電壓傳感器的制造方法

電壓傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于電網的高壓或中壓載電導體的電壓傳感器(1)，該載電導體諸如電力纜線的內導體或纜線連接器或匯流條。電壓傳感器具有管狀形狀和軸向通道(40)，該軸向通道可接收導體。電壓感測裝置包括a)徑向內電極(20)，能夠用作感測載電導體的電壓的感測電容器的第一感測電極，b)徑向外電極(30)，能夠用作感測電容器的第二感測電極，以及c)實心載體元件(10)，該實心載體元件的至少第一部分被布置在內電極和外電極之間，該第一部分能夠用作感測電容器的電介質。傳感器可被容納于纜線附件中。載體元件可包含陶瓷材料以提高準確度。
【專利說明】電壓傳感器
[0001]本發明涉及用于電網中的高壓或中壓的傳感器。特別地，本發明涉及用于感測高壓或中壓載電導體中的電壓的傳感器，該載電導體諸如電力配送網絡如國家電網中的電力纜線。本發明還涉及可與傳感器一起使用的纜線連接器，包括傳感器的纜線附件，以及傳感器與纜線連接器或與電力纜線的組合。本發明還涉及電壓傳感器在纜線連接器上的布置方法。
[0002]電力網的操作者使用電壓和電流傳感器在傳感器的安裝位置和各個纜線上監測電力網的狀態。在英國專利GB1058890中描述了一種用于高壓和中壓電力纜線的電壓傳感器的示例，其中纜線的絕緣導體和場感測探針電極由保護電極圍繞，并且其中保護電極和探針電極連接到高增益放大器的輸入端子。
[0003]電容式電壓傳感器特別適用于高壓應用，因為它們能夠避免纜線的內導體或連接至該內導體的連接器與傳感器的元件之間的流電耦接。歐洲專利申請EP 0882989 Al描述了一種高壓電容傳感器，其中隔離室由均勻電介質諸如玻璃或玻璃狀陶瓷制成。隔離段厚度決定了分壓器的分離因子。
[0004]電壓傳感器應當有利地較小。小尺寸可以使傳感器放置于纜線附件內，例如，置于電纜端子內、可分離連接器內或纜線接頭內。置于纜線附件內的傳感器免于受到附件外殼環境的影響。中國未經審查的專利申請CN 102543427示出了具有陶瓷電介質和中間通孔的環形電容器。然而，電極的交錯布置方式不見得節省空間。歐洲專利申請EP 0172634 Al討論了適用于測量架空電力線的電壓的高壓電容器。電容器電介質被直接安裝于電力線導體上，其用作電容器的一個電極。然而，傳感器看起來過大而無法裝配到典型的纜線附件中。
[0005]特別地，傳感器的形狀應當使載電導體諸如纜線或纜線連接器與傳感器相結合，以相對于導體具有較小的直徑。小直徑一般可以是有利的，例如，當導體和傳感器的組合容納于纜線附件時，如上所述，而且當纜線連接至開關設備的襯套時，因為開關設備上的襯套彼此被置于一定的距離處。如果例如第一電力纜線與傳感器結合的直徑較大，則第二纜線可能由于空間不足而無法連接到相鄰襯套。
[0006]為避免處于電接地的傳感器的元件和處于高壓或中壓的其他元件之間發生電擊穿和放電，已知傳感器采用相對較厚的電絕緣材料層。已知傳感器在感測電容器的電極之間使用厚的電介質層。由于這一原因，許多已知的電容式電壓傳感器過大而無法裝配在纜線附件內。特別地，它們過大而無法重新裝配在大多數現有纜線附件內。
[0007]本發明試圖解決這一問題。本發明提供了一種用于電網的高壓或中壓載電導體諸如電力纜線的內導體或纜線連接器或匯流條的電壓感測裝置，該電壓感測裝置具有管狀形狀以及限定軸向和徑向的軸向通道，該通道能夠接收載電導體，該電壓感測裝置包括
[0008]a)徑向內電極，其用作用于感測載電導體的電壓的感測電容器的第一感測電極，
[0009]b)徑向外電極，其用作感測電容器的第二感測電極，
[0010]c)實心載體元件，其至少第一部分被布置在內電極和外電極之間，該第一部分用作感測電容器的電介質。
[0011]根據本發明的電壓感測裝置具有管狀形狀并且包括徑向內(“內”)電極和徑向外(“外”)電極以及軸向通道。該通道能夠接收載電導體，諸如電纜纜線的內導體或纜線連接器。這可以形成節省空間的傳感器元件布置方式，使得傳感器足夠小以布置在纜線附件中。該電壓感測裝置可包括兩個或更多個外殼，這些外殼可彼此接合以形成具有管狀形狀的電壓感測裝置。這可使電壓感測裝置圍繞載電導體布置在與載電導體的一端距離較遠處。
[0012]在高壓或中壓電容傳感器中，一個電極通常處于高壓，而其他電極則處于低壓或電接地。高壓電極和低壓電極保持足夠好的電隔離對于避免電極之間發生電擊穿非常重要。電極之間的此類擊穿可通過布置在電極之間的材料發生，即，通過感測電容器的電介質發生。電極之間的擊穿還可沿電介質的表面發生(“表面擊穿”)。特別是對于幾何尺寸較小的傳感器，難以提供足夠的強度以避免表面擊穿，即，電極之間沿表面的電擊穿。本發明也試圖解決這一問題。在一個方面，本發明提供了如上所述的電壓感測裝置，其中內電極在第一軸向上向上延伸至內電極邊緣，其中外電極在第一軸向上向上延伸至外電極邊緣，并且其中載體元件被成形為使得沿載體元件的表面在外電極邊緣和內電極邊緣之間的幾何最短路徑具有至少3毫米的長度。
[0013]載體元件被成形為使得電極的邊緣之間沿載體元件表面的最短表面擊穿路徑或表面放電路徑為3mm或更長，提供更高的表面擊穿強度，并有助于確保足夠大的電阻，以免沿載體元件表面發生電擊穿。對于中壓和高壓感測，利用3mm或更大的路徑長度降低了表面擊穿的風險。已顯示，較短的路徑長度在某些情況下將增加表面擊穿的風險。
[0014]為保持較小的傳感器幾何尺寸，期望最大程度縮短內電極和外電極之間的幾何徑向距離，即，最大程度減小電介質的厚度。然而，厚度必須足以最大程度降低電極之間通過電介質的電擊穿風險。本發明試圖在保持傳感器的電阻足以避免通過電介質發生電擊穿的同時最大程度減小傳感器的幾何尺寸。為此，在一個方面，本發明提供了如上所述的電壓感測裝置，其中外電極在電壓感測裝置的軸向縱切面視圖中具有彎曲的外形，使得外電極的中心部分比外電極邊緣在徑向上更靠近通道的中心軸線。
[0015]彎曲的外形可為有利的，以便降低內電極和外電極之間發生電擊穿的風險。沿傳感器的軸向縱向截面上截取的外電極的彎曲外形可用于控制幾何應力。彎曲形狀可降低外電極邊緣處的場濃度。從而，降低電極之間通過電介質發生電擊穿的風險。利用該措施彎曲外電極輪廓可減小電極之間的間距。繼而可節省空間并可使傳感器的尺寸更小。
[0016]在一個具體實施方案中，彎曲的外形可具有直段和與直段相鄰的一個或兩個或更多個彎曲段。彎曲段可在背向中心通道的方向上彎曲。
[0017]或者，外電極可在電壓感測裝置的軸向縱切面視圖中具有直的外形，使得外電極的所有部分在徑向上與通道的中心軸線具有相等的距離。直的外形對于保持電壓感測裝置的總體尺寸較小可能是有利的，并且其可對于制造過程特別經濟有效。
[0018]在特定的軸向上，內電極向上延伸至邊緣(“外電極邊緣”)。內電極邊緣和外電極邊緣可以被布置在相同軸向位置中。
[0019]根據通過載電導體的負載電流不同，載電導體的溫度可為環境溫度或遠高于環境溫度。一些高壓纜線在80°C或更高溫度下工作。被布置成靠近纜線的內導體的傳感器或在其通道中接收內導體的傳感器的溫度將隨纜線的溫度變化而變化，即，將隨內導體變冷或變熱而變冷或變熱。從而，傳感器尺寸，特別是內電極和外電極之間的徑向距離，將隨纜線的溫度變化而變化。這一幾何變化導致由兩個電極和電介質形成的感測電容器的電容的變化，繼而導致傳感器輸出的變化。這一溫度影響從而將導致傳感器的準確度降低。本發明也試圖解決這一問題。在一個方面，本發明提供了如上所述的電壓感測裝置，其中載體元件包含20°C下熱膨脹系數小于5 X 10—61/K的材料，諸如陶瓷材料。
