专利名称：具有轴向重叠电极和局部场传感器的高压传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量第一和第二接触点之间的电压的电压传感器，特别地涉及具有在这些接触点之间延伸的例如绝缘材料主体的绝缘体以及具有布置在所述主体中的电极的电压传感器。本发明还涉及串联布置的若干这样的电压传感器的组装件。
背景技术：
光学高压传感器通常依赖例如Bi4Ge3O12 (BGO)的晶状材料中的电光效应(Pockels效应)[I]。施加的电压在传播通过晶体的两个正交线性偏振光波之间引入差分光学相移。该相移与电压成比例。在晶体末端处，光波通常在偏振器处干渉。所得的光強度起到相移并且从而电压的测量的作用。US 4，904，931 [2]和US 5，715，058 [3]公开了传感器，其中在单个BGO晶体的长度上施加全线路电压(多达若干个IOOkV) [I]。用于从所得的调制图样检索施加电压的方法在[4]中描述。优点是传感器信号对应于真实电压(即沿晶体的电场的线积分)。然而，晶体处的电场强度非常高。为了获得足够的介电强度，晶体安装在中空高压绝缘体中，其由用SF6气体在压カ下填充的光纤增强环氧树脂制成用于电绝缘。绝缘体直径足够大以使绝缘体外的空气中的场强度保持在临界极限以下。在EP 0 316 635[5]中，在使用例如在EP 0 316 619[6]中更详细描述的那些的压电感测元件通过多个局部电场测量估算施加电压的方面描述传感器。利用压电晶体的正确的选择和取向，仅测量电场的ー个分量并且从而对外部场扰动的灵敏度下降。相似的概念已经在US 6，140, 810[7]中描述。然而，在这里，単独的压电感测元件配备有场转向电极并且与电导体连接使得执行电场的全积分。在若干晶体之间划分电压使峰值电场降低使得细长的绝缘体足以提供需要的介电强度。US 6，252，388[8]和US 6，380, 725[9]进ー步描述了使用沿中空高压绝缘体的纵轴安装在选择位置处的若干小的电光晶体的电压传感器。这些晶体測量它们位点处的电场。这些局部场测量的总和起到施加于绝缘体的电压的近似的作用。这里，给定电压处的场強度明显低于具有[2]的设计的并且具有以大气压カ的氮的绝缘是足够的。然而，因为传感器不测量场的线积分但从地与高压之间的一些选择点处的场強度得到信号，用于使电场分布稳定的额外的測量(介电常数屏蔽或电阻屏蔽)是必需的以避免过多的近似误差[9]。上文的概念的缺点是需要昂贵的大型高压绝缘体。外部尺寸与对应的常规感应电压互感器或电容性分压器中的ー些相似。从而，这样的光学传感器的吸引力受到限制。參考文献[10]和[11]描述了如在[2，3]中的类型的电光电压传感器，但具有嵌入硅酮内的电光晶体。从而避免大型中空高压绝缘体和SF6,体绝缘。如在[7]中的，电压可在若干晶体上分区。当仅测量总电压的一部分时，可以使用更紧凑的集成传感器，例如參见US5，029，273 [12]。用于从测量信号提取电光相位调制的各种技术是已知的如上文描述的，在[4]中使用的技术依赖超过电光晶体的半波电压的施加电压。此外，需要正交信号或用于实现不模糊输出的一些其他手段。该技术的优点是可以使用标准单模(SM)或多模(MM)光纤将光从光源引导到传感器晶体ー即，不需要保偏(PM)光纤。对测量获得线性偏振所需要的偏振器可以并入感测元件中。同样，到检测器的返回光纤可以是非PM光纤。对于比晶体半波电压低得多的电压，另ー个偏振測定技术在[13]中公布。该技术特别适合于使用局部场传感器的測量。这些传感器仅測量总线路电压的一部分，其比用全积分测量的电压小得多。用于基于非互易相位调制检索电光相移的技术从光纤陀螺仪知道[14]并且对于光纤电流传感器也已经描述[15]。它已经适合于与压电和电光电压传感器一起使用[16,17]。它特别适合于小的相移，但对于安置在高压绝缘体中的感测元件和光学相位调制器(典型地位于光源和检测器附近)之间的链路一般需要使用PM光纤。另ー个概念从高压套管知道。在高压系统中通常需要使高压导体通过其他导电部件或在其他导电部件附近，这些导电部件处于地电势(例如在电カ变压器处)。由于该目的，高压导体包含在馈通绝缘体内。该绝缘体包含与高压导体同轴并且互相绝缘的若干层金属箔。通过适当地选择金属箔的单独的圆柱的长度，电场在套管内和附近的分布可以采用从高压电势到地电势的相对均匀电压降沿套管的外表面出现这样的方式而控制[18，19]。
