CN107003187A - 用于输电线路的基于磁性的温度感测 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于感测、测量或监测电缆输电线路的温度的系统和方法。将温度敏感型电感器设置成与所述输电线路热接触。所述输电线路的所述温度可通过测量所述温度敏感型电感器的电感来感测、测量或监测。本发明提供用以消除、最小化或解释在通过所述输电线路携载的电流和所述温度敏感型电感器之间的磁耦合的机构和方法。

Description

用于输电线路的基于磁性的温度感测
技术领域
本公开涉及用于监测电导体温度的系统，具体地讲，涉及用于监测电导体例如配电系统中电力线缆的电导体的温度的系统。
背景技术
配电系统在现代社会中扮演着重要的角色。对于配电系统的“健康”来说，安全和保障始终是重要的因素。因此，应存在能够监测配电系统“健康”的技术。
在中压或高压配电系统中，电缆导体的温度可随着由线缆携载的电流的增加而升高。因此，在此类系统中，可通过例如在可为弱点的线缆接头或结点处，监视在线电导体的温度来评估此类系统的“健康”。通常，流经线缆接头或结点的正常电流可产生最高达例如约90℃的温度。如果线缆接头或结点的温度升高超过此温度，则可指示此配电系统中可能发生故障。另一方面，知道现有配电系统是否处于最大载流容量、知道是否能够使用现有系统可靠地分配额外的电力或者知道是否需要额外的基础结构支出也是有用的。
发明内容
中压或高压配电系统中的在线电力线缆以及线缆接头和结点通常被多个绝缘和(半)导电层绝缘和保护，和/或常常被埋在地下或者被架在高空。希望能够直接实时监测或测量在线电导体的温度。
简而言之，在一个方面，提供用于感测输电线路的温度的温度感测设备。该设备包括具有电感器的无源电路或单元。电感器具有温度敏感型芯。温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分。无源电路具有随温度变化的谐振频率或Q值中的至少一者。温度敏感型芯被设置成与输电线路热接触，电感器的电感随输电线路的温度变化。本文中使用的术语“热接触”意指两个或更多个物品可以热量形式彼此交换能量。
在另一方面，提供用于感测输电线路的温度的方法。该方法包括提供包含电感器的无源电路。电感器包括温度敏感型芯。无源电路具有随温度变化的谐振频率或Q值中的至少一者。将温度敏感型芯设置成与输电线路热接触。提供收发器单元以电磁耦合到无源电路。该方法还包括经由收发器单元和无源电路之间的电磁耦合来测量无源电路的谐振频率，以及基于所测量的谐振频率来确定输电线路的温度的变化。温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，并且电感器的电感和无源电路的谐振频率随输电线路的温度变化。
在另一方面，提供用于监测输电线路内电流的方法。该方法包括：提供包括电感器的无源电路；将电感器设置成磁性接近输电线路；提供被构造成电磁耦合到无源电路的收发器单元；经由收发器单元和无源电路之间的电磁耦合来监测无源电路的谐振频率；以及基于所监测的谐振频率来确定输电线路内电流的属性诸如相位或量值。电感器包括被构造成磁耦合到由输电线路的电流产生的磁通量的电感器芯，电感器的电感和无源电路的谐振频率随输电线路的电流而变化。
本公开的示例性实施方案获得各种出乎意料的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是，来自输电线路的磁场和/或电感器的内部磁场的可能磁干扰可降至最低程度。在没有磁干扰的情况下，输电线路的温度可基于在输电线路的温度变化时电感器的电感变化进行实时准确的测量。
示例性实施方案列表
以下列出示例性实施方案。应当理解，实施方案A至L、M至T以及U至W中的任一个可组合。
实施方案A.一种用于感测输电线路的温度的温度感测设备，该设备包括：
无源电路，无源电路包括电感器，电感器包括温度敏感型芯，温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，无源电路具有随温度变化的谐振频率或Q值中的至少一者；和
磁屏蔽结构，该磁屏蔽结构被设置成与温度敏感型芯相邻，并且磁屏蔽结构被构造成当温度敏感型芯被设置成磁性接近输电线路时屏蔽温度敏感型芯使其免受来自输电线路的磁场的影响，
其中温度敏感型芯被设置成与输电线路热接触，并且电感器的电感随输电线路的温度变化。
实施方案B.一种用于感测输电线路的温度的温度感测设备，该设备包括：
无源电路，无源电路包括电感器，电感器包括温度敏感型芯，温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，无源电路具有随温度变化的谐振频率或Q值中的至少一者；和
中空耦合器，中空耦合器用于以串联方式电连接输电线路的部分，并且电感器被定位在中空耦合器的内部空间中，
其中温度敏感型芯被设置成与输电线路热接触，并且电感器的电感随输电线路的温度变化。
实施方案C.根据实施方案A或B所述的设备，其中电感器是包括温度敏感型芯和电感器线圈的环形电感器，温度敏感型芯具有环形形状，电感器线圈围绕温度敏感型芯的周边分布。
实施方案D.根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中温度敏感型芯被设置在由输电线路产生的磁场中的对称位置处。
实施方案E.根据实施方案D所述的设备，其中温度敏感型芯面对输电线路，其中温度敏感型芯的z轴基本上垂直地延伸跨过输电线路。
实施方案F.根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中电感器包括罐形芯电感器或基于铁氧体棒的电感器。
