高電壓測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】這里描述一種測量在諸如用于中等電壓配電網(wǎng)的現(xiàn)代帶屏蔽的高電壓電纜上的電位方法和裝置。電容性傳感器配置(100)使用電纜(110)中的業(yè)已存在結(jié)構(gòu)(114、116、118、120)被構(gòu)造在電纜(110)上。又描述了隱含保護(hù)方法的使用，該方法使用在保留的現(xiàn)代電纜設(shè)計中出現(xiàn)的半導(dǎo)體層(116)并形成電容性傳感器配置(100)的一部分。也使用溫度補(bǔ)償技術(shù)來改善傳感器配置(100)的性能。
【專利說明】高電壓測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高電壓測量系統(tǒng)，更具體地涉及無接觸、基于電纜的交流高電壓測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]一般來說，測量高和中等電壓傳輸和分配系統(tǒng)中的交流電壓具有四種主要方法，即:磁方法，其中例如使用電位變壓器；利用電位分壓器或使用阻抗的抽頭的方法；利用普克爾盒和液晶等光學(xué)方法；以及利用電場儀(field mills)的機(jī)械方法。另外，這些方法可組合以提供測量高和中等交流電壓的進(jìn)一步方法。
[0003]高電壓系統(tǒng)中的電壓測量傳統(tǒng)地是使用電位變壓器或電容耦合的電位變壓器來作出的。這些設(shè)備不但大而且昂貴，使它們無法在許多場合中得到廣泛使用。另外，由于這些類型的變壓器均需要直接連接至高電壓導(dǎo)體，因此需要在現(xiàn)場投入廣泛的安全防范以確保提供必要的隔離需求。
[0004]電阻性或電容性的分壓器是當(dāng)較低的測量精度可接受時所使用的二等設(shè)備。電阻性分壓器的缺點在于，需要與高電壓導(dǎo)體的電流連接。然而，可將電容性分壓器實現(xiàn)為使所需的與高電壓的隔離通過已有的安裝來提供。
[0005]測量高電壓電纜上的電位的電容性方法是已知的。
[0006]在DE-A-3702735中，描述了一種在電纜上構(gòu)造電容性元件和電容性分壓器以使沿電纜系統(tǒng)的任何位置處的線電壓可被測得的方法。在這種方法中，高電壓電容器的介電強(qiáng)度是通過電纜本身的導(dǎo)體絕緣性確定的，并且隨后可通過在電纜網(wǎng)絡(luò)中的任何點采用特別形狀的連接襯套或電纜終端來安裝分壓器，以允許在電纜網(wǎng)絡(luò)中的任何數(shù)量的測試點處進(jìn)行連續(xù)的電壓測量。
[0007]然而，該方法的缺點在于，電纜中的電場可能因所添加的結(jié)構(gòu)受到干擾，并由于沒有現(xiàn)代技術(shù)水平的中等電壓電纜中所存在的半導(dǎo)體層而使其使用年限打了折扣。如本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員公知的，術(shù)語“半導(dǎo)體層”意指電阻性材料，通常指碳充聚合物。在一些情形下，它可以是非線性材料，其電阻率隨著增加的電壓而減小。現(xiàn)代高電壓電纜使用這些層來防止電纜中的電場不連續(xù)性，并由此提高可靠性和允許使用較薄的電介質(zhì)。此外，該方法基于完全電容性分壓器，并因此提供基于電壓的輸出。此外，這些方法對濕氣污染或?qū)Φ孛鎸?dǎo)電性的增加(即使非常少量)的任何其它影響極為敏感。這意味著，即使極少量的污染也會導(dǎo)致所進(jìn)行的任何測量有顯著的誤差。這使機(jī)械構(gòu)造的完整性對在設(shè)備的使用年限保持穩(wěn)定而目是關(guān)鍵的。
[0008]在US-A-5051733中，描述了在已有電纜上構(gòu)造一種電容性元件以感測高電壓電路附近的雜散電場的方法。該電容性元件包括在已有電纜上增設(shè)的半導(dǎo)體層和加至半導(dǎo)體層的接觸層。這種配置用于借助各絕緣導(dǎo)體而連接的礦區(qū)電力中心或開關(guān)室內(nèi)的高電壓電路。這些絕緣導(dǎo)體一般不被任何四周的導(dǎo)電層所屏蔽，其結(jié)果，與導(dǎo)體的高電壓通電關(guān)聯(lián)的電場延伸超出了電纜本身至電力中心圍欄內(nèi)的其它相導(dǎo)體和周圍的接地表面。這里，這些雜散電場被用來提供高電壓導(dǎo)體被通電的直觀指示。效果上，電容器被構(gòu)筑在絕緣導(dǎo)體周圍并且這提供通過氣體放電燈至地面的高阻抗電路。當(dāng)高電壓電路被通電時,通過電容器的電流足以使放電管發(fā)出輝光，由此向維護(hù)人員提供可視警告。
