專利名稱：模制芯自供電式電力線傳感器的制作方法
技術領域：
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，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。
本申請是1996年2月21日提出的案號為08/604,357的美國申請的部分繼續(xù)申請，而那個申請是1994年4月25日提出的案號為08/232,702的美國申請(已放棄)的繼續(xù)。
對電力公司來說，為了預料由于設備故障和交流電力線上過負荷所引起的斷電，以及可能對大量用戶造成供電損失的斷電，既對架空和地下應用又對一次和二次應用進行交流電力線監(jiān)視是十分有用的作法。在峰荷期間當用電最大并且連續(xù)功率傳輸最為關鍵時，斷電和損失最大量用戶的可能性增加。由線路、變壓器和其它設備所引起的斷電修復昂貴，給電力公司雇員帶來危險，并且就損失供電帶來收入損失及對公司聲譽造成危害來說，使電力公司付出很高代價。如果電力線是地下線路，則由電力線故障或過負荷所引起的意外斷電的影響更加嚴重。由于所需大部分工作發(fā)生在受限制的，有時是潮濕的，并且總達不到理想條件的地下這個事實，因此更換受損壞的地下線路需要更多的人時及增強的安全措施。結(jié)果，修復這樣受損壞的地下線路甚至更為昂貴，耗時和危險。
因此，為了更好地預料由于設備故障和過負荷所可能引起的意外斷電，對電力公司監(jiān)視交流電力線和相關設備例如變壓器和開關來說，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可能會因過負荷或故障而成為停電的電力線進行檢修和更換，從而降低意外斷電的數(shù)目。通過更換和檢修這樣的設備，電力公司能大大減少用戶的斷電時間。與修復或更換受損壞電纜有關的費用也將減少。因為包括加班支付，所以與正常計劃檢修或更換比較，更換或修復受損壞電纜的費用要大得多。
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。這種安裝對電力公司來說昂貴，可能給安裝者帶來危險，并且會引起用戶停電。由于這些限制，電力線傳感器還沒有在電力工業(yè)中得到廣泛地應用。
在1994年4月25日提出的并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的案號為08/232,702的美國申請中敘述了一種傳感器，這種傳感器解決了現(xiàn)有技術系統(tǒng)的缺陷。該傳感器利用一個薄而相對寬的高導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在繞組中感應電流，以對傳感器和控制器供電，并傳感交流電力線中的電流及測量非參考電壓電平。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，該傳感器確實具有缺點。
首先，它不會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，但是同時為了使效率最大，必須同量地增加截面厚度。為了達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，同時保持薄斷面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一個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交流電力線對遠距離基站發(fā)送和接收通信。
本發(fā)明的又一個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，不中斷或影響對用戶的供電。
本發(fā)明的又一個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，它由交流電力線機械支持。
本發(fā)明的又一個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)明通過實現(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操作，它可以通過提供一種芯來實現(xiàn)，該芯包含多個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。
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安排在交流電力線周圍的模制芯元件。有一個由交流電力線激勵的繞組層，它包括多個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由繞組供電。一個也由繞組供電的控制器對傳感裝置敏感，并且接收(和發(fā)送)指示所傳感條件的信號。
在一個優(yōu)選實施例中，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。
電壓傳感器包括一個電容器，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。電流傳感器是一個電感器，它包括多個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韨鞲薪涣麟娏€之中或周圍的多個其它條件。
