qgsjxmfs
.pdf
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Симулятор RTDS предназначен для моделирования различных типов силовых трансформаторов. Доступны модели идеального, линейного, насыщающегося трансформаторов с двумя и тремя обмотками и автотрансформаторов. Соединение обмоток трансформатора выбирается для каждой модели. Также может использоваться РПН.
В данном уроке используется модель двухобмоточного трансформатора с насыщением и гистерезисом, с соединением обмоток по схеме звезда-звезда (далее "Y-Y"). Будет показан бросок тока намагничивания трансформатора.
При включении трансформатора его сердечник входит в насыщение. Это приводит к возникновению больших токов, которые называются бросками тока намагничивания в трансформаторе. Такие токи представляют особый интерес, поскольку теоретически могут вызвать повреждение трансформатора и привести к снижению качества электрической энергии в системе.
В дополнение к применению модели трансформатора, в данной главе рассматриваются блоки управления для выполнения операций с КЗ и выключателем, компонент иерархической структуры и функция построения графика RunTime в координатах X−Y.
3.1ПРИМЕР СХЕМЫ
На рисунке ниже представлена модель двухобмоточного силового трансформатора в биб-
лиотеке RSCAD/Draft.
Силовой трансформатор в однолинейном и трехфазном виде
На рисунке 3.1 приведена схема для иллюстрации принципа работы трансформатора. Схема создана в однолинейном режиме отображения.
RTDS |
3-1 |
|
|
Рисунок 3.1 - Пример схемы
Схема включает в себя источник с эквивалентным полным сопротивлением системы 0.5680 Ом и номинальным напряжением 13.8 кВ. Для иллюстрации работы модели трансформатора в схему добавлен выключатель. Трансформатор подключен к активной нагрузке 1 о.е. Элементы управления для воздействия на выключатель помещены в иерархическую структуру в виде бокса “BREAKER OPERATION” и рассматриваются ниже.
ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Параметры трансформатора, используемые в данном уроке:
модель трансформатора с насыщением с включением обмоток Y−Y;
номинальная мощность трансформатора (Transformer rating): 100 МВА;
номинальная частота (Base Frequency): 60 Гц;
индуктивность рассеяния (Leakage Inductance): 0.1о.е.;
потери холостого хода (No load losses): 0.01 о.е.;
Примечание – Активное сопротивление обмоток не включено в модель трансформатора. Учет потерь холостого хода обеспечивается за счет включения активного сопротивления на землю в узлах подключения обмоток.
первичное напряжение (Primary Voltage): 13.8 кВ, линейное (L−L), действующее
(RMS);
вторичное напряжение (Secondary Voltage): 230.0 кВ (L−L RMS).
параметры насыщения (Saturation Data) – определяют характеристику намагничивания сердечника трансформатора и приведены на рисунке 3.2;
реактивное сопротивление воздушного сердечника (Air Core Reactance): 0.2 о.е.;
постоянная времени рассеивания (Leakage Integrator time constant): 10.0 с;
напряжение в точке перегиба (Knee Voltage): 1.25 о.е.;
ширина петли гистерезиса (Loop Width): 30 % (определяет потери в сердечнике,
RTDS |
3-2 |
|
|
которые возникают вследствие гистерезиса и вихревых токов). |
|
S |
|
LA |
|
K |
LS |
|
|
М |
|
IM |
IS |
|
|
LA = реактивное сопротивление воздушного сердечника |
|
K = поток в точке перегиба |
|
IM = ток намагничивания, при напряжение 1 о.е. |
|
M = поток при напряжение 1 о.е. |
|
Рисунок 3.2 - Характеристика намагничивания
Номинальный магнитный поток в точке перегиба кривой намагничивания можно рассчитать при помощи уравнений 3.1 и 3.2.
(3.1)
(3.2)
где, K – напряжение насыщения в относительных единицах.
Во время моделирования нас интересуют такие характеристики трансформатора, как магнитный поток и ток намагничивания. Чтобы проконтролировать данные величины в RunTime, на схеме Draft компонента Трансформатор необходимо определить имена сигналов. Для ввода имен сигналов требуется сделать следующее:
Выбрать вкладку управления мониторингом FLUX & MAGN CURRENT MONITORING в параметрах трансформатора;
Выбрать сигнал ’Yes’ для контроля магнитного потока и тока намагничивания;
Выбрать вкладку FLUX & MAGN CURRENT NAMES;
Ввести имена для сигналов магнитного потока и тока намагничивания. В этом уроке мы использовали имена FLUXA,FLUXB,FLUXC и IMAGA, IMAGB и
IMAGC.