[0009]然而，這種方法的缺點在于，需要將半導(dǎo)體層和接觸材料層加至之前已有的電纜。另外，沒有接地的靜電屏蔽被納入到系統(tǒng)中。因此，由于鄰近的設(shè)備和/或其它導(dǎo)體將存在干擾。另外，層的增加可能形成總體構(gòu)造的精確性和穩(wěn)定性的問題，這使該配置的長期穩(wěn)定性變得不可預(yù)測。此外，所描述的配置旨在提供不是針對電壓測量的指示設(shè)備。
[0010]US-A-5065142描述了一種在與US-A-5051733類似的已有電纜上構(gòu)造電容性元件的方法。提供了導(dǎo)體的擴(kuò)口分段以在邊緣處產(chǎn)生柔和的電場分布。具有在預(yù)定電壓下雪崩擊穿的特征的電容器和氖燈泡或其它氣體放電燈泡與整流器并聯(lián)?？蛇x擇地，壓電或其它類型的聲音發(fā)生設(shè)備可與氖燈泡串聯(lián)。當(dāng)中央導(dǎo)線在1000伏AC或更高電壓下被通電時，燈泡閃爍，并且可選用的聲音發(fā)生器激活，這些均發(fā)生在與沿絕緣的外部包鞘的長度有關(guān)的頻率處。
[0011]US-A-4241373描述一種開關(guān)裝置組件，該開關(guān)裝置組件包括真空中斷器、電流轉(zhuǎn)換器以及電容性電壓傳感器，它們?nèi)壳度朐诃h(huán)氧樹脂鑄造的殼體內(nèi)，該環(huán)氧樹脂澆鑄的殼體被安裝至穩(wěn)固接地的支承結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)的缺點是，它需要將該單元制造成設(shè)備包括具有其相關(guān)隔離的高電壓導(dǎo)體的鑄造本體的一部分，并且在之后的日子無法實現(xiàn)獨立的電容性元件。
[0012]US-A-4794331中描述了 一種用于電功率分配系統(tǒng)的電路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該分配系統(tǒng)包括連接器組件，該連接器組件具有整體形成的測試點，該測試點提供連接器組件內(nèi)的導(dǎo)體的故障電流或電壓損失監(jiān)測。連接器組件包括電路監(jiān)測模塊，該電路監(jiān)測模塊可電容性地耦合至系統(tǒng)導(dǎo)體并耦合至模塊以充當(dāng)向該模塊提供工作功率的測試點。感測板嵌入在連接器本體中以提供電容性耦合。然而，這種配置的缺點在于，將其實現(xiàn)在已有的裝置中需要更換或增設(shè)電纜連接器和槽口。
[0013]US-A-4794329中描述了 一種指示電路狀態(tài)的指示器設(shè)備。該指示器設(shè)備監(jiān)測高電壓導(dǎo)體內(nèi)故障電流的發(fā)生，自此指示器設(shè)備被掛起。該設(shè)備包括在其上端具有一對向外突出的電纜配合部件的殼體。諸配合部件由彈性絕緣材料形成并各自包括向外突出的底部和向內(nèi)突出的端部，所述向內(nèi)突出的端部靠著殼體的后壁配合并保持電纜。指示器設(shè)備的工作電能是得自藉由位于毗鄰導(dǎo)體的殼體內(nèi)的金屬板和在殼體下端內(nèi)的金屬環(huán)和導(dǎo)電涂層圍繞導(dǎo)體的電場的電位梯度。
[0014]在這種配置中，機(jī)械穩(wěn)定性受到限制并且不提供任何靜電屏蔽，由此與鄰近結(jié)構(gòu)的干擾和鄰近效應(yīng)將會是顯著的。該設(shè)備不用于確定測量但單純用于提供其在裝在上面的高電壓導(dǎo)體內(nèi)故障電流存在的指示。
[0015]在US-A-3538440中，描述了一種在已有電纜內(nèi)構(gòu)造電容性元件的方法，該已有電纜包括位于電纜電介質(zhì)的表面水平之下的電極。這種技術(shù)的缺點在于，在添加電容性元件過程中必定會對電纜電介質(zhì)造成損害。在許多情形下，電纜電介質(zhì)已經(jīng)很薄，這限制了對于電介質(zhì)中這種干擾能安全地作出的某些情形的適用性。本質(zhì)上，該方法涉及保持輸出電壓恒定的手段，這對于測量設(shè)備而言是不理想的。
