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1、电力电子课程设计课题名称：单相变压器二次侧突然短路仿真分析院系：姓名：学号：班级：一一. 概述11.1. 背景介绍11.2. 设计目的11.3. 设计要求21.3.1. 设计所用方法21.3.2. 设计所得结果3二. 单相变压器短路仿真设计内容32.1. 单相变压器突发短路的过程32.1.1. 仿真电路62.1.2. 模块参数设置62.1.3. 仿真结果及分析82.2. 当负载为纯电阻时的状况102.2.1. 仿真电路102.2.2. 模块参数设置102.2.3. 仿真结果及分析112.3. 电路短路保护的仿真122.3.1. 仿真电路132.3.2. 模块参数设置：142.3.3. 仿真结果
2、及分析：14三. 总结163.1. 遇到的问题及解决163.2. 心得体会18四. 参考文献20概述1.1. 背景介绍当今世界，无论是发达国家还是发展中国家，都不同程度受到变压器安全的 困扰。今年夏天，全国先后有19个城市拉闸限电。在国外，美国8月14日的停 电事件导致10万多人陷入黑暗，一天停电损失高达300亿美元。随后，英国伦 敦也发生了大面积停电事件，数万人受到影响。持续不断的停电事件既影响了人 们的日常生活也降低了人们的生活质量。变压器是电网中的重要设备之一。虽配有避雷器、差动、接地等多重保护， 但由于内部结构复杂、电场及热场不均等诸多因素，事故率仍然很高。中国在上 个世纪70年代的1
3、0年中，110KV及以上变压器的年平均绝缘事故率约为17.66 台次，恶性事故重大损失也时有发生。变压器故障通常是伴随着电弧和放电以及剧烈燃烧而发生，随后电力设备即 发生短路或其他故障，轻则机器停转，照明设备熄灭，重则引发火灾造成人员伤 亡。因此确保变压器安全稳定运行受到了全世界的广泛关注。短路问题是电力技术方面的基本问题之一。在发电厂，变电站以及整个电力 系统的设计和运行工作中，都必须事先经行短路计算和仿真，以此作为合理选择 电气接线，选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体，确定限制短 路电流的措施，在电力系统中合理的配置各种继电保护并整定其参数等重要依 据。为此，掌握短路发生以后
4、的物理过程以及对短路过程的仿真分析是很有必要 的。1.2. 设计目的（1）熟悉变压器的原理。（2）巩固，加深，和扩大在本课程和先修课程学到的知识。（3）将变压器短路的过程用仿真的形式展现，进一步加深对电力系统故障的理 解。（3）通过课程设计，提高对短路后变压器电流的暂态变化的认知，加深对短路电流对电网造成冲击的理解。(4) 改进电路，尽量减少短路电流对电网冲击，研究如何保护运行中的变压器。(5) 初步认知并基本掌握Matlab中simulink的使用及调试方法。1.3.设计要求1.3.1. 设计所用方法在本次课程设计中，使用Matlab中的Simulink来对变压器短路的过程经行 仿真。出于简
5、化问题的考虑，变压器被设定为单相变压器。运用Simulink依次 对单相变压器带阻性和感性负载，单相变压器带阻性负载，单相变压器保护电路 经行仿真。仿真电路中各模块名称及提取路径如下表所示。模块名提取路径交流电源 AC Voltage SourceSimPowerSystems/Eletrical Sourses电力系统图形用户界面powerguiSimPowerSystems有效值测量模块RMSSimPowerSystems/ExtraLibraries/Measurements电流测量模块Current MeasurementSimPowerSystems/Measurements断路器模
