3电气智能化第3章

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丈量方法电量信号检测方法非电量信号检测方法被丈量输入通道设计原理丈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丈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、调理和转换过程表示图：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根底的互感器，包括铁心电磁式电压、电流互感器和空心电流互感器。2按霍尔效应原理任务的互感器，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

2、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：电力系统中运用最多。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I0U1W112W2U 20变压器空载运转原理图U1 E1 4.44 fW1U 20 E2 4.44 fW2 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 x U C1 U C 2 Q C1 Q C2C1 C2a

3、 C1 C2xa fx f U C 2 C1 U x C1 C2RYH原理接线图U C 2C0C2U xC1C1 C2U x K fyU xC0C0U 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，每个瓷件内装有假设干个串联电容元件，而且瓷件内充溢绝缘油，因此其耐压高，缺点少。价钱低：线路电压等级愈高，运用RYH的经济效果愈明显。可以兼作载波通讯或线路高频维护的耦合电容。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

4、系统中主要的电流检测工具，其根本任务原理与铁心电磁式电压互感器类似。2空心电流互感器：目前在智能电器中运用比较多的一种电流传感器，其构造简单、输入电流变化范围宽、线性度好、性能价钱比好。电流互感器第3章 现场参量及其检测1 铁心电流互感器L1I1I2K1L2W1W2K 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陷：体积、分量随电流等级升高而添加，价钱上升也很快。在高压输电线路中铁心式互感器必需充油，防爆困难，平安系数下降。传统的电器设备二次丈量和维护电路中，采用了具有线圈的各种仪表及电磁式继电

5、器，需求从互感器中汲取能量，所以铁心电磁式互感器必需有相应负载才干。互感器铁心磁化曲线线性范围有限，影响丈量范围和保护精度。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线圈丈量电流原理图第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 RhL i2 e(t ) 丈量回路等效电路图 u0与i(t )之间存在 / 2的相位差RL0R 0u第3章 现场参量及其检测处理相位差问题积分环节：常用的有两种，一是RC积分电路，另一个是经过电压频率变换实

6、现。假设将已求导出的 u 0与i(t )关系等式改写为复数方式，那么有：RLLRU 0 jKIi2e(t )R0u0i0ucCU cU c11 jRCjK1 jRCU0 I 参与RC积分电路后的等效电路图U c K I/RCjRC 1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：丈量范围宽、线性精度高。由于不用铁心进展磁耦合，从而消除了磁饱和、铁磁谐振景象，使其运转稳定性好，保证系统运转的可靠性。频率呼应范围宽。普通可设计到01MHz。分量轻、本钱较低、性能价钱比高，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

7、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。它的中心元件是霍尔元件，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丈量。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.霍尔效应根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那么 E H K H

8、I C B霍尔效应原理图第3章 现场参量及其检测2.根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：霍尔电流传感器任务原理图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，作为反响环节形成简单闭环控制系I1ICR5C统，对霍尔元件输出ISRSN SB R3R2 R4A

9、R6T1T2电压调理。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 ，只需求出RS 两端电压即可求得被测电流I1 。霍尔电流传感器特点：1任务频率范围宽，可从DC到几百KHz2抗干扰才干强3构造简单、巩固、耐冲击、体积小4没有因充油等要素而产生的易燃、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，必需变成经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根

10、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。根据输出环节构造，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：当光波经过置于被测电流产生的磁场内的磁光资料时，其偏振面在磁场作用下将发生旋转，经过丈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

11、图如下图，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 ：光纤资料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的构造表示图：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“线性双折射景象的影响，常数V实践是一个随机变量，与光纤的形变、内部应力、光源光波长、环境温度、弯曲、改动、振动等许多要素有关，遭到这些量的影响，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

12、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动线性地改动。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：2 n03 41 ElEn0l 41第3章 现场参量及其检测横向和纵向电光效应表示图：ab横向电光效应：光的传播方向与电场相互垂直；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安装表示图：I 0I22假设在晶体和检偏器之间添加

13、一个玻片，使两束线偏振光间相位差添加/2: 2 12 4 22 2 UI0 ：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： I I 0SinI 0 (1 Sin )I I 0Sin ( )当 很小时： 1 I 0 (1 ) 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引见温度、湿度、压力、速度、加速度检测用传感器及丈量电路设计方法。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运用在输配电设备的运转中，变压器、开关柜、母线、电机等因发热引起的缺点

14、是相当多的，所以温度是智能电器及开关设备任务时需求监测的一个重要参数。丈量温度的传感器有：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资料本身电阻随环境温度变化而改动的特性制成。根据热敏元件所用资料，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资料或是碳化硅资料，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PTCPositive TemperatureCoefficien

