为了直接看出各相量之间的关系,经常将有关的相量画在一起,这就是相量图,也叫矢量图。电流互感器的相量图如图6所示。
先在水平轴上从左到右画相量I2 ,箭头所指就是I2 的方向,长短就表示它的大小。根据式(17)画出U2,其大小为I2 和Z的乘积,用相量的长度表示,其相位超前于I2 一个角度Ф,用箭头表示,Ф就是Z的阻抗角。根据式(19)画出E2,其大小为I2和Z02的乘积,其相位超前于I2一个角度α,α就是Z02的阻抗角。
要产生感应电势,铁心就必须有磁通。单位截面铁心的磁通叫做磁通密度,简称磁密,也叫做磁感应强度。由电磁感应定律可以求得在工频(即频率为50Hz)时磁密和感应电势的关系:
B = (E2*10²*10²)/(222W2Sk)= 45E2/( W2Sk) (T) (23)
式中,B为磁密,单位特斯拉(T),1T=10000Gs(高斯);S为铁心截面,单位cm²;k为铁心叠片系数,对于热轧硅钢片k=0.8~0.9,对于冷轧硅钢片k=0.9~0.95。
B的大小可由式(23)求得,其相位超前于E2 90°。
先在水平轴上从左到右画相量I2 ,箭头所指就是I2 的方向,长短就表示它的大小。根据式(17)画出U2,其大小为I2 和Z的乘积,用相量的长度表示,其相位超前于I2 一个角度Ф,用箭头表示,Ф就是Z的阻抗角。根据式(19)画出E2,其大小为I2和Z02的乘积,其相位超前于I2一个角度α,α就是Z02的阻抗角。
要产生感应电势,铁心就必须有磁通。单位截面铁心的磁通叫做磁通密度,简称磁密,也叫做磁感应强度。由电磁感应定律可以求得在工频(即频率为50Hz)时磁密和感应电势的关系:
B = (E2*10²10²)/(222W2Sk)= 45E2/( W2Sk) (T) (23)
式中,B为磁密,单位特斯拉(T),1T=10000Gs(高斯);S为铁心截面,单位cm²;k为铁心叠片系数,对于热轧硅钢片k=0.8~0.9,对于冷轧硅钢片k=0.9~0.95。
B的大小可由式(23)求得,其相位超前于E2 90°。 要使铁心有磁密B,铁心必须有磁场强度H,H的单位为A/cm。磁密和磁场强度的比值就是铁心的磁导率,一般用μ表示。
μ=B/H H=B/μ (24)
在交流电中,磁密B一般用峰值,磁场强度一般用有效值,有效值乘以√2就等于峰值,因此
μ=B/(1. 414*H) (25)
式中B单位T或Gs,H单位A/cm,μ单位T/A/cm或Gs/A/cm。但一般μ的单位用特/奥(T/Oe)或高斯/奥(Gs/Oe),1A/cm=0.4πOe.这样:
μ=B/1.414*0.4πH≈5.627B/H (26)
式中μ单位T/Oe或Gs/Oe,H单位A/cm
H的相位超前于B一个角度ψ,ψ就是铁心的损耗角。H的大小和损耗角ψ一般都从相应铁心磁化曲线中查得。
因为铁心磁导率μ和损耗角ψ都不是常数,他们都随着磁密度或磁场强度的变化而变化。所以H相对于B,即H/B的大小和相位也是变化的。在电流互感器正常运行的范围内,铁心的磁密度越高,导磁率和损耗角越大,H/B越小,且相位越超前。要使铁心有磁场强度,首先必须对铁心进行励磁,也就是需要励磁磁动势。
I0W1=Hl
式中I0W1为励磁磁动势,单位安匝(A),所以也叫励磁安匝,l是铁心的平均磁路长度,单位cm。I0和H是同相的。相量图上有的标H,也有的标I0或I0W1或I0W1/ I1W1。因为这些相量都是同相的,即位置相同,其大小不同,单位也不同,只要改变相应的比例尺,就可以画成一样长短,所以根据需要标上任一相量都是合适的。
根据式(21),可以画出相量I1´
I1´=-I2 + I0´ (27)
两个相量相加,就是画出由这两个相量组成的平行四边形,其对角线就是两相量之和,这里就是相量I1´。实际上两相量相加,也就是两相量首尾相加。
根据式(22)还可以画出U1的相量。在一般情况下,U1与电流互感器的性能无关,所以相量图上常略去不画。
由相量图可以很清楚看出,I1´≠- I2,就是因为有I0´; I1´与I2长短之差与I1´的比值,就是比值差f,I1´与- I2两相量的夹角δ就是相位差。
由I1’的矢端即a点做直线垂直于- I2(其矢端为b),并与ob的延长线相交于c;△abc为直角三角形,∠cab=ψ+α;由此可以算出电流互感器的比值差f和相位差δ:
f=(I2-I1´)/I1´≈(-cb)/I´=-(I0/I1)sin(ψ+α)*100% (29)
δ≈sinδ=ca/I1´=(I0/I1)cos(ψ+α)*3438´ (30)
式中由于相位差δ很小,一般δ〈2°,因此δ≈sinδ,I2-I1´≈-cb=-I0´sin(ψ+α),ca= I0´cos(ψ+α)。sinδ= ca/I1´,单位弧度(rad),1rad≈3438´,相位差的单位为(´),所以公式(30)中乘以3438,把弧度化成份,I0´/I1´=I0/I1,有时也用安匝数表示,即:
I0/I1=I0W1/I1W1≈I0W1/I2W2
如果将相量图画在直角坐标上,I2画在正x轴上,并把I0´相量标为I0/ I1,那么I0/ I1的矢端坐标(x,y),根据直角坐标:
X=( I0/ I1)cos(90°+ψ+α)= -(I0/I1)sin(ψ+α) (31) Y=( I0/ I1)sin(90°+ψ+α)= -(I0/I1)cos(ψ+α) (32)
式(29)、(30)与式(31)、(32)比较,可见:
f=x*100% (33)
δ=y*3438´ (34)
即相量I0/ I1的矢端坐标(x,y)分别表示互感器的比值和相位差。这样,我们只要画出相量图就可以看出互感器的比值差和相位差。因此,用相量矢端的直角坐标表示互感器误差,对于分析和研究互感器的误差是很方便的。电流互感器的复数误差由比值和相位差组成,即
~ε=f+jδ=x+jy (35)
式中~ε是以复数表示的误差,与阻抗Z相类似,Z也是复数,Z=R+jX,由电阻R和电抗X组成。
电流互感器的复数误差,是反转180°的二次电流相量按额定电流比折算至一次后,与实际一次电流相量之差,对实际一次电流相量的比值,并用百分数表示,即
~ε=[(-KnI2-I1)/I1]*100%=-(I0N1/I1N1)= -(I0/I1)*100% (36)
可见复数误差为励磁安匝与一次安匝相量之比的负值。由图5等值电路和式(19)可见:
E2=-I0´Zm=I2Zo2
所以 –I0´/I2=Zo2/Zm´ (37)
由于 I1´≈I2 (38)
将式(37)和(38)代入式(36)可以得到:
~ε=–I0´/I1*100%= -(Zo2/Zm´)*100% (39)
复数误差为二次负荷总阻抗与二次励磁阻抗之比的负值。
ε是~ε的模数:
ε=I0/I1=Zo2/Zm´ (40)
~ε的角度∠~ε,根据复数角度的运算方法应为Zo2的角度α减去Zm´的角度90°-ψ,负号为±180°,因此
∠~ε=α-(90°-ψ)+180°=90°+α+ψ (41)
这就是图6相量图中I0的角度。
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