葛洲坝电厂电气测量系统

葛洲坝电厂电气测量系统主讲人：杨诗源电气测量系统是发电厂、变电站电气二次系统的一个重要组成部分。发电机、变压器及其它电气设备在不同状态的工作过程中都需要对相关电气参数进行实时测量。对设备的控制与调节也是以测量为前提来实现的，离开了正确的电气测量，对电气设备运行状态监视、工作过程控制、故障和异常情况处理以及经营结算、经济指标实现将无法进行，因此，任一电力系统的各个发电厂、变电站都设置了电气测量系统。测量方式通常是实时跟踪状态。一、发电机组电气测量部分1、发电机组转速的测量（间接测量方式）通过测量测速电机（永磁机）的电压而得到转速。测量原理图：永磁发电机转速表（测速电机）（交流电压表）u（图1）～n%测速电机是永磁正弦交流发电机（磁极为永久磁铁），磁通量m是常数。根据正弦交流发电机原理，有：U=4.44kwWfm(U为发电机端电压有效值）kw——发电机绕组系数（常数）；W——发电机绕组匝数（常数）；m——发电机磁极磁通量（常数）；f——发电机电压频率；U与频率f成正比（线性关系）因为：f=pn/60p——发电机磁极对数（常数）；所以：U与转速n成正比（线性关系），测得U，即测得发电机组转速。在发电机未加励磁电流时，只有通过上述方式才可测得机组转速。2、发电机励磁（转子）电流的测量发电机在工作过程中（未并入系统或并入系统）必须对励磁（转子）电流进行测量、控调。例如：进行并列操作或是并网运行过程中对发电机无功功率（功率因素）进行调整等要涉及到励磁（转子）电流的监测。对励磁（转子）电流进行测量有如下几种形式：a、采用“分流器”进行测量这是一种传统直流大电流的测量方式，它是将大电流通过“分流器”（线性电阻器）转换为“小电压”进行测量的。特点是测量电路结构简单、工作可靠、成本低廉。测量原理图如下：（图2）上述测量方式虽然简单、实用，但是由于测量部分与励磁回路在电气上无法隔离，使计算机或其它弱电自动化装置无法对励磁电流进行采样（因为采样回路直接接到75mV分流器两端则导致强电窜入到弱电系统，必然使得弱电系统不能正常工作甚至损坏，发电机励磁系统故障），因此励磁电流测量和对发电机工况的调整自动化程度就无法提高。为了克服上述测量方式无法与自动化系统配套、妨碍技术进步的“致命性”缺陷，在全厂进行了技术改进，又采取了如下两种测量方式。b、采用直流电流互感器进行测量直流电流互感器原理框图如下：（图3）互感器有三个绕组，它的磁环磁路设计为饱和工作状态。在励磁电流I2＝0时，加于磁环的正弦电压使磁环的磁路产生正弦磁通0，而对应的激磁电流是尖顶波，此时激磁电流i0正、负半波是对称的。当I2≠0时，在原有0基础上又叠加了一个直流磁通2，此时磁环磁通正、负半波饱和程度不一样，因此导致i0电流正、负半波不再对称（见图3），这样i0一个周期的平均值不再为零，且正、负半波最大值也不再相等，互感器的测控部件即可判断出有2的存在，设置的控调功能相应产生直流电流I1，I1通过绕组N1产生磁势I1N1去抵消励磁电流磁势I2N2（N2＝1），这样使磁环磁路直流磁通代数和为零，若I2增大，I1也成比例增大，反之亦然；I2方向改变，I1方向也随之改变。由此可见I1不仅能够成比例的对应I2，而且还能反映I1方向，因此I1的大小和方向就对应了励磁电流I2的大小和方向。I1就是这样“互感”出来的。从自动控制理论角度而言，直流互感器工作是一个“有差调节的动态平衡过程”。葛洲坝电厂1、2F（F：发电机）最大励磁电流（强励顶值电流）为3000A，所以N1设计为3000匝，即互感器变比是3000A/1A；3－21F最大励磁电流为2000A，N1设计为2000匝，互感器变比是2000A/1A。1A的二次电流仍然不满足自动化装置与计算机系统测量的“弱电化”要求，因此又设计了直流电流变换部件，将1A的直流电流变换成0－5V和0－1mA的弱电模拟量(见图3）。通过分析可以看出：直流电流互感器的所谓“互感”作用并不通常意义上的。