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1、互感器工作原理,1 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,主要有光学电流互感器和光学电压互感器。,互感器工作原理,1.1.1 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,互感器工作原理,（1）电磁式电压互感器,变压器空载运行原理图,互感器工作原
2、理,（2）电容式电压互感器,RYH原理接线图,互感器工作原理,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。,互感器工作原理,1.2.1 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
3、围宽、线性度好、性能价格比好。,电流互感器,互感器工作原理,（1）铁心电流互感器,电流互感器原理图,互感器工作原理,铁心电流互感器缺点：体积、重量随电流等级升高而增加，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。,互感器工作原理,保护绕组设计举例,一 确定产品型号,如：LVQB-110 可知二次绕组成品的尺寸要求 内径外径 205 355,二 产品参数,如：600/5
4、 5P30 30VA,额定变比 额定容量 保护倍数,三 估算铁芯截面积,铁芯一般选用30QG120电工钢带 饱和磁密一般为1.51.6T,互感器工作原理,额定工作电流下工作磁密,Bn=电工钢带饱和磁密/保护倍数Bn=1.6/30=0.05T,估算铁芯截面积AC=,AC=51.8cm2,初选铁芯尺寸,220 340 100,铁芯有效截面积和平均磁路长,AC=120/2 100 0.96=57.6cm2,LC=,二次阻抗计算,电磁线规格1.68 截面积=（1.68/2）2=2.2mm2电磁线电阻r2=/s=0.02 38.4/2.2=0.34 CT线圈漏抗X2=0.2,额定二次负荷时二次回路阻抗和
5、阻抗角R2n=1.2 cos+r2=1.2 0.8+0.34=1.3X2n=1.2 sin+x2=1.2 0.6+0.2=0.92Z2n=,互感器工作原理,额定电流及额定负荷时的二次感应电势,额定电流及额定负荷时的工作磁密,由B=0.05T查磁化曲线得磁场强度H=29.7ma/cm铁损角=36度,互感器工作原理,计算比差和角差（相位差）,极限感应电动势（拐点电压）E=KALFI2nZ2n=238.5V保护倍数电流下磁感应强度,由B=1.5T查磁化曲线得磁场强度H=600ma/cm计算励磁安匝（HI）0=HLc=600*87.92=52752ma复合误差c=（HI）0/I1ALF=52.752/
6、600*30=0.29%,互感器工作原理,二 估算铁芯截面积,二 产品参数,如：600/5 0.2S 30VA,额定变比 额定容量 仪表保安系数 精度等级,铁芯一般选用非晶材料,额定工作电流下工作磁密范围为0.1T0.5T本例中初步选定为0.3T,估算铁芯截面积,一 确定产品型号,如：LVQB-110 可知二次绕组成品的尺寸要求 内径外径 205 355,互感器工作原理,初选铁芯尺寸为,铁芯有效截面积为,22034035,平均磁路长,四 二次阻抗计算,二次导线总长=120(35+60)2=22.8m,电磁线为1.68 截面积为2.2mm2,互感器工作原理,漏抗x=0.1,额定负荷时的二次回路阻
7、抗和阻抗角,互感器工作原理,四 额定电流及额定负荷时的二次感应电势,五 额定电流及额定负荷时的磁密,互感器工作原理,六 由磁化曲线查得磁场强度为7.2mA/cm铁损角为31.,七 计算励磁安匝,八 按误差计算公式计算计算比值差和相位差,互感器工作原理,九 额定负荷下5%20%120%额定电流时的误差均按上述步骤进行.,十 计算25%额定负荷,此时的二次回路阻抗和阻抗角为,互感器工作原理,然后按4 5 6 7 8的步骤计算,互感器工作原理,初选磁密值过大则误差可能不满足要求本例B值初选0.4则初选铁芯尺寸22034025计算值如下,互感器工作原理,互感器工作原理,互感器工作原理,（2）空心电流互
8、感器（Rogowski线圈）,Rogowski线圈测量电流原理图,互感器工作原理,测量回路等效电路图,互感器工作原理,解决相位差问题积分环节：常用的有两种，一是RC积分电路，另一个是通过电压频率变换实现。,加入RC积分电路后的等效电路图,互感器工作原理,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。,互感器工作原理,铁心电流互感器的输入输出特性,互感器工作原理,空心电流互感器在大
9、电流时的输入输出特性,互感器工作原理,1.2.2 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，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,互感器工作原理,1.霍尔效应基本原理,霍尔效应原理图,令,则,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流IC 时，将引起H内部载流子数量的变化，从而有电势EH：,互感器工作原理,2.基本霍尔电流传感器,霍尔电流传感器工作原理图,传感器由带有气隙的环
10、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经差分放大、滞后频率补偿、可调零的相放大与超前频率补偿等环节后，可得到输出电压：,互感器工作原理,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：,零磁通霍尔电流传感器原理图,3.零磁通霍尔电流传感器霍尔电流传感器特点：（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,互感器工作原理,根据，只要求出RS 两端电
11、压即可求得被测电流I1。,互感器工作原理,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。,互感器工作原理,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（差动输出）两种。开关型霍尔集成电路分为单稳和双稳两种。,互感器工作原理,线性型霍尔传感器UGN-3501T的特性曲线,互感器工作原理,1.2.3 光学
12、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。,互感器工作原理,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：,：偏转角；：光纤材料Verdet常数；：磁化强度；：光纤长度。,互感器工作原理,OCT的结构示意图：,光纤OCT传感头的原理图：,互感器工作原理,互感器工作原理,1.2.3 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效应。,互感器工作原理,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：,互感器工作原理,横向和纵向电光效应示意图：,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。,I0：经过起偏器后的线偏振光的光强；I：干涉光强。,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:,经过检偏器后，干涉光强为：,互感器工作原理,偏振光干涉装置示意图：,当 很小时：,
