互感模型

互感模型（精选7篇）

互感模型 篇1

0 引言

受传统电磁式互感器传变频谱带宽限制,高压线路距离保护一般采用基于工频量的阻抗继电器。而智能变电站中电子式互感器的应用给线路距离保护技术的发展带来了契机,电子式互感器对一次系统暂态信号具有无可比拟的优良传变性能,能够更真实地反映各种暂态故障分量。基于时域模型的微分方程距离保护能够很好地利用系统故障暂态过程丰富的信息进行阻抗测量[1,2]。本文就基于R-L模型的距离保护时域微分方程进行仿真分析,着重解决了线路末端经过渡电阻接地时的稳态超越问题。

1 电子式互感器传变特性分析

根据IEC的标准,电子式互感器包括了连接传输系统和二次转换器的一个或多个电流、电压传感器。以罗氏线圈电流互感器为例,其主要由罗氏线圈,积分电路、低通滤波器及AD采样回路构成[3],建立仿真模型图1所示。

推导出图1信号回路的传递函数为式(1)。

其中,M为罗氏线圈互感系数。

根据式(1)得出的幅频响应特性曲线如图2。

由图2可以看出电子式互感器在频率为1 Hz以上很大范围内的信号均能够正确传变,对应为系统故障时能够真实各种非周期及谐波分量,因而具有良好的暂态传变特性[4]。

2 距离保护的时域模型

2.1 R-L微分方程模型

建立输电线路模型如图3,保护安装在M处,在F点发生单相接地故障。

按照R-L线路模型建立方程为[4]

式中:L为线路单位长度电感;R为单位长度电阻;Df为故障点到保护安装处的距离。

考虑到接地过渡电阻Rg不为零,则式(2)改写为式(3)。

将式(4)进行离散化处理,如式(5)。

式中:ΔT为离散采样的时间间隔;u(k)、i(k)为保护的瞬时采样值。if(k)为故障点处的流入大地的电流值,因在保护安装处无法获取,一般进行如式(6)转换。

式(6)中使用保护安装处的零序电流代替故障点的接地电流。

这样式(5)中仅剩Df与R'g两个未知量,可以选取故障后的数据列出两个方程进行求解。但为了计算的更加准确,实际计算中用连续选择N个点的采样值列出N-1个方程组,利用最小二乘法求解冗余方程组计算出Df与R'g的值。

距离保护动作的条件为

式(7)中:Dset为距离保护的线路长度;RLoad为按照躲最大负荷整定的电阻定值。

2.2 仿真分析

为验证R-L模型计算精度,利用RTDS建立了500 kV电压等级长度为100 km的双回线输电线路模型,如图4。

分别在线路门口、中点及末端设立故障点,接地故障过渡电阻分别按照0Ω、20Ω、50Ω、100Ω进行设置,部分故障点的距离测量如图5。

在线路各处发生的经不同过渡电阻故障距离最大测量误差如表1,仅统计负误差。

从表1可以发现使用微分方程计算的故障点距离值在金属性故障时精度非常高,并且门口故障能够耐受过渡电阻100Ω。但末端经较大过渡电阻接地故障时测量误差非常大,如果按照距离保护5%的测量精度要求,则在末端短路时存在超越问题。

3 距离保护时域模型的改进

3.1 改进方案

仿真试验结果表明,式(5)建立的微分方程模型在末端经较大过渡电阻短路时存在超越的问题,解决问题的方法有两种。一是缩短保护范围,但由于末端短路测量值的缩短范围与过渡电阻大小直接相关,因此保护缩短的范围不能准确确定。第二种方法是在测量出短路点过渡电阻R'g后,判断当R'g较大时退出距离保护,这种方法能够有效地避免末端短路超越问题,但是以牺牲保护的耐过渡电阻能力为代价的。

从公式(5)可以分析出末端经过渡电阻短路时测量长度缩短的原因。故障点的残压计算如式(8)。

如图6所示,在线路末端故障时,有式(9)关系成立。

式中:为保护安装处背后系统的零序阻抗;为线路的零序阻抗;为线路对端系统的零序阻抗,一般系统的零序阻抗角要大于线路零序阻抗角;的相位会超前于的相位。因此直接使用保护安装处的零序电流来代替故障点流入大地的电流会使R'g不再为纯电阻性质,并且Rg的数值越大,其造成的测量误差也就越大。

为了消除式(5)中使用i0代替if带来的影响,可以考虑将i0进行相位修正后代替if,即将其向滞后方向移动一定角度,具体实现方法如式(10)。

式(10)中:即为扭转的角度;N为每周波的采样点数。

3.2 仿真分析

按照2.2节的线路模型进行仿真试验,得出部分故障点测量距离如图7。

统计在线路各处发生的经不同过渡电阻故障阻抗金属性故障距离测量误差无变化,但经过渡电阻故障均无负误差,但正向误差值增大,如表2。

从表2可以发现使用改进微分方程计算的故障点距离值在金属性故障时精度仍然非常高,距离测量的正向误差使得经过渡电阻故障时保护范围缩短,但门口经100Ω过渡电阻及线路中点经50Ω过渡电阻故障时仍能够可靠动作。仿真结果也显示末端故障无超越问题。

4 应用

由于微分方程距离保护原理上在反方向故障可能也会动作,因此需要配合方向元件以构成完整保护算法,可以采用文献[6]提出的快速方向元件。同时保护动作判据是测量故障点位置,因此也可以作为故障测距的结果。

