張王飛240802002無窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路分析報告

1、無窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路分析1.電力系統(tǒng)故障分析的意義在電力系統(tǒng)的運行過程中，時常會發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障。所謂 短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生系 統(tǒng)通路的情況。電力系統(tǒng)在運行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發(fā)生 非正常連接（即短路）時流過的電流。其值可遠遠大于額定電流，并取決于短路 點距電源的電氣距離。例如，在發(fā)電機端發(fā)生短路時，流過發(fā)電機的短路電流最 大瞬時值可達額定電流的1015倍。大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可達數(shù)萬安。 這會對電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴重影響和后果。在發(fā)電廠、變電所以及整個電 力系統(tǒng)的設計工作中，都必須事先進行短路

2、計算，以此作為合理選擇電氣接線、 選用有足夠熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設備及載流導體、確定限制短路電流的措 施、合理配置各種繼電保護并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。因此故障計算對于電力 系統(tǒng)的設計和安全運行具有十分重要的意義。2電力系統(tǒng)故障分析計算本文以無窮大功率電源供電發(fā)生三相短路分析。即在此電路中假設電源電壓 幅值和頻率均為恒定。圖2.1無限大功率電源供電的三相電路突然短路假設無窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖2.2所示，0.02s時刻變壓器低壓分母線發(fā)生三相短路故障，仿真其短路電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。線路參數(shù)為L =50kM ，為二0.41 kM ， r廠0.171 kM ;變壓器的額定容量S

3、N =20MV A，短路電壓Us：=工、，短路損耗= 135kW，空載損耗I。：=0.8，空載電流IJ =0.8，變比kT =110 11，負載S = 5MW，高低壓繞組均為丫形聯(lián)接；并設供電點電壓為110kV。計算：變壓器 T 采用“ Three-phrase-transformer( TwoWindings )” 模型。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)：變壓器的電阻為:“磐 103SN(I)變壓器的電抗為：Xtu影式uj2100瓦103 0施 w-()則變壓器的漏感:L. = x. (2 二 f)63.532 3.14 50H =0.202H變壓器的勵磁電阻為：Rm 二蚩 103 =1222 103 =5.

4、5 105' 1變壓器的勵磁電抗為：-3()x _ 100UN x103 =1005 02Xm 一 Io： Sn 10_0.8 2000103G -5)變壓器的勵磁電感為:Lm =Xm （2二f）=2 756f50H -240.8H（2一6）輸電線路L采用“ Three-Phase series RLC Branch ”模型。根據(jù)給定的參 數(shù)計算可得，漢 | = 0.174,080 =8.50（2-7）Xl=X! I =0.4 50； n Ll二Xl 十=2 324、H = 0.064H 二 得到以上的電力系統(tǒng)參數(shù)后，可以首先計算出在變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故 障時短電流周期分量幅值

5、和沖擊電流的大小。短路電流周期分量的幅值為：=Um = _2 110 3 10 A(R Rl)2+ (X +Xl)2(2.08+8.5)+(63.5+20)2= 10.63kA時間常數(shù)Ta為:Ta= ( LtLl)RtRl)二0.202 0.0644.08 8.5s =0.0211s則短路沖擊電流為:iim ： (1 e0.010.0211)lm =1.6225lm =17.3kA(I(2-10)(2-11)3電力系統(tǒng)故障仿真3.1三相短路系統(tǒng)仿真模型及各模塊參數(shù)設置Three-Phase Sourcehree-Phase Parallel RLC IU»adThree-Phase

6、Parallel RLC Branch圖3.1電力系統(tǒng)三相短路系統(tǒng)仿真模型AVabclabcBabeThree-Phase V-I MeasurementThree-Phase Fault(一) 三相電源模塊三相電源原件是電力系統(tǒng)設計中最常見的電路原件，也是最重要的原件，其 運行特性對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)起到?jīng)Q定性的作用。三相電源原件提供了帶有串 聯(lián)RL支路的三相電源。三相電源模塊參數(shù)設置包含 7個選項，分別是相電壓(Phase-to-Phase rms voltage )，表征的是三相電源 A相、B相和C相的相電壓；A想相角(phase angle of phase A)，單位是度(degre

7、es)；頻率(Freque ncy)；內(nèi)部連接方式(In ternal connection )； 短路阻抗值(Specity impedanee using short-circuit level)，用來設定在短路情況下的阻抗數(shù)值；三相電源電阻(Source resista nee );三相電源電感；其中，內(nèi)部鏈接方式有3種，分別是：丫型，表示中性點不接地；Yn型，表示中性點接地電阻或消弧線圈接地；Yg型，表示中性點直接接地。圖3.2三相電源模塊的參數(shù)（二）并聯(lián)RLC負荷模塊并聯(lián)RLC負荷模塊提供了一個由電阻、電感、電容并聯(lián)連接構成的功能模塊,也可以通過設置它的電阻、電感和電容的具體值來改變

8、該支路的等效阻抗。圖3.3負載模塊的參數(shù)（三）三相線路模塊圖3.4三相線路模塊參數(shù)（四）三相變壓器模塊（1）變壓器模塊變壓器模塊是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級繞組中通有交流電 流時，鐵心（或磁心）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流） 變壓器由鐵心（或磁心）和繞組組成，繞組有兩個或兩個以上的繞組，其中介電 源的繞組叫初級繞組，其余的繞組叫次級繞組。按電源相數(shù)來分，變壓器單相、 三相和多相幾種形式。他的重要特性參數(shù)主要有： 工作頻率：變壓器鐵心損耗與頻率有很大的關系，故應根據(jù)使用頻率來設 計和使用，這個頻率稱工作頻率。 額定頻率：在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不

