專(zhuān)利名稱(chēng)：用于檢測(cè)中到高壓應(yīng)用中的電壓的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器，特別涉及緊湊的電容性分壓器型傳感器，其容易制造，并能夠測(cè)量中到高壓線路導(dǎo)體的電位。
背景技術(shù)：
電容性分壓器型傳感器測(cè)量線路導(dǎo)體或母線的AC電壓。在這樣的裝置中，具有已知電容的第一電容器(Cl)連接到線路導(dǎo)體。具有大于第一電容器的電容的第二電容器(C2)串聯(lián)連接在Cl和地之間。C2兩端之間的電壓(Vc2)與線路導(dǎo)體和地之間的線路電壓(Vl)成比例。特別地，八可使用下面的公式來(lái)確定VC2 = VL(C1/(C1+C2))。當(dāng)構(gòu)成能夠測(cè)量中壓(MV)到高壓(HV)應(yīng)用(例如大約IkV到50kV)中的電壓的電容性分壓器時(shí)，典型地將多種設(shè)計(jì)因素考慮在內(nèi)。例如，Cl和C2典型地使用多個(gè)個(gè)體電容器來(lái)構(gòu)建，以將Cl與C2上的電壓均減小到在各個(gè)電容器的電壓額定值范圍內(nèi)的值。然 而，這樣的個(gè)體部件，顯著增大了電容性分壓器的復(fù)雜性、不準(zhǔn)確的可能性以及制造成本。另外，電容性分壓器的個(gè)體部件上的電場(chǎng)(E場(chǎng))密集度(concentration)影響電容性分壓器的設(shè)計(jì)。如已知的那樣，E場(chǎng)密集度部分地為線路導(dǎo)體的電壓的因數(shù)。也就是說(shuō)，隨著線路導(dǎo)體電壓的上升，電容性分壓器的個(gè)體部件上的E場(chǎng)密集度可能也上升。當(dāng)E場(chǎng)密集度高時(shí)，可能在線路導(dǎo)體和電壓傳感器之間發(fā)生介質(zhì)擊穿。盡管E場(chǎng)密集度可通過(guò)增大電容性分壓器的個(gè)體部件之間的距離來(lái)最小化，部件間隔上的這種增大還增大了裝置的整體尺寸。因此，希望設(shè)計(jì)用于中到高壓線路導(dǎo)體電壓的設(shè)備和方法，其小、準(zhǔn)確且制造起來(lái)相對(duì)較不昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)中或高壓線路導(dǎo)體的電壓的系統(tǒng)和方法。因此，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)，用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器包含電絕緣體，電絕緣體包含表面和邊緣，表面具有長(zhǎng)度，邊緣具有限定電絕緣體厚度的厚度。電絕緣體表面的長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上大于邊緣的厚度。電絕緣體的表面在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于表面的方向穿過(guò)其中。電壓傳感器還包含第一與第二電極，電極定位在電絕緣體的表面上的開(kāi)口周?chē)?，并彼此間隔開(kāi)，以便提供指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)(voltage potential)的公共電容性分壓器信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)，制造線路傳感器的方法包含提供絕緣基材，絕緣基材具有附著表面并在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于附著表面的方向穿過(guò)其中。該方法還包含將電極組件的第一與第二電極耦合到絕緣基材的附著表面，將電極組件的第一與第二電極在絕緣基材上彼此間隔開(kāi)，并將電極組件配置為輸出指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施形態(tài)，用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器包含電絕緣基材，其具有接觸表面，接觸表面具有開(kāi)口，開(kāi)口的尺寸被設(shè)計(jì)為允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于接觸表面的方向穿過(guò)其中。線路導(dǎo)體還包含傳感器電極，其耦合到電絕緣基材的接觸表面；接地電極，其耦合到電絕緣基材的接觸表面。傳感器電極和接地電極構(gòu)成電容性分壓器的元件，并產(chǎn)生公共的輸出。本發(fā)明的多種其他特征和優(yōu)點(diǎn)將由下面的詳細(xì)介紹和附圖明了。