发明内容
要由本发明解决的问题是提供用于测量备选设计的第一和第二接触点之间的电压的电压传感器。该问题由权利要求1的电压传感器解決。因此，该电压传感器包括绝缘体。绝缘体是伸长的并且沿第一和第二接触点之间的轴向方向延伸。电场传感器布置在绝缘体内部的感测腔内。典型地，感测腔的长度明显短于绝缘体的长度。此外，多个导电电极布置在绝缘体中。这些电极由绝缘材料而互相分离并且电容性地耦合于彼此。电极的至少子集(或电极的整个组)被布置使得该子集的每个电极与来自该子集的电极中的至少另ー个轴向重叠。电极允许控制等电势表面使得在绝缘体的外表面上电压在绝缘体的全长上下降而在绝缘体内部电压在感测腔的(较短)长度上下降。有利地，电压沿绝缘体的外表面和在感测腔的长度上基本上都均匀地下降。然而，在缺乏电压传感器的情况下，等电势表面的法线基本上平行于轴向方向，如果这样的电极存在，则该法线在电极附近垂直于轴向方向。电极允许使电场集中在感测腔内，其中场强度大于电压传感器外部处的(平均)场強度，即大于由接触点之间电压除以接触点之间的距离。至少ー个电场传感器在它仅测量腔的轴向延伸的一部分上的场的意义中是局部电场传感器。该设计消除了使用大的场传感器的需要。有利地，该至少一个场传感器是光场传感器，其在以下之间引入场依赖相移A小
一通过它的光的第一传感器偏振或传感器模式与
一第二传感器偏振或传感器模式。这样的光场传感器例如可以是具有场依赖双折射的电光装置，特别地，晶体(例如BGO或BSO)或极化波导的段。然而，光场传感器也可以是压电装置，特别地晶状石英或压电陶瓷的压电装置，和携帯至少两个模式的波导，其中该波导连接到该压电装置使得波导的长度是场依赖的。有利地，电极中的至少ー个是径向环绕所述感测腔的屏蔽电扱。该屏蔽电极可以电容性地耦合于电极的两个子集并且它防止感测腔内的高电场延伸到传感器外部的空气中。有利地，电压传感器包括互相交错的电极的两组。本发明在其有利实施例中提供具有低成本的细长且重量轻的绝缘体的高压传感器。电极提供电场转向。可满足固态绝缘(不是油或气体)。本发明还涉及串联的这样的高压传感器的组装件。相同高压传感器的若干模块的组合可以用于測量大范围的不同的电压水平。其他有利实施例在从属的权利要求中以及下文的描述中列出。
从本发明的下列详细描述将更好理解本发明并且除上文阐述的那些之外的目标将变得明显。这样的描述參照附图，其中
图1是电压传感器的截面图，
图2示出计算的測量腔内部的等电势线(省略了场转向电极)，
图3示出对于三个不同边界条件沿測量内部的轴向方向的相对场强度，
图4示出(a)单个电压传感器以及(b)两个和(C)四个电压传感器的组装件，
图5示出对没有四分之一波片的块状晶体中的准直束的感测组装件，
图6示出对具有四分之一波片的块状晶体中的准直束的感测组装件，
图7示出作为图5和6的感测组装件的施加电压的函数的测量强度，
图8示出具有分束器的感测组装件，
图9示出具有保偏光纤以允许将分束器和偏振器与电光晶体分离的组装件，
图10不出具有两个偏振器(a)或一个偏振器(b)的波导光学传感器，
图11示出对使用具有单个光场传感器的非互易相位调制的检测的配置，
图12示出使用具有结合PM光纤轴的90°旋转的单个光场传感器的非互易相位调制的配置，
图13示出使用多个晶体的非互易相位调制检测的配置(a)安置在相同光纤段中的感测元件，(b)安置在两个不同的光纤段(其中光纤旋转90° )中的晶体，(C)安置在两个不同光纤段中并且相对于彼此反平行取向的晶体，Cd)直接添加到晶体末端而不是光纤末端的反射涂层或镜，
图14示出在模块化配置中使用多个电光(EO)晶体的非互易相位调制检测的配置，
图15示出具有感测元件的平行布置(其导致三个平行測量通道)的配置，其中通道可以共享共同光源和信号处理器，
