Исследование режимов коротких замыканий за силовым трансформатором в электрической сети 110/10 кВ в среде моделирования ENGEE

Введение. Компьютерное моделирование является одним из наиболее эффективных методов исследования работы инженерных систем. В последние годы коммерческой компанией ЦИТМ Экспонента была разработана российская среда моделирования Engee, являющаяся 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.

Так, 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], исследования процессов азотирования, фрезерования, а также режимов резания [4]. Также среда моделирования Engee позволяет на основе статистического анализа прогнозировать изменение размеров деталей машин до и после химико-термической обработки [5].

В работе [6] 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 [7] представлены основные этапы разработки цифрового двойника наземной радионавигационной системы. С использованием среды моделирования авторам удалось выявить значения базовых узлов для разрабатываемой системы. В работе [8] 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 [9] 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. Одним из актуальных вопросов является исследование режимов коротких замыканий в электрических сетях за силовыми трансформаторами для обоснования параметров защит. Так, например, в работе [10] реализовано исследование двухфазного короткого замыкания за силовым трансформатором со схемой и группой соединения обмоток Y/D-11 - «звезда-треугольник и 11-ой группой соединения». Авторами отмечено, что результаты исследования могут быть использованы при переходе систем релейной защиты от электромагнитных реле к современным быстродействующим цифровым устройствам. При этом исследование реализовано для тягового силового трансформатора с соотношением напряжений первичной и вторичной обмоток 110/27,5 кВ.

В представленной работе предлагается осуществить компьютерное моделирование аварийных режимов работы электрической сети 110/10 кВ, вызванными короткими замыканиями в сети низкого напряжения, в среде моделирования Engee с использованием встроенных примеров с параметрами, заданными разработчиками программного обеспечения.

Цель работы заключается в исследовании электрических параметров аварийных режимов работы электрической сети 110/10 кВ, вызванных короткими замыканиями в сети низкого напряжения, в среде моделирования Engee.

Материалы и методы исследования

Компьютерная модель электрической сети 110/10 кВ в среде моделирования Engee, используемая для исследования, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Компьютерная модель электрической сети 110/10 кВ с коротким замыканием на стороне низкого напряжения

Компьютерная модель, представленная на рисунке 1, содержит следующие элементы: блок Solver Configuration (1); заземление №1 (2); питающую систему (3); выключатель (4); выдержку времени на отключение выкл ючателя (5); воздушную линию 110 кВ, выполненную проводом АС-185/29 (6); точку измерения со стороны высокого напряжения (7); силовой трансформатор типа ТРДЦН-80000/110 (8); точку измерения со стороны низкого напряжения (9); точку короткого замыкания (10); нагрузку (11); заземление №2 (12).

Блок Solver Configuration (1) является аналогом блока powergui в программной среде MATLAB Simulink и необходим для запуска модели. Блок заземления №1 (2) используется в связи с тем, что электрические сети 110 кВ работают в режиме с глухозаземлённой нейтралью.

В качестве питающей системы (3) был использован блок Voltage Source (Three-Phase) [11]. На представленной компьютерной модели в данный блок были заданы следующие параметры. В качестве значения междуфазного напряжения было задано значение 110 кВ. Фазовый сдвиг был принят равным 0 радиан, а номинальная частота – 50 Гц. Сопротивление источника было задано отношением индуктивного сопротивления к активному сопротивлению (X/R Ratio) и принято равным 7 о.е. В качестве значения мощности короткого замыкания на выводе источника было задано значение 500 МВА.

Выключатель (4) был задан блоком Circuit Breaker (Three-Phase) [12]. Параметрами блока являются сопротивление в замкнутом положении и проводимость в разомкнутом положении, которые были заданы значениями, соответственно, 1∙10-3 Ом и 1∙10-6 См.

Отключение выключателя имитировалось с помощью выдежки времени (5), которая была установлена на 0,4 с после начала моделирования.

