真空開關器件中高壓狀況的聲波檢測方法和設備的制作方法

專利名稱：真空開關器件中高壓狀況的聲波檢測方法和設備的制作方法
真空開關器件中高壓狀況的聲波檢測方法和設備
背景技術：
發明領域
本發明涉及高功率電開關器件中失效狀況的檢測，具體涉及通過采用聲波 傳感器檢測真空斷繼器中的高壓狀況。
相關領域描述
在過去幾年中，北美電網的可靠性已經處于嚴格的監視下，尤其當消費者 和工廠增加了對于電能的需求時。該電網中單個組件的失效會弓l起波及整個系 統的災難性的電力中斷。電網中采用的關鍵組件之一是用于打開和關閉高電流、 高壓AC電源的機械開關。盡管半導體器件在該應用中取得了一些進展，但是 超高電壓和電流的組合使得機械開關仍舊是用于這種應用的最佳裝置。
這些高功率機械開關基本上具有兩種結構；充油式和真空式。充油式開關
采用浸入具有高介電強度的烴類基液中的觸頭。該高介電強度需要能在觸頭打
開以中斷電路時抵擋該開關觸頭處的電弧勢。由于高壓使用(service)狀況，油 的周期性更換是需要的，以避免在油的擊穿期間發生的爆炸性氣體的形成。這 種周期性維護要求將電路切斷，這可能是不方便的且昂貴的。烴油可以是有毒 的，而且如果使其溢出到環境中可能會造成嚴重的環境危害。另一個結構在開 關觸頭周圍采用真空環境。如果開關觸頭周圍的壓強足夠低，就能避免開關觸 頭的電弧和損傷。這種類型的斷繼器中的真空損失會在觸頭開關負荷時在這些 觸頭之間引起嚴重的電弧，從而破壞開關。在某些應用中，真空斷繼器處于長 期備用中。在它們被投入使用前，都不會檢測真空損失，這會導致開關在最為 需要的時候立即失效。因此，在開關因觸頭電弧產生而失效之前，預先知道斷 繼器中的真空是否降低是有益的。目前，這些裝置的封裝方式使得檢查即困難 又昂貴。檢查可能需要將電源從連接到該裝置的電路移除，這也許是不可能的。 期望能遠程測量開關中的壓強狀態，因此不需要直接檢查。也期望能在開關運行中并處于工作電壓時，周期性監測開關中的壓強。
也許看起來，對這些斷繼器的真空包封中壓強的簡單檢測已被現有技術中 的器件完全涵蓋，但是實際上，并不是這種情況。主要因素是開關用于開關具 有高出地7到100千伏的電壓的高AC電壓。這使得對現有技術中的壓強檢測 器件的應用非常困難且昂貴。由于成本和安全的限制，現有技術中的復雜高壓 隔離技術是不合適的。所需要的最好是一種在離開關較遠的地方，且當該開關 處于工作電壓時，能安全并廉價地檢測高壓斷繼器中的高壓狀況的方法和設備。 另外，期望具有一種可翻新為現有開關器件而無需大量重做或淘汰，并且不需 要將真空斷繼器模塊從開關外殼的絕緣材料和包封中移除的方法和設備。


圖1 (現有技術)是現有技術的真空斷繼器的第一示例的剖視圖100。該具
體單元是由加利福尼亞州圣荷西市的杰寧斯技術公司(JenningsTechnology)制 造的。觸頭102和104負責開關功能。通常在104托(torr)以下的真空存在于 觸頭附近的區域114中，以及為端蓋108、端蓋110、波紋管112和絕緣套筒106 所包圍的機殼中。波紋管112使觸頭104能相對于固定觸頭102移動，以建立 或斷開電連接。
圖2 (現有技術)是現有技術的真空斷繼器的第二示例的咅艦圖200。該單
元也是由加利福尼亞州圣荷西市的杰寧斯技術公司制造的。在現有技術的這個 實施例中，觸頭202和204執行開關功能。通常在10^托以下的真空存在于觸 頭附近的區域214中，以及由端蓋208、端蓋210、波紋管212和絕緣套筒206 所包圍的機殼中。波紋管212使觸頭204能相對于固定觸頭202移動，以建立 或斷開電連接。
圖3 (現有技術)是包含真空斷繼器302的示例性VBM (真空斷繼路器模 塊)300的局部剖面圖。該VBM模±央300用外部絕緣殼體304和內部絕緣層 306來隔離通過真空斷繼器302開關的高電壓。-一般在發電和配電系統中廣泛用 來實現開關目的的這種模塊是由例如俄亥俄州克萊文德市(Cleveland)的Joslyn
高壓公司制造的。
圖4 (現有技術)是包含真空斷繼器402的示例性VSV (Versa-Vac)電容 器開關模塊400的剖面圖。該VSV模塊400用外部絕緣涂殼體406和內部絕緣 層404來隔離通過真空斷繼器402開關的高電壓。 一般在發電和配電系統中廣
泛用來實現開關目的的這種模塊是由例如俄亥俄州克萊文德市的Joslyn高壓公
司制造的。
正如從模i央300和400的結構戶;f^到的那樣，要容納一改進斷繼器302或 402需要對絕緣層和包封進行大量設計改變。期望具有一種壓強檢測裝置，它能 夠確定斷繼器302或402中的壓強，而無需對外部絕緣材料和包封進行大量的 修改，這樣能實現對當前運行于現場的大量開關的翻新。這能提高發電和配電 系統的可靠性，而無需付出高成本來替換目前安裝的真空斷繼器。
美國專利3， 983， 345公開了一種檢領泡括位于^i曾壓氣體的電路斷路器
