CC BY
17
Электротехнические комплексы и системы
Антон Андреевич Андреев Anton A. Andreev
аспирант,
Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия
УДК 621.3 DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-2-5-12
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА
В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 КВ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ
Актуальность
В настоящий момент отыскание однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью является проблемой с неоднозначными решениями. Существующие устройства защиты от замыканий на землю актуальны только в частных случаях. В сетях с большим количеством отходящих присоединений и разветвленной схемой данные защиты не способны обеспечить абсолютно селективного срабатывания, поэтому обозначенная проблема особенно актуальна для городских электрических сетей, так как эти сети характеризуются и массовостью линий, и разнородным характером нагрузки. Сложностью в выявлении повреждения также является скрытность пролегания линий электропередачи, так как в данных сетях они преимущественно выполнены кабелями. Для однозначного определения замыкания на землю в городских распределительных сетях чаще всего применяются защиты от замыканий на землю в совокупности с методом последовательного отключения. Применение данного метода значительно облегчает определение замыкания на землю, но при этом он носит деструктивный характер по отношению к электроснабжению потребителей. Так как городские распределительные сети осуществляют снабжение электрической энергией густонаселённых районов, то данный недостаток ещё больше обостряет сложившуюся проблему. Для того, чтобы ограничить данные негативные последствия, возможно производить переключения по перегруппированию сети на участки. Подобные переключения позволят быстрее определить поврежденную линию и исключить кратковременные отключения потребителей в ходе поиска замыкания на землю. Однако применение данного метода сопровождается переключениями в распределительной сети во время однофазного замыкания на землю. Поэтому необходимо исследование переходного процесса, возникающего при подобных переключениях в распределительных сетях 10 кВ, с целью проверки применимости подобных переключений. Также данное исследование задаст вектор дальнейшим научным исследованиям в этой области.
Цель исследования
Моделирование переходного процесса, возникающего при объединении сетей 10 кВ на параллельную работу во время однофазного замыкания на землю.
Методы исследования
Методологической основой в данной статье является математическое имитационное моделирование.
Результаты
Рассмотрены перенапряжения, возникающие при переключениях в сети 10 кВ, во время замыкания на землю. Произведен их анализ и условия применимости
переключений, выполняемых при определении замыкания на землю в распределительных кабельных сетях.
Ключевые слова: однофазные замыкания на землю, электроснабжение, изолированная нейтраль, компенсированная нейтраль, кабельные линии
SIMULATION OF A TRANSIENT PROCESS IN A 10 KV DISTRIBUTION NETWORK WITH A SINGLE-PHASE EARTH FAULT
Relevance
At the moment, finding single-phase earth faults in networks with isolated and compensated neutral is still a problem with ambiguous solutions. Existing earth fault protection devices are relevant only in special cases. In networks with a large number of outgoing connections and an extensive circuit, these protections are not able to provide absolutely selective triggering. Therefore, this problem is especially relevant for urban electric networks, since these networks are characterized by both the mass of lines and the heterogeneous nature of the load. Also, the difficulty in detecting damage is the secrecy of the transmission lines, since in these networks they are mainly made by cables. To unambiguously determine the earth fault, in urban distribution networks, earth fault protection is most often used in conjunction with the sequential shutdown method. The use of this method greatly facilitates the determination of an earth fault, but at the same time it is destructive in relation to the power supply of consumers. Since urban distribution networks supply densely populated areas with electric energy, this disadvantage further exacerbates the existing problem. In order to limit these negative consequences, it is possible to make switches by regrouping the network into sections. Such switching will allow you to quickly identify a damaged line and eliminate short-term disconnections of consumers during the search for a ground fault. However, the application of this method is accompanied by switching in the distribution network during a single-phase earth fault. Therefore, it is necessary to study the transient process that occurs during such switching in 10 kV distribution networks in order to verify the applicability of such switching. Also, this study will set the vector for further scientific research in this area.
Aim of research
Simulation of the transient process that occurs when combining 10 kV networks for parallel operation during a single-phase earth fault.
Research methods
The methodological basis in this article is mathematical simulation modeling.
Results
Overvoltages arising during switching in a 10 kV network during a ground fault are considered. Their analysis and the conditions of applicability of the switches performed when determining the earth fault in distribution cable networks are carried out.
