CN1800860A - 用于在高压线上进行测量的高度热稳定的电容器 - Google Patents

用于在高压线上进行测量的高度热稳定的电容器 Download PDF

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Abstract

一种用于在高压线上进行测量的高度热稳定的电容器，所述电容器包括：高压电极(HT)；环形印刷电路(CI)，其同轴地围绕所述高压电极(HT)，并具有至少一个形成低压电极(BT)的导电线路，所述电容器的特征在于，印刷电路(CI)还具有至少一个热敏电阻器(TH)。

Description

用于在高压线上进行测量的 高度热稳定的电容器
技术领域
本发明涉及一种用于测量高压设备的一次电压的电容器。具体来说，本发明涉及气体绝缘金属包皮的高压电气设备，例如气体绝缘电缆、或气体绝缘高压变电站元件。
背景技术
专利文件例如FR 2,828,003或FR 2,705,492中披露了这种电容器。
专利文件FR 2,828,003中所描述的电容器具有连接至“零”参考电位，通常连接至主设备的电气接地的壳体(ENV)。壳体(ENV)具有环形内表面，印刷电路(CI)机械且弹性地压住该环形内表面，即，方式为例如允许印刷电路(CI)膨胀但其保持压住壳体(ENV)的内表面。
所要测量的经受高电压的元件电连接至该电容器的高压电极(HT)。该电容器的高压电极(HT)通常由圆柱形金属杆构成。该金属杆被低压电极(BT)围绕，其通过环形印刷电路(CI)的导电线路(track)来实现。印刷电路(CI)相对于壳体(ENV)来机械地定位低压电极(BT)，同时还使所述低压电极(BT)与壳体(ENV)电绝缘。高压电极(HT)、印刷电路(CI)、和壳体(ENV)的内表面同轴地组装在一起。
该电容器结构导致出现两个电容器，即高压电容器Cht和低压电容器Cbt。电容器Cht的极板分别是高压电极(HT)和低压电极(BT)，其电介质是气体，壳体填充有该气体。电容器Cbt的极板分别是低压电极(BT)和壳体(ENV)，其电介质是印刷电路的基板，其基板通常由基于环氧树脂和玻璃纤维等的合成材料制成。
测量的稳定性和精确性取决于电容Cht的稳定性和精确性，其值由下面的关系式给出：
C ht = 2 · π ϵ 0 · ϵ r · S D · ln ( D d )
其中ε0是真空的介电常数，εr是介电气体的相对介电常数，D是低压电极的直径，d是高压电极的直径，S是低压电极(BT)受高压电极(HT)感应的面积。如果低压电极(BT)是以并联的多个电极元件的形式来实现，则S表示这些电极元件的总面积。
为了实现非常高精确性的电压测量，因此有必要实现非常精确和非常稳定的电容Cht。
这种电容器通常涉及高压电气设备，其经受气候状况和工作状况导致的温度变化。就一般应用而言，这种温度变化通常在从-25℃到+55℃的范围，而对特殊的应用来说，则远远超出此范围。
这种温度变化导致电容器的组成材料膨胀和收缩，除非采取特殊的防范，否则这会改变电容器Cht的电容。专利FR 2,828,003和FR 2,705,492中描述了这种旨在解决这些材料膨胀和收缩问题的设置。
发明内容
除了材料膨胀和收缩的问题以外，电容Cht取决于用作电介质的气体的相对介电常数εr。该介电常数进而取决于填充壳体(ENV)的气体的密度，其密度可在额定填充值与可能的气体泄漏导致的最小容许值之间变化。该相关性由从Clausius-Mosotti等式推导出的以下关系式表示：
ϵ r = 1 + 2 · κ · ρ 1 - κ · ρ
其中， κ是常数，该常数是气体的特性，与其电子极化率相关，并与其原子质量相关。现实当中，κ·ρ<<1。因此，当保持良好精确性时，该公式变为：
εr≈1+3·κ·ρ
本领域公知的技术是连续地测量气体的密度ρ，以通过计算从ρ的知识推导出的其相对介电常数中的变化来自动地进行修正。所述密度可直接通过密度计 本身来测量，或利用测量气体的压强P和温度并通过气体方程计算密度ρ的方法间接测量，该方法既适合于纯气体，又适合于混合气体。
