ДАТЧИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПЕРЕКРЫВАЮЩИМИСЯ ПО ОСИ ЭЛЕКТРОДАМИ
HIGH-VOLTAGE SENSOR WITH ELECTRODES OVERLAPPING ELECTRODES ALONG AXIS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к датчику напряжения для измерения напряжения между первой и второй контактными точками, в частности, к датчику напряжения с изолятором, таким как корпус из изолирующего материала, проходящего между контактными точками, и с электродами, расположенными в упомянутом корпусе. Изобретение также относится к сборочному узлу из нескольких таких датчиков напряжения, расположенных последовательно.
Уровень техники
4
3
12
Действие оптических датчиков высокого напряжения часто основано на электрооптическом эффекте (эффекте Поккельса) в кристаллических материалах, таких как BiGeO (BGO) [1]. Приложенное напряжение вносит дифференциальный оптический фазовый сдвиг между двумя ортогональными линейно поляризованными световыми волнами, распространяющимися через кристалл. Этот фазовый сдвиг пропорционален напряжению. На конце кристалла световые волны обычно интерферируют в поляризаторе. Результирующая интенсивность света служит в качестве меры для фазового сдвига и, таким образом, напряжения.
Документы US 4904931 [2] и US 6252388 [3] раскрывают датчик, в котором полное линейное напряжение (до нескольких 100 кВ) прикладывается по длине одиночного кристалла BGO. Длина кристалла обычно составляет между 100 мм и 250 мм. Преимущество состоит в том, что сигнал датчика соответствует истинному напряжению, то есть линейному интегралу электрического поля вдоль кристалла. Однако напряженность электрического поля в кристалле очень высока. Чтобы получить достаточную электрическую прочность, кристалл устанавливается в полый высоковольтный изолятор, изготовленный из волокна, армированного эпоксидной смолой, заполненный газом SF6 под давлением для достижения электрической изоляции. Электроды на концах кристалла выполнены таким образом, чтобы область вдоль кристалла была достаточно однородной. Диаметр изолятора является достаточно большим, чтобы поддерживать напряженность поля в воздухе вне изолятора ниже критических пределов. Как правило, напряженность поля уменьшается с увеличением радиального расстояния от кристалла.
Документ US 6252388 [4] описывает датчик напряжения, использующий несколько небольших электрооптических кристаллов, установленных в выбранных положениях вдоль продольной оси полого высоковольтного изолятора. Кристаллы измеряют электрические поля в местах их расположения. Сумма этих измерений локального поля служит приближенный значением напряжения, приложенного к изолятору. В этом случае напряженности поля при заданном напряжении значительно ниже, чем в конструкции [2], и достаточна изоляция азотом при атмосферном давлении. Однако так как датчик не измеряет линейный интеграл поля, а выводит сигнал из напряженностей поля в нескольких выбранных точках между землей и высоким напряжением, необходимы дополнительные меры (экранировка, диэлектрическая постоянная), чтобы стабилизировать распределение электрического поля во избежание чрезмерных ошибок из-за аппроксимации [5].
Недостаток упомянутых выше концепций состоит в необходимости дорогостоящего высоковольтного изолятора большого размера. Внешние размеры подобны размерам соответствующих традиционных индукционных трансформаторов напряжения или емкостных делителей напряжения. Таким образом, привлекательность таких оптических датчиков ограничивается.
Ссылка [6] описывает датчик, в котором напряжение разделяется между несколькими кварцевыми кристаллами, каждый длиной, например, 150 мм. Здесь, пьезоэлектрическая деформация кристаллов под действием приложенного напряжения передается оптическому волокну, которое работает по меньшей мере при двух различных световых модах. Световые волны, проходящие через волокно, испытывают дифференциальный оптический фазовый сдвиг, пропорциональный напряжению. Концы каждого кристалла снова снабжаются электродами, обеспечивающими относительно однородное распределение поля в кристаллах. Электроды соседствующих кристаллов соединяются между собой электрическими проводниками. Разделение напряжения понижает напряженности электрического поля по сравнению с конструкцией с одиночным кристаллом и, таким образом, позволяет устанавливать кристаллы в относительно тонком высоковольтном изоляторе с относительно низкой ценой. Полый объем изолятора заполняется мягким полиуретаном. Недостаток состоит в том, что требуются относительно большие коронирующие кольца, чтобы гарантировать, что падения напряжения на отдельных кристаллах имеют сравнимую величину. Кроме того, повышенные напряженности электрического поля возникают, как правило, на внешней поверхности изолятора около мест расположения индивидуальных электродов: пиковые поля должны поддерживаться ниже пробойной напряженности поля в воздухе и это продолжает препятствовать уменьшению диаметра изолятора.
6
Ссылка [7] описывает электрооптический датчик напряжения такого типа, как в [2, 3], но с электрооптическим кристаллом, заделанным в силикон. Полый изолятор высокого напряжения имеет большой размер и, таким образом, удается избежать газовой изоляции SF. Как и в [6], напряжение может быть разделено по нескольким кристаллам.
Другим предшествующим уровнем техники является концепция, известная как высоковольтный ввод. Часто в высоковольтных системах существует необходимость пропускания высоковольтных проводников через или вблизи других проводящих частей, имеющих потенциал земли (например, в силовых трансформаторах). С этой целью высоковольтный проводник помещается в проходной изолятор. Изолятор содержит несколько слоев металлической фольги, расположенных концентрически относительно высоковольтного проводника и изолированных друг от друга. Соответственно выбирая длину индивидуальных цилиндров металлической фольги, распространением электрического поля внутри и около проходного изолятора можно управлять таким образом, что вдоль внешней поверхности проходного изолятора имеет место относительно равномерное падение напряжения от высокого напряжения до потенциала земли [8, 9, 10].
Описание изобретения
Проблема, которая должна быть решена настоящим изобретением, заключается поэтому в обеспечении датчика напряжения для измерения напряжения между первой и второй контактной точкой альтернативной конструкции.
Эта проблема решается датчиком, упомянутым в п.1 формулы изобретения. Соответственно, датчик напряжения содержит изолятор или, кратко, изолятор датчика. Изолятор имеет вытянутую форму вдоль осевого направления между первой и второй контактными точками. Датчик электрического поля располагается внутри по меньшей мере одной полости датчика, в частности, внутри точно одной полости датчика внутри изолятора. Как правило, длина полости датчика значительно короче, чем длина изолятора. Дополнительно, в изоляторе располагается множество проводящих электродов. Электроды отделяются друг от друга изолирующим материалом и связаны друг с другом емкостной связью. По меньшей мере часть набора электродов (или весь набор электродов) располагается так, что, каждый электрод части набора электродов по оси перекрывает по меньшей мере один другой электрод из электродов части набора.
Электроды позволяют управлять эквипотенциальными поверхностями так, что на наружной поверхности изолятора напряжение падает по всей длине изолятора, тогда как внутри изолятора напряжения падает на определенной (более короткой) длине полости датчика. Предпочтительно напряжение падает, по существу, равномерно как вдоль наружной поверхности изолятора, и по длине полости датчика.
В то время как в отсутствие датчика напряжения нормаль к эквипотенциальной поверхности, по существу, параллельна осевому направлению, то когда такие электроды присутствуют нормаль перпендикулярна осевому направлению вблизи электродов.
Электроды позволяют концентрировать электрическое поле в пределах полости датчика с напряженностью поля, большей, чем (средняя) напряженность поля снаружи датчика напряжения, то есть, большей, чем напряжение между контактными точками, поделенное на расстояние между контактными точками.
Предпочтительно, по меньшей мере один из электродов является экранирующим электродом, радиально окружающим упомянутую полость датчика. Электрод может быть связан емкостной связью с двумя частями всего набора электродов и предотвращает выход высоковольтного электрического поля изнутри полости датчика в воздух снаружи датчика.
Предпочтительно, датчик напряжения содержит два набора ступенчато расположенных относительно друг друга электродов.
