JP2021527202A - インピーダンスアセンブリ - Google Patents
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Abstract
電気エネルギーを全国電力網において配電する送電導体(10)の少なくとも1kVのAC上昇電圧を検知する分圧器に使用するためのインピーダンスアセンブリ(120)。インピーダンスアセンブリは、
a)PCB(170)と、
b)送電導体に接続するための高電圧コンタクト(80)と、
c)PCB上の第1の複数のインピーダンス素子(70)であって、送電導体の電圧を検知するための第1の分圧器(20)において動作可能となるように、高電圧コンタクトに接続され、かつ互いに直列に接続された第1の複数のインピーダンス素子と、
d)PCB上の第2の複数のインピーダンス素子(71)であって、送電導体から電気エネルギーを収集するための第2の分圧器(21)において動作可能となるように、高電圧コンタクトに接続され、かつ互いに直列に接続された第2の複数のインピーダンス素子と、を備える。
a)PCB(170)と、
b)送電導体に接続するための高電圧コンタクト(80)と、
c)PCB上の第1の複数のインピーダンス素子(70)であって、送電導体の電圧を検知するための第1の分圧器(20)において動作可能となるように、高電圧コンタクトに接続され、かつ互いに直列に接続された第1の複数のインピーダンス素子と、
d)PCB上の第2の複数のインピーダンス素子(71)であって、送電導体から電気エネルギーを収集するための第2の分圧器(21)において動作可能となるように、高電圧コンタクトに接続され、かつ互いに直列に接続された第2の複数のインピーダンス素子と、を備える。
Description
本開示は、全国電力網における中電圧(MV)又は高電圧(HV)の電力ケーブル又は架空電力線の内部導体の電圧を検知するために使用できる分圧器に関する。特に、そのような電力ケーブルを絶縁するための収縮可能な又は拡張可能な又は弾性のスリーブに収容できる、そのような分圧器に関する。また、電気エネルギーを収集することを可能にする分圧器アセンブリにも関する。
全国電力網におけるなど長距離にわたる電力の配電は典型的に、72キロボルト(「kV」)以上の高電圧又は1kV〜72kVの中電圧で、数十〜数百アンペアの交流(「AC」)を使用して行われる。電力配電ネットワークの状態をより詳細に監視するために、多くのオペレータが、電力ケーブルの端部に、例えば、ケーブル終端器、ケーブルスプライス、又はプラグ接続可能コネクタに近接して、電圧センサを設置する。これら電圧センサのいくつかは、分圧器、すなわち、直列接続されたインピーダンス素子のチェーンを使用しており、分圧器は、ケーブルの送電導体の上昇電圧(すなわち、中電圧又は高電圧)と電気アースとの間に接続され、2つのインピーダンス素子の間で上昇電圧に比例する信号電圧をピックアップすることができる。そのような分圧器の比例定数、すなわち分割比は多くの場合に、信号電圧が1ボルト〜100ボルトの範囲になるように選択され、これにより、一般の電子回路が、信号電圧を処理し、それから上昇電圧を導出し、ネットワークオペレータに対して利用可能にすることができる。
HV/MV電力ケーブルの内部導体の上昇電圧を検知するための分圧器は、例えば独国特許出願第3702735A1号から知られている。分圧器は、複数の抵抗器、コンデンサ、又はインダクタによって形成することができる。抵抗器、コンデンサ、及びインダクタは、本開示ではインピーダンス素子と総称される。
特定の用途では、そのような直列接続されたインピーダンス素子のチェーンは、ケーブル終端器、ケーブルスプライス、又はプラグ接続可能コネクタの絶縁材料内に省スペースで収容できるインピーダンスアセンブリに組み立てられてきた。欧州特許出願第3223024A1号は、MV/HV電力導体を絶縁するための弾性スリーブと、スリーブの空洞に配置された分圧器アセンブリとを記載している。
信号電圧を処理するための電子回路は、それ自体の動作のために低電圧(典型的には数ボルト)の電力を必要とする。この動作電力を電力ケーブルからタップすることは、上昇電圧を数ボルトまで下げる変換を必要とし、ひいては、適切に絶縁された変圧器を必要とする。動作電力を外部から供給することは、電源出力から回路への余分な配線を必要とするが、電源出力には数個の開閉局のみが装備される。したがって、これら従来の解決策は、設置するための追加のコスト、追加の設備、手作業を伴い、したがって望ましくない。
本開示は、これらの欠点に対処しようとするものである。第1の態様では、本開示は、電気エネルギーを全国電力網において配電する送電導体のアースに対する少なくとも1kVのAC上昇電圧を検知するための分圧器に使用するインピーダンスアセンブリであって、
a)プリント回路基板と、
b)送電導体に接続するための、外部からアクセス可能な高電圧コンタクトと、
c)プリント回路基板に配置された第1の複数のインピーダンス素子であって、送電導体の上昇電圧を検知するための第1の分圧器において動作可能となるように、高電圧コンタクトに電気接続され、かつ互いに直列に接続された第1の複数のインピーダンス素子と、を備え、
インピーダンスアセンブリは、
d)プリント回路基板に配置された第2の複数のインピーダンス素子であって、送電導体から電気エネルギーを収集するための第2の分圧器において動作可能となるように、高電圧コンタクトに電気接続され、かつ互いに直列に接続された第2の複数のインピーダンス素子を更に備えることを特徴とする、インピーダンスアセンブリを提供する。
a)プリント回路基板と、
b)送電導体に接続するための、外部からアクセス可能な高電圧コンタクトと、
c)プリント回路基板に配置された第1の複数のインピーダンス素子であって、送電導体の上昇電圧を検知するための第1の分圧器において動作可能となるように、高電圧コンタクトに電気接続され、かつ互いに直列に接続された第1の複数のインピーダンス素子と、を備え、
インピーダンスアセンブリは、
d)プリント回路基板に配置された第2の複数のインピーダンス素子であって、送電導体から電気エネルギーを収集するための第2の分圧器において動作可能となるように、高電圧コンタクトに電気接続され、かつ互いに直列に接続された第2の複数のインピーダンス素子を更に備えることを特徴とする、インピーダンスアセンブリを提供する。
本開示によるインピーダンスアセンブリは、送電導体からエネルギーを収集することを可能にする第2の複数のインピーダンス素子を提供する。この収集電力は、電子回路、例えば、第1の分圧器からピックアップされた信号電圧を処理するための回路に供給することができる。これにより、回路のための別の電源を設けることが不要になり、外部電力が利用できない場所に電圧センサを設置することが可能になる。
また、第2の複数のインピーダンス素子は、第1の複数のインピーダンス素子と同じプリント回路基板(「PCB」)に配置される。この構成は、第2の複数のインピーダンス素子のための専用の支持体を、専用の支持体及び第2の複数のインピーダンス素子を別に絶縁する必要性とともに、不要にし得る。したがって、本開示によるインピーダンスアセンブリは、コスト及び空間を節約する。
本開示のインピーダンスアセンブリは、送電導体の上昇電圧と電気アースとの間で、送電導体に電気接続するためのものである。送電導体に接続するために、インピーダンスアセンブリは、高電圧コンタクトを備える。このコンタクトは、例えば、ワイヤ又は別の導電性要素を、例えばはんだ付けによって、同コンタクトに機械的及び電気接続できるように、外部からアクセス可能である。この例では、ワイヤの一方の端部が、高電圧コンタクトに接続されてもよく、ワイヤの反対側の端部が、送電導体に接続されてもよい。「外部からアクセス可能」とは、コンタクトがインピーダンスアセンブリの外側からアクセス可能であることを指す。
第1及び第2の複数のインピーダンス素子の両方は、高電圧コンタクトに電気接続され、これにより、それらは、高電圧コンタクトが送電導体に接続されると、送電導体に接続される。
高電圧コンタクトは、例えば、PCB上のはんだ付けコンタクト、又は、インピーダンスアセンブリに含まれるプラグ、ソケット、又はコネクタのコンタクトであってもよく、これにより、ワイヤの端部にある結合用ソケット、プラグ、又はコネクタを介して送電導体との電気的接続を確立することができ、反対側の端部を送電導体に接続することができる。
一般に、送電導体は、全国電力網において、すなわち、数十アンペア又は数百アンペアの電流及び少なくとも1kVの電圧で、電気エネルギーを配電するのに好適な導体である。送電導体は、例えば、MV又はHV電力ケーブルの内部導体であってもよく、又はそれを備えてもよい。あるいは、送電導体は、例えばバスバーであってもよく、又はそれを備えてもよい。
インピーダンス素子が、例えば、抵抗器、コンデンサ、又はインダクタであってもよい。複数のインピーダンス素子が、1つの抵抗器及び1つ以上のコンデンサを備えてもよい。複数のインピーダンス素子が、1つの抵抗器及び1つ以上のインダクタを備えてもよい。複数のインピーダンス素子が、1つのインダクタ及び1つ以上のコンデンサを備えてもよい。一般に、複数のインピーダンス素子は、1つ以上の抵抗器、及び/又は1つ以上のコンデンサ、及び/又は1つ以上のインダクタを備えてもよい。抵抗器、コンデンサ、及びインダクタは、手頃なコストで容易に入手可能であるため、分圧器を形成するのに特に好適な要素である。また、一般に、それらの電気特性は精密に指定されている。
インピーダンス素子の公称インピーダンスは、インピーダンス素子が抵抗器である場合にオームの単位で、インピーダンス素子がコンデンサである場合にファラドの単位で、インピーダンス素子がインダクタである場合にヘンリの単位で測定される。
