1、互感器暂态行波传输特性仿真分析与实验测试第 1 卷第 1 期2004 年 6 月长沙理工大学(自然科学版)JournalofChanghaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vo1.1No.1Jun.2004文章编号:16729331(2004)O1007105互感器暂态行波传输特性仿真分析与实验测试曾祥君,刘正谊,(1.长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙屈明志,周延龄410076;2.湖南湘能许继公司,湖南长沙 410013)摘要:针对传统互感器行波传输观点与现场实际测试结果的不一致的问题 ,分析了互感器线圈中波过程理论,提出
2、并用 EMTP 软件仿真分析了互感器分布式参数模型.实验测试了互感器的直角波响应,验证了互感器分布参数模型,得出电压互感器和电流互感器都能准确地实时传输行波波头极性的结论.该理论可广泛用于行波保护和故障行波定位,具有广阔应用前景.关键词:互感器;行波;暂态特性中图分类号:TN919.3 文献标识码:A互感器是电力系统高压输电中应用得很广泛的一种电力设备.目前对互感器的分析大多是沿用互感器在工频状况下的分析方法,没有考虑互感器内部的杂散电容,在此基础上得出电压互感器不能传变暂态高频信号,电流互感器不能传变 1MHz 以上电流行波信号,互感器二次信号难以直接用于行波保护与行波定位.该分析结果与实验
3、测试结果有一定差别.本研究在考虑互感器内部的杂散电容的影响的基础上,建立了互感器的分布参数模型,对互感器脉冲响应特性进行分析,并完成了 EMTP 仿真分析和实验测试,证明了该模型的有效性.1 互感器波过程的基本理论互感器是特殊的变压器,借鉴单相变压器线圈波过程理论,互感器线圈在冲击电压作用下产生线圈间的静电感应,电磁感应和线圈内部的自由振荡过程.一般情况下,三个过程同时发生,但总是以其中一个为主.1.1 线圈之间的静电感应电压分析互感器线圈的静电感应过程,互感器等效为一电容链.如图 1 所示,C.,C2 分别为一次,二次线圈单位长度的对地电容,.,为一次,二次线圈单位长度纵向电容,C,2 为一
4、次,二次线圈之间的电容.假定电容参数沿线圈均匀分布,当电压作用于线圈 1 首端时,若线圈 2 首端开路,首端电流等于 0,得到线圈 2 首端的静电感应电压:iC1Cn2c(+c2cl2)一次二次铁芯(1)图 1 一次与二次线圈的电容耦合电路收稿日期:20040526基金项目:国家自然科学基金资助项目(5020700)作者简介:曾祥君(1972 一),男,湖南邵阳人,长沙理工大学副教授,博士,主要从事电力系统微机保护与控制及信息融合技术在电力系统应用的研究开发工作.72 长沙理工大学(自然科学版)2004 年 6 月其中:C2=Cl2+C2.静电感应电压分布瞬间完成,感应信号与原突变信号同时出现
5、,极性相同.因此,静电感应电压分布为线圈内部电压的起始分布.1.2 线圈之间的电磁感应电压不考虑内部杂散电容,互感器参数模型如图 2 所示.图中,2 分别代表 2 个线圈的自感,代表它们之间的互感,n 代:表变比.由于线圈电感电流不能突变,铁芯存在有磁滞效应,因此互感器副边电磁感应电压不能突变,原边脉冲信号在副边电磁感应信号上升沿变缓,副边电压滞后于原边电压,且互感器暂态过程的最终电压为电磁感应电压.1.3 线圈的振荡过电压T图 2 电磁感应电路当脉冲信号作用于互感器原边线圈时,由于起始电压分布和最终电压分布不同引,一次线圈内部将产生自由振荡过程,在该一次线圈自由振荡电压的作用下,将在二次线圈
6、中感应自由振荡电压.同时,整个互感器等效为一电感,电阻和电容串并联回路.二次输出由最初的静电感应电压到最终的电磁感应电压之间,会存在一个自由振荡的过渡过程.起始分布电压(静电感应电压)和最终分布电压(电磁感应电压)相差越大 ,自由振荡分量越大,振荡越强烈3,4.2 互感器仿真分析2.1 仿真模型借鉴单相变压器的分布参数模型,结合上述互感器的波过程理论分析,建立互感器的分布式参数模型(如图 3 所示).采用 EMTP 仿真软件对互感器内部静电感应过程和自由振荡过程进行仿真分析.图 3 中,2 分别为高,低压绕组线圈单元长度电感(包括自感和匝间互感)“m. 图中各参数取值参考国内外成熟的变压器分布
