СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF ELECTRIC STRENGTH OF INSULATING LIQUID

Изобретение относится к технике электрических измерений, в частности к области определения электрической прочности Е изоляционных жидкостей, например минеральных трансформаторного и конденсаторного масел.
Известно [1], что со временем понижается Е изоляционной жидкости в электрооборудовании в связи с ее "старением" под воздействием многих факторов. В результате возрастает ток утечки через объем жидкости между электродами, увеличиваются потери электрической энергии вплоть до аварийного пробоя через жидкость и выхода оборудования из строя.
Известны способ определения Е изоляционных жидкостей и устройство для его осуществления, предложенные в 1963 году Комитетом №10 Международной электротехнической комиссии (МЭК) для определения Е жидкостей [2, 3] (аналог). Способ состоит в том, что заливают проверяемую на Е изоляционную жидкость в испытательную ячейку (ИЯ) из твердого диэлектрика с двумя электродами в ней, подают на электроды переменное напряжение с частотой 50 Гц, увеличивая действующее значение напряжения до момента пробоя жидкости в промежутке, определяют визуально величину напряжения по прибору, и по ее средней арифметической величине при 6 или 12 последовательных пробоях с интервалами между ними не менее 5 минут судят о Е изоляционной жидкости.
2
На основе этого способа промышленно выпускаются МПО "Мосрентген" (Московской обл., Ленинский район) аппараты типа АИМ-90 (паспорт 2ДЕ.6.040 ПС) для измерения пробивного напряжения жидких диэлектриков. Аппарат содержит ИЯ, заполняемую проверяемой на Е жидкой изоляцией. На стенках ячейки закреплены два одинаковых латунных электрода с внешним диаметром 3,6 см, представляющие собой часть сферической поверхности диаметром 5 см. Расстояние между электродами по их оси 0,25±0,01 см. Каждый электрод имеет площадь поверхности, обращенной одна к другой, примерно 10 см. Электроды подключены к клеммам вторичной обмотки повышающего напряжение трансформатора. К этим же клеммам присоединен киловольтметр для измерения вторичного напряжения. Первичная обмотка трансформатора подключена к сети 220 В 50 Гц через прибор, при включении которого напряжение между электродами увеличивается со скоростью 2 кВ/с до максимального напряжения 90 кВ.
пк
п
В момент каждого очередного k-го пробоя жидкости определяется визуально по стрелочному прибору напряжения пробоя U (оно обычно составляет от 15 до 90 кВ). При одном заполнении ИЯ жидкостью осуществляют 6 последовательных пробоев. После каждого пробоя жидкость перемешивают осторожно вручную стеклянной палочкой для удаления из межэлектродного зазора продуктов разложения жидкости в канале искры и образовавшихся пузырьков, не допуская при этом возникновения новых пузырьков. За величину пробивного напряжения U принимают среднее арифметическое значение напряжения по k=6 или 12 последовательным пробоям. Вычисляют среднюю квадратичную ошибку среднего арифметического значения пробивного напряжения и по ней - величину коэффициента вариации Y. Если Y более 20%, то качество диэлектрика признается неудовлетворительным. По величине
п
п
U определяют электропрочность Е (кВ/см)=U/0,25 или соответственно Е (кВ/мм), Е (кВ/м).
Недостатками этого способа и устройства определения Е изоляционной жидкости являются
- длительное время определения Е (не менее 60 минут);
- большая опасность поражения персонала из-за наличия высокого напряжения (до 90 кВ);
- высокие энергозатраты;
- низкая достоверность измерения.
Известны способ и устройство для экспресс-контроля пробивного напряжения жидких диэлектриков [4] (прототип), в которых предпринята попытка сократить время на контроль, повысить достоверность измерения, снизить энергозатраты, повысить электробезопасность при эксплуатации устройства.
Способ определения Е изоляционной жидкости, находящейся в промежутке между разнополярными электродами измерительной ячейки, заключается в том, что подают постоянное напряжение с нарастающей амплитудой на эти электроды, расстояние между которыми устанавливают в кратное число раз меньше нормированного межэлектродного зазора во столько раз, во сколько напряжение при пробое меньше нормированного значения пробивного напряжения жидкого диэлектрика, при этом напряжение при пробое фиксируется и умножается в кратное число раз для измерения величины пробивного напряжения жидкого диэлектрика в стандартизованном зазоре 0,25±0,01 см.
Устройство определения ЭП изоляционной жидкости содержит измерительную ячейку с разнополярными первым и вторым электродами, промежуток между которыми заполнен указанной жидкостью, и источник напряжения в виде повышающего напряжение трансформатора, вторичная обмотка которого одним концом соединена через схему удвоения этого напряжения к одному электроду измерительной ячейки, а второй конец вторичной обмотки трансформатора непосредственно соединен с другим электродом ячейки.
