新型傳感器技術(shù)及應(yīng)用

發(fā)布時間:2024-07-16
代新型傳感器由于具有抗電磁干擾好、無鐵磁飽和、頻帶寬及體積小等優(yōu)點,在電力系統(tǒng)、高壓電器成套設(shè)備中有著廣闊的應(yīng)用前景。文章敘述了新型傳感器的原理,介紹了現(xiàn)代新型傳感器在中壓開關(guān)、氣體絕緣成套高壓開關(guān)設(shè)備及電力系統(tǒng)中應(yīng)用.現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的*個特點是大容量、高電壓。國外輸變電設(shè)備電壓已達1000kv,我國從19世紀80年代開始進入大電網(wǎng)、超高壓時期,輸變電設(shè)備電壓已達500kv。zui近,西北地區(qū)黃河上游水電深度開發(fā)已經(jīng)開始,國家電力公司已批準建設(shè)我國興建*條750kv輸電線路。隨著電壓等級的不斷提高,傳統(tǒng)高壓測試設(shè)備,如:電磁式電壓、電流互感器的絕緣問題日益突出。
現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的第二個特點是小型、緊湊化。由于信息化社會進一步發(fā)展,大城市對電力的需求持續(xù)增加,必須將高電壓引入到城市中心才能滿足這種持續(xù)增加的需要。上世紀末日本已將500kv系統(tǒng)引入城市中心部位,由于城市中心人口密集,變電站等電力設(shè)備的建設(shè)用地受到限制,所以將500kv變電站建在高層建筑地下,有效地利用了空間。隨著高電壓引入城市等負荷中心,迫切要求高電壓設(shè)備,如斷路器、變壓器、互感器、隔離開關(guān)等的小型化?,F(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的第三個特點是輸配電系統(tǒng)自動化,即電網(wǎng)運行的保護、控制、監(jiān)測、故障預(yù)測、通訊和記錄的自動化。隨著計算機的廣泛應(yīng)用,通訊技術(shù)、傳感技術(shù)的飛躍發(fā)展,電力系統(tǒng)控制保護技術(shù)也發(fā)生了重大變化,傳統(tǒng)的電磁式繼電保護正在向微處理機分級監(jiān)控保護轉(zhuǎn)變,在電網(wǎng)中心系統(tǒng)管理下,實現(xiàn)分級管理,組成智能化遠動終端。電流、電壓傳感器在電力系統(tǒng)控制保護和監(jiān)控中起樞紐作用,因此,現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展對電流、電壓互感器不僅提出了小型化、高可*性的要求,還要求它具有高、低壓*隔離、抗電磁干擾性能好、頻帶寬及無鐵磁飽和等優(yōu)點。
1電磁式電流、電壓互感器
*以來,在高壓電器成套設(shè)備及電網(wǎng)中,借助電磁式電流、電壓互感器來獲得測量、保護信號,這種方法有如下幾個缺點:
(1)它是按機電式繼電器的要求設(shè)計的(比如電流互感器要求輸出或1a;而電壓互感器要求輸出100v),故這種電流互感器、電壓互感器需要大的功率輸入,功率損耗大,體積亦大;
(2)笨重且價貴。隨著輸電電壓等級的提高,為保證良好絕緣而增大尺寸,故隨著電壓等級提高,傳統(tǒng)的電流、電壓互感器體積與成本會成倍增加;
(3)測量使用場合要求信號傳遞有足夠的精度,而在保護場合又要求信號具有大的動態(tài)范圍。電磁式電流互感器因受鐵芯磁飽和限制,通常在使用時,將測量用電流互感器與保護用電流互感器分開處理;
