摘要：柴油發(fā)電機(jī)組突然三相短路是一種常見的故障，也是柴油發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)保護(hù)所必須考慮的問題。突然三相短路是一個(gè)電瞬態(tài)過程。這個(gè)過程雖然短暫，但在此過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊電流，大的短路電流是破壞發(fā)電機(jī)及其電力系統(tǒng)重要的因素，它威脅著系統(tǒng)的安全運(yùn)行。研究發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)短路，可以為發(fā)電機(jī)的合理可靠的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供理論依據(jù)，短路電流大小的確定不僅對于系統(tǒng)保護(hù)裝置的整定設(shè)計(jì)具有重要的意義，而且對與其相聯(lián)的其他發(fā)電機(jī)、電器及繼電保護(hù)設(shè)備的選擇和使用也有著重要的意義。

 

一、發(fā)電機(jī)三相短路的危害

 

      當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的定子繞組發(fā)生三相短路，電流會(huì)迅速增加。這是因?yàn)槎ㄗ永@組上的電勢差突然消失，導(dǎo)致定子繞組兩端直接短路。根據(jù)歐姆定律，電流與電壓成正比，電阻越小，電流越大。在發(fā)生短路后，短路電流取決于發(fā)電機(jī)的特性和運(yùn)行條件。通常情況下，短路電流可能會(huì)達(dá)到很高的值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常工作狀態(tài)的電流。

1、電流激增

      短路回路會(huì)產(chǎn)生高電流，超過柴油發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的額定電流。

2、電壓下降

       由于電流突增，電壓也會(huì)下降到不可接受的范圍。

3、發(fā)電機(jī)過載

      高電流和低電壓會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過載，從而可能損壞其線圈等部件。

4、系統(tǒng)不穩(wěn)定

      同步發(fā)電機(jī)作為電網(wǎng)和柴油發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其故障可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)不穩(wěn)定、停電等現(xiàn)象。

      為了保護(hù)發(fā)電機(jī)和電氣系統(tǒng)，需要及時(shí)采取措施來切斷電源并修復(fù)短路問題。否則，短路電流可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部零件的損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)和其他嚴(yán)重事故。因此，定期檢查發(fā)電機(jī)和電氣系統(tǒng)的絕緣狀況，并采取必要的維護(hù)和保護(hù)措施非常重要。

 

二、發(fā)電機(jī)的仿真模型

 

      可用于電源系統(tǒng)仿真計(jì)算的軟件很多，相比較而言，康明斯是一個(gè)用于電源系統(tǒng)仿真較為理想的軟件.。康明斯提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink可用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，支持連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間及兩者混合的線性、非線性系統(tǒng)，也支持多變量、多速率系統(tǒng) 。康明斯電力系統(tǒng)工具箱使電力系統(tǒng)模型可以在Simulink環(huán)境下直接搭建，也可以根據(jù)所研究對象的物理模型建立其數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行封裝和自定義為用戶自己的模塊庫，利用PSB工具箱設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)，在Simulink環(huán)境下，不僅可以仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，還可以對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流分析 ，充分顯現(xiàn)了其強(qiáng)大的仿真平臺(tái)以及作圖環(huán)境的優(yōu)越性。本文將利用康明斯仿真系統(tǒng)模擬分析發(fā)電機(jī)突然三相短路動(dòng)態(tài)過程中各種電力參數(shù)的變化規(guī)律，為發(fā)電機(jī)組的安全使用提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。

      發(fā)電機(jī)在帶負(fù)載情況下突然三相短路，電路如圖1所示。可利用SimPowerSystems模塊對其短路過程中的各種電流波形（如圖2所示）和電壓波形建立模擬仿真模型。在SimPowerSystems環(huán)境下建立的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型，該模型包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、同步發(fā)電機(jī)模塊、發(fā)電機(jī)測量控制系統(tǒng)模塊、勵(lì)磁系統(tǒng)模塊、三相并聯(lián)負(fù)載元件和三相短路故障模塊。

（1）發(fā)電機(jī)由標(biāo)幺值單位制標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)電機(jī)模塊和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速電壓控制子系統(tǒng)構(gòu)成。

（2）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的Pmec為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

      柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的狀態(tài)變量不止一個(gè)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用高階模型則較困難。實(shí)踐表明 ，采用一階近似模型，不僅簡化了設(shè)計(jì)工作，并且能達(dá)到滿意的效果。

（3）仿真用同步發(fā)電機(jī)是一臺(tái)額定值為50kVA，380V，50Hz，1500r/min的凸極式三相同步發(fā)電機(jī)。

（4）控制系統(tǒng)包括柴油機(jī)控制器模塊、勵(lì)磁系統(tǒng)模塊和電機(jī)測量分解模塊。

      控制系統(tǒng)的輸入信號為角速度整定值、定子電壓的均方根整定值和從發(fā)電機(jī)端輸出的復(fù)合信號；復(fù)合輸出信號為定子電壓的均方根和角速度；發(fā)電機(jī)端輸出的復(fù)合信號經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)和勵(lì)磁調(diào)壓機(jī)構(gòu)，到達(dá)同步發(fā)電機(jī)的輸入端構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制回路。使用三相并聯(lián)負(fù)載元件模擬電路負(fù)載，負(fù)載要求380V、50Hz三相交流電，消耗功率40kW。

 

圖1 發(fā)電機(jī)三相短路電路圖

圖2  發(fā)電機(jī)三相突然短路波形圖

 

