ПОДБОР ШУНТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

​SELECTING SHORT CIRCUIT RESISTANCE

Natalia Batseva

Candidate of Science, assistant professor, Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

Aleksandr Zhuykov

Specialist, «SO UPS», JSC,

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В статье предложен способ подбора шунта короткого замыкания. Способ основан на итерационном расчёте кратковременных переходных процессов с моделированием короткого замыкания в и заключается в обеспечении равенства сопротивлений прямой последовательности при первых приближениях и искомых значениях сопротивлений шунта КЗ. В связи с востребованностью способа специалистами служб электрических режимов создан алгоритм и программное обеспечение.

ABSTRACT

The technique of selecting short circuit resistance is suggested. This technique is based on the iterative calculation of short-term dynamics with modelling short circuit at the specified node, when the positive sequence resistances equality is provided as for initial approximations as for short circuit resistance target values. The algorithm and software are developed for specialists of power regime departments.

Ключевые слова: короткое замыкание; переходный процесс; шунт; остаточное напряжение; алгоритм.

Keywords: short circuit; transient condition; resistance; residual voltage; algorithm.

Введение

Перед выполнением расчётов, связанных с моделированием возмущений, вызванных поперечной или продольной несимметрией в электрических сетях энергосистем, необходимо знать значения остаточных напряжений и соответствующие им значения активных и реактивных сопротивлений шунтов короткого замыкания (КЗ), а также параметры шунтов неполнофазных режимов для различных схемно-режимных ситуаций. Значения сопротивлений шунтов КЗ и соответствующие им остаточные напряжения, имеются в расчётных моделях (РМ) служб релейной защиты и автоматики (СРЗА). Однако расчетные модели СРЗА отличаются от РМ служб электрических режимов, поэтому применение напрямую значений сопротивлений шунтов КЗ, полученных от СРЗА, может привести к некорректным результатам, так как величины остаточных напряжений будут отличаться.

Способ подбора шунта КЗ

Для подбора шунта КЗ, обеспечивающего заданное значение остаточного напряжения, предлагается способ, основанный на итерационном расчёте кратковременных переходных процессов с моделированием КЗ в заданном узле. Принцип расчёта сопротивлений шунта КЗ заключается в обеспечении равенства сопротивлений прямой последовательности при первых приближениях и искомых значениях сопротивлений шунта КЗ.

Согласно правилу эквивалентности прямой последовательности [1, 2], ток прямой последовательности в месте КЗ определяется соотношением:

                                                                           (1)

где E и E_ф – значения линейной и фазной эквивалентной ЭДС прямой последовательности соответственно; z₁ – эквивалентное сопротивление прямой последовательности от ЭДС до места КЗ; ∆z₁=∆r₁+j∆x₁ – сопротивление шунта КЗ.

Для тока прямой последовательности соблюдается соотношение:

                                                                                 (2)

где  и  – линейные и фазные значения остаточного напряжения прямой последовательности в месте КЗ соответственно.

Приравняв соотношения (1) и (2) и выразив , получим:

                                                                                 (3)

где  – значение остаточного напряжения прямой последовательности в относительных единицах.

В программном комплексе для расчёта устойчивости (ПК) Rustab вычисление параметров электрического режима выполняется для прямой последовательности, поэтому соотношения (1-3) достаточно точно соблюдаются и соответствуют наблюдаемым параметрам в месте КЗ [3].

При первоначальных приближениях активного ∆r₁ и реактивного ∆x₁ сопротивлений шунта КЗ величина остаточного напряжения в относительных единицах, вычисляемого в ПК Rustab в момент КЗ, будет равна u_ост1. Если при моделировании использовать искомые значения активного ∆r₂ и реактивного ∆x₂ сопротивлений шунта КЗ (∆z₂=∆r₂+j∆x₂), то остаточное напряжения в месте КЗ будет соответствовать u_ост2. В обоих случаях эквивалентное сопротивление прямой последовательности  остаётся без изменений, так как схема сети при проведении расчётов не изменяется. Таким образом,

                                                                    (4)

Откуда:

                                                              (5)

где  – изменение первоначальных приближений сопротивления шунта КЗ.

Если процесс определения параметров шунтов КЗ выполнять итерационно (итерации необходимы, так как ), то можно определить искомые сопротивления шунтов КЗ , изменяя на каждом шаге начальные приближения на  до тех пор, пока не будет рассчитано остаточное напряжение в месте КЗ с заданной точностью.

Для некоторых шунтов КЗ является справедливым принятие равным нулю активного сопротивления шунта КЗ (∆r=0 – электрическая дуга отсутствует, или активным сопротивлением можно пренебречь), активное сопротивление шунта КЗ равно некоторой константе – первому приближению (∆r=const – электрическая дуга имеет значительное фиксированное активное сопротивление, которое необходимо учитывать при расчётах) или пропорционально реактивному сопротивлению шунта КЗ (∆r/∆x=const – корректировка начальных приближений активного и реактивного сопротивлений). Во всех перечисленных способах реактивное сопротивление ∆x изменяется согласно приведённым выше выражениям.

Предложенный метод подбора шунтов КЗ работает как с именованными, так и с относительными единицами сопротивлений.

Алгоритм подбора шунта КЗ автоматизирован.

