CN115605968A - 配备有至少一个无线传感器的电磁设备 - Google Patents

Abstract

电磁设备包括：壳体(12)、位于壳体的内部的至少一个绕组(16，18)、用于感测电磁设备的至少一种性质或缺陷的至少一个无线传感器(26A，26B，26C，26D)、以及包括收发电路系统和至少一个天线的至少一个有源通信单元(14A，14B)，其中，收发电路系统放置在壳体(12)的外部，并且至少一个天线放置在壳体(12)的内侧，用于与至少一个传感器(26A，26B，28A)通信，其中，至少一个传感器包括附接到绕组的至少一个传感器，并且其中，附接到绕组的至少一个传感器(26A)是包括印刷在绝缘基板(S)上的电子器件(PE)的印刷电子传感器，其中基板面向至少一个绕组(18)。

Description

配备有至少一个无线传感器的电磁设备

技术领域

本发明总体上涉及电磁设备。本发明更特别地涉及配备有至少一个无线传感器的电磁设备。

背景技术

诸如变压器和电抗器的电磁设备是各种电力输送环境中(诸如电力传输和分配系统中)的重要设备。这些电磁设备则可以在高电压水平下操作，并且因此可以承受高电势和强电场。

在许多情况下，测量这些电磁设备的各种特性和其中的缺陷(诸如温度、湿度和/或绝缘物中的局部放电)是令人感兴趣的。为此，将一个或多个传感器放置在电磁设备内部可能是有意义的。

使用导体进行通信的传感器通常是不合适的，因为它们可能破坏电绝缘。一种常用的替代方案是光纤。然而，这些通常是昂贵的。制造具有纤维的电磁设备也可能是复杂的，尤其是当电磁设备包括固体绝缘物时。此外，也存在纤维干扰电绝缘的风险。

因此，使用替代性的传感器实现方式是令人感兴趣的。

已经在套管中使用的一种类型的传感器是无线传感器。这方面的一个示例可以在EP3521782中找到，其中无线传感器插置在固体绝缘物的层之间。

US2002/107657A1公开了一种用于在箱中测量由绕组压缩元件施加在电力变压器中的绕组上的接触压力的装置。箱中的检查天线通过穿过箱的壁的射频套管连接到检查设备。

DE2427830A1公开了一种变压器的绕组。无线电发射器的天线插置在纸绝缘层之间，并且沿着静电保护环的外围。电热传感器(例如，热敏电阻)焊接到绕组的导体上，或者插置在绕组7的平行导体之间。

US2008/197977A1公开了一种可以放置在绕组附近的IC传感器，该传感器具有静电屏蔽，或者该传感器定位和定向在电磁场的弱区域中。

DE10060520A1公开了一种布置在磁轭螺栓上的SAW传感器。提供天线以与箱外部的询问电子设备通信。

许多电磁设备包括包围绕组的壳体。这些壳体可能妨碍无线传输。因此，可能难以向壳体的内部传输信号以及从壳体的内部接收信号。壳体的内部可能同时不是灵敏通信装备的合适环境。

因此，需要对电磁设备中的传感器的使用进行改进。本发明解决了以上提及的问题中的至少一些。

发明内容

本发明的一个目的是改善配备有至少一个无线传感器的电磁设备中的通信。

根据第一方面，该目的通过一种电磁设备实现，该电磁设备包括：

壳体，

至少一个绕组，位于壳体的内部，

至少一个无线传感器，用于感测电磁设备的至少一种性质或缺陷，以及

至少一个有源通信单元，包括收发电路系统和至少一个天线，

其中，收发电路系统放置在壳体的外部，并且至少一个天线放置在壳体的内侧，用于与至少一个传感器通信，

其中，至少一个传感器包括附接到绕组的至少一个传感器，并且

其中，附接到绕组的至少一个传感器是包括印刷在绝缘基板上的电子器件的印刷电子传感器，其中基板面向至少一个绕组。

电磁设备可以被提供用于高压应用，诸如1或10kV或更高电压的应用。

该至少一个传感器可以包括附接到绕组的至少一个传感器。该附接的传感器可以包括印刷在绝缘基板上的电子器件的印刷电子传感器，其中基板面向至少一个绕组。该至少一个绕组又可以包括漆包绕组，该漆包绕组包括由固体绝缘物包围的导体。

