城市轨道交通微机系统教学教案150

第一节课：监测的概念及意义一、监测的概念1、监测：监视和测量的合称。所谓监视就是不让被监视的对象有所觉察。比如，在我们的教室里，学校安装了摄像头，其目的就是监视考试时有不是有人作弊，还有公路上用抓拍的摄像机，就是监视开车的人驾驶时是不是有违障，等等，这就叫监视。在以前没有抓拍摄像机时，只能依靠交警现场执法，所以那时大街上到处能见到他们，现在呢，几乎看不到了。可见，我们依靠摄像机时是不是节省人力？更主要的是，它还能24小时值守，还不要求下班，多好。另外，为了取证它必须拍照，当你闯红灯时要拍摄照片的，问题来了，它怎么知道何时要拍照呢？所以，它必须有测量设备，测量你有没有越过停车线。因此，有监视就要有测量，两者是相助相成的，所以，监与测是相对存在。还有一个概念你要清楚。在你车越线时，必须要给摄像机发送一个拍照的命令，而且，如果信号灯是允许灯光（绿色或黄色）时，也是不需要发拍照命令的，也就是说，发命令是要有条件的。促使测量设备发命令的条件，叫触发条件。反过来说，触发条件能否成立是要通过测量来检测的。2、微机监测：就是利用微机为手段实现监测的方式，称为微机监测。其所需的设备主要有：微机、各类敏感元件或传感器、网络通信设备等二、监测的基本意义1、监测的好处（1）节省人力减轻劳动强度（2）连续不间断地对设备状态进行监视（3）可以提前知道设备故障的可能性，保证设备不间断地使用。（4）实现状态修，减少或避免故障修。2、故障修：是指当设备出现故障后的修复。这种情况，是在设备出现故障后，先停止使用（通常要行登记，并停用该设备），维护人员对设备进行维修，修好后再恢复使用。故障修的不足是，当设备出现故障后，设备已不能正常工作，通常会影响系统的正常运行。比如说，某道岔故障了不能转换，那么车站就不能建立经过此道岔建立进路，势必影响车站的正常作业，由此可能对行车造成影响。举例：假设5/7号道岔失去表示，则将影响所有下行方向的接车。如果，某设备出现故障后，不仅影响使用，还造成了事故，这就更严重了。所以，人们希望，在设备还没有故障前，或有可能将要出现故障时，就能被诊断出来，以及时修理或更换。于是，就提出了状态修的概念。3、状态修（1）定义：就是指，在此设备还在能正常使用的情况下，若发现有可能故障时，就进行对症的维修或更换的维修方式就称之为状态修。（2）优点：由于这种维修形式，是在设备没有达到完全故障的前提下就修复好了，所以它不会影响使用，从而能保证设备的不间断的工作。对信号设备来说，就不会影响行车。（3）实现状态修的保证或前提比如，人的体检，就是在还不知自己身体状态的时候，就去医院做体检，如果有个么情况就可以提前治疗了，不致于生病时再去医院，那时就晚了，特别是重病，如癌病，真到发现时通常是晚期了，就没治了。如果，我们定期体检，即在我们还知道自己的身体状况时，就去检查，以便即时发现问题。体检，就是对人的状态修。可见，要对设备达到状态修的目的，唯有平时或不间断地对设备的工作状况，进行监测，一旦发现问题提前维修。所以，实现状态修的必要前提就是监测。三、信号微机监测的含义监测的意思，及微机监测的含义我们已明白了，那么“信号微机监测”的含义也不难理解。就是通过微机利用各附加元件，主要是各类传感器等，对信号设备的状态、位置、相关电气参数等的监测，并能实现及时预警、故障诊断。利用微机参与信号设备的监测，为推动监测系统向综合化、智能化、信息化方向发展，创造了条件。有了监测的自动化、智能化，也是实现完善列车安全、高效运行的基础。问题（作业）：1、什么叫监测？为什么说监视与测量是不可分割的？监视和测量的合称。轨道交通对信号设备的监测目的是为了实现状态修，这就要求监测系统能正确地给出对象的状态、位置、及各电气参数，若想得到这些信息当然离不开监测系统的测量为基础。2、监测有哪些基本的优势？（1）节省人力减轻劳动强度（2）连续不间断地对设备状态进行监视（3）可以提前知道设备故障的可能性，保证设备不间断地使用。（4）实现状态修，减少或避免故障修。3、故障修与状态修有哪些不同点？故障修为什么不能保证设备的不间断使用？不同点：（1）故障修是指当设备出现故障后的修复。这种情况，是在设备出现故障后，先停止使用（通常要行登记，并停用该设备），维护人员对设备进行维修，修好后再恢复使用。（2）状态修就是指，在此设备还在能正常使用的情况下，若发现有可能故障时，就进行对症的维修或更换的维修方式。因为故障修是指当设备出现故障后的修复，已经故障了设备必定不能正常工作。如果在其故障期间正需要使用，就会受到影响，所以说故障修不能保证设备的不间断使用。

第二节课：信号设备（室内）监测概述一、信号设备的分类1、信号设备我们所说的信号设备，是特指在轨道交通运输中，用于指挥列车或车列运行及其保证其可靠、安全运行的所有设备的统称。按照信号设备所处的位置，通常分为车站信号设备、区间信号设备及列车车辆上的信号设备、中心控制设备等。2、车站信号设备车站信号设备分室外设备和室内设备两类。（1）室内设备：电源设备、组合及组合架、分线盘、微机联锁机柜、控制台（操控机）等，还有其它辅助设备，微机监测系统、区间设备，电务维修机等。（2）室外设备：道岔设备，信号机设备，轨道电路（室外三大件）等。二、室内信号监测对象概述（一）、电源及电源屏电源分外电网与内电网。轨道运输对电源要求很高，除要求电压稳定可靠之外，还必须保证不间断地使用。所以，我们必须对它们能实现实时监测，以及时发现电源的变化情况。1、外电网的监测（1）监测内容：外电网输入相电压、线电压、电流、频率、相位角、功率。（2）监测点：配电箱（电务部门管理）闸刀外侧。（3）监测方式：周期巡测（周期≤1s）；变化测。（4）采样速率：断相、错序、瞬间断电开关量的采样速率为50ms。电压、电流采样速率为250ms。另外，对监测精度、监测条件、及监测设备等都有具体的规定。（5）对报警的要求如下：输入电压大于额定值的15%或小于额定值的20%时报警并记录。输入电压低于额定值的65%，时间超过1000ms时断相/断电报警并记录。输入电压低于额定值的65%，时间超过140ms，但不超过1000ms时瞬间断电报警并记录。对于三相（380V）输入电源，相序错误时错序报警并记录。2、电源屏的监测（1）监测内容：a) 各电源屏输入电压、电流。b) 电源屏各路输出电压、电流；25Hz电源输出电压、频率、相位角。（2）监测点：非智能电源屏的转换屏输入端；其它非智能屏的电压输出保险后端。（3）测试方式：周期巡测（周期≤1s）；变化测（4）采样速率：250ms。（5）报警条件要求：电源屏输出电压大于额定值的3%或小于额定值的3%时报警并记录。其它输出报警标准参见《铁路信号维护规则》相应内容。3、UPS电源监测（1）模拟量监测内容UPS输入相电压、电流、频率、功率。UPS电池组电压、旁路相电压。UPS后备时间或后备容量。UPS输出电压、频率、功率，峰值比（可选项）。（2）UPS报警信息：UPS交流输入停电；系统输入停电；UPS输出断电；UPS故障；UPS告警；（3）监测点：UPS输出空气开关外侧（信号设备侧）（4）采样速率：250ms（二）、控制台（开关量监测）如果是计算机联锁，对其无需要监测，因为计算机联锁自身就具有强大的自检功能，监测系统所需的信息可由其直接提供了。对于6502电气集中设备的控制台，主要监测：按钮状态、控制台表示状态、及其与之相关的关键继电器状态等。按钮状态的监测属于“开关量监测”，即只需判断其“通”还是“断”。由于目前城市轨道交通多采用了计算机实现联锁、自动控制等，所以就没有对控制台监测。（三）、组合及组合架对组合架没有监测，对哪些继电器需要监测，视其对应所归属的设备对象而定，不是所有的监测。主要是监测它的状态，及其动作的电压、电流等。（四）微机联锁机柜对计算机联锁的微机部分的设备，也不需要监测，因微机部分能自检，且各机的盘面上也有很多指示，或报警灯等，如果监测系统需要可由其提供即可。问题（作业）（1）信号设备通常都包含哪些？其中车站信号室外设备主要有哪三类？我们所说的信号设备，是特指在轨道交通运输中，用于指挥列车或车列运行及其保证其可靠、安全运行的所有设备的统称。按照信号设备所处的位置，通常分为车站信号设备、区间信号设备及列车车辆上的信号设备、中心控制设备等。车站信号室外设备主要有道岔、信号机和轨道电路哪三类。（2）对车站信号电源屏的监测哪些内容或项目？其中测试方式怎样？对输出电压在什么范围时开始报警？监测内容有：a) 各电源屏输入电压、电流。b) 电源屏各路输出电压、电流；25Hz电源输出电压、频率、相位角。测试方式有：周期巡测（周期≤1s）和变化测两种。电源屏输出电压大于额定值的3%或小于额定值的3%时报警并记录。

