專利名稱：電容式檢測電場和電壓的方法、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、可在一定距離處測量高電壓導(dǎo)體電位的測量裝置，以及這種測量的一種方法。測量裝置檢測到的其它量是暫態(tài)量和電離放電。此測量裝置尤其適用于單相或多相電網(wǎng)的電壓測量，來控制電力的輸配電，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量高壓線的電壓。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極限值；也可能是另一種問題，即需要根據(jù)測量到的電壓值，計(jì)算通過的電能。在這兩種情況下，都非常需要一套簡單而且便宜的測量設(shè)備，它靈活且借助于它經(jīng)濟(jì)上可行地獲取配電網(wǎng)上測量點(diǎn)的密化。
目前使用的檢測器和測量裝置昂貴而且復(fù)雜，使用時(shí)通常必須與高壓線如電壓變壓器相連接才能測量。這些測量方法需要相當(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，一種用來測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，第738-744頁上，提及通俗名為“field mill”的一種裝置，可在地平面測量高壓導(dǎo)體下的電場。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，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)帶有為裝置開了孔的金屬保護(hù)盤覆蓋其上；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量高壓導(dǎo)體下電場的裝置。該裝置包含兩個(gè)金屬圓桶，每個(gè)圓桶在長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)問題是兩者都對干擾電場敏感，因此使測量結(jié)果大大失真；另一個(gè)問題是，兩者設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜。
從US-4,328,461中，可知一種測量電場的裝置。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)測量和生成測量數(shù)據(jù)的裝置。在第二種方案里，測量電極是兩個(gè)圓形的金屬板，與此相關(guān)的測量電子線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，測量電極是兩個(gè)相互絕緣的半圓桶電極，電子線路與上述方法相同，放在電極之間。
這種測量雷電時(shí)電場的裝置已為人所知，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，因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于只需測量某個(gè)高壓部件所產(chǎn)生的電場，故這種裝置無法得到應(yīng)用。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是獲得一種測量裝置，用來測量電力系統(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物體一定的距離處測量。這種測量裝置應(yīng)該設(shè)計(jì)簡單、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；應(yīng)該能夠以簡單的方式調(diào)整方向?qū)χ邏翰考员銣y量那里的電壓幅值和頻譜。該裝置還應(yīng)該檢測高壓部件的瞬態(tài)或電離放電是否存在。根據(jù)本發(fā)明，這些要求能夠通過一個(gè)測量裝置來實(shí)現(xiàn)——該測量裝置包含一個(gè)用來檢測電場定向分量有無變化的傳感器和一個(gè)信號變換器，而傳感器和測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)體的周圍是電場，此電場載有導(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。它包含兩個(gè)鏡象對稱、置于電場之中的電極。然而，有一個(gè)問題是這種電容式傳感器對電場中所有方向的改變都是敏感的，這樣，其它生成電場的物體也可能影響、有時(shí)甚至完全主宰了這種測量，因此無法區(qū)分測量結(jié)果中哪些變化屬于所選測量元件。由于配電通常是通過三根相鄰的延伸導(dǎo)線完成，因此不可能通過這樣的傳感器來確定電場是從哪個(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，該電極適于檢測電場定向分量的變化。該傳感器也適于在這種電場中檢測高壓裝置的瞬變和離子放電。根據(jù)本發(fā)明，電場定向分量的檢測是通過借助于將一個(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。周圍電極——下文稱屏蔽電極——安了一個(gè)開口，通過此開口，電場的定向分量抵達(dá)被圍電極——下文稱內(nèi)電極。電場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，電極通過氣體電介質(zhì)互相絕緣起來，這樣電極形成的電容對溫度的變化不敏感。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生成元件存在的電場里高壓部件一定絕緣距離處測量電壓。該測量裝置將一個(gè)信號轉(zhuǎn)換器和傳感器連接起來。憑此，當(dāng)屏蔽電極與大地連接一起時(shí)，即獲得一個(gè)可以測量電場一方向分量的測量裝置。這種測量裝置構(gòu)成簡單、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)，也允許以簡單的方式測量被測物體的存在及其諧波分量的和幅值。
