电气智能化之现场参量及其检测培训资料.docx

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1、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

2、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第3章 现场参量及其检测（1）电磁式电压互感器I&0&U&1W1F&12W2U& 20变压器空载运行原理图U1 E1 = 4.44 fW1FU 20 = E2 = 4.44 fW2F = = K uU 1U 20E1 W1E 2 W2第3章 现场参量及其检测（2）电容式电压互感器U xC1C2JP2LP1U

3、x = U C1 + U C 2 = Q C1 + Q C2C1 C2a C1 + C2xa fx f U C 2 C1 U x C1 + C2RYH原理接线图U C 2=C0C2U x =C1C1 + C2U x = K fyU xC0 =C0U x = C1U C1 = C2U C 2 = QK fy = =第3章 现场参量及其检测电容式电压互感器有以下优点：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。价格低：线路电压等级愈高，应用RYH的经济效果愈明显。可以兼作载波通信或线路高频保护的耦合电容。第3章

4、 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。电流互感器第3章 现场参量及其检测（1） 铁心电流互感器L1I&1I&2K1L2W1W2K 2电流互感器原理图F1 = I1W1F2 = I 2W2F1 = F2I1W1 = I 2W2I1I 2W2W1K i = =& & & &第3章 现场参量及其检测铁心电流互感器缺点：体积、重量随电

5、流等级升高而增加，价格上升也很快。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。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。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第3章 现场参量及其检测di2(t)e(t ) = L + Rhi2 (t ) d tL d i2 (t) / d t Rhi2 (t )或wL 1&第3章 现场参量及

6、其检测空心电流互感器具有以下5个优点：测量范围宽、线性精度高。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。频率响应范围宽。一般可设计到01MHz。重量轻、成本较低、性能价格比高，更符合环保要求。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

7、，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BI C流IC 时，将引起H内部载流子数量的变化，从而有电HEHd势EH ：E = RH I C B / d令 K H = RH / d则 E H = K H I C B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I1R1I CR6R7R11C2R12W1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B R3R8经差分放大、滞后

8、频率EHR2R4C1R5A1R10R9R13A 2U 2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U 2 = KI 1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ISRSN SB R3R2 R4AR6T1T2电压调节。最终有关系式：N1I1 = N S I S24V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 = N S I S ，只要求出RS 两端电压即可求得被测电流I1 。霍尔电

9、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

10、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：qqq = 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

11、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 q = 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

12、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：j =2 ln03lg 41 ElEn0lg 41l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。第3章 现场参量及其检测偏振光干涉装置示意图：I 0jI2 j2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/2: 2 j 12 4 22 2 U pI0 ：经过起偏器后的线偏振光的光强；I ：干涉光强。经过检偏器后，干涉光强为：

13、I = I 0SinI 0 (1 + Sinj )I = I 0Sin ( + ) =当j 很小时： = 1 I 0 (1 + j ) = 1 I 0 (1 + U )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

14、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（Positive TemperatureCoefficient）热敏电阻，电阻温度系数为负的称为NTC（negative temperaturecoefficie

15、nt）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

16、度变化引起RT 变化，U 0 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。第3章 现场参量及其检

17、测（2）实用的热电偶温度测量电路单点温度测量基本电路TABCCT 0T 0LD LMA、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。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两点间温差测量电路MT 0CDCT0A、B：热电偶电极；C、D：补偿导线；M：测量用毫伏计。AT 1BBT2A第3章 现场参量及其检测3.红外温度传感器红外测温技术是一种非接触、被动式的设备诊断技术，智能电器可用它在不停电的状态下，对高、低电压电气设备进行实时、非接触式温度检测。（1）红外测温的原理所有自然界物体均会向外辐射能量。根据StefanBoltzmann定律，物体

18、红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次方成正比，并与比辐射率成正比，可表示为：E = seT4第3章 现场参量及其检测黑体辐射的波谱图第3章 现场参量及其检测（2）红外温度传感器可以分为热探测器和光子传感器两大类。（1）热探测器:包括热电堆探测器、热敏电阻探测器、气体探测器和热释电探测器；（2）光子传感器：包括光电子发射器 (PE器件)、光电导探测器 (PC器件)、光生伏特器 (PV器件)和光电磁探测器 (PEM器件 )等。第3章 现场参量及其检测热电堆探测器：热电堆探测器在智能电器中应用最多。它是一个热端与一个红外接收器相连的热电偶。红外接收器接收到被测物体辐射的红外光，使其温度改变，热电

19、偶将温度差转换为电势信号输出。热电堆传感器输出电势为：热电堆传感器结构示意图EOUT4 4ob senEout = K(eT -T )第3章 现场参量及其检测3.3.2 湿度检测传感器及其应用1.Licl湿敏元件：利用潮解性盐类受潮时电阻发生改变的特点。2.高分子湿度传感器：利用高分子材料湿敏元件的吸湿性和膨润性。常用的有电容式和电阻式。3.金属氧化物湿敏元件：利用金属氧化物较强的吸水、脱水性能。高分子湿度传感器第3章 现场参量及其检测3.3.3 电器操动机构机械特性测量开关电器的合闸与分闸是由操作机构完成的。随着分合闸次数的增加，电器操作机构的机械特性会发生变化，到一定程度时会引起电器操作机

