Acrobat Distiller, Job 3 - Politechnika Wrocławska

Klaudiusz FATLA
Politechnika Wrocławska Instytut Energoelektryki, 50-370 Wrocław, Wyb. Wyspiańskiego 27, e-mail:
[email protected]
Eugeniusz ROSOŁOWSKI
Politechnika Wrocławska Instytut Energoelektryki, 50-370 Wrocław, Wyb. Wyspiańskiego 27, e-mail:
[email protected]
MODEL TRANSFORMATORA ENERGETYCZNEGO DO CELÓW BADANIA
ALGORYTÓW ZABEZPIECZEŃ CYFROWYCH
W artykule zaprezentowano model transformatora energetycznego do testowania algorytmów
zabezpieczeń, doboru nastaw zabezpieczenia różnicowego oraz badania zjawisk przejściowych.
Przedstawiony model odzwierciedla stany pracy normalnej jak i awaryjnej (zwarcia wewnętrzne
i zewnętrzne). Najważniejszymi cechami prezentowanego modelu są: reprezentacja pętli histerezy
rdzenia transformatora, możliwość zadawania początkowej wartości indukcji magnetycznej w rdzeniu,
oraz model przekładników prądowych i filtrów antyaliazingowych na ich wyjściu. Model został
stworzony na podstawie standardowych elementów pakietu EMTP oraz sprawdzono możliwość jego
stworzenia w nakładce graficznej ATPDraw.
1. WPROWADZENIE
Transformator jest jednym z najważniejszych elementów systemu elektroenergetycznego
i jego uszkodzenie lub awaria może zagrozić stabilności systemu oraz może wiązać z dużymi
stratami materialnymi. Ciągły rozwój technik komputerowych jest jednym z czynników
pozwalających na powstawanie nowych algorytmów zabezpieczeń transformatorów, do
testowania których potrzebny jest dobry model tego elementu systemu. W przypadku
transformatora energetycznego podstawowym zabezpieczeniem jest zabezpieczenie różnicowe,
które nie daje jednoznacznej odpowiedzi na pytanie: „Czy zwarcie było wewnętrzne i należy
zabezpieczany obiekt wyłączyć, czy to było jakieś inne zakłócenie?”. Rozwinięciem klasycznego
zabezpieczenia różnicowego jest dołączenie analizowania zawartości 2 i 5 harmonicznej
w analizowanym sygnale prądowym. Poszukiwanie lepszych algorytmów, zwiększanie czułości
i szybkości działania zabezpieczeń różnicowych prowadzi do coraz to innych modyfikacji
klasycznego zabezpieczenia. Najnowszymi osiągnięciami w tej dziedzinie jest zastosowanie
sztucznych sieci neuronowych [1], logiki rozmytej czy transformaty falkowej [3].
Coraz bardziej rozbudowane algorytmy decyzyjne potrzebują coraz większej ilości danych
do analizy oraz dokładniejszych modeli zabezpieczanych obiektów. W przypadku zabezpieczania
transformatora energetycznego najważniejszymi kwestiami są:
1. wzbudzenie transformatora poprzez załączanie nieobciążonego lub poprzez bliskie
zwarcie zewnętrzne,
2. wzrost strumienia magnetycznego poprzez zjawisko przepięć lub zmian częstotliwości,
3. zwarcia wewnętrzne miedzyfazowe jak i miedzyzwojowe,
4. zwarcia zewnętrzne które, mogą powodować nasycanie się przekładników prądowych jak
i rdzenia transformatora.
Ponieważ praktycznie nie istnieją zarejestrowane przebiegi prądów wewnątrz kadzi
podczas zwarć wewnętrznych transformatora to konieczna jest ich symulacja modelach
matematycznych. Większość opracowanych modeli jest modelami całościowymi i nie nadaje się
do badania zjawisk zachodzących wewnątrz transformatora. Aby poprawnie zasymulować
zwarcia wewnętrzne potrzebny jest model z węzłami wewnętrznymi i odpowiednim
odzwierciedleniem uzwojeń.
Model transformatora mocy, przeznaczony do badania algorytmów zabezpieczeń powinien
spełniać założenia:
- możliwość modelowani transformatorów o różnych grupach połączeń,
- model powinien odtwarzać charakterystykę magnesowania rdzenia transformatora,
- możliwość zadawanie początkowej wartości indukcji magnetycznej w rdzeniu
transformatora,
- możliwość symulacji zwarć wewnętrznych międzyzwojowych i międzyuzwojeniowych,
- model powinien odtwarzać charakterystykę magnesowania przekładników prądowych,
- w obwodach wtórnych należy mieć możliwość odtworzenia charakterystyki
magnesowania transformatorów pośredniczących, charakterystyki częstotliwościowej
odcinających filtrów analogowych oraz stopnia obciążenia przekładników prądowych,
- model zewnętrznego systemu elektroenergetycznego powinien umożliwiać symulację
różnych warunków pracy normalnej i awaryjnej: zwarć międzyfazowych i doziemnych,
zmiany stopnia i charakterystyki obciążenia, zmiany amplitudy i częstotliwości napięcia
zasilającego itp.
