Блог о качестве/конденсаторах
Высоковольтные решения для инспекции трубопроводов. Высоковольтные решения для энергетического сектора.
Разветвленная сеть трубопроводов, пересекающих континенты и дно океанов, представляет собой жизненно важную составляющую глобальной энергетической инфраструктуры.
Высоковольтные компоненты для инструментов инспекции трубопроводов
Инженерный ответ
Встраиваемые в трубопровод измерительные приборы (PIG) генерируют ультразвуковые, электромагнитно-акустические (EMAT) или импульсно-вихревые сигналы с помощью высоковольтных импульсов — обычно 1–6 кВ — на конденсаторной батарее преобразователя, заряжаемой от сети с ограниченным питанием от батареи. Компоненты должны передавать энергию импульса с минимальными потерями, выдерживать вибрацию и температуру трубопровода, а также помещаться в герметичный цилиндрический корпус прибора. Компания HVC поставляет импульсные конденсаторы, быстровосстанавливающиеся диоды и высоковольтные резисторы, рассчитанные на эти параметры, с бесплатными образцами и технической поддержкой для производителей измерительного оборудования.
- Выбор импульсного конденсатора основывается на энергии и резонансной частоте, а не только на номинальном напряжении.
- Перед выпуском в производство необходимо проверить компоненты в условиях реального рабочего цикла — время зарядки, частоту импульсов и температуру масла.
- Подберите способ крепления и диэлектрик в соответствии с механическими и термическими требованиями инструмента.
Абстрактные. Целостность глобальной сети трубопроводов — для транспортировки сырой нефти, нефтепродуктов и природного газа — зависит от внутритрубных инспекционных инструментов, которые обнаруживают коррозию, трещины и механические повреждения изнутри трубы. В данной статье рассматривается высоковольтная импульсная электроника, лежащая в основе этих инструментов: батарея конденсаторов для хранения энергии, быстроразрядный переключатель, преобразователь и приемная цепь. Выведены уравнения для расчета накопленной энергии, резонансной частоты и пикового тока, рассмотрены режимы отказов, специфичные для условий эксплуатации трубопровода — ограничения батареи, вибрация, температура и пространственные ограничения, — и представлено решение на основе высоковольтных керамических конденсаторов, быстровосстанавливающихся диодов и толстопленочных резисторов с инженерным примером.
1. Контекст применения
Трубопроводы, пересекающие континенты и дно океанов, являются жизненно важной частью энергетической инфраструктуры, и их выход из строя — из-за коррозии, механических повреждений или усталости материала — может иметь катастрофические последствия для общественной безопасности и окружающей среды. Именно поэтому в отрасли используются интеллектуальные измерительные приборы: цилиндрические роботы, которые перемещаются внутри трубопровода и неразрушающим методом определяют состояние стенок. К числу наиболее передовых методов относятся ультразвуковое измерение толщины стенок, электромагнитные акустические преобразователи (EMAT) и магнитопотоковая эмиссия (MFL), все из которых основаны на высоковольтной импульсной цепи.
Ультразвуковой или ЭМАТ-инструмент работает за счет посылания короткого высокоэнергетического импульса в стенку трубы и приема эха. Генератор импульсов заряжает конденсаторную батарею до 1–6 кВ и передает ее на преобразователь менее чем за микросекунду; время и амплитуда эха кодируют толщину стенки и геометрию дефекта. Поскольку инструмент работает от батарей на протяжении сотен километров, эффективность и надежность этой импульсной цепи определяют, как долго инструмент может оставаться в трубопроводе и сколько каналов он может обрабатывать в секунду.
2. Технические требования
2.1 Блок импульсных конденсаторов
Конденсаторная батарея накапливает заряд для каждого импульса. Ее емкость определяет энергию и ширину импульса, индуктивность последовательного соединения определяет время нарастания, а потери определяют, какая часть энергии батареи теряется в виде тепла внутри герметичного инструмента. Батарея емкостью 5 нФ при напряжении 4 кВ накапливает 40 мДж; при частоте импульсов 20 импульсов в секунду это составляет 0.8 Вт средней мощности — небольшая величина, но с ней необходимо работать, не повышая внутреннюю температуру выше допустимой для электроники.
2.2 Разрядный переключатель и выпрямительные диоды
Конденсатор разряжается через быстродействующий переключатель (MOSFET, тиристор или искровой разрядник) в преобразователь. выпрямительные диоды Преобразователь заряда должен блокировать полное напряжение аккумуляторной батареи с запасом и быстро восстанавливаться на частоте переключения. Обратный заряд напрямую снижает эффективность зарядки, поэтому быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды являются стандартным выбором в аккумуляторных инструментах.
2.3 Изоляция и герметичная среда
Все компоненты внутри инструмента запрессованы в стальной цилиндр, часто заполненный маслом для балансировки давления и охлаждения. Зазоры малы, поэтому частичные разряды и поверхностная ползучесть определяют надежность. Изолирующая система — корпуса компонентов, заливка и масло — должна быть свободна от частичных разрядов при рабочем напряжении плюс запас на вибрацию инструмента в линии.
Рис. 1. Схема импульсной цепи встроенного контрольно-измерительного прибора: батарея, высоковольтное зарядное устройство, конденсаторная батарея, переключатель и преобразователь с трактом возврата эхо-сигнала.
