用于电容式电压传感器系统的系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种系统，包括：非介入式电容式电压传感器，配置为耦合至包围金属导体的绝缘体，其中非介入式电容式电压传感器配置为产生指示金属导体中电压的电压信号；以及监测器控制器系统，配置为接收来自于非介入式电容式电压传感器的电压信号，其中监测器控制器系统配置为使用电压信号监测或控制机器。
【专利说明】用于电容式电压传感器系统的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本文公开的主题涉及用于电容式电压传感器系统的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 电动机和发电机利用电磁场做机械功或者发电。发电机产生的或者电动机使用的 功率通过被非导电绝缘材料覆盖的电压线路。相应的，电压线路中的电压测量包括去除绝 缘材料以直接接入导体。该过程可能费时且执行成本高。
【发明内容】
[0003] 下面总结与最初请求保护的本发明的范围相当的某些实施例。这些实施例不是旨 在限制请求保护的本发明的范围，相反，这些实施例仅仅旨在提供本发明的可能形式的简 要总结。实际上，本发明可包括与下述实施例类似或不同的各种形式。
[0004] 在第一实施例中，系统包括：非介入式电容式电压传感器，所述非介入式电容式电 压传感器配置为耦合至包围金属导体的绝缘体，其中所述非介入式电容式电压传感器配置 为产生指示所述金属导体中的电压的电压信号；以及监测器控制器系统，所述监测器控制 器系统配置为接收来自于所述非介入式电容式电压传感器的电压信号，其中所述监测器控 制器系统配置为使用所述电压信号监测或控制机器。
[0005] 在第二实施例中，系统包括：第一非介入式电容式电压传感器，所述第一非介入式 电容式电压传感器配置为输出指不金属导体中的电压的第一电压信号，所述第一非介入式 电容式电压传感器包括配置为感测所述金属导体中电压的第一信号板，在所述第一信号板 上延伸的第一屏蔽板，其中所述第一屏蔽板配置为阻止电磁干扰；以及第二非介入式电容 式电压传感器，所述第二非介入式电容式电压传感器耦合至所述第一非介入式电容式电压 传感器，并配置为输出指示金属导体中电压的第二电压信号，所述第二非介入式电容式电 压传感器包括配置为感测所述金属导体中的电压的第二信号板，在所述第二信号板上延伸 的第二屏蔽板，其中所述第二屏蔽板配置为阻止电磁干扰。
[0006] 在第三实施例中，系统包括：非介入式电容式电压传感器，所述非介入式电容式电 压传感器配置为向监测器输出电压信号，其中所述电压信号指示金属导体中的电压，所述 非介入式电容式电压传感器包括配置为感测所述金属导体中的电压的信号板，在所述信号 板上延伸的屏蔽板，其中所述屏蔽板配置为阻止电磁干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 当结合附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些以及其他特征、方 面和优点，在各附图中，相同的附图标记代表相同的部件，其中 ：
[0008] 图1是非介入式电容式电压传感器系统的实施例的示意图；
[0009] 图2是耦合至包围导体的绝缘体的非介入式电容式电压传感器的实施例的透视 图；
[0010] 图3是电容式电压传感器的实施例的剖视图；
[0011] 图4是电容式电压传感器的实施例的剖视图；
[0012] 图5是电容式电压传感器的实施例的剖视图；
[0013] 图6是沿图2的线A-A的非介入式电容式电压传感器的实施例的剖视图；
[0014] 图7是沿图2的线A-A的非介入式电容式电压传感器的实施例的剖视图；以及
[0015] 图8是沿图2的线A-A的非介入式电容式电压传感器的实施例的剖视图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简洁描述， 在说明书中没有描述实际实施方式的全部特征。应理解，在开发任何实际实施方式时，如在 任何工程或项目中一样，必须做出多种基于特定实施方式的决定，以达到开发者的特定目 标，例如符合系统相关和商业相关的限制，其在一种实施方式和另一种实施方式之间可能 变化。此外，应理解，这样的开发工作可能是复杂且费时的，但仍然是受益于本公开的本领 域技术人员进行设计、生产和制造的例行工作。
[0017] 当介绍本发明的不同实施例的元件时，冠词"一"、"某"和"所述"用于表示有一个 或多个元件。术语"包含"、"包括"和"具有"旨在是开放式的，表示可能有除所列元件以外 的额外元件。
