（电力系统及其自动化专业论文）有源光学电流互感器的高电位电源研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章引言 1 . 1 选题的背景和意义 电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可 靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。随着电力工业的发展，电力传 输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，目前我国电网的最高电压等级己 达5 0 0 0， 下一 个电 压等级也许是7 5 0 k v 或更高n i 。比 如， 我们首都北京由 于 特殊 的政治地位和密集的人员居住，是一个毋庸质疑的用电中心，但是市区内的电厂所 发电量和整座城市总体所需用电量相比却只占很小一部分。大部分电能都是来自山 西、内蒙、天津等自 然资源较丰富的地区，通过远距离输电的方式把电能送到城市 边缘四座 5 0 0 k v变电站，再依靠输电线路向市区 2 2 0 k v , 1 1 0 k v等变电站降压，直 至 l o k v 配网到3 8 0 v 用户。可见，5 0 0 k v 主网就是首都的生命线，它的稳定直接关 系到首都的安全供电。而随着电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器越来越呈 现出由于工作原理所决定的技术上难以 解决的困难p 。例如: 1 ) 电压等级提高， 增大了绝缘困难，致使绝缘结构复杂，体积重量更大，安装 运输不便，成本上升。 2 ) 由于铁心磁特性所限，在某些较大的工作电流或故障电流作用下可能会发生 铁心严重饱和， 致使测量结果出 现误差，给电力系统提供错误信息。 3 ) 如果互感器输出端处于开路状态，会在输出端感应高压，有可能导致绝缘故 障，或危及其它设备及工作人员的安全。 4 ) 当内部充以矿物油作为绝缘和散热介质时， 存在着突然失效 ( 如: 绝缘击穿) 而可能导致燃烧、 爆炸的危险， 对周围设备及工作人员构成潜在威胁a ( 2 0 0 2 年 7 月，北京昌平 5 0 0 k v 变电站5 0 2 3 b 相瓷瓶炸裂，经济损失数万元，事后 事故原因分析证明，非人为原因) 另一方面，无论是为了只是解决问题，还是从科学技术本身的发展需要上说， 人们一直在探索测量电 流的其它方法。12 1 例如利用电 流的热效应、微变效应、磁致 伸缩效应、霍尔效应和法拉第效应等来测量电流，形成了不同的测量电流的原理。 总之，为了适应电力事业的迅速发展，迫切需要研制可替代传统c t 的电流互感器。 随着光纤技术发展， 光学电 流互感器 (o p t i c a l c u r r e n t t r a n s f o r m e r ，简称0c t)川所具有的不饱和、绝缘性能好、抗电 磁干扰能力强、安全性好、信号传输距 离远，体积小等优点引起广泛的关注， 它是一种具有应用推广前景的新型互感器。 图1 - 1 显示出了光学电流互感器运行于电力系统时的一般情形。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 图 1 - 1 运行于电力系统中的 o c t 示意 和传统的电 磁式电流互感器相比，光学电流互感器具有以下特点2 ， : 1 ) 光纤由绝缘材料组成，有利于解决高低压间的隔离问题。 2 ) 测量的动态范围宽，不会发生铁心磁通饱和而导致测量结果失效，也不 会发生铁磁谐振。 3 ) 不含油，无燃烧、爆炸之虞。 4 ) 输出为光纤光信号，无出现很高开路电压的危险。 5 ) 因光纤传播光信号，避免了电磁干扰对测量的影响。 6 ) 重量轻，便于运输和安装，结构简单，易于维护。 1 . 2 光学电流互感器的发展历史和国内外的研究现状 国外 o c t的研制始于本世纪五十年代末，距今已有四十多年的历史。根据研 究的进展程度，大致划分为三个阶段: 第一阶段，五十年代末一 七十年代末:理论探索阶段。这一阶段对用光学方 法测量电流、电压进行了尝试。研制出了传感头及相应的数据处理系统，用实验 证明了用光学方法测量电流、电压的可行性。其重点在于对传感头的设计提出了 多种方案。但这一阶段仅局限于实验室模拟，并没有从整个系统上提出可行方案， 而且性能不稳定，精度不高。 第二阶段，八十年代初一 九十年代初:挂网试运行阶段。这一阶段 o c t的研 制有了突破性的进展，取得了引人注目的成果。一方面，传感头的设计趋于成熟、 性 能 稳 是 、 精 度 提 高 ; 另 一 方 面 ， 对 数 据 处 理 、 系 统 绝 缘 及 系 统 安 装 都 进 行 了 研 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 究，使整个系统更加完备，生产出了可以独立挂网运行的样机。比较突出的例子 有c = 1 ) 从 1 9 8 2 年开始，日本n g k 公司、日立公司、 电气公司等先后研制了 4 0 0 o a 3 0 0 k v o c t , 东京电力公司 ( t e n、住友 均 分别达 到 日本 电气 协会 j e c 1 2 0 1 1 p s + l t 和 1 t 及互感器标准。 