15、t热敏电阻，电阻温度系数为负的称为NTCnegative temperaturecoefficient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 / T1 / 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；丈量线路简单；体积小，分量轻，因此热惯性比较小；寿命长；价钱低；本身电阻值大，适于远间隔 丈量。其缺陷主要是：非线性大，需求在电路上进展线性化补偿；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丈量电路由于热敏电阻的非线性，需求在丈量电路中进展线性化处置。如下图为一种简单的线性化丈量电R路，适

16、用于温度丈量范围不大的场所。U 先调整RB ，使电RA 桥平衡，U0 =0；当温度变化引起RT 变化，U 0 电桥平衡被破坏，测出RTRBUU0 ，即可求出改动后的RT ，进而测出温度。第3章 现场参量及其检测2.热电偶同一金属资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，这一景象就称为热电效应。不同金属资料在一样的温差下热电势不同。T0I参考端冷端T0电极电极I任务端热端T1被测物体热电效应原理图第3章 现场参量及其检测1电器温度丈量中常用的热电偶及性能电器产品实验中运用较多的是铜-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近似决议：Et a btEt为自在端

17、温度为0时的热电势；a，b为常数。第3章 现场参量及其检测2适用的热电偶温度丈量电路单点温度丈量根本电路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：丈量用毫伏计。D第3章 现场参量及其检测2适用的热电偶温度丈量电路两点间温差丈量电路MT 0CDCT0A、B：热电偶电极；C、D：补偿导线；M：丈量用毫伏计。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形状下，对高、低电压电气设备进展实时、非接触式温度检测。1红外测温的原理一切自然界物体均会向外辐射能量。

18、根据StefanBoltzmann定律，物体红外辐射的能量与它本身的绝对温度T的四次方成正比，并与比辐射率成正比，可表示为：ET4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运用最多。它是一个热端与一个红外接纳器相连的热电偶。红外接纳器接纳到被测物体辐射的红外

19、光，使其温度改动，热电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：热电堆传感器构造表示图EOUT4 4ob senEout K(TT )第3章 现场参量及其检测3.3.2 湿度检测传感器及其运用1.Licl湿敏元件：利用潮解性盐类受潮时电阻发生改动的特点。2.高分子湿度传感器：利用高分子资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丈量开关电器的合闸与分闸是由操作机构完成的。随着分合闸次数的添加，电器操作机构的机械特性会发生变化，到一定程度时会引

20、起电器操作机构操作力下降，导致触头的分断速度和开断才干降低，严重时出现拒分或拒合缺点等诸多问题。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. 压力丈量传感器及其任务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分散工艺或离子注入工艺及溅射工艺制成一定外形的应变元件。当遭到压力作用时，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R1RR2R图示4个电阻联接成惠斯顿电桥，电阻受压后，两个电阻值添加，另外两个阻值减小，该电桥输出电R3RUR4RUO压UO 为：RRRTR

21、：电阻受压后的阻值变化；RT：温度变化引起的阻值变化量。压阻式压力传感器任务原理图U O U第3章 现场参量及其检测2. 加速度丈量用传感器某些物质如石英、压电陶瓷资料锆钛酸铅等在机械力作用下发生变形时，内部产生极化景象，上下表面产生符号相反的电荷，撤除外力，电荷就立刻消逝。利器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 被丈量输入通道设计原理在智能监控单元中，必需设置被丈量的输入通道，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，或者把接点形状变成与中央控制单元输入电平兼容的逻辑信号，以便监控单元中的中央处置器接受和处置。第3章

22、 现场参量及其检测3.4.1 输入通道的根本构造1. 模拟量输入通道的构造1单模拟量输入通道的构造和组成单模拟量输入通道电路包括传感器、调理电路、采样含采样坚持器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置与控制模块采样环节单模拟量输入通道构造图第3章 现场参量及其检测1. 模拟量输入通道的构造2多模拟量输入通道电路及其构造组成多个单通道组成的多通道构造：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厉的场所。独立单通道组成的多模拟量输入通道构造第3章 现场参量及其检测1. 模拟量输入通道的构造2多模拟量输入通道电路及其构造组成多路模拟

23、信号共用S/H和A/D的多通道构造该构造电路元件少，构造简化，价钱也较低，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等器件的构造第3章 现场参量及其检测3.4.1 输入通道的根本构造2.开关量输入电路的构造作用：1将一次元件或系统中其他开关电器等接点形状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开关量输入电路构造表示图第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

24、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R1uOUTiINRCa根本变换电路c带同相放大器的变换电路iINR U TL 071 Ub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 UuOUT U UR1R2a根本变换电路b改良后的电路第3章 现场参量及其检测2 被测参量极性变换电路R3R2R5uINU

25、 Ru OUTuIN R1R6VD1A1VD2u1R4R7A 2uOUTa交流电压串联规范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；必需单信号源输入。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；必需单信号源输入。差动放大器：放大同相输入端和反相输入端信号的差，具有较强的抗共模干扰才干。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