Воздушная линия электропередачи 110 кВ (6) моделируется блоком Three-Phase PI Section Line [13]. В качестве сопротивления прямой последовательности (r 1 ) было задано значение 0,159 Ом/км. При этом сопротивление нулевой последовательности (r 0 ) было принято равным 0,309 Ом/км. Индуктивность прямой последовательности (L 1 ) для провода АС-185/29 была принята равной 0,0013145 Гн/км, а индуктивность нулевой последовательности (L 0 ) – 0,0046012 Гн/км. Ёмкость прямой последовательности (С 1 ) была принята равной 8,744∙10^-9 Ф/км, а ёмкость нулевой последовательности (С 0 ) – 7,751∙10^-9 Ф/км. В представленной модели протяжённость воздушной линии электропередачи 110 кВ была задана равной 20 км, а номинальная частота линии принята равной 50 Гц.

Силовой трансформатор 110/10 кВ типа ТРДЦН-80000/110 моделируется с использованием блока Three-Phase Transformer (Two Windings) [14]. В параметрах блока задаётся количество обмоток, которое для представленной модели было принято равным 2. Номинальная мощность была принята равной 80 МВА, а номинальная частота – 50 Гц. В качестве схемы соединения первичной обмотки была выбрана «звезда с зазёмлённой нейтралью», а вторичной – «треугольник». При этом номинальное напряжение первичной обмотки было задано со значением 115 кВ, а вторичной – 10,5 кВ. В качестве значений сопротивлений первичной и вторичной обмоток было принято значение 0,0019 о.е. В модели силового трансформатора учтён ряд функций. Первой из них является функция моделирования реактивного сопротивления утечки. В качестве значений сопротивления утечки первичной и вторичной обмоток были приняты значения 0,0525 о.е. В модели силового трансформатора учтена функция моделирования сопротивления намагничиванию, которое принято равным 1,1429 о.е. Также используется функция реактивного сопротивления намагничивания, значение которой составляет 500 о.е. Последним параметром компьютерной модели силового трансформатора является реактивное сопротивление нулевой последовательности, значение которого принято равным 0,5 о.е.

Аварийные режимы моделируются с использованием блока Fault (Three-Phase) [15]. В блоке задаются вид повреждения и время начала его возникновения.

Нагрузка линии электропередачи 0,4 кВ смоделирована с использованием блока Wye-Connected Load [16]. В качестве базового параметра нагрузки была задана неизменная номинальная мощность. При этом в качестве типа сопротивления было задано последовательное соединение активного и индуктивного сопротивлений. В качестве номинального напряжения было принято значение 10000 В, а в качестве номинальной частоты – 50 Гц. В качестве активного сопротивления нагрузки было принято значение 20 МВт, а реактивного – 10 МВАр.

Результаты исследований и их обсуждение. Следует отметить, что среда моделирования Engee при исследовании с использованием графического интерфейса позволяет получать только осциллограммы токов и напряжений исследуемых режимов работы. Для более детального анализа режимов работы электроэнергетических систем необходимо знание основ программирования на языке Julia.

В данной работе с использованием среды моделирования были получены только осциллограммы токов в аварийных режимах работы. Было реализовано исследование режимов устойчивых однофазного замыкания на землю на выводе трансформатора, а также двухфазного короткого замыкания. Время моделирования устойчивых аварийных режимов было задано продолжительностью 0,5 секунды. Время возникновения аварийного режима было задано на 0,2 секунды моделирования. В свою очередь, время устранения аварийного режима было установлено на 0,4 секунды моделирования.

На рисунке 2 представлены осциллограммы токов на сторонах высокого и низкого напряжения при моделировании режима устойчивого однофазного замыкания на землю. С использованием представленной компьютерной модели возникновение режима однофазного замыкания на землю рассматривается на фазе «А». На осциллограммах ток фазы «А» обозначен жёлтым цветом, фазы «В» – зелёным, а фазы «С» – красным.

