專(zhuān)利名稱(chēng)：電容式檢測(cè)電場(chǎng)和電壓的方法、裝置和傳感器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能感受電場(chǎng)變化的電容式傳感器，還涉及裝備這種傳感器、可在一定距離處測(cè)量高電壓導(dǎo)體電位的測(cè)量裝置，以及這種測(cè)量的一種方法。測(cè)量裝置檢測(cè)到的其它量是暫態(tài)量和電離放電。此測(cè)量裝置尤其適用于單相或多相電網(wǎng)的電壓測(cè)量，來(lái)控制電力的輸配電，或者可作為能源消費(fèi)借貸記帳的基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
通常需要有距離地測(cè)量高壓線(xiàn)的電壓。例如，在配電網(wǎng)絡(luò)中連接的幾個(gè)導(dǎo)體中，可能需要特別確定其中一個(gè)導(dǎo)體的電壓。這種電壓測(cè)量的目的是為了控制配電網(wǎng)的電壓降，或者是控制電壓降不超過(guò)極限值；也可能是另一種問(wèn)題，即需要根據(jù)測(cè)量到的電壓值，計(jì)算通過(guò)的電能。在這兩種情況下，都非常需要一套簡(jiǎn)單而且便宜的測(cè)量設(shè)備，它靈活且借助于它經(jīng)濟(jì)上可行地獲取配電網(wǎng)上測(cè)量點(diǎn)的密化。
目前使用的檢測(cè)器和測(cè)量裝置昂貴而且復(fù)雜，使用時(shí)通常必須與高壓線(xiàn)如電壓變壓器相連接才能測(cè)量。這些測(cè)量方法需要相當(dāng)高的投資，因此與低投資、高靈活性的宗旨背道而馳。
從EP-B1-0 181 054可知，一種用來(lái)測(cè)量立于地表上電力導(dǎo)體與大地之間電位差的裝置已為人所知。所說(shuō)的這種裝置安裝在導(dǎo)體上，而且它通常是環(huán)狀結(jié)構(gòu)。此裝置的一個(gè)不足之處是它必須安放在導(dǎo)體之上，這樣除了需要大的投資外，還會(huì)引起運(yùn)行干擾。
在P.Sarma Maruvada，R.D.Dallaire以及R.Pedneault所著的文章“Development of field-mill instruments forground-level and above-ground level electric measurementunder HVDC transmission lines”——刊登在1983年3月的IEEETransaction on Power Apparatus and Systems第PAS-102卷，第3號(hào)，第738-744頁(yè)上，提及通俗名為“field mill”的一種裝置，可在地平面測(cè)量高壓導(dǎo)體下的電場(chǎng)。此裝置基本上包含一個(gè)固定于地電位的電極——形狀如圓桶形的盒子且在其上側(cè)可能有，例如6個(gè)扇形的開(kāi)口，以及一個(gè)在盒子里、但與其電絕緣的旋轉(zhuǎn)電極。此旋轉(zhuǎn)電極包含六個(gè)相同的葉片，構(gòu)成伯努利雙紐線(xiàn)，均勻地分布在一個(gè)圓周內(nèi)。此裝置既可用于與地平面同一水平面上——只需在地面上掘一洞，將裝置安放其中，再用一個(gè)帶有為裝置開(kāi)了孔的金屬保護(hù)盤(pán)覆蓋其上；還可安放成凸出在地面上狀。
上述這篇文章還揭示了一種可在地平面上測(cè)量高壓導(dǎo)體下電場(chǎng)的裝置。該裝置包含兩個(gè)金屬圓桶，每個(gè)圓桶在長(zhǎng)度方向分成互相絕緣的兩半。圓桶可以有相同或不同的半徑，但長(zhǎng)度是不一樣的。圓桶以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從機(jī)械的觀點(diǎn)看，圓桶以相反方向旋轉(zhuǎn)是可取的。
上文描述的這些裝置存在的一個(gè)問(wèn)題是兩者都對(duì)干擾電場(chǎng)敏感，因此使測(cè)量結(jié)果大大失真；另一個(gè)問(wèn)題是，兩者設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜。
從US-4,328,461中，可知一種測(cè)量電場(chǎng)的裝置。此裝置的任務(wù)是在雷雨時(shí)研究大氣的電特性。據(jù)介紹，此裝置有三種實(shí)施方案，其基本設(shè)計(jì)包含兩個(gè)半球形的電極，兩電極之間放入一個(gè)測(cè)量和生成測(cè)量數(shù)據(jù)的裝置。在第二種方案里，測(cè)量電極是兩個(gè)圓形的金屬板，與此相關(guān)的測(cè)量電子線(xiàn)路安放在金屬板之間，因此至少部分元件可以得到屏蔽。在第三種方案里，測(cè)量電極是兩個(gè)相互絕緣的半圓桶電極，電子線(xiàn)路與上述方法相同，放在電極之間。
這種測(cè)量雷電時(shí)電場(chǎng)的裝置已為人所知，由于它使用兩個(gè)相同的金屬板，故具有一定的方向靈敏度。但是，由于它不能屏蔽掉非所要求的電場(chǎng)，因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于只需測(cè)量某個(gè)高壓部件所產(chǎn)生的電場(chǎng)，故這種裝置無(wú)法得到應(yīng)用。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是獲得一種測(cè)量裝置，用來(lái)測(cè)量電力系統(tǒng)中從許多高壓部件里選取的某個(gè)部件的電壓，且裝置可以放在離被測(cè)物體一定的距離處測(cè)量。這種測(cè)量裝置應(yīng)該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用靈活而且造價(jià)低廉；應(yīng)該能夠屏蔽掉不希望有的電場(chǎng)；應(yīng)該能夠以簡(jiǎn)單的方式調(diào)整方向?qū)χ邏翰考?，以便測(cè)量那里的電壓幅值和頻譜。該裝置還應(yīng)該檢測(cè)高壓部件的瞬態(tài)或電離放電是否存在。根據(jù)本發(fā)明，這些要求能夠通過(guò)一個(gè)測(cè)量裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)——該測(cè)量裝置包含一個(gè)用來(lái)檢測(cè)電場(chǎng)定向分量有無(wú)變化的傳感器和一個(gè)信號(hào)變換器，而傳感器和測(cè)量裝置各自具有特性，這將在獨(dú)立的權(quán)利要求中闡述。本發(fā)明還涉及一種測(cè)量電力系統(tǒng)中從多個(gè)高壓部件中選出的且位于一定距離處的某個(gè)高壓部件電壓的方法。
