TW201829984A - 光纖供電的感測系統 - Google Patents

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楊美環
吳振良
泰瑞 札赫拉內
雷米希奧 佩拉萊斯
陳坤賢
趙偉勝
曾英霖
黃德智
施正璿
蘇睦凱
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美環能股份有限公司
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Abstract

本發明大致上有涉及一光纖供電技術，其配置為經由光纖向一個或多個種類的一個或多個感測器提供電力和通信。更具體地說，本發明係涉及一種感測系統，其包括連接到一供電感測模組的一雷射數據模組，其中該供電感測模組接收一光，將該光轉換成一電力，並且利用該電力為一感測器供電，其中供電感測模組將來自該感測器的信號傳輸到該雷射數據模組。

Description

光纖供電的感測系統
本申請要求於2017年2月6日提交的標題為“PARTIAL DISCHARGE SENSOR MODULE SYSTEM”的美國臨時申請62/455,384的優先權，其在此引入作為參考。
本發明揭示一種光纖供電(power over fiber)技術其具有透過光纖向一個或多個且多種的感測器提供電力和通信的能力。更具體地說，本發明揭示一種能夠藉由使用一光伏功率轉換器和至少一個感測器來產生電力的感測系統。
光纖供電(Power over fiber，PoF)技術透過光(例如雷射光，發光二極體(LED)光等)通過光纖電纜向光伏功率轉換器(photovoltaic power converter，PPC)供電，該光伏功率轉換器將雷射光轉換為電力為感測器及其他電子元件連續供電。被發射的雷射光由光伏功率轉換器轉換成電力，通過非導電光纖電纜(提供電力)發送到目的地。非導電光纖電纜具有諸如高電壓隔離，電雜訊抗擾度，雷擊風險降低和重量輕等優點。
感測器通常使用在不易獲得電源偏遠的地方，或者在危險或難以到達的地方，或者在高電壓或電雜訊的環境中。為這些感測器傳統供電的技術包括電池，銅線(當不需要電壓隔離或電雜訊抗擾度時)，隔離變 壓器以及能量收集(energy harvesting)技術。這些技術各自受到包括操作持續時間(例如電池壽命)，雜訊敏感度(例如銅線和隔離變壓器)和低功率水平(例如低電池功率或能量收集)的限制的影響。
局部放電(Partial discharge，PD)是當導體或絕緣體上的空氣被電離時發生的現象，從而導致電暈(即流過電離空氣的電流)，或者當導體之間發生放電時。局部放電可能會降低開關櫃，電氣櫃，電動機，變壓器，發電機或其他高壓或中壓隔間或電氣設備，絕緣子，變電站和其他區域內和其他部件的絕緣，並可能導致災難性的電弧閃光事件。開關設備或類似設備中的這種故障可能導致停電，設備損壞和傷害。
更具體地說，開關櫃通常具有多個高壓艙室(high voltage，HV)，每個艙室容納不同的設備，用於不同的功能。通常，局部放電事件最可能發生在絕緣材料劣化的位置，但是它們也可能發生在機械連接點和受到機械磨損的其他位置。在開關櫃內，這些機械連接可以是匯流排連接的地方和/或物理接觸點(例如斷路器或開關)的地方。溫度和濕度都是導致開關櫃內發生電氣事故的因素。高溫表示電流過載或高阻抗，這可能被認為是絕緣擊穿的原因，而高濕度將使得絕緣的快速惡化。
對於開關櫃，局部放電傳統上是透過放置在高壓艙室內的天線進行測量的，基本上位於牆上。這些天線“聽”聲音事件(例如，由火花產生的聲音)，或者檢測由局部放電事件產生的UHF信號。當檢測到局部放電事件時，來自檢測感測器的相應信號被發送回數據控制器並被用於監視處理。儘管先前描述的局部放電(PD)檢測系統能夠檢測局部放電事件發生的時間，但是它們不能檢測事件發生的位置，例如在高電壓(HV)艙 室內。此外，鑑於上述由局部放電造成的損害，更嚴密地監測局部放電事件，以便修理或更換損壞的部件是有利的，如果無人看管可能導致電弧閃光，爆炸或起火。然而，在一些地方，例如在開關櫃內，傳統的局部放電感測器(聲波或UV)不能接近局部放電事件的可能位置，或者不容易測量局部放電事件，從而限制了傳統的局部放電監測能力。
例如，在斷路器隔室中，斷路器臂與具有機械手指(mechanical fingers)的“接觸器”物理接觸，該機械手指在斷路器臂周圍壓縮，從而允許電流流過連接。這樣的機械連接點遭遇局部放電事件的原因是由於磨損和零件重複使用而鬆動或者不精確的製造導致電流和電壓不平衡。這裡的局部放電事件可能導致可能的災難性的電弧閃光故障。檢測這些局部放電事件的位置存在重大挑戰，因為連接點被斷路器臂圍繞，該斷路器外殼吸收或衰減典型的局部放電指示器(聲波和UHF信號)，該訊號由局部放電天線所檢測。如此，傳統的局部放電解決方案不太可能檢測斷路器隔室內的低強度局部放電事件。此外，傳統解決方案不能夠檢測局部放電事件產生的精確位置(例如斷路器連接)。
傳統檢測方法的限制部分是由於法規限制在某些類別的設備中或在電雜訊環境中使用低壓(low voltage，LV)接線進入高壓艙室。即使在法規允許局部放電天線/感測器位於高壓艙室內的情況下，通過低壓接線接收電力的系統也不能直接放置在高壓匯流排或連接點上，而沒有顯著的預防措施和費用，以降低接地故障。因此，如上該，局部放電天線和感測器(以及其他感測器類型)傳統上位於斷路器臂外殼外部的隔間壁上。此外，上述感測系統歷來不能夠測量在這些環境中導致電弧閃光的所有參 數。因此，發展失效模式的能力以及在失效發展之前建議預防性維護的能力受到限制。