7、参数模型取值,具体选取如下:文献2中取 22mH,文献11中取 28.998mH,本实验中取 22mH;Cl,C2 分别为高,低压绕组的对地电容,文献2中取 250pF,文献10 中取 850pF,文献9中取高压N 一_1hll._L-一图 3 互感器仿真分析模型绕组 cl 为 600pF,低压绕组 c2 为 140pF,本实验取 C1=400pF,C2=200pF;K,K2 分别为高,低压绕组纵向(匝间 )等值电容 ,文献2 中取 450pF,文献9 取 K=200pF,K2=100pF,本实验取K=200pF,K2=100pF;R,R2 分别为高,低压绕组相应的等值损耗电阻,文献2中取值为
8、 1Q,本实验也取为 1Q;,分别为高,低压绕组的对地寄生电感,文献10取为 1H,本实验也取 1H;C 为高,低压绕组问电容,文献11取为 300pF;N 为级连的集中参数单元个数 12,文献11取值为(1020),本模型取为 l0.2.2 仿真结果及分析EMTP 仿真分析具体实现电路如图 4 所示:图中左边部分是冲击信号发生电路,输出信号送入互感器模型的一次侧,测量二次侧输出波形.c 尽.uhh第 l 卷第 l 期曾祥君.等:互感器暂态行波传输特性仿真分析与实验测试 73一次输出二次图 4 互感器仿真电路由仿真结果(如图 5 所示) 看到,在互感器线圈之间存在静电感应,当在一次线圈侧加一个
9、冲击信号时,一次线圈上的电压即无时延地静电感应到二次线圈上,静电感应极性与一次输入波形的极性相同.二次线圈在静电感应电压的激励下,产生自由振荡电压.3 实验测试分析l/ms图 5 雷电波仿真结果63.1 电流互感器行波传输特性测试分析如图 6 所示,采用一高压直流信号源向一 0.05F 电容充电,充满后,向一线路放电,产生直角波信号,送入-500kVSF6 型电流互感器,测试二次绕组 1sl 一 1S2,6S,一 6s2(暂态绕组)输出信号.测试中分流器为 30 个 10Q 电阻并联,阻值为 0.33Q,分压器为每 3 个 75Q 电阻并联再串联 18排,阻值为 450Q(分压比大致为 18:
10、1).为满足直接采用示波器测量高压信号的要求 ,采用分压器与分流器串连进行高电压测试(如图 6 所示); 示波器采用采样率 500MHz,TektronixTDS544A 数字存储式示波器,通过探头或屏蔽电缆(接匹配电阻 50Q)测试,信号通道 1 直接测电压(B);通道 2 和通道 3 分别接 cT 二次输出(A)和 (C).从图 7 中可以看出,二次回路信号第一个波头的极性与一次信号极性相同,都为负极性.在 3200V 直角波的激励下,电流互感器存在静电感应,电磁感应和自由振荡信号.静电感应过程中,一次 3200V 在二次 1s 绕组的静电感应电压为 1V,6S 绕组中的静电感应电压为 0
11、.85V.由于一次电流仅为 7A,在二次的电磁感应信号非常小,测试困难.二次信号中存在较大的自由振荡衰减信号,幅值为 1V 左右,频率 2MHz左右.2364.4nl 测试线 ii,-.ir.下 II1n1n1图 6 电流互感器波过程测试实验接线图5OnO.3n图 7 电流互感器波过程测试实验波形74 长沙理工大学(自然科学版)2004 年 6 月3.2 电压互感器行波传输特性测试分析测试用 110kV 电压互感器,用介质损耗测试仪测得的数据 :一次对地电容Cl0=6.94pF,一次对二次电容 C12=21.85pF,二次对地电容 c20=304pF.实验接线图如图 8 所示,示波器通道 1
12、直接测电压(B);通道 2 和通道 3 分别测二次输出(A)和(c).在 6300V 直角波的激励下,电压互感器存在静电感应,电磁感应和自由振荡信号.静电感应过程中,一次 6300V 在二次绕组的静电感应电压为 60V,电磁感应电压为 l0v,二次信号中存在较大的自由振荡衰减信号 ,幅值为 60v 左右,频率400kHz 左右 .从测量结果(如图 9 所示) 中可以看出,直角波和雷电波电压从互感器的一次侧进波时,互感器能够传变高频信号至二次侧.20020oo0232ol一v 一一一.一.图 8 电压互感器波过程测试实验接线图图 9 电压互感器波过程测试实验波形由实验结果可以看出,当直角波加到互
13、感器的一次侧后,电压互感器和电流互感器都产生较大的静电感应电压,二次静电感应电压与一次侧信号同时出现,且极性一致.受线圈电感电流不能突变和铁芯磁滞特性等因素作用影响,二次电磁感应电压要小于并滞后于静电感应电压.且互感器二次电压存在较大的由静电感应电压过渡到电磁感应电压之间的自由振荡电压,振荡频率范围一般为 0.24MHz.由于电流互感器二次侧线圈短路,将会产生一个去磁电流,以抵消掉贯通电流产生的主磁通,从而电磁感应电压很小.4 结论传统观点只考虑互感器的突变信号响应电磁感应过程,认为互感器不能传变高频信号,难以用于行波保护与行波定位.本研究对互感器的线圈波过程理论进行了分析,认为电压互感器和电
