带金属外壳的开关设备

本发明涉及一种具有一无导线监控装置的带金属外壳的开关设备。

通过德国的实用新型9420199已知一种带金属外壳的高压开关设备，在 此装置的某个气室内装有一表面波元件作为传感器。表面波元件用来指示由 于电弧作用在壳体内的灭弧气体上所产生的气体成分，或者用来探测压力 波。在壳体外部装有一天线，该天线用于与一求值装置进行无导线信息传 输。

根据1994年春季，西门子杂志Spezial，由FuE发表的论文《用于革新 的声学表面波技术》，表面波传感器在高压技术领域中的应用原则上已为人 们所公知。其中也已提出将表面波元件固定在一容器内，而将传感器的天线 固定在外面。

在之后公开的DE 19514342中阐述了表面波传感器在高压电缆上的应 用。其中传感器的天线安置在电缆内外导体的开孔上。

本发明的目的在于，提供一种简单的技术方案，将用于信息传输的发送 和接收元件安设在带有外壳的开关设备或波导管上。

本发明的目的是通过一带金属外壳的用于高中压的开关设备或波导管 来实现的，其带有至少一个装在壳体内的带有天线的传感器，其中收发天线 与传感器实现信息的无导线传输，收发天线安装在壳体开孔上并对准壳体内 室。这种方案特别简单并可使新的与已有的装置没有问题地组合在一起。收 发天线的安装不需要任何附加的措施。在此开关设备的内腔作为无导线信息 传输的转发空间。在壳体内的干扰导线或在导线与高中压导体之间的电磁干 扰被避免了。通过壳体的屏蔽作用避免了外来的干扰对信息传输的影响。除 此以外通过屏蔽作用减少了对壳外部其它装置的干扰辐射。

带有一锁紧件的现有开孔具有这样的优点，即可以容易地进入该开孔 内。在此锁紧件优选由外盖，法兰或支承座构成。也可以利用现有的标准开 孔，如检查孔，手工穿孔或观察窗，来安装收发天线。

锁紧件可以与收发天线一起构成一个部件。这样收发天线就如同开关设 备的一体化构件一样，因而装配很简单。

收发天线可以在壳体外面安装在开孔上。因而可以不打开壳体而从外面 接触到收发天线。壳体的密封性同样没有被改变。

开孔在收发天线部位朝着壳体内部的一侧具有一介电材料是很有利 的。由此实现两天线间良好的，可靠的，无干扰的数据传递，在此对无导线 信息传输的妨碍是很小的。

采用石英玻璃，塑料或其它的可通过高频波的电绝缘材料是有利的。由 此可促进天线间良好的无线电传输。对于其它的传输形式可选择其它有意义 的有利的材料(如用于光传输的玻璃)。

收发天线也可以在壳体内部安装在开孔上，由此可在壳体内部实现特别 好的无损耗的辐射。在这种情况下比较有利的是在开孔上设置用于对收发天 线馈电的引线套管。进而优选将引线套管与锁紧件或开孔密封件组合在一 起。因而不需要附加的结构措施和在壳体上进行改变。

由缝隙天线构成收发天线是有优点的。这种形式的结构特别适合于装入 金属壳体，因为几何形状可相互适应。这样可以以在壳体内部产生一非常好 的高频耦合为出发点，而不必在壳内进行安装。

在此开孔本身或连接位置可用来构成缝隙。此时例如也可由法兰边缘的 连接位置来构成缝隙天线。用这种方法提供一种很好的发射波耦合。一种在 壳体上简便铣出来的缝隙也可以承担天线的功能。这点甚至在现有的装置上 也是可能的。接着在缝隙内充入适当的密封材料，以保持壳体的气密性。

其它形式的天线，如球状，杆状或偶极天线当然都是可以的。在此要考 虑到在中高压装置中所给出的电条件下实现最好的收发条件。也可以为了收 发方向将天线结构设计成分开式。

