Bảo vệ đường dây truyền tải hỗn hợp

18/06/2021
High voltage towers with sky background.

Tác giả: Francisco Javier Martin Herrera

Đăng trên tạp chí T&D World ngày 24/02/2015

Hệ thống truyền tải điện cao áp của công ty Red Eléctrica de España (REE) bao gồm các đường dây trên không dài và những đoạn cáp ngầm ngắn nối tiếp nhau. Để tuân thủ các yêu cầu về môi trường và cảnh quan, số đường dây tải điện cao áp kết hợp đường dây trên không và cáp ngầm hiện sẽ ngày càng nhiều.

Khi có sự cố trên đường dây, tự động đóng lại là một trong những chức năng chính. Phần lớn các sự cố trên đường dây trên không là thoáng qua, vì vậy việc tự động đóng lại sẽ giải trừ sự cố và khôi phục lưới. Trong khi đó, các sự cố trên cáp ngầm lại là sự cố duy trì và việc tự động đóng lặp lại có thể làm sự cố trầm trọng hơn.

Do đó, thách thức đối với phương thức bảo vệ là các đường dây cao áp hỗn hợp vì chúng bao gồm các đoạn cáp ngầm. Điều quan trọng là có thể xác định xem có sự cố xảy ra ở đoạn cáp ngầm hay không để khóa chức năng đóng lại. Phương pháp đáng tin cậy nhất để đạt được điều này là bổ sung bảo vệ so lệch trên đoạn cáp ngầm, nhưng ứng dụng này sẽ tốn kém và thường không khả thi trên thực tế.

Mix line protection_1
Hình 1: Đường dây 220kV Saladas-Novelda được dùng để thử nghiệm

Lựa chọn công nghệ

Đánh giá các giải pháp công nghệ hiện có trên thị trường, REE và đơn vị vận hành hệ thống truyền tải điện Tây Ban Nha (TSO), đã tìm kiếm một công nghệ đủ hoàn thiện để triển khai tại hiện trường nhằm cải thiện đáng kể việc xác định sự cố trên các đoạn cáp ngầm trong các đường dây tải điện trên không hiện hữu và trong tương lai.

Để giải quyết vấn đề này, REE đã lựa chọn công nghệ do ARTECHE phát triển bao gồm giải pháp dựa trên cảm biến quang thụ động để đo dòng điện nhằm bổ sung sơ đồ phát hiện sự cố trên nguyên tắc so lệch dòng điện giữa cả hai đầu của đoạn cáp. Tất cả các cảm biến được lắp đặt đều được điều khiển bởi một thiết bị duy nhất, bộ xử lý tín hiệu và phát hiện sự cố trên cáp ngầm (Cable fault detection – CFD), được đặt tại trạm biến áp gần nhất. Các cảm biến dòng kết nối về bộ CFD bằng cáp quang single mode tiêu chuẩn.

Một trong những mục tiêu chính của dự án là cung cấp chức năng phát hiện sự cố trên cáp ngầm – CFD mà không làm thay đổi cơ sở hạ tầng và can thiệp vào các chức năng bảo vệ và điều khiển hiện có. Do đó, hệ thống phải được thiết kế để tối ưu việc lắp đặt và giảm thiểu ảnh hưởng đến các thiết bị hiện có trên đường dây truyền tải.

Đề xuất giải pháp

Mix line protection_2
Hình 2: Cảm biến quang được lắp bên dưới đầu cáp

Dòng điện được đo bằng cảm biến quang thụ động theo hiệu ứng Faraday. Nguyên lý cảm biến dòng điện thụ động thực sự là chìa khóa cho hệ thống. Chúng có thể được lắp đặt trên điểm đo mong muốn mà không cần nguồn điện, không giống như các loại cảm biến dòng điện khác như cuộn Rogowski. Tính năng này, cùng với thực tế là kết nối giữa các cảm biến và CFD được thực hiện bằng cách sử dụng các sợi cáp quang tiêu chuẩn, cho phép triển khai hệ thống đo lường từ xa, không đòi hỏi hạ tầng riêng.

Sợi quang từ cáp quang OPGW hiện có được sử dụng để kết nối các cảm biến với CFD. Vì sợi quang trong OPGW là nguồn tài nguyên giới hạn, hệ thống được thiết kế để chỉ cần hai cặp sợi quang để vận hành toàn bộ hệ thống. Ngoài ra, để giúp việc lắp đặt dễ dàng hơn, các hộp nối được sử dụng để chứa các mạch quang và các phần tử cố định tương ứng là những hộp thường được TSO sử dụng khi lắp đặt OPGW.

Mỗi cảm biến quang có một cuộn dây cảm biến linh hoạt được luồn trong một cáp cách điện và được thiết kế để quấn quanh cáp cao áp, bên dưới sứ xuyên tại đầu cuối của điểm chuyển tiếp cáp từ đường dây trên không sang cáp ngầm. Cuộn cảm biến phải bao quanh cáp ngầm cao áp và cả tiếp địa cổ cáp ngầm cao áp. Tiếp địa cổ cáp cũng được mở rộng qua sứ xuyên, do đó hệ thống có thể phát hiện sự cố trên cả cáp và sứ xuyên, đây là vị trí sự cố thường xuyên trên các đoạn cáp ngầm.

