专利名称：锥形电容传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高电压测量技术，尤其涉及一种锥形电容传感器。
背景技术：
气体绝缘开关(Gas Insulated Switchgear，简称GIS) /半气体绝缘开关(Half GIS,简称HGIQ具有占地面积小，密封性好，受环境影响小，运行可靠性高，检修周期长，维 护工作量少，运行费用低等显著优点，在我国电网得到了广泛应用，并已成功应用到特高压 试验示范工程。GIS中的隔离开关、接地开关和断路器操作时，会产生幅值较高(最高可达 3p. u.)、陡度很大(波头时间可低至数ns)、频率很高(最高可达100MHz)的特快速瞬态过 电压(Very Fast Transient Overvoltage，简称VFTO)。对设备安全运行构成了严重威胁。VFTO上升时间极短(仅数ns)，而且是叠加于工频电压上并受到残余电荷(其等 效频率接近直流)的影响，因此要求测量系统不仅具有很高的上限频率(上百MHz)，而且还 要求足够低的下限频率(几个Hz)。另外，伴随VFTO会产生很高的暂态对地电压(Transient Earth Voltage，简称 TEV)，伴有很强的空间电磁干扰，因此VFTO的测量具有许多特殊性，要求测量仪器的响应 时间很短，频带很宽，并要采取更强的保护和抗干扰措施。目前VFTO测量主要采用平板电极结构的平板电容传感器，但这种平板电容传感 器的低压电容小导致变比较小，其频带响应的范围较窄，会使得测量回路中RC时间常数变 小，从而使得低频响应变差，频带变窄；另外，平板电极结构阻抗很难与测量电缆阻抗相匹 配，会产生折反射的情况，折反射的波形会叠加到测量的电压波形上，引起波形振荡和畸变。
发明内容
本发明的目的是提出一种锥形电容传感器，能够具有较大的变比，且能避免折反 射引起的波形震荡和畸变。为实现上述目的，本发明提供了一种锥形电容传感器，包括同轴的第一锥体和第二锥体，所述第一锥体内具有一密闭空间，所述第二锥体位 于所述密闭空间中，在所述第一锥体的内表面与第二锥体的外表面之间填充有电介质膜；所述第一锥体的底面作为高压电极，可与外部的导体、及导体与所述底面之间的 填充气体构成高压臂电容；所述第二锥体作为低压电极，可与所述第一锥体的锥形侧壁及所述电介质膜构成 低压臂电容；所述第二锥体的锥顶与同轴电缆的连接头相连，所述同轴电缆的另一端作为信号 输出端。在上述技术方案中，由于锥体的侧面积大于底面积，因此形成的低压臂电容大于 同一感应面积下平板电容传感器的低压臂电容，使得本发明锥形电容传感器的变比较大；由于锥体电容传感器在电压波传播方向上的尺寸是渐变的，而这种渐变方式实现了波阻抗 的平滑过渡，而不会形成折反射。进一步的，所述同轴电缆的另一端还连接有同轴积分器，所述同轴积分器的外壳 采用空心圆柱结构。同轴积分器增大了锥形电容传感器构成的VFTO测量系统的放电时间 常数，能够对锥形电容传感器的低频响应进行补偿，从而改善锥形电容传感器的低频特性。可选的，所述同轴积分器为阻容积分电路，所述阻容积分电路中的电阻的阻值范 围优选为ΙΟΩ-ΙΙ^Ω，电容的阻值范围优选为lpF-lnF，如果在优选的阻值范围之外，则会 导致波形还原效果变差。进一步的，所述第一锥体和第二锥体从底面到锥顶尺寸结构逐渐减小到与所述同 轴电缆的连接头相匹配。在电压波传播方向上的这种尺寸结构的渐变，实现了锥体波阻抗 到同轴电缆波阻抗的平滑过渡，形成内部阻抗的相匹配，而内部阻抗匹配几乎杜绝了电压 波在锥形电容传感器中传输的折反射。进一步的，所述第一锥体和第二锥体的材料为金属，同时因为同轴锥体的结构，金 属锥体外壳避免了电磁波从锥体四周进入测量系统干扰测量波形。可选的，所述电介质膜的材料为聚亚酰胺、聚乙烯或聚四氟乙烯。可选的，所述填充气体为空气、氮气或六氟化硫气体。可选的，所述同轴电缆的连接头为香蕉接头，所述香蕉接头的材料为金属。可选的，所述同轴积分器的外壳的材料为金属。