阅读说明：本技术 多相传感器模块、系统和方法 (Multi-phase sensor module, system and method ) 是由 N·戈登 P·奥尔 P·涅夫查斯 于 2018-04-05 设计创作，主要内容包括：本发明能够测量多相电力电缆的相之间的电压(相间电压),所述电力电缆例如三相电力电缆,诸如可以在海底或地下环境中进行电力传输的电缆。本发明在测量位置不需要电源,并且仅依赖于光纤(通常存在于这种电缆中)以将光传送到传感器和从传感器传送光。基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器对导体之间的电场进行采样并转换为光纤上的应变,由此反射光的某些波长通过待测量的相间电压的瞬时幅度被调制。实现本发明的传感器模块包含隔离物,该隔离物将所述导体保持处于预定的几何形状,并将所述FBG传感器定位在待要在其上执行相间电压测量的导体对之间。在所述电缆的端部,询问系统可以提取和解释这些波长的调制以推断测量的电压值。本发明可以结合到修复接头中用于改装目的,并且还可以结合基于FBG的电流传感器以同时测量所述导体中的电流。(The present invention enables the measurement of the voltage between the phases (interphase voltage) of a multi-phase power cable, for example a three-phase power cable, such as a cable that can be used for power transmission in a subsea or underground environment. The present invention does not require a power source at the measurement site and relies solely on optical fibers (typically present in such cables) to carry light to and from the sensor. Fiber Bragg Grating (FBG) based sensors sample the electric field between conductors and convert to strain on the fiber, whereby certain wavelengths of the reflected light are modulated by the instantaneous amplitude of the phase-to-phase voltage to be measured. The sensor module embodying the invention contains spacers that hold the conductors in a predetermined geometry and position the FBG sensors between pairs of conductors on which phase-to-phase voltage measurements are to be performed. At the end of the cable, the interrogation system can extract and interpret the modulation of these wavelengths to infer the measured voltage value. The invention can be incorporated into a repair splice for retrofitting purposes and can also be incorporated into FBG-based current sensors to simultaneously measure the current in the conductor.)

多相传感器模块、系统和方法

技术领域

本发明涉及多相电力传输领域，例如可用于海底或地下电力传输或分配。更具体地，本发明涉及对传感装置的改进，该传感装置使得能够确定多相电缆中的相间电压(phase-to-phase voltages，“相位间的电压”)。在本发明的一个具体实施方案中，提供了一种多相传感器模块，其具有隔离物和设置在所述隔离物上的多个基于光纤布拉格光栅(Fibre Bragg Grating)的电压传感器，并且在本发明的另一个实施方案中，提供了一种包括多个多相传感器模块和光询问系统的电缆监测装置。

背景技术

从保护、控制和监测的角度来看，希望能够实时测量海底或地下电力电缆上的电压和电流。就其性质而言，这种电力电缆通常位于难以接近的位置，并且期望执行测量和/或监测电力电缆状况的点与电源或顶部民用建筑结构之间的距离通常非常远(例如>50km)，或者只是很难接近。

从可靠性和安全性的角度来看，非常希望能够非侵入地并且不需要与导体直接电接触或暴露非绝缘的导体来测量电压和可选的电流。

特别地，迄今为止还没有一种方法可以在不需要电源的情况下长距离测量电力电缆内的相间电压。一般而言，测量相间电压的方法需要包含有源电子器件的传感器。向远程位置的传感器供电并确保电源的可靠性是非常重要的问题。虽然极化普克尔(Polarimetric Pockels)传感器理论上可以在没有电源的情况下实现测量，但它们仅在短距离内有效并且不能多路复用——例如每个传感器需要多个光纤。

一些方法利用容纳在电力电缆内的铜引导线来向传感器供电。这些传感器可以沿着也容纳在电力电缆内的光纤传送回测量的电压。然而，尽管光纤允许长距离传送测量数据，但是该技术依赖于沿有损电线进行的电力输送，因此不能保证在这样的长距离下进行输送。

或者，众所周知，安装将电力电缆导体电压(可以是10至30kV)变换为低电压(例如：24至240V)的变压器以驱动传感器系统。因为变压器价格昂贵，并且由于需要建造和安装海底或地下电力变压器，这种方法成本极高，并且可以理解其本质上比非接触式、非侵入式方法风险更大。

