基于Simulink 電壓互感器的仿真實驗設計

樊祥國，王關平，彭娟，贠湃湃，強世文

（甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅蘭州，730070）

0 引言

新工科背景下，電氣工程專業教學改革面臨著諸多挑戰，尤其是實踐環節的改革。電力系統實驗是電氣專業實踐環節的重要一環，然而對于電力系統實驗過程較復雜、電壓等級較高，在傳統實驗臺上實驗具有一定危險性，長此以往，就會導致一些高壓實驗被“擱置”。近年來，虛擬仿真發展迅速，許多傳統實驗都可借助于虛擬仿真平臺來實現。Matlab/Simulink 仿真平臺就是其中一個應用較為廣泛的平臺，該平臺中有專門用于實現電力系統仿真的SimPowerSystems 工具包，所以電力系統實驗是完全可以用Simulink 平臺來做一些仿真實驗，以此來對傳統實驗進行最有效的補充[1]。

電壓互感器是電力系統中極為重要的器件，它主要用來測量線路電壓和功率、故障時保護貴重設備等。然而，傳統實驗臺上往往沒有對電壓互感器的詳細實驗，所以致使很多學生對電壓互感器了解甚微。電壓互感器是根據電磁感應的基本原理進行操作的，其一次側的匝數比二次側匝數多，二次回路表現為高阻抗且可以短路運行，具有變壓和電氣隔離的作用[2]。對于電壓等級較高的場合，電壓互感器容量更大，它的相關實驗難度及危險性更大，而仿真實驗卻可以較佳地完成該實驗[3]。故本文就借助于Simulink 平臺，以電壓互感器為例，對其進行建模、調參和仿真[4]，設計正常電壓傳導實驗、負載對電壓互感器傳導精度的影響實驗及電壓互感器二次側短路實驗三個仿真實驗，并對其深入剖析，從仿真的角度讓學生對電壓互感器有了更進一步地認識，這也體現出仿真平臺可以有效補充傳統實驗平臺的不足。

1 實驗設計及參數計算

本電壓互感器仿真實驗目的有三個：第一是要求通過仿真結果與理論值的比較對電壓互感器的工作特點及基本特性有進一步的理解；第二是掌握基于MATLAB/Simulink 的電壓互感器仿真模型的構建及參數設置；第三是掌握電壓互感器的使用注意事項。以下就從這三個目標出發，詳細地設計實驗過程。

假定勵磁分量I˙Φ1和空載電流I˙01之間的夾角是30°，則有：

接下來便可進一步計算模型參數：

由于電壓互感器與變壓器原理相同，故這里在建模時用變壓器（即Saturable Transformer)代替。同時要根據以上數據設置電壓互感器參數，設置如圖1 所示。

圖1 電壓互感器的參數設置

2 系統仿真模型構建

由以上給定及計算結果構建基于Simulink 的電壓互感器建模，如圖2 所示。VT 即為電壓互感器。

圖2 中 RMS 為有效值測量模塊，其基頻為50Hz，同時使用固定阻值為1Ω 的電阻R1 作為一次側的回路限流電阻。為體現負載電阻可變，設定R2 為可變電阻。數據空間變量V1_2_1 存儲一次側的大電壓以1/100 的固定變比折算到二次側的數值，這樣可以方便后續實驗對比。此外，電壓互感器二次側使用了Breaker 模塊，其參數設置見圖3 所示。

圖3 Breaker 模塊參數設置

3 實驗結果及分析

■3.1 正常電壓傳導實驗

正常電壓傳導實驗時選擇R2=15Ω，一次側相電壓U1分別為。實驗結果如圖4 所示。從圖中可看出無論一次側相電壓U1 為，預測的二次側電壓V1_2_1 和實際測量電壓V2 的波形幾乎完全一致，這表明設計的電壓互感器精度極高。但由實驗過程的相關數據證明，一次側電壓為時，二次側電壓的相對誤差為0.56%，而一次側電壓為時，二次側電壓的相對誤差同樣為0.56%。這說明，本實驗設計的電壓互感器在其額定電壓及其以下使用時，準確度還是相當高的；當然，在二次側開路時，還是采用上面兩個一次側相電壓值，得出二次側相對誤差為0.01%，幾乎為零。而現實中的電壓互感器總是帶有負載，所以其信號傳輸的誤差總是存在。因此，電壓互感器二次側開路時流過電流并不大，二次側可以開路運行。

圖4 正常電壓傳導實驗對比效果圖

■3.2 負載對電壓互感器傳導精度的影響實驗

為驗證負載對電壓互感器傳導精度的影響，這里需要分別采用不同的負載來做實驗。本實驗選用R2 作為二次側負載，設定R2=15Ω、50Ω 和100Ω 三種情況，一次側電壓。圖2 所示的仿真系統模型在此依然適用，依照不同電阻去運行該模型，得到V1_2_1 與V2的波形示意圖，如圖5 所示。

圖5 電壓互感器傳導精度受到不同負載影響對比圖

■3.3 電壓互感器二次側短路實驗

眾所周知，電壓互感器在使用過程中，必須嚴格禁止二次側短路，那么為了驗證該結論，這里構建電壓互感器二次側短路實驗仿真模型，如圖6 所示。為了測量電壓互感器二次側的短路電流i2，使用了CM1 電流測量模塊，其他參數不變，同時采用Breaker 模塊作為短路的開關，短路時間發生在0.1s。運行模型，得到預測的二次側值V1_2_1、二次側實測電壓V2 以及二次側電流i2 波形，如圖7 所示。

圖6 電壓互感器短路仿真系統

圖7 電壓互感器二次側短路實驗結果(U 1=10/V)

本實驗仿真時間為0.2s，設置在0.1s 時電壓互感器二次側發生短路事件。由圖7(a)和圖7(b)可知，在0.1s 之前，其預測的電壓互感器二次側值V1_2_1 與二次側實測電壓V2 的波形幾乎完全相同；但在0.1s 短路后，其二次側實測電壓V2 幾乎為零；同時，由圖7(c)可知，短路時二次側電流i2 迅速增大到額定電流的幾十倍。由于一次側的電壓值取決于整個電網的電壓，并且與二次負荷沒關系，但是，如果電壓互感器正常運行時，會導致負載阻抗很大，使得電壓互感器二次側處于類似的斷路狀態，就像一個變壓器設備處于空載一樣；電壓互感器二次側短路時，這種情況下負載阻抗接近于零，短路電流會造成巨大的變化，有可能會損壞互感器及周圍的設施。所以電壓互感器的第二側必須保持完好，避免電源短路。建議在電壓互感器的二次側出口處都安裝一個熔斷器或者一個快速自動空氣開關，有效地保護電壓互感器免受損害。

4 實驗總結

本文基于Simulink 仿真平臺，分別從參數計算、模型構建、仿真分析三個方面詳細分析并設計了三個電壓互感器的三個相關子實驗——正常電壓傳導實驗、負載對電壓互感器傳導精度的影響實驗及電壓互感器二次側短路實驗。由實驗結果分析電壓互感器二次側短路十分危險，要在二次側安裝熔斷器來進行保護；負載接入過多時，二次負載阻抗會下降，同時二次側電流增大，測量誤差也隨之增大；短路電流對電壓互感器的巨大損壞以及加裝保護設備對其保護至關重要。