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HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
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a) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostatischen kapazitiven
Transformator mit Spannungsteilung, der ein Starkstromkabel oder
eine isolierende Sammelschiene verwendet und auf einen Spannungsdetektor
anwendbar ist.
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b) Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein
Spannungstransformator (ein so genannter VT) umfasst einen induktiven
VT mit einer Transformatorstruktur und einen elektrostatischen kapazitiven
VT mit in Reihe geschalteten Kondensatoren.
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Eine
Verwendungsunterteilung zwischen dem induktiven VT und dem elektrostatischen
kapazitiven VT wird im Allgemeinen in der folgenden Weise gemäß einer
Leitungsspannung (Systemspannung) vorgenommen.
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In
einem Fall eines Umspannwerks vom offenen Typ und eines Leistungserzeugungswerks
wurde der induktive VT bis zur Leitungsspannung von 36 kV verwendet
und der elektrostatische kapazitive VT mit Spannungsteilung wurde
für eine
Hochspannungsanwendung gleich oder höher als 72,5 kV verwendet.
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Außerdem wurde
in einem Fall eines Leistungserzeugungswerks oder eines Umspannwerks
in einem GIS (gasisolierten Schaltgerät) der induk tive VT bis zu
245 kV verwendet und der elektrostatische kapazitive VT mit Spannungsteilung
wurde für
eine Spannungsanwendung, die höher
ist als 300 kV, verwendet.
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Eine
Grenze zwischen der Verwendungsunterteilung zwischen dem induktiven
VT und dem kapazitiven VT ist nicht streng bestimmt, sondern ist aus
einem wirtschaftlichen Grund bestimmt, wie z. B. welcher Typ der
zwei Transformatoren unter derselben Spezifikation preiswerter ist.
Wenn die Spannung erhöht
wird, ist der elektrostatische kapazitive Transformator mit Spannungsteilung
im Allgemeinen wirtschaftlich vorteilhafter als der induktive VT.
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Die
Erstveröffentlichung
der japanischen Patentanmeldung Nr. Heisei 8-51719, veröffentlicht
am 20. Februar 1996 (entspricht dem Patent der Vereinigten Staaten
Nr. 5 493 072, erteilt am 20. Februar 1996), veranschaulicht einen
vorher vorgeschlagenen in Reihe geschalteten kapazitiven abgestuften Hochspannungs-Kabelabschluss
und Hängeisolator. Die
Erstveröffentlichung
der japanischen Patentanmeldung Nr. Heisei 10-79205, veröffentlicht
am 24. März
1998, veranschaulicht ein vorher vorgeschlagenes Starkstromkabel.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
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Wenn
eine Gleichspannung (DC-Spannung) an den vorstehend beschriebenen
induktiven VT angelegt wird, wie z. B. ein Gleichspannungsisolations-Stehspannungstest
oder ein Gleichspannungsisolationstest, und dann eine Frequenz auf
Null gesetzt wird, wird der induktive VT nach dem Erzeugen der Impedanz
von ωL0 aufgrund einer Anwesenheit einer Reaktanz
(L0) Null. Daher kann eine Isolationsprüfung in
einer echten Bedeutung des Begriffs nicht durchgeführt werden,
wenn nicht der induktive VT einem Test unterzogen wird, wobei der
VT von der Leitung des Systems getrennt ist. Folglich ist eine speziell
installierte Trennvorrichtung oder Ziehvorrichtung erforderlich.
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Wenn
der induktive VT versehentlich getestet wird, wenn seine Wicklungsanschlüsse direkt
mit der Leitungsspannung verbunden sind, besteht eine große Möglichkeit,
dass der induktive VT mit einem Kurzschlussstrom zerstört wird,
dessen Fluss aufgrund der Impedanz von Null verursacht wird. Daher gibt
es viele Fälle,
in denen eine Leistungssicherung an einer Primärwicklung des induktiven VT
mit der Spannungsspezifikation, die gleich oder unterhalb 3,6 kV
liegt, angebracht wird.
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Im
Fall des elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
(VT) tritt andererseits ein solches Problem, wie vorstehend beschrieben,
nicht auf. Wirtschaftlich mit dem elektrostatischen kapazitiven
Transformator mit Spannungsteilung selbst und seinen Zubehörteilen
verglichen wird daher erwartet, dass ein Verwendungsbereich des
elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
erwartet werden kann.