[0018] 本公开总体上涉及一种非介入式电容式电压传感器系统，其能够非介入式感测指 示电压线路中电压的电压。非介入式电容式电压传感器能够附接于电压线路，无需去除包 围电压线路的绝缘材料。实际上，非介入式电容式电压传感器可以通过粘结剂、夹子、闩锁、 夹钳、带子或其他可去除的或永久的安装件非介入式附接于（例如不去除或穿入绝缘材 料）电压线路。相应地，非介入式电容式电压传感器减小与监测电压线路上的电压关联的 时间和成本。在操作中，非介入式电容式电压传感器耦合至控制器监测系统，以便向控制器 监测系统提供指示电压线路中电压的电压（即电压信号）。控制器监测系统可以使用来自 于非介入式电容式电压传感器的电压信号来监测和/或控制旋转电机。
[0019] 图1是非介入式电容式电压传感器系统10的实施例。非介入式电容式电压传感 器系统10可以耦合至旋转电机12 (例如发电机或电动机），旋转电机12通过轴16耦合至 机器14。在一些实施例中，机器14可包括内燃机（例如活塞式发动机），涡轮发动机（例 如燃气涡轮机、风力涡轮机、蒸汽涡轮机、水力涡轮机，或其任意组合），或者其他产生驱动 轴16的扭矩的驱动器。旋转电机12利用来自于轴16的机械能通过磁场在定子17和转子 19的同轴设置中产生电。电通过一个或多个电压线路18离开旋转电机12,以向电网供电或 者发动电气装置。例如，电压线路18可以是承载超过500V、600V、700V、800V、900V、1000V、 1 500V等电压的高压线路。电压线路18包括一个或多个中心导体（例如铜线）和用于保护 每个导体以及防止电荷损失的绝缘层（例如塑料、橡胶层）。在其他实施例中，旋转电机12 通过电压线路18接收电。旋转电机12利用电在定子和转子中产生磁场，以驱动轴16。耦 合至轴16的机器14能够利用轴16的扭矩做功。例如，机器14可以包括一个或多个压缩 机、泵、传送器、切割工具和/或工业设备。
[0020] 在操作中，非介入式电容式电压传感器系统10通过控制器监测系统20来监测旋 转电机12的输入电压或输出电压。控制器监测系统20包括控制器22和监测器24。监测 器24耦合至并接收来自于非介入式电容式电压传感器28的电压信号。如图所示，非介入 式电容式电压传感器28耦合至电压线路18以检测旋转电机12的输入端或输出端处的电 压。非介入式电容式电压传感器28能够感测指示电压线路18中的电压的电压。更具体而 言，非介入式电容式电压传感器28耦合至电压线路18的绝缘外壳，从而避免花高成本去除 绝缘外壳以直接附接于电压线路18的暴露导体。换言之，传感器28完全位于绝缘外壳的 外部，因此被描述为非介入式的。
[0021] 为了测量非介入式电容式电压传感器28中的变化，监测器24可包括电压表30和 /或电压测量电路32。例如，电压表30和/或电压测量电路32可以在电容式电压传感器 28和地之间的电阻（未显示）两端测量电容式电压传感器28的电压。监测器控制器24可 以利用来自于非介入式电容式电压传感器28的电压信号控制旋转电机12的操作。例如， 控制器22可以通过处理器36执行存储器34中的指令，以阻止传送至以及来自于旋转电机 12的功率；以及增大或减小由旋转电机12产生的或传送至旋转电机12的功率。例如，控 制器监测系统20可以关闭机器14 (例如发动机或驱动器），从而停止轴16的旋转以及旋转 电机12的功率产生。但是，在另一个实施例中，监测器控制系统20可以关闭发送至旋转电 机12的功率，从而停止轴16的旋转和机器14的操作。
[0022] 图2是耦合至电压线路18的非介入式电容式电压传感器28的实施例的透视图。 如上所述，电压线路18包括导体80,其可由被保护性绝缘外壳82 (例如塑料、橡胶）包围的 多根导线81构成。保护性绝缘外壳82保护导体80免受环境影响以及隔离导体80与其他 导电物品。非介入式电容式电压传感器28以非介入方式耦合至电压线路18,从而避免花高 成本去除保护性绝缘外壳82以及电压传感器直接附接于导体80。
[0023] 在本实施例中，非介入式电容式电压传感器28是环形的，包围电压线路18。非介 入式电容式电压传感器28包括第一非介入式电容式电压传感器84和第二非介入式电容式 电压传感器86。电容式电压传感器84和86是半圆形的，并且围绕电压线路18彼此耦合， 形成双传感器或冗余传感器配置。电容式电压传感器84和86通过各自的传感器线路88 和90耦合至控制器监测系统20。传感器线路88和90传输指示导体80中的电压的电压信 号。因此控制器监测系统20能够通过电压测量电路32 (图1)或电压表30 (图1)测量电 压随时间的变化。