[0020]載體元件包含具有較低熱膨脹系數的材料，例如20°C下熱膨脹系數小于5X 10—61/K的材料，并且特別是包含陶瓷材料的載體元件，減小溫度對傳感器的幾何形狀進而對傳感器輸出的影響。這是因為電極之間的徑向距離隨溫度的變化極小。因此，感測電容器的電容對于溫度變化更穩定。這將導致傳感器提供更準確的輸出。
[0021]—般來講，溫度變化對感測電容器的電容的影響還可通過選擇在溫度變化時比電容變化極小的材料(即，具有較低電容溫度系數的材料)制備載體元件得以降低。
[0022]在本發明的一個方面，載體元件可包含選自瓷、云母和氮化硅的一種或多種材料。在其他方面，載體元件可包含“IEC/EN 60384 I級”電介質材料，諸如MgNb206、ZnNb206、MgTa2O6、ZnTa2O6、(Zn，Mg)T13、(ZrSn)T14、CaZrO3或Ba2Ti9O2Q。ffiC/EN 60384 I級是指國際電工委員會IEC在IEC/EN 60384-1和IEC/EN 60384-8/9/21/22中的分類。特別地，材料可選自COG(NPO)陶瓷。
[0023]在本發明的一個方面，載體元件可包含選自在+10°C和+130°C之間的溫度范圍內具有低于20 X 10—6 1/K的電容溫度系數的聚合物的一種或多種材料，諸如聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚酯、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、乙烯三氟氯乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚乙烯亞胺、聚甲基戊烯、環烯烴共聚物、聚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚萘二甲酸乙二酯。在本發明的其他方面，載體元件可包含聚苯硫醚。在另外的方面，載體元件可包含聚萘二甲酸乙二醇酯。這些聚合物中的某些聚合物不僅具有較低的電容溫度系數，而且可提供高穩定性和可靠性、高電擊穿強度、自修復特性和/或低介電損耗。
[0024]在本發明的另外的方面，載體元件可包含陶瓷填料/聚合物基體復合材料。換句話講，載體元件可包含可填充有陶瓷填料的主體聚合物基體。此類陶瓷填料可以為例如瓷、云母、Si3N4、基于(Mg，Zn)Ti03、Ba2Ti902Q或CaZrO3的C0G/NP0制劑或這些物質的混合物。主體聚合物基體可包含具有負電容溫度系數的聚合物諸如EPR，并且陶瓷填料可包含具有正電容溫度系數的材料。或者，主體聚合物基體可包含具有正電容溫度系數的聚合物，并且陶瓷填料可包含具有負電容溫度系數的材料。從而總體陶瓷填料/聚合物基體復合材料可具有極低的電容溫度系數。具有包含此類復合材料的載體元件的電壓感測裝置可以比其他裝置高的準確度感測載電導體的電壓。
[0025]一般來講，并且獨立于上述內容，載體元件可包含具有正電容溫度系數的第一陶瓷材料和具有負電容溫度系數的第二陶瓷材料。載體元件可包含在10°c和130°C之間的溫度范圍內的一個特定溫度下具有正電容溫度系數的第一陶瓷材料和具有負電容溫度系數的第二陶瓷材料。具有此類載體元件的電壓感測裝置可以比其他裝置高的準確度感測載電導體的電壓。
[0026]為了使傳感器感測載電導體的電壓，需要在載電導體和傳感器電極中的一個之間建立電連接。相似地，為了使傳感器感測連接至內導體的纜線連接器的電壓，需要在纜線連接器和傳感器電極中的一個之間建立電連接。這些電連接在理想情況下應當是機械可靠的，并且應當承受傳感器相對于載電導體例如相對于纜線連接器的相對移動可能產生的機械力。其還應當承受可能由一方面傳感器和另一方面載電導體的不同熱膨脹所引起的機械力。此類接觸元件還應當占據盡可能小的空間，使得傳感器可具有較小的尺寸。本發明試圖解決這些要求。在另外的方面，本發明提供了如上所述電壓感測裝置，其中壓感測裝置包括導電接觸元件，其電連接至內電極或外電極，并延伸至通道中，以用于以機械方式和電的方式接觸接收于通道中的載電導體。
[0027]此類接觸元件可在載電導體和內電極或外電極之間提供特別簡單的連接。在其中內電極布置在通道中的實施方案中，接觸元件可在載電導體和內電極之間提供極短的電路徑。較短的電路徑可減小歐姆損耗并可提高壓傳感器的準確度。另外，延伸至傳感器的通道中的導電接觸元件可以為特別節省空間的裝置，用于在電極中的一個和載電導體之間提供電連接，或根據具體情況，在接收于傳感器的通道中的電極的一個和纜線連接器之間提供電連接。接觸元件的布置方式使得其延伸至通道中可以為電極中的一個和載電導體之間提供特別簡單、短和耐用的電連接。接觸元件可淘汰對電線的使用，否則將需要使用電線將傳感器電極中的一個電連接至諸如纜線的內導體等載電導體或連接至纜線連接器。
[0028]—般來講，導電接觸元件可延伸到通道中。與所有其他特征無關，接觸元件可包括彈性部分。將載電導體插入通道中時，彈性部分可提供載電導體與內電極或外電極之間的自動接觸。具有彈性部分的接觸元件還可提供足夠的接觸壓力，以實現導體和電極之間可靠的機械和電接觸。接觸元件或其一部分的彈性對于可靠地補償內電極和導體之間的間隙的寬度變化也是有利的，該寬度變化是由載體元件和導體的溫度變化引起的。相同的效應可通過受到彈性支撐的接觸元件得以實現。
[0029]接觸元件可包含彈性體材料。彈性體材料可以為導電的或者可具有導電表面。彈性體材料可布置在纜線連接器的外表面或內電極的表面上，使得導電彈性體材料和/或其導電表面提供內電極的表面上的載電導體之間的電連接。
[0030 ]對于在內電極或外電極和載電導體之間建立的電接觸的接觸元件，載電導體可具有暴露部分，其中載電導體的表面允許在接觸元件和載電導體之間建立機械和電接觸。
[0031]—般來講，根據本發明的電壓感測裝置可包括在電容式電壓傳感器組件中。內電極、外電極和載體元件的第一部分可用作感測電容器。因此，感測電容器可包括在電壓傳感器組件中。電壓傳感器組件還可包括次級電容器。感測電容器和次級電容器可串聯連接以形成電容式分壓器。電容式分壓器可用于感測載電導體諸如電力纜線的內導體或纜線連接器的電壓。
[0032]載電導體可以為中壓或高壓電力纜線的內導體。高壓或中壓電力纜線通常包括中心內導體、布置在內導體周圍和/或內導體上的纜線絕緣物以及布置在纜線絕緣物周圍和/或纜線絕緣物上的半導體層。絕緣纜線外殼通常構成纜線的最外層。電壓感測裝置的通道可接收內導體的一部分。其可接收裸露的內導體的部分，即，未由纜線的其他層包圍的內導體的一部分。接收于導體中的內導體的部分可包括內導體的暴露表面部分。其他表面部分可覆蓋有絕緣材料。
[0033]與其他特征無關，為使通道接收內導體的一部分，內導體的末端部分可以在通道的軸向上被推到通道中。內導體可以在第一軸向上被推到通道中。其可以被推到通道中足夠遠的距離，使得內導體在第一軸向上延伸超出內電極邊緣。
[0034]另選地，并且與其他特征無關，為使通道容納內導體的一部分，電壓感測裝置和/或載體元件可包括兩個或更多個外殼部分，如上所述。外殼部分可適于圍繞載電導體的圓周的一部分。兩個或更多個外殼部分可以彼此接合以形成根據本發明所述的具有管狀形狀和軸向通道的電壓感測裝置。兩個外殼部分可機械連接或通過鉸鏈彼此連接。兩個外殼部分可通過彈性元件彼此機械連接。一般來講，外殼部分可包括徑向內電極和/或徑向外電極。包括兩個或更多個外殼部分的電壓感測裝置和/或載體元件可以使電壓感測裝置圍繞載電導體進行布置且與載電導體的端部具有較遠的距離，諸如圍繞不間斷或未切割的載電導體布置。
[0035]載電導體可以為纜線連接器，諸如用于中壓或高壓電力纜線的纜線連接器。纜線連接器可適于接收電力纜線的內導體。纜線連接器可適于(例如可釋放地或永久性地)配合纜線，即，配合纜線的內導體，或者其可適于配合纜線轉接器。然后，纜線轉接器可適于配合纜線，即，配合纜線的內導體。纜線連接器可為導電的。它可包括導電表面或導電表面部分。纜線連接器可具有圓柱形狀。一般來講，纜線連接器的形狀或外形可適于使得纜線連接器的至少一部分可接收于通道中。在根據本發明所述的電壓感測裝置與纜線連接器的組合中，纜線連接器的形狀或外形和通道的形狀和外形適于在纜線連接器被接收于通道中時限制電壓感測裝置相對于纜線連接器在一個或多個方向上的移動。
