CN104981703A - 电力线的监视装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量电特性的装置和方法，特别是一种用于测量电流的装置和方法。该装置可使用一对MEMS光调制器，作为较传统的线圈及相关的油绝缘布置的对立物。

Description

电力线的监视装置和方法

技术领域

本发明的实施例涉及装置和方法，并且尤其涉及一种测量电流的装置和方法。

背景技术

在电力行业中，交流电流的测量传统上通过变换器来实现，即通过电压变换器和电流变换器来实现。在高压环境下，例如，当线电压等于或大于33kV(例如为400kV)时，至少部分是由于基于磁芯的电流传感器的安全性能要求，电绝缘是困难的，电流传感器的初级可承载几千安培的电流，其次级则承载1A/5A的正常电流。电流传感器可在约为正常电流20至30倍的大故障电流下维持一足够短的时间，以使得电力系统保护设备能够触发故障线的电路断路器。此外，这样的电流变换器需要以油的形式存在的重要绝缘材料。因此，在此环境下的电流变换器体积庞大且花费昂贵。然而，电流变换器中任何水汽/小气泡的积累都可能导致大故障，例如爆炸。

众所周知的是，在这样的高压环境内，可使用光学电流传感器或光学变换器。这些产品基于光纤或大的光学材料内的法拉第旋转效应，其中光信号的偏振受到与导线所携带的电流相关联的磁场的影响。偏振的变化由光接收器进行检测。然而，这些产品具有如下缺点：首先，法拉第旋转效应较弱，其次，由于光纤材料的偏振随环境条件变化很大，检测偏振的变化相对困难。其他环境条件，例如天气引起的振动，也对此类光学电流传感器的性能有着不利的影响。更进一步地，为了弥补这种不稳定性，需要相对大的光学电流变换器。

英国专利GB 2400172 B公开了一种基于光电调幅器的光学交流传感器，该调幅器具有与驱动电压有着固定关系的调幅深度。驱动电压通过交流电流或电压测量而获得。在工作中，来自光源的光功率受到驱动电压的调制，调制深度与驱动电压有固定的关系，且经调制的光学信号由光接收器进行检测。在优选实施例中，由于基于衍射微电子机械系统(MEMs)的可变光学衰减器的使用，光电调幅器对偏振变化不敏感。包括基于衍射MEMs的可变光学衰减器在内的大多数类型的光电调幅器或可变光学衰减器需要一直流偏压，以便在正方向和反方向都能够改变光学衰减。本领域技术人员能够理解这样的有源布置由于需要单独的电路以提供偏压而消耗功率。

本发明实施例的目的在于至少减轻现有技术中的一个或多个问题。

发明内容

因此，本发明的实施例提供了一种电流变换器，响应于导线在各个电压下所携带的电流，所述电流变换器包括具有至少一个光调制器的电路用于提供随所述电流的电流变化而变化的光输出；所述电路包括电压基准线，该电压基准线用于连接到所述导线以通过使用相应电压来对所述电路进行偏置。

有利地，根据本发明实施例的装置提供了稳定、极其可靠且不需要单独的偏置电路来得到各个偏压的无源解决方案。

实施例还提供了一种安装电流变换器或具有电流换能器的组件的方法，该方法包括将电流换能器电连接至相应的导线。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：

图1示出了电流变换器的实施例；

图2示出了光调制器的实施例；

图3描述了罗氏线圈(Rogowski coil)的第一实施例；

图4示出了根据实施例的电流变换器组件；

图5示出了罗氏线圈的第二实施例；以及

图6示出了调节电路的实施例。

具体实施方式

参照图1,示出了根据实施例的电流变换器100。电流变换器100包括用于输出电压ΔV_线圈的换能器102，电压ΔV_线圈与流经导线104的电流相关联。导线104可以是汇流条(busbar)。电流变换器100还包括无源电路106，该无源电路106用于接收输出电压ΔV_线圈和参考或偏置电压ΔV_{线圈_n}以及由此在两对输出端子109和109'处产生半波整流波形108和110。在所示的实施例中，可以理解的是ΔV_线圈呈正弦变化。半波整流波形108和110被馈送到光调制器112。光调制器112被设置成产生响应于半波整流波形108和110的光输出。本发明的优选实施例使用MEMS光调制器，如图1所示的一对光调制器114和116。