高壓導(dǎo)體的周?chē)请妶?chǎng)，此電場(chǎng)載有導(dǎo)體電位、電位變化及其頻率量的信息。這些信息量能被一個(gè)電容式傳感器所檢測(cè)。它包含兩個(gè)鏡象對(duì)稱(chēng)、置于電場(chǎng)之中的電極。然而，有一個(gè)問(wèn)題是這種電容式傳感器對(duì)電場(chǎng)中所有方向的改變都是敏感的，這樣，其它生成電場(chǎng)的物體也可能影響、有時(shí)甚至完全主宰了這種測(cè)量，因此無(wú)法區(qū)分測(cè)量結(jié)果中哪些變化屬于所選測(cè)量元件。由于配電通常是通過(guò)三根相鄰的延伸導(dǎo)線(xiàn)完成，因此不可能通過(guò)這樣的傳感器來(lái)確定電場(chǎng)是從哪個(gè)導(dǎo)體上發(fā)出的。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種帶兩個(gè)電極的電容式傳感器，該電極適于檢測(cè)電場(chǎng)定向分量的變化。該傳感器也適于在這種電場(chǎng)中檢測(cè)高壓裝置的瞬變和離子放電。根據(jù)本發(fā)明，電場(chǎng)定向分量的檢測(cè)是通過(guò)借助于將一個(gè)電極接地或接于一些其它可控電位的方法屏蔽其它電極，使其免受不希望有電場(chǎng)的影響而實(shí)現(xiàn)。為此目的采用的傳感器，其一個(gè)電極與大地或一些其它可控電位連接一起，而且顯著包圍著另一個(gè)電極。周?chē)姌O——下文稱(chēng)屏蔽電極——安了一個(gè)開(kāi)口，通過(guò)此開(kāi)口，電場(chǎng)的定向分量抵達(dá)被圍電極——下文稱(chēng)內(nèi)電極。電場(chǎng)的所有其它方向的分量被屏蔽電極有效地抑制了。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，電極通過(guò)氣體電介質(zhì)互相絕緣起來(lái)，這樣電極形成的電容對(duì)溫度的變化不敏感。因此，傳感器可以制成、并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量電容，接著使用在其它環(huán)境而不必再校準(zhǔn)。這種傳感器也可能在溫度變化的環(huán)境下長(zhǎng)期使用，在此情況下也不用修正。為提高傳感器的靈敏度或者加強(qiáng)傳感器的方向效應(yīng)，內(nèi)電極可以分成兩個(gè)互相絕緣的小電極，且都可以放成水平和垂直方向。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種測(cè)量裝置，它包括上文描述的傳感器。該裝置是在距離許多電場(chǎng)生成元件存在的電場(chǎng)里高壓部件一定絕緣距離處測(cè)量電壓。該測(cè)量裝置將一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器和傳感器連接起來(lái)。憑此，當(dāng)屏蔽電極與大地連接一起時(shí)，即獲得一個(gè)可以測(cè)量電場(chǎng)一方向分量的測(cè)量裝置。這種測(cè)量裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單、廉價(jià)而且可靠，可以以不接觸的方式在高壓導(dǎo)體一定距離處測(cè)量交流電壓。這種裝置是寬頻帶的，即在大的頻率范圍內(nèi)，也允許以簡(jiǎn)單的方式測(cè)量被測(cè)物體的存在及其諧波分量的和幅值。
信號(hào)轉(zhuǎn)換器包括阻抗轉(zhuǎn)換部件、放大部件，而且也包括測(cè)量信號(hào)的濾波部件和數(shù)字轉(zhuǎn)換部件。信號(hào)轉(zhuǎn)換器放在離實(shí)際傳感器較近的地方，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案里，它與傳感器整合在一起。轉(zhuǎn)換后的模擬或數(shù)字信號(hào)，此后將通過(guò)電的或光的介質(zhì)送到一個(gè)分析器里，或經(jīng)一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器以不接觸的方式傳送。
當(dāng)將這種測(cè)量裝置應(yīng)用在電壓測(cè)量時(shí)，屏蔽電極可能與一個(gè)可控的電位相連而不是與大地相連。在這種情況下，通過(guò)鎖定到某一相，可以獲得較大動(dòng)態(tài)特性和較高分辨率的測(cè)量。在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施方案里，內(nèi)電極代之以與鎖相電路連在一起，在這種情況下，來(lái)自多余電場(chǎng)源的分量可以得到抑制。因此信號(hào)轉(zhuǎn)換器勢(shì)必也要包括一個(gè)適合反向信號(hào)的導(dǎo)體。同樣地，當(dāng)濾波被測(cè)信號(hào)時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器可能包括許多導(dǎo)體來(lái)傳送不同的濾波信號(hào)到多通道分析器。
