（电机与电器专业论文）大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究.pdf

大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mt ot h el a r g ec a p a b i l i t ya n dh i g h v o l t a g e ，t h em a n u f a c t u r eo fl a r g ec u r r e n tt r a n s f o r m e r s ( l c t ) w h i c hb ew i l d l yu s e d i nt h em e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mh a sb e e ns t r o n g l y n e c e s s a r y l e th a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ec u r r e n t ，m i g h t ye l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p h a s ew o r k i n g ，w h e nw ed e s i g nl e t , t h ee f f e c t i v es h i e l d i n g m e t h o d sm u s tb et a k e nt os h i e l dt h es t r a yf l u xo fi t sa d j a c e n tb u s t h et r a d i t i o n a l s h i e l d i n gs c h e m e t a k e sm e t a ls h i e l d i n gc o v e r , w h i c hi se f f e c t i v eb u tm a k e st h e e q u i p m e n th e a v i e r i nt h ep a p e r ，t h ea u t h o rm a k e sd i v e r s i f i e dr e s e a r c ht o t h el e t w i t ho u t e rs h i e l d i n gw i n d i n g s a f t e ra d o p t i n gt h ew i n d i n g ss h i e l d e dw a yi nt h el c t ，h o wt oo p t i m a ld e s i g nt h e s h i e l d i n gw i n d i n g sf o rt h em o s te f f e c t i v e l ys h i e l d i n gt h el o o pc o r ef r o mt h ei n f l u e n c e o ft h e s t r a yf l u x ? a i m i n ga tt h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ep a p e ra u t h o r h a sm a i n l y c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gt a s k s ： 1 f i r s t l y s t a t et h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fl e ta tp r e s e n t ，a n d s u c c e s s f u ld e s i g n15 0 0 0 5 al c t 2 r e s e a r c h i n gi nd e t a i lt h ee s s e n t i a le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n dt h em a t h e m a t i c t h e o r yo ft h ec o u p l e dm a g n e t i c c i r c u i tm e t h o d ，b u i l d i n gt h e3 - d i m e n s i o n sc o u p l e d m a g n e t i c c i r c u i tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) m a t h e m a t i ca n ds i m u l a t e dm o d e l s a t f i r s tu s i n gt h ea n s y ss o f t w a r et ob u i l dt h e3 - d i m e n s i o n sf e mm o d e l ，t