CN1193235C - 电压传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压传感器。通过具有电阻屏蔽(RS)的材料制造的电隔离部件形成一种用于测量高压线上的电压的电压传感器，该电隔离部件构成由隔离部件两端之间的电压差产生的电场，并提供内部电场与电压传感器外部的电场干扰源之间的屏蔽。设置至少一个电场传感器，以探测隔离部件中的电场，其输出被用于推断电压差。

Description

电压传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量电压的电压传感器，尤其适于测量诸如高压电传输线上的高压。
背景技术
已知的高压电压传感器包括电感互感器(inductive transformer)、电容分压器或电容电压变换器、以及利用块体光电场传感器(bulk-optic electric fieldsensor)的换能器。前面的两种传感器具有带宽受限、故障损失大、维护工作多、重量重和输出不稳定的缺点。它们还具有需要良好的绝缘的缺点，该绝缘既是昂贵的，也对环境有潜在的危险(例如油脂和/或SF6气体)。
珀克斯传感器(Pockels cell)是公知的已用于测量电压，尤其是高压的装置，例如见授予H.Hamada的美国专利第5477134号和授予G.K.Woods的美国专利第573 1 579号。用于本发明的珀克斯传感器的优选形式为整体式光学珀克斯传感器，如1991年7月2日授予Jaeger的美国专利第5,029,273号中所述的传感器，该专利在此处参考引用。
1999年6月29日授予A.Bosco、T.Hertig和A.Kaczkowski的题为“金属包封的气体绝缘的高压装置的测量装置(Measuring device for ametal-enclosed，gas-insulated high-voltage installation)”的美国专利第5,917,316号说明了一种高压电压传感器，该传感器利用了一金属封壳来获得高的测量准确性，该封壳为位于封壳内的电压探测器提供了抵抗外电压源的屏蔽。该封壳包括一高压导体，并填充有加压的SF6气体，以维持高的电场应力。
一更早的申请(即Jaeger等人在1998年12月4日提交的美国专利申请第09/204,507号)公开了与本发明相似的电压传感器，但是是一种导纳屏蔽(Admittance Shielding)(AS)主要基于介电屏蔽的电压传感器，该申请在此处参考引用。此屏蔽虽然是有效的，但是需要使用具有高介电常数的材料，该材料并不总是易于获得，并且通常昂贵而较重。
使用与本发明所用的大致相似的电压传感器(voltage transducer)(VT)的其它系统(即，使用至少一个电场传感器(EFS)以给出电压测量结果的那些系统)使用如以下详细描述的导纳屏蔽(AS)以提高系统的效能。这些已知的导纳屏蔽系统通过控制金属导体(电极)的几何形状(或如上所述选择具有较大介电常数的材料那样(如所述Jaeger等人的申请中所教导的那样))来构造，以获得优良的导纳屏蔽。
例如，获得AS的一种方法是有效地减小两个导体之间的距离，将测量在该两个导体之间的电压。另一种方法是用其它导体尽可能多地围绕一个导体。这两种方法都具有增加两个导体之间的导纳的效果，EFS位于该两个导体之间。这些方法的使用导致高电场应力的存在，该电场应力必须由诸如SF6气体的特殊绝缘体支撑。此例子可以在1976年2月10日授予W.Hermstein、G.Rosenberger和W.Muller的题为“用于密封高压装置的电压测量装置(Voltage measuring device for encapsulated high-voltageinstallations)”的美国专利第3,938,039号；1993年12月21日授予R.Baumgartner、K.Y.Haffner、H.Hageli和A.Kaczkowski的题为“用于金属包封的气体绝缘高压装置的电流和电压转换器(Current and voltagetransformer for a metal-encapsulated，gas-insulated high-voltage installation)”的美国专利第5,272,460号；1999年4月6日授予G.K.Woods和T.W.Renak的题为“用于探测电场中电压的电光电压传感器(Electro-optic voltage sensorfor sensing voltage in an E-field)”的美国专利第5,892,357号；以及1993年10月22日授予O.Tetsuo的题为“绝缘体内建型光电压传感器(Insulatorbuilt-in type photo voltage sensor)”的日本专利第05273256号中找到。
电阻材料在高压应用中的使用是公知的(例如，在用于分隔电压的电阻分压器中，或在用于在高压电缆端部测量电场的电缆接线端处)，但未用于为了测量电压的(EFS)屏蔽。
发明内容
本发明明显减少了现有高压传感器技术中的不足。
本发明的简单结构主要去除了对通常昂贵的和/或不利于环境的绝缘体的需要；可以作得更轻，这使更便宜的运输、安装和维护成为可能；并与现有的支座绝缘子(standoff)结构兼容，这允许简单的构造。
当与诸如整体式光学珀克斯传感器的小型电场传感器技术一起使用时，本发明提供了宽的带宽和与新兴的数字技术的轻易结合。
