基于MATLAB的电流、电压互感器特性的仿真分析

摘 要电压互感器和电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的基本测量和继电保护等设备之一，其准确度及可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关。随着电力系统在监测、控制及保护等方面自动化和智能化要求的不断提高，传统的电磁式电压互感器和电流互感器因自身传感机理所限而呈现出种种难以克服的问题，已不能满足电力系统自动化、数字化的发展要求，基于电子技术、微机技术、光纤通信技术的新型电子式电压/电流互感器逐步引起人们的重视。电流、电压互感器应用广泛，比如可以为电机及电子设备等测量电流电压及继电保护的工具。更高效率和更高精度的电流、电压互感器一直是研究的热点。在我们日常生活中，电流、电压互感器随处可见，因为其相比其他的电磁式互感器而言结构相对简单，运行稳定且便于维修等优势，最重要的是电流、电压互感器在测量和继电保护等方面具有很好的优势。随着自动控制技术和微电子技术的不断革新，目前的技术水平为实现电流、电压互感器调节控制打下坚实的基础，提供扎实的理论依据。本次设计主要以电流、电压互感器控制系统设计应用作为研究背景，运用MATLAB/Simulink仿真工具搭建相应的仿真模型。电流、电压互感器控制系统拥有很好的动态特性，运行稳定性高、测量的范围较大，性能可靠等优势，在实际生产制造中被广泛的应用。该模型利用MATLAB软件中的电力系统模块库，建立了电流、电压互感器在电力系统应用中的系统仿真模型，通过Matlab/Simulink仿真软件搭建仿真模型,运行仿真，并对电流互感器的饱和特性的仿真结果进行了分析。经过对控制系统进行仿真，可以明显的看出，电流、电压互感器控制系统响应快，没有超调量，运行稳定，抗外界干扰能力强等特点。同时，深入学习电流、电压互感器的整体结构和分类，针对电流、电压互感器控制系统当做研究对象。在对电流、电压互感器控制系统工作原理和各个部分的数学模型进行深入研究的基础上，在MATLAB/SIMULINK对不同部件的传递原理和数学模型进行了深入的研究，建立电流、电压互感器控制系统动力学模型，通过仿真结果验证，可以比较各种策略与方案，优化并确定相关参数。最后，对电流、电压互感器控制系统分析方法进行了详细比较分析，为科学决策提供可靠的依据。本次设计经过模型搭建、仿真验证，在学习掌握电流、电压互感器工作特性的同时，参考得到的仿真结果，为更进一步的设计开发新的产品奠定坚实的基础。关键词：电流、电压互感器，饱和特性，建模与仿真，MATLAB

AbstractVoltagetransformerandcurrenttransformerareoneofthebasicmeasuringequipmentforelectricenergymeteringandrelayprotectioninelectricpowersystem.Theiraccuracyandreliabilityarecloselyrelatedtothesafe,reliableandeconomicaloperationofelectricpowersystem.

Withthecontinuousimprovementofautomationandintellectualizationrequirementsofpowersysteminmonitoring,controlandprotection,thetraditionalelectromagneticvoltagetransformerandcurrenttransformerhavepresentedvariousinsurmountableproblemsduetothelimitationsoftheirownsensingmechanism,whichcannolongermeetthedevelopmentrequirementsofautomationanddigitalizationofpowersystem.

Newelectronicvoltage/currenttransformerbasedonelectronictechnology,computertechnology,opticalfibercommunicationtechnologyhasgraduallyattractedpeople'sattention.Currentandvoltagetransformersarewidelyused,suchasmeasuringcurrentandvoltagetoolsforelectricmotorsandelectronicequipment.

Currentandvoltagetransformerswithhigherefficiencyandaccuracyarealwaysthefocusofresearch.

Inourdailylife,currentandvoltagetransformerscanbeseeneverywhere,becausecomparedwithotherelectromagnetictransformers,theyhaveadvantagessuchassimplestructure,stableoperationandeasymaintenance.Themostimportantthingisthatcurrentandvoltagetransformershavegreatadvantagesinmeasurement.

Withthecontinuousinnovationofautomaticcontroltechnologyandmicroelectronicstechnology,thecurrenttechnicallevellaysasolidfoundationandprovidesasolidtheoreticalbasisfortherealizationofcurrentandvoltagetransformerregulationandcontrol.Thisdesignismainlybasedonthecurrentandvoltagetransformercontrolsystemdesignandapplicationasresearchbackground,usingMATLAB/Simulinksimulationtoolstobuildthecorrespondingsimulationmodel.

Currentandvoltagetransformercontrolsystemhasgooddynamiccharacteristics,highoperationstability,largemeasurementrange,reliableperformanceandotheradvantages,andiswidelyusedinpracticalproductionandmanufacturing.

Inthismodel,thepowersystemmodulelibraryinMATLABsoftwareisusedtoestablishthesystemsimulationmodelofcurrentandvoltagetransformerintheapplicationofpowersystemcurrentmeasurement.ThesimulationmodelisbuiltbyMATLAB/Simulinksimulationsoftware,andthesimulationresultsofsaturationcharacteristicsofthecurrenttransformerareanalyzed.

Throughthesimulationofthecontrolsystem,itcanbeclearlyseenthatthecurrentandvoltagetransformercontrolsystemhasthecharacteristicsofquickresponse,noovershoot,stableoperationandstrongabilitytoresistexternalinterference.Atthesametime,theoverallstructureandclassificationofcurrentandvoltagetransformerswillbestudiedindepth,andthecontrolsystemofcurrentandvoltagetransformerswillbetakenastheresearchobject.

Theworkingprincipleofthecontrolsystemofthecurrent,voltagetransformerandthemathematicalmodelofeachpart,onthebasisofin-depthstudy,intheMATLAB/SIMULINKtothetransmissionprincipleandmathematicalmodelofdifferentpartsofin-depthresearch,current,voltagetransformercontrolsystemdynamicsmodelisestablished,thesimulationresultsverify,youcancompareallkindsofstrategyandplan,

Optimizeanddeterminerelatedparameters.

