Имитационная модель кабельной линии постоянного тока 0,6 кВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.331:621.311

Д.Ю. Николаев, асп., (495) 672-01-37,

шко1аеу@лрр-епещу.щ (Россия, Москва, МЭИ(ТУ))

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ

КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 0,6 КВ

Рассмотрен резонансный высокочастотный способ защиты кабельных линий постоянного тока 0,6 кВ от замыкания на змлю. Приведена имитационная модель кабельной линии, созданная в программном пакете ОтСаё. Представлены полученные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Дана оценка чувствительности системы при аварийной ситуации в различных точках по длине кабеля.

Ключевые слова: модель кабельной линии, замыкание на землю, резонансный способ защиты кабелей.

Питающие кабели городского электрического транспорта подключаются к положительной шине тяговой подстанции с помощью линейных автоматических быстродействующих выключателей. Рост потребления энергии подвижным составом, приводит к необходимости увеличения уставок линейных выключателей, а, следовательно, и количества неотклю-чаемых замыканий на землю в питающих кабеля. Для защиты кабельных линий на тяговых подстанция широко применяется косвенный способ контроля состояния изоляции кабеля с использованием его контрольных жил. Опыт эксплуатации показывает, что нередки ситуации, когда аварийный режим не распознается, что приводит к тяжелым пожароопасным последствиям.

Для повышения надежности защиты от замыканий на землю предложен высокочастотный резонансный принцип, основанный на изменении характеристик кабеля при возникновении этого аварийного режима. Как показали проведенные исследования, каждый кабель обладает определенной амплитудно-частотной характеристикой (ФЧХ) и фаочастотной характеристикой (ФЧХ), представ л ющими собой зависимости амплитуды и фаы тока от частоты гармонического сигнаа напряжения, приложенного между системой контрольных жил и оболочкой. Система защиты, настроена на резонанс в нормаьном режиме, реагирует на изменение амплитуды тока и сдвиг его фаы, наблюдаемые при ухудшении изоляции между токопроводящей жилой и оболочкой. Возможность контроля ухудшения основной изоляции кабеля при отсутствии повреждений его контрольных жил является главной положительной чертой данной системы по сравнению с широко используемым косвенным методом защиты.

В связи с трудностью проведения испытаний на реальном кабеле, а также невозможностью проверки работоспособности защиты на всем протяжении кабельной линии из-за необходимости нарушения целостности изоляции для исследования АЧХ и ФЧХ, а также проведения анаиза чув-

ствительности резонансной системы защиты была создана физическая модель кабеля. Исследования модели позволили получить АЧХ и ФЧХ кабеля, проанализировать изменения контролируемых параметров и сделать вывод о работоспособности резонансной защиты [1].

Наряд с физической моделью была создана имитационна модель кабельной лини, позволяющая заметно упростить процедуру исследования АЧХ и ФЧХ для кабелей различной дины, а также исследовать кабели с различными геометрическими параметрами. На бае программного пакета OrCad, раработанного фирмой «Каденс Дизайн Системс Инкорпорейтед» (США), была создана модель реаьного кабеля типа СБ-2к-500 длиной 450 м, имеющего медную токопроводящую жилу (ТЖ), свинцовую оболочку (Об) и две медные контрольные жилы (КЖ1 и КЖ2). Модель представляет собой многоячеечный анаог кабельной линии, котора является электрической системой с распределенными параметрами. Принципиаь-на электрическа схема модели состоит из 18 одинаковых ячеек, каждая из которых представляет собой отрезок кабеля длиной 25 м, что позволяет имитировать кабели раличной дины с достаточной дискретностью.

С помощью графического редактора OrCAD Capture, преднаначен-ного для создания моделей электрических схем с использованием проводов и стандартных библиотек элементов, была выполнена электрическая схема модели кабельной линии, представленна на рис. 1. Натурные измерения и проведенные расчеты электрических параметров кабеля [1] позволили получить значения, приведенные на рис. 1 справа от соответствующего элемента или под ним. Сокращения, принятые в редакторе и приведенные на схеме: p - пико (10-12), u - микро (10-6), m - милли (10-3).

Напряжение генератора гармонического синусоидаьного напряжения V1 прикладывается между КЖ1 и Об модели кабеля. Маркеры тока (Imark) и напряжения (Umark) регистрируют осциллограммы соответствующих параметров в узах схемы. Также на рис. 1 представлены: GND -точка нулевого потенциаа, Rin, Li n и Cin - сопротивления, индуктивности и емкости соответствующих элементов i для ячейки n, линейный коэффициент связи Kbmn, имитирующий взаимоиндуктивную связь между элементами b иm для ячейки n, вычисленный по формуле[2, 3]

2 Mbm2

Kbm = у

Lb • Lm '

где Mbm - взаимоиндукция между элементами b и m, мГн/яч; Lb и Lm -собственные индуктивности элементов b и m, мГн/яч.

