Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov v programe EMTP-ATP

Transcript

1 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov v programe EMTP-ATP 7

2 Obsah Analýza poruchových stavov pri skrate na sekundárnej strane transformátora... Nastavenie parametrov prvkov elektrického obvodu v ATP... 3 Ideálny trojfázový transformátor... 4 Použitie všeobecného dvojvinuťového 3-fázového saturačného transformátora (bez saturácie)... 5 Použitie všeobecného dvojvinuťového 3-fázového saturačného transformátora (so saturáciou)... 7 Použitie transformátora typu BCTAN... 8 Porovnanie výsledných hodnôt skratových prúdov...

3 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov v programe EMTP-ATP V tejto časti budú skúmané rôzne modely transformátorov a ich vplyv na priebeh poruchových prúdov pri rôznych typoch skratov. Analýza poruchových stavov pri skrate na sekundárnej strane transformátora Cieľom tejto kapitoly bude analyzovať poruchové prúdy na sekundárnej strane transformátora pri použití rôznych modelov transformátorov v EMTP-ATP. Na obr. je zjednodušená schéma elektrického obvodu pre prípad poruchy na sekundárnej strane transformátora. Sústava pred poruchou je v stave naprázdno. Výpočet prvkov elektrickej siete: Obr. Schéma elektrického obvodu - parametre vonkajšej siete: n = kv - parametre vedenia: v =,5 Ω/km v =,4 Ω/km l = 6 km v = 3 v - parametre záťaže: z = 5 Ω L z = 4 Ω - parametre transformátora: trojjadrový, 3-fázový, -vinuťový transformátor s nasledujúcimi údajmi získanými zo štítkových údajov transformátora: Nominálny výkon: S N = 4 MVA Nominálne napätie: N = kv (vinutie zapojené do hviezdy) N = 3 kv (vinutie zapojené do hviezdy) Napätie nakrátko: u k =,5 % (súsledná zložka) Straty nakrátko: P k = 3 kw (súsledná zložka, pri nominálnom prúde) Straty naprázdno: P = kw (súsledná zložka, pri nominálnom napätí) Typ zapojenia: YNyn(d) Neutrálny bod sekundárneho vinutia transformátora je uzemnený cez odpor F = Ω. Keďže neboli k dispozícii merané dáta pre netočivú zložku transformátora, predpokladá sa, že netočivá zložka reaktancie nakrátko k je okolo 85 % súslednej zložky reaktancie nakrátko k (keďže transformátor je jadrového typu). Pre modelovanie STC, vinutie zapojené do hviezdy na strane s nižším napätím bude označená ako vinutie, kde je pripojená magnetizačná vetva a vetva netočivej zložky magnetizačnej indukčnosti. V ideálnom prípade, nelineárna magnetizačná indukčnosť by mala byť pripojená na taký bod v ekvivalentnom obvode, kde integrované napätie je rovné toku v železnom jadre. Pre valcové cievky môžeme predpokladať, že tok vo vinutí bude tiecť prevažne cez jadro, keďže tam má byť veľmi malý rozptyl.

4 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov Výpočet parametrov prvkov elektrickej siete: Vedenie: N 3 v = v l =, 5 6 =, 6558Ω N v v =, = 6558Ω N 3 = v l = 4 6 =, 49Ω v, N v = 3 v = 3, 47 Transformátor : Pk S N N,35 3 T = = =, 43Ω S 4 T T T N = =, 43Ω T Ω uk N,5 3 = = =, 5Ω S 4 N =,85 =, 93Ω T Celková skratová impedancia obvodu: = + =, 8Ω v T v+ T v+ T v+ T = =, 57Ω = =, 8Ω = = 4, 44Ω Z = + j =,8+ j,57=, 57 e Z = + j =,8+ j 4,44= 4, 44 e Výpočty skratových prúdov: Amplitúda fázového napätia na strane poruchy: N 3 m = = = 3 3 8,78 kv Maximálna ustálená hodnota skratového prúdu: m 8,78 I mu = = = 7,3 ka Z,57 Časová konštanta obvodu: L,57 t a = = = ω π 5,8 =,758 s o j87,59 o j88,6 Ω Ω

