智能化中压开关柜的在线监测和传感器技术1 概述现代电网发展趋势是大容量，高电压。

国外输变电设备电压已达到1000KV，我国从八十年代开始进入大电网，超高压时期，输变电设备电压已达500KV，最近开始西北地区黄河上游水电深度开发，国家电力公司已批准第一条750KV输电线路。

现代电网发展的第二个特点是小型、紧凑化。

由于信息社会进一步发展，大城市对电力的需求持续增加，必须把高电压深入到城市中心，才能满足这种持续增长的需要及减少输电损耗。

日本已将500KV系统引入城市中心部位，由于城市中心人口密集，变电站等电力设备的建设用地受到限制，所以建设了地下变电站，它处于高层建筑地下，有效地利用了空间。

现代电网发展的第三个特点是配电系统自动化（即电网运行的保护、控制、监测、故障预测、通讯和记录的自动化）及高可靠性。

高压开关设备是输配电网的主要设备，配电自动化与一次设备开关密切相关，配电网自动将故障地段自动隔离，继续对非故障地区供电，和网络系统优化，都是通过计算机分析后计算，最后对一次设备开关进行远方操作来实现。

因此为了满足配电自动化及可靠供电，一次开关应具有传统电器难以实现的功能。

1. 微处理机控制测量技术（a）数字化控制测量技术（b）功能一体化（c）控制、保护智能化（d）网络化2. 高压开关设备的在线监测功能（a）开断电流加权累计，即统计∑αI值（b）合分闸线圈电流波形监测（c）监测行程及合、分速度（d）气体断路器的内压力（e）母线连接处的异常温升报警2 开关设备的传感器传感器是一种装置，它能将运行中的开关设备的电量和非电量转换成可以测量的电量，然后经过分析处理，使开关设备完成保护功能及高可靠运行。

2.1 电流和电压测量保护用传感器；由于数字式继电保护器需要极小的输入功率，可以使用非耗能型传感器。

（a）电阻式分压传感器或电容式分压传感器（b）罗柯夫斯基线圈电流传感器或小信号电流传感器2.2 非电量转换成电量的传感器（a）温度（b）压力/ 密度（c）位移或旋转角度（d）弧光（e）湿度（f）位置2.3 智能化配电开关的传感器组件一方面为满足配电自动化需求及本身高可靠、免维护要求，开关装置必须具有多种多样的功能及专用功能，另一方面严峻的成本又使该装置，调试过程都要优化，降低成本，增加功能及更多的使用成本极低的微处理机和存储器。

例如，通过一次侧电流电压测量，借助计算软件，完成各种电气量显示及保护功能，通过断路器分合闸状态测量，由软件完成连锁功能，完成电量（电流和电压）和非电量转换的各种传感器应具有与电子器件相匹配的输出接口（见图2-1）。

智能化控制系统及在线诊断系统组成的电子器件模块及软件完成断路器的运行控制及状态管理。

传感器被安装在开关装置及断路器的合适位置，分布地点可分散，传感器所处电路可以是高电位，也可能处于低电位，而智能控制系统及在线诊断系统一般置于开关装置仪表箱（低电位）。

所以监视的状态量或电流、电压量就地转换成光信号，经过光纤传输到在线诊断系统及智能控制系统中处理、分析，不但解决了不同电位的信号传递问题，利用光纤传输还可以提高抗干扰能力。

例如，将温度传感器置于发热的高电位导体上，就地将温度转换成光信号，经光纤传递到处于地电位的监视、分析系统。

图2-1 智能化电器中的传感技术3 电流和电压测量传感器3.1 电阻分压器与电容分压器3.1.1 电阻式电压分压器(图3-1)由于测量系统输入阻抗一般为1M Ω以上，因此它对电阻式电压分压器影响极小，如果是12KV 或40.5KV 系统，完全可利用图3-1所示的电阻式电压分压器，将一次电压变换成5V-10V ，分压比为K ，22121R R R U U K +==;由于测量系统输入阻抗＞1M Ω,所以R 2一般取10K Ω左右,T V是过电压保护装置,一旦出现R 2损坏,可以限制U 2电压升高,保护测量系统。

图3-2显示了德国西门子公司使用的电阻分压器(DUROMER GmbH 型GST10),其参数如下:最大操作电压:12KV 绝缘水平:28/75KV 一次额定电压:10KV/3为了提高电阻分压器的精度,必须采用合理结构及参数。

一般在分压器的高电压端加设高压屏蔽罩,增加高压引线对分压器本体的杂散电容,可以抵消分压器本体对地杂散电容C G 影响。

在低压侧加设低压屏蔽罩则起到控制分压器本体对地杂散电容值。

而且要合理选择R 1大小，如果R 1太小，分压器则会流过更多电流，致使热损耗太大，不利阻值稳定，如果R 1太大，负载回路会影响分压器的分压比。

3.1.2 电容式电压分压器电容式电压分压器的构成见图3-3一次母线与中间电极之间电容C 1，为高压臂；中间电极对地电容及R 2组成低压臂，一般C 2的值很小，因此可求出输出电压:1111112E R C dtdE R C E ⋅⋅⋅=⋅⋅=ω日本三菱电容式分压器(图3-4)的参数： 额定一次电压（Vm ）：3275⋅KV 频率：50HZ ，60HZ 精度：IP级3.2 罗柯夫斯基线圈电流传感器罗柯夫斯基线圈是将导线均匀地绕在一个非铁磁性环形骨架上，一次母线置于线圈中央，因此绕阻线圈与母线之间的电位是隔离的。

