代新型传感器由于具有抗电磁干扰好、无铁磁饱和、频带宽及体积小等优点，在电力系统、高压电器成套设备中有着广阔的应用前景。文章叙述了新型传感器的原理，介绍了现代新型传感器在中压开关、气体绝缘成套高压开关设备及电力系统中应用.现代电网发展的*个特点是大容量、高电压。国外输变电设备电压已达１０００ｋｖ，我国从１９世纪８０年代开始进入大电网、超高压时期，输变电设备电压已达５００ｋｖ。zui近，西北地区黄河上游水电深度开发已经开始，国家电力公司已批准建设我国兴建*条７５０ｋｖ输电线路。随着电压等级的不断提高，传统高压测试设备，如：电磁式电压、电流互感器的绝缘问题日益突出。
现代电网发展的第二个特点是小型、紧凑化。由于信息化社会进一步发展，大城市对电力的需求持续增加，必须将高电压引入到城市中心才能满足这种持续增加的需要。上世纪末日本已将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，所以将５００ｋｖ变电站建在高层建筑地下，有效地利用了空间。随着高电压引入城市等负荷中心，迫切要求高电压设备，如断路器、变压器、互感器、隔离开关等的小型化。现代电网发展的第三个特点是输配电系统自动化，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。随着计算机的广泛应用，通讯技术、传感技术的飞跃发展，电力系统控制保护技术也发生了重大变化，传统的电磁式继电保护正在向微处理机分级监控保护转变，在电网中心系统管理下，实现分级管理，组成智能化远动终端。电流、电压传感器在电力系统控制保护和监控中起枢纽作用，因此，现代电网的发展对电流、电压互感器不仅提出了小型化、高可*性的要求，还要求它具有高、低压*隔离、抗电磁干扰性能好、频带宽及无铁磁饱和等优点。
１电磁式电流、电压互感器
*以来，在高压电器成套设备及电网中，借助电磁式电流、电压互感器来获得测量、保护信号，这种方法有如下几个缺点：
（１）它是按机电式继电器的要求设计的（比如电流互感器要求输出或１ａ；而电压互感器要求输出１００ｖ），故这种电流互感器、电压互感器需要大的功率输入，功率损耗大，体积亦大；
（２）笨重且价贵。随着输电电压等级的提高，为保证良好绝缘而增大尺寸，故随着电压等级提高，传统的电流、电压互感器体积与成本会成倍增加；
（３）测量使用场合要求信号传递有足够的精度，而在保护场合又要求信号具有大的动态范围。电磁式电流互感器因受铁芯磁饱和限制，通常在使用时，将测量用电流互感器与保护用电流互感器分开处理；
（４）当短路电流过大，致使电流互感器铁芯饱和而使电流信号畸变，因此需要复杂而昂贵的保护装置将畸变的信号修正到它原来的形状；
（５）传统的电流互感器、电压互感器以内部充油的方式来提高绝缘电压，由于密封工艺的难度，经常会发生漏电。
由于上述缺点，在现代电网中，智能化高压电器中继续使用它已不太适合，即传统的电流、电压互感器应向现代电流、电压互感器发展。与传统的电磁式互感器相比，现代高压电流、电压互感器没有铁磁饱和，传输频带宽，具有优良的抗干扰性能，其二次容量仅０．１～５ｖａ，因此尺寸小、重量轻。
２新型电压传感器
２.１光电电压传感器（ｏｖｔ）
外加电场引起介质折射率改变的现象称电光效应。折射率对应电场的函数关系表示为：ｎ＝ｎ０＋ｂｅ＋ｂ１ｅ２＋……式中*项ｎ０与电场无关，为弱电场下的折射率；第二项表示折射率与电场一次方成正比，称一次电光效应（ｐｏｃｋｅｌｓ效应）。一次电光效应只存在于不具有对称中心的２０类点群中，也就是说，压电晶体一定具有一次电光效应。ｋｄｐ类晶体在室温下属４２ｍ点群，单轴晶体光轴为ｃ轴。加电场后，由于电光效应引起ｋｄｐ晶体折射率椭球参数的改变，如果外电场平行于ｘ３轴，ｅ＝ｅ３，则得到如下折射率椭球方程：
