Система для мониторинга температуры электрического проводника
SYSTEM FOR MONITORING TEMPERATURE OF ELECTRICAL CONDUCTORS

Область техники
Настоящее изобретение, в целом, относится к системам для мониторинга температуры электрического проводника и, более конкретно, к системам для мониторинга температуры электрического проводника, заключенного, по меньшей мере, в (полу) проводящий слой, например электрического проводника в электрическом силовом кабеле в высоковольтной системе энергораспределения.
Уровень техники
Высоковольтные системы энергораспределения играют важную роль в современном обществе. Безвредность и безопасность всегда являются важными факторами оценки состояния исправности таких высоковольтных систем энергораспределения. Соответственно, требуются технические решения, позволяющие выполнять мониторинг состояния исправности высоковольтной системы энергораспределения.
В высоковольтной системе энергораспределения температура проводников в электрических кабелях возрастает с увеличением токов, проходящих по кабелям. Соответственно, состояние исправности такой системы можно оценивать при помощи мониторинга температуры работающего электрического проводника, например, в местах сращиваний или соединений кабелей, которые могут быть наиболее слабыми местами такой системы. Обычно нормальные токи, протекающие через такие сращивания или соединения кабелей, могут создавать температуру до, примерно, 90 градусов по Цельсию. Если температуры в местах сращиваний или соединений кабелей поднимаются выше этого значения, то это может указывать на то, что в данной системе энергораспределения могут иметь место неисправности. С другой стороны, всегда полезно знать, работает ли имеющаяся система энергораспределения с максимально допустимыми токами, чтобы знать, можно ли, не снижая надежности, передавать при помощи имеющейся системы дополнительную мощность, либо знать, необходимы ли дополнительные расходы на инфраструктуру.
Работающие силовые кабели, а также места сращиваний или соединений кабелей высоковольтных систем энергораспределения обычно являются изолированными и защищенными рядом изолирующих и (частично) электропроводных слоев и обычно размещены под землей или находятся на значительной высоте. Поэтому мониторинг температуры работающего электрического проводника, например, непосредственно в местах сращиваний или соединений кабелей является непростой задачей.
В настоящем описании применяются следующие термины:
«(полу) проводящий» означает, что слой может быть частично электропроводным или электропроводным, в зависимости от конкретной конструкции;
«тепловой контакт» между двумя деталями означает, что между этими деталями может происходить обмен энергией в форме тепла;
«непосредственный контакт» между двумя деталями означает физический контакт.
На фиг. 1 показан пример стандартного узла 30 сращивания высоковольтного кабеля, в котором сращиваются две части электрического кабеля 10. Как видно на фиг. 1, электрический кабель 10 содержит электрический проводник 31, изолирующий слой 33 и (полу) проводящий слой 35. Коннектор 12 располагается концентрически вокруг сращиваемого электрического проводника 31. Первый (полу) проводящий (или электродный) слой 13, в данном случае это металлический слой, располагается концентрически вокруг сращиваемого электрического проводника 31 и коннектора 12, образуя экранирующую клетку Фарадея вокруг коннектора 12 и электрического проводника 31. Изолирующий слой 11 (содержащий геометрические элементы 16 регуляции напряжений) располагается вокруг первого (полу) проводящего слоя 13. Описанная выше конструкция размещена внутри второго (полу) проводящего слоя 14, который в данном случае представляет собой металлический корпус, который действует как экранирующий и заземляющий слой. Внутрь металлического корпуса 14 через одно из отверстий 18 залита смола 17, которая заполняет область вокруг изолирующего слоя 11. А наружным слоем служит слой 15 усаживаемой оболочки.
Поэтому существует потребность в разработке решения, позволяющего осуществлять мониторинг температуры электрического проводника, заключенного, по меньшей мере, в (полу) проводящий слой, например, в высоковольтной системе энергораспределения.
Сущность изобретения
В соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения, предлагается система для мониторинга температуры электрического проводника, заключенного, по меньшей мере, в первый (полу) проводящий слой. Система включает пассивный индуктивный узел, узел приемопередатчика и блок управления. Опционально система дополнительно включает блок управления. Пассивный индуктивный узел включает, по меньшей мере, один термочувствительный компонент и выполнен таким образом, чтобы его резонансная частота и/или величина добротности Q изменялись в зависимости от температуры электрического проводника. Термочувствительный компонент имеет характерный параметр, который изменяется в зависимости от температуры, и выполнен таким образом, чтобы иметь тепловой контакт с электрическим проводником. Узел приемопередатчика выполнен таким образом, чтобы он имел электромагнитную связь с пассивным индуктивным узлом и чтобы он излучал выходной сигнал, соответствующий резонансной частоте и/или величине добротности Q пассивного индуктивного узла. Кроме того, узел приемопередатчика выполнен таким образом, чтобы он мог устанавливать связь с блоком управления, который регистрирует сигнал, соответствующий резонансной частоте и/или величине добротности Q, и который определяет значение температуры электрического проводника исходя из зарегистрированного сигнала, соответствующего резонансной частоте и/или величине добротности Q. Блок управления выполнен таким образом, чтобы он мог устанавливать связь с узлом приемопередатчика для того, чтобы регистрировать сигнал, соответствующий резонансной частоте и/или величине добротности Q, и для того, чтобы определять значение температуры электрического проводника исходя из зарегистрированного сигнала, соответствующего резонансной частоте и/или величине добротности Q.
