适用于断路器的多层电容器分压器电压传感器和相关断路器的制造方法
【专利摘要】多层电容器分压器电压传感器包括多个具有传感器到接地界面表面的电压传感器导电层。相应的电压传感器导电层通过在其间形成延伸的界面表面的材料连续体而彼此连接并且被连接到传感器输出电压Vs。电压传感器同样包括多个被连接到电接地的导电接地层，接地层与电压传感器导电层交错，以使得导电接地层位于相邻的导电电压传感器层之间。(最接近线导体的)第一电压传感器导电层被电连接到其它导体电压传感器层和输出电压Vs，并且设置有具有对应界面面积的传感器到导体界面表面。界面面积和间隙距离被配置成在紧凑传感器封装中针对适当大小的Vs的导体电压Vc的衰减而提供期望电容。
【专利说明】
适用于断路器的多层电容器分压器电压传感器和相关断路器
技术领域
[0001] 本发明一般涉及与线导体一起使用的电压传感器，并且更特别地涉及紧凑电容分 压器型（capacitive divider-type)的电压传感器。
【背景技术】
[0002] 电容分压器型传感器测量线导体或母线的AC电压。图1示意性示出电容器分压器 电压传感器电路。电路包括在电压传感器Vs和电接地Vg之间的电容器Csg。电路同样包括在 电压传感器Vs和线导体或母线Vc之间的第二电容器Csc。传感器电压Vs是导体电压Vc的一 (小）比率。电压比率是电容器Csc和Csg的线性函数。可使用以下方程来确定电压比率"Vc/ Vs"和比例因子"Vs/Vc" ：
[0003] Vc/Vs = 1+Csg/Csc 电压比率
[0004] Vs/Vc = Csc/(Csc+Csg)比例因子
[0005] 针对电压传感器的设计考虑包括成本、大小和制造便利性。此外，电容分压器的各 个组件的电场(E场)集中度(concentration)可影响电容分压器的设计。如已知的，E场集中 度部分地是线导体电压的因子。也就是说，随着线导体的电压增加，电容分压器的各个组件 的E场集中度也可能增加。当E场集中度高时，在线导体和电压传感器之间可能发生介电击 穿。虽然可以通过增加电容分压器的各个组件之间的距离来使E场集中度最小化，但是这种 对组件间距的增加同样增加装置的整体大小。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例涉及用于测量可以很小的电压且制造相对便宜的设备和方法。
[0007] 一些实施例涉及电容器分压器电压传感器（capacitor divider voltage sensor)，该电容器分压器电压传感器包括：（a):具有传感器到接地界面表面的多个电压传 感器导电层，其中相应的电压传感器导电层彼此电连接并且电连接到传感器输出电压Vs; 以及(b)多个导电接地层，其连接到电接地，该导电接地层与电压传感器导电层交错以使得 接地层位于相邻的电压传感器导电层之间。具有传感器到接地界面的多个电压传感器导电 层包括最接近线导体的第一电压传感器层。第一电压传感器层具有以相应界面面积面向线 导体的传感器到导体界面表面，并且同样在相对主表面上具有传感器到接地界面。第一电 压传感器层与线导体由至少一种介电或绝缘材料分隔以位于远离线导体的距离"gsc"处。 电压传感器限定具有从电压传感器到线导体的电容的第一电容器"Csc"，该电容与在第一 电压传感器层和导体之间的界面表面的面积成正比，并且与"gsc"成反比。每个具有传感器 到接地界面表面的电压传感器层具有相应的面积，并且位于距相邻接地层的距离"gsg"处。 电压传感器限定具有从电压传感器到接地的电容的第二电容器"Csg"，该电容与传感器到 接地界面表面的面积以及具有相应传感器到接地界面表面的导电层的数量成正比，并且与 "gsg"成反比。
[0008] 相应的电压传感器导电层可由形成界面表面的材料连续体彼此电连接并且电连 接到传感器输出电压Vs(并且在一些实施例中可具有相同宽度和高度）。
[0009] 电压传感器可具有相同数量的形成传感器到接地界面表面的接地层和电压传感 器层。
[0010] 电压传感器可被配置成使得外层是接地层，从而将传感器屏蔽于外部电场。
[0011] 电压传感器可被配置成使得相应接地层和电压传感器层的材料连续体与传感器 到接地界面表面正交。
[0012] 材料连续体和具有传感器到接地界面的电压传感器层可具有共同的长度尺寸。 [0013] 第一传感器层可具有在约1mm2至约1000mm2之间的对应表面面积的传感器到导体 界面表面，但是本发明的实施例预期更大和更小的界面表面面积。
[0014] 导电传感器层和接地层可通过具有由介电膜分隔的相对的第一和第二导电表面 的柔性基板的连续长度限定，第一导电表面形成电压传感器导电层，并且第二导电表面形 成导电接地层。
[0015] 导电传感器层和接地层通过具有由介电膜分隔的相对的第一和第二导电表面的 柔性基板限定，第一导电表面形成电压传感器导电层，并且第二导电表面形成导电接地层。 膜厚度可限定在相邻的导电电压传感器和导体层之间的距离gsg。