[0036]載電導體可以為匯流條。匯流條可具有矩形橫截面。電壓感測裝置的軸向通道可具有矩形橫截面。
[0037]根據本發明所述的電壓感測裝置具有管狀形狀。換句話講，它具有延伸穿過電壓感測裝置的通道。管狀電壓感測裝置可具有空心圓柱形狀。它可具有環狀，即短管狀。傳感器可具有彎曲或變形管狀形狀。電壓感測裝置可具有矩形管狀形狀，即，在橫截面上，其外形可具有矩形形狀。通道可例如具有圓形橫截面、橢圓形或卵形橫截面或矩形或三角形或任意有角度的或不規則的橫截面。在具體實施方案中，電壓感測裝置的外形具有圓柱形狀，并且通道具有圓形橫截面并沿圓柱的對稱軸延伸穿過圓柱。
[0038]根據本發明所述的傳感器具有軸向通道，換句話講，其具有軸向通孔。通道限定軸向，即沿通孔的方向，以及徑向，即垂直于通孔的方向。通道可適于接收載電導體，諸如電力纜線的內導體或內導體的軸向部分。通道可適于接收纜線連接器或纜線連接器的軸向部分。通道可適于接收匯流條或匯流條的軸向部分。
[0039 ]內電極可以被布置為沿外電極徑向向內。內電極可以被布置在載體元件的徑向內表面上，例如，布置在界定通道的表面上。或者，它可以被布置在載體元件內部，即，布置在載體元件主體內。內電極可以沿通道的全長或沿通道的縱向部分在軸向上延伸。內電極可以圍繞通道的整個圓周或圍繞通道的圓周的一部分延伸。在特定的軸向上，內電極向上延伸至邊緣(“內電極邊緣”)。當導體被接收于通道中時，內電極用作感測載電導體的電壓的感測電容器的第一感測電極。感測電容器可包括作為第二感測電極的外電極和作為電介質的載體元件的一部分。內電極可電連接到接收于通道中的載電導體。
[0040]內電極可包含導電金屬，諸如銅、銀、金、鎳、鋁或包含任意此類材料的合金。內電極可包含導電聚合物。與其他特征無關，內電極的徑向厚度可以在I微米和I毫米之間。內電極可包含非鐵磁性材料，以傳輸由載電導體生成的磁場。它可以例如包含鎳-磷或含鎳-磷的合金。
[0041]類似地，外電極可包含導電金屬，諸如銅、銀、金、鎳、鋁或包含任意此類材料的合金。或者，外電極可包含導電聚合物。與其他特征無關，外電極的徑向厚度可以在I微米和I毫米之間。外電極可包含非鐵磁性材料，以傳輸磁場。它可以例如包含鎳-磷或含鎳-磷的合金。
[0042]在具體實施方案中，內電極具有薄壁圓柱形狀，并且被布置在載體元件的表面上，該表面界定通道，并且與通道同軸。該形狀和布置方式能夠使內電極和接收于通道中的載電導體之間實現特別容易的電連接。
[0043 ]外電極可布置在內電極的至少一部分的徑向外側。外電極可布置在載體元件的徑向外表面上，例如，布置在表面上。或者，它可以被布置在載體元件內部，即，布置在載體元件主體內。外電極可以沿通道的全長或沿通道的縱向部分在軸向上延伸。外電極可以圍繞載體元件的整個圓周或圍繞載體元件的圓周的一部分延伸。
[0044]—般來講，外電極和內電極可以被布置為同軸，S卩，彼此同軸。同軸布置提供了在內電極和外電極之間實現高效電容耦合的優勢，可能導致感測電容器的輸出信號更強和/或載電導體的電壓感測結果更準確。一般來講，同軸布置可能與相應電極的軸向延伸或周邊延伸無關，并且與相應電極在軸向縱切面視圖中的外形無關。
[0045]外電極和內電極可以在軸向上共延伸。或者，外電極可以在軸向上短于或長于內電極。在具體實施方案中，外電極具有薄圓柱形狀，并且被布置在載體元件的外表面上，并與通道和內電極同軸，并與內電極共延伸。
[0046]當導體被接收于通道中時，外電極用作感測載電導體的電壓的感測電容器的第二感測電極。感測電容器可包括作為第一感測電極的內電極和作為電介質的載體元件的一部分。外電極可電連接到接收于通道中的載電導體。外電極可電連接到次級電容器。次級電容器和感測電容器可形成電容式分壓器以用于感測載電導體的電壓。
[0047]通道限定電壓感測裝置的中心軸線。外電極與中心軸線在任意軸向位置處的最大徑向距離可小于50毫米。外電極與中心軸線的徑向距離與電壓感測裝置的總徑向尺寸有關，因為電壓感測裝置不需要遠大于50毫米。小于50毫米的距離使電壓感測裝置具有相對較小的徑向尺寸。這樣可以使電壓感測裝置更易于整合到纜線附件中。許多纜線附件，例如，許多拼接裝置，在其內部提供足夠大的空間以容納其中外電極與中心軸線在任意軸向位置處的最大徑向距離可小于50毫米的電壓傳感器。在具體實施方案中，外電極與中心軸線在任意軸向位置處的徑向距離小于30毫米。在一些實施方案中，該徑向距離具體地可以為25毫米或更小。
[0048]在一個徑向的任意軸向位置處測量的內電極和外電極之間的徑向距離可以為54毫米或更小。具有徑向間隔54毫米或更小的電極的電壓感測裝置可以在徑向上特別小，同時仍可提供可接受的電阻以免電極之間發生電擊穿。較小的尺寸可以使電壓感測裝置更易于整合到纜線附件中。在具體實施方案中，內電極和外電極被布置為彼此同心，使得內電極和外電極之間在任意軸向位置處的徑向距離小于20毫米，具體地，該徑向距離為9毫米。
[0049]載體元件為實心元件。載體元件的第一部分被布置在內電極和外電極之間。載體元件的第一部分用作感測電容器的電介質。第一部分可以是不導電的。第一部分可包含電介質材料。載體元件可以是單件。
[0050]與其他特征無關，載體元件可具有徑向內表面，該徑向內表面限定電壓感測裝置的通道的至少一部分。徑向內表面可適于支撐內電極。載體元件可具有徑向外表面，該徑向外表面限定電壓感測裝置的外表面的至少一部分。徑向外表面可適于支撐外電極。徑向內表面和徑向外表面可以被布置為彼此同軸并且與通道同軸。
[0051]與其他特征無關，載體元件可包括在至少一個軸向縱切面視圖中的突出部，使得該載體元件被成形為使得沿載體元件的表面在外電極邊緣和內電極邊緣之間的幾何最短路徑具有至少3毫米的長度。此類突出部可增加電極邊緣之間的路徑長度，從而提高抗表面擊穿的電阻，而不會增加電壓感測裝置在徑向上的總尺寸。在軸向上突出的突出部增加了路徑長度，而不會使感測裝置在徑向上增大。類似地，在徑向上突出的突出部增加了路徑長度，而不會使感測裝置在軸向上增大。
[0052]在根據本發明所述的某些電壓感測裝置中，并且與其他特征無關，凹陷部可實現類似的效果。因此，載體元件可包括在至少一個軸向縱切面視圖中的凹陷部，使得該載體元件被成形為使得沿載體元件的表面在外電極邊緣和內電極邊緣之間的幾何最短路徑具有至少3毫米的長度。凹陷部可以是特別有利的，因為其增加了路徑長度，而不會使感測裝置在任意方向上增大。
[0053]與其他特征無關，載體元件可包含在20°C下具有小于5X10—6 1/K的熱膨脹系數的材料。載體元件可以例如包含陶瓷材料。許多陶瓷材料在200C下具有小于5 X 10—6 1/K的熱膨脹系數。較低的熱膨脹系數可以在載體元件的溫度變化時使內電極和外電極之間的徑向距離幾乎恒定不變。這樣繼而可導致由內電極、外電極和載體元件的第一部分形成的感測電容器的電容隨溫度的變化較小。從而提高了電壓傳感器的總體準確度，和/或降低或甚至取消了補償傳感器輸出隨溫度變化的要求。一般來講，陶瓷材料還在機械穩定性和電絕緣性能方面提供了優勢。
[0054]與其他特征無關，載體元件可包含介電常數在-20°C和+60°C之間的溫度范圍內隨溫度的變化小于平均介電常數的0.1%的材料。此類材料可減小感測電容器的電容隨溫度的變化。同樣，從而提高了電壓傳感器的總體準確度，和/或降低或甚至取消了補償傳感器輸出隨溫度變化的要求。
