摘要：柴油發(fā)電機組突然三相短路是一種常見(jiàn)的故障，也是柴油發(fā)電機電力系統保護所必須考慮的問(wèn)題。突然三相短路是一個(gè)電瞬態(tài)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程雖然短暫，但在此過(guò)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)電機及其電力系統重要的因素，它威脅著(zhù)系統的安全運行。研究發(fā)電機的瞬態(tài)短路，可以為發(fā)電機的合理可靠的設計及安全運行提供理論依據，短路電流大小的確定不僅對于系統保護裝置的整定設計具有重要的意義，而且對與其相聯(lián)的其他發(fā)電機、電器及繼電保護設備的選擇和使用也有著(zhù)重要的意義。

 

一、發(fā)電機三相短路的危害

 

      當同步發(fā)電機的定子繞組發(fā)生三相短路，電流會(huì )迅速增加。這是因為定子繞組上的電勢差突然消失，導致定子繞組兩端直接短路。根據歐姆定律，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)電機的特性和運行條件。通常情況下，短路電流可能會(huì )達到很高的值，遠遠超過(guò)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(guò)柴油發(fā)電機組和電網(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)電機過(guò)載

      高電流和低電壓會(huì )導致發(fā)電機過(guò)載，從而可能損壞其線(xiàn)圈等部件。

4、系統不穩定

      同步發(fā)電機作為電網(wǎng)和柴油發(fā)電機組的重要組成部分，其故障可能導致動(dòng)力系統不穩定、停電等現象。

      為了保護發(fā)電機和電氣系統，需要及時(shí)采取措施來(lái)切斷電源并修復短路問(wèn)題。否則，短路電流可能會(huì )導致發(fā)電機內部零件的損壞，甚至引發(fā)火災和其他嚴重事故。因此，定期檢查發(fā)電機和電氣系統的絕緣狀況，并采取必要的維護和保護措施非常重要。

 

二、發(fā)電機的仿真模型

 

      可用于電源系統仿真計算的軟件很多，相比較而言，康明斯是一個(gè)用于電源系統仿真較為理想的軟件.?？得魉固峁┑膭?dòng)態(tài)系統仿真工具Simulink可用來(lái)對動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行建模、仿真和分析，支持連續時(shí)間、離散時(shí)間及兩者混合的線(xiàn)性、非線(xiàn)性系統，也支持多變量、多速率系統 ?？得魉闺娏ο到y工具箱使電力系統模型可以在Simulink環(huán)境下直接搭建，也可以根據所研究對象的物理模型建立其數學(xué)模型，并進(jìn)行封裝和自定義為用戶(hù)自己的模塊庫，利用PSB工具箱設計電力系統，在Simulink環(huán)境下，不僅可以仿真系統的動(dòng)態(tài)過(guò)程，還可以對系統進(jìn)行穩態(tài)潮流分析 ，充分顯現了其強大的仿真平臺以及作圖環(huán)境的優(yōu)越性。本文將利用康明斯仿真系統模擬分析發(fā)電機突然三相短路動(dòng)態(tài)過(guò)程中各種電力參數的變化規律，為發(fā)電機組的安全使用提供可靠的技術(shù)數據。

      發(fā)電機在帶負載情況下突然三相短路，電路如圖1所示?？衫肧imPowerSystems模塊對其短路過(guò)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)電機系統模型，該模型包括柴油發(fā)動(dòng)機模塊、同步發(fā)電機模塊、發(fā)電機測量控制系統模塊、勵磁系統模塊、三相并聯(lián)負載元件和三相短路故障模塊。

（1）發(fā)電機由標幺值單位制標準同步發(fā)電機模塊和柴油機轉速電壓控制子系統構成。

（2）柴油發(fā)動(dòng)機調速系統中的Pmec為發(fā)動(dòng)機輸出功率。

      柴油發(fā)動(dòng)機內的狀態(tài)變量不止一個(gè)，但在實(shí)際設計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(jiǎn)化了設計工作，并且能達到滿(mǎn)意的效果。