- zakres badanych częstotliwości powinien być rzędu kilku kHz.
Od strony numerycznej model powinien być:
- prosty i łatwy do modyfikacji,
- powinien pozwalać na implementację w dostępnych oprogramowaniu do modelowania
numerycznego.
W referacie zaproponowano użycie do tego celu pakietu EMTP/ATP oraz nakładki
graficznej o nazwie ATPDraw.
3. MODEL TRANSFORMATORA
Standardowy model transformatora z pakietu EMTP/ATP pozwala na łatwą modyfikacje
struktury oraz o zmianę parametrów obiektu [5]. Model dostępny w oprogramowaniu może być
użyty do modelowania zarówno transformatora jedno jak i wielofazowego. Model
wielouzwojeniowy, wielofazowy uzyskuje się poprzez połączenie jednofazowych elementów o
odpowiedniej grupie połączeń. Jest to transformator idealny o zadawanych parametrach strony
pierwotnej i wtórnej oraz gdzie gałąź poprzeczna połączona z uzwojeniem pierwotnym modelu
i odzwierciedla charakterystykę magnesowania. Jest ona reprezentowana przez nieliniowy
element indukcyjny (Pseudo-Nonlinera Reactor: PNR [4]). Wadą tego rozwiązania brak
możliwości wprowadzenia strumienia resztkowego.
Aby tę niedogodność ominąć należy w miejsce PNR
ZH1
ZL
95%
wprowadzić element nieliniowy z pętlą histerezy
(Pseudo-Nonlinear Histersis Inductor: PNHI [4]).
Na rys. 1 przedstawiono schemat jednej fazy
modelu transformatora. Uzwojenie strony wysokiej
ZH2
5%
zostało podzielone na dwie części w stosunku 95% i
5%, dzięki czemu istnieje możliwość zwarć
miedzyzwojowych poprzez połączenie odpowiednich
Rys. 1. Schemat jednej fazy modelu
fragmentów poprzez rezystancję zwarcia. W modelu
transformatora.
transformatora zakłada się, że strumień magnetyczny
składowej zerowej ma takie same warunki przepływu jak strumień składowej zgodnej.
Odpowiada to sytuacji, gdy transformator trójfazowy zbudowany jest z trzech oddzielnych
transformatorów jednofazowych.
3. PRZEKŁADNIKI PRĄDOWE I TOR POMIAROWY
W celu poprawnego odzwierciedlenia zjawisk zachodzących w rzeczywistości należy
poprawnie zasymulować przekładniki prądowe dostarczające sygnały do urządzenia decyzyjnego
oraz filtry odcinające. Ważne to jest ze względu na nieliniowy charakter przekładników
prądowych, które mogą ulec nasyceniu zarówno przy zwarciach w strefie, zwarciach bliskich
poza strefą i podczas załączania nieobciążonego transformatora.
Jako model przekładników został wybrany gotowy element z pakietu EMTP, nasycający
się transformator jednofazowy bez pętli histerezy i strumienia resztkowego [5]. Z punktu
widzenia dokładności przetwarzania nie ma to większego znaczenia, ponieważ do tego typu
zastosowań wystarczające jest posiadanie tylko dodatniej
R1
R2
części charakterystyki magnesowania.
Na uzwojeniu wtórnym przekładników prądowych
u1
C1
C2
u2
znajduje się prosty filtr analogowy składający się z dwóch
członów RC. Parametry filtru odcinającego są dobrane z
punktu widzenia żądanej charakterystyki częstotliwościowej
Rys. 2. Schemat filtra analogowego.
a jego transmitancja jest określona wyrażeniem:
G FA (s ) =
u 2 (s )
a
= 2
u1 (s ) s + abs + a
(1)
4. MODELOWANY SYSTEM ELEKTRONERGETYCZNY
Model transformatora został przebadany w prostym systemie elektroenergetycznym,
którego schemat przedstawiono na rys. 3.
System I
110kV
Transformator Yd11
115/22 kV
ND01_
ND02_
ND03_
ND04_
ND05_
System II
22kV
ND06_
ND07_
ZL
ZH
Filtr
Filtr
Zabezpiecznie
Rys. 3. Schemat modelowanego systemu.
ND08_
W charakterze zabezpieczanego obiektu wybrano transformator 115/22 kV, Yd11 o
następujących parametrach: S N = 32MVA, u k =11,0%, ∆PCU =280kW, I 0 = 1% . Stąd
otrzymujemy wartości prądów znamionowych: I H = 160,65 A, I L = 839,78 A.
Parametry systemów z obu stron transformata: U H = 110∠0 o kV, Z H 0 = 1,80 + j19,5 Ω,
[Vs]
Z H 1 = 1,21 + j13,5 Ω, U L = 22∠20 o kV, Z L1 = 0,2 + j 4,0 Ω.
