專利名稱：模制芯自供電式電力線傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模制芯自供電式電力線傳感器，更具體地說(shuō)，涉及這樣一種傳感器，它能夠有效地從具有極低電平線電流的電力線中提取功率。
本申請(qǐng)是1996年2月21日提出的案號(hào)為08/604,357的美國(guó)申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，而那個(gè)申請(qǐng)是1994年4月25日提出的案號(hào)為08/232,702的美國(guó)申請(qǐng)(已放棄)的繼續(xù)。
對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)，為了預(yù)料由于設(shè)備故障和交流電力線上過(guò)負(fù)荷所引起的斷電，以及可能對(duì)大量用戶造成供電損失的斷電，既對(duì)架空和地下應(yīng)用又對(duì)一次和二次應(yīng)用進(jìn)行交流電力線監(jiān)視是十分有用的作法。在峰荷期間當(dāng)用電最大并且連續(xù)功率傳輸最為關(guān)鍵時(shí)，斷電和損失最大量用戶的可能性增加。由線路、變壓器和其它設(shè)備所引起的斷電修復(fù)昂貴，給電力公司雇員帶來(lái)危險(xiǎn)，并且就損失供電帶來(lái)收入損失及對(duì)公司聲譽(yù)造成危害來(lái)說(shuō)，使電力公司付出很高代價(jià)。如果電力線是地下線路，則由電力線故障或過(guò)負(fù)荷所引起的意外斷電的影響更加嚴(yán)重。由于所需大部分工作發(fā)生在受限制的，有時(shí)是潮濕的，并且總達(dá)不到理想條件的地下這個(gè)事實(shí)，因此更換受損壞的地下線路需要更多的人時(shí)及增強(qiáng)的安全措施。結(jié)果，修復(fù)這樣受損壞的地下線路甚至更為昂貴，耗時(shí)和危險(xiǎn)。
因此，為了更好地預(yù)料由于設(shè)備故障和過(guò)負(fù)荷所可能引起的意外斷電，對(duì)電力公司監(jiān)視交流電力線和相關(guān)設(shè)備例如變壓器和開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，傳感電氣條件例如功率，電壓和電流的交流電力線傳感器非常有用。如果電力公司能夠監(jiān)視電力線上的條件，他們就能夠更好地對(duì)可能會(huì)因過(guò)負(fù)荷或故障而成為停電的電力線進(jìn)行檢修和更換，從而降低意外斷電的數(shù)目。通過(guò)更換和檢修這樣的設(shè)備，電力公司能大大減少用戶的斷電時(shí)間。與修復(fù)或更換受損壞電纜有關(guān)的費(fèi)用也將減少。因?yàn)榘影嘀Ц叮耘c正常計(jì)劃?rùn)z修或更換比較，更換或修復(fù)受損壞電纜的費(fèi)用要大得多。
然而，常規(guī)可買到的電力線傳感器典型地要求與受監(jiān)視電路侵入式電連接。這種安裝對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)昂貴，可能給安裝者帶來(lái)危險(xiǎn)，并且會(huì)引起用戶停電。由于這些限制，電力線傳感器還沒(méi)有在電力工業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。
在1994年4月25日提出的并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的案號(hào)為08/232,702的美國(guó)申請(qǐng)中敘述了一種傳感器，這種傳感器解決了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的缺陷。該傳感器利用一個(gè)薄而相對(duì)寬的高導(dǎo)磁率鐵磁材料的芯層，其以完全非侵入方式纏繞在交流電力線的絕緣橡膠層的周圍。在芯層周圍纏繞多個(gè)繞組，以便它們與交流電力線的方向大致平行。電力線中的交流用來(lái)在繞組中感應(yīng)電流，以對(duì)傳感器和控制器供電，并傳感交流電力線中的電流及測(cè)量非參考電壓電平。該傳感器斷面非常薄，因此能夠容易安裝在限制體積中和非常密排的線路上。此外，它在不與電力線侵入接觸情況下操作，因此安裝安全，容易和快速。然而，該傳感器確實(shí)具有缺點(diǎn)。
首先，它不會(huì)有效地從交流電力線提取功率。為了得到最為有效的功率提取，芯層應(yīng)該為環(huán)形，芯層截面的厚度近似等于其寬度。然而，為了保持薄斷面，該傳感器則有一個(gè)寬度比厚度大得多的芯層截面。這樣形成一種傳感器，它不會(huì)有效地從電力線提取功率，并且因此不能夠提取足夠功率以在具有小線電流的電力線上操作。為了提取更多功率，必須增加芯層的寬度，但是同時(shí)為了使效率最大，必須同量地增加截面厚度。為了達(dá)到所希望的功率要求，必須使芯層截面的厚度增加到某種程度，此時(shí)不再保持其薄斷面外形，并且因此不再能夠安裝在限制體積中和密排線路上。
