CN113671231A - 双电压电容式传感器 - Google Patents

Abstract

一些实施例提供电容式电压传感器设备，其包括电绝缘体；至少部分地嵌入绝缘体中的长形的导体；嵌入绝缘体中的第一浮置传感器电极，其电容地联接长形的导体且配置为提供代表长形的导体的电压的第一输出；以及嵌入绝缘体中的第二浮置传感器电极，其电容地联接至长形的导体且配置为提供代表长形的导体的电压的第二输出，并且配置为屏蔽第一浮置传感器电极以免受可能来自电容式电压传感器设备外部的源的电场。电容器可以嵌入绝缘体中且与第一电传感器电连接以形成提供第一输出的电容式分压器。第一输出可以提供精确LPVT输出，且第二输出可以提供用于电压存在指示系统(VPIS)或电压检测指示系统(VDIS)的输出。

Description

双电压电容式传感器

技术领域

本公开涉及配电系统中的电压感测，并且更具体地涉及电容式电压传感器，其一些实施例特别适合于高电压(HV)和/或中电压(MV)环境中的计量和/或保护以及电压存在指示，例如在MV开关设备、控制设备和电力变压器中。

背景技术

电容式电压传感器已在电力传输和分配系统的各种部件中实现。例如，在中电压配电系统中，电容式电压传感器已实现为独立的电容式电压互感器(有时称为电容式低功率电压互感器(LPVT))，用于电压测量，以进行计量和/或保护(例如，用于保护继电器)。电容式传感器(例如，配置为电容式分压器)已经被并入一些部件中，例如套筒、绝缘子和T形连接器，诸如在MV开关设备、控制设备和电力变压器中使用的那些。

设计能够在被监测的电压(例如提供线性度)和传感器温度(例如由于外部环境和/或被监测的导体电流引起的温度变化)的变化下，以及在杂散高电场(例如，由于相邻相位)和可能在其他电磁噪声源的作用下，提供期望的和/或所需的可靠的、准确的电压测量(例如，幅值和相位)的电容式传感器仍然在技术上具有挑战性。尝试解决这些挑战的一些已知方法包括，例如，采用电接地屏蔽(例如法拉第笼)和/或外部补偿(例如，根据基于传感器温度的和/或表观(apparent)测量的电压)的传感器设计。

智能电网的开发和部署进一步增加了对精确式(例如IEC精度等级1，或者在某些应用中可能为0.5或0.2)的需求，以用于整个配电网络，例如在二次变电站中。为了促进智能电网的部署，此类电容式传感器应当是紧凑的(例如，以装配在现有开关设备、控制设备或电力变压器中的可用空间内)，并且优选能够实现为标准尺寸的部件(例如，套筒)，其可以很容易地替换不包含传感器的现有部件。智能电网所需的众多智能传感器还提出了对可以具有成本效益地制造的准确的电容式传感器的特殊需求。

因此，仍然需要改进的电容式电压传感器，其非常适合于提供准确的电压测量值(例如，可能用于保护或计量，例如实现智能电网功能可能需要的智能计量传感器)，优选非常适合用于现有的配电设备，例如开关设备、控制设备、电力变压器，和/或优选适合于具有成本效益的制造。

发明内容

本公开描述了电容式电压传感器设备的各种说明性实施例，包括一些实施例，包括：电容式电压传感器设备，其包括电绝缘体；至少部分地嵌入绝缘体中的长形的导体；嵌入绝缘体中的第一浮置传感器电极，其电容地联接长形的导体且配置为提供代表长形的导体的电压的第一输出；以及嵌入绝缘体中的第二浮置传感器电极，其电容地联接至长形的导体且配置为提供代表长形的导体的电压的第二输出，并且配置为屏蔽第一浮置传感器电极以免受可能来自电容式电压传感器设备外部的源的电场。电容器可以嵌入绝缘体中且与第一电传感器电连接以形成提供第一输出的电容式分压器。在一些实施例中，第一输出提供精确LPVT输出且第二输出提供VPIS或VDIS输出。一些这样的实施例不仅非常适合于提供精确的电压测量，而且至少在其中可以排除嵌入在电容式电压传感器设备内的单独的接地屏蔽电极的范围内，还适于提供紧凑且具有成本效益的传感器。

根据一些实施例中，电容式电压传感器设备包括具有外表面的电绝缘体(例如，包括环氧树脂)；至少部分地嵌入绝缘体中的电导体；第一端子，配置为将电导体电连接到要感测的外部导体；第一导电传感器电极，设置在电导体与电绝缘体的外表面之间的电绝缘体中，其中第一导电传感器电极是电浮置的并且电容地联接到长形的电导体；第二导电传感器电极，设置在第一导电传感器电极与电绝缘体的外表面之间的电绝缘体中，其中第二导电传感器电极是电浮置的并且分别电容地联接到电导体和第一导电传感器电极；电绝缘体上的第一输出端子，其电联接到第一导电传感器电极以提供代表电导体的电压的第一输出信号；电绝缘体上的第二输出端子，其电联接到第二导电传感器电极以提供代表电导体的电压的第二输出信号；以及电绝缘体上的第三端子，其配置为电连接到参考电位。