的箱體內部的多個常規串聯斷繼器的高壓真空電路斷路器中任意一個真空型電 路斷繼器中的泄漏的方法。通過箱體壁中的小開口插入第一組導電桿，以與斷 繼器的預定端子進行電連接。通過箱體壁中的其它小開口插入與該箱體壁絕緣 的第二組導電桿，以與斷繼器的其它預定端子進行電連接。這些預定端子是這 樣的，使得斷繼器在第一和第二組桿之間并行電連接。在所述第一和第二組桿 之間，將具有足以在已失去其真空的由所述電壓來施壓的任意斷繼器內產生高 概率介電擊穿的值的測試電壓施加到該并行的斷繼器上，從而提供對真空損失 的指示。
美國專利4， 103， 291公開了一種由真空電路斷繼器控制且在該斷繼器使 用中時連續工作的由電路電壓直接供電的泄漏傳感器。將指示系統連接到該泄 露傳感器或多個傳感器，并且提供失效指示及將在單相或多相電路中采用的校 正動作。
美國專利4， 163， 130公開了一種具有壓強監測裝置的真空斷繼器，在其 中將一對可分離的電極被安置在高度真空的包封內，并連接到提供有真空壓強 檢測元件的高壓電路，所述真空壓強檢測元件具有一對彼此絕緣、并用于檢測 真空包封內的真空壓強的檢測電極。該真空壓強檢測元件具有以如下方式施加 到那里的電壓即將一個檢測電極導電連接至慎空包封連接有高壓電路的一端， 而將另一個檢測電極通過一串聯構件連接到地電壓，其中串聯構件由選自電阻、 電感和電容等不同種類的電壓分配元件組成，并且其電壓分配比根據頻率而變 化。真空壓強檢測裝置檢測該真空壓強檢測元件的運行。
美國專利4， 270， 091公開了一種分壓強量規，它利用有效電子碰撞激勵
源來產生剩余氣體的退激輻射特征。給定光譜線的強度正比于具有該光譜線的 氣體的分壓強，并且從激勵源提取的電流可提供對總壓強的測量。基于將所發 射的光強和與激勵過程相關聯的離子流進行比較的校準技術可實現對相對分壓 強的準確測量。采用濾波器令輻射選擇性地從周圍氣體中已知比例的已知成分 通過，從而提供了對存在泄漏的指示而不需要用測試氣體探測。令蒸發流從激 勵區域通過的規定允許對蒸發流量的準確監測，由此還可確定沉積率。結合用 于實現對自所選光譜線輸出的光波內的波動的高差動靈敏度的技術，可實現新 型的泄漏檢測器。結合光學色散元件，可得到剩余氣體分析器。
美國專利4， 402 ， 224公開了一種用于監測采用真空包封的電氣設備的真 空壓強的監測設備。本專利具體公開了一種壓強響應檢測設備，其包括真空式 電場產生設備、包含有用于產生光的光源的電場檢測裝置、用于檢測由于包封 中真空壓強的變化而弓l起的電場產生器中的電場變化和控制與電場變化有關的 光波的電場檢測器、以及用于將由電場檢測器控制的光波轉換成用于監測包封 中的真空壓強的電信號的光電轉換器。
美國專利4， 403， 124公開了一種真空電路斷繼器，它利用由該電路斷繼 器控制的現有高壓源或網絡中的氣相沉積屏蔽，來形成冷陰極離子檢測器，以 用于確定該真空電路斷繼器中的真空質量和數量。從該電路斷繼器的絕緣外殼 突出的中央屏蔽支承環用于通過與周圍絕緣的電涌電阻器向電流檢測橋提供離 子流，并將離子流從該電流檢測橋提供到上述電壓源的公共端子，以因此將該 離子檢測設備的極板(plate)中的一i央返回給該電壓源。
美國專利4， 440， 995公開了一種真空電路斷繼器，它利用其中的氣相沉 積屏蔽以及由該電路斷繼器控制的現有高壓源或網絡，來形成冷陰極離子檢測 器，以用于確定該真空電路斷繼器中的真空質量和數量。從該電路斷繼器的絕 緣外殼突出的中央屏蔽支承環用于向電流測量器件提供電流，并將該冷陰極檢 測器的屏蔽中的一個返回到上述電壓源的公共端子。
美國專利4， 491， 704公開了一種用在真空電路斷繼器中的真空監測設備，
該斷繼器包括裝配成耦合到該真空瓶的內部屏蔽的分壓器的堆疊電阻器、和用 于監測異常壓強狀況下的漏電流的低壓檢測電路。
美國專利4， 937， 698公開了一種用于在中斷真空斷繼器執行時預見損壞的系統，該系統包括用于測量連接到真空斷繼器的固定和可動電極的電線的 電壓的第一測量組件；用于測量電弧屏蔽的電壓的第二測量組件；用于傳輸由 所述第一和第二測量組件中的測量得到的電壓信號的信號傳輸部件；用于在由 所述信號傳輸部件傳輸的來自第一觀糧部件的測量信號與來自第二領糧部件的 湖糧信號間進行比較的比較部件；以及用于基于所艦比部件中做出的對比結 果，判斷出固定和可動電極已在中斷執行時損壞的判斷部件。
美國專利5， 286， 933公開了一種真空斷路器，，對于每相它包括容納在密 閉外殼內部的至少一個真空瓶，其中所述斷路器還包括設置在所述外殼和所述 真空瓶外表面間的間隙中的至少一個閃爍(scintillation)纖維，所述纖維在所述 斷路器外側連接到光電設備。