本開示では、「プリント回路基板」又は同義的に「PCB」との表現は、全てのタイプのPCB、特に、剛性のPCB及び可撓性のPCB、単層PCB及び多層PCB、ポリマーPCB及びセラミックPCB、矩形及び非矩形のPCBを含むことを意味する。
分圧器は、送電導体の上昇電圧を検知するために(「検知用分圧器」)、又は送電導体の上昇電圧から電気エネルギーを収集するために(「収集用分圧器」)、使用することができる。両方のタイプの分圧器は、電気チェーンを形成するように互いに直列に電気接続された複数の抵抗器、コンデンサ、又はインダクタによって形成される。抵抗器、コンデンサ、及びインダクタは、本開示ではインピーダンス素子と総称される。一般に、分圧器の一方の端部が、測定される又は収集される上昇電圧に電気接続され、反対側の端部が、より低い電圧又は電気アースに接続される。直列に接続された多数のインピーダンス素子によって形成される分圧器が有利であり、これは、インピーダンス素子のそれぞれにわたる電圧降下が、数個の、例えば2つのインピーダンス素子のみの場合よりも小さくなり、したがって、電気応力及び故障のリスクが低減するためである。
一般に、分圧器は、分圧器の高電位部分を形成する1つ以上のインピーダンス素子と、分圧器の低電位部分を形成するもう1つのインピーダンス素子とを備える。高電位部分と低電位部分との間には、ピックアップコンタクトが通常設けられる。ピックアップコンタクトは、分圧器から信号をピックアップする(この場合に、「信号コンタクト」と呼ばれる場合がある)、又は分圧器からエネルギーを収集する(この場合に、「収集コンタクト」と呼ばれる場合がある)など、異なる目的を果たすことができる。したがって、信号コンタクトが、第1の複数のインピーダンス素子の2つのインピーダンス素子の間で第1の複数のインピーダンス素子に接続されてもよい。収集コンタクトが、第2の複数のインピーダンス素子の2つのインピーダンス素子の間で第2の複数のインピーダンス素子に接続されてもよい。
本開示によるインピーダンスアセンブリでは、第1の分圧器は、検知用分圧器である。検知用分圧器では、送電導体のAC上昇電圧に比例して変化する分割電圧又は「信号電圧」を信号コンタクトからピックアップすることができる。
検知用分圧器の比例定数、すなわち、検知用分圧器の分割比は一般に、高電位部分の総インピーダンスと低電位部分の総インピーダンスとの比である。信号コンタクトと高電圧コンタクトとの間に電気的に配置されたインピーダンス素子は、高電位部分を形成し、信号コンタクトとより低い電圧又は電気アースとの間に電気的に配置されたインピーダンス素子は、分圧器の低電位部分を形成する。
したがって、いくつかの実施形態では、本開示によるインピーダンスアセンブリが、送電導体の上昇電圧に比例して変化する信号電圧を提供するように第1の複数のインピーダンス素子に接続された信号コンタクトを更に備える。
第2の分圧器は、収集用分圧器である。収集用分圧器では、検知用分圧器の信号コンタクトと同様に電気接続された収集コンタクトによって電流を収集することができる。収集コンタクトが、第2の複数のインピーダンス素子の2つのインピーダンス素子の間で第2の複数のインピーダンス素子に接続されてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、インピーダンスアセンブリは、送電導体から電気エネルギーを収集することを可能にするように第2の複数のインピーダンス素子に接続された収集コンタクトを更に備える。
本開示によるインピーダンスアセンブリでは、第1の複数のインピーダンス素子は、第1の分圧器の高電位部分を形成してもよい。第1の分圧器の低電位部分を形成する他のインピーダンス素子は、インピーダンスアセンブリに含まれてもよく、含まれなくてもよい。他のインピーダンス素子は、例えば、別の電子機器容器内など、インピーダンスアセンブリの外側に配置されてもよい。いずれの場合も、信号コンタクトは、インピーダンスアセンブリ内又はその上に配置されてもよく、又は、インピーダンスアセンブリの外側に、例えば、電子機器容器内又はその上に配置されてもよい。
あるいは、本開示による他のインピーダンスアセンブリでは、第1の複数のインピーダンス素子は、第1の分圧器の高電位部分及び低電位部分の両方を形成してもよい。換言すれば、第1の複数のインピーダンス素子のいくつかのインピーダンス素子が、高電位部分を形成してもよく、第1の複数のインピーダンス素子の他のインピーダンス素子が、第1の分圧器の低電位部分を形成してもよい。この場合に、信号コンタクトは、好ましくはインピーダンスアセンブリ内又はその上に配置される。
第1の分圧器は、送電導体の上昇電圧を検知するのに好適である。この検知のために、高電圧コンタクトと電気アース又は低電圧との間のインピーダンス素子のチェーンが、より高い総インピーダンスを提供することが有利であり、これにより、小さな電流のみが第1の分圧器を流れ、電気損失がより小さくなる。しかし、エネルギー収集のためには一般に、高電圧コンタクトと電気アース又は低電圧との間のインピーダンス素子のチェーンが、より低い総インピーダンスを提供することが有利であり、これにより、より大きな電流が流れることができ、より多くのエネルギーを収集することができる。
送電の上昇電圧を高精度で検知することが望まれる場合には、上昇電圧と信号電圧との間の比例定数を、より細かな程度まで知る必要がある。これには、検知用分圧器の分割比、すなわち、高電位部分の総インピーダンスと低電位部分の総インピーダンスとの比を、正確に決定することが必要となる。したがって、検知用分圧器に使用される第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子は一般に、それらの実際のインピーダンス値のより高い精度(例えば、オーム、ファラド、又はヘンリの公称インピーダンス値から5%未満の偏差)について選択される。温度の変化によってほとんど変化しない分割比のために、検知用分圧器に使用される第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子もまた一般的に、それらの実際のインピーダンス値の温度による特に小さな変動について選択される。
精度は一般に、第2の(収集用)分圧器では、それほど気にされない。これは、電子回路を、それらの公称値付近の広い範囲内で変化する供給電圧によって動作させることができるためである。したがって、第2の分圧器に使用される第2の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子は一般に、それらの実際のインピーダンス値のより高い精度、又は温度による変動について選択されない。
本開示によるインピーダンスアセンブリでは、第2の複数のインピーダンス素子は、第2の分圧器の高電位部分を形成してもよい。第2の分圧器の低電位部分を形成する他のインピーダンス素子は、インピーダンスアセンブリに含まれてもよく、含まれなくてもよい。他のインピーダンス素子は、インピーダンスアセンブリの外側に、例えば、別の電子機器容器などに、配置されてもよい。この場合に、信号コンタクトは、インピーダンスアセンブリ内又はその上に配置されてもよい。
あるいは、本開示による他のインピーダンスアセンブリでは、第2の複数のインピーダンス素子は、第2の分圧器の高電位部分及び低電位部分の両方を形成してもよい。換言すれば、第2の複数のインピーダンス素子のいくつかのインピーダンス素子が、高電位部分を形成してもよく、第2の複数のインピーダンス素子の他のインピーダンス素子が、第2の分圧器の低電位部分を形成してもよい。この場合に、信号コンタクトは、好ましくはインピーダンスアセンブリ内又はその上に配置される。
第2の複数のインピーダンス素子が収集できる電気エネルギーは、任意の種類のパワー電気又は電子デバイスに電力供給するために使用されてもよい。特に、電気エネルギーは、第1の複数のインピーダンス素子によって提供される信号電圧を処理する処理ユニットに電力供給するために使用され、それによって、送電導体の上昇電圧を検知してもよい。そのために、処理ユニットは、信号電圧を処理する電気又は電子回路を備えてもよい。状況に応じて、そのような回路は、動作するために少なくとも10mW、少なくとも20mW、少なくとも50mW、又は少なくとも100mWを必要とする。ほとんどの場合に、そのような処理ユニットを動作させるには、50mWで十分である。
したがって、いくつかの実施形態では、第2の複数のインピーダンス素子のそれぞれのインピーダンスは、第2の分圧器が、送電導体から少なくとも50ミリワット(mW)の電気エネルギーを収集できるように選択される。
いくつかの実施形態では、第2の複数のインピーダンス素子は、送電導体の上昇電圧を400ボルト以下の電圧に変換するインダクタレス降圧形コンバータに含まれる。これにより、より多くの電気エネルギーを収集し、上述した電子回路に、より多くの電力を供給することが可能になる。
これら実施形態のいくつかでは、インダクタレス降圧形コンバータは、送電導体の上昇AC電圧の正及び負の半波を400ボルト以下の電圧に変換する。このことは、第2の複数のインピーダンス素子、すなわち、収集用分圧器のいくつかのコンデンサ上のDC負荷を回避するのに役立ち、それによって、収集用分圧器の信頼性及び/又は精度を高めることができる。
インピーダンスアセンブリが上述したような信号コンタクトを備えるいくつかの実施形態では、ワイヤが、信号コンタクトに固定され、例えば、はんだ付けされる。ワイヤは、信号電圧をインピーダンスアセンブリの外側の処理ユニットに導き、処理ユニットでは、送電導体の実際の電圧を決定するために、電気回路又は電子回路が信号電圧を処理する。インピーダンスアセンブリと処理ユニットとの間の有線接続は信頼性が高いが、これら2つの構成要素の一方が故障し、交換を必要とする場合に、処理ユニットからインピーダンスアセンブリを分離するのが困難になる。