9、超過規(guī)定溫 升的輸出功率。 額定電壓：指在變壓器的繞組上所允許施加的電壓，工作時不得大于該電 壓。 電壓比：指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負載電壓 比的區(qū)別。 空載電流：變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空 載電流。 空載損耗：指變壓器次級開路時在初級測得的功率損耗。主要損耗是鐵心損耗，其次是空載電流在初級繞組銅祖上產(chǎn)生的損耗（銅損），這部分消耗很小。 效率：指次級功率P2與初級功率R比值的百分比。通常變壓器的額定功率 越大，效率就越咼。（2）標么值參數(shù)系統(tǒng)介紹為了便于工業(yè)應用，通常要將有名值轉(zhuǎn)換為標么值，而這需要知道相應繞組的額定功率（P n，單位VA、額

10、定電壓（Vn ,單位V）以及額定頻率（f n ,單位HZ）。對每一個繞組，其電阻和電抗的標么值定義如下:&p.u.)_ LL(base)L( p.u .)(base)Rbase2(Vn)Pn(3-1 )(3-2)(3- 3 )baseR2 二 fn(3-4)式中：Vn、Pn和fn分別為一次繞組的額定電壓，額定功率和額定頻率。（3）雙繞組三相變壓器雙繞組三相變壓器的兩個繞組可以接成多種形式，如星形Y帶中性線的星形Yn星形接地Yg三角形Dn （超前星形30°）它們可以通過該功能模塊。圖3.5變壓器模塊的參數(shù)（五）三相電壓電流測量模塊三相電壓電流測量模塊“ Three-PhaseV

11、-l Measurement ”將在變壓器低壓側 測量到的電壓、電流信號轉(zhuǎn)變成Simulink信號，相當于電壓、電流互感器的作用圖3.6三相電壓電流測量模塊的參數(shù)(六) 三相故障模塊三相故障模塊提供了一種可編程的相間(phase-to-phase )和(phase-to-ground )故障斷路器中。三相故障模塊使用了三個獨立的斷路器， 用 來模擬各種對地或者相間故障模型。三相故障模塊中的斷路器的開通和關斷時間可以由一個Simuli nk外部信號(外部控制模式)或者內(nèi)部控制定時器(內(nèi)部控制模式)來控制。如果不設計接地故障，接地電阻(Grou nd resista nee )Rg自動被設置為10

12、。舉例說明如下：當設置一個 A、B相間短路故障模型時，只需要設置 A相 故障和B相故障屬性參數(shù)；當設置一個 A相接地故障模型時，只需要同時設置A相故障和接地故障屬性參數(shù)，并且要指定一個小的接地電阻值。需要注意的是： 如果三相故障模塊被設置為外部控制(External control )模式時，在模 塊的封裝圖表中就會出現(xiàn)一個控制輸入端。連接到這個輸入端的控制信號必須是0或者1之類的脈沖信號(其中0表示斷開斷路器，1表示閉合斷路器)。 當三相故障模塊被設置為內(nèi)部控制模式(internal control mod®時，其 開關時間(switching times )和開關狀態(tài)，均在該模塊

13、的屬性參數(shù)對話框中進行 設置。3.2仿真結果分析對供電系統(tǒng)變壓器低壓側電路的短路進行分析，主要分析單相接地短路、兩相接地短路、兩相短路及三相短路的電壓和電流的變化。(一)三相短路分析將三相短路故障發(fā)生器元件(Three-PhaseFault)中"故障相選擇"的A B C三相故障全部選中，轉(zhuǎn)換時 Transitiontimes(s)設置為0.02 0.1，對應的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Transiti onstatus設置為1 0,其中1表示閉合，0表示斷開；在三相電壓電流測量模塊(Three-PhaseV-IMeasure-ment)中選擇相電壓和電流作為 測量電氣量。運行仿真，雙擊Sco

14、pe可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側母線的 三相短路故障電壓波形如圖所示。從圖3.8中可以看出，在0.02時刻之前，0.1時刻之后系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)下，各 相電壓都很大；在0.02時刻發(fā)生短路故障后，各相電壓均快速降低。符合實際 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障電壓降低的特征。運行仿真后，雙擊Scopel可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側母線的三相 短路故障電流波形如圖3.9所示。由圖可以得到以下結論：在穩(wěn)態(tài)時，供電系統(tǒng) 各相電流由于三相短路故障未發(fā)生，因而三相電流都為0A。在0.02時刻，高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側電路發(fā)生三相短路故障，A、B C三相電流均發(fā)生劇烈變化，由于三相電路相電流之間存在相位差，因而故障點各相電流波形上升或者下 降。在0.1時刻，切除三相短路故障，A、B、C三相電流迅速衰減為0A,最后處 于穩(wěn)定狀態(tài)。為了得到仿真圖中的準確數(shù)值，以三相短路的 A相為例，可以在MATLAB勺 主命令窗口中輸入下列命令來顯示故障相的電流數(shù)據(jù)。從得到的大量A相電流數(shù)據(jù)中，可以發(fā)現(xiàn)短路電流周期分量的幅值為 10.64kA，短路沖擊電流為17.39kA， 同理可得B、C兩相故障的電流值。仿真波形的數(shù)值與理論計算值相比存在一定的 誤差，這主要是由電源模塊的內(nèi)阻造成的，可以通過更改電源模塊的內(nèi)阻值來