[0016] 柔性基板可折叠成多个紧密间隔开的堆叠部分。
[0017] 柔性基板可具有蛇形或波纹形状的主体，延伸部由与折叠相关联的弯曲部限定。 柔性基板可支撑(hold)具有将来自电压传感器的传感器电压Vs放大的放大器的电子电路。
[0018] 柔性基板的至少一个区域可具有相对于其它区域的增大的刚度并且支撑电子电 路。
[0019] 导电传感器层和接地层可通过具有相对的第一和第二导电表面的柔性基板限定， 第一导电表面形成电压传感器导电层，并且第二导电表面形成接地层。柔性基板可具有采 用螺旋圆柱形或椭圆形形状的卷制或卷绕主体电容器分压器配置。
[0020] 第一电压传感器层可具有平面的导体到电压传感器界面表面。
[0021] 第一电压传感器层可具有曲面的导体到传感器界面表面。
[0022] 柔性基板可包括以外介电层、导电传感器层、第二介电膜以及导体接地层的限定 顺序的至少四层。
[0023] 另外其它实施例涉及多相电容器分压器电压传感器。传感器包括多个多层电压传 感器，每个多层电压传感器具有(i)交错的导电传感器层和接地层，其被配置成具有面向相 应的线导体且电连接到其它电压传感器层的第一导电电压传感器层，以及（ii)外导电接地 层。每个多层传感器的外接地层电连接到共同的参考节点。
[0024] 多个多层电压传感器可包括每个连接到不同相导体的第一、第二和第三多层电压 传感器。
[0025] 传感器可包括将多个多层电压传感器的外接地层电连接的导电板、PCB或柔性电 路或线路。
[0026] 外导电接地层可电连接在限定合成中性点的中性极点处。
[0027] 另外其它实施例涉及用于低压或中压开关装置的电路。该电路包括由以下列出的 以及（iv)识别的一个或多个以下电容器分压器电压传感器配置。
[0028] (i)电容器分压器电压传感器，包括：
[0029] 多个电压传感器导电层，其具有传感器到接地界面表面的，其中相应的电压传感 器导电层(通常由在其间形成延伸的界面表面的材料连续体）电（通常同样物理)连接；以及 多个导电接地层，该接地层与电压传感器导电层交错以使得接地层位于相邻的电压传感器 导电层之间。具有传感器到接地界面的多个电压传感器导电层包括最接近线导体并且电连 接到传感器输出Vs的第一电压传感器层，第一传感器层设置有具有相应界面面积的传感器 到导体界面表面，其中第一电压传感器层与线导体由至少一种介电或绝缘材料分隔以位于 远离线导体的距离"gsc"处。电压传感器限定具有从电压传感器到导体的电容的第一电容 器"Csc"，该电容与在第一电压传感器层和导体之间的界面表面的面积成正比，并且与 "gsc"成反比。每个具有相应传感器到接地界面表面的电压传感器层位于距相邻接地层的 距离"gsg"处，其中从电压传感器到接地的电容"Csg"与界面表面的面积以及具有传感器到 接地界面表面的导电层的数量成正比，并且与"gsg"成反比。电压传感器被配置成使得外层 是连接到Vg的接地层，从而将传感器屏蔽于外部电场。
[0030] (ii)电容器分压器电压传感器，其设置有具有如下长度的柔性基板主体，该长度 被折叠多次并且限定由介电膜分隔的间隔开的导电传感器层和接地层。电压传感器被配置 成使得第一导电传感器层面向相应的线导体且电连接到传感器输出Vs。
[0031] (iii)电容器分压器电压传感器，其设置有具有如下长度的柔性基板主体，该长度 被卷制或卷绕成形成具有由介电膜分隔的堆叠导电传感器和接地层的基本上圆柱形或椭 圆形主体。传感器被配置成使得第一导电传感器层面向相应的线导体且电连接到传感器输 出Vs〇
[0032] (iv)多个多层电压传感器，每个多层电压传感器具有（i)交错的导电电压传感器 层和接地层，其被配置成具有面向相应的线导体且电连接到其它电压传感器层的第一导电 电压传感器层，以及（ii)外导电接地层。每个多层传感器的外导电接地层电连接到共同的 参考节点处。
[0033] 其它实施例涉及制造用于电容器电压传感器的电容器的方法。该方法包括：（a)提 供包括导电材料的辊和电绝缘材料的辊的多个材料的辊；（b)将来自不同辊的材料拉动并 压缩到一起成为邻接覆盖层；以及(c)使用邻接层的长度形成具有用于电容器传感器分压 器的成形体的电容器。
[0034] 本发明的另外特征、优点和细节将由本领域的普通技术人员从附图的阅读和优选 实施例的详细描述中理解，这种描述对本发明仅是说明性的。
[0035] 应当注意的是，关于一个实施例描述的本发明的各方面可并入在不同实施例中， 但是没有相对于此具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方 式和/或组合来组合。
【申请人】保留改变任何原始提交的权利要求或因此提交任何新权利要 求的权利，包括能够修正取决于和/或并入任何未以该方式在原始要求的其它权利要求的 任何特征的任何原始提交的权利要求的权利。本发明的这些和其它目的和/或方面在以下 阐述的说明书中详细解释。