实施方案G.根据实施方案A所述的设备，其中磁屏蔽结构包含高导磁合金、镍铁合金或其组合。
实施方案H.根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中温度敏感型芯的成分包括居里温度高于150℃的一种或更多种铁磁材料或亚铁磁材料，并且在-50℃至150℃的温度范围内成分显示出相对磁导率对温度具有正斜率。
实施方案I.根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中温度敏感型芯的成分包括居里温度低于150℃的一种或更多种铁磁材料或亚铁磁材料，并且成分显示出相对磁导率对温度具有负斜率。
实施方案J.根据前述实施方案中任一项所述的设备，还包括电连接到电感器以形成无源谐振电路的电容器。
实施方案K.根据前述实施方案中任一项所述的设备，还包括与电感器电连接以形成无源谐振电路的天线。
实施方案L.根据实施方案J或K所述的设备，还包括电磁耦合到无源谐振电路的收发器单元，并且收发器单元被构造成发出表示输电线路的温度的信号。
实施方案M.一种用于感测输电线路的温度的方法，该方法包括：
提供具有随温度变化的谐振频率和Q值中的至少一者的无源电路，无源电路包括具有温度敏感型芯的电感器；
将温度敏感型芯设置成与输电线路热接触；
提供被构造成电磁耦合到无源电路的收发器单元；
经由收发器单元和无源电路之间的电磁耦合来测量无源电路的谐振频率或Q值；以及
基于所测量的谐振频率或Q值来确定输电线路的温度，
其中温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，并且电感器的电感和无源电路的谐振频率或Q值随输电线路的温度变化。
实施方案N.根据实施方案M所述的方法，其中无源电路的谐振频率是在这样的时间窗口内测量的，在时间窗口内通过输电线路的电流基本上为零。
实施方案O.根据实施方案N所述的方法，还包括确定输电线路内电流的电流过零点。
实施方案P.根据实施方案N或O所述的方法，还包括监测无源电路的谐振频率或Q值，以确定最小谐振频率和最大谐振频率中的至少一者。
实施方案Q.根据实施方案M至P中任一项所述的方法，其中温度敏感型芯被设置在由输电线路产生的磁场中的对称位置处，以减小磁场和电感器之间的磁耦合。
实施方案R.根据实施方案M至Q中任一项所述的方法，还包括提供与温度敏感型芯相邻设置的磁屏蔽结构，并且磁屏蔽结构被构造成当温度敏感型芯被设置成磁性接近输电线路时屏蔽温度敏感型芯使其免受来自输电线路的磁场的影响。
实施方案S.根据实施方案M至R中任一项所述的方法，还包括将温度敏感型芯设置在中空耦合器的内部，中空耦合器以串联方式电连接输电线路的部分。
实施方案T.根据实施方案M至S中任一项所述的方法，其中收发器单元被构造成发出表示输电线路的温度变化的信号。
实施方案U.一种用于监测输电线路内电流的方法，该方法包括：
提供包括电感器的无源电路，
将电感器设置成磁性接近输电线路；
提供被构造成电磁耦合到无源电路的收发器单元；
经由收发器单元和无源电路之间的电磁耦合来测量无源电路的谐振频率或Q值；以及
基于所监测的谐振频率或Q值来确定输电线路内电流的量值，
其中电感器包括被构造成磁耦合到由输电线路的电流产生的磁通量的电感器芯，电感器的电感和无源电路的谐振频率或Q值随输电线路的电流而变化。
实施方案V.根据实施方案U所述的方法，其中确定电流的量值还包括对所监测的谐振频率进行统计分析。
实施方案W.根据实施方案U或V所述的方法，还包括基于所监测的谐振频率来确定输电线路内电流的相位。
对本公开的示例性实施方案的各个方面和优点进行了汇总。上文的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明使用本文所公开原理的某些优选实施方案。
附图说明
结合附图来考虑本公开的各种实施方案的以下详细描述可更全面地理解本公开，其中：
图1A是根据一个实施方案的用于监测电导体温度的系统的示意性框图。
图1B是根据一个实施方案的用于监测缆接头组件中电导体温度的系统的应用的部分剖视示意图。
图2A是根据一个实施方案的用于监测电导体温度的系统的LC回路的示意性电路图。
图2B是根据另一个实施方案的用于监测电导体温度的系统的LC回路的示意性电路图。
图3A是根据一个实施方案的用于监测电导体温度的系统的示意性电路图。
图3B是根据另一个实施方案的用于监测电导体温度的系统的示意性电路图。
图4是根据一个实施方案的用于监测电导体温度的方法的示意性流程图。
图5A是根据一个实施方案的环形电感器的透视侧视图。
图5B是携载电流的图5A的环形电感器内磁场的示意图。
图6A是根据一个实施方案的罐形芯电感器的一部分的透视侧视图。
图6B是根据一个实施方案的包含图6A的部分的罐形芯电感器的分解侧视图。
图7A是示出根据一个实施方案的电感器磁芯的相对磁导率的温度敏感性的曲线图。
图7B示出根据一个实施方案的示例性铁氧体材料的相对磁导率的温度敏感性。
图8A是示出根据公式4和5作为距输电线路的距离的函数的磁场的曲线图。
图8B是示出根据一个实施方案的在图8a的磁场下铁氧体材料的B-H曲线的曲线图。
图9A是根据一个实施方案将温度敏感型电感器芯设置成磁性接近输电线路的示意图。
图9B是根据另一个实施方案将温度敏感型电感器芯设置成磁性接近输电线路的示意图。
图9C是根据另一个实施方案将温度敏感型电感器芯设置成磁性接近输电线路的示意图。
图10A是根据一个实施方案的用于感测输电线路的温度的电感器的截面侧视图。
图10B是根据另一个实施方案的用于感测输电线路的温度的电感器的截面侧视图。
图11A示出根据一个实施方案的用于电连接输电线路的两个节段的中空耦合器。