积分器外壳采用金属是为了屏蔽 外界干扰。基于上述技术方案，本发明的锥形电容传感器中形成的低压臂电容大于同一感应 面积下平板电容传感器的低压臂电容，使得锥形电容传感器的变比较大；由于锥体电容传 感器在电压波传播方向上的尺寸是渐变的，而这种渐变方式实现了波阻抗的平滑过渡，而 不会形成折反射。本发明的锥形电容传感器的频带响应范围比传统的平板电容传感器更 宽，可以更好的测量VFTO波形；在另一实施例中还采用了同轴积分器，使得锥形电容传感 器的低频特性得到改善，而且通过调整同轴积分器可以满足不同的测量要求，更适用于实 际的测量。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1为本发明锥形电容传感器的一实施例的结构示意图。图2为本发明锥形电容传感器实施例测量出的波尾为800μ s的波形示意图。图3为本发明锥形电容传感器实施例测量出的上升沿为8n s的波形示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。如图1所示，为本发明锥形电容传感器的一实施例的结构示意图。在本实施例中， 锥形电容传感器包括同轴的第一锥体1和第二锥体2，第一锥体1内具有一密闭空间，第二 锥体2位于该密闭空间中，在第一锥体1的内表面与第二锥体2的外表面之间填充有电介质膜3。电介质膜3的材料可以采用聚亚酰胺、聚乙烯或聚四氟乙烯，也可以采用其他通用 的电介质材料。第一锥体1可以设在外壳9内，外壳9接地。第二锥体2的锥顶21与同轴电缆6的连接头61相连，同轴电缆6的另一端62作 为信号输出端。第一锥体1的底面11作为高压电极，可与外部的导体4、及导体4与底面11之间 的填充气体5构成高压臂电容。填充气体5可以采用空气、氮气或六氟化硫气体等。第二 锥体2作为低压电极，可与第一锥体1的锥形侧壁12及电介质膜3构成低压臂电容。由此 形成的低压臂电容大于同一感应面积下现有的平板电容传感器的低压臂电容，使得本发明 的锥形电容传感器的变比较大，进而实现更宽的频带响应范围。在本实施例中，锥体电容传感器具有锥形结构，第一锥体和第二锥体从底面到锥 顶尺寸结构逐渐减小到与同轴电缆的连接头相匹配，这种锥体结构在电压波传播方向上的 尺寸是渐变的，而这种渐变方式实现了锥体波阻抗到同轴电缆波阻抗的平滑过渡，形成内 部阻抗的相匹配，从而避免形成折反射，进而避免因折反射引起的波形振荡和畸变。在另一实施例中，同轴电缆6的另一端62还可以连接同轴积分器7，同轴积分器 7的外壳可采用空心圆柱结构，该外壳的材料可采用可屏蔽外界干扰的金属。同轴积分器 6可采用结构较为简单且典型的阻容积分电路，也可以采用其他典型结构的积分电路，通过 积分电路可以对锥形电容传感器的低频响应进行补偿，从而改善低频特性，同轴结构也可 避免发生折反射，以保证信号的准确性。阻容积分电路中的电阻71的阻值范围可取为IkQ-IOkQ，电容72的阻值范围可 取为lpF-lnF。根据不同的测量要求可以通过调整电容或电阻的取值，以便更加适用于实际 的测量情况。在上述各实施例中，第一锥体和第二锥体的材料可以采用易于导电的金属材料， 同时因为同轴锥体的结构，金属锥体外壳可避免电磁波从锥体四周进入测量系统干扰测量 波形。同轴电缆的连接头可以采用工程常用的金属材料的香蕉接头，也可以采用其他可保 证同轴的工程用接头结构。当导体4上施加电压时，通过锥形电容传感器中所构成的高压臂电容和低压臂电 容，同轴电缆6的连接头取得分压后的电压信号，将该电压信号传输到同轴积分器7，通过 同轴积分器7还原出电压波形，并通过示波器8显示出测量的电压波形。如图2所示，为本发明锥形电容传感器实施例测量出的波尾为ΙΟΟΟμ s的波形示 意图，其中A为原电压波形，B为锥形电容传感器测得波形。从图2中可看出锥形电容传感 器对长波尾波形的还原性好，即低频响应好。如图3所示，为本发明锥形电容传感器实施例测量出的上升沿为7n s的波形示意 图，其中A为原电压波形，B为锥形电容传感器测得波形。