電抗器電抗器使用來在事故的情況下限制短路電流

1、 1. 設(shè)計目的通過工程設(shè)計讓學(xué)生運用所學(xué)知識借助軟件工具進行仿真設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力和獨立思考進行設(shè)計的能力，使其能夠綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。同時，讓學(xué)生在仿真過程中讓學(xué)生對專業(yè)知識有更深的了解，通過設(shè)計操作熟悉Matlab的專業(yè)模塊的使用。在設(shè)計過程中讓學(xué)生得到鍛煉，獲得學(xué)習(xí)能力、知識綜合運用能力的提升和軟件使用技巧。2.設(shè)計性能指標通過理解輸電線路繼電保護的特點，利用MATLAB技術(shù)設(shè)計出輸電線路電流保護動作行為仿真，模擬輸電線路各種故障情形。利用Matlab/Simulink仿真軟件建立一個單電源輸電線路一次系統(tǒng)模型，然后對所建立的輸電線路一次系統(tǒng)模型進行故障類型仿真

2、和階段式電流保護動作行為仿真，并通過圖形和直觀的觀測各參數(shù)的變化體現(xiàn)繼電保護的動作過程，對仿真實驗及得出的結(jié)果進行總結(jié)分析。3.設(shè)計內(nèi)容建立故障模型并完成三相短路和兩相短路故障的模擬仿真；設(shè)計保階段式電流保護模塊并完成短路故障發(fā)生時保護動作的模擬仿真。3.1故障模型建立以圖2.1的單側(cè)電源供電的網(wǎng)絡(luò)為模型，線路的最大負荷電流值和網(wǎng)絡(luò)短路故障發(fā)生時的電流幅值如圖所示，根據(jù)短路時突變的強電流與最大負荷的正常電流差設(shè)計階段式電流保護。以圖3.1的單側(cè)電源供電的網(wǎng)絡(luò)為模型，利用Matlab/Simulink搭建了單電源輸電線路一次系統(tǒng)帶負荷模型，如圖3.2所示。 系統(tǒng)的各個元件參數(shù)為：電壓源的線電壓1

3、0.5kV，Zs為系統(tǒng)等值阻抗，系統(tǒng)最大運行方式下，最小運行方式下通常運行方式下為2.5；兩條線路AB、BC的長度均為15km，負荷容量=1.2 +j0.9MVA。輸電線路采用兩個Distributed Parameters Line模塊，通過修改Line length的數(shù)值來設(shè)置故障點，分別代表故障的前后兩條線路L1和L2；線路的相數(shù)Number of phases N為3，采用的頻率為50Hz；線路的電阻、電感、電容的參數(shù)設(shè)為 = 0.02083 = 0.1148 = 0.8984 = 2.2886 = 0.01291 = 0.00523 電壓電流的測量采用Three-Phase V-I

4、Measurement模塊，該模塊可以將線路中的電壓電流值輸出，通過示波器顯示出來。示波器為顯示波形的器件，采用Scope模塊，由于要顯示電壓和電流的波形，所以Number of axes 設(shè)為2；所要觀察的波形為完整的波形，所以把Limit date points to last 的數(shù)值改成大數(shù)值，或者直接把其前邊的對勾去掉，這樣就能顯示全部的波形，但是對計算機的配置要求比較高，其他的選項設(shè)為默認值。故障發(fā)生器采用Three-Phase Fault模塊，在這個模塊中可以通過選定phase A Fault、phase B Fault、phase C Fault、Ground Fault設(shè)置故障

5、類型；Transition status 框中的1 0 ，分別代表故障發(fā)生器工作和切除工作；Transition times框中的兩個數(shù)值代表故障發(fā)生器工作和切除工作的時間；measurements 選中Fault voltages and currents；其他的數(shù)值為默認值。系統(tǒng)的負載采用Three-Phase Series RLC Load 模塊，Configuration的下拉菜單選用Y（grounded），中性點接地；額定的線電壓為10kV，額定的頻率為50Hz；有功功率為1.2MW，無功電感功率為0.9MVar，無功電容功率為0 Var 。輔助模塊powergui，它在SimPow

