2

 1.    Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest przygotowanie, analiza oraz prezentacja wyników z próby zwarciowej, realizowanej z wykorzystaniem oprogramowania Matlab/Simulink. Przygotowana próba wytrzymałości zwarciowej, jest próbą elektrodynamiczną, zatem głównym zadaniem jest wytworzenie w obwodzie prądu zwarciowego o odpowiedniej wartości szczytowej i_cr.

2.    Przebieg prądu zwarciowego

Prąd zwarciowy generowany jest w układzie zwarciowym pokazanym na Rys. 1. Układ składa się z: CB – wyłącznika bezpieczeństwa, MS – załącznika zwarciowego, SR – dławika nastawczy, HCT – transformatora zwarciowego, DUT – badanego obiektu.

Rys. 1. Schemat poglądowy układu zwarciowego do testów wytrzymałości zwarciowej.

Na Rys. 2 pokazano równoważny obwodowy schemat zastępczy układu zwarciowego przedstawionego na Rys. 1.

Rys. 2. Obwodowy schemat zastępczy układu zwarciowego.

Na Rys. 3 pokazano przykładowy przebieg prądu zwarciowego i wraz z oznaczeniem charakterystycznych wielkości tego przebiegu.

Rys. 3. Przykładowy przebieg prądu zwarciowego i w czasie wraz z oznaczeniem charakterystycznych parametrów przebiegu.

Na Rys. 4 przedstawiono przebieg napięcia wymuszenia systemu u oraz przebieg wypadkowego prądu zwarciowego i wraz ze składowymi: 50 Hz składową wymuszoną i_AC oraz składową swobodną i_DC.

Rys. 4. Przebieg prądu zwarciowego i wraz z udziałem składowych: wymuszonej i_AC oraz swobodnej i_DC

Na Rys. 5, przedstawiano zbliżenie na przebieg sygnałów zaprezentowanych na Rys. 4, wraz z oznaczeniem charakterystycznych wielkości związanych z momentem inicjacji przepływu prądu. Po załączeniu obwodu zwarciowego, (zamknięcie załącznika zwarciowego MS, Rys. 1), w fazie odpowiadającej kątowi ψ, źródło powoduje wymuszenie przepływu prądu i_AC, opóźnionego względem napięcia u o kąt φ. Ze względu na ciągłość prądu w obwodach indukcyjnych, pojawia się składowa przejściowa i_DC, która w tym przypadku przybiera przebieg wykładniczy, tak jak zostało to pokazane na Rys. 4 lub Rys. 6.

Rys. 5. Zbliżenie na początek przebiegu prądu zwarciowego i_sh.

Początkowa wartość składowej przejściowej iDC0, przyjmuje przeciwną wartość do początkowej wartości składowej wymuszonej i_AC0.  Wartość składowej przejściowej ma istotny wpływ na wartość prądu zwarciowego w początkowym okresie po wystąpieniu zakłócenia.

Rys. 6. Przebieg prądu zwarciowego z oznaczonymi początkowymi wartościami składowych

3.    Przygotowane do próby wytrzymałości zwarciowej

Wartość szczytowa prądu zwarciowego icr w zwarciowych układach probierczych (Rys. 1) zależy od:

– przekładni η transformatora zwarciowego HCT

– impedancji obwodu zwarciowego, a w szczególności reaktancji dławika nastawczego

– fazy napięcia ψ w momencie załączenia prądu

Ze względu na brak możliwości ciągłej regulacji napięcia obwodu probierczego, dyskretną regulację indukcyjności dławików nastawczych, a także wpływ impedancji obiektu badanego oraz doprowadzeń torów prądowych, finalne dostrajanie obwodu zwarciowego wykonuje się metodą eksperymentalną:

1. W pierwszym etapie, przeprowadza się serię prób z prądem zwarciowym symetrycznym (bez składowej swobodnej). W trakcie kolejnych prób, zmieniając nastawę dławika nastawczego tak by osiągnąć taką wartość składowej wymuszonej pądu by regulując kątem załączenia ψ osiągnąć odpowiednią wartość szczytową prądu.

