Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОДНОТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ

Абазоков И.А. 1 Белойванов М.С. 1 Притоманов В.В. 1
1 Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ
В работе рассмотрено построение модели однотрансформаторной подстанции в среде Matlab Simulink, прикладной библиотеке SymPowerSystems. Проведен расчет переходных процессов при коротких замыканиях, набросе и сбросе нагрузки, подключении асинхронного двигателя, а также трехфазном коротком замыкании. Трансформаторные подстанции являются основным звеном системы электроснабжения промышленных предприятий, гражданских объектов. В связи с этим моделирование переходных процессов, протекающих в этих подстанциях, является важной и актуальной задачей. Результаты моделирования позволят правильно выбрать оборудование, оценить влияние различных переходных процессов на качество электроснабжения, выбрать компенсирующие устройства и т.д. В работе рассмотрено построение и моделирование однотрансформаторной подстанции, как наиболее распространенной. Также в работе проанализирована применимость полученной модели в реальных условиях проектирования систем электроснабжения.
трансформатор
моделирование
трехфазное короткое замыкание
1. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин. –М.: : Высш. шк., 2001 г.
2. Черных, И В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – M: ДМК Пресс; Питер, 2008.
3. Дьяконов, В. П., Пеньков, А. А. MATLAB и Simulink в электроэнергетике. Справочник. – М: Горячая линия-Телеком, 2009.
4. Валюкевич Ю.А., Алепко А.В., Дубовсков В.В., Яковенко Д.М. Анализ влияния конструктивных параметров манипулятора с параллельной структурой на точность позиционирования схвата опубликована в журнале "Фундаментальные исследования" № 11 (часть 4) 2016, стр. 687-690.
5. Валюкевич Ю.А., Алепко А.В., Дубовсков В.В., Яковенко Д.М. Определение параметров движения схвата параллельного манипулятора с гибкими звеньями под действием на груз внешней возмущающей силы "Фундаментальные исследования" № 2 (часть 1) 2016, стр. 28-32.

Модель цеха показана на рисунке 1. Зададимся следующими параметрами подстанции:

1) Трехфазный источник напряжения [1]: первичное линейное напряжение – 10 кВ; частота напряжения – 50 Гц; соединение фаз обмотки источника – Yn.

2) Кабельная линия L_1 (блок Three-Phase Series RLC Branch): активное сопротивление – 0,2 Ом; индуктивность – 2,48Е-5 Гн.

3) В качестве трансформатора выберем трансформатор ТМ-1000, мощностью 1000кВА которые применяются для преобразования трехфазного электрического тока в электрических сетях переменного тока частотой 50 Гц.

Трансформаторы ТМ-1000 изготавливаются с естественным масляным охлаждением в корпусе с расширительным бачком. Выбор данной модели трансформатора обусловлен широким распространением и повсеместным использованием его в бытовых электрических сетях.

Основные технические характеристики трансформатора приведены в таблице 1:

Таблица 1. - Основные технические характеристики трансформатора


где:

S2Н — номинальная мощность трансформатора,

U1H- номинальное высшее напряжение,

U2H- номинальное низшее напряжение.

Рисунок 1 — Модель однотрансформаторной подстанции в програме Matlab Simulink

4) Блоки B2, B3, B4, B5 это блоки измерения трехфазных напряжений и токов (Three-Phase V-I Measurement).

5) Выключатель CB2 (блок Three-Phase Breaker): активное сопротивление – 0,00014 Ом; время отключения (Switching times (s):)– (10.5), т.е. при данном времени расчета (125/50) этот выключатель будет находиться в замкнутом состоянии, время отключения (Switching times (s):)– (10.5).

6) Выключатель CB3: активное сопротивление – 0,00041 Ом; время отключения – (10.5).

7) Кабельная линия L_3: активное сопротивление – 0,0032 Ом; индуктивность – 1,8Е-6 Гн.

8) Выключатель CB5: активное сопротивление – 0,00041 Ом; время включения и отключения (5/50 101/50), т.е. через пять периодов нагрузка по пункту 9 подключается к трансформатору, а через 101 период отключается, при этом отключается и ток короткого замыкания, который создается с помощью блока по пункту 10.

9) Последовательная трехфазная RLC нагрузка 260 kW 24 kVAr (блок Three-Phase Series RLC Load): активная мощность – 260 кВт; реактивная мощность индуктивного характера – 24 ВАр.

10) Блок Three-Phase Fault (Блок трехфазный замыканий) [2]: трехфазное короткое замыкание – отмечены флажками три фазы; установлено время короткого замыкания (100/50 1010/50); сопротивление дуги (Fault resistance Ron (Ohm):) – 0,001 Ом.

11) Выключатель СВ6: активное сопротивление – 0,0011Ом, подключает асинхронный двигатель через десять периодов – (10/50).

12) Параметры асинхронного двигателя:

Рисунок 2 — Параметры асинхронного двигателя

Nominal power, voltage (line-line), and frequency (Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz)) – номинальная активная мощность двигателя, линейное напряжение и частота.

Stator resistance and inductance (Rs(ohm) Lls(H)): – активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки статора.

