ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ, УЧЕТА И КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ПОДКЛЮЧАЕМЫЙ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРОВОДАМ БЕЗ ИХ РАЗРЫВА

Область техники
Решение относится к области измерительной техники, и предназначено для подключения приборов учета, контроля и измерения электроэнергии в бытовом и промышленном секторах.
Предшествующий уровень
Подключение к электрическим проводам всех устройства учета, контроля, измерения электрической энергии, выпускающиеся в настоящее время в РФ и за рубежом, основаны на разрыве проводов, идущих от подстанции к клиенту, при котором имеются входные электрические провода от питающих фаз и нейтрали, и выходные электрические провода фаз и нейтрали, которые идут к нагрузке, то есть, к потребителю электрической энергии. Таким образом, устройство учета электрической энергии включено в разрыв каждого электрического провода и это приводит к существенному усложнению прибора и увеличению трудоемкости при его установке и замене. Усложнение прибора состоит в том, что для его подключения в нем необходимо предусмотреть ряд деталей:
силовую колодку из пластика высокой огнестойкости (Т>900°С),
силовые гнезда (4 шт. для однофазных приборов и 8 шт. для трехфазных),
винты для соединения проводов с силовыми шинами (8 шт. для однофазных приборов и 16 винтов для трехфазных),
2
силовые шины из чистой меди для 100А тока сечением ~20 ммдлиной не менее 10 см (2 шт. для однофазных приборов и 4 шт. для трехфазных).
Трудоемкость установки устройства учета электрической энергии заключается в следующих операциях:
разрезание каждого электрического провода и зачистка концов (4 шт. для однофазного прибора и 8 шт. для 3-х фазного),
вставление каждого провода в гнезда прибора и завинчивание 8-ми винтов для однофазного прибора, и 16-ти винтов для трехфазного.
Следует иметь в виду, что места ввода и вывода проводов достаточно трудно герметизировать, а герметизирующие втулки могут находиться только снаружи и поэтому доступны для несанкционированного вмешательства (опечатанная крышка доступа и винты терминала результата не дают). Кроме этого, неоднократный разрыв проводов, по которым может идти ток в 100 A и последующее соединение сваркой или винтами приводит к нагреву всех силовых деталей и создает возможность возгорания и наличие дополнительных потерь в приборе, поэтому силовая колодка должна быть из негорючего материала.
В настоящей работе поставлена задача устранения всех вышеизложенных деталей из прибора, создание малогабаритного прибора с абсолютной защитой от внешних погодных факторов по IP65, IP66, с возможностью установки данного прибора на объекте за несколько секунд.
Известен счетчик электрической энергии, обладающий всеми вышеуказанными недостатками (RU 182808, G01R 11/00, опубликован 04.09.2018).
Техническим результатом является упрощение конструкции устройства, повышение удобства подключения электроизмерительного прибора, снижение трудоемкости операции соединения, уменьшение нарушения изоляции, повышение надежности и защищенности соединения.
Техническое решение
Необходимо отметить известность решения, раскрытого в журнале «Силовая электроника», №4, 2015 (https://power-e.ru/wp-content/uploads/5518.pdf, найдено 25.09.2021), где раскрыты преимущества токовых трансформаторов, с тороидальным сердечником, в том числе с разъемным сердечником.
Также известны коннекторы для присоединения плоских кабелей при помощи ножевых контактов, путем прорезания изоляции кабелей (https://web.archive.org/web/20140630082236/http://www.jaycar.com/images_uploaded/IDCconnJ.pdf, найдено 25.09.2021).
В основу заявленного решения положено использование разрезных токовых трансформаторов, работающих по принципу токовых клещей, т.е. имеющих сердечник с подвижной частью.
Устройство для подключения электроизмерительного прибора к электрическим проводам содержит разъемный корпус, включающий основание и крышку; держатель электрических проводов, расположенный между основанием и крышкой, и имеющий направляющие пазы, каждый из которых предназначен для размещения в нем электрического провода; измерительную плату, установленную между основанием корпуса и держателем электрических проводов; трансформаторы тока, имеющие кольцевой сердечник, при этом каждый трансформатор установлен в одном из пазов держателя электрических проводов так, что электрический провод проходит в отверстие сердечника; V-образные ножевые контакты, режущими кромками которых являются внутренние кромки ножевого контакта, установленные поперек паза и закрепленные на его боковых сторонах с возможностью разрезания изоляции электрического провода и создания с ним электрического контакта; зажимы электрических проводов, каждый из которых смонтирован на держателе с возможностью прижатия электрического провода к лезвию V-образного ножа и фиксации электрического провода в пазе.
Вариантом является использование тороидального трансформатора, сердечник которого имеет разъемную подвижную часть. В этом случае, для надежной фиксации подвижной верхней части трансформатора, на внутренней поверхности крышки корпуса имеются силиконовые упоры, которые выполнены с возможностью прижатия подвижной части сердечника трансформатора к его закрепленной в пазе части при закрытии крышки.
На фиг. 1 показано объемное изображение прибора с открытой крышкой, на фиг. 2 - увеличенное изображение фрагмента продольного сечения устройства для присоединения к электрическим проводам, показанного на фиг. 1. На фиг. 3 показано увеличенное объемное изображение паза в диэлектрическом корпусе устройства для присоединения к электрическим проводам. На фиг. 4 показано объемное изображение прибора в сборе, установленного на проводах 3-х фазной сети.