6、块BreakerSimPowerSystems/Elements饱和变压器模 Saturable TransformerSimPowerSystems示波器模块ScopeSimulink/Commonly Used Blocks串联 RLC 支路 Series RLC BranchSimPowerSystems/Elements连续信号模块ConstantSimulink/Commonly Used Blocks关系算子(逻辑比较器)RelationalOperatorSimulink/Commonly Used Blocks保持器模块Zero-Order HoldSimulink/Discr
7、ete表1-1仿真电路中各模块名称及提取路径1.3.2. 设计所得结果能基本仿真出单相变压器短路电流变化过程，改进后的电路基本可以起到保 护作用。单相变压器短路仿真设计内容2.1. 单相变压器突发短路的过程File Edit View Simulation Foirmat Tools HelpD|弗日昌|需踏金4中#|少口|卜 |iao卫I坦垮团藤幽I 园底禽BreaksrlSaucibJe TransformerAC Voltage ScurceSeries RLC Branch图2-1变压器基本电路分析时做如下假设：（1）结果变压器绕组均折算到同一匝数，即N1 = N 2:（2）忽略励磁电
8、流，即I = 0；（3）当二次短路时，一次侧端电压u 为电感压降与电阻压降之和，即d；式（1）=U1 sin( t + a)=九一 + rk式中：L k为一次侧绕组漏感，L尸L + L厂2、或L = XL1，虹分别为一二次侧绕组自感，M 12为一二次侧间互感，X k为短路阻抗，xk = X1 + x，2。r k 为短路漏电阻 rk = ri + rr2设短路电流的稳态分量为f k，暂态分量为i k故有孔= k +， k通常，变压器在发生短路之前已带有负载。由于负载电流比短路电流小得多，故可忽略负载电流，或者认为短路是在空载情况下发生的，即t=0，, =0.根据这个 k起始条件，且认为r - L
9、k时，简化计算如下：令式中广0，则可求出暂态分量i人di”J k =i kJ- Lk.dtLk对上式两边积分得ln i = Lt + Ck Lki = ae-平kLk稳态分量可以从U = U im sin（t +以）求取sin（st +a -中） + （叫沪ksL,式中：中为短路阻抗角，厂rkk设I k为稳态短路电流值，则11kUm= U(2(咋 + S Lk )2)Zki:=必sin(wt + a 一中)因此：i i + i = % 21 sin(3t + a g ) + ae一k k k1kkLk当t=0时,i k =0,可得a J21ik sin(ag )i = 21 sin(3t +
10、以一中)一 sin(以一中)e-tJoL时，中浇90，代入上式，则得式（2）i =气 21 cosa e-L - cos(wt+a)由式（2）知，突然短路的电流变化情况也与短路发生时的初相位角有关（1）当a 90时发生短路，自由分量为0，即突然短路时短路电流立即进入稳 态。此时匕=1 sin w t（2）当a 0时发生短路，ik最大，即端电压在进过零值时发生突然短路，短 路电流的瞬时值在t =兀时达到最大I km即（Ikm = 1 ik（ e L 厂 cos ） = K 必1 ik式中：K为短路电流的最大值与稳态短路电流的幅值之比，K = 1 + eL： = 1 + e片，它主要取决于衰减系数
11、L （时间常数T的倒数， kT=0.03s 到 0.05s)Senes RLE Branchm=rtl图2-2负载为电阻电感的变压器短路仿真图q-dw口匚2.1.2. 模块参数设置 本电路变压器设置为simulink初始状态的元件，主要设置电源的参数，如图所示:图2-3突发短路时初相角的设置突发短路时的角可以在Phase中设置图2-4主边断路器为breakerl参数设置图2-5副边断路器参数设置负载的参数可以依不同的使用环境设置，本仿真中负载的参数设计为:Parget ersEr：di_Lc_L -te :Resist aiice (01_lftis):fioInduct arce (H);n
