智能化中压开关柜的在线监测和传感器技术.doc

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。电流和电压传感器状态传感器 智能控制系统保护控制通讯测量计量监视（分合闸线圈）在线诊断系统温度湿度压力密度 （控制和管理系统）智能化开关设备断路器图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，;由于测量系统输入阻抗1M,所以R2一般取10K左右,TV是过电压保护装置,一旦出现R2损坏,可以限制U2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: 二次额定电压:3.25V/分压比:3,7001额定频率:50/60HZ带宽:01000HZ精度:1/3 P级最大操作电压:12KV绝缘水平:28/75KV一次额定电压:10KV/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CG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R1大小，如果R1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R1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C1，为高压臂；中间电极对地电容及R2组成低压臂，一般C2的值很小，因此可求出输出电压:日本三菱电容式分压器(图3-4)的参数：额定一次电压（Vm）：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： （3-1）式中是空气（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：RL线圈电阻，L线圈自感，R0信号电阻），得到： （3-2）因此，所以: (3-3)计算得出 （3-4）因为L很大，即： 由（4）得出： （3-5）所以在信号电阻R0上输出电压为:一次电流 （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 （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3-6，铁心 M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： （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（库）A：PN结的有效横截面积 B：， ：截流子寿命 qVG: 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 （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40300K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，y轴X轴的夹角为，则得到： （4-3）A,B,C分别为与切割角度有关的常数，与、有关。f0是在t0温度下的振荡频率。如果满足=，=则：在-80250范围内 /，B=C=0， （4-3）式为： ,与t成正比。设=0时，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-80250间的基本误差在（0.040.075）,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=92.510-6/,B=57.510-6/,C=5.810-6/,非线性度(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）沿纵向受到应力时，半导体纵向电阻变化为 （4-4）式中： 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： （4-5）式中：是材料泊松系数（1+2）几何形状变化对电阻影响。在硅单晶材料同时受纵向及横向应力时，电阻变化率为： （4-6）式中： 半导体纵向压阻系数，纵向应力 半导体横向压阻系数，t横向应力图4-2为压阻式传感器，圆形硅膜片均匀受力，因此各点的径向应力r和切向应力t分别为： (4-6.1) (4-6.2)式中：r0 ,r,h硅片有效半径、计算半径、厚度；-硅材料的泊松系数（=0.35）；P压力。（1）r=0.635r0时, =0 （2）r0.635r0时, 0 为拉应力（3）r0.635r0时, 0 为压应力 （4）r=0.812r0时, =0, 仅有存在如图4-2,如果沿110晶向,在0.635r0半径内、外各扩散两个电阻。110晶向的横向量001因为=， 式中：纵向压阻系数，剪切压阻系数，横向压阻系数因此，每个电阻的相对变化率为： (4-7) 内、外电阻的阻值相对变化为式中，是内、外径向应力平均值，为了组成差动电桥，可以选取适当电阻位置，使=-，从而可以满足=-利用电桥组成半导体压阻传感器检测回路,可以检测出电阻变化值,从而决定压力大小,见图4-3。