电抗器电抗器使用来在事故的情况下限制短路电流

1.设计目的通过工程设计让学生运用所学知识借助软件工具进行仿真设计，培养学生的实际操作能力和独立思考进行设计的能力，使其能够综合分析问题、发现问题和解决问题。同时，让学生在仿真过程中让学生对专业知识有更深的了解，通过设计操作熟悉Matlab的专业模块的使用。在设计过程中让学生得到锻炼，获得学习能力、知识综合运用能力的提升和软件使用技巧。2.设计性能指标通过理解输电线路继电保护的特点，利用MATLAB技术设计出输电线路电流保护动作行为仿真，模拟输电线路各种故障情形。利用Matlab/Simulink仿真软件建立一个单电源输电线路一次系统模型，然后对所建立的输电线路一次系统模型进行故障类型仿真和阶段式电流保护动作行为仿真，并通过图形和直观的观测各参数的变化体现继电保护的动作过程，对仿真实验及得出的结果进行总结分析。3.设计内容建立故障模型并完成三相短路和两相短路故障的模拟仿真；设计保阶段式电流保护模块并完成短路故障发生时保护动作的模拟仿真。3.1故障模型建立以图2.1的单侧电源供电的网络为模型，线路的最大负荷电流值和网络短路故障发生时的电流幅值如图所示，根据短路时突变的强电流与最大负荷的正常电流差设计阶段式电流保护。以图3.1的单侧电源供电的网络为模型，利用Matlab/Simulink搭建了单电源输电线路一次系统带负荷模型，如图3.2所示。系统的各个元件参数为：电压源的线电压10.5kV，Zs为系统等值阻抗，系统最大运行方式下2min.SZ，最小运行方式下3max.SZ通常运行方式下为2.5；两条线路AB、BC的长度均为15km，负荷容量LDS=1.2+j0.9MVA。输电线路采用两个DistributedParametersLine模块，通过修改Linelength的数值来设置故障点，分别代表故障的前后两条线路L1和L2；线路的相数NumberofphasesN为3，采用的频率为50Hz；线路的电阻、电感、电容的参数设为1R=0.02083km/0R=0.1148km/1L=0.8984kmmH/0L=2.2886kmmH/1C=0.01291kmF/0C=0.00523kmF/电压电流的测量采用Three-PhaseV-IMeasurement模块，该模块可以将线路中的电压电流值输出，通过示波器显示出来。示波器为显示波形的器件，采用Scope模块，由于要显示电压和电流的波形，所以Numberofaxes设为2；所要观察的波形为完整的波形，所以把Limitdatepointstolast的数值改成大数值，或者直接把其前边的对勾去掉，这样就能显示全部的波形，但是对计算机的配置要求比较高，其他的选项设为默认值。故障发生器采用Three-PhaseFault模块，在这个模块中可以通过选定phaseAFault、phaseBFault、phaseCFault、GroundFault设置故障类型；Transitionstatus框中的[10]，分别代表故障发生器工作和切除工作；Transitiontimes框中的两个数值代表故障发生器工作和切除工作的时间；measurements选中Faultvoltagesandcurrents；其他的数值为默认值。系统的负载采用Three-PhaseSeriesRLCLoad模块，Configuration的下拉菜单选用Y（grounded），中性点接地；额定的线电压为10kV，额定的频率为50Hz；有功功率为1.2MW，无功电感功率为0.9MVar，无功电容功率为0Var。辅助模块powergui，它在SimPowerSystem的根目录下，是Simulink为电力系统仿真提供的图形用户分析界面。Powergui利用Simulink功能接连不同的电气元件，是分析电力系统模型有效的图形化用户接口工具。在它的主窗口可以设置整个仿真的参数。