ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
МПК G01R 15/04
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к делителям напряжения, предназначенным для измерения высоких напряжений и допускающим, в том числе, возможность применения в промышленных условиях для выполнения непрерывных измерений напряжения в составе штатно эксплуатируемых электроустановок.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные конструкции и способы изготовления высоковольтных делителей напряжения, различающиеся по обеспечиваемой технологичности изготовления делителей.
Например, известен способ изготовления делителя напряжения, основанный на выполнении резистивного элемента высоковольтного плеча делителя в форме однородной электропроводной среды, равномерно заполняющей пространство между высоковольтным электродом и электродом, гальванически связанным с общей точкой делителя [1]. Вышеуказанный способ имеет целью обеспечение совмещения равных по значению потенциалов электрического поля в отдельных участках резистивного элемента делителя с потенциалами поля системы электродов делителя; при этом значительно снижается зависимость коэффициента передачи делителя от частоты измеряемого входного напряжения (в частности, достигается равномерность амплитудно-частотной характеристики). В вышеуказанном способе резистивный элемент в форме однородной резистивной композиции с конечной твердой фазой заполняет пространство внутри заземленного электростатического экрана, содержащего внутри себя также высоковольтный и низковольтный (связанный с общей точкой делителя) электроды. Недостатком делителя, реализованного в соответствии с вышеуказанным способом, является значительная утечка тока делителя на землю через заземленный электростатический экран, что значительно ухудшает точностные характеристики делителя. Исключение вышеуказанного недостатка обеспечивается при увеличении расстояния между высоковольтным электродом и заземленным электростатическим экраном, что, однако, приводит к неоправданному увеличению габаритов и материалоемкости (в частности, к использованию большого количества резистивного элемента) делителя. Другим путем исключения вышеуказанного недостатка является сокращение расстояния между высоковольтным и низковольтным электродами, что, однако, значительно ухудшает устойчивость делителя к электрическому пробою.
Известны также делители, в которых высоковольтное плечо выполняется в форме проволочного резистора, наматываемого на цилиндрическое изоляционное основание. К указанным делителям относятся, например, делители напряжения [2] и [3]. При этом, в частности, в делителе [3], содержащем цилиндрический корпус из изоляционного материала с размещенной на его поверхности винтовой канавкой, проволочный резистор высоковольтного плеча проложен в вышеуказанной винтовой канавке, а поверхность канавки покрыта электропроводящим слоем для компенсации паразитных емкостей витков проволочного резистора высоковольтного плеча по отношению к земле и компенсации индуктивности емкостной цепи делителя. При этом в делителе [3] возможно покрытие винтовой канавки металлом (напр., способом металлизации поверхности цилиндрического изоляционного корпуса в вакууме); при этом отпадает необходимость в проволочном резистивном элементе, и роль резистивного элемента высоковольтного плеча выполняет вышеуказанное покрытие канавки металлом по всей ее высоте. Однако недостатком делителя [3] является существенная трудоемкость его изготовления, обусловленная как необходимостью точного изготовления винтовой канавки (в частности, обеспечения требуемой глубины канавки и постоянного шага канавки по всей ее высоте), так и трудоемкостью нанесения электропроводящего слоя на стенки канавки по всей ее высоте.
Известен также резистивный делитель напряжения [4], содержащий соединенные последовательно первый и второй резистор, где каждый из указанных резисторов выполнен в виде совокупности дорожек из резистивного пленочного материала, нанесенных на изоляционное цилиндрическое основание, выполненное в виде сплошного или полого цилиндра, методом прямой (в частности, трафаретной) печати. Указанный делитель более технологичен в изготовлении, чем предыдущие описанные аналоги, в частности, аналог [2], так как резистивный материал может быть напечатан на изоляционное основание в значительной степени автоматизировано (с использованием специального принтера), взамен необходимости выполнения намотки большого числа витков провода на изоляционное основание с соблюдением и, соответственно, контролем стабильного шага намотки, должной плотности прилегания провода к изоляционному основанию и т.п.
Также известны делители, в которых высоковольтное плечо выполняется в форме дорожек или слоев из резистивного материала, наносимых на изолирующее основание с использованием толстопленочных технологий. К указанным делителям относятся, например, высоковольтные делители напряжения от производителя Nicrom Electronic (Швейцария), включая высоковольтные делители напряжения серий 300 и 600 [5]. Указанные делители обладают высокой степенью технологичности изготовления, т.к. допускают, также как и делитель [4], возможность их изготовления методом прямой печати.