总体上，本发明涉及一种测量电压的装置，该装置包括：一电隔离部件；一对间隔的导体，其间的电压差V得以确定，所述导体中的一个在所述隔离部件的一端，而另一个在所述隔离部件的远离所述一端的端部；至少一个电场传感器，该传感器在所述隔离部件内的至少一个位置处探测电场；一个检波器，用于基于由所述至少一个电场传感器探测到的所述电场确定所述电压差V的值Vd，所述隔离部件由主要是电阻性的材料形成，该材料具有处于25GΩ至50kΩ范围内的电阻，从而为所述至少一个位置提供与所述装置外部的实际强度的电场干扰源隔开的足够屏蔽，使得实际强度的所述源不改变在所述至少一个位置处探测的所述被探测电场，以在所述电压差V的所述值Vd上不产生明显误差。
总体上，本发明还涉及一种测量电压的装置，该装置包括：一电隔离部件；一对间隔的导体，其间的电压差V得以确定，所述导体中的一个在所述隔离部件的一端，而另一个在所述隔离部件的远离所述一端的端部；至少一个电场传感器，该传感器在所述隔离部件内的至少一个位置处探测电场；一个检波器，用于基于由所述至少一个电场传感器探测到的所述电场确定所述电压差V的值Vd，所述隔离部件由主要是电阻性的材料形成，该材料具有处于25GΩ/m至50kΩ/m范围内的每单位长度电阻，从而为所述至少一个位置提供与所述装置外部的实际强度的电场干扰源隔开的足够屏蔽，使得实际强度的所述源不改变在所述至少一个位置处探测的所述被探测电场，以在所述电压差V的所述值Vd上不产生明显误差。
优选地，每单位长度的所述电阻在1GΩ/m至500kΩ/m的范围内。
优选地，所述的足够屏蔽将所述的所确定的电压Vd的误差减小至小于不使用所述隔离部件时获得的Vd的误差的25％。
优选地，所述的足够屏蔽将所述的所确定的电压Vd的误差减小至小于1％。
优选地，所述的足够屏蔽将所述的所确定的电压Vd的误差减小至小于0.3％。
优选地，所述的隔离部件是中空部件，该电场传感器安装在其中。
优选地，该隔离部件的材料是掺有碳黑的聚乙烯。
优选地，该隔离部件包封在一护套中，该护套保护所述的隔离部件不受环境影响。
优选地，该电场传感器是光学电场传感器。
附图说明
根据以下结合附图的详细说明，其它特点、目的和优点将变得清晰，其中：
图1示出了本发明的基本结构；
图2示出了可在高压变电站中安装的本发明的电场传感器电压传感器(EFSVT)结构；
图3以导纳的形式示出了本发明的简化的集总元件电模型；
图4显示了具有100kV施加电压和变电导的支座绝缘子结构情况下，一实施例的电场分布的x分量的数值的曲线；
图4A显示了具有100kV施加电压和变电导的支座绝缘子结构情况下，一实施例的电场分布的x分量的相位的曲线；以及
图5是本发明的一种变体的与图1相似的视图，显示了形成隔离部件的实心棒(相反于空心柱)的使用。
具体实施方式
本发明基于申请人的发现，即，电阻屏蔽(RS)不仅可用于高压测量以将传感器与外界干扰源隔开，它还可以被制造得实际上在屏蔽上与现有技术的屏蔽一样有效，并且还具有提高的性能。电阻屏蔽(RS)有赖于具有电导的电阻材料，该材料比要求电容或介电屏蔽的高介电常数材料更容易获得。电阻材料广泛且以多种方式获得，当实施本发明时，存在使用非常薄的延性材料，甚至适当设计的覆盖传感器的适当形状和大小的外壳(隔离部件2，这将在以下说明)的电阻性的材料的涂层的可能，与上述Jaeger等人的申请中所说明的介电屏蔽相比，这提供了更好的屏蔽，并大大减小了尺寸和重量，并且这不依赖于金属电极处理。
本发明的RS系统取决于对形成本发明隔离部件2的电阻材料进行选择。所选的材料应具有较小的电导率，即隔离部件2应具有25GΩ/m至50kΩ/m范围内的单位为欧姆(Ω)/米(m)的单位长度电阻(在隔离部件2的相对端处的接线端或电极8和10之间的方向上，在隔离部件2的图示布置的轴向上测量)，更优选地为1GΩ/m至500kΩ/m。公式为R＝L·ρ/A，其中，R为电阻，ρ为均匀的“电阻率”，A为横截面面积，且L为长度(等价地，G＝A·σ/L，其中G为电导，σ为均匀的“电导率”，A为横截面面积，且L为长度。G＝1/R且σ＝1/ρ)。于是，定义隔离部件2的单位长度电阻就定义了具有长度为L的隔离部件的电压传感器的积ρ/A。如果电导率是均匀一致的且垂直电场分量也是均匀一致的，则此公式为真。如果电导率不是均匀一致的和/或垂直电场分量不是均匀一致的，则R、A、ρ和L之间的关系在数学上更复杂，但依然具有相同的意义，即，电阻R随横截面面积A增加而减小，随电阻率ρ增加而增加，并随长度L增加而增加。通常对于大多数HV应用来说，隔离部件2应当具有25GΩ至50kΩ范围内的电阻。
本发明的系统提供了电压测量，即确定所测量的电压V的值Vd，使得因外部源的干扰导致的Vd相对于实际电压V的误差较小，优选地小于6％，优选地小于1％，更优选地小于0.3％，最优选地小于0.1％。
图1中示意性显示的发明物1的基本元件包括一内管或隔离部件2，它具有“顶”电极8和“底”电极10，各自在其轴向端中的一个上。应当认识到的是，隔离部件2不必以其纵轴垂直定位。至少一个电场传感器(EFS)6(仅一个是必要的，但如果需要可以使用多个)安装在该隔离部件2的选定位置(见以上提及并在此处参考引用的所述Jaeger等人的申请)。传感器中的每一个都包括用于接收输入光波的光学输入口和至少使一部分输出光波通过的光学输出口。多个光学电场传感器中的每一个在其相应的位置响应电场，其中光学电场传感器串联连接，从而输入光波首先进入多个光学传感器的第一个的输入口，至少部分通过其中，并从出口出来，接着至少部分地进入、通过其余的多个光学传感器的出口，由此提供从多个光学传感器的最后一个的输出口出来的输出光波，使得输出光波根据多个光学电场传感器的每一个探测的电场总和变化。EFS通过光纤11连接至探测单元12。EFS测量用于确定电极8和电极10之间的电压差V的值Vd。
