基于Multisim的單相變壓器空載/負載試驗仿真實驗設計

肖海紅 陳紅利

摘要：根據國家《GB 1094.1-2013 電力變壓器 第一部分：總則》規定，變壓器出廠需要對變壓器進行例行試驗，針對傳統試驗危險系數高，且在特殊環境需要線上實驗的情況下，這次設計基于Multisim的變壓器短路/開路試驗的在線實驗方案，給出了虛擬儀器的接線電路及實驗方法。本實驗電方案涉及了虛擬儀器、電工技術、高電壓技術等知識，實現了理論與實踐相結合，傳統技術與新興技術相結合，因此具有推廣意義。

關鍵詞：線上模擬實驗;Multisim;實驗設計

0引言

根據國家《GB 1094.1-2013 電力變壓器 第一部分：總則》國家規定，變壓器出廠需要對變壓器進行例行試驗，例行試驗項目中，需要測量的項目包括：變壓器變比、線圈的直流電阻、空載電流及空載損耗（鐵損）、負載損耗（銅損）及短路阻抗等。傳統的變壓器空載試驗實驗是在二次側施加額定電壓，測量變壓器電量參數，進而計算變壓器線路參數及鐵損;傳統的變壓器短路試驗（負載）實驗是在一次側施加額定電流，通過測量變壓器電量參數求得變壓器線路參數及銅損。顯而易見，無論哪種試驗的實驗方法，都需要將實際的電工儀表接入實際線路中。在試驗過程中，初學者需要接觸到大功率的電源，有一定的為危險性。同時，對于新冠病毒等疫情的情況下無法線下實驗，針對以上情況，設計一種基于Multisim的單相變壓器空載/負載試驗仿真實驗具有重要意義。

1實驗目的

1） 通過本實驗使初學者更加深刻理解相關的專業知識，熟練使用仿真軟件平臺。

2） 通過本實驗了解變壓器空載試驗實驗原理，各參數測量原理及方法、計算方法;了解測量數據的處理過程;

3） 通過本實驗掌握理解電力變壓器的空載負載實驗方法，掌握類似的仿真技術。

2 實驗基礎知識指導

通過空載試驗可以發現變壓器以下缺陷：硅鋼片間絕緣不良。鐵芯極間、片間局部短路燒損，穿芯螺栓或綁扎鋼帶、壓板、上軛鐵等的絕緣部分損壞、形成短路，磁路中硅鋼片松動、錯位、氣隙太大，鐵芯多點接地，線圈有匝間、層間短路或并聯支路匝數不等、安匝不平衡等，誤用了高耗劣質硅鋼片或設計計算有誤。利用Multisim平臺，設計變壓器空載負載試驗實驗，提高使用虛擬儀器的能力;節省了實驗成本，且在較短時間內可進行多個項目的實驗，使得在較短時間內對較多的內容進行復習、總結、加深理解;加深了對交流電的認識，加深了對歐姆定律、基爾霍夫定律的理解。基于Multisim的單相變壓器空載/短路實驗仿真實驗涉及了高電壓技術、電氣測量技術數字電子技術和模擬電子技術等知識并涉及了軟件仿真技術。設計了電壓測量、電流測量、功率測量電路。根據電路的歐姆定律和基爾霍夫定律等概念，得到變壓器變比、空載電流、空載損耗、阻抗大小、直流電阻大小及相同性質的短路時變壓器參數。基本計算公式為：

空載試驗所得到的值，乘以變比的平方，得到變壓器一次側的相應數值。（4）式也可用或者兩式求得。U1，U2分別為變壓器一次，二次側實際測量電壓值。

由于空載試驗、短路試驗測量原理大致相同，本文僅以空載試驗實驗為例加以描述。

3試驗原理

空載試驗是在變壓器的二次側施加額定電壓，一次側開路，測量二次側的電壓、電流功率，即空載電流和空載損耗，根據公式計算勵磁阻抗，根據測量的一次側電壓和二次側電壓計算變比，變比的平方乘以二次側的參數，得到一次側的相應參數。為達到安全目的，變壓器空載試驗一般在二次端施加低電壓緩慢升至額定電壓，試驗原理圖如圖1所示。

