ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ПОККЕЛЬСА
OPTICAL MEASURING VOLTAGE TRANSFORMER BASED ON ELECTRO-OPTICAL EFFECT OF POCKELS

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к области электрических измерений, и может быть использовано в качестве измерительного средства высокого напряжения на высоковольтных линиях электропередач.
Из уровня техники известно устройство для измерения напряжения на высоковольтных линиях электропередач (см. RU 111680, кл. G01R 15/00, опубл. 2011 г.).
Известное устройство используется в измерительной техники высоких напряжений в области релейной защиты и автоматики.
Известное устройство для измерения напряжения на высоковольтных линиях электропередач содержит трубчатый опорный изолятор с ребристой гидрофобной внешней поверхностью, внутри которого размещен датчик электрического поля.
Во внутренней области изолятора размещается электростатический экран, внутри которого устанавливается датчик электрического поля.
В качестве среды заполнения внутренней области изолятора известного устройства, в различных вариантах исполнения, применяется инертный газ, окружающий воздух, вспененный изолирующий материал, а также изоляционный гель.
Применение инертного газа или окружающего воздуха во внутренней области изолятора не выдерживает неблагоприятное воздействие электрического перенапряжения и не обеспечивает устойчивых противопожарных и противовзрывных свойств, при эксплуатации, применение вспененного изолирующего материала повышает противопожарные и противовзрывные характеристики, но не обеспечивает надежную защиту чувствительного элемента от внешнего механического воздействия, а применение изоляционного геля повышает защиту чувствительного элемента от внешнего механического воздействия, однако в этом случае существует вероятность утечки геля, что может отрицательно отразиться на точности измерений напряжения.
Помимо этого чувствительный элемент, в виде датчика электрического поля, крепится в изоляторе механически с помощью некого держателя либо адгезивно внутри экранированной области, что не создает условий для проведения корректных измерений, поскольку данное крепление допускает незначительные смещения чувствительного элемента, тогда как для проведения неискаженных точных измерений высокого напряжения требуется неподвижная осевая фиксация чувствительного элемента.
Из уровня техники известен измеритель напряжения на основе эффекта Поккельса (см. RU 2579541, кл. G01R 15/00, опубл. 2016 г.).
Известный измеритель напряжения на основе эффекта Поккельса содержит модуль обработки, связанный через оптоволоконную линию с чувствительным элементом, содержащим, по меньшей мере, одну пару монокристаллических цилиндров.
Данный измеритель напряжения производит точные измерения благодаря тому, что в нем скомпенсированы собственные двупреломления как электрооптического элемента, так и оптоволоконной линии.
Однако используемый эффект двупреломления связан с определенными недостатками, заключающимися в возникновении задержек между поляризационными модами, а также в появлении эллиптичности поляризации.
Кроме того, недостатком данного измерителя можно отметить то, что его изготовление потребует повышенного расхода трудовых и материальных затрат, поскольку его компоновка достаточно сложная и содержит существенное количество дорогостоящих компонентов, что требует повышения времени на изготовление единицы продукции и соответственно повышает ее себестоимость.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения можно считать оптический измеритель высокого напряжения (см. CN 202330527, кл. G01R 15/24, опубл. 2012 г.).
Известный оптический измеритель высокого напряжения содержит полый цилиндрический изолятор с ребристой внешней поверхностью, в центральную часть полости которого помещен чувствительный элемент в виде оптического датчика электрического поля.
Упомянутый оптический датчик электрического поля содержит два связанных между собой оптических кристалла, выполняющих отличающиеся друг от друга измерения, что способствует образованию вихревых токов, потерь на гистерезис и помех, которые могут искажать результаты измерений напряжения, понижая тем самым надежность работы изделия.
Технической проблемой (задачей) предлагаемого изобретения является создание измерительной колонны оптического трансформатора напряжения, обладающей высокими технико-эксплуатационными характеристиками, в частности такими, как высокая безопасность и надежность при эксплуатации.
Техническим результатом предлагаемого изобретения, который объективно проявляется в ходе его использования, является повышение точности измерений и линейности их преобразования, за счет отсутствия влияния помех, приводящих к искажению информации, а также за счет отсутствия вихревых токов и потерь на гистерезис.
