互感器的性能試驗及電磁兼容性研究

1、10KV_35KV互感器的性能試驗及電磁兼容性研究摘要：本文在分析總結(jié)電子式電壓/電流互感器現(xiàn)有技術(shù)和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，針對所使用的中壓等級的場合，確定了以電阻分壓器的原理測量電壓和Rogowski線圈原理測量電流的電子式電壓/電流互感器為研究對象，并完成了如下工作：選擇了一種適合于中壓電網(wǎng)測量且性能穩(wěn)定的高壓高阻型厚膜電阻器，從理論上分析了電阻分壓器測量誤差的來源，進行了相應(yīng)的屏蔽設(shè)計,并制作了10kV和35kV互感器樣機。關(guān)鍵詞：電子式互感器，電阻分壓器，屏蔽引言1第一章電磁式互感器工作原理及其弊端21.1電磁式互感器的工作原理21.2電磁式互感器的弊端3第二章電阻式電壓互感器的性能試驗3

2、2.1 主要技術(shù)參數(shù)和試驗依據(jù)32.2 試驗的實施與結(jié)果42.3 試驗結(jié)論分析5第三章電磁兼容性設(shè)計63.1 電路板的抗干擾措施63.2 屏蔽73.3 電源抗干擾措施7總結(jié)7參考文獻(xiàn)8引言目前電力系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器、電壓互感器和電容式電壓互感器實現(xiàn)對電壓、電流信號的測量。電磁式互感器基于電磁感應(yīng)原理工作，從1830年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，1882年第一臺互感器設(shè)計出來以后，電磁式互感器經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，從鐵心材料、制作工藝的不斷改進，到為提高測量的準(zhǔn)確度而采取的各種補償措施，電磁式電壓互感器已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段。電磁式互感器具有在線性范圍內(nèi)測量準(zhǔn)確度高、制造工藝成熟

3、、試驗校驗規(guī)范、有國家標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)等優(yōu)勢，在很長的時間內(nèi)適應(yīng)了電力系統(tǒng)測量要求。但是電磁式互感器受其傳感機理的限制，某些性能仍然無法令人滿意，主要存在的問題如下：體積大、動態(tài)范圍小、使用頻帶窄，電磁式電壓互感器存在鐵磁諧振，二次側(cè)不能短路，電流互感器在很大的短路電流下磁飽和，二次側(cè)不能開路，采用變壓器油絕緣的互感器還存在爆炸危險。隨著數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)和微型計算機技術(shù)的綜合應(yīng)用，電工測量進一步向自動化、智能化方向邁進。電子式互感器是由一次電壓或電流傳感器、傳輸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換器組成，用于傳輸正比于被測量的量，供給測量儀器儀表和保護或控制裝置，其中信號的處理、傳輸依賴于電子技術(shù)。電子式互感器的輸

4、出一般只有幾伏，傳統(tǒng)電磁型繼電保護裝置和二次測量及其自動裝置需要大功率驅(qū)動，多年來制約著電子式互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。而隨著微機保護技術(shù)和現(xiàn)代測量裝置的發(fā)展，繼保裝置、二次測量及其自動裝置不再需要大功率輸入，為電子式電流互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用掃開了障礙。第一章 電磁式互感器工作原理及其弊端電磁感應(yīng)式的電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）是電力系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備，主要用作電壓、電流測量和繼電保護的信號取樣裝置。為了準(zhǔn)確反映電力系統(tǒng)電壓、電流的變化情況，要求電力互感器一次電壓、電流和二次電壓、電流值能夠在較大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系，按照給定比例(變比)將一次側(cè)的值縮小為二次側(cè)的值。為了防止電力互

5、感器一次側(cè)高電壓系統(tǒng)與二次設(shè)備有電的直接聯(lián)系，互感器的一次側(cè)與二次側(cè)必須隔離，并在二次側(cè)設(shè)置安全接地以保護人身和二次設(shè)備安全。1.1 電磁式互感器的工作原理電磁式電壓互感器（PT）原理圖如圖1.1所示，它是一種將高電壓變換為低電壓的電氣設(shè)備，一次繞組與高壓系統(tǒng)的一次回路并聯(lián)，二次繞組則與二次設(shè)備的負(fù)載并聯(lián)。PT基于電磁感應(yīng)原理工作，正常運行時其二次負(fù)載基本不變，電流很小，接近于空載狀態(tài)。一般的PT包括測量級和保護級，其基本結(jié)構(gòu)為：一次線圈和二次線圈分別繞在鐵心上，在兩個線圈之間和線圈與鐵心之間都有絕緣隔離。電力系統(tǒng)用的三線圈電壓互感器，除了上述的一次線圈和二次線圈外，還有一個零序電壓線圈，用來