(4)當(dāng)短路電流過大,致使電流互感器鐵芯飽和而使電流信號畸變,因此需要復(fù)雜而昂貴的保護裝置將畸變的信號修正到它原來的形狀;
(5)傳統(tǒng)的電流互感器、電壓互感器以內(nèi)部充油的方式來提高絕緣電壓,由于密封工藝的難度,經(jīng)常會發(fā)生漏電。
由于上述缺點,在現(xiàn)代電網(wǎng)中,智能化高壓電器中繼續(xù)使用它已不太適合,即傳統(tǒng)的電流、電壓互感器應(yīng)向現(xiàn)代電流、電壓互感器發(fā)展。與傳統(tǒng)的電磁式互感器相比,現(xiàn)代高壓電流、電壓互感器沒有鐵磁飽和,傳輸頻帶寬,具有優(yōu)良的抗干擾性能,其二次容量僅0.1~5va,因此尺寸小、重量輕。
2新型電壓傳感器
2.1光電電壓傳感器(ovt)
外加電場引起介質(zhì)折射率改變的現(xiàn)象稱電光效應(yīng)。折射率對應(yīng)電場的函數(shù)關(guān)系表示為:n=n0+be+b1e2+……式中*項n0與電場無關(guān),為弱電場下的折射率;第二項表示折射率與電場一次方成正比,稱一次電光效應(yīng)(pockels效應(yīng))。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的20類點群中,也就是說,壓電晶體一定具有一次電光效應(yīng)。kdp類晶體在室溫下屬42m點群,單軸晶體光軸為c軸。加電場后,由于電光效應(yīng)引起kdp晶體折射率橢球參數(shù)的改變,如果外電場平行于x3軸,e=e3,則得到如下折射率橢球方程:
b110x12+b110x22+b330x32+2r63e3x1x2=1(1)
(1)式中交*項x1x2表明折射率橢球的形狀和方位均發(fā)生變化,即橢球繞x3軸旋轉(zhuǎn)了α角度。(1)式經(jīng)過坐標變換后,可得到:++=1(2)
式中:
x1=αijxj(i,j=123)n1=n0-n03r63e3n2=n0+n03r63e3n3=ne在e3的電場作用下,kdp晶體由單軸晶體變成雙軸晶體,折射率橢球在x1x2平面切面由圓變成橢圓,見圖1中虛線圖形。
圖2是pockels效應(yīng)測量電壓原理圖,電場沿z方向,線偏振光傳播沿z方向時,不存在自然折射率影響,溫度穩(wěn)定系數(shù)較好,而且電光效應(yīng)引起的相位延遲大,其相位延遲為
φ=n03r63e3l=n03r63v=π?。ǎ常┦街校?
l為kdp片厚;
d為kdp施加電壓方向的長度;
vπ為半波電壓,vπ=?(因采用縱場電光效應(yīng),所以l=d);r63為kdp縱向效應(yīng)的一次電光系數(shù)。
通過檢偏器后,在光電管上得到光強為:
iout=iinsin() (4) 
式中:
iin是輸入光強;
vπ是半波電壓。圖3是式(4)函數(shù)曲線,如果不加直流偏置電壓,很明顯輸出波形嚴重失真,輸出信號中含有直流分量和偶次倍頻分量;在起偏器與電光晶體之間加一個1/4波片(相當(dāng)于施加一個直流偏置電壓v=?vπ),式(4)為:=sin2=1+sin(?v)(5)在施加電壓很小時:
sin(?v)≈?v(6)zui后得到:
=+?(7)因此插入1/4波片,使工作點偏置到v0=vπ處,信號可以完成對輸出光強線性調(diào)制,可得到不失真輸出。上面提到的是縱向調(diào)制方案,也可以采用橫向調(diào)制的ovt方案,江蘇省如皋高壓電器廠就采用橫向調(diào)制ovt方案,研究出了pockels效應(yīng)的110kv新型光電電壓互感器,其原理如圖4。