不幸的是，现实当中，由于环境(太阳、雨等)的影响和该设备中的一次电流产生的热量的影响相结合所产生的温度渐变，导致高压设备中所用的气体的密度是不均匀的。然而，压强P是均匀的，并且测量压强不会有难度。
本发明的一个目的在于继续解决电容器的组成材料膨胀和收缩所涉及的问题，同时还在于通过改进电容器Cht的高压电极与低压电极之间的气体的平均温度T的测量来提高测量密度ρ的精确性。
为此，本发明提供了一种如上述专利申请FR 2,828,003中所述的用于在高压线上进行测量的高度热稳定(highlytemperature-stable)的电容器，所述电容器包括：高压电极(HT)；环形印刷电路(CI)，其同轴地围绕所述高压电极(HT)，并包括至少一个形成低压电极(BT)的导电线路，本发明的电容器其特征在于，印刷电路(CI)还具有至少一个热敏电阻器(TH)。
热敏电阻器是两极元件，其电阻根据作为其所经受温度的函数的一种公知的关系而变化。
低压电极的印刷电路上的热敏电阻器的定位使其能够测量尽可能靠近电容器的，该电容器的电极之间的气体，特别是其电介质的温度。正如上述的现有技术，印刷电路优选地保持弹性地抵触壳体ENV的内壁。
在本发明的电容器的一个优选实施例中，在热敏电阻器与高压电极(HT)之间置入金属屏蔽(EM)，以保护热敏电阻器免遭高压的影响。
在本发明的电容器的另一优选实施例中，热敏电阻器由印刷电路的至少一个导电线路构成。
热敏电阻器的这样构造使得能够非常可靠地测量温度，因为它给出了电容器内部很大面积之上温度的平均观察。
在本发明的另一优选实施例中，热敏电阻器的导电线路是铜线路，因为铜是印刷电路技术中的基本材料，并且对于制造热敏电阻器而言，尤其是对于考虑到高压设备的最常规温度范围而言，其具有理想的热特性。
另外，本发明的电容器可具有以下特征：
热敏电阻器的线路和低压电极的线路是围绕高压电极的环形线路；
热敏电阻器的线路具有正的或倾斜的希腊纹案(Greek friezepattern type)的形状；
热敏电阻器的线路具有长的、电串联或并联的平行直线段；
印刷电路是双面印刷电路，以及热敏电阻器通过位于该印刷电路的单侧上的线路形成；
印刷电路是双面印刷电路，以及热敏电阻器通过位于印刷电路的任意一侧上的线路形成；
印刷电路是多层类型的，以及热敏电阻器形成于其所嵌入的任意一层上或表面层上；以及
热敏电阻器的线路和低压电极的线路被连接至“零”参考电压的保护线路分开。
热敏电阻器的线路的任意一侧通过连接至“零”参考电压的保护线路而侧面连接。
在一个实施例中，低压电极BT耦合至电路，该电路电伺服控制其电压至参考电压。
附图说明
通过阅读下面的说明和参照所附的附图，可以更好地理解本发明。所给说明是示例性的而不是用于限制本发明。当元件执行与现有技术相同的功能时，以下说明中所用的标号与上述的现有技术中所用的标号相同。在附图中：
图1是本发明的电容器的一个具体实施例的剖视图；
图2是与图1所示的器件相同的器件的示图，但其还具有一个或多个用于保护热敏电阻器的金属屏蔽；
图3是电路图，该电路被设计用于使高压和低压电容器之间连接点的电位保持恒定；
图4是本发明的电容器的热敏电阻器的线路的剖视图；以及
图5至图9示出了用于本发明的电容器的热敏电阻器的线路的各种可行的图形。
具体实施方式
如图1所示，本发明的高度热稳定的电容器是一种环形电容器。在该电容器中，在同一印刷电路上实现了两个对称的系统，目的在于产生冗余。
该电容器具有沿着主轴线AX延伸的高压电极HT。图1是一个电容器的关于包含了所述轴线AX的剖面的视图。在该实例中，电极HT是直径为 d的圆柱形金属杆，其被低压电极BT和热敏电阻器TH同轴地围绕，低压电极BT和热敏电阻TH其形式都是直径为D的环形印刷电路CI的导电环形线路。例如，印刷电路CI被保持在金属壳体ENV中，该金属壳体用于耦合至填充有介电气体例如六氟化硫SF6的金属包装设备。在该实例中，印刷电路CI包括布置在对称平面的任意一侧上的，两个相同且对称的子系统，该对称平面垂直于轴线AX。每个子系统由各自的宽导电线路BT1、BT2以及各自的线路TH1、TH2形成，两个线路BT1和BT2一起构成了低压电极BT，以及两个线路TH1和TH2一起构成了热敏电阻器TH。具体而言，每个线路TH1、TH2可采用图5至图9中所示的任意一种形状。下面将描述这些附图。这组可导电的并相互绝缘的四个不同的线路BT1、BT2、TH1、TH2设置于印刷电路CI的内表面上。
