电力系统中应用的传感技术.ppt

1、1,先进传感技术在电力系统中的应用,钱政 北京航空航天大学仪器光电学院测控系,2,电力系统概况 电力系统中传感器技术的应用现状 电力系统中传感器技术的发展趋势,3,电力系统概况,电力系统的组成和地位,三大部分：发电、输配电、用户 关系国计民生，是现代工业发展的支柱,4,现代电力系统的发展趋势 电压等级越来越高 电网规模越来越大 带来的问题 电力设备安全性问题 故障的影响越来越大 解决方法 快速准确的信息获取及后续控制策略的及时执行 关键技术：传感器,电力系统概况,5,美加大停电事故,电力系统概况,事故损失：美国100亿美元的经济损失，加拿大安大略省的产值下降了23亿加元。,6,莫斯科大停电事故

2、,电力系统概况,事故损失：影响人口150200万，经济损失在1520亿美元之间。,7,中国电力工业在世界上的地位,电力系统概况,我国电力工业发展和存在问题与国外是一致的。,8,电力系统中传感器技术的应用现状发电,发电厂部分 煤炭、石油、天然气火电 水能水电 核能核电 风能、太阳能、地热等新能源发电 火电是最主要的发电形式，占全国总发电量的82.6%，因此以火电为例，说明传感器技术在发电过程中的重要作用。,9,电力系统中传感器技术的应用现状发电,火力发电厂的基本结构,10,锅炉污水流量测量 问题提出：锅炉产生蒸汽杂质含量不能超标，否则会影响机、炉设备的安全，因此必须定期定量排放锅炉污水，但因其为

3、汽液两相流而难以测量。 解决工具：流量传感器 突破环节： 非标准异形孔板节流技术 两相流流量测量算法的研究 智能化在线检测仪器的研制,电力系统中传感器技术的应用现状发电,11,锅炉污水流量测量系统,电力系统中传感器技术的应用现状发电,异形孔板：解决了两相流差压信号不稳问题 算法：采集差压信号、来流压力和汽包压力三个信号进行计算处理 精度达到2.5%，填补了国内外空白,12,汽轮机涡轮叶片运转状况监测 问题提出：汽轮机的涡轮叶片和发电机相连，高峰时间内需要很高的压力来维持运转，有可能造成疲劳损坏，但过多的限制涡轮运转又会造成效率的降低。 解决工具：动态压力传感器 突破环节： 动态压力传感器的微型

4、化、集成化设计 控制算法的设计实现,电力系统中传感器技术的应用现状发电,13,汽轮机涡轮叶片安全控制系统,电力系统中传感器技术的应用现状发电,压力传感器的输出信号将被转换成频率信号，和研制的转换矩阵对比，给出控制信号控制涡轮运转。,14,母线电流、电压测量 油中溶解气体的测量 分布式温度参数测量 局部放电的在线检测 需要考虑的问题： 选取上述参数介绍的原因？,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,15,电力系统中电流、电压测量的意义 计量：市场化是必然趋势电力系统眼睛 继电保护：保障安全供电的前提电力系统守护神 前述国外大停电事故的关键原因： 电流、电压测量的不够及时准确 后续继电保护设备的不

5、正确动作 解决问题的关键： 电流、电压传感技术,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,16,传统电磁式电流、电压测量方法的原理与不足 电压与电流互感器的主要不同： 匝数不同 二次侧的等效阻抗不同,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,17,存在的不足 磁饱和 动态范围小 绝缘复杂 体积大、重量重 铁磁谐振 易燃、易爆 与电力系统的数字化发展方向相违背,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,18,问题的解决新型传感技术的应用（电子式电流、电压互感器） 电子式电压互感器是指采用电阻分压器、电容分压器及光学装置，利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电子器件作测量信号的传输和放大的

