电力系统分析综合实验三变压器暂态分析实验.docx
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电力系统分析综合实验三变压器暂态分析实验
课程名称：
电力系统分析综合实验指导老师：
成绩：
实验名称：
变压器暂态分析实验实验类型：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
初步接触PSCAD平台的控制元件，深入分析单相变压器模型、负载和通电时机等因素对通电暂态、稳态过程的影响。
二、实验内容和原理
1.实验系统的介绍
在PSCAD的平台下搭建一个放射状的单相系统，包括一个电压源G1、一个单相变压器T1和阻性负载，如下图所示。
其中，单相变压器T1两端设有断路器CB1和CB2。
具体参数如下：
电源电压：
133kV
电源频率：
50Hz
电源电阻：
0.01Ω
变压器额定功率：
100MVA
变压器额定电压：
133/20kV/kV
变压器绕组总漏抗：
0.05p.u.
变压器总空载铁芯损耗：
0.02p.u.
负载阻抗：
4Ω
电压器饱和特性参数如下：
额定电压下的励磁电流：
1%
空心电抗：
0.25p.u.
膝点电压：
1.15p.u.
预插入电阻：
300Ω
2.变压器模型
单相变压器T1来自Transformers主库，可以选择是否模拟理想变压器。
这里的理想变压器仅意味着去除励磁支路，仍然要考虑漏抗。
非理想变压器包括励磁支路，并可以模拟饱和过程。
PSCAD提供了两种建模方法，即Classic和UnifiedMagneticEquivalentCircuit（UMEC）。
本实验使用Classic模型，铁芯的非线性特性基于膝点、空心电抗和额定电压下的励磁电流进行近似。
3.断路器模型
断路器CB1和CB2来自Breakers&Faults主库。
断路器被归类为简单的开关模型，其支路电阻通过输入控制信号在两个给定值之间进行切换。
本实验中控制信号由断路器定时控制逻辑元件（TimedBreakerLogic）发出。
用户可以使用该元件设置受控断路器的初始状态为Open（断开）或Close（闭合），并可设置断路器动作的时间和次数。
PSCAD中的断路器可以根据需要添加预插入电阻。
当接收到TimedBreakerLogic的Close信号时，该电阻经过TimeDelayforClosingBreaker中设置的延时后插入，并经过TimeDelayforBypassingPre-Insertion中设置的延时后被移除。
这两种延时都是以控制信号从Open变为Close的时刻开始计时的。
当接收到Open信号时，断路器断开并立即插入该电阻，并在Post-insertionremoval中设置的延时后被移除。
三、主要仪器设备
PC机、PSCAD仿真软件
四、操作方法与实验步骤
1.五种运行状态
五种运行状态分别为：
（1）理想变压器模型，空载状态。
（2）带线性励磁支路的非理想变压器模型（不考虑饱和过程），空载状态。
（3）非理想变压器模型，考虑饱和过程，空载状态。
（4）非理想变压器模型，考虑饱和过程，带额定负载。
（5）非理想变压器模型，考虑饱和过程和预插入电阻Rp，空载状态。
2.实验操作步骤
区分以下5种运行状态，并绘制电路原理图。
（1）记录每种运行状态下变压器通电后，变压器原边的电压和电流在暂态、稳态两种过程中的数值，并绘制成图表。
（2）针对第三、四种运行状态，分别找到断路器CB1在不同的时间下闭合所造成的最佳和最差两种暂态稳态过程。
（3）针对第五种运行状态，选择一组合适的闭合时机，消除浪涌电流。
注意：
（1）在稳态过程仿真阶段，由于部分电路震荡时间较长，请擅用图表的zoomin功能确保图表导出时已经达到稳态。
建议稳态过程的仿真时长设置为40秒。
（2）在空载状态下，将断路器CB2的初始状态设置为Open，并将第一次动作时间的设置为大于仿真时长。
五、实验数据记录与处理
1.电路原理图
（1）第一种运行状态
（2）第二种运行状态
（3）第三种运行状态
（4）第四种运行状态
（5）第五种运行状态
2.仿真图表
（1）第一种运行状态
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
（2）第二种运行状态
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
（3）第三种运行状态
①CB1最佳闭合时间=0.065s
暂态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
稳态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
②CB1最差闭合时间=0.06s
暂态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
稳态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
（4）第四种运行状态
①CB1最佳闭合时间=0.065s
暂态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
