CN110869775B - 非接触电压变换器 - Google Patents

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Abstract

用于测量在交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压的非接触电压变换器(2)，该变换器包括两个或更多个电容电流测量单元(3)，每个所述电容电流测量单元包括：围绕通道(6)的电极(4)，该通道(6)用于通过其中接收交流电压导体系统的各个所述导体，围绕电极(4)的电极屏蔽件(8)，电极信号处理电路部分(16)，连接到电极(4)和电极屏蔽件(8)并被配置成输出模拟测量信号，以及基准电压信号生成器(10)，连接到电极屏蔽件并被配置成生成基准电压源信号，其中，两个或更多个电容电流测量单元的基准电压信号生成器(10)在公共浮动电压连接点处连接在一起。

Description

非接触电压变换器
技术领域
本发明涉及用于以非接触方式测量交流电压的变换器。
背景技术
已知在不中断并且不接触导体的情况下测量在两个或更多个导体之间的交流(AC)电压和相对相(通常三相和中性)。导体例如可以是以电缆的形式，并且例如具有分裂电极的电容变换器被放置在每个电缆周围。非接触变换器促进了安装并且减小了对人员和装备的危害，尤其是在危险电压应用中。
为了减小在电缆和变换器之间的未知耦合电容的影响，因此增强测量精度，如US5,473,244中描述的那样可以使用两个(或更多个)基准电压源。
在US 5,473,244中描述的系统以及在诸如US 6,470,283中描述的其它非接触电压测量系统的主要缺点是需要具有接地端子。可能不容易在电压测量变换器的安装的位置处接近接地连接，并且安装电流连接的需求增大了电压测量设置的成本和复杂性。
此外，对于危险电压应用，实现电流连接的需求可能会增大安装、维护或使用测量装备的人员的安全风险。
发明内容
按照前述内容的观点，本发明的目的是提供准确并可靠的而无需接地连接的非接触电压变换器。
提供安全并容易安装的非接触电压变换器将是有利的。
提供制造和安装成本有效的非接触电压变换器将是有利的。
通过提供根据权利要求1或权利要求13的非接触电压变换器以及根据权利要求15的方法实现了本发明的目的。
本文中公开了一种用于测量在交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压的非接触电压变换器，该变换器包括两个或更多个电容电流测量单元，每个所述电容电流测量单元包括
围绕通道的电极，该通道用于通过其中接收交流电压导体系统的各个所述导体，
围绕电极的电极屏蔽件，
电极信号处理电路部分，连接到电极和电极屏蔽件，被配置成输出模拟测量信号，以及
基准电压信号生成器，连接到电极屏蔽件并被配置成生成基准电压源信号，
其中，两个或更多个电容电流测量单元的基准电压信号生成器在公共浮动电压连接点处连接在一起。
本文中还公开了一种与外部系统没有任何直接电连接的全自主非接触电压变换器，用于测量在外部系统的交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压，该变换器包括用于无线地发送测量信号的无线通信模块以及两个或更多个电容电流测量单元，每个所述电容电流测量单元包括
围绕通道的电极，该通道用于通过其中接收交流电压导体系统的各个所述导体，
围绕电极的电极屏蔽件，
电极信号处理电路部分，连接到电极和电极屏蔽件，被配置成输出模拟测量信号，以及
基准电压信号生成器，连接到电极屏蔽件并被配置成生成基准电压源信号，
其中，两个或更多个电容电流测量单元的基准电压信号生成器在公共浮动电压连接点处连接在一起。
在有利的实施例中，导体系统是多相导体系统，并且变换器包括用于导电系统的每个相的一个电容电流测量单元以及此外用于中性导体的一个电容电流测量单元。
在有利的实施例中，变换器还可以包括围绕所述两个或更多个电容电流测量单元的外部静电屏蔽件，以及连接到外部静电屏蔽件和公共浮动电压连接点的附加的基准电压信号生成器。
