CN101278201A - 用于气体绝缘开关装置的电压传感器和电压传感方法 - Google Patents

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Abstract

具有光学电压传感器(46)的气体绝缘电开关装置，与导体(10)相对设置，以用于传感与第一电压相关的第二电压。至少一个导电元件(40或42)围绕着该导体，并置于该光学电压传感器(46)和该导体(10)之间。

Description

用于气体绝缘开关装置的电压传感器和电压传感方法
技术领域
本发明涉及电开关装置，特别是适用于气体绝缘开关装置的传感器和传感方法。
背景技术
电力传输/分配系统典型地提供介于系统中的变压器和线路之间的开关。该开关(通常称为“开关装置”)提供了装置，从而使该变压器可响应例如功率波动或其它类型的系统事件，而与系统的其它部分断开。最近，开关装置利用绝缘气体(例如SF6)来绝缘，这是因为这种气体的绝缘特性使得开关装置的整体尺寸明显减小。最初，气体绝缘开关装置作为单相方案被提出，即三相中的每一相都具有与之相关联的、分离封装的开关。近来，为了进一步减小开关装置相关的尺寸，提出了三相气体绝缘开关装置，在公开号为2003/0178891的美国专利申请中描述了这样的一个实例，该申请的内容通过引用并入本文。其中，三个导体延伸通过填充有绝缘气体并包含开关机制的外壳，每个导体分别与一个相相关联。
在电开关装置中，测量流过开关装置的电流和开关装置上两个电势(例如高电势和地)之间的电压，是很有用的。不同类型的传感器已用于气体绝缘开关装置中以实现上述功能。例如，电流和电压变压器或者光学电流和电压传感器靠近每个导体放置，以监测该相的电流和/或电压。然而，对于光学电压传感器，人们已发现，(1)被测量电压的导体与光学电压传感器之间距离的变化和/或(2)绝缘气体的压强变化会对测量的电压引入误差。与GIS装置的制造相关的机械公差会引起前一种情况。温度和其它因素的改变会引起后一种情况。
一种处理这些误差的方法是进行处理单元和/或光学电压传感器的现场校准，以试图对这些因素进行补偿。然而，这样的校准很费时间，也不能完全处理动态涨落。另一种处理这些误差的方法是使用特殊的传感器测量气体压强、温度、与导体之间的距离等等的变化，并利用这些测量结果补偿光学传感器的电压读数。然而，这种方案显著增加GIS装置的费用。
因此，需要提供电压传感器和传感方法，该方法能够精确地、自动地检测GIS装置的电压，并处理上述的部分或全部的问题。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施方案，气体绝缘开关装置包括：外壳，具有两个端帽和穿过其延伸的至少一个导体，所述至少一个导体带有第一电压；绝缘气体，其处于所述外壳内；光学电压传感器，其与所述至少一个导体相对设置，以用于传感与所述第一电压相关的第二电压；以及至少一个导电元件，其围绕所述至少一个导体，并置于所述光学电压传感器和所述至少一个导体之间，其中，所述至少一个导电元件基于所述第一电压的电容分压确定所述第二电压。
根据本发明的另一示例性实施方案，用于传感与气体绝缘开关装置中的导体相关的电压的方法，包括以下步骤：提供与穿过所述气体绝缘开关装置延伸的所述导体相关的第一电压；对所述第一电压进行电容分压，以产生与所述导体相关的第二电压；光学传感所述第二电压；以及基于所述第二电压确定所述第一电压。
根据本发明的又一个示例性实施方案，用于传感与气体绝缘开关装置中的导体相关的电压的系统，包括：用于提供与穿过所述气体绝缘开关装置延伸的所述导体相关的第一电压的装置；用于对所述第一电压进行电容分压以产生与所述导体相关的第二电压的装置；用于光学传感所述第二电压的装置；以及用于基于所述第二电压确定所述第一电压的装置。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方案，其中：
图1示出了单相的气体绝缘开关装置；
图2示出了包括光学电压传感器的环；
图3示出了在GIS装置的两部分之间插入的、如图2所示的环，该环位于测量相关导体的电压的位置；
图4示出了根据本发明示例性实施方案的光学电压传感器；
图5是示出了根据本发明示例性实施方案的光学电压传感方法的流程图；以及
图6(a)至图6(c)示出了根据本发明另一示例性实施方案的光学电压传感器。
具体实施方式
本发明的下述详细描述参考附图。在不同附图中的相同附图标记代表相同或相似的元件。并且，下述详细描述并非限制本发明。本发明的范围由附加的权利要求限定。
