ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

УДК 620.92

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается имитационное моделирование защиты от однофазных замыканий на землю синхронного двигателя с явнополюсным ротором СДНЗ 18-91-12 в программном пакете Matlab Simulink. Для построения цифровой модели была рассчитана уставка срабатывания защиты от однофазных замыканий на землю, подобраны блоки и инструменты в программном обеспечении. По результатам моделирования построены осциллограммы параметров синхронного двигателя, осциллограммы токов и напряжений сети, тока нулевой последовательности в нормальном режиме работы и при однофазном замыкании на землю, на основании которых была проанализирована работа релейной защиты. Описаны преимущества применения имитационного моделирования в релейной защите.

ABSTRACT

The article discusses the simulation of protection against single-phase ground faults of a synchronous motor with a single-pole rotor SDNZ 18-91-12 in the Matlab Simulink software package. To build a digital model, the setpoint of the protection against single-phase ground faults was calculated, blocks and tools were selected in the software. Based on the simulation results, oscillograms of synchronous motor parameters, oscillograms of mains currents and voltages, and zero-sequence current in normal operation and with a single-phase ground fault were constructed, on the basis of which the operation of relay protection was analyzed. The advantages of using simulation modeling in relay protection are described.

Ключевые слова: имитационное моделирование, синхронный двигатель, защита от однофазных замыканий на землю, релейная защита.

Keywords: simulation modeling, synchronous motor, protection against single-phase ground faults, relay protection.

Введение

Защита синхронного двигателя (СД) от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) обязательна к применению при токах замыкания на землю более 5 А в электродвигателях номинальной мощностью более 2 МВт [5]. Защита от ОЗЗ необходима для предотвращения разрушения изоляции обмоток статора, которое может привести к междуфазному короткому замыканию, пожару, удару током дежурного персонала, снижению надежности и уменьшению срока службы электроустановки.

Применение имитационного моделирования в релейной защите, в отличие от традиционных методов настройки, дает ряд преимуществ, таких как:

- тестирование защиты в различных режимах работы без риска повреждения электроустановок;

- визуализация параметров сети и электроустановок с целью изучения;

- экономия времени и ресурсов.

Актуальность разработки имитационной модели защиты от ОЗЗ обусловлена повышением точности настройки уставок и обеспечением чувствительности релейной защиты в различных режимах работы электроустановки.

Материалы и методы исследования

Для построения цифровой модели была рассчитана уставка срабатывания защиты от ОЗЗ синхронного двигателя по формуле [6]:

где: – коэффициент отстройки защиты от ОЗЗ;

– коэффициент возврата защиты от ОЗЗ;

– коэффициент броска емкостного тока, обусловленного перезарядом емкостей электрической сети при ОЗЗ;

– емкостной ток защищаемого электродвигателя, А;

– емкостной ток кабельной линии, соединяющей электродвигатель с ячейкой, А.

Емкостный ток СД определяется по формуле [6]:

где: – номинальная частота напряжения питающей сети, Гц;

– электрическая емкость двигателя, Ф;

– номинальное напряжение двигателя, В.

СДНЗ 18-91-12 имеет явнополюсный ротор, поэтому емкость его статорных обмоток определяется по формуле [6]:

где: – полная мощность электродвигателя, кВА;

– синхронная частота вращения двигателя, об/мин.

Емкостный ток кабельной линии до СД определяется по формуле [6]:

где: – номинальное линейное напряжение кабельной линии, кВ;

– длина кабельной линии, км.

Согласно ПУЭ [5], ток срабатывания защиты от ОЗЗ не должен превышать 5 А при мощности двигателя более 2 МВт. Рассчитанная уставка срабатывания защиты, равная 3,89 А, удовлетворяет данному требованию.

Имитационная модель защиты от ОЗЗ синхронного двигателя, разработанная в Matlab Simulink, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Имитационная модель защиты от ОЗЗ синхронного двигателя в Matlab Simulink

Цифровая модель построена с применением следующих блоков.

Силовая часть: Three-Phase Source – система 10,5 кВ, Three-Phase Breaker – высоковольтный выключатель, Pi Selection Line – кабельная линия, Three-Phase VI Measurement – измерительный блок напряжений и токов сети, Synchronous Machine pu Fundamental – синхронный двигатель СДНЗ 18-91-12, блок пуска и работы СД.

Цепь релейной защиты: измерительный блок тока нулевой последовательности, блок защиты от ОЗЗ.

Для имитации ОЗЗ применяется блок Three-Phase Fault.

Схема блока защиты от ОЗЗ синхронного двигателя, разработанная в Matlab Simulink, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема блока защиты от ОЗЗ синхронного двигателя в Matlab Simulink

Результаты

После построения цифровой модели запущена симуляция и исследованы параметры СД для определения времени полного пуска.

Осциллограммы параметров синхронного двигателя представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Осциллограммы параметров синхронного двигателя

СД достиг номинальной частоты вращения ротора, равной 1,0 о.е., к 3 секунде, однако ток статора, момент двигателя и ток возбуждения стабилизировались только к 5 секунде, поэтому время полного пуска считаем равным 5 секунд. Таким образом, в блоке имитации ОЗЗ Three-Phase Fault выставим время включения с 5 секунды.