пк
Объявленное здесь увеличение достоверности измерения не достигается по следующим причинам. Во-первых, любой экспресс-контроль измерения, в том числе, Е жидкости, всегда предполагает предварительное и приблизительное получение результатов, которые затем дополнительно уточняются другими методами. Во-вторых, достоверно известно, что при кратном уменьшении длины промежутка менее нормированного значения 0,25 см начинают сильно влиять на величину пробивного напряжения и ее разброс от пробоя к пробою: всегда имеющиеся микронеоднородности на поверхностях электродов, а также создающиеся из-за эрозии поверхностей при пробоях; осаждающиеся на поверхностях механические частицы и вязкие крупинки, образующиеся в результате старения жидкости [5, 6]. Начинают заметно сказываться на стабильность длины промежутка, а потому и на разброс U температурные объемные изменения материалов электродов и стенок ИЯ, механические остаточные напряжения в материалах и в результате закрепления электродов в стенках. Возрастает сложность и субъективность в оценке качества и количества удаленных твердых продуктов и газовых пузырьков из промежутка после пробоя жидкости, уменьшается гарантия их отсутствия здесь перед очередным пробоем, увеличивается время на процедуры для отстоя жидкости от пузырьков и подготовки промежутка уменьшенной длины к последующему пробою, необходима более тщательная очистка и проверка состояния электродов и промежутка с жидкостью в нем. Не нормируются атмосферное давление воздуха и его температура. В совокупности перечисленные факторы приводят к росту разброса величин пробивных напряжений. Кроме того, они при кратном уменьшении зазора снижаются нелинейно с кратностью. В приведенном примере реализации изобретения по прототипу, когда длина пробивного промежутка уменьшается в 10 раз до 0,025 см, достоверность измерения не увеличивается (как заявлено), а, наоборот, значительно уменьшается, и ошибка может достигать 35%.
Недостатки этого способа и устройства определения Е изоляционной жидкости таковы:
- невозможность непрерывного определения величины Е жидкости;
- отсутствие дистанционного и автоматизированного определения Е жидкости;
- низкая точность определения Е жидкости;
- использование опасного для персонала высокого напряжения;
- возбуждение в окружающем устройство пространстве рассеянных импульсных быстропеременных электромагнитных полей из-за пробоя жидкости, создающих паразитные наводки в электрических цепях и электрооборудовании.
При создании данного изобретения решалась задача создания способа и устройства, которые обеспечивают получение следующего технического результата: непрерывность определения Е или в любой заданный интервал времени; возможность дистанционного определения Е в ручном или автоматизированном режимах; увеличение точности определения Е до 2%, обеспечиваемой стандартными способом и устройством; повышение безопасности работы персонала; исключение возбуждения электромагнитных помех.
Дополнительно обеспечивается сокращение времени определения Е до 1 с; упрощение источника напряжения, уменьшение его габаритов и массы из-за снижения напряжения по сравнению с напряжением пробоя промежутка; упрощение изоляции подвода напряжения к электродам; универсальность источника напряжения, т.е. можно применять источник постоянного напряжения (химический источник тока), выпрямленного или переменного.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом определения Е изоляционной жидкости в промежутке между разнополярными электродами измерительной ячейки, в заявляемом способе к электродам измерительной ячейки прикладывают разность потенциалов, величина которой меньше напряжения пробоя жидкости в данном промежутке, измеряют величину i тока между электродами и по его величине судят об электрической прочности Е жидкости по предварительно полученной зависимости i=f(E).
Измерения проводят непрерывно или в заданные интервалы времени в автоматизированном или ручном режимах. Измерения производят путем погружения электродов измерительной ячейки непосредственно в бак электротехнического оборудования, заполненный изоляционной жидкостью. Измерения производят путем размещения электродов измерительной ячейки в магистрали подачи и/или слива изоляционной жидкости из бака электротехнического оборудования. Измерения проводят при приложении к электродам измерительной ячейки выпрямленного, постоянного или переменного напряжения в диапазоне 100-1000 В.
Указанный технический результат в устройстве достигается тем, что по сравнению с известным устройством определения Е изоляционной жидкости, содержащим измерительную ячейку с разнополярными первым и вторым электродами, промежуток между которыми заполнен указанной жидкостью, и источник напряжения, в заявляемом устройстве электроды измерительной ячейки выполнены взаимоподобными с развитой рабочей площадью, причем каждый однополярный электрод состоит по меньшей мере из одного электродного элемента, а все элементы одной полярности соединены между собой проводниками и расположены между элементами другой полярности с чередованием, причем взаимно обращенные поверхности разнополярных электродов расположены на одинаковом расстоянии одна от другой по всей их площади, а в цепь протекания тока от источника напряжения включен датчик величины тока.