6、erSystem的根目錄下，是Simulink為電力系統(tǒng)仿真提供的圖形用戶分析界面。Powergui利用Simulink功能接連不同的電氣元件，是分析電力系統(tǒng)模型有效的圖形化用戶接口工具。在它的主窗口可以設(shè)置整個仿真的參數(shù)。configurater parameters 中可以選擇仿真的類型，仿真類型有以下三種：（1）向量法仿真 phasor parameters ，選中該單選框，則模型中的電力系統(tǒng)模塊將在頻率框中輸入的指定頻率下執(zhí)行相量仿真。（2）離散化電氣模型 discretize electrical model ，選中該單選框，則模型中的電力系統(tǒng)模塊將在離散的模型下進行仿真分析和計算，

7、其采樣時間在采樣時間框中指定。（3）連續(xù)系統(tǒng)仿真 continuous ，選中該單選框，則模型中的電力系統(tǒng)模塊將在連續(xù)的模型下進行仿真分析和計算。 本系統(tǒng)仿真選擇的就是第三種仿真類型，連續(xù)系統(tǒng)仿真，其他的參數(shù)為默認值Solver面板的設(shè)置。在該面板中，可以設(shè)置仿真開始和結(jié)束的時間，選擇解法器，并設(shè)置它的相關(guān)參數(shù)及算法。Start time 一欄用來設(shè)置仿真開始時間，我們設(shè)置的仿真開始時間為0.0 s，Stop time 一欄用來設(shè)置仿真結(jié)束時間，我們設(shè)置的仿真結(jié)束時間為0.3 s。Simulink 支持的步長解法器有兩種，即固定解法器和可變步長解法器，這兩中解法器計算下一個仿真時間的方法都是在

8、當(dāng)前仿真時間上加一個時間步長，不同的是，固定步長解法器的時間步長為常數(shù)，可變步長的時間步長是依據(jù)模型的動態(tài)特征可變的，但模型的狀態(tài)變化比較快時，為了保證精度則要將時間步長降低，反之就要將時間步長加長，所以本系統(tǒng)仿真采用的為可變步長解法器（Variable-step）。選擇合適的算法，在Simulink 仿真系統(tǒng)中也是非常重要的。仿真算法是求常微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程解的數(shù)值計算方法，而Simulink 匯集了有不同的函數(shù)來完成的各種求解常微分方程數(shù)值解的方法，分為可變步長類算法和固定步長類算法兩大類。在計算模型或方程時可以自動調(diào)整步長，并通過減小步長來提高計算精度的算法稱為可變步長類算法；

9、在計算模型或方程時步長是固定不變的算法，我們稱為固定步長類算法。本次設(shè)計的仿真模型選用的算法是Ode23t，這是一種采用自由的內(nèi)插方法的梯形算法，使用這種方法時要求模型有一定剛性，又不要求解有數(shù)值衰減。其他的控制面板的選型及數(shù)值為默認值，不需要改變。將系統(tǒng)阻抗設(shè)為2，仿真時間設(shè)為0.0 0.3,選擇變步長解法器，算法為Ode23t。故障在0.1s發(fā)生，在0.3s結(jié)束。在兩條線路AB、BC的長度均為15km時進行仿真第一種情況，分別將分布參數(shù)線路的長度都設(shè)為15km。故障發(fā)生器將phase A Fault、phase B Fault兩相選中，代表仿真的故障為A、B兩相短路。設(shè)置好參數(shù)后就可以運行