在一些实施例中，电容式电压传感器可以优选地还包括电容器，其设置在所述电绝缘体内且配置为将所述第一导电传感器电极电联接至所述第三端子，从而形成电容式分压器。电容器可以设置在印刷电路板上或印刷电路板中，该印刷电路板安装在第二导电传感器上。

第二输出端子和第三端子可以分别配置为联接到所述印刷电路板的电连接器的内部导体和外部屏蔽导体。

在一些实施例中，电导体是长形的且在绝缘体内纵长地延伸，其中所述第一端子与电导体的通过绝缘体暴露的第一纵向端是一体的。

在一些实施例中，第二导电电极可以配置为圆柱形壳体，其与长形的电导体同轴地设置且在第二长度上纵向地延伸，从而在电导体和第二导电电极之间限定内部体积，其中第一传感器电极完全设置在内部体积内且具有小于第二长度的纵向范围。此外，第一导电电极可以配置为圆柱形壳体，其与第二导电电极同轴地设置且被第二导电电极径向地围绕。第二导电电极的每个纵向端的相应的圆柱形段可以通过绝缘体的相应的部分与电导体分开，该相应的部分不包括第一导电电极的一部分，其中相应的圆柱形段通过第二导电电极的中间段分开，第二导电电极具有第二长度且径向地围绕第一导电电极。

在一些实施例中，电容式电压传感器设备配置为套筒，其中第一端子与电导体的通过绝缘体暴露的第一纵向端是一体的，且其中电导体的与第一纵向端相对的第二纵向端通过绝缘体暴露并且包括第二端子，第二端子配置为将电导体电连接到第二外部导体，以经由电导体在第一外部导体和第二外部导体之间提供电流传导。

在一些实施例中，第一端子配置为联接到母线，且电容式电压传感器配置为低功率电压互感器、柱形绝缘子或总线支撑件。

在一些实施例中，第二传感器电极具有电容，该电容配置为联接至电压存在指示系统(例如，VPIS或VDIS)。

一些实施例还可以包括嵌入电绝缘体中的温度传感器，以及第二连接器，其设置在电绝缘体上且电连接到温度传感器。温度传感器可以安装在第二印刷电路板上。

本领域技术人员将意识到，前述简要描述和关于附图的以下描述是对本发明的一些实施例的说明和解释，既不代表也不包含本发明范围内的所有主题和实施例，也不意图限制本发明或表征本发明，也不限制本发明实施例可以实现的优点，也并非意图要求本发明必须提供本文中关于某些实施例描述的优点中的一个或多个。因此，在此引用并构成其一部分的附图示出了本发明的一些实施例，并且与详细描述一起用于解释本发明的一些实施例的原理。

附图说明

考虑到以下结合附图对非限制性和非排他性实施例的描述，就结构和操作而言，本发明的一些实施例的方面、特征和优点将被理解并且将变得更加显而易见，在各个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件，其中：

图1A示意性地绘示了根据一些实施例的配置为套筒的双电压电容式传感器的俯视图；

图1B示意性地绘示了根据一些实施例的在由图A中的参考B-B’指示的方向观察的图1A中所示的套筒的截面图；

图1C示意性地绘示了根据一些实施例的在由图A中的参考C-C’指示的方向观察的图1A中所示的套筒的截面图；

图2A和图2B绘示了根据一些实施例的分别对应于图1B和图1C的视图，但用于说明性替代实施方式的说明性截面图；

图3示出了根据一些实施例的类似于图1C，但用于说明性替代实施方式的截面图；

图4绘示了根据一些实施例的对应于图1B的视图，但用于说明性替代实施方式的截面图；

图5示意性地绘示了根据一些实施例的可以体现在图1A-C的说明性套筒中的电容式电压传感器的说明性电容模型；

图6示意性地绘示了根据一些实施例的，配置为用于设备或系统中的操作的，根据图5的模型的电容式电压传感器；

图7A和图7B是根据一些实施例的说明性电容式电压传感器的说明性的示意性正交截面图；以及

图8A和图8B是根据一些实施例的电容式电压传感器的说明性的替代实施例的说明性的示意性正交截面图。

具体实施方式

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有明确规定，否则以下术语至少采用本文明确关联的含义。下面确定的含义不一定限制术语，而仅仅提供术语的说明性示例。

这里使用的短语“在一个实施例中”不一定是指相同的实施例，尽管它也可以。另外，“一”、“一个”和“该”的含义包括复数指代；因此，例如，“实施例”不限于单个实施例，而是指一个或多个实施例。类似地，短语“一个实施例”不一定指相同的实施例，并且不限于单个实施例。如本文所用，术语“或”是包含性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”，除非上下文另有明确规定。术语“基于”不是排他性的，而是允许基于未描述的其他因素，除非上下文另有明确规定。

另外，如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则术语“联接”是指通过一个或多个中间部件直接连接或间接连接，并且在某些情况下，还可以表示或包括电联接，例如导电地联接、电容地联接，和/或电感地联接。此外，“导电地联接(连接)”、“电气联接(连接)”和“电联接(连接)”以及类似的变体，分别是指经由一个或多个中间部件联接(连接)，这些中间部件允许经由传导电流进行能量传输，传导电流可以包括直流电和交流电，而“电容地联接”是指通过一个或多个电介质介质以及可能还经由一个或多个中间导体(例如，经由一系列电容性部件)进行静电联接，其允许经由位移电流而不是经由联接(连接)的部件之间的直流电进行能量传输。本领域技术人员将进一步理解，元件可以是有意或无意地(例如，寄生地)电容地联接，并且在某些情况下，被称为电容地联接的元件可以指有意的电容联接。另外，本领域技术人员还将理解，在某些情况下，术语“联接”可以指通过直接和/或间接的连接进行的可操作的联接。例如，被称为与继电器联接的导体(例如，电极或电线等)可以是指可操作以选择性地使继电器操作(例如，开关/触发)的导体，无论导体间接(例如，经由中间无源和/或有源电路等)和/或直接连接到继电器。