Finally,theanalysismethodsofcurrentandvoltagetransformercontrolsystemarecomparedandanalyzedindetailtoprovidereliablebasisforscientificdecision-making.Thisdesignthroughmodelbuilding,simulationverification,inlearningandmasteringthecurrentandvoltagetransformerworkingcharacteristicsatthesametime,referencetothesimulationresults,forfurtherdesignanddevelopmentofnewproductstolayasolidfoundation.Keywords:Currentandvoltagetransformers,saturationcharacteristics,modelingandsimulation,MATLAB

目录TOC\o"1-3"\h\u摘 要 1第一章绪论 51.1概述 51.2课题研究的现状 71.3课题研究的目的及意义 91.4课题的研究内容及章节安排 10第二章电流电压互感器 112.1电流互感器 112.1.1电流互感器的工作特点 112.1.2电流互感器的工作原理 112.1.3电流互感器的饱和特性 122.1.4电流互感器的技术参数 162.2电压互感器 162.2.1电压互感器的工作特点 162.2.2电压互感器的工作原理 172.2.3电压互感器的类型 18第三章MATLAB软件 22第四章电流、电压互感器系统建模仿真 254.1 电流、电压互感器系统建模 254.2 仿真输出波形及分析 264.3本章小结 27第五章结束语 28参考文献 29致谢 31