图11B示出根据一个实施方案的位于图11a的中空耦合器内的温度敏感型电感器芯。
图11C示出根据另一个实施方案的位于图11a的中空耦合器内的温度敏感型电感器芯。
图12A是携载电流的实心导线的磁场的示意图。
图12B是携载电流的中空导线的磁场的示意图。
图13是根据一个实施方案的用于监测输电线路内电流的方法的流程图。
在这些附图中，类似的附图标号表示类似的元件。虽然可能未按比例绘制的以上附图示出了本公开的各种实施方案，但还可以设想其它实施方案，如在具体实施方式中所指出。在所有情况下，本公开都通过示例性实施方案的表示而非通过表述限制来描述当前公开的发明。应当理解，本领域的技术人员可设计出许多其它修改形式和实施方案，这些修改形式和实施方案均落在本公开的范围内。
具体实施方式
本公开描述用于直接实时地感测、测量或监测电力线缆电导体或输电线路的温度的系统和方法。术语“电导体”和“输电线路”在本公开中可互换使用。本文中描述的一些实施方案提供与输电线路热接触的温度敏感型电感器。温度敏感型电感器可包括相对磁导率能够随输电线路的温度变化的温度敏感型芯。输电线路的温度可通过测量温度敏感型电感器的电感来感测、测量或监测，电感是温度敏感型芯的相对磁导率的函数。
当电流经过输电线路时，可围绕输电线路产生磁场。磁通量或磁场线可为例如围绕携载电流的输电线路的同心圆的形式。当电感器设置成磁性接近输电线路时，电感器和由输电线路产生的磁通量之间可形成磁耦合。磁耦合可在电感器的电感器磁芯中产生磁饱和，并且可修改或改变电感器的电感。本文所述的一些实施方案提供用以在存在输电线路的磁场的情况下最小化、防止或解释电感器的可能磁饱和的方法和机构。
本公开提供用于监测例如中压或高压(例如，>1kV或>10kV)电力线缆电导体温度的系统和方法。使用“无源”设备执行此类监测可能特别有用，所谓“无源”设备是指不需要内部电源(例如，电池)并且不需要物理连接至外部电源的设备。可用于此类应用中的一种无源设备依赖于LC电路(即，电感-电容电路)。采用适当设计的LC电路可表现出谐振频率，该谐振频率可被监测(无论是连续监测还是不连续监测)，且不一定需要与设备建立任何线连接，本领域的技术人员将会知道这一点。当此类设备使用具有对温度敏感的电感的温度敏感型电感器并且温度敏感型电感器被布置成与电力线缆电导体的一部分热连通或接触时，该部分电导体的温度变化可造成温度敏感型电感器的温度相应地变化。此温度变化可改变LC电路的谐振频率，可检测该谐振频率并用于推断该部分电力线缆的温度。
图1是根据一个实施方案的用于监测电导体31的温度的系统100的示意图。系统100包括无源单元或电路20、收发器单元40和控制单元50。无源单元或电路20被构造成包括如下文所述的至少一个温度敏感型电感器。温度敏感型电感器可包括磁性电感器芯，其具有相对磁导率能够随温度变化的成分。在一些实施方案中，可将电感器磁芯设置成与电导体31热接触。在一些实施方案中，可将电感器磁芯设置成磁性接近电导体31。
在一些实施方案中，无源单元或电路20可具有随电导体31的温度变化的谐振频率和/或Q值。收发器单元40可电磁耦合到无源单元或电路20，并且发出表示无源单元或电路20的谐振频率和/或Q值的信号。控制单元50可与收发器单元40通信以探知表示谐振频率和/或Q值的信号，并且基于所探知到的表示谐振频率和/或Q值的信号来确定电导体31的温度值。
在一些实施方案中，在操作期间，如果存在监测电导体31的温度的需求，那么控制单元50可向收发器单元40发出指令信号S1。一旦收发器单元40接收到指令信号S1，其就向无源单元或电路20发出激励信号S2。激励信号S2可引起无源单元或电路20振荡。收发器单元40可检测来自无源单元或电路20的振荡信号S3，然后向控制单元50发出反馈信号S4。振荡信号S3和反馈信号S4包含表示可随电导体31的温度变化的无源单元或电路20的谐振频率和/或Q值的信息。控制单元50可基于所探知到的反馈信号S4来确定电导体31的温度值。
在一些实施方案中，系统100还可包括任选的能量获取单元60。能量获取单元60能够适于在AC电流流经电导体31时获取来自电导体31的电力，并且将所获取到的电力供应给收发器单元40和/或控制单元50。
在一个实施方案中，无源单元或电路20可包括如图2A中所示的电感器-电容器(LC)回路21。LC回路21包括例如通过电线以串联方式电连接的温度敏感型电感器21L和电容器21C。温度敏感型电感器21L显示出随温度变化的电感。在本例中，在实际应用期间，温度敏感型电感器21L可与图1的电导体31热接触或直接接触。应当理解，在一些实施方案中，无源单元或电路20可不包括与温度敏感型电感器21L分离的电容器，并且温度敏感型电感器21L本身可具有谐振频率和/或Q值。
在另一个实施方案中，无源单元或电路20可包括如图2B中所示的电感器-电容器(LC)回路21’。LC回路21’包括通过电线电连接的温度敏感型电感器21L、天线21A和电容器21C。温度敏感型电感器21L显示出随温度变化的电感。在本例中，在实际应用期间，温度敏感型电感器21L可与图1的电导体31热接触或直接接触。天线21A可为任何合适类型的电感器，诸如例如印刷天线、感应线圈等。应当理解，LC回路21或21’可包括一个或更多个电容器和/或一个或更多个电感器。一个或更多个电容器和一个或更多个电感器可适当地连接以形成LC回路。
LC回路诸如LC回路21的谐振频率fr可根据如下给出的公式(1)计算：
其中L表示电感的值，例如温度敏感型电感器21L的电感；C表示电容的值，例如电容器21C的电容。
实际上，LC回路21可能具有一些电阻性、耗散性和/或吸收性损耗，该损耗可被模型化为单个小型串联电阻Rs。此类LC回路21的Q值可根据如下给出的公式(2)计算：
