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短路电流范文1
Abstract: with the power transformer and generator capacity increases day by day, so the corresponding fault current difficulty increases, the electric power system short circuit current restrictions do a comprehensive discussion.
Key words: electric power system; Short circuit current; limit
中图分类号：TM715文献标识码：A 文章编号：
随着我国电网规模的快速增加，使短路电流不断升高，已严重影响到电网的安全运行，这也成为制约电网发展的重要因素。有预计指出，三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达300kA。因此，限制短路电流是电气工程设计者在发电厂和变电站设计中经常遇到和需要解决的技术问题。
1短路电流及其危害
1.1短路电流定义
短路电流是电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接 （即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10~15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。
1.2短路电流的危害
1）短路电流增大，断路器、隔离开关、电流互感器等串接设备以及母线等设备需要承担大电流冲击，故必须选择大容量设备，且输电线路也必须要大容量，这就造成设备投资大大增加。2）由于短路电流增大，系统单相接地短路电流也随之增大，这也造成了对通信线路电磁感应危害的增加。同时也造成铁塔附近接触电压和跨步电压的增加，危害人畜生命安全。3）短路电流增加，架空导线的温度也会上升，造成线夹部分过热 ，同时也使架空线路故障点损伤加剧，如绝缘子破损、导线熔断等问题。
所以，在电气工程设计中，限制短路电流的目的主要是：①保证导体和电气设备的安全运行，从而保证电网安全、可靠地抢送电能：②使用轻型廉价电器，降低工程投资。
2限制短路电流的方法
2.1从电网结构层面限制短电流水平
1）规划电网结构要合理：控制电流的基本措施就是对电网的结构进行合理规划。电网的发展历史从某种意义上来说，也是低电压等级合理分区、电压等级不断升高的过程。在超高压电网形成了坚强的网架后，就为500kV电网的结构优化、分区运行创造了良好的条件 ，对限制电网短路电流起若十分重要的作用 。
2）发展直流输电：换流变压器、直流输电线路、换流器等各种直流设备组成了直流输电系统。调节直流输电系统的基本方式就是定电流调节，通过控制换流器触发相位，可以实现直流输电系统的快速调节，自动将电流保持为定值，从而避免了直流电网安全运行受到直流电流剧烈变化的影响。用直流输电或者崩直流联网对交流系统分，把电嘲分成儿个相对独立的交流系统，以避免系统间短路电流的互相注入，从而对交流电网的短路电流起到一定的控制作用。
3）电源接入系统方式进行合理规划：存选择电源接入点时，要考虑其会对系统短路电流水平产生影响，要留一定的空间给电网短路电流。一般发电厂比较适合用单元式方式进行系统接入，大电厂之间最好不要有直接联络线，也不适合串存环网中运行。500kV电网在发展的初期，比较适合将新建的较大容量机组直接接入，对于降低220kV电力系统的短路电流水平是非常有利的。而500kV主网架进一步发展，短路电流水平也随之升高，这时可以考虑将电源均衡接入220kV以及500kV系统 。