绝缘基板可以具有50至10μm的范围内的厚度。印刷电子器件的厚度可以进一步小于10μm。

电磁设备还可以包括围绕绕组的绝缘物。因此，至少一个绕组可以由绝缘物包围。

围绕绕组的绝缘物可以包括固体绝缘物。除了围绕绕组中的导体的固体绝缘物之外，电磁设备因此可以包括另外的固体绝缘物，例如在两个不同的绕组之间。在这种情况下，至少一个传感器可以放置在例如呈片状的形式的固体绝缘物和相应的绕组之间。

固体绝缘物可以填充整个壳体。替代性地，电磁设备可以包括壳体中的流体绝缘物，该流体绝缘物可以代替固体绝缘物或者附加于固体绝缘物提供。流体绝缘物可以包括液体绝缘物和/或气体绝缘物。因此，流体绝缘物可以呈气体和/或液体形式。

至少一个天线可以朝向至少一个相应的传感器定位。这对于通信效率可能是有益的。提高通信效率的另一方法可以通过优化传感器和相应的绕组导体之间的距离来获得。传感器可以放置在距离相应的绕组导体一定距离处，这提高通信效率。

壳体可以是金属壳体。至少一个有源通信单元可以放置在壳体的顶部处，并且至少一个传感器可以放置在绕组的顶端处，该顶端可以是最靠近有源通信单元的端部。该至少一个天线可以由能够承受高温(例如高达约170℃)的材料铸造而成。

电磁设备可以附加地包括具有磁轭的芯部，其中芯部限定中心轴，至少一个绕组围绕该中心轴缠绕，并且磁轭可以在与中心轴成直角的方向上延伸。因此，由至少一个绕组形成的绕组结构被划分成两半。在这种情况下，附加地，至少一个有源无线通信单元和与其通信的至少一个传感器可以在磁轭的方向上从磁轭移位并且放置在磁轭的同一侧。更特别地，它们可以放置在磁轭在竖直方向上的同一侧。

该至少一个传感器可以被配置成测量壳体中的绝缘物的性质或缺陷，其可以是固体和/或流体绝缘物的性质或缺陷。

该至少一个无线传感器可以包括无源无线传感器。该至少一个无线传感器可以附加地或替代地包括有源无线传感器。当至少一个无线传感器包括有源无线传感器时，电磁设备还可以包括连接到有源无线传感器并且被配置为向有源无线传感器供电的能量采集单元。

本发明具有许多优点。与基板的厚度相比，印刷传感器可以具有相对大的表面。由于基板的柔性，传感器可以弯曲并适应绕组的周向表面。因此，任何基板上的印刷电路/电子器件将沿着由绕组生成的电场的等势线，使得电路的不同部分不会暴露于不同的电势。

本发明还允许在壳体的内部进行无线通信。通过将收发电路系统放置在壳体的外侧，不需要保护其免受壳体内侧的环境的影响。对收发电路系统施加冷却也更容易(如果需要的话)。由于至少一个天线放置在壳体内侧，因此其中的通信得到改善。

附图说明

在下文中将参考附图描述本发明，在附图中

图1示意性地示出了包括具有有源无线通信单元的壳体的电磁设备，

图2示意性地示出了具有有源无线通信单元的壳体的截面，其中，壳体包括配备有无线传感器并且缠绕在配备有磁轭的芯部周围的外部和内部绕组，

图3示意性地示出了通过壳体的壁的有源无线通信单元的实现方式，

图4示意性地示出了来自图3的有源无线通信单元、无线传感器、绕组和磁轭中的一个的俯视图，

图5示意性地示出了绕组、无线传感器和两层固体绝缘物，以及

图6示意性地示出了与有源无线通信单元通信的测量控制单元，该有源无线通信单元又与多个无线传感器通信。

具体实施方式

下面详细讨论本发明的实施例。在描述实施例时，为了清楚起见，使用特定的术语。然而，本发明并不局限于所选择的特定术语。尽管讨论了具体的示例性实施例，但是应该理解的是，这仅出于说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其它组件和配置。

