Simulation of electrical power systems

117 Pages·2007·1.44 MB·English

by  Alen Terzic

C-upp sats
LITH-ITN-EX --06/044--SE

Simulering av elkraftsystem

Alen Terzic

2006-12-18

Department of Science and Technology Institutionen för teknik och naturvetenskap
Linköpings Universitet Linköpings Universitet
SE-601 74 Norrköping, Sweden 601 74 Norrköping
LITH-ITN-EX--06/044--SE
Simulering av elkraftsystem
Examensarbete utfört i elanläggning
vid Linköpings Tekniska Högskola, Campus
Norrköping
Alen Terzic
Handledare Lars Backström
Examinator Lars Backström
Norrköping 2006-12-18
Datum
Avdelning, Institution
Date
Division, Department
2006-12-18
Institutionen för teknik och naturvetenskap
Department of Science and Technology
Språk Rapporttyp ISBN
Language Report category _____________________________________________________
ISRN
x Svenska/Swedish Examensarbete LITH-ITN-EX--06/044--SE
Engelska/English B-uppsats _________________________________________________________________
x C-uppsats Serietitel och serienummer ISSN
D-uppsats Title of series, numbering ___________________________________
_ ________________
_ ________________
URL för elektronisk version
Titel
Simulering av elkraftsystem
Title
Författare
Author Alen Terzic
Sammanfattning
Abstract Detta examensarbete har utförts vid Linköpings universitet och rapporten handlar om reläskydd och
simuleringar av elektriska kraftnät.
Inledningsvis redovisas teori om reläskydd och selektiviteten. Simuleringsprogrammet Matlab/Simulink
med SimPowerSystems presenteras och dess funktionssätt beskrivs. Efter teoridelen byggs modeller upp
av några elektriska kraftnät som används i kursen TNDE85 Elsystem och CAD. Modellerna som
innehåller överströmsskydd med ett momentant och ett tidsfördröjt steg är uppbyggda i Simulink. En
möjlig väg att simulera ett överströmsskydd med inverttidskarakteristik uppvisas.
Några simuleringar av de planerade jordfelsprov som ska utföras av Linköping Kraftnät kommer att
presenteras.
Nyckelord
Keyword Elkraftsystem, Reläskydd, Matlab, SimPowerSystems
Upphovsrätt
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –
under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga extra-
ordinära omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,
skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för
ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten
vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av
dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,
säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ
art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i
den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan
beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan
form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära
eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se
förlagets hemsida http://www.ep.liu.se/
Copyright
The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible
replacement - for a considerable time from the date of publication barring
exceptional circumstances.
The online availability of the document implies a permanent permission for
anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to
use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.
Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses
of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The
publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,
security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be
mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected
against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press
and its procedures for publication and for assurance of document integrity,
please refer to its WWW home page: http://www.ep.liu.se/
© Alen Terzic
Sammanfattning

Detta examensarbete har utförts vid Linköpings universitet och rapporten handlar om relä-
skydd och simuleringar av elektriska kraftnät.

Inledningsvis redovisas teori om reläskydd och selektiviteten. Simuleringsprogrammet
Matlab/Simulink med SimPowerSystems presenteras och dess funktionssätt beskrivs. Efter
teoridelen byggs modeller upp av några elektriska kraftnät som används i kursen TNDE85
Elsystem och CAD. Modellerna som innehåller överströmsskydd med ett momentant och ett
tidsfördröjt steg är uppbyggda i Simulink. En möjlig väg att simulera ett överströmsskydd
med inverttids-karakteristik uppvisas.
Några simuleringar av de planerade jordfelsprov som ska utföras av Linköping Kraftnät
kommer att presenteras.

Abstract

This report deals with protection relays and simulation of electrical power systems. It starts
with a description of different kinds of relays and selectivity. The simulation program
Matlab/Simulink with the toolbox SimPowerSystems, is presented with different blocks and
functions. After the theory part of the report a few models of electrical power systems, used in
course TNDE 85 Elsystem och CAD at Linköping University, are simulated. The models
contain time-overcurrent relay protection. The model of an overcurrent relay has
instantaneous and definite-time characteristic modeled in Simulink. A way to simulate
overcurrent relay protection with inverse-time characteristic is presented.
Linköping Kraftnät has planned to perform a couple of ground-fault experiments. Some of
them are simulated and presented in this report.
Förord

Härmed vill jag tacka min handledare och lärare Lars Backström för hjälp och goda råd som
jag har fått under min studietid vid Linköpings tekniska högskola.
Innehåll

