Електротехнички факултет Универзитета у Београду

Бул. краља Александра 73, ПФ 35-54, 1120 Београд, Србија и Црна Гора

Електране и разводна постројења – вежба бр. 1

ПРОРАЧУН СТРУЈА ТРОПОЛНОГ КРАТКОГ СПОЈА СИНХРОНОГ ГЕНЕРАТОРА

Београд, јануар 2006.

2

1. ЦИЉ ВЕЖБЕ Циљ вежбе је да се на рачунарском моделу синхроног генератора изврши прорачун и анализа струја трополног кратког споја. Кроз задатке у овој вежби могу се уочити:

1. Временски облик струја трополног кратког споја и карактеристични временски периоди у току трајања квара у напојној радијалној мрежи;

2. Утицај појединих параметара машине на временски облик струја трополног кратког споја;

3. Утицај тренутка настанка квара на ударну струју кратког споја; 4. Утицај удаљености места квара на временски облик и ниво струје квара; 5. Утицај радног режима који је претходио квару на струју квара; 6. Утицај форсирања побуде на струју квара.

Рачунарски модел (симулатор) чини програм у којем се нумерички решава Парков математички модел (систем диференцијалних једначина) синхроне машине са продуженим статором. Програм је написан у FORTRAN-у. Симулатор је хардверски мало захтеван и може се користити у MS DOS или WINDOWS окружењу. 2. СИСТЕМ КОЈИ СЕ АНАЛИЗИРА

На слици 1 приказана је једнополна шема дела електроенергетског система (ЕЕС) који се анализира у вежби. Приказани радијални систем чине: G – синхрони генератор, T – блок трансформатор, V – далековод и Т1 – интерконективни трансформатор. На симулатору је могуће анализирати трополан кратак спој на сабирницама: 1, 2, 3 или 4. У свим случајевима струје које прорачунава симулатор су сведене на напонски ниво генераторских сабирница (1).

Слика 1. Једнополна шема дела ЕЕС-а који се анализира у вежби

Потребни параметри за елементе ЕЕС са слике 1 ће бити дати за сваког студента посебно приликом првог доласка у лабораторију. 3. ЗАДАТАК 1. Анализа временског облика струје квара. 1.1 Симулирати трополан кратак спој на сабирницама 2. Претпоставити да је симулираном квару претходио номиналан режим рада генератора (S=Sng). Уочити и анализирати суптранзијентну, транзијентну и устаљену струју квара. 2.1 Симулирати временски облик струје за случај квара из претходног задатка ако се занемаре активне отпорности статорског намота генератора и блок трансформатора, а задрже задате реактансе. Претпоставити, као и у претходној тачки, да нема форсирања побуде (k=1).

G

T V T1

k1 k2 k3 k4

1 2 3 4

3

2. Одређивање максималне ударне струје квара Симулирати трополан кратак спој на сабирницама 1. Претпоставити два случаја: а) да је симулираном квару претходио номиналан режим рада генератора (S=Sng), б) да је симулираном квару претходио режим празног хода (S≈0). За оба анализирана кратка споја експериментално одредити тренутак квара, односно критични угао квара α=αkr при којем се јавља максимална ударна струја квара. Упоредити добијене вредности максималних ударних струја квара. Напомена: у овом задатку подесити финији корак интеграције (нпр. 0.0001 ѕ) а скратити време анализе квара (нпр. 0.3 ѕ). 3. Утицај радног режима који је претходио квару на струју квара Анализирати утицај радног режима који је претходио квару на струју квара. За ову тачку анализирати само квар на сабирницама 1. Aнализу извршити поређењем струја квара за фазу у којој се јавља максимална ударна струја за случај када квару претходи номинално оптерећење генератора (S=Sng) и празан ход (S≈0). У оба анализирана случаја претпоставити да нема форсирања побуде (k=1). 4. Утицај удаљености места квара на струју квара Симулирати трополан кратак спој на сабирницама 1, 2, 3 и 4 за задате параметре елемената у анализираној шеми на слици 1. За све кварове претпоставити да је режим рада генератора пре квара био (S=Sng/2). Тренутак квара одабрати тако да се, при квару на сабирницама 1 јавља максимална ударна струја у фази C. Анализирати како удаљеност места квара утиче на ниво и пригушење струје квара. У свим случајевима претпоставити да нема форсирања побуде (k=1). 5. Утицај форсирања побуде на струју квара. Симулирати струју квара на сабирницама 4 за случај без форсирања побуде (k=1) и за случај са форсирањем побуде (k=1.8). У оба случаја претпоставити да је квару претходио номинални режим рада генератора. 4. УПУТСТВО ЗА РАД НА СИМУЛАТОРУ Упутство које следи односи се на рад у Windows окружењу. Потребно је да се сви фајлови налазе у истом фолдеру. Унос улазних података: Подаци се уносе у фајл ULPOD коју је потребно отворити у Notepad-у. Изглед фајла је приказан на слици 2. Осим података који су дати елементе са шеме на слици 1 у овом фајлу је потребно задати и податке за: интервал времена анализе струја квара од тренутка његовог настанка (“gornja granica integracije u s”), корак нумеричке интеграције (довољно је узети да корак интеграције буде 0.001 s али може бити и финији ако то дозвољавају рачунарски ресурси), угао квара (овим податком се дефинише положај ротора у тренутку настанка квара), коефицијент форсирања побуде (k=0 – побудни намотај је краткоспојен након настанка квара, k=1 – нема форсирања побуде (побудни напон је исти као и пре квара), k>1 – постоји форсирање побуде), место квара (“INDEKS MESTA KVARA” може имати вредности 1, 2, 3 или 4 што одговара кваровима на слици 1). Ради правилног форматирања улазних података неопходно је иза целобројних вредности ставити тачку. Након што се унесу подаци потребно је снимити измене (File → Save) без промене назива фајла.