ｂ１１０ｘ１２＋ｂ１１０ｘ２２＋ｂ３３０ｘ３２＋２ｒ６３ｅ３ｘ１ｘ２＝１（１）
（１）式中交*项ｘ１ｘ２表明折射率椭球的形状和方位均发生变化，即椭球绕ｘ３轴旋转了α角度。（１）式经过坐标变换后，可得到：＋＋＝１（２）
式中：
ｘ１＝αｉｊｘｊ（ｉ，ｊ＝１２３）ｎ１＝ｎ０－ｎ０３ｒ６３ｅ３ｎ２＝ｎ０＋ｎ０３ｒ６３ｅ３ｎ３＝ｎｅ在ｅ３的电场作用下，ｋｄｐ晶体由单轴晶体变成双轴晶体，折射率椭球在ｘ１ｘ２平面切面由圆变成椭圆，见图１中虚线图形。
图２是ｐｏｃｋｅｌｓ效应测量电压原理图，电场沿ｚ方向，线偏振光传播沿ｚ方向时，不存在自然折射率影响，温度稳定系数较好，而且电光效应引起的相位延迟大，其相位延迟为
φ＝ｎ０３ｒ６３ｅ３ｌ＝ｎ０３ｒ６３ｖ＝π　（３）式中：
ｌ为ｋｄｐ片厚；
ｄ为ｋｄｐ施加电压方向的长度；
ｖπ为半波电压，ｖπ＝?（因采用纵场电光效应，所以ｌ＝ｄ）；ｒ６３为ｋｄｐ纵向效应的一次电光系数。
通过检偏器后，在光电管上得到光强为：
ｉｏｕｔ＝ｉｉｎｓｉｎ（）　（４）　
式中：
ｉｉｎ是输入光强；
ｖπ是半波电压。图３是式（４）函数曲线，如果不加直流偏置电压，很明显输出波形严重失真，输出信号中含有直流分量和偶次倍频分量；在起偏器与电光晶体之间加一个１／４波片（相当于施加一个直流偏置电压ｖ＝?ｖπ），式（４）为：＝ｓｉｎ２＝１＋ｓｉｎ（?ｖ）（５）在施加电压很小时：
ｓｉｎ（?ｖ）≈?ｖ（６）zui后得到：
＝＋?（７）因此插入１／４波片，使工作点偏置到ｖ０＝ｖπ处，信号可以完成对输出光强线性调制，可得到不失真输出。上面提到的是纵向调制方案，也可以采用横向调制的ｏｖｔ方案，江苏省如皋高压电器厂就采用横向调制ｏｖｔ方案，研究出了ｐｏｃｋｅｌｓ效应的１１０ｋｖ新型光电电压互感器，其原理如图４。
偏振光通过晶体方向与外加电场方向垂直，选用ｂｇｏ光电晶体，在外加电场的作用下，其折射率随电场强度线性变化，由ｐｏｃｋｅｓ效应引起的双折射两光束的相位差δ≈?ｖ，（式中ｖπ是电光晶体的半波电压，ｖπ与晶体的ｐｏｃｋｅｓ效应系数ｒ４１、通光波长σ、折射率ｎ０、几何尺寸ｄ（厚度）和ｌ（长度）有关：ｖπ＝?（８）采用干涉法进行间接测量。如图４中，输出的两路线偏振光的偏振面分别与起偏器的透光轴垂直和平行，输出光强分别为：
ｉ垂直＝ｉ１＝（１－ｓｉｎδ）ｉ平行＝ｉ２＝（１＋ｓｉｎδ）（９）可以利用光电变换电路及信号处理电路将式（９）中直流分量和交流分量分离后相除，得到与外加电压成正比的输出信号：
ｓ＝±＝μｓｉｎδ≈μδ＝μｖ，从而求出被测电压信号。
　２.２电阻分压与电容分压器
2.2.1电阻式电压分压器由于测量系统输入阻抗一般为１ｍω以上，因此它对电阻式电压分压器影响极小，１２ｋｖ或４０．５ｋｖ系统*可利用图５所示的电阻式电压分压器，将一次电压变换成５～１０ｖ，分压比为ｋ，ｋ＝＝；由于测量系统输入阻抗＞１ｍω，所以ｒ２一般取１０ｋω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。德国西门子公司使用的电阻分压器（ｄｕｒｏｍｅｒｇｍｂｈ型ｇｓｔ１０），其参数如下：zui大操作电压：１２ｋｖ；
绝缘水平：２８／７５ｋｖ；
一次额定电压：１０ｋｖ／；
二次额定电压：３．２５ｖ／；
分压比：３．７００１；额定频率：５０／６０ｈｚ；
带宽：０～１０００ｈｚ；
精度：１／３ｐ级；