26、真，对检测精度带来严重的影响。因此，在对模拟信号进展类型和幅值的调理同时，必需进展波形的调理，即经过滤波器去除干扰。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，有源滤波器可以分为低通、高通和带通三种。第3章 现场参量及其检测2有源滤波器右图所示为一种

27、阶低通有源滤波器，其传送函数为：U OUTU IN1R2 R2CR1 s 1R2CR2CR1 sCU IN R1CR2式中，C 1 /(R2C ) ，用 j 替代 s 那么可得到该电路频率特性：U OUTU OUTU INR2 1R1 1 jR2CR2 1R1 1 j ff C第3章 现场参量及其检测U OUTU INdB由U OUTU INR2R111 jf 可得频率特性波特图：f C20 lgR2R13dBf C-20dB/10倍频程1lg f2R2C第3章 现场参量及其检测另一种一阶低通有源滤波器电路原理图及其频率特性波特图。U OUTU INRU OUTU INdB03dBf C1lg

28、 f-20dB/10倍频程C原理电路图频率特性波特图2R2C第3章 现场参量及其检测3. 常用集成运算放大器芯片1AD OP07AD公司消费的一种高精度运算放大器系列芯片，有EH，CH，DH和AH等4个等级。具有极低的失调电压、偏置电流和温漂系数。2AD517AD公司消费的一种廉价、高精度系列运算放大器芯片，有极小的偏置电流和低温漂系数。AD OP-07第3章 现场参量及其检测3.4.3 多路模拟参量信号与A/D转换器接口当被测现场模拟量数量大于监控单元中A/D转换器的模拟输入通道数时，可以有两种接口方法：1.添加A/D转换器芯片数量2.采用模拟量多路转换器模拟量多路转换器也称多项选择1模拟开

29、关)有CC405X系列，例如CC4051、CC4052，还有AD公司的AD7501等。第3章 现场参量及其检测3.4.4 模拟量采样环节设计原理及常用电路芯片1.采样坚持器采样坚持器平常总是任务在采样形状下，开关S接通，其输出一直跟随输入模拟信号，当有采样控制信号输入时变为坚持形状；开关S分断，电路的输出坚持采样控制信号发出时辰输入模拟信号的值。采样坚持器原理电路图U INU CSCBAU OUT第3章 现场参量及其检测采样坚持器主要参数有：1孔径时间TAP2孔径时间不确定性3捕捉时间4坚持电压下降5馈送6采样坚持电流比第3章 现场参量及其检测两种典型的采样坚持器芯片1AD5822LF398反

30、响型采样坚持放大器AD582和LF398引脚和接法：第3章 现场参量及其检测3.4.4 模拟量采样环节设计原理及常用电路芯片2.A/D转换器A/D转换器是模拟信号输入通道的关键，用于将输入的模拟量转换为数字量，以便中央处置器接纳和处置。AD574管脚图第3章 现场参量及其检测选择A/D转换的原那么主要有以下几点：1丈量和维护的速度与精度转换器的转换时间与速率转换器的分辨率转换线性度2与监控单元中的央处置器的接口方法影响接口设计的主要要素有：转换器的起动方式转换器数字量输出断能否有内部三态缓冲功能转换器输出数字量的位数第3章 现场参量及其检测3.4.5 隔离概念及其措施1.通道入口与现场间的隔离

31、1模拟量输入通道的隔离一次电路模拟电参量：最常用、最有效的隔离设备是各类电压、电流互感器。非电模拟参量：由于其传感器输出信号经调理后可直接输入A/D转换器接口。2被丈量为开关量时的隔离光电隔离、继电器隔离。第3章 现场参量及其检测2.输入通道与中央处置器间的隔离隔离的目的主要有：1.把模拟通道供电电源与中央控制模块电源分开，使中央控制模块的电源地线“全浮空，提高中央处置器的抗干扰才干；2.在开关量输入时，把从一次元件接点获得的信号与监控单元电路分开，以保证监控单元的平安运转。常用的有光电隔离器和带有内部隔离器的线性运算放大器。第3章 现场参量及其检测1光电隔离光电隔离是以光为中间媒质来传送电信号，实现输入与输出间的电气隔离。以下图所示为典型光电耦合器的构造与特性。I f (mA)50bI C (mA)饱和区2I f 7 mA6线性区4c反向死区a正向死区U f (V)1048122U ce (V)正向任务区截止区耦合器构造输入特性输出特性0第3章 现场参量及其检测用开关型光电耦合器组成的线性隔离放大器：uINR1A1Ci 1GD1U D1 U D 2G 4i 3R5G1R2i 2GD2R4A 2uOUTG 2R3G 3第3章 现场参