另外，将理解的是，参考附图中显示的各种视图，本文所使用的诸如“顶部”、“上部”、“底部”、“下部”、“侧面”等术语仅是出于方便和易于参考的惯例，并且不以其他方式对根据本公开的双电压电容式传感器的总体设计和/或曲线施加任何限制。

此外，为便于参考，如本文所用，术语“传感器电极”是指导电电极，具有足够的导电性以在本发明的上下文中用作电容器电极。类似地，为了便于参考，本文中使用的术语“导电”或“导体”是指导电的或电导体(而不是例如导热性)，除非上下文另有明确规定。在这方面，将进一步理解，如本文所使用的，术语“导体”是指材料或部件的电导率(例如，与绝缘体或电介质相反)，而不是指该材料或部件是在主动传导电流还是甚至配置为传导电流，尽管某些导体可以配置为传导电流。因此，例如，套管的中心导电棒(其配置为在中电压或高电压源提供的电缆与另一电气部件之间连接并传导电流)可以称为导体，无论中心导电棒是传导电流还是以其他方式连接到电缆和电气部件。同样地，然而，举例来说，中心导电棒也可以被称为其他部件(例如，LPVT或绝缘子)中的导体，其中，中心导电棒不配置为通过其传导电流，但是配置为仅作为电极(例如，配置为与中或高压电源提供的母线进行电连接，而不传导中或高压电源提供的电流)。

为了清楚起见，虽然术语“中电压”和“高电压”在各种标准中可能具有不同的定义，或者在其他情况下可以理解为具有不同的含义，如本文所使用的，“中电压”可以指交流电(AC)均方根(rms)电压在大约1KV到大约52KV的范围内，或者直流电(DC)电压在大约1.5KV到大约75KV的范围内；而高电压可以指交流电(AC)电压大于约52KV，或者直流电(DC)电压大于约75KV。然而，如通过以下公开内容所理解的，根据本公开内容的实施例不限于特定的电压或电压范围。

鉴于随后的描述将进一步理解，一些实施例提供了电容式电压传感器设备，包括(i)长形的导体，其配置为电连接到外部导体(例如，中电压导体，比如MV开关设备、控制设备或电力变压器的母线或输入馈线)，(ii)第一浮置传感器电极，其配置为提供电容式分压器LPVT输出信号(例如，用于计量和/或保护)，其代表长形的导体的电压(即，当长形的导体连接到外部导体时，代表外部导体电压)，以及(ii)第二浮置传感器电极，其配置为提供电压存在指示输出信号(例如，用于电压存在指示器系统(VPIS)，比如根据IEC 61243-5和/或IEC 62271 206和/或IEC 62271-713标准)，其代表电压是否存在于长形的导体上(例如，当传感器设备连接到外部导体时，电压是否存在于外部导体上)，其中第一浮置传感器电极设置在长形的导体与第二浮置传感器电极的一部分之间。第一和第二浮置传感器电极以及长形的导体的至少一部分嵌入绝缘体中，该绝缘体在其外表面处包括连接器端子，第一和第二浮置传感器电极分别与该连接器端子连接以提供相应的LPVT输出信号和电压存在指示输出信号。在一些实施例中，第二浮置传感器配置为圆柱形壳体，其围绕长形的导体的至少一部分和插设的第一浮置传感器电极，其在一些实施例中也可以配置为圆柱形壳体。

图1A-C示意性地描绘了根据本公开的一些实施例的包括多个电容式电压传感器的说明性套筒100的俯视图和截面图。尽管该说明性实施例涉及套筒，但鉴于本公开，本领域技术人员将理解，根据本公开的双电压电容式传感器的实施例不限于套筒，并且包括但不限于替代和附加的实施方式，例如可分离的连接器(例如，T型体连接器、肘形连接器)、T型体连接器的反向插头、柱形绝缘子和独立低功率电压互感器(LPVT；例如，比如可以导电联接至开关设备母线)。

更具体地，图1A是套筒100的俯视图，图1B是在由参考箭头B-B’(图1A)标识的方向上的说明性套筒100的截面图，参考箭头B-B’进入包含轴线101且垂直于参考箭头B-B’的平面中，且图1C是在由参考箭头C-C’(图1A)标识的方向上的套筒100的截面图，参考箭头C-C’进入包含轴线101且垂直于参考箭头C-C’的平面中。