本發明的目的是提供一種用于確定電氣設備中的高壓狀況的方法，該方法 包括將激勵聲波信號經由聲波波導傳輸到所述電氣設備；在傳輸所述激勵聲 波信號之后，經由所述聲波波導從所述電氣設備接收響應聲波信號；通過將所 述響應聲波信號與一參考信號比較，確定所述電氣設備內的壓強；以及，如果 所述電氣設備內的壓強高于預定值，則發出報警信號。
本發明的另一個目的是提供用于一種確定電氣設備中的高壓狀況的裝置， 該裝置包括具有近端和遠端的聲波波導，所述聲波波導具有位于所述近端的 第---表面，所述聲波波導具有位于所述遠端的第二表面，所述第一表面所具有 的面積大于所述第二表面，并且所述第二表面被通過聲波耦合到所述電氣設備; 通過聲波耦合到所述第一表面的聲波傳輸設備；以及，通過聲波耦合到所述第 一表面的聲波接收設備。
附圖簡述
當結合下面的詳細描述考慮時，本發明將易于理解。該描述參考了附圖，
其中
圖1 (現有技術)是真空斷繼器的第一示例的剖面圖； 圖2 (現有技術)是真空斷繼器的第二示例的剖面圖3 (現有技術)是包含有真空斷繼器的示例性VBM (真空斷路器模塊) 的局部剖面圖4 (現有技術)是包含有真空斷繼器的示例性VSV (VereaVac)電容開 關模塊的剖面圖5是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊的局部剖面圖，其中斷繼器開
關模塊包括連接到外部絕緣體的聲波壓強傳感器；
圖6是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊的局咅陪靦亂其中斷繼器開
關模塊包S^接至,繼器的聲波壓強傳自；
圖7是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊的局部剖面圖，其中斷繼器開
關模塊包括連接到上部電源連接器的聲波壓強傳感器；
圖8是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊的局部剖面圖，其中斷繼器開
關模塊包括連接到外部絕緣體的具有可選聲波波導形狀的聲波壓強傳感器；
圖9是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊的局部剖面圖，其中斷繼器開
關模塊包括連接到斷路器的具有可選聲波波導形狀的聲波壓強傳感器； 圖10是根據本發明實施例的聲波波導的第一示例的示意圖； 圖11是根據本發明實施例的聲波波導的第二示例的示意圖； 圖12是根據本發明實施例的聲波波導的第三示例的示意圖； 圖13是根據本發明實施例的用于測量斷路器中的低壓的聲波壓強傳感器
的示例性傳輸和接收信號的圖表；
圖14是根據本發明實施例的用于測量斷路器中的高壓的聲波壓強傳感器
的示例性傳輸和接收信號的圖表；
圖15是根據本發明實施例的發電和配電系統的框圖16是根據本發明實施例的產生和分配電源的方法的框圖；以及，
圖17是根據本發明實施例的用于采用聲波傳感器測量斷繼器壓強的方法
的框圖。
優選實施例的詳細描述
本發明致力于提供用于測量高壓、高電流真空斷繼器中的壓強的方法和裝 置。作為示例，后面描述的各種實施例隨同圖1-4 (現有技術)所示的結構使用，也可將這些實施例應用到這些結構中。這絕不意味著這些發明性實施例僅限于 對這些斷繼器結構的應用，因為本發明的說明性實施例同樣能應用于任何相似 的設備，例如高壓真空電容器。
現有技術中公開的許多壓強測量方案需要涉及由斷繼器開關的電源線的電 學測量。對于處于接地電壓的線，這是可以接受的。然而，對于許多應用，這 些線比接地電壓高出數千伏，從而使得測量信號的隔離非常困難。另外，大多 數現有技術中的測量方案是無法翻新現有斷繼器的，尤其是那些封裝在絕緣外 殼中的斷繼器。本發明致力于解決現有技術中未能解決的上述困難，通過提供 具有固有高壓絕緣能力的壓強傳感設備，可翻新己經在使用中的的封裝斷繼器。
本發明按如下原理發揮作用即真空斷繼器中的結構以與該斷繼器中的氣 壓有關的方式響應于聲波激勵。作為示例，通過用硬物敲擊(例如在現有技術 的圖1和圖2中的)斷繼器的外部殼體，并聽取源從下面發出的聲音可觀察到 該現象。具有高氣壓的斷繼器會發出與真空狀態下的斷繼器不同的聲響。然而， 通過用錘子撞擊來確定以高壓運行的斷繼器的內部壓強狀態是不實際的(或不 安全的)。具有通常可用的電子傳感器，它包括合并在能夠連接至U斷繼器的外 表面的同一封裝中的聲音傳輸器和接收器。這些傳感器被用在諸如"探魚器"等 商業聲納應用中，其中傳輸器發射超聲波脈沖("呼"("ping"))，而此時接收器 監聽回聲信號以確定水中物體的尺寸和距離。然而，已發現由于許多原因，將 這些器件簡單地連接到真空斷繼器的外表面會造成令人不滿的結果。首先，高 壓隔離的要求通常超出這些商業聲納傳感器的能力。第二斷繼器和開關模塊 的彎曲表面與所述聲波傳感器通常平坦的表面是不能相兼容的。第三，已發現 與傳感器接收器的靈敏度相耦合的該傳感器傳輸器的傳輸聲音強度不足以將斷 繼器中的壓強級別區分到合適的程度。