因此，本发明的至少一个方面的目的是消除和/或减轻已知的/现有的布置的一个或多个缺点。

通过阅读以下描述，本发明的其他目标和目的将变得明了。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种相间电压传感器模块，包括：

隔离物，用于保持两个导体处于预定间隔；以及

至少一个电压传感器，被设置在所述隔离物上，使得定位在所述导体之间；

其中，所述至少一个电压传感器包括与压电元件接触的光纤布拉格光栅，所述压电元件响应于所述导体之间的相间电压膨胀和收缩。

优选地，所述隔离物保持所述导体分开。

最优选地，所述至少一个电压传感器可以被配置用于测量所述导体之间的电场。所述电场取决于所述相间电压并因此代表所述相间电压。因此，可以在没有与导体进行电连接的情况下测量所述相间电压。所述压电元件可以被配置为响应于所述电场膨胀和收缩。

优选地，所述至少一个传感器可以包括附接到所述压电元件的电极对，以对所述导体之间的电场进行采样并驱动所述压电元件。可选地，所述电极可以是半球形的。可选地，所述电极可以包括铜。

或者，所述至少一个电压传感器可以被配置为电连接到所述导体。在这种情况下，所述压电元件由所述导体中的电压直接驱动，通过该导体可以直接测量所述相间电压。

有利地，所述隔离物可以包括介电材料，其可以是PTFE或聚醚醚酮PEEK(polyether ether ketone)。或者，所述隔离物可包括导电材料，其可以是铜。又或者，所述隔离物可包括复合材料，其可包括介电材料和导电材料。所述隔离物可以由3D打印或注射成型制造得到。

优选地，隔离物可包括规则的几何形状。最优选地，所述隔离物可以包括与相位的数量(以及因此导体数)对应的多个顶点或侧面。最优选地，所述模块包括电压传感器，所述电压传感器设置在所述隔离物的每一侧上使得定位在导体对之间。

在第一方面的优选实施方案中，特别适用于三相系统，所述隔离物包括三角棱柱，所述三角棱柱被成形或以其他方式配置成保持三个导体分开预定间隔，其中所述模块包括设置在所述隔离物的单独的侧面上的三个电压传感器，使得所述电压传感器定位在相应的导体对之间。

在第一方面的另一个实施方案中，特别适用于六相系统，所述隔离物包括六角棱柱，所述六角棱柱被成形或以其他方式配置成保持六个导体分开预定间隔，其中所述模块包括设置在所述隔离物的单独的侧面上的六个电压传感器，使得所述电压传感器定位在相应的导体对之间。

优选地，根据具体情况，所述至少一个电压传感器的光纤布拉格光栅或每个光纤布拉格光栅具有唯一的峰值反射波长。因此，可以使用例如波分复用器来询问和唯一地识别所述光纤布拉格光栅或每个光纤布拉格光栅。如果所述光纤布拉格光栅或每个光纤布拉格光栅不具有唯一的峰值反射波长，可以使用时分多路复用器。

优选地，根据具体情况，所述至少一个电压传感器中的所述压电元件或每个压电元件包括体压电材料。或者，所述压电元件或每个压电元件包括压电材料堆。所述压电材料可以包括锆钛酸铅，并且所述压电材料可以包括例如PZT-5A或PZT-5H。

可选地，所述隔离物可以包括一个或多个附接件，以将所述导体附接到所述隔离物。优选地，所述附接件位于所述隔离物的顶点处或顶点附近。

可选地，所述多相传感器模块还包括至少一个电流传感器。优选地，所述电流传感器包括与所述压电元件接触的光纤布拉格光栅，其中所述压电元件与电流互感器或罗氏线圈以及负载电阻并联连接。如果所述电流互感器围绕所述导体中的一个设置，可以测量所述导体中的所述电流。

本发明第一方面的实施方案可包括对应于本发明任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第二方面，提供了一种相间电压传感器模块，包括：