图1示出了单相的气体绝缘开关(GIS)装置1，本发明的示例性实施方案可在其中实现。其中，该GIS装置包括用于各个极的母杆2、断开开关3、接地开关4、5、以及断路器6。三个外壳11的每个均与GIS装置1的一个相相关联，均填充有绝缘气体(例如SF6气体)，并且均包括穿过其中延伸的导电体10(图1中未示出)。该外壳还包括与GIS装置1和导电体10相关联的开关的机械部件，例如，接触装置、驱动装置等，导电体10通过开关装置1传导其各自相的电流。
一种光学测量与导电体10相关的电压的方法是，将普克尔盒(Pockels cell)置于该导体产生的电场中，使光通过普克尔盒，并监测该光的偏振变化。图2和图3示出了该技术的一个例子。其中，在外导体的两个部分14和14’之间插入环13，该外导体在断路器6的区域内形成外壳11。图3是外壳11的外导体和环13沿图2中B-B线的剖视图。环13和外导体部分14、14’可通过法兰12和螺栓27连接在一起。环13包括L型金属部分15和位于L型部分15的中空部内的非金属内环16。非金属内环16可由介电材料(例如树脂)制备。普克尔盒25安装于在内环16中形成的孔17内。光纤24从控制单元26延伸通过孔17和普克尔盒25，控制单元26包括光源以及用于测量返回光的处理部件和电路(未示出)。应当注意的是，这种配置仅是用于将光学电压传感器置于接近GIS装置中的导体的一种示例性的排列，本发明也可用于具有不同配置的GIS装置中。
普克尔盒基于如下原理工作，当光通过光电晶体(普克尔盒)时，光的偏振根据普克尔盒所处电场的强度而改变，例如，从圆偏振变为椭圆偏振。在第5029273号美国专利中描述了普克尔盒电压传感器的一例，其全部内容通过引用并入本文。因此，在控制单元26中对从普克尔盒25返回的光进行评估，以确定它在偏振上的相应改变，从中可以确定与导电体10相关联的电场的大小(从而确定电压的大小)。
然而，正如在本说明书背景技术部分所提到的，图2和图3中所示的电压传感装置和方法的精度会受到几个变量的影响。首先，由普克尔盒25完成的电场测量依赖于普克尔盒25和导电体10之间的距离。因此，如果该距离改变，则该电压测量结果也将改变，而(在其他因素中)该距离的改变将依赖于加工的机械公差，该机械公差用于确保导电体10在其相应的外壳11中。第二，由普克尔盒25完成的电场测量还依赖于包含在外壳11中的绝缘气体(例如SF6)的压强。因为由于温度或其它因素的改变，压强也会改变，所以这给在图2和图3中所示的电压传感装置带来了另一潜在的不精确性。
本发明的示例性实施方案提供了电压传感装置和方法，它们补偿了(1)光学电压传感器与GIS装置中的、被测量电压的导体之间的距离变化和/或(2)被测量电压的导体的外壳中的绝缘气体(例如SF6)的压强变化。图4示出了一例，其为根据本发明示例性实施方案的GIS装置的外壳11的概念化纵向剖视图。
其中，在介电材料44中嵌入两个线环40和42，并且还嵌入用于检测与中央导体10相关的电压Vout的光学电压传感器46(例如普克尔盒)。线环40和42可在光学电压传感器46的区域内由电线43连接，并且可置于光学电压传感器46的任意一侧。如图4所示，线环40和42可与光学电压传感器46相隔相同的距离(尽管这种对称性不是必要的)。在图4中，附图标记10、11、12、14、14’和15表示与以上结合图3所述的元件相类似的元件，因此这里不做进一步描述。此外，为了简化附图，与完整装置相关的某些元件(例如，与光学电压传感器46相关的光纤、光源以及数字处理/控制单元)也被省略了。
与线环40和42相关联的电容用于自动补偿光学电压传感器46和中央导体10之间的距离变化和/或例如由温度的变化导致的绝缘气体压强变化。例如，因为这两个线环40和42围绕着中央导体10，所以中央导体10与这两个线环40、42之间的总电容C1不会由于中央导体10相对于光学电压传感器46的位置上的较小改变而显著变化。这是因为，如果由于机械公差，特定的GIS装置的中央导体10更靠近(或更远离)接近于外(接地)导体14、14’的线环40和42的图示一侧，那么中央导体10将更远离(或更靠近)这些环的相对侧(未示出)。电容C1还将受绝缘气体的压强影响。
第二电容C2将分别存在于环40、42和L型金属部分15和法兰/外导体12、14之间。第二电容C2也将基于绝缘气体的气体压强而变化，该绝缘气体作为该电容的金属外表面之间的电介质工作。此外，电容C1和C2建立了电容分压器，以使由光学传感器46传感的电压将成为电容C1和C2以及与中央导体10相关的电压V的函数。因此，光学传感器46将检测到的电压Vout为