Изобретение в его предпочтительных вариантах конструкции обеспечивает высоковольтный датчик с тонким и легким изолятором низкой стоимости. Электроды обеспечивают регулирование электрического поля и, как вариант, устраняют необходимость в электродах, непосредственно прикрепленных к датчику поля. Твердотельная изоляция может быть достаточной (никакого масла или газа).
Изобретение также относится к расположению таких датчиков высокого напряжения последовательно. Следовательно, объединение нескольких модулей датчиков высокого напряжения одних и тех же или разных форм или размеров может использоваться для измерения большого диапазона различных уровней напряжения.
Другие предпочтительные варианты осуществления перечисляются в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в приведенном ниже описании.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятно и задачи, отличные от тех, которые изложены выше, станут очевидными из последующего его подробного описания. Такое описание ссылается на приложенные чертежи примеров вариантов осуществления, на которых:
Фиг.1 - вид в разрезе датчика напряжения;
Фиг.2 - (а) одиночный датчик напряжения, а также, сборочные узлы из двух (b) и четырех (с) датчиков напряжения;
Фиг.3 - (а) вид в разрезе датчика поля внутри датчика напряжения и (b) расположение двух датчиков поля;
Фиг.4 - оптический датчик поля и выравнивание осей электрооптического кристалла, фазовой пластины и поляризаторов;
Фиг.5 - (а) оптический датчик поля с поляризаторами, работающими на прохождение, (b) оптический датчик поля с фазовой пластиной и поляризаторами, работающими на прохождение, (с) оптический датчик поля с поляризатором, работающим на отражение, (d) оптический датчик поля с фазовой пластиной и поляризатором, работающим на отражение, (е) оптический датчик поля с отражающей призмой, и (f) последовательное расположение двух оптических датчиков поля;
Фиг.6 - модуль источника и обработки сигналов и его оптические соединения с последовательно расположенными оптическими датчиками поля;
Фиг.7 - датчик поля с концевыми электродами или контактными электродами;
Фиг.8 - если смотреть в осевом направлении, (а) слои электродов с перекрывающимися концами и (b) электроды, формирующих замкнутые цилиндры;
Фиг.9 - альтернативные сборочные узлы электродов для заданного номинального напряжения: (а) датчик напряжения с одиночным датчиком поля длиной 21, (b) датчик напряжения с двумя отдельными датчиками поля, каждый длиной 1;
Фиг.10 - оптический датчик поля, работающий на отражение, и с оптикой для создания двух сигналов в квадратуре от одиночного датчика;
Фиг.11 - сборочный узел из двух датчиков поля, расположенных последовательно;
Фиг.12 - подробный вид в разрезе для установки и подключения контактных электродов для корпуса датчика; и
Фиг.13 - датчики высокого напряжения, имеющие изоляторы с переменной толщиной по радиусу.
Осуществление изобретения
Определения
Термин "высокое напряжение" обычно означает напряжения выше 10 кВ, в частности, выше 100 кВ.
Термины "радиальное " и "осевое" рассматриваются относительно осевого направления (вдоль оси 8, оси Z) датчика и "радиальное" означает направление, перпендикулярное осевому направлению, а "осевое" означает направление, параллельное осевому направлению.
Данный электрод, "перекрывающий по оси" другой электрод, означает, что существует диапазон осевых координат (z-координаты), одинаковый для обоих электродов.
Датчик напряжения с регулированием электрического поля
На фиг. 1 представлен вариант осуществления датчика напряжения. Настоящий вариант осуществления содержит вытянутый, предпочтительно в форме стержня корпус из изолирующего материала, формирующего изолятор 1, кратко названный изолятором 1 датчика, такого как эпоксидная смола или бумага, пропитанная эпоксидной смолой. Он проходит между первой контактной точкой 2 и второй контактной точкой 3, которые обе могут быть снабжены металлическими контактами 4 для контакта с соседними датчиками напряжения или потенциалами напряжения. В настоящем варианте осуществления изолятор 1 является цилиндрическим. Он имеет центральное отверстие 5, заполненное материалом заполнителя.
4
3
12
4
3
12
Датчик 6 электрического поля, в настоящем варианте осуществления, являющийся оптическим датчиком поля, такой как кристалл BiGeO (BGO) или BiSiO (BSO) в форме цилиндра, размещается внутри отверстия 5 в полости 7 датчика. Полость 7 датчика находится предпочтительно в центре между первой контактной точкой 2 и второй контактной точкой 3, чтобы минимизировать искажение электрического поля вокруг датчика напряжения.
Плоскость 16 отсчета, перпендикулярная оси 8 устройства и расположенная в центре полости 7 датчика, используется в дальнейшем в качестве геометрической плоскости отсчета для описания геометрии некоторых электродов. Примечание: Здесь предполагается, что полость 7 датчика располагается в середине между контактными точками 2 и 3. Асимметричные положения полости 7 датчика будут дополнительно кратко рассмотрены ниже. Дополнительно, следует заметить, что термин "полость" не подразумевает отсутствие изолирующего материала в соответствующей области.
В изоляторе 1 устанавливается множество электродов Е. Электроды Е отделены друг от друга изолирующим материалом изолятора 1 и связаны друг с другом емкостной связью. Электроды могут быть заделаны в материал изолятора, который имеет разные значения диэлектрической постоянной с двух сторон плоскости (16, 160, 161) отсчета. В настоящем варианте осуществления электроды Е формируются металлическими цилиндрами (состоящими, например, из тонкой алюминиевой фольги) с различной осевой протяженностью и концентрическими относительно продольной оси 8. Электроды Е управляют эквипотенциальными поверхностями и распределением электрического поля внутри и снаружи изолятора 1. Длины (то есть, осевая протяженность) индивидуальных электродов Е и их радиальные и осевые положения выбираются так, что эквипотенциальные поверхности разнесены в пространстве, по существу, равноудалено вдоль всей длины наружной поверхности изолятора 1 и концентрируются, но снова, по существу, с равными расстояниями в полости 7 датчика. В результате приложенное напряжение V спадает равномерно вдоль внешней поверхности стержня, а также вдоль полости датчика. Предпочтительно, длина датчика поля такова, что на датчике, по существу, происходит полное падение напряжения, то есть, длина датчика является по меньшей мере длиной полости датчика.
По меньшей мере один из электродов E является экранирующим электродом Es и радиально окружает полость 7 датчика, связывая, таким образом, емкостной связью два набора электродов, разделенных плоскостью 16 отсчета.
1
1
Один электрод, обозначенный E1, электрически соединяется с первой контактной точкой 2 и в дальнейшем называется "первый первичный электрод". Другой электрод, обозначенный E2, электрически соединяется со второй контактной точкой 3 и в дальнейшем называется "второй первичный электрод". Эти два электрода имеют потенциал контактных точек 2 и 3, соответственно. Другие электроды образуют емкостный делитель напряжения между двумя первичными электродами и поэтому находятся под промежуточными потенциалами.
i
i
В дополнение к экранирующему электроду Es, электроды содержат первый набор электродов, называемых E1, где i=1 … N1, и второй набор электродов, называемых E2, где i=1 … N2, причем второй индекс i является независимым или действует независимо от первого индекса i. По причинам симметрии, N1 предпочтительно равно N2. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, N1=N2=6, но фактическое количество электродов может изменяться.
i
i
Электроды E1 первого набора располагаются в первой области 10 изолятора 1, которая проходит от центра полости 7 датчика к первой контактной точке 2, тогда как электроды E2 второго набора располагаются во второй области 11 изолятора 1, которая проходит от центра полости 7 датчика ко второй контактной точке 3.
1
1
Электрод E1 первого набора электродов формирует первый первичный электрод, и электрод E2 второго набора формирует второй первичный электрод. Эти электроды являются самыми близкими по радиусу к продольной оси 8, тогда как другие электроды располагаются на больших расстояниях от продольной оси 8.
