ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫСОКОМ ПОТЕНЦИАЛЕ
ELECTRONIC CURRENT AND VOLTAGE SENSOR ON HIGH POTENTIAL

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения токов и напряжений, в частности, на объектах учета и распределения электрической энергии взамен существующих трансформаторов тока и напряжения.
Из уровня техники известно устройство измерения переменных и импульсных токов в линии электропередачи, в котором выход датчика тока, выполненного в виде катушки Роговского, соединен с входом устройства в экологическом корпусе, выполняющего функции регистрации, а также конвертирования оптических и электрических величин, при этом выходы корпуса через оптические каналы соединены с входами системы контроля и записи, причем выходы устройства контроля и записи соединены с компьютером (US 4105966 А, 08.08.1978, G01R 13/04).
Недостатками известного устройства являются недостаточная точность измерений, низкая помехоустойчивость, не проработанность конструкции в схеме электропередачи и сопряжения с существующими устройствами измерения, защиты, учета электроэнергии, невозможность измерения напряжения.
Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является техническое решение по трансформатору тока, совмещенному с конденсатором высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, принятое за прототип, где внутри герметично закрепленного на металлическом основании опорного изолятора расположен емкостной делитель напряжения, при этом сверху кожуха установлен измерительный модуль с расположенными внутри высоковольтным токопроводом и датчиком тока, который выполнен в виде электромагнитного трансформатора тока, а выводы с делителя напряжения и датчика тока выполнены в виде проводников (RU 2297063 С2, 10.04.2007, H01F 38/00).
Недостатками указанного устройства являются аналоговый вывод измеренных величин, нелинейная зависимость выходной характеристики низковольтного трансформатора тока, наличие пульсаций в этом сигнале.
Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении стабильности измерения тока и напряжения на высоком потенциале за счет стабилизации линейной зависимости выходной характеристики датчика тока, передачи данных по интерфейсу SPI и передачи измеренных значений в цифровом виде с возможностью сигнализации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что электронный датчик тока и напряжения на высоком потенциале содержит датчик тока, делитель напряжения, опорный изолятор и измерительный модуль, внутри которого закреплен высоковольтный токопровод с датчиком тока, при этом измерительный модуль установлен на опорном изоляторе, внутри которого расположен делитель напряжения, причем выводы с измерительного модуля закреплены внутри опорного изолятора, согласно изобретению он также снабжен дополнительным датчиком тока, аналого-цифровым преобразователем, блоком выбора питания, аккумулятором, оптическим источником питания, преобразователем напряжения и коммуникационным модулем, оснащенным зафиксированными и соединенными между собой коммуникационным контроллером, блоком питания, модулем накачки лазерного диода и блоком сигнализации, при этом внутри измерительного модуля закреплен блок выбора питания, который соединен с аккумулятором и оптическим источником питания, и аналого-цифровой преобразователь, вход питания которого соединен с блоком выбора питания, а входы - с датчиками тока и делителем напряжения, причем делитель напряжения выполнен с возможностью дополнительного отбора питания посредством преобразователя напряжения от низковольтной секции, а вход преобразователя напряжения соединен с делителем напряжения и выход - с блоком выбора питания, кроме того, выводы измерительного модуля выполнены в виде оптических каналов и соединены с коммуникационным модулем с возможностью передачи данных синхронным последовательным интерфейсом SPI.
Коммуникационный модуль предпочтительно выполнен с возможностью питания от бытовой сети.
Целесообразно датчик тока и дополнительный датчик тока выполнять в виде плоской катушки Роговского с разными направлениями намотки и обратным проводом в каждой из них.
Делитель напряжения может быть выполнен на основе пленочных конденсаторов.
Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 изображена структурная схема электронного датчика тока и напряжения на высоком потенциале
- на фиг.2 - конструкция электронного датчика тока и напряжения на высоком потенциале.
Электронный датчик тока и напряжения на высоком потенциале содержит измерительный модуль 1, внутри которого закреплен высоковольтный токопровод 2, который оснащен датчиком 3 тока и дополнительным датчиком 4 тока, выполненных, например, в виде катушек Роговского, соединенных с аналого-цифровым преобразователем 5. Вход питания аналого-цифрового преобразователя соединен с аккумулятором 6 посредством блока 7 выбора питания, а также с оптическим источником 8 питания. Выход делителя 9 напряжения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 5, выходы которого выведены из измерительного модуля 1 посредством оптических каналов 10, 11, 12. Делитель 9 напряжения закреплен в опорном изоляторе 13. В измерительном модуле 1 дополнительно расположены преобразователь 14 напряжения, соединенный с низковольтным плечом делителя 9 напряжения. Оптические каналы 10,11, 12 соединены с коммуникационным модулем 15, внутри которого закреплены коммуникационный контроллер 16, вход питания которого соединен с блоком 17 питания, модуль 18 накачки лазерного диода, который посредством оптических каналов 10, 11, 12 соединен с блоком 7 выбора питания, выход коммуникационного контроллера 16 дополнительно соединен с блоком 19 сигнализации, а выходы блока 17 питания соединены с модулем 18 накачки лазерного диода и блоком 19 сигнализации.
