电器智能化原理及应用第3章课件

第3章

现场参量及其检测

第3章

现场参量及其检测

1本章概述现场参量的输入和数据采集是智能电器监控器设计中一个十分重要的环节。

完成功能

为监控器工作提供信息，实现

①运行现场中各种参量的测量和分析。

②开关电器的操作控制；③开关电器自身和被监控现场设备的控制和保护。本章概述2

本章讨论的主要内容1.与智能电器相关的各种模拟量（电量、非电量）和开关量的检测及其输入通道设计。

2.常用传感器、信号调理电路、信号变换器及其与处理器的接口技术和常用芯片。

3.分析输入通道各环节对测量精度的影响。本章讨论的主要内容3

3.1现场参量类型及数字化测量方法

概述

实现现场参量数字化处理的要素

被测参量的信号转换、调理和采集。

监控器的输入通道

现场参量变换为中央处理与控制模块可采集和处理的信号所需要的专用电路通道。

3.1现场参量类型及数字化测量方法4智能电器监控器输入通道基本结构智能电器监控器输入通道基本结构5现场参量分类

1）模拟型现场参量

随时间连续变化的信号。模拟型参量分为电量和非电量两种。

（1）电量信号

原始信号就是电量的物理信号。现场参量分类6

（2）非电量信号

原始信号不是电量形式的物理信号。

2）开关型现场参量

这种参量本身只存在两种状态。

监控器处理现场参量的问题及解决方法监控器中央处理与控制模块只能处理数字量信息。对输入的现场参量信号需进行预处理。（2）非电量信号7

1）预处理需解决的问题

（1）现场参量与监控器接口存在的问题

①现场被测参量在物理属性或量值的大小上与监控器输入模块的输入端不兼容。②现场的干扰影响中央处理与控制模块的处理结果，导致测量和保护的精度降低。1）预处理需解决的问题8

2）常用对策

设置信号调理与隔离电路环节。

（1）模拟量信号调理

功能要求被测信号的属性变换

幅值调整

极性变换

波形调整（滤波）2）常用对策9

（2）开关量的调理把信号的有、无状态，变为对应的、可被中央处理器处理的逻辑（0、1）信号。

（3）隔离

实现调理和变换后的现场参量信号与中央处理与控制模块之间的电气隔离。（2）开关量的调理10

3.2电量信号检测方法概述

1.智能电器运行时的主要被测电参量供电电压和线路电流功率（有功、无功、视在功率）与电度（有功、无功)功率因数可直接采样处理的只有电压和电流。3.2电量信号检测方法11其他参数需要通过特定算法，根据采样得到的电压和电流信号的由中央处理和控制模块计算得到。

电量信号的采集需要通过相应的传感器。

2.电量传感器及其功能

主要功能

①被测电量的幅值变换。②现场与监控器间的电气隔离其他参数需要通过特定算法，根据采样得到的电压和电流信12电压、电流传感器分类

按照工作原理，主要可分为3类。

①以法拉第电磁感应定律为基础的铁心电磁式互感器。

②按霍尔效应原理工作的传感器。

③基于磁光效应和光电效应的互感器。

电压、电流传感器分类133.2.1基于电磁感应定律的电压、电流互感器

1.电压互感器常见的电压互感器有电磁式和电容式。

（1）电磁式电压互感器

工作特点正常运行时，二次侧负载基本不变，且电流很小，接近于空载状态，类似空载变压器。3.2.1基于电磁感应定律的电压、电流互感器14

电压变比互感器一次与二次绕组的匝数之比。这类电压互感器工作时二次侧不允许短路。

（2）电容式电压互感器电容式电压互感器简称RYH（英语简称CPT或CVT），广泛应用于110kV及以上超高压电力系统。

电压变比15

结构组成及工作原理结构组成及工作原理16

使用特点①绝缘可靠性高，耐压高，故障少。

②价格低，且线路电压等级愈高，应用经济效果愈明显。③有兼作载波通信或线路高频保护的滤波器（耦合电容）。

④稳态电压传输特性与电磁式电压互感器基本相同，能满足正常的技术要求。

⑤动态响应特性不如电磁式电压互感器。使用特点17

2.电流互感器

功能将供电线路大电流变换为小电流；用于对线路和供、用电设备的测量与保护的常用电器设备。

分类铁心式空心式2.电流互感器18

（1）铁心电流互感器

工作方式

一次绕组与被测电路（一次回路）串联；二次绕组与测量仪表和保护继电器的电流线圈串联，接近于短路状态。

一次侧电流取决于被测电路（一次回路）的负载，与二次侧的负载无关。（1）铁心电流互感器19

主要参数

变比二次与一次绕组匝数之比。

额定电流比

额定工作状态下一、二次电流之比。

使用特点

电力系统使用的电流互感器，二次绕组任何情况下不允许开路或带高阻值负载。一、二次间有相位移。主要参数20铁心电流互感器/使用特点电力系统用铁心电流互感器不能直接与智能电器监控器接口，需使用专用二次电流互感器。

