Управление разрядом в высоковольтной изоляции, представляющей собой текучую среду
CONTROL OF DISCHARGE IN HIGH-VOLTAGE INSULATION, WHICH IS A FLUID MEDIUM

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к системе управления, предназначенной для ограничения накопления заряда в высоковольтной изоляции, представляющей собой текучую среду, а также к использованию такой системы управления, например, применительно к прибору, выполненному с возможностью создания ионизирующего излучения.
Уровень техники
Некоторые приборы, например, каротажное оборудование, такое как устройства для импульсного нейтронного каротажа и создающие рентгеновское излучение устройства, требует применения очень высоких напряжений в относительно небольших замкнутых пространствах, в присутствии ионизирующего излучения и, как правило, при высоких температурах. В таких приборах компоненты, работающие под высоким напряжением, расположены вблизи компонентов с потенциалом земли, таких как корпус прибора. Работающие под высоким напряжением компоненты и компоненты с потенциалом земли электрически изолированы друг от друга изоляцией, занимающей и без того ограниченное пространство. На ФИГ. 1 схематически показан прибор, имеющий источник высокого напряжения, заряда и ионизирующего излучения 201, а также изолятор 202, на котором установлен источник заряда и ионизирующего излучения. Источник и изолятор расположены в корпусе 203, от которого источник отделяет заполненный газовой изоляцией промежуток 204. Высокое напряжение, заряд и ионизирующее излучение могут исходить от отдельных элементов в источнике.
Источник 201 вызывает события ионизации в изолирующем газе. Сильное электрическое поле, создаваемое в газе разностью потенциалов между источником и корпусом 203, заставляет положительно заряженные ионы и электроны двигаться в противоположных направлениях: к внешней поверхности источника или к внутренней поверхности корпуса. Таким образом, возможно возникновение разрушительного и неконтролируемого дугового разряда или электрического пробоя 205 между источником и корпусом.
Сущность изобретения
Было бы желательным продлить полезный срок службы таких приборов за счет предотвращения или уменьшения частоты возникновения неконтролируемых дуговых разрядов.
Соответственно, в первом аспекте настоящее изобретение относится к прибору, выполненному с возможностью создания ионизирующего излучения и содержащему:
высоковольтный источник заряда и ионизирующего излучения;
корпус, заполненный изолирующей текучей средой и содержащий источник высокого напряжения; и
изолятор, на котором установлен источник высокого напряжения таким образом, что источник находится на расстоянии от корпуса;
причем прибор дополнительно содержит:
один или большее количество коллекторных электродов, расположенных в корпусе таким образом, что источник высокого напряжения преимущественно разряжается на них;
систему управления, выполненную с возможностью определения уровня ионизации изолирующей текучей среды по величине разряда на коллекторный(ые) электрод(ы); и
средства ограничения тока разряда, управляемые системой управления и предназначенные для деионизации изолирующей текучей среды при контролируемом токе разряда и, тем самым, поддержания максимального тока разряда ниже заданного значения.
Таким образом, посредством деионизации изолирующей текучей среды при контролируемом токе разряда можно предотвратить разрушительные разряды (например, неконтролируемый дуговой разряд или другие аварийные события), имеющие ток разряда выше заданного значения.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к системе управления для использования в приборе согласно первому аспекту. Например, система управления может быть предусмотрена для управления деионизацией в приборе, выполненным с возможностью создания ионизирующего излучения и содержащем: высоковольтный источник заряда и ионизирующего излучения, корпус, заполненный изолирующей текучей средой и содержащий источник высокого напряжения, изолятор, на котором установлен источник высокого напряжения таким образом, что источник находится на расстоянии от корпуса, один или большее количество коллекторных электродов, расположенных в корпусе таким образом, что источник высокого напряжения преимущественно разряжается на них, и средства ограничения тока разряда; причем система управления выполнена с возможностью определения уровня ионизации изолирующей текучей среды по величине разряда на коллекторный(ые) электрод(ы) и управления средствами ограничения тока разряда для деионизации изолирующей текучей среды при контролируемом токе разряда и, тем самым, поддержания максимального тока разряда ниже заданного значения.