另外，該傳感器的芯層寬度有點(diǎn)不可彎曲，并且難以安裝在具有基本彎曲部分的電力線部分上。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種模制芯自供電式電力線傳感器，它以完全非侵入方式傳感交流電力線之中或周圍的條件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它有效地使得從交流電力線的功率提取最大，同時(shí)保持薄斷面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它能夠從極小線電流的電力線提取功率。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它非常容易彎曲。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它以完全非侵入方式由直接從交流電力線提取的小功率供電。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它能夠通過(guò)電力線本身發(fā)送所傳感的交流電力線之中和周圍的條件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它能夠以完全非侵入方式通過(guò)交流電力線對(duì)遠(yuǎn)距離基站發(fā)送和接收通信。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它安裝快速，容易和安全，不中斷或影響對(duì)用戶的供電。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它可以安裝在不同尺寸的電力線上。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它可以安裝在限制容積中的密排電纜上。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它斷面薄，尺寸緊湊，并且重量輕。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它由交流電力線機(jī)械支持。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣一種模制芯自供電式電力線傳感器，它便宜并且可自由使用。
本發(fā)明通過(guò)實(shí)現(xiàn)一種斷面非常薄的自供電式電力線傳感器而形成，該傳感器甚至能有效地從具有極小線電流的交流電力線中提取足夠功率來(lái)操作，它可以通過(guò)提供一種芯來(lái)實(shí)現(xiàn)，該芯包含多個(gè)安排在交流電力線周圍的薄斷面模制芯元件，各模制芯元件具有若干從交流電力線提取功率的繞組，其中各模制芯元件的繞組互連，以提供一個(gè)傳感交流電力線之中或周圍條件的傳感裝置，以及由繞組供電并對(duì)該傳感裝置敏感的控制器裝置，以接收指示所傳感條件的信號(hào)。
本發(fā)明以一種模制芯自供電式電力線傳感器為特征。該傳感器的電流提取裝置包括多個(gè)安排在交流電力線周圍的模制芯元件。有一個(gè)由交流電力線激勵(lì)的繞組層，它包括多個(gè)安排在各模制芯元件周圍的繞組。各模制芯元件的繞組互連。電壓和電流傳感器及其它傳感交流電力線之中或周圍條件的裝置在它們需要功率時(shí)由繞組供電。一個(gè)也由繞組供電的控制器對(duì)傳感裝置敏感，并且接收(和發(fā)送)指示所傳感條件的信號(hào)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電流提取裝置的模制芯元件優(yōu)選地為環(huán)形、薄斷面，并且它們可以用高導(dǎo)磁率鐵磁材料形成。模制芯元件的寬度可以近似等于它們的截面厚度。模制芯元件其中可以包含間隙，這些間隙可以推開(kāi)以使該電力線傳感器能夠安裝在交流電力線上及從交流電力線上移去。各模制芯元件的繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)電互連，并且繞組可以利用與交流電力線之間的非接觸式變壓器作用受到激勵(lì)。
電壓傳感器包括一個(gè)電容器，以電容性傳感交流電力線上的電壓，該電容器包括靠近交流電力線安排的第一和第二隔板，以及安排在板之間的電介質(zhì)。電介質(zhì)可以是空氣。第一和第二隔板可以同軸安排在交流電力線周圍。電流傳感器是一個(gè)電感器，它包括多個(gè)安排在第一和第二隔板周圍的繞組，以及一種分離材料?？梢允褂闷渌鼈鞲衅鱽?lái)傳感交流電力線之中或周圍的多個(gè)其它條件。
控制器裝置可以包括通過(guò)交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的信號(hào)的裝置。發(fā)送裝置可以向遠(yuǎn)距離基站發(fā)送信號(hào)。發(fā)送裝置可以包括一個(gè)安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個(gè)安排在該通信芯元件周圍以通過(guò)非接觸式變壓器作用把信號(hào)耦合到交流電力線的繞組?？刂破餮b置可以包括通過(guò)交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的信號(hào)的裝置，并且該發(fā)送裝置可以與電容器互連，以把信號(hào)電容性耦合到交流電力線?？刂破餮b置可以包括從遠(yuǎn)距離基站接收通信的裝置，并且該接收裝置可以與電容器互連，以從交流電力線電容性耦合通信。控制器裝置可以包括從遠(yuǎn)距離基站接收通過(guò)交流電力線發(fā)送的通信的裝置。接收裝置可以包括一個(gè)安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個(gè)安排在該通信芯元件周圍，以從交流電力線上耦合來(lái)自遠(yuǎn)距離基站的通信的繞組。控制器裝置可以包括通過(guò)交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的信號(hào)的裝置，以及接收從遠(yuǎn)距離基站所發(fā)送的通信的裝置，其中發(fā)送裝置和接收裝置與電容器互連，以把該控制器裝置所發(fā)送的信號(hào)電容性耦合到交流電力線，并且從交流電力線上電容性耦合由遠(yuǎn)距離基站所發(fā)送的信號(hào)。控制器裝置可以還包括從遠(yuǎn)距離基站接收通信的裝置，并且通信芯元件上的多個(gè)繞組可以通過(guò)非接觸式變壓器作用從交流電力線耦合通信?？刂破餮b置可以包括對(duì)預(yù)定時(shí)間期間指示所傳感條件的接收信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以建立標(biāo)稱條件電平的裝置，以及探測(cè)相對(duì)所述標(biāo)稱電平的變化的裝置。