絕緣子支承式電流傳感器的製作方法
2023-08-11 02:18:51 2
專利名稱：絕緣子支承式電流傳感器的製作方法
發明所屬技術領域總體來說，本發明涉及配電系統。確切地說，本發明涉及用於測定電力線特性的傳感器和系統。
現代化的配電網一般採用電能控制中心來監視和調節電網工作。儘管這些中心在技術上很先進，但其經濟和安全的基本控制目的仍和原來一樣。經濟目的是要儘可能地降低供電成本。安全目的是對可靠性和服務質量的要求儘可能地低。電廠需要測量電線電壓和電流以便進行自動化的用戶記帳、負載和可靠性監視以及系統實時控制。
過去，精度不超過0.3％的電流測量被用於用戶記帳，而精度更差的測量(1％-10％)足以滿足其它功能如錯誤隔離和系統控制。但是，過去，許多電力設施通常採用高精度的且很昂貴的電流互感器或電壓互感器來進行需要嚴格精度的測量以及支持象錯誤隔離這樣不太需要精確的測量。配電線必須被切斷以適應傳統電流互感器的安裝，這加劇了系統低效，並且這種工作在大多數情況下是高勞動強度的。
近年來，在配電設備中以1％-10％的精度測量電壓和電流的成本降低了。目前，包括一個永遠埋在絕緣子中的敏感元件的電線桿電流傳感器被用作便宜且易安裝的電流互感器的替代品。其它一些電流傳感器被連接在高電勢點上，但輸出信號必須與高電壓分開。通常，這是通過無線電通信或光纖通信來進行的。還存在著經濟的暫用電流傳感器，它與電線桿固定到位或者被簡單地懸掛在電力線上。大多數新型測量儀器的安裝時間和勞動力比安裝電流互感器的時間和勞動力低。但是，電廠工人非常熟悉傳統的電流互感器並且在工廠中採用新型儀器是逐步推廣的。
因此，提供一種緊湊且輕型的傳感器將是有利的，它測量懸空電力線的至少一個工作特性並且可以被輕鬆地安裝到電力線上和從上面拆下來。傳感器應最好適應於生產經濟性並且它是耐用的，以便降低工作成本和維修成本。
在本發明的另一個方面中，一種由電線桿支承的測量電力線的至少一個特性的方法包括使一個傳感器與一個針的第一端相連，將一個絕緣子連接到該針的第一端上；將該針的第二端連接到電線桿上；將電力線連接到絕緣子上；測量該電力線的特性。
圖面簡介參見以下說明、所附權利要求書和附圖，將更好地理解本發明的這些和其它特徵、方案以及優點。
圖1是配電系統的系統分級圖，三相電力線由裝有傳感器的針形絕緣子支承，所述傳感器把信息傳給控制器殼以便進行處理和顯示。
圖2是裝在被用於支承電力線的針形絕緣子中的優選電流傳感器的透視圖。
圖3是用防水塞盛裝電流傳感器以使電流傳感器與控制器電連接的優選針的局部橫剖透視圖。
圖4是針形絕緣子的橫截面圖，它包括由被塗到絕緣子上表面和螺紋孔中的半導體釉形成的電容器，它與用於測量電力線上電壓的電壓傳感器的導電體相連。
圖4A是圖4的電壓傳感器的分壓電路的實施例的示意圖。
圖5是被整裝入針型絕緣子針中的組合式電壓/電流傳感器橫截面圖。
圖6是一個與被整裝入針型絕緣子針中的電流傳感器組合的替換型電壓傳感器的橫截面圖。
圖7是另一個與被整裝入針型絕緣子針中的電流傳感器組合的電壓傳感器的橫截面圖。
發明的具體說明在本發明的一個優選實施例中，傳感器被用於連接懸空電源線以幫助各種功能的實現，例如跟蹤用戶使用、監視系統負載及可靠性以及給系統控制提供數據。參見圖1，在電力傳輸和分配領域中，發電系統產生電力，而電力經過高電壓交流三相電線(20，22，24)構成的高壓輸電網進行傳送。如ANSI C29.5、C29.6標準所規定的針形絕緣子26(a)、26(b)、26(c)(以下稱為針形絕緣子)作為用於支承和絕緣高壓(4千伏-69千伏)電線20、22、24的標準絕緣子正得到廣泛承認。
本發明的一個優選實施例將傳感器加入支承針形絕緣子26中。可在商業上獲得的針形絕緣子26為傳感器(未表示)和位於其下的信號線提供絕緣和保護。整個裝置被固定在木質橫臂或電線桿架28上。
傳感器測量懸空電力線的至少一個工作特性並且通過一根外部電線32把該特性輸出到一個位於電線桿底座上的控制器外殼30中。該特性可能與電線上的電流或電壓的任何方面或電線的任何其它特性有關。控制器外殼30最好裝有控制器34，用於接收來自傳感器輸出並將所接收的電力線特性傳給遠方終端器36。遠方終端器36最好與一臺位於控制器外殼30中的無線電相連，它與位於控制器外殼30外的天線38相連以便通過RF無線電信號把由傳感器發出的與電力線特性有關數據傳給遙控站(未示出)。此外，遠方終端器36可以接收來自遠方地面監控站(未示出)的控制或重新編程信號。控制器34可以根據來自控制站的命令被用於遙遙地校準傳感器或者就地在控制器34上校準傳感器。
