Короткое замыкание в энергосистеме

В данном уроке приведено описание простых шагов по моделированию короткого замыкания (КЗ) в трёхфазной одномашинной энергосистеме.

В данном уроке рассматривается задача, в которой осуществляется моделирование КЗ в энергосистеме с номинальным напряжением 220 [кВ]. Данный энергорайон включает в себя трёхфазный источник напряжения, ЛЭП и нагрузку. В результате расчета требуется определить ударное значение тока в фазе A после возникновения КЗ.

1.  Создание и настройка проекта

Для начала требуется создать новый проект и присвоить ему название, например, КЗ в энергосистеме.

На следующем шаге нужно произвести следующие настройки (см. рис. 1 ниже):

Настройка	Значение
1.Синхронизация с реальным временем	Отключить
2. Время моделирования	0.1 [с]
3. Шаг интегрирования	0.05 [мс]
4. Шаг дискретизации	0.05 [мс]

Рис. 1 Настройка проекта

Примечание

Отключаем параметр, чтобы была возможность устанавливать время моделирования < 1[с]

Важно

В REPEAT VISION десятичные числа задаются через точку.

Приступим к выполнению основных шагов по созданию цепи, открыв библиотеку Электроника.

2.  Создание трёхфазного источника напряжения

Добавим блок №1 нашей цепи, для этого перенесем на рабочую область блок Трёхфазный источник напряжения.

Примечание

Этот блок представляет собой эквивалент энергосистемы, питающей данный энергорайон.

В свойствах блока №1 укажем (см. рис. 2 ниже):

Свойство	Значение
1. Номинальное линейное напряжение источника	230000 [В]
2. Внутреннее сопротивление фазы источника	1 [Ом]
3. Внутренняя индуктивность фазы источника	0.001 [Гн]

Рис. 2 Свойства блока №1

3.  Создание ЛЭП 220 [кВ]

Для моделирования ЛЭП 220 [кВ], которая предназначена для передачи электрической энергии и мощности к нагрузке, переносим блок №2 Трёхфазное последовательное сопротивление на рабочую область, зададим ему следующие свойства, а затем размещаем и соединяем блоки в соответствии с рис. 3 ниже.

Свойство	Значение
1. Используемые элементы	RL
2. Активное сопротивление фазы	18.15 [Ом]
3. Индуктивность фазы	0.208 [Гн]

Рис. 3 Свойства блока №2 и его подключение в схему

Примечание

Приведенные параметры рассчитаны на основе расчётных параметров провода АС 240/32 [1] при длине ЛЭП 150 [км].

4.  Добавление узлов

Для возможности подключения нулевого потенциала источника напряжения и моделирования КЗ в конце линии добавим блок №3 Узел , для этого необходимо перенести одноимённый блок №3 на рабочую поверхность. Таких блоков нам понадобится 5, поэтому воспользуемся одним из способов их добавления:

Классический перенос блока из библиотеки слева

Для этого необходимо перетащить блок №4 на рабочую область.

Копирование блока, расположенного на рабочей области

Для этого необходимо:

1. Выделить блок №3 ЛКМ;

2. Нажать сочетания кнопок CTRL+C и CTRL+V.

• Для блоков №3-6, которые подключаются к блокам №1 и №2 Трёхфазный источник напряжения иТрёхфазное последовательное сопротивление, необходимо указать значение свойства Количество выходных портов - 2.

• Для блока №7, необходимого для создания КЗ, задаём значение свойства Количество входных портов - 3 и поворачиваем его на 90⁰ против часовой стрелки.

Размещаем и соединяем блоки в соответствии с рис. 4:

Рис. 4 Свойства блоков №3-7 и их подключение в схему

5.  Создание нагрузки

Для задания нагрузки со схемой соединения «звезда» на напряжении 220 [кВ] добавим блок №8 Трёхфазная последовательная нагрузка, соединённая звездой. Переносим одноимённый блок №8 на рабочую поверхность, в его свойствах укажем:

Свойство	Значение
1. Используемые элементы	RL
2. Номинальное линейное напряжение	220e3 [В]
3. Трехфазная активная мощность	40e6 [Вт]
4. Индуктивная мощность	30e6 [ВАр]

Затем размещаем и соединяем блок в соответствии с рис. 5:

Рис. 5 Свойства блока №8 и его подключение в схему

6.  Добавление нулевого потенциала

Переносим одноимённый блок №9 Нулевой потенциал на рабочую область для заземления нулевых выводов источника напряжения и нагрузки на напряжении 220 [кВ], задания однофазного КЗ.