在有利的实施例中，基准电压信号生成器被配置成以高于导体系统的交流电压频率的频率来生成所述基准电压源信号。
在有利的实施例中，基准电压信号生成器中的至少两个被配置成以彼此不同的频率来生成所述基准电压源信号。
在实施例中，每个基准电压信号生成器可以被配置成以与其它不同的频率来生成所述基准电压源信号。
在实施例中，电压变换器可以包括微控制器电路，该微控制器电路被配置成根据基准电压源信号和由电容电流测量单元输出的相关联的电流来计算电极-导体导纳矩阵Y。
在实施例中，微控制器电路包括用于生成基准电压信号的数字-模拟转换器(DAC)和用于接收并处理来自每个电极的输出电容电流的模拟测量信号响应的模拟-数字转换器(ADC)。
本文还公开了一种在没有电流连接的情况下测量在交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压的方法，包括：
提供如上所述的非接触电压变换器，
生成基准电压信号
Figure BDA0002361898540000033
并且测量电极的对应的输出电容电流信号
Figure BDA0002361898540000031
基于基准电压信号和对应的输出电容电流信号，在变换器的处理电路中标识导纳矩阵Y，
在变换器的处理电路中计算从导纳矩阵Y取得的阻抗矩阵Z，以提供导体系统的标识。
该方法还可以包括
测量导体系统的电极电流
Figure BDA0002361898540000032
并且
在变换器的处理电路中，使用阻抗矩阵Z计算在所述至少两个导体之间的要测量的交流电压。
根据权利要求以及根据以下详细的描述和附图，本发明的更多目的和有利方面将变得清楚。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，这些附图通过示例的方式示出本发明，其中：
图1是根据本发明的实施例的非接触电压变换器的电布局的示意性简化图；
图2是针对一个相的图1的非接触电压变换器的示意性简化图，示出了在变换器的导电元件之间的电容耦合；
图3是表示非接触电压变换器的等效电路的示意性简化图。
具体实施方式
参考附图，根据本发明的实施例的非接触电压变换器2包括两个或更多个电容电流测量单元3，每个电容电流测量单元3包括围绕通道6的电极，通道6用于通过其中接收导体系统的各个导体1、1n，该导体系统包括至少两个导体，其中至少一个导体带有交流电压。
在实施例中，导体系统的导体可以属于多相交流电压导电系统。导电系统可以是两相、三相或具有四相或更多相，并且此外可以包括中性导体。然而，可以注意到，本发明不限于多相系统并且可以应用于在测量的导体之间呈现出相对交流电压的任何导体。
导体例如可以是以常规绝缘线或电缆、或绝缘导体杆或绝缘导体棒的形式，或者具有其它本身已知的配置。在变型中，导体也可以是非绝缘的，非接触电压变换器包括在电极上的绝缘层，该绝缘层被配置成将电极与非绝缘导体电介质地分离。
电极4可以完全地围绕导体通道6，或者可以仅部分地围绕导体通道6，例如留下间隙以允许在通道6中插入导体。
电极可以设置在具有可移动部分的壳体中以允许在电极的对应通道6中插入要测量的导体。
非接触电压变换器2被配置成测量在导电系统的任何两个或更多个导体1、1n之间的相对交流电压。非接触电压变换器2还可以被配置成测量在导电系统的任何两个或更多个导体1、1n之间的相对相。
每个电容电流测量单元3还包括围绕电极4的电极屏蔽件8，连接到电极4和电极屏蔽件8并被配置成输出模拟测量信号S1、S2、S3、S4的电极信号处理电路，以及连接到测量屏蔽件并被配置成生成电压信号V1、V2、V3、V4的电压信号生成器10。多个电容电流测量单元的电压信号生成器10在公共浮动电压连接点11处连接在一起。
非接触电压变换器2还可以包括被配置成处理模拟测量信号S1…S4的模拟-数字处理电路12。
在实施例中，电压变换器还可以包括围绕多个电容电流测量单元3的外部屏蔽件14。
在实施例中，模拟-数字处理电路12包括微控制器电路，该微控制器电路包括用于生成基准电压信号的数字-模拟转换器(DAC)和用于接收并处理模拟测量信号S1、S2、S3、S4响应的模拟-数字转换器(ADC)。