三、仿真系統(tǒng)計(jì)算過程

 

      利用三相短路故障發(fā)生器元件實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的三相短路。

1 、初始狀態(tài)與仿真算法

      為了避免仿真過程中系統(tǒng)出現(xiàn)長期不穩(wěn)定狀態(tài)，必須正確設(shè)定系統(tǒng)的初始參數(shù)。仿真中，同步發(fā)電機(jī)的輸入功率Pm，勵(lì)磁電壓w 及初始狀態(tài)的設(shè)定可根據(jù)負(fù)載需要由Powergui模塊來給出。Powergui模塊是康明斯電力系統(tǒng)仿真工具箱中功能很強(qiáng)大的一個(gè)模塊，可進(jìn)行電機(jī)的初始狀態(tài)設(shè)定，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行計(jì)算，電感、頻率測量，傅立葉分析等仿真。Powergui模塊可根據(jù)要求的同步發(fā)電機(jī)輸出交流線電壓值Vab和有功功率值計(jì)算出同步發(fā)電機(jī)的輸入功率Pm，勵(lì)磁電壓Vf及初始狀態(tài)值等參數(shù)。計(jì)算出穩(wěn)態(tài)值后，再將穩(wěn)態(tài)時(shí)的機(jī)械功率、勵(lì)磁電壓、機(jī)端電壓及定子電流作為系統(tǒng)的初始值提供給系統(tǒng)，即完成穩(wěn)態(tài)初始值設(shè)置。發(fā)電機(jī)和負(fù)載的參數(shù)均由試驗(yàn)測量確定。

      仿真算法選擇的合理與否將影響到仿真結(jié)果和仿真速度。康明斯仿真系統(tǒng)給用戶提供了定步長和變步長兩大仿真算法。定步長求解器使用固定的步長對系統(tǒng)進(jìn)行求解；變步長求解器則根據(jù)用戶指定的積分誤差能夠自動(dòng)調(diào)整仿真步長。由于本文研究的過程是一動(dòng)態(tài)過程，因而，選用變步長仿真算法。

      短路前，系統(tǒng)中的a相電壓和電流分別為

u_α=U_msin（ωt+θ₀）.....................（公式1）

i_α=?_msin（ωt+θ₀-φ）.....................（公式2）

      式中，?_m=U_m/｛√（R+R’）²+（X+X’）²｝；φ=arctan｛（X+X'）/（R+R'）｝。

2 、三相突然短路的動(dòng)態(tài)變化

      短路現(xiàn)象往往是一暫態(tài)過程，為清楚顯現(xiàn)這一過程，仿真中特意將短路故障的保持時(shí)間設(shè)置的稍長一些。整個(gè)仿真過程歷經(jīng)10s時(shí)間，由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行開始，2s后三相短路故障發(fā)生，4s時(shí)短路故障切除。為了便于分析比較，各種參數(shù)均采用標(biāo)幺值單位制。

3、短路沖擊電流

      短路沖擊電流指短路電流最大可能的瞬時(shí)值，用i表示。其主要作用是校驗(yàn)電氣設(shè)備的電動(dòng)力穩(wěn)定度。非周期電流有最大初值的條件應(yīng)為：

（1）相量差?_m-?_pm有最大可能值；

（2）相量差?_m-?_pm在t=0時(shí)與時(shí)間軸平行。

      一般電力系統(tǒng)中，短路回路的感抗比電阻大得多，即ωL>R,故可近似認(rèn)為φ≈90。因此，非周期電流有最大值的條件為：短路前電路空載（I=0）,并且短路發(fā)生時(shí)，電源電勢過零（a=0）。短路電流分周期分量有最大可能值的條件圖和波形分別如圖3、圖4所示。

 

圖3  短路電流分周期分量有最大可能值的條件圖

圖4  非周期分量有最大可能值時(shí)的短路電流波形

 

4、短路電流的有效值

      ·在短路過程中，任意時(shí)刻t的短路電流有效值，是指以時(shí)刻t為中心的一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)電流的均方根值，關(guān)系相量圖如圖5所示。為了簡化計(jì)算，通常假定：非周期電流在以時(shí)間t為中心的一個(gè)周期內(nèi)恒定不變，因而它在時(shí)間t的有效值就等于它的瞬時(shí)值，即

?_αpt = i_αpt.....................（公式3）

      對于周期電流，認(rèn)為它在所計(jì)算的周期內(nèi)是幅值恒定的，其數(shù)值即等于由周期電流包絡(luò)線所確定的t時(shí)刻的幅值。因此，t時(shí)刻的周期電流有效值應(yīng)為?_pt=?_pmt / √2，如圖6所示。

 

圖5  發(fā)電機(jī)短路電流關(guān)系相量圖

圖6  發(fā)電機(jī)短路電流有效值的確定

 

總結(jié)：

      發(fā)電機(jī)組突然三相短路動(dòng)態(tài)過程因其時(shí)間短，沖擊電流大，往往給動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量帶來較大的困難，而利用近年來發(fā)展起來的仿真技術(shù)來研究這一過程，會(huì)使工作得到大大的簡化。電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬得以實(shí)現(xiàn)。總之，同步發(fā)電機(jī)三相短路是一種常見的故障，可能對電網(wǎng)和動(dòng)力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。因此，合理的分析與處理同步發(fā)電機(jī)三相短路的方法非常重要，可以提高發(fā)電機(jī)的可靠性和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

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