数字化电气设备应当满足数字电力系统发展的基本需要，这就是能够以数字方式全面提供系统中的各种信息、状态，也能够以数字化的方式被加以有效控制。从电力设备自身技术指标的改进与提高而言，数字化电气设备应当具有强大的自我诊断能力和自适应的控制能力，同时所有信息可以高度共享。

数字化电气设备主要包括电子式互感器、智能化开关设备、智能变压器等。

1 电子式互感器

互感器是为电力系统进行电能计量、测量、控制、保护等提供电流电压信号的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、稳定和经济运行密切相关，是电力系统必不可少的设备。

由于传统互感器的缺点，各种不同类型基于不同测量原理的新型互感器经过三十多年的发展，在近几年取得重大进展。根据IEC 标准，新型互感器被统称为电子式互感器，它与传统电力互感器相比，具有以下优点：①绝缘结构简单、体积小、重量轻，因无铁心、无绝缘油等，一般电子式互感器的重量只有电磁式互感器重量的1/10，便于运输和安装；②不存在磁饱和与铁磁谐振问题，能在很大的电流与电压变化范围内，以高速动作、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压；③由于传感和信号处理部分外形小和重量轻，可以装入成套电器或成套配电装置中，能适应电力设备向集成化方向发展的趋势；④采用光纤或其他加强绝缘方式实现高电压回路与二次低压回路在电气上的完全隔离，消除这些回路不希望有的相互影响，保护了二次设备和工作人员的安全； ⑤适应了继电保护装置（包括微机保护）的发展。由于受传统互感器性能的限制，其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的，易受过渡电阻和系统振荡、磁饱和等因素影响，其保护性能难以满足当今电力系统向着超高电压、大容量、远距离方向的发展要求。而利用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向，它对互感器的线性度、动态特性等都有较高的要求，电子式互感器的出现满足了这一要求；⑥有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化。电子式互感器的信号和传输形式都可以采用光缆（光纤）实现， 而光信号的突出优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加可靠和迅速。在电力系统电子式互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光纤局域网是变电站自动化的一个重要发展方向，开创了未来光纤化变电站的美好前景。

电子式高压电力互感器有两个主要类别: 光学电子式互感器和混合电子式互感器。

1.1 光学电子式互感器

光学电子式互感器的电流测量原理包括Faraday 效应、磁致伸缩效应、Kerr 效应和逆压磁效应等，电压测量原理包括Pockels 效应、Kerr 效应和逆压电效应等。其中利用Faraday 效应测量电流和Pockels 效应测量电压的方法最直接，装置最简单、精度高，所以应用范围最广、研究力度最大。

20 世纪60 年代， 人们就开始了对光学电子式互感器的探索，由于当时光导纤维尚未出现，光通路中的光强波动厉害，测量的稳定性很差。70 年代，随着光导纤维的出现，光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮，但样机精度低、温度稳定性差，皆未挂网运行。80 年代后期以来，光电传感技术在电力系统中的应用研究得到了突破性进展，美国、日本、法国等技术发达国家先后研制出多种光学电子式互感器样机，并在实际高压电站长时间运行。90 年代，国外知名公司陆续公布了它们研制的试验样机及其运行数据， 并打出了产品广告。如1997 年1 月ABB 公司推出了额定电流2 000 A 的115～550 kV 的光学电压电流互感器的产品介绍。其绝缘支柱采用内充SF₆气体的硅橡胶复合绝缘子，测量精度达到IEC 186 精度等级0.2，整个互感器重量比较轻，550 kV 电压等级的产品总重量仅为276.7 kg。法国GECALSTHOM 公司在美国Bonneville 安装了525 kV 的光学电压/电流互感器，其后，又陆续在荷兰、比利时、加拿大和法国等国的变电站挂网试运行，1997 年又推出了123～765 kV光学电压/电流互感器的产品广告，该互感器可同时输出计量和保护用信号，测量精度可达0.2%。北美的NxtPhase 公司于2000 年3 月在Surrey，British Columbia 的BC Hydro’s lngledow 变电站，安装了230 kV 电压等级的光学电压互感器；2001 年10月又在Montreal 岛的Rolls Royce gad 发电站安装了138 kV 电压等级的三相系统，并计划将电压等级推广到765 kV。

我国对光学互感器的研究起步较晚，沈阳变压器研究所从1970 年开始研究，以后在清华大学、四平电业局的积极协助下于1979 年研制出第1 台样机，并先后研制出3 台样机在四平电业局的220 kV线路上试运行，后来于1984 年退出运行。国家对光学电子式互感器的研究工作非常重视，将其列为“七五”、“八五”重点研究项目，先后有清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学等多家科研院所相继从事过光学电子式互感器方面的研究。其中华中理工大学研制的计量用光学电流互感器于1993 年在广东新会110 kV 电网试运行， 尽管未达到计量目标， 但标志着我国的光学互感器研究已向实用化迈进。