根據(jù)本發(fā)明的這種測(cè)量裝置有廣泛用途，尤其與高壓設(shè)備的交流電壓測(cè)量聯(lián)系在一起時(shí)。此領(lǐng)域的一種用途是與電力有關(guān)的配電系統(tǒng)上的封閉式或不封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備。在測(cè)量裝置的優(yōu)選用法中，為測(cè)量交流電壓，此裝置放置在封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備里，且離每根屬于不同相別的母線(xiàn)有一定的絕緣距離。在三相系統(tǒng)里，測(cè)量裝置可以放在公共點(diǎn)上，各自面向開(kāi)關(guān)設(shè)備的各條母線(xiàn)。
這種測(cè)量方法對(duì)被測(cè)物體和測(cè)量裝置之間距離的變化是敏感的，然而通常來(lái)說(shuō)，這是不成問(wèn)題的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)長(zhǎng)期觀察，這種變化可趨于忽略。把測(cè)量裝置放在被測(cè)物體固定的位置上是可取的，如可放在連接點(diǎn)或距離變化最少的懸掛點(diǎn)上。
在單相配電系統(tǒng)里，通過(guò)在導(dǎo)體周?chē)胖迷S多測(cè)量裝置這樣簡(jiǎn)單的方式來(lái)提高精度。在優(yōu)選的用法里，例如在單相封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備里，可以在導(dǎo)體延伸部分周?chē)鷪A周對(duì)稱(chēng)地放置四個(gè)測(cè)量裝置，來(lái)提高電壓測(cè)量的精度。由于各測(cè)量裝置放置時(shí)與導(dǎo)體等距離，故電壓的正確值可從四個(gè)測(cè)量裝置的平均值得到。
裝置對(duì)被測(cè)物體和測(cè)量裝置之間距離變化的靈敏度可用來(lái)檢測(cè)被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)。在高壓導(dǎo)體周?chē)囊恍┕潭ㄎ恢弥辽俜胖萌齻€(gè)測(cè)量裝置，可以檢測(cè)導(dǎo)體是否運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)體朝何方向運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)把測(cè)量裝置和被測(cè)物體安放在一個(gè)或許是中空的絕緣子的任一端，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)求得距高壓部件穩(wěn)定的測(cè)量距離的方法。在這種方式下，絕緣體的長(zhǎng)度用來(lái)構(gòu)成一個(gè)不變的測(cè)量距離。測(cè)量裝置既可以放在絕緣子的里面，又可以放在絕緣子的外面。在優(yōu)選實(shí)施方案里，可能提及懸浮式絕緣子——尤其在送電塔上，和支撐式絕緣子。
此測(cè)量裝置的另一個(gè)優(yōu)選用途是測(cè)量高壓設(shè)備的直流電壓。其辦法是在入射的、經(jīng)整流且進(jìn)入屏蔽電極開(kāi)口的電場(chǎng)里，產(chǎn)生一個(gè)已知的、且能被簡(jiǎn)單檢測(cè)到的變化。入射電場(chǎng)的這種變化可以用一個(gè)穩(wěn)定頻率覆蓋在屏蔽電極的開(kāi)口而獲得，而穩(wěn)定的頻率是通過(guò)將導(dǎo)電屏蔽極連到大地獲取。這可以以最簡(jiǎn)單的方法完成，只需將一個(gè)或多個(gè)板用于與大地相連的旋轉(zhuǎn)柄上。通過(guò)周?chē)姌O開(kāi)口的這種有規(guī)律的屏蔽，一個(gè)變化的電場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生，籍此可以測(cè)量高壓部件直流電壓定向分量的幅值。另一種獲取變化電場(chǎng)并籍此測(cè)量所尋求幅值的方法是使內(nèi)電極以一個(gè)已知的頻率振蕩。
根據(jù)本發(fā)明的一種測(cè)量裝置，當(dāng)與配電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系一起時(shí)，也特別適合控制繼電保護(hù)的功能性，在這種情況下，裝置憑借它的低投資來(lái)集中測(cè)量點(diǎn)因而提高選擇性。此測(cè)量裝置也特別適合能源消費(fèi)借貸記帳有關(guān)的導(dǎo)體電壓測(cè)量。為此目的，這種測(cè)量須結(jié)合流入導(dǎo)體的不同被測(cè)電流，進(jìn)而確定由此流過(guò)的電能。
附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明將結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案及參考附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中

圖1是測(cè)量裝置的一個(gè)局部剖視圖，此裝置包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明測(cè)量有向電壓的電容式傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器；圖2是測(cè)量裝置一個(gè)替代方案的局部剖視圖；圖3是一個(gè)穿過(guò)屏蔽電極開(kāi)口的電場(chǎng)的預(yù)測(cè)分布；圖4是一個(gè)絕緣子和根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用在該處的測(cè)量裝置的局部剖視圖；圖5是一個(gè)三母線(xiàn)封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備單元的說(shuō)明草圖，圖上附有與每條母線(xiàn)對(duì)應(yīng)的一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置；圖6是輸送三相交流電流的輸電塔的說(shuō)明草圖，塔上安裝了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制造的、用來(lái)測(cè)量電壓的測(cè)量裝置；