参照图2,用于光调制器的光由光收发模块119的光源118提供。由光源118发出的光线由分光器120进行分光并被馈送到相应的电压光调制器(voltageoptical modulator)114和116。由调制器114和116输出的经调制光被相应的光检测器检测到，在本例中，该检测通过使用例如一对光电二极管的一对光电探测器122和124来实现。优选地，调节电路126被设置以处理光电探测器的输出，从而产生指示导线104所携带的电流的信号。优选地，放大器128被用于放大该指示信号。光调制器114和116的实施例可使用光衰减器来实现，该光衰减器例如为具有与所施加的信号相关联的偏角的MEMS镜，所施加的信号比如为VOM 114和116的一个或更多个输入端上的电压。

优选地，换能器102通过具有两个输出端的罗氏线圈103来实现。

在优选实施例中，无源电路106包括由第一电阻器130和第二电阻器132所实现的分压器。罗氏线圈的第一输出端134被连接至分压器的中间节点136。第一电阻器130的另一端被连接至上部节点138而第二电阻器132的另一端被连接至下部节点140。浪涌保护装置限制了上部节点138与下部节点140之间的电压摆动。优选实施例通过一对背靠背的齐纳二极管142和144来实现浪涌保护。优选地使用一对背靠背的肖特基二极管146和148而形成的整流器被设置以产生半波整流波形108和110。罗氏线圈103的另一输出端150被连接至背靠背的肖特基二极管146和148之间的中间节点152处。肖特基二极管146和148的另一端被分别连接至上部节点138和下部节点140。

参考电压或中性点电压V_{线圈_n}经由合适的耦合器(coupling)154直接从导线104中得到。参考电压被耦合至中间节点152以提供偏置，即提供一电压使得罗氏线圈103的输出能够关于该电压摆动。

中间节点152和上部节点138形成了无源电路106的第一对输出端109。第一对输出端被用作第一电压光调制器116的输入端。中间节点152和下部节点140形成了无源电路106的第二对输出端109'。第二对输出端被用作第二电压光调制器114的输入端。

电压光调制器114和116的优选实施例通过MEMS镜来实现，该MEMS镜具有与其输入端上的输入电压相关联的偏角。参照图2，可以理解的是，电压光调制器114和116经由各自的光纤156和158、分光器120和相应的馈送光纤157对由光源118所输出的光线加以接收。光线由MEMS镜沿光纤156和158反射回并被光电探测器或光电二极管122和124检测到。

调节电路126被设置为将两个波形108和110合并为单个波形。在优选实施例中，单个波形为正弦波形。

可以理解的是，安装根据本发明实施例的电流变换器将要求工程师直接从传输线获取参考电压或偏置电压。因此，使用耦合器154以形成导线104与无源电路106之间的直接电连接。实施例通过向电流换能器(比如罗氏线圈)的输出端提供直接电连接来实现上述内容。适当地，本发明的实施例提供了一种电流换能器(例如一个罗氏线圈)，该电流换能器包括用于给无源电路提供电压的一对输出端，以及提供了一种将电流换能器(例如罗氏线圈)电连接至传输线以获取参考电压的装置。

实施例提供了一种安装电流变换器的方法，该方法包括以下步骤：在导线附近安装电流换能器；以及将电流换能器的输出端连接至导线以向用于驱动至少一个光调制器的电路提供偏置电压或将用于驱动至少一个光调制器的电路的输入端连接至导线以从中获取偏置电压。可以理解的是，偏置电压与线或导线104的电压相同。

参照图3，示出了根据实施例的罗氏线圈103的示图300，该罗氏线圈103包括：绕组302，其具有用于提供与导线(未示出)的通量相关联的电压Δ_V线圈的第一输出端134和第二输出端150。罗氏线圈103还包括在其自由端具有耦合器154的输入端204。尽管罗氏线圈103的实施例被示为具有用于连接至导线的单独连接器，但可替代的实施例也可被实现。例如，位于线圈一端的导电帽(conductive cap)或者位于线圈两端的导电帽可与线圈一体形成以提供从导线中得到偏置电压的一体式结构。可以理解的是，导电帽将被电连接至无源电路或被电连接至电流换能器102的用于电连接至无源电路的输出端以提供偏置电压。

参照图4,示出了根据实施例的电流变换器组件400的实施例。该组件包括连接至无源电路106和光调制器112的罗氏线圈103，该无源电路106和该调制器112由绝缘塔402支撑。绝缘塔402被安装在固定件404上。固定件404可容纳用于与监视站(未显示)通信的电光设备。电光设备可包括光收发器119。电光设备也可包括符合例如IEC61850-9-2的通信电子设备，以支持变电站与监视设备之间的数字通信。可以理解的是，绝缘塔402是中空的且容纳上述提及的光缆，但在图4中被整体标记为406。形式为组件400的本发明实施例可以在远离变电站等(其为组件400将要被安装的地方)的地方进行预制，这有利于在变电站等地点进行安装。电流换能器102被连接至变电站等处的汇流条。