因基于时域微分方程模型的距离保护在采样频率越高时其测量精度也越高,可以利用合并单元输出80点每周波的采样数据进行保护计算。

基于时域微分方程模型的距离保护能够充分利用故障过程各种暂态分量,动作速度快,宜在故障初期投入。在使用电子式互感器的智能变电站中,作为线路的快速距离Ⅰ段保护。

5 结论

本文通过对典型500 k V线路故障进行仿真试验分析,得出利用电子式互感器良好的暂态传变特性进行时域微分方程计算的距离保护具有测量精度高,耐受过渡电阻能力强,动作速度快的特点。并对末端经过渡电阻故障超越问题提出了改进方案,仿真试验证明改进方案能够有效地解决距离保护的超越问题。

参考文献

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光电互感器的应用 篇2

目前在现场采用的互感器大部分是传统的电流电压互感器, 其利用的就是电磁感应原理, 例如电流互感器, 它的一次绕组串联在电路中, 二次绕组上接有继电保护或仪器仪表等自动控制装置, 通过绕组之间高低电压的电磁耦合, 将大电流变成小电流, 并且在电气上将二次系统与一次系统相隔离, 但必须保证的是铁芯与绕组线圈之间以及一、二次绕组之间有高耐压强度的绝缘层, 这样才能确保二次系统与一次高电压系统相隔离。

2 电流互感器存在的问题

1) 随着电力系统输送电量的急剧增加, 输电电压也越来越高, 从而对互感器的绝缘要求也高, 使得绝缘层的体积重量越来越大, 结构越来越复杂, 成本价格越来越高。

2) 电流互感器的铁心在强大电流下会饱和, 这样当电力系统发生故障短路时, 强大的短路电流导致电流互感器饱和, 造成互感器的传变条件变坏, 使输出的二次电流发生严重畸变, 从而会造成保护拒动, 或者误动。

3) 电流互感器的饱和也会让波形发生畸变, 由于频带窄所以它的频带响应特性也比较差, 从而使得基于高频暂态分量的新型的快速保护功能很难实现。

4) 另外由互感器引起的铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小等缺点一直难以克服。

3 光电互感器的特点

新型的光电互感器在原理上与传统的电流电压互感器完全不同, 输出的是数字信号, 它是基于光电技术原理来测量电流电压的。光电互感器是光学电压互感器 (OTV) 、光学电流互感器 (OTA) 和组合式光学互感器等各种光学互感器的通称。

光电互感器由位于保护控制室的合并器单元 (OEMU) 和室外的传感头部件 (OEH) 、信号柱 (OES) 、光缆共同组成。合并器单元 (OEMU) 是低压侧数据处理系统, 并且为高压侧采集器提供能源。

1) 接收来自继电保护装置的同步光信号, 实现采集器间的采样同步功能。

2) 用于接收来自电磁式互感器的模拟信号和采集器单元 (OESC) 的数字信号, 并对这些信号进行合并处理后以光电信号方式对外输出数据。

3) 以光能量的形式, 为采集器提供工作能源。

新型的互感器在应用中, 往往会出现与传统互感器混合应用的现象, 解决这个问题的方法很多, 可以将合并器接收并处理来自多个采集器的数字信号, 还可以接收并处理传统电磁式互感器提供的电压、电流模拟量。此外, 合并器还提供同步信号输入通道, 它可以接收变电站的同步信号以及和它相连的各个采集器, 当变电站同步信号丢失时, 合并器可以利用二次设备进行信号同步。当变电站同步信号源丢失或没有同步信号源时, 还可以手动配置一台合并器用于同步信号输出, 让其他合并器进行接收。合并器还具有一些辅助功能, 通过辅助 CPU 和其扩展提供保护、测量数据, 同时通过光纤以太网接口将这些数据给提供给监控、测量等装置。

光缆的作用是用来传输采集器与合并器间的数字信号及激光电源的能量。

信号柱是由环氧筒构成支撑件, 筒内填充的是用来增强绝缘并保护光缆的绝缘脂。传感头部件包括进线柱, 出线柱, 屏蔽环, 采集器单元等, 其内部还包括串行感应分压器和罗哥夫斯基线圈。

如图2所示:在实际中传感头与电力设备的高压部分等电位, 其传变后的电压和电流模拟信号由采集器 (OESC) 就地转换成数字信号。串行感应分压器使测量准确度提高。

罗哥夫斯基线圈, 是将一次侧大电流转换成二次的低电压模拟量输出或数字量输出。传感器不含铁芯, 使用了原理上没有饱和特性的罗哥夫斯基线圈, 通过这个线圈得到了与一次电流I1的时间微分成比例的二次电压E2, 再将该二次电压E2进行积分处理, 从而获得了与一次电流成比例的电压信号。

整个互感器在二次回路中采用模拟积分和数字积分等技术, 通过数字运算, 并利用去除直流偏置回路和不完全积分器的技术, 有效地抑制了因直流偏置使积分值飞快增大的难题, 确保了作为叠加值直流分量信号的真实反映。另外电流互感器将不完全积分器控制在一个适当的数值内, 在二次回路也利用抑制雷电过电压和操作过电压的措施, 提高了互感器的耐冲击特性。互感器的电源供给方式和主讯号的变换及传递, 均采用独特的电磁兼容设计技术, 从而使其抗干扰能力得到增强, 能有效可靠的工作。

采集器用来对模拟量输入进行采样、模数转换, 他提供电压、保护电流和测量电流这三路模拟量输入, 经低通滤波器进入模数转换回路。

对于35kV 及以下电压等级的互感器, 绝缘结构较为简单, 这种电压等级的互感器一般可以省掉采集器和合并器, 直接将电流 (电压) 传感器的信号通过电缆引入保护装置。对于装在室外或距离较远的场合, 可以就地增加采集器进行模数转换, 使用电缆提供工作电源, 转换后的数字信号通过光纤接到保护装置。

