第5章电气测量技术 ·143· 接我波装置 C、C2一高压、中压电容：T一中压变压器：L一补偿电抗器：F一保护装置：D一阻尼器： la,1n一主二次绕组1号：2a,2n一主二次绕组2号：da,dn一剩余电压绕组：接载波装置时N、X打开 图5-7CVT组成示意图 利用电容分压器将输电电压降到中压(10~20kV),再经过中间变压器降压到100V或 100/3V供给计量仪表和继电保护装置。由于电容式电压互感器的非线性阻抗和固有的电容 有时会在电容式电压互感器内引起铁磁谐振，因而用阻尼装置D抑制谐振，阻尼装置由电 阻和电抗器组成，跨接在二次绕组上，正常情况下阻尼装置有很高的阻抗，当铁磁谐振引起 过电压，在中压变压器受到影响前，电抗器已经饱和了，只剩电阻负载，使振荡能量很快被 降低。 电容式电压互感器的等值电路见图5-8所示，Z1、Z2、Z分别为中间变压器的一次侧和 二次侧的等效阻抗以及励磁阻抗，工频情况下，C1+C2与补偿电抗器L谐振，完全补偿电容 引起的电压变化。 C1+C2 Z2 C U=Up C+C2 图5-8CVT等效电路图 CVT具有造价低(110kV及以上产品)、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，同时在实际应用中又能可靠阻尼铁磁谐振和具备优良的瞬 变响应特性等，故近几年在电力系统中应用的数量日益增加，不仅在变电站线路出口上使用， 而且大量应用在母线上代替电磁式电压互感器。 CVT的照片及现场图片如图59所示。CVT中的电容分压器由瓷套和装在其中的若干 串联电容器组成，瓷套内充满保持0.1MPa的绝缘油，并用钢制波纹管平衡不同环境以保持 油压，电容分压可用做耦合电容器连接载波装置。中压变压器由装在密封油箱内的变压器、 补偿电抗器和阻尼装置组成，油箱顶部的空间充氮。一次绕组分为主绕组和微调绕组，一次 侧和一次绕组间串联一个低损耗电抗器
第 5 章 电气测量技术 ·143· C1、C2—高压、中压电容；T—中压变压器；L—补偿电抗器；F—保护装置；D—阻尼器； 1a，1n—主二次绕组 1 号；2a，2n—主二次绕组 2 号；da，dn—剩余电压绕组；接载波装置时 N、X 打开 图 5-7 CVT 组成示意图 利用电容分压器将输电电压降到中压（10～20 kV），再经过中间变压器降压到 100V 或 100/3V 供给计量仪表和继电保护装置。由于电容式电压互感器的非线性阻抗和固有的电容 有时会在电容式电压互感器内引起铁磁谐振，因而用阻尼装置 D 抑制谐振，阻尼装置由电 阻和电抗器组成，跨接在二次绕组上，正常情况下阻尼装置有很高的阻抗，当铁磁谐振引起 过电压，在中压变压器受到影响前，电抗器已经饱和了，只剩电阻负载，使振荡能量很快被 降低。 电容式电压互感器的等值电路见图 5-8 所示，Z1、Z2、Zb 分别为中间变压器的一次侧和 二次侧的等效阻抗以及励磁阻抗，工频情况下，C1+C2与补偿电抗器 L 谐振，完全补偿电容 引起的电压变化。 图 5-8 CVT 等效电路图 CVT 具有造价低（110 kV 及以上产品）、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，同时在实际应用中又能可靠阻尼铁磁谐振和具备优良的瞬 变响应特性等，故近几年在电力系统中应用的数量日益增加，不仅在变电站线路出口上使用， 而且大量应用在母线上代替电磁式电压互感器。 CVT 的照片及现场图片如图 5-9 所示。CVT 中的电容分压器由瓷套和装在其中的若干 串联电容器组成，瓷套内充满保持 0.1MPa 的绝缘油，并用钢制波纹管平衡不同环境以保持 油压，电容分压可用做耦合电容器连接载波装置。中压变压器由装在密封油箱内的变压器、 补偿电抗器和阻尼装置组成，油箱顶部的空间充氮。一次绕组分为主绕组和微调绕组，一次 侧和一次绕组间串联一个低损耗电抗器
·144· 电气及电子测量技术 图5-9CVT的照片及现场图片 CVT是目前最常用的有源电子式电压互感器，其二次部分采用新型的电子元器件和先 进的电磁兼容设计，可直接与数字化仪表、测量保护装置及计算机相连，较好地解决了计算 机技术对电流电压完整信息进行全过程数字化处理的要求，进而完成对电网电气设备进行 在线状态监测、控制和保护。CVT和常规的电磁式电压互感器相比，具有不含铁芯、没有 磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、测量保护范围内完全线性、传输性能好 等优点，且体积小、重量轻。另外CVT二次短路不会产生大电流，也不会产生铁磁谐振， 根除了电力系统运行中的重大故障隐患，保证了人身和设备安全。 