圖7是封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備單元一相的說(shuō)明草圖，并附有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制造的測(cè)量裝置；圖8是封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備單元一相的說(shuō)明草圖，并附有四個(gè)根據(jù)本發(fā)明制造的測(cè)量裝置；圖9是測(cè)量裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的局部剖視圖，裝置有一內(nèi)電極，它分割成互相絕緣的小電極；以及圖10是測(cè)量裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的局部剖視圖，裝置為了測(cè)量直流電壓包含一個(gè)周期性覆蓋屏蔽電極開(kāi)口的旋轉(zhuǎn)翼。
優(yōu)選實(shí)施方案的闡述圖1顯示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明用來(lái)測(cè)量有向電壓的測(cè)量裝置10。測(cè)量裝置10是用來(lái)在距導(dǎo)體22絕緣距離處測(cè)量交流電壓。它包含一個(gè)電容傳感器11和一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器13。電容傳感器有一個(gè)內(nèi)電極12和一個(gè)圍繞內(nèi)電極的屏蔽電極14。屏蔽電極上有個(gè)開(kāi)口，在測(cè)量時(shí)面向?qū)w22。在這個(gè)例子里，這兩個(gè)電極由導(dǎo)電材料制成，然則電極的實(shí)體可以由任意材料制作成，只要它們的界面是導(dǎo)電的。如電極可以由不導(dǎo)電的材料制成，其周?chē)且粚?dǎo)電層——例如塑料體上涂有導(dǎo)電涂層。
在本例中，屏蔽電極是桶形，即它有一個(gè)低部，從此低部延伸為一個(gè)圓柱形或稍稍有點(diǎn)圓錐形的邊框。在本例中，內(nèi)電極在平面上與屏蔽電極的開(kāi)口平行且有一點(diǎn)平面距離。內(nèi)電極與屏蔽電極絕緣，且在該處可調(diào)整地固定下來(lái)，使得內(nèi)電極12與屏蔽電極14的開(kāi)口16之間的距離可以調(diào)整，正如圖1中箭頭A指示的那樣。在本例中，通過(guò)一根絕緣管17延伸通過(guò)屏蔽電極并固定到內(nèi)電極12上，使距離調(diào)整成為可能。
信號(hào)轉(zhuǎn)換器13安置在屏蔽電極14的附近，它包含阻抗轉(zhuǎn)換元件以及放大元件。信號(hào)轉(zhuǎn)換器也可能包含濾波元件和數(shù)字轉(zhuǎn)換元件，它們對(duì)傳感器11輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波和數(shù)字轉(zhuǎn)換。傳感器輸出的信號(hào)易受干擾，信號(hào)轉(zhuǎn)換器首先要將其調(diào)整成一個(gè)模擬信號(hào)或者是一個(gè)數(shù)字脈沖序列，以適于傳送測(cè)量信息。一種有利的做法是為信號(hào)轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)與大地相連的屏蔽網(wǎng)，或者如本例所示，信號(hào)轉(zhuǎn)換器由一空間21封閉起來(lái)，周?chē)且粋€(gè)屏蔽網(wǎng)19。傳感器11和信號(hào)轉(zhuǎn)換器13借助放在管子17里的導(dǎo)體18互相連接起來(lái)，導(dǎo)體18可能被屏蔽。為評(píng)估信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器與一個(gè)分析器15相連，此分析器可以離測(cè)量裝置10一定距離。信號(hào)的傳送既可以采用電的方式，也可以采用光的方式，而且也可以借助一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接受器以不接觸的方式傳送。
電容傳感器11能夠在很大的帶寬內(nèi)，通常在零到幾千赫茲范圍內(nèi)檢測(cè)電場(chǎng)。因此，測(cè)量裝置13宜配備一種寬頻帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。信號(hào)轉(zhuǎn)換器中包含的阻抗轉(zhuǎn)換元件和放大元件因而宜優(yōu)選采用一種所謂的視頻放大器。許多具有不同濾波特性的濾波器也可以應(yīng)用在信號(hào)轉(zhuǎn)換器里。這種濾波器可能是帶通或低通或高通濾波器。測(cè)量時(shí)，它們可能各自傳送一個(gè)信號(hào)，或者順序連接起來(lái)。
針對(duì)特殊用途，可取的做法是將屏蔽電極連到一個(gè)電位而不是大地，所說(shuō)的這個(gè)電位可能與鎖相有關(guān)，如為提高動(dòng)態(tài)特性和理想的測(cè)量分辨率時(shí)進(jìn)行的某相鎖相。因此信號(hào)轉(zhuǎn)換器13可能包含一個(gè)鎖相電路(未畫(huà)出)連到屏蔽電極14。這種所謂的PLL(脈沖閉鎖回路)電路，使得例如在三相系統(tǒng)里，將測(cè)量裝置10的屏蔽電極14鎖定在一個(gè)隨被測(cè)相變化的電位成為可能。在這種方式下，信號(hào)轉(zhuǎn)換器13的輸出信號(hào)里，其它相的影響被抑制，其結(jié)果是提高了測(cè)量精度。