Указанный технический результат, решающий поставленную задачу (техническую проблему), достигается благодаря тому, что измерительная колонна оптического трансформатора напряжения содержит цилиндрический изолятор в полости, которого размещен чувствительный элемент, частью которого является кристалл, при этом кристалл имеет форму стержня, выполненного из кварцевого стекла и установлен продольно в полости изолятора посредством удерживающих кристалл, а также электрически контактирующих с ним электрических модулей, первый из которых содержит первую полую деталь, имеющую форму трубки, закрепленную со стороны первой концевой части на первой торцевой крышке изолятора, а со стороны второй концевой части, содержащей первый мультиконтакт с первой концевой частью кристалла, осуществляющий заземление кристалла, второй электрический модуль содержит вторую полую деталь, имеющую форму трубки, закрепленную со стороны первой концевой части на второй торцевой крышке изолятора посредством второго мультиконтакта, обеспечивающего электрическое соединение между ними, а со стороны второй концевой части со второй концевой частью кристалла посредством третьего мультиконтакта, при этом полость вокруг кристалла заполнена компрессионным электроизоляционным гелем, содержащим полимерные микросферы, заполненные инертным газом, а электрическая прочность геля превышает электрическую прочность воздушной среды.
Является наиболее предпочтительным, когда чувствительный элемент размещается в центральной части полости изолятора.
Целесообразно если цилиндрический изолятор выполнен из фарфорового или композитного материала.
Предпочтительным вариантом исполнения изобретения является, если в полости изолятора вокруг кристалла размещена защитная диэлектрическая трубка торцевые стенки, которой выполнены с по меньшей мере одним сквозным отверстием для прохода электроизоляционного геля и закреплены на первой и второй полых деталях электрических модулей.
Эффективно и целесообразно, если защитная диэлектрическая трубка размещена коаксиально по отношению к кристаллу.
По одному из наиболее предпочтительных вариантов исполнения изобретения на второй торцевой крышке расположен стяжной узел, обеспечивающий дополнительную стяжку первого и второго электрических модулей и кристалла посредством пружинных систем. Такой стяжной узел необходим для дополнительной компенсации температурных линейных расширений элементов измерительной колонны в продольном направлении. Тем самым, с одной стороны стяжной узел дополнительно обеспечит контролируемую стяжку электрических модулей, а с другой стороны, в случае изменения температуры гарантирует, что на кристалл не будет воздействовать механическое усилие больше допустимого.
Является целесообразным, если первая и вторая полые детали, имеющие форму трубки, дополнительно закреплены в цилиндрическом изоляторе при помощи охватывающих их дистанцирующих поперечно ориентированных колец, имеющих конические поверхности, из диэлектрика с выполненными технологическими отверстиями для прохода компрессионного электроизоляционного геля.
Замысел предлагаемого изобретения основан на линейном электрооптическом эффекте Поккельса. Оптический трансформатор напряжения измеряет изменение эллиптичности поляризации оптического сигнала в чувствительном элементе измерительной колонны под действием электрического поля, которое создается напряжением, подаваемым на высоковольтный вывод.
Предлагаемая измерительная колонна оптического трансформатора напряжения представляет собой цилиндрический изолятор, закрытый с верхнего и нижнего торца герметичными крышками.
Габаритные размеры самой колонны изолятора определяются разрядными напряжениями по воздушной части изолятора.
Чувствительный элемент, содержащий цилиндрический кристалл из кварцевого стекла, согласно изобретению, располагается на достаточном расстоянии от верхней и нижней крышки изолятора, обеспечивая проведение точных измерений.
3
Для компенсации температурных изменений линейных размеров диэлектрической среды в компрессионный электроизоляционный гель, заполняющий полость изолятора, внедрены полимерные микросферы, заполненные инертным газом, находящимся в микросферах под небольшим избыточным давлением при температуре окружающей среды 20°С. Поскольку компрессионный электроизоляционный гель имеет низкую плотность, порядка 0,5 кг/дм и высокую вязкость вероятность его протекания из полости сводится к минимуму, поскольку даже в случае механического повреждения целостности изолятора или появления трещин в теле изолятора утечки геля не произойдет, кроме того, применяемый гель препятствует проникновению влаги внутрь изолятора, что повышает надежность и безопасность эксплуатации изделия.
Кристалл из кварцевого стекла закреплен в полости изолятора между полых деталей, имеющих форму трубки, являющихся частью электрических модулей, установленных на нижней и соответственно верхней герметичных крышках изолятора, что обеспечивает однозначное позиционирование и четкое надежное крепление всех указанных элементов.