图16示出具有振动补偿的配置，其中晶体的电光轴的取向由字母z和数字I和2描绘，两个正交偏振由实线和虚线箭头示出，
图17不出介电衬底上的场传感器。
具体实施例方式定义
术语“高压”指超过10kv，特别地超过IOOkV的电压。术语“径向”和“轴向”关于传感器的轴向方向(沿轴8，z轴)理解，其中径向指垂直于轴向方向的方向，并且轴向指平行于轴向方向的方向。给定电极“轴向重叠”另一个电极指示存在两个电极共同具有的轴向坐标(z坐标)的范围。具有电场转向的电压传感器 图1示出电压传感器的ー实施例。本实施例包括具有中空芯的伸长的有利杆状主体，所述主体具有形成绝缘体I的例如环氧树脂或浸溃有环氧树脂的纸的绝缘材料，而不是使用介电常数屏蔽[8]或电阻屏蔽[9]。它在第一接触点2与第二接触点3之间延伸，其两者可配备有金属接触4用于接触邻近电压传感器或电压电势。在本实施例中，绝缘体I是圆柱形的。它具有用填充物材料填充的中心孔5。至少ー个电场传感器6 (在本实施例中是例如圆柱形Bi4Ge3O12 (BGO)或Bi4Si3O12(BSO)晶体的光场传感器，)被放置在感测腔7内的孔5内部。感测腔7有利地在第一接触点2与第二接触点3之间的中心处以便使电压传感器周围的电场畸变最小化。垂直于装置的轴8并且布置在感测腔7的中心处的參考平面16在下面用作几何參考，用于描述电极中的一些的几何形状。注意这里假设感测腔7位于接触点2与3的中间。将简洁地在下文进ー步考虑感测腔7的不对称位置。此外，注意术语“腔”不暗指在相应区中缺乏绝缘材料。多个电极E布置在绝缘体I中。这些电极E由绝缘体I的绝缘材料而互相分离并且电容性地耦合于彼此。在本实施例中，电极E由金属螺旋形物(例如由薄的铝箔组成)形成，该金属螺旋形物形成与纵轴8同轴的不同轴向延伸的壳体。电极E控制等电势表面和电场在绝缘体I外部和内部的分布。在感测腔7中，选择单独的电极E的长度(S卩，轴向延イ申)和它们的径向和轴向位置使得等电势表面沿绝缘体I的外表面的全长基本上被等距地间隔和集中，但再次具有基本上相等的距离。因此施加的电压V沿外杆表面以及沿感测腔均匀地下降。有利地，场传感器的轴向长度I比腔的轴向长度d小得多，例如至少小5倍。典型地，感测腔7的长度在100-250mm的范围中。腔7外部的中心孔5的体积基本上是无场的。电极E中的至少ー个是屏蔽电极Es并且径向环绕感测腔7，由此电容性地耦合两组电极，其由參考平面(16)分离。一个电极(指示为El1)电连接到第一接触点2，并且随之叫作“第一主电扱”。另ー个电极(指示为E2P电连接到第二接触点3，并且随之叫作“第二主电扱”。这两个电极分别携带接触点2和3的电势。其他电极在浮动电势上并且在这两个主电极之间形成电容性分压器并且因此处于中间电势。除屏蔽电极￡3タト，电极还包括第一组电极，称为Eli (其中i=l…NI)，和第二组电极，称为(其中i=l…N2)。由于对称原因，NI有利地等于N2。在图1的实施例中，N1=N2=6 ,但电极的实际数量可变化。
第一组电极Eli布置在绝缘体I的第一区10中，其从感测腔7的中心延伸到第一接触点2，而第二组电极Mi布置在绝缘体I的第二区11中，其从感测腔7的中心延伸到第ニ接触点3。第一组电极中的电极El1形成第一主电极并且第二组的电极四丨形成第二主电极。这些电极在径向上最接近纵轴8，其中其他电极布置在距纵轴8更大的距离处。如上文提到的，各种电极在轴向方向上重叠并且具有大体上“交错”的设计。有利地，使用下列特性中的ー个或多个
a)对于电极的每个组j (j=l或2)，电极Eji和Eji+1沿“重叠段”轴向重叠。在该重叠段中，电极Eji+1从电极Eji径向向外布置。
b)对于电极的每个组j :
ー每个电极具有面向传感器的參考平面16的中心末端(如对于图1中的电极中的ー些由标号14图示的)和与中心末端14轴向相対的接触末端(如由标号15图示的)，
ー电极Eji+1的中心末端14比电极Eji的中心末端14更接近參考平面16并且电极Eji+1的接触末端15比电极Eji的接触末端15更接近參考平面16，因此电极Eji+1与电极Eji相比朝中心移动。ー电极Eji+1的接触末端15具有距电极Eji的接触末端15的轴向距离Cji,并且电极Eji+1的中心末端14具有距电极Eji的中心末端14的轴向距离Bji,并且
