CN100516907C - 用于高压线路的由体电容电场激励的装置 - Google Patents

Abstract

耦接于高压传输线路的装置使用这种装置中的元件的体电容获得对于自身的激励。这种装置通过在高压线路与装置的产生体电容的元件之间流动的电流产生相对较低的电压。这种装置可用于操作那些监视配电系统的传输线路或参数例如电流、线路温度、振动等的传感器。这种装置也可用作指示器，例如航空警报灯、信息牌等。另外，这种装置可用作RF发射/接收或中继器器件、雷达器件、网状网络节点、视频/音频监视器、用于恐吓动物的发声器件、横贯电力线路的靶标等。由于这种装置是响应于线路电压而不是电流来工作，所以即使在低电流情况下这种装置也是可靠的。

Description

用于高压线路的由体电容电场激励的装置

相关申请的交叉参考

本申请要求35 U.S.C.119(e)赋予的对2003年7月25日递交的美国临时申请No.60/490,318-“由体电容电场激励的(powered)AC线路感测系统”的权益，并且一部分是35 U.S.C.120规定的2004年2月6日递交的美国专利申请No.10/774,088-“用于高压线路的由体电容电场激励的装置”的继续申请，通过参考将上述两申请援引于此。

技术领域

本发明涉及一种可操作为耦接至高压电力线路的装置。

背景技术

一般而言，当电力公司需要将电力传输很远距离时，电力以相对较高的电压传输。这些高电压通常比电力用户使用的电压高得多。当某电力线路使用大于1千伏(kv)且小于40kv的电压时，这种电力线路一般称为配电线路。当使用大于40kv的电压时，这种电力线路一般称为传输线路。与配电线路相比，传输线路通常用于在更远的距离上传输更大量的电力。

当发电商想要连接至电网时，可根据发电商的发电厂的容量而在配电线路级别或传输线路级别进行连接。越来越常见的是，由于电力工业解除了管制，发电商的发电厂与该发电厂将要连接的传输和配电线路并不属于同一家公司。这些类型的发电商常被称为独立发电商(IPP)。由于电力线路和发电厂不属于同一家公司，所以精确确定发电厂通过传输或配电线路提供给电网的电量变得尤为重要。即使发电厂和电力线路属于同一家公司，精确监视(monitor)提供给电网的电量通常也是有利的。

IPP常常仅在对电的需求旺盛使得发电很划算时才发电。因此一些IPP可能仅在一年中的小部分时间内发电。当IPP不提供电力给电网时，其发电机通常关闭，从而IPP实际上从电网取电。这种情况下从电网取得的电量通常比IPP发电时的电量小得多。当发电厂闲置时，IPP的用电很可能仅仅是其发电能力的1/1000或更少。通常希望对IPP在闲置期间消耗的能量精确地计费并对在生产期间所产生的能量精确地补偿。

希望用能量计和其他仪器来监视至/自发电商的电力流量，以精确测量发电商空闲时的用电和发电商工作时的发电量。这意味着可能需要在例如1000倍的较宽动态范围内进行精确的能量计量和监视。通常以电网级电压进行能量计量和监视。因此，电压不会大幅度改变(也许改变其标称值的+/-10％)。这意味着能量计量和监视装置所见的电力流量的较宽范围变化主要是由电流的变化所引起。

在Hyatt等人的美国专利申请No.10/341,079-“在电流读数上具有扩展的动态范围的能量装置”中，描述了能在较宽的动态电流范围内进行测量的能量计，通过参考将该申请援引于此。

使用电流的动态范围容量较宽的能量计可以部分解决精确监视至/自发电商的电力流量的问题。此种应用的多个能量计一般通过多个外部电流和电压传感器而连接起来。电流传感器本身至少也应具有较宽的动态范围。例如Electricity Today的2003年第2期刊印的作者为Klimek的“光学技术：新一代仪表变压器”一文所述的那些光学电流传感器通常都已经能够提供最大的动态范围。这些传感器通常安装在较大的绝缘体堆(insulator stack)上，并且重达数百千克。

将传感器安装到高压传输线路的安装费用通常是高昂的。事实上，在某些情况下，安装费用可能比传感器本身的费用高。安装费用高的一些原因包括：传感器体积大、重量重，以及在安装、重装或替换有缺陷的传感器时所要经历的停工期。这些传感器中许多传感器的绝大部分重量和体积在于用于使传感器与地绝缘并支撑传感器的绝缘体。

在对发电商生产和消耗的能量精确记账时，还必须考虑需要定期校准仪表以确保精度。这意味着传感器要被定期卸下并送往校准，同时安装替换的传感器。这样就产生了安装/重装的费用以及由于传感器的重量大而导致的可观的运输费用。再校准间隔大约为三年，单个传感器的安装和重装费用约为$100,000。

以下这种传感器也可以得到，这种传感器使用流经被它们监视的线路的电流所产生的磁场来激励传感器本身。在Fernandes的美国专利No.4,799,005-“包含小型线路安装模块(line-mounted module)的电力线路参数测量装置和系统”中，描述了这样的一种装置。尽管这种装置可以降低安装和重装费用，但是由于它由流经被它测量的线路的电流产生的磁场所激励，所以当线路电流在较宽的动态范围内变化时，它并不适用。这是因为低电流产生的磁场不足以产生足够的电力来激励这种装置，或者用于激励这种装置的变流器(“CT”)及相关电路太复杂或昂贵而不实用。

高压电力线路在各种地形上纵横交错。这些线路通过水路、山谷、公路，穿过或围绕城市，等等。有时，人们从地面上可以看到它们。有时从飞机上不能明显看到它们。当它们穿过支撑塔之间的距离很长的山谷或水路上方等辽阔区域时，这尤其是个问题。通常，通过使用由联邦适航通报150/5345-43E规定的低压AC电力网输配电装置和标准红色炽光障碍物灯固定器，以障碍物灯对传输线路支撑结构进行照明。对实际的传输线路悬链线的识别通常局限于悬挂无源的、明亮涂色的球体。这些方法在夜间或能见度降低的情况下仅能提供微弱的航空识别。

近来的技术进步已经具有将障碍物照明装置通过许多不需要连接至外部电源的自激励装置而直接连接到高压传输线路电线的能力。现在，联邦适航通报AC 70/7460-1K提供了将直接式悬链线障碍物照明装置的用法细化的指南。美国专利No.5,448,138-“航空障碍物灯”描述了能够直接进行障碍物照明的装置，其使用安装在电力线路附近的耦合线圈通过磁耦合取电。俄勒冈州的“P and R Technologies of Beaverton”公司提供了许多自激励传输线路障碍物标志器。它们的SpanFlash^TM系列的传输线路标志器使用磁场电源，其最小需要50安培电流用于结合有气体放电照明方案的校正操作。当传输线路电流低于一个导致磁场不足以支持充足发电的下限时，这种技术不起作用。许多传输线路、尤其是那些来自独立发电商的传输线路，根据负载情况而经历较宽的工作电流范围。

发明内容

根据本发明的许多方案中的一个方案，提供一种耦接于带有高的交流线路电压的电力线路的装置。该装置具有带有体电容的电导体(conductivebody)。该装置还具有带有至少两个输入端子的电源，包括耦接至电导体的第一输入端子和耦接至电力线路的第二输入端子。电源与电子电路耦接，将电导体与电力线路之间的电力流量转换为用于运行所述电子电路的电力供应，该电力供应的电压充分低于所述高的交流线路电压。

这里还将进一步描述，本发明还提供了将电导体与电力线路之间的电力流量转换为用于运行所述电子电路的电力供应的其他多个方案。本发明由所附的权利要求书限定，而此简要说明的任何部分均不是对权利要求的限制。下面结合优选实施例论述本发明的进一步的方案和优点。

附图说明

请注意，附图仅描述本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明范围的限制。通过使用附图，将描述和说明本发明实施例的附加特性和细节，在附图中：