1.2 混合电子式互感器

混合电子式互感器是指采用Rogowski 线圈、带铁心的低功率电流互感器、霍尔器件以及分压器等作为传感器， 利用光纤完成从高压端到低压端的数据传输， 通常高压传感部分需要电源供能的各类电子式互感器。从20 世纪90 年代开始，混合电子式互感器作为传统互感器的又一类替代产品，受到人们的广泛关注，其原因可以归为以下几点：①光学电子式互感器技术较复杂， 成本高， 性能不易做到稳定，实用化进程缓慢；②大规模集成电路技术的飞速发展， 促进了变电站二次设备向电子化、数字化发展，互感器与二次设备之间通过数字接口和低电压接口实现互连成为可能； ③混合电子式互感器采用的传感器技术比较成熟，运行经验多，具有实用化优势；④采用光纤进行信息传输，大大简化互感器的绝缘结构，适用于高电压系统。

国外从事混合电子式互感器研究的有意大利的Polytechnic of Milano 大学，英国的Liverpool大学，瑞士的ABB公司，法国的Alstom 公司，美国的Photonic Power Systems 公司，德国的Simens 公司，德国的RITZ 公司等。混合电子式互感器在国外的发展速度较快，其中在新型中压开关柜和高压GIS装置中的使用正处于推广使用阶段。现有多家开关厂生产的开关柜中开始使用由Rogowski 线圈和电阻分压器构成的电子式互感器， 这些互感器配合微机保护和电子仪表的使用，对于减小开关柜体积、提高其性能起了重要的作用。混合电子式互感器作为户外高压互感器应用时，需要考虑传感头的供能问题，目前的供能方式主要有利用传统CT 从母线上取电能、利用蓄电池供能和利用激光电源供能等方式，国外研制的混合电子式高压电力互感器主要采用激光供能的方式。

我国对混合电子式互感器的研究开始90 年代中后期，从事研究的单位有：清华大学、华中科技大学、大连理工大学、西安交通大学和华北电力大学等。研究涉及了高压GIS 装置和户外高压互感器等方面的应用，经过近十年的发展，积累了一定的试验和现场运行经验。近年来，随着传感头的工业化设计，高压端电源设计、数据调制传输方案确定、标准化接口设计、电磁兼容和可靠性设计以及系统误差补偿等问题的提出和研究逐步深入，越来越多的混合电子式互感器样机已进入或准备进入挂网试运行阶段，这标志着我国混合电子式互感器的研究正逐步进入实用化。

2 智能化高压开关设备

2.1 高压开关设备智能化的必要性

国际大电网会议成立工作组(Working Group A3.12)就高压断路器的控制装置作专门调查。电力设备用户积极配合调查,提供资料,填写故障报告;而制造厂家则积极采用计算机技术、传感技术和数据处理技术等新技术改造其传统二次回路,使之智能化。调查结果表明,控制回路最多的故障模式是拒分拒合,误操作故障仅占主要故障的12%。有6个控制元件要对占88%的控制故障负责。这6个控制元件是:(1)辅助继电器占20%,(2)位置辅助开关(机械部分)占19%,(3)线圈占14%,(4)储能极限监视装置占12%,(5)气体密度监视装置占12%,(6)接线和接头占11%。调查指出,这次调查的控制技术是传统技术,将来的工作应放在电子控制装置上,以取代传统技术,改进控制装置的可靠性。现代智能化技术是建立在微电子技术、信息传输技术、计算机技术、伺服技术及精密机械制造技术等高科技之上的综合技术。智能化开关设备应具有感知能力、决策能力和执行能力。

智能化技术可对开关设备进行在线控制,及早发现故障,防患于未然,又可对开关设备运行状态进行监视。这样,大大提高了运行可靠性,同时大大节省了维护费用,因此带来巨大的技术经济效益。

2.2 高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的智能化

ABB公司GIS的二次控制技术发展,经历了3个阶段：传统技术、现代技术及智能化技术。

传统技术利用机电继电器。GIS每项功能都有它的二次装置,而这些二次装置必须用铜线连接在一起,以执行控制、保护和测量等功能。随着数字电子器件的发展,使二次技术的大多数功能可借助于软件模块在同一计算机辅助装置上进行。现代数字装置具有平行处理多个功能的能力。但在现代技术中,仍存在间隔控制柜与GIS一次元件之间的硬线连接。为了克服这个缺点,ABB公司开发出串行光纤总线系统,取消硬连接线,开发出第三代的智能化二次技术。

2.3 中压智能化金属封闭开关设备

2.3.1 ABB智能化开关柜

ABB空气绝缘开关柜经历了两次浪潮:第一次浪潮为ZS1中置柜。1993年,ZS1中置柜达到空气绝缘开关柜先进水平:(1)小型化;(2)安全可靠；(3)真空断路器置开关柜中部;(4)充裕的电缆安装空间;(5)一切操作、安装、维护均可在柜前进行;(6)环保型敷铝锌钢板制成的外壳;(7)D型母线。