附圖示出了當(dāng)前想到的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。在附圖中，圖I為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電壓傳感器的透視圖；圖2為圖I的電壓傳感器的截面圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電容性分壓器的等效電路；圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電壓傳感器的截面圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的傳感器組件的截面圖。
具體實(shí)施例方式這里給出的本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種用于檢測(cè)中壓或高壓線路導(dǎo)體的電壓的系統(tǒng)和方法。在一實(shí)施例中，本發(fā)明用電壓傳感器實(shí)現(xiàn)，其具有在其中串聯(lián)形成的兩個(gè)電容器。電壓傳感器10在圖I中示出，并包含接地的電壓傳感器屏蔽12，其由鍍有金屬的注塑塑料構(gòu)成，該金屬例如為鎳和/或銅。其他的替代方式包括沖壓金屬、金屬網(wǎng)印(metal mesh/screen)或上面提到的材料的組合。傳感器屏蔽12為法拉第屏蔽，其具有一般為圓形的形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器屏蔽12可被構(gòu)建為具有上屏蔽14和下屏蔽16，其用鉚釘緊固在一起。具有一般為盤(pán)形的形狀的電絕緣體或電絕緣基材20位于上下屏蔽14、16之間。電絕緣體20在其中具有開(kāi)口 22，以容納線路導(dǎo)體(圖I未示出)。在優(yōu)選實(shí)施例中，電絕緣體20為印刷電路板(PCB)?；蛘撸娊^緣體20可為薄的(大約O. 002英寸)絕緣支撐片，其包含例如為聚酰亞胺(Kapton)的材料。在電絕緣體20的開(kāi)口 22周?chē)?，第一或傳感器電極24以及第二或接地電極26被固定到支撐板20或在支撐板20上形成。在一實(shí)施例中，第一與第二電極24、26使用印刷、繪制、電沉積或金屬?lài)娡抗に囆纬?，以便在例如電絕緣體20上布置一層導(dǎo)電材料，例如銅。導(dǎo)線連接28將第一電極24連接到讀出電路32的接觸墊30，其將在下面關(guān)于圖2、3更為詳細(xì)地介紹。導(dǎo)線連接34將第二電極26連接到接地的電壓傳感器屏蔽12。如圖I所示,上下屏蔽14、16的圓角(radius corners)或邊緣部分36、38具有彎曲的輪廓，其使得邊緣部分36、38上的電場(chǎng)集中度和電弧(arcing)最小化，并幫助防止介質(zhì)擊穿?；蛘?，可通過(guò)將大直徑的導(dǎo)線環(huán)附著到上下屏蔽14、16來(lái)形成彎曲的邊緣部分36、38。邊緣部分36、38的曲率也允許第一與第二電極24、26放置得離線路導(dǎo)體更近，因此減小電壓傳感器10的整體尺寸?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電壓傳感器40的截面圖。電壓傳感器40包含屏蔽組件42，其具有連接到地48的第一屏蔽44和第二屏蔽46。印刷電路板(PCB) 50位于第一屏蔽44和第二屏蔽46之間。PCB 50具有上邊緣52、下邊緣54、第一側(cè)表面或附著表面56以及第二側(cè)表面或附著表面58。如圖2所示，PCB 50具有比其厚度62大得多的整體長(zhǎng)度60。PCB 50上的開(kāi)口 64允許線路導(dǎo)體66經(jīng)過(guò)其中。PCB 50被定位為使得上邊緣52和下邊緣54被定向?yàn)閷?shí)質(zhì)上平行于線路導(dǎo)體66的中心軸68。PCB 50的第一側(cè)表面56和第二側(cè)表面58被定向?yàn)閷?shí)質(zhì)上垂直于導(dǎo)體66的中心軸68,并具有定位于其上的相應(yīng)的接觸位置70、72以及若干個(gè)相應(yīng)的非接觸位置74、76。傳感器電極78在接觸位置70固定到PCB 50的第一側(cè)表面56，接地電極80在接觸位置72被固定到PCB 50的第二側(cè)表面58。