隔离物，用于保持两个导体分开预定间隔；以及

至少一个电压传感器，其被设置在所述隔离物上，使得定位在所述导体之间；

其中，所述至少一个电压传感器包括与压电元件接触的光纤布拉格光栅，以及附接到所述压电元件的电极对，由此所述电极将所述导体之间的电场耦合到所述压电元件，由此所述压电元件响应于所述导体之间的相间电压膨胀和收缩。

本发明第二方面的实施方案可包括对应于本发明任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第三方面，提供了一种相间电压传感器模块，包括：

隔离物，用于保持两个导体分开预定间隔；以及

至少一个电压传感器，其被设置在隔离物上，使得定位在所述导体之间；

其中，所述至少一个电压传感器包括与压电元件接触的光纤布拉格光栅，以及附接到所述压电元件的电极对，所述电极对用以对所述导体之间的电场进行采样并且使所述压电元件响应于所述导体之间的相间电压膨胀和收缩。

本发明第三方面的实施方案可包括对应于本发明任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第四方面，提供了一种相-地间或相-中性点间电压传感器模块，包括：

隔离物，用于保持导体与地或中性导管处于预定间隔；以及

至少一个电压传感器，其被设置在所述隔离物上，使得定位在所述导体和所述地或中性导管之间；

其中，所述至少一个电压传感器包括与压电元件接触的光纤布拉格光栅，所述压电元件响应于在所述导体与所述地或中性导管之间的相-地间或所述相-中性点间电压而膨胀和收缩。

优选地，所述隔离物使所述导体保持与所述地或中性导管分开。

可以通过包含多个电压传感器来提供多相传感器模块。

所述至少一个电压传感器可以连接到所述导体和多相电缆的接地护套。

本发明的第四方面的实施方案可包括对应于本发明的任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第五方面，提供了一种相间电压传感器模块，包括：

至少一个电压传感器，其定位在两个导体之间；

其中，所述至少一个电压传感器包括与压电元件接触的光纤布拉格光栅，所述压电元件响应于所述导体之间的相间电压膨胀和收缩。

优选地，所述至少一个传感器可包括附接到所述压电元件的电极对，以对所述导体之间的电场进行采样并驱动所述压电元件。或者，所述至少一个电压传感器可以电连接到所述导体。

可选地，所述至少一个电压传感器可以定位在相应导体之间的凹口中。

本发明第五方面的实施方案可包括对应于本发明任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第六方面，提供了一种电缆接头，包括电缆接头壳体和根据前述任一方面的至少一个相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块。

优选地，所述相间(或相-地间或相-中性点间)电压传感器模块或每个相间(或相-地间或相-中性点间)电压传感器模块布置在所述电缆接头壳体内，使得两个或更多个导体(或导体与地或中性导管)保持分开预定间隔，由此设置在所述模块的隔离物上的一个或多个电压传感器被定位在一对或多对导体(或者成对的导体和地或者成对的导体和中性导管)之间，以测量所述导体之间的相间电压(或在所述导体与地之间的相-地间电压或者在所述导体与中性导管之间的相-中性点间电压)。

可选地，电缆接头还包括与每个导体相关联的至少一个电流传感器。优选地，所述至少一个电流传感器包括与压电元件接触的光纤布拉格光栅，其中所述压电元件与围绕所述导体设置的电流互感器或罗氏线圈以及负载电阻并联连接。

最优选地，所述电压和/或电流传感器每个均连接到单个(即，相同的)光纤。

所述电缆接头可以是电缆修复接头，并且可以设置有端子以连接到多相电缆的相应端部。

本发明的第六方面的实施方案可包括对应于本发明的任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第七方面，提供了一种将第一至第五方面中任一方面的相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块改装为包括两个或更多个导体的多相电缆的方法，所述方法包括在多相电缆中安装根据第六方面的电缆接头。

所述方法可以包括在所述电缆接头壳体内，将所述至少一个相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块的所述隔离物定位在两个或更多个导体之间，使得所述导体保持分开预定间隔，以及将所述一个或多个电压传感器定位在相应的导体对之间。

所述方法可以可选地包括剥离电缆端部以暴露所述导体，并且随后连接来自所述电缆接头壳体内的每个电缆端部的相应导体。优选地，所述导体中的至少一个穿过所述电缆接头的电流传感器的电流互感器或罗氏线圈。

