第六章-第五节-电子式互感器

第六

章配电系统调度自动化主讲人：周英华QQ:1055455616常州机电职业技术学院第五节电子式互感器简介第五节电子式互感器简介

互感器就是传感器，其种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：１）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等互感器。

2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等互感器。(1)绝缘技术复杂、成本高、体积大而笨重；(2)电流互感器线性度低，互感器铁芯在故障状态下的饱和限

制了电流互感器的动态响应精度;（3）电压互感器可能出现铁磁谐振，损坏设备（4）电流互感器的输出端不能开路，如果开路，产生高电压对

周围设备和人员存在潜在的威胁，电压互感器不能短路；（5）由电流、电压互感器引至二次保护控制设备的电缆是电磁

干扰的重要耦合途径。（6）输出不能直接与微机化计量及保护设备正确接口。一、概述1.传统的互感器缺点：电子式互感器(electronictransformer)它包括连接传输系统和二次变换器的一个或多个电流或电压传感器，将被测量按比例传送给测量仪器、仪表和保护或控制装置。装置的输出可能是模拟量也可能是数字量。对于模拟量输出的互感器，二次变换器直接供给二次设备，对于数字输出的互感器，可用一个汇接单元将多个二次变换器汇集输出至二次设备。2.电子式互感器一、概述（1）开发新型传感器结构型传感器发展较早，一般而言结构复杂、体积偏大、价格偏高。物性型传感器过去发展不够，目前各国投入大量人、物力进行研究。比如：利用核磁共振的吸收效应的磁敏传感器可将灵敏阈提高到地磁强度的千万分之一；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测百万分之一开的温度。3.传感器技术的发展趋势一、概述（2）开发新材料

1)半导体敏感材料：传感器材料占主导地位，新的趋势是金属和非金属材料合成的化合物半导体材料。2)陶瓷材料：技术潜力大，压电陶瓷、半导体陶瓷应用最多。

3)磁性材料：正向非晶化、薄膜化。4)智能材料：形状记忆体；具有自适应、自诊断、自修复功能3.传感器技术的发展趋势一、概述（3）采用新工艺主要指微机械加工技术，随着集成电路工艺发展起来。离子束，分子束，激光束，化学刻蚀等用于微电子加工。

3.传感器技术的发展趋势一、概述（4）集成化1)同一功能多元件并列化：CCD图像传感器2)多功能一体化：传感器、放大、运算、温度补偿做成一体。

一体化温度变送器3.传感器技术的发展趋势一、概述一体化温度变送器（5）多功能化

同时测量多个参数，例如多维力传感器可以同时测量三个线速度，三个离心加速度和三个角加速度。对数据进行综合处理，反映整体状态，降低成本，减小体积。

3.传感器技术的发展趋势一、概述（6）智能化传感器与微处理器结合。不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、“思维”等人工智能。（7）电力系统传感器的要求随着智能电网技术的发展，需要的传感器越来越多，而且传感器的指标要求也高。比如：对新一代航天传感器提出的要求是小型化(<100g)、低功耗(<30mW)、高精度(<0.5%)、高可靠性(>0.998)。3.传感器技术的发展趋势一、概述二、电子式互感器光学无源：信号采集和信号传输介质均为光学器件，电子回路在低压地电位。信号传变性能优越，光学材料可靠性待时间验证。非光学（罗氏）有源：高压侧具备电子回路。罗氏线圈等传感部件和其后的数据采集电路与一次导体等电位，高压端需要供电，信号采集后通过光纤介质传输到低压电位。传感成熟，一次部件有源，供电复杂，维护困难。电子式互感器光学非光学光学晶体全光纤非光学有源其他1.技术路线：两大类目前大量运行的是光学无源和有源电子式互感器2.电子式互感器的共同点是机电一体化产品（绝缘回路、电子回路）是节能产品（功耗和输出约为传统1%）是计量器具（参与资金结算）二、电子式互感器3.电子式互感器的基本要求可靠（不易受外界影响）长寿命（高压侧）维护简便（维护方便、时间短）高精度二、电子式互感器

一次传感器一次电源传输系统一次变换器二次变换器经汇接单元以数字量输出二次变换器模拟量单元输出二次电源图6-12单相电子式互感器通用框图

未投运维护申请设备失效敏感元件辅助电路传感元件被测非电量有用非电量有用电量信号调节转换电路电量二、电子式互感器——一般结构

图6-13数字接口组合接线图

A相电子式互感器的二次变换器

1．

电流互感器（1）基于法拉第（Faraday）磁光效应的电流互感器，它采用Faraday效应测量电流。Faraday效应是指磁场可改变介质的电子通道，影响光波的传播方向

