10KV-35KV互感器的性能试验及电磁兼容性研究应用.doc

10KV_35KV互感器性能实验及电磁兼容性研究摘要：本文在分析总结电子式电压/电流互感器既有技术和发展趋势基本上，针对所使用中压级别场合，拟定了以电阻分压器原理测量电压和Rogowski线圈原理测量电流电子式电压/电流互感器为研究对象，并完毕了如下工作：选取了一种适合于中压电网测量且性能稳定高压高阻型厚膜电阻器，从理论上分析了电阻分压器测量误差来源，进行了相应屏蔽设计,并制作了10kV和35kV互感器样机。核心词：电子式互感器，电阻分压器，屏蔽引言1第一章电磁式互感器工作原理及其弊端21.1电磁式互感器工作原理21.2电磁式互感器弊端3第二章电阻式电压互感器性能实验32.1 重要技术参数和实验根据32.2 实验实行与成果42.3 实验结论分析5第三章电磁兼容性设计63.1 电路板抗干扰办法63.2 屏蔽73.3 电源抗干扰办法7总结7参照文献8引言当前电力系统多采用老式电磁感应式电流互感器、电压互感器和电容式电压互感器实现对电压、电流信号测量。电磁式互感器基于电磁感应原理工作，从1830年法拉第发现电磁感应定律，1882年第一台互感器设计出来后来，电磁式互感器经历了一百近年发展，从铁心材料、制作工艺不断改进，到为提高测量精确度而采用各种补偿办法，电磁式电压互感器已经发展到相称成熟阶段。电磁式互感器具备在线性范畴内测量精确度高、制造工艺成熟、实验校验规范、有国标可以根据等优势，在很长时间内适应了电力系统测量规定。但是电磁式互感器受其传感机理限制，某些性能依然无法令人满意，重要存在问题如下：体积大、动态范畴小、使用频带窄，电磁式电压互感器存在铁磁谐振，二次侧不能短路，电流互感器在很大短路电流下磁饱和，二次侧不能开路，采用变压器油绝缘互感器还存在爆炸危险。随着数字化技术、当代传感技术和微型计算机技术综合应用，电工测量进一步向自动化、智能化方向迈进。电子式互感器是由一次电压或电流传感器、传播系统和转换器构成，用于传播正比于被测量量，供应测量仪器仪表和保护或控制装置，其中信号解决、传播依赖于电子技术。电子式互感器输出普通只有几伏，老式电磁型继电保护装置和二次测量及其自动装置需要大功率驱动，近年来制约着电子式互感器在电力系统中应用。而随着微机保护技术和当代测量装置发展，继保装置、二次测量及其自动装置不再需要大功率输入，为电子式电流互感器在电力系统中应用扫开了障碍。第一章 电磁式互感器工作原理及其弊端电磁感应式电压互感器（PT）和电流互感器（CT）是电力系统不可缺少设备，重要用作电压、电流测量和继电保护信号取样装置。为了精确反映电力系统电压、电流变化状况，规定电力互感器一次电压、电流和二次电压、电流值可以在较大范畴内保持线性关系，按照给定比例(变比)将一次侧值缩小为二次侧值。为了防止电力互感器一次侧高电压系统与二次设备有电直接联系，互感器一次侧与二次侧必要隔离，并在二次侧设立安全接地以保护人身和二次设备安全。1.1 电磁式互感器工作原理电磁式电压互感器（PT）原理图如图1.1所示，它是一种将高电压变换为低电压电气设备，一次绕组与高压系统一次回路并联，二次绕组则与二次设备负载并联。PT基于电磁感应原理工作，正常运营时其二次负载基本不变，电流很小，接近于空载状态。普通PT涉及测量级和保护级，其基本构造为：一次线圈和二次线圈分别绕在铁心上，在两个线圈之间和线圈与铁心之间均有绝缘隔离。电力系统用三线圈电压互感器，除了上述一次线圈和二次线圈外，尚有一种零序电压线圈，用来接继电器。在线路浮现单相接地故障时，线圈中产生零序电压使继电器动作，切断线路，以保护线路中发电机和变压器等贵重设备。电磁式电流互感器（CT）原理图如图1.2所示，它是一种将高压电网大电流变换为小电流电气设备，一次绕组串联在高压系统一次回路内，二次绕组则与二次设备负载相串联。CT也是基于电磁感应原理工作，但是它二次负载阻抗很小，接近于短路状态。 图1.1 PT原理图 图 1.2 CT原理图电流互感器也分为测量用与保护用两类，基本构造和PT相似，一次线圈、二次线圈分别绕在铁心上，两个线圈之间及线圈与铁心之间有绝缘隔离。依照电力系统规定切除短路故障和继电保护动作时间快慢，保护用电流互感器分为稳态保护用与暂态保护用两种，前者用于电压比较低电网中，称为普通保护用电流互感器；后者则用于高压超高压线路上。