2
Рабочая площадь каждого электрода выполнена более 10 см. По меньшей мере, один из разнополярных электродов изготовлен с неоднородностями на его поверхности, обращенной к поверхности электрода другой полярности. Ячейка с разнополярными электродами установлена в герметичной автономной камере, которая выполнена полностью или частично из проводящего материала и снабжена, по меньшей мере, одним патрубком с вентилем на нем. Источник напряжения и датчик могут быть расположены дистанционно от измерительной ячейки.
Изобретательский уровень предложенного способа определения Е изоляционной жидкости состоит в следующем. К электродам измерительной ячейки с изоляционной жидкостью в их промежутке прикладывается напряжение с постоянной ее величиной U, например 100…1000 В, которая меньше в десятки раз напряжения пробоя этого промежутка; в аналоге и прототипе напряжение непрерывно повышается со скоростью 2 кВ/с от нуля до момента пробоя, при котором фиксируется величина этого напряжения, и затем автоматически отключается источник напряжения для удаления вручную из канала разряда пузырьков образовавшегося газа и продуктов горения жидкости, а также механических частиц от эрозии электродов под воздействием плазмы и тока пробоя. В заявленном изобретении пробоя не происходит и не требуется удалять из межэлектродного промежутка продукты пробоя жидкости. Напряжение U прикладывается непрерывно на любое время, например на сутки, или на короткий интервал, например на 5 с. В любой момент приложенного напряжения можно измерить по датчику ток i в цепи от источника напряжения до электродов и по величине i определить величину электропрочности Е жидкости по предварительно один раз экспериментально полученной для данного типа жидкости и этих электродов зависимости i=f(E), т.е. калибровки электродов.
п
п
п
п
п
п
п
п
п
Для этого нужно получить сначала зависимость i=f(U) в диапазоне изменения напряжения пробоя U, например, от 90 до 15 кВ на стандартный зазор 0,25±0,01 см, измеряя U известным методом [3]. Следует искусственно приготовить несколько раз пробную жидкость с разными величинами пробивного напряжения U или взять жидкость из аппаратуры, эксплуатируемой в течение разных сроков. Поочередно заливая пробную жидкость в испытательную ячейку ИЯ и измеряя ее U, заливают такую же жидкость в систему с предложенными электродами и измеряют величину i при выбранном напряжении U<U. Такая процедура изменения U во всем диапазоне позволяет получить зависимость i=f(U) и по ней - зависимость i=f(E, кВ/см), где Е=U/0,25. Зная зависимость i=f(Е, кВ/см), можно далее по измеряемой величине i определять многократно электропрочность Е.
В способе не происходит пробоя жидкости и постепенного ее загрязнения продуктами горения и разложения жидкости в канале искры, а также механическими частичками эрозии электродов от воздействия плазмы канала разряда и протекающего в нем тока. Эти факторы способствуют стабилизации характеристик жидкости и повышают точность определения Е.
Так как источник напряжения имеет напряжение U относительно низкое по сравнению с напряжением пробоя стандартного промежутка, то источник и датчик могут быть размещены на большом расстоянии от измерительной ячейки, например на 50 м, т.е. дистанционно, и соединены с электродами ячейки коаксиальным кабелем. А это позволяет подавать напряжение в ручном или автоматизированном режимах по заданной программе и в этих же режимах измерять i визуально или автоматизированно, определяя таким образом Е. В аналоге и прототипе автоматизированный и дистанционный режимы не реализуются из-за высоких значений напряжения пробоя жидкости и потому необходимости размещения источника около испытательной ячейки.
При контроле Е оператор принимает соответствующие решения в зависимости от величины Е. Если управление источником автоматизировано и сигнал с датчика тока введен в автоматизированную систему, в частности в персональный компьютер, снабженный соответствующей программой, то посредством его можно следить в автоматизированном режиме за величиной Е жидкости и принимать автоматизированно по программе необходимые действия. В частности, выдавать операторам соответствующих служб информацию о приближении Е к критическому значению или вырабатывать команду на системное отключение какой-то аппаратуры для защиты ее от электрического пробоя.
Уменьшенное напряжение позволяет располагать измерительную ячейку непосредственно в баке с электрооборудованием, изолированном жидкостью, Е которой нужно периодически контролировать. А потому не надо сливать жидкость из объема, переливать ее в ячейку прототипа в воздухе, загрязняя жидкость пылью, влагой и растворяя в ней газы. Загрязнение не происходит и из-за отсутствия надобности перемешивания на воздухе жидкости в промежутке после каждого пробоя. Уменьшенное напряжение снижает токи утечки через объем изоляции на узлы электротехнического оборудования с элементов измерительной цепи. В целом это повышает точность определения Е жидкости.