h e n e s t a b l i s h i n gt h eo u t e rc i r c u i tm o d e lb a s e do nt h ec o u p l e dm a g n e t i c c i r c u i tt h e o r y 3 a n a l y z i n gi nt h e o r yt h es t r a yf l u xh o w t oi n f l u e n c et h ec u r r e n tt r a n s f o r m e r c o r e ；s p e c i a l l ya n a l y z i n gt h et h e o r yo fh o wt h ew i n d i n g st os h i e l dt h es t r a yf l u x ； t h r o u g ht h ee q u a lc u r r e n tm e t h o d ，w ec a ng e tt h er e s u l t t h a tt h em i d d l ep h a s el c t c o r eh a sb e e ni n f l u e n c e ds e r i o u s l yi na n yc a s et h r e ep h a s e so rm o r ep h a s e sc u r r e n t t r a n s f o r m e r s ，w h i c hp r o v i d e st h es c i e n t i f i cb a s i c sf o rt h ee f f e c t i v es a f eo fl e t 4 f o rg e t t i n gt h em o s to p t i m a ls h i e l d i n gw i n d i n g s ，a tf i r s ti n t r o d u c i n gt h e d i s c r e t es h i e l d i n gw i n d i n g so n e si n s t e a do ft h es u c c e s s i v eo n e s ，t h e nt h i n k i n go ft h e s h i e l d i n gw i n d i n g sl o c a t i o ni nt h el o o pc o r e ，g i v i n gm u l t i f o r mo p t i m a ls c h e m e s ； b a s e do nt h e3 - d i m e n s i o n sf e mm o d e l ，a c c u r a t e l yw o r k i n go u tt h ec u r r e n ti nt h e s h i e l d i n gw i n d i n g s a n di t sd i s t r i b u t i o n ，t h em a g n e t i ci n d u c t i o nd e n s i t ya n di t s d i s t r i b u t i o n ，t h el o c a lm a x i m a lt h e r m a lr i s e t h r o u g hc o n t r a s t i n gt h ec o m p u t a t i o n r e s u l t sa l t e r n a t i v e l y ，w ef i n a l l yg e tt h em o s to p t i m a ls h i e l d i n gw i n d i n g ss c h e m ei nt h e 硕士学位论文 5 i nt h el a s ts e t t i n gu pt w ot e s t i n gm o d e lo fl c t ，o n ei se q u i v a l e n tm a g n e t i c p o t e n t i a lm e t h o d ，t h eo t h e r i s d e c r e a s i n gc u r r e n tm e t h o d w i t h l o o p c o n d u c t o r ， c o n t r a s t i n gt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s t i n go n e sw h i c hp r o v e st h es i m u l a t i o n m e t h o d sr e s u l t si st h er e l i a b i l i t ya n dt h ep r e c i s e n e s so ft h et e s t i n gm o d e lf o r t h el c t t h r o u g ho p t i m i z i n gt h es h