CN114761813A - 电压传感器和分压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电压传感器，具有高压端子(5)、电信号连接部和接地端子(7)。电压传感器(1)包括核心区域(2)，所述核心区域(2)具有布置在其中的电阻器(3)和布置在其中的电容器配置部，其中，所述电容器配置部具有连接到高压端子(5)的第一电极(4)、连接到信号连接部的第二电极(6)和连接到接地端子(7)的第三电极(8)，所述第一电极(4)和所述第二电极(6)经由电阻器(3)以导电的方式连接。第一电极(4)、第二电极(6)和第三电极(8)各自具有多个导电的、基本呈指状或棒状的调制元件(9、9'、9")，所述调制元件(9、9'、9")基本上平行于电压传感器的纵向轴线(13)延伸。

Description

电压传感器和分压装置

技术领域

在测量电压时，电压传感器用于电网的开关装置中。从现有技术已知使用高阻抗电阻器作为电压传感器，并且在电阻式分压器中使用该电阻器。它们具有至少两个串联的电阻器，由此，待测量的高压初级电路的电压根据电阻器的比率进行划分。然而，纯电阻式分压器的缺点是，例如源自连接电缆或其他部件的杂散电容和/或寄生电容对实际测量值产生重大影响，从而对测量精度产生重大影响。

背景技术

为了测量高交流电压，欧姆电容式分压器是已知的，所述欧姆电容式分压器具有至少一个电阻器以及电容器，所述电阻器在次级电路中作为电压传感器，具有预定电容的所述电容器与该电阻器并联。欧姆电容式分压器通常用于10kV和30kV之间的中压开关装置。它们将初级侧的高交流电压分压成次级侧的等效的较低交流电压以进行测量。

欧姆电容式分压器包括第一电阻器-电容器并联电路和作为电压传感器的第二电阻器-电容器并联电路，两个电阻器-电容器并联电路串联地电连接。第一并联电路的电阻远高于第二并联电路的电阻，使得，相比于所述高电压，第二并联电路(实际的电压传感器)两端的电压降是很低的。

这种欧姆电容式分压器的主要问题在于，电容器配置部的电容应该在很长一段时间(通常是几年甚至几十年)内尽可能保持恒定，以避免实际测量值的漂移。此外，当外界温度变化或电流频率发生轻微变化时，需要保持电容器的电容恒定。此外，水分吸收到位于电容器元件之间的电介质中可能会在分压器的使用寿命期间引起电容的变化。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种电压传感器和分压装置，其具有长期、特别是几年或几十年的恒定电容，并保持分压装置整个寿命期间的介电强度。

本发明的目的通过独立专利权利要求的特征来实现。

根据本发明的电压传感器包括电气高压端子、电信号连接部和接地端子。待测量的电压在运行期间施加到高压端子。电压传感器包括核心区域，所述核心区域具有布置在其中的电阻器和布置在其中的电容器配置部。该核心区域优选地被密封并填充有绝缘材料。

根据本发明，核心区域中的电容器配置部包括连接到高压端子的第一电极和连接到信号连接部的第二电极。第一电极和第二电极间隔开，并且仅经由电阻器电连接，形成电阻器-电容器并联电路，以形成欧姆电容式分压器。

根据本发明，电容器配置部具有连接到接地端子的第三电极。第一电极、第二电极和第三电极各自包括多个导电的、基本呈指状或棒状的调制元件。调制元件优选地平行于电压传感器的纵向轴线延伸。

气体填充的空腔会增加电压闪络的可能性并阻止分压装置完全放电，这对于可靠运行是不期望的。克服这一点是尤其重要的，为此，核心区域被固体电介质填充，从而使得电容器配置部分别嵌入固体电介质中。可选地，可以为此目的提供用于填充核心区域的聚合物。