[0016]US-A-4121154中描述了一種高電壓測量設(shè)備，該測量設(shè)備用來測量交流電攜帶線內(nèi)的電壓量。該測量設(shè)備使用具有相關(guān)聯(lián)的放大器的電容性元件，它在使用時接近高電壓線。提供電壓輸出，該電壓輸出是從已從AC信號轉(zhuǎn)換出的dc信號中得到的。然而，該設(shè)備不適于與許多電纜裝置一起使用并且其精度強(qiáng)烈地依賴于對由設(shè)備感測到的電場形成干擾的環(huán)境因素。
[0017]在US-A-4052665中，描述了在已有電纜上構(gòu)建電容性元件的方法，該已有電纜包括夾持在電纜周圍的同心電極。電容性拾取設(shè)備被夾持至絕緣導(dǎo)體并得到可測的電壓，該電壓是該導(dǎo)體中脈動的高電壓的幅度的線性函數(shù)，該高電壓具有15 — 40千伏的數(shù)量級，例如內(nèi)燃機(jī)的點火系統(tǒng)中遇到的。
[0018]然而，該方法的缺點在于，當(dāng)設(shè)備永久地連接至絕緣導(dǎo)體時，夾具不管理其邊緣的電場并隨時間流逝可能造成電介質(zhì)完整性問題。
[0019]已知的電容性電壓測量方法由于下面兩種因素而無法投入實踐。一方面，基于分壓器的電容性方法對污染物高度敏感，另一方面，現(xiàn)代的電纜使用薄電介質(zhì)并且依賴電場梯度控制來保持內(nèi)部電場沒有不連續(xù)性并防止電介質(zhì)的擊穿。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種高電壓測量系統(tǒng)，它利用其上可作出測量的整段電纜作為測量系統(tǒng)的一部分并籍此可獲得更精確的測量。
[0021]這個目的是通過表現(xiàn)出第一權(quán)利要求的技術(shù)特征的高電壓測量系統(tǒng)來達(dá)成的。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于測量絕緣電纜的電壓的測量裝置，該絕緣電纜包括至少一個中央導(dǎo)體、圍繞至少一個中央導(dǎo)體的第一電介質(zhì)層、圍繞第一電介質(zhì)層的半導(dǎo)體層以及圍繞半導(dǎo)體層的電纜屏蔽。該裝置包括配置在電纜周圍的感測電極組件，該感測電極組件包括連接至半導(dǎo)體層的感測電極元件，由此感測電容是由半導(dǎo)體層連同至少一個中央導(dǎo)體以及絕緣電纜的至少第一電介質(zhì)層形成。一電路連接至感測電極元件。該裝置進(jìn)一步包括用于定義感測電極組件的有效感測面積的配置。該電路包括電流模式信號調(diào)節(jié)電路，電流模式信號調(diào)節(jié)電路的輸入被連接至感測電極元件并被定位到電流模式信號調(diào)節(jié)電路的電路基準(zhǔn)電位，電纜屏蔽被連接至該電路基準(zhǔn)電位，電流模式信號調(diào)節(jié)電路被配置成通過主動地向零驅(qū)動其輸入阻抗而補(bǔ)償半導(dǎo)體層的寄生阻抗。
[0023]本發(fā)明基于使用已有的高或中等電壓電纜結(jié)構(gòu)作為傳感器單元的耦合電容的有效部分的電容性耦合，該傳感器單元被用于測量絕緣電纜上的電壓。由于電容性耦合的使用，不需要與導(dǎo)電體的電流接觸。根據(jù)本發(fā)明，使用這種電纜構(gòu)造是有優(yōu)勢的，尤其是就電纜及其相關(guān)元件的給定分段的固有尺寸和機(jī)械穩(wěn)定性方面而言。
[0024]理想地，已有的半導(dǎo)體層可被用來使電場平滑，并且這消除了必須使電極的邊緣擴(kuò)口以提供電場均一性的機(jī)械復(fù)雜性。
[0025]在本發(fā)明的測量裝置中，高電壓電纜本身被利用作為測量裝置的一部分，因為它已提供導(dǎo)體和相關(guān)的隔離。以電極組件形式出現(xiàn)的傳感器被建立在這些已存在結(jié)構(gòu)的頂上，并因此不需要額外的高電壓隔離本體。因此，對包含傳感器的獨立單元不需要作出額外的高電壓連接，并且也不需要與高電壓導(dǎo)體本身相互作用。此外，由于半導(dǎo)體層可保持完好，可避免或最小化電纜中的電場的干擾。
[0026]相對于某些現(xiàn)有技術(shù)測量裝置，本發(fā)明的測量裝置在電纜上形成固定的構(gòu)造并因此克服了與所作出的臨時連接的機(jī)械穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)的任何問題以使電壓測量被獲得。