По заявляемому способу электроды ячейки можно разместить в магистрали подачи и/или слива изоляционной жидкости из бака электротехнического оборудования. Это позволяет непрерывно или в заданные моменты времени определять Е жидкости на входе в бак электрооборудования и/или на выходе из бака, контролируя таким образом влияние режима работы электрооборудования и процессов в нем на скорость изменения Е жидкости за нужные интервалы времени. Такое решение позволяет, в частности, непрерывно автоматизированно определять Е в сливной магистрали при протекании через нее (при открытом вентиле) жидкости и фиксировать изменение величины Е в зависимости от электрического и технологического режимов, а также времени работы электрооборудования, запоминать эту информацию и выдавать по запросу оператора, т.е. дополнительно повысить информативность о работе оборудования.
2
Многократное уменьшение напряжения на электродах обеспечивает универсальность использования источника напряжения, т.е. возможность применения переменного, выпрямленного или постоянного (химический источник тока) напряжений в диапазоне 100-1000 В. При оснащении измерительной ячейки автономным (химическим) источником тока с датчиком в его цепи образуется переносной определитель Е, независящий от наличия сети переменного напряжения 220 или 380 В на месте контроля Е. Конкретно разность потенциалов выбирают такой, чтобы из-за увеличенной проводимости жидкости по причине ее старения не образовывались газовые пузырьки на электродах при электролизе под воздействием прохождения тока через жидкость. Для этого плотность тока не должна превышать примерно 0,1 мА/см [5, 6], т.к. при такой плотности выделяющиеся газы снова успевают тут же раствориться в жидкости и не уменьшают площадь контакта жидкости с поверхностью электродов. При расстоянии между электродами ≥0,25 см выбранной разности потенциалов в диапазоне 100-1000 В вполне достаточно для соблюдения этого условия.
4
2
2
Изобретательский уровень предложенного устройства определения ЭП изоляционной жидкости состоит в следующем. Для измерения тока с ошибкой около 1% нужно иметь его величину i от десятых долей микроампера до нескольких микроампер и более, а в цепь источника напряжения должен быть включен датчик тока, например, стрелочный или электронный микроамперметр класса точности 1% и менее. Поэтому в устройстве каждый разнополярный электрод в измерительной ячейке выполнен с развитой рабочей поверхностью, например, 10 см, по сравнению со сферической поверхностью около 10 см электрода в аналоге и прототипе. Для развития поверхности электроды выполнены взаимоподобными, каждый однополярный электрод состоит, по меньшей мере, из одного электродного элемента, а все элементы одной полярности соединены между собой проводниками и расположены между электродными элементами другой полярности с чередованием, причем взаимно обращенные поверхности разнополярных электродов расположены на одинаковом расстоянии одна от другой по всей их площади, а в цепь протекания тока от источника напряжения включен датчик величины тока. При таком исполнении электродов они имеют компактную конструкцию.
2
2
Электрическое поле между электродами равномерное по всей их рабочей площади, в то время как оно между полушаровыми электродами в прототипе спадает по радиусу от центра по сравнению с ним в центре. Поэтому плотность тока уменьшается вдоль радиуса к краю электрода диметром 3,6 см, т.е. эффективной площадью электрода является не общая его площадь 10 см, а только приосевая площадь в диаметре круга около 1,6 см, равная примерно 2 см. При U=100-1000 В величина тока через указанную площадь составит менее тысячной доли микроампера. Такой ток в прототипе контролировать на практике с ошибкой менее 50% невозможно из-за наличия рассеянных электромагнитных полей в окружающем пространстве, в том числе от сетей электрического питания 220 В 50 Гц, а также изменяющихся токов утечки по поверхностям изоляции в цепи измерения. Трудности возрастают при измерении таких токов в оборудовании электрических подстанций разного класса, где часто определяют Е и где взаимные помехи особенно велики из-за большого числа аппаратуры и открытых линий с напряжением выше 1000 В.
3
Для увеличения тока i, по меньшей мере, один из разнополярных электродов выполнен с неоднородностями на его поверхности, обращенной к поверхности электрода другой полярности. За счет увеличения до 10 раз на микроостриях электрического поля ток возрастает, что дополнительно повышает точность измерений. В прототипе же электроды должны иметь минимум микроострий, для чего эти электроды периодически тщательно полируют.
Измерительная ячейка с разнополярными электродами может быть установлена в герметичной автономной камере, которая выполнена полностью или частично из проводящего материала и снабжена, по меньшей мере, одним патрубком с вентилем на нем. Это упрощает обслуживание камеры, так как она имеет небольшие габариты и массу, а, залив в нее пробу масла из контролируемого электротехнического оборудования, можно тут же измерить ток i между электродами и определить Е или легко перенести камеру в другое место и измерить здесь ток i между электродами и определить Е. Герметичное закрытие отверстий вентилями предотвращает поглощение жидкостью из атмосферного воздуха паров воды, газов и пыли и дополнительно повышает точность определения Е. Кроме того, можно одну и ту же камеру переносить и присоединять поочередно к разным бакам с изоляционной жидкостью в них, поочередно отсоединять и определять Е в другом месте, т.е. предложенное решение сокращает число измерительных ячеек.