收发天线优选在必要时通过收发装置的中间连接与控制-和/或监控装 置连接，以提供对装置的良好监控和可靠传动。

在设计作为用于能量传输的波导管的开关设备时，也可考虑，在另一开 孔上的另一收发天线对准内室，其中在两天线之间进行信息传输。壳体的内 室用来作为分界的传输空间。

在此波导管可以通过舱壁分开，舱壁中至少有一个是装在天线之间的。 通过这种方法能够使被保护的数据传输通过长距离，而不必再采取其它的数 据联系。另外可以通过传感器交换数据。

一个或数个传感器优选作为表面波传感器来设计。由此提供一价廉和简 单的技术解决办法，在此可以有无源的或有源的方案。此外表面波传感器的 出色之处在于结构尺寸很小，即使在高压条件下也可使其顺利地装在壳体 内。

收发天线与传感器天线间的信息传输可以通过超声波，红外线或优选通 过高频传输来进行。收发天线也可以装在壳体开孔的支撑体上，以实现节省 空间的有利布置。

下面借助附图对本发明的一实施例详细加以说明，附图中：

图1为带有传感器的开关设备的纵向截面图；

图2至图6分别示出收发天线的详细结构。

首先阐述带有监控装置的开关设备，其中利用高频进行信息传输。不言 而喻，所述监控装置也可用于开关设备内的其它功能，例如根据雷达原理无 传感器地探测开关位置，用于附加的控制任务或纯粹用于信息传输。

图1示出一气体绝缘的带壳体的开关设备1，其按照上述德国实用新型 9420199的现有技术已为人们所公知。开关设备1适合于高中压。在此没有 开关元件的带壳体的波导管也可以理解为是一种开关设备。

在开关设备1的纵向局部截面中示出一带有一开关器件3，特别是一隔 离开关或一断路单元的支路。在壳体5中心有一汇流母线6作为电导体。开 并器件3的进一步细节及其功能可以由上述实用新型获悉。

在开关设备1壳体5的内腔4中，表面波传感器作为传感器用于不同的 任务，如表面波传感器7a用于温度探测，表面波传感器7b用于电流探测， 表面波传感器7c用于气体识别，表面波传感器7d用于位置识别。在此也可 以考虑用其它表面波传感器用于其它功能和任务，如光识别，压力测量等。

每个表面波传感器具有至少一作为收发器的天线9用于信息传输，特别 是用来应答。在此信息由表面波传感器7a-7d传输给一中心的，对于所有 表面波传感器7a至7d有效的收发天线，下面在图中用天线元件11来标示 它。

在这里天线，收发天线，天线元件或收发器都可以理解成是一种发射接 收元件(这些元件可以辐射和/或接收电磁波或光波)，例如无线天线，超声波 或光波收发元件(如红外元件)，其中也包括对收发方向的分配。图1所示结 构例如涉及一种无线信息传输。

天线元件11通过相应的导线13，例如同轴电缆，必要时通过匹配电路 的中间连接与控制和监测装置(下面在图中以监控装置15来标示)连接。该装 置包括收发部件17和另一未被详细示出的信息分析装置，必要时可以包括 带有存储器的微处理器。

收发部件17，或至少其一部分在原则上也可以分散安装在天线元件11 上，使得在监控装置15与天线11之间只需低功率的数据通道。发射功率因 此被分散产生。

在此也可以考虑，天线元件11与分散的装置导线连接，或无导线地直 接与总线19连接。监控装置15与收发部件17和所连接的天线元件11在本 发明的意义上也可以被表示为收发装置或无线收发两用机。

监控装置15例如可以在开关设备中作为一中心单元或者也可以作为一 支路装置或与开关器件有关的装置，通过其它的数据联系，如通过总线19 与上级中心单元21建立数据联系。这个中心21可以是一近距控制中心，通 过一合适的接口22与上一级的网络主控台建立联系。