Một ưu điểm nữa của hệ thống đo dòng điện từ xa thụ động là không cần thực hiện bảo trì hoặc hiệu chuẩn lại sau khi vận hành thử. Ngoài ra, hệ thống liên tục tự giám sát mức công suất tín hiệu quang trên tất cả các liên kết cáp quang, do đó, bất kỳ lỗi kết nối nào sẽ được thông báo ngay lập tức thông qua tiếp điểm cảnh báo tương ứng.

Với các phép đo dòng điện pha riêng rẽ bằng sáu cảm biến được lắp đặt, bộ CFD thực hiện thuật toán so lệch cổ điển. Trong trường hợp có sự cố trên cáp hoặc trong sứ xuyên đầu cáp, hệ thống sẽ phát hiện ra sự cố và đầu ra của bộ CFD sẽ gửi tín hiệu khóa đóng lặp lại cho các rơle bảo vệ được lắp đặt để bảo vệ đường dây trên không.

Để triển khai toàn bộ hệ thống, cần có các thiết bị sau:

  • Sáu cảm biến quang, ba cảm biến trên mỗi điểm chuyển tiếp từ đường dây trên không sang cáp ngầm;
  • Hai cặp sợi quang single mode tiêu chuẩn từ OPGW hiện có;
  • Một bộ xử lý tín hiệu và phát hiện sự cố.

Thí nghiệm xuất xưởng

Thiết bị CMC 356 của OMICRON được sử dụng để phát dòng điện thử nghiệm. Đầu ra dòng điện được kết hợp với máy biến dòng hoạt động như bộ khuếch đại để mô phỏng sự cố hệ thống thực lên đến 4000 A cũng như sự cố một pha lên đến 6000 A. Để mô phỏng các thông số khoảng cách của đường dây được chọn cho thử nghiệm hiện trường, hai cuộn dây sợi quang dài 5.2 km (3.2 miles) và 6.2 km (3.9 miles) đã được dùng tới.

Đầu ra của bộ CFD gửi tín hiệu đến đầu vào nhị phân của CMC 356 để mô phỏng tín hiệu khóa đóng lặp lại. Với mục đích giám sát, REE đã yêu cầu thêm một đầu ra, bao gồm một đầu ra kỹ thuật số để hiển thị các giá trị dòng điện đo được dưới dạng các giá trị được lấy mẫu (Sampled Values) theo giao thức IEC 61850-9-2LE process bus.

Tích hợp cảm biến

Giải pháp được phát triển để đáp ứng các yêu cầu của dự án nghiên cứu và phát triển (R&D) của REE để ứng dụng trên đường dây tải điện 220 kV giữa Saladas và Novelda để có thể phối hợp bảo vệ và CFD ứng dụng cho đường dây cao áp hỗn hợp. Khoảng cách giữa TBA Saladas và đầu kia của đoạn cáp ngầm 5.88 km (3.65 miles), đoạn cáp ngầm dài 680 m (2231 ft). Các cảm biến dòng điện đã được lắp đặt trên các cột số 34 và số 35 trên đường dây truyền tải Saladas – Novelda, quấn chúng quanh cáp ngầm ngay bên dưới sứ xuyên mà không cần phải thực hiện bất kỳ thay đổi nào trên cột. Sau khi lắp đặt các cảm biến, các cáp quang tương ứng từ các cảm biến quang được kết nối tới các cáp quang đã được chỉ định trong hộp mối nối OPGW.

Thiết bị CFD đặt trong trạm biến áp Saladas đo tất cả các dòng điện đến từ sáu cảm biến được lắp đặt. Cuối cùng, tín hiệu khóa đóng lại từ CFD được kết nối với sơ đồ bảo vệ đường dây. Trong trường hợp xảy ra sự cố cáp ngầm, bộ phận bảo vệ đường dây sẽ phát hiện ra sự cố và bắt đầu chu trình tự động đóng lại. Đồng thời CFD phát hiện sự cố và gửi tín hiệu đến bảo vệ đường dây, dừng chu trình tự động đóng lại, đồng thời gửi tín hiệu khóa đến khối điều khiển logic để báo về trung tâm điều khiển.

Mix line protection_3
Hình 3: Lắp đặt cảm biến quang tại điểm chuyển tuyến từ cáp ngầm với đường dây không

Lắp đặt hiện trường

Mix line protection_4
Hình 4: Nhân viên kỹ thuật đang lắp đặt ba cảm biến quang tại cột số 34 từ cần cẩu

Công việc lắp đặt tại hiện trường diễn ra trong ba ngày, các nhân lực và vật liệu cần thiết như sau:

  • Hai nhân viên có kinh nghiệm về lắp đặt OPGW để hoàn thành việc nối cáp quang và lắp đặt các cảm biến;
  • Cần trục tháp cao 40 m để nâng người thợ đường dây lên sứ xuyên đầu cáp.
  • Một bộ nối sợi quang tiêu chuẩn
  • Các công cụ tiêu chuẩn để xử lý sợi quang và tiến hành lắp đặt OPGW.

