АРМАТУРА ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КАБЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРМАТУРЫ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КАБЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК H02G15/02 

Настоящее изобретение относится к арматуре для высоковольтного кабеля, в частности к соединительной кабельной коробке и концевой муфте, а также к ее способу изготовления.

Из-за разрушительного воздействия на применяемую в условиях высокого напряжения арматуру и явлений старения полимерных изоляций в электрических системах электроснабжения часто возникают неисправности.

Эти неисправности вызывают главным образом частичные разряды. Тем не менее такие неисправности могут быть вызваны или обусловлены также погрешностями монтажа, поскольку, например, маленькие частицы, по невнимательности занесенные в применяемую в условиях высокого напряжения арматуру во время монтажа, во время эксплуатации могут приводить к чрезмерному увеличению локальных полей. Во время частичных разрядов в изоляционном материале, если соответствующие системы не выключить вовремя, возникает так называемый триинг, вызываемый частичными разрядами, который увеличивается с течением времени и в конечном итоге приводит к электрическому пробою.

Поэтому частичные разряды в изоляциях кабельных арматур, таких как концевые муфты и соединительные кабельные коробки для силовых кабелей или высоковольтных кабелей, могут привести, на поздней стадии, к полному разрушению (взрыву) кабельных арматур и к неисправностям сети. Из-за высвобождения большого количества энергии, связанного с пробоем, в процессе могут быть повреждены другие части систем. Следовательно, повреждение, вызванное этими событиями, которые действительно довольно редкие, может быть значительным.

С общепринятой точки зрения в переменном поле высокого напряжения полимерный изоляционный материал стареет в несколько этапов. Процессы, которые приводят к частичным разрядам в диэлектриках под нагрузкой напряжения постоянного тока, могут происходить аналогичным образом, но не будут описаны подробно ниже. В переменных полях высокого напряжения трехстадийная феноменологическая модель старения, в которой процесс частичных разрядов берется в качестве третьей стадии, обычно основывается на полимерных изоляциях. На первой стадии происходит предоставление носителей заряда, которое в зависимости от материала и распределения поля определяется характерной необходимой напряженностью поля. Этот процесс способен проходить в объеме изоляционного материала везде, где необходимая напряженность поля превышена, например, из-за неоднородностей, связанных с изготовлением. Тем не менее он также способен возникать на поверхности контакта с токонесущим проводником. Вторая стадия модели характеризуется тем, что с началом введения носителей заряда имеет место передача энергии от электрического поля через введенные носители заряда в полимерную матрицу. В этом процессе главную роль играют неоднородности, зависящие от материала и связанные с изготовлением, поскольку они служат отправными точками для механизмов необратимых повреждений, которые начинаются с этого момента. Из-за введения носителей заряда в соответствующие полупериоды переменного поля высокого напряжения, в ловушках происходит образование пространственных зарядов. В процессе могут возникнуть явления электролюминесценции. Возникновение электролюминесценции в этой фазе может быть вызвано так называемыми процессами с «горячими электронами», возбуждением молекул и рекомбинациями носителей заряда. То, какой из этих процессов доминирует, если это вообще имеет место, зависит от материала. Передача энергии посредством введенных носителей заряда приводит к необратимым химическим, механическим и термическим изменениям микроструктуры полимера. В процессе этого на распределение напряженности локальных полей обычно сильно влияют возмущения пространственных зарядов. Тогда может иметь место образование микрополостей, которое может сопровождаться выделением акустических сигналов и при котором после превышения необходимой величины возникают частичные разряды, после чего достигается третья стадия. Более того, из-за электрохимических изменений (потери при реагировании) и/или во время частичных разрядов могут возникать механические напряжения, вследствие которых в изоляционном материале образуются трещины и щели. В дальнейшем могут возникать все более сильные частичные разряды, которые могут приводить к увеличению триинга, вызываемого частичными разрядами, и в конечном итоге к неблагоприятному электрическому пробою, а также к упомянутому серьезному последующему повреждению.

Обнаружение неоднородностей или последствий процессов старения в изоляционном материале с применением способов электрических или электромагнитных измерений возможно с достаточной чувствительностью только после возникновения структур разрушения (триинг, вызываемый частичными разрядами). На практике на электрические измерения влияют электромагнитные помехи, и, кроме того, технически они являются очень сложными. Количественные данные о степени разрушения возможны только в определенных пределах или только на очень поздней стадии. Для этого часто необходимо, чтобы структуры разрушения сперва достигли определенной величины, т. е. пробой в скором времени неминуем, которая измеряется относительно предполагаемого срока полезного использования электротехнической системы, составляющего приблизительно 40 лет.

К тому времени для эффективного ремонта компонента, например в пределах фаз запланированного технического обслуживания, может быть уже слишком поздно.

Частичные разряды можно обнаружить оптоволоконными способами.

Так, в патенте США № 7668412 B2 описан способ и распределенная сенсорная система для обнаружения разрядов и мониторинга электрических линий. С этой целью вблизи объектов, которые необходимо проверять, размещается оптическое волокно с сердцевиной на основе диоксида кремния меньше чем 500 микрометров в диаметре и обшивка, в которой встроен люминесцентный материал. На втором конце оптического волокна расположен фотодетектор, который обнаруживает и измеряет как прямой излучаемый свет, возникающий в результате электрических частичных разрядов, так и излучаемый свет, отраженный от первого отражающего конца оптического волокна. Измеренные сигналы и время их поступления используются для определения места и величины электрического частичного разряда.

Более того, в патенте Германии DE 102010061607 A1 описан способ мониторинга процессов старения изоляции в устройстве высокого напряжения. Способ включает измерение светового сигнала, сгенерированного в изоляции, посредством первого оптоволоконного датчика и измерение механической переменной величины изоляции посредством второго оптоволоконного датчика на основании легированных флуорофорами оптических волокон, а также оценку состояния старения изоляции. Кроме того, в документе DE 102010061607 A1 описано устройство высокого напряжения с прозрачной или полупрозрачной изоляцией, оптоволоконным датчиком на основе легированных флуорофорами оптических волокон и вторым оптоволоконным датчиком для обнаружения деформаций.

Тем не менее чувствительности оптоволоконных систем, которые до этого применялись в оборудовании высокого напряжения во время эксплуатации, часто не достаточно для достоверного обнаружения, в частности, повреждения изоляции оборудования высокого напряжения, предшествующего частичным разрядам, посредством электронов в энергетическом диапазоне от всего лишь нескольких до нескольких десятков электронвольт (эВ), которые приводят к электролюминесценции. В оптических волокнах с сердцевиной, легированной флуорофорами, флуорофоры ковалентно не связаны, но вместо этого физически растворены. Поскольку они способны к миграции уже при комнатных температурах и даже при низких температурах, область применения таких FOF ограничена. Кроме того, специалист в данной области техники считает необходимым введение органических красителей в изоляцию применяемых в условиях высокого напряжения арматур, поскольку они действуют в качестве примесей, могут быть легко поляризованы электрически и, таким образом, могут представлять ядра для увеличения триинга, что в конечном итоге может приводить к пробою.

