對溫度具有高穩定性的電容器的製作方法

2023-12-09 15:12:51

專利名稱：對溫度具有高穩定性的電容器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容器，這種電容器被特別設計成適應於一種裝置，該裝置用於精確測量在電器裝置中的電壓，這種電器裝置具有接地的金屬包層並通過六氟化硫(SF6)被絕緣。
以GEC ALSTHOM SA的名義，於1989年12月7日遞交的法國專利申請第8916189號中就描述了一種這樣電壓測量裝置。
本說明書的

圖1中示出了用於獲取要測量電壓的反映信號(image)的電路圖。
線路L1代表高壓導體，其電壓Up為要測量的電壓。
該電路的組成有被稱做高壓電容器的第一電容器C1，該電容器通過一個連結線(電纜)L2被連結到運算放大器A的負輸入上，運算放大器帶有第二電容器C2，該電容器被連結到運算放大器的輸出與負輸入之間。運算放大器的正端接地。電容器r表示總體的雜散電容，特別包括連結線L2的電容及由低壓電容器板與地所形成的電容。
由於運算放大器A放置在測量室B中，該測量室與高壓電容器C1所放置的地點可能相距幾十米遠，所以線L2的電容不能被忽略。
由於運算放大器的輸出電壓Us與要測量的電壓之間有如下等式相關連Up＝-Us·C2/C1所以運算大器的輸出電壓Us是要測量的電壓Up的反映。
為了確保反映信號Us獨立於溫度，比率C2/C1獨立於溫度是必要的。
電容器C2放置於測量室中，並很容易將其放進溫度調製箱(enclosure)中。
但是電容器C1是置於電裝置中或其附近的，經常發生的情況是該裝置在室外，那裡的溫度可以在很大範圍如-50℃到+60℃間變化的。
因而測量的精度依賴於電容器C2的電容隨溫度的變化。為了在不考慮電容器C1所經受的溫度的情況下獲得電壓Us的準確測量，所說電容器C1及C2的電容獨立於溫度是必要的。
本發明的第一個目標是提供一種電容器，其電容不隨溫度而變化。
本發明的另一個目的是提供一種電容器，其易於製造並且便宜。
本發明的再一個目的是提供一種電容器，其相對於地的雜散電容是極為輕微感應的，以便為出現在低壓電極上的高頻信號的流動提供較好的路徑。
本發明提供了一種電容器，它是有對溫度的高度穩定性，其特徵在於它的組成有一圓柱形金屬體，一個與金屬體共軸並放置在金屬體內的圓柱形高壓電極，以及至少二個低壓(LT)電極，這些低壓電極通過一插入絕緣層被迫使與金屬體的內壁保持接觸，所說的這些低壓電極的放置是關於金屬體的幾何軸相對稱的，所說低壓電極通過使這些電極自由膨脹的保持裝置來固定就位，在高壓電極與低壓電極間延續的電介質是一種氣體或真空，金屬體的膨脹係數ac與高壓電極的膨脹係數ah相同，金屬體材料的膨脹係數ac與低電極材料的膨脹係數ab通過下列不等式相連1.5＜ab/ac＜2.5通過參照附圖，描述具體實施例來更深地解釋本發明，在這裡，圖1是一電壓測量裝置的線路圖;
圖2是根據本發明製作的電容探測器的透透圖;
圖3是圖1探測器的局部剖面圖;
圖4是電容的一部分的局部剖面圖，示出了固定LT電極第一種方法的第一實施例;
圖5是電容器一部分的局部軸向剖面圖，示出了如圖4所示的固定LT電極的同樣方法;
圖6是電容器一部分的局部剖面圖，示出了固定LT電極的第二種方法;
圖7是電容器一部分的局部軸向剖面圖，示出了如圖6所示的固定LT電極的同樣方法。
圖8是電容器一部分的局部剖面圖，示出了固定LT電極的第三種方法;
圖9是電容器一部分的局部軸向剖面圖，示出了圖8所示的固定LT電極的同樣方法;
圖10是金屬包套的局部圖，在這個裡放置了本發明的電容器;
圖11是電容器一部分的局部剖面圖，示出了固定LT電極的第四種方法;
圖12是電容器一個部分的局部軸向剖面圖，示出了如圖11所示的固定LT電極的同樣方法。
在圖2中所示的電容器的組成有一個外部圓柱體1(以下更簡單地僅稱為「體」)，該體由具有準確已知其線性膨脹係數ac的材料構成。這個材料較好地為金屬，但是同樣可以是電鍍金屬絕緣材料如塑性材料或合成物。如果該材料為金屬，那麼可選擇例如鋁合金。
體1用於支持下面表述的低壓電極。
