第六

章配電系統調度自動化主講人：周英華QQ:1055455616常州機電職業技術學院第四節變送器第四節變送器傳感器是能夠受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱,通常由敏感組件和轉換組件組成。當傳感器的輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器。變送器是將非標準電信號轉換為標準電信號的儀器，傳感器則是將物理信號轉換為電信號的器件。什么是傳感器？什么是變送器？

變送器是調度自動化系統中經常用到的感受元件。

變送器的作用：在電力系統中負責把電流、電壓、功率、溫度、壓力、流量、液位等參數轉換成標準信號傳給計算機系統。例如：將壓力信號轉變為標準信號的設備叫做壓力變送器；將溫度信號轉變為標準信號的設備叫做溫度變送器等等。

變送器有電流、電壓、功率、電量、頻率、小電流接地選線等多種，有直流變送器也有交流變送器通常情況下，在工業應用中，變送器是指傳感器和信號調理轉換電路的總成。第四節變送器第四節變送器信號調理和轉換電路的功能可歸納為以下三個主要方面：（1）信號輸入隔離（濾波）?

消除、抑制干擾（2）電量轉換電路?

電流→電壓?

電抗→電壓?

電抗→頻率→電壓（3）輸出電路（標準化）?

平移使輸出信號過0?

放大弱電壓轉換為0~5V

或4~20mA?

整形將頻率輸出轉換為脈沖信號?為保證通用性和精確性，輸入量和輸出量之間要保持線性關系第四節變送器信號調理和轉換電路的基本測量原理電量變送器的基本測量電路一般由以下幾個部分組成：信號輸入隔離電量轉換電路輸出電路輸入輸出第四節變送器信號輸入隔離

由于需要測量的電量一般都為高電壓(57.7-380V)和大電流(1A-10A)，如果不對它們進行隔離和把幅度減小，將對人身安全和設備造成嚴重威脅，信號輸入隔離一般采用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，對這一部分的基本要求為：a.信號隔離的耐壓絕緣性能要好，耐壓應>2kV。b.線性要好，由于PT、CT都采用鐵磁材料加工而成，它們的線性不好，在以后的電路中是很難補償的，因此，一定要選用優質材料和先進工藝制造的高線性度PT、CT，才能保證變送器測量的線性度。c.PT、CT的輸出負載要小，由于變送器使用的PT、CT的鐵芯截面受體積限制都比較小，因此隨著輸出負載的增大，其非線性將急劇增加，一般PT的輸出電流應<1mA，CT的輸出電流應<10mA(一般為5mA左右)，取樣電阻應<200Ω。第四節變送器電量轉換電路

這部分是電量變送器的核心，通過它把不同的被測電量轉換成相應的輸出電量，相應于不同的被測電量而采用不同的轉換電路。具體電路將在后面再詳細介紹。第四節變送器輸出電路

這部分電路的作用是輸出變送器需要輸出的電量，它的基本要求是：a.具有一定的帶負載能力；b.恒定輸出。即在一定的負載范圍內，其輸出值不受負載變化的影響，即

在電壓輸出時，應為恒壓輸出，電流輸出時應為恒流輸出。輸出的一般電路如下：電壓輸出電流輸出變送器有可能該電路和電量轉換電路合并在一起。第四節變送器變送器的分類變送器是微機遠動系統和微機監測系統的感受元件，按其變送的參數，可分為：1、電量變送器2、非電量變送器。目前，RTU測得各種電量的方法有兩種：1、常規電量變送器方法(直流采樣式)2、微機電量變送器方法(直接交流采樣)。第四節變送器1、常規電量變送器(直流采樣)

