CN102812370A - 高压感测电容和指示设备 - Google Patents

Abstract

高压感测电容作为接口设备，被用于将指示单元连接至高压交流电母线上，用于为维修人员提供安全保障。感测电容的高阻抗特性将指示单元和与之连接的高压源进行隔离。使用多个这种感测电容接口可以连接多个电相位。感测电容可以安装至高压母线条上。当感测电容检测到母线条上的高压状态时，指示单元可以向维修人员提供视觉的和/或听觉的警告。感测电容由便携的、整体的电容结构组成，该结构包括封装了两个电极的模制绝缘体。电容的电极在绝缘体内仅仅是部分重叠。配置电极空间和结构，从而在交流电场存在的情况下，提供两个电极之间精确的耦合量。

Description

高压感测电容和指示设备

背景技术

发明领域

本发明总体上涉及感测或检测交流配电系统内的电导体上的高压存在的领域，更具体地，涉及具有不完全或部分重叠的电极的高压感测电容，并且该电容基本上完全封装至绝缘体内。

现有技术的简要描述

高压的单相和多相交流电源在多种工业中使用。使用高压交流配电系统伴随着这样的风险，即，电力维护人员(和其他人)可能不小心接触到加电导体，造成触电致死或严重受伤。因而，安全地确定电力母线的特定区段是否加电是令人期望的。这种确定这些高压状态存在或量级的方法可以避免人员受伤或死亡。

美国专利No.5,065,142(“‘142专利”)探讨了用于指示绝缘电导体内的实时交流电压情况的安全设备，该绝缘电导体具有中心导线。电容围绕绝缘导体周围创建，从而绝缘体内的高压中心导线形成电容的内电极，导体绝缘体则形成电容的主要介电材料。外部的电容电极被滑动地放置于绝缘的导体上。这样的电容通过气体放电灯提供对地高阻抗电路。当为高压电路加电时，通过电容的电流足够引起放电管发光，如此这样可以为维护人员提供可视的警告。可以使用该方法对配电网络的三相的每一相进行分别监测。

’142专利中所讨论的安全设备可能不适合连接到一个开关设备的母线条。因而，需要基于母线条的电压感测设备，以适于较高电压应用。

进一步地，此处可以发现，一些现有的高压接口设备被这样构造，电容性接口的电极和介电材料暴露在空气中。暴露在空气中能够产生电晕和边缘效应，这最终会产生局部放电状态。局部放电可以引起电容内的介电材料的持续退化，这最终会导致“击穿”介电失效。这种失效可能是灾难性的和不可挽回的。介电失效不仅会使得电容的接口不再具有电压感测的功能，而且，还会在高压导体上产生潜在的不安全和危险的短路情况。因而，还需要提供高压感测设备，在外界环境下使用该设备时，可以避免潜在的破坏性的局部放电。

发明内容

根据本发明的一个具体实施方式，高压感测电容是接口装置，其被用于将指示单元连接到高压交流电母线上(单相或三相)。可以使用多个这种感测电容与多个电相连接。该感测电容可以直接安装在高压母线条上。当通过感测电容在母线条上检测出高压状态时，指示单元能够为维护人员提供视觉的和/或听觉的警告。因而，感测电容能够与合适的指示单元相连接，以便提供安全或传感器功能。

在一具体实施方式中，本发明涉及一种感测电容，该感测电容包括便携的、整体的电容结构，该结构包括：一对电导体，所述一对电导体在其间具有不完全重叠和物理隔离；由介电材料构成的绝缘体，该绝缘体基本上完全封装了这一对电导体和其间的物理隔离，其中绝缘体被配置为允许将外部电连接形成至这一对电导体。

在进一步的具体实施方式中，本发明涉及一种高压感测结构，该高压感测结构包括感测电容和指示单元。该感测电容包括：具有内部和外部的第一电极，其中，外部电连接于交流电源的高压母线条；具有圆柱形形状的、空心的第二电极，该第二电极仅包围了第一电极的内部的一部分，以便部分重叠于该内部，同时贯穿于重叠区域而在第一和第二电极之间留有空间；电连接于第二电极的输出终端；以及由介电材料构成的绝缘体，该绝缘体完全封装了第一电极的内部、第二电极、第一电极和第二电极之间的空间和输出终端。指示单元电连接于输出终端(感测电容的)，从而可以在为高压母线条加电时，接收由感测电容生成的电容性电流，进而提供指示信号，该指示信号可以指示交流电源母线条上的高压的存在。

在另一个具体实施方式中，本发明涉及一种系统，该系统包括：包含有螺纹部分和无螺纹部分的第一电极，其中有螺纹部分被配置为电连接于交流电源的高压母线条；第二电极，该第二电极具有空心的圆柱形形状，该第二电极仅包围第一电极无螺纹部分的一部分，以便于不完全重叠于无螺纹部分，同时贯穿重叠区域而在第一电极和第二电极之间留有空间；电连接于第二电极的输出终端；以及由介电材料制成的绝缘体，该绝缘体基本上完全封装第一电极的无螺纹部分、第二电极、第一电极和第二电极之间的空间和输出终端。