使用測(cè)量裝置10在絕緣距離處測(cè)量高壓導(dǎo)體22的交流電壓時(shí)，它是指向?qū)w22的。為使內(nèi)電極能夠檢測(cè)到電場(chǎng)的延伸(drawn)部分，電場(chǎng)的所需部分必須落下穿過(guò)屏蔽電極的開(kāi)口。為此目的，設(shè)想有個(gè)通過(guò)內(nèi)電極的中心、貫穿開(kāi)口中點(diǎn)的軸，直接指向被測(cè)物體。在實(shí)際測(cè)量開(kāi)始前，測(cè)量裝置應(yīng)就地校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是通過(guò)采用測(cè)量裝置測(cè)量一個(gè)已知電壓而完成。通過(guò)調(diào)整測(cè)量值與已知電壓相一致來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量裝置，當(dāng)完成了此項(xiàng)工作，可以開(kāi)始實(shí)際的測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置10的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置不必與其電壓待測(cè)的導(dǎo)體作電流接觸，甚至也不必與它相接觸。這種測(cè)量可代之以距導(dǎo)體絕緣距離處完成，這意味著對(duì)于所有與此接觸的人來(lái)說(shuō)，測(cè)量裝置是半保護(hù)型的。這也意味著不必在導(dǎo)體的相鄰地方進(jìn)行安裝，因此此測(cè)量方法不會(huì)產(chǎn)生操作干擾。這種測(cè)量裝置設(shè)計(jì)極其簡(jiǎn)單，因而制造非常便宜，而且也是可靠的。針對(duì)測(cè)量物體的瞬變過(guò)程和離子放電，這種測(cè)量裝置也有利于構(gòu)造成一種所謂的PD(部分放電)檢測(cè)器。由于它的可靠性、它的寬頻帶設(shè)計(jì)以及低投資成本，這種測(cè)量裝置極適合應(yīng)用在電能消費(fèi)借貸記帳時(shí)的能源測(cè)量以及作為繼電保護(hù)的功用。
圖2顯示的是根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量裝置10的另一個(gè)的替代方案。與前面例子同樣方式，測(cè)量裝置包含一個(gè)傳感器11和一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器13。屏蔽電極14將內(nèi)電極12包圍起來(lái)，僅留下一個(gè)測(cè)量時(shí)直接面向被測(cè)物體的開(kāi)口16。在這個(gè)方案里，屏蔽電極是球形，而內(nèi)電極是杯子形且凹面對(duì)著開(kāi)口。然則屏蔽電極可以是一個(gè)任意的形狀，可能是由一種任意的、密實(shí)的或鉆孔的導(dǎo)電材料制成；同樣內(nèi)電極可以是任意形狀，然而宜優(yōu)先使其某一處平面與開(kāi)口的平面基本平行。傳感器11不限于本例指示的圓形結(jié)構(gòu)。開(kāi)口較小，產(chǎn)生的信號(hào)也較弱，但卻有更大的方向靈敏度，因此對(duì)于生成電場(chǎng)的線(xiàn)路源來(lái)說(shuō)，宜設(shè)計(jì)這種傳感器，使其開(kāi)口和內(nèi)電極分別沿線(xiàn)源一致方向伸長(zhǎng)。
圖3顯示的是一個(gè)穿過(guò)接地屏蔽電極開(kāi)口、進(jìn)入內(nèi)電極12的電場(chǎng)預(yù)測(cè)分布。本圖僅顯示杯形內(nèi)電極邊緣附近的一部分電場(chǎng)。此預(yù)測(cè)已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，它說(shuō)明起初穿過(guò)開(kāi)口的那部分電場(chǎng)是與開(kāi)口的法線(xiàn)平行。此外在屏蔽電極里，電力線(xiàn)向著屏蔽電極的里面發(fā)散，最后被內(nèi)電極12吸收。內(nèi)電極有個(gè)凹面直接指向屏蔽電極的開(kāi)口。這種幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是屏蔽電極里的電場(chǎng)分布變得更加均勻。杯形內(nèi)電極12被設(shè)計(jì)成一球面曲線(xiàn)板，使得所有的電力線(xiàn)垂直入射于此板。這在維持屏蔽特性的同時(shí)，還提供了較強(qiáng)輸出信號(hào)的附加優(yōu)勢(shì)。
圖4顯示的是根據(jù)本發(fā)明測(cè)量裝置10的一種有利用途。在圖示的例子里，測(cè)量裝置置于一個(gè)中空絕緣子25的末端。此絕緣子包含一種可能是瓷或其它絕緣材料的絕緣物質(zhì)26，以及第一極27和第二極28。第一極與高壓設(shè)備(未畫(huà)出)相連，而第二極與大地相連。測(cè)量裝置放在第二極28上，其屏蔽電極14與第二極相連，內(nèi)電極12與屏蔽電極14絕緣起來(lái)，并且固定在屏蔽電極14上且位置可調(diào)。根據(jù)所描述的用途，被測(cè)物體和測(cè)量裝置之間宜保持一個(gè)精確不變的距離。因?yàn)榫嚯x的一點(diǎn)點(diǎn)變化都將使電壓測(cè)量的精度受到影響。
為進(jìn)一步屏蔽多余的電場(chǎng)，兩個(gè)極可以配備導(dǎo)電材料制成、形如板狀的屏蔽網(wǎng)(未畫(huà)出)，屏蔽網(wǎng)沿絕緣子橫向延伸開(kāi)來(lái)，并與各自的極相連。對(duì)于使用SF6氣體保護(hù)的中空絕緣子，可以利用因氣體的存在而產(chǎn)生的較小的絕緣子內(nèi)部絕緣距離，使測(cè)量裝置10可以全部安裝在絕緣子內(nèi)部。這種包括電壓測(cè)量裝置的絕緣子可以作為成品以簡(jiǎn)單的方式制造出來(lái)。
圖5是母線(xiàn)R、S、T上開(kāi)關(guān)設(shè)備單元的解釋草圖，該開(kāi)關(guān)設(shè)備單元被外罩29所圍，R、S、T對(duì)應(yīng)三相交流電壓。根據(jù)此圖，在開(kāi)關(guān)設(shè)備的上端與外殼29相連的地方，裝有測(cè)量裝置10R、10S、10T。根據(jù)本發(fā)明，它們對(duì)每相母線(xiàn)有向電壓進(jìn)行測(cè)量。圖中這三個(gè)測(cè)量裝置安放在同一位置，使各自的安裝和繞接變得簡(jiǎn)單，而且每個(gè)測(cè)量裝置直接面向各自的母線(xiàn)。然而，每個(gè)測(cè)量裝置可以安放在開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣距離范圍處的任意位置，但由于安放在一起可以取得測(cè)量裝置靈敏度方向之間的最大可能角度，因而是可取的。測(cè)量裝置的這種用法，可節(jié)省安裝時(shí)間和外罩內(nèi)空間。