图1示出本发明的高压传输线路连接装置的一个示例的截面，并且既示出机械元件又示出电子元件；

图2示出耦接于电力线路的本发明的高压传输线路连接装置的第二个示例；

图3示出本发明的高压传输线路连接装置的第二个示例的截面；

图4示出本发明的电源模块的第二个示例的示意图；

图5示出本发明的电源模块的第三个示例的示意图；

图6示出本发明的高压传输线路连接装置的第二个示例的一部分的示意图；

图7示出耦接于电力线路的本发明的高压传输线路连接装置的第三个示例；

图8示出本发明的高压传输线路连接装置的第三个示例的示意图；

图9示出利用本发明的高压传输线路连接装置的系统；

图10示出本发明的电场传感器；

图11示出图10的电场传感器的截面；

图12示出图10的电场传感器的组合物理/电子视图。

具体实施方式

本发明涉及这样的一种装置，其可连接至高压传输线路，通过从高压线路与该装置的元件的体电容之间流动的电流产生相对较低的电压来激励它们自身。一类装置是传感器。所感测的参数可以包括电流、线路温度、振动(由电弧、电晕或其他作用引起)、应变/张力(由冰、风荷载、导体破裂、电力塔倒塌等引起)、电场(其指示线路上的稳态和瞬时电压)、雷电检测(瞬时或光学的)等。另一类装置是指示器。指示器可以包括航空器警报灯、信息牌等。其它装置包括RF发射/接收或中继器器件(例如与无线电话一起使用)、雷达器件、网状网络节点、视频/音频监视器(surveillance)、用于恐吓动物的的发声器件、横贯电力线路的靶标(drone)等。所有这些装置的共同组件涉及一种电源能源装置，其用于产生运行装置所需的相对较低的电压。

如这里所详细描述的，运行装置所需的电压充分低于高的交流线路电压。例如，与运行装置相关的较低电压一般小于100Vdc。在许多示例中，不超过12Vdc的电压用于运行这里描述的装置中使用的传感器、指示器或其它电子组件。相对照的，高的交流线路电压的范围能够从例如10kVac到1000kVac以上。典型的传输线路具有230kVac线到线(三相)的高压或132.8kVac线到地的高压。

现有的自激励传输线路传感器，尤其是用于电流测量的传感器，如上所述形式多样，采用各种换能器拓扑和数据传输方法。从安装和高压(“HV”)绝缘的立场来讲，自激励显然是有益的。在许多情况下，激励能量来自多种磁场方法，通过这些磁场方法，电力通过磁感应取得，典型地是通过使用轴向夹在传输线路导体上的磁芯和次级绕组。这些方法的主要困难是：依赖于在某些限定的和较宽的动态范围内产生足够的磁场强度所需的足够的线路电流。以低的线路电流，例如闲置的IPP发电厂的线路磁化电流，将难以提供激励传感器及其相关电子元件(微处理器、RF链路等)所需的能量。如果线路电流低于临界阈值，那么传感器可能会完全停止运行。一个恒量是线路电压，其通常总是可得的。一般而言，当电压在与持续时间短的瞬态事件相关的情况不同的情况下消失时，线路激励电流也消失，因此不再需要测量许多参数。

本发明的示例利用以下事实，即金属性或其他导电体(任意形状)具有电流可以流过的体-地电容。电流和所得的电压可以电转换为适用于电子装置能量需求的电流和电压级，而不需在两个高压电位之间进行物理连接，这会破坏理想的电绝缘状态。

以下的描述和附图说明了各种示例性的装置，它们可以安装至或形成部分电子传输线路，并从该线路获得运行电力。每个示例性的装置包含通常称为元件108的电源模块，并且该电源模块的每个变型称为元件108a、108b、108c等。理解以下这一点是很重要的，即，在各种示例性的装置中，电源模块108的每个变型均可以互换，并且仍能实现本发明的目的。

下面，参照图1描述可以安装作为高压传输线路的一部分的高压传输线路连接装置(“HVTLAD”)100。HVTLAD 100包括柱形传感器体1，其由导电材料(例如铝)壳体形成，具有环绕位于中心的传输导体10径向和轴向地分布的多个导电端片5，传输导体10穿过柱形传感器体1延伸而超过导电端片5。传输导体10由两个电绝缘的支撑套管15支撑并穿过这两个支撑套管延伸，从而被机械地连接，但与电连接的柱形传感器体1和导电端片5电绝缘(galvanically isolated)。

传输导体10还包括端片电缆夹具20或其他装置，用于将HVTLAD 100与电力线路导体对齐地夹住，从而允许电力传输线路系统中的机械和电连接。应当理解，传输导体10和电缆夹具20的尺寸适于特定传输线路安装的线路电流、张力和接口要求。包括在关键位置定位和定尺寸的导电环形电晕环30可以在小曲率半径规定了它们的放置的区域内防止发生不希望的电晕放电。电晕环30的尺寸由传输线路工作电压确定，并且它们一般包括在约100kVac以上的传输线路电压处。这些环形电晕环30可以电性地和机械地与柱形传感器体1和导电端片5接触，并且除它们的电晕缩减效果之外，还提供额外的体电容。额外的电晕罩35可以装配到传输导体10的两端。应当理解，整个传感器体的通常的几何形状不限于上述的柱形，而可以是其它形状。应当理解，体电容是形状和表面面积的函数，给定应用的优选形状主要由AC线路工作电压和间隔要求所规定。可以使用如下描述的完全球形的金属传感器体，它们具有相似的性能，且不脱离已描述的通常操作。

柱形传感器体1容纳电源模块108a。在电源模块108a内，变压器T136具有Np匝的初级连接，其连接在传输导体10和柱形传感器体1之间。柱形传感器体1电连接至导电端片5和环形电晕罩30。应当理解，传输导体10通过绝缘体套管15与HVTLAD 100的剩余部分电绝缘，且传输导体10相对于地以高的AC电压级工作。由于整个HVTLAD 100总的体电容和传输导体10上的高电压，小的AC初级电流Ip 37通过初级绕组流入柱形传感器体1。一般的高的AC线路电压值范围是从10kV到1000kVac以上，且此处讨论的一般传输线路值为线到线(三相)230kVac或线到地132.8kVac。

相对于传输线路高度处的地表面，体电容在皮法(“pF”)范围内，当柱形传感器体1长约1m直径约30cm时，此处讨论的一般值是50pF。HVLTAD 100的几何形状、地面上的传感器高度、以及其它导体例如电力塔和其它传输导体(其它相位导体)的接近度(proximity)组合起来以确定确切的体电容。注意到以下这点很重要：如果体电容足够高而能建立足够的工作初级电流Ip 37，并且由于电源加载引起的在变压器T136的初级绕组处呈现的反射负载阻抗的值足够高，而使得在初级绕组和有效体电容的串联连接上获得足够的分压，那么确切的体电容并不重要。

初级电流Ip 37的大小由施加到传输导体10的传输线路电压和在所使用的特定线路频率(对于世界上部署的绝大多数传输线路一般为50或60Hz)处总的体电容的电抗性阻抗确定。为说明目的，将50pF的体电容转化成60Hz处53兆欧姆的电抗性阻抗。这导致132.8kVac/53e6(等同于2.5mA RMS)的电抗性初级电流Ip 37。变压器T136的初级绕组两端的电势差比传输导体10相对于地的电势(＞132kVac)小，而在计算初级电流Ip 37流量时可以忽略。由于有源器件例如以下描述的齐纳二极管D1和D2 41的箝位作用，变压器T1 36的初级绕组两端的电势差(因此是传输导体10与HVTLAD 100本体之间的电势)保持为小于传输导体10的电势。

变压器T1 36可以使用带子缠绕的环形设计来构建，并且可以使用损耗非常低的芯材料，以将初级磁化电流减少到低于可得的驱动初级电流Ip 37的水平，来获得可用的变压器作用(transformer action)。也可以设计将绕组间电容保持在最小水平。变压器T1 36起到降压(step down)变压器的作用，即Np/Ns的比值大于1。例如，使用的匝数比为80，但应当理解也可以使用其它匝数比。初级电流Ip 37感应出次级电流Is 40，后者通过二极管桥DB142整流，并对电容器C1 44充电。二极管桥DB1 42的负输出连接至系统地(system ground)43，系统地43电接合至屏蔽式电子器件机架60，机架60也电连接至柱形传感器体1。这形成了所有电子电路的“系统”地。以此方式，传输导体10相对于柱形传感器体1维持一个电压差，其等于变压器T1 36两端的初级绕组电压。电容器C1 44的电压增大到+12Vdc的水平，在此点，次级齐纳二极管D1和D2 41箝位次级电压，以并联调节(shunt regulation)+12Vdc的电源电压45。齐纳二极管的箝位作用将变压器T1 36的次级电压限制为峰峰值约12.7伏。变压器T1 36通过匝数比Np/Ns，将被箝位的次级电压转换为在初级绕组处峰峰值约为1200伏。以此方式，变压器T1 36的高的初级电压和低的初级电流转换为低电压和较高的电流，可用于向传感器的电子器件供能。

可以设置逆变器/转换器块46，以提供传感器的电子器件所需的多种输出。其通过单个的12Vdc电源电压45工作。应当理解，对于特定的感测应用，也会需要其它的电压电平和组合，而不会脱离本发明的精神。还应当理解，其它次级绕组和整流器电路能够加到变压器T1 36上，以减少对电子开关模式电压转换电路的依赖。

