基于Multisim13的高壓三相短路仿真實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)秀華， 李 林

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 甘肅 蘭州 730070)

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基于Multisim13的高壓三相短路仿真實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)秀華， 李 林

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系， 甘肅 蘭州 730070)

根據(jù)工廠供電系統(tǒng)圖，設(shè)置高壓三相短路點(diǎn)，分析高壓三相短路時(shí)的電流和電壓以及主要影響短路電流的因數(shù)。以Multisim13為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)其元件庫(kù)功能，正確設(shè)置元件的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際電氣運(yùn)行操作，搭建高壓三相短路模型，仿真高壓三相短路時(shí)狀態(tài)，其結(jié)果表明，與工廠供電系統(tǒng)圖計(jì)算結(jié)果吻合，效果清晰明了，解決了高壓短路實(shí)驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)的困難，同時(shí)，學(xué)生通過(guò)參與仿真實(shí)驗(yàn)，不僅將抽象的知識(shí)具體化，也將軟件應(yīng)用充分化，從而學(xué)到了許多分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。

Multisim13； 仿真； 工廠供電系統(tǒng)； 高壓三相短路

0 引 言

“工廠供電”是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課[1]，其開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)是很困難的，特別是高壓三相短路的實(shí)驗(yàn)，不僅需要高壓環(huán)境，而且短路實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性較大。但如果只是理論講解，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)枯燥無(wú)味，教學(xué)效果不理想?；谶@種情況，應(yīng)用Multisim13來(lái)仿真, 既增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的認(rèn)知能力，為學(xué)生將來(lái)的就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)[]。

1 Multisim13

Multisim13是美國(guó)NI公司出臺(tái)的一門(mén)電子電路應(yīng)用仿真軟件，隨著它不斷的發(fā)展，其元件庫(kù)越來(lái)越強(qiáng)大。通過(guò)的元件庫(kù)功能的利用和開(kāi)發(fā)，可以通過(guò)Multisim13 來(lái)仿真供電系統(tǒng)中的很多實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[2-4]。下面以“工廠供電系統(tǒng)的三相短路”為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，介紹具體電路的設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)行的方法。

2 工廠供電系統(tǒng)

2.1 工廠供電系統(tǒng)圖

根據(jù)系統(tǒng)圖，設(shè)置工廠變電所高壓10 kV母線上的三相短路點(diǎn)為K-1，低壓母線上的短路點(diǎn)為K-2。 在此我們以K-1點(diǎn)為例來(lái)具體介紹如何仿真。

圖1 供電系統(tǒng)圖

2.2 供電系統(tǒng)電抗的計(jì)算

影響三相短路電流大小的主要因素是短路電路中的電抗[5]，主要有電力系統(tǒng)的電抗，架空線的電抗和變壓器的電抗，K-1點(diǎn)是在變壓器的高壓側(cè)，故計(jì)算短路電流時(shí)，不考慮變壓器電抗的影響。短路點(diǎn)的短路電壓高出所在電壓的5%,故K-1點(diǎn)的短路電壓為10.5 kV[6]。

電力系統(tǒng)的電抗：查《電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》得SN10-10II型斷路器的斷流容量Soc=500 MV·A。

架空線路的電抗：查《電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》得X0=0.35 Ω/km

X2=X0l=0.35×5=1.75 Ω

總的電抗為：

XΣ(k-1)=X1+X2=0.22+1.75=1.97 Ω

三相短路電流的有效值為：

3 仿真電路的設(shè)計(jì)

仿真元件的創(chuàng)建與選擇以及參數(shù)的設(shè)置是Multisim13仿真的關(guān)鍵，只有選擇與供配電系統(tǒng)相匹配的仿真元件，才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真功能。

3.1 電源的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置

因此其參數(shù)設(shè)置為：“Voltage”為5774V、“Frequency”為50 Hz，初相位分別為：0°，-120°，120°。

3.2 三相變壓器的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置[9]

由于Multisim13它是一款電子仿真軟件，元件庫(kù)中是沒(méi)有符合車間變電所的電力變壓器模型的[10]，但它的元件庫(kù)里現(xiàn)有的虛擬變壓器，我們可以通過(guò)三個(gè)完全相同的單相變壓器來(lái)搭建，接線時(shí)注意同名端和異名端[11]，其所設(shè)置的參數(shù)也要一樣，通過(guò)這個(gè)組裝可以完成實(shí)際所需的變壓器，具體做法與變壓器的組別有關(guān)，我們?cè)谶@里采取變壓器Y0y0的形式[12]，如圖2(a)：搭建好所需變壓器后，關(guān)鍵是設(shè)置變壓器的參數(shù)，首先，確定變壓器的變壓比。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB156-1993《電壓標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，

(a)

(b)

(c)