第一章绪论1.1概述电力系统安全、稳定运行和电力市场交易的先决条件是准确、可靠的测量电力系统的电参数，电压和电流的测量和继电保护是电力的基础。随着电力系统对可靠性和自动化程度的要求越来越高，现代配电、用电系统都要求在计量、监测、控制及保护等方面完全自动化和智能化。作为电力系统测量和继电保护的基本设备，电力互感器在电力系统的发展中面临着新的要求[1]。电压互感器（PT）和电流互感器（CT）是电力系统中用于测量、保护和控制的重要设备。PT主要作用是将一次侧的高电压变换成适合于继电保护装置和测量仪表等工作的低电压，要求一次、二次系统电气隔离。CT是电力系统中广泛采用的电流传感及变送设备，它将高电压系统的电流或低电压系统的大电流变成低电压的标准电信号，传送给二次设备进行测量、控制和保护。电力互感器在电力系统中具有广泛的应用，无论是生产电能、变换电能还是传输电能的设备，也无论是低压小功率设备还是高压大功率动力系统，电力互感器都是不可缺少的一部分，其准确度和可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行紧密相关。随着电力电子器件的开发和电力电子技术的不断发展，电流、电压互感器的面貌也日新月异，尤以装置的体积、重量、和性能方面变化最为突出。其中电子式电流、电压互感器的应用最为广泛，在很多方面已经取代了原有的电磁式电流、电压互感器。为了满足高功率密度及高效率的要求，电流、电压互感器的研究主要集中在两个方面，主要为电子式电流、电压互感器的设计[2]。随着科学技术和社会的发展进步，家家户户都有电流、电压互感器相关的设备，成为当今时代特别的景观。然而，随着市场对电流、电压互感器的需求急剧增加，电流、电压互感器系统越来越受人们的关注。因此，只依靠电流、电压互感器自身的结构来提高产品功能是完全不够的，更是不现实的，因此我们必须加强电流、电压互感器控制系统的学习，给电流、电压互感器系统行业带来革命性的影响，而且要以一定的技术指标来考核目前的技术状况，用实验室各种高精度的仪器设备测试出数据，定量而又科学地判断电流、电压互感器控制的技术状况，给予正确的评价。然而，电流、电压互感器在使用过程中出现故障的几率是非常高的，控制部件等一旦出现故障，就会有较危险的情况发生，从而给用户带来不必要的麻烦。作为二十一世纪的我们，对电流、电压互感器控制行业有自己独特的见解和好奇心，更希望能够探索智能控制行业，为其尽一份自己的绵薄之力。电流、电压互感器控制技术是一种快捷技术，目前主要在智能测量和继电保护上使用，同时朝着更加智能的方向不断革新。起初，由于各国对电流、电压互感器控制设备的需求极高，同时给予了很多优秀的设想和建议，而且研究出了很多至关重要的新技术。因为世界科学技术和人类文明的不断发展和创新，电流、电压互感器控制设备不管是在功能上还是在性能上都得到了前所未有的发展和提高，逐渐变成当今社会人们必不可缺的日常工具，从而改善了人们的生活方式。但是伴随着人们的生活条件和经济水平不断改善，市场对电流、电压互感器性能的需求也在急剧增加，特别是大中及沿海城市。电流、电压互感器系统控制是一种高效快捷的控制方式，让我们更加高效的测量电压、电流和继电保护等，但不利的一面也是存在的，由于控制策略的实际性存在很多问题，常常会出现测量失真的现象等[3]。近几年，电流、电压互感器被广泛的应用在测量和继电保护系统上，主要因为其具备运行成本低、控制逻辑简单、响应效率高等优点，同时被普遍应用在各种测量和继电保护设备中。然而，电流、电压互感器在测量和继电保护系统中应用时，会面临很多问题，经常会造成很多预想不到的问题，鉴于此种问题，本次设计使用Matlab/Simulink仿真工具中搭建电流、电压互感器系统模型，通过仿真得出结论与理论进行对比，充分验证其精确性，为电流、电压互感器系统的生产应用打好坚实的基础，节省大量的研发投入和成本投入。本次设计推导出电流、电压互感器的数学模型，在Matlab/Simulink软件中搭建电流、电压互感器控制系统模型，最终通过模拟仿真进行分析。1.2课题研究的现状国外对于电流、电压互感器研究已经有几十年的历史了，而且已经取得了很大的进展。相关行业的一下大公司已经走上了产业化、市场化的道路。ABB公司已经研制出很多种有源和无源的电子式互感器。用于GIS中的复合式电子互感器都已经达到了0.2级的准确度；数字光学仪用互感器已经有电压等级为72kV到800kV；此外，法国的AREVA公司，日本的三菱公司、加拿大的NxtPhase公司、美国的PhotonicPowerSystems公司、德国的RITZ互感器公司也都在电流、电压互感器方面进行了一系列的研究[4]。21世纪初，我国的互感器技术相对落后，由于逐渐意识到落后和精度的缺失，渐渐开始向互感器技术方向研究。21世纪初左右，市场上开始涌现出一批互感器控制系统，慢慢的市场上的互感器技术主要以电流、电压互感器类为主。但由于国内外电流、电压互感器系统的功能和性能方面有了重大的革新，这也为我国电流、电压互感器技术的革新奠定了坚实的基础。而国外的水平相对比较先进，一些欧洲国家在21世纪初电流、电压互感器技术已经有了先进的水平，稳定性很高，市场上大多数的老式的电流、电压互感器被取代。现如今，电流、电压互感器技术的发展方向掌握在我们新一代青年中，要朝着稳定性、程序控制、数字控制的方向迅猛向前[5]。国内，许继电气公司和国内外的一些单位联合研制的交流变电站用500kV组合型光电电子式互感器于2005年10月在我国500kV郑州小浏变电站投入运行，最高电压1000kV，精确度由德国标准协会认证达到0.1级标准，填补了国内输变电500kV电压等级数字式互感器的空白。此外我国的清华大学、华中科技大学以及西安交通大学以及电力科学院研究所等单位和企业也在进行数字式电压互感器的研究工作，已经有多种样机研究出来，但是绝大多数限于试验或者试运行阶段。不同的电流、电压互感器，逐渐应用于国家的所有企业。欧美等发达国家在电流、电压互感器技术方面有先进的水平，他们在20世纪60年代开始对过电流、电压互感器技术控制系统方面展开深入的研究，在1980年之后，研究人员就基本实现了对电流、电压互感器系统的控制，在20世纪末期，开始对智能电流、电压互感器技术的控制模块进行批量生产，但因为生产成本过高，这种最新的研发项目只用在了少数电力系统上。然而现如今，智能电流、电压互感器控制系统已经成功地与电子技术相结合，而且逐渐走向成熟，由于购买成本有所减少，越来越多的人开始购买智能电流、电压互感器技术控制系统。我国在电流、电压互感器技术控制系统方向的研发力度不够，而且很晚，然而随着近几年来我国自动控制行业的蓬勃发展，电流、电压互感器技术的数量也在快速增加，同样的对电流、电压互感器智能化的需求量也急剧增加。即使国外在智能电流、电压互感器技术控制方面研究比较突出，但我国的实际需求情况比较复杂，并不能完全的应用此项技术，电流、电压互感器种类较多，没有一致规范，而且消费习惯也不一样，达到智能电流、电压互感器控制还有一定的距离，但是智能电流、电压互感器控制系统在国内的还是有宽广的未来。1.3课题研究的目的及意义电压互感器是电力系统中必不可少的元件。它的作用主要有两个：第一，把高压侧的高电压转换为二次侧的低电压，供给测量、自动设备和继电保护等用；第二，实现二次系统和一次高电压系统的隔离，保障工作人员的安全。而电流互感器是电力系统中一种重要的测量设备，其运行特性影响着测量的准确性和保护装置动作的可靠性。电流、电压互感器的发展是和电力系统的需要结合在一起的，也可以说是电力系统对电流、电压互感器要求的变化促进了电流、电压互感器的不断发展。因此，选取电流、电压互感器作为工程实践的研究，具有一定的应用价值。电流、电压互感器是为了保证电力系统安全经济运行，必须对电力设备的运行情况进行监视和测量。随着超高压电力系统的不断发展扩大，对继电保护动作的正确性和电能计量的精确性要求越来越高，从而对互感器的准确性能也提出了更严格要求。同时，电力系统继电保护装置用的电流、电压互感器特性的好坏是保护可靠运行的重要条件，特别是电流、电压互感器在大电流或强励磁情况下所出现的饱和现象，严重地影响着保护装置运行的可靠性。现在世界上已经对电流、电压互感器有很多了解，电流、电压互感器大范围用在的电力系统中。现在只有电流、电压互感器有饱和特性，研究电流、电压互感器的饱和特性对电力系统运行、稳定有很很重的作用[6]。互感器的作用：互感器将一次回路的高电压、大电流变为二次回路的低电压和小电流,便于测量。二次设备利用互感器与一次设备实行了电气隔离,且二次绕组均接地,从而保证了设备和人身安全。二次设备与ー次设备电气隔离,使二次回路接线不受一次回路制约更加灵活方便。在维护调试、试验时也可不中断一次系统运行仅改变二次接线即可。应用了互感器,二次电压低、电流小;使控制电缆和屏内布线简单,安装方便,且易进行远方控制和监测二、电流互感器、电流互感器在工程上常用TA或CT表示。1.4课题的研究内容及章节安排本文一共分为四个章节：第1章是绪论部分，主要对此次设计所涉及到的电流、电压互感器技术现状及背景进行简单介绍，同时对此次所涉及的仿真软件MATLAB/Simulink进行简要说明。第2章是电流互感器基本原理及饱和特性，主要介绍电流互感器系统的工作原理及工作特点，然后说明了电流互感器的包和特性，包含饱和原因和饱和参数等。第3章是电压互感器，首先对电压互感器的工作特点及工作原理进行介绍，然后对电压互感器的几种类别进行说明和设计。第4章是搭建电流、电压互感器系统仿真模型，并通过仿真输出波形进行分析对比得出结论。第5章是总结部分，这次设计本人认真的总结了在做这个课题研究时碰到的各种困难以及自己去克服它的方法，并且证明了我的设计方案的可行性和实用性。

