基于PSCAD的單相變壓器內部接地故障仿真

夏明

摘 要：建立單相變壓器的仿真模型，應用仿真軟件（PSCAD）對單相變壓器內部接地故障進行仿真，并簡單地介紹了仿真模型，分析了仿真結果，以期為日后的相關工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：仿真軟件；變壓器；內部故障；仿真結果

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.076

變壓器作為電力系統輸配電環節中的重要電氣設備之一，其安全、穩定的運行對電力系統有非常重要的影響。為了確保變壓器能夠安全可靠運行，需要對變壓器進行仿真研究。本文主要探討了如何使用仿真軟件（PSCAD）對單相變壓器內部接地故障進行仿真分析，并通過仿真研究進行相關結果分析。

1 仿真軟件

在對變壓器內部故障進行仿真時，采用的是仿真軟件——PSCAD。PSCAD（Power System Computer Aided Design）程序是由曼尼托巴高壓直流輸電研究中心（Manitoba HVDC Research Center）開發的，其最主要的功能是對電力系統進行時域和頻域的仿真。另外，利用它還可以實現對交流系統的諧波研究、暫態扭矩的分析、直流系統的啟動、直流系統換相方法研究、串聯或并聯的多端輸電系統的電磁暫態仿真和同桿架設的交直流電路的相互影響等。對于仿真軟件，最典型的應用就是當計算電力系統遭受擾動或參數變化時，參數會隨著時間而變化。此外，PSCAD軟件還被廣泛應用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設計、電力系統諧波分析和電力電子領域的仿真計算等方面。應用PSCAD軟件對變壓器內部故障進行仿真分析可以得出較為標準的結果。

2 仿真模型和相關說明

所用單相變壓器銘牌參數如下：DMB-10型單相變壓器，容量為10 kVA，低壓側額定電壓為380 V，高壓側額定電壓為1 000 V，低壓側額定電流為25.3 A，高壓側額定電流為10 A，空載電流為1.45%，空載損耗為100 W，短路損耗為350 W，短路電壓為9%～15%，一、二次側繞組（歸算到一次側）總電感為0.003 8 H，總電阻為0.166 10 Ω。

結合等效電路圖和相關參數，在PSCAD中搭建出此實驗變壓器的仿真模型，如圖1所示。

下面簡要說明仿真模型中各元件的作用：I1，V1為測量原邊的電流、電壓；I2，V2為測量副邊的電流、電壓；BRK為開關K，初始狀態斷開，控制接地故障的模擬。

在該電路模型中，各電氣元件的參數設置如下：電源通交流電，輸出電壓為1 kV，頻率為50 Hz，內阻感性為0.01H。

對于變壓器，故障點原邊取在76%抽頭處，副邊取在50%處，即其變比分別為0.76∶0.19和0.24∶0.19，頻率為50 Hz。在負載方面，其電阻為0.166 10 Ω，電感為0.003 8 H。

對于比較關鍵的開關動作，開關BRK動作2次，第一次動作時間0.2 s，第二次動作時間0.6 s。

3 變壓器內部接地故障仿真結果分析

在此需要先說明的是，動作2次的開關分別代表了故障的產生和消除。其產生故障的時間為0.2 s，故障消除的時間為0.6 s。

分析相關波形圖發現，原邊發生接地故障后，測量原邊的電壓表V1沒有變化，因為其所測量的一直為電源電壓；副邊電壓V2在故障前后發生了變化，在故障過程中電壓值明顯增大。因為原邊部分繞組發生了接地故障，故障點之下的繞組部分被短路，相當于新產生了1臺變壓器，其變比與原來的變壓器相比要小，這與發生故障的位置是有關系的。因此，由V1∶V2=N1∶N2可知，在V1不變的情況下，N1∶N2在減小，V2則必然會增大。由此可見，理論結果與試驗結果相吻合。再分析原邊電流I1和副邊電流I2的變化情況。當原邊發生接地故障后，I1和I2在短時間內增長到了很大的數值，之后在很短的時間內達到了穩定的狀態，呈正弦波狀態。因為變比在變化，由I1∶I2=N2∶N1可知，隨著N2∶N1的增大，I2會隨著I1的變化而變化。由此可見，理論結果與試驗結果相吻合。

4 結論

本文主要應用仿真軟件（PSCAD）對變壓器內部接地故障進行仿真分析，并將試驗的波形與理論分析進行對比，從而得出正確的結論。通過對變壓器模型構造的了解，學習多種構建變壓器內部故障模型的方法，可以加深對變壓器工作原理和故障情況的理解。應用PSCAD仿真變壓器的內部故障，對變壓器的保護研究工作有很大的幫助。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