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电力系统电压等级的不断升高和变电站设计新理念的提出,促进了电子式电压电流组合互感器的研究。基于光学和电子学原理的电子式电压/电流互感器(EVT/ECT:ElectronicVoltage/CurrentTransformer)具有绝缘简单、不存在二次开路产生高压等危险、没有磁饱和及铁磁共振现象、测量频带宽、动态范围大、重量轻、能适应电力系统数字化信号处理要求等优点。经过近三十年的发展,电子式互感器已经成为相对比较成熟、最有发展前途的一种超高压条件下电压、电流测量设备。但在目前,电子式电压/电流互感器还存在测量准确度不高和对其长期运行的稳定性研究不够深入等种种问题。本论文作者在综合分析国内外电子式互感器的研究和应用现状以及存在问题的基础上,在电子式互感器的传感头设计方面开展了理论研究、试验验证及计算仿真工作,并研制了一套电子式电压电流组合互感器及其校验装置,取得了如下成果:
研制了一套有源电子式电压电流组合互感器,其中EVT以圆筒状电容环作为高压臂电容,利用电容分压的思想进行测量;ECT利用Rogowski线圈作为传感头进行测量。电子式电压互感器测量准确度达到0.5级测量用电压互感器水平,同时达到3P级保护用电压互感器要求;电子式电流互感器测量通道准确度达到0.5S级,保护通道达到5P级。
为了实现准确测量的目的,深入研究了Rogowski线圈几何特性对电子式电流互感器测量准确度的影响,推导了相应的计算公式;首次提出了利用直线型线圈测量工频大电流的较完整的方法,推导了不同安装位置情况下线圈的测量误差,完成了相应的试验,证明了理论的正确性。全面揭示了几何特性与线圈输出结果之间的内在联系,从深度和广度上发展了Rogowski线圈的测量理论。
首次应用热弹性力学理论以及ANSYS仿真计算工具分析了线圈内部的热应力、热应力导致的线圈结构变化以及结构变化导致的线圈输出电信号的变化,得到了不同材料线圈的测量误差与环境温度变化间关系的经验公式,理论推导以及ANSYS软件仿真的结果与温度试验结果相吻合。针对线圈的温度特性问题提出了一套完整的分析和验证方法,该方法适用范围广,准确度高。
全面深入分析了几何结构、温度特性和气压变化对圆筒状电容环电容值和传感头测量准确度的影响,建立了电容环电容值的计算模型,为提高电压互感器的准确度奠定了基础。
针对电子式互感器的校验问题,首次引入虚拟仪器的概念,提出了利用软件对电子式电压电流互感器进行校验的方法,研制出一套基于虚拟仪器技术的电子式电压电流互感器校验仪。经中国计量科学研究院检定,该互感器校验仪比差的测量误差在0.05%以内;角差的测量误差在4′以内,可以用于0.5级电子式互感器的开发研制和校验。
根据IEC60044-7和IEC60044-8标准,完成了电子式电压电流组合互感器的电磁兼容试验,并对改互感器的电压通道、电流通道及传感头进行了现场联调试验,测定了各通道的比差和角差,为进一步挂网运行积累了宝贵的经验。