Время, t, с                                          Время, t, с

Рисунок 2 – Фазные токи на сторонах высокого и низкого напряжения при однофазном замыкании на землю в электрической сети 110/10 кВ за силовым трансформатором

На представленных на рисунке 2 осциллограммах токов представлены их амплитудные значения. Так, на стороне высшего напряжения 110 кВ в нагрузочном режиме амплитудные значения фазных токов составляют порядка 200 А. При возникновении однофазного замыкания на землю в фазе «А» на стороне низкого напряжения 10 кВ в фазах «А» и «В» на стороне высокого напряжения 110 кВ амплитудные значения токов превышают значения 400 А, при этом ток фазы «С» сопоставим с нагрузочным режимом и его амплитудное значение не превышает 200 А. В свою очередь, на стороне низкого напряжения 10 кВ амплитудные значения токов нагрузочного режима не превышают значения 2000 А. При возникновении однофазного замыкания на землю ток повреждённой фазы «А» превышает значение 4000 А, а токи неповреждённых фаз «B» и «C» возрастают до значения порядка 3000 А. Ток однофазного замыкания на землю является высоким в связи с тем, что он не ограничен сопротивлением линии электропередачи 10 кВ, которая в представленной модели отсутствует.

В связи с невозможностью преобразования осциллограмм в численные значения оценить достоверность компьютерной модели путём сопоставления результатов с общепринятыми методами расчёта токов аварийных режимов не представляется возможным.

На рисунке 3 представлены фазные токи на сторонах высокого и низкого напряжения при возникновении двухфазного короткого замыкания в электрической сети 110/10 кВ.

Исходя из осциллограмм, представленных на рисунке 3, следует, что в нагрузочном режиме работы амплитудные значения токов на стороне высокого напряжения 110 кВ составляли 200 А. При возникновении двухфазного короткого замыкания между фазами «B» и «C» на выводе трансформатора 10 кВ ток фазы «C» на стороне высокого напряжения 110 кВ увеличился до амплитудных значений порядка 1800 А, а токи фаз «А» и «В» возросли до значений 1000 А. В свою очередь, на стороне низкого напряжения 10 кВ в нагрузочном режиме амплитудные значения токов составляли 2000 А. При двухфазном коротком замыкании между фазами «B» и «C» ток в них возрос до значений 16-18 кА. При этом ток неповреждённой фазы «А» сопоставим с током нагрузочного режима.

Время, t, с                                                           Время, t, с

Рисунок 3 – Фазные токи на сторонах высокого и низкого напряжения при двухфазном коротком замыкании в электрической сети 110/10 кВ за силовым трансформатором

Таким образом, в ходе компьютерного моделирования были получены осциллограммы токов на сторонах высокого и низкого напряжения в электрической сети 110/10 кВ при замыканиях за трансформатором.

Недостатком среды моделирования Engee является необходимость знания основ программирования на языке Julia для полноценного анализа режимов работы электроэнергетических систем. Выявлено, что разрабатываемые в среде Engee модели электроэнергетических систем характеризуются низкой степенью достоверности. 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.

Выводы. В работе было осуществлено исследование режимов однофазного замыкания на землю и двухфазного короткого замыкания на стороне низкого напряжения 10 кВ в электрической сети 110/10 кВ в среде моделирования Engee. В качестве прототипа электрической сети 110/10 кВ использовалась одноцепная электроэнергетическая система, питание которой осуществляется от источника с мощностью короткого замыкания на его выводе 500 МВА. К источнику подключена воздушная линия электропередачи 110 кВ протяжённостью 20 км, выполненная неизолированным проводом АС-185, и силовой трансформатор ТРДЦН-80000/110, на стороне низкого напряжения 10 кВ которого моделировались повреждения. Были получены осциллограммы распределений токов на сторонах высокого и низкого напряжения электрической сети 110/10 кВ в устойчивых аварийных режимах, которые соответствуют положениям теории переходных процессов в электроэнергетических системах.