三相接地短路过电压

1、三相接地系统短路一、三相接地短路故障工况分析三相接地系统的短路故障包括：1.单相接地故障；2.两相不接地短路、两相接地短路；3.三相短 路等。故障情况不同,限流器的控制策略也不同。为了得到有效、合理的控制策略,下面对三相短路故 障情况下系统的主要电压、电流变化规律进行分析。三相短路同样分两种情况,即三相接地短路和三相不接地短路。在三相不接地短路的情况下，亦即A、B、C这3点短接，则一次侧电压、电流关系如下：u + u +iR = 0 xx式中：R表示三相负载电阻的并联；i表示总并联负载电阻中的电流。由于电路结构和电源电压的对称性，电流=iu+iV+iW=O。所以，负载电阻为0与否，都没有关系。

2、 也就是说，三相接地短路故障状态和三相不接地短路故障状态完全相同。在此先具体分析简单三相电路中发生突然对称短路的暂态过程。在此电路中假设电源端电压幅 值和频率都保持恒定，内阻抗为零，即为对于无限大功率电源供电的三相短路电流进行分析。电源 内阻抗小于短路回路总阻抗的 10%，即可认为是无限大功率电源。例如：多台发电机并联运行、短 路点远离电源等。”c=UmSill(ft)r+a+120 )+ R r)2 + 2(”c=UmSill(ft)r+a+120 )+ R r)2 + 2(L + L)2Um短路前电路处于稳态：i二/.sin(+ a甲他=久1或11(加+4120)m|0|am |0|0|Q

3、 EZZF2RRi + Ldia U sin(t +G) a dt Ri + Ldia U sin(t +G) a dt mioiR + R假定t=0s时刻发生短路电路一分为二，a相的微分方程式如下 其解就是短路的全电流，由两部分组成：稳态分量(强制分量、交流分量或周期分量)和暂态分 量(自由分量、直流分量或非周期分量)。sa特解即为强制分量稳态短路电流，又称交流分量获周期分量：i 1 sin(ot + Gq)sasa pa mU丄_tCe_Ta (C为由初始 m q tg -1 m VR2 + (_tCe_Ta (C为由初始通解对应齐次方程 Ria + L d 0的解，即为暂态分量电流：i

4、= 条件决定的积分常数)Ga其中：Ta 暂态分量电流衰减时间常数：特征方程pL+R=0根的负倒数a短路的全电流表达式为：i短路的全电流表达式为：ia ipa+ i I sin(t + aq) + CeTaGam由短路电流不突变，得到三相电流表达式：i I sin (t + a q) + Isin(a q ) 一 I sin(a - q)e t /Ta TOC o 1-5 h z a mm |0|0| mi = I sin(f + a 120 q) + I sin(a 120q )b mm |0|0|I sin(a 120 q)et/Tami = I sin(ot + a +120 q) + I

5、 sm(a +120 q )c mm |0|0|I sin(a +120 q)et/Tam三相短路电流周期分量是对称正弦量，幅值由电源电压幅值及短路回路总阻抗决定；各相短路 电流非周期分量具有不同的初始值，指数衰减。其中，交流分量为对称正弦电流，直流分量使 t=0 时短路电流值与短路前瞬间的电流值相等，直流分量曲线为短路电流曲线的对称轴。直流分量值越 大，短路电流瞬时值越大。直流分量起始值与电源电压的初始相角a、短路前回路中的电流值有关。三相短路电流波形图在三相短路时，三相电源电压全部加在耦合变压器上，经变压器降压、三相全桥整流后，加在 限流电抗器上。三相短路时，限流电抗器上所加电压最大，电流

6、上升率最高。在1.5倍额定负载的过 载情况下发生三相短路故障，为最恶劣的故障状态。总之，限流电抗器上的电压，在单相短路时，为故障相电压的1/N的单相桥式整流值；在两相短 路时，为两故障相构成的线电压的1/N的单相桥式整流值；在三相端详电源电压的1/N的三相桥式整 流值。一.三相故障限流器的拓扑结构图 1 所示为三相接地系统示意图，虚线框内为短路故障限流器主电路拓扑结构，由可控硅 T1T8和限流电抗器组成。U8为三相交流电源，ZH, ZV, ZW为三相负载。正常运行期间，T1T8触发脉8U V W冲常加，忽略电感和可控硅上的内阻引起的功耗，则电抗器L1中通过的电流为恒定的直流电流，其 数值等于三

