绝缘子支承式电流传感器

发明所属技术领域

总体来说，本发明涉及配电系统。确切地说，本发明涉及用于测 定电力线特性的传感器和系统。

现有技术

电能在工业发达社会中扮演着举足轻重的角色。电能系统的可靠 性是配电系统的计划、设计和工作中的重要因素。为确保可靠性，需 要自动实时地控制系统以便快速响应于实际的电力需求和任何不可预 见的突发事件(设备破旧)。

现代化的配电网一般采用电能控制中心来监视和调节电网工作。 尽管这些中心在技术上很先进，但其经济和安全的基本控制目的仍和 原来一样。经济目的是要尽可能地降低供电成本。安全目的是对可靠 性和服务质量的要求尽可能地低。电厂需要测量电线电压和电流以便 进行自动化的用户记帐、负载和可靠性监视以及系统实时控制。

过去，精度不超过0.3％的电流测量被用于用户记帐，而精度更差 的测量(1％-10％)足以满足其它功能如错误隔离和系统控制。但是， 过去，许多电力设施通常采用高精度的且很昂贵的电流互感器或电压 互感器来进行需要严格精度的测量以及支持象错误隔离这样不太需要 精确的测量。配电线必须被切断以适应传统电流互感器的安装，这加 剧了系统低效，并且这种工作在大多数情况下是高劳动强度的。

近年来，在配电设备中以1％-10％的精度测量电压和电流的成本 降低了。目前，包括一个永远埋在绝缘子中的敏感元件的电线杆电流 传感器被用作便宜且易安装的电流互感器的替代品。其它一些电流传 感器被连接在高电势点上，但输出信号必须与高电压分开。通常，这 是通过无线电通信或光纤通信来进行的。还存在着经济的暂用电流传 感器，它与电线杆固定到位或者被简单地悬挂在电力线上。大多数新 型测量仪器的安装时间和劳动力比安装电流互感器的时间和劳动力 低。但是，电厂工人非常熟悉传统的电流互感器并且在工厂中采用新 型仪器是逐步推广的。

因此，提供一种紧凑且轻型的传感器将是有利的，它测量悬空电 力线的至少一个工作特性并且可以被轻松地安装到电力线上和从上面 拆下来。传感器应最好适应于生产经济性并且它是耐用的，以便降低 工作成本和维修成本。

发明概述

在本发明的一个方面中，一个由电线杆支承的用于测量电力线特 性的测量系统包括：一个针，该针具有与电线杆相连的第一端和适于 连接一个传感器的第二端。传感器测量电力线的至少一个特性。一个 与该针的第二端相连的绝缘子以传统方式支承电力线。

在本发明的另一个方面中，一种由电线杆支承的测量电力线的至 少一个特性的方法包括：使一个传感器与一个针的第一端相连，将一 个绝缘子连接到该针的第一端上；将该针的第二端连接到电线杆上； 将电力线连接到绝缘子上；测量该电力线的特性。

图面简介

参见以下说明、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的 这些和其它特征、方案以及优点。

图1是配电系统的系统分级图，三相电力线由装有传感器的针形 绝缘子支承，所述传感器把信息传给控制器壳以便进行处理和显示。

图2是装在被用于支承电力线的针形绝缘子中的优选电流传感器 的透视图。

图3是用防水塞盛装电流传感器以使电流传感器与控制器电连接 的优选针的局部横剖透视图。

图4是针形绝缘子的横截面图，它包括由被涂到绝缘子上表面和 螺纹孔中的半导体釉形成的电容器，它与用于测量电力线上电压的电 压传感器的导电体相连。

图4A是图4的电压传感器的分压电路的实施例的示意图。

图5是被整装入针型绝缘子针中的组合式电压/电流传感器横截面 图。

图6是一个与被整装入针型绝缘子针中的电流传感器组合的替换 型电压传感器的横截面图。

图7是另一个与被整装入针型绝缘子针中的电流传感器组合的电 压传感器的横截面图。

发明的具体说明

在本发明的一个优选实施例中，传感器被用于连接悬空电源线以 帮助各种功能的实现，例如跟踪用户使用、监视系统负载及可靠性以 及给系统控制提供数据。参见图1，在电力传输和分配领域中，发电 系统产生电力，而电力经过高电压交流三相电线(20，22，24)构成 的高压输电网进行传送。如ANSI C29.5、C29.6标准所规定的针形绝 缘子26(a)、26(b)、26(c)(以下称为针形绝缘子)作为用于支承 和绝缘高压(4千伏-69千伏)电线20、22、24的标准绝缘子正得到 广泛承认。

