大电流的测量和电力系统的在线监测课件

L
RL
R
u2
C
um
u2
M
di1 dt
i2 (RL
R)
L
di2 dt
um
如果R很大，且有 即 1L R 且
L
di2 dt
i2RL
1 R
2C
um i2R
上下限频率
则
i2 M (di1 / dt) / R
um
1 C
t 0
i2dt
M CR
t 0
di1 dt
dt
M CR
i1
i1
um CR M
12
温度监测
可用于电力系统的在线监测的传感器主要有两类： 1 接触式传感器，即热敏式电阻传感器；
主要用热电偶式温度传感器。由于热电偶由金属 构成，因此只能安放在绝缘层外。 2 非接触式传感器，即红外感温式传感器 解决绝缘问题。
13
绝缘油的气相色谱分析
主要用于变压器的绝缘油 分析。
理论依据：变压器油与油中的固体有机绝缘材料在运行电压下因
u2q
2Z2 Z1 Z2
u1q
u1q
u1 f
Z2 Z1 Z1 Z2
u1q
u1q
23
8.2.1 折反射的计算
折射系数 2Z2
Z1 Z2
反射系数 且满足
Z2 Z1 Z1 Z2
1
变化范围 0 2
1 1
Z1＝Z2时， ＝ 1， ＝ 0，
即无折反射现象 Z1<Z2时，折射波大于入射波
2 1 L
LC
增加电流的方法：
1 增加电容量
2 减小回路电感，减小回路电阻
5
6.5.3 冲击电流的测量
特点：持续时间短、变化快。 用相应时间来表示其特性。
目前常用两类测量系统： 分流器测量系统； 电流互感器（CT）测量系统
6
一 分流器测量系统
测量系统的响应时间主要 取决于分流器，分流器的 响应时间为
脉冲电流法：检测接地线、绕组等中由于PD引起的脉冲电 流，获得视在放电量。
但是，由于技术复杂性、现场干扰强烈，在线监测成功 应用的例子并不多。即使监测数据准确，在线监测的数 据的分析，它与预防性试验数据的对比研究还需要不断 深入。
16
第三篇 电力系统过电压 及绝缘配合
雷电过电压：持续时间一般只有数十us 操作过电压：持续时间一般以ms计 暂时过电压：持续时间更长 研究过电压的产生机理，提出限制过电压的措施，确定电气设备的 绝缘水平和绝缘配合。
＋
边界条件
注意：当前行波与反行波同时存在时
u uq u f Z uq u f Z
i iq i f
uq u f
任意点的 电压与电 流波形
21
8.1.2 波动方程的解
注意：电压波与电流波的方向问题：
u ix
(a)
u x
i (c)
x
i u
(b)
i
x
u (d)
• 电压波的符号只取决于它的极性 ，而与电
idt
L
di dt
iR
PD OSC
4
冲击电流波形的类型
分三种情况： 1） 欠阻尼
R2 L C
2） 临界阻尼
R2 L C
3） 过阻尼
R2 L C
i(t) U0
C e (t / LC ) sin( 1 2 t )
12 L
LC
R C 2L
i(t) U 0 tet / LC L
i(t) U0
C e (t / LC ) sh( 2 1 t )
电、热、氧化或者局部放电等多种因素作用下，会逐渐变质，裂 解成低分子气体。变压器潜在过热或者局部放电会加快产气速度 。同一性质的故障，其产生的气体成分和含量在一定程度上反映 了变压器绝缘老化或者故障的类型与程度。因此，可作为特征量
油色谱分析法：将变压器油取回实验室中，用色谱分析法进行分
析，不仅不受现场复杂的电磁干扰，而且可以发现油设备中一些 用介损和局放不能发现 局部性过热缺陷
2
单位时间内导线获得的能量：
vC0
u
2 A
vL0i 2
u
2 A
Z i2Z
从功率角度看，波阻抗与一集中参数的电阻相当，但物理含义
不同。电阻要消耗能量，而波阻抗不消耗能量。
19
8.1.2 波动方程的解
回路电压电流关系为：
u x
L0
i t
i x
C0
u
t
2u x 2
L0C0
2u t 2
2i x 2
u1f=U0
u1q=U0 Z1
A
i1q
U0 Z1
Z1
A
i1f
U0 Z1
发生电压波的正全反射 电流波的负全反射
从能量角度解释：
P u22q Z2 0 Z 2
全部能量均反射回去
2Z2 2
Z2 Z1 Z2 Z1 1
Z2 Z1
反射波到达后线路电流为零，故磁 场能量为零，全部磁场能量转化为 电场能量，因此电场能量增加到原 来的4倍，即电压增大到原来的2倍
卓园管
式
折带式
绞线式
同轴园管式
8
电流互感器
对于特大幅值冲击电流，分流器制造困难。需采用电流互感器
一般用空心互感器，而不用铁心。因为冲击电
流中包含丰富的高频成分，铁心在高频下产生
i
的损耗带来测量误差；同时，因为di/dt足够大
了，即使不用铁心，也能感应出足够高的电压
线圈截面积S，总匝数n
线圈输出端的感应电势为：
T 0 d 2 10 6 6
电阻R2上的电流为
iR2
i
RsLeabharlann Rs R1 RkR2
电阻R2上的电压为
U R2 iR2 R2
因此分流比为
mi
i
UR2
Rs R1 R2 RK Rs R2
2 Rs
Rs＋R1≈Z，Rs＋RK远小于R1＋R2，R1≈R2
被测冲击电流
I U mi
7
分流器
分流器是将被测电流转换为适当幅值电 压的一种装置， 1) 它具有很大的电流容量， 2) 能够耐受大电流产生的电动力， 3) 分流器的电阻应该很小，其电阻温度系 数也要非常小，电阻材料采用锰铜、镍 铜等非磁性材料。 4) 分流器的电感值要远小于电阻值 .
