互感器的性能试验及电磁兼容性研究

1、10KV_35KV互感器的性能试验及电磁兼容性研究摘要：本文在分析总结电子式电压/电流互感器现有技术和发展趋势的基础上，针对所使用的中压等级的场合，确定了以电阻分压器的原理测量电压和Rogowski线圈原理测量电流的电子式电压/电流互感器为研究对象，并完成了如下工作：选择了一种适合于中压电网测量且性能稳定的高压高阻型厚膜电阻器，从理论上分析了电阻分压器测量误差的来源，进行了相应的屏蔽设计,并制作了10kV和35kV互感器样机。关键词：电子式互感器，电阻分压器，屏蔽引言1第一章电磁式互感器工作原理及其弊端21.1电磁式互感器的工作原理21.2电磁式互感器的弊端3第二章电阻式电压互感器的性能试验3

2、2.1 主要技术参数和试验依据32.2 试验的实施与结果42.3 试验结论分析5第三章电磁兼容性设计63.1 电路板的抗干扰措施63.2 屏蔽73.3 电源抗干扰措施7总结7参考文献8引言目前电力系统多采用传统的电磁感应式电流互感器、电压互感器和电容式电压互感器实现对电压、电流信号的测量。电磁式互感器基于电磁感应原理工作，从1830年法拉第发现电磁感应定律，1882年第一台互感器设计出来以后，电磁式互感器经历了一百多年的发展，从铁心材料、制作工艺的不断改进，到为提高测量的准确度而采取的各种补偿措施，电磁式电压互感器已经发展到相当成熟的阶段。电磁式互感器具有在线性范围内测量准确度高、制造工艺成熟

3、、试验校验规范、有国家标准可以依据等优势，在很长的时间内适应了电力系统测量要求。但是电磁式互感器受其传感机理的限制，某些性能仍然无法令人满意，主要存在的问题如下：体积大、动态范围小、使用频带窄，电磁式电压互感器存在铁磁谐振，二次侧不能短路，电流互感器在很大的短路电流下磁饱和，二次侧不能开路，采用变压器油绝缘的互感器还存在爆炸危险。随着数字化技术、现代传感技术和微型计算机技术的综合应用，电工测量进一步向自动化、智能化方向迈进。电子式互感器是由一次电压或电流传感器、传输系统和转换器组成，用于传输正比于被测量的量，供给测量仪器仪表和保护或控制装置，其中信号的处理、传输依赖于电子技术。电子式互感器的输

4、出一般只有几伏，传统电磁型继电保护装置和二次测量及其自动装置需要大功率驱动，多年来制约着电子式互感器在电力系统中的应用。而随着微机保护技术和现代测量装置的发展，继保装置、二次测量及其自动装置不再需要大功率输入，为电子式电流互感器在电力系统中的应用扫开了障碍。第一章 电磁式互感器工作原理及其弊端电磁感应式的电压互感器（PT）和电流互感器（CT）是电力系统不可缺少的设备，主要用作电压、电流测量和继电保护的信号取样装置。为了准确反映电力系统电压、电流的变化情况，要求电力互感器一次电压、电流和二次电压、电流值能够在较大范围内保持线性关系，按照给定比例(变比)将一次侧的值缩小为二次侧的值。为了防止电力互

5、感器一次侧高电压系统与二次设备有电的直接联系，互感器的一次侧与二次侧必须隔离，并在二次侧设置安全接地以保护人身和二次设备安全。1.1 电磁式互感器的工作原理电磁式电压互感器（PT）原理图如图1.1所示，它是一种将高电压变换为低电压的电气设备，一次绕组与高压系统的一次回路并联，二次绕组则与二次设备的负载并联。PT基于电磁感应原理工作，正常运行时其二次负载基本不变，电流很小，接近于空载状态。一般的PT包括测量级和保护级，其基本结构为：一次线圈和二次线圈分别绕在铁心上，在两个线圈之间和线圈与铁心之间都有绝缘隔离。电力系统用的三线圈电压互感器，除了上述的一次线圈和二次线圈外，还有一个零序电压线圈，用来

