ES2855524T3

ES2855524T3 - Sensor de medición de tensión aislado y autocalibrado

Info

Publication number: ES2855524T3
Application number: ES12889686T
Authority: ES
Inventors: Colin Gunn
Original assignee: Schneider Electric USA Inc
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: EP2929359A4; EP2929359A1; EP2929359B1; US20150346240A1; WO2014088562A1; US9651584B2

Abstract

Un sensor (300) para detectar tensión en una línea de transmisión que tiene un aislante (3) y un conductor (2), el sensor que comprende: una carcasa configurada para rodear mecánicamente y extenderse longitudinalmente a lo largo de una parte de la línea de transmisión; al menos una placa conductora de sonda acoplada a la carcasa y configurada para rodear al menos una primera parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, la al menos una placa conductora de sonda configurada además para formar al menos un condensador de sonda (C1) con la al menos una primera parte de la parte de la línea de transmisión; una placa conductora de medición acoplada a la carcasa y configurada para rodear una segunda parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, la placa conductora de medición configurada además para formar un condensador de medición (Cmedida) con la segunda parte de la parte de la línea de transmisión, el condensador de medición que tiene una relación geométrica y eléctrica resultante conocida con el al menos un condensador de sonda; un sistema de adquisición de capacitancia acoplado a una primera placa conductora de sonda del al menos un condensador de sonda, y acoplado a la placa conductora de medición, el sistema de adquisición de capacitancia que está aislado galvánicamente del conductor; y un sistema de medición de tensión acoplado al condensador de medición y configurado para comunicarse con el sistema de adquisición de capacitancia, en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para determinar un primer valor relacionado con la capacitancia del al menos un condensador de sonda, y en base al primer valor, determinar un valor de capacitancia del condensador de medición; y en donde el sistema de medición de tensión está configurado para recibir una señal que proporciona el valor de capacitancia del condensador de medición del sistema de adquisición de capacitancia y calcular un segundo valor relacionado con un nivel de tensión de la línea de transmisión.

Description

DESCRIPCIÓN

Sensor de medición de tensión aislado y autocalibrado

Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a sistemas y métodos para monitorear la tensión de CA en un conductor. Más específicamente, la presente invención se refiere a un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado.

2. Discusión de la técnica relacionada

Los sistemas de energía de las empresas eléctricas típicas incluyen sistemas de distribución primaria que incluyen subestaciones que reciben energía de una fuente principal. Las subestaciones incluyen líneas de alimentación de alta y media tensión que transmiten energía desde las subestaciones a los sistemas de distribución secundarios. Los sistemas de distribución secundaria incluyen ramales que proporcionan energía de media o baja tensión a al menos un destino (por ejemplo, una máquina de fábrica grande o una toma de corriente dentro de la casa de un cliente). A menudo es necesario monitorear las señales de tensión en las líneas de ramales de alimentación para la medición de energía, aplicaciones de medición de la calidad de la energía. También suele ser necesario durante el mantenimiento periódico y la resolución de problemas realizar mediciones de tensión temporales en las líneas de alimentación o de ramales. Los documentos JP2010/127725, US2002/171433, US5181026, US2005/275397 y JP2003/028900 describen sensores y métodos para detectar tensión en líneas de transmisión según la técnica anterior disponible.

Compendio de la invención

Según dos aspectos de la presente invención, dos sensores para detectar tensión en una línea de transmisión están definidos por las reivindicaciones independientes 1 y 2.

Según una realización, el sistema de medición de tensión comprende un divisor de tensión que incluye el condensador de medición y un condensador de referencia acoplado a una conexión a tierra, y en donde el sistema de medición de tensión está configurado para calcular el tercer valor relacionado con el nivel de tensión de la línea de transmisión usando una relación del divisor de tensión basada en el segundo valor y una capacitancia del condensador de referencia.

Según otra realización, el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para estar aislado de una conexión a tierra de la línea de transmisión. En una realización, el condensador de referencia es un condensador de referencia variable y en donde el sistema de medición comprende además un controlador acoplado al divisor de tensión y al condensador de referencia variable, en donde el controlador está configurado para definir la relación del divisor de tensión ajustando la capacitancia del condensador de referencia.

Según una realización, el sistema de adquisición de capacitancia incluye un circuito de conversión de capacitancia a digital acoplado a al menos un condensador de sonda y configurado para determinar el primer valor. En otra realización, el sistema de adquisición de capacitancia incluye una interfaz de datos acoplada entre el circuito de conversión de capacitancia a digital y el controlador, y en donde la interfaz de datos está configurada para transmitir el segundo valor al controlador. En una realización, el sistema de adquisición de capacitancia incluye un primer transceptor inalámbrico acoplado al circuito de conversión de capacitancia a digital, en donde el sistema de medición de tensión incluye un segundo transceptor inalámbrico acoplado al controlador, y en donde el primer transceptor inalámbrico está configurado para transmitir la señal al controlador a través del segundo transceptor inalámbrico.

Según otra realización, el al menos un condensador de sonda incluye un primer condensador de sonda y un segundo condensador de sonda, el primer y segundo condensadores de sonda configurados para acoplarse alrededor de la línea de transmisión en serie, y en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para determinar el primer valor basado en las características del primer y segundo condensadores de sonda.

Según una realización, el sistema de medición comprende además un interruptor configurado para acoplar selectivamente el sistema de adquisición de capacitancia al condensador de medición en un primer modo de funcionamiento y para acoplar selectivamente el divisor de tensión al condensador de medición en un segundo modo de funcionamiento, en donde el al menos un condensador de sonda incluye un condensador de sonda única y el condensador de medición, el condensador de sonda única y el condensador de medición configurados para acoplarse alrededor de la línea de transmisión en serie en el primer modo de operación, en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para determinar la primer valor basado en las características del condensador de sonda única y el condensador de medición en el primer modo de operación, y en donde el sistema de medición de tensión está configurado para recibir la señal que proporciona el segundo valor del sistema de adquisición de capacitancia y calcular, en el segundo modo de operación, el tercer valor relacionado con el nivel de tensión de la línea de transmisión.

Según otra realización, el sistema de adquisición de capacitancia incluye una fuente de alimentación aislada configurada para proporcionar energía al sistema de adquisición de capacitancia. En una realización, la fuente de alimentación aislada incluye un transformador de pinza de corriente inductivo configurado para acoplarse alrededor de la línea de transmisión y para proporcionar energía al sistema de adquisición de capacitancia.

Según una realización, el sistema de medición de tensión incluye un transceptor inalámbrico configurado para transmitir el tercer valor relacionado con el nivel de tensión de la línea de transmisión a un sistema externo. En una realización, el al menos un condensador de sonda y el condensador de medición tienen sustancialmente la misma capacitancia. En otra realización, la carcasa incluye una capa flexible.

Según otros dos aspectos de la presente invención, las reivindicaciones independientes 13 y 14 definen dos métodos para detectar tensión en una línea de transmisión.

Según una realización, acoplar el al menos un condensador de sonda alrededor de la línea de transmisión incluye acoplar el al menos un condensador de sonda alrededor de la línea de transmisión de modo que el al menos un condensador de sonda esté aislado de una conexión a tierra de la línea de transmisión. En una realización, acoplar al menos un condensador de sonda alrededor de la línea de transmisión incluye acoplar un primer y un segundo condensador de sonda alrededor de la línea de transmisión en serie y en donde medir el primer valor relacionado con la capacitancia del al menos un condensador de sonda incluye medir el primer valor basado en las características del primer y segundo condensadores de sonda.

