Исследование режимов коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ в среде моделирования ENGEE

Введение. В настоящее время компьютерное моделирование является одним из наиболее эффективных методов исследования работы инженерных систем. За последние несколько лет коммерческой компанией ЦИТМ Экспонента была разработана российская среда моделирования Engee, которая является аналогом зарубежного программного обеспечения MATLAB Simulink. В работе [1] отмечено, что среда моделирования разработана в 2023 году, а в её основе заложен язык программирования Julia. Среда моделирования Engee используется для изучения работы инженерных систем в различных отраслях промышленности.

Например, в работе [2] производится оценка возможности использования среды моделирования для изучения механических характеристик деталей машин. Авторами отмечено, что среда моделирования Engee позволяет автоматизировать задачу подбора режимов обработки деталей машин [3]. В свою очередь, в работе [4] представлен обзор возможностей применения Engee в решении задач управления технологическими процессами в пищевой промышленности. Среда моделирования Engee также используется и для решения задач в авиационной отрасли. Например, в работе [5] представлены основные этапы разработки цифрового двойника наземной радионавигационной системы. С использованием среды моделирования авторам удалось выявить значения базовых узлов для разрабатываемой системы. В работе [6] рассмотрены особенности вывода программного кода среды моделирования Engee на Arduino IDE.

Актуальным направлением является использование среды моделирования Engee для анализа работы электроэнергетических систем. Например, в работе [7] в среде моделирования Engee разработана компьютерная модель ветроэнергетической установки с синхронным генератором с постоянными магнитами. Разработанная модель позволяет выполнять расчеты режимов электроэнергетических систем с разработанной установкой. В свою очередь, в настоящее время в литературных источниках не реализовано моделирование режимов работы электрических сетей в среде Engee, в частности, низковольтных, что является актуальной задачей.

В настоящее время электрические сети 0,4 кВ характеризуются завышенной протяжённостью, низкой мощностью используемых трансформаторов и устаревшими типами используемых защитных коммутационных аппаратов. Это привод к проблемам низкой защищённости от токов однофазного короткого замыкания и низкой надёжности. Для повышения эффективности их эксплуатации разрабатываются современные технические средства, для которых необходимо задавать уставки срабатывания. Данные уставки можно выявить в ходе моделирования аварийных режимов работы. В представленной работе предлагается осуществить компьютерной моделирования аварийных режимов работы электрической сети 0,4 кВ, вызванными короткими замыканиями, в среде моделирования Engee.

Цель работы заключается в исследовании электрических параметров режимов коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ на компьютерной модели в среде Engee.

Материалы и методы исследования. Для исследования режимов работы электрической сети 0,4 кВ в программной среде Engee была использована шаблонная модель системы с глухозаземлённой нейтралью, которая была переработана до вида, представленного на рисунке 1.

Рисунок 1 – Компьютерная модель электрической сети 0,4 кВ в программном комплексе Engee

Компьютерная модель электрической сети 0,4 кВ в программном комплексе Engee, представленная на рисунке 1, содержит: блок Solver Configuration (1); заземление №1 (2), питающую систему (3); точку измерения №1 (4); линию 0,4 кВ (5); точку измерения №2 (6); блок моделирования аварий - КЗ (7); нагрузку (8); заземление №2 (9). В настоящей работе была предпринята попытка воcпроизвести компьютерную модель сельской электрической сети 0,4 кВ в MATLAB Simulink, представленную в работе [8].

Блок Solver Configuration является аналогом блока powergui в программном комплексе Matlab Simulink и необходим для запуска компьютерной модели [9]. В блоке Solver Configuration задаются следующие параметры. Первым параметром блока является тип синхронизации, который имеет значения Discrete и Continuous. В представленной модели использован тип синхронизации Discrete. Следующим параметром блока является выбор системы решателя, который имеет следующие значения: ImplicitEuler (Fast); ImplicitEuler (Robust); Trapezoid (Fast); Trapezoid (Robust). Также блок Solver Configuration содержит ряд функций, которые могут быть как включены, так и отключены. К ним относятся: осуществление моделирования из начального состояния, использование автоматической дифференциации, использование матрицы Якоби - analytical Jacobian или Sparse Jacobian; использование экспериментальных установок; использование утверждений во время моделирования, использование экспериментального алгоритма инициализации DAE. В представленной компьютерной модели используются только функции автоматической дифференциации и матрицы Якоби. Предпоследний задаваемым параметром блока является время выборки, которое для представленной модели составляет 100е-6.