注意，测量或监测相间(根据具体情况，或相-地间(phase-to-earth)或相-地间(phase-to-ground))不需要剥离电缆端部；由此而论，剥离电缆端部是为了在它们之间进行接合。

所述方法可以包括在所述电缆接头壳体内将来自一个电缆端部的光纤连接到另一个电缆端部，并且经由所述电缆接头壳体内的所述一个或多个电压传感器的光纤布拉格光栅以及可选地电流传感器的光纤布拉格光栅。

本发明的第七第六方面的实施方案可包括对应于本发明的任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

根据本发明的第八方面，提供了一种多相电缆监测系统，包括连接到所述多相电缆的光纤的根据第一至第四方面中任一方面的相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块，以及光纤传感器监测系统，所述光纤传感器监测系统用以经由光纤询问所述相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块的所述至少一个电压传感器。

可选地，该系统可以包括沿着所述多相电缆设置在不同位置的多个相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块。

可选地，所述相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块或每个相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块可被包括在根据第五方面的电缆接头中。所述电缆接头或每个电缆接头可以包括一个或多个电流传感器，并且所述光纤传感器监测系统还可以询问一个或多个电流传感器。

优选地，所述相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块或每个相间、相-地间或相-中性点间电压传感器模块中的每个光纤布拉格光栅可以包括唯一的峰值反射波长，并且所述光纤传感器监测系统可以包括波分复用器。或者，所述光纤布拉格光栅可以不包括唯一的峰值反射波长，并且所述光纤传感器监测系统可以包括时分复用器。

可选地，所述多相电缆可以包括海底电力传输电缆。或者，所述多相电缆可以包括地下电力传输电缆。所述多相电缆还可以包括配电电缆。本发明还可以应用于其他三相系统，例如石油和天然气脐带缆(umbilical)等。

本发明的第八方面的实施方案可包括对应于本发明的任何其他方面的优选特征或可选特征的特征，反之亦然。

附图说明

现在将仅通过实施例的方式参考附图描述本发明的各方面的各种实施方案，其中：

图1示出了基于光纤布拉格光栅的光电压传感器；

图2示出了光纤传感器监测系统；

图3示出了根据本发明的一个方面的三相传感器模块；

图4是图3中所示的三相传感器模块的立体图；

图5是关于图3和4中所示三相传感器模块的三相导体和压电元件的电场模拟；

图6是图3和4中所示的三相传感器模块中每个压电元件两端的电压的模拟；

图7是包含铜隔离物的替代三相传感器模块中每个压电元件两端的电压的模拟；

图8示出了在适用于图3和图4中所示的三相传感器模块与图7所涉及的替代三相传感器模块的电压范围内，预期峰值波长偏移与压电元件两端的电压之间的函数关系；

图9示出了在适用于另一替代三相传感器模块的电压范围内，预期峰值波长偏移与压电元件两端的电压之间的函数关系，其中所述压电元件直接连接到导体；以及

图10是典型的海底三相电力传输电缆的横截面图。

具体实施方式

如在上面的本发明的背景技术中所讨论的，希望能够远距离而且不需要电源地实时测量海底或地下电力电缆的电压和电流。还非常希望能够非侵入地并且不需要与导体直接电接触或暴露非绝缘的导体来测量电压和电流。特别地，本发明的至少一个方面的目的是在不需要电源的情况下测量电力电缆内部的相间电压。

通过利用现代电力电缆中包含的光纤，本发明允许在远程测量位置处无需任何电源的情况下在非常长的距离(例如在需要信号增强之前最高可达100km)上测量相间电压。本发明允许在不使用多于一个光纤芯的情况下沿着电力电缆将大量这样的测量点放置在常规或战略位置上。此外，在下面描述的本发明的实施方案中，使得能够对相间电压(以及可选地，电流)进行非侵入式测量。

光纤布拉格光栅光纤传感器

图1示出了传感器1，其将光应变传感器与压电元件组合以提供测量远程位置的电压的机构。光应变传感器包括光纤布拉格光栅(FBG)3，所述光纤布拉格光栅(FBG)是通过使用标准写入技术(例如UV干涉和掩模)被写入光纤7的芯中。FBG 3将在布拉格波长(λ_B＝2nΛ)处反射，其中n是有效的芯折射率，Λ是光栅的间距。因此，FBG 3有效地用作特定波长的反射器；峰值反射波长取决于光纤纤芯中折射率变化的周期(即光栅的间距)。