Как упомянуто выше, различные электроды перекрываются в осевом направлении и, в целом, образуют "ступенчатую" конструкцию. Предпочтительно, используются одна или более следующих характеристик:
i
i+1
i+1
i
a) Для каждого набора j (j=1 или 2) электродов, электроды Ej и Ej по оси накладываются друг на друга вдоль "секции перекрытия". На этой секции перекрытия электрод Ej располагается по радиусу снаружи относительно электрода Ej.
b) Для каждого набора j электродов:
Каждый электрод имеет центральный конец (как указано ссылочной позицией 14 для некоторых из электродов на фиг.1), обращенный к плоскости 16 отсчета датчика, и контактный конец (как указано ссылочной позицией 15), противоположный вдоль по оси центральному концу 14,
i+1
i
i+1
i
i+1
i
i+1
i
Центральный конец 14 электрода Ej находится ближе к плоскости 16 отсчета, чем центральный конец 14 электрода Ej, и контактный конец 15 электрода Ej находится ближе к плоскости 16 отсчета, чем контактный конец 15 электрода Ej, следовательно, электрод Ej сдвинут по оси в направлении центра по сравнению с электродом Ej, и электрод Ej сдвинут по радиусу к внешней стороне по сравнению с электродом Ej.
i+1
i
i
i+1
i
i
Контактный конец 15 электрода Ej имеет осевое расстояние Cj от контактного конца 15 электрода Ej и центральный конец 14 электрода Ej имеет осевое расстояние Bj от центрального конца 14 электрода Ej, и
i
i+1
i+1
i
Электроды Ej и Ej по оси перекрывают друг друга между контактным концом 14 электрода Ej и центральным концом 14 электрода Ej.
i
i
i
i
c) Расстояния Bj и Cj могут быть оптимизированы в соответствии с желаемой структурой поля. В частности, для получения внутри полости 7 датчика более сильного поля, чем вне датчика напряжения, осевое расстояние Bj предпочтительно выбирается меньшим, чем соответствующее осевое расстояние Cj для всех i и j.
i
i
d) Для большинства конструкций, если полости 7 датчика требуется однородное поле, осевые расстояния, Bj должны быть, по существу, существенно равны общему расстоянию В, то есть, они должны быть одинаковы. Точно также, если требуется однородное поле на поверхности и снаружи датчика напряжения, осевые расстояния Cj предпочтительно, по существу, равны общему расстоянию C, то есть, все они также являются одинаковыми.
e) Экранирующий электрод Es должен предпочтительно перекрываться по меньшей мере с одним электродом первого набора, а также по меньшей мере с одним электродом второго набора. Это, с одной стороны, обеспечивает улучшенную защиту от высоковольтных электрических полей в полости 7 датчика, достигающих поверхности устройства. С другой стороны, это обеспечивает хорошую емкостную связь между двумя наборами электродов через экранирующий электрод, уменьшая, таким образом, соответствующее падение напряжения. Чтобы дополнительно улучшить эту емкостную связь, а также однородность поля внутри полости 7 датчика, экранирующий электрод Es предпочтительно имеет осевое перекрытие с радиально наиболее удаленным электродом Е16 первого набора и радиально наиболее удаленным электродом Е26 на второй стороне и располагается радиально снаружи этих наиболее удаленных электродов Е16 и Е26.
f) Чтобы равномерно распределить поля внутри и снаружи датчика напряжения, электроды предпочтительно располагаются симметрично относительно плоскости 16 отсчета устройства.
g) По той же самой причине электроды предпочтительно являются цилиндрическими и/или коаксиальными относительно друг друга, в частности, коаксиальными относительно продольной оси 8.
На фиг.1 дополнительно показаны некоторые другие предпочтительные варианты:
- Датчик 6 поля (которым является, например, электрооптический кристалл) предпочтительно является цилиндрическим с длиной 1 и помещается в центральное отверстие 5 (диаметр е) изолятора 1 (внешний диаметр D и длина L), и внутри полости 7 датчика.
i
- Изолятор 1 содержит, например, шесть электродов, как в первом, так и во втором наборе. Эти электроды Ej, как и экранирующий электрод Es, предпочтительно выполнены из металлической фольги и расположены концентрически относительно датчика 6 поля и изолятора 1.
i
i
- При Bj и Cj, выбранных, как описано выше, предпочтительно, электроды двух наборов равномерно пространственно разнесены в радиальном направлении с одинаковым расстоянием P разделения между соседними электродами, а также радиальное расстояние между наиболее удаленными электродами Е16, Е26 каждого набора для экранирования электрода Es равно P. Опять же, это способствует распределению электрических полей более равномерно, как внутри, так и снаружи изолятора 1.
- Предпочтительно, находящиеся в самой глубине первичные электроды Е11 и Е21 выступают за осевые концы датчика 6 поля на длину а, то есть, датчик 6 поля вдоль оси перекрывается с обоими первичными электродами. Длина, а предпочтительно достаточно велика, чтобы напряженность поля в непосредственной близости от концов датчика 6 поля и вне их была, по существу, нулевой, то есть, датчик 6 поля подвергается воздействию полного напряжения, поданного между контактными точками 2 и 3.
- Предпочтительно, экранирующий электрод Es располагается на середине расстояния между контактными точками 2, 3.
- Первичные электроды Е11 и Е21 находятся в контакте с двумя электрическими потенциалами, например, с потенциалом земли и высоковольтным потенциалом, в соответствующих контактных точках 2, 3 посредством металлических контактов 4.
- Предпочтительно, изолятор 1 на его наружной поверхности снабжается ребрами 19, состоящими, например, из силикона, (не показаны на фиг.1), которые обеспечивают увеличенное расстояние утечки между потенциалом высокого напряжения и потенциалом земли для работы на открытом воздухе и, в частности, для работы с высоким напряжением.
i
Управление полем посредством электродов Ej и Es позволяет избежать чрезмерных локальных пиковых областей как внутри, так и снаружи изолятора 1. В результате радиальные размеры изолятора 1 могут быть сделаны относительно малыми без опасности электрического пробоя в окружающем воздухе.
Напряженность электрического поля в непосредственной близости от двух концов датчика 6 поля является, по существу, нулевой. То же самое справедливо внутри отверстия 5 ниже и выше датчика. Предпочтительно, любые компоненты, в частности, любые оптические компоненты, если используется оптический датчик поля, находятся в области отсутствия поля. Это особенно предпочтительно, если используется оптический датчик поля, потому что в области отсутствия поля могут располагаться различные вспомогательные оптические компоненты, такие как фазовые пластины, поляризаторы и коллиматоры 18. Смотрите также фиг.12.
Нет необходимости в электродах регулирования поля на концах кристалла, что упрощает сборочный узел датчиков. Первичные электроды Е11 и Е21 находятся в электрическом контакте с контактными точками 2, 3 (например, потенциал земли и потенциал высокого напряжения). Другие электроды находятся при промежуточных потенциалах, создаваемых емкостным делителем напряжения, образованным электродами.
Отверстие 5 заполняется мягким материалом, например, силиконом, который обеспечивает достаточную электрическую прочность. Силикон содержит материал заполнителя, который определяет достаточную сжимаемость и приспосабливается к любому тепловому расширению силикона и изолятора 1. Заполнитель может состоять, например, из шариков микронного размера, изготовленных из мягкого материала или из крошечных газовых пузырей (таких как газ 8Рб). Силикон может также служить для удержания на месте датчика 6 поля и подавления воздействий механического удара и вибрации.