6、接繼電器。在線路出現(xiàn)單相接地故障時，線圈中產(chǎn)生的零序電壓使繼電器動作，切斷線路，以保護線路中的發(fā)電機和變壓器等貴重設(shè)備。電磁式電流互感器（CT）原理圖如圖1.2所示，它是一種將高壓電網(wǎng)大電流變換為小電流的電氣設(shè)備，一次繞組串聯(lián)在高壓系統(tǒng)的一次回路內(nèi)，二次繞組則與二次設(shè)備的負(fù)載相串聯(lián)。CT也是基于電磁感應(yīng)的原理工作，但是它的二次負(fù)載阻抗很小，接近于短路狀態(tài)。 圖1.1 PT的原理圖 圖 1.2 CT的原理圖電流互感器也分為測量用與保護用兩類，基本結(jié)構(gòu)和PT相似，一次線圈、二次線圈分別繞在鐵心上，兩個線圈之間及線圈與鐵心之間有絕緣隔離。根據(jù)電力系統(tǒng)要求切除短路故障和繼電保護動作時間的快慢，保護用電

7、流互感器分為穩(wěn)態(tài)保護用與暫態(tài)保護用兩種，前者用于電壓比較低的電網(wǎng)中，稱為一般保護用電流互感器；后者則用于高壓超高壓線路上。1.2 電磁式互感器的弊端PT和CT因為帶有電感線圈和鐵磁材料，故頻帶不寬，線性范圍窄。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流將使CT的鐵心飽和，二次側(cè)信號波形發(fā)生畸變。PT二次側(cè)直接與電壓表連接，相當(dāng)于運行在變壓器的空載狀態(tài)，短路會引起很大的短路電流，使用中不允許短路；CT二次側(cè)直接與負(fù)載和電流表連接，相當(dāng)于運行在變壓器的短路狀態(tài)，二次側(cè)開路會引起很高電壓，使用中不允許開路。電磁式互感器都有一定的額定容量，從電力網(wǎng)中消耗功率，成為系統(tǒng)的負(fù)載，存在負(fù)荷分擔(dān)問題。而PT存在的最為嚴(yán)重的

8、問題是可能出現(xiàn)鐵磁諧振：PT的鐵心電感和系統(tǒng)的電容元件由于感抗與容抗的交換，組成許多復(fù)雜的振蕩回路，如果滿足一定的條件，就可能激發(fā)起持續(xù)時間較長的鐵磁諧振，這種諧振現(xiàn)象，某些元件的電壓過高危及設(shè)備的絕緣，同時可能在非線性電感元件中產(chǎn)生很大的過電流，使電感線圈引起溫度升高，擊穿絕緣，以致燒損。我國3220kV電網(wǎng)，不論中性點接地方式如何，都曾發(fā)生過由于電壓互感器鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過電壓。第二章 電阻式電壓互感器的性能試驗2.1 主要技術(shù)參數(shù)和試驗依據(jù)電阻式電壓互感器設(shè)計有10kV和35kV兩個電壓等級，它們的主要技術(shù)參數(shù)有：1、額定電壓：10/3 kV；35/3 kV2、設(shè)備最高電壓：12

9、kV；40.5 kV3、額定頻率：50Hz4、準(zhǔn)確度等級：計量0.2級保護3P5、額定二次輸出電壓：6.5/3 V試驗依據(jù)：1、國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60044-7電子式電壓互感器2、國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1207-1997電壓互感器GB 311。1-1997高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合2.2 試驗的實施與結(jié)果對電阻式電壓互感器的試驗共分2個階段：1、實驗室階段。這一階段主要是進行傳感器部分的線性度、角差和穩(wěn)定性試驗。通過試驗，考核所設(shè)計的傳感器能否可能達(dá)到測量0.2級，保護3P的準(zhǔn)確度。2、委托試驗階段。這一階段的試驗在武漢高壓研究所進行。測試內(nèi)容包括誤差試驗、絕緣性能等，以確定達(dá)到測量0.2級，保護3P的準(zhǔn)

