第五章-电气测量技术

第五章电气测量技术2交流电气参量的测量技术：5.1交流高电压的测量方法5.2交流大电流的测量方法5.3频率、周期、相位、有效值（平均值）及功率的常用测量方法5.4电力设备绝缘参数的测量方法本章主要内容5.1交流高压的测量方法4交流高电压的测量方法电磁式电压互感器（PT）电容式互感器（CVT）光学电压传感器（OVT）5电磁式电压互感器（PT）1U1W2W0V电压互感器接入电路原理图W1—一次绕组匝数；W2—二次绕组匝数81104.4410EfW82204.4410EfW一、二次绕组上分别感应的电动势为：1122UEWKEW理想电压互感器变比为：111222NUNUEWKKUEW电磁式电压互感器简称PT（PotentialTransformer）或TV，其工作原理运用电磁感应原理原副边磁耦合将交流高压变为低电压6电磁式电压互感器技术参数绕组的额定电压及额定变比一次绕组额定电压是指加于三相电压互感器或三相系统线间用的单相电压互感器的一次绕组上的线电压，是绕组能够长期工作的电压，是电网的额定电压(如10kV，35kV，110kV，220kV，330kV，500kV，1000kV等)二次绕组额定电压是指三相电压互感器和供三相系统线间用的单相电压互感器二次绕组的长期工作电压，二次电压U2n的输出范围统一为0-100(或100/1.732，100/3)V零序电压绕组的额定电压是指供大电流接地系统用的电压互感器的零序电压绕组能长期工作的电压，规定为0-l00V7电磁式电压互感器技术参数准确度等级准确度等级一次绕组电压为一次额定电压的百分数(%)误差限值二次负载为额定负载的百分数(%)比差(%)角差(′)0.180～120士0.1士525～1000.280～120士0.2土100.585～115士05土2025～100185～115士1.0士4025～1003100士30未规定25～100电压互感器容许误差的极限值额定负载额定负载也叫额定容量，是按照其准确度等级制造的容量，是当二次电压为额定值时，规定允许接人的负载，通常用视在功率单位VA数表示。在额定二次负载下，电压互感器的误差应符合其准确度等级的规定8电磁式电压互感器测量误差分析1U1I1R2RbR1x2x1I0IaIrI0g0b1E2E1W2W02I2Ubx111ZRjx222ZRjxbbbZRjx110III11111UEIRjx22()abUIRjx电压互感器的等值电路图9电磁式电压互感器测量误差分析2O2U22Ir22IN22Ix2E101IN11IN22INm2E11Ir11Ix1U电压互感器变比、相角误差相量图122KU与一次电压1U大小不等，相位不重合，电压互感器存在比差与角差122111100100(%)UUuUUUKKUUfUUK12UKU100(%)UuKKfK比差fu以百分数来表示角差10电磁式电压互感器测量误差分析当电压互感器空载时%1001110UxIIaRfr'34381110UxIIrRa当负载为Zb时112222221212sin100%UbbRxIfRcosxUKK112222221212sincos3438'UbbRxIRxUKK11电磁式电压互感器测量误差分析电压互感器在现场实际运行时，只需测量出实际二次负载Zb及其功率因数角，即可计算出比差角差b0000.0291sin%NUNbNbbZffffcosZ00034.38sin'NUNbNbbZcosffZ12电磁式电压互感器的安装及使用电压互感器主要安装方式图（a）用于单相电压的测量。图（b）用于三相电压的测量，图（c）用于线电压的测量a)b)c)电压互感器在使用的时候要注意二次绕组不许短路13电容式互感器（CVT）1C2CiU+-+-OUV122CioCUUC电容式电压互感器原理电容式电压互感器简称CVT（CapacitorVoltageTransformers），主要利用电容器的分压作用将高电压按比例转换为低电压14电容式互感器（CVT）实际应用CVT主要由电容分压器（包括主电容器C1，分压电容器C2）、中间变压器（T）、补偿电抗器L、保护装置F及阻尼器D等元件组成11112CCC2CNX接载波装置FL1a1n2a2nDdadn220/3kVTCVT组成示意图CVT优点1.造价低（110kV及以上产品）；2.可兼顾电压互感器和电力线路载波耦合装置中的耦合电容器两种设备的功能；3.能可靠阻尼铁磁谐振；4.具备优良的瞬变响应特性等15电容式互感器（CVT）电容式电压互感器实物图16分压原理测量高电压的其他方式阻容分压1R2RiV放大器1C2C2222121211221()11RZjCRWjRRZZjCRjCR电阻分压1R2RiUoU+-122ioRRUUR17光学电压传感器（OVT）光学电压互感器（OpticalVoltageTransducer：OVT）又称为无源电子式电压传感器，采用的传感机理是晶体的线性电光效应（Pockels效应）。Pockels效应是指晶体在电场作用下，透过晶体的光发生双折射，这一双折射快慢轴之间的相位差与被测电压呈正比关系，将Pockels元件直接连接到被测电压的两端，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。OVT实现的技术关键是如何提高OVT的温度稳定性、长期运行的可靠性以及测量的精度。影响OVT稳定性与可靠性的主要取决于传感晶体和工作光源的温度特性以及传感头的加工和传光光纤的振动。