基于Simulink 电压互感器的仿真实验设计

樊祥国，王关平，彭娟，贠湃湃，强世文

（甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃兰州，730070）

0 引言

新工科背景下，电气工程专业教学改革面临着诸多挑战，尤其是实践环节的改革。电力系统实验是电气专业实践环节的重要一环，然而对于电力系统实验过程较复杂、电压等级较高，在传统实验台上实验具有一定危险性，长此以往，就会导致一些高压实验被“搁置”。近年来，虚拟仿真发展迅速，许多传统实验都可借助于虚拟仿真平台来实现。Matlab/Simulink 仿真平台就是其中一个应用较为广泛的平台，该平台中有专门用于实现电力系统仿真的SimPowerSystems 工具包，所以电力系统实验是完全可以用Simulink 平台来做一些仿真实验，以此来对传统实验进行最有效的补充[1]。

电压互感器是电力系统中极为重要的器件，它主要用来测量线路电压和功率、故障时保护贵重设备等。然而，传统实验台上往往没有对电压互感器的详细实验，所以致使很多学生对电压互感器了解甚微。电压互感器是根据电磁感应的基本原理进行操作的，其一次侧的匝数比二次侧匝数多，二次回路表现为高阻抗且可以短路运行，具有变压和电气隔离的作用[2]。对于电压等级较高的场合，电压互感器容量更大，它的相关实验难度及危险性更大，而仿真实验却可以较佳地完成该实验[3]。故本文就借助于Simulink 平台，以电压互感器为例，对其进行建模、调参和仿真[4]，设计正常电压传导实验、负载对电压互感器传导精度的影响实验及电压互感器二次侧短路实验三个仿真实验，并对其深入剖析，从仿真的角度让学生对电压互感器有了更进一步地认识，这也体现出仿真平台可以有效补充传统实验平台的不足。

1 实验设计及参数计算

本电压互感器仿真实验目的有三个：第一是要求通过仿真结果与理论值的比较对电压互感器的工作特点及基本特性有进一步的理解；第二是掌握基于MATLAB/Simulink 的电压互感器仿真模型的构建及参数设置；第三是掌握电压互感器的使用注意事项。以下就从这三个目标出发，详细地设计实验过程。

假定励磁分量I˙Φ1和空载电流I˙01之间的夹角是30°，则有：

接下来便可进一步计算模型参数：

由于电压互感器与变压器原理相同，故这里在建模时用变压器（即Saturable Transformer)代替。同时要根据以上数据设置电压互感器参数，设置如图1 所示。

图1 电压互感器的参数设置

2 系统仿真模型构建

由以上给定及计算结果构建基于Simulink 的电压互感器建模，如图2 所示。VT 即为电压互感器。

图2 中 RMS 为有效值测量模块，其基频为50Hz，同时使用固定阻值为1Ω 的电阻R1 作为一次侧的回路限流电阻。为体现负载电阻可变，设定R2 为可变电阻。数据空间变量V1_2_1 存储一次侧的大电压以1/100 的固定变比折算到二次侧的数值，这样可以方便后续实验对比。此外，电压互感器二次侧使用了Breaker 模块，其参数设置见图3 所示。

图3 Breaker 模块参数设置

3 实验结果及分析

■3.1 正常电压传导实验

正常电压传导实验时选择R2=15Ω，一次侧相电压U1分别为。实验结果如图4 所示。从图中可看出无论一次侧相电压U1 为，预测的二次侧电压V1_2_1 和实际测量电压V2 的波形几乎完全一致，这表明设计的电压互感器精度极高。但由实验过程的相关数据证明，一次侧电压为时，二次侧电压的相对误差为0.56%，而一次侧电压为时，二次侧电压的相对误差同样为0.56%。这说明，本实验设计的电压互感器在其额定电压及其以下使用时，准确度还是相当高的；当然，在二次侧开路时，还是采用上面两个一次侧相电压值，得出二次侧相对误差为0.01%，几乎为零。而现实中的电压互感器总是带有负载，所以其信号传输的误差总是存在。因此，电压互感器二次侧开路时流过电流并不大，二次侧可以开路运行。

图4 正常电压传导实验对比效果图

■3.2 负载对电压互感器传导精度的影响实验

为验证负载对电压互感器传导精度的影响，这里需要分别采用不同的负载来做实验。本实验选用R2 作为二次侧负载，设定R2=15Ω、50Ω 和100Ω 三种情况，一次侧电压。图2 所示的仿真系统模型在此依然适用，依照不同电阻去运行该模型，得到V1_2_1 与V2的波形示意图，如图5 所示。

图5 电压互感器传导精度受到不同负载影响对比图

■3.3 电压互感器二次侧短路实验

众所周知，电压互感器在使用过程中，必须严格禁止二次侧短路，那么为了验证该结论，这里构建电压互感器二次侧短路实验仿真模型，如图6 所示。为了测量电压互感器二次侧的短路电流i2，使用了CM1 电流测量模块，其他参数不变，同时采用Breaker 模块作为短路的开关，短路时间发生在0.1s。运行模型，得到预测的二次侧值V1_2_1、二次侧实测电压V2 以及二次侧电流i2 波形，如图7 所示。

图6 电压互感器短路仿真系统

图7 电压互感器二次侧短路实验结果(U 1=10/V)

本实验仿真时间为0.2s，设置在0.1s 时电压互感器二次侧发生短路事件。由图7(a)和图7(b)可知，在0.1s 之前，其预测的电压互感器二次侧值V1_2_1 与二次侧实测电压V2 的波形几乎完全相同；但在0.1s 短路后，其二次侧实测电压V2 几乎为零；同时，由图7(c)可知，短路时二次侧电流i2 迅速增大到额定电流的几十倍。由于一次侧的电压值取决于整个电网的电压，并且与二次负荷没关系，但是，如果电压互感器正常运行时，会导致负载阻抗很大，使得电压互感器二次侧处于类似的断路状态，就像一个变压器设备处于空载一样；电压互感器二次侧短路时，这种情况下负载阻抗接近于零，短路电流会造成巨大的变化，有可能会损坏互感器及周围的设施。所以电压互感器的第二侧必须保持完好，避免电源短路。建议在电压互感器的二次侧出口处都安装一个熔断器或者一个快速自动空气开关，有效地保护电压互感器免受损害。

4 实验总结

本文基于Simulink 仿真平台，分别从参数计算、模型构建、仿真分析三个方面详细分析并设计了三个电压互感器的三个相关子实验——正常电压传导实验、负载对电压互感器传导精度的影响实验及电压互感器二次侧短路实验。由实验结果分析电压互感器二次侧短路十分危险，要在二次侧安装熔断器来进行保护；负载接入过多时，二次负载阻抗会下降，同时二次侧电流增大，测量误差也随之增大；短路电流对电压互感器的巨大损坏以及加装保护设备对其保护至关重要。