当使用超过一个EFS时，每个EFS的输出可以分开测量，并顺序地与其它EFS的测量合并，以确定电压差Vd；或者所有的EFS可以串联，每个均可以选定为具有不同的灵敏度，使得电场测量的合并借助经过串联传感器的光而物理地发生，以确定所述的电压差；或者可以使用上述的独立和串联EFS的任意组合，以确定所述的电压差(见以上提及的所述Jaeger等人的申请)。
应用于测量线对地电压的支座绝缘子21的发明物1示意性地示于图2。支座绝缘子21由发明物1的上述基本元件形成，包括内管2，该内管由一外护套(外管)3围绕，该外护套具有绝缘裙部4和轴向端部处的与诸如支柱5的导电(通常是金属的)元件连接的凸缘13，该支柱还支撑支座绝缘子21。所述外管3又可称为中空绝缘柱。外管3和绝缘裙部4设置来保护发明物1不受外界环境干扰，同时在发明物两端之间提供了绝缘和机械支撑。在此实施例中，图2中，金属支柱5连接到附图标记9示意性表示的地上，且顶电极8连接到HV线上。电晕放电环7悬挂在加载有高压的其顶电极8附近，以弱化高电场，否则，该高电场可能出现在顶电极8上，它可能导致飞弧。顶电极8通常在非常高的电压下与HV线电连接，且发明物1将用于测量线对地电压。
如果需要，隔离部件2可以与外管3做成一体的，而不是与外管3间隔的独立体。应理解的是，可以使用覆盖外管3的表面的适当选择的电阻性的材料的涂层，以形成隔离部件2。
通常，发明物1可以定位在任意两个导体之间并与之相连，在该两个导体之间，电压得以测量，例如三相系统中的两相之间的电压。
在图1所示的实施例中，隔离部件2已经显示为一中空管状部件，其外径为do，内径为di，厚度为d(do-di＝2d)，长度为L。显然，如果管状部件为实心的(非中空)，di为零(0)，如果需要，该管可以是这样。隔离部件2的横截面面积A显然为di和do的函数。隔离部件2的面积A、长度L、电导率σ、介电常数ε和磁导率μ确定了导纳屏蔽AS，并且如以下参照图4和4A所述的那样，根据本发明以特定的方式调节，使得用于制造隔离部件2的材料的电导率和隔离部件2的横截面面积A为所选值，以影响电场的结构，从而与发明物1有效运行所需的电场一致。
用于制造隔离部件2的给定材料的L的选择根据诸多因素确定。一个重要的因素是安全性。长度L应当足够长以确保安全。值L将得以选择，使得在由诸如电气和电子工程师协会(IEEE)、美国国家标准协会(ANSI)、国际电工委员会(IEC)、和/或其它地区和国际标准的主管团体规定的任何合理运行条件下，隔离部件2内外任何位置处的电场不大于材料的击穿强度(电场)。通常，隔离部件的最小长度L受最大可接受电场强度的限制(更接近的电极，更高的强度)，且隔离部件的最大长度L受发明物的所需大小和重量限制，该发明物优选地尽可能小。
给定材料的横截面面积A(例如厚度d)的选择还受诸多因素限制。两个重要的实际限制是尺寸和重量。横截面面积A将得以选择，使得尺寸和重量足够小，以满足安装的需要和机械稳定性。
隔离部件2不必是管状的或均匀一致的。它可以具有不同的形状，可以是均匀的或不均匀的。例如，它可以具有矩形横截面，可以是中空的或实心的，在隔离部件中的不同位置处采用不同的材料(具有不同的电阻率)。形状和材料的选择主要取决于应用，且本专利申请中所教导的原理可用于确定实际应用中使用的隔离部件的适当结构。例如，模拟表明，具有周围非均匀屏蔽(变化的电阻率)的轴向对称管起作用，且据信非对称轴向非均匀性也很好地起作用；据信，重要的是隔离部件的实际电阻、以及相对于干扰源与传感器的接近度的传感器与屏蔽的接近度。
当电压V跨越电导G施加时，热以V2·G的速率产生。具有电导G(在本发明的情形下是隔离部件2)的物体必须消耗此热。通常，通过诸如热导、对流和辐射的机制，该热耗散到周围环境中，该机制取决于物体的例如形状、材料和温度的物理性能和条件，以及周围环境的例如材料和温度的物理性能和条件。如果产生的热不能耗散，则物体将过热，甚至损坏。在隔离部件的情形下，其形状、横截面面积A、长度L和材料性能必须以这样一种方式设计，即，考虑到其工作的环境，例如温度范围，这种过热不发生。
此外，物体中产生并随后消耗的热与功率P＝V2/R的大小有关。在隔离部件的情形下，此功率P从被测量电压差的导体获得。必然地，为了不浪费能量，对于可接受的发明物，此量必须保持充分小，因此，最大电导率也必须充分小。例如，对于具有3000安培电流的130kV线对地(约230kV线对线)传输线，沿线传输的总功率约为Pt＝130,000×3,000瓦(W)＝390MW。为了使用具有R＝10MΩ(G＝0.1μS)的隔离部件的本发明物测量此线上的电压，所消耗的功率P为P＝(130,000)2/107W＝1.69kW。于是，功率损失的分数为P/Pt＜0.0005％。
材料的实心棒的导纳直接与材料的电导率和介电常数、以及棒的横截面面积相关(与“do”和“di”相关)，并反比于棒的长度(与“L”相关)。因此，可以通过改变棒的几何形状获得具体的导纳，这是某些现有技术中同样采用的，该现有技术的同样的棒由空气制造，且棒端部的电极形状也被改变，例如该电极非常靠近，且棒非常短，直至电极之间的导纳高到足以提供充分的屏蔽。可选地，如上述Jaeger等人的申请所教导的那样，介电常数可以提高。实际上，介电常数和电导率可以一起增加以提高屏蔽。
在本发明中，采用电导的增加，这允许不同几何形状和不同材料电导率之间的交换。于是，在本发明的电阻屏蔽中，电极不必靠在一起(需要使用特殊的绝缘)，隔离部件2的横截面面积也不必增加(导致更大的尺寸和重量)，相反，本发明利用了改变隔离部件2的材料特性的灵活性，特别是其电导率。
