УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области электрических измерений и может быть использована в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и электротехнической промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Перечень известных высоковольтных преобразователей напряжения включает индуктивные трансформаторы и емкостные делители или емкостные трансформаторы напряжения. Существующие трансформаторы электромагнитного типа имеют значительную материалоемкость и значительные весогабаритные показатели, увеличивающиеся в геометрической прогрессии с ростом рабочего напряжения. Трансформаторы с бумажно-масляной изоляцией являются принципиально пожаро- и взрывоопасными, причем аварии вызванные этими причинами сопровождаются значительным ущербом и длительным перерывом в поставке электроэнергии.
Известен высоковольтный делитель напряжения (патент на изобретение №2026555, МПК G01P 15/00, приоритет от 03.06.1991), содержащий низковольтное плечо, выполненное в виде параллельно включенных резистора и конденсатора, коаксиальный экран и высоковольтное плечо, выполненное в виде цепочки из n последовательно соединенных резисторов, первый вывод которой подключен к высокому потенциалу, второй вывод цепочки соединен с первым выводом низковольтного плеча, второй вывод которого подключен к нулевому потенциалу. Коаксиальный экран подключен к точке соединения высоковольтного и низковольтного плеч, причем емкость цилиндрического конденсатора, образованного резистивной цепочкой высоковольтного плеча и коаксиальным экраном, является входной емкостью высоковольтного плеча.
Недостатком такого устройства является низкая долговременная стабильность метрологических характеристик делителя, высокая степень влияния внешних электрических полей на результаты измерений.
Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой (патент на полезную модель №100284, МПК G01R 19/00, приоритет от 30.07.2010), содержащее устройство для аналогового измерения напряжения - емкостный делитель напряжения, аналого-цифровое устройство и устройство обработки электрических величин, причем, емкостный делитель напряжения и аналого-цифровое устройство расположены на потенциале цепи с измеряемыми величинами, устройство обработки электрических величин располагается на потенциале цепей измерения, а для гальванической развязки между аналого-цифровым устройством и устройством обработки электрических величин введен оптический канал передачи данных, а для питания аналого-цифрового преобразователя применена световая батарея, которая постоянно освещена световым потоком от внешнего светоизлучателя через воздушный промежуток или оптическое волокно.
Недостатком такого устройства является необходимость в электромагнитной экранировке емкостного делителя, что создает сложности в обеспечении достаточной электрической прочности изоляции и необходимостью учета паразитных емкостей между экраном и конденсаторами делителя.
Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель заключается в упрощении конструкции устройства, повышении точности и надежности.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для измерения напряжения, содержащем трубчатый опорный изолятор с ребристой гидрофобной внешней поверхностью, с установленными по краям верхним и нижним электродами и, с размещенным внутри изолятора датчиком электрического поля, размещается электростатический экран, внутри которого устанавливается, по крайней мере, один датчик электрического поля. В предлагаемой полезной модели за счет формирования внутри изолятора электрически экранированной области происходит выравнивание электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между двумя электродами, и осуществляется экранировка электрического поля внутри экранированной области от воздействия внешних источников электрических полей или внешних конструкций и факторов, искажающих или влияющих на распределение электрического поля, измеряемое датчиком. Выравнивание электрического поля позволяет сформировать в области размещения датчика более однородное, однозначно связанное с напряжением на электродах, распределение электрического поля, что приводит к уменьшению влияния внешних возмущений и, соответственно, повышению точности измерения напряжения.
Применение в качестве электростатического экрана стержня из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости создает диэлектрическое экранирование электрического поля во внутренней области стержня, приводит к ослаблению поля между электродами и устраняет необходимость применения дорогостоящих изоляционных материалов, что, в свою очередь, упрощает конструкцию устройства.
Применение в качестве электростатического экрана полого трубчатого резистора на основе широкодоступных, резистивных материалов, обеспечивает по сравнению с диэлектрическим экранированием, более высокую степень экранирования и значительно меньшие размеры и вес.
Формирование экранирующего резистора посредством нанесения резистивного слоя на внутреннюю поверхность полого изолятора позволит упростить конструкцию устройства.