[0024] 图3是非介入式电容式电压传感器28的实施例的剖视图。如上所述，非介入式电 容式电压传感器28的所不实施例包括第一非介入式电容式电压传感器84和第二非介入式 电容式电压传感器86。传感器84和86围绕电压线路18耦合在一起，以感测导体80中的 电压。如图所示，每个传感器84和86具有半圆形主体92,主体围绕电压线路18延伸大约 180度。但是，在不同实施例中，传感器84和86可以覆盖电压线路18的不同数量的圆周。 在又一个实施例中，可以只有一个非介入式电容式电压传感器84或86，其耦合至将非介入 式电容式电压传感器保持在电压线路18上的半圆形构件。如图所示，非介入式电容式电压 传感器28包括在第一侧面94上耦合传感器84和86的铰链100,以及在第二侧面96上耦 合传感器84和86的闩锁102。铰链100和闩锁102能通过打开和关闭使得非介入式电容 式电压传感器28围绕电压线路18耦合及解耦。或者，铰链和闩锁可以围绕电压线路18永 久耦合非介入式电容式电压传感器。通过将紧固件104螺旋穿过带有螺纹的连接器106和 108,从而闩锁102可以将非介入式电容式电压传感器28保持在电压线路18上。在其他实 施例中，传感器84和86可以通过拉式闩锁、弹簧闩锁、压缩闩锁、扣合机构、钩和环、夹钳、 带子、或者任意其他可去除或永久耦合器耦合在一起。
[0025] 电容式电压传感器84和86均包括信号板110,嵌入隔离材料层114、116和118中 或者之间的屏蔽板112。信号板110与导体80的外表面120形成电容器，导体80可由多根 导线81构成。当交流电流流过电压线路18时，电容器（即信号板110)中的电荷增大及减 小，在传感器线路88中产生电压（即电压信号），该电压可由控制器监测系统20中的电压 表30 (图1)或电压测量电路32测量。信号板110中的电压可能不等于电压线路18中的电 压，但是总体上指示该电压（例如通过查找表、公式或者计算、模型，信号板电压能够实现 电压线路18中电压的确定）。电容式电压传感器84和86包括阻止来自于其他电源的电磁 干扰的屏蔽板112 (例如阻止对信号板110电压信号的干扰）。在本实施例中，屏蔽板112 包括两层：用于阻止磁场干扰的磁场屏蔽板122和用于阻止电场干扰的电场屏蔽板124。信 号板110可由任何适当的导体或半导体材料（例如铜、铝、磷铜、掺杂硅）制成。磁场屏蔽板 122可由任何适当的高导磁率材料（例如坡莫合金、镍铁高导磁率合金（Mu-Metal))制成。 电场屏蔽板124可由任何适当的导体材料（例如铜、铝、磷铜）制成。如上所述，板110U22 和124可以嵌入绝缘材料（例如陶瓷、塑料、环氧树脂、硅、介电绝缘体）层114、116和118 中或之间。在一些实施例中，每层114、116和118中的材料可以是相同的绝缘材料。但是， 在其他实施例中，每层114、116和118中的材料可以与一个或多个层不同。例如，层114可 以由介电绝缘体制成，而层116和118由非介电绝缘材料制成。此外，在一些实施例中，绝 缘材料层可置于两个屏蔽板122和124之间。
[0026] 图4是非介入式电容式电压传感器28的实施例的剖视图。在所示实施例中，非介 入式电容式电压传感器28形成能够夹在电压线路18上的C形或U形主体136。在该配置 中，非介入式电容式电压传感器28能够耦合至电压线路或者从电压线路去除，而无需使用 紧固件（例如闩锁、螺栓、粘性夹钳），从而能够快速进行测量安装以及后续的去除。非介入 式电容式电压传感器28包括电压线路18的绝缘层82、信号板146和屏蔽板148之间的层 140U42和144中的绝缘材料（例如陶瓷、塑料、环氧树脂、掺杂硅、介电绝缘体）。绝缘层可 由柔性材料制成，从而能使非介入式电容式电压传感器28弹性夹持在电压线路18上（例 如绝缘层可具有弹簧力）。例如，在去除和附接过程中，外周端部138可沿方向139向外弯 曲。此外，每层140、142和144中的绝缘材料的柔性可以彼此不同。例如，层140可以是最 柔软的层，产生围绕电压线路18的绝缘层82的密封，而层142和144的刚度逐渐增大。