当电压差施加在隔离部件2的顶电极8和底电极10之间时，例如当顶电极8与高压电连接，底电极10与地连接时，构成隔离部件2的材料导致隔离部件2内和周围的有组织的电场分布。随着发明物1的隔离部件2的电导G增加，这可以通过利用具有更高电导率σ的材料实现，电场的x分量(相对于管状部件的纵轴的轴向分量)的数值和相位分布结构改变，即，数值分布变得更均匀，如图4和4A中所描绘的结果所示(比较G＝0西门子(S)与G＝10nS)。
形成隔离部件的潜在有用的电阻材料的一个例子是掺碳黑的聚乙烯。通过改变碳黑的掺杂水平可以获得不同的电导率。例如，薄膜(约0.1mm厚)可以由聚乙烯制造，该聚乙烯包括以在40phr(每百分中的分数)至50phr范围内变化的水平在其中均匀分布的碳黑，且该薄膜可以沿外护套(外管)3的内侧定位，用于230kV级电场传感器电压传感器(EFSVT)中的良好电阻屏蔽。
虽然系统以电导G＝0运行，且依然基于EFS测量确定电压，但是所确定的电压在电场分布明显改变时可能不精确，见所述的Jaeger等人的申请，并且/或者EFS测量在外电场干扰源存在(不充分的屏蔽)时改变。系统的总体精度在导纳的数值较大时提高，即，电场分布较少地受外部干扰影响。通常的外部干扰包括各种电势下的其它导体的存在、以及所述外管3和其绝缘裙部4上和周围的污染效应、以及其它的附近结构，导电的或不导电的，移动的或静止的。通常，许多这些影响中的效应不严重，因为其它结构通常位于一距离处，该距离大到足以符合安全要求，且利用各种有关的IEEE、ANSI、IEC和/或其它标准或准则对各电压级别进行确定。
本发明是对现有技术的显著提高，因为通过增加形成隔离部件2的材料的电导率σ获得了系统的总体精度，即实现了充分的导纳屏蔽，这增加了隔离部件2的电导G。最重要的是，L可以选择来大到足以防止因紧密的接近度导致的高电场强度，因此消除了对导致更简单、更安全的电压传感器的特殊绝缘的需要。例如，对于230kV EFSVT，对于2.07米长的隔离部件2，隔离部件2的电导G可以是10nS(1×10-8S)(平行于隔离部件2的纵轴测量)。
有限数量的电场传感器(EFS)位于隔离部件2内，定位在隔离部件2中的EFS的总数例如可以设置为高达200，但通常不超过9，且一般地小于6。EFS的数量可如上述Jaeger等人的专利申请中所述那样选择，该申请在此处得以参考引用。
EFS的优选形式是小型光学EFS，例如整体式光学电场传感器(IOEFS)，更特别地是如以上提及的Jaeger专利中所述的整体式光学珀克斯传感器(IOPC)EFS、和小型块体光学珀克斯传感器。可以使用其它适当的EFS。例如，可以使用马修-森得尔(Mach-Zehnder)型电场传感器，诸如在一旁路中具有域反转的那些(例如见1995年2月的光学通报(Optics Letters)第20卷第3期第288至290页的N.A.F.Jaeger和L.Huang的文章“Push-PullIntegrated-optics Mach-Zehnder Interferometer with Domain Inversion in OneBranch”，或1993年11月30日授予Sriram等人的美国专利第5,267,336号所述的传感器)。
其它EFS的例子可以在以下美国专利中找到：1990年5月29日授予K.Bohnert、M.Kaufmann和J.Nehring的题为“Fiber-optic electric field sensorwith piezoelectric body sensor”的第4,929,830号；1991年10月1日授予K.Bohnert和J.Nehring的题为“Device for measuring an electric field”的第5,053,694号；1991年10月1日授予K.Bohnert和W.Buser的题为“Fibreoptical sensor”的第5,053,693号；1995年12月12日授予M.Ingold的题为“Fiber-optic quartz voltage sensor”的第5,475,773号；以及1998年3月24日授予G.K.Woods的题为“Electro-optical voltage sensor head”的第5,731,579号。另外的EFS例子可在S.Weikel和G.Stranovsky在1995年7月20至21日在波兰俄勒冈召开的EPRI Optical Sensors for Utility T&DApplications Workshop会议上发表的题为“Application of an Electro OpticVoltage Transducer at 345kV”的文章中找到。
此外，本申请中使用的“重大地”，或诸如“明显地”或“充分地”的其它措辞用适用于特定应用的适当的IEEE、ANSI、IEC和/或其它标准或准则来确定。例如，对于北美的税收测量，VT通常要求具有小于±0.3％的偏差，即，“不会改变…以对所述确定的电压差Vd产生明显的误差”表明“确定的电压差(Vd)在实际电压差(V)的±0.3％以内”。显然，对于其它的应用或其它标准，术语“重大地”或“充分地”或“明显地”对应于其它的数值。