1) 光电互感器没有磁饱和现象、精度高、良好的暂态特性, 解决了传统电压互感器的铁磁谐振问题。

2) 在光电式电流互感器中, 电气量是通过由绝缘材料做成的玻璃光纤由高压侧传输到低压侧的。绝缘不仅结构简单, 造价低;用绝缘脂替代了传统互感器的油或 SF6, 互感器性能更加稳定, 避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故。

3) 所有的数字信号在光缆中传输, 增强了抗电磁干扰的性能, 大大的提高了数据的可靠性。

4) 光电式电流互感器传感头部分的频率响应范围宽, 可以测出高压电力线路上的谐波。

5) 光电互感器自身具有自检功能, 若出现故障, 保护装置将会因收不到校样码正确的数据而判断出互感器异常。

6) 体积小、重量轻, 一般小于1kg。

4 结束语

光电式电流互感器采用一般数字量输出, 不仅更好的地适应微机保护、电力计量数字化, 也跟得上自动化发展的潮流。随着光电互感器的广泛应用, 会提高电力系统自动化、数字化的发展水平, 促进智能化、数字化电器设备成套应用技术的应用。

摘要：分析光电互感器的原理, 并与传统的互感器相比较, 分析其特点及应用。

浅谈互感器的应用 篇3

互感器的应用最早追溯于19世纪末，随着科技的进步，电力工业也在不断发展，互感器的电压、电流等级和准确度都有很大提高，另外还发展了许多特种互感器，例如复合式互感器，电子线路补偿互感器，光电子互感器等。电力供电系统中，电压等级和规模的发展，必须满足测量、保护及控制的要求。

我国电力系统的发展起步较晚，互感器的种类较少，电磁式互感器在较长时期得到应用和发展，由于电力系统传输容量的不断增大，输配电电压等级的不断提高，对继电保护装置的要求不断完善，对电网绝缘性能要求不断增强，传统的互感器已不能满足现代电力系统自动化、信息化的发展需要，各种不同材料、不同种类、适用于各种不同场合的互感器随之产生和发展。随着科技的不断创新，新型的光电子互感器在研制、发展、改进中并逐步得到应用。

互感器是按比例关系转换电压或电流的一种特殊的变压器。互感器的功能是将一次电网的高压或大电流按比例关系转换成二次标准低压（100V）或标准小电流（5A），这是国家电力系统统一规范的，便于实现测量仪表、继电保护装置及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高压系统，相当于隔离变压器，以保证人身和设备的安全。互感器一般可分为电压互感器和电流互感器两大类。

1 电压互感器的功能和作用

电压互感器是发电、输配电和供电系统中不可缺少的电器，也是低压供电系统中用来测量电压、扩大量程的一种仪器。根据发电、输电、用电情况不同，线路上电压大小不一，电网电压高达几万、几十万，甚至上百万伏，而一般的低压是220v、380v、440v，如果要制作高压仪表，直接在高压线路上测量高电压，那是不可能的，也是绝对不允许的；如果在高压线路中接入电压互感器来转变电压，就可把线路上的高电压，按相应的比例，统一变换成一种或几种低电压，只需用一种或几种电压规格的仪表和继电保护装置（现在标准化的电压为100v的仪表），就可以测量、监视线路上的电压。电磁式电压互感器由一、二次线圈、铁芯和绝缘组成，一次侧并接在电网（或待测线路）中，二次侧接测量仪表（交流电压表）、继电保护装置。由于测量仪表属于高阻抗电器，因而电压互感器二次回路属于高阻抗回路，即二次回路的正常工作状态近似于开路状态，二次回路电流的大小由阻抗大小决定。当二次回路阻抗减小时，二次电流必然增大，根据电磁感应原理，迫使一次电流自动增加一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。所以电压互感器二次侧不允许短路，否则，电压互感器极易被烧坏，为防止这一现象的发生，需要装设二次熔断器。

电压互感器在电力系统中不但有测量、监察一次电压的功能，而且还起继电保护的作用。

(1) 一次侧中性点接地；当系统发生单相接地时，系统中出现零序电流，继电保护装置动作，切断电源。 (2) 铁芯接地：起相对安全保护作用。 (3) 二次侧接地：以防一、二次侧线圈的绝缘被高压击穿时，一次侧高压窜入二次侧，确保人身、设备的相对安全。

2 电流互感器的作用和结构特点

电力供电系统线路中的电流高达几百、几千、甚至几万安培，电流互感器的作用是把一次侧大电流通过一定的变比转换成二次侧较小的电流，供给测量仪表和继电保护装置，并将仪表和保护装置与高压侧隔开，使测量、计量仪表和继电保护装置标准化、小型化，电流互感器起到了变流和电气隔离的作用。且二次电流通常为5A。电流互感器的构造是由铁芯、一次绕组、二次绕组、接线端子及绝缘支撑物等组成。电流互感器的一次绕组的匝数较少，串接在待测线路中，对于穿心式电流互感器，待测线路穿过互感器，P1进，P2出，待测电流越大，穿过的匝数越少；待测电流越小，穿过的匝数越多。二次绕组的匝数较多，对有些型号的互感器，S1进，S2出，分别连接在交流电流表或继电保护回路里。

电流互感器的结构特点： (1) 一次绕组串接在电路中，并且匝数很少（一匝或几匝），因此，一次绕组的电流大小完全取决于被测线路电流的大小与二次电流大小无关； (2) 电流互感器二次绕组连接的交流电流表或电流继电器的线圈阻抗都很小，因而正常情况下，电流互感器的二次回路正常工作状态近于短路状态。一次绕组的电流所产生的磁化效应绝大部分被二次绕组电流所补偿，总磁通的密度不大，二次绕组电势也不大。

基于电流互感器的结构特点，值得注意的是：处于正常工作状态的电流互感器的二次侧绝不允许开路，因为一旦二次侧开路，二次回路阻抗变为无穷大，则二次电流等于零，那么一次电流就完全变成了励磁电流，在二次绕组产生极高的电压，直接危及二次侧人身、设备的安全。故电流互感器二次侧不允许装设熔断器，以免熔断器熔断，二次侧成开路。