[0027]根據(jù)本發(fā)明使用的電流模式信號調(diào)節(jié)電路從感測電極元件中獲取輸入電流，并相對于優(yōu)選的基準(zhǔn)電位(通常是接地的電纜屏蔽)向所述元件呈現(xiàn)近似理想的零歐姆輸入阻抗。這種狀態(tài)是通過相對于基準(zhǔn)電位主動地驅(qū)動輸入電位差至零電位或接近零電位而達(dá)到的。這種基準(zhǔn)電流輸入信號調(diào)節(jié)的使用，與傳感器協(xié)同，使得因半導(dǎo)體層本身的高導(dǎo)電性、灰塵、濕氣污染、半導(dǎo)體層的老化以及半導(dǎo)體層中的熱致導(dǎo)電性變化所導(dǎo)致的測量誤差顯著地減小了，并由此可能簡化傳感器的機(jī)械構(gòu)造。
[0028]第二電介質(zhì)層優(yōu)選地被設(shè)置在至少所述電極元件之上。另外，靜電屏蔽優(yōu)選地被設(shè)置在第二電介質(zhì)層之上。
[0029]在一個實施例中，靜電屏蔽被連接至絕緣的電纜上的屏蔽。這可提供靜電屏蔽的接地。
[0030]在另一實施例中，靜電屏蔽包括在絕緣電纜上的屏蔽，并且其延伸超過電纜和覆蓋至少所述電極元件的第二電介質(zhì)層。該靜電屏蔽可包括電纜的屏蔽。
[0031]通過使用經(jīng)屏蔽的電纜作為基礎(chǔ)，半導(dǎo)體層接近接地電位。這可增加系統(tǒng)的電氣安全性并在大的系統(tǒng)瞬變的情形下增加電子器件的耐久性，并還減少了來自環(huán)境的干擾。
[0032]在一個實施例中，用于定義感測電極組件的有效感測面積的配置包括定位在電極元件任一側(cè)的第一和第二附加電極元件。這改善了感測電極元件的電氣幾何特性的定義，由此更精確地定義了有效感測面積。
[0033]在一替代實施例中，用于定義感測電極組件的有效感測面積的配置包括在感測電極元件任一側(cè)的電纜屏蔽的邊緣部分周圍的第一和第二夾持設(shè)備。
[0034]為了溫度補(bǔ)償，可利用一適當(dāng)?shù)碾娐吩?例如積分電容器)以進(jìn)行電流模式操作，該電路元件與信號調(diào)節(jié)電路相關(guān)聯(lián)，所述信號調(diào)節(jié)電路熱結(jié)合于感測電極元件。另外，可單獨地或與熱結(jié)合的電路元件協(xié)同地使用與電極元件關(guān)聯(lián)的溫度傳感器。
[0035]有利地，與本發(fā)明的測量裝置的電極元件的連接可通過多軸導(dǎo)體作出。
[0036]本發(fā)明及其優(yōu)選實施例可提供優(yōu)于已知測量系統(tǒng)的下列優(yōu)點中的一個或多個:
[0037]1.地面基準(zhǔn)電流輸入信號調(diào)節(jié)的使用，與傳感器協(xié)同，使得因半導(dǎo)體層本身的高導(dǎo)電性、灰塵、濕氣污染、半導(dǎo)體層的老化、傳感器元件和其它結(jié)構(gòu)之間的寄生電容以及半導(dǎo)體層中的熱致導(dǎo)電性變化所造成測量誤差顯著減小了，由此簡化了傳感器的機(jī)械構(gòu)造。
[0038]2.能借助適當(dāng)?shù)碾娐吩?例如熱結(jié)合的積分電容器)容易地實現(xiàn)傳感器幾何特性的熱致變化(和因此帶來的熱致測量誤差)的校正技術(shù)。這些技術(shù)能顯著地提高設(shè)備在變化的操作條件下的精度。
[0039]3.可借助在感測電極元件任一側(cè)的附加電極元件，容易和精確地定義感測電極元件的電氣幾何特性。
[0040]4.傳感器使當(dāng)前技術(shù)的高電壓電纜的構(gòu)造具有最佳使用。將電纜隔離用作耦合電容器的主要電介質(zhì)，并因此可自動地獲得傳感器的關(guān)鍵高電壓隔離。
[0041]5.出現(xiàn)在電纜上的半導(dǎo)體層被用來確保第二電容器電極的機(jī)械穩(wěn)定性，并通過向電纜的接地屏蔽提供阻抗而利于在系統(tǒng)瞬變過程中的過電壓保護(hù)。
[0042]6.半導(dǎo)體層的存在允許簡單、薄和尖銳邊緣的電極的使用。沒有該半導(dǎo)體層，需要將電極邊緣制成喇叭形，或者必須取其它測量以確保平滑的電場梯度。通過保留這個層，電纜中的電場可大部分無干擾地地保留下來，這降低了由增加的電極邊緣造成的尖銳電場梯度引發(fā)的介電破壞的風(fēng)險。
[0043]7.由于本發(fā)明使用對測量的穩(wěn)定性很關(guān)鍵的已有的結(jié)構(gòu)，因此能夠大為簡化傳感器的安裝。