4）提高配电网电压等级：现在我国很多地：都是把10kV电来作为配电网电压等级，其在过去电力负荷与建设发展的过程中起到了重要的作用，但是现存已经不适应现代电网的发展。部分地区已经开始推广35kV或者20kV为配电网的电压等级。城市用电负荷越来越大，电力系统中大量的220kV直变10kV的变压器发展也越来越迅速。以240MVA变压器为例，如果采用一定的限制措施，会导致这些变压器10kV侧的短路 电流超过25kA，存实际工作中限制短路电流就要在主变低压侧增加限流电抗器，或者采用 高阻抗变压器等措施。如果把城市网的电压等级提高到20kV，如果变压器短路阻抗相同，那么低压侧短路电流会大量减少，进而有效的抑制电网的短路电流，限制电抗器的使用和限制电网中的高阻抗变压器，最终节省变电站的建设投资，降低电网耗损。
以某个220kV的变电站为例，220kV侧母线三相短路电流是35kV，主变容量为 180MVA，低压侧电压选用20kV或者10kV时，如果要把短路电流限制到20kV，则变压器高低短路阻抗的选用值可以参看表1：
表1：变压器高低短路阻抗选用值
正如上表所示，如果低压侧采用电压等级是10kV，变电站就要用高阻抗变压，如果采用20kV电压，那么普通阻抗变压器就可以，从而减少了变压器的投资。
2.2从变电站层面限制短路电流水平
1）母线分列运行：打开母线的分段开关让变压器分列运行，可以有效的增大系统阻抗，从而降低短路电流水平。这种方法对于变电站中10KV、35kV、110kV侧母线部已经普遍使用。但是如果在超高压电网，比如500kV侧采用该方案，则会削弱系统电气联系，从而降低电网运行的灵活性和安全程度。
2）高阻抗设备：在电网的主要矛盾不是暂态稳态的时候，控制短路电流以采取提高设备的阻抗值来实现，但这要从变电、发电等各个环节同时采取措施，才能获得好的效果。短路电流产生的源头是发电设备，接入电网可以通过采用升压变、高阻抗发电机以及采用单元制线等方法，从而进行短路电流水平的有效控制。但这种方法对于送电的可靠性无法保证，对于电厂调压也有不利的影响。电力系统中最重要的动态无功电就是就是电厂无功，它在电压稳定事故中起到电压支撑的作用，如果增加电厂接入系统阻抗值，就会削减这个功能。
3）普通限流电抗器：普通串联电抗器是把一个固定阻值电抗器串联入电网，相对来说是属于比较传统的限流技术，虽然运行方法安全可靠、简单便捷，但对于电力系统的潮流分布、系统的稳定性会有一定的影响，增加了无功损耗。串联电抗器通常都安装在线路接入处或者母线联络处。不过目前在国内，中低压电网中应用不可控串联电抗器的情况较多，而在超高电压电网中的应用还不多。
4）高遮断容量的开关设备：用遮断容量更大的设备更换现有配套电气和断路器设备，对于短路电流过大来说是相对直接的办法。我国220kV或者500kV电网中已经较为普遍的使朋50kA设备，63kA设备的应加也比较多。不过该设备的价格比较高。
5）大容量高速开关：现在有些厂家已经研制出了高压限流熔断器、高吸能氧化锌电阻与爆炸式快速开断载流桥体结合的大容量新型高速开关装置（FSR），这种新型装置有诸多优点，比如开断速度快、断流能力强、额定电流大等，它也可以和断路器串联作短路开断设备，如图1所示。也可以和电抗器并联，将电抗器在正常运行时进行短接，短路时高速开关装置 （FSR）断开，再投入电抗器以限制短路电流。新型的高速开关装置在10k发以下相对较低电压等级的用户工程或者小型电厂中应用较多，不过这种装置也有着不足，比如它是要靠炸药的爆破断开装置中的载流桥体，而炸药都是一次性的，不能检测，如果长时间运行后，炸药有可能会因受潮变质，无法及时爆破。并且国家在运行维护和检测中还有没针对该新型产品的标准出台，不能依据相应的标准对产品进行维护及验收。
图1：FSR和断路器串联电路图
5）新型短路电流限制器：固态故障电流限制器以及超导故障电流限制器都有特别的限流特性，可以提高电网运行以及输电线路的整体控制能力，相对比较具有发展前景。不过目前的超导故障限流器在直流领域中应用较多，并没有在交流领域大规模应用。固态故障电流 限制器采用的是电力电子元件，其优点是允许动作次数多、动作速度快，可以有效的限制短 路电流暂态峰值，但电子元件容量也相对较低，在应用于大电流或者高电压场合时，就要将 多个元件串并联，成本高、可靠性低、制造难度大。
3结束语
总体上看，提高电网的短路电流水平是一个长期而且复杂的过程，要把短路电流的控制问题落实到规划阶段，在规划中综合考虑电网和电源的建设和发展；同时结合目前的电力市场改革，研究实施短路电流市场化的方案，并积极推进与有关高校、科研院所合作共同研制新的限制短路电流的设备。
参考文献：
[1]高凯平．限制短路电流的方法[J]．电力安全技术 2000，(3).