【附图说明】
[0036] 图1是电容器分压器电压传感器配置的示意说明。
[0037] 图2A是根据本发明实施例的示例性多层电压传感器配置的示意性透视放大图。
[0038] 图2B是根据本发明实施例的与图2A中示出的多层电压传感器类似的多层电压传 感器的显著放大示意顶视图。
[0039] 图2C是根据本发明实施例的具有附接到模制外壳断路器(MCCB)的导体的跳闸单 元和多层电压传感器的MCCB的示例的侧视透视图。
[0040] 图3是根据本发明实施例的另一个示例性多层电压传感器配置的示意性透视放大 图。
[0041] 图4A-4C和图5A-5D是根据本发明实施例的示例性卷绕多层电压传感器配置的示 意性放大图。
[0042] 图6是包括根据本发明实施例的合成中性点的另一个示例性多层电压传感器配置 的示意性放大图。
[0043]图7是根据本发明实施例的多层电压传感器配置的显著放大透视图。
[0044] 图8A是根据本发明的一些实施例的包括可与检测的电压传感器信号通过界面连 接以及通过界面连接到诸如电子跳闸单元和/或保护继电器的PCB的示例性电路图。
[0045] 图8B是根据本发明实施例的柔性电路传感器配置的示意图。
[0046] 图9是可用于制造用作根据本发明实施例的电压传感器的多层电容器的示例性卷 绕设备的正视图。
[0047] 图10是形成根据本发明实施例的电压传感器的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0048] 现将参考附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示意性实施 例。相同的数字指示相同的元件，并且可以使用不同数量的上标指示撇号（例如，1〇、1〇"、 10"、10" '）来指定相同元件的不同实施例。
[0049] 在附图中，区域或特征的相对大小可能为了清晰度而被放大。然而本发明可以以 许多不同的形式体现，并不解释为限于在此阐述的实施例;相反，提供这些实施例以使得本 公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。
[0050] 应该理解的是，尽管术语第一、第二等可在此用于描述各种元件、组件、区域、层 和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分应当不受这些术语限制。这些术语仅用 于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的第 一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不脱离本发明 的教导。
[0051] 为便于描述，在此可以使用诸如"在...之下"、"下方"、"下"、"上方"、"上"等的空 间相对术语来描述如在图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。但可以理 解的是，除了在附图中描述的取向之外，空间相对术语还旨在包括处于使用或操作中的装 置的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征"下方"或 "在……之下"的元件然后将被取向为在其它元件或特征的"上方"。因此，示例性术语"下 方"可以包括上方和下方的取向两者。装置可被另外取向（旋转90°或以其它取向），并且在 此使用的空间相对描述符可做出相应的解释。术语"约"指示所述值的+/-20%的范围中的 数量。
[0052] 如在此所用，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在还包括复数形式，除非上下文清楚 地另外指明。应当进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语"包括"、"包含"、"包括了" 和/或"包含了"指定所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或 附加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。将理解的是，当 指示元件"连接"或"耦接"到另一个元件时，可以直接连接或耦接到另一个元件，或可存在 中间元件。如在此所用，术语"和/或"包括一个或多个相关的所列项目的任何和全部组合。
[0053] 术语"印刷电路板"指具有电路径以及处于其上的组件的基板。基板可以是柔性 的、刚性的或半刚性的。术语"半刚性"是指可弯曲但具有足以保持所需自支撑形状的刚度 的并且可以是可延展的基板。
[0054] 术语"紧密间隔开的"指相邻的接地层和传感器层和邻近的传感器层或接地层的 间距，其可以是约0.001mm至约50mm之间（通常在约0.001mm至约1mm之间）的距离。