因而，根据本发明的一具体实施方式，感测电容由绝缘体制成，该绝缘体封装了两个电极。电极空间和结构被构造，从而可以在交流电场存在的情况下，提供两个电极之间的精确的耦合量。感测电容为高压母线条提供了很高的阻抗接口，因此，仅仅为指示单元传送了微安级的电流，来让指示单元提供期望的指示，该期望的指示用于表征电母线上存在高压。感测电容的高阻抗特性有效地隔离了指示单元和与之连接的高压源。

附图的简要说明

为了使本发明易于理解和无困难地实施，结合下述附图，本发明将被详细描述，其用于解释而不进行任何限制，其中：

图1示出了根据本发明的一个具体实施方式的一个示例性的高压感测结构的简要示图；

图2A至2C描述了根据本发明的一个具体实施方式的感测电容的示例性的机械视图；

图3描述了根据本发明的一个具体实施方式的高压感测电容的示例性的结构细节的剖面图；

图4示出了一示例性的电路图，用于当交流相中的一个相的一个母线上的高压被感测电容检测到时，通过指示单元提供听觉的和视觉的警告。

图5是与图4相似的示例性电路图，但是仅通过指示单元提供听觉警告。

具体实施方式

在本发明的多个具体实施方式中，下述附图和描述阐述本发明。可以理解，这里所包括的本发明附图和描述解释和说明了与本发明特定关联的组件，但不排除，为了清楚起见，在典型的交流配电系统中应用的其它组件。可以预期，一般熟悉设计、维护或操作交流配电系统的人员，能够通过修改某些细节来将本发明的教导应用于其它情景中。相应地，该附图和描述并不限定本发明的范围，而是应作为宽泛的和一般的教导来被理解。

在此处的讨论中，当涉及到任一数值时，该数值应当被理解为考虑到变量的最实际可行的设计近似值，该变量可能是由机械操作例如机械加工、刀具加工、钻削、车螺纹、模制等引入的。进一步地，除非另有说明，数值范围可以被理解为包括了组成该范围的所有值。各种数值也是仅仅作为示例来用于本发明的不同具体实施方式中，在本发明的上下文中，无需限定不同数值的出现和应用。

在开始部分，应注意到，术语“被耦合”，“被连接”，“连接”，“被电连接”等在此处被交替性地使用，一般是指电连接的状态。进一步地，应注意到，此处示出的和讨论的各种图示(包括电路图表，元件图表，或机械绘图)仅仅是解释性的，没有按比例进行绘制。术语“地”，“电路地”，或其它相似含义的术语(或在此处多个图中的附图标记“20”所指的“地”的符号型的表示)，在此处被交替性地使用，用于指示共同的电路接地电位(可以是零也可以不是零)，这是公知的内容。

根据本发明的一个具体实施方式，图1示出了一个示例性的高压感测结构10的简图。如上所提醒的，高压单相和多相交流电源(例如，配电盘或开关设备，变压器，配电板，变电站，或其它电力设备)可以在多种工业中使用。使用高压交流配电系统伴随着风险，即：电力维护人员(和其他人)可能不经意间与加电的导体接触，导致触电致死或严重受伤。因而，需要安全地确定电力母线的特定段是否加电。为了实现上述想法，根据本发明的一个具体实施方式，高压感测电容12被应用，其作为单相或三相交流电源的高压母线条14和指示单元16(在下文，也可替代性地被称为“指示设备”)的接口设备，指示单元16可以用于提供母线条14上高压情况的视觉或听觉的警告。在一实施例中，感测电容12可以直接安装或连接到高压母线条14(例如，开关设备中的主母线条)，这通过使用安装柱螺柱，六角螺母和锁紧垫片的结合来实现，这些元件在图1中共同地用附图标记“15”来表征。在受限的或其它约束的应用中，母线条扩展部分(未示出)可以被安装在主母线条上，以方便感测电容12的安装。

本领域技术人员可知，电源配电中的术语“母线条”是指由铜或铝制成的、厚实的、平坦的条带或空心管，其可以在配电盘、配电板、变电站或其它单相或三相交流电源内导电。在下述的讨论中，术语“母线条”、“交流母线”、“母线”或“电母线”都可以交替使用，从讨论的上下文中可知这种使用是明显的。母线条可以提供机械连接和电连接。因而，母线条可以通过螺栓或钳制彼此相互连接，也可以通过螺栓或钳制与其它电力设备连接。母线条14和感测电容12之间的一个这样的连接在图1中示出。

感测电容12向高压母线条14提供了一个非常高的阻抗接口，因而，向指示设备16传送仅是微安级的电流，以使得指示设备16提供所期望的指示，用于指示在电母线/母线条14上存在高压(例如，三相时是大约2.3KVAC到大约27KVAC的范围，单相时是大约2.3KVAC到大约18KVAC的范围)。感测电容12的高阻抗特性有效地隔离了指示设备16和与之相连的高压源(这里，是指母线条14)。感测电容12的输出可以通过单导体17发送到指示单元16。导体17的阳插脚或头18可以插入到感测电容12的有螺纹的输出终端34(图1中未示出，在图3中示出)的开口中，而导体17的阴插脚或头(在图1中未出现)通过一个插头和塞绳结头组件19连接到指示单元16上。在工作状态下，电流从高压母线条14经由感测电容12流入到指示设备16(通过导体17)，最终流入到接地连接20。在一实施例中，地20可以表征指示单元16的电路或底板接地。

