CN112997086B - 电压传感器和装置 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及一种电压传感器(10)和一种包括该电压传感器(10)的装置(11)。电压传感器(10)包括：第一电容器(12)，被配置为接收用于交流供电系统(1)的第一相的第一电压；第二电容器(14)，耦合在第一电容器(12)与参考电压之间，并且被配置为基于第一电压生成第二电压；以及包括第一绕组(164)和第二绕组(166)的变压器(16)，第一绕组(164)并联耦合到第二电容器(14)，第二绕组(166)磁耦合到第一绕组(164)，变压器(16)被配置为直接生成用于场测试单元的第三电压，而无需通过另外的变压器进行电压转换。第三电压基于第二电压，并且低于第二电压。
Description
技术领域
本公开的示例实施例总体上涉及电压测量，并且更具体地涉及电压传感器和包括该电压传感器的装置。
背景技术
交流(AC)电源被广泛用于提供电力。为了保持AC供电系统的适当运行，除了AC供电系统的其他特性之外，还需要测量AC电源的各个位置处的电压，以确定AC传输线路或装备的实时状况。
通常，为了测量AC电源的电压，常常使用电阻分压器(RVD)或电容分压器(CVD)设备。CVD设备包括耦合在AC电源与地之间的两个电容器。
然而，常规RVD和CVD方法是不准确的并且效率低下，因为它们容易受到与RVD或CVD耦合的负载(诸如变压器)的影响。
发明内容
本公开的示例实施例提出了一种用于AC电压测量的解决方案。
在第一方面，本公开的示例实施例提供了一种电压传感器。该电压传感器包括：第一电容器，被配置为接收用于交流供电系统的第一相的第一电压；第二电容器，耦合在第一电容器与参考电压之间，并且被配置为基于第一电压生成第二电压；以及包括第一绕组和第二绕组的变压器，第一绕组并联耦合到第二电容器，第二绕组磁耦合到第一绕组，变压器被配置为基于第二电压直接生成用于场测试单元的第三电压，而无需通过另外的变压器进行电压转换，第三电压低于第二电压。
在一些实施例中，第一电压低于50kV，并且第三电压低于12V。
在一些实施例中，第一绕组直接并联耦合到第二电容器，而没有电抗元件与第一绕组串联耦合。
在一些实施例中，电压传感器还包括第三绕组，第三绕组磁耦合到第一绕组，并且被配置为基于第二电压生成故障检测电压，该故障检测电压用于检测AC供电系统的故障。
在一些实施例中，电压传感器还包括可调电容器，可调电容器耦合到第二电容器，并且被配置为调整第二电容器的电容。
在第二方面，本公开的示例实施例提供了一种用于测量交流供电系统的至少两个相的电压的系统。该系统包括至少两个第一方面的电压传感器。至少两个电压传感器被配置为感测AC供电系统的至少两个相的电压，并且输出电压信号，该电压信号指示AC供电系统的相应相的电压。
在一些实施例中，该系统还包括连接屏蔽接线，连接屏蔽接线耦合到至少电压传感器，并且被配置为传输来自至少两个电压传感器的第三电压。
在一些实施例中，连接屏蔽接线包括封装导电连接接线的两个屏蔽层。
在第三方面，本公开的示例实施例提供了一种电压感测装置，用于实现第一方面的电压传感器。电压感测装置包括：AC端子，被配置为接收用于AC供电系统第一相的第一电压；第一方面的电压传感器；以及输出端子，耦合到第二绕组，并且被配置为输出第三电压；以及绝缘材料，被配置为封装第一电容器和变压器，并且暴露第二电容器。电压传感器的第一电容器的第一电极电耦合到AC端子。
在一些实施例中，第一电容器包括陶瓷电容器，并且第二电容器包括陶瓷电容器。
在一些实施例中，变压器位于第一电容器与第二电容器之间，其中接线延伸穿过变压器的绕组的中空部分，接线被配置为将第一电容器耦合到第二电容器。
在一些实施例中，该系统还包括第一插座，第一插座电耦合到第一电容器和参考电压，第一插座被配置为由第二电容器装配。
在一些实施例中，输出端子被配置为匹配航空插头。
在一些实施例中，航空插头被配置为耦合到连接屏蔽接线。
在一些实施例中，第一电容器位于变压器上方，并且第一电容器的电极被配置为电磁屏蔽第一电容器并且使电场均匀。
附图说明
通过以下参考附图的详细描述，本文中公开的示例实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更加可理解。在附图中，将以示例性且非限制性方式示出本文中公开的若干示例实施例，在附图中：
图1示出了根据本公开的一些示例实施例的用于测量AC供电系统的三个相的电压的系统；
图2示出了根据本公开的一些示例实施例的用于AC供电系统的三个相的电压感测装置；