[0044]8.通過在越過感測元件延伸并在感測元件的兩端與電纜屏蔽和半導(dǎo)體層兩者接觸的構(gòu)造上施加靜電屏蔽，由其它電纜、設(shè)備和結(jié)構(gòu)造成的電氣干擾和鄰近效應(yīng)被顯著地減小和/或避免。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將僅以示例的方式參考附圖，在附圖中:
[0046]圖1是根據(jù)本發(fā)明在電纜分段的端部構(gòu)造的傳感器的截面示意圖；
[0047]圖2是根據(jù)本發(fā)明沿電纜分段構(gòu)造的傳感器的截面示意圖；
[0048]圖3是第一傳感器電極配置的示意圖；
[0049]圖4是與圖3的第一傳感器電極配置對應(yīng)的電路圖；
[0050]圖5是當(dāng)使用地面基準(zhǔn)的電流模式調(diào)節(jié)單元時傳感器的簡化電路圖；
[0051]圖6是地面基準(zhǔn)的電流模式信號調(diào)節(jié)單元的示意圖；
[0052]圖7是電流模式操作的溫度補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D；
[0053]圖8是第一傳感器模擬模型的電路圖；
[0054]圖9是示出圖8的傳感器模擬模型的模擬頻率響應(yīng)的曲線圖；
[0055]圖10是第二傳感器模擬模型的電路圖；
[0056]圖11是示出圖10的傳感器模擬模型的模擬頻率響應(yīng)的曲線圖；
[0057]圖12是第三傳感器模型的電路圖；圖13是示出圖12的傳感器模擬模型的模擬頻率響應(yīng)的曲線圖；
[0058]圖14是傳感器電流模式模擬模型的電路圖；
[0059]圖15是示出圖14的傳感器模擬模型的模擬頻率響應(yīng)的曲線圖；
[0060]圖16是示出電流模式傳感器的傳感器線性的曲線圖；以及
[0061]圖17示出根據(jù)本發(fā)明的信號調(diào)節(jié)電路。
【具體實施方式】
[0062]將針對具體實施例且參考特定附圖來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此而僅由權(quán)利要求書定義。所描述的附圖只是示意性的和非限制性的。在附圖中，出于說明的目的，一些元件的尺寸可放大且不按比例地繪制。尺寸和相對尺寸并不必然對應(yīng)于對本發(fā)明實踐的實際修正簡化。
[0063]此外，本說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等等用于在類似的元件之間進(jìn)行區(qū)分，而不一定用于描述順序次序或時間次序。這些術(shù)語可在適當(dāng)環(huán)境中互換，并且本發(fā)明的實施例可以不同于本文中描述或示出的其他順序操作。
[0064]此外，本說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”等用于描述性目的，而不一定用于描述相對位置。這樣使用的術(shù)語可在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中互換，并且本文中所述的本發(fā)明的實施例可以不同于本文中描述或示出的其他取向操作。[0065]此外，在各實施例中，盡管對“優(yōu)選的”引用被解釋成可實現(xiàn)本發(fā)明的示例性方式，但它不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。
[0066]權(quán)利要求中所使用的術(shù)語“包括”不應(yīng)被解釋為限于此后列出的步驟；它不排除其他元件或步驟。它需要被解釋為指定存在如所引用的所述特征、整體、步驟或組件，但并不排除存在或附加一個或多個其他特征、整體、步驟或組件、或者其組合。因此，措詞“包含裝置A和B的設(shè)備”的范圍不應(yīng)當(dāng)僅限于僅由組件A和B構(gòu)成的設(shè)備，而是相對于本發(fā)明而言，設(shè)備的唯一枚舉出的組件是A和B，并且權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步解釋成包括這些組件的等效物。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的感測設(shè)備使用許多現(xiàn)代高電壓電纜中業(yè)已存在的電纜結(jié)構(gòu)，以將耦合電容器的第一部分實現(xiàn)成高電壓導(dǎo)體。電纜中央導(dǎo)體形成第一電容器板，電纜電介質(zhì)形成電容器電介質(zhì)，而電纜半導(dǎo)體層形成第二電容器板。該第二板的性能可通過將金屬或其它比半導(dǎo)體層更好的導(dǎo)體施加到該材料而得以改善。作出與該第二板的連接。通過使用已有的電纜電介質(zhì)，就自動提供了這一組件的昂貴且對安全性很關(guān)鍵的部分即高電壓隔離。
