CZ202160A3 - Snímač částečných výbojů - Google Patents

Abstract

Snímač částečných výbojů, zejména širokopásmový proudový induktivní snímač (10) signálu částečných výbojů obsahující magnetické jádro (1) uložené v pouzdru (2) a nejméně jeden, na magnetickém jádru (1) uspořádaný, sekundární obvod (3), kde magnetické jádro (1) je provedeno z amorfní magnetického materiálu.

Description

Snímač částečných výbojů

Oblast techniky

Vynález se týká snímače částečných výbojů, zejména širokopásmového proudového induktivního snímače signálu částečných výbojů.

Dosavadní stav techniky

Dobrý stav izolace elektrických obvodů je základní podmínkou jejich správné funkce. Izolační stav je ohrožován různými činiteli, například chemickými, elektrotechnickými či výrobní nedokonalostí. Koncový stav izolace je průraz elektrickým polem a tento průraz je vždy budován částečnými výboji, ať je znehodnocování izolačního stavu vytvářeno jakýmkoliv degradačním mechanismem, například degradace izolace díky nehomogenitám při výrobě izolace, při vzniku takzvaných dutinek.

Při přiblížení elektrického pole se díky polarizaci na jedné straně dutinky nahromadí kladný náboj a na druhé straně se nahromadí záporný náboj. Hodnota těchto malých nábojů se zvyšuje do okamžiku, kdy vzniklý elektrický potenciál překoná izolační barieru, a náboje se vyrovnají. V té chvíli vzniká malý výboj a vzhledem k tomu, že po vyrovnání nábojů dojde k zastavení protékání vyrovnávacího proudu, jsou tyto výboje označeny jako částečné výboje. Výsledný protékající proud má několik zcela unikátních vlastností, které se nikde jinde nevyskytují. Vyrovnání nábojů není ničím omezeno, a tak vzniká extrémně strmý a velmi krátkou dobu trvající elektrický impuls. Je tak výjimečný, že se dá připodobnit teoretickému impulsu definovanému jako Diracův impuls, jež se vyznačuje extrémní strmostí a jeho frekvenční odezva je konstantní přes všechna frekvenční pásma.

Tato vlastnost je základním přístupem k odlišení od jiných zdrojů rušení a zjištění částečného výboje. Částečný výboj se díky své podobnosti s Diracovým výbojem chová velmi podobně, rozprostírá se přes všechny frekvenční pásma, pouze s tou odchylkou, že se zvyšující se hodnotou frekvence nastává mírný útlum této hodnoty.

V současné době je známo velké množství patentově chráněných technických řešení zabývajících se problematikou částečných výbojů.

Známá jsou zařízení, které řeší měření částečných výbojů velmi klasickými nástroji, jakým je spektrální analyzátor nebo osciloskop. Dále jsou známé snímače pro snímání částečných výbojů, které jsou fyzikálně dvojího druhu a to, napěťové snímače částečných výbojů a proudové snímače částečných výbojů.

Z užitného vzoru CZ 25229 je známo uspořádání detektoru pro vyhodnocení pravděpodobnosti výskytu částečných výbojů v tělese zapouzdřeného transformátoru, který zasahuje do vnitřního prostoru transformátoru, a který sestává z antény a je připojen na měřící zařízení. Detektor má anténu opatřenou reflektorem, která je spojena s konektorem napájení antény, přičemž nejméně jeden detektor je umístěn na plášti transformátoru a přes nekovové provedení pouzdra průchodky zasahuje dovnitř transformátoru. Nevýhodou toho snímače je to, že je ho možné použít pouze u transformátoru, nikde jinde pro jiné zdroje výbojů nelze využívat.

Z patentového dokumentu CZ 284557 je znám měřič, který' sestává ze zatěžovací impedance a z širokopásmového či úzkopásmového zesilovače, z vyhodnocovacích obvodů připojených na výstup zesilovače, z řídící a synchronizační jednotky, případně z displeje na výstupu vyhodnocovacích obvodů. Vyhodnocovací obvody, připojené na výstup širokopásmového či úzkopásmového zesilovače jsou tvořeny z převodníku náboje na čas, jehož výstup je připojen na

- 1 CZ 2021 - 60 A3 vstup čítače doby konvertovaného náboje a na vstup čítače definování polohy i-tého impulzu na základní periodě měřícího napětí, kde výstupy těchto čítačů jsou propojeny s pamětí, která je dále propojena s indikačními obvody. Na výstup převodníku náboje na čas lze dále připojit čítač součtu všech dob konvertovaných nábojů částečných výbojů během periody měřicího napětí, jeho výstup je spojen s pamětí a/nebo čítač počtu impulzů částečných výbojů v měřené periodě, jehož výstup je spojen s pamětí.

