Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP EMTP (część 3.)
Podstawowe elementy systemu elektroenergetycznego – linie przesyłowe
Zmiana parametrów ATP Draw
J. Wiater
W trzeciej części kursu zostaną scharakteryzowane linie przesyłowe (napowietrzne i kablowe). W obliczeniach przeprowadzanych za pomocą pakietu ATP wykorzystywane są typowe, powszechnie dostępne w katalogach parametry. Wszystkie inne niezbędne parametry, takie jak m.in. reaktancje podłużne i susceptancje poprzeczne, są automatycznie przeliczane przez ATP i nie ma konieczności przeprowadzania dodatkowych obliczeń.
Zobacz także
SR Tech Miernik promieniowania 5G
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy...
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy istnieje sprawdzony miernik promieniowania 5G? Na te pytania postaramy się tu odpowiedzieć.
Sterownik polowy CZIP®-PRO Relpol otrzymał Puchar Prezesa Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej
Co roku podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB odbywa się konkurs targowy organizowany przez pomysłodawców wydarzenia ZIAD Bielsko-Biała SA. W tym roku Puchar Prezesa Polskiego...
Co roku podczas Międzynarodowych Energetycznych Targów Bielskich ENERGETAB odbywa się konkurs targowy organizowany przez pomysłodawców wydarzenia ZIAD Bielsko-Biała SA. W tym roku Puchar Prezesa Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej otrzymał produkty firmy Relpol – CZIP®-PRO Sterownik polowy nowej generacji.
dr. inż. Jarosław Wiater Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP – EMTP (część 20.)
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między...
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między innymi skuteczności ochrony zapewnianej urządzeniom i układom przesyłu sygnałów narażonych na bezpośrednie i pośrednie skutki wyładowań atmosferycznych.
System elektroenergetyczny jest to zbiór powiązanych ze sobą urządzeń przeznaczonych do przesyłania, przetwarzania i rozdzielania wytworzonej w elektrowniach energii elektrycznej. Składa się on między innymi z linii przesyłowych różnych napięć, transformatorów i autotransformatorów energetycznych, przekładników napięciowych i prądowych, układów EAZ (elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej) i innych równie ważnych elementów.
W tej części kursu zostaną opisane podstawowe i najczęściej wykorzystywane elementy systemu elektroenergetycznego wraz z praktycznymi przykładami ich zastosowania. Scharakteryzowane zostaną także linie przesyłowe napowietrzne i kablowe. Zrozumienie przytaczanych przykładów wymaga przypomnienia teorii i podstawowych schematów zastępczych tych elementów.
Zaawansowane funkcje pakietu ATP
W trzeciej oraz w kolejnych częściach kursu zostaną wykorzystane już zaawansowane funkcje pakietu ATP. Biblioteki specjalnego typu będą tworzone automatycznie i dostosowywane do poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego, w zależności od ich parametrów. Przeprowadzenie obliczeń będzie wymagało odpowiedniego skonfigurowania programu ATP Draw. Część pośrednich, a zarazem niezbędnych obliczeń wykonywanych jest w trakcie wprowadzania konkretnych wartości, m.in. dla linii przesyłowych i transformatorów energetycznych. Aby program ATP Draw mógł je sam wykonać, należy z zakładki TOOLS wybrać wiersz OPTIONS.
Wyświetlone zostanie dodatkowe okno, w nim wybieramy zakładkę PREFERENCES. W wierszu ATP wybieramy BROWSE i wskazujemy plik o nazwie runATP_G.BAT znajdujący się w głównym katalogu pakietu ATP. Poprawnie przeprowadzona operacja spowoduje pojawienie się w wierszu ATP następującego komunikatu „C:emtprun-ATP_G.bat”. Akceptujemy dokonane zmiany kolejno wybierając APPLY, SAVE i OK z paska w dolnej części okna (rys. 1). Wychodzimy z programu ATP Draw. Uruchamiamy NOTATNIK z grupy akcesoriów systemu WINDOWS. Otwieramy za jego pomocą plik runATP_G.bat i zmieniamy ręcznie jego zawartość z:
na:
Na koniec zapisujemy przeprowadzone zmiany. W przypadku zainstalowania pakietu w innym katalogu niż C:EMTP, odpowiednio modyfikujemy zawartość pliku runATP_G.bat dostosowując odpowiednio ścieżki dostępu. Poprawność przeprowadzenia tych zmian będzie miała kluczowe znaczenie dla kolejnych etapów całego kursu!