[2]黄煌，李群炬．京津唐电网限制短路电流问题探讨[J]，华北电力技术，2007．
短路电流范文2
在道路照明配电中，由于配电线路较长，配电线路零序阻抗较大，单相接地（零）短路电流相对较小。为了计算低压配电系统的单相接地（零）电流，需要利用不对称短路电流的计算方法。不对称短路电流可利用计算三相短路的原则进行计算。因为电压的对称分量与相应的电流对称分量成正比，因此在正序、负序和零序分量中，都能独立地满足欧姆定律和克希荷夫定律。正序、负序和零序电流也只产生相应地正序、负序和零序电压降，利用这一个重要的性质，可以用电工学中对称分量法分析在对称电路中所产生的各种不对称短路。
单相接地（零）短路电流的计算
不对称短路时，由于距发电机的电气距离很远 ，降压变压器容量与发电机电源容量相比甚小，因此，可假定正序阻抗约等于负序阻抗。单相接地（零）短路电流按下式计算：
式中Up平均线电压（V）R0Σ，X0Σ，Z0Σ配电网络的总零序电阻，总零序电抗，总零序阻抗。R1Σ，X1Σ，Z1Σ配电网络的总正序电阻，总正序电抗，总正序阻抗。
电路中主要元件阻抗
1、电力系统正序电抗的计算 在计算低压电力网络短路时，有时需要计入系统电抗XX，如果系统电抗不知，只有原线圈方面的短路容量或高压短路器的额定容量Sdn（MVA）时，则系统正序电抗可近似地按下式计算： 式中 Uj=Up平均线电压（V）Sdn原线圈方面的短路容量或高压短路器的额定容量（KVA）。
2、变压器阻抗的计算
变压器的正序电阻：
变压器的正序电抗：式中ΔPd 变压器短路损耗（kW）Ue 变压器二次侧额定电压（V）Se 变压器额定容量（KVA）Ud% 变压器阻抗电压百分比，变压器的零序电抗是与其本身结构和绕组的接法有关。目前不少厂家生产的Dyn11结线变压器比Yyn0结线变压器零序阻抗小，二次侧短路电流大，可提高一次侧过电流保护兼作二次侧单相接地保护的灵敏性。故建议使用Dyn11结线变压器，变压器的零序电阻，零序电抗的取值计算如下：R0＝RⅠ＋RⅡ＝R1
X0＝X1＋XⅡ=X1 式中 R0，X0 变压器的零序电阻，零序电抗。RⅠ，X1变压器的一次绕组电阻，漏电抗。RⅡ，XⅡ变压器的二次绕组电阻，漏电抗。R1，X1变压器的正序电阻，正序电抗。
3、推导参见机械工业版社出版的高等学校教材《工厂供电》。铜、铝母线电阻电抗的计算（矩 形截面母线各相在同一平面内）
自动开关的选择
1、自动开关额定电流的确定 一千米路灯数量为14盏，高压钠灯功率因数为0.45.道路照明计算电流：
Iez≥Ijs 取Iez=100A
2、自动开关长延时动作的过电流热脱扣器额定电流的确定IZd1≥KzlIjs=1×23=23A 取脱扣器额定电流为It.e=25A
照明用自动开关长延时脱扣
器对高压钠灯的计算系数取1.参见《工厂配电设计手册》第一版表11－21.
3、自动开关瞬时动作的过电流脱扣器的确定Izd3≥Kz3Ijs=6×23=138A 取 LZd3=150A，照明用自动开关瞬时脱扣器对高压钠灯的计算系数取6.参见《工厂配电设计手册》第一版表11－21.
4、按短路电流校验自动开关动作灵敏性自动开关动作系数取1.5时，灵敏性远远达不到要求。
用自动开关动作系数及短路电流确定自动开关瞬时脱扣器整定倍数值由于单相接地电流较小，现有的热磁式自动开关瞬时过电流脱扣器的整定电流值最小为3倍脱扣器额定电流，一般较难满足灵敏性的要求。如用过电流长延时脱扣器做后备保护，容易使电缆长时间过电流，轻则烧毁电缆，重则引起火灾。由于道路配电属于单相配电，即使配电中尽量使三相平衡，零序电流仍较大，也不能使用另加零序保护装置的措施。按“JB1284－73”的规定，非选择型配电用自动开关的瞬时过电流脱扣器的整定电流值为10倍脱扣器额定电流（可调式为3～10倍），只具有瞬时过电流脱扣器的自动开关，其脱扣器整定电流值为1～3倍或3～8倍脱扣器额定电流。遗憾的是，至今尚未查到如上面规定提到的只具有瞬时过电流脱扣器的热磁式自动开关产品，包括像ABB，Schneider，Moeller等国外大公司也无此类产品。目前解决这个问题的办法：
1、加大电缆截面，降低配电线路的零序电阻和电抗，一般道路照明设计中，线路电压降都能满足规范要求，在不影响投资和施工难度的情况下，这不失为一个好办法。
2、使用电子式脱扣器，其保护短路时磁脱扣可最小做到1.5倍脱扣器额定电流。能满足保护要求。 由于本人才疏学浅，所述问题不够深入，愿与广大电气设计同仁一同探讨，同时希望引起低压厂商的注意，能生产出更多适用于各类特殊场合的产品来。于各类特殊场合的产品来。定电流值为1～3倍或3～8倍脱扣器额定电流。
遗憾的是，至今尚未查到如上面规定提到的只具有瞬时过电流脱扣器的热磁式自动开关产品，包括像ABB，Schneider，Moeller等国外大公司也无此类产品。