Нам понадобится три таких блока, для этого воспользуемся одним из способов, описанных выше.

Подключаем их к выходам блока №6, блока №8 и блока №7. Размещаем и соединяем блоки в соответствии с рис. 6:

Рис. 6 Присоединение блоков №9-11

7.  Добавление датчиков

Для отображения сигналов напряжения фаз нагрузки и тока в линии добавим на рабочую область блоки №12-17 Датчик.

• В свойствах блоков №12-14 укажем (см. рис. 7 ниже):

блок №12

1. Блок - Трёхфазное последовательное сопротивление;

2. Параметр - Ток фазы А, А.

блок №13

1. Блок - Трёхфазное последовательное сопротивление;

2. Параметр - Ток фазы B, А.

блок №14

1. Блок - Трёхфазное последовательное сопротивление;

2. Параметр - Ток фазы C, А.

• В свойствах блоков №15-17 укажем:

блок №15

1. Блок - Трёхфазная последовательная нагрузка, соединённая звездой;

2. Параметр - Напряжение фазы А, В;

3. Коэффициент усиления - 1e-3.

блок №16

1. Блок - Трёхфазная последовательная нагрузка, соединённая звездой;

2. Параметр - Напряжение фазы B, В;

3. Коэффициент усиления - 1e-3.

блок №17

1. Блок - Трёхфазная последовательная нагрузка, соединённая звездой;

2. Параметр - Напряжение фазы C, В;

3. Коэффициент усиления - 1e-3.

Примечание

Задание коэффициента усиления 1e-3 позволит получить на графиках напряжение в [кВ], что упростит восприятие результатов и ускорит их анализ.

Рис. 7 Свойства блоков №12-17

Размещаем блоки в соответствии с рис. 8 :

Рис. 8 Подключение датчиков

8.  Добавляем графики для визуализации

1. Переходим во вкладку Визуализация (см. рис. 9 ниже);

2. Добавляем два графика, дважды нажав на кнопку Добавить, расположенную в правом нижнем углу.

Рис. 9 Визуализация

Затем необходимо выполнить по четыре шага для добавления каждого графика (см. рис. 10 ниже):

1. Добавляем один график для вывода сигнала блоков №12-14;

2. Добавим второй график для вывода сигнала блоков №15-17.

Рис. 10 Добавление графиков

9.  Моделирование однофазного КЗ

Для моделирования однофазного КЗ необходимо добавить на рабочую область следующие блоки:

• блок №18 Идеальный ключ для соединения токоведущих частей с землёй (при междуфазном КЗ – друг с другом);

• блок №19 Постоянно-кусочная функция для управления блоком.

Выключим свойство Учёт демпферной цепи для блока №18 (см. рис. 11 ниже):

Примечание

С помощью изменения сопротивления ключа в замкнутом состоянии можно менять сопротивление в месте КЗ, что будет влиять на величину тока и напряжения при КЗ.

Рис. 11 Свойства блока №18

Укажем следующие свойства для блока №19 (см. рис. 12 ниже):

Свойство	Значение
1. Вектор аргументов времени	0; 0.04 [с]
2. Вектор значений функции	0; 1
3. Периодичность	отключена

Рис. 12 Свойства блока №19

Расположите и соедините блок №18 и блок №19 в соответствии с рис. 13 для моделирования однофазного КЗ в фазе A :

Рис. 13 Присоединение блоков №18 и №19

Запустите расчёт кнопкой «Запустить моделирование»

Расчёт должен успешно завершиться следующим сообщением:

Расчет остановлен со стороны решателя. Достигнут лимит модельного времени.

На созданных ранее графиках теперь должны отобразиться результаты расчётов, которые приведены на рис. 14, рис. 15:

Рис. 14 График 1

Рис. 15 График 2

Примечание

Из полученных осциллограмм находим ударное значение тока в фазе A (максимальное мгновенное значение) при однофазном КЗ – 3853 [А].

