變壓器二次側(cè)突然短路

1、電力電子課程設(shè)計(jì) 課題名稱：?jiǎn)蜗嘧儔浩鞫蝹?cè)突然短路仿真分析 院 系： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 一. 概述11.1. 背景介紹11.2. 設(shè)計(jì)目的11.3. 設(shè)計(jì)要求21.3.1. 設(shè)計(jì)所用方法21.3.2. 設(shè)計(jì)所得結(jié)果3二. 單相變壓器短路仿真設(shè)計(jì)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(shè)置62.1.3. 仿真結(jié)果及分析82.2. 當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)的狀況102.2.1. 仿真電路102.2.2. 模塊參數(shù)設(shè)置102.2.3. 仿真結(jié)果及分析112.3. 電路短路保護(hù)的仿真122.3.1. 仿真電路132.3.2. 模塊參數(shù)設(shè)置：142.

2、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(huì)18四. 參考文獻(xiàn)201. 概述1.1. 背景介紹當(dāng)今世界，無論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，都不同程度受到變壓器安全的困擾。今年夏天，全國(guó)先后有19個(gè)城市拉閘限電。在國(guó)外，美國(guó)8月14日的停電事件導(dǎo)致10萬(wàn)多人陷入黑暗，一天停電損失高達(dá)300億美元。隨后，英國(guó)倫敦也發(fā)生了大面積停電事件，數(shù)萬(wàn)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(shè)備之一。雖配有避雷器、差動(dòng)、接地等多重保護(hù)，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電場(chǎng)及熱場(chǎng)不均等諸多因素，事故率仍然很高。中國(guó)在上個(gè)世紀(jì)

3、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(tái)次，惡性事故重大損失也時(shí)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(shè)備即發(fā)生短路或其他故障，輕則機(jī)器停轉(zhuǎn)，照明設(shè)備熄滅，重則引發(fā)火災(zāi)造成人員傷亡。因此確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行受到了全世界的廣泛關(guān)注。短路問題是電力技術(shù)方面的基本問題之一。在發(fā)電廠，變電站以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行工作中，都必須事先經(jīng)行短路計(jì)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(dòng)穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)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(hù)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

4、物理過程以及對(duì)短路過程的仿真分析是很有必要的。1.2. 設(shè)計(jì)目的（1）熟悉變壓器的原理。（2）鞏固，加深，和擴(kuò)大在本課程和先修課程學(xué)到的知識(shí)。（3）將變壓器短路的過程用仿真的形式展現(xiàn)，進(jìn)一步加深對(duì)電力系統(tǒng)故障的理解。（3）通過課程設(shè)計(jì)，提高對(duì)短路后變壓器電流的暫態(tài)變化的認(rèn)知，加深對(duì)短路電流對(duì)電網(wǎng)造成沖擊的理解。（4）改進(jìn)電路，盡量減少短路電流對(duì)電網(wǎng)沖擊，研究如何保護(hù)運(yùn)行中的變壓器。（5）初步認(rèn)知并基本掌握Matlab中simulink的使用及調(diào)試方法。1.3. 設(shè)計(jì)要求1.3.1. 設(shè)計(jì)所用方法在本次課程設(shè)計(jì)中，使用Matlab中的Simulink來對(duì)變壓器短路的過程經(jīng)行仿真。出于簡(jiǎn)化問題的考

5、慮，變壓器被設(shè)定為單相變壓器。運(yùn)用Simulink依次對(duì)單相變壓器帶阻性和感性負(fù)載，單相變壓器帶阻性負(fù)載，單相變壓器保護(hù)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(cè)量模塊RMSSimPowerSystems/Extra Libraries/Measurements電流測(cè)量模塊Current MeasurementSimPowerSystems/Measurements斷路器模塊Break

6、erSimPowerSystems/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(hào)模塊ConstantSimulink/Commonly Used Blocks關(guān)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