第二章电流电压互感器2.1电流互感器2.1.1电流互感器的工作特点电流互感器和变压器相似,变压器在线路上,主要用来改变线路的电压,而电流互感器接在线路上,主要用来改变线路的电流,电流互感器除了可以将线路上大小不ー的电流变成一定大小的电流,以便于测量之外,还可以起到与线路绝缘的作用,以保证操作人员和仪表的安全电流互感器的负荷与电流互感器所接的线路上的负荷没有任何直接的关系。只要电流互感器的二次接线不变,不管线路上的负荷如何变化,电流互感器的负荷都不变[7]。2.1.2电流互感器的工作原理在电力系统中，广泛运用并联电抗器来吸收高压输电线路的充电功率。装设有并联电抗器的系统的简化单相电路如图2-1所示。图2-1单相原理电路R、L——电抗器电阻和电感；CB——并联电抗器支路的断路器；CT——用来测量电抗器支路电流的电流互感器；在电力系统中，广泛运用并联电抗器来吸收高压输电线路的充电功率。装设有并联电抗器的系统的简化单相电路如图1所示。电流互感器的的运行特性与其一次电流的大小和性质密切相关，当一次电流为基波电流且在一定的范围内变化时，电流互感器处于稳态运行且二次电流与一次电流呈线性关系；如果一次电流中含有非周期分量(如短路电流)，电流互感器的铁心将会饱和。为模拟电流互感器的稳态和饱和状态这两种运行状态，在此通过控制断路器(CB)的合闸时刻，而在电路中产生不同的电流。电流互感器的运行特性与其一次电流的大小和性质密切相关，当一次电流为基波电流且在一定的范围内变化时，电流互感器处于稳态运行，且二次电流与一次电流呈线性关系；如果一次电流中含有非周期分量（如短路电流），电流互感器的铁心将会饱和。为模拟电流互感器的稳态和饱和状态这两种运行状态，在此通过控制断路器（CB）的合闸时刻，而在电路中产生不同的电流。其原理简述如下：如图2-1所示的电路，当断路器合闸后，电路方程为[8]：Ri+Ldidt解这个微分方程，并根据初始条件（t=0时，i=0，且电感电路电流不能突变），得i=UmZsinwt+α-φ式中Z——电路中每相阻抗Z=Rτ——电路时间常数τ=L/R；φ——电流与电压之间的相角φ=tan由式（2-2）可知，电路电流由周期分量和非周期分量两个分量构成，并且非周期分量的大小与电源电压初相角α有关，即可通过控制断路器的合闸时刻来改变电压初相角α，从而改变电路电流中的非周期分量成分。当α=0时，非周期分量最大；当α=90°2.1.3电流互感器的饱和特性现在世界上已经对电流互感器有很多了解，电流互感器大范围用在的电力系统中。现在只有电磁式电流互感器有饱和特性，研究电流互感器的饱和特性对电力系统运行、稳定有很很重的作用。但根据国内外实际运行的相关资料显示，目前电流互感器饱和特性受以下的因素的影响[9]：（１）饱和的因素：断路器时间，电压源相位角，剩磁等。（２）稳态饱和的因素：断路器时间，电压源大小，二次回路的阻抗，工频励磁阻抗，剩磁等。因此，本文通过对电流互感器使用MATLAB软件进行建模及仿真、分析、研究，流全部变成励磁电流，二次侧感应电流为零，流过电流继电器的电流为零，保护装置就会拒动。（1）电流互感器的饱和电流互感器的饱和就是电流互感器铁芯中的磁通饱和，由于磁通密度与感应电势成正比。因此，如果电流互感器二次负载阻抗大，则在同样电流情况下，二次回路感应电势就大，或在同样的负载阻抗下，二次电流越大，感应电势就越大。电流互感器严重饱和时，一次电流全部变成励磁电流，二次侧感应电流为零，流过电流继电器的电流为零，保护装置就会拒动。（2）电流互感器的饱和原因常见的电流互感器饱和主要有两种：稳态饱和与暂态饱和。其中稳态饱和主要是因为一次电流值太大，进入了电流互感器饱和区域，的励磁特性试验来反映，即检验互感器铁芯的磁化情况。在试验过程中当电流增大而电压变化不大时，说明铁芯已饱和。在系统实际运行中，电流互感器出现饱和现象，会导致互感器的二次电流误差增大，饱和程度越大，误差也越大，从而对保护装置的影响也就越大。（3）电流互感器的饱和特性研究电流互感器的误差主要是由励磁电流Ie引起的。正常运行时由于励磁阻抗较大，因此Ie很小，以至于这种误差是可以忽略的。但当CT饱和时，饱和程度越严重，励磁阻抗越小，励磁电流极大的增大，使互感器的误差成倍的增大，影响保护的正确动作。最严重时会使一次电流全部变成励磁电流，造成二次电流为零的情况。引起互感器饱和的原因一般为电流过大或电流中含有大量的非周期分量，这两种情况都是发生在事故情况下的，这时本来要求保护正确动作快速切除故障，但如果互感器饱和就很容易造成误差过大引起保护的不正确动作，进一步影响系统安全。因此对于电流互感器饱和的问题我们必须认真对待[10]。互感器的饱和问题如果进行详细分析是非常复杂的，因此这里仅进行定性分析。所谓互感器的饱和，实际上讲的是互感器铁心的饱和。我们知道互感器之所以能传变电流，就是因为一次电流在铁芯中产生了磁通，进而在缠绕在同一铁芯中上的二次绕组中产生电动势U=4.44f×N×B×S×10-8。式中f为系统频率，Hz；N为二次绕组匝数；S为铁芯截面积，m2；B为铁芯中的磁通密度。如果此时二次回路为通路，则将产生二次电流，完成电流在一次和二次绕组中的传变。而当铁芯中的磁通密度达到饱和点后，B随励磁电流或是磁场强度的变化趋于不明显。也就是说在N,S,f确定的情况下，二次感应电势将基本维持不变，因此二次电流也将基本不变，一次和二次电流的特性改变了。我们知道互感器的饱和的实质是铁芯中的磁通密度B过大，超过了饱和点造成的。而铁芯中磁通的多少决定于建立该磁通的电流的大小，也就是励磁电流Ie的大小。当Ie过大引起磁通密度过大，将使铁芯趋于饱和。而此时互感器的励磁阻抗会显著下降，从而造成励磁电流的再增大，于是又进一步加剧了磁通的增加和铁芯的饱和，这其实是一个恶性循环的过程。图2-2电流互感器的饱和特性如图2-2所示，二次电流减小，电流波形出现高次谐波分量较大的畸变；内阻减小，甚至接近于零；若发生一次故障，电流的波形在零点附近时，电流互感器会引起线性关系传递；在故障的瞬间，互感器会在滞后5秒左右才开始达到饱和。一般情况下，严禁电流互感器的二次发生开路现象。因为在电流互感器运行过程中，一旦发生二次开路，就会使一次电流转换成为励磁电流，引起铁芯的磁通密度增加，导致电流互感器的快速饱和。饱和磁通会产生较高电压，对一次和二次绕组绝缘设施破坏较大，容易造成人身安全威胁[11]。铁芯的饱和一般可以分成两种情况来了解。其一是稳态饱和，其二为暂态饱和。对于稳态饱和，可以借助图一进行分析。在图中可以知道，Ie和二次电流Is是按比例分流的关系。假设励磁阻抗Ze不变。当一次电流由于发生事故等原因增大时，Ie也必然会按比例增大，于是铁芯磁通增加。如果一次电流过大，也会引起Ie的过大，从而又会走入上面我们所说的那种循环里去，进而造成互感器饱和。暂态饱和，是指发生在故障暂态过程中，由暂态分量引起的互感器饱和。我们知道，任何故障发生时，电气量都不是突变的。故障量的出现必然会伴随着或多或少的非周期分量。而非周期分量，特别是故障电流中的直流分量是不能在互感器一二次间传变的。这些电流量将全部作为励磁电流出现。因此当事故发生时伴有较大的暂态分量时，也会造成励磁电流的增大，从而造成互感器饱和。（4）电流互感器的饱和后特性参数1、所有通过电磁感应原理工作的设备，磁通的建立都是一次绕组电流I1乘以一次绕组匝数N1与二次绕组电流I2乘以二次绕组匝数N2综合作用来产生的，即N1I1-N2I2，这个量叫磁势，是建立磁场的原动力。2、磁势可以理解为电压，磁通可以理解为电流，在磁势较小时，磁通近似与磁势成正比关系，但当达到磁势增加到某一定值时，随着磁势的变大，磁通将增加的很小或不再增加。3、变压器一次线圈是一个电压源，U＝4.44f*N*B*S，由于电压是一定值，所以磁通是不变的，磁势也是不变的，即N1I1-N2I2是一定值，这个值就等于变压器空载时一次侧N1I0，空载电流很小，也就是电磁感应设备用来建立磁场的电流很小，许多工程计算中都忽略了这个值，当变压器带载时，一次电流随着二次电流增加而增加，始终保持N1I1-N2I2不变，由于励磁电流很小近似为0，N1I1-N2I2=0，N1I1=N2I2。4、对于电流互感器一次线圈的激励是一个电流源，电流互感器不管工作于哪种状态都不可能改变一次电流，即N1I1是由系统决定的，这也是为什么电流互感器不允许二次开路，因为二次开路了，N2=0，一次线圈电流N1I1将全部用来建立磁场，这个磁势很大，首先会导致铁心过饱和，发热，产生剩磁，其次大的磁势会产生一个大的磁通，二次侧感应出高压。而当二次侧短路时，磁势为一二次电流共同作用N1I1-N2I2，约等于0，N1I1=N2I2，所以二次侧基本没有电压[12]。2.1.4电流互感器的技术参数1.额定一次电压：额定电压是表征原边绕组对地之间的绝缘等级的。但它绝不是原边绕组两端的电压,正常运行时,原边绕组两端的电压是很小的。2.额定电流：额定电流是指原边绕组的额定电流。在环境温度下,容许电流互感器通过120%的额定电流。3.准确度级及二次额定负载电流：当二次负载保持cos=0.8,(0.25~1)范围,根据原边电流在(100%~120%)之间变化时,电流互感器的最大电流误差的百分数,确定为其准确度等级。4.动稳定电流：动稳定电流是指在二次线圈短路的条件下,一次侧发生短路,互感器所能承受而无机械损伤的最大一次电流峰值动稳定倍数:这个电流与一次额定电流的比值称为动稳定倍数。技术手册通常是用动稳定倍数来表示动稳定电流的。5.热稳定电流：热稳定电流是指二次线圈短路的条件下,互感器在1s内承受一次侧短路电流的热作用而无损伤的一次电流有效值。