信號轉(zhuǎn)換器包括阻抗轉(zhuǎn)換部件、放大部件，而且也包括測量信號的濾波部件和數(shù)字轉(zhuǎn)換部件。信號轉(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，此后將通過電的或光的介質(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)將這種測量裝置應(yīng)用在電壓測量時(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，通過鎖定到某一相，可以獲得較大動態(tài)特性和較高分辨率的測量。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，來自多余電場源的分量可以得到抑制。因此信號轉(zhuǎn)換器勢必也要包括一個(gè)適合反向信號的導(dǎo)體。同樣地，當(dāng)濾波被測信號時(shí)，信號轉(zhuǎn)換器可能包括許多導(dǎo)體來傳送不同的濾波信號到多通道分析器。
根據(jù)本發(fā)明的這種測量裝置有廣泛用途，尤其與高壓設(shè)備的交流電壓測量聯(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關(guān)設(shè)備。在測量裝置的優(yōu)選用法中，為測量交流電壓，此裝置放置在封閉式開關(guān)設(shè)備里，且離每根屬于不同相別的母線有一定的絕緣距離。在三相系統(tǒng)里，測量裝置可以放在公共點(diǎn)上，各自面向開關(guān)設(shè)備的各條母線。
這種測量方法對被測物體和測量裝置之間距離的變化是敏感的，然而通常來說，這是不成問題的，因?yàn)橥ㄟ^長期觀察，這種變化可趨于忽略。把測量裝置放在被測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，通過在導(dǎo)體周圍放置許多測量裝置這樣簡單的方式來提高精度。在優(yōu)選的用法里，例如在單相封閉式開關(guān)設(shè)備里，可以在導(dǎo)體延伸部分周圍圓周對稱地放置四個(gè)測量裝置，來提高電壓測量的精度。由于各測量裝置放置時(shí)與導(dǎo)體等距離，故電壓的正確值可從四個(gè)測量裝置的平均值得到。
裝置對被測物體和測量裝置之間距離變化的靈敏度可用來檢測被測物體的運(yùn)動。在高壓導(dǎo)體周圍的一些固定位置至少放置三個(gè)測量裝置，可以檢測導(dǎo)體是否運(yùn)動和導(dǎo)體朝何方向運(yùn)動。
通過把測量裝置和被測物體安放在一個(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)定的測量距離的方法。在這種方式下，絕緣體的長度用來構(gòu)成一個(gè)不變的測量距離。測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。
此測量裝置的另一個(gè)優(yōu)選用途是測量高壓設(shè)備的直流電壓。其辦法是在入射的、經(jīng)整流且進(jìn)入屏蔽電極開口的電場里，產(chǎn)生一個(gè)已知的、且能被簡單檢測到的變化。入射電場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口而獲得，而穩(wěn)定的頻率是通過將導(dǎo)電屏蔽極連到大地獲取。這可以以最簡單的方法完成，只需將一個(gè)或多個(gè)板用于與大地相連的旋轉(zhuǎn)柄上。通過周圍電極開口的這種有規(guī)律的屏蔽，一個(gè)變化的電場將會產(chǎn)生，籍此可以測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并籍此測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集中測量點(diǎn)因而提高選擇性。此測量裝置也特別適合能源消費(fèi)借貸記帳有關(guān)的導(dǎo)體電壓測量。為此目的，這種測量須結(jié)合流入導(dǎo)體的不同被測電流，進(jìn)而確定由此流過的電能。
附圖簡述本發(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)說明，其中

圖1是測量裝置的一個(gè)局部剖視圖，此裝置包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明測量有向電壓的電容式傳感器和信號轉(zhuǎn)換器；圖2是測量裝置一個(gè)替代方案的局部剖視圖；圖3是一個(gè)穿過屏蔽電極開口的電場的預(yù)測分布；圖4是一個(gè)絕緣子和根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用在該處的測量裝置的局部剖視圖；圖5是一個(gè)三母線封閉式開關(guān)設(shè)備單元的說明草圖，圖上附有與每條母線對應(yīng)的一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的測量裝置；圖6是輸送三相交流電流的輸電塔的說明草圖，塔上安裝了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制造的、用來測量電壓的測量裝置；
