电抗器电抗器使用来在事故的情况下限制短路电流

1、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

2、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

3、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ZS-n，最小运行方式下Zsmax=3通常运行方式下为2.1 ；两条线路AB、BC的长度均为15km，负荷容量sld=1.2 +jO.9MVA。输电线路采用两个 Distributed Parameters Line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Number of phases N为3,采用的频率为50Hz;线路的电阻、电感、电容的参数设为R = 0.02083 /kmL1 = 0.8984 mH / kmC1 = 0.01291 F/kmR, = 0.1

4、148/kmL0 = 2.2886 mH / kmC0 = 0.00523 JF / km电压电流的测量采用Three-Phase V-I Measuremen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Number of axes设为2；所要观察的波形为完整的波形，所以 把Limit date points to last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-Phase Fault模块，在

5、这个模块中可以通过选定phase A Fault、phase B Fault、phase C Fault Ground Fault 设置故障类型；Tran sition status 框中的1 0，分别代表故障发生器工作和切除工作； Transition times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 Fault voltages and currents 其他的数值为默认值。系统的负载采用 Three-Phase Series RLC Load模块，Configuration 的 下拉菜单选用Y ( grounded)，中性点接地；额定的线电压为

6、 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0 Var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。configurater parameters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phasor parameters， 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

7、行相量仿真。（2）离散化电气模型 discretize electrical model ，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。Start time 一栏用来设置仿真开始时间，我们设置的仿真开始时间为0.0 s, Stop time一栏用来

8、设置仿真结束时间，我们设置的仿真结束时间为 0.3 so 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

9、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门，仿真时间设为0.0 0.3,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

10、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 phase A Fault、phase B Fault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

11、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phase A Fault、phase B Fault、phase C Fault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

12、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

13、。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configuration parameters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configuration parameters项打开In模块为输入模块，Out为输出模块，Tran sport Delay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

14、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(Switch on point )由式(2.4)计算得到，111段定时限过电流保护的delay模块的启动值(Switch on point)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(Tran sport Delay)，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

15、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0.0 0.3,故障时间设为0.1 0.3。 4.2.1两相短路时保护动作行为仿真故障发生器将phase A Fault、phase B Fault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 9 km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

16、器的显示结果如图4.19所示。图4.19 9km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

17、两条分布参数线路L1、L2的长度分别设为14 km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4.20 14km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，II

18、I段经延时0.1s后由于有选择性的电流速断用来切除速断范围以外的限时电流速断保护是带一定时限的电流速断保护。保护不能保护本线路的全长，因此增加一段新的保护,动作。故障点超出了 I段保护和II段保护的范围。图4.21 22km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保护动作行为仿真相似，故障发生器将phase A Fault、phase B Fault、phase C Fault三相选中，代表仿真的故障为A、B、C三相短路。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 9 km和21km，设置好参数后就可以运行仿真了，等仿真结束后，

19、双击示波器scope3,观察得到三段式电流保护的动作变化情况，三段保护均起动，并带有时限特性。示波器的显示结果如图4.22所示。图4.22 9km处三段式电流保护动作情况将故障点设于14km处，即将两条分布参数线路L1、L2的长度分别设为14 km和16km，设置好参数后进行仿真，如图4.23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。因此，保护I段不动作，保护II段、山 段经延时0.05s、0.1s后动作。图4.23 14km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 4.24所示。

20、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。为了保证其选择性，一般只能保护线路的一部分。以图2.1中保护2为例，当相邻线路BC的始端k2点短路时，按照选择性的要求，速断保护2就不应该动作，应由保护装置1发出信号使断路器跳闸以切除故障。而当本线路末端k1短路时，保护装置 2应切除该点故障。但实际上，根据式（2.1），k1点和k2点短路时，从保护2流过的故障电流的幅值大小 相差很小。因此，保护装置2在k1点发生故障时能及时动作，而在k2点发生故障时不动作的

21、要求很难满足。解决问题的方法通常是优先保证动作的选择性，整定电流速断保护的启动电流的阈值，按躲过下一条线路出口处短路的条件整定。对反应电流升高的而动作的电流速断保护来说，能使保护装置启动的最小电流称为保护装置的整定电流，用|set表示。以保护2为例，保护装置的启动电流1；氏.2必须大于下一条线路出口处短路时可能出现的最大故障电流，即大于系统在最大运行方式下变电所B母线上发生三相短路时的故障电流 I k.B.max，动作电流为I set.2-K I I- K Irel I k.B.maxrelZs.min *ZA B式(2.2)保护装置的实际动作值可能小引入可靠系数 K；ei = 1.21.3是

22、考虑非周期分量的影响、 于整定值和一定的裕度、实际的短路电流可能大于计算值等因素。故障，保护本线路的全长，同时也能作为电流速断保护的后备保护对于通常采用的断路器和间接作用于断路器的二次式断电器来说，过的数值在0.3s0.5s之间，大多取0.5s。它的启动电流应该整定为Hset.2I set.1式(2.3)引入可靠性配合系数Kset，一般取为1.11.2，得式(2.4)过电流保护通常是指其起动电流按躲过最大负荷电流来整定的一种保护。 它 在正常运行时不起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流增大而动作，它不 仅能保护线路的全长，还能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。继电器返回电流与启动电

23、流的关系表明着保护装置的返回电流与启动电流的关系，保护装置的启动电流为I i i' i'set.2 'Kre1 L.max保护模块采用嵌套方式，利用 Subsystem子系统在Subsystem模块内部设 计出继电保护的模型，使整个系统看起来更加简洁，其内部保护模型如下图所示。TwminalorlRelsylOut!Fourier 1Foujrri-&r2TerminHtw3DiscrsteFourieir32模块1 in为输入模块，将电流数值供给其他模块参考，模块6 out为输出模块，将其他模块的输出数据供给指定模块模块2为信号滤波装置，采用Discrete

24、Fourier模块，用滤波算法消除这些暂态分量的影响，保证输入信号的保真模块3Terminator模块，用于中断未连接的信号输出端口，由于Phase口未使用, 让其连接本模块吊空，保证运行时不会报警模块4为继电器，采用Relay模块，该模块的来源为 Simulink/discontinuities， 它的启动值(Switch on point)根据保护需要设置，启动输出值(Output when on) 为1,其他的为默认值。三段保护系统如上图，II段限时电流速断保护和III段 定时限过电流保护的Relay模块的启动值根据保护需要设置，然后在 II段和III 段的每一个Relay模块后面添加一

25、个延时模块。模块5的Tran sport Delay模块为时间延迟模块，用于延迟时间。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，其他的参数为默认值。以上便是保护部分设计所使用的主要模块的基本介绍，到这里整个仿真系统 建立完毕，整体模型如图2所示。了保证其选择性，一般只能保护线路的一部分。以图2.1中保护2为例，当相邻线路BC的始端k2点短路时，按照选择性的要求，速断保护2就不应该动作，应由保护装置 1发出信号使断路器跳闸以切除故障。而当本线路末端k1短路时，保护装置 2应切除该点故障。但实际上，根据式(2.1)，k1点和k2点短路时，从保护2流过的故障电流的幅值大小 相