[0055]接觸元件可包括在電壓感測裝置中，如上所述。或者，接觸元件可包括在纜線連接器中，纜線連接器可接收于電壓感測裝置的通道中。因此，在另一方面，本發明提供了能夠與如上所述電壓感測裝置配合使用的纜線連接器。具體地，提供了用于配合纜線轉接器或中壓或高壓電力纜線的內導體的纜線連接器，該纜線連接器包括導電接觸元件，其適于在纜線連接器的一部分被接收于通道的至少一部分時將纜線連接器電連接至如上所述的電壓感測裝置的內電極或外電極。
[0056]接觸元件具有如上所述的相同功能，它將纜線連接器與內電極或外電極電連接，使得可感測纜線連接器的電壓。
[0057]對于在內電極或外電極和載電導體之間建立的電接觸的接觸元件，內電極或外電極分別可具有暴露部分，其中電極的表面允許在接觸元件和電極之間建立機械和電接觸。一般來講，內電極可具有暴露部分，其中內電極的表面允許在接觸元件和電極之間建立機械和電接觸。
[0058]包括接觸元件的纜線連接器能夠與如上所述不具有接觸元件的電壓感測裝置配合使用。一般來講，在某些情況下，接觸元件在纜線連接器中可以是有利的，因為制造具有接觸元件的纜線連接器比制造具有接觸元件的電壓感測裝置可能更容易且更經濟有效。
[0059]包括在纜線連接器中的接觸元件可具有彈性部分。出于如上所述的相同原因，這可以是有利的。類似地，接觸元件可以為剛性的，并由纜線連接器提供彈性支撐。
[0060]在某些實施方案中，其中接觸元件包括在如上所述的纜線連接器中，接觸元件可包括彈性部分。另外，接觸元件可適于在纜線連接器的一部分接收于電壓感測裝置的通道的至少一部分中時，將纜線連接器電連接至電壓感測裝置的內電極。
[0061]本發明還提供了如上所述電壓感測裝置與用于電網的高壓或中壓載電導體的組合，其中通道接收載電導體的至少一部分。
[0062]本發明還提供了如上所述電壓感測裝置與纜線連接器的組合，其中纜線連接器適于配合纜線轉接器或電力纜線的內導體，其中通道接收纜線連接器的至少一部分。內電極或外電極可電連接至纜線連接器。這樣可感測纜線連接器的電壓，如上所述。
[0063]本發明還提供了如上所述電壓感測裝置與高壓或中壓電力纜線的組合，其中纜線包括內導體，其中通道接收內導體的至少軸向部分。內電極或外電極可電連接至纜線的內導體。這樣可感測纜線的內導體的電壓，如上所述。
[0064]本發明還提供了與用于電網的高壓或中壓電力纜線一起使用的纜線附件，該纜線附件包括如上所述的電壓感測裝置。在纜線附件諸如拼接裝置、接線端或可分離連接器中，纜線的內導體易于觸及。因此，使電壓感測裝置包括在纜線附件中特別有效，因為該纜線無需剝離更多位置以安裝電壓感測裝置。纜線附件可以為拼接裝置、纜線端子或可分離連接器。纜線附件可形成腔。電壓感測裝置可以被布置在腔中。該腔可包含非導電性聚合物材料。纜線附件可包含導電包層。
[0065]根據本發明所述的電壓感測裝置可以被布置在纜線附件內，即布置在纜線附件的外殼或殼體內的空間或腔中。這一布置方式特別有利，因為纜線附件可保護電壓傳感器免受環境影響，其可以延長電壓感測裝置的可用壽命并提高其準確度。
[0066]本發明還提供了將電壓感測裝置布置到用于電網的載電導體諸如纜線連接器或中壓或高壓電力纜線的內導體或匯流條上的方法，該方法包括按如下序列的步驟:
[0067]a)提供如上所述電壓感測裝置，并且提供載電導體，該載電導體適于使得載電導體的至少一部分可被接收于通道的至少一部分中；
[0068]b)使電壓感測裝置和載電導體相對于彼此移動，使得通道的至少一部分接收載電導體的至少一部分。
[0069]現在將參考以下示出本發明具體實施方案的附圖來更詳細地描述本發明:
[0070]圖1根據本發明所述的電壓感測裝置的縱切面；
[0071]圖2根據本發明所述的另一種電壓感測裝置的縱切面，其具有彎曲的外電極；
[0072]圖3根據本發明所述的另一種電壓感測裝置的縱切面，其包括PCB;
[0073]圖4圖2的電壓感測裝置的縱切面，其具有Rogowski線圈；
[0074]圖5圖2的電壓感測裝置的縱切面，其圍繞纜線連接器進行布置；
[0075]圖6A-E根據本發明所述的各種類型接觸元件的透視圖；
[0076]圖7根據本發明所述的電壓感測裝置的電子電路圖；
[0077]圖8根據本發明所述的另一種電壓感測裝置的縱切面，其具有伸長的形狀；
[0078]圖9包括如圖5所示的電壓感測裝置2的纜線附件的示意性縱切面；
[0079]圖10根據本發明所述的另一種電壓感測裝置的電子電路圖；以及
[0080]圖11根據本發明所述的又一種電壓感測裝置的電子電路圖。
[0081]本發明的各種實施方案在本文下面有所描述并在所述附圖中示出，其中類似的元件具有相同的附圖標記。附圖中示出的一些元件未按比例繪制，并且為清楚起見，一些尺寸被放大。
[0082]圖1示出根據本發明的電壓感測裝置I的軸向縱切圖。其包括載體元件10、內電極20和外電極30。載體元件10具有軸向通道40，該通道關于中心軸線100對稱。通道40限定如箭頭110所示的軸向，以及如箭頭120所示的徑向。在軸向110上，電壓感測裝置I相對較短，使得管狀電壓感測裝置I具有環狀。通道40可接收纜線連接器，如下圖5所示。如圖1所示的電壓感測裝置I在軸向110上延伸約50毫米。其外徑，即徑向120上的延伸量，為約65毫米。該尺寸使電壓感測裝置I能夠整合到用于中壓或高壓纜線的典型纜線附件中。
[0083I載體元件1包括徑向內(或內)表面50，內電極20布置在該內表面上，并包括徑向夕卜(或外)表面60，夕卜電極30布置在該外表面上。內表面50的內徑為約34暈米。內表面50和外表面60之間的徑向距離為約10毫米。
[0084]載體元件10為實心、不導電的，并且包含陶瓷材料。該陶瓷材料為氮化硅(Si3N4)。該陶瓷材料在20°C的溫度下的熱膨脹系數為約2.5X10—6 1/K。當電壓感測裝置I和載體元件10被加熱時，載體元件10僅膨脹極小的量，導致電極20，30在廣泛溫度范圍內具有幾乎相同的徑向距離。
[0085]圖1所示的載體元件10在縱切面上的外形包括，位于載體元件10的一側的兩個鼓包或突出部70，80，稱作內(即徑向內)突出部70和外突出部80。相同的突出部71，81布置在載體元件10的相對側上。突出部70，71，80，81在載體元件10的側表面上形成環狀高度。它們的功能是增加內電極20和外電極30之間沿載體元件10的表面的路徑90的最小長度。電極20和電極30之間的路徑90越長，電壓感測裝置I防止電極20和電極30之間表面擊穿的電阻越高。突出部70，71，80，81主要在軸向110上從載體元件1延伸。該布置方式可保持電壓感測裝置I的最大直徑較小，同時降低電極20和電極30之間發生表面擊穿的風險。在圖1所示的電壓感測裝置I中，路徑90具有約33毫米的長度。
[0086]內電極20在載體元件10的內表面50上包括鎳-磷電鍍層。除載體元件10的側端部分130，131以外，內電極20完全圍繞通道40。在箭頭I1a指示的一個軸向上，內電極20向上延伸至內電極邊緣140。
[0087]另外，外電極30包括鎳-磷電鍍層，該電鍍層布置在載體元件10的外表面60上。鎳_磷提供了足夠的硬度并且不會快速腐蝕。它還有利于焊接，使得線材易于連接到外電極30。可提供附加的金鍍層，以獲得更出色的電導率。一般來講，外電極可包含任何合適的導電材料，諸如銅、銀或金。在箭頭IlOa指示的軸向上，外電極30向上延伸至外電極邊緣150。在圖1所示的縱切面的平面內，內電極邊緣140和外電極邊緣150之間沿載體元件10的表面的路徑90具有約30毫米的長度。當電極之間的電壓差處于中壓或高壓范圍時，即處于I千伏和110千伏之間時，該長度足以顯著降低電極20和電極30之間發生表面擊穿的風險。在圖1的縱切面中，外電極30看起來為直線，S卩，外電極30的所有部分在徑向上與中心軸線100的距離相等。在圖1所示的實施方案中，外電極30是一維曲面。內電極20也是一維曲面。