在變壓器二次側施加模擬交流電緩慢升至220 V，高壓側開路，并按照圖示接入功率表、電壓表、電流表（一次側電壓表通過互感器接入）。I即為空載電流，P為空載損耗，其他參數通過儀表讀數進行計算。二次側的三個虛擬儀器分別使電壓表、電流表和功率表，二次側電壓表需要采用電阻分壓以后進行測量。

4 仿真實驗步驟

將圖1所示原理圖繪制到Multisim，在軟件輸入端輸入模擬交流220V。仿真運行時，根據虛擬儀表的讀數，對所需數據進行計算，乘以變比的平方即可轉換為一次側數據。根據相關規定，由于一次側電壓過高，需采取互感器或者電阻分壓的辦法接入測量儀器，本實驗采用電阻分壓的辦法進行高壓測量，基于Multisim變壓器空載實驗電路如圖2所示。

圖2中，T1為被式變壓器，其他測試設備為Multisim自帶虛擬儀器。其中，軟件平臺的瓦特表接稱功率表模式，根據需要，設定變壓器為升壓模式，萬用表分別設定電壓或電流測量模式。

實驗步驟：

1）打開Multisim軟件，按照圖2繪制電路原理圖;

2）設定XMM8為測量二次電壓的電壓表，XMM7為測量二次空載電流的電流表。將軟件平臺的瓦特計XWM1接成功率表模式;

3）設置變壓器鐵芯為非理想鐵芯，設置線圈電阻分別為10，100mΩ，設定一次、二次線圈無漏電電感，匝數為100：10000;

4）點擊運行按鈕，調整匝數比，按照實驗要求，緩慢提升電壓，改變變壓器參數，分別記錄各虛擬儀器的讀數;記錄空載損耗、空載電流，計算阻抗、R、變比等多組數據;

5 實驗數據處理

示范，設定變壓器鐵芯為非理想鐵芯，設置線圈電阻分別為10，100mΩ。

設定一次如圖3所示，從左至右，分別為功率P、二次電壓U2，空載電流I2，一次電壓表讀數。

被式變壓器二次側施加220V交流電，則一次側電壓為，一次側電壓表讀書為U，則一次側電壓為：

阻抗電壓有兩個分量一個是電抗電壓，一個是電阻電壓，阻抗電壓是變壓器的主要參數之一，從電壓器的實際運行角度看，阻抗較小最好。這樣可以使運行中輸出端的電壓變動的內部容量損耗較小一些，瓦特計讀數為變壓器空載損耗，電流表讀數為空載電流，仿真實驗中阻抗大小為則總阻抗為：

其中U，I 為空載二次側電壓和電流表讀數，由（2）、（3）式可得，

6 實驗報告要求

提前預習相關電力知識，繪制測量原理圖，通過仿真運行，讀取各數據，計算需要測量的數據，并根據原理圖中各元件的標稱值計算測量誤差，觀察模擬實驗是否達到實驗要求，分析并解釋仿真電路中誤差產生的原因。

參考文獻：

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[2]西安電力高等專科學校. 變壓器的空載和短路試驗[DB/OL]https：//wenku.baidu.com/view/c16e026442323968011ca300a6c30c225901f0bf.html.

[3]閔永智等. 電氣測試技術[M].西安：電子科技大學出版社，2017.

[4] 江春冬， 賈海朋， 張萍.深入理解變壓器中的勵磁電抗[J]. 實驗室科學， 2013， 16（002）：4-5.

作者簡介：肖海紅，男，河南蘭考人，漢族，河南工程學院電氣信息工程學院教授，工程師，主要從事電氣測試技術研究和儀器儀表的研制。

河南工程學院 鄭州 451191