Во время работы, в том случае, когда возникает необходимость мониторинга температуры электрического проводника, блок управления может посылать на узел приемопередатчика командный сигнал. Когда узел приемопередатчика принимает командный сигнал, то он посылает на индуктивный узел сигнал возбуждения. Под воздействием сигнала возбуждения в индуктивном узле возникают колебания. Узел приемопередатчика обнаруживает сигнал колебаний, исходящий от индуктивного узла, и посылает на блок управления сигнал обратной связи. Сигнал колебаний и сигнал обратной связи содержат информацию, соответствующую резонансной частоте и/или величине добротности Q индуктивного узла, которые изменяются в зависимости от температуры электрического проводника. Таким образом, блок управления может определить значение температуры электрического проводника исходя из зарегистрированного сигнала обратной связи.
В соответствии с настоящим изобретением, температура электрического проводника (например, вблизи от коннектора) определяется путем регистрации других параметров, таких как резонансная частота и/или величина добротности Q пассивного индуктивного узла, которые содержат информацию о температуре электрического проводника. В отличие от этого многие известные в данной области техники решения используют датчики температуры, установленные на внешней поверхности силового кабеля, и выполняют оценку температуры самого проводника. Кроме того, пассивный индуктивный узел, в соответствии с настоящим изобретением, не нуждается в электропитании и содержит пассивные электрические элементы, имеющие длительные сроки службы. Это позволяет создать систему с большей надежностью и длительным сроком службы.
Краткое описание чертежей
Эти и/или иные примеры воплощения настоящего изобретения и их преимущества будут более понятными и очевидными из приводимого ниже подробного описания предпочтительных воплощений настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи:
Фиг. 1. Эскизный вид с частичным разрезом узла сращивания кабеля, в соответствии с известными ранее решениями;
Фиг. 2. Структурная схема системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 3. Принципиальная электрическая схема LC-контура системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 4. График зависимости между температурой электрического проводника, индуктивностью термочувствительной катушки индуктивности и резонансной частотой LC-контура, показанного на фиг. 3;
Фиг. 5. Принципиальная электрическая схема LC-контура системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 6. Принципиальная электрическая схема LC-контура системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 7. График зависимости между температурой электрического проводника, электрическим сопротивлением термочувствительного резистора и резонансной частотой LC-контура, показанного на фиг. 6;
Фиг. 8. Принципиальная электрическая схема LC-контура системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 9. График зависимости между температурой электрического проводника, электрическим сопротивлением термочувствительного резистора и резонансной частотой LC-контура, показанного на фиг. 8;
Фиг. 10. Принципиальная электрическая схема системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 11. Эскизный вид с частичным разрезом примера использования в узле сращивания кабеля системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 12. Вид в разрезе участка электрического проводника в узле сращивания кабеля, с пассивным индуктивным узлом системы, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 13. Изометрический вид с частичным разрезом участка узла сращивания кабеля, показанного на фиг. 11, но имеющего другую конструкцию слоя усаживаемой оболочки;
Фиг. 14(a). Эскизный вид с частичным разрезом примера использования в узле сращивания кабеля системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 14(b). Эскизный вид с частичным разрезом примера использования в узле сращивания кабеля системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 15. Эскизный вид с частичным разрезом примера использования в узле сращивания кабеля системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Фиг. 16. Эскизный вид с частичным разрезом примера использования в узле сращивания кабеля системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения; и
Фиг. 17. Эскизный вид с частичным разрезом примера использования в узле сращивания кабеля системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения;
Объем настоящего изобретения не ограничивается эскизными видами, приведенными на чертежах, количеством составляющих компонентов, материалами, из которых они изготовлены, их формами, их взаимным расположением и т.д., которые приведены только в качестве примеров воплощения настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Ниже приводится подробное описание примеров воплощения настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых сходным элементам присвоены одинаковые позиционные обозначения. Однако настоящее изобретение допускает различные варианты реализации и не ограничивается описываемыми здесь примерами воплощения, которые приведены лишь для полноты и детальности настоящего описания, с тем, чтобы оно могло наиболее полно донести до сведущих в данной области техники замысел настоящего изобретения.
Настоящее изобретение относится к примерам воплощения систем для мониторинга температуры электрического проводника в электрическом кабеле, например, в местах сращивания или соединения кабелей. В соответствии с некоторыми из примеров воплощения настоящего изобретения, такая система и способ позволяют дистанционно выполнять мониторинг температуры проводника в кабеле. Как было указано выше, места сращиваний или соединений кабелей могут иметь наименьшие максимально допустимые токи в высоковольтной системе энергораспределения и могут иметь более высокую вероятность выхода из строя в случае превышения максимально допустимых значений токов. Системы для мониторинга температуры электрического проводника, в соответствии с примерами воплощения настоящего изобретения, могут быть использованы для выполнения мониторинга температуры электрического проводника, расположенного в местах сращиваний или соединений кабелей, таким образом, чтобы вывод о том, в правильном ли режиме работают электрический проводник и узлы сращиваний или соединений кабелей или нет, можно было бы сделать исходя из значения температуры.