[0088]載體元件10、內電極20和外電極30圍繞軸線100旋轉對稱。內電極20和外電極30相對于彼此呈同心布置。電極20、電極30和載體元件10相對于彼此呈同心布置。電極20、電極30和載體元件10以軸線100為中心。內電極20和外電極30之間的徑向距離為約10毫米。當電極20和電極30之間的電壓差處于中壓或高壓范圍時，該長度足以顯著降低電極20和電極30之間通過載體元件1的材料發生電擊穿的風險。
[0089]通道40可接收中壓或高壓電力纜線的纜線連接器，如下文所詳述。因此，電壓感測裝置I可圍繞纜線連接器進行布置。一般來講，通道40還可接收其他類型的載電導體，諸如電力纜線的內導體或匯流條。
[0090]內電極20和外電極30可用作感測電容器的兩個電極。載體元件10的中間部分160被布置在內電極20和外電極30之間。該中間部分160可用作該感測電容器的電介質。感測電容器可與次級電容器串聯連接，使得感測電容器和次級電容器形成電容式分壓器。內電極20可電連接到纜線連接器或中壓或高壓電力纜線的內導體，如下文所詳述。然后，電容式分壓器可用于感測纜線連接器或纜線的內導體的電壓。圖7示出了對應的電路圖。
[0091]根據本發明所述的電壓感測裝置的外電極可為二維曲面。此類另選的電壓感測裝置2如圖2所示。與圖1的電壓感測裝置的差異在于，在圖2所示的軸向縱切面視圖中，載體元件11的外表面60被成形為使得外電極31具有彎曲的外形。在圖2所示的軸向縱切面視圖中，外電極31的中心部分32比邊沿部分33在徑向上更靠近通道40的中心軸線100。具體地，中心部分32比外電極邊緣150在徑向上更靠近中心軸線100。外電極31的彎曲外形降低了內電極20和外電極31之間通過載體元件11的材料發生電擊穿的風險，因為外電極31的邊緣例如外電極邊緣150處的電場濃度較低。在具體的另選實施方案中，外電極31在軸向縱切面視圖中具有彎曲的外形，并且該彎曲外形為Rogowski外形。
[0092]圖3為根據本發明的第三電壓感測裝置3的軸向縱切圖。圖1、圖2和圖3的電壓感測裝置I，2，3的載體元件10，11，13包括在其相應外表面60s上的凹陷部170，該凹陷部170在其底部上容納外電極30，31，36。在電壓感測裝置3中，外電極36在圖3的軸向縱切面視圖中具有彎曲的外形。彎曲的外形包括中心直的或平坦的節段以及在直段的各側上與直段相鄰的兩個彎曲段。彎曲段在背向中心通道40的方向上彎曲。中心平坦段比外電極邊緣150在徑向上更靠近通道40的中心軸線100。
[0093]圖1和圖2的電壓感測裝置I，2的其他差別在于電壓感測裝置3包括印刷電路板(aPCB^)ISOoPCB 180為剛性的。其布置在載體元件13的凹陷部170中。PCB 180包括電氣和電子部件200，其用于感測和處理外電極36的電壓信號。PCB 180通過線材195電連接到外電極36，其一端焊接到外電極36，或其另一端接觸PCB 180。可設想將外電極36與PCB 180進行電連接的替代方法，例如，方法包括導電粘合劑、超聲波結合、機械夾持或激光焊接。在圖3的感測裝置3中，PCB 180通過電絕緣粘合劑帶(未示出)附連到載體元件13，其圍繞PCB 180并且在外電極36上方卷繞。
[0094]在另選的實施方案中，PCB180為柔性PCB。其圍繞外電極36周向延伸至最多外電極36的圓周的約三分之一。PCB 180的后(S卩，徑向內)表面形成暴露的導電區域190。這一暴露的導電區域190與外電極36發生電接觸和機械接觸，使得外電極36的電壓信號可用于PCB180感測和處理，而無需使用線材。外電極36和PCB 180之間的直接電接觸和機械接觸可最大程度減小這些元件之間的任何電壓降，從而進一步提高感測裝置3的準確度。
[0095]圖1，2，3中所示的電壓感測裝置I，2，3的凹陷部170還容納電流感測裝置，諸如Rogowski線圈210，如圖4所示。Rogowski線圈210可用于通過接收于通道40中的載電導體來感測電流。Rogowski線圈210為柔性的并可彎曲以周向適形于外電極31。實際線圈的導電線匝容納于不導電包層220中，該包層將導電線匝與外電極31電隔離。包層220由柔性聚合物材料制得。載體元件11中的凹陷部170容納電流感測裝置210，諸如Rogowski線圈，而不會使電壓感測裝置3的外徑增加較多。這使電壓感測裝置3的尺寸較小，使得其可容納于纜線附件中。
[0096]Rogowski線圈210接收通過通道40中的載電導體的電流所生成的磁場。有利地，因此外電極31由導電的非鐵磁性材料組成。此類材料使磁場能夠通過外電極31傳輸至Rogowski線圈210。在圖4所示的實施方案中，外電極包括鎳-磷電鍍層，其為非鐵磁性的。
[0097]在另選的實施方案中，凹陷部170容納PCB 180與電流感測裝置210。電流感測裝置210通過例如線材電連接到PCB 180上的電氣或電子元件200，使得來自電流感測裝置210的信號被發射至PCB 180進行處理。
[0098]盡管凹陷部170提供了容納PCB180和/或電流感測裝置210的特別節省空間的方式，但凹陷部170為可選的。PCB 180和/或電流感測裝置210可任選地布置在不包括凹陷部170的電壓感測裝置上。
[0099]圖5示出圍繞纜線連接器230布置的電壓感測裝置2的軸向縱切面。圖5還示出了纜線轉接器250和電力纜線240的末端部分。連接器230為用于中壓或高壓電力纜線的纜線連接器。高壓電力纜線240的內導體245的末端部分通過纜線轉接器250固定于連接器230。纜線轉接器250為導電的，使得連接器230電連接到內導體245。因此，連接器230與內導體245處于相同的電壓下。
[0100]連接器230由鋁制成。因此，其主體和表面是導電的。傳感器2接收軸向通道40中的連接器230。連接器230呈圓柱形狀。其外徑小于通道40的內徑。這避免了機械應力，其可以由金屬連接器230和陶瓷載體元件11在它們的溫度升高時以不同速率膨脹引起。陶瓷材料通常比大多數金屬具有明顯更低的熱膨脹系數。如果連接器230在室溫下將與載體元件11和內電極20形成緊密配合，則溫度升高將使連接器230比載體元件11膨脹得多。這可能致使載體元件11斷裂。為此，載體元件11的通道40的內徑被選擇為使得連接器230的徑向外表面和載體元件11的徑向內表面之間徑向間隙260的寬度為約0.5毫米。在這一具體實施方案中，內電極20遠薄于0.5毫米，使得其厚度僅對間隙260的寬度具有可忽略的影響。
[0101]連接器230的第一末端部分232形成插孔，其中可插入纜線轉接器250的栓270以實現配合。栓270可通過螺釘280固定到連接器230。一旦配合，纜線轉接器250以電的方式和機械方式與連接器230連接。
[0102]纜線轉接器250繼而包括處于纜線末端部分252的插孔，與包括栓270的末端部分相對。纜線240的內導體245可以被插入插孔中。然后，內導體245可通過纜線緊固螺釘290固定到纜線轉接器250。另選的纜線轉接器250卷曲到內導體245上，無需使用緊固螺釘290。一旦固定，纜線內導體245以電的方式和機械方式連接到纜線轉接器250，從而連接到連接器230。
[0103]傳感器2感測連接器230的電壓，從而以電容方式感測內導體245的電壓。出于該目的，連接器230電連接到內電極20。該連接通過多個導電薄片300建立。這些薄片中的兩個在圖5中可見。各個薄片300被布置在連接器230和內電極20之間的間隙260中。各個薄片300具有第一接觸部分310，其以機械和電的方式接觸纜線連接器230的外表面，以及第二接觸部分320，其以機械和電的方式接觸內電極20。從而，各個薄片300在連接器230和內電極20之間建立電連接。因此，內電極20與連接器230處于相同的電壓下。原則上，單個薄片300將足以在連接器230和內電極20之間建立電連接。然而，多個薄片300提供了更多的接觸點，從而提供了更出色的電連接。另外，多個薄片300提供了一定程度的冗余，使得連接器230和內電極20之間的接觸仍然存在，即使在一個薄片300斷裂或失效時。
