摘要：柴油發電機組突然三相短路是一種常見的故障，也是柴油發電機電力系統保護所必須考慮的問題。突然三相短路是一個電瞬態過程。這個過程雖然短暫，但在此過程中會產生巨大的沖擊電流，大的短路電流是破壞發電機及其電力系統重要的因素，它威脅著系統的安全運行。研究發電機的瞬態短路，可以為發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，而且對與其相聯的其他發電機、電器及繼電保護設備的選擇和使用也有著重要的意義。

 

一、發電機三相短路的危害

 

      當同步發電機的定子繞組發生三相短路，電流會迅速增加。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。在發生短路后，短路電流取決于發電機的特性和運行條件。通常情況下，短路電流可能會達到很高的值，遠遠超過正常工作狀態的電流。

1、電流激增

      短路回路會產生高電流，超過柴油發電機組和電網的額定電流。

2、電壓下降

       由于電流突增，電壓也會下降到不可接受的范圍。

3、發電機過載

      高電流和低電壓會導致發電機過載，從而可能損壞其線圈等部件。

4、系統不穩定

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

      為了保護發電機和電氣系統，需要及時采取措施來切斷電源并修復短路問題。否則，短路電流可能會導致發電機內部零件的損壞，甚至引發火災和其他嚴重事故。因此，定期檢查發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，康明斯是一個用于電源系統仿真較為理想的軟件.。康明斯提供的動態系統仿真工具Simulink可用來對動態系統進行建模、仿真和分析，支持連續時間、離散時間及兩者混合的線性、非線性系統，也支持多變量、多速率系統 。康明斯電力系統工具箱使電力系統模型可以在Simulink環境下直接搭建，也可以根據所研究對象的物理模型建立其數學模型，并進行封裝和自定義為用戶自己的模塊庫，利用PSB工具箱設計電力系統，在Simulink環境下，不僅可以仿真系統的動態過程，還可以對系統進行穩態潮流分析 ，充分顯現了其強大的仿真平臺以及作圖環境的優越性。本文將利用康明斯仿真系統模擬分析發電機突然三相短路動態過程中各種電力參數的變化規律，為發電機組的安全使用提供可靠的技術數據。

      發電機在帶負載情況下突然三相短路，電路如圖1所示。可利用SimPowerSystems模塊對其短路過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環境下建立的發電機系統模型，該模型包括柴油發動機模塊、同步發電機模塊、發電機測量控制系統模塊、勵磁系統模塊、三相并聯負載元件和三相短路故障模塊。

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

（2）柴油發動機調速系統中的Pmec為發動機輸出功率。

      柴油發動機內的狀態變量不止一個，但在實際設計中采用高階模型則較困難。實踐表明 ，采用一階近似模型，不僅簡化了設計工作，并且能達到滿意的效果。

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

（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；發電機端輸出的復合信號經發動機調速機構和勵磁調壓機構，到達同步發電機的輸入端構成一個閉環控制回路。使用三相并聯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 發電機三相短路電路圖

圖2  發電機三相突然短路波形圖

 

三、仿真系統計算過程

 

      利用三相短路故障發生器元件實現同步電機的三相短路。

1 、初始狀態與仿真算法

      為了避免仿真過程中系統出現長期不穩定狀態，必須正確設定系統的初始參數。仿真中，同步發電機的輸入功率Pm，勵磁電壓w 及初始狀態的設定可根據負載需要由Powergui模塊來給出。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模塊，可進行電機的初始狀態設定，穩態運行計算，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電機輸出交流線電壓值Vab和有功功率值計算出同步發電機的輸入功率Pm，勵磁電壓Vf及初始狀態值等參數。計算出穩態值后，再將穩態時的機械功率、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，即完成穩態初始值設置。發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。康明斯仿真系統給用戶提供了定步長和變步長兩大仿真算法。定步長求解器使用固定的步長對系統進行求解；變步長求解器則根據用戶指定的積分誤差能夠自動調整仿真步長。由于本文研究的過程是一動態過程，因而，選用變步長仿真算法。

      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 、三相突然短路的動態變化

      短路現象往往是一暫態過程，為清楚顯現這一過程，仿真中特意將短路故障的保持時間設置的稍長一些。整個仿真過程歷經10s時間，由穩態運行開始，2s后三相短路故障發生，4s時短路故障切除。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值，用i表示。其主要作用是校驗電氣設備的電動力穩定度。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時與時間軸平行。

      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）,并且短路發生時，電源電勢過零（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的短路電流波形

 

4、短路電流的有效值

      ·在短路過程中，任意時刻t的短路電流有效值，是指以時刻t為中心的一個周期內瞬時電流的均方根值，關系相量圖如圖5所示。為了簡化計算，通常假定：非周期電流在以時間t為中心的一個周期內恒定不變，因而它在時間t的有效值就等于它的瞬時值，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線所確定的t時刻的幅值。因此，t時刻的周期電流有效值應為?_pt=?_pmt / √2，如圖6所示。

 

圖5  發電機短路電流關系相量圖

圖6  發電機短路電流有效值的確定

 

總結：

      發電機組突然三相短路動態過程因其時間短，沖擊電流大，往往給動態參數的實驗測量帶來較大的困難，而利用近年來發展起來的仿真技術來研究這一過程，會使工作得到大大的簡化。電力系統的動態仿真研究將不能在實驗室中進行的電力系統運行模擬得以實現。總之，同步發電機三相短路是一種常見的故障，可能對電網和動力系統造成嚴重影響。因此，合理的分析與處理同步發電機三相短路的方法非常重要，可以提高發電機的可靠性和電網的穩定性。

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