Según otra realización, determinar, en base al acto de medir, el segundo valor relacionado con la capacitancia del condensador de medición incluye duplicar el primer valor para determinar el segundo valor relacionado con la capacitancia del condensador de medición. En otra realización, el método comprende además ajustar la relación del divisor de tensión ajustando el valor de capacitancia del condensador de referencia en respuesta al segundo valor relacionado con la capacitancia del condensador de medición.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos no se pretende que estén dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en varias figuras está representado por un número similar. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar etiquetados en todos los dibujos. En los dibujos:

La FIG. 1 es un diagrama de bloques de una realización de un sensor de tensión CA sin contacto y autocalibrado con tres elementos capacitivos según aspectos de la invención actual;

La FIG. 2 es un diagrama de bloques de otra realización de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado con tres elementos capacitivos según aspectos de la invención actual;

La FIG. 3 es un diagrama de bloques de una realización de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado;

Las FIGS. 4A-4H son diagramas de un sensor de tensión de CA rígido sin contacto y autocalibrado con tres elementos capacitivos según aspectos de la invención actual;

La FIG. 5 es un diagrama de un sensor de tensión de CA rígido sin contacto y autocalibrado con dos elementos capacitivos según aspectos de la invención actual;

Las FIGS. 6A-6D son diagramas de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado flexible con tres elementos capacitivos según aspectos de la invención actual; y

Las FIGS. 7A-7D son diagramas de un sensor de tensión CA sin contacto y autocalibrado flexible con dos elementos capacitivos según aspectos de la invención actual.

Descripción detallada

Como se discutió anteriormente, a menudo es necesario monitorear las señales de tensión de las líneas de transmisión del alimentador o de ramal de un sistema de energía para proporcionar energía y/o mediciones de calidad de energía. Los dispositivos de bajo costo existentes para medir la tensión de estas líneas generalmente requieren una conexión eléctrica directa con la línea de transmisión. Esta conexión directa requiere la instalación y el cumplimiento de los requisitos de seguridad que aumentan considerablemente el costo, el tiempo de instalación y los riesgos involucrados. Los requisitos de cableado y fusibles pueden complicar aún más el asunto.

Los monitores de tensión capacitivos sin contacto existentes a menudo son menos precisos de lo deseable debido a la inestabilidad de las capacitancias en las líneas de transmisión en las condiciones físicas y ambientales variables. Por ejemplo, tales cambios físicos y ambientales pueden resultar debido a cambios dimensionales, de proximidad de sujeción o dieléctricos que son difíciles, si no imposibles de controlar. Los materiales de aislamiento eléctrico (es decir, dieléctricos) utilizados por los fabricantes de cables de transmisión de energía de CA varían mucho según las pautas de diseño impulsadas por el costo y las características de los aislamientos eléctricos. La estabilidad dieléctrica en una línea de transmisión generalmente no es una consideración de diseño importante y, por lo tanto, la inestabilidad dieléctrica puede obstaculizar el desempeño de las técnicas de detección de tensión capacitiva.

Al menos algunas realizaciones descritas en la presente memoria proporcionan un sensor de tensión de CA capaz de medir la tensión de la línea de transmisión con suficiente precisión sin romper la barrera de aislamiento de la línea de transmisión. Además, al menos algunas realizaciones de un sensor de tensión de CA descritas en la presente memoria incluyen una capacidad de autocalibración de capacitancia en tiempo real.

La FIG. 1 es un diagrama de bloques de una realización de un sensor de tensión de CA 100 sin contacto y autocalibrado con tres elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor de tensión de CA 100 está configurado para monitorear la tensión de CA en un cable de transmisión de energía de CA 1 que tiene un conductor interno 2 y un dieléctrico aislante 3. El cable de transmisión de energía de CA 1 es impulsado por una fuente de CA 4 (por ejemplo, un suministro de red) (acoplado a tierra del sistema externo 14) y terminado por una carga 5. Según una realización, el cable de transmisión de energía de CA 1 es parte de un sistema monofásico; sin embargo, en otras realizaciones, el cable de transmisión de energía de CA 1 puede ser parte de un sistema polifásico.

El sensor de tensión de CA 100 incluye un subsistema de adquisición de capacitancia de sonda de autocalibrado 10 y un subsistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 11. Utilizando el subsistema de adquisición de capacitancia 10 y el subsistema de medición de divisor de tensión 11, el sensor de tensión de CA 100 está configurado para proporcionar una medición de tensión en el cable de transmisión de energía de CA 1 en referencia a una referencia externa en una entrada cableada 12. Según una realización, la referencia externa en la entrada 12 está conectada a la tierra del sistema externo 14 o una conexión neutra a la que se referencia la medida de tensión.

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 incluye un primer condensador de sonda (C1) 20 y un segundo condensador de sonda (C2) 21. El subsistema de medición de divisor de tensión 11 incluye un condensador de medición (Cmedida) 23. Según una realización, los Condensadores C1 20, C2 21 y Cmedida 23 están formados con placas conductoras circulares o semicirculares que rodean mecánicamente una parte, tanto en longitud como en circunferencia, del cable de transmisión 1, de manera que formen elementos capacitivos individuales y aislados galvánicamente.

La capacitancia específica entre las placas conductoras y el conductor interno 2 es función de la proximidad física, la forma, el dieléctrico aislante del cable 3, el tamaño del conductor interno 2 y el área de superficie de los condensadores de sonda individuales C2 20, C2 21 y Cmedida 23. En una realización, los condensadores C1 20, C2, 21 y Cmedida 23 tienen capacitancias de menos de 50 pF entre el conductor interno 2 y las placas conductoras de condensadores individuales; sin embargo, en otras realizaciones, la capacitancia puede variar dependiendo de las características dieléctricas y dimensionales de la línea de transmisión que se mide.

Las placas conductoras de los condensadores C1 20, C2 21 y Cmedida 23 se pueden acoplar (es decir, sujetar) al cable de transmisión 1 (de modo que las placas rodeen el cable de transmisión 1) a través de una variedad de formas. Por ejemplo, en una realización, la estructura del sensor 100 es de una película laminada envolvente flexible multicapa que tiene placas conductoras y blindaje incrustados internamente. En otra realización, la estructura del sensor 100 es de un mecanismo de sujeción de plástico rígido que tiene placas conductoras y blindaje incrustados internamente. La estructura del sensor 100 se discutirá con mayor detalle a continuación.

Según una realización, los condensadores de sonda C1 20, C2 21 y Cmedida 23 están formados para tener una topología física sustancialmente idéntica (área, forma, acción de sujeción, etc.) proporcionando un conductor interno 2 casi idéntico a la capacitancia de la placa conductora individual. En otras palabras, los tres condensadores de sonda, C1 20, C221 y Cmedida 23 ofrecen valores de capacitancia idénticos (dentro de las tolerancias comprendidas).