直流电流互感器的基本工作原理是利用磁环磁路不对称饱和时交流激磁电流正、负半周波形不对称原理来反映是否有直流磁场以及产生该直流磁场直流电流的大小和方向的，这里的“互感”应理解为交、直流磁场的相互影响与叠加作用。正是由于利用了交、直流线圈（通过磁路）存在的相互“耦合”作用，使得被测量强电回路与测量它的弱电部分不再有电气上的联系，起到了隔离作用，保证了测量的“弱电化”，从而提高了对发电机励磁电流测量、控制、调节的自动化程度以及精度，同时也大大提高了处理测量回路故障的安全性。c、采用线性光隔离放大器进行测量（图4）这种测量方式原理框图如下。采用光隔离放大器同样实现了测量部分与强电回路（励磁系统）在电气上的隔离，达到了提高转子电流测量、控制、调节自动化程度的目的。3、发电机频率的测量a、采用变换式频率表进行测量变换式频率表的原理电路图如下。应该指出的是：这种测量方式只有在发电机转子通有励磁电流、发电机建立了电压，且机端电压不是很低的条件下才能正确进行测量。这种指针式频率表在发电机未并入系统、频率波动范围较大、波动较快情况下读数效果明显优于数字频率表，所以并不会被数字频率表取代。（图5）I2由于频率表的“表头”是直流磁电系毫安表（或微安表），所以它只能反映被测量的平均值，根据平均值的定义，有：TI1＝1/T∫i1dt0T≈1/T∫U2/R0e﹣(t/R0c0)dt0＝1/TU2C0＝U2C0f(忽略二极管D2动态电阻阻值并利用R0C0《T的条件）可见I1与发电机频率f成正比，这就是变换式频率表“变换”意义之所在（即将频率高低变化转换成了电流大小的变化）。电容器C0为高质量聚丙乙烯电容器，工作性能稳定，稳压二极管是双向具有温度补偿功能的稳压管，使得工作过程中环境条件在一定范围改变而U2的基本不会波动，不会存在大的附加误差，因此在一定程度保证了测量精度。这种类型频率表电路结构简单、成本低、自身消耗功率很小、工作可靠，因此在电力系统的发电厂、变电所被广泛使用。这种频率表是“无零位”式仪表，量限为45－55Hz,引入I2就是为了使f=45Hz时I1＝I2，通过表头总电流I＝0，指针不动（实际上是指针指向45Hz）。b、采用数字式频率表进行测量变换式频率表虽然有自身的优点，但测量精度不高，现场采用的这种频率表精度一般为5％，频率的小数部分只有靠估读，为提高精度，还设置了数字式频率表。数字式频率表原理框图如下:这是一种纯硬件构成的数字式频率表，为提高测量精度，设计了“锁相倍频环路（PLL）”这一关键部分，它能够将被测频率准确的扩大为100倍（f×100),这样通过显示单元小数点的定位，频率表就能够准确显示出带有两位小数的被测频率。数字式频率表在发电机并网运行条件下测量频率具有优越性，它与变换式频率表的优点互为补充。（图6）4、发电机定子电压的测量采用交流电压变送器进行测量采用交流电压变送器将发电机电压互感器（Kv=13.8kV/100V)二次侧电压（0－100V）变成0－5V弱电模拟量（供计算机及其它自动化装置采样）和0－1mA（作为弱电“表头”显示模拟量),既实现了测量“弱电化”，提高了测量精度及自动化程度，又减小了电压互感器二次负载，同时改善了测量系统工作的安全条件。因此变送器测量方式是电力系统普遍采用的一种方式。交流电压变送器原理框图如下：测量准确度为0.5级(即引用误差为:0.5%），通常工种误差在0.3%以下，相对传统电压表测量方式准确度有较大提高。送小VT(PT)或CT（图7）从原理框图可以看出，变送器测量准确度提高是靠以下技术手段来实现的。（1）变送器小VT（PT）自身准确度为1/10000（CT：1/1000);（2）采用有源线性全波整流器消除普通整流系仪表晶体二极管在被测量较小时存在的“死区”即非线性影响，改善测量线性度，从而提高准确度；（3）变送器输出到指示“表头”0－1mA模拟量以“恒流源”方式送出，使得流经“表头”的模拟电流大小不受“表头”内阻及其引线电阻值（在一定范围内）变化而改变，保证了准确性。