1、互感器工作原理1 电量信号检测方法（1）以法拉第电磁感应定律为基础的互感器，包括铁心电磁式电压、电流互感器和空心电流互感器。（2）按霍尔效应原理工作的互感器，主要包括霍尔电流和霍尔电压传感器。（3）基于磁光效应和光电效应的互感器,主要有光学电流互感器和光学电压互感器。互感器工作原理1.1.1 基于电磁感应定律的电压、电流互感器1.电压互感器：电磁式和电容式（1）电磁式电压互感器：电力系统中应用最多。（2）电容式电压互感器：简称RYH，广泛用于110KV及以上超高压电力系统中。电磁式电压互感器电容式电压互感器互感器工作原理（1）电磁式电压互感器0I?1U?1W12?2W20U?uKWWEEUU?
2、2121201?11144.4fWEU?222044.4fWEU?变压器空载运行原理图互感器工作原理（2）电容式电压互感器xU1C2CJ2P1PLaxfafxZYHRYH原理接线图2121CQCQUUUCCx?21210CCCCC?QUCUCUCCCx?22110 xfyxxCUKUCCCUCCU?2112022112CCCUUKxCfy?互感器工作原理电容式电压互感器有以下优点：电容式电压互感器有以下优点：绝缘可靠性高：RYH的电容分压器多由数个瓷件堆叠而成，每个瓷件内装有若干个串联电容元件，而且瓷件内充满绝缘油，因此其耐压高，故障少。价格低：线路电压等级愈高，应用RYH的经济效果愈明显。可
3、以兼作载波通信或线路高频保护的耦合电容。互感器工作原理1.2.1 基于电磁感应定律的电压、电流互感器2.电流互感器：铁心式和空心式（1）铁心电流互感器：电力系统中主要的电流检测工具，其基本工作原理与铁心电磁式电压互感器相似。（2）空心电流互感器：目前在智能电器中应用比较多的一种电流传感器，其结构简单、输入电流变化范围宽、线性度好、性能价格比好。电流互感器互感器工作原理（1）铁心电流互感器1W2W1L2L1I?1K2K2I?电流互感器原理图111WIF?222WIF?21FF?2211WIWI?1221WWIIKi?互感器工作原理铁心电流互感器缺点：体积、重量随电流等级升高而增加，价格上升也很快
4、。在高压输电线路中铁心式互感器必须充油，防爆困难，安全系数下降。传统的电器设备二次测量和保护电路中，采用了具有线圈的各种仪表及电磁式继电器，需要从互感器中汲取能量，所以铁心电磁式互感器必须有相应负载能力。互感器铁心磁化曲线线性范围有限，影响测量范围和保护精度。互感器工作原理保护绕组设计举例一 确定产品型号如：LVQB-110 可知二次绕组成品的尺寸要求 内径外径 205 355二 产品参数如：600/5 5P30 30VA额定变比 额定容量保护倍数三 估算铁芯截面积铁芯一般选用30QG120电工钢带饱和磁密一般为1.51.6T互感器工作原理422221044.4?nnnnZBfNZIK额定工作
5、电流下工作磁密Bn=电工钢带饱和磁密/保护倍数Bn=1.6/30=0.05T估算铁芯截面积AC=AC=51.8cm2初选铁芯尺寸220 340 10041005.01205044.42.1515.1?铁芯有效截面积和平均磁路长AC=120/2 100 0.96=57.6cm2LC=cm.*928714323422?二次阻抗计算电磁线规格1.68 截面积=（1.68/2）2=2.2mm2电磁线电阻r2=/s=0.02 38.4/2.2=0.34 CT线圈漏抗X2=0.2m4.38102601001203?）（二次导线长度额定二次负荷时二次回路阻抗和阻抗角R2n=1.2 cos+r2=1.2 0.