i e l d i n gw i n d i n g s ，e f f e c t i v e l ye l i m i n a t e st h es t r a yf l u x ， m a k e st h el c tm o r el i g h ta n dm o r em i n i a t u r e ，a n dm a k e se c o n o m i c a lu s eo fc o p p e r a n di t st r a n s p o r t a t i o nm o r ec o n v e n i e n t k e y w o r d s ：l c t ( 1 a r g ec u r r e n tt r a n s f o r m e r s ) ；e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ； s t r a yf l u x ；t h ec o u p l e dm a g n e t i c - c i r c u i tm e t h o d ；s h i e l d i n gw i n d i n g s ； o p t i m i z a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：； 旱力口桎日期：劲巧年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：菥矽辟枉 剔谧锄 日期：口歹年歹月f 曰 置羯：巧年厂民，日 硕士学位论文 第1 章绪论 本文的研究课题是大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究。本章主要介绍国 内外大电流互感器的研究现状和发展趋势及本课题的选题背景、意义，以及本文 主要工作和研究内容。 1 1 本课题的矾究背景与意义 随着我国农村电网改造和大型发电机缍的授入运行，侨如我国三蛱机组的投 入运行，这些都对我国的大电流互感器的研制撵踏了新的要求。特别是2 0 0 3 年8 月，1 4 号美匡和加拿大等匿都出现了大面积的侉电事件，这更加引起电力系统公司 对电力系统的安全性能提出更高蛉要求 还毒握筚来我羼大部分的地区都出现了 大面积停电拉闸的现象，引起供电紧张的禺碗，为能缓解这种局面，我国将在未 来几年里将有一定数量的大型的火力发电机组和梭电璎目投入建设。根据国家有 关部门公布的资料，我冒每年将新建3 5 ；k v - - 5 0 0 鬣v 变电站：1 1 6 0 , 个，新增发电机 组2 7 1 台，并且以5 一1 5 的速度爝加。由于大饔墨、高电压是现代电网发展的 一个驻著特点，对于大型发电桃组测羹翱：保护爝鳃太电流互感器的设计也就提到 了日程上来，同时有部分钓发电机组已经愿上了大电流互感器，如我圜的秦山核电 站7 0 0 m w 发电机缀用装入式电流互感器，供发惫机主回路傲电流、电能测量及 继电保护之用，其采甩了沈阳互感器有限责任公司最新研制的2 5 0 0 0 5 a 大电流互 感器。由于大电流互感器运行的环境不同予一般的互感器，因此要对其运行性能 进行研究，为大电流互感器设计奠定一定的理论基础，同时对我国的电力系统设备 的保护和监测的科学化和现代化提供了强有力韵支持。沈阳互感器生产的l r ( b t ) 1 1 2 4 型电流互感器，2 5 0 0 0 5 a ，准确级分别为5 0 v a t p y 级、2 0 0 v a 5 p 2 0 级和1 0 0 v a 0 2 s 级( f s = 5 ) ，绝缘耐热等级f 级。日前通过国家电力公司武汉高 压研究所型式试验，该产品的研制成功，填补了羼内6 0 0 m w 发电机组用带暂态 保护特性轻型电流互感器的空白，标志着我国自主开发的大电流互感器上了个 新台阶，完全可以取代进1 ：1 产品，可广泛应用于核电、水电、火电6 0 0 m w 发电 机组。 电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，c t l 是套种保护装置和测量仪表真实反映一 次系统真实电流信号的接口元件，广泛应用予电力系统监控、保护、录波和测距 等技术领域。它在运行过程中能否真实反映一次电流，对继电保护装置和正确动 作起着决定性的作用。尤其是在超高压，大容量系统中，一方面由于传输容是的 增大，使得一次电流迅速增加，这就需要有大电流互感器；另一方面，在使用大 人电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 电流互感器的同时还需要对大电流互感器进行保护，以确保大电流互感器能够i 卜 常工作，从而保证对电力系统的实时监测。 广泛应用于大型发电机组的大电流互感器，一般情况下不是单相运行的，而 是三相或多相运行的。由于大型发电机组的额定电流很大，相间距离很小，各相 交变电流所产生的磁场对邻相套管上环形电流互感器的作用非常强。因而必须采 取有效的磁屏蔽措施来抵抗外来磁场干扰，同时电流互感器还要有足够的绝缘耐 热等级。 近年来，我国互感器制造业有了飞速的发展，采用了一些新的技术和结构。 