直流變送器功能單一，穩定性差，可靠性低。尤其是常規變送器因輸出端并接有較大慣性的電容器，所以對被測量的響應速度慢，一般在O.1～O.3s之間，這種響應速度對電力網正常過負荷的檢測尚可以適應，但是對電力網故障狀態的下暫態信息如短路電流、母線殘壓的變化的提取，顯然是不適應的，可能造成在故障期間內大量信息的丟失。第四節變送器2、微機電量變送器(交流采樣)隨著電網調度自動化對變送器的要求越來越高，即希望響應速度快、精度高并具有數字處理和數字輸出的功能，以便與計算機接口。計算機技術尤其單片機技術的迅速發展和日臻成熟與完善，為微機變送器的產生和發展提供了強有力保證。第四節變送器2、微機電量變送器方法(交流采樣)

微機變送器是通過使用先進的計算機技術、集成電路技術和成熟的數學工具對交流電壓、交流電流信號直接采樣得到各個相關電量。它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能，是一種多功能綜合測量裝置。由于微機的運算速度快，一臺微機變送器可測量幾條線路的電量，而且還可測出每條線路的多個電氣量。因此一臺微機變送器可代替多臺常規變送器，從而減輕了互感器的負載，減小了測量誤差。微機變送器對環境溫度變化的影響也比常規變送器小。第四節變送器溫度變送器溫度傳感器第四節變送器變送器的輸出信號類型以輸出信號為標準可將變送器分為：模擬變送器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。數字變送器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號。準數字變送器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信

號的輸出。開關變送器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，變送器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。變送器的輸出信號類型第四節變送器變送器技術參數：

1．精度：優于0.5％

；

2．非線性失真：優于0.5％；

3．額定工作電壓Vcc：＋24V±20％

，極限工作電壓：≤35V

；

4．電源功耗：靜態4mA，動態時相等于環路電流，內部限制25mA＋10％；

5．額定輸入：5A……1kA（42個規格）；

6．穿孔穿芯圓孔直徑：9、12、20、25、30mm；

7．輸出電流溫漂系數：≤50ppm/℃；

8．輸出形式：兩線制，四線制DC4～20mA；

第四節變送器

四線制傳輸

二線制傳輸第四節變送器變送器技術參數：

9．響應時間：≤100mS；

10．輸入/輸出絕緣隔離強度：AC3000V

/

1min、1mA；

11．輸出負載電阻：RLmax

≤

（Vcc-10V）/

20mA

12．輸入過載保護：30倍1min；

13．輸出過流限制保護：內部限制25mA＋10％；

注：國際標準輸出過流限制保護：內部限制25mA＋10％；14．

兩線端口瞬態感應雷與浪涌電流TVS抑制保護能力：TVS抑制沖擊電35A／20ms／1.5kW；

第四節變送器變送器技術參數：

15．兩線端口設置有＋24V電源反接保護；

16．輸出電流設置有長時間短路保護限制：內部限制25mA+10%；

17．安裝方式：DIN-35mm導軌安裝及螺釘固定等；18．輸入/輸出絕緣電阻≥20MΩ(DC500V)；

19．工作環境：－25℃～＋70℃，20％～90％無凝露；

20．貯存溫度：－40℃～＋85℃，20％～90％無凝露；

21．

執行標準：

GB/T13850－1998直流電壓變送器的作用是將電壓互感器二次輸出的交流電壓變換成所需要的直流電壓。一、直流電壓變送器圖6-4直流電壓變送器原理結構

變送器T的一次繞組接在電壓互感器的二次輸出端，故變送器T的輸入電壓U正常時為100V，經變送器T將100V的交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓二極管V1～V4組成的全波整流電路將交流電壓變成一個直流電壓電阻R和電容C1、C2組成的型濾波電路，以濾掉不需要的諧波成分。二極管V5是根據輸出特性初始段選配，以補償磁化曲線初始部分的非線性。變送器按正常要求是將100V的交流電壓變換成6V的直流電壓。這就是說，當輸出電阻為6kΩ時，變送器的直流輸出電流為1mA。實際中為了考慮電網電壓的波動，設計中將輸入的最高電壓定為120V（冗余設計），從而使得現場的100V實際電壓約為120V的5/6。這就是說，當輸入交流電壓為120V時，直流輸出電流為1mA，因此，每伏輸入電壓所對應輸出電流的理論值為：1mA/120V=8.33μA/V

