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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:莊佑翔
研究生(外文):Yu Hsiang Chuang
論文名稱:比流器電磁暫態模型建立與應用測試
論文名稱(外文):Electromagnetic Transient Modeling and Application Test of Current Transformer
指導教授:張偉能
指導教授(外文):W. N. Chang
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:140
中文關鍵詞:電磁暫態程式EMTP比流器差動保護電驛變壓器
外文關鍵詞:EMTPCurrent TransformerDifferential Protection RelayTransformer
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本文進行比流器電磁暫態模型建立與應用測試,文中首先利用電磁暫態程式EMTP建立比流器特性分析模型,並進行比流器的直流與交流飽和特性模擬,說明其比流器飽和特性的重要性。其次說明差動保護電驛在三相變壓器的保護應用方法與比流器飽和對差動保護之影響,並建立三相變壓器在差動保護架構發生內部故障與外部故障的模擬系統,可知比流器的飽和現象的確會造成比流器在量測上的誤差而導致差動保護電驛的誤動作。本文最後建立比流器大電流暫態實測系統,並且分析暫態下的比流器特性與影響比流器動作之因素,同時為了顯示本文應用電磁暫態程式EMTP所建立的比流器飽和模型與方法的正確性,將與比流器大電流暫態實測系統進行比對,作為設計相關保護系統之電驛設定參考。
This thesis proposes the electromagnetic transient modeling and application test of CT. First of all, this thesis constructs a CT characteristic analysis model in the EMTP. Effects of DC and AC saturations of CTs are simulated. The results from the simulation show the importance of the saturation characteristics of CTs in protections. Secondly, applying differential protection relays to a three-phase transformer is introduced. The influences of the CT saturations on differential protection relay are also mentioned. And then, this thesis establishes a simulation system for a three-phase transformer differential protection. Two faults, internal fault and external fault, are set in the simulation. With the CT saturation, the simulation results indeed cause measurement errors which may induce mis-operation of differential protection relay. Finally, this thesis constructs a hardware measurement system for transient high current test of CT. The measurement system can observe the characteristics of CT responses under transient high current impacts. At the same time, in order to verify the precision of the CT model with saturation effects built in the EMTP, the simulation results are compared to those from the measurement system. The result of this thesis can provide useful reference for relay settings with CTs.
目 錄

指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書
中文摘要..............................................................................................................................i
英文摘要.............................................................................................................................ii
目錄....................................................................................................................................iii
圖表目錄.............................................................................................................................v

第一章 緒論.......................................................................................................................1
1.1 研究動機與目的.........................................................................................1
1.2 章節概要……………………………….....................................................2

第二章 比流器與變壓器特性分析模型建立.............................................................3
2.1 比流器等效電路特性分析.........................................................................3
2.1.1 比流器激磁曲線………………………………………………………5
2.1.2 ANSI比流器精確度規範……………………………………………6
2.1.3 IEC比流器精確度規範………………………………………………7
2.1.4比流器飽和現象……………….………………………………………8
2.2 比流器參數試驗方法...............................................................................11
2.3 比流器鐵心磁路非線性模型建立...........................................................16
2.4 比流器激磁曲線試驗模擬.......................................................................19
2.5 比流器飽和特性模擬系統建立...............................................................22
2.6 變壓器等效電路特性分析與飽和模型建立...........................................29
2.6.1 變壓器飽和特性分析模型建立……………………………………30
2.6.2 單相變壓器飽和特性分析模型建立………………………………32
2.6.3 三相變壓器飽和特性分析模型建立………………………………34
2.7 變壓器激磁突入電流與故障電流波形模擬與建立………………35
2.8 本章結論………….……………………………………………………37

第三章 差動電驛操作特性分析模型建立.............................................................38
3.1 差動電驛操作原理...................................................................................38
3.2 差動電驛在變壓器的保護應用..............................................................41
3.2.1變壓器差動保護電驛7UT6系列…………………….……………41
3.2.2比流器飽和對差動保護之影響…………………………….………44
3.2.3變壓器差動保護的比流器接線方式…………................................46
3.3 本章結論...................................................................................................48