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 también incluye un IC de conversión de capacitancia a digital 22. Según una realización, el IC de conversión de capacitancia a digital 22 es una carga de alta resolución que acumula un IC de conversión de capacitancia a digital de precisión Sigma-Delta (24 bits) tal como los IC de conversión de capacitancia a digital AD7747 o AD7745 fabricados por Analog Devices de Norwood, MA; sin embargo, en otras realizaciones, se pueden usar otros IC de conversión o técnicas de medición capacitiva.

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 incluye además una interfaz de datos aislada 30 acoplada entre el IC de conversión de capacitancia a digital 22 y el subsistema de medición de divisor de tensión 11, y una fuente de alimentación aislada 31 acoplada tanto a la interfaz de datos aislada 30 como al IC de conversión de capacitancia a digital 22. La fuente de alimentación aislada 31 también está acoplada al subsistema de medición de divisor de tensión 11. Según una realización, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 incluye adicionalmente un blindaje Faraday 32 accionado activamente operable para blindar los elementos capacitivos de campos eléctricos externos no deseados.

En funcionamiento, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 mide continuamente la capacitancia diferencial entre los condensadores de la sonda C1 20 y C2 21 utilizando el IC de conversión de capacitancia a digital 22. El IC de conversión de capacitancia a digital 22 proporciona una medición de la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21. Como los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 están esencialmente conectados en una configuración en serie, el valor de capacitancia individual de cada uno de los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 puede determinarse duplicando numéricamente la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21, medida por el IC de conversión de capacitancia a digital 22. Además, como los tres condensadores de sonda, C1 20, C2 21 y Cmedida 23 están configurados para ofrecer valores de capacitancia sustancialmente idénticos, determinando los valores de capacitancia individuales de C1 20 y C2 21, también se determina la capacitancia individual de Cmedida 23. La capacitancia individual de Cmedida 23 se proporciona al subsistema de medición de divisor de tensión 11 a través de la interfaz de datos aislada 30.

Según una realización, la capacidad del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 para proporcionar mediciones precisas de la capacitancia de la sonda se basa en tener el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 aislado galvánicamente y capacitivamente del circuito de medición (es decir, el subsistema de medición de divisor de tensión 11) y la tierra del sistema externo 14. Este aislamiento puede evitar que los componentes de ruido fundamental de 50/60 Hz y otros componentes del sistema de potencia den lugar a corrientes capacitivas no deseadas que fluyan a través de los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 y que impacten en la medición de capacitancia de precisión por el IC de conversión de capacitancia a digital 22.

Según una realización, el aislamiento es proporcionado por la interfaz de datos aislada 30 y la fuente de alimentación aislada 31. En una realización, la pantalla de Faraday 32 accionada activamente también proporciona protección contra fuentes parásitas de campo eléctrico externo. En otra realización, puede ser necesario un blindaje magnético adicional y un área de bucle de conductor de circuito mínima donde el conductor de la línea de transmisión 1 transporta altas corrientes de CA para proporcionar un nivel deseado de protección contra la inducción de ruido de campo magnético.

Monitoreando continuamente las características capacitivas del cable de transmisión de energía de CA 1 sobre la longitud limitada del sensor 100 (es decir, la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21) se proporciona una funcionalidad de autocalibración para la determinación de la capacitancia de Cmedida 23; cuyo valor permite una determinación precisa de la tensión de CA en el cable de transmisión 1, como se describe con mayor detalle a continuación.

El sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 11 incluye un divisor de tensión capacitivo formado por Cmedida 23 y un condensador de referencia (Cref) 35 acoplado a Cmedida 23. Según una realización, Cref 35 se deriva de un circuito de capacitancia de referencia derivado electrónicamente y calibrado. 36 (es decir, un condensador multiplicador) que es controlado (por ejemplo, con una resolución de 256 bits) por un procesador de control 37 dentro del sistema de medición de divisor de tensión 11. En otra realización, Cref 35 se deriva de un banco de condensadores que tienen un número de condensadores de valor ponderado binario que se conmutan dentro y fuera del circuito para derivar el valor de Cref 35 calibrado.

El sistema de medición de divisor de tensión 11 incluye además un almacenador temporal 42 de alta impedancia acoplado entre Cref 35 y el procesador 37. El sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 11 mide el potencial de la fuente de CA 4 en la línea de transmisión 1 a través de un divisor capacitivo formado por Cmedida 23 y Cref 35.

El procesador de control 37 recibe actualizaciones periódicas del valor de capacitancia de sonda de Cmedida 23 "tiempo real" desde el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda de autocalibrado en 10. El procesador 37 utiliza la capacitancia de sonda Cmedida 23 recibida para calcular la impedancia Z1 39.

El procesador de control 37 también controla el circuito 36 de capacitancia de referencia derivado electrónicamente calibrado para definir Cref 35. Al definir Cref 35, el procesador de control 37 también define la impedancia Z2 38. Según una realización, el procesador de control 37 define Cref 35 con el fin de ajustar la relación de divisor de tensión capacitivo (entre Cmedida 23 y Cref 35) a un nivel requerido para la conversión A/D y el cálculo RMS de múltiples muestras. Esto también proporciona una función de rango automático de relación de divisor de tensión capacitivo para adaptarse a un amplio rango de tensiones de medición.

En base a la capacitancia Cmedida 23 recibida del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 y la capacitancia Cref 35 definida por el circuito de capacitancia de referencia calibrado, derivado electrónicamente 36, se define la relación del divisor de tensión capacitivo. El potencial resultante del divisor Vsalida se aplica al almacenador temporal 42 de alta impedancia para reducir la carga del circuito y el desplazamiento de fase de la señal. El procesador de control 37 recibe el potencial Vsalida del almacenador temporal 42 y usa estos datos de calibración para controlar el circuito de capacitancia de referencia calibrado, derivado electrónicamente 36 para definir el valor de Cref 35 deseado (y consecuentemente la impedancia asociada Z238 y la relación de divisor de tensión).

El procesador de control 37 realiza un cálculo simple de divisor de tensión 40 para determinar el nivel de tensión en la línea de transmisión 1. Por ejemplo, VIN (el nivel de tensión de la fuente de CA 4 basado en la línea de transmisión 1) puede calcularse utilizando la siguiente fórmula.

VIN = (Vsalida*(Z1+Z2))/Z2 (Ecuación 1)

Según una realización, el procesador de control 37 también puede recibir señales de medición de corriente del sistema y utilizar las señales de medición de corriente del sistema y el potencial resultante del divisor Vsalida para calcular la potencia suministrada por la línea de transmisión 1. Mientras que se realizan los cálculos de potencia, el potencial resultante del divisor Vsalida se calibra automáticamente utilizando los valores de calibración de capacitancia del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10.

Según una realización, el sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 11 incluye además opciones de comunicación inalámbrica y por cable. Por ejemplo, en una realización, el sistema de medición de divisor de tensión 11 incluye un transceptor 50 de radio (por ejemplo, tal como un transceptor Zigbee 50) o un puerto Ethernet cableado 51 para transmitir el nivel de tensión medido a un sistema de destino.

El sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 11 incluye además una fuente de alimentación 52 para proporcionar energía a los componentes del sistema de medición de divisor de tensión 11. Según una realización, la fuente de alimentación 52 está acoplada a la fuente de alimentación aislada 31 del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10. Además, según una realización, la fuente de alimentación 52 puede tener una variedad de opciones de fuente que incluyen Alimentación sobre Ethernet (POE) 53 a través del puerto Ethernet 51 o inducción magnética de corriente de línea aislada a través de un transformador de corriente de pinza (CT) 54.