[0055] 除非另有定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有如属于本发明的 本领域普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如在常用字典中定义 的那些术语应当被解释为具有与在该说明书和相关领域的上下文中它们的含义一致的含 义，并且将不会以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确这样定义。
[0056] 现在转向附图，图2A和图2B示出了电容器分压器电压传感器10。电压传感器10可 以由限定交错的导电传感器层20和接地层30的多层印刷电路板10b提供。接地层处于0伏 (Vg = 0)。电压传感器10包括与相应接地层30交错的至少一个电压传感器层21、22。通常，电 压传感器10包括与相应接地层31、32交错的多个电压传感器层21、22。电压传感器层20彼此 电连接以提供电压传感器输出Vs。接地层30同样彼此电连接以提供电压输出Vg(Vg = 0)。一 个电压传感器层21比相应的接地层31或其它传感器层20更接近线路或电流和电压承载导 体50。
[0057]图2A示出具有与相应的接地层31、32交错的两个紧密间隔开的传感器层21、22的 电压传感器10。图2B示出具有与相应接地层31、32、33交错的三个紧密间隔开的传感器层 21、22、23的电压传感器10。电绝缘体或介电材料28可被定位在导体50和第一传感器层21之 间。电绝缘体或介电材料28可以同样位于每个相邻的接地层30和传感器层20中的一个或多 个之间。如在图2B中所示，介电或电绝缘体28同样可以位于每个邻近的传感器层20和接地 层30之间。
[0058]电绝缘体或电介质28可包括空气、薄（例如，在约0.002英寸至约0.1英寸之间）片 电绝缘材料(诸如例如聚酰亚胺(？〇1丫：[1111(16)-?￡?含氟聚合物(￡11101'0?01711161')基板，其提 供诸如来自Dupont的Kapton?膜的坚韧的高介电强度绝缘），或者可以包括PCB层，或者 上述或不同材料和物质的组合。
[0059] 在一些实施例中，电容器分压器传感器10的传感器层20和接地层30被设置为紧密 堆叠的PCB导电层。除介电层外，电压传感器10的堆叠导电层可以包括所使用的约1-20层之 间的交错电压传感器层20和接地层30。层20、30可以具有规则或不规则的间隙或在其间的 电绝缘空间。
[0060] 每个相邻的导电层20、30彼此可以相距约0.001mm至约1mm内，该距离可以对应于 距离"gsg"（图2A)并影响电容Csg。
[0061] 从电压传感器到导体的电容(Csc)与传感器层21和导体50之间的界面面积A1成正 比，并且与在传感器层21和导体50之间的间隙(gsc)成反比。
[0062]从传感器到接地的电容(Csg)与在相应的传感器层20和接地层30之间的界面面积 A2成正比，与在传感器和接地之间的界面层25(例如由在图2A和图3中的圆圈指示）的数量 成正比，并且与在相应传感器层20和接地层30之间的间隙(gsg)成反比。
[0063]在图2A中，设置有具有界面表面A2的界面层25的电压传感器层20的数量为3,25i、 252、253。在图2B中，示出具有相应界面表面A2的界面层25的数量为5。
[0064] 界面面积A1和A2可具有不同的面积。在一些实施例中，取决于目标应用，A1和/或 A2可以是典型地在约0.0001mm2至约1，000，000mm2之间的任何适当大小。
[0065] 在一些实施例中，A1和/或A2具有相对紧凑的表面面积，典型地在约1mm2至约 15 0 0mm2之间，更典型地在约1 mm2至约10 00mm2之间，包括在约1至9mm2、约10mm2、约5 0mm2、约 7 5mm2、约 100mm2、约 200mm2、约 250mm2、约 300mm2、约 350mm2、约 400mm2、约 450mm2、约 500mm2、约 600mm2、约700mm2、约800mm 2、约900mm2或约1000mm2以及在其间的任何数量之间。在一些特定 实施例中，对于约100mm 2的相应界面表面面积，A1和/或A2可具有约10_ X约10mm的宽度X 高度尺寸。
[0066] 在一些特定实施例中，对于低电压应用，界面面积A1和/或A2可以在10mm2至约 1000mm2之间。例如，A1和/或A2可以是约10mm2、约20mm2、约30mm 2、约40mm2、约50mm2、约 60mm2、约 70mm2、约 80mm2、约 90mm2、约 100mm2、约 125mm2、约 150mm2、约 17 5 mm2、约 200mm2、约 250mm2、约 300mm2、约 350mm2、约400mm2、约450mm2、约 500mm2、约600mm2、约 700mm2、约800mm2、 约900mm2或约1000mm 2或其间的任何数量。然而，可以预期的是，其它应用可使用显著更小或 显著更大的界面面积。小的界面面积可采用MEMS(微机电系统）制造技术或其它微型制造方 法(例如硅晶片微机械加工、绝缘层和导电层的沉积、图案化和选择性刻蚀)来制造。
