CC BY
46
УДК 621.311.001.57 ББК 31.27
И.Н. МОРОЗОВ, Н.М. КУЗНЕЦОВ, Л.А. БЕЛОВА, Е.Д. БОРОЗДИНА
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДСТАНЦИИ НАПРЯЖЕНИЕМ 110 кВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В СРЕДЕ МАТЬАБ
Ключевые слова: имитационное моделирование, электрическая подстанция, грозозащита, распределительное устройство, МайаЬ.
В статье рассмотрен вопрос имитационного моделирования открытых распределительных устройств на примере распределительного устройства 110 кВ электрической подстанции Апатитской ТЭЦ. Для моделирования переходных процессов была выбрана программная среда МайаЬ, приложение БтиПпк. Предложены результаты разработки имитационной модели в среде МайаЬ, позволяющей производить расчеты внешних перенапряжений и анализировать электромагнитные переходные процессы в электрических распределительных устройствах. Разработанная модель позволяет учитывать перенапряжения сети при проектировании новых открытых распределительных устройств подстанций. Для разработки данной модели предложены модели основного силового оборудования распределительного устройства. Приведено описание силового трансформатора ТДГ-60000/110, представляющего собой двухобмоточный силовой трансформатор. В модели рассматривается одна сторона трансформатора (питающая обмотка). При этом все элементы стороны высшего напряжения заменяются синусоидальным источником напряжения. Для создания имитационной модели, необходимой для расчета грозовых перенапряжений, были рассчитаны параметры силового трансформатора. Математическое описание грозового разряда, приведенное в работе, учитывает такие его параметры, как амплитуда, длительность фронта, длительность импульса и скорость дирекции. Для проверки адекватности разработанной модели были смоделированы: удар молнии в грозозащитный трос на ЛЭП-109, удар молнии в одну из фаз линии ЛЭП- 109. Для того, чтобы испытать защиту от внешних перенапряжений по максимуму, в работе моделировался удар грозовым разрядом в одну из фаз не защищённой грозо-тросом линии. При сопоставлении графиков переходных процессов на ограничителях перенапряжений второй системы шин с первой выявилось отличие в 100 кВ по амплитуде напряжения. Это объяснятся тем, что под ударом молнии оказалось оборудование, присоединённое к первой системе шин. Таким образом, данный подход к имитационному моделированию распределительных устройств можно предложить в качестве дополнительного при проектировании электросетей.
Для проектирования новых электрических сетей, а также для исследования работы существующих необходимо решать ряд задач, связанных с проведением расчетов переходных процессов и режимов эксплуатации как отдельных компонентов сети, так и энергосистемы в целом [1-6]. Среди вышеуказанных задач можно обозначить типовые:
- расчет нагрузок и потоков электроэнергии;
- анализ устойчивости;
- анализ режимов короткого замыкания в сети;
- анализ электромагнитных переходных процессов1.
Для решения данных задач в работе предлагается использовать программную среду МаНаЪ, приложение имитационного моделирования 81ши1тк. Для составления модели необходимо исследование описания основного силового оборудования распределительного устройства. Целью данной статьи является исследование нестационарных режимов электрической подстанции напряжением 110 кВ. Задачей исследования в данной статье является разработка имитационной модели подстанции (ПС) напряжением 110 кВ в среде МаНаЪ. В качестве объекта исследований было выбрано открытое распределительное устройство (ОРУ) с классом напряжения 110 кВ Апатитской ТЭЦ. Предметом исследований являются нестационарные режимы подстанции - перенапряжения.
Описание силового трансформатора ТДГ-60000/110. В работе рассматриваются три силовых двухобмоточных трансформатора, два из которых работают как повышающие трансформаторы. Модель силового трансформатора изображена на рис. 1 [7].
Рис. 1. Модель силового трансформатора
Данные о параметрах схемы замещения (модели) были внесены в программную среду МаНаЪ. Схема замещения состоит из двух частей - двух обмоток (стороны высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений), N и N - числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, соответственно. Сторона высшего напряжения содержит индуктивный и активный элементы (Ь1 и Я1), элемент насыщения трансформатора (кривая намагничивания) и постоянное линейное сопротивление намагничивания (Ятаё). Сторона низшего напряжения содержит только индуктивный и активный элементы (Ь2 и Я2). Также общими для двух сторон будут данные о номинальном напряжении (V) каждой отдельной обмотки трансформатора.
