TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu phương pháp phân tích sự cố
áp dụng cho trạm biến áp thuộc lưới điện
truyền tải
NGÔ KHẮC BIÊN



Ngành: Kỹ thuật điện

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Xuân Tùng
Chữ ký của GVHD

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 10/2020



MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... iii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH SỰ CỐ .............................................. 1

1.1 Sự cần thiết của việc phân tích sự cố ....................................................... 1
1.2 Mục đích của việc phân tích sự cố ........................................................... 1
1.3 Ý nghĩa của việc phân tích sự cố trong lưới điện truyền tải .................... 2
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP ĐẶC TÍNH CỦA CÁC DẠNG SỰ CỐ ................. 4
2.1 Các dạng sự cố ngắn mạch cơ bản của hệ thống điện .............................. 4
2.2 Sự cố hở mạch trong hệ thống điện ......................................................... 8
2.3 Nguyên nhân gây ra các dạng sự cố ......................................................... 8
2.4 Thời điểm xảy ra sự cố trên dạng sóng và các yếu tố nhận dạng ............ 9
2.5 Dịng điện sự cố chu kỳ và khơng chu kỳ .............................................. 10
2.6 Sự cố phóng điện tại thời điểm điện áp đạt đỉnh.................................... 10
2.7 Sự cố mở rộng (sự cố tiến triển) ............................................................ 11
2.8 Hiện tượng bão hòa máy biến dòng điện ............................................... 12
2.9 Sự cố qua máy biến áp có tổ đấu dây các phía khác nhau ..................... 17
CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC NGUYÊN LÝ BẢO VỆ CHÍNH ÁP
DỤNG CHO TRẠM BIẾN ÁP ........................................................................ 21
3.1 Chế độ vận hành bất thường và sự cố có thể xảy ra với máy biến áp.... 21
3.2 Đặc điểm của các nguyên lý bảo vệ chính đối với máy biến áp ............ 21
3.3 Đặc điểm của các nguyên lý bảo vệ chính đối với đường dây .............. 27
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN PHÂN TÍCH SỰ
CỐ TRONG TRẠM BIẾN ÁP ........................................................................ 32
4.1 Phương pháp tiếp cận phân tích sự cố trong trạm biến áp ..................... 32
4.2 Thu thập các thông tin về sự cố ............................................................. 33
4.3 Tổng hợp lại diễn biến sự cố .................................................................. 36
4.4 Đọc và phân tích bản ghi sự cố của các rơle bảo vệ .............................. 37
4.5 Nhận định các vấn đề bất thường, nguyên nhân và giải pháp ............... 39

i


CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP TÁC ĐỘNG NHẦM

CỦA HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ CHO TRẠM BIẾN ÁP .......................... 41
5.1 Sự cố tác động nhầm chức năng quá áp của rơle so lệch đường dây .... 41
5.2 Sự cố tác động nhầm của rơle so lệch thanh cái .................................... 54
5.3 Sự cố tác động nhầm của rơle so lệch bảo vệ máy biến áp ................... 66
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG
LAI ................................................................................................................... 76
6.1 Các kết luận............................................................................................ 76
6.2 Các hướng nghiên cứu trong tương lai .................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 78

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1:
Hình 2.2:
thống điện
Hình 2.3:
Hình 2.4:

Các dạng sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện ................................ 4
Đặc tính dịng điện, điện áp của các dạng sự cố cơ bản trong hệ
............................................................................................................ 5
Bản ghi dạng sóng của sự cố 3 pha .................................................... 6
Bản ghi dạng sóng của sự cố pha-pha................................................ 6

Hình 2.5:
Hình 2.6:

Bản ghi dạng sóng của sự cố 2 pha chạm đất .................................... 7

Bản ghi dạng sóng của sự cố một pha chạm đất ................................ 8

Hình 2.7:
đỉnh
Hình 2.8:

Dạng sóng dịng điện & điện áp khi sự cố phóng điện tại điện áp
.......................................................................................................... 10
Dịng điện sự cố có chứa thành phần dòng điện một chiều tắt dần . 10

Hình 2.9: Dịng chạm đất xuất hiện khi có phóng điện do hư hỏng cách điện 11
Hình 2.10:
Bản ghi dạng sóng của sự cố tiến triển ......................................... 12
Hình 2.11: Các phần tử lưỡng cực từ trong lõi từ .............................................. 13
Hình 2.12: Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hịa đối
xứng
.......................................................................................................... 14
Hình 2.13: Dòng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hịa
khơng đối xứng..................................................................................................... 15
Hình 2.14: Dạng sóng dịng điện khi BI bị bão hịa với mức độ khác nhau ...... 16
Hình 2.15:
(b)
Hình 3.1:
Hình 3.2:
Hình 3.3:

Dạng sóng khi bão hịa với các loại tải thuần trở (a) và thuần kháng
.......................................................................................................... 16
Sơ đồ phương thức bảo vệ theo khuyến cáo của hãng Siemens ...... 22
Dòng điện xung kích khi đóng máy biến áp .................................... 26

Bù độ trễ kênh truyền....................................................................... 28

Hình 3.4:
Hình 3.5:
Hình 3.6:
Hình 4.1:
Hình 4.2:
Hình 4.3:
Hình 4.4:
Hình 4.5:
Hình 4.6:
Hình 4.7:

Dịng so lệch do 1 mili giây sai số trễ kênh truyền .......................... 29
Ảnh hưởng của bão hòa BI tới dịng điện tính tốn ......................... 29
Sơ đồ nhiều máy cắt cho một mạch đường dây ............................... 30
Các bước tiếp cận và phân tích sự cố .............................................. 33
Bản ghi của rơle khoảng cách trạm A.............................................. 34
Bản ghi của rơle so lệch dọc trạm A ................................................ 35
Bản ghi của rơle so lệch dọc và rơle tự đóng lại trạm B ................. 36
Sơ đồ một sợi đường dây 276 nối giữa Trạm A – Trạm B .............. 36
Event của rơle tự đóng lại trạm B .................................................... 37
Vec tơ dịng điện và điện áp sự cố đường dây 276 trạm A ............. 38

