專利名稱：具有軸向重疊電極和局部場傳感器的高壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量第一和第二接觸點(diǎn)之間的電壓的電壓傳感器，特別地涉及具有在這些接觸點(diǎn)之間延伸的例如絕緣材料主體的絕緣體以及具有布置在所述主體中的電極的電壓傳感器。本發(fā)明還涉及串聯(lián)布置的若干這樣的電壓傳感器的組裝件。
背景技術(shù)：
光學(xué)高壓傳感器通常依賴?yán)鏐i4Ge3O12 (BGO)的晶狀材料中的電光效應(yīng)(Pockels效應(yīng))[I]。施加的電壓在傳播通過晶體的兩個(gè)正交線性偏振光波之間引入差分光學(xué)相移。該相移與電壓成比例。在晶體末端處，光波通常在偏振器處干渉。所得的光強(qiáng)度起到相移并且從而電壓的測量的作用。US 4，904，931 [2]和US 5，715，058 [3]公開了傳感器，其中在單個(gè)BGO晶體的長度上施加全線路電壓(多達(dá)若干個(gè)IOOkV) [I]。用于從所得的調(diào)制圖樣檢索施加電壓的方法在[4]中描述。優(yōu)點(diǎn)是傳感器信號對應(yīng)于真實(shí)電壓(即沿晶體的電場的線積分)。然而，晶體處的電場強(qiáng)度非常高。為了獲得足夠的介電強(qiáng)度，晶體安裝在中空高壓絕緣體中，其由用SF6氣體在壓カ下填充的光纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制成用于電絕緣。絕緣體直徑足夠大以使絕緣體外的空氣中的場強(qiáng)度保持在臨界極限以下。在EP 0 316 635[5]中，在使用例如在EP 0 316 619[6]中更詳細(xì)描述的那些的壓電感測元件通過多個(gè)局部電場測量估算施加電壓的方面描述傳感器。利用壓電晶體的正確的選擇和取向，僅測量電場的ー個(gè)分量并且從而對外部場擾動的靈敏度下降。相似的概念已經(jīng)在US 6，140, 810[7]中描述。然而，在這里，単獨(dú)的壓電感測元件配備有場轉(zhuǎn)向電極并且與電導(dǎo)體連接使得執(zhí)行電場的全積分。在若干晶體之間劃分電壓使峰值電場降低使得細(xì)長的絕緣體足以提供需要的介電強(qiáng)度。US 6，252，388[8]和US 6，380, 725[9]進(jìn)ー步描述了使用沿中空高壓絕緣體的縱軸安裝在選擇位置處的若干小的電光晶體的電壓傳感器。這些晶體測量它們位點(diǎn)處的電場。這些局部場測量的總和起到施加于絕緣體的電壓的近似的作用。這里，給定電壓處的場強(qiáng)度明顯低于具有[2]的設(shè)計(jì)的并且具有以大氣壓カ的氮的絕緣是足夠的。然而，因?yàn)閭鞲衅鞑粶y量場的線積分但從地與高壓之間的一些選擇點(diǎn)處的場強(qiáng)度得到信號，用于使電場分布穩(wěn)定的額外的測量(介電常數(shù)屏蔽或電阻屏蔽)是必需的以避免過多的近似誤差[9]。上文的概念的缺點(diǎn)是需要昂貴的大型高壓絕緣體。外部尺寸與對應(yīng)的常規(guī)感應(yīng)電壓互感器或電容性分壓器中的ー些相似。從而，這樣的光學(xué)傳感器的吸引力受到限制。參考文獻(xiàn)[10]和[11]描述了如在[2，3]中的類型的電光電壓傳感器，但具有嵌入硅酮內(nèi)的電光晶體。從而避免大型中空高壓絕緣體和SF6,體絕緣。如在[7]中的，電壓可在若干晶體上分區(qū)。當(dāng)僅測量總電壓的一部分時(shí)，可以使用更緊湊的集成傳感器，例如參見US5，029，273 [12]。用于從測量信號提取電光相位調(diào)制的各種技術(shù)是已知的如上文描述的，在[4]中使用的技術(shù)依賴超過電光晶體的半波電壓的施加電壓。此外，需要正交信號或用于實(shí)現(xiàn)不模糊輸出的一些其他手段。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以使用標(biāo)準(zhǔn)單模(SM)或多模(MM)光纖將光從光源引導(dǎo)到傳感器晶體ー即，不需要保偏(PM)光纖。對測量獲得線性偏振所需要的偏振器可以并入感測元件中。同樣，到檢測器的返回光纖可以是非PM光纖。對于比晶體半波電壓低得多的電壓，另ー個(gè)偏振測定技術(shù)在[13]中公布。該技術(shù)特別適合于使用局部場傳感器的測量。這些傳感器僅測量總線路電壓的一部分，其比用全積分測量的電壓小得多。用于基于非互易相位調(diào)制檢索電光相移的技術(shù)從光纖陀螺儀知道[14]并且對于光纖電流傳感器也已經(jīng)描述[15]。它已經(jīng)適合于與壓電和電光電壓傳感器一起使用[16,17]。它特別適合于小的相移，但對于安置在高壓絕緣體中的感測元件和光學(xué)相位調(diào)制器(典型地位于光源和檢測器附近)之間的鏈路一般需要使用PM光纖。另ー個(gè)概念從高壓套管知道。在高壓系統(tǒng)中通常需要使高壓導(dǎo)體通過其他導(dǎo)電部件或在其他導(dǎo)電部件附近，這些導(dǎo)電部件處于地電勢(例如在電カ變壓器處)。由于該目的，高壓導(dǎo)體包含在饋通絕緣體內(nèi)。該絕緣體包含與高壓導(dǎo)體同軸并且互相絕緣的若干層金屬箔。通過適當(dāng)?shù)剡x擇金屬箔的單獨(dú)的圓柱的長度，電場在套管內(nèi)和附近的分布可以采用從高壓電勢到地電勢的相對均勻電壓降沿套管的外表面出現(xiàn)這樣的方式而控制[18，19]。