С учетом всего вышесказанного согласно настоящему изобретению предлагается арматура для высоковольтного кабеля, представленная в пункте 1 формулы изобретения, способ, представленный в пункте 12 формулы изобретения, и применение, представленное в пункте 15 формулы изобретения.

Согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления арматура для высоковольтного кабеля для размещения высоковольтного кабеля с проводником, выполненным для проведения электрического тока, и кабельной изоляцией, окружающей проводник, снабжена изоляцией и волноводом. Изоляция содержит часть контроля поля, которая является прозрачной или полупрозрачной по меньшей мере в некоторых областях и которая содержит силоксановый полимер, обычно силоксановый эластомер (эластомерная часть контроля поля), чаще силиконовый эластомер. В связи с этим силоксановый полимер по меньшей мере в одном участке части контроля поля содержит флуорофоры, которые ковалентно связаны с силоксановым полимером и/или с диэлектрическими пигментами, встроенными в силоксановый полимер, и/или диэлектрические пигменты. Часть контроля поля предназначена для по меньшей мере частичного окружения кабельной изоляции высоковольтного кабеля. Волновод размещен так, что по меньшей мере один световой сигнал, вызванный частичным разрядом в части контроля поля, может быть введен из части контроля поля в волновод.

Арматура для высоковольтного кабеля обычно представляет собой соединительную кабельную коробку или кабельную концевую муфту.

Термин «высокое напряжение» в контексте этого документа должен включать напряжения, превышающие приблизительно 1 кВ; в частности, термин «высокое напряжение» должен включать диапазоны номинального напряжения, общепринятые в передаче энергии, среднего напряжения от приблизительно 3 кВ до приблизительно 50 кВ, высокого напряжения от приблизительно 50 кВ до приблизительно 110 кВ, а также сверхвысокие напряжения, которые в настоящее время могут составлять вплоть до приблизительно 500 кВ. В случае если рабочие напряжения кабелей будут еще повышаться, предусматривается, что такие диапазоны напряжения будут также в него включены. При этом речь может идти как о напряжениях постоянного тока, так и о напряжениях переменного тока. Термин «высоковольтный кабель» в контексте этого документа должен означать кабель, который подходит для проведения тока высокого напряжения, т. е. электрического тока, сила которого больше чем приблизительно один ампер при напряжении, которое больше чем приблизительно 1 кВ.

Далее термины «высоковольтный кабель» и «силовой кабель» будут использоваться в качестве синонимов. Следовательно, термин «применяемая в условиях высокого напряжения арматура» или «арматура для высоковольтного кабеля» должен означать устройство, которое подходит для подсоединения высоковольтных кабелей к системам высокого напряжения, и/или подсоединения высоковольтных кабелей к воздушным линиям электропередачи высокого напряжения, и/или соединения высоковольтных кабелей друг с другом.

За счет введения флуорофоров и/или диэлектрических пигментов в силоксановый полимер части контроля поля, с одной стороны, влияние на ее электрические свойства (удельная проводимость и диэлектрическая постоянная) отсутствует совсем или является лишь незначительным, и, таким образом, часть контроля поля продолжает обеспечивать требуемое распределение электрического поля во время эксплуатации, тогда как с другой стороны - может увеличиться часть световых сигналов, создаваемых в части контроля поля, которая вводится в волновод. В результате можно с высокой чувствительностью и достоверно обнаружить частичные разряды и даже дефекты, связанные с монтажом, которые предшествуют частичным разрядам, и/или повреждения изоляции, связанные с эксплуатацией, посредством электронов в энергетическом диапазоне от всего лишь нескольких до нескольких десятков электронвольт (эВ), которые приводят к электролюминесценции.

Световые сигналы, введенные в волновод, можно передавать дальше на оптический детектор, например на фотоэлемент или спектрометр на станции управления. Это делает возможным более определенное раннее обнаружение (мониторинг в режиме онлайн) повреждения изоляции, оценку срока полезного использования изоляции системы и долгосрочное планирование технического обслуживания и ремонта системы. В результате возникновение критических структур разрушения, которые вызывают появление пробоя, можно предотвратить эффективно планируемым ремонтом. Кроме того, место дефектов в системе может быть намного легче определено благодаря оптическому считыванию световых сигналов, сгенерированных в изоляции.

Следовательно, устройство высокого напряжения содержит арматуру для высоковольтного кабеля с частью контроля поля на основе силоксанового полимера, которая содержит флуорофоры и/или диэлектрические пигменты по меньшей мере в одном участке, при этом флуорофоры могут быть ковалентно связаны с силоксановым полимером и/или с диэлектрическими пигментами, встроенными в силоксановый полимер, и с волноводом, который размещен так, что световой сигнал, сгенерированный в части контроля поля, может быть введен из части контроля поля в волновод; а также оптический детектор, который соединен с волноводом арматуры для высоковольтного кабеля. В качестве сети электроснабжения устройство высокого напряжения может содержать множество таких арматур для высоковольтного кабеля.

Кроме того, устройство высокого напряжения обычно содержит блок управления и оценки, соединенный с оптическим детектором, который обычно образует устройство мониторинга для арматуры для высоковольтного кабеля, и/или источник света, соединенный с блоком управления и оценки, который расположен внутри корпуса арматуры для высоковольтного кабеля, обычно в области с низкой напряженностью электрического поля во время эксплуатации арматуры для высоковольтного кабеля, соединенной с одним или двумя кабелями. Источник света, например светодиод, может применяться для проверки эксплуатационных качеств датчика, образованного волноводом и оптическим детектором, для световых сигналов, вызванных процессами повреждения в изоляции.

Оптическое излучение (световой сигнал), испускаемое при процессах повреждения и подлежащее обнаружению, может возникать в результате как процессов электролюминесценции (в частности, в областях с высокой напряженностью электрического поля в части контроля поля) и фотолюминесценции, соответственно, в определенных областях длины волны, так и процессов частичных разрядов при возникновении триинга, вызываемого разрядами.

Термин «частичный разряд» в контексте этого документа должен означать кратковременные, относительно низкоэнергетические и местные разряды в изоляции, которые не приводят сразу к электрическому пробою, но необратимо повреждают материал изоляции. В частности, термин «частичный разряд» должен включать, в частности, термин «внутренний частичный разряд», т. е. явление разряда, которое не обязательно видно снаружи, в негазообразных изоляционных материалах, в частности в твердых изоляционных материалах, таких как полимеры. Начиная с мест, имеющих дефекты, такие как полости и посторонние включения или поверхности контакта с другими материалами, в частности с проводниками, несущими высокое напряжение, частичные разряды с течением времени могут привести к увеличению триинга, вызываемого частичными разрядами, в изоляционном материале, что в конечном итоге может привести к пробою. Величина триинга, вызываемого частичными разрядами, обычно составляет больше чем приблизительно 1 мкм (микрометр).