傳感條件可以是電壓。統(tǒng)計(jì)計(jì)算裝置可以包括對(duì)預(yù)定時(shí)間期間所接收信號(hào)進(jìn)行平均的裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將從以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例所作的敘述及附圖想到其它目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1A是按照本發(fā)明的模制芯自供電式電力線傳感器的三維視圖；圖1B是畫(huà)出有關(guān)圖1模制芯元件的繞組互連的示意圖；圖1C是圖1A所示模制芯自供電式電力線傳感器的傳感裝置的三維視圖；圖2畫(huà)出圖1模制芯自供電式電力線傳感器，在其周圍包有保護(hù)覆蓋層，并且在保護(hù)覆蓋層與傳感器繞組之間安排有電子元件。
圖3是圖1傳感器和基站兩者耦合到交流電力線的示意方塊圖；以及圖4是軟件流程圖，該軟件可以由圖3微控制器使用，以便為交流電力線之中或周圍的傳感條件建立基于時(shí)間的標(biāo)稱電平，以確定交流電力線之中或周圍相對(duì)該標(biāo)稱條件的變化。
圖1A示出了按照本發(fā)明安排在交流電力線12周圍的模制芯自供電式電力線傳感器10。電力線12包括導(dǎo)電股線(或單芯)14和絕緣橡膠層16。所示交流電力線12是典型用于地下二次配電應(yīng)用類型的電纜；然而，這不是本發(fā)明的必要限制，因?yàn)閭鞲衅?0可以用于具有絕緣或非絕緣電纜的架空二次電壓應(yīng)用，以及架空和地下一次電壓應(yīng)用。
傳感器10包括薄斷面模制芯元件18,20和22，通過(guò)推開(kāi)其中的間隙19,21和23以把芯元件安裝在電力線12上，并且然后使這些間隙彈性返回到它們的原始位置以把芯元件固定就位，使這些芯元件安排在電力線12周圍。芯元件由高導(dǎo)磁率鐵磁材料例如鋼形成，并且典型地包有絕緣材料。
芯元件18,20和22為環(huán)形，并且具有截面厚度T，近似等于它們的寬度W，典型地近似為1/2英寸。因此，如前文所述，它們近似構(gòu)成為最有效地從交流電力線12提取功率。還如前文所述，對(duì)于單芯系統(tǒng)，為了改善從交流電力線的功率提取量，必須增加芯的寬度，并且必須同量地增加其截面厚度以保持效率。但是，由于增加截面厚度來(lái)保持效率，就使傳感器的斷面變得非常厚，并且禁止了其在限制容積中和密排線路上的應(yīng)用。按照本發(fā)明，芯由若干模制芯元件組成，在本例為三個(gè)。這樣通過(guò)使芯元件的截面厚度近似等于它們的寬度則保持了效率，并且通過(guò)使用若干芯元件，可以限制傳感器的截面厚度以保持薄斷面，同時(shí)使功率提取增加。
使功率提取最優(yōu)的芯元件18,20和22的尺寸是使損耗最小，同時(shí)使芯上多個(gè)繞組(二次繞組)與穿過(guò)芯中央的電力線電纜(一次繞組)之間耦合最大的組合。
實(shí)際中所觀察的三項(xiàng)基本損耗有二次繞組電阻所引起的損耗，漏磁感應(yīng)所引起的損耗，以及在芯材料中感應(yīng)渦流所引起的損耗。存在其它損耗，并且根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)則它們會(huì)在或大或小程度上影響性能。然而，上述三項(xiàng)損耗是所觀察的主要損耗。
在傳感器的試驗(yàn)實(shí)施例中，芯包括由帶繞磁鋼材料制造的設(shè)計(jì)。對(duì)于帶繞，意味著芯是以螺旋方式纏繞一條連續(xù)鋼帶，形成極像一卷共帶的環(huán)形而制成。這種制造方法的優(yōu)點(diǎn)是它相對(duì)容易并且便宜，而且它允許使用對(duì)其優(yōu)先定向以使最大導(dǎo)磁率與鋼帶長(zhǎng)度成一直線的磁鋼。當(dāng)這樣定向的鋼帶繞成環(huán)形時(shí)，最大導(dǎo)磁率近似安排沿著環(huán)形芯體的環(huán)路。因此，最大導(dǎo)磁率通路與穿過(guò)環(huán)形芯的一次導(dǎo)體中電流流動(dòng)所產(chǎn)生的磁通的通路成一直線。如果帶繞芯由包有電絕緣層的磁性材料制造，那么該材料將形成一種芯結(jié)構(gòu)，其有效地限制從穿過(guò)芯的一次繞組的中央向外輻射指向的通路中的渦流流動(dòng)。然而，這樣結(jié)構(gòu)不趨于限制沿芯中與一次繞組平行的通路中的渦流流動(dòng)，并且芯中由一次繞組電流所感應(yīng)的渦流將趨于沿著這些平行通路。不考慮其它問(wèn)題，如果環(huán)形芯能電氣分隔成多個(gè)并排芯，以在與一次繞組平行的芯渦流通路中設(shè)置斷路，那么這些渦流將隨與它們有關(guān)的損耗(無(wú)效功率)而顯著降低。
可以使芯的截面最優(yōu)，以使損耗最小并使一次與二次繞組之間的耦合最大。典型芯具有內(nèi)徑R1，外徑R2和寬度W。芯截面厚度T為R1與R2之間的差，即T=R2-R1(1)一次與二次繞組之間的耦合可以以芯中磁通匝數(shù)為特征。二次繞組電阻和漏電感可以以芯上各二次帶的長(zhǎng)度或芯截面周邊的長(zhǎng)度(2T+2W)為特征。通過(guò)使磁通匝數(shù)最大并使芯截面周長(zhǎng)最小，可以使芯尺寸最優(yōu)。對(duì)于傳感器的預(yù)料尺寸范圍，最優(yōu)芯尺寸要求W對(duì)T(W/T)的比率近似為1到3范圍。如所述，該傳感器的試驗(yàn)實(shí)施例利用了三個(gè)芯18,20和22，各芯W(wǎng)/T比率近似為1。