调制元件的指状或棒状构造减少了形成脱离的可能性，从而减少了(例如由于在分压装置的制造过程中电介质的收缩导致的)气体填充的空腔的存在。

此外，棒状调制元件可以更容易地适应温度变化，而环形电极配置部则并非如此。在制造过程和温度变化期间，指状或棒状调制元件可以基本上与电介质一起“移动”。

可选地，调制元件分别呈环形分布。特别地，调制元件可以布置在相对于彼此基本同心的环上。

这可以在很小的空间要求下实现尽可能大的电容器面积。通过将它们呈同心的环形分布，电容器元件之间的距离可以额外地保持恒定。

可选地，第一电极的调制元件和第二电极的调制元件基本上布置在相同半径的环上，优选地布置在约8mm至约22mm的半径的环上。

根据本发明，第三电极的调制元件可以布置在第一电极的调制元件和第二电极的调制元件所在的环外侧的半径的环上，优选地布置在约15mm至约40mm的范围的半径的环上。这样做的优点是第三电极的接地电位屏蔽了内侧的第一电极和第二电极免受外部影响。

第三电极的调制元件所在的环的半径可以比第一电极的调制元件和第二电极的调制元件所在的环的半径大50％左右。

调制元件可以各自具有约10mm至约60mm的长度和约1.5mm至约10mm的直径。

在确定调制元件的尺寸时，可以考虑它们的径向距离。如果调制元件之间的距离足够大，则可以防止调制元件之间的电压闪络以及对电介质的任何相关损坏的风险。可以考虑操作条件(特别是考虑输入电压)来进行距离的调整。

根据本发明，可以设置的是，第一电极的调制元件和第二电极的调制元件沿它们的纵向延伸方向不具有重叠区域。调制元件的尖端可以间隔开约3mm至约25mm。由此，可以实现第一电极和第二电极之间的预期电容值。

根据本发明，可以设置的是，调制元件各自包括基体和导电涂层，所述基体基本上电绝缘。根据本发明，可以设置的是，调制元件各自包括导电添加物和基本上电绝缘的基础化合物，所述添加物优选地包括碳纳米颗粒或由碳纳米颗粒组成。

通过使用电绝缘的基体或者向基本上电绝缘的基础化合物添加导电添加剂，电介质和调制元件的膨胀系数可以相互接近。这进一步减少了调制元件的脱离和相关联的不希望的空腔形成。优选地，使用环氧树脂作为基体或者作为基础化合物。特别是与全金属调制元件相比，以这种方式可以大大减少空腔的形成。

可选地，设置的是，调制元件的纵向延伸方向基本上彼此平行地延伸。这样，可以获得调制元件之间基本连续恒定的距离。这可能特别有利于电容器配置部的恒定电容。

可选地，设置的是，第三电极的调制元件至少部分地、优选地完全地与第一电极的调制元件和第二电极的调制元件在平行于它们的纵向延伸方向的方向上重叠。重叠区域的宽度可以为第一电极和第二电极改善对外部干扰的屏蔽。

可选地，设置的是，第一电极和第二电极各有六个至十四个、优选地八个至十二个调制元件。第三电极所在的环通常具有较大的周长并且可以有14个至26个、优选地18个至22个调制元件。

可选地，设置的是，电容器配置部在20℃的温度、50％的相对湿度、1000mbar的压力和50Hz的电流频率下具有0.1pF至30pF、优选地0.5pF至15pF的电容。电容器配置部的足够大的电容使得可以在电压测量期间忽略杂散电容和寄生电容。结果，所提到的包括杂散电容和寄生电容的剩余电容与电容器的主电容相比变得非常小，以至于它们不再对测量精度产生重大影响。

可选地，设置的是，核心区域包括包含硅氧烷基聚合物的电介质或由硅氧烷基聚合物组成的电介质。硅氧烷基聚合物，特别是固体硅氧烷聚合物，也被称为有机硅聚合物，具有扩散抑制特性。作为电介质的这种聚合物在很大程度上对水蒸气扩散不敏感，并且当暴露于大气水分时其介电常数没有显著变化。此外，与已知电介质相比，有机硅聚合物的频率传输性能更好，这意味着可以满足合规标准要求，特别是国际标准IEC61869-11。此外，在指定的限制范围内可以传输高达150kHz的频率。