另一个例子是一种VT，它必须满足根据IEC标准60044-2(1997-02)的3P类中继标准；基本上，允许VT在测量电压数值时在Vd上有±0.3％的偏差，而在测量功频电压(通常是60Hz或50Hz的信号)的相位时有±2°的相位角误差(当然，在标准上有许多其它的要求，该要求超出了此简略示例的范围)；因此，在此情形下，“不改变…以对所述确定的电压差Vd产生明显的误差”表明“确定的电压差(Vd)的数值在V的实际数值的±0.3％内，且电压差确定值(Vd)的相位角在实际相位角的±2°内”；换句话说，它表明“VT符合根据IEC标准60044-2(1997-02)的所有3P类精度要求”。通常，“重大”变化或误差是指这样的变化或误差，只要涉及到相关的应用或情形或要求，该偏差对设备的用户是不可接受的。也即，“足够的精度”意味着“足够小的误差”，使得用户对设备精度的要求得以满足。本专利中诸如“充分的屏蔽”的其它术语得以类似地解释。在高压或电力工业中，这些精度要求通常由上述那些技术管理机构推荐或设定。
如上所述，屏蔽可得以应用，使得隔离部件2将Vd的误差减小，以优选地小于不使用屏蔽时获得的Vd的误差的25％。按绝对值算，该屏蔽得以提供，以优选地将误差减小至小于6％，更优选地小于1％，更优选地小于0.3％，如上所述。
现在将说明使用这种类型传感器的考虑因素。
EFSVT的设计思路
EFS的输出是对EFS内部电场的具体分量的强度的测量；例如见IEEETrans.on Power Delivery杂志1995年1月第10卷第1期第127至134页N.A.F.Jaeger和F.Rahmatian的题为“Integrated Optics Pockels Cell High-VoltageSensor”的文章。需要使用这种传感性能来测量本发明的顶电极8和底电极10之间的电压；例如，当支柱5和底电极10接地时，连接到顶电极8上的电线的线对地电压。
更明确地，因为由带电电极感生的电场与电极上的电势直接相关，所以可以在隔离部件2内的空间中的一个或多个点上使用一个或多个电场传感器，以推测两端之间的电压差(见上文提及的Jaeger等人的申请)。
导纳屏蔽(AS)
利用用于测量HV传输系统中两点之间电压的本发明，适当的EFS可以通过适当地放置在连接到传输线上的支座绝缘子结构21中某处而得以使用。支座绝缘子21通过发明物1的基本元件形成，包括内管2，它由具有绝缘裙部4和凸缘13的外护管3围绕，该凸缘在轴向端上以与诸如支柱5的导电(通常是金属)元件连接，在此情形下，该支柱还支撑发明物1。EFS输出被用于推定传输线的电压。因为EFS输出取决于电场，所以支座绝缘子结构21必须以一种方式改变，从而减小附近的其它HV传输线和其它任何结构的耦合效应。
利用本发明，可以设计系统来测量任何合理的电压。经济(和安全)利益，即实际应用范围，将在几千伏特范围内的更高电压处。
在包括至少一个电源的任何空间中存在的准静态电磁场可用通过包括电容、电感和电导的无源电路元件、以及至少一个等电流或电压源局部互连的节点网络近似地代表(详见作者为D.M.Pozar的Addison-Wesley公司1990年出版的《微波工程(Microwave Engineering)》)。每个节点代表空间中的一个点，并连接到代表空间中相邻点的其它节点上。每个节点的电压代表空间中各点处的电势。
图3所给出的模型虽然简单，但对于概念性说明导纳屏蔽概念的某些特征有用。如图3所示，支座绝缘子21可以近似模拟成N个叠置单元的集总线性导纳网络。每个单元具有中心自导纳Yc、中心到隔离部件导纳Yci、隔离部件自导纳Yi、内部与外部耦合导纳Yie、外部自导纳Yp、接地导纳Yg、线导纳Yl、以及外部线和源导纳Ys。例如IOPC的EFS物理上位于隔离部件2的内部，并有效地局部测量电势分布的梯度，该电势分布沿隔离部件2的中心存在，并由连接中心自导纳Yc的内部单元节点的电压代表。已知隔离部件2的自导纳Y为N个自导纳Yi的函数。
在图3中，支座绝缘子21被视作各垂直叠置单元的组合。Yc代表沿一单元中心的空间区域的自导纳，并且因为此区域通常由空气占据，所以Yc主要是电容。Yi代表一单元中隔离部件2的材料的自导纳。Yp代表一单元中外管3材料、绝缘裙部4材料和可能存在的污染材料的自导纳。根据每种材料，每个相关的导纳(Yc、Yi、Yp)是电导、电容、电感，或三种的组合。Yci代表沿一单元的中心的空间区域和该单元中隔离部件2之间的耦合。Yie代表一单元中隔离部件2与该单元中外管3、绝缘裙部4和可能存在的污染物之间的耦合。Yg、Yl和Ys分别代表一单元中外管3、绝缘裙部4和可能存在的污染物与地、被测量高压线和其它具有有效值V′的线或源之间的耦合。Yci、Yie、Yg和Ys主要是电容(空气耦合)。此外，除了非常高的频率，上述电感小至可忽略。
例如，为了使用一个EFS测量线电压，必须实现EFS位置处电压分布和线电压之间的确定的一对一关系。这可以通过确保隔离部件的自导纳Yi的数值远大于可以改变的任何其它导纳(例如外导纳Yp、Yg和Yl)来完成。在此情形中，线到地的电流主要限制在该单元的内部旁路上，且其它导纳的任何改变对内部电流分布的影响可忽略。接着，中心电压分布因为外部导纳的改变还保持不变，且由EFS进行的电压梯度的测量与线电压之间的一对一关系保持不变。Yg、Yl和Ys的变化主要是电容性质的，且代表外部电结构的位置和形状上的变化，例如传输总线、变压器和大气，同时，Yp上的变化主要是电导性质的，并代表绝缘裙部表面状态因水、冰和其它污染物引入导致的变化。主要为电容性质的内部对外部耦合电感Yie的数值的降低改善了内部场分布对外部污染的电隔离，且能通过增加外管3的外径和/或通过减小内管2的外径do实现。
根据集总导纳模型，Y可以在数值上增加，以提高隔离并减小区域内的外部耦合效应。隔离部件2的5个参数可以改变以增加导纳Y的数值：
(1)长度L，
(2)横截面面积A，
(3)电导率σ，
(4)相对介电常数ε，
(5)相对磁导率μ。
