CN101825653A - 测量高压元件电压的电容设备和系统及气体绝缘变电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来测量高压元件(22)电压的电容设备和系统以及利用该电容设备的气体绝缘变电站。所述设备具有面向上述高压元件的导电表面，该导电表面包含至少两个适于通过至少一个输出电缆平行连接至指示器和控制装置(25、26)的相互分开的导电部分(14、15、16、17)。该设备包括：连接到地电位的导电的第一层(11)；绝缘的第二层(12)；包括至少两个分开的导电部分的第三层(13)；以及至少一个桥接触单元，用以允许至少一个导电部分连接到输出电缆。

Description

测量高压元件电压的电容设备和系统及气体绝缘变电站

技术领域

本发明涉及一种用来测量高压元件的电压的电容设备和系统，以及一种利用该电容设备的气体绝缘变电站。

背景技术

本发明的领域是关于测量高压元件的电压。该领域特别是指为屏蔽型电气设备使用而设计的电容设备，以及以气体方式提供的绝缘物质，例如六氟化硫(sulfur hexafluoride)或SF₆。

这种设备可以用来测量在金属复合开关(MCS)或气体绝缘变电站(GIS)中通过一个电流的母线的电压。这种设备必须符合以下条件：它必须是简单和可靠的，它必须能够以低成本制造，它必须仅占用很小的空间，而且必须是双设备，有两个独立工作的途径用以提供冗余。此外，该设备的特点，特别是其传输比，必须能方便地调节，以便获取在一种应用场合的各种工作条件下特定范围内的电压和电流。

在一种典型应用场合中，根据当地的条件，这种设备可以通过几米长的电缆连接到可视指示器或控制装置。如果高压导体在额定电压，可视指示器或控制装置的信号电压可能位于4伏(V)～100V之间的任意值。因此这种设备可以被认为是一种变压器，其输出电压受到以下因素影响：

额定应用电压(例如75千伏(kV)或145千伏)；

这种设备周边的环境(例如电场的影响)；

电缆的类型和长度(杂散电容的影响)；

在另一个典型条件下，该设备通过一节短的电缆连接到发光二极管(LEDs)显示器上。如果高压连接器在额定电压，那么在显示器区域内的信号电流将达到0.5微安(uA)至3微安。该探测设备可以被看作是一个电流源，该电流受到以下因素影响：

气体绝缘变电站(GIS)的额定电压，例如75千伏或145千伏；及

这种设备周边的环境(例如电场的影响)；

两种现有技术会在下面进行讨论。

现有技术文件EP 1 431 767介绍了一种高精度电容测量设备，包括一个用以高压屏蔽变电站的高耐热性的电容器。该电容器包括伸长的高压电极，围绕高压电极且与高压电极同轴以及构成一个低压电极的导电部分的圆柱形印刷电路，以及围绕圆柱形印刷电路且与圆柱形印刷电路同轴的确定圆柱形内表面的一个结构。该印制电路是以沿着发电机线撕开的方式形成，两个圆环沿着内表面进行固定，以确定两个互相面对的圆形沟槽。该印刷电路被插入到这些沟槽，并且这些圆环施加一个径向力，该径向力在印刷电路的发电机线上强制产生一个曲面轮廓，以便使它定靠在内表面。

该设备被添加到一个封装的单相开关设备。但是，这种设备需要大量空间，并且价格昂贵。此外，它不可能对传输比作出简单的更改。

现有技术文件US 6 333 715或EP 0 984 289介绍了一个在气体绝缘变电站中用以测量发生在一个包含高压导体的金属内室的电容设备的局部放电。该设备包括一个用以接收信号的偶极子天线，该偶极子天线是圆形，由两个形成在封装结构内的凹槽的两个导电半圆形电极板组成；形成于天线和高压导体之间的第一个静电电容；形成于天线和地之间的第二静电电容；耦合于上述的天线的一同轴电缆用以连接一个测量单元；以及一个耦合于上述同轴电缆的测量单元。

在该设备中，第一个静电电容在没有外部电源供应时，不适合供应足够高的电流以运行一个指示器，或在不同的特定应用条件下，输出相同的信号水平。电极中间的同轴电缆的连接使得应用该设备于一接地开关设备无法实现。此外，该设备不提供任何冗余系统。