[0067] 接地到传感器界面25可以以不同数量被提供，通常在约1至约20之间，包括1、2、3、 4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20。接地到传感器界面面积六2可以在不 同界面层中以不同大小被提供。
[0068]因此，电压传感器10可具有与具有交替的导电层和介电层的多层电路板类似的构 造。在图2A中所示的实施例中，第一导电层21和第三导电层22连接到传感器输出Vs，并且第 二层31和第四层32连接到接地(Vg)。
[0069] 最接近导体50的第一导电层21连接到传感器输出Vs，并且使用介电或电绝缘体28 将该第一导电层21与导体50间隔开。接地层30和传感器层20的数量应该相同，以使得外层 30〇(图2A中的层32和图2B中的层33)或最远离导体50的电压传感器10的层是接地层30。该 配置可以将传感器10屏蔽于外部电场。增加界面层25的数量增加了电容(Csg)，并且允许界 面面积A2的减小和/或电压比(Vc/Vs)的增加。因此，电压传感器10的大小可以很小。
[0070] 在一些实施例中，导体50与层20和30的布置可提供约lpF的电容Csc和在约100pF 和1000pF之间的电容Csg。
[0071] 电压传感器信号Vs可以是Vc的约0.001%至约1%之间。在一些实施例中，在感测 的电压信号Vs和线导体电压Vc之间的比率为1:200和/或约5mV/V。
[0072]如图8A所示，电路100c可以被安装在还保持电压传感器体10b(或如将在下面进一 步讨论的各种配置1〇、1〇'、1〇"、1〇"'）的？〇8 100上，以增加传感器信号￥8的准确性和可靠 性。电路100c可以包括处理器100p(和诸如放大器的其它组件)并且可与诸如电子跳闸单元 和/或保护继电器的外部装置101连接。电路100c可包括具有读出电路的缓冲器和放大器电 路，该缓冲器和放大器电路可放大与来自电容分压器10的感测电压成正比的所感测的电压 电势信号，并且向诸如跳闸单元(未示出）的外部装置101发送指示线导体50的电压电势的 信号。
[0073]图2C示出与具有开关S的低电压模制外壳断路器110中的跳闸单元101t-起使用 的与导体50(示为A相导体50A)电通信的电压传感器10。具有可结合该文件的电压传感器的 中电压应用的断路器的示例的进一步描述可以在共同待审的US2012/0098519中找到，其内 容在此通过引用并入，如在此充分所述的。
[0074]图3示出与在图2A和2B中示出的电压传感器类似的电压传感器10'。在该实施例 中，传感器体l〇b包括柔性电路体20f，该柔性电路体20f可包括折叠金属化介电膜。柔性电 路20f可包括介电膜120,该介电膜120可在形成其间具有介电膜层120的外导电传感器层 20、外导电接地层30的两侧上被金属化。距离gsg是介电膜120的厚度。该距离gsg(或膜120 的厚度)通常在约〇.〇〇1_至约〇. 1_之间。
[0075] 从传感器到导体的电容(Csc)与界面面积A1成正比，并且与在传感器层21和导体 50之间的间隙空间gsc成反比。从传感器到接地的电容(Csg)与界面面积A2成正比，并且与 在传感器层20和接地层30之间的间隙gsg成反比。增加界面面积A2增加了电容Csg并且增加 了电压比。长条形的介电膜可以被金属化，以使得界面面积A2很大。膜20f可以具有在约2_ 至约20mm之间的宽度W，以及在约2mm至约20mm之间的高度H。长度L可以是典型地在约1mm至 约10mm之间的任何适当的长度。长度可充分地形成4-100之间个折叠(通常具有偶数数量的 折叠F)，以限定界面面积25。如借助于在图3中示出的示例，折叠F可产生约5个界面面积25， A2。该实施例中的界面面积A2处于在被金属化的侧20、30之间的介电膜中。
[0076] 长度和折叠配置可以具有含折叠F的蛇形和/或波纹形状，其可以安装在小的区 域/体积内。因此，电压传感器10'的大小可以很小，并且传感器电压Vs可以很小(诸如小于 约7.5V)，以抑制电子放大器的饱和。
[0077]偶数数量的折叠F(示为四个)可产生与导体50和与外侧上的外部接地层30〇连接 的传感器层21，以形成对外部电场的屏蔽。柔性电路20f可以包括采用硬化剂硬化或保持用 于保持电子电路放大器组件的刚性基板的部分。可替代地或附加地，柔性电路20f可以附接 到刚性或半刚性PCB。
[0078] 如在图8B中所示。电压传感器10'、10"可与电路100c通信。电路100c可以安装在柔 性电路20f的刚化部分20r上，以增加传感器信号Vs的准确性和可靠性。电路100c可以包括 处理器l〇〇p(和其它组件，诸如一个或多个放大器l〇〇a)，并可以与诸如电子跳闸单元和/或 保护继电器的外部装置1〇1(图8A)连接。