电流互感器一般可分为测量用电流互感器和保护用电流互感器。测量用电流互感器常与交流电流表配套使用，目的是起到用小的交流电流表测量大的交流电流。一次绕组接待测线路，二次绕组接交流电流表，通过电流表的读数按比例关系得出待测线路电流大小，一旦待测电流超过电流表的量程，则须更换更高量程的交流电流表及与之匹配的电流互感器，其次注意电流互感器的铁芯、二次侧必须可靠接地，以防铁芯意外带电，一次侧绝缘一旦被击穿，则二次侧窜入高压，直接威胁二次侧人身安全，造成设备损坏。保护用电流互感器常用零序电流互感器。零序电流保护的原理是基于基尔霍夫电流定律，在线路和电气设备正常工作的情况下，对于三相线路或设备，每相互差一百二十度，三相电流的矢量和等于零，零序电流互感器的二次侧无信号输出，则继电保护装置不动作；当线路发生故障接地、漏电或触电故障时，三相电流的矢量和不为零，零序电流互感器的二次侧产生感应电压，继电保护装置动作，切断电路，达到保护的目的。

3 结束语

互感器是电力输配电系统、电力拖动、继电保护电路的必备电器，互感器质量、性能的好坏将直接影响到供电的可靠性、测量的准确性，保护的灵敏性。互感器的种类很多，适用场合不尽相同，使用时必须考虑耐压，外界环境，接线时必须准确判断极性，即同名端，切忌接反，定期维护保养，切勿私自拆装。随着光电子、光纤通信和数字信号处理技术的不断发展，光电互感器得到应用，它的特点是：高低压间没有电磁的直接联系，是绝缘结构大为简化；测量过程中无需消耗很大能量；测量范围宽，暂态相应快，准确度高；二次绕组数量数量增多，满足多重保护需要；重量轻、成本低。它是利用磁电、电场效应，将被测电压、电流信号转变为光信号，由接收装置进行数字处理后再把光信号变为电信号，经过放大，供仪表和继电器使用。总之，互感器只有正确的选用、合理的使用、定期的维护，才能确保电力系统长期正常运行。

摘要：电力供电系统应用的互感器是便于二次侧测量及继电保护的一种特殊变压器, 实现了测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化, 并降低了对二次设备的绝缘要求, 保证了二次设备和人身的安全。

关键词：电力系统,测量,继电保护,标准化,相对安全

参考文献

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光电互感器特点及应用 篇4

互感器分为电压互感器和电流互感器两大类。其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值, 以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外, 还可作为各种继电保护的电源。

传统的互感器是电磁感应式的, 它的一次绕组串联在电力线路中, 二次绕组外部回路接有测量仪器或继电保护及自动控制装置。它的结构和变压器相似, 在它的铁芯上绕有一、二次绕组, 靠一、二次绕组之间的电磁耦合, 将信息从一次侧传到二次侧。长久以来, 电磁式互感器得到了比较充分的发展, 其中铁芯式电流互感器以干式、油浸式和气体绝缘式多种结构适应了电力建设的发展需求。然而随着电力传输容量的不断增长, 电网电压等级的不断提高及保护要求的不断完善, 对电压、电流的测量要求也在不断提高。一般的铁芯式电流互感器结构已逐渐暴露出体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小, 使用频带窄等一系列弱点, 甚至于当电力系统发生短路时, 高幅值的短路电流使互感器饱和、输出的二次电流严重畸变, 造成保护拒动, 使电力系统发生严重事故。因此, 传统的互感器已难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网等的发展需要。

2 光电互感器的原理

光电互感器涵盖了电磁式互感器的所有应用场合, 其中对交直流高压、超高压及对精度、暂态特性要求高的场合尤其适合。可实现交直流高电压大电流的传变, 并以数字信号形式通过光纤提供给保护、测量等相应装置, 简化了保护、计量等功能装置的接线。

光电互感器主要由高压侧信号采集处理、低压侧数据处理 (合并器) 两大部分组成, 高压部分一般安装于室外开关场, 包括般一次部分、采集器和传感器, 主要功能是将传感器获得的电流信号通过采集装置输入信号处理电路, 并通过多路信号A/D转换器转变为数字信号, 通过LED将时钟和数据信号变成光脉冲信号通过光纤传输给低电位侧的信号接收部分;低压部分指位于控制室的合并器单元, 主要功能是接收采集器的采样光信号, 经汇总后以光信号形式对外提供采集数据, 并以光能量形式为采集器提供工作电源。由于数字光电互感器的实现原理信息输出方式等与传统电磁式互感器有较大的差异, 其应用于变电站配置方式也不同于传统互感器。考虑到可靠性、便于检修和经济性等原则, 可参考以下方案进行配置, 见图1。

3 光电互感器优点

1) 高低压部分通过光纤连接, 以绝缘脂替代绝缘油或SF6气体, 绝缘结构简单, 绝缘性能稳定, 综合使用成本低。

2) 高低压之间只存在光纤联系, 高压回路与二次回路在电气上完全隔离, 没有传统电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能产生的危险。