7、電路中各模塊名稱及提取路徑1.3.2. 設(shè)計(jì)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(jìn)后的電路基本可以起到保護(hù)作用。2. 單相變壓器短路仿真設(shè)計(jì)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(shí)做如下假設(shè)：（1）結(jié)果變壓器繞組均折算到同一匝數(shù)，即:（2）忽略勵(lì)磁電流，即;（3）當(dāng)二次短路時(shí)，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(shè)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(fù)載。由于負(fù)載電流比短路電流小得多，故可忽略負(fù)載電流，或者認(rèn)為短路

8、是在空載情況下發(fā)生的，即t=0，=0.根據(jù)這個(gè)起始條件，且認(rèn)為<<時(shí)，簡(jiǎn)化計(jì)算如下：令式（1）中，則可求出暫態(tài)分量設(shè) 對(duì)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(shè)為穩(wěn)態(tài)短路電流值，則因此：當(dāng)t=0時(shí),=0，可得當(dāng)<<時(shí)，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(shí)的初相位角有關(guān)（1） 當(dāng)時(shí)發(fā)生短路，自由分量為0，即突然短路時(shí)短路電流立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。此時(shí)（2） 當(dāng)時(shí)發(fā)生短路，最大，即端電壓在進(jìn)過零值時(shí)發(fā)生突然短路，短路電流的瞬時(shí)值在時(shí)達(dá)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(shí)間常數(shù)T的

9、倒數(shù)，T=0.03s到0.05s）2.1.1. 仿真電路圖2-2負(fù)載為電阻電感的變壓器短路仿真圖2.1.2. 模塊參數(shù)設(shè)置本電路變壓器設(shè)置為simulink初始狀態(tài)的元件，主要設(shè)置電源的參數(shù)，如圖所示：圖2-3突發(fā)短路時(shí)初相角的設(shè)置突發(fā)短路時(shí)的角可以在Phase中設(shè)置圖2-4主邊斷路器為breaker1參數(shù)設(shè)置圖2-5副邊斷路器參數(shù)設(shè)置負(fù)載的參數(shù)可以依不同的使用環(huán)境設(shè)置，本仿真中負(fù)載的參數(shù)設(shè)計(jì)為：圖2-6負(fù)載參數(shù)設(shè)置2.1.3. 仿真結(jié)果及分析仿真結(jié)果如圖所示（1） 當(dāng)時(shí)發(fā)生短路，自由分量為0，即突然短路電流立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，如圖所示圖2-7單相變壓器在時(shí)突然短路一二次電流仿真波形（2） 當(dāng)時(shí)發(fā)生

10、短路，最大，即端電壓在經(jīng)過零值時(shí)發(fā)生突然短路，短路電流的瞬時(shí)值在時(shí)達(dá)到最大值如圖所示圖2-8單相變壓器在時(shí)突然短路一二次電流仿真波形短路電流最大可能的瞬時(shí)值稱為短路電流沖擊值。沖擊電流主要用于檢驗(yàn)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體在短路電流下的受力是否超過容許值，即所謂的動(dòng)穩(wěn)定度。從仿真圖中可以看出電路短路后電流從一個(gè)較小的值增大到瞬時(shí)電流接近一千甚至幾萬(wàn)安。若是電網(wǎng)上的變壓器發(fā)生這樣的故障則會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成極大的沖擊。不僅會(huì)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(huì)造成變壓器的燒毀。2.2. 當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)的狀況由在負(fù)載為電阻電感時(shí)的分析結(jié)果知當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)很小，如果對(duì)其

11、理想化處理則，則上式近似為 式（3）由式（3）知此時(shí)電流大小與初相位角無關(guān)，電流的自由分量幾乎為0，即短路電流立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電流隨時(shí)間圍繞0上下波動(dòng)。仿真圖如下2.2.1. 仿真電路圖2-9單相變壓器在負(fù)載為阻性時(shí)的仿真電路2.2.2. 模塊參數(shù)設(shè)置電路的參數(shù)在初相角為與時(shí)波形基本相同。電阻的參數(shù)設(shè)置如圖：圖2-10突然發(fā)生短路時(shí)的初相角設(shè)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(shí)突然短路一二次電流仿真波形圖2-12單相變壓器在時(shí)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(gè)從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程，與理

