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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,）
2、电磁式电压互感器,0,I,?,?,1,U,?,1,W,12,?,?,2,W,20,U,?,u,K,W,W,E,E,U,U,?,?,?,2,1,2,1,20,1,?,1,1,1,44,.,4,fW,E,U,?,?,?,2,2,20,44,.,4,fW,E,U,?,?,变压器空载,运行原理图,互感器工作原理,（,2,）电容式电压互感器,x,U,1,C,2,C,J,2,P,1,P,L,a,x,f,a,f,x,ZYH,RYH,原理接线图,2,1,2,1,C,Q,C,Q,U,U,U,C,C,x,?,?,?,?,2,1,2,1,0,C,C,C,C,C,?,?,?,?,Q,U,C,U,C,U,C,C,C,x
3、,?,?,?,2,2,1,1,0,x,fy,x,x,C,U,K,U,C,C,C,U,C,C,U,?,?,?,?,2,1,1,2,0,2,2,1,1,2,C,C,C,U,U,K,x,C,fy,?,?,?,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
4、,）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,1,W,2,W,1,L,2,L,1,I,?,1,K,2,K,2,I,?,电流互感器原理图,1,1,1,W,I,F,?,?,?,2,2,2,W,I,F,?,?,?,2,1,F,F,?,?,?,?,2,2,1,1,W,I,W,I,?,1,2,2,1,W,W,I,I,K,i,?,?,互感器工作原理,铁心电流互感器缺点：
5、,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 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
6、和磁密一般为,1.51.6T,互感器工作原理,4,2,2,2,2,10,44,.,4,?,n,n,n,n,Z,B,fN,Z,I,K,额定工作电流下,工作磁密,B,n,=,电工钢带饱和磁密,/,保护倍数,B,n,=1.6/30=0.05T,估算铁芯截面积,A,C,=,A,C,=51.8cm,2,初选铁芯尺寸,220,340,100,4,10,05,.,0,120,50,44,.,4,2,.,1,5,15,.,1,?,?,?,?,?,?,铁芯有效截面积和平均,磁路长,A,C,=120/2,100,0.96,=57.6cm,2,L,C,=,cm,.,.,*,92,87,14,3,2,34,22,?,
7、?,二次阻抗计算,电磁线规格,1.68,截面积,=,（,1.68/2,）,2,=2.2mm,2,电磁线电阻,r,2,=,/s=0.02,38.4/2.2=0.34 CT,线圈漏抗,X,2,=0.2,m,4,.,38,10,2,60,100,120,3,?,?,?,?,?,?,?,）,（,二次导线长度,额定二次负荷时二次回路阻抗和阻抗角,R,2n,=1.2,cos+r,2,=1.2,0.8+0.34=1.3,X,2n,=1.2,sin+x,2,=1.2,0.6+0.2=0.92,Z,2n,=,59,.,1,92,.,0,3,.,1,2,2,2,2,2,2,?,?,?,?,n,n,X,R,。,二次
8、回路阻抗角,9,.,34,3,.,1,92,.,0,arctan,arctan,n,2,2,?,?,?,R,X,n,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,V,Z,I,E,n,n,95,.,7,59,.,1,5,2,2,2,?,?,?,?,由,B=0.05T,查磁化曲线得磁场强度,H=29.7ma/cm,铁损角,=36,度,ma,2611,92,.,87,*,7,.,29,L,*,H,HI,c,0,?,?,?,）,励磁安匝（,T,A,fN,E,B,c,n,05,.,0,6,.,57,*,120,*,50,*,44,.,4,95,.,7,10,44,.
9、,4,4,2,2,?,?,?,?,互感器工作原理,计算比差和角差（相位差）,%,4,.,0,100,36,9,.,34,sin,600,10,2611,100,sin,(NI),(HI),3,1,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,）,（,）,（,i,极限感应电动势（拐点电压）,E=K,ALF,I,2n,Z,2n,=238.5V,保护倍数电流下磁感应强度,，,）,（,）,（,5,3440,36,9,.,34,cos,600,10,2611,3440,cos,(NI),(HI),3,1,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,i,T,A,fN,E,B,c,n,5,.,1,6,.,57
10、,*,120,*,50,*,44,.,4,5,.,238,10,44,.,4,4,2,?,?,?,?,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,=HL,c,=600*87.92=52752ma,复合误差,c,=,（,HI,）,0,/I,1,ALF=52.752/600*30=0.29%,互感器工作原理,4,10,B,4.44fN,Z,I,K,n,n,2,2n,2n,2z,c,?,?,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
11、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,205,355,2,cm,8.25,0.3,120,1.2,5,1.1,45,Ac,?,?,?,?,?,?,互感器工作原理,初选铁芯尺寸为,铁芯有效截面积为,220,340,35,2,31,.,10,75,.,0,cm,Ac,A,?,?,?,平均磁路长,2,92,.,87,2,335,225,cm,Lc,?,?,?,?,?,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,2.2mm,2,?,?