此处要注意，为了易于理解和讨论，图1仅示出了三相交流配电系统中一相的母线条14。尽管此处并未示出，但是多个电相可以使用多个感测电容被连接到母线条上。换句话说，与图1中的电容12相似的感测电容，可以同样安装于其它每一个相的母线条上，并且，这些所有交流特定相的感测电容的输出都可以输送到指示单元16。指示单元16可以接收多个输入。因而，在一实施例中，多个感测电容(未示出)的输出可以通过单一的点(例如，通过插头和塞绳结头组件19)连接到指示单元16上，以使得指示单元16独立地监测每一电母线上的高压情况。

图1的实施例中，感测电容12的电极并未示出，因为它们被封装在绝缘体22(介电材料的)内，该绝缘体22具有多个表面波纹24。因而，在电容12工作期间，只有绝缘体22(和它的表面波纹24)仍然暴露在周围环境或空气中，因而，由于电晕和边缘效应，极大地降低了局部放电情况。在一实施例中，使用环脂族环氧树脂作为介电材料来制造绝缘体22。这种树脂具有非常高的介电特性并具有非常低的局部放电性能。因而，在感测电容结构中使用这种树脂可以使得介电材料的退化和伴随的灾难性“击穿”的介电失效显著地最小化，这种感测电容结构在图3中更详细地阐述，并在随后的内容中讨论。

根据本发明的一具体实施例，图2A-2C描述了感测电容12的一个示例性的机械结构图。绝缘体22和表面波纹24形成了电容12的外部表面，如前面所提及的，外部表面暴露在空气中或其它周围环境中。感测电容的输入电极28的外部25(在图2A中未示出，在图3中示出)置于绝缘体22的外面，从而允许感测电容12电连接于例如母线条14。在一实施例中，外部25是有螺纹的，以便允许电容12通过如图1所示的双头螺栓、六角螺帽和锁紧垫片15安装至母线条14上。图2B示出了图2A所示的前视图的左侧视图，图2C示出了图2A所示的前视图的右侧视图。图2C中的视图中的附图标记“27”是指被绝缘体22封装在内的输出终端34的开口35，这些将在图3中示出，并在随后的下文中讨论。开口35使得导体17的阳插脚18可以插入到电容12内，以用于电连接。

图3是一个剖面图，其描述了根据本发明的一个实施例的高压感测电容12的示例性的结构性细节。如图3所示，根据本发明的一个实施例，感测电容12包括绝缘体22，其封装了两个电极——高压输入电极28和输出电极30。构造电极之间的间距和结构，从而使其能够在交流电场存在的情况下，两电极28、30之间具有精密的耦合量。在图3的实施例中，在绝缘体22内，电极28、30彼此物理隔离，但它们两者之间具有部分(不完全)重叠。如上文所指出的，感测电容12进一步包括爬电表面波纹24，形成了绝缘体22的外部部分。具有开口35的输出终端34也可以形成电容结构的一部分，并可以使其与输出电极30外部电连接，正如下文所述。

如图3的具体实施例中所阐释的，绝缘体22可以基本上是圆柱形的，并且，在一实施例中，可以使用环脂族环氧树脂作为介电材料制造，以用于感测电容12。在图3的一实施例中，有5个表面波纹，每个都呈现环状(倾斜的环状或圆盘形)，这些在图1和2A中可以更加清晰的发现。但是，依赖于可在场内施加至感测电容12上的工作电压的范围，在构造电容12时，表面波纹24的长度、直径和数量还有形状中的一个或多个可以是变化的，从而可以适应期望的工作电压范围。表面波纹24提供了输入电极28与输出终端34之间的表面爬电距离。在一实施例中，在IEC(国际电工委员会)标准下，对于轻型颗粒，18KVAC的爬电距离是12.8英寸。而在另一实施例中，在IEC标准下，对于中等颗粒，25KVAC的爬电距离是20英寸。

输入电极28包括外部25和内部26。内部26能够延伸一规定的距离到绝缘体22内。在一实施例中，外部25可以是1/2-13螺纹的，从而允许感测电容12安装至母线条14上，这正如上文所述。内部26是无螺纹的，被基本上封装在绝缘体22内，如图3中的示例性图所示。此处应当注意，图3中所定义的内部和外部26、25仅仅是为了易于讨论，这种定义并不意味着指示或暗示输入电极28由两个独立的、分开的、不相连的“组件”25，26组成。换句话说，附图标记“25”、“26”仅仅是用于定义相同的、单一的结构——即，输入电极28的两个不同部段。也就是说，就物理结构而言，三个附图标记“25”、“26”、“28”的每一个仅仅是指一个物理结构——输入电极。在一实施例中，输入电极28是部分有螺纹的、实心的、金属制成的、圆柱形的杆，具有预先确定的长度。从而，部分螺纹结构将电极28分割成无螺纹的内部26和有螺纹的外部25。用于输入电极28的各种不同几何形状可以在较低电压情况下使用。另外，如果感测电容12的整体设计被加长，则输入电极28的长度也将改变。输入电极28可以由铜、黄铜、青铜、或其它合适的金属或金属合金制成。