在该实施例中，压电元件5(其可以是压电堆)与FBG 3的区域中的光纤物理接触(例如，结合)。当压电元件5在施加的电压(经由端子9)下膨胀和收缩时，FBG 3也被膨胀和收缩，从而改变光栅的间距以及因此改变布拉格波长。因此，FBG 3的峰值反射波长的瞬时光谱位置表示施加到压电元件5的电压。因此，可以配置监测系统(见下文)以使用峰值反射波长的瞬时光谱位置确定施加到压电元件5的电压。

在替代实施例中，FBG可以不直接附接到压电元件，而是在附接到压电元件的端盖之间“伸展”。在这样的布置中，应变可以在光栅上均衡，并且光纤可以预张紧，从而使得与上面的直接连接布置相比性能得到改善。

通过将压电元件和接合的FBG与电流互感器(CT)和负载电阻并联连接，这种传感器也可以用作电流传感器。监测CT的次级电流(其经由负载电阻被转换为电压)提供一种对通过CT封闭的电缆中的初级电流的测量。可以使用具有介电芯的罗氏线圈代替CT。

光纤传感器监测系统

图2以示意图形式示出了适于监测光纤11中的多个(n个)FBG 3的监测系统21。通过适当选择光纤纤芯折射率变化的周期(即光栅的间距--见上文)，每个FBG 3易感受不同波长的光(λ₁、λ₂、λ₃、λ₄......λ_n)。

该系统包括宽带光源23，用于使用询问信号来照射光纤11，所述询问信号具有覆盖沿光纤11定位的所有FBG 3的反射波长的波长范围。光沿着光纤11传播并且从每个FBG 3中反射的光被同时并连续地送入波分复用器27(经由耦合器26)，该波分复用器27将从光纤11接收的光分成多个波长(和相关的光纤)，每个波长对应于FBG 3之一。由ADC/处理器单元29驱动的快速光路开关28将来自每个FBG 3的反射信号依次引导到干涉仪和解调平台25。

然后，ADC/处理器单元29处理来自干涉仪和解调平台25的输出，以确定每个通道中的反射光的波长，并且从而确定施加到与相应FBG 3相关联的压电元件的瞬时电压。例如，这可以通过将反射峰值的瞬时光谱位置与校准数据或查找表进行比较来完成。

或者，时分多路复用器(未示出)可用于将从光纤11接收的光分离成时间分离系列。在这种布置中，FBG 3不需要展现唯一的峰值反射波长。时分和波分复用技术的组合可用于询问非常大的FBG阵列。

多相传感器模块

现在将参考图3和4描述根据本发明的多相传感器模块的一个实施方案。

三相电力是AC(交流)发电、输电和配电中最常用的方法。在典型的三相电力供电系统中，三个导体承载相等频率和幅度(电压)的AC电流，其中导体之间的相位差为120°。在本领域三相电力传输的益处已经得到很好的理解，但是如上文背景技术所述，人们期望在不需要电源，即不包括有源电子器件的情况下测量电力电缆内部的相间电压。

申请人还已经认识到，以下面将描述的方式测量相间电压克服了参考地进行电压测量的问题，在接头壳体(本发明可以被实施的一种方式，见下文)中进行这种参考地的电压测量可能特别困难。

图3和4示出了三相传感器模块300，其包括具有三角棱柱形状的隔离物301和设置在隔离物301的侧面305A、305B、305C上的三个基于FBG的传感器303A、303B、303C。三角形隔离物301的顶点307A、307B、307C被成形以定位三相传输电缆(未示出)的相应导体309A、309B、309C。通过适当选择或设计所述隔离物301，可以实现导体对309A-309B、309B-309C和309C-309A之间的预定间隔d。可以提供附接件诸如夹具(未示出)以将隔离物301附接到导体并将它们固定就位。

在该实施方案中，隔离物301包括PTFE，但是可以使用任何介电材料，例如PEEK。然而，如下面将讨论的，虽然优选隔离物301包括介电材料，但也设想了可以使用导电材料，例如铜。还可以采用复合材料，例如围绕导电材料的介电材料，其中导电材料(例如金属)提供结构强度和刚度。