通過(guò)把一條線例如28規(guī)磁線按若干匝纏繞在各芯元件18,20和22周圍，并且使各芯元件的繞組如圖1B所示串聯(lián)互連，則形成一個(gè)包括繞組24,26和28的繞組層。可選擇地，繞組可以并聯(lián)連接。通過(guò)非接觸式變壓器作用，電力線12中的交流功率在繞組24,26和28中感應(yīng)電流。選擇適當(dāng)?shù)睦@組比率，以便當(dāng)交流電力線12被激勵(lì)時(shí)，將在繞組中感應(yīng)希望電流。繞組匝數(shù)確定繞組中感應(yīng)電流與交流電力線12中電流之間的比，以達(dá)到使芯元件18,20和22包含等于或小于其飽和電平的感應(yīng)磁通密度的程度。對(duì)于線電流小到20安培，為了提取足夠功率來(lái)操作傳感器10，各芯元件的典型繞組數(shù)為75。通過(guò)增加芯元件或繞組或它們兩者的數(shù)目，可以使傳感器10提取更大功率，并且因此能在甚至更小的交流線電流下操作。
傳感器10還包括圖1A和圖1C的電壓和電流傳感裝置36。電壓由電容器37傳感，它具有靠近交流電力線12的絕緣層16的第一內(nèi)表面導(dǎo)體38和與內(nèi)導(dǎo)體38隔開(kāi)的外表面導(dǎo)體40。兩個(gè)導(dǎo)體同軸安排在交流電力線12周圍，并且在它們之間包含電介質(zhì)42，例如空氣或泡沫芯。電容器37用來(lái)傳感從交流電力線12電容性耦合的電壓，該電壓與電力線12的電壓成正比，并且如下所述，電容器用作一個(gè)接收器，以從電力線12電容性耦合高頻電力線通信。因?yàn)殡娙萜?7同軸安排在電力線12周圍，所以它趨于抵消可能靠近電力線12的多條電力線中而不是電力線12中功率的作用。
為了進(jìn)一步降低噪聲和/或外部磁場(chǎng)，例如鄰近電力線或其它電磁場(chǎng)源所產(chǎn)生的不希望有的作用，把內(nèi)表面導(dǎo)體38電連接到附加同軸板39和41，板39和41如板40那樣按相同方式在板38外部隔開(kāi)，并且在板39和38與板38和41之間有相同電介質(zhì)。附加板39和41各近似有外同軸板40的一半表面積，并且如所示電連接到內(nèi)同軸板38。因此，任何外部信號(hào)將趨于由內(nèi)同軸板38和外同軸板40兩者同等地拾取，并且在內(nèi)表面導(dǎo)體38與外表面導(dǎo)體40之間不表現(xiàn)示差測(cè)量?？梢詢H有一個(gè)同軸板，例如板39，它與外板40具有相同的表面積?？蛇x擇地，可以有三個(gè)同軸板，各有外板40的三分之一表面積。一般地，如果有n個(gè)板，則各板的表面積是外板40的表面積的1/n。
在電容器37周圍安排一個(gè)電感器43，它有若干纏繞在環(huán)形分離材料(例如泡沫)45周圍的電流測(cè)量繞組44。交流電力線12的電流在繞組44中感應(yīng)與交流電力線12中流動(dòng)的電流成正比的電流。因?yàn)殡姼衅?3纏繞在包含空氣或泡沫材料的分離材料45周圍，所以它不像典型鐵芯那樣變成飽和。因此傳感電流更為線性化，使其更準(zhǔn)確并更容易解釋。
分離材料45對(duì)繞組44起一個(gè)形狀作用，并且其材料具有空氣那樣的低導(dǎo)磁率。分離材料45可以具有較高導(dǎo)磁率，但是必須注意包括間隙或控制導(dǎo)磁率，以便形狀45的材料不變成磁飽和，并且由電感器43傳感的電流變成比線性化小且較難解釋。非線性化電流測(cè)量可以由電感器43傳感并加以準(zhǔn)確地解釋，然而這樣會(huì)對(duì)傳感器其它元件要求稍大復(fù)雜性。
電壓和電流傳感裝置36還包括一個(gè)其中形成的間隙46，以使該傳感裝置安裝在交流電力線12上或從交流電力線12移去。雖然電壓和電流傳感裝置36的電壓傳感器裝置(電容器37)和電流傳感器裝置(電感器43)表示為在相同位置安排在電力線12周圍，但是這不是本發(fā)明的必要限制。它們可以相互靠近或甚至相互隔開(kāi)安排。
通信裝置48由通信芯元件50和多個(gè)纏繞在芯元件50周圍，以通過(guò)非接觸式變壓器作用把通信從傳感器10非侵入地發(fā)送到交流電力線12的繞組52組成。優(yōu)選地，通信裝置48用作高頻通信發(fā)送器，以及傳感器36的電容器37除用作電壓傳感器外，還用作高頻通信接收器。然而任何一個(gè)都可以用來(lái)發(fā)送或接收或既發(fā)送又接收。因此，按照本發(fā)明與電力線進(jìn)行信號(hào)通信的非侵入耦合可以敘述為電抗耦合，以既包含電容性又包含電感性耦合技術(shù)。
傳感器10典型地包括一個(gè)提供電絕緣的保護(hù)覆蓋層62，如圖2所示。覆蓋層62通常由橡膠形成，并且用自硫化帶，粘合劑，或其它適當(dāng)裝置固定在繞組上?？蹘?3和64使電力線傳感器10在交流電力線12周圍可移去地固定就位。覆蓋層62執(zhí)行另外功能，即把安裝在可彎曲印刷電路板68上的若干電子元件66有效地夾在它與繞組表面之間。繞組(圖1B)與電子元件之間的電連接由該圖中不可見(jiàn)但在圖3示意表示的電連接來(lái)完成。電子元件66包括各種類型的傳感器，以實(shí)質(zhì)上傳感任何現(xiàn)象，例如溫度，壓力，輻射，濕度等；一個(gè)電源，由繞組24,26和28(圖1)供電，繞組24,26和28則通過(guò)與交流電力線12的非接觸式變壓器作用來(lái)激勵(lì)；一個(gè)微控制器；以及各種其它元件，它們?cè)谙挛膮⒖紙D3作更詳細(xì)地討論。
雖然圖2所畫(huà)所有電子元件表示為固定在可彎曲電路板68上，但是這不是必要的，因?yàn)閭鞲衅骺梢园才琶撻_(kāi)電路板68，并夾在保護(hù)覆蓋層62與繞組之間，或傳感器甚至可以安置在保護(hù)覆蓋層62的外部，以傳感保護(hù)覆蓋層62外部周圍一定類型的現(xiàn)象。
在圖3系統(tǒng)100中示意畫(huà)出了模制芯自供電式電力線傳感器10。用繞組24,26和28從交流電力線12得到模制芯自供電式電力線傳感器10的功率，交流電力線12可以是單相電力線，單相電力線可以是單獨(dú)的或是多相輸電或配電系統(tǒng)的一部分，繞組24,26和28在本圖中為了清晰畫(huà)為單繞組。這些繞組用線103和104與電源102連接，電源102安排在可彎曲電路板68上。電源102可以是交流到直流調(diào)節(jié)器集成電路，它對(duì)微控制器106提供5V直流，而且它還提供可以由一個(gè)或多個(gè)傳感器或其它電子元件所使用的±12V和+5V輸出。