2 ) 1 9 8 6年美国田纳西州流域电力管理局先后安装了一台 1 6 1 k v单相计量用 磁光块状材料型的光学电流互感器和一套三相计量和保护用磁光块状材 料型的光学电流互感器， 运行结果表明: 能满足保护的要求， 但计量精度 难以达到要求。 3 ) 1 9 8 7 年8 月一 1 9 8 9 年3 月， 日 本东京电力公司与东芝电力公司合作将研制 的g i s 设备用的o c t 安装在制造厂的条件下长时间实验， 一直能很好运行， 实验数据皆符合j e c 1 2 0 1 标准。 第三阶段，九十年代初至今:实用化、产品化阶段。由于前一阶段取得了较长 时间现场运行的可靠数据，证实了o c t的可靠性和准确性，而且有逐步向高电 压、超高电压方向发展的趋势。所以，许多电力公司竞相开发o c t 产品以占领 市场。如: 1 ) 1 9 9 1 年 1 月， a b b 电力t 且随着电压等级的提高， 电磁式互感器的设计尺 寸及重量都将有较大的增加， 这又不利于g i s 整体尺寸的缩小与制造工艺的简化， 因 此， 新型互感器的研制迫在眉睫。而起源于二十世纪六十年代初的电子式互感器则 能较好地弥补电磁式互感器的上述不足， 且基于传感原理的不同被分为传感型和传 光型两种。日 本己在尝试将传感型互感器应用于 g i s中， 而传光型互感器的研究也 得到了国内外研究人员的广泛重视， 它们在g 工 s 中将具有良 好的应用前景。其中， 电 流互感器由r o g o w s k i 线圈构成。r o g o w s k i 线圈在高压测量和继电 保护中的应用己 4 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 经有很多年， 与传统电磁式电流互感器相比 ， 具有很多优点川 。 r o g o w s k i 线圈基本原理是通过感应磁场的变化测量产生变化磁场的电流。 量测 系统框图如图 1 - 3 所示。电流变换采用 r o g o w s k i 线圈。数字光电量测电路( d o 工 c ) 的作用是: 积分、滤波、a / d 变换、电光转换。光电接口装置 ( d o 工 u )承担光电、电 光转换的任务。 级助商电位 图1 - 3馄合式光电流测量系统 1 . 4 电源的研究 随着各种新式互感器实用化进程的加快，各种相关问题也逐步提上了日程，尤 其是电源。不论是传光 混合)型或传感 ( 全光) 型电流互感器，都离不开光电转 换和光的传输。 而光电转换和光的传输离不了电源， 区别在于电源所处的电位高低。 电源处在高电位的互感器叫有源互感器，处在低电位的称为无源互感器。 最早人们 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 研究全光型互感器 ( 无源互感器) ，但是出于实用化的考虑，后来倾向于混合型的 光电互感器 ( 有源互感器) 。但混合型必须考虑高电位电源问题，比全光型对电源 的要求高得多。 安全稳定的电源关系到新型电流传感器成功与否。鉴于此， 学者们 研制了各种原理的电源， 如速饱和变流器、 小型变压器、光电源等等。 但都存在或 多或少的问题，如成本高、容量小、运行不稳定等，影响混合型的光电互感器的实 际应用。所以电源成为最近研究的热点问m夕一。 1 . 5 本文所做的工作 围绕电子式电流传感器及其电源，本文主要阐述了: 1 )现有光学传感器的分类和原理， 主要包括无源和有源电流传感器及其各自的 优缺点和适用范围; 2 )重点论及了电源问题，并在此基础上提出了一种新型电源的原理和结构，并 通过试验验证其有效性和合理性; 3 )对未来的展望。 1 . 6 本章小结 本章主要阐述以下内容: 1 、传统电磁型电流互感器的局限性。 2 、光学电流互感器的优势。 3 、光学电流互感器的应用现状。 4 、有源光学电流互感器电源研究的必要性。 5 、本文的主要工作。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章光学电流互感器的分类及原理 光学电流互感器是用外界信号对光进行调制。由于光具有波长、频率、相位、 光强、偏振态等多种性质参数，只要对其中一种或几种进行调制，便能构成不同测 量原理的光学电流互感器.主要的方法有相位调制、偏振态调制及光强调制。 相位调制是通过电流产生的磁场的作用使处于其中一段光敏材料中的光发生 相位变化;偏振态调制则是利用磁场改变光的偏振性，通过检测光的偏振面的旋转 程度来检测被测磁场，从而检测电流。而光强调制是通过电光转换，使光强与电流 大小成某种函数关系。根据调制方式和所用的敏感元件的不同，现有的光学电流互 感器有光学传感、光学传信号的无源光学电流互感器和电磁传感、光学传信号的有 源光学电流互感两种类型5 2 . 1 无源光学电流互感器 无源光学电流互感器的传感头部位没有电源，特点是:整个系统的线性度比较 好，灵敏度较高，绝缘性能好，目前使用最为普遍的是块状玻璃式无源o c t 。根据 原理又分为基于法拉第磁光效应的无源o c t 和基于干涉原理的无源o c t 。下面是基于 法拉第磁光效应的无源o c t 的实现原理。 一束线性偏振光在磁场作用下通过磁光材料时，它的偏振角将发生旋转。