如图1A-C所示，在一些实施例中，说明性套筒100可以具有围绕轴线101的大致圆柱形的形状，并且包括以下各项：绝缘体102，具有用于安装套筒的外螺纹部分103；导体104，其在套筒的相对的纵向端之间延伸，且包括用于连接到外部导体的开口103和105；圆柱形壳体形状的传感器电极106，其与导体104间隔开并与其大致同轴；圆柱形壳体形状的传感器电极108，其与传感器电极106间隔开并且围绕传感器电极106，并与其大致同轴；印刷电路板(PCB)110，经由紧固件113安装在传感器电极108上；焊接接头111，形成在PCB 110上，以电连接到导体119(例如，绝缘线)的一端，导体119通过传感器电极108中的孔口或开口或者穿过PCB 110的孔口或开口，且具有电连接(例如，焊接)至传感器电极106的相对端；并联或串联的电容器112和114(例如，薄膜芯片电容器)，其安装在PCB 110上且其第一公共端子导电地联接至焊接接头111(且因此至传感器106)；连接器107，其安装在PCB 110上且其一部分暴露于绝缘体102的外部，且其内部导体导电地联接至焊接接头111(且因此至传感器电极106以及至连接的电容器112和114的第一端子)，且其外部屏蔽导体导电地联接至连接的电容器112和114的第二端子；以及连接器109，其电连接至传感器电极108且其一部分暴露于绝缘体102的外部。连接器107的外部屏蔽导体对应于第三端子。

由此，如下面进一步对套筒100的各个部件的进一步描述，传感器电极106和导体104有效地形成了与并联或串联的电容器112和114串联的电容器，使得跨连接器107的内部导体和外部导体提供的信号是导体104的电压的分压表示。此外，传感器电极108和导体104有效地形成电容器，且传感器电极108配置为(i)在连接器109处提供输出信号，其代表导体104的电压的单独测量(对应于其与导体104的电容联接)，以及(ii)屏蔽电极106免受外部电场。这种外部电场可以包括，例如，近场和/或准静态或低频场(例如可能由附近的相位产生)，以及高频电磁场。浮置传感器电极108的这种屏蔽有助于电极传感器106准确地感测导体104产生的电场，从而有利于导体104电压的准确测量(例如，如计量和/或保护所要求的；例如IEC精度等级0.5)。

如图所示，浮置传感器电极108不仅屏蔽电极106免受外部电场，而且还提供了附加且独立的输出信号(在连接器107处)，该信号代表导体104上的电压。该独立的输出信号可以用于例如电压存在指示(例如，出于安全考虑，例如根据IEC 62271 206标准)。因此，在各种实施方式中，根据本公开的一些实施例的电容式电压传感器(例如，套筒100)可以提供VPIS和精确LPVT输出信号，不必要求在套筒内嵌入专用的电场屏蔽(例如，围绕LPVT传感器的接地屏蔽)。

再次参考图1A-1C，可以理解的是，在一些实施例中，例如当前描述的说明性套筒100，绝缘体102可以基本上包封传感器电极106和108(例如，围绕包括传感器106和108之间的环形区域的电极(具有由箭头L2所示的高度)，除了传感器电极108上安装有连接器109的部分之外)。此外，绝缘体102可以基本上包封导体104(例如，围绕导体104，除了导体104的端部部分，其可在套筒100的外端处接取以连接至外部导体)，从而至少包封导体104的面向传感器106和108的部分。绝缘体102可以由一种或多种电介质材料组成，例如环氧树脂(例如，

)(包括，例如，脂环族环氧树脂)、聚氨酯树脂、PTFE树脂(例如，

)、陶瓷或其他合适的绝缘材料。在一些实施例中，套筒100可以通过执行模制工艺(例如重力铸造工艺或自动胶凝工艺(APG))以将图1A和1B所示的部件包封或基本上包封在绝缘体102中而形成。

在一些实施例中，绝缘体102可以整个包括共同的介电常数，而在一些实施例中，绝缘体102可以包括具有相应的介电常数的多个区域(例如，不同的区域可以包括相同或相似材料的不同成分，和/或不同的区域可以包括不同的材料)。作为非限制性示例，在一些实施例中，绝缘体102可以形成为在传感器106和108之间提供环形区域(具有由箭头L2所示的长度和由箭头d3所示的厚度)，其介电常数不同于(例如，低于)绝缘体102的其余部分的介电常数。替代地或附加地，在一些实施例中，绝缘体102可以形成为在传感器电极108和导体104之间提供环形区域的至少一部分(具有由箭头L1和L3所示的长度)，其介电常数不同于绝缘体102的大部分的介电常数，且与传感器106和108之间的环形区域的介电常数不同或基本相同。

此外，本领域技术人员将理解，在各种替代实施例中，可以在绝缘体102中嵌入附加的部件。作为非限制性示例，在一些实施例中，绝缘体102还可以包封热传感器以及基本上包封附加的输出连接器(例如，类似于连接器107或109)以提供来自热传感器的输出。

例如，图2A和图2B绘示了分别对应于图1B和图1C的视图，但用于说明性替代实施例的截面图，该实施例包括安装在印刷电路板204上的热敏电阻202，该印刷电路板204可以安装在传感器电极108上(例如，类似于PCB 110)。电连接至热敏电阻202的连接器206可以安装在PCB 204上，并且在外部延伸至绝缘体102，以提供热敏电阻至激励和电压读出电路的连接。如图所示，在该说明性实施例中，连接器109’对应于图1A-C的连接器109，但是其方位角偏移90度。替代地，连接器107、109和204可以在相同的纵向位置围绕套管圆周大致等距地隔开(例如，以120度的方位角隔开)，和/或一个或多个连接器可以以不同的方位角纵向地位移。除了温度监测之外，在一些实施例中，可以使用温度测量信号(例如，如果需要的话)来补偿(例如，基于预校准)电容式分压器传递函数中温度相关的变化。然而，根据一些实施例(例如图1A-C的说明性实施例)，即使对于精确的电压测量，也可能不需要这种补偿，这是因为优选地将电容器112和114嵌入绝缘体102内，并且其温度系数足以与传感器电极106相当。