第四章 EMTP模擬分析..................................................................................................49
4.1 電磁暫態程式EMTP介紹……………....................................................49
4.2 比流器激磁飽和特性對三相變壓器保護的模擬分析...........................55
4.2.1 EMTP建立三相變壓器差動保護的比流器接線方式……................56
4.3 本章結論.............................................................................................73

第五章 保護電驛用NCTI系列比流器實測分析…………………………...................74
5.1 NCTI-12比流器簡介................................................................................74
5.2 NCTI-12比流器激磁特性試驗................................................................76
5.3 NCTI-12比流器穩態電流實測................................................................80
5.4 NCTI-12比流器二次側內部電阻量測....................................................83
5.5 NCTI-12比流器二次側開路實測............................................................84
5.6 本章結論...................................................................................................87

第六章 保護電驛用比流器大電流暫態測試系統研製與實測.....................................88
6.1 自製比流器大電流暫態測試系統架構...................................................88
6.2 TRIAC閘極相位控制電路設計...............................................................89
6.3 比流器大電流暫態測試系統實測...........................................................94
6.3.1 比流器未飽和實測..............................................................................94
6.3.2 比流器直流飽和實測..........................................................................96
6.3.3 比流器交流飽和實測..........................................................................98
6.3.4 比流器交直流飽和實測....................................................................101
6.3.5 比流器二次側負擔阻抗影響實測....................................................103
6.4 本章結論.................................................................................................107

第七章 總結與建議.......................................................................................................108
7.1 總結.........................................................................................................108
7.2 建議.........................................................................................................109

參考文獻.........................................................................................................................110

附錄A NCTI-12比流器飽和模型與測試系統建立...................................................111
A.1 NCTI-12比流器飽和模型建立..............................................................111
A.2 NCTI-12比流器飽和特性模擬系統建立..............................................115
A.3 600/1A與3000/1A比流器模型 飽和資料......................................117

附錄B ANSI C類比流器規範.....................................................................................118

附錄C 相位控制積體電路TCA785特性分析.............................................................121

附錄D 比流器飽和與二次側負擔之關係....................................................................125

作者簡介.........................................................................................................................129
圖表目錄