Использование оптического датчика в качестве датчика измерения электрического поля, например, интегральной оптической ячейки Поккельса с волоконными вводами, расширяет полосу пропускания (повышает точность измерения гармоник) и упрощает выполнение высоковольтной изоляции датчика.
Заполнение внутренней области трубчатого изолятора изолирующим инертным газом, устраняет возможность образования сквозного пробоя изолятора, возникающего вследствие конденсации влаги на внутренних гладких поверхностях изолятора и электростатического экрана при резком понижении температуры, и как следствие, повышает надежность устройства.
Заполнение внутренней области трубчатого изолятора вспененным изолирующим материалом, позволит отказаться от контроля за относительной влажностью и давлением газа внутри изолятора и избежать конденсации влаги на внутренних гладких поверхностях изолятора и электростатического экрана, что в свою очередь, упрощает конструкцию устройства и устраняет возможность сквозного пробоя.
Заполнение внутренней области трубчатого изолятора изоляционным гелем, позволит отказаться от контроля за относительной влажностью и давлением внутри изолятора и избежать конденсации влаги при резком понижении температуры на внутренних гладких поверхностях изолятора и электростатического экрана, и как следствие, упрощает конструкцию устройства и препятствует развитию сквозного пробоя.
Выполнение внутренней поверхности трубчатого изолятора в виде гидрофобного ребристого покрытия позволит отказаться от контроля за относительной влажностью и давлением внутри изолятора и избежать конденсации влаги при резком понижении температуры на внутренних гладких поверхностях изолятора, и тем самым, упростить конструкцию устройства и повысить надежность за счет исключения возможности возникновения сквозного пробоя.
Установка экранных колец по краям электростатического экрана создает равномерное распределение электрического поля между электродами устройства и тем самым уменьшает погрешности, связанные с влиянием внешних источников электрических полей. Размещение экранных колец повышает надежность работы устройства за счет уменьшения вероятности пробоя изоляции, обусловленной высоким уровнем напряженности электрического поля вблизи электродов.
Установка нескольких датчиков электрического поля, пространственно позиционируемых в определенных точках внутренней области электростатического экрана, между верхним и нижним электродом, позволит повысить точность устройства вследствие получения более полной информации о распределении электрического поля между электродами.
Расчет измеряемого напряжения путем вычисления взвешенной суммы сигналов, поступающих от совокупности датчиков электрического поля, каждый из которых имеет определенный весовой коэффициент, позволяет уменьшить погрешность измерения, поскольку значения весовых коэффициентов выбираются исходя из математически вычисляемого распределения поля между электродами и с учетом влияния внешних факторов на его распределение. К таким факторам относится наличие проводящей поверхности вблизи датчика электрического поля или присутствие загрязненной воды с некоторой удельной проводимостью на ребрах изолятора.
Выполнение электростатического экрана из нескольких последовательно соединенных секций, внутри каждой из которых размещен датчик электрического поля, повышает уровень технологичности изготовления и, тем самым, способствует упрощению процесса сборки устройства.
Установка экранных колец по краям секций электростатического экрана приводит к равномерному распределению электрического поля в пределах каждой секции и уменьшает погрешность измерения, связанную с влиянием внешних источников электрических полей, а также факторов, искажающих распределение электрического поля внутри и вокруг опорного изолятора.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства, в которой в качестве электростатического экрана используется полый трубчатый стержень из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости или полый трубчатый резистор, выводы которого подключены к верхнему и нижнему электродам изолятора.
На фиг.2 изображена конструкция устройства для измерения напряжения, причем полый трубчатый резистор формируется посредством нанесения резистивного слоя на внутреннюю поверхность полого изолятора.
На фиг.3 показана конструкция устройства, в которой внутренняя поверхность трубчатого изолятора выполнена в виде гидрофобного ребристого покрытия.
На фиг.4 показана конструкция устройства, в которой по краям электростатического экрана установлены экранные кольца.
На фиг.5 показана конструкция устройства, в которой содержится совокупность датчиков электрического поля (3 датчика), пространственно расположенных в различных точках, между верхним и нижним электродом.
