CN101052884A - 用于电气开关装置的光学传感器布置 - Google Patents

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Abstract

一种用于电气开关装置的紧凑的电流和电压传感器器件，希望其允许开关装置整体设计紧凑。本发明公开了用于气体绝缘开关装置的一种非常紧凑的光学传感器布置，其包括两个中空构件，它们布置得形成中空部分，该部分包含用于光学电流和/或电压传感器的光学纤维，并且该光学传感器布置容易集成在开关装置内。

Description

用于电气开关装置的光学传感器布置
技术领域
本发明涉及光学传感器布置，包括光学电流传感器和/或光学电压传感器，该传感器布置包括第一和第二中空构件，优选为环形轮廓，它们布置成一起形成中空部分，该传感器布置进一步包括布置在环形槽内的电流传感器的光学纤维，所述槽布置在第一中空构件和第二中空构件之间的边界表面上，和/或布置在第二中空构件的凹部内的电压传感器的光学纤维；本发明还涉及气体绝缘的开关装置内这种传感器布置的使用以及组装和/或更新电气开关装置的方法。
背景技术
在电气开关装置中，必须测量流经开关装置的电流和开关装置的两个电势例如载流导体的高电压电势和地线之间的电压。在气体绝缘的开关装置(GIS)中，电导体布置在气体填充的机壳内，这使得难于在导体上布置电流和电压传感器。因为开关装置体积紧凑和节约空间和成本的设计总是这种开关装置的设计目标，所以所使用的传感器布置必须紧凑、坚固和容易触及。现有技术中存在用于这种目的不同类型的传感器，例如变流器和变压器或者光学电流和电压传感器。
CH 694 193 A5示出了包括已知变流器的模块。该模块通过凸缘安装在电气开关装置的开口。因为该变流器需要特定的空间，所以该模块具有较大的整体长度，这样增加了开关装置的整体尺寸。DE 43 14 821 A1公开了一种变流器，其集成在气体绝缘的开关装置的机壳内。但是这种布置增大了开关装置的整体长度。
已知的光学传感器布置经常布置地远离开关装置。为此，例如从传感器布置到开关装置的高压母线形成电连接。从DE 196 34 251 A1，已知了一种光学电压传感器，其布置在通过凸缘安装在气体绝缘开关装置机壳的开口的凸缘上的盖子内。虽然这种布置是紧凑的，但是需要在开关装置机壳上形成额外的开口和从电导体到传感器布置形成额外的电连接。另外，这种布置不能用于变流器。
US 5 136 236示出了一种光学传感器布置，包括光学电流传感器和/或光学电压传感器，该传感器布置包括第一(11)和第二(5)中空构件，优选为环形轮廓，它们布置成一起形成中空部分，该传感器布置进一步包括：布置在环形槽内的电流传感器的光学纤维(12)，所述槽布置在第一和第二中空构件之间的边界表面上；和/或布置在第二中空构件(5)的凹部(9)内的电压传感器的光学纤维(7a)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于电气开关装置的光学电流和电压传感器布置，其更为紧凑并且易于整合在电气开关装置内和易于触及。
该目的由本发明这样实现，即在第一中空构件上提供环形凹部，第二中空构件布置在所述凹部内，且第一中空构件是带有两条腿的L形或者U形环，在所述两条腿之间形成所述凹部。
这种布置是特别容易和紧凑的，因为电流和电压传感器设置在一个单元内，并且因为第二中空构件布置在第一中空构件的凹部内。该布置可以容易地预组装并且可以容易地集成到电气开关装置内。
尤其有优势的是，利用电导材料优选为金属形成第一中空构件。这确保了开关装置的金属性机壳在组装在一起时不会被传感器布置中断。因此，机壳类似于用作电磁屏蔽件，其减小或者消除EMC辐射。当变电站装配有敏感的数字控制器和检测仪表设备时，这是尤其有用的。而且这对于工作人员的安全也是很重要的，因为金属性机壳总是保持在相同的电势，优选地是接地电势。如果第二中空构件由电绝缘材料形成，则确保了所述槽至少部分被绝缘材料覆盖。利用这种布置，电流测量不会被导电的第一构件内的感应电流影响，因为围绕带有光学纤维的槽不能形成电流回路。
所述槽优选地围绕中空部分的开口周向延伸，其中载流导体穿过该中空部分。
电流传感器的光学纤维可以容易地通过第一中空构件内的孔引入所述槽内，所述孔将第一中空构件的外表面与所述槽连接。这确保了传感器布置容易组装。