三．电子式互感器的基本原理图6-14

基于法拉第（Faraday）磁光效应的电流互感器

将偏振光的偏振面角度变化信息转化为电信号。将光源变成线偏振光。图6-15

法拉第效应原理图设长度为dL的圆柱形玻璃棒受到与光束一致的磁场H的作用，则光束在出玻璃棒出口处产生线性偏振，通过测量通流导体周围线偏振光偏振面的变化，就可间接测量出导体中的电流值。

偏振面旋转的角度θ符合下式规律

维尔德(Verder)常数，由介质和光波波长决定，表征介质的磁光效应，它是材料、温度和光波长度的函数磁场强度通过光元件的电流光束偏振面的旋转角θ正比于流经导线的电流。由旋转角的大小，即可检测电流的强弱。而且角度θ与其他附近的、非环绕的导线无关；与光回路中导线的位置无关；与光回路几何形状的变化、振动、热膨胀等因素无关。

块状玻璃传感器被测带电导体穿过玻璃中心孔、发光二极管的光束经起偏器形成偏振光射入玻璃。光束在玻璃中经内部折射形成围绕被测导体的环路。导体中被测电流形成的磁场与光束环路方向相同，从而引起偏振面旋转，并由出口的检偏器将偏振光的偏振面角度变化信息转化为电信号。

线偏振光通过块状玻璃一周的偏转角度为：

利用检偏器将偏转角的变化转换为光强的变化，由光强变化间接测量偏转角。当线偏振光通过检偏器时，输出光强P为：

入射光经起偏器后的光强

射入检偏器光的偏振面与检偏器透光轴方向之间的夹角

起偏器与检偏器光轴的夹角

比例常数

由U即可求得被测电流i的大小

1)光学互感器高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能，传统电磁式互感器的被测信号与二次线圈之间通过铁芯耦合，绝缘结构复杂，其造价随电压等级呈指数关系上升。

光学互感器将高压侧信号通过绝缘性能很好的光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化，电压等级越高其性价比优势越明显。光学互感器利用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离。

传统电磁式互感器由于使用了铁芯，不可避免地存在磁饱和及铁磁谐振等问题。光学互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，从而使互感器运行暂态响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。1.电流互感器

（1）基于法拉第（Faraday）磁光效应的电流互感器三．电子式互感器的基本原理光学互感器的优点2)抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险

传统电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路危险。光学互感器的高压侧和低压侧之间只存在光纤联系，信号通过光纤传输，高压回路与二次回路在电气上完全隔离，互感器具有较好的抗电磁干扰能力，低压侧无开路引起的高电压危险3)动态范围大，测量准确度高，频率响应范围宽

电路正常运行时电流互感器流过的电流不大，但短路电流一般很大。传统电磁式电流互感器因存在磁饱和问题，难以实现大范围测量，同一互感器很难同时满足测量和保护的需要。光学互感器有很宽的动态范围，可同时满足测量和保护的需要。

光学互感器的频率范围主要取决于相关的电子线路部分，频率响应范围较宽。光学互感器可以测出高压电力线上的谐波，还可以进行电网电流暂态、高频大电流与直流的测量，而传统电磁式互感器是难以进行这方面工作的。1.电流互感器

（1）基于法拉第（Faraday）磁光效应的电流互感器三．电子式互感器的基本原理光学互感器的优点4)数据传输抗干扰能力强

传统电磁式互感器传送的是模拟信号。当多个不同的装置需要同一个互感器的信号时，就需要进行复杂的接线，这种传统结构不可避免地会受到电磁场的干扰。光学互感器输出的数字信号可以很方便地进行数据通信，光纤传感器和光纤通信网有很强的抗电磁干扰性能。

光学互感器以其优越的性能、适应了数字化、智能化和网络化发展的需要，并具有明显的经济效益和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的电子系统安全可靠运行并提高其自动化程度具有深远的意义。1.电流互感器

