勵(lì)磁機(jī)100Hz電流和電壓的測量

1、勵(lì)磁機(jī)100Hz電流和電壓的測量李自淳1，錢厚軍2，符仲恩1，彭 輝1，余前軍2，夏維珞1（1.中國科學(xué)院等離子體物理研究所科聚公司，安徽 合肥 ；2.秦山核電公司，浙江 海鹽 )摘 要 本文從電流互感器、交流電流表、電壓互感器和交流電壓表方面探討了交流主勵(lì)磁機(jī)定子100Hz（或更高頻率）電流和電壓測量的方法及原理。關(guān)鍵詞 勵(lì)磁機(jī)；100Hz；電流；電壓；測量中圖分類號 TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號 1000-3983(2006)02-0000-00Measuring of Exciters 100Hz Current and VoltageLI Zi-chun1, QIAN Ho

2、u-jun2, FU Zhong-en1, PENG Hui1,YU Qian-jun2, XIA Wei-luo1(1.Institute of Plasma Physics, Academia Sinica, Ke Ju Co.,Hefei ,China;2.Qinshan Nuclear Power Co., Haiyan ,China)Abstract: This paper approaches the methods and principles for measuring the AC main exciters 100Hz (or higher frequency ) curr

3、ent and voltage in terms of current transformer, AC current meter, potential transformer and AC voltage meter.Key words: exciter；100Hz；current；voltage；measuring1 問題的提出目前大中型汽輪發(fā)電機(jī)廣泛使用100Hz的中頻交流主勵(lì)磁機(jī)，其定子輸出100Hz的三相正弦交流電壓，經(jīng)二極管不可控整流成直流電源供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。由于其定子輸出的電流和電壓頻率為100Hz，并且電流的波形不是正弦波而是矩形波；而工業(yè)測量的電流 、電壓互感器及交流電流

4、、電壓表均是按50Hz正弦波設(shè)計(jì)的，直接使用可能會(huì)帶來誤差或其它問題；專制特種的互感器及電表又會(huì)提高成本（因?yàn)槭褂昧啃。?，所以有必要對這個(gè)問題進(jìn)行探討。2 電流互感器的探討電流互感器原理見圖1。圖中：I1 原邊電流；I2 副邊電流；U1 原邊電壓；U2 副邊電壓；W1 原邊匝數(shù)；W2 副邊匝數(shù)； 同時(shí)交鏈原副邊的主磁通；Z 副邊負(fù)載阻抗。再設(shè)：f 電源頻率；I0 原邊激磁電流；Rm 鐵心磁路磁阻；B 鐵心磁通密度；S 鐵心截面積。其工作原理與變壓器相似,可參閱電機(jī)學(xué)1，2相關(guān)內(nèi)容，此不贅述。I1I2U1U2ZaW1W2XXA圖1 電流互感器原理圖2.1 鐵心損耗鐵心損耗包括磁滯和渦流兩部分。根

5、據(jù)電機(jī)學(xué)1的介紹，硅鋼片的磁滯損耗ph與磁通的交變頻率f 成正比，與磁通密度幅值Bm的平方成正比，即phfBm2，渦流損耗pw則與f 2Bm2成正比，即 pwf 2Bm2。通常把磁滯損耗和渦流損耗合在一起，稱為鐵心損耗 (鐵損)p=ph+pw 。一般硅鋼片的鐵損pf1.4Bm2。對某一固定的互感器來說，鐵心截面積S是固定不變的，而Bm=m/S，所以鐵損pf1.4m2。由電機(jī)學(xué)1原理，忽略互感器繞組的電阻和漏磁電抗，可得：U2= I2 Z=4.44fW2m在同等條件下對比，即I2、Z、W2均不變，則f和m成反比(m1/f，m和分別為主磁通的最大值和有效值)。如f由50Hz升高為100Hz，則m降

6、為原來的1/2，即f加倍而m減半，鐵損p變?yōu)樵瓉淼?1.40.52=2.640.25=0.66，即僅為原來的66%，鐵損降低，發(fā)熱減小。2.2 測量誤差電流互感器的誤差分為變比誤差及相角誤差，根據(jù)有關(guān)資料3，4介紹，這兩種誤差均與原邊激磁電流I0成正比。從電機(jī)學(xué)得： 由于W1、W2和Rm均為固定常數(shù)，故I01/f，即I0與頻率f成反比。如f從50Hz升高到100Hz，頻率加倍，則I0減半，誤差也減半。2.3 非正弦影響 以上分析均是在正弦交流電路中得出的，但整流交流電路中的電流I1不是正弦波，而是矩形波5，見圖2。圖中IL為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流(直流)。我們可以用富立葉級數(shù)把矩形波展開成一系列基波為