本发明的目的是得到一个电容测量设备，该设备适于上述定义的实际情况，且输出信号的数值范围与应用场合的运行条件无关，并且该设备能够用于在气体绝缘变电站(GIS)的各种不同的位置，例如，在一个接地开关中。此外，这种设备必须是有选择性的：如果有一个以上的导体，测量信号必须主要依赖正被监控的导体，且由于其他导体的影响不到10％。

发明内容

本发明提供了一种用以测量高压元件电压的电容设备，该设备具有相对上述高压元件的导电表面，该导电表面包含至少两个适于通过至少一个输出电缆平行连接至指示器和控制装置的相互分开的导电部分，其特征在于包括：

一连接到地电位的导电的第一层；

一绝缘的第二层；

一包括至少两个分开的导电部分的第三层；以及

至少一个桥接触单元，用以允许至少一个导电部分连接到输出电缆。

优选地，该设备细长形状，其长度约等于两倍的宽度。

优选地，每一导电部分有一个焊接点，用以连接有关导电部分与两个桥接触单元中的一个，每一个桥接触单元连接一个输出电缆。

在一个优选的实施例中，第一层包括一具有宽的表面的接地层，一第一桥接触单元和一第二桥接触单元，桥接触单元的表面积通常小于接地层的表面积，每个桥接触单元通过一个焊接点连接到第三层的至少一个导电部分，从而连接的导电部分的数量确定工作表面的大小。

在另一个优选的实施例中，在该设备中心有一个孔，它能使一个可移动接触单元通过。

第三层有两个均匀地延伸覆盖该设备表面的分开的部分，第一层覆盖整个表面，除去一个区域用以覆盖相互分开的桥接触单元，每个桥接触单元首先连接至第三层中所述的部分之一，并且其次，连接至输出电缆，该设备除去被称为接触部分的区域外被覆盖着一保护加工层。

本发明还提供了用于测量高压元件电压的测量系统，该系统包括以上定义的至少两种设备，每种设备包括两个分开的导电部分组成的导电表面，每个表面面向所述高压元件，每个所述导电部分通过一个桥接触单元和输出电缆连接至控制装置。

优选地，该控制装置包括指示装置，用以当所述高压元件中的电压大于一个预定的第一数值时发送一光信号，该指示装置通过一个所述设备单独供电。该控制装置可以进一步包括一个第二指示装置用以当所述高压元件中的电压低于一个预定的第二数值时发送一光信号和/或电信号。

本发明还提供适于利用所述定义的至少一个设备的气体绝缘变电站，该设备连接到指示装置和控制装置。

在第一个实施例中，这个变电站是一个包括以三角形连接的三个导体的三相变电站，本发明的设备被置于变电站的气室内，它的纵轴线平行于该导体。

在第二个实施例中，该变电站是一个包括置于同一水平面的三个导体的三相变电站，本发明的设备置于三个导体中被预先指定的一个导体的轴线的沿线上，这些导体是分开的，它的纵轴线垂直于导体的平面，并且与所述预先指定的导体的轴线相交。

优选地，对于每一个所述的导体而言，该变电站可以包括固定在一个连接至地面的装配板上的一个固定接地触点，安装在一个非常紧密地固定在装配板上的接触箱体里的一个固定高压触点，该两个所述的触点有一个内部腔，以及一个杆件形式的可移动的接触点，并且该固定触点借助于弹簧接触力作用于可移动触点，该可移动触点适于在固定接地触点中滑动并且穿透进入该固定高压触点，以使该固定高压触点连接至该固定接地触点并且因此也连接至该装配板。

优选地，该装配板有三个开关孔，每个开关孔对应一相，该三个开关孔处于与装配板成直角的一个水平面，一第一个延伸穿过三个开关孔的凹槽，该第一个凹槽为所述的至少一个设备提供空间，该凹槽的深度大约是所述该至少一个设备厚度的两倍，一个长方形且延伸穿过三个开关孔的第二个凹槽，该第二个凹槽的厚度等于或略大于所述设备的厚度，该第二个凹槽的这样的长度和宽度恰好使所述设备定位于该第二凹槽，以及沟道形式的第三个凹槽，形成于第一个凹槽的长边，以容纳输出电缆。