稳态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
②CB1最差闭合时间=0.08s
暂态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
稳态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
（5）第五种运行状态
CB1闭合时间=0.2s
预插入电阻延时时间=0.1s
暂态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
稳态过程：
（原边电流曲线图表）
（原边电压曲线图表）
3.实验结果记录
运行状态
闭合时间
暂态过程
稳态过程
1
0.022
190
2
0.023
192
3
CB1最佳闭合时间=0.065s
0.022
0.022
196
196
CB1最差闭合时间=0.06s
3.25
0.8
190
190
4
CB1最佳闭合时间=0.065s
1.2
1.2
196
196
CB1最差闭合时间=0.8s
3.5
1.2
190
190
5
CB1闭合时间=0.2s
预插入电阻延时=0.1s
0.51
0.03
180
185
六、实验结果与分析
1.第一种运行状态采用理想变压器，并没有励磁指路以及饱和状态，所以不存在浪涌和谐振问题。
2.第二种运行状态是带线性励磁支路，但不考虑饱和状态，所以没有谐波，又因为空载，所以电流与电压都比较稳定
3.第三种运行状态采用非理想变压器，考虑饱和状态，此时存在着高次谐波的影响，根据实验结果来看，当初始相位角处于90°或者270°的时候闭合电闸，电路中的电流处于最小值，是最佳闭合时间；当初始相位角处于0°或者180°的时候，铁芯中磁通最大，达到高度饱和，谐波电流也最大，浪涌电流也很大。
4.第四种运行状态在第三种运行状态的基础上加上了4Ω的负载，原边电流比空载时要大，但是最佳闭合时间和最差闭合时间与第三种运行状态相差无几，并且产生原因相似。
5.第五种运行状态是在非理想变压器模型上考虑到了饱和过程和预插入电阻Rp，预插入电阻的出现让电路中插入电阻的一瞬间电流突然增大，之后又回到电流较小的稳定状态。
考虑到变压器饱和的影响，电流波形依然还有谐波。
七、心得、体会
1.思考题
（1）请解释预插入电阻Rp的物理意义。
预插入电阻Rp在断路器闭合后的一段时间内，可以防止在电闸闭合时电流过大而引起的断路器断开，起到了保护电路的作用；在之后就被切除掉了，以防止插入电阻消耗电能。
（2）请解释如何选择合适的闭合时间。
断路器最合适的闭合时间是在断路器合闸的一瞬间初始电流处于最小的状态，初始状态瞬间的电流越大，浪涌电流也就越大，对电路的冲击影响也就越明显。
瞬时电流的大小与初始相位角有关，具体公式如下：
可以得知，当瞬时电压的初始相位角为0°或者180°的时候，暂态磁通最大，电流最大，铁芯饱和程度最大，励磁电流也就最大；当初始相位角为90°或者270°的时候，暂态磁通最小，铁芯未达到饱和状态，励磁电流也就最小。
（3）请解释第三种运行状态下谐波的产生机制和波形失真的原因。
变压器工作在铁芯饱和时，由于磁通量不能提高，初级线圈匝数比（初级电压）再高，次级电压也不会按照初次比例来升高，也就是次级电压恒定了，再提高变压器的初级电压，也不会起到作用，称之为饱和状态。
这样的磁化电流呈现尖顶波形状，所以含有高次谐波（主要是三相谐波），这与变压器的结构形式和铁芯的饱和程度有关。
2.心得、体会
（1）本次实验是在上次PSCAD基础仿真实验的基础上加深了一些难度，由任务性实验改为了探究性实验，让我们更加熟悉了单相电网当中断路器合闸的时刻对于整体电路的原理。
从理想状态到非理想状态，从不考虑饱和状态到考虑饱和状态，从空载到带负载，根据老师的教导以及指导书的指导，做到了温故而知新的学习作用。
（2）在连接电路方面，本次电路连接较为简单，断路器可以用一个时延开关来代替，在PSCAD上选取点的时候注意名称的变化。
发电机与变压器要采用单相而不是三相，变压器一段接线路，另一端接地，根据实验要求来改变每一个电路元件的参数。
（3）在实验过程中，仿真时间对于波形的影响比较大，对于暂态过程，仿真时间比较适合采用1s到1.5s，只需要观察浪涌电流就可以；对于稳态过程，可能需要将仿真时间定为100s到200s。
由于仿真时间增大，软件取点也随着增多，运算量增大。
当仿真时间过长时，电脑很容易出现死机现象。
所以在实验过程中要养成时时刻刻保存到好习惯。
（4）实验数据记录过程中，需要注意在复制该图片之前，要将波形状态调整为最佳展示状态。
可以采用右键之后的Zoom里面的ExtentAll功能，将横坐标与纵坐标自动调节，从而达到美观的效果，稳态时刻能够达到的时间比较长，截图的时候很多店聚集在一起，波形并不好看，这时可以减少采样时间，数据的记录与处理可以根据曲线的趋势来确定曲线的最终稳态值大小，不必达到稳态再截图。
（5）从实验结果看出，当变压器工作在非理想状态时，需要考虑励磁支路的影响，励磁支路的电流波形受变压器的饱和程度影响；当变压器饱和时，励磁电流含有谐波成分，尤其是三次谐波成分。
变压器饱和之后发热严重，损耗增大。
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