第三节课：车站信号设备（室外）知识回顾车站信号的室外设备监测，是我们本次课程中学习的重点。为帮助同学能更好地理解对它们的监测项目，我们先来回顾一下室外设备的相关知识。一、站场平面设备布置图从图中可以看到，信号机、道岔及轨道电路的分布、名称或编号等信息。二、上、下行咽喉区的概念1、上行咽喉：上行列车经过本车站时，首先经过的咽喉区称上行咽喉。2、下行咽喉：下行列车经过本车站时，首先经过的咽喉区称下行咽喉。定义好了咽喉区，是对设备进行正确编号的前提。三、信号机的类型与编号在平面布置图中，可以看出：信号机的类型、名称编号、位置，及其灯位排列等信息。具体的编号方法请参看《信号基础》或《车站信号》中的相关内容。1、分类车站（地铁的车辆段）内信号机分列车信号和调车信号，同时有高柱和矮柱之分。列车信号机有：进站（进场）、出站（转场）、预告等。调车信号机有：单置、并置、差置，尽头线及阻档、进站信号机内方调车信号机等。2、命名编号方法或原则（通常）：列车信号：用S（上行）或X（下行）加下标号；上行咽喉双号，下行咽喉单号。调车信号：用D（加下标号；上行咽喉双号，下行咽喉单号。四、城市轨道交通中正线上的信号机分布及命名（补充）1、防护信号机2、进段/场信号机3、出段/场信号机4、阻挡信号机五、道岔的编号方法在平面布置图中，也可以看到道岔的分布情况及其名称、种类。具体的编号方法请参看《信号基础》或《车站信号》中的相关内容。1、道岔分类：（1）按安装位置分：单动、双动、交叉渡线、复式交分道岔等。（2）按转辙机数量分：单机牵引、多机牵引道岔等。（3）按转辙机动作电压分：直流、交流道岔。（4）按线路上的列车情况分：低速、提速道岔。2、道岔编号：（1）上行咽喉双号，下行咽喉单号；（2）连动道岔连续编号；（3）由远方向内顺序编号。六、轨道电路（股道）的命名在平面布置图中，对股道的名称有明确的标注，但轨道电路的名称在图中没有直接给出，它是依据道岔的编号来命名的。这里要注意区分：有道岔区段与无道岔的区别，及接近与离去区段、进站信号内方的区段。1、股道：罗马数（啊拉伯）+G（上行线用双号，下行线用单号；正线罗马数）2、道岔区段：（道岔号）DG；岔号—岔号DG；岔号/岔号WG。IA（B）G；IIAG等问题（作业）（1）怎么区分上、下行咽喉？车站的上下行咽喉的区分是由上下行列来分别的。上行列车经过车站时首先遇到的咽喉区称上行咽喉；反之更好行列车经过车站时首先遇到的咽喉区称下行咽喉。（2）举例说说出站兼调车信号机是如何编号的。在车站内对应每个股道通常设两个出站兼调车的信号机，分属两个咽喉，向上行发车的信号机用S加股道号做下标、向下行方向发车的信号机用X加股道号做下标来命名的。（3）ZD6和S700K转辙机他们有哪些区别？主要区别有：所用的电机一者为交流，一者为直流，所用电压分别是直流220V，一者是三相交流380V；结构上一者是由齿条、齿轮传递动力，内锁闭，一者是丝杠，外锁闭。（4）说说进站信号机有哪些灯位？并写出各种显示灯光的信号意义。A。进站信号机的灯位有：黄、绿、红、黄、白，五个。B。红灯——不准列车进站；红白灯——引导信号，准许列车进站停车，但限制车速。绿灯——准许列车从正线通过本车站；单黄灯——列车进站在正线停车；双黄灯——列车进站在站线（侧线）停车。。

第四节课：信号设备监测概述2（室外）一、对信号机的监测目前于车站（城轨的车辆段）内的信号机，只对列车信号机（进站、出站信号机）实行监测，不对调车信号机监测。这主要是考虑安全及影响行车的级别而定的。对列车信号机监测，主要是其点灯状态，及其点亮灯的灯丝中的电流大小进行监测。点灯状态就是指，该信号机是否有灯在点亮，还是灭灯。监测点亮灯中的电流，主要是用来判断灯泡的状况。下面我们结合进站信号机点灯电路为例，对如何实现监测作一简单介绍。1、点灯电路出站信号机平时在关闭状态，点亮红灯；或开放后点绿灯或白灯。可以看到，无论点亮什么灯光，经过灯丝的电流都能使DJ吸起。反过来说，如果DJ落下了，则表明该信号机处于灭灯状态。此时，给出报警，以及时更换。当然，为了减少灯泡故障影响到信号机的工作，通常灯泡采用双灯丝。平时点主灯丝，主丝断后改点副丝。在主丝断后就立即更换。现在，在城市轨道交通中的信号机，多采用了LED灯，所以不存在灯丝问题。这时对流过DJ线圈的电流值的大小监测就有了很高的意义。因为依据其电流值，可判定故障的LED的数量，以确定是否需要更换灯盘。2、监测的位置、内容监测内容：列车信号机的灯丝继电器（DJ,2DJ）工作交流电流。监测点：信号点灯电路始端。测试方式：站机周期巡测（周期≤2s）；变化测。采样速率:500ms。二、轨道电路的监测1、轨道电路原理对轨道电路，我们最关心的是其DGJ的工作状况。除了能保证区段无车占用时（调整状态）在吸起、有车占用时（分路状态）落下之外，其实更应该关心的是其线圈两端的电压。2、监测对象（内容）因为，若是调整状态下电压过高，可能在占用时不能正常落下，这是非常危险的情况，相当于区段有车时，还经过它建立进路。若是分路状态下电压过低，无占用时不能可靠吸起，从而影响正常使用。所以，对其的监测对象，不同制式的轨道电路，也有所差别。（1）测试对象：交流连续式轨道电路监测：轨道继电器交流电压、直流电压。25Hz相敏轨道电路监测：轨道接收端交流电压、相位角。（2）测试方式：站机周期巡测（周期≤2s）；变化测。（3）采样速率：250ms。三、道岔及转辙机的监测道岔对行车的影响是最大的，也是最易出现问题的设备之一。所以对它的监测要求也比较高，是重点的监测对象。1、对道岔的监测对转辙机以外的道岔设备对象的监测，主要监测是否密贴及位置。但密贴给与否，也可通过对转辙机的某些相关信息间接地反映出来；道岔的位置也可通过在室内的DBJ、FBJ的状态间接判定。所以，我国通常对转辙机以外的道岔设备状况不作监测了。2、转辙机的监测转辙机的类型及使用的位置情况不同也有所差别。（1）直流转辙机监测监测内容：道岔转换过程中转辙机动作电流、故障电流、动作时间、转换方向。及道岔的位置和表示电压（交流和直流）。（2）交流转辙机监测监测内容：道岔转换过程中转辙机动作功率、电流、动作时间、转换方向。及道岔的位置和表示电压（交流和直流）。另外，对要求比较高的线路上的道岔（提速道岔）通常还要对缺口进行监测。四、其它设备的监测1、电缆绝缘监测监测内容：电缆芯线全程对地绝缘2、集中式移频监测监测内容：站内发送盒功出电压、发送电流、载频及低频频率。3、半自动闭塞监测监测内容：半自动闭塞线路直流电压、电流，硅整流输出电压。六、环境状态的监测1、温度监测监测内容：信号机械室、电源屏室、微机室环境温度。2、湿度监测信号机械室、电源屏室、微机室湿度。问题（作业）（1）对列车信号机的监测项目或内容有哪些？为什么说只要监测其DJ（2DJ）线线圈中的电流就可以判定信号的状态（亮或灭）？eq\o\ac(○,1)对列车信号机的监测项目是：列车信号机的灯丝继电器（DJ,2DJ）工作交流电流，即点亮灯光的灯丝上的电流大小。eq\o\ac(○,2)因为DJ（2DJ）的线圈是与串接在点灯电路上的，且每个DJ（灯丝继电器）的线圈在同时只能与一个灯位串联，无论在列车信号机处在哪个灯位在点亮状态，，它都会有电流流过，只要电流足够它都会励磁吸起。若信号机灭灯，不论原来信号机处在何种信号状态，都会自动改点红灯，若红灯也不能点则DJ（灯丝继电器）必然会落下，此时信号机一定在灭灯状态。所以说DJ（2DJ）线线圈中的电流的有无就可以判定信号机是点亮还是灭灯状态。（2）对轨道电路设备我们监测的对象是什么？目前在我国轨道交通运输中，轨道电路设备的类型比较多，仅就“交流连续式轨道电路”和“25Hz相敏轨道电路”两种类型来说，其监测的的对象分别如下：交流连续式轨道电路监测：轨道继电器交流电压、直流电压。25Hz相敏轨道电路监测：轨道接收端交流电压、相位角。（3）无论是什么类型的道岔，都必须要监测的对象有哪些？无论是什么类型的道岔，都必须要监测的对象有：道岔的位置、转辙机的动作时的电流及道岔在转换时的动作时间。（4）目前我们对环境的监测至少要监测什么？目前我们对环境的监测至少要对信号机械室、电源屏室、微机室的环境温度和湿度进行监测。（5）无论是什么类型的轨道区段，都必须要监测的对象有哪些？因为我们设备轨道电路的目的是为了监督区段空闲如何的，而反映其空闲或是占用或故障等情况时，都是由对应其区段的道轨继电器（DGJ）的状态即吸起或落下决定的，但道轨继电器（DGJ）能处在什么样的状态，完全是由其线圈两端的电压情况确定，所以无论是什么类型的轨道区段，都必须要监测其DGJ线圈处的电压。