3) 无油设计避免了传统充油式电压、电流互感器的漏油、爆炸等危险。

4) 无铁芯, 不会产生磁饱和及铁磁共振现象, 它尤其适用于高电压、大电流环境下的故障诊断。

5) 频带宽, 可以从直流到几百千赫, 适用于继电保护和谐波检测。

6) 有很宽的动态范围, 额定电流可测几十安培至几千安培, 过电流范围甚至可达几万安培, 能在大的动态范围内产生高线性度的响应。

7) 适应了现在电力系统的数字化信号处理要求, 还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统。

8) 整套装置结构紧凑、重量轻、体积小, 节约空间。

9) 各个功能模块相对独立, 便于安装和维护, 适于网络化测量。

4 结束语

互感器的选择及使用 篇5

互感器的原理和变压器相似。互感器在电力系统中的接线原理图如图1。

图1中,TA和TV表示电流互感器和电压互感器,A、V分别表示电流表和电压表;I>和U>分另表示电流继电器和电压继电器,WH表示电能表。由图1可知,电流互感器是串联在线路中运行的,而电压互感器是并联在线路中运行的。在使用中应根据测量和保护的具体情况正确地选择和使用电压互感器和电流互感器。

1 电流互感器的选择

1) 电流互感器的额定频率应与应用线路电流的频率相一致。如不一致,就不能准确反映实际电流大小,或发生事故。

2) 根据被应用线路的电压等级,选择电流互感器的额定电压,这样才能保护人员和设备的安全使用,绝对不能把额定电压低的电流互感器安装使用在电压等级比它高的线路中使用。但电流互感器的额定电压高可以使用在低于额定电压的线路中。

3) 根据使用线路的电流大小,选择电流互感器的一次额定电流,互感器的二次额定电流一般为5A。电流互感器的一次额定电流应等于或大于使用线路的电流,若一次线路的电流大小是变化的,则变化的范围应在10%～120%的额定电流之间,否则就最好选用多变比电流互感器,因小于10%时误差太大,大于120%时有可能烧怀电流互感和线路设备等。

4) 根据电流互感器二次侧所接仪表和连接导线阻抗,选择互感器的额定负荷和功率因数。在单相线路中,电流互感器的二次负荷,就是互感器二次侧所接仪表内阻抗,连接导线和接触电阻的阻抗之和。应选用额定负荷等于或稍大于以上阻抗和,并且功率因数相近的在1～0.8之间的电流互感器,在用互感器测量三相功率的线路中,而互感器的实际二次负荷应按有关公式计算,选择电流互感器额定负荷比计算值稍大,并选其中一相互感器的功率因数为0.8,另一相互感器的功率因数为1～0.8。

如果互感器二次侧所接仪表和连接导线可变,则变动范围应在电流互感器的额定负荷与下限负荷之间,因为当电流互感器的二次负荷大于额定负荷或小于下限负荷时,互感器的准确度无法保证。

5) 如果是用来扩大电流表或者说其它仪表电流线圈的量程的电流互感器,其准确度要比电压表或电压线圈的精度要高1.0～2.0级;用来扩大功率表量程的电流互感器,其准确度应不低于1.0级,用来扩大电度表量程的,其准确度应不低于0.5级。标准电流互感器的准确度等级应比被检定电流互感器的精度高2级,且不低于0.2级,且两互感器的电流比相同。

6) 电流互感器在运行中严禁二次侧开路,因开路时二次侧电流就全部为激磁电流,导致激磁电流急速增加,铁心急速饱和,线圈感应电动势净值剧增,可能击穿互感器绝缘,引起人身和设备事故,因此,电流互感器二次侧应装有开路保护装置,在高电压下装置若击穿,二次侧将会短路,并在互感器外壳上设置警示标志。

对于多变化的电流互感器,在使用中只能选用其中一个变比,即一个一次线圈和相应的一个二次线圈,其它线路线圈开路,对于多次级的电流互感器,两个或三个次级可同时使用,各自接相应的二次负荷,只用一个次级时,不用的次级短路。

2 电压互感器的选择

1) 电压互感器的额定频率应与使用线路的频率一致。如不一致,就不能准确反映实际电压大小,或发生事故。

2) 根据被使用线路电压,选择电压互感器一次额定电压。二次额定电压一般为100V。

电压互感器和电流检测仪表在其额定值附近误差最小,因此,电压互感器的一次额定电压应等于或稍大于被检测线路电压值,二次额定电压应等于检测仪表的额定电压。若线路电压的大小是变化的,则变化范围应在85%～115%(0.5级电压互感器)或20%～120%(0.2级及以上的电压互感器),额定电压范围内,否则就要选用多变化的电压互感器。

3) 根据电压互感器二次侧所接仪器的导纳,选择使用电压互感器的额定负荷和功率因数。应选用额定负荷等于或稍大于实际负荷导纳,且功率因数相近的(1～0.8)电压互感器。

如果二次负荷的大小变化,则变动应在电压互感器的额定负荷与下限负荷之间,因为当电压互感器二次负荷大于额定负荷或小于下限负荷时,互感器准确度不能保证,对于仪表使用的电压互感器,当二次负荷比额定负荷增大一倍时,互感器的准确度将下降一个等级。

4) 如果是用来扩大电压表或仪表电压线圈的量程的电压互感器,其准确度等级应比电压表或电压线圈的精度等级高1.0～2.0级,用来扩大功率表量程的电压互感器,其准确度应不低于1.0级,用来扩大电度表量程的其准确度应不低于0.5级,标准电压互感的准确度等级应比被检定的电压互感器高2级,且不低于0.2级。且两互感器的电压比一般应相同。

5) 电压互感器在运行中严禁短路,一旦发生短路,将烧毁互感器,在多变比的仪器用电压互感器中,只能选用一个一次线圈和一个二次线圈组成一个电压比,其它线圈必须开路。

6) 电力系统使用的电压互感器,在高压中性点不直接接地系统中,线路对地电容与中性点接地的电压互感器并联,当系统运行状态发生突变时,可能发生并联谐振,由于电压互感器铁芯饱和,谐振过电压不会太高,但是在发生分频谐振时,频率底,铁芯磁通密度很高,可能产生很大的激磁电流烧坏互感器,为了防止铁芯谐振的方法是在电压互感器的开口三角端子上或一次线圈中性点接入适当的阻尼电阻。

参考文献

[1]张道民.电流互感器和电压互感器[M].北京:水利电力出版社,1986.9.