尽管优选地嵌入在绝缘体102内，但是在一些替代实施例中，电容器112和114(或者，例如，它们等效的单个分立电容)可以在绝缘体102外部实现，例如在电压测量电路中，或者替代地，在外部模块中实现，该外部模块可以可移除地直接连接到连接器107，并且可以包括用于联接到电压测量电路的附加连接器。另外，尽管(如上所述)电容器112和114可以实现为安装在PCB上的表面安装薄膜芯片电容器，但替代实施方式可以例如采用一个或多个嵌入PCB的电容器，或嵌入绝缘体102中但不安装在印刷电路板上的电容器。

如所描述的，在一些实施例中，导体104可以包括开口103和105，用于连接到外部导体，例如到其中设置有套筒100的设备(例如，开关设备、控制设备或电力变压器)中的输入馈电电缆和电气设备。由此，可以根据各种接口连接来配置开口103和105(以及，例如，绝缘壳体102的周围的端部部分)。例如，在一些实施例中，开口103和/或开口105可以带有螺纹以通过螺栓或螺纹销进行连接。尽管如图所示，导体104通常可以在其长度的大致中心部分上实现为具有圆形横截面和大致上均匀的直径，但是根据本公开的一些实施例可以包括替代的形状(例如，沿长度方向的截面为椭圆形而不是圆形，多个纵向部分具有不同的截面积，等等)。

在一些实施例中，例如图1A和图1B的说明性实施例，传感器电极106和108可以配置为基本上同轴的圆柱形导体(例如，其可以称为中空圆柱形电极或圆柱形壳体电极)。传感器电极106和108的纵向端可以是圆形的，例如通过在其端部上折叠。由图1B和图1C中的箭头L1、L2、L3、d1和d2所标识的尺寸可以例如基于以下各项来设计：电极106和108彼此之间以及与导体104的期望的或所需的电容联接，以在连接器107和109处以所需的电气特性(例如，分压、精度和/或电容；如鉴于随后的公开将进一步理解的)提供输出，可靠性(例如，关于泄露电流、电介质击穿等)，以及通过电极108和电极106对外部电场的充分屏蔽。

传感器电极106和108中的一个或两个(无论是配置为圆柱形壳体还是其他几何形状)都可以形成为开放的网眼或筛网结构，其不仅可以方便地将导体119通过电极108插入，也可以提高套筒可靠性以及制造良率。例如，在模制工艺期间，这种开放的网眼或筛网结构可以容易地允许用于形成绝缘体102的材料(例如，环氧树脂)通过传感器电极自由流动，从而促进共形覆盖。在一些实施例中，可以通过用导体涂覆塑料网或通过模制包括导电填料(例如尼龙中的镍涂覆的石墨填料)的导电塑料来形成网眼或筛网结构。在一些实施例中，例如，电极106和108中的一个或多个可以形成为连续的导电片结构(例如，由金属片形成)，可以被图案化、加工或蚀刻以包括在其中形成的一个或多个孔口和/或槽。电极106和108可以由各种足够导电的材料中的任何一种形成，例如铝、黄铜、铜或其他金属或金属合金。

尽管在图1A-C的说明性实施例中，传感器电极106和108被绘示为具有一致的半径，但是在一些实施例中，电极106和108中的一个或两个的半径可以纵向地变化(例如，至少在某种程度上单调渐缩)。在一些实施例中，电极106和108可以在长度L2上具有一致的半径，而电极108的半径可以在区域L1和L3中变化。在一些实施例中，电极106以及可能的电极108可以不在导体104周围形成完整的圆柱体。例如，图3示出了类似于图1C的截面图，但电极106部分地围绕导体104。

在一些实施例中，传感器106和108可以在用于形成绝缘体102的模制或铸造工艺之前形成为集成模块。例如，如图4的截面图所示，其对应于图1B的说明性实施例，在模制以形成绝缘体102之前，传感器106和108可以通过同轴环形绝缘构件302和304(例如，O形环，诸如PTFE O形环)机械地联接以形成集成模块，该集成模块有助于在随后的用于形成绝缘体102和嵌入其中的传感器106和108的模制或铸造工艺期间保持传感器106和108之间的期望间隔。在一些实施例中，预先形成传感器106和108的集成模块可以包括在传感器106和108之间的空间中(这对应于图1C中厚度为d3的区域)形成绝缘材料，这允许通过选择可以与用于形成绝缘体102的材料的介电常数不同(例如，可能低于该介电常数)的传感器间介电常数，可以进一步调整传感器间电容值和/或传感器间间距d3。