以与上述FBG传感器类似的方式，传感器303A、303B、303C中的每一个包括粘合到FBG(未示出)的压电元件311A、311B、311C，所述压电元件可以是体圆柱形压电元件或压电堆。在每个压电元件311A、311B、311C的端部设置有一对铜电极313A、313B、313C，该对铜电极能够对每对导体之间的电场进行采样，这进而驱动压电元件并调制相关联的FBG。注意，在该实施方案中，半球形电极是优选的，使得更好地引导电场线，尽管可以采用任何合适形状或任何实际材料的电极。

通过对称地布置传感器303A、303B、303C和导体309A、309B、309C，使得由相应的第三导体(例如，在309A和309B之间进行测量时的309C)产生的电场的串扰最小化。在示例性实施方案中，隔离物301将每对导体之间的间隔d设定为80mm。尽管对于不同的运行条件可能需要不同的间隔，但是提供具有预定尺寸和构造的隔离物允许所需的间隔在沿被监测的电缆长度的不同点处可靠地和可再现地重复。

出于模拟的目的，已经考虑了两种不同的压电材料：锆钛酸铅PZT-5A和锆钛酸铅PZT-5H(下文分别缩写为PZT-5A和PZT-5H)。这两种材料的有关参数如下表2所示。在模拟中，假设这些激励装置是直径8mm和长度20mm的体圆柱形压电元件，位于室温下的空气中。

性能	说明	PZT-5A	PZT-5H
				d<sub>33</sub>(pm/V)	压电系数	374	593
K<sup>T</sup><sub>3</sub>	相对介电常数	1800	3800
				k<sub>33</sub>	耦合系数	0.72	0.75

表1—锆钛酸铅PZT-5A和锆钛酸铅PZT-5H的压电性能

图5示出了图3和4所示和上述描述的关于三相传感器模块300的三相导体309A、309B、309C和传感器303A、303B、303C的电场的模拟。每个导体309A、309B、309C周围的电场产生的每个压电元件311A、311B、311C上的电压可以从模拟中估计出来。图6示出了三个传感器303A、303B、303C中的每一个上的模拟电压，其中每个导体309A、309B、309C在其额定11kV下运行。观察到具有所选择的特定尺寸和材料(上面)的最大压电电压为100V。

对形成隔离物301的材料的选择可以显著影响电场分布，并因此影响每个压电元件311A、311B、311C两端的电压。通过选择导电的间隔材料再次进行模拟，以调查对第三导体的屏蔽是否改善。在这种情况下，隔离物看起来“引导”场线远离电极，这导致传感器电极之间的电压几乎降低75％。带有铜隔离物的每个传感器两端的电压被显示在图7中。

图8示出了由施加到压电元件PZT-5A和PZT-5H的电压引起的FBG的应变引起的波长偏移。赋予光纤(包含FBG并且压电元件粘合到其上)的应变是使用表1中给出的压电系数d₃₃确定的，假设光纤沿着其20mm长度方向上粘合到压电元件上。然后使用布拉格方程将该应变转换为波长偏移。

使用PTFE隔离物，其在上面的实施例中经历100V的最大压电电压，峰值波长偏移分别为大约2.19pm和3.46pm。使用铜隔离物，其在上面的实施例中经历大约28V的最大压电电压，峰值波长偏移大约为0.61pm和0.97pm。如果假设询问系统(如上所述)上的应变噪声基底为10nε/√Hz，这些将对应使用PTFE隔离物时的34.3dB和38.2dB的信噪比水平估计值，并且将对应使用铜隔离物时的23.2dB和27.2dB的信噪比水平估计值。虽然与直接连接到导体(见下文)相比，这些信号的大小都很小，但是安全准确地监测来自每个传感器的光信号是可能的，尽管使用介电隔离物显然是优选的。

注意，虽然上面已经参考三相系统举例说明了本发明，但是应该理解，它可以应用于任何多相系统。例如，在两相系统中，根据本发明的多相传感器模块可以包括位于导体之间的隔离物上的一个FBG传感器或包括位于隔离物的相对面上的两个FBG传感器。或者，也可以通过采用规则几何形状的隔离物来适应更高阶多相系统，所述隔离物具有与相位的数量(从而与导体的数量)对应的多个顶点或侧面。

