用於電容式電壓傳感器系統的系統及方法

2024-01-25 07:43:15

用於電容式電壓傳感器系統的系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種系統，包括：非介入式電容式電壓傳感器，配置為耦合至包圍金屬導體的絕緣體，其中非介入式電容式電壓傳感器配置為產生指示金屬導體中電壓的電壓信號；以及監測器控制器系統，配置為接收來自於非介入式電容式電壓傳感器的電壓信號，其中監測器控制器系統配置為使用電壓信號監測或控制機器。
【專利說明】用於電容式電壓傳感器系統的系統及方法

【技術領域】
[0001] 本文公開的主題涉及用於電容式電壓傳感器系統的系統及方法。

【背景技術】
[0002] 電動機和發電機利用電磁場做機械功或者發電。發電機產生的或者電動機使用的 功率通過被非導電絕緣材料覆蓋的電壓線路。相應的，電壓線路中的電壓測量包括去除絕 緣材料以直接接入導體。該過程可能費時且執行成本高。


【發明內容】

[0003] 下面總結與最初請求保護的本發明的範圍相當的某些實施例。這些實施例不是旨 在限制請求保護的本發明的範圍，相反，這些實施例僅僅旨在提供本發明的可能形式的簡 要總結。實際上，本發明可包括與下述實施例類似或不同的各種形式。
[0004] 在第一實施例中，系統包括：非介入式電容式電壓傳感器，所述非介入式電容式電 壓傳感器配置為耦合至包圍金屬導體的絕緣體，其中所述非介入式電容式電壓傳感器配置 為產生指示所述金屬導體中的電壓的電壓信號；以及監測器控制器系統，所述監測器控制 器系統配置為接收來自於所述非介入式電容式電壓傳感器的電壓信號，其中所述監測器控 制器系統配置為使用所述電壓信號監測或控制機器。
[0005] 在第二實施例中，系統包括：第一非介入式電容式電壓傳感器，所述第一非介入式 電容式電壓傳感器配置為輸出指不金屬導體中的電壓的第一電壓信號，所述第一非介入式 電容式電壓傳感器包括配置為感測所述金屬導體中電壓的第一信號板，在所述第一信號板 上延伸的第一屏蔽板，其中所述第一屏蔽板配置為阻止電磁幹擾；以及第二非介入式電容 式電壓傳感器，所述第二非介入式電容式電壓傳感器耦合至所述第一非介入式電容式電壓 傳感器，並配置為輸出指示金屬導體中電壓的第二電壓信號，所述第二非介入式電容式電 壓傳感器包括配置為感測所述金屬導體中的電壓的第二信號板，在所述第二信號板上延伸 的第二屏蔽板，其中所述第二屏蔽板配置為阻止電磁幹擾。
[0006] 在第三實施例中，系統包括：非介入式電容式電壓傳感器，所述非介入式電容式電 壓傳感器配置為向監測器輸出電壓信號，其中所述電壓信號指示金屬導體中的電壓，所述 非介入式電容式電壓傳感器包括配置為感測所述金屬導體中的電壓的信號板，在所述信號 板上延伸的屏蔽板，其中所述屏蔽板配置為阻止電磁幹擾。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 當結合附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明的這些以及其他特徵、方 面和優點，在各附圖中，相同的附圖標記代表相同的部件，其中 ：
[0008] 圖1是非介入式電容式電壓傳感器系統的實施例的示意圖；
[0009] 圖2是耦合至包圍導體的絕緣體的非介入式電容式電壓傳感器的實施例的透視 圖；
[0010] 圖3是電容式電壓傳感器的實施例的剖視圖；
[0011] 圖4是電容式電壓傳感器的實施例的剖視圖；
[0012] 圖5是電容式電壓傳感器的實施例的剖視圖；
[0013] 圖6是沿圖2的線A-A的非介入式電容式電壓傳感器的實施例的剖視圖；
[0014] 圖7是沿圖2的線A-A的非介入式電容式電壓傳感器的實施例的剖視圖；以及