發(fā)明內(nèi)容
要由本發(fā)明解決的問題是提供用于測量備選設(shè)計(jì)的第一和第二接觸點(diǎn)之間的電壓的電壓傳感器。該問題由權(quán)利要求1的電壓傳感器解決。因此，該電壓傳感器包括絕緣體。絕緣體是伸長的并且沿第一和第二接觸點(diǎn)之間的軸向方向延伸。電場傳感器布置在絕緣體內(nèi)部的感測腔內(nèi)。典型地，感測腔的長度明顯短于絕緣體的長度。此外，多個(gè)導(dǎo)電電極布置在絕緣體中。這些電極由絕緣材料而互相分離并且電容性地耦合于彼此。電極的至少子集(或電極的整個(gè)組)被布置使得該子集的每個(gè)電極與來自該子集的電極中的至少另ー個(gè)軸向重疊。電極允許控制等電勢表面使得在絕緣體的外表面上電壓在絕緣體的全長上下降而在絕緣體內(nèi)部電壓在感測腔的(較短)長度上下降。有利地，電壓沿絕緣體的外表面和在感測腔的長度上基本上都均勻地下降。然而，在缺乏電壓傳感器的情況下，等電勢表面的法線基本上平行于軸向方向，如果這樣的電極存在，則該法線在電極附近垂直于軸向方向。電極允許使電場集中在感測腔內(nèi)，其中場強(qiáng)度大于電壓傳感器外部處的(平均)場強(qiáng)度，即大于由接觸點(diǎn)之間電壓除以接觸點(diǎn)之間的距離。至少ー個(gè)電場傳感器在它僅測量腔的軸向延伸的一部分上的場的意義中是局部電場傳感器。該設(shè)計(jì)消除了使用大的場傳感器的需要。有利地，該至少一個(gè)場傳感器是光場傳感器，其在以下之間引入場依賴相移A小
一通過它的光的第一傳感器偏振或傳感器模式與
一第二傳感器偏振或傳感器模式。這樣的光場傳感器例如可以是具有場依賴雙折射的電光裝置，特別地，晶體(例如BGO或BSO)或極化波導(dǎo)的段。然而，光場傳感器也可以是壓電裝置，特別地晶狀石英或壓電陶瓷的壓電裝置，和攜帯至少兩個(gè)模式的波導(dǎo)，其中該波導(dǎo)連接到該壓電裝置使得波導(dǎo)的長度是場依賴的。有利地，電極中的至少ー個(gè)是徑向環(huán)繞所述感測腔的屏蔽電扱。該屏蔽電極可以電容性地耦合于電極的兩個(gè)子集并且它防止感測腔內(nèi)的高電場延伸到傳感器外部的空氣中。有利地，電壓傳感器包括互相交錯(cuò)的電極的兩組。本發(fā)明在其有利實(shí)施例中提供具有低成本的細(xì)長且重量輕的絕緣體的高壓傳感器。電極提供電場轉(zhuǎn)向?？蓾M足固態(tài)絕緣(不是油或氣體)。本發(fā)明還涉及串聯(lián)的這樣的高壓傳感器的組裝件。相同高壓傳感器的若干模塊的組合可以用于測量大范圍的不同的電壓水平。其他有利實(shí)施例在從屬的權(quán)利要求中以及下文的描述中列出。


從本發(fā)明的下列詳細(xì)描述將更好理解本發(fā)明并且除上文闡述的那些之外的目標(biāo)將變得明顯。這樣的描述參照附圖，其中
圖1是電壓傳感器的截面圖，
圖2示出計(jì)算的測量腔內(nèi)部的等電勢線(省略了場轉(zhuǎn)向電極)，
圖3示出對于三個(gè)不同邊界條件沿測量內(nèi)部的軸向方向的相對場強(qiáng)度，
圖4示出(a)單個(gè)電壓傳感器以及(b)兩個(gè)和(C)四個(gè)電壓傳感器的組裝件，
圖5示出對沒有四分之一波片的塊狀晶體中的準(zhǔn)直束的感測組裝件，
圖6示出對具有四分之一波片的塊狀晶體中的準(zhǔn)直束的感測組裝件，
圖7示出作為圖5和6的感測組裝件的施加電壓的函數(shù)的測量強(qiáng)度，
圖8示出具有分束器的感測組裝件，
圖9示出具有保偏光纖以允許將分束器和偏振器與電光晶體分離的組裝件，
圖10不出具有兩個(gè)偏振器(a)或一個(gè)偏振器(b)的波導(dǎo)光學(xué)傳感器，
圖11示出對使用具有單個(gè)光場傳感器的非互易相位調(diào)制的檢測的配置，
圖12示出使用具有結(jié)合PM光纖軸的90°旋轉(zhuǎn)的單個(gè)光場傳感器的非互易相位調(diào)制的配置，
圖13示出使用多個(gè)晶體的非互易相位調(diào)制檢測的配置(a)安置在相同光纖段中的感測元件，(b)安置在兩個(gè)不同的光纖段(其中光纖旋轉(zhuǎn)90° )中的晶體，(C)安置在兩個(gè)不同光纖段中并且相對于彼此反平行取向的晶體，Cd)直接添加到晶體末端而不是光纖末端的反射涂層或鏡，
圖14示出在模塊化配置中使用多個(gè)電光(EO)晶體的非互易相位調(diào)制檢測的配置，