本发明总体上涉及诸如电感器和变压器的电磁设备。

图1示出了示意性电磁设备10的立体图，该电磁设备可以被实现为变压器，例如用于高压应用的变压器，诸如1或10kV或更高电压的应用。电磁设备10包括壳体12。其还包括至少一个电绕组(未示出)，并且该至少一个电绕组放置在壳体12内侧或者在壳体的内部，壳体的外部在图中示出。壳体12还配备有至少一个第一有源通信单元。在图1中示出的示例中，存在四个有源通信单元14A、14B、14C和14D，它们被放置在壳体12的顶部中，该顶部可以在壳体12的最高竖直位置。壳体12可以设置为具有盖的箱。在这种情况下，有源通信单元14A、14B、14C和14D可以放置在箱的盖中。

图2示出了来自图1的壳体12的示意性截面图，使得可以看到其内部。

如图2所示，变压器具有圆柱形形状，并且包括缠绕在壳体12的内部的芯部20周围的多个绕组。在此存在内部绕组16，该内部绕组可以是低压绕组，并且在该内部绕组16的外侧，存在外部绕组18，该外部绕组可以是高压绕组。由此，芯部20形成或限定竖直中心轴，内部绕组16和外部绕组18围绕该竖直中心轴缠绕，其中外部绕组18缠绕在内部绕组16外侧。因此，绕组围绕变压器芯部20同心地设置。应理解，在该结构中可以存在更多绕组，诸如第三绕组。还应理解，变压器可以是包括三个芯部的三相变压器，围绕该三个芯部缠绕有绕组。

芯部20的上端与第一磁轭22连接，并且芯部20的下端与第二磁轭24连接。由此，芯部20的上端在最高竖直位置处连接到第一磁轭22，并且在最低竖直位置处连接到第二磁轭24，其中两个磁轭可以在水平方向上延伸。磁轭因此可以在与中心轴成直角的方向上延伸。

电磁设备还包括附接到至少一个绕组的至少一个传感器。因此，图2的绕组配备有传感器。在这种情况下，存在放置在外部绕组18上的第一组传感器26A、26B、26C和26D，以及放置在内部绕组16上的第二组传感器28A和28B。传感器全部是无线传感器。

还示出了两个有源无线通信单元14A和14B。如图中所示，有源无线通信单元14A和14B具有放置在壳体12的外部或外侧的一部分，以及放置在壳体12的内部或内侧的一部分。由此，有源通信单元14A和14B能够与壳体12中的传感器26A、26B、26D、28A、28B以及与壳体12的外侧的其它设备通信。此外，有源通信单元14A和14B放置在壳体12的顶部处，并且传感器26C有利地放置在绕组(在此为外部绕组18)的顶端处，该顶端在竖直方向上最靠近有源通信单元14A和14B。这可能是令人感兴趣的，因为绕组的温度在顶端可能很高。

图3示意性地示出了第一有源无线通信单元的实现方式。有源无线通信单元14A包括收发电路系统14A1和至少一个天线。此外，在该实现方式中，收发电路系统14A1放置在壳体的外部。更特别地，其可以放置在壳体的壁W的外表面上，即，在壁W的背离壳体的内部的外表面上。另一方面，至少一个天线放置在壳体内侧，用于与至少一个传感器通信。在该示例中，有源无线通信单元14A包括两个天线14A2和14A3。这些天线14A2和14A3放置在壁W的内表面上，即，在壳体的内部。引线(作为示例，实现为至少一个导体)穿过壁W，并将收发电路系统14A1与天线14A2和14A3互连。在此应理解，作为替代性方案，有源通信单元可以只包括一个天线，也可以包括更多天线。天线附加地可以由能够承受高温(例如，高达约170℃)的材料铸造而成。

壳体通常是金属壳体。因此，其由诸如钢的金属材料形成，并且通过将天线放置在壳体中，可以在壳体的内部进行无线通信。壳体的内部可能是恶劣的环境。通过将收发电路系统放置在壳体的外部，收发电路系统不需要被保护以免受这种环境的影响。对收发电路系统施加冷却也更容易(如果需要的话)。

