有源式电子电流互感器高压侧供能电路的设计研究毕业设计说明书.doc
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有源式电子电流互感器高压侧供能电路的设计研究毕业设计说明书.doc
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摘要
摘要
随着高压输电项目的开展,我国的电压等级向更高迈进。
以及电力系统朝大机组、高电压、大电网、高自动化方向发展,系统的短路电流愈来愈大,传统的电磁式电流互感器的弊端日益凸现,而基于Rogowski线圈原理的有源型电子式电流互感器(ECT)因其测量精度高,响应速度快,无磁饱和等优点,于是电子式电流互感器已经成了国内外研究的热点,但有源型ECT的高压侧信号处理单元必须要有供电电源,因此有源电子式互感器高压侧电路的供能问题则是研究工作中的关键技术。
本文首先简要地综述了电子式电流互感器的研究状况和发展趋势,然后重点介绍有源电子式电流互感器中高压侧电路的供电问题,对电子式电流互感器的工作原理作了分析,对国内外的研究现状进行了探讨,并对基于Rogowski线圈原理的有源型ECT作了整体的设计,得到了一些有益的结论。
电流互感器是电力系统中的重要设备,本文选用一种适用于有源电子式电流互感器高压侧供能电源的的设计方案,通过CT取能,经整流,滤波,稳压等后续电路处理后,给高压侧提供稳定的12V电压。
将该电路进行实验,成功得到测试结果,并应用protel软件完成其PCB电路板设计。
关键词:
电子电流互感器有源式高压侧电源供能方式
I
Abstract
Abstract
Alongwiththedevelopmentofhv-transmissionproject,ourvoltageratingtohigherahead.Andpowersystemtowardlargeunits,highvoltage,powergrid,highautomationdirection,systemshortcircuitcurrent,thetraditionalassolenoidstyleincreasingthedisadvantagesofcurrenttransformeristheprotruding,andbasedontheprincipleoftheactiveRogowskicoilelectroniccurrenttransformer(annualautocatalystoutput)becauseofitshighmeasurementprecision,fastresponse,withoutmagneticsaturation,etc.Soelectroniccurrenttransformerhasbecomethehotspotresearchathomeandabroad,butactivetypeofhighpressuresideannualautocatalystoutputsignalprocessingunitmusthavethepowersupply,andthereforeactiveelectronicinstrumenttransformerofhighvoltagesidecircuitproblemispoweringthekeytechnologyresearchwork.
Thispaperfirstlyreviewedbrieflytheelectroniccurrenttransformerisresearchstatusanddevelopmenttrend,thenthekeyintroductionactiveelectroniccurrenttransformerinhighpressuresideofthepowersupplycircuit,theworkingprincipleofelectroniccurrenttransformerisanalyzed,andtheresearchsituationathomeandabroadarediscussed,basedontheprincipleoftheactivetypeRogowskicoiltheoveralldesignannualautocatalystoutput,andsomeusefulconclusionareobtained.Currenttransformeristheimportantequipmentpowersystem,thispaperselectsakindofsuitableforactiveelectroniccurrenttransformerispoweringthehigh-pressureside,thedesignofpowerbyCTtaketherectifier,filtering,voltagecircuit,suchasprocessing,subsequenttohighvoltagesideprovidestable12Vvoltage.PCBdesignofthecircuitiscompletedbyprotel.Theexperimentisdonewiththecircuit,andthetestresultsarequitewell.
