CN108957084B - 一种高稳定性多变比电容分压器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性多变比电容分压器装置，所述装置包括：多值高压电容单元，包括：高压电极模块，为带法兰的高压电极，凸出于盖板法兰，由高压电极和电容器盖板焊接而成；低压电极模块，包括：相对位置为上下且通过绝缘材料进行隔离的第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极；屏蔽模块，包括：分别与第一圆柱体低压电极的上部连接的半球形顶屏蔽部分以及与第二圆柱体低压电极下部连接的支柱屏蔽部分；变比选择单元，包括：输入端具有两个输入端子，用于获取第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的测量信号；输出端具有三个输出端子，用于获取输出信号；选择控制端用于调节变比选择单元的内部连接方式，控制电容分压器的变比。

Description

一种高稳定性多变比电容分压器装置

技术领域

本发明涉及交流电压测试技术领域，并且更具体地，涉及一种高稳定性多变比电容分压器装置。

背景技术

电容分压器常采用高低压臂电容分压原理。采用集中式同轴电容并填充压缩气体方式构成的高压臂电容单元具有结构简单，设计简便和稳定性优良的突出优点。气体电介质的相对介电常数接近于1，极化率极小，气体电介质的损耗即为电导损耗，当电场强度小于使气体分子电离所需值时，气体电介质的电导也是极小的，因此气体电介质的损耗也极小。以压缩气体作为绝缘介质的电容分压器具有极小的介质损耗，可以保证较高的测量精度。

目前采用高低压臂分压原理的电容分压器，其高压臂采用集中式同轴电容时，高压臂电容的电容值固定不变，因此电容分压器的变比固定不变。其限制了电容分压器变比选择功能，不利于电容分压器对市场多样化需求的适应。因此，需要一种多变比电容分压器，以解决如何实现电容分压器多变比的问题。

发明内容

本发明提出一种高稳定性多变比电容分压器装置，以解决如何实现电容分压器多变比的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高稳定性多变比电容分压器装置，其特征在于，所述装置包括：多值高压电容单元和变比选择单元，

所述多值高压电容单元，包括：高压电极模块、低压电极模块和屏蔽模块，

所述高压电极模块，为带法兰的高压电极，凸出于盖板法兰，由高压电极和电容器盖板焊接而成；

所述低压电极模块，包括：相对位置为上下且通过绝缘材料进行隔离的第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极；

所述屏蔽模块，包括：分别与第一圆柱体低压电极的上部连接的半球形顶屏蔽部分以及与第二圆柱体低压电极下部连接的支柱屏蔽部分；

所述变比选择单元，包括：输入端、输出端和选择控制端，所述输入端具有两个输入端子，用于获取第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的测量信号，所述输出端具有三个输出端子，用于获取输出信号，所述选择控制端用于调节变比选择单元的内部连接方式，控制电容分压器的变比。

优选地，其中所述第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的底面具有内凹结构，所述绝缘材料两侧均具有与所述内凹结构对应的圆柱形凸起结构，以保持第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极位于同轴位置。

优选地，其中所述第一圆柱体低压电极和半球形屏蔽部分通过绝缘材料进行隔离，所述第二圆柱体低压电极部分和支柱屏蔽部分通过绝缘材料进行隔离。

优选地，其中所述半球形顶屏蔽部分和支柱屏蔽部分的内部为中空结构，并且含有能够用于与螺杆进行连接的螺纹结构，所述半球形顶屏蔽部分和支柱屏蔽部分采用两端具有螺纹结构的螺杆进行固定连接，所述第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的底面设有半径为预设阈值的圆孔，以通过所述螺杆。

优选地，其中所述支柱屏蔽部分内部的中空结构，还用于引出低压电极信号线。

优选地，其中所述绝缘材料为聚四氟乙烯的圆柱形薄板，厚度为1.5mm，所述绝缘材料的半径与第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的半径相同。

优选地，其中所述高压电极模块为高压圆柱形极板，所述高压圆柱形极板的边缘设置有球状的倒角，以防止末端场强过大。

优选地，其中所述输出端子为采用具有屏蔽环的双输出同轴连接器，所述同轴连接器具有两个输出端并且所述同轴连接器的每个输出端外各有一层屏蔽层，所述屏蔽层分别与支柱屏蔽部分和顶屏蔽部分相连接。

优选地，其中所述装置还包括：低压电容单元，所述低压电容单元，与变比选择单元的输出端相连接，所述低压电容单元基于运算放大器的工作原理，在运算放大器的输出与输入反相端串接一个电容器，同相输入端连接高压电容器，在运算放大器的输出端输出根据电容值比例变换得到的电压信号。