Общим недостатком делителей [2-5] является низкий обеспечиваемый уровень защиты резистивных элементов высоковольтного плеча делителя от агрессивных воздействий окружающей среды, характерных для промышленных условий применения (напр., загрязненной атмосферы), ограничивая указанные делители сферой лабораторного применения. При этом присутствующее в составе некоторых делителей (напр., [2] и [5]) дополнительное защитное изолирующее покрытие резистивных элементов обеспечивает только защиту от окисления, но не обеспечивает защиту от других воздействий окружающей среды в условиях промышленного применения. Например, в случае применения делителя в электроустановках, функционирующих на открытом воздухе (напр., в открытых распределительных устройствах энергообъектов) вышеуказанное защитное покрытие, в случае размещения резистивных элементов высоковольтного плеча делителя на наружной поверхности корпуса делителя, не обеспечивает должный уровень защиты указанных элементов от агрессивного воздействия атмосферных осадков (в т.ч. ударов града, продолжительного вымывания дождем), а также прямого воздействия солнечной радиации, увеличивающего перегрев резистивных элементов и, соответственно, приводящего к увеличению скорости старения резистивных элементов, ввиду чрезвычайно малой толщины вышеуказанного защитного покрытия (как правило, толщина указанного защитного покрытия не превышает 1 миллиметра - см., в частности, [5]). Кроме того, при эксплуатации делителя в промышленно загрязненной атмосфере вышеуказанное защитное изоляционное покрытие с течением времени покрывается слоем загрязнений, который при повышенной влажности окружающей среды приобретает электропроводящие свойства, вызывая, таким образом, шунтирование измерительной цепи делителя. При этом ввиду того, что загрязнения могут оседать на поверхность защитного изоляционного покрытия неравномерно (формируя, соответственно, неравномерный слой загрязнения), при эксплуатации делителя с наличием шунтирования измерительной цепи делителя слоем загрязнений возможны локальные перенапряжения в защитном изоляционном покрытии. Вышеуказанные перенапряжения будут приводить к повышенным токам утечки сквозь защитное покрытие, что, в свою очередь, будет вызывать локальные перегревы защитного покрытия со стремительным ухудшением его изоляционных свойств (старением), и соответственно, увеличивать вероятность электрического пробоя указанного покрытия в отдельных его точках, приводящего к повреждению (нарушению целостности) защитного покрытия.
Известен высоковольтный делитель напряжения [6], содержащий диэлектрический корпус, внутри которого проходят сквозные параллельные цилиндрические каналы, заполненные изолирующей средой, при этом внутри каждого из каналов находится соответствующий резистор или конденсатор высоковольтного плеча делителя, и вышеуказанные резисторы и конденсаторы высоковольтного плеча соединены между собой последовательно. Известен также высоковольтный делитель напряжения [7], заключенный в изоляционную цилиндрическую оболочку, внутри которой находится сыпучий диэлектрик, внутри которого содержатся последовательно соединенные резистивно-емкостные (R-C-r) блоки высоковольтного плеча. В указанных делителях [6] и [7] обеспечивается большая толщина слоя высоковольтной изоляции между элементами высоковольтного плеча делителя и внешней поверхностью внешней изолирующей оболочки (подверженной загрязнению, увлажнению и т.п. в условиях эксплуатации), что делает указанные делители пригодными для промышленного применения. Однако последовательное соединение элементов высоковольтного плеча (резисторов и конденсаторов) в делителях [6], [7] требует выполнения пайки указанных элементов между собой. При большом количестве элементов высоковольтного плеча (порядка нескольких десятков) требуется выполнение соответствующего большого количества высококачественных паяных соединений, что существенно увеличивает трудоемкость изготовления делителя напряжения. Кроме того, в качестве резисторов и конденсаторов высоковольтного плеча в вышеуказанных делителях [6] и [7] используются соответствующие элементы общего назначения (предназначенные для универсальных условий применения), которые изначально каждый снабжены, например, защитным изоляционным покрытием (в частности, резисторы), и каждый из резисторов при выпуске проходит юстировку своего сопротивления. При этом наличие индивидуального изоляционного покрытия у каждого из резисторов и конденсаторов может быть оправдано, например, в случае использования в делителе частиц сыпучего диэлектрика в качестве внутренней изоляции, в который погружены блоки R-C-r высоковольтного плеча, как это сделано, например, в [7] (т.к. это обеспечивает защиту резистивных элементов резисторов от царапания частицами сыпучего диэлектрика). В то же время, в делителях напряжения, в которых в качестве внутренней изоляции может использоваться не сыпучий, а, например, газообразный диэлектрик, наличие изоляционного покрытия у каждого из резисторов и конденсаторов высоковольтного плеча является излишним. Кроме того, операция заводской юстировки сопротивления каждого резистора, предназначенного для последующего использования в составе цепи последовательно соединенных резисторов высоковольтного плеча, является излишней, и таким образом, неоправданно повышает трудоемкость изготовления делителя напряжения в целом.
