Modelowanie zwarć doziemnych w sieciach SN za pomocą programu PSCAD/EMTDC

Transkrypt

1 Modelowanie zwarć doziemnych w sieciach SN za pomocą programu PSCAD/EMTDC Adam Smolarczyk Symulacja, czyli sztuczne odtwarzanie właściwości analizowanego zjawiska występującego w rzeczywistości jest jednym ze sposobów zrozumienia i wyjaśnienia zjawisk fizycznych. Do przeprowadzenia symulacji za pomocą odpowiedniego oprogramowania konieczne jest stworzenie modelu matematycznego symulowanego obiektu. Podczas analizy za pomocą programu symulacyjnego jest budowany model układu, na podstawie którego można wnioskować o wpływie symulowanych zakłóceń na zachowanie się zamodelowanego układu. Specjalistyczne programy symulacyjne są opracowane dla konkretnych dziedzin techniki, a ich stosowanie umożliwia dogłębną analizę rozpatrywanego problemu. Stwarza to ogromne możliwości badawcze, głównie przez wyeliminowanie konieczności budowy modeli fizycznych odwzorowujących badany układ. Wykorzystanie programów symulacyjnych umożliwia sprawdzenie wielu sytuacji i zjawisk, których pojawienie się w rzeczywistym obiekcie mogłoby spowodować znaczne problemy natury technicznej lub finansowej. Programy symulacyjne znalazły szerokie zastosowanie w elektroenergetyce. Umożliwiają one odwzorowanie całych systemów elektroenergetycznych lub ich wybranych fragmentów, pozwalają analizować problemy, takie jak: przepięcia łączeniowe, projektowanie i poprawność działania zabezpieczeń elektroenergetycznych i automatyk, awarie, jakość energii elektrycznej, sterowanie układów napędowych, sterowanie układów FACTS. Ponadto programy symulacyjne zwykle umożliwiają generowanie przebiegów sygnałów analogowych (prądy, napięcia), które (dzięki zapisowi w odpowiednim formacie) można wprowadzić do testerów mikroprocesorowych (podobnie jak przebiegi zarejestrowane w rzeczywistym systemie za pomocą rejestratorów zakłóceń). Pozwala to na przeprowadzanie testów urządzeń zabezpieczeniowych i układów automatyk, w celu sprawdzenia poprawności ich działania dla różnych zakłóceń lub konfiguracji systemu. Zwarcia doziemne w sieciach SN Sieci średnich napięć SN ze względu na sposób pracy punktu neutralnego [3-5] można podzielić na: sieci z izolowanym punktem neutralnym, sieci kompensowane, sieci kompensowane z automatyką AWSC, sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor. Dr inż. Adam Smolarczyk Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej Zwarcia doziemne są zakłóceniami najczęściej występującymi w sieciach tego typu. Jednocześnie stanowią one przyczynę większości zwarć międzyfazowych. Prawdopodobieństwo występowania zwarć jednofazowych (doziemnych) wynosi od 70 do 90% ogólnej liczby zwarć [3]. Znaczna część zwarć doziemnych jest spowodowana przyczynami o charakterze przemijającym (dotyczy to głównie sieci z liniami napowietrznymi, w których liczba doziemień spowodowanych przepięciami atmosferycznymi przekracza 50% ogólnej liczby zwarć). Zwarcia doziemne mają zazwyczaj charakter pośredni, w których połączenie przewodu fazowego z ziemią następuje przez rezystancję przejścia w punkcie doziemienia [4]. Z wymienionych wyżej powodów istotne jest niezawodne i selektywne wykrycie zwarć odziemnych, dokonywane przez zabezpieczenia ziemnozwarciowe. Aby mieć pewność, że tak się stanie, należy sprawdzać poprawność działania przekaźników elektroenergetycznych w przypadku różnego rodzaju zakłóceń (w tym zwarć łukowych i rozwijających się) dla różnych układów sieciowych. Jednym ze sposobów sprawdzania przekaźników jest modelowanie układów sieci (lub ich fragmentów) za pomocą programów symulacyjnych, generowanie specyficznych zakłóceń oraz zapisywanie próbek prądów i napięć w punkcie zabezpieczeniowym w odpowiednim formacie. Zapisane próbki prądów i napięć można później odtworzyć w testerach mikroprocesorowych, dzięki