ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ
HIGH-VOLTAGE VOLTAGE DIVIDER

Настоящее изобретение относится к энергетике, в частности к средствам измерений высоких напряжений. Изобретение может найти применение в различных областях техники, где необходимо обеспечить контроль режимов работы высоковольтных цепей и измерять параметры высокого напряжения постоянного, переменного и импульсного токов.
Уровень техники
Известны высоковольтные делители напряжений, в которых высоковольтное плечо состоит из последовательно соединенных одинаковых блоков. В качестве блока может быть использован или резистор R, или конденсатор С, или сочетание резисторов и конденсаторов (Шваб А. Измерения на высоком напряжении. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.55-94, RU 2250471, 20.04.2005).
Недостатками конструкций, реализующих цепочечные схемы замещения высоковольтного плеча, является расположение блоков вдоль прямой линии, приводящее к снижению устойчивости делителя к внешним механическим воздействиям, возникновению неравномерности распределения электрического напряжения по высоте делителя, ограничивающее расширение рабочих диапазонов частот и напряжений делителя.
Известна конструкция высоковольтного делителя (АС 951432 17.10.80/15.08.82). Недостатками данного типа конструкции являются: наличие цангового разъема в электрической цепи, переходное сопротивление которого может меняться при механических воздействиях в вертикальном направлении, вызывая при этом изменение коэффициента передачи делителя и искрение в месте контакта, приводящее к появлению газообразных продуктов разложения, присутствие которых в жидком диэлектрике снижает его электрическую прочность; отсутствие установленных параллельно конденсаторам резисторов, что повышает нижнюю границу рабочего диапазона частот.
Известна конструкция высоковольтного делителя (US 4418314, 11.29.83). Недостатком данного технического решения являются: подвеска печатной платы на металлических проводниках, способствующая смещению собственного механического резонанса конструкции в область низких частот при увеличении габаритных размеров элементов конструкции, связанном с повышением номинального напряжения; газового диэлектрика, который не препятствует перемещению печатной платы в корпусе делителя при механических воздействиях, а также требует подбора и поддержание газового состава, давления газа при расширении диапазонов рабочих напряжений и частот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является делитель напряжения (SU 13256364, 23.07.87), содержащий изоляционное основание цилиндрической формы с изменяющимся поперечным сечением, высоковольтный и заземленный электроды, закрепленные на торцах основания, последовательно соединенные резистивные элементы с линейным распределением потенциала. Недостатками данной конструкции являются: отличие распределения электрического потенциала по цепи проводящих элементов от распределения потенциала по высоте основания, вызванное напряжением на резисторе плеча низкого напряжения; креплением цепи проводящих элементов к внутренней поверхности основания, что при малой толщине основания делает коэффициент передачи делителя зависимым от воздействия ударов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение габаритных размеров, повышение устойчивости к внешним механическим воздействиям и расширение диапазонов рабочих частот и напряжений высоковольтного делителя напряжений.
Данная задача решается за счет того, что заявляемый высоковольтный делитель напряжений, содержащий высоковольтный и заземленный электроды, закрепленные на торцах изоляционного цилиндра, и расположенные между ними последовательно соединенные блоки собран так что:
- R-C-r блоки высоковольтного плеча расположены по цилиндрической винтовой линии, шаг которой равен s=(H×n)/N (где N - число R-C-r блоков в высоковольтном плече; Н - высота рабочего пространства высоковольтного плеча; n - число блоков в витке спирали), причем каждый i-блок находится над (i-n)-блоком (где i - номер блока), обеспечивающим необходимые габариты и высокий входной импеданс делителя при измерениях напряжений постоянного, переменного и импульсного токов;
- тарельчатые электроды с отверстиями в центрах электрода установлены по краям печатных плат и с зазором между электродом и цилиндрическим корпусом t=0.8-1 мм, обеспечивающими выравнивание электрического поля в торцах спирали;
- соединение плат в виде прямой призмы, контактируемые точки которых расположены по краям платы и смещены относительно узкой стороны платы, принятой за базу, на (k-1)×(L/n)×tgα и k×(L/n)×tgα (где k - порядковый номер плат, выбираемый из ряда 1, 2, …, n, α - угол наклона оси блока к базе, L -длина периметра вписанного многоугольника с числом сторон п), с шагом, равным шагу спирали, обеспечивающим уменьшение габаритных размеров делителя;
- внутреннее пространство цилиндрического корпуса, свободное от элементов конструкции, заполнено сыпучим диэлектриком с размером частиц (100-600) мкм, положение которого в корпусе фиксируется с помощью эпоксидного компаунда, обеспечивая необходимую электрическую прочность, защиту от разбрызгивания металла при возникновении дуговых разрядов и исключающим перемещение элементов конструкции при механических воздействиях на делитель.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является устойчивость конструкции к внешним механическим воздействиям и возможность измерений высоких напряжений постоянного, переменного и импульсного токов.