Autocalibrando automáticamente el valor de Cmedida 23 y utilizando el valor de Cmedida 23 para definir una relación de divisor de tensión capacitivo, el sensor 100 es capaz de determinar con precisión la tensión de CA en el cable de transmisión 1 a pesar de las potenciales condiciones físicas y ambientales variables.

La FIG. 2 es un diagrama de bloques de otra realización de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado 200 con tres elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor 200 es similar al sensor descrito en relación con la FIG. 1 porque está configurado para monitorear la tensión de CA en el cable de transmisión de energía de CA 1 que tiene un conductor interno 2 y un dieléctrico aislante 3. El cable de transmisión de energía de CA 1 es accionado por una fuente de CA 4 (acoplada a la tierra del sistema externo 14) y terminado por una carga 5. Según una realización, el cable de transmisión de energía de CA 1 es parte de un sistema monofásico; sin embargo, en otras realizaciones, el cable de transmisión de energía de CA 1 puede ser parte de un sistema polifásico.

El sensor de tensión de CA 200 incluye dos secciones funcionales y aisladas galvánicamente; un subsistema de adquisición de capacitancia de sonda autoalimentado y autocalibrado 62 y un sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71, que están configurados para proporcionar una medición de tensión de CA del cable de transmisión 1 en referencia a la referencia externa acoplada a la entrada 12. Según una realización, la referencia externa está acoplada a la tierra del sistema externo 14 o una conexión neutra a la que se referencia la medición de tensión.

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 incluye un primer condensador de sonda (C1) 20 y un segundo condensador de sonda (C2) 21. El subsistema de medición de divisor de tensión 71 incluye un condensador de medición (Cmedida) 23. Según una realización, los Condensadores C1 20, C2 21 y Cmedida 23 están formados con placas conductoras circulares o semicirculares que rodean mecánicamente una parte, tanto en longitud como en circunferencia, del cable de transmisión 1, de manera que formen elementos capacitivos individuales y aislados galvánicamente.

La capacitancia específica entre las placas conductoras y el conductor interno 2 es función de la proximidad física, la forma, el dieléctrico aislante del cable 3, el tamaño del conductor interno 2 y el área de superficie de los condensadores de sonda individuales C2 20, C2 21 y Cmedida 23. En una realización, los condensadores C1 20, C2, 21 y Cmedida 23 tienen capacitancias de menos de 50 pF entre el conductor interno 2 y las placas conductoras de condensadores individuales; sin embargo, en otras realizaciones y dependiendo de las características de la línea de transmisión, la capacitancia puede variar.

Según una realización, los condensadores de sonda C2 20, C2 21 y Cmedida 23 están formados para tener una topología física (área, forma, acción de sujeción, etc.) sustancialmente idéntica proporcionando un conductor interno 2 casi idéntico a la capacitancia de la placa conductora individual. En otras palabras, los tres condensadores de sonda, C1 20, C221 y Cmedida 23 tienen los mismos valores de capacitancia (dentro de las tolerancias comprendidas).

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 también incluye un IC de conversión de capacitancia a digital 22. Según una realización, el IC de conversión de capacitancia a digital 22 es una carga de alta resolución que acumula un IC de conversión de capacitancia de precisión a digital Sigma-Delta (24 bits) tal como un IC de conversión de capacitancia a digital AD7747 o AD7745 fabricado por Analog Devices de Norwood, MA; sin embargo, en otras realizaciones, se pueden usar otros IC de conversión de capacitancia a digital sustancialmente equivalente.

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 incluye además un módulo de radiotelemetría inalámbrico 60 (por ejemplo, un módulo de telemetría inalámbrico Zigbee 60) acoplado al IC de conversión de capacitancia a digital, 22 y una fuente de alimentación de conversión de CC a CC 61 acoplada al módulo de telemetría inalámbrica Zigbee 60 y al IC de conversión de capacitancia a digital 22. Según una realización, la fuente de alimentación de conversión de CC a CC 61 se acopla además a un rectificador de puente de onda completa 66 a través de un diodo Zener de pinza de tensión 67. El rectificador de puente de onda completa 66 está acoplado a un transformador de pinza de corriente inductivo 63 que se coloca sobre el conductor interior 2 que lleva la corriente. Según una realización, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 incluye adicionalmente una pantalla Faraday 32 accionada activamente.

El subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 mide continuamente la capacitancia diferencial entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 utilizando el IC de conversión de capacitancia a digital 22. El IC de conversión de capacitancia a digital 22 proporciona una medición de la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21. Como los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 están esencialmente conectados en una configuración en serie, el valor de capacitancia individual de cada uno de los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 puede determinarse duplicando numéricamente la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21, medida por el IC de conversión de capacitancia a digital 22. Además, como los tres condensadores de sonda, C1 20, C2 21 y Cmedida 23 están configurados para ofrecer valores de capacitancia sustancialmente idénticos, determinando los valores de capacitancia individuales de C1 20 y C2 21, también se determina la capacitancia individual de Cmedida 23. La capacitancia individual de Cmedida 23 se proporciona de forma inalámbrica al subsistema de medición de divisor de tensión 11 a través del módulo de telemetría inalámbrica Zigbee 60.

Según una realización, la capacidad del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 para proporcionar mediciones precisas de la capacitancia de la sonda se basa en tener el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 aislado galvánicamente y capacitivamente del circuito de medición (es decir, el subsistema de medición de divisor de tensión 71) y la tierra del sistema externo 14. Este aislamiento puede evitar que los componentes de ruido fundamental de 50/60 Hz y otros componentes del sistema de potencia den lugar a corrientes capacitivas no deseadas que fluyan a través de los condensadores de sonda C1 20 y C2 21 y afecten la medición de capacitancia de precisión por el IC de conversión de capacitancia a digital 22.

Según una realización, el aislamiento es proporcionado por el transformador de pinza de corriente inductivo 63 que se coloca sobre el conductor interno 2 que lleva corriente. El transformador de pinza de corriente inductivo 63 funciona para proporcionar energía de CC aislada a los componentes del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 a través del rectificador de puente de onda completa 66, el diodo Zener de pinza de tensión 67, el condensador de filtro de almacenamiento de energía 68 y la fuente de alimentación de conversión CC a CC 61. En consecuencia, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 esencialmente "flota" sin conexión a tierra del sistema.

En una realización, la pantalla de Faraday 32 accionada activamente también proporciona protección contra fuentes de campo eléctrico externas parásitas. En otra realización, puede ser necesario un blindaje magnético adicional y un área de bucle de conductor de circuito mínimo donde el conductor de la línea de transmisión 1 transporta altas corrientes de CA para proporcionar un nivel deseado de protección contra la inducción de ruido de campo magnético.

Al monitorear continuamente las características capacitivas del cable de transmisión de energía de CA 1 sobre la longitud limitada del sensor 100 (es decir, la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y C2 21) con un subsistema de adquisición de capacitancia de sonda aislado 62, una funcionalidad de autocalibración es proporcionada para la determinación de la capacitancia de Cmedida 23; cuyo valor permite una determinación precisa de la tensión de CA en el cable de transmisión 1, como se describe con mayor detalle a continuación.

El sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71 incluye un divisor de tensión capacitivo formado por Cmedida 23 y un condensador de referencia (Cref) 35 acoplado a Cmedida 23. Según una realización, el sistema de medición de divisor de tensión capacitivo 71 incluye una conexión de cable coaxial 65 que proporciona conexión entre Cmedida 23 y el resto de los componentes del sistema de medición de divisor de tensión capacitivo 71. En tal realización, Cmedida 23 y el resto de los componentes del sistema de medición de divisor de tensión capacitivo 71 pueden ubicarse en ubicaciones separadas.

Cref 35 se deriva de un circuito de capacitancia de referencia derivado electrónicamente calibrado 36 (es decir, un multiplicador de condensador) que está controlado (por ejemplo, con una resolución de 256 bits) por un procesador de control 37 dentro del sistema de medición de divisor de tensión 71. El sistema de medición de divisor de tensión 71 incluye además un almacenador temporal de alta impedancia 42 acoplado entre Cref 35 y el procesador 37. El sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71 mide la tensión en la línea de transmisión 1 a través de un divisor capacitivo formado por Cmedida 23 y Cref 35.

El procesador de control 37 recibe actualizaciones periódicas del valor de capacitancia de la sonda Cmedida 23 en "tiempo real" del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda de autocalibrado 62. Según una realización, el sistema de medición de divisor de tensión capacitivo 71 incluye además un módulo de radiotelemetría inalámbrico (por ejemplo, un módulo de telemetría inalámbrica Zigbee 50) acoplado al procesador de control 37 que recibe actualizaciones del valor de capacitancia de la sonda Cmedida 23 inalámbrico desde el módulo de telemetría inalámbrica Zigbee 60 del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62. El procesador 37 utiliza la capacitancia de sonda Cmedida 23 recibida para calcular la impedancia Z1 39.

El procesador de control 37 también controla el circuito de capacitancia de referencia derivado electrónicamente calibrado 36 para definir Cref 35. Al definir Cref 35, el procesador de control 37 también define la impedancia Z238. Según una realización, el procesador de control 37 define Cref 35 para ajustar la relación del divisor de tensión capacitivo (entre Cmedida 23 y Cref 35) a un nivel requerido para la conversión A/D y el cálculo RMS de múltiples muestras. Esto también proporciona una funcionalidad de rango automático de relación de divisor de tensión capacitivo para adaptarse a una amplia gama de niveles de tensión medidos.

En base a la capacitancia Cmedida 23 recibida del subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 y la capacitancia Cref 35 definida por el circuito de capacitancia de referencia derivado electrónicamente calibrado 36, se define la relación de divisor de tensión capacitivo. El potencial resultante del divisor Vsalida se aplica al almacenador temporal de alta impedancia 42 para reducir la carga del circuito y el desplazamiento de fase de la señal. El procesador de control 37 recibe el potencial Vsalida del almacenador temporal 42 y usa estos datos de calibración para controlar el circuito de capacitancia de referencia derivado electrónicamente calibrado 36 para definir el valor de Cref 35 deseado (y consecuentemente la impedancia asociada Z238 y la relación de divisor de tensión).

El procesador de control 37 realiza un cálculo simple de divisor de tensión 40 para determinar el nivel de tensión de la fuente de CA 4 en la línea de transmisión 1. Por ejemplo, VIN (el nivel de tensión de la fuente de CA 4 en la línea de transmisión 1) puede calcularse usando la Ecuación (1) proporcionado anteriormente.

Según una realización, el sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71 incluye además opciones de comunicación inalámbrica y por cable. Por ejemplo, en una realización, el transceptor Zigbee 50 o el puerto Ethernet cableado 51 pueden configurarse para transmitir el nivel de tensión calculado a un sistema de destino.

El sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71 incluye además una fuente de alimentación 52 para proporcionar energía a los componentes del sistema de medición de divisor de tensión 71. Según una realización, la fuente de alimentación 52 puede tener una variedad de opciones de fuente que incluyen Alimentación sobre Ethernet (POE) 53 a través del puerto Ethernet 51 o inducción magnética de corriente de línea aislada a través de un T ransformador de Corriente (CT) de pinza 54.

Al autocalibrar automáticamente el valor de Cmedida 23 con una parte de sensor aislada y utilizando el valor de Cmedida 23 para definir una relación de divisor de tensión capacitivo, el sensor 100 es capaz de determinar con precisión la tensión de CA en el cable de transmisión 1, a pesar de las condiciones físicas y ambientales variables potenciales.

La FIG. 3 es un diagrama de bloques de una realización de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado 300 con dos elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor 300 es sustancialmente el mismo que el sensor 100 descrito en relación con la FIG. 1, excepto que en el sensor 300, se elimina el condensador de sonda C2 21 y se agrega el interruptor SW1 70. El interruptor SW1 70 está configurado, en un primer modo de operación, para acoplar selectivamente el IC de conversión de capacitancia a digital 22 a Cmedida 23, y en un segundo modo de operación, para acoplar selectivamente Cmedida 23 a Cref 22. El interruptor SW1 70 es operado por el procesador de control 37.

Como el condensador de sonda C2 21 no está presente en el sensor 300, el condensador Cmedida 23 se utiliza tanto como condensador de sonda (es decir, un condensador similar a C2 21) y como condensador de medición. Cuando se desea que el subsistema de adquisición de sonda 10 determine la capacitancia de Cmedida 23 monitoreando la capacitancia entre dos condensadores de sonda en serie, el interruptor SW1 70 se opera en el primer modo de operación, y el IC de conversión de capacitancia a digital 22 mide la capacitancia diferencial entre los condensadores C1 20 y Cmedida 23.

Como se describió anteriormente de manera similar, el IC de conversión de capacitancia a digital 22 proporciona una medición de la capacitancia diferencial entre los condensadores C1 20 y Cmedida 23. Como los condensadores C1 20 y Cmedida 23 están esencialmente conectados en una configuración en serie y están configurados para ofrecer valores de capacitancia sustancialmente idénticos, el valor de capacitancia individual de Cmedida 23 se puede determinar duplicando numéricamente la capacitancia entre los condensadores de sonda C1 20 y Cmedida 23, medida por el IC de conversión de capacitancia a digital 22. El valor de capacitancia individual calculado de Cmedida 23 se proporciona al sistema de medición de divisor de tensión capacitivo 11 por el subsistema de adquisición de sonda 10.

Cuando se desea que el sistema de medición de divisor de tensión 11 calcule la tensión de la fuente de CA 4 en la línea de transmisión 1, el interruptor SW1 70 se opera en el segundo modo de operación para acoplar Cmedida 23 a Cref 38 (es decir, para completar el divisor de tensión capacitivo). La impedancia Z1 es calculada por el procesador de control 37 con respecto al valor recibido de Cmedida 23 y la capacitancia Cref 35 (y consecuentemente la impedancia Z2 y la relación de divisor de tensión) es controlada por el procesador de control 37 como se describió anteriormente. En base a estos cálculos, la tensión de la fuente de CA 4 en la línea de transmisión 1 se determina mediante un cálculo simple de divisor de tensión, como se describe anteriormente.