Hình 4.8:
Hình 5.1:
Hình 5.2:

Sự hư hỏng pha C của máy cắt thể hiện qua bản ghi sự cố ............. 39
Event trên hệ thống HMI thời điểm rơle F87L tác động ................. 41

Chỉnh định chức năng bảo vệ quá áp (OV1) trong rơle L90 ........... 42
iii


Hình 5.3:

Biểu đồ dạng sóng của dịng điện khi xảy ra sự cố (rơle L90) ........ 43

Hình 5.4:
Hình 5.5:

Biểu đồ dạng sóng của điện áp khi xảy ra sự cố (rơle L90) ............ 43
Vecto dòng điện và điện áp trong sự cố .......................................... 44

Hình 5.6:
Hình 5.7:
Hình 5.8:

Các tín hiệu input/output của rơle L90 ............................................ 45
Sơ đồ kết nối kênh truyền giữa 2 trạm A-B .................................... 47
Logic làm việc của rơle L90 ............................................................ 48

Hình 5.9: Chu kỳ lấy mẫu của rơle .................................................................. 49
Hình 5.10: Sai lệch tối đa của các bảo vệ với tần số hệ thống là 50Hz của L90
trong q trình đồng bộ ........................................................................................ 50
Hình 5.11: Logic khóa chức năng bảo vệ khi F87L mất kênh truyền ............... 51
Hình 5.12: Fault Log của rơle L90 cảnh báo quá áp ......................................... 52
Hình 5.13:
Hình 5.14:


Các chức năng của rơle L90 được đưa lên HMI ............................. 53
Sơ đồ kết dây phía 110kV trạm C ................................................... 54

Hình 5.15:
Hình 5.16:
1
Hình 5.17:
Hình 5.18:
đóng lại
Hình 5.19:
Hình 5.20:
Hình 5.21:
Hình 5.22:
Hình 5.23:

Event của Rơle REL670 khi cắt máy 172 cắt lần 1 ......................... 55
Event của rơle REB670 khi xảy ra sự cố đường dây 172 cắt MC lần
......................................................................................................... 55
Event của rơle REL670 khi tự đóng lại vào điểm sự cố.................. 56
Event của rơle REB670 tác động chức năng SLTC khi MC 172 tự
......................................................................................................... 56
Bản ghi dạng sóng rơle REL670 sự cố cắt máy cắt lần 1 ................ 57
Bản ghi dạng sóng rơle REL670 khi tự đóng lại máy cắt 172 ........ 58
Bản ghi dạng sóng rơle REB670 tác động so lệch thanh cái C12 ... 59
Dòng điện trên thanh cái ghi nhận bởi rơle REB670 ở giai đoạn 1 60
Tham chiếu card input rơle REB670 ............................................... 61

Hình 5.24:
Hình 5.25:
Hình 5.26:

Hình 5.27:
Hình 5.28:
Hình 5.29:
Hình 5.30:
Hình 5.31:
Hình 5.32:
Hình 5.33:

Nguyên lý lựa chọn vùng bảo vệ rơle REB670 ............................... 62
Vùng bảo vệ của chức năng End Fault REB670 ............................. 62
Lựa chọn vùng bảo vệ theo trạng thái dao cách ly .......................... 63
Khối điều khiển chức năng bảo vệ thanh cái với ngăn lộ 172 ........ 63
Logic kích hoạt chức năng BAY2_FORCE_I=ZERO .................... 63
Bản vẽ hồn cơng tín hiệu đưa vào REB670 ngăn lộ 172 ............... 64
Chỉnh định bảo vệ so lệch thanh cái REB670 ................................. 66
Event record của rơle P643 ............................................................. 67
Event record của rơle quá dòng ngăn lộ 480 ................................... 68
Bản ghi dạng sóng rơle q dịng phía 22kV T2 ............................. 68

Hình 5.34:
Hình 5.35:
Hình 5.36:

Biểu đồ vectơ dịng điện, điện áp trước và trong sự cố phía 22kV . 69
Bản ghi dạng sóng dịng điện các phía rơle P643 ........................... 70
Biểu đồ vectơ dịng điện các phía trước và trong sự cố của P643... 70
iv


Hình 5.37:


Dịng điện 3 pha phía 22kV trong chu kỳ đầu tiên của sự cố .......... 71

Hình 5.38:
Hình 5.39:

Vùng làm việc của bảo vệ so lệch khi xảy ra sự cố ......................... 71
Mạch dịng điện cấp cho rơle ........................................................... 73

Hình 5.40:
tính

Sự biến đổi của dịng điện trong khi tải khơng cân bằng và mất dây trung
.......................................................................................................... 74

v



LỜI MỞ ĐẦU
Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp liên quan đến nhiều thiết bị, phần
tử và trải dài trên toàn bộ lãnh thổ của một quốc gia, hay đơi khi có sự liên kết
giữa nhiều quốc gia với nhau. Trong khi đó, hệ thống điện lại chỉ hoạt động được
khi toàn bộ các thiết bị liên qua, từ sản xuất, truyền tải đến phân phối và tiêu thụ,
đều phải được đồng bộ, tức là làm việc với cùng một tần số. Điều này chỉ thực
hiện được khi công suất phát cân bằng với công suất tiêu thụ của phụ tải, mà
cơng suất của phụ tải thì ln luôn thay đổi theo thời gian. Hơn nữa, các sự cố thì
xảy ra thường xuyên trong hệ thống, liên quan đến cả các hiện tượng thiên nhiên
lẫn các tác động của con người, sự vận hành của các thiết bị. Do đó, để hệ thống
điện hoạt động được ổn định, liên tục với độ tin cậy cao và chất lượng điện năng