[0068]用電介質(zhì)層覆蓋如前所述的電容器，并且隨后在電介質(zhì)層頂上覆蓋靜電屏蔽以防止環(huán)境的影響使測量變差，所述環(huán)境影響例如是由附近的其它設(shè)備和電流攜帶導(dǎo)體造成的鄰近效應(yīng)和電氣干擾。優(yōu)選地，靜電屏蔽包括金屬導(dǎo)體，該金屬導(dǎo)體在電容器分段的兩側(cè)附連至半導(dǎo)體層。靜電屏蔽也可連接至接地的電纜屏蔽。在用金屬分段改善電容器電極的實施例中，屏蔽附連物與金屬分段的邊緣隔開一定距離以防止屏蔽與第二電容器板直接或通過半導(dǎo)體層過短的分段而短路。替代地，電纜屏蔽可以與靜電屏蔽相同的方式使用。
[0069]靜電屏蔽可形成第二寄生電容器，其中第一板包括具有或不具有附加導(dǎo)體的半導(dǎo)體層，而第二板包括接地的靜電屏蔽。在該實施例中，電介質(zhì)包括所施加的電介質(zhì)層。要注意，電容器并聯(lián)于半導(dǎo)體層的一些分段的阻抗，那些分段來自對該半導(dǎo)體層的靜電屏蔽的附連點以及施加至半導(dǎo)體層或半導(dǎo)體層的附連點的金屬導(dǎo)體的端部。
[0070]在傳感器的構(gòu)造中，當(dāng)半導(dǎo)體層存在時，有效電容器尺寸延伸超過感測電極元件的長度。該有效尺寸與半導(dǎo)體層的性質(zhì)以及它如何和在哪里與電纜屏蔽(基準(zhǔn)電位)形成電接觸有關(guān)。所得到的電容器的有效尺寸可以若干種方式選擇性地更好定義，大大提升測量的結(jié)果精度和穩(wěn)定性，在這里一般稱其為用于定義感測電極組件的有效感測面積的配置。
[0071]一種建議的方法是通過在短距離上中斷感測元件任一側(cè)的半導(dǎo)體層。這樣做，感測元件的總機(jī)械長度加上感測元件每個末端上的半導(dǎo)體層多達(dá)相應(yīng)間隙的伸展等于感測元件的電長度。由于中斷半導(dǎo)體層干擾了電纜內(nèi)的電場，因此所產(chǎn)生的間隙可用非線性、電阻性材料再次填充，這種電阻性材料在正常工作電壓下維持高電阻率并在過電壓狀態(tài)下回歸到低電阻率。因此，在異常工作狀態(tài)下可維持內(nèi)部電纜電場分布的整體性，以這些狀態(tài)下傳感器的精度為代價。
[0072]其它方法基于在感測電極的任一側(cè)提供兩個附加電極，這兩個附加電極電連接至基準(zhǔn)電位，通常為電纜屏蔽和/或靜電屏蔽。這些是傳感器的優(yōu)選實施例。有效電容器尺寸則由下列定義:電容器分段的金屬部分，以及該金屬部分和金屬觸頭或到半導(dǎo)體層的接地連接的邊緣之間且在兩側(cè)處的距離的一半。這些電極可直接施加在半導(dǎo)體層的頂上。替代地，電纜屏蔽或靜電屏蔽可被夾持以與半導(dǎo)體層作出直接電連接，由此提供相似的功能。[0073]容易理解，盡管通常被描述為金屬性的，本文中討論的任何電極可由許多不同類型的高導(dǎo)電物質(zhì)制成，例如金屬和特別制備的聚合物。
[0074]由于根據(jù)本發(fā)明的傳感器被構(gòu)造在電纜的半導(dǎo)體層的頂上，因此電纜內(nèi)的電場實際不受影響。半導(dǎo)體層在面向高電壓導(dǎo)體側(cè)可保持不受損害。這，再加上由傳感器中的可能靜電屏蔽所造成的結(jié)構(gòu)上的電纜屏蔽的可能的連續(xù)性，有效地確保了對電纜本身的功能沒有任何影響。這是重要的，因為電纜電介質(zhì)周圍的結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)性可能造成很強(qiáng)的局部電場，該很強(qiáng)的局部電場隨時間可能使電介質(zhì)變差并造成損壞和跳火。