本發明之第一目的是提供一感測系統。該感測系統包括：一個雷射數據模組；一供電感測模組，其包括光伏功率轉換器；和一第一感測器，其安裝在供電感測模組的內部或外部。該供電感測模組接收一光，將該光轉換為一電力，並且利用該電力供電給該第一感測器。該供電感測模組將來自該第一感測器的信號傳輸到該雷射數據模組。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組經由一光纜連接到該雷射數據模組。
根據本發明之一特徵，該雷射數據模組包括一光源，其中該光源是一連續雷射，一脈衝雷射或一發光二極體(LED)。
根據本發明之一特徵，其中該第一感測器係選自由以下組成的組群：一環境溫度感測器，一表面溫度感測器，一電磁輻射感測器，一光感測器，一濕度感測器，一聲學感測器，一超聲波聲音感測器，一壓力感測器，一振動感測器，一磁場感測器，一電信號感測器，一流量感測器和一光纖感測器。
根據本發明之一特徵，該第一感測器是一光感測器，該光感測器包括檢測紫外光的一第一光電檢測器和檢測可見光的一第二光電檢測器。
根據本發明之一特徵，該聲學感測器是一接觸式聲學感測器或一機載聲學感測器。
根據本發明之一特徵，該第一感測器使用配置成降低一數據傳輸速率的一數字信號處理器積體電路來傳輸數據。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組進一步包括一記憶體和一系統處理器，該系統處理器被配置為傳送選擇數據樣本或特定時間帶的數據並組合來自多個感測器輸入的數據。
根據本發明之一特徵，該光伏功率轉換器包括一光伏電池，其中該光伏電池是垂直多接面光伏電池。
根據本發明之一特徵，該雷射數據模組位於一低電壓艙室中，並且該供電感測模組位於一中壓或高壓艙室中，其中該低，中或高電壓室是開關櫃的艙室。該供電感測模組直接安裝在匯流排上或接近一斷路器臂的機械指狀物。
根據本發明之一特徵，該感測系統包括多個感測器。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組檢測一感測狀況。該第一感測器能夠檢測該感測狀況的一方向性。
根據本發明之一特徵，該感測系統確定該感測狀況的一位置，時間，強度和/或持續時間。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組還包括額外的能量儲存。
根據本發明之一特徵，該第一感測器安裝在該供電感測模組內部以定向地指向一檢測位置。在一些例子中，該第一感測器延伸穿過該供電感測模組的一外殼以定向地指向該檢測位置。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組進一步包括一個或多 個位於外部的感測器，該感測器被定位或定向成比該供電感測模組更靠近的一檢測位置。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組還包括一外殼，該外殼包括在該外殼的內側上的一金屬屏蔽。該金屬屏蔽被配置成允許外部信號到達該感測器。
根據本發明之一特徵，該雷射數據模組同時對該供電感測模組的輸出進行供電和監測。在一些例子中，該感測系統還包括一第二供電感測模組，其中該供電感測模組被配置為操作在不同的功率水平和數據通信速率。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組在每個感測讀數之間以低功率模式操作。
根據本發明之一特徵，該雷射數據模組還包括一信號處理器，該信號處理器被配置成解釋感測數據並在超過指定的閾值限制時發出警報。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組進一步包括一信號處理器，該信號處理器被配置成解釋感測數據並在超過指定的閾值限制時發出警報。在一些例子中，該供電感測模組包括多個信號處理器，其中至少一個信號處理器被配置為同時解譯來自多個感測器的數據，並在超過規定的閾值限制時發出警報，並且其中至少一個信號處理器被用於外部通信。在一些例子中，該些信號處理器中之一者經配置以解譯來自一個或一個以上感測器的感測信號且進一步處理該信號以確定何時發生一光纖的斷裂或斷開。
根據本發明之一特徵，其中一連續的數據流從該供電感測模組向該雷射數據模組提供。在一些例子中，該雷射數據模組經配置以檢測一數據丟失，其中該數據丟失指示一光纜的中斷或斷開。且在一些例子中，該雷射數據模組被配置為在數據丟失上終止或不能初始化功率。
根據本發明之一特徵，該雷射數據模組包括一第4級雷射器，該第4級雷射器分散到多個較低功率，例如第1級雷射器通道中。在一些例子中，該多個較低功率的第1級雷射器通道的一輸出被配置成基於在操作期間對該供電感測模組的需求向多個供電感測模組提供不同的功率水平。且在一些例子中，該多個較低功率的第1級雷射器通道的一輸出可以被配置成基於在操作期間對該供電感測模組的需求來向多個供電感測模組提供變化的功率水平。
本發明之第二目的是提供一感測系統。該感測系統，包括：一雷射數據模組，其包括一光源，該雷射數據模組經由光纜連接到包括一光伏功率轉換器的一供電感測模組，其中該供電感測模組接收來自該光源的一光並將該光轉換成一電力；和其中該電力被用於為連接到感測模組的感測器或電子器件供電。
根據本發明之一特徵，該供電感測模組被配置成經由一光纜向一第一感測器提供該電力。
根據本發明之一特徵，該第一感測器被一使用者分離地配置且加在該感測系統外部。
100‧‧‧雷射數據模組
102‧‧‧外部電源
104‧‧‧處理器
106‧‧‧光源
108‧‧‧光纖電纜
110‧‧‧數據光纖電纜
112‧‧‧收發器
114‧‧‧中央監測系統
200‧‧‧感測模組
202 212‧‧‧連接器
204,206,208,210‧‧‧感測器
215‧‧‧外殼
220‧‧‧槽
212‧‧‧光學收發器