Согласно изобретению кристалл из кварцевого стекла надежно удерживают и электрически контактируют с ним два электрических модуля, трубка первого из которых закреплена с одной стороны на первой торцевой крышке изолятора, а с другой стороны с концевой частью кристалла, при этом трубка второго электрического модуля закреплена с одной стороны на второй крышке изолятора, а с другой стороны с другой концевой частью кристалла, что позволяет реализовывать электрическую связь между элементами, заземлять, а также передавать высокий потенциал на кристалл, позволяет компенсировать температурные линейные расширения измерительной колонны и минимизировать тем самым возможные помехи и механические воздействия на кристалл, что в свою очередь улучшает линейность преобразования и повышает точность измерений напряжения.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но при этом наглядным образом демонстрирует достижение существенными признаками указанного технического результата, решающего указанную техническую проблему (задачу).
На фиг. 1 представлено продольное сечение предлагаемой измерительной колонны оптического трансформатора напряжения.
На фиг. 1 показаны следующие элементы и части измерительной колонны оптического трансформатора напряжения:
1 - кристалл из кварцевого стекла;
1а - первая концевая часть кристалла;
1б - вторая концевая часть кристалла;
2 - полый изолятор из композитного или фарфорового материала;
3 - первый мультиконтакт, выполненный многопластинчатым;
4 - нижний экран;
5 - датчик температуры;
6 - первая полая деталь, имеющая форму трубки;
6а - первая концевая часть трубки;
6б - вторая концевая часть трубки;
7 - компрессионный электроизоляционный гель;
8 - дистанцирующее кольцо;
9 - первая торцевая крышка изолятора;
10 - верхний экран;
11 - третий мультиконтакт, выполненный многопластинчатым;
12 - вторая полая деталь, имеющая форму трубки;
12а - первая концевая часть трубки;
12б - вторая концевая часть трубки;
13 - вторая торцевая крышка изолятора;
14 - второй мультиконтакт, выполненный многопластинчатым;
15 - стяжной узел;
16 - герметичный колпак второй торцевой крышки изолятора;
17 - защитная диэлектрическая трубка;
18 - оптоволокно;
19 - первый электрический модуль;
20 - второй электрический модуль.
Измерительная колонна оптического трансформатора напряжения содержит цилиндрический изолятор 2 в полости, которого размещен чувствительный элемент, содержащий кристалл 1 из кварцевого стекла.
Кристалл 1 имеет форму стержня, выполненного из кварцевого стекла, и закреплен продольно в полости изолятора 2 с помощью двух электрических модулей 19 и 20 соответственно.
Первый электрический модуль 19, в частности, содержит первую полую деталь 6, имеющую форму трубки, в зоне второй концевой части 6б, которой оборудован нижний экран 4 с первым многопластинчатым мультиконтактом 3 и датчиком температуры 5 для корректировки показаний трансформатора напряжения при изменении температуры. Все необходимые соединения первого электрического модуля 19 герметичны.
Второй электрический модуль 20, в частности, содержит вторую полую деталь 12, имеющую форму трубки, верхний экран 10, оборудованный в зоне второй концевой части трубки 12б, содержащий третий многопластинчатый мультиконтакт 11, и второй многопластинчатый мультиконтакт 14 первой концевой части трубки 12а. Все необходимые соединения второго электрического модуля 20 также герметичны.
Электрические модули 19 и 20 электрически контактируют с чувствительным элементом, содержащим кристалл 1. Первая полая деталь 6, имеющая форму трубки первого электрического модуля 19 закреплена первой концевой частью 6а на первой торцевой крышке 9 изолятора 2, второй концевой частью 6б в зоне, которой содержится первый мультиконтакт 3, скреплена с первой концевой частью 1а кристалла. Первый многопластинчатый мультиконтакт 3 осуществляет заземление кристалла 1. Вторая полая деталь 12, имеющая форму трубки второго электрического модуля 20, закреплена первой концевой частью 12а на второй торцевой крышке 13 изолятора 2 посредством второго многопластинчатого мультиконтакта 14, обеспечивающего электрическое соединение между ними, а второй концевой частью 12б скреплена со второй концевой частью 1б кристалла посредством третьего многопластинчатого мультиконтакта 11.
Согласно изобретению полость вокруг кристалла 1 заполнена компрессионным электроизоляционным гелем, содержащим полимерные микросферы, заполненные инертным газом, а электрическая прочность геля превышает электрическую прочность воздушной среды.