參見圖2，針形絕緣子26組件包括一個用於支承絕緣子42並將針形絕緣子26固定在木質橫臂28或電線桿安裝架上的標準針40。針40和絕緣子42最好符合各種標準規定的要求如ANSI C29.5、C29.6，其內容就象已充分說明了那樣地在這裡作為參考引入。在優選實施例中，在供導電體44下方，針41的頂面為5/8″-2″。針41的頂面通過工業標準絕緣子42與導體44分開，所述絕緣子最好被擰到針40上。一根系線46最好把導體44綁到絕緣子42上。本領域普通技術人員將認識到，本發明可以適用於任何針型絕緣子組件，其中包括根據各種國際標準(如英國標準B.S.137-1960)製造的組件。因此，優選的針型絕緣子只是示範性的，而不是限制條件。
絕緣子42最好是商業級溼法陶瓷。圍繞導體44與絕緣子42界面的電場很強，這可能導致電暈放電。因此，示範絕緣子42的上部和針孔螺紋孔48最好塗有半導體釉以便將無線電幹擾減到最小。
根據應用標準，優選的針40應該是1″或1又3/8″直徑的。針40的螺紋線最好符合用於1″或1又3/8″直徑螺紋針的ANSI C29.5、C29.6，對於美國家庭應用來說，它最好每英寸具有四個螺紋。針體40最好由鋁鑄件製成。鋁鑄件最好帶孔以便使內部與針40電連接。本領域普通技術人員將認識到，本發明可以適應於各種針特性，因而優選的針特性是示範性的，而不是限制條件。
在優選實施例中，最靠近導體44的針41頂面帶有凹槽以便容納電流傳感器50。受保護的針40頂面接近高壓導體44的部分將電力傳感器50陷入了由載流高壓導體44產生的強磁場中。有利的是，高壓導體44不必為安裝而進行切割，如果必要，可以輕鬆地使標準絕緣子44適應於維持或升級為高壓導體44。
參見圖3，最好在多個位置上對針40底部進行機加工。示範針40最好緊接在針頭下具有一個螺紋孔51。兩側有螺紋的支承杆52隨後被擰入針40中。支承杆52隨後可以穿過木質橫臂28並通過一個平墊圈54、一個鎖緊墊片和一個螺母56(見圖2)被固定住。在示範實施例中，支承杆52最好對準針40頭部以使從針形絕緣子26到橫臂28(見圖2)的負載傳輸達到最佳。支承杆52最好是鍍鋅鋼並且是約5/8″粗細的。此外，被擰入針40中的支承杆52端部最好是30°-60°的斜切面。本領域普通技術人員將認識到，針形絕緣子26可以通過各種方式被固定在木質橫臂28上，其中例如包括夾具、鉚釘、系卷或其它任何適用方式。因此，示範的支承杆是一個例子，而不是限制條件。
在示範實施例中，電流傳感器50最好是一個可編程的增益線性霍耳效應傳感器，如由微電子集成系統(位於Webster，MA)製造的MLX90215。霍耳效應傳感器的核心是霍耳效應元件。當磁場位於霍耳效應元件附近時，與磁場強度成比例的電流在該材料中流動。
霍耳效應傳感器基本上是一個具有一個被接到霍耳效應元件每端上的端子的霍耳效應元件。產生於霍耳效應元件中的電流在兩個端子之間產生了與磁場強度成比例的電勢差並且間接地產生了流過電導體的電流。霍耳效應元件最好包括讓傳感器從外面被校準的反饋迴路。外部校準調節了作為輔助測量函數的輸出電壓與由高壓電力線產生的外界磁場強度之比。優選的電流傳感器按照約1％-10％精度測量電導體中的電流。本領域普通技術人員將認識到，交流傳感器(如具有多根導電線圈的氣芯或線芯變壓器)可以代替優選的霍耳效應元件。因此，霍耳效應元件只是舉例說明而已。
參見圖3A，電流傳感器50(以下稱為霍耳效應元件)位於圓形鋁罩或環氧樹脂罩54內，它最好具有槽56和外衝壓標記58以標定槽56的位置。霍耳效應元件50在槽56的底面上被粘入槽56中。霍耳效應傳感器的方向對應於電導體的電流方向並且在圓形罩54的頂面上由衝壓標記58表示。參見圖3，在示範例中，霍耳效應傳感器具有四根接線60a-60d，它們與穿過鋁針40的孔的內配線62相連。這四根電線隨後被連到一個四針防水接頭66上。接頭66最好通過外電線32被連接到位於電線桿底座上的控制器34上(見圖1)。