Благодаря легкому весу, датчик напряжения может устанавливаться подвешенным на высоковольтной подстанции.
ij
ij
Размеры датчика напряжения и его частей зависят от номинального напряжения и выбираются так, чтобы датчик удовлетворял требованиям соответствующих стандартов для повышенных напряжений, электрического разряда и импульсных напряжений при переключениях (например, ссылка [17]). Например, изолятор 1 125-тикиловольтного модуля может быть эпоксидным стержнем с полной длиной L приблизительно 1-1,5 м и диаметром D 50-80 мм. Кристалл может иметь длину 1 150 мм и диаметр d 5 мм. Внутреннее отверстие 5 стержня может при этом иметь диаметр е между 15 и 25 мм. Параметры а, B, C, D, P выбираются так, что напряжение, приложенное к концам стержня, спадает настолько равномерно, насколько возможно, по длине кристалла внутри отверстия и одновременно по всей длине эпоксидного стержня на его наружной поверхности. Конструкция может быть оптимизирована, используя соответствующий инструмент числового моделирования электрического поля.
ij
ij
Выбор расстояний B, а также C, равными, как описано выше, также способствует простому и экономически эффективному изготовлению изоляторов.
На фиг.1 показана только одна возможная конструкция электродов. Следует заметить, что в зависимости от требуемого размера и формы датчика, конструкция электродов может изменяться.
Например, электроды могут также быть нецилиндрическими, например, при наличии овального поперечного сечения или при наличии переменного диаметра. Электроды могут, например, быть усеченными конусами (коническими), их концевые участки 15 могут постепенно расширяться в направлении наружу или их концевые участки 14 могут постепенно расширяться внутрь.
Каждый электрод может состоять из сплошного проводящего листа, такого как металлическая фольга, или, например, может быть перфорирован или иметь зазоры.
Модульная конструкция
Датчик напряжения, описанный выше, может образовывать модуль в виде сборочного узла из нескольких датчиков напряжения, расположенных последовательно, так, как показано на фиг.2(а). В частности, модуль, содержащий одиночный датчик 6 поля, как описано выше, может быть разработан на номинальные напряжения, например, 125 кВ или 240 кВ. На фиг.2(а) также схематично показаны ребра 19, прикрепленные к наружной стороне изолятора 1.
Для работы при напряжении 240 кВ два модуля на 125 кВ могут быть установлены последовательно (фиг.2(b)). Первичные электроды Е21 и Е12 соседних модулей имеют электрический контакт в месте соединения между этими двумя модулями. Напряжение затем делится примерно поровну на двух датчиках 6 поля. Альтернативно, вместо двух отдельных эпоксидных стержней может использоваться единый непрерывный изолятор (с длиной, приблизительно в два раза большей длины индивидуальных стержней), содержащий два датчика 6 поля и два соответствующих сборочных узла электродов регулирования поля.
Следует отметить, что распределение напряжение на два отдельных кристалла длиной 1 приводит в результате к меньшему диаметру изолятора и, таким образом, к более низкой стоимости изолятора, чем когда то же самое напряжение прикладывается к одиночному кристаллу длиной 21, как показано на фиг.9. Одиночный длинный кристалл (фиг.9(а)) требует большего количества слоев электрода и, таким образом, большего диаметра изолятора, чем два более коротких кристалла (фиг.9(b)), чтобы поддерживать напряженность поля между слоями ниже критических пределов.
При еще более высоких рабочих напряжениях соответствующее количество более низковольтных модулей устанавливаются последовательно, например, четыре модуля по 125 кВ для рабочего напряжения 420 кВ (фиг.2(с)). Чтобы достигнуть достаточной механической прочности конструкции, эти последовательно включенные модули могут устанавливаться в стандартном с полой сердцевиной высоковольтном внешнем изоляторе 25, изготавливаемом, например, из армированной волокном эпоксидной смолы. Полый объем между модулями и внешним изолятором 25 заполняется, например, полиуретановой пеной, также чтобы обеспечить достаточную электрическую прочность и до некоторой степени механически отделить модули от внешнего изолятора 25. В конструкции, подобной показанной на фиг.2(с), отдельные изолирующие корпуса 1 не имеют силиконовых ребер, а вместо этого, ребрами 19 снабжается внешний или наружный изолятор 25.
Дополнительно, для индивидуальных модулей геометрия электродов регулирования поля может быть выбрана несколько другой, чтобы добиться дополнительной оптимизации распределения поля. Кроме того, на земле и на высоковольтных концах конструкции, а также в промежуточных местах могут иметься коронирующие кольца.
В случае нескольких модулей, когда отношения напряжений остаются достаточно стабильными, может быть достаточным оборудовать датчиком электрического поля только один модуль или поднабор модулей.
Сборочный узел датчика поля
На фиг.3(а) и 3(b) представлен сборочный узел датчика 6 поля, помещенного внутри отверстия 5 изолятора 1. Конкретный пример приводится для оптического датчика поля, при том, что подобные способы могут быть пригодны также для использования в других типах датчиков поля.
Основными признаки являются:
- Вся конструкция собирается заранее в виде субблока и затем вставляется в отверстие 5. Остающийся полый объем отверстия 5 в дальнейшем заполняется силиконовым гелем, как упомянуто выше. Вместо заполнения всего отверстия 5, заполнение силиконом может ограничиться областью высокой напряженности поля вблизи датчика 6 поля.
- Каждый датчик 6 поля, который может быть изготовлен, например, из электрооптического кристалла, устанавливается в поддерживающей трубке 22, изготовленной, например, из армированной волокном эпоксидной смолы, с помощью мягких скоб 24 в объеме, свободном от поля на концах датчика поля. Механические силы, воздействующие на датчик поля, таким образом, поддерживаются минимальными, то есть, датчик поля не имеет механической связи с изолирующим стержнем.
- Для оптического датчика волокна 26, направляющие свет к датчику 6 поля и от него, имеют защиты 28 от деформации, являющиеся частью поддерживающей трубки 22.
- На обеих сторонах поддерживающая трубка 22 соединяется через гибкие соединения 35 с трубками распорной детали 32. Трубки 32 распорной детали проходят к концам изолятора 1 или, в случае последовательно включенных нескольких датчиков 6 поля в едином изоляторе 1, могут проходить к соседнему датчику 6 поля (фиг.3b). Гибкие соединения 35 приспособлены для компенсации дифференциального теплового расширения изолятора 1 и различных трубчатых сегментов, а также изгиба всей конструкции, например под действием ветра. Трубки 32 распорной детали могут быть составлены из нескольких секций, также с гибкими соединениями между ними.
- Если датчики 6 поля работают на оптическое пропускание, как показано на фиг.3, обратное волокно 27 формирует полупетлю в соответствующем полом объеме на конце индивидуального изолятора 1 (не показано) или на дальнем конце всей конструкции, если изолятор составляется из нескольких индивидуальных корпусов 1, как на фиг.2b, 2c.
Предпочтительно, контактные точки 2, 3 изолирующего изолятора 1 снабжаются металлическими фланцами (не показано на фиг.1). Фланцы имеют электрический контакт с металлическими контактами 4 (или контакты 4 могут входить в состав таких металлических фланцев). Фланцы облегчают установку датчика напряжения и, в случае последовательного соединения нескольких модулей датчика напряжения, соединение соседних модулей. Металлические фланцы могут также иметь полый объем для вышеупомянутой полупетли обратных волокон.
i
i
Следует заметить, что индивидуальные электроды двух наборов, E1 и E2 могут не образовывать законченные цилиндры, а по производственным причинам могут изготавливаться из алюминиевой фольги, концы которой перекрываются, как показано на фиг.8(а), с тонким слоем изолирующего материала между перекрывающимися концами. Альтернативно, перекрывающиеся концы фольги находятся в прямом контакте и, таким образом, образуют электрически замкнутые цилиндры, как показано на фиг.8(b).