12、Set the initial inductor currentMeasurejneii.t s |None二|图2-6负载参数设置2.1.3 .仿真结果及分析 仿真结果如图所示(1)当a= 90。时发生短路，自由分量为0，即突然短路电流立即进入稳态， 图所示图2-7单相变压器在a =90。时突然短路一二次电流仿真波形(2)当a= 0。时发生短路，i上最大，即端电压在经过零值时发生突然短路，短 路电流的瞬时值在t =丸时达到最大值I k如图所示图2-8单相变压器在a = 0。时突然短路一二次电流仿真波形短路电流最大可能的瞬时值称为短路电流冲击值。冲击电流主要用于检验电 气设备和载流导体在短路电
13、流下的受力是否超过容许值，即所谓的动稳定度。从仿真图中可以看出电路短路后电流从一个较小的值增大到瞬时电流接近 一千甚至几万安。若是电网上的变压器发生这样的故障则会对电网造成极大的冲 击。不仅会造成电网其他用户电压不稳，用电的质量差，更重要的是短路后变压 器电流过大，可能会造成变压器的烧毁。2.2. 当负载为纯电阻时的状况由在负载为电阻电感时的分析结果知i = 21 sin（3/ + 以 _中）_ sin（以 _中）etJrrk y 1k1 kk Lk当负载为纯电阻时lJ艮小，如果对其理想化处理则Lk - ，则上式近似为ik = y/21ik sin（t + a）式（3）由式（3）知此时电流大小
14、与初相位角无关，电流的自由分量几乎为0,即短路电流立即进入稳态，电流随时间围绕0上下波动。仿真图如下2.2.1.仿真电路Breaer2图2-9单相变压器在负载为阻性时的仿真电路2.2.2. 模块参数设置电路的参数在初相角为0。与90。时波形基本相同。电阻的参数设置如图:图2-10突然发生短路时的初相角设置2.2.3 .仿真结果及分析电路短路电流的仿真结果如图:图2-11单相变压器在a = 0。时突然短路一二次电流仿真波形图2-12单相变压器在a = 90。时突然短路一二次电流仿真波形从仿真图上来看，由于变压器的短路电感几乎为0,但不可彻底消除，所以 电流有一个从暂态到稳态的过程，与理论分析基本
15、一致，仿真结果即可说明负载 为电阻时的电流变化状况。2.3. 电路短路保护的仿真从上面的仿真与分析均可看出，在短路时副边与原边的短路电流均较大，容 易烧毁变压器，因此如何保护变压器限制短路电流是很重要的。因此我在分析副 边短路的状况后，又继续分析了如何保护变压器不会因短路而烧坏。我用如下的 仿真电路模拟了一个类似继电器的保护装置。2.3.1.仿真电路Cordie ntRel-ationalOpEfaiixpcwerguiJont nuousRMS+Current MeasureBreakersEmentl图2-13改进电路的仿真图在原电路的基础上，我引入了一个可控开关Breaker3,起到控制
16、副边电路的 开关作用，它的控制信号由一个逻辑比较器Relational Operator提供，逻辑比较 器起到比较输入的两个信号大小的作用。图中上输入端的信号大小若大于等于下 面输入端的信号则逻辑比较器输出1，否则输出0。Breaker3初始状态为闭合， 输入控制信号1时断路器Breaker3闭合，否则断开。我用示波器Scope2来显示 控制信号的情况。逻辑比较器的两个信号分别来自于一个均匀等值信号，和一个 测量信号。该测量信号来自于副边电路的有效值，由于电流为交流电，不好比较， 故用RMS模块测取副边电流的有效值，再用一个保持器将短路变化的电流有效 值抽样与另一个常值信号比较，输出逻辑值。当
17、副边电路发生短路时，保持器抽样出的短路电流的有效值大于比较值，此 时逻辑比较器不再输出1信号，变为输出0信号。断路器Breaker3打开，副边 的短路边开路，使热量不足以烧毁变压器，保护了变压器。2.3.2. 模块参数设置：图2-14断路器Breaker3的参数设置图2-15保持器抽样的参数设置2.3.3. 仿真结果及分析：下图为示波器scope2的波形其大小反映控制信号的变化，在仿真图中可知 由于短路电流过大，使副边电流信号采样后，逻辑比较后控制信号也发生了变化。Scope 2图2-16示波器scope2的仿真波形图3-17短路电流仿真的结果为:图2-17短路电流波形仿真可以看出在取样5.5