用於電流傳感器的直流電源且最好是5伏的DC電源並位於控制器外殼30中。DC電源最好帶有備用電池電源與標準120VAC電路相連。在一個替換實施例中，DC電源可以完全由電池供電。在優選實施例中，DC電源被用於給三個一組的電流傳感器(一個對應於一相)供電。
此外，控制器34最好包括一個可被用於校準電流信號並顯示讀數的多用途讀取器。每個傳感器可以單獨地被校準。粗略電流校準最好是通過測量導體中心距絕緣子支承針底部的距離並把這個信息輸入讀取器中來進行。精密電流校準可以通過用輔助測量儀表(如帶電操作杆式電流傳感器)測量電力線所載電流並將該校準數據輸入讀取器來進行。被校準的控制器32輸出隨後通過遠方終端器36被傳送給遙控中心。或者，電源和讀取器可以提供模擬輸出信號或被送往其它數據收集或通信設備的警報觸點。
優選的針40包括一個錯位腿68，它在與針形絕緣子26相連的木質橫臂下方延伸。錯位腿最好被安裝成表示電線中電流方向的形式。接合霍耳效應傳感器的圓形罩54最好被壓合到針40頂面中，而霍耳效應傳感器的方向(衝壓標記58)對應於針40的錯位腿68的方向。這賦予了正在測量的電流以外部方向指示。
在優選實施例中，環氧樹脂70以距四針防水接頭66頂面約1/2″的程度填充在針40的孔64中。環氧樹脂在內部密封霍耳效應傳感器並基本上防止了任何水分入侵。此外，因為設有在被擰入針40中的針端上的斜面，環氧樹脂基本上將支承杆52固定到位。在環氧樹脂乾燥後，四針防水接頭66和適當的密封器件(如O形圈67)一起被擰到針上以防止水分在底端入侵。
在優選實施例中，針40還包括一個經過機加工的表面72和一個與接地夾緊接頭76配合的螺紋孔74。接地夾具76最好被固定在機加工表面上並通過被擰入螺紋孔74中的螺栓77使該表面接地。針40最好具有半導體熱縮口78或記憶保留套(memory retention sleeve)，它被用到鋁螺紋件的頂上以便適當地密封/安放陶瓷針型絕緣子。
參見圖4，在另一個方案中，本發明包括一個電壓傳感器，它探測在高壓導電體44上是否有電壓以及測算電壓相。當對電線進行錯誤隔離時，在電線上按周期地探測電壓是有用的。
一方面，被塗到絕緣子42的上表面102和螺紋孔103上的半導體釉通過形成絕緣子42體的絕緣陶瓷被隔開。塗有半導體釉的表面102、104形成了電容器C1，而導電體44起到了施加在C1上的輸入電壓的作用。在一個優選替換實施例中，導電體106且最好是不鏽鋼複合線與塗到螺紋孔104上的半導體釉電連接。在替換實施例中，絕緣子108使針40與被塗到螺紋孔104上的半導體釉隔絕開。絕緣子108最好是一個絕緣熱縮卷(an insulating heat shrink wrap)。
在替換實施例中，導電體106最好與具有兩個輸出端112、114的電線110相連。接地分路116連接在導電體106與輸出端114之間。電線110最好被安裝在針40的孔64中。第二電容器C2 111最好被連接在導電體106與接地分路116之間。第二輸出端112是一個並聯於電容器111與導電體之間以提供如圖4A所示的分壓電路的線。在工作中，高壓導電體44給C1提供輸入電壓。輸出電壓差VAB最好約為1伏-10伏並且由輸入電壓Vin和C2/C1比之乘積來決定。
對於15千伏的針形絕緣子例子來說，輸入電壓Vin將約為10千伏。C1一般為20皮法拉，C2最好約為50納法拉，從而產生了約為1∶2500之比以及約為4伏的輸出電壓。準確的輸出電壓不必是隨時間固定不變的。實際上，絕緣子42的電容器C1將根據象半導體釉腐蝕、汙染、沉澱等因素或其它因素而隨時間變化。但是，可以通過精確地探測在導電體上是否有電壓，即通過電壓有無探測來滿足系統監視功能和錯誤隔離功能。由於不需要實際電壓水平的精確測量，所以，優選的系統不需要是隨時間不變的並且電容器C1值的變化沒有降低系統性能。本領域普通技術人員將認識到，C2可以是一個可變電容器，它可以經過外部校準來產生在優選範圍內的電壓，從而上述示範的電容值只是例子，而不是限制條件。
輸出端112、114最好被連到防水接頭(未表示)上並且通過外部電線32與控制器32相連(見圖1)。控制器32最好測量並顯示端子112、114之間的電壓差。控制器34把測量電壓傳給遠方終端器36以便傳輸給遙控中心。在優選實施例中，電容器C2是可變的並且處於控制器32的方向下，它可以通過調節端子112、114之間輸出電壓而使其適應於大約已知的傳感器處電壓來校準電壓傳感器。