7、100Hz（不含直流分量），包含很多高次諧波的正弦波電流之和，分別作用于電流互感器的原邊，再把結(jié)果疊加。由以上2.1和2.2節(jié)分析可知，頻率增高使鐵損減小，誤差減小。所以高次諧波電流產(chǎn)生的鐵損和誤差會(huì)更小。IL0-ILiAiBiCwtwtwtp2p圖2 交流主勵(lì)磁機(jī)定子三相電流波形圖2.4 結(jié)論普通按50Hz正弦波電流設(shè)計(jì)制造的電流互感器，用于測量100Hz（或更高頻率）的矩形波電流，其鐵損及誤差均減小。由于制造廠缺少100Hz(或更高頻率)的矩形波交流電源和檢驗(yàn)設(shè)備，做出廠檢驗(yàn)只能按50Hz正弦波做。根據(jù)以上分析，用50Hz正弦波檢驗(yàn)合格的電流互感器，用于100Hz（或更高頻率）的矩形波電流

8、測量，鐵損及誤差會(huì)更小，一般情況可直接應(yīng)用。3 交流電流表的探討3.1 理論分析目前常用的指針式交流電流表有整流式磁電系、電磁系和電動(dòng)系三種4。整流式磁電系儀表把交流整流成直流測量，故頻率影響較小，但波形肯定有影響。這是因?yàn)橹绷麟姳矸从车氖瞧骄担涣鳒y量要求反映有效值，不同波形的電流，其平均值與有效值的比例不同。電磁系和電動(dòng)系儀表內(nèi)都有測量線圈，而且交流電流直接通過該線圈。由于線圈的感抗與頻率成正比，所以頻率對讀數(shù)的影響較大。電磁系儀表內(nèi)還用鐵磁材料產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，由于鐵磁材料的磁滯和渦流現(xiàn)象均與頻率有關(guān)，故頻率的影響更大。非正弦波電流會(huì)產(chǎn)生一系列不同頻率的高次諧波，故波形也會(huì)影響讀數(shù)?？傊?/p>

9、，普通按50Hz正弦波電流設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)的指針式交流電流表，用于100Hz（或更高頻率）矩形波電流的測量，會(huì)產(chǎn)生額外的、不可控制的誤差，不能直接應(yīng)用。當(dāng)然，現(xiàn)在已經(jīng)有可以直接測量100Hz及以上頻率的中頻、任意波形電流和電壓真有效值(數(shù)學(xué)均方根值而非乘特定系數(shù)的平均值)的數(shù)字電表，但其價(jià)格是普通指針表的20倍。如果要求指針式電表制造廠供應(yīng)按100Hz（或更高頻率）矩形波電流校驗(yàn)標(biāo)定的特殊的非標(biāo)電表，則由于制造廠缺少中頻矩形波電源及校驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)表，訂購量又小，一般均難以滿足要求。3.2 自行標(biāo)定100Hz指針表 這里介紹一種利用簡單器材，將普通指針式“白板”電表（表面不帶標(biāo)尺刻度）標(biāo)定成100Hz

10、（或更高頻率）、矩形波電流表的方法。3.2.1 中頻電源 找一個(gè)三相交流、頻率100Hz（或更高）、輸出對稱正弦波電壓的電源。輸出電流最好大于等于5A，如果不夠大，可加電流互感器反接升流。 我們用的電源是K66型繼電保護(hù)測試儀（一般電廠繼保班可配有類似儀器）。它能輸出01000Hz、0120V的三相對稱正弦電壓，但每相輸出的最大電流為0.55A，應(yīng)加接變比K10的電流互感器，反接升流到5A。3.2.2 試驗(yàn)接線K66 Ua繼保測試儀UbUcNCTIATA1DTA2ILL圖3 電流表標(biāo)定試驗(yàn)原理接線圖標(biāo)定試驗(yàn)原理接線如圖3所示。圖中CT為三只同樣變比K10 （如50/5）的低壓電流互感器，原副邊