第五节课：电压互感器在监测中有很多对象需要测量它们的交流电压或电流，且对它们的测量手段大多采用了电压、电流传感器。在这里我们先作些介绍。一.电压互感器电压互感器俗名就是我们在电工课程所学的“变压器”，只是站在不同的使用角度上来命名的，原理在本质没有差别，都能变换电压。电压互感器（Potentialtransformer简称PT，Voltagetransformer也简称VT）工作原理与变压器相同，在使用时它并联于电路上，简单地说是一个降压变压器，将大电压变为小电压，主要向测量仪表或控制元件提供电压大小的信息。其特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。二.电压互感器的结构及工作原理电压互感器的结构原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组构成。其工作原理如下图所示：当初级线圈中通有交流电流时，铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压(或电流)。（其工作原理与电工学中同学所变压器原理相同，这里就不详细介绍了）设电压互感器一次则电压U1,与其二次则电压U2间存在着下列关系：U2=U1*N2/N1=KU*U1（KU=N2/N1）电压互感器的一次线圈匝数很多，而二次线匝数很少，故KU很小。电压互感器的一个主要作用就是将高电压变换为低电压。工作时，一次线圈并联在供电系统的电路中，而二次线圈并联仪表或继电器的电压线圈等，由于它的二次阻抗很大，所以电压互感器工作时二次线圈接近于空载状态,即I2很小。依据电磁理论：I1*N1=I2*N2可知，只要I2很小，则原边中的电流I1也非常小，也就是说利用电压互感器用作辅助测量手段时，尽量增大二次侧电阻，以减小对被测电路的影响。电压互感器的作用是在测量高电压时，为了安全与方便，将高电压经过它变为低电压，主要向测量仪表或控制元件提供电压大小的信息。三.电压互感器的分类1.按安装地点的不同可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式；35kV以上则制成户外式。2.按相数的不同可分为单相和三相式（35kV及以上不能制成三相式）。3.按绕组数目的不同可分为双绕组和三绕组电压互感器（三绕组电压互感器除一次侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供接地保护用）。4.按绝缘方式的不同可分为干式、浇注式、油浸式和充气式。干式电压互感器结构简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于6kV以下的户内式装置；浇注式电压互感器结构紧凑、维护方便，适用于3kV~35kV户内式配电装置；油浸式电压互感器绝缘性能较好，可用于10kV以上的户外式配电装置；充气式电压互感器用于SF6全封闭电器中。5.按工作原理划分，还可分为电磁式电压互感器，电容式电压互感器和电子式电压互感器.（1）电磁式电压互感器：是利用电磁感应原理按比例变换电压或电流的设备。（2）电容式电压互感器：电容式电压互感器（CVT）是由串联电容器分压，再经电磁式互感器降压和隔离，作为仪表计、继电保护等的一种电压互感器，电容式电压互感器还可以将载波频率耦合到输电线用于长途通信、远方测量、选择性的线路高频保护、遥控、电传打字等。四.电压互感器与变压器的区别变压器变换电压的目的是为了输送电能，因此容量很大，体积大，对精度的要求没有互感器的高，容量一般都是以千伏安或兆伏安为计算单位；而电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，因此电压互感器的容量很小，一般都只有几伏安、几十伏安，最大也不超过一千伏安。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器与普通变压器区别，其于二次侧作用于恒压源，二次绕组阻抗小，接入负载本身阻抗大，其工作状态相当于变压器的空载运行，而互感器本身吸收电网功率很小，这样也保证了测量的精度。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的工作、结构关系与变压器相比正好相反。电压互感器与被测电路的电压并联，由于二次侧回路是高阻抗的回路，故其工作电流很小，且基本稳定不变。而变压器是为传递电能，输出电流大小是随负载的变化而改变的，当二次负载阻抗减小时，二次电流增大同时，也使一次电流自动增大以来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。可以说，电压互感器是一个被限定了结构和使用形式的特殊降压变压器。五.电压互感器的应用在对交流电压进行监测时为什么需要变换电压呢？这是因为根据发电、输电和用电的不同情况，线路上的电压大小不一，而且相差悬殊，有的是低压220V和380V，有的是高压几万伏甚至几十万伏。要直接测量这些低压或高压电压，就需要根据线路电压的大小，制作相应的低压和高压的电压表和其他仪表和继电器，这样不仅会给仪表制作带来很大困难，而且更主要的是，要直接制作高压仪表，直接在高压线路上测量电压，那是不可能的，而且也是绝对不允许的。这时就要用到电压互感器了。使用电压互感器时的注意事项：1．电压互感器在投入运行前要按照规程规定的项目进行试验检查。例如，测极性、连接组别、摇绝缘、核相序等。2．电压互感器的接线应保证其正确性，一次绕组和被测电路并联，二次绕组应和所接的测量仪表、继电保护装置或自动装置的电压线圈并联，同时要注意极性的正确性。启用电压互感器应先一次后二次，停用则相反。3．接在电压互感器二次侧负荷的容量应合适，负荷不应超过其额定容量，否则，会使互感器的误差增大，难以达到测量的正确性。4．电压互感器二次侧绝不允许短路,经耐压实验合格后方能投入运行。由于电压互感器内阻抗很小，且一次侧电压大小不变，二次侧电压也不变，若二次回路短路时，线圈中的电流将急剧增长，从而烧毁线圈，很大的电流也将会损坏二次侧设备，甚至危及人身安全。所以，电压互感器使用时二次侧装设熔断器以保护其自身不因二次侧短路而损坏。在可能的情况下，一次侧也应装设熔断器，以保护高压电网不因互感器高压绕组或引线故障危及一次系统的安全。接入方法如下图所示。5．为了确保人在接触测量仪表和继电器时的安全，电压互感器二次绕组必须有一点接地。因为接地后，当一次和二次绕组间的绝缘损坏时，可以防止仪表和继电器出现高电压危及人身安全。6.停用电压互感器时应考虑该电压互感器所带保护及自动装置，为防止误动的可能，应将有关保护及自动装置停用。7.电压互感器停用或检修时，其二次空气开关应分开、二次熔断器应取下，防止反送电。总之，要经常检查电压互感器的缺油、漏油、油瓷套管有无裂纹、损坏等不安全因素，才能够有效的防止因这些不安全因素而导致的故障，以保证电压互感器的正常运行。六.电压互感器4种接线方式电压互感器在系统中通常有四种接线方式。1.一个单相电压互感器接线方式一个单相电压互感器接线方式，用于对称的三相电路，二次侧可接仪表或继电器。如下图所示。2.两个单相电压互感器互V/V型的接线方式两个单相电压互感器互V/V型的接线方式,可测量线电压，但不能测相电压，它广泛应用在20kV以下中性点不接地或经消弧线图接地的电网中。3.三个单相电压互感器Y0/Y0型的接线方式三个单相电压互感器Y0/Y0型的接线方式，可供给要求测量线电压的仪表和继电器，以及要求供给相电压的绝缘监察电压表。