Vout′＝V*C1/(C1+C2)(1)
因为电容C1和C2均为气体压强(和温度)的函数，并因此在该气体压强改变时电容C 1和C2相互间的比例保持不变，所以检测到的电压Vout基本上与气体压强改变无关，也就是说，本发明的该示例性实施方案自动补偿气体压强和温度(以及如上所述的、由于用环40和42围绕中央导体而产生的光学传感器46和中央导体10之间的距离)。
应了解的是，本发明可以在前述示例性实施方案的许多不同变体中实施。例如，可改变光学电压传感器46的物理位置，或者改变其机械地整合入GIS装置的外导体内的方式。此外，用于建立电容分压器的导电元件不需要由两个互连的环形成，而可为任何所需的形状。更普遍地，在图5的流程图中描述了用于对与GIS装置中的导体相关的电压进行光学传感的方法。其中，在步骤500中，该GIS装置提供了与穿过气体绝缘外壳延伸的导体相关的第一电压。在步骤502中，对该第一电压进行电容分压，以产生与该导体相关的第二电压。然后在步骤504中，用例如普克尔盒对该第二电压进行光学传感。然后，在步骤506中，可基于该第二电压(例如通过利用上述方程1)确定该中央导体所带的第一电压。
正如前述所应了解的，根据本发明示例性实施方案的电压传感器通常可如图6(a)所示建立模型。其中，通常由附图标记600所标记的电压传感装置包括两个具有不同电势的导体(例如，接地的外导体602和处于正电势的内导体604)以及夹在两个导体602和604之间的两个邻接层606和608(例如，层606可为上述介电层44，层608可为绝缘气体，例如SF6)，邻接层606和608为分别具有不同实数和/或虚数介电常数ε1、ε3的基本为介电的材料。有界区域610包括位于层606中的光学电场传感器(图中未示出)，层606具有实数和/或虚数介电常数ε2，介电常数ε2可不同于包围层608的介电常数ε1。区域610可包含包围该电场传感器的凝胶，或可单纯地是一袋空气，其中该传感器如上所述连接。有界区域610的尺寸使得由该包围层的实数和/或虚数介电常数相对于该有界区域和其它层的介电常数的改变所导致的传感器位置上的电场改变最小。
如果层606的介电常数ε1改变，则层608中的电场E2将通过满足限定了层606、608和610的拉普拉斯方程的边界条件而改变。更具体地说，该定义拉普拉斯方程具有这样的边界条件，其表明，基于静电场理论，跨越边界的切向电场Et是连续的，并且跨越边界的法向电通量Dn＝εEn也是连续的。这意味着，置于区域610中的电场传感器可对由例如温度的改变所导致的介电常数的改变很敏感。
为了更好地理解有界区域610的尺寸与相对于介电常数ε1的变化的E2的行为之间的关系，该电压传感器可被分解成如图6(a)和6(b)所示的两个基本的积木结构。首先考虑图6(b)，其中有界区域610的高度完全穿过层606、在外导体602和层608之间延伸，随着ε1增加，E2将减小。此外，减小区域610的宽度将会增强这种效应。现在考虑图6(c)，其中该有界区域610的宽度延伸到最大，随着ε1增加，E2将增加。而且，减小区域610的高度将会增强这种效应。
对于如图6(a)和6(b)所示情况的上述效应是相反的。因为图6(a)的电压传感器实例是这两种情况的组合，所以可以选择有界区域610的高度和宽度以使前述的效应基本上彼此抵消，使有界区域610中的电场E2对于层606的介电常数的改变的敏感程度减到最小。在如此选择的尺寸下，位于有界区域610内的电场传感器(例如普克尔盒)提供对导体602和604之间的电压(电势)的测量，该测量对于例如由温度改变引起的层606的介电常数的变化基本不敏感。
上述的示例性实施方案旨在对本发明的各方面举例说明，而并非对本发明的限制。因此，本发明能够具有许多具体实施方式的变体，这些变体可以由本领域技术人员从这里包含的描述中得到。所有这些变体和修改都被认为是在由权利要求所限定的本发明的范围和精神之内。在本申请说明书中使用的元件、行为或说明，均不应当解释为本发明的限制和实质，除非被详细地如此描述。同样，如这里所使用的，冠词a旨在包括一个或更多项目。

Claims (20)

1. 一种气体绝缘开关装置，包括：
外壳，具有穿过其延伸的至少一个导体，所述至少一个导体带有第一电压；
绝缘气体，其处于所述外壳内；
光学电压传感器，其与所述至少一个导体相对设置，以用于传感与所述第一电压相关的第二电压；以及