Модель представляет собой двухобмоточный силовой трансформатор. В модели рассматривается одна сторона трансформатора (питающая обмотка). При этом все элементы стороны высшего напряжения заменяются синусоидальным источником напряжения.
1 РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах общего назначения. Ч. 2. Анализ качества электрической энергии. М., ОРГРЭС, 2000. 56 с.
Таким образом, полученная новая модель силового трансформатора состоит из синусоидального источника напряжения (Е), индуктивности (Ь) и активного сопротивления (К) питающей обмотки (рис. 2).
Для создания математической модели, необходимой для расчета грозовых перенапряжений, были рассчитаны параметры силового трансформатора.
Описание линий электропередач. В каждом конкретном случае расчета участка цепи были выявлены следующие данные о ЛЭП: тип линии/кабеля (воздушный, расположенный на поверхности земли или в земле); количество фаз; число линий/кабелей; длина линии; конструкция опор ЛЭП (координаты проводов); марка провода; активное и реактивное сопротивление провода.
Входными величинами для расчета матрицы потенциальных коэффициентов являлись координаты каждого из проводов (х, у), диаметр проводов с1, длина линии I и стрела провеса проводов /.
Координаты проводов выбирались в произвольно расположенной прямоугольной системе координат, так как имеют значение только взаимное расположение проводов и их положение относительно земли, которые определяются конкретной конструкцией опор ЛЭП. При определении координат для двухцепной трехфазной линии ось х располагали по поверхности земли перпендикулярно линии, а ось у была направлена вертикально вверх.
В рассматриваемом случае все провода линий, отходящие от ОРУ-110 кВ, имеют марку АС185/110. В целях упрощения создания схемы замещения для отображения двухцепных линий была выбрана опора марки У-6, для отображения одноцепной линий была выбрана опора марки ПБ-29. Выбранные опоры имеют вид, приведённый на рис. 3.
Рис. 2. Используемая для расчетов модель силового трансформатора
а б
Рис. 3. Опоры ЛЭП: а - двухцепная опора У-6; б - одноцепная опора ПБ-29
Описание грозового разряда. Для расчётов воздействия тока молнии на электрооборудование необходимо было создать грозовой разряд. Источник тока молнии представляли с помощью следующей формулы [8]:
^) = 1т • [((/тф)п /(1 + (г / тф)п)] • ехра/ т),
где 1т = 20 000 А - амплитуда тока грозового разряда; тф = 4-10-6 - длительность фронта импульса тока грозового разряда; т = 1-104 - длительность импульса тока грозового разряда; п = 5 - коэффициент, корректирующий значение максимума тока грозового разряда.
Модель ОРУ-110 кВ. Соединив схемы замещения каждого из электрооборудования в соответствии с расположением его на ОРУ, получили полную модель данной подстанции, изображённую на рис. 4.
Рис. 4. Модель подстанции в среде МаНаЪ
В данной схеме трансформаторы Т-2 и Т-1 соединены со второй системой шин, а первый трансформатор - с первой системой шин. К первой системе шин подсоединили также линии электропередач Л-109, Л-115, Л-105 и Л-116, остальные линии ЛЭП (Л-107, Л-114, Л-117) - ко второй системе шин. Далее ввели все данные линий электропередач, трансформаторов, ограничителей перенапряжения и опор ЛЭП, а также задали ток молнии (1т = 20 000 А).
Результаты моделирования
Моделирование удара молнии в грозозащитный трос на ЛЭП-109. Данная линия является одноцепной. Грозозащитный трос имеется на протя-
жении не всей длины, а только в начале и конце - на подходе линий к подстанциям. Так как наибольший интерес представляет максимальное значение перенапряжения на главном электрооборудовании - разряд молнии смоделирован в трос близлежащей к подстанции опоры. В начале линии, при ударе молнии в трос, на ней появляется перенапряжение, большее, чем могло появиться при ударе молнии в конце линии1.
В ходе работы имитационной модели были получены диаграммы (рис. 5) в интересующих нас точках схемы.
Так как молния ударила в линию, подключённую к первой системе шин, то именно на ней будут наибольшие значения токов и напряжений. Но и на второй системе шин зафиксированы скачки: тока на ОПН - до 75 А (рис. 5, г), напряжения на фазах - до 175 кВ.
Из графика, показанного на рис. 5, а, видно, что напряжение на фазах первой системы шин не превышает предельно допустимые значения по изоляции (^доп > ^РдСч), так как 253 кВ < 480 кВ, которые способны выдержать изоляция.
