Nghiên cứu đảm bảo độ chọn lọc của rơ le bảo vệ với các sự cố chạm đất tổng trở cao trên hệ thống điện Miền Bắc

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

LƯU CÔNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ĐẢM BẢO ĐỘ CHỌN LỌC CỦA RƠ LE
BẢO VỆ VỚI CÁC SỰ CỐ CHẠM ĐẤT TỔNG TRỞ CAO
TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN BẮC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐỨC HUY

Hà Nội – Năm 2018


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tồn bộ luận văn này do chính bản thân tơi nghiên cứu,
tính tốn và phân tích. Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính tốn trung
thực của tơi, khơng sao chép của ai hay số liệu đã được công bố. Nếu sai với lời
cam kết trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận văn

Lưu Công Đăng

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

LỜI MỞ ĐẦU
Trong hệ thống điện, lưới điện truyền tải đóng vai trị quan trọng trong quá
trình truyền tải điện năng với nhiệm vụ đảm bảo cung cấp điện an toàn, tin cậy cho
phụ tải. Để đảm nhiệm hiệu quả vai trò này, cần có sự phối hợp tốt giữa các thiết bị
bảo vệ, trong đó phải kể đến bảo vệ khoảng cách và các bảo vệ quá dòng chạm đất.
Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của điện trở sự cố chạm đất đến khả
năng làm việc của bảo vệ khoảng cách trên đường dây truyền tải. Với các sự cố có
điện trở nhỏ, các bảo vệ khoảng cách, bao gồm 2 đến 3 vùng tác động có thể đảm
bảo độ tin cậy và chọn lọc tác động khi giải trừ sự cố. Tuy nhiên, với các sự cố có
tổng trở lớn hơn, tổng trở biểu kiến có thể nằm ngồi vùng của tất cả bảo vệ khoảng
cách. Khi đó sự cố sẽ được giải trừ bằng các rơ le bảo vệ q dịng chạm đất có
hướng và vơ hướng, với mức độ chọn lọc suy giảm. Trong nghiên cứu này, tiến
hành thử nghiệm mô phỏng các kịch bản sự cố chạm đất với giá trị điện trở sự cố và

vị trí khác nhau trên lưới điện 110kV khu vực miền Bắc từ đó đánh giá độ tin cậy
tác động của hệ thống rơ le bảo vệ khoảng cách, cũng như mức độ mất chọn lọc khi
cần dựa vào các bảo vệ quá dòng chạm đất để giải trừ sự cố.
Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo TS. Nguyễn Đức Huy cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện
Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong
suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và có những đóng góp quý báu cho bản luận văn.

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................2
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................3
MỤC LỤC ............................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................6
DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................................7
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................... 10
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 10
1.2 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 10
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 10
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHO

ĐƯỜNG DÂY 110KV .................................................................................................... 12
2.1 Các nguyên lý bảo vệ cơ bản cho đường dây 110kV ........................................ 12
2.1.1 Bảo vệ so lệch................................................................................................. 12
2.1.2 Bảo vệ khoảng cách ....................................................................................... 16
2.1.3 Bảo vệ quá dòng chạm đất ............................................................................ 27
2.2 So sánh bảo vệ quá dòng chạm đất và bảo vệ khoảng cách ............................. 28
2.3 Phương thức bảo vệ cho đường dây 110kV ....................................................... 29
2.3.1 Cấu hình hệ thống rơ le bảo vệ cho đường dây trên không hoặc cáp ngầm
110kV có truyền tin bằng cáp quang ..................................................................... 29
2.3.2 Cấu hình hệ thống rơ le bảo vệ cho đường dây trên khơng 110kV khơng
có truyền tin bằng cáp quang.................................................................................. 30
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN BẮC .................................. 32
3.1 Nguồn điện.............................................................................................................. 32
3.2 Phụ tải...................................................................................................................... 34
3.3 Lưới điện ................................................................................................................. 38
3.4 Hệ thống rơ le bảo vệ và tự động......................................................................... 41
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH VÀ
QUÁ DÒNG CHẠM ĐẤT VỚI CÁC SỰ CỐ NGẮN MẠCH TỔNG TRỞ CAO 43
4.1 Giới thiệu mơ hình mơ phỏng .............................................................................. 43
4.2 Cài đặt các bảo vệ .................................................................................................. 45
4.2.1 Cài đ ặt vùng bảo vệ khoảng cách................................................................. 45
4.2.2 Cài đặt bảo vệ quá dòng chạm đất ............................................................... 46
Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