（1）基于法拉第（Faraday）磁光效应的电流互感器三．电子式互感器的基本原理光学互感器的优点1）温度影响。温度的变化会导致光路系统的变化从而引起光学晶体除具有电光效应外的弹光效应、热光效应等干扰效应，导致绝缘子内光学电压传感器的工作稳定性减弱。温度对光学互感器测量误差的影响，一直是人们讨论的热点，在实际应用中，对于温度变化所产生的测量误差的影响，应提高光路系统(如光电二极管)的抗干扰能力。如使用温度稳定性好，且波长漂移小的发光光源、纯净且经过多次提拉的电光晶体等，在提高温度稳定性的研究中，近年来备受国内外学者关注的有温控法、双光路温度补偿法，双晶体温度补偿、硬件电路补偿和软件补偿等方法。2）双折射效应。由于磁光材料的双折射效应，使射入磁光介质的线性偏振光变成椭圆偏振光，其结果是:从检偏器输出的光强度变化与被测电流不成正比，使光电式电流互感器的灵敏度不稳定，从而降低了光电式电流互感器的测量准确度。1.电流互感器

（1）基于法拉第（Faraday）磁光效应的电流互感器三．电子式互感器的基本原理光学互感器的缺点1．

电流互感器

（2）基于罗戈夫斯基(Rogowski)线圈的电流互感器被测电流从i线圈中心穿过,由电磁感应原理可知:任何一个随时间变化的电流总是伴随着一个随时间变化的磁场环链,这个磁场将在线圈中感应电势，产生二次电流，将该二次电流转换为电压

，经过信号调制器将该电压信号转换成光信号，并通过光纤传输到低压端，最后在低压侧将光信号解调还原成电信号；测量输出的电信号就可以间接测量i的大小。将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上,就构成了Rogowski线圈

三．电子式互感器的基本原理光学与罗氏互感器的比较补充的、传统电流互感器按用途分：1、测量用

将任一数值的交流电流转换为用标准仪器可以直接测量的交流电流值；使高压回路与维护人员可以接近的测量仪表绝缘。2、保护用

将任一数值的交流电流转换成可以供给继电保护装置的交流电流值；使高压回路与维护人员可以接近的继电器绝缘。注意点：使用时二次侧不能开路，所以也不能接熔断器或开关等。一般输出为5A，少部分为1A。（1）基于分压式原理构成的电压互感器这类互感器包括电阻分压器、电容分压器和阻容分压器等多种方式。由分压器得到一个小电压信号，直接输出或通过变换为数字信号后输出至二次设备。

2．电压互感器三．电子式互感器的基本原理1)电阻分压器

电阻分压器分压后得到的小电压与被测高电压呈比例关系，直接输出即可以。技术成熟、体积小、造价低、可同时满足测量和保护需要

（1）基于分压式原理构成的电压互感器2．电压互感器三．电子式互感器的基本原理图6-20阻容分压器图6-21阻容分压器电路测量极的直径

导电杆的直径

测量极圆周真空的导电率

绝缘气体的导电率

测量极对地电容

R值足够小，使电压输出不受CE的影响

R和C构成阻容分压器，输出电压为：2)阻容分压器

阻容分压器分压后在电阻上得到的小电压是被测高电压的微分，要求得到被测电压需要对小信号进行积分。电容分压式电压互感器

某些透明的光学介质在没有外加电场作用时是各向同性的；而在外加电场作用下，晶体变为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率和通过晶体的光偏振态发生变化，产生双折射，一束光变为两束相位不同的线偏振光电效应的电光晶体。根据电光晶体中通光方向与外加电场(电压)方向的不同，基于普克尔斯效应的光学电压传感器可分为横向调制电压传感器和纵向调制电压传感器。

（2）基于普克尔斯（Pockels）效应构成的电压互感器2．电压互感器三．电子式互感器的基本原理图6-23用普克尔斯效应的电压传感器原理

横向调制型外加电场方向与通光方向垂直，光经起偏器后为线偏振光，通过承受外加电压的电光晶体(BGO)后发生双折射，输出的两束光的相位差与外加电压有如下关系：

横向调制电压传感器光波长度晶体的折射率晶体通光方向的长度晶体的厚度晶体的电光系数晶体的半波电压纵向调制型外加电场方向与通光方向平行，线偏振光通过电光晶体后输出的两束光的相位差为：纵向调制电压传感器纵向调制的传感器的半波电压与晶体尺寸无关，测量结果不受晶体热胀冷缩的影响，仅决定于晶体光学特性。