目前解决这个问题的办法：
1、加大电缆截面，降低配电线路的零序电阻和电抗，一般道路照明设计中，线路电压降都能满足规范要求，在不影响投资和施工难度的情况下，这不失为一个好办法。
2、使用电子式脱扣器，其保护短路时磁脱扣可最小做到1.5倍脱扣器额定电流。
能满足保护要求。 由于本人才疏学浅，所述问题不够深入，愿与广大电气设计同仁一同探讨，同时希望引起低压厂商的注意，能生产出更多适用于各类特殊场合的产品来。于各类特殊场合的产品来。定电流值为1～3倍或3～8倍脱扣器额定电流。遗憾的是，至今尚未查到如上面规定提到的只具有瞬时过电流脱扣器的热磁式自动开关产品，包括像ABB，Schneider，Moeller等国外大公司也无此类产品。目前解决这个问题的办法：
短路电流范文3
关键词：电流互感器；抗饱和；故障
中图分类号：TM452
近期，南方电网连续发生了多起故障时电流互感器饱和事件中，有的暴露出一次短路电流大于或接近(达到80%)电流互感器额定准确限值一次电流，在暂态分量影响下迅速饱和的问题。为了防范电流互感器饱和带来的运行风险，对电流互感器抗饱和电流互感器设计将是一项重要的课题。
1电流互感器的原理
电流互感器的一次、二次绕组采用减极性标注接法，如图1所示。
一次电流； 二次电流； 一次绕组匝数； 二次绕组匝数； 负荷阻抗
图1：电流互感器原理
当电流 流过互感器的一次绕组时，建立一次磁动势， 与一次绕组匝数 的乘积就是一次磁动势，也称一次安匝。一次磁动势分为2部分，其中一小部分用来励磁，使铁心中产生磁通，其余大部分用来平衡二次磁动势。二次磁动势也称二次安匝，是二次电流 与二次绕组 的乘积。用以励磁的叫励磁磁动势，也叫励磁安匝，是 与一次绕组的乘积。电流互感器的磁动势平衡方程式如下
，（1）
或者写成。（2）
忽略很小的励磁安匝
，（3）
，（4）
（5）
式中，为匝数比。
电流互感器的等值电路如图2所示。
二次感应电动势； 二次负荷电压； 一次电流； 二次全电流； 二次电流； 励磁电流； 一次匝数； 二次匝数； 匝数比； 二次绕组电抗（低漏磁互感器可以忽略）； 二次绕组电阻； 二次负荷阻抗（包括二次设备及连接导线）； 励磁阻抗
图2电流互感器的等值电路
2一次短路电流计算
如图3所示，一次侧短路等效电路，短路一次电流瞬时值如下
（6）
式中： ， 分别为系统等值电抗、电阻； ； 为短路初始时( )电压的相角，为短路电流的偏移度。
令 ，（7）
（8）
式中： 为短路电流稳态值的有效值； 为系统的一次时间常数。
考虑 ，则式(6)可表示为
。（9）
式(9)中， 包括交流分量和按 衰减的非周期分量(或称为直流分量)2部分，当 时， 2部分幅值相等，即短路电流100%偏移，如图3、图4所示。
图3 短路等效电路
图4 100%偏移电流波形
3.励磁电流及二次电流
电流互感器的基本关系式为
（10）
（11）
式中： 为励磁电流； 为二次电流； 为励磁阻抗(假设为纯电感)； ，对低漏磁电流互感器，漏电感 可忽略； 。
设 ， ， ，
由式(10)及式(11)消去Is，可得
（12）
用拉式变换将式(12)变为
（13）
将式(9)变为象函数代入式(13)，得
（14）
将其展开并求系数。设 ，可得 （15）
考虑到 ， ，δ≈π/2。设二次负荷为纯电阻负荷并忽略电流互感器二次绕组漏抗，则 ，β=0，cosβ=1，上式可近似为 （16）
由式(10)求得二次电流为
(17)
根据式(17)，励磁电流可分为以下几个分量：
(1)：式(17)中最右边一项为正弦形周期性强制分量，相当于稳态短路电流的励磁电流。
(2)：右边第3项为非周期自由分量1，它补偿短路初始时周期分量与初始励磁电流的差值。该量按二次回路时间常数 衰减。
(3)：右边第1项为励磁电流非周期强制分量，按一次电流时间常数 衰减。
(4)：右边第2项为非周期自由分量2，它补偿短路初始时非周期分量初始值。该量按第二次回路时间常数 衰减。
(5)：非周期分量(2)、(3)、(4)之和。
在短路起始角度θ很小时，第(3)、第(4)项非周期分量绝对值很大，尽管短路开始时符号相反，互相抵消，但因衰减时间常数不同，可能出现很大非周期分量励磁电流。
4.解决电流互感器饱和问题的方法
4.1选型要求
4.1.1材料的选型
适合工频使用的磁性材料有玻膜合金、纳米微晶、非晶、硅钢，它们的饱和磁感应强度分别是0. 7， 1. 2，1. 5， 1. 9T。因此，从缩小体积来看，以选用硅钢为好;同时，在选择牌号上，应选用低剩磁牌号的。玻膜合金、纳米微晶由于有较高的磁导率、较小的励磁电流，在不抗饱和的CT中普遍采用。
4.1.2结构的选型