微控制器106可以是一個(gè)具有模擬-數(shù)字變換器的8位嵌入式控制器。傳感器108-112表示為與微控制器106互連，然而，可以使用不同數(shù)目的傳感器。傳感器108至110安排在可彎曲電路板68上，而傳感器111和112安排在圖2保護(hù)覆蓋層62的外部。僅有一個(gè)傳感器即傳感器112由電源102供電，因?yàn)槭Ｓ鄠鞲衅鞑恍枰獠侩娫磥?lái)操作。這些傳感器對(duì)微控制器106提供一個(gè)模擬或數(shù)字信號(hào)，表示在交流電力線12之中或周圍所傳感的特定條件。除這些傳感器外，還示出了操作為電壓傳感器的電容器37和操作為電流傳感器的電感器43。
電容器37由線114和115與信號(hào)調(diào)節(jié)器116互連，信號(hào)調(diào)節(jié)器116對(duì)所傳感信號(hào)執(zhí)行放大和濾波，以與微控制器106的輸入要求相匹配。電壓傳感器37的信號(hào)是一個(gè)電容性耦合的電壓，表示交流電力線12上的瞬時(shí)電壓。因?yàn)闆](méi)有參考電壓，所以電壓傳感器37不對(duì)微控制器106提供絕對(duì)電壓讀數(shù)。然而，通過(guò)監(jiān)視一段時(shí)間期間由電容器37所提供的瞬時(shí)電壓電平，可以確定平均或標(biāo)稱電壓電平，并且在確立標(biāo)稱電平之后，可以由電容器37提供的瞬時(shí)輸入解出相對(duì)標(biāo)稱電壓電平的變化。微控制器106可以對(duì)非參考電壓輸入信號(hào)進(jìn)行其它統(tǒng)計(jì)計(jì)算，例如加權(quán)，并且可以由這些其它類型的統(tǒng)計(jì)確定來(lái)確定偏差。
電流傳感由電感器43執(zhí)行，電感器43中感應(yīng)了與電力線12中交流線電流成正比的電流。感應(yīng)電流然后提供給電流拾取信號(hào)調(diào)節(jié)器117，它在把信號(hào)供給微控制器106之前對(duì)其放大和濾波。
傳感器108-110安排在可彎曲電路板68上，并且傳感器111和112安排在保護(hù)覆蓋層62的外部。這些傳感器例如可以傳感溫度，壓力，氣體，濕度，輻射或光(可見(jiàn)或紅外)。事實(shí)上，可以利用實(shí)際傳感任何現(xiàn)象的傳感器。某些傳感器，例如溫度傳感器或輻射傳感器，可以直接安裝在可彎曲電路板68上，其它傳感器，例如傳感器111和112，僅在安排在保護(hù)覆蓋層62外部下操作，這些傳感器例如傳感氣體和光。
傳感器108-112及電壓和電流傳感器36連續(xù)地傳感交流電力線12之中或周圍的各種條件，并且對(duì)微控制器106提供表示這些傳感條件的模擬或數(shù)字信號(hào)。如果必要，控制器106把傳感器所提供的信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，然后控制器106產(chǎn)生表示所傳感條件的通信數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)通過(guò)線118提供給電力線載波電子線路120，其對(duì)數(shù)據(jù)編碼。然后電力線載波電子線路120把編碼數(shù)據(jù)提供給輸出激勵(lì)器112，其對(duì)通信裝置48的繞組52發(fā)送低電壓高電流脈沖，以通過(guò)非接觸式變壓器作用把傳感器10的微控制器106的發(fā)送非侵入地耦合到交流電力線12。為了本地讀出電力線的條件，可以在線118和119上連接存儲(chǔ)裝置129。存儲(chǔ)裝置129安排在靠近電力線某個(gè)方便位置處。
可選擇地，如虛線所示，激勵(lì)器122的輸出可以通過(guò)線124和125分別提供給圖1電容器37的內(nèi)表面導(dǎo)體38和外表面導(dǎo)體40。在該布置中，從微控制器106發(fā)送的信號(hào)電容性耦合到交流電力線12，并且激勵(lì)器122必須構(gòu)成為提供高電壓低電流輸出脈沖。目前優(yōu)選地使激勵(lì)器122構(gòu)成為激勵(lì)通信裝置48的繞組52。激勵(lì)器122可以為高電壓放大器(倒相或同相)。
微控制器106發(fā)送的數(shù)據(jù)包含識(shí)別電力線傳感器10的識(shí)別碼，以及對(duì)電力線10上各單個(gè)特定傳感器(108-112及37和43)指示所發(fā)送數(shù)據(jù)類型的識(shí)別碼。也就是，發(fā)送包括關(guān)于發(fā)送源頭的信息(許多電力線傳感器可以用于電力公司配電系統(tǒng)中各個(gè)位置)，以及關(guān)于所發(fā)送數(shù)據(jù)類型的信息，即它是否是關(guān)于電壓，電流，溫度，輻射等的數(shù)據(jù)。所感興趣的發(fā)送和識(shí)別碼和數(shù)據(jù)可以按照常規(guī)基準(zhǔn)出現(xiàn)，按照時(shí)間當(dāng)傳感到特定門檻值時(shí)出現(xiàn)，或按照任何希望準(zhǔn)則出現(xiàn)。通信編碼可以遵照所選擇的正式通信系統(tǒng)規(guī)范或協(xié)議。協(xié)議可以基于ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)Geneva,Switzerland所提出的用于通信的OSI(開(kāi)放系統(tǒng)互連)參考模型。也可以利用任何其它適用于電力線通信的通信編碼。