Диаграмма, представленная на рис. 5, д, показывает, насколько высокое напряжение (до 1 МВ) образуется на линии при ударе молнии, что очень пагубно отразилось бы на электрооборудовании ОРУ АТЭЦ, если бы отсутствовали ОПН. Из графиков на рис. 5, в и г также видно, как ОПН отводит излишний ток даже через неидеальное заземление.
На рис. 5, е представлен график, характеризующий поведение тока в модуляторе грозового разряда.
Моделирование удара молнии в одну из фаз линии ЛЭП-109. Для того, чтобы испытать нашу защиту от внешних перенапряжений по максимуму, был смоделирован грозовой разряд в одну из фаз не защищённой грозотросом линии. В этом случае значения напряжений и токов в тех же точках схемы должны превосходить значения, полученные в расчётах при ударе молнии в грозозащитный трос. Это объясняется тем, что при ударе молнии в трос происходит перекрытие изоляции, на что тратится определённый потенциал. А в случае удара молнии в линию эти потери значительно меньше. Таким образом, рассматриваемый способ определения эффективности грозозащиты электрооборудования покажет более реальные возможности системы защиты.
На рис. 6 отображены результаты вычислений предложенной нами имитационной модели.
Из графика, показанного на рис. 6, а, видно, что молния попала в фазу «С» первой системы шин, именно на ней показано максимальное значение напряжения на фазах, которое не достигает и 300 кВ. Это также меньше предельно допустимого значения - 480 кВ.
На второй системе шин напряжение значительно меньше - не достигает и 200 кВ. Напряжение на фазе «А» во второй системе шин показано большее в отличие от остальных фаз из-за наложения напряжений.
1 РД 153-34.3-35.129-99. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. СПб.: Изд-во ПЭИПК, 1999.
а а | ^ ^ ь | □ рё № | в д-ч
А Л Л
/
1 А ~ /\
а <а | «г 11 □ к к | в в
| 1 |\ к 1
Ш 1 / МЛ А к к л Й Л
ШЛА АЛЛ У V V М У М V V АД/Ш/и\/\Д| р ¥' ш V р У ¥ У А А ¡\ А 1 'Учуй
.... г и 1 < ^ 1 I ■ ' и Ч , , - V ч V ' ■
л
/ \
/ \
/ \
/ \
/
/ \
1
г
Рис. 5. Диаграммы токов и напряжений при ударе молнии в трос: а - изменение напряжения во времени на фазах 1-СШ; б - изменение напряжения во времени на фазах 2-СШ; в - изменение напряжения во времени на ОПН 1-СШ; г - изменение напряжения во времени на ОПН 2-СШ; д - изменение напряжения во времени на фазах линии рядом с местом удара молнии; е - ток молнии
а
б
в
д
е
Рис. 6. Диаграммы токов и напряжений при ударе молнии в фазу ЛЭП: а - изменение напряжения во времени на фазах 1-СШ; б - изменение напряжения во времени на фазах 2-СШ; в - изменение напряжения во времени на заземлении ОПН 1-СШ; г - изменение напряжения во времени на заземлении ОПН 2-СШ; д - изменение напряжения во времени на заземлении ОПН 1-СШ; е - изменение напряжения во времени на заземлении ОПН 2-СШ
Значение тока на заземлении ограничителя перенапряжений (рис. 6, в) довольно велико лишь на одной, оказавшейся под ударом молнии, фазе и достигает почти 8 кА. Максимальное напряжение на этой же фазе составляет 38 кВ (рис. 6, д).
Графики, представленные на рис. 6, г и е, приведены для сопоставления значений токов и напряжений на ограничителях перенапряжений второй системы шин с первой. Отличие значительное, и это объяснятся тем, что под ударом молнии оказалось оборудование, присоединённое к первой системе шин.
Из этих графиков можно сделать вывод, что система защиты от внешних перенапряжений работает оптимально и защищает трансформаторы, являющиеся основным электрооборудованием на ОРУ-110 кВ АТЭЦ.
Выводы. В статье проведены результаты исследования нестационарных режимов подстанции 110 кВ. Для достижения поставленной цели были использованы программная среда МаАаЬ, приложение 81шиПпк. Разработанная имитационная модель позволила получить графики переходных процессов, возникающих в нестационарных режимах работы. При исследовании полученных переходных процессов в линиях в результате возникновения перенапряжений было установлено, что при данной компоновке линий электропередач наблюдается значительное отличие в рассматриваемых точках системы. Тем не менее данное отличие в значениях возникающих перенапряжений не приведет к негативным последствиям. Установленное грозозащитное оборудование эффективно защитит рассматриваемый участок электросетей. Предложенный подход к исследованию работы подстанций в нестационарных режимах с помощью программной среды МаАаЬ может быть использован для определения перенапряжений аналогичных подстанций и оценки эффективности использования грозозащитных средств.
