光子电压传感器制造技术

本发明专利技术使一种包括机械耦合到光学应变感测器(诸如光纤布拉格光栅)的压电致动器的光学电压感测器能够承受雷电冲击，雷电冲击的影响原本会对所述压电致动器和/或其他敏感部件是有害的或破坏性的。因此，被包括在还包括雷电冲击衰减器的光子电压传感器内的所述光学电压感测器能够符合相关标准并且被用于电网中的应用以及被暴露于设备的最高电压。中的应用以及被暴露于设备的最高电压。中的应用以及被暴露于设备的最高电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光子电压传感器
[0001]本专利技术涉及电力传输和配电领域。更具体地，本专利技术涉及对光学电压感测器(sensor)和相关布置的改进，其使得这样的感测器能够被用于电网中的应用并且被暴露于设备的最高电压。在本专利技术的一个实施方案中，通过雷电冲击衰减器保护光学电压感测器免受雷电冲击(lightning impulse，雷电脉冲)的影响。包括光学电压感测器和雷电冲击衰减器的光子电压传感器(transducer)受益于通常设置有电力传输或配电网络的光纤并且在无需对设备和基础设施的大量投资的情况下实现可靠的测量。

技术介绍

[0002]从保护、控制和监测的角度来看，期望能够实时测量可能包括架空电力线路或电力电缆的输电或配电网络上的电压和电流。期望进行测量和/或监测电网状况的点通常距离变电站或土建结构上部很远的距离(例如大于50km)或者仅仅是难以接入。
[0003]特别是，到目前为止还没有一种可靠的方法可以用以在不需要遥感器、本地电源和远距离传送感测器数据的装置的情况下远距离测量这种电压。一般来说，测量这样的电压的方法需要包含有源电子元件的感测器。为偏远地方处的感测器供电并且确保电源的可靠性是一个重大问题。
[0004]一些方法利用容纳在电力电缆内的铜辅助导线(pilot wire)向感测器输送电力。这些感测器可以沿着也容纳在电力电缆内的光纤将测量的电压传送回来。然而，尽管光纤准许测量的数据的远距离传送，但电缆内的导线集成增加复杂性(并且增加了成本)并且不适用于架空传输线路。因此，可能需要电信设备来传输测量数据。
[0005]替代地，已知安装互感器(transformer)，其将可以为10kV至30kV的初级线路电压向下变换为例如24V至240V的低电压来驱动感测器系统。由于变压器价格昂贵，所以这种方法成本极高。此外，当初级系统上的故障切断感测器的电力时，通过这样的方式供电的感测器系统将停止运行。可以提供备用电池，但是这再次增加了成本、复杂度并且降低了系统可靠性。最后，可以利用各种电力收集(power scavenging)方法，但由于同样的原因，这些方法较差。利用不需要本地电源的无源感测器的方法可以理解地是有益的并且优于上述任何技术。
[0006]不幸的是，到目前为止，(例如)经由光纤通信和/或被询问的无源感测器不适合于这样的应用，因为这些无源感测器对可以物理地破坏它们的雷电冲击敏感。可以将过电压火花隙(spark gap，火花放电器)(或气体放电管)与这样的感测器并联连接，但这样的设备可能会非常昂贵，尤其是在考虑在整个电网中大规模部署感测器时。此外，过电压火花隙具有有限的寿命，因为它们的激活可能导致kA级电流并且包含放射性元素Kr85。另外，火花隙将只针对电压电平进行保护，而不针对电压的大转换速率(slew
‑
rate)进行保护，大转换速率仍可能导致感测器的损坏。此外，这样的设备不适于易于安装所需的各种不显眼的和紧凑的封装。
[0007]因此，本专利技术的至少一个方面的目的是消除和/或减轻已知的/先前的布置的一个或多个缺点，例如对诸如电源和电信设备等配套基础设施的依赖。
[0008]通过阅读以下描述，本专利技术的其他目标和目的将变得明了。

