CN103718049B - 高电压测量系统 - Google Patents

Abstract

这里描述一种测量在诸如用于中等电压配电网的现代带屏蔽的高电压电缆上的电位方法和装置。电容性传感器配置(100)使用电缆(110)中的业已存在结构(114、116、118、120)被构造在电缆(110)上。又描述了隐含保护方法的使用，该方法使用在保留的现代电缆设计中出现的半导体层(116)并形成电容性传感器配置(100)的一部分。也使用温度补偿技术来改善传感器配置(100)的性能。

Description

高电压测量系统

技术领域

本发明涉及高电压测量系统，更具体地涉及无接触、基于电缆的交流高电压测量系统。

背景技术

一般来说，测量高和中等电压传输和分配系统中的交流电压具有四种主要方法，即：磁方法，其中例如使用电位变压器；利用电位分压器或使用阻抗的抽头的方法；利用普克尔盒和液晶等光学方法；以及利用电场仪(fieldmills)的机械方法。另外，这些方法可组合以提供测量高和中等交流电压的进一步方法。

高电压系统中的电压测量传统地是使用电位变压器或电容耦合的电位变压器来作出的。这些设备不但大而且昂贵，使它们无法在许多场合中得到广泛使用。另外，由于这些类型的变压器均需要直接连接至高电压导体，因此需要在现场投入广泛的安全防范以确保提供必要的隔离需求。

电阻性或电容性的分压器是当较低的测量精度可接受时所使用的二等设备。电阻性分压器的缺点在于，需要与高电压导体的电流连接。然而，可将电容性分压器实现为使所需的与高电压的隔离通过已有的安装来提供。

测量高电压电缆上的电位的电容性方法是已知的。

在DE-A-3702735中，描述了一种在电缆上构造电容性元件和电容性分压器以使沿电缆系统的任何位置处的线电压可被测得的方法。在这种方法中，高电压电容器的介电强度是通过电缆本身的导体绝缘性确定的，并且随后可通过在电缆网络中的任何点采用特别形状的连接衬套或电缆终端来安装分压器，以允许在电缆网络中的任何数量的测试点处进行连续的电压测量。

然而，该方法的缺点在于，电缆中的电场可能因所添加的结构受到干扰，并由于没有现代技术水平的中等电压电缆中所存在的半导体层而使其使用年限打了折扣。如本领域内技术人员公知的，术语“半导体层”意指电阻性材料，通常指碳充聚合物。在一些情形下，它可以是非线性材料，其电阻率随着增加的电压而减小。现代高电压电缆使用这些层来防止电缆中的电场不连续性，并由此提高可靠性和允许使用较薄的电介质。此外，该方法基于完全电容性分压器，并因此提供基于电压的输出。此外，这些方法对湿气污染或对地面导电性的增加(即使非常少量)的任何其它影响极为敏感。这意味着，即使极少量的污染也会导致所进行的任何测量有显著的误差。这使机械构造的完整性对在设备的使用年限保持稳定而言是关键的。

在US-A-5051733中，描述了在已有电缆上构造一种电容性元件以感测高电压电路附近的杂散电场的方法。该电容性元件包括在已有电缆上增设的半导体层和加至半导体层的接触层。这种配置用于借助各绝缘导体而连接的矿区电力中心或开关室内的高电压电路。这些绝缘导体一般不被任何四周的导电层所屏蔽，其结果，与导体的高电压通电关联的电场延伸超出了电缆本身至电力中心围栏内的其它相导体和周围的接地表面。这里，这些杂散电场被用来提供高电压导体被通电的直观指示。效果上，电容器被构筑在绝缘导体周围并且这提供通过气体放电灯至地面的高阻抗电路。当高电压电路被通电时，通过电容器的电流足以使放电管发出辉光，由此向维护人员提供可视警告。

然而，这种方法的缺点在于，需要将半导体层和接触材料层加至之前已有的电缆。另外，没有接地的静电屏蔽被纳入到系统中。因此，由于邻近的设备和/或其它导体将存在干扰。另外，层的增加可能形成总体构造的精确性和稳定性的问题，这使该配置的长期稳定性变得不可预测。此外，所描述的配置旨在提供不是针对电压测量的指示设备。

US-A-5065142描述了一种在与US-A-5051733类似的已有电缆上构造电容性元件的方法。提供了导体的扩口分段以在边缘处产生柔和的电场分布。具有在预定电压下雪崩击穿的特征的电容器和氖灯泡或其它气体放电灯泡与整流器并联。可选择地，压电或其它类型的声音发生设备可与氖灯泡串联。当中央导线在1000伏AC或更高电压下被通电时，灯泡闪烁，并且可选用的声音发生器激活，这些均发生在与沿绝缘的外部包鞘的长度有关的频率处。

US-A-4241373描述一种开关装置组件，该开关装置组件包括真空中断器、电流转换器以及电容性电压传感器，它们全部嵌入在环氧树脂铸造的壳体内，该环氧树脂浇铸的壳体被安装至稳固接地的支承结构。这种技术的缺点是，它需要将该单元制造成设备包括具有其相关隔离的高电压导体的铸造本体的一部分，并且在之后的日子无法实现独立的电容性元件。

US-A-4794331中描述了一种用于电功率分配系统的电路状态监测系统。该分配系统包括连接器组件，该连接器组件具有整体形成的测试点，该测试点提供连接器组件内的导体的故障电流或电压损失监测。连接器组件包括电路监测模块，该电路监测模块可电容性地耦合至系统导体并耦合至模块以充当向该模块提供工作功率的测试点。感测板嵌入在连接器本体中以提供电容性耦合。然而，这种配置的缺点在于，将其实现在已有的装置中需要更换或增设电缆连接器和槽口。

US-A-4794329中描述了一种指示电路状态的指示器设备。该指示器设备监测高电压导体内故障电流的发生，自此指示器设备被挂起。该设备包括在其上端具有一对向外突出的电缆配合部件的壳体。诸配合部件由弹性绝缘材料形成并各自包括向外突出的底部和向内突出的端部，所述向内突出的端部靠着壳体的后壁配合并保持电缆。指示器设备的工作电能是得自藉由位于毗邻导体的壳体内的金属板和在壳体下端内的金属环和导电涂层围绕导体的电场的电位梯度。

在这种配置中，机械稳定性受到限制并且不提供任何静电屏蔽，由此与邻近结构的干扰和邻近效应将会是显著的。该设备不用于确定测量但单纯用于提供其在装在上面的高电压导体内故障电流存在的指示。