从图3可看出锥形电容传感器能 够完好的还原上升沿在7ns及其以上的电压波形，即高频响应好。这说明该传感器可以完 整的反映出VFTO波形的高频分量和低频分量。本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过 程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序 在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、RAM、磁碟或者 光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽 管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然 可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发 明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
权利要求
1.一种锥形电容传感器，包括同轴的第一锥体和第二锥体，所述第一锥体内具有一密闭空间，所述第二锥体位于所 述密闭空间中，在所述第一锥体的内表面与第二锥体的外表面之间填充有电介质膜；所述第一锥体的底面作为高压电极，可与外部的导体、及导体与所述底面之间的填充 气体构成高压臂电容；所述第二锥体作为低压电极，可与所述第一锥体的锥形侧壁及所述电介质膜构成低压 臂电容；所述第二锥体的锥顶与同轴电缆的连接头相连，所述同轴电缆的另一端作为信号输出端。
2.根据权利要求1所述的锥形电容传感器，其中所述同轴电缆的另一端还连接有同轴 积分器，所述同轴积分器的外壳采用空心圆柱结构。
3.根据权利要求2所述的锥形电容传感器，其中所述同轴积分器为阻容积分电路。
4.根据权利要求3所述的锥形电容传感器，其中所述阻容积分电路中的电阻的阻值范 围为Ik Ω-IOk Ω，电容的阻值范围为IpF-InF。
5.根据权利要求1所述的锥形电容传感器，其中所述第一锥体和第二锥体从底面到锥 顶尺寸结构逐渐减小到与所述同轴电缆的连接头相匹配。
6.根据权利要求1所述的锥形电容传感器，其中所述第一锥体和第二锥体的材料为金jM ο
7.根据权利要求1所述的锥形电容传感器，其中所述电介质膜的材料为聚亚酰胺、聚 乙烯或聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的锥形电容传感器，其中所述填充气体为空气、氮气或六氟化 硫气体。1
9.根据权利要求1所述的锥形电容传感器，其中所述同轴电缆的连接头为香蕉接头， 所述香蕉接头的材料为金属。
10.根据权利要求2所述的锥形电容传感器，其中所述同轴积分器的外壳的材料为金jM ο
全文摘要
本发明涉及一种锥形电容传感器，包括同轴的第一锥体和第二锥体，第一锥体内具有一密闭空间，第二锥体位于密闭空间中，在第一锥体的内表面与第二锥体的外表面之间填充有电介质膜；第一锥体的底面作为高压电极，可与外部的导体、及导体与底面之间的填充气体构成高压臂电容；第二锥体作为低压电极，可与第一锥体的锥形侧壁及电介质膜构成低压臂电容；第二锥体的锥顶与同轴电缆的连接头相连，同轴电缆的另一端作为信号输出端。本发明锥形电容传感器中形成的低压臂电容大于同一感应面积下平板电容传感器的低压臂电容，使得锥形电容传感器的变比较大；由于在电压波传播方向上的尺寸是渐变的，实现了波阻抗的平滑过渡，而不会形成折反射。
文档编号G01R19/00GK102043082SQ20101051976
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者刘石, 张乔根, 张璐, 时卫东 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司, 西安交通大学