偏振光通過晶體方向與外加電場方向垂直,選用bgo光電晶體,在外加電場的作用下,其折射率隨電場強度線性變化,由pockes效應(yīng)引起的雙折射兩光束的相位差δ≈?v,(式中vπ是電光晶體的半波電壓,vπ與晶體的pockes效應(yīng)系數(shù)r41、通光波長σ、折射率n0、幾何尺寸d(厚度)和l(長度)有關(guān):vπ=?(8)采用干涉法進行間接測量。如圖4中,輸出的兩路線偏振光的偏振面分別與起偏器的透光軸垂直和平行,輸出光強分別為:
i垂直=i1=(1-sinδ)i平行=i2=(1+sinδ)(9)可以利用光電變換電路及信號處理電路將式(9)中直流分量和交流分量分離后相除,得到與外加電壓成正比的輸出信號:
s=±=μsinδ≈μδ=μv,從而求出被測電壓信號。
?。?2電阻分壓與電容分壓器
2.2.1電阻式電壓分壓器由于測量系統(tǒng)輸入阻抗一般為1mω以上,因此它對電阻式電壓分壓器影響極小,12kv或40.5kv系統(tǒng)*可利用圖5所示的電阻式電壓分壓器,將一次電壓變換成5~10v,分壓比為k,k==;由于測量系統(tǒng)輸入阻抗>1mω,所以r2一般取10kω左右,tv是過電壓保護裝置,一旦出現(xiàn)r2損壞,可以限制u2電壓升高,保護測量系統(tǒng)。德國西門子公司使用的電阻分壓器(duromergmbh型gst10),其參數(shù)如下:zui大操作電壓:12kv;
絕緣水平:28/75kv;
一次額定電壓:10kv/;
二次額定電壓:3.25v/;
分壓比:3.7001;額定頻率:50/60hz;
帶寬:0~1000hz;
精度:1/3p級;
為了提高電阻分壓器的精度,必須采用合理結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般在分壓器的高電壓端加設(shè)高壓屏蔽罩,增加高壓引線對分壓器本體的雜散電容cg,可以抵消分壓器本體對地雜散電容影響。在低壓側(cè)加設(shè)低壓屏蔽罩則起到控制分壓器本體對地雜散電容值。應(yīng)要合理選擇r1大小,如果r1太小,分壓器會流過更多電流,致使熱損耗太大,不利阻值穩(wěn)定;如果r1太大,負載回路會影響分壓器的分壓比。
2.2.2電容式電壓分壓器
一次母線與中間電極之間電容c1為高壓壁;中間電極對地電容c2及電阻r1組成低壓壁,一般c2的值很小,因此可求出輸出電壓:
e2=c1?r1?=ω?c1?r1?e1日本三菱電容式分壓器的參數(shù):
額定一次電壓(vm):275?kv;頻率:50/60hz;
精度:ip級。
3 新型電流傳感器
3.1 光電電流傳感器(oct)
光電電流傳感器的原理是利用磁致旋光效應(yīng),即法拉第效應(yīng)(faradayeffect)。
當(dāng)一束平面線偏振光通過置于磁場的、透明的磁光材料(如鉛玻璃等)時,偏振光在外磁場作用下,使偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),而且偏振面旋轉(zhuǎn)角度正比于磁場強度h沿光傳播線的線積分,即:
=vh?dl(10)式中:
v稱為費爾德(verdet)常數(shù),不同物質(zhì)的費爾德常數(shù)不同,且與光波波長及溫度有關(guān)。表1為每安匝下偏轉(zhuǎn)角為0.31×10-5rad的費爾德常數(shù)。對均勻磁場,(10)式為
=vhl(11)從(11)式可得到,偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)角與磁場(電流)成正比例。如果檢偏器的傳輸軸與出射線成φ角,則在軸線方向電場強度幅值是:e=eincosφ?。ǎ保玻∮晒怆姽芙邮盏墓鈴娬扔陔妶鰪姸确档钠椒剑?
