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(jì)目的通過工程設(shè)計(jì)讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)借助軟件工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和獨(dú)立思考進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)，讓學(xué)生在仿真過程中讓學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)有更深的了解，通過設(shè)計(jì)操作熟悉Matlab的專業(yè)模塊的使用。在設(shè)計(jì)過程中讓學(xué)生得到鍛煉，獲得學(xué)習(xí)能力、知識(shí)綜合運(yùn)用能力的提升和軟件使用技巧。2.設(shè)計(jì)性能指標(biāo)通過理解輸電線路繼電保護(hù)的特點(diǎn)，利用MATLAB技術(shù)設(shè)計(jì)出輸電線路電流保護(hù)動(dòng)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(gè)單電源輸電線路一次系統(tǒng)模型，然后對(duì)所建立的輸電線路一次系統(tǒng)模型進(jìn)行故障類型仿真

2、和階段式電流保護(hù)動(dòng)作行為仿真，并通過圖形和直觀的觀測(cè)各參數(shù)的變化體現(xiàn)繼電保護(hù)的動(dòng)作過程，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)及得出的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。3.設(shè)計(jì)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(jì)保階段式電流保護(hù)模塊并完成短路故障發(fā)生時(shí)保護(hù)動(dòng)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(fù)荷電流值和網(wǎng)絡(luò)短路故障發(fā)生時(shí)的電流幅值如圖所示，根據(jù)短路時(shí)突變的強(qiáng)電流與最大負(fù)荷的正常電流差設(shè)計(jì)階段式電流保護(hù)。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(fù)荷模型，如圖3.2所示。 系統(tǒng)的各個(gè)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(yùn)行方式下，最小運(yùn)行方式下通常運(yùn)行方式下為2.5；兩條線路AB、BC的長度均為15km，負(fù)荷容量=1.2 +j0.9MVA。輸電線路采用兩個(gè)Distributed Parameters Line模塊，通過修改Line length的數(shù)值來設(shè)置故障點(diǎn)，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(cè)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(duì)勾去掉，這樣就能顯示全部的波形，但是對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求比較高，其他的選項(xiàng)設(shè)為默認(rèn)值。故障發(fā)生器采用Three-Phase Fault模塊，在這個(gè)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(gè)數(shù)值代表故障發(fā)生器工作和切除工作的時(shí)間；measurements 選中Fault voltages and currents；其他的數(shù)值為默認(rèn)值。系統(tǒng)的負(fù)載采用Three-Phase Series RLC Load 模塊，Configuration的下拉菜單選用Y（grounded），中性點(diǎn)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(gè)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(jìn)行仿真分析和計(jì)算，

7、其采樣時(shí)間在采樣時(shí)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(jìn)行仿真分析和計(jì)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(rèn)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(shí)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(shí)間，我們?cè)O(shè)置的仿真開始時(shí)間為0.0 s，Stop time 一欄用來設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間，我們?cè)O(shè)置的仿真結(jié)束時(shí)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(jì)算下一個(gè)仿真時(shí)間的方法都是在

8、當(dāng)前仿真時(shí)間上加一個(gè)時(shí)間步長，不同的是，固定步長解法器的時(shí)間步長為常數(shù)，可變步長的時(shí)間步長是依據(jù)模型的動(dòng)態(tài)特征可變的，但模型的狀態(tài)變化比較快時(shí)，為了保證精度則要將時(shí)間步長降低，反之就要將時(shí)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(jì)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(jì)算模型或方程時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整步長，并通過減小步長來提高計(jì)算精度的算法稱為可變步長類算法；

9、在計(jì)算模型或方程時(shí)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(jì)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(shí)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(rèn)值，不需要改變。將系統(tǒng)阻抗設(shè)為2，仿真時(shí)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(shí)進(jìn)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(yùn)行

