Моделирование дуговых поперечных несимметричных режимов в RastrWin

В статье описан подход к моделированию поперечных несимметричных режимов в ПК RastrWin. Такие модели необходимы для расчётов дуговых коротких замыканий.

Оценка сопротивления дуги

Рисунок 1. Комплексная схема симметричных составляющих для всех видов КЗ.

По расчётным данным металлического короткого замыкания можно оценить сопротивление дуги с учётом того, что:

• Есть только периодическая составляющая тока короткого замыкания.
• Сопротивление дуги с течением времени постоянно.
• ЭДС совпадает по направлению с осью действительных чисел.

Для каждого вида короткого замыкания можно вывести уравнение для оценки сопротивления дуги.

Пусть дуга это три одинаковых сопротивления, соединяющих провод, по ней течет ток, равный [math]I_a[/math] по модулю.

Неизвестные: [math]R_a, I_a[/math]

Обозначения: $$ \dot{I}_a = I_a \cdot \left(\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi) \right), $$

$$ \dot{E} = E, $$

$$ \dot{Z}_0 = R_0 + j \cdot X_0, $$

$$ \dot{Z}_1 = R_1 + j \cdot X_1, $$

$$ \dot{Z}_2 = R_2 + j \cdot X_2. $$

Короткие замыкания на землю

Трехфазное КЗ

Рисунок 2. Моделирование поперечной несимметрии при К(3).

Система для решения: $$ \left\{ \begin{array}{@{}l@{}} \dot{E} = \dot{I}_a \cdot (R_a + \dot{Z}_1), \\ R_a = \frac{U \cdot L}{I_a} = \frac{K}{I_a} \end{array}\right. $$

• Подставим [math]R_a[/math] из второго уравнения в первое и выполним замену:

$$ K = U \cdot L $$ $$ B = 1 $$ $$ R^\prime = R_1 $$ $$ X^\prime = X_1 $$

Однофазное КЗ

Рисунок 3. Моделирование поперечной несимметрии при К(1).

Система для решения: $$ \left\{ \begin{array}{@{}l@{}} \dot{E} = \frac{1}{3} \cdot \dot{I}_a \cdot (R_a + \dot{Z}_0 + \dot{Z}_1 + \dot{Z}_2), \\ R_a = \frac{U \cdot L}{I_a} = \frac{K}{I_a} \end{array}\right. $$

• Подставим [math]R_a[/math] из второго уравнения в первое и выполним замену:

$$ K = U \cdot L $$ $$ B = \frac{1}{3} $$ $$ R^\prime = R_0 + R_1 + R_2 $$ $$ X^\prime = X_0 + X_1 + X_2 $$

Двухфазное КЗ на землю

Рисунок 4. Моделирование поперечной несимметрии при К(1,1).

Система для решения: $$ \left\{ \begin{array}{@{}l@{}} \dot{E} = - \frac{1}{3} \cdot \dot{I}_a \cdot \left(2 \cdot R_a + \dot{Z}_0 + \dot{Z}_1 + \frac{\dot{Z}_0 \cdot \dot{Z}_1}{\dot{Z}_2}\right), \\ 2 \cdot R_a = \frac{2 \cdot U \cdot L}{I_a} = \frac{K}{I_a} \end{array}\right. $$

• Подставим [math]R_a[/math] из второго уравнения в первое и выполним замену:

$$ K = 2 \cdot U \cdot L $$ $$ B = - \frac{1}{3} $$ $$ R^\prime = R_0 + R_1 + \frac{R_0 R_1 R_2 - X_0 X_1 R_2 + R_0 X_1 X_2 + X_0 R_1 X_2}{R_2^{2} + X_2^{2}} $$ $$ X^\prime = X_0 + X_1 + \frac{R_0 X_1 R_2 + X_0 R_1 R_2 - R_0 R_1 X_2 + X_0 X_1 X_2}{R_2^{2} + X_2^{2}} $$

Общая часть

Общая система для решения: $$ \left\{ \begin{array}{@{}l@{}} \dot{E} = B \cdot \dot{I}_a \cdot (R_a + R^\prime + j \cdot X^\prime), \\ R_a = \frac{K}{I_a} \end{array}\right. $$

Решение:

$$ E = B \cdot I_a \cdot \left(\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi) \right) \cdot \left(\frac{K}{I_a} + R^\prime + j \cdot X^\prime \right) $$

• Внесём [math]I_a[/math] в скобки и разделим обе части на [math](\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi))[/math]:

$$ \frac{E}{\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi)} = B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime + j \cdot I_a \cdot X^\prime \right) $$

• Преобразуем:

$$ E \cdot (\cos(\varphi) - j \cdot \sin(\varphi)) = B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime + j \cdot I_a \cdot X^\prime \right) $$

• Раскроем скобки, приравняем действительные и мнимые компоненты:

$$ \left\{\begin{array}{@{}B@{}} \cos(\varphi) \cdot E = B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime \right) , \\ -\sin(\varphi) \cdot E = B \cdot I_a \cdot X^\prime \end{array}\right. $$

• Выразим [math]I_a[/math] из второго уравнения:

$$ I_a = -\sin(\varphi) \cdot \frac{E}{B \cdot X^\prime} $$

• Подставим [math]I_a[/math] в первое уравнение:

$$ \cos(\varphi) \cdot E = B \cdot K - B \cdot \sin(\varphi) \cdot \frac{E \cdot R^\prime}{B \cdot X^\prime} $$

• Домножим на [math]X^\prime[/math], приведем подобные:

$$ \cos(\varphi) \cdot E \cdot X^\prime = B \cdot K \cdot X^\prime - \sin(\varphi) \cdot E \cdot R^\prime $$

$$ \cos(\varphi) \cdot E \cdot X^\prime + \sin(\varphi) \cdot E \cdot R^\prime = B \cdot K \cdot X^\prime $$