Keywords:
electroniccurrenttransformer;active;highvoltagepowersupply;supplymethod
IV
目录
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1引言……………………………………………………………………………1
1.2电磁式电流互感器面临的主要问题……………………………………………1
1.3电子式电流互感器的更高要求……………………………..…………….…...1
1.4电子式电流互感器的生产及影响………………………………………….…2
1.5电子式电流互感器的主要特点………………………………………….……3
1.5.1电子式电流互感器的优点…………………………………………………3
1.5.2电子式电流互感器的缺点………………………………………….……4
1.6电子式电流互感器的发现状及应用前景………………………………………5
1.7电子式电流互感器的研发难点及解决途径……………………………….…7
1.8本论文研究的主要内容……………………………………………….………8
2电子式电流互感器原理概述………………………………………………………9
2.1引言………………………………………….………………………………9
2.2常规电子式电流互感器原理概述………………………………………….…9
2.3电子式电流互感器的简介………………………………………………...…...10
2.4电子式电流互感器的工作原理…………………………………………..…….11
2.4.1无源式电子电流互感器的分类……………………………………….….12
2.4.2有源式电子电流互感器……………………………………………..……14
2.5电子式电流互感器的基本结构…………………………………………….…19
2.6本章小结………………………………………………….……………..……20
3高压侧供能电路的研究…………………………………………………………..22
3.1有源电子式电流互感器的基本原理……………………………………….…22
3.2几种供能方法的分析比较……………………………………………………23
3.3已有供能方法的改进……………………………………………………….…27
3.4组合供能方式的探讨…………………………………………………..……27
3.5新技术应用的可能……………………………………………………….……27
3.6高压侧供电电路电源方案探讨...……………………………………………28
3.7电源具体实现方案……………………………………………….……………30
3.8原理图设计……………………………………………………………..………...35
3.9本章小结……………………………………………………….…..………...36
结论………………………………………………………..…………………37
致谢………………………………………………………………………………....38
参考文献………………………………………………..…………………………..39
附录大图电路原理图………………………………………………………………40
河北工程大学毕业设计说明书
1绪论
1.1引言
电流互感器是电力系统中较重要的高压设备之一,它被广泛地应用于继电保护、电流测量和电力系统分析之中。
然而,随着现代科学的发展,许多传统的电力电气设备都已被采用高新技术的新设备取代。
作为这一趋势的一个崭新的例证,电子式电流互感器(ECT)将有可能成为传统的电流互感器(CT)的更新换代产品。
1.2电磁式电流互感器面临的主要问题
传统的电流互感器是电磁感应式的,它的主要优点在于性能比较稳定,适合长期运行。
但随着输电线路电压升高到超高压与特高压,传统的充油式CT已暴露了出一系列内在的、致命的缺点,主要表现在:
①潜在的突然危险,例如,突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素;②若输出的二次测负荷开路将会产生高压,对配电设备甚至人身安全造成危害;③随着电网电压等级的不断提高,绝缘问题的解决,必然使得电流互感器体积增大,成本增高,设备变得极为笨重;④由于电磁感应式电流互感器是用铁心制成,因此,对高频信号响应特性较差,这样,对高压线路上的暂态过程不能正确反应。