configuraterparameters中可以选择仿真的类型，仿真类型有以下三种：（1）向量法仿真phasorparameters，选中该单选框，则模型中的电力系统模块将在频率框中输入的指定频率下执行相量仿真。（2）离散化电气模型discretizeelectricalmodel，选中该单选框，则模型中的电力系统模块将在离散的模型下进行仿真分析和计算，其采样时间在采样时间框中指定。（3）连续系统仿真continuous，选中该单选框，则模型中的电力系统模块将在连续的模型下进行仿真分析和计算。本系统仿真选择的就是第三种仿真类型，连续系统仿真，其他的参数为默认值Solver面板的设置。在该面板中，可以设置仿真开始和结束的时间，选择解法器，并设置它的相关参数及算法。Starttime一栏用来设置仿真开始时间，我们设置的仿真开始时间为0.0s，Stoptime一栏用来设置仿真结束时间，我们设置的仿真结束时间为0.3s。Simulink支持的步长解法器有两种，即固定解法器和可变步长解法器，这两中解法器计算下一个仿真时间的方法都是在当前仿真时间上加一个时间步长，不同的是，固定步长解法器的时间步长为常数，可变步长的时间步长是依据模型的动态特征可变的，但模型的状态变化比较快时，为了保证精度则要将时间步长降低，反之就要将时间步长加长，所以本系统仿真采用的为可变步长解法器（Variable-step）。选择合适的算法，在Simulink仿真系统中也是非常重要的。仿真算法是求常微分方程、传递函数、状态方程解的数值计算方法，而Simulink汇集了有不同的函数来完成的各种求解常微分方程数值解的方法，分为可变步长类算法和固定步长类算法两大类。在计算模型或方程时可以自动调整步长，并通过减小步长来提高计算精度的算法称为可变步长类算法；在计算模型或方程时步长是固定不变的算法，我们称为固定步长类算法。本次设计的仿真模型选用的算法是Ode23t，这是一种采用自由的内插方法的梯形算法，使用这种方法时要求模型有一定刚性，又不要求解有数值衰减。其他的控制面板的选型及数值为默认值，不需要改变。将系统阻抗设为2，仿真时间设为[0.00.3],选择变步长解法器，算法为Ode23t。故障在0.1s发生，在0.3s结束。在两条线路AB、BC的长度均为15km时进行仿真第一种情况，分别将分布参数线路的长度都设为15km。故障发生器将phaseAFault、phaseBFault两相选中，代表仿真的故障为A、B两相短路。设置好参数后就可以运行仿真了，点击Simulink下的Start命令，或者单击模型上方菜单条中的黑色三角按钮。等仿真结束后，双击图3.2中的示波器scope2，来观察短路点的电压及电流的变化情况。示波器的显示结果如图3.14所示。通过示波器显示，上方的波形为两相短路时短路点的电压波形，下方的为电流的波形。分析仿真的结果可以得出，单电源输电线路带负荷一次系统发生两相短路故障后，电压的变化为：非故障相的电压不变，故障两相电压相等，且幅值降低一半，即C相的电压不变，A、B相的电压变为幅值、相角相同的电压，且幅值降低为原来的一半。电流的变化为：非故障相电流不变，故障相电流幅值相等，相位相反，且幅值增大，即C相的电流不变，A、B相的电流变为相位相反，幅值相等，故障电流的大小明显增大。跟两相短路故障的设置相似，在两条线路AB、BC的长度均为15km时，分别将分布参数线路的长度都设为15km进行仿真。故障发生器将phaseAFault、phaseBFault、phaseCFault三相选中，代表仿真的故障为A、B、C三相短路。设置好参数，开始仿真，等仿真结束后，双击示波器scope2，来观察短路点的电压及电流的变化情况。示波器的显示结果如图3.16所示。通过示波器显示，与两相短路情况相似，上方的波形为三相短路时短路点的电压波形，下方的为电流的波形。分析仿真的结果可以得出，单电源输电线路带负荷一次系统发生三相短路故障后，电压的变化为：各相的电压变为0。电流的变化为：三相电流幅值突然增大，经过渡过程后稳定为正弦波的变化规律，相位相差1200，且幅值相等。