10、確度。下面先對在實驗室所做試驗作介紹，再介紹型式試驗情況，然后最后對互感器的性能以及存在的問題進行總結(jié)和分析。PT為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，準(zhǔn)確度0。05。EVT為被校驗的電阻式電壓互感器（包含信號處理電路）。標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器測量線圈的輸出送入6位半數(shù)字萬用表V1，被校驗電壓互感器的輸出送入數(shù)字萬用表V2，兩個數(shù)字萬用表型號相同，準(zhǔn)確度為0.05，同時讀取兩個電壓值U1和U2，此處定義分壓比為：其中K1是標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的變比，K1350。定義分壓比的相對誤差為：其中K0為實際施加接近于額定電壓時的分壓比。對電壓互感器進行的線性度實驗，間隔一段時間先后兩次測量2UN120UN范圍內(nèi)的分壓比。兩次測量的電壓

11、百分比-分壓比相對誤差曲線如下，其中電壓百分比是實際施加電壓與額定電壓的比值。該互感器不能與傳統(tǒng)電壓互感器校驗裝置接口。在武漢高壓研究所進行的角差、比差測試時，采用該所研制的GHJ-H型光電式互感器校驗儀。試驗變壓器產(chǎn)生試驗電壓，這個高電壓經(jīng)過準(zhǔn)確度為0.05的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器PT和準(zhǔn)確度為十萬分之一的精密感應(yīng)分壓器GDZ-I后，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓信號UN，被校驗的電子式電壓互感器EVT的輸出信號經(jīng)過后續(xù)電子線路信號處理模塊的放大、相位補償之后，得到電壓信號UX，兩個信號同時送入校驗儀，校驗儀顯示兩者的比差、角差以及試驗電壓與于額定電壓的百分比。根據(jù)IEC 60044-7電子式電壓互感器的要求，對于0

12、.2級的電子式電壓互感器，要求如下：根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的定義：電壓誤差相位差式中：K n為額定電壓比，U p為實際一次電壓，Us為測量條件下施加Up時的實際二次電壓。測試結(jié)果說明，所研制的電壓互感器樣機達(dá)到測量0.2級、保護3P的準(zhǔn)確度要求，并具有良好的穩(wěn)定性。一次部分絕緣性能試驗后，10kV樣機復(fù)核了準(zhǔn)確度，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。二、一次部分絕緣性能試驗除準(zhǔn)確度試驗外，還在武漢高壓研究所進行了絕緣性能測試、二次端子短路測試和二次設(shè)備工頻耐壓測試。具體內(nèi)容如下：1、工頻耐受電壓試驗對于10kV互感器，一次端子對地施加42kV工頻試驗電壓，持續(xù)時間60秒，通過。對于35kV互感器，一次端子對地施加95kV工

13、頻試驗電壓，持續(xù)時間60秒，通過。2、局部放電測量：對于10kV互感器，預(yù)加電壓34kV，持續(xù)時間60s，然后電壓降至8.3kV下測量局部放電量，要求20pC。實際測量到的局部放電量為2pC，通過。對于35kV互感器，預(yù)加電壓76kV，持續(xù)時間60s，然后電壓降至28kV下測量局部放電量，要求20pC。實際測量到的局部放電量為2pC，通過。3、雷電沖擊全波、截波耐壓試驗對于10kV互感器，雷電沖擊全波試驗電壓75kV，正負(fù)極性各15次，通過。雷電沖擊截波試驗電壓86kV，負(fù)極性3次，通過。對于35kV互感器，雷電沖擊全波試驗電壓200kV，正負(fù)極性各15次，未通過。雷電沖擊截波試驗電壓220k