圖15示出具有感測元件的平行布置(其導(dǎo)致三個(gè)平行測量通道)的配置，其中通道可以共享共同光源和信號處理器，
圖16示出具有振動補(bǔ)償?shù)呐渲茫渲芯w的電光軸的取向由字母z和數(shù)字I和2描繪，兩個(gè)正交偏振由實(shí)線和虛線箭頭示出，
圖17不出介電襯底上的場傳感器。
具體實(shí)施例方式定義
術(shù)語“高壓”指超過10kv，特別地超過IOOkV的電壓。術(shù)語“徑向”和“軸向”關(guān)于傳感器的軸向方向(沿軸8，z軸)理解，其中徑向指垂直于軸向方向的方向，并且軸向指平行于軸向方向的方向。給定電極“軸向重疊”另一個(gè)電極指示存在兩個(gè)電極共同具有的軸向坐標(biāo)(z坐標(biāo))的范圍。具有電場轉(zhuǎn)向的電壓傳感器 圖1示出電壓傳感器的ー實(shí)施例。本實(shí)施例包括具有中空芯的伸長的有利桿狀主體，所述主體具有形成絕緣體I的例如環(huán)氧樹脂或浸潰有環(huán)氧樹脂的紙的絕緣材料，而不是使用介電常數(shù)屏蔽[8]或電阻屏蔽[9]。它在第一接觸點(diǎn)2與第二接觸點(diǎn)3之間延伸，其兩者可配備有金屬接觸4用于接觸鄰近電壓傳感器或電壓電勢。在本實(shí)施例中，絕緣體I是圓柱形的。它具有用填充物材料填充的中心孔5。至少ー個(gè)電場傳感器6 (在本實(shí)施例中是例如圓柱形Bi4Ge3O12 (BGO)或Bi4Si3O12(BSO)晶體的光場傳感器，)被放置在感測腔7內(nèi)的孔5內(nèi)部。感測腔7有利地在第一接觸點(diǎn)2與第二接觸點(diǎn)3之間的中心處以便使電壓傳感器周圍的電場畸變最小化。垂直于裝置的軸8并且布置在感測腔7的中心處的參考平面16在下面用作幾何參考，用于描述電極中的一些的幾何形狀。注意這里假設(shè)感測腔7位于接觸點(diǎn)2與3的中間。將簡潔地在下文進(jìn)ー步考慮感測腔7的不對稱位置。此外，注意術(shù)語“腔”不暗指在相應(yīng)區(qū)中缺乏絕緣材料。多個(gè)電極E布置在絕緣體I中。這些電極E由絕緣體I的絕緣材料而互相分離并且電容性地耦合于彼此。在本實(shí)施例中，電極E由金屬螺旋形物(例如由薄的鋁箔組成)形成，該金屬螺旋形物形成與縱軸8同軸的不同軸向延伸的殼體。電極E控制等電勢表面和電場在絕緣體I外部和內(nèi)部的分布。在感測腔7中，選擇單獨(dú)的電極E的長度(S卩，軸向延イ申)和它們的徑向和軸向位置使得等電勢表面沿絕緣體I的外表面的全長基本上被等距地間隔和集中，但再次具有基本上相等的距離。因此施加的電壓V沿外桿表面以及沿感測腔均勻地下降。有利地，場傳感器的軸向長度I比腔的軸向長度d小得多，例如至少小5倍。典型地，感測腔7的長度在100-250mm的范圍中。腔7外部的中心孔5的體積基本上是無場的。電極E中的至少ー個(gè)是屏蔽電極Es并且徑向環(huán)繞感測腔7，由此電容性地耦合兩組電極，其由參考平面(16)分離。一個(gè)電極(指示為El1)電連接到第一接觸點(diǎn)2，并且隨之叫作“第一主電扱”。另ー個(gè)電極(指示為E2P電連接到第二接觸點(diǎn)3，并且隨之叫作“第二主電扱”。這兩個(gè)電極分別攜帶接觸點(diǎn)2和3的電勢。其他電極在浮動電勢上并且在這兩個(gè)主電極之間形成電容性分壓器并且因此處于中間電勢。除屏蔽電極￡3タト，電極還包括第一組電極，稱為Eli (其中i=l…NI)，和第二組電極，稱為(其中i=l…N2)。由于對稱原因，NI有利地等于N2。在圖1的實(shí)施例中，N1=N2=6 ,但電極的實(shí)際數(shù)量可變化。
第一組電極Eli布置在絕緣體I的第一區(qū)10中，其從感測腔7的中心延伸到第一接觸點(diǎn)2，而第二組電極Mi布置在絕緣體I的第二區(qū)11中，其從感測腔7的中心延伸到第ニ接觸點(diǎn)3。第一組電極中的電極El1形成第一主電極并且第二組的電極四丨形成第二主電極。這些電極在徑向上最接近縱軸8，其中其他電極布置在距縱軸8更大的距離處。如上文提到的，各種電極在軸向方向上重疊并且具有大體上“交錯(cuò)”的設(shè)計(jì)。有利地，使用下列特性中的ー個(gè)或多個(gè)
a)對于電極的每個(gè)組j (j=l或2)，電極Eji和Eji+1沿“重疊段”軸向重疊。在該重疊段中，電極Eji+1從電極Eji徑向向外布置。
b)對于電極的每個(gè)組j :
ー每個(gè)電極具有面向傳感器的參考平面16的中心末端(如對于圖1中的電極中的ー些由標(biāo)號14圖示的)和與中心末端14軸向相対的接觸末端(如由標(biāo)號15圖示的)，
ー電極Eji+1的中心末端14比電極Eji的中心末端14更接近參考平面16并且電極Eji+1的接觸末端15比電極Eji的接觸末端15更接近參考平面16，因此電極Eji+1與電極Eji相比朝中心移動。ー電極Eji+1的接觸末端15具有距電極Eji的接觸末端15的軸向距離Cji,并且電極Eji+1的中心末端14具有距電極Eji的中心末端14的軸向距離Bji,并且