7、相负载电流的最大值。因此电抗器上无压降，无功耗。当系统中出现接地故障时，电源 电压经整流二极管加到限流电感上，引起电感电流的增加，当检测电路检测到接地故障后，或封锁 可控硅触发脉冲，或控制整流桥工作于有源逆变状态，将故障电流切断。图1三相接地系统固态短路限流器主电路拓扑Fig. 1 Topology of the main circuit of grounded three-phase power system short circuit fault current limiter在图1所示的拓扑结构中，可控硅所承受的电压为电源电压。当电源电压较高时，如大于10kV, 需要多只高耐压可控硅串联

8、使用，而高压可控硅价格昂贵，设备成本大大增加；同时，可控硅的串 联使用必须考虑均压问题，而且触发电路也将更加复杂。为此，我们采用图2所示的变压器耦合式三 相接地系统固态桥式限流器的拓扑结构。在该系统中，电网电压经降压变压器降低到线电压380V, 这样可控硅T1T8可以取低压器件，虽然增加了变压器，但限流器总成本大幅度下降，同时功率管 工作于低压系统，可靠性得到提高。图2带变压器耦命的三相接地系统短路故障限流器主电路拓扑Fi. 2 Topology of the main circuit of groundedthree phase ihhyci* system short circuit fa

9、ultcurrent Ihnitcr with coupling tratisionncr在正常情况下，T1T8常通，稳态时，限流电抗器L1中的电流为负载电流最大值，近似恒定，L1 两端电压近似为0，所以，耦合变压器副边电压近似为0，耦合变压器原边电压也近似为0，固态桥式 短路限流器对系统电压、电流关系几乎无影响。在该短路故障限流器中,可控硅整流桥和限流电抗器 都位于耦合变压器的副边，所以只能断开副边电流，在耦合变压器的原边还有较小的激磁电流流过。 要想使原边和电网完全断开，仍需使用断路器。在断路器断开原边电路时，在变压器原边可能产生 一个高电压，应考虑采用氧化锌避雷器和吸收电路来进行过电压吸

10、收。一、三相接地短路故障工况分析 三相接地系统的短路故障包括：1.单相接地故障；2.两相不接地短路、两相接地短路；3.三相短 路等。故障情况不同,限流器的控制策略也不同。为了得到有效、合理的控制策略,下面对三相短路故 障情况下系统的主要电压、电流变化规律进行分析。三相短路同样分两种情况,即三相接地短路和三相不接地短路。在三相不接地短路的情况下，亦即A、B、C这3点短接，则一次侧电压、电流关系如下：u + u +iR = 0 xx式中：R表示三相负载电阻的并联；i表示总并联负载电阻中的电流。由于电路结构和电源电压的对称性，电流=iu+iV+iW=O。所以，负载电阻为0与否，都没有关系。 也就是说

11、，三相接地短路故障状态和三相不接地短路故障状态完全相同。在三相短路时，三相电源电压全部加在耦合变压器上，经变压器降压、三相全桥整流后，加在 限流电抗器上。三相短路时，限流电抗器上所加电压最大，电流上升率最高。在1.5倍额定负载的过 载情况下发生三相短路故障，为最恶劣的故障状态。总之，限流电抗器上的电压，在单相短路时，为故障相电压的1/N的单相桥式整流值；在两相短 路时，为两故障相构成的线电压的1/N的单相桥式整流值；在三相端详电源电压的1/N的三相桥式整 流值。三、三相桥式固态短路限流器的控制策略由于可控硅为半控器件，一旦导通，只有等到过零点才能关断。考虑到信号检测电路的延时， 从发生短路故障