czemu może zostać sprawdzona poprawność działania funkcji zabezpieczeń ziemnozwarciowych przekaźników elektroenergetycznych. Charakterystyka programu PSCAD/EMTDC Program PSCAD/EMTDC jest przeznaczony głównie do modelowania sieci WN i układów przesyłu prądem stałym (zawierających układy energoelektroniczne) [7]. Jego część program PSCAD (Power Systems Computer Aided Design) został opracowany jako graficzny interfejs programu symulacyjnego EMTDC (Electromagnetic Transients Including DC). Pozwala on na zaprojektowanie obwodu elektrycznego, ustawienie odpowiednich parametrów oraz przeprowadzenie symulacji zjawisk zachodzących w zamodelowanym układzie. Zawarte w głównej bibliotece programu elementy służące do wyprowadzenia wyników symulacji, takie jak wykresy czy mierniki, pozwalają w łatwy sposób śledzić przebieg symulacji oraz interpretować jej wyniki. Program EMTDC odpowiada za cały proces obliczeniowy, w którym elementy systemu elektroenergetycznego zarówno do symulacji zjawisk o charakterze elektromagnetycznym, jak i elektromechanicznym są opisane za pomocą równań różniczkowych. Biblioteki programu PSCAD zawierają dużą liczbę elementów. Dodatkowo użytkownik może samodzielnie zbudować własny model elementu, o określonych parametrach. W programie PSCAD/ EMTDC jest dostępna główna biblioteka modeli Master Library (rys. 1), która standardowo obejmuje podbiblioteki elementów wymienione w tabeli. 12 Rok LXXV 2007 nr 6

2 Podbiblioteki biblioteki głównej Master Library programu PSCAD/EMTDC Rys. 1. Podbiblioteki biblioteki głównej Master Library programu PSCAD/EMTDC Elementy pasywne RLC (Passive) Źródła prądu/napięcia stałego i przemiennego (Sources) Transformatory (Transformers) Wyłączniki (Breakers) Elementy zwarciowe zwarciowniki (Faults) Linie napowietrzne (Tlines) Kable (Cables) Maszyny: synchroniczne indukcyjne prądu stałego (Machines) Elementy zabezpieczeniowe (Relays) Elementy energoelektroniczne (HVDC&FACTS) Przyrządy pomiarowe (Meters) M odele analogowych i cyfrowych elementów sterujących (CSMF Continuous System Model, Digital and Analog Control Blocks) Elementy logiczne (Logical) Modele układów wejścia/wyjścia typu przełączniki, wykresy (I/O Devices) Elementy sekwencyjne (Sequencer) Elementy do łączenia między sobą różnych rodzajów modeli (Other) Najczęściej wykorzystywane elementy wszystkich podbibliotek podrzędnych (Single_line) Model sieci SN Mimo że program PSCAD/EMTDC jest przeznaczony głównie do modelowania sieci WN i układów przesyłu prądem stałym [7], z powodzeniem można go wykorzystać do modelowania sieci SN [8 10]. Stopień zaawansowania modelu układu w programie symulacyjnym powinien zależeć od doświadczenia wykonującego model. Programy symulacyjne nie należą do łatwych w obsłudze. Ważne jest, aby w pierwszym etapie modelowania układu używać prostych modeli elementów, np. do modelowania linii używać modeli czwórników typu PI lub elementów pasywnych R, L, C zamiast dokładnych (i zarazem dość skomplikowanych w konfiguracji) modeli linii napowietrznych i kabli znajdujących się w bibliotece programu PSCAD/EMTDC. Takie podejście znacznie ułatwia interpretację otrzymanych wyników symulacji. W artykule [8] opisano zamodelowane w programie PSCAD/ EMTDC układy sieci napowietrznej i kablowej. Są to układy uniwersalne, w których można symulować wszystkie rodzaje sieci SN ze względu na uziemienie punktu neutralnego. Istnieje w nich możliwość symulacji zwarć: doziemnych, międzyfazowych oraz międzyfazowych doziemnych. Dodatkowo można symulować zwarcia doziemne łukowe za pomocą modelu łuku opisanego w [9, 10]. Istnieje możliwość zapisania próbek napięć i prądów z punktów przekaźnikowych modelu w odpowiednich plikach (format COMTRA- DE), dzięki czemu można je później odtworzyć za pomocą testerów mikroprocesorowych i sprawdzić poprawność działania funkcji od