互感器工作原理

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1、,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,*,互感器工作原理,1,電量信號(hào)檢測方法,,,（,1,）以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的互感器，包括鐵,,心電磁式電壓、電流互感器和空心電流互感器。,,（,2,）按霍爾效應(yīng)原理工作的互感器，主要包括霍爾電,,流和霍爾電壓傳感器。,,（,3,）基于磁光效應(yīng)和光電效應(yīng)的互感器,,,主要有光學(xué),,電流互感器和光學(xué)電壓互感器。,,互感器工作原理,1.1.1,基于電磁感應(yīng)定律的電壓、電流互感器,,,,1.電壓互感器：電磁式和電容式,,（,1,）電磁式電壓互感器：電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多。,,（,2,）電

2、容式電壓互感器：簡稱,RYH,，廣泛用于,110KV,及以上超,,高壓電力系統(tǒng)中。,,電磁式電壓互感器,,電容式電壓互感器,,互感器工作原理,（,1,）,電磁式電壓互感器,變壓器空載運(yùn)行原理圖,,互感器工作原理,（2）電容式電壓互感器,RYH,原理接線圖,,互感器工作原理,電容式電壓互感器有以下優(yōu)點(diǎn)：,,①絕緣可靠性高：,RYH,的電容分壓器多由數(shù)個(gè)瓷件堆,,疊而成，每個(gè)瓷件內(nèi)裝有若干個(gè)串聯(lián)電容元件，而且,,瓷件內(nèi)充滿絕緣油，因此其耐壓高，故障少。,,②價(jià)格低：線路電壓等級(jí)愈高，應(yīng)用,RYH,的經(jīng)濟(jì)效果,,愈明顯。,,③可以兼作載波通信或線路高頻保護(hù)的耦合電容。,,互感器工作原理,1.2.1,

3、基于電磁感應(yīng)定律的電壓、電流互感器,,2.電流互感器：鐵心式和空心式,,（,1,）鐵心電流互感器：,,電力系統(tǒng)中主要的電流檢測工具，其基本工作原理與鐵心,,電磁式電壓互感器相似。,,（,2,）空心電流互感器：,,目前在智能電器中應(yīng)用比較多的一種電流傳感器，其結(jié)構(gòu),,簡單、輸入電流變化范圍寬、線性度好、性能價(jià)格比好。,,,電流互感器,,,互感器工作原理,（1）,,鐵心電流互感器,電流互感器原理圖,,互感器工作原理,鐵心電流互感器缺點(diǎn)：,,①,體積、重量隨電流等級(jí)升高而增加，價(jià)格上升也很快。,,②,在高壓輸電線路中鐵心式互感器必須充油，防爆困難，,,安全系數(shù)下降。,,③,傳統(tǒng)的電器設(shè)備二次測量和保

4、護(hù)電路中，采用了具有線,,圈的各種儀表及電磁式繼電器，需要從互感器中汲取能,,量，所以鐵心電磁式互感器必須有相應(yīng)負(fù)載能力。,,④,互感器鐵心磁化曲線線性范圍有限，影響測量范圍和保,,護(hù)精度。,,互感器工作原理,,保護(hù)繞組設(shè)計(jì)舉例,一 確定產(chǎn)品型號(hào),如：,LVQB-110,可知二次繞組成品的尺寸要求 內(nèi)徑,×,外徑,Φ205 ×Φ355,二 產(chǎn)品參數(shù),如：,600/5 5P30 30VA,額定變比 額定容量,,保護(hù)倍數(shù),三 估算鐵芯截面積,鐵芯一般選用,30QG120,電工鋼帶,,飽和磁密一般為,1.5~1.6T,,互感器工作原理,,額定工作電流下工作磁密,B,n,=,電工鋼帶飽和磁密