11、反接，起放大電流的作用；TA1為待標(biāo)定的“白板”指針式交流電流表（量程5A）；D為6只整流二極管（3A/100V）組成的整流橋；TA2為標(biāo)準(zhǔn)直流電流表（0.5級以上，量程5A/10A兩擋）；L為負(fù)載電感，可利用行燈變壓器的低壓繞組，額定電流5A以上，另一側(cè)開路。3.2.3 試驗(yàn)原理按整流電路原理5，圖3所示的三相不可控橋式全波整流電路帶感性負(fù)載時(shí)，其交流側(cè)電流波形如圖2所示，圖中IL即為直流側(cè)的電流平均值。由于電感L的濾波作用，IL波形應(yīng)為一平滑水平線。根據(jù)電工學(xué)中對“有效值”的定義，可以計(jì)算出交流側(cè)電流的有效值式中IL即為標(biāo)準(zhǔn)表TA2的讀數(shù)，IA即為待標(biāo)定表TA1的標(biāo)定值，可利用此關(guān)系，根據(jù)

12、TA2的讀數(shù)標(biāo)定TA1的刻度。3.2.4 標(biāo)定方法(1) 按圖3接好線路。(2) 調(diào)整K66繼保測試儀的交流電壓輸出，要求Ua 、Ub、Uc的相位差120，頻率100Hz（或更高，按需要），幅值一致，波形正弦。(3) 調(diào)節(jié)輸出電壓的幅度，使TA2的讀數(shù)分別為5/0.816=6.127（A），4/0.816=4.902（A），3/0.816=3.676（A），2/0.816=2.451（A），1/0.816=1.225（A）。(4) 在TA1表指針指示的相應(yīng)位置劃線，分別標(biāo)定為5A、4A、3A、2A、1A。(5) 根據(jù)劃線繪制刻度標(biāo)尺，在劃線間按比例細(xì)分刻度，并根據(jù)所配電流互感器的變比標(biāo)示電流值

13、。（如配3000/5的電流互感器，則應(yīng)在5A刻度線上標(biāo)“3kA”）。(6) 如標(biāo)示值不為整數(shù),也可根據(jù)電流互感器變比折算劃線的標(biāo)定電流，使標(biāo)示值為整數(shù)，原理同上，靈活運(yùn)用。4 電壓互感器的探討 電壓互感器的原理與電流互感器基本一樣，圖1的表示同樣適用于電壓互感器，只是原邊匝數(shù)應(yīng)多于副邊。2.1和2.2的 分析同樣適用于電壓互感器，而2.3節(jié)不適用于電壓互感器，因?yàn)檎麟娐分薪涣鱾?cè)的電壓是正弦波，不存在非正弦問題。最后2.4節(jié)的結(jié)論同樣適用于電壓互感器，即普通按50Hz電壓設(shè)計(jì)生產(chǎn)，檢驗(yàn)合格的電壓互感器，一般情況可以用于100Hz（或更高頻率）的電壓測量。5 交流電壓表的探討5.1 理論分析4.

14、1節(jié)的分析完全適用于交流電壓表，故此不再重復(fù)。5.2 自行標(biāo)定100Hz指針表5.2.1 中頻電源找一個(gè)三相交流、頻率100Hz（或更高）、輸出對稱正弦波電壓的電源,輸出線電壓有效值大于等于100V。3.2.1中選用的K66型繼保測試儀可滿足上述要求。5.2.2 試驗(yàn)接線-+RTV2UdUlDTV1UbUcN繼保測試儀K66 Ua圖4 電壓表標(biāo)定試驗(yàn)原理接線圖標(biāo)定試驗(yàn)原理接線如圖4所示。圖中TV1為待標(biāo)定的“白板”指針式交流電壓表（量程100V）；D為6只整流二極管（0.5A/300V）組成的整流橋；TV2為標(biāo)準(zhǔn)直流電壓表（0.5級以上，量程150V/75V兩擋）；R為負(fù)載電阻（1k/100W

15、）。5.2.3 試驗(yàn)原理 按照整流電路原理5，圖4所示的三相不可控橋式全波整流電路中，直流側(cè)電壓ud的波形如圖5所示，它是交流側(cè)三相線電壓ul (uab、uac、ubc .)的包絡(luò)線。每一個(gè)周期內(nèi)包含6個(gè)同樣的正弦波峰頂，所以只要對其中一個(gè)峰頂波用積分求平均值，即能得出ud的平均值。為便于計(jì)算，取uab的峰頂作平均值計(jì)算。從圖5可得：uab=Ulm sint (其初相角0=0)式中：Ulm交流線電壓峰值。設(shè)Ul為交流側(cè)線電壓的有效值，則。UlUd0wtuabuacubcubaucaucbuab圖5 三相橋式全波整流直流電壓及交流線電壓的波形按電工學(xué)中對“平均值”的定義，可算出直流側(cè)電壓平均值：