214‧‧‧信號處理器
216‧‧‧基座
218‧‧‧切口
500‧‧‧光伏電池
700‧‧‧低壓櫃
702‧‧‧高壓櫃
800‧‧‧組合器盒
900‧‧‧光電檢測器
902‧‧‧窗口
904‧‧‧光檢測特徵
906‧‧‧光檢測特徵
當參考附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明的方 面或示例的以上和其它特徵，示例和優點，其中：圖1是一感測系統的示例性雷射數據模組的示意圖。
圖2是連接到在此描述的該感測系統的示例性感測器的示例性雷射數據模組的透視圖。
圖3是本文描述的該感測系統的示例性感測模組的示意圖。
圖4是本文描述的感測系統的示例性感測模組的透視圖。
圖5是一感測模組的一光伏功率轉換的透視圖和內部視圖。
圖6是具有外部感測器並安裝到一匯流排的一感測模組的透視圖。
圖7是一感測系統中的一雷射數據模組與多個感測模組之間的示例連接的示意圖。
圖8是一感測系統中的一雷射數據模組與多個感測模組之間的示例連接的另一個示意圖。
圖9是用於檢測光的感測模組中的窗口的示例。
圖10是用於檢測光的感測模組中的窗口的另一示例。
考慮到上述常規局部放電事件檢測能力的局限性，本發明描述了一種利用光纖供電(PoF)的感測模組系統，其可以同時經由光纖將功率和通信提供給一個或多個在不同地點與種類的感測器，包括危險，難以到達的高電壓或電雜訊環境。在一示例，這裡描述了用於檢測開關設備內的溫度，濕度和局部放電(PD)的光纖供電感測模組系統。當然，應該注意的是，雖然這裡的描述主要是針對局部放電監測系統的，但是將該系統 用於其他應用和其他感測器類型也在本發明的範圍內。
更具體地說，這裡描述的光纖供電感測模組系統包括向一個或多個連接的感測模組提供光纖供電的雷射數據模組(laser data module，LDM)。作為示例，每個感測模組可以位於分離的匯流排上，靠近斷路器臂的機械手指，或者位於局部放電事件附近的單獨的斷路器臂外殼中(或者在其它中和高電壓位置中)，以及更多通常在通過常規技術接收電力可能困難或不理想的任何地方。本發明的感測模組包括電力感測器，其檢測包括局部放電事件，表面或環境溫度和濕度，UV和可見光，聲學，振動和壓力的變化的各種感測狀況，並將檢測到的訊息傳輸回數據光纖上的雷射數據模組。雷射數據模組可以處理來自感測器的數據，並將分析結果傳遞給數據監測系統。監控系統可以位於模組本身或其附近，也可以位於遠處。
通過以上描述，本文描述的系統能夠檢測到比安裝在腔室壁上的傳統聲學或UHF局部放電感測器更低的強度局部放電事件，而不是直接在諸如匯流排的高電壓區域。本文描述的系統還能夠確定局部放電事件發生在何處(例如，在哪個匯流排上或在哪個斷路器連接處)。這也允許更早地檢測局部放電事件，以便設備可以被預定用於預防性維護，從而避免由於電弧閃光或類似的災難性故障而導致的意外設備停機或工廠停機。早期檢測和更敏感的感測器檢測的優勢可以推廣到其他在雜訊環境中工作的感測器類型，或者在光纖供電之前，在事件附近進行感測困難，甚至不可能獲得的環境中。例如，光纖供電的溫度感測器可以放置在高壓匯流排上，提供連續的匯流排溫度監測。
光纖供電
光纖供電技術通過光纖電纜(fiber optic cables，在本文中也被稱為電力光纖電纜，或簡稱光纜)經由雷射或其他光源向光伏功率轉換器供應電力，所述光伏功率轉換器將雷射轉換成連續的電力供應。通過非導電光纖電纜提供光(以提供電力)到發射的雷射被轉換成電的目的。非導電光纖電纜提供非常高的電壓隔離和電氣雜訊免疫力，確保感測器讀數據的完整性和準確性。
圖1和圖2中示出了示例雷射數據模組。如應用於本文的系統，雷射數據模組(LDM)100被電力供電(例如，來自外部電源102)，並且包括一個或多個處理器104和光源106。光源106可以是，例如連續或脈衝源雷射，發光二極體(LED)或耦合到功率光纖電纜108中的任何其他光源。較佳地，雷射輸出功率為大約1.25W，並且具有大約976nm的中心波長，然而這些參數可以針對特定應用進行調整。
雷射數據模組100可以位於低壓(LV)腔室(當需要符合ANSI標準時)，或者位於開關櫃或其他區域的中壓或高壓區域(當規定允許時)被監測。在其他實施例中，雷射數據模組100也可以位於被監測的腔室或區域的外部。如上所述，上游的雷射數據模組100經由電力光纖電纜108向感測模組200供電。因此，該感測模組200是一個供電(powered)感測模組，雷射數據模組100可以通過數據光纖電纜(或光纜)110從感測模組200接收感測器讀數，並且在一些實施例中還可以通過數據光纖電纜110向感測模組200發送命令。雷射數據模組100與感測模組200之間的通信可以是經由收發器112的雙向的，或者雷射數據模組100可以被配置為僅接收來自感測模組200的感測器數據。一個或多個收發器112可以產生用於經由數據光纖電纜 110經由雷射數據模組或其他光源傳輸的光學數據。在使用發光二極體(LED)的實施例中，其優選地在850nm中心波長處輸出具有45μW的光，以通過RS-485接口以115,200bps傳輸。電力和數據也可能通過相同的光纜傳輸。或者，電力可以經由光纖電纜108傳輸，而數據可以經由無線收發器(未顯示)傳輸到感測模組200或從感測模組200傳輸數據。