在US-A-3538440中，描述了一种在已有电缆内构造电容性元件的方法，该已有电缆包括位于电缆电介质的表面水平之下的电极。这种技术的缺点在于，在添加电容性元件过程中必定会对电缆电介质造成损害。在许多情形下，电缆电介质已经很薄，这限制了对于电介质中这种干扰能安全地作出的某些情形的适用性。本质上，该方法涉及保持输出电压恒定的手段，这对于测量设备而言是不理想的。

US-A-4121154中描述了一种高电压测量设备，该测量设备用来测量交流电携带线内的电压量。该测量设备使用具有相关联的放大器的电容性元件，它在使用时接近高电压线。提供电压输出，该电压输出是从已从AC信号转换出的dc信号中得到的。然而，该设备不适于与许多电缆装置一起使用并且其精度强烈地依赖于对由设备感测到的电场形成干扰的环境因素。

在US-A-4052665中，描述了在已有电缆上构建电容性元件的方法，该已有电缆包括夹持在电缆周围的同心电极。电容性拾取设备被夹持至绝缘导体并得到可测的电压，该电压是该导体中脉动的高电压的幅度的线性函数，该高电压具有15－40千伏的数量级，例如内燃机的点火系统中遇到的。

然而，该方法的缺点在于，当设备永久地连接至绝缘导体时，夹具不管理其边缘的电场并随时间流逝可能造成电介质完整性问题。

已知的电容性电压测量方法由于下面两种因素而无法投入实践。一方面，基于分压器的电容性方法对污染物高度敏感，另一方面，现代的电缆使用薄电介质并且依赖电场梯度控制来保持内部电场没有不连续性并防止电介质的击穿。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种高电压测量系统，它利用其上可作出测量的整段电缆作为测量系统的一部分并籍此可获得更精确的测量。

这个目的是通过表现出第一权利要求的技术特征的高电压测量系统来达成的。

根据本发明，提供一种用于测量绝缘电缆的电压的测量装置，该绝缘电缆包括至少一个中央导体、围绕至少一个中央导体的第一电介质层、围绕第一电介质层的半导体层以及围绕半导体层的电缆屏蔽。该装置包括配置在电缆周围的感测电极组件，该感测电极组件包括连接至半导体层的感测电极元件，由此感测电容是由半导体层连同至少一个中央导体以及绝缘电缆的至少第一电介质层形成。一电路连接至感测电极元件。该装置进一步包括用于定义感测电极组件的有效感测面积的配置。该电路包括电流模式信号调节电路，电流模式信号调节电路的输入被连接至感测电极元件并被定位到电流模式信号调节电路的电路基准电位，电缆屏蔽被连接至该电路基准电位，电流模式信号调节电路被配置成通过主动地向零驱动其输入阻抗而补偿半导体层的寄生阻抗。

本发明基于使用已有的高或中等电压电缆结构作为传感器单元的耦合电容的有效部分的电容性耦合，该传感器单元被用于测量绝缘电缆上的电压。由于电容性耦合的使用，不需要与导电体的电流接触。根据本发明，使用这种电缆构造是有优势的，尤其是就电缆及其相关元件的给定分段的固有尺寸和机械稳定性方面而言。

理想地，已有的半导体层可被用来使电场平滑，并且这消除了必须使电极的边缘扩口以提供电场均一性的机械复杂性。

在本发明的测量装置中，高电压电缆本身被利用作为测量装置的一部分，因为它已提供导体和相关的隔离。以电极组件形式出现的传感器被建立在这些已存在结构的顶上，并因此不需要额外的高电压隔离本体。因此，对包含传感器的独立单元不需要作出额外的高电压连接，并且也不需要与高电压导体本身相互作用。此外，由于半导体层可保持完好，可避免或最小化电缆中的电场的干扰。

相对于某些现有技术测量装置，本发明的测量装置在电缆上形成固定的构造并因此克服了与所作出的临时连接的机械稳定性关联的任何问题以使电压测量被获得。

根据本发明使用的电流模式信号调节电路从感测电极元件中获取输入电流，并相对于优选的基准电位(通常是接地的电缆屏蔽)向所述元件呈现近似理想的零欧姆输入阻抗。这种状态是通过相对于基准电位主动地驱动输入电位差至零电位或接近零电位而达到的。这种基准电流输入信号调节的使用，与传感器协同，使得因半导体层本身的高导电性、灰尘、湿气污染、半导体层的老化以及半导体层中的热致导电性变化所导致的测量误差显著地减小了，并由此可能简化传感器的机械构造。

第二电介质层优选地被设置在至少所述电极元件之上。另外，静电屏蔽优选地被设置在第二电介质层之上。

在一个实施例中，静电屏蔽被连接至绝缘的电缆上的屏蔽。这可提供静电屏蔽的接地。

在另一实施例中，静电屏蔽包括在绝缘电缆上的屏蔽，并且其延伸超过电缆和覆盖至少所述电极元件的第二电介质层。该静电屏蔽可包括电缆的屏蔽。

通过使用经屏蔽的电缆作为基础，半导体层接近接地电位。这可增加系统的电气安全性并在大的系统瞬变的情形下增加电子器件的耐久性，并还减少了来自环境的干扰。

在一个实施例中，用于定义感测电极组件的有效感测面积的配置包括定位在电极元件任一侧的第一和第二附加电极元件。这改善了感测电极元件的电气几何特性的定义，由此更精确地定义了有效感测面积。

在一替代实施例中，用于定义感测电极组件的有效感测面积的配置包括在感测电极元件任一侧的电缆屏蔽的边缘部分周围的第一和第二夹持设备。

为了温度补偿，可利用一适当的电路元件（例如积分电容器）以进行电流模式操作，该电路元件与信号调节电路相关联，所述信号调节电路热结合于感测电极元件。另外，可单独地或与热结合的电路元件协同地使用与电极元件关联的温度传感器。

有利地，与本发明的测量装置的电极元件的连接可通过多轴导体作出。

本发明及其优选实施例可提供优于已知测量系统的下列优点中的一个或多个：

1.地面基准电流输入信号调节的使用，与传感器协同，使得因半导体层本身的高导电性、灰尘、湿气污染、半导体层的老化、传感器元件和其它结构之间的寄生电容以及半导体层中的热致导电性变化所造成测量误差显著减小了，由此简化了传感器的机械构造。

2.能借助适当的电路元件(例如热结合的积分电容器)容易地实现传感器几何特性的热致变化(和因此带来的热致测量误差)的校正技术。这些技术能显著地提高设备在变化的操作条件下的精度。

