【模拟电力变压器电气测试】使用电磁暂态程序（EMTP）对各种情景进行建模(包括：正常运行、一次绕组故障、铁芯故障)附Matlab代码

电力变压器电气测试建模与仿真

最新推荐文章于 2025-12-02 19:45:00 发布

原创最新推荐文章于 2025-12-02 19:45:00 发布 · 466 阅读

12 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#matlab #开发语言

✅作者简介：热爱科研的Matlab仿真开发者，擅长数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。

🍎 往期回顾关注个人主页：Matlab科研工作室

🍊个人信条：格物致知,完整Matlab代码及仿真咨询内容私信。

🔥 内容介绍

在开展电力变压器电气测试建模前，需完成基础参数收集与软件环境配置，为后续仿真奠定精准基础。首先，需获取变压器核心技术参数，包括额定容量（如 100MVA）、额定电压（如 220kV/110kV）、短路电压（通常为 5%-10%）、空载损耗、短路损耗及铁芯叠片材质参数（如硅钢片型号 30Q130 的磁导率曲线）。其次，需完成 EMTP 软件环境配置，推荐使用 PSCAD/EMTDC（EMTP 衍生主流工具），搭建基础电路库，导入变压器模块、电源模块（需设置为三相正弦电源，频率 50Hz，电压幅值符合额定值）、测量模块（包括电压互感器 PT、电流互感器 CT 及示波器模块）及故障发生模块（如断路器式故障触发器）。

建模前需明确核心假设条件：忽略变压器绕组的集肤效应与邻近效应（低压仿真精度可满足）；铁芯磁滞回线采用简化双折线模型（如需更高精度可导入实测 B-H 曲线）；正常运行时假设三相负载对称，故障场景下按预设故障类型（如单相接地、匝间短路）设置不对称参数。

二、正常运行状态建模与仿真

（一）建模步骤

变压器本体建模：在 PSCAD 界面中调用 “Two-Winding Transformer” 模块，输入基础参数：额定容量 100MVA，一次侧额定电压 220kV，二次侧 110kV，短路电压 8%，空载电流 0.5%。铁芯模型选择 “Linear Core”（正常运行无饱和时适用），设置励磁电感为空载试验实测值（如 1200H）。

外部电路搭建：一次侧连接三相无穷大电源（内阻 0.01Ω，模拟系统容量足够大），串联隔离开关与断路器；二次侧连接对称三相负载（如感性负载，功率因数 0.9，负载率分别设置为 30%、50%、100% 以模拟不同运行工况）。

测量点布置：在一次侧、二次侧绕组两端分别设置电压测量模块（采集线电压与相电压）；在绕组出线端串联电流测量模块（采集线电流）；在铁芯接地回路串联微安级电流传感器（监测正常运行时铁芯接地电流，通常应小于 100mA）。

（二）仿真分析与验证

设置仿真时长为 0.5s（包含 0.1s 空载合闸阶段与 0.4s 带载运行阶段），步长选择 50μs（兼顾计算精度与效率）。仿真完成后，重点分析以下指标：

电压电流波形：正常运行时，一次侧、二次侧电压电流应呈标准正弦波，幅值稳定（如一次侧线电压有效值 220kV±2%），电流幅值随负载率线性变化（100% 负载时一次侧额定电流约 262.4A）。

变比验证：通过示波器读取一次侧与二次侧相电压有效值，计算实际变比（如 220kV/110kV=2.0，误差应小于 0.5%），与铭牌变比一致。

空载损耗计算：在空载运行阶段（二次侧开路），通过功率测量模块采集一次侧输入功率，即为空载损耗（应与出厂试验值偏差小于 10%，如实测值 12kW，出厂值 11.5kW）。

三、一次绕组故障建模与仿真

一次绕组故障主要包括匝间短路、相间短路与对地短路，需针对不同故障类型设计差异化建模方案。

（一）匝间短路故障建模

故障参数设置：假设一次绕组（星形接线，每相 600 匝）发生匝间短路，短路匝数占比分别设置为 1%、3%、5%（模拟轻微、中度、严重故障），短路点接触电阻设置为 0.01Ω-0.1Ω（故障初期电阻较大，随电弧灼烧逐渐减小）。