[0015] 圖8是沿圖2的線A-A的非介入式電容式電壓傳感器的實施例的剖視圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面將描述本發明的一個或多個特定實施例。為了提供這些實施例的簡潔描述， 在說明書中沒有描述實際實施方式的全部特徵。應理解，在開發任何實際實施方式時，如在 任何工程或項目中一樣，必須做出多種基於特定實施方式的決定，以達到開發者的特定目 標，例如符合系統相關和商業相關的限制，其在一種實施方式和另一種實施方式之間可能 變化。此外，應理解，這樣的開發工作可能是複雜且費時的，但仍然是受益於本公開的本領 域技術人員進行設計、生產和製造的例行工作。
[0017] 當介紹本發明的不同實施例的元件時，冠詞"一"、"某"和"所述"用於表示有一個 或多個元件。術語"包含"、"包括"和"具有"旨在是開放式的，表示可能有除所列元件以外 的額外元件。
[0018] 本公開總體上涉及一種非介入式電容式電壓傳感器系統，其能夠非介入式感測指 示電壓線路中電壓的電壓。非介入式電容式電壓傳感器能夠附接於電壓線路，無需去除包 圍電壓線路的絕緣材料。實際上，非介入式電容式電壓傳感器可以通過粘結劑、夾子、閂鎖、 夾鉗、帶子或其他可去除的或永久的安裝件非介入式附接於（例如不去除或穿入絕緣材 料）電壓線路。相應地，非介入式電容式電壓傳感器減小與監測電壓線路上的電壓關聯的 時間和成本。在操作中，非介入式電容式電壓傳感器耦合至控制器監測系統，以便向控制器 監測系統提供指示電壓線路中電壓的電壓（即電壓信號）。控制器監測系統可以使用來自 於非介入式電容式電壓傳感器的電壓信號來監測和/或控制旋轉電機。
[0019] 圖1是非介入式電容式電壓傳感器系統10的實施例。非介入式電容式電壓傳感 器系統10可以耦合至旋轉電機12 (例如發電機或電動機），旋轉電機12通過軸16耦合至 機器14。在一些實施例中，機器14可包括內燃機（例如活塞式發動機），渦輪發動機（例 如燃氣渦輪機、風力渦輪機、蒸汽渦輪機、水力渦輪機，或其任意組合），或者其他產生驅動 軸16的扭矩的驅動器。旋轉電機12利用來自於軸16的機械能通過磁場在定子17和轉子 19的同軸設置中產生電。電通過一個或多個電壓線路18離開旋轉電機12,以向電網供電或 者發動電氣裝置。例如，電壓線路18可以是承載超過500V、600V、700V、800V、900V、1000V、 1 500V等電壓的高壓線路。電壓線路18包括一個或多個中心導體（例如銅線）和用於保護 每個導體以及防止電荷損失的絕緣層（例如塑料、橡膠層）。在其他實施例中，旋轉電機12 通過電壓線路18接收電。旋轉電機12利用電在定子和轉子中產生磁場，以驅動軸16。耦 合至軸16的機器14能夠利用軸16的扭矩做功。例如，機器14可以包括一個或多個壓縮 機、泵、傳送器、切割工具和/或工業設備。
[0020] 在操作中，非介入式電容式電壓傳感器系統10通過控制器監測系統20來監測旋 轉電機12的輸入電壓或輸出電壓。控制器監測系統20包括控制器22和監測器24。監測 器24耦合至並接收來自於非介入式電容式電壓傳感器28的電壓信號。如圖所示，非介入 式電容式電壓傳感器28耦合至電壓線路18以檢測旋轉電機12的輸入端或輸出端處的電 壓。非介入式電容式電壓傳感器28能夠感測指示電壓線路18中的電壓的電壓。更具體而 言，非介入式電容式電壓傳感器28耦合至電壓線路18的絕緣外殼，從而避免花高成本去除 絕緣外殼以直接附接於電壓線路18的暴露導體。換言之，傳感器28完全位於絕緣外殼的 外部，因此被描述為非介入式的。
[0021] 為了測量非介入式電容式電壓傳感器28中的變化，監測器24可包括電壓表30和 /或電壓測量電路32。例如，電壓表30和/或電壓測量電路32可以在電容式電壓傳感器 28和地之間的電阻（未顯示）兩端測量電容式電壓傳感器28的電壓。監測器控制器24可 以利用來自於非介入式電容式電壓傳感器28的電壓信號控制旋轉電機12的操作。例如， 控制器22可以通過處理器36執行存儲器34中的指令，以阻止傳送至以及來自於旋轉電機 12的功率；以及增大或減小由旋轉電機12產生的或傳送至旋轉電機12的功率。例如，控 制器監測系統20可以關閉機器14 (例如發動機或驅動器），從而停止軸16的旋轉以及旋轉 電機12的功率產生。但是，在另一個實施例中，監測器控制系統20可以關閉發送至旋轉電 機12的功率，從而停止軸16的旋轉和機器14的操作。
