ИНДИКАТОР НАЛИЧИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
INDICATOR OF AC VOLTAGE AVAILABILITY

Объектом изобретения является индикатор напряжения переменного тока (переменного напряжения) в проводниках и/или проводящих конструктивных элементах систем передачи и распределения среднего или высокого напряжения, основным регистрирующим и отображающим переменное напряжение элементом которого является жидкокристаллический дисплей (ЖКД). Индикатор прикладывают к поверхности тестируемого проводника или проводящего конструктивного элемента или размещают рядом с ними.
2
Известны различные типы индикаторов наличия электрического напряжения, снабженные ЖК-дисплеями, которые не обеспечиваются питанием от внешнего источника тока. Такие индикаторы содержат по меньшей мере один токоприемный электрод, который обычно имеет форму плоской пластины. Индикатор такого типа помещают на тестируемом проводнике таким образом, что токоприемный электрод размещается в основном параллельно эквипотенциальным поверхностям электрического поля, образующегося вокруг тестируемого проводника. Площадь поверхности токоприемного электрода отрегулирована так, чтобы гарантировать, что емкостной ток, текущий от него к заземленной среде тестируемого проводника или, в случае трехфазных систем, к проводнику другой фазы, является достаточным для того, чтобы вызвать изменение оптического состояния дисплея и отобразить рисунок, знак, надпись или изменить его цвет. Такой емкостной ток имеет очень малую величину: например, если индикатор устанавливают на каком-либо проводящем элементе типичного оборудования с воздушной изоляцией, то емкостной ток составляет не более 10-100 нА/см на единицу площади токоприемного электрода. Поэтому индикатор должен иметь очень высокий импеданс (полное сопротивление) с тем, чтобы при таких низких значениях емкостного тока могло быть получено падение напряжения, достаточное для изменения состояния оптического индикатора.
Индикатор для выявления находящихся под напряжением проводников, который включает в себя ЖКД, известен из описания патента США №5274324. Этот индикатор состоит из закрытого кубовидного корпуса, выполненного из изоляционного материала, передняя стенка которого снабжена прозрачным окном, в котором помещен дисплей с высоким импедансом, например жидкокристаллический дисплей, для указания на наличие напряжения. К задней стенке корпуса прикреплен проводящий элемент в форме щупа, предназначенный для проверки напряжения в проводниках посредством подсоединения щупа к этому проводнику. В корпус помещен соединительный элемент в форме металлической пластины, которая электрически соединена с одним из электродов ЖКД. Соединительный элемент выполняет функцию электрода, принимающего емкостной ток. Другой электрод дисплея соединен со щупом через резистивный элемент. Оба электрода дисплея связаны друг с другом посредством резистивного элемента, используемого для разряда дисплея. Индикатор также может быть снабжен электрической цепью для проверки функциональности индикатора.
В опубликованной заявке WO 2004/023151 описан индикатор напряжения, в котором используется жидкокристаллический, электрофоретический или электрохромный дисплей. Индикатор в соответствии с этим решением состоит из электродов в виде двух внешних проводящих слоев, из которых по меньшей мере один слой является прозрачным, промежуточного слоя со структурой, проявляющей электрооптические свойства, помещенного между этими электродами, и диэлектрического слоя, помещенного между поверхностью одного из электродов и промежуточным слоем, от которого он отделен дополнительным проводящим слоем. Электроды электрически соединены друг с другом посредством диода. Прозрачный электрод индикатора является его токоприемным электродом. Один из иллюстративных вариантов воплощения этого изобретения демонстрирует решение, в котором дополнительный проводящий слой соединен с одним из других проводящих слоев посредством резистивного элемента. Назначением этого элемента является регулирование взаимной пропорции действительной и мнимой частей импедансов промежуточного и диэлектрического слоев, что делает возможным надлежащее разделение постоянной и переменной составляющих напряжения между этими слоями и позволяет получить максимальную чувствительность индикатора.
Жидкокристаллический дисплей для выявления находящихся под напряжением проводников с использованием порогового напряжения ЖКД известен из заявки на патент Японии №61-003069. Известный двухэлектродный ЖКД снабжен двумя дополнительными электродами, один из которых прикреплен к передней стенке дисплея, а другой - к его задней стенке. Оба электрода ЖКД электрически соединены с дополнительными электродами так, что каждый дополнительный электрод соединен с разным электродом ЖКД. В этом решении дополнительный электрод, прикрепленный к передней стенке дисплея, является токоприемным электродом.
