Повреждение в сети с изолированной нейтралью

Описание модели

    В этом примере рассматривается повреждение в сети с изолированной нейтралью. Модель представляет собой понижающую подстанцию (ПС) 110/10 кВ и распределительную сеть 10 кВ с тремя фидерами. В момент времени 0,2 с происходит однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) в фазе A в конце кабельной линии (КЛ) 4 третьего фидера, затем в момент времени 0,5 с в конце КЛ 2 первого фидера происходит замыкание на землю в фазе B, что создаёт контур для протекания токов замыкания между фазами A и B. В момент времени 1 с с разницей в 100 мс выключатели на первом и третьем фидерах отключаются, имитируя работу релейной защиты и ликвидируя двойное замыкание на землю. В примере показаны процесс запуска модели из среды разработки скрипта с помощью командного управления и визуализация результатов моделирования. В модели измеряются токи и напряжения в начале каждого из фидеров. Внешний вид модели:

    Источник питания моделируется блоком Voltage Source (Three-Phase). Кабельные линии моделируются блоком Three-Phase PI Section Line. Трансформаторы моделируются блоком Three-Phase Transformer (Two Windings).html). Замыкания моделируются блоком Fault (Three-Phase), в настройках данного блока с помощью выпадающего меню Failure mode можно выбрать вид КЗ. Отключение замыкания происходит с помощью блока Circuit Breaker (Three-Phase), который имитирует отключение от релейной защиты. Нагрузка моделируется блоком Wye-Connected Load. Параметры системы [1,2]:

Элемент	Параметр
Система	Балансирующий узел $U_{ном} = 121 кВ$
ТР 1	ТДН-16000/110/10
ТР 2	ТМГ-2000/10/0,4
ТР 3	ТМГ-2000/10/0,4
ТР 4	ТМГ-1250/10/0,4
ТР 5	ТМГ-400/10/0,4
ТР 6	ТМГ-630/10/0,4
КЛ 1	3хАПвВ 1х240; $L = 1 км$
КЛ 2	3хАПвВ 1х120; $L = 1 км$
КЛ 3	3хАПвВ 1х95; $L = 2 км$
КЛ 4	3хАПвВ 1х70; $L = 1 км$
КЛ 5	3хАПвВ 1х70; $L = 1.2 км$
Нагрузка 1	$S_{нагр} = 1.5+j1.125 МВА$
Нагрузка 2	$S_{нагр} = 1.5+j1.125 МВА$
Нагрузка 3	$S_{нагр} = 1+j0.8 МВА$
Нагрузка 4	$S_{нагр} = 0.35+j0.17 МВА$
Нагрузка 5	$S_{нагр} = 0.55+j0.34 МВА$

Запуск модели

    Импортируем необходимые модули для работы с графиками и LaTex строками:

using Plots
using LaTeXStrings
gr();

    Загрузка модели:

model_name = "isolated_neutral_network_fault"
model_name in [m.name for m in engee.get_all_models()] ? engee.open(model_name) : engee.load( "$(@__DIR__)/$(model_name).engee");

    Запуск загруженной модели:

results = engee.run(model_name);

Результаты моделирования

    Для импорта результатов моделирования была заранее включена запись необходимых сигналов и заданы их имена. Преобразуем мгновенные значения токов и напряжений переменной results в отдельные вектора:

# вектор времени симуляции
sim_time = results["i_a_1"].time;
# вектора токов и напряжений в точке измерения 1
i_1 = hcat(results["i_a_1"].value,results["i_b_1"].value,results["i_c_1"].value,results["3I0_1"].value);
v_1 = hcat(results["v_a_1"].value,results["v_b_1"].value,results["v_c_1"].value);
# вектора токов и напряжений в точке измерения 3
i_3 = hcat(results["i_a_3"].value,results["i_b_3"].value,results["i_c_3"].value,results["3I0_3"].value);
v_3 = hcat(results["v_a_3"].value,results["v_b_3"].value,results["v_c_3"].value,results["3V0_3"].value);