图4示意性地示出了变压器、有源通信单元14A、14B、14C和14D以及第一磁轭22的俯视图。如图所示，外部绕组18配备有第一组传感器，例如包括六个传感器26A、26B、26C、26D和26E，而内部绕组16配备有第二组传感器，例如包括四个传感器28A、28B和28C。在这种情况下，第一组中的传感器放置在外部绕组18的内侧上。因此，它们向内面向内部绕组16和变压器的中心轴。内部绕组16上的传感器28A、28B、28C则向外面向外部绕组18。因此，它们背离中心轴。在此应理解，绕组上可以存在更少或更多的传感器。

如图4所示，有源通信单元14A、14B、14C和14D与第一磁轭22竖直分离。它们还覆盖变压器的不同区域。磁轭可以被视为将变压器的绕组结构分成两半，其中每个半部由至少一个有源通信单元服务，并且在这种情况下由两个有源通信单元服务。一对有源无线通信单元14A和14B因此与第一磁轭22的一侧上的第一半部中的传感器26A、26B、26C、26D、28A、28B通信，而另一对有源无线通信单元14C和14D与第一磁轭22的另一侧上的第二半部中的传感器26E、26F、28C通信。应理解，只有一个有源无线通信单元服务于该半部是可能的。因此，有源无线通信单元和与之通信的至少一个传感器在磁轭的方向上从磁轭移位并放置在磁轭的同一侧。在这种情况下，它们放置在磁轭在竖直方向上的同一侧。此外，绕组结构通常是圆柱形的。通过设置四个有源无线通信单元，每个有源无线通信单元可以服务于由变压器结构在竖直方向上占据的体积的四分之一。通过有源通信单元的这种放置方法，确保了第一磁轭22不会阻挡传感器和有源通信单元之间的任何通信。通过在第一磁轭22的每侧上提供多于一个有源通信单元，还确保了由有源通信单元服务的传感器的数量受到限制。存在于壳体的顶部上提供有源无线通信单元的替代性方案。例如，可以替代性地将有源无线通信单元放置在底部。在这种情况下，竖直位移可以使得第二磁轭不阻挡传感器和相应有源无线通信单元之间的通信。还应理解，有源无线通信单元可以放置在壳体的竖直壁处，即，在壳体的顶部和底部之间。在这种情况下，收发电路系统将被放置在竖直壁的外侧，并且至少一个天线被放置在竖直壁内侧。然而，这种放置可能导致绕组和芯部使通信质量劣化。

图5示意性地示出了一个绕组、传感器26A以及壳体中使用的固体绝缘物30和32。

诸如外部绕组的绕组可以是漆包绕组。因此，绕组包括导体18A，诸如铜或铝的导体，该导体由固体绝缘物18B包围，该固体绝缘物可以由聚合物瓷漆形成。因此，该至少一个绕组可以包括漆包绕组，该漆包绕组包括由固体绝缘物包围的导体。该至少一个传感器可以包括印刷电子传感器，该印刷电子传感器包括印刷在绝缘基板上的电子器件。因此，诸如第一传感器26A的传感器可以被实现为绝缘基板S上的印刷电子器件PE，该绝缘基板也可以是柔性基板。如图所示，基板S面向至少一个绕组，并且因此也面向绕组的固体绝缘物18B。传感器26A可以直接附接到绕组18。通过由于使用固体绝缘物18B和基板S而被绝缘的传感器26A和绕组两者，来自传感器26A的对绕组的操作的干扰(反之亦然)被限制。此外，通过放置在绕组附近，传感器对电场分布具有有限的影响。因此，传感器在设备的操作期间损坏绝缘物的风险也很低。如果绝缘不充分，可以在传感器和漆包绕组之间设置一层或多层附加的固体绝缘物。

壳体中可以存在另外的绝缘物。

如图所示，在变压器中可以存在固体绝缘物30和32。因此，变压器的两个绕组之间存在固体绝缘物。因此，至少一个传感器被放置在固体绝缘物和相应的绕组之间。该固体绝缘物30和32可以通过使用纤维素的片(诸如压制板或牛皮纸)来实现。不同的片可以附加地使用环氧树脂连接在一起。

