ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
SENSOR OF LIQUID DIELECTRIC ELECTROCONDUCTIVITY MONITORING

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к непрерывному измерению электрической проводимости жидких сред, и предназначено в частности для мониторинга состояния трансформаторных масел в работающем электроэнергетическом оборудовании высокого напряжения. Электрические характеристики масел (удельное объемное электрическое сопротивление и тангенс угла диэлектрических потерь) являются наиболее чувствительными и универсальными индикаторами появления в масле полярных продуктов старения, примесей и нерастворенной воды.
Известны датчики, предназначенные для дискретных измерений удельного объемного электрического сопротивления трансформаторных масел в лабораториях. Конструкции этих датчиков описаны в ГОСТ 6581-75. Такие датчики нельзя использовать в маслопроводах трансформаторного оборудования.
Для непрерывных измерений известен датчик контроля эксплуатационных характеристик жидких диэлектриков погружного типа, патент RU 46987 S. Недостатком данного датчика является конструкция электродов в виде прямоугольных пластин, что обусловливает неоднородность электрического поля, которая влияет на измерение электрических параметров исследуемых жидкостей и затрудняет применение данного изобретения в маслонаполненном трансформаторном оборудовании, где необходимо помещать датчик непосредственно во внутреннее пространство маслопроводов.
Известен также датчик, патент RU 2054663, представляющий собой пару проволочных электродов, расположенных в цилиндрическом трубопроводе на определенном расстоянии от стенок и симметрично оси канала. Конструкция такого датчика создает электрическое поле, присущее двухпроводной линии в бесконечной среде, и ее недостатком является низкая чувствительность, обусловленная малой собственной емкостью датчика.
Наиболее близкий к предлагаемому изобретению датчик, принятый в качестве прототипа, описан в патенте №ЕР 1598664 А1. Данный датчик представляет собой два цилиндрических коаксиально расположенных электрода, вставляемых в диэлектрический корпус с противоположных концов и частично входящих друг в друга. Диэлектрический корпус имеет прорези, по отношению к которым электроды образуют два цилиндрических объема. Один объем, являющийся внешним, обеспечивает циркуляцию жидкости, а второй (внутренний) объем является измерительной зоной. Датчик сконструирован таким образом, что только часть жидкости проходит в измерительную зону, а электроды дистанцируются друг от друга диэлектрическим корпусом, что требует дополнительного экранирования датчика.
Недостатком этого датчика при контроле диэлектрических жидкостей с высоким электрическим сопротивлением, к которым относится трансформаторное масло, является влияние на результаты измерений проводимости используемых диэлектрических материалов и поверхностной проводимости по границе раздела твердый диэлектрик-жидкость. Вторым недостатком конструкции известного датчика является сложная схема распределения потоков жидкости, при которой неизбежно возникновение турбулентностей, повышающих гидравлическое сопротивление и затрудняющих прокачку жидкости, а также зон, в которых накапливаются загрязнения.
Целью изобретения является создание датчика, в котором исключено влияние на процесс измерения внешних помех, проводимости используемых диэлектрических материалов и поверхностной проводимости по границам раздела твердый диэлектрик-жидкость, а также позволяющего использовать его в трубопроводах с движущимися жидкостями в широком диапазоне скоростей потока и при различных температурах.
Для достижения поставленной цели в датчике, содержащем два коаксиально расположенных цилиндрических электрода с электрическими выводами, помещенных в корпус с отверстиями (патрубками) входа и выхода исследуемой жидкости, корпус выполнен в виде полого металлического заземленного резервуара с электроизолирующим покрытием на внутренней поверхности и с двумя крышками. Крышки отделены от электродов изоляционными прокладками, расположенными вне рабочей зоны, и выполнены каждая с соответствующим отверстием (патрубком) для прохождения жидкости. При этом электроды размещены в корпусе таким образом, что их ось параллельна патрубкам. Предложенная конструкция обеспечивает двойное экранирование измерительного электрода, являющегося наиболее чувствительным к помехам, внешним высоковольтным электродом и заземленным корпусом, являющимся одновременно охранным электродом, предотвращающим влияние на основную электрическую емкость датчика (между электродами) случайных паразитных емкостей в концевых частях. Для выполнения корпусом функций охранного электрода обе крышки с внутренней стороны имеют специальные цилиндрические выступы, входящие в области концевых частей измерительного и высоковольтного электродов в промежуток между ними. Кроме того, в предлагаемой конструкции исключены дистанцирующие элементы из диэлектрических материалов непосредственно между измерительным и высоковольтным электродами, что позволило исключить влияние изменения поверхностной проводимости твердых диэлектрических материалов, являющееся результатом постепенного загрязнения изоляционной поверхности оседающими на ней частицами.