zwarć doziemnych badanych przekaźników. Na rysunku 2 pokazano przykładowy model zasymulowanego układu sieci SN. Był on wykorzystywany do symulowania zwarć doziemnych, choć mógłby być z powodzeniem zastosowany do symulowania zwarć międzyfazowych i międzyfazowych doziemnych. Model przedstawia sieć napowietrzną SN. Podczas modelowania zaproponowano taki układ sieci, który pozwalałby na przedstawienie zmian wybranych wielkości fizycznych pojawiających się w momencie wystąpienia zwarć doziemnych. Przyjęto, że system elektroenergetyczny (SEE) jest reprezentowany przez idealne źródło napięcia, które poprzez transformator zasilający TZ zasila sieć SN. Do punktu gwiazdowego transformatora potrzeb własnych (TPW) można przyłączyć dławik kompensacyjny lub rezystor uziemiający. W przypadku sieci kompensowanej istnieje możliwość zasymulowania automatyki AWSC (krótkotrwałe załączenie rezystora uziemiającego). W przypadku odłączenia dławika kompensacyjnego i rezystora uziemiającego sieć może pracować z izolowanym punktem neutralnym. Założono, że linie L1, L2 (rys. 2) reprezentują linie o długościach odpowiednio 25 i 26 km, natomiast linia L3 reprezentuje pozostałą część sieci rozdzielczej SN. Do zamodelowania linii SN wykorzystano modele czwórników typu PI znajdujące się w bibliotece programu PSCAD/EMTDC [6]. Modele tego typu są zalecane przez producenta oprogramowania do symulacji krótkich linii w sieciach rozdzielczych. Ponadto ich zastosowanie pozwala stosunkowo łatwo zinterpretować wyniki symulacji. W każdej linii znajduje się model wyłącznika BR_L, którym można sterować ręcznie (wszystkie linie) lub za pomocą zamodelowanych zabezpieczeń (linie L1, L2). Do generowania różnych rodzajów zwarć o parametrach takich, jak: chwila wystąpienia zwarcia, czas trwania zwarcia czy rezystancja przejścia, służą podłączone do linii zwarciowniki FAULTS. Należy zaznaczyć, że na rysunku 2 przedstawiono tylko podstawowy schemat zamodelowanego układu sieci SN. Nie pokazano na nim takich elementów, jak: układy sterowania wyłącznikami, mierniki mierzonych wielkości analogowych, układy do prezentacji przebiegów sygnałów, rejestratory przebiegów do formatu COM- TRADE (RTP Recorders), zamodelowanych przekaźników, które są nieodłączną częścią modelu. W bibliotece głównej programu PSCAD/EMTDC dostępne są elementy, które można wykorzystać do tworzenia modeli przekaźników elektroenergetycznych. Dzięki temu można dość szybko zbudować układy zabezpieczeń i sprawdzić poprawność ich działania. Rok LXXV 2007 nr 6 13

3 Rys. 2. Schemat sieci SN napowietrznej zamodelowanej w programie PSCAD/EMTDC 14 Rok LXXV 2007 nr 6

4 Oczywiście, istnieje też możliwość tworzenia dokładnych modeli przekaźników elektroenergetycznych przy wykorzystaniu modeli elementów elektronicznych i logicznych, takich jak [11]: komparatory, układy czasowe, bramki logiczne, elementy pasywne, przerzutniki. W zamodelowanych w pracy [8] układach sieci SN odwzorowano i sprawdzono następujące funkcje zabezpieczeń od zwarć doziemnych: nadprądowe zerowe, kierunkowe kątowe (sinusowe, kosinusowe), admitancyjne, admitancyjno-konduktancyjne, konduktancyjne, admitancyjno-susceptancyjne. Podczas badań [8] sprawdzono poprawność działania zamodelowanych zabezpieczeń od zwarć doziemnych, zainstalowanych w liniach L1, L2. Przykładowe wyniki symulacji Badanie zamodelowanych sieci SN Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki symulacji zwarć doziemnych (zwarcie metaliczne typu A-E w połowie długości linii L1) na modelu sieci SN napowietrznej, z izolowanym punktem neutralnym, przedstawionym na rysunku 2. Na rysunku 3 przedstawiono przebiegi wartości chwilowych prądów i napięć fazowych w linii, w której wystąpiło zwarcie, natomiast na rysunku 4 pokazano przebiegi wartości chwilowych składowych zerowych w tej samej linii. Na obu rysunkach