专用互感器使用方法

一次绕组与通用互感器的二次绕组串联，二次绕组输出毫安数量级电流。可接高阻值的电阻，把二次电流变换成电压。铁心电流互感器/使用特点21

铁心电流互感器存在的问题

①体积、重量与价格随电流等级升高而增加。

②高压输电线路使用的互感器中必须充油，防爆困难，安全系数低。

③通用铁心互感器必须有一定的负载能力，以满足传统继电保护设备要求。

④难以满足大范围内进行监测的要求。

铁心电流互感器存在的问题22（2）空心电流互感器（Rogowski线圈）

实现电流测量的工作原理

（2）空心电流互感器（Rogowski线圈）23

输出与被测电流间的关系被测电流i(t)产生的磁通密度为B的磁场在线圈两端感应的电势其中，µ0=4π×10-7(H/m)，为真空磁导率，A为骨架截面积。

输出与被测电流间的关系24输出与被测电流间的关系

由等效电路可得i2(t)为流过线圈的电流，Rh=R0+RL。由于Rogowski线圈的绕线框架为非铁磁材料，通常有ωL<<Rh和RL<<R0，可得

输出与被测电流间的关系25输出与被测电流间的关系r为线圈的平均半径。令

可得采样电组R0上输出的电压为

输出电压正比于被测电流的微分。实际应用中需要在线圈回路中加入积分环节，使uo与被测电流i相位一致。输出与被测电流间的关系26常用积分环节

RC积分电路测量回路由Rogowski线圈绕组、取样电阻和RC积分电路三部分组成。增加积分环节后的测量回路等效电路常用积分环节27

特点可使测量回路输出电压与被测电流有基本一致的相位和较好的线性关系。电容器的损耗和泄漏、元件参数随温度变化等因素，会造成积分误差，影响测量精度。特点28

电压频率变换器（VFC）实现积分

基本原理把被测模拟量的电压信号转换成与中央处理与控制模块逻辑电平一致的输出脉冲列；保证脉冲列的频率与输入模拟电压呈精确的线性关系。VFC的输出频率的变化实际上反映了被测模拟量值的变化。电压频率变换器（VFC）实现积分29

使用方法

设置一个计数器。以VFC输出脉冲列作为计数器时钟信号，并设定一个合理的计数周期（采样周期）。在设定的计数周期内对脉冲计数。计数器的输出就是采样周期中被测模拟量的平均数字量，对应于输入模拟量在采样周期内的积分平均值。使用方法30电压频率变换器（VFC）实现积分/使用方法

VFC和计数器相当于加在空心电流互感器输出与监控器中央处理与控制模块间的硬件数字积分环节。

使用特点计数器的计数输出（数字量）可直接与监控器处理器件接口。测量精度与VFC外部参数和选定的计计数器计数周期有关。电压频率变换器（VFC）实现积分/使用方法31

数字积分法包括数字积分算法和硬件数字积分器两种。

*

数字积分算法由处理器件执行相应算法程序，对被测量采样结果进行数字积分运算得到。

特点增加监控器中处理器件的负担，提高监控器硬件和软件的开发成本。数字积分法32

*

硬件数字积分器使用数字积分IC芯片，得到与被测电流相位一致，大小成比例的输出数字量。

特点监控器处理器件可直接接收并处理。电路简单，可以通过光纤实现高、低压间安全可靠的数字传输。

已用于Rogowski线圈测量的数字积分IC有ADE7759。

*硬件数字积分器33

空心电流互感使用特点（1）测量范围宽、线性度和精度高。（2）无磁饱和和铁磁谐振现象，运行稳定性好，可靠性高。（3）频率响应范围宽，一般可设计到0Hz到1MHz。（4）二次侧输出电流正比于被测电流的微分，超前被测电流90º。空心电流互感使用特点34空心电流互感使用特点5）重量轻、成本较低、性能价格比高，更符合环保要求。6）可实现互感器数字化输出，简化监控器输入模块的设计。

空心电流互感使用特点353.2.2霍尔电流、电压传感器利用霍尔效应实现电流/电压变换和一次电路与二次电路间电气隔离的传感器。核心元件是霍尔元件。霍尔元件是一种具有霍尔效应的半导体磁电转换元件。3.2.2霍尔电流、电压传感器361．霍尔效应的基本原理

EH=KHICB，为霍尔元件的灵敏度，它与材料的性质和几何尺寸有关，RH为霍尔电阻。1．霍尔效应的基本原理372.霍尔电流传感器分类按照工作时磁场中的磁通状态，霍尔电流/电压传感器分为基本型和零磁通型。1）基本型电流传感器

组成

2.霍尔电流传感器分类38基本型电流传感器/组成

放大器A通常包括差分放大、可调零的相放大与频率补偿等调理环节。

工作分析当被测导线中流过电流，铁芯中将产生垂直于霍尔元件表面的磁场。传感器制作完毕后，被测电流产生磁场，磁感应强度基本型电流传感器/组成39基本型电流传感器/工作分析I1被测电流；N1被测导体的匝数。KG

常数，与N1、导磁体平均磁路长度和气隙长度、导磁体的相对导磁率和空气导磁率有关。根据霍尔效应原理，在被测导线中流过电流I1时，产生的霍尔电势为基本型电流传感器/工作分析40基本型电流传感器/工作分析经放大后的输出电压为

K放大电路各环节电压传输率KU、霍尔元件灵敏度KH和常数KG的乘积。对选定的传感器，K为常数。

输出电压U2正比于被测电流。基本型电流传感器/工作分析41

2）零磁通霍尔电流传感器

结构特点

2）零磁通霍尔电流传感器42

工作原理补偿绕组中的补偿电流产生与被测电流IP产生的磁通ΦP方向相反的磁通ΦS；当ΦS与ΦP大小相等时，霍尔元件将在零磁通的条件下工作。被测电流IP增加，磁通ΦP﹥磁通ΦS，磁场中出现与ΦP方向相同的磁通，IS增加，测量结果Uo增加；IP减小，IS减小，测量结果Uo也减小。工作原理43零磁通霍尔电流传感器/工作原理传感器稳定工作时，补偿电流与被测电流产生的磁场磁化强度总是大小相等，方向相反，使铁心中的磁通为0。

被测电流与输出电压的关系

NPIP=NSIS

IP=IS(NS/NP)=（UO/RS）×（NS/NP）通常霍尔电流传感器NP=1，

IP=（UO/RS）×NS零磁通霍尔电流传感器/工作原理44

结论

零磁通霍尔电流传感器是一个将霍尔元件的输出电势当作被调量，放大器和补偿绕组为反馈环节的闭环控制系统。

零磁通霍尔电流传感器也称为闭环电流传感器。结论45

3）霍尔电流传感器的特点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。5）工作电压较低，被测电流较小。3）霍尔电流传感器的特点46

3.

