Датчик контроля распределения влаги в тонкой изоляции

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (61) Дополнительное к авт. свид- ву— (22) Заявлено 050 161 (21) 3251340/18-25 )$1 j M. КЛ.

6 01 и 27/02 с присоединением заявки М—

Государственный комитет

С,С С Р по делам изобретений и открытий (53) УДК 543.257 (088.8) (23) Приоритет—

Опубликовано 0701„83. Бюллетень М 1

Дата опубликования описания 070183 (72) Авторы изобретения

Ф < ° е °

Ю.A Митькин, О.A. Бакенов и С.B. Калачев i °

Ф,l

=".М

Ивановский энергетический институт им..И. ЙЙЩНа;,. а,,, Ю"

-. е .,!

61 с

1 (71 } Заявитель (54) .ДАТЧИК КОНТРОЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГИ

В ТОНКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению электрических характеристик бумажной . и эластичной синтетической изоляции, и может быть использовано при контроле влажности изоляции высоковольтных аппаратов при их изготовлении и- эксплуатации.

Известен датчик контроля влажности 10 изоляции путем измерения ее электрических характеристик: удельного объемного .и поверхностного сопротивлений ° при помощи плоских электродов. Для измерения объемного сопротивления диэлектрика электроды прикладываются к противоположным сторонам диэлектрика. При этом измеряется общее по объему сопротивление диэлектрика,.а, следовательно, и общая его влажность.

При измерении поверхностного сопротивления электроды накладываются на поверхность диэлектрика и измеряется сопротивление участка поверхности, находящегося между электродами. В этом случае контролируется поверх- 25

-ностная влажность материала (1 ).

Однако с помощью таких электродов невозможно измерить электрические характеристики участков изоляции, находящихся в толще диэлектрика, которые З0 существенно различаются из-за неравномерного увлажнения изоляции по глубине.:

Наиболее близким к изобретению является датчик для измерения распределения влажности, состоящий из двух коаксиальных цилиндрических электродов, из которых внутренний заострен(2).

Однако такая конструкция датчика фактически является непригодной для измерения электрических характеристик электроизоляционных материалов.

Это связано с тем, что толщина аппаратной, например, бумажной изоляции небольшая (измеряется в пределах от сотен микрон .до единиц сантиметров).

Изоляция увлажняется неравномерно по глубине, наибольшее увлажнение происходит в ее наружных слоях.. В связи с этим контроль влажности по глубине изоляции должен производиться с разрешающей способностью по глубине не менее десяти микрон. Кроме того, проводимость электроизоляционных материалов на 7-8 порядков меньше чем грунта. Поэтому для надежного измерения электрических характеристик электроизоляционного материала при напряжениях в сотни вольт расстояние между электродами датчика долж987493 но быть достаточно малым - порядка десятка микрон. Таким образом, характерные размеры активной части электродов (высота электродов и расстояние между ними ) для измерения электриче- . ских характеристик изоляции должны 5 .быть порядка десяти микрон. В то же время электродная система должна обладать достаточно высокой механической прочностью при ее заглублении внутрь изоляции на требуемую глубину.)o

Целью изобретения является повышение надежности конструкции датчика и увеличение разрешающей, способности.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике контРоля Распреде->5 ления влаги в тонкой изоляции, состоящем из двух коаксиальных цилиндрических электродов, из которых внутренний заострен, пространство между коаксиальными электродами заполнено твердой изоляцией с высоким удельным электрическим сопротивлением, причем отношение радиуса внутреннего электрода к толщине слоя изоляции составляет 20-30, а отношение внешнего радиуса наружного электрода к толщине изоляции 40 — 60. кроме того, угол заточки коаксиальных электродов и изоляционной прослойки между ними составляет 140160О. 30

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого датчика; на фиг. 2 датчик, заглубленный внутри изоляпии.

Датчик состоит из внутреннего 1 и наружного 2 коаксиальных цилинд-. 35 рических электродов, из которых внутренний 1 имеет заостренный конец.

Пространство между электродами заполнено твердой изоляцией 3 с высоким удельным сопротивлением, которая 4р механически прочно наносится на поверхность внутреннего электрода 1, например путем наживления. Наружный электрод 2 наносится механически прочно, например напылением на по- 45 верхность твердой изоляции 3. Торец электродов 1 и 2 и слой изоляции

3 между ними заточены под углом

140-160О. Измеряемый материал Обозначен позицией 4.

Внутренний 1 и внешний 2 электроды со слоем твердой изоляции 3 между ними представляют механически прочную конструкцию. На внутренний электрод подается напряжение от источника питания, к внешнему присоединяется измерительный прибор, служащий для измерения тока, протекающего между нижними торцами коаксиально расположенными электродами 1 и 2. 60

Датчик работает следующим образом.

Электроизоляционные материалы, применяемые в высоковольтном anriaратостроении, обладают малой проводимостью. Поэтому величина тока, 65 протекающего в диэлектрике под действием приложенного напряжения, составляет малую величину ° При измерении малых токов расстояние между измерительными электродами должно быть порядка 10 мк. Для создания механически прочной конструкции датчика с малыми расстояниями между электродами необходимо промежуток между коаксиально расположенными электродами 1 и 2 полностью заполнять твердой изоляцией 3. Для уменьшения токов утечки между электродами 1 и 2 необходимо изолирование их один от другого. Для этого применяют диэлектрический материал 3 с BEilcoKHM удельным сопротивлением и малой гигроскопичностью, например фторопласт. Определенный угол заточки нижнего конца, датчика необходим для углуб>ления . его в исследуемый материал и измерения электрических характеристик материала на заданной глубине.

