励磁机100Hz电流和电压的测量.doc

励磁机100Hz电流和电压的测量李自淳1，钱厚军2，符仲恩1，彭 辉1，余前军2，夏维珞1（1.中国科学院等离子体物理研究所科聚公司，安徽 合肥 230031；2.秦山核电公司，浙江 海盐 314300)摘 要 本文从电流互感器、交流电流表、电压互感器和交流电压表方面探讨了交流主励磁机定子100Hz（或更高频率）电流和电压测量的方法及原理。关键词 励磁机；100Hz；电流；电压；测量中图分类号 TM301.2 文献标识码 B 文章编号 1000-3983(2006)02-0000-00Measuring of Exciters 100Hz Current and VoltageLI Zi-chun1, QIAN Hou-jun2, FU Zhong-en1, PENG Hui1,YU Qian-jun2, XIA Wei-luo1(1.Institute of Plasma Physics, Academia Sinica, Ke Ju Co.,Hefei 230031,China;2.Qinshan Nuclear Power Co., Haiyan 314300,China)Abstract: This paper approaches the methods and principles for measuring the AC main exciters 100Hz (or higher frequency ) current and voltage in terms of current transformer, AC current meter, potential transformer and AC voltage meter.Key words: exciter；100Hz；current；voltage；measuring1 问题的提出目前大中型汽轮发电机广泛使用100Hz的中频交流主励磁机，其定子输出100Hz的三相正弦交流电压，经二极管不可控整流成直流电源供给发电机转子励磁。由于其定子输出的电流和电压频率为100Hz，并且电流的波形不是正弦波而是矩形波；而工业测量的电流 、电压互感器及交流电流、电压表均是按50Hz正弦波设计的，直接使用可能会带来误差或其它问题；专制特种的互感器及电表又会提高成本（因为使用量小），所以有必要对这个问题进行探讨。2 电流互感器的探讨电流互感器原理见图1。图中：I1 原边电流；I2 副边电流；U1 原边电压；U2 副边电压；W1 原边匝数；W2 副边匝数； 同时交链原副边的主磁通；Z 副边负载阻抗。再设：f 电源频率；I0 原边激磁电流；Rm 铁心磁路磁阻；B 铁心磁通密度；S 铁心截面积。其工作原理与变压器相似,可参阅电机学1，2相关内容，此不赘述。I1I2U1U2ZaW1W2XXA图1 电流互感器原理图2.1 铁心损耗铁心损耗包括磁滞和涡流两部分。根据电机学1的介绍，硅钢片的磁滞损耗ph与磁通的交变频率f 成正比，与磁通密度幅值Bm的平方成正比，即phfBm2，涡流损耗pw则与f 2Bm2成正比，即 pwf 2Bm2。通常把磁滞损耗和涡流损耗合在一起，称为铁心损耗 (铁损)p=ph+pw 。一般硅钢片的铁损pf1.4Bm2。对某一固定的互感器来说，铁心截面积S是固定不变的，而Bm=m/S，所以铁损pf1.4m2。由电机学1原理，忽略互感器绕组的电阻和漏磁电抗，可得：U2= I2 Z=4.44fW2m在同等条件下对比，即I2、Z、W2均不变，则f和m成反比(m1/f，m和分别为主磁通的最大值和有效值)。如f由50Hz升高为100Hz，则m降为原来的1/2，即f加倍而m减半，铁损p变为原来的21.40.52=2.640.25=0.66，即仅为原来的66%，铁损降低，发热减小。2.2 测量误差电流互感器的误差分为变比误差及相角误差，根据有关资料3，4介绍，这两种误差均与原边激磁电流I0成正比。从电机学得： 由于W1、W2和Rm均为固定常数，故I01/f，即I0与频率f成反比。如f从50Hz升高到100Hz，频率加倍，则I0减半，误差也减半。2.3 非正弦影响 以上分析均是在正弦交流电路中得出的，但整流交流电路中的电流I1不是正弦波，而是矩形波5，见图2。图中IL为发电机励磁电流(直流)。我们可以用富立叶级数把矩形波展开成一系列基波为100Hz（不含直流分量），包含很多高次谐波的正弦波电流之和，分别作用于电流互感器的原边，再把结果叠加。由以上2.1和2.2节分析可知，频率增高使铁损减小，误差减小。所以高次谐波电流产生的铁损和误差会更小。