1. INLEDNING.....................................................................................................................................................1
1.1 BAKGRUND...................................................................................................................................................1
1.2 SYFTE............................................................................................................................................................1
1.3 PROBLEMSTÄLLNING.....................................................................................................................................1
1.4 METOD..........................................................................................................................................................1
1.5 AVGRÄNSNINGAR..........................................................................................................................................2
2. TEORI................................................................................................................................................................3
2.1 RELÄSKYDD..................................................................................................................................................3
2.1.1 Strömmätande skydd.............................................................................................................................4
2.1.2 Spänningsmätande skydd......................................................................................................................5
2.1.3 Effektmätande skydd.............................................................................................................................5
2.1.4 Impedansmätande skydd.......................................................................................................................6
2.2 SELEKTIVITET...............................................................................................................................................7
2.3 KORTSLUTNINGSFEL I ELEKTRISKA KRAFTNÄT.............................................................................................9
2.3.1 Trefaskortslutning.................................................................................................................................9
2.3.2 Enfasigt jordfel...................................................................................................................................10
2.3.3 Mellanfaskortslutning.........................................................................................................................12
2.3.4 Tvåfasigt jordfel..................................................................................................................................14
2.3.5 Likströmskomposant...........................................................................................................................15
3. SIMPOWERSYSTEMS.................................................................................................................................16
3.1 FUNKTIONSBESKRIVNING............................................................................................................................16
3.2 BIBLIOTEK...................................................................................................................................................21
3.2.1 Källor..................................................................................................................................................21
3.2.2 Strömbrytare.......................................................................................................................................22
3.2.3 Transformator.....................................................................................................................................23
3.2.4 Ledningar...........................................................................................................................................24
3.2.5 Belastning...........................................................................................................................................25
3.2.6 Kortslutningsblock..............................................................................................................................26
3.2.7 Mätningar...........................................................................................................................................27
4. MODELLER OCH TILLÄMPNINGAR......................................................................................................28
4.1 EXEMPEL 1..................................................................................................................................................28
4.1.1 Beräkning...........................................................................................................................................28
4.1.2 Simuleringsmodell..............................................................................................................................30
4.2. EXEMPEL 2.................................................................................................................................................35
4.2.1 Beräkning...........................................................................................................................................35
4.2.2 Simuleringsmodell..............................................................................................................................37
4.3 EXEMPEL 3..................................................................................................................................................41
4.3.1 Simulering utan reläskydd..................................................................................................................41
4.3.2 Simulering med reläskydd...................................................................................................................45
4.4 EXEMPEL 4..................................................................................................................................................48
4.4.1 Högohmigt jordfel...............................................................................................................................48
4.4.2 Lågohmigt jordfel...............................................................................................................................51
4.4.3 Bakvänt jordfel...................................................................................................................................53
4.4.4 Intermittenta fel..................................................................................................................................59
5. SLUTSATS......................................................................................................................................................62
REFERENSER....................................................................................................................................................63
BILAGA A - SYMMETRISKA KOMPONENTER........................................................................................64
BILAGA B - PER UNIT (P.U.) SYSTEM.........................................................................................................66
BILAGA C - INVERTTIDSKARAKTERISTIKER.......................................................................................68
BILAGA D - SIMULERINGSRESULTAT......................................................................................................71
D.1 EXEMPEL 1.................................................................................................................................................71
Enfasigt jordfel i ett isolerat nät..................................................................................................................71
Enfasigt jordfel i ett jordat nät....................................................................................................................75
Enfasigt jordfel i ett jordat nät. Lastens nollpunkt isolerad........................................................................79
Enfasigt jordfel, ett reläskydd ur funktion...................................................................................................82
Trefaskortslutning på transformatorns primärsida (reläskydd ur funktion)................................................83
Trefaskortslutning på transformatorns primärsida (reläskydd i funktion)..................................................84
D.2 EXEMPEL 2.................................................................................................................................................86
Enfasigt jordfel i ett isolerat nät..................................................................................................................86
Enfasigt jordfel i ett direktjordat nät...........................................................................................................89
Trefaskortslutning........................................................................................................................................92
Mellanfaskortslutning i ett direktjordat nät.................................................................................................97
Mellanfaskortslutning i ett isolerat nät......................................................................................................100
Tvåfasigt jordfel i ett direktjordat nät.......................................................................................................103
Figurförteckning

