第三讲1：现场参量及其检测2015.3.26

智能电器与智能电网研究生课程
厦门理工学院电气工程与自动化学院
主讲：陈丽安2015年3月26日
本章概述
现场参量的输入和数据采集是智能电器监控器设计中一个十分重要的环节，是智能电器监控器完成运行现场中不同参量测量和分析，并根据分析结果对开关电器进行操作控制，实现现场设备和开关电器自身的控制和保护功能的信息来源。

一、智能电器现场参量类型及数字化测量方法
完成现场参量的转换、调理和采集是监控器的主要任务之一。

从现场参量输入到转换为中央处理与控制模块可直接处理的信号需
要设计专用的电路通道，即监控器
的输入通道。

智能电器监控器输入通道基本结构
智能电器监控器所要采集的现场参量
分为模拟型和开关型
1. 模拟型现场参量
随时间连续变化的信号。

模拟型参量分为电量和非电量两种
2.开关型现场参量
这种参量只存在两种状态，如断路器、接触器、继电器触头的分断与关合等。

智能监控器只能处理数字量信息，不能直接处理现场运行参量，必须进行预处理。

1.需解决的问题
现场参量与监控器接口存在的问题
2、常用对策
（1）模拟量信号调理
完成信号属性变换、幅值调整和滤波处理，以便与采样环节中A/D转换器的模拟输入端接口。

（2）开关量的调理
把电气触点的分、合或脉冲信号的有、无状态，变为对应的、可被中央处理器处理的逻辑（0、1）信号。

（3）隔离
经信号调理和变换后的数字量和逻辑量与中央处理与控制模块之间应当配置良好的电隔离，以提高监控器的抗干扰能力。

二、电量信号检测方法
智能电器运行时的主要被测电参量
供电电压、线路电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等。

其中只有电压和电流可直接采样处理，其他参数则是通过特定算法，由中央处理和控制模块根据测得的电压和电流计算得到。

电量信号的采集需要通过相应的传感器。

电压、电流传感器分类
按照工作原理，主要可分为3类：
1）以法拉第电磁感应定律为基础的铁心电磁式互感器。

2）按霍尔效应原理工作的传感器。

3）基于磁光效应和光电效应的互感器。

传感技术与计算机技术、通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。

它也是当今很多技术和应用系统发展的重要基础和支撑技术，其技术涉及到材料科学、电子科学与技术、信息传输与处理、信号识别等多个学科。

传感技术作为一种重要的高新技术，对各行业有巨大的推动作用，一直受到国家的高度重视。

在科技部的“十二五科技发展规划”和工信部公布的有关文件中，明确提出：要集中多方资源，大力提升感知技术水平、推进传输技术突破、加强处理技术研究、巩固共性技术基础。

基于电磁感应定律的电压、电流互感器
1.电压互感器
常见的电压互感器有电磁式和电容式。

（1）电磁式电压互感器
是目前电力系统中应用最多的电压互感器。

工作特点
正常运行时，二次侧负载基本不变，且电流很小，接近于空载状态，类似空载变压器。

这类电压互感器在接线时，二次侧不允许短路。

（2）电容式电压互感器
电容式电压互感器简称RYH，英语简称CPT或CVT，广泛应用于110kV及以上的超高压电力系统中。

2.电流互感器
电磁式电流互感器是一种将供电线路大电流变换为小电流的常用电器设备，用于对线路和供、用电设备的测量与保护。

电磁式电流互感器分为铁心式和空心式两大类。

（1）铁心电流互感器
电流互感器工作方式
一次绕组（原边绕组）串联在被测电路（一次回路）内，二次绕组（副边绕组）则与测量仪表和保护继电器的电流线圈串联，接近于短路状态。

霍尔效应传感器
Hall-effect Transducers
一种利用霍尔效应实现电流/电压变换和一次电路与二次电路间电气隔离的传感器，其核心元件是霍尔元件。

1．霍尔效应的基本原理
霍尔元件是一种具有霍尔效应的半导体磁电转换元件。

The Hall effect is the phenomenon by which charge carriers moving through a magnetic field are forced to one side of the conducting medium.
Magnitude of the Hall effect voltage is given by :
V = k I B
光学电流电压互感器
光学电流互感器OCT
基本原理
根据法拉第磁光效应，偏振光通过置于磁场中的半导体磁光材料，其偏振面在磁场作用下偏转。

当磁场为被测电流所产生时，测量偏转角可确定被测电流的大小。

光学电压互感器(OPT)
用光电子技术和电光调制原理来实现电压测量。

当前已研制出的光学电压互感器系列，可用于测量高达500kV电压，但其稳定性与可靠性还存在一些问题。

一个重要原因是运行环境温度对OPT采用的光学晶体、光路结构、绝缘结构和光源的影响，这些还需要做进一步的工作。

三、非电量信号检测方法
智能电器需要在线监测的非电量
温度、湿度、压力、速度、加速度、绝缘强度等。

这些参数属非电量信号，不能直接检测，必须由相应的传感器变成电压或电流信号，才能输入监控器进行处理和显示。

1温度检测传感器及在智能电器中的应用
常用温度传感器分类
按测量方法接触式和非接触式
按所用材料热敏电阻、热电偶、红外1．热敏电阻温度传感器
（1）热敏电阻的特性
利用热敏元件材料的电阻值随环境温度变化而改变的特性制成。

