Высоковольтное многофункциональное измерительное устройство

Область техники
Полезная модель относится к области электроизмерительной техники и может найти применение в электрических сетях среднего и высокого напряжения для измерения параметров электрической энергии в системах учета электроэнергии, измерения показателей качества электроэнергии, определения места повреждения и релейной защиты на основе синхронных векторных измерений.
Уровень техники
Известно устройство автономного регистратора тока и напряжения в высоковольтной цепи (RU144522U1), которое использует в качестве датчика тока измерительный шунт и датчика напряжения резистивный делитель напряжения, при этом выходы датчиков подключены ко входам двух аналого-цифровых преобразователей, и использующее беспроводной приёмопередатчик. К недостаткам данного устройства относятся: необходимость разрыва линии при монтаже, ограниченный частотный диапазон и необходимость заземления резистивного делителя напряжения, отсутствие точной синхронизации векторов токов и напряжений в трехфазной сети.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство, предназначенное для измерения активной электрической энергии и мощности в трехфазных электрических цепях переменного тока с изолированной нейтралью, размещаемое непосредственно на опоре воздушной линии (высоковольтные счетчики электрической энергии РиМ 384, https://www.ao-rim.ru/cat_cnt_rim384). Устройство состоит из двух автономных блоков со встроенными датчиками тока и напряжения, цифровым электронным модулем и беспроводными приемо-передатчиками. Устройство осуществляет измерение двух фазных токов и двух линейных напряжения, учет электроэнергии по схеме Арона. К недостаткам данного устройства относятся: наличие погрешностей учета электроэнергии с сетях глухозаземлённой нейтралью или с резистивным заземлением нейтрали, отсутствие измерений трех фазных напряжений и токов для задач телеметрии, необходимость дополнительных принадлежностей для монтажа на провод различного диаметра, необходимость сборки наружного кожуха.
Раскрытие полезной модели
Технический результат достигается в конструкции устройства, обеспечивающего встраивание в воздушную линию электропередач без разрыва проводника, высокую точность измерения в широком динамическом, частотном и температурном диапазонах, высокую надежность работы.
Возможность встраивания устройства в линию обеспечивается совмещенной конструкцией измерительных преобразователей (датчиков) тока и напряжения с установочным зазором, размещенных в герметичной диэлектрическом корпусе с фиксирующей заглушкой.
Высокая точность измерения тока и напряжения в широком динамическом диапазоне обеспечивается применением комбинации измерительных преобразователей тока и напряжения с малой погрешностью линейности коэффициента преобразования в расширенном диапазоне измерения тока и напряжения.
Высокая точность измерения тока и напряжения в частотном диапазоне обеспечивается применением комбинации измерительных преобразователей тока и напряжения с единичной амплитудно-частотной характеристикой в расширенном диапазоне частот.
Высокая точность измерения тока и напряжения в широком температурном диапазоне обеспечивается применением программной компенсации встроенным модулем цифровой обработки с высокоточным датчиком температуры.
Технический результат повышения надежности работы устройства достигается минимизацией длины аналоговых сигнальных цепей за счет встраивания модуля цифровой обработки в корпус устройства и передачи измерительной информации, по крайней мере, по двум беспроводным каналам.
Высоковольтное измерительное устройство, которое имеет конструкцию с зазором для встраивания провода воздушной линии, и включает встроенные измерительные преобразователи (датчики) тока 1 и 2, измерительные преобразователи (датчики) напряжения 3, модуль цифровой обработки  4, модуль питания 5, наружную и/или встроенную антенну 6, размещенные в корпусе из полимерного диэлектрического материала 7, заполненного компаундом-герметиком 8, при этом измерительные преобразователи тока 1 и 2, выполненные в виде секционированных поясов Роговского, состоящих из последовательно соединенных катушек индуктивности, размещенных равномерно на диэлектрическом каркасе с зазором, и измерительные преобразователи напряжения 3, выполненные в виде емкостных датчиков электрического поля с дифференциальным входом, состоящих из электродов коаксиальной формы, размещенных на диэлектрическом каркасе с зазором, соединены с входом модуля цифровой обработки 4, включающего интегральную схему аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигнала 4-1, микроконтроллер 4-2, приемник спутниковых сигналов 4-3, беспроводной приемопередатчик 4-4, и выходом модуля питания 5,  состоящего из высоковольтного конденсатора С3 и импульсного преобразователя напряжения 5-1 c ионистором, при этом устройство осуществляет синхронизацию измерительной информации и времени с аналогичными устройствами по беспроводным каналам.
Заявленное устройство отличается от ближайшего аналога:
применением конструкции устройства, осуществляющего измерение фазных токов и напряжений, расчет мощностей и накопленной электроэнергии с высокой точностью в сетях с различными видами заземления нейтрали;
применением конструкции, обеспечивающий упрощенный монтаж без наружного кожуха и дополнительных принадлежностей для монтажа на провод различного диаметра;
применением конструкции с дополнительным функционалом синхронных векторных измерений и определения места повреждения.
Описание чертежей
Далее полезная модель будет подробно описана со ссылками на чертежи с помощью не ограничивающих полезную модель иллюстративных вариантов осуществления полезной модели, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначаются аналогичные элементы.
Фиг.1 - блок-схема высоковольтного измерительного устройства заземляемой конструкции и питанием от электрического поля токопровода.
Фиг.2 - блок-схема высоковольтного измерительного устройства незаземляемой конструкции и питанием от магнитного поля токопровода.
Фиг.3 - конструкция высоковольтного измерительного устройства.
Фиг.4 - конструкция регулируемой заглушки.