参考图1B和图1C，可以看出，传感器电极106经由绝缘体102的电介质材料直接(即，没有中间电极)与导体104电容地联接，传感器电极106和导体104因此实际上是电容器的相应的电极，为便于参考，在下文中称为LPVT感测电容器，LPVT感测电容与箭头L2所示的长度L2成正比(例如，假设是理想的圆柱形电容器；忽略边缘场、杂散场或寄生场等)。类似地，在图1B中由箭头L1和L3所标识的区域中，传感器电极108经由绝缘体102的电介质材料直接电容地联接到导体104，传感器电极106和导体104因此实际上是电容器的相应的电极，在本文中称为VPIS/VDIS电容器(即，VPIS或VDIS电容器)，VPIS/VDIS电容与由箭头L1和L3所示的长度L1和L3的总和成正比。此外，传感器电极108经由绝缘体102的中间电介质材料直接电容地联接到传感器电极106，传感器电极106和108因此实际上是电容器的相应的电极，在本文中称为桥式电容器，桥式电容与长度L2成正比。如本领域技术人员所公知的，这些圆柱形电容中的每一个与ln(1+d/a)成反比(ln(1+d/a)近似于d/a，因为d<<a)，其中a是导体104的半径，d是形成电容器的相应的电极之间的径向间距；即，如图1C所示，分别对于LPVT感测、VPIS/VDIS和桥式电容器，d等于距离d1、d2和d3。

应当指出，尽管传感器电极106和108彼此之间是电容地联接(桥式电容)，但它们分别与导体104电容地联接。为了清楚起见，如本文所用的，电极106和10“8分别电容地联接(或类似地，“单独电容地联接”)到导体104，是指传感器电极108经由中间电介质区域(其不包括传感器电极106电容地联接到导体104经由的电介质区域)电容地联接到导体104，同样地，是指传感器电极106经由中间电介质区域(其不包括传感器电极108电容地联接到导体106经由的电介质区域)电容地联接到导体104。

作为非限制性示例，仅出于说明的目的，在采用

或类似合成树脂作为绝缘体102的一些实施例中，导体104直径在传感器区域内可以约为20mm，d1可以至少为4mm且优选为至少8mm，d3可以至少为约4mm且优选不大于约12mm，且每个电极传感器106和108可以具有1mm的标称厚度，对应于d2至少约为8mm且优选不大于约22mm。

现在参考图5，绘示了根据本公开的双电压传感器的说明性电容模型，其可以体现在根据以上参考图1A-C描述的实施例的说明性套筒100中。由此，图5的电路模型中的各种电路元件和节点由图1A-C中的对应元件的数字引用。例如，图5中的节点106和108分别对应于传感器电极106和108；节点109对应于连接器109；图5中的元素102所包围的区域对应于绝缘体102。图5中的导体104被绘示为具有端子403和405，其可以代表图1A和1B中的具有开口103和105的导体104的端部部分。端子407和417分别对应于图1A和1B中的连接器107的内部导体和外部导体。

因此，端子417对应于第三端子。因此，可以理解的是，第三端子的功能是提供双电压电容式传感器到电压(例如，“接地”)的联接，该电压例如为代表电导体的电压的第一输出信号(经由第一输出端子提供)提供参考电位。

另外，根据前述的讨论，可以理解的是(i)电容器C1代表LPVT感测电容器，其对应于传感器电极106和导体104之间的电容式联接；(ii)电容器C2代表VPIS/VDIS电容器，其对应于传感器电极108和导体104之间的电容式联接；(iii)电容器C3代表桥式电容器，其对应于传感器电极106和108之间的电容式联接；以及(iv)电容器C0是电容式分压器的低电压输出电容，例如，对应于图1A的电容器112和114的串联或并联组合。作为非限制性示例，仅出于说明目的，在一些实施例中，电容C0、C1、C2和C3可以设计为具有以下范围内的值：C1可以约为10至20pF，C2可以约为10-50pF，C3可以约为65至75pF，且C0可以约为60至120nF。

如可以理解的，在一些实施例中，例如，如果根据本公开的双电压电容式传感器被实现为不配置为传导电流的部件(例如，实现为绝缘子，而不是套筒)，可以从模型中删除端子403和405之一。

图6示意性地描绘了图5的模型的双电压电容式传感器，在该说明性实施例中，配置为用于以下操作(i)将输出信号从VPIS/VDIS电容器C2联接到代表导体104上的电压的VPIS或VDIS电路440，以及(ii)将来自由LPVT电容器C1和低电压输出电容器C0形成的电容式分压器的输出信号(代表导体104上的电压)联接到计量电路和/或保护性继电器。如图所示，导体104经由端子403联接到AC电压源415。举例来说，在一些实施例中，其中模型代表开关设备中的套筒，该开关设备包括计量电路和/或保护性继电器430以及VPIS或VDIS电路440，AC电压源415可以代表输入馈线，且端子405可以连接到其他开关设备电气部件(未示出)。

如图5的模型所示，且在图6的说明性实施方式中，电极108不在接地或任何其他参考电位上，而是浮置并配置为向导体104提供电容地联接到导体104的输出。即，如上所述，传感器电极108不通过低阻抗路径联接到双电压电容式传感器(例如，套筒100)的任何导体，当双电压电容式传感器(例如，体现为套筒100或其他部件)安装为用于预期操作时，该导体可以配置为接地或连结至参考电位。另外，如上所述，但未反映在电路模型中，电极108还配置为屏蔽电极106使其免受模型所代表的电容式传感器外部的电场。

