變壓器二次側(cè)突然短路.doc

電力電子課程設計 課題名稱：單相變壓器二次側(cè)突然短路仿真分析 院 系： 姓 名： 學 號： 班 級： 一. 概述11.1. 背景介紹11.2. 設計目的11.3. 設計要求21.3.1. 設計所用方法21.3.2. 設計所得結(jié)果3二. 單相變壓器短路仿真設計內(nèi)容32.1. 單相變壓器突發(fā)短路的過程32.1.1. 仿真電路62.1.2. 模塊參數(shù)設置62.1.3. 仿真結(jié)果及分析82.2. 當負載為純電阻時的狀況102.2.1. 仿真電路102.2.2. 模塊參數(shù)設置102.2.3. 仿真結(jié)果及分析112.3. 電路短路保護的仿真122.3.1. 仿真電路132.3.2. 模塊參數(shù)設置：142.3.3. 仿真結(jié)果及分析：14三. 總結(jié)163.1. 遇到的問題及解決163.2. 心得體會18四. 參考文獻201. 概述1.1. 背景介紹當今世界，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都不同程度受到變壓器安全的困擾。今年夏天，全國先后有19個城市拉閘限電。在國外，美國8月14日的停電事件導致10萬多人陷入黑暗，一天停電損失高達300億美元。隨后，英國倫敦也發(fā)生了大面積停電事件，數(shù)萬人受到影響。持續(xù)不斷的停電事件既影響了人們的日常生活也降低了人們的生活質(zhì)量。變壓器是電網(wǎng)中的重要設備之一。雖配有避雷器、差動、接地等多重保護，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、電場及熱場不均等諸多因素，事故率仍然很高。中國在上個世紀70年代的10年中，110KV及以上變壓器的年平均絕緣事故率約為17.66臺次，惡性事故重大損失也時有發(fā)生。變壓器故障通常是伴隨著電弧和放電以及劇烈燃燒而發(fā)生，隨后電力設備即發(fā)生短路或其他故障，輕則機器停轉(zhuǎn)，照明設備熄滅，重則引發(fā)火災造成人員傷亡。因此確保變壓器安全穩(wěn)定運行受到了全世界的廣泛關注。短路問題是電力技術方面的基本問題之一。在發(fā)電廠，變電站以及整個電力系統(tǒng)的設計和運行工作中，都必須事先經(jīng)行短路計算和仿真，以此作為合理選擇電氣接線，選用有足夠熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設備及載流導體，確定限制短路電流的措施，在電力系統(tǒng)中合理的配置各種繼電保護并整定其參數(shù)等重要依據(jù)。為此，掌握短路發(fā)生以后的物理過程以及對短路過程的仿真分析是很有必要的。1.2. 設計目的（1）熟悉變壓器的原理。（2）鞏固，加深，和擴大在本課程和先修課程學到的知識。（3）將變壓器短路的過程用仿真的形式展現(xiàn)，進一步加深對電力系統(tǒng)故障的理解。（3）通過課程設計，提高對短路后變壓器電流的暫態(tài)變化的認知，加深對短路電流對電網(wǎng)造成沖擊的理解。（4）改進電路，盡量減少短路電流對電網(wǎng)沖擊，研究如何保護運行中的變壓器。（5）初步認知并基本掌握Matlab中simulink的使用及調(diào)試方法。1.3. 設計要求1.3.1. 設計所用方法在本次課程設計中，使用Matlab中的Simulink來對變壓器短路的過程經(jīng)行仿真。出于簡化問題的考慮，變壓器被設定為單相變壓器。運用Simulink依次對單相變壓器帶阻性和感性負載，單相變壓器帶阻性負載，單相變壓器保護電路經(jīng)行仿真。仿真電路中各模塊名稱及提取路徑如下表所示。