线路BT1、BT2、TH1、TH2形成围绕高压杆HT的圆形带子(band)，在图1和图2中用最黑的且最靠近对称轴AX的区域来表示它们。这些带子沿着轴线AX相互分开。在印刷电路CI上，热敏电阻器TH的线路TH1、TH2，和低压电极BT的线路BT1、BT2不一定分别地相互连接。更具体来说，热敏电阻器TH的这两个线路可以用作彼此独立的热敏电阻器TH，并且印刷电路上的线路的数量可以改变。将电阻测量仪器(未示出，且 本身是公知的)在图5至图9中所示的点B1和B2处连接至热敏电阻器TH的线路，并在这些点测量电阻。此外，其电极未连接至壳体ENV的低压电极BT的两个线路BT1、BT2也可用作彼此独立的低压电极BT。如同其他公知的电容器，将低压电极BT耦合至壳体ENV，其本身经由电容Cbt接地。这样，将高频电流转向地。
应该注意，印刷电路CI在其外表面之上还可具有宽导电线路，所述导电线路通过该结构连接至地。该设置确保了辅助电容Cbt的值在控制之下保持得更好。
在本发明的电容器中，借助具有分布常数且与低压电极BT共用同一印刷电路CI的温度传感器来测量温度。由热敏电阻器TH构成的所述传感器对其整个面积之上的温度给出整体测量。类似地，低压电极BT对其整个面积之上的电容Cht给出整体测量。在该实例中，热敏电阻器TH由一个或多个其电阻率随着变化的温度而变化的导电线路形成。从图1中可以看到，热敏电阻器TH的线路TH1、TH2围绕低压电极BT的线路BT1、BT2，以测量到尽可能靠近该电容器且遍及该电容器的温度。优选地，热敏电阻TH的导电线路TH1、TH2由铜制成。铜在印刷电路技术中被普遍使用。其热特性对于制造热敏电阻器来说是理想的。在所讨论的通常领域的温度范围内，铜的电阻率随温度而剧烈变化，按照高值所示，其温度系数接近百万分之4000每摄氏度(ppm/℃)。印刷电路技术使得其容易形成总电阻为几十欧姆的线路。为此，足以选择一类蚀刻来满足期望的铜厚度和期望的线路宽度，例如，线路厚度范围为10微米(μm)到100μm，线路宽度范围为50μm到500μm，并且能够生成适合于期望电阻的长度的图形。典型值50欧姆很好地适合于这种要求，尽管其他值也是可以的。该值对于要容易地测量来说是足够的高，并且对于确保对电磁干扰的良好的抗干扰性来说是足够的低。
从热敏电阻器的电阻R的测量开始，从关系式R＝f(T)推导出印刷电路的表面温度，该关系式是该电容器的介电气体的平均温度T的良好估算。该测量然后首先能够修正由气体泄漏产生的介电常数变化的影响，其次是修正由于膨胀及其它热效应导致的电容Cht的残余温度漂移。
因此，很容易使电容器具有用于测量气体温度的传感器，这是便宜的且非常紧凑的。所述传感器直接位于电容所处的区域中，电容值使得能够确定气体的介电常数值。
图2示出了和图1所示相同的实施例，但是该实施例还包括一个或多个金属屏蔽EM。如上所述，所述一个或多个金属屏蔽介于热敏电阻器TH与高压电极HT之间。所述屏蔽保护热敏电阻器TH免遭高压的直接影响。
如同前一实例，高压电极HT、印刷电路CI、金属屏蔽EM、和壳体ENV的内表面同轴地组装在一起。
在本发明的优选实例中，低压电极BT的电压借助图3所示的电路10被电伺服控制至参考电压，例如，接地电压。
低压电极BT通过第一电阻器R1(例如约100欧姆等级的电阻)连接于差动放大器AOP的第一输入端N。差动放大器AOP的第二输入端P连接至地，其从而构成参考电压。差动放大器AOP的输出端S通过第二电阻器R2反馈至输入端N。
电容器Cbt表现为辅助电容器，在测量工频电压中不起作用，但可将设备所安装的网络或电网中开关元件(断路器或断路开关)的运动所产生的甚高频干扰接地。