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

（4）控制系統包括柴油機控制器模塊、勵磁系統模塊和電機測量分解模塊。

      控制系統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)電機端輸出的復合信號；復合輸出信號為定子電壓的均方根和角速度；發(fā)電機端輸出的復合信號經(jīng)發(fā)動(dòng)機調速機構和勵磁調壓機構，到達同步發(fā)電機的輸入端構成一個(gè)閉環(huán)控制回路。使用三相并聯(lián)負載元件模擬電路負載，負載要求380V、50Hz三相交流電，消耗功率40kW。

 

圖1 發(fā)電機三相短路電路圖

圖2  發(fā)電機三相突然短路波形圖

 

三、仿真系統計算過(guò)程

 

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

1 、初始狀態(tài)與仿真算法

      為了避免仿真過(guò)程中系統出現長(cháng)期不穩定狀態(tài)，必須正確設定系統的初始參數。仿真中，同步發(fā)電機的輸入功率Pm，勵磁電壓w 及初始狀態(tài)的設定可根據負載需要由Powergui模塊來(lái)給出。Powergui模塊是康明斯電力系統仿真工具箱中功能很強大的一個(gè)模塊，可進(jìn)行電機的初始狀態(tài)設定，穩態(tài)運行計算，電感、頻率測量，傅立葉分析等仿真。Powergui模塊可根據要求的同步發(fā)電機輸出交流線(xiàn)電壓值Vab和有功功率值計算出同步發(fā)電機的輸入功率Pm，勵磁電壓Vf及初始狀態(tài)值等參數。計算出穩態(tài)值后，再將穩態(tài)時(shí)的機械功率、勵磁電壓、機端電壓及定子電流作為系統的初始值提供給系統，即完成穩態(tài)初始值設置。發(fā)電機和負載的參數均由試驗測量確定。

      仿真算法選擇的合理與否將影響到仿真結果和仿真速度?？得魉狗抡嫦到y給用戶(hù)提供了定步長(cháng)和變步長(cháng)兩大仿真算法。定步長(cháng)求解器使用固定的步長(cháng)對系統進(jìn)行求解；變步長(cháng)求解器則根據用戶(hù)指定的積分誤差能夠自動(dòng)調整仿真步長(cháng)。由于本文研究的過(guò)程是一動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而，選用變步長(cháng)仿真算法。

      短路前，系統中的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

      短路現象往往是一暫態(tài)過(guò)程，為清楚顯現這一過(guò)程，仿真中特意將短路故障的保持時(shí)間設置的稍長(cháng)一些。整個(gè)仿真過(guò)程歷經(jīng)10s時(shí)間，由穩態(tài)運行開(kāi)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，各種參數均采用標幺值單位制。

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。其主要作用是校驗電氣設備的電動(dòng)力穩定度。非周期電流有最大初值的條件應為：

（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。

      一般電力系統中，短路回路的感抗比電阻大得多，即ωL>R,故可近似認為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(guò)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(guò)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)周期內瞬時(shí)電流的均方根值，關(guān)系相量圖如圖5所示。為了簡(jiǎn)化計算，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，認為它在所計算的周期內是幅值恒定的，其數值即等于由周期電流包絡(luò )線(xiàn)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為?_pt=?_pmt / √2，如圖6所示。

 

圖5  發(fā)電機短路電流關(guān)系相量圖

圖6  發(fā)電機短路電流有效值的確定

 

總結：

      發(fā)電機組突然三相短路動(dòng)態(tài)過(guò)程因其時(shí)間短，沖擊電流大，往往給動(dòng)態(tài)參數的實(shí)驗測量帶來(lái)較大的困難，而利用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的仿真技術(shù)來(lái)研究這一過(guò)程，會(huì )使工作得到大大的簡(jiǎn)化。電力系統的動(dòng)態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗室中進(jìn)行的電力系統運行模擬得以實(shí)現。總之，同步發(fā)電機三相短路是一種常見(jiàn)的故障，可能對電網(wǎng)和動(dòng)力系統造成嚴重影響。因此，合理的分析與處理同步發(fā)電機三相短路的方法非常重要，可以提高發(fā)電機的可靠性和電網(wǎng)的穩定性。

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