B
计算电容引起 的电位时，有
uA
qdx C0 dx
q C0
又由
i qdx q dx qv dt dt
v
1
3108 m / s
L0 vta
at vC0
L0C0
18
8.1.1 波传播的物理概念
电磁波是以光速沿架空线传播的
波阻抗 z uA L0
i
C0
同样可证，在电缆中
v 1 1
L'0C0'
L0C0
2i t 2
解得
u( x, t )
uq
(t
x) v
u
f
(t
x v
)
i( x, t )
iq
(t
x) v
if
(t
x) v
式中
v 1 L0C0
x
L0dx C0dx
i dx L0dx
u C0dx
i i dx x
L0dx u u dx
x
u1(x vt1)
t t1 a
t t2 a
u1(x vt2 )
17
第8章 线路与绕组中的波过程
电力系统中架空线、电缆、母线、发电机和变压器绕组等，都属于
分布参数的元件。
8.1 波沿均匀无损单导线的传播
i at v
.
A
Dx vt
对于架空 线路
L0
0 2
ln
2h r
C0
2 0 2h
ln
r
单位长度的电感和电容分别为L0和C0
计算电感引起 的电位时，有
di u A L0vt dt L0vta
2
6.5.1 冲击电流波形－方波
方波冲击电流波形 T0.9－波长持续时间，T0.1－波的总持续时间，IM－电流峰值 IM΄－反极性电流峰值，I΄΄－峰值附近叠加的高频叠加峰值
3
6.5.2 冲击电流波的产生
T
D RD
U st
U0 G
C
L
iR S
OSC
冲击电流发生器的工作原理
回路方程为：U 0
1 C
过电压波在开路末端的加倍升高对绝缘是很危险的 25
（二） 末端短路 (Z2=0 )
Z1
u1q=U0
A
u1f =U0
i1f
U0 Z1
i1q
U0 Z1
Z1
A
2Z2 0
Z2 Z1 Z2 Z1 1
Z2 Z1
发生电压波的正全反射 电流波的负全反射
从能量角度解释：
反射波到达后线路电压为零，故电 场能量为零，全部电场能量转化为 磁场能量，因此磁场能量增加到原 来的4倍，即电流增大到原来的2倍
，总电压会升高； Z1>Z2时，折射波小于入射波
，总电压会降低；
的折反射系数虽然是根据两段不同波阻抗的线路推导出来的 ，但也适用于线路末端接有不同负载电阻的情况，即只要有 一端为波阻抗，另一端不论是波阻抗还是集中参数，都存在 波的折反射问题。
24
8.2.2 几种特殊条件下的折反射波
（一） 末端开路 (Z2=∞ )
荷的运动方向无关； • 电流波的符号不但与相应的电荷 符号有关
，而且也与电荷的运动方向有关 ，一般
取正电荷沿着x正方向运动所形 成的波为
正电流波
22
8.2 波的折射和反射
发生折反射的条件：波阻抗不同 发生折反射的原因：当波的传播过程中遇到波阻抗不同处时，为保
证电压与电流的比值仍等于波阻抗，则电压和电流波必然要发生 折反射。
对于一般的架空线路，Z500，分裂导线Z300，对于电缆， Z<100
电磁场角度分析：
1 电压波对电容充电，电流波对电感充电，因此电压波和电流波 沿导线传播的过程就是电磁能量传播的过程。电磁场的向量E 和H相互垂直，且垂直于导线，为平面电磁波。架空线的介质 是空气，因此电磁场的传播速度必然等于光速。
前行波 反行波
x1
x2
x
uq[(t1
dt)
x1
vdt] v
uq
(t1
x1 v
)
u1
uf
[(t1
dt)
x1
vdt] v
uq (t1
x1 v
) 20
u1
8.1.2 波动方程的解
波动方程：
u uq uf 1 i iq i f Z (uq u f ) uq Z iq