4.三个单相三绕组电压互感器或一个三相五柱式三绕组电压互感器接成Y0/Y0/Δ型接成Y0形的二次线圈供电给仪表、继电器及绝缘监察电压表等。辅助二次线圈接成开口三角形，供电给绝缘监察电压继电器。当三相系统正常工作时，三相电压平衡，开口三角形两端电压为零。当某一相接地时，开口三角形两端出现零序电压，使绝缘监察电压继电器动作，发出信号。用于3~220kV系统(110kV及以上无高压熔断器)，供接入交流电网绝缘监视仪表和继电器用。问题（作业）1、电压互感器与变压器有哪些异同点？电压互感器工作原理与变压器相同，结构、组成基本也相似。变压器的目的是为了输送电能或变改变电压大小为目的，体积大，容量也大，对精度的要求相对较低。其输出电流大小是随负载的变化而改变的，当负载阻抗减小时，二次电流增大同时，也使一次电流自动增大以来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。电压互感器（Potentialtransformer简称PT，Voltagetransformer也简称VT）使用时并联于电路上（相当于对电压取样），向测量仪表或控制元件提供电压大小的信息，故其容量很小且比较恒定，正常时接近于空载。可以说，电压互感器是一个被限定了结构和使用形式的特殊降压变压器。2、电压互感器的主要作用是什么？使用时要注意哪些问题？电压互感器的作用是在测量高电压时，为了安全与方便，将高电压经过它变为低电压，主要向测量仪表或控制元件提供电压大小的信息。使用电压互感器时的注意事项：（1）．投入运行前要按照规程规定的项目进行试验检查。例如，测极性、连接组别、摇绝缘、核相序等。（2）．接线应保证其极性的正确性，一次绕组和被测电路并联，二次绕组应和所接的测量仪表、继电保护装置或自动装置的电压线圈并联。启用时应先一次后二次，停用则相反。（3）．二次侧负荷的容量应合适，不应超过其额定容量，否则，会使互感器的误差增大，难以达到测量的正确性。（4）．使用时二次侧绝不允许短路,经耐压实验合格后方能投入运行。（5）．为了确保人在接触测量仪表或继电器时的安全，电压互感器二次绕组必须有一点接地。（6）.停用电压互感器时应考虑该电压互感器所带保护及自动装置（为防止误动的可能，应将有关保护及自动装置停用）。（7）.电压互感器停用或检修时，其二次空气开关应分开、二次熔断器应取下，防止反送电。3、请解释为什么电压互感器使用时二次侧不能短路。由于电压互感器的一次侧电压大小不变（并联在被测电路中），二次侧电压也不会因负载的改变而改变，若二次回路短路时，则线圈中的电流将急剧增长，从而烧毁线圈。同时很大的电流也将会损坏二次侧设备，甚至危及人身安全。所以，电压互感器使用时二次侧装设熔断器以保护其自身不因二次侧短路而损坏。在可能的情况下，一次侧也应装设熔断器，以保护高压电网不因互感器高压绕组或引线故障危及一次系统的安全。

第六节课电流互感器电流互感器的工作原理与变压器的工作原理有异曲同工之处，其基本的工作原理就是按“电——磁——电”的转换过程来进行工作的，在一定程度上可以认为电流互感器是一种特殊的升压变压器。所不同的是电流互感器是与被对象的电流电路串连，不同电压互感器的并联，即电流互感器接入原线圈中的是电流，且原边线圈数少于副边。另外，电流互感器二次侧几乎工作在短路状态。制作电流互感器的作用主要是为了测量主回路中的大电流，测量的时候就是把主回路的大电流按照比例的关系变成小电流然后送给计量表进行对电流或者功率的测量。一.电流互感器结构及工作原理1.工作原理原理图图如下图所示。同变压器的工作原理一样，初级线圈的电流I1在铁芯中产生交变的磁通Φ，交变的磁通通过电磁感应在次级线圈中产生感应电流I2。由电磁理论，I1·N1=I2·N2可得:I1=I2×N2/N1＝Ki×I2式中:I1、I2为电流互感器一、二次侧电流;N1、N2为一、二次侧绕组匝数;Ki是电流互感器电流比。从上式中可看出，只要二次线圈的匝数，比一次线圈的匝数多，即可将一次侧的大电流变为二次侧的小电流。在测出二次电流的大小后，乘上变流比即可得到一次侧电流的数值。例如当Ki为30/5时，就表示初级流过的电流是30A的时候，次级边所感应的电流就是5A，也就是说通过电流互感器我们把主电路的电流变小了6倍，这样既可以扩大仪表的测量量程，又可以使人身和设备得到安全的保证。2.结构组成及使用电流互感器的结构与变压器结构相似，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。与变压器不同的是电流互感器的初级绕组绕在铁芯上的圈数非常的少，一般只绕一圈到二圈，并且用的漆包线都很粗（主要是由于初级绕组要接在大电流中的缘故），在连接的时候都是串联在被测量的电路中的，接线方式如下面两图所示。3.电流互感器的特点（1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，所以一次绕组中的电流完全取决与被测电路的负荷电流（输入的电流固定不变），而与二次电流的大小无关。（2）电流互感器二次绕组，所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以在正常的情况下，电流互感器在近乎短路的状态下运行。二.使用注意事项在使用电流互感器时应主要注意以下事项：(1)根据被测电流的大小选择电流互感器的变流比，即一次额定电流要大于被测电流。(2)电流互感器的一、二次绕组有“+”“-”或“*”标记，以示同名端；二次绕组串接功率表或电度表或电流表的电流线圈时，要注意极性。(3)二次侧所接仪表的总阻抗不能大于互感器规定的负载阻抗，否则会影响测量的精度。(4)二次绕组绝不允许开路。否则因二次绕组中没有电流流过，一次绕组中的电流，即被测电流产生的磁动势IIN1全部用于激磁，使铁心中磁通猛增，加之二次绕组匝数较多，会在二次绕组中感应出尖峰电动势，峰值可达数千伏，使绝缘被击穿，危及人身安全。另外，因磁通猛增，使铁损加大，铁心过热，也会损坏绝缘。故二次侧不允许安装熔断器。(5)外壳和铁芯及二次绕组的一端必须可靠地接地，以免在高压绝缘击穿时保障设备及操作人员的安全。三.电流互感器的分类电流互感器按不同用途、结构及安装方式等可划分很多类型，大体如下。1.按用途分（1）测量用电流互感器或电流互感器的测量绕组。在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。（2）保护用电流互感器或电流互感器的保护绕组。在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。2.按绝缘介质分（1）干式电流互感器。由普通绝缘材料包扎，经浸渍漆处理的，有塑料外壳和无塑料外壳的电流互感器，多数为低压电流互感器。（2）浇注式电流互感器。用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器。（3）油浸式电流互感器。由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。目前我国在各种电压等级均为常用。（4）气体绝缘电流互感器。主绝缘由气体构成。（5）瓷绝缘电流互感器。多数一杯浇注绝缘取代。3.按电流变换原理分（1）电磁式电流互感器。根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器。（2）光电式电流互感器。通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器，目前还在研制中。4.按安装方式分（1）贯穿式电流互感器。用来穿过屏板或墙壁的电流互感器。（2）支柱式电流互感器。安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器。（3）套管式电流互感器。没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。（4）母线式电流互感器。没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器四.穿心式电流互感器1.