[0079] 图4A-4C和图5A-5D示出了卷绕电容器/分压器传感器配置10"。图4A-4C和图5A-5C 示出了基本螺旋的卷绕配置。图f5D类似于图5A，但还示出形成电压传感器10"的电容器可以 以平坦配置来卷绕。该实施例类似于图3中所示的折叠柔性电路配置。在该实施例中，柔性 电路20f可以包括(多个)金属化介电膜，其被卷制成具有椭圆形（图f5D)或圆柱形的主体。柔 性电路20f可以包括四层，包括介电膜层120、导电传感器层20、以及第二介电膜层121和导 电接地层30。圆柱形配置可以减小与折叠相关的半径（图3)并且可以简化制造。内侧的导电 层可以是传感器层20(在图4A、4B中示出）或接地层30(在图5A、图5B、图5D中示出）。最终的 外侧卷套可以仅具有提供如上所讨论的电屏蔽的接地层30〇。图4A、图5A和图?示出在平坦 传感器层21和平坦导体50之间的平坦界面A1。图4C和图5C采用对应曲面导体50c和传感器 21c的配置的曲面(部分圆柱形）界面A1。图4B和图5B示出使用平坦导体50的传感器导体界 面，以及用于相邻传感器层21c的形状的圆柱体的弧。
[0080]图6不出电容器分压器电压传感器的另一个实施例10" '。在该实施例中，传感器 10"'具有含单独传感器1〇(诸如在图2B中示出）的3相电容器分压器配置，该单独传感器10 具有可选的合成中性点40N。针对每个相(分别为50A、50B、50C)的每个电容器分压器的接地 层30可以使用诸如形成合成中性点40N的导线、板或层来连接(将外接地导体层30〇连接到 共同的中性极点），或可以全部连接到接地，Vg = 0。合成中性点40N可以被配置以使不需要 到接地的连接。为了分别感测相导体50A、50B、50C的电压，在电容器的传感器板20上的降低 电平Vs处，协作的接地或中性层30可以是公共电压的参考(例如，参考接地或节点）。然而， 在平衡的系统中，3相的总和为0伏。因此，三⑶个不同的接地/中性体3(h、30 2、303可电连接 到公共参考节点40c。
[00811图7是传感器10、10'、10"、10"'的交错层20、30以及具有由相应电容器分压器电压 传感器检测的电压VR的线导体50的显著放大局部视图。
[0082]多层电压传感器10、10'、10"、10"'可与紧密间隔开的层是紧配合的（(：〇1^&(^)，典 型地间隔开介于约〇. 〇〇 1mm至约1mm之间的距离。传感器10、10 '、10"、10" '可被配置成限定 具有约1 〇_ X 10_ X 3mm的宽度、长度和深度尺寸的紧凑传感器体封装。
[0083] 传感器10、10 '、10"、10" '可以特别适于低压开关装置。传感器10、10 '、10"、10" '可 以用于一些中压开关装置。低压开关装置通常被额定低于1000伏。中压开关装置被额定在 1000伏和72，500伏之间。用于本发明的实施例的示例性设计因素被设定尺寸为约2，000伏 的最大电压。间距、大小设定和/或电绝缘可以被调节成维持电绝缘的完整性处于更高电 压，以防止介电击穿。
[0084] 再次参考图8A，电路100c具有含电压传感器10、10'、10"、10"'的？08 100，该电压 传感器10、10'、10"、10"'具有在其中形成或位于其上的多层传感器体1013。电路100(3可以与 至少一个外部装置1〇1(诸如图2C的跳闸单元101t)通信。电路100c可以可选地包括具有由 电压传感器10、10'、10"、10"'保持或与电压传感器10、10'、10"、10"'通信的预放大器和其 它组件的处理器loop。
[0085] 在一些实施例中，具有触点的（例如，读出）电路100c可以被附接到PCB 100。传感 器线路和/或导电通孔100W可将导电传感器层20电连接到触点。接地线10g可以将接地层30 和可选的屏蔽电接地。电路100c可以缓冲电压传感器10、10'、10"、10" '的高阻抗，并且可以 包括放大用于电压传感器输出的电压Vs的缓冲和放大器电路组件。因为介电常数是温度敏 感的，所以热电偶和微处理器loop同样可以被包括在电路100C上，以补偿温度的变化。
[0086] 图9示出用于形成用于根据本发明的一些实施例的电容器电压传感器的电容器的 示例性滚磨机(roll-mill machine)200。辊R的数量仅借助于示例，因为可使用比所示的数 量(更多或更少）的不同数量的辊R。辊R由杆或轴210保持，并且是形成邻接层L的导电和绝 缘体材料的辊，该邻接层L随着它们被结合到一起以形成覆盖邻接层10L的主体而被压缩。 辊R可包括导电箱和绝缘膜或电介质。机器是电容器滚磨机。如图所示，对于6层传感器10、 10'、10"、10" '滚磨机工艺，机器保持六个辊R。可以预期的是，四个或五个辊R的配置可以用 于形成4层或5层电压传感器配置，以得到在金属箱层之间的均匀介电层。可替代地或附加 地，机器可以被配置成使用用于液体衆体(s lurry)的辑涂(ro 11 er coating)方法。
