張王飛211408020021 無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路分析

1、無(wú)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(yùn)行過(guò)程中，時(shí)常會(huì)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(duì)于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)）發(fā)生系統(tǒng)通路的情況。電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，相與相之間或相與地（或中性線(xiàn)）之間發(fā)生非正常連接（即短路）時(shí)流過(guò)的電流。其值可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，并取決于短路點(diǎn)距電源的電氣距離。例如，在發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)發(fā)電機(jī)的短路電流最大瞬時(shí)值可達(dá)額定電流的1015倍。大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可達(dá)數(shù)萬(wàn)安。這會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響和后果。在發(fā)電廠、變電所以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，都必須事先進(jìn)行短路計(jì)算，以此作為

2、合理選擇電氣接線(xiàn)、選用有足夠熱穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體、確定限制短路電流的措施、合理配置各種繼電保護(hù)并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。因此故障計(jì)算對(duì)于電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有十分重要的意義。2電力系統(tǒng)故障分析計(jì)算本文以無(wú)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(shè)電源電壓幅值和頻率均為恒定。圖2.1 無(wú)限大功率電源供電的三相電路突然短路假設(shè)無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖2.2 所示，0.02s時(shí)刻變壓器低壓分母線(xiàn)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(xiàn)路參數(shù)為，;變壓器的額定容量，短路電壓，短路損耗，空載損耗，空載電流，變比，負(fù)載，高低壓繞組均為Y形聯(lián)接；并設(shè)

3、供電點(diǎn)電壓為110kV。圖2.2 無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)計(jì)算：變壓器T采用“Three-phrase-transformer（Two Windings）”模型。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)： 變壓器的電阻為： 變壓器的電抗為: 則變壓器的漏感： 變壓器的勵(lì)磁電阻為： 變壓器的勵(lì)磁電抗為： 變壓器的勵(lì)磁電感為： 輸電線(xiàn)路L采用“Three-Phase series RLC Branch”模型。根據(jù)給定的參數(shù)計(jì)算可得， 得到以上的電力系統(tǒng)參數(shù)后，可以首先計(jì)算出在變壓器低壓母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障時(shí)短電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。短路電流周期分量的幅值為： 時(shí)間常數(shù)為： 則短路沖擊電流為：103電力系統(tǒng)故障仿真3

4、.1三相短路系統(tǒng)仿真模型及各模塊參數(shù)設(shè)置圖3.1電力系統(tǒng)三相短路系統(tǒng)仿真模型（一）三相電源模塊三相電源原件是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的電路原件，也是最重要的原件，其運(yùn)行特性對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)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(shè)置包含7個(gè)選項(xiàng)，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（degrees）；頻率（Frequency）；內(nèi)部連接方式（Internal connection）；短路阻抗值（Specity im

5、pedance using short-circuit level），用來(lái)設(shè)定在短路情況下的阻抗數(shù)值；三相電源電阻（Source resistance）；三相電源電感；其中，內(nèi)部鏈接方式有3種，分別是：Y型，表示中性點(diǎn)不接地；Yn型，表示中性點(diǎn)接地電阻或消弧線(xiàn)圈接地；Yg型，表示中性點(diǎn)直接接地。圖3.2三相電源模塊的參數(shù)（二）并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊提供了一個(gè)由電阻、電感、電容并聯(lián)連接構(gòu)成的功能模塊，也可以通過(guò)設(shè)置它的電阻、電感和電容的具體值來(lái)改變?cè)撝返牡刃ё杩?。圖3.3負(fù)載模塊的參數(shù)（三）三相線(xiàn)路模塊圖3.4 三相線(xiàn)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

6、交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)繞組中通有交流電流時(shí)，鐵心（或磁心）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線(xiàn)圈中感應(yīng)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(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中介電源的繞組叫初級(jí)繞組，其余的繞組叫次級(jí)繞組。按電源相數(shù)來(lái)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(guān)系，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來(lái)設(shè)計(jì)和使用，這個(gè)頻率稱(chēng)工作頻率。額定頻率：在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長(zhǎng)期工作，而不超過(guò)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(shí)不得大于該電壓。電壓比：指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值，有空載電壓比