4.3 Kết quả mơ phỏng.................................................................................................. 46
4.3.1 Kịch bản khơng có điện trở chạm đất .......................................................... 46
4.3.2 Kịch bản điện trở chạm đất thay đổi ............................................................ 49
4.3.3 Phân tích chọn lọc tác động của các bảo vệ quá dòng với các trường hợp
bảo vệ khoảng cách không làm việc ...................................................................... 53
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ............................................................................................... 57
5.1 Những kết quả đạt được ........................................................................................ 57
5.2 Định hướng phát triển đề tài ................................................................................. 58
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 80

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 5


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BI, CT, TI

Biến dòng điện

BU, TU

Biến điện áp

TTK

Thứ tự không

TTT

Thứ tự thuận

ĐZ

Đường dây

MBA

Máy biến áp

HTĐ

Hệ thống điện

TBA

Trạm biến áp

TĐ

Thủy điện

NĐ

Nhiệt điện

EVN

Tập đoàn Điện lực Việt Nam

PSS/E

Power System Simulator for Engineering
(Phần mềm PSS/E)

MATLAB

Matrix laboratory
(Phần mềm MATLAB)

DIFF

Different current
(Dòng điện so lệch)

DUTT

Direct under -reach transfer trip
(Phương thức cắt liên động trực tiếp)

PUTT

Permissive under-reach transfer trip
(Phương thức cắt liên động cho phép)

POTT

Permissive over-reach transfer trip
(Phương thức cắt liên động cho phép)

PLC

Power line carrier
(Kháng tải ba)

PSB

Power Swing Block
(Chức năng khóa chống dao động cơng suất)

Z<

Bảo vệ tổng trở thấp

51N

Bảo vệ q dịng đất vơ hướng

67N

Bảo vệ q dịng đất có hướng

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Tăng trưởng công suất HTĐ miền Bắc năm 2018 so với năm 2017........ 34
Bảng 3.2: Tăng trưởng sản lượng HTĐ miền Bắc năm 2018 so với năm 2017 ....... 34
Bảng 3.3: Nhu cầu phụ tải các Công ty Điện lực năm 2018 so với năm 2017 ......... 35
Bảng 3.4: Thống kê chủng loại rơ le sử dụng trên HTĐ Miền Bắc ........................... 41
Bảng 4.1: Số trường hợp khởi động của bảo vệ khoảng cách..................................... 49
Bảng 4.2: Số lần khởi động của bảo vệ khoảng cách................................................... 52
Bảng 4.3: Số trường hợp tác động của các bảo vệ. ...................................................... 55

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Nguyên lý bảo vệ so lệch cơ bản. ................................................................. 12
Hình 2.2: Sự cố ngồi vùng bảo vệ so lệch ................................................................... 13
Hình 2.3: Sự cố trong vùng bảo vệ so lệch ................................................................... 14
Hình 2.4: Đặc tính bảo vệ so lệch theo dịng điện........................................................ 15

Hình 2.5: Điểm sự cố và đường đặc tính tác động ....................................................... 16
Hình 2.6: Đặc tính tứ giác ............................................................................................... 17
Hình 2.7: Vùng làm việc của bảo vệ khoảng cách ....................................................... 18
Hình 2.8: Mơ phỏng quỹ đạo tổng trở khi ngắn mạch 1 pha ...................................... 19
Hình 2.9: Sơ đồ DUTT .................................................................................................... 19
Hình 2.10: Sơ đồ PUTT ................................................................................................... 20
Hình 2.11: Sơ đồ POTT ................................................................................................... 20
Hình 2.12: Sơ đồ truyền tín hiệu khóa ........................................................................... 21
Hình 2.13: Ảnh hưởng điện trở hồ quang tại điểm sự cố ............................................ 22
Hình 2.14: Đặc tính tứ giác của bảo vệ khoảng cách ................................................... 22
Hình 2.15: Ảnh hưởng của điện trở sự cố ..................................................................... 23
Hình 2.16: Ảnh hưởng của tải đến bảo vệ khoảng cách .............................................. 24
Hình 2.17: Ảnh hưởng của hỗ cảm đường dây song song .......................................... 24
Hình 2.18: Ảnh hưởng hệ số phân bố dịng điện .......................................................... 25
Hình 2.19: Ảnh hưởng bởi tụ dọc đường dây ............................................................... 25
Hình 2.20: Quỹ đạo tổng trở khi có dao động điện và sự cố ...................................... 26
Hình 2.21: So sánh đ ặc tính làm việc của bảo vệ q dịng và kho ảng cách ............ 28
Hình 2.22: Phương thức bảo vệ cho ĐZ 110kV có truyền tin bằng cáp quang ........ 30
Hình 2.23: Phương thức bảo vệ cho ĐZ 110kV khơng có truyền tin cáp quang ..... 31
Hình 3.1: Cơ cấu tỷ trọng các thành phần phụ tải HTĐ miền Bắc............................. 36
Hình 4.1: Minh họa phương pháp nghiên cứu .............................................................. 44
Hình 4.2: Các vùng của bảo vệ khoảng cách ................................................................ 45
Hình 4.3: Vùng 1 của bảo vệ khoảng cách tác động .................................................... 47
Hình 4.4: Vùng 2 của bảo vệ khoảng cách khởi động. ................................................ 47
Hình 4.5: Vùng 3 của bảo vệ khoảng cách khởi động. ................................................ 48
Hình 4.6: Bảo vệ khoảng cách khởi động ..................................................................... 48
Hình 4.7: Vùng 1 của bảo vệ khoảng cách tác động .................................................... 50
Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 8