したがって、分離可能かつ再接続可能な接続が望ましい場合がある。その目的のために、インピーダンスアセンブリに含まれる分離可能かつ再接続可能なインターフェースコネクタが設けられてもよく、インターフェースコネクタでは、1つのコネクタコンタクトが信号コンタクトに接続される。インターフェースコネクタは、信号電圧を処理ユニットにもたらし得る、ワイヤ又はケーブルの端部にある対応するプラグとの結合を容易にする。
したがって、いくつかの実施形態では、信号コンタクトを備える、本明細書に記載のインピーダンスアセンブリが、対応するプラグと機械的及び電気的に結合するためのインターフェースコネクタを更に備え、インターフェースコネクタが、電気信号をプラグに伝送するための複数のコネクタコンタクトを備え、コネクタコンタクトの1つが、信号コンタクトに電気接続される。
本開示によれば、第1の複数のインピーダンス素子及び第2の複数のインピーダンス素子は、PCBに配置される。したがって、PCBは、第1の複数のインピーダンス素子及び/又は第2の複数のインピーダンス素子を支持してもよい。PCBは、インピーダンス素子を互いに電気接続するための導電性トレースを備えてもよい。そのような導電性トレースは、PCBの外面に配置されてもよく、PCB内、例えば、多層PCBの内部層に配置されてもよい。PCB上又はPCB内のそのような導電性トレースは、第1の複数のインピーダンス素子のいくつかの又は全てのインピーダンス素子を、第1の複数のインピーダンス素子の1つ以上のそれぞれの隣り合うインピーダンス素子と接続してもよい。同様に、PCB上又はPCB内のそのような導電性トレースは、第2の複数のインピーダンス素子のいくつかの又は全てのインピーダンス素子を、第2の複数のインピーダンス素子の1つ以上のそれぞれの隣り合うインピーダンス素子と接続してもよい。
あるいは、しかし、インピーダンス素子は、PCBに配置されてもよく、それらの間の電気的接続は、PCBに含まれない要素によって、例えば、外部ワイヤ又は外部コネクタ又は更なるPCBによって、形成されてもよい。
第1の複数のインピーダンス素子(及び第2の複数のインピーダンス素子)のインピーダンス素子は、互いに直列に電気接続される。したがって、この「チェーン」の端部にあるインピーダンス素子を除いて、インピーダンス素子は、電気的に隣接する1つのインピーダンス素子と電気的に隣接する別のインピーダンス素子との間に電気接続される。
インピーダンス素子のチェーンの高電圧端にある最後のインピーダンス素子は、高電圧コンタクトに接続される。これにより、最後のインピーダンス素子は、第1又は第2の分圧器の高電位部分を高電圧コンタクトに接続し、使用中に、また送電導体の上昇電圧に接続する。インピーダンス素子のチェーンの反対側の低電圧端にある最後のインピーダンス素子は、使用中に、電気アース又は低電圧上の要素に電気接続されてもよく、これにより、第1又は第2の分圧器の低電位部分は、アース又は低電圧に接続される。
(第1又は第2の)分圧器の低電位部分がインピーダンスアセンブリに含まれない場合に、インピーダンス素子のチェーンの反対側の低電圧端にある最後のインピーダンス素子は、使用中に、それぞれの(第1又は第2の)分圧器の低電位部分に電気接続されてもよく、次いで、アース又は低電圧に接続される。
一般に、PCB上の第1の複数の又は第2の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子の構成は、特に限定されない。本開示によるインピーダンスアセンブリのいくつかの実施形態では、PCBは、第1の主外面と、反対側の第2の主外面、例えば、第1の主面と平行な反対側の第2の主面とを有する。これら実施形態のいくつかでは、第1の複数のインピーダンス素子は、第1の主外面に配置され、第2の複数のインピーダンス素子は、第2の主外面に配置される。
これら実施形態のいくつかの形態では、第1の複数のインピーダンス素子は、第1の主外面に配置され、第2の複数のインピーダンス素子も、第1の主外面に配置される。
いくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子のいくつかのインピーダンス素子が、第1の主外面に配置され、第1の複数のインピーダンス素子のいくつかの他のインピーダンス素子が、PCBの第2の主外面に配置される。
本開示によるインピーダンスアセンブリのいくつかの実施形態では、第2の複数のインピーダンス素子の各インピーダンス素子が、第1の複数のインピーダンス素子の対応するインピーダンス素子の正反対に、すなわち、PCBの厚さで隔てられただけで、配置される。この構成の効果は、「検知用」インピーダンス素子(すなわち、第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子)が、反対側の「収集用」インピーダンス素子(すなわち、第2の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子)の方向で「見る」電界勾配が、低減し得ることである。したがって、第2の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子は、それらの反対側に配置された第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子に対するある形態の電気シールドを提供する。この低減された電界勾配は、PCBを通じた第1の複数のインピーダンス素子からの寄生電流を低減し得る。このことは最終的に、第1の(「検知用」)分圧器のより高い測定精度と、送電導体の電圧のより正確な検知とをもたらし得る。
したがって、第1の複数のインピーダンス素子が第1の主外面に配置され、第2の複数のインピーダンス素子が第2の主外面に配置されるいくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子の第1のインピーダンス素子が、第1の主外面上の第1の位置に配置され、第2の複数のインピーダンス素子の第1のインピーダンス素子が、第2の主外面上の同じ第1の位置に配置される。
更により良好なシールドのために、第2の複数のインピーダンス素子の第2のインピーダンス素子を、第1の複数のインピーダンス素子の対応する第2のインピーダンス素子の反対側に配置することが望ましい場合がある。したがって、上述した実施形態のいくつかでは、第1の複数のインピーダンス素子の第2のインピーダンス素子が、第1の主外面上の第2の位置に配置され、第2の複数のインピーダンス素子の第2のインピーダンス素子が、第2の主外面上の同じ第2の位置に配置される。
本開示では、第1のインピーダンス素子がPCBの第1の主面の特定の二次元位置に配置され、第2のインピーダンス素子がPCBの第2の主面の同じ二次元位置に配置され、これにより、インピーダンス素子が、PCBの厚さ方向のみで互いに隔てられるが、PCBの面内方向で隔てられない場合に、インピーダンス素子が、第1の外面及び平行な第2の外面を有する平坦なPCB上の別のインピーダンス素子と正反対に配置されると理解される。
PCBの1つの主面に配置されるインピーダンス素子を、異なるパターンで幾何学的に配置することができる。インピーダンスアセンブリは、上昇電圧の要素と低電圧又は電気アースの要素との間で物理的に延びる。この電圧降下は、直列接続されたインピーダンス素子のチェーンにより、例えば、第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子及び第2の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子により、吸収される必要がある。インピーダンス素子のチェーンの直線的な構成、すなわち、インピーダンス素子が直線状の列を形成するように配置される構成が有利である。これは、インピーダンス素子間、特に、同じチェーンのインピーダンス素子間、すなわち、同じ複数のインピーダンス素子内での絶縁破壊のリスクを低減するためである。そのような直線的な配置では、電圧降下は、インピーダンス素子のチェーンに沿ってどうにか均等に分散される。
電気的にわずかに好ましくない構成は、インピーダンス素子の2列の構成である。そのような構成では、第1の列が、第1のチェーン(又は第2のチェーン)の第1の、第3の、第5の、第7などのインピーダンス素子によって形成されてもよく、第2の列が、第1のチェーン(又は第2のチェーン)の第2の、第4の、第6の、第8などのインピーダンス素子によって形成されてもよい。したがって、チェーンは、そのインピーダンス素子が単一の列を形成するように直線状に配置されなくてもよいが、その代わりに、そのインピーダンス素子が平行な2つの直線状の列を形成するように、Z字状に配置されてもよい。
したがって、いくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子は、インピーダンス素子の1つの直線状の列、又はインピーダンス素子の2つの直線状の列を形成するように配置される。第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子の構成とは無関係に、第2の複数のインピーダンス素子は、インピーダンス素子の1つの直線状の列、又はインピーダンス素子の2つの直線状の列を形成するように配置されてもよい。