Keywords: single-phase earth faults, power supply, isolated neutral, compensated neutral, cable lines
Исходя из статистических данных и накопившегося опыта электроснабжаю-щих организаций, известно, что наиболее повреждаемыми элементами системы электроснабжения являются линии электропередачи (ЛЭП) [1]. В свою очередь, наиболее распространенным видом повреждения ЛЭП являются однофазные
замыкания на землю (ОЗЗ) [2]. Устранение данных повреждений занимает особенное место в распределительных сетях, работающих с изолированным и компенсированным режимами нейтрали, так как существующие устройства защиты до сих пор не способны обеспечить абсолютной селективной работы [3]. Это особенно
актуально для городских распределительных сетей, выполненных кабельными линиями, так как ОЗЗ в сети нежелательно отключать до момента выявления поврежденной линии. При возникновении ОЗЗ на отходящем присоединении условной городской подстанции срабатывает защита контроля изоляции соответствующей секции. Так как данная защита указывает только на наличие замыкания на землю, то она будет в работе до тех пор, пока поврежденное присоединение не будет отключено, и не прекратится смещение нейтрали [4]. Соответственно, для выявления поврежденного кабеля необходимо предварительно произвести либо соответствующие переключения по резервированию потребителей, либо пользоваться методом последовательного отключения [5]. В настоящий момент использование метода последовательного отключения является нежелательным для городских потребителей электрической энергии. Поэтому необходимо рассмотреть варианты применения метода перегруппирования и деления сети на участки для городских распределительных сетей. Ступенчатая структура данных сетей, выполненных по двухлучевой конфигурации схемы, позволяет широко маневрировать схемой электроснабжения [6-9]. Так, при замыкании на одном из присоединений городской подстанции возможно произвести перевод нагрузки данного присоединения на другой ввод. Это позволит проверить данное присоединение на наличие либо отсутствие замыкания без его отключения и тем самым значительно ускорить поиск ОЗЗ. Однако данный метод требует кратковременного включения секционного выключателя, который объединит секцию с ОЗЗ с секцией, работающей в нормальном режиме. Поэтому необходимо рассмотреть переходные процессы, возникающие в распределительной сети при соответствующих переключениях [10, 11].
Моделирование переходного процесса
Перед проведением имитационного моделирования необходимо рассмотреть часть городской распределительной сети 10 кВ, работающей с изолированной нейтралью. Электрическая энергия от системы (С) посредством линий электропередачи (Л1, Л2) поступает на силовые трансформаторы главной понизительной подстанции (ГПП) (рисунок 1).
Рисунок 1. Упрощенная электрическая схема участка городской сети
Figure 1. Simplified electrical diagram of a section of the city network
Далее от шин низкого напряжения этих трансформаторов электрическая энергия передается по кабельным линиям (Л3, Л4, Л5, Л6) на распределительные пункты (РП) и распределяется по цепочкам соответствующих трансформаторных подстанций. Данная однолинейная схема является упрощенной, так как система представлена в виде одного элемента, а распределительная сеть из трансформаторных подстанций не представлена с целью предотвращения загромождения схемы. Схема математической модели данной сети представлена на рисунке 2.
Моделирование производится в программной среде Mathlab с расширенным
- 7
Three-Phase
Simplified Synchronous Transformer
Machine SI (Two Windings) 11Ш10
Q
сер« I
Pi Section Line Cui»ntKt«tntm«rrt
€3=
ConriifttS
Cuirent Мслзигйшеп!
О
V«>tigt Mt jiuitmiot
№
-EE
Three-Phase
Simplified Synchronous Transformer
Machine SI (Two Windings) 1 ГОЛО-
СА 5eft(>« I.
186147 -Conjtjntl
«74.»
Constjnt4
Pi Section Line. Cimirt «мянинв
ТГ 1
+■
ТГ V
V4l(jgt Mtiiurifii'l
ЕЙ
Ю
Three-Phase Transformer (Two Windings) l№4Cpt„tMl„g[|
n
P^Jseop* II
A В
с i
-О
г I int1
Three-Phase Series RLC Load
4 0> и
Tn re e-Phase Breaker
Vdtjft Mtiitirtmtnl
S«pe V1
Three-Phase Transformer
11.
с t n^
-EJ
nil.
Three-Phase Series RLC Loadl
/ditifl* м««иг»т«Ш
bo-
m
Swpt VI.