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

Hình 4.8: Vùng 2 của bảo vệ khoảng cách tác động .................................................... 50
Hình 4.9: Vùng 3 của bảo vệ khoảng cách khởi động. ................................................ 51
Hình 4.10: Các vùng của bảo vệ khoảng cách khởi động ........................................... 51
Hình 4.11: Điện trở sự cố của các kịch bản .................................................................. 52
Hình 4.12: Số lần tác động của các bảo vệ.................................................................... 54
Hình 4.13: Dải điện trở sự cố các bảo vệ khoảng cách không làm việc .................... 55

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay trên hệ thống điện Việt Nam, lưới điện truyền tải đóng vai trị quan
trọng trong q trình truyền tải điện năng, giúp tăng cường liên kết các lưới điện
phân phối, đảm bảo cung cấp điện an toàn, tin cậy cho phụ tải. Để đảm nhiệm được
vai trị quan trọng này, cần có sự phối hợp tốt giữa các trang thiết bị và hệ thống
rơle bảo vệ.
Thực tế cho thấy phần lớn các dạng sự cố xảy ra đối với các đường dây trên

không là sự cố ngắn mạch chạm đất 1 pha. Với các sự cố có điện trở nhỏ, các rơ le
bảo vệ khoảng cách, bao gồm 2 đến 3 vùng tác động có thể đảm bảo độ tin cậy và
chọn lọc tác động khi giải trừ sự cố. Tuy nhiên, với các sự cố có tổng trở lớn hơn,
tổng trở biểu kiến có thể nằm ngồi vùng của tất cả bảo vệ khoảng cách. Khi đó sự
cố sẽ được giải trừ bằng các rơ le bảo vệ quá dòng chạm đất có hướng và vơ hướng,
với thời gian loại trừ sự cố lớn hơn và mức độ chọn lọc suy giảm. Để giải quyết vấn
đề này cần có những nghiên cứu cụ thể để đánh giá sự làm việc của hệ thống rơ le
bảo vệ trên các đường dây truyền tải đặc biệt là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ q
dịng chạm đất, từ đó đưa ra các giải pháp nhằm đảo bảo hệ thống rơ le bảo vệ làm
việc tin cậy, chọn lọc.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu đảm bảo độ chọn lọc của rơ le bảo vệ với các sự cố
chạm đất tổng trở cao trên hệ thống điện miền Bắc” được thực hiện nhằm phân
tích, đánh giá độ tin cậy tác động của rơ le bảo vệ khoảng cách, cũng như mức độ
mất chọn lọc khi cần dựa vào các bảo vệ quá dòng chạm đất để giải trừ sự cố.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu đánh giá sự làm việc của bảo vệ khoảng cách, bảo vệ quá
dòng chạm đất trên lưới điện 110kV miền Bắc với các dạng sự cố ngắn mạch chạm
đất qua các giá trị tổng trở khác nhau, sử dụng phần mềm PSS/E và MATLAB.
Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương:
Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 10


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

• Chương 1: Mở đầu.