Делитель напряжения [7] выбран в качестве прототипа полезной модели.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом применения полезной модели является упрощение конструкции и повышение технологичности изготовления высоковольтных делителей напряжения, предназначенных, в том числе, для применения в промышленных условиях.
Предложенный делитель напряжения включает в себя высоковольтный и заземленный электроды, высоковольтное плечо и изолирующие элементы конструкции из диэлектрического материала, конструктивно связывающие высоковольтный и заземленный электроды. При этом изолирующие элементы конструкции из диэлектрического материала включают в себя полое изоляционное основание, внутри которого содержится высоковольтное плечо. Во внутреннее пространство изоляционного основания гальванически выведены с одной стороны высоковольтный электрод и с другой стороны измерительный выход делителя, и высоковольтное плечо подключено к высоковольтному электроду с одной стороны и к измерительному выходу делителя с другой стороны. При этом толщина стенки изоляционного основания такова, что обеспечивает достаточную электрическую прочность изоляции делителя и защиту от внешних воздействий окружающей среды для обеспечения возможности применения делителя в промышленных условиях.
При этом, в отличие от прототипа, в заявленном делителе изоляционное основание с выводами во внутреннее пространство изоляционного основания высоковольтного электрода и измерительного выхода выполнены таким образом, что полое пространство внутри изоляционного основания герметично. При этом высоковольтное плечо выполнено в форме резистивного материала, нанесенного на поверхности изолирующих элементов конструкции, находящихся в герметичном пространстве внутри полого изоляционного основания. При этом резистивный материал может наноситься на изолирующие элементы конструкции, например, в виде слоя или дорожек, таким образом, чтобы в результате обеспечивались требуемые величины распределенных резистивной и емкостной составляющих сопротивления высоковольтного плеча делителя. Кроме того, резистивный материал высоковольтного плеча на поверхностях изолирующих элементов конструкции дополнительно покрыт защитной диэлектрической пленкой.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается за счет замены цепей прецизионных резисторов и конденсаторов в высоковольтном плече делителя резистивным материалом, наносимым на поверхности изолирующих элементов конструкции делителя и формирующим единое распределенное по поверхности изолирующих элементов конструкции делителя резистивно-емкостное сопротивление высоковольтного плеча. При этом исключается необходимость в выполнении паек резисторов и конденсаторов в высоковольтном плече с обеспечением высокого качества указанных паек, а также исключается необходимость в обеспечении надежного крепления каждого отдельного резистора или конденсатора высоковольтного плеча к корпусу делителя, что упрощает процесс изготовления делителя. Кроме того, из общего производственного процесса изготовления делителя исключается создание защитного изоляционного покрытия для каждого отдельного резистора и конденсатора высоковольтного плеча (взамен этого резистивный материал высоковольтного плеча, нанесенный на поверхности изолирующих элементов, покрывается единой защитной диэлектрической пленкой), а также исключается заводская юстировка сопротивления каждого отдельного прецизионного резистора высоковольтного плеча, чем упрощается процесс изготовления делителя в целом.
Возможность применения заявленного делителя в промышленных условиях обеспечивается за счет размещения резистивного материала высоковольтного плеча внутри полого изоляционного основания, выполненного из диэлектрического материала и обладающего достаточной толщиной стенки, а также за счет того, что полое пространство внутри изоляционного основания, содержащее высоковольтное плечо в виде резистивного материала, нанесенного на изолирующие элементы конструкции и дополнительно покрытого защитной диэлектрической пленкой, выполнено герметичным. Обеспечение вышеуказанной герметичности исключает попадание из окружающей среды во внутрь изоляционного основания влаги и загрязнений, способных осаждаться на резистивные элементы высоковольтного плеча, покрытые защитной диэлектрической пленкой, и вызывать, таким образом, ускоренное ухудшение изоляционных свойств (старение) и, возможно, электрический пробой защитной диэлектрической пленки с повреждением (нарушением целостности) указанной пленки.
В частном случае заявленный делитель напряжения может включать в себя экран, обеспечивающий защиту измерительной цепи делителя от внешних электрических помех, где указанный экран выполнен в форме электропроводящего материала, нанесенного на поверхности изолирующих элементов конструкции делителя. При этом указанный экран на поверхностях изолирующих элементов дополнительно покрыт защитной диэлектрической пленкой. При этом за счет выполнения экрана в форме электропроводящего материала, нанесенного на поверхности уже существующих изолирующих элементов конструкции делителя, обеспечивается упрощение конструкции и технологии изготовления высоковольтного делителя напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена общая схема предлагаемого делителя напряжения.