一電極Eji和Eji+1在電極Eji+1的接觸末端15與電極Eji的中心末端14之間軸向重疊。c)距離Bji和Cji可以根據(jù)期望的場設(shè)計(jì)而最優(yōu)化。特別地，為了在感測腔7內(nèi)獲得比電壓傳感器外部更強(qiáng)的場，對于所有i和j，軸向距離Bji有利地選為小于對應(yīng)的軸向距離Cjit5d)對于大部分設(shè)計(jì)，如果在感測腔7中期望均勻場，軸向距離Bji應(yīng)該大致上等于共同距離B，即它們應(yīng)該都相同。相似地，如果在電壓傳感器的表面和外部期望均勻場，軸向距離Cji有利地大致上等于共同距離C，即它們也都相同。e)屏蔽電極Es有利地應(yīng)該具有與第一組中的至少ー個(gè)電極并且還與第二組中的至少ー個(gè)電極的軸向重疊。一方面，這對到達(dá)裝置表面的感測腔7中的高電場提供改善的防護(hù)。另ー方面，它經(jīng)由屏蔽電極在這兩組電極之間提供良好的電容性耦合，由此使對應(yīng)電壓降減小。為了進(jìn)一歩改善該電容性耦合以及感測腔7內(nèi)的場均勻性，屏蔽電極も有利地具有與第一組徑向最外層電極El6和第二側(cè)徑向最外層電極E26的軸向重疊并且從這些最外層電極El6和E26徑向向外布置。f)為了使場在電壓傳感器外部和內(nèi)部均等地分布，電極有利地關(guān)于裝置的參考平面16對稱布置。g)由于相同的原因，電極有利地是圓柱形的和/或彼此同軸，特別地與縱軸8同軸。圖1進(jìn)ー步圖示ー些其他有利方面
一場傳感器6 (其例如是電光晶體)有利地是圓柱形的(其具有長度I)并且安置在絕緣體I (外徑D和長度L)的中心孔5 (直徑e)中，并且在感測腔7內(nèi)?！鳛槭纠?，絕緣體I包含第一和第二組兩者中的六個(gè)電極。這些電極EjiW及屏蔽電極Es有利地具有金屬箔，與場傳感器6和絕緣體I同軸。一有利地，利用如上文描述的那樣選擇的Bji和Cji,兩組電極在徑向方向上均等地間隔，其在鄰近電極之間具有均一的分離距離P，并且每組的最外層電極E16、E26和屏蔽電極Es之間的徑向距離也等于P。再次，這有助于使電場在絕緣體I內(nèi)部和外部都更均等地分布。一有利地，屏蔽電極Es安置在接觸末端2、3之間的中間距離處?！麟姌OEl1和E2i在對應(yīng)接觸點(diǎn)2、3處通過金屬接觸4與兩個(gè)電勢(例如地電勢和高壓電勢)接觸。一有利地，絕緣體I在它的外表面上配備有例如由硅酮組成的檐(shed)(未在圖1中示出)，其在高壓電勢和地電勢之間提供増加的爬距用于戶外操作。
由電極Eji和Es的場轉(zhuǎn)向避免在絕緣體I外部和內(nèi)部兩者的過度的局部峰值場。因此絕緣體I的徑向尺寸可以相對小而在環(huán)境空氣中沒有電擊穿的危險(xiǎn)。在一有利配置中，孔用實(shí)心但可壓縮的填充物材料填充，該填充物材料提供足夠的介電強(qiáng)度和到環(huán)氧樹脂表面以及到局部場傳感器的良好粘合。良好的材料是包含微小的氣泡(例如，N2或SF6氣體)的聚亞安酯泡沫和包含可膨脹熱塑性微球的硅酮。當(dāng)在室溫填充孔時(shí)，填充物材料可能不得不用輕微的過壓插入來確保填充物在低溫下的收縮不會引起從絕緣體壁的脫離，該脫離可以導(dǎo)致孔內(nèi)部的閃絡(luò)。如提到的，填充物材料可另外起到固定場傳感器6的位置并且提供機(jī)械沖擊和震動的阻尼的作用。在ー備選配置中，可以使用液體(例如，變壓器油)或氣體(例如，N2、SF6)或可以將剩余的體積抽空。電壓傳感器由于其重量輕可懸置安裝在高壓變電站中。電壓傳感器和它的部件的尺寸取決于額定電壓并且被選擇使得傳感器滿足對過電壓、照明和開關(guān)脈沖電壓的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。例如，125kV模塊的絕緣體I可以是具有大約I至1. 5m的總長和50至80mm的直徑的環(huán)氧樹脂桿。桿的內(nèi)孔5則可具有在15和25mm之間的直徑。選擇參數(shù)a、Bij, Cij, D、P使得施加到桿末端的電壓在孔內(nèi)在晶體長度上并且在環(huán)氧樹脂桿外表面處在其全長上盡可能均一地下降。設(shè)計(jì)可通過使用適當(dāng)數(shù)值的電場模擬工具而最優(yōu)化。如上文描述的將距離Bij以及Cij選擇為相等也有助于簡單且成本有效的絕緣體制造。除便于電場的全積分之外，這里描述的電容性場轉(zhuǎn)向代表屏蔽內(nèi)部場幾何形狀不受外部擾動的非常有效的方式。有利地，絕緣體電容明顯大于環(huán)境雜散電容來最大化屏蔽效果。設(shè)計(jì)從而用局部電場傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)施加電壓的相對精確的測量。由于局部電場傳感器的減小的大小，這導(dǎo)致成本有效的解決方案。此外，集成光學(xué)波導(dǎo)傳感器的使用變成可倉^:。數(shù)值場計(jì)算掲示腔7內(nèi)部的電壓降是相對均勻的，參見圖2和3。