La configuración de la FIG. 3 reduce el número de elementos capacitivos (por ejemplo, de tres a dos) dentro del sensor e incluye la capacitancia real de Cmedida 23 en la ecuación de medición que puede mejorar la precisión.

Como se describió anteriormente, las placas conductoras de los condensadores C1 20, C2 21 y Cmedida 23 se pueden acoplar (es decir, sujetar) al cable de transmisión 1 (de manera que las placas rodeen el cable de transmisión 1) a través de una variedad de formas.

La FIG. 4A es un diagrama de un sensor de tensión de CA rígido sin contacto y autocalibrado 400 con tres elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor 400 incluye una primera parte 402 y una segunda parte 404 acopladas entre sí a través de una bisagra 406. Tanto la primera parte 402 como la segunda parte 404 incluyen el condensador de sonda C1 20, el condensador de sonda C221 y el condensador de medición Cmedida 23.

Según una realización, la primera parte 402 también incluye el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda autoalimentado y autocalibrado 62, como se describe anteriormente con referencia a la FIG. 2. En una realización, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 incluye un transformador de pinza de corriente inductivo 63 que proporciona energía al subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62, un transceptor inalámbrico Zigbee 50 y un cable coaxial 65. Como se describió anteriormente, el cable coaxial 65 está configurado para acoplarse entre Cmedida 23 y un sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71 en otra ubicación.

Para acoplar el sensor 400 a un cable de transmisión 1, el cable de transmisión 1 se coloca entre la primera parte 402 y la segunda parte 404. La primera parte 402 y la segunda parte 404 se empujan entre sí de modo que el cable de transmisión 1 esté encerrado por el primera parte 402 y segunda parte 404 y de modo que los condensadores C1 20, C221 y Cmedida 23 rodean una parte del cable de transmisión 1.

En base a la capacitancia entre C1 20 y C221, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 calcula la capacitancia individual de C1 20, C2, 21 y Cmedida 23, como se describió anteriormente. La capacitancia individual de Cmedida 23 se transmite a un sistema de medición de divisor de tensión 71 a través del transceptor inalámbrico 50. El sistema de medición de divisor de tensión 71 calcula la tensión en la línea de transmisión utilizando un divisor de tensión que incluye una capacitancia de referencia (por ejemplo, Cref 35 como se ve en la FIG. 2) y Cmedida 23 (acoplada al sistema de medición de divisor de tensión 71 a través de un cable coaxial 65).

Las FIGS. 4A-4F ilustran vistas del sensor 400 en una condición abierta tal como se colocaría alrededor de un cable de transmisión 1. Las FIGS. 4G y 4H ilustran vistas del sensor 40 en una condición cerrada, ya que estaría sujeto alrededor de un cable de transmisión 1.

La FIG. 5 es un diagrama de un sensor de tensión de CA rígido sin contacto y autocalibrado 500 con dos elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor 500 es el mismo que el sensor 400 (como se describió anteriormente con respecto a la FIG. 4) excepto que el sensor 500 no incluye la capacitancia de sonda C2 21 y por lo tanto incluye dos elementos capacitivos en lugar de tres. El sensor 500 también incluye una primera parte 502 y una segunda parte 504 acopladas entre sí a través de una bisagra 506. Tanto la primera parte 502 como la segunda parte 504 incluyen el condensador de sonda C1 20 y el condensador de medición Cmedida 23.

Según una realización, la primera parte 502 también incluye el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda autoalimentado y autocalibrado 10, como se describió anteriormente con referencia a la FIG. 3. En una realización, como se ve con referencia a la FIG. 2, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10 también incluye un transformador de pinza de corriente inductivo 63 que proporciona energía al subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 10, un transceptor inalámbrico Zigbee 50 y un cable coaxial 65. Como se describió anteriormente, el cable coaxial 65 está configurado para acoplarse entre Cmedida 23 y un sistema de medición de divisor de tensión capacitivo de rango automático 71 en otra ubicación.

Para acoplar el sensor 500 a un cable de transmisión 1, el cable de transmisión 1 se coloca entre la primera parte 502 y la segunda parte 504. La primera parte 502 y la segunda parte 504 se empujan entre sí de modo que el cable de transmisión 1 esté encerrado por el primera parte 502 y segunda parte 404 y de modo que los condensadores C1 20 y Cmedida 23 rodean una parte del cable de transmisión 1.

En base a la capacitancia entre C1 20 y Cmedida 23, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 calcula la capacitancia individual de C1 20 y Cmedida 23, como se describió anteriormente. La capacitancia individual de Cmedida 23 se transmite a un sistema de medición de divisor de tensión 71 a través del transceptor inalámbrico 50. El sistema de medición de divisor de tensión 71 calcula la tensión en la línea de transmisión utilizando un divisor de tensión que incluye una capacitancia de referencia (por ejemplo, Cref 35 como se ve en la FIG. 2) y Cmedida 23 (acoplada al sistema de medición de divisor de tensión 71 a través de un cable coaxial 65).

La FIG. 6A es un diagrama de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado 600 flexible con tres elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor 600 incluye una capa laminada flexible 70 que incluye condensadores de sonda C1 20 y C2 21, y un condensador de medición Cmedida 23. Según una realización, el sensor 600 también incluye material de aislamiento (es decir, dieléctrico) sobre cada elemento capacitivo. En una realización, el sensor 600 también puede incluir un cable coaxial 65 acoplado entre Cmedida 23 y un sistema de medición de divisor de tensión 71 externo.

El sensor 600 también incluye un subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 (como se muestra en la FIG. 2) que, aunque no se muestra en la FIG. 6A, está acoplado a los condensadores C1 20 y C221 y puede fijarse a una parte de la capa laminada 70. En otra realización, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 puede montarse en otro lugar de una línea de transmisión o a una distancia corta desde el sensor 600.

Como se ve en la FIG. 6C, para acoplar el sensor 600 a un cable de transmisión 1, el sensor 600 se coloca adyacente al cable de transmisión 1. El sensor 600 se envuelve alrededor del dieléctrico aislante 3 del cable de transmisión 1 de modo que el cable de transmisión 1 quede encerrado por el sensor 600 y de modo que los condensadores C1 20, C2 21 y Cmedida 23 rodeen una parte del cable de transmisión 1. Según una realización, una tira adhesiva 71 mantiene el sensor 600 en su lugar alrededor del cable de transmisión 1. La FIG. 6B ilustra el sensor 600 en una condición envuelta y la FIG. 6D ilustra el sensor 600 envuelto alrededor de la línea de transmisión 1.

En base a la capacitancia entre C1 20 y C221, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 calcula la capacitancia individual de C1 20, C2, 21 y Cmedida 23, como se describió anteriormente. La capacitancia individual de Cmedida 23 se transmite a un sistema de medición de divisor de tensión 71 remoto a través de un transceptor inalámbrico 50 o a través de una conexión cableada. El sistema de medición de divisor de tensión 71 calcula la tensión en la línea de transmisión utilizando un divisor de tensión que incluye una capacitancia de referencia (por ejemplo, Cref 35 como se ve en la FIG. 2) y Cmedida 23 (acoplada al sistema de medición de divisor de tensión 71 a través de un cable coaxial 65).

