Проектирование релейной защиты понижающей подстанции с применением имитационного моделирования аварийного режима



Приведены результаты моделирования короткого замыкания на примере понижающей подстанции 110/10 кВ. Исследования на основе уточненного расчета короткого замыкания и математического моделирования на ЭВМ с применением системы Matlab — Simulink. Представлена модель подстанции и реализация и срабатывание выключателя в системы Matlab. Приведены временные диаграммы тока и напряжения во время короткого замыкания на высокой стороне.

Ключевые слова: моделирование подстанции 110/10 кВ, короткое замыкание, Matlab — Simulink

Для обеспечения устойчивой работы системы электроснабжения (СЭС) необходимо учитывать её сложность и характерные свойства как в нормальных, так и в переходных режимах. Для этого необходимо предъявлять повышенные требования к проектным разработкам, снижение потерь энергии и внедрение высоконадежного оборудования [1–3].

Для СЭС характерно единое построение рациональной схемы, выбора силовой и коммутационной аппаратуры, устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА) [4].

Устройства РЗиА, качество которых возрастает, влияют на надежность, устойчивость и качество СЭС в целом.

РЗиА представляет собой систему из отдельных устройств, которые позволят своевременно реагировать на аварийные режим, отключать поврежденные элементы СЭС и определения места аварии. Для своевременной фиксации превышения аварийных значений используется метод расчета «уставок» в каждом микропроцессорном устройстве [1].

Исследования в данной статье выполнены на основе уточненного расчета короткого замыкания и математического моделирования на ЭВМ с применением системы Matlab — Simulink.

Зная мощность системы, тип трансформаторов, двигателей, длины линий и типы микропроцессорных защит (табл. 1–3), представленные на рис. 1 выбрали [5–7]:

− отходящие линии;

− токи КЗ в точках указанных на рис. 1.

Заданные параметры системы иподстанции.

Мощность системы S_GН = 1900 МВА

Таблица 1

Паспортные данные выбранных линий

№ Линии	Тип линии			Длина линий, км
W1,W2	АС — 70/11	0,0753	0,109	30
W3,W8	ААШв-10- 3х70	0,155	0,0415	0,4
W4,W5,W6,W7	ААШв-10- 3х95	0,468	0,0396	0,5

Таблица 2

Выбранные трансформаторы

Трансформатор	Тип трансформатора
T1	ТДН-16000/110/10
T2	ТСЗ-400

Таблица 3

Выбранные двигатели М1 иМ2

Двигатель	Тип двигателя
M1, M2	АН-15–41–6

Выбрав основное электрооборудования по формулам ниже были получены максимальные трехфазные токи КЗ, с помощью уточненного расчета, в точках К₁-К₂ (табл. 4).

(1)

Таблица 4

Токи КЗ на стороне ВН

Ток КЗ	К-1	К-2	К-3	К-4	К-5
,кА	9,538	3,028	8,746	7,636	0,663

Рис. 1. Схема простой распределительной сети системы электроснабжения

По методическим расчетам микропроцессорных защит [8–9] были получены значения токов срабатывания: — токовых отсечек (без и с отстройкой по времени), — максимальной токовой защиты. С помощью полученных токов построили карту селективности моделируемой схемы.

Рис. 2. Карта селективности токовых защит

Выключатель реализован в виде отдельных элементов и представлен на рис. 3

Рис. 3. Реализация выключателя в программе Matlab

«Уставка» по времени реализована в блоке «TransportDelay», а «уставка» по току в виде константы, при достижении которой срабатывает блок «Switch» и отключает элемент сети.

Представим имитационное моделирование системы понижающей подстанции 110/10,5 кВ (в пакете программ Matlab, Simulink) (рис. 1). Для облегченного расчета рассчитаем половину системы.

Рассмотрим КЗ в точке К-1.

Рис. 4. Имитационная модель понижающей подстанции 110/10,5кВ

Получаем временные диаграммы тока и напряжения:

Рис. 5. Временная диаграмма тока полного времени моделирования

Рис. 6. Временная диаграмма напряжения полного времени моделирования

Рис. 7. Временная диаграмма тока в момент КЗ

Рис. 8. Временная диаграмма напряжения в момент КЗ

Рис. 9. Временная диаграмма тока в момент отключения Q1

Рис. 10. Временная диаграмма напряжения в момент отключения выключателя Q1

По временным диаграмма видно, что в момент КЗ (рис. 7) ток больше 3556,7 А, наступающий через одну секунды работы системы, идет «просадка» напряжения (рис. 8). Выключатель Q1 срабатывает через 1,2 секунды, срабатывает выдержка по времени, установлена в блоке «Transport Delay». Выключатель Q1 работает согласно карте селективности (рис. 2). Полученные данные совпадают с проведенными расчетами.

Предложенный вариант моделирования КЗ подходит для демонстрации и проверки расчетов на производстве и в учебном процессе.

Литература:

1. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие / А. А. Герасименко, В. Т. Федин. — Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. — 720 с.
2. Захаров О. Г. Цифровые устройства релейной защиты электродвигателей. Алгоритмы и уставки (Часть 1). — М.: НТФ «Энергопрогресс», 2012. — 82 с.
3. Захаров О. Г. Цифровые устройства релейной защиты электродвигателей. Алгоритмы и уставки (Часть 2). — М.: НТФ «Энергопрогресс», 2012. — 82 с.
4. Никитин К. И. Релейная защита систем электроснабжения: конспект лекций. Омск: ОмГТУ, 2006. — 116 с.
5. Скрипко В. К. «Выбор электрооборудования и релейной защиты внутризаводского электроснабжения промышленных предприятий»: Методические указания к курсовой работе. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. — 80 с.
6. «Справочник по проектированию электрических сетей» / под ред. Д. Л. Файбисовича. — 4-е издание, перераб. и доп. — М.: Энас, 2012. — 376 с.: ил.
7. Идельчик В. И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989, — 592 с.: ил.
8. ЗАО «Радиус Автоматика». Микропроцессорное устройство защиты трансформатора «Сириус-Т». Руководство по эксплуатации, паспорт. — М., 2013.
9. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие / А. А. Герасименко, В. Т. Федин. — Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. — 720 с.