ an toàn (an toàn cho ngƣời, thiết bị phân phối, nguy cơ hoả hoạn).
- Ảnh hƣởng đến môi trƣờng (cảnh quan, môi sinh, ảnh hƣởng đếnđƣờng dây thông
tin).
Trong các tiêu chuẩn trên, tiêu chuẩn thứ nhất và thứ hai liên quan trực tiếp đến
điện năng gọi chung là chất lƣợng phục vụ của lƣới điện phân phối.
Các phần tử của lƣới điện phân phối bao gồm:
a. Máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ
dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành điện áp xoay chiều ở

điện áp khác và giữ nguyên tần số. Ở trong hệ thống lƣới điện phân phối sử dụng
máy biến áp trung gian để biến đổi từ cấp điện áp truyền tải xuống cấp điện áp phân
phối (trung áp), ngoài ra còn sử dụng máy biến áp phụ tải biến đổi từ cấp điện áp
phân phối xuống cấp điện áp hạ áp.
b. Máy cắt:
Máy cắt là thiết bị có chức năng đóng, cắt mạch khi có tải và cả khi có dịng ngắn
mạch. Thiết bị có khả năng tự cắt mạch khi có sự cố trên đƣờng dây và thao tác
đóng lại máy cắt là bằng tay. Khi cắt mạch đang có dịng sẽ xuất hiện hồ quang, vì
vậy máy cắt phải có khả năng dập hồ quang. Các phƣơng pháp thƣờng dùng để dập
hồ quang trong máy cắt sẽ đƣợc dùng để phân loại máy cắt:
- Máy cắt ít dầu;
- Máy cắt nhiều dầu;
- Máy cắt khơng khí;
- Máy cắt tự sinh khí;
- Máy cắt điện từ;
- Máy cắt chân không;
- Máy cắt SF6.
12


c. Dao cách ly:
Là thiết bị đóng mở cơ kh , ở trạng thái mở tạo ra khoảng cách điện có thể nhìn thấy
đƣợc, tăng độ an tồn cho thao tác. Dao cách ly khơng có bộ phận dập hồ quang nên
khơng có chức năng cắt khơng tải mà chỉ có khả năng mở khi khơng có dịng điện đi
qua hoặc dịng điện thấp hơn một giá trị nào đó. V vậy, ngồi nhiệm vụ chính là tạo
khoảng cách điện cần thiết để cách ly các phần tử đƣợc đƣa ra sửa chữa với các
phần tử đang làm việc trong hệ thống điện
d.Thiết bị tự đóng lại:
Trong hệ thống điện, phần lớn các sự cố là sự cố thoáng qua (do sét đánh, cành cây
va vào đƣờng dây). Do đó, để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, tránh việc máy cắt

liên tục nhảy ra, ngƣời ta sử dụng máy cắt có thiết bị tự đóng lại (TĐL). Thực chất
thiết bị TĐL là máy cắt có tích hợp chức năng rơle tự động đóng lại với số lần nhất
định.
Nguyên lý của thiết bị TĐL: khi có sự cố trên lƣới, máy cắt sẽ cắt mạch, sau 1
khoảng thời gian nhất định đã đặt trƣớc, rơle TĐL sẽ gửi tín hiệu và máy cắt sẽ
đóng lại mạch, nếu sự cố trên lƣới là sự cố thống qua tức TĐL đóng lại thành cơng,
cịn nếu sự cố trên lƣới là sự cố duy trì, máy cắt sẽ nhảy ra và TĐL sẽ tiếp tục tác
động đến khi đếm đủ số lần đã cài đặt trƣớc.

nh 1.2. Thiết bị TĐL (Schneider)[2]

Do giá thành của thiết bị TĐL khá cao nên TĐL chủ yếu đƣợc đặt trên trục chính
của lƣới điện phân phối hay tại những đƣờng dây cung cấp điện cho các phụ tải
quan trọng.
e. Cầu chì tự rơi

13


Cầu chì tự rơi là thiết bị bảo vệ của lƣới điện trung thế, đƣợc sử dụng để bảo vệ cho
các máy biến áp phụ tải, thƣờng đƣợc lắp đặt cùng với dao cách ly.