硅氧烷基聚合物，特别是固体硅氧烷聚合物，也被称为有机硅聚合物，具有弹性。在根据本发明的电压传感器中，聚合物因此可以很好地适应电极配置部的结构。例如，在非弹性材料的情况下，如果温度波动那么材料中可能会出现裂纹，或者电容器配置部的材料可能至少部分地从电介质脱离。

这会导致形成气体填充的空腔，这一方面会阻止电容器配置部的电容保持恒定，另一方面会导致电压闪络和电压传感器的不完全放电。使用硅氧烷基聚合物可以避免这些问题，因为确保了与电容器配置部的元件的良好连接。

可选地，可以设置的是，核心区域具有基本上截头圆锥形或基本上圆柱形的构造。

可选地，可以设置的是，提供至少部分地、优选地完全地围绕核心区域的护套区域，优选地是环氧基聚合物的护套区域。

由于硅氧烷聚合物的典型弹性特性，可能有利的是由机械上更稳定的护套区域围绕由硅氧烷聚合物形成的核心区域，从而保护它免受变形和破坏。

可选地，可以设置的是，核心区域的电介质具有2至8的相对介电常数。可选地，可以设置的是，与电介质在20℃时的相对介电常数相比，核心区域的电介质的相对介电常数在-40℃至80℃的温度范围内最多改变3％，优选地最多改变0.75％。

由于根据本发明的电压传感器的应用领域通常在非空调区域或加热区域中，如果电介质的介电常数在通常发生在正常环境条件下的温度条件下尽可能恒定，那么这是有利的。这确保了电容器配置部的均一电容，这有利于最准确的电压测量。

可选地，可以设置的是，与50Hz时的电介质的相对介电常数相比，核心区域的电介质的相对介电常数在从50Hz到150000Hz的频率范围内最多改变0.6％，优选地最多改变0.4％。

由于馈入不同种类的能源，现代电网中可能会出现网络频率的变化。因此，如果电介质的介电常数在电网典型的频率范围内也保持恒定，那么这是有利的，可以确保电压的准确测量。

可选地，可以设置的是，与水含量为30‰时的电介质的相对介电常数相比，核心区域的电介质的相对介电常数在电介质的水含量为5‰至30‰的情况下最多改变3％，优选地最多改变2.9％。

由于根据本发明的电压传感器通常在正常环境条件下使用，它也可能暴露于升高的湿度。硅氧烷基聚合物通常具有低吸水能力。然而，如果电介质的介电常数在一定的含水量范围内尽可能恒定，那么这是有利的，即使在很长一段时间内也能获得恒定的电压测量结果。特别地，如果随着电压传感器的工作时间延续越来越多的水扩散到电介质中，那么介电常数对电介质的水含量的强烈依赖性将导致测量值随时间的不希望的漂移。

可选地，可以设置的是，核心区域由双组分硅氧烷系统浇铸而成。

可选地，可以设置的是，在20℃的温度下的最大吸水能力为聚合物组合物的固有重量的30‰。最大吸水能力可以例如通过将有机硅聚合物在气候室中储存约1000天来确定。

本发明还涉及一种包括根据本发明的电压传感器的分压装置，以及一种配置结构，其中将根据本发明的分压装置设置在电网的开关装置的连接元件处。

本发明的其他特征将从专利权利要求、示例性实施例和附图中变得明显。

附图简要说明

下面通过非排他性的示例性实施例详细说明本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的电压传感器的侧向剖视图。

图2示出了根据本发明的电压传感器沿图1的轴线A-A的剖视图。

图3示出了用于使用根据本发明的电压传感器测量高压的根据本发明的分压装置的示意性电路图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的电压传感器1的实施例沿着经过电压传感器1的纵向轴线13的平面的剖视图。电压传感器1基本上是圆锥形的并且关于纵向轴线13对称。电压传感器1包括具有电容器配置部的核心区域2，所述电容器配置部具有第一电极4、第二电极6和第三电极8。第一电极4和第二电极6设置在电压传感器1的相对两端。