圖2.1.1 比流器等效電路...................................................................................................4
圖2.1.2 典型輸出5A多比值比流器的激磁曲線............................................................5
圖2.1.3 鐵磁性物質之磁滯飽和曲線...............................................................................8
圖2.1.4 電力系統故障之R-L等效電路...........................................................................9
圖2.2.1 比流器匝比實驗接線圖.....................................................................................11
圖2.2.2 比流器極性實驗接線圖.....................................................................................11
圖2.2.3比流器絕緣電阻試驗接法(a)接線圖……..........................................................12
圖2.2.4 電壓-電流迴路....................................................................................................13
圖2.2.5 比流器激磁實驗接線.........................................................................................13
圖2.3.1 利用EMTP非線性電感元件L作為鐵心磁路方法.........................................16
圖2.3.2 利用電磁暫態程式EMTP建立比流器飽和模型流程圖.................................16
圖2.3.3 利用電磁暫態程式EMTP建立比流器等效電路模型.....................................17
圖2.3.4 比流器設定 飽和曲線參數視窗.................................................................17
圖2.3.5 比流器設定 飽和曲線.................................................................................18
圖2.4.1 利用電磁暫態程式EMTP建立出比流器激磁測試接線圖............................19
圖2.4.2 利用電磁暫態程式EMTP中內建元件「L nonlinear Data function」計算
飽和資料輸入參數設定視窗............................................................................20
圖2.4.3 利用電磁暫態程式EMTP模擬比流器激磁試驗之 飽和曲線.................21
圖2.4.4 於2.3節所建立的比流器 飽和曲線...........................................................21
圖2.5.1 模擬單相比流器飽和電路系統架構.................................................................22
圖2.5.2 利用電磁暫態程式EMTP建立出比流器飽和特性模擬系統接線圖.............22
圖2.5.3 模擬比流器未飽和系統架構.............................................................................23
圖2.5.4 模擬比流器未飽和波形…….............................................................................23
圖2.5.5 模擬比流器直流飽和系統架構.........................................................................24
圖2.5.6 模擬比流器直流飽和波形…….........................................................................24
圖2.5.7 模擬比流器交流飽和系統架構.........................................................................25
圖2.5.8 模擬比流器交流飽和波形(輸入12.5倍額定電流)………………..................25
圖2.5.9 模擬比流器交流飽和波形(輸入20倍額定電流)………………….................26
圖2.5.10 模擬比流器負擔阻抗影響架構.......................................................................27
圖2.5.11 模擬比流器負擔阻抗影響波形(負擔阻抗 ).........................................27
圖2.5.12 模擬比流器負擔阻抗影響波形(負擔阻抗 ).........................................28
圖2.6.1 變壓器等效電路模型.........................................................................................29
圖2.6.2 利用電磁暫態程式EMTP建立變壓器飽和模型流程圖.................................30
圖2.6.3 變壓器 飽和曲線.........................................................................................31
圖2.6.4 利用電磁暫態程式EMTP建立單相變壓器等效電路模型.............................33
圖2.6.5 單相變壓器 飽和特性輸入參數設定視窗.................................................33
圖2.6.6 電磁暫態程式EMTP內建元件Ү-Y-Δ三相變壓器內部等效電路模型.........34
圖2.6.7 電磁暫態程式EMTP內建元件Ү-Y-Δ三相變壓器參數設定視窗.................34
圖2.7.1 變壓器加壓示意圖.............................................................................................35
圖2.7.2 變壓器激磁突入電流模擬系統.........................................................................35
圖2.7.3 變壓器加壓(t=41.4ms)之激磁突入電流模擬結果...........................................36
圖3.1.1 差動保護電驛的基本結構圖.............................................................................38
圖3.1.2 比率型差動保護電驛的基本結構圖.................................................................40
圖3.2.1 西門子7UT6系列差動保護電驛應用..............................................................41
圖3.2.2 西門子7UT6系列差動保護電驛基本功能示意圖..........................................42
圖3.2.3 西門子7UT6系列差動保護電驛之跳脫特性曲線..........................................43
圖3.2.4 差動保護的基本結構圖.....................................................................................44
圖3.2.5 差動保護發生外部故障和內部故障時造成比流器飽和電流波形圖.............44