16、考慮整流橋二極管的正向壓降，則Ud=1.35Ul-1.5式中Ud即為標(biāo)準(zhǔn)表TV2的讀數(shù)，Ul即為待標(biāo)定表TV1的標(biāo)定值，可利用此關(guān)系，根據(jù)TV2的讀數(shù)標(biāo)定TV1的刻度。5.2.4 標(biāo)定方法（1）按圖4接好線路。（2）調(diào)整K66繼保測試儀的交流電壓輸出，要求Ua、Ub、Uc的相位差120，頻率100Hz（或更高，按需要），幅值一致，波形正弦。（3）調(diào)節(jié)輸出電壓的幅度，使TV2的讀數(shù)分別為1001.35-1.5=133.5（V），801.35-1.5=106.5（V），601.35-1.5=79.5（V），401.35-1.5=52.5（V），201.35-1.5=25.5（V）。（4）在TV1表

17、指針指示的相應(yīng)位置劃線，分別標(biāo)定為100V、80V、60V、40V、20V 。（5）根據(jù)劃線繪制刻度標(biāo)尺，在劃線間按比例細(xì)分刻度，并根據(jù)所配電壓互感器的變比標(biāo)示電壓值（如配500/100的電壓互感器，則應(yīng)在100V刻度線上標(biāo)“500V”）。（6）如標(biāo)示值不為整數(shù)，可根據(jù)互感器變比折算重定劃線的標(biāo)定電壓，原理同上，靈活應(yīng)用。6 實(shí)測檢驗(yàn)秦山核電公司310MW汽輪發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)為100Hz中頻同步發(fā)電機(jī)，其定子輸出三相正弦交流電壓不經(jīng)互感器直接送中頻數(shù)字電壓表測量，三相交流電流經(jīng)普通50Hz的電流互感器送中頻數(shù)字電流表測量，同時(shí)有施耐德MT20H1型交流開關(guān)附件Micrologic 5.0A測控單

18、元所測交流電流作對照，結(jié)果兩者讀數(shù)基本一致（誤差0.1%），證明測量結(jié)果準(zhǔn)確可信。三相交流電經(jīng)過二極管全波橋式整流成直流電供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，接線類似圖4。在直流側(cè)用1.5級指針式直流電表測勵(lì)磁電壓和電流，所有表計(jì)均檢驗(yàn)合格。查閱現(xiàn)場檢測記錄，發(fā)現(xiàn)交流側(cè)電流IA和直流側(cè)電流IL的比值IA/IL0.816（理論值），此值與負(fù)荷大小有關(guān)，與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，在短路試驗(yàn)時(shí)約為0.74，正常運(yùn)行時(shí)約為0.78；直流側(cè)電壓Ud和交流側(cè)電壓Ul的比值Ud /Ul1.35（理論值），且也與負(fù)荷大小有關(guān)，約為1.27。分析以上結(jié)果，認(rèn)為造成此偏差的原因并非因測量不準(zhǔn)，而是因?yàn)閷?shí)際電流和電壓的波形和理論分析時(shí)不一樣

19、。如二極管全波橋式整流輸出直流電壓理論波形如圖5所示，Ud /Ul =1.35的理論系數(shù)是按此波形計(jì)算而得。而實(shí)測波形差異甚大。圖6所示為作者1989年在清河電廠8號機(jī)（200MW汽輪發(fā)電機(jī)，三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)）上用示波器攝錄的勵(lì)磁直流電壓波形圖。圖中下方水平亮線為“零線”；電壓標(biāo)尺100V/格，時(shí)間標(biāo)尺1ms/格，當(dāng)時(shí)勵(lì)磁直流電壓表讀數(shù)300V。從圖中可看到交流電頻率為100Hz（每周期10ms內(nèi)6次換向），但波形和圖5差異甚大。在實(shí)驗(yàn)室中用二極管三相全波橋式整流器輸出到電感負(fù)載也可測到類似的波形。由于實(shí)際波形和理論有差異，所以交直流電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)有差異，電流也同樣。圖6 二極管整流勵(lì)磁電壓波形7 總結(jié)（1）根據(jù)電磁原理分析，在其他條件不變的前提下，增加頻率將使互感器的磁通密度降低，因此會(huì)使鐵損及誤差均減小。故而普通按50Hz正弦波設(shè)計(jì)制造并檢驗(yàn)合格的電流和