5、,/,保護(hù)倍數(shù),,,B,n,=1.6/30=0.05T,估算鐵芯截面積,,,A,C,=,,A,C,= =51.8cm,2,初選鐵芯尺寸,Φ220 ×Φ340 ×100,,鐵芯有效截面積和平均磁路長,A,C,=120/2 ×100 ×0.96,=57.6cm,2,L,C,=,,二次阻抗計(jì)算,電磁線規(guī)格,Φ1.68,截面積,=,（,1.68/2,）,2,×π=2.2mm,2,,電磁線電阻,r,2,=ρ,ｌ,/s=0.02 ×38.4/2.2=0.34Ω CT,線圈漏抗,X,2,=0.2Ω,額定二次負(fù)荷時(shí)二次回路阻抗和阻抗角,,R,2n,

6、=1.2 ×cosφ+r,2,=1.2 ×0.8+0.34=1.3Ω,,X,2n,=1.2 ×sinφ+x,2,=1.2 ×0.6+0.2=0.92Ω,,Z,2n,=,,,互感器工作原理,,,額定電流及額定負(fù)荷時(shí)的二次感應(yīng)電勢,額定電流及額定負(fù)荷時(shí)的工作磁密,由,B=0.05T,查磁化曲線得磁場強(qiáng)度,H=29.7ma/cm,,鐵損角,θ=36,度,,,互感器工作原理,,,計(jì)算比差和角差（相位差）,極限感應(yīng)電動(dòng)勢（拐點(diǎn)電壓）,E=K,ALF,I,2n,Z,2n,=238.5V,,保護(hù)倍數(shù)電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度,,,由,B=1.5T,查磁化曲線得磁場強(qiáng)度,H=600ma/cm,,計(jì)算勵(lì)磁安匝（,HI,）

7、,0,=,HL,c,=600*87.92=52752ma,,復(fù)合誤差,ε,c,=,（,HI,）,0,/I,1,ALF=52.752/600*30=0.29%,互感器工作原理,,,,,,,二 估算鐵芯截面積,二 產(chǎn)品參數(shù),如：,600/5 0.2S 30VA,,額定變比 額定容量,,儀表保安系數(shù) 精度等級(jí),鐵芯一般選用非晶材料,額定工作電流下工作磁密范圍為,0.1T~0.5T,本例中初步選定為,0.3T,估算鐵芯截面積,,一 確定產(chǎn)品型號(hào),如：,LVQB-110,可知二次繞組成品的尺寸要求 內(nèi)徑,×,外徑,Φ205 ×Φ355,互感器工作原理,,,初選鐵芯尺寸為,鐵芯有效截面積為,φ

8、220×φ340×35,平均磁路長,四 二次阻抗計(jì)算,二次導(dǎo)線總長,=120×(35+60)×2=22.8m,,電磁線為,φ1.68,截面積為,2.2mm,2,,互感器工作原理,,,漏抗,x=0.1Ω,額定負(fù)荷時(shí)的二次回路阻抗和阻抗角,互感器工作原理,,,,四 額定電流及額定負(fù)荷時(shí)的二次感應(yīng)電勢,五 額定電流及額定負(fù)荷時(shí)的磁密,互感器工作原理,,,六 由磁化曲線查得磁場強(qiáng)度為,7.2mA/cm,鐵損角為,31,.,七 計(jì)算勵(lì)磁安匝,八 按誤差計(jì)算公式計(jì)算計(jì)算比值差和相位差,互感器工作原理,,,,九 額定負(fù)荷下,5% 20% 120%,額定電流時(shí)的誤差均按上述步驟進(jìn)行,.,十 計(jì)

9、算,25%,額定負(fù)荷,,,此時(shí)的二次回路阻抗和阻抗角為,互感器工作原理,,,然后按,4 5 6 7 8,的步驟計(jì)算,互感器工作原理,,,,1%,5%,20%,100%,120%,ε,0.27,,0.27,0.17,0.1,0.09,δ,12.53,11.82,5.57,1.44,1.14,,初選磁密值過大則誤差可能不滿足要求,,本例,B,值初選,0.4,則初選鐵芯尺寸,φ220×φ340×25,,計(jì)算值如下,互感器工作原理,,,,1%,5%,20%,100%,120%,ε,0.5,,0.42,0.24,0.13,0.13,δ,22.53,15.76,6.49,1.12,0.88,互感器工作原理

