Устройство для контроля тока утечки ограничителя перенапряжения

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и может найти применение для контроля состояния высоковольтных ограничителей перенапряжения нелинейных (ОПН) в системах защиты электрических сетей от грозовых и коммутационных импульсов перенапряжения.
Уровень техники
При эксплуатации ОПН для обнаружения ухудшения пропускной способности варисторов или нарушения изолирующих свойств используют, в частности, приборы, которые позволяют измерять активную составляющую тока утечки ОПН. Измерение активной составляющей тока утечки требует контроля высокого напряжения, что затруднительно технически, поэтому ГОСТ Р 53735.5-2009 (п. 9.3.5) допускает контроль состояния ОПН по величине третьей гармоники тока утечки ОПН. Известно измерительное устройство для контроля тока проводимости ОПН типа УКТ-03 http://www.etk-oniks.ru/components/com_virtuemart/shop_image/diagnostic_equipment_and_test/download/UKT_03.pdf, состоящее из датчика тока и пульта измерения. Датчик тока выполнен в стальном герметичном корпусе и имеет две обмотки, расположенные на кольцевом ферромагнитном сердечнике, по оси которого проходит токоведущий проводник. Во время измерений датчик тока подключается через контактный разъём и кабель к пульту, конструктивно выполненному в виде самостоятельного прибора. Пульт содержит электронную измерительную схему, элементы питания и индикатор, на который могут быть выведены значения измеренных первой гармоники, третьей гармоники и максимального значения тока утечки ОПН. Недостатком такого технического устройства является возможность непосредственного контакта оператора с цепью заземления ОПН при присоединении пульта во время измерения, что в случае нарушения целостности цепи заземления ОПН может создать угрозу поражения электрическим током.
Известно также устройство для индикации состояния ОПН (Patent Application Publication № US 2013/0093595 A1), содержащее электронную схему измерения тока утечки и дисплей, причем схема получает питание от защищаемой линии, что делает невозможным применение этого устройства в линиях высокого напряжения.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство для контроля тока утечки разрядника защиты от перенапряжений по патенту RU 2340058. Это устройство содержит электронную схему считывания тока утечки и блок оценки, включающий микропроцессорную схему и индикаторы. Питание эти схемы получают через выпрямитель от обмотки трансформатора, другая обмотка которого включена последовательно в цепь, по которой протекает ток утечки. Дополнительно устройство включает кольцевой магнитопровод, через окно которого проходит цепь тока утечки. На магнитопроводе расположены обмотки, выводы которых выведены наружу для подключения к измерительным приборам. Для того чтобы при протекании по цепи тока утечки большого тока, вызванного перенапряжением линии высокого напряжения, защищаемой ОПН, устройство не вышло из строя, параллельно выводам устройства, включаемым в цепь заземления ОПН, подключён защитный искровой промежуток. Искровые промежутки обладают целым рядом недостатков, основные из которых следующие:
– срабатывание искровых промежутков приводит к короткому замыканию, которое должно отключаться выключателями; сама дуга не гаснет;
– пробивное напряжение искрового промежутка зависит от многих факторов, в том числе от состояния окружающей среды и со временем изменяется.
Раскрытие существа полезной модели
Технический результат полезной модели – повышение надёжности контроля состояния ОПН.
Предметом полезной модели, обеспечивающим получение указанного результата, является узел беспроводных приёма электромагнитной энергии и приёма-передачи данных, состоящий из обмотки и электронных схемы выпрямителя и приёмопередатчика данных. Этот узел подключен к схеме измерения тока, включающей вычислительное устройство, например, на основе микроконтроллера, к которой также присоединена обмотка, расположенная на магнитопроводе, через окно которого проходит токовод от ОПН, ток утечки которого контролируется.
Осуществление полезной модели
Структуру устройства иллюстрирует фиг. 1.
Ограничитель перенапряжения 2 присоединяется одним выводом к защищаемой линии высокого напряжения 1, а другим, через токовод 3 – к заземлению. Токовод проходит через ферромагнитный магнитопровод, на котором расположена обмотка. Выводы этой обмотки подключены ко входам схемы измерения тока 5, которая может включать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, связанный с микроконтроллером 7. Для питания схемы 5 и передачи данных вовне устройство снабжено узлом беспроводных приёма электромагнитной энергии и приёма-передачи данных 8, который включает выпрямитель 9, приёмопередатчик цифровых данных 10 и обмотку 11. АЦП 6 может входить в состав микроконтроллера 7.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Ток утечки ОПН, протекая по тоководу 3 через окно магнитопровода 4, создает ток в обмотке, расположенной на магнитопроводе. Этот ток преобразуется схемой измерения тока 5 в последовательность цифровых кодов, которая, в свою очередь, преобразуется в микроконтроллере 7 в данные, отображающие величины основной и третьей гармоник тока утечки ОПН 2. Для съема этих данных оператор должен поднести на некоторое расстояние к заявленному устройству дополнительный прибор, содержащий систему беспроводной передачи энергии и данных по одному каналу. Например, может использоваться технология «Near-field communication» (NFC), применяемая в смартфонах и других коммуникационных устройствах. В этом случае при поднесении смартфона или другого коммуникатора к устройству и запуска соответствующей программы, обмотка NFC смартфона передаёт энергию в виде электромагнитной волны обмотке 11 устройства. ЭДС, индуктируемая в этой обмотке, преобразуется выпрямителем 9 в постоянный ток, питающий все электронные цепи устройства. Одновременно этой же волной передаются данные через приёмопередатчик 10 в виде запроса микроконтроллеру 7 о передаче результатов измерений. Микроконтроллер 7 через приёмопередатчик 10 передаёт данные смартфону. После этого сеанс приёма данных может быть окончен. Выпрямитель 7 и приёмопередатчик 10 входит в состав, например, микросхемы NT3H2111 производства фирмы «NXP Semiconductors». Обмотка 11, через которую осуществляется беспроводный приём электромагнитной энергии и обмен данными, может быть выполнена в виде дорожек на печатной плате.
Повышение надёжности ОПН и контроля состояния ОПН предложенным устройством достигается за счёт того, что электронная схема, входящая в состав устройства, питается во время считывания результатов измерений тока утечки по беспроводной системе передачи энергии и данных. Такая система питания позволяет избежать использования ненадежного искрового промежутка в цепи заземления и встроенных элементов питания, требующих периодической замены.