5 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 3 Efektívna hodnota fázového napätia na strane poruchy: c V 3 E = = = 3,79 kv 3 3 Okamžitá hodnota skratového prúdu: i k a [ ] e ( t) I sin( ω t+ α ϕ ) + I [ ] sin( α ϕ) I sin( α ϕ ) = mu k m u mu k Špičkový prúd pri trojfázovom skrate: I, o o o o o, 758 (,) = 7,3 [ sin( 8 5,+ 87,59 ) sin( 87, )] p ik 59 = e I = 3,689 p ka Počiatočný rázový skratový prúd pri trojfázovom skrate: I 3 V k3 = = = 3 Z 3,57 5,63 ka Počiatočný rázový skratový prúd pri dvojfázovom skrate: V 3 I k = = = 4,47 ka Z,57 Počiatočný rázový skratový prúd pri dvojfázovom zemnom skrate: t t I V + Z k, = = Z 3 Z + j + Z 4,798 ka Počiatočný rázový skratový prúd tečúci zemou pri dvojfázovom zemnom skrate: Z I k,e = 3 V = 649 A 4 Z ( Z + Z + 3 ) + Z ( Z + 6 ) Počiatočný rázový skratový prúd pri jednofázovom skrate: 3 E 39,837 I k = = =,53 ka Z + Z + 3 Z 3,8 F F F Nastavenie parametrov prvkov elektrického obvodu v ATP Pre prvky elektrického obvodu je potrebné zadať požadované vstupné hodnoty. Nastavenie parametrov transformátorov je uvedené v nasledujúcej časti.

6 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 4 Vstupné hodnoty pre vedenie: _ = _ = _ 3: = l=,5 6=, 5Ω v L _ = L _ = L _ 3: = l=,4 6= 4Ω Vstupné hodnoty pre zdroj: Amp : v m = = 89,85 kv f = 5 Hz 3 Vstupné hodnoty pre záťaž: _ = _ = _ 3: z =5Ω L _ = L _ = L _ 3: = 4Ω z Ideálny trojfázový transformátor Na obr. je uvedené zapojenie elektrického obvodu pre prípad trojfázového skratu. Pre iný typ poruchy sa obvod modifikuje len v mieste poruchy. Keďže sa pri tomto type transformátora neuvažuje s jeho impedanciou, je potrebné k modelu sériovo pripojiť impedanciu, v ktorej zadáme parametre transformátora podľa obr. 4. Ako už bolo skôr uvedené, sekundárna strana transformátora je uzemnená cez odpor s veľkosťou Ω. Obr. Zapojenie elektrického obvodu v ATP Obr. 3 Vstupné hodnoty pre transformátor

7 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 5 Obr. 4 Vstupné hodnoty impedancie transformátora Použitie všeobecného dvojvinuťového 3-fázového saturačného transformátora (bez saturácie) Na obr. 5 je uvedený obvod pre prípad trojfázového skratu. Parametre pre transformátor vypočítame podľa ďalej uvedených vzťahov. Obr. 5 Zapojenie elektrického obvodu v ATP Nominálny prúd (vztiahnutý na stranu s vyšším napätím): SNT I N = = 9,95 A 3 N Celková skratová rezistancia (vztiahnutá na stranu s vyšším napätím): Pk k = =, 983Ω I 3 N Celková skratová impedancia: uk N Z k = = 34, 7875Ω S N

8 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 6 Celková skratová reaktancia: k = Z = 34, 7736Ω k k ezistancia zo strát naprázdno (strana s nižším napätím): N mag = 3 = 79,35 kω P ezistancia zo strát naprázdno mag je určená pre vinutie zapojené do hviezdy (vinutie P ) pomocou (napätie na vinutí ) a 3 (straty pri prevádzke jednej fázy) (viď obr. 4). V skutočnosti, celková skratová impedancia je rozdelená nerovnomerne medzi Z k primárne a sekundárne vinutia. Tu je zvolený pomer 4 pre. Požadované údaje pre model STC (viď obr. 4) môžu byť určené z vyššie uvedených hodnôt: 3 Vinutie : zapojené do hviezdy (s napätím kv ) 3 Vinutie : zapojené do hviezdy (s napätím kv ) 3 3 =, k =, 8596Ω 3 =, k =, 34Ω =,8 k =, 78648Ω =,8 = 7, 889Ω k Transformátor je trojjadrový, teda homopolárny magnetizačný odpor je vysoký a k =,85. Netočivá zložka magnetizačnej indukčnosti L mag (na strane s nižším k napätím) potrebná pre model STC, má byť určená spätne. Ekvivalentný obvod pre netočivú zložku transformátora, vztiahnutý na vinutie s vyšším napätím, je daný na obr. 6. Z k Obr. 6 Ekvivalentný obvod pre výpočet L mag Na obr. 5 a L sú impedancie vinutia na strane s nižším napätím vztiahnuté na vinutie s vyšším napätím. Pri učení L mag sa zanedbajú rezistancie a, lebo << a <<. =, k = 6, 9547Ω = + mag k =, 39Ω mag