在一实施例中，输出电极30是空心的圆柱体形状，并延伸一规定的距离到绝缘体22内，仅仅环绕输入电极28的一部分(即，内部26的一部分)，从而与输入电极28具有不完全的或部分的重叠，正如图3中的例子所示。绝缘体22内的电极28、30相互之间间隔一物理隔离布置。正如图3中所阐述的，电极28、30之间的重叠区域可以使用附图标记“32”来指示。重叠区域32的形状可取决于电极28、30的几何形状。在图3的实施例中，重叠区域32是空心的圆柱形或环形。在一实施例中，输出电极30是铜的、网孔的圆柱体。然而，在其它可选的实施例中，输出电极30是由铜、黄铜、青铜、或其它合适的金属或金属合金制成的空心的、实体圆柱形。其它用于输出电极30的几何形状(例如，空心的矩形或正方形管)也是可以考虑的。

尽管输出电极30的长度和直径在给定电容结构下可以预先确定，但是在可替代的配置中这些长度和直径，基于基本上为圆柱形的绝缘体22的长度和直径和/或电极28、30之间的所要求的电耦合的程度，是可以变化的，其中电极28、30之间的电耦合基于这两者之间的不完全重叠32。输入和输出电极28、30之间的电容耦合可取决于电极28、30之间的重叠32的范围。

此处可以观察到，电极28、30之间的不完全重叠32可以被用来供应两个电容表面或电极之间的所期望的电压隔离。例如，在一实施例中，输入电极28可直接螺栓固定在高压母线组件上，该高压母线组件的电压大约是18KVAC(单相)或27KVAC(三相)，而输出电极或电容表面可直接连接到低压显示报警单元16上，其在大约5-100伏特交流的电压范围内工作。因而，高压隔离是必要的，以确保与指示单元16连接的感测电容12在工作时，高压和低压之间有合适的安全隔离。

再次参考图3，在一实施例中，输出电极30可电连接输出终端34，输出终端34具有开口35，从而可以外部电连接到输出电极30(例如，经由上文所提及的导体17的阳插脚18的插入)。在一实施例中，输出终端34具有实心的铜插头，有螺纹的终端具有1/4-20的螺纹开口35，从而将单导体连接到指示设备16上。在图3的实施例中，输出终端34是实心的铜插头，呈直径形状。但是，在其它实施例中，输出终端34的几何形状可以是多样的，例如，取决于电连接的导体17，或输出电极30的形状和/或大小。输出终端34由铜、黄铜、青铜、或其它合适的金属或金属合金制成，以允许其通过软钎焊、硬钎焊或定位焊接电连接到输出电极30上。

可以发现，绝缘体22基本上完全封装了电极28、30(包括两个电极之间的重叠32的区域的空间)和输出终端34，除了绝缘体22的电极连接点的任一端点，如在图3的示例性实施例中所示出的。在一实施例中，绝缘体22，电极28、30和输出终端34均被模制在一起，形成便携的、整体的电容结构(即，感测电容12)。同样的电容组件可以使用固定的模具采用单级真空脱气过程执行模制来加工。因此，通过使用给定的模具来模制一系列不同配置的感测电容12，从而提供用于感测不同范围的交流电压的电容。在脱气过程中，环脂族环氧树脂可以与硬化剂和填料混合物进行混合，并在高真空下除气。之后，混合物可注入到模具中(包括电极28、30和输出终端34)，从而在热度和压力下生成电容组件。在模制的电容12固化的过程中，潜在的破坏性的、局部放电产生的空气空隙可以从环氧树脂中去除。使用该方法模制的感测电容12具有最优的高压性能。在一实施例中，通过在螺纹部分25和输出终端34(通过开口35)之间施加非常高的电压(大约18kV)持续一(1)分钟，能够在模制的电容12上进行粒子放电(PD)测试。如果在整分钟的测试中，PD数值持续低于10pC，电容12就“通过”测试。

如上文所述，模制的电容12内的电极28、30之间的电耦合通过来自电极28、30和介电材料22的电容行为来实现。电极28、30包括电容12的“平板”，而环脂族环氧树脂(绝缘体22的)提供了电容12的介电层。在一实施例中，绝缘体22的介电层(例如，环脂族环氧树脂)有额定的介电常数——在3和4之间。在交流电场存在的情况下，感测电容12的有效电容产生了高阻抗元件，使得微安级的电流流入到指示设备16中。因而，在高压母线条14与指示设备16内的电路之间提供了有效隔离。通过改变电极28、30的几何形状(和从而绝缘体22的几何形状)，电容12的有效电容量可以随着感测电压的需求而调整。