所建立的单电源一次系统模型具有通用性，它的输电线路的长度可以根据需要进行修改。此外，本系统模型的电源电压，系统阻抗，负载容量以及仿真时间，故障类型、故障点位置、故障起始时刻等参数均可以根据仿真需要进行修改。在进行仿真前，如果不采用默认设置，那么就必须对各种参数进行配置。可以通过模型窗口的菜单中simulation下的configurationparameters命令打开设置仿真参数对话框，也可以通过右键单击模型窗口中的空白处，在弹出菜单的configurationparameters项打开In模块为输入模块，Out为输出模块，TransportDelay模块为时间延迟模块，它的延迟时间为0.02s，其他的参数为默认值Subsystem模块为子系统模块，它里面就是A相电流突变量，这样一来就可以简化模型，使界面更加简洁。II段限时电流速断保护和III段定时限过电流保护模型与I段电流速断保护的模型建立类似，只是整定电流值不同，在这里就不重复介绍了。II段限时电流速断保护的delay模块的启动值（Switchonpoint）由式（2.4）计算得到，III段定时限过电流保护的delay模块的启动值（Switchonpoint）由式（2.5）计算得到。然后在II段和III段的每一个delay模块后面添加了一个延时模块（TransportDelay），由于整个仿真的时间为0.3s，所以II段和III段添加的时间延时模块的延迟时间分别设为0.05s和0.1s。至此，电流保护模型部分的设计完成，如图4.17所示。短路故障时保护动作行为仿真在本章只考虑两条线路AB、BC的长度为15km的情况，此时电流保护的三段整定值分别为2288A，1498A，172A。其他的设置与第三章仿真设置相同，选择变步长解法器，算法选择为Ode23t。将系统阻抗Zs设为2，仿真时间设为[0.00.3],故障时间设为[0.10.3]。4.2.1两相短路时保护动作行为仿真故障发生器将phaseAFault、phaseBFault两相选中，代表仿真的故障为A、B两相短路。首先设置故障点在9km处，即将两条分布参数线路L1、L2的长度分别设为9km和21km。设置好参数后就可以运行仿真了，等仿真结束后，双击示波器scope3，来观察三段式电流保护的动作变化情况。示波器的显示结果如图4.19所示。图4.199km处三段式电流保护动作情况有图4.19可知，I段、II段、III段都动作了，且带有时限特性。因为故障点在I段的动作范围之内，所以I段动作，由于本系统仅将动作信号输出至界面显示给用户，并没有连接到断路器，因此II段、III段的保护未返回，分别经过0.05s、0.1s动作。观察发现，I段保护并没有在故障发生时刻0.1s瞬时启动，因为根据电流保护原理及仿真系统设计原理，当故障电流大于整定值时保护才动作，在故障发生之后的0.01s至0.02s期间，三相的故障电流都还小于整定值，所以保护未动作，II段、III段的情况与I段相同。将故障点设于14km处，即将两条分布参数线路L1、L2的长度分别设为14km和16km，设置好参数后进行仿真，如图4.20所示。但由于电流I段保护不能保护线路的全长，有一定范围，故障相的电流有效值小于I段保护电流整定值，但仍高于II段和III段保护整定值。因此，保护I段不动作，保护II段、III段分别经延时0.05s、0.1s后动作。图4.2014km处三段式电流保护动作情况将故障点设于22km处，即将两条分布参数线路L1、L2的长度分别设为22km和8km，设置好参数后进行仿真，如图4.21所示。此时，故障电流的有效值小于I段和II段的整定值，但大于III段的整定值。因此，保护I段和保护II段都不动作，III段经延时0.1s后动作。故障点超出了I段保护和II段保护的范围。图4.2122km处三段式电流保护动作情况4.2.2三相短路时保护动作行为仿真与两相短路故障时