第二中空构件的凹部优选地具有径向延伸的盲孔，其容易制造，并且在其内布置至少一个波克尔斯单元。围绕导体的电场，其也作用在第二构件内，影响波克尔斯单元，因此使得能够通过波克尔斯效应测量电压。
为了确保机壳的气密性，在第一和第二中空构件之间设置了密封件。
光学传感器布置尤其优选地布置在开关装置的相邻机壳部件的两个凸缘之间。这允许开关装置的组装非常简单。
光学传感器布置的设计允许传感器布置预组装，并且作为一个单元集成在开关装置内，这样构成了组装或者更新电气开关装置的一种非常有效的方法。
附图说明
本发明在以下参照图1至3予以说明，这些图以示意性且非限制性的方式示出了发明的光学传感器布置和该传感器布置在气体绝缘开关装置(GIS)设备内的应用。
图1示出了典型的三极气体绝缘开关装置设备；
图2示出了集成在气体绝缘开关装置设备内的发明的光学传感器布置的不同截面视图，和
图3示出了这种发明的光学传感器布置的顶视图。
具体实施方式
气体绝缘开关装置(GIS)设备1典型包括例如用于每个相的母线2；隔离开关(disconnector switch)3；接地开关4、7；和电路断路器5，如图1所示，但是还可以包括其他的、进一步的和/或不同的设备，如已知的那样。这种开关装置设备1对于现有技术是已知的，因此不作进一步解释。GIS设备1的机壳11填充有气体，例如SF6气体，并且还包括开关的机械部件，例如开关装置1的不同开关的触点、驱动机构等，以及包括穿过开关装置1的电导体10。在机壳11内还集成了发明的光学传感器布置6，用于测量电流和电压，如将在以下所述的那样。
光学传感器布置6在图2和3中最好地示出，并且将在以下参照图2和3说明。光学传感器布置6布置在开关装置机壳的两个相邻部件11、11’的两个凸缘12、12’之间。机壳部件11、11’通过连接装置例如布置在凸缘12、12’的孔中和光学传感器布置6的孔27中的类似的螺钉或者螺栓以已知的方式连接。因此，光学传感器布置6形成开关装置机壳的一部分。因此，布置在机壳11内侧的电导体10还穿过光学传感器布置6。
光学传感器布置6包括第一中空构件，其具有环形凹部，这里布置导电的金属性L形环13，优选地用与机壳11相同的材料制成，所述环内有第二中空构件，这里布置了例如由树脂制成的电绝缘环14。环形凹部在横向平面内的横截面轮廓可以具有任何形状，例如矩形，但是优选是圆形。L形环意味着环13在纵向平面内的横截面轮廓是L形。这两个构件彼此挨着布置，形成中空部分。在所示的实施例中，第二环14布置在由L形环13的两条腿13’、13”形成的凹部内。但是两个中空构件13、14当然还可以不同地成形。第二构件14可以例如布置在Y形或者U形的第一构件13的腿之间，并且用不同的材料形成。第一构件13可以用任何电导材料形成，例如由金属或者电导合成材料，像导电塑料或者树脂形成，而且可以用电绝缘的材料形成。第二构件14可由任何适当的电绝缘材料形成，例如由合成材料，像塑料或者树脂形成。
第一构件13的环形凹部这样布置，使得电绝缘构件14布置在光学传感器布置6的内侧，即在组装好的状态下，位于开关装置机壳11的内侧。因此，光学传感器布置6的外表面22由L形环13形成。在所示的实施例中，第二环14通过许多板20固定在凹部内，所述板通过螺钉21拧紧在L形环13上，因此将非导电环14夹紧并且保持就位。第二构件当然可以通过任何适当的连接，例如正或者负配合、用螺钉或者螺栓紧固、结合等，固定到第一构件上。在组装好的状态下，密封件19布置在L形环13和机壳11’的凸缘12’之间，布置在电绝缘环14和机壳11的凸缘12之间，还布置在L形环13和电绝缘环14之间，从而确保填充在GIS设备1内部的气体相对于外界密封，并且避免该气体从机壳11内渗漏出来。
光学传感器布置6包括光学电流传感器和光学电压传感器，虽然其也可能仅是电流或者电压传感器。
光学电流传感器是基于已知的法拉第效应，其利用这样的事实，即偏振光信号受到电流流过电导体10时形成的磁场的影响被减缓或者加速。由于这种效应是已知的并且经常在光学电流传感器中采用，所以不作详细解释。环形槽16布置在第一和第二中空构件13、14之间的边界表面28上，在本实施例中，在L形环13的其中一条腿13’、13”的内表面上。所述槽16在环13内形成封闭的回路，如图3中所见。但是当然可能将槽16布置在第一和第二构件13、14之间的边界表面上的任何位置，例如位于第一环13或者第二环14上，或者槽16可以部分形成在第一环13和第二中空构件14中。槽16优选地与电导体10同心。环形槽16在横向平面内的横截面轮廓可以具有任何形状，例如矩形，但是优选为圆形。