本發明的多個實施例提供對于上述問題的新穎解決方案，或提供將聲納傳 感器交互到斷繼器。該解決方案需要包含在聲納傳感器和斷繼器或開關模塊之 間的聲波波導器件。聲波波導用于許多目的。 一，它令聲納傳感器與斷繼器的 高工作電壓絕緣。二，它用于使平坦的聲納傳感器表面與斷繼器或開關模塊的 彎曲表面相適應。三，它用于放大從聲納傳感器到斷繼器的激勵信號，同時為 從斷繼器到接收器的反射響應信號提供聲波導管。圖5是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊500的局部剖面圖，其中所述
斷繼器開關模土央包l鏈接到外部絕緣體406的聲波壓強傳離501 。將真空斷繼 器200容置于內部絕緣層404和外部絕緣層406中。外部絕緣層406通常是硬 玻璃或陶瓷材料。內部絕緣材料404通常是泡沫型絕緣體。在該實施例中，聲 波壓強傳感器501連接到外部絕緣層406，并且包括聲波波導502、聲波傳輸器 /接收器模塊504、接口電子模塊506和保護殼508。在點510處接觸絕緣層406 的聲波壓強傳感器501借助耦合到聲波波導502的模塊504中的傳輸器將高強 度的聲波發射到外部絕緣層406中。聲波經過層406和404被傳輸到真空斷繼 器200中，斷繼器200內的各種機械結構將傳輸的聲波信號的一部分反射回聲 波波導502，該聲波波導502再將該信號傳導到模i央504中的接收器。參見以下 關于圖ll、 12的討論，以獲取關于聲波波導502的更多信息。 一般地，在第一 時間段產生傳輸信號("或激勵"信號)，然后終止。然后，模塊504中的接收器 在第一時間段終止后立刻在第二時間段監聽響應信號。反射的聲波響應信號的 振幅和時間取決于斷繼器200中的氣壓。高氣壓有助于聲音傳輸，然而在高真 空中，聲音傳輸停止。在高氣壓處，傳輸的聲波信號會以更高的強度到達斷繼 器內更多結構化組件，從而能以更高的振幅產生更多數量的反射聲波信號。而 在低氣壓處，反射信號的數量更少、振幅更低。通過分析反射的聲波譜，可確 定斷繼器200中的壓強。例如，可以以已知壓強下收集一系列斷繼器的聲波譜， 并且將其作為參考波譜進行電儲存。通過對比實際波譜與所儲存的參考波譜可 產生斷繼器中的壓強。
上述過程一般使用恒定頻率的劃寸信號。可選擇地，傳輸聲波信號可以隨 頻率變化，因此可激發斷繼器內各種結構的共振。氣壓會影響響應信號的振幅 和頻率，因為這會影響斷繼器內振動機械結構的共振行為。在這種模式中，對 接收器從預定范圍的一端到另一端進療'掃頻"，以將該接收器'調諧"到與傳輸信 號同樣的頻率。用于改變傳輸信號的頻率以及調諧接收器的方法對于本領域的 --般技術人員而言是公知的。
對于任意方法，傳輸信號的頻率范圍在20千周/秒與5000千周/秒之間，優 選地在80千周/秒與200千周/秒之間。
接口電子模±央506可以具有許多作用。首先，它向傳輸/接收模塊504供電。電源可以得自AC主電源線路連接到斷繼器開關模塊500時的感應現象。這可
以發生在有足夠電流流經斷繼器中的觸頭，并產生會在模i央506中駐留的線圈 中感應電流的強磁場的時候。該感應電源可以用于直接驅動模±央506和504中 的電路，或者為模塊506中的諸如電池和電容器等存儲器件充電。當僅在間歇 的基礎上使用斷繼器時，存儲器件是必須的。在該實施例中，將聲波壓強傳感 器501連接到外部絕緣體406，因此，就可更少關心有關隔離向模i央506供應的 任何電壓或從模塊506得到的任何電壓。結果，也可以從外部源(未示出)將 電源供應到模塊506。第二接口模i央506可以包括用于連^fl輸/接收模i央 504中的傳輸和接收傳感器的模擬放大和驅動電路，以及用于譯碼所接收的聲波 信號所必須的微處理器或其它數字電路。第三，模塊506包括用于將斷繼器的 壓強狀態傳輸到遙控定位的監測站或系統(未示出)所必須的接口電路。其通 信可以通過諸如RS-232、、以太網、雙絞線等傳統有線系統(未示出)；纖維光 纜(未示出)；或在RFID系統領域中公知的RF傳輸器(未示出)等來實現。 可選地，可以將上述模塊506的功能中的一些或全部通皿控定位成套裝置來 執行，并可以將其通過任何常規裝置連接至U聲波壓強傳繊501實現。
本發明的優點是，能夠以低成本來監測大量斷繼器，并提供整個開關網絡 中多個斷繼器的壓強狀態。連續的壓強監觀順得能夠為預防性維護編制計劃， 并在它們以災難性方式失效之前提供有序和主動的行動來替換可能存在缺陷的 斷繼器。