本发明依赖于在初始未知电容上测量在电极与导体之间的电容电流的原理。为了测量这些电容，通过电压生成器将附加的(小的)已知电压信号施加在电极屏蔽件上，以使得可以确定电压和电流，接着可以计算阻抗。
电极处于彼此相对接近的电位，因此使得单个电子系统能够处理来自多导体导电系统的所有导体的测量。在所有电极周围的静电屏蔽件和电极简化了耦合阻抗系统。
在现有技术系统中，为了确定并且因此调整经由未知接地电容流过的电容电流，使用连接到接地电位的电压源在两个电极之间注入已知的高频电压来校准变换器。然而，在本发明中，不需要接地连接，因此电压源连接到浮动点电压。可以在与外部导体没有任何连接的情况下提供根据本发明的实施例的变换器。因此可以在与要测量的导体或可以安装变换器的设备或装备没有任何电连接的情况下安装根据本发明的实施例的变换器。优点包括增大的安装简便性和增大的安全性。
参考附图，在示出的实施例中，每个导体1被电容耦合(电容C1)到电极4，并且电极由被电容耦合到电极4(电容C2)和导体1(电容C3)的屏蔽件8围绕。当通过电压生成器10将电压施加到屏蔽件8时，通过信号处理电路部分16可以测量通过电极的相关联的电容电流。信号处理电路部分例如可以是电流-电压转换电路，该电流-电压转换电路以其最简单的形式可以包括电阻器，跨该电阻器测量与电容电流相对应的电压输出。在示出的实施例中，信号处理电路包括接受电容电流作为输入并且给出与电容输入电流成比例的输出电压的运算放大器。示出的示例性电路布置也被称为互阻放大器。
每个电压生成器10将基准交流电压源(例如，具有1kHz频率的正弦波形)供应到电极屏蔽件，这生成了与由这些电压源V1…V4驱动的电流I1…I4相对应的输出信号S1…S4。基准交流电压源V1…V4和测量的输出电流I1…I4可以被用于取得先前未知的电极-导体导纳矩阵Y。
在实施例中，额外的电压源V5也可以被用于驱动变换器的最外面的静电屏蔽件14。在变型中，系统可以包括多个组装的屏蔽外壳，其中电极通过屏蔽电缆连接到中央屏蔽单元，每个屏蔽外壳围住一个或多个电容电流测量单元3。
在变换器的微控制器中处理导纳矩阵Y以取得阻抗矩阵Z。利用阻抗矩阵Z，可以根据在已知的或标识出的交流电压频率f处的从导体1、1n流到电极4的电流的测量来确定导体1、1n上的未知电压。该已知的或标识出的频率f例如可以是具有基本正弦特性的50Hz或60Hz的电源频率。然而，可以在具有其它交流电压频率的导体系统中、或携带多音调电压信号的导体系统中、或具有呈现出非正弦特性的交流电压的导体系统中实现本发明。
在本发明中，还可以使用电压基准信号来估计系统标识的质量，并且如果该质量退化，那么自动地并自适应地改变处理方法，例如通过改变电压基准信号、通过改变滤波时间常数或其它处理参数，以便在各种条件下提供用于标识系统的最优响应。例如，当系统快速地改变时，长时间常数不利于较好的估计，并且在这种情况下最好切换到与系统时间常数一致的滤波时间常数。误差可能高于稳定系统的误差，但是小于当应用非最优滤波时的误差。
现在将通过示例的方式来描述用于具有包括被驱动的最外面屏蔽件的两导体系统(示例中性和相或相间)的非接触电压变化器的信号处理。用于两导体系统的示例性处理可以容易地适应于具有更多导体的系统，因此导纳矩阵增加了对应数量的列和线。
根据本发明的信号处理包括由变换器的处理电路执行的两个重要的处理步骤：
■根据测量使用基准/校准电压源
Figure BDA0002361898540000071
进行导纳Y矩阵标识，
■使用从导纳Y矩阵标识取得的阻抗Z矩阵和测量的电极电流
Figure BDA0002361898540000072
来进行导体电压计算。
Y矩阵标识
导纳矩阵Y给出了系统中在电压和电流之间的关系(参见图3)。
Figure BDA0002361898540000073
其中
Figure BDA0002361898540000074
其中
Figure BDA0002361898540000075
并且
Figure BDA0002361898540000076
对于k≠j,所有k′
Figure BDA0002361898540000077