雷射數據模組100的處理器104可以用於控制光源106的電源和操作，且還可以包括或相關於記憶體的感測器數據的數據儲存或控制來自雷射數據模組100的信號。處理器104還可以被配置為將通過數據光纖電纜110從感測模組200接收的感測器數據組合(例如，多工)到雷射數據模組100，分析接收到的數據並將分析傳輸到中央監測系統114，和/或經過感測器數據到監視系統114。作為分析的一部分，處理器104可以確定可能由複雜的信號處理導致的局部放電事件(或其他感測的條件)的發生位置，時間和其他性質，以檢測並描述事件的特徵。這可以是對感測到的狀況的強度，持續時間，位置，事件數量等的分析。此外，處理器104和/或監視系統114可以被配置為監視一段時間內的局部放電事件(或其他事件類型)和狀況的改變，以確定例如事件和狀況的進展。處理器104還可以關聯來自多個感測器和/或多個感測模組200的訊息。分析可以即時進行。雷射數據模組100可以同時給感測模組200供電並監視其輸出。在其監視輸出的能力中，雷射數據模組100的信號處理器104可以被配置為解釋來自感測模組200的數據，並且在指定的閾值(threshold)限制(例如強度，強度持續時間，位置，事件的數量或事件的頻率)超過時警報。由於這些閾值限制是特定於應用程序的，因此可以由最終用戶根據具體情況確定。該系統可以配置為識別 特定應用程序的期望閾值並且也適當地作出響應。由於局部放電可以指示絕緣劣化的開始，所以操作員可以選擇關閉以維修設備，或者可以選擇隨著時間的推移監視活動進展，提供在兩者之間提供長期監視和訊息的能力監測的環境條件和設備健康。來自感測模組200的這個數據流(data stream)可以如上所述在雷射數據模組100或中央監測系統114處被分析，以確定局部放電或其他事件的發生或可能性。還可以分析數據流以檢測和監測光纖電纜108,110正確連接，沒有損壞，正確安裝和其他故障。如果檢測到故障，則感測系統可以終止或不初始化光(雷射)源106的電力。通過以已知的速度向雷射數據模組100提供連續的數據流，雷射數據模組100能夠檢測到數據，從而確定何時發生光纖斷開或斷開。如果在預先配置的時間量內檢測到數據丟失，則雷射數據模組100可以在數據丟失時終止或不初始化到光源的功率。對這個確定的響應時間可能是幾毫秒或更少。以這種方式，感測系統是一個容錯系統，允許更高功率的第4級(Class 4)雷射被用作較低功率系統，例如第1級(Class 1)雷射系統。在一個實施例中，該反饋迴路也可以具有改變雷射的功率，而不是完全關閉的能力，從而根據需要調整雷射輸出功率。
雖然可以理解，根據一個實施例，雷射數據模組100的外部尺寸可以由特定應用的物理限制/參數確定，但是雷射數據模組100通常採用矩形棱柱的形狀，其總外部尺寸為約57毫米(mm)高，107毫米(mm)寬和166毫米(mm)長。
示例性感測模組及其特徵在圖1和圖2中示出。如上所述，圖2是連接到感測模組200的雷射數據模組100的透視圖。關於圖3，顯示了根 據第一實施例的感測模組200的示意圖。位於雷射數據模組100下游的感測模組200包括光伏功率轉換器(photovoltaic power converter，PPC)202，其將從光纖電纜108接收到的光轉換為電力。
感測模組200的元件被包含在外殼(housing)215中。取決於實施例，外殼215可以由塑料製成，並且可以是透明的或半透明的，不透明的或其組合(例如具有透明的外殼，或其中的不透明半透明窗口)。外殼215還可以具有用於束帶安裝的槽220。在一些實施例中，外殼215可以擱置或附接(例如，用螺釘或膠水)到基座216。如圖4所示，基座216可以在至少一個維度上延伸超過外殼215。基座216可以是金屬的以提供接地平面。基座216還可以具有弓形形狀的切口218等，以便於將感測模組200安裝到被監測裝置(例如，匯流排)。
儘管可以理解，根據一個實施例，感測模組200的外部尺寸可以由特定應用的物理限制/參數確定，但是基部216和外殼215的總高度是大約22或23毫米(mm)，感測模組200的寬度約為37毫米，感測模組200的總長度(包括延伸超過外殼215的基座216的部分)約為71毫米(mm)，基座216延伸超過外殼215大約23毫米(mm)，外殼215的長度大約為48毫米(mm)，切口的寬度大約為14毫米(mm)。連接器202,212可以從外殼215延伸大約10.5毫米(mm)並且彼此間隔大約8毫米(mm)，其中該連接器202是一光伏功率轉換器202。根據另一個實施例，基座216和外殼215的總高度約為19毫米(mm)，基座216約為2毫米(mm)，感測模組200的寬度約為33.5毫米(mm)，感測模組200的總長度為大約74毫米(mm)，基座216延伸超過外殼215約23毫米(mm)，外殼215大約50毫米(mm)長，切口的寬度約 為14毫米(mm)，切口的長度約為17毫米(mm)。
如圖5所示，連接器202可以光伏功率轉換器202，可以包括用於將光轉換成電的光伏電池500。光伏電池500可以是例如垂直多接面(vertical multi-junction，VMJ)光伏電池(VMJ PV電池)或其他光伏電池材料類型和/或裝置構造。光伏功率轉換器202向感測模組200提供功率，使得連接到感測模組200的感測器204,206,208,210可以連續地監測條件和事件(例如，環境溫度，濕度，振動，壓力，匯流排溫度(表面安裝的溫度)，局部放電，電弧閃光等等)。感測模組200可以連接到一個感測器或多個感測器，其中感測器可以獨立地或組合地檢測一個或多個變量。光伏功率轉換器202較佳地與用於光纖電纜108的母型(female)FC連接器集成並且被包括在其中。以這種方式，光纖電纜108可以被插入到感測模組200外部的連接器中，向感測模組的內部輸出電力(+V，-V)以進行配電。如圖5所示，光伏功率轉換器202的光伏電池500可以被包括在連接器的背面以接收來自光纖電纜108的光。光伏電池500的輸出連接到作為光伏功率轉換器的連接器202的+V和-V端子。