nh 1.3. Cầu chì tự rơi

Cầu chì tự rơi có cấu tạo bao gồm ống chì dẫn điện và phần sứ cách điện. Khi
cƣờng độ dòng điện lớn hơn một giá trị nào đó, dây chì trong thanh dẫn nóng chảy,
tạo áp lực khiến thanh dẫn rơi ra, tách phần tử bị sự cố ra khỏi lƣới điện. Cầu chì tự
rơi có thể đƣợc tháo và thay thề bằng sào cách điện.
f. Thiết bị chỉ báo sự cố
Thiết bị chỉ báo sự cố (Fault Indicator) là thiết bị có chức năng phát hiện, cảnh báo

bằng đèn t n hiệu khi sự cố trên các đƣờng dây trên không.

nh 1.4. Thiết bị chỉ báo sự cố

14


Cấu tạo của thiết bị chỉ báo sự cố khá đơn giản, nó bao gồm biến dịng để đo lƣờng
dịng điện cũng nhƣ cung cấp năng lƣợng cho đèn báo t n hiệu khi có sự cố và mạch
điện tử phát hiện, nhận dạng sự cố. Khi có sự cố xảy ra trên lƣới, dòng điện trên
lƣới sẽ tăng, các thiết bị chỉ báo sự cố đƣợc lắp giữa nguồn và điểm sự cố sẽ phát tín
hiệu.Ƣu điểm của thiết bị này là chi phí rẻ, có thể lắp đặt vào bất kì vị trí nào trên
đƣờng dây. Tuy nhiên nhƣợc điểm của thiết bị chỉ báo sự cố là nó chỉ có chức năng
đèn báo mà khơng có chức năng đóng, mở mạch cách ly khu vực xảy ra sự cố.
g.Cầu dao phân đoạn điện tử tự động
Cầu dao phân đoạn điện tử tự động (Electronic Sectionalizer) có cấu tạo cơ bản
giống cầu chì tự rơi. Cầu dao phân đoạn điện tử tự động có thêm mạch điện tử bao
gồm: máy biến dịng, mạch xử lý tín hiệu và phát hiện sự cố, cơ cấu truyền động mở
dao khi phát hiện sự cố. Cầu dao phân đoạn điện tử tự động có hai loại đóng cắt phụ
tải và đóng cắt không điện.
.

nh 1.5. Cầu dao phân đoạn điện tử tự động[3]

1.1.3. Cấu trúc và sơ đồ của lƣới điện phân phối
Cấu trúc lƣới điện phân phối bao gồm:
 Cấu trúc tổng thể: Gồm tất cả các phần tử và sơ đaồ lƣới đầy đủ. Muốn lƣới
điện có độ tin cậy cung cấp điện cao th cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc
thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng

15


lập sơ đồ. Ngồi ra trong vận hành cịn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật
liệu để sửa chữa.
 Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể đủ đáp ứng nhu cầu
trong một chế độ vận hành nhất định. Một cấu trúc vận hành gọi là một trạng
thái của lƣới điện. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ
thuật, ngƣời ta chọn cấu trúc vận hành tối ƣu theo điều kiện kinh tế (tổn thất
nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng th
cấu trúc vận hành bị rối loạn, ngƣời ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc
vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết. Cấu trúc
vận hành sự cố có chất lƣợng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành
b nh thƣờng. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải.
Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận
lợi.
 Cấu trúc tĩnh: Trong cấu trúc này lƣới điện phân phối không thể thay đổi sơ
đồ vận hành. Ở cấu trúc này khi bảo dƣỡng hay sự cố th toàn bộ hoặc một
phần lƣớiphân phối phải ngừng điện. Đó là lƣới phân phối h nh tia không
phân đoạn và h nh tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt.
 Cấu trúc động khơng hồn tồn: đâylà lƣới điện phân phối có cấu trúc k n
vận hành hở. Trong cấu trúc này có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức
là cắtđiện để thao tác.
 Cấu trúc động hoàn toàn: Trong cấu trúc này lƣới điện phân phối có thể thay
đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi đang làm việc, đó là hệ thống phân phối điện.
 Cấu trúc động đƣợc áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung
cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế lƣới điện phân
phối, trong đó cấu trúc động khơng hồn tồn và cấu trúc động hoàn toàn
mức thấp cho phép vận hành kinh tế lƣới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải
thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lƣới điện

trong thời gian thực, lƣới phân phối trong cấu trúc này phải đƣợc thiết kế sao
cho có thể vận hành k n trong thời gian ngắn trong khi thao tác sơ đồ.
Theo quy hoạch cấu trúc lƣới điện phân phối có thể chia thành:
16