热敏电阻温度传感器
根据所用材料，热敏元件分两类：
热电阻(Resistive Temperature Detectors) 利用金属导体铜、镍、铂制成的测温电阻。

热敏电阻(Thermistors)金属氧化物陶瓷半导体材料或碳化硅材料，经过成形、烧结等工艺制成的测温元件。

热敏电阻根据温度系数分类
正电阻温度系数热敏电阻PTC；
负电阻温度系数热敏电阻NTC。

区别：
NTC热敏电阻的测温范围比PTC宽，在智能电器中多使用NTC测量温度。

热电偶(Thermocouples)
A Thermocouple is a pair of dissimilar metal wires joined together in a complete loop.
What happens in a thermocouple loop is that a small voltage is produced at each junction of the dissimilar metals, due to a phenomenon called the Seebeck effect.
红外温度传感器
红外测温技术的优点：
①非接触式的测温技术。

可在不停电的状态下，对高、低电压电气设备进行实时、在线的非接触式温度检测，以便进行设备的诊断。

②红外测温是被动地接收物体发出的红外线，无需对设备外加红外光源，测温线路设计简单。

红外测温的原理
任何一个物体只要其温度高于绝对零度，就会以电磁波的形式向外辐射能量，能量的大小主要决定于物体的温度。

2湿度检测传感器及应用
检测开关电器设备湿度的必要性
当环境湿度超过规定指标，在环境温度降低时，会出现凝露。

对结构十分紧凑，工作电压又高的设备，凝露会导致不同相间设备爬电、放电甚至短路。

智能电器监控器通常要检测环境湿度。

湿度及其检测方法
湿度空气中水蒸气的含量。

表示方法绝对湿度、相对湿度、露点湿度。

实际应用基本上采用相对湿度。

环境湿度检测采用湿度传感器把环境湿度转换成电信号，经测量设备放大、显示或调理、采样、处理、显示。

3、电器操动机构机械特性测量
开关设备在线监测的主要内容
1）主要部分的温度；
2）一次开关元件机械特性，包括触头压力、运动速度和加速度的测量和分析。

关键问题
直接测量各类开关电器触头比较困难。

可选用的解决方案
选择操作机构中一个最能反映触头特性的机械运动部件，监测其压力、速度和加速度等参量，采用相应的传感器把被测量变换成与监控器输入兼容的电量。

压力测量传感器及其工作原理
最常用的是压阻式压力传感器。

压电式加速度传感器原理利用石英、压电陶瓷材料等的压电
效应制成。

加速度测量用传感器
工作原理
传感器运动时，质量块的惯性力使压电元件上的压应力改变，输出电信号相应改变。

因质量块的质量为恒定，若输出的电信号与压应力变化成比例，也就与加速度成比例。

加速度压电元件输出的电信号为电荷或电压。

四、被测量输入通道设计原理
智能电器监控器设置输入通道的目的1）现场模拟参量类型较多，经传感器变换后的电信号种类和大小不同。

2）各种传感器输出调理成的电压都是模拟信号，必须通过A/D转换为数字量。

3）A/D转换器模拟量输入端只接受规定幅值和极性的电压信号。

智能电器监控器设置输入通道的目的（续）
4）现场开关量一般是现场开关电器接点的通、断状态，必须变成与中央处理与控制模块输入电平兼容的逻辑信号，中央处理与控制模块才能接受和处理。

设置输入通道的目的就是完成现场参量的预处理，并把模拟量信号变成数字量，开关量信号变成逻辑量。

1、输入通道的基本结构
输入通道分类
根据输入参量类型，智能监控器输入通道分模拟量输入和开关量输入两类。

1. 模拟量输入通道的结构
单通道和多通道两种。

这种模拟量输入通道适用于只能监测一个模拟参量。

智能电器中很少应用，通
常用来组成多通道结构的输入通道。

（1）单模拟量输入通道的结构组成
（2）多模拟量输入通道电路及其结构组成
智能电器中的多模拟量输入通道电路结构有两种：
v多个独立单通道组成的多通道结构，多路模拟信号使用各自独立的采样环节。

v多路模拟信号共用S/H和A/D的多通道结构，各通道共享采样环节。

①多个单通道组成的多通道结构
②各通道共享采样环节的结构
2. 开关量输入通道
设置开关量输入通道的目的
（1）把一次元件或现场系统中其他开关元件电气接点的接通、分断状态变成与中央控制模块输入电平兼容的逻辑信号。

（2）隔离开关设备现场，避免干扰。

典型电路结构和原理
采用LEC实现隔离与变换。

常用两种电路结构
（1）接点与LEC一次元件（发光器）并联。