• Chương 2: Trình bày ngun lý cơ bản và phương thức bảo vệ đường
dây 110kV.
• Chương 3: Tổng quan về HTĐ miền Bắc.
• Chương 4: Trình bày kết quả mô phỏng sự làm việc của bảo vệ
khoảng cách và quá dòng chạm đất đối với các sự cố ngắn mạch chạm
đất tổng trở cao trên lưới điện 110kV miền Bắc.

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG THỨC
BẢO VỆ CHO ĐƯỜNG DÂY 110KV
2.1 Các nguyên lý bảo vệ cơ bản cho đường dây 110kV
2.1.1 Bảo vệ so lệch
Bảo vệ so lệch làm việc theo nguyên lý so sánh dòng điện hay nguyên lý cân
bằng dòng. Bảo vệ này dựa trên nguyên tắc dòng rời khỏi một đối tượng bảo vệ
trong điều kiện bình thường bằng dịng đưa vào nó. Bất cứ sự sai lệch nào cũng chỉ
thị sự cố bên trong vùng bảo vệ. Các cuộn dây thứ cấp của biến dòng CT1 và CT2
có cùng tỷ số biến, được nối để có dịng điện như hình vẽ (hình 2.1). Thành phần đo
M được nối ở điểm cân bằng điện. Trong điều kiện bình thường khơng có dịng điện
chạy qua thành phần đo M.
i1

i

CT1

i2

i

I

I

I1

I2

CT2

i1 + i2

M
I1 + I2

Hình 2.1: Nguyên lý bảo vệ so lệch cơ bản

Đối với các sự cố xảy ra bên ngoài vùng bảo vệ và ở chế độ vận hành bình
thường (hình 2.2), dịng điện đo được từ rơle bảo vệ là giá trị của dòng điện chênh
lệch từ phía thứ cấp của các máy biến dịng điện được đấu nối theo kiểu so lệch
nhau. Trong hình vẽ này biểu diễn sự phân bố dòng điện trên mỗi pha. Về trị số
dòng điện, i1 và i2 là dòng điện sơ cấp trên các đường dây đi vào hoặc đi ra khỏi
vùng bảo vệ, I1 và I2 là dòng điện của phía thứ cấp máy biến dịng.

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 12


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

i1

i2

I1

I2

CT2

CT1

M
I1

I2

Hình 2.2: Sự cố ngồi vùng bảo vệ so lệch

Khi có sự cố ngồi vùng gây ra dịng ngắn mạch lớn chạy qua vùng bảo vệ,

các đặc tính từ hóa khác nhau của biến dịng trong điều kiện bão hịa từ hóa gây ra
dòng điện đáng kể chạy qua M. Nếu dòng này nằm trong ngưỡng tác động, hệ thống
đưa ra lệnh cắt. Vì vậy cần có cơ chế hạn chế ảnh hưởng sai số của máy biến dòng
được gọi là cơ chế hãm. Trong bảo hệ thống bảo vệ so lệch, đối tượng bảo vệ với
hai phía dịng điện hãm được suy ra từ dòng so lệch do vậy dòng hãm được tính
bằng

| I1 − I2 |(với

bằng

| I1 | + | I2 |

quy ước chiều dòng điện đi vào đối tượng được bảo vệ), hoặc

Dòng so lệch Isl (làm việc) xác định theo công thức:

ISL = I =| I1 + I2 |= ILV

(2-1)

Cịn dịng hãm được tính theo cơng thức:

IH =| I1 | + | I2 |

(2-2)

Giá trị của dòng điện hãm và so lệch trong trường hợp sự cố ngoài vùng hoặc
trong điều kiện làm việc bình thường: I1 là dịng điện thứ cấp máy biến dòng đi vào
vùng bào vệ, I2 là dòng điện thứ cấp máy biến dòng đi ra khỏi vùng bảo vệ, trong

trường hợp này: I2

= −I1 và do đó | I1 |=| I2 | .

Lớp: CH2016A-KTĐ

ISL = I1 + I2 = I1 − I1 = 0

(2-3)

IH = I1 + I2 = I1 + I2

(2-4)
Trang 13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

i1

i2

I1

I2

CT2

CT1

M
I1 + I2

Hình 2.3: Sự cố trong vùng bảo vệ so lệch

Đối với các sự cố xảy ra bên trong vùng bảo vệ như được biểu diễn trong
hình 2.3, dịng điện tác động của rơle bảo vệ so lệch bằng tổng của các dòng điện
đầu vào cấp cho điểm sự cố. Đây là dịng điện sự cố tổng theo đơn vị ampe phía thứ
cấp. Khi có sự cố bên trong phần tử được bảo vệ, các dịng điện ở mỗi đầu khơng
bằng nhau. Thành phần M đo được dịng
cố chạy từ hai phía. Nếu dòng điện