RTDS |
3-3 |
|
|
ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
Чтобы продемонстрировать появление броска тока намагничивания в трансформаторе, необходимо отключить, а затем включить выключатель, расположенный на первичной стороне. Отключение выключателя снимает возбуждение, и в сердечнике трансформатора остается остаточный магнитный поток. При последующем включении трансформатора вследствие замыкания выключателя возникнет бросок тока намагничивания. Интенсивность таких бросков зависит от фазы напряжения, в которой замкнется выключатель, и от остаточного магнитного потока.
Ситуация, при которой наблюдаются максимальные броски тока намагничивания, так называемый «наихудший случай», возникает, когда выключатель включается в момент перехода напряжения через ноль, а наведенный магнитный поток имеет одинаковую полярность со смещением. Смещение возникает вследствие остаточного магнитного потока. Схема управления, используемая для описанного воздействия на выключатель, показан на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - Схема управления выключателем
Компоненты управления, о которых говорится в данном разделе, могут помещаться в компоненте иерархической структуры. Этот компонент используется для разделения принципиальной схемы на несколько блоков. По умолчанию компонент иерархической структуры появляется во вкладке библиотеки энергосистемы, как показано ниже.
Компонент иерархической структуры
По двойному клику по компоненту иерархической структуры открывается окно, в котором пользователь может помещать компоненты и создавать схему. Цвет и описание компонента иерархической структуры можно изменять. Компонент можно растянуть, чтобы
RTDS |
3-4 |
|
|
изменить размер окна иерархической структуры. При необходимости можно задать изображение, которое будет отображаться на месте компонента иерархической структуры в режиме Draft. Для открытия окна заданий параметров компонента иерархической структуры вызовите меню по клику правой кнопки "мыши" и выберите пункт Edit/Parameters.
Контроллер управления создается следующим образом:
открывается вкладка библиотеки элементов управления Controls;
элементы управления копированием и вставкой переносятся в окно иерархической структуры.
Вбиблиотеке элементов управления все элементы сгруппированы по их функциям. Детектор перехода через нулевой уровень находится в группе обработки сигналов (“Signal Processing”), логический элемент "И" и триггер задания и сброса – в группе логических функций (“Logic Functions”), генератор импульсов – в группе “Signal Generators”, а элемент умножителя – в группе математических функций (“Math Functions”).
Имеются две кнопки для включения и отключения выключателя. Выключатель отключается, когда ток переходит через нулевой уровень в прямом направлении, и нажата кнопка BKOPEN на панели RunTime. Это делается для того, чтобы убедиться в том, что остаточный магнитный поток заканчивается положительным смещением. Аналогичным образом выключатель включается, когда сигнал напряжения N1 проходит через ноль в прямом направлении и при нажатой кнопке BRKCLOSE на панели RunTime. Включение напряжения в точке на кривой контролируется ползунком POW. Точка на кривой вводится в
градусах, данное значение преобразуется в значение времени при помощи элемента умножителя со значением 0.000463 (т.е. входное значение в градусах / 360 * T). Два генератора импульсов, подключенные на вход “Set” триггера задания и сброса, обеспечивают выдержку времени, необходимую для управления точкой на кривой.
Имя маркировки провода на выходе триггера задания и сброса должно соответствовать имени сигнала, вводимому в компонент выключателя. Это же имя сигнала должно вводиться для всех трех фаз, и все фазы должны задаваться на срабатывание по биту 1, как показано на рисунке.
RTDS |
3-5 |
|
|
ПОТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ
Уровень напряжения и тип шины может задаваться для каждой шины до запуска программы расчета потокораспределения. Данная информация задается в компоненте маркировки шины и может вводиться следующим образом.
BUS 1 − 13.8 кВ балансирующий (базисный) узел
BUS 2 − 13.8В шина нагрузки
BUS 3 − 230.0 кВ шина нагрузки
После ввода данных схемы необходимо запустить программу расчета потокораспределения:
выбрать кнопку расчета потокораспределения на панели инструментов
RSCAD/Draft;
Кнопка запуска расчета потокораспределения
задать частоту системы 60 Гц и предел допустимой погрешности 0.01 МВА. Амплитуда напряжения на источнике и фаза инициализируются программой расчета потокораспределения для потока мощности 100 МВт на нагрузку 529.0 Ом.
3.2ЗАПУСК МОДЕЛИРОВАНИЯ
Сразу после ввода всех данных и компиляции исследуемого случая можно запускать моделирование. Во время моделирования магнитный поток и ток намагничивания наблюдаются на графике.
Контроль петли гистерезиса B−H осуществляется посредством RunTime с использованием соответствующего свойства построения графика X−Y. По умолчанию ось х является шкалой времени. Также эту ось можно использовать для произвольного сигнала. Для построения графика в декартовых координатах необходимо выбрать:
значок графика 
на панели инструментов RunTime;
поле Choose Signal для оси х;
RTDS |
3-6 |
|
|
ток намагничивания для нанесения на ось х;
магнитный поток для нанесения на ось y.