[0022] 圖2是耦合至電壓線路18的非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的透視圖。 如上所述，電壓線路18包括導體80,其可由被保護性絕緣外殼82 (例如塑料、橡膠）包圍的 多根導線81構成。保護性絕緣外殼82保護導體80免受環境影響以及隔離導體80與其他 導電物品。非介入式電容式電壓傳感器28以非介入方式耦合至電壓線路18,從而避免花高 成本去除保護性絕緣外殼82以及電壓傳感器直接附接於導體80。
[0023] 在本實施例中，非介入式電容式電壓傳感器28是環形的，包圍電壓線路18。非介 入式電容式電壓傳感器28包括第一非介入式電容式電壓傳感器84和第二非介入式電容式 電壓傳感器86。電容式電壓傳感器84和86是半圓形的，並且圍繞電壓線路18彼此耦合， 形成雙傳感器或冗餘傳感器配置。電容式電壓傳感器84和86通過各自的傳感器線路88 和90耦合至控制器監測系統20。傳感器線路88和90傳輸指示導體80中的電壓的電壓信 號。因此控制器監測系統20能夠通過電壓測量電路32 (圖1)或電壓表30 (圖1)測量電 壓隨時間的變化。
[0024] 圖3是非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的剖視圖。如上所述，非介入式電 容式電壓傳感器28的所不實施例包括第一非介入式電容式電壓傳感器84和第二非介入式 電容式電壓傳感器86。傳感器84和86圍繞電壓線路18耦合在一起，以感測導體80中的 電壓。如圖所示，每個傳感器84和86具有半圓形主體92,主體圍繞電壓線路18延伸大約 180度。但是，在不同實施例中，傳感器84和86可以覆蓋電壓線路18的不同數量的圓周。 在又一個實施例中，可以只有一個非介入式電容式電壓傳感器84或86，其耦合至將非介入 式電容式電壓傳感器保持在電壓線路18上的半圓形構件。如圖所示，非介入式電容式電壓 傳感器28包括在第一側面94上耦合傳感器84和86的鉸鏈100,以及在第二側面96上耦 合傳感器84和86的閂鎖102。鉸鏈100和閂鎖102能通過打開和關閉使得非介入式電容 式電壓傳感器28圍繞電壓線路18耦合及解耦。或者，鉸鏈和閂鎖可以圍繞電壓線路18永 久耦合非介入式電容式電壓傳感器。通過將緊固件104螺旋穿過帶有螺紋的連接器106和 108,從而閂鎖102可以將非介入式電容式電壓傳感器28保持在電壓線路18上。在其他實 施例中，傳感器84和86可以通過拉式閂鎖、彈簧閂鎖、壓縮閂鎖、扣合機構、鉤和環、夾鉗、 帶子、或者任意其他可去除或永久耦合器耦合在一起。
[0025] 電容式電壓傳感器84和86均包括信號板110,嵌入隔離材料層114、116和118中 或者之間的屏蔽板112。信號板110與導體80的外表面120形成電容器，導體80可由多根 導線81構成。當交流電流流過電壓線路18時，電容器（即信號板110)中的電荷增大及減 小，在傳感器線路88中產生電壓（即電壓信號），該電壓可由控制器監測系統20中的電壓 表30 (圖1)或電壓測量電路32測量。信號板110中的電壓可能不等於電壓線路18中的電 壓，但是總體上指示該電壓（例如通過查找表、公式或者計算、模型，信號板電壓能夠實現 電壓線路18中電壓的確定）。電容式電壓傳感器84和86包括阻止來自於其他電源的電磁 幹擾的屏蔽板112 (例如阻止對信號板110電壓信號的幹擾）。在本實施例中，屏蔽板112 包括兩層：用於阻止磁場幹擾的磁場屏蔽板122和用於阻止電場幹擾的電場屏蔽板124。