インピーダンスアセンブリの高電圧端から低電圧端への電圧降下が、特に平滑であるか、又は直列接続されたインピーダンス素子のチェーンの長さ方向に沿っている場合に、インピーダンスアセンブリの要素間の絶縁破壊のリスクがより低い。このために、いくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子の全てのインピーダンス素子が、同じ公称インピーダンスを有する。これら実施形態のいくつかでは、第2の複数のインピーダンス素子の全てのインピーダンス素子も、第1の複数のインピーダンス素子のインピーダンス素子の公称インピーダンスと異なり得る同じ公称インピーダンスを有する。
したがって、いくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子の各インピーダンス素子は、同じ第1の公称インピーダンスを有し、及び/又は、第2の複数のインピーダンス素子の各インピーダンス素子は、同じ第2の公称インピーダンスを有する。
そのような設計は、第1の複数のインピーダンス素子がPCBの第1の主外面に第1の直線状の列で配置され、第2の複数のインピーダンス素子がPCBの第2の主外面に第2の直線状の列で配置される場合に、特に有利である。第2の直線状の列は、第1の直線状の列と平行であってもよい。
一般に、本開示の文脈では、「インピーダンス素子」という用語は、コンデンサ、抵抗器、又はインダクタを指す。インピーダンス素子、すなわち、コンデンサ、抵抗器、又はインダクタは、個別のインピーダンス素子、すなわち、個別のコンデンサ、個別の抵抗器、又は個別のインダクタであってもよい。本明細書で使用するとき、個別のインピーダンス素子は、他の電気要素から、PCBから、又はPCB上の導電性トレースから、独立して存在する個々の電気要素である。特に、個別のインピーダンス素子は、PCBの外面又はPCB内の導電性トレースによって形成されない。
個別のインピーダンス素子は、特に、表面実装される個別のインピーダンス素子、すなわち、PCBの外面に実装できるものであってもよい。
いくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子の各インピーダンス素子は、個別の表面実装コンデンサであり、及び/又は第2の複数のインピーダンス素子の各インピーダンス素子は、個別の表面実装コンデンサである。
ナノファラド及びピコファラドの範囲の好適な容量の個別の表面実装コンデンサが、高い公称精度等級で市販されており、したがって、本開示によるインピーダンスアセンブリにおいて有用である。また、個別の表面実装コンデンサは、PCBの主外面がアクセス可能である限り、より容易に交換することができる。
インピーダンス素子のチェーン内の各インピーダンス素子(すなわち、第1の複数の又は第2の複数のインピーダンス素子)にわたる電圧降下は、より多くのインピーダンス素子によって上昇電圧が分割される場合に、より少ないインピーダンス素子による場合とは対照的に、より小さい。したがって、それぞれのチェーンの個々のインピーダンス素子の電圧抵抗の要件を、より低くすることができる。
したがって、本開示のいくつかの実施形態では、第1の複数のインピーダンス素子は、20個を超すインピーダンス素子を備え、及び/又は第2の複数のインピーダンス素子は、20個を超すインピーダンス素子を備える。
本開示によるインピーダンスアセンブリを、絶縁破壊及び/又は個々のインピーダンス素子間に形成されるアークからより良好に保護するために、インピーダンスアセンブリは、電気絶縁性の封入体に部分的に又は完全に埋め込まれるか、又は封入されてもよい。封入体は、封入される要素に追加の電気絶縁をもたらし得る。封入体はまた、機械的衝撃、化学的衝撃、又は環境的衝撃に対する更なる保護ももたらし得る。
インピーダンスアセンブリのプリント回路基板の一部分、又はプリント回路基板の全体が、封入体に封入されてもよい。他の要素の封入とは無関係に、第1の複数のインピーダンス素子の一部又は全てのインピーダンス素子が、封入体に封入されてもよい。他の要素の封入とは無関係に、第2の複数のインピーダンス素子の一部又は全てのインピーダンス素子が、封入体に封入されてもよい。
封入体は、インピーダンス素子の外面及びプリント回路基板の外面などの、封入される要素の外面と直接面接触してもよい。
封入体は、変形可能、例えば弾性であってもよく、又は剛性であってもよい。変形可能な封入体が、特に、スリーブの弾性が低い場合に、スリーブの空洞へのインピーダンスアセンブリの挿入を容易にし得る。しかし、剛性の封入体が、インピーダンスアセンブリのより高い剛度をもたらし、弾性スリーブ、例えば、ケーブル終端器、ケーブルスプライス、又はケーブルコネクタのスリーブの空洞へのインピーダンスアセンブリの挿入を容易にし得る。
したがって、いくつかの実施形態では、インピーダンスアセンブリの少なくとも一部分が、剛性の電気的絶縁性の封入体に封入される。
封入体は、平滑な外面を形成してもよい。そのような平滑な外面は、インピーダンスアセンブリが空洞に配置されるときに、インピーダンスアセンブリと空洞の内壁との間の空隙の数及びサイズを低減し得る。
封入体は、樹脂から成ってもよい。樹脂は、硬化樹脂であってもよい。硬化樹脂は、硬化性液状樹脂から硬化されてもよい。インピーダンス素子を有するPCBは、樹脂が液体である間に、硬化性液状樹脂に浸漬されてもよい。次いで、樹脂を硬化させ、固体封入体を形成するように固化及び硬化させてもよい。
封入体は透明であってもよい。このことは、インピーダンスアセンブリ、インピーダンス素子、及びプリント回路基板の目視検査を容易にし得る。
本開示はまた、本明細書に記載するようなインピーダンスアセンブリと、第1の複数のインピーダンス素子に電気接続される処理ユニットと、を備える検知アセンブリを提供する。処理ユニットは、信号電圧を処理し、送電導体のアースに対するAC上昇電圧を検知するのに好適であり得る。処理ユニットは、例えば、信号電圧を処理するための電子回路を有するPCBであってもよく、検知用分圧器によって検知された送電導体のAC上昇電圧を示す電気信号を生成してもよい。
インピーダンスアセンブリが、送電導体の上昇電圧に比例して変化する信号電圧を提供する信号コンタクトを備える場合に、処理ユニットは、好ましくは、信号コンタクトに電気接続される。
いくつかの実施形態では、処理ユニットは、外部電源によって電力を供給される。しかし、他の好ましい実施形態では、処理ユニットは、第2の分圧器によって収集された電気エネルギーによって電力供給される。第2の複数のインピーダンス素子から収集されたエネルギーによって処理ユニットに電力供給することで、送電導体に電圧センサをより独立して配置することが可能になる。これは、外部電源も、この外部電源につながるケーブルも、必要とされないためである。
したがって、一般に、本開示はまた、
a)送電導体の上昇電圧に比例して変化する信号電圧を提供するように第1の複数のインピーダンス素子に接続された信号コンタクトを備えるインピーダンスアセンブリと、
b)信号コンタクトに電気接続され、第2の分圧器によって収集された電気エネルギーによって電力供給される、処理ユニットであって、信号電圧を処理し、送電導体のアースに対するAC上昇電圧を検知するための処理ユニットと、を備える検知アセンブリも提供する。
a)送電導体の上昇電圧に比例して変化する信号電圧を提供するように第1の複数のインピーダンス素子に接続された信号コンタクトを備えるインピーダンスアセンブリと、
b)信号コンタクトに電気接続され、第2の分圧器によって収集された電気エネルギーによって電力供給される、処理ユニットであって、信号電圧を処理し、送電導体のアースに対するAC上昇電圧を検知するための処理ユニットと、を備える検知アセンブリも提供する。
そのような検知アセンブリでは、処理ユニットは、送電導体のアースに対するAC上昇電圧を示す信号を無線伝送するためのアンテナを備えてもよい。無線伝送は、有線接続を不要にする。処理ユニットが、第2の複数のインピーダンス素子から収集されたエネルギーによって電力供給される場合に、無線伝送が、送電導体に電圧センサを完全に独立して配置することを可能にする。これは、電源供給も、データ伝送も、有線接続を必要としないためである。処理ユニットは、いわゆるRTUに信号を無線伝送して、検知された電圧の値をネットワークオペレータに対して利用可能にしてもよい。
いくつかの実施形態では、処理ユニットは、2019年4月26日に施行される、国際電気標準会議IECの標準規格60870の第5部に記載されているプロトコルに従って、例えば、2019年4月26日に施行されるプロトコルIEC60870−5−103に従って、信号を無線伝送するためのBluetoothインターフェースを備える。
一般に、本開示によるインピーダンスアセンブリは、好適に絶縁されている場合に、ケーブル終端器、ケーブルスプライス、又はプラグ接続可能ケーブルコネクタから独立して配置することができる。ケーブル終端器、ケーブルスプライス、又はプラグ接続可能コネクタの絶縁スリーブの空洞に配置することで、これら付属品の既存の絶縁が、インピーダンスアセンブリの絶縁に使用される。
スリーブの空洞が、上述したような処理ユニットを収容するための十分な空間を提供しない場合に、処理ユニットを収容する、RTUボックスなどの別の筐体を設けることが必要となり得る。
しかし、いくつかの検知アセンブリでは、処理ユニットは、送電導体の電圧を検知するためのインピーダンスアセンブリに接続されるだけでなく、送電導体を流れる電流を検知するための電流センサにも接続されてもよい。これらの検知アセンブリでは、処理ユニットは、電流センサの筐体に収容されてもよい。
したがって、上述したような検知アセンブリが、送電導体を流れる電流を検知するための、処理ユニットに接続された電流センサと、電流センサの構成要素を収容する筐体とを更に備え、処理ユニットが、筐体内に配置されてもよい。
本開示はまた、本明細書に記載するようなインピーダンスアセンブリを備えるか、又は上述したような検知アセンブリを備える、電気エネルギーを全国電力網において配電するための電力ネットワークも提供する。