[0027] 图5是具有弓形主体158的非介入式电容式电压传感器28的实施例的剖视图。 在所示实施例中，非介入式电容式电压传感器28通过阻碍运动型材料（motion-resistant material) 160稱合至电压线路18。阻碍运动型材料160可以包括粘结剂、高摩擦力材料、 表面纹理、或者其任意组合。阻碍运动型材料160可以包括弹性体，例如橡胶，其有助于沿 着电压线路18的顶部阻碍传感器28的运动。取决于应用，阻碍运动型材料160可以产生 与电压线路18的永久或临时结合，从而能够进行电压线路18中的电压的短期或长期测量。 非介入式电容式电压传感器28包括信号板168和屏蔽板170之间的层162、164和166中 的绝缘材料（例如陶瓷、塑料、环氧树脂、硅、介电绝缘体）。绝缘层162、164和166可由柔 性材料制成，使得非介入式电容式电压传感器28顺应电压线路18的轮廓。每层162U64 和166中的绝缘材料的柔性可以彼此相同或不同。具有柔性弓形主体158的非介入式电容 式电压传感器28直接附接于电压线路18的能力使得单一的非介入式电容式电压传感器能 够耦合至不同直径的电压线路18。
[0028] 图6是沿图2的线A-A截取的非介入式电容式电压传感器28的实施例的剖视图。 非介入式电容式电压传感器28包括屏蔽板190和192 ;绝缘材料194 (例如陶瓷、塑料、环 氧树脂、硅、介电绝缘体）和信号板196。例如，屏蔽板190和192可以具有外侧面198,第 一端侧面200,和第二端侧面202。端侧面200和202可以大体交叉（例如垂直）于外侧面 198。在该配置中，屏蔽板190和192减小对信号板196的外部电磁干扰，同时减小屏蔽板 190和192之间的干扰。更具体而言，端侧面200和202使屏蔽板190和192的外侧面198 更远离信号板196,以减小信号板196与屏蔽板190和192之间的干扰。在其他实施例中， 屏蔽板190和192可以大致为半环形。
[0029] 图7是非介入式电容式电压传感器28的实施例的剖视图。非介入式电容式电压传 感器28包括第一非介入式电容式电压传感器210和第二非介入式电容式电压传感器212。 如图所示，第一和第二非介入式电容式电压传感器210和212彼此轴向相邻布置于绝缘材 料214(例如陶瓷、塑料、环氧树脂、硅、介电绝缘体）中。第一非介入式电容式电压传感器 210包括信号板216 ;屏蔽板218和220。类似的，第二非介入式电容式电压传感器212包 括信号板222,屏蔽板224和226。通过包括两个电容式电压传感器210和212,非介入式电 容式电压传感器28通过单一器件提供对电压线路18中的电压的冗余感测。
[0030] 图8是非介入式电容式电压传感器28的实施例的剖视图。非介入式电容式电压 传感器28包括壳体240,信号板242,屏蔽板244,以及绝缘材料246 (例如陶瓷、塑料、环氧 树脂、掺杂娃、介电绝缘体）。如图所不，绝缘材料246,信号板242和屏蔽板244容纳于壳体 240中。如上所述，非介入式电容式电压传感器28包括阻止电磁干扰干扰信号板242感测 的电压信号的屏蔽板244。如上所述，屏蔽板244可以仅阻止信号板一侧上的电磁干扰。此 夕卜，屏蔽板244可由能够阻止电场和磁场的一种或多种材料制成。但是，在一些实施例中， 壳体240和屏蔽板244可以一起工作，以阻止电磁干扰。例如，屏蔽板244可以阻止磁场， 而壳体240阻止电场，或者反之。
[0031] 本发明的技术效果包括能够非介入式感测电压线路中的电压。例如，非介入式电 容式电压传感器可以通过粘结剂、夹子、闩锁、夹钳、带子、或其他可去除或永久安装件非介 入式附接于电压线路（例如不去除或穿入绝缘材料）。相应地，非介入式电容式电压传感器 减小与监测电压线路上的电压关联的时间和成本。当耦合至电压线路时，非介入式电容式 电压传感器能使控制监测系统检测电压随时间的变化。
[0032] 该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并使本领域技术人员能 够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的可专 利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示 例旨在属于权利要求书的范围内，只要它们具有与该权利要求书的文字语言没有区别的结 构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
【权利要求】