霍尔电压传感器基础

工作原理

电压本身不能直接产生磁场，需要把被测电压变换成电流，产生霍尔元件工作所需的磁场。本质上就是霍尔电流传感器。霍尔电压传感器也分为基本型和零磁通型。3.霍尔电压传感器基础47

霍尔电压传感器结构基本型电流传感器环形铁心上绕制一个Np约5000匝的励磁绕组；绕组中串联一个大阻值电阻Rp，接至被测电压，组成基本型电压传感器。零磁通型电流传感器铁心上增加串联Rp的励磁绕组，构成零磁通型电压传感器。被测电流

U

p=Uo(Rp/Rs)(Ns/Np)霍尔电压传感器结构48

4.关于霍尔集成电路

不同特性的霍尔元件及相应的电子电路集成的半导体芯片。配合适当的铁心、线圈和电源，组成满足要求的霍尔集成传感器。

分类根据所用霍尔集成电路的特性，霍尔集成传感器分为线性型和开关型。4.关于霍尔集成电路49

1）线性型霍尔集成电路

特点输出电压与外加磁场强度（即被测电流）呈线性关系。

分类按照霍尔集成电路输出环节结构，可分为单端输出与双端输出（差动输出）。代表芯片分别为UGN-3501T和UGN-3501M。

1）线性型霍尔集成电路50

2）开关型霍尔集成电路

应用脉冲电源、电力电子变换器等的测量。

分类

单稳态和双稳态。

结构

电流源、霍尔元件、带温度补偿的差动放大器、施密特触发器等电路的集成模块。2）开关型霍尔集成电路51使用条件只需提供工作电源电压。特点

①使用方便、精度较高。

②内部温度补偿，霍尔元件引起的温度效应小。

③内部施密特触发器，输出脉冲电压前后沿过渡时间短，仅几十毫微秒。

典型器件UGN3020使用条件52

2.1.3光学电流电压互感器

1.光学电流互感器OCT

基本原理

根据法拉第磁光效应，偏振光通过置于磁场中的半导体磁光材料，其偏振面在磁场作用下偏转。若磁场为被测电流产生，测量偏转角可确定被测电流的大小。2.1.3光学电流电压互感器53

结构

光源发出单色光起偏器产生偏振光法拉第传感头偏振光磁光调制

检偏器检测传感头输出的偏转角检测电路偏转角转换成可测电量结构54工作过程光源发出的单色光经过光纤传送到起偏器，产生偏振光。起偏器输出的偏振光经法拉第传感头被磁光调制；进入检偏器解调得到偏转角。检测电路检测出偏振光的偏转角，转换成与被测电流成比例的可测电量。

工作过程55

测量原理

传感器输出的偏转角θ与被测电流I产生的磁化强度H、磁场作用下的光纤长度L、光纤的Verdet常数V成比例

θ=V•H•L=V•I•N•LN产生磁场的线圈的匝数H被测电流产生的磁场的磁化强度

被测电流

I=θ/(V•N•L)测量原理56

常用OCT传感头原理图

图中的光纤既传输偏振光也完成磁光变换。常用OCT传感头原理图57

使用特点①受“线性双折射现象”的影响，OCT中等效的Verdet常数是一个随机变量（与光纤的形变、内部应力、光源光波长、环境温度、振动等有关），输出补偿很困难。

②器件结构简单，被测电路（一次）与检测设备间用光纤连接，具有极好的电气隔离。使用特点58

2.光学电压互感器用光电子技术和电光调制原理实现电压测量。

基本原理具有电光效应的透明晶体在电场的作用下，表现出以下特性

①输入光的折射率随外加电场改变线性地改变。2.光学电压互感器59光学电压互感器/基本原理②在电场作用下，由单轴晶变为双轴晶，并引起双折射，射出两束相位差的线偏振光。

③当晶体的电光性能和几何尺寸确定后，与电场强度方向一致的被测电压正比于该相位差。

存在问题当前技术不能精确测量两束光间的相位。光学电压互感器/基本原理60

解决方法加入干涉装置，将晶体输出的两束光间的相位变成幅值随电压变化的干涉光强。检测光强可间接检测相位差。解决方法61

测量方法

干涉光强与相位差的关系非线性。经过特殊补偿，晶体输出的折射光间相位差很小时，可认为被测电压与传感器输出的干涉光强近似线性。通过测量干涉光强就可求得被测电压值。

测量方法62

3.3非电量信号检测方法

智能电器需要在线监测的非电量温度、湿度、压力、速度、加速度、绝缘强度等。智能电器监控器不能直接检测非电信号，必须用相应的传感器变成电压或电流信号。3.3非电量信号检测方法63