6、装置；而电子式电流互感器则是采用传统电流互感器、霍尔传感器、Rogowski线圈或光学装置作为一次转换部分，利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电子器件作测量信号的传输和放大，具有模拟量电压输出或数字量输出的设备。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,19,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,电子式电压互感器的分类,关键问题：传感技术的应用研究,20,电子式电流互感器的分类,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,关键问题：传感技术的应用研究,21,基于Faraday效应的电子式电流互感器,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,原理图,结构图,22,电力系统中传感器技术的

7、应用现状输配电,电流互感器实物图,问题： 温度变化引起Verdet常数变化导致测量误差； 双折射效应影响测量精度； 光学部件性能难以保证长期运行的稳定性； LED发光波长随温度变化，进而导致Verdet常数变化。 结论：光学材料的性能难以满足长期运行稳定性的要求，因此近年的研究集中到了传统技术+光纤传输信号型。,23,传统技术+光纤传输信号型,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,输出信号是正比于母线电流的电压信号，必须处理后通过光纤传输下来，因此又叫有源型。,24,优点：长期运行的稳定性较好。 问题： 1. 传感头部分电子电路的供能问题； 2. Rogowski线圈的几何特性研究不够深入；

8、3. 温度变化导致线圈截面积变化，从而影响测量结果； 4. 电子线路的设计要满足高精度、高可靠性的要求。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,25,基于Pockels效应的电子式电压互感器 Pockels效应是指光学介质在外加电场的作用下，其折射率线性地随外加电场变化。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,LED发出的光束聚焦后由起偏器输出线偏振光，在外加电压的作用下，线偏振光的两个相互垂直的偏振分量产生相位差，线偏振光变为椭圆偏振光，经过/4波片引入/2相差。输出光强与外加电压间有确定函数关系，从而求得电压大小。,26,传统技术+光纤传输型,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,电阻上输

9、出与母线电压成正比的电压信号，经高压侧电路处理后经光纤传送到低压侧，也是有源型。 问题：温度的影响；高压侧电路的供能问题；缺乏现场长期运行的经验；边缘效应、不同轴度等影响测量的误差因素需更深入分析。,27,几个关键问题的讨论 供能方法的问题 长期运行的稳定性问题 组合式互感器的研制问题 电子式互感器的校验问题 与现有继电保护设备的接口问题,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,28,油中溶解气体含量的检测 1）充油电力设备的广泛应用： 电力变压器 电力互感器 充油电力开关等 2）油中溶解气体测量的重要性 能够较敏感地反映设备绝缘缺陷 3）检测方法 离线式、在线式,电力系统中传感器技术的应用现状

10、输配电,29,离线检测方法色谱分析的方法 当油样中的溶解气体被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，虽然载气流速相同，各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定时间的流动后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的讯号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰。 问题： 分离时间长，离线检测，不利于故障的及时检测,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,30,在线检测的重要性 及时反映故障的发展过程 能够合理分配检测周期，避免过度检测或过欠检测 关键技术 气体传感器的研制 技术难点 多组分含量的检测，某些成分是微量时的检测 现场

11、强电磁干扰下的准确测量和重复性问题,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,31,油中溶解气体的在线检测 检测气体种类： 氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等 常用传感器： 半导体气敏传感器 催化燃烧型传感器 燃料电池型传感器 光敏气体传感器,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,32,半导体气敏传感器 金属氧化物半导体气敏传感器：利用待测气体与半导体表面接触时，电导率的变化来检测被测气体含量，通常由SnO2构成。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,问题：交叉敏感；解决方法：智能化传感技术,33,阵列式检测系统 解决问题的关键： 1）不同选择性的传感器构建传感器阵列 2）人工神