I1 + I2 tỷ lệ với dòng i1 + i2 là tổng dòng sự

I1 + I2

này đủ lớn, bảo vệ so lệch tác động và

cắt máy cắt ở hai phía của phần tử bảo vệ.
Dịng so lệch ISl (làm việc) xác định theo công thức:

ISL = I = I1 + I2 = ILV

(2-5)

Cịn dịng hãm được tính theo cơng thức:

IH = I1 + I2

(2-6)

Giá trị của dịng điện so lệch và dòng hãm trong các trường hợp sự cố trong
vùng được tính như sau:
Sự cố ngắn mạch trong vùng: Dịng hai phía bằng nhau

I2 = I1 do đó | I2 |=| I1 |

ISL =| I1 + I2 |=| I1 + I1 |= 2| I1 |

(2-7)

IH =| I1 | + | I2 |=| I1 | + | I1 |= 2| I1 |

(2-8)

Giá trị tổng đại số dòng so lệch và dòng hãm là bằng nhau.
Sự cố ngắn mạch trong vùng: Với dịng chỉ một phía cao áp, khi đó
Lớp: CH2016A-KTĐ

I2 = 0 .
Trang 14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

ISL =| I1 + I2 |=| I1 + 0|=| I1 |

(2-9)

IH =| I1 | + | I2 |=| I1 |

(2-10)

Hình 2.4: Đặc tính bảo vệ so lệch theo dòng điện

Ta thấy giá trị tổng đại số dòng so lệch và dòng hãm là bằng nhau, ảnh
hưởng tác động giá trị của dòng so lệch và dòng hãm tương đương nhau bằng tổng
dòng điện sự cố chạy qua mỗi phía. Phân tích trên cho thấy với sự cố trong vùng

ISL = IH

vì vậy đường đặc tính sự cố trong vùng là đường thẳng với độ dốc bằng 1

(45 0) trong đặc tính tác động của chức năng bảo vệ so lệch theo hình 2.4.
Theo hình vẽ đường đặc tính tác động gồm 03 đoạn:
Nhánh a mô tả ngưỡng độ nhạy của bảo vệ so lệch biểu thị dòng điện khởi
động ngưỡng thấp (IDIFF>). Nhánh này là ngưỡng tác động thấp của bảo vệ so lệch,
được xác định dựa trên sai số cố định của dòng điện so lệch. Trong trường hợp bảo
vệ so lệch cho đường dây thường chọn giá trị này là 1p.u theo khuyến cáo của hãng.
Nhánh b đặc tính xem như là dòng điện tỷ lệ thuận với dòng sự cố, với
ngun tắc khi dịng sự cố tăng thì sai số do các máy biến dòng cũng tăng lên.
Nhánh này cũng được sử dụng để ngăn ngừa sự tăng lên của dịng điện so lệch trong
điều kiện làm việc bình thường.
Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 15

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

Nhánh c: trong dải dòng điện tăng cao làm tăng độ bão hòa từ máy biến dòng
xuất hiện hiện tượng các máy biến dịng bão hịa khơng giống nhau vì vậy có tính
đến chức năng khóa bảo vệ.
2.1.2 Bảo vệ khoảng cách
Bảo vệ khoảng cách thường được sử dụng để bảo vệ cho đường dây trong
mạng điện có sơ đồ phức tạp mà vẫn đảm bảo tác động nhanh, chọn lọc và có độ
nhạy cao.
Bảo vệ khoảng cách hoạt động dựa trên giá trị dòng điện và điện áp tại điểm
đặt rơ le để xác định tổng trở sự cố. Nếu giá trị tổng trở này nhỏ hơn giá trị tổng trở
đã cài đặt trong rơ le thì rơ le sẽ tác động (còn gọi là rơ le tổng trở thấp Z<).
2.1.2.1 Đặc tính làm việc và cài đặt các vùng bảo vệ
Điểm làm việc lúc bình thường và khi sự cố: về lý thuyết khi sự cố điểm làm
việc luôn rơi vào đường tổng trở đường dây, do đó có thể chỉ cần chế tạo đặc tính
tác động của rơ le là một đường thẳng trùng với đường tổng trở đường dây.
Tuy nhiên do ảnh hưởng của sai số máy biến dòng điện, do sự cố có thể xảy
ra qua các tổng trở trung gian nên giá trị rơ le đo được khi sự cố có thể ở lân cận
đường tổng trở đường dây. Nếu đặc tính tác động là một đường thẳng thì rơ le sẽ
khơng làm việc trong các trường hợp này. Để khắc phục thì các nhà chế tạo thường
cố ý mở rộng đặc tính tác động về cả hai phía của đường dây, được gọi là vùng tác
động.
jX
Đặc tính
tác động là
một đường

thẳng hẹp

ZD+Zpt
ZD
Điểm làm việc
lúc bình
Điểm sự cố rơi
thường
ra ngồi rơle
khơng tác động