6、8+0.34=1.3X2n=1.2 sin+x2=1.2 0.6+0.2=0.92Z2n=59.192.03.1222222?nnXR。二次回路阻抗角9.343.192.0arctanarctann22?RXn互感器工作原理额定电流及额定负荷时的二次感应电势额定电流及额定负荷时的工作磁密VZIEnn95.759.15222?由B=0.05T查磁化曲线得磁场强度H=29.7ma/cm铁损角=36度ma261192.87*7.29L*HHIc0?）励磁安匝（TAfNEBcn05.06.57*120*50*44.495.71044.4422?互感器工作原理计算比差和角差（相位差）%4.0100369
7、.34sin600102611100sin(NI)(HI)310?）（）（i极限感应电动势（拐点电压）E=KALFI2nZ2n=238.5V保护倍数电流下磁感应强度，）（）（53440369.34cos6001026113440cos(NI)(HI)310?iTAfNEBcn5.16.57*120*50*44.45.2381044.442?由B=1.5T查磁化曲线得磁场强度H=600ma/cm计算励磁安匝（HI）0=HLc=600*87.92=52752ma复合误差c=（HI）0/I1ALF=52.752/600*30=0.29%互感器工作原理410B4.44fNZIKnn22n2n2zc?二
8、 估算铁芯截面积二 产品参数如：600/5 0.2S 30VA额定变比 额定容量仪表保安系数 精度等级铁芯一般选用非晶材料额定工作电流下工作磁密范围为0.1T0.5T本例中初步选定为0.3T估算铁芯截面积一 确定产品型号如：LVQB-110 可知二次绕组成品的尺寸要求 内径外径 205 3552cm8.250.31201.251.145Ac?互感器工作原理初选铁芯尺寸为铁芯有效截面积为22034035231.1075.0cmAcA?平均磁路长292.872335225cmLc?四 二次阻抗计算二次导线总长=120(35+60)2=22.8m电磁线为1.68 截面积为2.2mm2?2.02.28
9、.2202.0r互感器工作原理漏抗x=0.1额定负荷时的二次回路阻抗和阻抗角。3516.182.0arctan41.1282.0216.182.01.0sin2.116.12.0cos2.1222?aZXRnnn?互感器工作原理VE05.741.152?四额定电流及额定负荷时的二次感应电势五 额定电流及额定负荷时的磁密TB2564.031.1012005.745?互感器工作原理mANI63392.872.7)(?。六 由磁化曲线查得磁场强度为7.2mA/cm铁损角为31.七 计算励磁安匝八 按误差计算公式计算计算比值差和相位差%1.0100)3135sin(600310633100)sin()
10、()(10?aNINIi互感器工作原理)(2.13440)cos()()(10?aNINIi九 额定负荷下5%20%120%额定电流时的误差均按上述步骤进行.十 计算25%额定负荷,此时的二次回路阻抗和阻抗角为互感器工作原理。7.3145.028.0arctan52.0228.0244.028.01.0sin3.044.02.0cos3.0222?aZXRnnn?然后按4 5 6 7 8的步骤计算互感器工作原理1%5%20%100%120%0.270.270.170.10.0912.53 11.825.571.441.14初选磁密值过大则误差可能不满足要求本例B值初选0.4则初选铁芯尺寸220
11、34025计算值如下互感器工作原理1%5%20%100%120%0.50.420.240.130.1322.5315.766.491.120.88互感器工作原理互感器工作原理（2）空心电流互感器（Rogowski线圈）)(ti)(tB)(2ti0RoutUFRN匝Rogowski线圈测量电流原理图?ttirNAttBNAted)(d2d)(d)(0?)rtitB?2)()(0?ttBNAtted(ddd)(?互感器工作原理ttirNAttBNAted)(d2d)(d)(0?)(teLRL0R0u2i)(d)(d)(22tiRttiLteh?hhRwLtiRttiL?或)(d/)(d22测量回路
12、等效电路图hRteti/)()(2?ttirRNAtihd)(d2)(02?ttiKtiRud)(d)(200?的相位差2/之间)(与0?存在tiu互感器工作原理解决相位差问题积分环节：常用的有两种，一是RC积分电路，另一个是通过电压频率变换实现。)(te2iLRLR0R0u0icuC加入RC积分电路后的等效电路图)(与0tiu若将已求导出的关系等式改写为复数形式，则有：若IKjU?0011URCjUc?IRCjKjUc?1IRCKUc?又因为所以1?RCj?则互感器工作原理空心电流互感器具有以下5个优点：测量范围宽、线性精度高。因为不用铁心进行磁耦合，从而消除了磁饱和、铁磁谐振现象，使其运行