[2]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置[M].北京:中国电力出版社,2000.1.

基于互感原理的测距方法的研究 篇6

在2009年3月举行的北京市大学生物理实验竞赛中, 有一个题目要求用非接触法实现短距离测量。本文作者组队参加竞赛, 并在获得北京市三等奖。

起初, 我们想到利用光的反射原理, 用分光计测量入射光线与反射光线的夹角, 再由三角形的几何关系计算出测量点到被测点的距离, 也想到了使用超声波的发射和接收, 通过测量时间间隔, 又已知声速, 这样便能得出距离。但是, 这两种方法本质上都是几何方法, 缺乏物理思想, 而且不够新颖。

本文提出了一种互感测距的方法, 由磁场源产生交变磁场, 在测量点处放置线圈, 其中就会产生感应电动势, 感应电动势的大小可以由示波器上显示的波形的幅度来表示。改变线圈与磁场源的距离, 感应电动势的大小就会随之改变。因此找出它们的函数关系, 就可以根据示波器上所显示的波形幅度, 来得到两线圈之间的距离。

实验研究中发现当信号源的频率为一确定值时, 互感现象最为明显, 波形幅值最大, 实验结果最为精确。作者建立了由于线圈存在分布电容而与之组成振荡回路的模型, 讨论了相应的谐振频率, 对此做出了合理的解释。文中将介绍互感测距的基本原理和方法, 并着重讨论频率对互感测距的影响。

二、互感测距的基本原理

本文提出了利用测定磁场空间分布规律来测距离的方法, 因为磁场会随与场源距离的增加而衰减, 那么只要找出衰减规律, 就可以通过测量某处场强大小来推知该处到场源距离。对于一个给定的线圈, 某点的场强越大, 感应电动势越大, 这种方法就是利用感应电动势的大小来表征磁感应强度的大小。

三、互感测距装置和步骤

1. 实验装置

实验装置如图 (1) 所示:

被测点处放线圈A, 使其与函数信号发生器相连, 测量点处放置另一个线圈B, 与示波器相连, 两线圈的大小相同, 并使之处于平行同轴的位置。

2. 现场实验

(1) 如图 (1) 连接好实验电路, 函数信号发生器输出正弦交变信号。

(2) 调节示波器, 使其显示完整的正弦波形。

(3) 观察示波器上波形, 调节频率, 调节发生器输出电压达到最大。实验中当信号频率为68400.00Hz时, 相对波形幅值达到最大。

(4) 改变两线圈间距离, 记录示波器上正弦波的峰峰值。

(5) 由记录的数据借助Matlab软件仿真正弦波峰峰值与线圈距离的关系曲线。

(6) 用Matlab软件将5中得到的曲线进行拟合, 得到峰峰值与距离的函数关系表达式。

(7) 将两线圈任意放置一距离, 将示波器上正弦波的峰峰值代入表达式, 即可得到测量距离大小。

3. 测量数据分析

由于峰峰值随距离的增加是单调减少的, 具有一一对应关系, 因此可以将0.2-2m分成多个区段, 每一个区段都对应一个峰峰值范围, 对每一个区段分别进行数据曲线的绘制和拟合, 得出距离y (cm) 与峰峰值x (cm) 的函数表达式。以距离为20-30cm和160-180cm为例进行分析:

两线圈距离为20~30cm和160~180cm时的峰峰值与两线圈之间距离的关系曲线, 如图 (2) 和 (3) 所示。其中, 横坐标表示两线圈之间的距离, 图 (2) 纵坐标表示示波器波形峰峰值的大小;图 (3) 纵坐标表示示波器波形扩大四倍后峰峰值的大小 (20~30cm测量的间距是5mm, 160~180cm测量的间距是1cm) 。

由图 (2) (3) 拟合出距离y与峰峰值x的表达式为:

任取一段距离得到峰峰值的大小, 并由函数表达式 (1) 、 (2) 得到所对应的距离, 与实际距离进行比较和分析, 如表1所示。

由表1可以看出, 利用互感效应进行无线测距时, 相对误差较小, 精确度较高, 是一种比较好的短距离无线测距方法。

4. 原线圈磁场频率对感应电动势大小的影响

(1) 实验中的幅频特性

实验中发现, 接收端互感线圈上的路端电压与发射端信号发生器的频率有很大关系:当频率为一固定值时, 接收端的互感现象最为明显, 测量结果最为清晰;而在这一值两侧离值越远处, 互感现象越不清晰。并且, 这一频率不随两个线圈之间距离的改变而改变。为此我们测出了原线圈磁场频率与示波器上正弦波峰峰值的幅频曲线。如图 (4) 所示:

从图中可以看出, 当原线圈磁场

频率为68400.00Hz时, 感应电动势最大。

(2) 不考虑分布电容时的理论计算结果

实验装置可以由图 (5) 所示电路作为它的电路模型。

其中, 分别为原边绕组的电阻和电感;分别为副边绕组的电阻和电感;为负载的电阻。M为两线圈之间的互感。

根据图 (6) 所示的电压和电流的参考方向, 写出其电路方程为:

由于示波器的阻抗较大, 可以认为用示波器量得的电压就是副边绕组的开路电压:

显然, 当ω增大时, 也越大。与实验事实不符。

(3) 考虑线圈的分布电容时的实际结果

以上的推导也只是理想化的, 其实电感线圈还存在有分布电容, 分布电容的数值一般不大, 在低频交流电路中, 分布电容对电路的影响不大, 一般可以不用考虑。但对于高频交流电路, 分布电容的影响就不能忽略了。交流电的频率高于10KHz时, 就必须予以考虑, 而实验中我们采用的交流电的频率是68400.00Hz, 因此分布电容的影响不可忽略。

