具有棒状结构的电压分压器装置

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分的电压分压器装置。

背景技术

电压分压器装置，又称为分压器，用于测量电网开关设备中的电压。通过将来自不同来源类型的能源(诸如太阳能或风能)越来越多地输入到电网中，测定和监控电网的某些功率参数变得越来越重要。例如，这包括实际的线路电压。

在现有技术中，所谓的常规变换器用于测量。通常，常规变换器是具有铁磁性铁芯的电感型分压器，其对干扰的敏感性很高。作为一种替代方案，已知的所谓非常规变换器，其基本上可以分为电阻型分压器、电阻电容型分压器和电容型分压器的基本技术。

电阻型分压器采用一个或多个电阻器来运行，但是存在明显的缺点，即来自连接电缆或其他结构元件的杂散电容和/或寄生电容会对实际测量值产生很大影响，因此会影响测量的准确度。作为这种电阻型分压器的演化发展，电阻电容型分压器被知晓，其基本上具有至少一个电阻器和一个具有限定电容的电容器。

如果电容器的电容足够大，则上述的杂散电容和寄生电容相对变得非常小而可忽略，从而测量的准确度提高。

这种电阻电容型分压器的主要问题之一是，电容器的电容在很长的一段时间内(通常为数年甚至数十年)应尽可能地保持恒定，以防止实际测量值漂移。此外，电容器的电容必须在外部温度变化或电流频率轻微变化时保持恒定。另外，水分被吸收到位于电容器元件之间的电介质中，可能导致电容在分压器的使用寿命期间发生变化。

通常，在现有技术中使用的电介质是环氧树脂浇铸树脂，分压器的电容器元件和电阻器是浇铸于其中的。已知的电压分压器装置的电容器装置例如被设计为两个同心排列的圆形电容器元件。

电容器元件可能在浇铸树脂固化后或由于温度变化而与电介质分离，导致电容器的某些部分不再具有与电介质直接接触的表面，而是形成空腔。这些进而会影响电容器的总电容。

此外，电介质中的空腔增加了局部放电的可能性，这最终导致电压闪络，因此应避免。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点并提供一种电压分压器装置，该电压分压器装置在很长的一段时间内尤其是在几年或几十年内具有恒定的电容，并且在该电压分压器装置的整个使用寿命内具有恒定的介电强度。

本发明的目的通过独立权利要求的特有的特征来实现。

根据本发明的电压分压器装置，包括核心区，具有设置于所述核心区的电容器装置和电阻器。所述电容器装置的第一电极包括耦合构件，其中电压承载元件能够经由所述耦合构件以导电的方式与所述电压分压器装置相连接。所述电容器装置的第二电极包括接地构件，其中接地元件能够经由所述接地构件以导电的方式与所述电压分压器装置相连接。所述第一电极和所述第二电极经由所述电阻器以导电的方式相连接。

根据本发明，所述第一电极和所述第二电极包括多个导电的基本上呈指状或棒状的调制元件。

所述调制元件的所述指状或棒状设计减少了形成分离的可能性，例如在所述电压分压器装置的制造过程中减少了由于电介质收缩而形成充气腔的可能性。

此外，所述棒状调制元件比环形电极布置能够更容易适应温度变化。所述指状或棒状调制元件在制造过程中以及在温度变化的情况下，基本上可以“沿着”介电介质“移动”(travel along)。

充满气体的空腔增加了电压闪络的可能性，并阻止了电压分压器装置的完全放电，这不利于可靠运行。如果电容器装置被嵌入在固体介电介质中或者如果核心区被固体介电介质填充，那么上述情况尤其重要。可选地，为此可以提供填充核心区的聚合物。

可选地，限定所述第一电极的调制元件和所述第二电极的调制元件相对于彼此以基本上同心圆的方式布置。

这样使得以最小的空间要求获得最大可能的电容器表面积。以同心圆的形状布置还允许电容器元件之间的距离保持恒定。

可选地，限定外圈电极的调制元件的布置半径比内圈电极的调制元件的布置半径大大约50％。

可选地，限定所述内圈电极的调制元件的布置半径在8mm至22mm之间，并且所述外圈电极的调制元件的布置半径在15mm至40mm之间。

如果所述调制元件之间的距离足够大，则能够防止所述调制元件之间的电压闪络的风险和与之相关的电介质的任何损坏。

该距离能够与运行条件相协调，特别是与输入电压相协调。

可选地，限定所述调制元件的长度为10mm-60mm，并且所述调制元件的直径为1.5mm-10mm。

可选地，限定所述调制元件具有基本上电绝缘的基体和导电的涂层。

可选地，限定所述调制元件包括导电的添加剂和基本上电绝缘的基质。

通过使用电绝缘的基体和/或通过向基本电绝缘的基质中添加导电的添加剂，可以调节电介质和调制元件的膨胀系数并使它们彼此靠近。这进一步减少了调制元件的分离以及与之相关的不期望形成的空腔。优选地，环氧树脂用作基体/基质。特别是与全金属的调制元件相比，这使得空腔的形成大大减少。