1.2 电磁式互感器弊端PT和CT由于带有电感线圈和铁磁材料，故频带不宽，线性范畴窄。系统发生短路故障时，短路电流将使CT铁心饱和，二次侧信号波形发生畸变。PT二次侧直接与电压表连接，相称于运营在变压器空载状态，短路会引起很大短路电流，使用中不容许短路；CT二次侧直接与负载和电流表连接，相称于运营在变压器短路状态，二次侧开路会引起很高电压，使用中不容许开路。电磁式互感器均有一定额定容量，从电力网中消耗功率，成为系统负载，存在负荷分担问题。而PT存在最为严重问题是也许浮现铁磁谐振：PT铁心电感和系统电容元件由于感抗与容抗互换，构成许多复杂振荡回路，如果满足一定条件，就也许激发起持续时间较长铁磁谐振，这种谐振现象，某些元件电压过高危及设备绝缘，同步也许在非线性电感元件中产生很大过电流，使电感线圈引起温度升高，击穿绝缘，以致烧损。国内3220kV电网，无论中性点接地方式如何，都曾发生过由于电压互感器铁芯饱和引起铁磁谐振过电压。第二章 电阻式电压互感器性能实验2.1 重要技术参数和实验根据电阻式电压互感器设计有10kV和35kV两个电压级别，它们重要技术参数有：1、额定电压：10/3 kV；35/3 kV2、设备最高电压：12 kV；40.5 kV3、额定频率：50Hz4、精确度级别：计量0.2级保护3P5、额定二次输出电压：6.5/3 V实验根据：1、国际原则IEC 60044-7电子式电压互感器2、国标GB 1207-1997电压互感器GB 311。1-1997高压输变电设备绝缘配合2.2 实验实行与成果对电阻式电压互感器实验共分2个阶段：1、实验室阶段。这一阶段重要是进行传感器某些线性度、角差和稳定性实验。通过实验，考核所设计传感器能否也许达到测量0.2级，保护3P精确度。2、委托实验阶段。这一阶段实验在武汉高压研究所进行。测试内容涉及误差试验、绝缘性能等，以拟定达到测量0.2级，保护3P精确度。下面先对在实验室所做实验作简介，再简介型式实验状况，然后最后对互感器性能以及存在问题进行总结和分析。PT为原则电压互感器，精确度0。05。EVT为被校验电阻式电压互感器（包括信号解决电路）。原则电压互感器测量线圈输出送入6位半数字万用表V1，被校验电压互感器输出送入数字万用表V2，两个数字万用表型号相似，精确度为0.05，同步读取两个电压值U1和U2，此处定义分压比为：其中K1是原则电压互感器变比，K1350。定义分压比相对误差为：其中K0为实际施加接近于额定电压时分压比。对电压互感器进行线性度实验，间隔一段时间先后两次测量2UN120UN范畴内分压比。两次测量电压比例-分压比相对误差曲线如下，其中电压比例是实际施加电压与额定电压比值。该互感器不能与老式电压互感器校验装置接口。在武汉高压研究所进行角差、比差测试时，采用该所研制GHJ-H型光电式互感器校验仪。实验变压器产生实验电压，这个高电压通过精确度为0.05原则电压互感器PT和精确度为十万分之一精密感应分压器GDZ-I后，产生原则电压信号UN，被校验电子式电压互感器EVT输出信号通过后续电子线路信号解决模块放大、相位补偿之后，得到电压信号UX，两个信号同步送入校验仪，校验仪显示两者比差、角差以及实验电压与于额定电压比例。依照IEC 60044-7电子式电压互感器规定，对于0.2级电子式电压互感器，规定如下：依照IEC原则定义：电压误差相位差式中：K n为额定电压比，U p为实际一次电压，Us为测量条件下施加Up时实际二次电压。测试成果阐明，所研制电压互感器样机达到测量0.2级、保护3P精确度规定，并具备良好稳定性。一次某些绝缘性能实验后，10kV样机复核了精确度，满足原则规定。二、一次某些绝缘性能实验除精确度实验外，还在武汉高压研究所进行了绝缘性能测试、二次端子短路测试和二次设备工频耐压测试。详细内容如下：1、工频耐受电压实验对于10kV互感器，一次端子对地施加42kV工频实验电压，持续时间60秒，通过。对于35kV互感器，一次端子对地施加95kV工频实验电压，持续时间60秒，通过。2、局部放电测量：对于10kV互感器，预加电压34kV，持续时间60s，然后电压降至8.3kV下测量局部放电量，规定20pC。实际测量到局部放电量为2pC，通过。对于35kV互感器，预加电压76kV，持续时间60s，然后电压降至28kV下测量局部放电量，规定20pC。实际测量到局部放电量为2pC，通过。