圖3示出具有長度Cl=Leav的測量腔內(nèi)部沿絕緣體軸的計(jì)算的相對場強(qiáng)度。零位置指示腔7的中心。三個(gè)曲線對應(yīng)于下面示出的三個(gè)不同的邊界條件(a)在長接地柱上的電壓傳感器(實(shí)線曲線)，(b)在短接地柱上(點(diǎn)線曲線)，(C)在長接地柱上在附近具有接地建造物(短劃曲線)。字母A描繪其中電場是特別穩(wěn)定的位點(diǎn)。局部場傳感器在該位置的測量將示出對上文提到的外部擾動非常低的敏感度。局部場傳感器有利地放置在這樣的位置。因此，如果腔7對于參考平面16對稱，至少ー個(gè)場傳感器有利地對于參考平面16對稱布置并且由其橫切，即它位于點(diǎn)A。備選地或除其之外，多個(gè)局部場傳感器(特別地兩個(gè)局部場傳感器)可以安置在測量腔內(nèi)部不同的位點(diǎn)，使得當(dāng)添加測量場時(shí)，外部擾動的影響彼此消除(例如，圖3中的點(diǎn)BI和B2)。適合的位點(diǎn)和它們關(guān)于外部擾動的穩(wěn)定性可取決于邊界條件和它們在電壓傳感器的操作期間的變化，并且從而必須對特定的應(yīng)用分析。例如，如果腔7對于參考平面16對稱，多個(gè)場傳感器6有利地關(guān)于所述參考平面對稱布置，例如對于在圖1中采用點(diǎn)線描繪的場傳感器6’示出的。更一般地說，至少ー個(gè)場傳感器6的位置對于參考平面16是對稱的。該陳述指示如果存在單個(gè)場傳感器6,該場傳感器的位置與參考平面16—致。如果存在若干個(gè)場傳感器6，它們的位置對于參考平面16對稱，即這些位置在參考平面16中的鏡像操作下不變。圖1只圖示電極的ー個(gè)可能設(shè)計(jì)。必須注意，取決于需要的傳感器大小和形狀，電極的設(shè)計(jì)可變化。例如，電極還可以是非圓柱形的，例如通過具有橢圓橫截面或通過具有變化的直徑。電極可例如是截頭圓錐形的，它們的末端截面15可向外張開(flare)或它們的末端截面14可向內(nèi)張開。每個(gè)電極可以由例如金屬箔的連續(xù)導(dǎo)電片組成，或它例如可被打孔或具有間隙。若干電壓傳感器的組裝件
上文描述的電壓傳感器可在若干串聯(lián)布置的電壓傳感器的組裝件中形成模塊。ー個(gè)這樣的模塊在圖4a中示出。特別地，包含如上文描述的單個(gè)場傳感器6的模塊可對于例如125kV或240kV的額定電壓而設(shè)計(jì)。圖4a還示意地示出施加于絕緣體I外部的檐19。對于在240kV的操作，兩個(gè)125kV模塊可串聯(lián)安裝(圖4b)。相鄰模塊的主電極E2i和El2在這兩個(gè)模塊之間的接合處電接觸。電壓然后在兩個(gè)場傳感器6上大約均等地分區(qū)(注意實(shí)際上電壓比將在ー些程度上受環(huán)境雜散電容影響)。備選地，可使用包含兩個(gè)場傳感器6和場轉(zhuǎn)向電極的兩個(gè)對應(yīng)組裝件的單個(gè)連續(xù)絕緣體(具有単獨(dú)的桿的長度的大約兩倍的長度)而不是兩個(gè)分離的環(huán)氧樹脂桿。圖4c示出四個(gè)模塊的組裝件。應(yīng)該注意使電壓在長度I的兩個(gè)或更多分離晶體上分布導(dǎo)致比將相同電壓施加到長度21的單個(gè)晶體的更小的絕緣體直徑和從而更低的絕緣體成本。場傳感器組裝件
在圖1的實(shí)施例中，場傳感器6大致上通過孔5中的填充物材料而懸置。備選地，場傳感器6可附連到介電襯底或嵌入這樣的襯底中，即高壓傳感器包括布置在腔7中并且支撐場傳感器6的介電襯底。特別地，并且如在圖17中示出的，適合的襯底25可具有梁的形狀，其具有例如軸向延伸通過腔7到絕緣體孔5的無場區(qū)域中的襯底支架(mount)的圓柱形或正方形橫截面。該襯底可例如用熔融石英或用與感測元件自身相同的材料或用若干材料的組合制成。該襯底還可延伸通過整個(gè)絕緣體孔5到在兩個(gè)絕緣體末端處的支架。此外，到和來自感測元件的光纖20、21可采用感測元件、光纖和襯底形成整體裝置的方式嵌入襯底25中，該整體裝置可以作為整體插入絕緣體孔5中。這樣的配置可以設(shè)計(jì)來減少填充物材料和局部場傳感器的末端之間的邊界處的介電常數(shù)中的級別。
在偏振測定檢測情況下(假設(shè)場傳感器6基本沒有雙折射)，場傳感器6有利地是嵌入的電光晶體波導(dǎo)，其具有在它的輸入表面處的偏振層35和在它的輸出表面處的四分之一波延遲器24和偏振層35。備選地，對于使用如下文進(jìn)ー步描述的非互易相位調(diào)制的檢測不需要偏振層。這里相反使用到和來自晶體波導(dǎo)的保偏光纖。有利地，為了最小化場畸變，場傳感器6具有與襯底25相同的(平均的)介電常數(shù)。局部場測量
