Методические указания к лабораторной работе №3 на тему:
«Моделирование и исследование работы быстродействующего фидерного выключателя тяговой подстанции постоянного тока 3,3кВ».
Цель работы – разработка модели быстродействующего выключателя тяговой подстанции с воспроизведением распределения токов между ветвями реле и процесса горения дуги между силовыми контактами выключателя при коротком замыкании в тяговой сети.
Задача – исследование параметров процесса отключения тока короткого замыкания быстродействующим выключателем при изменении значения уставки.
Порядок выполнения работы.
Построить модель для исследований в соответствии с рисунком 1.
Рисунок 1. Модель для исследования работы быстродействующего фидерного выключателя постоянного тока при коротком замыкании на фидере тяговой подстанции.
Теоретическая часть.
Параметры процесса отключения тока короткого замыкания:
Момент достижения уставки током короткого замыкания; Начало расхождения силовых контактов и образование дуги; Величина ограничения тока короткого замыкания; Полное время отключения тока короткого замыкания; Максимальное напряжение дуги.Известно, что выбор уставок быстродействующих выключателей (БВ) осуществляется на основе сравнения максимального тока фидеров тяговых подстанций и постов секционирования и минимального тока короткого замыкания. Расчётная схема для определения максимального тока фидера представляет собой стационарную схему расположения грузовых поездов расчётного веса, первый из которых находится под подстанцией и потребляет максимальный ток пускового режима, а остальные отстоят от первого на расстояние, определяемое минимальным межпоездным интервалом, и потребляют средние для данной фидерной зоны токи. Ток уставки выключателя выбирается в промежутке между указанными величинами.
Отметим, что параметры для выбора уставок БВ определяются в установившемся режиме работы системы электроснабжения.
Описанная математическая модель для выбора уставок БВ, и получившая распространение в практике эксплуатации, разработана много десятилетий назад и до сегодняшнего дня не подвергалась серьёзным изменениям. Несмотря на то, что исследования в этом направлении постоянно проводились.
Необходимость в таких исследованиях объясняется тем, что на практике наблюдается ненадёжная (неселективная) работа БВ.
В частности, наблюдаются отключения БВ в нормальном нагрузочном режиме работы системы электроснабжения даже в случаях, когда максимальный ток фидера меньше, чем ток уставки, т. е. на самом деле выполняется следующее условие:
Результаты расчётов токов уставок БВ при использовании рассматриваемой математической модели могут указывать в ряде случаев на наличие “мёртвых зон” на защищаемых фидерных зонах, когда минимальный ток короткого замыкания оказывается меньше максимального тока нагрузки или близок к нему.
С другой стороны, возможно отключение БВ в режиме короткого замыкания при задании уставки большей, чем минимальный ток короткого замыкания, т. е.
Проведённые рассуждения приводят к выводу о том, что в используемой математической модели не учтены некоторые факторы, весьма существенно влияющие на воспроизводимые характеристики исследуемого объекта.
БВ настраивается на вполне определённый ток уставки, достижение которого током фидера должно приводить к срабатыванию выключателя. На самом деле, быстродействующему выключателю не безразличен тот факт, как было достигнуто значение тока уставки, т. е. важны характеристики процесса нарастания тока короткого замыкания через БВ, непосредственно предшествующего моменту достижения тока уставки. Другими словами, существенными являются параметры переходного процесса изменения тока через БВ. В используемой на практике математической модели как раз и не учитываются такие факторы как скорость нарастания и приращение тока.
Следует подчеркнуть, что указанные факторы отсутствуют в расчётной модели, как при определении минимального тока короткого замыкания, так и максимального тока нормального нагрузочного режима.
Причина столь длительного отсутствия указанных факторов в расчётной схеме заключается, безусловно, в теоретической сложности построения и практической реализации математических моделей, учитывающих эти факторы.
В качестве релейного элемента в БВ используются шунт – виток и реле дифференциальный шунт (РДШ).
Распределение тока короткого замыкания между витком и шунтом БВ.
При коротком замыкании, вследствие высокой скорости нарастания тока в цепи, большая часть тока ответвляется в виток (для выключателей типа АБ2/4 – рисунок 2) или в ветвь №1 РДШ (для выключателей типа ВАБ-49 с РДШ – рисунок 3).
Рисунок 2. Принцип работы реле «шунт-виток» быстродействующего выключателя.
Рисунок 3. Принцип работы реле дифференциальный шунт. При высокой скорости нарастания тока, большая часть тока ответвляется во вторую ветвь, не содержащую индуктивных шунтов. Возрастает разность магнитных потоков и сила притяжения подвижной части магнитопровода. При замыкании магнитной системы обесточивается система управления и подаётся сигнал на отключение БВ.
Рисунок 4. Реле РДШ.
Рисунок 5. Осциллограмма натурного испытания процесса отключения тока короткого замыкания быстродействующим выключателем БВП-5. На осциллограмме видны моменты возникновения дуги между силовыми контактами БВ, ограничения тока короткого замыкания полного отключения короткого. Как видно максимальное перенапряжение в данном опыте составляет порядка 11000 В.
