3电气智能化第3章

第3章现场参量及其检测第3章现场参量及其检测3.13.23.33.43.53.6智能电器现场参量类型及数字化测量方法电量信号检测方法非电量信号检测方法被测量输入通道设计原理测量通道的误差分析本章小结第3章现场参量及其检测3.1智能电器现场参量类型及数字化测量方法现场参量分类：第3章现场参量及其检测智能电器现场参量的采集、调理和转换过程示意图：第3章现场参量及其检测3.2电量信号检测方法（1）以法拉第电磁感应定律为基础的互感器，包括铁心电磁式电压、电流互感器和空心电流互感器。（2）按霍尔效应原理工作的互感器，主要包括霍尔电流和霍尔电压传感器。（3）基于磁光效应和光电效应的互感器,主要有光学电流互感器和光学电压互感器。第3章现场参量及其检测3.2.1基于电磁感应定律的电压、电流互感器1.电压互感器：电磁式和电容式（1）电磁式电压互感器：电力系统中应用最多。（2）电容式电压互感器：简称RYH，广泛用于110KV及以上超高压电力系统中。电磁式电压互感器电容式电压互感器Ku第3章现场参量及其检测（1）电磁式电压互感器I0ΦU1W112W2U20变压器空载运行原理图U1E14.44fW1U20E24.44fW2U1U20E1W1E2W2C0C0UxC1UC1C2UC2QKfy第3章现场参量及其检测（2）电容式电压互感器UxC1C2JP2LP1UxUC1UC2QC1QC2C1C2aC1C2xafxfUC2C1UxC1C2RYH原理接线图UC2C0C2UxC1C1C2UxKfyUx第3章现场参量及其检测电容式电压互感器有以下优点：①绝缘可靠性高：RYH的电容分压器多由数个瓷件堆叠而成，每个瓷件内装有若干个串联电容元件，而且瓷件内充满绝缘油，因此其耐压高，故障少。②价格低：线路电压等级愈高，应用RYH的经济效果愈明显。③可以兼作载波通信或线路高频保护的耦合电容。第3章现场参量及其检测3.2.1基于电磁感应定律的电压、电流互感器2.电流互感器：铁心式和空心式（1）铁心电流互感器：电力系统中主要的电流检测工具，其基本工作原理与铁心电磁式电压互感器相似。（2）空心电流互感器：目前在智能电器中应用比较多的一种电流传感器，其结构简单、输入电流变化范围宽、线性度好、性能价格比好。电流互感器Ki第3章现场参量及其检测（1）铁心电流互感器L1I1I2K1L2W1W2K2电流互感器原理图F1I1W1F2I2W2F1F2I1W1I2W2I1I2W2W1第3章现场参量及其检测铁心电流互感器缺点：①体积、重量随电流等级升高而增加，价格上升也很快。②在高压输电线路中铁心式互感器必须充油，防爆困难，安全系数下降。③传统的电器设备二次测量和保护电路中，采用了具有线圈的各种仪表及电磁式继电器，需要从互感器中汲取能量，所以铁心电磁式互感器必须有相应负载能力。④互感器铁心磁化曲线线性范围有限，影响测量范围和保护精度。第3章现场参量及其检测（2）空心电流互感器（Rogowski线圈）i(t)B(t)i2(t)R0UoutRogowski线圈测量电流原理图di2(t)RL0R0u第3章现场参量及其检测e(t)LRhi2(t)dtLdi2(t)/dtRhi2(t)或wLRhLi2e(t)测量回路等效电路图u0与i(t)之间存在/2的相位差第3章现场参量及其检测解决相位差问题——积分环节：常用的有两种，一是RC积分电路，另一个是通过电压频率变换实现。若将已求导出的u0与i(t)关系等式改写为复数形式，则有：RLLRU0jKIi2e(t)R0u0i0ucCUcUc11jRCjK1jRCU0I加入RC积分电路后的等效电路图jRC1UcKI/RC第3章现场参量及其检测空心电流互感器具有以下5个优点：①测量范围宽、线性精度高。②因为不用铁心进行磁耦合，从而消除了磁饱和、铁磁谐振现象，使其运行稳定性好，保证系统运行的可靠性。