100%ZD

Đặc tính
tác động
được mở
rộng

ZD+Zpt
ZD

Điểm sự cố rơi
ra ngồi rơle
khơng tác động

Điểm làm việc
lúc bình
thường

Hình 2.5: Điểm sự cố và đường đặc tính tác động

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 16


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

Có nhiều dạng đặc tính khác nhau, đối với bảo vệ đường dây thì đặc tính tứ
giác hoạt động chọn lọc hơn.
jX
ZD+Zpt
100%ZD
80%ZD

Đặc tính
tứ giác
R

Hình 2.6: Đặc tính tứ giác

• Các vùng cài đặt của bảo vệ khoảng cách:
▪ Thường được chỉnh định với 3 vùng tác động.
▪ Vùng I: tác động tức thời
▪ Vùng II và III: tác động có trễ theo nguyên tắc phân cấp thời gian,
phối hợp với các bảo vệ liền kề.
• Vùng I:
▪ Bảo vệ khoảng 80-85% chiều dài đường dây AB.
▪ Không cài đặt bảo vệ 100% đường dây do nhiều yếu tố như: ảnh

hưởng của sai số BU, BI, hệ số phân bố dịng điện, tính tốn tổng trở
dựa trên giả thuyết bỏ qua điện dung, hoán vị pha trên đường dây,…
tuy nhiên thực tế điều này khơng thể hồn tồn chính xác.
• Vùng II:
▪ Tối thiểu từ 120-150% chiều dài đường dây.
▪ Bảo vệ toàn bộ chiều dài đường dây cần bảo vệ.
▪ Không được vượt quá vùng I của bảo vệ liền kề, phối hợp với đường
dây ngắn nhất kế tiếp.
• Vùng III:

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 17


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

▪ Bao trùm toàn bộ đường dây cần bảo vệ và đường dây dài nhất tính từ
thanh góp phía cuối đường dây bảo vệ. Tuy nhiên không được vượt
quá vùng II của các bảo vệ liền kề.
▪ Có xét đến khả năng ảnh hưởng của đường dây mang nặng tải và
trường hợp xảy ra dao động công suất.

A

ĐƯỜNG DÂY 1

B

ĐƯỜNG DÂY 2

10-15%

C

D

ĐƯỜNG DÂY 3

10-15%

10-15%

Nguồn

Vùng 1 t = 0s
Vùng 2 t = ∆t(s)
Vùng 3 t = 2∆t(s)

Hình 2.7: Vùng làm việc của bảo vệ khoảng cách

• Mạch vịng tính tốn tổng trở: Với mỗi loại sự cố khác nhau (pha – pha, pha
– đất) thì sử dụng các thuật tốn tính tốn tổng trở khác nhau:
▪ Sự cố pha – pha: (AB, BC, CA, ABC)

Z apparent - A B =

VA - VB

IA - IB

(2-11)

▪ Sự cố pha – đất: (AG, BG, CG)

Z apparent - A =

VA
I A + k .I 0

Trong đó k là hệ số bù thứ tự không, k =

Lớp: CH2016A-KTĐ

(2-12)

Z0
- 1
Z1

Trang 18


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

Hình 2.8: Mơ phỏng quỹ đạo tổng trở khi ngắn mạch 1 pha

2.1.2.2 Các phương thức liên động
Nếu khơng có sự liên hệ phối hợp giữa các bảo vệ ở 2 đầu đường dây thì sự
cố tại 10-15% cuối đường dây mỗi phía sẽ được loại trừ với thời gian của vùng II
(trễ một khoảng ∆t), ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện và không đảm bảo thời
gian loại trừ sự cố theo quy định. Để khắc phục điều này cần có sự phối hợp liên
động giữa các bảo vệ khoảng cách 2 đầu đường dây thông qua kênh truyền để tăng
tốc độ loại trừ sự cố.
a) DUTT (direct under -reach transfer trip)
Đây là phương thức cắt liên động trực tiếp. Khi sự cố trong vùng I rơ le sẽ
gửi tín hiệu cắt đến đầu đối diện, khi đó máy cắt ở đầu đối diện nhận được tín hiệu
và cắt ngay lập tức.