第二次浪潮为i-ZS1智能化开关柜。2001年,厦门ABB公司在原有ZS1基础上应用传感技术和智能化数字技术,成功开发出智能化开关柜i-ZS1。它具有以下特点：(1)智能化数字技术。集控制、保护、测量、通讯、显示功能于一体,精确、可靠；(2)传感技术。无饱和、完美线性、测量范围大,无铁磁谐振；(3)一劳永逸的系统解决方案。功能强大,

设置灵活。(4)最少的备品备件。

2.3.2 西门子(SIEMENS)智能型中压开关设备

各电气设备制造厂家均能制造出高水平的一次元件,来满足用户的不同要求。变电站要自动化,开关设备必须智能化。智能化使开关设备在二次控制和保护上达到一个新阶段。国际电工委员会积极推进变电站自动化,最新制定出IEC61850标准。该标准的出台,为变电站自动化通讯提供了新模式,使通讯系统标准化。

西门子公司直接参加了标准的制定,已完全按IEC 61850标准设计出第一套SICAM和SIPROTEC系统。

SICAM PAS(Power Automation System)满足目前变电站控制系统最新技术发展水平的所有条件,也符合未来技术发展需求。此套新的变电站控制系统是开放设计的,并在间隔层和站控层采用IEC 61850作为通信标准。IEC 61850支持间隔单元及间隔间联闭锁的直接数据交换,提供了不依赖于供货商的系统结构的基础。

SIPROTEC数字保护继电器和间隔控制单元是首先使用IEC 61850的装置。1998年推出的所有SIPROTEC 4型综合保护装置可通过更换通信模块和软件或级来实现IEC 61850标准。通过保护配置软件DIGSI 4, SIPROTEC装置及其他制造商的装置能很简便地按照IEC 61850组态。

西门子公司将它的SIPROTEC 4型综合保护装置用于最新的NXAIR型中置柜和被称为下一代的NXplus C型充气柜。SIPROTEC 4型综合保护装置集保护、控制、测量、通信、操作、监视及整个程序控制于一体。

3 智能化变压器

国内外智能化变压器的研究处于实验室研制阶段，资料显示,目前国内已有高校实现智能变压器的构建和相应实例。智能化电力变压器系统是一个基于多种传感器的集成化系统，能实时反映变压器绕组、铁芯、套管、有载开关、冷却器的运行状况，并能真实记录变压器的运行电压、负荷电流和各种温度数据，整个系统由计算机实行人工智能管理，代表了未来智能化电网的发展方向。

国内外研究均表明，变压器故障按部位通常可分为绕组、铁心、绝缘、引线、分接开关、套管、密封等七类故障，存在过热、放电、受潮、老化等不同绝缘故障类型。构建智能化变压器，应考虑上述变压器可能出现的故障类型和部位，来选择相应的传感器类型和监测项目。

①油中气体传感器②局部放电传感器③油中水分传感器

④套管末屏电流传感器⑤铁芯接地电流传慈器

⑥绕阻热点温度传感器⑦环境温度传感器

⑧电压/电流传感器⑨分接开关/冷却器传感器

目前已构建的智能变压器系统中各传感器安装位置如图所示。图中①处为油中气体传感器，可选用单一气体及多气体组分监测仪。②处为局放传感器，传统的局放监测通常是使用脉冲电流法，但此方法的抗干扰性能较差，通常会受到现场强烈电晕放电的干扰以致无法分辨出真实信号。超高频局放测量是近年来局放测量的发展方向，由于局放信号的带宽较宽，而在超高频段进行局放测量可以避开如电晕、无线电等频段。③处为油中水分传感器，它利用了聚醋薄膜电容传感器吸收变压器油中的水分子改变电容量的原理，通过电容量的变化反映变压器油中水分的值，该传感器还能同时测量变压器油箱底层的温度。④、⑤、⑧处分别为套管末屏电流、铁芯接地电流和电压电流传感器。这些都是穿心式的有源传感器，它们将不同量程的被测量统一转换成±15V的电压信号，实验统计各传感器对于有效值测量的平均线性度误差≤5%，其中对于信号波动范围较大的测量值如铁心接地电流还需安装两个不同量程的传感器。⑦为环境温度传感器，采用AD590晶体温度传感器，精度为±1℃。⑨为冷却器和分接开关状态传感器，冷却器开关的状态通过开关继电器上的辅助触点送出，分接开关的档位信息通过BCD编码器转换为BCD码后送出。

4 小结

数字化电气设备中电子式互感器处于实用化阶段，国外具有厂商生产能力，国内高校研制的产品也已实用。智能化开关设备主要是通过制造厂家则积极采用计算机技术、传感技术和数据处理技术等新技术改造其传统二次回路,使之智能化。智能变压器处于实验室研制阶段，实现了构建，但其可行性与经济性尚需充分论证。