6、接继电器。在线路出现单相接地故障时，线圈中产生的零序电压使继电器动作，切断线路，以保护线路中的发电机和变压器等贵重设备。电磁式电流互感器（CT）原理图如图1.2所示，它是一种将高压电网大电流变换为小电流的电气设备，一次绕组串联在高压系统的一次回路内，二次绕组则与二次设备的负载相串联。CT也是基于电磁感应的原理工作，但是它的二次负载阻抗很小，接近于短路状态。 图1.1 PT的原理图 图 1.2 CT的原理图电流互感器也分为测量用与保护用两类，基本结构和PT相似，一次线圈、二次线圈分别绕在铁心上，两个线圈之间及线圈与铁心之间有绝缘隔离。根据电力系统要求切除短路故障和继电保护动作时间的快慢，保护用电

7、流互感器分为稳态保护用与暂态保护用两种，前者用于电压比较低的电网中，称为一般保护用电流互感器；后者则用于高压超高压线路上。1.2 电磁式互感器的弊端PT和CT因为带有电感线圈和铁磁材料，故频带不宽，线性范围窄。系统发生短路故障时，短路电流将使CT的铁心饱和，二次侧信号波形发生畸变。PT二次侧直接与电压表连接，相当于运行在变压器的空载状态，短路会引起很大的短路电流，使用中不允许短路；CT二次侧直接与负载和电流表连接，相当于运行在变压器的短路状态，二次侧开路会引起很高电压，使用中不允许开路。电磁式互感器都有一定的额定容量，从电力网中消耗功率，成为系统的负载，存在负荷分担问题。而PT存在的最为严重的

8、问题是可能出现铁磁谐振：PT的铁心电感和系统的电容元件由于感抗与容抗的交换，组成许多复杂的振荡回路，如果满足一定的条件，就可能激发起持续时间较长的铁磁谐振，这种谐振现象，某些元件的电压过高危及设备的绝缘，同时可能在非线性电感元件中产生很大的过电流，使电感线圈引起温度升高，击穿绝缘，以致烧损。我国3220kV电网，不论中性点接地方式如何，都曾发生过由于电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压。第二章 电阻式电压互感器的性能试验2.1 主要技术参数和试验依据电阻式电压互感器设计有10kV和35kV两个电压等级，它们的主要技术参数有：1、额定电压：10/3 kV；35/3 kV2、设备最高电压：12

9、kV；40.5 kV3、额定频率：50Hz4、准确度等级：计量0.2级保护3P5、额定二次输出电压：6.5/3 V试验依据：1、国际标准IEC 60044-7电子式电压互感器2、国家标准GB 1207-1997电压互感器GB 311。1-1997高压输变电设备的绝缘配合2.2 试验的实施与结果对电阻式电压互感器的试验共分2个阶段：1、实验室阶段。这一阶段主要是进行传感器部分的线性度、角差和稳定性试验。通过试验，考核所设计的传感器能否可能达到测量0.2级，保护3P的准确度。2、委托试验阶段。这一阶段的试验在武汉高压研究所进行。测试内容包括误差试验、绝缘性能等，以确定达到测量0.2级，保护3P的准

10、确度。下面先对在实验室所做试验作介绍，再介绍型式试验情况，然后最后对互感器的性能以及存在的问题进行总结和分析。PT为标准电压互感器，准确度0。05。EVT为被校验的电阻式电压互感器（包含信号处理电路）。标准电压互感器测量线圈的输出送入6位半数字万用表V1，被校验电压互感器的输出送入数字万用表V2，两个数字万用表型号相同，准确度为0.05，同时读取两个电压值U1和U2，此处定义分压比为：其中K1是标准电压互感器的变比，K1350。定义分压比的相对误差为：其中K0为实际施加接近于额定电压时的分压比。对电压互感器进行的线性度实验，间隔一段时间先后两次测量2UN120UN范围内的分压比。两次测量的电压

11、百分比-分压比相对误差曲线如下，其中电压百分比是实际施加电压与额定电压的比值。该互感器不能与传统电压互感器校验装置接口。在武汉高压研究所进行的角差、比差测试时，采用该所研制的GHJ-H型光电式互感器校验仪。试验变压器产生试验电压，这个高电压经过准确度为0.05的标准电压互感器PT和准确度为十万分之一的精密感应分压器GDZ-I后，产生标准电压信号UN，被校验的电子式电压互感器EVT的输出信号经过后续电子线路信号处理模块的放大、相位补偿之后，得到电压信号UX，两个信号同时送入校验仪，校验仪显示两者的比差、角差以及试验电压与于额定电压的百分比。根据IEC 60044-7电子式电压互感器的要求，对于0