当然中心21至少包括一合适的操作和显示仪器，例如键盘和显示器， 用来操纵开关设备1。通过图中未进一步详细示出的接口可以将一移动仪 器，如一便携式计算机或一Laptop连接在一总线19或控制装置15上，用于 操纵或用于其它的输入输出给图1所示系统中的不同地点。

所示数据联系可以采取任何可能的有线联系，如导线或光导体，或无线 联系，如无线电，声波或光波联系。

在上述示例中天线元件11被装在壳体5内一开孔上。该开孔由一法兰 23构成，该法兰由一锁紧件25，如一盖板和一压环27封闭。当然在此没有 详细示出按照现有技术的法兰连接螺纹。

天线元件11因而位于壳体5内，以提供顺利地向表面波传感器7a至7d 传输信息的最佳条件。由于天线元件11如同位于一套管内部，而没有突入内 腔4中，因而可以避免电的或磁场技术问题。此外天线元件11与一个本来就 与壳体5可扩卸的部件构成一部件单元，使得其可以方便地接触到或再装 配。

表面波传感器7a至7d中的一部分安在壳体5上，一部分安在汇流母线 6上，装在开关器件3的运动部件上，或装在第一支撑件28上或它的后面， 必要时安设在一隔离气室内。必要时可将多个不同功能的传感器集中设置一 处，具有一共同的天线。一个传感器具有多种测试功能也是可能的。比较有 利的是传感器做成信用卡的形状和尺寸，其中卡的基本部分构成天线。

对于整个监控功能重要的是，在壳体5内建立一可靠的无线电或数据联 系。为此支撑件28由介电材料加工而成，使得天线元件11与位于支撑件28 后面的表面波传感器7c之间的高频传输不受妨碍。在其它传输方式中相应地 设置支撑件材料(如用于光传输的玻璃)。

法兰23或必要的输入耦合孔例如可以由现有的维修孔，充气套管，热 塑合成树脂注入口，视孔或管头法兰来构成。在此意义上图示结构适用于开 关设备上任一种可能的孔，例如也适用于图示的管头法兰29。当然也可以 采用专门的开孔。

也可以考虑将天线元件11置于壳体5外部，并通过介电窗辐射进内室4 中。为此在两个壳体段连接法兰范围内提供一注入管作为开孔，其中必要时 作为杆状天线的天线元件铸入孔中。

在安设另一没有详细示出的带有配置在另一支撑体39后面的气室中的 控制装置的天线时，也可以用壳体5的内室4作为传输空间，因此越过长距 离的受保护的数据传输是可能的。这种可能性可优先用于波导管。可以设想 同时结合进行传感器问询。

下面将阐述图1中局部A的结构。

图2示出对应于图1A部的第一种可能结构。在此天线元件11安装在锁 紧件25朝着壳体5内室4的一侧。在此锁紧件25的材料可以是金属或非金 属。

天线元件11可以通过一间隔元件以事先定好的间距固定在锁紧件25 上，或者如图所示，直接设置在锁紧件上。对于直接的，必要时要绝缘的安 装可以考虑采用粘贴的方式。

也可以考虑，在由非导电材料构成的锁紧件25成形时将天线元件11蒸 镀上去，或直接按照镀铜的方式涂敷在锁紧件25上。在此锁紧件25朝着外 部的侧面应该同样是金属化的，以便对外产生屏蔽作用。

导线13与天线元件11电流连接在一起，为此锁紧件25具有相应的绝 缘套管31，尤其是高频绝缘套管。必要时绝缘套管31也可以位于法兰23 的边缘区域上，以提供一侧向引出端或使导线13连接到天线元件11上的一 侧向接线柱。在此可以设想借助一耦合器将发射和接收能量由导线13感应 输送给天线元件11。

不言而喻，天线元件11安装在锁紧件25内部或其外面也是可以的。在 第一种情形下，必要时天线元件11可以铸入锁紧件25里面，或者以一种夹 心结构形式置入到锁紧件25中。天线元件11安在外部与安在内部具有同样 的意义，其优点是不需要气密的绝缘套管。

