Моделирование процесса саморазряда и измерения возвратного напряжения главной изоляции распределительных трансформаторов в приложении SimPowerSystems (SPS)

Семенов Дмитрий Александрович

УДК 621.314.222.6

Д. А. СЕМЕНОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА САМОРАЗРЯДА И ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗВРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ГЛАВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ПРИЛОЖЕНИИ SIMPOWERSYSTEMS (SPS)

Ключевые слова: возвратное напряжение, диагностика высоковольтной изоляции, заряд абсорбции, напряжение саморазряда, постоянные времени саморазряда, схема замещения корпусной изоляции трансформатора, ток абсорбции, SPS-модель.

Аннотация. Предложена SPS-модель, позволяющая имитировать процессы в реальной установке для измерения параметров трехслойной изоляции при заряде, саморазряде и при измерении возвратного напряжения. С помощью интегрированного пакета MATLAB (SimPowerSystems) исследованы процессы в неоднородной трехслойной изоляции при изменении параметров диагностического устройства.

Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из дополнительных библиотек Simulink, созданных для имитационного моделирования конкретных электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели активных и пассивных электротехнических элементов. Достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Это достигается тем, что блоки SimPowerSystemsлегко сопрягаются с обычными блоками Simulink и другими блоками и функциями системы MATLAB. Это позволяет упростить модель, повысить ее устойчивость и скорость работы [1, с. 43].

Для исследования процесса заряда и разряда изоляции в SimPowerSystems построим модель трехслойной изоляции, которая представлена на рис. 1, а на рис. 2 показаны параметры установленных значений.

Рисунок 1 - Модель трехслойной изоляции, построенная в SPS

в)

Рисунок 2 - Параметры установленных значений модели изоляции: а) - параметры 1-го слоя; б) - 2-го слоя; в) - 3-го слоя

Для измерения напряжения и тока воспользуемся измерителем напряжения и тока соответственно, схема соединения изображена на рис. 3.

а) б)

Рисунок 3 - Подключение измерителей: а) - напряжения; б) - тока

Для определения сопротивления изоляции используем блок divide, где делим один сигнал на другой, а именно U/i, и результат подадим на «осциллограф» (рис. 4).

Рисунок 4 - Подключение блока математической операции - деление

На рис. 5 приведена SPS-модель заряда и разряда трехслойной изоляции в интегрированном пакете MATLAB. Заряд модели изоляции осуществляется от источника постоянного напряжения (Series RLC Branch) через идеальный ключ (IdealSwitch), который управляется с помощью таймера, где в верхней строке задается время в секундах, а в нижней имитация включения - «1» и отключения - «0», параметры таймера (Timer) приведены на рис. 6 (а). Переключатель срабатывает после 60 сек., ключ размыкается, и на осциллографе будем наблюдать сумму напряжений UC1 и UC2 ииC3 [3, с. 120-130].

д

Rv

■AW

■+WV,

> g , m

■ 1 —і i—I'-’

Ideal Switch series RLC I Current

Branchl 5 Measurement

■■■I DC Voltage — Source

Series RLC Branch3 Series RLC Branch4

Voltage

Measurements

Series

RLC 5, Re Branch

Scopel

Рисунок 5 - SPS-модель заряда и разряда трехслойной изоляции

Для моделирования возвратного напряжения добавим сопротивление RP, через которое изоляция разряжается на «землю» и подсоединим его через переключатель (Ideal Switchl), который управляется таймером (Timerl), его параметры приведены на рис. 6 (б). А на рис. 7 представлены результаты этого моделирования.

(**ûj Source Block Parameters: Timerl

Ш

Timer (mask) (link)

Generates a signal changing at specified times.

If a signal value is not specified at time zero, the output is kept at 0 until the first specified transition time.

Parameters

Time (s):

[0 180 185]]

Amplitude:

[0 1 0]

OK | I Cancel

Help

Apply

а) б)

Рисунок 6 - Настройка таймеров

И Scope

g ® I o. 0 i "i

■5

в I—Г

J J J 1

г \ \ : i

- і і і i

lili

,r , i \lk Uci l Uc2 ■ Uc3

v Ш r,,\ ;

Ґ -

\ w

lili

R

Рисунок 7 - Г рафик изменения параметров заряда трехслойной изоляции от времени

Проведем анализ влияния сопротивления вольтметра на кривую заряда и разряда изоляции. Возьмем 5 значений Яу: 100 МОм, 1 ГОм, 10 ГОм, 50 ГОм и без Яу. Результаты анализа приведены на рис. 8.

Из рис. 8 видно, что при значениях Яу > 10 ГОм кривые совпадают, и процесс заряда идет так же, как и при отсутствии сопротивления Яу [2, с. 1-3].

