1、1先進傳感技術(shù)在電力先進傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用錢政北京航空航天大學(xué)儀器光電學(xué)院測控系2w電力系統(tǒng)概況w電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀w電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢3電力系統(tǒng)概況電力系統(tǒng)概況w電力系統(tǒng)的組成和地位w三大部分：發(fā)電、輸配電、用戶w關(guān)系國計民生，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的支柱4w現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 電壓等級越來越高 電網(wǎng)規(guī)模越來越大 w帶來的問題 電力設(shè)備安全性問題 故障的影響越來越大w解決方法 快速準(zhǔn)確的信息獲取及后續(xù)控制策略的及時執(zhí)行 關(guān)鍵技術(shù)：傳感器電力系統(tǒng)概況電力系統(tǒng)概況5w美加大停電事故電力系統(tǒng)概況電力系統(tǒng)概況w事故損失：美國100億美元的經(jīng)濟損失，加拿大安大略

2、省的產(chǎn)值下降了23億加元。6w莫斯科大停電事故電力系統(tǒng)概況電力系統(tǒng)概況w事故損失：影響人口150200萬，經(jīng)濟損失在1520億美元之間。7w中國電力工業(yè)在世界上的地位 電力系統(tǒng)概況電力系統(tǒng)概況24.9%10.2%6.8%5.5%3.7%3.7%3.5%3.5%2.4%2.1% Of World Totalw我國電力工業(yè)發(fā)展和存在問題與國外是一致的。8電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)電發(fā)電w發(fā)電廠部分 煤炭、石油、天然氣火電 水能水電 核能核電 風(fēng)能、太陽能、地?zé)岬刃履茉窗l(fā)電 火電是最主要的發(fā)電形式，占全國總發(fā)電量的82.6%，因此以火電為例，說明傳感器技術(shù)在發(fā)電過

3、程中的重要作用。9電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)電發(fā)電火力發(fā)電廠的基本結(jié)構(gòu)10w鍋爐污水流量測量 問題提出：鍋爐產(chǎn)生蒸汽雜質(zhì)含量不能超標(biāo)，否則會影響機、爐設(shè)備的安全，因此必須定期定量排放鍋爐污水，但因其為汽液兩相流而難以測量。 解決工具：流量傳感器 突破環(huán)節(jié)： 非標(biāo)準(zhǔn)異形孔板節(jié)流技術(shù) 兩相流流量測量算法的研究 智能化在線檢測儀器的研制電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)電發(fā)電11w鍋爐污水流量測量系統(tǒng)電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)電發(fā)電w異形孔板：解決了兩相流差壓信號不穩(wěn)問題w算法：采集差壓信號、來流壓力

4、和汽包壓力三個信號進行計算處理w精度達到2.5%，填補了國內(nèi)外空白12w汽輪機渦輪葉片運轉(zhuǎn)狀況監(jiān)測 問題提出：汽輪機的渦輪葉片和發(fā)電機相連，高峰時間內(nèi)需要很高的壓力來維持運轉(zhuǎn)，有可能造成疲勞損壞，但過多的限制渦輪運轉(zhuǎn)又會造成效率的降低。 解決工具：動態(tài)壓力傳感器 突破環(huán)節(jié)： 動態(tài)壓力傳感器的微型化、集成化設(shè)計 控制算法的設(shè)計實現(xiàn)電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)電發(fā)電13w汽輪機渦輪葉片安全控制系統(tǒng)電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)電發(fā)電w壓力傳感器的輸出信號將被轉(zhuǎn)換成頻率信號，和研制的轉(zhuǎn)換矩陣對比，給出控制信號控制渦輪運轉(zhuǎn)。14w母線電

5、流、電壓測量w油中溶解氣體的測量w分布式溫度參數(shù)測量w局部放電的在線檢測需要考慮的問題： 選取上述參數(shù)介紹的原因？電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電15w電力系統(tǒng)中電流、電壓測量的意義 計量：市場化是必然趨勢電力系統(tǒng)眼睛 繼電保護：保障安全供電的前提電力系統(tǒng)守護神 前述國外大停電事故的關(guān)鍵原因： 電流、電壓測量的不夠及時準(zhǔn)確 后續(xù)繼電保護設(shè)備的不正確動作 解決問題的關(guān)鍵： 電流、電壓傳感技術(shù)電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電16w傳統(tǒng)電磁式電流、電壓測量方法的原理與不足w電壓與電流互感器的主要不同： 匝數(shù)不同 二次側(cè)的