 Cấu trúc phát triển: đó là lƣới phân phối cấp điện cho phụ tải đang còn tăng
trƣởng theo thời gian và trong không gian. Khi thiết kế quy hoạch lƣới này
sơ đồ của nó đƣợc chọn theo t nh huống cụ thể và t nh đến sự phát triển
trong tƣơng lai.
 Cấu trúc bão hồ: đó là lƣới phân phối hoặc bộ phận của nó cấp điện cho
phụ tải bão hồ, khơng tăng thêm theo thời gian và khơng gian. Đối với lƣới
phân phối bão hồ thƣờng có sơ đồ thiết kế chuẩn, mẫu đã đƣợc t nh toán tối
ƣu. Khi lƣới phân phối bắt đầu hoạt động, có thể phụ tải của nó chƣa bão
hồ mà cịn tăng trƣởng, nhƣng khi thiết kế đã t nh cho phụ tải cuối cùng của
trạng thái bão hoà. Lƣới phân phối phát triển ln có các bộ phận bão hồ.
1.2. Các phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy
1.2.1. Phƣơng pháp đồ thị-giải tích
Phƣơng pháp này bao gồm việc lập sơ đồ độ tin cậy và áp dụng phƣơng pháp
giải tích bằng đại số Boole, lý thuyết xác suất thống kê, tập hợp để t nh toán độ tin
cậy.[1]
Sơ đồ độ tin cậy của hệ thống đƣợc xây dựng trên cơ sở phân tích ảnh hƣởng
của hƣ hỏng phần tử đến hƣ hỏng hệ thống. Sơ đồ độ tin cậy bao gồm các nút
(nguồn, tải, trung gian) và các nhánh. Nút và nhánh tạo thành mạng lƣới nối nút
nguồn và nút tải của sơ đồ. Trạng thái hoạt động của hệ thống là trạng thái có ít nhất
một đƣờng nối từ nút nguồn đến nút tải. Khi nút nguồn và nút tải bị tách rời do
hỏng các phần tử thì hệ thống ở trạng thái hỏng. Các dạng sơ đồ độ tin cậy nhƣ sau:

nh 1.6. Sơ đồ nối tiếp

17


nh 1.7. Sơ đồ song song

nh 1.8. Sơ đồ hỗn hợp

Sơ đồ nối tiếp (H nh 1.6): Hệ thống hỏng khi có một phần tử hỏng.
Sơ đồsong song (H nh 1.7): Hệ thống hỏng khi tất cả các phần tử
hỏng.
Sơ đồ hỗn hợp (H nh 1.8): Hệ thống thể hỏng khi một số phần tử hỏng.
Trên cơ sở phân t ch sơ đồ độ tin cậy và các tính tốn giải t ch ta t nh đƣợc
các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống.
1.2.2. Phƣơng pháp không gian trạng thái
Trong phƣơng pháp này hệ thống đƣợc diễn tả bởi các trạng thái hoạt động
và các khả năng chuyển giữa các trạng thái đó.
Trạng thái hệ thống đƣợc xác định bởi tổ hợp các trạng thái phần tử. Mỗi tổ
hợp trạng thái phần tử cho một trạng thái hệ thống. Phần tử có thể có nhiều trạng
thái khác nhau, chẳng hạn tốt, hỏng hay bảo dƣỡng định kỳ. Sự thay đổi trạng thái
của phần tử sẽ dẫn đến thay đổi trạng thái của hệ thống. Nếu phần tử có 2 trạng thái
và hệ thống có n phần tử thì số trạng thái của hệ thống là 2n. Hệ thống ln ở một
trong các trạng thái có thể của khơng gian trạng thái, nên tổng các xác suất trạng
thái bằng 1.

18


Phƣơng pháp khơng gian trạng thái có thể sử dụng q trình ngẫu nhiên
Markov để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó t nh đƣợc các chỉ tiêu
độ tin cậy của hệ thống.

