专利名称：用于检测中到高压应用中的电压的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于线路导体的电压传感器，特别涉及紧凑的电容性分压器型传感器，其容易制造，并能够测量中到高压线路导体的电位。
背景技术：
电容性分压器型传感器测量线路导体或母线的AC电压。在这样的装置中，具有已知电容的第一电容器(Cl)连接到线路导体。具有大于第一电容器的电容的第二电容器(C2)串联连接在Cl和地之间。C2两端之间的电压(Vc2)与线路导体和地之间的线路电压(Vl)成比例。特别地，八可使用下面的公式来确定VC2 = VL(C1/(C1+C2))。当构成能够测量中压(MV)到高压(HV)应用(例如大约IkV到50kV)中的电压的电容性分压器时，典型地将多种设计因素考虑在内。例如，Cl和C2典型地使用多个个体电容器来构建，以将Cl与C2上的电压均减小到在各个电容器的电压额定值范围内的值。然 而，这样的个体部件，显著增大了电容性分压器的复杂性、不准确的可能性以及制造成本。另外，电容性分压器的个体部件上的电场(E场)密集度(concentration)影响电容性分压器的设计。如已知的那样，E场密集度部分地为线路导体的电压的因数。也就是说，随着线路导体电压的上升，电容性分压器的个体部件上的E场密集度可能也上升。当E场密集度高时，可能在线路导体和电压传感器之间发生介质击穿。尽管E场密集度可通过增大电容性分压器的个体部件之间的距离来最小化，部件间隔上的这种增大还增大了装置的整体尺寸。因此，希望设计用于中到高压线路导体电压的设备和方法，其小、准确且制造起来相对较不昂贵。
发明内容
本发明提供了一种用于检测中或高压线路导体的电压的系统和方法。因此，根据本发明一实施形态，用于线路导体的电压传感器包含电绝缘体，电绝缘体包含表面和边缘，表面具有长度，边缘具有限定电绝缘体厚度的厚度。电绝缘体表面的长度实质上大于边缘的厚度。电绝缘体的表面在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于表面的方向穿过其中。电压传感器还包含第一与第二电极，电极定位在电绝缘体的表面上的开口周围，并彼此间隔开，以便提供指示线路导体的电势(voltage potential)的公共电容性分压器信号。根据本发明另一实施形态，制造线路传感器的方法包含提供绝缘基材，绝缘基材具有附着表面并在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于附着表面的方向穿过其中。该方法还包含将电极组件的第一与第二电极耦合到绝缘基材的附着表面，将电极组件的第一与第二电极在绝缘基材上彼此间隔开，并将电极组件配置为输出指示线路导体的电势的信号。根据本发明又一实施形态，用于线路导体的电压传感器包含电绝缘基材，其具有接触表面，接触表面具有开口，开口的尺寸被设计为允许线路导体以大体上垂直于接触表面的方向穿过其中。线路导体还包含传感器电极，其耦合到电绝缘基材的接触表面；接地电极，其耦合到电绝缘基材的接触表面。传感器电极和接地电极构成电容性分压器的元件，并产生公共的输出。本发明的多种其他特征和优点将由下面的详细介绍和附图明了。
附图示出了当前想到的实现本发明的优选实施例。在附图中，图I为根据本发明一实施例的电压传感器的透视图；图2为图I的电压传感器的截面图； 图3为根据本发明一实施例的电容性分压器的等效电路；图4为根据本发明另一实施例的电压传感器的截面图；图5为根据本发明一实施例的传感器组件的截面图。