IL0-ILiAiBiCwtwtwtp2p图2 交流主励磁机定子三相电流波形图2.4 结论普通按50Hz正弦波电流设计制造的电流互感器，用于测量100Hz（或更高频率）的矩形波电流，其铁损及误差均减小。由于制造厂缺少100Hz(或更高频率)的矩形波交流电源和检验设备，做出厂检验只能按50Hz正弦波做。根据以上分析，用50Hz正弦波检验合格的电流互感器，用于100Hz（或更高频率）的矩形波电流测量，铁损及误差会更小，一般情况可直接应用。3 交流电流表的探讨3.1 理论分析目前常用的指针式交流电流表有整流式磁电系、电磁系和电动系三种4。整流式磁电系仪表把交流整流成直流测量，故频率影响较小，但波形肯定有影响。这是因为直流电表反映的是平均值，而交流测量要求反映有效值，不同波形的电流，其平均值与有效值的比例不同。电磁系和电动系仪表内都有测量线圈，而且交流电流直接通过该线圈。由于线圈的感抗与频率成正比，所以频率对读数的影响较大。电磁系仪表内还用铁磁材料产生偏转力矩，由于铁磁材料的磁滞和涡流现象均与频率有关，故频率的影响更大。非正弦波电流会产生一系列不同频率的高次谐波，故波形也会影响读数。总之，普通按50Hz正弦波电流设计制造检验的指针式交流电流表，用于100Hz（或更高频率）矩形波电流的测量，会产生额外的、不可控制的误差，不能直接应用。当然，现在已经有可以直接测量100Hz及以上频率的中频、任意波形电流和电压真有效值(数学均方根值而非乘特定系数的平均值)的数字电表，但其价格是普通指针表的20倍。如果要求指针式电表制造厂供应按100Hz（或更高频率）矩形波电流校验标定的特殊的非标电表，则由于制造厂缺少中频矩形波电源及校验用的标准表，订购量又小，一般均难以满足要求。3.2 自行标定100Hz指针表 这里介绍一种利用简单器材，将普通指针式“白板”电表（表面不带标尺刻度）标定成100Hz（或更高频率）、矩形波电流表的方法。3.2.1 中频电源 找一个三相交流、频率100Hz（或更高）、输出对称正弦波电压的电源。输出电流最好大于等于5A，如果不够大，可加电流互感器反接升流。 我们用的电源是K66型继电保护测试仪（一般电厂继保班可配有类似仪器）。它能输出01000Hz、0120V的三相对称正弦电压，但每相输出的最大电流为0.55A，应加接变比K10的电流互感器，反接升流到5A。3.2.2 试验接线K66 Ua继保测试仪UbUcNCTIATA1DTA2ILL图3 电流表标定试验原理接线图标定试验原理接线如图3所示。图中CT为三只同样变比K10 （如50/5）的低压电流互感器，原副边反接，起放大电流的作用；TA1为待标定的“白板”指针式交流电流表（量程5A）；D为6只整流二极管（3A/100V）组成的整流桥；TA2为标准直流电流表（0.5级以上，量程5A/10A两挡）；L为负载电感，可利用行灯变压器的低压绕组，额定电流5A以上，另一侧开路。3.2.3 试验原理按整流电路原理5，图3所示的三相不可控桥式全波整流电路带感性负载时，其交流侧电流波形如图2所示，图中IL即为直流侧的电流平均值。由于电感L的滤波作用，IL波形应为一平滑水平线。根据电工学中对“有效值”的定义，可以计算出交流侧电流的有效值式中IL即为标准表TA2的读数，IA即为待标定表TA1的标定值，可利用此关系，根据TA2的读数标定TA1的刻度。3.2.4 标定方法(1) 按图3接好线路。(2) 调整K66继保测试仪的交流电压输出，要求Ua 、Ub、Uc的相位差120，频率100Hz（或更高，按需要），幅值一致，波形正弦。(3) 调节输出电压的幅度，使TA2的读数分别为5/0.816=6.127（A），4/0.816=4.902（A），3/0.816=3.676（A），2/0.816=2.451（A），1/0.816=1.225（A）。(4) 在TA1表指针指示的相应位置划线，分别标定为5A、4A、3A、2A、1A。(5) 根据划线绘制刻度标尺，在划线间按比例细分刻度，并根据所配电流互感器的变比标示电流值。（如配3000/5的电流互感器，则应在5A刻度线上标“3kA”）。(6) 如标示值不为整数,也可根据电流互感器变比折算划线的标定电流，使标示值为整数，原理同上，灵活运用。4 电压互感器的探讨 电压互感器的原理与电流互感器基本一样，图1的表示同样适用于电压互感器，只是原边匝数应多于副边。2.1和2.2的 分析同样适用于电压互感器，而2.3节不适用于电压互感器，因为整流电路中交流侧的电压是正弦波，不存在非正弦问题。