Высоковольтный измерительный преобразователь напряжения

Область техники
Полезная модель высоковольтного измерительного преобразователя напряжения относится к области электроизмерительной техники и может найти применение для измерения переменного напряжения в электрических сетях среднего и высокого напряжения в системах учета электроэнергии, измерения показателей качества электроэнергии и релейной защиты. Встраиваемая конструкция преобразователя позволяет использовать на воздушных и кабельных линиях электропередач среднего и высокого напряжения с упрощенной установкой.
Уровень техники
Известны электромагнитные измерительные трансформаторы напряжения, состоящие первичной и вторичной обмоток на магнитопроводе с литой твердой изоляцией. К недостаткам измерительных трансформаторов напряжения относятся: избыточная отбираемая мощность, избыточная материалоемкость, необходимость защиты от перенапряжения и перегрузки, наличие эффекта ферромагнитного резонанса.
Известны резистивные и емкостные делители напряжения, состоящие верхнего и нижнего плеча конденсаторов и/или сопротивлений, размещенных в корпусе с литой изоляцией. К особенностям делителей напряжения относятся: сложность изготовления и сборки высоковольтных резисторов и конденсаторов, обязательность заземления, отсутствие полной гальванической развязки, влияние паразитной емкости на точность измерения.
Известна конструкция емкостных измерительных преобразователей напряжения, состоящие из высоковольтных и измерительных электродов (RU2658150). Работа датчиков напряжения основана на эффекте индукции электрического поля в слое поляризованного диэлектрика. К особенностям емкостных измерительных преобразователей относятся: простая конструкция, широкий частотный диапазон измерения, высокая линейность, необходимость заземления, наличие эффектов паразитной емкости, необходимость схемы интегрирования дифференциального сигнала после датчика.
Наиболее близким техническим решением является конструкция измерительных преобразователей напряжения (RU2012157570). Конструкция прототипа включает набор перекрывающихся коаксиальных электродов, размещенных в корпусе из полимерного диэлектрического материала. Недостатками данного прототипа являются сложность изготовления конструкции, отсутствие возможности установки на токопровод без разрыва, наличие эффектов паразитной емкости, необходимость схемы интегрирования дифференциального сигнала после датчика.
Раскрытие полезной модели
Полезная модель решает задачу создания измерительного преобразователя напряжения для сетей среднего и высокого напряжения, обладающего высокой точностью измерения, помехозащищенностью, повышенной стойкостью к перенапряжениям, малыми массогабаритными характеристиками, низкой материалоемкостью, встраиваемой конструкцией, возможностью измерения без заземления.
Технический результат обеспечивается применением конструкции высоковольтного измерительного преобразователя напряжения, состоящего из высоковольтного электрода 1, по меньшей мере, двух электродов 2 и 4, диэлектрического каркаса 3, экранированного проводника 5, нагрузочного сопротивления 6 и модуля обработки 7, размещенных в корпусе из полимерного диэлектрического материала, при этом емкость С12 между электродами 2 и  4 превышает на порядок емкость С1 между высоковольтным электродом 1 и электродом 2 и емкость С2 между высоковольтным  электродом 1 и электродом 4.
При увеличении емкости С12 между измерительными электродами 2 и 4 передаточная функция преобразования обеспечивает сигнал, не требующий дополнительного интегрирования, а также отсутствует необходимость заземления преобразования.
Заявленное устройство отличается от ближайшего аналога:
Применением конструкции из двух и более измерительных электродов 2 планарной формы.
Применением конструкции из двух и более измерительных электродов 2 коаксиальной формы с наличием зазора для встраивания на провод.
Применением конструкции с применением активного аналогового модуля обработки сигнала с использованием аналоговой схемы усиления сигнала.
Применением конструкции с применением цифрового модуля обработки сигнала с использованием цифровой обработки сигнала на базе аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера.
Описание чертежей
Далее полезная модель будет подробно описано со ссылками на чертежи с помощью не ограничивающих полезную модель иллюстративных вариантов осуществления, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначаются аналогичные элементы.
Фиг.1 - блок-схема заземляемого измерительного преобразователя напряжения.
Фиг.2 - блок-схема не заземляемого измерительного преобразователя напряжения.
Фиг.3,4 - конструкция измерительного преобразователя напряжения с не разомкнутыми электродами коаксиальной формы для установки на кабель или провод.
Фиг.5, 6 - конструкция измерительного преобразователя напряжения со встроенным токопроводом в качестве высоковольтного электрода.