4

Слика 2. Изглед фајла ULPOD отвореног у Notepad-у

Прорачун струја трополног кратког споја. Прорачун струја кратког споја за улазне податке задате у фајлу ULPOD се врши стартовањем програма K.exe. Стартовање програма се врши дуплим климом миша на иконицу К. Програм врши нумеричко решавање система диференцијалних једначина које описују модел са слике 1 за задате улазне параметре. Програм аутоматски генерише излазни фајл IABC у којем се налазе нумеричке тренутне вредности фазних струја (сведених на напонски ниво генератора) у еквидистантним тренуцима са резолуцијом која одговара задатом кораку интеграције. Датотека IABC се може графички представити у неком од програма који имају графичк подршку (EP, MATLAB, EXEL, и други). Изглед дела датотеке IABC је приказан на слици 3.

Слика 3. Изглед дела датотеке IABC у којој се налазе излазни подаци

У датотеци се налазе четири вектора – колоне. Три колоне се односе на тренутне вредности за три фазне струје, а прву колону чине временски тренутци који одговарају тим струјама.

5

Програм К.еxe при сваком покретању обрише постојећи садржај датотеке IABC и изврши упис нових вредности. Уколико се жели сачувати постојећи садржај датотеке (ради поређења са струјама добијеним из неке друге симулације) потребно је променити назив датотеке па ће програм К.exe при извршењу формирати нову датотеку IABC. Графичко представљање струја квара у програму Еasy Plot (EP). Након што је формирана датотека IABC њен садржај се може графички представити у програму EP.exe. Програм се стартује дуплим кликом на иконицу ЕP. По стартовању програма ЕР појавиће се његов претраживач у коме је потребно кликом одабрати фајл iabc, и програм ће аутоматски исцртати садржај датотеке IABС, односно временски облик фазних струја задатог квара сведених на напонски ниво генератора. Корисне команде за рад у програму ЕР: Зумирање дела графика: левим кликом миша уз држање (Drag ’n’ Drop) се означи жељени сегмент и затим се тастер миша отпусти. Могућ је само један unzoom: Аlt + леви клик. За враћање на почетну скалу оса: OPTIONS→auto range→graph Oчитавање вредности (координата) у жељеној тачки криве: Кончаницу поставити у жељену тачку и очитати њене координате (X – временска оса у ѕ и Y – апсциса у А) у левом и десном горњем ћошку графика. Цртање (издвајање) само једног графика струје: Корак 1: TOOLS→define data Корак 2: Након првог корака појавиће се на екрану текст линија column definition string: xyyy. Свако слово у ознаци xyyy се односи на једну колону из одабране датотеке IABC. Ако се жели приказати само временска оса (х) и вектор-колона друге струје потребно је у постојећој ознаци xyyy уместо колона података који се не желе приказати уписати неки произвољан број или слово које није x или y, на пример: x5y5 . Притиском на ENTER приказаће се само временски ток струје којој одговара друга колона у датотеци IABC. Напуштање програма ЕР: FILE→quit→y Графичко представљање струја квара у програмском пакету MATLAB: Потребно је стартовати MATLAB и подесити у његовом командном прозору да радни директоријум буде онај у којем се налази фајл IABC. Садржај фајла IABC се учитава и графички представља тако што се стартује програм matgraf:

>>matgraf →ENTER Након стартовања програма matgraf графички ће се приказати садржај директоријума IABC, као што је то показану на слици 4. Струји iA одговара друга колона из датотеке IABC, а струји iС одговара посљедња колона. За обраду графика (зумирање, подебљање и измена боја линија, брисање појединих графика, подешавање скале за осе, ...) могу се користити алати који су саставни дио Figure прозора. Уколико се жели приказати на истом графику само струја фазе B (колона 3) из датотеке IABC1 и струја фазе B из датотеке IABC потребно је стартовати програм matgraf2: >>matgraf2 →ENTER Ако се желе приказати неке друге колоне из датотека IABC1 и IABC потребно се едитовати у matgraf2.m и у коду програма на месту команди plot задати колоне које се желе графички представити.