可以设置气体放电管50，以在因可能的雷击或其它持续时间短的线路事件引起的瞬时线路情况下限制变压器T1 36的初级电压。气体放电管50的特征是具有低的极间电容(一般1pF)，这有利于防止体电容性电流从变压器初级绕组转移。还应当理解，其它类型的瞬时抑制器件也可以使用。

如所示，电流传感器(current transducer)65耦接至传输导体10。电流传感器65可以具有较宽的动态范围，从100mA RMS到超过2000Arms(虽然在该示例中也可以用许多其它的电流范围)。适当的电流感测拓扑包括传统的环形磁芯类型、有源补偿的零通量类型(有源CT)、霍耳效应、光学电流传感器(光学CT的组件)以及Rogowski线圈，在精度、成本、重量、动态范围以及可用带宽方面，上述每个类型各有优劣。当收益应用要求高精度时，可以使用有源补偿芯的类型。当某些防护应用要求高的电流动态范围和/或高的带宽时，可以使用Rogowski线圈。

电流传感器65的输出是可能需要由模拟电路66进行放大和信号调节的模拟信号。此模块可以包括由自动调节范围的处理器控制的可选择的模拟增益块。模拟电路66的模拟输出可以连接至Alias滤波和A/D转换模块67，后者除掉高于1/2采样速率或奈奎斯特速率的频率成分。A/D转换器以一定的采样速率(例如，256个采样点/秒)将模拟信号数字化，再提供数字信息给处理器模块68。处理器模块68控制模拟电路66以及Alias滤波和A/D转换模块67，同时处理并打包A/D采样点流。处理器模块68与RF数据链路收发机69通信，后者用于发送所获得的电流波形至所耦接的地面接收机(未示出)，在地面接收机处可以处理波形用于电力测量或电力质量信息。RF数据链路收发机69可以在特高频VHF或更高的频率工作，并使用鲁棒调制和误差校正方法，以实时提供可靠而安全的遥测数据。另外，RF数据链路收发机69和/或处理器模块68可以实施加密和/或认证机制，以便使所发送和/或接收的数据难以被篡改。

RF数据链路收发机69通过由LI和C2形成的无功匹配网络75耦接至天线76。匹配网络75的目的是将RF数据链路收发机69的输出有效地阻抗匹配至天线76，并将暴露在外的天线76的DC或低频电势维持在屏蔽式电子器件机架60的电势。其它电感、电容、传输线路短截线和/或变压器匹配电路可用于获得相似的功能。所示出的电路75实际上是具有电感器LI 75的高通滤波器，相对于屏蔽式电子器件机架60的公共电势维持天线76的0DC和低频(50/60Hz)电势。

柱形传感器体1可以垂直分为两个互相绝缘的分离的部分。如前所述，第一部分可用于获得器件的工作电力。第二部分可用于通过监视从传输导体10到第二部分的体电容的电流，来感测传输导体10上的电压。因此，可以设置第二传感器以提供表示传输导体的电压的模拟信号给模拟电路66。以此方式，在传输数据前，由于可以本地获得电流和电压信号信息，所以处理器68可以直接计算电力参数，例如流经传输导体的瓦特数。另外，通过监视初级电流Ip 37并利用适当的信号处理，也可以获得传输导体10上的电压，而不需要增加第二部分。

额外的传感器也可以接口连接到处理器68，并由逆变器/转换器块46激励。这些额外的传感器可以包括振动、张力、温度(导体的温度和环境温度)、雷电检测器和其它类型的传感器。

可以使用RF发射机来取代RF数据链路收发机69。另外，RF数据链路收发机69可以用激光、光纤、或其它光学数据收发机或发射机来代替。这有利于极端的方向化，因此信号堵塞或被篡改将极为困难。RF的优点是不容易受到障碍物例如空中悬浮微粒、烟雾或物理地阻碍信号路径的物体的影响。

可配置处理器68，使其接收精确的时基(time base)。此时基可来自RF数据链路收发机69或来自分离的时源例如全球定位系统(GPS)接收机。这些可以包括规定(disciplined)相锁主时钟振荡器。这允许处理器68对A/D采样数据(将通过RF数据链路收发机69发送)的转换时间进行精确的时间标记。另外，可以将A/D采样与时源同步，从而例如采样可以在给定时间边沿(例如偶数秒)开始。这允许地面收发机或与之相连的计算/智能电子器件精确计算功率参数(例如kW、kVAR、kVA、功率因子、对称分量等)。它也允许比较从多个HVTLAD 100的采样获得的相位计算值。GPS接收机也可以提供HVTLAD 100的位置给处理器68。HVTLAD 100的位置可以通过RF数据链路收发机69传输至远程器件，例如与HVTLAD 100没有物理连接的计算机。该位置可以包括传感器的海拔高度，在检测因绝缘体破裂、导体过热等引起的传输线路下垂(sag)时可能有用。可替换的，该HVTLAD可包括雷达或其它高度计，用于确定海拔高度。另外，该位置可以包括经度和纬度信息，这些信息有助于减少营运成本(commissioning cost)，因为可在远程器件使HVTLAD的位置与期望位置相关。例如，由于HVTLAD能传输其位置和其它配置信息给远程器件，所以不必严格地记录任一给定的HVTLAD所安装的位置。如下所述，这对于确定电网稳定性来讲是很有价值的。

HVTLAD 100可以构建成“夹持(clamp-on)”形式。在此情况下，传输导体10是电力系统的传输线路。柱形传感器体1可以构建为可操作为如图1所示方向水平地分开，并可以放置在传输线路上而夹持在一起。在此情况下，可不设置电缆夹具20和额外的电晕罩35。

现在参照图2，示出HVTLAD 100的第二个示例。HVTLAD 100的这个示例包括三个组成部分：电场能源102、高架线导电支撑管107以及电子障碍物灯导航模块104。

电场能源102包括：导电球体106，优选由铝或其它导电材料制成；管形导电支撑管107，穿过导电球体106延伸，并通过绝缘体188耦接至导电球体106的两端。因此，导电支撑管107与导电球体106电绝缘。应当理解，导电支撑管107处在传输线路105的高电势处，整个HVTLAD 100通过夹具110或电子及机械地与传输线路105接触的其它连接装置连接至该传输线路。可能需要夹具110的各种变型，如图2、图3和图8所示，用于将HVTLAD100附着在不同的传输线路电缆尺寸和配置上，所述配置包括单根、双根和四根的高压线路配置。导电支撑管107的弯曲件114可以将HVTLAD 100直接定位到传输线路105的电线上，并定位在其中心，以减小夹具110施加的转动扭矩。

现在参照图3，电场能源102还包括：电源模块108，安装到导电球体106内的导电支撑管107。对电源模块的输入连接由连接线112(连接至电绝缘的导电球体106)和第二连接线109(连接至导电支撑管107)提供，以允许电源模块通过导电支撑管107和夹具110耦接至传输线路105。电源模块108的公共或有效的“地”连接通过第二连接线109实现。正的DC输出提供给多导体线电缆111，后者通过导电支撑管107到达电子障碍物灯导航模块104。多导体线电缆111可以额外承担电源微控制器U1 130与障碍物灯控制器150之间的串行通信链路连接138。导电支撑管107通过第二连接线109提供负的或电路共“地”的回路。

应当理解，在HVTLAD 100中的各种组件的位置可以有许多改型，而不脱离本发明的精神和范围。例如，在此示例中，电源模块108可以放置在电子障碍物灯导航模块104内，并具有通过导电支撑管107到导电球体106的适当的连接线。

提出导电球体106内的电源模块108b、108c的两个示例。第一实施例利用磁性耦接技术，而第二实施例使用开关模式返驰(flyback)拓扑。在这两个示例中，电源模块108用于将低电容性无功AC电流(在高压传输线路105与电绝缘的导电球体106之间流动)转换为高电流、低压+12Vdc的电源电压45，适用于激励电子障碍物灯导航模块104和电源模块108的电子器件。当连接至230kVac传输线路时，电源模块108可以提供+12Vdc和1.3w的连续功率。更高的线路电压将获得增加的功率利用率。当利用直径1m、自由空间电容约50pF的导电球体106时，740kVac传输线路可以额外产生4w的连续功率利用率，自由空间电容由以下方程式定义：