Rotor resistance and inductance (Rr'(ohm) Llr'(H)): – приведенные к обмотке статора активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки ротора.

Mutual inductance Lm (H): – взаимная индуктивность обмоток, расположенных на статоре и роторе.

Inertia, friction factor, pole pairs (J(kg.m^2) F(N.m.s) p()): – момент инерции, коэффициент трения, число пар полюсов [3].

Initial conditions – начальные условия переменных (скольжение, электрический угол, амплитуды токов трех фаз статора, соответствующие фазы этих токов).

Simulate saturation – моделирование насыщения.

Plot – построение кривой намагничивания. Во вкладке Advanced (расширенный) предложена дискретная модель (Discrete solver model) и возможность выбора соответствующего метода расчета.

Рисунок 3- Конфигурация асинхронного двигателя.

-Preset model: (установленные модели). В выпадающем списке можно выбрать асинхронный двигатель для загрузки его параметров;

- Mechanical input: (механический вход). В зависимости от выбора на механический вход можно подать Torque Tm (момент), Speed w (скорость) или создать порт механического вращения, для взаимодействия с механическим валом библиотеки Simscape;

- Rotor type: (тип ротора). В выпадающем списке можно выбрать тип ротора: фазный, "беличья клетка" (короткозамкнутый ротор) или ротор с двойной "беличьей клеткой";

- Reference frame. Система координат, которая принимается в математической модели машины: неподвижная относительно ротора; неподвижная относительно статора, вращающаяся синхронно с полем.

13) Блок нагрузки 10W (Three-Phase Series RLC Load) необходим для корректной работы модели при отсутствии нагрузки в конце линии.

14) Выключатель СВ4 с активным сопротивлением 0,00025Ом подключает активно-индуктивную нагрузку (пункт 15) через семьдесят пять периодов– (75/50).

15) Кабельная линия L_4: активное сопротивление – 0,0016 Ом; индуктивность – 1.11Е-6 Гн.

16) Последовательная трехфазная RLC нагрузка 500 kW 270 kVAr (блок Three-Phase Series RLC Load): активная мощность – 500 кВт; реактивная мощность индуктивного характера – 270 Вар.

В данной модели время расчета составляет сто двадцать пять периодов 125/50. Выключатели СB2 и СB3 во время расчета находятся в замкнутом состоянии.

В модели задана следующая последовательность коммутаций выключателей и блока коротких замыканий:

1) пять периодов трансформатор работает на холостом ходу (5/50);

2) в момент времени (5/50) выключатель СB5 подключает активно- индуктивную нагрузку (блок 260 kW 24 kVAr);

3) через десять периодов (10/50) выключатель СB6 подключает асинхронный двигатель (Asynchronous Machine SI Units), мощностью 110 кВт;

4) через пятьдесят периодов (50/50) после разгона двигателя на холостом ходу на него набрасывают номинальную нагрузку (блок Step. Torque 706.4 (N.m));

5) через семьдесят пять периодов выключатель СB4 подключает ещё одну активно-индуктивную нагрузку (блок 500 kW 270 kVAr);

6) через сто периодов (100/50) с помощью блока Three-Phase Fault осуществляется трехфазное короткое замыкание;

7) через сто один период (101/50) выключатель СB5 отключает короткое замыкание и нагрузку.

На рисунке 4 представлены результаты расчета токов при моделировании перечисленных выше семи переходных процессов (с учетом холостого хода).

Рисунок 4 — Результаты расчетов при моделировании переходных процессов (моделирование токов)

 

Рисунок 5 - Положительная часть синусоидальных токов

Рисунок 6 - Результаты расчетов при моделировании переходных процессов (моделирование напряжений)

Рисунок 7 - Результаты расчетов при моделировании переходных процессов (моделирование токов асинхронного двигателя)

В связи с тем, что на этом рисунке показаны не только токи нагрузки, но и токи трехфазного короткого замыкания [4], увидеть особенности переходных процессов при набросе нагрузки можно только изменив масштаб. На рисунке 5 показана положительная часть синусоидальных кривых токов, которая дает представление о переходных процессах.

Изменение токов в трансформаторе приводит к соответствующим изменениям напряжений (Рисунок 6). Наибольшее снижение напряжения, если не считать короткое замыкание, наблюдается при пуске асинхронного двигателя. Следует отметить, что трехфазное короткое замыкание оказывает негативное влияние на асинхронный двигатель. В частности, наблюдаются токи, соизмеримые с пусковыми токами (рисунок 7) [5].

Результаты моделирования показывают, что Simulink позволяет качественно и количественно оценивать переходные процессы в однотрансформаторной подстанции, проводить расчет переходных процессов при коротких замыканиях, набросе и сбросе нагрузки, подключении асинхронного двигателя, трехфазном коротком замыкании. Это может упростить выбор оборудования, помочь оценить влияние различных переходных процессов на качество электроснабжения, выбрать компенсирующие устройства и улучшить понимание процессов, происходящих при коммутациях энергетических сетей в процессе обучения.


Библиографическая ссылка

Абазоков И.А., Белойванов М.С., Притоманов В.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОДНОТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 3.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17200 (дата обращения: 22.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074