樊祥國(guó)，王關(guān)平，彭娟，贠湃湃，強(qiáng)世文

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州，730070）

0 引言

新工科背景下，電氣工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革。電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是電氣專(zhuān)業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要一環(huán)，然而對(duì)于電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程較復(fù)雜、電壓等級(jí)較高，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性，長(zhǎng)此以往，就會(huì)導(dǎo)致一些高壓實(shí)驗(yàn)被“擱置”。近年來(lái)，虛擬仿真發(fā)展迅速，許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都可借助于虛擬仿真平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)就是其中一個(gè)應(yīng)用較為廣泛的平臺(tái)，該平臺(tái)中有專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真的SimPowerSystems 工具包，所以電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是完全可以用Simulink 平臺(tái)來(lái)做一些仿真實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最有效的補(bǔ)充[1]。

電壓互感器是電力系統(tǒng)中極為重要的器件，它主要用來(lái)測(cè)量線路電壓和功率、故障時(shí)保護(hù)貴重設(shè)備等。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上往往沒(méi)有對(duì)電壓互感器的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)，所以致使很多學(xué)生對(duì)電壓互感器了解甚微。電壓互感器是根據(jù)電磁感應(yīng)的基本原理進(jìn)行操作的，其一次側(cè)的匝數(shù)比二次側(cè)匝數(shù)多，二次回路表現(xiàn)為高阻抗且可以短路運(yùn)行，具有變壓和電氣隔離的作用[2]。對(duì)于電壓等級(jí)較高的場(chǎng)合，電壓互感器容量更大，它的相關(guān)實(shí)驗(yàn)難度及危險(xiǎn)性更大，而仿真實(shí)驗(yàn)卻可以較佳地完成該實(shí)驗(yàn)[3]。故本文就借助于Simulink 平臺(tái)，以電壓互感器為例，對(duì)其進(jìn)行建模、調(diào)參和仿真[4]，設(shè)計(jì)正常電壓傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、負(fù)載對(duì)電壓互感器傳導(dǎo)精度的影響實(shí)驗(yàn)及電壓互感器二次側(cè)短路實(shí)驗(yàn)三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其深入剖析，從仿真的角度讓學(xué)生對(duì)電壓互感器有了更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)，這也體現(xiàn)出仿真平臺(tái)可以有效補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

本電壓互感器仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠腥齻€(gè)：第一是要求通過(guò)仿真結(jié)果與理論值的比較對(duì)電壓互感器的工作特點(diǎn)及基本特性有進(jìn)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(gòu)建及參數(shù)設(shè)置；第三是掌握電壓互感器的使用注意事項(xiàng)。以下就從這三個(gè)目標(biāo)出發(fā)，詳細(xì)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

假定勵(lì)磁分量I˙Φ1和空載電流I˙01之間的夾角是30°，則有：

接下來(lái)便可進(jìn)一步計(jì)算模型參數(shù)：

由于電壓互感器與變壓器原理相同，故這里在建模時(shí)用變壓器（即Saturable Transformer)代替。同時(shí)要根據(jù)以上數(shù)據(jù)設(shè)置電壓互感器參數(shù)，設(shè)置如圖1 所示。

圖1 電壓互感器的參數(shù)設(shè)置

2 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

由以上給定及計(jì)算結(jié)果構(gòu)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(cè)量模塊，其基頻為50Hz，同時(shí)使用固定阻值為1Ω 的電阻R1 作為一次側(cè)的回路限流電阻。為體現(xiàn)負(fù)載電阻可變，設(shè)定R2 為可變電阻。數(shù)據(jù)空間變量V1_2_1 存儲(chǔ)一次側(cè)的大電壓以1/100 的固定變比折算到二次側(cè)的數(shù)值，這樣可以方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比。此外，電壓互感器二次側(cè)使用了Breaker 模塊，其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖3 所示。

圖3 Breaker 模塊參數(shù)設(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

■3.1 正常電壓傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

正常電壓傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇R2=15Ω，一次側(cè)相電壓U1分別為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。從圖中可看出無(wú)論一次側(cè)相電壓U1 為，預(yù)測(cè)的二次側(cè)電壓V1_2_1 和實(shí)際測(cè)量電壓V2 的波形幾乎完全一致，這表明設(shè)計(jì)的電壓互感器精度極高。但由實(shí)驗(yàn)過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)證明，一次側(cè)電壓為時(shí)，二次側(cè)電壓的相對(duì)誤差為0.56%，而一次側(cè)電壓為時(shí)，二次側(cè)電壓的相對(duì)誤差同樣為0.56%。這說(shuō)明，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電壓互感器在其額定電壓及其以下使用時(shí)，準(zhǔn)確度還是相當(dāng)高的；當(dāng)然，在二次側(cè)開(kāi)路時(shí)，還是采用上面兩個(gè)一次側(cè)相電壓值，得出二次側(cè)相對(duì)誤差為0.01%，幾乎為零。而現(xiàn)實(shí)中的電壓互感器總是帶有負(fù)載，所以其信號(hào)傳輸?shù)恼`差總是存在。因此，電壓互感器二次側(cè)開(kāi)路時(shí)流過(guò)電流并不大，二次側(cè)可以開(kāi)路運(yùn)行。

