第五章 电气测量技术（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第五章 电气测量技术 1 Page . 电气测量技术 共4学时 1 高电压的测量 2 大电流的测量 3 *频率、周期、相位的测量（不要求） 4 指针式电工仪表 5 *电力设备绝缘性能的测试 7 *局部放电的测试 6 *接地电阻的测试 2 电气测量技术 1 高电压的测量 2 大电流的测量 3 频率、周期、相位的测量 4 指针式电工仪表 5 电力设备绝缘性能的测试 7 局部放电的测试 6 接地电阻的测量 各种互感器 互感器 Page . 分 类 电磁式互感器 电子式互感器 电磁式互感器是一种测量用途的变压器 电磁式互感器 电力变压器 设计用途 基本要求 测量一次电压和一次电流 传输电能 误差小 损耗低 稳态误差 暂态误差 比差和角差 复合误差 Z1 Zm Z2’ 互感器的T 型等效电路 Q1：Z1和Z2的特点？ Q2：Zm的特点？ Page . 测量对象也即励磁电源 PT：一次电压励磁 CT：一次电流励磁 负载不同 PT接高阻电压表 PT接低阻电流表 磁路工作点不同 PT CT I Φ 电压互感器PT vs 电流互感器CT Page . 7 稳态误差 电压互感器 电流互感器 比差 角差 与间的夹角。 当超前于时，角差为正值，反之角差为负值 与间的夹角。 当超前于时，角差为正值，反之角差为负值 互感器的稳态误差 Page . 互感器的T型等效电路 A1：由于和不等于零 Q1：为什么会出现电压比差? Q2：为什么会出现电流比差？ A2：由于I0不等于0或Zm不是无穷大 Q3：短路暂态过程时若CT饱和，电流误差会增大或畸变？ A3：磁路进入饱和后xm变小，深度饱和时xm几乎为零，导致 i0 出现尖脉冲的峰值， i2 头部则塌陷 电磁式互感器误差分析 Page . 电压互感器比差和角差的计算* 设： fN，δN 分别为负载功率因数为1的情况下的比差及角差 f0，δ0 分别为空载时的比差及角差 空载时 负载时 Page . 1. 比差的计算：以O为圆心，OB为半径，作圆弧交OA于D点，AD即为相量与的算术差，即电流互感器的绝对误差。再从B点向OA引一垂线与横轴交于C点，因I 角通常很小，用AC就可以近似地代替AD，于是求得: 由于OF=AC，比差还可以表示为: 2. 角差的计算：三角形OBC中有 式中角α与负荷功率因数角L大小有关; 通常I 很小， 由于EF=BC，角差也可以表示为 电流互感器比差和角差的计算* Page . 过励区 激磁电流头部尖峰 饱和对CT的影响 i1 数值增大导致xm减小，i1在头部从i0分流更多， i0表现为尖峰，而i2的头部则塌陷 CT 短路电流过大或偏移 PT 暂态过程电压升高 暂态过程可能 出现的过励磁 饱和对PT的影响 U1过高导致铁芯进入饱和，xm随饱和程度的加深而减小。 逐步减小的xm有可能与电网的对地容抗形成铁磁谐振 二次电流头部塌陷 一次短路电流过大 电磁式互感器暂态过程的过励磁(饱和)问题 Page . 短路电流 最坏情况（偏移系数cos=1） Ipm——归算到二次侧的一次稳态电流幅值 Tp——一次系统时间常数，等于一次短路电流 流过的电感与电阻之比 ——短路初相角 偏移的本质是包含了衰减的直流分量 电磁式电流互感器的暂态特性分析 仿真波形 实测波形 特点： 二次电流容易出现头部塌陷 Page . 13 电流波形的畸变 一旦直流电流分量达到一定程度，在与直流分量同号的正半周上铁芯容易出现暂态饱和。一旦铁芯饱和，励磁电流急剧上升形成尖顶波，二次电流波形头部就会塌陷。 励磁电流 励磁电流 直流分量导致励磁电流和二次电流畸变 未考虑磁滞效应 Page . 开口三角绕组的作用 （1）检测零序电压: 正常情况下, 三角开口电压为零；当发生单相接地故障时，开口电压不为零，为继电保护系统提供信号 （2）开口处可接入阻尼电阻快速阻尼铁磁谐振 一种典型的铁磁谐振 Page .   改善电磁式电流互感器暂态特性 Page . 避免电流互感器出现饱和 改变运行方式、增加串联电抗器来限制短路电流的幅值 设计合适的电流互感器结构和参数 充分考虑可能出现的最大短路电流幅值、互感器的负载大小以及饱和倍数 （a）用于单相电流的测量 （b）用于三相电流的测量，（c）用于不平衡电流的测量 电磁式电流互感器的安装使用 Page . 电磁式CT铁芯深度饱和时，磁通换向时容易感应初高脉冲电压e2 电磁式CT二次侧不允许开路 Page . 