CN108663562A - 一种非接触式线缆电压测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非接触式线缆电压测量传感器，包括：壳体、绝缘件、探测电极、电场测量模组、信号解调与通信电路和航插母座，绝缘件固定在壳体内的凹槽处；探测电极固定在绝缘件的上表面，并与绝缘件紧密连接，用于产生感应电荷；电场测量模组固定在壳体的内部，通过电极导线与探测电极电连接，用于测量电场强度；信号解调与通信电路固定在壳体的内部，通过导线与电场测量模组电连接，用于分析解算电场信号并转换成电压信号；航插母座安装在壳体的侧壁上，与信号解调与通信电路通过导线电连接，用于为电场测量模组和信号解调与通信电路提供电源、为信号输出提供接口。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种非接触式线缆电压测量传感器。
背景技术
目前，电力系统中应用于线缆电压测量的传感器为电压互感器，其主要作用是将线缆的高电压(一次侧)变换成适合于继电保护装置和测量仪表等工作的低电压，要求高压侧和低压侧电气隔离。电力系统中应用的电压互感器主要包括电磁式电压互感器(Potential Transformer，PT)和电容式电压互感器(Capacitive Voltage Transformer，CVT)两种。电磁式电压互感器受其工作原理的制约，在一些性能方面已经无法满足目前智能电网大容量、高电压等级的要求，其存在问题包括：高压侧必须具有很高的绝缘强度，从而使得绝缘结构更加复杂、体积大、成本高；存在动态范围小、铁磁谐振、铁心饱和等问题。电容式电压互感器由于带有耦合电容、中间变压器和补偿电抗器等内部储能元件，所以暂态响应较差，并且在高频过电压下，低压侧容易发生由铁磁谐振引起的高频振荡，威胁设备的安全运行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种非接触式线缆电压测量传感器。本发明基于电场耦合电压测量原理实现直流电压、交流电压的非接触式量测，由于没有直接的电气连接，因此其绝缘难度小、体积小、造价低，由于内部不含铁芯、绕组等结构，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种非接触式线缆电压测量传感器，包括：壳体、绝缘件、探测电极、电场测量模组、信号解调与通信电路、航插母座，绝缘件固定在壳体内的凹槽处；探测电极固定在绝缘件的上表面，并与绝缘件紧密连接，用于产生感应电荷；电场测量模组固定在壳体的内部，通过电极导线与探测电极电连接，用于测量电场强度；信号解调与通信电路固定在壳体的内部，通过导线与电场测量模组电连接，用于分析解算电场信号并转换成电压信号；航插母座安装在壳体的侧壁上，和信号解调与通信电路通过导线电连接，用于为电场测量模组和信号解调与通信电路提供电源以及为信号输出提供接口。
在本发明的某些实施例中，还包括：
屏蔽盖，与壳体组成一个腔体结构，被测线缆穿设于腔体结构，屏蔽盖用于屏蔽外界电场对被测线缆的影响；
屏蔽盖与壳体单轴连接，屏蔽盖可以旋转，用于方便放置并固定待测线缆。
在本发明的某些实施例中，壳体和/或屏蔽盖为金属材料、外表面或内外表面电镀金属的材料。
在本发明的某些实施例中，电场测量模组包括：盒体和电场传感器，盒体固定在壳体的侧壁上；电场传感器设置在盒体的内部；其中，
盒体包括：封板、与封板相对的底座、封板与底座之间的侧壁，封板为金属材料、半导体材料或金属和绝缘材料的层叠材料，侧壁为绝缘材料；电场传感器固定在底座上。
在本发明的某些实施例中，壳体包括主壳和封盖；其中，
主壳上设置第一开孔，绝缘件上设置第二开孔，电极导线穿过第一开孔和第二开孔使封板与探测电极之间实现电连接。
在本发明的某些实施例中，探测电极的上表面设置绝缘层，用于完全包覆被测线缆。
在本发明的某些实施例中，绝缘件的材质为无机固体绝缘材料、有机固体绝缘材料或混合绝缘材料；
探测电极为金属材料、半导体材料、内表面或外表面或内外表面电镀金属的材料。
在本发明的某些实施例中，探测电极的外形为弧形，其内径大于或等于被测线缆的外径；绝缘件与探测电极的接触部分的形状与探测电极的外形相同，使探测电极恰好贴附于绝缘件的上表面。