如圖2所示，傳感器電極78和接地電極80被定位為到PCB 50的開(kāi)口 64和線路導(dǎo)體66等距離?；蛘?，電極78、80可在PCB 50上彼此偏移開(kāi)，使得傳感器電極78和接地電極80中的一個(gè)比另一個(gè)更為接近線路導(dǎo)體66。具有定位于其上的接觸墊84的讀出電路82也被固定到PCB 50。傳感器導(dǎo)線86將傳感器電極78電氣連接到接觸墊84。接地導(dǎo)線88經(jīng)由一連接將電極80接地到第一屏蔽44。讀出電路82對(duì)電壓傳感器40的高阻抗進(jìn)行緩沖，并包含緩沖與放大器電路90，從而對(duì)來(lái)自傳感器電極78的信號(hào)進(jìn)行放大,用于電壓傳感器輸出92。由于介電常數(shù)對(duì)溫度敏感，熱電偶94和微處理器96也可包含在讀出電路82中，使得介電常數(shù)可作為溫度的函數(shù) 得到校正。本發(fā)明的電壓傳感器實(shí)施例的原理電路圖在圖3中示出。參照?qǐng)D2、3，電容性分壓器98在線路導(dǎo)體66、傳感器電極78和接地電極80之間形成。第一電容器(Cl) 100在線路導(dǎo)體(VJ66和傳感器電極78之間形成。如已知的那樣，Cl 100的電容可通過(guò)有選擇地設(shè)計(jì)傳感器電極78的尺寸并設(shè)置傳感器電極78和線路導(dǎo)體66之間的距離來(lái)控制。在一實(shí)施例中，Cl 100的電容可近似為10fF。第二電容器(C2) 102在傳感器電極78和接地電極80之間形成。類(lèi)似于關(guān)于Cl 100所闡釋的，C2 102的電容可基于傳感器電極78和接地電極80 二者的尺寸和位置來(lái)選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，C2 102的電容可為大約100pF。安裝在讀出電路82上的緩沖與放大器電路90對(duì)于與來(lái)自電容性分壓器98的檢測(cè)電壓成比例的檢測(cè)到的電勢(shì)信號(hào)104進(jìn)行放大，并將指示線路導(dǎo)體66的電勢(shì)的信號(hào)傳送到外部觸發(fā)單元(未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)電壓信號(hào)104和\ 66之間的比率為I : 10000或 100mV/kV。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電壓傳感器106的截面。傳感器屏蔽或屏蔽環(huán)108連接到地110，并構(gòu)成圍繞PCB 112的連續(xù)的金屬片或鍍有金屬的塑料片。PCB 112具有在其中形成的通道114，以便容納線路導(dǎo)體116。包含傳感器電極120和接地電極122的電極組件118位于PCB 112的公共的平面接觸表面124上。導(dǎo)線連接126經(jīng)由一連接將電極122接地到接地的屏蔽環(huán)108。導(dǎo)線連接128電氣連接到讀出電路132的接觸墊130。如根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的圖5所示，電壓傳感器134可并入傳感器組件136。電壓傳感器134包含電壓屏蔽或外殼138、PCB 140、第一與第二電極142與144。除了電壓傳感器134以外，傳感器組件136還包含電流傳感器組件146，其具有外殼或屏蔽148，以便防止來(lái)自線路導(dǎo)體150的介質(zhì)擊穿。屏蔽148圍繞電流傳感器152和第一與第二寄生功率電流互感器(CT) 154、156。根據(jù)一實(shí)施例，電流傳感器152為Rogowski線圈，其檢測(cè)線路導(dǎo)體150中的電流。CT 154、156寄生地產(chǎn)生來(lái)自線路電流或線路電壓的電力，并將電力提供給電壓傳感器134以及外部的觸發(fā)單元(未示出)。電壓傳感器134和電流傳感器組件146位于具有間隔器160的外殼或公共結(jié)構(gòu)158中。盡管間隔器160被示為實(shí)心圓柱體，替代性實(shí)施例可僅僅具有幾個(gè)最小支撐點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相同的效能。外殼158中的通道162的尺寸被設(shè)計(jì)為容納線路導(dǎo)體150。