3.3.1温度检测传感器及在智能电器中的应用

常用温度传感器按测量方法接触式和非接触式按所用材料热敏电阻、热电偶、红外

1．热敏电阻温度传感器利用热敏元件材料的电阻值随环境温度变化而改变的特性制成。3.3.1温度检测传感器及在智能电器中的应用64

1）热敏电阻分类

根据所用材料分类

（1）热电阻利用金属导体铜、镍、铂制成的测温电阻。

（2）热敏电阻

金属氧化物陶瓷半导体材料或碳化硅材料，经过成形、烧结等工艺制成的测温元件。

1）热敏电阻分类65

根据温度系数分类

正电阻温度系数热敏电阻PTC。

负电阻温度系数热敏电阻NTC。

区别NTC热敏电阻的测温范围比PTC宽。

智能电器中多使用NTC测量温度。根据温度系数分类66

铂热电阻和NTC、PTC热敏电阻特性

铂热电阻和NTC、PTC热敏电阻特性67

2）NTC热敏电阻特性的数学表达式

工作时的阻值R与被测温度T的关系T0环境温度/K；

R0环境温度NTC热敏电阻的阻值/Ω；B元件常数，一般在3000~5000/K。工作时电阻与被测温度间关系为非线性。2）NTC热敏电阻特性的数学表达式68

3）应用特点电阻温度系数绝对值大，灵敏度高。

测量线路简单。

寿命长，价格低，体积小，重量轻，热惯性比较小。电阻值大，适于远距离测量。

非线性大，在测量电路上需要补偿。3）应用特点69热敏电阻温度传感器/应用特点

稳定性和特性一致性差，互换时需进行挑选。

不适于高精度温度测量。多用于检测电器设备的环境温度，不适于测量母线等处的温度。热敏电阻温度传感器/应用特点704）测量电路一种简单的线性化测量电路

适于温度测量范围不大的应用。4）测量电路71热敏电阻RT和电阻R、RA、RB组成一个电桥。

室温下，调整RB使电桥平衡，输出电压UO为0。工作时，RT的值随工作温度变化，差动放大器输出电压UO不为0。根据电路中桥臂电阻与UO的关系求得工作温度下UO与RT的表达式。由RT与T的关系可得UO与被测温度间的关系。热敏电阻RT和电阻R、RA、RB组成一个电桥。72

电路测量结果电路测量结果73为使输出电压与被测温度间有满意的线性关系，桥臂电阻R的最佳值应为一般热敏电阻参数中只提供25℃时的标称电阻值RM（有5％～10％误差），RL、RH在确定TL、TH后，用实测的方法取得。为使输出电压与被测温度间有满意的线性关系，桥臂74

2．热电偶

1）原理与结构

热电效应同一金属材料上不同空间位置的两点间温度不同时，两点间会出现电位差。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。

热电偶结构

2．热电偶75

两根不同材料的金属丝A和B绞在一起，一端直接相连，就构成了热电偶。金属丝A和B称为热电极。

热电势极性为正的热电极是热电偶的正极，热电势极性为负的热电极是负极。

两根不同材料的金属丝A和B绞在一起，一端直接76

工作原理两根热电极热电效应不同，当被测物体温度变化时，它们的冷端之间出现的电位差就是热电势。在热电极材料选定后，热电势的大小取决于热端和冷端间的温度差。

热电偶直接测量的是物体表面的温升。用热电偶测量温度，冷端必须被置于0℃环境或采用补偿措施。

工作原理77

2）电器温度测量中常用的热电偶及性能热电偶通常用于电器产品执行有关标准的试验，被检测部位的短时最高温度一般不超过300ºC。智能电器中，对设备工作温度的在线监测一般不使用热电偶。电器产品试验中使用较多的是铜-康铜热电偶。2）电器温度测量中常用的热电偶及性能78

铜-康铜热电偶的基本特性是一种非标准分度的热电偶，多用于实验和科研，测量-200~+200℃低温范围内的温度。

特点低温测量中，工作端温度低于自由端时，输出热电势的正负极会改变。在测量0℃以上温度时，铜为正极，康铜为负极；测量0℃以下温度时，极性相反。铜-康铜热电偶的基本特性79

性能康铜电极材料的热电特性重复性差，不同热电偶的热电势很难一致。热电势与温度的关系近似为

Et自由端温度为0℃时的热电势。a、b常数。与标准铂电阻温度计在不同温度下比较求得。性能80

3）实用的热电偶温度测量方法

热电偶测温可单点测量一个被测物，也可以测量两个不同被测对象间的温差。

单点温度测量的基本电路C、D为补偿导线，M为测量仪表。3）实用的热电偶温度测量方法81实用的热电偶温度测量方法

实际使用中，补偿导线一直连接到测量仪表接线端子。冷端温度为仪表接线端子处的环境温度。采用智能仪表测量时，热电势应通过信号调理后输入到A/D转换器，通过仪表采用的处理器件采样、处理，得到被测温度。实用的热电偶温度测量方法82两点间温差测量电路

若连接到测量仪表的导线用普通铜导线，必须保证两热电偶的冷端温度相等。两点间温差测量电路83

实际使用注意事项①热电偶测温本质上测量的是对象与环境温度间的温度差，测量温度必须采用补偿导线。②热电偶输出的热电势非常小，采用智能仪表测量，仪表必须包含输入电压放大器。③电压放大器的设计应考虑到稳定性。实际使用注意事项84

3．红外温度传感器

红外测温技术的优点

①非接触、被动式的测温技术。可在不停电的状态下，对电气设备进行实时、在线的非接触式温度检测。

②被动地接收物体发出的红外线，不需要外加红外光源，测温线路设计简单。

3．红外温度传感器85

1）红外测温的原理任何一个物体只要其温度高于绝对零度，就会以电磁波的形式向外辐射能量。能量的大小主要决定于物体的温度。根据Stefan-Boltzmann定律，物体红外辐射的能量与它自身的热力学温度T的关系为

1）红外测温的原理86红外测温的原理

E温度T时单位面积和单位时间内物体的红外辐射总能量；σStefan-Boltzmann常数；

比辐射率。即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体的=1；

T物体的绝对温度。

物体红外辐射的能量与自身热力学温度的4次方和物体比辐射率成正比。红外测温的原理87

金属物体使用红外测温的问题①金属物质的比辐射率相对较低，由于不同加工和氧化，表面状态会变化，比辐射率难以确定。②抛光后的金属表面是良好的反射体，传感器接收其辐射能量时，受到表面反射的影响，不能真正反映金属本身的温度。