В соответствующем третьем аспекте настоящее изобретение относится к способу управления деионизацией, включающему:
обеспечение прибором, выполненным с возможностью создания ионизирующего излучения и содержащим высоковольтный источник заряда и ионизирующего излучения, корпус, заполненный изолирующей текучей средой и содержащий источник высокого напряжения; изолятор, на котором установлен источник высокого напряжения таким образом, что источник находится на расстоянии от корпуса, один или большее количество коллекторных электродов, расположенных в корпусе таким образом, что источник высокого напряжения преимущественно разряжается на них, и средства ограничения тока разряда;
определение уровня ионизации изолирующей текучей среды по величине разряда на коллекторный(ые) электрод(ы); и
управление средствами ограничения тока разряда для деионизации изолирующей текучей среды при контролируемом токе разряда и, тем самым, поддержания максимального тока разряда ниже заданного значения.
Далее будут изложены дополнительные признаки изобретения. Они применимы по отдельности или в любой комбинации с любым аспектом настоящего изобретения.
Средства ограничения тока разряда могут дополнительно управляться системой управления для деионизации изолирующей текучей среды в контролируемом местоположении.
Средства ограничения тока разряда могут содержать электрическую схему, изменяющую напряжение смещения, приложенное к коллекторному(ым) электроду(ам), по отношению к источнику высокого напряжения для способствования деионизации изолирующей текучей среды у коллекторного(ых) электрода(ов). Так, например, электрическая схема может содержать один или большее количество переменных резисторов, изменяющих ток утечки на землю через коллекторный(ые) электрод(ы).
Коллекторный(ые) электрод(ы) может(могут) располагаться на расстоянии от источника высокого напряжения, причем указанный промежуток заполнен изолирующей текучей средой.
Коллекторный(ые) электрод(ы) может(могут) быть установлен(ы) непосредственно на источнике или на заданном подходящем расстоянии смещения от него.
6
2
Изолирующая текучая среда может представлять собой диэлектрический газ; например, гексафторид серы (SF) под давлением, азот (N) под давлением или смесь таких диэлектрических газов. Изолирующая текучая среда может представлять собой жидкость; например, минеральное масло, масло на основе силикона или сложного эфира пентаэритрита (см., например, публикацию WO 2013/043311, включенную в настоящее описание посредством ссылки), обычно используемые в высоковольтных трансформаторах. Изолирующая текучая среда может находиться под давлением.
Коллекторный(ые) электрод(ы) может(могут) быть выполнен(ы) из проводящих, полупроводниковых и/или диэлектрических слоев.
Корпус может иметь покрытие с электроизоляционным слоем на внутренней поверхности.
Корпус может иметь покрытие с пассивным полупроводниковым слоем на внутренней поверхности в качестве элемента управления разрядом. В еще одном варианте средства ограничения тока разряда могут содержать покрытие с активно управляемым полупроводниковым слоем на внутренней поверхности корпуса в качестве элемента управления разрядом.
Средства ограничения тока разряда могут содержать циркулятор текучей среды, активно управляемый системой управления для обеспечения циркуляции изолирующей текучей среды внутри корпуса для способствования разряду изолирующей текучей среды предпочтительно на коллекторном(ых) электроде(ах). В дополнительном или альтернативном варианте прибор может дополнительно содержать пассивный циркулятор текучей среды, не находящийся под управлением системы управления, но обеспечивающий циркуляцию изолирующей текучей среды внутри корпуса для способствования разряду изолирующей текучей среды предпочтительно на коллекторном(ых) электроде(ах).
Так, например, активный или пассивный циркулятор текучей среды может содержать один или большее количество механических насосов или нагнетателей. Они могут относиться к типу устройств со вращающимся рабочим колесом. В еще одном варианте возможно применение рабочих колес на основе пьезоэлектрических резонансных поверхностей. Такие поверхности могут располагаться друг напротив друга с небольшим зазором между ними и также служить в качестве поверхностей для сбора заряда.