③频率响应范围宽。一般可设计到0～1MHz。④重量轻、成本较低、性能价格比高，更符合环保要求。⑤易实现互感器数字化输出。第3章现场参量及其检测铁心电流互感器的输入输出特性第3章现场参量及其检测空心电流互感器在大电流时的输入输出特性第3章现场参量及其检测3.2.2霍尔电流、电压传感器霍尔传感器利用霍尔效应，可实现电流、电压变换和被测电路与控制电路间的电气隔离。它的核心元件是霍尔元件，一种对磁场敏感的元件，利用磁场作为介质，可以实现多种物理量，如位置、速度、加速度、流量、电流、电功率等的非接触式测量。霍尔电流传感器霍尔电压传感器第3章现场参量及其检测1.霍尔效应基本原理对于垂直置于磁感应强度为B的磁场中的霍尔元件H，当按图示方向输入电BIC流IC时，将引起H内部载流子数量的变化，从而有电HEHd势EH：EΗRHICB/d令KHRH/d则EHKHICB霍尔效应原理图第3章现场参量及其检测2.基本霍尔电流传感器传感器由带有气隙I1R1ICR6R7R11C2R12W1的环形铁心、霍尔元件、产生控制电流IC的电源组成。如左图所示，霍尔元件输出的霍尔电势BR3R8经差分放大、滞后频率EHR2R4C1R5A1R10R9R13A2U2补偿、可调零的相放大与超前频率补偿等环节后，可得到输出电压：霍尔电流传感器工作原理图U2KI1第3章现场参量及其检测3.零磁通霍尔电流传感器该传感器的铁心上绕有一匝数为Ns的补偿（二次）绕R124V组，作为反馈环节形成简单闭环控制系I1ICR5C统，对霍尔元件输出ISRSNSBR3R2R4AR6T1T2电压调节。最终有关系式：N1I1NSIS24V零磁通霍尔电流传感器原理图第3章现场参量及其检测3.零磁通霍尔电流传感器根据N1I1NSIS，只要求出RS两端电压即可求得被测电流I1。霍尔电流传感器特点：（1）工作频率范围宽，可从DC到几百KHz（2）抗干扰能力强（3）构造简单、坚固、耐冲击、体积小（4）没有因充油等因素而产生的易燃、易爆等危险第3章现场参量及其检测4.霍尔电压传感器概述由于电压本身不能直接产生磁场，必须变成通过导线或绕组的电流，才有相应的磁场。为采用霍尔效应制成霍尔电压传感器，首先应将被测电压变换成电流，以产生霍尔元件所需的磁场。霍尔电压传感器也分为基本型和零磁通型。第3章现场参量及其检测5.霍尔集成器件霍尔集成传感器分为线性型和开关型。线性型霍尔集成器件：输出电压与外加磁场强度（即被测电流）呈线性关系。根据输出环节结构，可分为单端输出与双端输出（差动输出）两种。开关型霍尔集成电路分为单稳和双稳两种。第3章现场参量及其检测线性型霍尔传感器UGN-3501T的特性曲线第3章现场参量及其检测3.2.3光学电流、电压互感器1.光学电流互感器法拉第磁光效应：当光波通过置于被测电流产生的磁场内的磁光材料时，其偏振面在磁场作用下将发生旋转，通过测量旋转的角度即可确定被测电流的大小。第3章现场参量及其检测1.光学电流互感器(OCT)法拉第磁光效应原理图如图所示，线偏振光穿过介质后因其两个分量出现相位差而产生的偏转角为：VHL：偏转角；V：光纤材料Verdet常数；H：磁化强度；L：光纤长度。H第3章现场参量及其检测OCT的结构示意图：光源起偏器法拉第传感头检偏器检测电路磁场H光纤OCT传感头的原理图：I第3章现场参量及其检测据VHL，传感器输出的偏转角与被测电流和光纤的常数V有关。由于所谓“线性双折射现象”的影响，常数V实际是一个随机变量，与光纤的形变、内部应力、光源光波长、环境温度、弯曲、扭转、振动等许多因素有关，受到这些量的影响，输出补偿相当困难。第3章现场参量及其检测3.2.3光学电流、电压互感器2.光学电压互感器Pockels效应：某些透明的光学介质,如BGO(锗酸铋Bi4Ge3O12)晶体,具有电光效应，在电场的作用下会使其输入光的折射率随外加电场改变线性地改变。