二次侧开路，二次电流产生的去磁磁通消失，一次电流全部变成励磁电流，铁芯容易周期性进入深度饱和，磁通量波形近似平顶方波，在磁通量过零时二次侧将产生数千伏高压，对人身和设备造成危害。 将在铁芯中产生较大剩磁，使互感器比差和角差增大 准确度等级 一次电流为额定 电流的百分数(%) 误差限值 二次负载为额定负 载的百分比数(%) 比值差(±%) 相角值（′） 0.1 5 10 20 100 120 0.4 0.25 0.20 0.10 0.10 15 10 8 5 5 25～100 0.2 10 20 100～120 0.5 0.35 0.20 20 15 10 25～100 0.5 10 20 100～120 1.0 0.75 0.50 60 45 30 25～100 1 10 20 100～120 2.0 1.5 1.0 120 90 60 25～100 3 50～120 3.0 未规定 50～100 测量用/表计用CT准确度等级及误差 Page . 1. 复合误差εc 在暂态过程由于波形畸变产生高次谐波，稳态条件下的比差和角差的定义不再适用。电流互感器的复合误差定义为：当二次电流的正符号与端子标志的规定相一致时，稳态条件下，电流互感器一次电流的瞬时值和二次电流的瞬时值乘以额定电流比的差值的均方根值。复合误差用一次电流均方根值的百分数表示： Kim 为额定电流比；Ipn 为一次电流均方根值；iS为二次电流瞬时值；ip 为一次电流瞬时值；T 为一个周波的时间 2. 保护用电流互感器的准确度等级 保护用电流互感器的准确度等级是以额定准确限值一次电流下所规定的最大允许复合误差百分数来标称 2) 具体表示方法: 复合误差百分数+字母P +准确限值系数 例如：5P20； 该符号表示当一次短路电流增至20 倍额定电流时，其复合误差不大于5%； 字母P后的20就是准确限值系数Kalf 本例中的准确限值电流就是20倍额定电流 保护用电流互感器的主要技术参数 Page . 准确级 电流误差（±％） 相位误差（±分） 复合误差％ （在额定准确限值一次电流时） 在额定一次电流时 5P 1 60 5 10P 3 — 10 保护用电流互感器的标准准确级及其误差限值 Page . 保护用电流互感器的种类 稳态短路保护用P型 暂态短路保护用TP型 P型：无剩磁限制 TPX：无气隙，无剩磁限制 PR型：有剩磁限制，剩磁<10%Bmax TPS：无气隙，无剩磁限制 PX型：对励磁特性的拐点有限制 TPY：有小气隙，剩磁<10%Bmax 适用于自动重合闸线路的保护 Page . 用途 准确度等级 一次绕组电压为 额定电压的百分数 误差限值 二次负载为额定 负载的百分数 比差(%) 角差(′) 测量 0.1 80%～120% ±0.1 ±5 25%～100% cosφ2=0.8 (滞后) 测量 0.2 ±0.2 ±10 测量 0.5 ±05 ±20 测量 1 ±1.0 ±40 测量 3 100 ±3.0 未规定 保护 3P 中性点有效接地系统用(0.05-1.5)U1e 中性点非有效接地系统用(0.05-1.9)U1e ±3 ±120 ±6 ±240 保护 6P 电压互感器的标准准确级及其误差限值 Page . a)单相电压的测量 b)三相电压的测量 c)线电压的测量 电磁式电压互感器的安装及使用 Page . 电压互感器二次绕组不许短路,一次绕组串熔断器做短路保护 高压电磁式互感器二次侧必须一点接PE（保护接地）： 设备正常工作时，二次绕组如浮地则处于一次高压的静电场中而带高压 可以防止主绝缘故障情况下二次侧带高压 Page . 电子式互感器的分类 电流互感器 Faraday 原理 Rogowski线圈 LPCT 电压互感器 Pockels 效应 阻容分压型 单相ECT的通用框图 二次转换器额定输出电压 200mV：保护用ECT 4V：测量用ECT Secondary Converter 一次部分 二次部分 传感器额定输出电压 LPCT：22.5mV或225mV 罗氏线圈：150mV Page . 三相电子式互感器的合并和数字输出 注：SC为二次转换器首字母缩写 三相电流 和 中线电流 三相电压 和 中性点电压 以太网口 Page . 低功率电流互感器LPCT LPCT (Low power current transformer)是电子式电流互感器标准IEC60044-8中ECT中的一种实现形式 LPCT是采用铁芯线圈的低功率电流互感器 ECT具有模拟电压输出接口和数字网络接口，模拟电压输出的额定值是225mV或22.5mV，数字化网络接口则是以太网口。 