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1、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,3.2电量信号检测方法,3.3非电量信号检测方法,3.1智能电器现场参量类型及数字化测量方法,现场模拟量,传 感 器,信 号 调 理,A/D 转 换,隔离,输入接口,中央处理模块,状态/逻辑,逻辑量,数 字 量,现场开关量,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,智能电器现场参量的采集、调理和转换过程示意图 （包括输入模块的全部、中央处理与控制模块的部分）,智能电器的核心是监控器，完成现场参量的采集、调理和转换是监控器的主要任务。智能电器监控器所需要采集的现场参量可以分为两大类：现场模拟参量和现场开关参量。现场模
2、拟参量-指随时间连续变化的信号，如电流、电压、温度、压力、速度等。这些信号需要专门的传感器将其变换成可与后级电路输入端兼容的电压信号，以便进行调理和数字化。,（1）电量信号这种信号指原始信号，就是电量的形式，主要是智能电器运行现场的电压、电流和频率，其他如有功功率、无功功率、功率因数、电能等都可以通过这三个基本参量计算出来。（2）非电量信号指原始信号不是电量形式的物理信号，主要包括运行现场需要检测的温度、湿度、压力、位置、速度、加速度等，需要通过与被测物理量相对应的传感器将其变换为电量信号。,现场模拟参量又可以分为电量和非电量两种：,现场开关参量-这类参量本身只存在两种状态，如断路器触点的分与
3、合、继电器的开与闭、脉冲式电表的输出脉冲的有和无等。一般来说，运行现场的各种参量都不能直接送入监控单元，现场模拟参量在经过传感器变换为相应的电压信号后，还必须经过信号调理电路，进行幅值调整和滤波处理，才能送至A/D转换器后变为中央处理器能够接受并处理的数字量，以保证测量和处理结果的准确性。,现场开关量信号的调理就是把电气触点的分、合或脉冲信号的有、无状态变为对应的、可被中央处理单元处理的逻辑信号。为了提高监控单元的抗干扰能力，经信号调理和变换后的数字量和逻辑量与中央处理器之间还应当有良好的电隔离。,3.2电量信号检测方法,在被保护和监控的对象中，运行时的各种电参数是智能电器需要监控的一类主要现
4、场参量，包括供电电压和线路电流的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等。这些电参数中只有电压和电流能被直接采样，其他参数则是通过特定算法，有中央处理器与控制模块中的处理器件根据电压和电流的采样结果计算得到。因此，电压和电流的准确检测、采样对智能电器的正常运行是至关重要的。,按照传感器的工作原理，可以把传感器分为以下3类 1、以法拉第电磁感应定律为基础的互感器；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；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；光学电流互感器和光学电压互感器。,1.电压互感器：电磁式和电容式 （1）电磁式电压互感器：
5、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。2.电流互感器：铁心式和空心式 （1）铁心式电流互感器：电力系统中主要的电流检测工具 （2）空心式电流互感器：目前在智能电器中应用比较多的一种电流传感器。,3.2.1 基于电磁感应定律的电压、电流互感器,电容式电压互感器,电容式电压互感器有以下优点：（1）绝缘可靠性高，电容式电压互感器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，应用电容式电压互感器的经济效果愈明显；（3）可以兼作载波通信或线路高频
6、保护的耦合电容。,从电容电压UC2的公式上可以看出：稳态时，RYH的电压传输特性与电磁式电压互感器基本相同，也能满足要求。但是由于RYH采用了电容器分压，它的动态响应特性不如铁心电压互感器好。当系统发生短路等故障而使电压突变时，由于电容上的电压不能立即随之变化，使得RYH的暂态过程要比电磁式电压互感器长的多。如果一次侧电压突降为0时，二次侧电压约需20ms才能降到额定电压的5%以下，对于动作时间只有20ms的快速继电器，会带来很大的影响，甚至是不能正确动作。,铁心电流互感器缺点迄今为止，铁心电流互感器一直是电力系统主要的电流检测工具，在继电保护应用中占有主导地位，但是它本身也有着难以克服的缺点
7、：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，使用铁心式互感器必须充油，防爆困难，安全系数下降。3、在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。在有些场合，如低压框架式断路器，电流测量范围可从几A到短路时的几千A。要在这样的大的范围进行检测，用传统的铁心电流互感器显然无法是无法实现的。空心电流互感器基于Rogowski线圈的空心电流互感器具有结构简单、输入电流变化范围宽、线性度好、性价比高等特点，是目前在低
8、压智能电器中应用比较多的一种电流互感器。,Rogowski线圈工作原理设线圈匝数为N，绕制在横截面积为A的非磁性材料FR上，磁通密度为B(t)。可以得到从采样电阻R0上输出电压为u0=R0i2(t)=-Kdi(t)/dt,Rogowski线圈测量电流原理图,由上式可见，输出电压正比于被测电流的微分。对于工频正弦交流而言，输出电压u0的有效值与被测电流i的有效值成正比，但相位滞后90。若直接用u0作为被测电流信号，智能监控器中的数字处理器件将无法根据测得的线路电压和电流正确计算其他电参量。为此，在实际使用中，通常需要在Rogowski线圈回路中加入积分环节，使u0与i的相位达到一致。积分环节的实