9 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 7 N mag 3,39 L mag = = =,9367 mh N ω π 5 (vztiahnuté na vinutie na strane nižšieho napätia) kv EMTP očakáva tiež ako vstupný údaj hodnotu magnetického odporu s jednotkou H : = 3 L N = mag kv 9483 H Nakoniec, lineárna magnetizačná indukčnosť pre SATA vetvu môže byť definovaná použitím prvej dvojice dát (,4 A, 8584 V) z merania súslednej zložky zadaním prúdu I a toku (ustálený stav): i =,4 A=,587 A ψ = ω = 83,7 V s (pozn. [V s] = [Wb]) Tieto hodnoty môžeme zadať do modelu transformátora podľa obr. 7. Obr. 7 Vstupné hodnoty pre transformátor Použitie všeobecného dvojvinuťového 3-fázového saturačného transformátora (so saturáciou) Zapojenie v ATP a vstupné hodnoty pri tomto type sú tie isté ako u predchádzajúceho typu (obr. 6 a obr. 7). Pri tomto type navyše zadávame saturačnú krivku (obr. 8) podľa tabuľky.

10 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 8 Tab. Vstupné hodnoty pre saturačnú krivku. I [A] efektívne hodnoty [V] efektívne hodnoty,4 8584,49 677,73 346,84 46, Obr. 8 Vstupné hodnoty saturačnej krivky Obr. 9 Zobrazenie saturačnej krivky Použitie transformátora typu BCTAN Zapojenie elektrického obvodu pre trojfázový skrat je uvedené na obr.. Pri tomto type navyše zadávame hodnoty z meraní podľa obr..

11 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov 9 Obr. Zapojenie elektrického obvodu v ATP Obr. Vstupné hodnoty pre transformátor Obr. Zobrazenie magnetizačnej krivky Výsledné hodnoty získané zo simulácií a výpočtom sú uvedené v nasledovnej tabuľke. Z týchto priebehov je možné určiť hodnoty špičkového prúdu a maximálne hodnoty skratových prúdov pre rôzne typy skratov. Pri simuláciách sa uvažuje, že skrat nastal v čase

12 Analýza poruchových stavov s využitím rôznych modelov transformátorov, s. Špičkový prúd bol teda odčítavaný v čase, s. Odčítané maximálne hodnoty ustálených skratových prúdov sú v tabuľke prepočítané na efektívne hodnoty. Porovnanie výsledných hodnôt skratových prúdov Výsledné hodnoty získané výpočtom a pri simuláciách sú uvedené v tabuľke. Z týchto priebehov je možné určiť hodnoty špičkového prúdu a maximálne hodnoty skratových prúdov pre rôzne typy skratov. Pri simuláciách sa uvažuje, že skrat nastal v čase, s. Špičkový prúd bol teda odčítavaný v čase, s. Odčítané maximálne hodnoty ustálených skratových prúdov sú v tabuľke prepočítané na efektívne hodnoty. Tab. Výsledné hodnoty skratových prúdov Typ skratu 3F-skrat 3F-skrat F-skrat F-skrat F-skrat F-skrat Typ A-B-C A-B-C B-C B-C-N B-C-N A-N transformátora I p [A] I k3 [A] I k [A] I k, [A] I k,e [A] I k [A] Vypočítané hodnoty Ideálny (TAFO_I3) GENTAFO GENTAFO (saturácia) BCTAN