在本发明的某些实施例中，盒体的外形是圆柱形、椭圆柱形、长方体形、或正方体形。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种非接触式线缆电压测量传感器组，包括至少两个上述的非接触式线缆电压测量传感器，每个非接触式线缆电压测量传感器中绝缘层的厚度各不相同。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明非接触式线缆电压测量传感器至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本发明采用测量空间电场求解线缆电压的原理，由于线缆周围空间电场测量不需要对其直接接触测量，因此可以保证测量的安全性与便捷性；
(2)由于本发明与被测线缆没有直接的电气连接，因此其绝缘难度小、体积小、造价低，安装方便，低压侧无短路危险；
(3)本发明内部不含铁芯、绕组等结构，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。
附图说明
图1为本发明第一实施例非接触式线缆电压测量传感器垂直于线缆轴线方向的剖面结构示意图。
图2为本发明第一实施例壳体的结构示意图。
图3为本发明第一实施例中电场测量模组的结构示意图。
图4为本发明第一实施例中第一开孔和第二开孔的示意图。
图5为本发明第二实施例垂直于线缆轴线方向的部分结构的剖面示意图。
图6为本发明第三实施例垂直于线缆轴线方向的部分结构的剖面示意图。
【主要元件】
1-屏蔽盖；
2-壳体；
21-主壳；
211-第一开孔；
22-封盖；
3-探测电极；
4-绝缘件；
41-第二开孔；
5-电场测量模组；
51-电场传感器；
52-盒体；
521-封板；
522-侧壁；
523-底座；
6-信号解调与通信电路；
7-电极导线；
8-航插母座；
9-被测线缆；
10-绝缘层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
第一实施例：
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种非接触式线缆电压测量传感器。图1为本发明第一实施例非接触式线缆电压测量传感器垂直于线缆轴线方向的剖面结构示意图。如图1所示，本发明非接触式线缆电压测量传感器包括：屏蔽盖1、壳体2、探测电极3、绝缘件4、电场测量模组5、信号解调与通信电路6、电极导线7以及航插母座8。
屏蔽盖1与壳体2连接，组成一个腔体结构，被测线缆9穿设于腔体结构，屏蔽盖1可以屏蔽外界电场对被测线缆9带来的影响，使电压测量的精度更高。作为一种具体实施方式，屏蔽盖1是没有底面的长方体，壳体2是没有上盖的长方体，屏蔽盖1的底面端与壳体2的上盖端相对连接，为了便于放置被测线缆9，被测线缆9的横截面一部分位于屏蔽盖1中，另一部分位于壳体2内，并且屏蔽盖1为旋转屏蔽盖，旋转屏蔽盖与壳体2单轴连接，可旋转，便于放置并固定待测线缆9。旋转屏蔽盖通过螺丝与壳体2固定连接，可对被测线缆9实现紧密固定，避免被测线缆9松动而产生测量误差。旋转屏蔽盖可以为金属材料、外表面或内外表面电镀金属的材料。
绝缘件4固定在壳体2内的凹槽处，探测电极3固定在绝缘件4的上表面，并与绝缘件4紧密连接，绝缘件4与壳体2之间、探测电极3与绝缘件4之间的固定方式可以采用螺丝固定，也可以采用粘接、铆接等方式。绝缘件4主要用于探测电极3与壳体2之间电隔离，其材质可以为无机固体绝缘材料、有机固体绝缘材料或混合绝缘材料。探测电极3可以为金属材料或半导体材料，也可以是绝缘材料内表面或外表面或内外表面电镀金属材料。
壳体2的凹槽位于靠近屏蔽盖1的一端，其可以是方形的，为了便于安装，绝缘件4与壳体2的接触部分设计为方形，当然也可以设计成半圆形、三角形、或其它可与壳体2固定的形状。一般情况下，被测线缆的外形为圆形，为了便于安装，探测电极3的外形设计成弧形，设计要求探测电极3的内径大于或等于被测线缆9的外径。当然探测电极3也可以根据被测线缆9不同的外形设计成不同的形状。绝缘件4与探测电极3的接触部分的形状与探测电极3的外形相同，使探测电极3恰好贴附于绝缘件4的上表面。
电场测量模组5和信号解调与通信电路6固定在壳体2内部，两者之间通过导线电连接。电场测量模组5主要用于测量电场强度，信号解调与通信电路6主要用于分析解算电场信号并转换成电压信号。
