УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ
Разработчик (Авторы)	Киржацких Елена Ринатовна, Козлов Владимир Константинович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2702914
Дата регистрации	14.10.2019
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет"
Область применения (класс МПК)	G01R 19/25, G01R 15/04
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к цифровым приборам измерения переменного и постоянного напряжения, преимущественно в электроэнергетических сетях 6 (10) кВ и выше.

Прототипом является устройство, реализующее способ измерения (патент №2482503, МПК G01R 19/00, 20.05.2013), содержащий датчик напряжения, источник питания, микроконтроллер связи, аппаратуру связи, канал связи, внешнее устройство, экранирующий герметичный кожух. Датчик напряжения состоит из передающего датчика, включенного в токопровод, на котором производится измерение, выполненного с возможностью формирования излучения электромагнитных волн, интенсивность которых пропорциональна измеряемой величине, и соединенного электромагнитной связью с приемным датчиком.

Известное устройство имеет следующие недостатки:

1) Сложность в настройке работы датчика напряжения, у которого передающий датчик (газоразрядная лампа) одним из электродов непосредственно подключен к токопроводу, а второй выполняет роль электрической антенны, подвешенной на малом расстоянии от токопровода. Геометрические размеры и формы электродов, газоразрядного промежутка, а также состав и давление газа в герметичном корпусе датчика должны быть оптимизированы под решение задачи.

2) Сложность в настройке работы датчика напряжения, у которого в качестве приемного датчика использован фотодиод, спектральная чувствительность которого должна быть оптимизирована под спектр излучения передающего датчика.

3) Нелинейная зависимость выходных характеристик.

Задачей изобретения является разработка устройства для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, в котором устранены недостатки прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности измерений за счет исключения сложности в настройке датчика напряжения, в состав которого входит передающий и приемный датчики, за счет исключения нелинейной зависимости выходных характеристик.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, содержащий датчик напряжения, источник питания, микроконтроллер связи, аппаратуру связи, канал связи, внешний приемник, экранирующий герметичный кожух, согласно настоящему изобретению датчик напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, первой обкладкой которого является токопровод, второй - металлический изолированный стержень, параллельный токопроводу, подвешенный на малом расстоянии от первой обкладки, при этом измеренное значения разности потенциалов между обкладками позволяет вычислить напряжение на фазном проводе линии по уравнению , где ΔU - это измеренная разность потенциалов между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; ; С₁ - емкость между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; С₂ - емкость между металлическим изолированном стержнем и землей.

Таким образом, в предлагаемом устройстве для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации датчик напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, расстояние между обкладками осуществляется толщиной изоляции металлического изолированного стержня, длина стержня составляет 10-20 см. Датчик напряжения измеряет разность потенциалов между обкладками и передает аналоговый сигнал на микроконтроллер связи, выполненный с возможностью расчета фазного напряжения по заданному уравнению 1 и преобразования его в электрический сигнал:

где ΔU - это измеренная разность потенциалов между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем;  C₁ - емкость между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; С₂ - емкость между металлическим изолированном стержнем и землей.

Уравнение 1 позволяет получить линейную зависимость между измеренной разностью потенциалов обкладок и рассчитанным фазным напряжением линии, что позволяет увеличить надежность и точность измерения в отличие от прототипа, где выходные характеристики имеют нелинейную зависимость. Применение емкостного делителя напряжения в качестве датчика напряжения упрощает конструкцию устройства, тем самым также повышает надежность и точность измерения.

Источник питания выполнен в виде низковольтного трансформатора тока (ТТ), включенного в токопровод, с возможностью получения постоянного напряжения, получаемого с трансформации тока, протекающего по токопроводу.

Для бесперебойного питания электронной части устройства при отсутствии тока на токоведущих частях ЭУ, вторичная цепь ТТ содержит резервирующий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора.

В качестве блока формирования измерительного сигнала в устройство введен микроконтроллер связи со встроенным аналогово-цифровым преобразователем, обеспечивающим оцифровку аналогового сигнала от датчика напряжения, дополнительную обработку оцифрованного сигнала и формирование сигналов телеизмерения (ТИ) на внешний приемник, находящийся под потенциалом низкого напряжения (земли). Микроконтроллер связи совместно с аппаратурой связи осуществляет сбор, преобразование, обработку, хранение и передачу полученной информации о величине измеряемого напряжения по каналу связи. Передача сигналов ТИ на внешний приемник, находящийся под потенциалом земли, осуществляется с помощью канала связи, выполненного в виде гальванической развязки, например, в виде GSM - канала или Wi-Fi канала.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, которая представлена на фиг. 1. Структурная схема емкостного делителя напряжения представлена на фиг. 2.

Цифрами на фиг. 1 и фиг. 2 обозначены:

1 - токопровод, на котором производится измерение;

2 - металлический изолированный стержень малой длины;

3 - датчик напряжения, выполненный в виде емкостного делителя напряжения;

4 - источник питания (источник постоянного напряжения);

5 - микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь;

6 - аппаратура связи;

7 - канал связи, выполненный в виде гальванической развязки (GSM, Wi-Fi или радиоканал);

8 - внешний приемник (индикатор или автоматизированная система управления, учета и контроля на объекте энергетики),

9 - экранирующий герметичный кожух.

Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации содержит датчик напряжения 3, источник питания 4, микроконтроллер связи 5, аппаратуру связи 6, канал связи 7, посредством которых производится передача информации о величине измеряемого напряжения на внешний приемник.

Отличием устройства является то, что вместо датчика напряжения, выполненного в виде газоразрядной лампы, предлагается использовать емкостной делитель напряжения между токопроводом и металлическим изолированным стержнем, который подвешен параллельно токопроводу на расстояние изоляции стержня. Измерение значения разности потенциалов между обкладками позволяет вычислить по формуле 1 напряжение на фазном проводе линии.

Датчик 3 напряжения измеряет разность потенциалов между токопроводом 1 и металлическим изолированным стержнем 2 и передает его микроконтроллеру 5 связи.

Источник питания 4 выполнен в виде низковольтного трансформатора тока (ТТ), включенного в токопровод, с возможностью получения постоянного напряжения, получаемого с трансформации тока, протекающего по токопроводу. Для бесперебойного питания электронной части устройства при отсутствии тока на токопроводе, вторичная цепь ТТ содержит резервирующий конденсатор и/или аккумулятор, а также зарядное устройство аккумулятора. Для надежности работы цепей измерения при внешних или внутренних перенапряжениях в токоведущих частях, во вторичную обмотку ТТ подключен дополнительно ограничитель перенапряжений.

Обмотка низковольтного трансформатора тока (источника питания 4) через вторичные цепи подключена к датчику напряжения 3, микроконтроллеру 5 связи и аппаратуре связи 6.

Микроконтроллер 5 связи соединен посредством аппаратуры 6 связи и канала 7 связи с внешним приемником 8 (индикатором или автоматизированной системы управления, учета и контроля на объекте энергетики).

Канал 7 связи выполнен в виде гальванической развязки (беспроводным) в виде GSM, Wi-Fi, радиоканала или др.

Металлический изолированный стержень находится снаружи токопровода 1 под потенциалом высокого напряжения, а само устройство размещено внутри экранирующего герметичного кожуха 9 в зоне отсутствия магнитных и электрических полей.

Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации работает следующим образом.

Токопровод 1, металлический изолированный стержень 2 и земля представляют из себя емкостной делитель напряжения, при подаче напряжения на токопровод, напряжение между ними распределится обратно пропорционально их емкостям. Измеряя датчиком напряжения 3 разность потенциалов между токопроводом 1 и металлическим изолированным стержнем 2, применяя уравнение 1, можно рассчитать значение фазного напряжения на токопроводе 1.

Микроконтроллер 5 связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, оцифровывает сигнал, полученный с датчика 3 напряжения 3, производит дополнительную обработку сигнала от датчика 3 напряжения и передачу соответствующего цифрового кода на аппаратуру 6 связи.

Аппаратура 6 связи из полученных от микроконтроллера 5 связи цифровых сигналов формирует согласно заложенным протоколам связи информационные сообщения - сигналы телеизмерения (ТИ) - и отсылает их на внешний приемник 8 (индикатор или автоматизированную систему управления, учета и контроля на объекте энергетики).

Питание схем устройства для измерения напряжения осуществляется источником питания 4, основным элементом которого является низковольтный трансформатор тока (ТТ), включенный в токопровод 1. Питающее напряжение с обмотки ТТ подается на вторичные цепи (на фильтрующий элемент, который содержит полупроводниковый выпрямитель переменного напряжения, стабилизирующий элемент, а также фильтр низких частот, которые на чертеже условно не показаны).

Устройство для измерения напряжения находится снаружи токопровода 1 под потенциалом высокого напряжения и размещено (за исключением металлического изолированного стержня 2) внутри экранирующего герметичного кожуха 9 в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, что позволяет отстроиться от электромагнитных полей (шумов) и защитить электронную аппаратуру устройства от коммутационных или грозовых перенапряжений.

Техническими результатами, обеспечиваемыми при использовании предлагаемого изобретения, по сравнению с устройством-прототипом, являются:

1) Повышение надежности и точности измерений за счет упрощения конструкции устройства, исключения сложности в настройке передающего и приемного датчика.

2) Повышение надежности и точности измерений за счет линейной зависимости выходных характеристик.

Формула изобретения

Устройство для измерения напряжения в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации, содержащий датчик напряжения, источник питания, микроконтроллер связи, аппаратуру связи, канал связи, внешний приемник, экранирующий герметичный кожух, отличающееся тем, что датчик напряжения выполнен в виде емкостного делителя напряжения, первой обкладкой которого является токопровод, второй - металлический изолированный стержень, параллельный токопроводу, подвешенный на малом расстоянии от первой обкладки, при этом измеренное значения разности потенциалов между обкладками позволяет вычислить напряжение на фазном проводе линии по уравнению , где  - это измеренная разность потенциалов между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; ; С₁ - емкость между токоведущей частью и металлическим изолированном стержнем; С₂ - емкость между металлическим изолированном стержнем и землей.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЦЕПИ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ" (Киржацких Елена Ринатовна, Козлов Владимир Константинович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога