基于PSCAD的单相变压器内部接地故障仿真

夏明

摘 要：建立单相变压器的仿真模型，应用仿真软件（PSCAD）对单相变压器内部接地故障进行仿真，并简单地介绍了仿真模型，分析了仿真结果，以期为日后的相关工作提供参考和借鉴。

关键词：仿真软件；变压器；内部故障；仿真结果

中图分类号：TM743 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.076

变压器作为电力系统输配电环节中的重要电气设备之一，其安全、稳定的运行对电力系统有非常重要的影响。为了确保变压器能够安全可靠运行，需要对变压器进行仿真研究。本文主要探讨了如何使用仿真软件（PSCAD）对单相变压器内部接地故障进行仿真分析，并通过仿真研究进行相关结果分析。

1 仿真软件

在对变压器内部故障进行仿真时，采用的是仿真软件——PSCAD。PSCAD（Power System Computer Aided Design）程序是由曼尼托巴高压直流输电研究中心（Manitoba HVDC Research Center）开发的，其最主要的功能是对电力系统进行时域和频域的仿真。另外，利用它还可以实现对交流系统的谐波研究、暂态扭矩的分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或并联的多端输电系统的电磁暂态仿真和同杆架设的交直流电路的相互影响等。对于仿真软件，最典型的应用就是当计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数会随着时间而变化。此外，PSCAD软件还被广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析和电力电子领域的仿真计算等方面。应用PSCAD软件对变压器内部故障进行仿真分析可以得出较为标准的结果。

2 仿真模型和相关说明

所用单相变压器铭牌参数如下：DMB-10型单相变压器，容量为10 kVA，低压侧额定电压为380 V，高压侧额定电压为1 000 V，低压侧额定电流为25.3 A，高压侧额定电流为10 A，空载电流为1.45%，空载损耗为100 W，短路损耗为350 W，短路电压为9%～15%，一、二次侧绕组（归算到一次侧）总电感为0.003 8 H，总电阻为0.166 10 Ω。

结合等效电路图和相关参数，在PSCAD中搭建出此实验变压器的仿真模型，如图1所示。

下面简要说明仿真模型中各元件的作用：I1，V1为测量原边的电流、电压；I2，V2为测量副边的电流、电压；BRK为开关K，初始状态断开，控制接地故障的模拟。

在该电路模型中，各电气元件的参数设置如下：电源通交流电，输出电压为1 kV，频率为50 Hz，内阻感性为0.01H。

对于变压器，故障点原边取在76%抽头处，副边取在50%处，即其变比分别为0.76∶0.19和0.24∶0.19，频率为50 Hz。在负载方面，其电阻为0.166 10 Ω，电感为0.003 8 H。

对于比较关键的开关动作，开关BRK动作2次，第一次动作时间0.2 s，第二次动作时间0.6 s。

3 变压器内部接地故障仿真结果分析

在此需要先说明的是，动作2次的开关分别代表了故障的产生和消除。其产生故障的时间为0.2 s，故障消除的时间为0.6 s。

分析相关波形图发现，原边发生接地故障后，测量原边的电压表V1没有变化，因为其所测量的一直为电源电压；副边电压V2在故障前后发生了变化，在故障过程中电压值明显增大。因为原边部分绕组发生了接地故障，故障点之下的绕组部分被短路，相当于新产生了1台变压器，其变比与原来的变压器相比要小，这与发生故障的位置是有关系的。因此，由V1∶V2=N1∶N2可知，在V1不变的情况下，N1∶N2在减小，V2则必然会增大。由此可见，理论结果与试验结果相吻合。再分析原边电流I1和副边电流I2的变化情况。当原边发生接地故障后，I1和I2在短时间内增长到了很大的数值，之后在很短的时间内达到了稳定的状态，呈正弦波状态。因为变比在变化，由I1∶I2=N2∶N1可知，随着N2∶N1的增大，I2会随着I1的变化而变化。由此可见，理论结果与试验结果相吻合。

4 结论

本文主要应用仿真软件（PSCAD）对变压器内部接地故障进行仿真分析，并将试验的波形与理论分析进行对比，从而得出正确的结论。通过对变压器模型构造的了解，学习多种构建变压器内部故障模型的方法，可以加深对变压器工作原理和故障情况的理解。应用PSCAD仿真变压器的内部故障，对变压器的保护研究工作有很大的帮助。

参考文献

[1]任震，欧开健，荆勇，等.基于PscAD/EMTDc软件的直流输电系统数字仿真[J].电力自动化设备，2002，22（9）：11-12.

[2]Kezamovic M ，Guo Y.Modeling and Simulation of the Power Transformer Faults and Related Protective relay Behavior[J].IEEE Trans on Power Delivery，2001，15（1）：44-49.

〔编辑：白洁〕