热稳定倍数:热稳定电流与ー次额定电流之比[13]。2.1.5电流互感器二次侧接反带来的影响若电流互感器二次侧接反，会带来如下影响：1、电流互感器如用在继电保护电路中，将引起继电保护层装置的误动或拒动。2、电流互感器如用在仪表计量回路中，功率表和电度表的正确测量将受到影响。3、采用不完全星形联结的电流互感器，如任一相极性接反，都会引起未接电流互感器(一般为中相)的一相较其它相电流增高倍。4、采用不完全星形联接的电流互感器，如两相均接反，虽然二次测的三相电流仍平衡，但与相应的一次电流的相角差为180°，从而将使电度表反转[14]。2.2电压互感器2.2.1电压互感器的工作特点（一）电压互感器的一次侧电压挑选于一次电力网的电压，不受二次负载的影响；（二）正常作业时，电压互感器二次绕组近似作业在开路状况，由于电压互感器的二次负载是丈量外表、继电器的电压线圈，匝数多，电抗大，经过的电流很小，二次绕组挨近于空载状况。（三）作业中的电压互感器二次侧不容许短路。当二次侧短路时，将发作很大的短路电流损坏电压互感器。为了维护二次绕组，通常在二次侧出口处设备些熔断器或活络主动空气开关，用于过载和短路维护。（四）电压互感器的基本原理与变压器相同。就其结构而言是一种小容量、大电压比的变压器。但它不输送电能，仅作为测量和保护用的标准电源。（五）电压互感器的一次（原）绕组并联于一次电路内，而二次（副）绕组与测量表计或继电保护及自动装置的电压线圈并联连接。二次回路阻抗很大，工作电流和功耗都很小，相当于空载（二次开路）状态。二次电压只决定于一次（系统）电压。（六）电压互感器二次绕组必须一点（保护）接地。一般是以中性点，若无中性点，则采用b相接地[15]。2.2.2电压互感器的工作原理电压互感器的构造、原理和接线都与电力变压器相同，差别在于电压互感器的容量小，二次负荷为仪表和继电器的电压线圈，基本上是恒定高阻抗。其工作状态接近电力变压器的空载运行。电压互感器的高压绕组，并联在系统一次电路中，二次电压U2与一次电压成比例，反映了一次电压的数值。一次额定电压UIN，多与电网的额定电压相同，二次额定电压U2N，一般为100V、100/3V电压互感器的一、二次绕组额定电压之比，称为电压互感器的额定变比KNKN=U1NU2N式中N1、N由式（3-1）知，若已知二次电压U2的数值，便能计算出一次电压UU1=KNU由于电压互感器的原绕组是并联在一次电路中，与电力变压器一样，二次侧不能短路，否则会产生很大的短路电流，烧毁电压互感器。同样，为了防止高、低压绕组绝缘击穿时，高电压窜入二次回路造成危害，必须将电压互感器的二次绕组、铁心及外壳接地[16]。2.2.3电压互感器的类型目前中压电网中普遍使用电磁式PT采集测量和保护用电压信号，它具有线性范围内测量准确度高、制造工艺成熟、校验方法规范等优势。但因其含有铁磁材料，所以测量的动态范围小、频带窄，存在铁磁谐振引起过电压和输出端短路会造成大电流等安全隐患问题。另外，电压互感器的二次额定电压为100V或100/3V，不便于直接与现代化的微机保护和测量设备接口，难以适应电力系统自动化、数字化的要求。电阻分压式电压互感器具有测量准确度高、线性范围大、频带宽等优点，消除了在铁磁谐振和二次侧短路带来的安全隐患，从工作原理上较好的克服了电磁式PT存在的各种问题。电压互感器按测量元件可划分为三种基本类型：1、电阻分压器，高低压臂均为电阻。2、电容分压器，高低压臂均为电容，又可分为串连电容式（由多个电容器叠置串联）和集中的双电容式（集中的高压电容是由两个电极构成）。3、阻容分压器，高低压臂的测量元件即有电阻，又有电容，属于阻容混合，是作为以上两种分压器的改进类型发展起来的。实际使用的分压器为了达到一定的测量电压等级，通常由多个元件串连而成，某些阻容混合式分压器，每个串连单元又是由阻容元件并联而成的。（1）电阻分压式互感器分压器原理图如图3-1所示，其中Z1为分压器的高压臂的阻抗，Z2为分压器低压臂的阻抗。大部分被测电压降落在阻抗Z1上，阻抗Z2上仅有一小部分电压，用测量仪器测得Z2上的电压降，乘上一个常数，即可得被测电压。这个常数称为分压比k[17]。图3-1分压器原理图U2=U1Z分压比k=U1U2准确测量要求被测电压与Z2上的电压仅在幅值上差k倍，相角应完全相同，或相差极小。电阻分压器做为测量手段，可用于交流电压、直流电压和冲击电压的测量。基于电阻分压原理的电压互感器，整体结构如图3-2所示。图3-2电阻分压式电压互感器整体框图其中，R1、R2分别为分压器的高压臂和低压臂电阻。被测电压U1绝大部分降落在R1上，从R2上取出与U1成正比的小电压信号。通过设置分压比，可以得到符合后续测量或保护设备输入要求的电压。二次电路的目的是对分压器的输出进行幅值调整及相位补偿等，使之满足IEC60044-7《电子式电压互感器》规定的二次输出的要求。分压器的输出信号经放大、移相处理后，给出额定有效值6.5/3V（测量）、与被测电压相位差在误差范围内的电压信号。为了防止在低压臂出现过电压，在电阻R2的两端并联一个放电管S，其放电电压须小于低压侧电阻或二次电路允许的最大电压；同时，在电路输入端也要加入适当的保护措施。（2）电容式互感器电容式电压互感器(CVT)成为电力系统高压远距离输电技术发展的必然产物,其与传统的电磁式电压互感器相比具有四个特点:绝缘性能较好,耐压水平高,不会与断路器断口电容产生铁磁谐振;电压等级越高,其相对成本越低,节省设备投资;可兼作载波通讯使用;由于是电容型设备,实现绝缘在线监测更加容易。CVT在220kV及以上电网中应用较为广泛。大庆油田电网由于输电等级较低,为110kV及以下,目前仅在油田热电厂及宏伟电厂采用了110kV电容式电压互感器,现将大庆油田电力集团宏伟电厂电气分厂9516、9517两条线路的CVT测试经验加以分析。对于220kV及以上的CVT,只是增加了上节分压电容器,并对分压电容器单独进行介损正接线试验,与传统方法无异。1.CVT结构特点及工作原理。（以TYD110/-0.01H型电容式电压互感器为例）其由电容分压器和电磁单元两个独立的元件组成,电容分压器的中压端子和接地端子穿过密封的油箱箱盖引入到油箱中分别与电磁单元的高压端子(A)和二次接线板的接地端子(N)相连。载波装置、保护球极(N-E间)在二次接线盒内,当电容式电压互感器作载波使用时,需将N-E间连接片断开;如果不做载波用则须将N-E用连接片短接。电磁单元的油箱内装有中间变压器和补偿电抗器、阻尼器、保护补偿电抗器的低压避雷器,并充有变压器油。中间变压器高压绕组与补偿电抗器串联。电磁单元的二次绕组端子及接地端子均由二次接线盒引出。其结构接线图中主要元件为电容(C1、C2),补偿电抗器,中间电磁式电压互感器TV及阻尼器等。CVT工作原理采用电容分压原理。U1为电网电压;Z2表示仪表、继电器等电压线圈负荷[18]。U2=UC2=式中:KU=为分压比,Zi=互感器带负荷Z2后,其内阻抗(利用等效电源原理,将电容分压原理转化成电容式电压互感器等值电路),当有负荷电流流过时,在内阻抗上将产生电压降。使U2与U1,不仅在数值上而且在相位上有误差,负荷越大,误差越大。要获得一定的准确级,必须增大电容量,这是很不经济的。合理的解决措施是在电路中串联一电感,即补偿电抗器。电感应按产生串联谐振的条件选择L。由于电容式电压互感器含有电容元件及多个非线形电感元件(如补偿电抗器和中间变压器等),在系统合闸操作或短路故障产生的瞬态过程中,由于非线形电感元件的铁心饱和激发稳定的次谐波谐振,使得在补偿电抗及中间变压器上产生过电压,最终导致补偿电抗器和中间变压器绕组击穿损坏。为抑制CVT内部铁磁谐振,在互感器二次绕组上并联阻尼装置。为保护补偿电抗器及加大抑制谐振作用,在其两端并联氧化锌(ZnO)避雷器。