圖6是輸電塔的說(shuō)明性草圖，塔上安裝了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置10R、10S、10T。輸電塔包含一個(gè)框架橫梁31和支持橫梁的兩根框架支柱30a、30b以及三個(gè)懸掛式絕緣子32R、32S、32T。絕緣子安在框架橫梁上，每個(gè)絕緣子支撐一個(gè)高壓導(dǎo)體22R、22S、22T。放大的那張圖以?xún)擅嬉晥D顯示了測(cè)量裝置10T是如何應(yīng)用在支撐式絕緣子32T附近的框架橫梁31上，該絕緣子支撐著高壓線(xiàn)22R。在線(xiàn)路這種懸掛點(diǎn)安放測(cè)量裝置，意味著當(dāng)風(fēng)力或其它外力引起導(dǎo)線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，測(cè)量距離變得限定而且不會(huì)明顯改變。測(cè)量裝置也可以象圖4那樣，與絕緣子有利地整合在一起。測(cè)量裝置傳送的轉(zhuǎn)換信號(hào)既可以采用電的、光的方式，也可以借助于電話(huà)以無(wú)線(xiàn)方式傳到分析器。根據(jù)本例的測(cè)量方法，通過(guò)收集網(wǎng)絡(luò)里許多固定安裝的測(cè)量裝置的測(cè)量值，可以以一種有利的方式檢查輸電或配電。
圖7是僅一相被外罩29所圍的開(kāi)關(guān)設(shè)備單元的解釋草圖。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置10測(cè)量單相母線(xiàn)33的交流電壓時(shí)，可能與圖5的例子一樣放在外罩內(nèi)有一定絕緣距離的任意位置。這種應(yīng)用的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在外罩內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生別的電場(chǎng)，從而使得測(cè)量裝置的位置可以因?yàn)槠渌蛟试S被控制。在封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備上，對(duì)于一相采用一個(gè)本發(fā)明測(cè)量裝置的做法使安裝極其簡(jiǎn)單而且成本極其節(jié)省。
上文已經(jīng)指出，本發(fā)明的測(cè)量裝置進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)，對(duì)被測(cè)物體和測(cè)量裝置之間距離的變化是敏感的。這個(gè)事實(shí)可以用來(lái)研究被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圍繞一個(gè)中點(diǎn)作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物體，可以以一種簡(jiǎn)單的方式獲得測(cè)量此物體電壓的方法。圖8顯示了一種測(cè)量結(jié)構(gòu)，它一方面允許研究導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，另一方面可提高測(cè)量精度。與前圖一樣，圖8是僅有單相被外殼29所圍的開(kāi)關(guān)設(shè)備說(shuō)明草圖。母線(xiàn)33放在中心位置，在開(kāi)關(guān)設(shè)備橫截面的四個(gè)角上分別放置四個(gè)本發(fā)明的測(cè)量裝置10a，10b，10c，10d。每個(gè)測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)換信號(hào)優(yōu)選由一個(gè)四通道分析器(未畫(huà)出)分析。對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)研究母線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)；計(jì)算這些信號(hào)的平均值可提高測(cè)量精度。
通過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)形式的幾何計(jì)算，可以確定母線(xiàn)的位置，由此，電壓的測(cè)量可以針對(duì)位置的變化得到校正，從而通過(guò)計(jì)算可以得到正確的測(cè)量值。此方法也可以在背景電場(chǎng)的變化引起被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)變化時(shí)，來(lái)檢測(cè)和修正測(cè)量值。通過(guò)引進(jìn)許多測(cè)量裝置完成對(duì)同一物體的測(cè)量，可以提高測(cè)量精度。所闡述的測(cè)量方法不限于開(kāi)關(guān)設(shè)備，而且也適用于自由導(dǎo)體和不封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備。對(duì)于不封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，尤其需要修正背景電場(chǎng)變化時(shí)的測(cè)量值。
圖9顯示本發(fā)明的測(cè)量裝置中，傳感器11的一種替代方案。傳感器11包含屏蔽電極14，屏蔽電極14有個(gè)開(kāi)口16，而且圍著第一個(gè)內(nèi)子電極12a和第二個(gè)內(nèi)子電極12b，兩者互相絕緣，而且每個(gè)都固定在屏蔽電極上且位置可調(diào)。在本例這種情況下，開(kāi)口16的大小受到導(dǎo)電材料制成的圓環(huán)34的限制。圓環(huán)與屏蔽電極相連，其作用是使電場(chǎng)均勻，避免發(fā)生電暈。在所示的例子中，內(nèi)子電極大小相等且優(yōu)先采用半圓板的形狀，這樣兩個(gè)子電極合在一起成為一塊完整的圓板。每個(gè)內(nèi)子電極都各自與信號(hào)轉(zhuǎn)換器(未畫(huà)出)相連，而且與例1同樣，測(cè)量信號(hào)與各自的分析器相連，或者連到公用的多通道分析器。
