CN1113598A

CN1113598A - 对温度具有高稳定性的电容器

Info

Publication number: CN1113598A
Application number: CN94105506A
Authority: CN
Inventors: 让-皮瑞·杜帕兹; 让-保尔·格瑞斯; 丹尼尔·崔查·特
Original assignee: GEC Alsthom T&D SA
Current assignee: ALEVA T&D SA
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1994-05-13
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2014-05-13
Also published as: EP0624888A1; FR2705492A1; FR2705492B1; DE69400168D1; DE69400168T2; CA2123462C; ATE137601T1; EP0624888B1; JPH0714739A; JP2624626B2; CA2123462A1; CN1038282C; US5444599A

Abstract

具有对温度高度稳定性的电容，其特征在于包括：一圆柱形金属体(1)，与体共轴且放置在体内的圆柱形高压电极(2)，及至少二个低压电极(3)，低压电极经绝缘层(4)保持与体的内壁相接触，对体的几何轴对称放置，通过保持装置固定就位，允许电极自由膨胀，延伸在高压电极(2)与低压电极(3)间的电介质是气体或真空，体的膨胀系数ac与高压电极的膨胀系数ah，体材料的膨胀系数ac与低压电极(3)材料的膨胀系数ab通过下列不等式相关联：

1.5＜ab/ac＜2.5

Description

本发明涉及一种电容器，这种电容器被特别设计成适应于一种装置，该装置用于精确测量在电器装置中的电压，这种电器装置具有接地的金属包层并通过六氟化硫（SF₆）被绝缘。

以GEC ALSTHOM SA的名义，于1989年12月7日递交的法国专利申请第8916189号中就描述了一种这样电压测量装置。

本说明书的图1中示出了用于获取要测量电压的反映信号（image）的电路图。

线路L1代表高压导体，其电压Up为要测量的电压。

该电路的组成有被称做高压电容器的第一电容器C1，该电容器通过一个连结线（电缆）L2被连结到运算放大器A的负输入上，运算放大器带有第二电容器C2，该电容器被连结到运算放大器的输出与负输入之间。运算放大器的正端接地。电容器r表示总体的杂散电容，特别包括连结线L2的电容及由低压电容器板与地所形成的电容。

由于运算放大器A放置在测量室B中，该测量室与高压电容器C1所放置的地点可能相距几十米远，所以线L2的电容不能被忽略。

由于运算放大器的输出电压Us与要测量的电压之间有如下等式相关连

Up＝-Us·C2/C1

所以运算大器的输出电压Us是要测量的电压Up的反映。

为了确保反映信号Us独立于温度，比率C2/C1独立于温度是必要的。

电容器C2放置于测量室中，并很容易将其放进温度调制箱（enclosure）中。

但是电容器C1是置于电装置中或其附近的，经常发生的情况是该装置在室外，那里的温度可以在很大范围如-50℃到+60℃间变化的。

因而测量的精度依赖于电容器C2的电容随温度的变化。为了在不考虑电容器C1所经受的温度的情况下获得电压Us的准确测量，所说电容器C1及C2的电容独立于温度是必要的。

本发明的第一个目标是提供一种电容器，其电容不随温度而变化。

本发明的另一个目的是提供一种电容器，其易于制造并且便宜。

本发明的再一个目的是提供一种电容器，其相对于地的杂散电容是极为轻微感应的，以便为出现在低压电极上的高频信号的流动提供较好的路径。

本发明提供了一种电容器，它是有对温度的高度稳定性，其特征在于它的组成有一圆柱形金属体，一个与金属体共轴并放置在金属体内的圆柱形高压电极，以及至少二个低压（LT）电极，这些低压电极通过一插入绝缘层被迫使与金属体的内壁保持接触，所说的这些低压电极的放置是关于金属体的几何轴相对称的，所说低压电极通过使这些电极自由膨胀的保持装置来固定就位，在高压电极与低压电极间延续的电介质是一种气体或真空，金属体的膨胀系数ac与高压电极的膨胀系数ah相同，金属体材料的膨胀系数ac与低电极材料的膨胀系数ab通过下列不等式相连：

1.5＜ab/ac＜2.5

通过参照附图，描述具体实施例来更深地解释本发明，在这里，

图1是一电压测量装置的线路图;

图2是根据本发明制作的电容探测器的透透图;

图3是图1探测器的局部剖面图;

图4是电容的一部分的局部剖面图，示出了固定LT电极第一种方法的第一实施例;

图5是电容器一部分的局部轴向剖面图，示出了如图4所示的固定LT电极的同样方法;

图6是电容器一部分的局部剖面图，示出了固定LT电极的第二种方法;