來(lái)自電壓傳感器134和電流傳感器組件146的導(dǎo)線連接164、166分別連接到多針連接器168，其允許傳感器信號(hào)從電壓傳感器134和電流傳感器152傳送到外部跳閘單元(未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣材料或密封劑170——例如具有高的介質(zhì)擊穿強(qiáng)度的環(huán)氧樹(shù)脂——構(gòu)成外殼158內(nèi)的電介質(zhì)。絕緣材料170使得線路導(dǎo)體150和屏蔽138、148之間以及電壓傳感器134和電流傳感器組件146之間的介質(zhì)擊穿最小化。絕緣材料170注入外殼158，以便密封電壓傳感器134和電流傳感器組件146，并填充電壓傳感器134和電流傳感器組件146中的任何空氣間隙。電流屏蔽148和電壓屏蔽138中的排氣孔172允許空氣在密封過(guò)程中排出。因此，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)，用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器包含電絕緣體，電絕緣體具有表面和邊緣，表面具有長(zhǎng)度，邊緣具有限定電絕緣體厚度的厚度。電絕緣體表面的長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上大于邊緣的厚度。電絕緣體的表面在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于表面的方向穿過(guò)其中。電壓傳感器還包含第一與第二電極，電極定位在電絕緣體 的表面上的開(kāi)口周?chē)⒈舜碎g隔開(kāi)，以便提供指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的公共電容性分壓器信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)，制造線路傳感器的方法包含提供絕緣基材，絕緣基材具有附著表面并在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于附著表面的方向穿過(guò)其中。該方法還包含將電極組件的第一與第二電極耦合到絕緣基材的附著表面，將電極組件的第一與第二電極在絕緣基材上彼此間隔開(kāi)，并將電極組件配置為輸出指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施形態(tài)，用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器包含電絕緣基材，其具有接觸表面，接觸表面具有開(kāi)口，開(kāi)口的尺寸被設(shè)計(jì)為允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于接觸表面的方向穿過(guò)其中。線路導(dǎo)體還包含傳感器電極，其耦合到電絕緣基材的接觸表面；接地電極，其耦合到電絕緣基材的接觸表面。傳感器電極和接地電極構(gòu)成電容性分壓器的元件，并產(chǎn)生公共的輸出。已經(jīng)關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了介紹，將會(huì)認(rèn)識(shí)到，除明確介紹的以外，等效、替代和修改是可能的，且落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器，包含 電絕緣體，其具有表面和邊緣，表面具有長(zhǎng)度，邊緣具有限定電絕緣體厚度的厚度，其中，表面的長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上大于邊緣的厚度，電絕緣體的表面在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于表面的方向穿過(guò)其中；以及 第一與第二電極，其定位在電絕緣體的表面上的開(kāi)口周?chē)?，并彼此間隔開(kāi)，以便提供指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的公共電容性分壓器信號(hào)。
2.權(quán)利要求I的電壓傳感器，其中，電絕緣體具有兩個(gè)表面，各個(gè)表面在其上具有相應(yīng)的電極。
3.權(quán)利要求2的電壓傳感器，其中，第一電極與第二電極被定位為距離線路導(dǎo)體等距。
4.權(quán)利要求I的電壓傳感器，其中，第一與第二電極均在公共的平面表面上。
5.權(quán)利要求I的電壓傳感器，其還包含緩沖與放大器電路，且其中，第一電極連接到緩沖與放大器電路，第二電極連接到公共地。