横向调制型和纵向调制型普克尔斯效应传感器都是通过测量输出光的相位差来测量被测电压。

在现有技术条件下，要对光的相位变化进行精确直接测量是困难的，所以采用偏振光干涉方法，将相位差变换为光强进行测量。计算可得光强为：

偏振检测系统由一个1／4波长板和两个偏振器组成。为获得偏振光强与相位差之间的线性响应，在晶体与偏振器之间增加一个／4波片，／4波片可以使两束线偏振光之间的相位差增加，此时输出的光强为：

将这两路输出光分别变为相应的电信号，并经电路作如下处理便可得到与被测量电压成正比的电气量K。由此检测K便可求得被测量电压

补充的、传统电压互感器传统电磁式电压互感器的工作原理，构造和连接方法都和普通电力变压器相同。其主要区别在于电压互感器的容量很小，通常只有几十到几百伏安。注意点：使用时二次侧不能短路，所以也线路可接熔断器或开关等。输出一般为100V，少部分为5V。1．温度传感器温度测量分接触式和非接触式，常用的传感器有：金属热敏电阻主要是铜电阻和铂电阻，测量线性好，信号处理较热电偶简单。但温度范围较热电偶小。热电偶测量温度宽，可靠性高，最高可达1600度，但成本高，信号处理复杂。分立半导体热敏电阻如NTC热敏电阻，线性较差，但成本极低，主要用在小家电上。半导体集成温度传感器主要利用温度越高PN结流过的反向漏电流越大，并通过放大、线性化处理、信号转换等。红外辐射温度传感器非接触高温测量，最高可达数千度，测量距离引起的误差较大，成本高。光纤温度传感器接触式测量，绝缘性能好、抗干扰能力强，测量精度高。四．其他电子式传感器（补充的）1．温度传感器四．其他电子式传感器（补充的）（1）金属热敏电阻常见的金属热敏电阻有铂电阻和铜电阻，和铜电阻相比铂电阻的温度范围更宽、线性更好，常用在化工厂等企业生产过程的温度测量。铂电阻铂电阻的测量温度范围为-200~+850℃

在-200~+0℃内：在0~+850℃内：式中Rt和R0分别为t度和0度电阻值，A、B、C为常数常用铂电阻有PT100和PT10两种。1．温度传感器四．其他电子式传感器（补充的）（2）热电偶

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，热电偶（图4）当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

目前常用的热电偶有：热电偶名称分度号适用温度铜-铜镍T-40~350℃镍铬-铜镍E-40~800℃铁-铜镍J-40~750℃镍铬-镍硅K-40~1000℃铂铑-铂S0~1100℃铂铑30-铂铑6B600~1700℃1．温度传感器四．其他电子式传感器（补充的）（3）半导体热敏电阻

半导体热敏电阻常用的有PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）,优点是阻值大（数百Ω至数百KΩ）、价格低，缺点是非线性严重,适合用作温度开关,也可用于加热。日本芝蒲公司生产的质量最好。1．温度传感器四．其他电子式传感器（补充的）（4）集成单片温度传感器——AD590性能特点线性电流输出：1

A/K。测温范围宽：

55～+150℃。二端器件：电压输入，电流输出。激光微调使定标精度达±0.5℃

（AD590M）。线性度极好：在整个测温范围内非线性误差小于±0.3℃（AD590M）。工作电压范围宽：4～30V。器件本身与外壳绝缘。成本低。2．压阻式压力传感器四．其他电子式传感器（补充的）利用压阻效应将压力信号变换为电阻变化信号的传感器。利用检测电路把压阻式压力传感器的电阻变化转变为电压输出，即可被电子系统处理。检测电路通常是采用惠斯通电桥构成的。3．影像传感器四．其他电子式传感器（补充的）

简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械 成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件也过大，不到「微」的地步，所以此属于光电半导体，属于光学、光电传感器。4．亮度传感器四．其他电子式传感器（补充的）

亮度传感器，是指能感受光亮度并转换成可用输出信号的传感器。外界并不清楚iPhone用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，iPhone直接用影像传感器充当亮度侦测，也是可行。无论如此，此亦不带机械成份，属于光电类传感器，甚至可能不是微型的，只是一般光学、光电传感器。5．磁阻传感器四．其他电子式传感器（补充的）

简单讲就是感测地磁，这样讲还是太学名，感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针（DigitalCompass）。老实说，数字指南针技术比较偏玩具性，因为用来感测地磁的