圖6是根據本發明實施例的斷繼器開關模i央600的局部咅靦圖，其中所述 斷繼器開關模i央600包括連接到該斷繼器200的聲波壓強傳感器501 。在該實施 例中，聲波壓強傳感器501被連接到斷繼器200的外壁，而且它包括電絕緣聲 波波導604、聲波傳輸器/接收器模塊504、接口電子模塊506和保護殼508。在 點602處接觸斷繼器200的外壁的聲波壓強傳感器501借助耦合到聲波波導604 的模塊504內的發射器將高3雖的聲音劍寸到斷繼器200的外壁。聲音被傳輸 到真空斷繼器200后，斷繼器200內的各種機械結構將傳輸的聲波信號的一部 分反射回聲波波導604，該聲波波導604再將信號傳導至贖±央504中的接收器。 參見以下對圖11、 12的討論以獲取關于聲波波導604的進一步信息。
圖7是根據本發明實施例的斷繼器開關模i央700的局部剖面圖，其中該斷
繼器開關模塊700包J鏈接到上部電源連接器702的聲波壓強傳感器701 。在該 實施例中，聲波壓強傳感器701包括聲波波導706、聲波傳輸器/接收器模±央708、 接口電子模決710和保護殼712。在點714處接觸絕緣體704的聲波壓強傳感器 701借助耦合到聲波波導706的模±央708內的^M器將高強度的聲波刻寸到上部 電源連接器702。可選地，可以將絕緣體704移除，并將電絕緣聲波波導706 以與電源連接器702直接接觸的方式放置。聲音經過上部導體204 (參見圖2) 被傳輸到真空斷繼器200內后，斷繼器200中的各種機械結構將傳輸的聲波信 號中的一部分反射回聲波波導706，聲波波導706再將該信號傳導到模塊708 中的接收器。參見以下對圖ll、 12的討論以獲取關于聲波波導604的進一步信 息。聲波傳輸器/接收器模塊708在功能上與前述模塊504中的傳輸器/接收器相 似。接口電子模塊710在功能上與前述模i央506中的接口電子模塊相似。
圖8是根據本發明實施例的斷繼器開關模i央800的局部剖面圖，其中所述 斷繼器開關模塊800包括連接到外部絕緣體406、且具有可選聲波波導形狀的聲 波壓強傳感器801 。在該實施例中，聲波壓強傳感器801連接至,部絕緣層406， 并且包括聲波波導802、聲波傳輸器/接收器模塊806、接口電子模塊804和保護 殼808。參見以下對圖10的討論以獲取關于聲波波導802的進一步信息。與前 面實施例中描述的"點"接觸不同，本實施例公開了聲波波導802與絕緣體406 的外表面的"線接觸"810。聲波壓強傳感器801以與前面圖5戶誠的聲波壓強傳 感器501相似的方式工作，其中的傳輸器/接收器模塊806在功能上與前述模土央 504中的傳輸器/接收器模i央相似，而接口電子模i央804在功能上與前述模i央506 中的接口電子模塊相似。
圖9是根據本發明實施例的斷繼器開關模塊900的局部剖面圖，其中戶腿 斷繼器開關模士央900包J鏈接至U外部絕緣體406、且具有可選聲波波導開沐的聲 波壓強傳感器901。在該實施例中，聲波壓強傳感器901被連接到斷繼器200 的外壁，并且包括電絕緣聲波波導902、聲波傳輸器/接收器模±央904、接口電子 模±央906和保護殼908。在912處提供與斷繼器200的外壁盼'統，接觸的聲波壓 強傳感器901借助耦合到聲波波導902的模塊904中的傳輸器將高強度的聲波 發射到斷繼器200的外壁。參見以下對圖10的討論可獲取關于聲波波導902的 進 -步信息。聲波壓強傳感器901以與圖6戶腿聲波壓強傳感器501相似的方
式工作，其中聲波傳輸器/接收器模塊904在功能上與前述模±央504中的傳輸器/ 接收器模塊相似，而接口電子模±央906在功能上與前述模i央506中的接口電子 模塊相似。
在本發明的多個實施例中，該聲波波導具有許多重要而新穎的功能。首先， 它們使商業傳感器的聲波傳輸禾啦收表面一般較為平坦、平面的形狀與斷繼器 和斷繼器開關模i央彎曲、圓柱形的外表面相適應。嘗試將商業傳輸/接收傳 的圓盤形的形狀連接至U例如斷繼器彎曲的圓柱形的形狀，會致使傳感器表面與 該斷繼器較小比例的接觸。進而，引起較小比例的傳輸聲波能量被傳送到斷繼 器，并且會將接收器響應于信號的較差靈敏度被直接返回。第二，聲波波導的 特定形狀可放大傳述到斷繼器的聲音的強度，并且還可以放大了返回到接收器 的聲波響應信號的靈敏度。第三，結構的材料可以提供在高壓表面(通常為斷 路器或其上的連接器)與傳感器及其它低壓電路之間的電氣隔離。
圖10是根據本發明實施例的聲波波導1000的第--一示例的示意圖。在該實 施例中，商業聲波傳輸/接收模塊1004被連接到在聲波波導1000近端處的表面 1006。模塊1004包括集成在單個單元中的聲音傳輸設備和聲音接收設備。這些 模塊在商業上是可用的，并且對于本領域一般技術人員而言是公知的。可選地， 如果傳輸和接收設備兩者都被安裝在表面1006上，則它們也可以被分開使用。 表面1006具有尺寸1012的寬度和尺寸1014的長度，足以覆蓋模塊1004的配 對表面。通常，將表面1006的表面積設計得盡可能小并仍可覆蓋傳感器的酉d)(寸 表面，以最小化損耗并最大化靈敏度。根據為本領域一般技術人員所公知的技 術，優化諸如平坦、粗糙等表面特性，以提供與模塊1004酉瀏表面的充分接觸。 