14、V，負(fù)極性3次。進行雷電沖擊全波試驗時，試品被擊穿。4、二次設(shè)備耐受電壓試驗1）短路試驗在額定電壓下，二次電壓輸出端短路60s，無損傷。2）二次設(shè)備工頻電壓耐受能力輸入、輸出及電源端子對機殼之間施加工頻電壓2kV，持續(xù)時間60s，無損傷。2.3 試驗結(jié)論分析1、10kV、35kV電阻式互感器測量的準(zhǔn)確度均達(dá)到0.2級，保護準(zhǔn)確度達(dá)到3P的要求。表明在樣機的結(jié)構(gòu)、屏蔽及絕緣的設(shè)計，可以使其測試性能很好的符合使用要求。2、樣機在實驗室內(nèi)通過直讀法和間隔一段時間重復(fù)測量的方法，進行了穩(wěn)定性實驗。試驗表明互感器的穩(wěn)定性良好。3、10kV互感器順利通過了工頻耐壓試驗、雷電沖擊（全波和截波）試驗、局部放電

15、試驗等絕緣性能試驗，表明樣機的絕緣設(shè)計合理，工藝設(shè)計可行。35kV互感器通過了工頻耐壓試驗、局部放電試驗，但是沒有通過雷電沖擊全波和截波試驗。10kV互感器樣機高壓臂串連2個電阻，35kV樣機高壓臂串連5個電阻。單個電阻元件的阻值、最大工作電壓、功率完全相同。10kV互感器樣機通過了雷電沖擊截波試驗，試驗電壓為86kV，則單個電阻元件上可承受43kV的沖擊電壓。如考慮電場分布不均勻，靠近高壓端的電阻所承受的電壓還要高于此值。按此推算，35kV互感器應(yīng)能承受43kV×5=213kV的雷電沖擊電壓。但是試驗中35kV的互感器未能承受200kV的雷電全波沖擊電壓。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)與高壓端直接相

16、連的電阻器被擊穿。第三章 電磁兼容性設(shè)計隨著各種電子電路和電力電子技術(shù)在社會生活各個領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，電磁兼容已成為現(xiàn)代電氣工程設(shè)計和研究人員在設(shè)計過程中必須考慮的問題。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365-1995電磁兼容術(shù)語對電磁兼容（Electromangnetic Compatibility簡稱EMC）所下的定義為：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括兩個方面的含義：1.電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個部件和子系統(tǒng)、一個系統(tǒng)內(nèi)部的各臺設(shè)備乃至相鄰幾個系統(tǒng)，它們在自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境及在它們所處的外界電磁環(huán)境中，能按原設(shè)計要求正常運行。2.該設(shè)備或系

17、統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁噪聲（Electromangnetic Noise簡稱EMN）必須限制在一定的電平，使由它造成的電磁干擾不致對它周圍的電磁環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常運行。任何電磁兼容問題都包含三個要素，即電磁干擾源、敏感器和耦合路徑，解決電磁兼容問題要從此三要素著手，控制干擾源的電磁輻射、抑制電磁干擾傳播途徑以及增強敏感器的抗干擾能力。在實際的電力系統(tǒng)中，電磁環(huán)境已經(jīng)確定，所以主要應(yīng)從考慮切斷干擾耦合途徑和提高設(shè)備抗擾度兩方面實現(xiàn)電磁兼容。3.1 電路板的抗干擾措施互感器中包含進行信號處理的二次電路，同一塊電路板中包含電流互感器和電壓互感器的信號處理單元。因此，要減少PCB板

18、與外界電磁環(huán)境、PCB板之間以及同一PCB板不同電路單元之間的電磁干擾，并增強PCB板對外界干擾的抵抗能力，必須采用相應(yīng)的抗干擾措施。依據(jù)印制電路板可靠性設(shè)計的一些通用原則，在互感器PCB板布線、布局設(shè)計中，視具體電路采取的抗干擾措施有：地線網(wǎng)絡(luò)通過整個PCB板敷銅構(gòu)成，減小了地線阻抗，而且將電源線與地線所包圍的面積減到最小，減小外界電磁場切割環(huán)路產(chǎn)生的電磁干擾。布線時盡量加粗和縮短電源線，以減小環(huán)路電阻。信號線、電源線分開。每個運算放大器芯片的正負(fù)電源和地線間都配有去耦電容?；ジ衅魉肞CB板均為雙面板，盡量采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，板的一面橫向布線，另一面縱向布線，交叉處用過孔相連。避免信號