i=iincos2φ(13)為了得到檢測的光強正比于電流i,須設(shè)置偏置角,因此可求得:
=cos2(+)即:
i=(1-sin2)≈(1-2)=-iin(14)式中:
i輸出光強;
iin輸入光強;
由于很小,所以sin≈。在圖8中,由于設(shè)置了偏角(在b點),從而檢測到的值與法拉第旋轉(zhuǎn)角φ=呈現(xiàn)不失真線性比例。
3.2羅柯夫斯基電流傳感器
羅柯夫斯基線圈是將導(dǎo)線均勻地繞在一個非鐵磁性環(huán)形骨架上,一次母線置于線圈*,因此繞組線圈與母線之間的電位是隔離的。如果母線電流為i(t),線圈匝數(shù)為n,線圈橫截面積為s,線圈半徑為r,則在線圈上產(chǎn)生的感生電動勢為:
e(t)==?(15)式中:
μ0是空氣(或真空)磁導(dǎo)率。羅柯夫斯基線圈測量回路的等效電路圖見圖9。
圖中:
rl為線圈電阻;
l為線圈自感;
r0為信號內(nèi)阻。
得到:
e(t)=l+(r0+rl)?i(t)(16)因為l=,φ=b?s,b=μ0?h,h=所以:
e(t)=-?=-(?)=-?h?=?=-?(17)計算得到:
-?=l+(r0+rl)?i(t)(18)因為l很大,即:
l≥(r0+rl)?i(t)由(18)得到:
-=i(t)(19)
所以,在信號電阻r0上輸出電壓為:
u2=i(t)?r0=-?r0一次電流:
i(t)=(20)
歸納起來,羅柯夫斯基線圈電流傳感器具有如下特點:
(1)在l很大時,一次電流i(t)=;
(2)誤差<1%(在外補償情況下可達到0.2%);
(3)帶寬:從幾赫茲到兆赫茲;
(4)線性范圍:一直到大于短路電流時才飽和。
3.3小信號電流互感器
常規(guī)電流互感器用于運行電流和短路電流時需要使用不同的線圈,以避免鐵芯飽和,即通常所稱的測量用互感器及保護用互感器。由于電子技術(shù)進步,對被處理信號的能量要求極小,僅為0.1~0.2va,因此可以使用小信號電流互感器完成運行電流和短路電流的測量及保護任務(wù),即在出現(xiàn)短路電流時也不會飽和。
rβ1ω,鐵芯μ>1000μ0,m是感性耦合。trench低功率電流傳感器的技術(shù)數(shù)據(jù):
(1)測量范圍:50~5000a;
(2)額定一次電流:50a~5ka;
(3)二次電壓:22.5mv~2.25v;
即:一次電流ipr=1000a對應(yīng)二次電壓usr=0.450v;
一次電流ipr=10ka對應(yīng)二次電壓usr=4.50v;
(4)頻率:50hz、60hz;
(5)額定短路熱穩(wěn)定時間:直到60ka/3s;
(6)精度:0.2、0.5或1.0級,同時直到63ka時5p;
(7)負載≥20kω。使用于中壓系統(tǒng)測量及保護,滿足iec60044—8標準。
4新型傳感器在高壓電器中的應(yīng)用
4.1光電式電壓傳感器的應(yīng)用
(1)國外某公司在500kv高壓斷路器中配套了光電式電壓傳感器,圖11是其原理圖。
其技術(shù)參數(shù)如下:
準確度3p,計量系統(tǒng)的準確度為0.2級(環(huán)境溫度范圍-25~40℃);光學(xué)晶體相當(dāng)于一個很小的電容(50pf)它可避免鐵磁諧振,其度可*計量系統(tǒng)和保護裝置的要求。(2)日本一座500kv地下變電站的500kvgis設(shè)備裝置了光電電壓傳感器(ovt),光電傳感器(ovt)的體積僅僅是傳統(tǒng)電磁式vt的1/3,這對于`gis成套電器的小型化是很有利的。
4.2光電式電流傳感器的應(yīng)用
(1)abb公司為132~420kv等級斷路器配套了光電式電流傳感器,圖12是其原理圖。
整個系統(tǒng)由三部分組成:激光發(fā)射部分、光路部分和光接收部分。其工作原理是:led發(fā)出的光信號經(jīng)過光纖傳送到處于高電位的光學(xué)傳感器中,在被測一次電流產(chǎn)生的磁場作用下,使線性偏振光偏振平面發(fā)生偏轉(zhuǎn),再經(jīng)過檢偏器轉(zhuǎn)換成含有偏轉(zhuǎn)角度信號的光強度信號,再經(jīng)光纖送到低電位接收部分,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,進行一定處理得到被測電流值。