如果母线电流I （t ），线圈匝数N ，线圈横截面积S ，线圈半径r ，则在线圈上产生的感生电动势为：dtt dI r S N dt t d t e )(2)()(0⋅⋅⋅-=-=πμϕ ………… （3-1）式中μ是空气（或真空）磁导率。

由罗柯夫斯基线圈测量回路的等效电路图（图3-5，图中：R L 线圈电阻，L 线圈自感，R 0信号电阻），得到：)()()()(0t i R R dt t di Lt e L ⋅++= ………… （3-2） 因此I N L ϕ=，S ⋅=βϕ，H ⋅=0μβ，r IN H π2⋅=，所以:dtt dI N L dtt dI I S B dt dI H IS dt dIr I N I S dt t dI r S N t e )()()2()(2)(000⋅-=⋅⋅-=⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅-=μπμπμ …………(3-3)计算得出)()()()(0t i R R dt t di L dt t dI N L L ⋅-+=⋅-………… （3-4）因为L 很大，即：dt t di L)(>>)()(0t i R R L ⋅+由（4）得出：)()(t i N t I =-………… （3-5） 所以在信号电阻R 0上输出电压为:002)()(R N t I R t i u ⋅-=⋅=一次电流02)()(R t u N t I ⋅-= ………… （3-6）归纳起来罗柯夫斯基线圈电流传感器具有如下特点：（1）在L 很大时，一次电流 02)()(R t u N t I ⋅-= （2）误差: ＜1%，（在补偿情况下可达0.2%）（3）带宽: 从几Hz 到MHz （3）线性范围: 一直到大于短路电流时才饱和3.3 小信号电流互感器常规电流互感器用于运行电流和短路电流时需要使用不同的线圈,以避免铁心饱和。

由于电子技术进步，对被处理信号的能量要求极小，因此可以使用小信号电流互感器完成运行电流和短路电流的转换。

小信号电流互感器等效电路示于图3-6Ω≅1βR ，铁心 μ＞01000μM 是感性耦合4 非电量数字式传感器4.1 温度传感器4.1.1 PN 结温度传感器当P 型半导体材料与N 型半导体材料接触时,在接触面形成PN 结,利用PN 结的温度特性制成的温度传感器称为PN 结温度传感器。

当PN 结上施加电压v,则在PN 中流过电流i,v 与i 存在下面关系：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅⋅+-⋅-=τA B L q i qT k V V G lg lg 2)30.2( …………（4-1）式中 k:波尔兹曼常数 T ：绝对温度 L ：截流子扩散密度 q ：单位电荷（19106.1-⨯库）A ：PN 结的有效横截面积B ：2316108.3T ⨯， τ：截流子寿命 qV G :禁带宽度在一般情况下，[ ]中的项与温度的关系可以忽略，得到KT V V G -≈ ………… （4-2） (4-2)式中K 是系数，在电流一定时，K 是常数，∴v 与T 呈线性关系。

例，PN 结S ，正向电压V 与温度T ，在40～300K 的范围里呈现良好的线性（在电流 i 一定时）。

图4-1是PN 结温度传感器的应用原理图。

4.1.2石英晶体温度传感器天然石英晶体经过特定方向的切割后，可以发现振荡频率与温度有一定关系，采取特殊的切割可以加强这一变化，因此利用f-T 特性可以用来测温。

石英晶体有X ，Y ，Z 三个结晶轴，如切片平面用x ，y 描写，则x 轴Z 轴的夹角为θ，y 轴X 轴的夹角为ϕ，则得到：])()()(1[302000t t C t t B t t A f f t -+-+-+= ………… （4-3）A,B,C 分别为与切割角度有关的常数，与θ、ϕ有关。

f 0是在t 0温度下的振荡频率。

如果满足θ=︒4.9，ϕ=︒6.11则：在-80～250℃范围内 61035-⨯=A /℃，B=C=0， ∴ （4-3）式为：)](1[00t t A f f t -+= ,t f 与t 成正比。

设0t =0℃时，f 0=28.208 MHz ，代入A ，得到频率灵敏度为987.3Hz/℃，即温度变化1℃，频率变化近1000Hz ，分辨率为0.001℃,石英晶体温度传感器在-80～250℃间的基本误差在±（0.04～0.075）℃,稳定性约±0.007℃/每月,故具有相当优越的精确度和稳定比,由于所测量是频率,很容易和计算机配合。

普通Y 切（例如YXL/0°）型的温度传感器非线性比较大，此时A=92.5⨯10-6/℃,B=57.5⨯10-6/℃,C=5.8⨯10-6/℃,非线性度(50±=∆f ℃时): N%=12.5,此时测温范围较宽时,则需要适当的方法减少非线性,其方法之一是分段进行修正。

4.2 压力/密度传感器4.2.1 半导体压力传感器金属应变式传感器的核心元件是金属应变片,应用时将应变片粘贴固定在被测试品的表面,当试品受力变形时,引起应变片电阻值变化,由测量电路将其转换为电压或电流信号输出。

金属应变传感器的固有缺点是灵敏系数较小，所以上世纪五十年代出现了半导体压阻式传感器。

当半导体小条（沿晶轴方向切的小条）沿纵向受到应力δ时，半导体纵向电阻变化为ελδλE==∆ ………… （4-4）式中：λ——半导体晶体纵向系数E ——半导体弹性模量应变引起半导体小条电阻率变化由下式描述：∆≈∆++=∆δμ)21(R R ………… （4-5）式中：μ是材料泊松系数（1+2μ）几何形状变化对电阻影响。