其中ω0＝2πfr，并且其中fr为谐振频率。
可以看到，如果LC回路21的电感或电容改变，那么谐振频率fr和Q值可相应地改变。在如图2中所示的实施方案中，电感器21L是温度敏感的并且被构造成与电导体31热接触。温度敏感型电感器21L的温度可随电导体31的温度变化而变化，由此造成电感器21L的电感变化。因此，LC回路21的谐振频率fr和Q值可随电导体31的不同温度而变化。
图1B示出根据一个实施方案的用于监测或测量例如包封在线缆接头组件30中的电导体31的温度的图1的系统100的应用，该系统包括无源单元或电路20、收发器单元40和控制单元50。
在线缆接头组件30中，拼接了电缆10的两个节段。电缆10的每个节段包括电导体31、绝缘层33和(半)导电层35。本文中使用的术语“(半)导电的”表示根据具体构造，该层可为半导电的或导电的。绝缘层33和(半)导电层35包封电导体31。连接器12同心地围绕拼接的电导体31。第一(半)导电(或电极)层13(在本例中为金属层)同心地围绕拼接的导电体31和连接器12，从而围绕连接器12和导电体31形成屏蔽法拉第笼。在一些实施方案中，“(半)导电的”表示根据具体构造，该层可为半导电的或导电的。绝缘层11(包含几何形的应力控制元件16)围绕第一(半)导电层13。上述构造被布置在用作屏蔽层和接地层的第二(半)导电层14(在这种情况下为金属外壳)的内部。树脂可通过多个端口18中的一个被倾注到金属外壳14中，以填充围绕绝缘层11的区域。可收缩套管层15充当最外层。
在该实施方案中，电导体31的部分被连接器12覆盖，然后被第一(半)导电层13、绝缘层11、第二(半)导电层14和可收缩套管层15包封。在这个实施例中，可收缩套管层15包括两个重叠节段151和152，以在重叠部分之间留出通道153。通道153是从可收缩套管层15的外部穿过第二(半)导电层14上的端口18到第二(半)导电层14的内部。
如图1B中所示，无源单元或电路20被定位成与多个电导体31中的一个相邻并且在第一(半)导电层13的内部。优选地，电导体31的一部分被暴露在连接器12和电缆10的绝缘层33之间，无源单元或电路20可被定位成围绕电导体31的暴露部分。
收发器单元40被定位在第一(半)导电层13的外部且在第二(半)导电层14的内部，即在第一(半)导电层13和第二(半)导电层14之间。在如图4所示的一个实施方案中，收发器单元40包括电感器44，其可包括任何类型的电感器，包括例如感应线圈、印刷天线等。电感器44可被定位成围绕图1B的绝缘层11。在一些实施方案中，无源单元或电路20的电感器44和电感器21L可位于同一横截面中，以便改进电磁耦合。下文将参考图3A至图3B提供关于收发器单元40的实施方案的更详细描述。
在一些实施方案中，无源单元或电路20和收发器单元40的配对可位于电缆10在组件30外的特定部分处。无源单元或电路20可与电导体31相邻设置，并且被电缆10的(半)导电层35和绝缘层33包封。收发器单元40可位于(半)导电层35的外部，并且被构造成与无源单元或电路20电磁耦合。一系列此类配对可沿着电缆10分布以提供电导体31的温度分布。
再次参见图1B，控制单元50被构造成通过电线51与收发器单元40进行通信。电线51可容纳在通道153内，使得电线51可从收发器单元40穿过端口18延伸至控制单元50。包括电力感应线圈61的任选的能量获取单元60可被定位在组件30的外部并且围绕线缆10，或被定位在第二(半)导电层14和可收缩套管层15之间。能量获取单元60可用于通过电线52向收发器单元40和/或控制单元50供应电力。在本说明书中，尽管电线51和电线52各自被称作“电线”，但应当理解，电线51和电线52中的任一者或两者可按系统功能的需求包括多根电线。
在一些实施方案中，任选的能量获取单元60的感应线圈61可包括例如铁芯电流互感器、空芯电流互感器或罗戈夫斯基线圈。感应线圈61可被定位在第一(半)导电层13的外部，或者如果一个已被使用，则被定位在第二(半)导电层的外部。优选地，能量获取单元60可主要用于将所获取到的电力提供给收发器单元40，所以能量获取单元60可被定位在收发器单元40所位于的层的外部。因此，能量获取单元60可通过一根或更多根电线与收发器单元40电连接。在一些实施方案中，能量获取单元60还可包括任选的整流器电路，以便将所获取到的电力调整为适用于收发器单元40和/或控制单元50。
在如图3A和图3B所示的一个实施方案中，收发器单元40包括电感器44，其可包括任何类型的电感器，诸如例如感应线圈、印刷天线等。在图3A中，电感器44可电磁耦合到无源单元或电路20的温度敏感型电感器21L。在图3A中，电感器44电磁耦合到无源单元或电路20的天线21A。
图4是根据一个实施方案的用于通过使用例如图1的系统100来感测电导体温度的方法400的流程图。在410处，提供包括温度敏感型芯的电感器。温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分。在一些实施方案中，温度敏感型芯包括磁芯。磁芯可包含例如铁磁材料或亚铁磁材料，诸如例如铁、硅铁、羰基铁、铁氧体等。然后方法400前进至420。
在420处，将温度敏感型芯设置成与电导体诸如图1的电导体31热接触。在一些实施方案中，温度敏感型芯可与电导体31直接热接触。在一些实施方案中，可将导热材料诸如例如导热膏设置在温度敏感型芯和电导体31之间，以促进温度敏感型芯和电导体31之间的热交换。然后方法400前进至430。
在430处，提供电容器诸如图2A的电容器21C以电连接到电感器，从而形成无源LC电路，诸如图2A的LC电路21。然后方法400前进至440。