圖7是封閉式開關(guān)設(shè)備單元一相的說明草圖，并附有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制造的測量裝置；圖8是封閉式開關(guān)設(shè)備單元一相的說明草圖，并附有四個(gè)根據(jù)本發(fā)明制造的測量裝置；圖9是測量裝置的一個(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，裝置為了測量直流電壓包含一個(gè)周期性覆蓋屏蔽電極開口的旋轉(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)明用來測量有向電壓的測量裝置10。測量裝置10是用來在距導(dǎo)體22絕緣距離處測量交流電壓。它包含一個(gè)電容傳感器11和一個(gè)信號轉(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)開口，在測量時(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，其周圍是一導(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，使得內(nèi)電極12與屏蔽電極14的開口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，通過一根絕緣管17延伸通過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，它們對傳感器11輸出的模擬信號進(jìn)行濾波和數(shù)字轉(zhuǎn)換。傳感器輸出的信號易受干擾，信號轉(zhuǎn)換器首先要將其調(diào)整成一個(gè)模擬信號或者是一個(gè)數(shù)字脈沖序列，以適于傳送測量信息。一種有利的做法是為信號轉(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，信號轉(zhuǎn)換器由一空間21封閉起來，周圍是一個(gè)屏蔽網(wǎng)19。傳感器11和信號轉(zhuǎn)換器13借助放在管子17里的導(dǎo)體18互相連接起來，導(dǎo)體18可能被屏蔽。為評估信號，信號轉(zhuǎn)換器與一個(gè)分析器15相連，此分析器可以離測量裝置10一定距離。信號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)檢測電場。因此，測量裝置13宜配備一種寬頻帶的信號轉(zhuǎn)換器。信號轉(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。測量時(shí)，它們可能各自傳送一個(gè)信號，或者順序連接起來。
針對特殊用途，可取的做法是將屏蔽電極連到一個(gè)電位而不是大地，所說的這個(gè)電位可能與鎖相有關(guān)，如為提高動態(tài)特性和理想的測量分辨率時(shí)進(jìn)行的某相鎖相。因此信號轉(zhuǎn)換器13可能包含一個(gè)鎖相電路(未畫出)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，將測量裝置10的屏蔽電極14鎖定在一個(gè)隨被測相變化的電位成為可能。在這種方式下，信號轉(zhuǎn)換器13的輸出信號里，其它相的影響被抑制，其結(jié)果是提高了測量精度。
使用測量裝置10在絕緣距離處測量高壓導(dǎo)體22的交流電壓時(shí)，它是指向?qū)w22的。為使內(nèi)電極能夠檢測到電場的延伸(drawn)部分，電場的所需部分必須落下穿過屏蔽電極的開口。為此目的，設(shè)想有個(gè)通過內(nèi)電極的中心、貫穿開口中點(diǎn)的軸，直接指向被測物體。在實(shí)際測量開始前，測量裝置應(yīng)就地校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是通過采用測量裝置測量一個(gè)已知電壓而完成。通過調(diào)整測量值與已知電壓相一致來校準(zhǔn)測量裝置，當(dāng)完成了此項(xiàng)工作，可以開始實(shí)際的測量。
根據(jù)本發(fā)明的測量裝置10的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是測量裝置不必與其電壓待測的導(dǎo)體作電流接觸，甚至也不必與它相接觸。這種測量可代之以距導(dǎo)體絕緣距離處完成，這意味著對于所有與此接觸的人來說，測量裝置是半保護(hù)型的。這也意味著不必在導(dǎo)體的相鄰地方進(jìn)行安裝，因此此測量方法不會產(chǎn)生操作干擾。這種測量裝置設(shè)計(jì)極其簡單，因而制造非常便宜，而且也是可靠的。針對測量物體的瞬變過程和離子放電，這種測量裝置也有利于構(gòu)造成一種所謂的PD(部分放電)檢測器。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，測量裝置10的另一個(gè)的替代方案。與前面例子同樣方式，測量裝置包含一個(gè)傳感器11和一個(gè)信號轉(zhuǎn)換器13。屏蔽電極14將內(nèi)電極12包圍起來，僅留下一個(gè)測量時(shí)直接面向被測物體的開口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著開口。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)。開口較小，產(chǎn)生的信號也較弱，但卻有更大的方向靈敏度，因此對于生成電場的線路源來說，宜設(shè)計(jì)這種傳感器，使其開口和內(nèi)電極分別沿線源一致方向伸長。
圖3顯示的是一個(gè)穿過接地屏蔽電極開口、進(jìn)入內(nèi)電極12的電場預(yù)測分布。本圖僅顯示杯形內(nèi)電極邊緣附近的一部分電場。此預(yù)測已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，它說明起初穿過開口的那部分電場是與開口的法線平行。此外在屏蔽電極里，電力線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口。這種幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是屏蔽電極里的電場分布變得更加均勻。杯形內(nèi)電極12被設(shè)計(jì)成一球面曲線板，使得所有的電力線垂直入射于此板。這在維持屏蔽特性的同時(shí)，還提供了較強(qiáng)輸出信號的附加優(yōu)勢。