具体实施例方式这里给出的本发明的实施例涉及一种用于检测中压或高压线路导体的电压的系统和方法。在一实施例中，本发明用电压传感器实现，其具有在其中串联形成的两个电容器。电压传感器10在图I中示出，并包含接地的电压传感器屏蔽12，其由镀有金属的注塑塑料构成，该金属例如为镍和/或铜。其他的替代方式包括冲压金属、金属网印(metal mesh/screen)或上面提到的材料的组合。传感器屏蔽12为法拉第屏蔽，其具有一般为圆形的形状。在一个实施例中，传感器屏蔽12可被构建为具有上屏蔽14和下屏蔽16，其用铆钉紧固在一起。具有一般为盘形的形状的电绝缘体或电绝缘基材20位于上下屏蔽14、16之间。电绝缘体20在其中具有开口 22，以容纳线路导体(图I未示出)。在优选实施例中，电绝缘体20为印刷电路板(PCB)。或者，电绝缘体20可为薄的(大约O. 002英寸)绝缘支撑片，其包含例如为聚酰亚胺(Kapton)的材料。在电绝缘体20的开口 22周围，第一或传感器电极24以及第二或接地电极26被固定到支撑板20或在支撑板20上形成。在一实施例中，第一与第二电极24、26使用印刷、绘制、电沉积或金属喷涂工艺形成，以便在例如电绝缘体20上布置一层导电材料，例如铜。导线连接28将第一电极24连接到读出电路32的接触垫30，其将在下面关于图2、3更为详细地介绍。导线连接34将第二电极26连接到接地的电压传感器屏蔽12。如图I所示,上下屏蔽14、16的圆角(radius corners)或边缘部分36、38具有弯曲的轮廓，其使得边缘部分36、38上的电场集中度和电弧(arcing)最小化，并帮助防止介质击穿。或者，可通过将大直径的导线环附着到上下屏蔽14、16来形成弯曲的边缘部分36、38。边缘部分36、38的曲率也允许第一与第二电极24、26放置得离线路导体更近，因此减小电压传感器10的整体尺寸。现在参照图2，示出了根据本发明一实施例的电压传感器40的截面图。电压传感器40包含屏蔽组件42，其具有连接到地48的第一屏蔽44和第二屏蔽46。印刷电路板(PCB) 50位于第一屏蔽44和第二屏蔽46之间。PCB 50具有上边缘52、下边缘54、第一侧表面或附着表面56以及第二侧表面或附着表面58。如图2所示，PCB 50具有比其厚度62大得多的整体长度60。PCB 50上的开口 64允许线路导体66经过其中。PCB 50被定位为使得上边缘52和下边缘54被定向为实质上平行于线路导体66的中心轴68。PCB 50的第一侧表面56和第二侧表面58被定向为实质上垂直于导体66的中心轴68,并具有定位于其上的相应的接触位置70、72以及若干个相应的非接触位置74、76。传感器电极78在接触位置70固定到PCB 50的第一侧表面56，接地电极80在接触位置72被固定到PCB 50的第二侧表面58。如图2所示，传感器电极78和接地电极80被定位为到PCB 50的开口 64和线路导体66等距离。或者，电极78、80可在PCB 50上彼此偏移开，使得传感器电极78和接地电极80中的一个比另一个更为接近线路导体66。具有定位于其上的接触垫84的读出电路82也被固定到PCB 50。传感器导线86将传感器电极78电气连接到接触垫84。接地导线88经由一连接将电极80接地到第一屏蔽44。读出电路82对电压传感器40的高阻抗进行缓冲，并包含缓冲与放大器电路90，从而对来自传感器电极78的信号进行放大,用于电压传感器输出92。由于介电常数对温度敏感，热电偶94和微处理器96也可包含在读出电路82中，使得介电常数可作为温度的函数 得到校正。本发明的电压传感器实施例的原理电路图在图3中示出。参照图2、3，电容性分压器98在线路导体66、传感器电极78和接地电极80之间形成。第一电容器(Cl) 100在线路导体(VJ66和传感器电极78之间形成。如已知的那样，Cl 100的电容可通过有选择地设计传感器电极78的尺寸并设置传感器电极78和线路导体66之间的距离来控制。在一实施例中，Cl 100的电容可近似为10fF。第二电容器(C2) 102在传感器电极78和接地电极80之间形成。类似于关于Cl 100所阐释的，C2 102的电容可基于传感器电极78和接地电极80 二者的尺寸和位置来选择。在一个实施例中，C2 102的电容可为大约100pF。安装在读出电路82上的缓冲与放大器电路90对于与来自电容性分压器98的检测电压成比例的检测到的电势信号104进行放大，并将指示线路导体66的电势的信号传送到外部触发单元(未示出)。