通常，对于由固定电性能的材料形成的任何隔离部件2，隔离部件2(见图1和2)的较短长度L和/或较大的横截面面积A导致了较小的阻抗，并因此导致了较大的Y。此外，通常对于具有固定几何形状的任何隔离部件2，隔离部件2的较高的电导率σ、较高的介电常数ε和/或较低的磁导率μ导致了较大的Y。实际上，如本发明所教导的那样改变σ则使在获得所需的Y上非常灵活。依然这样，对参数(1)至(5)的值的选择取决于各种考虑因素，诸如电压传感器的精度和安全要求。此外，根据集总导纳模型并为了减小Yie，应当更加中心地将隔离部件2的高导纳材料限制为提高中心电场与杂场效应之间的隔离。
适当的设计过程包括拟合电压传感器柱、考虑各种相关标准(如上所述)提供的限制、考虑精度要求、并考虑适当材料的可用性，其电性能、重量、热的产生与耗散，以及制备经济、精确(对于预期的应用)和安全的电压传感器的成本。
示例-EFSVT测试模拟
在以下的例子中，通过模拟说明并评价了EFSVT支座绝缘子(尤其是支座绝缘子21的隔离部件2)的性能。EFSVT结构示于图2。
待分析的具体支座绝缘子具有Lc＝2245mm的长度，且由具有高度Ls＝2m和直径ds＝400mm的接地支柱支撑。此外，它还在顶电极的底部具有电晕放电环，该环具有539mm的内径和671mm的外径。有45个橡胶绝缘裙部；一个具有300mm内径和312mm外径的外部玻璃纤维管；一个内隔离部件2，它是一种具有内径di＝198mm和外径do＝206mm的管；以及一个电极到电极空间，L＝2070mm。此处，不同的EFSVT例子具有不同的内管大电阻，1012、109、108、5×107和106Ω。内和外管的相对介电常数为5，且围绕媒质的相对介电常数为1(空气)。这些电阻分别相应于0、1pS、1nS、10nS、20nS和1μS的电导。在所有的例子中，在空间中的一点处测量平行于隔离部件的轴的电场的分量Ex的单一EFS被假设为位于中心轴上顶和底电极之间的中部。
对于施加在EFSVT上的电压，支座绝缘子周围的电场E用有限元件法计算。
建立测试模拟以测量EFSVT结构在不同环境中的性能。VT用于测量顶和底电极之间的电压，该底电极作为基准。所施加的电压为具有60赫兹的正弦曲线。电压相位任意地选为这些例子中给出的相位信息的基准(见表)。
在第一种情形下，留在绝缘裙部上并具有0.25mm厚度的水层模拟具有不同程度的水污染的各个EFSVT，该污染程度由108Ω·cm、105Ω·cm和100Ω·cm的电阻率代表。此情形用于模拟∞、1012、109、108、5×107和106Ω的隔离部件电阻。
在第二种情形下，通过去除情形1中覆盖顶部五个绝缘裙部(从底部计的绝缘裙部#41至#45)的部分水层，支座绝缘子顶部附近的干燥带状况模拟具有不同水污染级别的各个EFSVT，该级别由108Ω·cm、105Ω·cm和100Ω·cm的电阻率代表。在第三种情形中，通过去除情形1中覆盖绝缘裙部#12至#16的部分水层，支座绝缘子底端附近的干燥带状况模拟具有不同水污染级别的各个EFSVT，该污染级别由108Ω·cm、105Ω·cm和100Ω·cm的电阻率代表。这两种情形模拟大电阻(100MΩ和50MΩ)的隔离部件电阻。
因为频率对所有这些情形固定在60赫兹的单一频率，所以测量或确定的电压Vd可以由数值和相位代表。虽然通常VT的输出时间连续地给出电压的瞬时读数。
通常，对于线性媒质，如果影响媒质的电压源是单一频率的时间正弦(temporally sinusoidal)曲线，则E的每个分量是同频的时间正弦曲线，在该线性媒质中，该媒质的电性能不是电场E的函数。因此，Ex是频率为60Hz的正弦曲线，且还可由数值和相位代表。
通常，测量的电压Vd可以由EFS输出通过下式确定：
V d = Σ i = 1 n C i E x , i ,
其中，Ex，i是第i个EFS的输出，Ci是第i个EFS的校正常数和/或权重因子，且n是EFS的总数，如上面提及的此处参考引用的Jaeger等人的申请中所述的那样。例如，此表达式简化为
Vd＝CEx，
其中，C是具有数值分量和相位分量的校正常数。此外，加载的实际电压V和测量的电压Vd之间的误差将以数值误差和相位误差的方式表示。
应当注意的是，C的大小是比例常数，且基于要测量的所加电压确定；在例子中，我们寻找归一误差或百分比误差，并且，我们不考虑实际的电压级别。此外，所给出的百分比误差是相对于所施加的电压信号的幅值的(其百分比)。
表1显示了情形1的模拟结果。从这些结果可以看出，通常当隔离部件电阻减小时，因保留在绝缘裙部上的均匀水层的存在导致的幅值误差明显减小。对于低于1GΩ的隔离部件电阻，即对于大于1nS的隔离部件电导，相位误差也随隔离部件电阻减小而减小。
表2和表3分别示出情形2和情形3的结果。此外，此处的测试模拟集中于50MΩ和100MΩ的内管电阻，因为这些电阻在用于230kV级电压传感器的实际高压应用的最低许可电阻值的范围内。此处研究了干燥带状况的效应，因为希望这些状况实际上是在干扰隔离部件内部电场的外部因素的作用方面的一些最恶劣的情形。再者，表中清楚地看到相位和幅值因减小的隔离部件电阻导致的大幅减小的误差。
对于以上所有情形，应当注意到的是，具有0.25mm厚的污染的均匀水层和100Ω·cm的电阻是一种非常极端的情形，这种情形是为了模拟比实际情景糟得多的情景。
表1总体均匀水沉积的EFSVT模拟结果
    内管电阻(MΩ)     水的电阻率(MΩ·cm)     幅值误差(％)     相位误差(分)
    ∞     100     -0.65     0.99
    1000000     100     -0.60     0.85
    1000     100     1.30     -4.62
    100     100     0.04     6.85