tốt, hệ thống điện cần được bảo vệ bởi hệ thống bảo vệ bao gồm các rơle bảo vệ,
kênh truyền, thiết bị đo lường, giám sát cũng như việc giảm thiểu, xác định
nguyên nhân các sự cố để khắc phục, ngăn ngừa.
Để xác định được nguyên nhân các sự cố trong hệ thống điện, tìm cách
khắc phục, ngăn ngừa các sự cố tương tự xảy ra trong tương lai nếu có thể, việc
phân tích các sự cố là cần thiết dựa trên các bản ghi sự cố của các rơle bảo vệ,
các báo cáo và thông tin liên quan khác liên quan đến sự vận hành của hệ thống.
Với việc các rơle số ngày nay đều có chức năng ghi lại các thông tin liên quan
đến sự cố xảy ra và hệ thống giám sát vận hành hiện đại của hệ thống điện, q
trình phân tích sự cố đã thuận lợi rất nhiều khi mà các thông tin thu thập được rất
nhiều và đầy đủ. Tuy nhiên, việc đọc, phân tích và hiểu rõ tồn bộ các thơng tin
để phân tích được sự cố địi hỏi sự hiểu biết đầy đủ về hệ thống điện, các phần tử
liên quan và cả các thơng tin về chỉnh định, cấu hình của hệ thống rơle bảo vệ,
tức là đỏi hỏ trình độ rất cao của người được giao nhiệm vụ phân tích các sự cố,
cả về kinh nghiệm lẫn kiến thức chun mơn. Trong khi đó, quy trình đầy đủ về
các bước tiếp cận, tiến hành phân tích sự cố lại chưa được xây dựng, hầu hết là
dựa vào kinh nghiệm của một vài kỹ sư chuyên trách.
Với hệ thống điện Việt Nam, mà cụ thể hơn là lưới điện truyền tải, với đặc
điểm là trải dài theo chiều dài lãnh thổ, kết nối 3 miền Bắc – Trung – Nam, tần
suất các sự cố xảy ra trên lưới là vô cùng lớn, lại dễ mất ổn định do công suất
truyền tải phải truyền đi trên một lưới truyền tải có khoảng cách vô cùng lớn. Các
đường dây và trạm biến áp 500 kV chạy dọc chiều dài đất nước là niềm tự hào
của Việt Nam, cũng là một thách thức cho ngành điện trong việc duy trì sự vận
hành liên tục của hệ thống. Chính vì thế, việc phân tích các sự cố xảy ra trong
1


lưới truyền tải càng quan trọng và là yêu cầu bắt buộc đối với Tổng công ty
Truyền tải điện Việt Nam.
Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu phương pháp phân tích sự cố áp dụng cho

trạm biến áp thuộc lưới điện truyền tải” do đó được thực hiện với mục đích là
đưa ra các bước cơ bản nhất trong việc tiếp cận các thông tin, đặc biệt là đọc và
hiểu rõ các bản ghi sự cố của các rơle bảo vệ để phân tích các sự cố ngắn mạch
xảy ra liên quan đến các phần tử trong trạm biến áp 220 kV & 500 kV. Luận văn
bao gồm các nội dung chính sau:
-

Sự cần thiết và mục đích của phân tích sự cố.
Phương pháp thành phần đối xứng áp dụng trong phân tích sự cố.

-

Các dạng sự cố và chế độ vận hành bất thường có thể xảy ra với thiết bị
trong trạm biến áp & Hiện tượng bão hòa máy biến dịng điện.

-

Các ngun lý bảo vệ chính áp dụng cho trạm biến áp.

-

Xây dựng phương pháp tiếp cận phân tích sự cố trong trạm biến áp.
Ứng dụng phân tích một số trường hợp tác động nhầm của hệ thống rơle
bảo vệ cho trạm biến áp.

Các sự cố liên quan đến các thiết bị thuộc lưới điện truyền tải xảy ra với
ngun nhân vơ cùng đa dạng, việc phân tích sự cố phụ thuộc rất lớn vào lượng
thông tin ghi nhận lại được. Chính vì thế luận văn có thể có các thiếu sót khơng
tránh khỏi trong q trình thực hiện, rất mong nhận được sự cảm thông và các ý
kiến góp ý q báu của các q thầy, cơ trong quá trình đọc và phản biện luận

văn này.
Xin chân thành cảm ơn!

2


CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH SỰ CỐ
1.1 Sự cần thiết của việc phân tích sự cố
Theo thống kê từ đầu năm đến ngày 30/04 của Tổng công ty Truyền tải điện
Quốc gia EVNNPT, có đến 26 sự cố xảy ra trên lưới điện truyền tải. Trong đó, có
13 sự cố xảy ra trên đường dây, 13 sự cố xảy ra tại các trạm biến áp. Với sự cố
đường dây, 15% xảy ra do sự suy giảm cách điện của chuỗi sứ dưới ảnh hưởng của
điều kiện thời tiết, 23% do sét, 8% do sự hư hỏng các thiết bị trên đường dây, 38%
liên quan đến hành lang cách điện bị vi phạm, 16% do yếu tố con người và các
nguyên nhân khác. Với sự cố trạm biến áp, 31% do hư hỏng của các thiết bị nhất
thứ, 46% do hư hỏng các thiết bị nhị thứ, 23% do yếu tố con người và các nguyên
nhân khác.
Các sự cố xảy ra trên lưới truyền tải điện gây ảnh hưởng rất lớn tới sự vận
hành ổn định, liên tục của hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt là các sự cố liên quan
đến các trạm biến áp và đường dây 500kV, với nguyên nhân sự cố như đã thấy rất
đa dạng và phức tạp. Việc tìm nguyên nhân xảy ra sự cố và tìm cách khắc phục,
chống sự cố lặp lại tốn rất nhiều thời gian và công sức nhưng bắt buộc phải thực
hiện để nâng cao sự ổn định, độ tin cậy của hệ thống điện. Chính vì thế, việc phân
tích các sự cố xảy ra trên hệ thống điện truyền tải là vơ cùng cần thiết.
Chỉ có hiểu rõ việc các sự cố xảy ra như thế nào, nguyên nhân, diễn biến của
chúng thì việc chỉnh định hệ thống rơle bảo vệ hay đưa ra các quyết định trong vận
hành, điều độ hệ thống điện mới có thể chính xác, linh hoạt. Và cũng chỉ có hiểu rõ
các sự cố, việc đưa ra các giải pháp để ngăn ngừa sự cố xảy ra, cách thức phát hiện
sớm các hư hỏng thiết bị, sự suy giảm cách điện trên lưới điện mới thực sự có hiệu
quả.