Фиг.7 - конструкция измерительного преобразователя напряжения с двумя измерительными электродами коаксиальной формы.
Фиг.8, 9 - конструкция измерительного преобразователя напряжения с разомкнутыми электродами коаксиальной формы для встраивания на провод.
Фиг.10 - конструкция измерительного преобразователя напряжения с разомкнутыми электродами планарной формы для встраивания на провод.
Осуществление полезной модели
Электрическая схема устройства приведена на Фиг. 1-2, где С1 это емкость между электродами 1 и 2, С2 это емкость между электродами 1 и 4, С12 это емкость между электродами 2 и 4, 6 - нагрузочное сопротивление, 7 - аналоговый или цифровой модуль обработки сигнала. Конструкция устройства приведена на фиг. 3-9 и включает высоковольтный электрод 1, и измерительный электрод 2, диэлектрический каркас 3, измерительный и/или экранирующий электрод 4, экранированный провод 5, нагрузочное сопротивление 6 и электронный модуль обработки 7.
Измерительные электроды коаксиальной формы 2 и 4 выполнены из токопроводящей ленты, и размещены на каркасе из диэлектрического материала с высокой относительной диэлектрической проницаемостью 3. При увеличении емкости С12 между измерительными электродами 2 и 4, измерение напряжения осуществляется дифференциальным методом и позволяет проводить измерение без заземления. В качестве материала каркаса применен композит с высокой диэлектрической проницаемостью и с минимальным температурным коэффициентом. Жила провода 5 соединена с кольцевым электродом 2, оплетка провода соединена с экраном 4. Части 1, 2, 3, 4, 5 залиты в корпусе из полимерного диэлектрического материала. Коаксиальная форма электродов обеспечивает минимизацию влияния паразитных емкостей сторонних проводников на передаточную функцию преобразователя.
Конструкция разомкнутого типа выполнена с дополнительным зазором высоковольтного электрода 1, измерительного электрода 2, диэлектрического каркаса 3, экранирующего электрода 4, с шириной достаточной для встраивания на провод или кабель требуемого диаметра. Высоковольтный электрод 1 имеет электрический контакт с проводом воздушной линии или кабелем.
Планарная конструкция преобразования представляет собой многослойный набор из подложек с нанесенными на них электропроводящими контурами электродов, выполняющих измерение электрического поля вокруг проводника.
Конструктивно корпус преобразования обеспечивает относительную фиксацию высоковольтного электродов 1 и диэлектрического каркаса 3 с электродами 2, 4. Это обеспечивает постоянное значение емкости С1, С2, С12 и, соответственно, стабильность передаточной функции.
Развитием полезной модели предполагается возможность реализации исполнений устройства:
Применением конструкции электродов коаксиальной формы, при этом электрод 4 выступает экранирующим и перекрывает электрод 2 по ширине, и высокое значение взаимной емкости С12 достигается применением тонкопленочной изоляции с высокой диэлектрической проницаемостью.
Применением конструкции электродов планарной формы, при этом электроды 2 и 4 расположены в одной плоскости в виде параллельной структуры электропроводящего слоя на плоском диэлектрическом каркасе, перпендикулярной оси токопровода, и высокое значение взаимной емкости С12 достигается применением тонкопленочной изоляции с высокой диэлектрической проницаемостью.
Применением конструкции с наличием двух и более измерительных электродов 2 планарной формы, размещенных на едином диэлектрическом каркасе 3, соединенных параллельно, и залитых в общем корпусе из полимерного диэлектрического материала.
Применением конструкции с наличием двух и более измерительных электродов 2 коаксиальной формы, размещенных на едином диэлектрическом каркасе 3 с общим экранирующим электродом 4, соединенных с отдельными проводниками 5 и нагрузочными сопротивлениями 6, и залитых в общем корпусе из полимерного диэлектрического материала, обеспечивающих работу каналов измерения с различными динамическими и частотными диапазонами измерения.
Применением конструкции с применением встроенного токопровода в качестве высоковольтного электрода 1.
Применением конструкции с наличием зазора для встраивания на провод в конструкции высоковольтного электрода 8, электродов 2 и 4, диэлектрического каркаса 3.
Применением конструкции с применением активного аналогового модуля обработки сигнала 7 с использованием аналоговой схемы усиления сигнала на базе прецизионных операционных усилителей.
Применением конструкции с применением цифрового модуля обработки сигнала 7 с использованием цифровой обработки сигнала на базе аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера.