1、10KV_35KV互感器的性能試驗及電磁兼容性研究摘要：本文在分析總結電子式電壓/電流互感器現有技術和發展趨勢的基礎上，針對所使用的中壓等級的場合，確定了以電阻分壓器的原理測量電壓和Rogowski線圈原理測量電流的電子式電壓/電流互感器為研究對象，并完成了如下工作：選擇了一種適合于中壓電網測量且性能穩定的高壓高阻型厚膜電阻器，從理論上分析了電阻分壓器測量誤差的來源，進行了相應的屏蔽設計,并制作了10kV和35kV互感器樣機。關鍵詞：電子式互感器，電阻分壓器，屏蔽引言1第一章電磁式互感器工作原理及其弊端21.1電磁式互感器的工作原理21.2電磁式互感器的弊端3第二章電阻式電壓互感器的性能試驗3

2、2.1 主要技術參數和試驗依據32.2 試驗的實施與結果42.3 試驗結論分析5第三章電磁兼容性設計63.1 電路板的抗干擾措施63.2 屏蔽73.3 電源抗干擾措施7總結7參考文獻8引言目前電力系統多采用傳統的電磁感應式電流互感器、電壓互感器和電容式電壓互感器實現對電壓、電流信號的測量。電磁式互感器基于電磁感應原理工作，從1830年法拉第發現電磁感應定律，1882年第一臺互感器設計出來以后，電磁式互感器經歷了一百多年的發展，從鐵心材料、制作工藝的不斷改進，到為提高測量的準確度而采取的各種補償措施，電磁式電壓互感器已經發展到相當成熟的階段。電磁式互感器具有在線性范圍內測量準確度高、制造工藝成熟

3、、試驗校驗規范、有國家標準可以依據等優勢，在很長的時間內適應了電力系統測量要求。但是電磁式互感器受其傳感機理的限制，某些性能仍然無法令人滿意，主要存在的問題如下：體積大、動態范圍小、使用頻帶窄，電磁式電壓互感器存在鐵磁諧振，二次側不能短路，電流互感器在很大的短路電流下磁飽和，二次側不能開路，采用變壓器油絕緣的互感器還存在爆炸危險。隨著數字化技術、現代傳感技術和微型計算機技術的綜合應用，電工測量進一步向自動化、智能化方向邁進。電子式互感器是由一次電壓或電流傳感器、傳輸系統和轉換器組成，用于傳輸正比于被測量的量，供給測量儀器儀表和保護或控制裝置，其中信號的處理、傳輸依賴于電子技術。電子式互感器的輸

4、出一般只有幾伏，傳統電磁型繼電保護裝置和二次測量及其自動裝置需要大功率驅動，多年來制約著電子式互感器在電力系統中的應用。而隨著微機保護技術和現代測量裝置的發展，繼保裝置、二次測量及其自動裝置不再需要大功率輸入，為電子式電流互感器在電力系統中的應用掃開了障礙。第一章 電磁式互感器工作原理及其弊端電磁感應式的電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）是電力系統不可缺少的設備，主要用作電壓、電流測量和繼電保護的信號取樣裝置。為了準確反映電力系統電壓、電流的變化情況，要求電力互感器一次電壓、電流和二次電壓、電流值能夠在較大范圍內保持線性關系，按照給定比例(變比)將一次側的值縮小為二次側的值。為了防止電力互

5、感器一次側高電壓系統與二次設備有電的直接聯系，互感器的一次側與二次側必須隔離，并在二次側設置安全接地以保護人身和二次設備安全。1.1 電磁式互感器的工作原理電磁式電壓互感器（PT）原理圖如圖1.1所示，它是一種將高電壓變換為低電壓的電氣設備，一次繞組與高壓系統的一次回路并聯，二次繞組則與二次設備的負載并聯。PT基于電磁感應原理工作，正常運行時其二次負載基本不變，電流很小，接近于空載狀態。一般的PT包括測量級和保護級，其基本結構為：一次線圈和二次線圈分別繞在鐵心上，在兩個線圈之間和線圈與鐵心之間都有絕緣隔離。電力系統用的三線圈電壓互感器，除了上述的一次線圈和二次線圈外，還有一個零序電壓線圈，用來

6、接繼電器。在線路出現單相接地故障時，線圈中產生的零序電壓使繼電器動作，切斷線路，以保護線路中的發電機和變壓器等貴重設備。電磁式電流互感器（CT）原理圖如圖1.2所示，它是一種將高壓電網大電流變換為小電流的電氣設備，一次繞組串聯在高壓系統的一次回路內，二次繞組則與二次設備的負載相串聯。CT也是基于電磁感應的原理工作，但是它的二次負載阻抗很小，接近于短路狀態。 圖1.1 PT的原理圖 圖 1.2 CT的原理圖電流互感器也分為測量用與保護用兩類，基本結構和PT相似，一次線圈、二次線圈分別繞在鐵心上，兩個線圈之間及線圈與鐵心之間有絕緣隔離。根據電力系統要求切除短路故障和繼電保護動作時間的快慢，保護用電