3.可借助在感测电极元件任一侧的附加电极元件，容易和精确地定义感测电极元件的电气几何特性。

4.传感器使当前技术的高电压电缆的构造具有最佳使用。将电缆隔离用作耦合电容器的主要电介质，并因此可自动地获得传感器的关键高电压隔离。

5.出现在电缆上的半导体层被用来确保第二电容器电极的机械稳定性，并通过向电缆的接地屏蔽提供阻抗而利于在系统瞬变过程中的过电压保护。

6.半导体层的存在允许简单、薄和尖锐边缘的电极的使用。没有该半导体层，需要将电极边缘制成喇叭形，或者必须取其它测量以确保平滑的电场梯度。通过保留这个层，电缆中的电场可大部分无干扰地地保留下来，这降低了由增加的电极边缘造成的尖锐电场梯度引发的介电破坏的风险。

7.由于本发明使用对测量的稳定性很关键的已有的结构，因此能够大为简化传感器的安装。

8.通过在越过感测元件延伸并在感测元件的两端与电缆屏蔽和半导体层两者接触的构造上施加静电屏蔽，由其它电缆、设备和结构造成的电气干扰和邻近效应被显著地减小和/或避免。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将仅以示例的方式参考附图，在附图中：

图1是根据本发明在电缆分段的端部构造的传感器的截面示意图；

图2是根据本发明沿电缆分段构造的传感器的截面示意图；

图3是第一传感器电极配置的示意图；

图4是与图3的第一传感器电极配置对应的电路图；

图5是当使用地面基准的电流模式调节单元时传感器的简化电路图；

图6是地面基准的电流模式信号调节单元的示意图；

图7是电流模式操作的温度补偿的示意图；

图8是第一传感器模拟模型的电路图；

图9是示出图8的传感器模拟模型的模拟频率响应的曲线图；

图10是第二传感器模拟模型的电路图；

图11是示出图10的传感器模拟模型的模拟频率响应的曲线图；

图12是第三传感器模型的电路图；图13是示出图12的传感器模拟模型的模拟频率响应的曲线图；

图14是传感器电流模式模拟模型的电路图；

图15是示出图14的传感器模拟模型的模拟频率响应的曲线图；

图16是示出电流模式传感器的传感器线性的曲线图；以及

图17示出根据本发明的信号调节电路。

具体实施方式

将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书定义。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可放大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺寸并不必然对应于对本发明实践的实际修正简化。

此外，本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等等用于在类似的元件之间进行区分，而不一定用于描述顺序次序或时间次序。这些术语可在适当环境中互换，并且本发明的实施例可以不同于本文中描述或示出的其他顺序操作。

此外，本说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。这样使用的术语可在适当的环境中互换，并且本文中所述的本发明的实施例可以不同于本文中描述或示出的其他取向操作。

此外，在各实施例中，尽管对“优选的”引用被解释成可实现本发明的示例性方式，但它不对本发明的范围构成限制。

权利要求中所使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的步骤；它不排除其他元件或步骤。它需要被解释为指定存在如所引用的所述特征、整体、步骤或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件、或者其组合。因此，措词“包含装置A和B的设备”的范围不应当仅限于仅由组件A和B构成的设备，而是相对于本发明而言，设备的唯一枚举出的组件是A和B，并且权利要求应当进一步解释成包括这些组件的等效物。

根据本发明的感测设备使用许多现代高电压电缆中业已存在的电缆结构，以将耦合电容器的第一部分实现成高电压导体。电缆中央导体形成第一电容器板，电缆电介质形成电容器电介质，而电缆半导体层形成第二电容器板。该第二板的性能可通过将金属或其它比半导体层更好的导体施加到该材料而得以改善。作出与该第二板的连接。通过使用已有的电缆电介质，就自动提供了这一组件的昂贵且对安全性很关键的部分即高电压隔离。

用电介质层覆盖如前所述的电容器，并且随后在电介质层顶上覆盖静电屏蔽以防止环境的影响使测量变差，所述环境影响例如是由附近的其它设备和电流携带导体造成的邻近效应和电气干扰。优选地，静电屏蔽包括金属导体，该金属导体在电容器分段的两侧附连至半导体层。静电屏蔽也可连接至接地的电缆屏蔽。在用金属分段改善电容器电极的实施例中，屏蔽附连物与金属分段的边缘隔开一定距离以防止屏蔽与第二电容器板直接或通过半导体层过短的分段而短路。替代地，电缆屏蔽可以与静电屏蔽相同的方式使用。

静电屏蔽可形成第二寄生电容器，其中第一板包括具有或不具有附加导体的半导体层，而第二板包括接地的静电屏蔽。在该实施例中，电介质包括所施加的电介质层。要注意，电容器并联于半导体层的一些分段的阻抗，那些分段来自对该半导体层的静电屏蔽的附连点以及施加至半导体层或半导体层的附连点的金属导体的端部。

在传感器的构造中，当半导体层存在时，有效电容器尺寸延伸超过感测电极元件的长度。该有效尺寸与半导体层的性质以及它如何和在哪里与电缆屏蔽(基准电位)形成电接触有关。所得到的电容器的有效尺寸可以若干种方式选择性地更好定义，大大提升测量的结果精度和稳定性，在这里一般称其为用于定义感测电极组件的有效感测面积的配置。

一种建议的方法是通过在短距离上中断感测元件任一侧的半导体层。这样做，感测元件的总机械长度加上感测元件每个末端上的半导体层多达相应间隙的伸展等于感测元件的电长度。由于中断半导体层干扰了电缆内的电场，因此所产生的间隙可用非线性、电阻性材料再次填充，这种电阻性材料在正常工作电压下维持高电阻率并在过电压状态下回归到低电阻率。因此，在异常工作状态下可维持内部电缆电场分布的整体性，以这些状态下传感器的精度为代价。

其它方法基于在感测电极的任一侧提供两个附加电极，这两个附加电极电连接至基准电位，通常为电缆屏蔽和/或静电屏蔽。这些是传感器的优选实施例。有效电容器尺寸则由下列定义：电容器分段的金属部分，以及该金属部分和金属触头或到半导体层的接地连接的边缘之间且在两侧处的距离的一半。这些电极可直接施加在半导体层的顶上。替代地，电缆屏蔽或静电屏蔽可被夹持以与半导体层作出直接电连接，由此提供相似的功能。