在一实施例中，对于母线条14上的输入电压的额定范围(例如，三相时在大约2.3KVAC～大约27KVAC的范围，单相时在大约2.3KVAC～大约18KVAC的范围)而言，感测电容12的阻抗可超过100兆欧(MΩ)。例如，参考图3，在一实施例中，输入电极28的长度可以持续固定在6.5英寸(具有0.5英寸直径的电极杆28和1.25英寸长度的螺纹外部25)，并且，圆柱形输出电极30的直径可以持续固定在1.73±0.03英寸，而输出电极30和重叠32的长度都可以变化，从而可以获得一系列的电容值和阻抗值。例如，当输出电极30是4.5英寸长，同时输入电极和输出电极之间的重叠32是2.5英寸(纵向)长时，能够获得153±2MΩ的平均阻抗和17±0.3pF的平均电容。在另一实施例中，当输出电极30是4.25英寸长，同时输入电极和输出电极之间的重叠32是2.25英寸(纵向)长时，能够获得145±2MΩ的平均阻抗和18±0.3pF的平均电容。在更进一步的具体实施例中，当输出电极30是4英寸长，同时输入电极和输出电极之间的重叠32是2英寸(纵向)长时，能够获得131±3.5MΩ的平均阻抗和19.3±0.3pF的平均电容。通过相应地改变输出电极30和电极之间的重叠32的长度，能够获取另外的阻抗值和电容值。此处应当注意到，像输入电极杆28的尺寸，感测电容12内其它部分的尺寸也能够维持固定而同时适应不同几何形状的输出电极30。例如，再次参考图3，在一实施例中，圆柱状的绝缘体22的长度是7.5英寸，同时最外直径是3.1英寸(当测量表面波纹24的波谷时，直径可减小到2.2英寸)，输出终端34的长度是1.125英寸，同时最外直径是0.5英寸，并且开口35在输出终端34内部纵向深度为0.65英寸(螺纹深度为0.5英寸)同时直径是0.201英寸。这些元件几何形状的全部可以与整体(端点到端点)长度为9英寸的感测电容12相匹配。

此处可以观察到，感测电容12优选地是以垂直的方位直接安装至高压母线条或母线托架上，例如，如图1中所示。输入电极28的1/2-13有螺纹部分25随同1/2-13的安装五金件15一起使用，将电容12直接安装到母线条14上。然而，当以水平或其它非垂直的方位安装电容12时，绝缘体22的非导电绝缘材料被可用于作为支撑从而减小从高压输入电极28到地或到低压输出终端34的结束点的爬电距离。鉴于感测电容12工作时涉及的高压，需要一种电容设计，在该设计中，适当的爬电距离与合适的介电材料(没有气孔)匹配使用，以保证感测电容12可以安全操作。

图4是一示例性电路图，当由感测电容12检测到一个交流相位对应的电母线上的高压时，该电路图通过指示单元16提供听觉的和视觉的警告。并且，图5是与图4相似的示例性电路图，但被配置为只通过指示单元16提供听觉警告。现在参见图4，指示单元16内的全波整流电路40(包括二极管42a至42d)，直接在输入导体17(与用于交流相位的感测电容12相连)和地20之间相连接，如图所示。整流器终端40a和40b能够各自直接与相应的导体17和地20相连接。在图4的电路中，由高压感测电容12的电极30获取的、横穿绝缘体22的交流电被二级管整流桥40全面整流，整流电荷被存储于相应的电容44上，该电容44跨接于整流器输出终端40c和40d。

氖放电灯泡46也可以跨接于整流输出终端40c-40d，与相应的电容44并联。氖放电灯泡46将不会导电，直到通过灯泡的电压达到大约80伏特，此时雪崩放电出现，电容44立即放电，产生明亮的闪烁光。该闪烁光以一定的频率持续闪烁，只要对母线条14加电，该频率由母线条14上的电压，感测电容12各种元件(例如，电极28、30)的几何形状(和因此所产生的电压隔离量)和其它参数决定。闪烁的频率也可以由其它因素决定，由交流电源的相对地电压决定(例如，图1中的母线条14)，由存储电容44的电容量决定，和由感测电容12的几何形状决定。在非常高的电压下，闪烁频率增加到一种程度，此时在操作者眼中是长的、持续的闪烁。然而，可能需要闪烁频率足够低，从而使得操作者眼睛能够感知氖灯泡46是在闪烁还是未在闪烁。

除了由闪烁氖灯泡46提供的交流特定相位的视觉警告外，还可以将产生声音的压电设备48与氖灯泡46相串联，在图4中以虚线圆圈的方式示出。每次灯泡46闪烁时，声音生成器48就产生尖锐的“啁啾声”。这种选择就可以提供视觉的和听觉的两种警告信号。在另一实施例中，只要求具有听觉信号，那么用于交流单相时，可以使用如图5所示的电路结构替代图4所示的电路结构。雪崩二极管50或其它任何适合在雪崩模式下响应于预定电压的、并传导电流的设备，都可以替换氖灯泡46(图4中)，与压电声音生成器48串联，如图5中所示。

此处重申，图4和5中的电路结构只能用于交流相位的一个。为了监测全部三个电相中的电压状况，三个这样的电路结构——一个交流相位一个——都要安装一个指示设备16。为了最大安全性，这种附加的结构能够提供保护冗余。万一与氖灯泡或雪崩二极管的一个相连的电路出现故障，其它两个电路可以作为备用。进一步地，除了安全优势之外，通过向被监测的设备指示高压的损失，视觉和/或听觉警告也是节省时间的。