一电极Eji和Eji+1在电极Eji+1的接触末端15与电极Eji的中心末端14之间轴向重叠。c)距离Bji和Cji可以根据期望的场设计而最优化。特别地，为了在感测腔7内获得比电压传感器外部更强的场，对于所有i和j，轴向距离Bji有利地选为小于对应的轴向距离Cjit5d)对于大部分设计，如果在感测腔7中期望均匀场，轴向距离Bji应该大致上等于共同距离B，即它们应该都相同。相似地，如果在电压传感器的表面和外部期望均匀场，轴向距离Cji有利地大致上等于共同距离C，即它们也都相同。e)屏蔽电极Es有利地应该具有与第一组中的至少ー个电极并且还与第二组中的至少ー个电极的轴向重叠。一方面，这对到达装置表面的感测腔7中的高电场提供改善的防护。另ー方面，它经由屏蔽电极在这两组电极之间提供良好的电容性耦合，由此使对应电压降减小。为了进一歩改善该电容性耦合以及感测腔7内的场均匀性，屏蔽电极も有利地具有与第一组径向最外层电极El6和第二侧径向最外层电极E26的轴向重叠并且从这些最外层电极El6和E26径向向外布置。f)为了使场在电压传感器外部和内部均等地分布，电极有利地关于装置的參考平面16对称布置。g)由于相同的原因，电极有利地是圆柱形的和/或彼此同轴，特别地与纵轴8同轴。图1进ー步图示ー些其他有利方面
一场传感器6 (其例如是电光晶体)有利地是圆柱形的(其具有长度I)并且安置在绝缘体I (外径D和长度L)的中心孔5 (直径e)中，并且在感测腔7内。—作为示例，绝缘体I包含第一和第二组两者中的六个电极。这些电极EjiW及屏蔽电极Es有利地具有金属箔，与场传感器6和绝缘体I同轴。一有利地，利用如上文描述的那样选择的Bji和Cji,两组电极在径向方向上均等地间隔，其在邻近电极之间具有均一的分离距离P，并且每组的最外层电极E16、E26和屏蔽电极Es之间的径向距离也等于P。再次，这有助于使电场在绝缘体I内部和外部都更均等地分布。一有利地，屏蔽电极Es安置在接触末端2、3之间的中间距离处。—主电极El1和E2i在对应接触点2、3处通过金属接触4与两个电势(例如地电势和高压电势)接触。一有利地，绝缘体I在它的外表面上配备有例如由硅酮组成的檐(shed)(未在图1中示出)，其在高压电势和地电势之间提供増加的爬距用于户外操作。
由电极Eji和Es的场转向避免在绝缘体I外部和内部两者的过度的局部峰值场。因此绝缘体I的径向尺寸可以相对小而在环境空气中没有电击穿的危险。在一有利配置中，孔用实心但可压缩的填充物材料填充，该填充物材料提供足够的介电强度和到环氧树脂表面以及到局部场传感器的良好粘合。良好的材料是包含微小的气泡(例如，N2或SF6气体)的聚亚安酯泡沫和包含可膨胀热塑性微球的硅酮。当在室温填充孔时，填充物材料可能不得不用轻微的过压插入来确保填充物在低温下的收缩不会引起从绝缘体壁的脱离，该脱离可以导致孔内部的闪络。如提到的，填充物材料可另外起到固定场传感器6的位置并且提供机械冲击和震动的阻尼的作用。在ー备选配置中，可以使用液体(例如，变压器油)或气体(例如，N2、SF6)或可以将剩余的体积抽空。电压传感器由于其重量轻可悬置安装在高压变电站中。电压传感器和它的部件的尺寸取决于额定电压并且被选择使得传感器满足对过电压、照明和开关脉冲电压的有关标准的要求。例如，125kV模块的绝缘体I可以是具有大约I至1. 5m的总长和50至80mm的直径的环氧树脂杆。杆的内孔5则可具有在15和25mm之间的直径。选择參数a、Bij, Cij, D、P使得施加到杆末端的电压在孔内在晶体长度上并且在环氧树脂杆外表面处在其全长上尽可能均一地下降。设计可通过使用适当数值的电场模拟工具而最优化。如上文描述的将距离Bij以及Cij选择为相等也有助于简单且成本有效的绝缘体制造。除便于电场的全积分之外，这里描述的电容性场转向代表屏蔽内部场几何形状不受外部扰动的非常有效的方式。有利地，绝缘体电容明显大于环境杂散电容来最大化屏蔽效果。设计从而用局部电场传感器能够实现施加电压的相对精确的測量。