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Zusammen
mit einer Entwicklung in einem digitalen Messgerät und/oder einem digitalen
Relais wird dann eine sekundäre
Last des VT (Spannungstransformators) extrem gesenkt. Der VT besitzt
eine Last, die herkömmlich
200 VA angibt, die jedoch in letzter Zeit auf 30 VA verringert wird.
Außerdem
besitzt der VT gleich der oder höher
als die Spannung von 72,5 kV die Last, die herkömmlich 500 VA angibt, die jedoch
in letzter Zeit 50 VA angibt. In der Zukunft wird eine Verringerungsrate
der sekundären
Last erhöht.
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Im
GIS (gasisolierten Schaltgerät)
gibt es viele Fälle,
in denen der induktive VT verwendet wurde.
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Wenn
eine Spannungserfassung ohne eine Vergrößerung des Raums durchgeführt werden
kann oder wenn die Spannungserfassung ohne Verwendung von SF6-Gas
durchgeführt
werden kann, kann der VT möglicherweise
der kapazitive VT sein. Eine Grenze für die Herstellung des kapazitiven
VT kann ferner erweitert werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrostatischen
kapazitiven Transformator mit Spannungsteilung unter Verwendung
eines Starkstromkabels oder einer isolierenden Sammelschiene zu
schaffen, der keinen Installationsraum erfordert.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrostatischer kapazitiver
Transformator mit Spannungsteilung nach Anspruch 1 geschaffen.
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Diese
Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise
alle erforderlichen Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Teilkombination
dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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1 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines elektrostatischen kapazitiven
Transformators mit Spannungsteilung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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2 ist
ein schematisches Verbindungsdiagramm (Verdrahtungsdiagramm) eines
elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
vom Drei-Phasen-Typ, der mit einem Spannungstransformator mit niedriger
Spannung verbunden ist.
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3 ist
eine Längsschnittansicht
eines elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung,
der auf ein GIS (gasisoliertes Schaltgerät) anwendbar ist.
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4 ist
eine schematische Seitenansicht einer elektrischen Leistungsvorrichtung,
die ein Anwendungsbeispiel des in 1 gezeigten
elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
darstellt.
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5 ist
eine seitliche Querschnittsansicht des elektrostatischen kapazitiven
Transformators mit Spannungsteilung in einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform.
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6 ist
eine Längsschnittansicht
des elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
in einer dritten bevorzugten Ausführungsform, die auf das GIS
anwendbar ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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Nachstehend
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, um ein besseres Verständnis der vorliegenden
Erfindung zu erleichtern.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
eines elektrostatischen kapazitiven Spannungstransformators vom
Spannungsteilungstyp (auch elektrostatischer kapazitiver Transfor mator
mit Spannungsteilung genannt, als CVT abgekürzt) unter Verwendung eines Starkstromkabels
oder in einer isolierenden Sammelschiene.
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Der
mit einem Bezugszeichen 1 bezeichnete ganze CVT umfasst:
einen inneren Leiter 2 mit einer Kreisform im Querschnitt;
eine innere Halbleiterschicht 3, um eine Relaxation des
elektrischen Feldes und Potentials um den Leiter 2 zu bewirken;
eine Hauptisolierschicht 4; und eine äußere Halbleiterschicht 5,
um eine Relaxation des elektrischen Feldes und Potentials zu bewirken.
Diese Schichten 3, 4 und 5, die den Leiter 2 in
dieser Reihenfolge umschließen,
liegen in Form entweder eines Starkstromkabels oder einer isolierenden
Sammelschiene vor.
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Der
CVT 1 umfasst ferner eine Metallschicht 6 für einen
elektrostatischen Kapazitätsspannungsteilungszweck
(nachstehend erste Metallschicht genannt); eine Zusatzisolierschicht 7;
eine Massemetallschicht 8 (nachstehend auch zweite Metallschicht genannt);
und eine Schutzschicht 9, die als äußerste Schicht des CVT 1 dient
und die gemäß ihrer
Notwendigkeit auf der zweiten Metallschicht 8 angeordnet
ist. Ein Spannungsteilungsabgriff T ist mittels eines isolierten
Drahts 10 von der Spannungsteilungs-Metallschicht 6 herausgeleitet
und ein Masseabgriff E ist von der zweiten Metallschicht 8 mittels
eines leitenden Drahts 11 herausgeleitet.
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Die
Schutzschicht 9 ist so installiert, dass eine Beseitigung
von mechanischer Spannung, eine Witterungsbeständigkeitseigenschaft und eine
Wärmeableitung
berücksichtigt
sind.
