CN103180740A

CN103180740A - 传感器组件、包括其的跳闸单元以及传感器组件的制造方法

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Publication number: CN103180740A
Application number: CN2011800519287A
Authority: CN
Inventors: M·A·朱德斯; P·J·罗尔曼; B·R·莱恰; S·Z·陈; J·J·本克
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: WO2012056304A3; CA2810968A1; US20120098519A1; EP2633331A2; US8487606B2; EP2633331B1; WO2012056304A2; MX2013002189A; CN103180740B

Abstract

本发明涉及传感器组件、包括其的跳闸单元以及传感器组件的制造方法。传感器组件包括电导体、围绕所述电导体设置的电压传感器和电流传感器中的至少一个以及围绕所述电导体模制的第一绝缘体。第一绝缘体包括多个被构造为保持所述电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性的结构。围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制第二绝缘体。

Description

传感器组件、包括其的跳闸单元以及传感器组件的制造方法

技术领域

所公开的概念总体上涉及传感器组件，更具体而言，涉及用于电导体的传感器组件，例如，用于供电导体的电流和/或电压传感器。所公开的概念还涉及传感器组件的制造方法。所公开的概念还涉及包括传感器组件的跳闸（trip）单元。

背景技术

诸如断路器的电路断续器保护着电气系统不受诸如电流过载、短路或异常电压状况的电故障状况的影响。断路器通常包括弹簧供能的操作机构，其响应于异常状况断开电接触，以中断通过电气系统的导体的电流。

通常采用真空电路断续器来（例如）可靠地中断中等电压交变电流（AC）以及几千安培或更高的高压AC。

中等电压电路断续器工作于大约1kV到大约42kV的电压。

美国专利No.7280338公开了一种包括各种与断路器的电连接的背包式电源模块。在电导体之间采用适当的绝缘和间隔来避免对断路器的中等电压导体的潜在的击穿。所述断路器包括具有跳闸单元和电动机致动器的操作机构。适当的模块合并了所述跳闸单元的电压传感器、电流传感器和寄生电源。

在用于电开关设备的传感器组件方面还有改进的余地。

这样的传感器组件的制造方法也存在改进的余地。

电开关设备的跳闸单元也存在改进的余地。

发明内容

所公开的概念的实施例将满足这些和其他需求，在所公开的概念中，围绕电导体模制第一绝缘体，所述第一绝缘体包括多个被构造为保持所述电导体与电压传感器和电流传感器中的至少一个之间的同心性的结构。围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制第二绝缘体。

根据所公开的概念的一个方面，一种传感器组件，包括：电导体；围绕所述电导体设置的电压传感器和电流传感器中的至少一个；围绕所述电导体模制的第一绝缘体，所述第一绝缘体包括多个被构造为保持所述电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性的结构；以及围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制的第二绝缘体。

所述电导体可以是长的电导体；所述多个结构还可以被构造为沿所述长的电导体保持所述电压传感器和所述电流传感器之间的轴向间隔。

所述多个结构还可以被构造为提高所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个的精确度，以及避免电晕。

所述第一绝缘体可以是围绕所述电导体模制的第一介电绝缘层；所述第二绝缘体可以是围绕所述第一绝缘体模制的第二介电绝缘层；并且所述多个结构还可以被构造为消除第一和第二绝缘体之间的以及所述第一和第二绝缘体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的气穴。

所述第一绝缘体可以是围绕所述电导体模制的第一介电绝缘层；并且所述第二绝缘体可以是围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制的第二介电绝缘层。

所述多个结构可以是多个长脊状物；所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个可以包括具有环形截面的电压传感器和具有环形截面的电流传感器；并且所述多个长的脊状物可以保持所述电压传感器和电流传感器的环形截面相对于所述电导体的同心性。

所述多个结构可以是第一多个长脊状物以及设置在所述第一多个长脊状物上的第二多个脊状物；所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个可以包括具有环形截面的电压传感器和具有环形截面的电流传感器；所述第一多个长的脊状物可以保持所述电压传感器和电流传感器的环形截面相对于所述电导体的同心性；并且所述第二多个脊状物可以保持所述电压传感器和电流传感器的轴向间隔。