对于大电流互感器来说，过去为了削弱三相大电流互感器的相间散杂磁通的影响， 通常都采用铝板屏蔽或铜板屏蔽，但这种方法不仅耗费资源，而且使得电流互感 器变得笨重，尤其对大电流互感器而言，这对大电流互感器的运输也带来不便。 因此，寻求更好的大电流互感器屏蔽方式是互感器制造业近年来的努力方向。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1国内外研究现状 用于测量及继电保护用的电流互感器是经典的电工仪器，发展到今约有一个 多世纪。提高测量用电流互感器性能的一个重要途径。是对其误差进行补偿。从 2 0 世纪2 0 年代开始，就提出了许多误差补偿方法，主要有双级电流互感器及其 负荷补偿法、零磁通电流互感器及零磁通补偿法、磁分路补偿原理f 1 】等。四十年 代和五十年代，原苏联生产的电流互感器中，对环开铁心和方形叠片互感器分别 采用了反激磁和磁分路补偿1 2 , 3 1 ；最近，加拿大的n x t p h a s e 公司利用在激光陀螺 研究中的成果，研制成功全光纤式电流互感器( a f o c t ) ，其准确度达0 2 级，已 开发出1 1 5 k v 5 0 0 k v 全系列全光纤式电流互感器产品，该产品已在美国的亚利 桑纳州电力公司运行。s e e l y s 在其关于杂散磁通对互感器影响一文【4 】中给出了当 电流互感器采用绕组内屏蔽方式时，屏蔽绕组对外来杂散磁通进行屏蔽的理论和 电流的计算公式，并且通过理论分析得到各种外来杂散磁通源情况下，在某一1 个 电流互感器铁心中所产生的杂散磁通的计算方法；钟思正在参考文献 5 1 中详细地 给出了在有外界磁场条件下，电流互感器中磁场强度的计算与分析；m a s a a k i l m a m u r a 应用2 d 有限元法对光学电流互感器的三相母线排电流所产生的磁场进 行分析 6 1 ；p a t r i c kp o u l i c h e t 等人在高频电流互感器的理论研究方面有定的成 就，参考文献1 7 1 中作者应用3 d 磁路一电路耦合场有限元法和网络分析法来分析 计算电流互感器的高频性能。董连华等人通过遗传算法对电流互感器的铁心内径、 外径及铁心厚度、绕组匝数等参数进行优化设计i s 。 日本及德、英、法、瑞士等国在传统的电磁式电流甄感器t 都进行了大量的 硕士学位论文 研究工作，并且他们的应用技术己比较成熟；但是这些国家己将大部分技术力量 投入到对光学式互感器和电子式互感器的研究工作上去，并且取得了一定的成果。 特剐是光学互感器已经在国外许多公司阀世并投入电网运行，比如美国的a b b 公司、加拿大传奇公司等【9 “1 ”。同以上这些国家的产品研发水平相比，无论是 电磁式电流互感器，还是光学式电流互感器和电子式电流互感器的研究工作，我 国与之相比还是比较落后的，主要由于产品的早期阶段存在的问题不能及时发现， 等到做完试验样品和试验发现问题以后，已经造成了很大的浪费，使得设计周期 加长，设计成本增加：同时由于制造工艺和材料等方面的差异，产品的稳定性还 是存在一些问题。 电流互感器的有限元仿真分析由于受到计算机和有限元软件的发展的限制， 过去的研究大多是进行2 d 场分析，但是2 d 场分析一般都要对研究对象进行了大 量的假设，所以计算结果精度都不够赢。因此，进入2 0 世纪9 0 年代后，随着计 算机技术和有限元软件的迅速发展，对研究对蒙进行3 d 耦合场分析是一种很普 遍的分析计算方法，且计算结果精度较离。 1 2 2 发展趋势 大型发电机组继电保护用大电流戛藤器避保证电力系统安全稳定运行的重要 设备之一，发电机差动保护和发电枫一袋压器绲差动保护对大电流互感器的要求 高于发电机其他保护和自动装置。 根据本课题的研究内容，从大型发电帆缀继电保护用大电流互感器的选型、 磁屏蔽技术措施和绕组屏蔽的分析计算和摸拟试验等三个方面来综述国内外发展 趋势。 1 、国外发展趋势 ( 1 ) 保护用大电流互感器豹选型 发电机差动保护用电流互感器应采用嗣样绫心型式和规格的产品，国外一般 采用满足稳态误差要求的普通p 级电流互感嚣，但铁心截面、二次额定准确限值 系数k ，。留有较大裕度，在实际短路条件下，c t 已隐含有一定暂态性能，发生短 路时铁心一般不会出现饱合，与有暂态误差要求的c t 并无本质的区别。即使铁 心饱合，一般认为只要差动保护c t 是同等程度饱合，外部故障时保护不会出现 误动作。 为了适应超高压输电技术的发展，7 0 年代中提出了保护用c t 的暂态性能要 求。为提高发电机和发电机变压器组差动保护的灵敏废和可靠性，避免c t 静念 剩磁的不良影响，有些发达国家开发了大型发电机组差动保护用c t 暂态特性选 型的研究，采用t p y 或t p z 级c t 。 目前的发展趋势是：电力设计部门采用高速差动保护，减少继电保护装鼹功 火电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 率消耗，采用新原理保护装置，以适应c t 暂态性能或降低对c t 暂态性能的要 求。互感器制造厂商与电力用户商制定合理的c t 使用技术条件，生产不同铁心 型式和规格的产品，供电力设计部门选用，以保证发电机组继电保护装置的正确 动作。 ( 2 ) 磁屏蔽技术 目前大电流互感器国外主要的磁屏蔽措施是采用屏蔽罩( 如图1 1 1 和绕组屏 蔽。一次电流在1 5 0 0 0 安及以下时，多采用屏蔽罩，有的国家两种磁屏蔽措施同 时采用；一次电流大于1 5 0 0 0 安时，两种磁屏蔽措施通常都采用，并加强散热冷 却措施，如强迫风冷及在屏蔽罩上加装散热片。屏蔽罩的材料采用合金铜或铝， 一次电流越大，屏蔽罩就越厚。当屏蔽罩材料及一次电流相同时，大电流互感器 的中间相的金属屏蔽罩较厚，这是因为中间所受到两边相的磁场影响最为严重。 图1 ，1 有屏蔽罩的电流互感器的剖面圈与三维图 绕组屏蔽的结构则各不相同，一次电流在1 5 0 0 0 安及以下时，通常采用匝数 相等，绕制方向相反的两对并联的四段线圈组成，或分成二组，每一组是反极性 串联在一起，每段绕组占铁心的四分之一周长，两个并联段或串联段在铁心上互 成9 0 度布置，屏蔽绕组可单独使用，也可作为二次线圈的一部分。在一次电流大 于1 5 0 0 0 安时，并联对数增加，或串联对数也增加，独立组成单独的屏蔽绕组， ( 3 ) 绕组屏蔽的分析计算和模拟试验 屏蔽绕组本身的结构并不十分复杂，但对邻相电流的磁感应和磁场强度及其 屏蔽效果的计算是十分困难的，在处理多媒质的三维交变场，边界条件时是很复 杂的，以及屏蔽线圈环流对屏蔽效果的影响，均难于建立准确的数学模型。特别 是在短路暂态过程中，短路电流中包括交流暂态和次暂态分量，以及非周期电流 的衰减分量，要求解磁场强度多元变系数微分方程的解，计算更为困难。 对于大电流互感器的模拟试验，其中用于高压电能计量装置和保护的c t 现 场检验的难度很大，特别是安装在变压器套管和封闭母线上的c t 几乎不町能 在额定电流下检验，同时由于受到试验条件和试验设备的限制，无法则其进行! 一4 一 硕士学位论文 相试验。在本文中，作者提出了二种计算机仿真的试验方案，通过比较试验结果 与仿真结果，表明仿真试验结果是可靠的，节省了大量的试验时间和劳动成本。 目前国外多采用经验公式、数据和图表曲线来进行大电流c t 屏蔽措施的设 计，进行模型或原型试验以作修正，还未形成成熟的工程设计计算方法。 2 、国内发展趋势 我国对在大电流c t 的研究始于1 9 7 7 年，沈阳变压器厂为研制产品进行了理 论和试验研究，先后生产了4 0 0 0 5 a 至1 2 0 0 0 5 a 等多种p 级c t 产品和t p y 级 c t 样机，沈阳电控设备公司吴迪顺高级工程师对大电流c t 的磁屏蔽措施进行了 研究。 八十年代初，我国引进了美国西屋公司套管式1 5 0 0 0 ，5 a 和2 5 0 0 0 5 a c 8 0 0 级 大电流c t ，沈阳互感器厂和上海互感器厂分别仿制，沈阳对屏蔽线圈结构有所 改变，两厂都减少了二次额定容量，这种c t 为p 级，只满足稳态误差要求，不 具有c 8 0 0 级c t 隐含的暂态性能，大电流c t 产品的品种规格少。我国3 0 万千 瓦及其以上容量的发电机投产较晚，在借鉴引进工程技术的基础上，研究保护用 c t 的选型和磁屏蔽措施，较发达国家在深度和广度上有差距，大电流c t 的使用 和制造两方面如何协同配合，以保证发电杌保护正确动作是有待研究的。 自1 9 8 1 年1 0 月华中电网姚盂电厂3 0 万千瓦机组投产以来，我国已完成了多 项大型的发电机组，如黄河小浪底水力发电工程，总装机容量为6 x 3 0 万千瓦， 年平均发电量5 1 亿度；还有三峡水力发电工程，三峡工程计划安装2 6 台单机容 量7 0 万千瓦的发电机组，装机总容量为1 8 2 0 万千瓦，年平均发电量将达8 4 7 亿 度。2 1 世纪国家能源工业建设的基本战略方针：大力开发西部水、火电资源，实 施西电东送。到2 0 2 0 年西电东送容量将达到1 2 亿千瓦，就需要大量的大电流互 感器。 目前我国大电流c t 的生产厂只有沈阳互感器厂和上海互感器厂，由于近几 年在大电流互感器方面研究，沈阳互感器厂现已有能力生产一定的暂态性能的 t p s 级和具有暂态误差要求的t p y 、t p z 级大电流c t 。但由于我国在大电流c t 的磁屏蔽措施的分析研究剐起步，且研究时阃较短，加之难度很大，以前在这方 碾还缺乏全面规划和系统研究，目前和国际先进水平还有一定的差距。 1 3 课题来源及主要研究工作 本课题是与上海互感器厂合作开发设计的一种新型、轻型的大电流互感器， 并以1 5 0 0 0 5 a 电流互感器为研究对象。 设计1 5 0 0 0 5 a 大电流互感器，并对其进行三维有限元的耦合场分析；分析其 稳态和暂态性能，通过计算机仿真二次电流随一次电流变化的情况，并计算出屏 蔽绕组中的电流，根据计算结果对屏蔽绕组进行优化设计。同时还要对其型式试 大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 验模型进行汁算机仿真，考察大电流互感器的绝缘耐热性能能否达标，对仿真结 果进行分析预计试验过程中可能出现的情况，看是否有局部过热、铁一i i , 饱和等现 象。 