是由分支j的基准源生成的分支j中的电流。
Figure BDA0002361898540000078
是分支j的基准源。
Figure BDA0002361898540000079
和
Figure BDA00023618985400000710
是复数。
注入的基准电压Vref、测量的结果电容电流Iref和导纳矩阵之间的关系可以以广义紧凑形式表示为：
Iref＝Y(jω)Vref
在通常情况下Yij是复数或者甚至是频率Y(ω)的复数函数。在本示例中，我们仅在一个频率处标识导纳矩阵Y，并且我们针对其它频率校正、转换或缩放导纳矩阵Y(参见下面的
Figure BDA00023618985400000711
)。如果电极-导体系统仅是电容性的，那么导纳矩阵Y的实部为零(即，假设没有电阻损耗)。然而，如果围绕导体的电介质(PVC或其它)损耗了，那么就不是这种情况了。例如如果一个接一个地接通源，或者每个源是具有不同频率或各种其它特性的正弦信号，那么这里
Figure BDA0002361898540000081
意味着可以将标为k的源与
Figure BDA0002361898540000082
源区分开。例如可以使电压基准生成器产生正交信号(互相关为0)。这些信号可以是带宽有限的伪随机序列的形式，这些信号覆盖了要测量的信号的带宽，但是足够长以使得与要测量的信号互相关的概率分布大多数时间保持接近非常低的值。重点是使用基准电压波形以使得可以没有任何歧义地确定由分支j中的源
Figure BDA0002361898540000083
生成的分支i中的电流
Figure BDA0002361898540000084
对于基准电压波形和测量的电压波形(诸如50Hz或60Hz导电系统及其可能的谐波)，这同样适用。
在实施例中，例如可以将正弦波形用于具有正好高于100Hz的不同频率(即，127Hz、113Hz和109Hz)的基准电压源。以这种方式，可以容易地将基准电压源彼此区分开，以及将基准电压源与被测量的电压波形(诸如50Hz或60Hz电力系统及其可能的谐波)区分开。然而，在变型中，其它方法可以被用于标识并表征系统。
在实施例中，可以通过对应的电压生成器在每个线上以例如40Hz、60Hz、80Hz、100Hz和120Hz的多个不同的频率生成基准电压信号，以便生成多个导纳矩阵以较好地标识并表征系统，并考虑到改变电压可能对标识出的系统阻抗产生的影响。在实施例中，基准电压信号可以是多音调信号或者包括非正弦波形的信号的形式。
更一般地，基准电压信号可以生成任何信号序列，该信号序列至少部分地与测量的信号正交并且至少部分地与其它基准信号正交。可以通过相关性提取对该基准电压信号序列的响应。
在实施例中，可以以以下近似方式来计算导纳矩阵Y(即使实部和虚部没有必要具有相同的频率相关)。我们可以近似可以与电介质损耗相关联的实部应该小。与电容导体-电极耦合相关联的虚部是频率相关的。当电介质损耗小时这种简化的近似方法给出良好的结果(但是如果电介质损耗高，那么应该调整该方法)。
Figure BDA0002361898540000091
利用阻抗矩阵Z的导体电压计算
根据导纳矩阵Y计算阻抗矩阵Z。在一般的情况下，阻抗矩阵Z是导纳矩阵Y的伪逆矩阵。
Z＝pinv(Y)
在本示例中，我们使用
Z*＝pinv(Y*)F
利用阻抗矩阵Z，我们现在可以根据由电极中的那些源生成的电流
Figure BDA0002361898540000092
来计算导体电压
Figure BDA0002361898540000093
Figure BDA0002361898540000094
以紧凑的形式，这可以被概括为：
Vmeas＝Z*Imeas
导体i和j之间的电压差由以下给出(也适用于外屏蔽)
Figure BDA0002361898540000095
在上述示例中，导纳矩阵包括屏蔽件的基准电压
Figure BDA0002361898540000096
然而后者可以是可选的，并且在这种情况下，导纳矩阵Y的计算将被简化成：
Figure BDA0002361898540000097
在这种情况下，系统变为正方形，并且我们可以基于以下关系计算导体1和导体2之间的电压差
Figure BDA0002361898540000098
Z*＝inv(Y*)
Figure BDA0002361898540000099
Figure BDA00023618985400000910
在实施例中，变换器还可以包括诸如电池之类的板载自主电源。在变型中，变换器可以包括能量收集单元，该能量收集单元被配置成从要测量的系统的导体收集用于变换器的操作的电力。能量收集单元例如可以包括一个或多个感应线圈，该感应线圈在一个或多个电极周围同轴地或轴向相邻地布置以用于安装在一个或多个导体周围。
在实施例中，变换器还可以包括无线通信模块，该无线通信模块连接到变换器的处理器，以无线地发送测量信号并且从外部系统接收命令或请求。
因此为了简单而通用的安装，可以提供没有任何电流连接的全自主无线变换器。
附图中的参考标号的列表：
2 电压变换器
3 电容电流测量单元
4 测量电极
16 电极信号处理电路
18 运算放大器
20 输入(-Vin、+Vin)
22 输出
6 通道
8 静电电极屏蔽件
10 电压信号生成器
16 电极信号处理电路
12 模拟/数字处理电路
14 外部静电屏蔽件
V 电压
I 电流

Claims (25)

1.一种用于测量在交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压的非接触电压变换器(2)，该变换器包括两个或更多个电容电流测量单元(3)，每个所述电容电流测量单元包括
围绕通道(6)的电极(4)，该通道(6)用于通过其中接收交流电压导体系统的各个所述导体，
围绕电极(4)的电极屏蔽件(8)，
电极信号处理电路部分(16)，连接到电极(4)和电极屏蔽件(8)，被配置成输出模拟测量信号，以及
基准电压信号生成器(10)，连接到电极屏蔽件并被配置成生成基准电压源信号，
其中，两个或更多个电容电流测量单元的基准电压信号生成器(10)在公共浮动电压连接点处连接在一起。
2.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，其中，导体系统是多相导体系统，并且变换器包括用于导体系统的每个相的一个电容电流测量单元(3)以及此外用于中性导体(1n)的一个电容电流测量单元(3)。
3.根据权利要求2所述的非接触电压变换器，其中，导体系统是两相或三相导体系统。
4.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，还包括围绕所述两个或更多个电容电流测量单元(3)的外部静电屏蔽件(14)，以及连接到外部静电屏蔽件和公共浮动电压连接点的附加的基准电压信号生成器。
5.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，其中，基准电压信号生成器被配置成以高于导体系统的交流电压频率的频率来生成所述基准电压源信号。
6.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，其中，基准电压信号生成器中的至少两个被配置成以彼此不同的频率来生成所述基准电压源信号。
7.根据权利要求6所述的非接触电压变换器，其中，每个基准电压信号生成器被配置成以与其它基准电压信号生成器不同的频率来生成所述基准电压源信号。
8.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，包括微控制器电路，该微控制器电路被配置成根据基准电压源信号和由电容电流测量单元输出的相关联的电流来计算电极-导体导纳矩阵Y。
9.根据权利要求8所述的非接触电压变换器，其中，微控制器电路包括用于生成基准电压信号的数字-模拟转换器(DAC)和用于接收并处理来自每个电极的输出电容电流的模拟测量信号响应的模拟-数字转换器(ADC)。
10.根据权利要求9所述的非接触电压变换器，其中，变换器包括能量收集单元，该能量收集单元被配置成从要测量的系统的导体收集电力，该能量收集单元包括一个或多个感应线圈，该感应线圈在一个或多个电极周围同轴地或轴向相邻地布置以用于安装在一个或多个导体周围。