CVT一般适用于110V及以上电压等级，由于受设计制造经验、工艺水平和原材料等 多种因素的限制，作为承受高电压的电容分压器，如果介质击穿不仅会影响测量准确度，更 严重的有可能造成爆炸、起火等恶性事故，运行中如不及时发现异常情况，就会影响电网的 安全运行。 除了CVT以外，利用分压原理测量高电压的常用方式还包括阻容分压和电阻分压，在 中压系统或GS中，使用电阻分压或阻容分压可能获得更好的稳定性和经济性，其二次输 出电压较低，适用于微机保护和电子测量仪表。阻容分压的原理如图5-10所示，由图可知 输出/输入的频率响应可描述为： 放大器 图5-10阻容分压原理 R 1+j@C,R W(j@)= Z (5-13) Z,+Z2 R 1+j@C R 1+j@C2R 由式可知，当R2C=R1C1时，分压器的传递函数与信号频率无关。此时，即使输入为高 频信号，分压器的输出波形也不会发生畸变。克服了在对高频信号进行分压时，由于分布电
·144· 电气及电子测量技术 图 5-9 CVT 的照片及现场图片 CVT 是目前最常用的有源电子式电压互感器，其二次部分采用新型的电子元器件和先 进的电磁兼容设计，可直接与数字化仪表、测量保护装置及计算机相连，较好地解决了计算 机技术对电流电压完整信息进行全过程数字化处理的要求，进而完成对电网电气设备进行 在线状态监测、控制和保护。CVT 和常规的电磁式电压互感器相比，具有不含铁芯、没有 磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、测量保护范围内完全线性、传输性能好 等优点，且体积小、重量轻。另外 CVT 二次短路不会产生大电流，也不会产生铁磁谐振， 根除了电力系统运行中的重大故障隐患，保证了人身和设备安全。 CVT 一般适用于 110kV 及以上电压等级，由于受设计制造经验、工艺水平和原材料等 多种因素的限制，作为承受高电压的电容分压器，如果介质击穿不仅会影响测量准确度，更 严重的有可能造成爆炸、起火等恶性事故，运行中如不及时发现异常情况，就会影响电网的 安全运行。 除了 CVT 以外，利用分压原理测量高电压的常用方式还包括阻容分压和电阻分压，在 中压系统或 GIS 中，使用电阻分压或阻容分压可能获得更好的稳定性和经济性，其二次输 出电压较低，适用于微机保护和电子测量仪表。阻容分压的原理如图 5-10 所示，由图可知 输出/输入的频率响应可描述为： 图 5-10 阻容分压原理 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 j (j ) 1 j 1 j R Z C R W Z Z R R C R C R （5-13） 由式可知，当 R2C2=R1C1时，分压器的传递函数与信号频率无关。此时，即使输入为高 频信号，分压器的输出波形也不会发生畸变。克服了在对高频信号进行分压时，由于分布电
第5章电气测量技术 ·145· 容的影响所导致的分压电路输出波形畸变。 电阻分压的原理如图5-11所示，由图可知被测量电压与输出电压的关系为 U-R+RU (5-14) R U 图5-11电阻分压的原理 5.1.3光学电压传感器15] 光学电压传感器(Optical Voltage Transducer,.OVT)又称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 effect)。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晶体内部电场强度呈正比关 系。将Pockels元器件直接连接到被测电压的两端，在Pockels晶体内部产生正比于电压的 电场，入射光经Pockels晶体后输出，再经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。 能够稳定应用于高压测量的晶体不多，目前应用最多的电光晶体就是BGO晶体（锗酸秘晶 体)。 实用的光电压传感器的示意图见图5-12。由一个1/4波长板和两个偏振器组成的偏振检 测系统将普克尔斯偏振调制转化为光强度调制。普克尔斯品体纵向外加电压u),离开晶体 的偏振光强度P,可用下式表示： P=+sin《u (5-15) 式中：P,为输入光强度：K为普克尔斯灵敏度常数。 导电透明电极 光电探测器 1/4波板 晶体 编报器 LED 高电压 图5-12光电压传感器组成原理 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，国外公司虽已研制出高至765kV的系列光学电压互感器，但其稳定性与可靠性也未
