Моделирование трансформаторного оборудования для расчета установившихся и переходных процессов в электроэнергетических системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Николаев, Роман Николаевич

• Николаев, Роман Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Николаев, Роман Николаевич

Введение.

Глава 1. Моделирование фазоповоротного трансформатора, установленного в энергосистеме Казахстана.

§ 1.1 Введение.

§ 1.2 Энергетическая обстановка в Казахстане.

§ 1.3 Расчет режима энергосистемы Казахстана и выбор оптимального угла передачи.

§ 1.4 Угловая характеристика мощности простейшей электропередачи.

§ 1.5 Особенность фазоповоротного трансформатора при наличии шунтирующей цепи.

§ 1.6 Технические характеристики трансформаторного комплекса.

§ 1.7 Уравнения, описывающие фазоповоротный трансформатор в фазной системе координат.

§ 1.8 Схемы замещения фазоповоротного комплекса.

§ 1.9 Параметры схемы замещения прямой последовательности фазоповоротного комплекса в зависимости от номера отпайки.

§ 1.10 Регулирование напряжения и мощности с помощью фазоповоротного комплекса.

§ 1.11 Выводы.

Глава 2. Методика моделирования силового оборудования на основании совместного применения схем замещения электрической и магнитной цепей при расчетах переходных процессов.

§ 2.1. Введение.

§ 2.2. Методика составления и расчета схем замещения магнитных цепей трансформатора.

§ 2.3. Аналитический расчет параметров схемы замещения магнитной цепи трансформатора.

§ 2.4. Определение параметров схемы замещения магнитной цепи трансформатора.

2.4.1 Общая информация.

2.4.2 Параметры нелинейных магнитных сопротивлений.

2.4.3 Параметры линейных магнитных сопротивлений рассеяния.

2.4.4 Параметры линейных магнитных сопротивлений боковых воздушных стержней

§ 2.5. Учет токов смещения в электромагнитной модели.

§ 2.6. Методика совместного расчета системы уравнений, описывающих схему замещения электрической и магнитной цепей.

2.6.1 Общая информация.

2.6.2 Методика составления системы уравнений, которая описывает схему замещения электрической цепи трансформатора.

2.6.3 Методика составления системы уравнений, которая описывает схему замещения магнитной цепи трансформатора.

2.6.4 Описание алгоритма совместного расчета системы уравнений, которые записаны для схемы замещения электрической и магнитной цепей трансформатора.

§ 2.7 Выводы.

Глава 3. Методика моделирования гистерезиса.

§ 3.1 Общие сведения.

§ 3.2. Моделирование статического гистерезиса.

3.2.1. Описание модели статического гистерезиса.

3.2.2. Определение параметров модели по экспериментальной петле гистерезиса.

§ 3.3. Моделирование динамического гистерезиса.

3.3.1 Общие сведения.

3.3.2. Потери на вихревые токи.

3.3.3. Магнитная вязкость.

§ 3.4. Моделирования потерь в стали магнитопровода трансформатора различными способами.94'

3.3.1. Общие сведения.

3.3.2 Влияние способа моделирования потерь в стали трансформатора на расчет броска тока намагничивания.

3.3.3 Влияние способа моделирования потерь в стали трансформатора на расчет тока холостого хода.

§ 3.5 Выводы.

Глава 4. Разработка программного обеспечения для расчета электромагнитных' переходных процессов в схемах замещения электрических и магнитных цепеш различнойконфигурации.

§ 4Л Введение.

§ 4.2 Создание алгоритма ^расчета переходных процессовв среде MatLab

4.2.1 Краткий обзор основных возможностей.

4.2.2 Особенности создания расчетного модуля.

4.2.3 Алгоритм расчета, реализованный в среде Matlab.

§ 4.3 Создание графического интерфейса с использованием встроенных возможностей Microsoft Office Visio.

4.3.1 Краткий обзор основных возможностей.

4.3.2 Принцип создания ориентированного блока.