Проверим корректность рассчитанной уставки защиты от ОЗЗ в нормальном режиме работы. Осциллограммы напряжений, токов сети и тока нулевой последовательности в нормальном режиме работы представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Осциллограммы напряжений, токов сети и тока нулевой последовательности в нормальном режиме работы

При нормальном режиме работы, когда блок имитации ОЗЗ отключен, защита от ОЗЗ не срабатывает, и сигнал на отключение высоковольтного выключателя не подается, так как ток нулевой последовательности не превышает заданную уставку защиты, равную 3,89 А.

Проверим корректность рассчитанной уставки защиты от ОЗЗ при однофазном коротком замыкании на землю. Осциллограммы напряжений, токов сети и тока нулевой последовательности при ОЗЗ представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Осциллограммы напряжений, токов сети и тока нулевой последовательности при ОЗЗ

Когда блок имитации ОЗЗ включается с 5 секунды, защита от ОЗЗ срабатывает, и подается сигнал на отключение высоковольтного выключателя за 0,02 с, так как ток нулевой последовательности достигает 89,75 А и превышает заданную уставку защиты, равную 3,89 А.

Осциллограмма сигнала защиты от ОЗЗ на высоковольтный выключатель представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Осциллограмма сигнала защиты от ОЗЗ на высоковольтный выключатель

Заключение

Таким образом, построение цифровой модели защиты от ОЗЗ и исследование полученных осциллограмм обеспечили проверку рассчитанной уставки и позволили проанализировать работу релейной защиты в нормальном режиме и в режиме однофазного замыкания на землю без риска повреждения оборудования, экономя при этом время и ресурсы, что является огромным преимуществом над традиционными методами настройки релейных защит.

Список литературы:

1. Akhmedova O. Development of an Intelligent System for Distance Relay Protection with Adaptive Algorithms for Determining the Operation Setpoints / O. Akhmedova, A. Soshinov, F. Gazizov, S. Ilyashenko // Energies. – 2021. Vol. 14. № 973. P.1–20.
2. Kulikov A. Relay Protection and Automation Algorithms of Electrical Networks Based on Simulation and Machine Learning Methods / A. Kulikov, A. Loskutov, D. Bezdushniy // Energies. – 2022. Vol. 15. № 6525. P.1–19.
3. Высоких Д.Д. Инновации в области релейной защиты и автоматики // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2024. 6(123). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17692.
4. Лазарев Ю. Ф. Моделирование процессов и систем в MATLAB : учебный курс – СПб.: БХВ – Петербург, 2015. – 521 с.
5. Правила устройства электроустановок. – 6-е, 7-е изд. – СПб.: ДЕАН, 2015. – 499 с.
6. СТО ДИВГ-046-2017. Терминалы релейной защиты синхронных и асинхронных электродвигателей 6–10 кв. Расчет уставок : методические указания / ООО «НТЦ «Механотроника». – СПб., 2017. – 82 с.
7. Терехин В. Б. Компьютерное моделирование систем электропривода постоянного и переменного тока в Simulink : учебное пособие для вузов / В. Б. Терехин, Ю. Н. Дементьев. – М.: Юрайт, 2024. – 306 с.

References:

1. Akhmedova O., Soshinov A., Gazizov F., Ilyashenko S. "Development of an Intelligent System for Distance Relay Protection with Adaptive Algorithms for Determining the Operation Setpoints" [Разработка интеллектуальной системы дистанционной защиты релейной защиты с адаптивными алгоритмами определения рабочих уставок]. Energies. 2021. Vol. 14. № 973. P. 1–20. DOI: 10.3390/en14030973.
2. Kulikov A., Loskutov A., Bezdushniy D. "Relay Protection and Automation Algorithms of Electrical Networks Based on Simulation and Machine Learning Methods" [Алгоритмы релейной защиты и автоматизации электрических сетей на основе методов моделирования и машинного обучения]. Energies. 2022. Vol. 15. № 6525. P. 1–19. DOI: 10.3390/en15186525
3. Vysokikh D.D. "Innovatsii v oblasti rekleynoy zashchity i avtonomiki" [Innovations in Relay Protection and Automation]. Universum: Tekhnicheskie Nauki. 2024. 6(123). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17692 (In Russ.).
4. Lazarev Yu.F. "Modelirvanie protsessov i sistem v MATLAB: uchebnyi kurs" [Modeling of Processes and Systems in MATLAB: A Training Course]. Sankt-Peterburg: BKHV-Petersburg, 2015. – 521 s. (In Russ.).
5. Pravila ustroystva elektrostantsiy. 6-e, 7-e izd. [Rules for the Device of Electrical Installations. 6th, 7th ed.]. Sankt-Peterburg: DEAN, 2015. – 499 s. (In Russ.).
6. STO DIVG-046-2017. "Terminaly rekleynoy zashchity sinkhronnykh i asinkhronnykh elektrodvigatelei 6–10 kV. Raschet ustavok: metodicheskie ukazaniya" [Terminals of Relay Protection for Synchronous and Asynchronous Electric Motors 6–10 kV. Calculation of Setpoints: Methodological Guidelines]. OOO "NTs Mekhanotronika". Sankt-Peterburg, 2017. – 82 s. (In Russ.).
7. Terekhin V.B., Dementyev Yu.N. "Kompyuternoe modelirovanie sistem elektroprivoda postoyannogo i peremennogo toka v Simulink: uchebnoe posobie dlya vuzov" [Computer Modeling of DC and AC Drive Systems in Simulink: A Textbook for Higher Educational Institutions]. Moscow: Yurait, 2024. – 306 s. (In Russ.).