由于感測腔內(nèi)部的場分布相當(dāng)均勻并且穩(wěn)定(參見圖3)，例如在腔7的中心處的局部(即基本上像點(diǎn)的)電場測量可以如上文描述地使用。在該意義中的局部電場傳感器是測量僅沿腔7的軸向延伸的部分的電場的傳感器。局部場基本上與施加的電壓成比例地變化。熱效應(yīng)對局部場強(qiáng)度的影響(例如由于感測腔7的熱膨脹引起)可在信號處理器中和/或使用下文描述的測量來補(bǔ)償。作為另ー備選(同樣如提到的)，電壓可從若干局部(像點(diǎn)的)場測量而估算，其中 局部場傳感器沿軸8布置在腔7內(nèi)的若干點(diǎn)處。特別地，如果感測腔的長度選擇為相對長，這樣的布置可以具有優(yōu)點(diǎn)。在相當(dāng)高的電壓(例如420kV或更高)要用單個(gè)電壓傳感器模塊測量的情況下，也可對這樣的布置感興趣。此外，可采用若干電光晶體與在中間(如在[10]中描述的)并且由單個(gè)光束詢問的非活性材料(例如熔融石英)的組合。熱效應(yīng)補(bǔ)償
需要知道場傳感器6處的局部場與施加于絕緣體的電壓之間的關(guān)系以便確定電壓。該關(guān)系可以通過場計(jì)算或通過傳感器的適當(dāng)校準(zhǔn)而確定。場幾何形狀必須足夠穩(wěn)定使得該關(guān)系在例如電場擾動和溫度改變的外部影響下未明顯改變。例如，溫度改變使各種材料的相對介電常數(shù)％ (T)變動并且導(dǎo)致組件的熱膨脹。典型地，因?yàn)榻^緣體材料的熱膨脹系數(shù)( 5 10 —5/°C)比典型的電光晶體的熱膨脹系數(shù)(例如對于BG0，6 10 —6/°C)要大，測量腔的長度比電光晶體更強(qiáng)烈地?cái)U(kuò)大。因此，由晶體經(jīng)歷的電壓部分減小。該效應(yīng)部分為某些有利的晶體補(bǔ)償，其中電光效應(yīng)的強(qiáng)度隨著溫度增加(例如對于BG0，2.4 10 —4/K [3])而增加。利用使用材料和傳感器幾何形狀的適合的組合，溫度效應(yīng)可以減小或甚至被補(bǔ)償并且傳感器精度從而可以維持在大的溫度范圍內(nèi)?！愕?，感測腔內(nèi)部的電場分布并且特別地軸向方向Ez上的電場分量的分布將由于相對介電常數(shù)的和熱膨脹的各種系數(shù)溫度依賴而隨溫度變化。局部場傳感器6中的平均軸向電場分量Ez,_n也變成溫度依賴的，即3Ez,_n/OT幸O。導(dǎo)致測量電壓偏差的該溫度依賴可以通過正確選擇局部場傳感器幾何形狀和電光材料(其中傳感器的電光效應(yīng)的溫度導(dǎo)數(shù)具有相反的符號)而部分補(bǔ)償，從而導(dǎo)致具有場依賴相移的溫度依賴3
Acp /Ot接近零。局部場測量的光學(xué)傳感器配置
施加于絕緣體的電壓通過使用局部電場傳感器確定測量腔5內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)處的電場而測量。用于局部電場測量的有利的感測技術(shù)基于電光效應(yīng)(Pockels效應(yīng))。兩個(gè)正交偏振在電場中傳播通過適當(dāng)取向的電光晶體時(shí)經(jīng)歷差分相移。然后從該相移推斷施加于晶體的電壓。光通過光纖從源引導(dǎo)到晶體并且回到檢測器。
在一有利的配置中，選擇適合的電光晶體并且使其取向使得僅測量電場的軸向分量Ez。如果光軸向傳播通過晶體，這是在光的傳播方向上指出的電場分量。這樣的電光場傳感器通過電場投影到光路上的積分測量兩個(gè)晶體末端之間的電壓差，由下式給出
權(quán)利要求
1.一種高壓傳感器，用于測量第一和第二接觸點(diǎn)(2，3)之間的電壓，包括 絕緣材料制成的絕緣體(1)，其沿所述第一和所述第二接觸點(diǎn)(2，3)之間的軸向方向延伸， 多個(gè)導(dǎo)電電極(EipEs),其布置在所述絕緣體(I)中，其中所述電極(Eip Es)由所述絕緣材料而互相分離并且電容性耦合于彼此， 至少一個(gè)電場傳感器(6)，其布置在所述絕緣體(I)的感測腔(7)中， 其中，對于所述電極(EipEs)的至少一部分，每個(gè)電極與所述電極(EipEs)中的至少另一個(gè)軸向重疊， 其中所述電極(Eij, Es)布置用于在所述感測腔(7)中產(chǎn)生電場，其具有比所述電壓除以所述第一和所述第二接觸點(diǎn)(2，3)之間的距離更大的平均場強(qiáng)度并且 其中所述至少一個(gè)電場傳感器(6)是局部電場傳感器，其僅測量所述感測腔的軸向延伸的一部分上的所述場。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓傳感器，其中所述至少一個(gè)場傳感器(6)是至少一個(gè)光學(xué)傳感器，其在通過它的光的第一傳感器偏振或傳感器模式和第二傳感器偏振或傳感器模式之間引入場依賴相移Λ Φ，并且特別地其中所述光學(xué)傳感器包括 具有場依賴雙折射的電光裝置，特別地為晶體，特別地為晶狀Bi4Ge3O12 (BGO)或Bi4Si3O12 (BSO)的晶體，或展現(xiàn)Pockels效應(yīng)的極化波導(dǎo)，或 壓電裝置，特別地晶狀石英或壓電陶瓷的壓電裝置，以及攜帶至少兩個(gè)模式的波導(dǎo)，其中所述波導(dǎo)連接到所述壓電裝置使得所述波導(dǎo)的長度是場依賴的。