作为所公开的概念的另一方面，一种跳闸单元包括：处理器；以及传感器组件，该传感器组件包括：供电导体、围绕所述供电导体设置并且被构造为向处理器提供至少一个信号的电压传感器和电流传感器中的至少一个、围绕所述供电导体模制的第一绝缘体以及围绕所述第一绝缘体及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制的第二绝缘体，所述第一绝缘体包括多个被构造为保持所述供电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性的结构。

作为所公开的概念的另一方面，一种方法制造了一种传感器组件，该传感器组件包括电导体以及电压传感器和电流传感器中的至少一个。所述方法包括：围绕所述电导体模制第一绝缘体，所述第一绝缘体包括多个被构造为保持所述电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性的结构；将所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个设置到围绕所述电导体的所述多个结构上；以及围绕所述第一绝缘体及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制第二绝缘体。

附图说明

通过结合附图阅读下文对优选实施例的描述能够获得对所公开的概念的全面的理解，在附图中：

图1是根据所公开的概念的实施例的包括具有多个第一和第二脊状物的第一模制介电绝缘层的供电导体的立体图。

图2是图1的供电导体和第一模制介电绝缘层的另一立体图。

图3是图1的供电导体和第一模制介电绝缘层的横截面图。

图4是根据所公开的概念包括电压传感器、电流传感器、自供电变压器、电连接器、供电导体以及第一和第二模制介电绝缘层的传感器组件的截面图。

图5是图4的传感器组件的立体图。

图6是适合与图4的传感器组件一起使用的电压传感器的立体图。

图7是没有第一和第二模制介电绝缘层的图4所示传感器组件的立体截面图。

具体实施方式

文中采用的“若干”一词应当指1或者大于1的整数（即多个）。

文中采用的“处理器”一词应当指能够存储、检索和处理数据的可编程模拟和/或数字装置；计算机；工作站；个人计算机；微处理器；微控制器；微计算机；中央处理单元；主计算机；迷你计算机；服务器；网络化处理器；或者任何适当的处理装置或设备。

文中采用的“电导体”一词应当指导线（例如，实心的；绞合的；绝缘的；非绝缘的）、铜导体、铝导体、适当的金属导体或者其他允许电流容易地流动的适当材料或物体。

文中采用的将两个或更多部件“连接”或者“耦合”到一起的陈述应当指将所述部件直接接合到一起或者通过一个或多个中间部件接合起来。此外，文中采用的“附连”两个或更多部件的陈述应当指将所述部件直接接合到一起。

文中采用的“电晕”一词应当指与处于中等电压电势的电导体表面邻近的微弱辉光低电流水平放电，其发生在电势梯度（电场强度）超过某一值时，但是条件不足以导致彻底的电击穿或电弧放电。

文中采用的“中等电压”一词应当指处于大约1kV到大约42kV的范围内的电压。

参考图1-4，两步模制过程在若干传感器2（图4）和电导体之间保持同心，例如，所述电导体是传感器组件6的示范性铜中等电压（MV）供电导体4。

在图4的例子中，所述的若干传感器2包括相对较小的电压传感器8、电流传感器10和自供电变压器12。这样允许传感器组件6的总尺寸相对较小，这对于保持电路断续器（未示出）中的期望极间间隔（未示出）很重要。这里，所述示范性两步模制过程提供了诸如第一介电绝缘层14（例如但不限于模制环氧树脂）的第一绝缘体以及围绕所述第一绝缘体和若干传感器2模制的诸如第二介电绝缘层16（例如但不限于模制环氧树脂）的第二绝缘体。如将进行讨论的，这样做还在封装过程中在传感器组件6内沿示范性长供电导体4保持了传感器8、10之间的轴向间隔。传感器8、10的同心性和轴向间隔实现期望的传感器准确度，并避免电晕。

如图1和2所示，围绕示范性供电导体4模制第一介电绝缘层14。所述介电绝缘体14包括多个结构，例如，示范性第一脊状物18和示范性第二脊状物20，用于避免在第二介电绝缘层16（图4）的模制过程中形成气泡（未示出）。所述的四个示范性第一脊状物18（图1和图2中示出了三个）保持环形电压和电流传感器8、10（图4）相对于供电导体4的同心性。四个示范性第二脊状物20（图1和图2中示出了三个）使传感器8、10在传感器组件6内沿轴向定位到供电导体4上，并保持传感器8、10之间的轴向间隔或空间。相应的脊状物18和20的长的斜面22、24和斜面26、28在第二介电绝缘层16的模制过程中避免气穴（未示出）的形成。