12、到控制命令起作用，最大延时不超过1.5个周期，即15ms，为方便于分析和留出充分裕 量，我们去20ms。由第二节分析可知，发生短路后，限流电抗器两端的电压将迅速从0增加到一个相 当大的数值，电抗器电流将在该电压的作用下不断增大。因此，限流电抗器电感值的设计原则是： 在最恶劣情况下（三相短路），短路电流从额定负载电流最大值开始上升，20ms内不超过极限值。在短路发生时，人们总希望尽快将故障切除，并力求将故障的影响限制在最小范围内。例如， 在发生单相短路是，希望在切除故障相的同时能保持另外两个非故障相照常工作；在发生两三短路 故障时，希望切除两个故障的同时保持非故障相能正常工作。只有在发生三相短路

13、故障是，才希望 完全切断电源。切断故障的方法有续流式保护和逆变式保护两种。续流式保护是在检测到短路发生后，将整流 桥中的T7, T8管触发导通，同时封锁故障所对应的桥臂的触发脉冲，线路中的故障电流即可被切除, 但限流电抗器的内阻很小，电流减小到非故障相负载电流最大值的时间很长，这对重合闸很不利， 一般不采用。逆变式保护是在检测到短路发生后，使整流桥工作于逆变状态，将电抗器中的磁能反 馈给电网，从而切断故障电流。在逆变式控制方式中，可以通过闭环调节，实电抗器电流或系统中的故障电流按照一定的规律变化，以满足电力系统继电保护的需要。图了闭环系统组咸框图Fig, 3 Diagram of close

14、loop controlsystem of the limiter图3所示为闭环系统的组成框图。由第二节分析所得结论和上述原则，在发生接地短路时，才有 下述控制策略：当建测得单相短路故障时，以u相为例，将闭环系统的输出作为该相桥臂和T7,T8管组成的单 相整流桥的出发延迟角，使该单相整流桥工作于逆变状态；当检测到两相短路（包括接地和不接地）时，将闭环系统的输出作为由两个故障相桥臂组成的单相整流桥的延迟触发角，使该单相整流桥工作于逆变状态；当检测到三相短路时，先封锁T7, T8两管的触发脉冲，将闭环系统的输出作为由其他6个 可控硅组成的三相桥式整流桥的触发延迟角，使三相整流桥工作于逆变状态；d.

15、在根据故障特征采取合适的控制策略，将故障电流限制到非故障相负载电流最大值之后，可以封 锁故障相负载电流的可控硅的触发脉冲，并给 T7， T8 管家触发信号，系统即可进入切除故障相之 后的缺相工作状态，当然，三相短路故障除外。四、仿真结果UU11TUUag-J+1J : ad + J :吋 + -!I L凶丁迢曲_- ZVj- ZVjnfirZWT8T2T6应用Matlab7.0电力电子系统仿真部分simulink,采用上述控制策略，对图2所示系统进行了仿真 研究，参数如下：耦合变压器变比取10000=380,负载电阻取19Q，系统允许的短路电流最大值1KA, PI调节器的增益取6,积分时间取0

16、.06s。仿真结果如图4所示，在七=0时电抗器充磁，在t=0.05s时电磁器充磁完毕，系统进入稳定的负载 运行状态，在t=0.152s时，发生短路故障，闭环系统开始起作用，对电抗器电流和短路电流进行限 制、调节。仿真结果分别为3段：0-0.05s的充磁阶段，0.05s-0.15s的正常稳定运行阶段，0.15-0.30s 的短路限流阶段。从仿真结果可以看出，采用本文所述控制策略，该限流器可以对故障电流进行有效的控制，反 应速度快，而且不会再电网中激发附加振荡，限流性能理想。30 =逹15 -厂600 ”他30 =逹15 -厂600 ”他i.200 电 i -200 -400-购 $0X5 00.25 030f/ms三相接堆玻it情况下限戏电ift塞电凉、电压波於s WWW1010JO5謂 FaaW删 I j二 -二 -o00,050.100,15 o.2tt 0 2S 0.30-0S 10!50 2 U 25“囲/rns(h)三相接地故啊況下三相电廨帔腦二相况下三相电压就形五、结论本文所讲述