Hình 2.9: Sơ đồ DUTT
Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 19


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

b) PUTT (Permissive under-reach transfer trip)
Khi sự cố nằm ở trong khoảng 10-15% cịn lại tổng trở đường dây được bảo
vệ, khi đó sự cố thuộc vùng II của bảo vệ A và vùng I của bảo vệ B. Máy cắt tại B
sẽ cắt tức thời (tI = 0s) đồng thời rơ le gửi tín hiệu cho phép đến rơ le tại A, khi đó
máy cắt tại A sẽ cắt với thời gian nhỏ hơn ∆t.

Hình 2.10: Sơ đồ PUTT

c) POTT (Permissive over-reach transfer trip)
Khi sự cố tại một điểm trên đường dây, 2 phần tử phát tín hiệu liên động ở 2
đầu đều làm việc. Khi đủ điều kiện cắt (khởi động và có tín hiệu cho phép) thì máy
cắt mới được cắt.

Hình 2.11: Sơ đồ POTT

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 20


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

d) Nguồn yếu (Weak infeed)
Trường hợp đường dây được cấp nguồn từ 2 phía, một nguồn có cơng suất
ngắn mạch nhỏ (nguồn yếu). Khi xảy ra sự cố dịng từ phía nguồn yếu có thể khơng
đủ lớn, làm cho rơ le phía đó sẽ khơng khởi động. Nếu dùng sơ đồ truyền tín hiệu
cho phép: ta sẽ khơng nhận được tín hiệu cho phép từ rơ le phía nguồn yếu, do đó
sự cố khơng được giải trừ ngay. Để tránh tình trạng đó, cần trang bị thêm chức năng
tự động gửi lại tín hiệu nhận được (echo) dù không khởi động. Tại đầu nguồn khỏe
sẽ nhận được tín hiệu phản hồi (echo), do đó sẽ cắt tức thời. Tại đầu nguồn yếu có
thêm chức năng phát hiện điện áp thấp.
Đầu nguồn yếu sẽ cắt khi thỏa mãn các điều kiện sau:
• Đã nhận được tín hiệu cho phép từ đầu đối diện
• Rơ le điện áp thấp cho phép
• Rơ le khoảng cách khơng khởi động
e) Sơ đồ truyền tín hiệu khóa (Blocking over-reaching scheme)

Sự cố trong vùng: hai đầu không nhận được tín hiệu khóa nên tác động tức thời.

Hình 2.12: Sơ đồ truyền tín hiệu khóa

Khi ngắn mạch tại N, có thể thuộc vùng I mở rộng của rơ le A, rơ le sẽ
truyền tín hiệu cắt tức thời nên gây ra tác động nhầm. Rơ le B sẽ phát hiện sự cố
thuộc vùng ngược, nên sẽ truyền tín hiệu khóa cho rơ le A, máy cắt A sẽ không cắt
tức thời mà bảo vệ đường dây liền kề cắt nhanh sự cố.
Các sơ đồ liên động thường sử dụng kênh tải ba (PLC) để truyền tín hiệu.
2.1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ khoảng cách
a) Ảnh hưởng của điện trở hồ quang tại điểm sự cố

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 21


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

Trong thực tế rất hay xảy ra trường hợp ngắn mạch xuất hiện hồ quang trên
đường dây truyền tải, dẫn đến phép đo tổng trở khơng cịn chính xác nữa, làm sai
lệch khi xác định vị trí sự cố trên đường dây.
jX

jX
ZD+Zpt
100%ZD

ZD+Zpt
Điểm làm việc
lúc bình thường

100%ZD

Điểm làm việc
lúc bình thường
Điểm làm việc
khi sự cố
R

Điểm làm việc
khi sự cố
R
Rhq = 0

Rhq > 0

Hình 2.13: Ảnh hưởng điện trở hồ quang tại điểm sự cố

Giải pháp cho trường hợp này được nhiều hãng rơ le áp dụng là sử dụng đặc
tính tứ giác có miền tác động mở rộng về phía trục R.
jX

ZD+Zpt
100%ZD
Điểm làm việc
lúc bình
thường

Điểm làm việc
khi sự cố
R

Rhq > 0

Hình 2.14: Đặc tính tứ giác của bảo vệ khoảng cách

b) Ảnh hưởng của điện trở sự cố
Trong thực tế nhiều trường hợp sự cố ngắn mạch thơng qua điện trở trung
gian, khi đó giá trị tổng trở đo được bị sai lệch, đặc biệt trường hợp có nhiều nguồn
cấp đến làm cho tổng trở sai cả về R và X.