优选地，该变电站可进一步包括具有对应每一相的孔径的盖板，该盖板置于安装板下方，用以优化电场。

在一个优选的实施例中，该变电站是一个接地开关。

本发明具有以下优点，特别是：

本发明的设备的结构，并且特别是具有独立部分的长方形的电路印刷板能够提供数据冗余。

长方形可以使测量信号的失真降低到可以在一个三相气体绝缘变电站中做特殊用途，也就是说三相中的一相包含在一个普通的金属外壳中。

由于其体积小和形状，本发明的设备能以各种不同的配置安装在一个气体绝缘变电站中。

本发明的设备能够向显示器提供能量，而无需任何外部能源。

本发明的设备进一步具有以下优点：

它安装简便；

它的成本低廉；

它要求最低空间；

它可灵活应用；

它很容易提供冗余；

它通过对印刷电路板进行简单变化可以很容易地调整传输比；

它很容易适用于接地开关，所以没有额外的空间要求。

附图说明

图1显示本发明的电容测量设备。

图2显示本发明的设备的第一个实施例，其中，该设备置于包含三个以三角形连接的高压导体的气体绝缘变电站的腔中。

图3显示包含具有8个分开部分的第三层的设备的本发明的一个实施例。

图4，5和6显示在一个以接地开关形式的气体绝缘变电站中的设备的本发明的一个实施例。

图7、8、9和10显示本发明及其应用于如图4，5和6显示的接地开关的另一实施例。

图11显示包含一个指示装置、本地自动供电和一个远程电压检测单元的本发明的测量系统。

图12显示包含两个冗余远程电压检测单元的本发明的测量系统。

具体实施方式

本发明的设备10，如图1所示，包括一个由三层组成的印刷电路板：

一第一层11是一导电层；

一第二层12，由绝缘材料制成，该绝缘层优选地由环氧树脂(epoxy)制成，具有极高的精度的厚度；以及

一第三层13是一导电层。

该第三层13包括多个导电部分，如图1所示的四个部分14、15、16和17，每一个部分被安排与两个信号输出电缆20和21中至少一个相连。

该第一层11通常与地电位相连。该第三层13面向高压电极22，例如一个要被测量高压的导体。由于高压电极22生成的电场的影响，该第三层13连接到一个稍微高于地电位的电压电平。

本发明的设备10有两个信号输出电缆20和21使该设备连接到检测装置，例如控制装置25和发光显示器26。如果检测到电压，控制装置25也能进行逻辑判断，例如关断一个接地开关或一个隔离开关。该显示器是26光显示器，例如是一个具有电路的放电管，用以向操作者提供信息。该显示器可安装在如图4所示的一个接地开关的驱动器68上。

本发明的设备10是一拉长的形状。它的长度通常等于两倍的宽度。对应于它的长度，它的纵轴与正被监控的导体22的轴线平行。结果表明，优选地，携带其他相的平行导体中传输的信号减少至不足正被监控的导体中传输的信号的10％。

本发明的设备可以适应符合IEC标准61243-5的电压检测系统，这意味着如果该设备相关的导体22正在额定电压下传输电流时，对应于90v电压它可以提供2微安的电流或是对应于4v电压也可以提供0.67微安的电流。不需要进行放大。但是，传输电流并且置于接近与检测装置相关的导体产生的电压略低于电压检测系统的门限值。

如果有关相的导体在额定电压，该设备必须提供一个1倍或2倍于该门限值的输出电压。该设备的输出电压的范围根据情况作调整。

如图2所示的第一个实施例，本发明的该设备10(10′)固定于包含三个伸出该气室的三个导体31、32和33的气体绝缘变电站(GIS)的气室30的内表面。该设备可以很好地均匀地定位于封装中形成的一个空腔中，如图2所示。如图4所示的一个优选地实施例中，该设备可以紧密地固定于接地开关的装配板上的一个接地触点上。