航插母座8安装在壳体2的侧壁上，与信号解调与通信电路6通过导线电连接。航插母座8作为接线端子主要为电场测量模组5和信号解调与通信电路6提供电源以及为信号输出提供接口。
如图2所示，壳体2包括主壳21和封盖22两部分，主壳21和封盖22之间通过螺丝固定连接在一起。壳体2可以为金属材料、外表面或内外表面电镀金属的材料。
如图3所示，电场测量模组5位于凹槽的下方，电场测量模组5可以固定在壳体2的侧壁上，其包括电场传感器51和盒体52两部分。电场传感器51可以是直流电场传感器或交流电场传感器，包括电容式(振动或非振动两种)、光学式、场磨式、电子开关式、微电机电系统电场传感器等。
盒体52主要包括封板521、侧壁522和底座523三部分。封板521与底座523相对，侧壁522位于封板521与底座523之间，盒体52外形可以是圆柱形、椭圆柱形、长方体形、正方体形、或其它规则或不规则的多边体形等。封板521可以为金属材料、半导体材料或金属和绝缘材料的层叠材料，侧壁522为绝缘材料。
电场传感器51设置在盒体52内部，固定在底座523上，主要用于测量封板521产生的电场强度。
如图4所示，主壳21上设置第一开孔211，绝缘件4上设置第二开孔41，电极导线7穿过第一开孔211和第二开孔41使封板521与探测电极3之间实现电连接。电极导线7可以是普通导线、屏蔽导线、高频射频线、半钢半柔射频线等。作为一种具体实施方式，第一开孔211是穿透凹槽底部的通孔。
使用时，先将被测线缆9放置在探测电极3上，然后合上旋转屏蔽盖并用螺丝固定，使被测线缆9与探测电极3紧密接触。之后对被测线缆9施加电压V，则被测线缆9表面产生垂直于轴向方向的电场E，该电场使探测电极3表面产生感应电荷，通过电极导线7，封板521表面则产生等比例极性相反的电荷，根据电磁学理论，封板521表面电荷也将产生电场，称为E1，则E1随着施加电压V的变化而变化。电场传感器51测量E1，并经过信号解调与通信电路6的分析解算可获得施加电压V的大小。
需要说明的是：旋转屏蔽盖使用金属材料可屏蔽外界电场对被测线缆9带来的影响，使电压测量的精度更高。
在本发明中，采用测量空间电场求解线缆电压的原理，由于线缆周围空间电场测量不需要对其直接接触测量，因此可以保证测量的安全性与便捷性；由于本发明与被测线缆没有直接的电气连接，因此其绝缘难度小、体积小、造价低，安装方便，低压侧无短路危险；在本发明内部不含铁芯、绕组等结构，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。
第二实施例：
在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种非接触式线缆电压测量传感器。图5为本发明第二实施例垂直于线缆轴线方向的部分结构的剖面示意图。如图5所示，与第一实施例的非接触式线缆电压测量传感器相比，本实施例非接触式线缆电压测量传感器的区别在于：
探测电极3的上表面设置绝缘层10，用于完全包覆被测线缆9。被测线缆9为圆形时，绝缘层10的外形为圆形，其内径大于或等于被测线缆9的外径。当然，绝缘层10也可以部分与探测电极3连接，另一部分与旋转屏蔽盖的内部连接，绝缘层10与探测电极3、旋转屏蔽盖的固定方式可以采用螺丝固定，也可以采用粘接、铆接等方式，其材质可以为无机固体绝缘材料、有机固体绝缘材料或混合绝缘材料。
本实施例是针对无绝缘层的金属导线的非接触式电压测量而设置的，需要说明的是：本实施例提供的改进设计方案也可用于带绝缘层的高压线缆的非接触式电压测量。
为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
第三实施例：
在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种非接触式线缆电压测量传感器组。图6为本发明第三实施例垂直于线缆轴线方向的部分结构的剖面示意图。如图6所示，本发明非接触式线缆电压测量传感器组包括3个非接触式线缆电压测量传感器，每个非接触式线缆电压测量传感器与第二实施例中的非接触式线缆电压测量传感器的结构相同，但是每个非接触式线缆电压测量传感器中绝缘层10的厚度不一致。