4.3.3 Алгоритм, реализованный в среде MS Visio.

§ 4.4 Выводы.133'

Глава 5. Моделирование фазоповоротного комплекса с помощью схем замещения электрической имагнитнойцепи.

§ 5.1' Введение.135^

§ 5.2 Схема*замещения электрической и магнитной цепи фазоповоротного комплекса;и?определение ее параметров.

§ 5.3 Режим холостого хода.

§ 5.4 Набор нагрузкифазоповоротным комплексом.

§ 5.5 Расчет.токов короткого замыкания.

§ 5.6 Выводы.

Глава 6. Моделирование, расчеты и анализ броска.тока намагничивания при включениях трансформаторов и автотрансформаторов.

§ 6.1 Введение.

§ 6.2 Теоретический расчет броска тока намагничивания\трансформатора

§ 6.3 Компьютерное моделирование броска тока при включении однофазного автотрансформатора под напряжение.

§ 6.4 Компьютерное моделирование броска тока при включении трезфазной группыоднофазных автотрансформаторов под напряжение.

6.4.1 Трехфазная коммутация автотрансформатора (идеальный случай).

6.4.2 Коммутация автотрансформатора с разбросом включения фаз выключателя.

§ 6.5 Теоретический расчет тока трехфазного короткого замыкания.

§ 6.6 Параметры расчетной схемы, влияющие навеличину остаточной индукции в трансформаторе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование трансформаторного оборудования для расчета установившихся и переходных процессов в электроэнергетических системах»

§ 7.2 Амплитудно-частотная характеристика моделируемого автотрансформатора.189

§ 7.3 Аналитическое определение параметров переходного процесса в цепочечной схеме замещения длинной линии в различных расчетных режимах193

7.3.1 Введение.193

7.3.2 Переходный процесс в линии электропередачи при включении ее под напряжение195

7.3.3 Переходный процесс в линии электропередачи при трехфазном коротком замыкании 197

§ 7.4 Трехфазное включение автотрансформатора совместно с линией электропередачи под напряжение.199

§ 7.5 Короткое замыкание вблизи автотрансформатора.206

§ 7.6 Общие выводы.214

Основные выводы и результаты работы.216

Приложение 1.218

1. Схема и параметры схемы замещения автотрансформатора AODTN-267000/345/230 218

Литература.228

Введение

В электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии наибольшее применение получили силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. Как и любой элемент электроэнергетической системы, силовой трансформатор подвержен повреждению, которое требует проведения серьезного анализа для выявления причин повреждения и предупреждения его появления в дальнейшем. Кроме этого, необходимо определять максимальные величины токов и напряжений, которые могут воздействовать на трансформаторное оборудование в процессе эксплуатации. Поэтому важнейшей задачей является получение моделей эквивалентных схем замещения, которые наиболее точно отражают физические процессы, происходящие в трансформаторах в аварийных и нормальных режимах его работы.

Исследованием данного вопроса занимались многие специалисты в данной области (Вольдек А.И. [4], Лейтес JI.B. [20], Пинцов A.M. [19] и др.), их результаты опубликованы в многочисленных научных работах, в учебниках, монографиях и статьях. В настоящее время для моделирования силовых трансформаторов используются Т- или П- образные схемы замещения («классическая схема замещения» трансформатора) и их модификации, параметры которых определяются на основании экспериментальных данных. Так, например, для расчета установившихся процессов (расчет установившегося режима или расчет токов короткого замыкания) параметры для электрической типовой схемы замещения трансформатора определяются из опытов холостого хода и короткого замыкания. Проблем с определением указанных параметров не возникает, так как они приведены в паспортных данных на трансформатор. Однако, при расчетах некоторых переходных процессов (например, броска тока намагничивания) в схеме замещения необходимо задавать шунт намагничивания, представляющий нелинейное индуктивное сопротивление в виде экспериментально измеренной зависимости потокосцепления от тока ¥(/). Определение нелинейной зависимости VF(/) для силовых трансформаторов является трудоемкой задачей, а пользоваться приближенными моделями ¥(/) нецелесообразно, так как расчет с такой характеристикой приводит к неверному результату. Кроме этого для многообмоточных трансформаторов возникают вопросы о корректности «классических схем замещения» трансформаторов. В частности, в диссертации приведена схема замещения двухобмоточного трансформатора, полученная по представленной в работе методике моделирования силового оборудования на основании совместного применения схем замещения электрической и магнитной цепей, которая соответствует «классической схеме замещения» двухобмоточного трансформатора, в то время как, схема замещения трехобмоточного трансформатора, полученная по исследуемой в работе методике, отличается от «классической схемы замещения» трехобмоточного трансформатора.