1.2 Mục đích của việc phân tích sự cố
Mục đích cơ bản của việc phân tích các sự cố xảy ra ln nhằm trả lời các
câu hỏi cơ bản sau:
- Đã xảy ra vấn đề gì, sự cố gì trong quá trình vận hành?
- Tại sao sự cố lại xảy ra?
- Các bài học kinh nghiệm rút ra sau khi phân tích sự cố?
a) Xác định đã xảy ra vấn đề gì
Để trả lời câu hỏi này, cần phải thu thập được toàn bộ các bản ghi sự cố, các
thông tin ghi nhận được từ hệ thống rơle bảo vệ, thiết bị ghi sự cố, tín hiệu lên hệ
thống SCADA, báo cáo của nhân viên vận hành. Từ đó, sẽ mơ tả lại được tồn bộ
1


diễn biến của sự cố, bao gồm các thông tin cơ bản là: sự cố gì đã xảy ra (ngắn mạch
1 pha, 2 pha, 3 pha...), sự cố xảy ra trên pha nào, giá trị dòng sự cố, khoảng cách
đến điểm sự cố, sự làm việc của các rơle bảo vệ khi xảy ra sự cố, các tín hiệu input,
output vào rơle, thời gian loại trừ sự cố, tự đóng lại thành công hay không...
b) Tại sao sự cố lại xảy ra
Sau khi đã hiểu rõ toàn bộ diễn biến, loại sự cố, có được bản ghi và thơng tin
đầy đủ, qua q trình phân tích bản ghi sự cố, sẽ có các kết luận chung về sự cố
như: sự cố xảy ra do các hiện tượng tự nhiên (quá điện áp khí quyển) hay do sự hư
hỏng thiết bị (suy giảm cách điện), do sự sai sót, khiếm khuyết trong mạch nhị thứ
(sai cực tính TI, bão hịa mạch từ...), hay do vi phạm hành lang an toàn điện (phóng
điện qua cây cối...). Kết hợp với q trình điều tra thực tế, từ đó sẽ tìm được chính
xác ngun nhân gây ra sự cố cũng như nguyên nhân dẫn đến các diễn biến trong
sự cố.
c) Các bài học kinh nghiệm rút ra sau khi phân tích sự cố
Khi đã trả lời được hai câu hỏi trên, sẽ biết được sự làm việc của hệ thống
rơle bảo vệ trong quá trình loại trừ sự cố khỏi hệ thống có chính xác hay không,
cũng như nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự cố. Lúc này, với người quản lý, vận hành

có hai vấn đề cơ bản cần quan tâm: nguyên nhân sự cố là khách quan hay chủ quan,
có thể ngăn ngừa sớm hay không; sự làm việc của hệ thống bảo vệ trong sự cố
đúng hay không, nếu sai do đâu và cần phải sửa chữa, cải tiến những gì trong hệ
thống bảo vệ.
1.3 Ý nghĩa của việc phân tích sự cố trong lưới điện truyền tải
Có thể nói ý nghĩa thực sự của việc phân tích sự cố trong hệ thống điện nói
chung, lưới điện truyền tải nói riêng thể hiện ở câu trả lời cho câu hỏi thứ 3 trong
mục đích phân tích sự cố. Mọi cố gắng trong việc hiểu rõ sự cố, hiểu rõ quá trình
làm việc của hệ thống bảo vệ trong sự cố, nguyên nhân gây ra sự cố đều hướng tới
một mục tiêu duy nhất là làm sao để hệ thống điện vận hành ổn định, liên tục với
độ tin cậy cung cấp điện cao. Do đó, cần sự tinh chỉnh trong việc cài đặt cấu hình,
chỉnh định và phối hợp của hệ thống rơle bảo vệ chính xác và hợp lý nhất, xây
dựng cấu trúc lưới điện, cũng như có các biện pháp phát hiện sớm, ngăn ngừa các
sự cố xảy ra một cách tối đa trên hệ thống.
Lưới điện truyền tải đã từng xuất hiện các sự cố trên mạch 500kV Bắc –
Nam dẫn đến rã lưới trong diện rộng, với nguyên nhân là vi phạm khoảng cách an
toàn với đường dây 500kV. Nguyên nhân sự cố xảy ra là khách quan, không phải
do các lỗi trực tiếp của ngành điện, nhưng lại bộc lộ điểm yếu trong công tác điều
2


độ, trong cấu trúc lưới điện truyền tải dẫn đến rã lưới và mất điện diện rộng. Sau sự
cố, nhiều vấn đề liên quan đến tính tốn phương thức, cấu trúc lưới điện, ứng phó
sự cố tương tự đã được nghiên cứu áp dụng để tránh các sự cố tương tự lặp lại. Đây
là ví dụ điển hình nhất mà việc phân tích sự cố đã giúp cho ngành điện nói chung,
đơn vị quản lý, vận hành lưới điện truyền tải nói riêng nhìn nhận các vấn đề thực
tiễn và tìm biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng điện năng cũng như độ tin
cậy của lưới điện.

3



CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP ĐẶC TÍNH CỦA CÁC DẠNG SỰ CỐ
2.1 Các dạng sự cố ngắn mạch cơ bản của hệ thống điện
Các dạng sự cố ngắn mạch cơ bản trong hệ thống điện bao gồm sự cố ngắn
mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha với đất và ngắn mạch 1 pha. Hình
2.1 mơ tả tất cả các trường hợp sự cố có thể xảy ra trong hệ thống điện.