3、雷电冲击全波、截波耐压实验对于10kV互感器，雷电冲击全波实验电压75kV，正负极性各15次，通过。雷电冲击截波实验电压86kV，负极性3次，通过。对于35kV互感器，雷电冲击全波实验电压200kV，正负极性各15次，未通过。雷电冲击截波实验电压220kV，负极性3次。进行雷电冲击全波实验时，试品被击穿。4、二次设备耐受电压实验1）短路实验在额定电压下，二次电压输出端短路60s，无损伤。2）二次设备工频电压耐受能力输入、输出及电源端子对机壳之间施加工频电压2kV，持续时间60s，无损伤。2.3 实验结论分析1、10kV、35kV电阻式互感器测量精确度均达到0.2级，保护精确度达到3P规定。表白在样机构造、屏蔽及绝缘设计，可以使其测试性能较好符合使用规定。2、样机在实验室内通过直读法和间隔一段时间重复测量办法，进行了稳定性实验。实验表白互感器稳定性良好。3、10kV互感器顺利通过了工频耐压实验、雷电冲击（全波和截波）实验、局部放电实验等绝缘性能实验，表白样机绝缘设计合理，工艺设计可行。35kV互感器通过了工频耐压实验、局部放电实验，但是没有通过雷电冲击全波和截波实验。10kV互感器样机高压臂串连2个电阻，35kV样机高压臂串连5个电阻。单个电阻元件阻值、最大工作电压、功率完全相似。10kV互感器样机通过了雷电冲击截波实验，实验电压为86kV，则单个电阻元件上可承受43kV冲击电压。如考虑电场分布不均匀，接近高压端电阻所承受电压还要高于此值。按此推算，35kV互感器应能承受43kV5=213kV雷电冲击电压。但是实验中35kV互感器未能承受200kV雷电全波冲击电压。经检查，发现与高压端直接相连电阻器被击穿。第三章 电磁兼容性设计随着各种电子电路和电力电子技术在社会生活各个领域日益广泛应用，电磁兼容已成为当代电气工程设计和研究人员在设计过程中必要考虑问题。国标GB/T4365-1995电磁兼容术语对电磁兼容（Electromangnetic Compatibility简称EMC）所下定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受电磁骚扰能力。它涉及两个方面含义：1.电子设备或系统内部各个部件和子系统、一种系统内部各台设备乃至相邻几种系统，它们在自己所产生电磁环境及在它们所处外界电磁环境中，能按原设计规定正常运营。2.该设备或系统自身产生电磁噪声（Electromangnetic Noise简称EMN）必要限制在一定电平，使由它导致电磁干扰不致对它周边电磁环境导致严重污染和影响其她设备或系统正常运营。任何电磁兼容问题都包括三个要素，即电磁干扰源、敏感器和耦合途径，解决电磁兼容问题要从此三要素着手，控制干扰源电磁辐射、抑制电磁干扰传播途径以及增强敏感器抗干扰能力。在实际电力系统中，电磁环境已经拟定，因此重要应从考虑切断干扰耦合途径和提高设备抗扰度两方面实现电磁兼容。3.1 电路板抗干扰办法互感器中包括进行信号解决二次电路，同一块电路板中包括电流互感器和电压互感器信号解决单元。因而，要减少PCB板与外界电磁环境、PCB板之间以及同一PCB板不同电路单元之间电磁干扰，并增强PCB板对外界干扰抵抗能力，必要采用相应抗干扰办法。根据印制电路板可靠性设计某些通用原则，在互感器PCB板布线、布局设计中，视详细电路采用抗干扰办法有：地线网络通过整个PCB板敷铜构成，减小了地线阻抗，并且将电源线与地线所包围面积减到最小，减小外界电磁场切割环路产生电磁干扰。布线时尽量加粗和缩短电源线，以减小环路电阻。信号线、电源线分开。每个运算放大器芯片正负电源和地线间都配有去耦电容。互感器所用PCB板均为双面板，尽量采用井字形网状布线构造，板一面横向布线，另一面纵向布线，交叉处用过孔相连。避免信号线与地线及电源线交叉。在信号线之间设立一根接地印制线。没有浮现印制导线不持续性，导线拐角不不大于90度。正常工作时，运算放大器同、反相输入端之间电位差不会超过几毫伏，因此二极管D1和D2不导通。当过电压沿输入线侵入时，TVS迅速钳位，将输入电压限幅，然后D1和D2导通，将运放输入端电压限幅在其导通电压0。7V左右，保护电路输入端不受过电压危害。破坏性过电压有时也也许通过运算放大器输出端侵入电路，因而电路输出端也应进行保护，保护电路和输入端保护相似。