摘要：柴油发电机组突然三相短路是一种常见的故障，也是柴油发电机电力系统保护所必须考虑的问题。突然三相短路是一个电瞬态过程。这个过程虽然短暂，但在此过程中会产生巨大的冲击电流，大的短路电流是破坏发电机及其电力系统重要的因素，它威胁着系统的安全运行。研究发电机的瞬态短路，可以为发电机的合理可靠的设计及安全运行提供理论依据，短路电流大小的确定不仅对于系统保护装置的整定设计具有重要的意义，而且对与其相联的其他发电机、电器及继电保护设备的选择和使用也有着重要的意义。
一、发电机三相短路的危害
当同步发电机的定子绕组发生三相短路，电流会迅速增加。这是因为定子绕组上的电势差突然消失，导致定子绕组两端直接短路。根据欧姆定律，电流与电压成正比，电阻越小，电流越大。在发生短路后，短路电流取决于发电机的特性和运行条件。通常情况下，短路电流可能会达到很高的值，远远超过正常工作状态的电流。
1、电流激增
短路回路会产生高电流，超过柴油发电机组和电网的额定电流。
2、电压下降
由于电流突增，电压也会下降到不可接受的范围。
3、发电机过载
高电流和低电压会导致发电机过载，从而可能损坏其线圈等部件。
4、系统不稳定
同步发电机作为电网和柴油发电机组的重要组成部分，其故障可能导致动力系统不稳定、停电等现象。
为了保护发电机和电气系统，需要及时采取措施来切断电源并修复短路问题。否则，短路电流可能会导致发电机内部零件的损坏，甚至引发火灾和其他严重事故。因此，定期检查发电机和电气系统的绝缘状况，并采取必要的维护和保护措施非常重要。
二、发电机的仿真模型
可用于电源系统仿真计算的软件很多，相比较而言，康明斯是一个用于电源系统仿真较为理想的软件.。康明斯提供的动态系统仿真工具Simulink可用来对动态系统进行建模、仿真和分析，支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统，也支持多变量、多速率系统 。康明斯电力系统工具箱使电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以根据所研究对象的物理模型建立其数学模型，并进行封装和自定义为用户自己的模块库，利用PSB工具箱设计电力系统，在Simulink环境下，不仅可以仿真系统的动态过程，还可以对系统进行稳态潮流分析 ，充分显现了其强大的仿真平台以及作图环境的优越性。本文将利用康明斯仿真系统模拟分析发电机突然三相短路动态过程中各种电力参数的变化规律，为发电机组的安全使用提供可靠的技术数据。
发电机在带负载情况下突然三相短路，电路如图1所示。可利用SimPowerSystems模块对其短路过程中的各种电流波形（如图2所示）和电压波形建立模拟仿真模型。在SimPowerSystems环境下建立的发电机系统模型，该模型包括柴油发动机模块、同步发电机模块、发电机测量控制系统模块、励磁系统模块、三相并联负载元件和三相短路故障模块。
（1）发电机由标幺值单位制标准同步发电机模块和柴油机转速电压控制子系统构成。
（2）柴油发动机调速系统中的Pmec为发动机输出功率。
柴油发动机内的状态变量不止一个，但在实际设计中采用高阶模型则较困难。实践表明 ，采用一阶近似模型，不仅简化了设计工作，并且能达到满意的效果。
（3）仿真用同步发电机是一台额定值为50kVA，380V，50Hz，1500r/min的凸极式三相同步发电机。
（4）控制系统包括柴油机控制器模块、励磁系统模块和电机测量分解模块。
控制系统的输入信号为角速度整定值、定子电压的均方根整定值和从发电机端输出的复合信号；复合输出信号为定子电压的均方根和角速度；发电机端输出的复合信号经发动机调速机构和励磁调压机构，到达同步发电机的输入端构成一个闭环控制回路。使用三相并联负载元件模拟电路负载，负载要求380V、50Hz三相交流电，消耗功率40kW。
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图1 发电机三相短路电路图 |
图2 发电机三相突然短路波形图 |
三、仿真系统计算过程
利用三相短路故障发生器元件实现同步电机的三相短路。