C＝4×π×E_o×r，

其中C＝单位为法拉的电容，E_o＝8.85×10^-12C²/(N×m²)，r＝单位为米的球体半径。

现在参照图4，示出电源模块108b的第二个示例。变压器T1 36具有初级连接，该初级连接的Np匝连接在导电支撑管107和电绝缘的导电球体106之间。应当理解，导电支撑管107另外通过夹具110电耦接至传输线路105。由于导电球体106的总的体电容或“自由空间”电容和高压传输线路105的电势，小的AC初级电流Ip 37通过初级绕组流入导电球体106。一般高的交流线路电压值范围从10kV到超过1000kVac，而此处讨论的一般传输线路值是线到线230kVac或线到中性点(地)电势132.8kVac。在传输线路高度处的导电球体106的电容在皮法量级，对于直径3英尺的导电球体106，此处讨论的一般值约50pF。导电球体的“自由空间”电容的下限值由上述方程确定，并且电容与导电球体的半径成正比。如传输线路105和所连接并供能的导电支撑管107所“看到”的，导电球体106的电容具有由该方程建立的较低的“自由空间”限制，但它也受到在地面上的高度以及其它导体例如电力塔和其它传输导体的接近度的影响。

注意到以下这点很重要：如果导电球体106的电容足够高而能建立足够的工作初级电流Ip 37，并且由于电源加载引起的在变压器T1 36的初级绕组处呈现的反射负载阻抗的值足够高，而使得变压器T1 36的初级绕组和导电球体106的有效电容的串联连接上获得足够的分压，那么导电球体106的确切电容不是特别重要。通过调节导电球体106的大小并因此调节其电容，可以很简单地获得更高或更低的电力级别。

电场能源102本体的几何形状不限于球形，而可以包括其它几何形状，例如环形、柱形以及平面拓扑或它们的组合。在图2中，示出将电场能源102悬挂在传输线路105电线下方的情况，但电场能源102也可以位于其它位置，或与其它导电体并联地电性组合，以提高总的体电容和发电能力。电场能源102也可以为管形，整个或部分地环绕传输线路105电线同轴地放置，但与传输线路105电线绝缘，如图1所示。通过使用足够的曲率半径来试图防止电晕放电和无线电干扰以将电场强度减少到非电离水平，一般更加影响对处在高的传输线路电势的电场能源102的几何形状的选择。如图2所示，安装在悬链传输线路电线下方的直径3英尺的导电球体106可以为最大500kV的线到线电势提供足够的电容和电晕抑制，并且额外地提供无源可视的按联邦航空总署规定喷涂的(橙色和白色)障碍物标志器。

初级电流Ip 37的大小由在所使用的特定的线路频率(一般50或60Hz)处施加到导电支撑管107的传输线路电压和导电球体106的总的体电容所提供的电抗性阻抗确定。为说明目的，将50pF的体电容转换成60Hz处-j 53MΩ的电抗性阻抗。这导致电抗性初级电流Ip 21为132.8kVac/-j53e6，等于j 2.5mA RMS。变压器T1 36的初级绕组两端的电势差比导电支撑管107的电势(＞132kVac)小，因此在估算初级电流Ip 37时可以忽略。由于有源器件例如以下描述的齐纳二极管D1和D2 41的箝位作用，变压器T1 36的初级绕组两端的电势差(因此是导电球体106与HVTLAD 100本体的其余部分之间的电势)保持为比传输线路105的电势小。

为了将初级磁化电流减少到明显低于可用的驱动初级电流Ip 37的水平，有必要使用具有环形缠绕设计的带子、并采用低损耗磁芯材料的变压器T136，来获得可用的变压器作用。传统的硅钢电力变压器具有芯损耗，可能导致磁化电流高于可用的驱动初级电流Ip 37。典型的变压器可以缠绕在具有磁性的50100-4F Supermalloy^TM的环形带子缠绕芯上。可以使用其它低损耗的芯材料，例如MetGlas^TM和Permalloy^TM，尤其在能转变成更高的驱动初级电流Ip 37的更高的传输线路电压处。变压器T1 36在Np/Ns的比值大于1的降压结构中起作用。例如，可以使用初级匝为10,000而次级匝为125的匝数比80，但应当理解也可以使用其它匝数比，以获得不同的输出电压和电流。在变压器T1 36的初级绕组使用数目很大的初级匝，从而同时支持高的初级电压，优化较低芯损耗的的通量，并获得较小的磁芯截面。

初级电流Ip 37感应出次级电流Is 40，后者通过二极管桥DB1 42整流，并对电容器C1 44充电。二极管桥DB1 42的负输出端连接至系统地43，系统地43通过第二连接线109电接合至导电支撑管107。这在电源模块108b和电子障碍物灯导航模块104中形成了所有电子电路的“系统”地。以此方式，导电支撑管107相对于导电球体106维持一个电压差，其等于变压器T136两端的初级绕组电压。电容器C1 44的电压增大到+12.7Vdc的水平，在此点，12V的次级齐纳二极管D1和D241箝位次级AC电压，以并联调节+12Vdc的电源电压45。齐纳二极管的箝位作用将变压器T1 36的次级AC电压限制为峰峰值约12.7伏的限幅(clipped)正弦波形。变压器T1 36通过匝数比Np/Ns将被箝位的次级电压转换为初级绕组上峰峰值约1016伏的电压。以此方式，变压器T1 36的高的初级电压和低的初级电流Ip 37，通过变压器作用转换为较低的次级电压和较高的次级电流Is 40，可用于激励另外的电源模块108b和电子障碍物灯导航模块104的电子器件。齐纳二极管D1和D2 41具有变化的功率，因为它们必须能够在电源模块108b为空负载时耗尽全部电源输出。二极管桥DB1 42采用肖特基二极管，以最小化二极管电位降并最大化系统效率。可以设置气体放电管50，以在因可能的雷击或其它持续时间短的线路事件引起的瞬时线路情况下限制变压器T1 36的初级电压。可替换的，可以使用其它类型的瞬时抑制器件。应当理解，可以用其它电源配置，包括使用不同的匝数比、箝位电压装置、多个次级输出绕组和配置、以及各种其它替换组件，而不会脱离本发明的精神。

设置电源模块108b的其余电路用于储存能量，并进行能量数据到电子障碍物灯导航模块104的通信。+12Vdc的电源电压45通过调节器127降低到5Vdc，以激励内置RAM、ROM、A/D、数字I/O以及通信端口的微控制器U1 130。二极管D3和1F(或其它值)的电容器C2 128向微控制器U1 130提供+12Vdc电源电压45的断电“过渡”(outage“ride-through”)能力，允许在负载故障或与高能电容器组132和电池135的充电相关联的瞬时事件期间进行连续的控制操作。霍耳效应或其它DC电流传感器129提供电源电流数据给微控制器U1 130。电阻分压器R1和R2 131将+12Vdc电源电压45分压，提供电压电平信息给微控制器U1 130的A/D输入通道。电源模块108b还设有备用电池135、充电控制器133以及触发开关136，所有这些器件均在微控制器U1 130的管理下工作。在传输线路105的电压下降或故障的情况下，备用电池135为电子障碍物灯导航模块104提供连续的电力。可替换的，可用超级电容器(super capacitor)或其它储能器件来代替备用电池135。

电源模块108b可另外包括高能电容器组132，其具有8.3F组合的总电容，在+12Vdc的电源电压45的电源电位下能转变成600焦耳储能。此高的储能在传输线路105的电压下降或故障的情况下可用作短期备用电力。高能电容器组132所具有的低阻抗还提供高峰蓄电能力，适用于间歇(例如闪光LED信标阵列所需要的)高峰电力需求应用。值在0.1F到50F范围内且组合有适用于高能放电速率的低的有效串联电阻的电容器是一种相对较新的技术。典型的类型包括：Cooper Industries Aerogel^TM50F、2.5v的电容器，元件号(part number)B1840-2R5506，和用于更高储能的Maxwell TechnologiesBCAP0013 450F、2.5v的电容器。

微控制器U1 130通过场效应晶体管(“FET”)组134的场效应晶体管开关Q1、Q2和Q3提供对高能电容器组132的充电控制。当未充电时，高能电容器组132呈低阻抗短路，尤其在驱动+12Vdc的电源电压45具有有限的电流容量时可能需要受控的充电。微控制器U1 130通过测量电流(由DC电流传感器129获得)和电压(由电阻分压器R1和R2 131获得)，实时确定可以安全地引导对高能电容器组132充电的可用的电源电流，其不会在+12Vdc电源电压45或有害的瞬时状态下引起明显的电压损耗。电阻器R3和R4 140通过FET组134的FET开关Q1和Q2提供取决于计算所得的可用的电源电流的变速充电装置。在高能电容器组有效地充满电、而在电容器组132和系统地43之间呈低阻抗后，FET组134的FET开关Q3导通。然后，电容器组能提供短期的高峰电力。设置串行通信链路138，以使能量数据和控制信息在电源模块微控制器U1 130和障碍物灯微控制器U2 171(图6)之间通过。电池135充电信息、电源电流(由DC电流传感器129测量)、+12Vdc的电源电压45、以及来自温度传感器141的电源模块温度可以经RF数据链路收发机69发送到远处，用于警报和诊断目的。通过监视电源电流Isense(经DC电流传感器129)，也可以检测传输线路105的电压故障。如果由于用于微控制器UI 130的激励电流从储能装置而不是从变压器T1 36流出以致Isense降为0或反向，则表示发生传输电压故障，且此状况可以经RF数据链路收发机69转发。