在使用一個或多個垂直多接面(VMJ)電池的光伏電池500的光伏功率轉換器202的情況下，光伏功率轉換器202的電壓輸出基於垂直多接面(VMJ)電池的光伏電池500500的電壓輸出，其取決於垂直多接面(VMJ)電池的光伏電池500內的接面數量。垂直多接面(VMJ)電池的寬度取決於垂直多接面(VMJ)電池的接面的數量。舉例，垂直多接面(VMJ)電池的電壓輸出可以是名義上6V，或者18V，或者不同的電壓，取決於接面的數量。此外，光伏功率轉換器202的電壓輸出也可以根據包括輸入光強度和電池溫度 的操作條件而變化。
光伏功率轉換器或其他光伏電池類型可以安裝到散熱器或其他可以幫助散熱的封裝上，並且提供到電池的電連接以用於功率輸出。垂直多接面(VMJ)電池接面可以垂直於散熱器(例如，銅熱管)或包裝。在一示例性配置中，垂直多接面(VMJ)電池單元厚約0.3毫米(mm)(0.012英寸)，並且經由約0.4毫米(mm)厚(0.0015英寸)厚的熱環氧樹脂安裝到約0.74毫米(mm)至7.6毫米(mm)(0.0290至0.300英寸)厚的陶瓷基板(例如氮化鋁)上(例如氮化硼)。然後用另一個約0.4毫米(0.015英寸)厚的熱環氧樹脂將基板安裝到散熱器上。
該感測模組200還可以包含或接近光學收發器212，光學收發器212從雷射數據模組100接收命令並且經由數據光纖電纜110將收集的感測器數據發送回雷射數據模組100。當然，感測模組200可替代地包含發射器，以在其不需要從雷射數據模組100接收命令時將其感測器數據發送回雷射數據模組100。對於有線(wired)的實施例，感測模組200較佳地包括母型ST連接器，收發器可以被集成以與數據光纖電纜110接口。感測模組200還可以與雷射數據模組100或者位於雷射數據模組100外部的無線收發器無線通信。
感測模組200還可以包括額外的能量儲存，從而具有儲存功率供以後使用(例如，使用電池或電容器，未示出)的能力或者改變數據通信速率以便降低通信速率，也因此降低了能源消耗。對於一些感測器來說，以溫度為例，低取樣率就足以提供必要的監測訊息。低取樣和低傳輸速率需要較低的功耗，因此有助於減少所需的雷射功率輸入量。感測器取 樣率也可以降低，以便更輕鬆地達到第1級雷射安全標準。當然，更高的取樣率可能是需要的，如果較佳的話也可以使用。
在一些實施例中，根據本發明的感測系統包括多個感測模組200。在一個實施例中，感測模組200可以被獨立地或共同地配置，並且以不同的功率水平運行並且向雷射數據模組100以不同的通信速率提供數據。根據為每個信號(包括輸入信號和輸出信號)選擇的通信速率，感測模組200可以在每個傳輸之間以低功率模式操作。最後，感測模組200可以將來自多個感測器信號的數據組合到發送的數據流中。
在一些實施例中，到感測模組200的電力輸入可以直接連接/分配到與感測模組200相關聯的各種感測器204,206,208,210。類似地，收發器212可以直接連接到感測器204,206,208,210。然而，其它實施例可以利用感測模組200中的處理器214來進一步處理來自雷射數據模組100的命令和來自感測模組200的元件的信號。在該實施例中，系統處理器214可以是配置為傳輸全部數據或選擇數據樣本。或者，它可以配置為選擇，處理和傳輸特定時間段的數據。來自多個感測器輸入的數據可以在傳送之前被組合，或者數據可以被離散地傳送。監視輸出的感測器，感測模組200的信號處理器214可以被配置為解釋來自一個或多個附接的感測器204,206,208,210的數據，並且當超過規定的閾值限制(例如上述那些限制)時和/或當光纖已經發生斷線或斷線警報。在一些實施例中，感測模組200包括多個信號處理器214。在該配置中，至少一個信號處理器214同時檢測並解釋來自多個感測器的數據，並且可以在超過指定的閾值限制時和/或發生光纖斷裂或斷線時警報。當存在多個信號處理器214時，一個信號處理器可以用於外部通 信，例如與雷射數據模組100的通信。
應用
利用上述基於光纖供電的感測模組系統，感測模組200可以用於高電壓區域，例如用於監測總線溫度，濕度或其他參數的中高壓開關設備，以防止發生電弧閃光在設備中。儘管這裡描述的感測系統通常是關於開關櫃來描述的，但是其也可以用在需要感測的其它設備上，例如在需要高電壓隔離的高電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)條件的區域中需要感測，其中高電壓電力管理或分配，和/或位置是在外殼或難以進入的區域，以及危險環境中的設備，開關，變壓器，電動機或旋轉機器，電氣或機電系統，雷電保護系統等。有鑑於此，雷射數據模組100可以較佳地在危險條件下以及在約-20℃與70℃之間操作，並且感測模組200較佳地也可以在危險條件下以及在約-40℃與120℃之間操作；並且都可以較佳地在濕度在約10%和95%之間的條件下運行。
此外，在這樣的設備中，由於變化的條件可能由於高電壓而導致電弧閃光(例如，在具有5kV和38kV之間的電壓的系統中，如5kV，10kV，27kV，或38kV系統以及其他更高或更低電壓水平的系統)，希望能消除金屬線並隔離設備的電源。在此，當給出例如5kV和38kV之間的範圍時，這表示至少5kV，並且分別且獨立地不超過38kV，並且包括在其間的所有值。具有這樣範圍的值，例如10kV，15kV或20kV，也以相同的方式分開和獨立地包括所公開的範圍的上限和下限。
考慮到用於光纖供電系統的上述配置，感測模組200可以是完全電隔離的，並且對電磁干擾是免疫的，並且因此可以安裝在中等或高 電壓區域中，並且直接與匯流排接觸，這在傳統的監控系統是不可能的。例如，在一個實施例中，感測模組200在外殼215的內側上包括金屬屏蔽(例如鋁屏)，以提供電子器件的電磁干擾屏蔽。在金屬屏蔽物中包括一開口(opening)允許外部信號到達屏蔽感測模組200內的感測器。此外，感測模組200可以裝配在斷路器臂外殼(或類似的小的，狹窄的，難以到達的，狹窄的或例如在中壓或高壓電氣設備內)，同時仍然通過數據光纖電纜110與監控系統通信。另外，如果封閉空間或難以到達的區域需要比感測模組200更小的感測器，感測器208,210可以從感測模組200延伸到更小的空間。例如，如上所述，感測器208,210可以位於感測模組的外部。這種配置在圖6中示出。在圖6中，感測模組200被安裝到例如斷路器排(bar)600。外部感測器可以，例如，是本文所述的任何感測器。這些外部感測器還可以包括應用情況所需的光纖，光導管，定向透鏡或光纖感測器。該系統同時符合標準(例如，ANSI)和實現上述規定。