为了提高电阻分压器的精度，必须采用合理结构参数。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ｃｇ，可以抵消分压器本体对地杂散电容影响。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。应要合理选择ｒ１大小，如果ｒ１太小，分压器会流过更多电流，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。
2.2.2电容式电压分压器
一次母线与中间电极之间电容ｃ１为高压壁；中间电极对地电容ｃ２及电阻ｒ１组成低压壁，一般ｃ２的值很小，因此可求出输出电压：
ｅ２＝ｃ１?ｒ１?＝ω?ｃ１?ｒ１?ｅ１日本三菱电容式分压器的参数：
额定一次电压（ｖｍ）：２７５?ｋｖ；频率：５０／６０ｈｚ；
精度：ｉｐ级。
３　新型电流传感器
３．１　光电电流传感器（ｏｃｔ）
光电电流传感器的原理是利用磁致旋光效应，即法拉第效应（ｆａｒａｄａｙｅｆｆｅｃｔ）。
当一束平面线偏振光通过置于磁场的、透明的磁光材料（如铅玻璃等）时，偏振光在外磁场作用下，使偏振面发生旋转，而且偏振面旋转角度正比于磁场强度ｈ沿光传播线的线积分，即：
＝ｖｈ?ｄｌ（１０）式中：
ｖ称为费尔德（ｖｅｒｄｅｔ）常数，不同物质的费尔德常数不同，且与光波波长及温度有关。表１为每安匝下偏转角为０．３１×１０－５ｒａｄ的费尔德常数。对均匀磁场，（１０）式为
＝ｖｈｌ（１１）从（１１）式可得到，偏转面旋转角与磁场（电流）成正比例。如果检偏器的传输轴与出射线成φ角，则在轴线方向电场强度幅值是：ｅ＝ｅｉｎｃｏｓφ　（１２）　由光电管接收的光强正比于电场强度幅值的平方：
ｉ＝ｉｉｎｃｏｓ２φ（１３）为了得到检测的光强正比于电流ｉ，须设置偏置角，因此可求得：
＝ｃｏｓ２（＋）即：
ｉ＝（１－ｓｉｎ２）≈（１－２）＝－ｉｉｎ（１４）式中：
ｉ输出光强；
ｉｉｎ输入光强；
由于很小，所以ｓｉｎ≈。在图８中，由于设置了偏角（在ｂ点），从而检测到的值与法拉第旋转角φ＝呈现不失真线性比例。
３．２罗柯夫斯基电流传感器
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*，因此绕组线圈与母线之间的电位是隔离的。如果母线电流为ｉ（ｔ），线圈匝数为ｎ，线圈横截面积为ｓ，线圈半径为ｒ，则在线圈上产生的感生电动势为：
ｅ（ｔ）＝＝?（１５）式中：
μ０是空气（或真空）磁导率。罗柯夫斯基线圈测量回路的等效电路图见图９。
图中：
ｒｌ为线圈电阻；
ｌ为线圈自感；
ｒ０为信号内阻。
得到：
ｅ（ｔ）＝ｌ＋（ｒ０＋ｒｌ）?ｉ（ｔ）（１６）因为ｌ＝，φ＝ｂ?ｓ，ｂ＝μ０?ｈ，ｈ＝所以：
ｅ（ｔ）＝－?＝－（?）＝－?ｈ?＝?＝－?（１７）计算得到：
－?＝ｌ＋（ｒ０＋ｒｌ）?ｉ（ｔ）（１８）因为ｌ很大，即：
ｌ≥（ｒ０＋ｒｌ）?ｉ（ｔ）由（１８）得到：
－＝ｉ（ｔ）（１９）
所以，在信号电阻ｒ０上输出电压为：
ｕ２＝ｉ（ｔ）?ｒ０＝－?ｒ０一次电流：
ｉ（ｔ）＝（２０）
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ｉ（ｔ）＝；
（２）误差＜１％（在外补偿情况下可达到０．２％）；
（３）带宽：从几赫兹到兆赫兹；
（４）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，以避免铁芯饱和，即通常所称的测量用互感器及保护用互感器。由于电子技术进步，对被处理信号的能量要求极小，仅为０．１～０．２ｖａ，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测量及保护任务，即在出现短路电流时也不会饱和。