用红外测温技术测量金属物体温度，其表面必须涂黑，或使表面生成氧化物。金属物体使用红外测温的问题88

2）红外温度传感器一种非接触式温度传感器，用红外光作为介质来传递温度。

核心部件具有热电效应的材料制作的红外探测器。

功能

把被测物体辐射的红外光转换成电量输出。经采样、处理，间接测量被测物体的温度。2）红外温度传感器89

分类红外测温探测器可以分为热和光子两大类。

（1）热探测器

热电堆探测器

热敏电阻探测器

气体探测器

热释电探测器。分类90（2）光子探测器

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)

光电磁探测器(PEM器件)

智能电器中多用热电堆探测器。（2）光子探测器91

3）热电堆探测器结构一个热端与红外接收器相连的热电偶。

红外接收器接收被测物体辐射的红外光，改变其温度。

热电偶将温度差转换为电势信号输出。3）热电堆探测器92

工作原理

影响输出电势EOUT的关键因素是被测物体的温度Tob和传感器本身的温度Tsen。它们之间的关系为

ε

被测物体材料的比辐射率；K设备常数。通过测量同一物体在不同温度下的电压输出得到。工作原理93

使用要求：

①被测物体在红外温度传感器视角内，使其输出电势与被测物体的远近无关。

②使用铋和锑材料的热电偶，输出热电势较高。可使用多个热偶串联，提高测量的灵敏度。③热电堆探测器测温，只能测得热电偶冷端（仪表端）和热端（红外接收器）间温差，测量温度必须进行温度补偿。使用要求：94热电堆传感器模块

结构

自带热敏电阻温度补偿的红外传感器与放大电路集成。

特点

使用简便，噪声干扰小。测量原理被测物体温度为Tob，对应的传感器输出电压为热电堆传感器模块95热电堆传感器模块/测量原理

K设备常数。测量不同温度下传感器的输出电压求取。

被测物体材料的辐射比率。

智能电器中的使用方法监控器对输出电压Uout进行调理、采样和数值计算，得到被测对象的温度热电堆传感器模块/测量原理96

3.3.2湿度检测传感器及应用开关设备检测湿度的必要性当环境湿度超过规定指标，在环境温度降低时，会出现凝露。对结构紧凑，高工作电压的设备，凝露会导致不同相间设备爬电、放电甚至短路。智能电器监控器通常要求检测环境湿度。3.3.2湿度检测传感器及应用97

湿度及其检测方法

湿度空气中水蒸气的含量。

表示方法绝对湿度、相对湿度、露点温度。实际应用基本为相对湿度。

智能电器中环境湿度的检测

湿度传感器把环境湿度转换成电信号，经监控器调理、采样、处理、显示结果。湿度及其检测方法98

分类与特性

（1）Licl湿敏元件

基本原理

潮解性盐类受潮时电阻值发生改变。

工作特点

①是离子导电型元件。供电电源应采用交流，以免极化。分类与特性99Licl湿敏元件/工作特点

②传感器滞后误差小，一般为±5％RH以下。

③不影响和破坏被测环境。

④在高湿和结露环境中，元件因电解质潮解、流失而损坏，怕污染。Licl湿敏元件/工作特点100（2）高分子湿度传感器利用高分子材料的吸湿性和澎润性制成。

类型电容式、电阻式

（1）

电容式湿敏元件

结构

上、下两个电极，以覆盖湿敏聚合物膜的基底作为底电极。

原理

湿敏聚合物膜受潮，介电常数增大，元件电容量增加。（2）高分子湿度传感器101

性能

①输出电容量与相对湿度成正比。

②元件吸湿和脱湿快，滞后误差小，响应速度快。

③易于实现小型化和轻量化。

④电源频率影响灵敏度和线性度。频率高线性好；频率低线性度降低但灵敏度高。

⑤含有机溶剂或温度80℃以上环境中不宜使用。

性能102

（2）

电阻式湿敏元件据电极间电阻随空气湿度改变的原理制成。

性能

①具备电容式测湿元件的优点。②测量范围宽，可达0~100％RH。

③用调配适当的感湿膜材料，在30~90％RH的范围内电阻值高（3.6~6.6）kΩ，电路设计方便，测量灵敏度较高。（2）电阻式湿敏元件103

（3）金属氧化物湿敏元件

原理

金属氧化物有较强的吸、脱水性能，利用它们的烧结膜或涂布薄膜制成。

特点可以用加热法清洗，具有较好的特性，已得到较为广泛的应用。

（3）金属氧化物湿敏元件104

（４）湿度传感器模块

结构由选定类型的湿度传感器、非线性补偿电路和运算放大器集成。

输出信号类型施加电源电压后，直接输出电压或电流。

长线传输信号时，建议选用电流输出的传感器。（４）湿度传感器模块105

3.3.3电器操动机构机械特性测量

开关设备在线监测的主要内容主要部分的温升。一次开关元件机械特性，包括触头压力、动触头位移、运动速度、加速度测量和分析。

关键问题直接测量各类开关电器触头比较困难。3.3.3电器操动机构机械特性测量106

选用的解决方案选择操作机构中一个最能反映触头特性的机械运动部件；采用相应的传感器监测其位移、压力、速度和加速度等参量，变换成与监控器输入端兼容的电量。

选用的解决方案107

1.位移传感器工作原理

分类：

直线位移和角位移两种

功能：

检测断路器触头行程断路器动触头行程与主轴转动角度有相应关系，测量主轴的角位移曲线，可间接得到动触头的位移。智能电器中一般用角位移传感器传感器。1.位移传感器工作原理108