结构与原理穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流（负荷电流）导线由L1至L2穿过由硅钢片压卷制成的圆形（或其他形状）铁心，起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路。其原理图如下所示。其电流的变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿心匝数越多，变比越小;反之，穿心匝数越少，变比越大。I1与I2的关系：I1=nI2式中I1：穿心一匝时一次额定电流;I2：二次侧感生电流；n：穿心匝数。穿心式电流互感器的接线与普通电流互感器类似，一次侧从互感器的P1面穿过，P2面出来，二次侧接线与普通互感器相同。接线实物图如下示。在测量中，电流互感器二次回路线圈阻抗非常小，因而电流互感器二次回路接近于短路。在实际应用中，为了安全考虑，电流互感器二次侧S2一般需要接地。2.监测信号机用传感器下图是信号微机监测中所用来测量列车信号机的电流传感器的一种。此种传感器的输出电流较小，通常只几毫安。有单孔和双孔的，点灯电路中只一个DJ的信号机的用单孔。A、B孔分别是DJ与2DJ线圈导线的引入端孔（内部的两组绕组是分开的，相当于是两个独立的电流互感器组成）。接线端子共有5个，中间为接地端子。+12V和-12V端子接入传感器的工作电源接入端；a与b分别对应A、B被测电流的输出端子；GND为接地端。3.交流电源屏的采集模块对于交流电源电流采集模块，Ig为输出，接至采集板端子，G接该采集机电源的地线；采集线穿线都有方向性，电流方向与模块上标注的箭头方向一致。五.电流互感器的应用举例（一）.钳流表钳流表是用来测量交流电的常用仪表，此仪表的原理就是“穿心式电流互感器”。前方是可以开合的铁芯，靠近手柄处有一电流表，在测量时用钳形铁芯让测量导线从中穿过，通过电磁感应，此电流在副边线圈里感生出电流，然后通过表盘读取数值。在信号设备维护中，常用钳流表来检查设备的短路故障。（二）.电流型漏电保护器漏电保护开关就是防止漏电造成安全事故而设计的一种装置。目前漏电保护开关原理分三大类，电流型、电压型和脉冲型。所谓漏电，就是流入的电流和流出的电流不等，意味着电路回路中还有其它分支，如人触电时，电流通过人体进入了大地。在电气设备漏电时，将呈现异常的电流或电压信号，漏电保护器通过检测此异常信号，使执行机构动作。我们把根据故障电流动作的漏电保护器叫电流型漏电保护器，根据故障电压动作的漏电保护器叫电压型漏电保护器。由于电压型漏电保护器结构复杂，受外界干扰动作特性稳定性差，制造成本高，现已基本淘汰。目前以电流型漏电保护器为主导地位，电流型漏电保护器就是电流互感器的一种应用。漏电保护开关由脱扣电路、过载保护器装置和漏电触发电路三部分组成。家用的漏电保护器接入端有“火”“零”两根线。如果“火”和“零”线流过的电流不相等，那么感应线圈就会识别微小差别，并通过控制部分，迅速切断开关（跳闸）。通常家用的漏电保护的电流阈值在20mA左右，即当流入的电流与输出的电流大小在20mA时即可跳闸。1.单相漏电保护器的工作原理单相漏电保护器的工作原理图如下示，由感应线圈、电磁检测线圈、信号放大电路及动作开关的电磁铁构成。使用时将漏电保护器安装在低压电路中，让使用的两线路都在感应线圈中通过，电磁检测的线圈后接电流放大电路，电路的输出接入电磁铁芯的励磁线圈上。在正常的情况下，零序电流和火线电流它的大小是一样的，但是方向相反，所以当它们同时穿过感应线圈时，在感应铁芯中的磁通相互抵消，总磁通为零，这在二次绕组端（电磁检测线圈）没有电流输出。由于没有电流输出，电磁铁的线圈中也就没有励磁电流，故铁芯无磁性，即使其开关保持在闭合状态。当发生漏电或触电时，必在故障（或触电）点处产生分流，此漏电电流经“人体——大地——工作接地”，返回变压器中性点（并未经电流互感器），致使经过互感器的两线中的电流（流入、流出的电流）出现了不平衡，即两者电流矢量之和不为零，于是感应铁芯中产生磁通，在电磁检测线圈中感生出电流，此感生电流经放大电路放大后被送入电磁铁，当电流达到保护器所限定的动作电流值时，电磁铁形成的磁场力便推开开关，从而自动切断电源达到了保护目的。其漏电保护结构示意图如下所示。2.三相漏电保护器的工作原理：正常情况下，三相负荷电流和对地漏电流基本平衡，流过互感器一次线圈电流的相量和约为零，即由它们在铁芯中产生的总磁通为零，则零序互感器二次线圈无输出。当发生触电时，触电电流通过大地成回路，亦即产生了零序电流。这个电流不经过互感器一次线圈流回，破坏了平衡，于是铁芯中便有零序磁通，使二次线圈输出信号。这个信号经过放大、比较元件判断，如达到预定动作值后，立即触发执行信号给执行元件动作而掉闸，切断电源。如右图所示。相线L1、L2、L3和零线N均通过零序电流互感器TAN，作为TAN的一次线圈。根据基尔霍夫第一定律：∑I=O。如果用电设备是三相平衡负荷，则一次电流的矢量和为零，即Iu十Iv十Iw=O；如果用电设备是单相负荷，则一次电流的矢量和亦为零，即Iu十In=0、Iv十In=O、Iw十In=O，在零序电流互感器中矢量电流TAN的铁芯中的磁通矢量和也为零。TAN二次线圈无电流输出，脱扣器YA不动作，RCD（Residual Current Device）正常合闸运行。当设备发生漏电或人身触电时，则故障电流Id经过大地回到电源变压器TM的中性点，构成回路。由于漏电电流Id的存在，则流经TAN的电流矢量和不等于零，即TAN的二次侧有剩余电流流过，也即电磁脱扣器YA中有电流流过，当电流达到额定值时，脱扣器YA动作，漏电开关RCD掉闸，切断故障电路，从而起到保护作用。值得注意的是，漏电保护器是通过控制某个开关断开来实现的，它不能保证在整个供电回路出现短路时开关触点还能可靠断开。这时就需要附加空气开关，它起过载或短路保护的作用，即当回路电流超过规定负载，空气开关自动短路（跳闸）。空气开关一般有单独“火”线接入保护，也有“火”“零”同时接入保护。因此，漏电保护器和空气开关各自实现的功能不同，不能互相代替！问题（作业）1、电流互感器的特点有哪些？（1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，所以一次绕组中的电流完全取决与被测电路的负荷电流（输入的电流固定不变），而与二次电流的大小无关。（2）电流互感器二次绕组，所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以在正常的情况下，电流互感器在近乎短路的状态下运行。2、使用电流互感器时应注意哪些事项？在使用电流互感器时应主要注意以下事项：(1)根据被测电流的大小选择电流互感器的变流比。(2)电流互感器连接时要注意电源的极性。(3)二次侧所接仪表的总阻抗不能大于互感器规定的负载阻抗。(4)二次绕组绝不允许开路，(5)外壳和铁芯及二次绕组的一端必须可靠地接地。3、电流互感器使用时为什么二次则不能开路？由于电流互感器在使用时一次绕组中的电流是恒定不变的被测电流，若二次则开路，因其中无电流不能形成阻止原边的磁通，即原边被测电流产生的磁动势IIN1全部用于激磁，使铁心中磁通猛增。加之二次绕组匝数较多，猛增的磁通会在二次绕组中感应出尖峰电动势，峰值可达数千伏，使绝缘被瞬时击穿，高电压除会危及人身安全之处，还因磁通的猛增，使铁损加大，铁心过热，烧毁互感器。故其二次侧不允许安装熔断器。4.试简述单相漏电保护器的工作原理。在正常的情况下，零线与火线中电流大小相等方向相反，它们在感应铁芯中的磁通相互抵消，总磁通为零，这在二次绕组端（电磁检测线圈）没有电流输出。由于没有电流输出，电磁铁的线圈中也就没有励磁电流，故铁芯无磁性，即使其开关保持在闭合状态。当发生漏电或触电时，造成两跟电线中的电流不等，于是感应铁芯中产生磁通，使电磁检测线圈中感生出电流，此电流经放大电路放大后被送入电磁铁，当电流达到保护器所限定的动作电流值时，电磁铁形成的磁场力便推开开关，从而自动切断电源达到了保护目的。第七节课霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应也是研究半导体材料性能的基本方法，通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。