优选地，其中所述低压电容单元为包括电压电容并联阻抗网络的设计结构，用于在增大等效阻抗的同时减小电阻与电容构成振荡回路的稳定时间。

优选地，其中所述低压电极模块和屏蔽模块密封在高压电极模块、套筒和变比选择单元所在的底板组成的密闭腔体中，并充以氮气进行绝缘。

本发明提供了一种高稳定性多变比电容分压器装置，包括：多值高压电容单元和变比选择单元。其中，多值高压电容单元中的高压电极模板、套筒和变比选择单元所在的底板组成密闭腔体，能够保证在不同变比选择时，屏蔽外界对低压电极输出的影响，同时充以压缩气体，具有结构简单、易于实现的优点，以压缩氮气为电介质，具有高稳定性、低介质损耗的优点。通过变比选择单元能够控制电容分压器的变比，实现电容分压器的多变比。低压电容单元作为包括电压电容并联阻抗网络的设计结构，可以在增大电容电阻构成网络等效阻抗的同时，减小该电阻与电容构成振荡回路的稳定时间。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的高稳定性多变比电容分压器装置100的结构示意图；

图2为根据本发明实施方式的多变比电容分压器的结构图；以及

图3为根据本发明实施方式的低压电容单元的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的高稳定性多变比电容分压器装置100的结构示意图。如图1所示，本发明的实施方式提供的高稳定性多变比电容分压器装置，包括：多值高压电容单元和变比选择单元。其中，多值高压电容单元中的高压电极模板、套筒和变比选择单元所在的底板组成密闭腔体，能够保证在不同变比选择时，屏蔽外界对低压电极输出的影响，同时充以压缩气体，具有结构简单、易于实现的优点，以压缩氮气为电介质，具有高稳定性、低介质损耗的优点。通过变比选择单元能够控制电容分压器的变比，实现电容分压器的多变比。低压电容单元作为包括电压电容并联阻抗网络的设计结构，可以在增大电容电阻构成网络等效阻抗的同时，减小该电阻与电容构成振荡回路的稳定时间。本发明的实施方式提供的高稳定性多变比电容分压器装置100，包括：多值高压电容单元101和变比选择单元102。优选地，所述多值高压电容单元101，包括：高压电极模块1011、低压电极模块1012和屏蔽模块1013。优选地，所述高压电极模块1011，为带法兰的高压电极，凸出于盖板法兰，由高压电极和电容器盖板焊接而成。

优选地，其中所述高压电极模块1011为高压圆柱形极板，所述高压圆柱形极板的边缘设置有球状的倒角，以防止末端场强过大。

优选地，所述低压电极模块1012，包括：相对位置为上下且通过绝缘材料进行隔离的第一圆柱体低压电极10121和第二圆柱体低压电极10122。

优选地，其中所述第一圆柱体低压电极10121和第二圆柱体低压电极10122的底面具有内凹结构，所述绝缘材料两侧均具有与所述内凹结构对应的圆柱形凸起结构，以保持第一圆柱体低压电极10121和第二圆柱体低压电极10122位于同轴位置。

优选地，所述屏蔽模块1013，包括：分别与第一圆柱体低压电极的上部连接的半球形顶屏蔽部分10131以及与第二圆柱体低压电极下部连接的支柱屏蔽部分10132。

优选地，其中所述第一圆柱体低压电极10121和半球形屏蔽部分10131通过绝缘材料进行隔离，所述第二圆柱体低压电极部分10122和支柱屏蔽部分10132通过绝缘材料进行隔离。

优选地，其中所述半球形顶屏蔽部分10131和支柱屏蔽部分10132的内部为中空结构，并且含有能够用于与螺杆进行连接的螺纹结构，所述半球形顶屏蔽部分10131和支柱屏蔽部分10132采用两端具有螺纹结构的螺杆进行固定连接，所述第一圆柱体低压电极10121和第二圆柱体低压电极10122的底面设有半径为预设阈值的圆孔，以通过所述螺杆。

优选地，其中所述支柱屏蔽部分10131内部的中空结构，还用于引出低压电极信号线。

优选地，其中所述绝缘材料为聚四氟乙烯的圆柱形薄板，厚度为1.5mm，所述绝缘材料的半径与第一圆柱体低压电极10121和第二圆柱体低压电极10122的半径相同。

优选地，其中所述低压电极模块1012和屏蔽模块1013密封在高压电极模块1011、套筒和变比选择单元103所在的底板组成的密闭腔体中，并充以氮气进行绝缘。

优选地，所述变比选择单元102，包括：输入端1021、输出端1022和选择控制端1023。所述输入端1021具有两个输入端子，用于获取第一圆柱体低压电极10121和第二圆柱体低压电极10122的测量信号。所述输出端1022具有三个输出端子，用于获取输出信号。所述选择控制端1023用于调节变比选择单元的内部连接方式，控制电容分压器的变比。