В дополнительном или альтернативном варианте активный или пассивный циркулятор текучей среды может содержать один или большее количество электрогидродинамических конвекторов. Ионизированную изолирующую текучую среду можно заставить циркулировать внутри корпуса с помощью такого конвектора, управляя электрическим полем, приложенным к текучей среде.
Как правило, корпус образует замкнутый объем, который заполнен изолирующей текучей средой. Эта изолирующая текучая среда обычно не пополняется и не заменяется в процессе эксплуатации.
Прибор может быть устройством для каротажа скважин, например, закрепленным на кабеле или спиральной требу прибором для измерения в процессе бурения или каротажа в процессе бурения.
Краткое описание графических материалов
Далее будут описаны варианты реализации настоящего изобретения в виде примеров со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На ФИГ. 1 схематически проиллюстрирован прибор, имеющий источник высокого напряжения, заряда и ионизирующего излучения;
На ФИГ. 2 схематически проиллюстрирован пример системы для оценки скважины;
На ФИГ. 3 схематически проиллюстрирован прибор устройства для каротажа на кабеле согласно ФИГ. 2, имеющий источник высокого напряжения, заряда и ионизирующего излучения; и
На ФИГ. 4 схематично проиллюстрирован вариант прибора согласно ФИГ. 3.
Подробное описание и дополнительные необязательные признаки
Ниже приведено описание лишь предпочтительных типовых вариантов реализации изобретения, которые не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации настоящего изобретения. Напротив, нижеследующее описание предпочтительных типовых вариантов реализации изобретения обеспечит специалистам в данной области техники информацию, позволяющую реализовать на практике предпочтительные типовые варианты реализации изобретения, причем следует понимать, что в функции и расположение элементов могут быть внесены различные изменения без отхода от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, хотя приведенное ниже описание относится к каротажному прибору, изобретение может также найти применение, например, в ядерной отрасли, здравоохранении, промышленности и обороне.
В последующем описании приведены конкретные детали для обеспечения полного понимания вариантов реализации настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники с обычным уровнем подготовки будет понятно, что варианты реализации изобретения могут быть применены на практике и без указанных конкретных деталей. Так, например, широко известные схемы, процессы, алгоритмы, конструкции и технологии могут быть показаны без излишней детализации, чтобы избежать затруднения понимания вариантов реализации изобретения.
На ФИГ. 2 схематически проиллюстрирован пример системы 10 для оценки скважины. В частности, на ФИГ. 2 показано наземное оборудование 12, расположенное над геологическим пластом 14. В примере, показанном на ФИГ. 2, предварительно было выполнено бурение ствола скважины 16. Кроме того, заполнение цементным раствором в затрубном пространстве 18 использовано для герметизации затрубного пространства 20 (пространства между стволом скважины 16 и соединениями обсадных труб 22 и соединительными муфтами обсадной трубы 24).
Как видно на ФИГ. 2, несколько соединений обсадных труб 22 (также называемых ниже как обсадная колонна 22) представляют собой трубы определенной длины, которые соединены между собой муфтами 24 для формирования обсадной колонны, укрепляющей ствол скважины 16. Соединения обсадных труб 22 и/или муфты 24 могут быть выполнены из углеродистой стали, нержавеющей стали или других подходящих материалов, чтобы они могли выдерживать различные силы, такие как сжатие, разрыв и растяжение, а также противостоять химически агрессивному флюиду.
Наземное оборудование 12 может выполнять различные операции каротажа скважины для определения состояния ствола скважины 16. Каротаж может включать в себя измерение параметров геологического пласта 14 (например, удельного сопротивления или пористости) и/или ствола скважины 16 (например, температуры, давления, типа флюида или скорости его потока). Другие измерения могут обеспечивать оценку состояния цемента акустическими средствами, а также данные о целостности скважины (например, толщину обсадной колонны, очевидно, кажущийся акустический импеданс, сопротивление бурового раствора и т.д.), которые могут использоваться для проверки цементирования и зональной изоляции ствола скважины 16. Некоторые из этих измерений могут быть получены с помощью одного или большего количества устройств для каротажа 26.
