张王飞240802002无穷大功率电源供电系统三相短路分析报告

无穷大功率电源供电系统三相短路分析

1.电力系统故障分析的意义

在电力系统的运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。

2电力系统故障分析计算

本文以无穷大功率电源供电发生三相短路分析。即在此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定。

图2.1 无限大功率电源供电的三相电路突然短路

假设无穷大功率电源供电系统如图2.2 所示，0.02s时刻变压器低压分母线

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发生三相短路故障，仿真其短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。线路参数为L50kM，x10.4kM，r10.17kM;变压器的额定容量

SN20MV•A，短路电压Us，短路损耗Ps135kW，空载损耗Io0.8，空载电流Io0.8，变比kT11011，负载S5MW，高低压

绕组均为Y形联接；并设供电点电压为110kV。

STf

图2.2 无穷大功率电源供电系统

计算：

变压器T采用“Three-phrase-transformer（Two Windings）”模型。根据给定的数据：

变压器的电阻为：

RT2PsUN2SN310311010220000 变压器的电抗为:

22UsUNXTS10310.511010310010020000N 则变压器的漏感：

Lx(2f)63.53H0.202H323.14502 变压器的励磁电阻为：

RmP103=110103=5.510522o 变压器的励磁电抗为：

2100UNxmIS1031001102103

0.82000oN2UN

变压器的励磁电感为：

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输电线路L采用“Three-Phase series RLC Branch”模型。根据给定的参数计算可得，

RLLmxm(2f)75625H240.8H(26) 21450r1l0.17

XLX1l0.450LL=XL=20H=0.0H 

23.14得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短电流周期分量幅值和冲击电流的大小。

短路电流周期分量的幅值为：

Im=Umk2110310 =A2222（RRL）+（X+XL）（2.08+8.5）+（63.5+20）

=10.63kA ·时间常数Ta为：

Ta=（LTLL)RTRL)0.2020.0s0.0211s(210)4.088.5 则短路冲击电流为：

iim(1e0.010.0211)Im1.6225Im17.3kA(211)

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3电力系统故障仿真

3.1三相短路系统仿真模型及各模块参数设置

图3.1电力系统三相短路系统仿真模型

（一）三相电源模块

三相电源原件是电力系统设计中最常见的电路原件，也是最重要的原件，其运行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源原件提供了带有串联RL支路的三相电源。

三相电源模块参数设置包含7个选项，分别是相电压（Phase-to-Phase rms voltage），表征的是三相电源A相、B相和C相的相电压；A想相角（phase angle of phase A），单位是度（degrees）；频率（Frequency）；内部连接方式（Internal connection）；短路阻抗值（Specity impedance using short-circuit level），用来设定在短路情况下的阻抗数值；三相电源电阻（Source resistance）；三相电源电感；其中，内部链接方式有3种，分别是：Y型，表示中性点不接地；Yn型，表示中性点接地电阻或消弧线圈接地；Yg型，表示中性点直接接地。

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图3.2三相电源模块的参数

（二）并联RLC负荷模块

并联RLC负荷模块提供了一个由电阻、电感、电容并联连接构成的功能模块，也可以通过设置它的电阻、电感和电容的具体值来改变该支路的等效阻抗。

图3.3负载模块的参数

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（三）三相线路模块

图3.4 三相线路模块参数

（四）三相变压器模块

（1）变压器模块

变压器模块是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电流时，铁心（或磁心）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁心（或磁心）和绕组组成，绕组有两个或两个以上的绕组，其中介电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。按电源相数来分，变压器单相、三相和多相几种形式。他的重要特性参数主要有：

①工作频率：变压器铁心损耗与频率有很大的关系，故应根据使用频率来设

计和使用，这个频率称工作频率。

②额定频率：在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温

升的输出功率。

③额定电压：指在变压器的绕组上所允许施加的电压，工作时不得大于该电

压。

④电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压

比的区别。

⑤空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空

载电流。

⑥空载损耗：指变压器次级开路时在初级测得的功率损耗。主要损耗是铁心

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损耗，其次是空载电流在初级绕组铜祖上产生的损耗（铜损），这部分消耗很小。

⑦效率：指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率

越大，效率就越高。

（2）标么值参数系统介绍

为了便于工业应用，通常要将有名值转换为标么值，而这需要知道相应绕组的额定功率（ Pn，单位VA）、额定电压（Vn,单位V）以及额定频率（fn,单位

Hz）。对每一个绕组，其电阻和电抗的标么值定义如下：

R(p.u.)LL(base) （3-1）

L(p.u.)