Рисунок 2. Имитационная модель участка городской электрической сети Figure 2. Simulation model of a section of the city electrical network
пакетом Simulink [12]. Переключение представляет собой включение секционного выключателя во время однофазного замыкания на землю на одной из секций. Генераторы в системе представлены блоками — Simplifed Synchtonous Machine. Мощность данного блока задана 1 ГВА с целью его отождествления с источником бесконечной мощности. Напряжение генерации задано 110 кВ для упрощения схемы и исключения промежуточной ступени трансформации. Понижающие трансформаторы 110/10 кВ на ГПП — Three-Phase Transformer 110/10. Обмотка низкого напряжения соединена звездой без земли, что соответствует сети с изолированной нейтралью. Кабельная ЛЭП представлена блоком — PI Section Line. Параметры данного блока подобраны под кабель АВВГ 3х120. По справочнику [13] были определены погонные сопротивления и погонная емкостная проводимость. Для внесения этих данных в блок параметров необходимо их привести к эталонным единица измерения. Расчет погонной индуктивности кабельной линии производится по формуле:
L =
2 яг/'
Ь= °'°81 = 0,00025 Гн. 2-3,14-50
Исходя из табличного значения емкостной проводимости, вычисляется емкостное погонное сопротивление в Ом/км:
Хс=Ус>
1
—г = 86,2 Ом/км. 116-Ю"4
Емкостное погонное сопротивление в Ф/км вычисляется по формуле: 1
С =
2 xfXc'
С =
1
2-3,14-50-86,2
= 3,6-10"5 Ф/км.
Длина кабеля задана всего 1 км для наилучшей наглядности полученных результатов.
Понижающий трансформатор марки 10/0,4 кВ соответствует блоку Three-Phase Transformer 10/0,4. По своим параметрам он соответствует масляному силовому трансформатору марки ТМ 630/10/0,4 мощностью 630000 ВА соответственно. Обмотка высокого напряжения соединена звездой, а низкого — звездой с заземлённой нейтральной точкой, что соответствует сети низкого напряжения 0,4 кВ. Электропотребление несет характер активно-реактивной нагрузки, которая представлена блоком Three-Phase RLC Load. Полная мощность нагрузки подобрана с учетом неполной загрузки трансформатора:
л]Р2 +Q2 =S,
л/1732 +1002 « 200 кВА .
Параметры всех блоков приближены к их соответствующему реальному оборудованию [14-16]. Моделирование переходного процесса осуществляется в распределительной сети 10 кВ, работающей в режиме изолированной нейтрали. Обе части сети аналогичны по своим электрическим параметрам, соответственно, они удовлетворяют всем условиям их параллельной работы [17]. После введения данных сетей в работу производится соединение одной из кабельных ЛЭП с землёй по фазе «С». Данная коммутация производится с помощью разъединителя Breaker, что соответствует «металлическому» замыканию на землю. Таким образом, на поврежденной линии происходит повышение напряжений до линейных значений [18, 19]. Далее производится моделирование переключений, производимых для поиска возникшего ОЗЗ. Через 0,2 с включается секционный выключатель 10 кВ, выполненный блоком Three-Phase Breaker. График зависимости напряжения от времени представлен на рисунке 3.
xioooo
Время, с
Рисунок 3. График зависимости напряжения от времени при объединении секций во время однофазных замыканий на землю
Figure 3. Graph of voltage versus time when combining sections during single-phase earth faults
Как видно, повышение напряжений во время коммутаций не превышают допустимых для изоляции значений. В момент ОЗЗ максимальное амплитудное значение напряжения достигло 20 кВ, что соответствует 14 кВ действующего значения. При включении секционного выключателя 10 кВ амплитудное значение достигает 17,5 кВ, соответствующее 12,3 кВ. На поврежденной фазе напряжение кратковременно возрастает до 3 кВ его амплитудного значения.
Следует принимать в расчет, что возникающие перенапряжения при подобных переключениях могут быть опасны для сетей с сильно изношенным изоляционным ресурсом [20-22].
Выводы
Исходя из результатов проведенного моделирования, можно сделать вывод, согласно которому кратковременное объединение распределительных сетей 10 кВ во время ОЗЗ возможно. Производство подобных переключений позволит значительно ускорить процесс поиска ОЗЗ в городских распределительных сетях, выполненных по двухлучевой конфигурации схемы. Однако следует принимать в расчет, что возникающие перенапряжения при подобных переключениях могут быть опасны для сетей с сильно изношенным изоляционным ресурсом, поэтому для подобных сетей требуется дополнительный анализ и расчет применимости данных переключений.