[0075]根據(jù)本發(fā)明的傳感器構(gòu)造的另一優(yōu)勢是業(yè)已存在的電纜結(jié)構(gòu)廣泛地用于傳感器配置的最關(guān)鍵耦合電容器元件的構(gòu)造。這些結(jié)構(gòu)被模制在導(dǎo)體和彼此的周圍，由此導(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定和彈性的整體。不損害這種整體性，感測電容器的電容器板之間的關(guān)鍵距離被很好地控制并且是機(jī)械穩(wěn)定的。此外，這極大地減少了傳感器的安裝時間以及由于粘合松弛、環(huán)境污染或不正確的安裝造成的隨時間流逝的誤差和變差的機(jī)會。尤其是后者，由于電場梯度和電位導(dǎo)致的電介質(zhì)劣化，可能造成問題。
[0076]這種構(gòu)造的結(jié)果是對高電壓導(dǎo)體良好定義的、小數(shù)值耦合的電容器。該電容器現(xiàn)在可與眾多電路結(jié)合使用以獲得高電壓導(dǎo)體上的電位的測量。然而，優(yōu)選實施例將會是地面基準(zhǔn)的電流輸入信號調(diào)節(jié)設(shè)備，它可與分流器結(jié)合使用或者不這樣，由此耦合電容器的第二板在正常工作期間可保持非常接近或等于接地電位，并且由半導(dǎo)體層和第二電容器的阻抗形成的負(fù)載可忽略不計。半導(dǎo)體層和第二電容器的阻抗不是良好定義的，并且需要關(guān)注它，以確保它們隨時間保持恒定。通過使用基于電流的方法，這些因素對測量變得可忽略。然而，這些寄生組件提供一些優(yōu)勢，因為它們轉(zhuǎn)移了瞬變效果和靜態(tài)累積。
[0077]也可增加溫度校正技術(shù)，或者通過對傳感器溫度的直接測量和信號調(diào)節(jié)的校正，或者添加用于校正該信號調(diào)節(jié)中的偏差的溫度依賴元件。后一方法的一種實現(xiàn)可通過將所需的積分電容器整合到傳感器內(nèi)的一些形式的信號調(diào)節(jié)電路中以使其熱結(jié)合于傳感器而達(dá)成。通過選擇適當(dāng)?shù)念愋突蝾愋徒M合，可選擇其熱依賴性以補(bǔ)償耦合電容中的熱致改變。這種適用性將依賴于所使用的信號調(diào)節(jié)。根據(jù)所期望所要求的性能，可單獨或彼此結(jié)合地使用兩種方法。
[0078]在下面的描述中，術(shù)語“同軸”指連續(xù)的屏蔽與導(dǎo)體同軸地設(shè)置的電纜，該屏蔽與導(dǎo)體通過隔離器分離。
[0079]如前面替代的，術(shù)語“半導(dǎo)體層”指通常是碳充聚合物的電阻性材料，或者指其電阻率隨著增加的施加電壓而減小的非線性電阻性材料?，F(xiàn)代高電壓電纜使用這些層以防止電纜中的電場不連續(xù)性。這改善了可靠性，并可使用更薄的電介質(zhì)層。
[0080]在下面對附圖的詳細(xì)描述中，各附圖中相同的要素用相同的附圖標(biāo)記表示。
[0081]本發(fā)明涉及在中等或高電壓電纜上構(gòu)造耦合電容器。當(dāng)構(gòu)造這種耦合電容器時，可使用短長度的電纜。例如，由于間距約束可使用lcm-5cm范圍的長度。這種構(gòu)造的電容器實際上是同軸電容器，其中電纜的中央導(dǎo)體形成內(nèi)圓柱體而增加的電極形成外圓柱體。所構(gòu)造的電容器的電介質(zhì)是通過兩圓柱體之間的電纜組件來形成的。在實踐的電纜中，電介質(zhì)具有2和3之間的相對介電常數(shù)并且圓柱體之間的間距為0.5cm和Icm之間，可提供具有5pF和20pF之間的電容的耦合電容器。典型地，對額定值高達(dá)15kV的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜，可獲得15pF左右的電容。然而，不管這種電容的準(zhǔn)確值為何，相比當(dāng)構(gòu)造用于50Hz電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的傳感器時遇到的寄生效應(yīng)，它非常小，并可將該潛在的問題減少至相對阻抗，也就是，50Hz下的耦合電容器的阻抗相對于構(gòu)造中的寄生元件的阻抗。構(gòu)造的耦合電容器的一個示例示出于圖1中。
[0082]對于15pF的電容的電阻可使用下列方程確定:
[0083]
【權(quán)利要求】