这种效应也称为线性电光效应。第3章现场参量及其检测2.光学电压互感器当输入光传播方向与电场方向垂直时，电场所引起的双折射最大，使晶体中射出的两束线偏振光产生相位差，其最大相位差为：2πn0341ElEn0l41第3章现场参量及其检测横向和纵向电光效应示意图：ab横向电光效应：光的传播方向与电场互相垂直；纵向电光效应：光的传播方向平行于电场方向。经过检偏器后，干涉光强为：II0SinI0(1Sin)II0Sin()当很小时：1I0(1)1I0(1πU)第3章现场参量及其检测偏振光干涉装置示意图：I0I22若在晶体和检偏器之间增加一个玻片，使两束线偏振光间相位差增加π/2:2π124222UI0：经过起偏器后的线偏振光的光强；I：干涉光强。第3章现场参量及其检测3.3非电量信号检测方法本节主要介绍温度、湿度、压力、速度、加速度检测用传感器及测量电路设计方法。温度、湿度、压力、速度、加速度等非电量信号输入传感器输出电压信号第3章现场参量及其检测3.3.1温度检测传感器及在智能电器中的应用在输配电设备的运行中，变压器、开关柜、母线、电机等因发热引起的故障是相当多的，所以温度是智能电器及开关设备工作时需要监测的一个重要参数。测量温度的传感器有：1.热敏电阻温度传感器；2.热电偶；3.红外温度传感器。热敏电阻温度传感器热电偶红外温度传感器第3章现场参量及其检测1.热敏电阻温度传感器电阻式温度传感器利用热敏元件材料本身电阻随环境温度变化而改变的特性制成。根据热敏元件所用材料，可分为两个大类：热电阻：利用金属导体铜、镍、铂制成的测温电阻；热敏电阻：把金属氧化物陶瓷半导体材料或是碳化硅材料，经成形、烧结等工艺制成的测温元件。第3章现场参量及其检测（1）热敏电阻的特性电阻温度系数为正称为PTC（PositiveTemperatureCoefficient）热敏电阻，电阻温度系数为负的称为NTC（negativetemperaturecoefficient）热敏电阻。其中，NTC阻值R与温度T关系为：热敏电阻的特性曲线RR0eB(1/T1/T0)第3章现场参量及其检测热敏电阻有下述优点：电阻温度系数绝对值大，灵敏度高；测量线路简单；体积小，重量轻，因而热惯性比较小；寿命长；价格低；本身电阻值大，适于远距离测量。其缺点主要是：非线性大，需要在电路上进行线性化补偿；稳定性稍差；特性一致性差，互换时需挑选。第3章现场参量及其检测（2）测量电路由于热敏电阻的非线性，需要在测量电路中进行线性化处理。如图所示为一种简单的线性化测量电R路，适用于温度测量范围不大的场合。U先调整RB，使电RA桥平衡，U0=0；当温度变化引起RT变化，U0电桥平衡被破坏，测出RTRBUU0，即可求出改变后的RT，进而测出温度。第3章现场参量及其检测2.热电偶同一金属材料不同空间位置的两点间温度不同时，这两点间将会出现电位差，这一现象就称为热电效应。不同金属材料在相同的温差下热电势不同。T0I参考端（冷端）T0电极电极I工作端（热端）T1被测物体热电效应原理图第3章现场参量及其检测（1）电器温度测量中常用的热电偶及性能电器产品试验中使用较多的是铜-康铜热电偶。铜-康铜热电偶的热电势与温度的关系可由式3.31近似决定：EtabtEt为自由端温度为0℃时的热电势；a，b为常数。D第3章现场参量及其检测（2）实用的热电偶温度测量电路①单点温度测量基本电路TABCCT0T0LDLMA、B：热电偶电极；C、D：补偿导线；T0：冷端温度；L：铜导线；M：测量用毫伏计。第3章现场参量及其检测（2）实用的热电偶温度测量电路②两点间温差测量电路MT0CDCT0'A、B：热电偶电极；C、D：补偿导线；M：测量用毫伏计。AT1BBT2A第3章现场参量及其