在440处，提供收发器单元诸如图1的收发器单元40以电磁耦合到无源LC电路。然后方法400前进到450。
在450处，通过控制单元50经由收发器单元40和无源LC电路之间的电磁耦合来测量无源LC的谐振频率。然后方法400前进至460。
在460处，基于所测量的谐振频率来确定电导体31的温度。在一些实施方案中，可通过控制单元50基于所测量的谐振频率来确定电导体31的绝对温度。在一些实施方案中，可通过控制单元50基于所测量的谐振频率来确定电导体31的温度变化，并且可相应地确定电导体31的绝对温度。
图2A和图2B的温度敏感型电感器21L可为任何类型的电感器。在一个实施方案中，温度敏感型电感器21L可为环形电感器，诸如图5a和图5b中所示的环形电感器52。环形电感器52包括电感器磁芯53和盘绕电感器磁芯53的绕组54。在一些实施方案中，电感器磁芯53可具有包含一种或更多种铁磁材料或亚铁磁材料的成分，诸如例如铁、硅铁、羰基铁、铁氧体材料等。铁氧体材料可包括例如锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等。铁氧体材料可从例如纽约的飞来特制品公司(Fair-Rite Products Corp.,NY.)商购获得。在图5a至图5b的实施方案中，环形电感器52具有围绕z轴的“圈形”或“环形”形状。电感器磁芯53形成闭环芯，其中磁场线的整个路径可在电感器磁芯53内。应当理解，电感器21L可为包括具有相对磁导率能够随温度变化的电感器磁芯的任何类型电感器。
电感器诸如环形电感器52的电感(L)根据下式取决于铁氧体环形芯的相对磁导率
其中N为线圈匝数，A为电感器磁芯53的横截面积，μo为真空的磁导率，μr为电感器磁芯53的相对磁导率，且r为电感器磁芯53的平均半径。可针对各种电感器几何结构推导出表示磁导率与电感的比例相关性的类似公式。
与具有诸如螺线管线圈的直芯的类似构造线圈相比，环形电感器52可提供相对较高的电感以及因此较高的Q因子。另外，环形形状允许将温度敏感型电感器21L布置成靠近电导体31，同时最小化损耗和所需的屏蔽材料。除与屏蔽材料相关联的成本和复杂性降低之外，屏蔽材料的最小化还允许更靠近电导体并且改进电导体和温度敏感型电感器之间的热接触。
图6A和图6B示出另一类型的温度敏感型电感器21L。罐形芯电感器62包括铁磁体壳体63，用于限定内部中空部分以利用卷绕在线轴或环形物的线圈包封电感器芯64。铁磁体壳体63可用配合在一起的两个半块63a和63b制成。电感器芯64可包含用于图5B的电感器磁芯53的一种或更多种铁磁材料或亚铁磁材料，并且电感器芯64可在相对磁导率方面显示出类似的温度敏感性。铁磁体壳体63可提供屏蔽效应，从而最小化或消除电感器芯64的磁饱和，并且减少可能的电磁干扰。
在一些实施方案中，温度敏感型电感器21L可为包括铁氧体棒和安装在铁氧体棒上的线圈的基于铁氧体棒的电感器。在一些实施方案中，可将铁氧体棒设置成平行于电导体或输电线路。
电感器磁芯，诸如图5A至图5B的电感器磁芯53，可包含显示出相对较高磁导率温度系数的铁磁材料或亚铁磁材料。在一些实施方案中，在0℃和130℃之间的温度下，铁磁材料或亚铁磁材料可具有以下量值的磁导率温度系数：例如，0.5％/℃-1或更大、1％/℃-1或更大、2％/℃-1或更大、5％/℃-1或更大、10％/℃-1或更大、20％/℃-1或更大、40％/℃-1或更大，或介于1％/℃-1和40％/℃-1之间。图7A示出根据一个实施方案的包含由纽约飞来特制品公司(Fair-Rite Products Corp.,NY)制造的铁氧体材料的电感器磁芯的相对磁导率的温度敏感性。相对磁导率在100kHz下测得并且由纽约飞来特制品公司(Fair-Rite Products Corp.,NY)公布。
在一些实施方案中，电感器磁芯，诸如例如图5A至图5B的电感器磁芯53，可包含显示出居里温度例如介于30℃和60℃之间的铁磁材料或亚铁磁材料。图7B示出示例性铁氧体材料的相对磁导率的温度敏感性，该材料由Murakami,K于1964年6月在电气和电子工程师协会会志磁学卷上发表的“The characteristics of ferrite cores with low curietemperature and their applications”(具有低居里温度的铁氧体芯的特性及其应用)中公布。如图7B所示，相对磁导率急速降低至高于居里温度(TC)的统一磁导率，这种情况是由从铁磁体到顺磁体的转变造成的。
在一些实施方案中，电感器21L的电感可能根据其几何结构随变化的温度发生的变化而变化。在一些实施方案中，电感器21L的电感器磁芯可能在与电导体31热接触后随变化的温度而膨胀或收缩。在一些实施方案中，电感器磁芯在20℃下可具有例如介于5×10- 6K-1和50×10-6K-1之间的体积热膨胀系数。电感器磁芯的热膨胀可引起电感器21L的电感的变化D1。在一些实施方案中，围绕电感器磁芯卷绕的几何结构、形状和/或相对位置可随温度变化，从而可引起电感器21L的电感的变化D2。
在一些实施方案中，以上电感变化D1和D2可比由电感器磁芯的相对磁导率变化引起的电感变化低得多(例如，低一个数量级)，并且可忽略电感变化D1和/或D2。在一些实施方案中，以上电感变化D1和/或D2可经预校准，并且可与涉及电感器磁芯相对磁导率变化的电感变化分开。经过合适的预校准后，电感变化D1和/或D2可用于独立地或结合涉及相对磁导率随温度变化的电感变化来确定电导体31的温度。
如上所述，可在携载电流的电导体或输电线路和磁性接近该电导体或输电线路的电感器之间形成磁耦合。本文中使用的术语“磁性接近”意指在没有例如可屏蔽电感器使其免受由电导体或输电线路所产生磁场的磁屏蔽结构的情况下，将电感器设置在该磁场中。载流电线(例如，图1的电导体31)内部和附近的磁场强度(H)可通过如下公式(4)和(5)(假设在无限长的载流电线内具有均匀的电流密度)给出：