Z patentového dokumentu US20080174320 je dále známo čidlo částečného výboje, které obsahuje první proudový transformátor, který má otvor. Uvnitř otvoru prvního proudového senzoru a v jeho blízkosti je umístěno vodivé stínění. Koncentrické otvory prvního proudového senzoru a vodivého stínění jsou uspořádány pro přijetí prvního silového vodiče vysokého napětí. Druhý vodič je elektricky připojen k vodivému štítu. Druhý vodič je strukturován tak, aby byl elektricky spojen se zemí. Druhý senzor spolupracuje s druhým vodičem a je strukturován tak, aby snímal signály spojené s aktivitou částečného vybití. Výstup druhého senzoru přijímá elektronický monitorovací obvod. Elektronický monitorovací obvod je uspořádán tak, aby poskytoval on-line monitorování částečného výboje, ke kterému dochází v prvním vysokonapěťovém výkonovém vodiči. Nevýhodou tohoto čidla je složitá konstrukce, velmi složitá montáž a hlavně nižší citlivost snímání.

Z výše uvedeného stavu techniky je zřejmé, že většina zařízení pro snímání částečných výbojů jsou konstrukčně velmi složitá a s ohledem na to jsou ve své podstatě stacionární bez možnosti jednoduché montáže a jednoduché demontáže z místa sledování.

Cílem vynálezu je jednoduchá a variabilní konstrukce širokopásmového proudového induktivního snímače s velmi širokým frekvenčním rozsahem, který bude schopen zachytit částečný výboj.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje a cíle vynálezu naplňuje snímač částečných výbojů, zejména širokopásmový proudový induktivní snímač signálu částečných výbojů obsahující magnetické jádro uložené v pouzdru a nejméně jeden, na magnetickém jádru uspořádaný, sekundární obvod, jehož podstata spočívá v tom, že magnetické jádro je provedeno z amorfní magnetického materiálu. Výhodou je to, že snímač částečných výbojů umožňuje sledování s vysokým frekvenčním rozsahem. Další výhodou je velmi vysoká permeabilita magnetického jádra. Velkou výhodou je také to, že lze díky použitému materiálu sestavovat různé velikosti snímače, bez omezení jejich funkčnost.

Je výhodné, když magnetickém jádru je uloženo nejvíce 10 závitů jednoho sekundárního obvodu. Hodnota sekundárního vinutí maximálně 10 závitů a tím nastavena optimální indukčnost, zaručující velmi malý až zanedbatelný vliv na tvar přenášeného impulzu, což znamená zachování strmosti snímaného částečného výboje. Výhodou tohoto uspořádání je jednoduchá výroba bez nutnosti speciálních navíjecích strojů.

Dále je výhodné, když je sekundární obvod je opatřen stíněním. Pokud by sekundární obvod nebyl stíněn a stínění nebylo uzemněno, mohlo by se do sekundárního obvodu začít indukovat rušení z okolí, protože nestíněný sekundární obvod muže působit jako přijímací anténa pro okolní rušení. Přesto, že je samotný snímač poměrně odolný vůči nežádoucím ruchovým jevům, použití stínění dále významně zvyšuje tuto odolnost.

Výhodné také je, když jsou pouzdro s magnetickým jádrem provedeny jako příčně dělené na dvě části. Magnetické jádro s pouzdrem jsou rozříznuty v půlce. Jednu část tvoří půlka magnetického obvodu se sekundárním vinutím a přípojným konektorem, druhou část zbylé jádro s pláštěm. To je velmi výhodné, protože měřený vodič prochází vnitřkem proudového snímače, přičemž měřený vodič se tak nemusí při montáži snímače rozpojovat. Další výhodou je malá objemová zástavba, což je velmi podstatné v nově instalovaných trafostanicích, kde je již velmi málo místa.

-2CZ 2021 - 60 A3

Současně je výhodné, když je pouzdro opatřeno nejméně dvěma zaváděcími kolíky, které jsou uspořádány v osazení pouzdra. Výhodou je to, že se obě půlky k sobě jednoduše sesadí pomocí zaváděcích kolíků ve výstupcích bočních stěn pláště snímače, což přináší velmi jednoduchou a nenáročnou montáž, a tedy i snížení nákladů.

Sekundární obvod je s výhodou spojen přes vývody s konektorem. Výhodou je to, že při výrobě není zapotřebí vytvářet snímače s vývodem, ale dle potřeb, přesněji podle umístění snímače, mohou být přívodně vodiče díky konektorovému spojení vyrobeny na míru.

Také je výhodné, když je pouzdro opatřeno komorou konektoru. Výhodou je zjednodušení montáže konektoru, kdy vodiče mají od závitů vinutí prostor, kam se složí po spojení vodičů s konektorem.

