1.      Podstawy teoretyczne

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi funkcjami i obsługą programu do modelowania i symulacji układów elektroenergetycznych o nazwie PSCAD.

Zwarcie jest zakłóceniem polegającym na połączeniu bezpośrednim, przez łuk elektryczny lub przewodnik o małej impedancji (rezystancji) jednego lub więcej punktów układu elektroenergetycznego należących do różnych faz z ziemią lub między sobą. W zależności od ilości punktów, w których wystąpiło zwarcie rozróżnia się zwarcia jednomiejscowe (pojedyncze) oraz wielomiejscowe (podwójne, potrójne).

W układach elektroenergetycznych trójfazowych mogą występować zwarcia:

a) symetryczne:

              - trójfazowe - zwarcia między trzema różnymi fazami obwodu elektrycznego

              - trójfazowe z ziemią - zwarcia między trzema różnymi fazami obwodu elektrycznego                             i ziemią

b) niesymetryczne

- jednofazowe, w przypadkach połączenia jednej fazy z ziemią lub przewodem               zerowym

              - dwufazowe bezpośrednie - między dwoma fazami obwodu

              - dwufazowe poprzez ziemię - zwarcia między dwoma różnymi fazami obwodu                                           elektrycznego i ziemią

Bezpośrednim skutkiem zwarć jest przepływ prądów zwarciowych o wartościach z reguły wielokrotnie większych od prądów płynących w normalnych warunkach pracy urządzeń. Powoduje to wystąpienie znacznych sił elektrodynamicznych pomiędzy częściami urządzeń przewodzących prąd oraz intensywne nagrzewanie się tych urządzeń oraz elementów stykających się z nimi. Jeżeli wartości prądu zwarciowego są wyższe od dynamicznej i cieplnej zwarciowej wytrzymałości urządzenia, to może nastąpić jego uszkodzenie, któremu nierzadko towarzyszy eksplozja, pożar oraz wypadki z ludźmi. Ponadto podczas zwarć różne elementy urządzeń (osłony, konstrukcje itp.) normalnie nie znajdujące się pod napięciem mogą się znaleźć pod pewnym napięciem względem ziemi lub względem innych urządzeń co stwarza zagrożenie dla obsługi. Uzasadnia to potrzebę, a nawet konieczność analizy zwarć, w celu wyznaczenia charakterystycznych wielkości zwarciowych.

Dokładne obliczenia prądów zwarciowych są bardzo trudne ze względu na ciągłe zmiany zachodzące w systemie elektroenergetycznym, związane głównie ze zmianami liczby i parametrów urządzeń wytwarzających, przesyłających i przetwarzających energie elektryczną.

Do celów zabezpieczeń i automatyki elektroenergetycznej potrzebne są często informacje o największych i najmniejszych wartościach prądów zwarciowych podczas zwarć symetrycznych (trójfazowych) oraz niesymetrycznych, zwłaszcza jednofazowych zwarć doziemnych.

Utrudnienie lub uniemożliwienie pracy odbiorników występuje na skutek całkowitego zaniku lub znacznego obniżenia napięcia na zaciskach odbiorników w stosunku do napięcia znamionowego. Podczas zwarcia trójfazowego praktycznie całkowity spadek napięcia występuje w miejscu zwarcia a także za tym punktem na zaciskach dalszych odbiorników.

2.      Schemat układu pomiarowego

3.      Wyniki pomiarów

W ćwiczeniu zbudowaliśmy wirtualny układ linii elektroenergetycznej jak na schemacie powyżej wykorzystując program PSCAD. Parametry układu podane przez prowadzącego laboratorium:

- Napięcie strony wtórnej transformatora = 15,25 [kV]
- Moc odbiornika = 3,5 [MW]

Obliczenia rezystancji obciążenia:

Parametry symulacji:

Czas trwania: 1 s

Czas wystąpienia zwarcia: 0,2 s

Czas trwania zwarcia: 0,4 s

Ustawienia wyłączników:

Wyłączenie linii: 0,6 s

Załączenie linii: 0,8 s

Zwarcie fazy 1 do ziemi

Zwarcie fazy 2 do ziemi

Zwarcie fazy 3 do ziemi

Zwarcie fazy 1 i 2 do ziemi

Zwarcie fazy 1 i 3 do ziemi

Zwarcie fazy 2 i 3 do ziemi

Zwarcie wszystkich faz do ziemi

Zwarcie między 1 i 2 fazą

Zwarcie między 1 i 3 fazą

Zwarcie miedzy 2 i 3 fazą

Zwarcie wszystkich faz

4.      Wnioski

Modelowanie i symulacja linii elektroenergetycznych przy pomocy programu PSCAD jest stosunkowo prosta. Program ten jest dobrym narzędziem do projektowania i badania działania linii elektroenergetycznych. Nie są przy tym potrzebne ogromne nakłady finansowe. Oszczędza się pieniądze, czas i wysiłek wielu ludzi. Można bez większych przeszkód analizować zwarcia mogące zachodzić w rzeczywistych liniach elektroenergetycznych, nie narażając obsługi na ewentualne porażenie wysokim napięciem.

Podczas zwarcia prądy płynące w poszczególnych zwartych liniach osiągają znaczne wartości, co może doprowadzić do uszkodzeń elementów układu elektroenergetycznego. Dlatego też ważne jest zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń, które jak najszybciej wyłączą zwarte fazy i w razie ustąpienia zwarcia ponownie załączy linie (układy SPZ – samoczynne ponowne załączenie).

Po przeprowadzeniu symulacji zwarć  na załączonych wykresach możemy zobaczyć i analizować zależności zachodzące pomiędzy wartościami napięć w fazach zwartych i wartościami napięć w fazach tzw. „zdrowych”.

Po wystąpieniu zwarcia doziemnego w jednej fazie, napięcie następnej fazy spada, natomiast ostatniej wzrasta (zgodnie z przesunięciem fazowym pomiędzy wszystkimi trzema liniami). Np. po wystąpieniu zwarcia fazy pierwszej z ziemią napięcie fazy drugiej spada natomiast w fazie trzeciej wzrasta do wartości napięcia na stronie wtórnej transformatora.

Przy zwarciu dwóch faz do ziemi napięcie na trzeciej fazie, która nie została uszkodzona wzrasta do wartości napięcia na stronie wtórnej transformatora.

Zwarcie pomiędzy dwoma fazami między sobą powoduje, że napięcie w zwartych fazach spada mniej więcej o połowę. Jednak wartość napięcia w ostatniej - trzeciej fazie pozostaje bez zmian.

5.      Przyrządy pomiarowe

- Komputer klasy IBM PC

- program PSCAD