非周期性分量消失后，会在磁芯上产生一定的剩磁。由于正常工作时磁通密度很小，剩磁量是无法退掉的，所以，最好选择Ei结构的磁芯，它总是会有一点气隙，剩磁可以降低很多。在二次CT中，通常不考虑开气隙，主要是制作困难，一致性差。在不抗饱和的CT中，通常选择环形结构，主要是它的漏磁小、磁路短，制作出的互感器精度高。
4.2减小二次阻抗值
4.2.1.缩短二次电缆接线长度
CT的主要负载是二次电缆的阻抗，所以在安装继电保护装置时应选择就地安装，缩短二次电缆的接线长度，达到减小CT负担的目的，有效地避免饱和。但是就地安装继电保护装置对自身装置的性能具有较高要求，要具备在恶劣气候环境下运行的能力和抗强电磁干扰的性能。就地安装还能简化二次回路，提高供电的稳定性。
4.2.2.减少CT的二次额定电流
由于功率与电流的平方成正比，当CT的二次额定电流降低时，在负载阻抗不变的情况下，二次回路功率就会成倍降低，这样CT就不容易产生饱和。同时，还可以选用一次电流倍数高和额定容量大的互感器，也能达到减小二次阻抗值的目的。
4.3采取措施限制短路电流
引起CT饱和的一个重要因素就是短路电流的幅值，换句话说，限制短路电流就可以在一定程度上避免CT出现饱和。比如，可以在电力系统中较高一级的电压等级中采取分列运行的方式来限制短路电流的幅值。但是分列运行会造成供电稳定性降低，这一弊端可以通过备用电源自动投入的方式来改善。在新建的电力系统中可以采取串联电抗器的方式来控制短路电流过大。
4.4选用具有抗CT饱和能力的继电保护装置
影响CT暂态特性的原因是一次电流叠加了一个非周期分量，而该非周期性分量的大小及衰减速度决定了CT需增加一定数量的磁通量来抵消这分量。由于现场的故障电流是随机、变化的，因此，在设计二次CT时须考虑最严酷的情况，在暂态20倍或30， 40倍时，非周期性分量100%全偏，时间常数120ms或更长的条件下，CT也能满足要求。
以前针对装置电流互感器的抗非周期分量的能力不强采取了很多措施，如增加了很多辅助判据和辅助算法，增加了CPU的工作量也降低了保护的可靠性。采用了新设计的二次CT后，保护装置抗饱和能力增强了，简化了软件的设计，提高了装置的效率和可靠性，经过动模测试和工程应用效果都是很好的。
5.结论
经过了以上的措施改进以后，保护装置电流互感器的抗饱和能力得到了大大的增强，因此，一定要根据具体情况采用相应的措施来防止CT产生饱和现象，确保继电保护装置动作的正确性，有利于提高供电质量，为分析电力系统事故提供可靠的依据。
参考文献：
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[5]能源部西北电力设计院编. 电力工程电气设计手册电气一次部分，中国电力出版社2009
短路电流范文4
关键词：变流器；短路电流；计算方法；继电保护
中图分类号：TM744 文献标志码：A 文章编号：0253-987X（2015）04-0024-08
通过对电力元件的控制，实现电能生产环节的自动化、智能化是电网运行者不变的追求。要想实现这一目标，必须对电力元件进行调节和控制。随着现代科学技术的不断发展和提高，为实现电力元件的可控性，电力电子器件在发电、输电、配电以及用电环节广泛使用。电力电子器件在电力系统中的应用主要有以下几个方面。
（1）新能源与分布式发电。随着化石能源的枯竭，新能源发电的重要性越来越突出，当前大规模并网运行的主要是风力发电和光伏发电，这两者均无法直接并网，需要经过变流器变换后方可馈入交流电网。
（2）直流以及交直流混合输电。无论高压直流输电、柔性直流输电还是交直流混合输电，都是通过变流器实现电能的交直与直交变换。研究变流器的动态特性，有助于提高输电线路保护的可靠性。
（3）柔流输电。输电网的柔流输电与配电网的柔流输电都大量采用电力电子器件，研究电力电子器件的调节特性，可以更好地实现对电力系统的调节与控制。
新能源发电以及直流输电、交直流混合输电是目前电力系统发展的重要方向，风机、光伏电源、换流器等作为一类含变流器的电力元件是其重要的组成部分，而变流器是该类电力元件中应用最广泛的电力电子设备。变流器是一类由电力电子器件及其控制驱动电路组成的电力设备，可以实现对电能的变换、调节和控制，在智能电网中具有重要应用。智能电网要更好地发展，必须对含变流器电力元件的特性进行研究分析。