第三章MATLAB软件3.1MATLAB软件3.1.1MATLAB的简介MATLAB（矩阵实验室）是由美国MathWorks公司开发的第四代高层次的编程语言和交互式环境数值计算，可视化和编程；MATLAB允许矩阵操作、绘制函数和数据、算法实现、创建用户界面；MATLAB能和在其他语言，包括C、C++、Java和Fortran语言编写的程序接口；MATLAB可以分析数据、开发算法、建立模型和应用程序；MATLAB拥有众多的内置命令和数学函数，可以帮助您在数学计算，绘图和执行数值计算方法。3.1.2MATLAB的特点MATLAB（矩阵实验室）是由美国MathWorks公司开发的第四代高层次的编程语言和交互式环境数值计算，可视化和编程；MATLAB允许矩阵操作、绘制函数和数据、算法实现、创建用户界面；MATLAB能和在其他语言，包括C、C++、Java和Fortran语言编写的程序接口；MATLAB可以分析数据、开发算法、建立模型和应用程序；MATLAB拥有众多的内置命令和数学函数，可以帮助您在数学计算，绘图和执行数值计算方法。3.2Simulink3.2.1Simulink的简介现如今，MATLAB仿真工具被普遍应用在各行各业，该软件最初是由美国MathWorks公司推出的，用于商业化数学工具，功能十分强大，具有控制算法设计、数据可视化分析和数学公式计算等功能。其中主要用到的仿真软件有两种，分别是MATLAB和Simulink模块。Simulink是一个仿真包，作用是进行了代码块的封装，用户只需要使逻辑块之间建立逻辑关系即可，使用户不再局限于代码，从而关注实际问题。Simulink是动态仿真，解决很多动态系统（变量随着时间变化）问题，常见的有电路，震动以及其他的电学，机械学，热动力学等。Simulink的操作过程是打开Simulink，然后建立一个Simulink文件，将Simulink模块浏览器中的对象拖动到文件的窗口中，设置逻辑关系以及参数即可。3.2.2Simulink的特点可视化：simulink仿真采用交互式开发的方法，操作简单、直观、用户只需要拖拽鼠标即可实现动态系统的仿真。图形化的界面可以避免过多的编程，同时又可以直观的反映仿真的过程。扩展性强：simulink有较强的扩展性，用户可以根据自己的需求来编写自己的模块库，建立子系统，封装子系统。灵活性强：simulink是一个非常灵活的仿真建模工具，虽然MATLAB为用户提供封装了大量的模块，但是用户在使用的时候也可以修改里面的参数。近年来在各大领域的得到了大量的应用。3.2.3Simulink的功能(1)