傳感器10發(fā)送的數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)距離基站126接收?；?26用連接到電力線12’的直接電接線127和128與電力線12互連，電力線12’是配電或輸電系統(tǒng)電力線的一部分，并且典型地或?yàn)榻拥鼐€，中性線，或?yàn)榕c電力線12’不同相的一條電力線(在多相系統(tǒng)中)。然而，與電力線的連接可以用非接觸式變壓器作用或電容性耦合來(lái)完成，如上關(guān)于傳感器10所述。例如，電感器43’可以用來(lái)通過(guò)非侵入電感性耦合提供與電力線的連接，以及/或者電容器37’可以用來(lái)提供非侵入電容性耦合。所發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)與傳感器10的通信模數(shù)相匹配的標(biāo)準(zhǔn)電力線載波調(diào)制解調(diào)器130提供給計(jì)算機(jī)132?；?26還能夠通過(guò)電力線載波調(diào)制解調(diào)器130從計(jì)算機(jī)132對(duì)交流電力線12發(fā)送數(shù)據(jù)。于是，例如基站126可以一經(jīng)要求就對(duì)模制芯自供電式電力線傳感器10和系統(tǒng)上任何其它電力線傳感器查詢傳感器信息，而不是被動(dòng)地等待電力線傳感器的發(fā)送。此外，電力線傳感器可以從基站126重編程。
遠(yuǎn)距離基站126發(fā)送的編碼通信優(yōu)選地由電容器37用電容性耦合從交流電力線12接收。這些高頻通信信號(hào)提供給高通濾波器134和136，使它們通過(guò)其中，并且提供給電力線載波電子線路120。電力線載波電子線路120對(duì)通信信號(hào)譯碼，然后通過(guò)線119把它們發(fā)送到微控制器106。
可選擇地，通信裝置48的繞組52可以用來(lái)從遠(yuǎn)距離基站126接收通信。這是通過(guò)提供把繞組52與高通濾波器134和136互連的引線138和139(虛線所畫(huà))來(lái)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)該注意，雖然優(yōu)選地在傳感器10與基站126之間使用非侵入式電力線通信，但這不是本發(fā)明的必要限制?？梢岳弥苯咏佑|的電力線通信或非電力線通信，例如射頻，電話線調(diào)制解調(diào)器，電纜電視，蜂窩電話，紅外線，纖維光纜，微波，或超聲波通信。
微控制器106執(zhí)行所傳感條件的模擬-數(shù)字變換，對(duì)存儲(chǔ)先前傳感條件的存儲(chǔ)單元進(jìn)行計(jì)算和更新，執(zhí)行數(shù)值運(yùn)算，例如確定流動(dòng)時(shí)間平均數(shù)等，跟蹤時(shí)間以便同步，以及控制模制芯自供電式電力線傳感器10與基站126之間的通信。
微控制器106能對(duì)基站126提供特定傳感條件的實(shí)際瞬時(shí)值，例如實(shí)際溫度或輻射讀數(shù)。然而，它還能對(duì)基站126提供所傳感的特定條件已相對(duì)標(biāo)稱電平變化的指示，以及這樣變化的量。如上簡(jiǎn)單所述，電壓傳感要求這種數(shù)據(jù)發(fā)送，因?yàn)闆](méi)有傳感電壓可以與之比較以確定絕對(duì)電壓的參考電平。因此，把傳感電壓與標(biāo)稱電平比較，并且確定和向基站126發(fā)送所傳感電壓相對(duì)標(biāo)稱電平的變化。標(biāo)稱電平可以是平均電壓電平，或可以對(duì)傳感電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行其它類型的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，例如加權(quán)，并且可以與標(biāo)稱電平比較以確定相對(duì)標(biāo)稱電平的變化。此外，雖然這個(gè)過(guò)程不要求對(duì)所有類型的傳感器執(zhí)行(因?yàn)樵S多傳感器提供所傳感條件的絕對(duì)值)，但是它可以為所傳感的任何條件所使用。事實(shí)上，提供相對(duì)傳感條件的標(biāo)稱電平的變化要比提供實(shí)際絕對(duì)傳感值可能更有用。這是因?yàn)樵谠S多實(shí)例中，所監(jiān)視的條件不是按實(shí)際值監(jiān)視，而是按相對(duì)某個(gè)標(biāo)稱值的變化來(lái)監(jiān)視它們。
為了探測(cè)和發(fā)送相對(duì)傳感條件的標(biāo)稱電平的變化，微控制器106按照?qǐng)D4流程圖150操作。在步驟152，安裝模制芯自供電式電力線傳感器，并在步驟154連續(xù)瞬時(shí)地得到一個(gè)條件或多個(gè)條件(例如電壓，電流，溫度，輻射等)。在步驟156，對(duì)時(shí)間t期間所傳感條件的瞬時(shí)值按照時(shí)間平均，或進(jìn)行其它類型的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，例如加權(quán)，以確定交流電力線上該條件的標(biāo)稱電平。此時(shí)，就已確定希望類型的統(tǒng)計(jì)計(jì)算的標(biāo)稱電平來(lái)說(shuō)，完成了初始校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過(guò)程可以從幾秒到幾周甚至幾月任意執(zhí)行，以得到準(zhǔn)確的標(biāo)稱電平讀數(shù)。在初始校準(zhǔn)過(guò)程完成之后，在步驟158把步驟154所得到的瞬時(shí)值與標(biāo)稱電平比較。在確定初始標(biāo)稱電平之后，由新的瞬時(shí)傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)地對(duì)它再計(jì)算。在步驟160，確定瞬時(shí)值是否相對(duì)標(biāo)稱電平變化，并且如果是，在步驟162對(duì)遠(yuǎn)距離基站發(fā)送一個(gè)指示有變化及該變化程度的信號(hào)。不論是否探測(cè)到變化，系統(tǒng)都返回到步驟154以得到另一個(gè)瞬時(shí)值，并且該過(guò)程一直繼續(xù)，直到從交流電力線上移去傳感器或不再要求確定所傳感的特定條件為止。