10、,,,互感器工作原理,（2）空心電流互感器（,Rogowski,線圈）,Rogowski,線圈測量電流原理圖,,互感器工作原理,測量回路等效電路圖,,,,互感器工作原理,解決相位差問題,——,積分環(huán)節(jié)：常用的有兩種，一是,RC,積,,分電路，另一個(gè)是通過電壓頻率變換實(shí)現(xiàn)。,,加入,RC,積分電路后的等效電路圖,,若將已求導(dǎo)出的,關(guān)系等式改寫為復(fù)數(shù)形式，則有：,,,互感器工作原理,空心電流互感器具有以下,5,個(gè)優(yōu)點(diǎn)：,,①測量范圍寬、線性精度高。,,②因?yàn)椴挥描F心進(jìn)行磁耦合，從而消除了磁飽和、鐵磁,,諧振現(xiàn)象，使其運(yùn)行穩(wěn)定性好，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。,,,③,頻率響應(yīng)范圍寬。一般可設(shè)計(jì)到0,～,

11、1,MHz。,,,④,重量輕、成本較低、性能價(jià)格比高，更符合環(huán)保要求。,,⑤易實(shí)現(xiàn)互感器數(shù)字化輸出。,,互感器工作原理,鐵心電流互感器的輸入輸出特性,,,互感器工作原理,空心電流互感器在大電流時(shí)的輸入輸出特性,,,互感器工作原理,1.2.2,霍爾電流、電壓傳感器,,霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)電流、電壓變換,,和被測電路與控制電路間的電氣隔離。,,它的核心元件是霍爾元件，一種對(duì)磁場敏感的元,,件，利用磁場作為介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)多種物理量，如位置、,,速度、加速度、流量、電流、電功率等的非接觸式測量。,,霍爾電流傳感器,,,霍爾電壓傳感器,,,互感器工作原理,1.,霍爾效應(yīng)基本原理,霍爾效應(yīng)原理圖

12、,令,則,對(duì)于垂直置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為,B,的磁場中的霍爾元件,H,，當(dāng)按圖示方向輸入電流,I,C,,時(shí)，將引起,H,內(nèi)部載流子數(shù)量的變化，從而有電勢,E,H,,：,,互感器工作原理,2.,基本霍爾電流傳感器,霍爾電流傳感器工作原理圖,傳感器由帶有氣隙的環(huán)形鐵心、霍爾元件、產(chǎn)生控制電流,I,C,的電源組成。如左圖所示，霍爾元件輸出的霍爾電勢經(jīng)差分放大、滯后頻率補(bǔ)償、可調(diào)零的相放大與超前頻率補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)后，可得到輸出電壓：,,互感器工作原理,3,.,零磁通霍爾電流傳感器,,該傳感器的鐵心上繞有一匝數(shù)為,N,s,的補(bǔ)償（二次）繞,,組，作為反饋環(huán)節(jié)形,,成簡單閉環(huán)控制系,,統(tǒng)，對(duì)霍爾元件輸出,,電壓調(diào)節(jié)

13、。最終有關(guān),,系式：,零磁通霍爾電流傳感器原理圖,,3,.,零磁通霍爾電流傳感器,,,,霍爾電流傳感器特點(diǎn)：,,（1）工作頻率范圍寬，可從,DC,到幾百,KHz,,（,2）,抗干擾能力強(qiáng),,（3）構(gòu)造簡單、堅(jiān)固、耐沖擊、體積小,,（4）沒有因充油等因素而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險(xiǎn),互感器工作原理,根據(jù) ，只要求出,R,S,兩端電壓即可求得被測電流,I,1,,。,,互感器工作原理,4.,霍爾電壓傳感器概述,,由于電壓本身不能直接產(chǎn)生磁場，必須變成通過導(dǎo),,線或繞組的電流，才有相應(yīng)的磁場。,,為采用霍爾效應(yīng)制成霍爾電壓傳感器，首先應(yīng)將被,,測電壓變換成電流，以產(chǎn)生霍爾元件所需的