信 號板110可由任何適當的導體或半導體材料（例如銅、鋁、磷銅、摻雜矽）製成。磁場屏蔽板 122可由任何適當的高導磁率材料（例如坡莫合金、鎳鐵高導磁率合金（Mu-Metal))製成。 電場屏蔽板124可由任何適當的導體材料（例如銅、鋁、磷銅）製成。如上所述，板110U22 和124可以嵌入絕緣材料（例如陶瓷、塑料、環氧樹脂、矽、介電絕緣體）層114、116和118 中或之間。在一些實施例中，每層114、116和118中的材料可以是相同的絕緣材料。但是， 在其他實施例中，每層114、116和118中的材料可以與一個或多個層不同。例如，層114可 以由介電絕緣體製成，而層116和118由非介電絕緣材料製成。此外，在一些實施例中，絕 緣材料層可置於兩個屏蔽板122和124之間。
[0026] 圖4是非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的剖視圖。在所示實施例中，非介 入式電容式電壓傳感器28形成能夠夾在電壓線路18上的C形或U形主體136。在該配置 中，非介入式電容式電壓傳感器28能夠耦合至電壓線路或者從電壓線路去除，而無需使用 緊固件（例如閂鎖、螺栓、粘性夾鉗），從而能夠快速進行測量安裝以及後續的去除。非介入 式電容式電壓傳感器28包括電壓線路18的絕緣層82、信號板146和屏蔽板148之間的層 140U42和144中的絕緣材料（例如陶瓷、塑料、環氧樹脂、摻雜矽、介電絕緣體）。絕緣層可 由柔性材料製成，從而能使非介入式電容式電壓傳感器28彈性夾持在電壓線路18上（例 如絕緣層可具有彈簧力）。例如，在去除和附接過程中，外周端部138可沿方向139向外彎 曲。此外，每層140、142和144中的絕緣材料的柔性可以彼此不同。例如，層140可以是最 柔軟的層，產生圍繞電壓線路18的絕緣層82的密封，而層142和144的剛度逐漸增大。
[0027] 圖5是具有弓形主體158的非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的剖視圖。 在所示實施例中，非介入式電容式電壓傳感器28通過阻礙運動型材料（motion-resistant material) 160稱合至電壓線路18。阻礙運動型材料160可以包括粘結劑、高摩擦力材料、 表面紋理、或者其任意組合。阻礙運動型材料160可以包括彈性體，例如橡膠，其有助於沿 著電壓線路18的頂部阻礙傳感器28的運動。取決於應用，阻礙運動型材料160可以產生 與電壓線路18的永久或臨時結合，從而能夠進行電壓線路18中的電壓的短期或長期測量。 非介入式電容式電壓傳感器28包括信號板168和屏蔽板170之間的層162、164和166中 的絕緣材料（例如陶瓷、塑料、環氧樹脂、矽、介電絕緣體）。絕緣層162、164和166可由柔 性材料製成，使得非介入式電容式電壓傳感器28順應電壓線路18的輪廓。每層162U64 和166中的絕緣材料的柔性可以彼此相同或不同。具有柔性弓形主體158的非介入式電容 式電壓傳感器28直接附接於電壓線路18的能力使得單一的非介入式電容式電壓傳感器能 夠耦合至不同直徑的電壓線路18。
[0028] 圖6是沿圖2的線A-A截取的非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的剖視圖。 非介入式電容式電壓傳感器28包括屏蔽板190和192 ;絕緣材料194 (例如陶瓷、塑料、環 氧樹脂、矽、介電絕緣體）和信號板196。例如，屏蔽板190和192可以具有外側面198,第 一端側面200,和第二端側面202。端側面200和202可以大體交叉（例如垂直）於外側面 198。在該配置中，屏蔽板190和192減小對信號板196的外部電磁幹擾，同時減小屏蔽板 190和192之間的幹擾。更具體而言，端側面200和202使屏蔽板190和192的外側面198 更遠離信號板196,以減小信號板196與屏蔽板190和192之間的幹擾。在其他實施例中， 屏蔽板190和192可以大致為半環形。