模塊名提取路徑交流電源 AC Voltage SourceSimPowerSystems/Eletrical Sourses電力系統(tǒng)圖形用戶界面powerguiSimPowerSystems有效值測量模塊RMSSimPowerSystems/Extra Libraries/Measurements電流測量模塊Current MeasurementSimPowerSystems/Measurements斷路器模塊BreakerSimPowerSystems/Elements飽和變壓器模Saturable TransformerSimPowerSystems示波器模塊ScopeSimulink/Commonly Used Blocks串聯(lián)RLC支路Series RLC BranchSimPowerSystems/Elements連續(xù)信號模塊ConstantSimulink/Commonly Used Blocks關系算子（邏輯比較器）Relational OperatorSimulink/Commonly Used Blocks保持器模塊Zero-Order HoldSimulink/Discrete表1-1仿真電路中各模塊名稱及提取路徑1.3.2. 設計所得結(jié)果能基本仿真出單相變壓器短路電流變化過程，改進后的電路基本可以起到保護作用。2. 單相變壓器短路仿真設計內(nèi)容2.1. 單相變壓器突發(fā)短路的過程圖2-1變壓器基本電路分析時做如下假設：（1）結(jié)果變壓器繞組均折算到同一匝數(shù)，即:（2）忽略勵磁電流，即;（3）當二次短路時，一次側(cè)端電壓為電感壓降與電阻壓降之和，即 式（1）式中：為一次側(cè)繞組漏感，或，分別為一二次側(cè)繞組自感，為一二次側(cè)間互感，為短路阻抗，。為短路漏電阻設短路電流的穩(wěn)態(tài)分量為，暫態(tài)分量為故有通常，變壓器在發(fā)生短路之前已帶有負載。由于負載電流比短路電流小得多，故可忽略負載電流，或者認為短路是在空載情況下發(fā)生的，即t=0，=0.根據(jù)這個起始條件，且認為時，簡化計算如下：令式（1）中，則可求出暫態(tài)分量設 對上式兩邊積分得 穩(wěn)態(tài)分量可以從求取式中：為短路阻抗角，設為穩(wěn)態(tài)短路電流值，則因此：當t=0時,=0，可得當時，代入上式，則得 式（2） 由式（2）知，突然短路的電流變化情況也與短路發(fā)生時的初相位角有關（1） 當時發(fā)生短路，自由分量為0，即突然短路時短路電流立即進入穩(wěn)態(tài)。此時（2） 當時發(fā)生短路，最大，即端電壓在進過零值時發(fā)生突然短路，短路電流的瞬時值在時達到最大即式中：K為短路電流的最大值與穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值之比，它主要取決于衰減系數(shù)（時間常數(shù)T的倒數(shù)，T=0.03s到0.05s）2.1.1. 仿真電路圖2-2負載為電阻電感的變壓器短路仿真圖2.1.2. 模塊參數(shù)設置本電路變壓器設置為simulink初始狀態(tài)的元件，主要設置電源的參數(shù)，如圖所示：圖2-3突發(fā)短路時初相角的設置突發(fā)短路時的角可以在Phase中設置圖2-4主邊斷路器為breaker1參數(shù)設置圖2-5副邊斷路器參數(shù)設置負載的參數(shù)可以依不同的使用環(huán)境設置，本仿真中負載的參數(shù)設計為：圖2-6負載參數(shù)設置2.1.3. 仿真結(jié)果及分析仿真結(jié)果如圖所示（1） 當時發(fā)生短路，自由分量為0，即突然短路電流立即進入穩(wěn)態(tài)，如圖所示圖2-7單相變壓器在時突然短路一二次電流仿真波形（2） 當時發(fā)生短路，最大，即端電壓在經(jīng)過零值時發(fā)生突然短路，短路電流的瞬時值在時達到最大值如圖所示圖2-8單相變壓器在時突然短路一二次電流仿真波形短路電流最大可能的瞬時值稱為短路電流沖擊值。沖擊電流主要用于檢驗電氣設備和載流導體在短路電流下的受力是否超過容許值，即所謂的動穩(wěn)定度。從仿真圖中可以看出電路短路后電流從一個較小的值增大到瞬時電流接近一千甚至幾萬安。若是電網(wǎng)上的變壓器發(fā)生這樣的故障則會對電網(wǎng)造成極大的沖擊。不僅會造成電網(wǎng)其他用戶電壓不穩(wěn)，用電的質(zhì)量差，更重要的是短路后變壓器電流過大，可能會造成變壓器的燒毀。2.2. 當負載為純電阻時的狀況由在負載為電阻電感時的分析結(jié)果知當負載為純電阻時很小，如果對其理想化處理則，則上式近似為 式（3）由式（3）知此時電流大小與初相位角無關，電流的自由分量幾乎為0，即短路電流立即進入穩(wěn)態(tài)，電流隨時間圍繞0上下波動。