В качестве величины силы частичного разряда можно применять кажущийся заряд, измеряемый непосредственно на контрольных клеммах электрического измерительного устройства. С помощью принятых способов электрических и электромагнитных измерений сегодня можно обнаружить частичные разряды с кажущимися зарядами больше чем приблизительно 1 пКл (пикокулон) в условиях испытаний, которые приняты на практике. Согласно отраслевому стандарту IEC 60840, 4-е издание, 2011 г., точность измерения для испытания систем высоковольтных кабелей должна составлять приблизительно 5 пКл. Тем не менее во время эксплуатации арматуры для высоковольтного кабеля в условиях высокого напряжения чувствительность измерений этим способом ограничена уровнем электромагнитных базовых помех до диапазона от приблизительно 20 пКл до приблизительно 50 пКл. Термин «частичный разряд» в контексте этого документа, в частности, должен означать разряды в изоляции с кажущимися зарядами, т. е. электрически измеримыми кажущимися зарядами, больше чем приблизительно 1 пКл.

Волновод может быть расположен в части контроля поля и/или на поверхности части контроля поля.

Волновод обычно представляет собой оптическое волокно, а чаще - полимерное оптическое волокно (POF), которое может состоять из силоксанового полимера части контроля поля или из другого силоксанового полимера. В результате благодаря волноводу в части контроля поля в значительной степени предотвращаются искажения поля.

Более того, оптическое волокно может иметь флуоресцентную сердцевину волокна, по меньшей мере в части волокна, которая расположена на или в части контроля поля. Этот делает возможным особенно эффективный ввод света из части контроля поля в оптические волокна и последующую передачу введенного света с низкими потерями.

Кроме того, волновод можно также модифицировать в его обшивке и/или в его сердцевине ковалентно связанными флуорофорами.

Флуорофоры части контроля поля обычно выбраны так, что они могут преобразовывать световой сигнал, вызванный процессами повреждения, в излучение области длины волны, в которой силоксановый полимер имеет более высокую степень прозрачности, чем в области длины волны исходного (первичного) светового сигнала.

В результате потери на поглощение в части контроля поля уменьшаются и, таким образом, чувствительность обнаружения увеличивается. Например, флуорофоры части контроля поля возбуждаются в области длины волны ниже 500 нм, например в УФ-области, и, в зависимости от их стоксова сдвига, переизлучают свет с более длинной волной, который силоксановым полимером поглощается слабее. В качестве флуорофоров можно применять, например, красители на основе нафталимидов, которые посредством соответствующих реакционноспособных групп могут быть ковалентно связаны с полимерной сеткой, обычно сеткой из силиконового эластомера.

Кроме реакционноспособных групп для сшивания силиконы обычно также содержат повторяющиеся звенья силоксана (-O-Si(R)(R')-O-, SiO₂R₂) из диметила-(R = R' = метил = CH₃), метилфенила-(R = метил = CH₃, R' = фенил = C₆H₅) или дифенилсилоксана (R = R' = фенил = C₆H₅), или комбинации этих составляющих.

Флуорофоры могут быть ковалентно связаны с мономерными звеньями силоксана, но также и со сшиваемыми олигомерными силоксанами. Тем не менее также возможны другие составляющие, такие как конденсированные ароматические соединения, фторированные углеводороды или алифатические углеводороды, с которыми могут быть ковалентно связаны флуорофоры.

Соотношение по массе ковалентно связанных флуорофоров в участке части контроля поля или во всей части контроля поля относительно силоксана обычно составляет по меньшей мере 5 ppmw, в зависимости от сечений поглощения, и может доходить до приблизительно 500 ppmw (где ppmw - это аббревиатура с английского «частей на миллион по весу», что соответствует 10⁶ x масса флуорофора/масса силоксана). Этот делает возможным достаточно хорошее преобразование и последующую дальнейшую передачу светового сигнала, вызванного в части контроля поля процессами повреждения.

Для получения особенно четкого разделения между полосами поглощения и излучения, посредством чего повторное поглощение в пределах легированного объема части контроля поля может быть уменьшено еще, силоксановый полимер может быть модифицирован различными ковалентно связанными флуорофорами, которые действуют в качестве FRET-пар (пар в ферстеровском резонансном переносе энергии). Таким образом, силиконовый полимер может быть легирован нафталином и дансилом, нафталимидом и диэтиламинокумарином или флуоресцеином и родамином. С этой целью, соответственно, две молекулы FRET-пары, перед ковалентным связыванием с силоксановой сеткой, связываются посредством соответствующих этапов синтеза в общую молекулу-носитель (которая является пассивной оптически, а также относительно систем электронов молекулы флуорофора) таким образом, что пространственное расстояние между ними постоянно ограничивается значением в пределах FRET-радиуса, составляющего приблизительно 30-70 ангстрем.

Флуорофоры обычно ковалентно связаны с силоксановым полимером или с диэлектрическими частицами, которые встроены в силоксановый полимер и, в свою очередь, могут быть ковалентно связаны с силоксановым полимером. Диэлектрические частицы могут быть функционализированными частицами, обычно наночастицами. Например, в качестве диэлектрических частиц могут применяться частицы диоксида кремния, поверхностно-функционализированные частицами гидридосилоксана или полиорганосилоксана с ненасыщенными функциональными группами (например, с гидридогруппами или группами ненасыщенных углеводородов, такими как аллильные и винильные группы).

Благодаря ковалентному связыванию флуорофоров предотвращается диффузия флуорофоров в силоксановом полимере. Это позволяет в течение ожидаемого срока службы, составляющего до нескольких десятилетий, удерживать флуорофоры в участке, например в участках, особенно подверженных повреждению, или в участках, функционирующих в качестве проводящих свет областей.

Часть контроля поля обычно занимает то пространство в применяемой в условиях высокого напряжения арматуре, в котором напряженность поля во время эксплуатации в условиях высокого напряжения слишком высокая для другой изоляции.

Часть контроля поля, которая также известна как блок контроля поля, в применяемой в условиях высокого напряжения арматуре обычно содержит проводящий отклоняющий элемент для изменения распределения электрического поля, который выполнен с возможностью контакта с кабельной экранирующей оболочкой высоковольтного кабеля.

В частности, часть контроля поля может быть выполнена в виде конуса контроля поля со встроенным проводящим отклоняющим элементом.

Посредством отклоняющего элемента часть контроля поля во время эксплуатации арматуры для высоковольтного кабеля в условиях высокого напряжения способна направлять линии поля таким образом, что напряженность поля снаружи части контроля поля достаточно низкая. Благодаря встроенным частицам графита или сажи проводящий отклоняющий элемент может иметь высокий коэффициент поглощения в ожидаемой области длины волны явления электролюминесценции и/или явления частичных разрядов, и тогда он представляет собой по существу непрозрачную или сильнопоглощающую часть части контроля поля.