w ciągu pierwszych 30 ms od wystąpienia zakłócenia można zaobserwować krótkotrwałe zjawiska przejściowe, charakterystyczne dla zwarć doziemnych w sieciach SN [6]. Na rysunku 3a widać, że w momencie wystąpienia zwarcia napięcie w fazie zwartej U A jest równe 0, natomiast w pozostałych fazach: B i C osiąga wartość 3 razy większą od napięć fazowych. Jednocześnie pojawia się składowa zerowa napięcia 3U 0, co pokazano na rysunku 4a. Ponadto można zauważyć poprawny, znaczny wzrost prądu w fazie A (rys. 3b), a co za tym idzie pojawienie się składowej zerowej prądu 3I 0 (rys. 4a). Zaobserwować można również poprawne przesunięcie fazowe prądu 3I 0 względem napięcia 3U 0, bliskie 90 (rys. 4a). Rys. 4. Zwarcie metaliczne typu A-E w linii L1, przebiegi czasowe: a) składowa zerowa prądu 3I 0 i napięcia 3U 0 (przebieg napięcia przeskalowany), b) wartości chwilowe zerowych: admitancji Y 0, konduktancji G 0 i susceptancji B 0 Rys. 5. Charakterystyka rezystancji przejścia U K = f (I K ) zamodelowanego łuku elektrycznego I K prąd zwarcia, U K napięcie zamodelowanego łuku Rys. 3. Zwarcie metaliczne typu A-E w linii L1, przebiegi czasowe: a) napięć fazowych na szynach stacji, b) prądów fazowych linii L1 Otrzymane wyniki symulacyjne wartości prądów i napięć potwierdziły obliczenia teoretyczne przeprowadzone w [8]. Dodatkowo na rysunku 4b pokazano przebiegi czasowe zerowych: admitancji Y 0, konduktancji G 0 i susceptancji B 0. Jak można zauważyć, zmiany wartości chwilowej konduktancji zerowej są niewielkie w porównaniu ze zmianami susceptancji zerowej, co świadczy o pojemnościowym charakterze sieci podczas zakłócenia. Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono przykładowe wyniki symulacji zwarć doziemnych (zwarcie łukowe typu A-E w połowie długości linii L1) na modelu sieci SN napowietrznej z izolowanym punktem neutralnym przedstawionym na rysunku 2. Wykorzystany model łuku, którego charakterystykę przedstawiono na rysunku 5, zaczerpnięto z [9, 10], natomiast schemat przyłączenia modelu łuku do zwarciownika w linii L1 i mechanizm zapłonu łuku w zamodelowanym układzie sieci SN na rysunku 6. Rok LXXV 2007 nr 6 15

5 Rys. 6. Model nieliniowej rezystancji przejścia łuku elektrycznego: a) schemat przyłączenia modelu łuku do zwarciownika w linii L1, b) realizacja napięciowego mechanizmu zapłonu łuku Rys. 7. Zwarcie łukowe typu A-E w linii L1, przebiegi czasowe: a) prądu zwarcia I K, b) napięcia U K zamodelowanego łuku Na rysunku 7 przedstawiono przebiegi wartości chwilowych prądu w miejscu zwarcia I K i napięcia łuku U K. Jak widać, w prądzie i napięciu pojawiają się silne nieliniowości. Obliczony całkowity współczynnik odkształcenia prądu zwarciowego I K harmonicznymi THD I (określony jako stosunek wartości skutecznej wszystkich harmonicznych do wartości skutecznej podstawowej harmonicznej) wyniósł ok. 40% [8]. Świadczy to o bardzo dużej nieliniowości przebiegu prądu zwarciowego. Tak duża zawartość harmonicznych powoduje odkształcenie napięć i prądów w sieci. Na rysunku 8 pokazano zniekształcenia, jakim uległy prąd i napięcie w fazie, w której wystąpiło zwarcie (faza A). Sprawdzenie poprawności działania funkcji zabezpieczeń od zwarć doziemnych W programie PSCAD/EMTDC istnieje możliwość modelowania przekaźników elektroenergetycznych (w tym ich funkcji zabezpieczeniowych i automatyk). W pracy [8] opisano zamodelowane układy funkcji zabezpieczeń od zwarć doziemnych oraz przedstawiono wyniki poprawności ich działania w różnych rodzajach sieci SN, ze względu na uziemienie punktu neutralnego. Jeden ze sposobów realizacji zabezpieczenia admitancyjno-susceptancyjnego YB 0 > w programie PSCAD/EMTDC, reagującego na składową bierną admitancji zerowej o charakterystyce jak na rys. 9, przedstawiono na rys. 10, gdzie pokazano sposób sprawdzania warunków kryterialnych związanych z nastawami U 0r, Y 0r, B 0r odpowiedzialnymi za realizację charakterystyki z rys. 9. Rys. 8. Zwarcie łukowe typu A-E w linii L1, przebiegi czasowe: a) napięć fazowych na szynach stacji, b) prądów fazowych linii L1 Rys. 9. Charakterystyka zabezpieczenia admitancyjno- -susceptancyjnego YB 0 > 16 Rok LXXV 2007 nr 6