14、流互感器是特殊的变压器,互感器线圈波过程包含静电感应,电磁感应和自由振荡过程,并建立了互感器分布参数模型;仿真分析和实验验证了该互感器分布参数模型的有效性 ,测试表明: 电压互感器和电流互感器都存在很强烈的静电感应过程和自由振荡过程,且静电感应出的二次侧电压信号极性与一次侧电压信号极性一致.因此,电压互感器和电流互感器都能准确无时延地传输行波波头信号和极性.基于该互感器行波传输理论,可以构造新型行波保护和行波定位方法,可以提高电力系统保护速度和故障定位精度.该互感器行波传输理论具有广阔应用前景.致谢感谢湖南电力电瓷电器厂和常德电业局提供实验条件第 1 卷第 1 期曾祥君,等:互感器暂态行波传输
15、特性仿真分析与实验测试 75参考文献1徐丙垠.利用暂态行波的输电线路故障测距技术D.西安:西安交通大学,1991.2张嘉祥.变压器线圈波过程M.北京:水利电力出版社,1982.3华中工学院,上海交通大学.高电压试验技术M.北京:水利电力出版社,1982.4周泽存.高电压技术 M.北京:水利电力出版社,1988.5JBastardP,BertrandP,MeunierMA.TransformerModelforWindingFaultStudiesJ.IEEETransactionsonPowerDelivery.1994,9(2):690.699.67891O1112ScrgeyIShkura
16、tov,MagneKristlansen,JamesCDickens,eta1.High?currentandHighvoltagePulsedTestingofResistorsJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2000,(5):28.SalasTM,WigginsCM,BamesPR.SteepFrontImpulseFlashoverTestsonASolid.stateRelayJ.IEEETransactionsPowerDelivery,1990,7(5):3.王赞基.绕组变压器的波过程计算D.北京:清华大学电机工程系,1985.王赞基.超高压大型
17、变压器线圈的暂态电压分布及其仿真D.北京:清华大学电机工程系,1990.唐炬,宋胜利,李剑,等.局部放电信号在变压器绕组中传播特性研究J.中国电机 1程,2002,22(10):91.96.朱明林,朱子述,黄华.变压器绕组等效模型参数的频域辩识J.高压电器,2000,(1):27.29.崔益彬.用 Bergeron 法计算变压器线圈暂态电压分布D.北京:清华大学,1996.SimulativeAnalysisandExperimentalTestoftheTransmissionCharacteristicsofTransientTraveling-waveinTransformerZENGX
18、iangjun,LIUZhengyi,QUMing.zhi,ZHOUYan.1ing2(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China;2.HunanXiangnengCo.,LTD,Changsha410013,China)Abstract:ThetheoryoftravelingwavetransmissionforCTandVTisanalyzedinthepaper.Themodelwithdistribut.edpa
19、rametershasbeensetupandverifiedbyEMTPsimulationtests.ItisfoundedthatCTandVTCantransformtheheadpartoftravelingwavewithouttimedelayandtheoutputandinputsignalshavethesalnepolarity.Thetheorycanbeappliedinthetraveling-wavebasedfaultlocationandprotectionschemes.Keywords:currenttransformer;voltagetransformer;travelingwave;transientcharacteristics