Отклоняющий элемент может состоять из силоксанового полимера остальной части части контроля поля или из другого силоксанового полимера. Силоксановый полимер отклоняющего элемента может также быть модифицирован ковалентно связанными флуорофорами и/или может содержать диэлектрические пигменты, например, в области, граничащей с остальной частью части контроля поля. В результате может предотвращаться проникновение части светового сигнала в более сильнопоглощающий отклоняющий элемент.

Согласно одному дополнительному варианту осуществления часть контроля поля имеет несколько участков, которые являются обособленными или даже расположенными на расстоянии друг от друга и которые содержат флуорофоры и/или диэлектрические пигменты. Таким образом, в волновод может быть введена особенно большая часть светового сигнала, вызванного процессами повреждения в части контроля поля или сопровождающего их. Например, первичный световой сигнал, вызванный процессами повреждения в части контроля поля или сопровождающий их, может быть преобразован в первом участке его флуорофорами во вторичный световой сигнал с более длинной волной, который отражается пигментами второго участка, в результате чего предотвращается его по меньшей мере частичное проникновение в поглощающий отклоняющий элемент, не может выйти из части контроля поля в направлении еще одной неполимерной зоны изоляции и/или отражается по меньшей мере частично в направлении волновода.

Часть контроля поля может иметь несколько участков, содержащих флуорофоры, и/или несколько участков, содержащих пигменты, или же только один участок, содержащий флуорофоры, или только один участок, содержащий пигменты. Участок (участки) представляют собой обычно трехмерные зоны. Если концентрация флуорофоров или пигментов в участке (участках) очень высокая, то они также могут представлять собой, например, очень тонкую область, которая на практике обычно является изогнутой по сравнению с размерами части контроля поля (т. е. тонкий слой с большим отношением поверхности к объему), и эта область может быть расположена рядом с поверхностью части контроля поля и/или представляет собой часть поверхности. Это может иметь значение, например, для участка (участков), содержащего только пигменты, поскольку таким образом также может обеспечиваться хорошее обратное рассеяние света в остальную часть объема части контроля поля или в волновод, и, кроме того, могут практически исключаться воздействия на распределение электрического поля, поскольку поля рядом с внешней поверхностью части контроля поля сравнительно слабые.

Коэффициент отражения у диэлектрических пигментов обычно составляет больше чем 0,8 и чаще больше чем 0,9, чтобы в требуемых направлениях отражалось как можно больше света. Поэтому диэлектрические пигменты обычно белые. В частности, в качестве диэлектрических пигментов используются частицы TiO₂, ZnO, SnO или Al₂O₃ или диэлектрические частицы с покрытиями из этих материалов.

Концентрация диэлектрических пигментов в участке обычно составляет больше чем 1 об. %, чаще больше чем 2 об. % и даже чаще больше чем 5 об. %. В результате может быть отражена достаточно большая часть света.

Форма и расположение участка или участков и волновода или волноводов обычно соответствуют друг другу, чтобы обеспечивалась особенно хорошая передача света и, следовательно, высокая чувствительность измерений.

Согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления способ изготовления арматуры для высоковольтного кабеля для размещения высоковольтного кабеля с проводником, выполненным для проведения электрического тока, и с кабельной изоляцией, окружающей проводник, включает следующие этапы:

- получение части контроля поля, которая является прозрачной или полупрозрачной по меньшей мере в некоторых областях и которая выполнена на основе силоксанового полимера, обычно силоксанового эластомера;

- размещение части контроля поля в корпусе арматуры для высоковольтного кабеля, так что часть контроля поля способна окружать кабельную изоляцию высоковольтного кабеля по меньшей мере частично; и

- размещение волновода в корпусе.

Способ выполняют таким образом, что силоксановый полимер содержит флуорофоры и/или диэлектрические пигменты по меньшей мере в одном участке части контроля поля, и при этом по меньшей мере один световой сигнал, вызванный частичным разрядом в части контроля поля, может быть введен из части контроля поля в волновод.

Получение части контроля поля обычно включает перемешивание сшиваемых компонентов силоксановой системы, которая часто содержит два компонента, с флуорофорами, функционализированными для сшивания, с флуорофорами, связанными с диэлектрическими частицами и/или с диэлектрическими пигментами, с получением смеси; введение смеси в форму и полимеризацию смеси в форме.

Поскольку получаемая часть контроля поля обычно содержит зоны, в которых нет ковалентно связанных флуорофоров и диэлектрических пигментов или которые были, самое большее, немного модифицированы ими, то обычно в форму также вводят силоксан без флуорофоров и диэлектрических пигментов.

В зависимости от расположения и формы участка или зон этот процесс можно также выполнять многократно. Это значит, что для части контроля поля предполагается несколько циклов введения смеси или силоксана и последующей полимеризации смеси в форме.

В качестве альтернативы или дополнительно, диэлектрические пигменты можно наносить на поверхность или часть поверхности формы перед введением смеси или в виде покрытия после удаления полимеризованного силоксана из формы, например путем нанесения белого красителя на основе силиконовой смолы, т. е. красителя на основе силиконовой смолы, который содержит белые диэлектрические частицы, например TiO₂.

Перед полимеризацией (в одном цикле) в форму может быть введена часть волновода.

Тем не менее волновод может также быть прикреплен только на одной поверхности части контроля поля после ее получения в форме, например связан с поверхностью и/или закреплен на ней посредством силиконового клея. Кроме того, прикрепленный волновод затем может быть снабжен отражающим слоем на основе силоксана, например путем применения соответствующего красителя на основе силиконовой смолы. В результате потери света можно уменьшить еще. Эти этапы можно также выполнять на месте.

Ковалентно модифицированный участок даже можно надеть, как внешнее кольцо, на управляющую часть и при необходимости закрепить его там посредством клеящего вещества. Это можно также осуществить на месте, и поэтому может быть модифицировано даже существующее оборудование высокого напряжения, например во время технического обслуживания.

Согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления в качестве изоляции устройства высокого напряжения применяется силоксановый полимер, содержащий флуорофоры и/или диэлектрические пигменты.

Благодаря по меньшей мере одному волноводу, оптически связанному с изоляцией, и оптическому детектору, соединенному с по меньшей мере одним волноводом, повреждение или процессы старения изоляции можно отслеживать надежно и с высокой чувствительностью.

Устройство высокого напряжения обычно представляет собой арматуру для высоковольтного кабеля, в частности соединительную кабельную коробку или кабельную концевую муфту, часть контроля поля которой обычно содержит участки из силоксанового полимера, содержащего флуорофоры и/или диэлектрические пигменты.

Тем не менее силоксановый полимер, модифицированный ковалентно связанными флуорофорами и/или диэлектрическими пигментами, также может применяться в качестве изоляции в других устройствах высокого напряжения, таких как преобразователи (трансформаторы) напряжения и коммутационные системы.

Согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления устройство высокого напряжения содержит изоляцию, которая является прозрачной или полупрозрачной по меньшей мере в некоторых областях и которая выполнена на основе силоксанового полимера, при этом силоксановый полимер содержит флуорофоры и/или диэлектрические пигменты по меньшей мере в одном участке изоляции; и волновод, который расположен так, что по меньшей мере один световой сигнал, вызванный частичным разрядом в изоляции, может быть введен из изоляция в волновод.