例如，已经构建并测试了具有六相或十二相的用于电力传输的高阶相位系统的实施例。例如，可以使用具有规则的六角棱柱形状的隔离物来监测六相系统，其中总共六个传感器设置在隔离物的相应侧面上。可以预期，将观察到与上述三相传感器模块所见证的相似的串扰减少或消除。

3D打印技术的发展可以使隔离物能够容易地和可再现地制造成预定的布置和尺寸。可以通过建模来优化隔离物的设计，使得由导体产生的电场与相应的传感器良好对准，并且使得传感器之间的串扰最小化。

当然，从可靠性和安全性的角度来看，优选地，非侵入式地并且不需要与导体直接电接触或暴露非绝缘的导体来测量电压和/或电流。上述实施方案(和变型)为导体提供了可重复的几何形状，其可以例如在接头壳体内使用(见下文)以及对电场强度进行采样并且由此可以允许以最小化侵入方式确定导体之间的相间电压。

然而，尽管如此，仍然可以设想采用更具侵入性的方法，其中通过直接将每个压电元件的端子直接连接到其间的相对电压待测量的两个导体来直接测量相间电压。在这样的实施方案中，由于传感器模块不对电场进行采样，因此可以省去(半球形铜)电极。假设每个导体在其额定电压11kV下运行，均方根相间电压为19kV；这对应于每个电压传感器将测量的26.9kV的峰值相间电压。

每个压电元件通过其端子直接连接到两个导体，然后，它将经历26.9kV的峰值电压。对于两种压电材料，图9将图8中所示的曲线图扩展到26.9kV的最大值。可以看出，在最大施加电压下，PZT-5A和PZT-5H的峰值波长偏移分别约为590pm和930pm。因此，完整的峰峰值波长偏移为1.18nm和1.86nm。假设询问系统(如上所述)上的应变噪声基底为10nε/√Hz，这些峰值波长偏移分别对应于82.9dB和86.8dB的信噪比水平估计值。

注意，设想绝缘导体可以接触，而不是提供隔离物，或者至少不是提供保持导体分开的隔离物；绝缘体有效地提供了使导体自身不接触的隔离物。在这样的布置中，电压传感器可以位于相应导体之间的凹口中，从而最小化传感器模块的空间需求。

不使导体保持分开(即，其中绝缘导体接触)的隔离物仍然可以限定导体和压电元件之间的特定几何形状，例如，隔离物可被确定尺寸以占据导体之间的内部空间，并且可以具有在导体之间延伸的细长臂，以使压电元件能够定位在期望位置上。

此外，在电压传感器位于凹口中的这种配置中，压电元件可以纵向布置；也就是说，压电元件(和FBG)的较长尺寸的方向与导体平行。在这种结构中，压电元件在所谓的方向11(与方向33相反)上弹性地顺应，即垂直于陶瓷元件极化的方向。

海底电缆集成

图10示出了典型的海底电缆的横截面视图，在该示例中为三芯绝缘和铠装海底电缆，例如可以用在用于三相电力传输的海上风能和波浪能的基础设施中。在下表2中总结了电缆部件的定义。值得注意的是，在电缆内提供了包括一个或多个单模光纤的光纤封装。

表2—图10中所示的示例海底电缆的部件说明和材料定义。

在电力传输电缆内的光纤可用于提供与例如海上风能和波浪能发电设施(例如涡轮机)上的监测设备或与例如海上风能和波浪能发电设施(例如涡轮机)相关的监测设备进行通信。然而，设想了在典型的海底电缆内的一个或多个光纤可以替代地(或另外地)用于与根据本发明的多相传感器模块进行通信，使得能够监测导体1001A、1001B、1001C之间的相间电压。

还可以设想，可以包括上述类型的电流传感器，使得便于在导体1001A、1001B、1001C上进行电流测量，其中压电堆和接合的FBG与CT和负载电阻并联连接。

在海底电缆环境中对于根据本发明的传感器的集成存在许多要求。如果传感器被包含在干燥环境中的话是特别有利的，因为湿气会显著降低压电元件的性能。应注意电压感测系统的设计，以确保压电元件受到保护。