建立简单模型框架：首先打开MATLAB/Simulink，新建一个Simulink建模界面。想要搭建简单的数模模型，需要在Simulink库文件中找到相应的模块拖动到界面，具体操作步骤如下：在Simulink库中的搜索栏中搜索SineWave模块。在Math库文件中的Gain增益模块：可将一个输入信号乘一个常值。在Sinks库文件中的示波器模块，用于仿真显示输出波形图。将所有选中的模块拖动到Simulink建模界面，进行连接。首先运行MATLAB/Simulink模块库，可以看到，Simulink公共模块库是最基本和最常用的Simulink库之一，可以在不同的专业化领域使用。在选择构建系统模型所需的所有模块后，必。须正确地将系统模块与系统信息流连接起来。连接模块的步骤如下:当光标变成“+”时，将光标指向初始块输出端口。按下鼠标左边的按钮，将输入端口转移到目标模块中，当它接近某个点时，光标就变成了一个双x。(2)

连线分支与连线改变：在某些情况下，单个系统模块的输出同时是多个其他模块的输入，从现在起，需要从模块中提取一系列的连接。信号耦合耦合的工作方法:使用鼠标在鼠标的右键上一次击击需要将信号耦合(光标变成+)分离，然后转移到目标模块。对信号连线还有以下几种常用的操作：使用鼠标左键单击并拖动以改变信号连线的路径。按下Shift键的同时，在信号连线上单击鼠标左键并拖动，可以生成新的节点。在节点上使用鼠标左键单击并拖动，可以改变信号连线路径。(3)运行仿真：系统模块参数设置与系统仿真参数设置。(4)系统模块参数的设置方法如下：点击系统模块，打开模块参数。参数参数包括简单的系统模块描述，例如信息，模块参数，注意到非系统系统模块设置的参数是不同的。(5)运行仿真当所有模块参数和系统都被Ju分离后的参数建模时，系统分析就可以建模了。单击绿色三角形按钮，启动仿真。对于本文所示的动态系统，在完成模拟后，模拟模块默认参数的模拟参数建模，双点击Scope模块来显示系统建模的结果。(6)设计框图界面：在建立了系统模型以后，为了便于用户对系统模型的理解与维护，我们需要对系统框图界面进行设计。(7)模块的名称操作在使用Simulink中的系统模块构建系统模型时，Simulink会自动给系统模型中的模块命名，如在本文的简单动态系统中，正弦信号模块名称为SineWave；对于系统模型中相同的模块，Simulink会自动对其进行编号，如Scope和Scope1。一般对于简单的系统，可以釆用Simulink的自动命名；但对于复杂系统，给每个模块取一个具有明显意义的名称非常有利于系统模型的理解与维护。(8)模块的其它操作Simulink允许用户对模块的几何尺寸进行修改，改变系统模块尺寸的方法为：使用鼠标左键单击选择模块，然后拖动模块周围任何一角的方框到适当的大小。