⑤它的二次侧输出对负荷要求很严格,若二次负载较大,测量误差就增大,准确度下降;⑥对于高压及特高压电厂(站)来说,占地面积较大,传输二次侧的电信号距离较远,故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大,容易产生干扰;⑦维护工作量大,如对于油浸式电流互感器还要定期对绝缘油进行化验、测介质损耗和解决渗漏油等问题;⑧目前使用的电磁式电流互感器在正常工作时磁通密度很低,而在系统发生短路故障时,由于远方短路电流很大,使磁通密度大大增加,有时甚至远远超过饱和值,从二次侧的电流与原电流相比,在大小和相角上不可避免地出现误差。
1.3电子式电流互感器的更高要求
我国超高压输电项目的开展,电压等级大幅增加,电网容量越来越大,对互感器提出了更高的要求,主要体现在以下几个反方面:
1.向更高的电压等级迈进,要求绝缘安全可靠。
对电压互感器而言,其绝缘应证在电网最高工作电压下长期工作,同时可以承受各种短时的过电压作用而不受损伤;
2.当温度设计可靠,动热稳定性好。
对电流互感器而言,在母线通过最大电流时,互感器各个部分的温升不允许超过设定值,以保证安全运行。
同时在大电流下,一,二侧绕组要能够承受电动力的作用而不损坏。
对电压互感器来说,要确保在一次电压下,二次侧发生短路并历时1S时间内,互感器无热效应和机械性损伤;
3.小型化,维护方便,适应市场和用户需求。
1.4电子式电流互感器的产生及影响
随着超高压输电网络的建设,冲击电流达10A甚至更大的电力装备的应用,传统的电磁式电流互感器很难满足电力系统的进一步发展要求,需要更理想的新型电流互感器。
一种基于现代光电、半导体技术和计算机技术成就而发展的电气测量的新方法应运而生。
与已知的在高压侧装置的一次和二次回路之间利用磁的,电的,无线电的,热的,辐射的,光耦合为基础的电流测量方法一样,光电方法是最有发展前景的方法之一。
光电测量的物理原理是将输入的电信号变换成为光信号,光信号沿光通道传输又重新变换成为带有后级放大的电信号。
这一电信号经过后级信号处理电路的处理后,将传送给计算机或继电保护等装置。
利用光纤技术把高电位的电气信号传输到地面,可以很容易的解决绝缘问题。
高压输电线上的电流测量问题完全可以用光纤技术来实现,利用光学和光纤通讯技术的研究成果,世界上的一些发达国家已经研制出了多台电子式电流互感器。
这些新型的电流互感器具有高的测量精度,大的动态电流范围和宽的频率测量特性,能够满足表计和继电保护的数字化。
这些电流互感器的基本测量部分与电压等级无关,应用于不同的电压等级时只要改变光纤的长度和绝缘套管的长度就可以了。
电子式电流互感器对变电站自动化系统的影响主要有:
(1)简化了继保设备:
目前电力系统中广泛用以微机为基础的数字保护,不需要大功率驱动,只需弱电信号就可以了,因此采用光电互感器不必经过电量变送器就可以将高电压,大电流变换为微机保护所需的电压电流水平。
光电互感器模拟输出省去了继保的小CT,PT,光电互感器的数字输出省去了继保的AD.
(2)促进了微机保护的精度和可靠性:
光电互感器促进了微机保护的发展,提高了微机保护的精度和可靠性,例如纵差保护的可靠性大大提高。
(3)对电力系统的故障快速响应,灵敏性高:
现有的保护装置由于受传统的互感器性能的限制,其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的。
易受过渡电阻和系统振荡,磁饱和等影响,其保护性能难以满足当今电力系统向着超高压,大容量,远距离方向的发展要求。
利用故障时的暂态信号量作为保护判断,是微机保护的发展方向。
它对互感器的线性度,动态特性都有较高的要求,光电互感器能满足这一要求,而传统互感器则不能。
(4)促进变电站自动化的发展:
光电互感器与微机保护接口的标准化将大大促进光电互感器和变电站自动化的发展。
(5)满足电力系统精确计量的要求:
光电互感器的测量精度高,可以达到0.2级,测量范围宽;输出数字信号,更方便与数字电能表接口;可动态显示和存储电能,有功无功功率等参数。
(6)可方便实现电力系统自动化功能:
将电压电流传感器集于同一绝缘结构中,构成组合型光电互感器,大大提高性价比;光电互感器不仅可以做成独立式的互感器,而且可以装在GIS,PASS等高压开关和变压器的电流套管中,与其他光纤传感器一起使一次设备智能化和多功能化。
(7)有利于实现变电站数字化,光纤化和智能化:
光电互感器的信号和传输形式都可以采用光缆实现,而光信号的突出优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加可靠和迅速。