如果必要的話，可以在模±央1004和聲波波導1000之間放置界面潤滑油或化合 物，以最小化界面損耗并增強聲波傳輸。在遠端1008處，將該聲波波導的接觸 表面減小為1014的長度尺寸以及1010的寬度尺寸，該接觸表面的面積相對于 表面1006的面積大大減小。接觸表面提供一個以上適合于諸如1002等圓形表 面的"線接觸"。從近端(表面1006)到遠端1008的表面積的減小可提供對聲波 波導1000的聲波放大，其中從模塊1004的傳輸器部分發射的聲波強度會在接 觸表面(遠端)處被增加。同樣，在接觸表面(遠端)處接收到的聲音會在近 端(表面1006)處被放大。聲波波導的放大使得可以增加聲波傳感器的靈敏度，并降低低壓級別。
聲波波導iooo由具有良好聲波傳輸性能的岡他材料制成。該材料包括，但 不限于，硬塑料、塑料合成物、陶瓷、石英、玻璃、金屬及其組合。對于斷繼
器模:t^l妾觸產生在外部絕緣表面(例如圖5和8)的應用，在該結構中可以使用 金屬。對于需要高壓隔離的應用(諸如圖6、 7和9)，則需要合適的介電材料。 注意到聲波波導可以由設計來增強聲波傳輸(未示出)、且具有特定形狀的層疊 或分層材料來構造是有好處的。每一層可以具有特定的形狀并由不同材料組成， 以提供聲波"透鏡"或聚焦效應來進一步放大聲波波導中的聲音傳輸。
圖11是根據本發明實施例的聲波波導1100的第二示例的示意圖。傳輸器/ 接收器模±央1104被連接到表面1106處的近端。表面1106具有尺寸1114的寬度 和尺寸1116的長度，其足以覆蓋模塊1104的酉SX寸表面。在遠端1108處，聲波 波導的接觸表面減小到1112的長度尺寸和1110的寬度尺寸，該接觸表面面積 相對于表面1106的接觸表面面積大大減小。這在大大減小了表面積的表面1102 上提供了"點接觸"。從近端(表面1106)至遠端1108的表面積的減小提供了聲 波波導1100的聲波放大，其中從模塊1104的傳輸器部分所發射出的聲波的強 度在接觸表面(遠端)得到增加。同樣，在接觸表面(遠端)處接收的聲波在 近端(表面1106)處得到放大。
聲波波導IIOO由具有良好聲波傳輸特性的剛性材料構成。該材料包括，但 不限于，硬塑料、陶瓷、玻璃、金屬及其組合。對于與斷繼器模塊的接觸產生 在外部絕緣表面(諸如圖5和8)的應用，在該結構中可以采用金屬。對于需要 高壓隔離(諸如圖6、 7和9)的應用，則需要合適的介電材料。注意到聲波波 導可以由設計來增強聲波傳輸(未示出)、且具有特定形狀的層疊或分層材料來 構造是有好處的。每一層可以具有特定的形狀并由不同材料構成，以提供聲波 "透鏡"或聚焦效應來進一步放大聲波波導中的聲音傳輸。
圖12是根據本發明實施例的聲波波導1200的第三示例的示意圖。傳輸器/ 接收器模塊1204被連接到表面1206處的近端。表面1206具有尺寸1210的直 徑，并通常是圓形形狀。在遠端1208處，聲波波導的接觸表面被減小到1212 的直徑尺寸。這在大大減小了表面積的表面1202上提供了"點接觸"。從近端(表 面1206)至遠端1208的表面積的減小提供了聲波波導1200的聲波放大，其中
從模決1204的傳輸部分發射出的聲波的強度會在接觸表面(遠端)處得到增加。
同樣，在接觸表面(遠端)處接收到的聲波會在近端(表面1206)處得到放大。
聲波波導1200由上面圖10和11中所述的材料構成。
對于本領域一般技術人員顯而易見的是，圖10、 11和12中公開的特定實 施例僅僅是示例，近端和遠端的其它幾何圖形也是合適的。例如，矩形的近端 表面可以與圓形或橢圓形的遠端表面組合，反之亦然。聲波波導的所有實施例
中所需的重要標準是近端處(連接到^lt器/接收器模塊)的表面積大于遠端
處(連接到斷繼器或斷繼器模塊)的表面積。對于本領域一般技術人員同樣顯 而易見的是，可以將上述聲波壓強傳感器的應用擴大為不僅可確定斷繼器內的 壓強，還可確定其外部表面可以被本發明實施例連接到的任何封閉容器或器件 內的壓強。
圖13是根據本發明實施例用于測量斷路器中的低壓的聲波壓強傳感器的 示例性傳輸信號1306和接收信號1308-1314的圖表1300。在圖表1300中，由 標計為發射1302的第一時段示出了由傳輸/接收模塊從聲波波導廣播到斷繼器 的示例性激勵或傳輸超聲波。在刻寸1302的時段的結束處，該發射信號突然中 止，且傳輸/接收模±央"在后面標記為接收1304的時間段監聽"聲波響應信號。聲 波響應信號組分的示例如項1308-1314所示。低壓時，這對言號組分將在數量上 更少，并且比在高壓強下接收到的那些信號組分放大的振幅更低(參見下面的 圖14)。每一個具體的斷繼器結構具有唯一的一組聲波響應信號組分，其作為器 件中壓強的功能也會變化。對該聲波圖譜的分析可確定斷繼器內的壓強級別。