孔15将槽16与L形环13的外表面22连接。槽16和第一环13或者第二环14这样布置和确定尺寸，使得槽16在组装好的状态下，至少部分被第一环13或者第二环14覆盖。光学纤维23穿过孔15，并且布置在L形环13的槽16内，因此也将穿过GIS设备1的电导体10和光学传感器布置6圆周环绕在至少一圈圆周回路内。孔15优选地基本上相切布置，以减小组装过程中或者组装后光学纤维23上的应力。因此，流经电导体10的电流产生的磁场影响经过光学纤维23在围绕电导体10的路径上传输的光的偏振。在光学纤维23的端部，光可以被反射回去，因此迫使光全程返回，因此将法拉第效应加倍。但是当然也可能，光学纤维23经由孔15从槽16和传感器布置6穿出。两个偏振光信号相移的程度受到评估并且与流经导体10的电流有关。
光学电压传感器利用已知的波克尔斯效应(Pokels effect)，其利用这样的事实，即当光通过布置在电导体10的电场中的电光晶体25(波克尔斯单元(Pokels cell))时，单色光的圆形偏振变为椭圆偏振。由于该效应是已知的并且经常用于光学电压传感器，所以不作详细解释。为此，凹部，例如盲孔18，设置在第二环14内，在第二环14内布置了至少一个波克尔斯单元25。穿过L形环13内的与盲孔18对准的孔17，光学纤维24引入盲孔18并到达波克尔斯单元(等)25。孔17和盲孔18优选的径向布置。电场还穿过电绝缘环14，因此影响穿过布置在孔18内的波克尔斯单元(等)25的光信号的偏振。然后被评估的光的椭圆度就是电场的量度，并且因此也是两个电势，例如导体10的电压电势和地线之间的电压的量度。
但是应该注意，其他合适的光学电流和电压传感器也可以用于本发明的传感器布置中。
在光学传感器布置6的外表面22上，可以安装机壳26，其包含向光电流和/或电压传感器提供适当的光信号以及评估离开传感器布置的光所需的光电子器件。另外还可以在机壳26内设置通往数字数据处理器单元的接口。
传感器布置6的外表面22由导电L形环13的表面形成，使得金属性的、导电的、接地的机壳11不会被传感器布置6所中断，这对于EMC原因是重要的，因为EMC辐射经常被特定的限制所约束。在L形环13由电绝缘材料形成的情况下，利用接地片或者屏蔽件将两个机壳部件11、11’电连接起来，基本上能实现相同的效果。以此方式，利用连续的导电机壳11、22实现了非常有效的电磁辐射保护，其中该机壳用作类似的电磁屏蔽件。当变电站(substation)装配有敏感的数字控制器和检测仪表设备时，这也是尤其有用的。而且这对于工作人员的安全也是重要的，因为金属性机壳11总是保持相同的电势，优选地是接地电势。
通过将光学电流纤维23位于其内的槽16布置在第一和第二中空构件13、14之间的边界表面上，且所述构件中的至少其中之一由电绝缘材料形成，所以由围绕电导体10的磁场在机壳11内感应出的电流所导致的围绕光学电流纤维23的电流回路可以避免。因此，感应电流不会影响电流测量。
GIS设备1的机壳11典型由许多彼此连接的单个模块构成，如图1所示。为此，凸缘12设置在每个模块的端面上，用于连接单个模块。适当的密封装置应当设置在凸缘12之间，以确保机壳11的气密性。光学传感器布置6可以布置在如上详细说明的电气开关装置设备1的任何两个相邻的模块的凸缘12之间，还可以布置在带凸缘的肘部内。
光学传感器布置6的设计使得该布置在集成到开关装置设备1内以前是完全预装配的。这允许开关装置的组装和更新非常有效率，因为单个传感器布置6作为单个单元容易处理。该传感器布置6仅需布置在相邻的机壳部件11、11’的两个凸缘12、12’之间。为此，在横向平面内，第一中空构件13和/或第二中空构件14的横截面优选地与机壳11横向横截面相同，优选为如图所示的圆形，但是它们当然可以具有任何可能的其他横截面。所有必需的供应件和连接件或者集成在传感器布置6内，或者可容易地例如通过提供各种通往数字数据处理单元的接口而连接到传感器布置6。

Claims (22)

1.一种光学传感器布置，包括光学电流传感器和/或光学电压传感器，该传感器布置包括第一和第二中空构件(13、14)，优选为环形轮廓，它们布置得可一起形成中空部分，该传感器布置进一步包括：布置在环形槽(16)中的电流传感器的光学纤维(23)，所述槽(16)布置在第一中空构件(13)和第二中空构件(14)之间的边界表面(28)上；和/或布置在第二中空构件(14)的凹部(18)内的电压传感器的光学纤维(24)，