容易理解，尽管通常被描述为金属性的，本文中讨论的任何电极可由许多不同类型的高导电物质制成，例如金属和特别制备的聚合物。

由于根据本发明的传感器被构造在电缆的半导体层的顶上，因此电缆内的电场实际不受影响。半导体层在面向高电压导体侧可保持不受损害。这，再加上由传感器中的可能静电屏蔽所造成的结构上的电缆屏蔽的可能的连续性，有效地确保了对电缆本身的功能没有任何影响。这是重要的，因为电缆电介质周围的结构中的不连续性可能造成很强的局部电场，该很强的局部电场随时间可能使电介质变差并造成损坏和跳火。

根据本发明的传感器构造的另一优势是业已存在的电缆结构广泛地用于传感器配置的最关键耦合电容器元件的构造。这些结构被模制在导体和彼此的周围，由此导致机械稳定和弹性的整体。不损害这种整体性，感测电容器的电容器板之间的关键距离被很好地控制并且是机械稳定的。此外，这极大地减少了传感器的安装时间以及由于粘合松弛、环境污染或不正确的安装造成的随时间流逝的误差和变差的机会。尤其是后者，由于电场梯度和电位导致的电介质劣化，可能造成问题。

这种构造的结果是对高电压导体良好定义的、小数值耦合的电容器。该电容器现在可与众多电路结合使用以获得高电压导体上的电位的测量。然而，优选实施例将会是地面基准的电流输入信号调节设备，它可与分流器结合使用或者不这样，由此耦合电容器的第二板在正常工作期间可保持非常接近或等于接地电位，并且由半导体层和第二电容器的阻抗形成的负载可忽略不计。半导体层和第二电容器的阻抗不是良好定义的，并且需要关注它，以确保它们随时间保持恒定。通过使用基于电流的方法，这些因素对测量变得可忽略。然而，这些寄生组件提供一些优势，因为它们转移了瞬变效果和静态累积。

也可增加温度校正技术，或者通过对传感器温度的直接测量和信号调节的校正，或者添加用于校正该信号调节中的偏差的温度依赖元件。后一方法的一种实现可通过将所需的积分电容器整合到传感器内的一些形式的信号调节电路中以使其热结合于传感器而达成。通过选择适当的类型或类型组合，可选择其热依赖性以补偿耦合电容中的热致改变。这种适用性将依赖于所使用的信号调节。根据所期望所要求的性能，可单独或彼此结合地使用两种方法。

在下面的描述中，术语“同轴”指连续的屏蔽与导体同轴地设置的电缆，该屏蔽与导体通过隔离器分离。

如前面替代的，术语“半导体层”指通常是碳充聚合物的电阻性材料，或者指其电阻率随着增加的施加电压而减小的非线性电阻性材料。现代高电压电缆使用这些层以防止电缆中的电场不连续性。这改善了可靠性，并可使用更薄的电介质层。

在下面对附图的详细描述中，各附图中相同的要素用相同的附图标记表示。

本发明涉及在中等或高电压电缆上构造耦合电容器。当构造这种耦合电容器时，可使用短长度的电缆。例如，由于间距约束可使用1cm-5cm范围的长度。这种构造的电容器实际上是同轴电容器，其中电缆的中央导体形成内圆柱体而增加的电极形成外圆柱体。所构造的电容器的电介质是通过两圆柱体之间的电缆组件来形成的。在实践的电缆中，电介质具有2和3之间的相对介电常数并且圆柱体之间的间距为0.5cm和1cm之间，可提供具有5pF和20pF之间的电容的耦合电容器。典型地，对额定值高达15kV的交联聚乙烯(XLPE)电缆，可获得15pF左右的电容。然而，不管这种电容的准确值为何，相比当构造用于50Hz电网基础设施的传感器时遇到的寄生效应，它非常小，并可将该潜在的问题减少至相对阻抗，也就是，50Hz下的耦合电容器的阻抗相对于构造中的寄生元件的阻抗。构造的耦合电容器的一个示例示出于图1中。

对于15pF的电容的电阻可使用下列方程确定：

$Z=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{coupling}}}$

这里，Z是阻抗，ω是频率而C_coupling是电容。对于上面给出的值，Z是212MΩ。这是一个极高的阻抗，比得上例如电介质上的指印、少量湿气和空气湿度的污染效应、传感器构造及其电介质的不完美性、由于布线导致的从电极至电缆屏蔽的寄生电容等等。

要理解，问题不在于寄生阻抗存在，因为寄生阻抗可在信号调节中被校正，问题在于许多量既是未知的又是时变的。这意味着如果要针对寄生阻抗对电路进行校准，则校准不会随时间保持准确。

必须注意，这些寄生阻抗中的大部分位于所施加的电极和地面之间。所施加的电极和电缆中央导体之间对实践具有重要性的唯一寄生量是电介质的导电率。对于诸如XLPE的现代聚合物电介质，这通常是几百至几千GΩ的数量级，并因此很容易比电网基础设施的耦合电容的阻抗大上三个数量级。现代材料也具有极低以在实践中不存在使其绝缘性质变差的湿气吸收。由此在多数实践情况下可忽略电介质导电率。

所构造的耦合电容器的热稳定性需要如此：其几何特性和电容器电介质的介电常数忠实地遵循热致变化，由此在信号处理中可使用热校正。这可采取在信号处理电路中适当选择的组件的形式，它在与传感器环境热耦合时对偏差作出补偿。替代地，可监测系统的温度并将其用于校正。热致几何特性改变对传感器的影响是相对小的，并可使用下列假设估计之：几何特性改变主要由主结构、电缆中央导体(铝)、电介质(XLPE)以及耦合电容器电极(铜)诱发。感兴趣的膨胀是沿电缆长度径向和轴向的那些膨胀。它们对耦合电容器的组合影响可被表达为周围温度的函数。在25℃下使用的材料的线性膨胀系数的典型值为：对于元素铝，23.1μmm^-1K^-1；对于元素铜，16.5μmm^-1K^-1，而对于XLPE，2001μmm^-1K^-1。

控制同轴电容器结构的等式是由下式给出：

$C=\frac{{2\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln \left(\frac{B}{A}\right)}L$

这里，L是以米计的结构长度，A是以米计的中央导体的外径，B是以米计的外电极的内径，而ε_r是电介质的相对介电常数。对于交联聚乙烯,ε_r＝2.2且ε₀＝8.8542x10^-12Fm^-1，真空下的介电常数。

假设该温度范围内的材料性质保持恒定，可获得耦合电容的温度依赖性的简单近似表达。首先是轴向分量，由前面的L给出。这里，必须被研究的唯一部分是施加于电缆的铜圆柱体的轴向长度，当电缆从中传过时应当被认为是无限长的：