图3示出本发明的该设备的另一实施例，在该实施例中第三层50包括8个彼此相互分开的部分41至48。在图3中，尽管看不到，但是第一层49还是被画出来了，并且一个绝缘的第二层设置于第一层49和第三层50之间。

每一部分，例如部分41，包括一个焊接点，例如焊接点51，用以将相应部分连接至桥接触单元52或54。

第一层49包括一具有宽的表面的接地层53，一第一桥接触单元52和一第二桥接触单元54。桥接触单元52和54的表面积通常小于接地层的表面积。该两个输出电缆57和58中的任意一个连接至该桥接触单元52和54中的任意一个。根据检测装置的具体应用，该桥接触单元52和54中的任意一个通过一焊接点51连接至该部分41至48中至少一个。该连接的部分41至48的数量确定工作表面的大小。

作为将更多数量或更少数量的该部分连接至接触点的替代，该设备可以被设计成仅仅包括两个该部分(为了允许一个冗余度)，并且有相同的拉长尺寸，但是每个部分具有不同的表面积。那么，因此可以获得一个能方便地调整相关的它的表面和它的传输比的电容测量设备。

在图4所示的一个优选的实施例中，这样一个设备固定于一个接地开关类型的三相气体绝缘变电站(GIS)上，并且用以关断和释放该开关的关闭操作。以相类似的方式，该设备可以很好地均匀地定位于一个断路器，以便关断和释放该开关的操作。本发明的该设备也可以放置于一单相气体绝缘变电站。

与图2所示的该三个相的导体呈三角形配置这种不同的排布相比，如图4所示，对应于该三个相，该三个导体75，76和77，被放置在一个平面上。以下描述的这种排布对应于一个相，其他两个相具有类似的排布。接地开关的这种排布为本领域技术人员所熟知。与之相比，本发明的该设备引入的接地开关为首创。该接地开关60包括一个郁金香形状的插座形式的固定接地触点61，一个郁金香形状的插座形式的固定高压触点62，以及一个以杆件形式的可移动的触点63。该郁金香形状的插座触点产生一个弹簧接触力作用于该可移动触点63。一个具有外壳(casing)65的构件密封地固定于安装板66上。该构件65将由驱动器68驱动控制杆产生的旋转力转换为可移动触点63的直线运动。该可移动触点63可以穿透该固定高压触点62，并且因此使该固定高压触点62与该固定接地触点61接触，并且也使该固定高压触点62与连接至地面的装配板66接触。一个绝缘支撑部件70通过4个紧固杆71固定在装配板66上。一个接触点室通过一个螺母固定在连接器73上。该接触点室72和该连接器73因此可以固定在绝缘支持部件70上。该固定高压接触点62安装在接触点室72中。该固定高压接触点62以这种方式紧紧地固定在装配板66上。本发明该设备10安装在靠近该固定接地触点61的该装配板66上。

本发明该设备的纵轴垂直于该导体75，76和77所在的平面。本发明的该设备10设置于要进行监控的导体的轴线延长线上，例如，在本示例中导体77，以这样的方式使得该设备的纵轴与该导体77的纵轴相交。本发明该设备呈拉长形状。它的长度约等于其宽度的两倍。它的纵轴垂直于导体76、76和77形成的平面(参见图5和6)。在平行于要被测量的导体的其他两个导体中的传输的信号因此降低到不足10％的被测信号。

该完整的接地开关60预先组装在装配板66上，并且形成的组件因此密封固定于在一个外壳78上，并且装配有至少一个弹簧接触点79的该连接器73同时与该高压导体77相啮合。本发明该设备10连接至显示器26，该显示器26可以通过一输出电缆连接至该驱动器68的气室。

如图5所示，该装配板具有一组用以将该板66固定在该外壳78的固定孔85。它也可以采用本领域技术人员公知的密封手段并且该手段未在图5中示出。该装配板66具有三个孔86、87和88，每一个孔对应于一个相，这些孔设置于垂直于该装配板66的一个平面，以便允许开关操作。一第一凹槽91延伸到该三个孔86、87和88并且它的深度约等于两倍的本发明的该设备的厚度，以便它保留该设备定位的空间。一第二凹槽92，呈长方形，延伸到该孔86并且它的厚度等于或略大于本发明的该设备的厚度。该第二凹槽92这样的长度和宽度使得本发明的该设备可以设置于如图10所示的该凹槽中。一第三凹槽93，呈沟道形式，形成于该第一凹槽91的长边，以便使该输出电缆通过。该第三凹槽93终止于通孔95，在该通孔中一个密封垫圈被固定以便使输出电缆密封。一第四凹槽，设置于该第三凹槽93对面，用以支撑该弹簧接触点。