3. Проблемы, с которыми сталкиваются инженеры (обратная связь с места событий)
4. Сравнение технологий контроля и функций компонентов.
| Техника | Физический принцип | роль HV |
|---|---|---|
| Ультразвуковой (УЗ) | Пьезоэлектрический импульс-эхо | Импульс 1–2 кВ на пьезоэлемент |
| ЭМАТ | Сила Лоренца в стене | Импульс высокого тока 2–6 кВ, катушка |
| MFL | Утечка потока в дефектах | Только намагничивание; высокое напряжение для системы передачи данных. |
| Импульсный вихревой ток | Затухание вихревых токов | Импульсное возбуждение 0.5–1 кВ |
| Блок инструментов | Типичные характеристики | Компонент HVC |
|---|---|---|
| Блок импульсных конденсаторов | 1–6 кВ, 1–50 нФ | диск HV Конденсаторы |
| Выпрямитель высоковольтного зарядного устройства | 6–12 кВ быстрое восстановление | ОВЗ серия |
| Разделитель / монитор | 10–50 кВ, 100 МОм–1 ГОм | HVR плоский |
| Сброс/отвод воздуха | 10–50 кВ, высокая мощность | Трубка HVR |
5. Выбор и решение HVC
① Импульсные конденсаторы, рассчитанные на параметры контура. Диск HVC и дверная ручка конденсаторы Батареи поставляются с необходимой для разрядного контура емкостью, напряжением и низкой последовательной индуктивностью, в диэлектрике N4700 или NPO для снижения потерь. Показатель потерь измеряется для каждой партии, поэтому расчет энергетического бюджета батареи производится на основе реальных данных.
② Быстровосстанавливающиеся диоды для повышения эффективности зарядки. Серия HVD восстанавливается за наносекунды, отключая обратный заряд, который отнимает энергию батареи в зарядном преобразователе — это разница между завершением рейса и возвращением на линию.
③ Компактный, проверенный на наличие ПД, документированный. Компоненты проверяются на частичный разряд в соответствии со стандартом IEC 60270 и поставляются с протоколами испытаний, поэтому герметичный инструментальный узел собирается из деталей, электрические характеристики которых известны до заливки компаундом. Бесплатные образцы позволяют провести стендовую проверку импульсной цепи.
6. Пример из практики инженерного проектирования (ссылка)
Производитель контрольно-измерительного оборудования, разрабатывающий 20-канальную систему EMAT, не смог выполнить запланированный запас хода батареи в 400 км. В качестве зарядного преобразователя использовались высоковольтные диоды общего назначения и конденсаторы X7R; измеренная эффективность преобразователя составила 74%, а потери в батарее привели к нагреву герметичного инструмента на 11 °C за восемь часов работы. Уровень эхо-шума в приемном окне также составил 2.1 мВ, что потребовало снижения коэффициента усиления и, следовательно, уменьшения чувствительности к трещинам.
| Параметр | Перед тем, как | После (компонентов HVC) |
|---|---|---|
| Эффективность зарядного устройства | 74% | 88% |
| Банковские убытки за один рейс (8 ч) | 31 Wh | 13 Wh |
| Повышение внутренней температуры | 11 ° C | 5 ° C |
| шум приемного окна | 2.1 mV | 0.4 mV |
| Диапазон батарей | Цель на расстоянии 400 км промахнулась | 430 км, отрыв восстановлен |
Обсуждение кейса. Быстровосстанавливающиеся диоды компенсировали большую часть потерянной энергии зарядки, а конденсаторы N4700 вдвое снизили тепловую нагрузку внутри герметичного инструмента. Экранированные частичные разряды конденсаторы устранили источник шума в приемном окне, обеспечив увеличение коэффициента усиления на 12 дБ и улучшив чувствительность обнаружения трещин. Инструмент успешно прошел квалификационные испытания с запасом заряда батареи в 30 км.
7. Вопросы проектирования и контрольный список для проверки.
Инструменты для конвейерных работ изготавливаются один раз и извлекаются только в конце линии, поэтому каждое решение по компоненту должно выдерживать условия, исключающие возможность повторной обработки. Перед выбором компонентов необходимо определить энергию импульса, частоту импульсов, температурный и вибрационный диапазоны, а также проверить компоненты в течение полного рабочего цикла.
- Зафиксируйте напряжение батареи, емкость, частоту срабатывания, ширину импульса и температуру окружающей среды электроники инструмента.
- Перед заливкой компаундом убедитесь в отсутствии частичных разрядов в аккумуляторной батарее при напряжении 1.2 × V_bank, предоставив заверенный отчет.
- Измерьте эффективность зарядного устройства и повышение внутренней температуры в течение всего периода моделирования; допустимое значение эффективности должно быть ≥85%.
- Проверьте соответствие допустимым зазорам, утечкам и вибрационным нагрузкам герметичному корпусу инструмента.
8. Рекомендации
- Й. Крауткремер и Х. Крауткремер, Ультразвуковой контроль материалов, 4-е изд. Берлин, Германия: Springer-Verlag, 1990.
- Американский институт нефти, API 1163: Квалификация систем внутритрубного контроля, 2-е изд. Вашингтон, США: API, 2013.
- Р.Б. Томпсон, «Физические принципы измерений с помощью ЭМАТ-преобразователей», в Физическая акустика, том 19. Сан-Диего, США: Academic Press, 1990.
- Г. Добманн и др., «Электромагнитно-акустические преобразователи для контроля в процессе эксплуатации», NDT&E Internationalтом 29, нет. 4, с. 231–238, 1996.
- 李东升等，《油气管道内检测技术与应用》 (Технология и применение внутритрубного контроля нефте- и газопроводов). 北京: 石油工业出版社, 2015 г. (на китайском языке)
- МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева, Швейцария: МЭК, 2015.
Сопутствующие товары HVC
Высоковольтные решения для дефибрилляторов и мониторов: технологии, спасающие жизни.
Следующая →Высоковольтные керамические конденсаторы для емкостных датчиков напряжения