Другие предпочтительные конфигурации, детали, аспекты и признаки настоящего изобретения станут очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и прилагаемых графических материалов, в которых:

на фиг. 1 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления;

на фиг. 2 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления;

на фиг. 3 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно еще одному представленному в качестве примера варианту осуществления;

на фиг. 4 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления;

на фиг. 5 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления;

на фиг. 6 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления; и

на фиг. 7 показано схематическое изображение в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры согласно еще одному представленному в качестве примера варианту осуществления.

На фиг. 1 показан схематический центральный вид в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 100 для размещения высоковольтного кабеля 1 согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления, взятый вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1. Для проведения тока высокого напряжения внутри осесимметричного высоковольтного кабеля 1 расположен проводник 11, например алюминиевый или медный проводник, который окружен кабельной изоляцией 12, обычно изоляцией из XLPE (сшитый полиэтилен), и внешней кабельной экранирующей оболочкой 13, например внешним проводящим слоем или полупроводящей внешней кабельной экранирующей оболочкой. Кроме того, высоковольтный кабель 1 может дополнительно содержать слои подушки и медную оболочку, а также внешнюю обшивку для защиты от воздействий окружающей среды. Это может быть полиэтиленовая обшивка или обшивка из другого материала, не содержащего галогенов. С целью обеспечения ясности эти компоненты на фиг. 1 и следующих фигурах не показаны. Более того, между проводником 11 и изоляцией из XLPE высоковольтный кабель 1 может содержать внутренний проводящий слой. Этот внутренний проводящий слой тоже не показан.

Применяемая в условиях высокого напряжения арматура 100, показанная на фиг. 1, представляет собой кабельную концевую муфту 100, такую как применяемая для воздушных линий электропередачи, например. Кабельная концевая муфта 100 содержит корпус 110, например керамический корпус, который герметично закрывает внутренние части применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 100 от окружающей среды. Корпус 110 обычно охватывает (за исключением отверстий, например для высоковольтного кабеля 1) внутреннее пространство, которое является осесимметричным, например симметричным относительно оси цилиндра, в сечении. Во внутренней части (внутреннем пространстве) корпуса 110 находится зона 3 изоляции. Зона 3 изоляции может быть образована, например, в основном прозрачным изолирующим пространством, заполненным маслом или газом.

С высоковольтного кабеля 1, введенного в кабельную концевую муфту 100, удалены внешние слои (кабельная обшивка, слои подушки и металлическая оболочка); обычно полупроводящая внешняя кабельная экранирующая оболочка 13 проходит дальше в область части контроля поля, и потом только лишь кабельная изоляция 12 с проводником 11 проходят дальше в осевом направлении через концевую муфту до элемента крепления головки. Через кабельную концевую муфту 100 полностью проходит только проводник 11, предназначенный для подключения к воздушной линии электропередачи в области на правой стороне фиг. 1 после выхода из кабельной концевой муфты 100. Во внутренней части кабельной концевой муфты 100 проводник 11 непосредственно окружен зоной 2 изоляции только в области удаленной кабельной изоляции. Для размещения высоковольтного кабеля 1 во внутреннее пространство корпуса 110 вставлена осесимметричная электроизоляционная часть 2 контроля поля, которая занимает ту часть внутреннего пространства, в которой напряженность электрического поля будет слишком большой для изоляционных материалов в зоне 3 изоляции. Часть 2 контроля поля снабжена внутренним полым цилиндром, в который высоковольтный кабель 1 может быть вставлен. Например, часть 2 контроля поля может быть выполнена в виде конуса контроля поля.

Часть 2 контроля поля обычно представляет собой эластомерную часть контроля поля, которая по меньшей мере в некоторых областях состоит из прозрачного или полупрозрачного эластомерного элемента, например элемента из силиконового эластомера с достаточно высокой степенью прозрачности на одну длину волны или более в диапазоне от приблизительно 300 нм до приблизительно 900 нм. Внутренний полый цилиндр обычно выполнен таких размеров, чтобы между кабельной изоляцией 12 вставленного кабеля 1 и частью 2 контроля поля имела место прессовая посадка, и, таким образом, часть 2 контроля поля образует выравнивающий конус. Неполимерная зона 3 изоляции и часть 2 контроля поля вместе образуют изоляцию 2, 3 кабельной концевой муфты 100.

Часть 2 контроля поля и/или высоковольтный кабель 1 могут быть дополнительно прикреплены, например посредством пружин, к корпусу 110 или в области 5 зоны 3 изоляции, которая расположена рядом с кабелем и на нулевом потенциале (по меньшей мере почти в отсутствии поля), например, если зона 3 изоляции образована твердотельным изоляционным элементом. Такое крепление части 2 контроля поля и/или высоковольтного кабеля 1 обычно применяется в случае конструкции кабельной концевой муфты 100 в составной конструкции. Независимо от применяемой конструкции изоляция 2, 3 содержит часть 2 контроля поля для размещения кабеля 1 с частично удаленной кабельной изоляцией 12 и для направления должным образом линий поля во время эксплуатации в условиях высокого напряжения. Соединительная кабельная коробка, которая не показана, наоборот, снабжена двумя частями контроля поля для размещения соответственно одного из двух подлежащих соединению кабелей с частично удаленной кабельной изоляцией и для направления должным образом линий поля во время эксплуатации арматуры для высоковольтного кабеля в условиях высокого напряжения.

Для ослабления электрического поля обычно применяется эластомерная часть 2 контроля поля, в которой встроен проводящий отклоняющий элемент 4 соответствующей формы. Проводящий отклоняющий элемент 4 пребывает в электрическом контакте с кабельной экранирующей оболочкой 13. Проводящий отклоняющий элемент 4 обычно также состоит из силиконового эластомера, которому, тем не менее, обеспечена соответствующая удельная электрическая проводимость за счет введения примесей, например углерода.

Из-за неоднородностей или дефектов материала во время эксплуатации в части 2 контроля поля обычно возникают области 8 повышенной напряженности поля. В областях 8 с повышенной напряженностью поля повышается вероятность возникновения повреждения или возникновения частичных разрядов и, таким образом, генерирования световых сигналов.

В представленном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг. 1, в часть 2 контроля поля ведет волновод 51 во внутреннем пространстве применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 100, при этом он образует несколько витков 51w рядом с поверхностью части 2 контроля поля. Таким образом, волновод 51 частично выполнен в части 2 контроля поля. Поскольку волновод 51 расположен в зоне низкой напряженности поля во время эксплуатации (отделен от области 8 отклоняющим элементом), то любые умеренные отклонения, которые могут иметь место между эффективной диэлектрической постоянной волновода 51 и диэлектрической постоянной материала части 2 контроля поля (из силоксана), лишь немного влияют на распределение поля во время эксплуатации в условиях высокого напряжения.