u f Z if
初始条件
14
油的气相色谱分析
难点：
1 取油样：不可与空气接触； 2 脱气：会引入较大的人为误差。
3 作业程序复杂，费用高，周期长
绝缘油的气相色谱分析主要解决油气分离问题 采用：透气膜
15
介损与泄漏电流的监测
介损的测量方法： 硬件上：鉴相及过零比较； 软件上：电压与电流信号的相角差，用FFT。
局部放电的监测
问题：预试是在停电状态下进行，没有考虑设备的运 行条件、气象条件等；试验电压较低（一般在工频10kV以下）；
11
绝缘在线监测系统的基本框架
针对设备性能特点 信号传输 信号预处理、 数据传输 专家系统，包括绝
选择信号采集方式
显示及报警等
缘诊断、工作票
图7－1 绝缘在线监测基本框架
关键问题： 1 选择传感器和传感性能 2 如何处理信号数据 3 如何判断绝缘缺陷
8.2.1 折反射的计算
U1q
Z1
. U2q
A
U1f
无穷长直角波
波阻抗Z1≠Z2，
在A点发生折反射
入射：u1q 和i1q
有连续性，可知
Z2
折射：u2q 和i2q
反射：u1f 和i1f
u2q u1q u1 f
i2q i1q i1 f
i1q
u1q Z1
、i2q
u2q Z2
、i1 f
u1 f Z1
i1
um
CR nS
2r
9
冲击电流测量系统的校正方法
（1）方波电流试验法 给测量系统注入方波电流，测量输出端的方波响应。
（2）电流试验法 给测量系统注入高频电流，测量输出端电流的大小，可求得该频 率下的系统阻抗。改变注入电流的频率，可得到阻抗与频率的关系 曲线。
（3）波头相位法 可测量具有电感效应的分流器的响应时间，并可在高压下进行。 将分流器接入冲击电流发生器回路，使回路产生衰减振荡波。由于 电感的作用，示波器图形的起始部分有一个突然跃变。根据跃变的 参数，即可求出响应时间。
u2
M
di1 dt
互感系数M可以实测，但一般 需要事先计算。
M nS 2r
(1) 自积分法
L
RL
u2
R
um
u2
M
di1 dt
i2 (RL
R)
L
di2 dt
如果 (RL R)很小，且
i2
(RL
R)
L
di2 dt
则 M di1 L di2
dt dt
i2
M L
i1
i1 um n / R
(2) 外积分法
26
（三） 末端接电阻R＝Z1
u 1q U 0
A Z1
R Z1
i1q
U0 Z1
A
Z1
R Z1
1 0
无折反射现象
在高压试验中，常常在电缆末端接上与电缆波 阻抗相等的电阻，以消除在电缆末端折、反射 所引起的测量误差 。
6.5 冲击电流的产生和测量
电力设备的冲击电流试验：几kA－几十kA
6.5.1 冲击电流波形
非振荡冲击电流波
振荡冲击电流波
tf－视在波头时间，tt－视在半峰值时间，IM－电流峰值，I΄M－反极性电流峰值 1
冲击电流波的波形参数
电力系统对避雷器进行冲击电流实验时，用以下参数 的波形： 1 雷电冲击电流波形：8/20 s； 2 波形为4/10 s的冲击电流波形； 3 波形为18/20 s的冲击电流波； 4 视在波头时间为30－100 s的冲击电流波，其视在半 峰时间为视在波头时间的2倍以上； 5 陡波：视在波头时间为1 s； 6 方波冲击电流：持续时间2000 s；
（4）比对法 是和“标准”测量系统的测量结果进行比对校正。
10
第七章 电气设备绝缘的在线监测
电气设备检修方式的发展： 20世纪40年代，事故后维修； 20世纪60年代，预防性检修； 目前，状态检修是发展趋势。
事故后维修：电网电压等级低，容量小，故障的危害小； 预防性检修：110kV-220kV电压等级，故障影响扩大；