CN105092926A - 用于电压和/或电流感测器件的阻抗匹配元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及用于电压和/或电流感测器件的阻抗匹配元件。根据权利要求1的前序，本发明涉及对阻抗匹配元件的建议，该阻抗匹配元件能用于在中压系统中使用的电压和/或电流感测或指示器件，以便与常规感测器件相比改善输出信号的信号完整性。为了提高感测精度和产生更高的对干扰和阻抗失配的输出信号抵抗力，本发明在于电场传感器和/或磁场传感器连接到阻抗匹配元件，该阻抗匹配元件允许连接到独立的模拟测量器件并从能量采集器获得电力，从而给阻抗匹配元件提供稳定的电力供应，该阻抗匹配元件是阻抗匹配电子板的不可缺少的一部分。

Description

用于电压和/或电流感测器件的阻抗匹配元件

技术领域

根据权利要求1的前序，本发明涉及对阻抗匹配元件的建议，该阻抗匹配元件能用于在中压系统中使用的电压和/或电流感测或指示器件，以便与常规感测器件相比改善输出信号的信号完整性。

背景技术

感测器件基于几个原则，其中它们每一个的测量精度或多或少依赖于信号传输路径的特性和测量器件的输入电路的参数，所述测量器件诸如继电器、测量单元等。因此，负载阻抗失配、额外的杂散或寄生电容的变化可能影响MV感应变压器的测量精确度。也可能导致对外部电场和/或磁场的高敏感性。在这种情况下，有必要使感测器件的信号输出单独适合于每一种测量器件，或者为了确保足够的信号完整性，必须使用在测量器件的输入侧的特殊滤波电路。

用于消除上面描述的损害的现有手段包括感测器件的输出阻抗被设计为接近于测量器件的输入阻抗或在测量器件中直接设置的修正。这种解决方案随着具有不同输入电路参数的测量器件数量的不断增加而变得不切实际。通常的实践是使用两个解决方案中的一个：

1)适当的输出阻抗设计一这种解决方案用在使用多于仅仅一种测量器件的情况下。这是非常不切实际的，原因在于各种输出阻抗设计被用于每一测量器件，并且用于避免由于设计混乱而导致的感测器件损坏的特殊指令必须被观察到。

2)测量器件的修正设置-这种解决方案单独使用或与上面描述的阻抗设计一起使用。由于测量器件中的抵消作用，测量值可以在一定范围内被调整(修正)。如果我们考虑感测器件的各种输出阻抗，对它们每一个必须执行修正设置。在使用不同长度的连接电缆的情况下，需要用于针对某些变体配置测量器件的额外时间。

3)使用附加无源元件进行的修正-在某些情况下，通过使用外部无源部件，如电容或电阻来执行改善感测器件精度的额外修正。但是，该解决方案仍然被调整以适合特定应用。

上面描述的用于改善感测器件的信号完整性和测量精度的方法显示出：为了这些器件的更大可变性，在测量之前或之后在它们的配置中需要额外的复杂性。而且，在使用从感测器件同时到多个器件的仅仅一个信号的情况下，仍旧没有满意的解决方案。通过使用下面描述的阻抗匹配元件来解决所有以上问题。

发明内容

因此，本发明的目的是要提高感测精度和产生更高的对干扰和阻抗失配的输出信号抵抗力，并且这以紧凑和结构高效的方式来实现。

根据这种期望的功能要求，本发明的主要特征组合是电场传感器和/或磁场传感器连接到阻抗匹配元件，该阻抗匹配元件允许连接到独立的模拟测量器件并从能量采集器获得电力，从而给阻抗匹配元件提供稳定的电力供应，该阻抗匹配元件是阻抗匹配电子板的不可缺少的一部分。