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 22


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

IF2

IF1

HT2

HT1

RF

IF

Hình 2.15: Ảnh hưởng của điện trở sự cố

Khi đó, tổng trở đo được là Zapparent = Zd + RF  1 + F 2  , dẫn đến định vị sự
I
I



F1



cố bị sai, bảo vệ khoảng cách không phát hiện được mặc dù sự cố trong vùng bảo vệ.
c) Ảnh hưởng của tải
Trên mặt phẳng tổng trở, vùng tải được mở rộng hay co hẹp tùy thuộc theo
hệ số công suất của tải. Trong trường hợp đường dây dài và mang tải nặng, vùng tải
có thể chồng lấn vào đặc tính tác động của bảo vệ khoảng cách. Việc chồng lấn tải
ảnh hưởng đến vùng 3 của bảo vệ khoảng cách.
Giả sử công suất truyền tải từ đầu i đến j trên đường dây. Tổng trở đo được là:
ZR =

Vi 2
Vi 2
= 2
( P + jQij )
Pij − jQij Pij + jQij 2 ij

(2-13)

Tổng trở đo được tỷ lệ với bình phương điện áp, điện áp giảm tới 0,9 pu thì
tổng trở giảm 0,81 pu.
Tổng trở đo được tỷ lệ nghịch với công suất chạy trên đường dây: công suất
truyền tải tăng gấp đơi thì tổng trở giảm 50% → giá trị tổng trở đo được có thể rơi
vào vùng 3 của bảo vệ khoảng cách.
Giải pháp trong trường hợp này là vùng 3 mở rộng có giới hạn bằng cách sử
dụng các đặc tính có loại bỏ vùng tải.

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 23


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Cơng Đăng

Hình 2.16: Ảnh hưởng của tải đến bảo vệ khoảng cách

d) Ảnh hưởng hỗ cảm trên đường dây
Xét đường dây song song như hình 2.17:

Hình 2.17: Ảnh hưởng của hỗ cảm đường dây song song

Tổng trở đo được từ vị trí đặt rơ le Z1 là:
Z apparent

Z0 M
x
.
x
x
3.Z L 2l − x
= ZL + ZL
Z
l
l
1+ E
ZL

(2-14)

Tổng trở đo được từ vị trí đặt rơ le Z2 là:

Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 24


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Lưu Công Đăng

Z0 M
3.Z L
= (2l − x)Z L +
Z

1+ E
ZL
x

Zapparent

(2-15)

Ta thấy Zapparent > Zthực, để bảo vệ làm việc đúng cần mở rộng vùng tác động.
e) Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện
Xét sơ đồ như hình vẽ bên dưới, tổng trở đo được Zapparent = Z A +

I A + IB
.ZC ;
IA

Zthuc = Z A + ZC ;→ Zapparent  Zthuc , cần phải mở rộng vùng tác động của Rơ le, điều

này dẫn tới nhược điểm là vùng 2 có thể mở rộng quá vùng 1 của bảo vệ liền kề.
ZC

IB
IA +IB

Nguồn

Fault

IA
xZC

Z<

Hình 2.18: Ảnh hưởng hệ số phân bố dịng điện

f) Ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây
Trên các đường dây dài siêu cao áp, thường mắc nối tiếp vào đường dây các
bộ tụ điện được gọi là các tụ bù dọc. Các bộ tụ này làm giảm kháng trở của đường
dây, tăng giới hạn truyền tải công suất theo điều kiện ổn định của hệ thống, giảm
tổn thất và cải thiện phân bố điện áp dọc theo chiều dài đường dây trong những chế
độ truyền tải công suất khác nhau.

Hình 2.19: Ảnh hưởng bởi tụ dọc đường dây

Rơ le khoảng cách RZ1 đặt ở đầu A không thể “nhìn thấy” ngắn mạch tại N1
sau bộ tụ XCA, và cả ở một phần đường dây gần đó vì tổng trở của tụ và phần đường
Lớp: CH2016A-KTĐ

Trang 25