Подготовка к моделированию работы схемы средствами программы OrCAD PSpice включает1 в себя выполнение следующих действий[4, 5]:

- создание профиля моделирования - процедура, обеспечивающа автоматическую передачу проекта из OrCAD Capture в OrCAD PSpice. Без создания профиля «иконка» Edit Simulation Settings (позволяюща осуществить выбор необходимого вида анализа, а также его опции) не активизируется.

Цпгвгк^ VI Я'

СЮ

К>_ 1

-Ч^ч—

0.45

т 1

-ЛЛЛг-

0.91

12 1

О.ОббпН

КЖ1

а_1

1 ={= 7500р ТЖ

14 1

±_гу^г>г>-2

С5-1^=7900р

КЖ

06

0.049пН

0 К24_ 1

К Ыпеаг

ООЦРШЗ = 0.862

2500р

С3-1^=0.032и

М_1

-ААЛг

0.022

-ЛЛЛг

0.45

0 К12_1 К Ыпеаг

ООиШЫЗ = 0.816

И К14_1

К ипеаг

ООиШЫЗ = 0.992

И_1

О.ОбдггН

/_3 1

О.ОббггН

I

'В

с

Рис. 1. Схема подключения имитационной модели кабельной линии к генератору гармонических сигналов

Для удобства исследования существует возможность создания нескольких профилей моделирования для одной схемы, что дает возможность исследовать ее, используя раличные виды анаиза.

Выбор необходимого вида анаиза - шаг, на котором для исследования частотных характеристик используется анаиз модели схемы по переменному току (AC sweep analysis type), который представляет собой определение реакции цепи на изменение частоты. Моделирование производится с помощью источника переменного напряжения VAC (V1 на рис. 1), для которого укаываются амплитудное значение переменной составляющей Vac = 20 В и величина постоянной составляющей Vdc = 0 В. При анаизе задаются минимаьное и максимальное значение частоты, а также для линейного изменения значений частоты - общее число расчетных точек. Диапаон частот для исследования АЧХ и ФЧХ кабельной линии принимася от 1 до 50 кГц.

Для созданного проекта и профиля моделирования запуск моделирования осуществляется путем выполнения команды Run. Моделирование может осуществляться как с нулевыми, так и с ненулевыми начаьными условиями. В случае, если начальные условия ненулевые, то они вводятся как параметр 1C [4], который для индуктивности является значением тока в нулевой момент времени, а длл емкости - значением напряжения. Для корректности исследования модели начаьные условия были заданы нулевыми. Процесс моделирования осуществляется автоматически после выполнения команды Run в случае отсутствия формаьных ошибок.

Завершающим этапом исследования являются просмотр и обработка результатов моделирования. Интересующие авторов изменения амплитуды и фаы тока, отмеченные на модели схемы маркером тока (см. рис. 1), отображаются в заданных интервалах частоты в ввде графиков, представленных на рис. 2.

На полученных характеристиках наблюдается чередование резонансов напряжений и токов. Первый резонанс на частоте./=12,1 кГц является резонансом напряжений, при этом значение входного сопротивления минимаьно, а ток системы максимаен. На частоте f=16,1 кГц система входит в резонанс токов, который характеризуется маым значением тока, амплитуда которого составляет Im=47 мА. Использование этой частоты в качестве рабочей позволило бы сделать систему защиты маомощной. Однако исследования на реаьной модели покааи нецелесообраность настройки защитной системы на частоту резонанса тока, так как из-за малой амплитуды контролируемого сигнаа большую погрешность в измерения вносят внешние помехи, сопоставимые по уровню с полезным сигнаом. Второй и последующие резонансы напряжения по сравнению с первым имеют более высокое значение амплитуды тока, что приводит к увеличению мощности системы защиты. Таким обраом, в качестве рабочей точки был выбран первый резонанс напряжений.

о

>1

90

70

50

30

10

-10

-30

-50

-70

-90

Im =F(/)a

' ✓ \ ^

[ \ / \ "

п A / f\ -

/А 1 1

П\

\ / \-

/ \ / v

У У

YA~

10000 20000 30000

Частота/, Гп

40000

1.6

1.4 < 1,2 5 1 £ 0.8 “ 0.6 'Р 0.4 | 0,2 < 0

50000

Рис. 2. Частотные характеристики кабельной линии:

ф = F(f) - ФЧХ; Im = F(f) -АЧХ

Даьнейшее исследование было направлено на получение зависимостей тока и напряжения от времени и осуществлялось с помощью анализа переходного процесса (Transient analysis type). В качестве источник напряжения V1 был использован генератор синусоидаьного напряжения Vsin со стабилизированной амплитудой выходного напряжения Vampl= 20 В. На бае полученных частотных характеристик, источник напряжения был настроен на частоту первого резонанса Freq = 12,1 кГц. Из полученных при этом зависимостей напряжения и ток определено, что для неповрежденного кбеля амплитуда токового сигнаа Im=1043 мА, а сдвиг его фаы Дф =0 град.