Чтобы воздействовать на выключатель, необходимо создать кнопки BRKOPEN и
BRKCLOSE.
Чтобы исследовать фазы включения напряжения, необходимо создать ползунок POW.
Длительность графиков RunTime (время завершения) задается равной 0.5 с. Данное значение можно задать в RunTime в меню Case−>Options.
После создания графиков и кнопок в RunTime запустите моделирование кнопкой 
.
Обновление графиков в установившемся режиме выполняется кнопкой 
. Номинальный магнитный поток можно рассчитать с помощью уравнения 3.1, а максимальное (пиковое) напряжение как
Рассчитанное значение 0.03 кВб соответствует результату, показанному на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 - Максимальный магнитный поток в установившемся режиме
Чтобы отключить трансформатор, необходимо отключить выключатель нажатием на кнопку BRKOPEN. После этого остаточный магнитный поток можно измерить по графику FLUXA. Остаточный магнитный поток составляет 0.018 кВб, 60% номинального магнитного потока. Как правило, остаточный магнитный поток составляет 20−70% от номинального магнитного потока.
Когда ползунок POW установлен в 0, необходимо подать напряжение на трансформатор включением выключателя. Бросок тока намагничивания достигает значения 18 кА. Посмотрев на график B−H, можно увидеть, что трансформатор вошел в режим глубокого
RTDS |
3-7 |
|
|
насыщения.
Для подтверждения результатов моделирования с введенными данными трансформатора по кривой B−H можно определить магнитный поток насыщения (магнитный поток в точке перегиба кривой намагничивания) и индуктивность воздушного сердечника. Точку перегиба можно найти посредством проведения касательной к нелинейному сегменту кривой насыщения. Точка пересечения касательной с 0 отметит на оси y точку перегиба, как показано на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5- Точка перегиба магнитного потока
Значение в точке перегиба магнитного потока 0.0368 кВб, полученное по петле магнитного гистерезиса B−H, близко к рассчитанному значению. Значение 0.037 кВб было получено при помощи уравнения 3.2 с напряжением насыщения 1.25 о.е.
Индуктивность воздушного сердечника (индуктивность насыщения) может быть получена посредством расчета наклона нелинейного сегмента кривой B−H.
RTDS |
3-8 |
|
|
Рисунок 3.6 - Определение индуктивности воздушного сердечника
Сопротивление воздушного сердечника, вводимое в меню редактирования модели трансформатора на схеме Draft, составляло 0.2 о.е. Индуктивность воздушного сердечника можно рассчитывать следующим образом:
Вводимая индуктивность воздушного сердечника составляет 0.001 Гн и соответствует результатам моделирования, отображенным на рисунке 3.6.
Запустите моделирование еще раз с ползунком POW, установленным в 90 градусов. Значение бросков тока намагничивания снизится примерно на 30%.
3.3ССЫЛКИ
1.John H. Brunke and Klaus J. Frohlich, “Elimination of Transformer Inrush Currents by Controlled Switching”.
RTDS |
3-9 |
|
|
4 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Измерительные трансформаторы применяются для понижения значений токов и напряжений в энергосистемах до уровней, применимых в устройствах релейной защиты. В переходных режимах измерительные трансформаторы должны как можно более точно воспроизводить первичные сигналы на вторичной стороне.
4.1МОДЕЛЬ ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА
Трансформаторы тока (ТТ), как правило, спроектированы таким образом, чтобы они функционировали на линейном участке плоскости "магнитный поток – ток". Однако в режиме тяжелых КЗ трансформатор тока может насыщаться, а после устранения КЗ в сердечнике может сохраняться остаточный магнитный поток. Петля гистерезиса B−H (магнитный поток – ток намагничивания) определяет характеристику намагничивания материала сердечника ТТ. На рисунке 4.1 показана типовая петля гистерезиса B−H. При условии, что первоначально сердечник ТТ находился в ненамагниченном состоянии, во время режима КЗ по мере возрастания тока намагничивания магнитный поток также увеличивается по линии a-b, и в конечном итоге может произойти насыщение. После устранения КЗ ток намагничивания снижается, а поток следует по пути b−c. Как можно увидеть на рисунке 4.1, в сердечнике имеется поток (отрезок a−c), который называется остаточным магнитным потоком.
B
H
Рисунок 4.1- Кривая B−H
Этот остаточный магнитный поток при повторном замыкании выключателя может вызвать искажение сигнала на вход реле защиты. Поскольку это особенно важно для функционирования защиты, в данном уроке рассматривается пример этого явления.
RTDS |
4-1 |
|
|