前面描述了高压感测电容作为接口设备，可被用于连接指示单元到高压交流电母线上，来向维护人员提供安全保障。感测电容的高阻抗特性有效地隔离了指示单元和与之相连的高压源。可以使用多个这种感测电容与多个电相进行连接。该感测电容可以直接安装至高压母线条上。当母线条上的高压状态被感测电容检测出来时，指示单元可以向维护人员提供视觉的和/或听觉上的警告。感测电容由便携的、整体的电容结构组成，该结构包括封装了两个电极的模制绝缘体。电容的电极在绝缘体内只是部分地或不完全地重叠。配置电极空间和结构，从而在交流电场存在的情况下提供两个电极之间的精确的耦合量。该感测电容向高压母线条提供非常高的阻抗接口，因而向指示单元仅传送微安级的电流，以使指示单元提供期望的指示，该指示表征了电母线上的高压的存在。

根据本发明的一实施例，使用包括感测电容和指示单元的高压感测结构，例如，来检测单相和三相交流系统应用内的高压情况，这是因为该结构可以响应于交流三(3)相中的每一个上的相对地电压。该感测电压和指示单元组合是“自足”的，因为它不需要单独的电源或电池，也不需要任何变压器、开关或保险丝。进一步地，感测电容和指示单元组合可以容易地加入到新的电力设备中，并且非常容易地改造现有设备。感测电容和指示单元能够在替代指示器不实用或太昂贵的电路场所中使用。同样，根据本发明的一个实施例，感测电容和指示单元要求很低的维护成本，因为它不需要任何调节和校准，这从上面的讨论中可以明显地发现。

尽管在这里，本发明详细地被描述，并且参考了特定的具体实施例，但是，很显然，在不背离实施例的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对其进行各种变换和修改。即，可以预期，本发明覆盖这里所提供的公开的各种修改和变形，它们均落入随后的权利要求及其等价的范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种感测电容，基本上包括：

便携的、整体的电容结构，所述电容结构包括：

由介电材料制成的绝缘体；

第一细长电极，所述第一细长电极延伸一距离到所述绝缘体内，所述第一细长电极具有从所述绝缘体的一端伸出的输入终端；

在一端封闭的第二空心电极，所述第二空心电极延伸一距离到所述绝缘体的另一端，所述第二空心电极具有与所述封闭端相连的输出终端，所述第二电极的内部环绕且部分包围所述第一电极上与所述输入终端相对的部分，以在所述第一和第二电极之间形成不完全重叠和物理隔离。

2.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述介电材料是环脂族环氧树脂。

3.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述第一电极的所述输入终端被配置为连接到交流电源的高压母线条上。

4.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述绝缘体基本上是圆柱形的。

5.如权利要求4所述的感测电容，其特征在于，所述绝缘体在其最外面的表面上包括多个表面波纹。

6.如权利要求5所述的感测电容，其特征在于，下述的至少一个由用于所述感测电容的工作电压的范围决定：

所述基本上圆柱形的绝缘体的长度；

所述基本上圆柱形的绝缘体的直径；以及

所述表面波纹的数量和形状。

7.如权利要求4所述的感测电容，其特征在于，所述第二电极的所述空心圆柱体的长度和直径依赖于下述的至少一个：

所述基本上圆柱形的绝缘体的长度和直径；以及

所述第一和所述第二电极之间的期望电耦合程度。

8.如权利要求1所述的感测电容，所述输出终端包括：

有螺纹的输出终端，所述有螺纹的输出终端基本上位于所述绝缘体内，并与所述第二电极封闭端电接触，从而允许通过所述有螺纹的输出终端将外部电连接形成至所述第二电极。

9.如权利要求8所述的感测电容，所述第二电极通过一种方法与所述有螺纹的输出终端电连接，该方法选自软钎焊、硬钎焊和定位焊接。

10.如权利要求8所述的感测电容，其中所述第一电极、所述第二电极、所述绝缘体和所述有螺纹的输出终端被模制在一起。

11.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述第一电极是金属的圆柱形杆，所述金属的圆柱形杆包括有螺纹部分和无螺纹部分，其中所述无螺纹部分基本上被封装在所述绝缘体内，所述有螺纹部分位于所述绝缘体的外部，从而允许通过所述有螺纹部分将外部电连接形成至所述第一电极。

12.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述第二电极的长度和直径是预先确定的，并且其中，所述空心的圆柱形形状具有下述结构之一：

金属实心结构；以及

金属网眼结构。

13.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述第一和所述第二电极的电容耦合依赖于所述第一和所述第二电极的所述重叠的程度。

14.一种高压感测结构，基本上包括：

感测电容，所述感测电容包括：

第一细长实心电极，所述第一电极具有内部和外部，其中，所述外部直接电连接于交流电源的高压母线条上，

第二电极，所述第二电极具有在一端封闭的、基本上空心的圆柱形形状，所述第二电极仅环绕所述第一电极的所述内部的一部分，从而部分重叠所述内部，同时贯穿所述重叠区域而在所述第一和所述第二电极之间留有空间，