ｒβ１ω，铁芯μ＞１０００μ０，ｍ是感性耦合。ｔｒｅｎｃｈ低功率电流传感器的技术数据：
（１）测量范围：５０～５０００ａ；
（２）额定一次电流：５０ａ～５ｋａ；
（３）二次电压：２２．５ｍｖ～２．２５ｖ；
即：一次电流ｉｐｒ＝１０００ａ对应二次电压ｕｓｒ＝０．４５０ｖ；
一次电流ｉｐｒ＝１０ｋａ对应二次电压ｕｓｒ＝４．５０ｖ；
（４）频率：５０ｈｚ、６０ｈｚ；
（５）额定短路热稳定时间：直到６０ｋａ／３ｓ；
（６）精度：０．２、０．５或１．０级，同时直到６３ｋａ时５ｐ；
（７）负载≥２０ｋω。使用于中压系统测量及保护，满足ｉｅｃ６００４４—８标准。
４新型传感器在高压电器中的应用
４．１光电式电压传感器的应用
（１）国外某公司在５００ｋｖ高压断路器中配套了光电式电压传感器，图１１是其原理图。
其技术参数如下：
准确度３ｐ，计量系统的准确度为０．２级（环境温度范围－２５～４０℃）；光学晶体相当于一个很小的电容（５０ｐｆ）它可避免铁磁谐振，其度可*计量系统和保护装置的要求。（２）日本一座５００ｋｖ地下变电站的５００ｋｖｇｉｓ设备装置了光电电压传感器（ｏｖｔ），光电传感器（ｏｖｔ）的体积仅仅是传统电磁式ｖｔ的１／３，这对于｀ｇｉｓ成套电器的小型化是很有利的。
４．２光电式电流传感器的应用
（１）ａｂｂ公司为１３２～４２０ｋｖ等级断路器配套了光电式电流传感器，图１２是其原理图。
整个系统由三部分组成：激光发射部分、光路部分和光接收部分。其工作原理是：ｌｅｄ发出的光信号经过光纤传送到处于高电位的光学传感器中，在被测一次电流产生的磁场作用下，使线性偏振光偏振平面发生偏转，再经过检偏器转换成含有偏转角度信号的光强度信号，再经光纤送到低电位接收部分，转变为电信号，进行一定处理得到被测电流值。
技术参数如下：
（１）在室温时比率误差特性：在４００ａ～８ｋａ范围：比率误差小于±１％；在４５ｋａ（有效值）时：比率误差为－６．６％；（２）温度特性：在－２０～＋８５℃范围，ｏｃｔ的电流比率误差为＋１．６％～－０．１％；ｏｃｔ的角差为＋０．２％～０．４９％之间。（３）日本一座５００ｋｖ地下变电站的５００ｋｖｇｉｓ设备上装置了光电电流传感器（ｏｃｔ）。该光电电流传感器（ｏｃｔ）的体积仅仅是传统电磁式ｃｔ的１／２４，*地缩小了安装空间。
４．３新型复合型电流、电压传感器在成套开关设备中的应用
电流传感器（罗柯夫斯基电流传感器）和新型电压传感器（电阻分压式电压传感器），由于罗柯夫斯基线圈套在母线上只占很小空间，而使用的电阻分压器体积也只有电磁式电压互感器的１／３。因此，ｚｘ１充气柜比ｚｉｓ柜（２４ｋｖ，２４ｋａ，ａｉｓ，使用传统的电压和电流传感器）明显地要更紧凑。ｚｘ１使用的ｋｅｃａ型电流传感器技术条件见表２。
５新型传感器在电力系统中的应用
５．１中压新形传感器与二次设备连结
带有新型电流、电压传感器及多功能测控单元的中压馈线回路，可以测量三相电压、三相电流及接地故障电流。为了满足ｅｍｃ电磁兼容性，用双屏蔽双绞线型电缆连结电压、电流传感器；ａ／ｄ转换器与传感器等电位联结。但是，与信号处理单元电位隔离。所有保护、控制、测量及计量功能一起组装在开关柜测控单元内，一次额定值（如额定电流、额定电压）的设定自动满足测量数据格式，测控单元的软件不仅支持新型传感器，也支持传统的电磁式互感器。
５．２高压新型传感器与二次设备连结