第二脊状物20被设置到第一长脊状物18上，并延伸至第一介电绝缘层14的表面30。电压传感器8和电流传感器10都具有环形截面，这一点可以从图6（仅示出了电压传感器8）和图7（示出了两个环形截面的一半）中看出。第一长脊状物18有利地保持了传感器8、10的环形截面相对于供电导体4的同心性。第二脊状物20有利地保持了电压传感器8和电流传感器10之间的轴向间隔，如图4中所示。对第一长脊状物18有利地构造成具有足以支持每一传感器的适当长度，并且使第一长脊状物18平行于供电导体4的轴且与第一介电绝缘层14的表面30相切地取向。不管图1的结构围绕供电导体4的纵轴的旋转角怎样，这种设计都有利地避免了在第二介电绝缘层16的模制过程中在该层内夹带空气（未示出）（例如气泡；气穴）。

通过保持传感器8、10相对于示范性供电导体4的同心性，保持第一和第二介电绝缘层14、16的介电封装材料的足够厚度以及消除这样的第一和第二层之间的以及这样的层和传感器8、10之间的潜在气穴，能够在第一和第二介电绝缘层14、16内部避免电晕。通过在第二介电绝缘层16的外表面上具有脊状物的情况下，在所述第一和第二介电绝缘层14、16的外表面之上保持充分的距离，以及在各个部件（例如，供电导体4、电压传感器组件8、电流传感器组件10、12以及电连接器34、36）之间提供适当间隔的情况下，通过供电导体4的从端到端的以及从供电导体4到电连接器34、36的空气（air），在供电导体4外部避免了电晕。

图3示出了具有第一介电绝缘层14的供电导体4。

参考图4，传感器组件6包括供电导体4以及第一和第二介电绝缘层14、16。将电压传感器8、电流传感器10、自供电变压器12以及在图4的底部从第二介电绝缘层16延伸出来的两个电连接器34、36设置到所述第二介电绝缘层16内。所述第一长脊状物18保持所述环形电压和电流传感器8、10相对于所述供电导体4的同心性。所述第二脊状物20将传感器8、10沿轴向定位到了传感器组件6内的供电导体4上，并且保持传感器8、10之间的轴向间隔（空间）。

现在可以看出，传感器组件6包括电导体4、围绕电导体4设置的若干传感器2、围绕电导体4模制的第一绝缘体14以及围绕所述第一绝缘体14和所述若干传感器2模制的第二绝缘体16。第一绝缘体14包括多个结构，例如，示例性的第一长脊状物18和第二脊状物20，它们构造为保持导电导体4和若干传感器2之间的同心性。

如图4所示，跳闸单元40包括处理器（P）42和传感器组件6。所述的若干传感器2向处理器42提供至少一个信号44。所述的示范性自供电变压器12包括第一和第二寄生供电变流器46、48，其以寄生的方式由在电导体4内流动的电流和电导体4的电压中的至少一者产生电力，并将所述电力提供给电压传感器8和处理器42。

图5示出了包括供电导体4、第一和第二介电绝缘层14、16以及电连接器34、36的传感器组件6。

图6示出了电压传感器8，其具有两个形成于其内以形成电容器分压器的串联电容器（未明确示出）。跨越这两个电容器分割供电导体4（图1到5）的电压。第一电容器（Csc）处于电压传感器8和供电导体4之间。第二电容器（Csg）处于电压传感器8和地之间，例如，所述地是接地电压传感器屏蔽112。所述第二电容器（Csg）上的传感器电压（Vs）必须要比供电导体4上的电压（Vc）低得多，从而避免对传感器电子部件造成损坏。所述传感器电压（Vs）是通过下述等式定义的：

Vs/Vc=Csc/(Csc+Csg)

Vs=Vc*Csc/(Csc+Csg)

具体而言，所述第二电容器（Csg）处于第一或传感器电极（传感器环）124与第二或接地电极（接地环）126之间，所述第一电容器（Csc）处于传感器环124和供电导体4之间。Csc的电容大约是Csg的电容的1/1000。

