Z型接地变压器在PSCAD下的仿真模型构建.doc

1、Z 型接地变压器在PSCAD下的仿真模型构建摘要： PSCAD是电力系统常用的仿真软件，在利用其进行电力系统仿真时却发现在元件库中不存在实际常用的Z型接地变压器。针对在仿真中发现的问题，文章在分析Z 型接地变压器原理的基础上，利用 PSCAD 中的单相三绕组变压器模块， 设计搭建了Z 形接地变压器模型，并对其进行了理论分析和仿真验证。通过对某35kV 配电网经消弧线圈接地系统的仿真表明该接地变压器模型设计合理，从而为中性点接地系统建立正确仿真模型奠定了基础。Abstract ： PSCAD is a commonly used simulation softwarein power syste

2、m ， but there isn t the commonly used zigzag grounding transformer in the component library. In view of this problem ， based on the analysis of the principle of zigzag grounding transformer ， this paper designed and built the zigzag grounding transformer model ， and carried on theoretical analysis a

3、nd simulation verification. The simulation of a 35kv power distribution network earthing via arc extinguishing coil system shows that the design of the grounding transformer model is reasonable ， thus laying a foundation for neutral point grounding system to establish acorrect simulation model.关键词：

4、Z 型接地变压器； PSCAD；中性点接地方式；仿真验证分析Key words： zigzag grounding transformer ；PSCAD；neutralpoint grounding way ； simulation analysis中图分类号： TM743 文献标识码： A 文章编号：1006-4311（ 2015） 29-0137-020 引言随着电网规模的不断扩大以及城市电缆线路越来越多的应用，当系统发生接地故障时，因接地而产生的接地电流变的很大，加之有可能产生的间歇性弧光接地过电压都有可能导致接地电弧不能自熄从而危及系统安全，对此必须加以限制。现阶段主要有两种限制措施，

5、分别是中性点经消弧线圈接地和中性点经接地电阻接地。我国635kV 变电站中的变压器绕组最常用的是三角形接线方式，该方式下并无中性点引出用来接消弧线圈或接电阻，为实现上述限制措施需要采用专用的接地变压器人为的引出一个中性点用来连接消弧线圈或电阻，而一般变电所采用的接地变压器都是Z 型接地变压器 1 。PSCAD是一款普遍应用于电力系统仿真中的功能强大的数字程序仿真软件，但是该仿真软件的元件库中却没有针对Z 型接地变压器的模型，而构建出准确的Z 型接地变压器模型是很有必要的，只有这样才能建立正确符合实际运行的配电网仿真模型。 本文就如何在PSCAD数字仿真软件中建立准确的 Z 型接地变压器仿真模型

6、进行了相关分析与研究，并对所搭建的模型进行相应的仿真验证，确定其有效性和精确性。1 Z 型接地变压器模型设计1.1 Z 型接地变压器结构原理Zn， yn11 和 Zn， yn12 是 Z 型接地变压器常用的两种接线方式，接下来文章将以Zn，yn11 接线方式为例加以阐释说明 2 。如图 1 所示，实际中的Z 型接地变压器为三相三柱式的铁芯结构，每相芯柱上缠绕两段极性相反，匝数相等的绕组，三相绕组按Z 型连接法接成星型接线。正是由于这种Z 型连接方式， 使得它具有很好的特性即在电网正常运行时，该变压器励磁阻抗值很高，直流过数值很小的励磁电流，损耗很小；一旦发生单相接地故障，该类型接地变压器仍对正

7、序与负序电流呈现非常大的阻抗，产生的正负序电流仍然很小，然而此时同一芯柱上两绕组却因为流过相等的零序电流而产生能相互抵消的磁通，结果对零序电流呈现低阻抗，保证系统零序电流正常流过。这对于零序接地保护来说，可保证其可靠正确动作。1.2 Z 型接地变压器模型建立Z 型接地变压器是具有特殊用途的变压器元件模型，但PSCAD仿真软件中没有Z 型接地变压器3 。本文在分析Z 型接地变压器结构原理的基础上，利用软件自身具有的模块进行重新编辑设计，创建了Zn，yn11 型接地变压器模型。文章所设计的接地变压器的模型是由三个单相三绕组变压器模块相连接后组成。其中，#1、#2、#3 号分别表示每个单相三绕组变压