Многократное уменьшение напряжения U на электродах позволяет расположить источник напряжения и датчик тока дистанционно от измерительной ячейки.
Таким образом, выполнение электродов с развитой площадью их поверхности, приложение к ним напряжения U меньше напряжения пробоя между этими электродами, включение в цепь протекания тока его датчика, отсутствие контакта жидкости с воздухом и наличие зависимости i=f(E) позволяет непрерывно или в любой заданный интервал времени определять Е, обеспечивает возможность дистанционного определения Е в ручном или автоматизированном режимах, увеличивает точность определения Е, повышает безопасность работы персонала, исключает возбуждение электромагнитных помех.
Дополнительно сокращается время определения Е, упрощается источник напряжения, уменьшаются его габариты и масса, упрощается изоляция подвода напряжения к электродам, возможно применение источника постоянного напряжения (химический источник тока), выпрямленного или переменного.
Далее сущность изобретения поясняется описанием устройства со ссылками на прилагаемые схемы и чертежи, на которых изображены:
фиг.1 - общая структурная схема устройства для реализации заявляемого способа;
фиг.2 - автономная камера устройства с электродами;
фиг.3 - фотография варианта экспериментальной сборки разнополярных чередующихся электродов, состоящих каждый из девяти одинаковых взаимноподобных плоских дисковых электродных элементов;
п
фиг.4 - экспериментально измеренная зависимость i=f(U) и определенная по ней зависимость i=f(E) для одного из опытных вариантов устройства.
На фиг.1 и 2 обозначены: 1 - первый электрод измерительной ячейки; 2 - второй электрод измерительной ячейки; 3 - бак; 4 - электротехническое оборудование; 5 - изоляционная жидкость; 6 - источник напряжения; 7 - клемма заземления источника напряжения; 8 - потенциальная клемма; 9 - коаксиальный кабель; 10 - экран источника 6; 11 - проводник соединения бака 3 с заземлением; 12 - проводник присоединения электрода 1 к клемме 8; 13 - изолятор; 14 - проводник присоединения электрода 2 к торцовой стенке; 15 - торцовая стенка; 16 - датчик тока; 17 - кабель для передачи сигнала с датчика к измерителю параметров сигнала; 18-20 - вентили; 21 - корпус автономной камеры; 22 - клемма для присоединения корпуса камеры к заземлению; 23 - патрубок.
Способ определения электрической прочности изоляционной жидкости 5 (фиг.1), находящейся в промежутке между разнополярными электродами 1 и 2 измерительной ячейки заключается в том, что от источника 6 прикладывают к указанным электродам разность потенциалов U, величина которой меньше напряжения пробоя жидкости в данном промежутке, измеряют датчиком 16 величину i тока между электродами и по его величине судят об электрической прочности Е жидкости по предварительно полученной зависимости i=f(E).
Измерение тока i датчиком 16 производят непрерывно или в заданные интервалы времени в автоматизированном или ручном режимах. Измерения тока i датчиком 16 производят путем погружения электродов 1 и 2 измерительной ячейки непосредственно в бак 3 электротехнического оборудования 4, заполненный изоляционной жидкостью 5. Измерения тока i датчиком 16 производят путем размещения электродов 1 и 2 измерительной ячейки в магистрали подачи и/или слива изоляционной жидкости 5 из бака 3 электротехнического оборудования 4. К электродам 1 и 2 прикладывают от источника 6 переменное, выпрямленное или постоянное напряжение U в диапазоне 100-1000 В.
Устройство (фиг.1) для определения электрической прочности изоляционной жидкости 5 содержит измерительную ячейку с разнополярными первым 1 и вторым 2 электродами, промежуток между которыми заполнен указанной жидкостью 5, и источник напряжения 6. Первый 1 и второй 2 электроды выполнены взаимоподобными с развитой рабочей поверхностью. Каждый однополярный электрод состоит, по меньшей мере, из одного электродного элемента, а все элементы одной полярности соединены между собой проводниками соответственно 12 и 14 и расположены между элементами другой полярности с чередованием. Взаимно обращенные поверхности разнополярных электродов расположены на одинаковом расстоянии одна от другой по всей их площади. В цепь протекания тока i от источника 6 напряжения включен датчик 16 величины тока.
2
Рабочая площадь каждого электрода 1 и 2 выполнена более 10 см. По меньшей мере, один из разнополярных электродов 1 или 2 выполнен с неоднородностями на его поверхности, например с большим числом просверленных отверстий, обращенной к поверхности электрода другой полярности. Ячейка с разнополярными электродами 1 и 2 установлена в герметичной автономной камере 21, которая выполнена полностью или частично из проводящего материала и снабжена, по меньшей мере, одним патрубком 23 с вентилем 18 на нем. Источник напряжения 6 и датчик 16 расположены дистанционно от измерительной ячейки с электродами 1 и 2.