在優選電壓傳感器實施例中，支承杆52又把針40連接到電線桿的木質橫臂上。此外，針40最好如對電流傳感器所述的那樣通過接地夾來接地。
上述示範性電壓傳感器可以採用各種技術與被塗到螺紋孔104上的半導體釉電連接。例如，參見圖5，導體彈簧120可以被用於連接電線110與被塗到螺紋孔104上的半導體釉。在安裝狀態下，導體彈簧120受到塗有半導體釉的螺紋孔的壓迫，從而保證了足夠強的導電性。
替代地，導體針40的末端可以帶有模塑導電氯丁橡膠122(即含碳黑的氯丁橡膠)(見圖6)或者類似材料。電線110隨後被嵌入導電氯丁橡膠122中以使被塗到絕緣子螺紋孔104上的半導體釉具有導電性。此外，絕緣子124應該最好在導電氯丁橡膠下面被加到針40上，以確保針40適當地與被塗到絕緣子螺紋孔104上的半導體釉絕緣開。
在本發明的另一方面中，可以在單個實施例中組合電流傳感器和電壓傳感器。參見圖7，不鏽鋼導電體106最好被用於接在電線110端部，以使被塗到螺紋孔104上的半導體釉具有導電性(見圖4)。與圖4所述的優選電壓傳感器實施例一樣地，導電體將又與一個電容器(未表示)組合以便形成一條用於探測在高壓電源線上是否有電壓的分壓電路。
此外，電流傳感器50可以是最好通過環氧樹脂被粘到針40的上尖端上。防水接頭(未表示)又被用於通過外部電線把電壓和電流傳感器的輸出端連接到控制器上。又用絕緣子108來處理導電針40，從而使針40與被塗到螺紋孔上的半導體釉絕緣開。絕緣子108最好是絕緣熱縮卷。在替換實施例中，由電流傳感器測定的電流相和在導電體106上的電壓相可被用於測算功率係數，以便推算出平衡高壓電力線的最佳負載。
儘管描述了本發明的優選實施例，但它不應該被認為是限制所附權利要求書的範圍。那些本領域的普通技術人員將認識到，可以對上述實施例進行各種修改。例如，示範電流傳感器可以根據需要與各種針型絕緣子組成一體以便承受各種電導體電壓和負載。此外，可以通過使被塗到絕緣子螺紋孔上的半導體釉具有導電性的任何一種技術來實現電壓傳感器。此外，對那些熟悉各種領域的人來說，本發明將給其它任務提供解決方案並為其它應用場合提供變通方案。因此，在參見所附權利要求書而不是上述說明來表示本發明範圍的情況下，本實施例在任何方面都應被認為是示範性的，而非限定性的。
權利要求
1.一種由電線桿支承的用於測量電力線特性的測量系統，它包括一個具有與電線桿相連的第一端和適於連接一個傳感器的針，其中該傳感器測量電力線的至少一個特性；一個與該針的第二端相連的絕緣子，其中所述電力線由所述絕緣子支承。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述傳感器包括一個測量電力線上的電流的電流傳感器。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述電流傳感器是一個霍耳效應傳感器。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該絕緣子包括商業級陶瓷。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，它還包括一個顯示該傳感器輸出值的控制器。
6.如權利要求5所述的系統，其特徵在於，該控制器校準傳感器。
7.如權利要求5所述的系統，其特徵在於，它還包括一個與該控制器相連的遠方終端器，其中遠方終端器把測量的電力線特性通報給一個遙控中心。
8.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述針適於指示電力線上的電流方向。
9.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述絕緣子還包括一個適於支承該電力線的支承面；一個適於與該針配合的孔。
10.如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述絕緣子支承面和孔經過半導體材料的處理，其中經過處理的支承面和孔形成了一個電容器。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，該傳感器包括一個與該經過處理的孔相連的電壓傳感器，該電壓傳感器的輸出與電力線上的電壓成比例。