Phƣơng pháp không gian trạng thái có thể sử dụng q trình ngẫu nhiên
Markov để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó t nh đƣợc các chỉ tiêu
độ tin cậy của hệ thống.
1.2.3. Phƣơng pháp cây hỏng hóc
Phƣơng pháp cây hỏng hóc đƣợc mơ tả bằng đồ thị quan hệ nhân quả giữa
các dạng hỏng hóc trong hệ thống, giữa hỏng hóc hệ thống và các hỏng hóc thành
phần trên cơ sở hàm đại số oole. Cơ sở cuối cùng để t nh tốn là các hỏng hóc cơ
bản của các phần tử. Cây hỏng hóc mơ tả quan hệ logic giữa các phần tử hay giữa
các phần tử và từng mãng của hệ thống, giữa các hỏng hóc cơ bản và hỏng hóc hệ
thống. Phƣơng pháp cây hỏng hóc là phƣơng pháp rất hiệu quả để nghiên cứu độ
tin cậy của các hệ thống phức tạp, có thể áp dụng cho hệ thống điện.[1]
1.2.4. Phƣơng pháp Monte-Carlo
Phƣơng pháp Monte - Carlo mô phỏng hoạt động của các phần tử trong hệ
thống nhƣ một quá tr nh ngẫu nhiên. Nó tạo ra lịch sử hoạt động của các phần tử và
của hệ thống một cách nhân tạo trên máy t nh điện tử, sau đó sử dụng các phƣơng
pháp đánh giá thống kê để phân t ch rút ra các kết luận về độ tin cậy của phần tử và
hệ thống.
Mỗi phƣơng pháp đều có ƣu thế riêng cho từng loại bài toán. Phƣơng pháp
Monte-Carlo đƣợc sử dụng chủ yếu cho giải t ch độ tin cậy của hệ thống điện.
Phƣơng pháp cây hỏng hóc th ch hợp với độ tin cậy của các nhà máy điện. Các bài
toán về độ tin cậy của nguồn điện thƣờng sử dụng phƣơng pháp khơng gian trạng
thái. ài tốn độ tin cậy của lƣới điện sử dụng phƣơng pháp không gian trạng thái
phối hợp với phƣơng pháp đồ thị - giải t ch rất có hiệu quả. Ở đây chúng ta sử dụng
phƣơng pháp đồ thị - giải t ch cho việc đánh giá độ tin cậy của lƣới điện phân
phối[1]

19


1.2.5. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điệntheo tiêu chuẩn

IEEE1366
Nhƣ đã đề cập ở[4], có các chỉ số về độ tin cậy của hệ thống điện sau:
- SAIFI (System Average Interruption Frequency Index): tần suất mất điện trung
bình của hệ thống, đƣợc tính theo cơng thức sau:
SAIFI 

N

i

i

N

Trong đó, Ni là số khách hàng bị mất điện ở lần mất điện thứ i, N là tổng số khách
hàng trong hệ thống,
- SAIDI (System Average Duration Frequency Index): thời gian mất điện trung
bình của hệ thống, đƣợc tính theo cơng thức sau:
SAIDI 

 T .N
i

i

i

N

Trong đó, Ti là thời gian mất điện lần thứ i.

- CAIFI (Customer Average Interruption Frequency Index): tần suất mất điện trung
bình của khách hàng, đƣợc tính theo cơng thức sau:
CAIFI 

n
 Ni
i

Trong đó, n là số lần mất điện của tồn hệ thống đang xét.
- CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index): thời gian mất điện trung
bình của khách hàng, đƣợc tính theo công thức sau:
CAIDI 

 T .N
i

i

i

Ni



SAIDI
SAIFI

- ASAI (Average Service Availability Index): Khả năng sẵn sàng của hệ thống
(thƣờng t nh theo năm), đƣợc tính theo cơng thức sau (8760-số giờ trong 1 năm):
ASAI 

N.8760   Ti .Ni
i

N.8760

.100%

- ENS (Energy Not Supplied): Điện năng ngừng cung cấp, đƣợc tính theo công thức
sau:
20


ENS   Pi .Ti
i

Trong đó, Pi là cơng suất khách hàng bị ngừng cung cấp ở lần mất điện thứ i.
1.2.6. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy
Các biện pháp để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện có thể kể đến nhƣ sau:
- Nâng cao chất lƣợng của thiết bị trong hệ thống: việc nâng cao chất lƣợng của
thiết bị trong hệ thống sẽ làm tăng độ tin cậy của các thiết bị đó, làm giảm nguy cơ
hỏng hóc, sự cố xảy ra do các thiết bị đó gây ra. Tuy nhiên việc sử dụng các phần tử
có độ tin cậy cao đồng nghĩa với tăng chi ph .
- Sử dụng hệ thống các thiết bị tự động trong hệ thống: việc bố trí các thiết bị tự
động trong hệ thống nhƣ thiết bị tự động đóng lại, tự đóng nguồn dự trữ, hệ thống
điều khiển giám sát thu thập dữ liệu từ xa (SCADA), sẽ làm giảm đáng kể thời gian
mất điện của hệ thống do thời gian xử lý thông tin của hệ thống tự động nhanh hơn
so với con ngƣời xử lý, bởi vì hệ thống tự động khơng bị tác động bởi các yếu tố
nhƣ: thời gian phản ứng, tâm lý, khoảng cách,…
- Tăng cƣờng khả năng dự phòng của hệ thống: việc sử dụng hệ thống mạch kép,