第 5 章 电气测量技术 ·145· 容的影响所导致的分压电路输出波形畸变。 电阻分压的原理如图 5-11 所示，由图可知被测量电压与输出电压的关系为 1 2 i o 2 R R U U R （5-14） 图 5-11 电阻分压的原理 5.1.3 光学电压传感器[15] 光学电压传感器（Optical Voltage Transducer，OVT）又称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 effect）。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晶体内部电场强度呈正比关 系。将 Pockels 元器件直接连接到被测电压的两端，在 Pockels 晶体内部产生正比于电压的 电场，入射光经 Pockels 晶体后输出，再经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。 能够稳定应用于高压测量的晶体不多，目前应用最多的电光晶体就是 BGO 晶体（锗酸铋晶 体）。 实用的光电压传感器的示意图见图 5-12。由一个 1/4 波长板和两个偏振器组成的偏振检 测系统将普克尔斯偏振调制转化为光强度调制。普克尔斯晶体纵向外加电压 u(t)，离开晶体 的偏振光强度 Ps可用下式表示： 1 sin(K u(t)) 2 P P (t) 0 s （5-15） 式中：P0 为输入光强度；K 为普克尔斯灵敏度常数。 图 5-12 光电压传感器组成原理 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，国外公司虽已研制出高至 765kV 的系列光学电压互感器，但其稳定性与可靠性也未
·146· 电气及电子测量技术 能真正达到实用化的要求。 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。解决方法是从光学晶体及相关光学元器件、光路系统的构成及黏 结工艺、传感器的结构、绝缘结构、隔热材料与隔热措施、温度补偿方法等各方面进行改进， 根据可靠性原理对OVT系统进行可靠性设计与分析，提高其运行的可靠性、稳定性。 5.2大电流的测量 大电流测量的方法主要是将大电流转化为方便测量的低电压或小电流信号，用电流表 和数字测量仪器进行测量。电力系统中常用的传统的大电流测量主要采用电磁式电流互感 器，未来将逐步采用电子式电流互感器。虽然LPCT与电磁式电流互感器原理相同，但由于 输出信号标准是按电子式互感器来设计的，IEC将LPCT也归入电子式电流互感器。其它的 电子式互感器还包括有源的罗哥夫斯基线圈以及无源的光学电流互感器， 5.2.1电磁式电流互感器161 电磁式电流互感器简称CT(Current Transformer)或TA,将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。电磁式电流互感器理想的工作条件是一次侧接电 流源且二次侧短路，主要特点是： ①一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测 电路的负荷电流.而与二次电流无关。 ②电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下， 电流互感器接近于短路状态下运行。 1.电流互感器工作原理 电流互感器由铁芯及绕在其上的一次绕组L,(匝数为W,)和二次绕组L2(匝数为W2) 组成，如图5-13所示
·146· 电气及电子测量技术 能真正达到实用化的要求。 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。解决方法是从光学晶体及相关光学元器件、光路系统的构成及黏 结工艺、传感器的结构、绝缘结构、隔热材料与隔热措施、温度补偿方法等各方面进行改进， 根据可靠性原理对 OVT 系统进行可靠性设计与分析，提高其运行的可靠性、稳定性。 5.2 大电流的测量 大电流测量的方法主要是将大电流转化为方便测量的低电压或小电流信号，用电流表 和数字测量仪器进行测量。电力系统中常用的传统的大电流测量主要采用电磁式电流互感 器，未来将逐步采用电子式电流互感器。虽然 LPCT 与电磁式电流互感器原理相同，但由于 输出信号标准是按电子式互感器来设计的，IEC 将 LPCT 也归入电子式电流互感器。其它的 电子式互感器还包括有源的罗哥夫斯基线圈以及无源的光学电流互感器， 5.2.1 电磁式电流互感器[16] 电磁式电流互感器简称 CT（Current Transformer）或 TA，将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。电磁式电流互感器理想的工作条件是一次侧接电 流源且二次侧短路，主要特点是： ① 一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测 电路的负荷电流．而与二次电流无关。 ② 电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下， 电流互感器接近于短路状态下运行。 1．电流互感器工作原理 电流互感器由铁芯及绕在其上的一次绕组 L1（匝数为 W1）和二次绕组 L2（匝数为 W2） 组成，如图 5-13 所示