本文根据1 5 0 0 0 5 a 大电流互感器的设计和保护要求，通过计算机仿真来为电 流旺感器的设计和保护提供理论基础，主要研究工作有如下几个方面： 1 、大电流互感器的理论与设计方法 2 、有限元方法在大电流互感器设计中的应用 3 、大电流互感器绕组屏蔽理论研究 4 、绕组屏蔽中绕组电流的计算与分析 5 、屏蔽绕组优化布置 6 、有屏蔽绕组l c t 的出厂试验仿真 第2 蠢大电流互感器( l c t ) 的理论与设计方法 2 1电流互感器的基本原理 2 1 1电流互感器的用途、分类 电流互感器的用途，在正常条件下使用时，二次电流实质上与一次电流成正 比；而在正确接线时，二次电流对一次电流的相位差接近于零的互感器称为电流 互感器。电流互感器的一次绕组串联在回路里，二次绕组要经过某些负荷( 测量 仪表和继电器) 而闭合，并保证通过的负荷电流与一次绕组的电流域正比。 高压电流互感器的一次绕组按全工作电压对二次绕组进行绝缘。通常二次绕 组的一端是接地的，所以二次绕组的电位接近于地电位，这一点将在下一章在给 大电流互感嚣三维建模和耦合场分析中重点提刊。 通过图2 1 来具体说明c t 的应用。圈2 1 为一台电流互感器舶应用接线示意 图，二次绕组是测量用绕组，接至保护继电器。当电力线路正常工作时，二次电 流不大继电器不会动作，其常开触点是打开的，断路器的跳闸线圈没有电流， 断路器处于接通状态。互感器的线路发生短路或严重过载就有很大的电流经过 c t 的一次绕组，二次电流也将增加很多，当二次电流增加到等于或大于继电器 的动作电流时，继电器动作将常开触点接通，断路器跳阐线匿流过电流，跳闸机 构动作，断路器跳闸，将故障线路从电力系统中切断。值得注意的是c t 在运 行中如果二次不接负荷则必须可靠地短接，绝不允许开路，因为二次开路时， 二次没有电流一次安匝全部用来励磁。铁心高度饱含，磁通变为平顶波，= 次 感应电动势变成峰值很高的尖顶波，见图2 ：2 。高峰值的电动势对人身和设备是 感应电动势变成峰值很高的尖顶波，见图2 ：2 。高峰值的电动势对人身和设备是 有害的。 断皓嚣 l 1 1 维电器工作电嚣 一 、 夕1 jy 型 图21c t 应用 硕士学位论文 第2 章大电流互感器( l c t ) 的理论与设计方法 2 1电流互感器的基本原理 z 1 1电流互感器的用途、分类 电流互感器的用途，在正常条件下使用时，二次电流实质上与一次电流成正 比；而在正确接线时，二次电流对一次电流的相位差接近于零的互感器称为电流 互感器。电流互感器的一次绕组串联在回路里，二次绕组要经过某些负荷( 测量 仪表和继电器) 而闭合，并保证通过的负荷电流与一次绕组的电流成正比。 高压电流互感器的一次绕组按全工作电压对二次绕组进行绝缘。通常二次绕 组的一端是接地的，所以二次绕组的电位接近于地电位，这一点将在下一章在给 大电流互感器三维建模和耦合场分折中重点提到。 通过图2 1 来具体说明c t 的应用。圈2 1 为一台电流互感嚣豹应用接线示意 图。二次绕组是测量用绕组，接至保护继电器。当电力线路正常工作时，二次电 流不大，继电器不会动作，其常开触点是打开的，断路嚣的跳阐线圈没有电流， 断路器处于接通状态。互感器的线路发生短路或严重过载，就有很大的电流经过 c t 的一次绕组，二次电流也将增加很多，当二次电流增加到等于或大于继电器 的动作电流时，继电器动作将常开触点接通，断路器跳阐线圈流过电流，跳闸机 构动作，断路器跳闸，将故障线路从电力系统中切断。使得注意的是，c t 在运 行中如果二次不接负荷，则必须可靠地短接，绝不允许开路，因为二次开路时， 二次没有电流，一次安匝全部用来励磁。铁心高度饱含，磁通变为平顶波，二次 感应电动势变成峰值很高的尖顶波，见图2 ；2 。高峰值的电动势对人身和设备是 有害的。 断陪嚣 1 t 维电器j = 作电溯 ai、两t 厂、 夕 亏jlj 图21c t 应用 大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 烈2 厂 剐7 图2 2 二次开路时的磁通和电动势波形 电流互感器的分类1 1 3 , 1 4 1 1 、按用途分 ( 1 1 测量用，指专门于测量电流和电能的电流互感器 ( 2 ) 保护用，指专门用于继电器保护和自动控制装置的电流互感器。 2 、装置种类分 ( 1 ) 户内式，即只能安装于户内的电流互感器，其额定电压多不高于3 5 k v 。 f 2 ) p 外式，即可以在户外安装使用的电流互感器，电压多在3 5 k v 以上。 3 、按绝缘介质分，可分为：油绝缘、浇注绝缘、一般干式绝缘、瓷绝缘、气 体绝缘等。 4 、按结构形式分，可分为：支柱式、母线式、套管式、正立式、倒立式。 2 1 2电流互感器的工作原理 电流互感器是一种专门用于变换电流的特种变压器，工作原理如图2 _ 3 所示。 电流互感器的一次侧是需要被测量的电力线路，线路电流就是互感器的一次电流 ，= 次绕组外部接有负荷，如果是测量用电流互感器，二次侧就接测量仪器； 如果是保护用电流互感器，二次侧就是接保护控制装置。在图2 3 中以z 。表示其 阻抗( 包括联接导线的阻抗) 。 电流互感器的一、二次绕组之间要有足够的绝缘强度，从而保证所有低电压 设备与电力线路的高电压相隔离。