[0104]當傳感器2和連接器230加熱時，連接器230比傳感器2的載體元件11的膨脹速率更高，使得內電極20和連接器230之間的間隙260在徑向上變得更小。為了確保內電極20和連接器230之間在不同溫度下實現可靠的電連接，薄片300為彈性的，使得它們跨接內電極20和連接器230之間的間隙260，而與間隙260的徑向寬度無關。另選地，薄片300本身可為剛性的，并且它們的支撐可為彈性的。這使得薄片300隨溫度變化的一些移動以這種方式進行，使得薄片300跨接間隙260并在任何溫度下提供電連接。
[0105]多個此類薄片300包括在薄片組件330中，在圖6的上下文中進行更詳細的解釋。薄片組件330為導電的，并且在其中彼此連接所有薄片300。在薄片組件330中，薄片300以彈性方式懸浮，使得薄片300可彈性置換。這一置換能力有助于在溫度變化時薄片300跨接間隙260。
[0106]纜線連接器230包括圍繞其圓周的固定凹陷部340，用于將薄片組件330附接到連接器230。在軸向縱切面中，如圖5所示，固定凹陷部340具有凹口外形，其允許薄片組件330以機械方式與連接器230在凹陷部340中接合。可設想其他附接方法，例如，使用扣緊部件、焊接、釬焊或粘合劑方法。無論采用哪種附接方法，其必須保持連接器230和薄片300之間的電連接，使得薄片300可電連接連接器230和內電極20。在某些實施方案中，薄片組件330無需附接到連接器230，但是可以被載體元件10，11保持在適當的位置。
[0107]在圖5所示的實施方案中，薄片組件330附接到連接器230。另選地，薄片組件330可附接到載體元件10，11。薄片組件330可附接到內電極20或附接到載體元件10，11。附接可通過如上所述的類似方式完成。另選地，附接可粘結性地完成。如果那樣，在通道40接收連接器230之前，內電極20電連接到薄片300。與薄片組件330附接到連接器230或載體元件10，11無關，薄片300機械接觸內電極20和纜線連接器230。從而，薄片將內電極20和纜線連接器230彼此電連接。
[0108]圖5所示的纜線連接器230具有縱向圓柱形狀。與第一末端部分232相對的第二末端部分可包括另外的插孔以容納纜線轉接器如纜線轉接器250，或用于接收第二纜線的內導體的末端部分，類似于在其第一末端部分232處連接至連接器230的第一纜線240的內導體245 ο另選地，第二末端部分可包括耳狀物或類似的附接裝置，用于將纜線連接器230連接到電安裝的另一元件。
[0109]圖6A-E示出薄片組件330的不同實施方案即薄片組件330a，330b，330c，330d的透視圖。這些薄片組件330適于在周邊固定凹陷部340中附接到連接器230。薄片組件330a-d由導電金屬制成。它們包括多個相應的薄片300a_d。薄片組件330a_d及其薄片300a_d均為彈性的。薄片300a_d以彈性方式懸浮于它們相應的薄片組件330a_d中。各個薄片組件330a_d被成形，以形成基部部分350a-d，它在連接器230中與固定凹陷部340的凹口外形接合。各個薄片300a_d突出遠離基部部分350a_d，使得相應的薄片組件330a_d被布置在固定凹陷部340中時，它們徑向向外突出固定凹陷部340并且可接觸內電極20。
[0110]薄片組件330a_d被示出為平坦的。為了將它們與固定凹陷部340接合，它們可彎曲，使得其基部350a-d被布置在固定凹陷部340中，軸向圍繞纜線連接器230或至少圍繞纜線連接器230的圓周的一部分。
[0111]在圖6A中，薄片組件330a的基部部分350a包括兩個平坦的側向導軌360，在導軌之間，平坦的杏仁形薄片300a處于彈性懸浮狀態。每個薄片300a的下部(在圖中)為用于接觸纜線連接器230的外表面的第一接觸部分310。上部為用于接觸電壓感測裝置I，2的內電極20的第二接觸部分320。
[0112]另外，如圖6B所示的薄片組件330b具有包括兩個平坦導軌370的基部部分350b，在導軌之間，大致呈矩形的圓體薄片300b處于彈性懸浮狀態。
[0113]圖6C的薄片組件330c沒有側向導軌，但是各個薄片300c提供了基部部分350c，用于接合連接器230中的固定凹陷部340的凹口外形。薄片300c并非平坦的，但是各個薄片具有細長導體的形狀，其徑向向外鼓包以接觸內電極20。
[0114]圖6D示出了薄片組件330d，其具有平坦的三角形薄片300d。薄片300d的基部形成薄片組件330d的基部350d，其能夠接合連接器230中的固定凹陷部340的凹口外形。薄片300d的三角形的頂端用于接觸內電極20。
[0115]一般來講，薄片組件330在一方面接觸用于接觸纜線連接器230的組件，另一方面接觸內電極20。出于該目的，另選的接觸組件在圖6E中示出:彈性扣環400 ο扣環400由導電金屬制成。雖然形狀一般為圓形，但它具有徑向向外突出的鼓包410，以及周向布置在鼓包410之間徑向向內突出的凹陷420。扣環400可在周向固定凹陷部340中圍繞纜線連接器230的圓周布置，使得鼓包410從固定凹陷部340突出并且可接觸內電極20，而凹陷420在固定凹陷部340中接觸纜線連接器230的外表面。根據固定凹陷部340的寬度即其軸向延伸量的不同，一個或多個此類扣環400可布置在固定凹陷部340中。
[0116]作為包含彈性金屬的接觸元件的替代形式，接觸元件可包含彈性體材料。彈性體材料可以為導電的或者可具有導電表面。彈性體材料可布置在纜線連接器230的外表面或內電極20的表面上，使得導電彈性體材料和/或其導電表面提供內電極20的表面上的纜線連接器230之間的電連接。
[0117]圖7是示出了根據本發明的電容式電壓傳感器I，2，3的各個元件的電功能的電路圖。感測電容器800具有第一電極和第二電極。第一電極為傳感器I，2，3的內電極20，并且第二電極為傳感器I，2，3的外電極30，31。感測電容器800與次級電容器810串聯連接，使得感測電容器800和次級電容器810可用作電容式分壓器。次級電容器810可以被布置在印刷電路板(PCB)元件上，例如布置在圖3所示的PCB 180上。PCB 180可被布置為非常靠近傳感器
1,2,3,甚至直接接觸外電極31，如圖3所示。如果那樣，印刷電路板元件180和外電極30，31之間的電接觸可通過PCB元件180的暴露的導電區域190實現。另選地，PCB 180可以被布置在距傳感器I，2，3的一定距離處，并且通過線材電連接到外電極30，31。次級電容器810—方面電連接到感測電容器800，并且另一方面電連接到接地。由于纜線連接器230通過薄片300電連接到內電極20，測量內導體245的電壓可通過測量內電極20的電壓來完成。感測電容器200的內電極20相對于接地的電壓是通過測量跨次級電容器810的電壓而測量的。因此，次級電容器810通過傳感器導線830和接地導線840電連接到測量裝置820。測量裝置820通過傳感器導線830和接地導線840并聯地電連接到次級電容器810。測量裝置820測量傳感器導線830和接地導線840之間的電壓。接地導線840通過導電或半導體元件850電連接到地。
[0118]在上述電容式分壓器中，內導體245的電壓通過測量跨次級電容器810的電壓進行感測。或者，內導體245的電壓可通過測量通過感測電容器800的電流進行感測。