通過(guò)將內(nèi)電極分成子電極，可以進(jìn)一步利用上文提及的靈敏度對(duì)距離的依賴(lài)性。首先優(yōu)選電極調(diào)到同樣的容量，再借助一個(gè)橋電路對(duì)每個(gè)子電極的轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，由此一方面確定測(cè)量物體是否在傳感器前面，另一方面確定測(cè)量時(shí)測(cè)量物體是否在移動(dòng)。分析器里通過(guò)比較測(cè)量值來(lái)分離內(nèi)電極，來(lái)檢測(cè)另一個(gè)多余物體產(chǎn)生的電場(chǎng)，因而可從測(cè)量結(jié)果中將它刪除出去。根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)電極可分成任意多的子電極。尤其與點(diǎn)狀的高壓體連接時(shí)，內(nèi)電極構(gòu)成為許多相同的圓的扇片。在其它實(shí)施方案里，如對(duì)于上文描述的細(xì)長(zhǎng)傳感器，宜使子電極按多個(gè)并列的板設(shè)置。
圖10顯示本發(fā)明測(cè)量裝置的一種附加替代實(shí)施方案，這個(gè)例子顯示的測(cè)量裝置包含圖1，2，或圖9例子中的一種方案，另外還補(bǔ)充了一個(gè)在內(nèi)電極以已知頻率產(chǎn)生校正電場(chǎng)偏差的裝置。測(cè)量裝置10包括一個(gè)傳感器11和一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器13。此傳感器包含一個(gè)內(nèi)電極12和一個(gè)包著內(nèi)電極的屏蔽電極14，屏蔽電極上有開(kāi)口16。內(nèi)電極固定在絕緣管17上，絕緣管可調(diào)地固定在屏蔽電極上，使得內(nèi)電極12可在指定的A方向上變化。內(nèi)電極與信號(hào)轉(zhuǎn)換器13通過(guò)穿過(guò)管17的導(dǎo)體18相連接，信號(hào)轉(zhuǎn)換器放在空間21里，且被屏蔽網(wǎng)19所包圍。
軸36由一驅(qū)動(dòng)設(shè)備(未畫(huà)出)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，是可旋轉(zhuǎn)地固定在測(cè)量裝置上，而且有一個(gè)平行于開(kāi)口16的圓片35固定其上。軸36和圓片35連接一起，與屏蔽電極14同一電位。軸36旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓片35沿例如半圓方向伸展、將以已知頻率遮蔽開(kāi)口。校正電場(chǎng)的定向分量在零和全電場(chǎng)強(qiáng)度之間變化，且以這種方式穿過(guò)屏蔽電極的開(kāi)口。從此變化中，可以測(cè)量穿過(guò)開(kāi)口的校正電場(chǎng)定向分量的幅值。
圓片35優(yōu)先選取金屬制成，它旋轉(zhuǎn)時(shí)交替覆蓋開(kāi)口和離開(kāi)開(kāi)口，即屏蔽開(kāi)口和解除開(kāi)口屏蔽，由此產(chǎn)生穿越靜態(tài)電場(chǎng)的變化。本發(fā)明不僅僅限于包含一個(gè)圓片，而且可以包含許多圓片，它們最好均勻地分布在軸上。圓片可以完全覆蓋或者部分覆蓋開(kāi)口16。單圓片或許多圓片都可取得同樣效果屏蔽整個(gè)傳感器或其局部。
本發(fā)明不僅僅限于所示的這些實(shí)施方案，而且在附屬的權(quán)利要求范圍內(nèi)，可能作許多修改。例如在某種應(yīng)用時(shí)，屏蔽電極可以包含許多開(kāi)口，可以由網(wǎng)狀或孔狀的材料設(shè)計(jì)而成。
權(quán)利要求
1.檢測(cè)電場(chǎng)定向分量的電容式傳感器(11)包含一個(gè)內(nèi)電極(12)和一個(gè)屏蔽電極(14)，其特征在于屏蔽電極(14)包圍著內(nèi)電極(12)，并留有一個(gè)開(kāi)口(16)，由此當(dāng)傳感器指向產(chǎn)生電場(chǎng)的物體時(shí)，內(nèi)電極可檢測(cè)穿過(guò)開(kāi)口的那部分電場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于內(nèi)電極(12)和屏蔽電極(14)依靠一種氣體介質(zhì)而相互絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其特征在于內(nèi)電極(12)是可調(diào)節(jié)地固定在屏蔽電極(14)上。
4.根據(jù)前面任一條權(quán)利要求的傳感器，其特征在于內(nèi)電極(12)基本上是平面，此平面基本上與屏蔽電極(14)的開(kāi)口(16)的法線(xiàn)垂直。
5.根據(jù)前面任一條權(quán)利要求的傳感器，其特征在于內(nèi)電極(12)是杯形的。
6.根據(jù)前面任一條權(quán)利要求的傳感器，其特征在于內(nèi)電極(12)包含許多電氣上互相絕緣的子電極(12a，12b)。