Figur 2.1 Felbortkopplingssystemet...........................................................................................................................................3
Figur 2.2 X-R karakteristik för impedansmätande skydd...........................................................................................................6
Figur 2.3 Exempel på ett nät med skyddade objekt och respektive skyddszoner [4]..................................................................7
Figur 2.4 Ett exempel på en selektivplan. Reläskydd med inverttidskarakteristik [5]...............................................................8
Figur 2.5 Trefaskortslutning......................................................................................................................................................9
Figur 2.6 Enfasigt jordfel utan övergångsimpedans (stumt jordfel)........................................................................................10
Figur 2.7 Ekvivalent kortslutningskrets i jordslutningspunkten med symmetriska komponenter [4].......................................11
Figur 2.8 Kortslutning mellan två faser med övergångsimpedansen i kortslutningspunkten...................................................12
Figur 2.9 Schema över mellanfaskortslutning med symmetriska komponenter [4]..................................................................12
Figur 2.10 Kortslutning mellan två faser och jord...................................................................................................................14
Figur 2.11 Ekvivalent schema med symmetriska komponenter för tvåfasigt jordfel [4]..........................................................15
Figur 3.1 SimPowerSystems biblioteksfönster.........................................................................................................................16
Figur 3.2 SimPowerSystems flödesdiagram.............................................................................................................................17
Figur 3.3 Simulink modell som innehåller linjära och olinjära element..................................................................................18
Figur 3.4 Powergui block ger möjlighet att välja simuleringssätt och ett antal analytiska verktyg........................................19
Figur 3.5 I Configuration Parameters fönster väljs simuleringsparametrar...........................................................................20
Figur 3.6 Skillnad mellan simuleringsresultat beroende av samplingstid. Brytaren bryter strömmen vid 1.123 s..................20
Figur 3.7 Blocksymbol för trefasspänningskällor....................................................................................................................21
Figur 3.8 Parameterfönster för trefasspänningskällor............................................................................................................21
Figur 3.9 Blocksymbol för trefasströmbrytare.........................................................................................................................22
Figur 3.10 Parameterfönster för trefasströmbrytare...............................................................................................................22
Figur 3.11 Blocksymbol för trefastransformator med två lindningar......................................................................................23
Figur 3.12 Parameterfönster för trefastransformator i figur 3.11...........................................................................................23
Figur 3.13 Blocksymbol för trefasig seriell RLC krets.............................................................................................................24
Figur 3.14 Parameterfönster för trefasig seriell RLC krets.....................................................................................................24
Figur 3.15 Blocksymbol för trefasig seriell RLC last...............................................................................................................25
Figur 3.16. Parameterfönster för trefasig seriell RLC last......................................................................................................25
Figur 3.17 Blocksymbol för kortslutningen i nätmodellen.......................................................................................................26
Figur 3.18 Parameterfönster för kortslutningsblocket i figur 3.17..........................................................................................26
Figur 3.19 Kortslutningsblock med strömbrytarna och övergångsresistanserna....................................................................26
Figur 3.20 Fönster med mätblock............................................................................................................................................27
Figur 4.1 Ett enkelt nät med två spänningsnivåer som ska simuleras......................................................................................28
Figur 4.2 Visardiagram med spänningar i ett isolerat nät med ett enfasigt jordfel.................................................................31
Figur 4.3 Simuleringsmodell för nätet i figur 4.1....................................................................................................................32
Figur 4.4 Reläskydd som ett subsystem i Simulink...................................................................................................................33
Figur 4.5 Varje fas i reläskyddet har ett grov- och finsteg med återställningen......................................................................34
Figur 4.6 Elektriskt nät som ska simuleras. Åtta kortslutningspunkter för beräkningen..........................................................35
Figur 4.7 Simuleringsmodell för nätet i figur 4.6....................................................................................................................38
Figur 4.8 Visardiagram med spänningar vid mellanfaskortslutning.......................................................................................39
Figur 4.9 Strömmar som mäts av det blockerade reläskyddet C..............................................................................................42
Figur 4.10 Reläskydd med portar för styrsignaler från Workspace.........................................................................................46