图6所示为一个具有对应每个相的孔径97，98或99的盖板96。这些孔径的边缘是半径约等于该盖板96厚度的圆。该盖板，用以优化电场(为了避免电场聚集)，设置于如图4所示的装配板66中。

该设备10的一个实施例，正如分别从上和从下看得到的平面示意图7和8所述，本发明的该设备有一个中心孔105，该可移动接触点63可通过该中心孔。该固定孔106和107用以将该本发明的设备10固定在该装配板66上。该第三层13有两个分开部分110和111。这两个部分均匀地延伸覆盖本发明的该设备10的表面。该第一层11覆盖除了用以分开的桥连接单元52和54区域外的整个表面。每个桥连接单元52和54首先连接至该部分中的一个110，如图3所示，并且其次连接至一个输出电缆。本发明的整个设备被保护加工层113覆盖，除了用作接触部分112的区域和用以使弹簧接触点连接的区域。该保护加工层的目的是保护本发明的该设备免受由腐蚀气体造成的损害。该部分110和111的形状采用这样的方式进行优化是为从要监控的导体77到该部分110和到该部分111分别提供相同的传输比。该两部分110和111设置在相对于该三个导体75、76和77形成的平面的上部空间和下部空间。产生于该两个部分110和111的信号相同，这使得在相同的探测器中使用两个冗余部分成为可能。

图9和图10分别是从上看得到的平面示意图和一个截面示意图，并且它们展示了设置于第四凹槽94中的弹簧接触点79，该接触点使处于地电位的装配板66与本发明的该设备10的第一层11在该接触点部分112相接触。本发明该设备10，带有电缆57和58，设置于该第二凹槽92和该第三凹槽93之间。本发明的该设备10利用通过孔106和107的铆钉固定在该装配板66上。该盖板96固定于该装配板66上并且因此连接至地电位。该第三层13任何地方都不接触地电位，并且因此可以提供一个给定的电位作为环绕电场的振幅的函数。

图11和12所示为根据本发明关于一个高压、三个相、包括三个电缆R、S和T(统称为电缆120)的冗余系统的两种不同的配置。这里所描述的系统仅仅是针对一个相，但对于其他相的排布也是相类似。

如图11所示的一个版本，本发明的该设备的一个部分1(120)连接至一第一电压检测单元122。这个单元122靠近于该手工操作设备，并且如果该相关相的该导体被通电，那么该单元发射一个光信号给操作者。这个系统自我供电，这意味着它可以由本发明的该设备提供的电流进行驱动。它不需要任何额外的能量供应。该光指示器可以是一个带有工作在0.5和0.3微安的电路的放电管。本发明的该设备的一部分2(121)连接至一个传统的电压检测单元123。该单元由电池124进行供电，或者在本示例中，基于安全原因由电池123和125进行供电。该电压检测单元如果其电压在一个预先确定门限值以下时发射一个光信号和一个零电压的电信号。

如图12所示的第二个版本中，本发明的该设备的两部分1和2中的一部分分别连接至该两个传统的电压检测单元130和131中的一个，每一电压检测单元由一个电池132或133供电。如果这两个单元中的一个不再工作，该第二个能继续正常工作。

Claims (16)

1.一种测量高压元件电压的电容设备(22)，该设备具有面向所述高压元件的导电表面，该导电表面包括至少两个适于通过至少一个输出电缆平行连接至指示器和控制装置(25、26)的相互分开的导电部分(14、15、16、17)，该设备的特征在于它包括：