圖14是根據本發明實施例用于測量斷路器中的高壓的聲波壓強傳感器的 示例性傳輸1306和接收組分1402-1412的圖表1400。高壓時，這里具有比圖13 的低壓示例更多的響應信號組分1402-1412，且每個信號通常具有更高的振幅。
圖15是根據本發明實施例電源產生和分配系統的框圖1500。該圖是一完 整電源分配網絡的簡化版本，但是無論如何卻能用于說明本發明的相關特征。 該圖劃分為三個主要組分發電源1502-1510、開關和傳輸網絡1512以及多個 終端用戶1514。這些主要組分中的每一個都具有使用在其結構(為了簡潔而未 示出)中的多個斷繼器開關模塊。發電源的示例包括核能1502，(包括煤、天然 氣的)礦物燃料1504、太陽能1506、風能1508和水力電1510。在表示復雜發電設備的這些發電源內部采用了大量開關器件，其中至少一部分是真空斷繼器。
開關和傳輸網絡1512使電源與終端用戶1514連接。通過其特性，網絡1512采 用了許多開關設備，且其中的絕大數量是真空斷繼器。終端用戶和消費者1514 也可以在其設備中使用電源開關設備。
圖16是根據本發明實施例產生和分配電源的方法的框圖1600。在第一步 驟1602處，在發電設備中產生電源。在步驟1610處，監控連接到存在于發電 設備內的各種真空斷繼器的聲波壓強傳感器。如果一個或多個斷繼器內的壓強 超過了預定值，則在步驟1612處發布警t艮，并在步驟1614處替換有缺陷的斷 繼器。在步驟1604處，將電源傳送到分配和開關網絡。在步驟1620處，監控 連接到存在于電源分配網絡內的各種真空斷繼器模塊的聲波壓強傳感器。如果 一個或多個斷繼器內的壓強超過預定值，則在步驟1622處發出警報，并在步驟 1624處替換有缺陷的斷繼器。在步驟1606處，將電源從該分配和開關網絡傳送 到終端消費者。在步驟1630處，監控連接到存在于終端用戶設備內的各種真空 斷繼器模塊的聲波壓強傳感器。如果一個或多個斷繼器中的壓強超過了預定值， 則在步驟1632處發出警報，并且在步驟1634處替換有缺陷的斷繼器。
圖17是根據本發明實施例用于采用聲波傳感器測量斷繼器壓強的方法的 框圖1700。在步驟1702處，將激勵信號1306傳輸到真空斷繼器中。在步驟1704 處，接收響應信號。在步驟1706處，將響應信號與一個或多個參考信號比較。 在步驟1708處，根據響應信號與參考信號的比較估計斷繼器中的壓強。在步驟 1710處，將所測到的壓強與預定值對比。如果壓強大于預定值，則在步驟1712 處發出警報。如果壓強小于預定值，則在步驟1702處令監控繼續并傳輸新激勵 信號。
本發明并不限于前面描述的多個實施例或示例。相反，本發明的保護范圍 由這些描述連同所附的權禾腰求書及其等同特征一起限定。
權利要求
1、一種用于檢測電氣設備中的高壓狀況的裝置，包括具有近端和遠端的聲波波導，所述聲波波導在所述近端具有第一表面，所述聲波波導在所述遠端具有第二表面，所述第一表面所具有的面積比所述第二表面大，并且所述第二表面通過聲波耦合到所述電氣設備；通過聲波耦合到所述第一表面的聲波傳輸器件；以及通過聲波耦合到所述第一表面的聲波接收器件。
2、 如權禾腰求l所述的裝置，其特征在于，所述聲波波導主要由電絕緣材 料組成。
3、 如權利要求2所述的裝置，其特征，戶誠聲波波導選自由硬塑料、塑料 合成物、陶瓷、石英和玻璃組成的團體。
4、 如權禾腰求l戶腿的裝置，其特征在于，所述聲波波導包括金屬。
5、 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面 具有矩形形狀。
6、 如權禾腰求5所述的裝置，其特征在于，所述第一表面和戶腿第二表面 具有正方形形狀。
7、 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一表面和戶，第二表面 具有橢圓形形狀。
8、 如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面 具有圓形形狀。
9、 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電氣設備包括真空斷繼器， 封裝在具有外表面的電絕緣層內，所述聲波波導的第二表面通過聲波耦合到所 述絕緣層的外表面。
10、 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電氣設備包括具有外表 面的真空斷繼器，所述聲波波導的所述第二表面通過聲波耦合到所述真空斷繼 器的外表面。
11、 如權禾腰求l所述的裝置，其特征在于，還包括電子接口模塊，所述 電子接口模塊電耦合至IJ所述聲波傳輸設備和所述聲波接收設備。
12、 如權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述電子接口模i央通過流經 所述電氣設備的電流得到電源，所述電子接口模塊向所述聲波傳輸設備和所述 聲波接收設備供電。