可选地，限定所述添加剂包括碳纳米颗粒或由碳纳米颗粒制成。

可选地，限定所述第一电极的调制元件的纵向延伸的方向和所述第二电极的调制元件的纵向延伸的方向基本平行。

这允许实现调制元件之间的基本上连续的恒定距离。这可能尤其有利于电容器装置的恒定电容。

可选地，限定所述第一电极的调制元件和所述第二电极的调制元件在平行于其纵向延伸方向的方向上具有重叠区域。所述重叠区域的宽度能够决定所述电容装置的电容。

可选地，限定所述第一电极具有6-14个调制元件，优选地具有8-12个调制元件，并且所述第二电极具有14-26个调制元件，优选地具有18-22个调制元件。

可选地，限定在温度为20℃、相对湿度为50％、压强为1000mbar、电流频率为50Hz的条件下，所述电容器装置具有1pF-30pF的电容，优选地具有1pF-15pF的电容。

如果电容器装置的电容足够大，则在电压测量期间可以忽略杂散电容和寄生电容。因此，包括所提及的杂散电容和寄生电容的剩余电容与电容器的主电容相比变得很低，以至于该剩余电容不再对测量准确度产生实质的影响。

本发明进一步涉及根据本发明的电压分压器装置在电网的开关设备的连接部分上的布置结构。

可选的，限定所述核心区包括介电介质，所述介电介质包括硅氧烷基聚合物或由硅氧烷基聚合物制成。

硅氧烷基聚合物，特别是固体硅氧烷聚合物，也称为硅树脂聚合物，具有抑制扩散的特性。这类聚合物作为介电介质使用时对水蒸汽扩散一般不敏感，并且当暴露于潮湿空气时介电常数不会显著地变化。此外，与已知的介电介质相比，硅树脂聚合物的频率传输性能更好，因此能够满足符合标准的合规性要求，尤其是有关国际标准IEC 60044-7的要求。另外，可以在预定边界内传输高达10kHz的频率。

硅氧烷基聚合物，特别是固体硅氧烷聚合物，也称为硅树脂聚合物，具有弹性特征。在根据本发明的电压分压器装置中，这允许聚合物在操作期间很好地适应电极布置的结构。如果是非弹性材料，温度变化时在材料中可能产生裂纹，或者电容器装置的材料可能会与介电介质部分地分离。这可能导致形成充气的空腔，这样的空腔不仅阻止电容器装置的电容恒定，而且还可能导致电压闪络和电压分压器装置的不完全放电。使用硅氧烷基聚合物可以避免这些问题，因为它保证了与电容器装置的元件的良好连接。

可选地，限定将核心区大致上设计为截头圆锥形或圆柱形。可选地，规定，提供至少部分地、优选完全地围绕核心区的护套区，优选地是环氧基聚合物的护套区。

考虑到硅氧烷聚合物的特有的弹性特性，可能有利的是用机械上更稳定的护套区围绕由硅氧烷聚合物制成的核心区以保护核心区免受变形和破坏。

可选地，限定核心区的介电介质具有4至6的相对介电常数。

可选地，核心区的介电介质在-40℃至80℃的温度范围内的相对介电常数相比于介电介质在20℃下的相对介电常数相差最大为3％，优选地相差最大0.75％。

由于根据本发明的电压分压器装置通常用于非空调区域或被加热地区，因此介电介质的介电常数有利地在常温条件下尽可能地恒定。这确保了电容器装置的恒定电容，这对于尽可能准确地测量电压是有利的。

可选地，核心区的介电介质在50Hz至10000Hz的频率范围内的相对介电常数相比于介电介质在50Hz下的相对介电常数相差最大0.6％，优选地相差最大0.4％。

在现代电网中，不同能源的馈入会导致电网频率的变化。因此，电介质的介电常数也有利地在电网典型的频率范围内是恒定的，以确保电压的准确的测量。

可选地，核心区的介电介质在其含水量为5‰至30‰时的相对介电常数相比于介电介质在其含水量为30‰时的相对介电常数相差最大3％，优选地相差最大2.9％。

由于根据本发明的电压分压器装置通常在正常的环境条件下使用，偶尔也可能暴露于增加的空气湿度中。通常，硅氧烷基聚合物具有降低的吸水量。然而，介电介质的介电常数有利地在一定的含水量范围内尽可能地恒定，以便即使在长时间内也能获得恒定的电压测量结果。