7、流互感器分為穩態保護用與暫態保護用兩種，前者用于電壓比較低的電網中，稱為一般保護用電流互感器；后者則用于高壓超高壓線路上。1.2 電磁式互感器的弊端PT和CT因為帶有電感線圈和鐵磁材料，故頻帶不寬，線性范圍窄。系統發生短路故障時，短路電流將使CT的鐵心飽和，二次側信號波形發生畸變。PT二次側直接與電壓表連接，相當于運行在變壓器的空載狀態，短路會引起很大的短路電流，使用中不允許短路；CT二次側直接與負載和電流表連接，相當于運行在變壓器的短路狀態，二次側開路會引起很高電壓，使用中不允許開路。電磁式互感器都有一定的額定容量，從電力網中消耗功率，成為系統的負載，存在負荷分擔問題。而PT存在的最為嚴重的

8、問題是可能出現鐵磁諧振：PT的鐵心電感和系統的電容元件由于感抗與容抗的交換，組成許多復雜的振蕩回路，如果滿足一定的條件，就可能激發起持續時間較長的鐵磁諧振，這種諧振現象，某些元件的電壓過高危及設備的絕緣，同時可能在非線性電感元件中產生很大的過電流，使電感線圈引起溫度升高，擊穿絕緣，以致燒損。我國3220kV電網，不論中性點接地方式如何，都曾發生過由于電壓互感器鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過電壓。第二章 電阻式電壓互感器的性能試驗2.1 主要技術參數和試驗依據電阻式電壓互感器設計有10kV和35kV兩個電壓等級，它們的主要技術參數有：1、額定電壓：10/3 kV；35/3 kV2、設備最高電壓：12

9、kV；40.5 kV3、額定頻率：50Hz4、準確度等級：計量0.2級保護3P5、額定二次輸出電壓：6.5/3 V試驗依據：1、國際標準IEC 60044-7電子式電壓互感器2、國家標準GB 1207-1997電壓互感器GB 311。1-1997高壓輸變電設備的絕緣配合2.2 試驗的實施與結果對電阻式電壓互感器的試驗共分2個階段：1、實驗室階段。這一階段主要是進行傳感器部分的線性度、角差和穩定性試驗。通過試驗，考核所設計的傳感器能否可能達到測量0.2級，保護3P的準確度。2、委托試驗階段。這一階段的試驗在武漢高壓研究所進行。測試內容包括誤差試驗、絕緣性能等，以確定達到測量0.2級，保護3P的準

10、確度。下面先對在實驗室所做試驗作介紹，再介紹型式試驗情況，然后最后對互感器的性能以及存在的問題進行總結和分析。PT為標準電壓互感器，準確度0。05。EVT為被校驗的電阻式電壓互感器（包含信號處理電路）。標準電壓互感器測量線圈的輸出送入6位半數字萬用表V1，被校驗電壓互感器的輸出送入數字萬用表V2，兩個數字萬用表型號相同，準確度為0.05，同時讀取兩個電壓值U1和U2，此處定義分壓比為：其中K1是標準電壓互感器的變比，K1350。定義分壓比的相對誤差為：其中K0為實際施加接近于額定電壓時的分壓比。對電壓互感器進行的線性度實驗，間隔一段時間先后兩次測量2UN120UN范圍內的分壓比。兩次測量的電壓

11、百分比-分壓比相對誤差曲線如下，其中電壓百分比是實際施加電壓與額定電壓的比值。該互感器不能與傳統電壓互感器校驗裝置接口。在武漢高壓研究所進行的角差、比差測試時，采用該所研制的GHJ-H型光電式互感器校驗儀。試驗變壓器產生試驗電壓，這個高電壓經過準確度為0.05的標準電壓互感器PT和準確度為十萬分之一的精密感應分壓器GDZ-I后，產生標準電壓信號UN，被校驗的電子式電壓互感器EVT的輸出信號經過后續電子線路信號處理模塊的放大、相位補償之后，得到電壓信號UX，兩個信號同時送入校驗儀，校驗儀顯示兩者的比差、角差以及試驗電壓與于額定電壓的百分比。根據IEC 60044-7電子式電壓互感器的要求，對于0