电力线路中的电流各不相同，通过电流互感器 一、二次绕组匝数比的配黄，可以将不同的一次电流变换成较小的标准电流值， 参照国家标准g b l 2 0 8 - - 8 7 电流互感器，额定的二次电流标准电流值为1 a 和 5 a ，以5 a 为优先值。这样可以减少仪表和继电器的尺寸，也可简化其规格，有 8 硕士学位论文 利于仪表和继电器的小型化、标准化o s - r q 。因此电流互感器的主要作用是： l 、传递信息给测量仪表或保护控制装置； 2 、使测量和保护设备与高压电力线路相隔离； 3 、有利于仪表和保护继电器的小型化、标准化。 图2 3电流互藤器的工作原理 lp 帅| l 嘞 图2 ，4电流互感鼹等效电路圈 1 、电流互感器的基本电磁关系 在图2 3 中，当电流，流过互感器的一次绕组时，建立一次磁动势，与一 次绕组匝数，的乘积就是一次磁动势，也称为一次安匝。一次磁动势分为两部分， 其中一小部分用来励磁，使铁心中产生磁逶；另外一大部分用来平衡二次磁动势。 二次磁动势也称为二次安匝，是二次电流，与二次绕组匝数，的乘积。用以励磁 的励磁磁动势也可称为励磁安匝，等于励磁电流，。与一次绕组匝数1 的乘积，用 于平衡1 二次磁动势的这一部分的一次磁动势，其大小与二次磁动势相等，但方向 相反。具体的磁动势平衡方程式可用下列的数学表达式来说明： 大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 1 1 n l = i o n l + ( - 12 n 2 ) ( 2 1 1 ) 式中，、，：、j 。一一1 、二次电流和励磁电流的相量( a ) ，如用复数表示既 “：表示大小还可表示相位； 1 、，一一、二次绕组匝数； 如果忽略很小的励磁安匝，并且只考虑一、二次电流大小之间的关系，( 2 1 1 ) 式可简写为： ，l ，= 1 2 n 2 ( 2 1 2 ) 若以额定值表示： j l l = ，2 n ： ( 2 1 3 ) 额定一次电流与额定二次电流之比称为电流互感器的额定电流比，用置。表 ， 示： 酶= 导 ( 2 1 4 ) ，2 图2 5 电渡互感器相量圈 但在实际工程设计中，这一小部分的励磁电流是不能忽略不计的，现在我们 讨论电流互感器的相量图，图2 5 中给出了较为完整的电流互感器的相量图，这 个相量图为一次侧各量折算到二次侧后所得的相量图，折算关系如下： i t = 1 1 k ，lo 。= o k ，u 1 = k v u i 硕士学位论文 e 1 。一k e 1 ，r 1 一k 2 置，x 1 。一k n z x l 根据现有的电工知识可以知道，励磁电流，o 在铁心中建立起主磁通，这个磁 通同时穿过一次和二次绕组的全部线匝，故称为主磁通m 。铁心材料有磁滞和涡 流损耗，励磁电流中有一部分是供给这些损耗所必需的，称之为有功分量；另 部分是用励磁的，称之为无功分量：这两个分量的相最和才是，o ，所以励磁电流 与主磁通相差一个掣角( 见图2 5 ) ，这个角称为铁损角。主磁通在二次绕组中感 应出电动势e ：。在相位上，e ：滞后于主磁通9 0o 角。 电流互感器的一次线髑通过的电流是待测的网路电流，它与互感器二次侧的 负荷无关，即电流互感器的一次侧是接电流源的，其等效电路如图2 5 所示。稳态 运行时，电势方程式为： e z 2 i z ( z 2 + z 6 ) ( 2 1 5 ) 或用有效值表示为：e ：t 1 2 氓：+ 玩) 2 + ( 工2 + 以) 2 ( 2 1 6 ) 式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 中，e ：、1 2 一二次感应电动势( v ) 和电流的相量( a ) ： e ，、1 2 一二次感应电动势( v ) 和电流( a ) 的有效值； z ，一二次绕组内阻抗，也是一个复数量( q ) ： z 一二次负荷阻抗，复数量( q ) ； r ：、玩一二次绕组电阻和二次负荷电摭( q ) ； z 、置一二次绕组电抗和二次负荷电抗 ，则把最大磁感应强度对应的以值代入下一次求解。1 1 是迭代次数。 表3 1 铁磁材料磁化曲线表 b ( t ) h ( a m ) b ( t ) h ( a m ) 0 1 04 7 00 4 01 2 o o 0 1 56 1 50 4 5 1 3 0 0 0 2 07 4 50 5 0 1 4 0 0 0 r 3 01 0 0 0o 5 5 1 5 o o o 3 51 1 0 0o 5 8 1 5 6 0 0 3 81 1 6 00 6 0 1 6 0 0 硕士学位论文 b ( t ) l r t ( a m ) 1 3 ( t ) h ( a m ) o 6 51 7 o o1 4 55 5 0 0 0 7 01 8 0 01 5 0 6 3 3 0 o 7 51 9 2 01 5 57 7 5 0 0 ，7 82 0 1 01 5 88 5 0 0 0 8 02 0 7 01 6 09 5 0 0 0 8 52 2 0 01 6 51 1 0 0 0 8 82 2 _ 8 01 7 01 4 0 0 0 9 02 3 4 01 7 5 1 7 5 0 0 9 52 5 o o1 。