За счет витков 51W, которые выполнены в виде спирали или винтовой линии, может повышаться вероятность ввода в волновод 51 первичного светового сигнала, сопровождающего процесс изменения (процесс повреждения) в части 2 контроля поля, который вызван полем высокого напряжения и которому способствуют носители заряда. Таким образом, вероятность обнаружения процесса повреждения посредством оптического детектора, соединенного с волноводом, также может повышаться.

Вероятность обнаружения процесса повреждения может также повышаться посредством участка 2a в виде полого усеченного конуса части 2 контроля поля в представленном в качестве примера варианте осуществления, поскольку силиконовый эластомер части 2 контроля поля модифицирован в участке 2a ковалентно связанными флуорофорами, которые преобразуют первичный световой сигнал, сгенерированный вероятнее всего в области 8, во вторичный световой сигнал с более длинной волной, поглощаемый менее интенсивно. Более того, непрямое излучение фотонов из флуорофоров также приводит к уменьшению части света, выходящего из части 2 контроля поля в зону 3 изоляции.

Волновод 51 обычно представляет собой флуоресцентное оптическое световодное волокно (FOF, от английского «fluorescent optical fiber»), чаще полимерное флуоресцентное оптическое световодное волокно (от английского «fluorescent polymer optical fiber») с легированной сердцевиной. Спектр волны поглощения у флуорофора обычно соответствует ожидаемому спектру световых сигналов в части 2 контроля поля. Таким образом, для световых сигналов может быть получен очень чувствительный датчик. В частности, может быть предусмотрено, что сердцевина FOF содержит как флуорофоры со спектром поглощения, соответствующим первичному световому сигналу, так и флуорофоры со спектром поглощения, соответствующим спектру излучения флуорофоров участка 2a (несколько раз легированная сердцевина FOF).

Например, флуорофоры участка 2a способны к поглощению света на участке диапазона длины волны от 280 нм до 500 нм, обычно от 315 нм до 500 нм и чаще от 350 нм до 500 нм, а также к излучению (вторичного) света с более длинной волной в области длины волны больше 500 нм, например в диапазоне от 500 нм до 800 нм, обычно на том его участке, на котором происходит поглощение флуорофорами сердцевины FOF. Этот спектр излучения флуорофоров участка 2a обычно характеризуется сильным относительным совмещением со спектром поглощения флуорофоров сердцевины FOF. Также возможно применять несколько флуорофоров и получать градиент энергии. Кроме того, является возможным применение пар флуоресцентных красителей, геометрически фиксированных должным образом, которые обеспечивают передачу энергии без излучения и, таким образом, без потерь (FRET-пары).

Если эффективная диэлектрическая постоянная оптического волокна 51 отклоняется от диэлектрической постоянной части 2 контроля поля, то в распределении электрического поля в изоляции может возникнуть изменение. В таком случае может быть дополнительно предусмотрено то, что форма и/или удельная проводимость части 2 контроля поля, особенно отклоняющего элемента, модифицируется так, что изменение электрического поля компенсируется оптическим волокном 51. Тем не менее по меньшей мере в большинстве случаев изменения распределения электрического поля также можно избежать, если оптическое волокно 51 также выполнено на основе силоксана.

Флуоресцентное оптическое волокно 51, вместе с оптическим детектором, который не показан, обычно образует так называемый «FOF-датчик», т. е. детектор выполнен в соответствии со спектром волны излучения флуорофора (или флуорофоров) легированной сердцевины. Как обшивка, так и сердцевина оптического волокна также могут быть модифицированы ковалентно связанными флуорофорами.

С оптическим детектором соединен (оптически связан) по меньшей мере один конец флуоресцентного оптического волокна 51. Тем не менее с оптическим детектором также могут быть соединены оба конца флуоресцентного оптического волокна 51. В результате может быть получена особенно высокая чувствительность измерений. Оптический детектор обычно представляет собой оптоэлектронный преобразователь, например фотодиод, например лавинный фотодиод, или также фотоумножитель, или даже спектрометр.

Оптический детектор и блок оценки, соединенный с ним (также не показан), обычно расположены в пространстве 5 без поля или снаружи корпуса 110 концевой муфты. Таким образом, детектор и блок оценки могут быть в значительной степени защищены от электромагнитных помех со стороны поля высокого напряжения. Блок оценки может даже быть блоком управления и оценки.

Флуоресцентное оптическое волокно 51 может проходить непосредственно к блоку оценки. Тем не менее также является возможным соединение флуоресцентного оптического волокна 51 с блоком оценки посредством транспортного оптического волокна с меньшим затуханием.

Более того, также является возможным встраивание в части контроля поля не только одного флуоресцентного оптического волокна 51 с соответствующей областью длины волны поглощения, но и нескольких с разными областями длины волны поглощения. В результате с высокой чувствительностью может быть обнаружен более широкий участок из спектра излучения частичных разрядов и/или электролюминесценции. Каждое из этих флуоресцентных оптических волокон может быть соединено посредством его транспортного оптического волокна с отдельным детектором, например с отдельным фотодиодом, приспособленным под соответствующий флуорофор. Тогда можно просто добавить сигналы отдельных фотодиодов, например, для определения суммарной величины светового выхода.

Из-за введенных в него примесей проводящий отклоняющий элемент 4 может быть непрозрачным. В этом случае отклоняющий элемент, как видно на фиг. 1, оптически затеняет флуоресцентное оптическое волокно 51 по меньшей мере частично от области 8 с повышенной напряженностью поля. Тем не менее за счет легированного флуоресцентным веществом участка 2a первичные световые сигналы, возникающие из области 8, можно обнаружить на основании вторичных световых сигналов.

В качестве альтернативы этому участок 2a может также быть легирован не флуорофорами, а пигментами, например частицами оксида титана, которые хорошо отражают первичные световые сигналы. Также является возможным компенсировать таким образом, по меньшей мере частично, эффект затенения со стороны непрозрачного или сильнопоглощающего отклоняющего элемента 4.

Может даже предусматриваться, что участок 2a содержит легированную флуоресцентным веществом внутреннюю часть (внутреннее кольцо; ввиду осевой симметрии этот участок обычно является по существу кольцевым) и легированную пигментами внешнюю часть (внешнее кольцо). При этой компоновке в оптическое волокно 51 может быть введен особенно высокий световой выход из части контроля поля.

На фиг. 2 показан схематический центральный вид в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 200 для размещения высоковольтного кабеля 1 согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления, взятый вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1. Применяемая в условиях высокого напряжения арматура 200 подобна применяемой в условиях высокого напряжения арматуре 100, рассмотренной со ссылкой на фиг. 1, и также представляет собой кабельную концевую муфту. Тем не менее оптическое волокно 51 кабельной концевой муфты 200 не встроено в часть 2 контроля поля, но вместо этого расположено на ее внешней поверхности, например связано с ней клеящим веществом. При этой компоновке также могут быть обнаружены с высокой чувствительностью процессы старения, вызванные полями высокого напряжения.