Список источников
1. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Монтаж, эксплуатация и ремонт оборудования промышленных предприятий и установок. Вологда: Инфра-Инженерия, 2015. 464 с.
2. Андреев В.А. Релейная защита систем электроснабжения в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 2017. 256 с.
3. Емельянов Н.И., Ширковец А.И. Актуальные вопросы применения резистив-ного и комбинированного заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ // Энергоэксперт. 2010. № 2. С. 44-50.
4. Ершов Ю.А. Электроэнергетика. Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем. Красноярск: СФУ, 2014. 68 с.
5. Приказ Минэнерго РФ от 30.06.2003 № 289 «Об утверждении Инструкции по предотвращению и ликвидации аварий в электрической части энергосистем».
6. Валеев И.М., Мусаев Т.А. Методика расчета режима работы системы электроснабжения городского района. Казань: КНИТУ, 2016. 132 с.
7. Yatsuk V., Mykyjchuk M., Bubela T. Ensuring the Measurement Efficiency in Dispersed Measuring Systems for Energy Objects // Studies in Systems, Decision and Control. 2019. P. 131-149.
8. Bogdanov D., Farfan J., Sadovskaia K., Aghahosseini A., Child M., Gulagi A., Oyewo A.S., de Souza Noel Simas Barbosa L., Breyer C. Radical Transformation Pathway towards Sustainable Electricity via Evolutionary Steps // Nature Communications. 2019. No. 10 (1). P. 1077-1080.
9. Khan S., Khan S., Ahmed G. Industrial Power Systems. Boca Raton: CRC Press, 2016. 488 p.
10. Титков В.В., Халилов Ф.Х. Перенапряжения и молнизащита. Санкт-Петербург: Изд-во Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, 2017. 222 с.
11. Dalziel C.F., Lee W. Electricity and Power Supply // IEEE Spectrum. 2018. No. 2. P. 44-50.
12. Джендубаев А.-З.Р., Алиев И.И. MATLAB, Simulink и SimPower Systems в электроэнергетике: учебное пособие. Черкесск: БИЦ СевКавГГТА, 2014. 136 с.
13. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 2014. 608 с.
14. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс: СПб.: Питер, 2008. 288 с.
15. Dalziel C.F., Lee W. Electricity and Power Supply // IEEE Spectrum. 2018. No. 2. P. 44-50.
16. Герасимов А.И., Регеда В.В., Реге-да О.Н. Моделирование в среде MATLAB-Simulink. Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. 111 с.
17. Power Supply Devices and Systems of Relay Protection [Electronic Resource]. URL: http://www.ebook777.com/power-supply-devices-systemsrelay-protection (дата обращения: 15.05.2022).
18. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.: Энас, 2012. 519 с.
19. Tang Y. Voltage Stability Analysis of Power System. Singapore: Springer Singapore, 2021. 385 p.
20. Шведов Г.В. Электроснабжение городов: электропотребление, расчетные нагрузки, распределительные сети. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. 268 с.
21. Zhu Y. Power System Loads and Power System Stability. Springer International Publishing, 2021. 164 p.
22. Patel D., Chothani N. Digital Protective Schemes for Power Transformer. Singapore: Springer Singapore, 2020. 193 p.
23.
References
1. Sibikin Yu.D., Sibikin M.Yu. Montazh, ekspluatatsiya i remont oborudovaniya promysh-lennykh predpriyatii i ustanovok [Installation, Operation and Repair of Equipment of Industrial Enterprises and Facilities]. Vologda, Infra-Inzheneriya Publ., 2015. 464 p. [in Russian].
2. Andreev V. A. Releinaya zashchita sis-tem elektrosnabzheniya vprimerakh i zadachakh [Relay Protection of Power Supply Systems in Examples and Tasks]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2017. 256 p. [in Russian].
3. Emel'yanov N.I., Shirkovets A.I. Aktual'nye voprosy primeneniya rezistivnogo i
- 11
kombinirovannogo zazemleniya neitrali v elektricheskikh setyakh 6-35 kV [Topical Issues of Using Resistive and Combined Neutral Grounding in Electrical Networks 6-35 kV]. Energoekspert — Energetics Expert, 2010, No. 2, pp. 44-50. [in Russian].
4. Ershov Yu.A. Elektroenergetika. Relei-naya zashchita i avtomatika elektroenerge-ticheskikh system [Power Industry. Relay Protection and Automation of Electric Power Systems]. Krasnoyarsk, SFU Publ., 2014. 68 p. [in Russian].