3.如權(quán)利要求2所述的高壓傳感器，包括光學(xué)串聯(lián)布置的多個(gè)所述光學(xué)傳感器。
4.如權(quán)利要求2到3中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，還包括 控制單兀(100)，其適應(yīng)于從在所述第一傳感器偏振或傳感器模式中通過所述光學(xué)傳感器的光與在所述第二傳感器偏振或傳感器模式中通過所述光學(xué)傳感器的光之間的相移來確定所述電壓， 法拉第旋轉(zhuǎn)器(101)，其布置在所述控制單元(100)與所述光學(xué)傳感器之間，其中所述法拉第旋轉(zhuǎn)器(101)導(dǎo)致對于每個(gè)通路按45°所述光的非互易旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的高壓傳感器，還包括至少一個(gè)第一和至少一個(gè)第二保偏光纖段(103，104)，其光學(xué)串聯(lián)布置并且連接以通過所述法拉第旋轉(zhuǎn)器(101)在兩個(gè)通路之間引導(dǎo)所述光，其中所述第一和第二保偏光纖段(103，104)的主軸按90°互相旋轉(zhuǎn)，并且特別地其中所述保偏光纖段(103，104)的總差分群延遲Λ Lg比光源的相干長度小得多。
6.如權(quán)利要求5所述的高壓傳感器，包括光學(xué)串聯(lián)布置的多個(gè)感測模塊(105)，其中每個(gè)感測模塊(105)包括所述第一保偏光纖段(103)中的至少一個(gè)和所述第二保偏光纖段(104)中的至少一個(gè)以及至少一個(gè)光學(xué)傳感器(6)。
7.如權(quán)利要求2或3中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，包括 具有至少第一偏振模式的保偏光纖(21)，其中所述保偏光纖(21)采用以下這樣的方式連接到所述光學(xué)傳感器 一在所述第一傳感器偏振或傳感器模式中通過所述光學(xué)傳感器的光以及 一在所述第二傳感器偏振或傳感器模式中通過所述光學(xué)傳感器的光 都部分耦合到所述保偏光纖(21)的所述第一偏振模式中，連接到所述保偏光纖(21)的檢測器單元(22)，所述檢測器單元(22)至少包括測量通過所述保偏光纖(21)的所述第一偏振模式的光的第一光檢測器。
8.如權(quán)利要求2到7中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述場傳感器的電光效應(yīng)的溫度導(dǎo)數(shù)具有與所述光學(xué)傳感器中的軸向電場分量的平均絕對值的溫度導(dǎo)數(shù) 相反的符號。
9.如權(quán)利要求2到8中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述光學(xué)傳感器包括波導(dǎo)。
10.如權(quán)利要求2到9中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述光學(xué)傳感器具有II1-V-半導(dǎo)體，特別地GaAs。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述腔(7)以垂直于所述軸向方向延伸的參考平面(16)對稱，其中所述至少一個(gè)場傳感器(6)的位置以所述參考平面對稱。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述腔(7)以垂直于所述軸向方向延伸的參考平面(16)對稱并且其中多個(gè)所述場傳感器(6，6’)相對于所述參考平面(16)對稱地布置。
13.一種如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的若干高壓傳感器的組裝件。
14.如權(quán)利要求13所述的組裝件，包括串聯(lián)和/或并聯(lián)布置的所述高壓傳感器中的若干個(gè)。
15.如權(quán)利要求13或14中任一項(xiàng)所述的組裝件，包括對所述高壓傳感器的共同光源和/或信號處理器。
16.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述電極(EipEs)中的至少一個(gè)是屏蔽電極(Es )，其徑向環(huán)繞所述感測腔(7 )。
17.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，至少包括電連接到所述第一接觸點(diǎn)(2)的第一主電極(El1)和電連接到所述第二接觸點(diǎn)(3)的第二主電極(E2J，并且其中所述電極(Eij, Es)在所述第一和所述第二主電極(El1, E2P之間形成電容性分壓器。