因此，可以理解，由图5的模型所代表的并且可以体现为图1A-C的套筒100的双电压电容式传感器(或在其他实施方式中，例如为绝缘子)配置为使得传感器电极106和108处于相应的浮置电位并且不导电地联接到套筒100的电极、端子或其他导体，该电极、端子或其他导体配置为经由低阻抗路径导电地联接(直接或间接地)到接地电位或其他参考电位(例如，当套筒安装为用于操作时，例如在开关设备、控制设备或电力变压器中)。例如，连接器109配置为将传感器电极108的浮置电位导电地联接(例如，经由屏蔽或未屏蔽的单个导体线，其插接或拧入连接器109中)到外部电路(即，在套筒100的外部)，例如电压存在指示器系统(VPIS)的外部电路。换言之，连接器109配置为经由由导体104和传感器电极108形成的VPIS电容器将导体104上的电压电容地联接至外部电路。

类似地，连接器107配置为将传感器电极106的浮置电位导电地联接至外部电路，例如保护和/或计量电路。根据本说明性实施例，连接器107可以配置为电子连接器(例如，微型BNC母连接器)，如上所述，其具有导电地联接至并联的电容器112和114的第二公共端子的外部屏蔽导体，电容器112和114的第一公共端子导电地联接至连接器107的内部导体以及传感器电极106。

如上所述，根据本公开的电容式电压传感器的实施例不限于套筒，例如以上讨论的说明性套筒实施例。举例来说，图7A和图7B绘示了电容式电压传感器700的说明性实施例，其可以实现为专用传感器(例如，LPVT和VPIS/VDIS)，或实现柱形绝缘子或母线支撑件，例如可以在MV开关设备、控制设备或电力变压器中使用的。电容式电压传感器700大致是圆柱形的，图7A和7B是包含中心纵向轴线的正交平面的截面图。

如图所示，电容式电压传感器700包括绝缘体702，其包括棚(shed)721；长形的导体704，其沿着绝缘体702的中心轴向地延伸且包括用于连接到外部导体(例如，母线)的开口703；圆柱形壳体形状的传感器电极706，其与导体704间隔开且与其大致同轴；圆柱形壳体形状的传感器电极708，其与传感器电极706间隔开并且围绕传感器电极706，并且与其大致同轴；印刷电路板(PCB)710，其安装在导电基部722上；焊接接头711，其形成在PCB 710上，以电连接到导体719(例如，绝缘线)的一端，导体719通过导电基部722中的孔口或开口以及穿过PCB 710的孔口或开口，且具有电连接(例如，焊接)到传感器电极706的相对端；电容器712(例如，薄膜芯片电容器)，其安装在PCB 710上且其端子导电地联接至焊接接头711(因此至传感器706)；连接器707，其安装在PCB 710上且其一部分暴露于绝缘体702的外部，且其内部导体导电地联接至焊接接头711(因此至传感器电极106和电容器712的第一端子)，且其外部屏蔽导体导电地联接至电容器712的第二端子；以及连接器709，其经由导体724(例如，绝缘线)电连接至传感器电极708且其一部分暴露于绝缘体702的外部。绝缘体702中的开口713配置为将导电基部722连接到参考电位(例如，接地)，同时，在一些实施例中，提供电容式电压传感器的基部的机械固定。

鉴于本公开，将理解的是，与图1A-C的说明性实施例中的电容式电压传感器100的部件大致相对应的电容式电压传感器700的部件可以具有类似的特征和修改。另外，鉴于本公开，本领域技术人员将进一步理解，可以实现电容式电压传感器700的各种替代实施例。例如，替代地，可以将PCB 710(和安装在其上的电容器712)安装到传感器电极708上，并添加导体(例如，电线)以将PCB电连接到连接器707。附加地或替代地，连接器707可定位成更靠近外围(例如，类似于连接器707的位置)，而不是沿着中心轴线。

图8A和图8B示出了电容式电压传感器800的说明性替代实施例的截面图，其大致对应于电容式电压传感器700，不同之处在于去除了导电基部722并且修改了外部(例如，VPIS/VDIS)传感器电极以在其下部纵向端处具有封闭的导电表面。更具体地，传感器电极808大致是圆柱形壳体，其下部纵向端是封闭的(例如，使用与圆柱形侧壁部分相同的导电材料结构，可以是导电网)。换句话说，传感器电极808大致是杯形的。电极808的封闭的下部为传感器电极706和导体(电极)704提供了对外部电场的充分屏蔽，例如会从与电容式电压传感器所电连接的中电压导体产生的外部电场。因此，可以去除导电基部722，因为其功能被包含在传感器电极808中。在这方面，要注意的是，为了确保导电基部722的足够的电场屏蔽，通常必须布置成与VPIS/VDIS传感器电极708的下部范围非常接近(例如，小于约4mm)。因此，在电容式电压传感器800中取消它不仅可以降低制造成本，而且可以简化制造，提高制造良率，并可以提高使用寿命和可靠性。

鉴于前述内容，可以理解，电容式电压传感器700和800，像电容式电压传感器100一样，可以提供VPIS和精确的LPVT输出信号(即分别在连接器709和707处)，而无需必须在LPVT传感器周围嵌入专用的电场屏蔽(例如，接地屏蔽)。另外，电容式电压传感器800不需要任何附加的电场屏蔽(例如，导电基部722)。

