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1、电气设备的电子保护技术,上海交通大学,第一章电气设备的过负荷特性及其保护,第一节 电气设备的过负荷特性1,设电流I流过导体D(D的等效电阻为R),发热量Q1:Q1=I2R(1-1)则D由温度 T0上升为T,温升为,设D的热阻为RT(/w),则D向周围散热Q2:Q2=(T-T0)/RT=/RT(1-2)设D的热容量为C(J/)，则D在温升未达稳态时热平衡方程为：,(1-3),当Q1=Q2，D温升(I,t)达到稳态(I)，此时：(I)=Q1 RT=I2R RT结论：电气设备的最终温升与发热量和热阻成正比，与散热系数成反比。,第一节 电气设备的过负荷特性2,将(I)=I2RRT 带入式(1-3),热
2、平衡方程可改写成：,(1-4),设t=0时D的初始温升为0，则有：,上式中，Th为发热时间常数，且 Th=CRT（s）。(I,t)用下图中的曲线表示,(1-5),电气设备的过负荷时间,电气设备允许温升倍数：=极限温升m/额定温升n电气设备允许过负荷倍数：=实际电流I/额定电流In电气设备初始温升系数：=初始温升0/额定温升n1、则电气设备通过电流I时（从t=0时起），允许的过负荷时间可表示为：,2、冷态过负荷时间tac：=0时（t=0时，I=0）,3、热态过负荷时间tah：=1时（t=0时，I=In）,极限温升m：取决于绝缘材料允许温升。额定温升n 和初始温升0：可以通过测量得到。,中小电机的
3、过负荷运行时间,第二节 电气设备过负荷保护方法,1、过负荷运行的危害 虽然电气设备的极限温升都大于额定温升，过负荷造成的过热危害极大，经验表明：电气设备长期在额定温升以上运行，平均每高11，设备寿命减半。2、过负荷保护方法：（1）直接温度保护：将温度传感器预埋在设备内最高温度区域（2）间接电流保护：不用埋设温度传感器，通过测量电流来实施保护，可以与断相、短路保护同时进行，使用方便。,间接电流保护,定时限保护分段定时限保护反时限保护可变时限保护,第三节 温度测量,一、常用过负荷保护的温度传感器的要求：1、响应时间快（小于1s）2、线形度要求不高（温度整定值附近测量误差5%以内即可）3、测温范围不
4、超过250。二、常用温度传感器的种类半导体热敏电阻:符合上述要求负温度系数热敏电阻（NTC）正温度系数热敏电阻（PTC）CTRPN结温度传感器:符合上述要求热电偶:符合上述要求金属热电阻:响应 时间长(1-60s),不符合,半导体热敏电阻,特点电阻温度特性：指数关系，线性度差，互换性差时间常数（热容量*热阻）：1s，比Pt和热电偶快灵敏度：高，比Pt和热电偶高10倍测温范围：-20-+250种类NTC：负温度系数PTC：正温度系数CTR：负温度系数突变,热敏电阻的结构,热电偶,利用热电效应将温度直接转换为电势，应用广泛。1、工作原理：将两种不同材料的金属导体串接成闭合回路，当两个结点处于不同温
5、度即“热端T冷端T0”时，导体在回路中产生与两结点有关的温差热电势的现象，称为温差电效应（塞贝克效应）。结论:（1）同种材料不产生热电势；（2）两种材料若无温差也不产生热电势。,EAB(T,T0)=(T-T0)+(T-T0)2+EAB(T,T0)由A,B两种材料组成的热电偶，结点温度为T,T0时的热电势。，多项式系数，对于A,B材料一定时为一常量。在一定温度范围内：上式可近似为：EAB(T,T0)=K(T-T0)与温差成正比当T00时，则EAB(T,T0)=KT 温度直接转换成电势,热电偶基本定律,匀质导体定律：由同一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如
6、何，都不能产生热电势。中间导体定律：当热电偶回路中插入第三种导体C时，只要保证导体C两端的温度相等，连C与否对电势无影响。C可换为仪表或测量电路。中间温度定律：EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)主要解决冷端温度补偿。EAB(T,T0)为输出,可测量;通过其它方法测量冷端温度T0，查分度表得到EAB(T0,0)，即得到EAB(T,0)，再查分度表可得热端温度T。,热电偶主要技术参数,分度号：国标规定的热偶的类型，共8种分度号,用S,R,B,K,E,J,T,N代表。分度表：热电势E(T,0)与温度T的关系表格,国家/国际标准 分度表是用表格的方式列出每种分度号在冷端温度为0度
7、时,温度与热电动势的对应关系。允许误差：热电偶的热电势 温度关系对分度表的最大偏差。根据允许误差将热电偶分为1、2、3级。测量范围 不同材料的热电偶，有不同的使用温度极限，最高可达1700。（详见后）热响应时间 也称时间常数，用来表示热电偶对温度变化响应快慢的热惰性参数。热响应时间用 或0.5表示,冷端补偿,0恒温法 将热电偶冷端置于0的恒温器内，使其工作状态与分度表状态一致，测出电势后查分度表直接得到热端温度值。0恒温器：冰水混合物、半导体致冷器。冷端温度实时测量法 双路测温(需单独一路测量冷端温度)电路自动补偿法(热偶专用运放)补偿导线法 补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；极性不能接反，