Как показано на ФИГ. 2, устройство для каротажа 26 перемещается по стволу скважины 16 с помощью кабеля 28. Такой кабель 28 может быть механическим тросом, электрическим кабелем или электрооптическим кабель, содержащим оптоволоконную линию, защищенную от воздействия агрессивной среды в стволе скважины 16. Однако в других примерах устройство для каротажа 26 может перемещаться с использованием любых других подходящих средств, например, спиральных труб. В некоторых вариантах осуществления буровой раствор или промывочная жидкость 25 может присутствовать вокруг устройства для каротажа 26 при его перемещении в стволе скважины 16.
Устройство для каротажа 26 на кабеле может помещаться внутрь ствола скважины 16 с помощью наземного оборудования 12, которое может включать в себя транспортное средство 30 и систему развертывания, такую как буровая установка 32. Данные, относящиеся к геологическому пласту 14 или стволу скважины 16, собранные с помощью устройства для каротажа 26, могут передаваться на поверхность и/или храниться в устройстве для каротажа 26 для последующей обработки и анализа. Транспортное средство 30 может быть оснащено компьютером и программным обеспечением или осуществлять связь с ними для сбора и анализа данных.
На ФИГ. 2 также схематически показан увеличенный вид части обсаженной скважины 16. Когда устройство для каротажа 26 передает измерения наземному оборудованию 12 (например, через проводной кабель 28), наземное оборудование 12 может передавать результаты измерений как данные 36 в систему обработки данных 38, содержащую процессор 40, память 42, хранилище 44 и/или дисплей 46. В других примерах данные 36 могут обрабатываться аналогичной системой обработки данных 38 в любом другом подходящем местоположении. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения вся обработка данных или ее часть может осуществляться системой обработки данных 38 в устройстве для каротажа 26 или вблизи устройства для каротажа 26 в скважине.
6
2
На ФИГ. 3 схематически изображен прибор устройства для каротажа 26 на кабеле. Прибор имеет источник высокого напряжения, заряда и ионизирующего излучения 301 и изолятор 302, на котором установлен источник заряда и ионизирующего излучения. Источник и изолятор расположены в корпусе 303, от которого источник отделяет заполненный газовой изоляцией промежуток 304. Корпус образует замкнутый объем для изолирующего газа, который может представлять собой, например, SF под давлением, N под давлением или другие диэлектрические газы.
Прибор также имеет коллекторный электрод 307, установленный на корпусе и расположенный на изолирующей опоре 308, который, как правило, соответствующим образом смещен по отношению к источнику высокого напряжения 301, таким образом, чтобы источник преимущественно разряжался на электрод. Электрическая система управления 309, соединенная с электродом с помощью проводов 310, определяет уровень ионизации изолирующего газа по величине разряда на коллекторном электроде. Исходя из определенного уровня, средства ограничения тока разряда, работающие под управлением системы управления, могут быть использованы, чтобы обеспечить утечку заряда из газа с регулируемым током разряда и тем самым избежать разрушительных разрядов с большим током, таких как неконтролируемый дуговой разряд. Преимущественно, такая контролируемая деионизация может быть автоматической и непрерывной. Конструкция изоляции (например, дополнительный электрический изолирующий слой 306, описанный ниже) окружающего оборудования может использоваться для создания преимущественного пути утечки через электрод и схему системы управления.
Modelling of corona-induced electrohydrodynamic flow with COMSOL Multiphysics
В качестве примера таких средств ограничения тока разряда можно привести регулирование системой управления циркуляции (т.е. естественной или принудительной конвекции) нейтрального и заряженного газа в замкнутом объеме корпуса 303 посредством циркулятора текучей среды 311. Такое решение может включать, например, один или большее количество вращающихся рабочих колес или пьезоэлектрических нагнетателей. В дополнительном или альтернативном варианте напряжение смещения может способствовать циркуляции. Таким образом, циркулятор текучей среды 311 может содержать один или большее количество электрогидродинамических (EHD) конвекторов (см., например, N. E. Jewell-Larsen et al., , ESA Annual Meeting on Electrostatics, 2008 - этот источник включен в настоящее описание посредством ссылки).