Литература
1. Веселов А.Е., Ефимов Б.В., Кузнецов Н.М., Невретдинов Ю.М., Токарева Е.А. Ограничение дуговых перенапряжений в сетях электроснабжения горных предприятий // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2008. № 6. С. 46-51.
2. Власко Д.И., Востриков А.О., Домонов А.П., Невретдинов Ю.М. Проблемы и перспективы регистрации грозовых перенапряжений в действующей сети // Труды Кольского научного центра РАН. 2011. № 2(5). С. 54-65.
3. Ефимов Б.В., Кузнецов Н.М., Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Дуговые перенапряжения при переходе однофазных замыканий на землю в двойные // Электрика. 2008. № 5. С. 8-11.
4. Ефимов Б.В., Невретдинов Ю.М., Власко Д.И., Востриков А.О. Регистрация грозовых перенапряжений на подстанции // Труды Кольского научного центра РАН. 2012. № 5(12). С. 29-38.
5. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Ф. X. Халилов [и др.]. СПб.: Энергоато-миздат, 2002. 272 с.
6. Морозов И.Н., Кириллов И.Е. Моделирование вероятности перекрытия гирлянды изоляторов при грозовых ударах в молниеотводы // Промышленная энергетика. 2019. № 9. С. 10-14.
7. Невретдинов Ю.М., Токарева Е.А., Власко Д.И. Развитие метода экспериментальных исследований молниезащиты действующих подстанций // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети: сб. науч. тр. Апатиты, 2008. С. 96-110.
8. Новикова А.Н., Шмараго О.В., Ефимов Б.В., Данилин А.Н., Невретдинов Ю.М., Селиванов В.Н. Вопросы грозозащиты воздушных линий в условиях севера Кольского полуострова: требования, опыт эксплуатации ВЛ 110-150 кВ, методика расчета // Труды Кольского научного центра РАН. 2011. № 2(5). С. 9-23.
МОРОЗОВ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры физики, биологии и инженерных технологий, Мурманский арктический государственный университет, Россия, Мурманск (moroz.84@mail.ru).
КУЗНЕЦОВ НИКОЛАЙ МАТВЕЕВИЧ - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Центр физико-технических проблем энергетики Севера - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Россия, Апатиты (kuzn55@mail.ru).
БЕЛОВА ЛЮБОВЬ АЛЕКСАНДРОВНА - лаборант-исследователь, Центр физико-технических проблем энергетики Севера - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Россия, Апатиты (belowa8998@gmail.com).
БОРОЗДИНА ЕВГЕНИЯ ДМИТРИЕВНА - лаборант-исследователь, Центр физико-технических проблем энергетики Севера - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», Россия, Апатиты (zhenya_borozdina@mail.ru).
I MOROZOV, N. KUZNETSOV, L. BELOVA, E. BOROZDINA
TRANSIENT MODES OF 110 KV ELECTRICAL SUBSTATIONS USING SIMULATION MODELING IN A MATLAB ENVIRONMENT Key words: simulation, electrical substation, lightning protection, switchgear, Matlab.
The article considers the issue of simulation of open switchgears using the example of a 110 kV switchgear of the electrical substation of Apatitskaya Cogeneration Plant. To simulate transients, the Matlab software environment, the Simulink application, was chosen. The developed simulation model in the Matlab environment allows to calculate external overvoltages and analyze electromagnetic transients in electrical switchgears. The developed model makes it possible to take into account the network overvoltage when designing new open switchgear substations. To develop this model, models of the main power equipment of switchgear are proposed. The authors give the description of the power transformer YDG-60000/110. It is a double winding power transformer. The model considers one side of the transformer. In this case, all elements of the higher voltage side are replaced by a sinusoidal voltage source. To create a simulation model which is necessary for calculating lightning overvoltages, the parameters of the power transformer were calculated. The mathematical description of a lightning discharge given in the work takes into account its parameters, such as amplitude, front duration, pulse duration, and directional speed. To check the adequacy of the developed model, the following situations were simulated: a lightning strike into a lightning protection cable on a power transmission line (PTL) 109, a lightning strike into one of the phases of the PTL 109. In order to test maximum protection against external overvoltages, a lightning strike into one of the phases of the line, unprotected by ground wire, was simulated. When comparing the graphs of transients at the surge arresters of the second bus system with the first one, a difference of 100 kV in voltage amplitude was revealed. This is explained by the fact that the equipment attached to the first tire system got struck by lightning. Thus, this approach to the simulation of switchgear can be offered as an additional in the design of power grids.