車間變電所高壓側(cè)的額定電壓10 kV，低壓側(cè)的額定電壓220/380 V，因此，其變壓比為：

所以，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的匝數(shù)比為26.32，在此，我們以N2=100,則一側(cè)的匝數(shù)為2 632匝。其次，確定變壓器一次繞組的電阻。以S9-1 250/10(6)三相變壓器為例，通過(guò)設(shè)備手冊(cè)[13]可查出，空載損耗1.95 kW、負(fù)載損耗12 kW、空載電流1.6%、阻抗電壓4.5%，由此可推算變壓器的勵(lì)磁電阻,

變壓器在空載時(shí)Rm>R1，因此，該變壓器一次繞組的直流電阻約為20 Ω左右。仿真試驗(yàn)時(shí)，該電阻值可在20～70 Ω的范圍內(nèi)選擇，具體數(shù)值需要根據(jù)負(fù)荷的大小而定。而變壓器二次繞組的直流電阻一般均小于1 Ω，具體數(shù)值的選擇也需視負(fù)荷的大小而定,其余參數(shù)默認(rèn)[14]。值得注意的是，3個(gè)單相變壓器的參數(shù)設(shè)置要相同。其參數(shù)設(shè)置如圖2(b)、(c)所示。

3.3 其他元件的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置

由于Multisim13中沒(méi)有高壓斷路器這個(gè)元件，可通過(guò)三相開(kāi)關(guān)來(lái)模擬通斷。儀器儀表可從Multisim13相應(yīng)元件庫(kù)中查找，其參數(shù)設(shè)定為默認(rèn)值。

4 仿真運(yùn)行

完成元件的創(chuàng)建和參數(shù)設(shè)置后，可按供電圖的連接關(guān)系，合理調(diào)整元件的布局，連接仿真電路，見(jiàn)圖3。

圖3 仿真電路

正常運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)S3開(kāi)關(guān)，然后合上出線斷路器S2，再合上高壓斷路器S1。仿真結(jié)果表顯示，各儀表數(shù)據(jù)顯示與計(jì)算相吻合。

由于Multisim13中沒(méi)有符合供電系統(tǒng)的電抗，故在搭建仿真電路時(shí)，采取在每相電路中串接Multisim13元件庫(kù)中的虛擬電感來(lái)代替，如圖3所示,并且根據(jù)系統(tǒng)圖計(jì)算結(jié)果設(shè)置電感值，在此根據(jù)系統(tǒng)圖所提供的參數(shù)，其值為：

L=X/ω=X/2πf=1.97/314=6.2(mH)

根據(jù)系統(tǒng)圖，K-1點(diǎn)的三相短路可以用過(guò)開(kāi)關(guān)S3來(lái)實(shí)現(xiàn)，將開(kāi)關(guān)的3個(gè)頭接在一起，當(dāng)合上S3時(shí)，線路發(fā)生三相短路。由圖的黑色圈起的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)的短路。無(wú)限大容量系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)[15]，其短路點(diǎn)的短路電壓高出所在電壓的5%,故K-1點(diǎn)的短路電壓為10.5 kV(線電壓)，故此時(shí)電源的相電壓為6 062 V,其余參數(shù)不變，如圖4所示。根據(jù)儀表顯示的數(shù)據(jù)，短路電流與計(jì)算吻合。

5 結(jié) 語(yǔ)

雖然Multisim13是有關(guān)電路電子的仿真軟件，但是合理開(kāi)發(fā)其元件庫(kù)功能，可以仿真很多有關(guān)工廠供電系統(tǒng)的實(shí)例，將復(fù)雜、抽象的理論問(wèn)題直觀化、形象化，同時(shí)，解決了學(xué)校設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)難做的困難，提高了“工廠供電”的教學(xué)效果。

圖4 短路電流的仿真圖

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Simulation Experiment for High Voltage Three-Phase Short Circuit Based on MUTISIM13

QIANGXiu-hua，LILin

(The Department of Electrical Engineering, Lanzhou Vocational Technical College, Lanzhou 730070, China)

According to the factory power supply system, this article sets up the three-phase short-circuit point, and analyzes changes of short-circuit and voltage and the main influence of short-circuit. We take Multisim13 as the platform and develop its component library function, set up the element parameters correctly, combine with the actual electrical operation, and build the three-phase short circuit model. The teaching experiences have shown that the results of simulation are clear and its effect is significant. The design can analyze short-circuit current and solve difficulty of experiment. Students can learn the abstract specific knowledge, also software adequately. At the same time, they can analyze and solve problem by the simulation experiments.

MUTISIM13; simulation; factory power supply system; high voltage three-phase short-circuit

2015-01-22

2012年住建部、財(cái)政部光電建筑一體化示范項(xiàng)目(620100G01)

強(qiáng)秀華(1978-)，女，甘肅文縣人，碩士，講師，主要研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

Tel.:13639316365; E-mail: qiangxiuhua@126.com

TM 743

A

1006-7167(2015)10-0108-03