13、 如權禾腰求ll戶腿的裝置，其特征在于，戶脫電子接口模i央包括用于傳輸所述電氣設備的壓強狀態的通信裝置。
14、 一種用于確定電氣設備中的高壓狀況的方法，包括 將激勵聲波信號經由聲波波導傳輸到所述電子設備；在所述激勵聲波信號傳輸后，經由所述聲波波導接收來自所述電氣設備的 響應聲波信號；基于所述響應聲波信號，確定所述電氣設備內的壓強；以及 如果所述電氣設備內的壓強高于預定值，則發出警報。
15、 如權禾腰求14戶誠的方法，其特征在于，所述聲波波導包括具有近端和遠端的伸長部分，所述近端具有第一表面，所述遠端具有第二表面，所述第 一表面所具有的面積比所述第二表面大，并且所述第二表面通過聲波耦合到所 述電氣設備。
16、 如權利要求15所述的方法，其特征在于，當經由所述聲波波導傳輸時， 所述激勵聲波信號會被放大。
17、 如權禾腰求15戶腿的方法，其特征在于，當經由戶腿聲波波導接收時， 所述響應聲波信號會被放大。
18、 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述電氣設備包括真空斷繼 器，封裝在具有外表面的電絕緣層內，所述聲波波導的所述第二表面通過聲波 耦合到所述絕緣層的外表面。
19、 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述電氣設備包括具有外表 面的真空斷繼器，所述聲波波導的所述第二表面通過聲波耦合到所述真空斷繼 器的外表面。
20、 如權禾腰求14戶腿的方法，其特征在于，所述傳輸聲波信號在20和 5000千周/秒之間。
21、 如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述傳輸聲波信號在80和 200千周/秒之間。
22、 如權利要求14所述的方法，其特征在于，確定所述電氣設備內的所述 壓強包括將所述響應信號與參考信號進行比較。
23、 如權禾腰求23戶腿的方法，其特征在于，將所述響應信號與參考信號 進行比較還包括，將所述響應信號的信號組分的數量和振幅與所述參考信號的 信號組分的數量和振幅進行比較。
24、 一種用于確定電氣設備內的高壓狀況的裝置，包括用于將激勵聲波信號經由聲波波導傳輸到所述電子設備的組件； 在傳輸所述激勵聲波信號后，用于經由所述聲波波導從所述電氣設備接收 響應聲波信號的組件；用于基于所述響應聲波信號確定所述電氣設備內的壓強的組件； 用于如果所述電氣設備內的所述壓強高于預定值則發出警報的組件。
25、 如權利要求24所述的裝置，其特征在于，所述聲波波導包括具有近端 和遠端的伸長部分，所述近端具有第一表面，所述遠端具有第二表面，所述第 一表面所具有的面積比第二表面大，并且所述第二表面通過聲波耦合到所述電 氣設備。
26、 如權禾腰求25戶腿的方法，其特征在于，當經由戶腿聲波波導傳輸時， 所述激勵聲波信號會被放大。
27、 如權利要求25所述的方法，其特征在于，當經由所述聲波波導接收時， 所述響應聲波信號會被放大。
28、 如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述電氣設備包括真空斷繼 器，密封在具有外表面的電絕緣層中，所述聲波波導的所述第二表面通過聲波 耦合到所述絕緣層的外表面。
29、 如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述電氣設備包括具有外表 面的真空斷繼器，所述聲波波導的所述第二表面通過聲波耦合到所述真空斷繼 器的外表面。
30、 如權利要求24 )Bt的方法，其特征在于，所述傳輸聲波信號在80和 5000千周/秒之間。
31.
32、如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述傳輸聲波信號在80和 200千周/秒之間。
33、 如權禾腰求24所述的方法，其特征在于，用于確定所述電氣設備內所述壓強的所述組件將所述響應信號與參考信號進行比較。
34、 如權利要求33所述的方法，其特征在于，用于確定所述電氣設備內所 述壓強的所述組件將所述響應信號的信號組分的數量和振幅與所述參考信號的 信號組分的數量和振幅進行比較。
全文摘要
一種用于檢測斷繼器內的高壓狀況的方法和裝置，包括將高強度超聲波經由聲波波導引入真空斷繼器的外壁，然后監聽反射和轉發的響應信號。該響應信號的特征被用來確定所述斷繼器內的壓強，并且確定多余的高壓狀況所存在的時間。
文檔編號B06B3/00GK101341563SQ200680035644
公開日2009年1月7日 申請日期2006年9月20日 優先權日2005年9月30日
發明者E·F·比斯特, L·雷, R·C·莫斯利, S·J·蘭達佐 申請人:杰寧斯技術公司