В другом примере система управления 309 может содержать электрическую схему, изменяющую напряжение смещения, приложенное к коллекторному электроду 307, по отношению к источнику высокого напряжения 301, чтобы способствовать разряду изолирующей текучей среды у коллекторного электрода. В частности, электрическая схема может содержать переменный резистор, изменяющий ток утечки на землю через коллекторный электрод.
Предпочтительно, некоторые из этих подходов или все эти подходы (естественная конвекция, принудительная конвекция, усиленная EHD конвекция) могут использоваться вместе для разряда газа с регулируемым токов и в требуемом местоположении. При выборе и конфигурации подходов может также потребоваться принять во внимание возможные ориентации прибора устройства для каротажа 26 на кабеле под действием силы тяготения.
Таким образом, посредством надежного управления и контроля уровня ионизации газообразного диэлектрика возможно снижение концентрация пространственного заряда диэлектрического газа, что позволяет обеспечить непрерывную, долговечную и надежную работу прибора в условиях, где в противном случае имели бы место пробои газообразного диэлектрика с образованием дуговых разрядов.
В корпусе можно разместить один или большее количество дополнительных коллекторных электродов (не показаны). Система управления может также определять уровень ионизации изолирующего газа по величине разряда на дополнительных коллекторных электродах. Наличие нескольких коллекторных электродов может улучшить сбор заряда. Они также могут использоваться для содействия электрогидродинамическому потоку через них.
Конструкция коллекторного электрода 307 (или каждого из них) может быть использована для улучшения активно регулируемого или пассивного разряда газообразного диэлектрика, таким образом, чтобы предотвратить разрушительные разряды. Например, при конструировании следует обратить внимание на такие вопросы, как использование острых кромок или скругленных с определенным радиусом, расположение относительно источника высокого напряжения 301 и формирование электрического поля. Таким образом можно обеспечивать контроль над тем, где будет происходить деионизация и сбор заряда.
Местоположением разряда также можно управлять с помощью системы управления 309. Так, например, за счет расширения эффективного пути пробоя на землю можно устранить стримеры или другие структуры пробоя. Такое управление может достигаться за счет изменения потока изолирующей текучей среды во времени, например, чтобы воспользоваться вихревым смешиванием для эффективного дробления заряженных потоков на сегменты, которые не будут поддерживать пробой. В пассивной системе для модуляции потока могут использоваться резонирующие структуры.
Корпус 303 может иметь электрический изолирующий слой 306, нанесенный на его внутреннюю поверхность. Он также может способствовать созданию предпочтительного пути для разряда на коллекторный электрод 307. Для формирования электроизолирующего слоя могут использоваться органические (например, полимерные) или неорганические (например, керамика, стекло) изоляторы.
В дополнительном или альтернативном варианте корпус 303 может иметь пассивный или активно управляемый полупроводниковый слой (не показан), нанесенный на его внутреннюю поверхность в качестве элемента управления разрядом.
Схема системы управления и провода 310 могут располагаться вне корпуса 303 или внутри него. Провода могут быть структурным элементом прибора, например, дополняя изолирующую опору 308.
На ФИГ. 4 схематично проиллюстрирован вариант прибора согласно ФИГ. 3. В этом варианте коллекторный электрод 307 установлен непосредственно на источнике высокого напряжения 301 или на заданном подходящем расстоянии смещения от него. Таким образом, он дополнительно ограничивает или направляет поток заряда от открытых поверхностей источника высокого напряжения 301. Коллекторный электрод выполнен в виде колпачка, который полностью или частично окружает открытую поверхность источника. Он может состоять из организованных в гнездовую структуру проводящих, полупроводящих и/или изолирующих слоев.
В других вариантах осуществления корпус 303 может содержать изолирующую жидкость (например, минеральное масло, масло на основе силикона или сложного эфира пентаэритрита), а не изолирующий газ. В этом случае циркулятор текучей среды 311 может быть соответствующим образом модифицирован.