12、经网络技术的应用,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,34,测量结果 1）能够实现对六种单一气体的测量 2）特别是对乙炔气体的分析结果能够满足现场应用需求 3）对混合气体的测量还有待深入研究,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,35,催化燃烧型传感器的应用 在一根铂丝上涂上燃烧型催化剂，在另一根铂丝上涂上隋性气体，两根铂丝阻值相等，外加两个电阻，组成桥式检测回路。当与可燃气体接触时，一根铂丝发生无烟型燃烧反应，另一根铂丝不发生燃烧，从而使电桥失去平衡，输出一个电信号，其大小与可燃气体的体积分数有关。此法测到的是可燃气体的总量，且由于元件对气体中不同组分的灵敏度不同，各组分燃烧的彻底程度也不

13、同，测试结果是各种因素的综合效应。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,36,燃料电池型传感器的应用 传感器由电解液中的两个电极组成，由于电化学反应，氢气在一个电极上被氧化，氧气在另一个电极上形成，电极提供电子转移的通道。电化学反应所产生的电流正比于氢气的浓度。 燃料电池型传感器主要用于氢气单一组分的测量，检测精度较高，但造价也高，且由于气体中会含有较多的CO和少量的C2H4以及C2H2等，因而测到的是H2、CO、C2H4、C2H2的总和。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,37,光敏气体传感器傅立叶红外光谱仪的应用 工作原理：待测气体池置于迈克尔逊干涉回路中，动镜移动时探测器上得到强度

14、不断变化的干涉波，对其进行傅立叶变换，可得到各频率对应的光强。通过计算（主要是除去背景光谱的影响）可以得到样品吸收光谱，根据吸收光谱即可得到气体组分和含量。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,38,方法存在的问题： 对低浓度气体定量分析困难 吸光度和浓度间的非线性问题 背景光谱的干扰问题 解决方法 实测吸光度和浓度间的关系，建立函数关系来修正测量结果 采用小波变换等技术对背景干扰的影响进行分析以消除其对测量结果的影响,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,39,以测量乙炔浓度为例,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,2.4m气体池,10cm气体池,2.4m气体池检测的是0.3ppm浓度乙

15、炔含量的谱线 10cm气体池检测的是3ppm浓度的谱线,40,分布式温度参数的测量 应用背景： 变压器绕组热点温度的检测 线路绝缘子表面温度的检测 电力电缆温度的分布式检测 意义： 及时反映绝缘状况，及早维修更换 现状： 非接触式的测量，点测量,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,41,以变压器绕组热点测量为例 现有方法： 非接触式测量、间接法 工作原理： 基于国际电工委员会的IEC354导则，通过检测负荷电流以及顶层或低层油温，利用导则中给出的简化模型即可计算出热点温度 。 问题： 模型的可靠性及合理性影响测量结果,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,42,改进方法 智能化传感技术，结合

16、其他多参数检测结果综合判断绕组热点状态。,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,问题：依然是通过计算获取热点状态，难以达到直接测量温度的可信性,43,分布式绕组热点温度检测技术,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,两路通道分别检测拉曼和瑞利背向散射光，通过计算机可算出多点的温度和位置,44,技术指标 2km长的光纤上可采集1000个点的温度信息 测温范围：-50 C 150C 精度：2 C 光纤外覆以金属涂层可测到600 C 应用到电力变压器中存在的问题？ 为什么分布式？ 直接测量的优缺点？,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,45,电缆故障中分布式温度检测系统的应用,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,连接结构示意图,测量结果,能够实现快速准确的测量，不受电磁干扰影响； 最大误差：1m,46,局部放电的测量 应用背景： 电力变压器 电力互感器 气体绝缘组合电器 其他各种高压设备 意义： 对设备放电性缺陷反映最为灵敏 难点： 在线环境下局部放电量的测量 局部放电位置的确定,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,47,以现场环境下变压器局部放电点的定位为例,电力系统中传感器技术的应用现状输配电,光纤超声传感器工作原理,利用光的弹性效应（即在声压作用下光纤被压缩，从而在作为光纤材料的石英玻璃内折射率发生变化的现象），由于光纤的折射率发生变化，在内部传播的光速就发生变化，所以