在进一步有利的实施例中，能量采集器从磁场和/或电场传感器获得电力。或者可替换地，能量采集器从外部电源获得电力。

在进一步有利的实施例中，阻抗匹配元件提供与所测量的量成比例的输出，并且独立于所连接器件的输入阻抗，所述所测量的量诸如是电场和/或磁场。

在进一步有利的实施例中，阻抗匹配元件能够进一步调节输出信号。

进一步有利的是，阻抗匹配元件能够提供数字输出。

在进一步有利的实施例中，阻抗匹配元件与所述器件的输出电缆连接。

此外，阻抗匹配元件不仅仅能与所生产的新器件连接，还能与已经安装在应用中的现有感测器件连接，因而适合于改造目的。

有利的是，在进一步的实施例中，阻抗匹配元件具有对自身功能的内部监控和/或诊断。

在最后有利的实施例中，能量采集器从通过电容分压器设计的电场传感器获得电力。

本发明提出了现代低功率器件的使用，该现代低功率器件一起被称为有助于改善感测器件的信号完整性和测量精度而无需使用外部电源的阻抗匹配元件。由于它的可变性高，阻抗匹配元件能够与现有的感测器件一起使用，在电流感测器件的情况下，在一个优选实施例中，考虑使用Rogowski线圈技术，该技术使得能够将一个单个器件用于宽范围的测量电流，并且使得能够大大地减小电流感测元件的尺寸。这样电流感测器件并不包含任何铁磁芯，它将是非常轻以及紧凑的，因此在结构上是高效的。

电压感测器件可使用电容和/或电阻分压器技术。这个技术也能够大大减小尺寸和重量，但仍能获得非常好的感测精度。电流和电压感测技术二者都能够产生非常小的器件，将它们连同用于阻抗匹配元件的独立电源一起组合在一个单个器件中是很可能的。这种可能性被用在所提出的组合了电流/电压感测器件与用于采集系统的集成附加电极的小尺寸的结构中，采集系统是阻抗匹配元件的一部分。

因此，优选的有利实施例是：电流传感器、电压传感器和用于采集系统的电极以电流传感器线圈被设置在电压电极和用于采集的电极中间的方式被一起实现在一个共同的例如环形传感器外壳中，参见以下详细描述。但是，阻抗匹配元件的使用并不限于已经安装在应用中的现有感测器件，而是能够容易地与新生产的器件连接，与至少一个磁场传感器和/或至少一个电场传感器连接。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出。

图1：组合的电流/电压感测器件与采集系统。

图2：在使用非常规电源的情况下采集系统的位置。

图3：在使用非常规电源的情况下采集系统的位置。

图4：在使用常规电源的情况下采集系统的位置。

图5：采集系统的维度。

图6：常规感测器件的相位变化相对于负载阻抗。

图7：通过使用所提出的感测器件的幅度和相位误差减小。

具体实施方式

组合的感测器件1由根据施加在主导体3上的电压电平提供足够的介电强度的绝缘材料2组成。电流感测部件4感测与流过主导体3的电流成比例的磁场。电压感测部件由在主导体3和电容电极5之间产生的主电容和在电容电极5和屏蔽电极6之间产生的次电容组成。屏蔽电极6保护电容电极5免受外部电场影响，因此屏蔽外部干扰。在主导体3、电容电极5和屏蔽电极6之间产生的电容的标度比(divisionratio)不足以产生所需比率时，外部电容器可与这种分压器的输出并联电连接以将标度比调整到所需的水平。用于采集的部件由主导体3和电容电极7之间产生的主电容和在电容电极8之间产生的次电容组成。所需比率是通过使用与上面描述的类似的外部电容器实现的。采集系统9是电缆连接10的一部分，电缆连接10连接感测器件和测量器件。