RbaseLL(base) （3-2）

(Vn)2 （3- 3） PnR (3-4) 2fnLbase式中：Vn、Pn和fn分别为一次绕组的额定电压，额定功率和额定频率。 （3）双绕组三相变压器

双绕组三相变压器的两个绕组可以接成多种形式，如星形Y、带中性线的星形Yn、星形接地Yg、三角形D11（超前星形30°）它们可以通过该功能模块。

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图3.5 变压器模块的参数

（五）三相电压电流测量模块

三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-I Measurement”将在变压器低压侧测量到的电压、电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用。

图3.6三相电压电流测量模块的参数

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（六）三相故障模块

三相故障模块提供了一种可编程的相间（phase-to-phase）和（phase-to-ground）故障断路器中。三相故障模块使用了三个的断路器，用来模拟各种对地或者相间故障模型。

三相故障模块中的断路器的开通和关断时间可以由一个Simulink 外部信号（外部控制模式）或者内部控制定时器（内部控制模式）来控制。

如果不设计接地故障，接地电阻（Ground resistance）Rg自动被设置为106。举例说明如下：当设置一个A、B相间短路故障模型时，只需要设置A相故障和B相故障属性参数；当设置一个A相接地故障模型时，只需要同时设置A相故障和接地故障属性参数，并且要指定一个小的接地电阻值。需要注意的是：

① 如果三相故障模块被设置为外部控制（External control）模式时，在模块的封装图表中就会出现一个控制输入端。连接到这个输入端的控制信号必须是0或者1之类的脉冲信号（其中0表示断开断路器，1表示闭合断路器）。

②当三相故障模块被设置为内部控制模式（internal control mode）时，其开关时间（switching times）和开关状态，均在该模块的属性参数对话框中进行设置。

3.2仿真结果分析

对供电系统变压器低压侧电路的短路进行分析， 主要分析单相接地短路、 两相接地短路、两相短路及三相短路的电压和电流的变化。 (一)三相短路分析

将三相短路故障发生器元件 (Three-PhaseFault)中\"故障相选择 \"的A、B、C三相故障全部选中，转换时Transitiontimes(s) 设置为[0.02 0.1] ，对应的状态转换Transiti onst atus设置为[1 0] ,其中 1 表示闭合，0 表示断开；在三相电压电流测量模块(Three-PhaseV-IMeasure-ment)中选择相电压和电流作为测量电气量。运行仿真，双击 Scope 可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的三相短路故障电压波形如图所示。

从图3.8中可以看出，在0.02时刻之前，0.1时刻之后系统处于稳态下，各相电压都很大；在0.02 时刻发生短路故障后，各相电压均快速降低。符合实际电力系统发生短路故障电压降低的特征。

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运行仿真后，双击 Scope1可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的三相短路故障电流波形如图3.9所示。由图可以得到以下结论：在稳态时，供电系统各相电流由于三相短路故障未发生，因而三相电流都为 0A。在0.02时刻，高压供电系统变压器低压侧电路发生三相短路故障，A、B、C三相电流均发生剧烈变化，由于三相电路相电流之间存在相位差，因而故障点各相电流波形上升或者下降。在0.1时刻，切除三相短路故障，A、B、C 三相电流迅速衰减为0A，最后处于稳定状态。

为了得到仿真图中的准确数值，以三相短路的 A 相为例，可以在MATLAB的主命令窗口中输入下列命令来显示故障相的电流数据。从得到的大量 A 相电流数据中，可以发现短路电流周期分量的幅值为10.kA，短路冲击电流为 17.39kA，同理可得B、C两相故障的电流值。仿真波形的数值与理论计算值相比存在一定的误差，这主要是由电源模块的内阻造成的，可以通过更改电源模块的内阻值来缩小仿真值与理论值的误差。

图3.7 三相故障模块参数（三相短路）

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图3.8 ABC三相短路电压

图3.9 ABC三相短路电流

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