R
R
R
2
2
Работает устройство по фиг.1 так. Предварительно снимают с бака стенку 15 вместе с закрепленными на ней электродами 1 и 2 и получают зависимость i=f(E, кВ/см). Затем промывают растворителями и сушат стенку вместе с электродами, после чего ее герметично крепят к баку 3. Следует отметить, что точность изготовления электродов и их монтажа в единую систему не влияют на ошибку определения Е, так как при получении зависимости i=f(E) и последующем измерении i применяется одна и та же система электродов без ее разборки. Заполняют бак с использованием вентилей 18 и 19 жидкой изоляцией 5 трансформаторным маслом. Дают отстояться маслу и включают в работу электрооборудование. Подключают проводник 12 к клемме 8. Для непрерывного измерения электрической прочности масла подается от источника 6 напряжение U положительной полярности 500 В по кабелю 9 на клемму 8 и с нее через проводник 12 - на элементы электрода 1. Элементы электрода 2 оказываются по отношению к электроду 1 под отрицательным потенциалом. При слабых электрических полях, которые имеют место в данном устройстве, носителями зарядов практически всегда являются ионы, образующиеся из-за роста проводимости жидкости, а также путем ионизации молекул примесей в ней, либо за счет эмиссии из электродов. Электроны не могут находиться в свободном состоянии, т.к. легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости [5]. В цепи после подачи напряжения U потечет постоянный электрический ток, величина i которого будет определяться удельным сопротивлением масла, площадью рабочей поверхности электрода 1, равной площади электрода 2, и величиной электрического поля между электродами 1 и 2. Ток через жидкость между электродами 1 и 2 проходит и через резистор 16, величина сопротивления R которого известна с ошибкой 0,1%. Этот ток создаст на резисторе 16 падение напряжения U=iR, величина которого по кабелю 17 передается к измерителю (на фиг.1 не показан) этого напряжения, которым может быть вольтметр с высокоомным входом. По величине U легко измеряется i, т.е. i=U/R. Так как общая площадь элементов электрода 1 много больше площади 10 см в прототипе (а эффективная площадь в нем около 2 см), например, в 1000 раз, то во столько же раз будет больше ток i через резистор 16 при такой же разности потенциалов между электродами в прототипе и одинаковых расстояниях между электродами в устройстве и прототипе. Рабочую площадь можно увеличить добавлением числа электродных элементов в каждый электрод. Ток составит величину от нескольких десятков микроампер до десятых его долей. Такой ток легко измеряется типовыми приборами с ошибкой менее 1% в условиях рассеянных электромагнитных полей в окружающем пространстве. Датчиком величины тока могут служить: а) стрелочные микроамперметры разных систем класса точности 0,5 или 1%; б) разного типа промышленные резисторы (шунты) нужных классов точности и мощности.
Знание предварительно полученной зависимости i=f(E, кВ/см) позволяет оператору локально около бака иди дистанционно в любой момент времени определить по приборам величину Е, а если сигнал с резистора R введен в систему автоматики или в компьютер, снабженный соответствующей программой, то контроль Е может вестись непрерывно или в заданные интервалы (моменты) с визуальной выдачей информации, запоминанием ее или иным образом.
Изготовление электродов 1 и/или 2 с неоднородностями на поверхности усиливает на микроостриях неоднородностей электрическое поле в десятки и сотни раз. Это повышает в жидкости скорости ионов и таким образом дополнительно увеличивает ток i. В условиях рассеянных электромагнитных полей это повышает точность измерения тока и соответственно точность определения Е. Кроме того, рост i позволяет дополнительно снизить напряжение между электродами. Поэтому целесообразно неоднородности выполнять на поверхностях электродов обеих полярностей, например, сверлением многих отверстий с острыми кромками. Отверстия дополнительно улучшают циркуляцию жидкости между электродами, предотвращая образование между ними застойных зон жидкости с отличающейся ее проводимостью. В связи с этим возможно изготовление электродов 1 и 2 из металлических сеток.
Таким образом, описание работы устройства показывает обеспечение им всех перечисленных выше основных и дополнительных преимуществ по сравнению с прототипом, более подробно доказанных выше при описании способа.