控制器裝置可以包括通過交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的信號的裝置。發(fā)送裝置可以向遠距離基站發(fā)送信號。發(fā)送裝置可以包括一個安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個安排在該通信芯元件周圍以通過非接觸式變壓器作用把信號耦合到交流電力線的繞組。控制器裝置可以包括通過交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的信號的裝置，并且該發(fā)送裝置可以與電容器互連，以把信號電容性耦合到交流電力線。控制器裝置可以包括從遠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距離基站接收通過交流電力線發(fā)送的通信的裝置。接收裝置可以包括一個安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個安排在該通信芯元件周圍，以從交流電力線上耦合來自遠距離基站的通信的繞組。控制器裝置可以包括通過交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的信號的裝置，以及接收從遠距離基站所發(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距離基站所發(fā)送的信號?？刂破餮b置可以還包括從遠距離基站接收通信的裝置，并且通信芯元件上的多個繞組可以通過非接觸式變壓器作用從交流電力線耦合通信?？刂破餮b置可以包括對預定時間期間指示所傳感條件的接收信號進行統(tǒng)計計算，以建立標稱條件電平的裝置，以及探測相對所述標稱電平的變化的裝置。傳感條件可以是電壓。統(tǒng)計計算裝置可以包括對預定時間期間所接收信號進行平均的裝置。
本領域技術人員將從以下對優(yōu)選實施例所作的敘述及附圖想到其它目的，特點和優(yōu)點，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是畫出有關圖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畫出圖1模制芯自供電式電力線傳感器，在其周圍包有保護覆蓋層，并且在保護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間的標稱電平，以確定交流電力線之中或周圍相對該標稱條件的變化。
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用類型的電纜；然而，這不是本發(fā)明的必要限制，因為傳感器10可以用于具有絕緣或非絕緣電纜的架空二次電壓應用，以及架空和地下一次電壓應用。
傳感器10包括薄斷面模制芯元件18,20和22，通過推開其中的間隙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用。按照本發(fā)明，芯由若干模制芯元件組成，在本例為三個。這樣通過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，同時使芯上多個繞組(二次繞組)與穿過芯中央的電力線電纜(一次繞組)之間耦合最大的組合。
實際中所觀察的三項基本損耗有二次繞組電阻所引起的損耗，漏磁感應所引起的損耗，以及在芯材料中感應渦流所引起的損耗。存在其它損耗，并且根據(jù)設計細則它們會在或大或小程度上影響性能。然而，上述三項損耗是所觀察的主要損耗。
在傳感器的試驗實施例中，芯包括由帶繞磁鋼材料制造的設計。對于帶繞，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)點是它相對容易并且便宜，而且它允許使用對其優(yōu)先定向以使最大導磁率與鋼帶長度成一直線的磁鋼。當這樣定向的鋼帶繞成環(huán)形時，最大導磁率近似安排沿著環(huán)形芯體的環(huán)路。因此，最大導磁率通路與穿過環(huán)形芯的一次導體中電流流動所產(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芯的一次繞組的中央向外輻射指向的通路中的渦流流動。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，并且芯中由一次繞組電流所感應的渦流將趨于沿著這些平行通路。不考慮其它問題，如果環(huán)形芯能電氣分隔成多個并排芯，以在與一次繞組平行的芯渦流通路中設置斷路，那么這些渦流將隨與它們有關的損耗(無效功率)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度或芯截面周邊的長度(2T+2W)為特征。通過使磁通匝數(shù)最大并使芯截面周長最小，可以使芯尺寸最優(yōu)。對于傳感器的預料尺寸范圍，最優(yōu)芯尺寸要求W對T(W/T)的比率近似為1到3范圍。如所述，該傳感器的試驗實施例利用了三個芯18,20和22，各芯W(wǎng)/T比率近似為1。
通過把一條線例如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，則形成一個包括繞組24,26和28的繞組層?？蛇x擇地，繞組可以并聯(lián)連接。通過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中感應電流。選擇適當?shù)睦@組比率，以便當交流電力線12被激勵時，將在繞組中感應希望電流。繞組匝數(shù)確定繞組中感應電流與交流電力線12中電流之間的比，以達到使芯元件18,20和22包含等于或小于其飽和電平的感應磁通密度的程度。對于線電流小到20安培，為了提取足夠功率來操作傳感器10，各芯元件的典型繞組數(shù)為75。通過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)表面導體38和與內(nèi)導體38隔開的外表面導體40。兩個導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，電容器用作一個接收器，以從電力線12電容性耦合高頻電力線通信。因為電容器37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。