一.霍尔效应大量的研究揭示:参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。固体材料中定向移动的载流子（带负电的电子和带正电的空穴），在外加磁场的作用下，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，分别向导体材料的两侧积累电荷，又形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。这种现象就称霍尔效应。1.霍尔原理看下图（a）（设导电粒子为带负电的电子）所示。磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从左到右通过该片（电子移动方向由右至左），同时加有一与电流方向垂直的磁场B。电子在洛仑兹力的作用下，向半导体的下侧偏移；同样，对图（b）中带电粒子为空穴（正电）时，在洛仑兹力的作用下，向半导体的上侧偏移。因(电子或空穴)被约束在固体材料中，又分别向两侧聚积，使半导体片在上下方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。上下两侧聚积的异号电荷同时又会形成相应的附加电场，当该电场达到一定的强度后，重又阻止了载流子继续向侧面的偏移，达到平衡。即霍尔电压会依据电流I的大小稳定在一定的大小上。2.霍尔电压的大小设霍尔电压形成的电场为EH，则电流粒子所受的电场力为eEH；粒子所受的洛仑兹力为eVB。由上面的讨论可知，当粒子受的电场力与洛仑兹力相等时，霍尔半导体片上下侧电荷的积累就达到平衡，故有：eEH=eVB（1）其中，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设霍尔半导体片的宽为h，厚度为d，载流子浓度为n，霍尔电压为UH，则：EH=UH/h（2）由（1）和（2）可得：UH=Bhv（3）又由于I=neSV,其中S=hd（S为导电体的横截面积）,可得：V=I/nehd，代入（3），得：UH=BI/ned=k·BI/d（其中k=1/ne，导体的霍尔常数）由霍尔效应的原理可知，霍尔电压的大小取决于霍尔常数，它与半导体材质有关，与所通过的电流及为磁场强度成正比（d为半导体材料的厚度通常是不变的）。对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流I固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B，如此通过霍尔电压值便可知道磁场强度；同样，当磁场强度固定时，则由霍尔电压便可得出电流的大小。这就是我们可利用其来测量大小的原因。二.开环式霍尔电流传感器开环式霍尔电流传感器（也称直接式电流传感器）,由磁芯、霍尔元件（也有双霍尔元件）和放大电路构成。磁芯上有一开口气隙，将霍尔元件放置其中，如下图所示。当原边导体流过电流时，在气隙处产生磁场，由此，霍尔元件就会输出与磁场强度成正比的电压信号，放大电路将该电压信号放大输出（有时也可变换成电流信号输出）。这类直接将霍尔电压，由运放电路进行放大处理后提供给检测仪器或控制设备，就是所谓的直接检测式霍尔电流传感器。这类传感器耐压等级高，设备简单、成本低，性能稳定，但是其精度受环境变化的影响较大，动态响应很不理想，所以在要求精度高的测量系统中使用很少，通常采用电流补偿式或平衡式原理构成的霍尔传感器。三.闭环式霍尔电流传感器闭环式霍尔电流传感器又称零磁通霍尔电流互感器、零磁通互感器、磁平衡式霍尔电流传感器等。其结构如下图所示，有磁芯、霍尔元件、放大电路和副边补偿绕组等组成。与开环式相比，闭环式多了副边补偿绕组，这使得其性能得到了大幅度提升。电流补偿式霍尔电流传感器的原理，是基于磁平衡式霍尔原理的，即闭环原理。原边电流IP产生的磁通Bp被高品质磁芯集中在磁路中，再由固定在气隙中的霍尔元件的电压感知，反馈至控制电路中，控制电路通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流Is，形成相反的磁通Ba用于抵消磁通Bp，使得磁路中的磁通在气隙处始终保持为零。因为Is的大小是跟随Ip的变化而改变的，经过特殊电路的处理后，传感器的输出端能够输出精确反映原边电流的电流变化，从而达到测量电流的目的。这里的放大电路接受霍尔元件的输出电压，将其放大为电流信号后，再由电路将其电流提供给副边补偿绕组，使其在气隙处所形成的磁场与原边电流所产生的磁场大小相等，且方向相反，故而形成了负反馈闭环控制电路。当副边电流过小，其产生的磁场不足以抵消原边磁场时，放大电路将输出更大的电流，反之，放大电路就减小输出电流，从而维持气隙处的磁场平衡。若原边电流（被测电流）发生变化，气隙处磁场平衡破坏，负反馈闭环控制电路同样会调节副边输出的电流，使磁场重新达到平衡。宏观上来说，气隙处将一直维持在零磁通状态，保持平衡，这也是其零磁通互感器及磁平衡式霍尔电流传感器名称的由来。又由于补偿电流Is的大小总是跟随原边电流Ip的变化而变化，故可以由Is的大小知道Ip大小，这样利用霍尔电流互感器，就可用于测量电流的大小，特别是直流电流，因为它无法利用普通的电流互感器来完成取样测量。总之，这类传感器采用了单或双霍尔元件，并工作在零磁通的状态，利用平衡的手段实现对未知电流测量的目的，所以精度高，应用广泛。其思路就如利用天平测量物质的重量一样。它具有如下特点：（1）测量范围宽，可测量各种电流，如直流、交流、脉冲电流等。（2）电气隔离性能好。（3）测量精度高，线性度好。（4）抗外界电磁和温度等因素的干扰能力强。（5）电流上升率大，响应速度快。（6）过载能力强。（7）体积小，重量轻，安装简单、方便。四.霍尔电流互感器在监测中的应用基于霍尔原理，在许多方面都有应用，这里主要介绍在信号测量方面的应用情况。1.数字式钳形电流表很多较精确的钳形电流表，就是利用平衡式霍尔电流传感器原理制做的，它通过数模转换后直接标注出被测电流的大小。其原理如下图所示。2.信号微机监测中应用在信号设备的微机监测中通常对直流电流的监测，都是采用了闭环式霍尔电流传感器。如对ZD6道岔在启动时的电机线圈中的电流监测，就是采用的这种传感器。如下图所示。3.直流电源屏用传感器在对电源屏中的各直流输出电流的大小测量中，都采用的霍尔原理式电流传感器。其接线图如下图所示。对于直流电源电流采集模块，+接该采集机电源的12V+，-接该采集机电源的12V-，G接该采集机电源的AGND，O为输出，接至采集板端子；模块采集线穿线都有方向性，电流方向与模块上标注的箭头方向一致。问题（作业）1、什么是霍尔效应？固体材料中定向移动的载流子，在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作在材料两侧产生电荷积累，而形成电势差即霍尔电压的现象称为霍尔效应。2、简述闭环式霍尔电流传感器的工作原理。闭环式霍尔电流传感器的工作原理，是基于磁平衡式的闭环原理。原边电流在霍尔元件上所形成的霍尔电压，反馈至控制电路中，控制电路通反馈线圈输出反向的补偿电流，使得气隙处的磁通始终保持为零。当原边的被测电流增大时，补偿电流的大小也跟随着增大，反之一跟随减小，所以通过补偿电流的大小，就可知道被测电流的大小。

