电力系统仿真

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、三相短路的电压和电流的变化。
Байду номын сангаас
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4.8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。
三相短路系统仿真模型及各模块参数设置
电力系统三相短路系统仿真模型
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 相相角（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。
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（超前星形30°）它们可以通过该功 能模块。
图4.5 变压器模块的参数
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。
并联RLC负荷模块
并联RLC负荷模块（Parallel RLC Load）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4.3负载模块的参数
三相线路模块
图4.4 三相线路模块参数
三相变压器模块
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。
短路计算的基本原则和规定
6.同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）； 7.短路发生在短路电流为最大值的瞬间； 8.不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流； 9.除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流 外，元件的电阻都略去不计； 10.元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和 调整范围； 11.输电线路的电容略去不计； 12.用概率统计法制定短路电流运算曲线。
图4.6三相电压电流测量模块的参数
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独立的断路器，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10。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。
短路计算的基本原则和规定
短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。 基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则： 1. 正常工作时，三相系统对称运行； 2. 所有电源的电动势相位角相同； 3. 系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、 涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组 空间相差120°电气角； 4. 电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不 随电流大小变化； 5. 电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高 压母线上，50%负荷接在系统侧；
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4.9图所示。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10.64kA，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。
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：指次级功率与初级功率比值的百分比。通常变压器的额定功率越大，效率 就越高。
20 H=0.064H 23.14


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。
Um· k 短路电流周期分量的幅值为： I =
m
2 +（X +X ） 2 （R RL） L
=
2110 310 A 2 +（63.5+20） 2 （2.08+8.5）
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
RL r 1 l 0.17
X L X1 l 0.4 50 LL =XL =
短路计算的基本原则和规定
电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给 定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。 在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如 电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是 产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型 和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电 机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变 压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外）， 负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选 取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件(电抗器除外)的 额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有 时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅 用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为 直流电路的求解。
xm I
2 100U N 3 100 1102 103 10 0.82000 o SN
Lm xm (2f )
75625 H 240.8H (3 6) 21450
电力系统故障分析计算
Load S L T f
图4.1
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：
变压器的电抗为: 则变压器的漏感： 变压器的励磁电阻为：

变压器的励磁电抗为： 变压器的励磁电感为：
短路计算的基本原则和规定
一般规定：
（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流， 应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般 为本期工程建成的5～10年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路 电流的正常接线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线 方式； （2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响； （3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接 线方式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的6～10KV出线与厂用分 支线回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路 点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后 （4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验 算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路 中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。