技術(shù)參數(shù)如下:
(1)在室溫時比率誤差特性:在400a~8ka范圍:比率誤差小于±1%;在45ka(有效值)時:比率誤差為-6.6%;(2)溫度特性:在-20~+85℃范圍,oct的電流比率誤差為+1.6%~-0.1%;oct的角差為+0.2%~0.49%之間。(3)日本一座500kv地下變電站的500kvgis設(shè)備上裝置了光電電流傳感器(oct)。該光電電流傳感器(oct)的體積僅僅是傳統(tǒng)電磁式ct的1/24,*地縮小了安裝空間。
4.3新型復(fù)合型電流、電壓傳感器在成套開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用
電流傳感器(羅柯夫斯基電流傳感器)和新型電壓傳感器(電阻分壓式電壓傳感器),由于羅柯夫斯基線圈套在母線上只占很小空間,而使用的電阻分壓器體積也只有電磁式電壓互感器的1/3。因此,zx1充氣柜比zis柜(24kv,24ka,ais,使用傳統(tǒng)的電壓和電流傳感器)明顯地要更緊湊。zx1使用的keca型電流傳感器技術(shù)條件見表2。
5新型傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
5.1中壓新形傳感器與二次設(shè)備連結(jié)
帶有新型電流、電壓傳感器及多功能測控單元的中壓饋線回路,可以測量三相電壓、三相電流及接地故障電流。為了滿足emc電磁兼容性,用雙屏蔽雙絞線型電纜連結(jié)電壓、電流傳感器;a/d轉(zhuǎn)換器與傳感器等電位聯(lián)結(jié)。但是,與信號處理單元電位隔離。所有保護、控制、測量及計量功能一起組裝在開關(guān)柜測控單元內(nèi),一次額定值(如額定電流、額定電壓)的設(shè)定自動滿足測量數(shù)據(jù)格式,測控單元的軟件不僅支持新型傳感器,也支持傳統(tǒng)的電磁式互感器。
5.2高壓新型傳感器與二次設(shè)備連結(jié)
由于現(xiàn)代數(shù)字式保護與控制設(shè)備不需要大的輸入信號功率,而新型電流、電壓傳感器也不可能提供如傳統(tǒng)電壓、電流互感器可供出的功率。目前iec技術(shù)委員會正在加緊制定相適應(yīng)新標準。
5.2.1對應(yīng)連結(jié)(pointtopoint)iec60044-8(與iec61850—9.1)規(guī)定了與二次設(shè)備連結(jié)的數(shù)字接口。傳感器不單獨與二次單元連結(jié),而是開關(guān)柜的傳感器被裝入組合單元中(見圖14),在組合單元中經(jīng)多路開關(guān)與電壓、電流實時處理單元一一對應(yīng)(pointtopoint)連結(jié),然后供給二次設(shè)備。5.2.2儀用傳感單元(itu)儀用傳感單元(itu)又提高了組合單元的性能和功能,itu單元不僅可以獲取數(shù)字化新型傳感器的輸出信號(也適用于傳統(tǒng)的互感器),通過一一對應(yīng)連結(jié)、過程總線,itu還可以與二次設(shè)備連結(jié),使用通信卡,itu又進一步發(fā)展了過程總線(iec61850-9-2)。
itu還增加了如下特性:
(1)可連結(jié)七個電壓傳感器/分壓器;
(2)集成了故障紀錄器(12khz);
(3)集成了斷路器診斷系統(tǒng);
(4)集成了同步檢測。
因此,加上數(shù)字控制斷路器,itu單元可以完成選相合、分閘。
5.2.3標準化工作于1995年第10、11和12工作組著手iec61850文件方面工作,這個標準化文件將包括在變電站內(nèi)的通信接口,站內(nèi)總線處理站內(nèi)設(shè)備與開關(guān)柜之間通信,過程總線處理開關(guān)柜設(shè)備與智能化一次設(shè)備(如開關(guān)、變壓器、電力變換器)之間的通信。