19、線與地線及電源線的交叉。在信號線之間設(shè)置一根接地的印制線。沒有出現(xiàn)印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，導(dǎo)線的拐角大于90度。正常工作時，運算放大器同、反相輸入端之間的電位差不會超過幾毫伏，所以二極管D1和D2不導(dǎo)通。當(dāng)過電壓沿輸入線侵入時，TVS快速鉗位，將輸入電壓限幅，然后D1和D2導(dǎo)通，將運放輸入端的電壓限幅在其導(dǎo)通電壓±0。7V左右，保護電路輸入端不受過電壓危害。破壞性的過電壓有時也可能通過運算放大器的輸出端侵入電路，因此電路輸出端也應(yīng)進行保護，保護電路和輸入端保護相同。3.2 屏蔽屏蔽即是用屏蔽體將需要屏蔽的器件或設(shè)備包圍起來，經(jīng)過屏蔽體的電磁場被反射和吸收而衰減，對被屏蔽器件或設(shè)備的影響減

20、小到允許水平以下。屏蔽按其作用機理可以分為三類:電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽。電場屏蔽主要用于消除容性耦合，磁場屏蔽主要用于抑制感性耦合，電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，如果屏蔽接地，則還可以起到靜電屏蔽的作用。1) 低壓側(cè)電子設(shè)備的屏蔽低壓側(cè)的電子設(shè)備布置在采用良好導(dǎo)磁材料制成的機箱中，箱體能提供一定程度的屏蔽。但由于電纜的接入使箱體變得不連續(xù)，阻斷了渦流的通路，屏蔽效果降低，因此盡量避免或減小屏蔽體的開縫，為取得良好的屏蔽效果，在開縫處用螺絲接合件、接地襯墊或?qū)щ娙κ拐麄€開縫長度有可靠的電接觸。為了提高系統(tǒng)的靜電防護能力，在機箱外表面涂附絕緣漆，電路板和機殼之間留有足夠距離以免縫隙過

21、窄而形成靜電放電。2) 信號線的屏蔽本文所設(shè)計的互感器輸出為模擬信號，對于PT、CT的信號傳輸線均采用屏蔽雙絞線。屏蔽電纜是在絕緣導(dǎo)線外面再包一層金屬薄膜或金屬編織網(wǎng)，即屏蔽層。采用屏蔽電纜對削弱靜電耦合和電磁耦合都有明顯的效果。騷擾源對敏感電路的單芯屏蔽線的騷擾，是通過騷擾源導(dǎo)線與單芯屏蔽線屏蔽層間的耦合電容，以及屏蔽層與芯線間的耦合電容實現(xiàn)的。3.3 電源抗干擾措施互感器低壓側(cè)電子電路的工作電源由交流電網(wǎng)（220V/50Hz）提供，電網(wǎng)中存在各種騷擾信號，有兩種來源：一為雷電沖擊或切合大容量感性負(fù)載造成電源瞬間欠壓、過載，產(chǎn)生的尖峰、浪涌干擾等；二為電網(wǎng)中的諧波高頻干擾。這些干擾會通過電源

22、線傳入電子線路，干擾電路的正常工作。一般說來，系統(tǒng)故障有1/31/2來自于電源。為了考核電子設(shè)備對電源干擾的抵抗能力，電磁兼容試驗項目中針對低壓側(cè)工作電源進行的主要有：射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗、低壓電網(wǎng)電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗、浪涌（沖擊）抗擾度試驗和電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗?；ジ衅鞯蛪簜?cè)電子線路采用開關(guān)電源供電，因為開關(guān)電源的輸出帶有一定紋波，對電子線路造成高頻干擾，所以電源抗干擾設(shè)計非常重要。采取的措施有裝設(shè)輸入濾波電路、輸出濾波電路，在輸入端還裝設(shè)有壓敏電阻。總結(jié)電壓互感器和電流互感器是電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備之一，其準(zhǔn)確度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行密切相關(guān)。多年以來，在中低壓等級的電網(wǎng)中廣泛使用電磁式電力互感器進行計量和保護。電磁式互感器受其傳感機理的限制，存在著自身難以克服的缺點，同時難以適應(yīng)電力系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化發(fā)展的