现在参照图5，示出电源模块108c的第三个示例。较小的AC初级电流Ip 37流经二极管桥整流器DB2 150，对电容器C3 151充电。由于电绝缘的导电球体106的总的体电容或“自由空间”电容和高压传输线路105的电势，AC初级电流Ip 37以与电源模块108的前述示例中的详细描述类似的方式流动。在高压dc电源153，电容器C3 151两端的DC电压增加至大约+1000Vdc，此时高压齐纳二极管D4和D5 152有效箝位AC输入电压，将最大dc开关模式电源输入电压限制为+1000Vdc。由于高压齐纳二极管D4和D5 152的箝位作用，高压齐纳二极管D4和D5 152两端的电势差(因此是导电球体106和HVTLAD 100本体的其余部分之间的电势)保持为小于传输线路105的电势。

自举电路154先提供启动电力给开关模式控制器155，在变压器切换作用(switching action)成功地开始提供低电压输出163后，回复到高阻抗状态。MOSFET Q4通过齐纳二极管D6和电阻器R6提供的正的栅源电势，先偏置成导通。开关模式控制器155使滤波电容器C4 156通过Q4和R5充电，直到达到低电压阈值为止，在该低电压阈值点，开关模式控制器155开始切换作用。电容器C4 156储存能量以提供足够的启动时间，直到开关模式作用通过返驰式变压器T2 158的辅助电力绕组157和整流器D7 159提供工作电压为止。

在有限的启动时间后，低电压输出163得以稳定，开关模式控制器155将MOSFET Q4的栅电压拉低，这有效地免除自举电路154加载高压dc电源153线路。电阻器R6保留在电路中，但仍是高值，以限制电力消耗。所示出的拓扑表示直流到直流转换的返弛式开关模式方法。高压MOSFET Q5 160响应于电压和电流反馈信号以高的切换频率(大于10KHz)完全导通或截止，以调节+12Vdc电源电压45。当高压MOSFET Q5 160导通时，返驰式变压器T2 158的初级绕组161直接切换到高压输入上。在初级绕组中电流线性地斜坡向上，该初级绕组在每个周期储存的磁能由以下方程限定：E＝1/2×Lp×Ipk²，其中Lp是初级电感，Ipk是峰值初级电流。

当高压MOSFET Q5 160截止时，次级绕组(辅助电力绕组157和次级绕组162)变换流向或“返弛”，而通过整流器D7和D6 168，分别将所储存的能量返回到滤波电容器C4 156和电容器C1 44。此开关模式作用以高频率重复，而允许返驰式变压器T2 158采用体积小、成本低的低损耗铁氧体芯。切换作用基于一个接一个的周期(cycle-by-cycle)来调节，并由开关模式控制器155进行控制，以使+12Vdc电源电压45维持在恒定值。通过将反馈线路164与内部参考比较，同时监视Ipk 165，基于一个接一个的周期进行切换作用控制。如果反馈线路164超过内部阈值，则终止切换作用。由辅助电力绕组157整流后的输出提供反馈。如果初级绕组161的Ipk 165超过从电阻器R7 166两端电压所得的预设水平，则切换作用也基于一个接一个的周期终止。设置缓冲(snubber)RC二极管网络167以减小变压器T2初级绕组161的电压切换峰值，以防止高电压MOSFET Q5 160损坏。所述的开关模式电源代表“返弛式”拓扑。应当理解，也可以使用其它开关模式拓扑，以将高dc电压电源153减小到与固态电子器件兼容的较低的+12Vdc电源电压45，所述固态电子器件包括前向式补偿(buck)、推挽、半桥以及全桥转换电路。电源模块108c的剩余电路包括微控制器、储能装置以及通信装置，其功能与前面描述的第二个示例的电源模块108b相同。

现在参照图6，示出电子障碍物灯导航模块104。电子障碍物灯导航模块104的电子器件容纳在导电金属性封装176中，后者电性地和机械地耦接于导电支撑管107，并接合器件181至系统地43。电子障碍物灯导航模块104的电力由电源模块108通过多导体线电缆111提供。多导体线电缆111通过导电支撑管107前行。低压+12Vdc电源电压45提供电子障碍物灯导航模块104的电力。微控制器U2 171工作在通过+12Vdc电源电压45和5V调节器180获得的+5Vdc电压上。这使得在传输线路105电压损耗引起的+12Vdc电源电压45电平减小的情况下能够持续工作。请注意，在传输线路105损耗的情况下，通过高能电容器组132和/或电池135的组合来维持+12Vdc电源电压45电平。应当理解，在传输线路105损耗的情况下，+12Vdc电源电压45电平以高能电容器组132和/或电池135组合的有效负载阻抗和能量确定的速率衰减。

一串串联的发光二极管(LED)182提供了强度高、寿命长的固态光源，其输出通过使用聚碳酸酯透镜系统170而可以光学地扩散。可替换的，可以使用其它类型的发光器件，例如白炽灯、荧光灯等。聚碳酸酯透镜系统在大约360度方位角和仰角(从地平线)90度基本均匀地发光，以提供从所有进入航向的航空可见性。LED 182的串联设置用于提供相匹配的各LED电流，后者转变成均匀的各LED亮度。所示出的串联的LED 182每组具有5个独立的LED 182。应当理解，通过调节驱动电势源电位，可以容易地容纳(accommodate)具有更多或更少LED 182的配置。两个相似的高效开关模式恒流升压转换器183用于驱动每串串联的LED 182，同时通过微控制器U2171的数字输出185以开关方式控制输出驱动184。电阻器R8和R9 186提供给微控制器U2 171表示每串串联的LED 182中单独电流的模拟信号，后者依次提供LED性能的指示信息，用于诊断和警报目的。如果单串串联的LED 182或恒流升压转换器183发生故障，具有两个分离的LED光源则提供了冗余度。

环境光传感器177提供给微控制器U2 171环境光状态数据，以进行程序控制的光闪和强度能见度调节。

组合有GPS天线172的GPS接收机模块173通过串行数据通道199提供精确的时间日期信息给微控制器U2 171。微控制器U2 171可使用此信息使多个电子障碍物灯导航模块104达到精确的时间同步闪光，以对所照亮的传输线路部分提供增强的能见度。时间日期同步也可用于改变闪光图形和/或强度，以包含白天或夜晚的情况。GPS接收机模块173也可提供精确的高频率时钟193给微控制器U2 171。这可用作微控制器U2 171的工作时钟。可替换的，其它类型的时间同步接收电路可用于提供时基给微控制器U2171，用于闪光同步。

RF数据链路收发机69与天线76在微控制器U2 171和控制/监视站或其它障碍物灯之间提供完整的双向通信链路。RF数据链路收发机69可以是例如900MHz的安全数据收发机。此通信链路提供了远程警报和诊断监视装置，其具有程序上传能力。其还在多个电子障碍物灯导航模块104之间提供通信，用于闪光同步目的。

多个障碍物灯的闪光时间同步可以完全由用户规定，以允许结合有分别编程的闪光速率和占空比的唯一的同步或顺序的频闪(strobe)闪光。

高通滤波器元件189和190用于保护GPS接收机模块173的输入电路和RF数据链路收发机69免受DC和低频信号(例如50或60Hz)影响，这些信号会因存在于天线元件附近的高电场电势产生。低频DC成分被有效地“分流(shunted)”到导电金属性封装176，后者反过来连接至系统地43而允许需要的信道频率成分小衰减地通过。高通滤波器元件189和190可采用无源的电感性、电容性以及传输线路组件。

导电环形环191(图2)用于使导电金属性封装176和周围附件(包括GPS天线172、天线76、聚碳酸酯透镜系统170以及环境光传感器177)的电场强度减小和发生位移。

现在参照图7，示出HVTLAD 100的另一示例。此示例包括测量模块750和电流传感器805。电流传感器可以是有源CT、无源CT、Rogowski线圈、光学CT以及霍耳效应器件等。电流传感器805感测在高压电流运送导体810(例如传输线路)中流动的电流。测量模块750包括用于测量如电压、电流和温度等参数的电子器件。HVTLAD 100的此示例包括前面参照HVTLAD100的其它示例所述的其它组件。