12、.2級的電子式電壓互感器，要求如下：根據IEC標準的定義：電壓誤差相位差式中：K n為額定電壓比，U p為實際一次電壓，Us為測量條件下施加Up時的實際二次電壓。測試結果說明，所研制的電壓互感器樣機達到測量0.2級、保護3P的準確度要求，并具有良好的穩定性。一次部分絕緣性能試驗后，10kV樣機復核了準確度，滿足標準要求。二、一次部分絕緣性能試驗除準確度試驗外，還在武漢高壓研究所進行了絕緣性能測試、二次端子短路測試和二次設備工頻耐壓測試。具體內容如下：1、工頻耐受電壓試驗對于10kV互感器，一次端子對地施加42kV工頻試驗電壓，持續時間60秒，通過。對于35kV互感器，一次端子對地施加95kV工

13、頻試驗電壓，持續時間60秒，通過。2、局部放電測量：對于10kV互感器，預加電壓34kV，持續時間60s，然后電壓降至8.3kV下測量局部放電量，要求20pC。實際測量到的局部放電量為2pC，通過。對于35kV互感器，預加電壓76kV，持續時間60s，然后電壓降至28kV下測量局部放電量，要求20pC。實際測量到的局部放電量為2pC，通過。3、雷電沖擊全波、截波耐壓試驗對于10kV互感器，雷電沖擊全波試驗電壓75kV，正負極性各15次，通過。雷電沖擊截波試驗電壓86kV，負極性3次，通過。對于35kV互感器，雷電沖擊全波試驗電壓200kV，正負極性各15次，未通過。雷電沖擊截波試驗電壓220k

14、V，負極性3次。進行雷電沖擊全波試驗時，試品被擊穿。4、二次設備耐受電壓試驗1）短路試驗在額定電壓下，二次電壓輸出端短路60s，無損傷。2）二次設備工頻電壓耐受能力輸入、輸出及電源端子對機殼之間施加工頻電壓2kV，持續時間60s，無損傷。2.3 試驗結論分析1、10kV、35kV電阻式互感器測量的準確度均達到0.2級，保護準確度達到3P的要求。表明在樣機的結構、屏蔽及絕緣的設計，可以使其測試性能很好的符合使用要求。2、樣機在實驗室內通過直讀法和間隔一段時間重復測量的方法，進行了穩定性實驗。試驗表明互感器的穩定性良好。3、10kV互感器順利通過了工頻耐壓試驗、雷電沖擊（全波和截波）試驗、局部放電

15、試驗等絕緣性能試驗，表明樣機的絕緣設計合理，工藝設計可行。35kV互感器通過了工頻耐壓試驗、局部放電試驗，但是沒有通過雷電沖擊全波和截波試驗。10kV互感器樣機高壓臂串連2個電阻，35kV樣機高壓臂串連5個電阻。單個電阻元件的阻值、最大工作電壓、功率完全相同。10kV互感器樣機通過了雷電沖擊截波試驗，試驗電壓為86kV，則單個電阻元件上可承受43kV的沖擊電壓。如考慮電場分布不均勻，靠近高壓端的電阻所承受的電壓還要高于此值。按此推算，35kV互感器應能承受43kV×5=213kV的雷電沖擊電壓。但是試驗中35kV的互感器未能承受200kV的雷電全波沖擊電壓。經檢查，發現與高壓端直接相

16、連的電阻器被擊穿。第三章 電磁兼容性設計隨著各種電子電路和電力電子技術在社會生活各個領域日益廣泛的應用，電磁兼容已成為現代電氣工程設計和研究人員在設計過程中必須考慮的問題。國家標準GB/T4365-1995電磁兼容術語對電磁兼容（Electromangnetic Compatibility簡稱EMC）所下的定義為：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。它包括兩個方面的含義：1.電子設備或系統內部的各個部件和子系統、一個系統內部的各臺設備乃至相鄰幾個系統，它們在自己所產生的電磁環境及在它們所處的外界電磁環境中，能按原設計要求正常運行。2.該設備或系

17、統自身產生的電磁噪聲（Electromangnetic Noise簡稱EMN）必須限制在一定的電平，使由它造成的電磁干擾不致對它周圍的電磁環境造成嚴重的污染和影響其他設備或系統的正常運行。任何電磁兼容問題都包含三個要素，即電磁干擾源、敏感器和耦合路徑，解決電磁兼容問題要從此三要素著手，控制干擾源的電磁輻射、抑制電磁干擾傳播途徑以及增強敏感器的抗干擾能力。在實際的電力系統中，電磁環境已經確定，所以主要應從考慮切斷干擾耦合途徑和提高設備抗擾度兩方面實現電磁兼容。3.1 電路板的抗干擾措施互感器中包含進行信號處理的二次電路，同一塊電路板中包含電流互感器和電壓互感器的信號處理單元。因此，要減少PCB板