Hình 2.1: Các dạng sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện

Để có thể nhận biết, tác động và ghi lại toàn bộ các sự cố kể trên trong hệ
thống điện, các rơle bảo vệ hiện nay có thể được trang bị tới 6 kênh đầu vào tín
hiệu analog mạch dịng điện và 3 kênh đầu vào tín hiệu analog mạch điện áp. Ngồi
ra để có thể sử dụng chức năng tự đóng lại, rơle phải có thêm 1 kênh đầu vào
analog cho mạch áp dùng cho hịa đồng bộ. Việc nắm rõ đặc tính của từng dạng sự
cố, thông qua việc thu thập và đọc được bản ghi của rơle bảo vệ sẽ hỗ trợ phân tích
chính xác được sự cố.
Việc phân tích các đại lượng dòng điện, điện áp khi sự cố thường dựa trên
phương pháp thành phần đối xứng, từ đó xác định đặc tính của từng dạng sự cố dễ
dàng hơn. Mỗi dạng sự cố sẽ có đặc tính về dịng điện các pha, thứ tự pha, điện áp
pha sự cố khác biệt, Hình 2.2 thể hiện đặc tính cơ bản của các sự cố trong hệ thống.

4


Hình 2.2: Đặc tính dịng điện, điện áp của các dạng sự cố cơ bản trong hệ thống điện

2.1.1 Sự cố 3 pha
Đặc tính cơ bản của dịng sự cố khi xảy ra sự cố 3 pha (3 pha chạm đất, 3 pha
chạm nhau) là:

- Dòng điện tăng cao ở trên cả 3 pha A, B, C.
- Dòng điện trên 3 pha cân bằng với góc lệch 120 độ theo đúng thứ tự pha sau
vài chu kỳ khi dòng DC đã tiêu tán.
- Sự suy giảm điện áp trên cả 3 pha, với các sự cố chạm chập 3 pha, điện áp
giảm về 0.
- Điện áp 3 pha cân bằng và lệch pha nhau 120 độ theo đúng thứ tự pha ABC.
- Khơng có sự xuất hiện của dịng điện thứ tự khơng trừ trường hợp có dịng DC
khi bắt đầu sự cố hoặc có sự bão hịa biến dịng điện (TI) khi dòng sự cố lớn, hoặc
khi diễn biến sự cố có sự xuất hiện sự cố xảy ra lần lượt từng pha, khi loại trừ sự cố
lần lượt từng pha ở điểm 0.

5


Hình 2.3: Bản ghi dạng sóng của sự cố 3 pha

2.1.2 Sự cố pha-pha
Sự cố pha pha có thể xảy ra với pha A-B, B-C, hay C-A; sự cố dạng này
được xác định với các đặc tính như sau (giả thiết khơng có dịng tải):
- Dịng sự cố tăng cao ở các pha bị sự cố, cường độ dòng điện trên 2 pha xấp
xỉ nhau
- Dòng điện hai pha sự cố lệch pha 180 độ
- Sự sụp giảm điện áp ở các pha bị sự cố
- Điện áp ở 2 pha bị sự cố có cường độ bằng nhau
- Khơng xuất hiện dịng điện thứ tự khơng, khơng có dịng chạm đất

Hình 2.4: Bản ghi dạng sóng của sự cố pha-pha

2.1.3 Sự cố 2 pha chạm đất
Sự cố 2 pha chạm đất có thể xảy ra với các trường hợp là A-B-N, B-C-N

hoặc C-A-N. Đặc điểm của sự cố hai pha chạm đất như sau:
- Dòng điện sự cố tăng cao ở các pha bị sự cố, cường độ dòng điện sự cố
trên 2 pha có thể khác nhau
6


- Dịng điện trên các pha sự cố khơng bị thay đổi hoặc ít thay đổi về góc pha
- Sự suy giảm điện áp trên các pha bị sự cố với trị số có thể khác nhau
- Xuất hiện dịng điện thứ thự khơng 3I 0 .

Hình 2.5: Bản ghi dạng sóng của sự cố 2 pha chạm đất

2.1.4 Sự cố một pha chạm đất
Sự cố 1 pha chạm đất có thể xảy ra trên pha A, B hoặc C với đặc tính cơ bản
như sau:
- Sự suy giảm điện áp tại pha bị sự cố
- Dòng điện trên pha sự cố tăng cao
- Xuất hiện dòng chạm đất 3I 0 , I n , hay I g
Ngoài ra, một vài hiện tượng khác có thể xảy ra liên quan đến sự cố 1 pha chạm
đất là:
- Sự xuất hiện của dòng thứ tự nghịch
- Điện áp tại các pha không bị sự cố tăng hoặc giảm phụ thuộc vào tỉ số
X 0 /X 1 phía sau sự cố. Nếu tỉ số này lớn hơn 1, điện áp các pha không bị sự cố sẽ
tăng lên. Ngược lại, nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì điện áp tại các pha không sự cố sẽ
bị giảm đi so với trước sự cố.
- Dịng điện trên các pha khơng bị sự cố tăng hoặc giảm phụ thuộc vào giá
trị của I 0 và I 1 , nhất là các sự cố liên quan đến dường dây mà 2 đầu đường dây đều
cấp nguồn đến điểm sự cố. Với sự cố xảy ra trên đường dây một nguồn, dịng điện
trên pha khơng bị sự cố sẽ bằng không.
7