На фиг. 2 приведена схема системы 100 для мониторинга температуры электрического проводника 31, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения. Система 100 включает пассивный индуктивный узел 20, узел 40 приемопередатчика и блок 50 управления. Пассивный индуктивный узел 20 выполнен таким образом, что он включает, по меньшей мере, один термочувствительный компонент, например термочувствительный конденсатор, термочувствительную индуктивность, термочувствительный переключатель или термочувствительный резистор, как будет описано ниже. Термочувствительный компонент имеет характерный параметр, который изменяется в зависимости от температуры, и выполнен таким образом, чтобы он имел тепловой контакт с электрическим проводником 31, например непосредственный контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31. Кроме того, пассивный индуктивный узел 20 выполнен таким образом, чтобы его резонансная частота и/или величина добротности Q изменялись в зависимости от температуры электрического проводника 31. Узел 40 приемопередатчика выполнен таким образом, чтобы он имел электромагнитную связь с пассивным индуктивным узлом 20 и чтобы он излучал выходной сигнал, соответствующий резонансной частоте и/или величине добротности Q пассивного индуктивного узла 20. Блок 50 управления выполнен таким образом, чтобы он мог устанавливать связь с узлом 40 приемопередатчика для того, чтобы регистрировать сигнал, соответствующий резонансной частоте и/или величине добротности Q, и для того, чтобы определять значение температуры электрического проводника 31 исходя из зарегистрированного сигнала, соответствующего резонансной частоте и/или величине добротности Q.
Во время работы, в том случае, когда возникает необходимость мониторинга температуры электрического проводника 31, блок 50 управления может посылать на узел 40 приемопередатчика командный сигнал S1. Когда узел 40 приемопередатчика принимает командный сигнал S1, то он посылает на индуктивный узел 20 сигнал S2 возбуждения. Под воздействием сигнала S2 возбуждения в индуктивном узле 20 возникают колебания. Узел 40 приемопередатчика обнаруживает сигнал S3 колебаний, исходящий от индуктивного узла 20, и посылает на блок 50 управления сигнал S4 обратной связи. Сигнал S3 колебаний и сигнал S4 обратной связи содержат информацию, соответствующую резонансной частоте и/или величине добротности Q индуктивного узла 20, которые изменяются в зависимости от температуры электрического проводника 31. Таким образом, блок 50 управления может определить значение температуры электрического проводника 31 исходя из зарегистрированного сигнала S4 обратной связи.
В соответствии с альтернативным примером воплощения настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, система 100 может дополнительно включать блок 60 для получения энергии. Блок 60 для получения энергии предназначен для получения электрической энергии от электрического проводника 31, когда по электрическому проводнику 31 протекает переменный ток, и для подачи полученной электрической энергии на узел 40 приемопередатчика и/или блок 50 управления.
В соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения, блок 60 для получения энергии может содержать катушку 61 индуктивности, показанную на фиг. 11, такую, как трансформатор тока с ферромагнитным сердечником, трансформатор тока с воздушным сердечником или кольцо Роговского. Катушка 61 индуктивности может быть расположена снаружи первого (полу) проводящего слоя 13 или снаружи второго (полу) проводящего слоя, если таковой используется.
В соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения настоящего изобретения, блок 60 для получения энергии может использоваться, главным образом, для подачи полученной электрической энергии на узел 40 приемопередатчика таким образом, что блок 60 для получения энергии может быть расположен снаружи слоя, в котором расположен узел 40 приемопередатчика. Таким образом, блок 60 для получения энергии может быть электрически соединен с узлом 40 приемопередатчика при помощи одного или более проводников.
В соответствии с альтернативным примером воплощения настоящего изобретения, блок 60 для получения энергии может дополнительно включать схему выпрямителя, предназначенную для того, чтобы адаптировать полученную электрическую энергию для подачи на узел 40 приемопередатчика и/или блок 50 управления.
Как показано на фиг. 3, в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения, индуктивный узел 20 включает LC-контур 21. LC-контур 21 включает катушку 21L индуктивности и конденсатор 21С, электрически соединенные последовательно, например, при помощи проводника. В соответствии с альтернативным примером воплощения настоящего изобретения, конденсатор 21С может быть термочувствительным компонентом, то есть термочувствительным конденсатором, и иметь емкость, которая зависит от температуры. В этом случае, при практической реализации, термочувствительный конденсатор 21С будет иметь тепловой контакт или непосредственный контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31. Катушка 21L индуктивности также может быть термочувствительным компонентом; то есть термочувствительной катушкой индуктивности, индуктивность которой зависит от температуры. В последнем случае, при практической реализации термочувствительная катушка 21L индуктивности будет иметь тепловой контакт или непосредственный контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31. В соответствии с еще одним альтернативным примером воплощения настоящего изобретения, как конденсатор 21С, так и катушка 21L индуктивности могут быть термочувствительными компонентами.
Резонансная частота fr LC-контура 21 может быть рассчитана по приведенной ниже формуле
в которой L обозначает величину индуктивности, например величину индуктивности катушки 21L индуктивности; С обозначает величину емкости, например величину емкости конденсатора 21С.
В реальности, LC-контур 21 может иметь некоторые омические потери, диссипативные потери и/или потери, связанные с поглощением, которые можно моделировать при помощи одного последовательно включенного резистора Rs небольшой величины. Величина добротности Q такого LC-контура 21 может быть рассчитана по приведенной ниже формуле
,
0
r
r
где ω=2πf, а f - резонансная частота.