2. Po osiągnięciu żądanej wartości prądu, nastawiany jest kąt załączenia ψ_C = 70^o, a następnie przeprowadzona jest kalibracja układu. Uzyskany przebieg prądu jest analizowany, w sposób opisany na Rys. 7, by określić:

– impedancję obwodu zwarciowego Z, z wartości składowej okresowej I_AC

– stałą czasową τ zanikania składowej swobodnej (przy wykorzystaniu Rys. 8.)

– rzeczywisty kąt zwarcia θ, dla danego kąta załączenia ψ_C

Rys. 7. Przebieg kalibrujący prądu zwarciowego dla kąta załączenia ψ_C

Rys. 8. Sposób określania stałej czasowej zanikania składowej swobodnej.

3. Określa się wymagany kąt zwarcia θ oraz szacuje wymagany kąt załączenia ψ_r, tak by osiągnąć wymagane warunki prądowe w trakcie próby, tzn. odpowiednią amplitudę prądu zwarciowego i_cr. Dla znanej stałej czasowej obwodu τ, wartość wymaganego kąta ψ_r można odczytać z rodziny charakterystyk przedstawionych na Rys. 10.

4. Po wykonaniu odpowiednich poprawek fazy załączenia, wykonuje się test właściwy.

4.    Program badań

Symulacje będą przeprowadzone w Simulinku, na modelu zaprezentowanym na Rys. 9. Analizowany model składa się z dwóch gałęzi: górnej (bez wyłącznika) pozwalającą zaobserwować składową wymuszoną prądu, tak jak w stanie ustalonym prądu zwarciowego oraz gałąź dolną do symulacji pełnego prądu zwarciowego.

Rys. 9. Schemat elektryczny modelu z widocznymi obiema gałęziami prądowymi.

Symulacja jest wykonywana poprzez skrypt MATLAB s1_shcc_cont.m (s1_shcc_cont), gdzie zawarte są parametry obwodu. Użytkownik jest proszony o podanie następujących parametrów:

– indukcyjności dławika nastawczego L_SR

– kąta załączenia ψ

Przebieg symulacji oraz analiza wyników

Zmniejszając stopniowo indukcyjność dławika ustawia się obwód tak, aby osiągnąć składową okresową prądu i_AC, dla której poprzez odpowiedni dobór kąta zwarcia uzyska się odpowiednia wartość prądu szczytowego i_cr. W tym celu i_AC musi spełniać następującą zależność (1).

(1)

Strojenie obwodu wykonuje się uruchamiając skrypt s1_shcc_cont.m (s1_shcc_cont), ustawiając kąt psi ~ 90o  a następnie zmieniając nastawy indukcyjności dławika  L_ro

W tych próbach należy utrzymywać prąd symetryczny (możliwie bez składowej okresowej).

2. Dla ustalonej wartości prądu (nastawy dławika L_ro), dokonuje się kalibracji obwodu. Wykonaj próbę (s1_shcc_cont) z kątem załączenia ψ = 70^o oraz niezmienionym L_ro. W ten sposób wyznaczona może być stała czasowa obwodu τ oraz impedancja pętli zwarcia Z. W oparciu o te wielkości, w następnych krokach, może być przeprowadzona korekcja nastawionego kąta załączenia obwodu ψ.
3. Na podstawie wyników symulacji przechowywanych w pamięci MATLABa, skrypt shcc_an1n.m (s2_shcc_an1n) przeprowadzi dekompozycję uzyskanego przebiegu prądu zwarciowego na składowe (Rys. 6), swobodną (DC) oraz okresową AC. Obliczy wartość początkową składowej swobodnej i_DC0 oraz dla składowej wymuszonej wartości skuteczną I_AC i amplitudę i_ACm.

Po uruchomieniu skryptu shcc_an1n.m (s2_shcc_an1n), użytkownik zostanie poproszony o oznaczenie naprzemiennie górnych oraz dolnych punktów szczytów A1…A4 oraz B1…B4 w sposób przedstawiony na Rys. 7. Za każdym razem po oznaczeniu pojedynczego punktu, wprowadzoną daną należy zatwierdzić klawiszem Enter.