6

Слика 4. Графички приказ датотеке IABC у MATLAB-у

5. УПУТСТВО ЗА ПИСАЊЕ ИЗВЕШТАЈА: Извештај се пише за конкретне улазне податке. У складу са дефинисаним задацима извештај треба да садржи :

1. График струја квара које се добијају у задатку 1.1. Дужину временског интервала одабрати тако да се уоче суптранзијентни, транзијентни и устаљени режим. На слици 5 је приказан график за један анализирани пример.

Слика 5 Временски ток фазних струја након трополног кратког споја

на прикључцима генератора

7

На основу графика одредити устаљену струју квара и прерачунати је за напонски ниво на сабирницама које су погођене кваром (сабирнице 2). 2. Приказати графике суптранзијентог периода струја квара при одговарајућим

критичним тренуцима квара који су одређени у задатку 2. На сликама 6 и 7 су приказани графици за један анализирани пример.

Слика 6 Временски ток струја трополног кратког споја са максималном ударном струјом квара. Кратком споју је претходио номиналан режим рада генератора

Слика 7 Временски ток струја трополног кратког споја са максималном ударном

струјом квара. Кратком споју је претходио режим празног хода За конкретан пример дати однос максималних ударних компоненти струје квара за два анализирана случаја оптерећења које је претходило квару. Кратко прокоментарисати добијени резултат. 3. Коментар уочених појава везаних за утицај радног режима који је претходио квару на

струју квара. На основу графика који су формирани у овом задатку одредити устаљену струју квара за оба случаја оптерећења које је претходило квару.

8

Приказати график струја фазе C за случај квара на сабирницама 1 и на сабирницама 4, према упутству за задатак 4. Коментарисати добијене резултате. На слици 8 приказан је график за анализирани пример.

Слика 8 Струја фазе C за случај трополног кратког споја на сабирницама 1 и за трополан квар на сабирницама 4 5. Приказати графике временских облика струје квара у фази А за случај без форсирања побуде и за случај са форсирањем побуде, према задатку 5.

Слика 9 Струје фазе А за случај квара без форсирања побуде и са форсирањем побуде

9

6. ПИТАЊА ЗА УСМЕНУ ОДБРАНУ ВЕЖБЕ

1. Коментарисати временски ток струја трополног кратког споја синхроног генератора за конкретан пример. У којим физичким намотима синхроне машине постоје струје у току појединих карактеристичних временских периода трајања квара? Како утиче пригушни намот на струју квара? Објаснити постојање једносмерне и наизменичне компоненте струје квара у статорском намоту. Од чега зависи у којој фази ће се јавити максимална почетна вредност једносмерне компоненте струје квара? Колико је пригушење једносмерне компоненте струје квара ако би активни отпор у петљи квара био занемарен? Одговор потврдити симулацијом на рачунару. Да ли може трополни кратак спој бити симетричан квар и у суптранзијентном периоду?

2. Шта је ударна струја квара? Како тренутак квара утиче на ниво ударне струје квара?

Када се јавља максимална ударна струја квара? Од чега зависи у којој фази ће се јавити максимална ударна струја квара? За конкретан пример демонстрација на рачунару. Након којег временског интервала од настанка квара ће се јавити ударна струја квара (објаснити одговор)?

3. Како утиче радни режим који је претходио квару на ниво струје квара? Може ли

устаљена струја квара бити мања од радне струје која је претходила квару? Одговор објаснити и показати на конкретном примеру на симулатору? Да ли може постојати радни режим реалног синхроног генератора који је прикључен на ЕЕС за који би након трополног квара у прикључном воду устаљена струја у статорском намоту била нула?

4. Како утиче удаљеност места квара на ниво и пригушење струје квара? За конкретан

пример демонстрација на рачунару. Шта је то синхрони генератор са продуженим статором?

5. Шта је то форсирање побуде и зашто се примењује? Како утиче форсирање побуде на

струју кратког споја? За конкретан пример демонстрација на симулатору.