继电保护是电网安全运行的第一道防线，对快速切除故障、迅速恢复供电、提高供电连续性、减少设备损坏等具有重要作用。故障特征分析是继电保护研究的前提和基础，其关键问题在于研究电源输出短路电流的暂态变化特性。传统电力系统是由同步机和输电线路构成的线性网络，电源的响应特性较明确，短路电流易于计算分析。随着新能源发电以及直流输电技术的发展，电力电子器件大量应用于电力系统，电网不再只含单一类型的电源。含变流器电力元件作为一种新的电源形式被引人系统，受变流器特性影响，其输出特性明显不同于同步机，使得系统表现出许多异于传统电网的故障特征。为了更好地分析含变流器系统的故障特征，给今后新型电力系统继电保护整定计算提供依据，有必要研究含变流器电力元件故障过程中输出短路电流的理论分析与计算方法。
由于频带宽度的限制，互感器对一次系统中的高次谐波具有一定的滤波作用，电网的二次侧一般只能获取系统电流的低频分量。虽然目前已经提出许多基于暂态量的保护新原理，但当前现场广泛应用的继电保护原理仍旧主要关注系统故障过程中工频电气量的变化规律。因此，从理论上分析含变流器电力元件输出的工频响应特性，得到其短路电流中工频分量在故障暂态的变化规律，对电力系统继电保护分析及整定计算意义重大。
短路电流范文5
（1.渤海大学工学院，辽宁锦州121000；2.中国民航大学航空自动化学院，天津300300）
摘要：针对凸极同步发电机发生匝间短路故障时谐波电流检测问题，提出一种新的基于Duffing混沌系统的检测方法。该方法首先通过多回路分析理论建立凸极同步发电机数学仿真模型，给出故障谐波电流仿真信号，然后利用Duffing系统灵敏的弱信号检测特性，通过识别Duffing系统由混沌状态到大尺度周期状态的转换过程来确定故障谐波电流的存在。仿真计算结果表明Duffing混沌系统可以检测出谐波电流，检测方法是有效的。
关键词 ：Duffing系统；凸极同步发电机；匝间短路；谐波电流；故障检测
中图分类号：TN707?34；TM622 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0158?05
收稿日期：2015?02?29
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51277011）
0 引言
定子绕组内部故障是同步发电机常见的破坏性故障之一。内部故障的短路电流既会产生附加电磁力，对电机绕组具有机械破坏性，也会烧毁绕组和铁心。定子绕组短路电流可以产生极大的非同步磁场，对转子造成损伤。当同步发电机定子绕组内部故障时，电机会产生大量谐波电流和谐波磁场，谐波的存在使得研究电机电气参数时常用的对称分量法不能使用，理想电机模型也不再适用。而将相绕组作为一个整体来计算参数的相坐标法也因为内部故障时的相绕组不再是一个整体而不能使用。目前关于同步发电机内部故障时电气参数的研究，普遍采用多回路分析法[1?3]。
通过检测故障电机相电流中的正弦谐波信号可以估计电机中故障的存在，在众多的正弦信号检测方法中，新的Duffing 混沌系统检测方法具有探索意义，文献[4?7]表明，Duffing系统对正弦信号检测具有较高的检测灵敏度和较低的检测信噪比。本文运用Duffing系统对同步发电机匝间短路故障时的故障电流参数进行了有效检测。
1 多回路分析法建立同步电机数学模型
在文献[8?9]研究的基础上，本文采用多回路分析法对凸极同步发电机定子绕组内部故障建立数学模型。多回路分析法实际上就是采用回路电流法建立回路电压方程，在电机回路方程列写中参数主要包括相支路自感和互感、相支路电阻；励磁支路自感和互感，励磁支路电阻；负载支路自感和电阻等。
（1）定子支路方程。支路电压列写原则是对每个未发生内部短路的绕组分支列写一个支路电压方程。对发生绕组内部短路分支，从短路点开始把该分支分成2 个支路。设凸极同步发电机定子每相并联支路数为a ，相数为m ，无故障时，定子内部支路总数为N = ma ；当发生同分支匝间短路时N = ma + 1 ；当发生不同分支间短路时N = ma + 2 。以支路电流为未知量，电机任一支路Q 的微分方程为：
式中：iS ,iQ ,ifd 分别为定子S 支路，Q 支路电流，励磁回路电流；MQ,S 为定子S 支路和Q 支路的互感系数；rQ 为Q 支路电阻。
定子负载侧电压方程为：
式中：rT ，LT 分别为折算电阻和电感，uA′ ，uB′ ，uC′ 为电网相电压。
（2）转子回路方程。励磁回路电压方程为:
式中：MS,fd 为定子S 回路与励磁回路的互感系数；Lfd为励磁回路的自感系数；rfd 为励磁回路电阻。
定、转子电压方程写成矩阵形式为:
将式（4）简记为：
式中：U 、I 为支路电压和电流；R 为支路电阻；矩阵L 是时变的，定子与转子各电压方程都是时变系数的微分方程。
（3）回路状态方程的建立。以上定子电压方程是支路电压，可以采用回路电压方程求解支路电流，无故障时定子回路如图1所示。按无故障定子回路图可得回路变换阵：
将式（6）左乘式（5）得：
式中：
式中：I′ 是定、转子回路电流。
将式（8）代入式（7）得：