Можно видеть, что при изменении величины как индуктивности, так и емкости LC-контура 21, соответственно, будут изменяться резонансная частота fr и величина добротности Q. В соответствии с показанным на фиг. 3 примером воплощения настоящего изобретения, поскольку, по меньшей мере, один из компонентов катушки 21L индуктивности и конденсатора 21С является термочувствительным и выполнен таким образом, чтобы иметь тепловой контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31, то температура этих термочувствительных катушки 21L индуктивности и/или конденсатора 21С будет изменяться при изменении температуры электрического проводника 31, вызывая, тем самым, изменение величины индуктивности или емкости LC-контура 21. В результате, резонансная частота fr и величина добротности Q LC-контура 21 изменяются при изменении температуры электрического проводника 31.
Следует понимать, что LC-контур 21 может включать множество конденсаторов и/или множество катушек индуктивности. Катушка индуктивности может быть заменена индуктивностью другого типа.
На фиг. 4 показан график зависимости между температурой электрического проводника 31, величиной электрической индуктивности термочувствительной катушки 21L индуктивности и резонансной частотой fr LC-контура 21. Эта зависимость была определена в ходе экспериментов, в которых термочувствительная катушка 21L индуктивности содержала термочувствительный феррит с температурой Кюри, равной 80°С, а конденсатор 21С имел постоянную емкость величиной в 2,64 микрофарады. На фиг. 4 видно, что при увеличении температуры электрического проводника 31 величина электрической индуктивности катушки 21L индуктивности уменьшается, а резонансная частота fr LC-контура 21, соответственно, повышается. Существует определенная взаимосвязь между температурой электрического проводника 31 и резонансной частотой fr LC-контура 21. Если измерять резонансную частоту fr LC-контура 21, то, используя эту определенную взаимосвязь, можно определить температуру электрического проводника 31.
В соответствии с еще одним из примеров воплощения настоящего изобретения, пассивный индуктивный узел 20 включает LC-контур 22, показанный на фиг. 5, который включает множество емкостных ветвей 220, включенных параллельно друг другу, и катушку 22L индуктивности, электрически соединенную последовательно со множеством емкостных ветвей 220. Каждая из множества емкостных ветвей 220 включает конденсатор 22С (т.е. C1, С2, С3, С4 и т.д. до Сn) и термочувствительный переключатель 22S (т.е. S1, S2, S3, S4 и т.д. до Sn), электрически соединенный последовательно с конденсатором. На практике, с целью поддержания энергетического баланса, может применяться отдельный конденсатор СВ, электрически соединенный параллельно со множеством емкостных ветвей 220. В альтернативном воплощении, каждый конденсатор 22С имеет постоянную емкость. Каждый термочувствительный переключатель 22S имеет уникальную температуру включения и/или уникальную температуру выключения. Эти температуры включения или выключения образуют непрерывные и не перекрывающиеся диапазоны температур таким образом, что когда электрический проводник 31 имеет температуру, попадающую в определенный поддиапазон температур, то, по меньшей мере, один переключатель из числа термочувствительных переключателей 22S находится во включенном состоянии и обеспечивает электрическое подключение соответствующей емкостной ветви 220 последовательно с катушкой 22L индуктивности. Таким образом, для каждого конкретного поддиапазона температур, например 85-90°С, LC-контур 22 имеет уникальную емкость и, следовательно, LC-контур 22 имеет уникальную резонансную частоту fr и/или величину добротности Q. При практической реализации настоящего изобретения, множество термочувствительных переключателей 22S будут иметь тепловой контакт или непосредственный контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31 таким образом, чтобы температуры переключателей 22S и электрического проводника 31 были одинаковы.
В соответствии с еще одним из примеров воплощения настоящего изобретения, пассивный индуктивный узел 20 включает LC-контур 23, показанный на фиг. 6. LC-контур 23 включает катушку 23L индуктивности и первый конденсатор 23С1, электрически соединенный последовательно с ней, и термочувствительный резистор 23R, соединенный параллельно с первым конденсатором 23С1 и катушкой 23L индуктивности. Величина сопротивления термочувствительного резистора 23R зависит от температуры. Кроме того, второй конденсатор 23С2 может быть подключен последовательно с термочувствительным резистором 23R. При практической реализации настоящего изобретения, термочувствительный резистор 23R имеет тепловой контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31. При этом, предпочтительно, катушка 23L индуктивности, первый конденсатор 23С1 и второй конденсатор 23С2 могут не быть термочувствительными компонентами.
На фиг. 7 показан график зависимости между температурой электрического проводника 31, величиной электрического сопротивления термочувствительного резистора 23R, входящего в состав LC-контура 23, и резонансной частотой LC-контура 23, в соответствии с примером воплощения настоящего изобретения, приведенным на фиг. 6. На фиг. 7 на оси X представлена температура электрического проводника 31, на левой оси Y представлено сопротивление термочувствительного резистора 23R, а на правой оси Y представлена резонансная частота LC-контура 23. На фиг. 7 видно, что при увеличении температуры электрического проводника 31 величина сопротивления термочувствительного резистора 23R уменьшается, и резонансная частота fr LC-контура 23, соответственно, понижается. Существует определенная взаимосвязь между температурой электрического проводника 31 и резонансной частотой fr LC-контура 23. Если измерять резонансную частоту fr LC-контура 23, то, используя эту определенную взаимосвязь, можно определить температуру электрического проводника 31.