本发明的一个优选实施例将传感器加入支承针形绝缘子26中。可 在商业上获得的针形绝缘子26为传感器(未表示)和位于其下的信号 线提供绝缘和保护。整个装置被固定在木质横臂或电线杆架28上。

传感器测量悬空电力线的至少一个工作特性并且通过一根外部电 线32把该特性输出到一个位于电线杆底座上的控制器外壳30中。该 特性可能与电线上的电流或电压的任何方面或电线的任何其它特性有 关。控制器外壳30最好装有控制器34，用于接收来自传感器输出并 将所接收的电力线特性传给远方终端器36。远方终端器36最好与一 台位于控制器外壳30中的无线电相连，它与位于控制器外壳30外的 天线38相连以便通过RF无线电信号把由传感器发出的与电力线特性 有关数据传给遥控站(未示出)。此外，远方终端器36可以接收来自 远方地面监控站(未示出)的控制或重新编程信号。控制器34可以根 据来自控制站的命令被用于遥遥地校准传感器或者就地在控制器34上 校准传感器。

参见图2，针形绝缘子26组件包括一个用于支承绝缘子42并将针 形绝缘子26固定在木质横臂28或电线杆安装架上的标准针40。针40 和绝缘子42最好符合各种标准规定的要求如ANSI C29.5、C29.6，其 内容就象已充分说明了那样地在这里作为参考引入。在优选实施例中， 在供导电体44下方，针41的顶面为5/8″-2″。针41的顶面通过工业 标准绝缘子42与导体44分开，所述绝缘子最好被拧到针40上。一根 系线46最好把导体44绑到绝缘子42上。本领域普通技术人员将认识 到，本发明可以适用于任何针型绝缘子组件，其中包括根据各种国际 标准(如英国标准B.S.137-1960)制造的组件。因此，优选的针型绝 缘子只是示范性的，而不是限制条件。

绝缘子42最好是商业级湿法陶瓷。围绕导体44与绝缘子42界面 的电场很强，这可能导致电晕放电。因此，示范绝缘子42的上部和针 孔螺纹孔48最好涂有半导体釉以便将无线电干扰减到最小。

根据应用标准，优选的针40应该是1″或1又3/8″直径的。针40 的螺纹线最好符合用于1″或1又3/8″直径螺纹针的ANSI C29.5、 C29.6，对于美国家庭应用来说，它最好每英寸具有四个螺纹。针体40 最好由铝铸件制成。铝铸件最好带孔以便使内部与针40电连接。本领 域普通技术人员将认识到，本发明可以适应于各种针特性，因而优选 的针特性是示范性的，而不是限制条件。

在优选实施例中，最靠近导体44的针41顶面带有凹槽以便容纳 电流传感器50。受保护的针40顶面接近高压导体44的部分将电力传 感器50陷入了由载流高压导体44产生的强磁场中。有利的是，高压 导体44不必为安装而进行切割，如果必要，可以轻松地使标准绝缘子 44适应于维持或升级为高压导体44。

参见图3，最好在多个位置上对针40底部进行机加工。示范针40 最好紧接在针头下具有一个螺纹孔51。两侧有螺纹的支承杆52随后 被拧入针40中。支承杆52随后可以穿过木质横臂28并通过一个平垫 圈54、一个锁紧垫片和一个螺母56(见图2)被固定住。在示范实施 例中，支承杆52最好对准针40头部以使从针形绝缘子26到横臂28 (见图2)的负载传输达到最佳。支承杆52最好是镀锌钢并且是约5/8″ 粗细的。此外，被拧入针40中的支承杆52端部最好是30°-60°的斜切 面。本领域普通技术人员将认识到，针形绝缘子26可以通过各种方式 被固定在木质横臂28上，其中例如包括夹具、铆钉、系卷或其它任何 适用方式。因此，示范的支承杆是一个例子，而不是限制条件。

在示范实施例中，电流传感器50最好是一个可编程的增益线性霍 耳效应传感器，如由微电子集成系统(位于Webster，MA)制造的 MLX90215。霍耳效应传感器的核心是霍耳效应元件。当磁场位于霍 耳效应元件附近时，与磁场强度成比例的电流在该材料中流动。