電容器的組成還有一內部電極2，它被設計成連結到高壓HT，這就是為什麼電極2在下面被叫「HT電極」的原因。該電極是一圓柱體由已準確知其線性膨脹係數的材料構成。與體1一樣，HT電極的材料既可以是金屬也可是電鍍金屬絕緣體。HT電極的材料較好地是選擇與體1相同的。
體1與HT電極共軸放置，他們通過下面描述的方式一個相對於另一個來固定就位。
體1用來支持一定數目的電極3，這些電極以下被稱為LT電極，因為它們被連到低壓(LT)端。LT電極較好地是由金屬片構成，或金屬合金構成，它們的線性膨脹係數ab是精確已知的。這個材料可以具有優勢地從不鏽鋼中選擇。
每個LT電極通過絕緣材料片4與體1相分離，絕緣材料的線性膨脹係數為af，絕緣材料最好是從矽薄片，聚丙烯等材料中選擇，這些材料是以註冊商標Mylar及Teflon而聞名的，特別是這樣的材料可以抵抗SF6的分解產物。;這個裝置可放於真空，或者放在電介質中，這種介質使得裝置的組件可自由膨脹。通常，將探測器放在SF6中，SF6存在於一接地的金屬包層站或裝置中(如包含在金屬殼內)。
象圖3中所示，LT電極最好是長方形或正方形，具有圓角，並被通過機械手段壓靠在體的內表面上，這種機械手段使得LT電極在變化的溫度的作用下可自由膨脹。下面將會描述這些裝置的幾種不同的實施例。
體1事有孔8使得金屬接頭片9與LT電極相接合。
與每一個LT電極結合，HT電極確定一個電容器部分，其電介質是由上面確定的介質構成。各個電容器部分被電聯接在一起以便構成圖1中涉及的電容器C1並被用於執行電壓測量裝置。
選擇LT電極的數目及其在體1中的配置要使得它們可以通過形成一對稱連結結構組合在一起。因而可以構成下列組合二個LT電極互相為180°配置;
三個LT電極以120°互相配置;
四個LT電極以90°間隔成對放置等。
此外，這些電極可以組合在一起以便提供獨立的電容器。一個較好的實施例由8個相同LT電極構成，這八個電極以45°間隔圍繞體1對稱分布。這些電極四個為一組組合在一起，每一個組合與HT電極相配合形成一個電容器C1，因而使得可以提供備用的測量電路。以這種方式形成的二個電容器C1互相交叉，每個帶有以90°分布的LT電極。;以下示出材料的一種適當的選擇，這種選擇使得可以獲得一種電容C1，其隨溫度的變化接近於零。
取第一級近似值，給出電容的下列關係C1＝2π·Eo·Er·N·(S/De)/Ln(De/d)在這裡In表示自然對數De＝D-2(hf+he)其中Eo真空介電常數ErCl中電介質的介電常數N平行連結的LT電極之數目S一個電極的表面積
D體的內直徑dHT電極的直徑he一個LT電極的厚度hf絕緣薄片的厚度在溫度作用下，上述值應用於下列近似關係而變化D＝Do(1+ac(T-To))d＝do(1+ah(T-To))S＝So(1+ab(T-To))2he＝heo(1+ab(T-To))hf＝hfo(1+af(T-To))其中T是要計算的探測器的溫度;
To是參考溫度Do、do、So、heo，及hfo分別是參考溫度下的D、d、S、he及hf之值。
如果體12HT電極由同樣的材料構成，經受同樣的溫度，而且如果(he+hf)之和大大小於D/2，一般是這種情形，那麼給出電容C1作為溫度函數的關係變成C1(T)＝C1(To)·(1+ab(T-To))2/(1+ac(T-To))如果(ab(T-To))2大大小於1，這種條件幾乎總是正確的，那麼關係變為
C1(T)＝C1(To)·(1+2ab(T-To))/(1+ac(T-To))如果體與LT電極的材料之間關係為ac＝2ab，那麼關係式變為C1(T)＝C1(To)這顯示出電容C1不再依賴於溫度。
在所需的應用裡，獲取準確為零的漂移不是必須的。在不取近似值的計算中顯示出只要高壓電極材料膨脹係數ah與體膨脹係數ac相同，那麼就存在一個ab與ah(＝ac)值的域(window)使得電容器的溫度漂移減至最低。
對於通常可用的材料，這個域的值滿足下列不等式1.5＜ab/ac＜2.5圖4與圖5示出了將LT電極固定到體上的第一種方法。為了易於看懂圖，沒有畫出厚度標記。