圖4顯示的是根據(jù)本發(fā)明測量裝置10的一種有利用途。在圖示的例子里，測量裝置置于一個(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(未畫出)相連，而第二極與大地相連。測量裝置放在第二極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，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，被測物體和測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)變化都將使電壓測量的精度受到影響。
為進(jìn)一步屏蔽多余的電場，兩個(gè)極可以配備導(dǎo)電材料制成、形如板狀的屏蔽網(wǎng)(未畫出)，屏蔽網(wǎng)沿絕緣子橫向延伸開來，并與各自的極相連。對于使用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，使測量裝置10可以全部安裝在絕緣子內(nèi)部。這種包括電壓測量裝置的絕緣子可以作為成品以簡單的方式制造出來。
圖5是母線R、S、T上開關(guān)設(shè)備單元的解釋草圖，該開關(guān)設(shè)備單元被外罩29所圍，R、S、T對應(yīng)三相交流電壓。根據(jù)此圖，在開關(guān)設(shè)備的上端與外殼29相連的地方，裝有測量裝置10R、10S、10T。根據(jù)本發(fā)明，它們對每相母線有向電壓進(jìn)行測量。圖中這三個(gè)測量裝置安放在同一位置，使各自的安裝和繞接變得簡單，而且每個(gè)測量裝置直接面向各自的母線。然而，每個(gè)測量裝置可以安放在開關(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量裝置靈敏度方向之間的最大可能角度，因而是可取的。測量裝置的這種用法，可節(jié)省安裝時(shí)間和外罩內(nèi)空間。
圖6是輸電塔的說明性草圖，塔上安裝了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置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。放大的那張圖以兩面視圖顯示了測量裝置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22R。在線路這種懸掛點(diǎn)安放測量裝置，意味著當(dāng)風(fēng)力或其它外力引起導(dǎo)線移動時(shí)，測量距離變得限定而且不會明顯改變。測量裝置也可以象圖4那樣，與絕緣子有利地整合在一起。測量裝置傳送的轉(zhuǎn)換信號既可以采用電的、光的方式，也可以借助于電話以無線方式傳到分析器。根據(jù)本例的測量方法，通過收集網(wǎng)絡(luò)里許多固定安裝的測量裝置的測量值，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所圍的開關(guān)設(shè)備單元的解釋草圖。根據(jù)本發(fā)明的測量裝置10測量單相母線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)不會產(chǎn)生別的電場，從而使得測量裝置的位置可以因?yàn)槠渌蛟试S被控制。在封閉式開關(guān)設(shè)備上，對于一相采用一個(gè)本發(fā)明測量裝置的做法使安裝極其簡單而且成本極其節(jié)省。
上文已經(jīng)指出，本發(fā)明的測量裝置進(jìn)行電壓測量時(shí)，對被測物體和測量裝置之間距離的變化是敏感的。這個(gè)事實(shí)可以用來研究被測物體的運(yùn)動。對于圍繞一個(gè)中點(diǎn)作隨機(jī)運(yùn)動的被測物體，可以以一種簡單的方式獲得測量此物體電壓的方法。圖8顯示了一種測量結(jié)構(gòu)，它一方面允許研究導(dǎo)體運(yùn)動，另一方面可提高測量精度。與前圖一樣，圖8是僅有單相被外殼29所圍的開關(guān)設(shè)備說明草圖。母線33放在中心位置，在開關(guān)設(shè)備橫截面的四個(gè)角上分別放置四個(gè)本發(fā)明的測量裝置10a，10b，10c，10d。每個(gè)測量裝置的轉(zhuǎn)換信號優(yōu)選由一個(gè)四通道分析器(未畫出)分析。對這些信號進(jìn)行比較來研究母線的運(yùn)動；計(jì)算這些信號的平均值可提高測量精度。
通過對測量信號標(biāo)準(zhǔn)形式的幾何計(jì)算，可以確定母線的位置，由此，電壓的測量可以針對位置的變化得到校正，從而通過計(jì)算可以得到正確的測量值。此方法也可以在背景電場的變化引起被測信號產(chǎn)生不對稱變化時(shí)，來檢測和修正測量值。通過引進(jìn)許多測量裝置完成對同一物體的測量，可以提高測量精度。所闡述的測量方法不限于開關(guān)設(shè)備，而且也適用于自由導(dǎo)體和不封閉開關(guān)設(shè)備。對于不封閉開關(guān)設(shè)備，尤其需要修正背景電場變化時(shí)的測量值。
圖9顯示本發(fā)明的測量裝置中，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轉(zhuǎn)換器(未畫出)相連，而且與例1同樣，測量信號與各自的分析器相連，或者連到公用的多通道分析器。
通過將內(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距離的依賴性。首先優(yōu)選電極調(diào)到同樣的容量，再借助一個(gè)橋電路對每個(gè)子電極的轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行對比，由此一方面確定測量物體是否在傳感器前面，另一方面確定測量時(shí)測量物體是否在移動。分析器里通過比較測量值來分離內(nèi)電極，來檢測另一個(gè)多余物體產(chǎn)生的電場，因而可從測量結(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，如對于上文描述的細(xì)長傳感器，宜使子電極按多個(gè)并列的板設(shè)置。