В соответствии с еще одним из примеров воплощения настоящего изобретения, пассивный индуктивный узел 20 включает LC-контур 24, показанный на фиг. 8. LC-контур 24 представляет собой несколько видоизмененный LC-контур 23, показанный на фиг. 6. LC-контур 24 включает первую катушку 24L1 индуктивности и конденсатор 24С, электрически соединенный последовательно с ней, и термочувствительный резистор 24R, соединенный параллельно с конденсатором 24С и первой катушкой 24L1 индуктивности. Величина сопротивления термочувствительного резистора 24R зависит от температуры. Кроме того, вторая катушка 24L2 индуктивности подключена последовательно с термочувствительным резистором 24R. При практической реализации настоящего изобретения, термочувствительный резистор 24R имеет тепловой контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31. При этом, предпочтительно, первая катушка 24L1 индуктивности, вторая катушка 24L2 индуктивности и конденсатор 24С могут не быть термочувствительными компонентами.
На фиг. 9 показан график зависимости между температурой электрического проводника 31, величиной электрического сопротивления термочувствительного резистора 24R, входящего в состав LC-контура 24, и резонансной частотой LC-контура 24, в соответствии с примером воплощения настоящего изобретения, приведенным на фиг. 8. На фиг. 9 на оси X представлена температура электрического проводника 31, на левой оси Y представлено сопротивление термочувствительного резистора 24R, а на правой оси Y представлена резонансная частота LC-контура 24. На фиг. 9 видно, что при увеличении температуры электрического проводника 31 величина сопротивления термочувствительного резистора 24R уменьшается, и резонансная частота fr LC-контура 24, соответственно, понижается. Существует определенная взаимосвязь между температурой электрического проводника 31 и резонансной частотой fr LC-контура 24. Если измерять резонансную частоту fr LC-контура 24, то, используя эту определенную взаимосвязь, можно определить температуру электрического проводника 31.
Так же, как и в примерах воплощения настоящего изобретения, показанных на фиг. 6 и фиг. 8, могут быть зарегистрированы резонансная частота и/или величина добротности Q пассивного индуктивного узла 20, зависящие от изменения сопротивления термочувствительного резистора.
В соответствии с еще одним из примеров воплощения настоящего изобретения, пассивный индуктивный узел 20, кроме описанного выше LC-контура 21, 22, 23, 24, может дополнительно включать компонент приемопередатчика сигналов, который предназначен для передачи сигнала между LC-контуром и узлом 40 приемопередатчика, например, для приема сигналов от узла 40 приемопередатчика и для передачи сигналов на узел 40 приемопередатчика. Компонент приемопередатчика сигналов может быть включен последовательно или параллельно с LC-контуром и может представлять собой катушку индуктивности, имеющую электромагнитную связь с узлом 40 приемопередатчика, или антенну.
В соответствии с некоторыми из примеров практического воплощения настоящего изобретения, электрический проводник 31 может быть заключен внутри электропроводного материала, например металлического листа, таким образом, что сигнал антенны не может быть передан наружу, сквозь электропроводный материал, с удовлетворительным качеством. В таком случае, хорошим вариантом для передачи сигнала колебаний от LC-контура наружу, сквозь электропроводный материал, будет использование катушки индуктивности, применяемой в качестве компонента приемопередатчика сигналов, имеющего электромагнитную связь с узлом 40 приемопередатчика. Таким образом, катушка индуктивности может быть использована в качестве компонента приемопередатчика сигналов. В соответствии с еще более предпочтительным примером воплощения настоящего изобретения, катушка индуктивности может быть той же катушкой индуктивности, которая используется в LC-контуре 21, 22, 23, 24. То есть катушка индуктивности или термочувствительная катушка 21L, 22L, 23L, 24L1 индуктивности, показанная в LC-контурах 21, 22, 23, 24, соответственно, может выполнять две функции, одна из которых - это передача сигнала, а вторая - это внесение индуктивности в LC-контур. В этом случае, система может содержать меньше компонентов и быть дешевле.
В соответствии с настоящим изобретением, температура электрического проводника определяется путем регистрации других параметров, таких как резонансная частота и/или величина добротности Q пассивного индуктивного узла, которые содержат информацию о температуре электрического проводника. В отличие от этого, многие известные в данной области техники решения используют датчики температуры, установленные на внешней поверхности силового кабеля, и выполняют оценку температуры самого проводника. Кроме того, пассивный индуктивный узел, в соответствии с настоящим изобретением, не нуждается в электропитании и содержит пассивные электрические элементы, имеющие длительные сроки службы. Это позволяет создать систему с большей надежностью и длительным сроком службы.
Узел 40 приемопередатчика предназначен для установления связи с пассивным индуктивным узлом 20 и блоком 50 управления. При практической реализации настоящего изобретения, поскольку как узел 40 приемопередатчика, так и блок 50 управления могут быть расположены снаружи первого (полу) проводящего слоя, который окружает электрический проводник 31, температуру которого необходимо контролировать, не возникает затруднений при установлении связи между узлом 40 приемопередатчика и блоком 50 управления, например, при помощи одного или более проводников. Однако, поскольку пассивный индуктивный узел 20 обычно располагается внутри первого (полу) проводящего слоя, установить связь между узлом 40 приемопередатчика и пассивным индуктивным узлом 20 может быть затруднительно, если первый (полу) проводящий слой значительно ослабляет сигнал антенны. В соответствии с некоторыми из примеров воплощения настоящего изобретения, предлагается использовать электромагнитную связь между узлом 40 приемопередатчика и пассивным индуктивным узлом 20 для установления связи между ними и обнаружения сигнала, содержащего информацию о резонансной частоте и/или величине добротности Q пассивного индуктивного узла 20.