在电线内部：
在电线外部：
其中I是电线中的电流，r是在电线内的径向距离，R是电线的半径，d是距电线外表面的径向距离。基于公式(4)和(5)的一个示例性计算在图8A中示出。具体地讲，图8A示出作为距携载455A、545A和615A电流的1000MCM输电线路的距离的函数的磁场量值，455A、545A和615A分别为在60℃、75℃和90℃下1000MCM输电线(半径＝17mm)的最大额定电流。
可将包含铁磁材料或亚铁磁材料的电感器磁芯设置成磁性接近携载电流的输电线路。图8B示出根据一个实施方案的包含得自纽约飞来特制品公司(Fair-Rite ProductsCorp.,NY)的铁氧体材料的电感器磁芯的B-H曲线。图8B的B-H曲线在10kHz下测得并且由纽约飞来特制品公司(Fair-Rite Products Corp.,NY)公布。如图8B中所示，由于电感器和由输电线路产生的磁通量之间发生磁耦合，电感器磁芯可在最大电流经过输电线路期间达到磁饱和。电感器磁芯的饱和因存在输电线路的磁场而引起，这可降低对应电感器的电感，并因此增大对应LC电路诸如图2A的LC电路21的谐振频率。
磁耦合可通过例如调整电感器的电感器磁芯相对于电导体31的取向和/或位置来控制。图9A至图9C示出图5A的环形电感器52相对于携载电流的电导体31的三个不同取向/位置。电导体31的电流产生为例如围绕电导体31的同心圆形式的磁通量或磁场线。在图9A中，环形电感器52被设置成磁性接近电导体31，并且环形电感器52以其z轴与电导体31的磁通量相切来取向。z轴在图9B至图9C中示出为箭头。在图9B中，环形电感器52以其z轴基本上平行于电导体31来取向。在图9C中，环形电感器52被设置在由电导体31产生的磁场中的对称位置处，以减小磁场和电感器之间的磁耦合。环形电感器52面对电导体31，其中环形电感器52的z轴基本上垂直地延伸跨过电导体31。图9c中示出的取向/位置可减小电感器磁芯和电导体31之间的可能磁耦合。
图10A至图10B示出图1的无源单元或电路20的示例性位置。例如，无源单元或电路20包括温度敏感型电感器21L、天线21A和电容器21C，如图2B中所示。温度敏感型电感器21L、天线21A和电容器21C经由电线220电连接以形成LC回路。提供夹具210以安装无源单元或电路20。在图10A至图10B的实施方案中，夹具210包括主体2101和通道2102。通道2102适于容纳电导体31，以使导体31穿过通道2102。主体2101具有用于容纳温度敏感型电感器21L的腔室2103。腔室2103可以使得温度敏感型电感器21L可在操作中与电导体31热接触的方式与通道2102连通。电容器21C由主体2101支撑。夹具210还包括盖2104，以包围主体2101。
在图10A至图10B中所示的实施方案中，设置了导热膏27以将温度敏感型电感器21L物理连接到电导体31，使得温度敏感型电感器21L与电导体31热接触。应当理解，可使用任何合适的导热方式将温度敏感型电感器21L热连接到电导体31。
如图10A至图10B中所示，无源单元或电路20还包括与温度敏感型电感器21L相邻设置的任选磁屏蔽结构28或28’。在图10A的实施方案中，磁屏蔽结构28设置在温度敏感型电感器21L和电导体31之间。在图10B的实施方案中，磁屏蔽结构28’具有用于接纳温度敏感型电感器21L的碗形形状并且被设置成面对电导体31。
磁屏蔽结构，诸如例如磁屏蔽结构28或28’，可包括一种或更多种磁屏蔽材料以减少或消除来自电导体31的入射磁场。磁屏蔽结构可包括例如一个或更多个高导磁合金、镍铁合金以及其组合物或混合物的层。在一些实施方案中，磁屏蔽结构可设置成围绕温度敏感型电感器21L。在一些实施方案中，磁屏蔽结构可设置成围绕电导体31。应当理解，可将磁屏蔽结构28或28’一起用于屏蔽温度敏感型电感器21L使其免受磁场影响。还应当理解，可以任何合适的组合来使用多于一个磁屏蔽结构，诸如例如磁屏蔽结构28或28’。
在一些实施方案中，磁屏蔽结构可为导热的以促进温度敏感型电感器21L和电导体31之间的热交换。在一些实施方案中，电绝缘结构可用于将磁屏蔽结构与电导体31电隔离开来。
由于存在磁屏蔽结构，源自电导体31产生的磁通量可围绕温度敏感型电感器21L发射而不穿透该温度敏感型电感器。磁屏蔽结构由于磁能的吸收可能无法显著升高其温度，并且可能并不充当改变温度敏感型电感器21L的温度的热源。应当理解，可使用任何合适的磁屏蔽结构，并且磁屏蔽结构可具有任何合适的几何结构，只要可有效地屏蔽电感器磁芯使其免受来自电导体31的磁场影响即可。在一些实施方案中，磁屏蔽结构可为导热的以促进温度敏感型电感器21L和电导体31之间的热交换。
在一个实施方案中，可使用由2mm厚的高导磁合金层制成的磁屏蔽结构来屏蔽电感器磁芯，例如绕线电感器(具有84个绕组的Fair-Rite5952020201环形芯)，使其免受约20Oe的DC磁场影响。在存在DC 20Oe磁场的情况下，电感器磁芯的电感从533μH降至10.5μH，这表示在不存在磁屏蔽结构的情况下电感器磁芯饱和。2mm厚的高导磁合金层的存在可将电感降低限制到约2％或更小，这显示2mm厚的高导磁合金屏蔽可足以屏蔽DC 20Oe磁场。
图11A至图11C示出拼接的电导体31，其中电导体31的两个节段通过耦合器112以串联方式电连接。耦合器112具有中空管状形状，该中空管状形状具有外表面113和用于界定内部空间115(图11A中不可见)的内表面114。电导体31的两个节段分别插入耦合器112的末端112a和112b，由电导体31携载的电流可传输经过耦合器112。在一些实施方案中，图2的温度敏感型电感器21L可设置在耦合器112的内部空间115中，其中由电流产生的磁场可接近零。