现在参照图8，示出测量模块750的组合电子/机械方框图。测量模块750的一些元件与电子障碍物灯导航模块104的一些元件相似，因此以下仅描述不同之处。

测量模块750包括金属(或其它导电材料)板740，其通过多个绝缘体735与导电金属性封装176绝缘。在该示例中，金属板740为拱形，但这不是必要的。第一固有电容710形成在金属板740与导电金属性封装176之间。第二固有电容705以与前述导电球体106相似的方式形成在金属板740与外界环境之间。电阻器R20720连接至金属板740，并与电阻器R21715联合形成电阻分压器，后者能提供表示金属板740的电压的模拟信号给放大电路730。放大电路730提供一定比例的此电压给微控制器U2 171的A/D输入端。由于固有电容705和710在导电金属性封装176和外部参照物例如地或其它相位导体之间形成电容分压器，所以此电压表示高压电流运送导体810的电压。可以设置与导电金属性封装176接触的金属(或其它导电材料)电场罩755，以将金属板740屏蔽于杂散电场。

通过经过多导体线电缆111的线路745，表示高压电流运送导体中电流的信号从电流传感器805提供给放大电路725。放大电路725的输出提供给微控制器U2 171的A/D输入端。

微控制器U2 171对来自放大电路725和730的信号进行采样。这些信号表示高压电流运送导体810中的电压和电流。微控制器U2 171可以使用接收自GPS接收机模块173的时间指示给这些采样点加上时间标记，并通过RF数据链路收发机69将加上时间标记的信号发送至接收器件。另外，微控制器U2 171可以使用这些采样点直接进行电力计算，并通过RF数据链路收发机69发送这些计算结果。一些电力计算结果可以包括功率参数，例如rms电流、rms电压、瓦特、乏(VAR)、伏安(VA)、频率、谐波、相位矢量等。

在初始化期间，微控制器也通过RF数据链路收发机69发送适当的校准常数给接收器件。这样，如果这些采样点没有被微控制器U2 171分别进行校准，该接收器件也可以基于这些采样点进行精确的电力计算。

现在参照图9，示出包含HVTLAD 100的电网稳定性监视系统的示例。各种传输线路905形成电网900的一部分。如本领域所知，电网910的剩余部分由许多传输线路、配电线路、变压器、变电站、发电机、负载和其它电子器件(未示出)组成。传输线路905用于使电网的各部分互联。各种HVTLAD 100安装在不同的传输线路905上以及相同的传输线路905的不同点处。HVTLAD 100通过无线链路921传输电压和/或电流信息给本地接收站920。本地接收站920通过通信链路931将电压、电压相位信息、电流、电流相位信息、功率、频率等中的至少一个通信给监视站930。

当分析电网的稳定性时，可以考虑许多因素。一个因素是电压。一般而言，在电网中每个给定点处的电压距期望的标称电压越近，电网越稳定。第二个因素是电压相位。一般而言，希望将传输电网中的所有点的相对电压相位保持在相互之间约60-70度内。另外，如果检测到电压相位不连续，则可能表示电网不稳定。第三个因素是频率。一般而言，传输电网中的给定点处的频率距电网中其它点越近，电网越稳定。在图9所示的系统中，如上所述，由于监视站930能够从各种HVTLAD 100接收这些指示信息的至少一种，并且这些指示信息被加上精确的时间标记或被时间同步，所以监视站930中的用户或计算机系统可以分析电网稳定性。可以通过将来自HVTLAD 100的信息显示在监视站930中的显示器上和/或在计算机系统中进行分析来完成这项工作。因此获得电网稳定性的表示信息，如果电网不够稳定，可以手动或自动地进行缓解。如上所述，每个HVTLAD 100可以具有提供位置信息的GPS接收机模块173。可替换的，HVTLAD 100可以具有其它类型的基于RF的定位和/或时间同步接收机。通过使此位置信息与电网900的特定元件的位置信息相关联，可以确定任何给定HVTLAD 100的安装位置，而不需在安装期间记录HVTLAD 100的位置。另外，使用来自电网中多个HVTLAD 100的位置信息，包括电压、电流、频率、相位等的电网地图能够展现和/或显示在监视站930中。监视站930可以不必由自己拥有传输电网的同一家公司或机构来运作。

传输线路905上的多个HVTLAD 100也可用于故障检测和/或定位。使用由每个HVTLAD 100采集的电压和电流采样点，HVTLAD 100、本地接收站920或监视站930能够计算传输线路905的每个点处的HVTLAD 100所见的线路阻抗。此信息能用于对故障位置进行三角测量或确定电力正流经不希望的路径。可替换的，或者另外，对每个HVTLAD 100所见的电压和/或电流波形的分析能用于故障检测和/或定位。

在电网900的传输线路905的不同点处具有多个HVTLAD 100可以检测电网900中的堵塞。例如，如果传输线路905接近其容量，对电力生产者或消费者所使用的传输线路905的收费可以增加。可替换的，或者另外，此信息可用于将电力流量变更到电网中的不同路径。以相似的方式，如果电力流量比给定传输线路905的容量低了给定量，对所使用的传输线路905的收费可以降低，或者另外的流量可以途径这条传输线路905。此功能在解除管制的实用环境(传输线路905的所有者与连接至传输线路905的发电设备的所有者可能不同)下尤其有价值。

HVTLAD 100上的天线76和/或本地接收站920中的天线可以是定向型，以降低二者之间的RF链路被干扰或被篡改的可能性。定向天线将发自所述射频发射机的射频能聚焦。另外，HVTLAD 100的形状和/或HVTLAD的电晕环30、191的位置也可用于将天线76屏蔽于外来的RF能，并防止来自天线76的RF能在某些方向上传播。

图10示出能够精确测量高压电流运送导体810电压的电场传感器1006。电场传感器1006可用于替代图8的元件705、710、715、720、730、735、740以及755，且可单独安装在高压电流运送导体810上。电场传感器1006由导电柱体1002形成，导电柱体1002在其两端附接有两个导电环形环1003。导电柱体1002和导电环形环1003都可以由轻质材料例如铝形成。导电环形环1003与导电柱体1002电接触，其大小可以防止在运行中遇到的高压电流运送导体810电压的本地电晕放电的形成。传输线路夹具1005提供对传输线路810的机械和电连接，并可以机械地调节以在海拔和方位上完全定位电场传感器1006。此特征提供有效“瞄准”电场传感器1006的能力，以避免例如由另外的导体相位产生的不希望的电场源的效应。在电场传感器1006一端的介电盖1001(由例如聚碳酸酯的材料形成)用于保护内部电子器件的环境，同时允许电场与内部导电感测盘1101(图11)电容性相互作用。

图11示出电场传感器1006的截面图。导电感测盘1101(或板)被绝缘体套管1102机械地支撑及电绝缘。轴向对齐的连接线1103支撑在绝缘体套管1102中，用于在导电感测盘1101与电场传感器的电子器件1200(图12)之间提供低阻抗连接。电场传感器1006可以由导电隔板1104分成两个隔间(compartment)，导电隔板1104用于防止内部产生的电场不希望地耦接至导电感测盘1101。可移除导电端板1106(其可由铝形成)提供通往传感器的电子器件1200的通路。因此，整个电场传感器1006相对于外部环境密封，因为需要它长期在室外、安装于传输线路上工作。连接器J1 1004在电场传感器1006和测量模块750(图7)之间提供传感器电力、控制输入以及模拟信号输出，且将在本质上替代固定位置的电场传感器740。应当理解，电场传感器1006被描述为分离的感测单元，具有独立于电场能源102(图7)和测量模块750(图7)被定位或“瞄准”的能力。将电场传感器1006直接集成在组合有电流测量、电场测量、信号处理、数据传输以及发电能力的单个结构中也是切实可行的。

图12组合了电场传感器1006的物理和电子的表示法。导电感测盘1101位于导电柱体1002内，从而有效地屏蔽掉从基本偏离传感器纵轴的方向上发射的电场。以此方式，电场传感器1006获得到电场向量的物理方向性，并可被有效瞄准，以减少不需要的电场源的耦合效应。在实际使用中，电场传感器1006可以“指向”地，以提供与实际的线到地电势成比例的且同相位的信号，同时抑制发射自其它源的电场向量。可替换的，可设想电场传感器1006可以在三相传输设置中的第二导体处被“瞄准”，以感测线到线电势，尽管其尚未被场验证(field proven)。