圖3.2.6 差動保護電驛誤跳脫特性曲線.........................................................................45
圖3.2.7 變壓器差動保護的比流器典型接線方式.........................................................47
圖4.1.1 電磁暫態程式EMTP內建的模型元件圖示.....................................................54
圖4.2.1 三相變壓器差動保護系統模擬架構電路……………………………….........55
圖4.2.2 以電磁暫態程式EMTP建立三相變壓器差動保護系統模擬系統接線圖….55
圖4.2.3 以電磁暫態程式EMTP建立三相變壓器差動保護之比流器接線方式…….56
圖4.2.4 三相變壓器差動保護系統之激磁突入電流系統架構電路………………….57
圖4.2.5 a相變壓器差動保護發生激磁突入電流之模擬結果……………………….58
圖4.2.6 b相變壓器差動保護發生激磁突入電流之模擬結果……………………….59
圖4.2.7 c相變壓器差動保護發生激磁突入電流之模擬結果……………………….60
圖4.2.8 三相變壓器差動保護系統之內部發生三線接地故障系統架構電路……….61
圖4.2.9 a相變壓器差動保護內部發生三線接地故障之模擬結果………………….62
圖4.2.10 b相變壓器差動保護內部發生三線接地故障之模擬結果………………….63
圖4.2.11 c相變壓器差動保護內部發生三線接地故障之模擬結果………………….64
圖4.2.12 三相變壓器差動保護系統之外部發生三線接地故障系統架構電路…..….65
圖4.2.13 a相變壓器差動保護外部發生三線接地故障之模擬結果………………….66
圖4.2.14 b相變壓器差動保護外部發生三線接地故障之模擬結果………………….67
圖4.2.15 c相變壓器差動保護外部發生三線接地故障之模擬結果………………….68
圖4.2.16 三相變壓器差動保護外部三線接地故障造成3000/1A比流器發生飽和現象
系統架構…………………………………...…………………………………69
圖4.2.17 a相變壓器差動保護外部發生接地故障造成比流器發生飽和現象模擬結果
……………………………………………………………………………….70
圖4.2.18 b相變壓器差動保護外部發生接地故障造成比流器發生飽和現象模擬結果
……………………………………………………………………………….71
圖4.2.19 c相變壓器差動保護外部發生接地故障造成比流器發生飽和現象模擬結果
……………………………………………………………………………….72
圖5.1.1 NCTI系列比流器內部結構................................................................................74
圖5.1.2 NCTI-12比流器實體結構..................................................................................75
圖5.2.1 NCTI-12比流器激磁測試圖..............................................................................76
圖5.2.2 NCTI-12比流器一次側變比接線方式..............................................................76
圖5.2.3 NCTI-12比流器Meter core激磁測試接線圖....................................................77
圖5.2.4 NCTI-12比流器Relay core激磁測試接線圖....................................................77
圖5.2.5 NCTI-12比流器Meter core 飽和曲線......................................................79
圖5.2.6 NCTI-12比流器Relay core 飽和曲線......................................................79
圖5.3.1 NCTI-12比流器穩態電流實測接線圖..............................................................80
圖5.3.2 NCTI-12比流器穩態電流實測實體架構圖......................................................80
圖5.3.3 ㄧ次側輸入10A於50/5A比流器實測試驗結果..............................................81
圖5.3.4 ㄧ次側輸入20A於50/5A比流器實測試驗結果..............................................81
圖5.3.5 ㄧ次側輸入10A於100/5A比流器實測試驗結果............................................82
圖5.3.6 ㄧ次側輸入20A於100/5A比流器實測試驗結果............................................82
圖5.4.1 NCTI-12比流器電阻量測架構..........................................................................83
圖5.5.1 比流器二次側開路時的波形示意圖.................................................................84
圖5.5.2 NCTI-12比流器二次側開路電壓試驗..............................................................85
圖5.5.3 NCTI-12比流器二次側開路電壓試驗實測波形..............................................86
圖6.1.1 自製比流器大電流暫態測試系統架構圖.........................................................88
圖6.2.1 TRIAC閘極相位控制功能方塊圖.....................................................................89
圖6.2.2 使用TRIAC相位控制的比流器大電流測試電路............................................90
圖6.2.3 TRIAC閘極相位控制時序圖.............................................................................91
圖6.2.4 TRIAC閘極相位控制電路實體圖.....................................................................92
圖6.2.5 比流器大電流暫態測試平台中短路變壓器與受測比流器實照圖.................92
圖6.2.6 自製比流器大電流暫態測試系統平台架設實體照.........................................93
圖6.3.1 比流器未飽和實測系統架構.............................................................................94
圖6.3.2 比流器未飽和實測與模擬結果.........................................................................95
圖6.3.3比流器直流飽和實測系統架構..........................................................................96
圖6.3.4比流器直流飽和實測與模擬結果......................................................................97
圖6.3.5比流器交流飽和實測系統架構..........................................................................98
圖6.3.6比流器一次側輸入353.5A實測與模擬交流飽和結果.....................................99
圖6.3.7比流器一次側輸入424.2A實測與模擬交流飽和結果...................................100