18、时短路电流由较大的值变为0,也就是短路电路成功开 路，实现了对变压器的保护。由于仿真是基于负载为阻性的仿真，因此不再考虑 初相角对电路的影响。仿真设计的变压器保护电路在本质上是继电器。即电流在正常的工作区间内 不会使变压器副边开路，而在副边短路时电流较大，拉动电磁继电器将副边电路 断开从而起到较好的保护作用，如图2-18所示。图2-18继电保护器模型三.总结3.1. 遇到的问题及解决在本次电力电子课程设计中，我主要研究了变压器副边突然短路后副边电流 的变化过程，并对电路经行了防短路的改进。我的课题看似简单，但在研究课题 的过程中我还是遇到了很多的问题。（1）对知识的认识不够在研究短路电流的暂态
19、过程中，由于我们一般分析变压器是通过变压器的等 效电路图来处理的。分析变压器过程中交变的量时，均是用相量表示的。这在处 理稳定运行的变压器来说是很方便的，但对于我的课题即分析一个暂态过程来说 较为困难，必须要借助时域微分方程来研究。因此在设计期间，我提高了自己处 理微分方程方面的能力，借助资料上关于变压器暂态过程的分析，才基本解决了 变压器短路暂态过程的理解问题。（2）对软件一无所知刚接到课程设计时对仿真的软件根本一无所知，由于必须要用到该软件所以 我就拿出相当多的时间花在学习软件上面。由于Matlb是全英文的，查找的帮助 也完全是英文的，所以在元件的一些认识上是存在问题的。有时连线怎么都不正
20、 确，我就自己实验，一个元件一个元件测试所需元件的参数含义。这主要可能还 是自己在电路方面学的不够好所致，但通过亲自测试元件，我对元件的理解更深 了。（3）运用资料的能力不足做本次的课程设计需要查找大量相关的资料，然而作为一个大学生我竟然发 现自己根本就不会查资料。由于高中的时候从未培养过查资料的能力，大学头一 年也是循规蹈矩几乎像高中一样上过来的到大二快要大三了发现自己在众多的 资料面前毫无目的，不能有效的查找和利用所需资料。这是个信息爆炸的时代， 我们不可能掌握所有的知识，但我们有可能会用到一些自己完全不熟悉的内容， 这要求我们必须学会查资料，必须会有效的利用资源。对于这个问题，我采用分
21、类查找的方式，在图书馆主要查找电气方面的书籍，着力突破电路方面的问题， 在网上则着力学习软件的使用，突破软件的瓶颈。同时有些自己实在看不懂的就 自己实验，不断测试来了解对应元件的性能。通过这种方式我才基本解决我的资 料的问题。（4）改进电路的问题本来我的课程设计的计划是只分析变压器短路的电流过程的，改进电路未在 我的计划之中，但是一步步实践课程设计后发现这是变压器设计中必须要解决的 问题，如何在短路故障发生之后断开短路电路。当时是想到了继电器，可是继电 器模块自己怎么连都连不对。无奈之际，我想到了借鉴数电控制的方法，利用数 电元件将开关变为一个可控开关，再找一个检测电路将副边电流检测后输出一个
22、 控制信号。由于电路中的量均为交变的，直接比则逻辑开关会开关好多次，这在 现实中是不可能的，必须要有一种可以检测瞬时的电路状况的电路，又由于检测 的有可能是正是负，不好比较，因此我用了 RMS模块，即有效值计算模块，这 样就可以输出一个正值有利于比较，对电路的保护改进也就基本实现了。3.2.心得体会几周的课程设计基本结束了，在这次的课程设计中我不仅提高了自己对变压 器短路情况的认识，学习了 simulink这么强大的工具，更重要的是我收获了许多 精神上的成就，培养了在困难面前永不服输，勇于面对问题，善于解决问题的能 力。在设计过程中，我学会了查找资料，学会了测验元件，学会了独立解决问题。 这些