开创了未来光纤化变电站的美好前景。
1.5电子式电流互感器的主要特点
1.5.1电子式电流互感器的优点
(1)电子式电流互感器没有磁饱和,铁磁振荡等问题。
由于电磁式电流互感器使用了铁芯,不可避免的存在磁饱和,铁磁共振和磁滞效应等问题,而电子式电流互感器采用的是磁光玻璃,光纤或电子线路,不存在这方面的问题。
(2)电子式电流互感器绝缘结构简单,绝缘性能好。
电磁式电流互感器的绝缘结构非常复杂,尤其是对于电压等级比较高的电流互感器来说,绝缘部分要消耗大量的电工材料,体积也非常庞大;而电子式电流互感器由于采用了光纤和比较轻便的绝缘子支柱,其绝缘结构比较简单,绝缘性能也比较好。
(3)动态测量范围大,精度高:
电网正常运行时,流过电流互感器的电流并不大,但短路电流一般很大,而且随着电网容量的增加,短路故障时的电流越来越大。
电磁式电流互感器因为磁饱和问题,难以实现大范围测量,不能同时满足高精度计量和继电保护的需要。
电子式电流互感器有很宽的动态范围,额定电流可测到几十安培至几千安培,过电流范围可达几万安培,一个电子式电流互感器可同时满足计量和继电保护的需要。
从而避免多个CT的冗余问题。
(4)抗电磁干扰性能好,低压侧无开路高压危险:
根据电磁式电流互感器的测量原理,它的二次回路不能开路,低压侧存在开路高压危险。
由于光电式电流互感器的高压侧与地压侧之间只存在光纤的联系,而光纤具有良好的绝缘性能,保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离,低压侧没有因开路而产生高压的危险,从而避免了电磁干扰的影响。
(5)频率响应范围宽:
电子式电流互感器实际能测量的频率范围主要取决于电子线路部分,这种电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波,还可以进行暂态电流,高频大电流与直流电流的测量。
而电磁式电流电流互感器则难以进行这诸多方面的工作。
(6)体积小,重量轻,运输与安装方便,节省空间:
它可以用来测量电网中不同地点的电流。
据美国西屋公司公布的345KV的光学电流互感器,其高度为2.7米,重量为109公斤。
而同电压等级的充油电磁式电流互感器高为5.1米,重达2300公斤,这给运输与安装带来了很大的方便。
因其重量轻,可以将其做成便携式的产品,用来测量电网不同地点的电流。
(7)没有因充油而产生的易燃,易爆炸等危险:
电磁式电流互感器一般采用充油的办法来解决绝缘问题,这样不可避免的存在易燃,易爆炸等危险;而电子式电流互感器绝缘结构简单,可以不采用油绝缘,在结构设计上就可以避免这方面的危险。
(8)适应了电力计量与保护数字化,微机化和自动化发展的潮流:
根据目前的数字化继电保护的需要,电流互感器应该能够提供数字化的电流信号,电子式电流互感器与电磁式电流互感器相比更容易实现这些功能。
可以广泛的应用于电流测量,继电保护,高频分析等各个方面。
1.5.2电子式电流互感器的缺点:
(1)由于电子式电流互感器运行温度在较大范围内变动,传感头对温度和振动比较敏感。
为了保证高精确度,稳定性和可靠性,电子信号处理部分的线路将比较复杂特别是低电位侧的电子线路尤为突出。
(2)对于有源式电子电流互感器而言,传感头主要由电子线路组成,必须要对电子线路提供可靠的供电电源。
如果电源供应不稳定,将大大影响到系统的精确度。
此外,供电电源所能提供的能量有限,所以电子电路的功耗不能太大,这样,如何简化传感头的电子线路成为另一个棘手的问题。
但是,这些缺点被认为是暂时的,随着光电子技术和计算机技术的进步,这些缺点是可以消除的。
1.6电子式电流互感器的研究现状及应用前景
早在20世纪60年代,一些科技发达国家就开始着手研究电子式电流互感器,而到80年代末期就已具运行价值。
目前,全世界已投入运行的电子式电流互感器已有不少,有些公司已经形成正规产品投放市场,如ABB公司,在1991年就宣布生产了用于计量和继电保护用的345KV电压等级的新型电流互感器。
美国于1988年左右就研制出用于161KV的电子式电流互感器,1992年又研制成功了345KV的电子式电流互感器。
该互感器的最大测量值达2KA,准确等级为0.3级。
此外,前苏联和日本也较早组织有关研究院和电力公司进行电子式电流互感器的研究,前苏联研制出电压等级达750KV的频率/脉冲调制式的电子式电流互感器,而日本已研制成功300KV的电子式电流互感器及1000KV的电子式电流互感器测量系统样品。