[0119]圖8示出了根據本發明所述的另一種電壓感測裝置4的縱切面。其具有管狀形狀。其軸向延伸量大于其徑向延伸量。該電壓傳感器4在其通道40中接收電力纜線240的內導體245。內電極20通過薄片300直接與導體245電連接。圖8中可見的兩個薄片300中的每個薄片在一方面接觸內電極20，在另一方面接觸內導體245，從而跨接這兩個元件之間的間隙260。
[0120]通過將內導體245的末端部分(圖中未示出，位于纜線240的左手側)在軸向110上推入通道40，使電壓感測裝置4圍繞內導體245進行布置。
[0121]與具有一個外電極30，31相反，本實施方案中的感測裝置4具有兩個外電極，即第一外電極34和第二外電極35。第一外電極34在軸向上寬于第二外電極35。這些外電極34,35被布置在載體元件12的外表面60上，彼此軸向偏移并被不導電的間隙分開。第一外電極34可使用上述電容式分壓器方法感測內導體245的電壓，其中載體元件12的一部分用作感測電容器的電介質，電容器還包括內電極20和第一外電極34作為其電極。
[0122]第二外電極35可用于不同目的。它可例如用于另一種用于感測內導體245的電壓的第二感測電容器的感測電極。該第二感測電容器包括作為電極的第二外電極35和內電極20以及作為電介質的載體元件12的一部分。兩種感測電容器，一種帶有第一外電極，另一種帶有第二外電極35，可平行使用。它們的輸出信號可用于生成差分輸出信號。與差分輸入放大器相結合，該系統可能產生較小的常見模式效應。它對傳感器和處理傳感器4的輸出信號的信號放大器之間的交流回路和接地電勢差較不敏感。有利地，兩個外電極34，35各自的幾何尺寸不同，使得在內導體245處于給定電壓時，第一外電極34和第二外電極35處于不同的電壓下。外電極34和外電極35之間的電壓差與內導體245的電壓有關。經過適當的校準后，電壓差可用于測定內導體245的電壓。
[0123]載體元件12以及內電極20和第一外電極34與前述傳感器I，2，3中的對應元件類似。外電極34,35僅覆蓋載體元件12表面的約一半并使軸向部分在載體元件12的兩端未被覆蓋。然而，內電極20軸向向上延伸至載體元件的邊緣。這一向上延伸至邊緣的結構降低了纜線240的內導體245和載體元件12之間的電應力，因為內電極20使間隙260即內電極20和內導體245之間不存在電場。由于傳感器4的管狀形狀，內電極邊緣140和外電極邊緣150沿載體元件12表面的幾何最短路徑90的長度為35毫米。電極20和電極30之間的徑向距離為10毫米。
[0124]圖9為包括圖5所示的傳感器2的纜線附件的示意性縱切面。纜線附件為拼接裝置500，其保護通過纜線連接器231彼此連接的兩根中壓或高壓纜線的末端部分(未示出)。拼接裝置500的外徑為約100毫米，其軸向延伸量為約250毫米。拼接裝置500包括如圖2所示的電壓感測裝置2。電壓感測裝置2被布置在拼接裝置500的內部。
[0125]電壓傳感器2在其通道40中接收纜線連接器231，與圖5的連接器230類似，不同之處在于其兩個末端部分均有可接收相應的纜線轉接器250的插孔510,511。一個此類纜線轉接器251以虛線示出。連接器231為自配合連接器:插入插孔510,511之一的纜線轉接器251僅由將纜線轉接器250推入插孔510，511足夠深的動作來配合和固定。無需使用螺釘將纜線轉接器251固定到連接器231。與圖5所示的實施方案相似，多個薄片300提供導電連接器231和傳感器2的內電極20之間的電連接。
[0126]傳感器2的外電極31通過傳感器線490連接到印刷電路板(PCB，未示出)，使得外電極31的電壓可用于PCBICB位于拼接裝置500之外。
[0127]拼接裝置500呈大致圓柱形。它包括拼接主體520和導電包層530。拼接主體520包括可收縮的電隔離硅氧烷材料，其在傳感器2和連接器231組裝后已經被模制到傳感器2和連接器231周圍。所選擇的硅氧烷材料對載體元件11的表面具有良好的粘附性。硅氧烷材料和載體元件11的表面的緊密接觸有助于避免在靠近載體元件11的表面處產生氣隙。此類氣隙繼而可提高內電極20和外電極31之間發生表面擊穿的風險。硅氧烷材料在處于液態時，圍繞傳感器2、連接器231和薄片300流動。從而使傳感器2和連接器231嵌入拼接主體520。
[0128]拼接主體520在其軸向末端部分包括開口 540，541。這些開口 540，541使連接器231的插孔510，511可從軸向上觸及，使得纜線轉接器251可穿過開口 540，541被插入相應的插孔510，511以配合連接器231。通過配合，纜線轉接器251以及連接到其上的纜線被固定到連接器231。配合后，拼接主體520可在纜線轉接器251和纜線的一部分的周圍縮小，由此實現密封效果。管狀插件550使開口 540，541可收縮的拼接主體520保持在徑向膨脹狀態下。為清楚起見，僅在附圖的左手側示出管狀插件550。相同的管狀插件550使附圖右手側的開口 541保持在徑向膨脹狀態下。一旦纜線轉接器251與纜線連接器231配合，連接器231相應側的管狀插件550即可取出，使得拼接主體520在纜線轉接器251和纜線的一部分周圍徑向縮小。
[0129]導電包層530形成拼接主體520外表面上的導電層。導電包層530包含導電或半導體硅氧烷，其為彈性且可收縮的。除用于使傳感器線穿過的寬開口 560以及允許在拼接主體縮小之前觸及纜線連接器231的開口 540，541以外，包層530完全包圍拼接主體520。導電包層530屏蔽傳感器2使其免受拼接裝置500之外的電場的影響，其能夠更準確地感測連接器231的電壓，從而感測連接到連接器231的纜線的內導體的電壓。
[0130]圖9為拼接裝置500的簡圖。一些對于本發明非必要的元件并未示出。例如，未示出拼接裝置500的導電或半導體應力控制元件。
[0131]圖10為可用于上述電壓感測裝置的電路的電路圖，其不同于圖7所示的電路。內電極20、外電極30，31以及形成分壓器的感測電容器800(或高壓電容器)和次級電容器810(或低壓電容器)與圖7的相應元件相同，因此不再另行解釋。在圖10所示的電路中，使用運算放大器(〃0pAmp〃)900通過由感測電容器800和次級電容器810形成的電容式分壓器感測纜線連接器230的電壓以及內導體245的電壓。具體地，OpAmp是所謂的互阻抗放大器。為實現精確感測電壓的目的，OpAmp 900的正極輸入電連接到感測電容器800的第二電極30，31。OpAmp 900的負極輸入通過接地電阻器905電連接到大地。未示出OpAmp 900的電源和控制元件。反饋電阻器910以電的方式被布置在OpAmp 900的輸出及其負極輸入之間。這為OpAmp900的輸入之間提供了穩定的電壓差放大。OpAmp 900的輸出為電壓，該電壓與感測電容器800的第二電極30，31的電壓成正比，從而與纜線連接器230的電壓以及電接地的內導體245的電壓成正比。OpAmp 900的輸出電壓通過測量電阻器920和電壓測量裝置930進行測量。
[0132]測量電阻器920、接地電阻器905以及反饋電阻器910的電阻值各自處于I兆歐(MΩ )的量級上。
[0133]當纜線連接器230處于給定電壓時，如圖10所示的電路中OpAmp900的輸出電壓的準確度取決于感測電容器800、次級電容器810、反饋電阻器910以及接地電阻器905相應的電公差。市售電容器的公差通常不高于I %，而市售電阻器的公差則通常低至0.1%或0.05%ο
[0134]為了在測定架空纜線連接器230的電壓中獲得更高的準確度，可修改圖10所示的電路，使電路的次級電容器810不再必要。從而可提高壓感測的準確度，因為電容器是唯一具有相對較大公差的元件，其公差通常為1%。這一較大的公差限制了感測纜線連接器230的電壓的準確度。