旋转 角 ” ， 正 七匕 于 磁 场 强 度 “ 沿 着 偏 振 光 通 过 材 料 路 径 的 线 积 分 ， “ 。 。 = r v h d l 式 中v 为材料的v e r d e t 常数;l 为法拉第效应材料的长度;万为磁场强度。 注人光注人光平面 图 2 - 1法拉第磁光效应 任一偏振光均可看成是由两个相互垂直分量合成。法拉第材料表现出一种特 华北电力大学 北京)硕士学位论文 性:折射率取决于光的传播方向和光的偏振态，所以相互垂直的偏振分量的折射率 不同。同一束入射光通过这种具有两种折射率特性的材料后，分成两束的现象称为 双折射。这两个分量的折射率不同，传播速度也不同，从而引起了两个偏振分量间 的相位差，使得线性偏振光变成椭圆偏振光，降低了测量灵敏度。由于线性双折射 效应与光纤形变，光纤内部应力，光源光波长，环境温度，振动等许多因素有关， 系统输出将会受到这些量的调制，使系统的测量灵敏度随上述量而变化，削弱了系 统的鲁棒性。另外，线性双折射效应还破坏了系统的线性性质。 考虑了线性双折射对光学电流互感器传感头精度的影响，在法拉第磁光效应的 基础上，通过理论分析其输入输出关系为: 用 = 生 ， 2 0 o s in 4 汪_ 22 2 b s i n i s 其中( a l 2 ) 2 = ( j 1 2 ) + g 2 s 反映了由线性双折射在两个偏振本征模之间引入的相位延迟， 0 为法拉第旋转角。 信号仅与待测信息有关，与系统的输入光强无关，但却包含了线性双折射效应的影 响 6 。 这种无源o c t 的技术难点是:温度对传感头的光路、结构稳定性、传感材料的 光学均匀性、光纤传光强度的稳定性等的影响很大，使光纤中存在着各种形式的双 折射，从而影响了整个系统的准确度和稳定性。因为当o c t 用于工作现场时，运行 环境温度势必在较大范围内变化，为保证比较高的测量精度及运行可靠性，必须采 取相应较复杂的措施。 2 . 2 有源光学电流互感器 有源光学电流互感器属于光强调制型，利用电磁式c t 、分流器或r o g o w s k i 线圈 传感，利用光纤传光。这种互感器的特点是，既利用了光纤系统提供的高绝缘性的 优点，显著地降低了电流互感器的制造成本、体积和重量，又充分发挥了被电力工 业界广泛接受的常c t 测量装置的优势，同时还避免了传感头光路的复杂性及全光纤 传感头线性双折射、块状玻璃全反射相位差等技术难点。 早在7 0 年代清华大学电机系就从事过有源o c t 的研究 t ， 它在传统c t 基础上， 使 用光辐射内调制的方法实现 o c t ，光纤只用来传递被电流调制的光强信号，起电位 隔离作用.在高压母线上，串有2 个c t ，分别为供电c t 和取样c t ，供电c t 给处十高 电 位的传感部分提供电源。由于这种方案在高压线路上取供电电源，而线路电流变 化很大，电源系统的可靠性较低;另外由于当时光电子器件可靠性低、体积大，所 以试制的样品体积也较大，并且不适合长期的户外运行。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 0 0 0 年，清华大学电机系的罗承沐教授和他的学生们又提出了一种新的方案， 即利用光功率推动原理给高压供电，并在高压侧采用数字调制的方式。利用地面的 强激光源，将光能通过光纤传至高电位处，再由光电池将光能转换为电能，并用此 电能给有关的功能电路部分供电。近年来由于光电子学的迅速发展，高功率的半导 体激光器以及光电转换的光电池都达到了很高的指标，给这种方案的实现带来转 机。但目 前电光电转换电源成本较高，输送功率小，运行不稳定，离实用化还是有 一定的距离。 高压供电电源 信号输出 电源 图 2 - 3 有源 o c t 原理图 在此系统中，被测高压电流信号经一个特制的c t 变换为适当的电信号;再把电 信号输入调制器，用调制器的输出去驱动光源，以便用数字方法调制作为载波的光 波。在光源处实现电一 光变换，把电信号变为携带信息的光信号.光源采用发光二 极管l e d .光信号通过光纤传到接收部分，在此，光纤作为传输媒介。在接收部分， 先由光电探测器实现光一电转换，把带有信息的光信号变为电信号，光电探测器采 用p i n 光电二极管，然后把光电探测器输出的信号经放大后再进行解调，以得到和 原始信息相近的信号。 图2 - 3 中高压侧的供电电源由地面5 0 0 m w 的半导体激光二极管l d 用光纤把能量 推动到高压侧，经过高转换率( 4 0 % 左右) 的光电池p p c 把光能变为电能，通过d c / d c 变换电路处理、整定后，可得到稳定的约8 0 m w 供电电源功率。在低压区的接收部分 是一个信号解调电路，它先将光信号转换成电信号，经过前级放大和解调后，一路 送入d / a 转换器进行模拟信号的还原，另一路直接送入计算机或数字信号处理器件 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 进行信号的处理和计算，并采用软件方法对信号进行误差矫正，使系统的不稳定性 和误差大大减小。另外，随着近年来对继电保护设备要求的不断提高，提供数字化 的电流信号已经成为大势所趋，接收部分的数字通道正是适应这种发展的产物。 电磁传感、光学传信号的有源o c t 既利用了现有的实用技术，又利用了光纤的 优点，因此它的实用化速度会更快。