5、发电机定子电流的测量a、采用交流电流表（串联在发电机电流互感器二次绕组）进行测量。这种测量方式是传统的交流大电流测量方式，不作赘述。b、采用交流电流变送器进行测量交流电流变送器原理框图与电压变送器原理框图基本相同（图7），除将小VT换成小CT以外，其它元、器件型号、参数、工作原理完全一样。6、发电机有功功率和无功功率的测量发电机有功功率、无功功率测量分别采用三相三线有功、无功功率变送器进行测量，为便于理解功率变送器原理框图，掌握变送器工作原理、方式，首先介绍（或复习）功率测量基本原理。（1）单相正弦交流电路隔离测量（见图8）（图8）按照电路原理，图8中功率表的示值应该是：P＝UICOS；其中：U是加于功率表电压端钮电压有效值；I是通过功率表电流端钮电流有效值；是电压与电流的相位差角（又称功率因素角或负载Z的阻抗角，=u-i=arctgX/R）；P的表达式表明:功率表的示值是：加于功率表电压端钮电压有效值、通过功率表电流端钮电流有效值以及二者夹角余弦值的连乘积。这是一个重要而实用的结论。（2）三相三线电路有功功率的测量对于三相电路，无论对称与否，均有：P＝PA＋PB＋PC其中：P是三相电路的功率；PA、PB、PC分别是A相、B相、C相的功率，按照功率基本定义与计算公式，有：PA＝uAiA,PB＝uBiB,PC=uCiC；则：P＝uAiA＋uBiB＋uCiC对于三相三线电路，uA、uB、uC三个相电压通常无从得到，线电压却总是已知的，必须将相电压用线电压代替，才能使三相功率测量成为可能。因为：iA+iB＋iC＝0（见图9）因此可以得到:iB＝－iA－iC；（将B相作为“自由相”）带入P的表达式，则：（图9）iciBiAucuBuAiAiBicuAuBuc“两表法”接线原理P＝（uA－uB）iA＋（uC－uB）iC＝uABiA＋uCBiC以上是利用线电压测量三相三线电路有功功率的基本表达式,根据表达式得到测量接线图（见图9），由于测量接线只用两个功率表，所以此方法为“两表法”（通常情况下，一只功率表的读数是无意义的）。由单相功率测量原理所得到的结论，接入A、C相电流的功率表示值应为：W1＝UABIAcos(30⁰+A)W2＝UcBIccos(30⁰-c)P＝W1＋W2若电路对称，则UAB＝UcB＝U，IA＝Ic＝I，A＝c＝；则：P＝1.732UICOS上述P的表达式是我们熟知的结论。应该指出的是：这种测量方式不论电路对称与否均能正确测量。（3）三相三线电路无功功率的测量“两表法”用于测量三相三线电路有功功率，因为这种接线方式功率表不仅能够反映被测电流、电压，还能正确反映有功功率因数（cos）。在测量无功功率就必须正确反映无功功率因数（sin),为此在“两表法”接线基础上作“变通”，使两只功率表成为“跨相90接线”方式（见图9）。仍然运用单相功率测量功率的结论，有：W1＝UBCIAcos(90⁰－A)＝UBCIAsinAW2＝UABIccos(90⁰-c)=UABIcsinc若电路对称，则UAB＝UBc＝U，IA＝Ic＝I，A＝c＝；则：W1+W2＝2UIsin而三相三线对称电路的无功功率应该是：Q＝1.732UIsin要正确计算出无功功率，就必须对两只功率表的读数之和（W1＋W2）乘以0.866这个修正系数进行修正，这个修正系数是“两表跨相90°法”接线方式所固有的。不予修正（W1＋W2）的值就必然出现结果的谬误。因此在得到（W1＋W2）值后，被测无功功率Q应是：Q＝0.866（W1＋W2）应该指出的是：“两表跨相90°法”是在测量有功功率的“两表法”基础上通过变通而派生出来的，没有切实的理论作为支撑，因此这种方法测量对称三相三线电路的无功功率是准确的，测量不对称三相三线电路的无功功率时则会产生“附加误差”，电路不对称程度越严重，附加误差越大。三相三线电路有功功率、无功功率变送器原理框图如图10所示。二阶有源低通