23、都令我的能力有了实实在在的提升。课程设计是我们所学课程知识综合应用的实践训练，是对能力的检验，也是 对能力的提升。在课程设计之前，我确实花了时间去思考朝哪方面选题。由于我 们所学的知识并不是很多，所以我就退而求其次不找一些看起来高大上，较偏较 难的内容而是选择离生活较近，在我们身边的事物或现象。于是我就选择了变压 器短路的仿真设计，但当自己真正去做的时候，却发现并不容易。这一段面对挫 折与困难独立解决与前进的历程将会是我生命中的宝贵财富。我觉得我的以下能力有了显著提高（1）独立思考的能力在课程设计中我遇到了各种各样的问题，这些问题都是我以前没有处理过 的。由于周围的同学也都在自己做自己的课程设
24、计，所以我就不得不独自去思考 该如何解决问题。我会独立的查找资料，分析自己需要的内容，这不同于我从小 到大接触的所谓的填鸭教育，我成了学习的核心，我去独立的思考问题的解决而 不是坐等老师的标准答案，我去判断取舍而不是别人的“慷慨”指导。走过课程 设计这段路程才会发现，自己也还是可以解决一些问题的，独立思考后的成果自 己的印象最深，理解最为深刻。（2）独立解决问题的能力由于被迫独立的思考，我也就只能独立的解决问题。软件的帮助全是英文的， 自己看不懂就只能一条一条的从网上翻译；元件的参数找不到，我只能一个元件 一个元件挨个独立测试，哪个元件适合在哪种场合使用，到现在我也初步掌握。 元件的调试，参数
25、的调整等等。通过这种方式训练出来的独立解决问题的能力将 使我收益终生。（3）吃苦的能力在完成课程设计的日子里，熬夜到晚上1, 2点是常有的事。晚上为了测试 一个元件的电气性能，元件信号的控制方法，我可能会实验数十次才能大致掌握 这种元件是怎么使用的。那段挥汗如雨时光固然辛苦，但我专注于自己的任务并 享受其中的感觉是无法形容的。（4）个人成就感与自信心当自己终于将仿真图像完完整整的搞出来时，内心真的是激动的。就像是自 己亲手创造了一件了不起的奇迹，虽然它可能看上去，粗糙的，杂乱的，甚至是 错误的，但只要是自己独立创作出的就弥足珍贵。由此而产生的个人成就感与自 信，自豪感对我来说才是最为宝贵的。在
26、这次设计过程中，我对自己有了更深的认识。我明白了万事开头难，高山 不去攀登就是一道坎，自己不去做什么都是难的。当自己真的去做了，刚开始会 觉的很难，感觉毫无头绪，困难重重。但只要坚韧不拔的走下去，坚持下去就会 有所收获，慢慢地开始有了思路，逐渐逐渐的看到了情况的转机。坚持就是胜利 在课程设计中无疑再次得到了验证，只要坚持下去就会有所收获。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里， 可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前 所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设 计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论
27、知识是远远不够的，只有 把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可 以说得是困难重重，但可喜的是最终都基本得到了解决。由于本人的能力有限，在课程设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教， 我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。四.参考文献1. 李朝生，廖德利.电机与电力电子实验及仿真指导书.北京：中国电力出版社.2012 年2. 于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真.北京：机械工业出版 社.2014年3. 裴云庆，卓放，王兆安.电力电子技术学习指导习题集及仿真.北京：机械工业 出版社.2015年4. 李玉庆，陈振华.输电线过电流的保护的仿真分析A.SILICON VALLEY，2013,24 （144）： 5151