La FIG. 7A es un diagrama de un sensor de tensión de CA sin contacto y autocalibrado 700 flexible con dos elementos capacitivos según los aspectos descritos en la presente memoria. El sensor 700 incluye una capa laminada flexible 70 que incluye condensadores de sonda C1 20 y el condensador de medición Cmedida 23. Según una realización, el sensor 700 también incluye material de aislamiento (es decir, dieléctrico) sobre cada elemento capacitivo. En una realización, el sensor 700 también puede incluir un cable coaxial 65 acoplado entre Cmedida 23 y un sistema de medición de divisor de tensión 71 externo.

El sensor 700 también incluye un subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 (como se muestra en la FIG. 2) que, aunque no se muestra en la FIG. 7A, está acoplado a los condensadores C1 20 y Cmedida 23 (como se describió anteriormente) y puede fijarse a una parte de la capa laminada 70. En otra realización, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 puede montarse en otra parte de una línea de transmisión o a una distancia corta del sensor 700.

Como se ve en la FIG. 7C, para acoplar el sensor 700 a un cable de transmisión 1, el sensor 700 se coloca adyacente al cable de transmisión 1. El sensor 700 se envuelve alrededor del dieléctrico aislante 3 del cable de transmisión 1 de modo que el cable de transmisión 1 quede encerrado por el sensor 700 y de modo que los condensadores C1 20 y Cmedida 23 rodean una parte del cable de transmisión 1. Según una realización, una tira adhesiva 71 mantiene el sensor 700 en su lugar alrededor del cable de transmisión 1. La FIG. 7B ilustra el sensor 700 en una condición envuelta. La FIG. 7D ilustra el sensor 700 envuelto alrededor del cable de transmisión 1.

En base a la capacitancia entre C1 20 y Cmedida 23, el subsistema de adquisición de capacitancia de sonda 62 calcula la capacitancia individual de C1 20 y Cmedida 23, como se describió anteriormente. La capacitancia individual de Cmedida 23 se transmite a un sistema de medición de divisor de tensión 71 remoto a través de un transceptor inalámbrico 50 o a través de una conexión cableada. El sistema de medición de divisor de tensión 71 calcula la tensión en la línea de transmisión utilizando un divisor de tensión que incluye una capacitancia de referencia (por ejemplo, Cref 35 como se ve en la FIG. 2) y Cmedida 23 (acoplada al sistema de medición de divisor de tensión 71 a través de un cable coaxial 65).

Como se describe en la presente memoria, los elementos capacitivos C1, C2 y Cmedida son casi idénticos; sin embargo, en otras realizaciones, se pueden utilizar elementos capacitivos no idénticos. En tal situación, las relaciones geométricas y eléctricas resultantes de los elementos capacitivos individuales se tienen en cuenta tanto en los subsistemas de calibración (es decir, adquisición) como de medición de tensión. Por ejemplo, en una realización, donde la capacitancia de sonda C1 es mucho mayor que la capacitancia de sonda C2, la medición en serie de la capacitancia de C1 (grande) y C2 (pequeña) da como resultado la medición de C2. Como C1 es grande, aparece como una impedancia baja en comparación con C2 y, por lo tanto, C2 domina la medición. Una vez que se determina C2, se puede determinar Cmedida siempre que se conozcan las relaciones entre los condensadores.

Según otra realización, para preservar la naturaleza aislada del sistema de medición, la referencia externa 12 puede conectarse a una fuente no conectada a tierra (por ejemplo, tal como un sistema conectado delta). Sin embargo, en tal realización, el suministro de tensión de circuito sensor y los componentes de comunicación pueden necesitar proporcionar el aislamiento eléctrico necesario.

Como se describe en la presente memoria, se discute una línea de transmisión de un sistema de energía monofásico; sin embargo, en otras realizaciones, se puede utilizar un sistema polifásico que tiene una pluralidad de sensores.

Como se describe en la presente memoria, se discute la monitorización de una línea de transmisión de alimentación o ramal; sin embargo, en otras realizaciones, el circuito sensor puede configurarse para monitorear la tensión de cualquier línea de tensión.

Por lo tanto, las realizaciones descritas en la presente memoria proporcionan un sensor de tensión de CA capaz de adquirir las señales de tensión de la línea de transmisión con suficiente precisión sin romper la barrera de aislamiento de la línea de transmisión. Al monitorear continuamente las características capacitivas del cable de transmisión de energía de CA sobre la longitud limitada del sensor, se proporciona una funcionalidad de autocalibración automática para la determinación de la capacitancia de Cmedida; cuyo valor permite una determinación precisa de la tensión de CA en el cable de transmisión 1 a pesar de las condiciones físicas y ambientales variables potenciales.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sensor (300) para detectar tensión en una línea de transmisión que tiene un aislante (3) y un conductor (2), el sensor que comprende:

una carcasa configurada para rodear mecánicamente y extenderse longitudinalmente a lo largo de una parte de la línea de transmisión;

al menos una placa conductora de sonda acoplada a la carcasa y configurada para rodear al menos una primera parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, la al menos una placa conductora de sonda configurada además para formar al menos un condensador de sonda (C1) con la al menos una primera parte de la parte de la línea de transmisión;

una placa conductora de medición acoplada a la carcasa y configurada para rodear una segunda parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, la placa conductora de medición configurada además para formar un condensador de medición (Cmedida) con la segunda parte de la parte de la línea de transmisión, el condensador de medición que tiene una relación geométrica y eléctrica resultante conocida con el al menos un condensador de sonda;

un sistema de adquisición de capacitancia acoplado a una primera placa conductora de sonda del al menos un condensador de sonda, y acoplado a la placa conductora de medición, el sistema de adquisición de capacitancia que está aislado galvánicamente del conductor; y

un sistema de medición de tensión acoplado al condensador de medición y configurado para comunicarse con el sistema de adquisición de capacitancia,

en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para determinar un primer valor relacionado con la capacitancia del al menos un condensador de sonda, y en base al primer valor, determinar un valor de capacitancia del condensador de medición; y

en donde el sistema de medición de tensión está configurado para recibir una señal que proporciona el valor de capacitancia del condensador de medición del sistema de adquisición de capacitancia y calcular un segundo valor relacionado con un nivel de tensión de la línea de transmisión.

2. Un sensor (100, 200) para detectar tensión en una línea de transmisión que tiene un aislante (3) y un conductor (2), el sensor que comprende: una carcasa configurada para rodear mecánicamente y extenderse longitudinalmente a lo largo de una parte de la línea de transmisión; una primera placa conductora de sonda acoplada a la carcasa y configurada para rodear un primer segmento de una primera parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, y configurada además para formar un primer condensador de sonda (C1) con dicho primer segmento de la primera parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, una segunda placa conductora de sonda acoplada a la carcasa y configurada para rodear un segundo segmento diferente de dicha primera parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, y configurada adicionalmente para formar un segundo condensador de sonda (C2) con dicho segundo segmento de dicha primera parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, en donde el primer y segundo condensadores de sonda están conectados en serie a través del conductor y están configurados para construir un condensador total equivalente correspondiente a un condensador de sonda, una placa conductora de medición acoplada a la carcasa y configurada para rodear una segunda parte de la parte de la línea de transmisión rodeada por la carcasa, la placa conductora de medición configurada además para formar un condensador de medición (Cmedida) con dicha segunda parte de la parte de la línea de transmisión, el condensador de medición que tiene una relación geométrica y eléctrica resultante con los condensadores de sonda; un sistema de adquisición de capacitancia acoplado a la primera placa conductora de sonda y a la segunda placa conductora de sonda, el sistema de adquisición de capacitancia que está aislado galvánicamente del conductor; y un sistema de medición de tensión acoplado al condensador de medición y configurado para comunicarse con el sistema de adquisición de capacitancia, en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para determinar un primer valor relacionado con la capacitancia del condensador de sonda, y en base al primer valor, determinar un valor de capacitancia del condensador de medición; y en donde el sistema de medición de tensión está configurado para recibir una señal que proporciona el valor de capacitancia del condensador de medición del sistema de adquisición de capacitancia y calcular un segundo valor relacionado con un nivel de tensión de la línea de transmisión.

