徐華娟++王世山++王莉++楊善水
摘要:針對(duì)電力工程基礎(chǔ)課程在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)計(jì)算而忽視電力系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的情況,提出引入ETAP軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的新方法。以三相短路為例進(jìn)行了理論分析,并以某輻射型電網(wǎng)為模型,應(yīng)用ETAP進(jìn)行了多種短路仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)方法做了詳細(xì)說(shuō)明,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。課程設(shè)置的仿真實(shí)驗(yàn)包括三相短路計(jì)算、斷路器的選擇、不對(duì)稱短路故障分析、相關(guān)參數(shù)對(duì)短路電流的影響等。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn),可以加深學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)短路知識(shí)的理解,從而更好的提高教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);仿真實(shí)驗(yàn);ETAP;短路
【中圖分類號(hào)】TM7-4;G642
電力系統(tǒng)相關(guān)課程包括電力工程基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)分析和電力系統(tǒng)自動(dòng)化等。由于電力系統(tǒng)規(guī)模大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式復(fù)雜,許多大型電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行,特別是電力系統(tǒng)中對(duì)設(shè)備和人員危害較大的短路故障實(shí)驗(yàn),因此電力系統(tǒng)仿真教學(xué)成為電力系統(tǒng)教學(xué)中的一種重要方法。
在三相系統(tǒng)中,可能發(fā)生的短路包括三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路,其中三相短路對(duì)系統(tǒng)造成的危害最為嚴(yán)重,并且三相短路計(jì)算是其他不對(duì)稱短路計(jì)算的基礎(chǔ),本文首先介紹了三相短路電流的計(jì)算方法,并以此為理論基礎(chǔ)開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
1 電力系統(tǒng)仿真軟件簡(jiǎn)介
電力系統(tǒng)仿真軟件包括Matlab、Power World Simulator、PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP等,它們的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)不同,各自的應(yīng)用領(lǐng)域也有所側(cè)重,如PSCAD/EMTDC主要進(jìn)行電磁暫態(tài)和控制環(huán)節(jié)的仿真,BPA、PSASP主要進(jìn)行潮流和機(jī)電暫態(tài)數(shù)字仿真,Matlab、Power World Simulator適用于一般教學(xué)[1]。ETAP軟件是用于發(fā)電、配電和電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)商用軟件,由于價(jià)格較高,目前尚未廣泛應(yīng)用于教學(xué)科研。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院通過(guò)與ETAP公司合作,獲得該軟件的教學(xué)使用權(quán),借此機(jī)遇將ETAP軟件引入電力系統(tǒng)仿真教學(xué)中有重要意義,它不僅可以滿足基本教學(xué)要求,還可以激發(fā)學(xué)生的研究興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高其解決工程問(wèn)題的能力。
2 三相短路電流的理論分析
對(duì)于網(wǎng)狀電網(wǎng)的三相短路,根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn),短路點(diǎn)用一個(gè)等效電壓源 取代,其他所有設(shè)備都被表示成它們的內(nèi)阻抗Zk,三相短路電流初始值(次暫態(tài)電流)的計(jì)算使用以下公式:
式中,Un是短路點(diǎn)的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,電壓修正系數(shù)c根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)的不同取值不同,Zk是短路點(diǎn)的等效阻抗,并且有 。
短路電流峰值ip的計(jì)算使用如下公式:
其中峰值系數(shù)k與R/X比值相關(guān)。 為前面提到的短路電流初始值[2-3]。
3 基于ETAP的短路仿真實(shí)驗(yàn)
3.1電力系統(tǒng)模型
電力系統(tǒng)模型選用如圖1所示的輻射型系統(tǒng),等效電網(wǎng)U1額定電壓為110kV,短路額定容量2500MVA;同步發(fā)電機(jī)Gen1控制方式為無(wú)功控制,額定有功功率=25MW,額定電壓=10.5kV,功率因素=80%;電動(dòng)機(jī)Mtr1額定功率=2000kW,額定電壓10kV;變壓器T1、T2的變比=110/10.5,其他參數(shù)設(shè)為其典型值;電纜Cable1型號(hào)為BS6622XLPE、長(zhǎng)度=200m,截面積=50mm2。Lump1、Lump2和Lump3的額定容量分別為18MVA、4MVA、26MVA,負(fù)荷類型為恒容量100%,其他參數(shù)見(jiàn)圖1中注釋。
3.2短路仿真實(shí)驗(yàn)及分析
本課程設(shè)置的仿真實(shí)驗(yàn)主要包括三相短路計(jì)算、斷路器的選擇、不對(duì)稱短路故障分析、相關(guān)參數(shù)對(duì)短路電流的影響。
3.2.1三相短路計(jì)算
