[发明专利]锥形电容传感器

说明书

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HGIS)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10Ω-1kΩ，电容的阻值范围优选为1pF-1nF，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。