但是一些关键性技术问题的存在限制了它的实 际应用，目前，需要解决的主要任务是: 1 ) 高压侧电子线路在户外长期稳定运行的免维护问题; 2 ) 取能方式的稳定性问题。 3 ) 如何在一次侧电流的较大的变化范围内 ( 5 % i e - 1 2 0 % i e )，有源o c t 的电源 部分仍然能够给电子线路部分提供相对稳定的电压，以使有源o c t 高度准 确地反应出电网的一次侧电流的幅值和相位。 本文的设计，就是从取能方式的稳定性问题出发，比较各种电源方式的特点， 设计一种新的电源系统，解决稳态条件下有源o c t 的供能问题。 2 . 3 本章小结 本章阐述了电流互感器的分类及原理，重点介绍了利用偏振光的全光无源光学 电流互感器和电磁传感、光学传信号的有源光学电流互感器的优缺点。全光型更多 地依赖于光学材料的性质，目前应用前景并不乐观。电磁传感、光学传信号的有源 光学电流互感器采用非光学传感头进行电流的测量，光只是信号传输的媒介，实用 化前景看好，但需要高电位端电源。由此引出的有源光学电流互感器光电电源的问 题，为下一章的论述奠定了基础。 华北电力大学 北京)硕士学位论文 第三章关于有源 o c t 的电源 目前提出的电磁传感、光学传信号的有源o c t 的供电方式有好多种，下面分别 介绍。 3 . 1 光电池 利用太阳能储能电池和充电电池的组合， 在阳光充足的情况下，由太阳能电池 供电，并给电池充电，在阳光不够时，则通过充电电池供电。 光电池亦称光伏电池，是一种能把光信号转化为电信号的半导体器件。其基本 原理是在光照下，半导体材料吸收光子能量使电子激发，若能量大于禁带宽度的光 子照射在p - n 结空间电荷区时，在结两边产生电子一 空穴对。这些光生载流子在p - n 结内建场作用下， 各自向相反方向运动， p 区的电子穿过p - n 结进入n 区， n 区的电子 穿过p - n 结进入p 区，形成自 n 区向 p 区的光生电流。这样的载流子运动，中和部分空 间电荷，使内建场势垒降低，从而使正向电流增大。如将p - n 结与外电路接通，只 要光照不止，就会有源源不断的电流通过电路，p - n 结起到了电源的作用。 光电池的产品种类很多，按芯片结构一般可分为p n 结光电池、异质光电池、金 属半导体 ( 肖特基势垒)光电池等。应用较广的是硅p n 结光电池。 如图3 - 1 所示，s b 是太阳能电池，b 为二次蓄电池，d 为防反向二极管，目的是 防止在弱光时，太阳能电池的输出电压降低而造成蓄电池对太阳能电池的反放电。 整个电路能够保证在光照变化的情况下，为下一级提供较稳定的输出电压。 d _b 图3 - 1 太阳能电池系统电路 这种供电方式的不足之处在于: a 、 成本高， 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 存在太阳能电池和蓄电池的功率配合问题。而且蓄电池的储能容量有 温度影响，环境温度的变化对光电池的响应度和暗电流有较大的影响。 认限份 这是由于光吸收系数与温度有关。图为受1 0 0 0 l x 光照时，不同温度下的伏- 安特性， 的0 . 5 2 m w 可见，在2 0 0 。的负载电阻上所取得的最佳功率，从0 0 的0 . 8 m w 到6 0 相对变化达3 5 % a 电流 ( m a ) 1 0 00 2 0 00 6 0 0 电压 ( v ) 0 0 . 2 0 . 4 0 . 3 - 2 不同温度下的伏一 安特性 d 、与所接的负载电阻大小有关。从上图可以看出:负载电阻越大， 输出功率 随温度的变化也越大。因此，做为电源使用，负载电阻越小越好。 3 . 2 处于高电位的小电流互感器供电方式 在传统c t 基础上，使用光辐射内调制的方法实现 o c t ，光纤只用来传递被电 流调制的光强信号， 起电位隔离作用. 在高压母线上，串有2 个c t ， 分别为供电c t 和取样c t 0 5 ，供电c t 给处于高电位的传感部分提供电源。由于这种方案在高压母 线上取供电电源，而母线电流变化很大，电源系统的可靠性较低;另外由于当时 光电子器件可靠性低、体积大，所以试制的样品体积也较大，并且不适合长期的 户外运行。 华北电力大学 北京)硕士学位论文 取样 c t 供电 c t 电 流 传 输 积分电路 电源部分 电压 / 频 率转 换 、 1 二 厂 二二一 二 尤r -一 光电转换部分信号处理电路 高压端 低压端 图 3 - 3光电混合式电流互感器原理 3 . 3 地面供电、光纤传输方式 这种有源o c t 的传感头安装在高电位侧，并且完全是由电子线路构成，因此， 必须有相应的电源提供给传感头的电子电路。激光器、光电转换器和d c - d c 光功率 转换器构成了系统的电源供应部分。利用光功率推动原理，利用地面的强激光源， 将光能通过光纤传至高电位处，再由光电池将光能转换为电能，并用此电能给有关 的功能电路部分供电。 一般，光功率转换器将输出一个稳定的直流电压信号，经两组d c - d c 变换器后， 分别产生5 v 和士1 2 v 两组电压输出， 提供给后级的电子电路。 其中5 v 电源用于提供数 字电路部分的工作电压，而士1 2 v 的电压输出用于给多路模拟开关提供工作电源。 在光电池电源系统里，激光二极管作为光源，提供驱动光电池的光功率，实际 应用中，由于光电池是非线性器件，存在最大功率问题，需要设计匹配的d c - d c 功 率跟随电路，使光电池进入大功率恒电压区工作。 