角位移传感器类型及特点电阻式成本低，安装方便。光电式、精度高，但后处理电路比较复杂。磁敏型重复性好，体积小，但是测量角度范围稍小。智能电器多用电阻式角位移传感器角位移传感器类型及特点109电阻式角位移传感器工作原理旋转式的电位器轴芯转动时，电阻随角大小改变。在电位器两个固定端施加电压，活动端抽头输出的电压将随电阻改变线性变化。将转轴与断路器主轴连接，主轴转动带动电位器轴心转动电刷臂转动，输出电压相应改变。电阻式角位移传感器工作原理110电阻型角位移传感器电阻膜有碳膜和导电塑料膜两种。碳膜电阻精度低，不能用于高精度测量。精密导电塑料膜同时具有金属和一般塑料的优点，电阻精度高，韧性好。角位移传感器基本采用精密导电塑料作电阻膜。2.压力测量传感器及其工作原理最常用的是压阻式压力传感器。电阻型角位移传感器电阻膜有碳膜和导电塑料膜两种111

工作原理当单晶硅受到压力作用时，其电阻发生变化。向传感器输入电流，电阻上的电压将随压力变化。

结构单晶硅膜片上联接成惠斯顿电桥的四个等值电阻应变元件。

工作原理112

使用方法可由电压源或电流源供电。

使用方法113

电路工作原理在未受压时，4个桥臂电阻阻值相等且均为R，电桥输出电压为0。压力作用下，2个桥臂电阻阻值增加ΔR，另外2个桥臂电阻阻值减小ΔR，电桥有电压输出。在电压源供电条件下，传感器输出电压

电路工作原理114压力测量传感器及其工作原理/电路工作原理ΔRT桥臂电阻阻值随环境温度的变化

。

输出电压有非线性温度误差。在恒温环境下工作时，ΔRT=0，若要电桥的输出电压与ΔR/R和电源电压U成正比，环境温度应保持不变。压力测量传感器及其工作原理/电路工作原理115

使用性能1）环境温度不变时，输出电压正比于ΔR／R和电源电压U，但存在非线性温度误差。2）易于微小型化、集成化，测量灵敏度高，范围宽，精度高，频率响应高。3）工作可靠，寿命较长。使用性能116

实用压力传感器传感器元件与温度补偿电路集成一体。采用激光技术进行电阻修整，温度稳定性高（温度系数小于0.3％量程）。

零压力下输出电压极小

（﹤±1mV）。输出为电压（通常为直流5V）或电流（常见器件为直流1mA）。实用压力传感器117

2．加速度测量用传感器

1）压电式加速度传感器原理利用石英晶体、压电陶瓷材料等的压电效应制成。

结构

质量块上安装

硬弹簧为压电片提供静态预压力。2．加速度测量用传感器118

工作原理传感器运动时，质量块的惯性力使压电元件上的压应力改变，输出电信号相应改变。质量块的质量为恒定，只要输出电信号与压应力变化成比例，也就与加速度成比例。加速度压电元件输出的电信号为电荷或电压。工作原理119

2）压电式加速度传感器的特性参数

（1）灵敏度分为电荷灵敏度和电压灵敏度。电荷灵敏度指单位加速度产生的输出电荷量。m：质量块质量（kg）；

Q：电荷量（C）；

d：压电系数（C/N）；

F：使质量块产生加速度的压力（N）。

2）压电式加速度传感器的特性参数120电压灵敏度是单位加速度产生的输出电压值。

C：传感器及电缆等的分布电容；其余参数同电荷灵敏度表达式。

灵敏度的影响因素

①材料的压电系数d电压灵敏度是单位加速度产生的输出电压值。121加速度测量用传感器/灵敏度的影响因素

②质量块质量m增加m可提高灵敏度，但传感器的固有频率会下降，影响可测频带宽度。③导线的分布电容

只影响电压灵敏度，与电荷灵敏度无关。电荷输出的传感器不受连接导线的长度和安装位置的影响，但需把电荷转换为电流或电压。加速度测量用传感器/灵敏度的影响因素122

（2）横向灵敏度指垂直于传感器主轴平面的灵敏度，用灵敏度的百分数表示。横向灵敏度是引起测量误差的主要原因之一，一般为2％～6％，由产品技术参数提供。（2）横向灵敏度123

3.4被测量输入通道设计原理

智能电器监控器设置输入通道的目的

①现场模拟参量类型较多，经传感器变换后的电信号种类和大小不同。

②各种传感器输出调理后的电压都是模拟信号，需通过采样转换为数字量。

③A/D转换器模拟量输入端只接受规定幅值和极性的电压信号。

3.4被测量输入通道设计原理124智能电器监控器设置输入通道的目的

④现场开关量必须变成与中央处理与控制模块输入电平兼容的逻辑信号。

⑤监控器与一次电路间必须有可靠的电气隔离。

输入通道就是完成现场参量的预处理，把模拟量信号变成数字量，开关量信号变成逻辑量，并实现与一次电路的电气隔离。智能电器监控器设置输入通道的目的125

3.4.1输入通道的基本结构

输入通道分类根据输入参量类型，智能监控器输入通道分模拟量输入和开关量输入两类。

1.模拟量输入通道及其结构单通道和多通道两种。

3.4.1输入通道的基本结构126

1）单模拟量输入通道的结构组成这种模拟量输入通道只能监测一个模拟参量。智能电器中很少单独应用，通常用来组成多通道结构的输入通道。

1）单模拟量输入通道的结构组成127

2）多模拟量输入通道电路及其结构组成智能电器中的多模拟量输入通道电路结构有两种。

①多个独立单通道组成的多通道结构，多路模拟信号使用各自独立的采样环节。②多路模拟信号共用S/H和A/D的多通道结构，各通道共享采样环节。2）多模拟量输入通道电路及其结构组成128