Na podstawie danych transformatora dobrane
zabezpieczeniowe:
- strona 110kV: 200/1 A/A, S N = 20 VA,
- strona 22kV: 1000/1 A/A, S N = 20 VA.
zostały
prądowe
przekładniki
175
[Wb]
150
1E+1
strona 110kV
125
strona 22kV
100
75
1E+0
50
25
0
-2000 -1500 -1000
-500
-25
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1E-1
-50
-75
-100
-125
1E-2
1E-3
-150
Rys. 4. Charakterystyka transformatora
1E-2
1E-1
1E+0
1E+1
1E+2
I [A]
Rys. 5. Charakterystyka przekładników prądowych
Dolnoprzepustowe filtry odcinające zostały dobrane dla częstotliwości próbkowania
f p = 1000 Hz i częstotliwości odcięcia f c = 400 Hz. Filtry został umieszczone w trzech fazach
po obu stronach transformatora. Sygnały wyjściowe z filtrów są przekazywane do modułu
MODELS, który symuluje przekaźnik różnicowy z blokadą na drugą harmoniczną.
Pokazany system został dwukrotnie zamodelowany, raz przy pomocy ATP/EMTP i raz
przy pomocy nakładki graficznej ATPDraw.
5. ATPDRAW
Program ATPDraw w założeniu miał spełniać idee „user friendly”. Jest to aplikacja
graficzna pod system operacyjny MS Windows i wykorzystuje wszystkie zalety tego środowiska.
Największą cześć ekranu roboczego zajmuje obszar na którym użytkownik tworzy schemat
modelowanego układu (rys. 6). Do natychmiastowego użycia dostępne są wszystkie standardowe
elementy EMTP tj.: źródła, wyłączniki, maszyny i wiele innych. W tym momencie tutaj łatwość
użytkowania się kończy. Aby zmodyfikować strukturę wewnętrzną danego bloczka obrazującego
np. model transformatora należy przejść dość skomplikowaną drogę od edycji pliku źródłowego
poprzez kompilację aż do stworzenia ikonki. Z tego względu środowisko to nie nadaje się do
pracy z modelami wykraczającymi poza zakres standardowych modeli EMTP.
Próbowano stworzyć model transformatora, który spełniałby wszystkie kryteria
przestawione w rozdziale 1, ale czasochłonność każdorazowego przygotowywania danych
zdyskwalifikowała to środowisko. Praca z tym programem w bardziej skomplikowanych
układach i sprowadza się do modyfikowania plików źródłowych EMTP wiec jego zastosowanie
mija się z celem. Jego przyjazność pozwala na bardzo szybkie zapoznanie się ideą pakietu EMTP
i nie odstrasza nowych użytkowników.
Rys. 6. Ekran programu ATPDraw
6. PRZYKŁAD
Jako przykład zachowania się modelu wybrano przypadek załączania nieobciążonego
transformatora. Wyłączniki po obu stronach transformatora są otwarte, zostaje zamknięty
wyłącznik od strony systemu 110kV (rys. 3.).
I∆2, A
i∆, A
4
1.2
2
0.9
0
0.6
-2
0.3
0.0
0.0
-4
0.05
0.10
0.15 0.20 0.25 0.30
czas, ms
Rys. 7. Amplitudy drugiej harmonicznej prądu
różnicowego
-6
0.0
0.05
0.10
0.15 0.20 0.25 0.30
czas, ms
Rys. 8. Przebiegi prądów różnicowych po załączeniu
nieobciążonego transformatora
Przekładniki prądowe od strony zasilania mają dużą impedancję obciążenia, co powoduje
nasycanie się przekładników prądowych (rys. 8.) Zabezpieczenie nie wyłącza obiektu, ponieważ
w przebiegu występuje znaczna wartość drugiej harmonicznej (rys. 7.).
7. PODSUMOWANIE
Zaprezentowany model umożliwia symulowanie zwarć międzyfazowych, wewnętrznych
zwarć międzyzwojowych i miedzyuzwojeniowych. Jego podstawowymi zaletami są:
- łatwość zmiany grup połączeń transformatora,
- dobra reprezentacja pętli histerezy rdzenia transformatora,
- możliwość wprowadzenia strumienia resztkowego.
Przedstawiony model transformatora będzie wykorzystany do testowania algorytmów
zabezpieczeń z wykorzystaniem transformaty falkowej.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Bastard P., Meunier M., Regal H., „A neural network classified for the analysis of protection
transformer differential current“, Proc. of yhe International Conf. on Intelligent System
Application to Power Systems, Montpellier, France, Sept. 5-6, 1994.
KASZTENNY B., LUKOWICZ M., ROSOLOWSKI E., "Differential protection for power
transformers based on artificial neural network", Archives of Electrical Engineering, Vol.XLVI,
No.2, 1997, pp.219-237.
Gomez-Morante M., Nicoletti D., „A wavelet-based differential transformer protection”, IEEE
Transaction on Power Delivery, Vol. 14, No. 4, 1999.
Kasztelny B., Marczonek S., Rosołowski E., „Digital model of three-phase power transformer for
investigation of protection schemes”, Proc. of the 6th International Symposium on Short-Circuit
Currents in Power Systems, Liege, Belgium, Sept. 6-8, 1994, paper 3.6.
“Alternative Transient Program – Rule book”, European EMTP Center, Leuven, Belgium, 1987.