例如，體上可帶有4個孔8，它們是長方形或方形的，4個連接在LT電極3上的接頭片9貫穿其中。在圖4與圖5中可以看到接頭片9A、9B及9C，它們分別穿過8A，8A及8C。一鋼琴絲型彈簧將這些接頭片成對穿過，彈簧的環狀形式彎曲，其曲率等於或稍小於體1的曲率。
因而，放置在圓柱體1適當部位的接頭片9A及9B被彈簧10A穿過，彈簧放置在形成在體1內的槽11中比較具有優勢。彈簧10A在其中間點12A上被堅固地連接在體上。絕緣套13A及13B用於使彈簧10A與接頭片電絕緣，一些接頭片是用於電連結的。
以同樣的方式，如圖5所不彈簧10B穿過接頭片9c及9D(接頭片9D在圖4與圖5看不到)。還可以看到將彈簧10B與接頭片9C絕緣的絕緣套13C。
彈簧10A與10B使用輕微的力量來保持LT電極3經過絕緣體4壓靠在體上同時仍允許電極自由膨脹。
絕緣銷如14A、14B及14C用來限制LT電極3的運動。
圖6及圖7示出了執行電極固定裝置的第二種方法。這裡體仍被4個孔8A、8B、8C，等穿過，金屬接頭片9A、9B、9C穿過這些孔;這些接頭片由棒杆成對連接;因而，接頭片9A及9C由棒杆15連在一起，棒杆15穿過這些接頭片並且由彈簧夾15A及15C固定在其上;接頭片9A與9C在圓柱體1的一母線上對齊;金屬彈簧16A與16C一端經絕緣墊17A、17C靠壓在體1上，這些絕緣墊放在體1的外部槽內，金屬彈簧另一端壓靠在棒杆15上以便施加向外的軸向力在杆15上，由此來拉出接頭片9A及9C。因而LT電極被固定同時仍可以在自己的平面上自由膨脹。絕緣墊如24A和24C被接收在體1的內槽中來限制LT電極3的運動。在一種未被示出的變化中，略去17A，17B絕緣墊，例如可用由浸漬了樹脂的玻璃纖維構成的棒杆材料提供絕緣;在這種情形裡，彈簧直接與體1的外槽相接觸。
在圖8與圖9中示出了第三種固定低壓電極的方法。體1、低壓電極3及其絕緣體4被相同的孔所穿過，如體中的孔8A、8B及8C，及電極3和絕級層4中的孔18A、18C。這些孔接收螺栓如20A，20B及20C，這些螺栓由絕緣材料構成且每一個都帶有螺栓頭和螺杆。螺栓由鋼琴絲型彈簧21成對的連接在一起，與參照圖3、圖4所描述彈簧相類似。在LT電極中的孔在直徑上大於螺杆的直徑，以便使LT電極自由膨脹。
這個實例很簡單;通過電極的孔及螺栓的存在對決定電容器的電容有影響，但是儘管如此電容作為溫度的函數仍保持不變。不再需要安裝墊來限制LT電極的運動。
在圖11與圖12中示出了第四種固定LT電極的方法。在這些圖中與以前所述圖中共同的元件將使用同樣的參考數碼。
LT電極3帶有連接在其上的金屬接頭片50，接頭片通過適當角度彎曲並通過孔穿過體，在接頭片的未端分別帶有孔，接頭片成對協作在其孔中接收鋼琴絲51，鋼琴絲靠壓在絕緣杆52。杆52通過螺紋螺杆54及與墊圈56一起的固定螺栓頭55被固定在體上，螺紋螺杆54旋進體1的厚度。
由金屬條57所構成的電流端用於通過穿入接頭片50及鋼琴絲51來接收從LT電極而來的電流，電流端通過絕緣棒58來被絕緣。
LT電極通過絕緣螺銷59固定中心。
最後，金屬帽60用來在電流端裝置的附近形成等位線。
本發明特別可應用來在一電裝置中製造一測電壓儀器，這個電裝置本身被包含在一接地金屬殼中。
圖10示出了在一金屬包層站中的測量電壓電容器之應用。圖10示出了金屬包層站的一端，這個站由SF6氣體來絕緣。可以看到接地金屬殼40，它充滿了加壓的SF6，纜線入口41、接地區域開關42及匯流條區域開關43。匯流條(busbar)區域開關的末端之上可獲得的空間被用來接收本發明(每相中一個電容器C1)的電容器C1，並在每一個匯流條區域開關的末端測量電壓。
在圖10中只示出了三個電容器中的一個。
電容器的體1帶有金屬端1A，該金屬端連結在金屬蓋44上，金屬蓋封閉了殼體的頂部。將接頭片9與電線49相連，電線49通過一封閉引線穿出殼體。
將高壓電極通過絕緣體46固定在端1A上並連到導體上，導體的電壓通過連接體47來測量。
雖然本發明的主要應用在於製造帶有電容性降壓橋的測電壓裝置，但無論何時只要必須具有其電容相對於溫度具有高穩定性的電容器，本發明就可應用。
權利要求