    Графики токов фидера 3 и напряжения на шинах НН ПС:

p1 = plot(sim_time, v_3[:,1:3]./1e3, label = [L"U_a" L"U_b" L"U_c"],
title = "Напряжения", linecolor = [:orange :green :red], ylabel = "U, кВ", xlabel="Время, c");
p2 = plot(sim_time, i_3[:,1:3], label = [L"I_a" L"I_b" L"I_c"], 
title = "Токи", linecolor = [:orange :green :red], ylabel = "I, А", xlabel="Время, c");
plot(p1, p2, layout=(2,1),legend = true, size = (750,440))

    При замыкании фазы А на землю напряжение в этой фазе относительно земли становится равным нулю, вследствие этого напряжение неповрежденных фаз становится равным линейному. Это является одним из недостатков сетей с изолированной нейтралью. В момент времени 0,5 с при замыкании на землю в фазе B в конце КЛ 2 первого фидера происходит переход однофазного замыкания в двойное. Напряжение повреждённых фаз значительно снижается из-за кратного возрастания токов замыкания.

    График напряжения НП на шинах НН ПС:

plot(sim_time, v_3[:,4]./1e3, label = L"3U_0", title = L"3U_0", linecolor = :orange, ylabel = "U, кВ", xlabel="Время, c")

    Осциллограмма напряжения НП соответствует ОЗЗ. Напряжение НП на шинах ПС используется для определения наличия ОЗЗ в сети.

    График тока нулевой последовательности (НП) третьего фидера в промежутке времени с 0 до 0,4 с:

plot(sim_time[1:Int(indexin(0.4, sim_time)[1])],
i_3[1:Int(indexin(0.4, sim_time)[1]),4], title = L"3I_0",
linecolor = :orange, ylabel = "I, А", xlabel="Время, c", legend = false)

    Ток НП появляется из-за ёмкостных токов между неповреждёнными фазами и землёй. Если его величина небольшая, как в данном примере, то не требуется отключать данное замыкание мгновенно. За счёт малого значения тока ОЗЗ линейные напряжения остаются неизменными по величине и сдвинутыми по фазе на угол 120°. Данные обстоятельства позволяют сохранить электроснабжение потребителей до момента обнаружения места неисправности. Из-за соединения обмоток всех трансформаторов в треугольник со стороны сети 10 кВ обмотки изолированы от земли и через трансформаторы не проходит ток НП.

    График токов НП фидеров 1 и 3 в промежутке времени с 0,4 до 1,5 с:

p1 = plot(sim_time[Int(indexin(0.4, sim_time)[1]):end], i_1[Int(indexin(0.4, sim_time)[1]):end,4],
title = L"3I_0(фидер\,1)", ylabel = "I, А", xlabel="Время, c")
p2 = plot(sim_time[Int(indexin(0.4, sim_time)[1]):end], i_3[Int(indexin(0.4, sim_time)[1]):end,4],
title = L"3I_0(фидер\,3)", ylabel = "I, А", xlabel="Время, c")
plot(p1, p2, layout = (2,1), legend=false, size = (750,440))

    При возникновении второго замыкания на землю в фазе B появляется контур для протекания тока повреждения через землю между фазами A и B. Большое значение тока замыкания обусловлено малым сопротивлением контура протекания тока, состоящего из сопротивлений КЛ1, КЛ2, КЛ4 и ТР1.

Дополнение

    Попробуйте самостоятельно изменить следующие параметры модели и исследовать, как это влияет на токи и напряжения при ОЗЗ:

1. увеличить длину кабельных линий в два раза;
2. переместить блок КЗ в фазе B на шины ТР1.

Вывод

    В данном примере был показан процесс перехода однофазного замыкания на землю в двойное. Использованы инструменты командного управления моделью Engee для загрузки и запуска модели из среды разработки скрипта. Измеренные токи и напряжения были импортированы в Рабочую область из переменной result и выведены на временные графики.

Ссылки

1. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : ЭНАС, 2012. – 376 с. : ил.
2. Настольная книга проектировщика. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-35 кВ. ООО «Камский кабель». URL: https://www.kamkabel.ru/netcat_files/userfiles/6-35-www.pdf?ysclid=m2j0odmzen889432059 (дата обращения 21.10.2024).