由于现代数字式保护与控制设备不需要大的输入信号功率，而新型电流、电压传感器也不可能提供如传统电压、电流互感器可供出的功率。目前ｉｅｃ技术委员会正在加紧制定相适应新标准。
5.2.1对应连结（pointtopoint）ｉｅｃ６００４４－８（与ｉｅｃ６１８５０—９．１）规定了与二次设备连结的数字接口。传感器不单独与二次单元连结，而是开关柜的传感器被装入组合单元中（见图１４），在组合单元中经多路开关与电压、电流实时处理单元一一对应（ｐｏｉｎｔｔｏｐｏｉｎｔ）连结，然后供给二次设备。5.2.2仪用传感单元（itu）仪用传感单元（ｉｔｕ）又提高了组合单元的性能和功能，ｉｔｕ单元不仅可以获取数字化新型传感器的输出信号（也适用于传统的互感器），通过一一对应连结、过程总线，ｉｔｕ还可以与二次设备连结，使用通信卡，ｉｔｕ又进一步发展了过程总线（ｉｅｃ６１８５０－９－２）。
ｉｔｕ还增加了如下特性：
（１）可连结七个电压传感器／分压器；
（２）集成了故障纪录器（１２ｋｈｚ）；
（３）集成了断路器诊断系统；
（４）集成了同步检测。
因此，加上数字控制断路器，ｉｔｕ单元可以完成选相合、分闸。
5.2.3标准化工作于１９９５年第１０、１１和１２工作组着手ｉｅｃ６１８５０文件方面工作，这个标准化文件将包括在变电站内的通信接口，站内总线处理站内设备与开关柜之间通信，过程总线处理开关柜设备与智能化一次设备（如开关、变压器、电力变换器）之间的通信。
５．３新型传感器的应用对变电站设计及布局的影响
5.3.1简述采集数据和高压开关控制的新方法直接影响到变电站保护与控制设备的设计。因为模拟量至数字量转换直接在电流与电压传感器内进行，变电站的保护和控制设备需要增加合适的通信接口，依*总线通讯也可以控制开关设备（如断路器和隔离开关）。
通信技术的进步改变了变电站控制系统与开关之间的连接方式，也引起了变电站结构的变化，ｉｅｃ技术委员会专家建议变电站结构可以分三步完成改变。*步是传感器与保护装置之间一一对应连接，通过过程总线控制断路器，内容由ｉｅｃ６１８５０－９－２规定；第二步是将以前控制与测量数据隔开的通信系统组合起来，传感器数据并入过程总线；第三步是将站总线与过程总线合并起来。
5.3.2变电站中组装新型ect和新型evt的例子图15示出了整个装置。bcu（开关柜控制单元）依*过程总线与scm（开关控制器）测量及定量了隔离开关的位置，然后bcu发命令给itu单元选择正确的母线电压（因为母线电压传感器已接入itu），itu发送正确的母线电压数据给保护继电器（保护继电器是一一对应方式连结接入的），itu单元与dbc数字式断路器控制器一起完成选相合、分闸操作。
（１）随着现代电力系统的发展，传统的电磁式电流互感器、电压互感器暴露出了越来越多问题。而新型的电流传感器、电压传感器的出现解决了这些问题；
（２）微处理机技术、传感技术、光纤技术与网络通信技术蓬勃发展，这些技术日臻成熟，为实现强电与弱电结合、开发智能化高压电器产品、变电站自动化提供了可*技术基础，并且提高了高压电器可*性及输配电可*性；
（３）计算技术、传感技术与新工艺等的应用又促进了应用新原理的新型断路器的诞生。例如，配永磁操动机构的智能型真空断路器，其操动机构永磁方形（或圆形）双线圈，利用永磁特性保持合、分闸状态，不到１０个器件；采用电磁推斥机构的大容量快速真空断路器，是依*电磁推斥线圈的电磁驱动力来改变合、分状态，而保持状态采用碟形弹簧。多功能真空灭弧室的开发，采用了新型的电弧运动的桶形波纹管，通过优化波纹管的参数，将末端波纹管硬度提高到比*波纹管高的硬度，来消除由电弧运动作用施加到末端波纹管上的作用力。这些新技术都是值得注意的。