图7是电容器一部分的局部轴向剖面图，示出了如图6所示的固定LT电极的同样方法。

图8是电容器一部分的局部剖面图，示出了固定LT电极的第三种方法;

图9是电容器一部分的局部轴向剖面图，示出了图8所示的固定LT电极的同样方法;

图10是金属包套的局部图，在这个里放置了本发明的电容器;

图11是电容器一部分的局部剖面图，示出了固定LT电极的第四种方法;

图12是电容器一个部分的局部轴向剖面图，示出了如图11所示的固定LT电极的同样方法。

在图2中所示的电容器的组成有一个外部圆柱体1（以下更简单地仅称为“体”），该体由具有准确已知其线性膨胀系数ac的材料构成。这个材料较好地为金属，但是同样可以是电镀金属绝缘材料如塑性材料或合成物。如果该材料为金属，那么可选择例如铝合金。

体1用于支持下面表述的低压电极。

电容器的组成还有一内部电极2，它被设计成连结到高压HT，这就是为什么电极2在下面被叫“HT电极”的原因。该电极是一圆柱体由已准确知其线性膨胀系数的材料构成。与体1一样，HT电极的材料既可以是金属也可是电镀金属绝缘体。HT电极的材料较好地是选择与体1相同的。

体1与HT电极共轴放置，他们通过下面描述的方式一个相对于另一个来固定就位。

体1用来支持一定数目的电极3，这些电极以下被称为LT电极，因为它们被连到低压（LT）端。LT电极较好地是由金属片构成，或金属合金构成，它们的线性膨胀系数ab是精确已知的。这个材料可以具有优势地从不锈钢中选择。

每个LT电极通过绝缘材料片4与体1相分离，绝缘材料的线性膨胀系数为af，绝缘材料最好是从硅薄片，聚丙烯等材料中选择，这些材料是以注册商标Mylar及Teflon而闻名的，特别是这样的材料可以抵抗SF₆的分解产物。;这个装置可放于真空，或者放在电介质中，这种介质使得装置的组件可自由膨胀。通常，将探测器放在SF₆中，SF₆存在于一接地的金属包层站或装置中（如包含在金属壳内）。

象图3中所示，LT电极最好是长方形或正方形，具有圆角，并被通过机械手段压靠在体的内表面上，这种机械手段使得LT电极在变化的温度的作用下可自由膨胀。下面将会描述这些装置的几种不同的实施例。

体1事有孔8使得金属接头片9与LT电极相接合。

与每一个LT电极结合，HT电极确定一个电容器部分，其电介质是由上面确定的介质构成。各个电容器部分被电联接在一起以便构成图1中涉及的电容器C1并被用于执行电压测量装置。

选择LT电极的数目及其在体1中的配置要使得它们可以通过形成一对称连结结构组合在一起。因而可以构成下列组合：

二个LT电极互相为180°配置;

三个LT电极以120°互相配置;

四个LT电极以90°间隔成对放置等。

此外，这些电极可以组合在一起以便提供独立的电容器。一个较好的实施例由8个相同LT电极构成，这八个电极以45°间隔围绕体1对称分布。这些电极四个为一组组合在一起，每一个组合与HT电极相配合形成一个电容器C1，因而使得可以提供备用的测量电路。以这种方式形成的二个电容器C1互相交叉，每个带有以90°分布的LT电极。;以下示出材料的一种适当的选择，这种选择使得可以获得一种电容C1，其随温度的变化接近于零。

取第一级近似值，给出电容的下列关系：

C1＝2π·Eo·Er·N·（S/De）/Ln（De/d）

在这里：

In表示自然对数

De＝D-2（hf+he）

其中：

Eo：真空介电常数

Er：Cl中电介质的介电常数

N：平行连结的LT电极之数目

S：一个电极的表面积

D：体的内直径

d：HT电极的直径

he：一个LT电极的厚度

hf：绝缘薄片的厚度

在温度作用下，上述值应用于下列近似关系而变化：

D＝Do（1+ac（T-To））

d＝do（1+ah（T-To））

S＝So（1+ab（T-To））²

he＝heo（1+ab（T-To））

hf＝hfo（1+af（T-To））

其中：

T是要计算的探测器的温度;