5.3新型傳感器的應(yīng)用對變電站設(shè)計及布局的影響
5.3.1簡述采集數(shù)據(jù)和高壓開關(guān)控制的新方法直接影響到變電站保護與控制設(shè)備的設(shè)計。因為模擬量至數(shù)字量轉(zhuǎn)換直接在電流與電壓傳感器內(nèi)進行,變電站的保護和控制設(shè)備需要增加合適的通信接口,依*總線通訊也可以控制開關(guān)設(shè)備(如斷路器和隔離開關(guān))。
通信技術(shù)的進步改變了變電站控制系統(tǒng)與開關(guān)之間的連接方式,也引起了變電站結(jié)構(gòu)的變化,iec技術(shù)委員會專家建議變電站結(jié)構(gòu)可以分三步完成改變。*步是傳感器與保護裝置之間一一對應(yīng)連接,通過過程總線控制斷路器,內(nèi)容由iec61850-9-2規(guī)定;第二步是將以前控制與測量數(shù)據(jù)隔開的通信系統(tǒng)組合起來,傳感器數(shù)據(jù)并入過程總線;第三步是將站總線與過程總線合并起來。
5.3.2變電站中組裝新型ect和新型evt的例子圖15示出了整個裝置。bcu(開關(guān)柜控制單元)依*過程總線與scm(開關(guān)控制器)測量及定量了隔離開關(guān)的位置,然后bcu發(fā)命令給itu單元選擇正確的母線電壓(因為母線電壓傳感器已接入itu),itu發(fā)送正確的母線電壓數(shù)據(jù)給保護繼電器(保護繼電器是一一對應(yīng)方式連結(jié)接入的),itu單元與dbc數(shù)字式斷路器控制器一起完成選相合、分閘操作。
(1)隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器暴露出了越來越多問題。而新型的電流傳感器、電壓傳感器的出現(xiàn)解決了這些問題;
(2)微處理機技術(shù)、傳感技術(shù)、光纖技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)蓬勃發(fā)展,這些技術(shù)日臻成熟,為實現(xiàn)強電與弱電結(jié)合、開發(fā)智能化高壓電器產(chǎn)品、變電站自動化提供了可*技術(shù)基礎(chǔ),并且提高了高壓電器可*性及輸配電可*性;
(3)計算技術(shù)、傳感技術(shù)與新工藝等的應(yīng)用又促進了應(yīng)用新原理的新型斷路器的誕生。例如,配永磁操動機構(gòu)的智能型真空斷路器,其操動機構(gòu)永磁方形(或圓形)雙線圈,利用永磁特性保持合、分閘狀態(tài),不到10個器件;采用電磁推斥機構(gòu)的大容量快速真空斷路器,是依*電磁推斥線圈的電磁驅(qū)動力來改變合、分狀態(tài),而保持狀態(tài)采用碟形彈簧。多功能真空滅弧室的開發(fā),采用了新型的電弧運動的桶形波紋管,通過優(yōu)化波紋管的參數(shù),將末端波紋管硬度提高到比*波紋管高的硬度,來消除由電弧運動作用施加到末端波紋管上的作用力。這些新技術(shù)都是值得注意的。
上一個:二氧化碳減壓閥為什么會發(fā)熱?
下一個:德國BURKERT氣動角座閥介質(zhì)允許溫度工作原理

無接縫滑線4級末端電源拉緊器參數(shù)及其安裝圖示
電氣安全工器具 你了解多少?--赫茲電力
德國goldammer NRA 85-PU液位調(diào)節(jié)器工作原理
QDLF小型不銹鋼多級離心泵特點選型及使用事項
tutcosureheat溫度控制器mc
這樣的智能健身鏡你想擁有嗎?
A2FO56/61R-PBB05
播種機常見故障排除方法
插入式熱式氣體質(zhì)量流量計特點簡介
教你怎樣從內(nèi)質(zhì)辨別茶的質(zhì)量
十八禁 网站在线观看免费视频_2020av天堂网_一 级 黄 色 片免费网站_绝顶高潮合集Videos