8 02 5 0 0 1 0 02 6 71 8 5 5 1 0 0 1 1 03 0 41 9 0 8 0 0 0 1 2 03 5 41 9 51 5 5 0 1 3 04 2 0 01 9 82 4 0 0 1 4 05 0 o o2 0 03 0 0 0 簟 函鞘醚l 暑g 。m “o 蝴i | i 1 1 t i d l l li 茹 圈3 3 铗，b 的洲曲线 考虑叠压系数s = 0 9 5 ，沿叠压方向的有效磁导率按公式。- 坚_ 计 s + l s “， 算，沿非叠压方向的有效磁导率按公式弘。；s t ，计算。 3 3 6l c t 的仿真模型 根据上一章中的详细的设计计算参数，通过有限元来建立三维电磁耦合有限 元仿真模型，模型图见图3 4 。模型剖分后共2 6 5 0 8 3 单元，6 2 8 4 0 节点。 大电流互感器绕组屏蔽理论与应用研究 图3 4l c i 三维有限元仿真模型和铁心截面图 在仿真模型中，对于二次绕组和屏蔽绕组是需要耦合的区域。在这个仿真模 型中，共选用了三个电路单元：电阻单元、电感单元和绞线圈单元。通过1 5 0 0 0 5 a 电流互感器二次绕组的计算参数来确定选用的电路单元的参数，额定输出为 1 5 0 v a ，功率因数为：o 8 ( 滞后) ，负载为电感性；根据下面三个公式计算叫l ： 式- ，它( 3 3 3 0 ) r ；z 0 8 = 1 5 0 52 o 8 = 4 8 ( q ) ( 3 3 3 1 ) lt z s q r t ( 1 - 0 8 2 ) 1 0 0 z r = o 0 1 1 5 ( h )( 3 3 3 2 ) 耦合a j 1 1 - 次蛲蛆耦合b 相= 次缝蛆耦合c 相二次绕组 h hh 图3 5 二次绕组藕合蜗的外电路 三相电流互感器有限元模型中的耦合区域的电磁耦合电路如图3 5 。图中， r 1 、r 2 、r 3 大小相等，为4 8 q ；l 1 、l 2 、l 3 也大小相等，为0 0 1 1 5 h ，n 1 、 n 2 、n 3 为绞线圈，分别耦合三相电流互感器的二次绕组，在建立好了外耦合外 接电路后，一定要给电路部分定义一个零电势节点，这一点存求解过程巾相当重 要，在第二章中我们提到过这一点，主要因为二次绕组一端接近地电位，同时在 求解矩阵方程式( 3 3 2 8 ) 过程中，整个计算机仿真模型要有一个参考零电压点， 以满足求解但 。在建立外接耦合电路时，一定要注意电路的建立，以避免出现 硕士学位论文 建立不协调电路，如图3 6 所示，如果电压源k 与电压源k 不相等，则此电路为 ：_ _ f i 协调电路，在求解过程中会出现错误。 图3 6 典型的不协调曦路( k _ k ) b 相互感器的四段屏蔽绕组分二组，在环形铁心中，相对的二段反极性串联 时，耦合场的外电路如图3 7 所示。在这个外部电路中，由于考虑到屏蔽绕组的 电阻和电感很小，在本模型中不予考虑。 3 4 本章小结 圉3 7 屏蔽绕组耦台场的外电路 在本章中，通过对有限元方法的发展了解，现代的有限元算法无论是在计 算方法还是计算速度，都得到了飞速的发展。出现了多种有限元法的仿真软件， 如a n s y s 、a n s o f t 等大型有限元算法软件。本文根据研究对象的要求，最终 选用a n s y s 软件对研究对象l c d 进行了三维的场路耦合分析，并对精典电磁场 理论和场路耦合法的数学理论基础进行详细的分析研究；并根据在第二章中计算 得到的大电流互感器模型的各种参数，成功建立了三维的场路耦合有限元分析模 型，其中包括了l c t 实体有限元模型，二次绕组外接耦合电路，屏蔽绕组外接耦 合电路，为第五章屏蔽绕组的优化布置提供了科学方法。 夫电流卫感器绕组屏蔽理论与应t ；| 研究 第4 章大电流互感器的绕组屏蔽理论研究 由于本论文中所研究的l c t ，其工作电流的频率为基频5 0 赫兹。因此，对 = ：i 二l c t 处于高频电流或处于高频开关的状态时，其高频性能没有进行研究。在本 文中，主要研究l c t 基频状态下的性能，因此在下文中主要研究基频条件下的屏 蔽理论。 4 1杂散磁通对电流互感器的影响 如在第一章所言，在研究大电流互感器时，其经常被孤立的看待，如图4 1 所示。但在实际工程应用中，大电流互感器经常是三相运行如图4 2 所示或六相 运行。运行环境是否严重影响电流互感器的测量精度主要与被测电流的幅值有关。 如果一次侧电流在数百安培级别时，其对邻相的影响是可以忽略的；当相电流高 于千安培时，其中一相电流将影响其邻相的电流互感器的铁心磁通密度；当电流 达到上万安培级别时，屏蔽电流互感器铁心以避免邻相磁场的影响就非常有必要 的：当相电流达到兆安级别时，只有对铁心实行全屏蔽方式，且相与相之问的距 离必须相距很远，那图4 2 中的电流互感器的结构才可能实现屏蔽。现在对兆安 级别电流互感器的研究还只处于实验室研究水平。但是在多种情况下，用于供电 系统中的电流互感器是要接近兆安级别的。在传输线和发电站母线等中的电流已 经达到数千安培和数万安培等级，如果高压传输线和发电站母线发生相间直接短 路等严重故障时，通过l c t 的一次侧电流能达到额定电流的1 0 0 倍