GIS用电子式电流和电压互感器的研究

论文摘要

互感器是电力系统中用于电能计量和保护的最重要设备之一,其测量精度、可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着极其重要的影响。目前,电力系统中主要采用传统的电磁式互感器来实现对电压、电流的测量,传统互感器具有体积大、容易发生铁磁谐振、绝缘结构复杂、频带窄、线性范围小以及二次不能短路或开路等缺点。随着综合自动化技术和现代微电子技术的快速发展,继电保护和二次测量装置不需要大功率驱动,传统互感器二次输出的100V电压或5A电流信号不能直接和计算机相连,不适应电力系统自动化、数字化和智能化的发展趋势。因此,研制新型互感器代替传统的互感器成了电力系统进一步发展的需要。本文从理论上分析了GIS用电子式互感器的结构和原理,详细介绍了电容分压环的绝缘结构设计,并采用有限元分析软件maxwell建立电容分压环的二维、三维有限元模型,计算其高压电容、低压电容,分析电场分布情况,考查关键位置的电场分布及电位情况,以验证绝缘设计的可行性,还分析了影响电子式电压传感器准确度的因素,并提出了改善措施。介绍了电子式电流互感器一次母线、二次线圈的设计和绝缘设计。利用ePhysics3.1温度场仿真软件对电子式电流互感器进行温升仿真分析,以确定其温升满足国家标准相关要求。分析了测量用电流互感器（LPCT）和保护用电流互感器（罗氏线圈）的误差来源,并提出应对措施。还设计了GIS用电子式互感器的数据采集系统,能同时采集GIS用电子式互感器二次输出的12路电流、电压模拟信号,通过高速A/D转换为数字信号,并对由GPS接收机接收到的信号进行处理。在理论分析和仿真验证的基础上,制作了一台110kV GIS用电子式互感器样机,电压传感器额定二次输出电压为3.25V,测量部分的准确级为0.2级,保护部分的准确级为3P,测量用电流传感器额定二次输出电压为1V,准确级可达0.1级,保护用电流互感器额定二次输出电压为150mV,准确级为5P。在样机的开发过程中,为了考核GIS用电子式互感器的准确度和稳定性,先后进行了取样电阻温度系数、基本准确度和温度循环等一系列试验。测试结果表明,GIS用电子式互感器样机的电压传感器的误差满足GB/T 20840.7-2007的0.2级测量和3P保护级要求,电流传感器的误差满足GB/T 20840.8-2007的0.1级测量和5P保护级要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电子式互感器研究的必要性
• 1.2 电子式互感器的国内外发展现状及应用前景
• 1.2.1 电子式互感器的简介
• 1.2.2 电子式互感器国外发展现状
• 1.2.3 电子式互感器国内发展现状
• 1.2.4 电子式互感器应用前景
• 1.3 本文研究主要的问题
• 第二章 GIS用电子式电压互感器的原理与设计
• 2.1 电容分压器的结构和工作原理
• 2.1.1 阻容串联式电容分压器
• 2.1.2 阻容并联式电容分压器
• 2.1.3 纯电容分压器
• 2.1.4 微分型电容分压器
• 2.2 电子式电压互感器的绝缘设计
• 2.2.1 Ansoft maxwell静电场理论分析
• 1）'>2.2.2 一次母线设计（参数d,d=2r₁）
• 2.2.3 互感器外壳设计（参数D）
• 2.2.4 GIS用电子式互感器的绝缘仿真设计
• 2.3 电子式电压互感器误差分析
• 2.3.1 电场边缘效应对电容的影响及改善措施
• 2.3.2 柱状电容不同轴的影响及改善措施
• 2.3.3 气体密度对电容的影响及改善措施
• 第三章 GIS用电子式电流互感器的设计
• 3.1 测量用电流传感器的结构和工作原理
• 3.2 保护用电流传感器的结构和工作原理
• 3.3 一次母线设计
• 3.4 二次线圈设计
• 3.5 电子式电流互感器温升仿真计算
• 3.5.1 热源的由来
• 3.5.2 涡流场分析求解热源
• 3.5.3 GIS用电子式电流互感器温升分析
• 3.6 电子式电流互感器误差分析
• 3.6.1 LPCT电流传感头的误差来源及改善措施
• 3.6.2 罗氏线圈（Rogowski）的电流传感器的误差来源及改善措施
• 第四章 GIS用电子式电流和电压互感器数据采集系统设计
• 4.1 积分器的原理及设计
• 4.1.1 模拟积分器选择
• 4.1.2 有源积分器设计
• 4.1.3 积分器仿真结果
• 4.2 低通滤波器设计
• 4.2.1 Bessel滤波器的特点
• 4.2.2 Bessel滤波器的设计与仿真
• 4.3 A/D采样及驱动电路
• 4.3.1 A/D芯片的选择
• 4.3.2 ADS8325的偏置电路
• 4.4 数据采集系统软件设计
• 4.4.1 A/D采样程序的实现
• 4.4.2 异步串行口UART的实现
• 4.4.3 FIFO的设计
• 第五章 GIS用电子式互感器样机测试
• 5.1 110kV GIS用电子式互感器的样机制作
• 5.2 主要技术参数和试验依据
• 5.3 GIS用电子式互感器样机的基本准确度测试
• 5.3.1 电压传感器基本准确度测试
• 5.3.2 电流传感器基本准确度测试
• 5.4 准确度与温度关系的测试
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 致谢