從感測模組延伸的感測模組200和/或感測器208,210可以被附接到絕緣體，金屬，環氧樹脂或其他材料內，或者被包圍在絕緣體，金屬，環氧樹脂或其他材料中以獲得對於表面，裝置或通常被保護材料包裹的位置，因此傳統感測器配置不可限定。例如，固體絕緣匯流排系統將帶有絕緣層的匯流排包裹起來。感測模組200可以在匯流排被絕緣材料包圍之前安裝到匯流排。光纖電纜可以在絕緣材料下面運行，或者可以穿透感測模組附近的絕緣材料，並繼續到達絕緣體外部的雷射數據模組100。
圖7示出了在此描述的感測模組系統的配置，其中雷射數據模組100位於低壓櫃700中並且感測模組位於高壓櫃702中。根據該實施例， 雷射數據模組100可以將其中單個高功率雷射源(光源106)分散進入較低功率雷射的多個光纖通道中，以從同一光源106向多個感測模組200供電，由此增加系統可靠性並減少組件。在離開雷射數據模組100之前將光源106輸出分成多個較低功率通道，藉此降低由於雷射數據模組100外殼之間的光纖斷裂而可能發生的曝光水平，簡化了系統的實現。或者，雷射數據模組100可以包括雷射數據模組100內的多個光源，並且每個雷射源本身可以將其輸出分成多個較低功率光纖雷射通道(在內部或在雷射數據模組100外殼的外部)。
根據光纖電纜108,110的長度，感測模組200可以在距雷射數據模組100的各種距離處連接。由於這樣的配置使用多個感測器和感測模組200，所以雷射數據模組100還可以將數據通道讀數(reading)從每個感測模組遠程傳送感測模組/設備狀態(例如，到中央監測系統114)。例如，雷射數據模組100還可以配置有多個收發器112，用於通過每根數據光纖電纜110傳送數據。當然，這個數據可以在收發器112和每個感測模組200之間(去)多工，或者收發器112可以與每個感測模組200共享公共線路，因此，與雷射數據模組100，中央監測系統114和/或相應的感測模組200相關的數據可以被編碼/解碼。
根據圖8的實施例，雷射數據模組100還可以與位於雷射數據模組100和感測模組200之間的組合器盒800一起使用。利用這種配置，組合器盒800，而不是雷射數據模組100，將從雷射數據模組100輸出的雷射通過其中的光源106分成多個通道以分配到多個感測模組200中的每一個。組合器盒800還可以在雷射數據模組100和感測模組200之間傳輸的數據信號 (去)多工。
感測模組200也可以經由光纖電纜連接到另一感測模組。例如，來自光纖電纜的雷射可以進入靠近感測模組的分路器(splitter)。從分路器出來的一根光纖可以進入感測模組，而另一根光纖被路由到更遠的第二感測模組。再次，在第二感測模組處，另一個分路器可以將雷射分成兩個或多個光纖，其中一個光纖進入第二感測模組，而另一個光纖被路由到第三感測模組。這個過程可以繼續，使許多感測模組連接在一起。這種佈線方法的好處是減少了必須從雷射數據模組運行的光纖電纜的數量，以便為每個感測模組供電。根據需要，可以選擇分路器以將相同量的光路由到每個感測模組，或者將不同比率的雷射路由到每個感測模組。
在另一個實施例中，可以將電池，電容器或其他附加形式的能量儲存添加到感測模組200。雷射數據模組100可以向感測模組200發送比正常操作感測模組所需的更多的雷射功率200。由光伏功率轉換器202產生的多餘電力可以被存儲在能量儲存裝置中以供以後使用。在該實施例中，感測模組200內的光伏功率轉換器202可能不提供足夠的連續功率，以允許所有期望的感測器在正常操作期間連續運行。在這種情況下，有些感測器可能會進入低功耗模式，或處於休眠狀態，只能定期運行。根據需要，任何感測器都可以配置成利用儲存在能量儲存裝置內的多餘電力來進行操作。
感測模組感測器
如上所述，每個感測模組200可以包括各種感測器204,206,208,210中的一個或多個，用於檢測感測器位置處的環境狀況(即， 感測狀況)的。這些感測器204,206,208,210由從光伏功率轉換器202輸出的電力供電，該光伏功率轉換器202利用由光源106提供的電力。感測器204,206,208,210可以檢測環境溫度，匯流排上的表面溫度(或其安裝到的任何表面)，電磁輻射，濕度，超聲波聲音，其他聲音，壓力，振動，磁場，電信號(電壓和/或電流)，流速，光纖感測器等。這種感測器可以包括換能器，例如熱電偶，熱敏電阻，光電檢測器，應變儀，電位計，電阻元件等。每個感測器可以同時或依次操作，因此可以同時檢測，例如溫度和光。較佳地，感測器包括溫度感測器，包括環境溫度感測器和表面溫度感測器，諸如用於檢測可見光，UV光，紅外光，γ射線，無線電波(包括UHF)和X射線的電磁輻射感測器，濕度感測器，包括聲音和超聲波聲音感測器的聲學感測器，壓力感測器，振動感測器，流速感測器和光纖感測器。特別地，感測器包括聲學感測器(包括接觸式聲學感測器和空氣聲學感測器)，光感測器，濕度感測器和溫度感測器。更佳地，感測器是聲學感測器，特別是感測30kHz和400kHz之間的頻率範圍的聲學感測器，以及用於感測30kHz和400kHz之間的離散頻帶的聲學感測器。