(1) 对发射端的讨论

把发射端等效成如图 (6) 所示的LC并联网络:

我们将各种损耗等效成电阻, 则电路的导纳为

令虚部为零, 求出谐振角频率:

由于f为6 8 4 0 0.0 0 H z, 此时, 所以谐振频率 (2) 对接收端的讨论

设接收端处的感应电动势的有效值为U, 则RLC串联电路的阻抗

由于谐振时

串联谐振时电流 (有效值) 取最大值 (此时阻抗取最小值) 。此时角频率满足:

以上分别从原线圈和副线圈的出现谐振的角度求出了两处出现谐振时的频率。这两个频率都有可能是我们实验时所得到的峰值对应的频率。

从而, 由于线圈存在电感以及分布电容, 当满足一定的频率条件时, 接收端和发射端可以发生谐振, 即测量装置具有了选频特性, 从而在很大程度上减小了外界杂波对正弦波峰峰值稳定性的影响, 使互感现象较为明显, 测量的结果较为精确, 大大提高了本测量方案的可行性。

5. 其他可能影响测距的因素

(1) 两线圈相对姿态对测距的影响

为保证互感现象的明显, 装置中的线圈采取正对并且同轴放置。如果两线圈轴线存在夹角或者线圈中心不在同一轴线上, 通过副线圈的有效磁通量就会有一定程度的减少。此时可以考虑对上面得到的测距公式增加修正参数μ来保证公式的准确适用性。修正参数μ应该是大于1的数值, 其具体数值有待进一步的实验研究。

(2) 空间外界杂波的影响

虽然发射端和接收端具有一定程度的选频作用, 但是当空间外界杂波的频率接近实验频率时, 不可避免的会对实验结果产生影响。在短距离测距时, 由于感应电动势较大, 空间外界杂波对波形的影响较小。但是当在远距离测量时, 由于互感较弱, 空间外界杂波对波形稳定性的影响较为明显, 使读数产生较大的误差。在进一步实验中, 可以考虑增加滤波装置来增加测量的精度和准度。

四、结论

短距离测距在生产实践上应用非常广泛, 测距的精度的提高是工业生产中的关键技术之一。本文介绍的利用互感效应测距的方法, 设备简单, 易于操作实现, 测量时的磁场强度较强, 并且互感现象明显, 测量的精度高。利用此原理, 在改进设备后, 可实现在外部复杂环境下的测距。这种测量距离的方法是通过测量磁场衰减规律来实现的, 为无线测距方法提供了一种新的思路, 即可以通过测定物理场的衰减规律来实现无线测距。利用这一种方法也可以推动互感现象进一步开发应用, 比如互感倒角的测量, 互感与环境交互作用的研究等。

摘要：短距离无线测距的方法有很多, 本文介绍的方法是利用互感效应实现短距离测距, 具有一定创新性。实验研究中发现当信号源的频率为一确定值时, 互感现象最为明显, 测量结果最为精确。作者建立了由线圈存在分布电容而与之组成振荡回路的模型, 讨论出回路存在谐振频率, 对此现象做出了合理的推测。文中将介绍互感测距的基本原理和方法, 并着重讨论频率对互感测距的影响。

关键词：无线测距,互感效应,分布电容,谐振频率

参考文献

[1]江缉光刘秀成电路原理 (第二版) 清华大学出版社2007.

[2]梁灿彬、秦光戎、梁竹健主编《电磁学》人民教育出版社1980.

[3]童诗白华成英模拟电子技术基础 (第三版) 高等教育出版社2000.

[4]王家文, 曹宇编著Matlab6.5图像图形处理.北京:电子工业出版社1999.

[5]Li Weibo, Mao Chengxiong, Lu Jiming eta1.study of rogowski coils for measuring pulse currents of the high-power laser source.International Journal of Power and Energy Systems.

[6]Pretorius P H, Britten A C, Van Coller J M, eta1.Experience in measuring disconnector-generated interference current in a high voltage substation using Rogowski coils.Proceedings of the1998South African Symposium on Communications and Signal Processing, 1998, 7-8 (9) :299-304.

快速互感器校验装置的设计 篇7

本装置采用最先进的虚拟仪器设计理念,用户只需通过键盘和鼠标操作计算机屏幕上的软件系统,输入被试互感器名称、型号、一次电流、二次电流、额定负荷、下限负荷、量程、准确等级、额定电压、额定频率、功率因数、极性等参数,即可按规程要求完成互感器的全自动测试。测试完成后,电脑会根据数据库管理系统对测试结果进行分析、计算、化整,并作出正确的判断。如果互感器合格,此时可以按照用户的需求打印各种检定证书,否则也可以打印检定记录。

此装置调压器升降一次即可完成十二工位互感器的测试,所以其测试速度更快、纠错能力更强、设备寿命更长。

互感器全自动校验装置包括互感器主控台体与校验辅助控制台体。互感器主控台包括台体(小机箱、退磁电阻、调压器、整定调压器、粗调压器、微调压器、快速控制板及二次线)、电脑、校验仪、电流负载箱、电压负载箱。校验辅助控制台包括台体(工位控制板、变比控制板、一次线)、带升流器电流标准、带升压器电压标准。

1.1 校验仪

互感器校验仪是检定电流互感器、电压互感器误差的仪器。它运用先进的电子技术,对互感器的误差信号直接采集分解,通过对相同变比的被试互感器与标准互感器进行比对,将差流值和差压值输入校验仪进行量化测试,通过调压器,随着百分表的变化将互感器的标定点(电流表标定点1%、5%、20%、100%、120%;电压表标定点20%、50%、80%、100%、120%)、同相误差、正交误差同时数字显示,再利用电脑得到比差与角差的矢量值。