Питающая система моделируется с использованием блока Voltage Source (Three-Phase) [10]. Данный блок имеет ряд следующих параметров. Первым является номинальное напряжение, значение которого для разработанной компьютерной модели принято равным 400 В. Следующим параметром источника является фазовый сдвиг, значение которого принято равным 0 радиан. В качестве номинальной частоты источника принято значение 50 Гц. В качестве следующего параметра необходимо выбрать тип сопротивления источника, который может быть задан отношением индуктивного сопротивления к активному сопротивлению (X/R Ratio), последовательным соединением активных сопротивлений (Series R), последовательным соединением индуктивных сопротивлений (Series L), последовательным соединением активного и индуктивного сопротивлений (Series RL). На представленной компьютерной модели используется тип X/R Ratio. Следующим параметром является мощность трёхфазного короткого замыкания на выводе источника. Прототипом источника питания на рассматриваемой компьютерной модели является трансформатор типа ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Yн-0 в связи с тем, что данные трансформаторы наиболее часто используются при электроснабжении сельскохозяйственных потребителей. При использовании данного трансформатора ток трёхфазного короткого замыкания на выводе 0,4 кВ составляет 6134 А, тогда мощность короткого замыкания составит – 2453600 ВА. Отношение индуктивного сопротивления трансформатора ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Yн-0 к активному (X/R Ratio) составляет 30 о.е. Последним параметром блока является функция генерирования гармоник, что не используется в представленной компьютерной модели.

Блок линии электропередачи 0,4 кВ Three-Phase PI Section Line в программном комплексе Engee дублирует аналогичный блок в программной среде MATLAB Simulink [11]. В качестве параметров зададим параметры для неизолированного провода типа А-35, так как он наиболее часто используется при электроснабжении сельскохозяйственных потребителей [12]. В качестве параметра протяжённости линии электропередачи используется значение 1

км, а номинальной частоты – 50 Гц. Активное сопротивление прямой последовательности (r 1 ) составляет 0,868 Ом/км. Активное сопротивление нулевой последовательности (r 0 ) – 3,472 Ом/км. Индуктивные сопротивления прямой (L 1 ) и нулевой (L 0 ) последовательностей для провода А-35 составляют 96∙10^-5 Гн/км и 383∙10^-5 Гн/км. При этом ёмкости прямой и нулевой последовательности для провода А-35 составляют 12∙10^-9 Ф/км и 10∙10^-9 Ф/км [13].

Нагрузка в программном комплексе Engee моделируется блоком Wye-Connected Load [14]. Она может быть представлена как отдельными сопротивлением, индуктивностью или ёмкостью, так и различными вариантами их последовательного и параллельного соединения. Для представленной модели была выбрана только активная нагрузка со значением фазного сопротивления 5 Ом.

Короткое замыкание моделируется с использованием блока Fault (Three-Phase) [15]. Блок позволяет моделировать режимы однофазного короткого замыкания на землю, двухфазного короткого замыкания, двухфазного короткого замыкания на землю, трёхфазного короткого замыкания и трёхфазного короткого замыкания на нулевой провод. Параметрами блока являются переходное сопротивление между повреждёнными фазой и нейтралью, а также между нейтралью и землёй, которые были приняты равными 0 Ом. Последним параметром блока является проводимость между фазой и нейтралью, которая была принята равным 0 См.

Как отмечалось ранее, на разработанной компьютерной модели было реализовано исследование устойчивых режимов коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ. Продолжительность времени моделирования была задана значением 0,5 секунды. При этом короткие замыкания рассматриваются в наиболее удалённой точке электрической сети 0,4 кВ непосредственно на вводе потребителя. Это связано с тем, что среди 8682 аварийных отключений в электрических сетях 0,4 кВ Орловской области за 2018-2023 годы [16, 17, 18] свыше 50% аварийных отключений были вызваны повреждениями на электрооборудовании потребителя [19, 20, 21].

Результаты и обсуждение. По результатам компьютерного моделирования режимов устойчивых коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ в среде Engee было установлено, что при исследовании моделей электроэнергетических систем на визуальном интерфейсе возможно получение осциллограмм токов и напряжений в конкретной рассматриваемой точке. Для более детального анализа режимов работы электроэнергетической системы необходимо знание языка программирования Julia, включающего в себя основы Python, C, C++ и Scheme.

В представленной работе рассматриваются только осциллограммы установившихся аварийных режимов работы электрической сети 0,4 кВ, что, в свою очередь, не позволяет оценить достоверность компьютерной модели. Так, на рисунке 2, представлены осциллограммы токов и напряжений при однофазном коротком замыкании на вводе у потребителя. Моделирование режима однофазного короткого замыкания на представленной модели было реализовано на фазе «А». При этом ток и напряжение фазы «А» на всех осциллограммах отображено жёлтым цветом, фазы «В» - зелёным цветом, а фазы «С» -красным.

Полученные на рисунке 2 графики отражают основные положения теории переходных процессов.