L_Δt=L(σ_sΔt+1)

这里，L是传感器元件的长度，Δt是以度计的温度改变，而σ_s是传感器元件以mm^-1K^-1计的热膨胀系数。结果是L_Δt，以米计的元件的有效长度，其中包括了温度效应。

在±25℃温度变化内，通常对于预期具有温度平均值上下50℃范围的配电站，并且长度5cm的铜传感器元件，获得0.04%的轴长度(因此电容)的改变。

这种偏差的第二部分是径向分量，由A和B的比值给出，其中A是以米计的中央导体的外径，B是以米计的外电极的内径，Δt是以度计的温度改变，而σ_c和σ_d分别是中央导体和电介质以mm^-1K^-1计的热膨胀系数。结果得到的新比值具有温度效应，其中

${\left(\frac{B}{A}\right)}_{\mathrm{\Δt}}=\left(\frac{B}{A}\right)\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_d\mathrm{\Δt}+1}{{\mathrm{\σ}}_c\mathrm{\Δt}+1}\right)$

当暴露于所要求的温度变化时，针对前面的电容组合等式中的两个部分提供了耦合电容器的值的基本表达：

$C_{\mathrm{\Δt}}=\frac{{2\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln \left(\frac{B}{A}\frac{{\mathrm{\σ}}_d\mathrm{\Δt}+1}{{\mathrm{\σ}}_c\mathrm{\Δt}+1}\right)}L({\mathrm{\σ}}_s\mathrm{\Δt}+1)$

从此，围绕总共50℃的平均值在相同的±25℃温度变化内的电容变化，相比没有温度补偿的电容，对于其中A=18mm而B=28mm且传感器元件长度为5cm的典型中等电压电缆，为0.95%。

这种变化在±25℃的温度范围内并因此±1％并对许多应用来说是可接受的。

电缆隔离的介电常数的热致改变通常比几何特性变化更具重要性。然而，这种影响对于典型电缆电介质是公知的并容易以已提到的方式进行补偿。

半导体层具有高导电率，一般对于现代电缆获得1kΩcm^－1或更小的值。该层也极为温度依存并对电缆电压具有线性或非线性的依赖性，这使其在传感器构造中成为重大的未知量。

由于该层在效果上保持不受干扰以保证电缆内的电场的连续性，并在其顶部建立和耦合电容器电极，连接至电缆屏蔽并因此接地的层本质上近乎短路于电网基础设施的耦合电容器的212ΜΩ阻抗。这本身不是问题，如果半导体层的电阻被良好定义并且是稳定的。那么它简单地作为传感器中需要的分流器的一部分。通过使用以地面为基准的如下面描述的电流模式信号调节电路，这些问题得以解决。

根据本发明，使用电缆本身的电介质在电缆上构建电容器。所构造的电容器也可被用作对地的限流阻抗。该电流在被积分后成为电缆导体上的电压的测量。现在可选择积分电容器以匹配耦合电容器的温度依赖性，从而对其热依赖性作出校正。这需要这些电容和耦合电容器之间的热联系。其它方法可使用传感器温度的测量并间接地校正热误差。

在图1和图2中，示出根据本发明的设备的构造。图1和图2之间的差别是传感器构造的位置。在图1中，构造位于端部附近并因此电缆屏蔽需要被端接。在图2中，设备沿电缆长度构造，并因此需要电缆屏蔽在其上是连续的。

在图1中，传感器配置100被图示为传感器150位于高电压电缆110的一端112。电缆110包括由电介质层116覆盖的中央电缆导体114。半导体层118在电介质层116之上。在端部112，电缆屏蔽120也被设置在半导体层118之上。传感器150包括位于半导体层118上的感测电极152、电介质层158以及静电屏蔽160。静电屏蔽160借助电连接162连接至电缆屏蔽120。

要理解，静电屏蔽160可包括电缆屏蔽120的连续段，并且在那种情形下，电连接162将不需要。

也可提供可选用的导体电极166、168。在这种情形下，导体电极166、168位于感测电极152的各个侧面。这些电极166、168被用来改善感测电极152对静电屏蔽160的接地电阻的定义，并与静电屏蔽160电连接。

传感器配置100包括同轴导体180，该同轴导体180向感测电极152提供电连接(图示为连接182)并向静电屏蔽160提供电连接(图示为连接186)。

在本发明的最简单实施例中，感测电极152是不需要的。在该实施例中，电缆110的中央导体114形成第一电容器板，电缆110的电介质116形成电容器电介质，而电缆110的半导体层118形成第二电容器板。在可选用的导体电极166、168的位置之间等距的一个位置对半导体层118（未示出）作出电连接。然而，感测电极152的使用改善了传感器150的性能。

容易理解，由于电缆110是具有圆形横截面的圆柱体，因此电极152、166和168以及静电屏蔽160优选地被制成圆柱体。然而，也可使用其它形状，但可导致传感器50的性能变差。

电介质层158优选地与可选用的电极166、168一定程度地重叠，以确保半导体层119在这些电极和感测电极152之间的分段恰当地与静电屏蔽160隔开。

现在转向图2，其示出沿电缆110的分段设置的传感器配置200。电缆110和传感器150均如图1所述那样，但在这种情形下，传感器150位于电缆屏蔽220之下以提供连续的电缆屏蔽220。如参照图1描述地那样作出电连接。使用这种传感器配置200，其中测量点是沿屏蔽高电压电缆的长度被插入。

在图3中示出简化的传感器电极配置300。配置300包括感测电极310，该感测电极310覆盖半导体的一个分段，使半导体层118的两个部分320、330保持露出。电缆屏蔽340被设置在半导体层320、330周围，远离感测电极310。电缆屏蔽340接地。

图4示出图3所示的传感器电极配置300从电缆110的中央导体114至电缆屏蔽340的等效电路400。电阻器410、420代表感测电极310和电缆屏蔽340之间的半导体层320、330的相应分段。电容器430代表形成在高电压电缆110的中央导体114(图1和图2)和感测电极310之间的主感测电容器，而电容器440代表在感测电极310和电缆屏蔽340之间的寄生电容。