Для оцени изменения контролируемых параметров (фаы и амплитуды тока) при нарушении изоляции между токопроводящей жилой и оболочкой кабеля в схему модели между этими элементами был включен дополнительный резистор Rocm, имитирующий остаточное сопротивление изоляции. Для номинаа остаточного сопротивления Rocm=10 Ом значение амплитуды тока составила Im=792 мА, а сдвиг его фазы составил Dj =30,5 0:

Dj) = 360 ft ■f,

где At=0,007 мс - сдвиг фаы ток относительно напряжения,f= 12,1 кГц -частота стабилизированного гармонического сигаа напряжения.

С помощью изменения значений сопротивления Rccm были получены зависимости амплитуды и фаы тока от остаточного сопротивления изоляции Im(Rocm) и Д) (Rocm), график представлены на рис. 3. Для оценк влияния удаенности места аварии от начала кабеля включение сопротивления Rocm осуществлялось после 2-й ячейк (расстояние от начаа кабеля 1=50 м), 9-й ячейк (l2=225 м) и 17-й ячейки (l3=425 м). На основании полученных данных можно сделать вывод, что при одинаковом Rocm с удае-нием места аварии от начаа кабеля сдвиг фаз увеличивается, а изменене амплитуды токового сигаа уменьшается. В области остаточных сопро-

тивлений 50...70 Ом система может регистрировать сдвиг фазы тока, а контроль амплитуды: тока позволяет определить неисправность при остаточном сопротивлении порядка 250... 300 Ом.

1т, мА

Ro cm.Ом

а

\<р. град.

Ro cm,Ом б

Рис. 3. Графики зависимости от остаточного сопротивления изоляции: а - амплитуды тока 1т(Яост); б - фазы тока Дф(Кост)

На основании полученных частотных характеристик АЧХ и ФЧХ, а также зависимостей Im(Rжт) и Dj (Rocm) можно говорить о сходимости результатов, полученных ранее на физической модели и на модели, созданной на бае программного комплекса OrCAD, что позволяет использовать ее для дальнейших исследований. На базе полученных частотных характеристик сделан выбор рабочей точки резонанса. Изменения амплитуды и фазы контролируемого сигнала тока, обусловленные ухудшением основной изоляции кабеля, могут быть использованы для создания двухпараметрической системы контроля, что позволит улучшить надежность предлагаемой системы защиты.

Выполненные исследования позволили определить область чувствительности резонансной системы защиты и оценить границы изменения контролируемых сигналов при различной удаленности аварии от начала кабеля.

Список литературы

1. Долаберидзе Г.П., Николаев ДЮ. Высокочастотная резонансная система защиты кабельных линий постоянного тока 0,6 кВ от замыкания на землю // Вестник МЭИ. 2008 №23. С. 64-67.

2 Разевиг В. Д. Сер. проектирования OrCad 9.2. М.: СОЛОН-Р, 2003.

3. Кеоун Дж. OrCad PSpice. Анализ электрически цепей. М. : ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008.

4. ХайнеманР. Pspice Моделирование работы электронных схем. М. : ДМК Пресс, 2005.

5. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. OrCad. Моделирование. «Поваренная» книга. М. : СОЛОН-Пресс, 2005.

D. Nikolaev

Simulation model of 0,6kV direct current cable line

The paper presents high-frequency resonance method of protecting of the 0,6kV direct current cable lines of urban transport from ground short circuit. OrCad cable line simulation model is created. Calculated gain-frequency and phase-frequency characteristics are presented. System sensitivity is measured in different points of the cable line in emergency situations.

Получено 19.01.09

УДК 621.43

А.В. Ахромешин, асп., 920-742-66-96, aakhromeshin @rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА КЛАПАНА ВДВС С УПРАВЛЯЕМЫМ ГАЗООБМЕНОМ

Рассматриваются работы, посвященные использованию электромагнитного привода клапана в ДВС. Анализируются преимущества перед традиционной яемой ГРМ математических моделей привода, перспектив использования и развития, а также вариантов вправления системой рассматриваемого типа.

Ключевые слова: электромагнитный привод, фавг газораспределения, математическая моделз, управление системой.

В двигателях внутреннего сгорания традиционной схемы фазы газораспределения (ФГР) жестко связаны с положением коленчатого вала.