采用多个非接触式线缆电压测量传感器对高压线缆进行电压测量，可以消除共模干扰噪声，进一步提高测量精度。
为了达到简要说明的目的，上述第二实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明非接触式线缆电压测量传感器有了清楚的认识。本发明通过测量空间电场获得线缆电压，不对线缆直接接触，可以用于单相线缆电压测量、两相线缆电压测量、三相线缆电压测量、线缆表面附近电场测量。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，包括：
壳体(2)，
绝缘件(4)，固定在壳体(2)内的凹槽处；
探测电极(3)，固定在绝缘件(4)的上表面，并与绝缘件(4)紧密连接，用于产生感应电荷；
电场测量模组(5)，固定在壳体(2)的内部，通过电极导线(7)与探测电极(3)电连接，用于测量电场强度；
信号解调与通信电路(6)，固定在壳体(2)的内部，通过导线与电场测量模组(5)电连接，用于分析解算电场信号并转换成电压信号；
航插母座(8)，安装在壳体(2)的侧壁上，和信号解调与通信电路(6)通过导线电连接，用于为电场测量模组(5)和信号解调与通信电路(6)提供电源以及为信号输出提供接口。
2.根据权利要求1所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，还包括：
屏蔽盖(1)，与壳体(2)组成一个腔体结构，被测线缆(9)穿设于腔体结构，屏蔽盖(1)用于屏蔽外界电场对被测线缆(9)的影响；
屏蔽盖(1)与壳体(2)单轴连接，屏蔽盖(1)可以旋转，用于方便放置并固定待测线缆(9)。
3.根据权利要求2所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，壳体(2)和/或屏蔽盖(1)为金属材料、外表面或内外表面电镀金属的材料。
4.根据权利要求1所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，电场测量模组(5)包括：
盒体(52)，固定在壳体(2)的侧壁上；
电场传感器(51)，设置在盒体(52)的内部；其中，
盒体(52)包括：封板(521)、与封板(521)相对的底座(523)、封板(521)与底座(523)之间的侧壁(522)，封板(521)为金属材料、半导体材料或金属和绝缘材料的层叠材料，侧壁(522)为绝缘材料；电场传感器(51)固定在底座(523)上。
5.根据权利要求1所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，壳体(2)包括主壳(21)和封盖(22)；其中，
主壳(21)上设置第一开孔(211)，绝缘件(4)上设置第二开孔(41)，电极导线(7)穿过第一开孔(211)和第二开孔(41)使封板(521)与探测电极(3)之间实现电连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，探测电极(3)的上表面设置绝缘层(10)，用于完全包覆被测线缆(9)。
7.根据权利要求1-5任一项所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，
绝缘件(4)的材质为无机固体绝缘材料、有机固体绝缘材料或混合绝缘材料；
探测电极(3)为金属材料、半导体材料、内表面或外表面或内外表面电镀金属的材料。
8.根据权利要求1-5任一项所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，探测电极(3)的外形为弧形，其内径大于或等于被测线缆(9)的外径；绝缘件(4)与探测电极(3)的接触部分的形状与探测电极(3)的外形相同，使探测电极(3)恰好贴附于绝缘件(4)的上表面。
9.根据权利要求4或5所述的非接触式线缆电压测量传感器，其特征在于，盒体(52)的外形是圆柱形、椭圆柱形、长方体形、或正方体形。
10.一种非接触式线缆电压测量传感器组，其特征在于，包括至少两个权利要求6所述的非接触式线缆电压测量传感器，每个非接触式线缆电压测量传感器中绝缘层(10)的厚度各不相同。
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