10、仿真了，點擊Simulink下的Start命令，或者單擊模型上方菜單條中的黑色三角按鈕。等仿真結(jié)束后，雙擊圖3.2中的示波器 scope2，來觀察短路點的電壓及電流的變化情況。示波器的顯示結(jié)果如圖3.14所示。通過示波器顯示，上方的波形為兩相短路時短路點的電壓波形，下方的為電流的波形。分析仿真的結(jié)果可以得出，單電源輸電線路帶負荷一次系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障后，電壓的變化為：非故障相的電壓不變，故障兩相電壓相等，且幅值降低一半，即C相的電壓不變，A、B相的電壓變?yōu)榉?、相角相同的電壓，且幅值降低為原來的一半。電流的變化為：非故障相電流不變，故障相電流幅值相等，相位相反，且幅值增大，即C相的電流不變，

11、A、B相的電流變?yōu)橄辔幌喾?，幅值相等，故障電流的大小明顯增大。跟兩相短路故障的設(shè)置相似，在兩條線路AB、BC的長度均為15km時，分別將分布參數(shù)線路的長度都設(shè)為15km進行仿真。故障發(fā)生器將phase A Fault、phase B Fault、phase C Fault三相選中，代表仿真的故障為A、B、C三相短路。設(shè)置好參數(shù)，開始仿真，等仿真結(jié)束后，雙擊示波器 scope2，來觀察短路點的電壓及電流的變化情況。示波器的顯示結(jié)果如圖3.16所示。通過示波器顯示，與兩相短路情況相似，上方的波形為三相短路時短路點的電壓波形，下方的為電流的波形。分析仿真的結(jié)果可以得出，單電源輸電線路帶負荷一次系統(tǒng)發(fā)

12、生三相短路故障后，電壓的變化為：各相的電壓變?yōu)?。電流的變化為：三相電流幅值突然增大，經(jīng)過渡過程后穩(wěn)定為正弦波的變化規(guī)律，相位相差1200，且幅值相等。所建立的單電源一次系統(tǒng)模型具有通用性，它的輸電線路的長度可以根據(jù)需要進行修改。此外，本系統(tǒng)模型的電源電壓，系統(tǒng)阻抗，負載容量以及仿真時間，故障類型、故障點位置、故障起始時刻等參數(shù)均可以根據(jù)仿真需要進行修改。在進行仿真前，如果不采用默認設(shè)置，那么就必須對各種參數(shù)進行配置。可以通過模型窗口的菜單中simulation下的configuration parameters 命令打開設(shè)置仿真參數(shù)對話框，也可以通過右鍵單擊模型窗口中的空白處，在彈出菜單的c

13、onfiguration parameters 項打開In 模塊為輸入模塊，Out為輸出模塊，Transport Delay模塊為時間延遲模塊，它的延遲時間為0.02s，其他的參數(shù)為默認值Subsystem模塊為子系統(tǒng)模塊，它里面就是A相電流突變量，這樣一來就可以簡化模型，使界面更加簡潔。II段限時電流速斷保護和 III段定時限過電流保護模型與I段電流速斷保護的模型建立類似，只是整定電流值不同，在這里就不重復(fù)介紹了。II段限時電流速斷保護的delay模塊的啟動值（Switch on point）由式（2.4）計算得到，III段定時限過電流保護的delay模塊的啟動值（Switch on poi

14、nt）由式（2.5）計算得到。然后在II段和III段的每一個delay模塊后面添加了一個延時模塊（Transport Delay），由于整個仿真的時間為0.3s，所以II段和III段添加的時間延時模塊的延遲時間分別設(shè)為 0.05s和 0.1s。至此，電流保護模型部分的設(shè)計完成，如圖4.17所示。短路故障時保護動作行為仿真在本章只考慮兩條線路AB、BC的長度為15km的情況，此時電流保護的三段整定值分別為2288A，1498A，172A。其他的設(shè)置與第三章仿真設(shè)置相同，選擇變步長解法器，算法選擇為Ode23t。將系統(tǒng)阻抗Zs設(shè)為2，仿真時間設(shè)為0.0 0.3,故障時間設(shè)為0.1 0.3。4.2.