无差压时,左右桥臂有差压时,故不变,b点电位上升,同样a点电位下降;电压输入到放大器A,经T转换成319mA,通过负反馈电阻,使b点电位下降,直至a、b两点电位接近，变送器的总电流为420mA，其电流反映了差压，可传至远方。4.2.2 光纤压力传感器光纤由纤芯、包层和涂敷层组成，纤芯材料主要是二氧化硅，直径约575；包层有一层、二层或多层，其直径为100200；纤芯折射率略高于包层折射率，光纤中传播的光满足全反射原理，保证光限制在纤芯中传输。光纤具有良好的传光性能，对光波损耗低于0.2dB/Km;其次,光纤具有特别宽的频带;第三,它本身就是一个敏感器件,这样可利用其对磁场、电场、电流、压力与振动等敏感性，研制成光纤传感器。图4-4是光纤膜片弯曲传感器示意图，光通过截面排成圆周形的导光束后，射到膜片上，这部分称为照明光束；紧靠照明光束内侧的光称为采样光束。） 压力为零时，膜片是平面，在内、外两侧的采样光束信号强度相等；） 若膜片承受正压为凹形，外侧采样光束信号内侧采样光束信号；） 若膜片承受负压为凸形，内侧采样光束信号外侧采样光束信号；将内环、外环光束分别由两个光电管接收，并输入减法器，这样可测出外压力大小。通过改变膜片厚度和材料，可以获得各种测量范围的光纤压力传感器，目前最大已达到0500kpa(0.5pa)。4.3 无触头位置传感器在开关装置中,为了确保电气运行的安全性,必须处理许多位置信号,即检测装置发出和指示位置。例如，当机构到达终点位置时，隔离开关和接地开关的驱动电机必须断开，并且“位置信号”置位。例如，断路器分、合位置检测。在传统的开关设备中使用辅助开关，由于受到环境污染（包括霜），触头老化，经常会使辅助开关接触不灵，甚至失效。ABB集团公司所属Calar-Emag公司已使用无触头感应开关，即接近感应开关取代传统的辅助开关，见图4-5。感应式位置开关的基本原理是导电材料中涡流损失引起谐振回路品质因素Q下降，导致振荡衰减这一原理。LC振荡回路产生高频电磁场，在传感器的操作面处呈现较强（图4-6）。当有一导电材料（被测工作元件）接近操作面，由于高频电场在导电材料中产生涡流，消耗了振荡回路能量，其结果振荡幅值减小，送入后面脉冲形成级，脉冲形成级根据输入振荡幅值大小，产生控制脉冲，输入晶体管驱动级，在晶体管驱动级产生一个1030V的信号，装在传感器的发光二级管显示受控状态；在另一端面，利用一根三芯聚脂绝缘导线提供工作电压，并获得被测信号。l l 传感器为金属圆柱形，一端是实现动作的“操作面”，另一端引出连接线。l l 传感器完全密封，不受灰尘和腐蚀性气体等外界环境的影响，性能稳定。传感器带外螺纹，所以安装方便。l l 不会发生触头熔焊，也不受电压击穿或振动的影响。l l 通过选择操作面位置实验，传感器可以精确地确定操作位置。4.4 位移传感器与旋转角度传感器断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大,适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用，但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能，反而会加重操动机构的负担；同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此，对断路器触头的位移、速度特性的测量及在线监测是很重要的。由于电压等级不同，灭弧介质不同，断路器的位移量、速度大小差异相当大，为了完成正确测量，必须选取合适的位移传感器。4.4.1 线形梯度磁场传感器霍尔片两侧面通过电流I，在垂直方向加磁场B，则在霍尔片两横端面之间建立了霍尔电场，相应的电势称霍尔电势（图4-7），如霍尔片是N型半导体材料,可求得 (4-8)式中: 单位体积中的电子数 I 电流强度B 磁感应强度 d 霍尔器件的厚度引入霍尔元件的灵敏度,单位为（），它表示在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势大小，则。现将霍尔片固定在断路器运动部件上，在霍尔片上加一个恒定的控制电流，使装有霍尔片的运动部件在线性梯度磁场中运动，则在霍尔片上建立了电压，只要测出霍尔片上的电压，就可求得触头任一瞬时的行程，即可完成断路器的触头的行程和速度测量。所列文献给出了产生梯度磁场的原理。在图4-8示出的两个线圈中通入电流，则在两个线圈中间产生了梯度磁场，当线圈采用细导线均匀绕在完全相同的导磁体上，可以求得线圈间的磁场强度沿x方向的变化： (4-9)式中： f 单位长度线圈磁势； 导磁体在x处磁场强度； g 导磁体的比磁导； b 导磁体的宽度。当线圈均匀，导磁体材料的导磁率较高，而且在线圈间距离较小时，即在线圈间磁场近似线性梯度磁场。前面已提到断路器电压等级不同，灭弧介质不同，其触头行程是不同的，例如：110Kv GIS断路器触头行程是120mm,10Kv真空断路器触头行程是10mm。