Первая полая деталь 6, имеющая форму трубки, выполнена из тонкостенной трубы достаточного внутреннего диаметра для прохождения в нее оптоволокна 18 от чувствительного элемента, содержащего кристалл 1 через ее полость для последующего вывода оптоволокна 18 через отверстие первой торцевой крышки 9 при помощи гермозажимов или кабельных вводов.
Первая полая деталь 6 первой концевой частью трубки 6а жестко и герметично соединена с первой торцевой крышкой 9, которая заземлена. Как было упомянуто, вторая концевая часть трубки 6б соединена с кристаллом 1 и потенциал земли на него передается с помощью первого многопластинчатого мультиконтакта 3, расположенного в нижнем экране 4, оборудованным в зоне второй концевой части 6б трубки. Внутри нижнего экрана 4 расположен датчик температуры 5, служащий для возможной корректировки показаний трансформатора напряжения при изменении температуры. Все соединения второй концевой части 6б трубки герметичны. Вторая полая деталь 12, имеющая форму трубки, также выполнена из тонкостенной трубы. Как было упомянуто ранее, вторая концевая часть трубки 12б соединена со второй концевой частью 1б кристалла 1 посредством третьего многопластинчатого мультиконтакта 11, размещенного в проточке верхнего экрана 10, оборудованного в зоне второй концевой части трубки 12б. Первая концевая часть трубки 12а проходит через отверстие, выполненное во второй торцевой крышке 13, в этом же отверстии имеется проточка, внутри которой размещен второй многопластинчатый мультиконтакт 14, закрепляющий первую концевую часть трубки 12а и создающий также электрическое соединение между второй торцевой крышкой 13, находящимся под высоким потенциалом и второй полой деталью 12, имеющей форму трубки. Указанные конструктивные особенности позволяют реализовывать электрическую связь между элементами, заземлять, а также передавать высокий потенциал на кристалл 1, позволяют компенсировать температурные линейные расширения всей конструкции и минимизировать тем самым возможные помехи и механические воздействия на чувствительный элемент, что, в свою очередь, улучшает линейность преобразования и повышает точность измерений напряжения.
Для придания конструкции колонны большей механической прочности вторая полая деталь 12, имеющая форму трубки, дополнительно закреплена в цилиндрическом изоляторе 2 при помощи охватывающего ее дистанцирующего поперечно ориентированного кольца 8, имеющего коническую поверхность из диэлектрика с выполненными технологическими отверстиями для прохода компрессионного электроизоляционного геля.
На второй торцевой крышке 13 изолятора с внешней стороны в герметичном относительно атмосферы колпаке 16 расположен стяжной узел 15, обеспечивающий дополнительную стяжку первого 19 и второго 20 электрических модулей вместе с чувствительным элементом, содержащим кристалл 1 посредством пружинных систем.
Ввиду того, что кристалл 1 имеет низкую механическую прочность для его защиты от нежелательных механических воздействий (при перевозке, монтажных работах), он помещен в защитную диэлектрическую трубку 17, торцевые стенки которой выполнены с по меньшей мере одним сквозным отверстием для прохода электроизоляционного геля и закреплены на первой 6 и второй 12 полых деталях электрических модулей 19 и 20. Диаметр защитной диэлектрической трубы 17 подбирается таким образом, чтобы минимизировать электрические напряженности как на поверхности самой трубки 17, так и на поверхностях кристалла 1 и полого изолятора 2. Жесткое соединение с первой полой деталью 6 и второй полой деталью 12 позволяет механически разгрузить чувствительный элемент 1 в виде кристалла.
Принцип работы предлагаемого оптического измерительного трансформатора напряжения основан на линейном электрооптическом эффекте Поккельса. Оптический трансформатор напряжения измеряет изменение эллиптичности поляризации оптического сигнала в чувствительном элементе, содержащем кристалл 1 измерительной колонны под действием электрического поля, которое создается напряжением, подаваемым на высоковольтный вывод.
В нижней части измерительной колонны под первой торцевой крышкой 9 полого изолятора 2 устанавливается коммутационная коробка, в которой происходит соединение оптоволокна 18 от чувствительного элемента, содержащего кристалл 1, и от датчика температуры 5 сигнал, по которому передается в электронный блок управления, в котором происходит прием и обработка сигнала и формирование потока данных, которые в свою очередь передаются далее как в цифровом, так и в аналоговом виде.
Изобретение найдет широкое применение в области электроэнергетики в качестве измерительного средства высокого напряжения на высоковольтных линиях электропередач.