10.  Моделирование двухфазного КЗ

Для моделирования двухфазного КЗ необходимо:

1. Скопировать ранее созданные блок №18 и блок №19;

2. Соединить «+» блока №20 с выходом блока №4.

Подсказка

Для удобства отображения можно повернуть блок №21 на 90⁰ против часовой стрелки.

Подсказка

блок №20 - это копия блока №18, а блок №21 - это копия блока №19.

3. Также необходимо отключить связь с землёй (удалить связь между блоком №7 и блоком №10), т.к. в этом виде КЗ фазы замыкаются только друг на друга.

Расположите и соедините блок №20 и блок №21 в соответствии с рис. 16:

Рис. 16 Присоединение блоков №20 и №21

Аналогично предыдущему пункту, запускаем моделирование. В визуализации появятся графики тока и напряжения в сети при двухфазном КЗ, которые приведены на рис. 17 и рис. 18:

Рис. 17 График 1 (двухфазное КЗ)

Рис. 18 График 2 (двухфазное КЗ)

Примечание

Из полученных осциллограмм находим значение ударного тока в фазе A при двухфазном КЗ – 3253 [А].

11.  Моделирование трёхфазного КЗ

Для моделирования трёхфазного КЗ необходимо:

1. Скопировать ранее созданные блок №18 и блок №19;

2. Соединить «+» блока №22 с выходом блока №5.

Подсказка

Для удобства отображения можно повернуть блок №23 на 90⁰ против часовой стрелки.

Подсказка

блок №22 - это копия блока №18, а блок №23 - это копия блока №19.

Расположите и соедините блок №22 и блок №23 в соответствии с рис. 19:

Рис. 19 Присоединение блоков №22 и №23

Аналогично пункту 9, запускаем моделирование. В визуализации появятся графики тока и напряжения в сети при трёхфазном КЗ, которые приведены на рис. 20 и рис. 21:

Рис. 20 График 1 (трёхфазное КЗ)

Рис. 21 График 2 (трёхфазное КЗ)

Примечание

Из полученных осциллограмм находим значение ударного тока в фазе A при трёхфазном КЗ – 3853 [А].

Подсказка

Для того, чтобы не загромождать схему, можно создать группу с блоками для моделирования КЗ. Для этого необходимо выполнить следующие шаги:

1. Выделить блоки №7, №10, №18, №20, №22 и блоки №19, №21, №23, зажав кнопку SHIFT, предварительно соединив блоки №7 и №10, чтобы избежать создания лишних входных и выходных портов, рис. 22:

Рис. 22 Выделение блоков

2. Вызвать контекстное меню с помощью ПКМ и выбрать Создать группу, рис. 23:

Рис. 23 Создание группы

3. Полученную группу можно поворачивать для удобства, изменить имя (щёлкнув два раза по элементу Группа [7]), а также добавить свойства (например, параметры блока Постоянно-кусочная функция и блока Идеальный ключ), рис. 24:

Рис. 24 Работа с группой

4. Вы также можете попасть внутрь группы с помощью двойного щелчка ЛКМ, чтобы удалить/ добавить блоки/ связи между блоками.

12.  Анализ результатов расчёта

Результаты моделирования соответствуют теоретическим зависимостям – при КЗ в сети наблюдается кратное увеличение тока и снижение напряжения в повреждённой фазе. Значение ударного тока для фазы A при двухфазном КЗ оказалось меньше, чем при других видах КЗ, а напряжения повреждённых фаз равны между собой и не равны 0, что также соответствует теории.

13.  Выводы

В результате выполнения данного урока вы получили базовые знания для моделирования различных видов КЗ в энергосистеме. Вы научились:

• задавать параметры блоков Трёхфазный источник напряжения; Трёхфазное последовательное сопротивление; Трёхфазная последовательная нагрузка, соединенная звездой; Идеальный ключ; Постоянно-кусочная функция;

• использовать блок Постоянно-кусочная функция для управления блоком Идеальный ключ;

• использовать блок Датчик для отображения сигналов блоков;

• использовать блоки Идеальный ключ, Постоянно-кусочная функция, Узел, Нулевой потенциал для моделирования однофазного, двухфазного и трёхфазного КЗ.

14.  Источники

---

[1]

Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.: ил.