Более того, в пространстве 5 без поля расположен источник 40 света, например светодиод, который соединен с блоком управления и оценки и может использоваться им для проверки и/или калибровки оптоволоконного датчика.

На фиг. 3 показан схематический центральный вид в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 300 для размещения высоковольтного кабеля 1 согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления, взятый вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1. Применяемая в условиях высокого напряжения арматура 300 подобна применяемой в условиях высокого напряжения арматуре 100, показанной на фиг. 1, и также представляет собой кабельную концевую муфту. Тем не менее часть 2 контроля поля кабельной концевой муфты 200, за исключением детектора 4, состоит из силоксанового эластомера, легированного флуорофорами, например из силиконового эластомера, легированного флуорофорами. Часть 2 контроля поля кабельной концевой муфты 200 может быть получена относительно просто, поскольку, кроме отклоняющего элемента 4, нужен только один силоксан, легированный флуорофорами.

Более того, область 8 с повышенной напряженностью поля также легирована флуорофорами в этом представленном в качестве примера варианте осуществления. Поэтому первичные световые сигналы, сгенерированные в области 8 с наиболее высоким риском возникновения вызываемых полем процессов старения, могут быть эффективно преобразованы во вторичные световые сигналы с более длинной волной, и чувствительность измерений может быть увеличена за счет небольших потерь на поглощение вторичных световых сигналов.

Это также в значительной степени справедливо для кабельной концевой муфты 400, которая показана на фиг. 4 в схематическом центральном виде в разрезе вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1 и часть 2 контроля поля которой имеет полый конический участок 2a, который легирован флуорофорами и по большей части имеет область 8 с наиболее высоким риском возникновения вызываемых полем процессов старения.

В качестве альтернативы геометрии, показанной на фиг. 4, участок 2a в области 8 частично или полностью может быть выполнен в виде полого цилиндра и, например, проходить до кабельной изоляции 12 или рядом с ней.

На фиг. 5 показан схематический центральный вид в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 500 для размещения высоковольтного кабеля 1 согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления, взятый вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1. Применяемая в условиях высокого напряжения арматура 500 подобна применяемой в условиях высокого напряжения арматуре 100, показанной на фиг. 1, и также представляет собой кабельную концевую муфту. Тем не менее участок 2a части 2 контроля поля кабельной концевой муфты 500 легирован не флуорофорами, а диэлектрическими пигментами. За счет того, что первичные световые сигналы, возникающие, в частности, из области 8, отражаются в местах диэлектрических пигментов участка 2a, может увеличиваться часть первичного светового сигнала, введенного в оптическое волокно 51. В этом варианте осуществления участок 2a образует отражающий слой.

В представленном в качестве примера варианте осуществления по фиг. 5 оптическое волокно 51 расположено только на поверхности части 2 контроля поля. Это позволяет устанавливать или подгонять оптическое волокно 51 на месте. Тем не менее оптическое волокно 51 кабельной концевой муфты 500 также может быть частично встроено в часть 2 контроля поля, как объяснялось выше со ссылкой на фиг. 1. Тогда на основании определенных условий производства можно ожидать меньшего колебания чувствительности для измерения вызываемых полем процессов старения. Если оптическое волокно 51 частично встроено в часть 2 контроля поля, то потери света можно дополнительно уменьшить еще посредством (еще одного) участка части 2 контроля поля, который содержит диэлектрические пигменты, действует в качестве отражающего слоя и, если смотреть от области 8, расположен за витками 51w. Эти утверждения также аналогично применимы для представленных в качестве примера вариантов осуществления по фиг. 3, 4.

На фиг. 6 показан схематический центральный вид в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 600 для размещения высоковольтного кабеля 1 согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления, взятый вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1. Применяемая в условиях высокого напряжения арматура 600 подобна применяемой в условиях высокого напряжения арматуре 100 и также представляет собой кабельную концевую муфту. Тем не менее в часть 2 контроля поля кабельной концевой муфты 600 встроены два оптических волокна 51, 52 (или даже более двух оптических волокон), которые расположены по окружности. Более того, оптические волокна 51, 52 проходят вплоть до участка 2a, легированного флуорофорами, или по меньшей мере очень рядом с участком 2a. При этой компоновке процессы старения, вызванные полями высокого напряжения, можно с особой чувствительностью обнаружить на основании связанных с ними световых сигналов.

На фиг. 7 показан схематический центральный вид в разрезе применяемой в условиях высокого напряжения арматуры 700 для размещения высоковольтного кабеля 1 согласно одному представленному в качестве примера варианту осуществления, взятый вдоль оси цилиндра высоковольтного кабеля 1. Применяемая в условиях высокого напряжения арматура 700 подобна применяемой в условиях высокого напряжения арматуре 600, рассмотренной со ссылкой на фиг. 6, и также представляет собой кабельную концевую муфту. Тем не менее оптические волокна 51, 52 кабельной концевой муфты 700 не проходят вплоть до участка 2a, а только вплоть до еще одного участка 2b, который тоже с флуорофорами.

При этом флуорофоры участка 2a обычно поглощают свет из участка диапазона длины волны от 280 нм до 500 нм, чаще от 315 нм до 500 нм и даже чаще от 350 нм до 500 нм, а также излучают (вторичный) свет с более длинной волной в области длины волны больше 500 нм, например в диапазоне от 500 нм до 800 нм, обычно на том его участке, на котором флуорофоры еще одного участка 2a и, если необходимо, флуорофоры сердцевины оптических волокон 51, 52 поглощают его интенсивно. Этот спектр излучения флуорофоров этого участка 2a обычно характеризуется сильным относительным совмещением по меньшей мере со спектром поглощения флуорофоров участка 2b.

В качестве альтернативы этому участок 2a кабельной концевой муфты 700 может также быть выполнен как отражающий участок, т. е. как участок, легированный диэлектрическими пигментами.

Согласно еще одному представленному в качестве примера варианту осуществления, не показанному, несколько флуоресцентных оптических волокон, например четыре оптических волокна, обычно выполнены соответственно в виде полупетель и встроены в часть контроля поля вместе с накопительным волокном, которое действует как «контактное кольцо» и легировано дополнительным флуорофором. В этом случае может быть предусмотрено, что накопительное волокно на стороне, обращенной от полупетель, покрыто белым, отражающим слоем, например слоем, содержащим частицы TiO₂ или частицы ZnO. В результате эффективность ввода света может быть дополнительно увеличена.

Устройства высокого напряжения, описанные в этом документе, содержат изоляцию, которая является прозрачной или полупрозрачной по меньшей мере в некоторых областях и которая выполнена на основе силоксанового полимера, обычно на основе силиконового эластомера, при этом силоксановый полимер содержит флуорофоры и/или диэлектрические пигменты по меньшей мере в одном участке изоляции; и волновод, обычно оптическое волокно с легированной флуоресцентным веществом сердцевиной волокна, которое расположено так, что световой сигнал, сгенерированный в изоляции, может быть введен из изоляции в волновод. Световой сигнал, сгенерированный в изоляции, может быть, например, вспышкой частичного разряда или вызван электрически индуцированным процессом изменения изоляции, который происходит перед частичным разрядом, как, например, электролюминесцентный сигнал.

По сравнению с электромагнитными или пьезоэлектрическими датчиками или измерительными устройствами, расположенными снаружи устройства высокого напряжения (применяемой в условиях высокого напряжения арматуры), оптоволоконное измерение делает возможным более простое, и/или более точное, и/или более раннее обнаружение процессов старения, вызванных в изоляции полями высокого напряжения. В сочетании с одним или более участками изоляции, каждый из которых модифицирован ковалентно связанными флуорофорами и/или диэлектрическими пигментами, чувствительность обнаружения процессов старения, вызванных в изоляции полями высокого напряжения, может быть значительно дополнительно увеличена.

Устройство высокого напряжения для размещения высоковольтного кабеля с проводником, выполненным для проведения электрического тока, и с кабельной изоляцией, окружающей проводник, содержит изоляцию и волновод. Изоляция содержит часть контроля поля из силоксанового полимера, которая по меньшей мере в некоторых областях является прозрачной или полупрозрачной и которая выполнена для по меньшей мере частичного окружения кабельной изоляции высоковольтного кабеля, при этом силоксановый полимер по меньшей мере в одном участке части контроля поля содержит ковалентно связанные флуорофоры и/или диэлектрические пигменты. Волновод расположен так, что световой сигнал, вызванный частичным разрядом в части контроля поля, может быть введен из части контроля поля в волновод. Изобретение повышает достоверность обнаружения повреждения изоляции оборудования высокого напряжения. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Арматура (100–700) для высоковольтного кабеля для размещения высоковольтного кабеля (1, 22) с проводником (11, 112), выполненным для проведения электрического тока, и с кабельной изоляцией (12, 122), окружающей проводник (11, 112), содержащая:

изоляцию (2–5), содержащую часть (2, 4) контроля поля, которая является прозрачной или полупрозрачной по меньшей мере в некоторых областях и которая содержит силоксановый полимер, при этом часть (2, 4) контроля поля выполнена для по меньшей мере частичного окружения кабельной изоляции (12, 122) высоковольтного кабеля (1, 22) и при этом силоксановый полимер содержит флуорофоры по меньшей мере в одном участке (2a, 2b) части контроля поля, при этом флуорофоры ковалентно связаны с силоксановым полимером и/или с диэлектрическими пигментами, встроенными в силоксановый полимер; и

волновод (51, 51W, 52), образующий часть изоляции (2–5), который расположен так, что световой сигнал, вызванный частичным разрядом в части (2, 4) контроля поля, может быть введен из части (2, 4) контроля поля в волновод (50).

2. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по п. 1, отличающаяся тем, что волновод (51, 51W) расположен по меньшей мере частично в части (2, 4) контроля поля и/или по меньшей мере частично на поверхности части (2, 4) контроля поля.

3. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что волновод (51, 51w, 52) легирован флуоресцентным веществом или ковалентно модифицирован флуорофорами в сердцевине и/или обшивке.

4. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что волновод (51, 51w, 52) содержит силоксановый полимер или дополнительный силоксановый полимер.

5. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что часть контроля поля содержит проводящий отклоняющий элемент (4), выполненный с возможностью контакта с кабельной экранирующей оболочкой (13) высоковольтного кабеля (1, 22), и/или при этом отклоняющий элемент содержит силоксановый полимер или дополнительный силоксановый полимер.

6. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что силоксановый полимер содержит различные флуорофоры и/или при этом флуорофоры части (2, 4) контроля поля выбраны так, что они способны преобразовывать часть светового сигнала в излучение в области длины волны, в которой силоксановый полимер имеет более высокую степень прозрачности, чем в области длины волны части светового сигнала, и/или при этом флуорофоры части (2, 4) контроля поля могут быть возбуждены в области длины волны ниже 500 нм, и/или при этом флуорофоры части (2, 4) контроля поля выбраны и расположены так, что пары разных флуорофоров в части (2, 4) контроля поля способны действовать в качестве FRET-пар.

7. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что у диэлектрических пигментов коэффициент отражения составляет больше чем 0,8.

8. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что соотношение по массе флуорофоров составляет больше чем 5 ppmw и/или концентрация диэлектрических пигментов составляет больше чем 1 об. %.

9. Арматура (100) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что арматура для высоковольтного кабеля представляет собой соединительную кабельную коробку или кабельную концевую муфту.

10. Устройство высокого напряжения, содержащее арматуру (100–700) для высоковольтного кабеля по любому из предыдущих пунктов и оптический детектор, который соединен с волноводом (51, 52).

11. Устройство высокого напряжения по п. 10, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок управления и оценки, соединенный с оптическим детектором, и/или источник (40) света, который соединен с блоком управления и оценки и расположен внутри корпуса (110) арматуры (100) для высоковольтного кабеля.

12. Способ изготовления арматуры (100–600) для высоковольтного кабеля для размещения высоковольтного кабеля (1, 22) с проводником (11, 112), выполненным для проведения электрического тока, и с кабельной изоляцией (12, 122), окружающей проводник (11, 112), включающий:

получение части (2, 4) контроля поля, которая является прозрачной или полупрозрачной по меньшей мере в некоторых областях и которая содержит силоксановый полимер;

размещение части (2, 4) контроля поля в корпусе (110) арматуры (100) для высоковольтного кабеля, так что часть (2, 4) контроля поля способна окружать кабельную изоляцию (12, 122) высоковольтного кабеля (1, 22) по меньшей мере частично; и

размещение волновода (51, 52) в корпусе (110) таким образом, что силоксановый полимер по меньшей мере в одном участке (2a, 2b) части контроля поля содержит флуорофоры, которые ковалентно связаны с силоксановым полимером и/или с диэлектрическими частицами, встроенными в силоксановый полимер, и/или диэлектрические пигменты и при этом световой сигнал, вызванный частичным разрядом в части (2, 4) контроля поля, может быть введен из части (2, 4) контроля поля в волновод (51, 52).

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что получение части (2, 4) контроля поля включает перемешивание силоксановой системы с флуорофорами и/или диэлектрическими пигментами с получением смеси; введение смеси и/или части волновода в форму и/или полимеризацию смеси в форме.

14. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что включает размещение волновода (51, 51W, 52) и/или диэлектрических пигментов на поверхности части (2, 4) контроля поля.

15. Применение силоксанового полимера, содержащего флуорофоры и/или диэлектрические пигменты, в качестве изоляции (2–5) устройства (100–700) высокого напряжения, при котором флуорофоры ковалентно связаны с силоксановым полимером и/или с диэлектрическими частицами, встроенными в силоксановый полимер.

16. Применение по п. 15, при котором изоляция (2–5) содержит часть (2, 4) контроля поля.