為了進一步降低噪聲和/或外部磁場，例如鄰近電力線或其它電磁場源所產(chǎn)生的不希望有的作用，把內(nèi)表面導體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，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)表面導體38與外表面導體40之間不表現(xiàn)示差測量?？梢詢H有一個同軸板，例如板39，它與外板40具有相同的表面積?？蛇x擇地，可以有三個同軸板，各有外板40的三分之一表面積。一般地，如果有n個板，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周圍的電流測量繞組44。交流電力線12的電流在繞組44中感應與交流電力線12中流動的電流成正比的電流。因為電感器43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，使其更準確并更容易解釋。
分離材料45對繞組44起一個形狀作用，并且其材料具有空氣那樣的低導磁率。分離材料45可以具有較高導磁率，但是必須注意包括間隙或控制導磁率，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。非線性化電流測量可以由電感器43傳感并加以準確地解釋，然而這樣會對傳感器其它元件要求稍大復雜性。
電壓和電流傳感裝置36還包括一個其中形成的間隙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安排。
通信裝置48由通信芯元件50和多個纏繞在芯元件50周圍，以通過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。然而任何一個都可以用來發(fā)送或接收或既發(fā)送又接收。因此，按照本發(fā)明與電力線進行信號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。
傳感器10典型地包括一個提供電絕緣的保護覆蓋層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但在圖3示意表示的電連接來完成。電子元件66包括各種類型的傳感器，以實質(zhì)上傳感任何現(xiàn)象，例如溫度，壓力，輻射，濕度等；一個電源，由繞組24,26和28(圖1)供電，繞組24,26和28則通過與交流電力線12的非接觸式變壓器作用來激勵；一個微控制器；以及各種其它元件，它們在下文參考圖3作更詳細地討論。
雖然圖2所畫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，因為傳感器可以安排脫開電路板68，并夾在保護覆蓋層62與繞組之間，或傳感器甚至可以安置在保護覆蓋層62的外部，以傳感保護覆蓋層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，它對微控制器106提供5V直流，而且它還提供可以由一個或多個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保護覆蓋層62的外部。僅有一個傳感器即傳感器112由電源102供電，因為剩余傳感器不需要外部電源來操作。這些傳感器對微控制器106提供一個模擬或數(shù)字信號，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與信號調(diào)節(jié)器116互連，信號調(diào)節(jié)器116對所傳感信號執(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的信號是一個電容性耦合的電壓，表示交流電力線12上的瞬時電壓。因為沒有參考電壓，所以電壓傳感器37不對微控制器106提供絕對電壓讀數(shù)。然而，通過監(jiān)視一段時間期間由電容器37所提供的瞬時電壓電平，可以確定平均或標稱電壓電平，并且在確立標稱電平之后，可以由電容器37提供的瞬時輸入解出相對標稱電壓電平的變化。微控制器106可以對非參考電壓輸入信號進行其它統(tǒng)計計算，例如加權，并且可以由這些其它類型的統(tǒng)計確定來確定偏差。
電流傳感由電感器43執(zhí)行，電感器43中感應了與電力線12中交流線電流成正比的電流。感應電流然后提供給電流拾取信號調(diào)節(jié)器117，它在把信號供給微控制器106之前對其放大和濾波。
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(可見或紅外)。事實上，可以利用實際傳感任何現(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，并且對微控制器106提供表示這些傳感條件的模擬或數(shù)字信號。如果必要，控制器106把傳感器所提供的信號變換成數(shù)字信號，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)通過線118提供給電力線載波電子線路120，其對數(shù)據(jù)編碼。然后電力線載波電子線路120把編碼數(shù)據(jù)提供給輸出激勵器112，其對通信裝置48的繞組52發(fā)送低電壓高電流脈沖，以通過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上連接存儲裝置129。存儲裝置129安排在靠近電力線某個方便位置處。
可選擇地，如虛線所示，激勵器122的輸出可以通過線124和125分別提供給圖1電容器37的內(nèi)表面導體38和外表面導體40。在該布置中，從微控制器106發(fā)送的信號電容性耦合到交流電力線12，并且激勵器122必須構(gòu)成為提供高電壓低電流輸出脈沖。目前優(yōu)選地使激勵器122構(gòu)成為激勵通信裝置48的繞組52。激勵器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)包含識別電力線傳感器10的識別碼，以及對電力線10上各單個特定傳感器(108-112及37和43)指示所發(fā)送數(shù)據(jù)類型的識別碼。也就是，發(fā)送包括關于發(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)中各個位置)，以及關于所發(fā)送數(shù)據(jù)類型的信息，即它是否是關于電壓，電流，溫度，輻射等的數(shù)據(jù)。