Модель быстродействующего выключателя
Модель быстродействующего выключателя, построенная в среде MatLab/Simulink, представлена на рисунке 6.
Логика работы структурно-блочной модели быстродействующего выключателя:
Ток короткого замыкания распределяется между ветвями РДШ (R1, L1 и R2, L2). Разность токов ветвей РДШ подаётся на логико-событийное устройство – «Срабатывание», в котором определяется момент достижения тока срабатывания.
До возникновения этого события на выходе устройства формируется нулевой сигнал (output=0), который подаётся на переключатель. При нулевом сигнале включён нижний контакт и на выход выключателя передаётся также нулевой сигнал. Этот сигнал поступает на управляющий контакт блока «Управляемый источник напряжения», который моделирует дугу.
Таким образом ток короткого замыкания протекает от плюса к минусу схемы, не встречая никакого сопротивления, и БВ в этот отрезок времени никак себя не проявляет.
После достижении тока срабатывания РДШ, логическое устройство обеспечивает выдержку времени, соответствующую собственному времени срабатывания БВ, в течение которого по-прежнему никаких новых событий не происходит. На рисунке 6 показана диаграмма состояний и логических условий, реализуемых в процессе отключения тока короткого замыкания.
Рисунок 6. Структурно-блочная схема SPS-модели, S-модели и Stateflow-модели быстродействующего выключателя с устройством реле – «Реле дифференциальный шунт».
Состояние DugaNot – соответствует отрезку времени от момента возникновения короткого замыкания до момента достижения тока срабатывания.
При возникновении последнего события система переходит в новое состояние – Ustavka и реализуется выдержка времени. По истечении этого времени, система переходит в новое состояние – Duga1 и на выход логического устройства подаётся сигнал равный единице.
Одновременно подаётся сигнал (tdugi) на формирование дуги. В результате переключатель переходит в верхнее положение и на управляемый источник напряжения подаётся величина напряжения дуги, которая нарастает во времени по линейному закону.
Физически в контур тока короткого замыкания вводится нарастающее по величине сопротивление, которое ограничивает нарастание тока и, в конечном счёте, обрывает цепь короткого замыкания. Наступает событие Duga2, соответствующее полному разрыву цепи.
Рисунок 7. Диаграмма Stateflow описывает состояния и контролирует события, происходящие в схеме.
Рисунок 8. Пример работы модели быстродействующего выключателя. Распределение тока короткого замыкания между ветвями быстродействующего выключателя.
Рисунок 9. Пример работы модели быстродействующего выключателя. На рисунке приведена осциллограмма процесса отключения тока короткого замыкания и осциллограмма возникновения, развития и погасания дуги. Масштаб для дуги прият 1:2.
Характеристики быстродействующих выключателей.
Таблица 1. Аппроксимация дуги быстродействующих выключателей.
Тип БВ | T0 | T1 | T2 | U1 | U2 |
АБ2/4 | 0,0065 | 1,0225 | 5,0225 | 580000 | 2900000 |
ВАБ-28 | 0.007 | 0.035 | 5 | 8600 | 8600 |
ВАБ-43 | 0,005 | 0,02 | 5 | 6000 | 600 |
ВАБ-44 | 0,005 | 0,02 | 5 | 6000 | 6000 |
БВП-5 | 0,0065 | 1,0145 | 5,0145 | 468889 | 2344444 |
Таблица 2. Вольт-секундные характеристики быстродействующих выключателей (скорость нарастания напряжения на контактах выключателя.)
Тип БВ | du/dt, В/мс | 2* du/dt, В/мс |
АБ2/4 | 567 | 1134 |
ВАБ-28 | 246 | 492 |
ВАБ-43 | 300 | 600 |
ВАБ-44 | 300 | 600 |
БВП-5 | 462 | 924 |
Таблица 3. Параметры ветвей реле быстродействующих выключателей.
Тип БВ | R витка | R шунта | L витка | L шунта |
АБ2/4 | 1,84E-5 | 9,2E-6 | 1,82E-6 | 5,9E-6 |
ВАБ-28 | 2,02E-5 | 1,26E-5 | 8,2E-7 | 2,27E-7 |
ВАБ-43 | 9,5E-6 | 6,7E-6 | 9,6E-7 | 2,27E-7 |
ВАБ-44 | 2,02E-5 | 1,26E-5 | 8,2E-7 | 2,27E-7 |
БВП-5 | 0,0001 | 4,8E-5 | 6,75E-7 | 6,1E-6 |
Варианты заданий.