Không cần thiết phải lắp đặt bất kỳ thiết bị nào để cung cấp nguồn điện trên các điểm đo và mạch đã được cấp điện trong quá trình lắp đặt. Ngoài ra, không cần thiết phải thay đổi bất kỳ cài đặt nào hoặc thực hiện các điều chỉnh hiện trường hoặc sửa đổi hệ thống điều khiển và bảo vệ hiện hữu của REE.

Mặc dù mạch đường dây trên không cao áp được chọn để thử nghiệm tại hiện trường chỉ bao gồm một đoạn cáp ngầm, hệ thống bảo vệ này có thể được sử dụng trên các mạch đường dây trên không cao áp có một số đoạn cáp ngầm.

Đến nay, mạch 220 kV chưa xảy ra sự cố cáp nên hệ thống bảo vệ mới lắp đặt chưa hoạt động trong thực tế. Tuy nhiên, để xác nhận hiệu suất hoạt động, REE sẽ sớm lắp đặt một bộ ghi nhiễu động bên ngoài (disturbance recorder) riêng, kết nối nó với đầu ra kỹ thuật số của bộ CFD, tương thích với giao thức IEC 61850-9-2LE proccess bus cũng như bảo vệ thông thường để cung cấp kết quả có thể so sánh được khi xảy ra sự cố bên ngoài cáp ngầm.

Tối ưu hóa trong tương lai

Mục tiêu chính của hệ thống là đảm bảo độ tin cậy tối đa của sơ đồ bảo vệ đường dây. Tuy nhiên, nó cũng đã được thiết kế trên cơ sở tối ưu hóa các thiết bị lắp đặt cần thiết, phù hợp với hạ tầng hiện có, giảm đáng kể chi phí, đơn giản hóa quá trình lắp đặt và giảm thời gian vận hành chạy thử. Hơn nữa, hệ thống không yêu cầu bất kỳ công việc vận hành hoặc bảo trì nào, điều này làm tăng thêm hiệu quả chi phí lâu dài của giải pháp. Kết quả của dự án R&D này là một hệ thống cung cấp đầy đủ độ tin cậy và tích hợp tối đa với chi phí tối thiểu.

Công nghệ đo dòng điện bằng cảm biến quang cho phép cải thiện khả năng bảo vệ lưới điện. Tuy nhiên, REE xác định một thách thức vẫn chưa được giải quyết, đó là xác định vị trí sự cố trong cáp ngầm. Trên thực tế, đây là một trong những yêu cầu bổ sung được đưa ra cho phép REE có thông tin chính xác về vị trí hỏng hóc trên cáp để tối ưu hóa việc khôi phục đường dây.

Mục tiêu dài hạn của REE là thay thế bảo vệ khoảng cách bằng một công nghệ mới có thể phát hiện lỗi cáp ngầm. REE hiện đang thử nghiệm một giải pháp tương tự từ một nhà cung cấp tương đương để so sánh với công nghệ của ARTECHE trước khi thiết lập một tiêu chuẩn mới. Với các cáp ngầm được lắp đặt trước khi sử dụng sợi quang tích hợp, sẽ phát sinh vấn đề khi trang bị thêm hình thức bảo vệ này trên tất cả các đường dây cao áp hỗn hợp hiện có.

Nhìn nhận

Dự án này được thực hiện nhờ vào dự án R&D do REE thúc đẩy. Tác giả ghi nhận sự hỗ trợ kiến thức của ARTECHE trong việc phát triển công nghệ và trong quá trình chuẩn bị bài viết này.

Biên dịch

Phan Xuân Hùng – ENTEC A&T

Thông tin về Tác giả

Francisco Javier Martin Herrera (fjmartin@ree.es) nhận bằng Kỹ sư kỹ thuật điện – BSEE từ Đại học Carlos III của Madrid vào năm 2001 và gia nhập Red Eléctrica de España vào năm 2002. Ông đã làm việc về phối hợp bảo vệ trên hệ thống điện cao thế Tây Ban Nha và hiện là tham gia vào các nghiên cứu bảo vệ cho dự án INELFE và kết nối HVDC giữa Pháp và Tây Ban Nha. Anh đã tham gia vào các nhóm làm việc của CIGRE B5 về bảo vệ kháng shunt và là thành viên của CENELEC CLC / TC8X về cùng chủ đề này. Ngoài ra, Martin Herrera là một giảng viên kỹ thuật điện tại Đại học Pontificia Comillas – ICAI của Madrid, nơi ông chịu trách nhiệm về các môn học bảo vệ hệ thống điện.

Được đề cập tới trong bài viết

ARTECHE | www.arteche.com
OMICRON | www.omicron.at
Red Eléctrica de España | www.ree.es

Mời các bạn theo dõi thêm các bài viết cùng chủ đề

Thí nghiệm Hệ thống điều khiển và tự động hóa Trạm biến áp

This entry was posted in . Bookmark the permalink.
024 6683 0230

Send us
an Email

Contact