Фиг.2 описывает возможную конфигурацию нанесения резистивного материала высоковольтного плеча на изоляционное основание делителя.
На фиг.3 приведена схема предлагаемого делителя напряжения в частном случае выполнения полезной модели с экраном для защиты от внешних электрических помех.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Предлагаемый высоковольтный делитель 1 напряжения (см. фиг. 1) включает в себя высоковольтный 2 и заземленный 3 электроды, при этом изолирующим элементом конструкции делителя, конструктивно связывающим электроды 2 и 3, выступает изоляционное основание 4, выполненное из диэлектрического материала, и обеспечивающее достаточный уровень высоковольтной изоляции делителя для условий промышленного применения. Высоковольтное плечо делителя выполнено в форме резистивного материала 5, нанесенного на внутреннюю поверхность полого изоляционного основания 4 в виде, например, слоя резистивного материала или в виде дорожек (см. фиг. 2). При этом материал 5 гальванически связан с высоковольтным электродом 2 посредством вывода 6 высоковольтного электрода во внутреннее пространство изоляционного основания. Также слой 5 резистивного материала высоковольтного плеча связан с измерительным выходом 7 делителя посредством вывода 8 измерительного выхода во внутреннее пространство изоляционного основания. При этом внутреннее пространство изоляционного основания 4 с учетом прохождения через стенки основания 4 выводов 6 и 8 выполнено герметичным. Возможная конфигурация нанесения материала 5 на изоляционное основание 4 приведена на фиг. 2, где материал 5 нанесен в форме спиральной дорожки с одинаковым шагом по высоте, а также с одинаковым поперечным сечением (шириной) по высоте. Слой резистивного материала 5 во внутреннем пространстве полого изоляционного основания также полностью покрыт защитной диэлектрической пленкой 9 (на фиг. 2 диэлектрическая пленка условно не показана). Делитель может включать в себя низковольтное плечо 10, выполненное в виде, например, одного блока R-C-r.
Указанный делитель напряжения 1 может быть получен способом 3D-печати. В частности, отдельно трехмерной печатью может быть получено изоляционное основание 4 с нанесенным на него высоковольтным плечом 5 делителя и защитной диэлектрической пленкой 9. При этом наружная поверхность основания 4 может быть как гладкой (как показано на фиг. 1), так и ребристой, обеспечивая при этом требуемую величину пути тока утечки по внешней изоляции делителя.
В частном случае выполнения полезной модели делитель напряжения может включать в себя экран 11 (см. фиг. 3) из электропроводящего материала, нанесенный на внешнюю поверхность полого изоляционного основания 4. При этом указанный экран 11 дополнительно покрыт защитной диэлектрической пленкой 12, предотвращающей окисление электропроводящего материала экрана в процессе эксплуатации.
Экран 11 может быть нанесен не по всей высоте основания 4, а только, например, в нижней его части и быть подключен только к заземленному электроду 3. При этом экран 11 может быть нанесен на основание 4, например, в форме спиральной дорожки или сетки. Указанный экран 11 может быть получен в составе делителя также 3D-печатью одновременно с печатью основания 4 с нанесенным на него высоковольтным плечом 5 и защитной пленкой 9. Однако ввиду нахождения указанного экрана снаружи изоляционного основания 4, указанный экран в процессе эксплуатации делителя может корректироваться. В частности, например, могут восстанавливаться поврежденные (окисленные) электропроводящие элементы экрана, наноситься дополнительные проводящие элементы экрана 11, восстанавливаться защитное покрытие 12. Вышеуказанные корректировки экрана 11 или защитной пленки 12 могут осуществляться нанесением соответствующих паст на основание 4, напр., проводящей (резистивной) пасты для проводящих элементов экрана 11, и поверх нее, в качестве пленки 12, защитной изолирующей пасты (напр., стеклянной пасты типа ПЗС-1).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
[1] Авторское свидетельство (патент) СССР на изобретение № 1167509 (15.07.1985. Бюл. № 26).
[2] Авторское свидетельство (патент) СССР на изобретение № 1104441 (23.07.1984. Бюл. № 27).
[3] Авторское свидетельство (патент) СССР на изобретение № 705541, приоритет (опубликовано) от 25.12.1979.
[4] Патент США № US 9299484 (“Resistive structure and resistive voltage divider arrangement”, 3/2016, Hozoi at al.).
[5] Электронный каталог «High Performance Thick Film Resistors. GENERAL CATALOG 2004» на сайте производителя Nicrom Electronic (www.nicrom-electronic.com).
[6] Авторское свидетельство (патент) СССР на изобретение № 687472, приоритет (опубликовано) от 25.09.1979 (Бюл. № 35).
[7] Патент РФ на изобретение № 2529597 (приоритет от 30.01.2013).