输出终端，所述输出终端电接触于所述第二电极，以及

由介电材料制成的绝缘体，所述绝缘体基本上完全封装第一电极的所述内部、所述第二电极、所述第一和所述第二电极之间的所述空间和所述输出终端；以及

指示单元，所述指示单元电连接于所述输出终端，当所述高压母线条被加电时，用来接收由所述感测电容产生的电容性电流，从而提供所述交流电源的所述母线条上存在高压的指示。

15.如权利要求14所述的感测结构，其特征在于，所述感测电容的所述绝缘体基本上是圆柱形的，在其最外面的表面具有多个表面波纹。

16.如权利要求14所述的感测结构，其特征在于，所述感测电容的所述介电材料是环脂族环氧树脂。

17.如权利要求14所述的感测结构，其特征在于，由所述指示单元提供的存在高压的所述指示是下述的至少一个：

视觉警告；以及

听觉警告。

18.如权利要求14所述的感测结构，其中所述高压母线条上的电压属于下述之一的范围：

三相时大约2.3KVAC至大约27KVAC；以及

单相时大约2.3KVAC至大约18KVAC。

19.一种系统，基本上包括：

第一电极，所述第一电极具有有螺纹部分和无螺纹部分，其中所述有螺纹部分被配置为直接电连接于交流电源的高压母线条上；

第二电极，所述第二电极具有在一端封闭的、基本上空心的形状，所述第二电极仅环绕所述第一电极的所述无螺纹部分的一部分，从而部分重叠所述无螺纹部分，同时贯穿所述重叠区域而在所述第一和所述第二电极之间留有空间；

输出终端，所述输出终端电接触于所述第二电极；

由介电材料制成的绝缘体，所述绝缘体基本上完全封装第一电极的所述无螺纹部分、所述第二电极、所述第一和所述第二电极之间的所述空间和所述输出终端；以及

指示单元，所述指示单元被配置为电连接于所述输出终端，从而当所述第一电极电连接至所述高压母线条且所述高压母线条被加电时，用来接收产生的电容性电流，其中，所述指示单元被配置为提供所述母线条上存在高压的指示。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述指示单元被配置为通过至少一个下述方式来表征高压存在的所述指示：

视觉警告；以及

听觉警告。

21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一电极被配置为电连接于所述高压母线条，此时所述高压母线条上的电压属于下述之一的范围：

三相时大约2.3KVAC至大约27KVAC；以及

单相时大约2.3KVAC至大约18KVAC。

22.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极、所述输出终端和所述绝缘体被模制在一起，从而形成整体的电容结构。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

PCT条约第19条(1)下的声明

权利要求1-4，9，11，14在PCT条款33(3)下，基于Zulaski(4,002,976)结合Levinson(4,419,713)，由于缺乏创造性被驳回。结合Will(4,347,429)驳回了权利要求5-8，12-13，20和23-24；结合Tatoh(2003/0057560)驳回了权利要求10；并且，Will和Neuhouser(5,051,733)与Zulaski和Levinson结合驳回了权利要求15-19，21，22。

Zulaski公开了一高压感测设备，包括一电容和变压器串联以连接AC高压电路。Levinson公开了多个电极结构，每一个被一间隔分离，等同于多个电容串联在一起(第2栏第48-49行)。Will公开了一具有两个同轴圆柱体电极的加热器，一个电极在另一个电极内，之间间隔一距离，从而间隔内的电解质可以被加热。第二电极的核心和第二外部表层都是圆柱形的绝缘体。Neuhouser公开了“本发明不涉及任何到高压电路的直接连接，因而教导违背了所主张的发明(第2栏第36-38行)。由绝缘体34覆盖的高压导线32被安置在第一和第二电容电极之间。尽管Neuhouser阐述了一个具有电容电流的灯，但是，没有任何一个电容电极直接连接到高压母线上，如在权利要求15和20中所主张的一样。

权利要求1，15和20的过渡性短语已被修改，通过使用“实质上包括”限制本发明的范围到特定材料和本发明的“那些本质上不影响基本的和创新的特性的材料”上。和Zulaski不同，权利要求1和权利要求15不包括串联连接的变压器。修改了权利要求1，以澄清第二电极环绕第一电极的一部分。修改了权利要求15和20，以澄清电容电极之一直接和高压母线相连接。

由于权利要求1，15和20不包含变压器，部分环绕/包围第一电极的第二电极，和电容电极之一直接电连接于高压母线，因而，可以确信，权利要求1，15和20包括创造性。权利要求2，4-14，16-19和21-24是对独立权利要求1，15和20的进一步限定，因而，可以确信，权利要求2，与4-19包含创造性。因而，请考虑撤回对权利要求1，2，和4-24的驳回。

Claims (24)

1.一种感测电容，包括：

便携的、整体的电容结构，所述电容结构包括：

一对电导体，所述一对电导体在其间具有不完全重叠和物理隔离；以及

由介电材料制成的绝缘体，所述绝缘体基本上完全封装所述一对电导体和所述一对电导体之间的所述物理隔离，其中，所述绝缘体被配置为允许将外部电连接形成至所述一对电导体。

2.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述介电材料是环脂族环氧树脂。

3.如权利要求1所述的感测电容，其特征在于，所述一对电导体包括：

第一电极；以及

第二电极，所述第二电极具有基本上空心的圆柱形形状，所述第二电极仅环绕所述第一电极的一部分，从而实现与所述第一电极的所述不完全重叠，同时贯穿所述重叠的区域而保留所述第一和所述第二电极之间的所述物理隔离。