图3示出了根据本公开的一些示例实施例的电压传感器和FTU的示意图；
图4示出了根据本公开的一些示例实施例的电压感测装置的截面图；以及
图5示出了根据本公开的一些示例实施例的用于航空插头的输出端子的前视图。
在所有附图中，相同或对应的附图标记指代相同或对应的部分。
具体实施方式
现在将参考若干示例实施例来讨论本文中描述的主题。这些实施例仅出于使得本领域技术人员能够更好地理解并且因此实现本文中描述的主题的目的来讨论，而不是对主题的范围提出任何限制。
术语“包括(comprises)”或“包括(includes)”及其变体应当解读为开放式术语，其意指“包括但不限于”。除非上下文另外明确指出，否则术语“或”应当解读为“和/或”。术语“基于”应当解读为“至少部分地基于”。术语“可操作以”是意指功能、动作、运动或状态可以通过由用户或外部机构引起的操作来实现。术语“一个实施例”和“实施例”应当解读为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应当解读为“至少一个其他实施例”。
除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体被广义地使用，并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。在下面的描述中，同样的附图标记和标签用于描述附图中的相同、相似或对应的部分。下文可以包括其他限定(显式的和隐式的)。
如上所述，常规RVD和CVD方法是不准确的并且效率低下，因为它们容易受到与RVD或CVD设备耦合的负载的影响。作为替代方案，用于AC电压的常规电容器电压互感器(CVT)方法常常采用两阶段电压转换。在第一阶段，将来自AC源的电压从100kV的第一量级的电压(例如，110kV)转换为CVT设备的中间节点处的几kV的第二量级的电压(例如，5.7kV)。在第二阶段，通过变压器将第二量级的电压进一步转换为几十伏的第三量级的电压(例如，57V)。
诸如场测试单元(FTU)的负载可以耦合到变压器，以输出数字数据，该数字数据指示AC供电系统的电压。然而，FTU常常包括变压器，以将几十伏量级的电压进一步转换为几伏量级的电压(例如，2V)，使得几伏量级的电压可以适合于后续处理。
从100kV量级的电压到几十伏或几伏量级的电压的直接转换是不可能的，因为用于实现这个转换的RVD或CVD设备需要极大的电容器或电阻器来接收AC电压，并且极大的电容器或电阻器的成本将变得无法接受。
另外，RVD或CVD设备的下部处的电容器或电阻器可能容易击穿。此外，RVD或CVD设备的下部处的负载并联耦合到电容器或电阻器，并且FTU和电缆的电容或电阻对下部的电容器会产生不可忽略的影响。因此，FTU的改变将改变下部的并联电阻或电容，并且下部的电压也将改变。在这种情况下，FTU和电缆的改变将容易影响RVD或CVD设备的准确性。
图1示出了根据本公开的一些示例实施例的用于测量AC供电系统的三个相的电压的系统1。系统1包括用于测量AC供电系统的第一相VA的第一电压传感器10、用于测量AC供电系统的第二相VB的第二电压传感器20、以及用于测量AC供电系统的第三相VC的第三电压传感器30。第一电压传感器、第二电压传感器和第三电压传感器耦合到FTU 40，以获得指示相应相处的电压的数据。
FTU 40包括第一信号处理单元(SPU)41、第二SPU 42、第三SPU 43和比较电路44。第一SPU、第二SPU和第三SPU耦合到相应电压传感器，以获得指示相应相处的电压的数据。尽管系统1包括三个电压传感器和三个FTU，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，可以仅应用用于AC系统的任一相的一个电压传感器和SPU，并且还可以应用多于三个的电压传感器和FTU。
比较电路44与第一电压传感器、第二电压传感器和第三电压传感器串联耦合，以测量来自三个电压传感器的电压信号的总电压。由于三个电压来自AC供电系统的三个相，因此总电压通常很小，例如0V。如果总电压超过预定电压窗口(例如，-1V至+1V)，则AC供电系统中可能存在故障。因此，比较电路44可以向警报设备或AC供电系统的控制中心传输指示故障的信号。
尽管在FTU 40中提供了三个SPU和处理电路44，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，可以单独设置三个FTU和处理电路44。另外，尽管将FTU用作负载以获得AC供电系统的电压的数字信息，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。还可以应用其他模数转换器(ADC)设备和处理电路。