Na podstawie środków S1…S4 odcinków rozpiętych między szczytami, wyznacz przebieg składowej swobodnej oraz jej wartość początkową i_DC0. Znając przebieg prądu zwarciowego oraz składowej swobodnej należy określić przebieg składowej okresowej i_AC.

Stała czasowa obwodu τ oraz kąt zwarcia θ może być wyznaczona ręcznie, z przebiegu wygenerowanego przez skrypt shcc_an1n.m (s2_shcc_an1n) (Rys. 8) lub w sposób zautomatyzowany przy wykorzystaniu skryptu shcc_an2.m (s3_shcc_an2).

Kąt θ zdefiniowany jest jako (2).

(2)

Składowa wymuszona ma postać (3).

(3)

Aproksymowany przebieg prądu zwarciowego opisany jest formułą (4).

(4)

4. Znając parametry oraz przebieg prądu zwarciowego. Wyznaczyć wymagany kąt zwarcia θ_r oraz załączenia ψr dla założonej wartości szczytowej prądu i_cr. Może być to zrobione przy wykorzystaniu krzywych z Rys. 10. lub przy wykorzystaniu skryptu fint.m (s4_fint).

W poszukiwaniu θ_r, weźmy pod uwagę przebieg prądu zwarciowego w tym wypadku dany wzorem (5).

(5)

Wymagana wartość szczytowa tej funkcji powinna być osiągnięta przy pierwszej amplitudzie składowej wymuszonej, dla czasu (6).

(6)

W tym momencie prąd będzie wyrażony jako (7).

(7)

Zależność wartości szczytowej od kąta θ_r może być zapisana jako (8).

(8)

Wymagany kąt zwarcia θ_r jest rozwiązaniem równania (9).

(9)

Gdzie:

(10)

By umożliwić graficzne poszukiwanie kata θr z charakterystyk P(θ,τ)  przedstawionych na Rys. 10. Kąt zwarcia θ został zastąpiony przez kąt załączenia ψ zgodnie z relacją (11).

(11)

5. Wykonać właściwą próbę zwarciową, uruchamiając skrypt shcc_test.m (s5_shcc_test) z odpowiednią wartością kąta załączenia (psi = psi_req). Zweryfikować poprawność próby zwarciowej.

Rys. 10. Rodzina charakterystyk prądu i_cr w funkcji kątów załączenia ψr, dla różnych stałych czasowych obwodu (i_cr = 120 kA)

5. Sprawozdanie

Dla wybranego urządzenia elektroenergetycznego np. rozdzielnicy SN, zaprojektuj, wykonaj oraz opisz przebieg próby wytrzymałości zwarciowej. Wzorując się na opisanej wcześniej procedurze badawczej, sprawozdanie powinno zawierać:

– parametry znamionowe badanego urządzenia na podstawie dokumentacji techniczno-rozruchowej

– przegląd literatury na temat badań prądowych (normy, możliwie najnowsze publikacje np. Baza IEEE Xplore oraz monografie)

– opis przebiegu przygotowań do próby zwarciowej (cel wykonywanych czynności, opis poszukiwanych wielkości, rejestrowane wielkości, dobrze opisane rysunki itd.)

– weryfikację poprawności uzyskanych warunków prądowych

6. Pytania kontrolne

1) Zdefiniuj pojęcie zwarcia oraz narysuj przebieg prądu zwarciowego z jego charakterystycznymi elementami.

2) Wymień i zdefiniuj podstawowe parametry znamionowe aparatów elektrycznych związane ze zwarciami.

3) Jak wyznacza się prądy zwarciowe w układach elektroenergetycznych (jakie podstawowe informacje należy pozyskać do wykonania poprawnych obliczeń)?

4) Czym różnią się zwarcia bliskie i odległe od generatora?

5) Czy duża wartość prądu zwarciowego w miejscu przyłączenia jest elementem pozytywnym czy negatywnym i dlaczego?