然后流过电容器Cht并从低压电极BT中出现的电流因而是高压电极HT的电压的时间导数的忠实映像。当以该方式测量时，信号处理(本文未描述)使得可以例如通过数字积分，从其时间导数得到电压的精确映像。
因此，测量施加至本发明的电容器的电压减少了测量流过高压电容器Cht的电流。
图4是本发明的电容器的热敏电阻器的线路的剖视图。如图4所示，热敏电阻器TH的铜线路优选地被覆盖保护层。如图4所示，可在铜线路上连续地沉积用于避免氧化的镍和金层1、以及清漆的抗蚀层。
从图5到图9中可以看到，热敏电阻器TH的铜线路可以具有各种形状。图5至图9每个仅示出了一种线路图形，该图形被重复很多次。例如，在图5中，热敏电阻器THa的线路是在每一端具有接线端B 1和B2的直线路。在图6以及图7中，热敏电阻器THb和THc的线路分别由长的、平行的直线段构成，其中在图6中，两个接线端B1和B2位于同一侧，而在图7中则处于中间。在图8和图9中分别示出的热敏电阻器THd和THe的线路是希腊纹案，即具有回形(chicane)。在一个变化例中，该回形可以设置成倾斜的。在图8中，热敏电阻器THd的线路的端子B1和B2在同一侧且在线路的每一端，而在图9所示的实例中，热敏电阻器THe的线路形成闭合的电路，其端子B1和B2处于中间，因而与两条平行线路具有相同的特性。热敏电阻器TH的线路可具有多种其他的形状，其接线端设置于合适的位置。
环形印刷电路CI可由于是一起形成单个印刷电路的多段构成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于在高压线上进行测量的高度热稳定的电容器，所述电容器包括：高压电极(HT)；环形印刷电路(CI)，其同轴地围绕所述高压电极(HT)，并具有至少一个形成低压电极(BT)的导电线路，所述电容器的特征在于，所述印刷电路(CI)还包括至少一个热敏电阻器(TH)。
2.根据权利要求1所述的电容器，其中，一个或多个金属屏蔽(EM)介于所述热敏电阻器(TH)与所述高压电极(HT)之间。
3.根据权利要求1或2所述的电容器，其中，所述热敏电阻器(TH)由所述印刷电路的至少一个导电线路构成。
4.根据权利要求3所述的电容器，其中，所述热敏电阻器(TH)的所述导电线路是铜线路。
5.根据权利要求3或4所述的电容器，其中，所述热敏电阻器(TH)和所述低压电极(BT)的所述线路是围绕所述高压电极(HT)的环形线路。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电容器，其中，所述热敏电阻器(THd、THe)的所述线路具有希腊纹案的形状。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的电容器，其中，所述热敏电阻器(THb)的所述线路具有长的、平行直线段。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的电容器，其中，所述印刷电路(CI)是双面印刷电路，其中，所述热敏电阻器(TH)的至少一个线路形成于所述印刷电路的每一侧上。
9.根据权利要求3至7中任一项所述的电容器，其中，所述印刷电路(CI)是多层印刷电路，并且其中，所述热敏电阻器(TH)的至少一个线路被容纳于一个或多个内部层上。
10.根据权利要求3至7中任一项所述的电容器，其中，所述印刷电路(CI)是多层印刷电路，其中，所述热敏电阻器(TH)的至少一个线路被容纳于一个或多个外部层上。
11.根据权利要求3至7中任一项所述的电容器，其中，所述热敏电阻器的所述线路和所述低压电极的所述线路被连接至“零”参考电位的保护线路分开。
12.根据权利要求3至7中任一项所述的电容器，其中，所述热敏电阻器的所述线路的任意一侧通过连接至“零”参考电位的保护线路而侧面连接。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电容器，其中，所述低压电极(BT)耦合至电路(10)，所述电路电伺服控制其电压至参考电压。
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