7、和負(fù)載電壓比的區(qū)別?？蛰d電流：變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱(chēng)為空載電流。空載損耗：指變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)在初級(jí)測(cè)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(jí)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(jí)功率與初級(jí)功率比值的百分比。通常變壓器的額定功率越大，效率就越高。（2）標(biāo)么值參數(shù)系統(tǒng)介紹為了便于工業(yè)應(yīng)用，通常要將有名值轉(zhuǎn)換為標(biāo)么值，而這需要知道相應(yīng)繞組的額定功率（ P，單位VA）、額定電壓（V,單位V）以及額定頻率（f,單位Hz）。對(duì)每一個(gè)繞組，其電阻和電抗的標(biāo)么值定義如下： （3-1） （3-2） （3- 3） (3-4)式中：V、P和f分別為一次繞

8、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(gè)繞組可以接成多種形式，如星形Y、帶中性線(xiàn)的星形Yn、星形接地Yg、三角形（超前星形30°）它們可以通過(guò)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(cè)量模塊三相電壓電流測(cè)量模塊“Three-PhaseV-I Measurement”將在變壓器低壓側(cè)測(cè)量到的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成Simulink信號(hào)，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用。圖3.6三相電壓電流測(cè)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

9、障模塊使用了三個(gè)獨(dú)立的斷路器，用來(lái)模擬各種對(duì)地或者相間故障模型。三相故障模塊中的斷路器的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間可以由一個(gè)Simulink 外部信號(hào)（外部控制模式）或者內(nèi)部控制定時(shí)器（內(nèi)部控制模式）來(lái)控制。如果不設(shè)計(jì)接地故障，接地電阻（Ground resistance）Rg自動(dòng)被設(shè)置為10。舉例說(shuō)明如下：當(dāng)設(shè)置一個(gè)A、B相間短路故障模型時(shí)，只需要設(shè)置A相故障和B相故障屬性參數(shù)；當(dāng)設(shè)置一個(gè)A相接地故障模型時(shí)，只需要同時(shí)設(shè)置A相故障和接地故障屬性參數(shù)，并且要指定一個(gè)小的接地電阻值。需要注意的是： 如果三相故障模塊被設(shè)置為外部控制（External control）模式時(shí)，在模塊的封裝圖表中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)控制

10、輸入端。連接到這個(gè)輸入端的控制信號(hào)必須是0或者1之類(lèi)的脈沖信號(hào)（其中0表示斷開(kāi)斷路器，1表示閉合斷路器）。當(dāng)三相故障模塊被設(shè)置為內(nèi)部控制模式（internal control mode）時(shí)，其開(kāi)關(guān)時(shí)間（switching times）和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，均在該模塊的屬性參數(shù)對(duì)話(huà)框中進(jìn)行設(shè)置。3.2仿真結(jié)果分析對(duì)供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)電路的短路進(jìn)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(shí)Transitionti

11、mes(s) 設(shè)置為0.02 0.1 ，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Transiti onst atus設(shè)置為1 0 ,其中 1 表示閉合，0 表示斷開(kāi)；在三相電壓電流測(cè)量模塊(Three-PhaseV-IMeasure-ment)中選擇相電壓和電流作為測(cè)量電氣量。運(yùn)行仿真，雙擊 Scope 可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)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(shí)刻之前，0.1時(shí)刻之后系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)下，各相電壓都很大；在0.02 時(shí)刻發(fā)生短路故障后，各相電壓均快速降低。符合實(shí)際電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障電壓降低的特征。運(yùn)行仿真后，雙擊 Scope1可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)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(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(shí)刻，高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)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(diǎn)各相電流波形上升或者下降。在0.1時(shí)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(zhǔn)確數(shù)值，以三相短路的 A 相為例，可以在MATLAB的主命令窗口中輸入下列命令來(lái)顯示故障相的電流數(shù)據(jù)。