仿真圖如下2.2.1. 仿真電路圖2-9單相變壓器在負載為阻性時的仿真電路2.2.2. 模塊參數(shù)設置電路的參數(shù)在初相角為與時波形基本相同。電阻的參數(shù)設置如圖：圖2-10突然發(fā)生短路時的初相角設置2.2.3. 仿真結(jié)果及分析電路短路電流的仿真結(jié)果如圖：圖2-11單相變壓器在時突然短路一二次電流仿真波形圖2-12單相變壓器在時突然短路一二次電流仿真波形從仿真圖上來看，由于變壓器的短路電感幾乎為0，但不可徹底消除，所以電流有一個從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程，與理論分析基本一致，仿真結(jié)果即可說明負載為電阻時的電流變化狀況。2.3. 電路短路保護的仿真 從上面的仿真與分析均可看出，在短路時副邊與原邊的短路電流均較大，容易燒毀變壓器，因此如何保護變壓器限制短路電流是很重要的。因此我在分析副邊短路的狀況后，又繼續(xù)分析了如何保護變壓器不會因短路而燒壞。我用如下的仿真電路模擬了一個類似繼電器的保護裝置。2.3.1. 仿真電路圖2-13改進電路的仿真圖 在原電路的基礎上，我引入了一個可控開關Breaker3，起到控制副邊電路的開關作用，它的控制信號由一個邏輯比較器Relational Operator提供，邏輯比較器起到比較輸入的兩個信號大小的作用。圖中上輸入端的信號大小若大于等于下面輸入端的信號則邏輯比較器輸出1，否則輸出0。Breaker3初始狀態(tài)為閉合，輸入控制信號1時斷路器Breaker3閉合，否則斷開。我用示波器Scope2來顯示控制信號的情況。邏輯比較器的兩個信號分別來自于一個均勻等值信號，和一個測量信號。該測量信號來自于副邊電路的有效值，由于電流為交流電，不好比較，故用RMS模塊測取副邊電流的有效值，再用一個保持器將短路變化的電流有效值抽樣與另一個常值信號比較，輸出邏輯值。當副邊電路發(fā)生短路時，保持器抽樣出的短路電流的有效值大于比較值，此時邏輯比較器不再輸出1信號，變?yōu)檩敵?信號。斷路器Breaker3打開，副邊的短路邊開路，使熱量不足以燒毀變壓器，保護了變壓器。2.3.2. 模塊參數(shù)設置：圖2-14斷路器Breaker3的參數(shù)設置圖2-15保持器抽樣的參數(shù)設置2.3.3. 仿真結(jié)果及分析：下圖為示波器scope2的波形其大小反映控制信號的變化，在仿真圖中可知由于短路電流過大，使副邊電流信號采樣后，邏輯比較后控制信號也發(fā)生了變化。圖2-16示波器scope2的仿真波形圖3-17短路電流仿真的結(jié)果為：圖2-17短路電流波形仿真可以看出在取樣5.5時短路電流由較大的值變?yōu)?，也就是短路電路成功開路，實現(xiàn)了對變壓器的保護。由于仿真是基于負載為阻性的仿真，因此不再考慮初相角對電路的影響。仿真設計的變壓器保護電路在本質(zhì)上是繼電器。即電流在正常的工作區(qū)間內(nèi)不會使變壓器副邊開路，而在副邊短路時電流較大，拉動電磁繼電器將副邊電路斷開從而起到較好的保護作用，如圖2-18所示。圖2-18繼電保護器模型3. 總結(jié)3.1. 遇到的問題及解決在本次電力電子課程設計中，我主要研究了變壓器副邊突然短路后副邊電流的變化過程，并對電路經(jīng)行了防短路的改進。我的課題看似簡單，但在研究課題的過程中我還是遇到了很多的問題。（1） 對知識的認識不夠在研究短路電流的暫態(tài)過程中，由于我們一般分析變壓器是通過變壓器的等效電路圖來處理的。分析變壓器過程中交變的量時，均是用相量表示的。這在處理穩(wěn)定運行的變壓器來說是很方便的，但對于我的課題即分析一個暫態(tài)過程來說較為困難，必須要借助時域微分方程來研究。因此在設計期間，我提高了自己處理微分方程方面的能力，借助資料上關于變壓器暫態(tài)過程的分析，才基本解決了變壓器短路暫態(tài)過程的理解問題。（2） 對軟件一無所知剛接到課程設計時對仿真的軟件根本一無所知，由于必須要用到該軟件所以我就拿出相當多的時間花在學習軟件上面。由于Matlb是全英文的，查找的幫助也完全是英文的，所以在元件的一些認識上是存在問題的。有時連線怎么都不正確，我就自己實驗，一個元件一個元件測試所需元件的參數(shù)含義。這主要可能還是自己在電路方面學的不夠好所致，但通過親自測試元件，我對元件的理解更深了。