现参见图11和图12，示意性地示出环境电容器Ce 1107，其代表在导电感测盘1101与在地表面、附近的物体以及“自由空间”电容中的有效物之间的有效耦合电容。电容器Ce 1107表示未知变量，并且依赖于：导电感测盘1101的特定安装、大小，导电柱体1002中的导电感测盘1101的位置，以及电场传感器几何形状引起的一般的场失真。电容器Ce 1107的典型值显著小于皮法。寄生电容器Cp 1108示意性地表示在电场传感器1006的导电感测盘1101、连接线1103与内部导电表面之间总的旁路电容。导电柱体1002接合至为所有内部电子器件1200提供公共参考点的电路共地端1211。

电容Ce 1107本质上形成电容性、高电压分压器，由Cp 1108和二进制加权的电容器组CB1 1201的并联组合所控制。求和点S1 1202代表该分压器的输出，并提供到运算放大器U5 1205的输入端。运算放大器U5 1205可以是超高输入阻抗类型，在求和点S1 1202处提供最小dc和电抗性加载。运算放大器U5 1205作为高阻抗单位增益缓冲器(unity gain buffer)工作，其输出提供给接口连接器J1 1004，用于随后的数字转换和处理。典型的运算放大器类型包括美国得克萨斯州达拉斯市的Texas Instruments制造的OPA340。高阻抗电阻器R30 1204提供+2.5Vdc偏压给放大器U5 1205的输出端。应当理解，其它放大器配置例如双极电源地参考(bipolar supplyground-referenced)类型可以使用并可获得相似的结果。电阻器R31 1206限制瞬态电流事件损坏运算放大器U5 1205，另外其与电容器C34 1207合作而提供低通滤波极(filter pole)，可用于将高频信号成分从模拟输出信号1208移除。可以设置气体放电避雷器(arrester)GR1 1203，用于在雷电或故障引发电场瞬态事件的情况下快速保护电路。快速作用的气体放电避雷器GR11203具有非常低的电容(＜1pF)和低于箝位触发点(clamping trigger point)的高阻抗。可以以相似的方式使用固态瞬时抑制器，例如MOV、瞬态吸收器(Transorb)以及固体放电管(Sidactor)，但也可以改变特定的保护电路拓扑以容纳这些器件。

所示出的电容器组CB1 1201具有4位的分辨率(resolution)，包括电容器C30、C31、C32以及C33。这些电容器值以二进制方式加权。例如，C33可以是2nF，C32将是4nF，C31将是8nF，而C30将是16nF。这提供了30nF的最大电容值和2nF的LSB分辨率。所示出的电容器组CB1 1201由各电-机继电触点1299控制，并由串行外围驱动接口1209驱动。应当理解，可以使用包括有源固态模拟开关的其它方法而获得相似的结果。通过使用互补MOSFET晶体管可以提供固态切换系统的一个示例，例如由TexasInstruments制造的模件SN74HC4066D来提供。连接至电场传感器1006的测量模块750通过发送至串行外围驱动接口1209的指令能够控制特定的电容分压器比率。这允许测量模块750响应于变化的电场输入水平控制电场传感器1006的增益。这允许通过调整电容分压器比率而使单个的电场传感器1006工作在所安装的传输线路电压(电场)电平的较宽范围(自动范围)，从而求和点S1 1202的电压保持在模拟到数字转换处理的最优动态范围内。

数字控制二进制加权的电容器组CB1 1201可用于校准电场传感器1006，从而可以精确确定高压电流运送导体810到地(电中性)的RMS AC电势。电容器C30到C33是高精度且温度稳定的种类。可能的类型包括聚苯乙烯或聚丙烯的种类。为获得最高的精度，对导电柱体1002提供的导电感测盘1101与电路共地端1211之间的电容进行出厂测量。在软件控制下通过串行外围驱动接口1209分别切换电容器C30到C33 1210而进行该测量。因此，能够在软件控制下量化和精确选择在求和点S1 1202与电路共地端1211之间组合的总的分压器电容，包括寄生电容Cp 1108。由Ce 1107示意性表示的环境电容可以使用以下方法解决，该方法也公开在一起在审查中的2004年6月15日递交的美国专利申请号No.10/868,374-“非指示性电力监视器”中，该申请的内容通过参考援引在此。

以下讨论假设电场传感器1006安装并工作在被给予高电压的导体上。二进制加权的电容器组1201可以切换到第一已知电容C1，然后在运算放大器U51205的输出端测量所得到的V1rms电压。然后，二进制加权的电容器组1201切换到第二电容C2，并记录在运算放大器U51205的输出端所得到的电压V2rms。当高压电流运送导体810的电压大约是常数时，环境电容Ce1107能够从以下公式计算：

$\mathrm{Ce}=\left[\frac{V1\mathrm{rms}\×C1-V2\mathrm{rms}\×C2}{V2\mathrm{rms}-V1\mathrm{rms}}\right]$

其中，当电容器组1201的值为C1时，V1rms是电容器组1201两端测量的电压。在运算放大器U5 1205的输出端(Vout 1208)，再现求和点S1 1202处的电容器组1211两端的电压。

当电容器组1201的值为C2时，V2rms是电容器组1201两端测量的电压。

之后，使用以下公式能够确定传输线路810与地电势之间的电压：

$V=\mathrm{Vout}[1+\frac{\mathrm{Ccb}}{\mathrm{Ce}}]$

其中，V是传输线路810的电压；

Vout 1208是运算放大器U5 1205的输出，并且本质上是在求和点S1 1202处的电容器组CB1 1201两端的电压的缓冲形式(buffered version)；

Ccb是电容器组CB1 1201的电容，包括寄生电容Cp 1108，可以通过出厂校准装置确定；

Ce是如前所述通过校准周期建立的环境电容。

应当理解，尽管已介绍和描述本发明的含有电源模块108的一些示例，HVTLAD 100器件的更多示例也是可以的。以下部分讨论已经设想到的另外的示例。

网状网络

通过沿一条传输线路并在附近的多条不同的传输线路上安装多个HVTLAD 100，能够形成网状网络。每个HVTLAD 100具有RF数据链路收发机69，后者能够与相邻的HVTLAD 100通信。使用通向其它网络例如因特网(Internet)或内网(intranet)的适当网关，HVTLAD 100可以提供通信链路跨越可能还没有这种链路的地方。

靶标

通过安装适当的机械和/或机器人硬件(robotic hardware)给HVTLAD100，可以使HVTLAD 100可操作为横贯电力线路。例如，条轮(poweredwheel)可以安装到HVTLAD 100上，从而HVTLAD 100可以不再被夹到电力线路上。这些条轮可以适当地附接到电力线路上，且使用电源模块108提供的电力，可以驱动电动马达沿着电力线路移动HVTLAD 100。靶标HVTLAD 100可以配备摄像机，从而用于横贯电力线路寻找线路、绝缘体、电力塔等中的故障，或用于一般的视频监视。可替换的，靶标HVTLAD 100也可以配备振动马达、电驱锤等，可操作为振动或撞击电力线路的给定点以除冰。

显示器

HVTLAD 100可以配备显示器，例如LED、LCD等。显示器可以由电源模块108激励。显示器可以用于显示广告给HVTLAD 100附近的人。其它显示包括高速公路信息指示、“橙色”警报信息等。HVTLAD 100的显示功能可以组合有靶标功能以建立移动显示器。

其它电源

作为对电源模块108的补充，HVTLAD 100可以具有补助电源，例如太阳能面板、风力涡轮等。当从这些电源可得到附加电力时，可以激活HVTLAD100的附加功能。

人造卫星/PLC链路

除了GPS接收机，HVTLAD 100可以另外包括人造卫星通信收发机。另外或可替换的，HVTLAD 100可以包括电力线路载波收发机。这些可以激活传感器或其它数据(例如广告内容或靶标移动方向)的发送或接受。

雷达警告

HVTLAD 100可以包括发射机或收发机，可操作为触发飞行器的雷达。这在雾或其它障碍物阻止飞行器的飞行员看到HVTLAD 100发出的光时是有用的。另外，为同一目的，HVTLAD 100可以以各种RF频率发送警告音。

模拟无线通信

尽管如上所述，表示电压、电流、功率等的数据可以以数字形式发送，但此类数据也可以以模拟形式从HVTLAD 100发送到本地接收站920。

光纤中继器

在新的安装中，很普通的是传输线路中具有光纤电缆。HVTLAD 100可以用作光纤中继器。光纤信号可以进入图1所示的HVTLAD 100的传输导体10中，并且在离开HVTLAD 100前被HVTLAD内的适当电路放大。