Pouzdro je s výhodou provedeno ze samozhášivého materiálu, kterým je nejvýhodněji polyethylentereftalát modifikovaný glykolem (PETG).

Výhodné je, když je magnetické jádro provedeno jako toroidní. Výhodou je to, že toroidní jádro má vynikající magnetické vlastnosti, především velice nízké magnetické ztráty a vysokou odolnost vůči vnějším magnetickým polím, přičemž ho lze zároveň jednoduše mechanicky upravit, pro jednoduchou montáž, jak při samotné výrobě, ale i při konečném použití.

Dále je výhodné, když je magnetické jádro je provedeno z amorfní magnetického materiálu, kterým je vinutý nanoplech o tloušťce cca 10pm. Navinutý nanoplech má díky velmi jemné struktuře má velmi příznivé frekvenční parametry, a to od 0 Hz do 2 MHz. Výhodné je to, že použití nanoplechů dostatečně výrazně zesiluje signál, který je buzen pouze malým primárním proudem vytvářeným proudem částečného výboje.

Výhodné také je, když je magnetické jádro je provedeno z amorfní magnetického materiálu na bázi Fe. Výhodou jsou výborné magnetické vlastnosti takového materiálu.

Ve volném prostoru v dutině pouzdra s magnetickým jádrem je s výhodou uspořádána pryskyřice.

Velmi výhodné je, když je pouzdro na svém povrchu opatřeno nejméně jedním stahovacím páskem, který jednoduše drží obě půlky pouzdra u sebe tak, aby snímač plnil bezpečně a jistě svoji funkci. Výhodou tohoto řešení je jeho cenová výhodnost.

Hlavní výhodou snímače částečných výbojů podle vynálezu je to, že umožňuje sledování s vysokým frekvenčním rozsahem. Výhodné je také to, že použití nanoplechů dostatečně výrazně zesiluje signál, který je buzen pouze malým primárním proudem vytvářeným proudem částečného výboje. Díky malému počtu závitů primárního i sekundárního vinutí je vlastní indukčnost celého magnetického obvodu velmi malá (cca <30 μΗ). To ve svém důsledku neovlivňuje průběh primárního proudového impulzu a velmi věrně se přenáší na sekundární stranu. Díky dělené konstrukci lze snímač jednoduše namontovat na měřený vodič. Je rozdělen příčně na dvě poloviny, které se spolu složí a obejmou měřený vodič a zajistí proti vlastnímu rozložení a samovolnému posunu. Velkou výhodou je také odolnost vůči vnějšímu rušení a tím pádem použitelnost v zapojeních, která se vyznačuje velkou selektivitou přijatých signálů. Velmi výhodná je i velmi jednoduchá montáž a nízká pořizovací cenu. Snímač je primárně určen pro snímání částečných výbojů v kabelech vysokého napětí, kde je výbojová aktivita vztažena hlavně proti stínícímu opletení, které je používáno u všech moderních VN kabelů. Vzhledem k tomu, že se toto stínění uzemňuje v bodech začátků konců kabelových vedení, prochází proudový impulz od konkrétního výboje v konkrétním sledovaném kabelu přes zemnící propojku do uzemnění. Protože je v moderních rozvodnách velmi málo místa, je velmi výhodné použití induktivní snímače, pro jeho malé rozměry (o 80 x 30 mm), což umožňuje snímat informace o částečných výbojích sledovaného zařízení z uzemňovacího vodiče, který je od kabelu připojen k zemnící síti v napájeném objektu. Není tak zapotřebí připojovat se přímo na napěťovou napájecí hladinu napěťovým snímačem, který

-3 CZ 2021 - 60 A3 bývá značně větších rozměrů (např. o 200 x 380 mm) a hmotnosti. Dochází tak k velmi výrazné úspoře místa, a tento induktivní snímač lze bez komplikací a omezení umístit do všech rozvoden.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje prostorový pohled v řezu na uspořádání jednotlivých části snímače, obr. 2 znázorňuje čelní pohled na snímač připravený pro montáž na měřené místo, obr. 3 znázorňuje prostorový pohled na celý snímač, obr.4 znázorňuje schéma zapojení jednotlivých částí snímače a obr.5 znázorňuje prostorový pohled na snímač částečných výbojů instalovaný na vodiči.

Příklady uskutečnění vynálezu

Širokopásmový proudový induktivní snímač 10 signálu částečných výbojů (obr.l, obr.2, obr.3, obr.4, obr.5) obsahuje magnetické jádro 1 uložené v pouzdru 2 a, na magnetickém jádru 1 uspořádaný, sekundární obvod 3.

Magnetické jádro 1 je provedeno z amorfní magnetického materiálu.