雖然在一些附圖中表示了本發(fā)明的特定特點(diǎn)，而沒(méi)有表示其它特點(diǎn)，但這僅為了方便，因?yàn)楦魈攸c(diǎn)可以與按照本發(fā)明的任何或所有其它特點(diǎn)相結(jié)合。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)想到其它種種實(shí)施例，它們屬于下列權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種模制芯自供電式電力線傳感器，包括多個(gè)模制芯元件，安排在交流電力線周圍；一個(gè)繞組層，由交流電力線激勵(lì)，包括多個(gè)安排在各所述模制芯元件周圍的繞組，其中各所述模制芯元件的繞組互連；傳感交流電力線之中或周圍的條件的裝置；以及控制器裝置，由所述繞組供電，并對(duì)所述傳感裝置敏感，以接收指示所傳感條件的信號(hào)。
2．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述模制芯元件為環(huán)形。
3．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述模制芯元件為薄斷面。
4．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述模制芯元件由高導(dǎo)磁率鐵磁材料形成。
5．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中各所述模制芯元件的寬度近似等于其截面厚度。
6．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述模制芯元件之中包含可以推開(kāi)的間隙，以使電力線傳感器能夠安裝在交流電力線上或從交流電力線上移去。
7．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中各所述模制芯元件的繞組以串聯(lián)或并聯(lián)方式電互連。
8．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述多個(gè)繞組通過(guò)與交流電力線的非接觸式變壓器作用受到激勵(lì)。
9．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述傳感條件的裝置包括傳感交流電力線上電壓的裝置。
10．權(quán)利要求9的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述傳感電壓的裝置包括一個(gè)電容性傳感交流電力線上電壓的電容器，該電容器包括靠近所述交流電力線安排的內(nèi)和外隔板，以及安排在所述隔板之間的電介質(zhì)。
11．權(quán)利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述電介質(zhì)為空氣。
12．權(quán)利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述第一和第二隔板同軸安排在所述交流電力線周圍。
13．權(quán)利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，還包括n個(gè)附加板，與所述內(nèi)同軸板電連接，以降低噪聲。
14．權(quán)利要求13的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述n個(gè)附加板表面積各近似為所述外板的表面積的1/n。
15．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述傳感裝置包括傳感交流電力線的電流的裝置。
16．權(quán)利要求15的傳感器，其中所述傳感裝置包括一個(gè)電感器。
17．權(quán)利要求16的傳感器，其中所述電感器包括多個(gè)電流測(cè)量繞組，纏繞在一個(gè)分離材料周圍，分離材料安排在電力線周圍。
18．權(quán)利要求17的傳感器，其中所述分離材料具有低導(dǎo)磁率。
19．權(quán)利要求17的傳感器，其中所述分離材料為泡沫。
20．權(quán)利要求17的傳感器，其中所述分離材料為環(huán)形。
21．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述傳感條件的裝置包括傳感交流電力線之中或周圍的多個(gè)條件的裝置。
22．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置包括通過(guò)交流電力線發(fā)送指示所傳感的條件的所述信號(hào)的裝置。
23．權(quán)利要求22的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述發(fā)送裝置對(duì)一個(gè)遠(yuǎn)距離基站發(fā)送所述信號(hào)。
24．權(quán)利要求23的傳感器，其中所述發(fā)送裝置對(duì)一個(gè)靠近電力線安排的存儲(chǔ)裝置發(fā)送所述信號(hào)。
25．權(quán)利要求22的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述發(fā)送裝置包括一個(gè)安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個(gè)安排在所述通信芯元件周圍，以通過(guò)非接觸式變壓器作用把所述信號(hào)耦合到交流電力線的繞組。
26．權(quán)利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置包括通過(guò)交流電力線發(fā)送指示所傳感的條件的所述信號(hào)的裝置，并且所述發(fā)送裝置與所述電容器互連，以把所述信號(hào)電容性耦合到交流電力線。
27．權(quán)利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置包括從遠(yuǎn)距離基站接收通信的裝置，并且所述接收裝置與所述電容器互連，以從電力線電容性耦合通信。