在一些实施方案中，如图11B中所示，温度敏感型电感器21L位于耦合器112的内部空间115内。在一些实施方案中，内部空间115可填充有一种或更多种导热材料，并且温度敏感型电感器21L可嵌入一种或更多种导热材料中，从而增强温度敏感型电感器21L、耦合器112和电导体31之间的热交换。在一些实施方案中，如图11C中所示，温度敏感型电感器21L设置在耦合器112的内表面114处。在一些实施方案中，可使用导热膏将温度敏感型电感器21L附接到耦合器112的内表面114。
对于中空导体诸如耦合器112，电流传输经过中空导体，并且内部空间115内的磁场可接近零。图12a和图12b分别是在携载电流的实心导线和携载电流的中空导线的内外部磁场的示意图。将温度敏感型电感器21L放置在耦合器112内，如图11b中所示，可消除如由电导体31的磁场引起的温度敏感型电感器21L的电感器磁芯饱和。将温度敏感型电感器21L放置在耦合器112的内表面114处，如图11c中所示，可最小化到达电感器芯的磁场，因为该磁场与指定半径内包含的电流成正比。应当理解，图12A至图12B的例示中可能并未反映蒙皮效应。当AC电流经过实心或中空导体时，蒙皮效应可朝向导体的外径进一步集中电流和所得磁场。
在一些实施方案中，通过测量在电导体31的电流过零点处的LC谐振电路诸如例如图2A的LC电路21的谐振频率，可最小化来自电导体31的磁场的电磁干扰。例如，对于通过输电线路携载的60Hz频率电流，电流过零点在120Hz处出现。在电流过零点处，来自电导体31的磁场可接近零，因此允许电感器21L的电感器磁芯在不存在外部磁场的情况下操作。
在一些实施方案中，如果由电导体31携载的电流的相位已知或已测出，那么可在电流过零点处或附近测得LC谐振电路的谐振频率。在一些实施方案中，LC电路的谐振频率可比电导体31的传输频率(例如，60Hz)高若干个数量级，从而可以在电流过零点处或附近有足够的测量时间来测定谐振频率。
在一些实施方案中，如果由电导体31携载的电流的相位未知或未测出，那么可监测LC电路的谐振频率以确定电导体31的电流过零点。在一段代表性测量时间内所监测的最小或最大谐振频率可能对应于电导体31的电流过零点。
在一些实施方案中，可监测LC电路的谐振频率以确定由电导体31携载的电流。在一个实施方案中，可连续监测LC电路的谐振频率例如数秒到数十秒。在另一个实施方案中，可围绕由电导体31携载的电流最大值或最大量值来选择性地监测LC电路的谐振频率。
图13是根据一个实施方案的用于通过使用例如图1的系统100来监测输电线路内电流的方法800的流程图。在810处，电感器诸如图2a的无源LC电路21中电感器21L被设置成磁性接近输电线路。电感器包括被构造成磁耦合到由输电线路的电流产生的磁通量的电感器磁芯，电感器的电感和对应无源LC电路(例如，图2a的LC电路21)的谐振频率可随输电线路的电流而变化。应当理解，电感器可以不是温度敏感的，并且不必与电导体31热接触。然后方法800前进至820。
在820处，电容器诸如电容器21C被构造成电连接到电感器以形成无源LC电路(例如，LC电路21)。然后方法800前进至830。
在830处，提供收发器单元(例如，收发器单元40)以电磁耦合到无源LC电路。然后方法800前进至840。
在840处，经由收发器单元和无源LC电路之间的电磁耦合来监测无源LC电路21的谐振频率。在一些实施方案中，当输电线路的电流变化时，电感器的电感可由于减小的磁场以及其间的电磁耦合而相应地变化，并且对应无源LC电路(例如，图2A的LC电路21)的谐振频率也可相应地变化。在一些实施方案中，对应无源LC电路的谐振频率可随输电线路的电流增大而增大。在一些实施方案中，对应无源LC电路的谐振频率可随输电线路的电流减小而减小。然后方法800前进至850。
在850处，基于所监测的谐振频率来确定通过输电线路携载的电流的量值。在一些实施方案中，可对所监测的无源LC电路的谐振频率进行统计分析以确定电流的属性(例如，量值和相位)。如上所述，所监测的无源LC电路21的谐振频率可反映输电线路电流的属性(例如，量值和相位)。电流的属性(例如，量值，相位等)和无源LC电路21的谐振频率之间的关系可通过统计分析来确定。
整个本说明书中提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的各处出现的表述诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。
虽然本说明书已详细描述了某些示例性实施方案，但应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同形式。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上阐述的例示性实施方案。特别是，如本文所用，通过端点表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。此外，对各种示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其它实施方案均在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于感测输电线路的温度的温度感测设备，所述设备包括：