第四章电流、电压互感器系统建模仿真本文所建立的电流、电压互感器模型主要研究仿真分析电路的性能指标。4.1 电流、电压互感器系统建模电流、电压互感器系统日渐复杂，控制算法不断更新，而MATLAB集自动控制、信号处理、电力控制等于一身，因此MATLAB仿真软件被广泛应用电流、电压互感器系统的仿真。直接利用模块库搭建模型具有简单直观，并能进行输入和仿真计算，为研究开发提供一条捷径。根据上两章的原理部分介绍，在这章里分别给出电流、电压互感器系统的结构和Simulink仿真模型，然后比较仿真结果，分析得出结论。本次设计的电流互感器(CT)用于测量连接在120千伏网络上的并联电感器的电流。电流互感器的额定电流为2000A/5A,5VA。一次绕组由一个单匝通过CT环形铁芯与额定69.3Mvar,69.3kV，1KA有效值的并联电感串联而成。由1*2000/5=400匝组成的二次绕组通过1Ω负载电阻短路。连接在次级电源上的电压传感器读取的电压应与初级电源电流成正比。在稳态下，次级电流为1000*5/2000=2.5A(电压测量块V2读取2.5Vrms或3.54Vpeak)。打开电流互感器模型，观察电流互感器参数的设置。假设电流互感器饱和特性为10pu，使用简单的2段饱和特性。反射在二次上的初级电流和在1Ω电阻上产生的电压被发送到Scope块上跟踪。与电流互感器二次开关串联的开关通常是闭合的。这个开关将用来说明当电流互感器二次开关处于打开状态时产生的过电压。电流互感器仿真模型如图4-1所示：图4-1:电流互感器系统仿真设计仿真模型4.2 仿真输出波形及分析运行仿真并在示波器上观察产生的信号，如图4-2所示。1.

正常操作在本次仿真测试中，断路器在源电压峰值时闭合(t=1.25循环)。这种开关不会产生电流不对称。启动仿真，观察电流互感器一次电流和二次电压(Scopeblock第一条迹)。正如预期的那样，电流互感器电流和电压是正弦的，电流互感器电阻和漏抗引起的测量误差不显著。通量包含直流分量，但它保持低于10pu饱和值。2.

电流不对称导致电流互感器饱和现在，改变断路器的合闸时间，以便在过零电压时合闸。用t=1/50秒。这个开关瞬间将在并联电抗器中产生全电流不对称。重新启动仿真。观察前3个周期，通量保持低于饱和临界点(10pu)。然后电流互感器电压输出V2跟随一次电流。但经过3个循环后，一次电流产生的磁通不对称导致电流互感器饱和，从而产生电流互感器二次电压的较大畸变。3.电流互感器二次开口造成过电压将一次开断时间t=1.25/50s(无磁通不对称)重新编程，将二次开断时间改为t=0.1s。重新启动仿真，观察电流互感器二次打开时产生的过大过电压。通量在+10和-10pu处切成方波状。在通量反转时产生的较大的dphi/dt会产生高电压峰值(250V)。 图4-2:电流、电压互感器输出波形图4.3本章小结二十一世纪以来，随着电流、电压互感器技术的革新以及电子控制器的发展，极大的促进了电流、电压互感器系统的发展。本次设计通过实际仿真，本文从实际应用出发，探讨电流、电压互感器控制系统，对系统电压、电流进行相关分析总结，本次设计的主要内容总结如下：简单陈述讨论关于电流、电压互感器控制系统的概况以及研究现状，对电流、电压互感器控制系统进行学习，有一个总的框架结构；在MATLAB/Simulink中搭建电流互感器控制系统控制模型；搭建电流互感器控制系统仿真模型，使用MATLAB进行仿真验证，结果显示仿真数据与理论数据基本一样。仿真数据是系统模型在较理想情况下仿真获得，所以仿真结果表现出远优于预期设计要求的情况。其中电流、电压互感器的设计相较于其他互感器控制的设计，在具有良好的稳态特性的同时，在负载变化时具有更均衡的动态特性，进一步表明了电流、电压互感器比传统的互感器具有更好的动态特性。

第五章结束语此次毕业设计使用MATLAB搭建电流、电压互感器系统模型，来深入研究电流、电压互感器的仿真应用。通过仿真分析可知，电流、电压互感器系统模型的准确性和重要性。同时可以看出，建立合理的模型、输入正确的参数、准确的仿真参数以及控制算法对于控制系统而言至关重要，可以得到满足要求的仿真结果和动态性能，而且通过输入给定值后，能够有限的跟踪到，各个控制部件协调配合，实现对电流、电压互感器控制。也正因为如此，电流、电压互感器系统行业一个全新的开始。当前，各国对于电流、电压互感器系统的探讨和研究都做了很多工作，同时，该控制策略的发展和革新给电流、电压互感器系统而言是至关重要的，走进了一个新的高度。基于MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建的电流、电压互感器系统仿真模型具有其优势和先进性，在行业内被广泛的采用。同时由于自身的能力有限和各种现实因素的不允许，在这次毕业设计制作中，有很多缺点和