Giải pháp Hợp tác cho Giới hạn Dòng Điện Sự Cố (FCL) và Tự Đóng Mạch Một Pha (SPAR) trong Mạng Điện EHV Đông Nam Á

1. Giới thiệu: Bối cảnh nghiên cứu và ý nghĩa​
   Với sự phát triển kinh tế nhanh chóng ở Đông Nam Á, quy mô lưới điện tiếp tục mở rộng và tải liên tục tăng. Điều này đã dẫn đến dòng ngắn mạch của hệ thống tiếp cận hoặc thậm chí vượt quá giới hạn khả năng cắt đứt của cầu chì, gây mối đe dọa nghiêm trọng đến an toàn và ổn định của hoạt động lưới điện. Trong khi đó, đường dây truyền tải điện siêu cao áp (EHV) đóng vai trò là xương sống cho sự liên kết điện lực khu vực. Hơn 70% sự cố là sự cố chạm đất một pha, và khoảng 80% trong số đó là sự cố tạm thời (ví dụ: sét đánh, vật lạ bị gió thổi). Công nghệ Tự động đóng lại một pha (SPAR) là phương pháp chính để nhanh chóng loại bỏ sự cố, khôi phục cung cấp điện và đảm bảo sự ổn định và tin cậy của lưới điện.

Hạn chế Dòng Sự cố (FCLs), đặc biệt là FCLs loại arrester oxit kim loại (MOA) hiệu quả về chi phí, là biện pháp hiệu quả để kìm hãm dòng ngắn mạch và đã được áp dụng dần dần trong lưới điện EHV. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào tác động của FCLs đối với ổn định chuyển tiếp của hệ thống và bảo vệ rơle, bỏ qua những tác động bất lợi tiềm tàng của chúng đối với tỷ lệ thành công của SPAR. Đề xuất này nhằm lấp đầy khoảng trống nghiên cứu bằng cách phân tích sâu sự tương tác giữa FCLs và SPAR, và đề xuất một bộ chiến lược kiểm soát hợp tác phù hợp với lưới điện Đông Nam Á. Những chiến lược này đảm bảo cả việc hạn chế dòng điện hiệu quả và cung cấp điện đáng tin cậy.

​1. Nguyên lý làm việc của Hạn chế Dòng Sự cố Loại Arrester Oxít Kim Loại​
Loại FCL này chủ yếu bao gồm các thành phần sau, làm việc phối hợp để đạt được chức năng cốt lõi "độ kháng thấp trong vận hành bình thường và độ kháng cao trong sự cố":

Quy trình làm việc: Trong vận hành bình thường của hệ thống, Lf và Cf cộng hưởng → Độ kháng của FCL gần như bằng không → Không ảnh hưởng đến dòng điện. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, MOA nhanh chóng tác động để tắt tụ điện Cf → Cuộn cảm hạn chế dòng L được đưa vào hệ thống để kìm hãm dòng ngắn mạch → Khe kích thích bị phá vỡ và gửi tín hiệu để đóng công tắc bypass K → Sau khi K đóng, nó chuyển hướng dòng điện để bảo vệ MOA.

​2. Phân tích Vấn đề: Tác động bất lợi của FCL đối với Dòng Cung thứ cấp và SPAR​
Dòng cung thứ cấp là dòng điện tiếp tục duy trì điểm sự cố sau khi cầu dao pha sự cố mở trong quá trình SPAR, được duy trì bởi sự ghép từ điện từ và tĩnh điện từ các pha khỏe mạnh. Độ lớn và đặc tính của dòng này trực tiếp quyết định liệu hồ quang sự cố có tự tắt hay không, điều này rất quan trọng cho tỷ lệ thành công của SPAR.