3 Scope9

«0|<±i.gi|n^Fg 011

-4

x 10

і, А

2.5 2

1.5 1

0.5 0

и,В

2500 2000 1500 1000 500 о

•500 -1000

Ш Ш г

1 2 3,4,5

и ю R, Ом

2 5 4,5

\ 1

Mr 2 3,4,5 -

-

2

IIIÍII

Time offset: 0

120 t, с

Ucl

Uc2

~Üc3

Uc

Рисунок 8 - Влияние сопротивления вольтметра: 1 - 100 МОм; 2 - 1 ГОм; 3 - 10 ГОм; 4 - 50 ГОм; 5 - без учета Яу

Чтобы проанализировать влияние сопротивления разрядного резистора ЯР, установим следующие значения: 10 МОм, 5 МОм, 1 Мом, 10 кОм и 1 кОм. На рис. 9 приведены графики, отражающие зависимость 5 секундного разряда и возвратного напряжения от значения сопротивления разряда. Видно, что при ЯР = 1 МОм кривая возвратного напряжения проходит очень близко от кривой 1, которая соответствует 1 кОм.

Рисунок 9 - Зависимости 5-секундного разряда и возвратного напряжения от времени при различных значениях разрядного сопротивления: 1 - 1 кОм; 2 - 10 кОм; 3 - 1 МОм;

4-5 МОм; 5-10 Мом

Как видно из рис. 10 при разряде изоляции на «землю» через резистор с сопротивлением ЯР = 1МОм через 0,5 секунд напряжения на конденсаторах С!, С2 и С3 становятся такими же, как и при ЯР = 0. При разряде через сопротивление ЯР = 10 кОм влияние сопротивления разрядного резистора перестает сказываться уже менее чем через 0,2 секунды.

а)

б)

Я $саре8

еэ<§> ^(Цї. е й

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1°1 в-.ЦддП

исЗ, В

в)

О

-200

-400

-600

-800

■1000

! 1

1 3

V 4

IV ^

1 І і

180

181

182

183

184

185 І, С

Рисунок 10 - Зависимости от времени напряжений на конденсаторах первого (а), второго (б) и третьего (в) слоев трехслойной изоляции

Выводы

1. С помощью интегрированного пакета MATLAB (SimPower System) исследованы процессы в неоднородной трехслойной изоляции при изменении следующих параметров диагностического устройства: внутреннего сопротивления источника питания, сопротивления измерителя напряжения и сопротивления разрядного резистора. Определены предельно допустимые по метрологическим характеристикам устройства значения этих параметров.

2. Установлено, что в процессе заряда изоляции напряжение на конденсаторах отдельных слоев трехслойной изоляции может возрастать (слой с наибольшей емкостью) или убывать (слой с наименьшей емкостью) по экспоненциальному закону, а также изменяться по апериодическому закону (слой со средней емкостью).

3. Показано, что в процессе саморазряда трехслойной изоляции напряжение на слое с минимальной электрической емкостью при малом значении сопротивления измерителя напряжения может изменить свой знак и изменяться по апериодическому закону.

4. SPS-модель позволяет имитировать процессы в реальной установке для измерения параметров трехслойной изоляции при заряде, саморазряде и при измерении возвратного напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Демирчян, К. С., Бутырин П. А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей: Учеб.пособие для электр. и электроэнерг. спец. Вузов. / М.: Высш. шк., 1988. 335 с.

2. Пат. РФ № 119125. Устройство для контроля качества электрической изоляции/Серебряков А. С., Семенов Д. А., Степанов Б. С., Игнаткин Д. Н. Опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22. С. 1-3.

3. Серебряков, А. С. Анализ процессов при заряде неоднородной изоляции от источника постоянного напряжения. Актуальные проблемы электроэнергетики. / А. С. Серебряков, Д. А. Семенов. Материалы ХХХ научно-технической конференции. Н. Новгород, 2011. С. 120-130.

MODELING OF SELF-DISCHARGE PROCESS AND MEASUREMENT OF REFLEXIVE VOLTAGE OF THE MAIN ISOLATION OF DISTRIBUTING TRANSFORMERS IN SIMPOWERSYSTEMS (SPS) APPLICATION

Keywords: diagnosis of high voltage insulation , charge of absorption, absorption current, voltage of self-discharge , recurrent voltage, time constants of self-discharge, equivalent circuit of transformer isolation , SPS-model.

Annotation. The article describes an SPS- model allowing imitate the processes of a real setup for measuring of the three -layer insulation at a charge , and self-discharge when measuring reflexive voltage. With the help of an integrated package MATLAB (SimPowerSystems) authors investigated processes in an inhomogeneous three-layer insulation and the parameters of the diagnostic device . It showns as SPS- model to simulate processes in a real setting for measuring the three-layer insulation.

СЕМЕНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация», Россия, Княгинино, (xxxmy@mail.ru).

SEMENOV DMITRY ALEKSANDROVICH - senior lecturer of the chair «Electrification and Automation», Nizhniy Novgorod state engineering and economic institute, Russia, Knyaginino, (xxxmy@mail.ru).

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Семенов Дмитрий Александрович

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Семенов Дмитрий Александрович

MODELING OF SELF-DISCHARGE PROCESS AND MEASUREMENT OF REFLEXIVE VOLTAGE OF THE MAIN ISOLATION OF DISTRIBUTING TRANSFORMERS IN SIMPOWERSYSTEMS (SPS) APPLICATION