所感興趣的發(fā)送和識別碼和數(shù)據(jù)可以按照常規(guī)基準出現(xiàn)，按照時間當傳感到特定門檻值時出現(xiàn)，或按照任何希望準則出現(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(國際標準化組織)Geneva,Switzerland所提出的用于通信的OSI(開放系統(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)由遠距離基站126接收。基站126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，并且典型地或為接地線，中性線，或為與電力線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完成，如上關于傳感器10所述。例如，電感器43’可以用來通過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’可以用來提供非侵入電容性耦合。所發(fā)送數(shù)據(jù)通過與傳感器10的通信模數(shù)相匹配的標準電力線載波調(diào)制解調(diào)器130提供給計算機132?；?26還能夠通過電力線載波調(diào)制解調(diào)器130從計算機132對交流電力線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。這些高頻通信信號提供給高通濾波器134和136，使它們通過其中，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對通信信號譯碼，然后通過線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可以用來從遠距離基站126接收通信。這是通過提供把繞組52與高通濾波器134和136互連的引線138和139(虛線所畫)來實現(xiàn)。
應該注意，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，對存儲先前傳感條件的存儲單元進行計算和更新，執(zhí)行數(shù)值運算，例如確定流動時間平均數(shù)等，跟蹤時間以便同步，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能對基站126提供特定傳感條件的實際瞬時值，例如實際溫度或輻射讀數(shù)。然而，它還能對基站126提供所傳感的特定條件已相對標稱電平變化的指示，以及這樣變化的量。如上簡單所述，電壓傳感要求這種數(shù)據(jù)發(fā)送，因為沒有傳感電壓可以與之比較以確定絕對電壓的參考電平。因此，把傳感電壓與標稱電平比較，并且確定和向基站126發(fā)送所傳感電壓相對標稱電平的變化。標稱電平可以是平均電壓電平，或可以對傳感電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行其它類型的統(tǒng)計計算，例如加權，并且可以與標稱電平比較以確定相對標稱電平的變化。此外，雖然這個過程不要求對所有類型的傳感器執(zhí)行(因為許多傳感器提供所傳感條件的絕對值)，但是它可以為所傳感的任何條件所使用。事實上，提供相對傳感條件的標稱電平的變化要比提供實際絕對傳感值可能更有用。這是因為在許多實例中，所監(jiān)視的條件不是按實際值監(jiān)視，而是按相對某個標稱值的變化來監(jiān)視它們。
為了探測和發(fā)送相對傳感條件的標稱電平的變化，微控制器106按照圖4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)瞬時地得到一個條件或多個條件(例如電壓，電流，溫度，輻射等)。在步驟156，對時間t期間所傳感條件的瞬時值按照時間平均，或進行其它類型的統(tǒng)計計算，例如加權，以確定交流電力線上該條件的標稱電平。此時，就已確定希望類型的統(tǒng)計計算的標稱電平來說，完成了初始校準。校準過程可以從幾秒到幾周甚至幾月任意執(zhí)行，以得到準確的標稱電平讀數(shù)。在初始校準過程完成之后，在步驟158把步驟154所得到的瞬時值與標稱電平比較。在確定初始標稱電平之后，由新的瞬時傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)地對它再計算。在步驟160，確定瞬時值是否相對標稱電平變化，并且如果是，在步驟162對遠距離基站發(fā)送一個指示有變化及該變化程度的信號。不論是否探測到變化，系統(tǒng)都返回到步驟154以得到另一個瞬時值，并且該過程一直繼續(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，而沒有表示其它特點，但這僅為了方便，因為各特點可以與按照本發(fā)明的任何或所有其它特點相結(jié)合。
本領域技術人員將會想到其它種種實施例，它們屬于下列權利要求范圍之內(nèi)。
權利要求
1．一種模制芯自供電式電力線傳感器，包括多個模制芯元件，安排在交流電力線周圍；一個繞組層，由交流電力線激勵，包括多個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，并對所述傳感裝置敏感，以接收指示所傳感條件的信號。
2．權利要求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磁率鐵磁材料形成。
5．權利要求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．權利要求1的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述多個繞組通過與交流電力線的非接觸式變壓器作用受到激勵。
9．權利要求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．權利要求10的模制芯自供電式電力線傳感器，還包括n個附加板，與所述內(nèi)同軸板電連接，以降低噪聲。