18.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述電極(EipEs)包括電極的第一組Eli,其中i=P"Nl ;和電極的第二組E2i，其中i=P"N2 ;其中所述第一組的電極Eli布置在所述絕緣體(I)的第一區(qū)(10)中，所述第一區(qū)(10)從所述感測腔(7)的參考平面(16)延伸到所述第一接觸點(diǎn)(2)，并且其中所述第二組的電極E2i布置在所述絕緣體(I)的第二區(qū)(11)中，所述第二區(qū)(11)從所述參考平面(16)延伸到所述第二接觸點(diǎn)(3)，其中所述參考平面(16 )徑向延伸通過所述感測腔(7 )，并且特別地其中N1=N2。
19.如權(quán)利要求17和18所述的高壓傳感器，其中所述第一組的第一電極El1B成所述第一主電極并且所述第二組的第一電極E2i形成所述第二主電極。
20.如權(quán)利要求18或19中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中，對于電極的每個(gè)組j，所述電極Eji和Eji+1沿重疊段軸向重疊，其中，在所述重疊段中，所述電極Eji+1從所述電極Eji徑向向外布置。
21.如權(quán)利要求18到20中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中，對于電極的每個(gè)組j， 每個(gè)電極具有面向所述參考平面(16)的所述中心末端(14)和與所述中心末端(14)軸向相對的接觸末端(15)， 所述電極Eji+1的中心末端(14)比所述電極Eji的中心末端(14)更接近所述參考平面(16)，并且所述電極Eji+1的接觸末端(15)比所述電極Eji的接觸末端(15)更接近所述參考平面(16)， 所述電極Eji+1的中心末端(14)具有距所述電極Eji的中心末端(15)的軸向距離Bji,并且所述電極Eji+1的接觸末端(14)具有距所述電極Eji的接觸末端(14)的軸向距離Cji,并且 所述電極Eji和Eji+1在所述電極Eji+1的接觸末端(15)與所述電極Eji的中心末端(14)之間軸向重疊。
22.如權(quán)利要求21所述的高壓傳感器，其中，對于電極的每個(gè)組j，所述軸向距離Bji小于所述軸向距離Cjit5
23.如權(quán)利要求21或22中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中，對于電極的每個(gè)組j，所述軸向距離Bji大致上等于共同距離B和/或所述軸向距離Cji大致上等于共同距離C。
24.如權(quán)利要求18到23和權(quán)利要求16中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述屏蔽電極(Es)與所述第一組中的至少一個(gè)電極和所述第二組中的至少一個(gè)電極軸向重疊， 并且特別地，其中所述屏蔽電極(Es)與所述第一組中的徑向最外層電極(El6)和所述第二組中的徑向最外層電極(E26)軸向重疊并且從所述第一組和所述第二組中的所述最外層電極(E16，E26)向外徑向布置。
25.如權(quán)利要求18到24中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述第一組的電極Eli在徑向方向上均等地間隔并且其中所述第二組的電極E2i在徑向方向上均等地間隔。
26.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述電極相對于徑向延伸通過所述感測腔(7)的參考平面(16)對稱地布置。
27.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，其中所述電極(Ei,Es)的至少一部分，特別地全部，大致上是圓柱形的和/或彼此同軸。
28.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的高壓傳感器，還包括布置在所述腔(7)中并且支撐所述場傳感器(6)的介電襯底(25)，并且特別地，其中所述襯底(25)具有軸向延伸通過所述腔(7)的光束的形狀。
全文摘要
一種電壓傳感器包括絕緣體(1)，其具有嵌入其中的互相絕緣的電極(Eij，ES)。這些電極同軸并且是圓柱形的并且沿它們的長度的一部分軸向重疊。它們互相交錯(cuò)并且控制等電勢表面使得在絕緣體(1)外部存在大致上均勻的電場并且在絕緣體(1)內(nèi)的感測腔(7)內(nèi)存在大致上均勻但更高的場。一種場傳感器(6)布置在感測腔(7)內(nèi)來局部地測量場。該設(shè)計(jì)允許對于高壓應(yīng)用生產(chǎn)緊湊的電壓傳感器。
文檔編號G01R15/24GK103026244SQ201180039081
公開日2013年4月3日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者G·埃里克森, K·博納特, S·V·馬切塞, S·維爾德姆特 申請人:Abb研究有限公司