10、仿真了，點(diǎn)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(diǎn)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(shí)短路點(diǎn)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(fù)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怠⑾嘟窍嗤碾妷?，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(shí)，分別將分布參數(shù)線路的長度都設(shè)為15km進(jìn)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(diǎn)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(shí)短路點(diǎn)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(fù)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(jìn)行修改。此外，本系統(tǒng)模型的電源電壓，系統(tǒng)阻抗，負(fù)載容量以及仿真時(shí)間，故障類型、故障點(diǎn)位置、故障起始時(shí)刻等參數(shù)均可以根據(jù)仿真需要進(jìn)行修改。在進(jìn)行仿真前，如果不采用默認(rèn)設(shè)置，那么就必須對(duì)各種參數(shù)進(jìn)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(duì)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(xiàng)打開In 模塊為輸入模塊，Out為輸出模塊，Transport Delay模塊為時(shí)間延遲模塊，它的延遲時(shí)間為0.02s，其他的參數(shù)為默認(rèn)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(jiǎn)化模型，使界面更加簡(jiǎn)潔。II段限時(shí)電流速斷保護(hù)和 III段定時(shí)限過電流保護(hù)模型與I段電流速斷保護(hù)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(shí)電流速斷保護(hù)的delay模塊的啟動(dòng)值（Switch on point）由式（2.4）計(jì)算得到，III段定時(shí)限過電流保護(hù)的delay模塊的啟動(dòng)值（Switch on poi

14、nt）由式（2.5）計(jì)算得到。然后在II段和III段的每一個(gè)delay模塊后面添加了一個(gè)延時(shí)模塊（Transport Delay），由于整個(gè)仿真的時(shí)間為0.3s，所以II段和III段添加的時(shí)間延時(shí)模塊的延遲時(shí)間分別設(shè)為 0.05s和 0.1s。至此，電流保護(hù)模型部分的設(shè)計(jì)完成，如圖4.17所示。短路故障時(shí)保護(hù)動(dòng)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(shí)電流保護(hù)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(shí)間設(shè)為0.0 0.3,故障時(shí)間設(shè)為0.1 0.3。4.2.

15、1 兩相短路時(shí)保護(hù)動(dòng)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(diǎn)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(yùn)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(hù)的動(dòng)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(hù)動(dòng)作情況有圖4.19可知，I段、II段、III段都動(dòng)作了，且?guī)в袝r(shí)限特性。因?yàn)楣收宵c(diǎn)在I 段的動(dòng)作范圍之內(nèi)，所以I段動(dòng)作，由于本系統(tǒng)僅將動(dòng)作信號(hào)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(hù)未返回，分別經(jīng)過0.05s、0.1s動(dòng)作。觀察發(fā)現(xiàn)，I段保護(hù)并沒有在故障發(fā)生時(shí)刻0.1s瞬時(shí)啟動(dòng)，因?yàn)楦鶕?jù)電流保護(hù)原理及仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，當(dāng)故障電流大于整定值時(shí)保護(hù)才動(dòng)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(hù)未動(dòng)作，II段、III段的情況與I段相同。將故障點(diǎn)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(jìn)行仿真，如圖 4.20所示。但由于電流 I 段保護(hù)不能保護(hù)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(hù)電流整定值，但仍高于 II 段和 III 段保護(hù)整定值。因此，保護(hù)

17、I 段不動(dòng)作，保護(hù) II 段、III 段分別經(jīng)延時(shí) 0.05s、 0.1s后動(dòng)作。圖4.20 14km處三段式電流保護(hù)動(dòng)作情況將故障點(diǎn)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(jìn)行仿真，如圖 4.21所示。此時(shí)，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(hù) I 段和保護(hù) II 段都不動(dòng)作，III 段經(jīng)延時(shí)0.1s 后動(dòng)作。故障點(diǎn)超出了I段保護(hù)和II段保護(hù)的范圍。圖4.21 22km處三段式電流保護(hù)動(dòng)作情況4.2.2 三相短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作行為仿真與兩相短路故障時(shí)保護(hù)動(dòng)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(diǎn)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(yùn)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(hù)的動(dòng)作變化情況，三段保護(hù)均起動(dòng)，并帶有時(shí)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(hù)動(dòng)作情況將故障點(diǎn)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(jìn)行仿真，如圖 4.23所示。但由于電流 I 段保護(hù)不能保護(hù)線路的全長，有一定范圍。