附加传感器

可替换的或者另外，HVTLAD 100可以设有其它传感器。附加传感器的第一个示例是温度传感器，可操作为确定电力线路的温度。此传感器可以使用红外技术，并可以提供电力线路的过热指示。附加传感器的第二个示例是振动或加速度传感器。此传感器可以提供电力线路所受风、冰、地震、撞击等的压力指示。附加传感器的第三个示例是应变或张力传感器，可操作为感测电力线路内的张力。其也可以指示电力线路上的压力。附加传感器的第四个示例是湿度传感器。在确定电力线路的电流运送能力时，湿度可用作参数。附加传感器的第五个示例是空气质量传感器。此传感器通常可用于提供信息给远方，或可用于评估电力线路上的空气杂质的影响(由于腐蚀等引起)。附加传感器的第六个示例是声音传感器。此传感器可用于提供信息给本地声音级(local sound level)的远方。附加传感器的第七个示例是大气压力传感器，可操作为提供这种信息给远方，用于各种目的。

因此，前面的详细描述用来说明而非限制本发明，并且应当理解所附的权利要求书包括等同物用于限定本发明的精神和范围。

Claims (37)

1.一种安装耦接于电力线路的装置，该电力线路运送高的交流线路电压，该装置包括：

电导体，具有体电容；

电源，包括至少两个输入端子；所述至少两个输入端子的第一个耦接至所述电导体，所述至少两个输入端子的第二个可操作为耦接至所述电力线路；

电子电路，耦接至所述电源；

其中，所述电源可操作为将所述电导体与所述电力线路之间的电力流量转换为电力供应，该电力供应的电压充分低于所述高的交流线路电压，以便来运行所述电子电路。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路包括：传感器，可操作为感测至少一个参数；所述至少一个参数包括环境温度、内部温度、所述电力线路的温度、应变、湿度、海拔高度、位置、环境光级、空气质量、振动、加速度、声音级或大气压力中的至少一个。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述电子电路还包括：无线射频发射机，可操作为发送所述至少一个参数至并未物理地耦接所述装置的远程器件。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述电子电路还包括：射频定位接收机，可操作为接收位置信息并确定所述装置的位置。

5.如权利要求3所述的装置，其中

所述电子电路还包括：处理器，可操作为接收与所述至少一个参数相关的数据，和/或计算所述至少一个参数；以及

所述无线射频发射机可操作为发送所述数据。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路包括：电流传感器，可操作为感测所述电力线路中的电流。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述电流传感器包括有源变流器、霍耳效应传感器、Rogowski线圈、磁芯变流器以及光学电流传感器中的至少一个。

8.如权利要求6所述的装置，还包括：

至少一个模数转换器，耦接于所述电流传感器；

处理器，耦接于所述至少一个模数转换器，可操作为从所述模数转换器接收表示所述电力线路中的电流的数字采样点；以及

无线射频发射机，耦接于所述处理器，可操作为发送所述数字采样点至并未物理地耦接所述装置的远程器件。

9.如权利要求8所述的装置，还包括：

时间同步接收机，耦接于所述处理器；以及

其中所述处理器可操作为将来自所述时间同步接收机的至少一个时间标记与所述数字采样点相关联。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路包括：电压传感器，可操作为感测所述电力线路上的电压。

11.如权利要求10所述的装置，其中电压传感器包括：

金属板，可操作为与导电金属性封装形成第一电容，并且该金属板还可操作与外部环境形成第二电容；以及

检测电路，可操作为检测所述金属板的电压电平。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述检测电路包括：

放大器，可操作为缓冲所述电压电平；以及

模数转换器，可操作为产生所述电压电平的数字表示。

13.如权利要求11所述的装置，还包括：高值电阻器，耦接在所述金属板和直流电压线轨之间，可操作为将所述金属板相对于所述系统参照物维持在一个固定的直流电压。

14.如权利要求13所述的装置，还包括：电涌避雷器，耦接于所述金属板。

15.如权利要求11所述的装置，还包括：

导电体，从所述金属板延伸至所述第二电容；以及

绝缘体，围绕所述导电体的至少一部分，支撑所述金属板，并阻止在所述金属板和所述电导体之间导电。

16.如权利要求11所述的装置，其中所述第二电容包括：

并联电容器组，每个所述电容器可操作为在所述金属板和所述系统参照物之间进行动态的电耦接或去耦，以形成可变的电容分压器；以及

处理器，可操作为控制所述并联电容器组的耦接，当所述第二电容被切换至多个值时，使用多个所述电压电平计算所述电力线路上的电压。

17.如权利要求16所述的装置，还包括：

导电分隔板，可操作为防止所述装置内产生的电场影响所述金属板的电压，将所述装置至少分为第一室和第二室，所述第一室至少容纳所述金属板，所述第二室至少容纳所述电子电路的一部分；以及

介电盖，形成在所述第二室的外端部，可操作为保护所述金属板不受环境影响。

18.如权利要求11所述的装置，其中所述外部参照物包括地。

19.如权利要求11所述的装置，其中所述外部参照物包括第二电力线路。

20.如权利要求10所述的装置，其中所述电子电路包括：

至少一个模数转换器，耦接于所述电压传感器和所述电流传感器；以及

处理器，耦接于所述至少一个模数转换器，可操作为从所述模数转换器接收表示所述电力线路中的电流和所述电力线路上的电压的数字采样点。

21.如权利要求20所述的装置，其中所述处理器可操作为使用所述数字采样点产生表示所述电力线路中的电力流量的电力流量数据。

22.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路包括至少一个光源和至少一个可操作为控制所述光源照明的处理器。

23.如权利要求21所述的装置，其中所述电子电路还包括：光传感器，可操作为感测所述装置附近的环境照明条件。

24.如权利要求23所述的装置，其中所述处理器耦接于所述光传感器和所述光源；所述处理器可操作为当所述光传感器表示所述环境照明条件低于阈值时点亮所述光源。

25.如权利要求1所述的装置，还包括储能器件，耦接于所述电源，可操作为在所述电子电路需要的电力比所述电源能产生的电力更多的情况下提供电力给所述电子电路。

26.如权利要求25所述的装置，其中所述情况是所述光源的照明和/或所述高的交流线路电压的故障。

27.如权利要求20所述的装置，其中所述处理器控制对所述储能器件的充电。

28.如权利要求1所述的装置，其中所述电源包括：变压器，至少具有初级和次级绕组，其中所述初级绕组的匝数大于所述次级绕组的匝数。

29.如权利要求1所述的装置，其中所述电源包括：

电容器；

整流电路，耦接于所述电容器，可操作为允许所述电容器从所述电力流量被充以直流电压；

控制器，可操作为防止或允许电流从所述电容器通过所述初级绕组；

滤波器电路，耦接于所述次级绕组，可操作为产生比所述高的交流线路电压充分低的所述电压；以及

反馈电路，耦接于所述滤波器电路和所述控制器，其中所述控制器使用所述反馈电路的输出，来调制对电流的所述防止和允许，以将所述电压调节为比所述高的交流线路电压充分低。

30.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路还包括：电动马达，可操作为沿所述电力线路推进所述装置。

31.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路包括雷达发射机、光纤发射机、电力线路载波收发机、显示器、网状网络收发机、发声器件、视频监视器件、音频监视器件、射频中继器、信息牌以及广告牌中的至少一个。

32.如权利要求1所述的装置，其中所述电子电路包括时间同步接收电路，可操作为提供时间指示给所述处理器；所述处理器可操作为基于所述时间指示控制所述照明。

33.如权利要求28所述的装置，其中所述电源包括：

整流电路，耦接在所述次级绕组两端；

电容器，耦接于所述整流电路的输出，可操作为产生比所述高的交流线路电压充分低的直流电压；

调节器，耦接于所述电容器，可操作为将所述直流电压调节为比所述高的交流线路电压充分低；以及

其中所述初级绕组串联耦接在所述电导体与所述电力线路之间。

34.一种激励可安装耦接于电力线路的装置的方法，该电力线路运送高的交流线路电压，该方法包括：

安装所述装置，使得所述电力线路和所述装置的导电部分的体电容之间出现电流；

将所述电流转换为电力供应，该电力供应的电压比所述高的交流线路电压充分低；以及

提供所述电力供应给耦接于所述装置的电子电路。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述高的交流线路电压大于10000伏，且其中所述电子电路包括电压传感器和电流传感器中的至少一个。

36.一种安装耦接于电力线路的装置，该电力线路运送高的交流线路电压，该装置包括：

电导体，具有体电容；

第一装置，耦接于所述电导体，可操作为耦接于所述电力线路，用于将所述所述电力线路与所述电导体之间的电流转换为电力供应，该电力供应的电压比所述高的交流线路电压充分低；

第二装置，耦接于所述电力供应，用于执行电子功能。

37.如权利要求36所述的装置，其中：

所述第二装置包括监视装置，用于监视所述高的交流线路电压和所述电力线路中的电流中的至少一个；

比所述高的交流线路电压充分低的所述电压小于100伏；以及

所述高的交流线路电压大于10000伏。

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