13、稳定性好，保证系统运行的可靠性。频率响应范围宽。一般可设计到01MHz。重量轻、成本较低、性能价格比高，更符合环保要求。易实现互感器数字化输出。互感器工作原理铁心电流互感器的输入输出特性互感器工作原理空心电流互感器在大电流时的输入输出特性互感器工作原理1.2.2 霍尔电流、电压传感器霍尔传感器利用霍尔效应，可实现电流、电压变换和被测电路与控制电路间的电气隔离。它的核心元件是霍尔元件，一种对磁场敏感的元件，利用磁场作为介质，可以实现多种物理量，如位置、速度、加速度、流量、电流、电功率等的非接触式测量。霍尔电流传感器霍尔电压传感器互感器工作原理1.霍尔效应基本原理dBIRECH/?霍尔效应原理图d
14、RKHH/?令BIKECHH?则dCIHBHE对于垂直置于磁感应强度为B的磁场中的霍尔元件H，当按图示方向输入电流IC时，将引起H内部载流子数量的变化，从而有电势EH：互感器工作原理2.基本霍尔电流传感器1A2A1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R1W1C2C1ICIBHE1234567123456712V12V2U霍尔电流传感器工作原理图传感器由带有气隙的环形铁心、霍尔元件、产生控制电流IC 的电源组成。如左图所示，霍尔元件输出的霍尔电势经差分放大、滞后频率补偿、可调零的相放大与超前频率补偿等环节后，可得到输出电压：12KIU?互感器工作原理3.零磁通霍尔电流传感器该
15、传感器的铁心上绕有一匝数为Ns的补偿（二次）绕组，作为反馈环节形成简单闭环控制系统，对霍尔元件输出电压调节。最终有关系式：SN1R2R3R4R5R6RC1ICIB24V24VA1T2TSISR零磁通霍尔电流传感器原理图SSININ?113.零磁通霍尔电流传感器霍尔电流传感器特点：霍尔电流传感器特点：（1）工作频率范围宽，可从DC到几百KHz（2）抗干扰能力强（3）构造简单、坚固、耐冲击、体积小（4）没有因充油等因素而产生的易燃、易爆等危险互感器工作原理根据，只要求出RS 两端电压即可求得被测电流I1。SSININ?11互感器工作原理4.霍尔电压传感器概述由于电压本身不能直接产生磁场，必须变成通
16、过导线或绕组的电流，才有相应的磁场。为采用霍尔效应制成霍尔电压传感器，首先应将被测电压变换成电流，以产生霍尔元件所需的磁场。霍尔电压传感器也分为基本型和零磁通型。互感器工作原理5.霍尔集成器件霍尔集成传感器分为线性型和开关型。线性型霍尔集成器件：输出电压与外加磁场强度（即被测电流）呈线性关系。根据输出环节结构，可分为单端输出与双端输出（差动输出）两种。开关型霍尔集成电路分为单稳和双稳两种。互感器工作原理线性型霍尔传感器UGN-3501T的特性曲线互感器工作原理1.2.3 光学电流、电压互感器1.光学电流互感器法拉第磁光效应：当光波通过置于被测电流产生的磁场内的磁光材料时，其偏振面在磁场作用下将
17、发生旋转，通过测量旋转的角度即可确定被测电流的大小。互感器工作原理1.光学电流互感器(OCT)法拉第磁光效应原理图如图所示，线偏振光穿过介质后因其两个分量出现相位差而产生的偏转角为：VHL?：偏转角；：光纤材料Verdet常数；：磁化强度；：光纤长度。LHV?旋光角旋光角磁光材料磁光材料磁场磁场H互感器工作原理光源探测器光纤I光源起偏器法拉第传感头检偏器检测电路磁场H单色光单色光偏振光偏振光磁光磁光调制调制解调得到解调得到偏转角偏转角旋转角度旋转角度及电流值及电流值OCT的结构示意图：光纤OCT传感头的原理图：互感器工作原理VHL?据，传感器输出的偏转角与被测电流和光纤的常数V有关。由于所谓“
18、线性双折射现象”的影响，常数V实际是一个随机变量，与光纤的形变、内部应力、光源光波长、环境温度、弯曲、扭转、振动等许多因素有关，受到这些量的影响，输出补偿相当困难。互感器工作原理1.2.3 光学电流、电压互感器2.光学电压互感器Pockels效应：某些透明的光学介质,如BGO(锗酸铋Bi4Ge3O12)晶体,具有电光效应，在电场的作用下会使其输入光的折射率随外加电场改变线性地改变。这种效应也称为线性电光效应。互感器工作原理2.光学电压互感器当输入光传播方向与电场方向垂直时，电场所引起的双折射最大，使晶体中射出的两束线偏振光产生相位差，其最大相位差为：Eln41302?E：外施电场强度；l：通过
19、晶体的光长度；?：光波波长；0n：晶体未加电场时的折射率；41?：BGO晶体线性电光系数。互感器工作原理横向和纵向电光效应示意图：电场电场晶体晶体光光电场电场光光晶体晶体（a）横向）横向（b）纵向）纵向横向电光效应：光的传播方向与电场互相垂直；纵向电光效应：光的传播方向平行于电场方向。I0：经过起偏器后的线偏振光的光强；I：干涉光强。若在晶体和检偏器之间增加一个玻片，使两束线偏振光间相位差增加/2:经过检偏器后，干涉光强为：互感器工作原理光源起偏器BGO晶体检偏器光强检测相调幅调0I电场E相位调制?I偏振光干涉装置示意图：2Sin20?II?)Sin1(21)42(Sin020?III)1(21)1(2100?UUIII?当很小时：?