图2示出了根据本公开的一些示例实施例的用于AC供电系统的三个相的电压感测装置。三个电压感测装置11、第二电压感测装置21和第三电压感测装置31用于实现三个电压传感器10、20和30。三个电压感测装置中的每个包括用于航空插头的输出端子。航空插头与连接屏蔽接线321耦合，以将电压传输到FTU。
在一个示例中，连接屏蔽接线321包括两层屏蔽结构。连接屏蔽接线321包括第一屏蔽层(诸如铝箔层)，该第一屏蔽层用于封装绝缘层，该绝缘层封装导电芯接线。连接屏蔽接线321还可以包括第二屏蔽层(诸如铜网层)，该第二屏蔽层用于封装第一屏蔽层。通过采用航空插头和连接屏蔽接线，电压感测装置可以防止噪声中断。
尽管示出了三个电压感测装置，但是这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，可以仅应用一个感测装置或两个感测装置，并且还可以应用多于三个的感测装置。例如，在铁路电源系统中，可以采用两相的AC供电电压。在这种情况下，可以使用两个感测装置来感测相应相的电压。下面将描述电压感测装置的细节。
图3示出了根据本公开的一些示例实施例的电压传感器10和FTU 40的示意图。电压传感器10是图1的三个电压传感器的一个示例，并且包括第一电容器12、第二电容器14和变压器16。第一电容器12被配置为接收用于AC供电系统的第一相的第一电压VA。第一电压低于50kV。在实践中，第一电压可以是40.5kV、35kV、24kV、12kV、6kV和3kV之一。
第二电容器14耦合在第一电容器12与参考电压(例如，地)之间，并且被配置为基于第一电压来生成第二电压。第二电压低于50V。在一个示例中，第二电压为18.8V。
变压器16包括第一绕组164和第二绕组166。第一绕组164并联耦合到第二电容器14。第二绕组166磁耦合到第一绕组164。变压器16被配置为：基于第二电压直接生成用于FTU的第三电压，而无需通过另外的变压器进行电压转换。第三电压低于12V(其低于第二电压)。在一个示例中，第三电压是1.88V。此外，变压器16可以增加阻抗。
第一绕组164直接并联耦合到第二电容器14，而没有电抗元件与第一绕组串联耦合。尽管在图4中示出了电抗162，但是该电抗162是第一绕组164所固有的，或者可以由第一绕组164实现。在实践中，不需要电抗元件串联耦合到第一绕组164。这是因为，这种情况下的电抗相对较小，并且第一绕组164的电抗可以实现个体电抗的功能。相比之下，在常规CVD或RVD方法中，需要单独的电抗元件串联耦合到第一绕组，以用于针对110kV的AC电压的谐振。在这种情况下，电压传感器10消除了对单独的电抗元件的需求。这降低了电压传感器的成本。
电压传感器10还可以包括第三绕组168。第三绕组168磁耦合到第一绕组164，并且被配置为基于第二电压来生成故障检测电压，该故障检测电压用于检测AC供电系统的故障。第三绕组168与另外两个电压传感器的第三绕组以及比较电路串联耦合，以用于检测AC供电系统的故障，如上面参考图1的比较电路44所述。
尽管示出了第三绕组，但是这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，电压传感器10可以不包括第三绕组。电压传感器可以感测相应相，并且处理电路可以基于来自三个电压传感器的数据来确定故障，而无需来自串联耦合的第三绕组的故障检测电压。
尽管电压传感器10被示出为包括第二电容器14，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，可调电容器(未示出)可以耦合到第二电容器14，并且被配置为调整第二电容器14的电容。通过提供可调电容器，实用操作员可以根据需要在现场调整电压传感器10。例如，响应于调整可调电容器，可以调整第二电压和第三电压。作为替代方案，第二电容器14可以是可调电容器。
SPU 41包括运算放大器411、ADC转换器412和控制器413。运算放大器411直接耦合到第二绕组166，并且被配置为从第二绕组166接收电压信号。ADC转换器412耦合到运算放大器412，并且被配置为将电压信号转换为数字信号。控制器413被配置为基于数字信号来确定指示至少两个相的电压的数据。
在一个示例中，控制器413是CPU。尽管可以使用CPU来实现控制器413，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，数字信号处理器(DSP)也可以用于实现控制器413。可以看出，第三电压被直接传输到SPU 41，而无需通过另外的变压器进行电压转换。