对式（9）进行变换，得同步发电机多回路数学模型为：
当发电机发生同一支路内的匝间短路时，回路的选取如图2所示，这时回路的转换矩阵为：
2 定子绕组回路参数
回路电感系数的计算是分析同步电机定子绕组内部故障的关键，其确定公式如下：
（1）定子回路电感
凸极同步电机定子绕组自感为：
（2）转子回路电感
转子回路的电感系数是与转子位置无关的常数。励磁绕组的电感系数由2部分组成，即：
式中：Lfdδ 为励磁绕组的自感系数；Lfdl 为励磁绕组端部漏磁系数；wfd 为每极上励磁绕组的匝数。
（3）定子不同相并联支路间的互感系数
如果参考轴取为定子第0号线圈轴线，设该轴线与转子轴线的电角度为θ ，那么A相第m 极下第i 号线圈轴线的电角度可以取为(m - 1)π + iθ ，B相第n 极下第j号线圈轴线的电角度可以取为(n - 1)π + jθ ，则Q1 ，Q2两条支路间的互感系数为：
3 凸极同步电机内部故障仿真及检测研究
（1）凸极同步电机内部故障仿真
由本文第三部分确定了多回路参数后，可以采用龙格库塔法对式（10）进行求解，并确定定、转子各电流的暂态和稳态值。本文对12 kW 凸极同步发电机定子绕组内部故障通过Matlab数学仿真软件进行了仿真计算与检测，主要研究了同一支路内的匝间短路，采用图2中C 相某一支路匝间进行短路实验。按照多回路模型编制的分析计算程序对凸极同步发电机正常运行和同一支路内的匝间短路故障情况分别进行了仿真计算。无故障时，A相电路如图3所示，A相电流信号频谱如图4所示，可见A相电流信号中只包含基波频率信号；短路时A相电流iA 的暂态仿真波形如图5所示，其信号频谱如图6所示，其频谱包含基波、3次谐波和5次谐波。
（2）Duffing系统检测电机故障电流
由于凸极同步发电机定子绕组内部故障时，定子电流除基波外，还有3，5奇次谐波，可以作为凸极同步发电机产生内部故障的特征，这样如果能检测到相应的谐波出现就能判断电机故障的存在。由于可以灵敏地检测单频正弦信号，所以本文采用Duffing 系统作为检测器检测故障谐波信号。
Duffing系统[10?11]是在外部周期驱动力作用下产生混沌，当检测较高频率谐波信号时，其动力方程式如下：
状区域就是系统的混沌带，通常通过Duffing系统由混沌状态到大周期状态的转换来判断谐波信号的存在与否。
本文仿真对凸极同步发电机的基波频率取为10 Hz，则当出现匝间故障时，相电流出现3，5 次谐波频率为300 Hz和500 Hz。采用动力方程式（17）构造Duffing检测系统检测3，5 次谐波故障信号。图7，图8 是无故障时，Duffing 系统对3，5 次电流谐波检测结果。图9，图10 是有故障时，Duffing 系统对3，5 次电流谐波检测结果。从检测结果看，当无故障时，相电流中不包含3，5 次谐波，Duffing 系统状态保持混沌不变；当有匝间故障时，想电流中包含3，5次谐波，Duffing系统状态是大尺度周期的，说明故障电流中含有3，5次电流。
4 结语
本文首先阐述了运用“多回路分析法”列写凸极同步发电机电压方程和确定电路参数的过程，并通过数值求解的方法得到了电机的暂态和稳态运行行为，然后采用Duffing系统检测方法检测出了凸极同步发电机出现故障时的谐波相电流，该方法是Duffing 系统弱信号检测方法的在电机故障检测方面的新运用。
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短路电流范文6
[关键词]短路电流；限制措施
中图分类号：TM713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0307-01
1 短路电流原因及危害
1.1 短路电流产生原因
产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。此外，由于电力需求的高速增长，电源建设向着电厂布局集中化、单机大容量化的方向发展，使得短路电流水平不断的增长。而用电需求的快速增长，能源分布不均衡，电源大规模集中建设开发，带来变电所及输电线路数量急剧膨胀，电网联系紧密，环网增多，系统阻抗逐年减小，也使系统短路电流逐年增加。
1.2 短路电流的危害
发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路后的稳定状态，一般需3～5秒。在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，致使导体变形，甚至损坏。