6 Rys. 10. Układ odwzorowujący zamodelowane zabezpieczenie admitancyjno-susceptancyjne YB 0 > a) b) Rys. 11. Zwarcie metaliczne typu A-E w linii L1, zmiany wektora Y 0 na płaszczyźnie B 0 = f (G 0 ): a) linia L1, b) linia L2 1 stan przed zwarciem, 2 stan po zwarciu: +y = B 0, +x = G 0 Na rysunku 11 przedstawiono przykładowe wyniki zmian wektora admitancji zerowej Y 0 na płaszczyźnie B 0 = f (G 0 ) w przypadku symulacji zwarcia doziemnego (zwarcie metaliczne typu A-E w połowie długości linii L1) na modelu sieci SN napowietrznej (z izolowanym punktem neutralnym) przedstawionym na rysunku 2. Pokazano zmiany wektora Y 0 w stosunku do charakterystyki działania funkcji zabezpieczenia admitancyjno-susceptancyjnego YB 0 > (obszar działania zabezpieczenia znajduje się na zewnątrz krzywej). Jak widać, przed zwarciem admitancja Y 0 poprawnie znajduje się wewnątrz charakterystyki zabezpieczenia zarówno dla linii L1, jak i dla linii L2 (oznaczenie 1 na rysunku). W przypadku zwarcia w linii L1, wektor Y 0 dla zabezpieczenia w linii L1 przemieszcza się na zewnątrz charakterystyki działania, natomiast w przypadku linii L2 pozostaje wewnątrz charakterystyki działania zabezpieczenia (oznaczenie 2 na rysunku chwilowe wyjście wektora Y 0 na zewnątrz charakterystyki działania wynika ze stanu nieustalonego, który pojawia się po zwarciu). Podsumowanie W artykule opisano sposób wykorzystania programu symulacyjnego PSCAD/EMTDC do modelowania zwarć doziemnych w sieciach SN. Przedstawiono przykładową sieć SN zamodelowaną w programie oraz wybrane wyniki przeprowadzonych symulacji. Dodatkowo podano przykładowe wyniki sprawdzenia poprawności działania wybranych zabezpieczeń od zwarć doziemnych w sieciach SN. Na podstawie przedstawionych wyników symulacji można stwierdzić, że program PSCAD/EMTDC z powodzeniem może być wykorzystany do modelowania sieci rozdzielczych SN, występujących w nich zakłóceń oraz zabezpieczeń przed ich skutkami. Dzięki temu może on być także przydatny do analizy zakłóceń występujących w sieciach SN oraz do badania zabezpieczeń przekaźników elektroenergetycznych od zwarć doziemnych w tych sieciach. LITERATURA [1] Machowski J. i in.: Laboratorium cyfrowej elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2003 [2] Kujszczyk Sz.: Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze. T. 1, t. 2, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2004 [3] Synal B., Rojewski W., Dzierżaniowski W.: Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa. Podstawy. Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2003 [4] Żydanowicz J.: Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa. T. 1, t. 2, WNT, Warszawa 1979, 1985 [5] Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 2004 [6] System pomocy programu PSCAD/EMTDC w wersji [7] HVDC Research Centre, 2006 [8] Mazur M.: Wykorzystanie programu PSCAD/EMTDC do modelowania zwarć doziemnych w sieciach średniego napięcia i zabezpieczeń przed ich skutkami. Praca dyplomowa. Instytut Elektroenergetyki PW, Warszawa 2006 [9] Marciniak L., Pavlova-Marciniak I.: Identification of arc ground faults in medium voltage networks. MEPS 02, Wrocław, 2002 [10] Marciniak L., Pavlova-Marciniak I.: Stany przejściowe w kompensowanych sieciach średnich napięć podczas zwarć łukowych, X Międzynarodowa Konferencja Naukowa APE 01, Gdańsk-Jurata 2001 [11] Marciniak L., Pavlova-Marciniak I.: Wyniki badań symulacyjnych zabezpieczeń zamodelowanych w programie PSCAD. Automatyka Elektroenergetyczna 2004 nr 1 Rok LXXV 2007 nr 6 17