技术实现思路

[0009]根据本专利技术的第一方面，提供了一种光子电压传感器，包括：
[0010]光学电压感测器；以及
[0011]雷电冲击衰减器；
[0012]其中雷电冲击衰减器与光学电压感测器串联电连接以衰减由光学电压感测器感测到的电压。
[0013]提供与光学电压感测器串联的雷电冲击衰减器保护了光学电压感测器免受高振幅冲击——诸如可能由光子电压传感器连接的导体上的雷击引起的高振幅冲击——的影响。
[0014]优选地，雷电冲击衰减器包括至少一个电阻器和至少一个电感器。优选地，该至少一个电阻器和该至少一个电感器并联电连接。
[0015]提供了与光学电压感测器组合的RLC电路。因此，提供优选地并联的至少一个电阻器和至少一个电感器允许工频(power frequency)、谐波和相位几乎不变地传输到光学电压感测器。优选地，选择电阻和电感以优化工频、谐波和/或相位到光学电压感测器的传输。
[0016]该至少一个电感器可以包括至少一个线圈。雷电冲击衰减器还可以包括位于该至少一个线圈内的一个或多个铁氧体磁芯。可以优选地以堆叠体形式提供多个铁氧体磁芯。优选地，提供一个或多个铁氧体磁芯增加了该至少一个电感器的电感。
[0017]优选地，该至少一个电阻器位于线圈之内，并且在适用的情况下位于一个或多个铁氧体磁芯之内。
[0018]可选地，线圈包括多个线圈部分。可选地，线圈部分由多个介电间隔件限定和/或分开。可选地，线圈包括具有介电涂层的导线。可选地，线圈还包括介电填料。优选地，介电间隔件、介电涂层和/或介电填料的介电常数基本相同。优选地，每个线圈部分包括多个绕组匝。优选地，每个线圈部分包括多个绕组层。优选地，在相邻线圈部分之间提供电连接。可选地，电连接包括延伸穿过相应的介电间隔件的导线接头。
[0019]优选地，光学电压感测器包括机械耦合到压电致动器的光纤布拉格光栅，该压电致动器响应于感测到的电压而膨胀和收缩。
[0020]到目前为止，这样的感测器还没有被用于高压传感应用；事实上，在构思出本专利技术之前，不可能这样做，因为在发生雷击的情况下这样的感测器有损坏或毁坏的风险。
[0021]优选地，压电致动器包括一个或多个铁电硬压电元件。优选地，压电致动器包括铁电硬压电元件的堆叠体。一个或多个压电元件可以是盘形物的形式。这些可以使用导电环氧树脂来结合(bond，键合)。压电致动器可以由一系列物理结合的致动器组成。可以改变致动器的厚度和数量以针对任何期望的电压电平提供传感器。
[0022]由于雷电冲击衰减器而可以使用铁电硬压电材料；这样的材料原本会在发生重大冲击时引发损坏或毁坏的风险。当然，并且为了避免疑义，也可以使用与如上文限定的硬压电元件相同的形式和/或布置的铁电软压电元件。
[0023]优选地，光学电压感测器包括位于压电致动器的相对侧上的(至少)两个电极。优选地，该至少两个电极包括因瓦合金(invar)。可以使用导电环氧树脂将电极结合到压电致
动器。
[0024]优选地，通过将光纤布拉格光栅附接到电极，光纤布拉格光栅机械耦合到压电致动器。优选地，光纤布拉格光栅经由一个或多个应变放大桥被连接到电极，该应变放大桥可以包括石英。可以使用环氧树脂粘合剂和密封剂将包含光纤布拉格光栅的光纤部分结合到应变放大桥。
[0025]可选地，光学电压感测器包括多个光纤布拉格光栅。多个光纤布拉格光栅中的两个或更多个可以位于单独的光纤部分中。单独的FBG可以被用于监测温度并且可以热耦合但不机械耦合到压电致动器。替代地，或者附加地，多个光纤布拉格光栅中的两个或更多个可以位于同一光纤部分中，该同一光纤部分机械耦合到压电致动器，例如如上文所述。替代地，或者附加地，多个光纤布拉格光栅中的两个或更多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光子电压传感器，包括：光学电压感测器；以及雷电冲击衰减器；其中所述雷电冲击衰减器与所述光学电压感测器串联电连接以衰减由所述光学电压感测器感测到的电压。2.根据权利要求1所述的光子电压传感器，其中所述雷电冲击衰减器包括并联连接的至少一个电阻器和至少一个电感器。3.根据权利要求2所述的光子电压传感器，其中所述至少一个电阻器和所述至少一个电感器被选择以优化工频、谐波和/或相位到所述光学电压感测器的传输。4.根据权利要求2或权利要求3所述的光子电压传感器，其中所述至少一个电感器包括至少一个线圈。5.根据权利要求4所述的光子电压传感器，其中所述雷电冲击衰减器可以包括位于所述至少一个线圈内的一个或多个铁氧体磁芯。6.根据权利要求4或权利要求5所述的光子电压传感器，其中所述至少一个电阻器位于所述线圈之内，并且在适用的情况下位于所述一个或多个铁氧体磁芯之内。7.根据权利要求4至6中任一项所述的光子电压传感器，其中所述线圈包括由多个介电间隔件限定和/或分开的多个线圈部分。8.根据权利要求7所述的光子电压传感器，其中所述线圈包括具有介电涂层的导线，其中所述线圈还包括介电填料，并且其中所述介电间隔件、所述介电涂层和所述介电填料的介电常数基本相同。9.根据权利要求7或权利要求8所述的光子电压传感器，其中每个线圈部分包括多个绕组匝和多个绕组层。10.根据权利要求7至9中任一项所述的光子电压传感器，其中所述线圈包括相邻线圈部分之间的电连接。11.根据任一项前述权利要求所述的光子电压传感器，其中所述光学电压感测器包括机械耦合到压电致动器的光纤布拉格光栅，所述压电致动器响应于感测到的电压而膨胀和收缩。12.根据权利要求11所述的光子电压传感器，其中所述压电致动器包括一个或多个铁电硬压电元件的堆叠体。13.根据权利要求11或权利要求12所述的光子电压传感器，其中所述光学电压感测器包括位于所述压电致动器的相对侧上的两个电极，其中通过将所述光纤布拉格光栅附接到所述电极，所述光纤布拉格光栅机械耦合到所述压电致动器。14.根据权利要求13所述的光子电压传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：斯特拉斯克莱德大学，
类型：发明
国别省市：