LPCT包含一次绕组、较小的铁芯和损耗极小的二次绕组。LPCT中Rsh消耗功率极低，常用阻值范围一般在1~100。 Page . 被测电流的计算 其中 铁芯种类 饱和磁密（T） 初始相对导磁率 最大相对导磁率 叠片系数 密度（g/cm3） 微晶合金 1.25 8104 6105 0.70 7.25 坡莫合金 0.75 8104 6105 0.90 8.75 硅钢片 2.03 103 4104 0.95 7.65 LPCT的主要特征 1. LPCT采用导磁性能更好的超微晶合金作为铁芯材料。与硅钢片相比，超微晶合金的相对磁导率提高了10倍以上，意味着励磁电抗增大10倍。 2. IEC标准规定LPCT的额定输出为为225mV或22.5mV的模拟电压信号，不需要推动保护继电器， 所以LPCT消耗功率极低 Page . LPCT vs 电磁式电流互感器 LPCT负载支路阻抗大幅度减小，励磁支路阻抗增大，励磁电流大大减小 LPCT在极高（或偏移）一次电流下的饱和特性将得到极大改善，动态测量范围加大 LPCT抗饱和性能优于电磁式CT，但仍不能像罗氏线圈那样完全不饱和，所以，从饱和特性上看，LPCT是介于电磁式电流互感器和罗氏线圈之间的一种电子式电流互感器。 Zm Page . 罗哥夫斯基线圈 罗氏线圈的等效电路 Ro 特点： 罗氏线圈是空心线圈 罗氏线圈的输出电压与di1/dt 成正比，需要引入积分环节才能得到一次电流 罗氏线圈的自感和内阻 外接端电阻 Page . 罗氏线圈的积分方式：自积分和外积分 当 为了测得一次电流i1，需要引入外部积分环节。 可适用于低频电流的测量，如工频电流. 当 也即 上式两边同时对 t 积分，考虑 称为罗氏线圈的自积分条件 不适用于工频电流的测量 （1） 公式（1）简化为： ，罗氏线圈近似开路，故有： 小电阻：自积分 大电阻：外积分 Rogowski线圈的优点 线性度好 无磁饱和，在量程范围内，输入输出是线性关系，容易标定 测量范围大 测量交流电流量程从几安到几百千安，但小电流准确度下降 响应速度快，频响范围宽，适用频率可从低频到1MHz 一次侧和二次侧电流无相角差 互感器二次开路不会产生高电压，无二次开路危险 OCT（Optical Current Transducer）为无源型电子传感器，其高压部分均为光学器件而不采用任何有源器件。 OCT的基本原理是利用法拉第磁光效应：一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面会随着平行于光线方向的磁场的大小发生旋转。 无源的OCT目前已经达到实用化的程度，但是要完全取代传统的电流互感器它还存在一些需要解决的技术难点，如测量精度、以及磁场的干扰、温度的变化引起的测量误差。 光学电流传感器OCT Page . CVT组成示意图 CVT优点 1.避免电磁式PT与电网容抗的铁磁谐振 2.可兼顾电压互感器和电力线路载波耦合电容器两种设备的功能 3.能可靠阻尼CVT内部铁磁谐振 4.具备优良的瞬变响应特性 电容式互感器CVT Page . CVT主要由电容分压器（C1串C2）、中间变压器（T）、补偿电抗器L、保护装置F及阻尼器D等元件组成。L补偿C1+C2，保证电压波形同步。阻尼元件D是电抗串联电阻,正常工作时阻尼电抗器呈高阻. 但当CVT内部出现铁磁谐振时产生高压, 阻尼电抗饱和相当于短路, 阻尼电阻阻尼谐振. 电容式互感器CVT Page . OVT（Optical Voltage Transducer）的传感机理是晶体的Pockels效应。Pockels效应是指晶体在电场作用下，透过晶体的光发生双折射，这一双折射快慢轴之间的相位差与被测电压呈正比关系，将Pockels元件直接连接到被测电压的两端，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。 OVT实现的技术关键是如何提高OVT的温度稳定性、长期运行的可靠性以及测量的精度。 光学电压传感器OVT Page . 体积小、重量轻，方便安装于成套电器设备中，减少变电站所占地面积 有助于提高电力系统自动化、数字化的发展水平 功耗低 电子式互感器的优点 Page . 感谢聆听 � N X 接载波装置 F L 1a 1n 2a 2n D da dn T $$