Модификации датчика
a) Асимметричное расположение полости датчика
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
В приведенном выше описании предполагалось, что полость датчика располагается в середине расстояния между контактными точками 2, 3 изолятора 1. В зависимости от конкретной среды датчика напряжения, может быть возможно, что асимметричное расположение полости датчика относительно контактных точек 2, 3 является более подходящим. Предпочтительно, в этом случае два набора электродов E1 и E2 также асимметричны и плоскость 16 отсчета, а также экранирующий электрод Es, перемещаются от центра полости к контактной точке на дальнем конце изолятора 1. Например, если полость датчика находится ближе к контактной точке 2, плоскость 16 отсчета и экранирующий электрод Es смещаются в направлении контактной точки 3. В результате осевые расстояния B1 оказываются большими, чем осевые расстояния B2, и аналогично осевые расстояния C2 становятся более длинными, чем осевые расстояния C1. Значения внутри каждого набора B1 B2 C1 C2 осевых расстояний могут быть выбраны равными или могут быть выбраны по-другому, чтобы дополнительно оптимизировать распределение поля в зависимости от конкретной ситуации. Как крайний случай, один набор E1 или E2 электродов может быть полностью исключен.
b) Локальное измерение поля
Поскольку распределение поля в полости датчика достаточно однородно и стабильно, локальное (то есть, по существу, в точке) измерение электрического поля, например, в центре полости, может быть вариантом в качестве альтернативы или даже в комбинации с линейным интегрированием поля. Датчик локального электрического поля в этом смысле является датчиком, измеряющим электрическое поле только вдоль части осевого измерения полости датчика. Локальное поле, по существу, изменяется пропорционально приложенному напряжению. Влияние тепловых эффектов на напряженность локального поля, например, из-за теплового расширения полости 7 датчика, может быть компенсировано в сигнальном процессоре, если данные температуры получают так, как упомянуто ниже.
Как дополнительная альтернатива интегрированию по замкнутой линии электрического поля в полости 7 датчика посредством длинного кристалла, напряжение может аппроксимироваться по результатам нескольких локальных (как в точке) измерений поля с помощью локальных датчиков поля, расположенных в нескольких точках внутри полости 7 вдоль оси 8. В частности, такое построение может быть предпочтительным, если длина полости датчика выбирается относительно длинной, так чтобы трудно было перекрыть эту длину одним кристаллом. Такое построение может представлять интерес в случае, если довольно высокие напряжения (например, 420 кВ или выше) должны измеряться одним модулем датчика напряжения.
Еще одной альтернативой должно быть объединение несколько кристаллов (с выровненными их электрооптическими осями), чтобы сформировать более длинную непрерывную секцию датчика.
Дополнительно, может использоваться комбинация нескольких электрооптических кристаллов с неактивным материалом (таким как сплавленный кварц) между ними, как описано в [7], и опрос одиночным пучком света.
c) Датчик поля с использованием контактных электродов
1
1
Чтобы удостовериться, что все напряжение падает на длине полевого датчика (6), может быть предпочтительным, если концы датчика (6) оборудуются электродами, имеющими электрический контакт с находящимися в самой глубине электродами E1 и E2. Электроды могут быть объемными металлическими деталями, прозрачными электродными слоями из такого материала, как оксид индия и олова, или их комбинацией.
d) Измерение напряжения в распределительном устройстве с газовой изоляцией
В ссылке [15] описывает оптический датчик напряжения для распределительного устройства с изоляцией газом SF6. Здесь, пьезоэлектрический кристалл с прикрепленным к нему волокном используется для измерения напряжения между двумя электродами на концах кристалла. Другими альтернативами являются электрооптический кристалл или любой другой вид оптического датчика напряжения. Электроды имеют значительно большие радиальные размеры, чем кристалл, чтобы обеспечить разумно однородное распределение электрического поля вдоль кристалла.
i
i
Конструкция электродов с емкостной связью, как показано на фиг.1, может также использоваться для датчиков напряжения в распределительном устройстве с газовой изоляцией, чтобы избежать большого размера электродов [15]. В этом случае два набора электродов E1 и E2 могут снова быть заделаны в изолирующий стержень, как показано на фиг.1. Альтернативно, материал твердотельной изоляции может отсутствовать и быть заменен изоляцией газом SF6 в системе распределительного устройства. В последнем случае наборы электродов могут поддерживаться на месте посредством частей изолирующих распорных деталей между различными слоями электродов.
Вместо газа SF6 может использоваться другой изолирующий газ, такой как азот.
Дополнительной альтернативой является вакуум.
При других возможных применениях датчика, например, в силовых электрических трансформаторах, в качестве изолирующего материала может использоваться жидкость, обычно трансформаторное масло.
Другими словами, изолятор 1 может быть жидкостью, газом или вакуумом или содержать жидкость, газ или вакуум в дополнение к твердому изолятору или быть любой их комбинацией.
Элементы оптического датчика
Как было упомянуто, датчик 6 поля предпочтительно является электрооптическим датчиком поля или, в более общем смысле, оптическим датчиком, вводящим зависимый от поля фазовый сдвиг между первой поляризацией или модой и второй поляризацией или модой света, проходящего через него.
Предпочтительно, такой оптический датчик содержит:
- электрооптическое устройство с зависящим от поля двойным лучепреломлением, в частности, кристалл или поляризованный волновод, такой как поляризованное волокно, демонстрирующее эффект Поккельса, или
- пьезоэлектрическое устройство, в частности, кристаллический кварц или пьезоэлектрическую керамику, и оптический волновод, пропускающий по меньшей мере две моды, в котором упомянутый волновод соединяется с пьезоэлектрическим устройством таким образом, что длина волновода зависит от поля.
В идеале, датчик напряжения измеряет интеграл по траектории электрического поля между двумя электрическими потенциалами, например, землей и высоковольтным потенциалом. Эта концепция, в частности, пригодна для наружных установок, потому что точность измерения не ухудшается из-за возмущений поля, например, из-за дождя или снега или перекрестных помех от соседних фаз. Электрооптические кристаллы с определенной симметрией хорошо подходят для реализации этой концепции [3].
а) Эффект Поккельса
Электрическое поле, приложенное к электрооптическому кристаллу, вызывает анизотропное изменение показателя преломления материала (двойное лучепреломление). Это двойное лучепреломление вызывает фазовый сдвиг между двумя ортогональными линейно поляризованными волнами света, пересекающими кристалл (эффект Поккельса). Измеряя этот фазовый сдвиг, можно получить приложенное напряжение.
z
4
3
12
Одна из конфигураций датчика 6 поля, который осуществляет линейное интегрирование электрического поля, показана на фиг.4: напряжение подается на боковые поверхности кристалла 33, причем свет также входит и покидает кристалл через боковые поверхности. Кристаллический материал и ориентация его оси должны быть выбраны так, чтобы только электрические составляющие E поля (указывающие вдоль оси z или 8 цилиндра) вносили электрооптический фазовый сдвиг [1, 3]. Одним из подходящих материалов является BiGeO (BGO) в конфигурации [001], соответствующей 4-кратно измененной кристаллографической оси, параллельной направлению распространения света.
Входящий свет (сплошная стрелка) линейно поляризуется первым поляризатором 34 (стрелки указывают направление поляризации при прохождении; поляризатор может быть также поляризатором, встроенным в волокно). Чтобы достигнуть максимального модуляционного контраста, электрооптические оси x', y' кристалла предпочтительно ориентируются под углом 45° относительно входящего линейно поляризованного света. Фазовый сдвиг Г, вызванный электрическим полем, преобразуется в амплитудную модуляцию света вторым поляризатором 36, помещенным на выходном конце кристалла. Чтобы сместить фазовое запаздывание, в траекторию пучка может быть помещена фазовая пластина 38 (между этими двумя поляризаторами 34, 36), прибавляющая дополнительный фазовый сдвиг φ. Главные оси е1 и е2 фазовой пластины выравниваются параллельно электрооптическим осям x' и y'.