28．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置包括從遠(yuǎn)距離基站接收通過(guò)交流電力線發(fā)送的通信。
29．權(quán)利要求28的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述接收裝置包括一個(gè)安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個(gè)安排在所述通信芯元件周圍，以從交流電力線上耦合來(lái)自所述遠(yuǎn)距離基站的通信的繞組。
30．權(quán)利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置包括通過(guò)交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的所述信號(hào)的裝置，以及接收從遠(yuǎn)距離基站發(fā)送的通信的裝置，其中所述發(fā)送裝置和接收裝置與所述電容器互連，以把所述控制器裝置發(fā)送的信號(hào)電容性耦合到交流電力線，及從交流電力線電容性耦合所述遠(yuǎn)距離基站所發(fā)送的信號(hào)。
31．權(quán)利要求25的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置還包括從遠(yuǎn)距離基站接收通信的裝置，并且所述通信芯元件上的所述多個(gè)繞組通過(guò)非接觸式變壓器作用從交流電力線耦合所述通信。
32．權(quán)利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述控制器裝置包括對(duì)預(yù)定時(shí)間期間指示所述傳感條件的所述接收信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以建立標(biāo)稱條件電平的裝置，以及探測(cè)相對(duì)所述標(biāo)稱電平的變化的裝置。
33．權(quán)利要求32的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述傳感條件為電壓。
34．權(quán)利要求32的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述統(tǒng)計(jì)計(jì)算裝置包括對(duì)所述預(yù)定時(shí)間期間接收的所述信號(hào)進(jìn)行平均的裝置。
35．一種模制芯自供電式電力線傳感器系統(tǒng)，包括多個(gè)模制芯元件，安排在交流電力線周圍；一個(gè)繞組層，由交流電力線激勵(lì)，包括多個(gè)安排在各所述模制芯元件周圍的繞組，其中各所述模制芯元件的繞組互連；傳感交流電力線之中或周圍的條件的裝置；以及控制器裝置，由所述繞組供電，并對(duì)所述傳感裝置敏感，以接收指示所傳感條件的信號(hào)，以通過(guò)所述交流電力線對(duì)遠(yuǎn)距離基站發(fā)送所述接收信號(hào)，以及接收從所述遠(yuǎn)距離基站發(fā)送的通信。
36．一種用于電力線的傳感裝置，該傳感裝置包括一個(gè)傳感電壓的電容器，包括一對(duì)安排在電力線周圍的隔開(kāi)內(nèi)板和外板，以及安排在所述板之間的電介質(zhì)；以及一個(gè)傳感電流的電感器，包括一個(gè)安排在電力線周圍的分離材料，以及多個(gè)纏繞在所述分離材料周圍的繞組。
37．權(quán)利要求36的傳感裝置，其中所述電容器還包括n個(gè)與所述內(nèi)板電連接的附加板，各所述板的表面積近似等于所述外板的表面積的1/n，以降低噪聲。
38．權(quán)利要求36的傳感裝置，其中所述內(nèi)板和外板為環(huán)形。
39．權(quán)利要求36的傳感裝置，其中所述分離材料具有低導(dǎo)磁率。
40．權(quán)利要求39的傳感裝置，其中所述分離材料為泡沫。
41．權(quán)利要求39的傳感裝置，其中所述分離材料為環(huán)形。
42．權(quán)利要求36的傳感裝置，其中所述電感器安排在所述電容器上。
43．權(quán)利要求42的傳感裝置，其中所述繞組纏繞在所述電容器上。
44．一種功率提取裝置，包括多個(gè)模制芯元件，安排在交流電力線周圍；以及一個(gè)繞組層，由所述交流電力線激勵(lì)，包括多個(gè)安排在各所述模制芯元件周圍的繞組，其中各模制芯元件的繞組互連。
45．權(quán)利要求44的功率提取裝置，其中所述模制芯元件為環(huán)形。
46．權(quán)利要求44的功率提取裝置，其中所述模制芯元件為薄斷面。
47．權(quán)利要求44的功率提取裝置，其中所述模制芯元件由高導(dǎo)磁率鐵磁材料形成。
48．權(quán)利要求44的功率提取裝置，其中各所述模制芯元件的寬度近似等于其截面厚度。
49．權(quán)利要求44的功率提取裝置，其中所述模制芯元件之中包含可以推開(kāi)的間隙，以使電力線傳感器能夠安裝在交流電力線上及從交流電力線上移去。
全文摘要
一種模制芯自供電式電力線傳感器(10)包括多個(gè)模制芯元件(18,20,22),安排在交流電力線(12)周圍;一個(gè)繞組層,由交流電力線激勵(lì),包括多個(gè)安排在各模制芯元件(18,20,22)周圍的互連繞組(24,26,28);一個(gè)或多個(gè)傳感器(36),以傳感交流電力線(12)之中或周圍的條件;以及一個(gè)控制器(106),由繞組(24,26,28)供電,并對(duì)傳感器(36)敏感,以接收指示所傳感條件的信號(hào)。
文檔編號(hào)H01F30/16GK1210605SQ9719206
公開(kāi)日1999年3月10日 申請(qǐng)日期1997年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月1日
發(fā)明者理查德·M·威斯曼, 蒂莫西·J·梅森, 加里·R·巴斯塔雷切 申請(qǐng)人:福斯特·米勒公司