第一电极4连接到高压端子5。在操作中，待测量的电压被施加到该第一电气端子5。

第二电极6连接到用作测量线的信号连接部。第二电极6通过未示出的精密电阻器R2和未示出的精密电容器C2与接地端子7连接。精密电阻器和精密电容器可以布置在电压传感器1内部的电路板上。

高压电阻器3设置在高压端子5和信号连接部之间，所述高压电阻器3在电压传感器1的中心沿纵向轴线13延伸。电阻器3与电容器配置部一起形成电阻器-电容器组合R1/C1，如图3所示。

电容器配置部还包括连接到接地端子7的第三电极8。第三电极8布置在第一电极4和第二电极6的外侧以保护它们免受来自电压传感器1外部的破坏性影响。

第一电极4、第二电极6和第三电极8各自具有布置在同心的环上的调制元件9、9'、9”，调制元件为指状构造并且基本上平行于电压传感器的纵向轴线13延伸。

第一电极4的调制元件9和第二电极6的调制元件9'基本上布置在约15mm的半径的环上。第三电极8的调制元件9”也布置在位于第一电极4的调制元件9和第二电极6的调制元件9'所在的环外侧的约25mm的半径的环上。

第一电极4的调制元件9和第二电极6的调制元件9'在核心区域2中沿相反方向而朝向彼此突出，并且沿它们的纵向延伸方向不具有重叠区域。调制元件9、9'的尖端间隔开约3mm。另一方面，第三电极8的最外侧调制元件9”与第一电极4的调制元件9在它们的纵向延伸方向上部分地重叠，重叠区域约为15mm，并且第三电极8的最外侧调制元件9”与第二电极6的调制元件9'完全地重叠。

在该示例性实施例中，电容器配置部和电阻器3被由基于硅氧烷聚合物的弹性材料形成的核心区域2围绕。由于该示例性实施例中的硅氧烷聚合物是弹性软材料，因此在该示例性实施例中核心区域2被由环氧基聚合物形成的护套区域12围绕以增加机械稳定性。该示例性实施例中的硅氧烷聚合物与通常使用的塑料材料(例如环氧聚合物)相比表现出低的水扩散特性。

图2示出了图1所示的电压传感器1沿轴线A-A的剖视图。图2示出了电压传感器1的元件的大致同心结构。电阻器3布置在沿中心轴线13延伸的中心。第一电极4的调制元件9和第二电极6的调制元件9'布置在与电阻器3同心的内环中。第三电极8的调制元件9”布置在与电阻器3同心的外环中。

在该示例性实施例中，调制元件9、9'、9”具有基本上电绝缘的基体10，所述基体10涂覆有导电涂层11，特别是导电漆，以便分别与第一电极4、第二电极6和第三电极8导电连接。

在其他示例性实施例中，调制元件9、9'、9”也可以完全由导电材料形成，或由通过添加添加物而导电的电绝缘体形成。

在该示例性实施例中，描述调制元件9、9'和9”的布置的两个环的半径之间的差距约为7.6mm。然而，在其他示例性实施例中，该差距也可以采用其他值。

图3示出了用于使用图1和图2的电压传感器1测量高压的根据本发明的分压装置的示意电路图。电压传感器1形成欧姆电容式分压器，所述欧姆电容式分压器包括具有R1和C1的电阻器-电容器并联电路与具有R2和C2的电阻器-电容器并联电路的串联连接。此处，上述电阻器3形成电阻器R1，并且上述电容器配置部形成电容器C1。实际的精密电阻器R2和精密电容器C2位于电压传感器1内部未示出的电路板上。低压U2与待测量的高压U1之间具有已知关系，并通过接地屏蔽测量电缆将低压U2传输到测量放大器。电压传感器1的测量电缆和接地端子7以及调制元件9”接地。

本示例性实施例中描述的电压传感器1具有24kV的最大绝缘值。然而，在其他示例性实施例中，最大绝缘值可以是52kV。取决于应用领域，任何其它最大绝缘值也是可能的。

根据该示例性实施例的电压传感器1被构造为在50Hz的频率下具有最大

的标称高压U1。该示例性实施例中的次级电压U2约为

但在其他示例性实施例中可以根据应用进行调整。

在该示例性实施例中，电压传感器1的响应因数(特别是电容器配置部的电容)在-40℃至80℃的温度范围内是恒定的。特别地，电容器配置部的电容(即图3中的电容C1)在该示例性实施例中约为6pF。