附加地，壳体可以用固体绝缘物完全填充，这可以例如使用环氧树脂来实现。

作为替代性方案，代替固体绝缘物或除了固体绝缘物之外，电磁设备可以在壳体中包括流体绝缘物。流体绝缘物可以包括液体和/或气体绝缘物。除了基于纤维素的固体绝缘物之外，壳体还可以填充有绝缘流体，作为示例该绝缘流体可以是液体，诸如矿物油。然而，也可以考虑其它类型的液体，诸如酯油、气液油和硅油。作为替代性方案，流体绝缘物可以是气体，诸如SF6。在这种情况下，放置在启用的绕组之间的固体绝缘物可以是芳族聚酰胺基的，而不是纤维素基的。

至少一个传感器被提供用于感测电磁设备的至少一种性质或缺陷。传感器因此可以被配置成感测电磁设备的至少一种物理性质或缺陷，其可以是绝缘物的性质或缺陷，诸如流体和/或固体绝缘物的至少一种性质。作为示例，传感器可以是温度传感器。可以使用的其它类型的传感器是湿度传感器和声学传感器。这些传感器都是无线的，并且可以使用合适的短程通信技术，诸如近场通信(NFC)或射频识别(RFID)。传感器因此可以是无源传感器。因此，至少一个无线传感器可以包括无源无线传感器。由于传感器是无源的，因此它们不需要任何自己的电源用于其操作，而是由有源通信单元的无线传输来触发操作和供电。更特别地，它们可以被提供为标签，当被通过有源无线通信单元实施的读取器读取时传输数据。在NFC或RFID的情况下，有源无线通信单元因此可以是被配置成读取无源传感器的标签的读取器。

作为替代性方案，传感器也可以是有源的。因此，至少一个无线传感器可以附加地或替代地包括有源无线传感器。在这种情况下，传感器可以配备有能量采集单元。在这种情况下，能量采集单元因此可以设置成连接到相应的有源无线传感器并且配置为对其供电。因此，用于操作传感器的能量可以通过采集能量(如壳体内侧的电场强度和振动能量)来获得。在这种情况下，也可以使用其它类型的无线通信，诸如WiFi或蓝牙(如低能量蓝牙(BLE))。

如图6所示，多个传感器可以与有源通信单元无线通信，该有源通信单元又可以与测量控制单元34通信。作为示例，第一组中的两个传感器26A和26B以及第二组中的一个传感器28A可以与第一有源无线通信单元14A通信，其中待与有源无线通信单元14A通信的传感器可以是在绕组结构的分配给有源无线通信单元的区域中的并且没有被第一磁轭从有源无线通信单元视觉上阻挡的传感器。有源无线通信单元和测量控制单元26之间的连接可以是有线的或无线的。在这种情况下，无线通信不限于短程通信。作为有线和无线通信的替代性方案，也可以使用光通信。在这种情况下，用于有源无线通信单元的电力也不是问题。如上所述并且如图6所示，有源通信单元14A和传感器14、16、18和20之间的通信是无线的。

在电磁设备的操作期间可能很重要的传感器测量是绝缘流体的温度测量。该温度传统上被测量为顶部油测量，其靠近壳体的顶部。然而，壳体中的其它区域中的温度测量可能更为重要。绕组可以被认为是流体中的浸没式加热器。出于这个原因，测量由绕组引起的流体绝缘物中的热点温度(诸如由外部绕组引起的流体绝缘物的热点温度)可能是重要的。通过将温度传感器放置在绕组上的适当位置，可以容易地测量这些温度。作为示例，热点可能出现在外部高压绕组的顶部处，其中在这种情况下，该顶部是竖直方向上的顶部。这些温度可以在电磁设备的操作期间被连续测量，并且被传输到测量控制单元。