References
1. Veselov A.E., Efimov B.V., Kuznetsov N.M., Nevretdinov Yu.M., Tokareva E.A. Ogra-nichenie dugovykh perenapryazhenii v setyakh elektrosnabzheniya gornykh predpriyatii [Limitation of arc surges in power networks of mining enterprises]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal, 2008, no. 6, pp. 46-51.
2. Vlasko D.I., Vostrikov A.O., Domonov A.P., Nevretdinov Yu.M. Problemy i perspektivy regi-stratsii grozovykh perenapryazhenii v deistvuyushchei seti [Problems and prospects of registration of lightning surges in the existing network]. Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentraRAN, 2011, no. 2(5), pp. 54-65.
3. Efimov B.V., Kuznetsov N.M., Nevretdinov Yu.M., Fastii G.P., Yaroshevich V.V. Dugovye perenapryazheniya pri perekhode odnofaznykh zamykanii na zemlyu v dvoinye [Arc overvoltage during the transition of single-phase earth faults to double]. Elektrika, 2008, no. 5, pp. 8-11.
4. Efimov B.V., Nevretdinov Ju.M., Vlasko D.I., Vostrikov A.O. Registratsiya grozovykh perenapryazhenii na podstantsii [Registration of lightning surges at substations]. Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN, 2012, no. 5(12), pp. 29-38.
5. Khalilov F.X. et al. Zashchita setei 6-35 kV ot perenapryazhenii [Surge protection of 635 kV networks]. St. Petersburg, Energoatomizdat Publ., 2002, 272 p.
6. Morozov I.N., Kirillov I.E. Modelirovanie veroyatnostiperekrytiya girlyandy izolyatorovpri grozovykh udarakh v molnieotvody [Modeling the probability of overlapping insulator lights during lightning strikes in lightning rods]. Promyshlennaya energetika, 2019, no. 9, pp. 10-14.
7. Nevretdinov Yu.M., Tokareva E.A., Vlasko D.I. Razvitie metoda eksperimental'nykh issledo-vanii molniezashchity deistvuyushchikh podstantsii [Development of a method for experimental studies of lightning protection of existing substations]. In: Modelirovanie perekhodnykh protsessov i ustanovivshikhsya rezhimov vysokovol'tnoi seti: sb. nauch. tr. [Simulation of transients and steady-state modes of a high-voltage network. Collection of scientific papers.]. Apatity, 2008, pp. 96-110.
8. Novikova A.N., Shmarago O.V., Efimov B.V., Danilin A.N., Nevretdinov Yu.M., Selivanov V.N. Voprosy grozozashchity vozdushnykh linii v usloviyakh severa Kol'skogo poluostrova: trebovaniya, opyt ekspluatatsii vl 110-150 kv, metodika rascheta [Issues of lightning protection of overhead lines in the north of the Kola Peninsula: requirements, operating experience of 110-150 sq km, calculation procedure]. Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN, 2011, no. 2(5), pp. 9-23.
MOROZOV IVAN - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Physics, Biology and Engineering Technologies, Murmansk Arctic State University, Russia, Murmansk (moroz.84@mail.ru).
KUZNETSOV NIKOLAY - Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, Center for Physical and Technical Problems of Energy of the North - Branch of the Federal State Budget Institution of Science of the Federal Research Center «Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences», Russia, Apatity (kuzn55@mail.ru).
BELOVA LUBOV - Laboratory Researcher, Center for Physical and Technical Problems of Energy of the North - Branch of the Federal State Budget Institution of Science of the Federal Research Center «Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences», Russia, Apatity (belowa8998@gmail.com).
BOROZDINA EVGENIYA - Laboratory Researcher, Center for Physical and Technical Problems of Energy of the North - Branch of the Federal State Budget Institution of Science of the Federal Research Center «Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences», Russia, Apatity (zhenya_borozdina@mail.ru).
Формат цитирования: Морозов И.Н., Кузнецов Н.М., Белова Л.А., Бороздина Е.Д. Исследование нестационарных режимов электрической подстанции напряжением 110 кВ с использованием имитационного моделирования в среде МайаЪ // Вестник Чувашского университета. - 2020. - № 1. - С. 113-122.