Как показано на фиг. 14(a), фиг. 14(b) и фиг. 15, в соответствии с некоторыми из примеров воплощения настоящего изобретения, узел 40 приемопередатчика может включать передающую катушку 42 индуктивности и приемную катушку 41 индуктивности. Передающая катушка 42 индуктивности предназначена для излучения сигнала возбуждения под управлением блока 50 управления таким образом, чтобы создать колебания в пассивном индуктивном узле 20. Приемная катушка 41 индуктивности предназначена для того, чтобы в ней возникали колебания в соответствии с колебаниями в пассивном индуктивном узле 20, с тем, чтобы формировать сигнал обратной связи (т.е. сигнал колебаний) и подавать его на блок 50 управления. При практической реализации настоящего изобретения как передающая катушка 42 индуктивности, так и приемная катушка 41 индуктивности имеют электромагнитную связь с пассивным индуктивным узлом 20, например, посредством катушки индуктивности или термочувствительной катушки 21L, 22L, 23L, 24L1 индуктивности. В альтернативном воплощении, передающая катушка 42 индуктивности и приемная катушка 41 индуктивности могут быть рассчитаны на различные частоты, в этом случае может быть достигнуто более высокое качество связи.
Как показано на фиг. 10, в соответствии с еще одним из примеров воплощения настоящего изобретения, узел 40 приемопередатчика включает катушку 44 индуктивности, которая предназначена для излучения сигнала возбуждения таким образом, чтобы создать колебания в пассивном индуктивном узле 20, а также для того, чтобы в ней возникали колебания в соответствии с колебаниями в пассивном индуктивном узле 20. Это означает, что эта катушка 44 индуктивности имеет функции, которые выполняют передающая катушка 42 индуктивности и приемная катушка 41 индуктивности совместно. В этом случае, система может включать меньшее количество компонентов и иметь более простую конструкцию.
В приведенном выше описании представлены некоторые из примеров воплощения пассивного индуктивного узла 20 и узла 40 приемопередатчика. В качестве примера одного из возможных воплощений настоящего изобретения, на фиг. 10 приведена схема системы 100. Система 100 включает пассивный индуктивный узел 20, образованный катушкой 21L индуктивности и термочувствительным конденсатором 21С, узел 40 приемопередатчика, образованный катушкой 44 индуктивности, как описано выше, и блок 50 управления. Катушка 21L индуктивности пассивного индуктивного узла 20 имеет электромагнитную связь с катушкой 44 индуктивности узла 40 приемопередатчика, который имеет электрическое соединение с блоком 50 управления.
Как указано выше, блок 50 управления выполнен таким образом, чтобы он мог устанавливать связь с узлом 40 приемопередатчика для того, чтобы регистрировать сигнал, соответствующий резонансной частоте и/или величине добротности Q пассивного индуктивного узла 20, и для того, чтобы определять значение температуры электрического проводника 31 исходя из зарегистрированного сигнала, соответствующего резонансной частоте и/или величине добротности Q. Блок 50 управления может быть расположен удаленно, снаружи второго (полу) проводящего слоя 14. Блок 50 управления может быть электрически подключен к узлу 40 приемопередатчика, например, при помощи одного или более проводников. Блок 50 управления может содержать алгоритмическую таблицу, в которой приведена зависимость между значением температуры электрического проводника 31 и резонансной частотой и/или величиной добротности Q. Алгоритмическая таблица получена в ходе экспериментов или испытаний.
Пример проведения экспериментов описывается применительно к показанному на фиг. 10 воплощению системы. В качестве испытуемого электрического проводника использовали медный проводник, катушка 21L индуктивности пассивного индуктивного узла 20 имела электрическую индуктивность в 1,24 мГн, а термочувствительный конденсатор 21С имел электрическую емкость в 17 нФ при температуре 25°С. Значение емкости термочувствительного конденсатора 21С изменялось в соответствии с изменениями температуры медного электрического проводника, прямо пропорционально, на 100 пФ, при изменении температуры на 1°С.
Медный проводник нагревали до различных температур и измеряли соответствующие значения резонансной частоты и/или величины добротности Q. Зарегистрированные в ходе этих экспериментов различные значения температуры электрического проводника 31 и соответствующие им значения резонансной частоты и/или величины добротности Q приведены в таблице 1.
На фиг. 11-17 показаны различные подходящие варианты расположения пассивного индуктивного узла 20, узла 40 приемопередатчика и блока 50 управления при использовании системы для мониторинга температуры электрического проводника 31, например, заключенного в высоковольтном узле сращивания кабеля.
В соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения, на фиг. 11 показано воплощение настоящего изобретения, предназначенное для измерения температуры электрического проводника 31, заключенного в узле сращивания кабеля. В данном воплощении настоящего изобретения, участки электрического проводника 31 покрыты коннектором 12, а затем заключены в первый (полу) проводящий слой 13, изолирующий слой 11, второй (полу) проводящий слой 14 и слой 15 усаживаемой оболочки. В соответствии с данным примером воплощения настоящего изобретения, слой 15 усаживаемой оболочки включает две перекрывающихся части 151 и 152, что позволяет оставить проход 153 между перекрывающимися частями. Проход 153 ведет снаружи слоя 15 усаживаемой оболочки, через отверстие 18 во втором (полу) проводящем слое 14, внутрь второго (полу) проводящего слоя 14.
