RU2382353C1

RU2382353C1 - Sensor of liquid dielectric electroconductivity monitoring

Info

Publication number: RU2382353C1
Application number: RU2008137388/28A
Authority: RU
Inventors: Армен Феликсович Геворкян (RU); Армен Феликсович Геворкян; Максим Иванович Заморников (RU); Максим Иванович Заморников; Виктор Анатольевич Туркот (RU); Виктор Анатольевич Туркот
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-02-20

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention is related to continuous measurement of electric conductivity of liquid mediums, and is intended, in particular for monitoring of transformer oils condition in operating electrical power equipment of high voltage. Sensor for monitoring of liquid dielectric electroconductivity comprises two coaxially installed cylindrical electrodes, high-voltage and measuring ones, with electric leads placed into body with holes for inlet and outlet of inspected liquid. Body is arranged in the form of hollow metal grounded reservoir with electric insulating coat on internal surface and two covers with cylindrical ledges on outer side. Covers enter in area of end parts of measuring and high-voltage electrodes into gap between them being separated from electrodes by means of insulation gaskets. Each cover is arranged with one of specified holes.

EFFECT: elimination of effect at process of measurement from external noise, conductivity of used dielectric materials and surface conductivity along borders of interface hard dielectric - liquid, and also provision of possibility to use it in pipelines with moving liquids in wide range of flow speeds and various temperatures.

1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of measuring technology, namely to the continuous measurement of the electrical conductivity of liquid media, and is intended in particular for monitoring the condition of transformer oils in operating high voltage electric power equipment. The electrical characteristics of oils (specific volumetric electrical resistance and dielectric loss tangent) are the most sensitive and universal indicators of the appearance of polar aging products, impurities and undissolved water in the oil.

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.Known sensors designed for discrete measurements of specific volumetric electrical resistance of transformer oils in laboratories. The designs of these sensors are described in GOST 6581-75. Such sensors cannot be used in oil pipelines of transformer equipment.

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.For continuous measurements, the patent RU 46987 S is known as a sensor for monitoring the operational characteristics of submersible liquid dielectrics. The disadvantage of this sensor is the design of electrodes in the form of rectangular plates, which makes the electric field inhomogeneous, which affects the measurement of electrical parameters of the studied liquids and makes it difficult to use this invention in oil transformer equipment where it is necessary to place the sensor directly in the interior of the oil pipelines Dov.

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.A sensor is also known, patent RU 2054663, which is a pair of wire electrodes located in a cylindrical pipeline at a certain distance from the walls and symmetrically to the axis of the channel. The design of such a sensor creates an electric field inherent in a two-wire line in an infinite medium, and its disadvantage is the low sensitivity due to the small intrinsic capacitance of the sensor.

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.Closest to the proposed invention, the sensor, adopted as a prototype, is described in patent No. EP 1598664 A1. This sensor consists of two cylindrical coaxially located electrodes inserted into the dielectric casing from opposite ends and partially entering into each other. The dielectric body has slots with respect to which the electrodes form two cylindrical volumes. One volume, which is external, provides fluid circulation, and the second (internal) volume is the measuring zone. The sensor is designed in such a way that only part of the liquid passes into the measuring zone, and the electrodes are separated from each other by a dielectric housing, which requires additional screening of the sensor.

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.The disadvantage of this sensor when monitoring dielectric fluids with high electrical resistance, which includes transformer oil, is the effect on the conductivity measurements of the used dielectric materials and surface conductivity at the solid dielectric-liquid interface. The second design flaw of the known sensor is the complicated distribution pattern of the fluid flows, in which turbulence is inevitable, which increases the hydraulic resistance and impedes the pumping of the fluid, as well as the zones in which contaminants accumulate.

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.The aim of the invention is the creation of a sensor in which the influence on the process of measuring external noise, the conductivity of the dielectric materials used and the surface conductivity at the solid dielectric-liquid interfaces is excluded, and also allowing its use in pipelines with moving liquids in a wide range of flow rates and at different temperatures .