14．權利要求13的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述n個附加板表面積各近似為所述外板的表面積的1/n。
15．權利要求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．權利要求15的傳感器，其中所述傳感裝置包括一個電感器。
17．權利要求16的傳感器，其中所述電感器包括多個電流測量繞組，纏繞在一個分離材料周圍，分離材料安排在電力線周圍。
18．權利要求17的傳感器，其中所述分離材料具有低導磁率。
19．權利要求17的傳感器，其中所述分離材料為泡沫。
20．權利要求17的傳感器，其中所述分離材料為環(huán)形。
21．權利要求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條件的裝置。
22．權利要求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交流電力線發(fā)送指示所傳感的條件的所述信號的裝置。
23．權利要求22的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述發(fā)送裝置對一個遠距離基站發(fā)送所述信號。
24．權利要求23的傳感器，其中所述發(fā)送裝置對一個靠近電力線安排的存儲裝置發(fā)送所述信號。
25．權利要求22的模制芯自供電式電力線傳感器，其中所述發(fā)送裝置包括一個安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個安排在所述通信芯元件周圍，以通過非接觸式變壓器作用把所述信號耦合到交流電力線的繞組。
26．權利要求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交流電力線發(fā)送指示所傳感的條件的所述信號的裝置，并且所述發(fā)送裝置與所述電容器互連，以把所述信號電容性耦合到交流電力線。
27．權利要求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距離基站接收通過交流電力線發(fā)送的通信。
29．權利要求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安排在交流電力線周圍的通信芯元件，以及多個安排在所述通信芯元件周圍，以從交流電力線上耦合來自所述遠距離基站的通信的繞組。
30．權利要求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交流電力線發(fā)送指示所傳感條件的所述信號的裝置，以及接收從遠距離基站發(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距離基站所發(fā)送的信號。
31．權利要求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繞組通過非接觸式變壓器作用從交流電力線耦合所述通信。
32．權利要求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預定時間期間指示所述傳感條件的所述接收信號進行統(tǒng)計計算，以建立標稱條件電平的裝置，以及探測相對所述標稱電平的變化的裝置。
33．權利要求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)計計算裝置包括對所述預定時間期間接收的所述信號進行平均的裝置。
35．一種模制芯自供電式電力線傳感器系統(tǒng)，包括多個模制芯元件，安排在交流電力線周圍；一個繞組層，由交流電力線激勵，包括多個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，并對所述傳感裝置敏感，以接收指示所傳感條件的信號，以通過所述交流電力線對遠距離基站發(fā)送所述接收信號，以及接收從所述遠距離基站發(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傳感電壓的電容器，包括一對安排在電力線周圍的隔開內(nèi)板和外板，以及安排在所述板之間的電介質(zhì)；以及一個傳感電流的電感器，包括一個安排在電力線周圍的分離材料，以及多個纏繞在所述分離材料周圍的繞組。
37．權利要求36的傳感裝置，其中所述電容器還包括n個與所述內(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．權利要求36的傳感裝置，其中所述分離材料具有低導磁率。
40．權利要求39的傳感裝置，其中所述分離材料為泡沫。
41．權利要求39的傳感裝置，其中所述分離材料為環(huán)形。
42．權利要求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，包括多個模制芯元件，安排在交流電力線周圍；以及一個繞組層，由所述交流電力線激勵，包括多個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．權利要求44的功率提取裝置，其中所述模制芯元件由高導磁率鐵磁材料形成。
48．權利要求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)包括多個模制芯元件(18,20,22),安排在交流電力線(12)周圍;一個繞組層,由交流電力線激勵,包括多個安排在各模制芯元件(18,20,22)周圍的互連繞組(24,26,28);一個或多個傳感器(36),以傳感交流電力線(12)之中或周圍的條件;以及一個控制器(106),由繞組(24,26,28)供電,并對傳感器(36)敏感,以接收指示所傳感條件的信號。
文檔編號H01F30/16GK1210605SQ9719206
公開日1999年3月10日 申請日期1997年10月30日 優(yōu)先權日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 申請人:福斯特·米勒公司