第八课开关量的采集开关量采集器是用来对信号设备中相关开关量状态的监测设备的统称。其功能主要用来实现对按钮状态、控制台表示状态、主副熔丝断丝状态、关键继电器状态及防雷状态状态的监测。微机联锁站控制台相关的状态信息，是通过联锁维修机送给微机监测系统的。一、对开关量采集的要求1、对采集点的要求系统若需要对一些关键性继电器的状态采集时，原则上首先选择从关键继电器空接点（即未被使用的空闲接点）通过电路采集；如果只有半组空接点（即其继电器的某组接点上，它的中接点与前接点或后接点已经被其它电路所使用，只空下一个后接点或前接点），可采用开关量采集器采集；如果其继电器连半组接点也不空，即无法从空接点进行采集时，可采用安全、可靠的其线圈上的电压采样方案进行采集。2、测试方法要求车站机周期巡测（周期≤1s）。下位机采样周期小于等于150ms，变化信息存储并自主上发。二、采集手段1、对空接点的采集方法对于有空接点的继电器需要采集它的接点状态时，可以采用电路的方式直接采集。对轨道继电器（DGJ）状态的监测，通常优先采用这种方案，因为这种方案安全可靠又对被监测的对象毫无干扰。其采集电路如下所示。它是通过在空接点上接入一个采集电源，通过判断其有无电流的手段实现的。采集电源目前有直流24V和5V两种类型。2、采集线圈电压的方式对于无空接点的继电器需要采集它的接点状态时，可以通过对线圈电压的采集方式，如下图所示。但采用此方法时，一定要通过光电隔离手段实现与被监测对象之间的电气隔离。12V光电隔离器12V光电隔离器220V光电隔离器三、接点状态采集器对继电器接点的状态采集还可以利用接点状态采集器来实现。下图是两种工作电压形式的接点状态采集器的实物图。24V接点状态采集器24V接点状态采集器5V接点状态采集器1、接点状态采集器连接图连接时将采集器的4、5端子分别接入需要采集的中接点和一个空接点上，1端子接地，3端子与采集机的输入端相连，2端子接工作电压的输入。如下图所示。接点状态采集又称开关量采集器，目前也有两种型号，即工作电压分别是直流12V和5V的两类，选择时注意型号。2、接点状态采集器工作原理接点状态(开关量)采集器依据电磁感应原理，通过线圈间的磁耦合实现开关量状态的传感。原理见下图示。传感器的一组感应线圈L2接在接点被监测的接点间，另一组线圈L1接检测电路。L1和L2通过磁场耦合，检测电路检测线圈L1的电感量及损耗。当接点处于断开时，L2上无电流，L1仅为自身的电感和损耗（此时L1电感量大但损耗小）；当接点处于闭合时，L2上便会产生感应电流，因此L1的损耗增大，同时L1的电感量减小。如此，继电器的接点状态在电感线圈L1上得到了反映。通过检测电路检测L1电感量和损耗的变化情况，就可得知继电器的状态。开关量采集器隔离性能好，和信号设备只有一点接触，既不是并接也不是串接在设备中，因此它不获取被监测设备的任何电流或电压，即不取设备能源，故对设备无任何影响。四、感抗知识的补充1、自感现象当线圈中有电流通过时，就会在线圈中形成感应磁场。若这个电流是变化的，感应磁场也是变化的，那么依据楞次定律（有译为伦兹定律的），这个变化的感应磁场又会在线圈中产生感应电动势以抵制通过线圈中的电流变化。这种电磁感应现象，叫线圈的自感现象。因自感而形成的电动势称为自感电动势。由于自感电动势的方向总是阻碍电流的变化，所以，当电流增大时，线圈中的磁通增加，由此线圈产生的自感电动势与外加电压相反（如右图所示），于是就阻碍了电流的增大（是阻碍变化，而不是抵消）。同理，当电流减小时，自感电动势与外加电压相一致，于是就阻碍了电流的减小。自感电动势的大小：E=L即其大小与电流的变化率成正比，式中L叫作该线圈的自感系数，简称自感或电感。其大小决定于线圈的结构及其与周围的介质相关。2、电感的感抗由于自感的存在，就有了电感对电流的阻碍，我们把电感线圈对电流的变种阻碍行为简称感抗。电感感抗计算公式：XL=2πfL=ωL其中XL为感抗，L（H）为线圈的电感量，也叫自感量简称电感，它是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大；磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。其原理如上图所示。上式中的f（Hz)为电源的频率，ω为角频率。可见电感线圈对电流的阻碍作用的大小，除了与自身的电感量有关外，还与加入其上的电源频率成正比。3、互感现象当有两组线圈存在于一定空间关系时，如线圈1与线圈2，如下图所示。当线圈1中的电流变化时所激发的变化磁场，会在它相邻的另一线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中上的电流变化时，也会在线圈1中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，简称为互感，又叫法拉第电磁感应定律，简称电磁感应定律。互感所产生的感应电动势称为互感电动势。这就是变压器的原理。4、互感的大小（1）互感系数互感系数反应了两组线圈的影响程度。由电磁理论可知，互感系数（M）的计算公式：M=kL1·L2，则k=M其中，k为两线圈的藕合系数或藕合常数，它与两线圈的位置及周围的介质有关，通常都小于1。（2）互感的大小依照上图，根据电磁理论，于左侧的输入的等效电感为：L=L1（1-k2）＜L1由此可以看出，当两组线圈中的二次线圈短路时，由于互感的存在，使得输入侧的电感量对外电路而言是减小的，若两者的偶合程度越高（k越接近于1），输入电感量越小。由于电感量减小，则输入的感抗变小；感抗越小输入的能耗也越高。若二次线圈开路，虽然有互感的存在，但因其不能形成电流从而不能产生磁场，故对一次的线圈不会产生影响，此时的输入等效电感只是L1即就是它的自感。这就是开关量状态采集器的原理，也是解释变压器二次侧不允许短路的原因。其原理可以结合楞次定律来分析。分析过程同学们结合初中所学的电磁理论知识自己去完成。问题（作业）：1、在信号监测系统中对开关量的监测有哪些技术要求？系统若需要对一些关键性继电器的状态采集时，原则上首先选择从关键继电器空接点（即未被使用的空闲接点）通过电路采集；如果只有半组空接点（即其继电器的某组接点上，它的中接点与前接点或后接点已经被其它电路所使用，只空下一个后接点或前接点），可采用开关量采集器采集；如果其继电器连半组接点也不空，即无法从空接点进行采集时，可采用安全、可靠的电流采样方案进行采集。2、当采用“采集继电器线圈电压”的方式监测其状态时，为什么要加“光电隔离器”？如果此法不用光电隔离器进行隔离，势必使监测电路与被监测电路之间有物理上的连接，当监测电路自身故障时（尤其是短路故障），必然会对被监测电路造成破坏，这对可靠非常高的信号设备而言是绝对不允许的。之间加扩“光电隔离器”后就避免的上述情况，因为它们之间的信息传递仅仅是通过光能的偶合，不存在物理上的连接，因而不会对信号设备造成影响。所以在采用“采集继电器线圈电压”的方式监测其状态时，一定要加入“光电隔离器”的原因。3、试简述接点状态采集器的工作原理。（1）它采用了电磁感应原理，通过两个线圈之间的偶合，使整个元件对外电路的电感（或感抗）是否发生改变加以判断的。（2）它的采集输入端（相当于变压器的二次侧）与继电器的一组接点相连，且只有两种状态：断或通。（3）当接点是断开时，由于两线圈不存在偶合现象，故其对外表现的电感量就是其原线圈的电感量，即其感抗保持在高位（能耗小）；当接点是接通时，由于偶合（即电磁感应）的存在，使其对外表现的电感量减小，即其感抗减小（能耗增加）（4）采集器中的“感坑检测电路”在检测到感坑（电感量）减小时，就知道了被监测的两个接点是接通的，否则是断开的。由此采集器便能间接地判断出其继电器的状态。

第九课监测系统网络结构概述我们在讲具体的监测内容之前，先对监测系统的构成作一简要概述，以帮助同学们树立一个整体观念，清楚监测系统的管理层次及信息流向。这对学习后面的内容有一定的启发作用，以利于对相关知识的正确理解。一、微机监测系统服务器数据流微机监测系统虽然不是直接参与列车的运行，但它对保证信号系统的不间断地正常工作提供了保障，所以它也是具备严格形式的一个系统结构，基地位也是十分重要的，因此对此系统的管理也有严格规范。我们首先从大铁的监测系统入手，了解了此系统的结构形式，对理解城市轨道交通监测系统的结构就非常容易了，因为城市轨道交通的运输系统目前只局限于一个城市之内，且整个管理系统的网络层次也比大铁简单。（一）铁路监测系统网络结构我国铁路监测系统的网络结构从功能上来讲由：车站、车间终端对段服务器之间通信的基层网，和段服务器或铁路局对铁道部之间通信的上层网。如下图所示。图中给出了三层的结构模式，有的列为四层模式，即在段服务器层之上增加了铁路局服务器层。当然由于铁路局服务器网层与铁道部网层在通信的形式上是相同的，行政组织上虽然是上下级关系，但就其信息通信的实质并不是上下的层级关系，所以划分通信网的三层结构也是合理的。车站基层网由沿线各站主机和车间机（领工区）构成，它是监测信息的发源；电务段管理网由服务器和若干台终端构成局域网。