    50     100     0.01     3.50
    1     100     0.00     0.07
    ∞     0.1     -11.51     677.91
    1000000     0.1     -11.17     664.51
    1000     0.1     -7.99     -45.09
    100     0.1     -0.55     9.57
    50     0.1     -0.30     5.70
    1     0.1     -0.01     0.13
    ∞     0.0001     -82.10     4.57
    1000000     0.0001     -80.64     2.69
    1000     0.0001     -31.06     -1057.18
    100     0.0001     -0.62     -190.01
    50     0.0001     -0.17     -96.19
    1     0.0001     0.00     -1.93
表2均匀水沉积和上部干燥带的EFSVT模拟结果
    内管电阻(MΩ)     水的电阻率(MΩ·cm)     幅值误差(％)     相位误差(分)
    ∞     100     0.07     0.14
    100     100     0.04     8.02
    50     100     0.01     4.06
    ∞     0.1     -6.10     113.34
    100     0.1     0.53     14.61
    50     0.1     0.23     7.80
    ∞     0.0001     97.58     -5320.43
    100     0.0001     5.95     1282.49
    50     0.0001     2.23     649.49
表3均匀水沉积和下部干燥带的EFSVT模拟结果
    内管电阻(MΩ)     水的电阻率(MΩ·cm)     幅值误差(％)     相位误差(分)
    ∞     100     -0.23     0.53
    100     100     0.06     8.95
    50     100     0.02     4.62
    ∞     0.1     -9.18     383.81
    100     0.1     -0.21     18.74
    50     0.1     -0.14     10.59
    ∞     0.0001     86.08     -557.53
    100     0.0001     -7.73     -395.75
    50     0.0001     -2.80     -251.99
以上情形和表格示出了一个EFS传感器与RS一起使用以测量电压的情况。由本申请中所给出说明清楚地看出，当使用多个EFS(例如，如Jaeger等人的申请中所述的那样)以确定所述电压差时，电阻屏蔽可以通过其电场分布平缓效应而进一步提高精度，例如见图4，使得当诸如Jaeger等人的申请中所述的方法得以使用时，对确定的电压差的外部影响的作用进一步减小。例如，图3中给出的简化模型可以用于表明：当Yi较大时，例如当出现明显电阻屏蔽时，在电阻屏蔽内部(即柱中心)的电场分布上的外界影响的作用与当Yi较小时的相比更小。
在不脱离如所附权利要求确定的本发明的精髓的情况下，已经描述的本发明的变体对本领域技术人员是清楚的。

Claims (24)

1.一种测量电压的装置，该装置包括：
电隔离部件；
一对间隔的导体，其间的电压差(V)得以确定，所述导体中的一个在所述隔离部件的一端，而另一个在所述隔离部件的远离所述一端的端部；
至少一个电场传感器，该传感器在所述隔离部件内的至少一个位置处探测电场；
检波器，用于基于由所述至少一个电场传感器探测到的所述电场确定所述电压差(V)的值(Vd)，
其中所述隔离部件由电阻性的材料形成，该材料具有25GΩ至50kΩ范围内的电阻，从而为所述至少一个位置提供与所述装置外部的实际强度的电场干扰源隔开的足够屏蔽，使得实际强度的所述源不改变在所述至少一个位置处探测的所述被探测的电场，以在所述电压差(V)的所述值(Vd)上不产生明显误差。
2.如权利要求1所述的测量电压的装置，其中所述隔离部件由掺有碳黑的聚乙烯制造。
3.如权利要求1所述的测量电压的装置，其中所述隔离部件是中空的。
4.如权利要求1所述的测量电压的装置，还包括保护所述隔离部件不受环境影响的护套。
5.如权利要求1所述的测量电压的装置，其中所述电场传感器是光学电场传感器。
6.一种测量电压的装置，该装置包括：
电隔离部件；一对间隔的导体，其间的电压差(V)得以确定，所述导体中的一个在所述隔离部件的一端，而另一个在所述隔离部件的远离所述一端的端部；
至少一个电场传感器，该传感器在所述隔离部件内的至少一个位置处探测电场；
检波器，用于基于由所述至少一个电场传感器探测到的所述电场确定所述电压差(V)的值(Vd)，
其中所述隔离部件由电阻性的材料形成，该材料具有在25GΩ/m至50kΩ/m范围内的每单位长度电阻，从而为所述至少一个位置提供与所述装置外部的实际强度的电场干扰源隔开的足够屏蔽，使得实际强度的所述源不改变在所述至少一个位置处探测的所述被探测电场，以在所述电压差(V)的所述值(Vd)上不产生明显误差。