霍耳效应传感器基本上是一个具有一个被接到霍耳效应元件每端 上的端子的霍耳效应元件。产生于霍耳效应元件中的电流在两个端子 之间产生了与磁场强度成比例的电势差并且间接地产生了流过电导体 的电流。霍耳效应元件最好包括让传感器从外面被校准的反馈回路。 外部校准调节了作为辅助测量函数的输出电压与由高压电力线产生的 外界磁场强度之比。优选的电流传感器按照约1％-10％精度测量电导 体中的电流。本领域普通技术人员将认识到，交流传感器(如具有多 根导电线圈的气芯或线芯变压器)可以代替优选的霍耳效应元件。因 此，霍耳效应元件只是举例说明而已。

参见图3A，电流传感器50(以下称为霍耳效应元件)位于圆形铝 罩或环氧树脂罩54内，它最好具有槽56和外冲压标记58以标定槽56 的位置。霍耳效应元件50在槽56的底面上被粘入槽56中。霍耳效应 传感器的方向对应于电导体的电流方向并且在圆形罩54的顶面上由冲 压标记58表示。参见图3，在示范例中，霍耳效应传感器具有四根接 线60a-60d，它们与穿过铝针40的孔的内配线62相连。这四根电线 随后被连到一个四针防水接头66上。接头66最好通过外电线32被连 接到位于电线杆底座上的控制器34上(见图1)。

用于电流传感器的直流电源且最好是5伏的DC电源并位于控制 器外壳30中。DC电源最好带有备用电池电源与标准120VAC电路相 连。在一个替换实施例中，DC电源可以完全由电池供电。在优选实 施例中，DC电源被用于给三个一组的电流传感器(一个对应于一相) 供电。

此外，控制器34最好包括一个可被用于校准电流信号并显示读数 的多用途读取器。每个传感器可以单独地被校准。粗略电流校准最好 是通过测量导体中心距绝缘子支承针底部的距离并把这个信息输入读 取器中来进行。精密电流校准可以通过用辅助测量仪表(如带电操作 杆式电流传感器)测量电力线所载电流并将该校准数据输入读取器来 进行。被校准的控制器32输出随后通过远方终端器36被传送给遥控 中心。或者，电源和读取器可以提供模拟输出信号或被送往其它数据 收集或通信设备的警报触点。

优选的针40包括一个错位腿68，它在与针形绝缘子26相连的木 质横臂下方延伸。错位腿最好被安装成表示电线中电流方向的形式。 接合霍耳效应传感器的圆形罩54最好被压合到针40顶面中，而霍耳 效应传感器的方向(冲压标记58)对应于针40的错位腿68的方向。 这赋予了正在测量的电流以外部方向指示。

在优选实施例中，环氧树脂70以距四针防水接头66顶面约1/2″ 的程度填充在针40的孔64中。环氧树脂在内部密封霍耳效应传感器 并基本上防止了任何水分入侵。此外，因为设有在被拧入针40中的针 端上的斜面，环氧树脂基本上将支承杆52固定到位。在环氧树脂干燥 后，四针防水接头66和适当的密封器件(如O形圈67)一起被拧到 针上以防止水分在底端入侵。

在优选实施例中，针40还包括一个经过机加工的表面72和一个 与接地夹紧接头76配合的螺纹孔74。接地夹具76最好被固定在机加 工表面上并通过被拧入螺纹孔74中的螺栓77使该表面接地。针40最 好具有半导体热缩口78或记忆保留套(memory retention sleeve)，它 被用到铝螺纹件的顶上以便适当地密封/安放陶瓷针型绝缘子。

参见图4，在另一个方案中，本发明包括一个电压传感器，它探测 在高压导电体44上是否有电压以及测算电压相。当对电线进行错误隔 离时，在电线上按周期地探测电压是有用的。

一方面，被涂到绝缘子42的上表面102和螺纹孔103上的半导体 釉通过形成绝缘子42体的绝缘陶瓷被隔开。涂有半导体釉的表面102、 104形成了电容器C1，而导电体44起到了施加在C1上的输入电压的 作用。在一个优选替换实施例中，导电体106且最好是不锈钢复合线 与涂到螺纹孔104上的半导体釉电连接。在替换实施例中，绝缘子108 使针40与被涂到螺纹孔104上的半导体釉隔绝开。绝缘子108最好是 一个绝缘热缩卷(an insulating heat shrink wrap)。