Hình 2.6: Bản ghi dạng sóng của sự cố một pha chạm đất

2.2 Sự cố hở mạch trong hệ thống điện
Sự cố hở mạch là sự cố không đối xứng, xảy ra trong hệ thống điện truyền
tải chủ yếu do 2 nguyên nhân chính là đứt dây dẫn, chủ yếu tại các vị trí lèo nối,
hoặc do đứt sứ đỡ trên các đường dây bởi các hiện tượng thời tiết, hư hỏng cách
điện, dẫn đến đứt dây, hoặc do sự tiếp xúc khơng tốt, đóng cắt khơng hết chu trình
của các máy cắt, dao cách ly. Sự cố hở mạch sẽ gây ra dịng thứ tự khơng và dịng
thứ tự nghịch trên pha bị sự cố, với độ lớn phụ thuộc vào dịng tải tại thời điểm đó.
Dịng thứ tự khơng sẽ có giá trị lớn nếu hở mạch xảy ra khi tải cao và ngược lại. Để
phát hiện sự cố hở mạch, bảo vệ theo dịng 3I 0 khơng hướng là lựa chọn tốt nhất.
Tuy nhiên, việc dùng bảo vệ q dịng 3I 0 vơ hướng có nhược điểm rất lớn là sự là
dịng thứ tự khơng xuất hiện trên tồn bộ hệ thống khi có sự hở mạch hoặc ngắn
mạch không đối xứng, nghĩa là các đường dây phụ cận, máy biến áp 2 đầu đường
dây bị sự cố đều xuất hiện dòng 3I 0 , dẫn đến các bảo vệ có thể tác động nhầm hàng
loạt các máy cắt của các đường dây không bị sự cố. Chính vì lí do này, bảo vệ 3I 0
vơ hướng với thời gian trễ cao (lớn hơn 3 giây) đã không được sử dụng trên lưới
truyền tải điện Việt Nam, dòng 3I 0 chủ yếu được giám sát để báo tín hiệu.
Hiện tại dạng sự cố này được bảo vệ bởi chức năng 46BC, hoạt động dựa
trên tỷ số I 2 /I 1 .
2.3 Nguyên nhân gây ra các dạng sự cố
Sự cố chủ yếu xảy ra trong hệ thống điện là các sự cố ngắn mạch không đối
xứng, gồm sự cố pha-pha và sự cố pha-đất. Sự cố xảy ra nhiều nhất với nguyên
nhân khách quan là sự cố pha-đất, chiếm tới hơn 80% sự cố. Sự cố ngắn mạch xảy
ra khi có sự hư hỏng cách điện, có thể do các vấn đề về thiết kế, sản xuất hay do vật
liệu. Sự cố ngắn mạch cũng có thể xảy ra bởi sự quá điện áp chịu đựng của thiết bị
do có sét đánh, quá điện áp trong hệ thống, q áp trong q trình đóng cắt máy cắt.
8



Hơn nữa, các hiện tượng tự nhiên như gió bão, bụi bẩn, sự già hóa cách điện nếu
khơng được phát hiện và xử lý sớm cũng dẫn đến sự cố ngắn mạch. Hiện tượng quá
tải đường dây trong thời gian dài gây phát nóng dây dẫn, sự dao động của dây dẫn
khi có gió bão dẫn đến giảm khoảng cách giữa các pha, sự vi phạm khoảng cách an
toàn của cây cối hay các vật thể bay không xác định làm giảm khoảng cách cách
điện giữa các pha cũng là các nguyên nhân mà lưới truyền tải điện đã từng gặp
phải.
Phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, sự cố có thể xảy ra chỉ trên 1 pha,
hoặc có thể diễn tiến gây nên sự cố trên các pha còn lại. Điển hình như sự phóng
điện ngược khi có sét đánh vào 1 pha của đường dây, khi mà dòng điện không được
tiêu tán đủ nhanh xuống đất sẽ gây ra dịng phóng ngược trên 1 pha khác của đường
dây bị sự cố. Từ sự cố 1 pha có thể bị diễn tiến thành sự cố 2 pha, thậm chí 3 pha.
Do vậy, việc xem xét bản ghi những chu kỳ đầu tiên của sự cố do rơle ghi nhận lại
để xác định được nguyên nhân bau đầu của sự cố là rất quan trọng.
Mỗi dạng sự cố với nguyên nhân gây ra khác nhau sẽ dẫn đến hiện tượng
dòng, áp sự cố có sự khác nhau; ví dụ như dịng sự cố có thành phần dịng điện
khơng chu kỳ (dịng một chiều) hay khơng, thời điểm sự cố xảy ra ở vị trí mà điện
áp là lớn nhất trong chu kỳ hay không, tổng trở đến điểm sự cố bị ảnh hưởng như
thế nào, dẫn đến sự tác động của rơle bảo vệ và xác định khoảng cách sự cố có
chính xác khơng. Tất các các hiện tượng đó của dịng điện, điện áp, qua q trình
tổng hợp kinh nghiệm từ các sự cố đã xảy ra và các tính tốn mơ phỏng lại sẽ giúp
nâng cao khả năng phán đoán nguyên nhân ban đầu gây ra sự cố trên hệ thống điện.
2.4 Thời điểm xảy ra sự cố trên dạng sóng và các yếu tố nhận dạng
Đối với các sự cố bị gây ra bởi các hiện tượng diễn ra bất ngờ như sét đánh,
thời điểm xảy ra sự cố có thể là một điểm bất kỳ trên dạng sóng trong chu kỳ dịng
điện, điện áp. Nếu sét đánh vào dây dẫn ngay gần thời điểm điện áp đi qua điểm
điện áp tức thời bằng 0 thì dịng điện sự cố sẽ có thành phần dịng một chiều khơng
chu kỳ có giá trị lớn nhất. Ngược lại, nếu cú sét đánh ngay vào lúc điện áp đang có

giá trị đỉnh thì dịng sự cố sẽ là dịng điện chu kỳ, khơng có thành phần một chiều
tắt dần.
Đối với các sự cố xảy ra do các cơ chế chậm, ví dụ do sự hư hỏng cách điện
theo năm tháng, dòng hồ quang sẽ xuất hiện tại điện áp đỉnh trong chu kỳ, dịng sự
cố là dịng điện có chu kỳ và khơng có thành phần dịng một chiều. Loại sự cố này
thường xảy ra khi điện áp cao đủ để gây phá hủy cách điện.