На фиг.1 изображена конструкция высоковольтного плеча делителя напряжений.
На фиг.2 представлено графическое пояснение к конструкции высоковольтного делителя напряжений.
Высоковольтное плечо состоит из изоляционной цилиндрической оболочки 1, высоковольтного вывода 2, заземленного вывода 3, R-C-r блоков, установленных на печатных платах 4, соединенных между собой в точках, расположенных вдоль длинных сторон плат, так что при соединении плат в этих точках образуется цилиндрическая спиралеобразная цепь из блоков. Каждый блок содержит конденсатор С и, соединенный с ним последовательно, низкоомный демпфирующий резистор r, а также шунтирующий это соединение высокоомный резистор R. Возможно исполнение высоковольтного плеча, в котором используется цепь блоков, каждый из которых содержит конденсатор С и шунтирующий его высокоомный резистор R и, соединенный с ними последовательно, низкоомный демпфирующий резистор r. Цепь блоков одним концом подключена к высоковольтному электроду с помощью проводника 13 и винта 14, а другим - к центральному к болту 5 коаксиального вывода. Болт крепиться с помощью изоляционной втулки 6, изоляционной шайбы 7 и гайки 8 в отверстии в центре низковольтного электрода. К головке болта крепится металлический проводник, соединяющий высоковольтное плечо с блоком низковольтного плеча.
Платы с R-C-r блоками расположены между верхним 10 и нижним 9 тарельчатыми электродами, которые соединены с высоковольтным и заземленным электродами соответственно. Высота платы Н и диаметр корпуса определяют рабочий объем высоковольтного плеча делителя, в котором сконцентрированы электромагнитные процессы, происходящие в высоковольтном плече при преобразовании измерительного сигнала. Тарельчатые электроды выравнивают эквипотенциальные поверхности на концах плат, искажение которых создается выемками на высоковольтном и низковольтном электродах, а также технологическими пустотами внутри цилиндрической оболочки.
С целью исключения перемещения дополнительных электродов и узла печатных плат в процессе эксплуатации свободное пространство цилиндрического корпуса заполнено сыпучим диэлектриком 11 (например, кварцевый песок или мел), который препятствует возникновению электрической дуги между элементами делителя, разбрызгиванию расплавленного металла при разрушении элементов и фиксируется в корпусе делителя с помощью эпоксидного клея 12.
Делитель содержит высоковольтное плечо, состоящее из N соединенных последовательно R-C-r блоков. Блоки высоковольтного плеча расположены вдоль витков цилиндрической спирали, внутренний диаметр которой равен диаметру окружности, описанной вокруг равностороннего многоугольника, сторона которого равна длине проекции L/n блока на плоскость, перпендикулярную оси спирали, причем точки соединения блоков лежат на этой спирали. Расстояние между витками цилиндрической спирали определяется из формулы s=(H×L)/N.
Блоки установлены на платах, которые одновременно являются гранями прямой призмы высотой Н, а основанием - правильный многоугольник. Точки соединения блоков лежат в точках пересечения ребер (aa", bb", cc", dd") прямой призмы с витками спирали W. На плате точки соединения соответствуют отверстиям, расположенным по краям узкой стороны с шагом, равным шагу спирали и смещенным относительно узкой стороны, принятой за базу, на (k-1)×(L/n)×tgα и k×(L/n)×tgα (где k - порядковый номер плат, выбираемый из ряда 1, 2, …, n, α - угол наклона оси блока к базе).
Работает делитель напряжений следующим образом.
Измеряемое напряжение U1 прикладывается между высоковольтным и низковольтным электродами. В пассивной измерительной цепи, образованной высоковольтным (ВП) и низковольтным (НП) плечами, в точке соединения (болт 5) высоковольтного и низковольтного плеча появляется напряжение U2, пропорциональное по амплитуде входному напряжению и используемое для передачи, хранения и дальнейшей обработки измерительной информации. Значение коэффициента пропорциональности (деления) определяется соотношением значений элементов R-C-r блоков, а также взаимным расположением элементов конструкций высоковольтного плеча делителя в пространстве. При протекании тока между тарельчатыми электродами возникает электромагнитное поле, характеристики которого благодаря спиралеобразному размещению блоков, превышают характеристики электромагнитного поля окружающей среды, что делает делитель помехоустойчивым.