18、與外界電磁環境、PCB板之間以及同一PCB板不同電路單元之間的電磁干擾，并增強PCB板對外界干擾的抵抗能力，必須采用相應的抗干擾措施。依據印制電路板可靠性設計的一些通用原則，在互感器PCB板布線、布局設計中，視具體電路采取的抗干擾措施有：地線網絡通過整個PCB板敷銅構成，減小了地線阻抗，而且將電源線與地線所包圍的面積減到最小，減小外界電磁場切割環路產生的電磁干擾。布線時盡量加粗和縮短電源線，以減小環路電阻。信號線、電源線分開。每個運算放大器芯片的正負電源和地線間都配有去耦電容。互感器所用PCB板均為雙面板，盡量采用井字形網狀布線結構，板的一面橫向布線，另一面縱向布線，交叉處用過孔相連。避免信號

19、線與地線及電源線的交叉。在信號線之間設置一根接地的印制線。沒有出現印制導線的不連續性，導線的拐角大于90度。正常工作時，運算放大器同、反相輸入端之間的電位差不會超過幾毫伏，所以二極管D1和D2不導通。當過電壓沿輸入線侵入時，TVS快速鉗位，將輸入電壓限幅，然后D1和D2導通，將運放輸入端的電壓限幅在其導通電壓±0。7V左右，保護電路輸入端不受過電壓危害。破壞性的過電壓有時也可能通過運算放大器的輸出端侵入電路，因此電路輸出端也應進行保護，保護電路和輸入端保護相同。3.2 屏蔽屏蔽即是用屏蔽體將需要屏蔽的器件或設備包圍起來，經過屏蔽體的電磁場被反射和吸收而衰減，對被屏蔽器件或設備的影響減

20、小到允許水平以下。屏蔽按其作用機理可以分為三類:電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽。電場屏蔽主要用于消除容性耦合，磁場屏蔽主要用于抑制感性耦合，電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，如果屏蔽接地，則還可以起到靜電屏蔽的作用。1) 低壓側電子設備的屏蔽低壓側的電子設備布置在采用良好導磁材料制成的機箱中，箱體能提供一定程度的屏蔽。但由于電纜的接入使箱體變得不連續，阻斷了渦流的通路，屏蔽效果降低，因此盡量避免或減小屏蔽體的開縫，為取得良好的屏蔽效果，在開縫處用螺絲接合件、接地襯墊或導電圈使整個開縫長度有可靠的電接觸。為了提高系統的靜電防護能力，在機箱外表面涂附絕緣漆，電路板和機殼之間留有足夠距離以免縫隙過

21、窄而形成靜電放電。2) 信號線的屏蔽本文所設計的互感器輸出為模擬信號，對于PT、CT的信號傳輸線均采用屏蔽雙絞線。屏蔽電纜是在絕緣導線外面再包一層金屬薄膜或金屬編織網，即屏蔽層。采用屏蔽電纜對削弱靜電耦合和電磁耦合都有明顯的效果。騷擾源對敏感電路的單芯屏蔽線的騷擾，是通過騷擾源導線與單芯屏蔽線屏蔽層間的耦合電容，以及屏蔽層與芯線間的耦合電容實現的。3.3 電源抗干擾措施互感器低壓側電子電路的工作電源由交流電網（220V/50Hz）提供，電網中存在各種騷擾信號，有兩種來源：一為雷電沖擊或切合大容量感性負載造成電源瞬間欠壓、過載，產生的尖峰、浪涌干擾等；二為電網中的諧波高頻干擾。這些干擾會通過電源

22、線傳入電子線路，干擾電路的正常工作。一般說來，系統故障有1/31/2來自于電源。為了考核電子設備對電源干擾的抵抗能力，電磁兼容試驗項目中針對低壓側工作電源進行的主要有：射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗、低壓電網電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗、浪涌（沖擊）抗擾度試驗和電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗。互感器低壓側電子線路采用開關電源供電，因為開關電源的輸出帶有一定紋波，對電子線路造成高頻干擾，所以電源抗干擾設計非常重要。采取的措施有裝設輸入濾波電路、輸出濾波電路，在輸入端還裝設有壓敏電阻。總結電壓互感器和電流互感器是電力系統中的基礎設備之一，其準確度及可靠性與電力系統的安全、可靠、經濟運行密切相關。多年以來，在中低壓等級的電網中廣泛使用電磁式電力互感器進行計量和保護。電磁式互感器受其傳感機理的限制，存在著自身難以克服的缺點，同時難以適應電力系統向數字化、智能化發展的