В последнее время получила развитие альтернативная методика моделирования трансформаторов (реакторов). Указанная методика моделирования силового оборудования «уходит» от общепринятых представлений об электрических схемах замещения и строится на основании совместного применения схем замещения электрической и магнитной цепей. Схема замещения электрической цепи состоит из двух типов элементов: источника электродвижущей силы и активного сопротивления. Схема замещения магнитной цепи содержит источники магнитодвижущей силы и магнитные сопротивления. Важной особенностью, отличающей представленный в работе метод моделирования трансформатора от других методов, является то, что все необходимые параметры схем замещения определяются из конструктивных размеров магнитной системы трансформатора, размеров обмоток и свойств электротехнической стали магнитопровода, что исключает необходимость в проведении натурных экспериментов. Следует отметить, что данная методика моделирования вызывает интерес не только со стороны научно-исследовательских организаций, но и со стороны заводов-изготовителей силового оборудования, что свидетельствует о ее актуальности.

Совершенствование модели силового трансформатора требует адекватного описания процессов, происходящих в его магнитной системе. Для этого должны быть воспроизведены гистерезисные свойства магнитного материала и его поведение при произвольном законе изменения индукции (частотная зависимость). Учет гистерезиса позволяет уточнить гармонический состав токов холостого хода и короткого замыкания, исследовать сложные режимы включения и отключения трансформатора, усовершенствовать анализ феррорезонансных явлений. Описание процессов в листовой холоднокатаной стали выполняется с использованием известного принципа разделения общих потерь в ферромагнетике на составляющие, обусловленные гистерезисом, макро- и микроскопическими вихревыми токами [39; 31]. При условии равномерности распределения магнитного потока по сечению листа (отсутствие выраженного поверхностного эффекта) упомянутое разделение потерь эквивалентно разделению магнитного поля //(/) на поверхности листа на три слагаемые, называемые гистерезисным полем Нг(/), классическим полем Нк(/) и дополнительными полем Нд(/). В работе использованы наработки в этой области многих исследователей: Jiles D.C, Atherton D.L., Zirka S.E. [49; 50] и др.

Цель работы заключается в разработке методики моделирования трансформатора с помощью совместного применения схем замещения электрической и магнитной цепей трансформатора для выполнения расчетов электромагнитных переходных процессов при возникновении аварийных событий в энергосистеме. Проведение научно-исследовательских работ по внедрению фазоповоротного комплекса, состоящего из автотрансформатора и вольтодобавочного трансформатора, на электропередаче 500 кВ энергосистемы Казахстана [5]. Выполнение расчетов, подтверждающих необходимость использования в расчетах переходных процессов в электрических сетях усовершенствованной модели трансформатора и учета гистерезисных свойств материала.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- моделирование сложных по конструкции силовых трансформаторов в установившихся и переходных режимах работы на- примере фазоповоротного трансформаторного комплекса;

- разработка и реализация в виде программного комплекса методики моделирования трансформаторного • оборудования на основе совместного применения схем замещения электрической и магнитной цепей и разработка рекомендаций по определению необходимых параметров, которые используются в, качестве исходных данных в рассматриваемой в работе методике моделирования;

- создание методики и алгоритма моделирования гистерезисных свойств стали;

- моделирование и анализ возникновения возможных при эксплуатации опасных режимов работы трансформатора, которые могут привести к его повреждению (броски тока намагничивания и резонансные явления).