多个单通道组成的多通道结构

多个单通道组成的多通道结构129

各通道共享采样环节的结构

各通道共享采样环节的结构130

（2）两种多模拟量输入通道的使用特点

采样环节各自独立的输入通道

①输入通道由独立的多路单通道组成，使用元件多，电路复杂，硬件成本高。

②采样占用时间少，各通道采样时刻一致性好，适用于要求多路模拟量信号采样必须同步的监控器。（2）两种多模拟量输入通道的使用特点131

各通道共用S/H和A/D的输入通道

①结构简单，硬件成本较低。②采样程序占用时间多。适用于通道数量不多，各通道采样时刻同步要求不很严格的场合。

③处理器在片A/D转换器的速率和精度满足要求时，可使用片内采样环节，进一步简化电路结构。各通道共用S/H和A/D的输入通道132采用处理器件内置采样环节的通道结构采用处理器件内置采样环节的通道结构133

2.开关量输入通道

设置开关量输入通道的目的①把开关量的接通、分断状态变成与中央控制模块输入电平兼容的逻辑信号。②隔离开关设备现场，避免干扰。

典型电路结构和原理

采用LEC实现变换与隔离。

常用电路结构有两种。2.开关量输入通道134

接点与LEC一次元件（发光器）并联接点与LEC一次元件（发光器）并联135

接点与LEC一次元件串联接点与LEC一次元件串联136开关量输入通道/典型电路结构和原理

设计要点光电耦合器LEC（LightElectricCoupler）实现现场与监控器中央处理模块间的电气隔离，并完成了接点状态到逻辑信号的变换。LEC一次（发光元件）侧电路电压根据被测接点的位置和监控器供电电源整体设计，必须提供足够的发光元件电流。开关量输入通道/典型电路结构和原理137开关量输入通道/典型电路结构和原理/设计要点LEC二次（受光元件）电压应与处理器件工作电压一致，在受光元件饱和导通时，其工作电流不超过允许的最大电流。开关量输入通道数大于处理器件输入端口的数量时，在设计中央处理与控制模块时应为开关量扩展输入接口电路。开关量输入通道/典型电路结构和原理/设计要点138

3.4.2模拟量输入通道中信号调理电路原理及常用芯片

信号调理的目的——预处理

①传感器输出的类型、大小和极性不同的模拟信号变成与A/D模拟量输入兼容的电压信号。

②滤除传感器输出信号中的干扰。

③消除信号传输过程中的衰减。3.4.2模拟量输入通道中信号调理电路原理及常用139

1）信号类型、极性和幅值的调理

目的把不同传感器输出的电信号变成幅值和极性符合A/D变换器模拟量输入的电压。

常用器件集成运算放大器、无源电阻、电容。

1）信号类型、极性和幅值的调理140

集成运算放大器及其在调理电路中应用是一种线性放大器件。用不同的电路设计可实现多种信号变换。①模拟信号幅值、极性的改变②电流、电荷输入变成电压输出③信号波形调理——各种有源滤波器

特点体积小、功耗小、电路设计简单。集成运算放大器及其在调理电路中应用141

常用电路类型

（1）电流电压变换电路

无源电阻

无源电阻+射极跟随器

无源电阻+同相比例放大器

常用电路类型142工作特点

①无源电阻变换电路结构简单，成本低。电阻值受A/D转换器输入阻抗要求限制。

②无源电阻+射极跟随器无源电阻阻值相同时，输出电压幅值与无源电阻电路相同。

不受A/D转换器输入阻抗限制。工作特点143电流电压变换电路/工作特点

③无源电阻+同相放大器无源变换电阻相同时，可输出的电压

输出电压幅值可放大，又具有射极跟随器阻抗变换的优点，适于小电流信号变换。电流电压变换电路/工作特点144④采用反馈电阻的电流/电压变换电路基本型改进型④采用反馈电阻的电流/电压变换电路145（2）被测参量极性变换电路常用极性变换电路有两种。

①双极性电压串联标准直流正电压

使用要点交流电压和标准直流电压的幅值都应为A/D转换器允许输入电压幅值UM的1/2。会影响对被测量的处理精度

（2）被测参量极性变换电路146被测参量极性变换电路

②绝对值电路

电路组成一个由运算放大器A1为核心的精密检波器和放大器A2组成的反相加法器。被测参量极性变换电路147被测参量极性变换电路/绝对值电路

输出电压电路中电阻R1=R3，R2=R5=2R4时，

特点

①一个电源周期变成两个完全相同的正弦正半波，其峰值仍为输入电压峰值。

被测参量极性变换电路/绝对值电路148被测参量极性变换电路/绝对值电路②在A/D转换器完全相同的条件下，比用串联标准直流正电压的电路精度高。③为计算功率和功率因数，监控器电路和处理器件处理程序的设计比较困难。（3）幅值调理电路