圖10顯示本發(fā)明測量裝置的一種附加替代實(shí)施方案，這個(gè)例子顯示的測量裝置包含圖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)生校正電場偏差的裝置。測量裝置10包括一個(gè)傳感器11和一個(gè)信號轉(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)電極與信號轉(zhuǎn)換器13通過穿過管17的導(dǎo)體18相連接，信號轉(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)動設(shè)備(未畫出)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，是可旋轉(zhuǎn)地固定在測量裝置上，而且有一個(gè)平行于開口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口。校正電場的定向分量在零和全電場強(qiáng)度之間變化，且以這種方式穿過屏蔽電極的開口。從此變化中，可以測量穿過開口的校正電場定向分量的幅值。
圓片35優(yōu)先選取金屬制成，它旋轉(zhuǎn)時(shí)交替覆蓋開口和離開開口，即屏蔽開口和解除開口屏蔽，由此產(chǎn)生穿越靜態(tài)電場的變化。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.檢測電場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)開口(16)，由此當(dāng)傳感器指向產(chǎn)生電場的物體時(shí)，內(nèi)電極可檢測穿過開口的那部分電場。
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)的開口(16)的法線垂直。
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)。
7.一種測量電場中高壓部件(22)電壓的測量裝置(10)，其特征在于該測量裝置(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)電極從干擾電場屏蔽開來，由此此傳感器在絕緣距離處通過檢測穿過內(nèi)電極的電場的定向分量，來測量高壓部分的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的一種測量裝置，其特征在于屏蔽電極(14)和內(nèi)電極(12)通過一種氣體介質(zhì)互相絕緣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的一種測量裝置，其特征在于屏蔽電極(14)圍著內(nèi)電極(12)，并有開口16，通過此開口內(nèi)電極檢測電場的定向分量。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9之一的一種測量裝置，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的一種測量裝置，其特征在于該測量裝置包含一個(gè)放在此傳感器(11)附近的信號轉(zhuǎn)換器(13)，而且包含放大元件和測量信號的阻抗轉(zhuǎn)換元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的一種測量裝置，其特征在于此信號轉(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任何一條的測量裝置，其特征在于此測量裝置放在一個(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)的一種測量裝置在開關(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)的一種測量裝置(10)在電網(wǎng)建立繼電保護(hù)功能的用途。
17.一種測量電場所包圍高壓部件(22)電壓的方法，其特征在于電場的一個(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。
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)電極從干擾電場屏蔽開來，從而高壓部件產(chǎn)生的電場可由內(nèi)電極檢測。
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。
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)開口(16)，籍此內(nèi)電極檢測電場的定向分量。
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)，由此通過比較子電極信號，可檢測高壓部件移動引起的入射電場的變化。
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)電場中屏蔽，由此在傳感器里產(chǎn)生一個(gè)變化的電場，從此電場可直接測量高壓部件(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
一種測量電場中高電壓部件(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。屏蔽電極與一個(gè)可控的參考電位相連,其一側(cè)開口(16)。測量時(shí),此開口向著高電壓部件(22)。電場穿過屏蔽電極的開口進(jìn)入內(nèi)電極,通過檢測此電場的定向分量,可以在絕緣距離處測量高電壓部件的電位。
文檔編號G01R15/00GK1229474SQ9719767
公開日1999年9月22日 申請日期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 申請人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司