В средстве автоматизации предусмотрены:

1) выбор папки с файлами режима в формате *.rst и директории сохранения сценариев с подобранными шунтами КЗ;

2) возможность использования начальных приближений и требуемых остаточных напряжений из файла заданного формата или задание начальных приближений и остаточных напряжений вручную;

3) запись найденных параметров шунтов КЗ в файлы сценария *.scn или создание новых сценариев с подобранными параметрами шунтов КЗ;

4) подбор шунтов КЗ для нескольких узлов путём последовательного расчёта и моделирования КЗ в заданных узлах;

5) возможность задания перечня узлов для просмотра остаточных напряжений после моделирования КЗ в заданных узлах;

6) возможность задания дополнительных параметров подбора шунта КЗ: максимальное число итераций; точность определения остаточного напряжения; выбор способа определения активного сопротивления шунта КЗ; удаление/сохранение файлов *.sna с результатами расчёта остаточных напряжений в переходном процессе.

Алгоритм подбора шунтов КЗ

Графическая схема алгоритма приведена на рисунке 1.

Исходными данными являются:

1) директория с файлами режима *.rst, в которых необходимо подобрать величины активного и реактивного сопротивлений шунтов КЗ;

2) директория сохранения файлов *.scn с подобранными шунтами КЗ;

3) перечень узлов моделирования КЗ;

4) перечень узлов просмотра остаточных напряжений при моделировании КЗ;

Рисунок 1. Блок-схема алгоритма подбора шунта КЗ

5) опция выбора первых приближений сопротивлений шунта КЗ: путь к файлу; путь к файлам сценария *.scn, в которые необходимо записать подобранные величины сопротивлений шунтов КЗ;

6) если файл с первыми приближениями не используется, то задаются перечни: остаточных напряжений в о.е.; первых приближений активных сопротивлений шунта КЗ; первых приближений реактивных сопротивлений шунта КЗ;

7) максимальное число итераций для подбора шунта КЗ;

8) погрешность вычисления остаточного напряжения при определении шунта КЗ;

9) способ расчёта активного сопротивления шунта КЗ;

10) опция сохранения файлов результатов расчёта переходных процессов в формате *.sna после подбора шунта КЗ.

После загрузки файла режима *.rst из выбранной директории, сохраняются в буфер обмена текущие параметры расчёта переходного процесса и выполняется установка следующих значений: длительность расчёта – 0,02 с; шаг печати – 0,01 с; максимальный шаг интегрирования – 0,005 с.

После установки параметров расчёта формируется временный сценарий с первыми приближениями активного и реактивного сопротивлений шунта КЗ со стартом возмущения и длительностью в 0,01.

Далее начинается итерационное выполнение переходных процессов с временным сценарием и определением остаточного напряжения в узле КЗ. Если значение остаточного напряжения в узле КЗ отличается от заданного значения на величину меньшую, чем погрешность вычисления остаточного напряжения, а номер текущей итерации меньше заданного максимального числа итераций, то итерационный расчёт останавливается, последние полученные значения сопротивлений шунта КЗ записываются в файл сценария *.scn, величины подобранных сопротивлений шунта КЗ, остаточного напряжения в узле шунта КЗ и узлах просмотра остаточных напряжений будут приведены в консоли и протоколе работы программы [4]. Если разница заданного и рассчитанного остаточных напряжений превышает заданную погрешность, то выполняется корректировка значений сопротивления шунта КЗ в зависимости от способа расчёта величины активного сопротивления шунта КЗ. Обновлённые значения сопротивлений шунта КЗ записываются во временный файл сценария, и расчёт переходного процесса повторяется снова. Если число итераций будет не меньше заданного максимального числа итераций, то итерационный подбор шунта КЗ остановится, в консоль и протокол работы программы будет выведено соответствующее сообщение о невозможности подбора шунта КЗ.

После подбора шунтов КЗ в заданных узлах или узлах, соответствующих узлам КЗ в файлах *.scn при расчёте первых приближений, выполняется переход к следующему режиму.

При завершении подбора шунтов КЗ для всех файлов режима в заданной папке появляется всплывающее сообщение о завершении подбора шунтов КЗ и соответствующие сообщения в консоли и протоколе работы программы.

Заключение

1. Подбор шунтов КЗ необходим для целого спектра расчётов: определение предела по динамической устойчивости, проверка отстройки автоматики ограничения снижения напряжения от КЗ в сети, создание сценариев для выполнения иных электрических расчётов, поэтому разработка способа подбора шунта КЗ является актуальной.
2. Предложенный способ основан на базовых соотношениях электрических величин, принятых при расчётах переходных процессов.
3. Алгоритмизация предложенного способа позволяет подобрать шунт КЗ для различных схемно-режимных ситуаций.

Список литературы:

1. Хрущев Ю.В., Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах: учебное пособие / Ю.В. Хрущев, К.И. Заподовников, А.Ю. Юшков, Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 168 с.
2. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. – М.: Высшая школа, 1985. – 536 с.
3. Программный комплекс «RastrWin3». Руководство пользователя / В.Г. Неуймин, Е.В Машалов, А.С Александров, А.А. Багрянцев – Екатеринбург, 2016. – 314 с.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU2024688168 Определение параметров шунта короткого замыкания. Дата регистрации: 26.11.2024.