在一个实施例中，检测电压信号104和\ 66之间的比率为I : 10000或 100mV/kV。图4示出了根据本发明另一实施例的电压传感器106的截面。传感器屏蔽或屏蔽环108连接到地110，并构成围绕PCB 112的连续的金属片或镀有金属的塑料片。PCB 112具有在其中形成的通道114，以便容纳线路导体116。包含传感器电极120和接地电极122的电极组件118位于PCB 112的公共的平面接触表面124上。导线连接126经由一连接将电极122接地到接地的屏蔽环108。导线连接128电气连接到读出电路132的接触垫130。如根据本发明一实施例的图5所示，电压传感器134可并入传感器组件136。电压传感器134包含电压屏蔽或外壳138、PCB 140、第一与第二电极142与144。除了电压传感器134以外，传感器组件136还包含电流传感器组件146，其具有外壳或屏蔽148，以便防止来自线路导体150的介质击穿。屏蔽148围绕电流传感器152和第一与第二寄生功率电流互感器(CT) 154、156。根据一实施例，电流传感器152为Rogowski线圈，其检测线路导体150中的电流。CT 154、156寄生地产生来自线路电流或线路电压的电力，并将电力提供给电压传感器134以及外部的触发单元(未示出)。电压传感器134和电流传感器组件146位于具有间隔器160的外壳或公共结构158中。尽管间隔器160被示为实心圆柱体，替代性实施例可仅仅具有几个最小支撑点，实现相同的效能。外壳158中的通道162的尺寸被设计为容纳线路导体150。来自电压传感器134和电流传感器组件146的导线连接164、166分别连接到多针连接器168，其允许传感器信号从电压传感器134和电流传感器152传送到外部跳闸单元(未示出)。在一个实施例中，绝缘材料或密封剂170——例如具有高的介质击穿强度的环氧树脂——构成外壳158内的电介质。绝缘材料170使得线路导体150和屏蔽138、148之间以及电压传感器134和电流传感器组件146之间的介质击穿最小化。绝缘材料170注入外壳158，以便密封电压传感器134和电流传感器组件146，并填充电压传感器134和电流传感器组件146中的任何空气间隙。电流屏蔽148和电压屏蔽138中的排气孔172允许空气在密封过程中排出。因此，根据本发明一实施形态，用于线路导体的电压传感器包含电绝缘体，电绝缘体具有表面和边缘，表面具有长度，边缘具有限定电绝缘体厚度的厚度。电绝缘体表面的长度实质上大于边缘的厚度。电绝缘体的表面在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于表面的方向穿过其中。电压传感器还包含第一与第二电极，电极定位在电绝缘体 的表面上的开口周围并彼此间隔开，以便提供指示线路导体的电势的公共电容性分压器信号。根据本发明另一实施形态，制造线路传感器的方法包含提供绝缘基材，绝缘基材具有附着表面并在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于附着表面的方向穿过其中。该方法还包含将电极组件的第一与第二电极耦合到绝缘基材的附着表面，将电极组件的第一与第二电极在绝缘基材上彼此间隔开，并将电极组件配置为输出指示线路导体的电势的信号。根据本发明又一实施形态，用于线路导体的电压传感器包含电绝缘基材，其具有接触表面，接触表面具有开口，开口的尺寸被设计为允许线路导体以大体上垂直于接触表面的方向穿过其中。线路导体还包含传感器电极，其耦合到电绝缘基材的接触表面；接地电极，其耦合到电绝缘基材的接触表面。传感器电极和接地电极构成电容性分压器的元件，并产生公共的输出。已经关于优选实施例对本发明进行了介绍，将会认识到，除明确介绍的以外，等效、替代和修改是可能的，且落在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于线路导体的电压传感器，包含 电绝缘体，其具有表面和边缘，表面具有长度，边缘具有限定电绝缘体厚度的厚度，其中，表面的长度实质上大于边缘的厚度，电绝缘体的表面在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于表面的方向穿过其中；以及 第一与第二电极，其定位在电绝缘体的表面上的开口周围，并彼此间隔开，以便提供指示线路导体的电势的公共电容性分压器信号。