9


Hình 2.7: Dạng sóng dịng điện & điện áp khi sự cố phóng điện tại điện áp đỉnh

2.5 Dịng điện sự cố chu kỳ và không chu kỳ
Sự xuất hiện của thành phần dòng một chiều tắt dần trong dòng sự cố phụ
thuộc vào thời điểm trên dạng sóng điện áp mà sự cố xuất hiện, do thực tế là dịng
điện khơng thể tăng đột ngột trong mạch điện cảm và dòng điện cũng bị chậm pha
hơn so với điện áp phụ thuộc vào hệ số công suất ban đầu của hệ thống. Cường độ
của dòng một chiều tắt dần phụ thuộc vào góc pha sự cố khi sự cố bắt đầu xảy ra.
Sự cố xảy ra tại khi điện áp tức thời bằng không sẽ tạo ra thành phần dòng một
chiều với giá trị lớn nhất. Dòng một chiều sẽ tắt dần với hằng số thời gian bằng tỷ
số L/R của lưới điện, trong đó điện cảm L tính tốn được từ tỷ số X/R tính từ
nguồn tới điểm sự cố.

Hình 2.8: Dịng điện sự cố có chứa thành phần dịng điện một chiều tắt dần

2.6 Sự cố phóng điện tại thời điểm điện áp đạt đỉnh
Với các sự cố có cơ chế diễn tiến chậm, hồ quang ln luôn xuất hiện ở điện
áp đỉnh, thường do lúc này điện áp có đủ độ lớn để đánh thủng cách điện, dòng sự
cố chỉ thuần tùy là thành phần chu kỳ. Các nguyên nhân có thể dẫn đến loại sự cố
diễn tiễn chậm này bao gồm:

-

Khi một đường dây truyền tải mang tải cao võng xuống gần một cây cao
Khi gió bão đẩy cây cối lên đường dây đang mang điện
Khi cây cối dưới đường dây mọc lên cao do khơng được cắt tỉa vi phạm
khoảng cách an tồn
10


-

Khi có một vật thể di chuyển từ dưới đất lên về phía đường dây mang điện
Khi đứt dây dẫn tiếp xúc với mặt đất hoặc với vật thể trên mặt đất

-

Phóng điện hồ quang trên cách điện do bụi bẩn, băng tuyết
Sự hư hỏng cách điện của thiết bị trong hệ thống

-

Các đám mây điện tích xuất hiện do các đám cháy

Hình 2.9: Dịng chạm đất xuất hiện khi có phóng điện do hư hỏng cách điện

Các hiện tượng trên xảy ra theo một q trình có thời gian kéo dài tới hàng
chục giây. Các sự cố hư hỏng thiết bị trong hệ thống điện cũng có thể gây cháy và
tạo ra các đám mây điện tích dẫn đến sự cố mở rộng với dịng sự cố có chu kỳ. Do
khơng có thành phần dịng một chiều (dịng khơng chu kỳ), các rơle khoảng cách có
thể ghi nhận đúng tổng trở của loại sự cố này (giả thiết loại bỏ ảnh hưởng của hồ

quang tại điểm sự cố).
2.7 Sự cố mở rộng (sự cố tiến triển)
Khi xảy ra một sự cố phóng điện hồ quang ở một pha, khơng khí xung
quanh sẽ bị ion hóa, tạo ra các đám mây tích điện xung quanh hồ quang. Khi các
đám mây tích điện phát triển, nó có thể phóng điện hồ quang ở pha không bị sự cố,
khiến cho sự cố bị mở rộng, còn được gọi là sự cố tiến triển, biến đổi từ sự cố 1 pha
chạm đất thành sự cố 2 pha hoặc 3 pha chạm đất. Một sự cố pha-pha cũng có thể bị
biến đổi thành 2 pha chạm đất, sự cố 3 pha hoặc sự cố 3 pha chạm đất. Sự cố tiến
triển thường xảy ra trong một khơng gian hạn chế, đơi khi cũng có thể xảy ra ở một
khơng gian mở nếu có ảnh hưởng của gió, các đám cháy, khói bụi khiến các đám
mây tích điện phát triển và di chuyển.

11


Hình 2.10: Bản ghi dạng sóng của một sự cố tiến triển

2.8 Hiện tượng bão hòa máy biến dòng điện
2.8.1 Đặt vấn đề
Máy biến dòng điện là thiết bị sử dụng để biến đổi tỷ lệ dịng điện, đưa tín
hiệu dòng điện vào rơle. Khi sự cố dòng điện thường tăng cao, đi kèm thành phần
dòng điện một chiều (động cơ) tắt dần dễ làm BI bị bão hòa, dẫn tới dịng điện đưa
vào trong rơle khơng tỷ lệ với dịng điện sơ cấp, dạng sóng dịng điện bị méo dạng.
Hiện tượng bão hòa BI là một nguyên nhân phổ biến gây các tác động nhầm cho hệ
thống rơle bảo vệ, đặc biệt đối với các rơle bảo vệ so lệch. Do đó cần phân tích làm
rõ cơ chế bão hịa BI và dạng sóng dịng điện khi BI bị bão hịa để có thể nhận dạng
được tình trạng này khi phân tích sự cố.

12



2.8.2 Hiện tượng vật lý trong lõi từ
Một cách lý tưởng thì dịng điện thứ cấp có dạng sóng hồn tồn giống dịng
điện sơ cấp, chỉ khác về độ lớn tùy theo tỷ số vòng dây. Tuy nhiên khi BI bị bão
hịa thì Is khơng giống so với Ip. Lý do BI bị bão hòa liên quan tới các hiện tượng
vật lý bên trong BI trong q trình từ hóa. Về nguyên tắc lõi từ được tạo thành bởi
vô số các phần tử lưỡng cực từ, có thể được coi như các các phân tử nam châm.

Bình thường các phân tử nam châm này sắp xếp một cách hỗn độn trong lõi từ như
trong Hình 2.11.