尽管以上对本发明说明性实施例的描述及其各种说明性变型和特征提供了许多细节，但是这些使能细节不应被解释为限制本发明的范围，并且本领域技术人员将容易地理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，并且在不减少其附带优点的情况下，可以对本发明进行多种修改、改编、变型、省略、增加以及等同的实施方式。例如，部件的结构和/或功能可以组合为单个部件，也可以分为两个或多个部件。此外，可以特别考虑的是，单独描述或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的部分组合。还应注意，术语和表达已被用作描述性术语而非限制性术语。无意使用这些术语或表达来排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同。另外，可以在不必提供本文描述的或鉴于本公开而以其他方式理解的和/或可以在其一些实施例中实现的一个或多个优点而实践本发明。因此，意图是本发明不限于所公开的实施例，而是应该根据基于本公开的权利要求来定义，因为这样的权利要求可以在本文中呈现，和/或在要求本公开的优先权的、基于本公开的和/或对应于本公开的任何专利申请中呈现。

Claims (14)

1.一种电容式电压传感器设备，包括：

具有外表面的电绝缘体；

至少部分地嵌入所述绝缘体中的电导体；

第一端子，配置为将所述电导体电连接至要感测的外部导体；

第一导电传感器电极，设置在所述电导体与所述电绝缘体的外表面之间的所述电绝缘体中，其中所述第一导电传感器电极是电浮置的并且电容地联接到所述长形的电导体；

第二导电传感器电极，设置在所述第一导电传感器电极与所述电绝缘体的外表面之间的所述电绝缘体中，使得所述第一导电传感器电极设置在所述电导体和所述第二导电传感器电极之间，其中所述第二导电传感器电极是电浮置的并且分别电容地联接到所述电导体和所述第一导电传感器电极；

第一输出端子，在所述电绝缘体上并且电联接到所述第一导电传感器电极，以提供代表所述电导体的电压的第一输出信号；以及

第二输出端子，在所述电绝缘体上并且电联接到所述第二导电传感器电极，以提供代表所述电导体的电压的第二输出信号；以及

第三端子，在所述电绝缘体上且配置为电连接到参考电位。

2.如权利要求1所述的电容式电压传感器，还包括电容器，其设置在所述电绝缘体内且配置为将所述第一导电传感器电极电联接到所述第三端子，从而形成电容式分压器。

3.如权利要求2所述的电容式电压传感器，其中所述电容器设置在印刷电路板上或印刷电路板中，所述印刷电路板安装在所述第二导电传感器上。

4.如权利要求3所述的电容式电压传感器，其中所述第二输出端子和所述第三端子分别配置为联接到所述印刷电路板的电连接器的内部导体和外部屏蔽导体。

5.如前述权利要求中任一项所述的电容式电压传感器，其中所述电导体是长形的并且在所述绝缘体内纵长地延伸，且其中所述第一端子与所述电导体的通过所述绝缘体暴露的第一纵向端是一体的。

6.如权利要求5所述的电容式电压传感器，其中所述第二导电电极配置为圆柱形壳体，其与所述长形的电导体同轴地设置且在第二长度上纵向地延伸，从而在所述电导体和所述第二导电电极之间限定内部体积，其中所述第一传感器电极完全设置在所述内部体积内且具有小于所述第二长度的纵向范围。

7.如权利要求6所述的电容式电压传感器，其中所述第一导电电极配置为圆柱形壳体，其与所述第二导电电极同轴地设置且被所述第二导电电极径向地围绕。

8.如权利要求7所述的电容式电压传感器，其中所述第二导电电极的每个纵向端的相应的圆柱形段通过所述绝缘体的相应的部分与所述电导体分开，所述相应的部分不包括所述第一导电电极的一部分，其中所述相应的圆柱形段通过所述第二导电电极的中间段分开，所述第二导电电极具有所述第二长度且径向地围绕所述第一导电电极。

9.如权利要求5至8中任一项所述的电容式电压传感器，其中所述电容式电压传感器设备配置为套筒，其中所述第一端子与所述电导体的通过所述绝缘体暴露的第一纵向端是一体的，且其中所述电导体的与所述第一纵向端相对的第二纵向端通过所述绝缘体暴露并且包括第二端子，所述第二端子配置为将所述电导体电连接到第二外部导体，以经由所述电导体在所述第一外部导体和第二外部导体之间提供电流传导。

10.如权利要求5至8中任一项所述的电容式电压传感器，其中所述第一端子配置为联接到母线，且所述电容式电压传感器配置为低功率电压互感器、柱形绝缘子或总线支撑件。

11.如前述权利要求中任一项所述的电容式电压传感器，其中所述第二传感器电极具有电容，所述电容配置为联接至电压存在指示系统或电压检测指示系统。

12.如前述权利要求中任一项所述的电容式电压传感器，其中所述绝缘体包括环氧树脂。

13.如前述权利要求中任一项所述的电容式电压传感器，还包括嵌入所述电绝缘体中的温度传感器，以及第二连接器，其设置在所述电绝缘体上且电连接到所述温度传感器。

14.如权利要求13所述的电容式电压传感器，其中所述温度传感器安装在第二印刷电路板上。

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