圖6.3.8 比流器交直流飽和實測系統架構...................................................................101
圖6.3.9 比流器交直流飽和實測與模擬結果...............................................................102
圖6.3.10 比流器二次側負擔阻抗影響實測系統架構.................................................103
圖6.3.11 比流器二次側負擔阻抗影響實測與模擬波形結果( )................104
圖6.3.12 比流器二次側負擔阻抗影響實測與模擬波形結果( )...............105
圖6.3.13 比流器二次側負擔阻抗影響實測與模擬波形結果( )...................106
圖A.1 電磁暫態程式EMTP比流器等效電路模型.....................................................111
圖A.2 利用電磁暫態程式EMTP建立比流器飽和模型流程圖.................................111
圖A.3 利用EMTP內建元件計算 飽和資料輸入參數設定視窗.........................112
圖A.4 利用EMTP內建元件計算 飽和資料起動設定視窗.................................113
圖A.5 非線性電感元件L設定 飽和曲線參數視窗.............................................114
圖A.6 NCTI-12保護電驛輸出端比流器 飽和曲線圖..........................................114
圖A.7比流器 飽和曲線無延伸之電流與磁通波形................................................115
圖A.8比流器 飽和曲線有延伸之電流與磁通波形................................................115
圖A.9 建立單相比流器飽和電路模擬系統所需要的元件.........................................116
圖A.10 利用電磁暫態程式EMTP建立出比流器飽和特性模擬系統接線圖...........116
圖A.11 600/1A與3000/1A比流器模型 飽和曲線圖............................................117
圖B.1 C級多比值比流器之激磁曲線...........................................................................118
圖B.2 計算C級誤差值比流器等效電路圖.................................................................119
圖B.3 NCTI-12比流器Relay core 飽和曲線......................................................120
圖C.1 相位控制積體電路TCA785接腳圖..................................................................121
圖C.2 TCA 785內部功能方塊圖...................................................................................122
圖C.3 相位控制積體電路TCA785各接腳之時序圖..................................................123
圖C.4 利用TCA785相位控制TRIAC之50mA閘極驅動電流電路圖......................124
圖D.1 比流器負擔阻抗為純電阻之二次側飽和電流波形.........................................125
圖D.2 比流器負擔阻抗為純電感之二次側飽和電流波形.........................................126
圖D.3 比流器負擔阻抗為電阻與電感之二次側飽和電流波形.................................126
圖D.4 模擬比流器負擔為純電阻0.8歐姆,電流與磁通波形.....................................127
圖D.5 模擬比流器負擔為純電阻1.5歐姆,電流與磁通波形.....................................127
圖D.6 模擬比流器負擔為純電感,電流與磁通波形...................................................128
圖D.7 模擬比流器負擔為電阻與電感所組成,電流與磁通波形...............................128
表2.1.1 ANSI定義5A儀表與電驛用比流器之標準負擔................................................6
表2.4.1 利用電磁暫態程式EMTP模擬比流器之激磁測試結果.................................19
表2.4.2 利用電磁暫態程式EMTP中內建元件「L nonlinear Data function」計算
飽和資料之結果...............................................................................................20
表2.6.1 變壓器模型參數規格….....................................................................................29
表2.6.2 激磁電流試驗結果(無載試驗) .........................................................................29
表2.6.3 利用電磁暫態程式EMTP中內建元件「L nonlinear Data function」計算變壓
器 飽和資料之結果....................................................................................30
表3.2.1三相變壓器所對應的比流器接線.....................................................................46
表5.1.1 NCTI–12比流器規格...........................................................................................74
表5.2.1 NCTI-12比流器激磁實驗數據..........................................................................78
表5.4.1 NCTI-12比流器二次側引線內部電阻值量測結果..........................................83
表5.5.1 NCTI-12比流器二次側開路試驗結果..............................................................85
表A.1 NCTI-12保護電驛輸出端比流器 關係資料.............................................112
表A.2 NCTI-12保護電驛輸出端比流器 飽和資料..............................................113
表A.3 600/1A與3000/1A比流器模型 飽和資料參數..........................................117
表B.1 ANSI定義5A儀表與電驛用比流器之標準負擔..............................................118
表C.1 相位控制積體電路TCA785接腳動作功能......................................................121
[1] 蔡隆田,高阻抗差動電驛應用於雙匯流排保護之研究,國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十五年。
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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