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Das
Material und die Dicke der Hilfsisolierschicht 7 sind so
ausgewählt,
dass eine Kapazität
C2 über
der Isolierschicht 7 so abgeleitet ist, dass ein Verhältnis davon
zu einer Kapazität
C1 über
der Hauptisolierschicht 4 berücksichtigt ist.
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Außerdem ist
von der elektrischen Kapazitätsspannungsteilungs-Metallschicht
(ersten Metallschicht) 6 der Spannungsteilungsabgriff T über den isolierten
Draht 10 zu irgendeinem der Kabelverbindungspunkte herausgeleitet
und von der Massemetallschicht (zweiten Metallschicht) 9 wird
der leitende Draht 11 verwendet, um den Masseabgriff E
herauszuleiten.
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Für die Spannungsteilungskondensatoren
C1 und C2 ist das
Verhältnis
C1/C2 konstant,
obwohl sich jede Kapazität
mit der Länge
des Starkstromkabels oder der isolierenden Sammelschiene ändert. Daher wird
eine minimale erforderliche elektrostatische Kapazität für jede Spannung
bestimmt. Wenn die Kabelgröße bestimmt
wird, wird eine kürzeste
Länge des Kabels
berechnet, so dass ein freies Anlegen über der Länge des Kabels durchgeführt werden
kann.
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2 zeigt
ein Anwendungsbeispiel des in 1 gezeigten
CVT 1 auf einen Drei-Phasen-CVT.
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In 2 sind
drei derselben CVTs (1R, 1Y, 1B), wie in 1 gezeigt,
mit dem Masseabgriff E als neutralem Punkt in einem Stern verbunden.
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Ferner
sind die Drei-Phasen-Abgriffe TR, TY und TB herausgeleitet
und sind mit einem Drei-Phasen-VT-Kasten 22 mit niedriger
Spannung über
entsprechende isolierte Kabel mit niedriger Spannung (oder einen
abgeschirmten Draht mit niedriger Spannung) 21 verbunden.
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Jedes
isolierende Kabel 21 mit niedriger Spannung ist ferner
mit einer entsprechenden Primärwicklung 26 eines
Drei-Phasen-VT 25 mit niedriger Spannung unter Verwendung
eines Eisenkerns 24 mit fünf Zweigen über seine entsprechende Drosselspule 23 verbunden.
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Eine
Schaltungsform von jeder Primärwicklung 26,
jeder Sekundärwicklung 27 und
jeder dritten Wicklung 28 ist ein Stern, ein Stern und
eine offene Dreieckfarm und neutrale Sternpunkte in den Sternschaltungsformen
sind auf Masse gelegt.
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Es
ist nicht erforderlich, den VT-Kasten 22 mit niedriger
Spannung direkt am CVT 1 anzubringen.
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Der
VT-Kasten 22 mit niedriger Spannung kann jedoch in einer
Position angebracht werden, die vom CVT 1 geringfügig weit
entfernt ist, beispielsweise in einer Position außerhalb
eines Tanks eines GIS (gasisolierten Schaltgeräts). Die Ausgangsenden von
jeder Sekundärwicklung 27 und
jeder dritten Wicklung 28 des VT 25 mit niedriger
Spannung von einem Anschlusskasten 29 sind zu entsprechenden Eingangsenden
eines digitalen Messgeräts
oder eines digitalen Relais (nicht dargestellt) geführt.
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3 zeigt
ein Beispiel einer Anwendung des in 1 gezeigten
elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
auf eine GIS-Vorrichtung.
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Wie
in 3 gezeigt, ist beim CVT 1 ein Ende 22 des Leiters 2 mit jedem Schichtelement,
d. h. der inneren Halbleiterschicht 3, der Hauptisolierschicht 4,
der äußeren Halbleiterschicht 5,
der ersten Metallschicht 6, der Zusatzmetallschicht 7 und
der zweiten Massemetallschicht 8 dichtend umschlossen.
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Der
CVT 1 ist mit der Schutzschicht 9 bedeckt, wobei
ein Leiter 22 vom anderen Ende
des Leiters 2 vorsteht.
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Andererseits
ist eine Buchse 32 mit einem Leiter 21 vorgesehen,
der verwendet wird, um ein Vorrichtungsgefäß 31 wie z. B. GIS
zu verbinden, und ein Verbindungsstecker 34 ist installiert,
um den CVT 1 mit einem inneren Leiter 33 des Vorrichtungsgefäßes 31 zu
verbinden. Der Buchsenleiter 21 ist
mit dem Verbindungsstecker 34 verbunden. Ein Verbindungsstecker 23 ist installiert, um eine Verbindung
zwischen dem Leiter 21 auf der
Buchsenseite und dem Leiter 22 auf
der CVT-Seite zu ermöglichen.