lƣới kín sẽ nâng cao độ tin cậy cung cấp điện do phụ tải sẽ nhận điện từ nhiều phía
thay vì chỉ nhận điện từ một ph a nhƣ khi sử dụng lƣới hình tia.
- Giảm thời gian mất điện: có thể giảm thời gian mất điện bằng việc lên kế hoạch
ngắt điện hợp l . Ngoài ra, cũng cần phải giảm thời gian mất điện do sự cố. Thời
gian này bao gồm: thời gian phản ứng của hệ thống (hệ thống bảo vệ rơle, máy cắt,
cầu chì tự rơi,…), thời gian tìm vị trí xảy ra sự cố và thời gian sửa chữa sự cố. Do
thời gian phản ứng của hệ thống là rất nhanh (đơn vị giây) và thời gian sửa chữa sự
cố phụ thuộc vào tr nh độ của cán bộ thi công, nên hai yếu tố thời gian này có thể
cải thiện bằng đầu tƣ nâng cấp thiết bị, giáo dục, duy chỉ có thời gian định vị sự cố
có thể giảm đƣợc đáng kể. Do cấu trúc của lƣới điện truyền tải và lƣới điện phân
phối khác nhau, nên vấn đề về t m điểm sự cố trong hai lƣới điện kể trên cũng có
những điểm khác nhau.
Lƣới điện truyền tải có cấu trúc mạch đơn giản, nhƣng đƣờng dây ở lƣới điện
truyền tải thƣờng khá dài (lên đến hàng trăm kilomet), nên ở lƣới điện truyền tải

21


vấn đề về t m điểm sự cố là tìm ra khoảng cách bị sự cố, hiện nay ở Việt Nam, rơle
khoảng cách đang thực hiện nhiệm vụ này.
Khác so với lƣới điện truyền tải, lƣới điện phân phối có phạm vi đƣờng dây
bé (10-20 km), tuy nhiên cấu trúc của lƣới điện này lại khá phức tạp với cấu trúc
hình tia rẽ nhánh, do đó việc xác định khoảng cách vị trí sự cố sẽ trở nên khơng hiệu
quả.Vì thế, để giảm thời gian mất điện do sự cố ở lƣới điệnphân phối cần xác định
nhánh đƣờng dây bị sự cố, do các đoạn đƣờng dây ở lƣới điện phân phối thƣờng
ngắn nên việc t m điểm sự cố trên các nhánh đƣờng dây sẽ khơng q khó khăn.
Nâng cao tr nh độ nhân lực: việc nâng cao tr nh độ nhân lực cũng góp phần
làm cải thiện độ tin cậy, với tr nh độ cao hơn, các công việc sẽ đƣợc hoàn thiện
nhanh và ch nh xác hơn, góp phần làm giảm thời gian mất điện cũng nhƣ tần suất sự
cố trên hệ thống.

1.3. Sử dụng cầu dao phân đoạn để nâng cao độ tin cậy trong lƣớiđiện phân
phối trung áp
1.3.1. Tổng quan
Nhƣ đã đề cập ở trên, việc làm giảm thời gian mất điện sự cố phụ thuộc
nhiều vào thời gian định vị sự cố.
Hiện nay, ở Việt Nam, việc định vị sự cố ở lƣới phân phối vẫn cịn rất thủ
cơng. Cụ thể, khi có sự cố trên một xuất tuyến trung áp của lƣới điện phân phối,
máy cắt đầu xuất tuyến đó sẽ mở, để xác định vị trí sự cố nằm ở nhánh rẽ nào,
ngƣời vận hành phải mở dao cách ly ở đầu từng nhánh rẽ một rồi thử đóng lại máy
cắt, nếu máy cắt đóng lại thành cơng tức là sự cố nằm ở nhánh rẽ vừa tách dao cách
ly, còn nếu máy cắt lại tiếp tục nhảy thì sự cố nằm ở nhánh rẽ khác và phải thực
hiện lại thao tác trên để tiếp tục tìm kiếm điểm xảy ra sự cố. Phƣơng pháp định vị
sự cố ở trên rất phức tạp, địi hỏi thao tác phải cẩn thận, ngồi ra còn rất mất thời
gian và làm giảm tuổi thọ củamáy cắt (do phải thao tác nhiều lần).
Trên thế giới hiện nay, có một số phƣơng pháp nhằm xác định vị trí sự cố
trong lƣới điện phân phối nhƣ dựa vào điện kháng sự cố, độ sụt điện áp hay dựa vào
sóng truyền trên đƣờng dây. Tuy nhiên, các phƣơng pháp kể trên cần phải đầu tƣ
các thiết bị đắt tiền nhƣ hệ thống đo đếm tần số cao hay hệ thống máy tính có khả
22