3 . 4 悬浮式电源供电方式 选用高压母线电流作为能量的来源，设计一种悬浮式电源。由于母线电流变化 范围很大 ( 数千安)，以l o k v 电压等级额定电流为4 0 0 a 为例，母线稳定电流可以在 5 %-1 2 0 % l e ( 工 e 是额定电流) 内变化; 短路故障情况， 母线暂态电流可达 1 0倍 额定电流甚至更高。这些情况下，都要求能提供高压侧电子线路所需的稳压电源。 因此，设计工作主要集中在如何将一个大范围变化的电流转化为一个具有稳定功率 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 输出的电压源。原理如图3 - 4 c z o z c o n t x o l z 0 z l o a d 工 二 母线电压 y o 1 / z o y ， 二 1 / l 悬浮式电源戴维南等效电路 伴功l曰 1工图 u , = t ( z o z ,)/( z , + z . ) 当满足z o = 1 /( 工 / u ,- 1 / z , )时，即可输出恒定电压u l a 因此，如果能设计一个可控阻抗，使之具有上述特性，就可以达到 很好的稳压效果。通过分析可以证明: a 、 当i y , i 1 l ，则y o o 。属于母线小电流场合。y o 相当于一定容量的外部电 源， 母线电流向电源提供能量不能满足负荷的要求。 这时没有外加电 源，电路无法正常工作。说明此种设计存在死区。 b 、 母线电流较大而电路中又以感性阻抗为主时，要采取相应措施降 低 电流，因为这时发热损耗较大。 3 . 5 本章小结 o c t 测量 系 统高 压 侧电 路的电 源问 题是 混 合 式 光电 流互 感 器 测量 系统的 一 个 技 术难点。光电池易受外界环境的影响和维护成本高; 用悬浮互感器是就地解决的方 案，结构简单、成本低廉，但存在死区， 即电力系统小负荷时，不能正常供电，供 电不可靠， 必须考虑备用电源， 增加了供电系统的复杂性; 而激光供能稳定性不高、 成本高、容量小。根据这些情况，下文将具体阐述一种适合有源互感器需要的新型 电源。此电源已经研制成样品并通过实验，显示其具有取材方便、造价低廉，性能 稳定的优点，在系统正常运行方式下能够给混合式光电流互感器提供稳定的+ 5 v直 流电压。 华北电力大学 北京)硕士学位论文 第四章关于电容器抽取供电电源的设计方案 对于有源 o c t的供电方式，本文提出了一种新的思路，就是设计一种直接和 1 1 0 k v 母线并联的变压器一 电容器组， 利用并联后产生稳定的小电流作为电流源， 为 变压器提供稳定的电流，再由变压器将一次侧稳定电流源转变为二次侧稳定的电压 源，为 o c t供电。其中，副边容量 1 0 0 m v a ， 电压 l o v 。初步确定电容器提供的电流 开关 1 1 0 k v 线路 iied oct 变压器 |日月1 二 电 容 母线 图4 - 1 设计中 的有源o c t 供电 回路 4 . 1 本论文需要解决的问题 1 、 通过实验确定并联电容器方案的可行性及电容器的合适参数。 通过计算可知， 要想让电容器并联在 1 1 0 k v 线路和大地之间， 电容器的容量要选得很小，是选用电容器组，还是单支电容器， 要经过计算和实验最后确定。 流过毫安级电流， 以及参数如何，都 2 、 设计并实验特殊变压器的方案的可行性， 选择合适的变压器结构和参数。 一般的变压器都是电压变电压，电流变电流，而本文设计的是一种原边电流源 变到副边电压源的特殊变压器，而且容量又很小，成型的设备是没有的。需要在确 定参数之后，选择它的结构，包括铁芯的材料、尺寸、截面，以及线圈的截面、匝 数，绕制方法等。 3 、确定实施方案， 并在实验室完成实施功能。有可能的话，还要和所供电的有 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 源o c t 连接后，挂网进行测试，以检验它的实用性。 4 . 2 具体设计思路 4 . 2 . 1 电容器的选择 电容器具有能够充放电的特性。而且，电容器具有所谓 “ 通交流、隔直流”的 特点，即在交流电源作用下，由于交流电的大小和方向不断交替变化，致使电容器 能够反复进行充放电，相当于 “ 导通电路” ;而在直流电源作用下，只要充电过程 结束，流过电容器的只是微小的电流，电路相当于 “ 断开次 。利用这一特点，把电 容器并联于线路和大地之间，因为线路电压在系统正常运行时趋于稳定，所以相当 于把电容器连接在直流电路当中，那么通过电容器的电流，就与电源电压和电容器 本 身 的 容 量 有 关 系 i8 。 电 压 己 经 确 定 ( 1 1 0 k v ) , 剩 下 的 问 题 就 是 选 择 符 合 标 准 的 电 - - 一 - - - - - - 一一 一 石“ ”月 i rro .w k 呼 干 1 ” 口 ljl l m 7 容器，来获得变压器的原端输入电流了。实验中采取了两种方案，具体如下: 4 . 2 . 1 . 1 利用已有的环氛树脂绝缘子 考虑到充分利用已有的设备，减少投资，首先利用线路本身的绝缘子串构造电 容器组。即将绝缘子两端固定上铝材料的圆片做为电极，七个绝缘子用八片圆片通 过螺栓固定，模拟高压电容分压器。