优选地，其中所述输出端子为采用具有屏蔽环的双输出同轴连接器，所述同轴连接器具有两个输出端并且所述同轴连接器的每个输出端外各有一层屏蔽层，所述屏蔽层分别与支柱屏蔽部分和顶屏蔽部分相连接。

在本发明的实施方式中，所述多值高压电容单元包括高压电极部分，低压电极部分和屏蔽部分。为减小套筒表面电压分布的不均匀性，高压电极部分凸出于盖板法兰，由高压圆柱形极板和电容器盖板焊接而成。所述低压电极部分由第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极组成，第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极之间采用聚四氟乙烯绝缘片进行隔离。第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极均具有内凹结构，聚四氟乙烯绝缘片两侧具有与之对应的圆柱形凸起，用于保持第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极处在同轴位置，并防止其发生水平移动。屏蔽部分包含半球形顶屏蔽和支柱屏蔽。所述半球形顶屏蔽内部中空且含有可于螺杆进行连接的螺纹结构。所述支柱屏蔽内部中空用于引出电容分压器低压电极信号线。所述半球形顶屏蔽与支柱屏蔽间采用两端具有螺纹的螺杆进行固定连接。第一圆柱体低压电极和半球形顶屏蔽，第二圆柱体低压电极和支柱屏蔽之间均装有聚四氟乙烯绝缘片用于绝缘。高稳定性多变比电容器采用整体密封充压缩氮气的方式，确保了多值高压电容单元具有良好的稳定性。

变比选择单元包括：输入端、输出端和选择控制端。输入端具有两个输入端子A和B，分别连接圆柱体低压电极1和2的测量信号，在输入信号端外侧均具有相应的屏蔽层A’和B’。所述输出端具有三个输出端子a、b和c，在输出信号端外侧亦具有相应的屏蔽层a’、b’和c’。变比选择单元具有可以调节内部连接方式的控制端，在变比选择单元处在挡位1时，输入端子A与输出端子a连接，且输入端子B及屏蔽层A’和B’分别与输出信号端的屏蔽层a’相连接；在变比选择单元处在挡位2时，输入端子B与输出端子b连接，且输入端子A及屏蔽层A’和B’分别与输出信号端的屏蔽层b’相连接；在变比选择单元处在挡位3时，输入端子A和B与输出端子c连接，且输入端子屏蔽层A’和B’与输出信号端的屏蔽层c’相连接。

优选地，其中所述装置还包括：低压电容单元103，所述低压电容单元103，与变比选择单元102的输出端相连接，所述低压电容单元103基于运算放大器的工作原理，在运算放大器的输出与输入反相端串接一个电容器，同相输入端连接高压电容器，在运算放大器的输出端输出根据电容值比例变换得到的电压信号。

优选地，其中所述低压电容单元103为包括电压电容并联阻抗网络的设计结构，用于在增大等效阻抗的同时减小电阻与电容构成振荡回路的稳定时间。

在本发明的实施方式中个，低压电容单元基于运算放大器工作原理，在运算放大器的输出端与出输入反相端串接一只电容器，同相输入端连接高压电容器，按照放大器“虚短、虚断”的原理，在运算放大器的输出侧输出按照电容值比例变换得到的电压信号。

图2为根据本发明实施方式的多变比电容分压器的结构图。如图2所示，本发明的实施方式提供的多变比电容分压器包括多值高压电容单元(即多变比主电容器)，变比选择单元和低压电容单元。变比选择单元和低压电容单元封装在装置7中。多变比主电容器包括带法兰的高压电极3，同轴低压电极1和2，支柱屏蔽4，半球形顶屏蔽5,，绝缘件6，引线以及连接端子7-1、7-2和7-3。带法兰的高压电极3具有盖板的作用，其凸出于套筒法兰的上部以减小套筒表面电压的不均匀性。高压电极的圆柱形极板3的边缘设置有球状的倒角，以防止末端场强过大。低压电极1和2为半径相同圆柱体，低压电极之间以及与屏蔽电极之间采用聚四氟乙烯片6进行绝缘。低压电极1和2内部中空且无顶面，底面具有半径较大的孔隙以通过顶屏蔽5和支柱屏蔽6之间的连杆。信号线连接在低压电极1、2底面以引出相应测量信号。绝缘件材料为聚四氟乙烯片，绝缘件两侧具有与之对应的圆柱形凸起，用于保持两个低压电极处在同轴位置，并防止其发生水平移动。屏蔽电极包含半球形顶屏蔽5和支柱屏蔽6。半球形顶屏蔽5内部中空且含有可与螺杆进行连接的螺纹结构，半球形顶屏蔽5与支柱屏蔽6间采用两端具有螺纹的螺杆进行固定连接，并且在低压电极1和2的底面设有半径为预设阈值的圆孔，以通过所述螺杆。支柱屏蔽6内部中空用于引出电容分压器低压电极信号线。在多变比主电容器的底部安装有同轴连接器，同轴连接器的一端连接高压电容器的低压电极，一端连到高压电容器底部同轴连接器的信号层。同轴连接器具有两个输出端且每个输出端外各有一层屏蔽层。低压电极1和2的信号线分别连接至同轴连接器的输出端，支柱屏蔽和顶屏蔽分别连接至低压电极1和2信号的输出端的屏蔽层处。