3.2 屏蔽屏蔽即是用屏蔽体将需要屏蔽器件或设备包围起来，通过屏蔽体电磁场被反射和吸取而衰减，对被屏蔽器件或设备影响减小到容许水平如下。屏蔽按其作用机理可以分为三类:电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。电场屏蔽重要用于消除容性耦合，磁场屏蔽重要用于抑制感性耦合，电磁屏蔽重要用来防止高频电磁场影响，如果屏蔽接地，则还可以起到静电屏蔽作用。1) 低压侧电子设备屏蔽低压侧电子设备布置在采用良好导磁材料制成机箱中，箱体能提供一定限度屏蔽。但由于电缆接入使箱体变得不持续，阻断了涡流通路，屏蔽效果减少，因而尽量避免或减小屏蔽体开缝，为获得良好屏蔽效果，在开缝处用螺丝接合件、接地衬垫或导电圈使整个开缝长度有可靠电接触。为了提高系统静电防护能力，在机箱外表面涂附绝缘漆，电路板和机壳之间留有足够距离以免缝隙过窄而形成静电放电。2) 信号线屏蔽本文所设计互感器输出为模仿信号，对于PT、CT信号传播线均采用屏蔽双绞线。屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜或金属编织网，即屏蔽层。采用屏蔽电缆对削弱静电耦合和电磁耦合均有明显效果。骚扰源对敏感电路单芯屏蔽线骚扰，是通过骚扰源导线与单芯屏蔽线屏蔽层间耦合电容，以及屏蔽层与芯线间耦合电容实现。3.3 电源抗干扰办法互感器低压侧电子电路工作电源由交流电网（220V/50Hz）提供，电网中存在各种骚扰信号，有两种来源：一为雷电冲击或切合大容量感性负载导致电源瞬间欠压、过载，产生尖峰、浪涌干扰等；二为电网中谐波高频干扰。这些干扰会通过电源线传入电子线路，干扰电路正常工作。普通说来，系统故障有1/31/2来自于电源。为了考核电子设备对电源干扰抵抗能力，电磁兼容实验项目中针对低压侧工作电源进行重要有：射频场感应传导骚扰抗扰度实验、低压电网电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度实验、浪涌（冲击）抗扰度实验和电迅速瞬变脉冲群抗扰度实验。互感器低压侧电子线路采用开关电源供电，由于开关电源输出带有一定纹波，对电子线路导致高频干扰，因此电源抗干扰设计非常重要。采用办法有装设输入滤波电路、输出滤波电路，在输入端还装设有压敏电阻。总结电压互感器和电流互感器是电力系统中基本设备之一，其精确度及可靠性与电力系统安全、可靠、经济运营密切有关。近年以来，在中低压级别电网中广泛使用电磁式电力互感器进行计量和保护。电磁式互感器受其传感机理限制，存在着自身难以克服缺陷，同步难以适应电力系统向数字化、智能化发展趋势。以微解决器为基本数字保护装置、电网运营监视与控制系统发展推动了对新型互感器研制进程。在新一代互感器中，用于中低压级别电子式互感器，采用电阻分压器和Rogowski线圈实现对电压电流测量，这种电子式电压、电流互感器，构造紧凑、线性范畴大、通频带宽、抗电磁干扰能力强、与当代数字测量系统和微机继保装置兼容性好，输出不需要有很大功率。由于本人学识浅薄，文中一定有诸多不当与未尽之处，请各位教师、同窗予以批评、指正。参照文献1 Kaczkowski A,Knoth W,Combined sensors for current and voltage are readyfor application in GISA,CIGREC,Paris,France,1998,Rep(12):1062 刘从爱，互感器与相序滤过器，北京：水利电力出版社，1991.3，p15-283 秦冲，10kV配电系统铁磁谐振因素分析及消除办法，东北电力技术，1997，No.8，p52-564 刘民，几起电磁式电压互感器事故特性及分析，山东电力技术，1998，No.6，p23-27。5 平绍勋，黄仁山，光电式互感器原理和构造，变压器，Vol.37，p18-226 阎永志，光纤电压传感器基本特性研究与应用，压电与声光，1989，Vol.11，No.1，p15-227 杨晓春等，光纤电场传感器泡克尔斯元件理论分析与设计，压电与声光，1986，Vol.8，No.2，p13-188 叶妙元等，磁光电流传感器设计，华中工学院学报，Vol.15，No.6，1987，p119-1239 曾庆禹，电力系统数字光电量测系统原理及技术，电网技术，Vol.25，No.4，p1-5