连接到地电位的导电的第一层(11)；

绝缘的第二层(12)；

包括至少两个相互分开的导电部分的第三层(13)；以及

至少一个桥接触单元，用以允许至少一个导电部分连接到输出电缆。

2.根据权利要求1所述的设备，该设备呈细长形状，其长度约等于其两倍的宽度。

3.根据权利要求1所述的设备，所述每一部分(41-48)有一个焊接点，用以将有关部分连接至该两个桥连接单元(52、54)中的一个，每一个桥接触单元连接一个输出电缆(57、58)。

4.根据权利要求3所述的设备，所述第一层(49)包括具有宽的表面的接地层(53)，第一桥接触单元(52)和第二桥接触单元(54)，该桥接触单元(52和54)的表面积通常小于接地层的表面积，每个桥接触单元(52和54)通过一个焊接点(51)连接到第三层的至少一个导电部分(41至48)，从而连接的导电部分的数量确定工作表面的大小。

5.根据权利要求1所述的设备，该设备中心有一个孔，它能使一个可移动接触单元通过。

6.根据权利要求5所述的设备，所述第三层(13)有两个均匀地延伸覆盖该设备表面的相互分开的部分(110、111)，该第一层(11)覆盖整个表面，除去一个区域用以覆盖相互分开的桥接触单元(52和54)，首先，每个桥接触单元连接至第三层中所述的部分(110、111)中之一，并且其次连接至输出电缆，该设备被部分地覆盖着一个保护加工层(113)。

7.一种用以测量高压元件电压的测量系统，该系统包括上述任意权利要求的至少两种设备，所述每种设备包括两个相互分开的导电部分组成的导电表面，所述每个表面面向所述高压元件，每个所述导电部分通过一个桥接触单元和一个输出电缆连接至控制装置。

8.根据权利要求7所述的测量系统，所述控制装置包括指示装置，用以当所述高压元件中的电压大于预定的第一数值时发送光信号，所述指示装置仅仅通过所述设备供电。

9.根据权利要求8所述的测量系统，所述控制装置包括第二指示装置用以当该电压低于预定的第二数值时发送电信号和/或光信号。

10.一种适于利用根据权利要求1-6任意一项所述的设备的气体绝缘变电站，当连接到该指示装置和该控制装置(25、26)。

11.根据权利要求10所述的变电站，包括以三角形连接的三个导体(31、32、33)，所述设备置于变电站的气室(30)内，它的纵轴线平行于该导体。

12.根据权利要求10所述的变电站，包括置于同一水平面的三个导体(75、76、77)，所述设备置于三个导体中预先指定的一个导体的轴线的沿线上，所述导体相互分开，它的纵轴线与导体的平面呈直角，并且与上述预先指定的导体的轴线相交。

13.根据权利要求12所述的变电站，包括对应每一个所述的导体，固定在一个连接至地的装配板(66)上的固定接地触点(61)，一个非常紧密地安装在装配板(66)上的接触箱体(72)里的固定高压触点(62)，两个所述的触点有一个内部腔，以及一个杆件形式的可移动的接触点(63)，并且该固定触点(61、62)借助于弹簧接触力作用于可移动触点(63)，该可移动触点(63)适于在固定接地触点(61)中滑动并且穿透进入该固定高压触点(62)，以使该固定高压触点(62)连接至该固定接地触点并且因此也连接至该装配板(66)。

14.根据权利要求13所述的变电站，所述装配板(66)有三个开关孔(86、87和88)，每个开关孔对应一相，该三个开关孔处于与装配板(66)成直角的一个水平面，第一个延伸穿过三个开关孔(86、87和88)的凹槽(91)，该第一个凹槽(91)为所述至少一个设备(10)提供空间，该凹槽的深度约等于所述至少一个设备厚度的两倍，一个长方形且延伸穿过开关孔(86)的第二个凹槽(92)，该第二个凹槽的厚度等于或略大于所述设备的厚度，该第二个凹槽(92)的长度和宽度使所述设备(10)定位于该第二凹槽，以及沟道形式的第三个凹槽(93)，形成于第一个凹槽(91)的长边，以容纳输出电缆。

15.根据权利要求14所述的变电站，进一步包括具有对应每一相的一孔径(97、98、99)的盖板(96)，该盖板置于装配板(66)下方，用以优化电场。

16.根据权利要求10-15任一项所述的变电站，用以切换到地。

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