Как показано на фиг. 11, пассивный индуктивный узел 20 расположен вблизи от электрического проводника 31, внутри первого (полу) проводящего слоя 13. Предпочтительно, между слоем 33 изоляции кабеля 10 и коннектором 12 остается оголенный участок электрического проводника 31, и пассивный индуктивный узел 20 может быть расположен вокруг оголенного участка электрического проводника 31. Более подробное описание расположения пассивного индуктивного узла 20 будет приведено ниже при описании фиг. 12.
Узел 40 приемопередатчика располагается снаружи первого (полу) проводящего слоя 13 и внутри второго (полу) проводящего слоя 14, т.е. между первым (полу) проводящим слоем 13 и вторым (полу) проводящим слоем 14. Предпочтительно, узел 40 приемопередатчика и пассивный индуктивный узел 20 располагаются в пределах одного и того же поперечного сечения с тем, чтобы улучшить электромагнитную связь. В том случае, если катушка 44 индуктивности функционирует как узел 40 приемопередатчика, как это показано на фиг. 10, то катушка 44 индуктивности может быть намотана вокруг изолирующего слоя 11. Более подробное описание воплощений узла 40 приемопередатчика и его расположения будет приведено ниже при описании фиг. 13-15.
Блок 50 управления предназначен для установления связи с узлом 40 приемопередатчика при помощи проводника 51. Проводник 51 может быть размещен в проходе 153, таким образом, чтобы проводник 51 мог выходить из узла 40 приемопередатчика, проходить через отверстие 18 к блоку 50 управления. Блок 60 для получения энергии, включающий силовую катушку 61 индуктивности, может быть расположен снаружи узла 30 и вокруг кабеля 10 или он может быть расположен между вторым (полу) проводящим слоем 14 и слоем 15 усаживаемой оболочки. Блок 60 для получения энергии используется для энергоснабжения узла 40 приемопередатчика и/или блока 50 управления при помощи проводника 52. Несмотря на то, что в рамках настоящего описания каждый из проводников 51 и 52 называется «проводник», следует понимать, что любой из проводников 51 и 52 либо они оба могут содержать множество проводников, если это необходимо для функционирования системы.
На фиг. 12 показан увеличенный вид, иллюстрирующий пример расположения пассивного индуктивного узла 20. В данном примере пассивный индуктивный узел 20 включает катушку 21L индуктивности и конденсатор 21С, который является термочувствительным компонентом, как показано на фиг. 3. Катушка 21L индуктивности и термочувствительный конденсатор 21С электрически соединены при помощи проводника 220. Для установки катушки 21L индуктивности и конденсатора 21С предусмотрено приспособление 210. Например, приспособление 210 может включать основную часть 2101 и канал 2102. Канал 2102 предназначен для размещения в нем электрического проводника 31 таким образом, чтобы электрический проводник 31 проходил через канал 2102. Основная часть 2101 имеет камеру 2103, предназначенную для размещения термочувствительного конденсатора 21С, и камера 2103 может быть связана с каналом 2102 таким образом, чтобы во время работы термочувствительный конденсатор 21С мог иметь тепловой контакт или непосредственный контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31. Катушка 21L индуктивности может быть намотана вокруг основной части 2101. Приспособление 210 дополнительно включает кожух 2104, в который заключена основная часть 2101.
В том случае, если катушка 21L индуктивности является термочувствительным компонентом, то катушка 21L индуктивности может быть намотана непосредственно вокруг электрического проводника 31 и иметь непосредственный контакт с наружной поверхностью электрического проводника 31.
На фиг. 13 показан увеличенный аксонометрический вид индуктивного узла 20, расположенного на электрическом проводнике 31 вблизи от коннектора 12. В данном воплощении настоящего изобретения, слой 15 усаживаемой оболочки является непрерывным, и в слое 15 усаживаемой оболочки прорезано отверстие над отверстием 18, что делает возможным выход проводника 51.
На фиг. 14(a) показан еще один из примеров воплощения настоящего изобретения, в котором в качестве узла 40 приемопередатчика используются раздельные приемная катушка 41 и передающая катушка 42. В данном воплощении настоящего изобретения, как приемная катушка 41, так и передающая катушка 42 расположены внутри второго (полу) проводящего слоя 14. Передающая катушка 42 расположена таким образом, чтобы излучаемый ею сигнал возбуждения вызывал возникновение колебаний в пассивном индуктивном узле 20, а приемная катушка 41 расположена таким образом, что она оказывается примерно радиально центрированной с индуктивным узлом 20 для того, чтобы в приемной катушке 41 могли возникать колебания под воздействием колебаний в пассивном индуктивном узле 20. Приемная катушка 41 и передающая катушка 42, по отдельности, соединены с блоком 50 управления при помощи проводника 51. В данном воплощении настоящего изобретения, две части слоя 15 усаживаемой оболочки не перекрываются, оставляя участок второго (полу) проводящего слоя 14 открытым.