唯一必要的元件是连接至电缆导体114的电容器430。这是通过添加感测电极而构建在电缆电介质上的电容器。然而，该电极被构建在半导体层的顶上，该半导体层连接至电缆屏蔽。这个长度的半导体层是通过经由电缆屏蔽340而接地的电阻器410、420建模的。如前所述，半导体层对温度极为敏感，并且其导电率在传感器设备的额定工作范围内非常大地变化。此外，该结构的污染将对电阻器410、420增加了进一步未知的变化。在实践中，电阻器410、420具有低阻值，一般为几百欧姆。耦合电容器430的阻抗比电网基础设施的情形高出许多个数量级。显然，由电阻器410、420上的寄生阻抗引起的可变和未知的负载将很大程度地危及整个传感器设备的精度。

连接在感测电极310和电缆屏蔽340之间的电容器440依赖于构造并且不像电容器430那样几乎未被定义。由于电缆电介质116、中央导体114和半导体层118之间的紧密联合，电容器430具有良好定义和刚性的几何特性。由于所使用的材料具有低温系数，电容器430是稳定的和良好定义的。

必须补偿电阻器410、420和电容器440的影响以获得准确的测量。在图5中示出图4的简化版本500，以与地面基准的电流模式信号调节单元一起使用。这里，信号调节表现出对地近乎完美的短路，分流了大多数寄生电容。示出了电缆110的中央导体114和接地的电缆屏蔽510。电容器520代表连接在导体114和感测电极(未示出)之间的感测电容器。电阻器530代表由电缆110的电介质层116引起的漏电流。所示出的电流输出540代表来自传感器的输出并必须通过信号调节单元(未示出)来进行积分以获得电缆110的电压。

在图5中，电阻器530代表之前尚未被描述并且一般可忽略的寄生阻抗。效果上说，电阻器530关联于电缆110本身的电介质层116的导电率。然而，将该电路还原至其图示的简化版的主要方法是一种保护，在这种情形下是隐含的保护。如果传感器的输出被短路至地面并且人们可测量该连接中的电流而不造成显著的电压上升，则损坏该系统的寄生分量将不再具有任何高于它们的电位，并且它们的影响也因此有效地从传感器响应中被除去。

在实践中，该电路可使用电荷放大器来构造。这也提供一种积分功能，该积分功能是补偿设备由电流模式中使用耦合电容器所导致的差异表现所必需的。当很好地选择积分电容器并使之与传感器耦合电容器热联系时，容易获得温度依赖性的自动校正。不管实践应用如何，需要地面基准的电流输入电路提供一种测量电缆电压而不在测量点和电缆屏蔽(其接地)之间诱发电位的方式。这示出于图6中，其中基本原理是参照下面的图14示出和描述的。只要在信号调节单元上维持近零的电压降，图5的简化就是有效的。

图6示出地面基准的电流模式信号调节单元600。单元600包括电流-电压转换器610、积分器620和增益级630。尽管这些元件是分开描述的，但要理解可将这些单元组合成单个元件。对转换器610提供输入605，该转换器610提供被输入至积分器620的输出电压信号615。将能理解，转换器610也可具有电流输出。经积分的输出625被提供给增益级630，该增益级630进而提供输出635。

重要的是，输入605上的电压降保持尽可能地接近零，以维持抵消传感器寄生电容所需的短路假设。此外，积分器620的精度和漂移对总精度而言是关键的。因此数字处理可能比模拟处理更为有利。

也可容易地将温度补偿加至传感器，因为对温度的依赖性是通过保护的使用而被减少的(这是因耦合电容器的电容的改变而导致的)。更重要地，更难以精确和大致地校正的寄生组件中的变化被有效地从传感器响应中去除了。

温度补偿可以许多方式完成。然而，两种著名实践方法可容易地用于传感器，如图7所示。首先，人们能简单地测量设备的温度，并由于除实际传感器本身以外的多数寄生组件受到补偿，人们只需要校正来自温度测量的信号处理中的读取。第二种更优质和经济节约的方法是将信号处理电路的热可变组件设置在传感器内以使其共享传感器的结构温度并能获得校正。

当使用电荷放大器时，温度补偿组件的选择是显而易见的。直接设定传感器标度比的积分电容器可被选择成具有适当的热特性，以使其值偏差与构造在电缆上的电容器相同的百分比。因此，它们的比值保持不变并且传感器是有效温度补偿的。

在图7中，示出对电流模式操作具有两种温度补偿机制的传感器配置1100。这两种补偿机制包括可共同使用或单独使用的温度传感器和积分电容器。提供温度传感器1110，其输出可被用于信号处理以校正与温度关联的误差。温度传感器1110位于传感器耦合的电极1120中。电极1120位于半导体层的两个区域1130、1135之间。电极1120包括集成电容器1140，该集成电容器1140与信号调节单元中的电荷放大器协同使用以将传感器输出转换成可用信号。通过使电容器1140与传感器耦合的电容器电极1120热结合并对其类型作出审慎的选择，与温度关联的误差可被校正。实践中，可使用其中之一或两者。

屏蔽连接1145被提供给电容器1140而屏蔽连接1115被提供给温度传感器1110。屏蔽连接1125也被提供给传感器电极1120。当利用积分电容器1140时，对传感器电极1120的屏蔽连接1125也与积分电容器1140电气结合。在实践中，所有三个屏蔽连接1115、1125、1145可结合到例如三轴或同轴电缆的单个屏蔽电缆组件中，只要提供温度传感器或积分电容器中的一个，其中这些电连接中的每一个彼此屏蔽。然而要理解，在图7中，为了清楚和便于解释，这些屏蔽连接是单独示出的。图7中也示出已有电缆(未示出)的接地屏蔽1150以及施加的屏蔽1160。施加的屏蔽1160被施加在传感器配置1100上，在施加的屏蔽160和传感器配置1100之间具有隔离(为清楚起见未被示出)。

关于温度补偿，使用半导体层优于电场梯度控制的一个优势在于，在实践的电缆中，半导体层一般被模制至电介质层，由此导致紧密的机械联合。通过在这之上的构建，传感器几何特性得到更好的限定并且更容易遵循电缆的热膨胀和收缩。此外，如果用于建立耦合电容器的金属电极在其应用中具有不均一性，则与之接触的半导体层将确保有效电容器圆柱体实际上是半导体层与铜接触的分段，并因此一直是光滑的并优选地附连至电介质层。这减少了传感器的机械装配的需求。

可实现弹簧式或弹性电极组件的使用以方便安装并给予整体保持与电缆接触的更好能力，同时允许所述电缆的自由热膨胀和收缩。在该构造下的半导体层充当功能电容器圆柱体导体，而弹簧式或弹性电极用来保持与该层的紧密电接触，向半导体层提供充分导电的接触表面，并仍然允许足够的柔性以适应膨胀/收缩。这是可能的，因为半导体层的导电率相比耦合电容器的阻抗更高，并且由半导体层短分段造成的增加的电阻率可被认为可忽略的。

