無窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路分析

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)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(shè)計工作中，都必須事先進行短路計算，以此作

2、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(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(shè)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(shè)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(shè)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，;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

3、設(shè)供電點電壓為110kV。圖2.2 無窮大功率電源供電系統(tǒng)計算：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： 變壓器的勵磁電阻為： 變壓器的勵磁電抗為： 變壓器的勵磁電感為： 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， 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和沖擊電流的大小。短路電流周期分量的幅值為： 時間常數(shù)為： 則短路沖擊電流為：；.3電力系統(tǒng)故障仿真

4、3.1三相短路系統(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(shè)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（degrees）；頻率（Frequency）；內(nèi)部連接方式（Internal connection）；短路阻抗值（Specity i

5、mpedance using short-circuit level），用來設(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(fù)荷模塊并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊提供了一個由電阻、電感、電容并聯(lián)連接構(gòu)成的功能模塊，也可以通過設(shè)置它的電阻、電感和電容的具體值來改變該支路的等效阻抗。圖3.3負(fù)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

6、換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)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(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(guān)系，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)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

7、比和負(fù)載電壓比的區(qū)別?？蛰d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?？蛰d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：指次級功率與初級功率比值的百分比。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）。對每一個繞組，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

8、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（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-I Measurement”將在變壓器低壓側(cè)測量到的電壓、電流信號轉(zhuǎn)變成Simulink信號，相當(dāng)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

9、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(guān)斷時間可以由一個Simulink 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(shè)計接地故障，接地電阻（Ground resistance）Rg自動被設(shè)置為10。舉例說明如下：當(dāng)設(shè)置一個A、B相間短路故障模型時，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A相接地故障模型時，只需要同時設(shè)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(shè)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

10、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(dāng)三相故障模塊被設(shè)置為內(nèi)部控制模式（internal control mode）時，其開關(guān)時間（switching times）和開關(guān)狀態(tài)，均在該模塊的屬性參數(shù)對話框中進行設(shè)置。3.2仿真結(jié)果分析對供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)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(shè)置為0.02 0.

11、1 ，對應(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；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 Scope 可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)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 Scope1可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)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(jié)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(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(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顯示故障相的電流數(shù)據(jù)。