19、因此，保護(hù) I 段不動(dòng)作，保護(hù) II 段、III 段經(jīng)延時(shí)0.05s、0.1s后動(dòng)作。圖4.23 14km處三段式電流保護(hù)動(dòng)作情況將故障點(diǎn)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(jìn)行仿真，如圖 4.24所示。此時(shí)，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(hù) I 段和保護(hù) II 段都不動(dòng)作，III 段經(jīng)延時(shí)0.1s 后動(dòng)作。故障點(diǎn)超出了I段保護(hù)和II段保護(hù)的范圍。為了保證其選擇性，一般只能保護(hù)線路的一部分。以圖2.1中保護(hù)2為例，當(dāng)相鄰線路BC 的始端k2 點(diǎn)短路時(shí)，按照選擇性的要求，速斷保護(hù)2就不應(yīng)該動(dòng)作，應(yīng)

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

21、下變電所B母線上發(fā)生三相短路時(shí)的故障電流，動(dòng)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(hù)裝置的實(shí)際動(dòng)作值可能小于整定值和一定的裕度、實(shí)際的短路電流可能大于計(jì)算值等因素。限時(shí)電流速斷保護(hù)是帶一定時(shí)限的電流速斷保護(hù)。由于有選擇性的電流速斷保護(hù)不能保護(hù)本線路的全長，因此增加一段新的保護(hù)，用來切除速斷范圍以外的故障，保護(hù)本線路的全長，同時(shí)也能作為電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)對(duì)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(dòng)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(hù)通常是指其起動(dòng)電流按躲過最大負(fù)荷電流來整定的一種保護(hù)。它在正常運(yùn)行時(shí)不起動(dòng)，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，則能反應(yīng)于電流增大而動(dòng)作，它不僅能保護(hù)線路的全長，還能保護(hù)相鄰線路的全長，以起到后備保護(hù)的作用。繼電器返回電流與啟動(dòng)電流的關(guān)系表明著保護(hù)裝置的返回電流與啟動(dòng)電流的關(guān)系，保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流為 ， 保護(hù)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(jì)出繼電保護(hù)的模型，使整個(gè)系統(tǒng)看起來更加簡(jiǎn)潔，其內(nèi)部保護(hù)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(hào)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(hào)的保真。模塊3Terminator模塊，用于中斷未連接的信號(hào)輸出端口，由于Phase口未使用，讓其連接本模塊吊空，保證運(yùn)行時(shí)不會(huì)報(bào)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(dòng)值（Switch on point）根據(jù)保護(hù)需要設(shè)置，啟動(dòng)輸出值（Output when on）為1，其他的為默認(rèn)值。三段保護(hù)系統(tǒng)如上圖，II段限時(shí)電流速斷保護(hù)和III段定時(shí)限過電流保護(hù)的Relay模塊的啟動(dòng)值根據(jù)保護(hù)需要設(shè)置，然后在II段和III段的每一個(gè)Relay模塊后面添加一個(gè)延時(shí)模塊。模塊5的Transport Delay模塊為時(shí)間延遲模塊，用于延遲時(shí)間。由于整個(gè)仿真的時(shí)間為0.3s，所以II段和III段添加的時(shí)間延時(shí)模塊的延遲時(shí)間分別設(shè)為 0.05s和 0.1s，其他的參數(shù)為默認(rèn)值。以上便是保護(hù)部分設(shè)計(jì)所使用的主要模塊的基本介紹，到這里整個(gè)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(hù)線路的一部分。以圖2.1中保護(hù)2為