На основе проведенных исследований работы компьютерной модели фазоповоротного комплекса в установившихся и переходных режимах работы и полученных результатов расчетов был реализован проект внедрения фазоповоротного трансформатора в ОЭС Казахстана. Также результаты расчетов по разработанной компьютерной программе для моделирования трансформаторного оборудования с произвольной конфигурацией магнитной и электрической цепей использовались при расследовании причин повреждения силовых трансформаторов.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Николаев, Роман Николаевич

Основные выводы и результаты работы

1. В диссертационной работе для выбранной конструкции фазоповоротного комплекса, состоящего из автотрансформатора и вольтодобавочного трансформатора, впервые получены схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей для использования их при расчетах электрических режимов, статической и динамической устойчивости и токов короткого замыкания' в объединенной энергосистеме Казахстана. Результаты работы использованы при внедрении фазоповоротного комплекса в электроэнергетической системе Казахстана.

2. В работе доработана методика моделирования трансформаторного оборудования на основе совместного применения схем замещения электрической и магнитной цепей с учетом гистерезисных свойств стали магнитопровода трансформатора. Важной особенностью, отличающей представленный в работе метод моделирования трансформатора от других методов, является то, что все необходимые параметры схем' замещения определяются из конструктивных размеров магнитной системы трансформатора и свойств электротехнической стали магнитопровода, а также размеров и параметров обмоток, что исключает необходимость в проведении дополнительных экспериментальных исследований по определению расчетных параметров. В соответствии с предложенной методикой- был разработан программный комплекс, позволяющий' рассчитывать переходные процессы в трансформаторах с произвольной конфигурацией магнитной и электрической цепи трансформатора.

3. С помощью разработанного программного комплекса был проведен ряд расчетов переходных процессов в трансформаторе, возникающих при включении трансформаторов (броски тока намагничивания), а также в случаях резонансных явлений. В результате выполнения анализа проведенных расчетов была подтверждена:

- необходимость проведения компьютерных расчетов для определения максимальной величины броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение (было показано, что рекомендуемая формула для оценки величины броска тока намагничивания справедлива только для простых случаев);

- необходимость учета гистерезиса для правильного моделирования повторных включений трансформатора под напряжение;

- определены параметры электрической схемы замещения, которые необходимо учитывать для правильного моделирования повторных включений трансформатора под напряжение;

- определены зоны опасных длин воздушной или кабельной линии, при возмущениях на которых (включение линии электропередач под напряжение или возникновение трехфазного короткого замыкания), могут возникнуть резонансные явления в обмотках трансформатора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Николаев, Роман Николаевич, 2011 год

1. Г.Н. Александров, М.А. Шакиров "Трансформаторы и реакторы" // СПб: Изд-во Политехнического ун-та, - 2006. - 204 с.

2. А. М. Бамдас, С. А. Шапиро "Трансформаторы, регулируемые подмагничиванием'7/ М., «Энергия», 1965. - 159 с.

3. А. И. Важнов «Электрические машины».//Л., 1974.

4. А. И. Вольдек "Электрические машины". Изд. 2-е, перераб. и доп.//М.: «Энергия», — 1974.-840 с.

5. К.С. Демирчян, П.А. Бутырин «Моделирование и машинный расчет электрических цепей» // М.: Высшая школа, 1988 г. - 335 с.

6. Г.А. Евдокунин, C.B. Смоловик, C.B. Щербачев "Математическое моделирование элементов электроэнергетических систем."// Л. 1980.-78с.

7. Г.А. Евдокунин, Е.В. Коршунов и др. "Метод расчета на ЭВМ электромагнитных переходных процессов в ферромагнитных устройствах с произвольной структурой магнитной и электрической цепей"// Электротехника, №2, - 1991, - С.56-59.