0
2
В целом, интенсивность I проходящего света задается выражением I=Isin([Г+φ]/2). В случае фазовой пластины длиной λ/4, используемой в качестве фазовой пластины 38, она становится равной
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mi>V</mi><mrow><msub><mi>V</mi><mi>π</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
при полуволновом напряжении
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>π</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>3</mn></msubsup><mi>r</mi></mrow></mfrac></mrow>
π
0
Для abs (V)<<V/2 интенсивность затем изменяется линейно с напряжением. Здесь V - напряжение, приложенное к кристаллу, λ - длина волны света, n - показатель преломления кристалла, и r - соответствующий коэффициент Поккельса. Для BGO Гц равно приблизительно 75 кВ при длине волны 1310 нм.
b) Создание квадратурных сигналов
π
Для типичных напряжений на высоковольтных подстанциях напряжение V намного больше, чем полуволновое напряжение V, что приводит в результате к неоднозначной реакции датчика. Эта неоднозначность может быть исключена, работая с двумя оптическими выходными каналами, которые, по существу, сдвинуты по фазе на 90° (π/2) (в квадратуре) [11] или которые имеют любой другой фазовый сдвиг относительно друг друга, не кратный π. 90-градусный фазовый сдвиг может создаваться расщеплением света, покидающего кристалл по двум путям, с помощью расщепителя 67 пучка и отклоняющей призмы 68 и помещая четвертьволновую пластину 38 в один из путей (фиг.10) [3]. Дополнительные модификации показаны в [3]. На фиг.10 показана конструкция, в которой датчик работает в режиме отражения. Альтернативно, датчик может работать в режиме пропускания, то есть, оптика для создания квадратурных сигналов затем располагается на противоположной грани кристалла, так что свет проходит через кристалл только один раз.
Другой вариант удаления неоднозначности состоит в работе датчика со светом двух различных длин волн [12].
В датчике, соответствующем настоящему изобретению, содержащем два или более кристаллов, таком, как в сборочном узле, показанном на фиг.2(b), 2(c) или 3, квадратурный сигнал может также быть создан, вставляя фазовую пластину 38 в оптическую траекторию в одном из кристаллов и работая с другими кристаллами без фазовой пластины, то есть, на каждый кристалл существует только один выходной канал (фиг.4). Дополнительные расщепители пучка и отклоняющие призмы для второго канала, как необходимо в [3], здесь, таким образом, исключаются. В результате устройство становится значительно более компактным, что позволяет устанавливать датчики в относительно узком отверстии.
Предпочтительно, сборочный узел разрабатывается таким образом, что падения напряжения на каждом датчике одинаковы. Сигналы индивидуальных кристаллов, как функция полного напряжения, имеют в этом случае одну и ту же периодичность. В случаях, когда относительные падения напряжения на разных датчиках могут существенно изменяться из-за возмущений среды распространения электрического поля, может быть предпочтительным в отношении обработки сигналов создавать два сигнала в квадратуре от каждого индивидуального элемента датчика (конструкция на фиг.10). Периодичность двух сигналов и их разность фаз тогда остаются постоянными (кроме температурной зависимости фазовой пластины) и на них не влияет распределение поля.
Альтернативно, сборочный узел может быть разработан так, что падения напряжения на различных кристаллах отличаются. В этом случае оптические сигналы от индивидуальных кристаллов обладают разной периодичностью. При соответствующей обработке сигналов это также позволяет однозначно реконструировать приложенное напряжение.
На фиг.5 оптические узлы представлены более подробно. Компоненты (поляризаторы, волновые пластины, коллиматоры с волоконными выводами) предпочтительно напрямую прикрепляются к кристаллу, например, оптическим клеем. Сборочный узел на фиг.5(а) не имеет фазовой пластины, тогда как сборочный узел на фиг.5(b) собран с фазовой пластиной 38, в частности, с четвертьволновой фазовой пластиной, чтобы создавать квадратурный сигнал.
На фиг.5(а), 5(b) кристаллы работают на пропускание. Альтернативно только одно волокно 26 может использоваться для направления света к кристаллу 33 и от него, как показано на фиг.5(c), 5(d). В этом случае на другом конце кристалла используется отражатель, чтобы направить свет назад в волокно. Такая конструкция удваивает чувствительность датчика. В результате двойного прохода для создания квадратурного сигнала при этом предпочтительно используется фазовая пластина 38 с задержкой на π/8.
Отражающая конфигурация может также быть реализована с двумя индивидуальными волокнами 36 для входного света и выходного света и призмового отражателя 42, как показано на фиг.5(е).
Возвращаясь к конфигурации, в которой используется сборочный узел, содержащий несколько датчиков поля, было упомянуто, что фазовая пластина 38, в частности, фазовая пластина с длиной λ/4, может быть отнесена к одному из них, или, в более общем случае, только к части из них (то есть, не ко всем), чтобы добавить дополнительное фазовое запаздывание для света, проходящего через соответствующий датчик(-и) поля, который может затем использоваться для квадратурной демодуляции. Схематично это показано на фиг.5(f).
Альтернативно (или в дополнение) добавлению одной или более фазовых пластин к такому сборочному узлу, возможно установить размеры по меньшей мере одного (или части) датчика поля так, что он создает электрооптический фазовый сдвиг, существенно отличающийся от сдвигов фаз остальных датчиков поля, в частности, ±π/2 или меньше, при максимальном напряжении, которое должно быть измерено. Соответствующий датчик(-и) поля может, например, быть короче, чем другой датчик(-и) поля. В этом случае сигнал соответствующего датчика(-ов) поля однозначен, что позволяет скорректировать неоднозначности в (более точных) сигналах другого датчика(-ов) поля.
с) Опрос датчиков
Свет направляется к индивидуальным кристаллам и от них посредством одномодового или многомодового оптического волокна [3]. Волокна могут быть заложены в силиконовый заполнитель внутри отверстия 5 эпоксидных стержней. Кристаллы могут работать на пропускание или на отражении [3], как показано на фиг.5 и фиг.10.
В конструкции, содержащей несколько датчиков напряжения, соединенных последовательно, датчики 6 поля предпочтительно опрашиваются, используя общий источник 44 света и блок 46 обработки сигналов, как показано на фиг.6. Предпочтительно, свет от источника 44 света пропускается одиночный волоконным звеном 48 к основанию датчика (этот конец датчика имеет потенциал земли). Затем свет распределяется по индивидуальным датчикам 6 поля посредством оптоволоконного расщепителя 56 пучка. Свет возвращается от каждого датчика 6 поля к блоку 46 сигнального процессора индивидуальными волоконными звеньями 50, 52, 54. Все волокна (входные и выходные) могут быть заложены в общий оптоволоконный кабель 58.
Альтернативно, оптоэлектронный модуль может быть установлен непосредственно на основание датчика, чтобы избежать длинных волоконных кабелей. Дополнительно, оптоэлектронный модуль может быть оборудован средством для активного или пассивного температурного управления.
Температурная компенсация
Фазовый сдвиг, введенный фазовой пластиной 38, обычно является функцией температуры. Поэтому температура в месте расположения фазовой пластины быть получена из двух из вышеупомянутых квадратурных сигналов, как также упоминается в [3], и передана в сигнальный процессор. Информация о температуре может затем использоваться для компенсации любой температурной зависимости результатов измерения напряжения. Обычно, температура фазовой пластины может рассматриваться как достаточно хорошее приближение общей температуры датчика напряжения. Температурная зависимость результата измерения напряжения может состоять из нескольких составляющих: температурная зависимость электрооптического эффекта и, дополнительно, в случае локальных датчиков поля, составляющие из-за температурной зависимости диэлектрических постоянных материала датчика и окружающих материалов, а также, из-за изменений локальной напряженности электрического поля за счет теплового расширения изолятора 1 с заложенными электродами.
Далее обсуждаются дополнительные примеры и варианты осуществления, в частности, со ссылкой на фиг.11-13.