电压传感器8包括接地电压传感器屏蔽112，其可以由镀有诸如镍和/或铜的金属的注模塑料构造而成。其他替代方案包括冲压金属、金属网格/丝网或者上述材料的组合。传感器屏蔽112是基本呈环形的法拉第屏蔽。在一个实施例中，传感器屏蔽112可以被构造为具有通过铆钉118固定到一起的顶部屏蔽114和底部屏蔽116。基本呈盘状的电绝缘体或电绝缘衬底120位于顶部和底部屏蔽114、116之间。电绝缘体120具有位于其内的用于容纳线导体（例如，图1-5的供电导体4）的开口122。电绝缘体120可以是印刷电路板（PCB）。或者，电绝缘体120可以是包含诸如

的材料的薄（大约0.002in）绝缘支撑片。

将所述第一或传感器电极124以及第二或接地电极126围绕电绝缘体120的开口122固定或者形成到所述电绝缘体120上。在一个实施例中，采用印刷、涂布、电淀积或者金属喷镀工艺在电绝缘体120上淀积一层诸如铜的导电材料，由此形成所述第一和第二电极124、126。布线连接128将第一电极124连接至读出电路132的接触焊盘130。布线连接134将第二电极126连接至接地电压传感器屏蔽112。

顶部和底部屏蔽114、116的半径转角（corner）或者边缘部分136、138具有曲线轮廓，其将使得边缘部分136、138上的电场强度和电弧放电降至最低，从而有助于避免介电击穿。或者，可以通过将大直径导线环（未示出）附连至所述顶部和底部屏蔽114、116而形成卷曲的边缘部分136、138。所述边缘部分136、138的弯曲还允许将所述第一和第二电极124、126放置得离供电导体更近，从而减小电压传感器8的总尺寸。

图7示出了不具有图4的第一和第二介电绝缘层14、16的传感器组件6。示范性电压传感器8包括电压屏蔽或外壳140以及印刷电路板（PCB）142。除了电压传感器8之外，传感器组件6还包括具有用于避免来自供电导体4的介电击穿的外壳或屏蔽146的示范性电流传感器组件144。屏蔽146围绕电流传感器10以及第一和第二寄生供电变流器（CT）46、48。根据一个实施例，电流传感器10是检测供电导体4中的电流的Rogowski线圈。CT46、48以寄生的方式从供电导体4中流动的电流和供电导体4的电压中的至少一者产生电力，并向电压传感器8和跳闸单元40（图4）提供电力。

分别来自电压传感器8和电流传感器组件144的布线连接（未示出）分别电连接至电连接器34、36（图4），并允许从传感器8、10向跳闸单元处理器42（图4）传输传感器信号。

第一和第二介电绝缘层14、16（图1到图4）避免供电导体4和屏蔽140、146（图7）之间的以及电压传感器8和电流传感器组件144之间的介电击穿。

尽管已经详细描述了所公开的概念的具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以借鉴本公开的全面教导而发展出对这些细节的各种修改和替代方案。相应地，所公开的具体布置的主旨仅在于举例说明而不是限制所公开的概念的范围，其范围将由所附权利要求以及权利要求的任何及全部等同要件的整个覆盖宽度界定。

Claims

1.一种传感器组件（6），包括：

电导体（4）；

围绕所述电导体设置的电压传感器（8）和电流传感器（10）中的至少一个（2）；

围绕所述电导体模制的第一绝缘体（14），所述第一绝缘体包括多个被构造为保持所述电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性的结构（18，20）；以及

围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制的第二绝缘体（16）。

2.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述电导体是中等电压供电导体（4）。

3.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述电导体是长的电导体（4）；并且其中，还将所述多个结构（20）构造为沿所述长的电导体保持所述电压传感器（8）和电流传感器（10）之间的轴向间隔。

4.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，还将所述多个结构构造为提高所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个的精确度以及避免电晕。

5.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述第一绝缘体是围绕所述电导体模制的第一介电绝缘层（14）；并且其中，所述第二绝缘体是围绕所述第一绝缘体模制的第二介电绝缘层（16）；并且其中，还将所述多个结构构造为消除所述第一和第二绝缘体之间的以及所述第一和第二绝缘体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的气穴。

6.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述电导体是铜供电导体（4）。

7.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述第一绝缘体是围绕所述电导体模制的第一介电绝缘层（14）；并且其中，所述第二绝缘体是围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器（8）和电流传感器（10）中的所述至少一个模制的第二介电绝缘层（16）。