由于局部电场传感器的减小的大小，这导致成本有效的解决方案。此外，集成光学波导传感器的使用变成可倉^:。数值场计算掲示腔7内部的电压降是相对均匀的，參见图2和3。图3示出具有长度Cl=Leav的測量腔内部沿绝缘体轴的计算的相对场强度。零位置指示腔7的中心。三个曲线对应于下面示出的三个不同的边界条件(a)在长接地柱上的电压传感器(实线曲线)，(b)在短接地柱上(点线曲线)，(C)在长接地柱上在附近具有接地建造物(短划曲线)。字母A描绘其中电场是特别稳定的位点。局部场传感器在该位置的测量将示出对上文提到的外部扰动非常低的敏感度。局部场传感器有利地放置在这样的位置。因此，如果腔7对于參考平面16对称，至少ー个场传感器有利地对于參考平面16对称布置并且由其横切，即它位于点A。备选地或除其之外，多个局部场传感器(特别地两个局部场传感器)可以安置在测量腔内部不同的位点，使得当添加測量场时，外部扰动的影响彼此消除(例如，图3中的点BI和B2)。适合的位点和它们关于外部扰动的稳定性可取决于边界条件和它们在电压传感器的操作期间的变化，并且从而必须对特定的应用分析。例如，如果腔7对于參考平面16对称，多个场传感器6有利地关于所述參考平面对称布置，例如对于在图1中采用点线描绘的场传感器6’示出的。更一般地说，至少ー个场传感器6的位置对于參考平面16是对称的。该陈述指示如果存在单个场传感器6,该场传感器的位置与參考平面16—致。如果存在若干个场传感器6，它们的位置对于參考平面16对称，即这些位置在參考平面16中的镜像操作下不变。图1只图示电极的ー个可能设计。必须注意，取决于需要的传感器大小和形状，电极的设计可变化。例如，电极还可以是非圆柱形的，例如通过具有椭圆横截面或通过具有变化的直径。电极可例如是截头圆锥形的，它们的末端截面15可向外张开(flare)或它们的末端截面14可向内张开。每个电极可以由例如金属箔的连续导电片组成，或它例如可被打孔或具有间隙。若干电压传感器的组装件
上文描述的电压传感器可在若干串联布置的电压传感器的组装件中形成模块。ー个这样的模块在图4a中示出。特别地，包含如上文描述的单个场传感器6的模块可对于例如125kV或240kV的额定电压而设计。图4a还示意地示出施加于绝缘体I外部的檐19。对于在240kV的操作，两个125kV模块可串联安装(图4b)。相邻模块的主电极E2i和El2在这两个模块之间的接合处电接触。电压然后在两个场传感器6上大约均等地分区(注意实际上电压比将在ー些程度上受环境杂散电容影响)。备选地，可使用包含两个场传感器6和场转向电极的两个对应组装件的单个连续绝缘体(具有単独的杆的长度的大约两倍的长度)而不是两个分离的环氧树脂杆。图4c示出四个模块的组装件。应该注意使电压在长度I的两个或更多分离晶体上分布导致比将相同电压施加到长度21的单个晶体的更小的绝缘体直径和从而更低的绝缘体成本。场传感器组装件
在图1的实施例中，场传感器6大致上通过孔5中的填充物材料而悬置。备选地，场传感器6可附连到介电衬底或嵌入这样的衬底中，即高压传感器包括布置在腔7中并且支撑场传感器6的介电衬底。特别地，并且如在图17中示出的，适合的衬底25可具有梁的形状，其具有例如轴向延伸通过腔7到绝缘体孔5的无场区域中的衬底支架(mount)的圆柱形或正方形横截面。该衬底可例如用熔融石英或用与感测元件自身相同的材料或用若干材料的组合制成。该衬底还可延伸通过整个绝缘体孔5到在两个绝缘体末端处的支架。此外，到和来自感测元件的光纤20、21可采用感测元件、光纤和衬底形成整体装置的方式嵌入衬底25中，该整体装置可以作为整体插入绝缘体孔5中。这样的配置可以设计来減少填充物材料和局部场传感器的末端之间的边界处的介电常数中的级别。
在偏振测定检测情况下(假设场传感器6基本没有双折射)，场传感器6有利地是嵌入的电光晶体波导，其具有在它的输入表面处的偏振层35和在它的输出表面处的四分之一波延迟器24和偏振层35。备选地，对于使用如下文进ー步描述的非互易相位调制的检测不需要偏振层。这里相反使用到和来自晶体波导的保偏光纤。有利地，为了最小化场畸变，场传感器6具有与衬底25相同的(平均的)介电常数。局部场测量