1. 一种系统，包括： 非介入式电容式电压传感器，所述非介入式电容式电压传感器配置为耦合至包围金属 导体的绝缘体，其中所述非介入式电容式电压传感器配置为产生指示所述金属导体中电压 的电压信号；以及 监测器控制器系统，所述监测器控制器系统配置为接收来自于所述非介入式电容式电 压传感器的电压信号，其中所述监测器控制器系统配置为使用所述电压信号监测或控制机 器。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测器控制器系统包括电压表，所述 电压表配置为测量来自于所述非介入式电容式电压传感器的电压信号。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测器控制器系统包括电压测量电 路，所述电压测量电路配置为测量来自于所述非介入式电容式电压传感器的电压信号。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括信 号板，所述信号板配置为与所述金属导体的外表面形成电容器。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括沿 着所述信号板延伸的屏蔽板，其中所述屏蔽板阻止对所述信号板的电磁干扰。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括沿 着所述信号板和所述屏蔽板延伸的绝缘材料。
7. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述屏蔽板包括磁场屏蔽板或电场屏蔽 板。
8. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括围 绕所述绝缘材料延伸的壳体。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括可 去除的安装结构。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括具 有阻碍运动型材料的安装表面。
11. 一种系统，包括： 第一非介入式电容式电压传感器，所述第一非介入式电容式电压传感器配置为输出指 不金属导体中电压的第一电压信号，所述第一非介入式电容式电压传感器包括： 配置为感测所述金属导体中的电压的第一信号板； 在所述第一信号板上延伸的第一屏蔽板，其中所述第一屏蔽板配置为阻止电磁干扰； 以及 第二非介入式电容式电压传感器，所述第二非介入式电容式电压传感器耦合至所述第 一非介入式电容式电压传感器，并配置为输出指不所述金属导体中电压的第二电压信号， 所述第二非介入式电容式电压传感器包括： 配置为感测所述金属导体中的电压的第二信号板； 在所述第二信号板上延伸的第二屏蔽板，其中所述第二屏蔽板配置为阻止电磁干扰。
12. 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一非介入式电容式电压传感器 和所述第二非介入式电容式电压传感器围绕所述金属导体耦合。
13. -种系统，包括： 非介入式电容式电压传感器，所述非介入式电容式电压传感器配置为向监测器输出 电压信号，其中所述电压信号指示金属导体中的电压，所述非介入式电容式电压传感器包 括： 配置为感测所述金属导体中的电压的信号板； 在所述信号板上延伸的屏蔽板，其中所述屏蔽板配置为阻止电磁干扰。
14. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述信号板和所述屏蔽板嵌入绝缘材 料中。
15. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述屏蔽板包括磁场屏蔽板和电场屏 蔽板。
16. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括 壳体，所述壳体配置为包围绝缘体的圆周，所述绝缘体包围所述金属导体。
17. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括 可去除的安装结构。
18. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括 弯曲的信号板和弯曲的屏蔽板。
19. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括 半环形壳体，所述半环形壳体配置为将所述非介入式电容式电压传感器耦合至包围所述金 属导体的绝缘体。
20. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述非介入式电容式电压传感器包括 具有阻碍运动型材料的安装表面。
【文档编号】G01R19/00GK104215814SQ201410239193
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】D.T.卢, P.内蒂 申请人:通用电气公司