Linie przesyłowe – parametry skupione
Obliczenia sieci elektroenergetycznych w pakiecie ATP są przeprowadzane na podstawie odpowiednich schematów zastępczych. Wymagane jest wprowadzenie jedynie podstawowych parametrów dostępnych w katalogach. W przypadku ich braku można wykorzystać dane z norm [1, 2, 3] i przeprowadzić proste obliczenia. W przypadku linii przesyłowych najczęściej jest stosowany schemat zastępczy typu π. Parametry linii są określane za pomocą czterech stałych odniesionych do jednostki długości linii:
- rezystancji podłużnej – R0, w [Ω/km],
- reaktancji podłużnej – X0, w [Ω/km],
- kondunktancji poprzecznej – G0, w [S/km],
- susceptancji poprzecznej – B0, w [S/km] [4].
Element z grupy LINES/CABLES → LUMPED → RLC Pi-equiv.1 → 1 phase w pakiecie ATP odpowiadający schematowi zastępczemu typu π z pominiętą gałęzią reprezentującą upływność linii (G0=0) wymaga wprowadzenia następujących danych: rezystancji jednostkowej linii w Ω/m, indukcyjności jednostkowej linii w mH/m, pojemności jednostkowej linii w μF/m oraz jej długości, również w przeliczeniu na metry. Stosując odpowiednio 3-fazową odmianę elementu trzeba dodatkowo wprowadzić wzajemne rezystancje, indukcyjności i pojemności jednostkowe. Rezystancję jednostkową linii najlepiej odczytywać z norm [1, 2, 3] lub poradników. Można ją też wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
γ – konduktywność, w [m/Ω⋅mm2],
S – przekrój przewodu, w [mm2],
Indukcyjność jednostkowa dla linii kablowych jest dostępna w katalogach. W przypadku linii napowietrznych zależy ona od konfiguracji i sposobu jej prowadzenia. Oblicza się ją ze wzoru:
gdzie:
bsr – średni odstęp między przewodami, w [cm],
r – promień przekroju przewodów, w [cm].
Średnie odstępy między przewodami oblicza się ze wzorów, uwzględniając sposób ich prowadzenia dla różnych konstrukcji słupów nośnych (rys. 3 i rys. 4):
- dla linii o symetrycznym układzie przewodów:
gdzie:
b – odległość między przewodami, w [cm],
- dla linii o płaskim układzie przewodów:
- dla linii 3-fazowych o niesymetrycznym układzie przewodów:
gdzie:
b12, b13, b23 – odstęp między przewodami kolejnych faz, w [cm].
Pojemność jednostkową linii kablowej odczytuje się z katalogów udostępnionych przez producentów. W przypadku linii napowietrznych należy skorzystać z zależności:
Program ATP Draw automatycznie uwzględnia długość linii i oblicza rezystancję, reaktancję podłużną oraz susceptancję poprzeczną. Aby tak było, dodatkowo trzeba w zakładce ATP/Settings/Simulation upewnić się, czy parametry Xopt i Copt są równe zero (rys. 5). Definiują one rodzaj jednostek wykorzystywanych przy przeliczaniu parametrów linii. Jeśli Xopt=0, wtedy wprowadzamy indukcyjność jednostkową linii w mH/m. Jeśli zaś Xopt≠0, wtedy zamiast indukcyjności jednostkowej linii wprowadzamy reaktancję podłużną linii w Ω. Odpowiednio, jeśli Copt=0, to pojemność jednostkową wprowadzamy w μF/m. Jeśli zaś Copt≠0 – wprowadzamy susceptancję poprzeczną linii w μΩ. W przypadku podawania reaktancji i susceptancji niewymagane jest podawanie długości linii, należy wtedy Xopt i Copt traktować jako częstotliwość sieci poddawanej analizie w ATP (np. Xopt=50 i/lub Copt=50 dla sieci o f=50Hz).