由于感测腔内部的场分布相当均匀并且稳定(參见图3)，例如在腔7的中心处的局部(即基本上像点的)电场测量可以如上文描述地使用。在该意义中的局部电场传感器是測量仅沿腔7的轴向延伸的部分的电场的传感器。局部场基本上与施加的电压成比例地变化。热效应对局部场强度的影响(例如由于感测腔7的热膨胀引起)可在信号处理器中和/或使用下文描述的测量来补偿。作为另ー备选(同样如提到的)，电压可从若干局部(像点的)场测量而估算，其中 局部场传感器沿轴8布置在腔7内的若干点处。特别地，如果感测腔的长度选择为相对长，这样的布置可以具有优点。在相当高的电压(例如420kV或更高)要用单个电压传感器模块测量的情况下，也可对这样的布置感兴趣。此外，可采用若干电光晶体与在中间(如在[10]中描述的)并且由单个光束询问的非活性材料(例如熔融石英)的组合。热效应补偿
需要知道场传感器6处的局部场与施加于绝缘体的电压之间的关系以便确定电压。该关系可以通过场计算或通过传感器的适当校准而确定。场几何形状必须足够稳定使得该关系在例如电场扰动和温度改变的外部影响下未明显改变。例如，温度改变使各种材料的相对介电常数％ (T)变动并且导致组件的热膨胀。典型地，因为绝缘体材料的热膨胀系数( 5 10 —5/°C)比典型的电光晶体的热膨胀系数(例如对于BG0，6 10 —6/°C)要大，測量腔的长度比电光晶体更强烈地扩大。因此，由晶体经历的电压部分减小。该效应部分为某些有利的晶体补偿，其中电光效应的强度随着温度增加(例如对于BG0，2.4 10 —4/K [3])而增加。利用使用材料和传感器几何形状的适合的组合，温度效应可以减小或甚至被补偿并且传感器精度从而可以维持在大的温度范围内。—般地，感测腔内部的电场分布并且特别地轴向方向Ez上的电场分量的分布将由于相对介电常数的和热膨胀的各种系数温度依赖而随温度变化。局部场传感器6中的平均轴向电场分量Ez,_n也变成温度依赖的，即3Ez,_n/OT幸O。导致测量电压偏差的该温度依赖可以通过正确选择局部场传感器几何形状和电光材料(其中传感器的电光效应的温度导数具有相反的符号)而部分补偿，从而导致具有场依赖相移的温度依赖3
Acp /Ot接近零。局部场测量的光学传感器配置
施加于绝缘体的电压通过使用局部电场传感器确定测量腔5内部的一个或多个位点处的电场而测量。用于局部电场测量的有利的感测技术基于电光效应(Pockels效应)。两个正交偏振在电场中传播通过适当取向的电光晶体时经历差分相移。然后从该相移推断施加于晶体的电压。光通过光纤从源引导到晶体并且回到检测器。
在一有利的配置中，选择适合的电光晶体并且使其取向使得仅测量电场的轴向分量Ez。如果光轴向传播通过晶体，这是在光的传播方向上指出的电场分量。这样的电光场传感器通过电场投影到光路上的积分测量两个晶体末端之间的电压差，由下式给出
权利要求
1.一种高压传感器，用于测量第一和第二接触点(2，3)之间的电压，包括 绝缘材料制成的绝缘体(1)，其沿所述第一和所述第二接触点(2，3)之间的轴向方向延伸， 多个导电电极(EipEs),其布置在所述绝缘体(I)中，其中所述电极(Eip Es)由所述绝缘材料而互相分离并且电容性耦合于彼此， 至少一个电场传感器(6)，其布置在所述绝缘体(I)的感测腔(7)中， 其中，对于所述电极(EipEs)的至少一部分，每个电极与所述电极(EipEs)中的至少另一个轴向重叠， 其中所述电极(Eij, Es)布置用于在所述感测腔(7)中产生电场，其具有比所述电压除以所述第一和所述第二接触点(2，3)之间的距离更大的平均场强度并且 其中所述至少一个电场传感器(6)是局部电场传感器，其仅测量所述感测腔的轴向延伸的一部分上的所述场。
2.如权利要求1所述的高压传感器，其中所述至少一个场传感器(6)是至少一个光学传感器，其在通过它的光的第一传感器偏振或传感器模式和第二传感器偏振或传感器模式之间引入场依赖相移Λ Φ，并且特别地其中所述光学传感器包括 具有场依赖双折射的电光装置，特别地为晶体，特别地为晶状Bi4Ge3O12 (BGO)或Bi4Si3O12 (BSO)的晶体，或展现Pockels效应的极化波导，或 压电装置，特别地晶状石英或压电陶瓷的压电装置，以及携带至少两个模式的波导，其中所述波导连接到所述压电装置使得所述波导的长度是场依赖的。