每个电容上的压降为 u = u l n 其中，u是相电压，。 是绝缘子的个数，对 1 1 0千伏电压等级开关场内为 7 个。故 得每个电容分压为: u 7 一 1 1 0 1 行/ 7 二 l o k v 所以在进入高压实验室之前获得具有参考价值的数据，可以首先在 l o k v电压的实 验室用其中一个电容进行相关的实验，然后再考虑七个电容串联后的情况。 过程如下: 取一 个绝缘子， 两边各加上一 个铝片， 构成一个等效电 容， 接在0 .叼 1 0 k v 变压 器高压侧间，低压侧加电源，则线间有电压 l o k v 。如图 4 -2所示。经测量得:单 片电容，c = 0 . 0 1 3 x 1 0 -乍。 又有，i = 2 # c u= 1 0 0 x 3 . 1 4 x 0 .0 1 3 x 1 0 - 9 x 1 0 x 1 0 = 0 . 0 4 0 8 m a o 实验目的:是否能够通过表计测到计算的电流值。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 l o k v a相 m a表 被试品 i m b相 图4 - 2实验 1 说明 分析 :毫安表和被试品串联后，接在a 相和b 相之间，结果表计指示数值很大，和 计算值相差 1 0 0 个数量级。 :被试电容数值太小，被杂散电容短路 验证此想法，做实验 2 如下; 即钡 9 得的可能是线间泄漏电流。为了 接线如图4 -3 : 1 0 k a相 m a表 被试品 1 0 k b相 图 4 - 3 实验 2 说明:b相悬空，表计指示仍然较计算值相差 1 0 0 个数量级与上次试验结果完全一 致，所接电容不起什么作用; 分析:如以前分析，l o k v 相线之间及相对被试品之间、相对地之间存在杂散电容， 则会产生极大的电流，屏蔽了所测电容。 但为了验证是否是电容本身泄漏所致，有实验3 ， 接线如4 -4 : 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 l o k v m a表 被试品 i o k v a相 b相 图 4 - 4 实验 3 说明:采用屏蔽的方法，用导线在被试品表面做环绕一周的屏蔽线并接入a 相。 分析:考虑电容的体电流很小，如果存在表面泄漏电流，则会淹没真值。 结论:但测量结果与上两次相比，变化不大。说明确实是线间电容过大而所测电容 过小造成计算数值和预测数值的严重差别。可见，采用绝缘子串改造成小电 容方案并不合适。 4 . 2 . 1 . 2 利用已有电容器 现有十只电容器，电容值都是。 . 0 0 2 解 ，接线如下图: 工工工工工工工誓 图 4 - 5 实验 4 计算得: : 二 * 二= : n f x 0 旦 2 x 1 0 -,x i x 1 0 = 3 . 6 m a 8 , l 3 试验结果:m a表读数为 2 . 9 7 m a ，和计算结果基本相符。通过电容器的实验说明线 华北电力大学 北京)硕士学位论文 路对地接有电容器后，电容电流相对固定，可以作为电流源从而为有源互感器提供 合格的电源，即这一方案是可行的。 经过从技术和经济两个方面考虑，最后确定电容器数值: 祸合电容器， 产地: 辽宁丹东电容器厂， 产品型号o w f z - 0 . 0 0 6 6 u f ， 工频耐压2 0 0 k v . 则电流源所提供的电流为: i , 二 i i 二 3 1 4 . 1 6 x 0 .0 0 6 6 x 1 0 - 6 x 1 1 0 0 0 0 / , t 3 = 0 . 1 3 2 ( a ) 至此，就可以根据电容器的有关参数，再来选择变压器。 4 _ 2 . 2 变压器的选择 4 . 2 . 2 . 1 设计原理分析 对于单相空载变压器，当一次绕组a x 端接上频率为f ， 的交流电压时， 流过一次 绕组的电流为空载电流 i o ，在原绕组 w ， 匝上产生空载磁势 f o =i o x w , ，并建立变 压器的空载磁通，其主要部分沿变压器铁芯闭合，并同时与变压器原、副绕组相链 而感应电势e ， 与e 2 ， 这部分磁通是变压器的主磁通小，由于变压器铁芯是用高导磁 材料制成，其导磁系数比空气或变压器油大得多，所以，主磁通占空载磁通的绝大 部分，约为9 9 . 8 % - 9 9 . 9 % ,漏磁通只占很小的部分。 图 4 - 6空载运行的单相变压器 如图4 - 6 所规定的正方向，原边的感应电势为: 仲 e , “ 一 w , 万 漏磁电势: 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 路对地接有电容器后，电容电流相对固定，可以作为电流源从而为有源互感器提供 合格的电源，即这一方案是可行的。 经过从技术和经济两个方面考虑，最后确定电容器数值： 耦合电容器，产地：辽宁丹东电容器厂，产品型号0 w f ：一0 0 0 6 6 uf ，工频耐压2 0 0 k g 。 则电流源所提供的电流为： ，= 珊c u = 3 1 4 1 6 x 0 0 0 6 6 x 1 0 1x 1 1 0 0 0 0 4 3 - - - - 0 1 3 2 ( 一) 至此，就可以根据电容器的有关参数，再来选择变压器。 