最后2.4节的结论同样适用于电压互感器，即普通按50Hz电压设计生产，检验合格的电压互感器，一般情况可以用于100Hz（或更高频率）的电压测量。5 交流电压表的探讨5.1 理论分析4.1节的分析完全适用于交流电压表，故此不再重复。5.2 自行标定100Hz指针表5.2.1 中频电源找一个三相交流、频率100Hz（或更高）、输出对称正弦波电压的电源,输出线电压有效值大于等于100V。3.2.1中选用的K66型继保测试仪可满足上述要求。5.2.2 试验接线-+RTV2UdUlDTV1UbUcN继保测试仪K66 Ua图4 电压表标定试验原理接线图标定试验原理接线如图4所示。图中TV1为待标定的“白板”指针式交流电压表（量程100V）；D为6只整流二极管（0.5A/300V）组成的整流桥；TV2为标准直流电压表（0.5级以上，量程150V/75V两挡）；R为负载电阻（1k/100W）。5.2.3 试验原理 按照整流电路原理5，图4所示的三相不可控桥式全波整流电路中，直流侧电压ud的波形如图5所示，它是交流侧三相线电压ul (uab、uac、ubc .)的包络线。每一个周期内包含6个同样的正弦波峰顶，所以只要对其中一个峰顶波用积分求平均值，即能得出ud的平均值。为便于计算，取uab的峰顶作平均值计算。从图5可得：uab=Ulm sint (其初相角0=0)式中：Ulm交流线电压峰值。设Ul为交流侧线电压的有效值，则。UlUd0wtuabuacubcubaucaucbuab图5 三相桥式全波整流直流电压及交流线电压的波形按电工学中对“平均值”的定义，可算出直流侧电压平均值：考虑整流桥二极管的正向压降，则Ud=1.35Ul-1.5式中Ud即为标准表TV2的读数，Ul即为待标定表TV1的标定值，可利用此关系，根据TV2的读数标定TV1的刻度。5.2.4 标定方法（1）按图4接好线路。（2）调整K66继保测试仪的交流电压输出，要求Ua、Ub、Uc的相位差120，频率100Hz（或更高，按需要），幅值一致，波形正弦。（3）调节输出电压的幅度，使TV2的读数分别为1001.35-1.5=133.5（V），801.35-1.5=106.5（V），601.35-1.5=79.5（V），401.35-1.5=52.5（V），201.35-1.5=25.5（V）。（4）在TV1表指针指示的相应位置划线，分别标定为100V、80V、60V、40V、20V 。（5）根据划线绘制刻度标尺，在划线间按比例细分刻度，并根据所配电压互感器的变比标示电压值（如配500/100的电压互感器，则应在100V刻度线上标“500V”）。（6）如标示值不为整数，可根据互感器变比折算重定划线的标定电压，原理同上，灵活应用。6 实测检验秦山核电公司310MW汽轮发电机主励磁机为100Hz中频同步发电机，其定子输出三相正弦交流电压不经互感器直接送中频数字电压表测量，三相交流电流经普通50Hz的电流互感器送中频数字电流表测量，同时有施耐德MT20H1型交流开关附件Micrologic 5.0A测控单元所测交流电流作对照，结果两者读数基本一致（误差0.1%），证明测量结果准确可信。三相交流电经过二极管全波桥式整流成直流电供给发电机励磁绕组，接线类似图4。在直流侧用1.5级指针式直流电表测励磁电压和电流，所有表计均检验合格。查阅现场检测记录，发现交流侧电流IA和直流侧电流IL的比值IA/IL0.816（理论值），此值与负荷大小有关，与负载性质有关，在短路试验时约为0.74，正常运行时约为0.78；直流侧电压Ud和交流侧电压Ul的比值Ud /Ul1.35（理论值），且也与负荷大小有关，约为1.27。分析以上结果，认为造成此偏差的原因并非因测量不准，而是因为实际电流和电压的波形和理论分析时不一样。如二极管全波桥式整流输出直流电压理论波形如图5所示，Ud /Ul =1.35的理论系数是按此波形计算而得。而实测波形差异甚大。图6所示为作者1989年在清河电厂8号机（200MW汽轮发电机，三机励磁系统）上用示波器摄录的励磁直流电压波形图。图中下方水平亮线为“零线”；电压标尺100V/格，时间标尺1ms/格，当时励磁直流电压表读数300V。从图中可看到交流电频率为100Hz（每周期10ms内6次换向），但波形和图5差异甚大。在实验室中用二极管三相全波桥式整流器输出到电感负载也可测到类似的波形。由于实际波形和理论有差异，所以交直流电压的转换系数有差异，电流也同样。图6 二极管整流励磁电压波形7 总结（1）根据电磁原理分析，在其他条件不变的前提下，增加频率将使互感器的磁通密度降低，因此会使铁损及误差均减小。故而普通按50Hz正弦波设计制造并检验合格的电