5.2交流大电流的测量方法19交流大电流的测量方法电磁式电流互感器（CT）罗哥夫斯基（Rogowski）线圈光学电流传感（OCT）20电磁式电流互感器（CT）电磁式电流互感器简称CT（CurrentTransformer）或TA，用于交流大电流变为小电流，扩大交流电流表、功率表和电能表的量程1U1W2W0V21电磁式电流互感器（CT）1U1I1R2RbR1x2x0IaIrI0g0b1E2E2I2UbxBBHH把电阻、漏抗、励磁电流和铁芯损耗移至绕组外面的电流互感器等值电路图一次绕组阻抗111ZRjx二次绕组阻抗222ZRjxZ2换算到一次侧后的阻抗22122ZKZ1122WKW22221222()ZRjxkRjx221U1I1R2RbR1x2x0IaIrI0g0b12EE2I2Ubx1Z2ZbZ2211电流互感器T形等值电路电磁式电流互感器（CT）换算到一次侧后的二次电流和电压分别为：2212IKI2212UKU11111()UIRjxE22222()UZIRjx由等值电路图有23电磁式电流互感器（CT）根据能量守恒定律U1I1=E2I2U1为加于一次绕组两端的电压，它等于反电动势E1E1I1=E2I28114.4410mEfBSW8224.4410mEfBSWI1W1=I2W21122IWIW互感器的额定电流比(简称额定变比)12IWKW被测电流I1等于接在二次绕组的电流表读数I2乘以电流互感器额定电流变比22IIKI而故24电磁式电流互感器主要技术参数额定电流比指一次额定电流与二次额定电流之比1121005NNIKI额定容量是额定二次电流I2N通过二次额定负载Z2N时所消耗的视在功率S2N2222NNNSIZ额定电压是指一次绕组长期对地能够承受的最大电压(有效值)，它应不低于所接线路的额定相电压25电磁式电流互感器主要技术参数准确度等级：电流互感器变换电流总是存在着一定的误差，根据额定工作条件下所产生的变比误差规定了准确度等级准确度等级一次电流为额定电流的百分数(%)误差限值二次负载为额定负载的百分比数(%)比值差(士%)相角值（′）0.1510201001200.40.250.200.100.10151085525～1000.21020100～1200.50.350.2020151025～1000.51020100～1201.00.750.5060453025～10011020100～1202.01.51.0120906025～100350～1203.0未规定50～10026电磁式电流互感器误差分析理想电流互感器的一次安匝和二次安匝在数值上相等，在相位上相差180°1212IWIW12120IWIW实际的电流互感器工作时有励磁电流102102IWIWIW120120IWIWIW称为励磁安匝，是产生电流互感器误差的根源00IW27电磁式电流互感器误差分析电流互感器的相量图将折算后的二次电流旋转180°后与一次电流相比较两者不但大小不等，而且相位不相重合，即存在两种误差，称为比值误差f1和相位误差BDCA90()2I1I0IaIIFrI0Ob2bIR2bjIx22IR22jIx2U2E2I28电磁式电流互感器误差分析比值误差简称比差，用f1表示，它等于实际的二次电流与折算到二次侧的一次电流之间的差值，与折算到二次侧的一次电流的比值，以百分数表示%100100//1121111121IIIKKIKIIf12IKI%10011KKKf了计算上的方便，比差也可表示为%1001111211WIWIWIf29电磁式电流互感器误差分析相角误差简称角差，它是旋转180°后的二次电流相量与一次电流相量之间的相位差，用符号表示1通过作图法求比差角差以O为圆心，OB为半径，作圆弧交横轴于D点，AD即为相量与之间的算术差，即是电流互感器的绝对误差。再从B点向横坐标引一垂线与横轴交于C点，因角通常很小，用AC就可以近似地代替AD，于是求得11IW22IW10sin()ACIIa120sin()IIIa1222WIIW011sin()100%IfaI由于OF=AC，比差还可以表示为000111coscos(90)cossin100100(%)rrIaIaIaIafII由于比差30电磁式电流互感器误差分析三角形OBC中有0111cos()sinBCIIaII通常很小，111sin011cos()3438()IaI由于EF=BC，角差也可以表示为11cossin3438()raIaIaI上述表示式表明，电流互感器的比差与角差与励磁电流的两个分量Ia、Ir大小有关，且与角a和角有关角为损耗角式中角a与负荷功率因数角b大小有关；31电磁式电流互感器的安装及使用电流互感器变比相角误差测量图图（a）用于单相电流的测量。图（b）用于三相电流的测量，图（c）用于不平衡电流的测量电磁式电流互感器在使用时二次侧不允许开路当运行中电流互感器二次侧开路后，一次侧电流仍然不变，二次侧电流等于零，则二次电流产生的去磁磁通也消失了。这时，一次电流全部变成励磁电流，使互感器铁芯饱和，磁通也很高，将产生以下后果：（1）由于磁通饱和，其二次侧将产生数千伏高压，且波形改变，对人身和设备造成危害。（2）由于铁芯磁通饱和，使铁芯损耗增加，产生高热，会损坏绝缘。（3）将在铁芯中产生剩磁，使互感器比差和角差增大，失去准确性32罗哥夫斯基(Rogowski)线圈传统的电磁式电流互感器因其传感机理而出现不可克服的问题：1.绝缘结构日趋复杂，体积大，造价高；2.在故障电流下铁芯易饱和，使二次电