[0135]圖11為此類不含次級電容器810的電路的電路圖。感測電容器800的第一感測電極20電連接到連接器230的高壓區。第二感測電極30，31電連接到OpAmp 901的負極輸入。OpAmp 901的正極輸入處于電接地狀態。反饋電阻器911以電的方式被布置在OpAmp 901的輸出及其負極輸入之間。這為OpAmp 901的輸入之間提供了穩定的電壓差放大。OpAmp 901的輸出電壓通過測量電阻器921和電壓測量裝置931進行測量。
[0136]當纜線連接器230處于給定電壓時，如圖11所示的電路中OpAmp901的輸出電壓的準確度取決于感測電容器800和反饋電阻器910相應的電公差。與圖10所示的電路相比，其中減少了兩種元件，即次級電容器和接地電阻器，這兩種元件的公差可能會降低準確度。因此，在某些情形下，如圖11所示的電路能夠比圖10所示的電路更準確地感測連接器230以及內導體245上的電壓。
[0137]值得注意的是，在圖1O和圖11所示的電路中，對OpAmps 900，901的輸出信號進行積分和倒置可能是必要的。該操作通過諸如微控制器等組件實現，圖中未示出此類組件，但不影響準確性。
【主權項】
1.一種用于電網的高壓或中壓載電導體(230，231，245)諸如電力纜線(240)的內導體(245)或纜線連接器(230，231)或匯流條的電壓感測裝置(1，2，3，4)，所述電壓感測裝置具有管狀形狀和限定軸向和徑向(110，120)的軸向通道(40)，所述通道能夠接收所述載電導體， 所述電壓感測裝置包括 a)徑向內電極(20)，所述徑向內電極能夠用作用于感測所述載電導體的電壓的感測電容器(800)的第一感測電極， b)徑向外電極(30，31，34)，所述徑向外電極能夠用作所述感測電容器的第二感測電極， c)實心載體元件(10,11,12)，所述實心載體元件的至少第一部分(160)布置在所述內電極和所述外電極之間，所述第一部分能夠用作所述感測電容器的電介質。2.根據權利要求1所述的電壓感測裝置，其中所述通道限定中心軸線(100)，并且其中所述外電極與所述中心軸線在任何軸向位置處的最大徑向距離小于50毫米。3.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中在任意軸向位置處的一個徑向上測量的所述內電極和所述外電極之間的所述徑向距離為54毫米或更小。4.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述徑向內電極在第一軸向(I1a)上向上延伸至內電極邊緣(140)，其中所述徑向外電極在所述第一軸向(I1a)上向上延伸至外電極邊緣(150)，并且其中所述載體元件被成形為使得所述外電極邊緣和所述內電極邊緣之間沿所述載體元件的表面的幾何最短路徑(90)具有至少3毫米的長度。5.根據權利要求4所述的電壓感測裝置，其中所述載體元件包括在至少一個軸向縱切面視圖中的突出部(70，80)，使得所述載體元件被成形為使得所述外電極邊緣和所述內電極邊緣之間沿所述載體元件的表面的所述幾何最短路徑具有至少3毫米的長度。6.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述外電極(31)在所述電壓感測裝置的軸向縱切面視圖中具有彎曲的外形，使得所述外電極的中心部分(32)比所述外電極邊緣(150)在徑向上更靠近所述通道的中心軸線(100)。7.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述載體元件包含在20°C下熱膨脹系數小于5X10—6 1/K的材料，諸如陶瓷材料。8.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述電壓感測裝置包括導電接觸元件(300,330,400)，所述導電接觸元件電連接到所述內電極或所述外電極，以用于以機械的方式和電的方式接觸接收于所述通道中的載電導體。9.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述載體元件包含選自以下的一種或多種材料:瓷、云母、氮化硅和“IEC/EN60384 I級”電介質諸如MgNb206、ZnNb206、MgTa206、ZnTa206、(Zn，Mg)Ti03、(ZrSn)TiCU、CaZr03、Ba2Ti9020o10.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述載體元件包含選自在+10°(:和+130°(:之間的溫度范圍內具有低于20\10—6 1/K的電容溫度系數的聚合物的材料，所述聚合物諸如為聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚酯、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、乙烯三氟氯乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚乙烯亞胺、聚甲基戊烯、環烯烴共聚物、聚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚萘二甲酸乙二酯。11.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述載體元件包含陶瓷填料/聚合物基體復合材料。12.根據前述權利要求中任一項所述的電壓感測裝置，其中所述載體元件包含具有正電容溫度系數的第一陶瓷材料和具有負電容溫度系數的第二陶瓷材料。13.—種用于配合纜線轉接器(250，251)或中壓或高壓電力纜線的內導體(245)的纜線連接器(230，231)，所述纜線連接器包括導電接觸元件(300，330)，所述導電接觸元件適于在所述纜線連接器的一部分被接收于所述通道的至少一部分中時將所述纜線連接器電連接至根據權利要求1至9中任一項所述的電壓感測裝置的所述內電極或所述外電極。14.根據權利要求9所述的纜線連接器，其中所述接觸元件(300，330)包括彈性部分。15.根據權利要求1至8中任一項所述的電壓感測裝置與用于電網的高壓或中壓載電導體的組合，其中所述通道接收所述載電導體的至少一部分。16.根據權利要求1至8中任一項所述的電壓感測裝置與纜線連接器(230，231)的組合，所述纜線連接器適于配合纜線轉接器或電力纜線的內導體，其中所述通道接收所述纜線連接器的至少一部分。17.與用于電網的高壓或中壓電力纜線一起使用的纜線附件，所述纜線附件包括根據權利要求1至8中任一項所述的電壓感測裝置。18.根據權利要求1至8中任一項所述的用于感測中壓或高壓載電導體的電壓的電壓感測裝置在纜線附件中的使用，所述纜線附件諸如為拼接裝置、接線端或可分離連接器。19.將根據權利要求1至8中任一項所述的電壓感測裝置布置在用于電網的載電導體上的方法，所述載電導體諸如為纜線連接器或中壓或高壓電力纜線的內導體或匯流條，所述方法包括按如下序列的步驟: a)提供根據權利要求1至9中任一項所述的電壓感測裝置，并且提供載電導體，所述載電導體適于使得所述載電導體的至少一部分能夠被接收于所述通道的至少一部分中； b)使所述電壓感測裝置和所述載電導體相對于彼此移動，使得所述通道的至少一部分接收所述載電導體的至少一部分。
【文檔編號】G01R19/00GK105829899SQ201480069858
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年12月16日
【發明人】馬克·格雷弗曼, 塞巴斯蒂安·埃格特, 邁克爾·佩特里, 維爾納·勒林, 弗里德里希·布澤曼, 貝恩德·舒伯特, 格哈德·洛邁爾, 邁克爾·H·斯塔爾德, 延斯·魏克霍爾德, 雷納·雷肯, 安德烈亞·薩博, 克里斯蒂安·魏因曼, 迪潘克爾·高希, 姜明燦, 克里斯托弗·D·謝貝斯塔
【申請人】3M創新有限公司