12、.2级的电子式电压互感器，要求如下：根据IEC标准的定义：电压误差相位差式中：K n为额定电压比，U p为实际一次电压，Us为测量条件下施加Up时的实际二次电压。测试结果说明，所研制的电压互感器样机达到测量0.2级、保护3P的准确度要求，并具有良好的稳定性。一次部分绝缘性能试验后，10kV样机复核了准确度，满足标准要求。二、一次部分绝缘性能试验除准确度试验外，还在武汉高压研究所进行了绝缘性能测试、二次端子短路测试和二次设备工频耐压测试。具体内容如下：1、工频耐受电压试验对于10kV互感器，一次端子对地施加42kV工频试验电压，持续时间60秒，通过。对于35kV互感器，一次端子对地施加95kV工

13、频试验电压，持续时间60秒，通过。2、局部放电测量：对于10kV互感器，预加电压34kV，持续时间60s，然后电压降至8.3kV下测量局部放电量，要求20pC。实际测量到的局部放电量为2pC，通过。对于35kV互感器，预加电压76kV，持续时间60s，然后电压降至28kV下测量局部放电量，要求20pC。实际测量到的局部放电量为2pC，通过。3、雷电冲击全波、截波耐压试验对于10kV互感器，雷电冲击全波试验电压75kV，正负极性各15次，通过。雷电冲击截波试验电压86kV，负极性3次，通过。对于35kV互感器，雷电冲击全波试验电压200kV，正负极性各15次，未通过。雷电冲击截波试验电压220k

14、V，负极性3次。进行雷电冲击全波试验时，试品被击穿。4、二次设备耐受电压试验1）短路试验在额定电压下，二次电压输出端短路60s，无损伤。2）二次设备工频电压耐受能力输入、输出及电源端子对机壳之间施加工频电压2kV，持续时间60s，无损伤。2.3 试验结论分析1、10kV、35kV电阻式互感器测量的准确度均达到0.2级，保护准确度达到3P的要求。表明在样机的结构、屏蔽及绝缘的设计，可以使其测试性能很好的符合使用要求。2、样机在实验室内通过直读法和间隔一段时间重复测量的方法，进行了稳定性实验。试验表明互感器的稳定性良好。3、10kV互感器顺利通过了工频耐压试验、雷电冲击（全波和截波）试验、局部放电

15、试验等绝缘性能试验，表明样机的绝缘设计合理，工艺设计可行。35kV互感器通过了工频耐压试验、局部放电试验，但是没有通过雷电冲击全波和截波试验。10kV互感器样机高压臂串连2个电阻，35kV样机高压臂串连5个电阻。单个电阻元件的阻值、最大工作电压、功率完全相同。10kV互感器样机通过了雷电冲击截波试验，试验电压为86kV，则单个电阻元件上可承受43kV的冲击电压。如考虑电场分布不均匀，靠近高压端的电阻所承受的电压还要高于此值。按此推算，35kV互感器应能承受43kV×5=213kV的雷电冲击电压。但是试验中35kV的互感器未能承受200kV的雷电全波冲击电压。经检查，发现与高压端直接相

16、连的电阻器被击穿。第三章 电磁兼容性设计随着各种电子电路和电力电子技术在社会生活各个领域日益广泛的应用，电磁兼容已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。国家标准GB/T4365-1995电磁兼容术语对电磁兼容（Electromangnetic Compatibility简称EMC）所下的定义为：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括两个方面的含义：1.电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备乃至相邻几个系统，它们在自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。2.该设备或系

17、统自身产生的电磁噪声（Electromangnetic Noise简称EMN）必须限制在一定的电平，使由它造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行。任何电磁兼容问题都包含三个要素，即电磁干扰源、敏感器和耦合路径，解决电磁兼容问题要从此三要素着手，控制干扰源的电磁辐射、抑制电磁干扰传播途径以及增强敏感器的抗干扰能力。在实际的电力系统中，电磁环境已经确定，所以主要应从考虑切断干扰耦合途径和提高设备抗扰度两方面实现电磁兼容。3.1 电路板的抗干扰措施互感器中包含进行信号处理的二次电路，同一块电路板中包含电流互感器和电压互感器的信号处理单元。因此，要减少PCB板