Таблица 4
№№ | Тип БВ | Lр, мГн | Uxx, В | Длина ф. з., км | Тип контактной подвески | Тип рельса |
1 | АБ2/4 | 4,5 | 3800 | 18.8 | М-120+2МФ-100 | Р43 |
2 | АБ2/4 | 11 | 3600 | 13,2 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р43 |
3 | АБ2/4 | 20 | 3400 | 16,9 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р43 |
4 | ВАБ-28 | 7 | 3200 | 28 | М-120+2МФ-100 | Р50 |
5 | ВАБ-28 | 20 | 3400 | 25,6 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р50 |
6 | ВАБ-28 | 25 | 3600 | 13,75 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р50 |
7 | ВАБ-43 | 4,5 | 3800 | 12,55 | М-120+2МФ-100 | Р65 |
8 | ВАБ-43 | 6 | 3600 | 27,9 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р65 |
9 | ВАБ-43 | 11 | 3400 | 22,7 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р65 |
10 | ВАБ-44 | 4,5 | 3200 | 25,4 | М-120+2МФ-100 | Р43 |
11 | ВАБ-44 | 4,5 | 3200 | 13,6 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р43 |
12 | ВАБ-44 | 6 | 3300 | 14,3 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р43 |
13 | ВАБ-43 | 11 | 3400 | 23 | М-120+2МФ-100 | Р50 |
14 | ВАБ-43 | 20 | 3500 | 24,5 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р50 |
15 | ВАБ-43 | 25 | 3600 | 21 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р50 |
16 | АБ2/4 | 4,5 | 3700 | 15,6 | М-120+2МФ-100 | Р65 |
17 | АБ2/4 | 6 | 3800 | 15,2 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р65 |
18 | АБ2/4 | 11 | 3200 | 17,5 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р65 |
19 | БВП-5 | 20 | 3300 | 17,4 | М-120+2МФ-100 | Р43 |
20 | БВП-5 | 25 | 3400 | 27.2 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р43 |
21 | БВП-5 | 4,5 | 3500 | 20,5 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р43 |
22 | АБ2/4 | 6 | 3600 | 21,2 | М-120+2МФ-100 | Р50 |
23 | ВАБ-28 | 11 | 3700 | 16,6 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р50 |
24 | ВАБ-43 | 20 | 3800 | 23,9 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р50 |
25 | ВАБ-44 | 25 | 3600 | 9,3 | М-120+2МФ-100 | Р65 |
26 | ВАБ-49 | 4,5 | 3700 | 15,6 | М-120+2МФ-100 | Р65 |
27 | ВАБ-49 | 6 | 3800 | 15,2 | М-120+2МФ-100+А-185 | Р65 |
28 | ВАБ-49 | 11 | 3200 | 17,5 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р65 |
29 | ВАБ-49 | 4,5 | 3700 | 15,6 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р43 |
30 | ВАБ-49 | 6 | 3800 | 15,2 | М-120+2МФ-100 | Р50 |
31 | ВАБ-49 | 11 | 3200 | 17,5 | М-120+2МФ-100+1А-185 | Р65 |
32 | ВАБ-49 | 11 | 3700 | 16,6 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р43 |
33 | ВАБ-49 | 20 | 3800 | 23,9 | М-120+2МФ-100 | Р50 |
34 | ВАБ-49 | 25 | 3600 | 9,3 | М-120+2МФ-100+1А-185 | Р65 |
35 | ВАБ-49 | 11 | 3400 | 23 | М-120+2МФ-100+1А-185 | Р43 |
36 | ВАБ-49 | 20 | 3500 | 24,5 | М-120+2МФ-100+2А-185 | Р50 |
37 | ВАБ-49 | 25 | 3600 | 21 | М-120+2МФ-100 | Р65 |
Пример расчёта уставки быстродействующего выключателя.
Определение удельного сопротивления контактной сети.Пусть тип контактной подвески – М-120+2МФ-100+1А-185, тогда
Пусть тип рельса – Р43
Принять 
Пусть 
Принимаем уставку быстродействующего выключателя равной 
Для быстродействующих выключателей, использующих реле «шунт - виток», следует определить долю тока, ответвляющегося в виток, и внести её в модель как уставку быстродействующего выключателя
Например, для быстродействующего выключателя АБ2/4
Для быстродействующих выключателей, использующих реле «РДШ» следует определить разность токов в ветвях РДШ и внести в модель как уставку быстродействующего выключателя
Например, для быстродействующего выключателя ВАБ-43
Таблица 5. Зависимость параметров процесса отключения тока короткого замыкания от значения тока уставки.
№№ | Ток уставки, А | Время достижения тока уставки, с | Ток ограничения, А | Максимальное напряжение дуги, В | Полное время отключения |
1. | |||||
2. | |||||
3. | |||||
… |
Примечания.
Ток уставки следует изменять через
начиная от расчётного тока уставки в сторону увеличения. Закончить эксперименты при отсутствии срабатывания быстродействующего выключателя. Контрольные вопросы.
Что происходит после достижения током короткого замыкания тока уставки быстродействующего выключателя. Что такое собственное время срабатывания выключателя. Когда появляется дуга. Что является причиной появления дуги. Может ли напряжение на контактах выключателя превысить напряжение источника. Если может, то что является причиной появления перенапряжений. Как дуга влияет на процесс изменения тока короткого замыкания в тяговой сети.