4.如权利要求3所述的感测电容，其特征在于，所述第一电极被配置为连接到交流电源的高压母线条上。

5.如权利要求3所述的感测电容，其特征在于，所述绝缘体基本上是圆柱形的。

6.如权利要求5所述的感测电容，其特征在于，所述绝缘体在其最外面的表面上包括多个表面波纹。

7.如权利要求6所述的感测电容，其特征在于，下述的至少一个由用于所述感测电容的工作电压的范围决定：

所述基本上圆柱形的绝缘体的长度；

所述基本上圆柱形的绝缘体的直径；以及

所述表面波纹的数量和形状。

8.如权利要求5所述的感测电容，其特征在于，所述第二电极的所述空心圆柱体的长度和直径依赖于下述的至少一个：

所述基本上圆柱形的绝缘体的长度和直径；以及

所述第一和所述第二电极之间的期望电耦合程度。

9.如权利要求3所述的感测电容，进一步包括有螺纹的输出终端，所述有螺纹的输出终端基本上位于所述绝缘体内，并与所述第二电极电接触，从而允许通过所述有螺纹的输出终端将外部电连接形成至所述第二电极。

10.如权利要求9所述的感测电容，所述第二电极通过一种方法与所述有螺纹的输出终端电连接，该方法选自软钎焊、硬钎焊和定位焊接。

11.如权利要求9所述的感测电容，其中所述第一电极、所述第二电极、所述绝缘体和所述有螺纹的输出终端被模制在一起。

12.如权利要求3所述的感测电容，其特征在于，所述第一电极是金属的圆柱形杆，所述金属的圆柱形杆包括有螺纹部分和无螺纹部分，其中所述无螺纹部分基本上被封装在所述绝缘体内，所述有螺纹部分位于所述绝缘体的外部，从而允许通过所述有螺纹部分将外部电连接形成至所述第一电极。

13.如权利要求3所述的感测电容，其特征在于，所述第二电极的长度和直径是预先确定的，并且其中，所述空心的圆柱形形状具有下述结构之一：

金属实心结构；以及

金属网眼结构。

14.如权利要求3所述的感测电容，其特征在于，所述第一和所述第二电极的电容耦合依赖于所述第一和所述第二电极的所述重叠的程度。

15.一种高压感测结构，包括：

感测电容，所述感测电容包括：

第一电极，所述第一电极具有内部和外部，其中，所述外部电连接于交流电源的高压母线条上，

第二电极，所述第二电极具有基本上空心的圆柱形形状，所述第二电极仅环绕所述第一电极的所述内部的一部分，从而部分重叠所述内部，同时贯穿所述重叠区域而在所述第一和所述第二电极之间留有空间，

输出终端，所述输出终端电接触于所述第二电极，以及

由介电材料制成的绝缘体，所述绝缘体基本上完全封装第一电极的所述内部、所述第二电极、所述第一和所述第二电极之间的所述空间和所述输出终端；以及

指示单元，所述指示单元电连接于所述输出终端，当所述高压母线条被加电时，用来接收由所述感测电容产生的电容性电流，从而提供所述交流电源的所述母线条上存在高压的指示。

16.如权利要求15所述的感测结构，其特征在于，所述感测电容的所述绝缘体基本上是圆柱形的，在其最外面的表面具有多个表面波纹。

17.如权利要求15所述的感测结构，其特征在于，所述感测电容的所述介电材料是环脂族环氧树脂。

18.如权利要求15所述的感测结构，其特征在于，由所述指示单元提供的存在高压的所述指示是下述的至少一个：

视觉警告；以及

听觉警告。

19.如权利要求15所述的感测结构，其中所述高压母线条上的电压属于下述之一的范围：

三相时大约2.3KVAC至大约27KVAC；以及

单相时大约2.3KVAC至大约18KVAC。

20.一种系统，包括：

第一电极，所述第一电极具有有螺纹部分和无螺纹部分，其中所述有螺纹部分被配置为电连接于交流电源的高压母线条上；

第二电极，所述第二电极具有基本上空心的圆柱形形状，所述第二电极仅环绕所述第一电极的所述无螺纹部分的一部分，从而部分重叠所述无螺纹部分，同时贯穿所述重叠区域而在所述第一和所述第二电极之间留有空间；

输出终端，所述输出终端电接触于所述第二电极；以及

由介电材料制成的绝缘体，所述绝缘体基本上完全封装第一电极的所述无螺纹部分、所述第二电极、所述第一和所述第二电极之间的所述空间和所述输出终端。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，进一步包括：

指示单元，所述指示单元被配置为电连接于所述输出终端，从而当所述第一电极电连接至所述高压母线条且所述高压母线条被加电时，用来接收产生的电容性电流，其中，所述指示单元被配置为提供所述母线条上存在高压的指示。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述指示单元被配置为通过至少一个下述方式来表征高压存在的所述指示：

视觉警告；以及

听觉警告。

23.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述第一电极被配置为电连接于所述高压母线条，此时所述高压母线条上的电压属于下述之一的范围：

三相时大约2.3KVAC至大约27KVAC；以及

单相时大约2.3KVAC至大约18KVAC。

24.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极、所述输出终端和所述绝缘体被模制在一起，从而形成整体的电容结构。

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