• Введем переменные:

$$ A = \sqrt{(E \cdot X^\prime)^2 + (E \cdot R^\prime)^2} $$

$$ \alpha = atan2\left( (E \cdot R^\prime), (E \cdot X^\prime) \right) $$

$$ \cos(\alpha) = \frac{E \cdot X^\prime}{A} $$ $$ \sin(\alpha) = \frac{E \cdot R^\prime}{A} $$

• Подставим переменные, разделив уравнение на [math]A[/math]:

$$ \cos(\varphi) \cdot \cos(\alpha) + \sin(\varphi) \cdot \sin(\alpha) = \frac{B \cdot K \cdot X^\prime}{A} $$

• Записанное слева — косинус разности:

$$ \cos(\varphi - \alpha) = \frac{B \cdot K \cdot X^\prime}{A} $$

• Решим относительно [math]\varphi[/math]:

$$ \varphi = \alpha \pm acos \left( \frac{B \cdot K \cdot X^\prime}{A} \right) + 2\cdot \pi \cdot k, k \in \mathbb{Z} $$

• [math]I_a[/math] находится из первого уравнения системы:

$$ \left\{\begin{array}{@{}B@{}} \cos(\varphi) \cdot E = B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime \right) , \\ -\sin(\varphi) \cdot E = B \cdot I_a \cdot X^\prime \end{array}\right. $$

• И подставляется в выражение:

$$ R_a = \frac{K}{I_a} $$

Короткие замыкания без земли

Двухфазное КЗ

Рисунок 5. Моделирование поперечной несимметрии при К(2).

Система для решения:

$$ \left\{ \begin{array}{@{}l@{}} \dot{E} = j\frac{1}{\sqrt{3}} \cdot \dot{I}_a \cdot (\frac{R_a}{2} + \dot{Z}_1 + \dot{Z}_2), \\ \frac{R_a}{2} = \frac{U \cdot L}{2 \cdot I_a} = \frac{K}{I_a} \end{array}\right. $$

• Подставим [math]R_a[/math] из второго уравнения в первое и выполним замену:

$$ K =\frac{U \cdot L}{2} $$ $$ B =\frac{1}{\sqrt{3}} $$ $$ R^\prime = R_1 + R_2 $$ $$ X^\prime = X_1 + X_2 $$

Решение:

$$ E = j\cdot B \cdot I_a \cdot \left(\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi) \right) \cdot \left(\frac{K}{I_a} + R^\prime + j \cdot X^\prime \right) $$

• Внесём [math]I_a[/math] в скобки и разделим обе части на [math](\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi))[/math]:

$$ \frac{E}{\cos(\varphi) + j \cdot \sin(\varphi)} = j \cdot B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime + j \cdot I_a \cdot X^\prime \right) $$

• Преобразуем:

$$ E \cdot (\cos(\varphi) - j \cdot \sin(\varphi)) = j \cdot B \cdot (K + I_a \cdot R^\prime) - B \cdot I_a \cdot X^\prime $$

• Раскроем скобки, приравняем действительные и мнимые компоненты:

$$ \left\{\begin{array}{@{}l@{}} \cos(\varphi) \cdot E = - B \cdot I_a \cdot X^\prime, \\ -\sin(\varphi) \cdot E = B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime \right) \end{array}\right. $$

• Выразим [math]I_a[/math] из первого уравнения:

$$ I_a = - \cos(\varphi) \cdot \frac{E}{B \cdot X^\prime} $$

• Подставим [math]I_a[/math] во второе уравнение:

$$ -\sin(\varphi) \cdot E = B \cdot K - B \cdot \cos(\varphi) \cdot \frac{E \cdot R^\prime}{B \cdot X^\prime} $$

• Домножим на [math]X^\prime[/math], приведем подобные:

$$ -\sin(\varphi) \cdot E \cdot X^\prime = B \cdot K \cdot X^\prime - \cos(\varphi) \cdot E \cdot R^\prime $$

$$ \cos(\varphi) \cdot E \cdot R^\prime - \sin(\varphi) \cdot E \cdot X^\prime = B \cdot K \cdot X^\prime $$

• Введем переменные:

$$ A = \sqrt{(E \cdot R^\prime)^2 + (E \cdot X^\prime)^2} $$

$$ \alpha = atan2\left( (E \cdot X^\prime), (E \cdot R^\prime) \right) $$

$$ \cos(\alpha) = \frac{E \cdot R^\prime}{A} $$ $$ \sin(\alpha) = \frac{E \cdot X^\prime}{A} $$

• Подставим переменные, разделив уравнение на [math]A[/math]:

$$ \cos(\varphi) \cdot \cos(\alpha) - \sin(\varphi) \cdot \sin(\alpha) = \frac{B \cdot K \cdot X^\prime}{A} $$

• Записанное слева — косинус разности:

$$ \cos(\varphi + \alpha) = \frac{B \cdot K \cdot X^\prime}{A} $$

• Решим относительно [math]\varphi[/math]:

$$ \varphi = - \alpha \pm acos \left( \frac{B \cdot K \cdot X^\prime}{A} \right) + 2\cdot \pi \cdot k, k \in \mathbb{Z} $$

• [math]I_a[/math] находится из второго уравнения системы:

$$ \left\{\begin{array}{@{}l@{}} \cos(\varphi) \cdot E = - B \cdot I_a \cdot X^\prime, \\ -\sin(\varphi) \cdot E = B \cdot \left(K + I_a \cdot R^\prime \right) \end{array}\right. $$

• И подставляется в выражение:

$$ R_a = \frac{K}{I_a} $$