一、直流電壓變送器變送器的誤差用相對誤差來表示，其計算公式是：

γ＝(理論值-實際值)/滿量程值若變送器輸入交流電壓100V時，其實測輸出電流為0.835mA，而100V的理論毫安數為8.33μA/V*l00V=0.833mA，于是

＝(0.833-0.835)/1＝-0.2％我們說這個變送器是0.2級的變送器的誤差為了保證變送器的精確度,要注意以下幾個問題:(1)變送器的鐵芯的磁化特性曲線要有足夠的線性度；(2)電阻選用溫度系數穩定的錳銅和銅線繞制。(3)橋式整流二極管要經過嚴格的篩選，其特性要保持一致。直流電壓變送器的特點：其輸出端并有時間常數較大的慣性元件，所以對暫態量的響應速度慢，一般在0.1～0.3s之間。

變送器的誤差交流電壓變送器是將電壓互感器二次輸出的100V交流電壓變換成所需要的交流電壓。還有隔離的作用。特點：這種變送器的輸出端沒有大電容并接，其響應速度在25～50ms之間，因此，這種變送器目前廣泛用于檢測裝置中用于采集暫態信息。

二、交流電壓、電流變送器

交流電流、電壓變送器除了輸入隔離部分有差別外，其他電路基本一樣，輸入隔離部分的電路如下：

二者之間的差別為電壓變送器采用PT，其二次輸出電壓可直接輸入下一級轉換電路，而電流變送器是采用CT，其二次輸出電流先經R變換為電壓后再輸入下一級轉換電路，其好處為只要選擇合適的二次電流值和R，后面的電路可和電壓變送器完全一致。二、交流電壓、電流變送器二、交流電壓、電流變送器PT

電壓、電流變送器的測量目前大都采用平均值轉換，其基本電路如下：

這實際上是一個精密全波整流電路，它的特點是線路簡單和線性度好，但缺點是波形失真度對它的影響較大。這在某些波形失真較大的電路中（如負載為可控硅等），和采用真有效值變換的測量儀器比對時，有可能產生一定的誤差，這在現場在線校驗這類變送器時，如果標準表是有效值變換的其誤差就有可能和實驗室測試的結果不一致，因此對該類變送器的校準，應在波形失真度<0.2%的電源上進行。二、交流電壓、電流變送器作用：是將交流電流變換成與之成線性關系的直流電流。直流電流變送器一次繞組接至電流互感器的二次側，將交流電流i變換成與之成線性關系的直流電流I0，為了可調，電流變送器的一次繞組設有抽頭。三、直流電流變送器

圖6-6直流電流變送器原理接線三、直流電流變送器四、功率變送器

圖6-7功率變送器原理接線

Bs910雙脈沖寬調制器的輸入電壓UAB和UBC經高阻降壓和變換，形成兩路脈沖信號τAB和τBC

作為乘法器BS904的乘數輸入之一分流器經過分流器L獲得的和

信號，這兩個信號與電流

和

成正比，作為乘法器BS904的另一乘數輸入

BS904乘法器將輸入的電流和電壓相乘而形成功率，該乘法器的輸出是與功率成比例的電壓U0

功率變送器的任務是把輸入的電流和電壓變換成與功率成比例的直流電壓。四、功率變送器單相有功功率變送器單相有功功率變送器1、單相功率變送器

這類變送器雖然應用較少，但是它是三相有功/無功功率變送器的基礎，因此先介紹它的基本原理，它的基本電路如下：電路中，PT、CT和電壓電流變送器一樣，作為輸入隔離，PT的二次電壓和CT的二次電流經變換成電壓后都輸入至乘法器，使乘法器輸出的直流電壓Up=Uu×Uicosφ式中：Up---乘法器輸出電壓Un---PT二次電壓Ui---CT二次電流經R變換后的電壓