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.To achieve this goal in a sensor containing two coaxially arranged cylindrical electrodes with electrical leads placed in a housing with openings (nozzles) for the inlet and outlet of the test fluid, the housing is made in the form of a hollow metal grounded reservoir with an electrically insulating coating on the inner surface and with two covers. The covers are separated from the electrodes by insulating spacers located outside the working area, and each is made with a corresponding hole (pipe) for the passage of fluid. In this case, the electrodes are placed in the housing so that their axis is parallel to the nozzles. The proposed design provides double shielding of the measuring electrode, which is the most sensitive to interference, an external high-voltage electrode and a grounded housing, which is also a guard electrode, preventing random stray capacitances in the end parts from affecting the main electric capacitance of the sensor (between electrodes). To perform the functions of a guard electrode by the housing, both covers on the inside have special cylindrical protrusions that enter between the end parts of the measuring and high-voltage electrodes. In addition, the proposed design excludes distance elements from dielectric materials directly between the measuring and high-voltage electrodes, which eliminated the influence of changes in the surface conductivity of solid dielectric materials, which is the result of gradual contamination of the insulating surface by particles deposited on it.

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.Due to the arrangement of the coaxial electrode system parallel to the inlet and outlet nozzles, and accordingly along the direction of fluid flow, the sensor design allows the measured fluid to flow in laminar flow mode without hydrodynamic disturbances along its axis between the electrodes in a wide speed range and at different temperatures.

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.The drawing shows an example of a specific implementation of the sensor for monitoring the specific volume electrical resistivity of liquid dielectrics, which has a shielding housing consisting of a metal cylinder (1) with an electrically insulating coating on the inner surface (2) and two covers (3, 4) with cylindrical protrusions (5 , 6) on the inner surface, dielectric gaskets (7, 8), inlet (9) and output (10) nozzles for supplying and discharging the measured liquid. The electrode system of the sensor is made in the form of two coaxially arranged cylindrical elements (11, 12), one of which is mounted through the insulating sleeves (13, 14) in the centering cones of the covers, and the second to the internal electrically insulating coating of the metal cylinder of the housing. The shielding housing has an input (15) for installing a temperature sensor. To connect the measuring equipment, the sensor has measuring (16) and high-voltage (17) conclusions.

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.When using the sensor to monitor the condition of transformer oils, it is connected to the transformer oil piping system using additional copper tubes connected to the oil supply and drain valves from the transformer. If there is a device for continuous measurement of dissolved gases and water in the transformer monitoring system, for example, Calisto, the sensor is installed in series with it. Connection is made after the above device. At the same time, oil pumping is provided by a pump built into the Calisto device. In the absence of any devices, the oil pump must be switched on in series with the sensor, or the oil flow must be ensured due to the pressure difference between the inlet and outlet valves. Since the sensor is connected in series to the piping system of the transformer equipment, and they are always grounded, the sensor housing is also automatically grounded.

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.The sensor is fixed directly to the transformer tank in an upright position. The fixing location is selected depending on the convenience of laying the oil lines in a particular transformer. After opening the inlet valve, oil enters the inlet pipe 9 of the sensor and fills the space between the coaxially located electrodes 11 and 12, within which there is an electric field. The electrical conductivity of insulating liquids (in particular transformer oils) is due to the presence of polar impurities and aging products. These polar formations move to electrodes of opposite polarity, which determines the amount of current measured by an electronic device. The oil flow exits through the pipe 10 and returns to the transformer oil piping system. The vertical arrangement of the sensor provides self-cleaning of the space between the electrodes by the flow of passing oil. Cables from the measuring device, in which in a particular case the voltage source is located, are connected to the contact sockets 16 and 17. The system of coaxial electrodes 11,12 of the sensor is located along the direction of the fluid flow. Due to this, the sensor has a low hydraulic resistance and it retains the laminarity of the fluid flow over a wide range of speeds. The measuring electrode 11 has a shape that eliminates the occurrence of local increases in hydraulic resistance at the inlet and outlet of the stream. Since the viscosity of most liquids, in particular transformer oil, varies with temperature, a change in temperature entails a change in the flow rate of the fluid passing through the sensor. The ability of the sensor to transmit various amounts of liquid without changing its basic functions allows it to operate successfully regardless of changes in the temperature of the liquid, which occurs in real transformers when the load changes.

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.The stability of the sensor characteristics is ensured by the preservation of the laminar flow of oil in a wide range of speeds, as well as by the absence of spacing elements made of dielectric materials between the measuring and high-voltage electrodes.

Claims

A liquid dielectric conductivity monitoring sensor comprising two coaxially arranged cylindrical electrodes with electrical leads placed in a housing with inlet and outlet openings of the test fluid, characterized in that the housing is made in the form of a hollow metal grounded reservoir with an electrically insulating coating on the inner surface and two covers with cylindrical protrusions on the inner side included in the region of the end parts of the measuring and high-voltage electrodes in the interval between they and insulating gaskets defined from the electrodes, with each cover being made with one of these openings.