然而对于这种实施形式重要的是，锁紧件25至少是在天线元件11与内 室4之间的区域内由介电材料加工制成，这种材料可使发射和接收功率顺利 地通过。适合的材料如石英玻璃或塑料。

在图示实施形式中还没有详细地谈到天线元件11的成形。在已阐述过 的结构中天线元件11可以作为简单的偶极天线通过扁长或弯曲的结构，例如 杆状天线，或其它相应的形式按照现有技术去实现。

图3给出了一种结构，在这种结构中收发天线11a设计成一球状天线， 在此较有利的是采用一半球状天线。这种结构形式对于场强分布特别有利， 因为可避免场强增加。火花放电或其它干扰由此可被防止。所示的球状天线 通过一也可以是有源的天线适配器14的中间连接与同轴电缆13a连接起 来。

对于收发天线的其它可能结构是缝隙天线结构。在一缝隙辐射器中通常 是在传导面上有一间隙，特别是一缝隙来做为天线。缝隙的长度优选为λ/2。

缝隙辐射器的细节可以通过费韦格出版社哈拉尔德·舒梅尼所著的专业 书藉《信号传输》来详细获得。这种缝隙辐射器在开关设备中以多种多样的 形式和方式被实现。

图4和图5分别在一纵剖面图和一俯视图中示出壳体5壳壁上的一部 分，在此壳体壁中加工有一缝隙33。这个缝隙可以是铣削出来的。在此该 缝隙33本身构成一位于壳体5上的开孔。由此形成的天线11b是壳体5一 体化的组成部分。

缝隙33的长度优选是被辐射波长λ/2的整数倍。所示导线13如同在图 5中以同轴电缆的形式连接在缝隙33的两纵向侧上。

缝隙33的形状可以是多样的，如长形，弧形或圆形，尤其如上述专业 书籍中所描述的形式。这种形式的缝隙辐射器可以被有利地安置在开关设备 1的壳体5内。也可以被组合进上述锁紧件的开孔中去。当然缝隙33必需用 气密的密封材料来填充，同时不能影响波的发射和接收。

在最简单的情况下也可以设想，缝隙辐射器由一壳体5上本来就具有的 缝隙构成。这种相应的缝隙出现在连接位置，如螺栓连接或法兰连接处。例 如在图1中的法兰23与锁紧件25或压环27之间存在的缝隙对此是适合的。 必要时还必须在这种连接位置上安放一间隔元件用来限定缝隙的宽度，并用 一开口金属环构成的中间元件来限定缝隙的长度。

其它适合用来安放天线元件的位置也可以是图1中用来使两节管段相互 连接的连接法兰35处。在此作为缝隙的开孔位于两法兰端37之间，中间夹 着支撑件39。必要时也可利用按常规应有的热塑合成树脂注入口。

开关设备1的支撑件本身提供了另一种安放收发天线的可能性。图6给 出了一开关设备1壳体5的另一支撑件39a处的截面图。支撑件39a装在壳 体5上的两个法兰端37之间的开孔处。天线元件11装在支撑件39a内部。 导线13由法兰盘37处引出。

天线元件11可以具有任一种合适形式，如偶极形式。天线元件最好位 于由法兰端37构成的开孔中靠近壳体5壳壁的边缘处，以避免电场，特别 是分布在壳体5与内部导体6之间的电场的电磁干扰。由于在支撑体39a的 这一部位可以设计得特别薄，也可使对支撑体材料可能存在的蒸发作用保持 很小。当然天线元件11也可以按照前边所述的方法装在支撑件39a的外表面 上。

当然上述新想法的每一特征和结构都可以在专业人员的设计范畴内相 互结合，或与目前的现有技术特征相结合，而不会背弃这些想法的基础思 想。对于本想法最主要的是，开关设备的内室可以用于信息传输。