15、1 兩相短路時保護動作行為仿真故障發(fā)生器將phase A Fault、phase B Fault兩相選中，代表仿真的故障為A、B兩相短路。首先設(shè)置故障點在9km處，即將兩條分布參數(shù)線路L1、L2的長度分別設(shè)為9 km和21km。設(shè)置好參數(shù)后就可以運行仿真了，等仿真結(jié)束后，雙擊示波器 scope3，來觀察三段式電流保護的動作變化情況。示波器的顯示結(jié)果如圖4.19所示。圖4.19 9km處三段式電流保護動作情況有圖4.19可知，I段、II段、III段都動作了，且?guī)в袝r限特性。因為故障點在I 段的動作范圍之內(nèi)，所以I段動作，由于本系統(tǒng)僅將動作信號輸出至界面顯示給用戶，并沒有連接到斷路器，因此II段、

16、III段的保護未返回，分別經(jīng)過0.05s、0.1s動作。觀察發(fā)現(xiàn)，I段保護并沒有在故障發(fā)生時刻0.1s瞬時啟動，因為根據(jù)電流保護原理及仿真系統(tǒng)設(shè)計原理，當(dāng)故障電流大于整定值時保護才動作，在故障發(fā)生之后的0.01s至0.02s期間，三相的故障電流都還小于整定值，所以保護未動作，II段、III段的情況與I段相同。將故障點設(shè)于14km 處，即將兩條分布參數(shù)線路L1、L2的長度分別設(shè)為14 km和16km，設(shè)置好參數(shù)后進行仿真，如圖 4.20所示。但由于電流 I 段保護不能保護線路的全長，有一定范圍，故障相的電流有效值小于 I 段保護電流整定值，但仍高于 II 段和 III 段保護整定值。因此，保護

17、I 段不動作，保護 II 段、III 段分別經(jīng)延時 0.05s、 0.1s后動作。圖4.20 14km處三段式電流保護動作情況將故障點設(shè)于22km 處，即將兩條分布參數(shù)線路L1、L2的長度分別設(shè)為22km和8km，設(shè)置好參數(shù)后進行仿真，如圖 4.21所示。此時，故障電流的有效值小于I段和II段的整定值，但大于III段的整定值。因此，保護 I 段和保護 II 段都不動作，III 段經(jīng)延時0.1s 后動作。故障點超出了I段保護和II段保護的范圍。圖4.21 22km處三段式電流保護動作情況4.2.2 三相短路時保護動作行為仿真與兩相短路故障時保護動作行為仿真相似，故障發(fā)生器將phase A Fau

18、lt、phase B Fault、phase C Fault三相選中，代表仿真的故障為A、B、C三相短路。首先設(shè)置故障點在9km處，即將兩條分布參數(shù)線路L1、L2的長度分別設(shè)為9 km和21km，設(shè)置好參數(shù)后就可以運行仿真了，等仿真結(jié)束后，雙擊示波器 scope3，觀察得到三段式電流保護的動作變化情況，三段保護均起動，并帶有時限特性。示波器的顯示結(jié)果如圖4.22所示。圖4.22 9km處三段式電流保護動作情況將故障點設(shè)于14km 處，即將兩條分布參數(shù)線路L1、L2的長度分別設(shè)為14 km和16km，設(shè)置好參數(shù)后進行仿真，如圖 4.23所示。但由于電流 I 段保護不能保護線路的全長，有一定范圍。

19、因此，保護 I 段不動作，保護 II 段、III 段經(jīng)延時0.05s、0.1s后動作。圖4.23 14km處三段式電流保護動作情況將故障點設(shè)于22km 處，即將兩條分布參數(shù)線路L1、L2的長度分別設(shè)為22km和8km，設(shè)置好參數(shù)后進行仿真，如圖 4.24所示。此時，故障電流的有效值小于I段和II段的整定值，但大于III段的整定值。因此，保護 I 段和保護 II 段都不動作，III 段經(jīng)延時0.1s 后動作。故障點超出了I段保護和II段保護的范圍。為了保證其選擇性，一般只能保護線路的一部分。以圖2.1中保護2為例，當(dāng)相鄰線路BC 的始端k2 點短路時，按照選擇性的要求，速斷保護2就不應(yīng)該動作，應(yīng)