[0087] 图10是可用于形成根据本发明的一些特定实施例的电容器电压传感器的步骤/动 作的流程图。为了清晰，其它电压电容器传感器的制造方法和机器可用于形成在此描述和/ 或由本发明的实施例设想的电容器电压传感器的实施例。图10中的盒的虚线周围指示可选 的特征/步骤/动作。
[0088] 多个材料的辊可被放置在相应的杆上，包括至少两个导电材料辊和两个电绝缘体 材料辊(方框300)。在一些实施例中，（多个)导电材料辊包括本身可以是导电和绝缘材料或 仅导电材料的单层或多层材料的导电箱。
[0089] 材料辊可以包括导电材料(例如，膜)的第一辊和第二辊，其每个具有外部和/或内 部的导电层，以及电绝缘材料的第三辊和第四辊(方框305)。
[0090] 来自辊的材料可被拉动并压缩在一起以形成覆盖的邻接(附接)层(方框310)。具 有用于电容器电压传感器的成形体的电容器可使用邻接层的长度来形成(方框320)。
[0091]邻接层的长度可被折叠一次或多次以形成成形体(方框322)。
[0092]邻接层的长度可以卷绕一次或多次以形成成形体(方框325)。成形体可以是被配 置有电压传感器导电层的椭圆或圆柱体，该电压传感器导电层被配置成位于具有平面或曲 面形状的导体邻近处。
[0093] 可选地，成形主的至少一部分可被刚性化(方框330)。
[0094]前述对本发明是说明性的，而不应被解释为对其的限制。虽然已描述本发明的一 些示例性实施例，但是本领域的技术人员将容易地理解，示例性实施例的许多修改是可能 的，而不脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改旨在被包括在本发明的范围 内。因此，可以理解为前述对本发明是说明性的，而不被解释为限制所公开的特定实施例， 并且对所公开的修改以及其它实施例旨在被包括在本发明的范围内。
【主权项】
1. 一种电容器分压器电压传感器，包括： 多个具有传感器到接地界面表面的电压传感器导电层，其中相应的电压传感器导电层 彼此电连接并且电连接到传感器输出电压Vs;以及 多个被连接到电接地的导电接地层，所述导电接地层与所述电压传感器导电层交错， 以使得接地层位于相邻的电压传感器导电层之间， 其中所述多个具有传感器到接地界面的电压传感器导电层包括最接近线导体的第一 电压传感器层，其中所述第一电压传感器层具有以对应界面面积面向所述线导体的传感器 到导体界面表面，并且还在相对主表面上具有传感器到接地界面，其中所述第一电压传感 器层与所述线导体由至少一种介电或绝缘材料分隔以位于距所述线导体的距离"gsc"处， 其中所述电压传感器限定具有从所述电压传感器到线导体的电容的第一电容器 "Csc"，所述电容与在所述第一电压传感器层和所述导体之间的所述界面表面的面积成正 比，并且与"gsc"成反比， 其中每个具有所述传感器到接地界面表面的电压传感器层具有相应的面积，并且位于 距邻近接地层的距离"gsg"处，其中所述电压传感器限定具有从所述电压传感器到接地的 电容的第二电容器"Csg"，所述电容与所述传感器到接地界面表面的面积成正比，以及与具 有相应传感器到接地界面表面的导电层的数量成正比，并且与"gsg"成反比。2. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电压传感器具有相同数量的接地层和电压 传感器层，所述接地层和电压传感器层形成传感器到接地界面表面。3. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电压传感器被配置成使得外层是接地层，从 而将所述传感器与外部电场屏蔽开。4. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述相应的电压传感器导体层由形成所述界面 表面的材料连续体电连接，以及其中所述电压传感器被配置成使得相应接地层和电压传感 器层的所述材料连续体与所述传感器到接地界面表面正交。5. 根据权利要求4所述的传感器，其中所述材料连续体和具有所述传感器到接地界面 的所述电压传感器层具有共同的长度尺寸。6. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一传感器层具有在约Imm2至约1000 mm2之 间的对应表面面积的传感器到导体界面表面。7. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述导电传感器层和接地层通过具有由介电膜 分隔的相对的第一导电表面和第二导电表面的柔性基板的连续长度限定，所述第一导电表 面形成所述电压传感器导电层，并且所述第二导电表面形成所述导电接地层。8. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述导电传感器层和接地层通过具有由介电膜 分隔的相对的第一导电表面和第二导电表面的柔性基板限定，所述第一导电表面形成所述 电压传感器导电层，并且所述第二导电表面形成所述导电接地层，以及其中所述膜厚度限 定在相邻的导电电压传感器层和导体层之间的所述距离gsg。9. 根据权利要求8所述的传感器，其中所述柔性基板被折叠成多个紧密间隔开的堆叠 部分。10. 根据权利要求8所述的传感器，其中所述柔性基板具有蛇形或波纹形状的体，延伸 部由与折叠相关联的弯曲部限定，以及其中所述柔性基板支撑具有将来自所述电压传感器 的传感器电压Vs放大的放大器的电子电路。11. 根据权利要求10所述的传感器，其中所述柔性基板的至少一个区域具有相对于其 它区域的增大的刚度并且支撑所述电子电路。12. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述导电传感器层和接地层通过具有相对的第 一导电表面和第二导电表面的柔性基板限定，所述第一导电表面形成所述电压传感器导电 层，并且所述第二导电表面形成所述接地层，其中所述柔性基板具有采用螺旋圆柱形或椭 圆形的堆叠层的卷制或卷绕体电容器分压器配置。13. 根据权利要求12所述的传感器，其中所述第一电压传感器层具有平面的导体到电 压传感器界面表面。14. 根据权利要求12所述的传感器，其中所述第一电压传感器层具有曲面的导体到传 感器界面表面。15. 根据权利要求12所述的传感器，其中所述柔性基板包括以外介电层、所述导电传感 器层、第二介电膜以及所述导体接地层的限定顺序的至少四层。16. -种多相电容器分压器电压传感器，包括： 多个多层电压传感器，每个多层电压传感器具有（i)交错的导电传感器层和接地层，其 被配置成具有面向相应的线导体并且电连接到其它电压传感器层的第一导电电压传感器 层，以及（ii)外导电接地层， 其中每个所述多层传感器的所述外接地层电连接到共同的参考节点。17. 根据权利要求16所述的传感器，其中所述多个多层电压传感器包括每个连接到不 同相导体的第一、第二和第三多层电压传感器。18. 根据权利要求16所述的传感器，进一步包括将所述多个多层电压传感器的所述外 接地层电连接的导电板、PCB或柔性电路或线路。19. 根据权利要求16所述的传感器，其中所述外导电接地层在限定合成中性点的中性 极点处电连接。20. -种电路，用于低压或中压开关装置，所述电路包括一个或多个以下电容器分压器 电压传感器配置： (i)电容器分压器电压传感器，包括： 多个具有传感器到接地界面表面的电压传感器导电层，其中相应的电压传感器导电层 由形成所述界面表面的材料的连续体连接;以及 多个导电接地层，所述接地层与所述电压传感器导电层交错，以使得接地层位于相邻 的电压传感器导电层之间， 其中所述多个具有所述传感器到接地界面的电压传感器导电层包括最接近线导体并 且电连接到传感器输出Vs的第一电压传感器层，所述第一传感器层设置有具有对应界面面 积的传感器到导体界面表面，其中所述第一电压传感器层与所述线导体由至少一种介电或 绝缘材料分隔，以位于距所述线导体的距离"gsc"处， 其中所述电压传感器限定具有从所述电压传感器到导体的电容的第一电容器"Csc"， 所述电容与在所述第一电压传感器层和所述导体之间的所述界面表面的面积成正比，并且 与"gsc"成反比， 其中每个具有相应传感器到接地界面表面的电压传感器层位于距邻近接地层的距离 "gsg"处，其中从所述电压传感器到接地的电容"Csg"与所述界面表面的面积成正比，以及 与具有传感器到接地界面表面的导电层的数量成正比，并且与"gSg"成反比；其中所述电压 传感器被配置成使得外层是连接到Vg的接地层，从而将所述传感器与外部电场屏蔽开； (ii)具有柔性基板主体的电容器分压器电压传感器，所述柔性基板主体具有被折叠多 次并且限定由介电膜分隔的间隔开的导电传感器层和接地层的长度，其中所述电压传感器 被配置成使得第一导电传感器层面向相应的线导体且电连接到传感器输出Vs， (i i i)具有柔性基板主体的电容器分压器电压传感器，所述柔性基板主体具有被卷制 以形成具有由介电膜分隔的堆叠导电传感器层和接地层的基本圆柱形或椭圆主体的长度， 其中所述传感器被配置成使得第一导电传感器层面向相应的线导体且电连接到传感器输 出Vs;或 (iv)多个多层电压传感器，每个多层电压传感器具有（i)交错的导电电压传感器层和 接地层，其被配置成具有面向相应的线导体且电连接到其它电压传感器层的第一导电电压 传感器层，以及（ii)外导电接地层，其中每个所述多层传感器的所述外导电接地层电连接 到共同的参考节点处。
【文档编号】G01R15/16GK105899957SQ201480072431
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月29日
【发明人】M·A·贾德思, K·冯艾克罗斯, J·特鲁博洛斯基, N·K·柯代拉
【申请人】伊顿公司