ここで、本発明の特定の実施形態を例示する以下の図を参照して、本発明について、より詳細に説明する。以下の図では、同様の要素が同様の参照数字により示される。
分圧器の原理を示す回路図である。
本開示による第1のインピーダンスアセンブリの回路図を含む図である。
第1のインピーダンスアセンブリの断面図である。
封入体に埋め込まれた第1のインピーダンスアセンブリの断面図である。
本開示による第2のインピーダンスアセンブリの上側の平面図である。
第2のインピーダンスアセンブリの下側の平面図である。
弾性的に拡張可能なケーブルスリーブ内に配置された固体封入体に封入された、本開示によるインピーダンスアセンブリの断面図である。
弾性的に拡張可能なケーブルスリーブ内に配置された固体封入体に封入された、図7のインピーダンスアセンブリの斜視図である。
封入体に封入され、電力ケーブルの端部にある終端器に配置され、外部処理ユニットに接続された、第4のインピーダンスアセンブリのシステム図である。
封入体に封入され、電力ケーブルの端部にある終端器に配置され、代替的な処理ユニットに接続された、第4のインピーダンスアセンブリのシステム図である。
インダクタレス降圧形コンバータの回路図である。
代替的なインダクタレス降圧形コンバータの回路図である。
図1の回路図は、全国電力網におけるMV/HV開閉器内のバスバー又はMV/HV電力ケーブルの中央導体などの、全国電力網における送電導体10のAC上昇電圧を検知するための分圧器の原理を示す。この原理は、本開示によるインピーダンスアセンブリを備える分圧器に使用することができる。使用時に、送電導体10は、電気アースに対して1kV〜100kVの中電圧又は高電圧の「ネットワーク電圧」にあり、数十アンペア〜最大で数百アンペアの交流(AC)を導通する。
分圧器20は、高電位部分、すなわち、高電圧側40又はケーブル側40と、低電位部分、すなわち、低電圧側50又はアース側50とを備える。分圧器は、信号コンタクト60と、電気アース30に接続するためのアースコンタクト35とを更に備える。送電導体10の電圧を検知するために、ケーブル側40は、送電導体10に導電的に接続され、アース側50は、電気アース30に接続される。ケーブル側40とアース側50との間の信号コンタクト60にて分割電圧をピックアップすることができる。分割電圧は、送電導体10の電圧に比例し、比例定数は、分圧器20の分割比である。分割電圧を測定することにより、この比例関係は、送電導体10の電圧を検知するために使用される。
図1に示す分圧器20は、交流(AC)電圧を検知するための容量性分圧器20である。そのケーブル側40は、高電圧コンタクト80と信号コンタクト60との間で直列に電気接続された3つの分割インピーダンス素子70からなる。信号コンタクト60は、分割電圧へのアクセスを提供する。分割インピーダンス素子70はそれぞれ、コンデンサ、抵抗器、又はインダクタであってもよい。
分圧器20のアース側50は、低電圧インピーダンス素子90と呼ばれる単一のインピーダンス素子90を備える。単一のインピーダンス素子は、信号コンタクト60と電気アース30との間に接続される。分圧器20の分割比は、アース側50の総インピーダンスとケーブル側40の総インピーダンスとの比として定義される。分割比が例えば1:10,000であり、送電導体10の電圧が50kVである場合に、信号コンタクト60にて分圧器20の出力電圧は、約5Vである。その大きさの電圧は、標準的な電子回路によって処理することができる。
送電導体10の電圧は、分圧器20のケーブル側40で、3つの分割インピーダンス素子70にわたって50kVから約5Vに降下する。
図2の電気回路図は、本開示による第1のインピーダンスアセンブリ120の要素を示す。送電導体10は、絶縁層110によって包囲された、MV電力ケーブル100の中央導体10である。中央導体10は、ワイヤ130を介して第1のインピーダンスアセンブリ120に電気接続される。
インピーダンスアセンブリ120は、1つのPCB170上に2つの分圧器の要素を備え、インピーダンスアセンブリは、第1に、電力ケーブル100の中央導体10のAC上昇電圧を検知するように動作可能な第1の分圧器20(「検知用分圧器」20)の高電圧側40を備える。第2に、インピーダンスアセンブリ120は、中央導体10から電気エネルギーを収集するように動作可能な第2の分圧器21(「収集用分圧器」21)の高電圧側41を備える。
高電圧側40を越えて、検知用分圧器20は、低電圧アース側50を備え、これは、図2の実施形態では、高電圧側40と同じプリント回路基板170に配置されているが、代替的に、インピーダンスアセンブリ120とは別に配置されてもよい。アース側50は、高電圧側40の信号コンタクト60に電気接続された低電圧検知用コンデンサ150を備える。この低電圧検知用コンデンサ150は、図1の低電圧インピーダンス90に対応する。低電圧検知用コンデンサ150は、アースコンタクト35を介して電気アース30に接続される。中央導体10の電圧に比例して変化する信号電圧を信号コンタクト60にてピックアップすることができる。
検知用分圧器20の高電圧側40は、互いに直列に電気接続された第1の複数の分割コンデンサ70、すなわち、14個の分割コンデンサ70を備える。コンデンサはそれぞれ、約470pFの容量を有し、これにより、検知用分圧器20の高電圧側40の総容量は、約34pFである。
検知用分圧器20の高電圧側40の分割コンデンサ70は、プリント回路基板170に配置される。分圧コンデンサは、直線的に配置されて、直線状の検知用分圧器チェーンを形成する。
収集用分圧器21は、検知用分圧器20と同様の構造を有しており、高電圧側41の向こうに、収集用分圧器21は、低電圧アース側51を備える。アース側51は、アースコンタクト35を介して電気アース30に接続された低電圧収集用コンデンサ151と、整流器を形成する2つのダイオード160とを備える。低電圧収集用コンデンサ151は、一方のダイオード160の電気的に背後に配置される。高電圧側41は、インピーダンス素子71の収集用分圧器チェーンの低電圧端にある、一方のダイオード160と低電圧収集用コンデンサ151との間に電気的に配置された収集コンタクト61にて収集電圧を提供する。図2に示す構成では、送電導体10の上昇電圧が12kVであり、収集用分圧器21の分割コンデンサ71がそれぞれ、約2.2nFの容量を有する場合に、収集電圧は、約400ボルトであり、約0.3mAの電流が流れ、約120mWの収集可能な電力を発生させることができる。
収集用分圧器21の高電圧側41は、互いに直列に電気接続された第1の複数の収集用分割コンデンサ71、すなわち、14個の収集用分割コンデンサ71を備える。収集用分割コンデンサ71はそれぞれ、約2.2nFの容量を有し、これにより、収集用分圧器21の高電圧側41の総容量は、約160pFである。
収集用分圧器21の高電圧側41の分割コンデンサ71は、検知用分圧器20の高電圧側40の分割コンデンサ70と同じプリント回路基板170に、かつ、PCB170の同じ主面に配置される。また、これらの分割コンデンサ71は、直線的に配置されて、直線状の収集用分割器チェーンを形成する。
検知用分圧器チェーンと収集用分圧器チェーンの両方は、インピーダンスアセンブリ120のPCB170上の高電圧コンタクト80にはんだ付けされたワイヤ130により、中央導体10の高/中電圧に接続される。
検知用コンデンサ20の高電圧側40の分割コンデンサ70の数は、収集用分圧器21の高電圧側41の分割コンデンサ71の数と同じである。収集用分圧器21の分割コンデンサ71のインピーダンスを好適に選択し、分割コンデンサ71を検知用コンデンサ20の分割コンデンサ70に対して好適に配置すると、収集用分圧器21の分割コンデンサ71は、検知用分圧器20が送電導体10の電圧を検知する精度を向上させるのに役立つことができる。図3は、第1のインピーダンスアセンブリ120のPCB170に配置された分割コンデンサ70、71の好適な構成を長手方向断面図で示す。
PCB170は、上側主面180にて、高電圧コンタクト80と信号コンタクト60との間で直列に接続された、検知用分圧器20の高電圧側40のインピーダンス素子70を支持する。高電圧コンタクト80は、インピーダンスアセンブリ120の第1の端部210に配置され、信号コンタクト60及び収集コンタクト61は、インピーダンスアセンブリ120の反対側の第2の端部220に配置される。反対側の下側主面190にて、PCB170は、高電圧コンタクト80と収集コンタクト61との間で直列に接続された、収集用分圧器21の高電圧側41のインピーダンス素子71を支持する。
収集用分圧器21の各分割コンデンサ71は、検知用分圧器20の対応する分割コンデンサ70の正反対に、すなわち、PCB170の厚さで隔てられただけで、配置される。この構成の効果は、各「検知用」分割コンデンサ70、例えば、検知用分割コンデンサ70aが、反対側の「収集用」分割コンデンサ71aの方向で「見る」電界勾配が、下側主面190が導電的にコーティングされ、アースに接続されている場合と比べて、はるかに小さいことである。したがって、「収集用」分割コンデンサ71aは、反対側の「検知用」分割コンデンサ70aに対するある形態のシールドを提供する。このより小さな電位差は、この「検知用」分割コンデンサ70aからのPCB170を通じた寄生電流を低減することになり、最終的に、検知用分圧器40のより高い測定精度と、送電導体10の電圧のより正確な検知とをもたらす。
同じ効果は、「検知用」分割コンデンサ70をそれぞれ、それぞれの「検知用」分割コンデンサ70の丁度反対に配置された対応する「収集用」分割コンデンサ71によってシールドする。これにより、検知用分圧器20の高電圧側40からの寄生電流が低減され、検知用分圧器20の電圧検知精度が向上する。