На чертежах элементы устройства обозначены следующими позициями:
1 - основание корпуса прибора,
2 - крышка корпуса прибора,
3 - диэлектрический корпус устройства для присоединения к проводам,
4 - направляющие пазы для укладки проводов,
5 - трансформатор тока с тороидальным сердечником,
6 - неподвижная часть тороидального сердечника,
7 - подвижная часть тороидального сердечника,
8 - отверстие тороидального сердечника трансформатор,
9 - V-образные ножевые контакты,
10 - провода,
11 - зажимы провода в направляющем пазе для фиксации ножевого контакта на проводе,
12 - силиконовые упоры,
13 - зацепы на боковых стенках паза для фиксации зажима 8,
14 - клиновидные выступы на боковых стенках паза для исключения продольного смещения провода в пазе,
15 - соединение ножевых контактов с измерительной платой.
На чертежах для иллюстрации решения показана конструкция прибора для подключения к электрическим проводам трехфазной сети, корпус которого имеет неэлектропроводное основание 1 и крышку 2, измерительную плату (не показана) и устройство для присоединения к проводам 10, включающее диэлектрический корпус 3, имеющий направляющие пазы 4 для укладки в них проводов 10, токовые трансформаторы 5 с тороидальным сердечником, установленные в каждом из пазов 4 диэлектрического корпуса 3 так, чтобы уложенный в пазе 4 провод 10 проходил в отверстие 8 сердечника трансформатора 5 тока, и зажимы 11 проводов 10, фиксирующие провод в пазе 4. На боковых стенках каждого паза 4 закреплены V-образные ножевые контакты 9, служащие для прорезания изоляции провода и обеспечения электрического соединения проводника провода 10 с измерительной платой.
Устройство для присоединения к токоведущей части провода работает следующим образом. В каждый их пазов 4 укладывается электрический провод 10(провод изображен только в ближайшем пазе). Это возможно при открытых зажимах 11, фиксирующих электрический провод 10, проходящий через отверстие 8 тороидального трансформатора 5, размещенного в пазе 4. После укладки проводов зажимы 11 закрываются и фиксируются. Когда зажим 11 закрывается, провод 10 смещается вниз и ножевые контакты 9 режущими кромками прорезают изоляцию электрического провода и входят в контактирование с проводниками провода 10. Таким образом, каждое средство зажима сконфигурировано для перемещения провода 10 по V-образному ножевому контакту 9 и снабжено средством фиксации в направляющем пазе 4.
Напряжение через ножевые контакты 9 подается в измерительную плату (не показана). Ножевые контакты 9, изготовлены из бериллиевой бронзы, перерезают изоляцию провода 10. Во избежание утери контакта при перемещении устройства или подергивании провода в одну или другую стороны в стенках паза 4 устроены клиновидные выступы 14, заостренный край которых приспособлен для исключения продольного смещения провода в пазу, расположенные слева и справа от каждого зажима 11. Эти выступы также врезаются в изоляцию провода 10, не давая ему перемещаться в продольном направлении. Ножевые контакты 9 и фиксирующие выступы имеют V-образную форму, сходящуюся к низу для того, чтобы провода различного диаметра (в определенных пределах) могли быть применены для подключения. Провод с меньшим диаметром будет погружен зажимом 11 более глубоко. Для того чтобы зацепы 13 и фиксирующие выступы 14 не вышли из зацепления, зажим 11 фиксируется упорами 12 при закрывании крышки 2 прибора.
Трансформаторы тока 5 удерживаются в своем положении за счет трения с пластмассой корпуса 3 держателя 1, а после закрывания крышки 2 прижимаются с помощью дополнительных силиконовых упоров 12, установленных на крышке 2, либо другими методами (их много).
Надо отметить, что данная конструкция предпочтительна при применении разрезных токовых трансформаторов, так как в этом случае технический результат достигается в большей области применения использования прибора. Заявленное устройство особенно удобно для Split-счетчиков. В этом случае, оба варианта исполнения (с разрезным трансформатором и цельным в виде тора) будут почти одинаковы с точки зрения трудоемкости установки, поскольку расстояние от электроизмерительного прибора до электрических проводов, как правило, невелико.
Подключение устройства с разрезным сердечником трансформатора происходит следующим образом.
Открывается крышка 2 корпуса прибора, открываются зажимы 11, открываются верхние подвижные части 7 трансформаторов 5 тока, установленных в пазах 4 диэлектрического корпуса устройства, каждый провод 10 вкладывается в один из направляющих пазов 4 указанного диэлектрического корпуса 3, закрываются верхние подвижные части трансформаторов 5 тока, нажимом пальцев средство зажима 11 перемещает провод по V-образному ножевому контакту вглубь направляющего паза и фиксируется зажимом 11 на стенках паза (4 и 8 шт. соответственно для одно- и трехфазных приборов), крышка 2 корпуса прибора закрывается, и верхняя подвижная часть 7 трансформаторов 5 прижимается к его нижней части 6 с помощью силиконовых упоров 12, прикрепленных к крышке 2. При необходимости, производится пробное включение и светодиоды, имеющиеся в измерительной схеме, показывают, что контакты имеются во всех фазах.