在替换实施例中，导电体106最好与具有两个输出端112、114的 电线110相连。接地分路116连接在导电体106与输出端114之间。 电线110最好被安装在针40的孔64中。第二电容器C2 111最好被连 接在导电体106与接地分路116之间。第二输出端112是一个并联于 电容器111与导电体之间以提供如图4A所示的分压电路的线。在工作 中，高压导电体44给C1提供输入电压。输出电压差VAB最好约为1 伏-10伏并且由输入电压Vin和C2/C1比之乘积来决定。

对于15千伏的针形绝缘子例子来说，输入电压Vin将约为10千伏。 C1一般为20皮法拉，C2最好约为50纳法拉，从而产生了约为1∶2500 之比以及约为4伏的输出电压。准确的输出电压不必是随时间固定不 变的。实际上，绝缘子42的电容器C1将根据象半导体釉腐蚀、污染、 沉淀等因素或其它因素而随时间变化。但是，可以通过精确地探测在 导电体上是否有电压，即通过电压有无探测来满足系统监视功能和错 误隔离功能。由于不需要实际电压水平的精确测量，所以，优选的系 统不需要是随时间不变的并且电容器C1值的变化没有降低系统性能。 本领域普通技术人员将认识到，C2可以是一个可变电容器，它可以经 过外部校准来产生在优选范围内的电压，从而上述示范的电容值只是 例子，而不是限制条件。

输出端112、114最好被连到防水接头(未表示)上并且通过外部 电线32与控制器32相连(见图1)。控制器32最好测量并显示端子112、 114之间的电压差。控制器34把测量电压传给远方终端器36以便传 输给遥控中心。在优选实施例中，电容器C2是可变的并且处于控制 器32的方向下，它可以通过调节端子112、114之间输出电压而使其 适应于大约已知的传感器处电压来校准电压传感器。

在优选电压传感器实施例中，支承杆52又把针40连接到电线杆 的木质横臂上。此外，针40最好如对电流传感器所述的那样通过接地 夹来接地。

上述示范性电压传感器可以采用各种技术与被涂到螺纹孔104上 的半导体釉电连接。例如，参见图5，导体弹簧120可以被用于连接 电线110与被涂到螺纹孔104上的半导体釉。在安装状态下，导体弹 簧120受到涂有半导体釉的螺纹孔的压迫，从而保证了足够强的导电 性。

替代地，导体针40的末端可以带有模塑导电氯丁橡胶122(即含 碳黑的氯丁橡胶)(见图6)或者类似材料。电线110随后被嵌入导电 氯丁橡胶122中以使被涂到绝缘子螺纹孔104上的半导体釉具有导电 性。此外，绝缘子124应该最好在导电氯丁橡胶下面被加到针40上， 以确保针40适当地与被涂到绝缘子螺纹孔104上的半导体釉绝缘开。

在本发明的另一方面中，可以在单个实施例中组合电流传感器和 电压传感器。参见图7，不锈钢导电体106最好被用于接在电线110 端部，以使被涂到螺纹孔104上的半导体釉具有导电性(见图4)。与 图4所述的优选电压传感器实施例一样地，导电体将又与一个电容器 (未表示)组合以便形成一条用于探测在高压电源线上是否有电压的 分压电路。

此外，电流传感器50可以是最好通过环氧树脂被粘到针40的上 尖端上。防水接头(未表示)又被用于通过外部电线把电压和电流传 感器的输出端连接到控制器上。又用绝缘子108来处理导电针40，从 而使针40与被涂到螺纹孔上的半导体釉绝缘开。绝缘子108最好是绝 缘热缩卷。在替换实施例中，由电流传感器测定的电流相和在导电体 106上的电压相可被用于测算功率系数，以便推算出平衡高压电力线 的最佳负载。

尽管描述了本发明的优选实施例，但它不应该被认为是限制所附 权利要求书的范围。那些本领域的普通技术人员将认识到，可以对上 述实施例进行各种修改。例如，示范电流传感器可以根据需要与各种 针型绝缘子组成一体以便承受各种电导体电压和负载。此外，可以通 过使被涂到绝缘子螺纹孔上的半导体釉具有导电性的任何一种技术来 实现电压传感器。此外，对那些熟悉各种领域的人来说，本发明将给 其它任务提供解决方案并为其它应用场合提供变通方案。因此，在参 见所附权利要求书而不是上述说明来表示本发明范围的情况下，本实 施例在任何方面都应被认为是示范性的，而非限定性的。