năng t nh tốn nhanh, ngồi ra, việc thay đổi phƣơng thức tìm sự cố của các phƣơng
pháp trên sẽ rất phức tạp khi cấu trúc của lƣới điện thay đổi.
Ngồi các phƣơng pháp kể trên, hiện nay cịn có phƣơng pháp sử dụng các
thiết bị phân đoạn nhƣ máy cắt, thiết bị tự đóng lại, thiết bị chỉ báo sự cố (Fault
Indicator), cầu dao phân đoạn điện tử tự động để định vị sự cố trong lƣới phân phối.
Việc sử dụng các thiết bị phân đoạn này sẽ giúp ngƣời vận hành dễ dàng tìm ra
đƣợc nhánh đƣờng dây bị sự cố cũng nhƣ có thể tách đƣợc phần bị sự cố ra để sửa
chữa, cấp điện lại nhanh chóng cho các nhánh khơng bị sự cố(khơng áp dụng với
thiết bị chỉ báo sự cố). Ngoài ra, phƣơng pháp này khơng u cầu tài ngun tính

tốn cao cũng đƣợc cập nhật dễ dàng khi cấu trúc lƣới điện thay đổi. Phƣơng pháp
này chỉ t m ra đƣợc khoảng sự cố chứ khơng chỉ ra đƣợc vị trí cụ thể, tuy nhiên vấn
đề này khơng gây khó khăn trong q tr nh định vị sự cố do chiều dài đƣờng dây ở
lƣới điện phân phối thƣờng ngắn, mặc dù vậy, phƣơng pháp này sẽ kém hiệu quả
hơn nếu lƣới điện có cấu trúc mạch vịng hay có nguồn điện phân tán trong lƣới
điện phân phối.
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cầu dao phân đoạn
a. Cấu tạo

nh 1.9. Mặt cắt dọc của cầu dao phân đoạn điện tử tự động

- Các bộ phận chính của cầu dao phân đoạn điện tử tự động:
+1, 2- Các cực nối điện ở trên và dƣới của thiết bị.
23


+3- Sứ cách điện.
+4- Trục dẫn điện.
+5- Biến dòng (1 biến dịng cung cấp tín hiệu dịng điện cho mạch logic và 1 biến
dòng là nguồn cung cấp cho bộ truyền động và mạch logic)
b. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của cầu dao phân đoạn điện tử tự động: khi có sự cố
ngắn mạchtrên lƣới điện, dịng điện qua cầu dao sẽ tăng lên rồi đột ngột giảm về
khơng do máy cắt đầu nguồn tác động, khi đó mạch điện tử bên trong thiết bị sẽ
nhận biết đƣợc hiện tƣợng quá dòng do sự cố và bộ đếm ghi nhận 1 lần sự cố khi bộ
đếm ghi nhận số lần sự cố bằng với số lần đặt, mạch logic sẽ gửi tín hiệu đến bộ
truyền động mởcầu dao khi máy cắt đầu nguồn đã mở,.Trƣờng hợp máy cắt tự đóng
lại thành cơng, bộ đếm của thiết bị sẽ đƣợc khởi động lại về không (thời gian bộ
đếm khởi động lại tùy thuộc vào nhà sản xuất). Nguyên lý của mạch logic đƣợc thể
hiện ở H nh 1.10 Đối với một cầu dao phân đoạn điện tử tự động, có thể cài đặt số

lần đếm cũng nhƣ dịng điện phát hiện sự cốcủa thiết bị.
Cầu dao phân đoạn điện tử tự động có cùng nguyên lý hoạt độngdựa trên
việc phát hiện hiện tƣợng quá dòng điệnnhƣthiết bị chỉ báo sự cố. Sự khác biệt của
cầu dao phân đoạn điện tử tự động là nó có thể cách ly khu vực bị sự cố và chỉ có
thể lắp đặt trên cột điện thay vì lắp đặt trên đƣờng dây nhƣ thiết bị chỉ báo sự cố.

24