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Wenn
der CVT 1 in die Buchse 32 eingefügt wird,
kann dann der Leiter 22 auf der
CVT-Seite mit dem inneren Leiter 33 des GIS über den
Leiter 21 auf der Buchsenseite
verbunden werden. Der Teilspannungsabgriff T und der Masseabgriff
E sind aus dem CVT 1 herausgeleitet und stehen von der
Außenseite des
GIS vor. Es wird angemerkt, dass eine hermetische Abdichtung zwischen
der Buchse 32 und dem Vorrichtungsgefäß 31 und zwischen
der Buchse 32 und dem CVT 1 vorgesehen ist und
der CVT 1 eng in die Buchse 32 eingefügt werden
sollte.
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4 zeigt
ein weiteres Beispiel der Anwendung des elektrostatischen kapazitiven
Transformators mit Spannungsteilung (CVT), der in 1 gezeigt
ist.
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In 4 ist
ein Starkstromkabel 11 , das mit einer
Vorrichtung 41 verbindet, oder eine isolierende Sammelschiene 12 , die zwischen die Vorrichtungen 41 und 41 geschaltet
ist, aus dem CVT in derselben Weise, wie in 1 gezeigt,
gebildet. Kabelverbindungsstecker 42 sind an den entsprechenden
Vorrichtungen 41 und 41 angebracht. Der Abgriff
T und der Masseabgriff E (nicht dargestellt) sind von einem der
Verbindungsstecker 42 herausgezogen. Das Starkstromkabel 11 funktioniert sowohl als Kabel als auch
als CVT und die isolierende Sammelschiene 12 funktioniert
als Sammelschiene und als CVT. Der Abgriff T und der Masseabgriff
E sind immer ein Paar und einer der jeweiligen Seitenverbindungsstecker ist
als Abgriff T und als Masseabgriff E herausgezogen.
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Wenn
jedes Isolationsmaterial der Haupt- und der Zusatzisolierschichten 4 und 7 aus
einem thermoplastischen Material besteht, kann ein flexibler CVT
als Starkstromkabel erreicht werden.
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Wenn
jedes Isolationsmaterial der Haupt- und der Zusatzisolierschichten 4 und 7 aus
einem wärmehärtbaren
Material besteht, kann der CVT mit einer hohen Steifigkeit und einer
großen
mechanischen Festigkeit, wie z. B. ein aus Epoxid geformtes Produkt,
erreicht werden.
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Als
nächstes
zeigen 5 und 6 eine zweite und eine dritte
bevorzugte Ausführungsform des
elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung.
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Der
CVT 1 in jeder der zweiten und der dritten bevorzugten
Ausführungsform
des elektrostatischen kapazitiven Transformators mit Spannungsteilung
umfasst: den im Wesentlichen zylindrischen inneren Leiter 2,
der eine Sammelschiene ist, die zum Verbinden der Vorrichtung mit
einem GIS verwendet wird und die in der Lage ist, den Strom mit
denselben Werten wie im Fall von 1 zu führen; die
innere Halbleiterschicht 3; die Hauptisolierschicht 4;
die äußere Halbleiterschicht 5;
die erste Metallschicht 6; die Zusatzisolierschicht 7;
und die zylindrische Massemetallschicht 8 nacheinander
auf dem inneren Leiter in derselben Weise, die in 1 gezeigt
ist.
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Eine
weitere Zusatzisolierschicht 61, eine weitere erste Metallschicht 62,
eine weitere Halbleiterschicht 63, eine weitere äußere Hauptisolierschicht 64,
eine weitere Halbleiterschicht 65 und ein weiterer äußerer Leiter 66,
die aus einer zylindrischen Folie bestehen, sind auf der zweiten
Massemetallschicht in dieser Reihenfolge angeordnet. Ferner sind
eine weitere Halbleiterschicht 67, eine weitere äußere Hauptisolierschicht 68,
eine weitere Halbleiterschicht 69, eine weitere erste Metallschicht 70, eine
weitere Zusatzisolierschicht 71, eine weitere zweite Massemetallschicht 72 und
eine weitere Schutzschicht 73 in dieser Reihenfolge angeordnet.