8、否则会造成更大的误差；补偿导线与电极连接处两结点的温度必须相同，且不得超过规定范围。,双路测温,冷端温度实时测量计算修正法,无须保持冷端温度T0恒定，而是采用其它测温手段实时测量当前冷端温度T0，步骤如下：EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)测2路信号：一路是EAB(T,T0)，另一路是 EAB(T0,0)（1）测T0，若T0=40。（2）测EAB(T,T0)2.202mV（3）查表：EAB(T0,0)EAB(40,0)1.611mV（4）加法运算：EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)=EAB(T,40)+EAB(40,0)2.202+1.6113.81
9、3mV（5）查表：EAB(T,0)=3.813mV 热端温度T=90即被测温度。,冷端电桥补偿方法举例,电桥应位于冷端温度下T0。调Rg使Uac=E(T0,0)取R2=R3=R4=RH(0)=R0测量端电势E=UAB+Uac=E(T,T0)+E(T0,0)=E(T,0),热电偶传感器的结构,第四节 用互感器测量电流和电压,互感器：电流互感器CT和电压互感器PT的统称，又称仪用变压器。作用：根据变压器的变压、变流原理将一次电压、电流转变为同类型的二次电量，该二次电量可作为二次回路中测量仪表、保护继电器等设备的电源或信号源主要功能：（1）变换功能：将一次回路的大电压和大电流变换成适合仪表、继电器工
10、作的低电压和小电流。（2）隔离和保护功能：使仪表、继电器等二次设备与一次主电路隔离，提高了电路工作的安全性和可靠性，而且有利于人身安全。（3）扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围 通过改变互感器的变比，可以反应任意大小的主回路电压和电流值，便于二次设备制造规格统一和批量生产。互感器的二次侧的电流或电压额定值统一规定为5A（1A）及 100V。,电流互感器,简称CT，文字符号TA，是变换电流的设备。1基本原理电流互感器的基本结构和原理如图所示，,结构特点：一次绕组匝数少，二次绕组匝数多一次绕组导体较粗，二次绕组导体细一次绕组串接在一次电路中，二次绕组与仪表、继电器电流线圈串联，形成闭合回路。由于
11、这些电流线圈阻抗很小，工作时电流互感器的二次回路接近短路状态。电流互感器的变流比用Ki表示,式中，I1N 一次侧额定电流值；I2N 二次侧额定电流值；N1 一次绕组匝数；N2 二次绕组匝数；变流比Ki一般表示成如1005A的形式。,CT结线方案,1）说明 互感器通常接在B相，电流互感器二次线圈中流过的是对应相一次电流的二次电流值，反应的是该相的电流。2）应用 通常用于三相负荷平衡的系统中，供测量电流或过负荷保护装置用。,1、一相式结线,2、两相V形结线,两相V形接线的电流互感器一、二次侧的电流相量图,1)说明：这种结线也叫两相不完全星形结线，电流互感器通常接在A、C相上，由相量图，公共线上的电
12、流为+，反应的正是未接互感器的那一相的电流。2)应用：在中性点不接地的三相三线制系统中，用于测量三相电流、电能及作过电流继电保护之用称“两相两继电器式结线”。,3、两相电流差式结线1）说明：又叫两相一继电器式结线，流过电流继电器线圈的电流为，由相量图可知其量值是相电流的倍。2）应用：适用于中性点不接地的三相三线制系统中，作过电流继电保护之用。,4、三相星形结线1)说明:这种结线中的三个电流线圈正好反映了各相电流，2)应用:被广泛用于三相负荷不平衡的三相四线制系统中，也用在负荷可能不平衡的三相三线制系统中作三相电流、电能测量及过电流继电保护之用。,LQZ-10型电流互感器,LQZ-10型电流互感
13、器的外形图户内线圈式环氧树脂浇注绝缘加强型电流互感器。LQZ-10用于10KV高压开关柜中，有两个铁心和两个二次绕组，分别为0.5级和3级，0.5级用于测量，3级用于继电保护。,LQZ-10型电流互感器1一次接线端 2一次绕组 3二次接线端 4铁心 5二次绕组 6警示牌,LMZJl-0.5型电流互感器,LMZJl-0.5型电流互感器的外形图户内母线式环氧树脂浇注绝缘加大容量的电流互感器LMZJl-0.5用于低压配电屏和其他低压电路中，本身无一次绕组，穿过其铁心的母线就是其一次绕组。,LMZJ1-0.5型电流互感器1铭牌 2一次母线穿孔 3铁心 4安装板 5二次接线端,电流互感器的型号及表示,注
14、：1.结构形式的字母含义R套管式 Z支柱式 Q线圈式 F贯穿式（复匝）D贯穿式（单匝）M母线式 K开合式 V倒立式 A链式2.线圈外绝缘介质的字母含义J变压器油不表示 G空气（干式）C瓷（主绝缘）Q气体 Z浇注成型固体 K绝缘壳,电流互感器的使用注意事项,1、电流互感器在工作时二次侧不得开路。二次结线不允许开路,必须可靠、牢固，不允许在二次回路中接入开关或熔断器。二次回路如果开路，二次侧可能会感应出危险的高电压，危及人身和设备安全；此时,一次电流全部作为激磁电流,互感器铁心会由于磁通剧增而过热，产生剩磁，导致互感器准确度的降低。2、电流互感器二次侧有一端必须接地。为了防止一、二次绕组间绝缘击穿时，一次侧高电压窜人二次侧，危及设备和人身安全。3、电流互感器在结线时，要注意其端子的极性。电流互感器的一、二次侧绕组端子分别用P1、P2和S1、S2表示，对应的P1和S1，P2和S2 为用“减极性”法规定的“同名端”，又称“同极性端”。（因其在同一瞬间，同名端同为高电平或低电平）。如果接错端子，二次侧的仪表和继电器流过的电流不是要求的电流，甚至会导致事故的发生。,