特别地，如果在电压分压器装置的整个使用寿命期间越来越多的水扩散到介电介质中，则在介电常数对介电介质的含水量具有强烈的依赖性的情况下将导致测量值随时间的不期望的漂移。

可选地，限定核心区由双组分的热固性硅氧烷体系浇铸而成。

可选地，限定20℃温度下的最大吸水量是聚合物基质重量的30‰。最大吸水量可以通过例如将硅树脂聚合物在老化试验箱内储存约1000天来测定。

可选地，限定在所述第一电极和所述第二电极上可以设置指状或棒状调制元件。

可选地，本发明还涉及一种用于制造根据本发明的电压分压器装置的方法，包括以下步骤：

-由硅氧烷基浇铸料、尤其是双组分浇铸料浇铸核心区，以及

-固化所述核心区。

可选地，所述方法可以包括以下步骤：

-由浇铸料、尤其是环氧基浇铸料浇铸护套区，以及

-固化所述护套区。

从专利申请的权利要求书、示例性实施方式和附图中可以明显的得出本发明的其他特征。

附图说明

在下文中，基于非穷举的示例性实施方式详细地讨论本发明，其中：

图1示出了根据本发明的电压分压器装置的侧剖视图；

图2示出了根据本发明的电压分压器装置沿图1的轴A-A的剖视图。

具体实施方式

图1以沿穿过该电压分压器装置1的中心轴13延伸的平面的剖视图示出了根据本发明的电压分压器装置1。

所述电压分压器装置包括电容器装置，所述电容器装置包括第一电极4和第二电极6。所述第一电极4与耦合构件5一体地形成，所述耦合构件5包括螺纹，通过该螺纹可以将所述耦合构件5与电压承载元件相连接。可选地，作为电压承载元件的通电元件可以是电网的配电箱中的电力线。

所述第二电极6与接地构件7一体地形成，所述接地构件7还包括用于附接接地元件的螺纹。此外，所述第二电极6包括测量端子8，通过所述测量端子能够连接用于测量电压的测量仪表。所述第一电极4和所述第二电极6具有以同心圆方式排列并呈指状的调制元件9。

在该示例性实施方式中，所述第一电极4的指状调制元件9和所述第二电极6的指状调制元件9的纵向延伸方向基本平行，其中所述第一电极4的调制元件9和所述第二电极6的调制元件9具有重叠部分B。

所述第一电极4和所述第二电极6经由电阻器3以导电方式连接。

在该示例性实施方式中，电容器装置和电阻器3被由硅氧烷聚合物基弹性材料制成的核心区2包围。由于该示例性实施方式中的硅氧烷聚合物是弹性软材料，因此该示例性实施方式中的核心区2被由环氧基聚合物制成的护套区12包围以提高机械稳定性。

在该示例性实施方式中，与通常使用的塑料材料例如环氧聚合物相比，硅氧烷聚合物具有低的水扩散性。

图2示出了图1所示的电压分压器装置1沿轴线A-A的剖视图。图2示出了根据本发明的电压分压器装置1的元件的基本同心的构造，尤其是在中央沿中心轴13延伸的电阻器3以及位于内圈的第一电极4的调制元件9和位于外圈的第二电极6的调制元件9的同心构造。

在该示例性实施方式中，所述调制元件9具有基本上电绝缘的基体10，所述基体10涂覆有导电的涂层11，尤其是涂覆有导电漆，以便与所述第一电极4/所述第二电极6以导电方式相连通。

在其他示例性实施方式中，所述调制元件9也可以完全由导电材料或由于添加了添加剂而变得导电的电绝缘体制成。

在该示例性实施方式中，由所述第一电极4的调制元件9的排列和所述第二电极6的调制元件9的排列所描述的两个圆的半径之间的差距为大约7.6mm。然而，在其他示例性实施方式中，该距离可以不同。

在该示例性实施方式中描述的电压分压器装置1具有24kV的最大绝缘值。然而，在其他示例性实施方式中，该最大绝缘值也可以是36kV。根据应用领域，任何其他最大绝缘值也是可能的。

根据该示例性实施方式的电压分压器装置1被配置为在50Hz的频率下最大为24,000/√3V的额定电压。在该示例性实施方式中，次级电压为约3.25/√3V，但是根据应用可以在其他示例性实施方式中对上述取值进行调整。

在该示例性实施方式中，所述电压分压器装置的响应因子，即尤其是其中的电容器装置的电容，在-40℃至80℃的温度范围内是恒定的。特别地，在该示例性实施方式中，电容器装置的电容为8pF。

附图标记：

1电压分压器装置，2核心区，3电阻器，4第一电极，5耦合构件，6第二电极，7接地构件，8测量端子，9调制元件，10基体，11涂层，12护套区，13中心轴，B重叠部分。