尽管已经参照电流变换器组件的数字化输出对本发明的实施例进行了描述，但这些实施例并不限于此种设置。输出为模拟信号的实施例可以被实现。模拟信号可被施加到启动电路断路器(其至少在电气上与导线一致)的继电器上，以使得断开电路断路器可阻止电流流入该导线。相似地，如上所述的使用数字通信的实施例可以将与导线中电流相关的数据转发至合并单元。合并单元之后可采取合适的动作，例如，启动电路断路器以阻止电流流入导线。

本发明的实施例包括一种安装电流变换器100或安装如上所述具有电流换能器102的组件400的方法。该方法包括将电流换能器102电连接至导线104。本领域技术人员可理解的是，本发明的实施例是针对待监视的每相而提供的。

参照图5，示出了根据实施例的电流换能器500。电流换能器包括罗氏线圈502，该线圈具有一对导电端盖504和506，该对导电端盖504和506被布置为在使用中与导线104电连接。导电端盖504和506均被连接至线圈的输出线,例如线150。

参照图6，示出了调节电路126的实施例的示意图600。调节电路126包括运算放大器126-1，该运算放大器126-1被配置为加法器以将两个波形108和110相加从而产生合并波形602。可实现合并波形602与电流104相关联的实施例。合并波形具有与电流104成比例的幅值。然而，其他特征同样可被用作幅值的替代物。调节电路可使用与电阻并联的电容或126-2。电阻被用于调整两个波形108与110相对于彼此的大小以实现合并波形602中二者之间所需的比例。优选实施例实现平衡，即1:1的比例。在所示的实施例中，电阻通过使用两个电阻器126-3和126-4的串联布置来实现。电阻器之一(例如126-3)可以是可变电阻，这有益于实现所需的比例。能够看出，运算放大器126-1的正输入端通过端子126-5接地。

尽管已参照作为汇流条的导线104对本发明的实施例进行了描述，但本发明的实施例并不限于此。导线为导电实体而非汇流条的实施例可被实现。

此外，尽管在对电力分配系统内的电流进行监视的背景下描述了本发明的实施例，但实施例不限于此。用于监视其他导线(例如向大型电动机或熔炉的供电的导线)中的电流的实施例可被实现。

Claims (14)

1.一种电流变换器，响应于导线在各个电压下所携带的电流，所述电流变换器包括电路，该电路用于经由至少一个光调制器来提供随所述电流的电流变化而变化的经调制光学输出；所述电路包括电压基准线，该电压基准线用于连接到所述导线以使用相应电压来对所述电路进行偏置。

2.如任一前述权利要求所述的电流变换器，其中，所述电路包括整流装置，该整流装置适于根据源自于任一所述电流变化的电压变化产生一对整流波形。

3.如权利要求2所述的电流变换器，其中，所述整流装置包括与至少一对二极管并联的一对电阻器，所述至少一对二极管被设置为可操作地被反向偏置以产生用于驱动相应光调制器的两个驱动波形，所述光调制器适于具有随驱动电压变化的输出。

4.如任一前述权利要求所述的电流变换器，其中，所述相应光调制器包括MEMS镜，该MEMS镜适于偏转接收光以产生所述随驱动电压变化的输出。

5.如任一前述权利要求所述的电流变换器，其中，所述电路包括上部节点和下部节点，在所述上部节点与所述下部节点之间跨接有分压器、电压钳位器或电压限幅器以及整流装置。

6.如权利要求5所述的电流变换器，其中，所述整流电路通过所述电压参考线进行偏置。

7.如任一前述权利要求所述的用于电流变换器的电路，还包括调节电路，该调节电路用于产生与电流相关联的输出波形。

8.一种安装电流变换器的方法，该方法包括：在导线附近安装电流换能器；将所述电流换能器的输出端连接至所述导线以向用于驱动光调制器的电路提供偏置电压。

9.一种罗氏线圈，包括绕组，该绕组用于磁耦合至传输线以经由与磁耦合相关联的至少一对输出端来产生电压；所述罗氏线圈还输入端，该输入端用于将所述罗氏线圈电连接至所述传输线以从该传输线中得到电压。

10.一种电流变换器组件，包括如权利要求1至6中任一项所述的电流变换器，所述电流变换器被安装在绝缘塔上以将该电流变换器与用于容纳的固定件分离。

11.一种大体上参照附图如本文所述和/或如附图所示的电流变换器。

12.一种大体上参照附图如本文所述和/或如附图所示的罗氏线圈。

13.一种大体上参照附图如本文所述和/或如附图所示的电流变换器组件。

14.一种大体上参照附图如本文所述和/或如附图所示的方法。