Другой ЖКД для индикации напряжения известен из описания опубликованного патента Японии №63-044173. Как и устройство, представленное в описании JP 61-003069, это устройство включает в себя жидкокристаллический дисплей и два дополнительных электрода, один из которых гальванически соединен с электродом одного знака дисплея, а другой, который является прозрачным, размещен непосредственно на поверхности дисплея, и, таким образом, он емкостно связан с другим, общим электродом дисплея. При этом решении прозрачный дополнительный электрод является токоприемным электродом индикатора.
От индикатора напряжения, используемого для индикации напряжения в проводниках и оборудовании среднего и высокого напряжения, особенно расположенных на открытом воздухе и подвергающихся вредному воздействию разнообразных погодных условий, требуются высокая надежность и достаточная долговечность. Электрическое оборудование с воздушной изоляцией зачастую работает на протяжении 20-30 лет. Такое оборудование обычно работает без технического обслуживания. По этой причине индикаторы напряжения в таком оборудовании или его конструктивных элементах должны не только быть высокодолговечными, но и гарантировать безотказную работу в течение достаточно долгого времени.
Известные индикаторы, содержащие жидкокристаллические дисплеи, являются довольно долговечными. Однако в течение их работы в различных климатических условиях и в том случае, когда они расположены на открытом воздухе, их долговечность может оказаться недостаточной для их коммерческого использования. Неблагоприятные климатические условия, такие как высокая влажность, осадки или рассольный туман, могут стать причиной сырости на поверхности индикатора, которая в свою очередь уменьшает сопротивление индикатора внешним коротким замыканиям. Снижение такого сопротивления при высоком импедансе ЖКД, требуемом для получения удовлетворительной чувствительности индикатора, может привести к потере его функциональности.
Другая причина уменьшения долговечности содержащего ЖКД индикатора состоит в его сравнительно малой устойчивости к накоплению электростатических зарядов на его внешних элементах. Такие заряды, бесконтрольно собираясь на поверхностях оборудования передачи и распределения среднего и высокого напряжения, могут давать постояннотоковую составляющую напряжения в жидкокристаллических элементах индикатора, которая значительно сокращает их срок службы.
Сущность индикатора наличия напряжения переменного тока согласно изобретению, содержащего в изолирующем корпусе жидкокристаллический дисплей, показания которого считываются в окне в передней стенке корпуса и который электрически соединен с проводящим элементом, используемым для связи дисплея с исследуемым объектом, заключается в том, что корпус индикатора имеет форму рамки и выполнен из материала с сильно гидрофобной поверхностью, причем эта рамка на передней стороне закрыта прозрачной пластиной, помещенной в окне рамки, а на задней стороне она закрыта проводящим элементом, при этом вокруг окна рамки размещен по меньшей мере один ряд периферийных ребер, и жидкокристаллический дисплей герметично размещен между прозрачной пластиной окна рамки и проводящим элементом, и он имеет электроды в виде проводящих сегментов, причем один из этих проводящих сегментов с наибольшей площадью поверхности является токоприемным электродом индикатора, а к другому из проводящих сегментов присоединен проводящий вывод, который соединен с проводящим элементом индикатора посредством соединителя и который соединен через резистивный элемент с выводом, прикрепленным к токоприемному электроду.
В другом варианте изобретения жидкокристаллический дисплей помещен герметично между прозрачной пластиной окна рамки и диэлектрической пластиной, смежной с проводящим элементом, которая закрывает рамку корпуса на ее задней части.
Диэлектрическая пластина предпочтительно выполнена из стекла.
Альтернативно, диэлектрическая пластина выполнена из термопластичного полимера.
В обоих вариантах изобретения прозрачная пластина предпочтительно выполнена из стекла.
В обоих вариантах изобретения периферийные ребра предпочтительно выступают выше уровня окна корпуса.
В обоих вариантах изобретения рамка корпуса предпочтительно выполнена из силиконового эластомера с постоянно гидрофобной поверхностью.
В обоих вариантах изобретения рамка корпуса альтернативно выполнена из термопластичного полимера, покрытого тонким слоем с гидрофобными поверхностными свойствами.
В обоих вариантах изобретения резистивный элемент предпочтительно выполнен из термопластичного полимера, имеющего антиэлектростатические свойства.
В обоих вариантах изобретения резистивный элемент альтернативно нанесен на одну из пластин подложки жидкокристаллического дисплея между его выводами в виде резистивной краски.
В обоих вариантах изобретения резистивный элемент альтернативно имеет вид пластины с нанесенным на нее резистивным слоем.