8. Г.А. Евдокунин, Р.Н. Николаев, А.К. Искаков, Б.К. Оспанов, Н.И. Утегулов "Фазоповоротный трансформатор впервые в СНГ применен в Казахстане." // Новости электротехники. 2008- 6(48). - С. 12-16.

9. Г.А. Евдокунин, М.В. Дмитриев "Моделирование переходных процессов в электрической сети, содержащей трансформаторы при учете конфигурации их магнитной системы" // Известия РАН. Энергетика. 2009. - № 2. - С. 37-48.

10. Г.А. Евдокунин, Р.Н. Николаев "Моделирование и анализ переходных процессов в трансформаторах" // Научно-технические ведомости СПБГПУ 4-1 (89). — 2009 г. С.207-215.

11. Г.А Евдокунин., M.B. Дмитриев, A.C. Карпов, Р.Н. Николаев, Е.Б. Шескин. "Компьютерное моделирование управляемых шунтирующих реакторов различного типа и сравнение их технических характеристик" // Энергетик — 2011. — №3. — С. 15-19.

12. ГОСТ 11677-85 "Трансформаторы силовые. Общие технические условия."

13. С.Е. Зирка, Ю.И. Мороз, Е.Ю. Мороз, A.JI. Тарчуткин "Моделирование переходных процессов в трансформаторе с учетом гистерезисных свойств магнитопровода" // Техническая электродинамика, №2, - 2010 г. - С. 11-20.

14. Ю.Я. Иоссель, З.С. Кочанов, М.Г. Струнский "Расчет электрической емкости" // М.: Энергия, 1969 г.- 240 с.16. 3. Г. Каганов "Волновые напряжения в электрических машинах"// М., «Энергия», -1970.-208 с.

15. И.Г. Карапетян, Д.Л. Файбисович, И.М. Шапиро "Справочник по проектированию электрических сетей" // Москва, НЦ Энас, 2006г. - 352с.

16. И. П. Копылов "Математическое моделирование электрических машин".- М.: Высш. Шк.,-1987.-248 с.

17. Л.В. Лейтес, A.M. Пинцов "Схемы замещения многообмоточных трансформаторов". // М.: Энергия, 1974 г. - 192 с.

18. Л.В. Лейтес "Эквивалентная схема двухобмоточного трансформатора: опыты х.х. и КЗ." — Тр. ВЭИ «Вопросы трансформаторостроения» / Под ред. Э.А. Манькина. // М.: Энергия, вып. 79. С. 277-295.

19. Л. В. Лейтес "Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов". // М.: Энергия, 1981 г.- З89'с.

20. А.И. Лурье, В.Н. Елагин, А.Н. Панибратец "Броски тока включения трансформатора" // Электротехника. 1997. № 2. - С. 29-32.

21. А.И. Лурье "Процесс включения трансформатора на холостой ход и короткое замыкание"// Электротехника, 2008. №2. - С. 2-18.

22. Н.М. Мансуров, B.C. Попов «Теоретическая электротехника»//М.-Л., «Энергия». -1966.-624с.

23. Г. Н. Петров "Электрические машины. Ч. 1. Введение. Трансформаторы"// М. — Л., Госэнергоиздат, —1956. 224 с.

24. А. В. Сапожников "Конструирование трансформаторов".// М. — Л., Госэнергоиздат, 1959.-360 с.

25. П. М. Тихомиров "Расчет трансформаторов".// М., «Энергия», 1968. - 432 с.

26. С.М. Arturi "Transient simulation and analysis of a three-phase five-limb step-up transformer following an out-of-phase synchronization" // IEEE Transactionon on Power Delivery, vol.6, №1, Jan.1991, - P. 196-207.

27. E. Barbisio, F. Fiorillo, C. Ragusa "Predicting loss in magnetic steels under arbitrary induction waveform and with minor hysteresis loops" // IEEE Trans. Magn. 2004. - Vol. 40. -№4.-P. 1810-1819.