Устройство с электродами в автономной камере по фиг.2 работает аналогично изложенному по фиг.1 за исключением того, что калибровку электродов можно проводить непосредственно в камере без съема крышки 15. Для определения Е камера заполняется через вентиль 18 и патрубок 23 изоляционной жидкостью при открытом вентиле 19, после чего вентиль 19 закрывается. Это предотвращает контакт жидкости с воздухом и повышает точность определения Е. Для особо точных измерений целесообразно при закрытых вентилях 18 и 20 предварительно из камеры 21 откачать воздух вакуумным насосом через вентиль 19 и затем его закрыть. Это гарантирует отсутствие пузырей воздуха между электродами 1 и 2. Затем возможны два последующих варианта действий. Во-первых, камера может далее оставаться постоянно присоединенной к корпусу оборудования с открытым вентилем 18. Для этого камера заземляется через клемму 22, к клемме 8 подключается источник напряжения подобно изложенному выше применительно к фиг.1 (соединительный кабель 9, источник 6 и др. элементы и узлы) и измеряется ток i через жидкость, а по его величине определяется Е. Во-вторых, камеру можно отсоединить от бака, предварительно закрыв вентиль 18 и на баке, переместить ее к источнику напряжения и уже в другом месте определить по изложенному выше методу Е жидкости.
Устройство с электродами в автономной камере имеет небольшие габариты и массу, его легко перенести в другое место и измерить здесь ток через жидкость и определить Е. Герметичное закрытие отверстий вентилями предотвращает контакт жидкости с атмосферой воздуха. Кроме того, при таком способе определения Е можно одну и ту же камеру переносить и присоединять поочередно к разным бакам с изоляционной жидкостью в них, поочередно отсоединять и определять Е в другом месте. Это сокращает число измерительных ячеек и устройств в целом.
При реализации устройства целесообразно электроды 1 и 2 изготавливать из нержавеющих сталей, например типа 12Х18Н9Т, как оказывающих наименьшее отрицательное каталитическое воздействие на окисление масел в процессе их старения. По возрастанию этого действия металлы располагаются так: нержавеющая сталь, Al, Sn, Zn, Fe, Ni, латунь, Cu; см. И.В.Брай. Регенерация трансформаторных масел. М.: Химия, 1972. Электродные элементы в плоской их конфигурации и числе их в составе каждого электрода более 3 удобно выполнять из листов нержавеющей стали толщиной 1-2 мм, обеспечивающей достаточную механическую жесткость от коробления. Микронеоднородности на поверхностях электродов удобно создавать сверлением отверстий диаметром 3-6 мм с шагом между их осями соответственно 8-12 мм по всей их поверхности и острыми кромками отверстий. Отверстия дополнительно обеспечивают циркуляцию жидкости в промежутках между электродами.
2
п
Для экспериментальной проверки предложенных способа и устройства определения Е трансформаторного масла был изготовлен вариант устройства по схеме фиг.2. Общий вид сборки электродов приведен на фиг.3. Каждый из электродов 1 и 2 содержал девять параллельно соединенных однополярных электродных элементов, каждый в виде диска диаметром 15,5 см из нержавеющей стали толщиной 0,1 см с просверленными по всей площади отверстиями диаметром 0,8 см с шагом 2 см. Расстояние между разнополярными элементами 0,5 см. Общая рабочая площадь однополярных электродов около 3400 см (без вычета площади отверстий). Однополярные элементы соединены между собой четырьмя металлическими шпильками диаметром 0,4 см (являющимися проводниками 12 и 14 на фиг.2), для прохода которых по окружности диаметром 13,8 см просверлены восемь отверстий через все электроды. Для сверления все электроды обеих полярностей были сжаты между вспомогательными пластинами. В местах прохода шпилек через электроды другой полярности (т.е. поочередно через один электрод) указанные отверстия рассверлены до диаметра 1,2 см. При поочередном надевании электродных элементов на шпильки (кроме крайних элементов) устанавливались в местах рассверленных отверстий на каждую из шпилек две трубчатые втулки внешним диаметром 0,5 см и длиной каждой 0,5 и 0,55 см из нержавеющей стали. Сборка из этих электродов зафиксирована указанными шпильками с гайками по резьбе на концах шпилек у обоих торцов на дисках из плексигласа толщиной 0,4 см (на фиг.2 не показаны). В дисках тоже просверлены отверстия для циркуляции масла. Сборка из электродов 1 и 2 закреплялась дисками из плексигласа к стенке 15 внутри корпуса 21 из нержавеющей стали с внутренним диаметром 18,5 см и габаритной длиной - 18 см (без учета патрубка 23 и вентиля 18; см. фиг.2). При этом элементы первого электрода подключались к клемме 8 дополнительным проводником, герметично введенным через изолятор 13, установленный на стенке 15 (фиг.2), а элементы электрода 2 подключались к камере 21 через датчик тока 16, которым служил прецизионный резистор 1 МОм ± 0,5%, установленный внутри объема камеры. Вывод с этого резистора подключался к дополнительной клемме, аналогичной клемме 8. Стенка 15 уплотнялась с корпусом 21 по его периметру резиновой прокладкой. Камера была снабжена вентилями 18, 19 и 20. Калибровка электродов в камере производилась аналогично описанному выше, т.е. при выпрямленном стабилизированном напряжении U=500 В, от источника 6 измерялась зависимость i=f(U), а по ней строилась зависимость i=f(E, кВ/см) (фиг.4). Затем этим устройством определялось Е масла в баках 3 (фиг.1) нескольких маслоизолированных узлов ускорителя, проработавших в его составе продолжительностью от 1 месяца до 4 лет. Для этого корпус 21 камеры герметично присоединялся вентилем 18 к аналогичному вентилю на баке, оба вентиля открывались, и масло самотеком медленно полностью заполняло камеру, вытесняя из нее воздух через приоткрытый вентиль 19. После отстоя масла подавалось на электроды напряжение U=500 В и измерялось вольтметром с высокоомным входом падение напряжения на резисторе (датчике 16), а по значению напряжения вычислялась величина тока i и определялась по графику фиг.4 электропрочность Е масла. Источник 6 напряжения и вольтметр располагались непосредственно около камеры 21 или подключались к соответствующим клеммам на ней через коаксиальные кабели длиной 50 м. Для поочередного определения Е масла в следующих баках вентиль 18 и такой же на баке закрывались, камера отсоединялась от патрубка бака, масло из камеры сливалось, иногда камера промывалась внутри несколько раз растворителем и просушивалась. Затем операции по очередным определениям Е масла в баках проводились аналогично изложенному. При этом ток i измерялся дистанционно как непрерывно по 6,5 ч в течение нескольких рабочих дней, так и при подаче напряжения U=500 В на время 5-15 с.