由于采集系统的可变性，对供应给有源电子的输出电压的简单配置可能有例如四个DC电压电平，1.8V、2.5V、3.3V和3.6V。因此，用于现代低功率集成电路的所有通常的电压电平是可用的。该系统由自动电压钳位调节(clampingregulation)组成，以确保输出电压稳定性。根据可用的环境能量的种类，所提出的系统在更多种可使用的输入电源中也是工作良好的。在这种情况下，能使用压电元件、电场、热电能、太阳能、DC或AC常规电压源。对于可能的系统配置，用内部供应的版本在图2a中示出而用外部电源的版本在图2b中示。阻抗匹配元件能够进一步调节输出信号。因此，可执行诸如集成的附加信号调整。基于阻抗匹配元件中的器件配置，可提供模拟或数字输出。

基于所选择的输入电源，如果使用非常规电源(内部供应，参见图2a)，根据图3，采集系统9被设置在电缆连接10中。

由于AC或DC电源两者的可用性，采集系统能直接从所测量的器件获得电力。在这种情况下，根据图4(外部电源，参见图2b)，采集系统9被设置在电缆连接10中。

由于现代集成电路的使用，整个系统的维度减小到长度A小于40mm，而高度B小于20mm，参见图5。

所提出的解决方案的最大优势是在其中使用具有可变输入阻抗的测量器件的产品应用中。如能从图6看到的，常规感测器件对于测量器件的输入阻抗变化具有很强的依赖性。信号的幅度和相位二者都受到影响。但是，信号相位的影响在10Hz到100Hz的所分析频率范围内是关键性的。所提出的感测器件在阻抗失配期间能与所有种类的测量器件一起使用而无需任何附加的重新配置。因此，信号相位和幅度的稳定性独立于测量器件的输入阻抗，且图6中示出的不期望的现象被最小化。

针对宽带宽低功率的应用优化了采集系统，该采集系统具有极其高的增益带宽与功率比，且单位增益稳定。因此，系统频率响应不影响来自感测器件的输出信号。由于电缆连接，在感测器件的输出处可产生额外的寄生负载电容。它的大小依赖于许多因素，诸如电缆的种类、电缆的长度等。它会引起信号进一步衰退。所提出的阻抗匹配元件被设计成以单位增益直接驱动高达100nF的电容负载。较高的增益配置相比于较低的增益配置趋于具有更好的电容驱动能力。

图7中的最后结果显示了在使用所提出的感测器件的情况下信号的完整性提高。特别在低频(低于100Hz)，错误减少是很大的。

附图标记

1感测器件

2绝缘材料

3主导体

4电流感测部件

5电容电极

6屏蔽电极

7电容电极

8电容电极

9采集系统

10电缆连接

Claims (10)

1.在电力系统中综合利用的电流和/或电压感测器件，具有至少一个磁场传感器和/或至少一个电场传感器，

特征在于：

电场传感器和/或磁场传感器连接到阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件允许连接到独立的模拟测量器件，并且从能量采集器获得电力，从而给阻抗匹配元件提供稳定的电力供应，所述阻抗匹配元件是阻抗匹配电子板的不可缺少的一部分。

2.根据权利要求1所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

能量采集器从磁场和/或电场传感器获得电力。

3.根据权利要求1所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

能量采集器从外部电源获得电力。

4.根据前述权利要求中任一个所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

阻抗匹配元件提供与所测量的量成比例的输出，并且独立于所连接器件的输入阻抗，所述所测量的量诸如是电场和/或磁场。

5.根据前述权利要求中任一个所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

阻抗匹配元件能够进一步调节输出信号。

6.根据前述权利要求中任一个所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

阻抗匹配元件能够提供数字输出。

7.根据前述权利要求中任一个所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

阻抗匹配元件与所述器件的输出电缆连接。

8.根据前述权利要求中任一个所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

阻抗匹配元件不仅仅能与所生产的新器件连接，还能与已经安装在应用中的现有感测器件连接，因而适合于改造目的。

9.根据前述权利要求中任一个所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

阻抗匹配元件具有对自身功能的内部监控和/或诊断。

10.根据权利要求2所述的电流和/或电压感测器件，

特征在于：

能量采集器从通过电容分压器设计的电场传感器获得电力。