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(cè)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,）電容式電壓互感器：簡(jiǎn)稱(chēng),RYH,，廣泛用于,110KV,及

2、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(xiàn)圖,互感器工作原理,電容式電壓互感器有以下優(yōu)點(diǎn)：,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(mǎn)絕緣油，因此其耐壓高，故障少。,價(jià)格低：線(xiàn)路電壓等級(jí)愈高，應(yīng)用,RYH,的經(jīng)濟(jì)效果,愈明顯。,可以兼作載波通信或線(xiàn)路高頻保護(hù)的耦合電容。,互感器工作原理,1.2.1,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

3、感器：,電力系統(tǒng)中主要的電流檢測(cè)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(jiǎn)單、輸入電流變化范圍寬、線(xiàn)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)：,體積、重量隨電流等級(jí)升高而增加，價(jià)格上升也很快。,在高壓輸電線(xiàn)路中鐵心式互感器必須充油，防爆困難，,安全系數(shù)下降。,傳統(tǒng)的電器設(shè)備二次測(cè)量和保護(hù)電路中，采用了具有線(xiàn),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。,互感器鐵心磁化

4、曲線(xiàn)線(xiàn)性范圍有限，影響測(cè)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,205 355,二 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,1.51.6T,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,/,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,220 340 100,鐵芯有效截面積和平均磁路長(zhǎng),A

5、,C,=120/2 100 0.96,=57.6cm,2,L,C,=,二次阻抗計(jì)算,電磁線(xiàn)規(guī)格,1.68,截面積,=,（,1.68/2,）,2,=2.2mm,2,電磁線(xiàn)電阻,r,2,=,/s=0.02 38.4/2.2=0.34 CT,線(xiàn)圈漏抗,X,2,=0.2,額定二次負(fù)荷時(shí)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,=,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(shì),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(xiàn)得磁場(chǎng)強(qiáng)度,H=29.7ma

6、/cm,鐵損角,=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(shì)（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(xiàn)得磁場(chǎng)強(qiáng)度,H=600ma/cm,計(jì)算勵(lì)磁安匝（,HI,）,0,=,HL,c,=600*87.92=52752ma,復(fù)合誤差,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

7、.1T0.5T,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,205 355,互感器工作原理,初選鐵芯尺寸為,鐵芯有效截面積為,22034035,平均磁路長(zhǎng),四 二次阻抗計(jì)算,二次導(dǎo)線(xiàn)總長(zhǎng),=120(35+60)2=22.8m,電磁線(xiàn)為,1.68,截面積為,2.2mm,2,互感器工作原理,漏抗,x=0.1,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(shì),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(xiàn)查得磁場(chǎng)強(qiáng)度為,7.2mA/cm,鐵損角為,31,.,七 計(jì)

8、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)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%,0.27,0.27,0.17,0.1,0.09,12.53,11.82,5.57,1.44,1.14,初選磁密值過(guò)大則誤差可能不滿(mǎn)足要求,本例,B,值初選,0.4,則初選鐵芯尺寸,22034025,計(jì)算值如下,互感器工作原理,1%,5%,20%,100%,120%,0.5,0.42

9、,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）空心電流互感器（,Rogowski,線(xiàn)圈）,Rogowski,線(xiàn)圈測(cè)量電流原理圖,互感器工作原理,測(cè)量回路等效電路圖,互感器工作原理,解決相位差問(wèn)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(guò)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(xiě)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)：,測(cè)量范圍寬、線(xiàn)性精度高。,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

10、統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。,頻率響應(yīng)范圍寬。一般可設(shè)計(jì)到0,1,MHz。,重量輕、成本較低、性能價(jià)格比高，更符合環(huán)保要求。,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(cè)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(chǎng)敏感的元,件，利用磁場(chǎng)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(cè)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

11、應(yīng)原理圖,令,則,對(duì)于垂直置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為,B,的磁場(chǎng)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(shì),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(shì)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(jiǎn)單閉環(huán)控制系,統(tǒng)，對(duì)霍爾元件輸出,電壓調(diào)節(jié)。最終有關(guān)

12、,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(jiǎn)單、堅(jiān)固、耐沖擊、體積小,（4）沒(méi)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(cè)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(chǎng)，必須變成通過(guò)導(dǎo),線(xiàn)或繞組的電流，才有相應(yīng)的磁場(chǎng)。,為采用霍爾效應(yīng)制成霍爾電壓傳感器，首先應(yīng)將被,測(cè)電壓變換成電流，以產(chǎn)生霍爾元件所需的磁場(chǎng)。,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,

13、5.,霍爾集成器件,霍爾集成傳感器分為線(xiàn)性型和開(kāi)關(guān)型。,線(xiàn)性型霍爾集成器件：輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度,（即被測(cè)電流）呈線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)性型霍爾傳感器,UGN-3501T,的特性曲線(xiàn),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(guò)置于被測(cè)電流產(chǎn)生的,磁場(chǎng)內(nèi)的磁光材料時(shí)，其偏振面在磁場(chǎng)作用下將發(fā)生旋,轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的角度即可確定被測(cè)電流的大小。,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(xiàn)偏振光穿過(guò)

14、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(zhǎng)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(cè)電流和光纖的常數(shù),V,有關(guān)。,由于所謂“線(xiàn)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(zhǎng)、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)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,

15、Ge,3,O,12,),晶體,具有電光效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下會(huì)使其輸入光的折射率,隨外加電場(chǎng)改變線(xiàn)性地改變。這種效應(yīng)也稱(chēng)為線(xiàn)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(chǎng)方向垂直時(shí)，電場(chǎng)所引起,的雙折射最大，使晶體中射出的兩束線(xiàn)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(chǎng)互相垂直；,縱向電光效應(yīng)：光的傳播方向平行于電場(chǎng)方向。,I,0,：經(jīng)過(guò)起偏器后的線(xiàn)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(xiàn)偏振光間相位差增加,/2:,經(jīng)過(guò)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)：,