5. Prikaz Minenergo RF ot 30.06.2003 № 289 «Ob utverzhdenii Instruktsii po predot-vrashcheniyu i likvidatsii avarii v elektricheskoi chasti energosistem» [Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation dated June 30, 2003 No. 289 «On Approval of the Instructions for the Prevention and Elimination of Accidents in the Electrical Part of Power Systems»]. [in Russian].
6. Valeev I.M., Musaev T.A. Metodika rascheta rezhima raboty sistemy elektro-snabzheniya gorodskogo raiona [Calculating Methodology for the Operation Mode of the Power Supply System of an Urban Area]. Kazan, KNITU Publ., 2016. 132 p. [in Russian].
7. Yatsuk V., Mykyjchuk M., Bubela T. Ensuring the Measurement Efficiency in Dispersed Measuring Systems for Energy Objects. Studies in Systems, Decision and Control, 2019, pp. 131-149.
8. Bogdanov D., Farfan J., Sadovskaia K., Aghahosseini A., Child M., Gulagi A., Oyewo A.S., de Souza Noel Simas Barbosa L., Breyer C. Radical Transformation Pathway towards Sustainable Electricity via Evolutionary Steps. Nature Communications, 2019, No. 10 (1), pp. 1077-1080.
9. Khan S., Khan S., Ahmed G. Industrial Power Systems. Boca Raton, CRC Press, 2016. 488 p.
10. Titkov V.V., Khalilov F.Kh. Perenap-ryazheniya i molnizashchita [Surge and Lightning Protection]. Sankt-Peterburg, Izd-vo Sankt-Peterburgskogo politekhnicheskogo universiteta Petra Velikogo, 2017. 222 p. [in Russian].
11. Dalziel C.F., Lee W. Electricity and Power Supply. IEEE Spectrum, 2018, No. 2, pp. 44-50. [in Russian].
12. Dzhendubaev A.-Z.R., Aliev I.I. MATLAB, Simulink i SimPower Systems v
elektroenergetike: uchebnoeposobie [MATLAB, Simulink, and SimPower Systems in the Electric Power Industry: Training Manual]. Cherkessk, BITs SevKavGGTA, 2014. 136 p. [in Russian].
13. Neklepaev B.N., Kryuchkov I.P. Elektricheskaya chast' elektrostantsii i pod-stantsii. Spravochnye materialy dlya kursovogo i diplomnogo proektirovaniya: ucheb. posobie dlya vuzov [Electrical Part of Power Plants and Substations. Reference Materials for Course and Diploma Design: Training Manual for Universities]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2014. 608 p. [in Russian].
14. Chernykh I.V. Modelirovanie elektro-tekhnicheskikh ustroistv vMATLAB, SimPower-Systems i Simulink [Modeling electrical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press; Saint-Petersburg, Piter Publ., 2008. 288 p. [in Russian].
15. Dalziel C.F., Lee W. Electricity and Power Supply. IEEE Spectrum, 2018, No. 2, pp. 44-50.
16. Gerasimov A.I., Regeda V.V., Rege-da O.N. Modelirovanie v srede MATLAB-Simu-link [Modeling in the MATLAB-Simulink Environment]. Penza, PGU Publ., 2017. 111 p. [in Russian].
17. Power Supply Devices and Systems of Relay Protection [Electronic Resource]. URL: http://www.ebook777.com/power-supply-devices-systemsrelay-protection (assessed 15.05.2022).
18. Ul'yanov S.A. Elektromagnitnye pere-khodnye protsessy v elektricheskikh sistemakh [Electromagnetic Transients in Electrical Systems]. Moscow, Enas Publ., 2012. 519 p. [in Russian].
19. Tang Y. Voltage Stability Analysis of Power System. Singapore, Springer Singapore, 2021. 385 p.
20. Shvedov G.V. Elektrosnabzhenie gorodov: elektropotreblenie, raschetnye nag-ruzki, raspredelitel'nye seti [Power Supply of Cities: Power Consumption, Calculated Loads, Distribution Networks]. Moscow, Izdatel'skii dom MEI, 2012. 268 p. [in Russian].
21. Zhu Y. Power System Loads and Power System Stability. Springer International Publishing, 2021. 164 p.
22. Patel D., Chothani N. Digital Protective Schemes for Power Transformer. Singapore, Springer Singapore, 2020. 193 p.