各类比例放大器。包括反相放大、同相放大和差动放大三种。被测参量极性变换电路/绝对值电路149

性能比较

反相比例放大器输入、输出相位（极性）相反。

放大倍数绝对值可以大于或小于1。

输入电阻较低（反相输入端外接电阻），要求前级信号源有低输出电阻值；

输出电阻高；抗共模干扰能力弱。

信号源必须单端接地，内阻影响放大倍数。

Ku=UOUT/UIN=-R2/R1性能比较Ku=UOUT/UIN=-R2/R1150幅值调理电路/性能比较

同相比例放大器输入、输出相位

（极性）相同；电压放大倍数大于1；

输入电阻大，输出电阻较低；抗共模干扰能力较弱；采用单端接地信号源。特例：射级跟随器幅值调理电路/性能比较151幅值调理电路/性能比较

差动放大器输出电压正比于两个输入电压差；放大倍数可大于或小于1；

抗共模干扰能力强；输入阻抗不够高（为两输入端外接电阻之和）。幅值调理电路/性能比较152

2）信号波形调理—滤波

目的

去除干扰，使达到监控器模拟量输入通道采样环节入口的信号尽可能保持原来的波形。

常用电路1）电阻电容（RC）一阶无源滤波器；2）有源滤波器

2）信号波形调理—滤波153信号波形调理—滤波智能电器监控器输入通道应用中，大多采用无源或有源低通滤波器。

两种方法的比较一阶无源滤波器结构

电阻、电容

特点

电路简单；输入输出间有相移；频率特性比较差信号波形调理—滤波154

有源滤波器

结构

（无源电阻、电容）+运算放大器。

特点

电路比较复杂。通过电路参数合理设计，输入、输出间没有无相移。在截止频率内输出幅值基本不衰减，频率特性好。有源滤波器155

3）常用集成运算放大器芯片

（1）ADOP-07（EH、CH、DH、AH4个系列）AD公司的高精度运算放大器系列芯片。

主要性能失调电压、偏置电流和温漂系数极低。长期稳定性好（0.2～0.5V／月）。共模输入范围较高（14V），共模抑制比高（CMRR=120～126dB）。供电电源范围较宽（3～18V）。

3）常用集成运算放大器芯片156常用集成运算放大器芯片

（2）AD517（J、K、L、S4个等级）AD公司的一种高性价比系列运算放大器。

主要性能偏置电流极小（小于5nA）。温漂系数低（小于3V/℃）。引脚排列和调零方法与ADOP-07相同。常用集成运算放大器芯片157

3.4.3多路模拟参量信号与A/D转换器接口

应用场合

①监控器处理器件内置采样环节的模拟量输入端口数小于需要监测的现场模拟量数。②监控器处理器件无内置采样环节，或内置A/D性能不满足测量和保护精度要求。

3.4.3多路模拟参量信号与A/D转换器接口158

1）扩展方法

（1）处理器件模拟量通道数量不够采用多路模拟转换器扩展1）扩展方法159扩展方法

（2）无内置采样环节或内置A/D性能不足

①共用采样环节的多通道结构扩展方法160扩展方法/无内置采样环节或内置A/D性能不足

②采用独立采样环节的多通道结构扩展方法/无内置采样环节或内置A/D性能不足161

（3）两种方案比较

采用独立采样通道扩展需同时增加外部采样保持器和A/D数量，监控器硬件成本高。多通道采样一致性好。采样程序占用时间少。（3）两种方案比较162扩展方法/两种方案比较

采用多路模拟开关扩展电路路简单，需用芯片数量少。采样过程程序设计规范。采样程序占用时间较长。

多通道不能同时采样。监控器计算有功、无功功率及功率因数时有相移产生的误差。扩展方法/两种方案比较163多路模拟参量信号与A/D转换器接口

2）常用多路转换器芯片①8通道模拟多路转换器CC4051

结构

DTL/TTL-CMOS电平转换器、带禁止端的3-8译码器、8个CMOS双向模拟开关。

性能

具有双向传输的能力。信号由器件公共端输出时，可由译码器输入编程控制实现输入信号的8选1功能。多路模拟参量信号与A/D转换器接口164常用多路转换器芯片

②双路、4通道模拟多路转换器CC4052

③三组、2通道多路转换器CC4053

工作原理与CC4051相同。

其他常用多路转换器AD公司AD7501RCA公司CD4051Motorola公司MC14051常用多路转换器芯片165多路转换器使用注意多路转换器主要性能指标之一是CMOS开关的导通电阻。

当开关工作时导通电阻产生的压降与输入信号电压大小可以比较时，必然影响测量精度。为保证测量精度，应尽可能选用导通电阻小的器件，或对开关压降进行补偿。多路转换器使用注意166

3.4.4模拟量采样环节设计原理及常用芯片现场参量信号进入监控器经传感器和调理电路处理后的模拟量，还需经A/D采样。

A/D采样产生误差的原因①被采样信号的变化和A/D转换器的工作时间，造成采样结果不正确。②任何A/D都有自己的最大允许输入模拟量变化频率。3.4.4模拟量采样环节设计原理及常用芯片167

A/D采样产生误差的原因

输入模拟量变化超过这个频率，转换结果将产生不能允许的误差。一个分辨率为n位，转换时间为tC的A/D转换器，当量化误差限制在（±1/2）LSB以内时，允许输入信号的最高频率为

A/D采样产生误差的原因168A/D采样产生误差的原因

结论

在转换时间相同的条件下，A/D转换器分辨率越高，允许输入的信号频率越低，引起的采样误差越大。

解决措施

采样环节设计中，在A/D转换器前配置采样保持器S/H（Sample-holder）。A/D采样产生误差的原因169A/D采样产生误差的原因/解决措施

A/D输入端前加S/H提高采样环节允许输入信号频率的原理

A/D转换器允许输入信号的最高频率为

设采样保持器捕捉时间为tAC，采样环节的最高允许输入信号频率为A/D采样产生误差的原因/解决措施170A/D采样产生误差的原因/解决措施

实例

已知8位A/D转换器ADC0804，转换时间为100S。不加采样保持器，被采样信号的允许最高频率仅为6Hz左右。采用一个捕捉时间5S的S/H，被采样信号的允许最高频率可增加到4.8kHz。A/D采样产生误差的原因/解决措施171

1.常用采样环节的设计方案

1）使用处理器件内置的采样环节

特点

①监控器输入模块简单电路，使用元件少，电路成本低。

②采样速率和转换精度受处理器件内部采样环节元件性能的限制。1.常用采样环节的设计方案172

2）设计独立的外部采样环节

结构配置独立于处理器件的A/D转换器；在A/D模拟输入端前加外部采样/保持器；多路模拟量信号需配置多路转换器。

适用场合处理器件内部A/D转换器转换速率和精度不够或无内部采样环节的监控器。2）设计独立的外部采样环节173

3）采样环节主要器件及性能

（1）采样保持器

采样保持器的功能

①保证采样时刻模拟量值不变。

②提高可被采样的最高频率