仮定として、最適なシールドのために、各「検知用」分割コンデンサ70の容量は、反対側の対応する「収集用」分割コンデンサ71の容量と同一である。しかし、検知用分圧器20は、検知精度を高く保つために、好ましくは高インピーダンスを有する。収集用分圧器21が同一に作られた場合に、それも高インピーダンスを有することになる。しかし、収集用分圧器21の高インピーダンスが、収集可能なエネルギーの電流及び/又は電圧も過度に制限し得る。収集可能な電力と寄生電流の低減との間で許容可能なバランスを見出す際に、図3のインピーダンスアセンブリ120は、例えば、470pFの容量をそれぞれ有する検知用分割コンデンサ70を備え、約34pFの容量を有する高電圧側40を備えた検知用分圧器20と、2.2nFの容量をそれぞれ有する収集用分割コンデンサ71を備え、160pFの容量を有する高電圧側41を備えた収集用分圧器21とを有してもよい。この例では、高電圧コンタクト80が12kVの電圧に接続されているときに、収集コンタクト61にての電圧(「収集電圧」)は、アース30に対して約400ボルトのDCである。この収集電圧は、収集コンタクト61に接続された標準的なDC/DC電圧コンバータにより、電子回路用の典型的な5VDCの供給電圧に変換することができる。
図4は、硬化樹脂で作製された固体封入体290に部分的に封入された、図3に示した第1のインピーダンスアセンブリ120の断面図である。検知用分割コンデンサ70及び収集用分割コンデンサ71を有するPCB170は、樹脂が液体である間に樹脂に浸漬される。次いで、樹脂を固化させ、硬化させ、これにより、樹脂は、固体封入体290を形成する。明瞭にするために、封入体290は、図4では透明で示されているが、封入体290は、実際には透明、半透明、又は不透明であってもよい。樹脂は、ポリウレタンを含む熱硬化性材料である。あるいは、例えば、エポキシ系熱硬化性材料又はポリエチレン若しくはポリプロピレンを含む熱可塑性材料のような、他の樹脂を使用することも考えられる。
封入体290は、高電圧コンタクト80、信号コンタクト60、及び収集コンタクト61を担持するPCB170の部分を樹脂なしのままで残し、これにより、これらのコンタクトが、封入体290の外側にアクセス可能なままにする。
一般に、この特定の実施形態とは無関係に、封入体290が、本開示によるインピーダンスアセンブリ、例えば、第1のインピーダンスアセンブリ120に機械的安定性をもたらすことができ、これにより、そのようなインピーダンスアセンブリを終端器の空洞に押し込むときの損傷のリスクが低減される。好適に封入されたインピーダンスアセンブリは、空洞に押し込まれるときに破断しにくい。封入体290がまた、そのようなインピーダンスアセンブリ、例えば、インピーダンスアセンブリ120の周囲に平滑な外面を提供することができ、これにより、終端器の空洞、すなわち、封入体290とそのような空洞の内壁との間の空間には、封入されたインピーダンスアセンブリ120を空洞に挿入した後に、より少数の空隙及び/又はより小さな空隙が存在する。インピーダンスアセンブリの周囲の平滑な外面が一般に、空洞へのインピーダンスアセンブリの挿入をより容易にし得る。
図5は、本開示による第2のインピーダンスアセンブリ122の、検知用分圧器20の要素を担持する上側を平面図で示す。プリント回路基板171の上側主面180には、第1の導電性トレース200によって互いに直列に電気接続された第1の複数の個別のコンデンサ70が配置される。個別の分割コンデンサ70は、インピーダンス素子である。それらは、高電圧コンタクト80と信号コンタクト60との間に電気接続される。分割コンデンサ70は、送電導体10のAC上昇電圧を検知するための検知用分圧器20の高電圧側40として動作可能である。
PCB171は多層PCB171であり、PCB171の内部層、すなわち埋め込み層に、「検知用」分割コンデンサ70を互いに接続し、高電圧コンタクト80及び信号コンタクト60に接続する導電性トレース200が、配置される。
インピーダンスアセンブリ122は、第1の端部210と反対側の第2の端部220との間で長い延長部を画定する細長い形状を有する。検知用分割コンデンサ70は、細長いインピーダンスアセンブリ122の長い延長部と平行に延びる列に幾何学的に配置される。
検知用分割コンデンサ70は、2つのグループに配置され、一方のグループが第1の端部210にあり、他方のグループが第2の端部220にある。中央部分230が、検知用分割コンデンサ70を含まないままである。
第2のインピーダンスアセンブリ122は、信号コンタクト60とアースコンタクト35との間に電気接続された低電圧検知用コンデンサ90を更に備える。インピーダンスアセンブリ122を電気アースに接続し得るアースコンタクト35は、インピーダンスアセンブリ122の第2の端部220にある導電性アースタブ240に配置され、これにより、他の接続要素への接続が容易になる。同様に、反対側の第1の端部210にて、高電圧コンタクト80は、導電性高電圧タブ250に配置される。
図6は、図5の第2のインピーダンスアセンブリ122の下側を更なる平面図で示す。この下側は、収集用分圧器21の要素を支持する。同じプリント回路基板171の下側主面190にて、第2の導電性トレース260によって互いに直列に電気接続された第2の複数の個別のコンデンサ71が配置され、第2の導電性トレースは、第1のトレース200とは異なり、多層PCB171の異なる層に配置される。これらの「収集用」分割コンデンサ71は、高電圧コンタクト80と収集コンタクト61との間に電気接続される。収集用分割コンデンサ71は、送電導体10から電気エネルギーを収集するために、収集用分圧器21の高電圧側41として動作可能である。
「収集用」分割コンデンサ71は、それらの構成が「検知用」分割コンデンサ70の構成を反映するように配置され、すなわち、高電圧コンタクト80から始まり、それぞれの分割器チェーンを通って進みながら、第1の収集用分割コンデンサ71aは、PCB171の反対側の主面190にて、対応する第1の検知用分割コンデンサ70aの正反対に配置され、第2の収集用分割コンデンサ71bは、対応する第2の検知用分割コンデンサ70bの正反対に配置され、第3の収集用分割コンデンサ71cは、対応する第3の検知用分割コンデンサ70cの正反対に配置され、以下同様である。この構成は、検知用分割コンデンサ70の、上述したようなある程度の「シールド」と、関連する寄生電流の低減とをもたらし、検知用分割コンデンサ70によって高電圧部分40が形成される検知用分圧器20の精度を高める。
電気的に収集用分割コンデンサ71のチェーンとアースタブ240との間に、整流器270が配置される。整流器270は本質的に、収集用分割コンデンサ71のチェーンによって提供される交流電圧を、インピーダンスアセンブリ122の外部に提供される約400Vの整流(DC)電圧に変換するAC/DC電圧コンバータである。次いで、この収集電圧を、既製の電子回路に電力を供給するために使用できる5Vの電圧に変換することができる。代替的なデバイスを使用することで、収集電圧は、通常の電子回路に電力を供給するのに好適な任意の他の低電圧に変換されてもよく、整流されてもよく、又はされなくてもよい。図6の実施形態では、この整流された収集電圧は、PCB171の下側主面190上の収集コンタクト61にて利用可能となる。
送電導体10の電圧が12kVである場合に、2.2nFの容量をそれぞれ有する14個の収集用コンデンサ71のチェーンと、整流器270とは、12kVを収集コンタクト61にて、100mWを超える電力を収集できる約400VDCに分割する。
図4に示した封入体290を再び参照すると、第2のインピーダンスアセンブリ122を同様の封入体290に封入できることは明らかである。第2のインピーダンスアセンブリ122のための封入体290は、高電圧コンタクト80への、信号コンタクト60への、アースタブ240上のアースコンタクト35への、及び収集コンタクト61へのアクセスを容易にするように好適に成形されるべきである。
図7は、弾性的に拡張可能なケーブルスリーブ310の細長い空洞300に配置された固体封入体290に封入された、図2〜図6の文脈で説明したようなインピーダンスアセンブリ120、122を断面図で示す。ケーブルスリーブ310は、例えばEPDMなどの弾性絶縁ゴム材料で作製される。ケーブルスリーブは、絶縁層110が中央送電導体10を包囲する、部分的に剥ぎ取られた電力ケーブル100の端部に押し込まれて示されている。電力ケーブル100は、スリーブ310の直線状の管状受容空間320に配置される。この受容空間310と空洞300は、ケーブル100の長さ方向に互いに平行に延びる。スリーブ310は、ケーブル100を絶縁し、インピーダンスアセンブリ120、122を収容する。
第1のインピーダンスアセンブリ120又は第2のインピーダンスアセンブリ122の第2の端部220にてPCB170、171に、信号コンタクト60、アースタブ240上の別のアースコンタクト35、及び別個の収集コンタクト61を有する代わりに、本開示によるインピーダンスアセンブリが、好ましくは、第2の端部220に配置されPCB170、171に接続されたインタフェースコネクタに配置された、これらのコンタクトのうちの1つ、2つ、3つ又は全てを有してもよい。そのようなインターフェースコネクタ340を備える、本開示による第3のインピーダンスアセンブリ123が、図8に斜視図で示され、以下で説明される。そのようなインターフェースコネクタは、例えば、ワイヤの端部にある整合プラグと結合するための、市販の堅牢化ボードコネクタ又は堅牢化コネクタであってもよい。そのコネクタコンタクト(「ピン」)の1つが、信号コンタクト60に電気接続され、別のピンが、収集コンタクト61に電気接続され、更なるピンが、アースコンタクト35に電気接続される。したがって、インターフェースコネクタは、収集エネルギーを外部処理ユニットに、このユニットに電力を供給するために伝送してもよい。