Phân tích mô phỏng (dựa trên EMTP, với các tham số mô hình tham chiếu hệ thống 500 kV miền Nam Trung Quốc) cho thấy việc lắp đặt FCL có thể gây ra các vấn đề mới:

• Tác động của Thời gian Đóng Công tắc Bypass (K): Nếu công tắc bypass K mở khi cầu dao ngắt, dòng cung thứ cấp sẽ bao gồm một thành phần có biên độ lớn (lên đến 225 A), giảm chậm và tần số rất thấp (khoảng 3–3.25 Hz). Thành phần tần số thấp này giảm đáng kể số lần dòng điện đi qua zero, làm khó cho hồ quang tự tắt và giảm rõ rệt tỷ lệ thành công của SPAR.
• Tác động của Điện trở Đường Hồ quang (Rg): Khi điện trở chuyển đổi tại điểm sự cố lớn (ví dụ: 300 Ω), dòng ngắn mạch nhỏ, có thể ngăn FCL ở cuối đường dây hoạt động (MOA không đạt được điện áp hoạt động). Trong trường hợp này, Cf vẫn chưa tắt và tạo thành mạch dao động tần số thấp với cuộn cảm shunt của đường dây, cũng tạo ra thành phần tần số thấp có hại cho việc tắt hồ quang.

​3. Khảo sát Cơ chế: Nguồn gốc của Thành phần Tần số Thấp​
Phân tích lý thuyết sử dụng mạng trở kháng tương đương và biến đổi Laplace tiết lộ cơ chế đằng sau thành phần tần số thấp:
Nguyên nhân gốc rễ là tụ điện Cf trong FCL. Sau khi cầu dao ngắt và pha sự cố bị cách ly, năng lượng được lưu trữ trong Cf xả qua cuộn cảm shunt và điện trở hồ quang tại điểm sự cố. Mạch xả này tạo thành mạch dao động tần số thấp, với tần số dao động (khoảng 3 Hz) chủ yếu được xác định bởi Cf và các tham số cuộn cảm shunt của đường dây, hầu như độc lập với vị trí sự cố. Dao động tần số thấp này chỉ bị loại bỏ khi công tắc bypass K đóng, hoàn toàn tắt tụ điện Cf.

​4. Giải pháp Chính: Chiến lược Điều chỉnh Thời gian cho FCL và SPAR​
Để đảm bảo hạn chế dòng điện hiệu quả của FCL mà không ảnh hưởng đến SPAR, đề xuất này đưa ra chiến lược điều chỉnh thời gian chính xác sau, với tổng thời gian được kiểm soát trong khoảng 0.66–0.73 giây:

Tâm điểm Chiến lược: Sử dụng tín hiệu ngắt cầu dao từ bảo vệ rơle làm lệnh để buộc đóng công tắc bypass K nhanh chóng và giữ nó đóng trong suốt thời gian hồ quang thứ cấp cháy (khoảng 0.2 giây). Điều này hiệu quả tắt tụ điện Cf, hoàn toàn loại bỏ thành phần dao động tần số thấp trong dòng cung thứ cấp và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tắt hồ quang.

​5. Hiệu quả và Ưu điểm của Phương án​
Mô phỏng EMTP xác nhận rằng chiến lược điều chỉnh thời gian này đạt được các mục tiêu sau:

1. Loại bỏ Nguy cơ Tần số Thấp: Hoàn toàn loại bỏ thành phần tần số 3 Hz trong dòng cung thứ cấp, tránh tác động bất lợi của nó đối với việc tắt hồ quang.
2. Tối ưu hóa Đặc tính Tắt Hồ quang: Giảm thời gian tắt hồ quang thứ cấp khoảng 4.5% và giảm dòng điện tần số công suất 10.5%, cải thiện đáng kể tỷ lệ thành công của SPAR.
3. Tương thích và Tin cậy: Chiến lược không ảnh hưởng đến đặc tính khôi phục điện áp ban đầu của hệ thống và cân bằng giữa an toàn FCL (bảo vệ MOA) và nhu cầu khôi phục nhanh.
4. Dễ thực hiện: Dựa trên các tín hiệu bảo vệ hiện có, chiến lược yêu cầu ít sửa đổi cho hệ thống thứ cấp, có chi phí thấp và phù hợp cho các dự án EHV hiện tại hoặc mới ở các nước Đông Nam Á.

​6. Kết luận và Đề xuất​
Đối với lưới điện EHV Đông Nam Á đang lên kế hoạch hoặc đã trang bị FCL loại arrester oxit kim loại, cần đặc biệt chú trọng vấn đề dao động tần số thấp trong dòng cung thứ cấp, có thể làm giảm tỷ lệ thành công của SPAR và đe dọa tin cậy cung cấp điện.