3.如权利要求2所述的高压传感器，包括光学串联布置的多个所述光学传感器。
4.如权利要求2到3中任一项所述的高压传感器，还包括 控制单兀(100)，其适应于从在所述第一传感器偏振或传感器模式中通过所述光学传感器的光与在所述第二传感器偏振或传感器模式中通过所述光学传感器的光之间的相移来确定所述电压， 法拉第旋转器(101)，其布置在所述控制单元(100)与所述光学传感器之间，其中所述法拉第旋转器(101)导致对于每个通路按45°所述光的非互易旋转。
5.如权利要求4所述的高压传感器，还包括至少一个第一和至少一个第二保偏光纤段(103，104)，其光学串联布置并且连接以通过所述法拉第旋转器(101)在两个通路之间引导所述光，其中所述第一和第二保偏光纤段(103，104)的主轴按90°互相旋转，并且特别地其中所述保偏光纤段(103，104)的总差分群延迟Λ Lg比光源的相干长度小得多。
6.如权利要求5所述的高压传感器，包括光学串联布置的多个感测模块(105)，其中每个感测模块(105)包括所述第一保偏光纤段(103)中的至少一个和所述第二保偏光纤段(104)中的至少一个以及至少一个光学传感器(6)。
7.如权利要求2或3中任一项所述的高压传感器，包括 具有至少第一偏振模式的保偏光纤(21)，其中所述保偏光纤(21)采用以下这样的方式连接到所述光学传感器 一在所述第一传感器偏振或传感器模式中通过所述光学传感器的光以及 一在所述第二传感器偏振或传感器模式中通过所述光学传感器的光 都部分耦合到所述保偏光纤(21)的所述第一偏振模式中，连接到所述保偏光纤(21)的检测器单元(22)，所述检测器单元(22)至少包括测量通过所述保偏光纤(21)的所述第一偏振模式的光的第一光检测器。
8.如权利要求2到7中任一项所述的高压传感器，其中所述场传感器的电光效应的温度导数具有与所述光学传感器中的轴向电场分量的平均绝对值的温度导数 相反的符号。
9.如权利要求2到8中任一项所述的高压传感器，其中所述光学传感器包括波导。
10.如权利要求2到9中任一项所述的高压传感器，其中所述光学传感器具有II1-V-半导体，特别地GaAs。
11.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，其中所述腔(7)以垂直于所述轴向方向延伸的参考平面(16)对称，其中所述至少一个场传感器(6)的位置以所述参考平面对称。
12.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，其中所述腔(7)以垂直于所述轴向方向延伸的参考平面(16)对称并且其中多个所述场传感器(6，6’)相对于所述参考平面(16)对称地布置。
13.一种如前述权利要求中任一项所述的若干高压传感器的组装件。
14.如权利要求13所述的组装件，包括串联和/或并联布置的所述高压传感器中的若干个。
15.如权利要求13或14中任一项所述的组装件，包括对所述高压传感器的共同光源和/或信号处理器。
16.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，其中所述电极(EipEs)中的至少一个是屏蔽电极(Es )，其径向环绕所述感测腔(7 )。
17.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，至少包括电连接到所述第一接触点(2)的第一主电极(El1)和电连接到所述第二接触点(3)的第二主电极(E2J，并且其中所述电极(Eij, Es)在所述第一和所述第二主电极(El1, E2P之间形成电容性分压器。