1.對溫度具有高穩定性的電容器，其特徵在於它的組成有一個圓柱形金屬體(1)，與體1共軸且被放置在體內的圓柱形高壓電極(2)，以及至少二個低壓電極(3)，這些低壓電極經過一插入絕緣層(4)被迫使保持與體的內壁相接觸，所說電極對體的幾何軸對稱放置，所說低壓電極(3)通過一保持裝置來固定就位，這個保持裝置允許電極自由膨脹，在高壓電極(2)及低壓電極(3)之間延伸的電介質是一氣體或真空，體的膨脹係數ac與高壓電極的膨脹係數ah相同，而且體材料的膨脹係數ac與低壓電極(3)材料的膨脹係數ab以下列不等式相連繫1.5＜ab/ac＜2.5
2.根據權利要求1的電容器，其特徵在於體材料(1)從鋁合金中選擇。
3.根據權利要求1或2的電容器，其特徵在於低壓電極(2)的材料從不鏽鋼中選擇。
4.根據權利要求1到3的任何一個電容器，其特徵在於它由4對低壓電極(3)構成。
5.根據權利要求1到4的任何一個的電容器，其特徵在於每一個低壓電極(3)被固定到至少一個金屬接頭片(9)上，接頭片穿過體的一個孔(8)，所說接頭片中至少一個是用於電連結目的的。
6.根據權利要求1到5中任何一個的電容器，其特徵在於所說裝置由至少一個鋼琴絲型彈簧(10A、10B)構成，彈簧以其中間點被固定到體(1)的外壁上，且穿過所說接頭片(9A、9B)的二個，二個接頭片放置在體的同樣的適當剖面上。
7.根據權利要求6的電容器，其特徵在於所說彈簧(10A)被放置在體(1)外表面內形成的槽(11A)裡。
8.根據權利要求6或7的電容器，其特徵在於接頭片與彈簧相互之間特別地是由絕緣套(13A、13B)來電絕緣的。
9.根據權利要求1到5中的任何一個的電容器，其特徵在於所說裝置由至少一個棒杆(15)構成，該棒杆穿過所說接頭片(9A、9C)的二個接頭片放置在體的共同母線上，用彈簧(16A，16C)第一壓靠在體(1)上，第二靠壓在棒杆(15)來在接頭片上施加一外向引導的軸向力。
10.根據權利要求1的電容器，其特徵在於用了固定LT電極(3)的保持裝置由金屬接頭(50)構成，接頭片穿過體(1)並且成對協作，各個鋼琴絲(5)靠壓固定到體(1)外表面上的絕緣棒(52)上。
11.根據權利要求1到9的任何一個的電容器，其特徵在於體在其內表面上攜帶有墊(14A，14C，24A，24C)來限制低壓電極的運動。
12.根據權利要求1到5的任何一個的電容器，其特徵在於保持裝置由至少一對絕緣螺栓(20A、20B、20C)構成，每一個螺栓有一個螺杆及螺栓頭且沿著構成體1的圓柱體的適當剖面延伸，所說螺杆通過在其內的孔穿過低壓電極體，螺栓頭放在體(1)的內邊，成對的二個墊使得相應的鋼琴絲型彈簧(21)通過它們。
13.金屬包層站(station)由一氣密金屬殼組成，它充滿了加壓的電介質氣體，在金屬殼內放置裝置如區域開關，斷路器，及一系列匯流條，所說站帶有一電容性降壓橋，橋電二個與放大器相連的電容器組成，目的是為了測量所說裝置之一的電壓，站的特徵在於所說電容器(C1)之一的製作是根據權利要求1到12的任何一個。
14.根據權利要求13的安裝在金屬包層站的電容器，其特徵在於電容器(C1)的體擁有一接連到金屬殼內部在其一壁上的金屬末端(1A)，高壓電極(2)通過絕緣體(46)固定到所說末端(1A)且通過連結(47)連到要測量其電壓的電器裝置(43)上。
全文摘要
具有對溫度高度穩定性的電容，其特徵在於包括一圓柱形金屬體(1)，與體共軸且放置在體內的圓柱形高壓電極(2)，及至少二個低壓電極(3)，低壓電極經絕緣層(4)保持與體的內壁相接觸，對體的幾何軸對稱放置，通過保持裝置固定就位，允許電極自由膨脹，延伸在高壓電極(2)與低壓電極(3)間的電介質是氣體或真空，體的膨脹係數ac與高壓電極的膨脹係數ah，體材料的膨脹係數ac與低壓電極(3)材料的膨脹係數ab通過下列不等式相關聯1.5＜ab/ac＜2.文檔編號H01G4/02GK1113598SQ9410550
公開日1995年12月20日 申請日期1994年5月13日 優先權日1993年5月13日
發明者讓-皮瑞·杜帕茲, 讓-保爾·格瑞斯, 丹尼爾·崔查·特 申請人:Gec阿爾斯託姆T&D公司