11.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，其中，变换器包括以电池形式的自主电源。
12.根据权利要求1所述的非接触电压变换器，其中，变换器包括无线通信模块，该无线通信模块连接到变换器的处理器，以无线地发送测量信号并且从外部系统接收命令或请求。
13.一种与外部系统没有任何直接电连接的全自主非接触电压变换器，用于测量在外部系统的交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压，该变换器包括用于无线地发送测量信号的无线通信模块以及两个或更多个电容电流测量单元(3)，每个所述电容电流测量单元包括
围绕通道(6)的电极(4)，该通道(6)用于通过其中接收交流电压导体系统的各个所述导体，
围绕电极(4)的电极屏蔽件(8)，
电极信号处理电路部分(16)，连接到电极(4)和电极屏蔽件(8)，被配置成输出模拟测量信号，以及
基准电压信号生成器(10)，连接到电极屏蔽件并被配置成生成基准电压源信号，
其中，两个或更多个电容电流测量单元的基准电压信号生成器(10)在公共浮动电压连接点处连接在一起。
14.根据权利要求13所述的自主非接触电压变换器，其中，导体系统是多相导体系统，并且变换器包括用于导体系统的每个相的一个电容电流测量单元以及此外用于中性导体的一个电容电流测量单元。
15.根据权利要求14所述的自主非接触电压变换器，其中，导体系统是两相或三相导体系统。
16.根据权利要求13所述的自主非接触电压变换器，还包括围绕所述两个或更多个电容电流测量单元的外部静电屏蔽件，以及连接到外部静电屏蔽件和公共浮动电压连接点的附加的基准电压信号生成器。
17.根据权利要求13所述的自主非接触电压变换器，其中，基准电压信号生成器被配置成以高于导体系统的交流电压频率的频率来生成所述基准电压源信号。
18.根据权利要求13所述的自主非接触电压变换器，其中，基准电压信号生成器中的至少两个被配置成以彼此不同的频率来生成所述基准电压源信号。
19.根据权利要求18所述的自主非接触电压变换器，其中，每个基准电压信号生成器被配置成以与其它基准电压信号生成器不同的频率来生成所述基准电压源信号。
20.根据权利要求13所述的自主非接触电压变换器，包括微控制器电路，该微控制器电路被配置成根据基准电压源信号和由电容电流测量单元输出的相关联的电流来计算电极-导体导纳矩阵Y。
21.根据权利要求20所述的自主非接触电压变换器，其中，微控制器电路包括用于生成基准电压信号的数字-模拟转换器(DAC)和用于接收并处理来自每个电极的输出电容电流的模拟测量信号响应的模拟-数字转换器(ADC)。
22.根据权利要求21所述的自主非接触电压变换器，其中，变换器包括能量收集单元，该能量收集单元被配置成从要测量的系统的导体收集电力，该能量收集单元包括一个或多个感应线圈，该感应线圈在一个或多个电极周围同轴地或轴向相邻地布置以用于安装在一个或多个导体周围。
23.根据权利要求13所述的自主非接触电压变换器，其中，变换器包括以电池形式的自主电源。
24.一种在没有电流连接的情况下测量在交流电压导体系统的至少两个导体之间的电压的方法，包括：
提供根据权利要求1所述的非接触电压变换器，
生成基准电压信号
Figure FDA0003704266330000053
并且测量电极的对应的输出电容电流信号
Figure FDA0003704266330000051
基于基准电压信号和对应的输出电容电流信号，在变换器的处理电路中标识导纳Y矩阵，
在变换器的处理电路中计算从导纳矩阵Y取得的阻抗矩阵Z，以提供导体系统的标识。
25.根据权利要求24所述的方法，包括
测量导体系统的电极电流
Figure FDA0003704266330000052
并且
在变换器的处理电路中，使用阻抗矩阵Z计算在所述至少两个导体之间的要测量的交流电压。
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