На фиг.6 показана конструкция устройства, в которой электростатический экран выполнен из нескольких последовательно соединенных секций (3 секции), а по краям секций установлены экранные кольца.
На фиг.1 изображена конструкция устройства, включающая верхний электрод 1 и нижний электрод 2, которые установлены по краям трубчатого опорного изолятора 3 с ребристой гидрофобной внешней поверхностью 4. Во внутренней области изолятора размещается электростатический экран 7, формирующий внутри изолятора электрически экранированную область 13. Внутри этой области размещен датчик электрического поля 5, выход 6, которого подключен к измерительному блоку 8, формирующему сигнал об измеряемой разности потенциалов между электродами 1 и 2.
При приложении напряжения к верхнему электроду 1 и нижнему электроду 2 внутри и снаружи электростатического экрана возникает соответствующее электрическое поле, воздействующее на датчик 5. Предпочтительно, чтобы конструкция датчика не содержала металлических частей, способных исказить окружающее датчик поле. Например, можно использовать датчики на основе интегральной оптической ячейки Поккельса или применить датчики электрического поля на основе интерферометра Маха-Зендера. Датчик может быть установлен в соответствующем держателе, механически или адгезивно закрепляемом внутри экранированной области 13, причем центр датчика должен располагаться на продольной оси 11 опорного изолятора 3. Ориентация датчика должна обеспечивать измерение вектора напряженности электрического поля, направленного параллельно осевой линии 11.
Электростатический экран 7 может быть иметь различное поперечное сечение, например, прямоугольное, быть полым или сплошным, представлять собой однородную или неоднородную среду и состоять из различных материалов, имеющих различные удельные сопротивления в разных местах экранированной области. Выбор формы и материала во многом зависит от области применения и принципов, которые могут использоваться при выборе соответствующей конструкции экранированной области для конкретного приложения.
В некоторых случаях, экранированная область 13 может быть изготовлена как одно целое с опорным изолятором 3, с формированием экранирующего резистора посредством нанесения резистивного слоя на внутреннюю поверхность полого изолятора. Этот вариант исполнения представлен на фиг.2.
В случае использования диэлектрического экранирования, выбор типа диэлектрика, из которого изготавливается электростатический экран 7, зависит от многих факторов. Одним из основных факторов является прочность межэлектродной изоляции. Длина экрана должна быть достаточно большой, чтобы величина электрического поля внутри и вокруг экранированной области 13 не превосходила значений электрической прочности диэлектрика или изоляции. Как правило, минимальная длина экранированной области ограничена максимальной допустимой напряженностью электрического поля (более короткое расстояние между электродами соответствует более высокой напряженности электрического поля), а максимальная длина экранированной области, также как и площадь поперечного сечения, ограничены соответствующими требованиями к массогабаритным характеристикам. Степень диэлектрического экранирования определяется требуемой точностью устройства и зависит от значения относительной диэлектрической проницаемости применяемого материала, которое на практике варьируется в диапазоне от 20 до 100.
Электростатический экран на основе полого трубчатого резистора позволяет вместо использования дефицитных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, применить более доступные резистивные материалы с высоким удельным сопротивлением. Технологии изготовления резисторов широко распространены и включают множество разновидностей, например, нанесение полупроводящей краски на полиэтиленовую трубку или нанесения проводящих паст на керамическую трубку с последующим вжиганием. При резистивном экранировании, сопротивление резистора выбирается из условия обеспечения достаточной степени экранирования датчика электрического поля, чтобы внешние источники электрических полей не вносили значительную погрешность в измеряемое значение напряжения. Выбранные материалы должны иметь относительно небольшую удельную проводимость, измеренную в направлении между электродами 1 и 2, и составлять величину в диапазоне от 500 кОм/м до 1 ГОм/м.