1 、初始状态与仿真算法
为了避免仿真过程中系统出现长期不稳定状态，必须正确设定系统的初始参数。仿真中，同步发电机的输入功率Pm，励磁电压w 及初始状态的设定可根据负载需要由Powergui模块来给出。Powergui模块是康明斯电力系统仿真工具箱中功能很强大的一个模块，可进行电机的初始状态设定，稳态运行计算，电感、频率测量，傅立叶分析等仿真。Powergui模块可根据要求的同步发电机输出交流线电压值Vab和有功功率值计算出同步发电机的输入功率Pm，励磁电压Vf及初始状态值等参数。计算出稳态值后，再将稳态时的机械功率、励磁电压、机端电压及定子电流作为系统的初始值提供给系统，即完成稳态初始值设置。发电机和负载的参数均由试验测量确定。
仿真算法选择的合理与否将影响到仿真结果和仿真速度。康明斯仿真系统给用户提供了定步长和变步长两大仿真算法。定步长求解器使用固定的步长对系统进行求解；变步长求解器则根据用户指定的积分误差能够自动调整仿真步长。由于本文研究的过程是一动态过程，因而，选用变步长仿真算法。
短路前，系统中的a相电压和电流分别为
uα=Umsin（ωt+θ0）.....................（公式1）
iα=ɪmsin（ωt+θ0-φ）.....................（公式2）
式中，ɪm=Um/｛√（R+R’）²+（X+X’）²｝；φ=arctan｛（X+X'）/（R+R'）｝。
2 、三相突然短路的动态变化
短路现象往往是一暂态过程，为清楚显现这一过程，仿真中特意将短路故障的保持时间设置的稍长一些。整个仿真过程历经10s时间，由稳态运行开始，2s后三相短路故障发生，4s时短路故障切除。为了便于分析比较，各种参数均采用标幺值单位制。
3、短路冲击电流
短路冲击电流指短路电流最大可能的瞬时值，用i表示。其主要作用是校验电气设备的电动力稳定度。非周期电流有最大初值的条件应为：
（1）相量差Ḯm-Ḯpm有最大可能值；
（2）相量差Ḯm-Ḯpm在t=0时与时间轴平行。
一般电力系统中，短路回路的感抗比电阻大得多，即ωL>R,故可近似认为φ≈90。因此，非周期电流有最大值的条件为：短路前电路空载（I=0）,并且短路发生时，电源电势过零（a=0）。短路电流分周期分量有最大可能值的条件图和波形分别如图3、图4所示。
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图3 短路电流分周期分量有最大可能值的条件图 |
图4 非周期分量有最大可能值时的短路电流波形 |
4、短路电流的有效值
·在短路过程中，任意时刻t的短路电流有效值，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，关系相量图如图5所示。为了简化计算，通常假定：非周期电流在以时间t为中心的一个周期内恒定不变，因而它在时间t的有效值就等于它的瞬时值，即
ɪαpt = iαpt.....................（公式3）
对于周期电流，认为它在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值即等于由周期电流包络线所确定的t时刻的幅值。因此，t时刻的周期电流有效值应为ɪpt=ɪpmt / √2，如图6所示。
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图5 发电机短路电流关系相量图 |
图6 发电机短路电流有效值的确定 |
总结：
发电机组突然三相短路动态过程因其时间短，冲击电流大，往往给动态参数的实验测量带来较大的困难，而利用近年来发展起来的仿真技术来研究这一过程，会使工作得到大大的简化。电力系统的动态仿真研究将不能在实验室中进行的电力系统运行模拟得以实现。总之，同步发电机三相短路是一种常见的故障，可能对电网和动力系统造成严重影响。因此，合理的分析与处理同步发电机三相短路的方法非常重要，可以提高发电机的可靠性和电网的稳定性。
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