Осуществление полезной модели
Блок-схема устройства приведена на Фиг. 1 и 2, которая включает измерительные преобразователи (датчики) тока 1 и 2, измерительные преобразователи (датчик) напряжения 3, модуль цифровой обработки 4, модуль питания 5, наружную и/или встроенную антенну 6, размещенные в корпусе из полимерного диэлектрического материала 7, заполненного компаундом-герметиком 8.
Измерительные преобразователи тока 1 и 2 выполнены на базе пояса Роговского и/или магниторезистивного датчика тока, обеспечивающие различные динамические и частотные диапазоны измерения. Пояс Роговского выполнен из прецизионных катушек индуктивности, соединенных последовательно, равномерно размещенных в диэлектрическом каркасе с зазором для встраивания провода. Магниторезистивный датчик тока выполнен из трех или более магниторезистивных сенсоров, размещенных печатной плате, форма которой имеет зазор для встраивания провода. Применение магниторезистивного сенсора обеспечивает возможность измерения апериодической составляющей тока для задач защиты.
Измерительные преобразователи напряжения 3 выполнены на базе емкостных датчиков электрического поля с дифференциальным входом, состоящих из электродов коаксиальной формы. С1 это емкость между электродами 3-1 и 3-2, С2 это емкость между электродами 3-1 и 3-4, С12 это емкость между электродами 3-2 и 3-4. Конструкция устройства приведена на фиг. 3 и включает высоковольтный электрод 3-1, и, по крайней мере, один измерительный электрод 3-2, диэлектрический каркас 3-3, измерительный и/или экранирующий электрод 3-4, экранированный провод 3-5.  Измерительные электроды имеют различные динамический и частотный диапазоны измерения сигнала напряжения для задач измерения, защиты и/или определения места повреждения.
Модуль цифровой обработки 4, включает интегральную схему аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигнала 4-1, микроконтроллер 4-2, приемник спутниковых сигналов 4-3, беспроводной приемопередатчик ближнего и дальнего радиуса действия 4-4. Схема цифровой обработки сигнала 4-1 обеспечивает аналоговую и цифровую обработку сигналов тока и напряжения. Микроконтроллер 4-2 обеспечивает обработку, управление и хранение измерительной информации. Приемник спутниковых сигналов 4-3 обеспечивает определение местоположения и точную синхронизацию времени для задач синхронных векторных измерений и определения места повреждения. Определение места повреждения реализуется на базе двухстороннего волнового метода с фиксацией времени обнаружения начала переходного процесса в канале измерения напряжения.
Беспроводной приемопередатчик ближнего радиуса действия 4-4 с частотой сигнала более 1 ГГц обеспечивает обмен данных между устройствами, установленными на каждом из фазных проводов. Беспроводной приемопередатчик дальнего радиуса действия с частотой сигнала до 1 ГГц обеспечивает передачу или ретрансляцию данных от устройства до устройства сбора или до следующего устройства, расположенного в радиусе действия сигнала приемопередатчика. Таким образом, организуется сеть из устройств с передачи данных от каждого из устройств до общего шлюза, связанного прямым проводным или беспроводным каналами связи с автоматизированной системой мониторинга и управления. Приемопередатчик поддерживает проприетарный протокол беспроводной передачи и/или любой из открытых протоколов связи технологий передачи Bluetooth Low Energy, LPWAN, 6LowPAN, NB-IoT, 4G, 5G.
Модуль питания 5 обеспечивает отбор мощности от высоковольтной сети и преобразование напряжения для осуществления питания цифрового модуля 4. Исполнение модуля 5 с отбором мощности от электрического поля линии состоит из последовательно соединенных высоковольтного конденсатора С3 и импульсного преобразователя напряжения 5-1. Исполнение модуля 5 с отбором мощности от магнитного поля линии состоит из последовательно соединенных размыкаемого трансформатора напряжения Т1 и импульсного преобразователя напряжения 5-2. Импульсные преобразователи напряжения 5-1 и 5-2 включают систему понижения напряжения и резервирования питания на базе ионисторов.
Высоковольтное измерительное устройство незаземляемого исполнения с питанием от магнитного поля токопровода наиболее применимо для работы на линиях высокого класса напряжения. Отсутствие заземления обеспечивает полную гальваническую развязку устройства от земли, при этом модули устройства наиболее компактно размещены на высоком потенциале линии с минимальными изоляционными зазорами.
Конструкция с зазором обеспечивает упрощенный монтаж устройства без разрыва токопровода. Фиксация устройства на проводе различного диаметра осуществляется при помощи регулируемой заглушки Фиг. 4. Конструкция заглушки состоит из корпуса 10, ходового винта 11 и ползуна 12. При вращении ходового винта 11 происходит поступательное движение ползуна 12 вниз с равномерным прижимом изолированного или неизолированного провода к контактной пластине. При этом контактная пластина снабжена ножом для прокола изоляции изолированного провода.
Развитие полезной модели предполагается возможность реализации исполнений устройства:
применение в качестве измерительного преобразователя тока 1 и 2 магниторезистивных сенсоров, обеспечивающего измерение постоянной и переменной составляющих тока;
применение в качестве модуля питания 5 размыкаемого трансформатора напряжения Т1 и импульсного преобразователя напряжения 5-2;
применение дополнительных датчиков неэлектрических величин: датчика температуры, датчика провиса провода, датчика вибрации, датчика скорости ветра;
применение конструкции фиксирующей заглушки 10, включающей ходовой винт 11 и ползун 12, осуществляющих прижим провода в контактной пластине 13.