8.根据权利要求7所述的传感器组件（6），其中，所述多个结构是多个长的脊状物（18）；其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个包括具有环形截面的电压传感器（8）和具有环形截面的电流传感器（10）；并且其中，所述多个长的脊状物（18）保持所述电压传感器和所述电流传感器的环形截面相对于所述电导体的同心性。

9.根据权利要求7所述的传感器组件（6），其中，所述多个结构是第一多个长脊状物（18）和设置在所述第一多个长脊状物上的第二多个脊状物（20）；其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个包括具有环形截面的电压传感器（8）和具有环形截面的电流传感器（10）；其中，所述第一多个长脊状物保持所述电压传感器和所述电流传感器的环形截面相对于所述电导体的同心性；并且其中，所述第二多个脊状物保持所述电压传感器和电流传感器之间的轴向间隔。

10.根据权利要求7所述的传感器组件（6），其中，所述多个结构是多个脊状物（18，20），其被构造为在所述第二层的模制过程中避免在所述第二层中形成气泡。

11.根据权利要求10所述的传感器组件（6），其中，所述多个脊状物（18）中的一些包括两个长的斜面（22，24）。

12.根据权利要求7所述的传感器组件（6），其中，所述多个结构是第一多个长脊状物（18）和设置在所述第一多个长脊状物上的第二多个脊状物（20）；并且其中，将所述第一多个伸长脊状物（18）构造为避免在所述第二介电绝缘层中夹带空气。

13.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个是被构造为感测在所述电导体中流动的电流的Rogowski线圈（10）。

14.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个包括电压传感器（8）、电流传感器（10）和自供电变压器（12）。

15.根据权利要求14所述的传感器组件（6），其中，屏蔽（146）围绕所述电流传感器（10）；并且其中，所述自供电变压器包括第一和第二寄生供电变流器（46，48）。

16.根据权利要求15所述的传感器组件（6），其中，所述第一和第二寄生供电变流器以寄生的方式由在所述电导体中流动的电流和所述导电体的电压中的至少一者产生电力，并向所述电压传感器（8）提供电力。

17.根据权利要求1所述的传感器组件（6），其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个是包括电容式分压器的电压传感器（8）。

18.一种跳闸单元（40），包括：

处理器（42）；以及

传感器组件（6），其包括：

供电导体（4），

围绕所述供电导体设置的并且被构造为向所述处理器提供至少一个信号（44）的电压传感器（8）和电流传感器（10）中的至少一个（2），

围绕所述供电导体模制的第一绝缘体（14），所述第一绝缘体包括多个结构（18，20），所述结构被构造为保持所述供电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性，以及

19.根据权利要求18所述的跳闸单元（40），其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个包括电压传感器（8）、电流传感器（10）和自供电变压器（12）；并且其中，所述自供电变压器包括第一和第二寄生供电变流器（46，48）。

20.根据权利要求19所述的跳闸单元（40），其中，所述第一和第二寄生供电变流器（46，48）以寄生的方式由在所述供电导体中流动的电流和所述供电导体的电压中的至少一者产生电力，并向所述电压传感器（8）和所述处理器（42）提供电力。

21.根据权利要求18所述的跳闸单元（40），其中，所述第一绝缘体是围绕所述供电导体模制的第一介电绝缘层（14）；其中，所述第二绝缘体是围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的至少一个模制的第二介电绝缘层（16）；其中，所述多个结构是第一多个长脊状物（18）以及设置在所述第一多个长脊状物上的第二多个脊状物（20）；其中，所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个包括具有环形截面的电压传感器（8）和具有环形截面的电流传感器（10）；其中，所述第一多个长脊状物保持所述电压传感器和所述电流传感器的环形截面相对于所述供电导体的同心性；并且其中，所述第二多个脊状物保持所述电压传感器和电流传感器之间的轴向间隔。

22.一种制造包括电导体（4）以及电压传感器（8）和电流传感器（10）中的至少一个的传感器组件（6）的方法，所述方法包括：

围绕所述电导体模制第一绝缘体（14），所述第一绝缘体包括多个被构造为保持所述电导体与所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个之间的同心性的结构（18，20）；

将所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个设置到围绕所述电导体的所述多个结构上；以及

围绕所述第一绝缘体以及所述电压传感器和电流传感器中的所述至少一个模制第二绝缘体（16）。