Оптимизация распространения электрического поля и падения напряжения на модулях датчиков
1
2
1
2
1
2
3
4
1
3
2
4
1
2
На фиг.11 показан пример конфигурации сборочного узла датчиков высокого напряжения, которая содержит последовательное соединение по меньшей мере двух датчиков высокого напряжения с идентичными размерами электродов. Первый первичный электрод E1 второго датчика высокого напряжения соединяется с высоким потенциалом, а второй первичный электрод Е2 первого датчика высокого напряжения соединяется с потенциалом земли (не показан). Второй первичный электрод E2 второго датчика высокого напряжения соединяется с первым первичным электродом E1 первого датчика высокого напряжения, так что эти два электрода находятся под одинаковым потенциалом. Граничные условия электрического поля, присутствующие в типичной среде подстанции, например, содержащей соседние фазы, приводят в результате к неравному распределению напряжений между двумя датчиками высокого напряжения. Точно также, напряжения неодинаково распределяются между наборами электродов, расположенными в первых областях 100, 101, относительно вторых областей 110, 111 в любом из датчиков высокого напряжения, образующих сборочный узел. Это неравное распределение напряжения создает повышенное напряжение электрического поля в определенных местах датчиков высокого напряжения, в частности, в нижней секции 101 второго датчика высокого напряжения. Чтобы компенсировать этот эффект, емкости наборов электродов в первых областях 100, 101 и вторых областях 110, 111 каждого датчика высокого напряжения могут быть сделаны различными, делая, таким образом, конструкцию датчика высокого напряжения асимметричной относительно измерительных полостей 70 и 71, соответственно. Подходящий способ состоит в выборе осевой длины электродов в первых областях 100, 101 более длинными, чем электроды во вторых областях 110, 111. В примерах конфигураций емкости C, С и С, C наборов электродов в первой и второй областях 100, 110 и 101, 111, соответственно, двух датчиков высокого напряжения могут быть выбраны так, чтобы С=С и C=C и, в частности, с отношением C/С в диапазоне 1,1-1,5.
Предпочтительно, радиальные размеры электродов в первой области 100 и второй области 110 первого датчика высокого напряжения и в первой области 101 и второй области 111 второго датчика высокого напряжения являются одинаковыми.
Альтернативными способами оптимизации емкости структуры регулирования поля являются:
i
i
i
i
- Вариация градиентного расстояния, например, B1≠B2 или C1≠C2 (смотрите фиг.1);
- Различное количество электродов в первой и второй областях 10, 11; 100, 101; 110, 111 датчика высокого напряжения или сборочного узла датчиков высокого напряжения;
- Различные радиальные интервалы, например, расстояние Р между электродами, различающееся в первой и второй областях 10, 11; 100, 101; 110, 111 датчика высокого напряжения или сборочного узла датчиков высокого напряжения;
- Соединение выбранных соседних электродов электрически для эффективного короткого замыкания между ними;
- Изменение диэлектрической постоянной материала между электродами; в частности, материалы с высокой диэлектрической постоянной могут использоваться для увеличения емкости и, следовательно, понижения эффекта неравного распределения напряжений.
В целом, было бы предпочтительно выбирать емкость для датчиков высокого напряжения так, чтобы она была много большей по сравнению с любой паразитной емкостью. Это позволяет избавить распределение поля в полости датчика от внешних влияний. Например, материал между электродами с высокой диэлектрической постоянной может использоваться для увеличения емкости и, следовательно, снижения влияния неравного распределения напряжений.
Альтернативно или в дополнение, форма металлических контактов 4, соединенных с электродами, может быть выбрана так, что влияние паразитных емкостей на распределение напряжения минимизируется. Например, металлический контакт, соединенный с первым первичным электродом второго датчика высокого напряжения, может быть разработан с диаметром, значительно большим, чем диаметры всех электродов этого датчика высокого напряжения. Таким образом, выполняются две функции: в дополнение к его механической цели, в частности, крепления при установке и герметизации верхней части, он может использоваться для коррекции паразитной емкости.
Электроды, прикрепленные к кристаллу датчика
Предпочтительным вариантом осуществления датчика поля является электрооптический кристалл, снабженный электропроводящими электродами на обоих его концах. Варианты осуществления таких контактных электродов 64 показаны на фиг.12, где 640 обозначает переднюю часть контактного электрода, 641 - гибкое соединение, 642 -передняя полость контактного электрода, 643 - задняя часть контактного электрода, 644 - уплотнение контактного электрода, 645 - задний объем или внутренний объем контактного электрода, 648 - центрующий штырь(-и) и 480 - оптические волокна или оптические кабели.
В вариантах осуществления эти контактные электроды 64 могут иметь следующие признаки (каждый признак только один или в любой комбинации с другими признаками):
- Электрод соединяется с соответствующим электрическим потенциалом, то есть, с самыми внутренними электродами (электрод Е11 или Е21) посредством электрического соединения 66, предпочтительно металлическим проводом 66, проходящим к металлическому контакту 4;
- Соединение между кристаллом 33 датчика и контактным электродом 64 делается гибким способом, чтобы избежать механического напряжения на кристалле 33, например, из-за различного теплового расширения кристалла 33 и электрода 64. Соответствующими материалами являются, например, резиновые кольца круглого сечения или силикон; как альтернатива, сам электрод 64 или его передняя часть 640 могут быть изготовлены от эластичного материала, например, электропроводящей резины или другого эластомера;
- Передняя часть 640 контактирующего электрода 64 может иметь округлую форму, которая минимизирует напряженность электрического поля на поверхности контактирующего электрода 64. Осевое расстояние между передней частью 640 электрода 64 и передней поверхностью гибкого соединения 641 кристалла 33 с контактным электродом 64 выбирается достаточно большим, чтобы избежать электрических разрядов в любом из материалов и, в частности, на любых границах материала с соседним гибким соединением 641;
- Соответствующие материалы для контактного электрода 64 являются электропроводящими материалами, например, металлами и сплавами, подобными алюминиевым сплавам и нержавеющей стали; предпочтительно, электроды 64 сложной формы могут изготавливаться в процессе формовки, чтобы достигнуть низкой цены; в частности, для формовки могут использоваться полимерные материалы и композиты на основе полимеров, как, например, электропроводный термопластичный или термореактивный материал;
- Электрод может иметь переднюю полость 642, как показано в фиг.12, чтобы позволить материалу заполнителя, например, сжимаемому силикону или полиуретановой пене, должным образом заполнять любое пространство, содержащее высокие электрические поля, например, в зазоре между контактным электродом 64 или передней стороной 640 и кристаллом 33 датчика; причем когда материал заполнителя вставляется при избыточном давлении, остающийся воздух будет сжиматься в свободном от поля пространстве в этой передней полости 642, которая свободна от электрических полей, и, таким образом, освобождать от риска электрических разрядов в воздушных карманах, образовавшихся во время процесса заполнения;
- Контактный электрод 64 может быть оборудован центрующими штырями 648, выступающими из него в радиальном направлении к кристаллу 33 датчика в центре отверстия 5;
2
- Герметизированный контактный электрод 64, в частности, его задняя часть 643, используется для защиты сборочного узла 180 оптики от воздействия материала заполнителя, например, силиконового эластомера; дополнительно, внутренний объем 645 контактирующего электрода 64 может быть заполнен специальным материалом для защиты сборочного узла 180 оптики, например, сухим газообразным азотом (N).
Расположение волокна и обратного волокна
На фиг.3(а) представлена одна из возможностей расположения обратного волокна 27, при которой обратное волокно 27 проходит через полость 7 датчика в центральное отверстие 5 прямо рядом с элементом 6 датчика. В этой конфигурации обратное волокно 27 будет закладываться в материал заполнителя, чтобы гарантировать достаточную электрическую прочность.
Альтернативными вариантами осуществления для расположения обратного волокна 27 являются:
- Как показано на фиг.2(с), по меньшей мере один модуль 1 датчика может быть помещен в пустотелый изолятор 25, состоящий из армированной волокном эпоксидной трубки и имеющий снаружи трубки внешний ребристый изолятор 19, предпочтительно изготовленный из силиконового эластомера; зазор между изолятором 1 и пустотелым изолятором 25 может быть заполнен, например, полиуретановой пеной; поскольку напряженность поля в этом зазоре намного меньше, чем напряженность поля в полости 7 датчика, было бы предпочтительно устанавливать обратное волокно 27 внутри этого зазора;
- Альтернативно, внешние силиконовые ребра 19 могут прессоваться непосредственно на внешней стороне изолятора 1. Обратное волокно 27 может быть помещено в канавку спиральной формы на внешней стороне изолятора 1. Здесь на волокно 27 могут напрессовываться силиконовые ребра 19;
- Альтернативно, обратное волокно может заделываться в корпус изолятора 1 из пропитанной смолой изоляционной бумаги (RIP) во время обмотки.