Для выбора размеров электродов датчика необходимо рассмотреть картину тока в исследуемом диэлектрике.

Ток в диэлектрике протекает от поверхности одного электрода к поверхности другого. Максимальный ток протекает через слой испытуемого диэлектрика, прилегающего к слою межэлектродной изоляции. по мере удаления по поверхности электродов от слоя межэлектродной изоляции путь тока между электродами увеличивается,что приводит к уменьшению величины тока, протекающего от данного участка поверхности электродов ° Бесконечно увеличивая поверхность электродов, можно добиться регистрации полного тока, протекающего между электродами, что соответствует максимально возможной чувствительности датчика.

Однако увеличение размеров электродов снижает разрешающую способность датчика, т.е. исключает его исполь зование для многих объектов с меньшими размерами. Следовательно, чувствительность датчика ограниченных размеров будет зависеть от отношения радиусов электродов и толщины межэлектродной изоляции. Если это соотношение составляет 10, то чувствительность датчика будет отличаться от максимально возможной на 103.

Для практических целей достаточно обеспечить чувствительность датчика, отличающуюся от максимально возможной на 5-ЗЪ. Тогда при выборе радиуса (r) внутреннего электрода 1 и толщины (h) наружного электрода 2 необходимо выполнить следующие соотношения г/Р = 20-30, (1)

h/Ó = 20-30 (2)

Толщина наружного электрода равняется разности внешнего (Яб) и

987493 внутреннего (R) радиусов наружного электрода, т.е.

Ь=R -R, (3)

R = r +а (4)

С учетом соотношений (3) и (4) выражение (2) примет вид 5

Rэ/d = 40-60.

Таким образом, размеры внутреннего и наружного электродов необходимо выбирать так, чтобы отношение радиуса внутреннего электрода к толщи- 10 не межэлектродной изоляции состав- . ляло 20-30, а отношение внешнего радиуса наружного электрода к этой толщине равнялось 40-60 ° Тогда при любой толщине межэлектродной изоля- 15 ции обеспечивается высокая чувствительность и разрешающая способность датчика. Минимальная толщина межэлектродной изоляции ограничивается величиной 0,01 мм, так как при меньшей толщине наблюдается резкое возрастание собственной проводимости диэлектрических материалов, что приводит к значительному снижению чувствительности датчика. йа фиг. 2 показан -датчик, заглубленный внутрь изоляции 4. Высота активной зоны изоляции, по которой протекает электрический ток, определяется высотой конусообразной части датчика.. При малом угле заточки торцовой части датчика (менее 140 ) высота его конусообразной части будет сравнима с толщиной изоляции, поэтому разрешающая способность датчика по глубине будет одного порядка с толщиной изоляции. В результате датчик не позволяет замерить электрическое сопротивление или влажность материала) по глубине;с большой точностью. Для повышения разрешающей способности датчика по глубине, а следовательно, для повышения точности контроля влажности по глубине изоляции, необходимо угбл заточки выбирать так, чтобы высота конусообраз- 45 ной части датчика была много меньше толщины изоляции (кратность порядка 10 ). С учетом этого условия для исследования материалов, применяемых в высоковольтном аппаратострое- 5О нии толщина изоляции от 100 мк до единиц сантиметра), угол заточки торцовой части датчика изменяется от

140 до 160О. При дальнейшем увеличении угла заточки затрудняется ввод 55 датчика в материал . При выбранных размерах минимальная величина тока, протекающего между электродами датчика, находящегося на воздухе, составляет порядка 10 А. Эта величина тока надежно регистрируется известными измерительными приборами, например усилителем ИМТ-05. При введении датчика в увлажненный изоляционный материал величина тока в измерительной цепи увеличивается.

Таким образом, датчик, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов со сплошной изоляцией между ними, например фторопластовой, обеспечивающей большую механическую прочность датчика, имекщий заточенное под определенным углом острие для отвода его на заданную глубину в исследуемай материал, позволяет производить контроль влажности изоляционного материала посредством измерения тока, протекающего между торцами электродов датчика.

Предлагаемый датчик прост по конструкции, имеет высокую механиче" скую прочность и может использоваться для контроля распределения влажности бумажной изоляции, а также других.элластичных материалов по глубине.

Формула изобретения

1. Датчик контроля распределения влаги в тонкой изоляции, состоящий из двух коакси альных цили ндрических электродов, из которых внутренний заострен, отличающийся тем, что, с целью повышения его надежности и увеличения разрешающей способности, пространство между коаксиальными электродами заполнено твердой изоляцией с высоким удельным электрическим сопротивлением, причем отношение радиуса внутреннего электрода к толщине слоя изоляции составляет 20-30, à отношение внешнего ра-, диуса наружного электрода к толщине изоляции 40-60.

2. Датчик по п. 1, о т л и ч а -. ю шийся тем, что угол заточки коаксиальных электродов и изоляционной прослойки между ними составляет

140-160о

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Каэарновский Д.М. и др. Испытания электроизоляционных материалоЮ, "Электричество". М., 1963, с. 18-30.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 573743, кл. C 01 и 27/22, 1977 (прототип).

987493

Составитель A. Платова

Редактор В. Иванова Техред С..Мигунова Корректор А, Дэятко г

Заказ 10285/31 Тираж 871. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раумская наб., д. 4/5

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4