此外，感測模組200可使用光(IR，UV，可見等)，聲音，超聲波，無線電波，壓力，振動，磁場，電信號，光纖感測器或其他檢測局部放電的方式，通過光纖供電系統的電壓隔離成為可能。感測模組200經由光纖供電系統供電，並且用於檢測局部放電的檢測的感測器204,206,208,210可以包括一個或多個類型的一個或多個感測器，包括例如耦合電容感測器，無線電高頻電壓感測器，射頻電流感測器，電流互感器，電壓感測器，電壓互感器，電光轉換器，天線，光纖感測器和高頻電流互 感器(high frequency current transformer，HFCT)。
根據本發明的感測器可以內部地安裝在感測模組200外殼內，或者遠離感測模組200外殼。在一些實施例中，感測器可被安裝成方向性指向可能的檢測位置(例如朝向機械接觸點)。在一些實施例中，特別是包括外部安裝感測器的那些實施例中，感測器可以被定位或引導為比感測模組200本身更接近可能的檢測位置。在一些實施例中，特別是包括內部安裝感測器的那些實施例中，感測器可以延伸穿過外殼以定向地指向可能的檢測位置。以這些方式，感測器不僅可以提供關於感測狀況的持續時間的訊息，而且感測器可以檢測感測到的狀況或事件的方向性。這個訊息又可以被感測系統用來確定事件的位置，時間，強度和/或持續時間。
圖9和圖10顯示出根據本發明可以使用的感測模組200中的光檢測。對於光檢測，感測模組200的感測器204,206,208,210可以包括用於檢測輻射的一個或多個帶寬(bandwidth)(例如，由電暈發射的~240~405奈米(nm)的UV和~400-700奈米(nm)的火花發射)。光電檢測器900可以檢測光的強度和持續時間。一個光電檢測器900可以用於每個波長帶，和/或多個光電檢測器900，具有不同的波長帶，可以用來幫助檢測方向和強度差異。光電檢測器也可以定向在不同的方向(例如，對於定向光電檢測器-那些僅從有限方向探測光的檢測器，而不是360度)，或者根據應用遠程定位。光電檢測器可以具有各種設計和形狀，以便最好地適應期望的功能。在較佳實施例中，感測系統包括光感測器，其包括用於檢測UV光的第一光電檢測器和用於檢測可見光的第二光電檢測器。
如上所述，在一些實施例中，感測模組外殼215可以是清晰 的(透明的)以允許目標波長的光(能量)到達感測器；或者可以是不透明的且包括窗口(window)902。窗口902可以是透明的，磨砂的或者著色的。窗口902也可以與外殼215齊平，或者在外殼215上方較高處，如圖9和10所示。在一些實施例中，窗口902可以是平坦的，和/或具有光引導特徵904,906，以允許光根據引導特徵的形狀從一個或多個方向進入。例如，圖9中示出了錐形光檢測特徵904。圓錐形特徵904形成在光電檢測器900上方的窗口902中，並且通過它們的形狀，可以將光從任何方向(如箭頭所示)導向光電檢測器900。圖10示出棱鏡形狀的光檢測特徵906。通過它們的形狀，這些光檢測特徵906可以將來自特定方向(如箭頭所示)的光導向光電檢測器900，並且可以提供關於發生局部放電事件的方向的訊息。
在替代實施例中，本發明的感測系統可以被配置為“可定制的”(customizable)，也就是說，其可以包括所需的功率和通信組件，包括類似於先前那些的雷射數據模組100和功率感測模組200，但允許終端使用者通過標準通信接口(interface)選擇並集成或附加其專用感測器與感測模組200。如上所述，它是包括雷射數據模組100和感測模組200的感測系統。雷射數據模組100包括光源106，諸如上面討論者。雷射數據模組100和感測模組200經由一個或多個光纖電纜108,110連接。如上所述，感測模組200接收來自雷射數據模組100的光源106的光，並將該光轉換成電力。然後，電力被終端用戶用於已經供電給併入感測模組200中的一個或多個感測器或其他電子組件。在一實施例中，待由終端用戶合併的感測器，連接到感測模組200。
注意到，上述任何方面或方面的組合可以經由硬體或軟體來 實現或控制。例如，這些方面可以在處理器或多個處理器上實現。這些處理器也可以被嵌入或集成到其他設計用於單獨目的的處理器中，例如作為中央處理單元(central processing unit，CPU)的一部分。
如本發明所使用的“處理器”是指由任何數目的電子組件(包括例如電阻器，晶體管，電容器，電感器等等)組成的任何電子電路或電路的一部分。該電路可以是任何形式的，例如包括集成電路，一組集成電路，微控制器，微處理器，印刷電路板(printed circuit board，PCB)上的一組離散電子組件等。處理器也可以是獨立的或者是計算機的一部分。這些方面的實現可以通過硬件或軟件實現在任何數量的電子設備和/或應用中，包括但不限於個人計算機，服務器，移動電話等。而且，上述方面和/或方面的組合可以存儲在可由所述處理器之一執行的記憶體中。在一個實施例中，感測系統包括數字信號處理器集成電路，該數字信號處理器集成電路可以被配置為連續取樣或者被配置為在特定的數據時段取樣在後一種配置中，可以減少數據傳輸速率，從而實現整體節能。還應該指出的是，以上描述是非限制性的，並且這些示例僅僅是可能的處理器和實現方式中的少數幾個。
儘管上面描述的本發明的實施例構成了優選的實施例，但是應該理解，可以對其進行修改而不脫離如所附權利要求書中闡述的本發明的精神和範圍。

Claims (41)

  1. 一感測系統，包括：一個雷射數據模組；一供電感測模組，其包括光伏功率轉換器；和一第一感測器，其安裝在供電感測模組的內部或外部，其中該供電感測模組接收一光，將該光轉換為一電力，並且利用該電力供電給該第一感測器；和其中該供電感測模組將來自該第一感測器的信號傳輸到該雷射數據模組。
  2. 根據權利要求1的該感測系統，其中該供電感測模組經由一光纜連接到該雷射數據模組。
  3. 根據權利要求1的該感測系統，其中該雷射數據模組包括一光源。
  4. 根據權利要求3的該感測系統，其中該光源是一連續雷射，一脈衝雷射或一發光二極體(LED)。