至少一个导电元件，其围绕所述至少一个导体，并置于所述光学电压传感器和所述至少一个导体之间，
其中，所述至少一个导电元件基于所述第一电压的电容分压确定所述第二电压。
2. 如权利要求1所述的气体绝缘开关装置，其中所述至少一个导电元件包括两个环，每个所述环均围绕所述至少一个导体。
3. 如权利要求2所述的气体绝缘开关装置，其中电线在靠近所述光学电压传感器的区域内连接所述两个环。
4. 如权利要求1所述的气体绝缘开关装置，其中在所述至少一个导体和所述至少一个导电元件之间建立第一电容(C1)，在所述至少一个导电元件和形成所述外壳的外导体之间建立第二电容(C2)，并且所述第二电压(Vout)通过下式与所述第一电压(V)相关联：
Vout＝V*C1/(C1+C2)。
5. 如权利要求4所述的气体绝缘开关装置，进一步包括：
处理单元，其连接至所述光学电压传感器，以用于基于所述第二电压确定所述第一电压。
6. 如权利要求5所述的气体绝缘开关装置，其中已确定的所述第一电压基本不依赖于所述绝缘气体的压强的变化。
7. 一种用于传感与气体绝缘开关装置中的第一导体相关的电压的方法，包括以下步骤：
提供与穿过所述气体绝缘开关装置延伸的所述第一导体相关的第一电压；
利用围绕所述第一导体的第二导体对所述第一电压进行电容分压，以产生与所述第一导体相关的第二电压；
光学传感所述第二电压；以及
基于所述第二电压确定所述第一电压。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述电容分压的步骤进一步包括以下步骤：
提供两个环作为所述第二导体，每个所述环均围绕所述第一导体，并邻近于光学传感器。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述光学传感器包括普克尔盒。
10. 如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：
在邻近于所述光学电压传感器的区域内电连接所述两个环。
11. 如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：
在所述第一导体和所述第二导体之间建立第一电容(C1)；以及
在所述第二导体和外导体之间建立第二电容(C2)；
其中，所述第二电压(Vout)通过下式与所述第一电压(V)相关：
Vout＝V*C1/(C1+C2)。
12. 如权利要求6所述的方法，其中已确定的所述第一电压基本不依赖于所述绝缘气体的压强的变化。
13. 一种用于传感与气体绝缘开关装置中的第一导体相关的电压的系统，包括：
用于提供与穿过所述气体绝缘开关装置延伸的所述第一导体相关的第一电压的装置；
用于利用围绕所述第一导体的第二导体对所述第一电压进行电容分压，以产生与所述导体相关的第二电压的装置；
用于光学传感所述第二电压的装置；以及
用于基于所述第二电压确定所述第一电压的装置。
14. 如权利要求13所述的系统，其中用于电容分压的所述装置进一步包括：
作为所述第二导体起作用的两个环，每个所述环均围绕所述第一导体，并邻近于光学传感器。
15. 如权利要求14所述的系统，其中所述光学传感器包括普克尔盒。
16. 如权利要求14所述的系统，进一步包括：
用于在邻近于所述光学电压传感器的区域内电连接所述两个环的装置。
17. 如权利要求13所述的系统，进一步包括：
用于在所述导体和所述第二导体之间建立第一电容(C1)的装置；以及
用于在所述第二导体和外导体之间建立第二电容(C2)的装置；
其中所述第二电压(Vout)通过下式与所述第一电压(V)相关联：
Vout＝V*C1/(C1+C2)。
18. 如权利要求13所述的系统，其中已确定的所述第一电压基本不依赖于所述绝缘气体的压强的变化。
19. 一种气体绝缘开关装置，包括：
外壳，具有穿过其延伸的至少一个导体，所述至少一个导体带有第一电压；
绝缘气体，其处于所述外壳内；以及
介电元件，具有在其内形成的空穴，所述空穴包含光学电压传感器，所述光学传感器与所述至少一个导体相对设置，以用于传感与所述至少一个导体相关的电压；
其中，选择所述空穴的高度和宽度，以降低所述光学电压传感器对于所述介电元件介电常数的改变的敏感性。
20. 如权利要求19所述的气体绝缘开关装置，其中所述光学电压传感器为电场传感器。
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