12.如權利要求11所述的傳感器，其特徵在於，該電壓傳感器包括一個分壓器。
13.如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述電壓傳感器包括一個與該經過處理的孔相連的導電體；把一個電容器連到該導電體與第一輸出端之間的第一電線；具有與該導電體相連的第一端和起第二輸出端作用的第二端的第二電線，在第一輸出端與第二輸出端之間的電壓與電力線上的電壓成比例。
14.如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述電壓傳感器包括一個與該經過處理的孔相連的導電鑄件；把一個電容器連到該導電鑄件與第一輸出端之間的第一電線；具有與該導電鑄件相連的第一端和起第二輸出端作用的第二端的第二電線，在第一輸出端與第二輸出端之間的電壓與電力線上的電壓成比例。
15.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，該傳感器包括一個裝在該針第二端內的電流傳感器和一個與所述經過處理的孔相連的電壓傳感器。
16.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，該電流傳感器是一個霍耳效應傳感器。
17.如權利要求15所述的傳感器，其特徵在於，該電壓傳感器包括一個分壓器。
18.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述電壓傳感器包括一個與該經過處理的孔相連的導電體；把一個電容器連到該導電鑄件與第一輸出端之間的第一電線；具有與該導電鑄件相連的第一端和起第二輸出端作用的第二端的第二電線，在第一輸出端與第二輸出端之間的電壓與電力線上的電壓成比例。
19.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述電壓傳感器包括一個與該經過處理的孔相連的導電鑄件；把一個電容器連到該導電鑄件與第一輸出端之間的第一電線；具有與該導電鑄件相連的第一端和起第二輸出端作用的第二端的第二電線，在第一輸出端與第二輸出端之間的電壓與電力線上的電壓成比例。
20.一種由電線桿支承的測量電力線的至少一個特性的方法，其特徵在於，它包括使一個傳感器與一個針的第一端相連，將一個絕緣子連接到該針的第一端上；將該針的第二端連接到電線桿上；將電力線連接到絕緣子上；測量該電力線的特性。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，它還包括利用輔助測量儀器測量該電力線的特性；作為所述輔助測量的函數地校準該傳感器。
22.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，它還包括將測量特性輸送給一個遙控中心。
23.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述絕緣子還包括一個適於支承該電力線的支承面和一個適於與該針配合的孔，所述支承面與孔經過半導體材料的處理；所述使該針與絕緣子相連的步驟還包括將該傳感器連接到經過處理的孔上。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，測量電力線特性的步驟包括輸出一個與該電力線上電壓成比例的電壓。
全文摘要
一種由電線桿(28)支承的測量電力線(44)的至少一個特性的系統和方法,它包括一個具有與電線桿(28)相連的第一端和適於連接一個傳感器(50)的第二端的針(40),其中傳感器(50)測量電力線(44)的至少一個特性。傳感件緊靠著導體(44)的部分將傳感器(50)陷入靠近載流導體(44)的強磁場中,從而保證了低成本但精確的電流測量。
文檔編號G01R15/16GK1346442SQ00805927
公開日2002年4月24日 申請日期2000年4月3日 優先權日1999年4月2日
發明者基思·E·林賽, 理察·J·謝爾基 申請人:林賽製造公司