短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四周设备和伤害四周人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。由于短路电流增大，发生不对称故障时，不对称电流产生足够大的磁通，在邻近的线路内感应出很大的电动势，严重干扰了通信线路的正常运行（特别是平行于电力线路的通信线路。短路也同时引起系统电压大幅度降低，非凡是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。
2 短路电流限制措施
短路电流水平同电源接入的层次、电网结构等有直接关系。因此控制短路电流需要在电网建设之初进行统一规划，电网建成后，需要基于电网的实际情况，综合考虑各种因素来达到最优。对于限制短路电流的技术措施，可从电网结构、系统运行方式，选择系统设备等方面考虑。
2.1 改变电网结构
（1）提高系统的电压等级
提高系统电压等级，引进更高电压等级的连接点，均包括直流和交流。在此基础上，使低压电网分层分区运行，可以有效地降低短路电流水平。但需要根据电网规划实行，如果单将其作为解决短路电流问题的手段需在经济上付出巨大的代价。
（2）高压直流输电（HVDC）的互连
在电力系统中，HVDC技术可以应用于减少短路电流水平。首先，它可以替代连接发电机而不会增加故障电流。第二，分开电网并限制故障电流，在互连同时保持系统灵活性。此外，使用电压源转换器考虑到了动态电压支持。
（3）断开或跳通线路
在原有电网的基础上通过改变断路器开关状态，断开或跳通某些线路，电网结构随之改变，短路电流也会发生变化。如果选取的方案适当，就会达到较好的限流目的。
（4）低一级电压电网分层分区运行
高一级电压电网发展到一定程度时，与低一级电压电网形成电磁环网，不利于控制系统的短路电流。因此将低一级电网解环，采用分层分区运行是降低短路电流有效的手段。例如，在500kV电网发展成熟的基础上，将500 kV电网与220kV电网解环运行，使220 kV电网分层分区运行是限制短路电流直接且有效的方法。
分层分区限制短路电流的方法有以下优点：
①网络层次清晰，便于调度操作和事故处理；
②分层分区后取消高低压之间的电磁环网运行，线路输送容量得到充分发挥；
③减少枢纽变电站和电厂母线分段运行，提高其安全性和可靠性；
④改善潮流流向，减少被迫迂回，降低线损。在某些环网中，因为开环运行不存在环流问题，可能输电损失比合环运行时要小，从而可提高输电效率，有更好的经济性。
分层分区有几点原则：①高一级电网主网网架必须足够强壮，能承担各分区间的功率传输；②要确保每个分区与主网架的联络可靠性；③每个分区应有电压、无功调节能力；④每个分区内要保证一定的电源。
（5）母线分段
多母线分列运行或母线分段运行，增大了系统阻抗，可以达到限制短路电流的目的。该措施实施方便，但将削弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，同时有可能引起母线负荷分配不均衡。
2.2 限流设备
2.2.1高阻抗设备
（1）采用分裂低压绕组变压器
分裂变压器是多绕组变压器中的一种特殊形式，和普通多绕组变压器不同点在于：它的低压绕组中有一个或几个绕组分裂成额定容量相等的几个支路，这几个支路没有电气上的联系，而仅有较弱的磁的联系。它有一个高压绕组和两个分裂的低压绕组，分裂绕组的额定电压和额定容量相同，它们的总容量等于变压器的总容量。
低压线圈分裂后，可以大大地增加高压线圈与低压线圈各分裂部分之间，以及低压线圈分裂后的各部分之间的短路阻抗值，这能有效的限制电网的短路电流，因而分裂变压器正在电力工业中被广泛采用。
（2）采用高阻抗主变或发电机
发电机、变压器等设备采用较高的阻抗，是通过增加短路阻抗来限制短路电流。发电机采用高阻抗后会使设备体积减小，励磁机容量减小，但也将导致系统损耗增加，而且由于相角差增大会带来静态稳定问题。
2.2.2 加装限流电抗器
（1）装设母线电抗器
母线电抗器装设在母线分段处，能限制发电机回路、变压器回路、母线上发生短路时的短路电流。在母线各分段之间装设分段电抗器。母线分段处往往是正常工作情况下电流最小的地方，在此装设电抗器，所引起的电压损失和功率损耗都比装在其他地方要小。当任一母线段上发生短路时，由其他分段上的发电机及系统提供的短路电流，都会受到分段电抗器的限制。
（2）装设出线电抗器
在出线中装设电抗器，可以显著减小其所在回路中的短路电流。但是，由于出线回路数一般较多，所需的出线电抗器也较多，会使得整个配电装置的结构趋于复杂，加大材料的消耗，投资与运行费用也相应增加。
3 结论
当今电网迅速发展，规模也不断扩大，发电厂发电机单机容量不断的扩大，使得短路电流问题日益突出，不仅影响了电网的快速发展，也使得电力系统安全性、稳定性降低。