第5章电气测量技术 ·147· 图5-13电流互感器的工作原理 当一次绕组接入电路，流过交变电流一次时，产生与1相同频率的交变磁通心，它 穿过二次绕组，使之产生感应电动势。二次绕组为闭合回路时，则有电流流过，它又产生交 变磁通)。少与)通过铁芯部分闭合的合成磁通为，由它感应的一次、二次绕组中的电 动势分别为e1、e2。由e2引起的电流即为2。血的作用为在电流变换过程中将一次绕组的 能量传递到二次绕组。图5-10中不经铁芯而经空气形成闭合磁路的部分磁通称为漏磁通。 由一次电流产生的漏磁通仅与一次绕组交链的为1，由二次电流2产生的漏磁通仅与二 次绕组交链的为2。漏磁通影响分别在图5-14中以电抗x1和2表示。图5-14中，1、n 为一、二次绕组电阻值。I。为励磁电流，它包含磁化电流1x和铁损电流分量1o组成。如在 一次绕组两端接入一由电导b0与电纳0组成的并联回路，以描述。使铁芯磁化的过程，将 x1、xo、、2都移到绕组外面，即是图5-14所示的等值电路图。图中电流互感器的铁芯及 绕组可看成是理想的互感器。 B H B 图5-14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 在图5-14中，设一次绕组阻抗为 Z1=r1+jx1 (5-16) 二次绕组阻抗为 Z2=T2+jx2 (5-17) 如将图5-14中二次侧各参数都换算到一次侧，使它成为变比等于1的互感器(W=W), 则一次、二次绕组的感应电势E与E,相等。如将一次绕组的两端B、B分别和二次绕组的 两端H、H连接起来，并不会影响互感器的对外运行情况。于是可简化为T形等值电路，如 图5-15所示。其中Z,为将图5-14中Z2换算到一次侧后的阻抗，即 Z2=KiZ2 (5-18) _用 Kn二W2 (5-19) 即 Z2=r2+jx2 Ki2(r2+jx2) (5-20) 换算到一次侧后的二次电流和电压分别为 12=K2l2 (5-21) U2=K12U2 (5-22)
第 5 章 电气测量技术 ·147· 图 5-13 电流互感器的工作原理 当一次绕组接入电路，流过交变电流一次 i1 时，产生与 i1 相同频率的交变磁通1，它 穿过二次绕组，使之产生感应电动势。二次绕组为闭合回路时，则有电流流过，它又产生交 变磁通2。1 与2 通过铁芯部分闭合的合成磁通为0，由它感应的一次、二次绕组中的电 动势分别为 e1、e2。由 e2 引起的电流即为 i2。0 的作用为在电流变换过程中将一次绕组的 能量传递到二次绕组。图 5-10 中不经铁芯而经空气形成闭合磁路的部分磁通称为漏磁通。 由一次电流 i1 产生的漏磁通仅与一次绕组交链的为s1，由二次电流 i2 产生的漏磁通仅与二 次绕组交链的为s2。漏磁通影响分别在图 5-14 中以电抗 x1 和 x2 表示。图 5-14 中，r1、r2 为一、二次绕组电阻值。 0 I 为励磁电流，它包含磁化电流𝐼 ̇ 0x和铁损电流分量𝐼 ̇ 0r 组成。如在 一次绕组两端接入一由电导 b0与电纳 g0 组成的并联回路，以描述 0 I 使铁芯磁化的过程，将 x1、x0、r1、r2都移到绕组外面，即是图 5-14 所示的等值电路图。图中电流互感器的铁芯及 绕组可看成是理想的互感器。 图 5-14 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 在图 5-14 中，设一次绕组阻抗为 𝑧1 = 𝑟1 + j𝑥1 （5-16） 二次绕组阻抗为 𝑧2 = 𝑟2 + 𝑗𝑥2 （5-17） 如将图5-14 中二次侧各参数都换算到一次侧，使它成为变比等于 1 的互感器（W1=W2）， 则一次、二次绕组的感应电势 E1 与 E2 相等。如将一次绕组的两端 B、B'分别和二次绕组的 两端 H、H'连接起来，并不会影响互感器的对外运行情况。于是可简化为 T 形等值电路，如 图 5-15 所示。其中 Z2 为将图 5-14 中 Z2 换算到一次侧后的阻抗，即 2 Z K Z 2 12 2 （5-18） 1 12 2 W K W （5-19） 即 𝑍2 ′ = 𝑟2 ′ + 𝑗𝑥2 ′ = 𝐾12 2 (𝑟2 + 𝑗𝑥2 ) （5-20） 换算到一次侧后的二次电流和电压分别为 21 2 I K I 2 （5-21） 2 12 2 U K U （5-22）