14、磁場。,,霍爾電壓傳感器也分為基本型和零磁通型。,,互感器工作原理,5.,霍爾集成器件,,,,霍爾集成傳感器分為線性型和開關(guān)型。,,線性型霍爾集成器件：輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度,,（即被測電流）呈線性關(guān)系。根據(jù)輸出環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，可分,,為單端輸出與雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種。,,開關(guān)型霍爾集成電路分為單穩(wěn)和雙穩(wěn)兩種。,,互感器工作原理,線性型霍爾傳感器,UGN-3501T,的特性曲線,,互感器工作原理,1.2.3,光學(xué)電流、電壓互感器,,,1.光學(xué)電流互感器,,法拉第磁光效應(yīng)：當(dāng)光波通過置于被測電流產(chǎn)生的,,磁場內(nèi)的磁光材料時(shí)，其偏振面在磁場作用下將發(fā)生旋,,轉(zhuǎn)，通過測量旋轉(zhuǎn)的角度即可確定被測電流的大

15、小。,,,互感器工作原理,1.光學(xué)電流互感器,(OCT),,法拉第磁光效應(yīng)原理圖如圖所示，線偏振光穿過介,,質(zhì)后因其兩個(gè)分量出現(xiàn)相位差而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角為：,：偏轉(zhuǎn)角；,,：光纖材料,Verdet,常數(shù)；,,：磁化強(qiáng)度；,,：光纖長度。,,互感器工作原理,OCT,的結(jié)構(gòu)示意圖：,光纖,OCT,傳感頭的原理圖：,,互感器工作原理,據(jù),，傳感器輸出的偏轉(zhuǎn)角與被測電流和光纖的常數(shù),V,有關(guān)。,由于所謂“線性雙折射現(xiàn)象”的影響，常數(shù),V,實(shí)際是一個(gè)隨機(jī)變量，與光纖的形變、內(nèi)部應(yīng)力、光源光波長、環(huán)境溫度、彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等許多因素有關(guān)，受到這些量的影響，輸出補(bǔ)償相當(dāng)困難。,,互感器工作原理,1.2.3,光學(xué)

16、電流、電壓互感器,,2. 光學(xué)電壓互感器,,,Pockels,效應(yīng)：,,某些透明的光學(xué)介質(zhì),,,如,BGO(,鍺酸鉍,Bi,4,Ge,3,O,12,),晶體,,,具有電光效應(yīng)，在電場的作用下會(huì)使其輸入光的折射率,,隨外加電場改變線性地改變。這種效應(yīng)也稱為線性電光,,效應(yīng)。,,互感器工作原理,2. 光學(xué)電壓互感器,,當(dāng)輸入光傳播方向與電場方向垂直時(shí)，電場所引起,,的雙折射最大，使晶體中射出的兩束線偏振光產(chǎn)生相位,,差，其最大相位差為：,,互感器工作原理,橫向和縱向電光效應(yīng)示意圖：,橫向電光效應(yīng)：光的傳播方向與電場互相垂直；,,縱向電光效應(yīng)：光的傳播方向平行于電場方向。,,,I,0,：經(jīng)過起偏器后的線偏振光的光強(qiáng)；,I,,：干涉光強(qiáng)。,若在晶體和檢偏器之間增加一個(gè)玻片，使兩束線偏振光間相位差增加,π,/2:,經(jīng)過檢偏器后，干涉光強(qiáng)為：,互感器工作原理,偏振光干涉裝置示意圖：,當(dāng),很小時(shí)：,,