本发明不限于图示的示例性实施例，而是包括专利权利要求范围内的所有其他电压传感器和分压器。

附图标记列表

1 电压传感器

2 核心区域

3 电阻器

4 第一电极

5 高压端子

6 第二电极

7 信号连接部

8 第三电极

9、9'、9” 调制元件

10 基体

11 涂层

12 护套区域

13 纵向轴线

Claims (15)

1.一种电压传感器(1)，具有电气高压端子(5)、电信号连接部和接地端子(7)，其中，所述电压传感器(1)包括核心区域(2)，所述核心区域(2)具有布置在其中的电阻器(3)和布置在其中的电容器配置部，其中，所述电容器配置部

-具有连接到所述高压端子(5)的第一电极(4)，

-具有连接到所述信号连接部的第二电极(6)，

-其中，所述第一电极(4)和所述第二电极(6)经由所述电阻器(3)导电连接，

其特征在于，

-所述电容器配置部具有连接到所述接地端子(7)的第三电极(8)，其中

-所述第一电极(4)、所述第二电极(6)和所述第三电极(8)各自具有多个导电的、基本呈指状或棒状的调制元件(9、9'、9")，所述调制元件(9、9'、9")优选地平行于所述电压传感器(1)的纵向轴线(13)延伸。

2.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述调制元件(9、9'、9")呈环形分布，优选地布置在基本上彼此同心的环上。

3.根据权利要求2所述的电压传感器，其特征在于，所述第一电极(4)的调制元件(9)和所述第二电极(6)的调制元件(9')基本上布置在相同半径的环上，优选地布置在约8mm至约22mm的半径的环上。

4.根据权利要求2或3所述的电压传感器，其特征在于，所述第三电极(8)的调制元件(9”)布置在位于所述第一电极(4)的调制元件(9)和所述第二电极(6)的调制元件(9')所在的环外侧的半径的环上，优选地布置在约15mm至约40mm的范围的半径的环上。

5.根据权利要求4所述的电压传感器，其特征在于，所述第三电极(8)的调制元件(9")所在的环的半径比所述第一电极(4)的调制元件(9)所在的环的半径和第二电极(6)的调制元件(9')所在的环的半径大50％左右。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述调制元件(9、9'、9")各自具有约10mm至约60mm的长度和约1.5mm至约10mm的直径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述第一电极(4)的调制元件(9)和所述第二电极(6)的调制元件(9')沿它们的纵向延伸方向不具有重叠区域，所述调制元件(9、9')的尖端优选地间隔开约10mm至约25mm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述调制元件(9、9'、9")各自包括基体(10)和导电涂层(11)，所述基体(10)基本上电绝缘。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述调制元件(9、9'、9")各自包括导电添加物和基本上电绝缘的基础化合物，所述添加物优选地包括碳纳米颗粒或由碳纳米颗粒组成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述第三电极(8)的调制元件(9")至少部分地、优选地完全地与所述第一电极(4)的调制元件(9)和所述第二电极(6)的调制元件(9')在它们的纵向延伸方向上重叠。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述第一电极(4)和所述第二电极(6)各有六个至十四个、优选地八个至十二个调制元件(9、9')，所述第三电极(8)有14个至26个、优选地18个至22个调制元件(9")。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述电容器配置部在20℃的温度、50％的相对湿度、1000mbar的压力和50Hz的电流频率下具有0.1pF至30pF、优选地0.5pF至15pF的电容。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的电压传感器，其特征在于，所述核心区域(2)包括包含硅氧烷基聚合物的电介质或由硅氧烷基聚合物组成的电介质。

14.一种分压装置，所述分压装置包括根据权利要求1至13中任一项所述的电压传感器(1)。

15.一种配置结构，其中将根据权利要求14所述的分压装置设置在电网的开关装置的连接元件处。

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