На фиг. 14(b) показан еще один из примеров воплощения настоящего изобретения, в котором узел 40 приемопередатчика содержит раздельные первую приемную катушку 41, передающую катушку 42 и вторую приемную катушку 43. В данном воплощении настоящего изобретения, первая приемная катушка 41, передающая катушка 42 и вторая приемная катушка 43 расположены внутри второго (полу) проводящего слоя 14. Передающая катушка 42 расположена таким образом, чтобы излучаемый ею сигнал возбуждения вызывал возникновение колебаний в пассивном индуктивном узле 20, а приемная катушка 41 расположена таким образом, что она оказывается примерно радиально центрированной с индуктивным узлом 20 для того, чтобы в приемной катушке 41 могли возникать колебания под воздействием колебаний в пассивном индуктивном узле 20. Первая и вторая приемные катушки 41, 43 и передающая катушка 42, по отдельности, соединены с блоком 50 управления при помощи проводника 51. В соответствии с некоторыми из примеров воплощения настоящего изобретения, первая приемная катушка 41 и вторая приемная катушка 43 соединены последовательно, но они могут быть также намотаны в противоположных направлениях. Такая конструкция может снизить уровень шума и улучшить соотношение сигнал/шум системы. Так же, как и на фиг. 14(a), в данном воплощении настоящего изобретения, две части слоя 15 усаживаемой оболочки не перекрываются, оставляя участок второго (полу) проводящего слоя 14 открытым.
На фиг. 15 показан еще один из примеров воплощения настоящего изобретения, аналогичный примеру, приведенному на фиг. 14(a), за исключением того, что приемная катушка 41 также расположена снаружи металлического корпуса 14. Могут быть использованы сходные конструкции, в которых используется узел 40 приемопередатчика, который содержит раздельные первую приемную катушку 41 и передающую катушку 42 (как показано на фиг. 11), либо используется также и вторая приемная катушка 43 (как показано на фиг. 14(b)). Катушки могут быть расположены внутри или снаружи слоя 15 усаживаемой оболочки. На фиг. 15 они показаны снаружи слоя 15 усаживаемой оболочки.
На фиг. 16 показан еще один из примеров воплощения настоящего изобретения, который применяется для узла 30 сращивания кабеля, в котором второй (полу) проводящий слой 14 содержит металлический корпус, включающий изолирующий разделитель 19 металлического экрана, который обеспечивает наличие кольца электроизоляционного материала между двумя частями второго (полу) проводящего слоя (электропроводного металлического корпуса). Металлические корпуса такого типа, например, в которых изолирующий разделитель 19 металлического экрана содержит вставку из стекловолокна, являются коммерчески доступными. В случае использования металлического корпуса такого типа, узел 40 приемопередатчика может быть расположен вокруг и снаружи изолирующего разделителя 19 металлического экрана. В данном воплощении настоящего изобретения упрощается считывание через изолирующий материал узлом 40 приемопередатчика информации с индуктивного узла 20. Могут быть использованы сходные конструкции, в которых узел 40 приемопередатчика заменен одной или двумя раздельными приемными катушкой/катушками 41, 43 и передающей катушкой 42.
На фиг. 17 показан еще один из примеров воплощения настоящего изобретения, который применяется для стандартного узла 30' сращивания кабеля другого типа, содержащего многослойную полимерную основу 39 сращивания. Основа 39 сращивания может содержать подходящие материалы, такие как каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM) или кремнийорганический каучук. Основа 39 сращивания может быть предназначена для холодной усадки или для проталкивания и обычно состоит из трех слоев, которые включают первый (полу) проводящий слой 13, изолирующий слой 11 и второй (полу) проводящий слой 14. Дополнительный электропроводный экран (не показан) может быть расположен поверх второго (полу) проводящего слоя 14, перед наложением слоя 15 усаживаемой оболочки, который показан состоящим из двух отдельных частей, что обеспечивает возможность выхода проводников 51, 52. Слой 15 усаживаемой оболочки является электроизолирующим и перекрывает участок оболочки 37 кабеля. Коммерчески доступной основой сращивания такого типа является основа 3М™ Cold Shrink QS-III Splice Kit, поставляемая фирмой 3М Company, США. Как показано на фиг. 17, индуктивный узел 20 присоединен к наружной поверхности электрического проводника 31. Узел 40 приемопередатчика расположен снаружи второго (полу) проводящего слоя 14 и под слоем 15 усаживаемой оболочки. Узел 40 приемопередатчика может содержать единственную катушку 44, раздельные приемную катушку 41 и передающую катушку 42 либо раздельные первую приемную катушку 41, передающую катушку 42 и вторую приемную катушку 43. В тех воплощениях настоящего изобретения, в которых второй (полу) проводящий слой 14 является полимерным и/или (полу) проводящим, узлу 40 приемопередатчика проще устанавливать связь с индуктивным узлом 20, чем тех воплощениях, в которых второй (полу) проводящий слой 14 является металлическим. В тех воплощениях настоящего изобретения, в которых поверх второго (полу) проводящего слоя 14 расположен дополнительный электропроводный слой, такой как сетчатый экранирующий чулок из проволоки, этот дополнительный электропроводный слой может быть расположен поверх узла 40 приемопередатчика либо под ним. Силовая катушка 61 индуктивности узла 60 получения электрической энергии расположена поверх (полу) проводящего слоя 35 кабеля 10. В альтернативном воплощении настоящего изобретения, одна или более из следующих позиций: первый (полу) проводящий слой 13, изолирующий слой 11 и второй (полу) проводящего слой 14, может быть сформирована отдельно. Например, второй (полу) проводящий слой 14 может быть сформирован отдельно от первого (полу) проводящего слоя 13 и изолирующего слоя 11. В данном воплощении настоящего изобретения, катушка узла 40 приемопередатчика может быть расположена под вторым (полу) проводящим слоем 14.