2.权利要求I的电压传感器，其中，电绝缘体具有两个表面，各个表面在其上具有相应的电极。
3.权利要求2的电压传感器，其中，第一电极与第二电极被定位为距离线路导体等距。
4.权利要求I的电压传感器，其中，第一与第二电极均在公共的平面表面上。
5.权利要求I的电压传感器，其还包含缓冲与放大器电路，且其中，第一电极连接到缓冲与放大器电路，第二电极连接到公共地。
6.权利要求I的电压传感器，其中，第一电极以距离线路导体的第一距离定位，第二电极以距离线路导体不同于第一距离的第二距离定位。
7.权利要求I的电压传感器，其还包含外壳，外壳定位在电绝缘体和第一与第二电极周围。
8.权利要求7的电压传感器，其还包含与电压传感器集成在公共结构内的电流传感器。
9.权利要求7的电压传感器，其中，外壳处于地电位并具有圆角，由此提供线路导体和外壳之间的电弧减少，并具有电压传感器与外壳之间的电介质。
10.一种制造线路传感器的方法，包含 提供绝缘基材，绝缘基材具有附着表面并在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于附着表面的方向穿过其中； 将电极组件的第一与第二电极耦合到绝缘基材的附着表面； 将电极组件的第一与第二电极在绝缘基材上彼此间隔开；以及 将电极组件配置为输出指示线路导体的电势的信号。
11.权利要求10的方法，其中，将第一与第二电极在附着表面上彼此间隔开包含将第一与第二电极定位在公共的附着表面上。
12.权利要求10的方法，其中，将第一与第二电极在附着表面上彼此间隔开包含将第一与第二电极定位为距离附着表面的开口等距。
13.权利要求10的方法，其还包含将外壳定位在绝缘基材和电极组件周围。
14.权利要求13的方法，其还包含将公共结构定位在外壳周围。
15.权利要求14的方法,其还包含在外壳与公共结构之间注入密封剂。
16.权利要求15的方法，其还包含当注入密封剂使将空气从公共结构中排出。
17.权利要求14的方法，其还包含将电流传感器定位在外壳内。
18.权利要求10的方法，其还包含配置读出电路，以便输出指示线路导体的电势的信号。
19.一种用于线路导体的电压传感器，包含 电绝缘基材，其具有接触表面，接触表面具有开口，开口的尺寸被设计为允许线路导体以大体上垂直于接触表面的方向穿过其中； 传感器电极，其耦合到电绝缘基材的接触表面； 接地电极，其耦合到电绝缘基材的接触表面，且 其中，传感器电极和接地电极构成电容性分压器的元件，并产生公共的输出。
20.权利要求19的电流传感器，其还包含接地屏蔽环，接地屏蔽环实质上围绕电绝缘基材、传感器电极和接地电极。
21.权利要求20的电流传感器，其中，接地屏蔽环具有弯曲的表面轮廓，以便减小线路导体和接地屏蔽环之间的电弧。
22.权利要求19的电流传感器，其中，电绝缘基材为印刷电路板并具有大体上为盘状的形状。
23.权利要求22的电流传感器，其还包含读出电路，读出电路耦合到电绝缘基材，并被 配置为输出指示线路导体的电势的信号。
全文摘要
本发明公开了用于测量中到高压线路导体的电压的系统和方法。系统包含电绝缘体，其具有表面和边缘，表面在其中具有开口，以便允许线路导体以大体上垂直于该表面的方向穿过其中。系统还包含第一与第二电极，电极定位在电导体的表面上的开口周围，并彼此间隔开，以便提供指示线路导体的电势的公共电容性分压器信号。
文档编号G01R15/16GK102803973SQ201080025304
公开日2012年11月28日 申请日期2010年5月7日 优先权日2009年5月8日
发明者M·A·朱德斯, P·J·罗尔曼, 周欣, J·J·本克, B·帕尔, F·马钱德 申请人:伊顿公司