12、,?,?,2,.,0,2,.,2,8,.,22,02,.,0,r,互感器工作原理,漏抗,x=0.1,额定负荷时的二次回路阻抗和阻抗角,。,35,16,.,1,82,.,0,arctan,41,.,1,2,82,.,0,2,16,.,1,82,.,0,1,.,0,sin,2,.,1,16,.,1,2,.,0,cos,2,.,1,2,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,a,Z,X,R,n,n,n,?,?,互感器工作原理,V,E,05,.,7,41,.,1,5,2,?,?,?,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,T,B,2564
13、,.,0,31,.,10,120,05,.,7,45,?,?,?,?,互感器工作原理,mA,NI,633,92,.,87,2,.,7,),(,?,?,?,。,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,%,1,.,0,100,),31,35,sin(,600,3,10,633,100,),sin(,),(,),(,1,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,a,NI,NI,i,互感器工作原理,),(,2,.,1,3440,),cos(,),(,),(,1,0,?,?,?,?,?,?,
14、?,a,NI,NI,i,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,。,7,.,31,45,.,0,28,.,0,arctan,52,.,0,2,28,.,0,2,44,.,0,28,.,0,1,.,0,sin,3,.,0,44,.,0,2,.,0,cos,3,.,0,2,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,a,Z,X,R,n,n,n,?,?,然后按,4 5 6 7 8,的步骤计算,互感器工作原理,1%,5%,20%,100%,120%,0.27,0.27,
15、0.17,0.1,0.09,12.53,11.82,5.57,1.44,1.14,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,220,340,25,计算值如下,互感器工作原理,1%,5%,20%,100%,120%,0.5,0.42,0.24,0.13,0.13,22.53,15.76,6.49,1.12,0.88,互感器工作原理,互感器工作原理,（,2,）空心电流互感器（,Rogowski,线圈）,),(,t,i,),(,t,B,),(,2,t,i,0,R,out,U,FR,N,匝,Rogowski,线圈测量电流原理图,?,t,t,i,r,NA,t,t,B,
16、NA,t,e,d,),(,d,2,d,),(,d,),(,0,?,?,?,?,?,?,),r,t,i,t,B,?,?,2,),(,),(,0,?,t,t,B,NA,t,t,e,d,(,d,d,d,),(,?,?,?,?,?,互感器工作原理,t,t,i,r,NA,t,t,B,NA,t,e,d,),(,d,2,d,),(,d,),(,0,?,?,?,?,?,?,?,),(,t,e,L,R,L,0,R,0,u,2,i,),(,d,),(,d,),(,2,2,t,i,R,t,t,i,L,t,e,h,?,?,h,h,R,wL,t,i,R,t,t,i,L,?,?,或,),(,d,/,),(,d,2,2,测
17、量回路等效电路图,h,R,t,e,t,i,/,),(,),(,2,?,?,t,t,i,rR,NA,t,i,h,d,),(,d,2,),(,0,2,?,?,?,?,t,t,i,K,t,i,R,u,d,),(,d,),(,2,0,0,?,?,?,的相位差,2,/,之,间,),(,与,0,?,存在,t,i,u,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。,),(,t,e,2,i,L,R,L,R,0,R,0,u,0,i,c,u,C,加入,RC,积分电路后的等效电路图,),(,与,0,t,i,u,若将已求导出的,关系等式改写为复数形式，则有
18、：,若,I,K,j,U,?,?,?,?,0,0,1,1,U,RC,j,U,c,?,?,?,?,?,I,RC,j,K,j,U,c,?,?,?,?,?,?,1,I,RC,K,U,c,?,?,?,又因为,所以,1,?,RC,j,?,则,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,0,1MHz,。,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
19、电流互感器在大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,d,B,I,R,E,C,H,/,?,霍尔效应原理图,d,R,K,H,H,/,?,令,B,I,K,E,C,H,H,?,则,d,C,I,H,B,H,E,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
20、图示方向输入电,流,I,C,时，将引起,H,内部载流,子数量的变化，从而有电,势,E,H,：,互感器工作原理,2.,基本霍尔电流传感器,1,A,2,A,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,R,10,R,11,R,12,R,13,R,1,W,1,C,2,C,1,I,C,I,B,H,E,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,12V,12V,2,U,霍尔电流传感器工作原理图,传感器由带有气隙,的环形铁心、霍尔元件、,产生控制电流,I,C,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
21、节,后，可得到输出电压：,1,2,KI,U,?,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,N,s,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：,S,N,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,C,1,I,C,I,B,24V,24V,A,1,T,2,T,S,I,S,R,零磁通霍尔电流传感器原理图,S,S,I,N,I,N,?,1,1,3.,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,
22、（,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,R,S,两端电压即可求,得被测电流,I,1,。,S,S,I,N,I,N,?,1,1,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
23、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：,VHL,?,?,：偏转角；,：光纤材料,Verdet,常数；,：磁化强度；,：光纤长度。,L,H,V,?,
24、?,旋光角,磁光材料,磁场,H,互感器工作原理,光源,探测器,光纤,I,光源,起偏器,法拉第传感头,检偏器,检测电路,磁场,H,单色光,偏振光,磁光,调制,解调得到,偏转角,旋转角度,及电流值,OCT,的结构示意图：,光纤,OCT,传感头的原理图：,互感器工作原理,VHL,?,?,据,，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“线性双折射现象”的影响，常数,V,实际,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、扭转、振动等许多因素有关，受,到这些量的影响，输出补偿相当困难。,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
25、,Pockels,效应：,某些透明的光学介质,如,BGO(,锗酸铋,Bi,4,Ge,3,O,12,),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：,El,n,41,3,0,2,?,?,?,?,E,：外施电场强度；,l,：通过晶体的光长度；,?,：光波波长；,0,n,：晶体未加电场时的折射率；,41,?,：,BGO,晶体线性电光系数。,互感器工作原理,横向和纵向电光效应示意图
26、：,电场,晶体,光,电场,光,晶体,（,a,）横向,（,b,）纵向,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。,I,0,：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,光源,起偏器,BGO,晶体,检偏器,光强检测,相调,幅调,0,I,电场,E,相位调制,?,I,偏振光干涉装置示意图：,2,Sin,2,0,?,I,I,?,),Sin,1,(,2,1,),4,2,(,Sin,0,2,0,?,?,?,?,?,?,I,I,I,),1,(,2,1,),1,(,2,1,0,0,?,?,U,U,I,I,I,?,?,?,?,当,很小时：,?,
