基于Multisim13的高压三相短路仿真实验

强秀华， 李 林

(兰州职业技术学院 机电工程系， 甘肃 兰州 730070)



基于Multisim13的高压三相短路仿真实验

强秀华， 李 林

(兰州职业技术学院 机电工程系， 甘肃 兰州 730070)

根据工厂供电系统图，设置高压三相短路点，分析高压三相短路时的电流和电压以及主要影响短路电流的因数。以Multisim13为平台，开发其元件库功能，正确设置元件的参数，结合实际电气运行操作，搭建高压三相短路模型，仿真高压三相短路时状态，其结果表明，与工厂供电系统图计算结果吻合，效果清晰明了，解决了高压短路实验不易实现的困难，同时，学生通过参与仿真实验，不仅将抽象的知识具体化，也将软件应用充分化，从而学到了许多分析问题和解决问题的方法。

Multisim13； 仿真； 工厂供电系统； 高压三相短路

0 引 言

“工厂供电”是一门实践性较强的专业课[1]，其开展实验的环节是很困难的，特别是高压三相短路的实验，不仅需要高压环境，而且短路实验的危险性较大。但如果只是理论讲解，学生学习起来枯燥无味，教学效果不理想。基于这种情况，应用Multisim13来仿真, 既增加了学生的学习兴趣，也提高了学生对实践环节的认知能力，为学生将来的就业打下良好的基础[]。

1 Multisim13

Multisim13是美国NI公司出台的一门电子电路应用仿真软件，随着它不断的发展，其元件库越来越强大。通过的元件库功能的利用和开发，可以通过Multisim13 来仿真供电系统中的很多实验环节[2-4]。下面以“工厂供电系统的三相短路”为实验内容，介绍具体电路的设计与仿真运行的方法。

2 工厂供电系统

2.1 工厂供电系统图

根据系统图，设置工厂变电所高压10 kV母线上的三相短路点为K-1，低压母线上的短路点为K-2。 在此我们以K-1点为例来具体介绍如何仿真。

图1 供电系统图

2.2 供电系统电抗的计算

影响三相短路电流大小的主要因素是短路电路中的电抗[5]，主要有电力系统的电抗，架空线的电抗和变压器的电抗，K-1点是在变压器的高压侧，故计算短路电流时，不考虑变压器电抗的影响。短路点的短路电压高出所在电压的5%,故K-1点的短路电压为10.5 kV[6]。

电力系统的电抗：查《电力设计手册》得SN10-10II型断路器的断流容量Soc=500 MV·A。

架空线路的电抗：查《电力设计手册》得X0=0.35 Ω/km

X2=X0l=0.35×5=1.75 Ω

总的电抗为：

XΣ(k-1)=X1+X2=0.22+1.75=1.97 Ω

三相短路电流的有效值为：

3 仿真电路的设计

仿真元件的创建与选择以及参数的设置是Multisim13仿真的关键，只有选择与供配电系统相匹配的仿真元件，才能实现相应的仿真功能。

3.1 电源的创建与参数设置

因此其参数设置为：“Voltage”为5774V、“Frequency”为50 Hz，初相位分别为：0°，-120°，120°。

3.2 三相变压器的创建与参数设置[9]

由于Multisim13它是一款电子仿真软件，元件库中是没有符合车间变电所的电力变压器模型的[10]，但它的元件库里现有的虚拟变压器，我们可以通过三个完全相同的单相变压器来搭建，接线时注意同名端和异名端[11]，其所设置的参数也要一样，通过这个组装可以完成实际所需的变压器，具体做法与变压器的组别有关，我们在这里采取变压器Y0y0的形式[12]，如图2(a)：搭建好所需变压器后，关键是设置变压器的参数，首先，确定变压器的变压比。根据国家标准GB156-1993《电压标准》规定，

(a)

(b)

(c)

车间变电所高压侧的额定电压10 kV，低压侧的额定电压220/380 V，因此，其变压比为：

所以，变压器一次侧和二次侧的匝数比为26.32，在此，我们以N2=100,则一侧的匝数为2 632匝。其次，确定变压器一次绕组的电阻。以S9-1 250/10(6)三相变压器为例，通过设备手册[13]可查出，空载损耗1.95 kW、负载损耗12 kW、空载电流1.6%、阻抗电压4.5%，由此可推算变压器的励磁电阻,