Эти способы установки оптического волокна не ограничиваются только обратным волокном 27. В модуль датчика могут быть вмонтированы дополнительные оптические волокна:
- Для последовательной установки нескольких модулей, например, двух модулей, как показано на фиг.11, может потребоваться дополнительно оптически соединять модуль(-и) одним или более волокнами 26, например, как на фиг.3(а), проходящими через нижний модуль(-и); предпочтительно, взаимное соединение оптических волокон в соседних модулях может быть сделано посредством оптических сопряжении; оптические сопряжения должны помещаться в полом объеме в конструкции, например, фланце, используемой для выполнения механического соединения между модулями; альтернативно или в дополнение, механическое соединение может быть снабжено боковым отверстием, предоставляющим доступ к волокнам, и оптическим сопряжением после механического соединения модулей;
- Оптическое волокно может понадобиться для выполнения соединения с другими типами датчиков, установленных сверху датчика напряжения, например, такими как оптический датчик тока;
- В различных местах могут использоваться различные типы волокон, то есть, оптическое волокно может быть одномодовыми волокнами, многомодовыми волокнами или волокнами поддержания поляризации.
Изготовление датчика высокого напряжения
s
В простейшей форме датчик высокого напряжения имеет цилиндрическую форму с постоянным внешним диаметром вдоль всей его длины, как показано на фиг.2(а). Чтобы сэкономить материал и снизить стоимость, предпочтительно оптимизировать внешнюю форму. В вариантах осуществления диаметр датчика высокого напряжения может быть больше в местах высокой напряженности электрического поля, тогда как меньший диаметр может использоваться в местах, где напряженность поля низкая. Возможные конфигурации показаны на фиг.13. В особенно предпочтительной конструкции, показанной на фиг.13(b), диаметр датчика высокого напряжения увеличивается вокруг конечного положения экранирующего электрода E (не показано), обращенного к нижнему концу датчика высокого напряжения, где напряженности осевого электрического поля на поверхности изолятора являются самыми высокими. Альтернативно, локально увеличенный диаметр может находиться в нескольких различных точках по длине датчиков.
Замечания
При использовании электрооптических кристаллов в качестве датчиков поля несколько (или все) кристаллы могут быть опрошены одним пучком света, который пересекает кристаллы один за другим. Это может быть достигнуто, например, либо просвечиванием пучком в свободном пространстве всех кристаллов (с кристаллографическими осями, выровненными должным образом), либо взаимной связью соседних кристаллов с волокном, поддерживающим поляризацию. Оси двоякопреломляющего волокна затем выравниваются параллельно электрооптическим осям кристаллов.
Вместо массивных электрооптических кристаллов могут использоваться электрооптические волноводные структуры [13].
Датчик напряжения может также использоваться с другими типами датчиков поля, такими как пьезооптические датчики, основанные на кристаллах кварца [6], или датчики, основанные на поляризованных волноводах, таких как поляризованные волокна [14].
Как уже упоминалось, электроды предпочтительно являются металлической фольгой, заложенной внутри изолирующего изолятора 1 с продольными размерами, выбранными так, что напряжение, приложенное к концам изолятора 1, равномерно падает по длине датчика поля в полости 7 датчика и по всей длине изолятора 1 на его наружной поверхности. Избегают чрезмерных пиковых электрических полей.
Как вариант и как схематично показано на фиг.7, первый и второй концы 60, 62 датчика 6 поля могут электрически контактировать с первой и второй контактными точками 2, 3, соответственно, например, посредством металлических электродов 64 или оптически прозрачных проводящих покрытий (такие как слои оксида индия и олова) на концах 60, 62 и проводов 66, проходящих через отверстие 5. Эта конструкция дополнительно улучшает точность измерения, поскольку гарантирует, что концы 60, 62 датчика 6 поля находятся под потенциалами двух контактных точек 2,3.
s
В общих чертах и в предпочтительном варианте осуществления, датчик напряжения содержит изолятор 1 с взаимно изолированными электродами Eij, E, заложенными в него. Электроды являются коаксиальными и цилиндрическими и перекрываются вдоль по оси на часть их длины. Они расположены ступенчато относительно друг друга и направляют однородное поле снаружи вне датчика, по существу, к однородному, но с более высокой напряженностью полю внутри полости 7 датчика внутри изолятора 1. Датчик 6 поля располагается внутри полости 7 датчика, чтобы измерять поле. Эта конструкция позволяет создавать компактные датчики напряжения для высоковольтных применений.
Вся прилагаемые пункты 1-36 формулы изобретения при этом буквально и во всей их полноте содержатся в описании патента посредством ссылки.
Ссылки
1. L.Duvillaret, S.Rialland, and J.-L.Coutaz "Electro-optic sensors for electric field measurements. II. Choice of the crystal and complete optimization of their orientation" J. Opt. Soc. Am. В 192704 (2002)
2. US 4904931
3. US 5715058
4. US 6252388
5. US 6380725
6. US 6140810
7. US 6876188
8. US 3875327
9. US 4362897
10. EP 1939897 A1
11. US 5001419
12. WO 98/05975
13. US 5029273 и N.A.F. Jaeger et al., IEEE Trans. Power Deliv. 10127 (1995)
14. US 5936395 и US 6348786
15. EP 0789245 A2
16. К.Bohnert et al., Optical Engineering, 39 (11), 3060 (2000).
17. Standard of the International Electrotechnical Commission IEC60044-7, Instrument transformer - Part 7: Electronic voltage transformers.
Ссылочные позиции
1
Изолятор
2, 3; 20, 30; 21, 31
Контактные точки
4
Металлические контакты
5
Отверстие
6
Датчик поля
7; 70, 71
Полость датчика
8
Продольная ось
10, 11; 100, 110; 101, 111
Первая и вторая области
14
Центральный конец электрода
15
Контактный конец электрода
16, 160, 161
Плоскость отсчета
18, 180
Коллиматор, оптический сборочный узел
19
Ребра
22
Поддерживающая трубка
25
Высоковольтный изолятор с полой сердцевиной, наружный изолятор, внешний изолятор
24
Скобы
26
Волокна
27
Обратное волокно
28
Защита от деформации
35
Соединения
32
Трубки распорной детали
33
Кристалл, датчик
340
Оптика, оптический сборочный узел
34, 36
Поляризаторы
38
Фазовая пластина
40
Отражатель
42
Призменный отражатель
44
Источник света
46
Блок обработки сигналов
480
Оптоволоконный кабель(-и)
48, 50, 52, 54
Волоконное звено
56
Расщепитель пучка
58
Волоконный кабель
60, 62
Концы датчика поля
64
Металлические электроды, проводящие покрытия, контактный электрод
640
Передняя часть контактного электрода
641
Гибкое соединение
642
Передняя полость контактного электрода
643
Задняя часть контактного электрода
644
Уплотнение контактного электрода
645
Задний объем контактного электрода, внутренний объем контактного электрода
648
Центрирующий штырь(-и)
66
Провода
67
Расщепитель пучка
68
Отклоняющая призма
a, Bij, Cij
Осевые расстояния
C<sub>1</sub>, С<sub>2</sub>, С<sub>3</sub>, С<sub>4</sub>
Емкости
P
Радиальные расстояния
Eij, Es
Электроды
L
Длина изолятора
1
Длина кристалла
D
Диаметр изолятора
d
Диаметр кристалла
e
Диаметр отверстия