[0029] 圖7是非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的剖視圖。非介入式電容式電壓傳 感器28包括第一非介入式電容式電壓傳感器210和第二非介入式電容式電壓傳感器212。 如圖所示，第一和第二非介入式電容式電壓傳感器210和212彼此軸向相鄰布置於絕緣材 料214(例如陶瓷、塑料、環氧樹脂、矽、介電絕緣體）中。第一非介入式電容式電壓傳感器 210包括信號板216 ;屏蔽板218和220。類似的，第二非介入式電容式電壓傳感器212包 括信號板222,屏蔽板224和226。通過包括兩個電容式電壓傳感器210和212,非介入式電 容式電壓傳感器28通過單一器件提供對電壓線路18中的電壓的冗餘感測。
[0030] 圖8是非介入式電容式電壓傳感器28的實施例的剖視圖。非介入式電容式電壓 傳感器28包括殼體240,信號板242,屏蔽板244,以及絕緣材料246 (例如陶瓷、塑料、環氧 樹脂、摻雜娃、介電絕緣體）。如圖所不，絕緣材料246,信號板242和屏蔽板244容納於殼體 240中。如上所述，非介入式電容式電壓傳感器28包括阻止電磁幹擾幹擾信號板242感測 的電壓信號的屏蔽板244。如上所述，屏蔽板244可以僅阻止信號板一側上的電磁幹擾。此 夕卜，屏蔽板244可由能夠阻止電場和磁場的一種或多種材料製成。但是，在一些實施例中， 殼體240和屏蔽板244可以一起工作，以阻止電磁幹擾。例如，屏蔽板244可以阻止磁場， 而殼體240阻止電場，或者反之。
[0031] 本發明的技術效果包括能夠非介入式感測電壓線路中的電壓。例如，非介入式電 容式電壓傳感器可以通過粘結劑、夾子、閂鎖、夾鉗、帶子、或其他可去除或永久安裝件非介 入式附接於電壓線路（例如不去除或穿入絕緣材料）。相應地，非介入式電容式電壓傳感器 減小與監測電壓線路上的電壓關聯的時間和成本。當耦合至電壓線路時，非介入式電容式 電壓傳感器能使控制監測系統檢測電壓隨時間的變化。
[0032] 該書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳實施方式，並使本領域技術人員能 夠實施本發明，包括製造和使用任何設備或系統以及執行任何包含的方法。本發明的可專 利範圍由權利要求書限定，並且可以包括本領域技術人員想到的其它示例。這樣的其它示 例旨在屬於權利要求書的範圍內，只要它們具有與該權利要求書的文字語言沒有區別的結 構元件，或者只要它們包括與該權利要求的文字語言無實質區別的等效結構元件。
【權利要求】
1. 一種系統，包括： 非介入式電容式電壓傳感器，所述非介入式電容式電壓傳感器配置為耦合至包圍金屬 導體的絕緣體，其中所述非介入式電容式電壓傳感器配置為產生指示所述金屬導體中電壓 的電壓信號；以及 監測器控制器系統，所述監測器控制器系統配置為接收來自於所述非介入式電容式電 壓傳感器的電壓信號，其中所述監測器控制器系統配置為使用所述電壓信號監測或控制機 器。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述監測器控制器系統包括電壓表，所述 電壓表配置為測量來自於所述非介入式電容式電壓傳感器的電壓信號。
3. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述監測器控制器系統包括電壓測量電 路，所述電壓測量電路配置為測量來自於所述非介入式電容式電壓傳感器的電壓信號。
4. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括信 號板，所述信號板配置為與所述金屬導體的外表面形成電容器。
5. 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括沿 著所述信號板延伸的屏蔽板，其中所述屏蔽板阻止對所述信號板的電磁幹擾。
6. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括沿 著所述信號板和所述屏蔽板延伸的絕緣材料。
7. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述屏蔽板包括磁場屏蔽板或電場屏蔽 板。
8. 根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括圍 繞所述絕緣材料延伸的殼體。
9. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括可 去除的安裝結構。
10. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括具 有阻礙運動型材料的安裝表面。
11. 一種系統，包括： 第一非介入式電容式電壓傳感器，所述第一非介入式電容式電壓傳感器配置為輸出指 不金屬導體中電壓的第一電壓信號，所述第一非介入式電容式電壓傳感器包括： 配置為感測所述金屬導體中的電壓的第一信號板； 在所述第一信號板上延伸的第一屏蔽板，其中所述第一屏蔽板配置為阻止電磁幹擾； 以及 第二非介入式電容式電壓傳感器，所述第二非介入式電容式電壓傳感器耦合至所述第 一非介入式電容式電壓傳感器，並配置為輸出指不所述金屬導體中電壓的第二電壓信號， 所述第二非介入式電容式電壓傳感器包括： 配置為感測所述金屬導體中的電壓的第二信號板； 在所述第二信號板上延伸的第二屏蔽板，其中所述第二屏蔽板配置為阻止電磁幹擾。
12. 根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述第一非介入式電容式電壓傳感器 和所述第二非介入式電容式電壓傳感器圍繞所述金屬導體耦合。
13. -種系統，包括： 非介入式電容式電壓傳感器，所述非介入式電容式電壓傳感器配置為向監測器輸出 電壓信號，其中所述電壓信號指示金屬導體中的電壓，所述非介入式電容式電壓傳感器包 括： 配置為感測所述金屬導體中的電壓的信號板； 在所述信號板上延伸的屏蔽板，其中所述屏蔽板配置為阻止電磁幹擾。
14. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述信號板和所述屏蔽板嵌入絕緣材 料中。
15. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述屏蔽板包括磁場屏蔽板和電場屏 蔽板。
16. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括 殼體，所述殼體配置為包圍絕緣體的圓周，所述絕緣體包圍所述金屬導體。
17. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括 可去除的安裝結構。
18. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括 彎曲的信號板和彎曲的屏蔽板。
19. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括 半環形殼體，所述半環形殼體配置為將所述非介入式電容式電壓傳感器耦合至包圍所述金 屬導體的絕緣體。
20. 根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述非介入式電容式電壓傳感器包括 具有阻礙運動型材料的安裝表面。
【文檔編號】G01R19/00GK104215814SQ201410239193
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2013年5月31日
【發明者】D.T.盧, P.內蒂 申請人:通用電氣公司