其特征在于，第一中空构件(13)具有环形凹部，第二中空构件布置在该凹部内，且第一中空构件(13)是带有两条腿(13’、13”)的L形或者U形环，所述凹部形成在这两条腿(13’、13”)之间。
2.如权利要求1所述的光学传感器布置，其特征在于，第一中空构件(13)由电导材料形成，优选地由金属形成，并且第二中空构件(14)由电绝缘材料形成，优选地由树脂形成。
3.如权利要求1或者2所述的光学传感器布置，其特征在于，所述槽(16)形成在第一中空构件(13)内或者第二中空构件(14)内，或者部分形成在第一(13)和第二中空构件(14)内，优选地位于所述L形或者U形环(13)的腿(13’、13”)的其中一个内表面上。
4.如权利要求1至3任一所述的光学传感器布置，其特征在于，所述槽(16)围绕中空部分的开口周向延伸。
5.如权利要求1至4任一所述的光学传感器布置，其特征在于，第二中空构件(14)的凹部(18)基本上径向延伸。
6.如权利要求1至5任一所述的光学传感器布置，其特征在于，电流传感器的光学纤维(23)通过第一中空构件(13)内的孔(15)引入槽(16)，所述孔(15)将第一中空构件(13)的外表面(22)与槽(16)连接。
7.如权利要求1至6任一所述的光学传感器布置，其特征在于，电压传感器的光学纤维(24)引入第二中空构件(14)内的盲孔(18)中。
8.如权利要求1至7任一所述的光学传感器布置，其特征在于，至少一个波克尔斯单元(25)布置在第二中空构件(14)的凹部(18)内。
9.如权利要求1至8任一所述的光学传感器布置，其特征在于，密封件(19)设置在第一(13)和第二中空构件(14)之间。
10.如权利要求1至9任一所述的光学传感器布置，其特征在于，第二中空构件(14)通过至少一个夹紧器件(20)固定在第一中空构件(13)上，所述夹紧器件优选为板，其安装优选为拧紧在第一中空构件(13)上。
11.如权利要求1至12任一所述的光学传感器布置，其特征在于，传感器布置(6)的外表面(22)由第一中空构件(13)形成。
12.一种电气开关装置，优选为气体绝缘的开关装置，带有如权利要求1至11任一所述的光学传感器布置。
13.如权利要求12所述的电气开关装置，其特征在于，光学传感器布置(6)布置在相邻机壳部件(11、11’)的两个凸缘(12、12’)之间。
14.如权利要求13所述的电气开关装置，其特征在于，密封件(19)设置在凸缘(12、12’)和光学传感器布置(6)之间。
15.如权利要求12至14任一所述的电气开关装置，其特征在于，电气开关装置包括穿过中空部分延伸的载流导体(10)。
16.如权利要求15所述的电气开关装置，其特征在于，所述槽(16)围绕载流导体(10)，优选地与导体(10)同心地沿周向延伸。
17.一种组装电气开关装置的方法，所述开关装置优选为气体绝缘的开关装置，带有如权利要求1至11任一所述的光学传感器布置，其特征在于，光学传感器布置(6)被组装，然后被布置在电气开关装置(1)的机壳的相邻部件(11、11’)的两个凸缘(12、12’)之间。
18.一种更新电气开关装置的方法，所述开关装置优选为气体绝缘的开关装置，带有如权利要求1至11任一所述的光学传感器布置，其特征在于，预组装的光学传感器布置(6)布置在电气开关装置(1)的机壳的相邻部件(11、11’)的两个凸缘(12、12’)之间。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，光学纤维(23)在第一中空构件(13)和第二中空构件(14)的边界表面处布置在环形槽(16)内，所述构件优选为环形构件。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，第二中空构件(14)固定到第一中空构件(13)上，因此优选地至少部分覆盖带有光学纤维(23)的槽(16)。
21.如权利要求18至20任一所述的方法，其特征在于，波克尔斯单元(25)布置在第二中空构件(14)的凹部(18)内，并且光学纤维(24)引入波克尔斯单元(25)。
22.如权利要求18至21任一所述的方法，其特征在于，密封件(19)布置在第一(13)和第二中空构件(14)之间和/或第一中空构件(13)和机壳(11’)之间和/或第二中空构件(14)和机壳(11)之间。
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