To是参考温度

Do、do、So、heo，及hfo分别是参考温度下的D、d、S、he及hf之值。

如果体12HT电极由同样的材料构成，经受同样的温度，而且如果（he+hf）之和大大小于D/2，一般是这种情形，那么给出电容C1作为温度函数的关系变成：

C1（T）＝C1（To）·（1+ab（T-To））²/（1+ac（T-To））

如果（ab（T-To））²大大小于1，这种条件几乎总是正确的，那么关系变为：

C1（T）＝C1（To）·（1+2ab（T-To））/（1+ac（T-To））

如果体与LT电极的材料之间关系为ac＝2ab，那么关系式变为：

C1（T）＝C1（To）

这显示出电容C1不再依赖于温度。

在所需的应用里，获取准确为零的漂移不是必须的。在不取近似值的计算中显示出只要高压电极材料膨胀系数ah与体膨胀系数ac相同，那么就存在一个ab与ah（＝ac）值的域（window）使得电容器的温度漂移减至最低。

对于通常可用的材料，这个域的值满足下列不等式：

1.5＜ab/ac＜2.5

图4与图5示出了将LT电极固定到体上的第一种方法。为了易于看懂图，没有画出厚度标记。

例如，体上可带有4个孔8，它们是长方形或方形的，4个连接在LT电极3上的接头片9贯穿其中。在图4与图5中可以看到接头片9A、9B及9C，它们分别穿过8A，8A及8C。一钢琴丝型弹簧将这些接头片成对穿过，弹簧的环状形式弯曲，其曲率等于或稍小于体1的曲率。

因而，放置在圆柱体1适当部位的接头片9A及9B被弹簧10A穿过，弹簧放置在形成在体1内的槽11中比较具有优势。弹簧10A在其中间点12A上被坚固地连接在体上。绝缘套13A及13B用于使弹簧10A与接头片电绝缘，一些接头片是用于电连结的。

以同样的方式，如图5所不弹簧10B穿过接头片9c及9D（接头片9D在图4与图5看不到）。还可以看到将弹簧10B与接头片9C绝缘的绝缘套13C。

弹簧10A与10B使用轻微的力量来保持LT电极3经过绝缘体4压靠在体上同时仍允许电极自由膨胀。

绝缘销如14A、14B及14C用来限制LT电极3的运动。

图6及图7示出了执行电极固定装置的第二种方法。这里体仍被4个孔8A、8B、8C，等穿过，金属接头片9A、9B、9C穿过这些孔;这些接头片由棒杆成对连接;因而，接头片9A及9C由棒杆15连在一起，棒杆15穿过这些接头片并且由弹簧夹15A及15C固定在其上;接头片9A与9C在圆柱体1的一母线上对齐;金属弹簧16A与16C一端经绝缘垫17A、17C靠压在体1上，这些绝缘垫放在体1的外部槽内，金属弹簧另一端压靠在棒杆15上以便施加向外的轴向力在杆15上，由此来拉出接头片9A及9C。因而LT电极被固定同时仍可以在自己的平面上自由膨胀。绝缘垫如24A和24C被接收在体1的内槽中来限制LT电极3的运动。在一种未被示出的变化中，略去17A，17B绝缘垫，例如可用由浸渍了树脂的玻璃纤维构成的棒杆材料提供绝缘;在这种情形里，弹簧直接与体1的外槽相接触。

在图8与图9中示出了第三种固定低压电极的方法。体1、低压电极3及其绝缘体4被相同的孔所穿过，如体中的孔8A、8B及8C，及电极3和绝级层4中的孔18A、18C。这些孔接收螺栓如20A，20B及20C，这些螺栓由绝缘材料构成且每一个都带有螺栓头和螺杆。螺栓由钢琴丝型弹簧21成对的连接在一起，与参照图3、图4所描述弹簧相类似。在LT电极中的孔在直径上大于螺杆的直径，以便使LT电极自由膨胀。

这个实例很简单;通过电极的孔及螺栓的存在对决定电容器的电容有影响，但是尽管如此电容作为温度的函数仍保持不变。不再需要安装垫来限制LT电极的运动。

在图11与图12中示出了第四种固定LT电极的方法。在这些图中与以前所述图中共同的元件将使用同样的参考数码。

LT电极3带有连接在其上的金属接头片50，接头片通过适当角度弯曲并通过孔穿过体，在接头片的未端分别带有孔，接头片成对协作在其孔中接收钢琴丝51，钢琴丝靠压在绝缘杆52。杆52通过螺纹螺杆54及与垫圈56一起的固定螺栓头55被固定在体上，螺纹螺杆54旋进体1的厚度。

由金属条57所构成的电流端用于通过穿入接头片50及钢琴丝51来接收从LT电极而来的电流，电流端通过绝缘棒58来被绝缘。

LT电极通过绝缘螺销59固定中心。

最后，金属帽60用来在电流端装置的附近形成等位线。

本发明特别可应用来在一电装置中制造一测电压仪器，这个电装置本身被包含在一接地金属壳中。

图10示出了在一金属包层站中的测量电压电容器之应用。图10示出了金属包层站的一端，这个站由SF₆气体来绝缘。可以看到接地金属壳40，它充满了加压的SF₆，缆线入口41、接地区域开关42及汇流条区域开关43。汇流条（busbar）区域开关的末端之上可获得的空间被用来接收本发明（每相中一个电容器C1）的电容器C1，并在每一个汇流条区域开关的末端测量电压。