Благодаря расположению системы коаксиальных электродов параллельно входному и выходному патрубкам, а соответственно вдоль направления движения потока жидкости, конструкция датчика обеспечивает возможность протекания измеряемой жидкости в режиме ламинарного потока без гидродинамических возмущений вдоль его оси между электродами в широком диапазоне скоростей и при различных температурах.
На чертеже представлен пример конкретной реализации датчика для контроля удельных объемных электрических сопротивлений жидких диэлектриков, который имеет экранирующий корпус, состоящий из металлического цилиндра (1) с электроизолирующим покрытием на внутренней поверхности (2) и двух крышек (3, 4) с цилидрическими выступами (5, 6) на внутренней поверхности, диэлектрическими прокладками (7, 8), входным (9) и выходным (10) патрубками подвода и отвода измеряемой жидкости. Электродная система датчика выполнена в виде двух коаксиально расположенных цилиндрических элементов (11, 12), один из которых через изолирующие втулки (13, 14) крепится в центрирующих конусах крышек, а второй - к внутреннему электроизолирующему покрытию металлического цилиндра корпуса. Экранирующий корпус имеет вход (15) для установки датчика температуры. Для подключения измерительной аппаратуры датчик имеет измерительный (16) и высоковольтный (17) выводы.
При использовании датчика для контроля состояния трансформаторных масел он подключается к системе маслопроводов трансформатора с помощью дополнительных медных трубок, присоединяемых к вентилям подачи и слива масла из трансформатора. При наличии в системе контроля параметров трансформатора прибора постоянного измерения содержания растворенных газов и воды, например «Calisto», датчик устанавливается последовательно с ним. Подключение производится после указанного выше прибора. При этом прокачку масла обеспечивает насос, встроенный в прибор «Calisto». При отсутствии каких-либо приборов последовательно с датчиком должен быть включен маслонасос, либо поток масла должен быть обеспечен за счет разницы давлений между вентилями входного и выходного отверстий. Поскольку датчик включается последовательно в систему трубопроводов трансформаторного оборудования, а они всегда заземляются, корпус датчика также автоматически заземляется.
Датчик закрепляется непосредственно к баку трансформатора в вертикальном положении. Место закрепления выбирается в зависимости от удобства прокладки масляных линий в конкретном трансформаторе. После открытия входного вентиля масло поступает во входной патрубок 9 датчика и заполняет пространство между коаксиально расположенными электродами 11 и 12, в пределах которого существует электрическое поле. Электропроводность изоляционных жидкостей (в частности трансформаторных масел) обусловлена наличием полярных примесей и продуктов старения. Эти полярные образования перемещаются к электродам противоположной полярности, что и определяет величину тока, измеряемого электронным прибором. Поток масла выходит через патрубок 10 и возвращается в систему маслопроводов трансформатора. Вертикальное расположение датчика обеспечивает самоочищение пространства между электродами потоком проходящего масла. Кабели от измерительного прибора, в котором в частном случае находится и источник напряжения, подключаются к контактным разъемам 16 и 17. Система коаксиальных электродов 11,12 датчика расположена вдоль направления движения потока жидкости. Благодаря этому датчик имеет низкое гидравлическое сопротивление и в нем сохраняется ламинарность потока жидкости в широком диапазоне скоростей. Измерительный электрод 11 имеет форму, исключающую возникновение локальных повышений гидравлического сопротивления на входе и выходе потока. Поскольку вязкость большинства жидкостей, в частности трансформаторного масла, меняется с температурой, изменение температуры влечет за собой изменение расхода жидкости, проходящей через датчик. Способность датчика пропускать различные количества жидкости без изменения своих основных функций позволяет ему успешно работать независимо от изменения температуры жидкости, что имеет место в реальных трансформаторах при изменении нагрузки.
Стабильность характеристик датчика обеспечивается сохранением ламинарного потока масла в широком диапазоне скоростей, а также отсутствием между измерительным и высоковольтным электродами дистанцирующих элементов из диэлектрических материалов.