В обоих вариантах изобретения резистивный элемент альтернативно представляет собой слой резистивного материала, приклеенный к выводам индикатора с помощью проводящего клея.
В обоих вариантах изобретения резистивный элемент предпочтительно выполнен из резистивной бумаги, ткани или фольги.
В обоих вариантах изобретения проводящий элемент предпочтительно выполнен из термопластичного полимера с проводящей добавкой в виде углеродных частиц, проводящего полимера или металлических волокон.
В обоих вариантах изобретения проводящий элемент альтернативно выполнен из силиконового эластомера с проводящей добавкой.
В обоих вариантах изобретения проводящий элемент альтернативно выполнен из силиконового эластомера с металлической или полимерной сердцевиной.
Преимущество индикатора согласно изобретению заключается в его простой конструкции и сравнительно малых размерах. Индикатор может быть использован для индикации наличия электрического напряжения в неэкранированных проводах или оборудовании среднего напряжения после его прикрепления к изолированным или неизолированным проводам. Индикация производится посредством отображения некоторого знака, который может быть прочитан на дисплее индикатора невооруженным глазом со значительного расстояния. Индикатор является пригодным для работы в разнообразных условиях окружающей среды, может быть изготовлен с использованием простых способов изготовления и является очень долговечным и надежным.
Объект изобретения показан в качестве примерного варианта воплощения на чертежах, на которых фиг.1, 1a и 1b показывают жидкокристаллический дисплей индикатора в виде бокового разреза и фронтальных разрезов, фиг.2 - вид спереди индикатора согласно изобретению, фиг.3 - боковой разрез по линии D-D индикатора согласно изобретению, фиг.4, 5, 6, 7 - различные варианты воплощения индикатора согласно изобретению в боковом разрезе по линии E-E, и фиг.8 - вариант воплощения изобретения, содержащий диэлектрическую пластину, в боковом разрезе по линии D-D.
Заявка на патент Польши №P-362262, поданная заявителем, представляет жидкокристаллический индикатор напряжения (фиг.1, 1a, 1b), ЖКД 1 которого содержит первый слой-подложку 2 с проводящими сегментами 3, нанесенными на ее поверхность и электрически изолированными друг от друга, второй слой-подложку 4, параллельную первому слою, с проводящими сегментами 5, нанесенными на ее поверхность и электрически изолированными друг от друга, и промежуточный жидкокристаллический слой 6, расположенный между слоями-подложками и между проводящими сегментами. Электрический вывод 7, вынесенный за пределы поверхности промежуточного жидкокристаллического слоя 6, прикреплен к одному из проводящих сегментов 3. Фрагмент каждого сегмента, расположенного на одном слое-подложке 2, перекрывается с по меньшей мере одним фрагментом сегмента, размещенного на втором слое-подложке 4, и перекрывающиеся фрагменты проводящих сегментов 3, 5 обоих слоев-подложек вместе с частью промежуточного жидкокристаллического слоя 6 образуют жидкокристаллические элементы индикатора, которые электрически соединены последовательно. Жидкокристаллические элементы на плоскости, параллельной слоям-подложкам, вместе составляют изображение некоторого знака, который отображается при наличии напряжения. Вся площадь одного из проводящих сегментов, расположенная на плоскости одного из слоев-подложек за пределами изображения этого знака, является токоприемным электродом жидкокристаллического индикатора. В этом примерном варианте воплощения им является сегмент 3 с наибольшей площадью поверхности.
Индикатор согласно изобретению (фиг.2, 3) содержит ЖКД 1, который герметично размещен внутри корпуса 8, которому придана форма рамки. Корпус 8 закрыт спереди прозрачной пластиной 9, предпочтительно выполненной из стекла, которая герметично размещена в окне рамки корпуса 8, а сзади корпус 8 закрыт плоским проводящим элементом 10, герметично размещенным в рамке корпуса 8. Корпус 8 выполнен из сильно гидрофобного материала, например из силиконового эластомера, который после отверждения характеризуется сильно и постоянно гидрофобной поверхностью, или из термопластичного полимера, покрытого тонким слоем с гидрофобными поверхностными свойствами. Корпус 8 предпочтительно выполнен посредством заформовки соединенных друг с другом слоями конструктивных элементах индикатора, то есть прозрачной пластины 9, ЖКД 1 и проводящего элемента 10, но процесс заформовки не захватывает переднюю часть поверхности пластины 9 и заднюю поверхность проводящего элемента 10. Вместо заформовки корпус 8 может быть сформирован посредством заливки материала с сильно гидрофобной поверхностью на готовые конструктивные элементы индикатора. На передней части корпуса 8 на периферии окна рамки расположены, с некоторыми промежутками между ними, периферийные ребра 11, которые выступают выше уровня окна рамки. Ребра 11 образуют единое целое с корпусом 8. Роль ребер 11 состоит в увеличении пути прохождения тока поверхностной утечки от проводящего элемента 10 индикатора к поверхности пластины 9 окна рамки корпуса 8, что совместно с гидрофобными свойствами поверхности корпуса 8 позволяет увеличить полное сопротивление поверхности индикатора во время его эксплуатации при высокой влажности, осадках или рассольном тумане.