绝缘物也可能在操作期间劣化，该劣化可能是由绝缘物中的局部放电引起的。这些局部放电可以使用声学传感器测量。

可以被测量的另一性质是湿度。可以在电磁设备的生产期间测量湿度，并且湿度可以指示生产中的任何故障。其也可以在操作期间测量。

传感器也可以用于气体分析和/或化学分析。

可以看出，在生产和操作期间可以测量许多性质和缺陷，这提高了最终产品的质量，也提高了安全操作。

出于这个原因，传感器不需要附接到绕组。其可以放置在壳体中的任何地方，例如，在固体绝缘物上或者在芯部的一部分上，诸如磁轭。

给定示例的有源无线通信单元包括两个天线。在这种情况下，天线可以是指向由有源无线通信单元覆盖的区域中的一个或多个传感器的定向天线。至少一个天线因此可以指向至少一个相应的传感器。每个传感器至多可以与相应的天线通信。通过使用定向天线，可以提高通信效率。提高通信效率的另一方法是通过优化传感器和绕组导体之间的距离。

先前描述的各种性质和缺陷是温度、湿度和局部放电。应理解，也可以测量其它性质和缺陷。例如，还可以测量电性质。

先前描述的测量控制单元可以使用运行在处理器上的软件来实施。作为替代性方案，其可以通过专用集成电路来实现，诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。

从前面的讨论可知，本发明可以有多种变化方式。因此，应理解，本发明仅受以下权利要求限制。

Claims (13)

1.一种电磁设备(10)，包括：

壳体(12)，

至少一个绕组(16，18)，位于所述壳体的内部，

至少一个无线传感器(26A，26B，26C，26D，26E，26F，28A，28B，28C)，用于感测所述电磁设备(10)的至少一种性质或缺陷，以及

至少一个有源通信单元(14A，14B，14C，14D)，包括收发电路系统(14A1)和至少一个天线(14A2，14A3)，

其中，所述收发电路系统(14A1)放置在所述壳体(12)的外部，并且所述至少一个天线(14A2)放置在所述壳体(12)内侧，用于与所述至少一个传感器(26A，26B，28A)通信，

其中，所述至少一个传感器包括附接到所述绕组的至少一个传感器，并且

其中，所述附接到所述绕组的至少一个传感器(26A)是包括印刷在绝缘基板(S)上的电子器件(PE)的印刷电子传感器，其中所述基板面向所述至少一个绕组(18)。

2.根据权利要求1所述的电磁设备(10)，其中，所述壳体(12)是金属壳体。

3.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备(10)，其中，所述至少一个绕组(18)包括漆包绕组，所述漆包绕组包括由固体绝缘物(18B)包围的导体(18A)。

4.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备(10)，其中，所述至少一个绕组由绝缘物包围。

5.根据权利要求4所述的电磁设备(10)，其中，所述绝缘物包括固体绝缘物(30，32)，并且其中，所述至少一个传感器(26A)放置在所述固体绝缘物(30，32)和相应的绕组之间。

6.根据权利要求4或5所述的电磁设备(10)，其中，所述绝缘物包括呈气体和/或液体形式的流体绝缘物。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的电磁设备(10)，其中，所述至少一个传感器被配置为测量所述绝缘物的性质或缺陷。

8.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备(10)，其中，所述至少一个天线朝向至少一个相应的传感器定位。

9.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备(10)，其中，所述至少一个有源通信单元放置在所述壳体的顶部处，并且所述至少一个传感器包括放置在绕组的顶端处的传感器，所述顶端最靠近所述有源通信单元。

10.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备(10)，还包括具有磁轭(22)的芯部(20)，其中，所述芯部限定中心轴，所述至少一个绕组(16，18)围绕所述中心轴缠绕，并且所述磁轭在与所述中心轴成直角的方向上延伸，从而将由所述至少一个绕组形成的绕组结构划分成两半，并且所述至少一个有源无线通信单元和与其通信的至少一个传感器在所述磁轭的方向上从所述磁轭移位并且放置在所述磁轭的同一侧。

11.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备(10)，其中，所述至少一个天线由能够承受高温，例如高达约170℃，的材料铸造而成。

12.根据前述任一项权利要求所述的电磁设备，其中，所述至少一个无线传感器包括无源无线传感器。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的电磁设备，其中，所述至少一个无线传感器包括有源无线传感器，并且还包括连接到所述有源无线传感器并且被配置为向所述有源无线传感器供电的能量采集单元。

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