φ---Uu和Ui的夾角四、功率變送器2、三相有功功率變送器

三相有功功率變送器又可分為三相三線(三相二元件)和三相四線(三相三元件)二類。其測量原理是相同的，僅是其接線方式不同。三相有功功率變送器實際上是把二個(二元件)或三個(三元件)單相功率變送器相加，從而得到三相功率變送器，其基本電路如下：

送器的輸出

四、功率變送器3、無功功率變送器

跨相90°無功功率的測量，其基本原理和有功功率測量相同，僅是改變了電壓的輸入方式，電路如下：

式中k為比例系數，可由電路設定。因Ubc滯后于Ua90°,因此公式可變換為：Uout=k√3UaIacos(90°-φ)=k√3UaIasinφ即Up正比于A相的無功功率，由于跨相法的輸入線電壓幅值為相電壓的√3倍，因此在變送器內部可調整電路參數，使比例系數k’調整為有功功率測量系數k值的1/√3，則仍可保證原有轉換比例系數不變，如果用有功功率變送器改變外接線的方法來測量無功功率，則必須引入相應的接線系數，這在相應的檢定規程中已有規定。乘法器的輸出電壓

Uout=kUbcIacosφ

電量變送器的任務是通過采集到的電壓和電流獲得所需要的電量。

有功、無功功率變送器得到的直流輸出電壓Uo是與有功功率P和無功功率Q成正比的，如將該直流電壓Uo對時間進行積分，即可得到所要求的電量。

五、電量變送器五、電量變送器

電量變送器的電路結構一般可分為分立元件(第一代，如早期的FS系列變送器)、小規模集成電路(第二代，如改進后的FS系列變送器)、ASIC電路(第三代，如FP、GP系列變送器)。其中分立元件的變送器由于穩定性、可靠性差已逐步淘汰，目前大量使用的為第二代、第三代電路。圖6-8電量變送器原理結構

電壓頻率變換器組件并—串行碼輸出串行可逆計數器分頻器（100）Uo極性判別U/F功率變送器至顯示器并行插頭不停電電源串行計數器電量變送器的工作情況：功率變送器的輸出電壓U經過BS907的U/F器件，U/F將輸出一串重復頻率正比于其輸入電壓U的等幅脈沖，經過分頻系數為100的分頻器后輸出至F端，在BS907“＋／一”輸出的控制下，串行計數器BS920對F端輸入的等幅脈沖進行加計數或減計數，以達到對電量的累計。頻率變送器的任務：將電力系統的頻率偏差變成一個與之成正比的直流電壓或直流電流。測頻原理：若頻率變送器所輸出的矩形波電壓的幅值為±E，矩形波脈沖寬度為10ms，矩形波脈沖的周期為T，則其輸出的直流平均電壓Uo為：六、頻率變送器

圖6-9頻率變送器的原理接線

圖中220V的交流信號由20端子輸入，100v的交流信號由21端子輸入。交流電壓輸入BS900電源組件后，產生8V的電壓，供差頻/電壓變換器BS908用。同時還產生20V交流電壓作為BS908的輸入信號，也作為顯示組件BS913的工作電源。頻差／電壓變換器BS908將頻差變換成直流電壓和直流電流，輸出的直流電壓經過標度電位計分壓后送入BS913顯示組件中進行A／D轉換后，獲得頻差的數字及符號。功率總加器的作用：為了獲得功率的總和。核心元件就是一個高精度的運算放大器構成的加法器

七、功率總加器圖6-10功率總加器原理接線

輸入的電壓UPn（n=1、2、3…..12）是與功率成比例的，U1至U8都接入A點，其功率是相加的輸入的電壓UPn（n=1、2、3…..12）是與功率成比例的，U9至U12接入B點，其功率是相減的總加器BS906輸出電壓是所有輸入電壓UPn（n=1、2、3…..12）的代數和，即其輸出電壓與輸人功率的代數和成正比。BS906輸出電壓經BS