车站、段服务器之间的传输通道采用铁通IP数据网，为保证网络的安全，要求网络节点定期升级杀毒软件。此数据网由铁通直接提供RJ45接口，组网采用TCP/IP标准协议，站机、终端、服务器需要的联网设备为网卡。铁道部整个监测系统网的拓扑结构可理解为如下图所示。某监测网络总体结构举例图某监测网络总体结构举例图车站监测子系统是具体收集和处理监测信息的最基本的组成部分，电务段的监测子系统主要用于对站机的管理以及负责信息分配与传输的的职能。其它如铁路局监测子系统只是收集信息用来监督，没有操控权。下图是我国铁道部整个监测系统的设备、结构组成示意图，从图中可以看出各个层次的主要设备，以及其上下层级间的接口与信息通信的关系。再下一图……是京广线监测网络拓扑图（举例）。（二）网络管理的实现1、监测网络组织管理框图信号监测管理网由一台中心服务器和若干台终端构成局域网，中心服务器中的数据库服务器兼作通信服务器和远程访问服务器，负责监测信息的管理并接收终端用户的访问；远程用户终端可通过拨号网络与中心服务器或各站工控机连接，索取需要的信息。信号微机监测系统的网络结构是采用串联加环路的方式实现的。即一条线路上的各站仅需要一条通道，通过该通道站站接口，将沿线各站串联在一起，线路末端站再增加一条通道至信号管理中心，使网络成环。网络上传输的数据到达某个站后，由该站路由器对数据的传输进行路由选择，以确定最佳传输路径并将数据传递给下一站；站站接力，一直到达目的地。系统采用先进的CAN（控制器局域网）技术、传感技术和计算机网络通信技术、数据库及软件工程技术，监测并记录信号设备的主要运行状态，为信号维护人员掌握设备运用质量和故障分析提供科学依据。它是一个面向用户的开放性和模块化设计的系统。2、监测网络系统数据的管理策略下图表达了监测网络系统数据的管理的思路。整个数据的管理划分为四大模块。（1）实时数据即监测到的原始数据，它是整个信息的来源地；（2）知识库，主要表达如何科学处理实时数据的思路。它建立在信号联锁的关系之上，结合专家和智慧，为数据的分析创设出模型。（3）推算算法，建立各类故障数据的模型并应用于数据分析中，以便形成正确的报警信息。（4）报警信息，对原始的采集数据，通过合理、正确、科学的数学分析后，提取出故障或处理其临界的信息，在这里给出具体的报警信息，以帮助信号式对信号设备或监测系统自身的故障，以快速准确地处理。（三）微机监测系统基本数据流向下图是微机监测系统基本数据流向图。其各部分的信息描述如下。（1）站机采集保存不上传：所有模拟量，三级报警信息（2）站机采集保存并上传1：所有开关量，一二级报警信息，站机人员操作记录如登记、检修等；（3）站机采集保存并上传2：视图信息，终端定制显示的模拟量；（4）服务器到站机的命令响应：校时、定时取日报表、关键设备动作次数、站机重启等；（5）服务器到终端的命令及信息：校时、网络状态及网管数据等；（6）终端到服务器的查询命令及响应1：站场回放，开关量历史信息，关键设备动作次数，报警历史信息及报警统计汇总表，模拟量月、年曲线，系统运作状态等；（7）终端到服务器的查询命令及响应2：终端异地调阅记录，车站检修时的报警，报警确认，工作任务的安排等电务管理报表；（8）终端到站机的命令及响应1：模拟量实时测试，当日日报表，开关量实时信息，道岔曲线、高压不对称曲线，采集机状态，计轴诊断测试，分路残压，用户操作记录等；（9）终端到站机的命令及响应2；，开关量及模拟量回放，终端定制显示的模拟量，定制监测信息，环境控制日志、空调控制及状态、视频控制，工作任务的安排；（10）涉及到终端或服务器等李联网支持的功能预留。（四）段内三级调阅管理制度下图是铁路某段对监测信息实行三级管理的组织结构示意图。最下层的信息管理者是车间信息管理员，信号工具体负责对监测设备的日常维护。铁路某段铁路某段对监测信息实行三级管理的组织结构示意图二、微机监测在地铁中的网络结构随着铁路新技术、新设备在地铁建设中的不断使用，信号系统承受着越来越大的工作压力。各种外界干扰、设备病害最终都要反映到信号设备上。特别是对一些一时不能断明原因的故障，需要信号人员付出较大的精力智力，对信号设备的全面维护与保障安全有很高的压力。信号微机监测系统，可以充分利用计算机系统大量信息的存储，实时再现，使疑难故障的定位更加及时准确，能为故障处理提供很好的帮助。基于此，现就微机监测系统在地铁信号设备上的应用，作一概括性的介绍。1.微机监测系统网结构首先要说明的是，用于地铁信号微机监的设备并不是与大铁完全不同的设备，而是铁路信号监测设备在城市轨道交通中的应用，所以在本质讲它们的工作原理是一样的。监测系统采用基于TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）的广域网模式，由车站采集系统、信号中心服务器管理系统、上层网络终端（包括车站机、中心信号监测终端）及广域网数据传输系统等组成。它类似大铁的“分局”、“电务段”及“车站”的三级管理模式，地铁控制中心相当于分局（只是监督作用），综合维修工区相当于电务段（它配置应用服务器、监测终端、维护工作站等监测终端设备，负责管理站机）。区域车站（由于地铁中的车站设备管理采用区域站的管理模式，不同于大铁的一车站一套联锁设备）采集系统是微机监测系统的基础，是所有原始信息的源头，它必须保证，所提供有关信号设备的质量信息应该是精确的，告警信息是可靠的，运输状态的记录是完整的。信号微机监测系统的网络结构是由信号管理网和远程访问用户网两部分组成，以多级监测管理层自下而上地进行信息通信。监测系统的工作及信息种类与流向与大铁中的一样

第十课站机监测系统结构概述一、车站监测系统结构1、信息来源结构车站监测系统是整个监测系统的基础，是所有信息来源的起点，所以它工作正常如何直接关系到整个系统能否正常工作。它通常由站机（又称上位机）、采集机（又称下位机）及各采集单元设备，加上计算机通信网络通信等设备组成。站机系统的结构如下图所示。站机直接负责管理各下位机，并对所有数据进行归类、处理，且将其上传至上层网络监测中心。站机的数据来源，因具体采集内容及单元的位置不同而不同。2、站机与下位机的接口下图是站机与各下位机（采集机）连接示意图。它们处在一个现场总线结构之中，即处于同个局域网内。站机由工业控制机、显示器、键盘、鼠标、UPS电源、打印机等设备组成，它是一个车站监测系统的集中管理设备，其系统应用软件是一个多任务系统，可集中处理、采集机（或称下位机）的实时数据信息，并负责显示、存储及统计，同时也为操作人员提供人机界面。根据对信号设备的监测结果，人机界面实现车站作业状态及设备运用状态的实时显示和各种数据的查询功能。站机可将本站监测的信息传送至服务器，为实现远程监测和管理提供基础。各采集机负责一类设备的数据采集，按功能划分采集机有综合采集机、道岔采集机、轨道采集机、开关量采集机、区间采集机和其它专用采集机。它们将采集到种类的数据进行预处理、编辑后送入站机，再经站机上至网络上。采集机通过内部总线从各采集板中获取数据，而原始数据又来源于各采集单元的传感器。采集机可分散安装也可集中安装。二、系统采集方式的选择监测系统具体采用什么形式，不同的厂家略有不同，只是出发点的不一样，但都不会影响系统的正常功能。这里以某种系统为例作简单介绍。1、站机采集方式在对信号设备进行采集监测的系统中，由于监测的信息点多，且各种被监测量要求的采集周期不同，如开关量要求的采集周期不大于250ms，轨道电压的采集周期不大于2min，如果采用常规的点对点采集，会大大增加系统成本，所以系统采用分类集中的信号采集方式，将同类信号集中并作相应的保护，经过切换，利用一个A/D口输入。下图所示，是某系统设备所采用的并联式结构方框图。这样的结构方式将被采集的物理量按类集中管理，分为开关量和模拟量两大类，采集回路结构清晰，易于发现故障。另外，由于本系统是用于现场，可能会受雷电的干扰，而且电气化线路本身也会产生高达几万伏的冲击电压，因此监测系统必须保证有很强的抗干扰性。同时，对所有被采集的信号都应做到隔离和保护。2、开关量采集方法开关量采集回路结构如下图所示。开关量采集原理：4位开关量输出信号经过译码得到16位地址，根据地址将1024个开关量分成16组（每组64位）采集，利用两块32口的开关量输入模块每次采集1组。3、模拟量采集方法根据有关规程，外供电压、轨