1.2 负载箱

负载箱是检验电流、电压互感器时专门提供各种有效负载的,是全自动互感器校验台及现场互感器误差测试的理想仪器。

电流互感器的二次负荷是以容量来表示的,单位为VA;而电流互感器负荷箱的负荷一般是以电阻值来表示的,单位为Ω。它们的转换关系为:

容量(VA)=电阻值(Ω)×二次电流(A)×二次电流(A)。

为保证互感器二次负载的准确性,必须使互感器二次端连接在负载箱上的两条连接线的总电阻值为0.06Ω。若二次再连校验仪,则校验仪对互感器二次引起的负载也要算进去,这样才能保证精度。

1.3 带升流器电流标准与带升压器电压标准

带升流器电流标准与带升压器电压标准是利用高精度对低精度作比对试验的,并且带了自升流升压功能,一般要求标准互感器比被试互感器必须高2个等级。

2 快速互感器校验原理及功能的实现

快速互感器校验装置结构框架如图1所示。

一般多工位互感器校验装置只能是单独校完一只互感器的额定值与下限值后再校验另一只,依次作完,这样就要求校验仪重复采点,而且需要调压器重复升降,此操作不仅浪费了时间,而且还降低了调压器的使用寿命。此外,校验仪采点要求准确,一般校验仪只能在定点的时候采集数据,由于受调压器的限制,因此采点时校验仪只能在定点位上下徘徊,等到百分表确切地达到点位时才能进行采集。

基于以上原因,本设计增加了快速板与工位控制。利用电脑发送命令给快速板,快速板的继电器把信号传给CPU,CPU同时向调压器作指示,当调压器接收到指示后开始升降并反馈给快速板,快速板开始控制工位切换。然后CPU将数据采集通过通讯线传输给校验仪,校验仪再传输给电脑,电脑通过专业的数据管理系统进行化整从而得出结论。

工位控制是由12只继电器串联产生的,采用首尾相连法(首进第1工位的K1,尾出第12工位的K2)。若一次接12只,则互感器采点时工位继电器从1一直切换到12,那么12只互感器某点的误差也就随之产生;若只接5只,前4只一一相应,第5只互感器的S1照常,S2接辅助台第12工位的K2。接线正确后,计算机会全自动控制粗、细调动作,一次性地完成在额定负荷和下限负荷下的多只电流互感器的校验,这时计算机会自动接收校验仪传来的各测试点的误差数据,然后进行处理从而得出结论。校验完毕后,台子粗调、细调会自动归为零位,如果在自动过程中需要终止测试,可按计算机测试界面的停止键,也可随时按台体的停止键,台体即可停止测试,粗调、细调由快速板控制便会自动归零。台体电机具有互锁功能,可控制粗调和细调调压器的正常工作。在电流互感器测试过程中如出现断路、开路、短路、极性反等现象时会自动报警,并判断出互感器的变比或开路错误,这时应立即按停止键,这样既保证了用户的安全,也降低了设备的损坏程度。

试验室使用的标准互感器一般为5 A～2 000 A/5 A电流互感器和10 kV电压互感器。由于调压器容量和校验装置体积的限制,本文以2 000 A以下电流互感器和10 kV电压互感器的校验为例进行接线设计。

首先把500 A～2 000 A/5 A设计成一次接线穿心,把100 A～500 A/5 A一次接线设计成L1-L2,50 A～100 A/5 A一次接线设计成L1-L3,5 A～50A/5 A一次接线设计成L1-L4,二次接线依次设计。其次为了使用户接线简单方便,把升流器也设计到标准互感器内。然后将一次2 000 A导线穿心连接到辅助控制台的LA-LB,将500 A导线两根分别连接到辅助控制台L1-L2,将100 A导线连接到辅助控制台L3,将50 A导线连接到辅助控制台L4,这样就使得其一次导线在控制台内连接,并将其余的一次端钮全部引到控制台体表面,使用户的接线更加简单明了。

变比控制板和工位控制板都是采用继电器切换控制的,将标准的二次线与被试互感器的二次线分别与各自继电器相连,然后控制在辅助控制台的内侧,利用电脑动作继电器来切换变比板选择标准的二次,利用电脑动作继电器切换工位板来选择被试互感器二次。

把lO kV电压互感器也设计成带升压的标准电压互感器,由于其电压较高,将其面板暴露在台体表面,这样不仅简化了操作人员的接线,而且还有利于实验室的整洁。

3结束语

与目前国内互感器校验装置相比,本文设计的校验装置有以下特点:

(1)强大的安全措施:此装置拥有安全试验连锁反应功能;拥有操作授权,以防止非工作人员的误操作而导致的台体启动;拥有可靠的安全保护及故障报警措施,对被测互感器及标准设备短路、开路、变比错、极性反等具备明显直观的报警功能,有电机限位、正反转互锁、30 A断路保护功能。

(2)人性化的互感器校验系统软件:该软件操作简单、管理方便,通过切换控制即可实现12只电流互感器的同时测试,完成12只电流互感器测试只需要3 min～5 min,实现了12只电流互感器的一次退磁。该软件具备多向控制、同步传输、实时显示等功能,直接操作电脑即可完成全自动校验,并能同时打印报告与证书。该软件还具备较完善的历史数据查询、互感器条码管理档案以及数据库的上传与下载功能。

(3)办公化的合理布局:把以往标准设备零散的布局归结于一体,降低了校验装置在室内的占地面积,增加了校验室的空间利用率,使整个校验室更加整洁、清晰,构成了一个设施齐全、功能相对比较完善的互感器检定环境。

参考文献

[1]赵屹涛,张宝国,曹久东,等.可检测多台互感器的全自动互感器校验装置[J].电测与仪表,2003(7):29-32.