可以设置用于拼接到现有的光纤电缆中。如上所述，电力传输电缆通常包括若干光纤芯用于通信目的，这些光纤芯以传统方式拼接在电缆端部或接头位置处。设想了电压(和可选地电流)传感器可以安装在电缆接头或端子中，并且光纤连接可以在大多数电缆接头设计中常见的光纤“接头壳体”中实现。还设想了单根光纤可能足以对采用的每个传感器(电压传感器和电流传感器(如果合适的话))进行采样。

设想了电缆修复接头将是用于根据本发明的改装电压(和可选地电流)传感器的最方便的安装点。例如，可以提供一种定制的修复接头，该修复接头提供足够的内部容积以安装包含传感器模块的传感器，并且访问三个导体和至少一个光纤。

当安装这种修复接头时，连接的两个电缆端部中的每一个都被剥离还原成三个导体(具有半导体护套)和光纤束。然后，相应的导体被连接和被单独密封，而光纤通常在单独的“接头壳体”中拼接在一起，以防止损坏弱化的连接点。然后用沿着电缆的近长度方向施加的应力释放靴密封整个剥离的电缆区域，所述整个剥离的电缆区域的长度可能超过2米。

设想了当电压(和可选地，电流)传感器从修复接头的任一侧进入或离开密封接头区域时，它们可以安装在导体附近。此时，导体在单独拼接和密封之前被分离，使得三个导体之间产生空间以用于安装用于感测相间电压的三相传感器模块(如上所述)，和用于穿过感测电流的小的CT(如果适用的话)。

应注意，在某些情况下，可以适当地选择或指定某一种材料或多种材料和几何形状以便适当地控制或导致电场，使得在隔离物/传感器模块的区域中，例如在上面讨论的电缆接头区域中，不发生材料的电击穿。进行适当的模拟以确定是否应该这样做以及应该如何做将完全在本领域技术人员的能力范围内。

一个或多个(或实际上复数个)这种包含电压(和可选地，电流)传感器的修复接头可以使用如上所述的监测系统或实际上许多商用FBG询问器的任何一个沿着实际上是单个连续长度的光纤被询问。在海底电力传输电缆的实施例中，一旦对它进行了如上所述的电压(和可选地，电流)传感器的改装，可以使用来自陆上基站的宽带光源照射各种传感器已经拼接进的单根光纤。假设每个FBG在光源带宽上具有唯一的波长，反射光谱将包括许多FBG反射峰值，这些峰值以50Hz振荡，其幅度与被测量的电压(或电流)成比例。因此，本发明还使得能够提供海底电缆监测系统。

设想了本发明的许多变体。例如，设想了在测量相间电压方面已经举例说明了本发明构思的情况下，其可以类似地用于测量相-地间或相-中性点间电压。在这样的布置中，电压传感器不是耦合(无线地)或连接到导体对，而是可以在一端耦合或连接到导体，并且在另一端耦合或连接到地或中性导管，例如多相电缆内的接地护套。

总之，本发明能够测量多相电力电缆(例如三相电力电缆，例如其可以用于海底或地下环境中进行电力传输)的相之间的电压(相间电压)。本发明在测量位置不需要电源，并且仅依赖于光纤(通常存在于这种电缆中)以将光传送到传感器和从传感器传送光。基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器对导体之间的电场进行采样并转换为光纤上的应变，因此反射光的某些波长通过待测量的相间电压的瞬时幅度被调制。实现本发明的传感器模块包含隔离物，该隔离物将导体保持在预定的几何形状中，并将FBG传感器定位在要在其上执行相间电压测量的导体对之间。在电缆的端部，询问系统可以提取和解释这些波长的调制以推断测量的电压值。出于改装目的，本发明可以结合到修复接头中，并且还可以结合基于FBG的电流传感器以同时测量导体中的电流。

在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则术语“包括(comprise)”或“包含(include)”、或诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”、“包含(includes)”或“包含(including)”的变体将被理解为暗示包括所述整数或整数组，但不排除任何其他整数或整数组。

可以在本发明的范围内对上述实施方案进行各种修改，并且本发明扩展到除了本文明确要求保护的特征之外的特征组合。