18、与外界电磁环境、PCB板之间以及同一PCB板不同电路单元之间的电磁干扰，并增强PCB板对外界干扰的抵抗能力，必须采用相应的抗干扰措施。依据印制电路板可靠性设计的一些通用原则，在互感器PCB板布线、布局设计中，视具体电路采取的抗干扰措施有：地线网络通过整个PCB板敷铜构成，减小了地线阻抗，而且将电源线与地线所包围的面积减到最小，减小外界电磁场切割环路产生的电磁干扰。布线时尽量加粗和缩短电源线，以减小环路电阻。信号线、电源线分开。每个运算放大器芯片的正负电源和地线间都配有去耦电容。互感器所用PCB板均为双面板，尽量采用井字形网状布线结构，板的一面横向布线，另一面纵向布线，交叉处用过孔相连。避免信号

19、线与地线及电源线的交叉。在信号线之间设置一根接地的印制线。没有出现印制导线的不连续性，导线的拐角大于90度。正常工作时，运算放大器同、反相输入端之间的电位差不会超过几毫伏，所以二极管D1和D2不导通。当过电压沿输入线侵入时，TVS快速钳位，将输入电压限幅，然后D1和D2导通，将运放输入端的电压限幅在其导通电压±0。7V左右，保护电路输入端不受过电压危害。破坏性的过电压有时也可能通过运算放大器的输出端侵入电路，因此电路输出端也应进行保护，保护电路和输入端保护相同。3.2 屏蔽屏蔽即是用屏蔽体将需要屏蔽的器件或设备包围起来，经过屏蔽体的电磁场被反射和吸收而衰减，对被屏蔽器件或设备的影响减

20、小到允许水平以下。屏蔽按其作用机理可以分为三类:电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。电场屏蔽主要用于消除容性耦合，磁场屏蔽主要用于抑制感性耦合，电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，如果屏蔽接地，则还可以起到静电屏蔽的作用。1) 低压侧电子设备的屏蔽低压侧的电子设备布置在采用良好导磁材料制成的机箱中，箱体能提供一定程度的屏蔽。但由于电缆的接入使箱体变得不连续，阻断了涡流的通路，屏蔽效果降低，因此尽量避免或减小屏蔽体的开缝，为取得良好的屏蔽效果，在开缝处用螺丝接合件、接地衬垫或导电圈使整个开缝长度有可靠的电接触。为了提高系统的静电防护能力，在机箱外表面涂附绝缘漆，电路板和机壳之间留有足够距离以免缝隙过

21、窄而形成静电放电。2) 信号线的屏蔽本文所设计的互感器输出为模拟信号，对于PT、CT的信号传输线均采用屏蔽双绞线。屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜或金属编织网，即屏蔽层。采用屏蔽电缆对削弱静电耦合和电磁耦合都有明显的效果。骚扰源对敏感电路的单芯屏蔽线的骚扰，是通过骚扰源导线与单芯屏蔽线屏蔽层间的耦合电容，以及屏蔽层与芯线间的耦合电容实现的。3.3 电源抗干扰措施互感器低压侧电子电路的工作电源由交流电网（220V/50Hz）提供，电网中存在各种骚扰信号，有两种来源：一为雷电冲击或切合大容量感性负载造成电源瞬间欠压、过载，产生的尖峰、浪涌干扰等；二为电网中的谐波高频干扰。这些干扰会通过电源

22、线传入电子线路，干扰电路的正常工作。一般说来，系统故障有1/31/2来自于电源。为了考核电子设备对电源干扰的抵抗能力，电磁兼容试验项目中针对低压侧工作电源进行的主要有：射频场感应的传导骚扰抗扰度试验、低压电网电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验、浪涌（冲击）抗扰度试验和电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。互感器低压侧电子线路采用开关电源供电，因为开关电源的输出带有一定纹波，对电子线路造成高频干扰，所以电源抗干扰设计非常重要。采取的措施有装设输入滤波电路、输出滤波电路，在输入端还装设有压敏电阻。总结电压互感器和电流互感器是电力系统中的基础设备之一，其准确度及可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关。多年以来，在中低压等级的电网中广泛使用电磁式电力互感器进行计量和保护。电磁式互感器受其传感机理的限制，存在着自身难以克服的缺点，同时难以适应电力系统向数字化、智能化发展的