検知用分圧器20の信号電圧がインピーダンスアセンブリ120、122自体で処理及びデジタル化される場合に、インターフェースコネクタは、インピーダンスアセンブリ120、122から外部処理ユニット、例えばRTUボックスにデジタル信号を伝送するためのピンを備えてもよい。いくつかのインターフェースコネクタは、また光学的に信号を伝送してもよい。それらインターフェースコネクタのいくつかは、デジタル信号又はアナログ信号をインピーダンスアセンブリ120、122から外部処理ユニット、例えばRTUボックスに伝送するための光源を備えてもよい。
本開示によるインピーダンスアセンブリ120、122に、実際のインピーダンスアセンブリ120、122に関する情報、例えば、インピーダンスアセンブリ120、122の種類を示す情報、インピーダンスアセンブリ120、122の識別情報、その電気的構成、又はインピーダンスアセンブリ120、122の較正データを含み得るEEPROMを設けることが考えられる。インターフェースコネクタは、デジタル双方向信号を伝送するように設計されてもよく、これにより、EEPROMからのデータを読み出すことができる。
ここで、図8は、封入体290に封入され弾性的な拡張可能なスリーブ310の空洞に配置された第3のインピーダンスアセンブリ123を示しており、弾性的な拡張可能なスリーブは、次いで、中央送電導体10を包囲する絶縁層110を有する部分的に剥ぎ取られた電力ケーブル100の周囲に配置される。第3のインピーダンスアセンブリ123は、アースタブ240を有しておらず、アースコンタクト35、信号コンタクト60、及び収集コンタクト61が、インタフェースコネクタ340に配置されたそれぞれのピン330として形成されることを除いて、第2のインピーダンスアセンブリ122と同一である。ピン330は、封入体290から外に、またスリーブ310から外に突き出ており、これにより、結合プラグをそれらに接続することができる。インターフェースコネクタ340は、PCB171の基板にしっかりと機械的に接続される。
より明瞭にするために、封入体290及び弾性スリーブ310は、図8では透明であるかのように描かれているが、実際には、それぞれが透明、半透明、又は不透明であってもよい。
いくつかの実施形態では、収集用分圧器21から収集された電力は、別の処理ユニットに電力を供給するために使用される。このことは、図9にシステム図で示されている。
図9では、封入体290に封入された、第1のインピーダンスアセンブリ120と同様の第4のインピーダンスアセンブリ124が、電力ケーブル100の端部にある終端器を形成する弾性スリーブ310に配置されている。高電圧端部210は、ワイヤ130によって導電性ラグ350に電気接続される。ラグ350は、次いで、スリーブ310の内側でケーブル100の中央送電導体10に接続される。
第1のワイヤ360が、第4のインピーダンスアセンブリ124の信号コンタクト60から遠隔処理ユニット400に信号電圧を伝送し、第2のワイヤ370が、アースコンタクト35を処理ユニット400内の電気アースに接続し、第3のワイヤ380が、収集電力を収集コンタクト61から処理ユニット400に伝送して、同ユニットに電力を供給する。
処理ユニット400は、検知用分圧器20の高電圧部分40を使用して、ケーブル100の送電導体10のAC上昇電圧を表す信号電圧を検知する電子回路(図示せず)を備える。処理ユニット400は、この検知電圧の値を含むデータを、アンテナ390を介して無線方式でネットワークオペレータに伝送する。その目的のために、処理ユニット400は、IEC60870−5−103プロトコルに従って伝送する無線Bluetoothインターフェースを備え、デバイス、例えば、ネットワークオペレータのいわゆるRTU(「リモート端末ユニット」)へのインピーダンスアセンブリ124の直接データ接続を容易にする。当然のことながら、代替的な他の無線伝送インターフェース及び/又は他の伝送プロトコルを使用してもよい。
処理ユニット400はまた、ワイヤ420を介して、インピーダンスアセンブリ124に近接するがそれから隔てられて終端器310に配置された、ロゴスキータイプの電流センサ410から電気信号を受信する。したがって、処理ユニット400はまた、ケーブル100の送電導体10を流れる電流を決定し、インピーダンスアセンブリ124によって収集された電力を使用してこれらの信号を処理し、検知電流を含むデータを同じ無線方式で伝送することができる。
図9に示す実施形態の代替的な実施形態では、遠隔処理ユニットは、別の筐体に収容されず、電流センサ410の筐体に収容される。
図10は、そのような代替的な一実施形態をシステム図で示す。封入体290に封入された第4のインピーダンスアセンブリ124はまた、電力ケーブル100の端部にて終端器を形成する弾性スリーブ310に配置される。その高電圧端部210は、ワイヤ130によって導電性ラグ350に電気接続され、導電性ラグは、次いで、スリーブ310の内側でケーブル100の中央送電導体10に接続される。
処理ユニット401は、検知用分圧器20の(インピーダンスアセンブリ124の検知用分割コンデンサ70によって形成された)高電圧部分40を使用して、ケーブル100の送電導体10のAC上昇電圧を検知する電子回路(図示せず)を備える。図9に示した実施形態と同様に、第1のワイヤ360が、インピーダンスアセンブリ124の信号コンタクト60から処理ユニット401に信号電圧を伝送する。処理ユニット401は、電流センサ410も収容する筐体430に収容される。
第2のワイヤ370が、スリーブ310の内側の位置で、アースコンタクト35をケーブル100のアースされたシールド編組(図示せず)に接続する。
第3のワイヤ380が、インピーダンスアセンブリ124の収集コンタクト61から収集電力を処理ユニット401に伝送して、同ユニットに電力を供給する。処理ユニット401は、送電導体10の検知されたAC上昇電圧の値を含むデータを、アンテナ390を介して無線方式でネットワークオペレータに伝送する。アンテナ390は、筐体430の外側に配置されて示されている。しかし、筐体430の内側に配置されてもよいことが考えられる。無線伝送のために、処理ユニット401は、IEC60870−5−103プロトコルに従って伝送する無線Bluetoothインターフェースを備え、ネットワークオペレータのリモート端末ユニットへのインピーダンスアセンブリ124の直接データ接続を容易にする。
電流センサ410がケーブル100の周囲にロゴスキーコイルのトロイダル形状を有する場合に、処理ユニット401の電子回路は、環状の平坦なプリント回路基板(図示せず)に配置することができ、プリント回路基板は、次いで、ロゴスキーコイルの筐体430に収容される。環状PCBは、ケーブル100の中央送電導体10を通せる中央開口部を有してもよい。
図11は、数キロボルトの範囲の上昇電圧を、5VDCの出力電圧をパワー電子回路に供給する通常の市販の降圧形コンバータによって扱え得る約400Vに変換するインダクタレス降圧形コンバータの回路図である。この降圧形コンバータは、図2及び図3の収集用分圧器21について示したようにPCB170に配置されてもよく、図2の文脈で説明した収集用分圧器21の代わりに、エネルギー収集に使用することができる。降圧形コンバータは、送電導体10の上昇電圧により高インピーダンスにわたって、直列接続されたコンデンサの段を充電することによって実現される。充電サイクル(50/60Hz)の後に、各コンデンサ段は、アースに接続された出力コンデンサに放電されることになる。このようにして、1:(段数)の入出力比をもたらすことができる。
図11の降圧形コンバータでは、V2は、C6、C5及び高インピーダンス抵抗器R4によってコンバータの入力に接続された送電導体10の上昇電圧である。C6及びC5はそれぞれ、それぞれが4.7nFである、直列に電気接続された13個のコンデンサの代替物である。これら2×13個のコンデンサは、複数のインピーダンス素子を形成する。上昇電圧の正の半波が、ダイオードD9、D7、D5及びD1を介してコンデンサC7、C3、C1及びC2を充電する。上昇電圧の負の半波の電流が、ダイオードD8、D6、D4、D2及び抵抗器R16にわたって流れる。抵抗器R16の電圧降下がトランジスタQ3の閾値電圧Vbeに達するとすぐに、トランジスタQ3のコレクタが、トランジスタQ2のベースを短時間トリガする負の傾きを生成する。この短時間にわたり、Q2は、C1(800V)の上側を出力コンデンサC2に接続するMos−FetM3のゲートをトリガする。C1は、その電荷をダイオードD12、D2及び抵抗器R16を介してC2に放電する。同時に、Mos−FetM2のソースが、800Vから400Vに遷移し、このことはM2のゲートをトリガする。これは、M2のゲートがC4を介して一定電圧に結合されるためである。このようにして、C3の上側(1200V)もまた、M2及びM3を介して出力コンデンサC2に接続されることにより、その電荷をD14、D4、D2及びR16を介して出力コンデンサC2に放電する。C7及びM1を使用した次の段も、同じ方法で作動する。数ミリ秒後に、全てのトランジスタがオフになり、次の正の半波を受けて、直列接続されたコンデンサC7、C3、C1、及びC2を充電することができる。
このコンバータの段数は、必要とされる出力電力に応じて変更することができる。図11に示す降圧形コンバータは、各変換サイクルについて2つの時間位相及び4つのコンデンサを使用して、上昇電圧を4分割する。