建立在半导体层顶上的电容性耦合所遇到的主要问题是：如前所述，由耦合电容器对电网基础设施提供的那些非常高的阻抗以及接地的半导体层的高度可变的阻抗。

在图8中示出电容性分压器的基本配置以阐述如果不采用补偿技术的话半导体层(或污染)对传感器的有害影响。示出电压传感器电路1300的理想模型，该电压传感器电路1300具有15pF电容的耦合电容器1310，该电容器1310从工作在10kV和50Hz的电源1320接收输入。从耦合电容器1310至电缆屏蔽的寄生电容由电容1330表示并通常为150pF。使用负载电容器1340来设定分压比，而电容器1350和电阻器1360代表信号调节电路(未示出)的输入性质的良好近似。负载电容器1340可具有150pF的电容，电容器1350具有10pF的电容，而电阻器1360具有100ΜΩ的电阻。

图9示出图13的电路的频率响应。这里，X轴以赫兹为单位，左侧Y轴是比值V_out/V_in，而右侧Y轴以度为单位。性能在非常宽的频率范围内非常良好。这种配置紧密地关联于前述DE-A-3702735中描述的配置。从这一点开始，参照图10-13描述传感器污染的问题和半导体层的使用。

图10示出除了增加一些污染以外与图8相似的电压传感器电路1500。这种污染通过电阻器1510表征并具有1ΜΩ的值。由于结构中存在少量的湿气，该值容易被获得。作为结果的变差的频率响应示出于图11。这些轴与图9的标注相同并具有相同的标度。

对污染的补偿是困难的，因为污染一般是未知的并且可能是时变的。如图11所示，容易看到即使微量的污染也会损害传感器的精度。

另外，图12中示出半导体层的效果。图12示出与图8相似的电压传感器电路1700，但其具有表征半导体层的效果的电阻器1710。电阻器1710一般具有1kΩ的值。半导体层可被认为是污染的极端情形。这里，严重变差的传感器响应如图13所示那样获得。这些轴与图9的标注相同并具有相同的标度。如前，由于半导体层导电率随温度的大可变性以及附加污染的可能性，因此两者都是时变的，并因此补偿可能是困难的。

为便于比较，图9、图11和图13中使用的标度是相同的。然而，接下来的附图所使用的标度可能不同。

当使用具有隐含保护技术的电流模式操作时，可获得传感器性能的显著改善，如参照图14和图15所描述的那样。在每种情形下，均使用半导体层。

图4中示出具有信号调节电路的传感器电路1900的理想电流模式实现。这里，传感器电路1900包括隐含的保护。也示出了突出的传感器寄生阻抗。在这种情形下使用电荷放大器以实现地面基准的电流输入信号调节。相比前面描述的图8、图10和图12，负载电容器1910被实现为基于运算放大器1930的积分器1920的一部分。电容器1940、1950分别代表寄生和负载电容。电阻器1960代表电缆电介质导电率而电阻器1970代表半导体层的导电率。输入1980与前面描述的图8、图10和图12的相同。该电路中的积分也对耦合电容器的差异效果进行补偿，以在中央电缆导体上提供倒数标度版本的输出电压。图15示出模拟结果，这些模拟结果具有与图9相同标注的轴但在两Y轴上标度不同。要注意，当传感器电路1900反相时，存在180°相位偏移。然而，传感器响应被显著改善。

如前面参照图14和图15描述的那样，在这两幅图中具有隐含保护的电流模式允许在实践传感器中使用半导体层。

构造原型传感器以使这类传感器有效地用于实践。电流模式原型被建立在中等电压电缆分段的半导体层的顶部上。传感器在宽频率范围在400Vpp下被测试。传感器被图示为表现良好，即便对基础原型也展现出良好的性能。使用Dranetz305(PA3009插件)相位/幅度量表获得更详细的结果。所获得的结果在以下的表1中示出：

频率(Hz)	相位误差(度)	振幅比(dB)
			10	-7	-44.4
20	-0.6	-40.8
			30	-0.1	-40.4
40	0	-40.3
			50	0	-40.2
100	0	-40.1
			500	-0.6	-40.0
1000	-1.3	-40.0
			1500	-2.0	-40.0
2000	-2.7	-40.0

表1

理想地，应当为零相位差和40dB的振幅比(1：10000)。

接着，在高电压下对设备进行评价。这里，激励仅对50Hz是可能的，但这仍然允许针对增加的电压来评价设备的线性度。使用HaefelyDMI551进行基准测量，但并不为了这个比较而校准该传感器输出。从几百伏rms直至8kVrms，发现该设备都表现良好，优于可用设备的精度(几个百分比)。发现较高的输入值开始使比较中使用的简单调节放大器饱和，使曲线背离基准值和传感器值之间的理想线性关系。结果在图16中示出。要注意，这种与理想线性关系的背离不是技术局限，仅仅是特定原型实现和选择的分压比所致。

图17示出用于处理由传感器获得的信号的信号调节电路2000。它实现漏积分器，该漏积分器与传感器耦合电容相结合从而得到电缆上的电压的刻度倒数。

在信号调节电路输入处的电压应当尽可能地接近电缆屏蔽的基准电位。即，在实践中，接地电位。电路由此不应当在其输入上形成因流过它的电流导致的电压。

由于电路取来自耦合电容器的电流作为输入，这意味着输入阻抗必须尽可能地接近零，由此在该输入上没有因电流的电压产生。此外，电路必须引用电缆屏蔽的基准电位。在实践中，电路借助基于运算放大器的Miller积分器来实现这个目的。为使前述条件保持有效，在感兴趣的频率范围内需要至少106的高增益。此外，电路输出驱动器必须能够与输入电流匹配，由此可在运算放大器的负端子处的虚拟接地点获得零输入电压状态。这些组合的需求用市面上可买到的运算放大器一般是不可行的。事实上，它们的DC增益容易超过要求的增益，但对于电力系统基频和更高的频率而言它快速地下降(rolls-off)以至于变得不足。

信号调节电路2000以复合放大器形式出现，其中两个运算放大器(OPAMP)组合增益，精度和驱动能力以导致具有足够增益和输出电流的增益级，从而对本申请的电压测量传感器实现成功的Miller积分器。