7.一种测量第一和第二间隔导体之间的电势(V)的装置，该间隔导体分别与第一和第二接线端连接，隔开距离(L)，其中，相对于所述间隔导体之间的任何电势，所述第一和第二接线端之间的任何电势建立一电场分布，该装置包括：
所述第一和第二接线端之间的至少一个电场传感器，用于提供表示电场的电场输出信号；
检波部件，用于确定电势值(Vd)，该值代表所述第一和第二间隔导体之间的所述电势(V)，是所述电场输出信号的函数；以及
所述电场传感器附近的电场隔离部件，该部件具有顶电极和底电极，所述电极与所述第一和第二接线端电连接，其中，所述电场隔离部件具有提供足够屏蔽所需的电阻特性，以减小因任何外部电场干扰导致的(Vd)的任何误差。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述隔离部件为中空管状电阻器，且所述至少一个电场传感器在所述中空管状电阻器内。
9.如权利要求7所述的装置，其中，所述至少一个电场传感器是光学电场传感器。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述传感器中的每一个都包括用于接收输入光波的光学输入口和至少使一部分输出光波通过的光学输出口。
11.如权利要求9所述的装置，还包括
用于支撑所述第一和第二接线端的中空绝缘柱，并且
所述隔离部件和所述至少一个电场传感器在所述中空绝缘柱内。
12.如权利要求9所述的装置，其中所述多个光学电场传感器中的每一个在其相应的位置响应电场，其中所述光学电场传感器串联连接，从而输入光波首先进入所述多个光学传感器的第一个的输入口，至少部分通过其中，并从出口出来，接着至少部分地进入、通过其余的所述多个光学传感器的出口，由此提供从所述多个光学传感器的最后一个的输出口出来的输出光波，使得所述输出光波根据所述多个光学电场传感器的每一个探测的电场总和变化。
13.如权利要求7所述的装置，还包括：
用于支撑所述第一和第二接线端的中空绝缘柱，并且
所述隔离部件和所述至少一个电场传感器在所述中空绝缘柱内。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述隔离部件借助所述中空绝缘柱表面上的电阻性的材料的涂层构成。
15.一种测量第一和第二间隔导体之间的电势(V)的装置，该间隔导体分别与第一和第二接线端连接，隔开距离(L)，其中，相对于所述间隔导体之间的任何电势，所述第一和第二接线端之间的任何电势建立一电场分布，该装置包括：
所述第一和第二接线端之间的至少一个电场传感器，用于提供表示电场的电场输出信号；
检波部件，用于确定电势值(Vd)，该值代表所述第一和第二间隔导体之间的所述电势(V)，是所述电场输出信号的函数；以及
管状的电阻器结构，该结构具有顶电极和底电极，所述电极与所述第一和第二导体电连接，
其中，
所述至少一个电场传感器设置在所述管状电阻器的一内部部分内，以及
所述管状的电阻器结构具有提供足够屏蔽所需的电阻特性，以减小因任何外部电场干扰导致的(Vd)的任何误差。
16.如权利要求15所述的装置，还包括：
用于支撑所述第一和第二接线端的中空绝缘柱，并且
所述管状电阻器和所述至少一个电场传感器在所述中空绝缘柱内。
17.如权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个电场传感器是光学电场传感器。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述传感器中的每一个都包括用于接收输入光波的光学输入口和至少使一部分输出光波通过的光学输出口。
19.如权利要求18所述的装置，还包括：
用于支撑所述第一和第二接线端的中空绝缘柱，并且
所述隔离部件和所述至少一个电场传感器在所述中空绝缘柱内。
20.如权利要求17所述的装置，其中所述多个光学电场传感器中的每一个在其相应的位置响应电场，其中所述光学电场传感器串联连接，从而输入光波首先进入所述多个光学传感器的第一个的输入口，至少部分通过其中，并从出口出来，接着至少部分地进入、通过其余的所述多个光学传感器的出口，由此提供从所述多个光学传感器的最后一个的输出口出来的输出光波，使得所述输出光波根据所述多个光学电场传感器的每一个探测的电场总和变化。
21.一种测量第一和第二间隔导体之间的电势(V)的方法，该间隔导体分别与第一和第二接线端连接，隔开距离(L)，其中，相对于所述间隔导体之间的任何电势，所述第一和第二接线端之间的任何电势建立一电场分布，该方法包括如下步骤：
将电场传感器在空间上设置于所述第一和第二接线端之间的一个或多个互相独立的位置；
借助电场隔离部件隔离所述电场传感器，所述电场隔离部件在空间上位于所述电场传感器附近并且具有顶电极和底电极，所述电极与所述第一和第二接线端电连接，其中，所述电场隔离部件具有提供足够屏蔽所需的电阻特性，以减小因任何外部电场干扰导致的由所述电场传感器探测的电场的任何误差；以及
检测由所述一个或多个电场传感器探测的电场，用于确定电势值(Vd)，该值代表所述第一和第二间隔导体之间的所述电势(V)，是所述电场输出信号的函数。
22.如权利要求21所述的方法，所述电场传感器设置在管状电阻器内，所述管状电阻器具有顶电极和底电极。
23.如权利要求21所述的方法，其中电场传感器是光学电场传感器。
24.如权利要求21所述的方法，其中传感器设置在涂覆有电阻性的材料以形成隔离部件的中空绝缘柱内。
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