4 2 2 变压器的选择 4 2 2 1 设计原理分析 对于单相空载变压嚣，当一次绕组a x 端接上频率为f j 的交流电压时，流过一次 绕组的电流为空载电流i 。，在原绕组w 。匝上产生空载磁势f 。= i 。xw 。，并建立变 压器的空载磁通，其主要部分沿变压器铁芯闭合，并同时与变压器原、副绕组相链 而感应电势e ，与e ：，这部分磁通是变压器的主磁通由，由于变压器铁芯是用高导磁 材料制成，其导磁系数比空气或变压器油大得多，所以，主磁通占空载磁通的绝大 部分，约为9 9 8 9 9 9 ，漏磁通只占很小的部分。 击 u a x 图4 - 6 空载运行的单相变压器 如图4 - 6 所规定的正方向，原边的感应电势为： 漏磁电势 揶 e l2 一w l d t a u ? x 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 睾 所以，原边的电势平衡方程式为： u i = 一( e l + e _ ) 忽略漏磁通击_ ，则u ，= 一e 。 因为主磁通按正弦规律变化，即 中= 巾。s i n ( i ) t 则 e 。= 一w ，辈：w 。巾脚s ( i ) t ：e 。s i n ( t 三) 吼一”1 百一l 巾脚5 。2 - 8 1 n ( 。号 从上式可见，绕组感应电势按正弦规律变化，在相位上落后于感应此电势的磁通三 2 角度。用向量表示时： 有效值为 e = 一j 半垂。 2 e 。= 旦! ! 譬= 4 4 4 f w 。：4 4 4 f w ，b s 2 1 所以，原边电压有效值 u 1 = 4 4 4 w j b s 原边电流有效值 i 1 = m 渺l 有变压器等效电路如图所示： 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 z 1 z 2 图4 7变压器t 型等效电路 u 2 其中，z ，是一次回路等效阻抗，z ：是二次回路等效阻抗；z 0 是激磁阻抗，具 有非线性特性。 对于所要设计的电源来讲，由于通过电容的电流固定不变，即相当于电源的一 次为固定的电流输入，在此基础上形成稳定的电压输出，相当于电流控制的电压源： 有如下等效电路： c c v s 山 图4 - 8 电流控制电压源等效电路 很明显，负载电压u = 盯，其中世是变换系数，具有阻抗的量纲，单位为欧姆。 要得到满足要求的电压，足就成为关键因素。从图4 7 和4 8 可以看出，如果z o 远远小于z ：，则次电流全部用来激磁并且电压稳定，由此得到： k = z o + z 1 问题是 z o z 2 能否得到满足，答案是肯定的。因为铁心具有非线性的特点。当铁心工作在饱和点 以上时，激磁阻抗很小，一次电流基本上全都流过励磁支路励磁而产生稳定的电压。 在负载不大的情况下，电源完全工作在流控电压源的状态，内阻很小。 2 1 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 如上所述，变压器的选择与铁芯的材料、匝数、截面积以及磁路长度有关。 激磁阻抗 z 一2 导 因为激磁阻抗越小越好，所以在选择铁芯时，应该使铁心截面积s 较小，磁路 长度l 较长。 图4 - 9 变压器铁心伏安特性曲线 如图4 9 所示为铁心的原边电流和原边电压的关系曲线。由图可以看出，有 两个线性区：对于点1 所在的区域，由于斜率较大，所以激磁阻抗较大；对于点2 所在的区域，由于斜率较小，所以激磁阻抗较小。 经过理论分析大致选择2 点所在的线性区可以满足要求，理由如下： 1 ) 由电压互感器的等值电路可以看出，当原边为一个恒定电流时，如果激磁阻抗 远远小于所接负荷，那么负荷的接入对原边电流的影响较小，从而对铁心总的 磁动势f 的影响也就比较小；如果磁动势f 不变，副边的电压是不会改变的。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 )由2 点所在的区域可以看出，和i 点所在区域比较，电流变化对电压的影响较 小。 4 2 。2 2 实际设计方案 为选出合适的变压器铁心，采用逐步试探法，共做了二次实验。 实验一、 拟采用铂镆合金铁芯，因为这种材料会使励磁电流最小，一次电流的绝大部分 都会转n - - - 次侧。作b - h 曲线，取b = 4 4 0 0 高斯( 拐点处) ，相应毫安匝数为2 0 0 。 铂镆合金铁芯尺寸： 4 3 x5 7 x 1 5 m m ，l = 蒯十二3 1 4 x5 0 = 1 5 7 m m ， 铁芯截面积： s = 7 x1 5 x0 9 5 = 9 9 7 5 m m 2 。 ( 1 ) u ，= 4 4 4 b s 1 0 8 = 4 4 4 5 0 彬4 4 0 0 0 9 9 7 5 1 0 8 取w = 2 0 0 匝，io = i m a ， 则u ，= 4 4 4 x5 0 2 0 0 x 4 4 0 0 o 9 9 7 5 1 0 。8 = 1 9 4 8 7 ( v ) ，电压太低。 ( 2 ) 试探法，将s 升高1 0 倍，u 。= 1 9 5 ( v ) ，s = 9 9 7 5 a m 2 。 ( 3 ) w 2 _ 鲁x w l = 羔2 0 0 = 1 0 2 6 匝， 结论：1 、尺寸不合适。 2 、虽然取工作点在拐点处，对电压波动有限制作用，但i 。