Когда к электродам прикладывается напряжение, на экранирующем резисторе 7 будет выделяться энергия, пропорциональная квадрату напряжения и обратно пропорциональная сопротивлению резистора. Эта энергия должна быть рассеяна с поверхности резистора через такие механизмы как, теплопроводность, конвекция и излучение, характеристики, которых зависят от физических свойств и режимов работы резистора, например, формы, материала, температуры, а также внешней окружающей среды, например, состава среды и ее температуры. Если выделяемая теплота не сможет быть рассеяна, произойдет перегрев резистора и, в конечном счете, его разрушение. Что касается экранированной области, то ее форма, площадь поперечного сечения, длина и свойства должны выбираться из расчета недопустимости перегрева, и с учетом условий, в которых она функционирует, например, рабочий диапазон температур.
Заполнение внутренней области 13 трубчатого изолятора изолирующим инертным газом под небольшим избыточным давлением, например, элегазом или сухим азотом, обеспечивает отвод тепла от экранирующего резистора и устраняет возможность образования конденсации на внутренних поверхностях изолятора и экранирующей области. Применение в качестве среды заполнения теплопроводящего вспененного изолирующего материала или изоляционного геля, например вспененного силиконового каучука или двухкомпонентного наполнителя «Микагель», кроме того, позволяет отказаться от контроля за давлением внутри изолятора.
На фиг.3 представлено решение, где в качестве среды заполнения внутренней области изолятора, используется окружающий воздух. Как известно, при резком понижении температуры, на гладкой поверхности внутренней поверхности трубчатого изолятора, образуется сплошной слой влаги, с диэлектрической проницаемостью, превышающей диэлектрическую постоянную вакуума в несколько десятков раз. При большой разнице диэлектрической проницаемости окружающей среды и слоя влаги, на поверхности создается эффект проводящей среды, что приводит к сквозному пробою с наружной поверхности изолятора на внутреннюю поверхность. Выполнение внутренней поверхности трубчатого изолятора в виде гидрофобного ребристого покрытия 10 препятствует образованию сплошного конденсированного слоя на внутренних поверхностях изолятора, и исключает возможность его сквозного пробоя.
На фиг.4 представлена конструкция устройства с установленными по краям электростатического экрана экранными кольцами, выполненными в виде металлических круговых колец, электрически связанных с верхним и нижним электродом. Наличие таких колец приводит к более равномерному распределению поля вокруг электростатического экрана, т.е. ослабляется влияние различных внешних факторов, например, расположенных рядом металлоконструкции, соседних фаз, загрязненной воды на ребрах изолятора.
На фиг.5 показано устройство с несколькими датчиками электрического поля, размещенными вдоль оси 11 опорного изолятора 3, каждый из которых измеряет соответствующую компоненту электрического поля в определенной точке экранированной области. Как известно, разность потенциалов между двумя произвольными точками электрического поля , например, точками 1 и 2, определяется следующим выражением:
Интеграл можно брать по любой линии, соединяющей точку 1 и точку 2. Преобразование выражения (1) к представлению разности потенциалов (напряжения) конечным числом датчиков электрического поля N приводит к следующему выражению взвешенной суммы для вычисления измеряемого напряжения:
i
i
х
i
где α весовой коэффициент каждого датчика, х координата места расположения датчика и Е величина электрического поля в х точке.
i
Аппроксимация определенного интеграла конечной суммой, т.е. вычисление коэффициентов α может выполняться с использованием эмпирических методов (методы проб и ошибок) или квадратурной формулы Гаусса. При оценке необходимого числа датчиков и их весовых коэффициентов, применение квадратурного метода, приводит к тому, что для обеспечения необходимой точности (например, класс точности 0.2 для коммерческого учета), достаточно установить не более трех датчиков, имеющих равные весовые коэффициенты. Как показывают расчеты, наиболее оптимальным считается равномерное расположение датчиков в экранированной области, между верхним и нижним электродами.
На фиг.6 представлена конструкция устройства с установленными по краям секций электростатического экрана экранными кольцами. Использование секционирования электростатического экрана упрощает процесс сборки устройства, поскольку длина изолятора и, соответственно, электростатического экрана, для высоких классов напряжений составляет несколько метров (до 10 метров для класса напряжения 800 кВ). Увеличенное количество экранных колец дополнительно выравнивает распределение поля в пределах каждой из секций, и устраняет высокие уровни напряженности электрического поля в местах стыковки секций.