Figur 4.11 Brytsignaler från reläskydden. Reläskydd med inverttidskarakteristik bryter felet efter 0,21418 sekunder..........47
Figur 4.12 Strömmar till reläskyddet med inverttidskarakteristik...........................................................................................47
Figur 4.13 Högohmigt jordfel..................................................................................................................................................48
Figur 4.14 Modell av högohmigt och lågohmigt jordfelsprov. En enda skillnad är resistansen som anges i parameterfönster
för kortslutningsblocket i modellen.....................................................................................................................49
Figur 4.15 Jordfelsström och spänning över jordningsimpedansen i transformatorns nollpunkt vid ett högohmigt jordfel....50
Figur 4.16 Förstorad bild av simuleringsresultat i figur 4.15 med toppvärden av jordström och spänningen........................50
Figur 4.17 Lågohmigt jordfel...................................................................................................................................................51
Figur 4.18 Jordfelsström och spänning över jordningsimpedansen i transformatorns nollpunkt vid lågohmigt jordfel.........52
Figur 4.19 Förstorad bild av simuleringsresultat i figur 4.18 med toppvärden av ström och spänning..................................52
Figur 4.20 Schema för bakvänt jordfel....................................................................................................................................53
Figur 4.21 Bakvänt jordfel med två strömkonturer..................................................................................................................53
Figur 4.22 Modell som visar ett bakvänt jordfelsprov.............................................................................................................55
Figur 4.23 Jordström och spänning över jordimpedansen Z..................................................................................................55
0
Figur 4.24 Förstorad bild som visar att toppvärden stämmer ihop med de beräknade värdena av jordströmmen och
spänningen..........................................................................................................................................................56
Figur 4.25 Modell av bakvänt jordfel med trefastransformator...............................................................................................56
Figur 4.26 Jordströmmen och spänningen vid bakvänt jordfel med obelastad trefastransformator........................................57
Figur 4.27 Jordströmmen och spänningen vid bakvänt jordfel med märkbelastad trefastransformator i figur 4.25...............58
Figur 4.28 Intermittenta fel uppstår vid spänningsvärden som är högre än t.ex.6 kV. För spänningar som är lägre än 6 kV
försvinner felet....................................................................................................................................................59
Figur 4.29 Simuleringsmodell för intermittenta jordfel...........................................................................................................60
Figur 4.30 Spänningen över jordimpedansen i nätats nollpunkt och spänningens total övertonsdistorsion vid intermittenta
jordfel..................................................................................................................................................................61
Figur 4.31 Jordströmmen och dess total övertonsdistorsion vid intermittenta jordfel.............................................................61
Figur C.1 Normal (Standard Inverse-SI) inverttidskarakteristik.............................................................................................68
Figur C.2 Very Inverse (VI) inverttidskarakteristik.................................................................................................................69
Figur C.3 Extremely Inverse (EI) inverttdiskarakteristik.........................................................................................................69
Figur C.4 Long time (LTI) inverttidskarakteristik...................................................................................................................70
Figur C.5 RI inverttidskarakteristik är inte standardiserat. Den används till ASEA:s (ABB:s) elektromekaniska reläer.......70
Figur D1.1 Strömmar som mäts av reläskydd C i figur 4.3 i ett isolerat nät. Belastningsströmmarna i felfria faser är
oförändrade.........................................................................................................................................................71
Figur D1.2 Brytsignaler i ett isolerat nät i figur 4.1. Strömmarna är för små för att påverka reläskyddet.............................72
Figur D1.3 Spänningar och strömmar uppmätta av mätblock i figur 4.3 i ett isolerat nät......................................................72
Figur D1.4 Spänningar och strömmar i kortslutningsstället i figur 4.3 i ett isolerat nät.........................................................73
Figur D1.5 Potential i lastens nollpunkt höjs från 0 till fasspänningen vid ett enfasigt jordfel. Mellan de felfria faserna och
jorden fås huvudspänning...................................................................................................................................73
Figur D1.6 Spänningar och strömmar i belastningen. Lasten påverkas inte av jordfelet........................................................74
Figur D1.7 Strömmarna som mäts av reläskydd C i figur 4.3 i ett jordat nät. Belastningsströmmar i de felfria faserna är
oförändrade.........................................................................................................................................................75
Figur D1.8 Brytsignaler i figur 4.3 i ett jordat nät. Strömmarna påverkar reläskyddet efter 0.5 s.........................................75
Figur D1.9 Spänningar och strömmar uppmätta av mätblock i figur 4.3, när nätet är jordat. Kortslutning sker vid 0,3 s och
efter 0,5 sekunder bryter skyddet felströmmen....................................................................................................76