太小，负荷电 流太大。i 。为i 的5 以下，则负荷变化对二次电压变化太大。 3 、造价高。 因此，不选铂镆合金。 实验二、 选定铁芯材料为硅钢片， 1 、铁芯截面积的确定： 选定铁芯，外径9 2 m m ，内径6 0 m m ，厚2 9 m m ，中径7 6 m m ， s = 1 6 2 9 x0 9 5 = 4 6 4 x0 9 5 = 4 4 0 8 m m 2 2 、 线圈匝数的确定 由于实际要使用的这个特殊变压器的原边电流有效值为0 1 3 2 a ，这时我们把电 路设计为工作在上图中0 8 a 的工作点，由于此时的原边匝数为6 0 ，所以磁动势为 f = i x w = 6 0 x 0 8 = 4 8 ( 安匝) 。当原边电流为0 1 3 2 安时，为保持磁动势不变， 原边匝数应为w - = 4 8 0 1 3 2 = 3 6 4 ( 匝) 。这样就确定了原边的匝数。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 再做如下的试验，原边匝数为3 6 4 ，原边通以0 1 3 2 安的电流，测得原边电压 值为9 。v ，根据瓦u l = 鲁，确定副边的匝数为4 2 匝。 似，副边电流龇2 篆l = 3 4 6 _ a 2 0 1 3 2 21 1 4 4 a o 3 、 磁路的长度：磁密度为b = t ，取b 为1 4 特，根据b = uh ，u 值为硅钢片的相 对磁导率，查表得“= 7 5 0 0 ，则 h = 堡 = ! ：! ，2 0 7 5 0 0 4 万1 0 7 再根据f = i w - h l ，可以确定磁路的长度l = o 3 2 3 m 。 4 、 导线截面积的确定：由公式j = 一1 ，得： a a ：一i j 经查手册，采用铜线， j = 3 o 一4 0 安m m 2 ，取3 5 安m m 2 原边： a - 0 。1 3 ，2 ：3 7 7 1 0 m m 2 副边： a = 尝：3 2 7 1 0 一- m m z j ) 所以，特殊变压器的参数 原副边的匝数为： 3 6 4 4 2 原边电流： 1 3 2 m a 副边电流： 1 1 4 4 m a 原副边的电压为： 9 0 v i o v 工作点的激磁阻抗：6 8 2q 铁芯尺寸： 外径9 2 m m ，内径6 0 m m ，厚2 9 m m ，中径7 6 m m ， 磁路长度：0 3 2 3 m 导线截面积：原边3 7 7 1 0 2m m 2 ， 副边3 2 7 1 0 一- m m 2 4 3 性能测试 4 3 1 实验目的 测定当电源变压器的副边所接的电路发生变化时，还是否能够得出稳定的输出 电压，即电源所提供的电压和功率是否稳定。 华北电力人学 北京)硕士学位论文 再做如下的试验，原边匝数为 3 6 4 ,原边通以0 . 1 3 2安的电流，测得原边电压 、 ，_ _ ， ， . 。， ，u. w._ _ _ _ 、 ， ， _ _ ._ 但刀 洲v ，很循了 一=二 ，确龙剔砚阴匣数为 4 2匣。 uzwz 所 以 ， 副 边 电 流 为: 2 = 些工 ， = 燮x 0 .1 3 2 = 1 . 1 4 4 a . 叽4 2 3 , 磁路的长度:磁密度为 8 = t ，取 b为 1 . 4 特，根据 b = u h , u值为硅钢片的相 对磁导率，查表得ii = 7 5 0 0 ，则 h = 一 b 一 一1 .4_ p , x 两7 5 0 0 x 4 x z x 1 0 - 1 4 8 . 6 a / m 再根据 f = i xw = h xl ，可以确定磁路的长度 l = o . 3 2 3 m . 4 、导 线 截 面 积 的 确 定 : 由 公 式 j = 兰 ， 得 : a a = 乡 经查手册 j = 3 . 0 - 4 . 原边: 采用铜线， 0 安/ m m 2m m，取3 . a = 5 安/ m m 2 , 0 . 1 3 2 3 . 5 = 3 . 7 7 x 1 0 - 2 m m 副边a = 三 1 4 4 3 . 5 = 3 . 2 7 火1 0 - m m , 所以，特殊变压器的参数 原 /副边的匝数为 :3 6 4 / 4 2 原边电流:1 3 2 m a 副边电流:1 1 4 4 m a 原 /副边的电压为:9 0 v / 1 0 v 工作点的激磁阻抗:6 8 2 6 2 铁芯尺寸:外径9 2 m m ，内径6 0 m m ,厚2 9 m m ，中径 7 6 m m , 磁路长度:0 . 3 2 3 m 导线截面积:原边3 . 7 7 x 1 0 - z m m ,副边3 . 2 7 x 1 0 - m m 4. 3 4 . 3 . 1 性能测试 实验 目的 测定当电源变压器的副边所接的电路发生变化时，还是否能够得出稳定的输出 电压，即电源所提供的电压和功率是否稳定。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 4 . 3 . 2 买验接线 在实验中，利用一台可调的自祸变压器b t, ，原边接 2 2 0 v相电压，降压后副 边电压加在b tz 上，b tz 即为所设计的变压器，变比为3 6 4 / 4 2 , a l , a 2 测量的是 bt : 的原边、副边的电流，v显示的是bt : 的输出电