变压器在空载时Rm>R1，因此，该变压器一次绕组的直流电阻约为20 Ω左右。仿真试验时，该电阻值可在20～70 Ω的范围内选择，具体数值需要根据负荷的大小而定。而变压器二次绕组的直流电阻一般均小于1 Ω，具体数值的选择也需视负荷的大小而定,其余参数默认[14]。值得注意的是，3个单相变压器的参数设置要相同。其参数设置如图2(b)、(c)所示。

3.3 其他元件的创建与参数设置

由于Multisim13中没有高压断路器这个元件，可通过三相开关来模拟通断。仪器仪表可从Multisim13相应元件库中查找，其参数设定为默认值。

4 仿真运行

完成元件的创建和参数设置后，可按供电图的连接关系，合理调整元件的布局，连接仿真电路，见图3。

图3 仿真电路

正常运行时，断开S3开关，然后合上出线断路器S2，再合上高压断路器S1。仿真结果表显示，各仪表数据显示与计算相吻合。

由于Multisim13中没有符合供电系统的电抗，故在搭建仿真电路时，采取在每相电路中串接Multisim13元件库中的虚拟电感来代替，如图3所示,并且根据系统图计算结果设置电感值，在此根据系统图所提供的参数，其值为：

L=X/ω=X/2πf=1.97/314=6.2(mH)

根据系统图，K-1点的三相短路可以用过开关S3来实现，将开关的3个头接在一起，当合上S3时，线路发生三相短路。由图的黑色圈起的部分来实现高压侧的短路。无限大容量系统发生三相短路时[15]，其短路点的短路电压高出所在电压的5%,故K-1点的短路电压为10.5 kV(线电压)，故此时电源的相电压为6 062 V,其余参数不变，如图4所示。根据仪表显示的数据，短路电流与计算吻合。

5 结 语

虽然Multisim13是有关电路电子的仿真软件，但是合理开发其元件库功能，可以仿真很多有关工厂供电系统的实例，将复杂、抽象的理论问题直观化、形象化，同时，解决了学校设备不足、实验难做的困难，提高了“工厂供电”的教学效果。

图4 短路电流的仿真图

[1] 刘介才,工厂供电 [M]. 北京:机械工业出版社,2009.

[2] 刘 军. Matlab/Simulink在《工厂供电》中的应用[J].电力学报,2009(6):236-238.

[3] 曾礼光,黄 莺. Multisim仿真软件在供配电技术课程教学中的应用[J].广西教育,2014(3):179-181.

[4] 庄俊华,Multisim入门及应用[M].北京:机械工业出版社，2008.

[5] 顾生杰,田铭兴.基于串联电容补偿的超/特高压输电线路可控并联电抗器补偿度分析[J].高电压技术,2014(6):260-265.

[6] 王超伟,孙 琨.浅谈电力系统运行中的短路故障与短路电流计算[J].经营管理者,2011(6):376.

[7] 金轶峰.无限大容量供电系统三相短路电流分析[J].渭南师范学院学报,2011(11):40-43.

[8] 李丽欣,张福安.无限大容量电力系统负载短路电流简析[J].滨州师专学报,2004(2):58-60.

[9] 周小沪,李晓庆,季志成.基于MATLAB三相变压器的仿真及特性分析[J].变压器,2004(7):21-25.

[10] 姚玉斌,吴志良,王 丹,等. 电力系统变压器模型分析[J].继电器,2007(24):21-25.

[11] 苗小利.变压器绕组同名端与首位端判别辨析[J].电子世界,2012(21):54-55.

[12] 李秀英.电厂主变压器形式和结构的选择[J].煤,2008(2):62,94.

[13] 谢毓城.电力变压器手册[M]. 北京:机械工业出版社,2014.

[14] 金 盛.浅谈变压器直流电阻实验[J].江西电力,2006(5):26-29.

[15] 田万春.供配电系统短路电流及其计算[J].建材世界,2014(6):95-98,102.

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、财政部光电建筑一体化示范项目(620100G01)

强秀华(1978-)，女，甘肃文县人，硕士，讲师，主要研究方向：电气工程及其自动化。

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

TM 743

A

1006-7167(2015)10-0108-03