6、等效阻抗不同電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電17w存在的不足 磁飽和 動態(tài)范圍小 絕緣復(fù)雜 體積大、重量重 鐵磁諧振 易燃、易爆 與電力系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展方向相違背電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電18w問題的解決新型傳感技術(shù)的應(yīng)用（電子式電流、電壓互感器） 電子式電壓互感器是指采用電阻分壓器、電容分壓器及光學(xué)裝置，利用光纖作為一次轉(zhuǎn)換器和二次轉(zhuǎn)換器之間的傳輸系統(tǒng)，并裝有電子器件作測量信號的傳輸和放大的裝置；而電子式電流互感器則是采用傳統(tǒng)電流互感器、霍爾傳感器、Rogowski線圈或光學(xué)裝置作為一次轉(zhuǎn)換部分，利用光纖作

7、為一次轉(zhuǎn)換器和二次轉(zhuǎn)換器之間的傳輸系統(tǒng)，并裝有電子器件作測量信號的傳輸和放大，具有模擬量電壓輸出或數(shù)字量輸出的設(shè)備。電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電19電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w電子式電壓互感器的分類w關(guān)鍵問題：傳感技術(shù)的應(yīng)用研究20w電子式電流互感器的分類電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w關(guān)鍵問題：傳感技術(shù)的應(yīng)用研究21w基于Faraday效應(yīng)的電子式電流互感器電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w原理圖w結(jié)構(gòu)圖22電力系統(tǒng)中傳感

8、器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電電流互感器實物圖w問題： 溫度變化引起Verdet常數(shù)變化導(dǎo)致測量誤差； 雙折射效應(yīng)影響測量精度； 光學(xué)部件性能難以保證長期運行的穩(wěn)定性； LED發(fā)光波長隨溫度變化，進而導(dǎo)致Verdet常數(shù)變化。w結(jié)論：光學(xué)材料的性能難以滿足長期運行穩(wěn)定性的要求，因此近年的研究集中到了傳統(tǒng)技術(shù)+光纖傳輸信號型。23w傳統(tǒng)技術(shù)+光纖傳輸信號型電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w輸出信號是正比于母線電流的電壓信號，必須處理后通過光纖傳輸下來，因此又叫有源型。24優(yōu)點：長期運行的穩(wěn)定性較好。問題： 1. 傳感頭部分電子電

9、路的供能問題； 2. Rogowski線圈的幾何特性研究不夠深入； 3. 溫度變化導(dǎo)致線圈截面積變化，從而影響測量結(jié)果； 4. 電子線路的設(shè)計要滿足高精度、高可靠性的要求。電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電25w基于Pockels效應(yīng)的電子式電壓互感器 Pockels效應(yīng)是指光學(xué)介質(zhì)在外加電場的作用下，其折射率線性地隨外加電場變化。電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電wLED發(fā)出的光束聚焦后由起偏器輸出線偏振光，在外加電壓的作用下，線偏振光的兩個相互垂直的偏振分量產(chǎn)生相位差，線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，經(jīng)過/4波片引入/2相

10、差。輸出光強與外加電壓間有確定函數(shù)關(guān)系，從而求得電壓大小。26w傳統(tǒng)技術(shù)+光纖傳輸型電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電電阻上輸出與母線電壓成正比的電壓信號，經(jīng)高壓側(cè)電路處理后經(jīng)光纖傳送到低壓側(cè)，也是有源型。問題：溫度的影響；高壓側(cè)電路的供能問題；缺乏現(xiàn)場長期運行的經(jīng)驗；邊緣效應(yīng)、不同軸度等影響測量的誤差因素需更深入分析。27w幾個關(guān)鍵問題的討論供能方法的問題長期運行的穩(wěn)定性問題組合式互感器的研制問題電子式互感器的校驗問題與現(xiàn)有繼電保護設(shè)備的接口問題電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電28w油中溶解氣體含量的檢測 1）充油

11、電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用： 電力變壓器 電力互感器 充油電力開關(guān)等 2）油中溶解氣體測量的重要性 能夠較敏感地反映設(shè)備絕緣缺陷 3）檢測方法 離線式、在線式電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電29w離線檢測方法色譜分析的方法 當(dāng)油樣中的溶解氣體被載氣帶入色譜柱中運行時，組份就在其中的兩相間進行反復(fù)多次分配，由于固定相對各組份的吸附或溶解能力不同，雖然載氣流速相同，各組份在色譜柱中的運行速度就不同，經(jīng)過一定時間的流動后，便彼此分離，按順序離開色譜柱進入檢測器，產(chǎn)生的訊號經(jīng)放大后，在記錄器上描繪出各組份的色譜峰。問題： 分離時間長，離線檢測，不利于故障的及時檢測電力系

12、統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電30w在線檢測的重要性 及時反映故障的發(fā)展過程 能夠合理分配檢測周期，避免過度檢測或過欠檢測 w關(guān)鍵技術(shù) 氣體傳感器的研制w技術(shù)難點 多組分含量的檢測，某些成分是微量時的檢測 現(xiàn)場強電磁干擾下的準(zhǔn)確測量和重復(fù)性問題電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電31w油中溶解氣體的在線檢測 檢測氣體種類： 氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等 常用傳感器： 半導(dǎo)體氣敏傳感器 催化燃燒型傳感器 燃料電池型傳感器 光敏氣體傳感器電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸

13、配電32w半導(dǎo)體氣敏傳感器 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器：利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時，電導(dǎo)率的變化來檢測被測氣體含量，通常由SnO2構(gòu)成。電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w問題：交叉敏感；解決方法：智能化傳感技術(shù)33w陣列式檢測系統(tǒng)w解決問題的關(guān)鍵： 1）不同選擇性的傳感器構(gòu)建傳感器陣列 2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電34w測量結(jié)果 1）能夠?qū)崿F(xiàn)對六種單一氣體的測量 2）特別是對乙炔氣體的分析結(jié)果能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求 3）對混合氣體的測量還有待深入研究電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力

14、系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電35w催化燃燒型傳感器的應(yīng)用 在一根鉑絲上涂上燃燒型催化劑，在另一根鉑絲上涂上隋性氣體，兩根鉑絲阻值相等，外加兩個電阻，組成橋式檢測回路。當(dāng)與可燃氣體接觸時，一根鉑絲發(fā)生無煙型燃燒反應(yīng)，另一根鉑絲不發(fā)生燃燒，從而使電橋失去平衡，輸出一個電信號，其大小與可燃氣體的體積分數(shù)有關(guān)。此法測到的是可燃氣體的總量，且由于元件對氣體中不同組分的靈敏度不同，各組分燃燒的徹底程度也不同，測試結(jié)果是各種因素的綜合效應(yīng)。 電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電36w燃料電池型傳感器的應(yīng)用 傳感器由電解液中的兩個電極組成，由于電化學(xué)反應(yīng)，氫氣在一

15、個電極上被氧化，氧氣在另一個電極上形成，電極提供電子轉(zhuǎn)移的通道。電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流正比于氫氣的濃度。 燃料電池型傳感器主要用于氫氣單一組分的測量，檢測精度較高，但造價也高，且由于氣體中會含有較多的CO和少量的C2H4以及C2H2等，因而測到的是H2、CO、C2H4、C2H2的總和。 電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電37w光敏氣體傳感器傅立葉紅外光譜儀的應(yīng)用w工作原理：待測氣體池置于邁克爾遜干涉回路中，動鏡移動時探測器上得到強度不斷變化的干涉波，對其進行傅立葉變換，可得到各頻率對應(yīng)的光強。通過計算（主要是除去背景光譜的影響）可以得到樣品吸收光譜，根據(jù)吸

16、收光譜即可得到氣體組分和含量。電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電38w方法存在的問題： 對低濃度氣體定量分析困難 吸光度和濃度間的非線性問題 背景光譜的干擾問題w解決方法 實測吸光度和濃度間的關(guān)系，建立函數(shù)關(guān)系來修正測量結(jié)果 采用小波變換等技術(shù)對背景干擾的影響進行分析以消除其對測量結(jié)果的影響電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電39w以測量乙炔濃度為例電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電2.4m氣體池10cm氣體池w2.4m氣體池檢測的是0.3ppm濃度乙炔含量的譜線w10cm氣體池檢測

17、的是3ppm濃度的譜線40w分布式溫度參數(shù)的測量 應(yīng)用背景： 變壓器繞組熱點溫度的檢測 線路絕緣子表面溫度的檢測 電力電纜溫度的分布式檢測 意義： 及時反映絕緣狀況，及早維修更換 現(xiàn)狀： 非接觸式的測量，點測量電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電41w以變壓器繞組熱點測量為例 現(xiàn)有方法： 非接觸式測量、間接法 工作原理： 基于國際電工委員會的IEC354導(dǎo)則，通過檢測負荷電流以及頂層或低層油溫，利用導(dǎo)則中給出的簡化模型即可計算出熱點溫度 。 問題： 模型的可靠性及合理性影響測量結(jié)果電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電42w

18、改進方法 智能化傳感技術(shù)，結(jié)合其他多參數(shù)檢測結(jié)果綜合判斷繞組熱點狀態(tài)。電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w問題：依然是通過計算獲取熱點狀態(tài)，難以達到直接測量溫度的可信性43w分布式繞組熱點溫度檢測技術(shù)電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電w兩路通道分別檢測拉曼和瑞利背向散射光，通過計算機可算出多點的溫度和位置44w技術(shù)指標(biāo) 2km長的光纖上可采集1000個點的溫度信息 測溫范圍：-50 C 150C 精度：2 C 光纖外覆以金屬涂層可測到600 Cw應(yīng)用到電力變壓器中存在的問題？ 為什么分布式？ 直接測量的優(yōu)缺點？電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電45w電纜故障中分布式溫度檢測系統(tǒng)的應(yīng)用電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀輸配電輸配電連接結(jié)構(gòu)