Na magnetickém jádru 1 je uloženo nejvíce 10 závitů 4 sekundárního obvodu 3. Variantně mohou být na magnetickém jádru 1 uloženy 4 závity 4 sekundárního obvodu 3.

Sekundární obvod 3 je opatřen stíněním 5.

Pouzdro 2 s magnetickým jádrem 1 jsou provedeny jako příčně dělené na dvě části 6,7, přičemž pouzdro 2 je opatřeno čtyřmi zaváděcími kolíky 8, které jsou uspořádány v osazení 9 pouzdra 2.

Sekundární obvod 3 je spojen přes vývody 11 s konektorem 12. který je spojitelný s kabelem 13 s externím vyhodnocovacím počítačovým zařízením. Konektor 11 má krytí IP 68.

Pouzdro2 je opatřeno komorou 14 konektoru 12. přičemž je provedeno ze samozhášivého materiálu, kterým je polyethylentereftalát modifikovaný glykolem (PETG).

Magnetické jádro Ije provedeno jako toroidní z amorfní magnetického materiálu, kterým je vinutý nanoplech.

Magnetické jádro 1 je provedeno z amorfní magnetického materiálu na bázi Fe, přičemž tímto amorfním materiálem může být některý z materiálů uvedený v následující tabulce:

Materiál	Fe %hmotn.	Ni %hmotn.	Co %hmotn.	Cu %hmotn.	Nb %hmotn.	Si %hmotn.	B %hmotn.
1	66,4	11,6	8,1	1,0	5,3	5,9	1,7
2	74,2	11,6	0	1,0	5,3	6,2	1,7
3	79,7	5,8	0	1,0	5,4	6,4	1,7
4	84,5	0	0	1,8	5,2	7,6	1,7
5	82,8	0	0	1,3	5,6	8,8	1,5

Pouzdro 2 s magnetickým jádrem 1 obsahuje volný prostor, ve kterém je uspořádána pryskyřice.

Pouzdro 2 je na svém povrchu opatřeno dvěma stahovacími pásky 15. které jsou uspořádány v krajních drážkách 16 pouzdra 15.

-4CZ 2021 - 60 A3

Snímač 10 částečných výbojů pracuje tak, že proud procházející primárním vodičem 17. vyvolá elektromagnetické pole, jež v magnetickém obvodu vyvolá magnetický tok. Tento magnetický tok v magnetickém jádře 1 v sekundárním obvodu 3 indukuje napětí, které je obrazem primárního proudu, a jehož parametry jsou předávány k dalšímu zpracování externím vyhodnocovacím 5 počítačovým zařízením k stanovení přítomnosti částečného výboje.

Průmyslová využitelnost ίο Snímač částečných výbojů podle vynálezu lze zejména snímání částečných výbojů v kabelech vysokého napětí.

Claims (14)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Snímač částečných výbojů, zejména širokopásmový proudový induktivní snímač (10) signálu částečných výbojů obsahující magnetické jádro (1) uložené v pouzdru (2) a nejméně jeden, na magnetickém jádru (1) uspořádaný, sekundární obvod (3), vyznačující se tím, že magnetické jádro (1) je provedeno z amorfní magnetického materiálu.

2. Snímač částečných výbojů, podle nároku 1, vyznačující se tím, že na magnetickém jádru (1) je uloženo nejvíce 10 závitů (4) jednoho sekundárního obvodu (3).

3. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že sekundární obvod (3) je opatřen stíněním (5).

4. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že pouzdro (2) s magnetickým jádrem (1) jsou provedeny jako příčně dělené na dvě části (6,7).

5. Snímač částečných výbojů, podle nároku 4, vyznačující se tím, že pouzdro (2) je opatřeno nejméně dvěma zaváděcími kolíky (8), které jsou uspořádány v osazení (9) pouzdra (2).

6. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že sekundární obvod (3) je spojen přes vývody (11) s konektorem (12).

7. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že pouzdro (2) je opatřeno komorou (14) konektoru (12).

8. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že pouzdro (2) je provedeno ze samozhášivého materiálu.

9. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že pouzdro (2) je provedeno ze samozhášivého materiálu, kterým je polyethylentereftalát modifikovaný glykolem.

10. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že magnetické jádro (1) je provedeno jako toroidní.

11. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že magnetické jádro (1) je provedeno z amorfní magnetického materiálu, kterým je vinutý nanoplech.

12. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že magnetické jádro (1) je provedeno z amorfní magnetického materiálu na bázi Fe.

13. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 12, vyznačující se tím, že pouzdro (2) s magnetickým jádrem (1) obsahuje volný prostor, ve kterém je uspořádána pryskyřice.

14. Snímač částečných výbojů, podle některého z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že pouzdro (2) je na svém povrchu opatřeno nejméně jedním stahovacím páskem (15).