无源电路，所述无源电路包括电感器，所述电感器包括温度敏感型芯，所述温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，所述无源电路具有随温度变化的谐振频率或Q值中的至少一者；和
磁屏蔽结构，所述磁屏蔽结构被设置成与所述温度敏感型芯相邻，并且所述磁屏蔽结构被构造成当所述温度敏感型芯被设置成磁性接近所述输电线路时屏蔽所述温度敏感型芯使其免受来自所述输电线路的磁场的影响，
其中所述温度敏感型芯被设置成与所述输电线路热接触，并且所述电感器的电感随所述输电线路的温度变化。
2.一种用于感测输电线路的温度的温度感测设备，所述设备包括：
无源电路，所述无源电路包括电感器，所述电感器包括温度敏感型芯，所述温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，所述无源电路具有随温度变化的谐振频率或Q值中的至少一者；和
中空耦合器，所述中空耦合器用于以串联方式电连接所述输电线路的部分，并且所述电感器被定位在所述中空耦合器的内部空间中，
其中所述温度敏感型芯被设置成与所述输电线路热接触，并且所述电感器的电感随所述输电线路的温度变化。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述电感器是包括所述温度敏感型芯和电感器线圈的环形电感器，所述温度敏感型芯具有环形状，并且所述电感器线圈围绕所述温度敏感型芯的周边分布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述温度敏感型芯被设置在由所述输电线路产生的磁场中的对称位置处。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述温度敏感型芯面对所述输电线路，其中所述温度敏感型芯的z轴基本上垂直地延伸跨过所述输电线路。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述电感器包括罐形芯电感器或基于铁氧体棒的电感器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁屏蔽结构包含高导磁合金、镍铁合金或其组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述温度敏感型芯的所述成分包括居里温度高于150℃的一种或更多种铁磁材料或亚铁磁材料，并且在-50℃至150℃的温度范围内所述成分显示出所述相对磁导率对温度具有正斜率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述温度敏感型芯的所述成分包括居里温度低于150℃的一种或更多种铁磁材料或亚铁磁材料，并且所述成分显示出所述相对磁导率对温度具有负斜率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述无源电路还包括电连接到所述电感器的电容器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述无源电路还包括与所述电感器电连接的天线。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括电磁耦合到所述无源电路的收发器单元，并且所述收发器单元被构造成发出表示所述输电线路的温度的信号。
13.一种用于感测输电线路的温度的方法，所述方法包括：
提供具有随温度变化的谐振频率和Q值中的至少一者的无源电路，所述无源电路包括具有温度敏感型芯的电感器；
将所述温度敏感型芯设置成与所述输电线路热接触；
提供被构造成电磁耦合到所述无源电路的收发器单元；
经由所述收发器单元和所述无源电路之间的电磁耦合来测量所述无源电路的谐振频率或Q值；以及
基于所测量的谐振频率或Q值来确定所述输电线路的温度，
其中所述温度敏感型芯具有相对磁导率能够随温度变化的成分，并且所述电感器的电感和所述无源电路的谐振频率或Q值随所述输电线路的温度变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述无源电路的谐振频率是在这样的时间窗口内测量的，在所述时间窗口内通过所述输电线路的电流基本上为零。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括确定所述输电线路内的电流的电流过零点。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括监测所述无源电路的谐振频率或Q值，以确定最小谐振频率和最大谐振频率中的至少一者。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述温度敏感型芯被设置在由所述输电线路产生的磁场中的对称位置处，以减小所述磁场和所述电感器之间的磁耦合。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括提供与所述温度敏感型芯相邻设置的磁屏蔽结构，并且所述磁屏蔽结构被构造成当所述温度敏感型芯被设置成磁性接近所述输电线路时屏蔽所述温度敏感型芯使其免受来自所述输电线路的磁场的影响。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述温度敏感型芯设置在中空耦合器的内部，所述中空耦合器以串联方式电连接所述输电线路的部分。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述收发器单元被构造成发出表示所述输电线路的温度的信号。
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