20、由保護裝置1發(fā)出信號使斷路器跳閘以切除故障。而當(dāng)本線路末端k1短路時，保護裝置2應(yīng)切除該點故障。但實際上，根據(jù)式（2.1），k1點和k2點短路時，從保護2流過的故障電流的幅值大小相差很小。因此，保護裝置2在k1點發(fā)生故障時能及時動作，而在k2點發(fā)生故障時不動作的要求很難滿足。解決問題的方法通常是優(yōu)先保證動作的選擇性，整定電流速斷保護的啟動電流的閾值，按躲過下一條線路出口處短路的條件整定。對反應(yīng)電流升高的而動作的電流速斷保護來說，能使保護裝置啟動的最小電流稱為保護裝置的整定電流，用表示。以保護2為例，保護裝置的啟動電流必須大于下一條線路出口處短路時可能出現(xiàn)的最大故障電流，即大于系統(tǒng)在最大運行方式

21、下變電所B母線上發(fā)生三相短路時的故障電流，動作電流為 式(2.2)引入可靠系數(shù)1.21.3 是考慮非周期分量的影響、保護裝置的實際動作值可能小于整定值和一定的裕度、實際的短路電流可能大于計算值等因素。限時電流速斷保護是帶一定時限的電流速斷保護。由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此增加一段新的保護，用來切除速斷范圍以外的故障，保護本線路的全長，同時也能作為電流速斷保護的后備保護對于通常采用的斷路器和間接作用于斷路器的二次式斷電器來說，的數(shù)值在0.3s0.5s之間，大多取0.5s。它的啟動電流應(yīng)該整定為 式（2.3）引入可靠性配合系數(shù)，一般取為1.11.2，得 式（2.4）過電流保

22、護通常是指其起動電流按躲過最大負荷電流來整定的一種保護。它在正常運行時不起動，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時，則能反應(yīng)于電流增大而動作，它不僅能保護線路的全長，還能保護相鄰線路的全長，以起到后備保護的作用。繼電器返回電流與啟動電流的關(guān)系表明著保護裝置的返回電流與啟動電流的關(guān)系，保護裝置的啟動電流為 ， 保護模塊采用嵌套方式，利用Subsystem子系統(tǒng)在Subsystem模塊內(nèi)部設(shè)計出繼電保護的模型，使整個系統(tǒng)看起來更加簡潔，其內(nèi)部保護模型如下圖所示。模塊1 in為輸入模塊，將電流數(shù)值供給其他模塊參考，模塊6 out為輸出模塊，將其他模塊的輸出數(shù)據(jù)供給指定模塊。模塊2為信號濾波裝置，采用Discrete

23、Fourier模塊，用濾波算法消除這些暫態(tài)分量的影響，保證輸入信號的保真。模塊3Terminator模塊，用于中斷未連接的信號輸出端口，由于Phase口未使用，讓其連接本模塊吊空，保證運行時不會報警。模塊4為繼電器，采用Relay模塊，該模塊的來源為Simulink/discontinuities，它的啟動值（Switch on point）根據(jù)保護需要設(shè)置，啟動輸出值（Output when on）為1，其他的為默認值。三段保護系統(tǒng)如上圖，II段限時電流速斷保護和III段定時限過電流保護的Relay模塊的啟動值根據(jù)保護需要設(shè)置，然后在II段和III段的每一個Relay模塊后面添加一個延時模塊。模塊5的Transport Delay模塊為時間延遲模塊，用于延遲時間。由于整個仿真的時間為0.3s，所以II段和III段添加的時間延時模塊的延遲時間分別設(shè)為 0.05s和 0.1s，其他的參數(shù)為默認值。以上便是保護部分設(shè)計所使用的主要模塊的基本介紹，到這里整個仿真系統(tǒng)建立完畢，整體模型如圖2所示。了保證其選擇性，一般只能保護線路的一部分。以圖2.1中保護2為