Pakiet ATP umożliwia również analizę linii napowietrznych wzajemnie sprzężonych (dwutorowych) – grupa elementów LINES/CABLES → LUMPED → RL Coupled 51. Z góry przyjęto uproszczenie polegające na pominięciu w schemacie zastępczym typu π gałęzi poprzecznej (B0=0 i G0=0). Ogranicza to możliwość stosowania tych elementów tylko dla linii o maksymalnym napięciu 30 kV.
Linie przesyłowe – parametry rozłożone
Dotychczas rozpatrywane linie przesyłowe były traktowane jako obwody liniowe o parametrach skupionych, złożone z elementów RLC. Powyższe odwzorowanie linii przesyłowych jest znacznie uproszczone. Jeżeli mamy do czynienia z siecią elektroenergetyczną o długości rzędu setek kilometrów, należy uwzględniać stratę napięcia na rezystancji, indukcyjności przewodu, prąd upływu poprzez izolację linii równomiernie rozłożoną wzdłuż jej długości, prąd ładowania i rozładowania linii. W ogólnym przypadku linię przesyłową zastępuje się schematem o parametrach rozłożonych (rys. 6). Pokazany układ jest opisywany równaniem linii długiej:
Opracowanych jest wiele modeli linii długich. Pakiet ATP umożliwia przeprowadzenie obliczeń z wykorzystaniem dwóch modeli: CLARKE i KCLee. Różnią się one między sobą macierzą przekształcenia (transpozycji). W przypadku modelu KCLee istnieje możliwość wprowadzenia własnej macierzy transpozycji, zaś w przypadku modelu CLARKE macierz T jest następująca:
Warto zauważyć, że poza własną macierzą transformacji lub CLARKE i długością linii konieczne jest wprowadzenie następujących danych stosowanych zamiennie: rezystancji, indukcyjności i pojemności jednostkowej linii, impedancji falowej linii oraz prędkości rozchodzenia się fali, impedancji falowej linii i współczynnika propagacji. Konduktacja równoległa strat w linii G może być pominięta lub wyznaczona automatycznie z uproszczonej zależności:
Linia kablowa – własny model
Pakiet ATP umożliwia stworzenie modelu linii przesyłowej dostosowanego do indywidualnych potrzeb z uwzględnieniem: rodzaju linii napowietrzna/kablowa w ziemi/kablowa w powietrzu/kablowa na powierzchni ziemi/kablowa w metalowej rurze, topologii rozmieszczenia przewodów na słupie, kilku przewodów w wiązce, efektu naskórkowego, rozmieszczenia słupów wzdłuż linii, dowolnej liczby torów przesyłowych i ich konfiguracji. W tym celu wykorzystuje się element z grupy LINES/CABLES o nazwie LCC (rys. 8). Użytkownik ma do wyboru różne schematy zastępcze linii (modele):
- Bergeron – stałe parametry w funkcji częstotliwości, odpowiednik CLARKE i KCLee,
- Pi – typowa krótka linia przesyłowa odwzorowana schematem zastępczym typu π,
- JMarti – model częstotliwościowo-zależny ze stałą macierzą transformacji,
- Semlyen – prosty model częstotliwościowo-zależny,
- Noda – najbardziej rozbudowany model częstotliwościowo-zależny linii przesyłowej tylko dla linii napowietrznych.
