发电机三相突然短路的危害和仿真算法

摘要：柴发机组突然三相短路是一种易发的损坏，也是柴油发电机电力装置保护所必须考虑的问题。突然三相短路是一个电瞬态步骤。这个过程虽然短暂，但在此步骤中会发生巨大的冲击电流，大的短路电流是破坏发电机及其电力装置重要的条件，它威胁着系统的安全运行。讨论发电机的瞬态短路，可以为发电机的合理可靠的设计及安全运转供应理论依据，短路电流大小的确定不仅对于机构保护装置的整定布置具有重要的意义，而且对与其相联的其他发电机、电器及继电保护设备的选取和使用也有着重要的意义。

在发生短路后，短路电流取决于发电机的特点和运行因素。通常情形下，短路电流可能会达到很高的值，远远超过正常工作状态的电流。

      同步发电机作为大电和柴油发电机组的重要结构部分，其故障可能致使动力系统不稳定、停电等现状。      为了保护发电机和电气系统，需要及时采取途径来切断电源并修复短路问题。否则，短路电流可能会引起发电机内部零件的故障，甚至引发火灾和其他严重事故。因此，定时检验发电机和电气装置的绝缘现象，并采取必要的维护和保护步骤非常重要。

      可用于电源装置仿真计算的软件很多，相比较而言，康明斯是一个用于电源装置仿真较为理想的软件.。康明斯提供的动态装置仿真工具Simulink可用来对动态装置进行建模、仿真和浅聊，支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统，也支持多变量、多速率装置 。康明斯电力装置工具箱使电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以根据所探讨对象的物理模型建立其数学模型，并进行封装和自定义为用户自己的模块库，利用PSB工具箱规划电力装置，在Simulink环境下，不仅可以仿真系统的动态步骤，还可以对系统进行稳态潮流浅聊 ，充分显现了其强大的仿真平台以及作图环境的优越性。本文将利用康明斯仿真机构模拟解说发电机突然三相短路动态流程中各种电力参数的变化规律，为发电机组的安全使用供应可靠的技术数据。

      发电机在带负载情况下突然三相短路，电路如图1所示。可利用SimPowerSystems模块对其短路步骤中的各种电流波形（如图2所示）和电压波形建立模拟仿真模型。在SimPowerSystems环境下建立的发电机机构模型，该模型包括柴油发电机模块、同步发电机模块、发电机测量控制装置模块、励磁装置模块、三相并列负载元件和三相短路故障模块。

      柴油发电机内的状态变量不止一个，但在实际设计中采用高阶模型则较困难。实践表明 ，采用一阶近似模型，不仅简化了设计工作，并且能达到满意的效果。

（3）仿真用同步发电机是一台额定值为50kVA，380V，50Hz，1500转/分的凸极式三相同步发电机。

      控制装置的输入信号为角转速整定值、定子电压的均方根整定值和从发电机端输出的复合信号；复合输出信号为定子电压的均方根和角速度；发电机端输出的复合信号经发电机调速系统和励磁调压装置，到达同步发电机的输入端组成一个闭环控制回路。操作三相并联负载元件模拟电路负荷，负荷要求380V、50Hz三相交流电，消耗容量40kW

      利用三相短路故障发生器元件实现同步发电机的三相短路。

      为了防止仿真流程中系统出现长期不稳定状态，必须准确设定系统的初始参数。仿真中，同步发电机的输入容量Pm，励磁电压w 及初始状态的设定可根据负荷需要由Powergui模块来给出。Powergui模块是康明斯电力机构仿真工具箱中用途很强大的一个模块，可进行电机的初始状态设定，稳态运行计算，电感、频率测定，傅立叶解说等仿真。Powergui模块可根据要求的同步发电机输出交流线电压值Vab和有功功率值计算出同步发电机的输入容量Pm，励磁电压Vf及初始状态值等数据。计算出稳态值后，再将稳态时的机械功率、励磁电压、机端电压及定子电流作为机构的初始值供应给系统，即完成稳态初始值设置。发电机和负载的参数均由试验检测确定。

      仿真算法选择的合理与否将影响到仿真结果和仿真转速。康明斯仿真机构给用户提供了定步长和变步长两大仿真算法。定步长求解器操作固定的步长对装置进行求解；变步长求解器则根据用户*的积分误差能够自动调节仿真步长。因为本文研究的程序是一动态流程，因而，选取变步长仿真算法。

-φ）.....................（公式2）      式中，?m=Um/｛√（R+R’）2+（X+X’）2｝；

      短路现象往往是一暂态步骤，为清楚显现这一程序，仿真中特意将短路损坏的保持时间设置的稍长一些。整个仿线s时间，由稳态运行开始，2s后三相短路损坏产生，4s时短路故障切除。为了便于简述比较，各种数据均采用标幺值单位制。

      短路冲击电流指短路电流较大可能的瞬时值，用i表示。其详细用途是校验电气设备的电动力稳定度。非周期电流有较大初值的因素应为：

在t=0时与时间轴平行。      一般电力机构中，短路回路的感抗比电阻大得多，即ωLR，故可近似认为φ≈90。因此，非周期电流有较大值的要素为：短路前电路空载（I=0），并且短路发生时，电源电势过零（a=0）。

      ·在短路步骤中，任意时刻t的短路电流高效值，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，关系相量图如图5所示。为了简化计算，一般假定：非周期电流在以时间t为中心的一个周期内恒定不变，因而它在时间t的高效值就等于它的瞬时值，即?

pt.....................（公式3）      对于周期电流，认为它在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值即等于由周期电流包络线所确定的t时刻的幅值。因此，t时刻的周期电流高效值应为?pt=?pmt / √2，如图6所示。

      发电机组突然三相短路动态过程因其时间短，冲击电流大，往往给动态参数的实验检测带来较大的困难，而利用近年来发展起来的仿真技术来探求这一流程，会使作业得到大大的简化。电力机构的动态仿真研讨将无法在实验室中进行的电力系统运行模拟得以实现。总之，同步发电机三相短路是一种多见的故障，可能对电网和动力机构造成严重危害。因此，合理的阐明与排除同步发电机三相短路的方法非常重要，可以提高发电机的可靠性和大电的稳定性。