在图10中只示出了三个电容器中的一个。

电容器的体1带有金属端1A，该金属端连结在金属盖44上，金属盖封闭了壳体的顶部。将接头片9与电线49相连，电线49通过一封闭引线穿出壳体。

将高压电极通过绝缘体46固定在端1A上并连到导体上，导体的电压通过连接体47来测量。

虽然本发明的主要应用在于制造带有电容性降压桥的测电压装置，但无论何时只要必须具有其电容相对于温度具有高稳定性的电容器，本发明就可应用。

Claims

1、对温度具有高稳定性的电容器，其特征在于它的组成有：一个圆柱形金属体(1)，与体1共轴且被放置在体内的圆柱形高压电极(2)，以及至少二个低压电极(3)，这些低压电极经过一插入绝缘层(4)被迫使保持与体的内壁相接触，所说电极对体的几何轴对称放置，所说低压电极(3)通过一保持装置来固定就位，这个保持装置允许电极自由膨胀，在高压电极(2)及低压电极(3)之间延伸的电介质是一气体或真空，体的膨胀系数ac与高压电极的膨胀系数ah相同，而且体材料的膨胀系数ac与低压电极(3)材料的膨胀系数ab以下列不等式相连系：

1.5＜ab/ac＜2.5

2、根据权利要求1的电容器，其特征在于体材料（1）从铝合金中选择。

3、根据权利要求1或2的电容器，其特征在于低压电极（2）的材料从不锈钢中选择。

4、根据权利要求1到3的任何一个电容器，其特征在于它由4对低压电极（3）构成。

5、根据权利要求1到4的任何一个的电容器，其特征在于每一个低压电极（3）被固定到至少一个金属接头片（9）上，接头片穿过体的一个孔（8），所说接头片中至少一个是用于电连结目的的。

6、根据权利要求1到5中任何一个的电容器，其特征在于所说装置由至少一个钢琴丝型弹簧（10A、10B）构成，弹簧以其中间点被固定到体（1）的外壁上，且穿过所说接头片（9A、9B）的二个，二个接头片放置在体的同样的适当剖面上。

7、根据权利要求6的电容器，其特征在于所说弹簧（10A）被放置在体（1）外表面内形成的槽（11A）里。

8、根据权利要求6或7的电容器，其特征在于接头片与弹簧相互之间特别地是由绝缘套（13A、13B）来电绝缘的。

9、根据权利要求1到5中的任何一个的电容器，其特征在于所说装置由至少一个棒杆（15）构成，该棒杆穿过所说接头片（9A、9C）的二个接头片放置在体的共同母线上，用弹簧（16A，16C）第一压靠在体（1）上，第二靠压在棒杆（15）来在接头片上施加一外向引导的轴向力。

10、根据权利要求1的电容器，其特征在于用了固定LT电极（3）的保持装置由金属接头（50）构成，接头片穿过体（1）并且成对协作，各个钢琴丝（5）靠压固定到体（1）外表面上的绝缘棒（52）上。

11、根据权利要求1到9的任何一个的电容器，其特征在于体在其内表面上携带有垫（14A，14C，24A，24C）来限制低压电极的运动。

12、根据权利要求1到5的任何一个的电容器，其特征在于保持装置由至少一对绝缘螺栓（20A、20B、20C）构成，每一个螺栓有一个螺杆及螺栓头且沿着构成体1的圆柱体的适当剖面延伸，所说螺杆通过在其内的孔穿过低压电极体，螺栓头放在体（1）的内边，成对的二个垫使得相应的钢琴丝型弹簧（21）通过它们。

13、金属包层站（station）由一气密金属壳组成，它充满了加压的电介质气体，在金属壳内放置装置如区域开关，断路器，及一系列汇流条，所说站带有一电容性降压桥，桥电二个与放大器相连的电容器组成，目的是为了测量所说装置之一的电压，站的特征在于所说电容器（C1）之一的制作是根据权利要求1到12的任何一个。

14、根据权利要求13的安装在金属包层站的电容器，其特征在于电容器（C1）的体拥有一接连到金属壳内部在其一壁上的金属末端（1A），高压电极（2）通过绝缘体（46）固定到所说末端（1A）且通过连结（47）连到要测量其电压的电器装置（43）上。