8、器的三个绕组。另外需要加以说明的是，省去了接地变压器的二次侧绕组（带二次侧绕组的接地变压器可作站用变） ，但是将完全不影响仿真分析结果的正确性。1.3 验证 Z 型接地变压器模型的正确性Z 型接地变压器在三相铁芯的每个柱上有缠绕有2 个绕组，通过反极性串联成曲折型的星型绕组。该方法就系统零序电流来说呈低阻抗，这是因为这种特殊的绕组接线方法把同相 2 个绕组反极性串联，其感应电动势大小相等、方向相反、互相抵消 4 。将 Zn， yn11 的接地变压器二次侧开路，并把一次侧的高压绕组侧三相短路。通过在中性点与短路的高压绕组两者之间外加一定电流I0，读取电压U0。文章在进行相关仿真试验当中，外加入频

9、率为50Hz，有效值为 10A 的电流源Is，即所谓的I0 的测量读数为10A；由图 5 的仿真波形中可以得出相应的U0 有效值大约为1.74V，故由公式（ 1）可以知道所搭建的接地变压器自身的零序阻抗大约为 0.5。从而所选取的变压器绕组零序阻抗是符合接地变压器要求的。令 Ecb1 与 Ecb2 分别代表原边绕组与副边绕组C 相与 B 相之间的线电压，通过pscad 仿真软件对其相应的仿真测量。Ecb1 超前于 Ecb2 一定角度，通过对其的测量知道该角度为30，即 Ecb2 领先于 Ecb1 角度为330，进而说明了文章所设计的该接地变压器为Zn， yn11型。综上可以得出：文章所搭建的Z

10、 型接地变压器模型是准确的、符合现实要求的。2 仿真实验分析文章利用所搭建的Zn， yn11 接地变压器模型，结合PSCAD建立了某 35kV 配电网中性点经消弧线圈接地的电力系统的仿真模型（如图 1）。对于实际变电站中为单母线分段且母联开关在正常运行时是断开备用的母线接线方式，在对其进行系统的仿真时只需要取一段母线即可。对于上图的模型，文章采用四条出线线路、而且线路一律采用PSCAD中贝瑞隆分布参数模型。通过对该接地系统单相接地故障运行状态进行的仿真试验（取全补偿即谐振接地状态运行下）。接地变压器在谐振接地系统正常运行时，流入该人为制造的中性点的电流约为 0.3pA，其电流值是非常小的，故说

11、明文章所设计的接地变压器的模型是能够满足系统正常运行时的要求的。在无消弧线圈补偿前提下，当系统发生单相接地故障时其故障点的电流波形， 此时故障点电流可以达到 30A 以上（容性），其电流值是远远大于自动熄弧所要求的故障电流小于10A 的这一条件的，因而此时必须通过加以消弧线圈进行相应的补偿，而消弧线圈全补偿即所谓系统谐振运行条件下的补偿电流与接地故障点残余电流的波形图，这时消弧线圈的补偿电流大约为22A（感性），经过相应的补偿后故障点的残余故障电流已经变为5A 以下，是符合相关规定自动熄弧条件的 5 。谐振接地系统单相接地故障时非故障线路的电压波形，此时的非故障相的故障前的相电压为20.18k

12、V，发生故障后变为 34.92kV，满足谐振接地系统发生单相接地故障时电压升高为原来电压倍的关系要求。上述分析表明，本文所搭建设计的接地变压器模型在实际的仿真应用中是合理、正确的。3 结论本文依照Z 形接地变压器结构原理，利用电力系统仿真软件 PSCAD/EMTDC中存在的单相三绕组变压器模块，设计搭建出了该仿真软件中没有的针对小电流接地系统的Z 形接地变压器模型。本文为验证Zn， yn11 接线方式的接地变压器是否可以满足相关要求，进行了相应的理论分析和仿真验证，结果表明这种接线方法是完全正确、合理的；同时，对某经消弧线圈接地的35V 配电网系统进行相应的仿真试验，其结果再次表明该接地变压器模型满足系统正常运行时正负序阻抗高、单相接地故障时零序阻抗小的电磁特性；该模型应用方便，为正确建立小电流接地系统仿真模型奠定了基础。参考文献：1 戴靖波 .浅析中性点经小电阻接地电网中Z 形接地变压器 J变压器， 2005， 18-21.2 要焕年， 曹梅月 .电力