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采用傳感器技術測量智能電網上的電能

時間:2019-01-23 16:40:44來源:網絡 作者:admin 點擊:次
智能電網所需的設備，如公用事業儀表和可再生能源以及設備監控系統，需要準確地感知能源消耗。已經開發了許多技術，其允許有效地測量電功率，每種技術都具有其自身的優點和

智能電網所需的設備，如公用事業儀表和可再生能源以及設備監控系統，需要準確地感知能源消耗。已經開發了許多技術，其允許有效地測量電功率，每種技術都具有其自身的優點和缺點。本文將電流互感器，Rogowski線圈，霍爾效應傳感器和電阻分流器作為能量測量的選項。

電氣設備消耗的能量已成為一個主要問題，它正在推動大型政府計劃，如英國的智能電表推出，這將在不到兩年的時間內真正啟動。每個電子智能電表都需要準確的方法來確定電流消耗。這種需求正在擴展到越來越多的系統，這些系統將連接到智能電網，例如可再生能源和白色家電和數據中心計算機，以便用戶可以跟蹤他們的能源使用情況。

在數據中心，業務用戶希望能夠使用單個機器或機架的實時電源使用信息來指導如何在其中分配作業。在家中，用戶可以監控重要的能源消費者，并使他們在高關稅期間自動停用或停滯。功率傳感器設計者面臨的問題是哪種技術最適合應用。

有四種基本類型的傳感器技術可幫助確定電能：電流互感器，Rogowski線圈，電阻分流器和霍爾效應傳感器。需要使用哪一個取決于部署，該站點是從單相，分段階段還是從分配系統使用的所有三個階段獲取電力。

美國的家庭通常使用分相供電，可提供120 VAC或240 VAC。該架構通常要求電流互感器作為能量傳感器。歐洲的商業和大型住宅用地采用三相供電。單個家庭通常是單相的，可以使用簡單的分流電阻傳感器實現儀表。三相系統將采用電流互感器或Rogowski線圈，后者傳統上更適合大型安裝。

電流分流器是最簡單和最便宜的選擇，因為它只是一個低值電阻器，放置在從公用設施到房屋的電氣連接上。分流電阻兩端的電壓降與電流及其頻率成正比。但是，這種簡單的設置有缺點。電流分流器本身需要很大，以便處理主電源中固有的高電流。即使這樣，自然加熱和它所吸收的能量也會產生問題，這就是為什么這些分流器傾向于用于較小的家用設施。

為了限制功耗，電流分流器應具有數百微歐姆的電阻。因此，用于檢測電壓降的信號調理電路必須處理相對較小的值，通常小于10μV，要求使用敏感的運算放大器來增強信號。

寄生電感還可以在低功率因數下引入顯著的相移，足以導致大的測量誤差。然而，這個問題已經通過旨在維持高功率因數的法規得到了一定程度的改善。

采用傳感器技術測量智能電網上的電能

圖1：電流分流器的原理。

有些電阻器設計用于電流檢測，采用“開爾文”配置，例如Ohmite的高功率TGHG系列，針對精密傳感和低功耗LVK系列進行了優化。這些是具有四個端子的電阻器，使得能夠通過兩個相對的引線施加電流并且在另外兩個引線上測量感測電壓。開爾文配置有效地消除了引線的電阻和溫度系數，有助于在沒有大電壓降的情況下保持精度。

為了在多相情況下使用，電流分流器需要隔離，但它們具有通過使用強磁場而對篡改具有合理免疫力的好處，這會影響一些其他電流測量技術。由于其低成本，電流分流器可能用于非公用事業儀表，用于測量由家庭或辦公室中的電網供電的設備的能量消耗。

光耦合器提供了一種在電路中建立隔離的方法。為了簡化隔離任務，ADI公司提供iCoupler系列。這些集成變壓器構建在CMOS基板之上，在該系列的isoPower成員的情況下，包括變壓器以將功率耦合到隔離屏障的另一側。這消除了在屏障的任一側構建單獨的電源的需要。

內置隔離的傳感器是電流互感器。它具有初級繞組磁芯，其通常由鐵制成，并具有次級繞組。在初級中流動的AC在核心中產生磁場，該磁場在次級中感應出AC，其可以通過其所連接的電路來測量。對于公用事業儀表，電流互感器的正常形式是窗式，例如Talema集團的AC1050。通過窗式變壓器，導體穿過鐵芯的中心，提供單匝繞組。

電流互感器通常具有需要補償的小相位失真，尤其是在應用需要更復雜的測量時，例如無功和諧波能量測量。然而，電流互感器通常提供精確的電流讀數，并且適用于高電流系統，因為它不受電流分流器的自熱效應的影響。

電流互感器有缺點。導體必須分開，以便電流傳感器可以滑到其上，這使安裝變得復雜。核心也容易被強大的永久磁鐵篡改。通過使鐵芯飽和，用戶可以確保傳感線圈不會拾取由電力線產生的AC場。 Rogowski線圈通過采用空芯來避免鐵芯飽和的問題，空芯在強大的外部磁場的存在下不會飽和。 Rogowski線圈的另一個優點是它不需要與導體直接接觸，線圈只需要纏繞導體。

Rogowski線圈電流傳感器的輸出與通過它的AC電流的一階導數成比例。結果，傳感器的輸出需要在它可以乘以初級電壓之前進行積分，以提供功率讀數。因此，Rogowski線圈不能直接替代電流互感器，因為信號調理電子設備需要提供集成功能。工程師可以選擇是否使用模擬集成，通常基于運算容－源－電－子－網－為你提供技術支持

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