28. Bastos J. P. A., N. Sadowski, "Electromagnetic Modeling by Finite Element Methods" // Universidade Federal de Santa Catarina, Brazil, 2003. - P. 497.

29. G. Bertotti "Hysteresis in Magnetism For Physicists, Materials Scientists and Engineers." // San Diego: Academic Press, -1998 - P. 569.

30. N. Chiesa, A. Avendano, H.K. Hoidalen, B.A. Mork, D. Ishchenko, A.P. Kunze "On the ringdown transient " in IPST'07 International Conference on Power System Transients, no. IPST-229, Lyon, France, Jun. 2007.

31. B. Gustavsen "Study of Transformer Resonant Overvoltages Caused by Cable-Transformer High-Frequency Interaction" // IEEE Transactions on power delivery, Vol.25, No.2, -April2010,-P. 770-779.

32. N. Chiesa, A. Avendano, H. K. Hoidalen, B. A. Mork, D. Ishchenko, and A. P. Kunze, "On the ringdown transient of transformers" in IPST'07 International Conference on Power System Transients, no. IPST-229, Lyon, France, - Jun. 2007.

33. Narain G. Hingorani, Laszlo Gyugyi "Understanding FACTS: concepts and technology of flexible AC transmission systems" // IEEE PRESS, 1999 - P.452;

34. D.C. Jiles, D.L. Atherton 'Theory of Ferromagnetic Hysteresis" // Journal of Magnetism and Magnetic materials.-1986.-Vol.61.-P. 48-60

35. Joao Pedro A. Bastos, N. Sadowski "Electromagnetic modeling by finite element methods" // CRC Press; 2003, - P. 510

36. M.A. Ibrahim, F.P. Stacom "Phase angle regulating transformer protection" // IEEE Transactions on power delivery, Vol.9, No.l, January 1994, -P. 394-404.

37. G. Liang, H. Sun, X. Zhang "Modeling of transformer windings under very fast transient overvoltages'7/IEEE Transactions on electromagnetic compability, vol.48, No.4, November 2006,-P. 621-627.

38. R.J. Musil, G.Preininger, E. Schopper, S. Wenger "Voltage stresses produced by aperiodic and oscillating system over voltages in transformer windings"// IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol: PAS-100,No.l,January 1981, P. 431-441.

39. Omar Faruque M., Venkata Dinavahi "A tap-changing algorithm for the Implementation of Sen transformer" // IEEE Transactions on power delivery, Vol.22, No.3, JULY 2007, 1750-1757.

40. G.G. Paap, A.A. Alkema, Lon van der Sluis "Overvoltages in power transformers caused by no-load switching"// IEEE Transactions on power delivery, Vol'.lO, No.l, -January 1995, P.' 301-307.

41. T. Teranishi, Y. Ebisawa; T. Yanari, M. Honda "An approach to suppressing resonance voltage in transformer tap windings"// IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, No.8, August 1983, P. 2552-2558.

42. Xusheng Chen, S.S. Venkata "A three-phase three-winding core-Type transformer model" for low-frequency transient studies" // IEEE Transactions on power delivery, Vol.12, No.2, -April 1997,-P. 775-782.

43. W.Yuanfang, C. Zhou "Experimental' Studies on the use of MOV in transformer windings inner protection"// IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.20, No.2, April 2005,-P. 1441-1446.

44. S.E. Zirka, Y.I. Moroz, P. Marketos, A.J. Moses "Viscosity-based magnetodynamic model of soft magnetic materials" // IEEE Trans. Magn. -2006. Vol.42, - № 9, -P. 2121-2132.

45. S.E. Zirka, Y.I. Moroz, P. Marketos, A.J. Moses, D.C. Jiles, Matsuo T. "Generalization of the classical method for calculating dynamic hysteresis loops in grain-oriented electrical steels" // IEEE Trans. Magn: 2008. - Vol. 44. - № 9. - P. 2113-2126.