18.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，其中所述电极(EipEs)包括电极的第一组Eli,其中i=P"Nl ;和电极的第二组E2i，其中i=P"N2 ;其中所述第一组的电极Eli布置在所述绝缘体(I)的第一区(10)中，所述第一区(10)从所述感测腔(7)的参考平面(16)延伸到所述第一接触点(2)，并且其中所述第二组的电极E2i布置在所述绝缘体(I)的第二区(11)中，所述第二区(11)从所述参考平面(16)延伸到所述第二接触点(3)，其中所述参考平面(16 )径向延伸通过所述感测腔(7 )，并且特别地其中N1=N2。
19.如权利要求17和18所述的高压传感器，其中所述第一组的第一电极El1B成所述第一主电极并且所述第二组的第一电极E2i形成所述第二主电极。
20.如权利要求18或19中任一项所述的高压传感器，其中，对于电极的每个组j，所述电极Eji和Eji+1沿重叠段轴向重叠，其中，在所述重叠段中，所述电极Eji+1从所述电极Eji径向向外布置。
21.如权利要求18到20中任一项所述的高压传感器，其中，对于电极的每个组j， 每个电极具有面向所述参考平面(16)的所述中心末端(14)和与所述中心末端(14)轴向相对的接触末端(15)， 所述电极Eji+1的中心末端(14)比所述电极Eji的中心末端(14)更接近所述参考平面(16)，并且所述电极Eji+1的接触末端(15)比所述电极Eji的接触末端(15)更接近所述参考平面(16)， 所述电极Eji+1的中心末端(14)具有距所述电极Eji的中心末端(15)的轴向距离Bji,并且所述电极Eji+1的接触末端(14)具有距所述电极Eji的接触末端(14)的轴向距离Cji,并且 所述电极Eji和Eji+1在所述电极Eji+1的接触末端(15)与所述电极Eji的中心末端(14)之间轴向重叠。
22.如权利要求21所述的高压传感器，其中，对于电极的每个组j，所述轴向距离Bji小于所述轴向距离Cjit5
23.如权利要求21或22中任一项所述的高压传感器，其中，对于电极的每个组j，所述轴向距离Bji大致上等于共同距离B和/或所述轴向距离Cji大致上等于共同距离C。
24.如权利要求18到23和权利要求16中任一项所述的高压传感器，其中所述屏蔽电极(Es)与所述第一组中的至少一个电极和所述第二组中的至少一个电极轴向重叠， 并且特别地，其中所述屏蔽电极(Es)与所述第一组中的径向最外层电极(El6)和所述第二组中的径向最外层电极(E26)轴向重叠并且从所述第一组和所述第二组中的所述最外层电极(E16，E26)向外径向布置。
25.如权利要求18到24中任一项所述的高压传感器，其中所述第一组的电极Eli在径向方向上均等地间隔并且其中所述第二组的电极E2i在径向方向上均等地间隔。
26.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，其中所述电极相对于径向延伸通过所述感测腔(7)的参考平面(16)对称地布置。
27.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，其中所述电极(Ei,Es)的至少一部分，特别地全部，大致上是圆柱形的和/或彼此同轴。
28.如前述权利要求中任一项所述的高压传感器，还包括布置在所述腔(7)中并且支撑所述场传感器(6)的介电衬底(25)，并且特别地，其中所述衬底(25)具有轴向延伸通过所述腔(7)的光束的形状。
全文摘要
一种电压传感器包括绝缘体(1)，其具有嵌入其中的互相绝缘的电极(Eij，ES)。这些电极同轴并且是圆柱形的并且沿它们的长度的一部分轴向重叠。它们互相交错并且控制等电势表面使得在绝缘体(1)外部存在大致上均匀的电场并且在绝缘体(1)内的感测腔(7)内存在大致上均匀但更高的场。一种场传感器(6)布置在感测腔(7)内来局部地测量场。该设计允许对于高压应用生产紧凑的电压传感器。
文档编号G01R15/24GK103026244SQ201180039081
公开日2013年4月3日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年6月7日
发明者G·埃里克森, K·博纳特, S·V·马切塞, S·维尔德姆特 申请人:Abb研究有限公司