（3） 運用資料的能力不足做本次的課程設計需要查找大量相關的資料，然而作為一個大學生我竟然發(fā)現(xiàn)自己根本就不會查資料。由于高中的時候從未培養(yǎng)過查資料的能力，大學頭一年也是循規(guī)蹈矩幾乎像高中一樣上過來的到大二快要大三了發(fā)現(xiàn)自己在眾多的資料面前毫無目的，不能有效的查找和利用所需資料。這是個信息爆炸的時代，我們不可能掌握所有的知識，但我們有可能會用到一些自己完全不熟悉的內(nèi)容，這要求我們必須學會查資料，必須會有效的利用資源。對于這個問題，我采用分類查找的方式，在圖書館主要查找電氣方面的書籍，著力突破電路方面的問題，在網(wǎng)上則著力學習軟件的使用，突破軟件的瓶頸。同時有些自己實在看不懂的就自己實驗，不斷測試來了解對應元件的性能。通過這種方式我才基本解決我的資料的問題。（4） 改進電路的問題本來我的課程設計的計劃是只分析變壓器短路的電流過程的，改進電路未在我的計劃之中，但是一步步實踐課程設計后發(fā)現(xiàn)這是變壓器設計中必須要解決的問題，如何在短路故障發(fā)生之后斷開短路電路。當時是想到了繼電器，可是繼電器模塊自己怎么連都連不對。無奈之際，我想到了借鑒數(shù)電控制的方法，利用數(shù)電元件將開關變?yōu)橐粋€可控開關，再找一個檢測電路將副邊電流檢測后輸出一個控制信號。由于電路中的量均為交變的，直接比則邏輯開關會開關好多次，這在現(xiàn)實中是不可能的，必須要有一種可以檢測瞬時的電路狀況的電路，又由于檢測的有可能是正是負，不好比較，因此我用了RMS模塊，即有效值計算模塊，這樣就可以輸出一個正值有利于比較，對電路的保護改進也就基本實現(xiàn)了。3.2. 心得體會幾周的課程設計基本結(jié)束了，在這次的課程設計中我不僅提高了自己對變壓器短路情況的認識，學習了simulink這么強大的工具，更重要的是我收獲了許多精神上的成就，培養(yǎng)了在困難面前永不服輸，勇于面對問題，善于解決問題的能力。在設計過程中，我學會了查找資料，學會了測驗元件，學會了獨立解決問題。這些都令我的能力有了實實在在的提升。課程設計是我們所學課程知識綜合應用的實踐訓練，是對能力的檢驗，也是對能力的提升。在課程設計之前，我確實花了時間去思考朝哪方面選題。由于我們所學的知識并不是很多，所以我就退而求其次不找一些看起來高大上，較偏較難的內(nèi)容而是選擇離生活較近，在我們身邊的事物或現(xiàn)象。于是我就選擇了變壓器短路的仿真設計，但當自己真正去做的時候，卻發(fā)現(xiàn)并不容易。這一段面對挫折與困難獨立解決與前進的歷程將會是我生命中的寶貴財富。我覺得我的以下能力有了顯著提高（1） 獨立思考的能力在課程設計中我遇到了各種各樣的問題，這些問題都是我以前沒有處理過的。由于周圍的同學也都在自己做自己的課程設計，所以我就不得不獨自去思考該如何解決問題。我會獨立的查找資料，分析自己需要的內(nèi)容，這不同于我從小到大接觸的所謂的填鴨教育，我成了學習的核心，我去獨立的思考問題的解決而不是坐等老師的標準答案，我去判斷取舍而不是別人的“慷慨”指導。走過課程設計這段路程才會發(fā)現(xiàn)，自己也還是可以解決一些問題的，獨立思考后的成果自己的印象最深，理解最為深刻。（2） 獨立解決問題的能力由于被迫獨立的思考，我也就只能獨立的解決問題。軟件的幫助全是英文的，自己看不懂就只能一條一條的從網(wǎng)上翻譯；元件的參數(shù)找不到，我只能一個元件一個元件挨個獨立測試，哪個元件適合在哪種場合使用，到現(xiàn)在我也初步掌握。元件的調(diào)試，參數(shù)的調(diào)整等等。通過這種方式訓練出來的獨立解決問題的能力將使我收益終生。（3） 吃苦的能力 在完成課程設計的日子里，熬夜到晚上1，2點是常有的事。晚上為了測試一個元件的電氣性能，元件信號的控制方法，我可能會實驗數(shù)十次才能大致掌握這種元件是怎么使用的。那段揮汗如雨時光固然辛苦，但我專注于自己的任務并享受其中的感覺是無法形容的。（4） 個人成就感與自信心當自己終于將仿真圖像完完整整的搞出來時，內(nèi)心真的是激動的。就像是自己親手創(chuàng)造了一件了不起的奇跡，雖然它可能看上去，粗糙的，雜亂的，甚至是錯誤的，但只要是自己獨立創(chuàng)作出的就彌