2
2
Во втором опытном варианте устройства электроды измерительной ячейки были выполнены в виде двух коаксиальных труб из нержавеющей стали, насаженных по торцам на изолирующие втулки из капролона. Для циркуляции масла в полости между трубами сделаны во втулках пазы и отверстия. Внешний диаметр внутренней трубы - 3 см, внутренний диаметр внешней трубы - 3,5 см. Рабочая длина труб - 45 см, габаритная длина совместно с торцовыми втулками - 62 см. Площадь рабочей поверхности внутренней трубы равна ~350 см, т.е. в 35 раз больше 10 см. Камеру размещали внутри герметичного металлического заземленного бака генератора умножения напряжения по методу Аркадьева-Маркса с трансформаторным маслом в нем. Первоначально электроды камеры калибровали описанным методом при U=1000 В. График i=f(E, кВ/см) был подобен приведенному на фиг.4, но ток i был меньше.
Оба варианта устройства полностью подтвердили все перечисленные выше его преимущества по сравнению с прототипом.
п
п
Первый вариант устройства испытан с положительным результатом при определении Е конденсаторного и касторового масел при трех значениях U, однако снятие зависимости i=f(E, кВ/см) во всем диапазоне изменения U не производилось.
В современных энергоемких мощных электрофизических установках, содержащих десятки и сотни узлов с жидкой изоляцией в них и используемых для научных и/или прикладных исследований, является актуальным перед каждым ответственным экспериментом быстрое определение величины электропрочности Е изоляции во всех или во многих узлах, входящих в состав установок. Стандартное устройство для определения Е таким требованиям не удовлетворяет. Этим потребностям оперативного контроля Е жидкости отвечают данные способ и устройство, если снабдить такими измерительными ячейками каждый узел с жидкой изоляцией. Подавая дистанционно с автоматизированной системы управления заданное напряжение на электроды каждого устройства для определения Е масла (или поддерживая это напряжение на электродах постоянно) и измеряя автоматически постоянно или поочередно величины тока i и выводя информацию о них на панель узла управления, определяют мобильно (возможно за несколько секунд) визуально или автоматически Е жидкой изоляции и принимают решение о дальнейшем функционировании оборудования.
Такими же устройствами могут быть снабжены все типовые маслоизолированные узлы стандартного электротехнического оборудования электросетей и их подстанций, что значительно упростит и ускорит определение Е масла в нем, снизит трудоемкость этих измерений и существенно уменьшит эксплуатационные расходы.
Таким образом, по сравнению с прототипом с помощью заявляемого способа и устройства достигнуто непрерывное определение Е или в любой заданный интервал времени; возможность дистанционного определения Е в ручном или автоматизированном режимах; увеличение точности определения Е до 2%, обеспечиваемой стандартными способом и устройством; сокращение времени определения Е до 1 с; повышение безопасности работы персонала; исключение возбуждения электромагнитных помех.
Источники информации
1. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергия. 1968.
2. International Electrotechnical Commision (IEC) Recommendation Publication. 1963. P.156.
3. Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний. ГОСТ 6581-75.
7
4. Патент RU №2220427, МПК G01R 31/12. Бербер В.Ф. и др. Способ и устройство для экспресс-контроля пробивного напряжения жидких диэлектриков. Опубликовано 27.12.2003.
5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск: Изд. Томского университета. 1975.
6. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. Томск: Изд. научно-технической литературы. 2005. С.47.