6.權(quán)利要求I的電壓傳感器，其中，第一電極以距離線路導(dǎo)體的第一距離定位，第二電極以距離線路導(dǎo)體不同于第一距離的第二距離定位。
7.權(quán)利要求I的電壓傳感器，其還包含外殼，外殼定位在電絕緣體和第一與第二電極周?chē)?br> 8.權(quán)利要求7的電壓傳感器，其還包含與電壓傳感器集成在公共結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流傳感器。
9.權(quán)利要求7的電壓傳感器，其中，外殼處于地電位并具有圓角，由此提供線路導(dǎo)體和外殼之間的電弧減少，并具有電壓傳感器與外殼之間的電介質(zhì)。
10.一種制造線路傳感器的方法，包含 提供絕緣基材，絕緣基材具有附著表面并在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于附著表面的方向穿過(guò)其中； 將電極組件的第一與第二電極耦合到絕緣基材的附著表面； 將電極組件的第一與第二電極在絕緣基材上彼此間隔開(kāi)；以及 將電極組件配置為輸出指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的信號(hào)。
11.權(quán)利要求10的方法，其中，將第一與第二電極在附著表面上彼此間隔開(kāi)包含將第一與第二電極定位在公共的附著表面上。
12.權(quán)利要求10的方法，其中，將第一與第二電極在附著表面上彼此間隔開(kāi)包含將第一與第二電極定位為距離附著表面的開(kāi)口等距。
13.權(quán)利要求10的方法，其還包含將外殼定位在絕緣基材和電極組件周?chē)?br> 14.權(quán)利要求13的方法，其還包含將公共結(jié)構(gòu)定位在外殼周?chē)?br> 15.權(quán)利要求14的方法,其還包含在外殼與公共結(jié)構(gòu)之間注入密封劑。
16.權(quán)利要求15的方法，其還包含當(dāng)注入密封劑使將空氣從公共結(jié)構(gòu)中排出。
17.權(quán)利要求14的方法，其還包含將電流傳感器定位在外殼內(nèi)。
18.權(quán)利要求10的方法，其還包含配置讀出電路，以便輸出指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的信號(hào)。
19.一種用于線路導(dǎo)體的電壓傳感器，包含 電絕緣基材，其具有接觸表面，接觸表面具有開(kāi)口，開(kāi)口的尺寸被設(shè)計(jì)為允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于接觸表面的方向穿過(guò)其中； 傳感器電極，其耦合到電絕緣基材的接觸表面； 接地電極，其耦合到電絕緣基材的接觸表面，且 其中，傳感器電極和接地電極構(gòu)成電容性分壓器的元件，并產(chǎn)生公共的輸出。
20.權(quán)利要求19的電流傳感器，其還包含接地屏蔽環(huán)，接地屏蔽環(huán)實(shí)質(zhì)上圍繞電絕緣基材、傳感器電極和接地電極。
21.權(quán)利要求20的電流傳感器，其中，接地屏蔽環(huán)具有彎曲的表面輪廓，以便減小線路導(dǎo)體和接地屏蔽環(huán)之間的電弧。
22.權(quán)利要求19的電流傳感器，其中，電絕緣基材為印刷電路板并具有大體上為盤(pán)狀的形狀。
23.權(quán)利要求22的電流傳感器，其還包含讀出電路，讀出電路耦合到電絕緣基材，并被 配置為輸出指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了用于測(cè)量中到高壓線路導(dǎo)體的電壓的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包含電絕緣體，其具有表面和邊緣，表面在其中具有開(kāi)口，以便允許線路導(dǎo)體以大體上垂直于該表面的方向穿過(guò)其中。系統(tǒng)還包含第一與第二電極，電極定位在電導(dǎo)體的表面上的開(kāi)口周?chē)?，并彼此間隔開(kāi)，以便提供指示線路導(dǎo)體的電勢(shì)的公共電容性分壓器信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R15/16GK102803973SQ201080025304
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者M·A·朱德斯, P·J·羅爾曼, 周欣, J·J·本克, B·帕爾, F·馬錢(qián)德 申請(qǐng)人:伊頓公司