3. El sensor de la reivindicación 1 o 2, en donde el sistema de medición de tensión comprende un divisor de tensión que incluye el condensador de medición y un condensador de referencia acoplado a una conexión a tierra, y en donde el sistema de medición de tensión está configurado para calcular el segundo valor relacionado con el nivel de tensión de la línea de transmisión que usa una relación de divisor de tensión en base al valor de capacitancia del condensador de medición y una capacitancia del condensador de referencia.

4. El sensor de la reivindicación 1 o 2, en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para estar aislado de una conexión a tierra de la línea de transmisión.

5. El sensor de la reivindicación 3, en donde el condensador de referencia es un condensador de referencia variable y en donde el sistema de medición comprende además un controlador acoplado al divisor de tensión y al condensador de referencia variable, en donde el controlador está configurado para definir la relación de divisor de tensión ajustando el capacitancia del condensador de referencia.

6. El sensor de la reivindicación 1 o 2, en donde el sistema de adquisición de capacitancia incluye un circuito de conversión de capacitancia a digital acoplado a al menos un condensador de sonda y configurado para determinar el primer valor.

7. El sensor de la reivindicación 6, en donde el sistema de adquisición de capacitancia incluye una interfaz de datos acoplada entre el circuito de conversión de capacitancia a digital y el controlador, y en donde la interfaz de datos está configurada para transmitir el valor de capacitancia del condensador de medición al controlador.

8. El sensor de la reivindicación 3 cuando depende de la reivindicación 2, en donde el sistema de adquisición de capacitancia incluye un primer transceptor inalámbrico acoplado al circuito de conversión de capacitancia a digital, en donde el sistema de medición de tensión incluye un segundo transceptor inalámbrico acoplado al controlador, y en donde el primer transceptor inalámbrico está configurado para transmitir la señal al controlador a través del segundo transceptor inalámbrico.

9. El sensor de la reivindicación 3 cuando depende de la reivindicación 1,

en donde el sistema de medición comprende además un interruptor configurado para acoplar selectivamente el sistema de adquisición de capacitancia al condensador de medición en un primer modo de funcionamiento y para acoplar selectivamente el condensador de referencia al condensador de medición en un segundo modo de operación,

en donde el al menos un condensador de sonda incluye un condensador de sonda única y el condensador de medición, el condensador de sonda única y el condensador de medición configurados para acoplarse alrededor de la línea de transmisión en serie en el primer modo de operación,

en donde el sistema de adquisición de capacitancia está configurado para determinar el primer valor en base a las características del condensador de sonda único y el condensador de medición en el primer modo de funcionamiento; y

en donde el sistema de medición de tensión está configurado para recibir la señal que proporciona el valor de capacitancia del condensador de medición del sistema de adquisición de capacitancia y calcular, en el segundo modo de operación, el segundo valor relacionado con el nivel de tensión de la línea de transmisión.

10. El sensor de la reivindicación 1, en donde el sistema de adquisición de capacitancia incluye una fuente de alimentación aislada configurada para proporcionar energía al sistema de adquisición de capacitancia.

11. El sensor de la reivindicación 10, en donde la fuente de alimentación aislada incluye un transformador de pinza de corriente inductivo configurado para acoplarse alrededor de la línea de transmisión y para proporcionar energía al sistema de adquisición de capacitancia.

12. El sensor de la reivindicación 1 o 2, en donde el sistema de medición de tensión incluye un transceptor inalámbrico configurado para transmitir el segundo valor relacionado con el nivel de tensión de la línea de transmisión a un sistema externo.

13. Un método para determinar la tensión en una línea de transmisión que tiene un aislante (3) y un conductor (2), el método que comprende: rodear, por medio de al menos una placa conductora de sonda, una primera parte de la línea de transmisión para formar al menos un condensador de sonda (C1) con dicha primera parte de la línea de transmisión;

rodear, por medio de una placa conductora de medición, una segunda parte de la línea de transmisión para formar un condensador de medición (Cmedida) con la línea de transmisión, el condensador de medición que tiene una relación geométrica y eléctrica resultante conocida con el al menos un condensador de sonda;

acoplar un sistema de adquisición de capacitancia a la primera placa conductora de sonda de la al menos una placa conductora de sonda, y a la placa conductora de medición;

medir un primer valor relacionado con la capacitancia del al menos un condensador de sonda sin entrar en contacto galvánicamente con el conductor;

determinar, en base al primer valor, un valor de capacitancia del condensador de medición; y

calcular un segundo valor relacionado con una tensión en la línea de transmisión utilizando una relación de divisor de tensión establecida por el valor de capacitancia del condensador de medición y un valor de capacitancia de un condensador de referencia.

14. Un método para determinar la tensión en una línea de transmisión que tiene un aislante (3) y un conductor (2), el método que comprende: rodear, por medio de una primera placa conductora de sonda, un primer segmento de una primera parte de la línea de transmisión para formar un primer condensador de sonda (C1) con dicho primer segmento de la primera parte de la línea de transmisión; rodear, por medio de una segunda placa conductora de sonda, un segundo segmento de la primera parte de la línea de transmisión para formar un segundo condensador de sonda (C2) con dicho segundo segmento de la primera parte de la línea de transmisión; en donde el primer y segundo condensadores de sonda están conectados en serie a través del conductor y están configurados para construir un condensador total equivalente correspondiente a un condensador de sonda, rodeando, por medio de una placa conductora de medición, una segunda parte de la línea de transmisión para formar un condensador de medición (Cmedida) con dicha segunda parte de la línea de transmisión, el condensador de medición que tiene una relación geométrica y eléctrica resultante conocida con los condensadores de sonda; acoplar un sistema de adquisición de capacitancia a la primera placa conductora de sonda y a la segunda placa conductora de sonda; medir un primer valor relacionado con la capacitancia del al menos un condensador de sonda sin entrar en contacto galvánicamente con el conductor; determinar, en base al primer valor, un valor de capacitancia del condensador de medición; y calcular un segundo valor relacionado con una tensión en la línea de transmisión utilizando una relación de divisor de tensión establecida por el valor de capacitancia del condensador de medición y un valor de capacitancia de un condensador de referencia.

15. El método de la reivindicación 13 o 14, que comprende además ajustar la relación de divisor de tensión ajustando el valor de capacitancia del condensador de referencia en respuesta al valor de capacitancia del condensador de medición.