Время, t, с                                                     Время, t, с

Рисунок 2 – Распределение напряжений и токов в режиме однофазного короткого замыкания на вводе у потребителя

Напряжение повреждённой фазы (для рассматриваемой модели - фаза «А») имеет значение 0 В на протяжении всего времени устойчивого однофазного короткого замыкания [22]. При этом амплитудные значения напряжений неповреждённых фаз «В» и «С» согласно осциллограммы имеют значения порядка 200 В. В свою очередь, при однофазном коротком замыкании амплитудные значения тока повреждённой фазы «А» возрастают до значений 60 А. А амплитудные значения токов неповреждённых фаз ввиду подключенной нагрузки имеют значения порядка 25 А. Исходя из амплитудных значений тока повреждённой фазы можно сделать вывод, что разработанная модель характеризуется низкой степенью достоверности. Это следует исходя из того, что при расчёте тока аварийного режима при тех же исходных условиях с использованием методов симметричных составляющих и петли «фаза-ноль» полученные результаты имеют большие значения, чем полученные с использованием среды моделирования Engee.

На рисунке 3 представлены осциллограммы токов и напряжений при двухфазном коротком замыкании на вводе у потребителя. На представленной компьютерной модели электрической сети 0,4 кВ двухфазное короткое замыкание моделировалось между фазами «В» и «С». Согласно рисунка 3 ток в повреждённых фазах «В» и «С» возрастает до амплитудных значений 75-100 А. При этом амплитудное значения тока неповреждённой фазы «А» с нагрузкой составляет 25 А. В свою очередь, полученные напряжения в режиме двухфазного короткого замыкания отражают основные положения теории переходных процессов. Напряжения повреждённых фаз «В» и «С» равны между собой и их амплитудные значения, равные порядка 120-130 В составляют половину от номинального напряжения электрической сети [22]. При этом напряжение неповреждённой фазы «А» соответствует напряжению в нагрузочном режиме.

Рисунок 3 – Распределение напряжений и токов в режиме двухфазного короткого

замыкания на вводе у потребителя

На рисунке 4 представлено распределение напряжений в режиме двухфазного короткого замыкания на нулевой провод. В представленном исследовании двухфазное короткое замыкание на нулевой провод моделируется между фазами «В» и «С».

Рисунок 4 – Распределение напряжений и токов в режиме двухфазного короткого замыкания на нулевой провод на вводе у потребителя

Исходя из результатов, представленных на рисунке 4, следует, что в режиме двухфазного короткого замыкания на нулевой провод амплитудные значения токов в повреждённых фазах «В» и «С» возрастают до значений 75-100 А, а амплитудное значение тока в неповреждённой фазе «А» с нагрузкой составляет порядка 25 А. При этом напряжения повреждённых фаз «В» и «С» на вводе у потребителя равны 0 В. В свою очередь, амплитудное значение напряжения неповреждённой фазы «А» превышает 250 В [22].

На рисунке 5 представлены графики токов и напряжений при трёхфазном коротком замыкании на вводе у потребителя.

Время, t, с                                                  Время, t, с

Рисунок 5 – Распределение напряжений и токов в режиме трёхфазного короткого замыкания на вводе у потребителя

Так, в режиме трёхфазного короткого замыкания амплитудные значения токов на вводе у потребителя для рассматриваемой компьютерной модели составили 100 А, при этом фазные напряжения равны 0 В, что отражает основные положения теории переходных процессов [22].

Таким образом, в ходе компьютерного моделирования были получены графики напряжений и токов на вводе у потребителя при разных видах коротких замыканий.

Следует отметить, что недостатком среды моделирования Engee является необходимость знания основ программирования на языке Julia. Эта особенность делает невозможным реализовать полноценный анализ режимов работы электроэнергетических систем. Также было установлено, что разрабатываемые в среде Engee модели электроэнергетических систем характеризуются низкой степенью достоверности, так как получаемые с их использованием численные значения не соответствуют результатам, получаемым с использованием других общепринятых методов. В целом среда моделирования Engee практически полностью схожа с MATLAB Simulink. При этом в среде Engee содержится меньше блоков и библиотек по сравнению с MATLAB Simulink. Также часть блоков в библиотеках в текущей версии 25.8.2-H1, актуальной на сентябрь 2025 года, имеет русские названия, а оставшаяся часть – английские. В заключении следует отметить, что среда моделирования Engee также, как и MATLAB Simulink, в недостаточной степени позволяет моделировать трёхфазные четырёхпроводные электрические сети, что проявляется в отсутствии для этого требуемых блоков в библиотеках.

Выводы. В работе было осуществлено исследование режимов симметричного и несимметричных коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ в среде моделирования Engee. В качество прототипа электрической сети 0,4 кВ использовалась радиальная линия электропередачи 0,4 кВ протяжённостью 1000 метров, выполненная с использованием неизолированного провода А-35, подключенная к трансформатору ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Y н -0. Моделирование коротких замыканий было реализовано в наиболее удалённой её точке на вводе у потребителя. Были получены графики распределений токов и напряжений в устойчивых аварийных режимах, которые соответствуют теории переходных процессов в электрических сетях.