在2002年国际大电网会议涉及保护与就地控制研究委员会的会议上,几个跨国公司介绍了他们研制和运用电子式电流互感器的成功经验。
ABB公司介绍了混合输入(既有模拟量输入,又有数字量输入)的条件下误差保护的成功经验。
西门子公司认为,采用电子式电流互感器、电压互感器的关键在于同步采样。
解决的途径是:
①过采样,用极高的速率采样;②在间隔层内实现同步;③全站通过变电站自动化系统传输同步信号。
法电集团公司(EDF)介绍了新型互感器的试验情况。
他们在一个400KV变电站、一条170KV没有架空地线的线路(故障率大)上,装设法拉第效应光纤电流互感器,采用点对点通信协议与微机保护通信。
试验从2001年开始,共9次故障,保护装置均正确动作。
实验室试验和现场运行试验的结论是:
新型互感器的精度和可靠性都有保障,通信协议灵活,可用于不同的功能,点对点通信节省投资。
目前他们正在同一个变电站做进一步试验,包括安装测量表计以验证新型互感器的测量精度、采用Rogowski线圈的互感器的试验等。
我国的一些厂商、科研院所和高等院校也在努力探讨研制电子式电流互感器,并取得一些理论上的成果。
但真正应用于实际工程中时,仍然有一些具体的技术问题需要解决。
例如,互感器的配置数量和安装位置、与二次设备的接口等,新型互感器的研制一定要和相关二次设备的开发同步进行,相关的单位需要密切配合,提出一个全面解决方案。
沈阳变压器帮是我国最早开始研制电子式电流互感器的厂家之一,其在20世纪80年代就把研制出10KV的电子式电流互感器挂网运行,但在当时由于运行不太理想而后又被拆除。
在1991年,由清华大学和中国电力科学院共同研制的110KV电子式电流互感器通过国家鉴定并挂网试运行。
1993年底,由原华中理工大学研制成功的110KV电子式电流互感器在广东省新会供电局挂网试运行。
随着电力系统输电电压不断提高和电网容量的不断增大,电力系统在发生短路故障时短路电流大大增加,非周期分量的衰减周期延长,系统要求保护切除故障的时间越短越好。
随着微机保护技术的不断成熟和发展,为电力系统的安全运行提供可靠的保障。
根据电力系统分析理论,我们知道,电力系统在发生短路故障时,按特征来分,其过程以时间的先后顺序可分为行波过程、电磁暂态过程和稳态过程。
微机保护技术可以做到在电力系统发生短路而出现行波过程时,判断出系统发生故障和故障类型,从而以最短的时间切除故障。
但由于电磁式电流互感器在系统发生故障时,在行波过程和电磁暂态过程中,由于受磁饱和及铁心对高频信号灵敏性不够的影响,不能将电力系统发生短路开始瞬间的高压侧丰富的频率信号如实而不失真地转变成二次侧信号,从而阻碍了微机保护的进一步发展电子式电流互感器有良好的应用前景。
国际电工委员会关于电子式电流互感器标准的出台,以及我国已经酝酿起草的电子式电流互感器国家标准,预示着电子式电流互感器的产品化应用已初步具备了行业规范,为电子式电流互感器的市场化提供了基础平台。
经过几年的电网改造,电网的综合自动化水平得到了很大提高,对相应的网络瞬态保护提出了更快速的要求。
随着电网的扩大,输电线路越来越长,传统的电流互感器已经无法满足距离保护的瞬态特性要求,预计在未来5~10年中,电子式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。
国内外研究单位对电子式电流互感器的技术进行了近30年的探索,无论在实验室还是在现场挂网试运行,都已积累了一定的经验,特别是基于采样线圈配光纤型的电子式电流互感器已经具备了产品化的条件。
国内外不少企业斥资投入电子式电流互感器制造领域,也推动了电子式电流互感器的市场化应用进程。
另外,国内已有公司针对无源型ECT的光学玻璃传感头中线性双折射问题,从传感头材料这个根本问题入手,投入巨资刻苦攻关,研制出热膨胀系数极小的ECT专用玻璃,一举攻克了这个困扰多年的技术难题,成功地研制出了采用光学玻璃电流传感头的无源型ECT,从而为我国无源型ECT研究开发开创了一条新路。
1.7电子式电流互感器的研制难点及解决途径
电子式电流互感器高压侧电路的研究是研究有源电子式电流互感器研制中的关键技术,目前常用的供能方式主要有利用电流互感器或电容分压器从母线上取能,激光供能,太阳能供电及蓄电池供电等,本课题主要针对CT供能方式进行研究。
CT供能的基本原理是利用特制CT从母线上感应电压,通过整流,滤波,稳压等后续电路处理后,给高压侧电子电路提供所必需的电源。
采用这种方法面
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