可以按触头行程行程大小，根据上面原理设计线性梯度磁场，以满足测量位移、速度的要求。4.4.2 差动螺管式电感传感器图4-9是差动螺管式电感传感器示意图。单线圈螺管型电感传感器仅有一只螺管线圈和一根圆柱铁芯，当线圈用恒电流源激励时，铁芯在线圈中伸入x长度的变化，引起螺管线圈电感值的变化，所以线圈的输出电压是与铁芯的位移是密切相关的。单线圈螺管沿轴向磁场分布由下式给出： (4-10)式中：是螺管线圈长度；r是螺管线圈半径。为了提高灵敏度与线性度，可以采用差动螺管式电感传感器，其沿轴向的磁场强度分布为： (4-11)该式的曲线示于图，从图中可看出：铁芯长度在0.6区间内，具有较好的线性度。一般差动螺管式电感传感器的测量范围为550mm，非线性误差在0.5%左右。4.4.3 旋转光电编码传感器利用增量式旋转光电编码传感器可以完成转动角度及方向的测量,增量式旋转光电编码传感器结构原理示于图4-11。增量式编码一般只有三个码道（A道、B道、Z道），A道与B道相差90，每周的码条数可以根据测量分辨率选取，Z道每周一条，用来确定旋转次数。当轴转动时，编码器输出A道、B道两路相位差90角的正交脉冲，输入信号处理电路，从A道、B道两信号的相对位置可确定转轴的转动方向，如果A道先于B道，为正旋转，而B道先于A道为反旋转。再通过加、减计数器对A道、B道两路信号计数，能得到转动角度大小及方向，从而可以测出断路器运动部分运动及反弹情况。一般把旋转式光电编码器安装在断路器或操动机构的转轴上，安装起来较为方便。如果使用直线光电编码器（只是A道和B道，且A道与B道相差90），由于直线运动有一定距离，所以安装起来比较麻烦。4.5 湿度传感器空气中水蒸气的含量称湿度;湿度不但与人的日常生活有密切关系,而且与工农业生产也密切相关，如精密仪器、半导体集成电路器件生产场所必须严格控制其湿度。湿度对高压电器产品的性能影响也十分显著，因此严格规定了高压电器产品工作环境的“湿度”要求，以保证高压电器产品的良好技术性能，例如为了提高绝缘水平，GIS全封闭组合电器中充入的SF6气体在GIS产品运行过程中，也必须严格控制SF6气体含水量，因此在运行过程中，也应该监视SF6气体含水量。当SF6气体微水含量达到一定程度时，会导致开断失败或内部击穿，而且电弧作用生成的SF6气体分解物，在水解反应作用下会产生有毒性物质HF和SOF2，它会腐蚀绝缘件和元件，造成固体绝缘体水平显著下降，甚至闪络。实验表明20C的SF6气体，当相对湿度达到3%时，固体绝缘的闪络电压开始下降。因此标准对SF6新气和运动中的SF6气体微水含量有严格规定（见下表1）。至今已研制出许多湿度传感器投入市场，如用陶瓷电解质和聚合物材料的湿度传感器。半导体结型或MOS型湿度传感器则基于半导体制造工艺，它是全硅固态湿度传感器，由于它比较有利于传感器集成小型化，所以发展迅速。表1 SF6气体中气体状态IECGB及DL新气12265设备间隔中有电弧产生不大于厂家标准150/300无电弧产生500/10004.5.1 MOS型湿度传感器MOS型湿度传感器是在MOS场效应管的栅极上涂覆一层湿敏薄膜,再在湿敏薄膜处引出一电极,而构成MOS场效应管湿敏器件。这种湿敏器件的等效电路图示于412，如果在栅极上施加一个直流电压U0和一个直流电压，可得到输出电压UOUT与相对湿度关系： (4-12) 式中： U0 施加于栅电极上交流电压 gm 场效应管的跨导RL 与漏级相连接的负载电阻 Ci 绝缘层电容C3 由环境决定的相对湿度这种湿度MOS场效应管具有良好的精度，其湿滞小于3%RH，而且响应时间小于30S。4.5.2 电容式高分子湿度传感器在一对电极间,填入有机物高分子薄膜,如醋酸丁胺纤维素、聚酰亚胺、硅树脂、玻璃陶瓷，当这些物质吸附了水蒸气，会使极间电容发生变化，可以由下式表示：式中：为真空介电常数；为相对湿度u%RH时高分子的感湿膜厚。感湿材料吸湿后，发生变化，即引起C值变化。实验表明，醋酸丁胶纤维素具有良好的感湿特性，这些材料在吸湿过程中，产生的湿滞回差1.5%RH，且湿度系数也非常小（小于0.1%RH/C）；因此这些感湿材料能随周围环境相对湿度（RH）的大小成比例的吸附或释放水分子，见下表RH%工作温度精度响应时间（S）湿度系数%0100-40120I1%120.05图4-13示出了电容值与RH，环境温度的关系,因此可应用电容频率变换电路，由测得的频率求得微小的电容值变化，最终由电容变化求得对应的相对湿度值（即微水量）。由于传感器高分子感湿聚合物在直流电流作用下会失效，因此设计电路时不能应用直流电源供电，应设计成多谐振荡电路进行相应信号转换。为了在线测量开关装置中SF6气体微水含量，可以将传感器安置在开关本体上面密度继电器接口处，当然最好在设计SF6装置时，把安装高分子微水量传感器的位置及安装结构列入。5 开关设备使用传感技术的优点5.1 使用新型电流和电压传感器可以使用同一个传感器完成电流测量和保护。用户设备的运行电流不会影响开关柜的二次系统性能。没有功耗影响，可采用普通接线技术。它适用于数字式保护和遥测系统的接口技术。新型电阻式分压器不会发生铁