7.一種測(cè)量電場(chǎng)中高壓部件(22)電壓的測(cè)量裝置(10)，其特征在于該測(cè)量裝置(10)包含一個(gè)電容式傳感器(11)，包括一個(gè)內(nèi)電極(12)和一個(gè)與一可控參考電位相連的屏蔽電極(14)，屏蔽電極適合于將內(nèi)電極從干擾電場(chǎng)屏蔽開(kāi)來(lái)，由此此傳感器在絕緣距離處通過(guò)檢測(cè)穿過(guò)內(nèi)電極的電場(chǎng)的定向分量，來(lái)測(cè)量高壓部分的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的一種測(cè)量裝置，其特征在于屏蔽電極(14)和內(nèi)電極(12)通過(guò)一種氣體介質(zhì)互相絕緣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的一種測(cè)量裝置，其特征在于屏蔽電極(14)圍著內(nèi)電極(12)，并有開(kāi)口16，通過(guò)此開(kāi)口內(nèi)電極檢測(cè)電場(chǎng)的定向分量。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9之一的一種測(cè)量裝置，其特征在于內(nèi)電極(12)包括許多子電極(12a，12b)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10的一種測(cè)量裝置，其特征在于該測(cè)量裝置包含一個(gè)放在此傳感器(11)附近的信號(hào)轉(zhuǎn)換器(13)，而且包含放大元件和測(cè)量信號(hào)的阻抗轉(zhuǎn)換元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的一種測(cè)量裝置，其特征在于此信號(hào)轉(zhuǎn)換器(13)包括屏蔽電極(14)以及/或者內(nèi)電極的鎖相元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求7-12任何一條的測(cè)量裝置，其特征在于此測(cè)量裝置放在一個(gè)絕緣子的接地部分處。
14.根據(jù)權(quán)利要求7-13任一項(xiàng)的一種測(cè)量裝置在開(kāi)關(guān)設(shè)備上的用途。
15.根據(jù)權(quán)利要求7-13任一項(xiàng)的一種測(cè)量裝置(10)在電網(wǎng)電能消費(fèi)的借貸記帳上的用途。
16.根據(jù)權(quán)利要求7-13任一項(xiàng)的一種測(cè)量裝置(10)在電網(wǎng)建立繼電保護(hù)功能的用途。
17.一種測(cè)量電場(chǎng)所包圍高壓部件(22)電壓的方法，其特征在于電場(chǎng)的一個(gè)定向分量是在絕緣距離處由至少一個(gè)電容式傳感器(11)檢測(cè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的一種方法，其特征在于傳感器(11)適于包含一個(gè)內(nèi)電極(12)和一個(gè)連到一個(gè)可控電位的屏蔽電極(14)，屏蔽電極用于將內(nèi)電極從干擾電場(chǎng)屏蔽開(kāi)來(lái)，從而高壓部件產(chǎn)生的電場(chǎng)可由內(nèi)電極檢測(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的一種方法，其特征在于屏蔽電極(14)經(jīng)一種氣體介質(zhì)與內(nèi)電極(12)絕緣起來(lái)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19之一的一種方法，其特征在于屏蔽電極(14)包圍內(nèi)電極(12)，并留有一個(gè)開(kāi)口(16)，籍此內(nèi)電極檢測(cè)電場(chǎng)的定向分量。
21.根據(jù)權(quán)利要求17-20之一的一種方法，其特征在于鎖相元件與傳感器(11)相連，籍此屏蔽電極(14)和/或內(nèi)電極(12)的電位與高壓部件有關(guān)地鎖定，從而使干擾電場(chǎng)受到抑制。
22.根據(jù)權(quán)利要求17-21之一的一種方法，其特征在于內(nèi)電極(12)包括許多子電極(12a，12b)，由此通過(guò)比較子電極信號(hào)，可檢測(cè)高壓部件移動(dòng)引起的入射電場(chǎng)的變化。
23.根據(jù)權(quán)利要求17-22之一的一種方法，其特征在于傳感器(11)與高壓部件(22)安放時(shí)相隔一個(gè)固定的距離。
24.根據(jù)權(quán)利要求17-23之一的一種方法，其特征在于傳感器(11)被以一個(gè)已知頻率交替從一定向靜態(tài)電場(chǎng)中屏蔽，由此在傳感器里產(chǎn)生一個(gè)變化的電場(chǎng)，從此電場(chǎng)可直接測(cè)量高壓部件(22)的電壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求17-24之一的方法在開(kāi)關(guān)設(shè)備上的運(yùn)用。
26.根據(jù)權(quán)利要求17-24之一的方法在電網(wǎng)電能消費(fèi)借貸記帳上的運(yùn)用。
27.根據(jù)權(quán)利要求17-24之一的方法在電網(wǎng)建立繼電保護(hù)功能的運(yùn)用。
全文摘要
一種測(cè)量電場(chǎng)中高電壓部件(22)電位的裝置(10)包含了一個(gè)電容式傳感器(11)和一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(13)。此傳感器有一個(gè)內(nèi)電極(12),其四周由一個(gè)屏蔽電極(14)將它包圍起來(lái)。屏蔽電極與一個(gè)可控的參考電位相連,其一側(cè)開(kāi)口(16)。測(cè)量時(shí),此開(kāi)口向著高電壓部件(22)。電場(chǎng)穿過(guò)屏蔽電極的開(kāi)口進(jìn)入內(nèi)電極,通過(guò)檢測(cè)此電場(chǎng)的定向分量,可以在絕緣距離處測(cè)量高電壓部件的電位。
文檔編號(hào)G01R15/00GK1229474SQ9719767
公開(kāi)日1999年9月22日 申請(qǐng)日期1997年7月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月15日
發(fā)明者M·萊永, M·倫德馬克, M·?？素惱? L·瓦爾夫里德森, L·G·達(dá)爾貝里, H·O·卡爾丁, H·霍爾姆波恩, J·塞倫 申請(qǐng)人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司