Poniżej zostanie przedstawiony przykład wykorzystania elementu LCC do zamodelowania linii kablowej. Typ kabla: XUHKXS 8,7/15 kV 150 mm2. Kabel elektroenergetyczny:
- jednożyłowy,
- z żyłą roboczą miedzianą o izolacji z polietylenu usieciowanego,
- z żyłą powrotną miedzianą koncentryczną, uszczelnioną wzdłużnie z powłoką z polietylenu termoplastycznego [7].
Krok 1.: wstawiamy element LCC z grupy LINES/CABLES.
Krok 2.: wybieramy typ linii: SINGLE CORE CABLE (przewody jednożyłowe).
Krok 3.: modelujemy linię 2-żyłową (robocza i powrotna) – ustawiamy parametr #Ph na wartość 2.
Krok 4.: liczbę kabli ustawiamy na 1.
Krok 5.: wybieramy sposób ułożenia kabla GROUND (w ziemi).
Krok 6.: wprowadzamy standardowe dane:
- Rho=100 – rezystywność gruntu, w którym ułożono przewód, w [Ω⋅m],
- Freq. Init=8 – częstotliwość początkowa (wykorzystywana do tworzenia modelu – nie mylić z częstotliwością sieci), w [Hz],
- Lenght=1000 – długość kabla, w [m].
Krok 7.: uwzględniamy pojemność własną linii, zaznaczamy ADD C, w [F/m].
Krok 8.: wybieramy model typu PI (krótkie linie).
Krok 9.: przechodzimy do zakładki DATA.
Krok 10.: uwzględniamy w modelu żyłę powrotną i izolację kabla, zaznaczamy ARMOUR i SHEATH.
Krok 11.: wprowadzamy całkowity promień kabla R7=0.0237, w [m].
Krok 12.: wprowadzamy następujące dane definiujące żyłę roboczą:
- Rin=0 – promień wewnętrzny kabla, parametr stosowany dla żył roboczych pustych w środku (rura), w [m],
- Rout=0.0152 – promień zewnętrzny obliczeniowy kabla, w [m],
- Rho=1.72E-8 – rezystywność materiału, z którego wykonano przewód (miedź), w [Ω/m],
- mu=1 – przenikalność względna materiału, z którego wykonano żyłę roboczą,
- mu(ins)=1 – przenikalność względna materiału izolacyjnego kabla,
- eps(ins)=2.6 – stała dielektryczna materiału izolacyjnego,
- C=3.85E-10 – pojemność jednostkowa kabla, w [F/m].
Krok 13.: wprowadzamy następujące dane definiujące ekran kabla (SHEATH):
- Rin=0.0177 – promień wewnętrzny izolacji, w środku biegnie żyła robocza, w [m],
- Rout=0.0187 – promień zewnętrzny izolacji, w [m].
- Rho=0.172 – rezystywność materiału, którego wykonano izolację (polietylen półprzewodzący), w [Ω/m],
- mu=1 – przenikalność względna materiału, z którego wykonano żyłę roboczą,
- mu(ins)=1 – przenikalność względna materiału izolacyjnego kabla,
- eps(ins)=2.6 – stała dielektryczna materiału izolacyjnego,
- C=3.85E-10 – pojemność jednostkowa kabla, w [F/m].
Krok 14.: wprowadzamy następujące dane definiujące żyłę powrotną (ARMOR):
- Rin=0.0202 – promień wewnętrzny żyły, w środku żyła robocza i izolacja, w [m],
- Rout=0.0212 – promień zewnętrzny żyły powrotnej, w [m],
- Rho=1.72E-8 – rezystywność materiału, z którego wykonano przewód (miedź), w [Ω/m],
- mu=1 – przenikalność względna materiału, z którego wykonano żyłę powrotną,
- mu(ins)=1 – przenikalność względna materiału izolacyjnego kabla,
- eps(ins)=2.6 – stała dielektryczna materiału izolacyjnego,
- C=3.85E-10 – pojemność jednostkowa kabla, w [F/m].