В индикаторе по изобретению используется жидкокристаллический дисплей 1 с конструкцией, показанной на фиг.1, 1a, 1b, при этом проводящий сегмент 3 с наибольшей площадью поверхности, являющийся токоприемным электродом индикатора, снабжен проводящим выводом 12. Оба вывода 7 и 12 вынесены за пределы промежуточного жидкокристаллического слоя. Жидкокристаллические элементы дисплея образуют электрическую последовательность между сегментом, снабженным выводом 7, и токоприемным электродом 3 индикатора. К двум слоям-подложкам ЖКД 1 приклеены поляризующие пластины, не показанные на чертеже, и к задней поляризующей пластине приклеена светоотражающая пленка, также не показанная на чертеже. Вывод 7 ЖКД 1 соединен с выводом 12 посредством резистивного элемента 13. Назначение резистивного элемента 13 состоит в том, чтобы гасить постояннотоковую составляющую напряжения между выводами 7 и 12 ЖКД 1, генерируемую электростатическими зарядами, накапливающимися на индикаторе. В одном из вариантов воплощения изобретения (фиг.4) резистивным элементом 13 является пластина 14, выполненная из антистатического полимера, которая соединена с выводом 12 и проводящим элементом 10 через соединители 15, выполненные из электропроводного силиконового эластомера. В другом варианте воплощения изобретения (фиг.5) резистивным элементом 13 является слой резистивной краски 16, нанесенный на один из слоев-подложек ЖКД 1 между выводами 7 и 12. В еще одном варианте воплощения изобретения (фиг.6) резистивным элементом 13 является слой резистивного материала 17, приклеенный к выводам 7 и 12 с помощью проводящего клея 18. В еще одном варианте воплощения изобретения (фиг.7) резистивным элементом 13 является резистивный слой 19, нанесенный на керамическую пластину 20 и соединенный с выводами 7 и 12 соединителями 21. В качестве материала для изготовления резистивного элемента могут быть также использованы резистивная бумага, ткань (полотно) или фольга.
ЖКД 1 герметично размещен в корпусе 8. Между внешним слоем-подложкой ЖКД 1 и внутренней поверхностью прозрачной пластины 9 имеется уплотнение 22, которое размещено вдоль всего периметра соединения ЖКД 1 с прозрачной пластиной 9. Назначение этого уплотнения состоит в том, чтобы предотвратить загрязнение передней поверхности ЖКД 1 и задней поверхности прозрачной пластины 9 окна корпуса 8 во время заформовки или заливки ЖКД 1 вместе с прозрачной пластиной 9 и проводящим элементом 10 материалом корпуса 8. Во время работы индикатора уплотнение 22 также защищает переднюю поляризующую пластину (не показанную на чертеже) от излишнего проникновения водяного пара.
Проводящий элемент 10 электрически соединен с выводом 7 посредством проводящего соединителя 23, выполненного из электропроводного силиконового эластомера. К этому элементу 10 прикреплен элемент (не показан на чертеже), предназначенный для прикрепления индикатора к тестируемому проводнику или оборудованию.
Проводящий элемент 10 выполнен из термопластичного полимера с проводящей добавкой из углеродных частиц, проводящего полимера или металлических волокон. В другом подварианте этого варианта воплощения изобретения проводящий элемент 10 выполнен из силиконового эластомера с проводящей добавкой. В еще одном подварианте этого варианта воплощения изобретения проводящий элемент 10 выполнен из силиконового эластомера с металлической или полимерной сердцевиной.
В другом подварианте этого варианта воплощения изобретения, показанном на фиг.8, индикатор содержит диэлектрическую пластину 24, размещенную между плоским проводящим элементом 10 и ЖКД 1.
Эта диэлектрическая пластина 24 выполнена из стекла или термопластичного полимера, например полиэтилена высокой плотности.