与常规RVD和CVD相比较，由于变压器16的阻抗放大，所以电缆和FTU的复合阻抗将比第二电容器14处的原始复合阻抗大得多，并且也显著大于第二电容器的阻抗。在这种情况下，施加在第二电容器14处的负载的变化将对感测准确性影响很小。另外，降低了FTU和AC电压感测系统的成本。
图4示出了根据本公开的一些示例实施例的电压感测装置11的截面图。电压感测装置11包括壳体111和AC端子112，壳体111固定到支撑基座114，AC端子112布置在壳体111的第一表面上，以接收用于AC供电系统的第一相的第一电压VA。通过将AC端子112设置在顶表面上并且将其他端子设置在另一表面上，该装置易于现场安装。尽管电压感测装置11被示出为包括壳体111，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，电压感测装置11可以不包括壳体111，其中封装材料暴露于环境。
图3的电压传感器10位于壳体111中。第一电容器12包括两个电极121和123。这两个电极都足够大，以便在俯视图中屏蔽变压器16。通过这样设置，第一电容器12位于变压器16上方，并且由于第一电容器12的大的电极，第一电容器12的电极提供电磁屏蔽功能。
第一电极121位于电压传感器10的顶表面上。电压传感器10的第一电容器12的第一电极121电耦合到AC端子112。电压传感器10的第一电容器12的第二电极123位于第一电极121下方。电介质122被夹在第一电极121与第二电极123之间。第一电容器12和第二电容器14可以是陶瓷电容器。
通过使用陶瓷电容器，电压感测设备可以具有紧凑的尺寸和长的使用寿命。另外，陶瓷电容器在温度变化期间可以具有稳定的特性。对于用于AC系统的电压传感器，温度可能会显著改变。这样，陶瓷电容器可以在温度变化期间提供稳定的电容，并且可以相应地提高感测准确性。
第二电容器14位于电压传感器10的底表面上，并且经由延伸穿过变压器16的绕组的中空部分的接线，而电耦合到第一电容器12。变压器16位于第一电容器12与第二电容器14之间。变压器16的第一绕组和第二绕组围绕该接线绕圈，并且通过绝缘材料118彼此绝缘。
绝缘材料118被填充到壳体111中，并且被配置为封装第一电容器12和变压器16，并且暴露第二电容器14。在一个示例中，绝缘材料118可以是环氧树脂。输出端子113位于壳体111的第二表面上，以用于输出第三电压。输出端子113电耦合到第二绕组166的第二电极，被配置为匹配航空插头。绝缘材料118填充在输出端子与地之间。
通过变压器16的绕组之间的物理隔离，电压传感器可以承受3kV/min的电压变化。相比之下，常规CVD或RVD设备不能承受这样的电压变化，因为直接施加在输出端子与地之间的3kV电压可能会造成CVD或RVD设备击穿。由于第一绕组与第二绕组之间的物理分离，我们的设计可以承受。
如上所述，第二电容器14从绝缘材料118暴露。通过这样设置，可以容易地将第二电容器14从电压传感器上拆卸下来，并且替换为新的第二电容器。为了便于第二电容器14的安装和拆卸，第一插座可以被设置成电耦合到第一电容器12和参考电压。第一插座可以由绝缘材料118封装，并且被配置为由第二电容器14装配。
另外，可以向如上所述的可调电容器15提供另外的插座。该另外的插座也可以由绝缘材料118封装，并且被配置为由可调电容器装配。尽管示出了用于第二电容器14和可调电容器15的两个插座，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，可以向电容器提供仅一个插座或多于三个的插座。
图5示出了根据本公开的一些示例实施例的用于航空插头的输出端子113的前视图。输出端子113被配置为匹配航空插头，并且包括用于电压信号和地的四个端子、以及圆形绝缘材料281。尽管示出了四个端子，但这仅是为了说明，而没有对此处描述的主题的范围提出任何限制。例如，可以在圆形绝缘材料281中提供两个或多于四个的端子。
此外，虽然以特定顺序描绘了操作，但这不应当理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然以上讨论中包含若干具体的实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开内容范围的限制，而是应当被解释为对可能特定于特定实施例的特征的描述。在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。另一方面，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地在多个实施例中或以任何合适的子组合来实现。
尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求书中限定的主题不一定限于上述具体特征或动作。而是，以上描述的具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。
Claims (14)
1.一种电压传感器(10)，包括：
第一电容器(12)，被配置为接收用于交流(AC)供电系统的第一相的第一电压(VA)，
第二电容器(14)，耦合在所述第一电容器(12)与参考电压之间，并且被配置为基于所述第一电压生成第二电压；以及
变压器(16)，包括第一绕组(164)和第二绕组(166)，所述第一绕组(164)并联耦合到所述第二电容器(14)，所述第二绕组(166)磁耦合到所述第一绕组(164)，所述变压器(16)被配置为基于所述第二电压直接生成用于场测试单元的第三电压，而无需通过另外的变压器进行电压转换，所述第三电压低于所述第二电压；
其中所述第一电容器(12)包括两个电极，并且所述第一电容器(12)位于所述变压器(16)上方，并且所述第一电容器的所述电极被配置为电磁屏蔽所述第一电容器并且使电场均匀；并且
其中所述电极的尺寸足够大，以当所述第一电容器位于所述变压器上方时屏蔽所述变压器(16)，并且由于所述第一电容器(12)的所述电极的尺寸而提供电磁屏蔽功能。
2.根据权利要求1所述的电压传感器(10)，其中所述第一电压低于50kV，并且所述第三电压低于12V。
3.根据权利要求1所述的电压传感器(10)，其中所述第一绕组(164)直接并联耦合到所述第二电容器，而没有电抗元件与所述第二电容器串联耦合。
4.根据权利要求1所述的电压传感器(10)，还包括第三绕组(168)，所述第三绕组(168)磁耦合到所述第一绕组(164)，并且被配置为基于所述第二电压生成故障检测电压，所述故障检测电压用于检测所述AC供电系统的故障。
5.根据权利要求1所述的电压传感器(10)，还包括可调电容器，所述可调电容器耦合到所述第二电容器(14)，并且被配置为调整所述第二电容器(14)的电容。
6.一种用于测量交流(AC)供电系统的至少两个相的电压的系统(1)，包括：
至少两个根据权利要求1至5中任一项所述的电压传感器(10)，至少两个所述电压传感器(10)被配置为感测所述AC供电系统的所述至少两个相的电压，并且输出电压信号，所述电压信号指示所述AC供电系统的相应相的电压。
7.根据权利要求6所述的系统(1)，还包括：
连接屏蔽接线，耦合到至少所述电压传感器，并且被配置为传输来自至少两个所述电压传感器(10)的所述第三电压。
8.根据权利要求7所述的系统(1)，其中所述连接屏蔽接线包括封装导电连接接线的两个屏蔽层。
9.一种电压感测装置(11)，用于实现根据权利要求1所述的电压传感器(10)，所述电压感测装置(11)包括：
交流(AC)端子(112)，被配置为接收用于所述AC供电系统的所述第一相的所述第一电压(VA)，
根据权利要求1所述的电压传感器(10)，所述电压传感器(10)的所述第一电容器(12)的第一电极(121)电耦合到所述AC端子(112)；以及
输出端子(113)，耦合到所述第二绕组，并且被配置为输出所述第三电压；以及
绝缘材料(118)，被配置为封装所述第一电容器(12)和所述变压器(16)，并且暴露所述第二电容器(14)。
10.根据权利要求9所述的电压感测装置(11)，其中所述第一电容器包括陶瓷电容器，并且所述第二电容器包括陶瓷电容器。
11.根据权利要求9所述的电压感测装置(11)，其中所述变压器(16)位于所述第一电容器(12)与所述第二电容器(14)之间，其中接线延伸穿过所述变压器(16)的绕组的中空部分，所述接线被配置为将所述第一电容器(12)耦合到所述第二电容器(14)。
12.根据权利要求9所述的电压感测装置(11)，还包括第一插座，所述第一插座电耦合到所述第一电容器(12)和所述参考电压，所述第一插座被配置为由所述第二电容器(14)装配。
13.根据权利要求9所述的电压感测装置(11)，其中所述输出端子(113)被配置为匹配航空插头。
14.根据权利要求13所述的电压感测装置(11)，其中所述航空插头被配置为耦合到连接屏蔽接线。
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