Krok 15.: wprowadzamy współrzędne określające położenie kabla względem powierzchni ziemi:
- Vertical=1 – głębokość ułożenia kabla, w [m].
- Horizontal=0 – przesunięcie kabla względem wyznaczonej trasy układania, dotyczy kilku kabli biegnących obok siebie, w [m].
Krok 16.: aby obejrzeć strukturę wewnętrzną zdefiniowanego kabla wybieramy VIEW (rys. 11).
Krok 17.: sprawdzamy poprawność modelu wybierając VERIFY.
Krok 18.: wprowadzamy nazwę modelu, np. kabel (rys. 12).
Krok 19.: automatyczne przeliczenie parametrów kabla zakończone sukcesem (rys. 13).
Krok 20.: wybieramy opcję POWER FREQUENCY CALCULATION i zatwierdzamy wybór (rys. 14).
Krok 21.: sprawdzamy, czy wyliczone parametry linii nie są ujemne i czy są zbliżone do oczekiwanych wielkości (rys. 15).
Krok 22.: kończymy tworzenie modelu i przechodzimy do schematu obwodu – wybieramy OK.
Weryfikację modelu przeprowadzamy porównując rezystancję jednostkową wyliczoną z danymi katalogowymi (R+=0.1671 Ω/km, Rkat=0.163 Ω/km). Takie porównanie jest możliwe tylko przy założeniu długości linii równej 1 km. Wykorzystany zostanie teraz stworzony model i przeprowadzone obliczenia. Tworzymy układ zgodnie ze schematem zamieszczonym na rysunku 16, odwzorowujący załączenie uziemionego kabla o długości 1 km do źródła napięcia.
Parametry obwodu:
- Parametry źródła napięcia: Utype14=10 kV, f=50 Hz, Pha=0, A1=0, TStart=0, TStop=1000.
- Parametry przewodu łączącego źródło z kablem: Rpol=1 Ω/m, Lpol=0.05mH/m, l=1m.
- Uziemienie kabla: Rgnd=3 Ω,
- Parametry symulacji: Delta T=1E-6, Tmax=0.03, Xopt=Copt=0, Print Freq=1 (co który punkt z ustawionego czasowego przedziału symulacji ma być zapisany), Plot Freq=1 (co który punkt z ustawionego czasowego przedziału symulacji ma być wyświetlony), Plotted output – ustawiony.
Linia napowietrzna – własny model
W artykule przedstawimy również przykład wykorzystania elementu LCC do zamodelowania linii napowietrznej 400 kV, jednotorowej, opartej na konstrukcji nośnej słupa typu Y52, z przewodami 3×2AFL-8525 mm2, linki odgromowe 2×AFL-1,7 70 mm2.
Krok 1.: wstawiamy element LCC z grupy LINES/CABLES.
Krok 2.: wybieramy typ linii: OVERHEAD LINE (linia napowietrzna).
Krok 3.: modelujemy linię 5-przewodową (3 przewody fazowe i 2 odgromowe) – ustawiamy parametr #Ph na wartość 5.
Krok 4.: wybieramy model typu JMarti (częstotliwościowo-zależny z stałą macierzą transformacji) – modelowanie linii o znacznej długości.
Krok 5.: wprowadzamy dane:
- Rho=100 – rezystywność gruntu, na którym przebiega linia, w [Ω⋅m],
- Freq. Init=0.005 – częstotliwość początkowa modelu, w [Hz],
- Lenght=300 – długość linii napowietrznej, w [km].
Krok 6.: wybieramy linię z 2 przewodami w wiązce – AUTO BUNDLING zaznaczone.
Krok 7.: uwzględniamy efekt naskórkowy – SKIN EFFECT zaznaczone.
Krok 8.: używamy rzeczywistej macierzy przekształceń – REAL TRANSF. MATRIX zaznaczone.