1.用于測量絕緣電纜的電壓的測量裝置，所述絕緣電纜包括至少一個中央導(dǎo)體、圍繞所述至少一個中央導(dǎo)體的第一電介質(zhì)層、圍繞所述第一電介質(zhì)層的半導(dǎo)體層以及圍繞所述半導(dǎo)體層的電纜屏蔽，所述裝置包括: 配置在所述電纜周圍的感測電極組件，所述感測電極組件包括連接至所述半導(dǎo)體層的感測電極元件，以使感測電容器是由所述半導(dǎo)體層連同所述至少一個中央導(dǎo)體和至少所述絕緣電纜的所述第一電介質(zhì)層形成；以及 連接至所述感測電極元件的電路，其特征在于， 所述裝置進(jìn)一步包括用于定義所述感測電極組件的有效感測面積的配置； 所述電路包括電流模式信號調(diào)節(jié)電路，所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路的輸入被連接至所述感測電極元件并被定位到所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路的電路基準(zhǔn)電位，所述電纜屏蔽被連接至所述電路基準(zhǔn)電位，所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路被配置成通過主動地向零驅(qū)動其輸入阻抗而補(bǔ)償所述半導(dǎo)體層的寄生阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述用于定義有效感測面積的配置是由位于所述感測電極元件任一側(cè)并連接至所述半導(dǎo)體層的第一和第二附加電極元件形成的。
3.如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述用于定義有效感測面積的配置是由在所述感測電極元件任一側(cè)的電纜屏蔽的邊緣部分周圍的第一和第二夾持設(shè)備形成的。
4.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量裝置，其特征在于，所述組件進(jìn)一步包括設(shè)置在至少所述感測電極元件之上的第二電介質(zhì)層。
5.如權(quán)利要求4所述的測量裝置，其特征在于，所述組件進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第二電介質(zhì)層之上的靜電屏蔽。
6.如權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于，所述靜電屏蔽連接至所述電纜屏蔽。
7.如權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于，所述靜電屏蔽是所述絕緣電纜的所述電纜屏蔽的一部分，其沿所述電纜延伸并在覆蓋至少所述電極元件的第二電介質(zhì)層之上。
8.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量裝置，其特征在于，所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路被提供以將其輸入上感測到的輸入電流轉(zhuǎn)換成用于指示所述至少一個中央導(dǎo)體上的電壓的輸出電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路包括具有積分電容器的電荷放大器。
10.如權(quán)利要求9所述的測量裝置，其特征在于，所述積分電容器是良好選擇的并熱聯(lián)系于所述感測電容器，以使所述感測電容器的溫度依賴性被補(bǔ)償。
11.如權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換器、積分器和增益級。
12.如權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述電流模式信號調(diào)節(jié)電路包括基于運算放大器的Miller積分器。
13.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量裝置，其特征在于，所述基準(zhǔn)電位是接地電位。
14.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量裝置，其特征在于，還包括與所述電極元件關(guān)聯(lián)的溫度傳感器。
15.如前面任何一項權(quán)利要求所述的測量裝置，其特征在于，還包括與所述電極元件形成連接的多軸導(dǎo)體。`
【文檔編號】G01R15/16GK103718049SQ201280020470
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月25日
【發(fā)明者】T·德萊貝爾, E·莞德威克爾 申請人:妍迪思公司, 魯汶天主教大學(xué)