Электронный датчик тока и напряжения на высоком потенциале работает следующим образом.
В исходном состоянии питание подается на вход блока 17 питания, с выходов которого осуществляется питание коммуникационного контроллера 16, модуля 18 накачки лазерного диода и блока 19 сигнализации коммуникационного модуля 15. В свою очередь от модуля 18 накачки лазерного диода по оптическому каналу 12 передается питание на оптический источник 8 питания, который осуществляет через блок 7 выбора питания зарядку аккумулятора 6 и питание аналого-цифрового преобразователя 5.
При отсутствии тока и напряжения на высоковольтном токопроводе 2 и при подаче питания от бытовой сети на вход блока 17 питания аналого-цифровой преобразователь 5 находится в «спящем» режиме с минимальным потреблением электроэнергии, а от коммуникационного контроллера 16 по оптическому каналу 10 поступают команды запуска аналого-цифрового преобразователя 5 совместно с командами синхронизации в соответствии с синхронным последовательным интерфейсом SPI, и по оптическому каналу 11 передаются нулевые значения тока и напряжения от аналого-цифрового преобразователя 5 к коммуникационному контроллеру 16 в составе коммуникационного модуля 15. При подаче напряжения на высоковольтный токопровод 2 от датчика 3 тока и дополнительного датчика 4 тока, а также с выхода делителя 9 напряжения на вход аналого-цифрового преобразователя 5 поступают аналоговые сигналы, которые преобразуются в оптические сигналы цифровой формы и по оптическому каналу 11 поступают на вход коммуникационного контроллера 16 в составе коммуникационного модуля 15, где сигналы преобразуются, обрабатываются, запоминаются и выдаются в цифровом виде. В коммуникационном модуле 15 посредством блока 19 сигнализации происходит визуализация измеренных значений в виде таблиц действующих значений токов и напряжений.
При отказе питания по оптическому каналу питания 12 во время поданного напряжения на высоковольтный токопровод 2 питание аналого-цифрового преобразователя 5 осуществляется от низковольтной секции делителя 9 напряжения, которая через преобразователь 14 напряжения подает питание через блок 7 выбора питания на заряд аккумулятора 6 и питание аналого-цифрового преобразователя 5.
В случае отказа питания по оптическому каналу питания 12 в момент отсутствия напряжения на высоковольтном токопроводе 2 питание аналого-цифрового преобразователя 5 осуществляется от аккумулятора 6.
Благодаря наличию дополнительного датчика 4 тока, выполненного, например, аналогично датчику 3 тока в виде катушки Роговского, но с разным направлением намотки и наличию обратного провода в каждой из них, а также за счет применения делителя напряжения на основе пленочных конденсаторов в твердой изоляции повышается чувствительность датчиков, их помехоустойчивость.
Вследствие использования цифрового канала передачи данных исключается влияние электромагнитного излучения на сигнальные кабели, что способствует повышению стабильности процесса измерения токов и напряжений.
В случае возникновения опасных сверхтоков или перенапряжений в энергосистеме на входах аналого-цифрового преобразователя 5 предусмотрены радиотехнические элементы защиты сигнальных схем от перенапряжений, при этом датчик 3 тока, датчик 4 тока и делитель 9 напряжения способны выдержать аварийные режимы работы энергосистемы для заданного класса напряжения, при этом электронный датчик тока и напряжения на высоком потенциале по цифровому каналу передает сведения об аварии и посредством блока 19 сигнализации информирует о состоянии энергосистемы, визуализируя аварийные сигналы в виде таблиц.
За счет применения интерфейса SPI при организации обмена данными между аналого-цифровым преобразователем 5 и коммуникационным контроллером 16 повышается стабильность и сохраняется полнота доставки данных при гарантированном времени доставки.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле, позволяет повысить стабильность измерения тока и напряжения на высоком потенциале за счет применения датчиков тока, выполненных, например, в виде катушек Роговского, с разным направлением намотки и обратным проводом в каждой из них, делителя напряжения, например, на основе пленочных конденсаторов в твердой изоляции с линейными зависимостями выходных характеристик, использования синхронного последовательного интерфейса SPI, а также за счет отказа от передачи измеренных значений по проводникам и организации передачи в цифровом виде с возможностью сигнализации на месте установки электронного датчика тока и напряжения.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для стабильного измерения токов и напряжений и может найти применение на объектах учета и распределения электрической энергии взамен существующих трансформаторов тока и напряжения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.