基础Miller积分器基于在要求频率下具有足够开环增益的反相增益级，以尽可能地接近无限反相增益近似值。通过电容器的反馈涉及积分器时间常数。电流-电压转换发生在运算放大器的负端子处获得的虚拟地上。常见地，该输入通过电阻器连接至信号源，这将施加的电压转换成输入电流。该输入电流通过积分电容器而匹配自运算放大器的输出，由此得到积分功能。在图17所示的电路中，该电阻器被省去并且反相输入直接连接至耦合电容器，由此得到电荷放大器型电路。

在图17的电路中，增益级由运算放大器IC1、IC2构成，而积分电容器是C5。

基本Miller电路的第一问题在于，在实践中，没有放大器能够保持完美的偏置电压。在放大器的输入和输出之间永远留有小的DC电压误差，这导致由积分电容器积分的小DC项。这导致该电容器上不断增加的DC电压，直到放大器饱和为止。因此提供漏电流路径，该漏电流路径使该误差电流放电。从传递函数的角度看，其目的是将积分器的DC增益减小至1以下，由此DC项被衰减而不会影响到AC增益。

典型地，该漏电流路径是通过与积分电容器C5并联的单个电阻器来实现的。然而，在这种情形下对于功率基频而言，这导致不足的低频性能。利用一种基于桥C5的频率依存T网络的实现。组件R4、R5、R6、C9和C10构成该网络。桥接的T具有一频率响应，该频率响应被选择以使“漏电流”成为频率依存的，这允许在感兴趣的功率系统频率下充分保持的增益。

直观地，该网络可被理解为，对较高的频率，由C9和C10构成的单极电容器从效果上变得短接，由此将T减少至由R4、R5和R6构成的典型电阻性情形。该电阻性配置被认为是使用值低得多的电阻构成非常高值阻抗的装置，其有效地取得电阻倍增效果，该电阻倍增效果产生比一般高值电阻器低得多的噪声。该电阻性T并联于C5，C5在这些较高频率下具有与T的非常高的阻抗相比相对低的阻抗。结果，T对积分器传递函数的影响是可忽略的。

对于低频，单极电容器C9、C10实际成为一开路，使T的接地脚断开。这导致C5仅通过R4和R5的串联组合并联，组合相比C5对于这些低频的阻抗而言是一个非常低的阻抗。在这种情形下，电阻性组件主宰该传递函数。与传感器耦合电容器的非常高阻抗相结合，对DC来说，积分器的总增益远低于1，由此消除了失调漂移和相关的饱和问题。

基础Miller电路的第二问题是对较高频率取得足够的开环增益以及充分的输出驱动能力。为了获得这种需要的高AC增益(对于感兴趣频率超过120dB)，使用IC1和IC2建立复合放大器。选择部件以获得良好的DC精度、低漂移、低噪声、高增益和充足的输出电流。通过使IC2的增益下降、设定以通过R2和R3在低频下提供80dB并通过C6旁路，而维持稳定性。

二极管D3和D4在输入瞬变之后提供维持稳定性的帮助，由此帮助复合放大器在这些情况下防止饱和，并显著加速恢复，同时避免持久的振荡。通过将积分电容器上的电压限制在防止对两OPAMP输出饱和的电平来达到这个效果。然而，这些二极管在它们的额定电压之前开始部分地传导，导致对电路较高输入幅度的误差。

在试验中，电路通过对称的+/-5V电源供电。在较高电源电压(例如+/-15V)下运作电路并相对于电源电压逐渐增加D3和D4的齐纳电压(例如增加至12V)将解决这个问题，同时维持充分线性的输入范围以供实践使用。

电容器C1、C2、C3、C4、C7、C8是运算放大器的电源旁路电容器。二极管D1和D2提供放大器的输入保护网络，将输入钳位在二极管的正向电压降，即大约0.7V。最后，R1是复合放大器的偏置零调整，用以使积分器的DC漂移减至最小，由此使积分器漏电流网络的需求最小化。

尽管已结合半导体层和电流模式隐含保护技术的使用对本发明进行了描述，但要理解这两种技术不需要被同时使用。然而，通过这两种技术的组合使用可获得显著的优势。

要理解，尽管可使用前述具体的传感器配置来实现电压测量，然而也可采用利用拟测量其电压的电缆的结构的其它传感器配置。

Claims (14)

1.用于测量绝缘电缆的电压的测量装置，所述绝缘电缆包括至少一个中央导体、围绕所述至少一个中央导体的第一电介质层、围绕所述第一电介质层的半导体层以及围绕所述半导体层的电缆屏蔽，所述装置包括：

配置在所述电缆的半导体层周围的感测电极组件，所述感测电极组件包括被构造在所述半导体层的顶部的感测电极元件，以使感测电容器是由所述半导体层连同所述至少一个中央导体和至少所述绝缘电缆的所述第一电介质层形成；以及

连接至所述感测电极元件的电路，其特征在于，

所述装置进一步包括用于定义所述感测电极组件的有效感测面积的配置；

所述电路包括电流模式信号调节电路，所述电流模式信号调节电路的输入被连接至所述感测电极元件并被定位到所述电流模式信号调节电路的电路基准电位，所述电缆屏蔽被连接至所述电路基准电位，所述电流模式信号调节电路被配置成通过主动地向零驱动其输入阻抗而补偿所述半导体层的寄生阻抗。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述用于定义有效感测面积的配置是由位于所述感测电极元件任一侧并连接至所述半导体层的第一和第二附加电极元件形成的。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述用于定义有效感测面积的配置是由在所述感测电极元件任一侧的电缆屏蔽的边缘部分周围的第一和第二夹持设备形成的。

4.如前面任何一项权利要求所述的测量装置，其特征在于，所述组件进一步包括设置在至少所述感测电极元件之上的第二电介质层。

5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述组件进一步包括设置在所述第二电介质层之上的静电屏蔽。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述静电屏蔽连接至所述电缆屏蔽。

7.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述静电屏蔽是所述绝缘电缆的所述电缆屏蔽的一部分，其沿所述电缆延伸并在覆盖至少所述电极元件的第二电介质层之上。

8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电流模式信号调节电路被提供以将其输入上感测到的输入电流转换成用于指示所述至少一个中央导体上的电压的输出电压。

9.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述电流模式信号调节电路包括具有积分电容器的电荷放大器。

10.如权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述积分电容器是良好选择的并热联系于所述感测电容器，以使所述感测电容器的温度依赖性被补偿。

11.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述电流模式信号调节电路包括电流-电压转换器、积分器和增益级。

12.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述电流模式信号调节电路包括基于运算放大器的Miller积分器。

13.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括与所述电极元件关联的温度传感器。

14.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括与所述电极元件形成连接的多轴导体。