圖4 正常電壓傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果圖

■3.2 負(fù)載對(duì)電壓互感器傳導(dǎo)精度的影響實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證負(fù)載對(duì)電壓互感器傳導(dǎo)精度的影響，這里需要分別采用不同的負(fù)載來(lái)做實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)選用R2 作為二次側(cè)負(fù)載，設(shè)定R2=15Ω、50Ω 和100Ω 三種情況，一次側(cè)電壓。圖2 所示的仿真系統(tǒng)模型在此依然適用，依照不同電阻去運(yùn)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(dǎo)精度受到不同負(fù)載影響對(duì)比圖

■3.3 電壓互感器二次側(cè)短路實(shí)驗(yàn)

眾所周知，電壓互感器在使用過(guò)程中，必須嚴(yán)格禁止二次側(cè)短路，那么為了驗(yàn)證該結(jié)論，這里構(gòu)建電壓互感器二次側(cè)短路實(shí)驗(yàn)仿真模型，如圖6 所示。為了測(cè)量電壓互感器二次側(cè)的短路電流i2，使用了CM1 電流測(cè)量模塊，其他參數(shù)不變，同時(shí)采用Breaker 模塊作為短路的開(kāi)關(guān)，短路時(shí)間發(fā)生在0.1s。運(yùn)行模型，得到預(yù)測(cè)的二次側(cè)值V1_2_1、二次側(cè)實(shí)測(cè)電壓V2 以及二次側(cè)電流i2 波形，如圖7 所示。

圖6 電壓互感器短路仿真系統(tǒng)

圖7 電壓互感器二次側(cè)短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果(U 1=10/V)

本實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)間為0.2s，設(shè)置在0.1s 時(shí)電壓互感器二次側(cè)發(fā)生短路事件。由圖7(a)和圖7(b)可知，在0.1s 之前，其預(yù)測(cè)的電壓互感器二次側(cè)值V1_2_1 與二次側(cè)實(shí)測(cè)電壓V2 的波形幾乎完全相同；但在0.1s 短路后，其二次側(cè)實(shí)測(cè)電壓V2 幾乎為零；同時(shí)，由圖7(c)可知，短路時(shí)二次側(cè)電流i2 迅速增大到額定電流的幾十倍。由于一次側(cè)的電壓值取決于整個(gè)電網(wǎng)的電壓，并且與二次負(fù)荷沒(méi)關(guān)系，但是，如果電壓互感器正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載阻抗很大，使得電壓互感器二次側(cè)處于類(lèi)似的斷路狀態(tài)，就像一個(gè)變壓器設(shè)備處于空載一樣；電壓互感器二次側(cè)短路時(shí)，這種情況下負(fù)載阻抗接近于零，短路電流會(huì)造成巨大的變化，有可能會(huì)損壞互感器及周?chē)脑O(shè)施。所以電壓互感器的第二側(cè)必須保持完好，避免電源短路。建議在電壓互感器的二次側(cè)出口處都安裝一個(gè)熔斷器或者一個(gè)快速自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)，有效地保護(hù)電壓互感器免受損害。

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文基于Simulink 仿真平臺(tái)，分別從參數(shù)計(jì)算、模型構(gòu)建、仿真分析三個(gè)方面詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)了三個(gè)電壓互感器的三個(gè)相關(guān)子實(shí)驗(yàn)——正常電壓傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、負(fù)載對(duì)電壓互感器傳導(dǎo)精度的影響實(shí)驗(yàn)及電壓互感器二次側(cè)短路實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析電壓互感器二次側(cè)短路十分危險(xiǎn)，要在二次側(cè)安裝熔斷器來(lái)進(jìn)行保護(hù)；負(fù)載接入過(guò)多時(shí)，二次負(fù)載阻抗會(huì)下降，同時(shí)二次側(cè)電流增大，測(cè)量誤差也隨之增大；短路電流對(duì)電壓互感器的巨大損壞以及加裝保護(hù)設(shè)備對(duì)其保護(hù)至關(guān)重要。