12、論分析基本一致，仿真結(jié)果即可說明負(fù)載為電阻時(shí)的電流變化狀況。2.3. 電路短路保護(hù)的仿真 從上面的仿真與分析均可看出，在短路時(shí)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(hù)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(hù)變壓器不會(huì)因短路而燒壞。我用如下的仿真電路模擬了一個(gè)類似繼電器的保護(hù)裝置。2.3.1. 仿真電路圖2-13改進(jìn)電路的仿真圖 在原電路的基礎(chǔ)上，我引入了一個(gè)可控開關(guān)Breaker3，起到控制副邊電路的開關(guān)作用，它的控制信號(hào)由一個(gè)邏輯比較器Relational Operator提供，邏輯比較器起到比較輸入的兩個(gè)信號(hào)大小的作用。圖中上輸入端的

13、信號(hào)大小若大于等于下面輸入端的信號(hào)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(hào)1時(shí)斷路器Breaker3閉合，否則斷開。我用示波器Scope2來顯示控制信號(hào)的情況。邏輯比較器的兩個(gè)信號(hào)分別來自于一個(gè)均勻等值信號(hào)，和一個(gè)測(cè)量信號(hào)。該測(cè)量信號(hào)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(cè)取副邊電流的有效值，再用一個(gè)保持器將短路變化的電流有效值抽樣與另一個(gè)常值信號(hào)比較，輸出邏輯值。當(dāng)副邊電路發(fā)生短路時(shí)，保持器抽樣出的短路電流的有效值大于比較值，此時(shí)邏輯比較器不再輸出1信號(hào)，變?yōu)檩敵?信號(hào)。斷路器Breaker3打開，副邊的短路邊開路，使熱量不足以

14、燒毀變壓器，保護(hù)了變壓器。2.3.2. 模塊參數(shù)設(shè)置：圖2-14斷路器Breaker3的參數(shù)設(shè)置圖2-15保持器抽樣的參數(shù)設(shè)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(hào)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(hào)采樣后，邏輯比較后控制信號(hào)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(shí)短路電流由較大的值變?yōu)?，也就是短路電路成功開路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器的保護(hù)。由于仿真是基于負(fù)載為阻性的仿真，因此不再考慮初相角對(duì)電路的影響。仿真設(shè)計(jì)的變壓器保護(hù)電路在本質(zhì)上是繼電器。即電流

15、在正常的工作區(qū)間內(nèi)不會(huì)使變壓器副邊開路，而在副邊短路時(shí)電流較大，拉動(dòng)電磁繼電器將副邊電路斷開從而起到較好的保護(hù)作用，如圖2-18所示。圖2-18繼電保護(hù)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(shè)計(jì)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(duì)電路經(jīng)行了防短路的改進(jìn)。我的課題看似簡(jiǎn)單，但在研究課題的過程中我還是遇到了很多的問題。（1） 對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)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(shí)，均是用相量表示的。這在處理穩(wěn)定運(yùn)行的變壓器來說是很方便的，但對(duì)于我的課題即分析一個(gè)暫態(tài)過程來說較為困難

16、，必須要借助時(shí)域微分方程來研究。因此在設(shè)計(jì)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(guān)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(duì)軟件一無所知?jiǎng)偨拥秸n程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(dāng)多的時(shí)間花在學(xué)習(xí)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(rèn)識(shí)上是存在問題的。有時(shí)連線怎么都不正確，我就自己實(shí)驗(yàn)，一個(gè)元件一個(gè)元件測(cè)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(xué)的不夠好所致，但通過親自測(cè)試元件，我對(duì)元件的理解更深了。（3） 運(yùn)用資料的能力不足做本次的課程設(shè)計(jì)需要查找大量相關(guān)的資