  5. 根據權利要求1的該感測系統，其中該第一感測器係選自由以下組成的組群：一環境溫度感測器，一表面溫度感測器，一電磁輻射感測器，一光感測器，一濕度感測器，一聲學感測器，一超聲波聲音感測器，一壓力感測器，一振動感測器，一磁場感測器，一電信號感測器，一流量感測 器和一光纖感測器。
  6. 根據權利要求5的該感測系統，其中該第一感測器是一聲學感測器，光感測器，一濕度感測器或一溫度感測器。
  7. 根據權利要求6的該感測系統，其中該第一感測器是一光感測器，該光感測器包括檢測紫外光的一第一光電檢測器和檢測可見光的一第二光電檢測器。
  8. 根據權利要求6的該感測系統，其中該第一感測器是一聲學感測器。
  9. 根據權利要求8該的系統，其中該聲學感測器是一接觸式聲學感測器或一機載聲學感測器。
  10. 根據權利要求1的該感測系統，其中，該第一感測器使用配置成降低一數據傳輸速率的一數字信號處理器積體電路來傳輸數據。
  11. 如權利要求1的該感測系統，其中，該供電感測模組進一步包括一記憶體和一系統處理器，該系統處理器被配置為傳送選擇數據樣本或特定時間帶的數據並組合來自多個感測器輸入的數據。
  12. 根據權利要求1的該感測系統，其中該光伏功率轉換器包括一光伏電池。
  13. 根據權利要求12的該感測系統，其中該光伏電池是垂直多接面光伏電池。
  14. 根據權利要求1的該感測系統，其中該雷射數據模組位於一低電壓艙室中，並且該供電感測模組位於一中壓或高壓艙室中。
  15. 根據權利要求14的該感測系統，其中該低、中或高電壓室是開關櫃的艙室。
  16. 根據權利要求14的該感測系統，其中該供電感測模組直接安裝在匯流排上或接近一斷路器臂的機械指狀物。
  17. 根據權利要求1的該感測系統，包括多個感測器。
  18. 根據權利要求1的該感測系統，其中該供電感測模組檢測一感測狀況。
  19. 根據權利要求18的該感測系統，其中該第一感測器能夠檢測該感測狀況的一方向性。
  20. 根據權利要求19的該感測系統，其中該感測系統確定該感測狀況的一位置、時間、強度和/或持續時間。
  21. 根據權利要求1的該感測系統，其中該供電感測模組還包括額外的能量 儲存。
  22. 根據權利要求1的該感測系統，其中該第一感測器安裝在該供電感測模組內部以定向地指向一檢測位置。
  23. 根據權利要求22的該感測系統，其中該第一感測器延伸穿過該供電感測模組的一外殼以定向地指向該檢測位置。
  24. 根據權利要求1的該感測系統，其中，該供電感測模組進一步包括一個或多個位於外部的感測器，該感測器被定位或定向成比該供電感測模組更靠近的一檢測位置。
  25. 根據權利要求1的該感測系統，其中，該供電感測模組還包括一外殼，該外殼包括在該外殼的內側上的一金屬屏蔽。
  26. 根據權利要求25的該感測系統，還包括在該金屬屏蔽中開口，被配置成允許外部信號到達該感測器。
  27. 根據權利要求1的該感測系統，其中該雷射數據模組同時對該供電感測模組的輸出進行供電和監測。
  28. 根據權利要求27的該感測系統，還包括一第二供電感測模組，其中該供電感測模組被配置為操作在不同的功率水平和數據通信速率。
  29. 根據權利要求1的該感測系統，其中該供電感測模組在每個感測器讀數之間以低功率模式操作。
  30. 根據權利要求1的該感測系統，其中該雷射數據模組還包括一信號處理器，該信號處理器被配置成解釋感測數據並在超過指定的閾值限制時發出警報。
  31. 根據權利要求1的該感測系統，其中該供電感測模組進一步包括一信號處理器，該信號處理器被配置成解釋感測數據並在超過指定的閾值限制時發出警報。
  32. 根據權利要求31的該感測系統，其中，該供電感測模組包括多個信號處理器，其中至少一個信號處理器被配置為同時解譯來自多個感測器的數據，並在超過規定的閾值限制時發出警報，並且其中至少一個信號處理器被用於外部通信。
  33. 根據權利要求32的該感測系統，其中該些信號處理器中之一者經配置以解譯來自一個或一個以上感測器的感測信號且進一步處理該信號以確定何時發生一光纖的斷裂或斷開。
  34. 根據權利要求1的該感測系統，其中一連續的數據流從該供電感測模組 向該雷射數據模組提供。
  35. 根據權利要求34的該感測系統，其中該雷射數據模組經配置以檢測一數據丟失，其中該數據丟失代表一光纜的中斷或斷開。
  36. 根據權利要求35的該感測系統，其中該雷射數據模組被配置為在數據丟失時終止或不能初始化功率。
  37. 根據權利要求1的該感測系統，該雷射數據模組包括一第4級雷射器，該第4級雷射器分散到多個較低功率的第1級雷射器通道中。
  38. 根據權利要求37的該感測系統，其中，該多個較低功率的第1級雷射器通道的一輸出被配置成基於在操作期間對該供電感測模組的需求向多個供電感測模組提供不同的功率水平。
  39. 根據權利要求37的該感測系統，其中該多個較低功率的第1級雷射器通道的一輸出可以被配置成基於在操作期間對該供電感測模組的需求來向多個供電感測模組提供變化的功率水平。
  40. 一感測系統，包括：一雷射數據模組，其包括一光源，該雷射數據模組經由光纜連接到包括一光伏功率轉換器的一供電感測模組，其中該供電感測模組接收來自該 光源的一光並將該光轉換成一電力；和其中該電力被用於為連接到感測模組的感測器或電子器件供電。
  41. 根據權利要求40的該感測系統，其中該供電感測器模組被配置成允許附加的感測器或一電子裝置附接到該供電感測器模，使得該供電感測器模可以被容易地配置以支持取決於應用需求的不同感測功能。
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