20、构操作力下降，导致触头的分断速度和开断能力降低，严重时出现拒分或拒合故障等诸多问题。所以电器操作机构机械特性的在线监测，是未来智能电器元件监控单元设计的一项重要内容。第3章 现场参量及其检测1. 压力测量传感器及其工作原理压阻式压力传感器：最常用的压力传感器，利用单晶硅压阻效应，在单晶硅的基片上用扩散工艺（或离子注入工艺及溅射工艺）制成一定形状的应变元件。当受到压力作用时，其电阻发生变化，从而使输出电压变化。压阻式压力传感器第3章 现场参量及其检测R1 + DRR2 - DR图示4个电阻联接成惠斯顿电桥，电阻受压后，两个电阻值增加，另外两个阻值减小，该电桥输出电R3 - DRUR4 + DRU

21、O压UO 为：DRR + DRTDR：电阻受压后的阻值变化；DRT：温度变化引起的阻值变化量。压阻式压力传感器工作原理图U O = U 第3章 现场参量及其检测2. 加速度测量用传感器某些物质（如石英、压电陶瓷材料锆钛酸铅等）在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，上下表面产生符号相反的电荷，撤除外力，电荷就立即消失。利用具有这种特性的物质制做的压电式加速度传感器。压电式加速度传感器第3章 现场参量及其检测3.4 被测量输入通道设计原理在智能监控单元中，必须设置被测量的输入通道，把传感器输出的大小不同、种类不同的模拟量电信号变成数字信号，或者把接点状态变成与中央控制单元输入电平兼容的逻辑信

22、号，以便监控单元中的中央处理器接受和处理。第3章 现场参量及其检测3.4.1 输入通道的基本结构1. 模拟量输入通道的结构（1）单模拟量输入通道的结构和组成单模拟量输入通道电路包括传感器、调理电路、采样（含采样保持器S/H和A/D转换器）和隔离环节。现场模拟量传感器调理电路采样保持转换隔离数字量输出（去中央处理与控制模块）采样环节单模拟量输入通道结构图第3章 现场参量及其检测1. 模拟量输入通道的结构（2）多模拟量输入通道电路及其结构组成多个单通道组成的多通道结构：包含多个独立通道，用于高速数据采集或各通道数据同步要求严格的场合。独立单通道组成的多模拟量输入通道结构第3章 现场参量及其检测1.

23、 模拟量输入通道的结构（2）多模拟量输入通道电路及其结构组成多路模拟信号共用S/H和A/D的多通道结构该结构电路元件少，结构简化，价格也较低，但每次只能采样一路模拟量，各通道数据不能同步，采样周期长。多通道共享AD等器件的结构第3章 现场参量及其检测3.4.1 输入通道的基本结构2.开关量输入电路的结构作用：（1）将一次元件或系统中其他开关电器等接点状态R1光电隔离R2输出变成与中央控制模块输入电平兼容的逻辑信号；被测断路器辅助接点（至）（2）实现电隔离。G1G 2开关量输入电路结构示意图第3章 现场参量及其检测3.4.2 模拟量输入通道中的信号调理电路原理及常用芯片1.信号类型和幅值的调理信

24、号类型和幅值调理：就是采用集成运算放大器组成的电路，把传感器输出的不同类别、不同大小的电信号变成幅值和极性符合A/D变换器模拟输入的电压。智能电器设备监控单元中常用的调理电路有：（1）电流/电压变换电路（2）被测参量极性变换电路（3）幅值调理电路第3章 现场参量及其检测（1）电流电压变换电路R1uOUTiINRC（a）基本变换电路（c）带同相放大器的变换电路iINR+ U TL 071- U（b）带射极跟随器的变换电路uOUTiINR+ U TL 071uOUTR1- UR2第3章 现场参量及其检测小信号电流/电压变换电路RR+ U TL 071iIN32+ U6 32+ U6uOUTiIN-

25、 UuOUT- U- UR1R2（a）基本变换电路（b）改进后的电路第3章 现场参量及其检测（2） 被测参量极性变换电路R3R2R5uINU Ru OUTuIN R1R6VD1A1VD2u1R4R7A 2uOUT（a）交流电压串联标准直流电压的变换电路（b）绝对值电路第3章 现场参量及其检测（3）幅值调理电路幅值调理电路就是各种电压放大器，最常用的有反相比例放大器、同相比例放大器和差动放大器。反相比例放大器：输出电压与输入反相，输入阻抗较小，输出阻抗较大；必须单信号源输入。同相比例放大器：输出电压与输入同相，输入阻抗非常高，而输出阻抗很低；必须单信号源输入。差动放大器：放大同相输入端和反相输入

26、端信号的差，具有较强的抗共模干扰能力。第3章 现场参量及其检测2.信号波形调理滤波智能电器设备的现场参量从传感器输出到监控单元，波形往往由于干扰而出现失真，对检测精度带来严重的影响。因此，在对模拟信号进行类型和幅值的调理同时，必须进行波形的调理，即通过滤波器去除干扰。常用滤波器有：（1）无源滤波器（2）有源滤波器第3章 现场参量及其检测（1）无源滤波器由无源的电路元件，如电阻、电感和电容组成。在智能电器及开关设备监控单元中，常用无源滤波器是RC一阶滤波器，这种滤波器电路简单，但频率特性较差，在干扰信号频率比较接近被测参量频率时，滤波效果不好。第3章 现场参量及其检测（2）有源滤波器有源滤波器电路中一定包含有源器件，在信号滤波器中有源器件就是集成运算放大器。根据频率特性，有源