17、料，然而作為一個(gè)大學(xué)生我竟然發(fā)現(xiàn)自己根本就不會(huì)查資料。由于高中的時(shí)候從未培養(yǎng)過查資料的能力，大學(xué)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(gè)信息爆炸的時(shí)代，我們不可能掌握所有的知識(shí)，但我們有可能會(huì)用到一些自己完全不熟悉的內(nèi)容，這要求我們必須學(xué)會(huì)查資料，必須會(huì)有效的利用資源。對(duì)于這個(gè)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(xué)習(xí)軟件的使用，突破軟件的瓶頸。同時(shí)有些自己實(shí)在看不懂的就自己實(shí)驗(yàn)，不斷測(cè)試來了解對(duì)應(yīng)元件的性能。通過這種方式我才基本解決我的資料的問題。（

18、4） 改進(jìn)電路的問題本來我的課程設(shè)計(jì)的計(jì)劃是只分析變壓器短路的電流過程的，改進(jìn)電路未在我的計(jì)劃之中，但是一步步實(shí)踐課程設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)這是變壓器設(shè)計(jì)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(dāng)時(shí)是想到了繼電器，可是繼電器模塊自己怎么連都連不對(duì)。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(guān)變?yōu)橐粋€(gè)可控開關(guān)，再找一個(gè)檢測(cè)電路將副邊電流檢測(cè)后輸出一個(gè)控制信號(hào)。由于電路中的量均為交變的，直接比則邏輯開關(guān)會(huì)開關(guān)好多次，這在現(xiàn)實(shí)中是不可能的，必須要有一種可以檢測(cè)瞬時(shí)的電路狀況的電路，又由于檢測(cè)的有可能是正是負(fù)，不好比較，因此我用了RMS模塊，即有效值計(jì)算模塊，這樣就可以輸出一個(gè)正值有利

19、于比較，對(duì)電路的保護(hù)改進(jìn)也就基本實(shí)現(xiàn)了。3.2. 心得體會(huì)幾周的課程設(shè)計(jì)基本結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中我不僅提高了自己對(duì)變壓器短路情況的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)了simulink這么強(qiáng)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(duì)問題，善于解決問題的能力。在設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)會(huì)了查找資料，學(xué)會(huì)了測(cè)驗(yàn)元件，學(xué)會(huì)了獨(dú)立解決問題。這些都令我的能力有了實(shí)實(shí)在在的提升。課程設(shè)計(jì)是我們所學(xué)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，是對(duì)能力的檢驗(yàn)，也是對(duì)能力的提升。在課程設(shè)計(jì)之前，我確實(shí)花了時(shí)間去思考朝哪方面選題。由于我們所學(xué)的知識(shí)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

20、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(shè)計(jì)，但當(dāng)自己真正去做的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)并不容易。這一段面對(duì)挫折與困難獨(dú)立解決與前進(jìn)的歷程將會(huì)是我生命中的寶貴財(cái)富。我覺得我的以下能力有了顯著提高（1） 獨(dú)立思考的能力在課程設(shè)計(jì)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(xué)也都在自己做自己的課程設(shè)計(jì)，所以我就不得不獨(dú)自去思考該如何解決問題。我會(huì)獨(dú)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(xué)習(xí)的核心，我去獨(dú)立的思考問題的解決而不是坐等老師的標(biāo)準(zhǔn)答案，我去判斷取舍而不是別人的“慷慨”指導(dǎo)。走過課程設(shè)計(jì)這段路程才會(huì)發(fā)現(xiàn)，自

21、己也還是可以解決一些問題的，獨(dú)立思考后的成果自己的印象最深，理解最為深刻。（2） 獨(dú)立解決問題的能力由于被迫獨(dú)立的思考，我也就只能獨(dú)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(gè)元件一個(gè)元件挨個(gè)獨(dú)立測(cè)試，哪個(gè)元件適合在哪種場(chǎng)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(xùn)練出來的獨(dú)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(shè)計(jì)的日子里，熬夜到晚上1，2點(diǎn)是常有的事。晚上為了測(cè)試一個(gè)元件的電氣性能，元件信號(hào)的控制方法，我可能會(huì)實(shí)驗(yàn)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(shí)光固然辛苦，但我專注于自己的任務(wù)并享受其中的感覺是無法形容的。（4） 個(gè)人成就感與自信心當(dāng)自己終于將仿真圖像完完整整的搞出來時(shí)，內(nèi)心真的是激動(dòng)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(cuò)誤的，