図12は、図11の降圧形コンバータと同様の代替的なインダクタレス降圧形コンバータの回路図である。図11のコンバータは、AC上昇電圧の一方向整流をもたらす。これは、容量性収集用分圧器21のコンデンサ71上のDC負荷をもたらすことになる。コンデンサのDC抵抗は、テラオームの範囲であり、大きな変動を伴う。したがって、収集用分圧器の分割比は、正確には分からない。図12に示す回路は、双方向整流をもたらし、したがって、収集用分圧器21のコンデンサ71上のDC負荷を回避するのに役立つ。ここでも、図12の降圧形コンバータは、図2及び図3の収集用分圧器21について示したようにPCB170に配置されてもよく、図2の文脈で説明した収集用分圧器21の代わりにエネルギー収集に使用することができる。
図12では、V2は、コンデンサC6、C5及び高インピーダンス抵抗器R4を介して降圧形コンバータの入力に接続される送電導体10の上昇AC電圧である。C6及びC5はそれぞれ、直列に電気接続された、それぞれが4.7nFである13個のコンデンサの代替物である。
上昇電圧の正の波が、直列のダイオードD7、D10、D3、D1、D23及びD24を介してコンデンサC1及びC2を充電する。この間に、トランジスタQ2は、オンにされ、Mos−fetM3のゲートを引き下げる。M3はオフにされる。正の充電電流がゼロまで下がるとすぐに、Q2はオフになり、M3のゲートは、解放されて抵抗器R7を介して充電される。M3は、オンになり、ダイオードD2を介してC1を出力コンデンサC2に放電する。負の半波の電流が、ダイオードD8、D4、D9、D19、D17、D6、D5にわたって流れ、直列のコンデンサC4及びC3を充電する。このときに、トランジスタQ1はオンにされ、Mos−fetM2のゲートを引き下げる。M2はオフにされる。Mos−FetM1もオフにされる。負の充電電流がゼロまで下がるとすぐに、Q1は、オフになり、M2のゲートは、解放されてコンデンサC8を介して充電される。M2は、オンになり、ダイオードD22及びD12を介してC4をC3に放電する。M2のドレイン/ソース電圧は下降し、これにより、コンデンサC7を介してM1のゲートを充電する。M1がオンになり、ダイオードD13、D23及びD24を介してC3を出力コンデンサC2に放電する。このとき、両方の半波の電流が、2倍され、出力コンデンサC2に格納される。整流器の入力での電圧が、+800Vと−800Vとの間で振れ、このことは、収集用分圧器C5及びC6の非DC動作をもたらす。
Claims (18)
- 電気エネルギーを全国電力網において配電する送電導体(10)のアースに対する少なくとも1kVのAC上昇電圧を検知するための分圧器(20)に使用するインピーダンスアセンブリ(120、122、123、124)であって、
a)プリント回路基板(170、171)と、
b)前記送電導体に接続するための、外部からアクセス可能な高電圧コンタクト(80)と、
c)前記プリント回路基板に配置された第1の複数のインピーダンス素子(70)であって、前記送電導体の前記上昇電圧を検知するための第1の分圧器(20)において動作可能となるように、前記高電圧コンタクトに電気接続され、かつ互いに直列に接続された第1の複数のインピーダンス素子と、を備えるインピーダンスアセンブリにおいて、
前記インピーダンスアセンブリは、
d)前記プリント回路基板に配置された第2の複数のインピーダンス素子(71)であって、前記送電導体から電気エネルギーを収集するための第2の分圧器(21)において動作可能となるように、前記高電圧コンタクトに電気接続され、かつ互いに直列に接続された第2の複数のインピーダンス素子を更に備えることを特徴とする、インピーダンスアセンブリ。 - 前記プリント回路基板(170、171)は、第1の主外面(180)及び反対側の第2の主外面(190)を有し、前記第1の複数のインピーダンス素子(70)は、前記第1の主外面に配置されており、前記第2の複数のインピーダンス素子(71)は、前記第2の主外面に配置されている、請求項1に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記第1の複数のインピーダンス素子(70)の第1のインピーダンス素子(70a)が、前記第1の主外面(180)上の第1の位置に配置されており、前記第2の複数のインピーダンス素子(71)の第1のインピーダンス素子(71a)が、前記第2の主外面(190)上の同じ前記第1の位置に配置されており、
前記第1の複数のインピーダンス素子(70)の第2のインピーダンス素子(70b)が、前記第1の主外面(180)上の第2の位置に配置されており、前記第2の複数のインピーダンス素子(71)の第2のインピーダンス素子(71b)が、前記第2の主外面(190)上の同じ前記第2の位置に配置されている、
請求項2に記載のインピーダンスアセンブリ。 - 前記第1の複数のインピーダンス素子(70)は、インピーダンス素子の1つの直線状の列、又はインピーダンス素子の2つの直線状の列を形成するように配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記第1の複数のインピーダンス素子(70)の各インピーダンス素子(70)は、同じ第1の公称インピーダンスを有し、及び/又は
前記第2の複数のインピーダンス素子(71)の各インピーダンス素子(71)は、同じ第2の公称インピーダンスを有する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。 - 前記第1の複数のインピーダンス素子(70)の各インピーダンス素子(70)は、離散的表面実装コンデンサであり、及び/又は、前記第2の複数のインピーダンス素子(71)の各インピーダンス素子(71)は、離散的表面実装コンデンサである、請求項1〜5のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記第1の複数のインピーダンス素子(70)は、20個を超すインピーダンス素子(70)を備え、及び/又は、前記第2の複数のインピーダンス素子(71)は、20個を超すインピーダンス素子(71)を備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記送電導体(10)の前記上昇電圧に比例して変化する信号電圧を提供するように前記第1の複数のインピーダンス素子(70)に接続された信号コンタクト(60)を更に備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 対応するプラグと機械的及び電気的に嵌合するためのインターフェースコネクタ(340)を更に備え、前記インターフェースコネクタは、電気信号を前記プラグに伝えるための複数のコネクタコンタクト(330)を備え、前記コネクタコンタクト(330)の1つは、前記信号コンタクト(60)に電気接続されている、請求項8に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記インピーダンスアセンブリの少なくとも一部分が、固体電気絶縁封入体(290)に封入されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記第2の複数のインピーダンス素子(70)のそれぞれのインピーダンスは、前記第2の分圧器(21)が前記送電導体(10)から少なくとも50ミリワットの電気エネルギーを収集できるように選択されている、請求項1〜10のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記第2の複数のインピーダンス素子(70)は、前記送電導体(10)の前記上昇電圧を400ボルト以下の電圧に変換するインダクタレス降圧コンバータに含まれている、請求項1〜11のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ。
- 前記インダクタレス降圧コンバータは、前記送電導体(10)の前記AC上昇電圧の正及び負の半波を400ボルト以下の電圧に変換する、請求項12に記載のインピーダンスアセンブリ。
- a)請求項8に記載のインピーダンスアセンブリ(120、122、124)と、
b)前記信号コンタクト(60)に電気接続され、前記第2の分圧器(21)によって収集された電気エネルギーによって電力供給される処理ユニット(400、401)であって、前記信号電圧を処理し、前記送電導体(10)のアースに対する前記AC上昇電圧を検知するための処理ユニットと、
を備える検知アセンブリ。 - 前記処理ユニット(400、401)は、前記送電導体(10)のアースに対する前記AC上昇電圧を示す信号を無線伝送するためのアンテナ(390)を備える、請求項14に記載の検知アセンブリ。
- 前記処理ユニット(400、401)は、2019年4月26日に施行された、国際電気標準会議IECの標準規格60870の第5部に記載されているプロトコルに従って信号を無線伝送するためのBluetoothインターフェースを備える、請求項15に記載の検知アセンブリ。
- c)前記処理ユニット(400、401)に接続され、前記送電導体(10)を流れる電流を検知するための電流センサ(410)と、
d)前記電流センサの構成要素を収容する筐体(430)と、を更に備え、
前記処理ユニットは、前記筐体内に配置されている、請求項14〜16のいずれか一項に記載の検知アセンブリ。 - 請求項1〜13のいずれか一項に記載のインピーダンスアセンブリ(120、122、124)、又は請求項14〜17のいずれか一項に記載の検知アセンブリを備える、電気エネルギーを全国電力網において配電するための電力ネットワーク。
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