建模方法：将一次侧 A 相绕组拆分为 “健康段” 与 “短路段”，使用 “Mutual Inductor” 模块建立两段绕组的互感模型（互感系数根据匝数比计算，如 1% 短路时，健康段 594 匝与短路段 6 匝的互感 M=k√(L1L2)，k 取 0.99），短路段两端并联故障电阻与故障开关（设置故障触发时间为 0.2s，模拟突发故障）。

测量与保护联动：在短路段回路串联电流传感器（监测短路电流，通常为额定电流的 5-20 倍），在一次侧母线设置差动保护模块（整定值为额定电流的 1.2 倍，动作时限 0.02s）。

（二）相间短路与对地短路建模

相间短路：在一次侧 A、B 两相绕组出线端之间并联故障开关与故障电阻（0.005Ω-0.05Ω），触发时间 0.2s，模拟金属性或经电阻相间短路。

对地短路：在一次侧 A 相绕组中部（如 200 匝处）与接地端之间串联故障开关、故障电阻（0.01Ω-0.5Ω）及对地电容（变压器对地电容约 1000pF-5000pF），模拟绕组绝缘击穿导致的对地短路。

（三）故障仿真结果分析

以 1% 匝间短路故障为例，仿真结果应呈现以下特征：

电流突变：故障发生后（0.2s），A 相一次侧电流迅速增大（如从 262A 升至 1500A），且含有明显的 2 次、3 次谐波（谐波含量随短路匝数增加而升高，5% 短路时 2 次谐波含量可达 15%）。

电压畸变：A 相绕组端电压下降（如从 127kV 降至 90kV），二次侧对应相电压也随之降低，非故障相电压基本稳定。

保护动作验证：差动保护应在故障发生后 0.02s 内动作，切断故障回路，电流在 0.22s 后降至零，验证保护方案的有效性。

四、铁芯故障建模与仿真

铁芯故障主要包括铁芯多点接地与铁芯绝缘损坏（局部过热），建模核心在于模拟故障电流路径与损耗变化。

（一）铁芯多点接地建模

正常接地模型：变压器铁芯正常时仅一点接地（接地电阻约 10Ω），建模时在铁芯与接地端之间串联 10Ω 电阻，监测接地电流（正常时 < 100mA）。

多点接地设置：模拟 2 点、3 点接地故障，在铁芯不同位置（如铁芯柱与铁轭连接处、铁轭中部）分别设置接地支路，每个接地支路串联可变电阻（5Ω-50Ω，模拟不同接地导通程度），接地支路之间通过 “Capacitor” 模块模拟铁芯叠片间的分布电容（约 100pF / 片）。

（二）铁芯绝缘损坏建模

铁芯绝缘损坏会导致局部叠片短路，形成涡流回路，产生局部过热。建模时：

在铁芯某一区域（如铁芯柱上部，面积约 0.1m²）设置 “短路叠片区”，使用 “Resistor-Inductor Series” 模块模拟涡流回路（电阻 R=0.05Ω，电感 L=1mH，根据叠片材质与厚度计算）。

在短路区域附近布置 “Temperature Sensor” 模块（基于焦耳定律建立损耗 - 温度关联模型，损耗 P=I²R，温度上升速率与损耗成正比，初始温度 25℃，散热系数取 10W/(m²・℃)）。

（三）铁芯故障仿真分析

多点接地故障：2 点接地时，接地电流显著增大（如从 80mA 升至 500mA），且含有 3 次、5 次谐波（谐波含量 > 20%）；3 点接地时，接地电流进一步增至 1000mA，可能引发接地回路过热（通过功率模块计算接地回路损耗，如 P=I²R=500mA²×10Ω=2.5W，温度升高约 25℃）。