9、现主要有RC积分电路、电压频率变换器(VFC)和数字积分器。下面主要介绍RC积分电路。,但是由于电容器的损耗和泄露、电阻、电容元件参数随温度的变化等因素，都会引起积分误差，从而影响测量精度。,铁心电流互感器输入输出特性,空心电流互感器在大电流时的输入输出特性,空心电流互感器具有以下6个优点：1、测量线圈本身与被测电流回路没有电路的联系，而是通过电磁场耦合，因此与主回路有着良好的电气绝缘；2、测量范围宽，同样的绕组电流测量范围可以从几安培到数百千安，并且可以测量含有大的直流分量的瞬态电流；3、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；4、频率
10、范围宽，一般可设计到从0.1Hz到1MHz以上，特殊的可设计到200MHz的带通，线圈自身的上升时间可做到纳秒数量级；5、重量轻、成本较低、性能价格比高，更符合环要求；6、易实现互感器数字化输出。,利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。霍尔效应这种物理现象的发现，虽然已有一百多年的历史，但是直到20世纪40年代后期，由于半导体工艺的不断改进，才被人们所重视和应用。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。,3.2.2
11、 霍尔电流、电压互感器,1.霍尔效应基本原理,2.基本霍尔电流传感器,根据传感器的工作原理可知，霍尔元件输出的霍尔电势经左图的差分放大、滞后频率补偿、可调零的相放大与超前频率补偿等环节调理后，可得到符合智能电器监控器的输入要求的输出电压： U2=KI1,3.零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）绕组，作为反馈环节形成简单闭环控制系统，对霍尔元件输出电压调节。最终有关系式：N1I1=NSIS,霍尔电流传感器特点： （1）工作频率范围宽，可从0Hz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
12、险。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。,光学电流互感器OCT(Optical Current Transformer)和光学电压互感器OPT(Optical Potential Transformer)是近年发展比较快的一类新型电量传感器，它也是目前电气工程领域流行的前沿研究课题之一。,3.2.3 光学电流、电压互感器,1.光学电流互感器光学电流互感器的理论基础是法拉第磁光效应。法拉第磁光效应：当光波通过
13、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。,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。,光学电压互感器检测的实现,3.3非电量信号检测方法,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
14、.热电偶；3.红外温度传感器。,1、热敏电阻温度传感器,(1)热敏电阻的特性,(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，以保证输出电压与温度关系基本上为线性。如图所示为一种简单的线性化测量电路，适用于温度测量范围不大的场合。,先调整RB使电桥平衡，U0=0,；当温度改变引起RT变化，电桥平衡被破坏，测出U0，即可求出改变后的RT，进而测出温度。,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。该电动势称为热电动势。该电势与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果
15、精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。,（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下式近似决定： Et = a + bt Et为自由端温度为0时的热电势；a，b为常数，与标准铂电阻温度计在不同温度下比较求得。常用的铜-康铜热电偶在测量负温度时，可以近似的认为a=-39.5,b=-0.05。,（2）实用的热电偶温度测量电路单点温度测量基本电路,两点间温差测量电路 下图为测量两点温度T1、T2之差的一种实用电路。,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
16、电器可用它在不停电状态下，对高、低电压电气设备进行实时、非接触式温度检测，能够实现对电器设备的在线诊断。同时，由于红外测温是被动的接收物体发出的红外线，无须对设备外加红外光源，测温线路设计简单。因此，近年来红外测温技术在智能电器在线监测中得到了广泛的应用。,(1)红外测温原理当物体温度处于绝对零度以上时，因为其内部带电粒子的运动，以不同波长的电磁波形式，向外辐射能量，波长涉及紫外、可见、红外光区。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，红外测温仪通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。,所有自然界物体均会向外辐射能量。根据Stefan-Boltzmann定律，物体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=T4上式说明，物体温度越高，其表面所辐射的能量就越大。,(1)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 )。,