变比选择单元具有两个输入端和三个输出端以及选择控制端。输出端即图2中的7-1、7-2和7-3。输入端信号线分别连接低压电极1和2，输入端屏蔽层分别连接支柱屏蔽和顶屏蔽。三个输出端分别对应多值高压电容单元的不同电容量输出，其与低压电容单元进行配合构成不同变比的电容分压器。

图3为根据本发明实施方式的低压电容单元的电路原理图。如图3所示，低压电容单元基于运算放大器工作原理，在输出与输入反相端串接一只电容器，同相输入端连接高压电容器，按照放大器“虚短、虚断”的原理，在输出侧输出按照电容值比例变换的信号。通过对电路分析可以发现如下关系：

其中，Ch为高压臂的电容量；C l为低压臂的电容量；U2为输出电压；U1为输入电压。由于输出电压与输入电压在相位上存在180°的相位差，后期可以通过软件完成输入信号的相位调整。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (11)

1.一种高稳定性多变比电容分压器装置，其特征在于，所述装置包括：多值高压电容单元和变比选择单元，

所述多值高压电容单元，包括：高压电极模块、低压电极模块和屏蔽模块，

所述高压电极模块，为带法兰的高压电极，凸出于盖板法兰，由高压电极和电容器盖板焊接而成；

所述低压电极模块，包括：相对位置为上下且通过绝缘材料进行隔离的第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极；

所述屏蔽模块，包括：分别与第一圆柱体低压电极的上部连接的半球形顶屏蔽部分以及与第二圆柱体低压电极下部连接的支柱屏蔽部分；

所述变比选择单元，包括：输入端、输出端和选择控制端，所述输入端具有两个输入端子，用于获取第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的测量信号，所述输出端具有三个输出端子，用于获取输出信号，所述选择控制端用于调节变比选择单元的内部连接方式，控制电容分压器的变比。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的底面具有内凹结构，所述绝缘材料两侧均具有与所述内凹结构对应的圆柱形凸起结构，以保持第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极位于同轴位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一圆柱体低压电极和半球形顶屏蔽部分通过绝缘材料进行隔离，所述第二圆柱体低压电极部分和支柱屏蔽部分通过绝缘材料进行隔离。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半球形顶屏蔽部分和支柱屏蔽部分的内部为中空结构，并且含有能够用于与螺杆进行连接的螺纹结构，所述半球形顶屏蔽部分和支柱屏蔽部分采用两端具有螺纹结构的螺杆进行固定连接，所述第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的底面设有半径为预设阈值的圆孔，以通过所述螺杆。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述支柱屏蔽部分内部的中空结构，还用于引出低压电极信号线。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘材料为聚四氟乙烯的圆柱形薄板，厚度为1.5mm，所述绝缘材料的半径与第一圆柱体低压电极和第二圆柱体低压电极的半径相同。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压电极模块为高压圆柱形极板，所述高压圆柱形极板的边缘设置有球状的倒角，以防止末端场强过大。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出端子为采用具有屏蔽环的双输出同轴连接器，所述同轴连接器具有两个输出端并且所述同轴连接器的每个输出端外各有一层屏蔽层，所述屏蔽层分别与支柱屏蔽部分和顶屏蔽部分相连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：低压电容单元，

所述低压电容单元，与变比选择单元的输出端相连接，所述低压电容单元基于运算放大器的工作原理，在运算放大器的输出与输入反相端串接一个电容器，同相输入端连接高压电容器，在运算放大器的输出端输出根据电容值比例变换得到的电压信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述低压电容单元为包括电压电容并联阻抗网络的设计结构，用于在增大等效阻抗的同时减小电阻与电容构成振荡回路的稳定时间。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低压电极模块和屏蔽模块密封在高压电极模块、套筒和变比选择单元所在的底板组成的密闭腔体中，并充以氮气进行绝缘。

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