Figur D1.10 Förstorad bild av figur D1.9...............................................................................................................................76
Figur D1.11 Spänningar och strömmar i kortslutningspunkten i figur 4.3 i ett jordat nät. Likströmskomposanten gör att
strömmen har sitt maximalvärde under första perioden efter kortslutningstidpunkten.......................................77
Figur D1.12 Förstorad bild av figur D1.11.............................................................................................................................77
Figur D1.13 Likströmskomposant och grundtonens maxvärde i den felbehäftade fasen.........................................................78
Figur D1.14 Spänningar och strömmar i belastningen när ett enfasigt jordfel inträffar i ett jordat nät.................................78
Figur D1.15 Strömmarna som mäts av reläskydd C i figur 4.3 i ett jordat nät. Belastningsströmmar i de felfria faserna blir
olika på grund av lastens isolerade nollpunkt.....................................................................................................79
Figur D1.16 Brytsignaler i figur 4.3 i ett jordat nät. Strömmarna påverkar reläskydd efter 0.5 s..........................................79
Figur D1.17 Spänningar och strömmar uppmätta av mätblock i figur 4.3 i ett jordat nät. Kortslutning sker vid 0,3 s och efter
0,5 sekunder bryter skyddet felströmmen. Lastens nollpunkt är isolerad............................................................80
Figur D1.18 Spänningar och strömmar i kortslutningspunkten i figur 4.3 i ett jordat nät. Likströmskomposanten gör att
strömmen har maximalt värde under första perioden efter kortslutningstidpunkten...........................................80
Figur D1.19 Spänningen i lastens nollpunkt har topp värde på 2687V vilket medför ändringen i strömbelastningen (Se figur
D1.15). Den felbehäftade fasen har spänningen 0 mot jord på lastens ingång...................................................81
Figur D1.20 Spänningar och strömmar i belastningen med den isolerade nollpunken när ett enfasigt jordfel inträffar i ett
jordat nät.............................................................................................................................................................81
Figur D1.21 Samma fel som i figur D1.7 med ej fungerande reläskydd C. Selektiviteten gör att reläskydd B bryter
felströmmen efter 1 s...........................................................................................................................................82
Figur D1.22 Brytsignaler med ej fungerande reläskydd C. Selektiviteten gör att reläskydd B bryter felströmmen efter 1 s...82
Figur D1.23 Strömmar som mäts av reläskydd A i figur 4.3 när reläskyddet är ur funktion...................................................83
Figur D1.24 Spänningar och strömmar i kortslutningspunkten på primärsidan av transformatorn i figur 4.3 när reläskyddet
är ur funktion. Likströmskomposanterna har olika värden och avklingar med tiden..........................................83
Figur D1.25 Strömmar som mäts av reläskydd A i figur 4.3 när reläskyddet är i funktion. Maximalvärde är beroende av
tidpunkten och faslägen när kortslutningen har inträffat....................................................................................84
Figur D1.26 Brytsignaler med fungerande reläskydd. Momentant steg av reläskydd A påverkar strömbrytaren...................84
Figur D1.27 Spänningar och strömmar i kortslutningspunkten på primärsidan av transformatorn i figur 4.3 med ett
fungerande reläskydd..........................................................................................................................................85
Figur D2.1 Strömmar som mäts av reläskydd C i figur 4.7.....................................................................................................86
Figur D2.2 Jordfelsströmmen i ett isolerat nät är så liten att överströmsskyddet inte påverkas av den..................................87
Figur D2.3 Lastens nollpunkt höjs från potential 0 till fasspänningen vid ett enfasigt jordfel. Mellan de felfria faserna och
jorden fås huvudspänning...................................................................................................................................87
Figur D2.4 Spänningar och strömmar på kortslutningsstället i figur 4.7 i ett isolerat nät......................................................88
Figur D2.5 Spänningar och strömmar i belastningen när ett enfasigt jordfel inträffar i ett isolerat nät.................................88
Figur D2.6 Jordfelströmmen i den felbehäftade fasen har samma värde som trefaskortslutningsström på samma ställe.......89
Figur D2.7 Brytsignaler från reläskydden. Strömbrytaren C påverkas...................................................................................89
Figur D2.8 Spänningar och strömmar i belastningen D i figur 4.6.........................................................................................90
Figur D2.9 Spänningar och strömmar i kortslutningspunkten 7 i figur 4.6.............................................................................90
Figur D2.10 Lastens nollpunkt har potential 0, medan spänningar på de felfria faserna ändras inte....................................91
Figur D2.11 Effektivvärden av strömmar i reläskydd C. Samma värden som vid ett enfasigt jordfel......................................92
Figur D2.12 Brytsignaler vid trefaskortslutning i punkt 7 i exempel 2 (Se figur 4.6)..............................................................92
Figur D2.13 Spänningar och strömmar vid trefaskortslutning i punkt 7 i exempel 2. Strömbrytaren aktiveras 1 s efter att felet
har uppstått.........................................................................................................................................................93
Figur D2.14 Förstorad bild av figur D2.13.............................................................................................................................93
Figur D2.15 Spänningar och strömmar i belastningen D........................................................................................................94
Figur D2.16 Förstorad bild av figur D2.15 när strömbrytaren har påverkats av reläskyddet................................................94