Hình 2.11: Các phần tử lưỡng cực từ trong lõi từ

Khi dòng điện sơ cấp (IP) chạy qua cuộn sơ cấp tạo ra từ trường H, độ lớn của từ
trường này ảnh hưởng tới các phân tử nam châm trong lõi từ và bắt buộc các nam
châm này phải bắt đầu sắp xếp theo chiều của từ trường bên ngồi, từ đó tạo ra từ
thơng Φ trong lõi từ. Dịng điện IP càng lớn thì từ trường H càng mạnh và càng có
nhiều phân tử nam châm sắp xếp cùng hướng. Số phân tử nam châm xếp cùng
hướng tại một thời điểm chính là giá trị mật độ từ thông (B). Khi tất cả các phân tử
nam châm đã xếp cùng hướng thì mật độ từ thông của lõi từ đã đến tới hạn và khi
đó lõi từ coi là bị bão hịa.
Quan hệ giữa cường độ của từ trường (H) và mật độ từ trường (B) thể hiện bởi
đường cong B-H của lõi từ. Các vật liệu từ khác nhau sẽ có đặc tính B-H khác nhau
tùy theo khả năng của vật liệu tương tác với từ trường.

13


1


0

–1

–10

–5
0
5
Magnetic Field Strength (H)

10

Hoạt động của các phân từ nam châm sẽ quyết định khả năng của BI để sinh ra
dòng thứ cấp: khi các nam châm thay đổi chiều, sắp xếp vào cùng hướng sẽ dẫn tới
từ thông trong lõi từ tăng lên, từ thông tăng lên sẽ cảm ứng ra điện áp VS ở cuộn
thứ cấp. Điện áp VS này lại sinh ra dòng điện IS chạy trong mạch thứ cấp. Khi lõi
từ đạt tới mật độ từ thơng tối đa thì tất cả các nam châm đã xếp cùng hướng, từ
thông trong lõi từ không thể biến thiên nữa, điện áp cảm ứng VS bị giảm tới 0 và
dịng điện IS khơng thể chạy qua mạch nữa (vì khơng có điện thế để đẩy các điện
tích tuần hồn trong mạch).
2.8.3 Các dạng bão hịa máy biến dịng điện
Bão hịa BI có thể xảy ra với 2 trường hợp: bão hịa đối xứng và bão hịa khơng
đối xứng.
1) Bão hòa đối xứng
Bão hòa đối xứng xảy ra do dòng điện đối xứng sơ cấp quá lớn chạy qua BI
(dịng điện này có dạng sóng đối xứng trong các nửa chu kỳ dương và âm của dịng

điện).
Hình 2.12: Dịng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hịa đối xứng


Hình trên cho thấy dạng sóng của dịng điện sơ cấp IP và dịng điện thứ cấp IS khi
bão hòa đối xứng.
Một cách lý tưởng, trước khi có dịng điện sơ cấp tại thời điểm a thì các phân tử
nam châm sắp xếp một cách hỗn độn, trong lõi từ khơng có từ dư.
Giữa a và b: dòng điện IP bắt đầu chạy qua cuộn sơ cấp ở nửa chu kỳ dương, các
phân tử nam châm bắt đầu xếp hàng theo hướng dương của từ trường này. Khi các
14


phân tử lần lượt sắp xếp cùng hướng thì từ thơng trong lõi từ biến thiên và sinh ra
dịng thứ cấp IS hoàn toàn giống IP (giả thiết tỷ số biến là 1:1).
Trước khi hết nửa chu kỳ dương, thì tại thời điểm b tất cả các phân tử nam châm
trong lõi đã xếp cùng hướng dương, lõi từ đạt tới ngưỡng mật độ từ thơng lớn nhất
(bão hịa). Tại thời điểm này dù dịng IP có tiếp tục chạy qua cuộn sơ cấp thì sẽ
khơng có thêm bất cứ phân tử nam châm nào xếp hàng thêm, từ thông không đổi và
VS giảm tới 0 và IS cũng giảm tới 0.
Dịng điện IS sẽ duy trì bằng 0 cho tới khi IP đổi chiều, đảo ngược từ trường từ thời
điểm c. Khi từ trường đảo chiều sẽ làm các phân tử nam châm bắt đầu xếp hàng
theo chiều ngược lại, từ thông trong lõi từ lại biến thiên sinh ra dịng IS. Cho tới
thời điểm d thì tồn bộ nam châm đã xếp hàng theo chiều ngược lại, mật độ từ
thông đạt ngưỡng lớn nhất và không thể tăng thêm; điện áp VS và dòng điện IS
giảm đến 0.
Trong hình trên đây thì độ lớn dịng điện sơ cấp đang giảm dần, tương ứng với đó
là thời gian bão hòa của BI trong từng chu kỳ cũng giảm đi. Chu kỳ thứ hai dịng
điện IP có biên độ thấp hơn tạo ra từ trường yếu hơn và yêu cầu mật độ từ thơng
nhỏ hơn để tạo ra dịng điện thứ cấp, do chỉ yêu cầu ít phân tử nam châm sắp xếp
hàng nên dòng điện IS lặp lại được đúng dạng sóng của IP trong khoảng thời gian
dài hơn. Đến chu kỳ thứ ba thì độ lớn của dịng sơ cấp IP đã đủ thấp khơng gây bão
hịa và dịng thứ cấp IS hồn tồn giống dịng sơ cấp IP.

2) Bão hịa khơng đối xứng
Bão hịa khơng đối xứng xảy ra do thành phần DC trong dòng điện sơ cấp quá
lớn, giá trị đỉnh dòng điện ở các chu kỳ dương và âm không đối xứng. Thành phần
DC tắt dần làm diện tích các nửa chu kỳ dương và âm của dịng điện khơng bằng
nhau.

Hình 2.13: Dịng sơ cấp, thứ cấp và phân tử nam châm trong lõi từ khi bão hịa khơng
đối xứng

Từ điểm a tới b: các nam châm đều xếp hàng theo chiều dương từ trường và BI
khơng bị bão hịa. Khi dịng IP đổi sang chiều âm (từ b đến c), các nam châm bắt
đầu xếp theo chiều ngược lại, do diện tích phần âm của dòng điện giữa b và c rất
15