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Es
wird angemerkt, dass der innere Leiter 2 mit dem äußeren Leiter 66 über einen
isolierten Draht 74 verbunden ist, um den äußeren Leiter 66 auf
dasselbe Potential zu bringen wie den inneren Leiter. Außerdem sind
die ersten Metallschichten 6, 62, 70 über einen
weiteren isolierten Draht 75 miteinander verbunden, um
den Abgriff T zu erzeugen. Ferner sind die zweiten Massemetallschichten 8 und 72 über den
isolierten Draht 76 verbunden, um einen Abgriff E zu erzeugen.
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Es
soll angenommen werden, dass die elektrostatische Kapazität zwischen
dem inneren Leiter 2 und der ersten Metallschicht 6 C1 ist, die elektrostatische Kapazität zwischen
der ersten Metallschicht 6 und der zweiten Massemetallschicht 8 C2 ist, eine elektrostatische Kapazität zwischen
der zweiten Massemetallschicht 8 und der weiteren ersten
Metallschicht 62 C2' ist, eine elektrostatische
Kapazität
zwischen der weiteren ersten Metallschicht 62 und dem äußeren Leiter 66 C1' ist,
eine elektrostatische Kapazität
zwischen dem äußeren Leiter 66 und
der weiteren Metallschicht 70 C1'' ist und eine elektrostatische Kapazität zwischen
der ersten Metallschicht 70 und der weiteren zweiten Metallschicht 72 C2'' ist.
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Eine
elektrostatische Kapazität
zwischen dem inneren Leiter 2 und dem Abgriff T ist C1 = C1' = C1''. Eine elektrostatische Kapazität zwischen
dem Abgriff T und dem Masseabgriff E ist C2 +
C2' +
C2''. Ein großer CVT
mit einer großen
elektrostatischen Kapazität
kann erreicht werden.
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Ferner
wird angemerkt, dass, um die Spannung zwischen dem inneren Leiter 2 und
dem Masseabgriff E gleich in dieselben Spannungen mittels der ersten
Metallschichten 6, 62 und 70 zu teilen, nämlich die
folgenden Gleichheiten C1 = C1' = C1'' und C2 = C2' =
C2'' zu schaffen, eine
Dicke und absolute Dielektrizitätskonstante
(Dielektrizitätskonstante)
jeder Isolierschicht entworfen werden.
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Die
in 6 gezeigte Buchse 32 umfasst den Leiter 21 auf der Buchsenseite in derselben
Weise, wie in 3 gezeigt. Die Buchse 32 ist
am Vorrichtungsgefäß 31 befestigt.
Ein Leiter 23 ist an einem unteren
Ende des Leiters 21 auf der Buchsenseite
installiert. Ein großer
Strom kann durch den inneren Leiter 2 des CVT 1 zu
einer Last geliefert werden. Die Teilspannung kann aus dem Abgriff
T ausgegeben werden.
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In
der zweiten Ausführungsform
kann der CVT mit der relativ großen elektrostatischen Kapazität und mit
der Sammelschiene, die zum Verbinden der Vorrichtung mit dem GIS
verwendet wird, erreicht werden. Wenn ein Stromtransformator vom
Eindringtyp mit niedriger Spannung oder ein Stromtransformator vom
Teilungstyp mit niedriger Spannung an einer Außenseite dieser Sammelschiene
angeordnet ist, dient der in 5 oder 6 gezeigte
CVT als Sammelschiene, die als Spannungs- und Stromtransformator
für den
Zweck eines integrierten Instruments fungiert.
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Es
wird angemerkt, dass der CVT 1 in jeder der zweiten und
der dritten Ausführungsform,
die in 5 oder 6 gezeigt sind, den einzelnen äußeren Leiter
umfasst. Eine Vielzahl von äußeren Leitern können jedoch
konzentrisch installiert werden, die Massemetallschicht kann zwischen
die jeweiligen äußeren Leiter
eingefügt
werden. Die Halbleiterschicht, die Hauptisolierschicht, die Halbleiterschicht,
die erste Metallschicht und die Zusatzisolierschicht können zwischen
den jeweils entsprechenden der äußeren Leiter
und der zweiten Massemetallschichten installiert werden. Dann können der
innere Leiter und die Vielzahl von äußeren Leitern über einen
elektrischen Draht 74 verbunden werden. Die Metallschicht
und jede Massemetallschicht werden mit den elektrischen Drähten 75 und 76 verbunden,
um den CVT mit der weiteren großen
elektrostatischen Kapazität zu
erreichen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung
nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt.
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Modifikationen
und Veränderungen
der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kommen Fachleuten
angesichts der obigen Lehren in den Sinn. Der Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf die folgenden Ansprüche definiert.