該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握三相短路計(jì)算中發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置,并驗(yàn)證三相短路相關(guān)理論。運(yùn)行短路計(jì)算,需要設(shè)置發(fā)電機(jī)Gen1的直軸次暫態(tài)電抗Xd”、直軸電抗Xd以及X/R比率,本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)點(diǎn)擊“典型數(shù)據(jù)”賦值于這幾個(gè)參數(shù)。設(shè)定故障位置為Bus4,運(yùn)行三相短路計(jì)算,仿真結(jié)果顯示Bus4的電壓為0,故障電流峰值為107.6kA,初始對(duì)稱有效值為41kA。而系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)Bus4的電壓為10.69kV,電流為1.6kA,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)生三相短路時(shí),短路點(diǎn)電壓降為零,短路電流急劇增加。并且注意到等效電網(wǎng)額定電壓為110kV,變壓器T2變比為110/10.5,一般情況下由于變壓器自身阻抗的損耗,變壓器低壓側(cè)電壓應(yīng)小于10.5,而系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)Bus4的電壓值10.69大于10.5,分析原因可知由于Bus4連接了發(fā)電機(jī),且發(fā)電機(jī)的控制方式為無(wú)功控制,發(fā)電機(jī)發(fā)電的總功率大于負(fù)載Lump3消耗的總功率,導(dǎo)致多余的功率通過(guò)變壓器T2返回到等效電網(wǎng),因此Bus4的電壓值大于10.5。反之,如果要將Bus4的電壓調(diào)為10.5,最簡(jiǎn)單的方法是將發(fā)電機(jī)的控制方式改為電壓控制,也可以通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)或負(fù)載的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.2.2斷路器的選擇
短路電流的計(jì)算是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的基礎(chǔ),可用于選擇電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體,選擇和整定繼電保護(hù)裝置,確定合理的主接線方案、運(yùn)行方式及限流措施等。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)斷路器的選擇,使學(xué)生對(duì)三相短路電流計(jì)算的用途有所了解。斷路器首先應(yīng)根據(jù)額定電壓和額定電流來(lái)選擇,斷路器的額定電壓不應(yīng)小于所在回路的最高運(yùn)行電壓,額定電流不應(yīng)小于該回路在各種可能運(yùn)行方式下的持續(xù)工作電流;此外要保證短路情況下斷路器的穩(wěn)定性,即斷路器的額定動(dòng)穩(wěn)定電流和額定開(kāi)斷電流應(yīng)大于相應(yīng)的三相短路計(jì)算值。
例如在本實(shí)驗(yàn)中打開(kāi)斷路器CB5編輯器,選擇庫(kù)中型號(hào)為Siemens 12-3AF-31.5的斷路器,其額定電壓為12kV,額定電流為2.5kA,設(shè)定故障位置為Bus4,運(yùn)行三相短路計(jì)算后出現(xiàn)斷路器報(bào)警窗口。報(bào)警窗口顯示斷路器CB5的動(dòng)穩(wěn)定峰值電流和開(kāi)斷電流分別超負(fù)荷運(yùn)行134.5%和132.7%。重新選擇型號(hào)為Siemens 12-3AF-63的斷路器,其額定動(dòng)穩(wěn)定電流為160kA,開(kāi)斷電流為63kA,再次執(zhí)行三相短路分析,運(yùn)行后報(bào)警消失。
3.2.3不對(duì)稱短路故障分析
設(shè)置Bus4為故障母線,運(yùn)行不對(duì)稱短路計(jì)算,Bus4不對(duì)稱短路電流計(jì)算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示三相短路沖擊電流峰值及其有效值均大于相應(yīng)的不對(duì)稱短路電流,由此可見(jiàn)三相短路對(duì)系統(tǒng)造成的危害更為嚴(yán)重。觀察報(bào)告中短路點(diǎn)的電壓、電流,驗(yàn)證不對(duì)稱短路的邊界條件,下面以單相接地短路為例進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示單相接地短路后A相對(duì)地電壓為0,說(shuō)明A相接地;B、C兩非故障相電壓幅值變?yōu)樵妷旱?73%倍,驗(yàn)證了如下結(jié)論,即中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)單相接地短路后,非故障相對(duì)地電壓升高為原來(lái)的 倍,即變成線電壓;單相接地短路后三相電壓不再平衡,說(shuō)明單相接地短路為不對(duì)稱短路。
3.2.4相關(guān)參數(shù)對(duì)短路電流的影響
將電纜Cable1的長(zhǎng)度分別設(shè)為100m、200m、400m,設(shè)其末端母線Bus3為短路點(diǎn),運(yùn)行三相短路計(jì)算,短路沖擊電流有效值分別顯示為29kA、25.4kA、20.6kA,實(shí)驗(yàn)表明短路點(diǎn)距離電網(wǎng)電源越遠(yuǎn),三相短路電流越小。因?yàn)榫嚯x電網(wǎng)電源越遠(yuǎn),短路點(diǎn)處的等效電抗越大,等效電源電壓恒定的情況下,短路電流就越小。
在短路計(jì)算中把電動(dòng)機(jī)負(fù)荷(或叫旋轉(zhuǎn)負(fù)荷)和照明加熱負(fù)荷(或叫靜止負(fù)荷)分開(kāi)考慮,它們分別對(duì)應(yīng)ETAP等效負(fù)荷里的100%恒容量模型和100%恒阻抗模型。通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)可以探索不同的負(fù)荷模型對(duì)短路電流的影響。將Lump2的負(fù)荷類型分別設(shè)為100%恒容量、50%恒容量(50%恒阻抗)和100%恒阻抗,運(yùn)行三相短路電流計(jì)算。運(yùn)行結(jié)果如圖3所示,Lump2在三種不同模式下對(duì)短路母線的貢獻(xiàn)電流分別為1.65kA、0.826kA、0kA,電動(dòng)機(jī)Mtr1的貢獻(xiàn)電流均為0.946kA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電動(dòng)機(jī)負(fù)荷有短路電流反饋,而照明加熱負(fù)荷(100%恒阻抗)沒(méi)有,并且隨著等效負(fù)荷恒容量百分?jǐn)?shù)的增大,反饋電流增加。
4 結(jié)語(yǔ)
在短路仿真實(shí)驗(yàn)中,ETAP顯示出其直觀方便準(zhǔn)確的特點(diǎn),學(xué)生可以投入更多的精力用于電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。論文給出了短路故障的具體仿真實(shí)驗(yàn)方法,以期在電力系統(tǒng)相關(guān)課程中實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào),互相補(bǔ)充,從而更好的提高教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。
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