Krok 9.: wprowadzamy wytyczne dla modelu linii typu JMarti:
- liczba dekad – 10,
- punktów na dekadę – 10,
- częstotliwość macierzy – 50 000 Hz,
- częstotliwość sieci – 50 Hz,
- pozostałe parametry modelu pozostawiamy jako domyślne – USE DEFAULT FITTING zaznaczone.
Krok 10.: przechodzimy do zakładki DATA – definicja układu przestrzennego linii przesyłowej.
Krok 11.: liczba przewodów modelowanej linii Ph=5, dlatego dodajemy 2 wiersze (ADD ROW).
Krok 12.: na podstawie sylwetki słupa linii przesyłowej i parametrów przewodów wprowadzamy dane zgodnie z tabelą 7:
- Ph.No. – numer przewodu (1, 2, 3 – przewody fazowe, 4, 5 – przewody odgromowe),
- Rin– promień wewnętrzny przewodu, parametr stosowany dla żył roboczych pustych w środku, w [cm],
- Rout– promień zewnętrzny obliczeniowy przewodu, w [cm],
- Resis– rezystancja jednostkowa przewodu mierzona prądem stałym, w [Ω/km],
- Horiz– odległość pozioma przewodu od środka słupa do środka wiązki, w [m],
- VTower– wysokość zawieszenia przewodu na słupie względem poziomu ziemi, w [m],
- VMid– wysokość zawieszenia przewodu na środku przęsła względem poziomu ziemi (uwzględniony zwis przewodu), w [m],
- Separ – odstęp między przewodami w wiązce, w [cm],
- Alpha – kąt między przewodami w wiązce, w [°].
- NB – liczba przewodów w wiązce.
Krok 13.: aby obejrzeć strukturę wewnętrzną zdefiniowanego kabla wybieramy VIEW (rys. 11).
Krok 14.: kończymy tworzenie modelu – wybieramy OK, wpisujemy nazwę 400 kV i przechodzimy do schematu obwodu.
Wyniki symulacji procesu odwzorowującego załączenie nieobciążonej linii 400 kV o długości 300 km pod napięcie:
1. Parametry obwodu: UAC3phType14=326 590 V, f=50 Hz, Pha=0, A1=0, TStart=0, TStop=1000, Rgnd=3 Ω
4. Parametry symulacji: Delta T= 1E-6, Tmax=0.3, Xopt=Copt=0, Print Freq=500 (co który punkt z ustawionego czasowego przedziału symulacji ma być zapisany), Plot Freq=5 (co który punkt z ustawionego czasowego przedziału symulacji ma być wyświetlony), Plotted output – ustawiony.
Podsumowanie
W trzeciej części kursu omówiono sposób modelowania linii kablowych i napowietrznych w ATP. Dokładne odwzorowanie tego typu elementu jest kluczowe dla poprawnej analizy stanu systemu elektroenergetycznego. Wykorzystanie przedstawionych metod wymaga posiadania podstawowych danych katalogowych linii. Zakres obliczeń może zostać wykorzystany do weryfikacji doboru aparatury pod kątem przepięć łączeniowych.
Literatura
- PN-74/E-90081 Elektroenergetyczne przewody gołe. Przewody miedziane.
- PN-74/E-90082 Elektroenergetyczne przewody gołe. Przewody aluminiowe.
- PN-74/E-90083 Elektroenergetyczne przewody gołe. Przewody stalowo-aluminiowe.
- J. Niebrzydowski, Sieci elektroenergetyczne, Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, Białystok 1997.
- T. Cholewicki, Elektrotechnika Teoretyczna, t. II, WNT 1971.
- M.C.Tavares, J. Pissolato, C. M. Portela, New mode-domain representation of transmission line-Clarke transformation analysis, Circuits and Systems, 1998. ISCAS '98. Proceedings of the 1998 IEEE International Symposium on Volume 3, 31 May-3 June 1998 pp. 497-500, vol.3.
- Katalog kabli 2006, Tele-Fonika Kable SA, s. 219.